Alcançando crescimento de cristal SiC de alta qualidade por meio do controle de gradiente de temperatura na fase inicial de crescimento

Introdução

O carboneto de silício (SiC) é um material semicondutor de banda larga que tem recebido atenção significativa nos últimos anos devido ao seu desempenho excepcional em aplicações de alta tensão e alta temperatura. O rápido avanço dos métodos de transporte físico de vapor (PVT) não apenas melhorou a qualidade dos monocristais de SiC, mas também alcançou com sucesso a fabricação de monocristais de SiC de 150 mm. No entanto, a qualidadeBolachas de SiCainda requer melhorias adicionais, particularmente em termos de redução da densidade de defeitos. É bem conhecido que existem vários defeitos nos cristais de SiC cultivados, principalmente devido a uma compreensão insuficiente dos mecanismos de formação de defeitos durante o processo de crescimento do cristal de SiC. Mais pesquisas aprofundadas sobre o processo de crescimento de PVT são necessárias para aumentar o diâmetro e o comprimento dos cristais de SiC e, ao mesmo tempo, aumentar a taxa de cristalização, acelerando assim a comercialização de dispositivos baseados em SiC. Para obter um crescimento de cristal de SiC de alta qualidade, focamos no controle do gradiente de temperatura durante a fase inicial de crescimento. Como gases ricos em silício (Si, Si2C) podem danificar a superfície do cristal de semente durante a fase inicial de crescimento, estabelecemos diferentes gradientes de temperatura no estágio inicial e ajustamos às condições constantes de temperatura da relação C/Si durante o processo principal de crescimento. Este estudo explora sistematicamente as diversas características dos cristais de SiC cultivados usando condições de processo modificadas.

Métodos Experimentais

O crescimento de boules 4H-SiC de 6 polegadas foi realizado usando o método PVT em substratos de face C fora do eixo 4°. Foram propostas condições de processo melhoradas para a fase inicial de crescimento. A temperatura de crescimento foi ajustada entre 2300-2400°C e a pressão foi mantida entre 5-20 Torr, num ambiente de gás nitrogênio e argônio. 6 polegadasBolachas 4H-SiCforam fabricados através de técnicas padrão de processamento de semicondutores. OBolachas de SiCforam processados ​​de acordo com diferentes condições de gradiente de temperatura na fase inicial de crescimento e condicionados a 600°C por 14 minutos para avaliação de defeitos. A densidade do ponto de corrosão (EPD) da superfície foi medida usando um microscópio óptico (OM). Os valores de largura total na metade do máximo (FWHM) e imagens de mapeamento doBolachas SiC de 6 polegadasforam medidos usando um sistema de difração de raios X (XRD) de alta resolução.

Resultados e Discussão

Figura 1: Esquema do Mecanismo de Crescimento de Cristal SiC

Para obter crescimento de cristal único de SiC de alta qualidade, normalmente é necessário usar fontes de pó de SiC de alta pureza, controlar com precisão a relação C/Si e manter temperatura e pressão de crescimento constantes. Além disso, minimizar a perda de cristal de semente e suprimir a formação de defeitos superficiais no cristal de semente durante a fase inicial de crescimento são cruciais. A Figura 1 ilustra o esquema do mecanismo de crescimento do cristal SiC neste estudo. Conforme mostrado na Figura 1, os gases de vapor (ST) são transportados para a superfície do cristal semente, onde se difundem e formam o cristal. Alguns gases não envolvidos no crescimento (ST) são dessorvidos da superfície do cristal. Quando a quantidade de gás na superfície do cristal semente (SG) excede o gás dessorvido (SD), o processo de crescimento prossegue. Portanto, a relação gás (SG)/gás (SD) apropriada durante o processo de crescimento foi estudada alterando a posição da bobina de aquecimento de RF.

