دستیابی به رشد کریستال SiC با کیفیت بالا از طریق کنترل گرادیان دما در مرحله رشد اولیه

مقدمه

کاربید سیلیکون (SiC) یک ماده نیمه هادی با فاصله باند وسیع است که در سال های اخیر به دلیل عملکرد استثنایی آن در کاربردهای ولتاژ و دمای بالا توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است. پیشرفت سریع روش های حمل و نقل بخار فیزیکی (PVT) نه تنها کیفیت تک بلورهای SiC را بهبود بخشیده است، بلکه با موفقیت به ساخت تک بلورهای SiC 150 میلی متری نیز دست یافته است. با این حال، کیفیت ازویفرهای SiCهنوز به بهبود بیشتر نیاز دارد، به ویژه از نظر کاهش تراکم نقص. به خوبی شناخته شده است که نقص‌های مختلفی در کریستال‌های SiC رشد یافته وجود دارد، در درجه اول به دلیل درک ناکافی مکانیسم‌های تشکیل نقص در طول فرآیند رشد کریستال SiC. تحقیقات عمیق بیشتر در مورد فرآیند رشد PVT برای افزایش قطر و طول کریستال‌های SiC و همچنین افزایش نرخ تبلور، در نتیجه تسریع تجاری‌سازی دستگاه‌های مبتنی بر SiC ضروری است. برای دستیابی به رشد کریستال SiC با کیفیت بالا، ما بر روی کنترل گرادیان دما در مرحله رشد اولیه تمرکز کردیم. از آنجایی که گازهای غنی از سیلیکون (Si، Si2C) ممکن است در مرحله رشد اولیه به سطح کریستال بذر آسیب برسانند، ما گرادیان های دمایی مختلفی را در مرحله اولیه ایجاد کردیم و در طول فرآیند رشد اصلی به شرایط دمایی نسبت C/Si ثابت تنظیم کردیم. این مطالعه به طور سیستماتیک ویژگی‌های مختلف کریستال‌های SiC رشد یافته با استفاده از شرایط فرآیند اصلاح‌شده را بررسی می‌کند.

روشهای تجربی

رشد بول های 6 اینچی 4H-SiC با استفاده از روش PVT بر روی بسترهای C-face خارج از محور 4 درجه انجام شد. شرایط فرآیند بهبود یافته برای مرحله رشد اولیه پیشنهاد شد. دمای رشد بین 2300-2400 درجه سانتیگراد تنظیم شد و فشار در 5-20 Torr در محیطی از نیتروژن و گاز آرگون حفظ شد. 6 اینچیویفر 4H-SiCاز طریق تکنیک های استاندارد پردازش نیمه هادی ساخته شدند. اینویفرهای SiCبا توجه به شرایط گرادیان دما در فاز رشد اولیه پردازش شدند و در دمای 600 درجه سانتیگراد به مدت 14 دقیقه برای ارزیابی عیوب اچ شدند. چگالی حفره ای (EPD) سطح با استفاده از میکروسکوپ نوری (OM) اندازه گیری شد. عرض کامل در نصف حداکثر (FWHM) مقادیر و نقشه برداری تصاویر ازویفر 6 اینچی SiCبا استفاده از یک سیستم پراش اشعه ایکس با وضوح بالا (XRD) اندازه گیری شد.

نتایج و بحث

شکل 1: شماتیک مکانیسم رشد کریستال SiC

برای دستیابی به رشد تک کریستالی SiC با کیفیت بالا، معمولاً باید از منابع پودر SiC با خلوص بالا استفاده کرد، نسبت C/Si را دقیقاً کنترل کرد و دما و فشار رشد را ثابت نگه داشت. علاوه بر این، به حداقل رساندن از دست دادن کریستال دانه و سرکوب تشکیل عیوب سطحی روی کریستال دانه در مرحله رشد اولیه بسیار مهم است. شکل 1 شماتیک مکانیسم رشد کریستال SiC را در این مطالعه نشان می دهد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، گازهای بخار (ST) به سطح کریستال دانه منتقل می شوند، جایی که پخش می شوند و کریستال را تشکیل می دهند. برخی از گازهایی که در رشد نقش ندارند (ST) از سطح کریستال دفع می شوند. هنگامی که مقدار گاز روی سطح کریستال بذر (SG) از گاز دفع شده (SD) بیشتر شود، روند رشد ادامه می یابد. بنابراین، نسبت گاز (SG) / گاز (SD) مناسب در طول فرآیند رشد با تغییر موقعیت سیم پیچ گرمایش RF مورد مطالعه قرار گرفت.

