Aukštos kokybės SiC kristalų augimas naudojant temperatūros gradiento valdymą pradinėje augimo fazėje

Įvadas

Silicio karbidas (SiC) yra plataus diapazono puslaidininkinė medžiaga, kuri pastaraisiais metais sulaukė didelio dėmesio dėl savo išskirtinio veikimo aukštos įtampos ir aukštos temperatūros srityse. Spartus fizinio garų transportavimo (PVT) metodų tobulėjimas ne tik pagerino SiC monokristalų kokybę, bet ir sėkmingai pasiekė 150 mm SiC pavienių kristalų gamybą. Tačiau kokybėSiC plokštelėsvis dar reikia toliau tobulinti, ypač mažinant defektų tankį. Gerai žinoma, kad išaugintuose SiC kristaluose yra įvairių defektų, pirmiausia dėl nepakankamo supratimo apie defektų susidarymo mechanizmus SiC kristalų augimo proceso metu. Norint padidinti SiC kristalų skersmenį ir ilgį, taip pat padidinti kristalizacijos greitį, taip paspartinant SiC pagrindu pagamintų prietaisų komercializavimą, reikia atlikti tolesnius nuodugnius PVT augimo proceso tyrimus. Norėdami pasiekti aukštos kokybės SiC kristalų augimą, pradinėje augimo fazėje daugiausia dėmesio skyrėme temperatūros gradiento kontrolei. Kadangi silicio turtingos dujos (Si, Si2C) gali pažeisti sėklų kristalų paviršių pradinėje augimo fazėje, pradiniame etape nustatėme skirtingus temperatūros gradientus ir pagrindinio augimo proceso metu pritaikėme pastovias C / Si santykio temperatūros sąlygas. Šiame tyrime sistemingai tiriamos įvairios SiC kristalų, auginamų naudojant modifikuotas proceso sąlygas, charakteristikos.

Eksperimentiniai metodai

6 colių 4H-SiC rutuliukų auginimas buvo atliktas naudojant PVT metodą ant 4° ne ašies C paviršiaus substratų. Buvo pasiūlytos geresnės proceso sąlygos pradinei augimo fazei. Augimo temperatūra buvo nustatyta tarp 2300-2400°C, o slėgis buvo palaikomas 5-20 Torr azoto ir argono dujų aplinkoje. 6 colių4H-SiC plokštelėsbuvo pagaminti naudojant standartinius puslaidininkių apdorojimo metodus. TheSiC plokštelėsbuvo apdoroti pagal skirtingas temperatūros gradiento sąlygas pradinėje augimo fazėje ir išgraviruoti 600 ° C temperatūroje 14 minučių, kad būtų įvertinti defektai. Paviršiaus ėsdinimo duobės tankis (EPD) buvo išmatuotas naudojant optinį mikroskopą (OM). Visas plotis esant pusei didžiausių (FWHM) verčių ir atvaizdų atvaizdavimas6 colių SiC plokštelėsbuvo išmatuoti naudojant didelės skiriamosios gebos rentgeno difrakcijos (XRD) sistemą.

Rezultatai ir diskusija

1 pav. SiC kristalų augimo mechanizmo schema

Norint pasiekti aukštos kokybės SiC monokristalų augimą, paprastai reikia naudoti didelio grynumo SiC miltelių šaltinius, tiksliai kontroliuoti C/Si santykį ir palaikyti pastovią augimo temperatūrą ir slėgį. Be to, labai svarbu sumažinti sėklų kristalų praradimą ir slopinti sėklinio kristalo paviršiaus defektų susidarymą pradinėje augimo fazėje. 1 paveiksle parodyta šio tyrimo SiC kristalų augimo mechanizmo schema. Kaip parodyta 1 paveiksle, garų dujos (ST) transportuojamos į sėklinio kristalo paviršių, kur jos pasklinda ir sudaro kristalą. Kai kurios augime nedalyvaujančios dujos (ST) desorbuojasi nuo kristalo paviršiaus. Kai dujų kiekis ant sėklinio kristalo paviršiaus (SG) viršija desorbuotų dujų kiekį (SD), augimo procesas vyksta. Todėl atitinkamas dujų (SG) / dujų (SD) santykis augimo procese buvo tiriamas keičiant RF šildymo ritės padėtį.

