İlk Büyüme Aşamasında Sıcaklık Değişimi Kontrolü Yoluyla Yüksek Kaliteli SiC Kristal Büyümesinin Sağlanması

giriiş

Silisyum karbür (SiC), yüksek voltaj ve yüksek sıcaklık uygulamalarında olağanüstü performansı nedeniyle son yıllarda büyük ilgi gören geniş bant aralıklı bir yarı iletken malzemedir. Fiziksel Buhar Taşıma (PVT) yöntemlerindeki hızlı ilerleme, yalnızca SiC tek kristallerinin kalitesini artırmakla kalmamış, aynı zamanda 150 mm SiC tek kristallerinin üretimini de başarıyla gerçekleştirmiştir. Ancak kaliteSiC gofretleriözellikle kusur yoğunluğunun azaltılması açısından hala daha fazla iyileştirmeye ihtiyaç vardır. Büyütülmüş SiC kristallerinde, öncelikle SiC kristali büyüme süreci sırasında kusur oluşum mekanizmalarının yetersiz anlaşılmasından dolayı çeşitli kusurların mevcut olduğu iyi bilinmektedir. SiC kristallerinin çapını ve uzunluğunu arttırırken aynı zamanda kristalleşme oranını arttırmak ve böylece SiC bazlı cihazların ticarileşmesini hızlandırmak için PVT büyüme süreci hakkında daha derinlemesine araştırmalar yapılması gerekmektedir. Yüksek kaliteli SiC kristal büyümesi elde etmek için ilk büyüme aşamasında sıcaklık gradyanı kontrolüne odaklandık. Silikon açısından zengin gazlar (Si, Si2C), ilk büyüme aşamasında tohum kristal yüzeyine zarar verebileceğinden, başlangıç ​​aşamasında farklı sıcaklık gradyanları oluşturduk ve ana büyüme süreci sırasında sabit C/Si oranı sıcaklık koşullarına ayarladık. Bu çalışma, değiştirilmiş işlem koşulları kullanılarak büyütülen SiC kristallerinin çeşitli özelliklerini sistematik olarak araştırmaktadır.

Deneysel Yöntemler

6 inçlik 4H-SiC toplarının büyütülmesi, 4° eksen dışı C-yüzlü substratlar üzerinde PVT yöntemi kullanılarak gerçekleştirildi. İlk büyüme aşaması için iyileştirilmiş süreç koşulları önerildi. Büyüme sıcaklığı 2300-2400°C arasına ayarlandı ve nitrojen ve argon gazı ortamında basınç 5-20 Torr'da tutuldu. 6 inç4H-SiC gofretlerstandart yarı iletken işleme teknikleri kullanılarak üretildi.SiC gofretlerikusurları değerlendirmek için ilk büyüme aşamasında farklı sıcaklık gradyan koşullarına göre işlendi ve 600°C'de 14 dakika dağlandı. Yüzeyin aşındırma çukuru yoğunluğu (EPD), bir optik mikroskop (OM) kullanılarak ölçüldü. Yarım maksimumda tam genişlik (FWHM) değerleri ve haritalama görüntüleri6 inçlik SiC levhalaryüksek çözünürlüklü bir X-ışını kırınımı (XRD) sistemi kullanılarak ölçülmüştür.

Sonuçlar ve tartışma

Şekil 1: SiC Kristal Büyüme Mekanizmasının Şeması

Yüksek kaliteli SiC tek kristal büyümesi elde etmek için genellikle yüksek saflıkta SiC toz kaynaklarının kullanılması, C/Si oranının hassas bir şekilde kontrol edilmesi ve sabit büyüme sıcaklığı ve basıncının korunması gerekir. Ek olarak, tohum kristali kaybının en aza indirilmesi ve ilk büyüme aşamasında tohum kristalinde yüzey kusurlarının oluşumunun bastırılması çok önemlidir. Şekil 1, bu çalışmadaki SiC kristal büyüme mekanizmasının şemasını göstermektedir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, buhar gazları (ST), tohum kristal yüzeyine taşınır ve burada yayılır ve kristali oluşturur. Büyümeye (ST) dahil olmayan bazı gazlar kristal yüzeyinden desorbe olur. Tohum kristal yüzeyindeki (SG) gaz miktarı, desorbe edilen gazı (SD) aştığında, büyüme süreci devam eder. Bu nedenle RF ısıtma bobininin konumu değiştirilerek büyüme sürecinde uygun gaz (SG)/gaz (SD) oranı araştırıldı.