شکل 2: شماتیک شرایط فرآیند رشد کریستال SiC

شکل 2 شماتیک شرایط فرآیند رشد کریستال SiC را در این مطالعه نشان می دهد. دمای معمولی فرآیند رشد از 2300 تا 2400 درجه سانتیگراد متغیر است و فشار آن بین 5 تا 20 Torr حفظ می شود. در طول فرآیند رشد، گرادیان دما در dT = 50 ~ 150 درجه سانتی گراد ((الف) روش معمولی) حفظ می شود. گاهی اوقات، عرضه ناهموار گازهای منبع (Si2C، SiC2، Si) ممکن است منجر به انباشت گسل، چند نوع آخال ها، و در نتیجه کاهش کیفیت کریستال شود. بنابراین، در مرحله رشد اولیه، با تغییر موقعیت سیم پیچ RF، dT به دقت در دمای 50 ~ 100 درجه سانتیگراد کنترل شد، سپس در طول فرآیند رشد اصلی به dT = 50 ~ 150 درجه سانتیگراد تنظیم شد ((b) روش بهبود یافته) . برای کنترل گرادیان دما (dT[°C] = Tbottom-Tupper)، دمای پایین در 2300 درجه سانتی گراد ثابت شد و دمای بالا از 2270 درجه سانتی گراد، 2250 درجه سانتی گراد، 2200 درجه سانتی گراد تا 2150 درجه سانتی گراد تنظیم شد. جدول 1 تصاویر میکروسکوپ نوری (OM) سطح بول SiC را نشان می دهد که تحت شرایط گرادیان دمایی مختلف پس از 10 ساعت رشد کرده است.

جدول 1: تصاویر میکروسکوپ نوری (OM) از سطح SiC Boule که به مدت 10 ساعت و 100 ساعت تحت شرایط گرادیان دما متفاوت رشد کرده است.

در dT = 50 درجه سانتی گراد اولیه، چگالی نقص در سطح بول SiC پس از 10 ساعت رشد به طور قابل توجهی کمتر از dT = 30 درجه سانتی گراد و dT = 150 درجه سانتی گراد بود. در dT = 30 درجه سانتیگراد، گرادیان دمای اولیه ممکن است خیلی کوچک باشد، که منجر به از بین رفتن کریستال دانه و تشکیل نقص می شود. برعکس، در یک گرادیان دمای اولیه بالاتر (dT = 150 درجه سانتیگراد)، یک حالت فوق اشباع ناپایدار ممکن است رخ دهد، که منجر به آخال ها و نقص های پلی تایپ به دلیل غلظت بالای خالی می شود. با این حال، اگر گرادیان دمای اولیه بهینه شود، می توان با به حداقل رساندن تشکیل عیوب اولیه، به رشد کریستال با کیفیت بالا دست یافت. از آنجایی که چگالی نقص در سطح بول SiC پس از 100 ساعت رشد مشابه نتایج پس از 10 ساعت بود، کاهش تشکیل نقص در مرحله رشد اولیه گام مهمی در به دست آوردن کریستال‌های SiC با کیفیت بالا است.

جدول 2: مقادیر EPD بول های SiC حکاکی شده تحت شرایط گرادیان دما متفاوت

ویفرهمانطور که در جدول 2 نشان داده شده است، از بولهایی که به مدت 100 ساعت رشد کرده بودند، برای مطالعه چگالی نقص کریستالهای SiC، اچ شدند. /cm²، به ترتیب، در حالی که ارزش EPD کریستال های SiC رشد کرده تحت شرایط بهینه (dT = 50 درجه سانتی گراد) به طور قابل توجهی به 8560 / سانتی متر مربع کاهش می یابد.

جدول 3: مقادیر FWHM و تصاویر نقشه برداری XRD از کریستال های SiC تحت شرایط مختلف گرادیان دمای اولیه

جدول 3 مقادیر FWHM و تصاویر نقشه برداری XRD از کریستال های SiC رشد یافته در شرایط گرادیان دمای اولیه مختلف را نشان می دهد. میانگین مقدار FWHM بلورهای SiC رشد کرده در شرایط بهینه (dT = 50 درجه سانتی گراد) 18.6 ثانیه قوسی بود که به طور قابل توجهی کمتر از کریستال های SiC رشد شده در سایر شرایط گرادیان دما بود.

نتیجه گیری

اثر گرادیان دمای فاز رشد اولیه بر کیفیت کریستال SiC با کنترل گرادیان دما (dT[°C] = Tbottom-Tupper) با تغییر موقعیت سیم پیچ مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که چگالی نقص در سطح بول SiC پس از 10 ساعت رشد در شرایط اولیه dT = 50 درجه سانتی گراد به طور قابل توجهی کمتر از dT = 30 درجه سانتی گراد و dT = 150 درجه سانتی گراد بود. میانگین مقدار FWHM کریستال های SiC رشد کرده در شرایط بهینه (dT=50 درجه سانتی گراد) 18.6 ثانیه قوسی بود که به طور قابل توجهی کمتر از کریستال های SiC رشد شده در شرایط دیگر بود. این نشان می‌دهد که بهینه‌سازی گرادیان دمای اولیه به طور موثری تشکیل عیوب اولیه را کاهش می‌دهد و در نتیجه به رشد کریستال SiC با کیفیت بالا دست می‌یابد.**