Osiąganie wysokiej jakości wzrostu kryształów SiC poprzez kontrolę gradientu temperatury w początkowej fazie wzrostu

Wstęp

Węglik krzemu (SiC) to materiał półprzewodnikowy o szerokiej przerwie wzbronionej, który w ostatnich latach wzbudził duże zainteresowanie ze względu na jego wyjątkową wydajność w zastosowaniach wysokiego napięcia i wysokiej temperatury. Szybki rozwój metod fizycznego transportu pary (PVT) nie tylko poprawił jakość monokryształów SiC, ale także z powodzeniem umożliwił wytworzenie monokryształów SiC o średnicy 150 mm. Jednak jakośćPłytki SiCnadal wymaga dalszego udoskonalenia, szczególnie pod względem zmniejszenia gęstości defektów. Powszechnie wiadomo, że w hodowanych kryształach SiC występują różne defekty, głównie z powodu niewystarczającego zrozumienia mechanizmów powstawania defektów podczas procesu wzrostu kryształów SiC. Konieczne są dalsze szczegółowe badania procesu wzrostu PVT, aby zwiększyć średnicę i długość kryształów SiC, jednocześnie zwiększając szybkość krystalizacji, przyspieszając w ten sposób komercjalizację urządzeń na bazie SiC. Aby osiągnąć wysokiej jakości wzrost kryształów SiC, skupiliśmy się na kontroli gradientu temperatury w początkowej fazie wzrostu. Ponieważ gazy bogate w krzem (Si, Si2C) mogą uszkodzić powierzchnię kryształów zaszczepiających w początkowej fazie wzrostu, ustaliliśmy różne gradienty temperatury na początkowym etapie i dostosowaliśmy je do warunków temperaturowych stałego stosunku C/Si podczas głównego procesu wzrostu. W tym badaniu systematycznie bada się różne cechy kryształów SiC hodowanych przy użyciu zmodyfikowanych warunków procesu.

Metody eksperymentalne

Wzrost 6-calowych kulek 4H-SiC przeprowadzono metodą PVT na podłożach o powierzchni C odsuniętej od osi 4°. Zaproponowano ulepszone warunki procesu dla początkowej fazy wzrostu. Temperaturę wzrostu ustawiono pomiędzy 2300-2400°C, a ciśnienie utrzymywano na poziomie 5-20 torów, w środowisku gazowego azotu i argonu. 6-calowyPłytki 4H-SiCzostały wyprodukowane przy użyciu standardowych technik przetwarzania półprzewodników. ThePłytki SiCpoddano obróbce zgodnie z różnymi warunkami gradientu temperatury w początkowej fazie wzrostu i wytrawiono w temperaturze 600°C przez 14 minut w celu oceny defektów. Gęstość wżerów po trawieniu (EPD) mierzono za pomocą mikroskopu optycznego (OM). Pełna szerokość przy połowie wartości maksymalnych (FWHM) i obrazy mapujące6-calowe płytki SiCmierzono przy użyciu systemu dyfrakcji promieni rentgenowskich o wysokiej rozdzielczości (XRD).

Wyniki i dyskusja

Rysunek 1: Schemat mechanizmu wzrostu kryształów SiC

Aby osiągnąć wysokiej jakości wzrost monokryształów SiC, zazwyczaj konieczne jest stosowanie źródeł proszku SiC o wysokiej czystości, precyzyjna kontrola stosunku C/Si oraz utrzymywanie stałej temperatury i ciśnienia wzrostu. Dodatkowo kluczowe znaczenie ma minimalizacja utraty kryształów zaszczepiających i zapobieganie tworzeniu się defektów powierzchniowych na kryształach zaszczepiających w początkowej fazie wzrostu. Rysunek 1 ilustruje schemat mechanizmu wzrostu kryształów SiC w tym badaniu. Jak pokazano na rysunku 1, gazy parowe (ST) są transportowane na powierzchnię kryształu zaszczepiającego, gdzie dyfundują i tworzą kryształ. Niektóre gazy nie biorące udziału we wzroście (ST) desorbują z powierzchni kryształu. Kiedy ilość gazu na powierzchni kryształów zaszczepiających (SG) przekracza ilość zdesorbowanego gazu (SD), proces wzrostu przebiega dalej. Dlatego zbadano odpowiedni stosunek gaz (SG)/gaz (SD) podczas procesu wzrostu, zmieniając położenie cewki grzewczej RF.

