Постигане на висококачествен растеж на SiC кристали чрез контрол на температурния градиент в началната фаза на растеж

Въведение

Силициевият карбид (SiC) е широколентов полупроводников материал, който привлече значително внимание през последните години поради изключителната си производителност при приложения с високо напрежение и висока температура. Бързото развитие на методите за физически пренос на пари (PVT) не само подобри качеството на SiC монокристалите, но също така успешно постигна производството на 150 mm SiC монокристали. Въпреки това, качеството наSiC пластинивсе още изисква допълнително подобрение, особено по отношение на намаляване на плътността на дефектите. Добре известно е, че съществуват различни дефекти в отглежданите SiC кристали, главно поради недостатъчно разбиране на механизмите за образуване на дефекти по време на процеса на растеж на SiC кристали. Необходими са по-нататъшни задълбочени изследвания на процеса на растеж на PVT, за да се увеличи диаметърът и дължината на SiC кристалите, като същевременно се повиши скоростта на кристализация, като по този начин се ускори комерсиализацията на устройства, базирани на SiC. За да постигнем висококачествен кристален растеж на SiC, ние се фокусирахме върху контрола на температурния градиент по време на началната фаза на растеж. Тъй като богатите на силиций газове (Si, Si2C) могат да повредят повърхността на зародишния кристал по време на първоначалната фаза на растеж, ние установихме различни температурни градиенти в началния етап и се настроихме към температурни условия на постоянно съотношение C/Si по време на основния процес на растеж. Това изследване систематично изследва различните характеристики на SiC кристали, отгледани при модифицирани условия на процеса.

Експериментални методи

Растежът на 6-инчови 4H-SiC бутилки беше извършен с помощта на метода PVT върху 4° C-лицеви субстрати извън оста. Бяха предложени подобрени условия на процеса за началната фаза на растеж. Температурата на растеж се настройва между 2300-2400°C, а налягането се поддържа при 5-20 Torr, в среда от азот и газ аргон. 6-инчов4H-SiC пластиниса произведени чрез стандартни техники за обработка на полупроводници. TheSiC пластинибяха обработени в съответствие с различни условия на температурен градиент в началната фаза на растеж и гравирани при 600°C за 14 минути, за да се оценят дефектите. Плътността на ецващата яма (EPD) на повърхността се измерва с помощта на оптичен микроскоп (OM). Стойностите на пълната ширина на половината от максимума (FWHM) и картографски изображения на6-инчови SiC пластинибяха измерени с помощта на система за рентгенова дифракция с висока разделителна способност (XRD).

Резултати и дискусия

Фигура 1: Схема на механизма за растеж на кристал SiC

За да се постигне висококачествен монокристален растеж на SiC, обикновено е необходимо да се използват източници на прах от SiC с висока чистота, да се контролира прецизно съотношението C/Si и да се поддържа постоянна температура и налягане на растеж. Освен това минимизирането на загубата на зародишни кристали и потискането на образуването на повърхностни дефекти върху зародишния кристал по време на началната фаза на растеж са от решаващо значение. Фигура 1 илюстрира схемата на механизма на растеж на кристала SiC в това изследване. Както е показано на фигура 1, парните газове (ST) се транспортират до повърхността на зародишния кристал, където дифундират и образуват кристала. Някои газове, които не участват в растежа (ST), се десорбират от кристалната повърхност. Когато количеството газ върху повърхността на зародишния кристал (SG) превиши десорбирания газ (SD), процесът на растеж продължава. Следователно, подходящото съотношение газ (SG)/газ (SD) по време на процеса на растеж беше изследвано чрез промяна на позицията на RF нагревателната намотка.

Фигура 2: Схема на условията на процеса на растеж на кристал SiC

Фигура 2 показва схемата на условията на процеса на растеж на кристал SiC в това изследване. Типичната температура на процеса на растеж варира от 2300 до 2400°C, като налягането се поддържа от 5 до 20 Torr. По време на процеса на растеж температурният градиент се поддържа при dT=50~150°C ((a) конвенционален метод). Понякога неравномерното снабдяване с изходни газове (Si2C, SiC2, Si) може да доведе до грешки в подреждането, политипни включвания и по този начин да влоши качеството на кристала. Следователно, в началната фаза на растеж, чрез промяна на позицията на радиочестотната намотка, dT беше внимателно контролиран в рамките на 50~100°C, след това коригиран до dT=50~150°C по време на основния процес на растеж ((b) подобрен метод) . За да се контролира температурният градиент (dT[°C] = Tbottom-Tupper), долната температура беше фиксирана на 2300°C, а горната температура беше регулирана от 2270°C, 2250°C, 2200°C до 2150°C. Таблица 1 представя изображения от оптичен микроскоп (OM) на повърхността на SiC boule, отгледана при различни условия на температурен градиент след 10 часа.

Таблица 1: Изображения от оптичен микроскоп (OM) на SiC Boule повърхност, отгледана за 10 часа и 100 часа при различни условия на температурен градиент

При първоначален dT=50°C, плътността на дефектите върху повърхността на SiC буле след 10 часа растеж е значително по-ниска от тази при dT=30°C и dT=150°C. При dT=30°C началният температурен градиент може да е твърде малък, което води до загуба на зародишни кристали и образуване на дефекти. Обратно, при по-висок начален температурен градиент (dT=150°C), може да възникне нестабилно състояние на пренасищане, водещо до политипни включвания и дефекти поради високи концентрации на свободни места. Въпреки това, ако първоначалният температурен градиент е оптимизиран, може да се постигне висококачествен растеж на кристали чрез минимизиране на образуването на първоначални дефекти. Тъй като плътността на дефектите върху повърхността на SiC буле след 100 часа растеж е подобна на резултатите след 10 часа, намаляването на образуването на дефекти по време на първоначалната фаза на растеж е критичната стъпка за получаване на висококачествени SiC кристали.

Таблица 2: EPD стойности на гравирани SiC бутилки при различни условия на температурен градиент

Вафлиприготвени от були, отгледани в продължение на 100 часа, бяха гравирани, за да се изследва плътността на дефектите на SiC кристали, както е показано в таблица 2. EPD стойностите на SiC кристали, отгледани при първоначални dT=30°C и dT=150°C бяха 35 880/cm² и 25 660 /cm², съответно, докато EPD стойността на SiC кристали, отглеждани при оптимизирани условия (dT=50°C) значително намалена до 8,560/cm².

Таблица 3: FWHM стойности и XRD картографски изображения на SiC кристали при различни условия на начален температурен градиент

Таблица 3 представя FWHM стойности и XRD картографски изображения на SiC кристали, отгледани при различни условия на начален температурен градиент. Средната стойност FWHM на SiC кристали, отгледани при оптимизирани условия (dT=50°C) е 18,6 дъгови секунди, значително по-ниска от тази на SiC кристали, отгледани при други условия на температурен градиент.

Заключение

Ефектът от температурния градиент на началната фаза на растеж върху качеството на кристала SiC беше изследван чрез контролиране на температурния градиент (dT[°C] = Tbottom-Tupper) чрез промяна на позицията на бобината. Резултатите показват, че плътността на дефектите върху повърхността на SiC буле след 10 часа растеж при първоначални условия dT=50°C е значително по-ниска от тази при dT=30°C и dT=150°C. Средната стойност на FWHM на SiC кристали, отгледани при оптимизирани условия (dT=50°C) е 18,6 дъгови секунди, значително по-ниска от тази на SiC кристали, отгледани при други условия. Това показва, че оптимизирането на началния температурен градиент ефективно намалява образуването на първоначални дефекти, като по този начин се постига висококачествен кристален растеж на SiC.**