イタリアのLPEの200mm SICエピタキシャル技術の進歩

導入

SiC は、高温安定性、広いバンドギャップ、高い破壊電界強度、高い熱伝導率などの優れた電子特性により、多くの用途で Si よりも優れています。現在、SiC 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) のスイッチング速度の高速化、動作温度の上昇、熱抵抗の低下により、電気自動車の牽引システムの可用性が大幅に向上しています。 SiC ベースのパワーデバイスの市場は、過去数年間で非常に急速に成長しました。そのため、高品質で欠陥がなく均一な SiC 材料の需要が高まっています。

過去数十年にわたって、4H-SiC 基板サプライヤーは、(同じ結晶品質を維持しながら) ウェーハ直径を 2 インチから 150 mm にスケールアップすることができました。現在、SiC デバイスのウェハ サイズは 150 mm が主流であり、デバイス単位あたりの生産コストを削減するために、一部のデバイス メーカーは初期段階で 200 mm のファブを設立しています。この目標を達成するには、市販の 200 mm SiC ウェーハの必要性に加えて、均一な SiC エピタキシーを実行する機能も強く求められています。したがって、高品質の 200 mm SiC 基板を入手した後の次の課題は、これらの基板上で高品質のエピタキシャル成長を実行することになります。 LPE は、最大 200 mm の SiC 基板を処理できるマルチゾーン注入システムを備えた、水平型単結晶ホットウォール全自動 CVD リアクター (PE1O8 という名前) を設計および構築しました。ここでは、150mm 4H-SiC エピタキシーでのパフォーマンスと、200mm エピウェーハでの予備結果を報告します。

結果と考察

PE1O8は、最大200mm SICウェーハを処理するように設計された完全に自動化されたカセットからカセットシステムです。フォーマットは150〜200mmの間に切り替えることができ、ツールのダウンタイムを最小限に抑えることができます。暖房段階の減少は生産性を向上させ、自動化により労働力が低下し、品質と再現性が向上します。効率的かつコスト競争力のあるエピタキシープロセスを確保するために、3つの主な要因が報告されています。1）高速プロセス、2）厚さとドーピングの高い均一性、3）エピタキシープロセス中の欠陥形成を最小限に抑えます。 PE1O8では、小さなグラファイト質量と自動荷重/アンロードシステムにより、標準の実行を75分以内に完了できます（標準の10μmSchottkyダイオードレシピは、30μm/hの成長率を使用します）。自動化されたシステムにより、高温で積み込むことができます。その結果、加熱時間と冷却時間の両方が短く、すでにベーキングステップを抑制しています。このような理想的な条件により、真に非整った素材の成長が可能になります。

装置のコンパクトさとその 3 チャンネル注入システムにより、ドーピングと膜厚均一性の両方において高いパフォーマンスを備えた多用途システムが実現します。これは数値流体力学 (CFD) シミュレーションを使用して実行され、150 mm と 200 mm の基板フォーマットで同等のガス流量と温度の均一性が確保されました。図 1 に示すように、この新しい注入システムは、成膜チャンバーの中央部と側面部にガスを均一に供給します。ガス混合システムにより、局所的に分布するガス化学の変化が可能になり、エピタキシャル成長を最適化するための調整可能なプロセスパラメータの数がさらに拡大します。

