L'entreprise italienne LPE progresse dans la technologie épitaxiale SiC de 200 mm

Introduction

Le SiC est supérieur au Si dans de nombreuses applications en raison de ses propriétés électroniques supérieures telles que la stabilité à haute température, la large bande interdite, l'intensité élevée du champ électrique de claquage et la conductivité thermique élevée. Aujourd'hui, la disponibilité des systèmes de traction pour véhicules électriques est considérablement améliorée en raison des vitesses de commutation plus élevées, des températures de fonctionnement plus élevées et de la plus faible résistance thermique des transistors à effet de champ à semi-conducteurs à oxyde métallique SiC (MOSFET). Le marché des dispositifs de puissance basés sur SiC a connu une croissance très rapide au cours des dernières années ; par conséquent, la demande de matériaux SiC de haute qualité, sans défauts et uniformes a augmenté.

Au cours des dernières décennies, les fournisseurs de substrats 4H-SiC ont pu augmenter le diamètre des plaquettes de 2 pouces à 150 mm (en conservant la même qualité cristalline). Aujourd'hui, la taille courante des plaquettes pour les dispositifs SiC est de 150 mm, et afin de réduire le coût de production par unité de dispositif, certains fabricants d'appareils en sont aux premiers stades de la création d'usines de fabrication de 200 mm. Pour atteindre cet objectif, outre la nécessité de disposer de tranches de SiC de 200 mm disponibles dans le commerce, la capacité de réaliser une épitaxie SiC uniforme est également hautement souhaitée. Par conséquent, après avoir obtenu des substrats SiC de 200 mm de bonne qualité, le prochain défi sera de réaliser une croissance épitaxiale de haute qualité sur ces substrats. LPE a conçu et construit un réacteur CVD horizontal monocristallin à paroi chaude entièrement automatisé (nommé PE1O8) équipé d'un système d'implantation multizone capable de traiter des substrats SiC jusqu'à 200 mm. Nous rapportons ici ses performances sur l'épitaxie 4H-SiC de 150 mm ainsi que les résultats préliminaires sur des épiwafers de 200 mm.

Résultats et discussion

PE1O8 est un système cassette à cassette entièrement automatisé conçu pour traiter des tranches SiC jusqu'à 200 mm. Le format peut être commuté entre 150 et 200 mm, minimisant ainsi les temps d'arrêt des outils. La réduction des étapes de chauffage augmente la productivité, tandis que l'automatisation réduit la main d'œuvre et améliore la qualité et la répétabilité. Pour garantir un processus d'épitaxie efficace et compétitif, trois facteurs principaux sont pris en compte : 1) un processus rapide, 2) une uniformité élevée de l'épaisseur et du dopage, 3) une formation de défauts minimisée pendant le processus d'épitaxie. Dans le PE1O8, la petite masse de graphite et le système de chargement/déchargement automatisé permettent de réaliser une analyse standard en moins de 75 minutes (une recette de diode Schottky standard de 10 μm utilise un taux de croissance de 30 μm/h). Le système automatisé permet le chargement/déchargement à haute température. En conséquence, les temps de chauffage et de refroidissement sont courts, tout en supprimant déjà l'étape de cuisson. De telles conditions idéales permettent la croissance de matériaux véritablement non dopés.

La compacité de l'équipement et son système d'injection à trois canaux permettent d'obtenir un système polyvalent offrant de hautes performances en matière de dopage et d'uniformité d'épaisseur. Cela a été réalisé à l'aide de simulations de dynamique des fluides informatiques (CFD) pour garantir une uniformité comparable du débit de gaz et de la température pour les formats de substrat de 150 mm et 200 mm. Comme le montre la figure 1, ce nouveau système d'injection délivre du gaz de manière uniforme dans les parties centrale et latérales de la chambre de dépôt. Le système de mélange de gaz permet de faire varier la chimie du gaz distribué localement, augmentant ainsi le nombre de paramètres de processus réglables pour optimiser la croissance épitaxiale.

Figure 1 : amplitude de la vitesse du gaz simulée (en haut) et température du gaz (en bas) dans la chambre de traitement PE1O8 sur un plan situé à 10 mm au-dessus du substrat.

