Obținerea creșterii cristalelor SiC de înaltă calitate prin controlul gradientului de temperatură în faza inițială de creștere

Introducere

Carbura de siliciu (SiC) este un material semiconductor cu bandă largă care a atras o atenție semnificativă în ultimii ani datorită performanței sale excepționale în aplicații de înaltă tensiune și temperatură înaltă. Avansarea rapidă a metodelor de transport fizic al vaporilor (PVT) nu numai că a îmbunătățit calitatea monocristalelor de SiC, dar a realizat cu succes și fabricarea de monocristale de SiC de 150 mm. Cu toate acestea, calitatea deNapolitane SiCnecesită încă îmbunătățiri suplimentare, în special în ceea ce privește reducerea densității defectelor. Este bine cunoscut faptul că există diferite defecte în cristalele de SiC crescute, în primul rând din cauza unei înțelegeri insuficiente a mecanismelor de formare a defectelor în timpul procesului de creștere a cristalelor de SiC. Cercetări suplimentare aprofundate asupra procesului de creștere a PVT sunt necesare pentru a crește diametrul și lungimea cristalelor de SiC, sporind, de asemenea, rata de cristalizare, accelerând astfel comercializarea dispozitivelor pe bază de SiC. Pentru a obține o creștere de înaltă calitate a cristalelor de SiC, ne-am concentrat pe controlul gradientului de temperatură în timpul fazei inițiale de creștere. Deoarece gazele bogate în siliciu (Si, Si2C) pot deteriora suprafața cristalului de semințe în timpul fazei inițiale de creștere, am stabilit diferiți gradienți de temperatură în etapa inițială și am ajustat la condițiile constante de temperatură C/Si în timpul procesului principal de creștere. Acest studiu explorează în mod sistematic diferitele caracteristici ale cristalelor de SiC crescute folosind condiții de proces modificate.

Metode experimentale

Creșterea bilelor 4H-SiC de 6 inci a fost efectuată folosind metoda PVT pe substraturi cu fața C de 4° în afara axei. Au fost propuse condiții de proces îmbunătățite pentru faza inițială de creștere. Temperatura de creștere a fost stabilită între 2300-2400°C, iar presiunea a fost menținută la 5-20 Torr, într-un mediu cu azot și argon gazos. 6 inchiNapolitane 4H-SiCau fost fabricate prin tehnici standard de procesare a semiconductoarelor. TheNapolitane SiCau fost procesate în conformitate cu diferite condiții de gradient de temperatură în faza inițială de creștere și gravate la 600°C timp de 14 minute pentru a evalua defectele. Densitatea gropii de gravare (EPD) a suprafeței a fost măsurată folosind un microscop optic (OM). Lățimea completă la jumătate maximă (FWHM) valori și imagini de cartografiere aleNapolitane SiC de 6 inchau fost măsurate folosind un sistem de difracție de raze X de înaltă rezoluție (XRD).

Rezultate și discuții

Figura 1: Schema mecanismului de creștere a cristalelor SiC

Pentru a obține o creștere de înaltă calitate a unui singur cristal de SiC, este de obicei necesar să se utilizeze surse de pulbere de SiC de înaltă puritate, să se controleze cu precizie raportul C/Si și să se mențină constantă temperatura și presiunea de creștere. În plus, reducerea la minimum a pierderii de cristale de semințe și suprimarea formării defectelor de suprafață pe cristalul de semințe în timpul fazei inițiale de creștere sunt cruciale. Figura 1 ilustrează schema mecanismului de creștere a cristalelor de SiC în acest studiu. Așa cum se arată în Figura 1, gazele de vapori (ST) sunt transportate la suprafața cristalului sămânță, unde difuzează și formează cristalul. Unele gaze care nu sunt implicate în creștere (ST) se desorb de pe suprafața cristalului. Când cantitatea de gaz de pe suprafața cristalului de semințe (SG) depășește gazul desorbit (SD), procesul de creștere continuă. Prin urmare, raportul adecvat gaz (SG)/gaz (SD) în timpul procesului de creștere a fost studiat prin schimbarea poziției bobinei de încălzire RF.

