Mencapai Pertumbuhan Kristal SiC Berkualiti Tinggi melalui Kawalan Kecerunan Suhu dalam Fasa Pertumbuhan Permulaan

pengenalan

Silikon karbida (SiC) ialah bahan semikonduktor celah jalur lebar yang telah mendapat perhatian ketara sejak beberapa tahun kebelakangan ini kerana prestasinya yang luar biasa dalam aplikasi voltan tinggi dan suhu tinggi. Kemajuan pesat kaedah Pengangkutan Wap Fizikal (PVT) bukan sahaja telah meningkatkan kualiti kristal tunggal SiC tetapi juga telah berjaya mencapai fabrikasi kristal tunggal SiC 150mm. Walau bagaimanapun, kualitiwafer SiCmasih memerlukan peningkatan lanjut, terutamanya dari segi mengurangkan ketumpatan kecacatan. Telah diketahui umum bahawa pelbagai kecacatan wujud dalam kristal SiC yang tumbuh, terutamanya disebabkan oleh pemahaman yang tidak mencukupi tentang mekanisme pembentukan kecacatan semasa proses pertumbuhan kristal SiC. Penyelidikan lebih mendalam mengenai proses pertumbuhan PVT adalah perlu untuk meningkatkan diameter dan panjang kristal SiC sambil juga meningkatkan kadar penghabluran, dengan itu mempercepatkan pengkomersilan peranti berasaskan SiC. Untuk mencapai pertumbuhan kristal SiC berkualiti tinggi, kami menumpukan pada kawalan kecerunan suhu semasa fasa pertumbuhan awal. Oleh kerana gas yang kaya dengan silikon (Si, Si2C) boleh merosakkan permukaan kristal benih semasa fasa pertumbuhan awal, kami mewujudkan kecerunan suhu yang berbeza pada peringkat awal dan diselaraskan kepada keadaan suhu nisbah C/Si yang berterusan semasa proses pertumbuhan utama. Kajian ini secara sistematik meneroka pelbagai ciri kristal SiC yang ditanam menggunakan keadaan proses yang diubah suai.

Kaedah Eksperimen

Pertumbuhan boul 4H-SiC 6 inci dilakukan menggunakan kaedah PVT pada substrat muka C luar paksi 4°. Keadaan proses yang lebih baik untuk fasa pertumbuhan awal telah dicadangkan. Suhu pertumbuhan ditetapkan antara 2300-2400°C, dan tekanan dikekalkan pada 5-20 Torr, dalam persekitaran nitrogen dan gas argon. 6 inciwafer 4H-SiCtelah direka melalui teknik pemprosesan semikonduktor standard. Thewafer SiCtelah diproses mengikut keadaan kecerunan suhu yang berbeza dalam fasa pertumbuhan awal dan terukir pada 600°C selama 14 minit untuk menilai kecacatan. Ketumpatan lubang etsa (EPD) permukaan diukur menggunakan mikroskop optik (OM). Lebar penuh pada nilai separuh maksimum (FWHM) dan imej pemetaan bagiWafer SiC 6 incidiukur menggunakan sistem pembelauan sinar-X (XRD) resolusi tinggi.

Keputusan dan Perbincangan

Rajah 1: Skema Mekanisme Pertumbuhan Kristal SiC

Untuk mencapai pertumbuhan kristal tunggal SiC berkualiti tinggi, biasanya perlu menggunakan sumber serbuk SiC ketulenan tinggi, mengawal nisbah C/Si dengan tepat, dan mengekalkan suhu dan tekanan pertumbuhan yang berterusan. Selain itu, meminimumkan kehilangan hablur benih dan menyekat pembentukan kecacatan permukaan pada kristal benih semasa fasa pertumbuhan awal adalah penting. Rajah 1 menggambarkan skema mekanisme pertumbuhan kristal SiC dalam kajian ini. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, gas wap (ST) diangkut ke permukaan kristal benih, di mana ia meresap dan membentuk kristal. Sesetengah gas yang tidak terlibat dalam pertumbuhan (ST) menyahserap daripada permukaan kristal. Apabila jumlah gas pada permukaan hablur benih (SG) melebihi gas ternyahserap (SD), proses pertumbuhan diteruskan. Oleh itu, nisbah gas (SG)/gas (SD) yang sesuai semasa proses pertumbuhan dikaji dengan menukar kedudukan gegelung pemanas RF.