図1基板の10 mm上にある平面のPE1O8プロセスチャンバーのガス速度の大きさ（上）とガス温度（下）。

その他の機能には、フィードバック制御アルゴリズムを使用してパフォーマンスを平滑化し、回転速度を直接測定する改良されたガス回転システムと、温度制御用の新世代 PID が含まれます。エピタキシープロセスパラメータ。 n型4H-SiCエピタキシャル成長プロセスはプロトタイプチャンバーで開発されました。トリクロロシランとエチレンはシリコンと炭素原子の前駆体として使用されました。 H2 をキャリアガスとして使用し、窒素を n 型ドーピングに使用しました。 Si面を有する市販の150mm SiC基板と研究グレードの200mm SiC基板を使用して、厚さ6.5μmの1×1016cm-3 nドープ4H-SiCエピ層を成長させた。基板表面は、高温でＨ ２ 流を使用してその場でエッチングされた。このエッチングステップの後、低い成長速度および低いＣ／Ｓｉ比を使用してｎ型バッファ層を成長させ、平滑層を準備した。このバッファ層の上に、より高い C/Si 比を使用して、高い成長速度 (30μm/h) で活性層が堆積されました。開発されたプロセスは、ST のスウェーデン施設に設置された PE1O8 反応器に移されました。 150mm と 200mm のサンプルには同様のプロセス パラメーターとガス分布が使用されました。利用可能な 200 mm 基板の数が限られているため、成長パラメータの微調整は将来の研究に延期されました。

サンプルの見かけの厚さとドーピング性能は、それぞれFTIRおよびCV水銀プローブによって評価されました。表面の形態は、Nomarskiの微分干渉コントラスト（NDIC）顕微鏡で調査され、てんかんの欠陥密度はCandelaによって測定されました。予備的な結果。プロトタイプチャンバーで処理された150 mmおよび200 mmのエピタキシルに成長したサンプルのドーピングと厚さの均一性の予備的な結果を図2に示します。 ）それぞれ0.4％と1.4％の低さ、ドーピングの変動（σ平均）は1.1％と5.6％です。固有のドーピング値は約1×1014 cm-3でした。

図 2 200 mm および 150 mm エピウェーハの厚さとドーピング プロファイル。

プロセスの再現性は、実行ごとの変動を比較することによって調査され、その結果、厚さの変動は 0.7% 程度、ドーピングの変動は 3.1% 程度でした。図 3 に示すように、新しい 200 mm プロセスの結果は、以前に PE1O6 リアクターによって 150 mm で得られた最先端の結果と同等です。

図 3 プロトタイプチャンバーで処理した 200mm サンプル（上）と PE1O6 で製造した最先端の 150mm サンプル（下）の層ごとの厚さとドーピングの均一性。

サンプルの表面形態に関しては、NDIC 顕微鏡検査により、顕微鏡の検出範囲未満の粗さを持つ滑らかな表面が確認されました。 PE1O8の結果。次いで、プロセスをPE1O8反応器に移した。 200mm エピウェーハの厚さとドーピングの均一性を図 4 に示します。エピ層は基板表面に沿って均一に成長し、厚さとドーピングのばらつき (σ/平均) はそれぞれ 2.1% と 3.3% と低くなります。

図 4 PE1O8 リアクター内の 200 mm エピウェーハの厚さとドーピング プロファイル。

エピタキシャル成長させたウェーハの欠陥密度を調べるためにカンデラを使用しました。図に示すように。 150mm および 200mm のサンプルでは、​​それぞれ 1.43 cm-2 および 3.06 cm-2 という低い総欠陥密度 5 が達成されました。したがって、エピタキシー後の総有効面積 (TUA) は、150 mm および 200 mm のサンプルでそれぞれ 97% と 92% と計算されました。これらの結果は数回の実行後にのみ達成されたものであり、プロセス パラメーターを微調整することでさらに改善できることは言及する価値があります。

図5厚さ6μmの200mm（左）およびPE1O8で栽培された150mm（右）エピワファーのカンデラ欠陥マップ。

結論

このペーパーでは、新しく設計されたPE1O8ホットウォールCVD反応器と、200mm基質で均一な4H-SICエピタキシーを実行する能力を紹介します。 200mmの予備的な結果は非常に有望であり、厚さの変動はサンプル表面全体で2.1％という低く、ドーピング性能の変動はサンプル表面で3.3％です。エピタキシー後のTUAは、それぞれ150mmおよび200mmサンプルでそれぞれ97％と92％であると計算され、200mmのTUAは、より高い基質の品質で将来改善すると予測されています。ここで報告されている200mmの基質の結果がいくつかのテストに基づいていることを考慮すると、150mmサンプルの最新の結果にすでに近い結果をさらに改善することが可能であると考えています。成長パラメーターの微調整。