İlkin Artım Fazasında Temperatur Qradientinə Nəzarət Yolu ilə Yüksək Keyfiyyətli SiC Kristal Artımına nail olmaq

Giriş

Silikon karbid (SiC) yüksək gərginlikli və yüksək temperatur tətbiqlərində müstəsna performansına görə son illərdə əhəmiyyətli diqqəti cəlb edən geniş diapazonlu yarımkeçirici materialdır. Fiziki Buxar Nəqliyyatı (PVT) üsullarının sürətli inkişafı nəinki SiC monokristallarının keyfiyyətini yaxşılaşdırdı, həm də 150 ​​mm SiC tək kristallarının istehsalına uğurla nail oldu. Bununla belə, keyfiyyətSiC vaflilərixüsusilə qüsur sıxlığının azaldılması baxımından hələ də əlavə təkmilləşdirmə tələb edir. Məlumdur ki, böyümüş SiC kristallarında müxtəlif qüsurlar mövcuddur, ilk növbədə SiC kristalının böyüməsi prosesi zamanı qüsur əmələ gəlmə mexanizmlərinin kifayət qədər dərk edilməməsi ilə əlaqədardır. SiC kristallarının diametrini və uzunluğunu artırmaq, eyni zamanda kristallaşma sürətini artırmaq və bununla da SiC əsaslı cihazların kommersiyalaşdırılmasını sürətləndirmək üçün PVT böyümə prosesi ilə bağlı əlavə dərin tədqiqatlar lazımdır. Yüksək keyfiyyətli SiC kristal artımına nail olmaq üçün biz ilkin böyümə fazası zamanı temperatur qradiyenti nəzarətinə diqqət yetirdik. Silikonla zəngin qazlar (Si, Si2C) ilkin böyümə fazası zamanı toxumun kristal səthini zədələyə bildiyindən, biz ilkin mərhələdə müxtəlif temperatur gradientləri təyin etdik və əsas böyümə prosesi zamanı sabit C/Si nisbəti temperatur şəraitinə uyğunlaşdırdıq. Bu tədqiqat sistematik olaraq dəyişdirilmiş proses şəraitindən istifadə edərək yetişdirilən SiC kristallarının müxtəlif xüsusiyyətlərini araşdırır.

Eksperimental üsullar

6 düymlük 4H-SiC bulalarının böyüməsi 4° oxdan kənar C-üzlü substratlarda PVT metodundan istifadə edilməklə həyata keçirilmişdir. İlkin böyümə mərhələsi üçün təkmilləşdirilmiş proses şəraiti təklif edilmişdir. Böyümə temperaturu 2300-2400°C arasında müəyyən edilmiş və təzyiq azot və arqon qazı mühitində 5-20 Torr səviyyəsində saxlanılmışdır. 6 düym4H-SiC vafliləristandart yarımkeçirici emal üsulları ilə hazırlanmışdır. TheSiC vafliləriilkin böyümə fazasında müxtəlif temperatur qradiyenti şərtlərinə uyğun işlənmiş və qüsurları qiymətləndirmək üçün 14 dəqiqə ərzində 600°C-də həkk edilmişdir. Səthin çuxur sıxlığı (EPD) optik mikroskop (OM) istifadə edərək ölçüldü. Yarım maksimumda tam eni (FWHM) dəyərləri və xəritəçəkmə şəkilləri6 düymlük SiC vafliləriyüksək ayırdetməli rentgen difraksiya (XRD) sistemi ilə ölçüldü.

Nəticələr və Müzakirə

Şəkil 1: SiC Kristal Böyümə Mexanizminin Sxemi

Yüksək keyfiyyətli SiC tək kristal artımına nail olmaq üçün adətən yüksək təmizlikli SiC toz mənbələrindən istifadə etmək, C/Si nisbətinə dəqiq nəzarət etmək və sabit artım temperaturu və təzyiqini saxlamaq lazımdır. Bundan əlavə, toxum kristallarının itkisini minimuma endirmək və ilk böyümə mərhələsində toxum kristalında səth qüsurlarının meydana gəlməsinin qarşısını almaq çox vacibdir. Şəkil 1 bu işdə SiC kristal artım mexanizminin sxemini göstərir. Şəkil 1-də göstərildiyi kimi, buxar qazları (ST) toxum kristalının səthinə daşınır, orada yayılır və kristal əmələ gətirir. Böyümə prosesində iştirak etməyən bəzi qazlar (ST) kristal səthindən desorblanır. Toxumların kristal səthindəki (SG) qazın miqdarı desorbsiya olunmuş qazdan (SD) çox olduqda, böyümə prosesi davam edir. Buna görə də, böyümə prosesi zamanı müvafiq qaz (SG)/qaz (SD) nisbəti RF qızdırıcısının mövqeyini dəyişdirərək öyrənildi.

