Opnåelse af højkvalitets SiC-krystalvækst gennem temperaturgradientkontrol i den indledende vækstfase

Indledning

Siliciumcarbid (SiC) er et halvledermateriale med bred båndgab, der har fået stor opmærksomhed i de seneste år på grund af dets enestående ydeevne i højspændings- og højtemperaturapplikationer. Den hurtige udvikling af fysisk damptransport (PVT) metoder har ikke kun forbedret kvaliteten af ​​SiC-enkeltkrystaller, men har også med succes opnået fremstillingen af ​​150 mm SiC-enkeltkrystaller. Men kvaliteten afSiC waferskræver stadig yderligere forbedring, især med hensyn til at reducere defektdensiteten. Det er velkendt, at der findes forskellige defekter i dyrkede SiC-krystaller, primært på grund af en utilstrækkelig forståelse af defektdannelsesmekanismerne under SiC-krystalvækstprocessen. Yderligere dybdegående forskning i PVT-vækstprocessen er nødvendig for at øge diameteren og længden af ​​SiC-krystaller, samtidig med at krystalliseringshastigheden øges, og derved accelerere kommercialiseringen af ​​SiC-baserede enheder. For at opnå SiC-krystalvækst af høj kvalitet fokuserede vi på temperaturgradientkontrol i den indledende vækstfase. Da siliciumrige gasser (Si, Si2C) kan beskadige frøkrystaloverfladen under den indledende vækstfase, etablerede vi forskellige temperaturgradienter i den indledende fase og justerede til konstante C/Si-forholdstemperaturforhold under hovedvækstprocessen. Denne undersøgelse udforsker systematisk de forskellige karakteristika ved SiC-krystaller dyrket ved hjælp af modificerede procesbetingelser.

Eksperimentelle metoder

Væksten af ​​6-tommer 4H-SiC boules blev udført ved hjælp af PVT-metoden på 4° off-akse C-flade substrater. Forbedrede procesbetingelser for den indledende vækstfase blev foreslået. Væksttemperaturen blev indstillet til mellem 2300-2400°C, og trykket blev holdt ved 5-20 Torr i et miljø med nitrogen og argongas. 6-tommer4H-SiC wafereblev fremstillet ved hjælp af standard halvlederbehandlingsteknikker. DeSiC wafersblev behandlet i overensstemmelse med forskellige temperaturgradientbetingelser i den indledende vækstfase og ætset ved 600°C i 14 minutter for at evaluere defekter. Etch pit-densiteten (EPD) af overfladen blev målt ved hjælp af et optisk mikroskop (OM). Værdier for fuld bredde ved halv maksimum (FWHM) og kortlægningsbilleder af6-tommer SiC-wafereblev målt ved hjælp af et røntgendiffraktionssystem med høj opløsning (XRD).

Resultater og diskussion

Figur 1: Skematisk af SiC krystalvækstmekanisme

For at opnå SiC-enkeltkrystalvækst af høj kvalitet er det typisk nødvendigt at bruge højrente SiC-pulverkilder, præcist kontrollere C/Si-forholdet og opretholde konstant væksttemperatur og -tryk. Derudover er det afgørende at minimere tab af frøkrystaller og undertrykke dannelsen af ​​overfladedefekter på frøkrystallen under den indledende vækstfase. Figur 1 illustrerer skemaet af SiC-krystalvækstmekanismen i denne undersøgelse. Som vist i figur 1 transporteres dampgasser (ST) til frøkrystaloverfladen, hvor de diffunderer og danner krystallen. Nogle gasser, der ikke er involveret i vækst (ST), desorberer fra krystaloverfladen. Når mængden af ​​gas på frøkrystaloverfladen (SG) overstiger den desorberede gas (SD), fortsætter vækstprocessen. Derfor blev det passende gas (SG)/gas (SD) forhold under vækstprocessen undersøgt ved at ændre positionen af ​​RF-varmespolen.

