Het bereiken van hoogwaardige SiC-kristalgroei door middel van temperatuurgradiëntcontrole in de initiële groeifase

Invoering

Siliciumcarbide (SiC) is een halfgeleidermateriaal met een grote bandafstand dat de afgelopen jaren veel aandacht heeft gekregen vanwege zijn uitzonderlijke prestaties in toepassingen met hoge spanning en hoge temperaturen. De snelle vooruitgang van Physical Vapor Transport (PVT)-methoden heeft niet alleen de kwaliteit van SiC-eenkristallen verbeterd, maar heeft ook met succes de fabricage van 150 mm SiC-eenkristallen bereikt. Echter, de kwaliteit vanSiC-wafelsvereist nog steeds verdere verbetering, vooral in termen van het verminderen van de defectdichtheid. Het is bekend dat er verschillende defecten bestaan ​​in gegroeide SiC-kristallen, voornamelijk als gevolg van een onvoldoende begrip van de mechanismen voor defectvorming tijdens het groeiproces van SiC-kristallen. Verder diepgaand onderzoek naar het PVT-groeiproces is nodig om de diameter en lengte van SiC-kristallen te vergroten en tegelijkertijd de kristallisatiesnelheid te verhogen, waardoor de commercialisering van op SiC gebaseerde apparaten wordt versneld. Om SiC-kristalgroei van hoge kwaliteit te bereiken, hebben we ons tijdens de initiële groeifase gericht op temperatuurgradiëntcontrole. Omdat siliciumrijke gassen (Si, Si2C) het entkristaloppervlak kunnen beschadigen tijdens de initiële groeifase, hebben we in de initiële fase verschillende temperatuurgradiënten vastgesteld en aangepast aan constante C/Si-verhoudingstemperatuuromstandigheden tijdens het hoofdgroeiproces. Deze studie onderzoekt systematisch de verschillende kenmerken van SiC-kristallen die zijn gegroeid onder gewijzigde procesomstandigheden.

Experimentele methoden

De groei van 6-inch 4H-SiC-bollen werd uitgevoerd met behulp van de PVT-methode op 4° buiten de as gelegen C-vlaksubstraten. Er werden verbeterde procesomstandigheden voor de initiële groeifase voorgesteld. De groeitemperatuur werd ingesteld tussen 2300-2400°C, en de druk werd op 5-20 Torr gehouden, in een omgeving van stikstof en argongas. 6-inch4H-SiC-wafelswerden vervaardigd via standaard halfgeleiderverwerkingstechnieken. DeSiC-wafelswerden verwerkt volgens verschillende temperatuurgradiëntomstandigheden in de initiële groeifase en gedurende 14 minuten bij 600°C geëtst om defecten te evalueren. De etsputdichtheid (EPD) van het oppervlak werd gemeten met behulp van een optische microscoop (OM). De volledige breedte bij halve maximumwaarden (FWHM) en kaartafbeeldingen van de6-inch SiC-wafelswerden gemeten met behulp van een röntgendiffractiesysteem (XRD) met hoge resolutie.

Resultaten en discussie

Figuur 1: Schematische voorstelling van het SiC-kristalgroeimechanisme

Om SiC-eenkristalgroei van hoge kwaliteit te bereiken, is het doorgaans noodzakelijk om zeer zuivere SiC-poederbronnen te gebruiken, de C/Si-verhouding nauwkeurig te regelen en een constante groeitemperatuur en -druk te handhaven. Bovendien zijn het minimaliseren van zaadkristalverlies en het onderdrukken van de vorming van oppervlaktedefecten op het zaadkristal tijdens de initiële groeifase cruciaal. Figuur 1 illustreert het schema van het SiC-kristalgroeimechanisme in deze studie. Zoals weergegeven in Figuur 1 worden dampgassen (ST) naar het kiemkristaloppervlak getransporteerd, waar ze diffunderen en het kristal vormen. Sommige gassen die niet betrokken zijn bij de groei (ST) desorberen van het kristaloppervlak. Wanneer de hoeveelheid gas op het entkristaloppervlak (SG) groter is dan het gedesorbeerde gas (SD), gaat het groeiproces verder. Daarom werd de juiste verhouding gas (SG)/gas (SD) tijdens het groeiproces bestudeerd door de positie van de RF-verwarmingsspiraal te veranderen.