Les autres fonctionnalités incluent un système de rotation des gaz amélioré qui utilise un algorithme de contrôle par rétroaction pour lisser les performances et mesurer directement la vitesse de rotation, ainsi qu'une nouvelle génération de PID pour le contrôle de la température. Paramètres du processus d'épitaxie. Un procédé de croissance épitaxiale de 4H-SiC de type n a été développé dans une chambre prototype. Le trichlorosilane et l'éthylène ont été utilisés comme précurseurs des atomes de silicium et de carbone ; H2 a été utilisé comme gaz porteur et l’azote a été utilisé pour le dopage de type N. Des substrats SiC commerciaux de 150 mm à face Si et des substrats SiC de 200 mm de qualité recherche ont été utilisés pour développer des épicouches de 4H-SiC dopées au n de 6,5 µm d'épaisseur, 1 × 1016 cm-3. La surface du substrat a été gravée in situ en utilisant un flux de H2 à température élevée. Après cette étape de gravure, une couche tampon de type n a été développée en utilisant un faible taux de croissance et un faible rapport C/Si pour préparer une couche de lissage. Au-dessus de cette couche tampon, une couche active avec un taux de croissance élevé (30 µm/h) a été déposée en utilisant un rapport C/Si plus élevé. Le procédé développé a ensuite été transféré dans un réacteur PE1O8 installé dans l'usine suédoise de ST. Des paramètres de processus et une distribution de gaz similaires ont été utilisés pour des échantillons de 150 mm et 200 mm. Le réglage fin des paramètres de croissance a été reporté à des études futures en raison du nombre limité de substrats de 200 mm disponibles.

L'épaisseur apparente et les performances de dopage des échantillons ont été évaluées respectivement par sonde à mercure FTIR et CV. La morphologie de la surface a été étudiée par microscopie à contraste interférentiel différentiel Nomarski (NDIC) et la densité des défauts des épicouches a été mesurée par Candela. Résultats préliminaires. Les résultats préliminaires du dopage et de l'uniformité de l'épaisseur d'échantillons épitaxiés de 150 mm et 200 mm traités dans la chambre prototype sont présentés à la figure 2. Les épicouches se sont développées uniformément le long de la surface des substrats de 150 mm et 200 mm, avec des variations d'épaisseur (σ/moyenne). ) aussi faibles que 0,4 % et 1,4 %, respectivement, et des variations de dopage (moyenne σ) aussi faibles que 1,1 % et 5,6 %. Les valeurs de dopage intrinsèques étaient d'environ 1 × 1014 cm-3.

Figure 2 Profils d'épaisseur et de dopage des épiwafers de 200 mm et 150 mm.

La répétabilité du processus a été étudiée en comparant les variations d'un passage à l'autre, aboutissant à des variations d'épaisseur aussi faibles que 0,7 % et des variations de dopage aussi faibles que 3,1 %. Comme le montre la figure 3, les résultats du nouveau procédé 200 mm sont comparables aux résultats de pointe précédemment obtenus sur 150 mm par un réacteur PE1O6.

Figure 3 Épaisseur couche par couche et uniformité du dopage d'un échantillon de 200 mm traité par une chambre prototype (en haut) et d'un échantillon de pointe de 150 mm fabriqué par PE1O6 (en bas).

Concernant la morphologie de surface des échantillons, la microscopie NDIC a confirmé une surface lisse avec une rugosité inférieure à la plage détectable du microscope. Résultats PE1O8. Le procédé a ensuite été transféré dans un réacteur PE1O8. L'épaisseur et l'uniformité du dopage des épiwafers de 200 mm sont illustrées à la figure 4. Les épicouches se développent uniformément le long de la surface du substrat avec des variations d'épaisseur et de dopage (σ/moyenne) aussi faibles que 2,1 % et 3,3 %, respectivement.

Figure 4 Épaisseur et profil de dopage d'une épiwafer de 200 mm dans un réacteur PE1O8.

Pour étudier la densité de défauts des tranches épitaxiées, la candela a été utilisée. Comme le montre la figure. Des densités totales de défauts de 5 aussi faibles que 1,43 cm-2 et 3,06 cm-2 ont été obtenues sur les échantillons de 150 mm et 200 mm, respectivement. La surface totale disponible (TUA) après épitaxie a donc été calculée à 97 % et 92 % pour les échantillons de 150 mm et 200 mm, respectivement. Il convient de mentionner que ces résultats n’ont été obtenus qu’après quelques essais et peuvent être encore améliorés en ajustant les paramètres du processus.

Figure 5 Cartes de défauts Candela de plaques épiwafers de 6 μm d'épaisseur de 200 mm (à gauche) et 150 mm (à droite) cultivées avec du PE1O8.

Conclusion

Cet article présente le nouveau réacteur CVD à paroi chaude PE1O8 et sa capacité à réaliser une épitaxie uniforme 4H-SiC sur des substrats de 200 mm. Les résultats préliminaires sur 200 mm sont très prometteurs, avec des variations d'épaisseur aussi faibles que 2,1 % sur la surface de l'échantillon et des variations de performances de dopage aussi faibles que 3,3 % sur la surface de l'échantillon. Le TUA après épitaxie a été calculé comme étant respectivement de 97 % et 92 % pour les échantillons de 150 mm et 200 mm, et le TUA pour 200 mm devrait s'améliorer à l'avenir avec une qualité de substrat plus élevée. Considérant que les résultats sur des substrats de 200 mm rapportés ici sont basés sur quelques séries de tests, nous pensons qu'il sera possible d'améliorer encore les résultats, qui sont déjà proches des résultats de l'état de l'art sur des échantillons de 150 mm, en affiner les paramètres de croissance.