Досягнення високоякісного росту кристалів SiC завдяки контролю градієнта температури на початковій фазі росту

вступ

Карбід кремнію (SiC) — широкозонний напівпровідниковий матеріал, який останніми роками привернув значну увагу завдяки своїм винятковим характеристикам у застосуваннях під високою напругою та високою температурою. Швидкий розвиток методів фізичного переносу парів (PVT) не лише покращив якість монокристалів SiC, але й успішно створив монокристали SiC розміром 150 мм. Проте якістьSiC пластинивсе ще потребує подальшого вдосконалення, зокрема з точки зору зменшення щільності дефектів. Добре відомо, що у вирощених кристалах SiC існують різноманітні дефекти, насамперед через недостатнє розуміння механізмів утворення дефектів у процесі росту кристалів SiC. Необхідні подальші поглиблені дослідження процесу росту PVT, щоб збільшити діаметр і довжину кристалів SiC, а також підвищити швидкість кристалізації, тим самим прискоривши комерціалізацію пристроїв на основі SiC. Щоб досягти високоякісного росту кристалів SiC, ми зосередилися на контролі градієнта температури на початковій фазі росту. Оскільки багаті кремнієм гази (Si, Si2C) можуть пошкодити поверхню затравкового кристала під час початкової фази росту, ми встановили різні градієнти температури на початковій стадії та пристосувалися до температурних умов постійного співвідношення C/Si під час основного процесу росту. У цьому дослідженні систематично досліджуються різні характеристики кристалів SiC, вирощених із застосуванням змінених умов процесу.

Експериментальні методи

Вирощування 6-дюймових буль з 4H-SiC було виконано за допомогою методу PVT на підкладках із C-лицею під кутом 4° поза осею. Були запропоновані покращені умови процесу для початкової фази росту. Температуру росту встановлювали між 2300-2400°C, а тиск підтримували на рівні 5-20 торр в середовищі азоту та аргону. 6-дюймовийПластини 4H-SiCбули виготовлені за допомогою стандартних технологій обробки напівпровідників. TheSiC пластинибули оброблені відповідно до різних умов температурного градієнта на початковій фазі росту та протравлені при 600°C протягом 14 хвилин для оцінки дефектів. Щільність травлення (EPD) поверхні вимірювали за допомогою оптичного мікроскопа (OM). Значення повної ширини на половині максимуму (FWHM) і картографічні зображення6-дюймові пластини SiCбули виміряні за допомогою системи рентгенівської дифракції високої роздільної здатності (XRD).

Результати та їх обговорення

Рисунок 1: Схема механізму росту кристалів SiC

Щоб досягти високоякісного росту монокристалів SiC, зазвичай необхідно використовувати джерела порошку SiC високої чистоти, точно контролювати співвідношення C/Si і підтримувати постійну температуру та тиск зростання. Крім того, мінімізація втрат затравкових кристалів і придушення утворення поверхневих дефектів на затравкових кристалах під час початкової фази росту є вирішальними. Рисунок 1 ілюструє схему механізму росту кристалів SiC у цьому дослідженні. Як показано на малюнку 1, парові гази (ST) транспортуються до поверхні затравкового кристала, де вони дифундують і утворюють кристал. Деякі гази, які не беруть участь у рості (ST), десорбуються з поверхні кристала. Коли кількість газу на поверхні затравкового кристала (SG) перевищує десорбований газ (SD), процес росту продовжується. Таким чином, відповідне співвідношення газ (SG)/газ (SD) під час процесу росту вивчалося шляхом зміни положення спіралі радіочастотного нагріву.

Рисунок 2: Схема умов процесу вирощування кристалів SiC

На малюнку 2 показано схему умов процесу вирощування кристалів SiC у цьому дослідженні. Типова температура процесу вирощування коливається від 2300 до 2400 °C, при цьому підтримується тиск від 5 до 20 Торр. Під час процесу росту температурний градієнт підтримується на рівні dT=50~150°C ((a) звичайний метод). Іноді нерівномірна подача вихідних газів (Si2C, SiC2, Si) може призвести до дефектів укладання, політипних включень і, таким чином, погіршити якість кристала. Таким чином, на початковій фазі росту, змінюючи положення радіочастотної котушки, dT ретельно контролювали в межах 50~100°C, потім регулювали до dT=50~150°C під час основного процесу росту ((b) покращений метод) . Щоб контролювати температурний градієнт (dT[°C] = Tbottom-Tupper), нижня температура була зафіксована на 2300°C, а верхня температура регулювалася від 2270°C, 2250°C, 2200°C до 2150°C. У таблиці 1 наведено зображення поверхні булі SiC, отримані за допомогою оптичного мікроскопа (ОМ), вирощені в різних умовах температурного градієнта через 10 годин.

Таблиця 1: Зображення поверхні булі з оптичного мікроскопа (OM), вирощеної протягом 10 годин і 100 годин за різних умов градієнта температури

При початковому dT=50°C щільність дефектів на поверхні булі SiC після 10 годин росту була значно нижчою, ніж при dT=30°C і dT=150°C. При dT=30°C початковий температурний градієнт може бути занадто малим, що призведе до втрати кристалів затравки та утворення дефектів. І навпаки, при вищому початковому температурному градієнті (dT=150°C) може виникнути нестабільний стан перенасичення, що призводить до політипних включень і дефектів через високу концентрацію вакансій. Однак, якщо початковий градієнт температури оптимізовано, можна досягти високоякісного росту кристалів шляхом мінімізації утворення початкових дефектів. Оскільки щільність дефектів на поверхні булі SiC після 100 годин росту була подібною до результатів через 10 годин, зменшення утворення дефектів під час початкової фази росту є критичним кроком для отримання високоякісних кристалів SiC.

Таблиця 2: Значення EPD витравлених буль SiC за різних умов градієнта температури

Вафліотримані з буль, вирощених протягом 100 годин, були протравлені для вивчення щільності дефектів кристалів SiC, як показано в таблиці 2. Значення EPD кристалів SiC, вирощених при початкових dT=30°C і dT=150°C, становили 35880/см² і 25660 /см², відповідно, тоді як значення EPD кристалів SiC, вирощених в оптимізованих умовах (dT=50°C), значно зменшилося до 8560/см².

Таблиця 3: Значення FWHM та XRD-картографічні зображення кристалів SiC за різних початкових умов градієнта температури

У таблиці 3 наведено значення FWHM і XRD-картографічні зображення кристалів SiC, вирощених за різних початкових умов температурного градієнта. Середнє значення FWHM кристалів SiC, вирощених в оптимізованих умовах (dT=50°C), становило 18,6 кутових секунд, що значно нижче, ніж у кристалів SiC, вирощених в інших умовах градієнта температури.

Висновок

Вплив температурного градієнта початкової фази росту на якість кристалів SiC вивчався шляхом контролю градієнта температури (dT[°C] = Tbottom-Tupper) шляхом зміни положення котушки. Результати показали, що щільність дефектів на поверхні булі SiC після 10 годин росту за початкових умов dT=50°C була значно нижчою, ніж при dT=30°C і dT=150°C. Середнє значення FWHM кристалів SiC, вирощених в оптимізованих умовах (dT=50°C), становило 18,6 кутових секунд, що значно нижче, ніж у кристалів SiC, вирощених в інших умовах. Це вказує на те, що оптимізація початкового градієнта температури ефективно зменшує утворення початкових дефектів, завдяки чому досягається високоякісний ріст кристалів SiC.**