Figuur 2: Schematische weergave van SiC-kristalgroeiprocesomstandigheden

Figuur 2 toont het schema van de SIC -kristalgroeiprocesomstandigheden in deze studie. De typische groeiprocestemperatuur varieert van 2300 tot 2400 ° C, waarbij de druk op 5 tot 20 Torr wordt gehandhaafd. Tijdens het groeiproces wordt de temperatuurgradiënt gehouden op dt = 50 ~ 150 ° C ((a) conventionele methode). Soms kan ongelijke aanbod van brongassen (SI2C, SIC2, SI) leiden tot stapelfouten, polytype -insluitsels en dus de kristalkwaliteit afbreken. Daarom werd in de initiële groeifase, door de positie van de RF -spoel te wijzigen, zorgvuldig geregeld binnen 50 ~ 100 ° C, vervolgens aangepast aan dt = 50 ~ 150 ° C tijdens het hoofdgroeiproces ((b) verbeterde methode) . Om de temperatuurgradiënt te regelen (dt [° C] = Tbottom-tupper), werd de bodemtemperatuur vastgesteld bij 2300 ° C en werd de boventemperatuur ingesteld van 2270 ° C, 2250 ° C, 2200 ° C tot 2150 ° C. Tabel 1 presenteert de optische microscoop (OM) afbeeldingen van het SIC -boule -oppervlak dat na 10 uur onder verschillende temperatuurgradiëntomstandigheden wordt gekweekt.

Tabel 1: Optische microscoopbeelden (OM) van SiC Boule-oppervlak gegroeid gedurende 10 uur en 100 uur onder verschillende temperatuurgradiëntomstandigheden

Bij een aanvankelijke dT=50°C was de defectdichtheid op het SiC-boloppervlak na 10 uur groei significant lager dan die onder dT=30°C en dT=150°C. Bij dT=30°C kan de aanvankelijke temperatuurgradiënt te klein zijn, wat resulteert in verlies van kiemkristallen en de vorming van defecten. Omgekeerd kan bij een hogere initiële temperatuurgradiënt (dT=150°C) een onstabiele oververzadigingstoestand optreden, wat leidt tot polytype-insluitsels en defecten als gevolg van hoge vacatureconcentraties. Als de initiële temperatuurgradiënt echter wordt geoptimaliseerd, kan kristalgroei van hoge kwaliteit worden bereikt door de vorming van initiële defecten te minimaliseren. Omdat de defectdichtheid op het SiC-boloppervlak na 100 uur groei vergelijkbaar was met de resultaten na 10 uur, is het verminderen van defectvorming tijdens de initiële groeifase de kritische stap bij het verkrijgen van hoogwaardige SiC-kristallen.

Tabel 2: EPD-waarden van geëtste SiC-boules onder verschillende temperatuurgradiëntomstandigheden

Wafeltjesbereid uit 100 uur gekweekte boules werden geëtst om de defectdichtheid van SiC-kristallen te bestuderen, zoals weergegeven in Tabel 2. De EPD-waarden van SiC-kristallen gegroeid onder initiële dT=30°C en dT=150°C waren 35.880/cm² en 25.660 /cm², terwijl de EPD-waarde van SiC-kristallen gegroeid onder geoptimaliseerde omstandigheden (dT=50°C) aanzienlijk daalde tot 8.560/cm².

Tabel 3: FWHM-waarden en XRD-afbeeldingen van SiC-kristallen onder verschillende initiële temperatuurgradiëntomstandigheden

Tabel 3 presenteert de FWHM-waarden en XRD-karteringsbeelden van SiC-kristallen gegroeid onder verschillende initiële temperatuurgradiëntomstandigheden. De gemiddelde FWHM-waarde van SiC-kristallen gegroeid onder geoptimaliseerde omstandigheden (dT=50°C) was 18,6 boogseconden, aanzienlijk lager dan die van SiC-kristallen gegroeid onder andere temperatuurgradiëntomstandigheden.

Conclusie

Het effect van de temperatuurgradiënt van de initiële groeifase op de kwaliteit van het SiC-kristal werd bestudeerd door de temperatuurgradiënt (dT[°C] = Tbottom-Tupper) te regelen door de positie van de spoel te veranderen. De resultaten toonden aan dat de defectdichtheid op het oppervlak van de SiC-bol na 10 uur groei onder aanvankelijke omstandigheden van dT=50°C significant lager was dan die onder dT=30°C en dT=150°C. De gemiddelde FWHM-waarde van SiC-kristallen gegroeid onder geoptimaliseerde omstandigheden (dT=50°C) was 18,6 boogseconden, aanzienlijk lager dan die van SiC-kristallen gegroeid onder andere omstandigheden. Dit geeft aan dat het optimaliseren van de initiële temperatuurgradiënt de vorming van initiële defecten effectief vermindert, waardoor hoogwaardige SiC-kristalgroei wordt bereikt.**