Att uppnå högkvalitativ SiC-kristalltillväxt genom temperaturgradientkontroll i den inledande tillväxtfasen

Introduktion

Kiselkarbid (SiC) är ett halvledarmaterial med breda bandgap som har fått stor uppmärksamhet de senaste åren på grund av dess exceptionella prestanda i högspännings- och högtemperaturapplikationer. Den snabba utvecklingen av fysiska ångtransportmetoder (PVT) har inte bara förbättrat kvaliteten på SiC-enkristaller utan har också framgångsrikt uppnått tillverkningen av 150 mm SiC-enkristaller. Men kvaliteten påSiC-skivorkräver fortfarande ytterligare förbättringar, särskilt när det gäller att minska defektdensiteten. Det är välkänt att olika defekter finns i odlade SiC-kristaller, främst på grund av en otillräcklig förståelse av defektbildningsmekanismerna under SiC-kristalltillväxtprocessen. Ytterligare djupgående forskning om PVT-tillväxtprocessen är nödvändig för att öka diametern och längden på SiC-kristaller samtidigt som kristalliseringshastigheten förbättras och därigenom påskynda kommersialiseringen av SiC-baserade enheter. För att uppnå högkvalitativ SiC-kristalltillväxt fokuserade vi på temperaturgradientkontroll under den initiala tillväxtfasen. Eftersom kiselrika gaser (Si, Si2C) kan skada frökristallytan under den initiala tillväxtfasen, etablerade vi olika temperaturgradienter i det inledande skedet och justerade till konstanta C/Si-förhållande temperaturförhållanden under huvudtillväxtprocessen. Denna studie undersöker systematiskt de olika egenskaperna hos SiC-kristaller som odlas med modifierade processförhållanden.

Experimentella metoder

Tillväxten av 6-tums 4H-SiC-boule utfördes med användning av PVT-metoden på 4° utanför axeln C-yta-substrat. Förbättrade processbetingelser för den initiala tillväxtfasen föreslogs. Tillväxttemperaturen sattes mellan 2300-2400°C, och trycket hölls vid 5-20 Torr, i en miljö av kväve och argongas. 6 tum4H-SiC-skivortillverkades genom standardtekniker för halvledarbearbetning. DeSiC-skivorbearbetades enligt olika temperaturgradientförhållanden i den initiala tillväxtfasen och etsades vid 600°C under 14 minuter för att utvärdera defekter. Ytans etsgropdensitet (EPD) mättes med ett optiskt mikroskop (OM). Värdena för full bredd vid halva maximum (FWHM) och kartläggningsbilder av6-tums SiC-skivormättes med ett högupplöst röntgendiffraktionssystem (XRD).

Resultat och diskussion

Figur 1: Schematisk bild av SiC-kristalltillväxtmekanismen

För att uppnå högkvalitativ SiC-enkristalltillväxt är det vanligtvis nödvändigt att använda SiC-pulverkällor med hög renhet, exakt kontrollera C/Si-förhållandet och bibehålla konstant tillväxttemperatur och -tryck. Dessutom är det avgörande att minimera frökristallförlusten och undertrycka bildandet av ytdefekter på frökristallen under den initiala tillväxtfasen. Figur 1 illustrerar schemat för SiC-kristalltillväxtmekanismen i denna studie. Som visas i figur 1 transporteras ånggaser (ST) till frökristallytan, där de diffunderar och bildar kristallen. Vissa gaser som inte är involverade i tillväxt (ST) desorberar från kristallytan. När mängden gas på frökristallytan (SG) överstiger den desorberade gasen (SD), fortsätter tillväxtprocessen. Därför studerades det lämpliga förhållandet gas (SG)/gas (SD) under tillväxtprocessen genom att ändra positionen för RF-värmespolen.