2 pav. SiC kristalų augimo proceso sąlygų schema

2 paveiksle parodyta šio tyrimo SiC kristalų augimo proceso sąlygų schema. Įprasta augimo proceso temperatūra svyruoja nuo 2300 iki 2400 °C, slėgis palaikomas nuo 5 iki 20 torų. Auginimo proceso metu temperatūros gradientas palaikomas dT=50–150°C (a) įprastas metodas. Kartais netolygus šaltinių dujų (Si2C, SiC2, Si) tiekimas gali sukelti krovimo gedimus, politipinius inkliuzus ir taip pabloginti kristalų kokybę. Todėl pradinėje augimo fazėje, keičiant RF ritės padėtį, dT buvo kruopščiai kontroliuojamas 50–100 °C, po to pagrindinio augimo proceso metu reguliuojamas iki dT=50–150 °C (b) patobulintas metodas) . Norint kontroliuoti temperatūros gradientą (dT[°C] = T apačia-Tupper), apatinė temperatūra buvo nustatyta ties 2300°C, o viršutinė - nuo 2270°C, 2250°C, 2200°C iki 2150°C. 1 lentelėje pateikiami optinio mikroskopo (OM) vaizdai iš SiC rutulio paviršiaus, auginamo skirtingomis temperatūros gradiento sąlygomis po 10 valandų.

1 lentelė. Optinio mikroskopo (OM) SiC sluoksnio paviršiaus vaizdai, auginami 10 valandų ir 100 valandų skirtingomis temperatūros gradiento sąlygomis

Esant pradiniam dT = 50 ° C, defektų tankis SiC rutulio paviršiuje po 10 augimo valandų buvo žymiai mažesnis nei esant dT = 30 ° C ir dT = 150 ° C. Kai dT = 30 ° C, pradinis temperatūros gradientas gali būti per mažas, todėl gali prarasti sėklų kristalai ir susidaryti defektai. Ir atvirkščiai, esant didesniam pradinės temperatūros gradientui (dT=150°C), gali susidaryti nestabili persotinimo būsena, dėl kurios dėl didelės laisvų darbo vietų koncentracijos gali atsirasti politipinių intarpų ir defektų. Tačiau, jei pradinis temperatūros gradientas yra optimizuotas, aukštos kokybės kristalų augimas gali būti pasiektas sumažinus pradinių defektų susidarymą. Kadangi defektų tankis SiC rutulio paviršiuje po 100 valandų augimo buvo panašus į rezultatus po 10 valandų, defektų susidarymo mažinimas pradinėje augimo fazėje yra kritinis žingsnis norint gauti aukštos kokybės SiC kristalus.

2 lentelė. Išgraviruotų SiC rutuliukų EPD reikšmės esant skirtingoms temperatūros gradiento sąlygoms

Vafliaiparuošti iš 100 valandų augintų rutuliukų, buvo išgraviruoti SiC kristalų defektų tankiui tirti, kaip parodyta 2 lentelėje. SiC kristalų, išaugintų pradinėje dT=30°C ir dT=150°C temperatūroje, EPD vertės buvo 35 880/cm² ir 25 660 /cm², o optimaliomis sąlygomis (dT=50°C) auginamų SiC kristalų EPD vertė žymiai sumažėjo iki 8560/cm².

3 lentelė: FWHM reikšmės ir XRD atvaizdavimo SiC kristalų vaizdai esant skirtingoms pradinės temperatūros gradiento sąlygoms

3 lentelėje pateiktos skirtingomis pradinės temperatūros gradiento sąlygomis išaugintų SiC kristalų FWHM reikšmės ir XRD kartografavimo vaizdai. Optimizuotomis sąlygomis (dT=50°C) auginamų SiC kristalų vidutinė FWHM vertė buvo 18,6 lanko sekundės, žymiai mažesnė nei SiC kristalų, auginamų kitomis temperatūros gradiento sąlygomis.

Išvada

Pradinės augimo fazės temperatūros gradiento įtaka SiC kristalų kokybei buvo tiriama kontroliuojant temperatūros gradientą (dT[°C] = Tbottom-Tupper) keičiant ritės padėtį. Rezultatai parodė, kad defektų tankis SiC rutuliuko paviršiuje po 10 valandų augimo pradinėmis dT = 50 ° C sąlygomis buvo žymiai mažesnis nei esant dT = 30 ° C ir dT = 150 ° C. Optimizuotomis sąlygomis (dT=50°C) auginamų SiC kristalų vidutinė FWHM vertė buvo 18,6 lanko sekundės, žymiai mažesnė nei SiC kristalų, auginamų kitomis sąlygomis. Tai rodo, kad pradinio temperatūros gradiento optimizavimas veiksmingai sumažina pradinių defektų susidarymą ir taip pasiekiamas aukštos kokybės SiC kristalų augimas.**