Rysunek 2: Schemat warunków procesu wzrostu kryształów SiC

Rysunek 2 przedstawia schemat warunków procesu wzrostu kryształów SiC w tym badaniu. Typowa temperatura procesu wzrostu mieści się w zakresie od 2300 do 2400°C, przy ciśnieniu utrzymywanym na poziomie 5 do 20 torów. Podczas procesu wzrostu gradient temperatury utrzymuje się na poziomie dT=50~150°C ((a) metoda konwencjonalna). Czasami nierównomierne dostarczanie gazów źródłowych (Si2C, SiC2, Si) może skutkować wadami ułożenia, wtrąceniami wielotypowymi, a tym samym pogorszeniem jakości kryształów. Dlatego w początkowej fazie wzrostu, poprzez zmianę położenia cewki RF, dT było dokładnie kontrolowane w zakresie 50~100°C, a następnie dostosowywane do dT=50~150°C podczas głównego procesu wzrostu ((b) ulepszona metoda) . Aby kontrolować gradient temperatury (dT[°C] = Tbottom-Tupper), temperaturę dolną ustalono na 2300°C, a temperaturę górną ustawiono w zakresie od 2270°C, 2250°C, 2200°C do 2150°C. Tabela 1 przedstawia obrazy z mikroskopu optycznego (OM) powierzchni kulki SiC hodowanej w różnych warunkach gradientu temperatury po 10 godzinach.

Tabela 1: Obrazy z mikroskopu optycznego (OM) powierzchni kulki SiC hodowanej przez 10 i 100 godzin w różnych warunkach gradientu temperatury

Przy początkowej temperaturze dT=50°C gęstość defektów na powierzchni kulki SiC po 10 godzinach wzrostu była znacząco niższa niż przy dT=30°C i dT=150°C. Przy dT=30°C początkowy gradient temperatury może być zbyt mały, co powoduje utratę kryształów zaszczepiających i powstawanie defektów. I odwrotnie, przy wyższym początkowym gradiencie temperatury (dT=150°C) może wystąpić niestabilny stan przesycenia, prowadzący do wtrąceń politypowych i defektów na skutek dużej koncentracji wakatów. Jeśli jednak zoptymalizowany zostanie początkowy gradient temperatury, można osiągnąć wysokiej jakości wzrost kryształów, minimalizując powstawanie początkowych defektów. Ponieważ gęstość defektów na powierzchni kulki SiC po 100 godzinach wzrostu była podobna do wyników po 10 godzinach, ograniczenie powstawania defektów w początkowej fazie wzrostu jest krytycznym krokiem w uzyskaniu wysokiej jakości kryształów SiC.

Tabela 2: Wartości EPD wytrawionych kulek SiC w warunkach różnych gradientów temperatury

Wafleprzygotowane z kulek hodowanych przez 100 godzin zostały wytrawione w celu zbadania gęstości defektów kryształów SiC, jak pokazano w Tabeli 2. Wartości EPD kryształów SiC hodowanych w początkowej temperaturze dT=30°C i dT=150°C wyniosły 35 880/cm² i 25 660 /cm², natomiast wartość EPD kryształów SiC hodowanych w zoptymalizowanych warunkach (dT=50°C) znacznie spadła do 8560/cm².

Tabela 3: Wartości FWHM i obrazy mapowania XRD kryształów SiC w różnych warunkach początkowego gradientu temperatury

Tabela 3 przedstawia wartości FWHM i obrazy mapowania XRD kryształów SiC hodowanych w różnych warunkach początkowego gradientu temperatury. Średnia wartość FWHM kryształów SiC hodowanych w zoptymalizowanych warunkach (dT=50°C) wyniosła 18,6 sekundy łukowej, czyli znacznie mniej niż kryształów SiC hodowanych w innych warunkach gradientu temperatury.

Wniosek

Wpływ gradientu temperatury początkowej fazy wzrostu na jakość kryształów SiC badano kontrolując gradient temperatury (dT[°C] = Tbottom-Tupper) poprzez zmianę położenia cewki. Wyniki wykazały, że gęstość defektów na powierzchni kulki SiC po 10 godzinach wzrostu w warunkach początkowych dT=50°C była znacznie niższa niż w warunkach dT=30°C i dT=150°C. Średnia wartość FWHM kryształów SiC hodowanych w zoptymalizowanych warunkach (dT=50°C) wyniosła 18,6 sekundy łukowej, znacznie mniej niż kryształów SiC hodowanych w innych warunkach. Oznacza to, że optymalizacja początkowego gradientu temperatury skutecznie ogranicza powstawanie początkowych defektów, zapewniając w ten sposób wysokiej jakości wzrost kryształów SiC.**