Figur 2: Schematisk beskrivning av SiC-kristalltillväxtprocessförhållanden

Figur 2 visar schemat för SiC-kristalltillväxtprocessförhållandena i denna studie. Den typiska tillväxtprocesstemperaturen sträcker sig från 2300 till 2400°C, med trycket bibehållet vid 5 till 20 Torr. Under tillväxtprocessen hålls temperaturgradienten vid dT=50~150°C ((a) konventionell metod). Ibland kan ojämn tillförsel av källgaser (Si2C, SiC2, Si) resultera i staplingsfel, polytypinneslutningar och därmed försämra kristallkvaliteten. Därför, i den initiala tillväxtfasen, genom att ändra positionen för RF-spolen, kontrollerades dT noggrant inom 50~100°C, och justerades sedan till dT=50~150°C under huvudtillväxtprocessen ((b) förbättrad metod) . För att kontrollera temperaturgradienten (dT[°C] = Tbottom-Tupper), fixerades bottentemperaturen till 2300°C, och topptemperaturen justerades från 2270°C, 2250°C, 2200°C till 2150°C. Tabell 1 presenterar de optiska mikroskopbilderna (OM) av SiC boule-ytan odlad under olika temperaturgradientförhållanden efter 10 timmar.

Tabell 1: Optiska mikroskopbilder (OM) av SiC Boule-yta odlad i 10 timmar och 100 timmar under olika temperaturgradientförhållanden

Vid en initial dT=50°C var defektdensiteten på SiC-bouleytan efter 10 timmars tillväxt signifikant lägre än den under dT=30°C och dT=150°C. Vid dT=30°C kan den initiala temperaturgradienten vara för liten, vilket resulterar i groddkristallförlust och defektbildning. Omvänt, vid en högre initial temperaturgradient (dT=150°C), kan ett instabilt övermättnadstillstånd inträffa, vilket leder till polytypinneslutningar och defekter på grund av höga vakanskoncentrationer. Men om den initiala temperaturgradienten är optimerad, kan högkvalitativ kristalltillväxt uppnås genom att minimera bildandet av initiala defekter. Eftersom defektdensiteten på SiC-bouleytan efter 100 timmars tillväxt liknade resultaten efter 10 timmar, är minskning av defektbildningen under den initiala tillväxtfasen det kritiska steget för att erhålla SiC-kristaller av hög kvalitet.

Tabell 2: EPD-värden för etsade SiC-boules under olika temperaturgradientförhållanden

Wafersframställda från boules odlade i 100 timmar etsades för att studera defektdensiteten hos SiC-kristaller, såsom visas i tabell 2. EPD-värdena för SiC-kristaller odlade under initial dT=30°C och dT=150°C var 35.880/cm² och 25.660 /cm² respektive, medan EPD-värdet för SiC-kristaller odlade under optimerade förhållanden (dT=50°C) reducerades signifikant till 8 560/cm².

Tabell 3: FWHM-värden och XRD-kartläggningsbilder av SiC-kristaller under olika initiala temperaturgradientförhållanden

Tabell 3 presenterar FWHM-värdena och XRD-kartläggningsbilder av SiC-kristaller odlade under olika initiala temperaturgradientförhållanden. Det genomsnittliga FWHM-värdet för SiC-kristaller odlade under optimerade förhållanden (dT=50°C) var 18,6 bågsekunder, signifikant lägre än det för SiC-kristaller odlade under andra temperaturgradientförhållanden.

Slutsats

Effekten av temperaturgradienten i initial tillväxtfas på SiC-kristallkvaliteten studerades genom att kontrollera temperaturgradienten (dT[°C] = Tbottom-Tupper) genom att ändra spolens position. Resultaten visade att defektdensiteten på SiC boule-ytan efter 10 timmars tillväxt under initiala dT=50°C-förhållanden var signifikant lägre än den under dT=30°C och dT=150°C. Det genomsnittliga FWHM-värdet för SiC-kristaller odlade under optimerade förhållanden (dT=50°C) var 18,6 bågsekunder, signifikant lägre än det för SiC-kristaller odlade under andra förhållanden. Detta indikerar att optimering av den initiala temperaturgradienten effektivt minskar bildandet av initiala defekter, och därigenom uppnår högkvalitativ SiC-kristalltillväxt.**