Figura 2: Schema condițiilor procesului de creștere a cristalelor SiC

Figura 2 prezintă schematică a condițiilor procesului de creștere a cristalelor de SiC în acest studiu. Temperatura tipică a procesului de creștere variază de la 2300 la 2400°C, cu presiunea menținută la 5 până la 20 Torr. În timpul procesului de creștere, gradientul de temperatură este menținut la dT=50~150°C ((a) metoda convențională). Uneori, alimentarea neuniformă a gazelor sursă (Si2C, SiC2, Si) poate duce la defecțiuni de stivuire, incluziuni de politip și, astfel, degradarea calității cristalului. Prin urmare, în faza inițială de creștere, prin schimbarea poziției bobinei RF, dT a fost controlat cu atenție în intervalul 50~100°C, apoi ajustat la dT=50~150°C în timpul procesului principal de creștere ((b) metoda îmbunătățită) . Pentru a controla gradientul de temperatură (dT[°C] = Tbottom-Tupper), temperatura inferioară a fost fixată la 2300°C, iar temperatura superioară a fost ajustată de la 2270°C, 2250°C, 2200°C la 2150°C. Tabelul 1 prezintă imaginile cu microscopul optic (OM) ale suprafeței boule de SiC crescute în diferite condiții de gradient de temperatură după 10 ore.

Tabelul 1: Imaginile microscopului optic (OM) ale suprafeței SiC Boule crescute timp de 10 ore și 100 de ore în diferite condiții de gradient de temperatură

La un dT inițial=50°C, densitatea defectului pe suprafața bulei de SiC după 10 ore de creștere a fost semnificativ mai mică decât cea sub dT=30°C și dT=150°C. La dT=30°C, gradientul de temperatură inițial poate fi prea mic, ducând la pierderea cristalelor de semințe și formarea de defecte. Dimpotrivă, la un gradient de temperatură inițial mai mare (dT=150°C), poate apărea o stare instabilă de suprasaturare, ducând la incluziuni și defecte de politip datorită concentrațiilor ridicate de vacanță. Cu toate acestea, dacă gradientul de temperatură inițial este optimizat, se poate obține o creștere de înaltă calitate a cristalelor prin reducerea la minimum a formării defectelor inițiale. Deoarece densitatea defectelor pe suprafața bulei de SiC după 100 de ore de creștere a fost similară cu rezultatele după 10 ore, reducerea formării defectelor în timpul fazei inițiale de creștere este pasul critic în obținerea de cristale de SiC de înaltă calitate.

Tabelul 2: Valorile EPD ale buleților de SiC gravate în diferite condiții de gradient de temperatură

Napolitanepreparate din bile crescute timp de 100 de ore au fost gravate pentru a studia densitatea defectului a cristalelor de SiC, așa cum se arată în tabelul 2. Valorile EPD ale cristalelor de SiC crescute la dT inițial = 30°C și dT = 150°C au fost 35.880/cm² și 25.660 /cm², respectiv, în timp ce valoarea EPD a cristalelor de SiC crescute în condiții optimizate (dT=50°C) s-a redus semnificativ la 8.560/cm².

Tabelul 3: Valori FWHM și imagini de cartografiere XRD ale cristalelor de SiC în diferite condiții inițiale de gradient de temperatură

Tabelul 3 prezintă valorile FWHM și imaginile de cartografiere XRD ale cristalelor de SiC crescute în diferite condiții inițiale de gradient de temperatură. Valoarea medie FWHM a cristalelor de SiC crescute în condiții optimizate (dT=50°C) a fost de 18,6 secunde de arc, semnificativ mai mică decât cea a cristalelor de SiC crescute în alte condiții de gradient de temperatură.

Concluzie

Efectul gradientului de temperatură în faza inițială de creștere asupra calității cristalului de SiC a fost studiat prin controlul gradientului de temperatură (dT[°C] = Tbottom-Tupper) prin schimbarea poziției bobinei. Rezultatele au arătat că densitatea defectelor pe suprafața bulei de SiC după 10 ore de creștere în condiții inițiale dT=50°C a fost semnificativ mai mică decât cea în dT=30°C și dT=150°C. Valoarea medie FWHM a cristalelor de SiC crescute în condiții optimizate (dT=50°C) a fost de 18,6 secunde de arc, semnificativ mai mică decât cea a cristalelor de SiC crescute în alte condiții. Acest lucru indică faptul că optimizarea gradientului de temperatură inițial reduce eficient formarea defectelor inițiale, obținând astfel creșterea cristalelor de SiC de înaltă calitate.**