Figur 2: Skematisk over SiC-krystalvækstprocesbetingelser

Figur 2 viser skemaet af SiC-krystalvækstprocesbetingelserne i denne undersøgelse. Den typiske vækstprocestemperatur varierer fra 2300 til 2400°C, med trykket holdt på 5 til 20 Torr. Under vækstprocessen holdes temperaturgradienten ved dT=50~150°C ((a) konventionel metode). Nogle gange kan ujævn tilførsel af kildegasser (Si2C, SiC2, Si) resultere i stablingsfejl, polytype-indeslutninger og dermed forringe krystalkvaliteten. Derfor, i den indledende vækstfase, ved at ændre positionen af ​​RF-spolen, blev dT omhyggeligt kontrolleret inden for 50~100°C, derefter justeret til dT=50~150°C under hovedvækstprocessen ((b) forbedret metode) . For at kontrollere temperaturgradienten (dT[°C] = Tbund-Tupper) blev bundtemperaturen fastsat til 2300°C, og toptemperaturen blev justeret fra 2270°C, 2250°C, 2200°C til 2150°C. Tabel 1 viser de optiske mikroskop (OM) billeder af SiC boule overfladen dyrket under forskellige temperaturgradientforhold efter 10 timer.

Tabel 1: Optisk mikroskop (OM) billeder af SiC Boule overflade dyrket i 10 timer og 100 timer under forskellige temperaturgradientforhold

Ved en initial dT=50°C var defekttætheden på SiC boule-overfladen efter 10 timers vækst signifikant lavere end den under dT=30°C og dT=150°C. Ved dT=30°C kan den indledende temperaturgradient være for lille, hvilket resulterer i podekrystaltab og defektdannelse. Omvendt kan der ved en højere initial temperaturgradient (dT=150°C) forekomme en ustabil overmætning, hvilket fører til polytype-indeslutninger og defekter på grund af høje tomhedskoncentrationer. Men hvis den indledende temperaturgradient er optimeret, kan højkvalitets krystalvækst opnås ved at minimere dannelsen af ​​initiale defekter. Da defekttætheden på SiC boule-overfladen efter 100 timers vækst svarede til resultaterne efter 10 timer, er reduktion af defektdannelsen under den indledende vækstfase det kritiske trin for at opnå SiC-krystaller af høj kvalitet.

Tabel 2: EPD-værdier af ætsede SiC-boules under forskellige temperaturgradientforhold

Vaflerfremstillet fra boules dyrket i 100 timer blev ætset for at studere defektdensiteten af ​​SiC-krystaller, som vist i tabel 2. EPD-værdierne for SiC-krystaller dyrket under initial dT=30°C og dT=150°C var 35.880/cm² og 25.660 /cm², hvorimod EPD-værdien af ​​SiC-krystaller dyrket under optimerede betingelser (dT=50°C) signifikant reduceret til 8.560/cm².

Tabel 3: FWHM-værdier og XRD-kortlægningsbilleder af SiC-krystaller under forskellige indledende temperaturgradientforhold

Tabel 3 viser FWHM-værdierne og XRD-kortlægningsbilleder af SiC-krystaller dyrket under forskellige indledende temperaturgradientbetingelser. Den gennemsnitlige FWHM-værdi for SiC-krystaller dyrket under optimerede betingelser (dT=50°C) var 18,6 buesekunder, signifikant lavere end for SiC-krystaller dyrket under andre temperaturgradientbetingelser.

Konklusion

Effekten af ​​den indledende vækstfase-temperaturgradient på SiC-krystalkvaliteten blev undersøgt ved at kontrollere temperaturgradienten (dT[°C] = Tbottom-Tupper) ved at ændre spolepositionen. Resultaterne viste, at defektdensiteten på SiC boule-overfladen efter 10 timers vækst under initiale dT=50°C-betingelser var signifikant lavere end den under dT=30°C og dT=150°C. Den gennemsnitlige FWHM-værdi for SiC-krystaller dyrket under optimerede betingelser (dT=50°C) var 18,6 buesekunder, signifikant lavere end for SiC-krystaller dyrket under andre betingelser. Dette indikerer, at optimering af den indledende temperaturgradient effektivt reducerer dannelsen af ​​initiale defekter og derved opnår SiC-krystalvækst af høj kvalitet.**