Şekil 2: SiC Kristal Büyüme Süreci Koşullarının Şeması

Şekil 2, bu çalışmadaki SiC kristal büyüme süreci koşullarının şemasını göstermektedir. Tipik büyüme süreci sıcaklığı 2300 ila 2400°C arasında değişir ve basınç 5 ila 20 Torr'da tutulur. Büyüme süreci sırasında sıcaklık gradyanı dT=50~150°C'de tutulur ((a) geleneksel yöntem). Bazen kaynak gazların (Si2C, SiC2, Si) eşit olmayan şekilde beslenmesi istifleme hatalarına, politip kalıntılarına ve dolayısıyla kristal kalitesinin bozulmasına neden olabilir. Bu nedenle, ilk büyüme aşamasında, RF bobininin konumu değiştirilerek dT, 50~100°C aralığında dikkatlice kontrol edildi, ardından ana büyüme süreci sırasında dT=50~150°C'ye ayarlandı ((b) geliştirilmiş yöntem) . Sıcaklık gradyanını kontrol etmek için (dT[°C] = Tbottom-Tupper), alt sıcaklık 2300°C'de sabitlendi ve üst sıcaklık 2270°C, 2250°C, 2200°C'den 2150°C'ye ayarlandı. Tablo 1, 10 saat sonra farklı sıcaklık gradyanı koşulları altında büyütülen SiC boule yüzeyinin optik mikroskop (OM) görüntülerini sunmaktadır.

Tablo 1: Farklı Sıcaklık Değişimi Koşullarında 10 Saat ve 100 Saat Boyunca Büyütülen SiC Boule Yüzeyinin Optik Mikroskop (OM) Görüntüleri

Başlangıçtaki dT=50°C'de, 10 saatlik büyüme sonrasında SiC boule yüzeyindeki kusur yoğunluğu, dT=30°C ve dT=150°C altındakinden önemli ölçüde daha düşüktü. dT=30°C'de, başlangıç ​​sıcaklık gradyanı çok küçük olabilir, bu da tohum kristal kaybına ve kusur oluşumuna neden olur. Tersine, daha yüksek bir başlangıç ​​sıcaklık gradyanında (dT=150°C), yüksek boşluk konsantrasyonları nedeniyle politip kapanımlarına ve kusurlara yol açan kararsız bir aşırı doygunluk durumu meydana gelebilir. Bununla birlikte, başlangıç ​​sıcaklık gradyanı optimize edilirse, başlangıç ​​kusurlarının oluşumunun en aza indirilmesiyle yüksek kaliteli kristal büyümesi elde edilebilir. 100 saatlik büyümeden sonra SiC boule yüzeyindeki kusur yoğunluğu 10 saat sonraki sonuçlara benzer olduğundan, ilk büyüme aşamasında kusur oluşumunun azaltılması, yüksek kaliteli SiC kristallerinin elde edilmesinde kritik adımdır.

Tablo 2: Farklı Sıcaklık Gradyanı Koşullarında Kazınmış SiC Bulyonlarının EPD Değerleri

GofretlerSiC kristallerinin kusur yoğunluğunu incelemek için Tablo 2'de gösterildiği gibi 100 saat boyunca büyütülen toplardan hazırlanan topaklar dağlandı. Başlangıç ​​dT=30°C ve dT=150°C altında büyütülen SiC kristallerinin EPD değerleri 35.880/cm² ve ​​25.660 idi. /cm², optimize edilmiş koşullar altında (dT=50°C) büyütülen SiC kristallerinin EPD değeri önemli ölçüde 8.560/cm²'ye düştü.

Tablo 3: Farklı Başlangıç ​​Sıcaklık Değişim Koşulları Altında SiC Kristallerinin FWHM Değerleri ve XRD Haritalama Görüntüleri

Tablo 3, farklı başlangıç ​​sıcaklık gradyanı koşulları altında büyütülen SiC kristallerinin FWHM değerlerini ve XRD haritalama görüntülerini sunmaktadır. Optimize edilmiş koşullar altında (dT=50°C) büyütülen SiC kristallerinin ortalama FWHM değeri 18,6 yaysaniyeydi; bu, diğer sıcaklık gradyanı koşulları altında büyütülen SiC kristallerininkinden önemli ölçüde daha düşüktü.

Çözüm

Başlangıçtaki büyüme fazı sıcaklık gradyanının SiC kristal kalitesi üzerindeki etkisi, bobin konumu değiştirilerek sıcaklık gradyanı kontrol edilerek (dT[°C] = Tbottom-Tupper) incelenmiştir. Sonuçlar, başlangıç ​​dT=50°C koşulları altında 10 saatlik büyüme sonrasında SiC boule yüzeyindeki kusur yoğunluğunun, dT=30°C ve dT=150°C altındakilerden önemli ölçüde daha düşük olduğunu gösterdi. Optimize edilmiş koşullar altında (dT=50°C) büyütülen SiC kristallerinin ortalama FWHM değeri 18,6 yaysaniyeydi; bu, diğer koşullar altında büyütülen SiC kristallerininkinden önemli ölçüde daha düşüktü. Bu, başlangıçtaki sıcaklık gradyanının optimize edilmesinin, başlangıçtaki kusurların oluşumunu etkili bir şekilde azalttığını ve böylece yüksek kaliteli SiC kristal büyümesi elde edildiğini gösterir.**