Rajah 2: Skema Keadaan Proses Pertumbuhan Kristal SiC

Rajah 2 menunjukkan skema keadaan proses pertumbuhan kristal SiC dalam kajian ini. Suhu proses pertumbuhan biasa adalah antara 2300 hingga 2400°C, dengan tekanan dikekalkan pada 5 hingga 20 Torr. Semasa proses pertumbuhan, kecerunan suhu dikekalkan pada dT=50~150°C ((a) kaedah konvensional). Kadangkala, bekalan gas sumber yang tidak sekata (Si2C, SiC2, Si) boleh mengakibatkan kerosakan susunan, kemasukan politaip, dan dengan itu merendahkan kualiti kristal. Oleh itu, dalam fasa pertumbuhan awal, dengan menukar kedudukan gegelung RF, dT dikawal dengan teliti dalam 50~100°C, kemudian dilaraskan kepada dT=50~150°C semasa proses pertumbuhan utama ((b) kaedah yang dipertingkatkan) . Untuk mengawal kecerunan suhu (dT[°C] = Tbottom-Tupper), suhu bawah ditetapkan pada 2300°C dan suhu atas dilaraskan daripada 2270°C, 2250°C, 2200°C hingga 2150°C. Jadual 1 membentangkan imej mikroskop optik (OM) permukaan boule SiC yang ditanam di bawah keadaan kecerunan suhu yang berbeza selepas 10 jam.

Jadual 1: Imej Mikroskop Optik (OM) Permukaan Boule SiC Dibesarkan selama 10 Jam dan 100 Jam di bawah Keadaan Kecerunan Suhu Berbeza

Pada awal dT=50°C, ketumpatan kecacatan pada permukaan boule SiC selepas 10 jam pertumbuhan adalah jauh lebih rendah daripada di bawah dT=30°C dan dT=150°C. Pada dT=30°C, kecerunan suhu awal mungkin terlalu kecil, mengakibatkan kehilangan hablur benih dan pembentukan kecacatan. Sebaliknya, pada kecerunan suhu awal yang lebih tinggi (dT=150°C), keadaan supertepu yang tidak stabil mungkin berlaku, yang membawa kepada kemasukan politaip dan kecacatan akibat kepekatan kekosongan yang tinggi. Walau bagaimanapun, jika kecerunan suhu awal dioptimumkan, pertumbuhan kristal berkualiti tinggi boleh dicapai dengan meminimumkan pembentukan kecacatan awal. Oleh kerana ketumpatan kecacatan pada permukaan boule SiC selepas 100 jam pertumbuhan adalah serupa dengan keputusan selepas 10 jam, mengurangkan pembentukan kecacatan semasa fasa pertumbuhan awal adalah langkah kritikal dalam mendapatkan kristal SiC berkualiti tinggi.

Jadual 2: Nilai EPD Boule SiC Terukir di bawah Keadaan Kecerunan Suhu Berbeza

Waferyang disediakan daripada boule yang ditanam selama 100 jam telah terukir untuk mengkaji ketumpatan kecacatan kristal SiC, seperti ditunjukkan dalam Jadual 2. Nilai EPD bagi kristal SiC yang ditanam di bawah dT=30°C dan dT=150°C awal ialah 35,880/cm² dan 25,660 /cm², masing-masing, manakala nilai EPD bagi kristal SiC yang ditanam dalam keadaan optimum (dT=50°C) berkurangan dengan ketara kepada 8,560/cm².

Jadual 3: Nilai FWHM dan Imej Pemetaan XRD bagi Kristal SiC di bawah Keadaan Kecerunan Suhu Permulaan Berbeza

Jadual 3 membentangkan nilai FWHM dan imej pemetaan XRD bagi kristal SiC yang ditanam di bawah keadaan kecerunan suhu awal yang berbeza. Purata nilai FWHM bagi kristal SiC yang ditanam dalam keadaan optimum (dT=50°C) ialah 18.6 saat lengkok, jauh lebih rendah daripada kristal SiC yang ditanam di bawah keadaan kecerunan suhu yang lain.

Kesimpulan

Kesan kecerunan suhu fasa pertumbuhan awal terhadap kualiti kristal SiC dikaji dengan mengawal kecerunan suhu (dT[°C] = Tbottom-Tupper) dengan menukar kedudukan gegelung. Keputusan menunjukkan bahawa ketumpatan kecacatan pada permukaan boule SiC selepas 10 jam pertumbuhan di bawah keadaan awal dT=50°C adalah jauh lebih rendah daripada di bawah dT=30°C dan dT=150°C. Purata nilai FWHM bagi kristal SiC yang ditanam dalam keadaan optimum (dT=50°C) ialah 18.6 saat lengkok, jauh lebih rendah daripada kristal SiC yang ditanam dalam keadaan lain. Ini menunjukkan bahawa mengoptimumkan kecerunan suhu awal dengan berkesan mengurangkan pembentukan kecacatan awal, dengan itu mencapai pertumbuhan kristal SiC berkualiti tinggi.**