Şəkil 2: SiC Kristal Artım Prosesi Şərtlərinin Sxematikası

Şəkil 2 bu işdə SiC kristalının böyüməsi prosesi şərtlərinin sxemini göstərir. Tipik böyümə prosesinin temperaturu 2300 ilə 2400 ° C arasında dəyişir, təzyiq 5 ilə 20 Torr arasında saxlanılır. Artım prosesi zamanı temperatur qradiyenti dT=50~150°C-də saxlanılır ((a) şərti üsul). Bəzən mənbə qazlarının qeyri-bərabər tədarükü (Si2C, SiC2, Si) yığılma qüsurları, politip daxilolmaları ilə nəticələnə bilər və beləliklə, kristal keyfiyyətini pisləşdirə bilər. Buna görə də, ilkin böyümə mərhələsində, RF bobininin mövqeyini dəyişdirərək, dT 50 ~ 100 ° C daxilində diqqətlə idarə edildi, sonra əsas böyümə prosesi zamanı dT = 50 ~ 150 ° C-ə düzəldildi ((b) təkmilləşdirilmiş üsul) . Temperatur qradiyentinə (dT[°C] = Tbottom-Tupper) nəzarət etmək üçün alt temperatur 2300°C-də sabitlənmiş, yuxarı temperatur isə 2270°C, 2250°C, 2200°C-dən 2150°C-dək tənzimlənmişdir. Cədvəl 1 10 saatdan sonra müxtəlif temperatur qradiyenti şəraitində yetişən SiC bulu səthinin optik mikroskop (OM) şəkillərini təqdim edir.

Cədvəl 1: Müxtəlif Temperatur Qradiyenti Şərtlərində 10 Saat və 100 Saat Yetişdirilmiş SiC Boule Səthinin Optik Mikroskop (OM) Şəkilləri

İlkin dT=50°C-də, 10 saatlıq böyümədən sonra SiC boule səthində qüsur sıxlığı dT=30°C və dT=150°C-də olandan əhəmiyyətli dərəcədə aşağı idi. dT=30°C-də ilkin temperatur qradiyenti çox kiçik ola bilər, nəticədə toxum kristallarının itməsi və qüsur əmələ gəlməsi ilə nəticələnir. Əksinə, daha yüksək ilkin temperatur qradiyentində (dT=150°C) qeyri-sabit supersaturasiya vəziyyəti baş verə bilər ki, bu da yüksək boşluq konsentrasiyası səbəbindən politip daxilolmalarına və qüsurlara səbəb olur. Bununla belə, ilkin temperatur gradienti optimallaşdırılarsa, ilkin qüsurların əmələ gəlməsini minimuma endirməklə yüksək keyfiyyətli kristal artımına nail olmaq olar. 100 saatlıq böyümədən sonra SiC boule səthindəki qüsur sıxlığı 10 saatdan sonrakı nəticələrə bənzədiyindən, ilkin böyümə fazası zamanı qüsur əmələ gəlməsinin azaldılması yüksək keyfiyyətli SiC kristallarının əldə edilməsində kritik addımdır.

Cədvəl 2: Fərqli Temperatur Qradiyenti Şərtlərində Etched SiC Boules-in EPD Dəyərləri

vafliCədvəl 2-də göstərildiyi kimi, SiC kristallarının qüsur sıxlığını öyrənmək üçün 100 saat ərzində yetişdirilmiş buklelərdən hazırlanmış həkk edilmişdir. İlkin dT=30°C və dT=150°C altında yetişən SiC kristallarının EPD dəyərləri 35.880/sm² və 25.660 idi. /cm², müvafiq olaraq, optimallaşdırılmış şəraitdə (dT=50°C) yetişdirilən SiC kristallarının EPD dəyəri əhəmiyyətli dərəcədə azalaraq 8,560/sm²-ə enmişdir.

Cədvəl 3: Fərqli İlkin Temperatur Qradiyenti Şərtlərində SiC Kristallarının FWHM Dəyərləri və XRD Xəritəçəkmə Şəkilləri

Cədvəl 3 müxtəlif ilkin temperatur qradiyenti şəraitində yetişən SiC kristallarının FWHM dəyərlərini və XRD xəritəçəkmə şəkillərini təqdim edir. Optimallaşdırılmış şəraitdə yetişdirilmiş SiC kristallarının orta FWHM dəyəri (dT=50°C) 18,6 qövs saniyəsi olub, digər temperatur qradiyenti şəraitində yetişdirilən SiC kristallarınınkindən əhəmiyyətli dərəcədə aşağıdır.

Nəticə

İlkin artım fazasının temperatur qradiyentinin SiC kristal keyfiyyətinə təsiri rulonun mövqeyini dəyişdirərək temperatur qradiyenti (dT[°C] = Tbottom-Tupper) idarə edilməklə öyrənilmişdir. Nəticələr göstərdi ki, ilkin dT=50°C şəraitində 10 saatlıq böyümədən sonra SiC boule səthində qüsur sıxlığı dT=30°C və dT=150°C altında olandan əhəmiyyətli dərəcədə aşağı olmuşdur. Optimallaşdırılmış şəraitdə yetişdirilmiş SiC kristallarının orta FWHM dəyəri (dT=50°C) 18,6 qövs saniyəsi təşkil etmişdir ki, bu da digər şərtlər altında yetişdirilmiş SiC kristallarınınkindən əhəmiyyətli dərəcədə aşağıdır. Bu onu göstərir ki, ilkin temperatur gradientinin optimallaşdırılması ilkin qüsurların əmələ gəlməsini effektiv şəkildə azaldır və bununla da yüksək keyfiyyətli SiC kristal artımına nail olur.**