Постизање висококвалитетног раста СиЦ кристала кроз контролу градијента температуре у почетној фази раста

Увод

Силицијум карбид (СиЦ) је полупроводнички материјал са широким појасом који је привукао значајну пажњу последњих година због својих изузетних перформанси у високонапонским и високотемпературним апликацијама. Брзи напредак метода физичког транспорта паре (ПВТ) не само да је побољшао квалитет СиЦ монокристала већ је такође успешно постигао производњу монокристала од 150 мм СиЦ. Међутим, квалитет одСиЦ плочицеи даље захтева даље унапређење, посебно у смислу смањења густине дефеката. Добро је познато да у узгојеним кристалима СиЦ постоје различити дефекти, првенствено због недовољног разумевања механизама формирања дефекта током процеса раста кристала СиЦ. Даља дубинска истраживања процеса раста ПВТ-а су неопходна да би се повећао пречник и дужина СиЦ кристала уз истовремено повећање брзине кристализације, чиме се убрзава комерцијализација уређаја заснованих на СиЦ-у. Да бисмо постигли висококвалитетан раст кристала СиЦ, фокусирали смо се на контролу градијента температуре током почетне фазе раста. Пошто гасови богати силицијумом (Си, Си2Ц) могу да оштете површину кристала семена током почетне фазе раста, установили смо различите температурне градијенте у почетној фази и прилагодили температурним условима константног Ц/Си односа током главног процеса раста. Ова студија систематски истражује различите карактеристике кристала СиЦ узгојених коришћењем модификованих услова процеса.

Експерименталне методе

Раст 4Х-СиЦ боула од 6 инча изведен је коришћењем ПВТ методе на подлогама са Ц-лицом од 4° ван осе. Предложени су побољшани процесни услови за почетну фазу раста. Температура раста је постављена између 2300-2400°Ц, а притисак је одржаван на 5-20 Торр, у окружењу гаса азота и аргона. 6-инчни4Х-СиЦ плочицепроизведени су стандардним техникама обраде полупроводника. ТхеСиЦ плочицесу обрађени према различитим условима температурног градијента у почетној фази раста и нагризани на 600°Ц током 14 минута да би се проценили дефекти. Густина удубљења (ЕПД) површине је мерена помоћу оптичког микроскопа (ОМ). Вредности пуне ширине на пола максимума (ФВХМ) и слике мапирања6-инчне СиЦ плочицемерене су коришћењем система дифракције рендгенских зрака високе резолуције (КСРД).

Резултати и дискусија

Слика 1: Шема механизма раста СиЦ кристала

Да би се постигао висококвалитетни раст монокристала СиЦ, обично је неопходно користити изворе праха СиЦ високе чистоће, прецизно контролисати однос Ц/Си и одржавати константну температуру и притисак раста. Поред тога, минимизирање губитка кристала семена и сузбијање формирања површинских дефеката на кристалу семена током почетне фазе раста су од кључне важности. Слика 1 илуструје шему механизма раста кристала СиЦ у овој студији. Као што је приказано на слици 1, испарени гасови (СТ) се транспортују до површине кристала семена, где дифундују и формирају кристал. Неки гасови који нису укључени у раст (СТ) се десорбују са површине кристала. Када количина гаса на површини кристала (СГ) премаши десорбовани гас (СД), процес раста се наставља. Стога је одговарајући однос гас (СГ)/гас (СД) током процеса раста проучаван променом положаја РФ грејног намотаја.

Слика 2: Шема услова процеса раста СиЦ кристала

Слика 2 приказује шему услова процеса раста кристала СиЦ у овој студији. Типична температура процеса раста се креће од 2300 до 2400°Ц, са притиском који се одржава на 5 до 20 Торр. Током процеса раста, температурни градијент се одржава на дТ=50~150°Ц ((а) конвенционална метода). Понекад, неравномерно снабдевање изворним гасовима (Си2Ц, СиЦ2, Си) може довести до грешака у слагању, политипских инклузија и на тај начин погоршати квалитет кристала. Стога, у почетној фази раста, променом положаја РФ завојнице, дТ је пажљиво контролисан унутар 50~100°Ц, а затим је подешен на дТ=50~150°Ц током главног процеса раста ((б) побољшана метода) . За контролу градијента температуре (дТ[°Ц] = Тботтом-Туппер), доња температура је фиксирана на 2300°Ц, а горња температура је подешена од 2270°Ц, 2250°Ц, 2200°Ц до 2150°Ц. Табела 1 представља слике оптичког микроскопа (ОМ) СиЦ боуле површине узгојене у различитим условима температурног градијента након 10 сати.

Табела 1: Слике оптичког микроскопа (ОМ) СиЦ Боуле површине узгајане 10 сати и 100 сати под различитим условима температурног градијента

На почетном дТ=50°Ц, густина дефекта на површини СиЦ була након 10 сати раста била је значајно нижа од оне под дТ=30°Ц и дТ=150°Ц. При дТ=30°Ц, почетни температурни градијент може бити премали, што доводи до губитка кристала семена и формирања дефекта. Супротно томе, при вишем почетном температурном градијенту (дТ=150°Ц), може доћи до нестабилног стања презасићености, што доводи до политипских инклузија и дефеката због високих концентрација празних места. Међутим, ако је почетни температурни градијент оптимизован, висококвалитетан раст кристала се може постићи минимизирањем формирања почетних дефеката. Пошто је густина дефекта на површини СиЦ була након 100 сати раста била слична резултатима након 10 сати, смањење формирања дефекта током почетне фазе раста је критичан корак у добијању висококвалитетних кристала СиЦ.

Табела 2: ЕПД вредности угравираних СиЦ боула под различитим условима температурног градијента

Облатнеприпремљене од куглица које су узгајане 100 сати урезане су да би се проучавала густина дефекта кристала СиЦ, као што је приказано у табели 2. ЕПД вредности кристала СиЦ узгајаних под почетним дТ=30°Ц и дТ=150°Ц биле су 35,880/цм² и 25,660 /цм², респективно, док је ЕПД вредност кристала СиЦ узгајаних у оптимизованим условима (дТ=50°Ц) значајно смањена на 8,560/цм².

Табела 3: ФВХМ вредности и слике КСРД мапирања СиЦ кристала под различитим условима иницијалног градијента температуре

Табела 3 представља ФВХМ вредности и слике КСРД мапирања СиЦ кристала узгајаних у различитим условима почетног температурног градијента. Просечна ФВХМ вредност кристала СиЦ узгајаних у оптимизованим условима (дТ=50°Ц) била је 18,6 лучних секунди, значајно нижа од вредности СиЦ кристала узгајаних у другим условима температурног градијента.

Закључак

Утицај температурног градијента почетне фазе раста на квалитет кристала СиЦ проучаван је контролисањем температурног градијента (дТ[°Ц] = Тботтом-Туппер) променом положаја намотаја. Резултати су показали да је густина дефекта на површини СиЦ боула након 10 сати раста у почетним условима дТ=50°Ц била значајно нижа од оне под дТ=30°Ц и дТ=150°Ц. Просечна ФВХМ вредност кристала СиЦ узгајаних у оптимизованим условима (дТ=50°Ц) била је 18,6 лучних секунди, значајно нижа од вредности СиЦ кристала узгајаних у другим условима. Ово указује да оптимизација почетног температурног градијента ефикасно смањује формирање почетних дефеката, чиме се постиже висококвалитетан раст кристала СиЦ.**