Figura 2: Esquema das condições do processo de crescimento de cristais de SiC

A Figura 2 mostra o esquema das condições do processo de crescimento de cristais de SiC neste estudo. A temperatura típica do processo de crescimento varia de 2.300 a 2.400°C, com a pressão mantida entre 5 e 20 Torr. Durante o processo de crescimento, o gradiente de temperatura é mantido em dT=50~150°C ((a) método convencional). Às vezes, o fornecimento desigual de gases fonte (Si2C, SiC2, Si) pode resultar em falhas de empilhamento, inclusões politípicas e, assim, degradar a qualidade do cristal. Portanto, na fase inicial de crescimento, alterando a posição da bobina de RF, o dT foi cuidadosamente controlado dentro de 50~100°C, depois ajustado para dT=50~150°C durante o processo principal de crescimento ((b) método melhorado) . Para controlar o gradiente de temperatura (dT[°C] = Tbottom-Tupper), a temperatura inferior foi fixada em 2300°C e a temperatura superior foi ajustada de 2270°C, 2250°C, 2200°C a 2150°C. A Tabela 1 apresenta as imagens do microscópio óptico (OM) da superfície do boule de SiC cultivada sob diferentes condições de gradiente de temperatura após 10 horas.

Tabela 1: Imagens de microscópio óptico (OM) da superfície de SiC Boule cultivadas por 10 horas e 100 horas sob diferentes condições de gradiente de temperatura

A um dT inicial=50°C, a densidade do defeito na superfície do boule de SiC após 10 horas de crescimento foi significativamente menor do que sob dT=30°C e dT=150°C. A dT=30°C, o gradiente de temperatura inicial pode ser muito pequeno, resultando na perda de cristais de semente e na formação de defeitos. Por outro lado, em um gradiente de temperatura inicial mais alto (dT = 150°C), pode ocorrer um estado de supersaturação instável, levando a inclusões politípicas e defeitos devido a altas concentrações de vacâncias. No entanto, se o gradiente de temperatura inicial for otimizado, o crescimento de cristais de alta qualidade pode ser alcançado minimizando a formação de defeitos iniciais. Como a densidade do defeito na superfície do boule de SiC após 100 horas de crescimento foi semelhante aos resultados após 10 horas, a redução da formação de defeitos durante a fase inicial de crescimento é a etapa crítica na obtenção de cristais de SiC de alta qualidade.

Tabela 2: Valores de EPD de bocha de SiC gravada sob diferentes condições de gradiente de temperatura

Bolachaspreparados a partir de boules cultivados por 100 horas foram gravados para estudar a densidade de defeitos dos cristais de SiC, conforme mostrado na Tabela 2. Os valores de EPD dos cristais de SiC cultivados sob dT = 30 ° C e dT = 150 ° C iniciais foram 35.880/cm² e 25.660 /cm², respectivamente, enquanto o valor de EPD dos cristais de SiC cultivados sob condições otimizadas (dT=50°C) reduziu significativamente para 8.560/cm².

Tabela 3: Valores FWHM e imagens de mapeamento XRD de cristais de SiC sob diferentes condições de gradiente de temperatura inicial

A Tabela 3 apresenta os valores de FWHM e imagens de mapeamento XRD de cristais de SiC cultivados sob diferentes condições iniciais de gradiente de temperatura. O valor médio de FWHM dos cristais de SiC cultivados sob condições otimizadas (dT = 50°C) foi de 18,6 segundos de arco, significativamente inferior ao dos cristais de SiC cultivados sob outras condições de gradiente de temperatura.

Conclusão

O efeito do gradiente de temperatura da fase inicial de crescimento na qualidade do cristal de SiC foi estudado controlando o gradiente de temperatura (dT[°C] = Tbottom-Tupper) alterando a posição da bobina. Os resultados mostraram que a densidade do defeito na superfície do boule de SiC após 10 horas de crescimento sob condições iniciais de dT=50°C foi significativamente menor do que sob dT=30°C e dT=150°C. O valor médio de FWHM dos cristais de SiC cultivados sob condições otimizadas (dT = 50°C) foi de 18,6 segundos de arco, significativamente inferior ao dos cristais de SiC cultivados sob outras condições. Isto indica que a otimização do gradiente de temperatura inicial reduz efetivamente a formação de defeitos iniciais, alcançando assim um crescimento de cristais de SiC de alta qualidade.**