意大利LPE公司200mm碳化硅外延技术进展

引言

SiC在许多应用中都优于Si，因为它具有优异的电子性能，如高温稳定性、宽带隙、高击穿电场强度和高导热性。如今，由于SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）具有更高的开关速度、更高的工作温度和更低的热阻，电动汽车牵引系统的可用性正在得到显著改善。在过去的几年里，SiC基功率器件的市场增长非常迅速；因此，对高质量、无缺陷和均匀的SiC材料的需求增加了。

在过去的几十年里，4H-SiC衬底供应商能够将晶片直径从2英寸扩大到150毫米（保持相同的晶体质量）。如今，SiC器件的主流晶圆尺寸为150毫米，而为了降低每单位器件的生产成本，一些器件制造商正处于建立200毫米晶圆厂的早期阶段。为了实现这一目标，除了需要市售的200mm SiC晶片之外，还高度要求进行均匀SiC外延的能力。因此，在获得质量良好的200mm SiC衬底后，下一个挑战将是在这些衬底上进行高质量的外延生长。LPE设计并制造了一个水平的单晶热壁全自动CVD反应器（名为PE1O8），该反应器配备了多区注入系统，能够处理多达200mm的SiC衬底。在此，我们报道了其在150mm 4H-SiC外延上的性能以及200mm外延晶片的初步结果。

结果和讨论

PE1O8是一种全自动的暗盒到暗盒系统，设计用于处理多达200mm的SiC晶片。可以在150和200毫米之间切换格式，从而最大限度地减少工具停机时间。加热阶段的减少提高了生产力，同时自动化减少了人工，提高了质量和可重复性。为了确保高效且具有成本竞争力的外延工艺，报告了三个主要因素：1）快速工艺，2）厚度和掺杂的高均匀性，3）在外延工艺过程中最大限度地减少缺陷形成。在PE1O8中，小石墨质量和自动加载/卸载系统允许在不到75分钟的时间内完成一次标准运行（标准的10μm肖特基二极管配方使用30μm/h的生长速率）。自动系统允许在高温下装载/卸载。因此，加热和冷却时间都很短，同时已经抑制了烘烤步骤。这种理想的条件允许生长真正的未掺杂材料。

该设备及其三通道注入系统的紧凑性导致了一个在掺杂和厚度均匀性方面都具有高性能的通用系统。这是通过计算流体动力学（CFD）模拟进行的，以确保150毫米和200毫米基板形式的气体流量和温度均匀性相当。如图1所示，这种新的注入系统在沉积室的中央和横向部分均匀地输送气体。气体混合系统能够改变局部分布的气体化学成分，进一步扩大可调工艺参数的数量，以优化外延生长。

图1 PE1O8工艺室中位于衬底上方10mm的平面上的模拟气体速度大小（顶部）和气体温度（底部）。

其他特征包括改进的气体旋转系统，该系统使用反馈控制算法来平滑性能并直接测量转速，以及用于温度控制的新一代PID。外延工艺参数。在原型室中开发了n型4H-SiC外延生长工艺。三氯硅烷和乙烯被用作硅和碳原子的前体；使用H2作为载气，使用氮气进行n型掺杂。Si面商用150mm SiC衬底和研究级200mm SiC衬底用于生长6.5μm厚的1×1016cm-3 n掺杂4H-SiC外延层。在升高的温度下使用H2流对衬底表面进行原位蚀刻。在该蚀刻步骤之后，使用低生长速率和低C/Si比生长n型缓冲层以制备光滑层。在该缓冲层的顶部，使用更高的C/Si比沉积高生长速率（30μm/h）的活性层。然后将开发的工艺转移到安装在ST瑞典工厂的PE1O8反应器中。相似的工艺参数和气体分布用于150mm和200mm的样品。由于可用的200mm衬底数量有限，生长参数的微调被推迟到未来的研究中。

通过FTIR和CV汞探针分别评估了样品的表观厚度和掺杂性能。通过Nomarski差分干涉对比（NDIC）显微镜研究了表面形貌，并通过Candela测量了外延层的缺陷密度。初步结果。在原型室中处理的150mm和200mm外延生长样品的掺杂和厚度均匀性的初步结果如图2所示。外延层沿150mm和200mm衬底表面均匀生长，厚度变化（σ/平均值）分别低至0.4%和1.4%，掺杂变化（σ-平均值）低至1.1%和5.6%。本征掺杂值约为1×1014cm-3。

图2 200mm和150mm外延晶片的厚度和掺杂分布。

通过比较运行与运行的变化来研究工艺的可重复性，导致厚度变化低至0.7%，掺杂变化低至3.1%。如图3所示，新的200mm工艺结果与之前通过PE1O6反应器在150mm上获得的现有技术结果相当。

图3 由原型室（顶部）处理的200mm样品和由PE1O6（底部）制造的最先进的150mm样品的逐层厚度和掺杂均匀性。

关于样品的表面形态，NDIC显微镜证实了光滑的表面，其粗糙度低于显微镜的可检测范围。PE1O8结果。然后将该过程转移到PE1O8反应器中。200mm外延晶片的厚度和掺杂均匀性如图4所示。外延层沿着衬底表面均匀生长，厚度和掺杂变化（σ/平均值）分别低至2.1%和3.3%。

图4 PE1O8反应器中200mm外延晶片的厚度和掺杂分布。

为了研究外延生长晶片的缺陷密度，使用了坎德拉。如图所示。在150mm和200mm的样品上分别实现了低至1.43cm-2和3.06cm-2的5个总缺陷密度。因此，对于150mm和200mm的样品，外延之后的总可用面积（TUA）分别计算为97%和92%。值得一提的是，这些结果只有在几次运行后才能实现，并且可以通过微调工艺参数来进一步改进。

图5 PE1O8生长的6μm厚200mm（左）和150mm（右）外延晶片的坎德拉缺陷图。

结论

本文介绍了新设计的PE1O8热壁CVD反应器及其在200mm衬底上进行均匀4H-SiC外延的能力。在200mm上的初步结果非常有希望，在样品表面上的厚度变化低至2.1%，而在样品表面的掺杂性能变化低至3.3%。对于150mm和200mm的样品，外延后的TUA分别计算为97%和92%，而在200mm的TUA将来具有更高的衬底质量的情况下，预测会有所改善。考虑到本文报道的200mm衬底上的结果是基于少数几组测试，我们相信通过微调生长参数，有可能进一步改善已经接近150mm样品上的现有技术结果的结果。