บรรลุการเติบโตของคริสตัล SiC คุณภาพสูงผ่านการควบคุมไล่ระดับอุณหภูมิในระยะการเติบโตเริ่มต้น

การแนะนำ

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้างที่ได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากมีประสิทธิภาพที่โดดเด่นในการใช้งานแรงดันไฟฟ้าสูงและอุณหภูมิสูง ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของวิธีการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) ไม่เพียงแต่ปรับปรุงคุณภาพของผลึกเดี่ยว SiC เท่านั้น แต่ยังประสบความสำเร็จในการผลิตผลึกเดี่ยว SiC ขนาด 150 มม. อีกด้วย แต่คุณภาพของเวเฟอร์ SiCยังคงต้องการการปรับปรุงเพิ่มเติม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของการลดความหนาแน่นของข้อบกพร่อง เป็นที่ทราบกันดีว่ามีข้อบกพร่องต่างๆ เกิดขึ้นภายในผลึก SiC ที่โตแล้ว โดยมีสาเหตุหลักมาจากความเข้าใจไม่เพียงพอเกี่ยวกับกลไกการเกิดข้อบกพร่องในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของผลึก SiC การวิจัยเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการเติบโต PVT มีความจำเป็นในการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของผลึก SiC ในขณะเดียวกันก็เพิ่มอัตราการตกผลึกด้วย ซึ่งจะช่วยเร่งการจำหน่ายอุปกรณ์ที่ใช้ SiC ในเชิงพาณิชย์ เพื่อให้บรรลุการเติบโตของคริสตัล SiC คุณภาพสูง เรามุ่งเน้นไปที่การควบคุมการไล่ระดับอุณหภูมิในระหว่างระยะการเติบโตเริ่มแรก เนื่องจากก๊าซที่อุดมด้วยซิลิคอน (Si, Si2C) อาจทำลายพื้นผิวผลึกของเมล็ดในระหว่างระยะการเจริญเติบโตเริ่มแรก เราจึงสร้างการไล่ระดับอุณหภูมิที่แตกต่างกันในระยะเริ่มแรก และปรับให้อยู่ในสภาวะอุณหภูมิอัตราส่วน C/Si คงที่ในระหว่างกระบวนการเติบโตหลัก การศึกษานี้สำรวจคุณลักษณะต่างๆ ของผลึก SiC อย่างเป็นระบบที่ปลูกโดยใช้เงื่อนไขกระบวนการที่ได้รับการปรับเปลี่ยน

วิธีการทดลอง

การเติบโตของลูกเปตอง 4H-SiC ขนาด 6 นิ้วดำเนินการโดยใช้วิธี PVT บนซับสเตรตหน้า C นอกแกน 4° มีการเสนอเงื่อนไขกระบวนการที่ได้รับการปรับปรุงสำหรับระยะการเจริญเติบโตเริ่มแรก อุณหภูมิการเจริญเติบโตตั้งไว้ระหว่าง 2300-2400°C และรักษาความดันไว้ที่ 5-20 Torr ในสภาพแวดล้อมที่มีไนโตรเจนและก๊าซอาร์กอน 6 นิ้วเวเฟอร์ 4H-SiCถูกประดิษฐ์ขึ้นด้วยเทคนิคการประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์มาตรฐาน ที่เวเฟอร์ SiCได้รับการประมวลผลตามเงื่อนไขการไล่ระดับอุณหภูมิที่แตกต่างกันในระยะการเจริญเติบโตเริ่มต้น และแกะสลักที่ 600°C เป็นเวลา 14 นาทีเพื่อประเมินข้อบกพร่อง ความหนาแน่นของหลุมจำหลัก (EPD) ของพื้นผิวถูกวัดโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (OM) ค่าความกว้างเต็มที่ครึ่งหนึ่งสูงสุด (FWHM) และรูปภาพการจับคู่ของเวเฟอร์ SiC ขนาด 6 นิ้ววัดโดยใช้ระบบ X-ray diffraction (XRD) ความละเอียดสูง

ผลลัพธ์และการอภิปราย

รูปที่ 1: แผนผังของกลไกการเติบโตของคริสตัล SiC

เพื่อให้บรรลุการเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC คุณภาพสูง โดยทั่วไปจำเป็นต้องใช้แหล่งผง SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง ควบคุมอัตราส่วน C/Si อย่างแม่นยำ และรักษาอุณหภูมิและความดันการเติบโตให้คงที่ นอกจากนี้ การลดการสูญเสียผลึกของเมล็ดให้เหลือน้อยที่สุดและการยับยั้งการก่อตัวของข้อบกพร่องที่พื้นผิวบนผลึกเมล็ดในระหว่างระยะการเจริญเติบโตเริ่มแรกถือเป็นสิ่งสำคัญ รูปที่ 1 แสดงแผนผังของกลไกการเติบโตของผลึก SiC ในการศึกษานี้ ดังที่แสดงในรูปที่ 1 ก๊าซไอ (ST) จะถูกส่งไปยังพื้นผิวผลึกของเมล็ด ซึ่งพวกมันจะกระจายและก่อตัวเป็นผลึก ก๊าซบางชนิดที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโต (ST) จะดูดซับออกจากพื้นผิวผลึก เมื่อปริมาณก๊าซบนพื้นผิวผลึกเมล็ด (SG) เกินก๊าซที่ถูกดูดซับ (SD) กระบวนการเติบโตจะดำเนินต่อไป ดังนั้นจึงมีการศึกษาอัตราส่วนก๊าซ (SG)/ก๊าซ (SD) ที่เหมาะสมในระหว่างกระบวนการเติบโตโดยการเปลี่ยนตำแหน่งของคอยล์ทำความร้อน RF

รูปที่ 2: แผนผังของเงื่อนไขกระบวนการเจริญเติบโตของคริสตัล SiC

รูปที่ 2 แสดงแผนผังของสภาวะกระบวนการเติบโตของผลึก SiC ในการศึกษานี้ อุณหภูมิกระบวนการเจริญเติบโตโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 2300 ถึง 2400°C โดยความดันคงอยู่ที่ 5 ถึง 20 Torr ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโต การไล่ระดับของอุณหภูมิจะคงอยู่ที่ dT=50~150°C ((a) วิธีการทั่วไป) บางครั้ง การจ่ายก๊าซแหล่งที่มาอย่างไม่สม่ำเสมอ (Si2C, SiC2, Si) อาจส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดในการซ้อน การรวมโพลีไทป์ และทำให้คุณภาพของคริสตัลลดลง ดังนั้นในช่วงการเจริญเติบโตระยะแรก โดยการเปลี่ยนตำแหน่งของคอยล์ RF dT จะถูกควบคุมอย่างระมัดระวังภายใน 50~100°C จากนั้นจึงปรับเป็น dT=50~150°C ในระหว่างกระบวนการเติบโตหลัก ((b) วิธีการปรับปรุง) . เพื่อควบคุมการไล่ระดับของอุณหภูมิ (dT[°C] = Tbottom-Tupper) อุณหภูมิด้านล่างได้รับการแก้ไขที่ 2300°C และอุณหภูมิสูงสุดถูกปรับจาก 2270°C, 2250°C, 2200°C ถึง 2150°C ตารางที่ 1 แสดงภาพกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (OM) ของพื้นผิวลูกเปตอง SiC ที่ปลูกภายใต้สภาวะการไล่ระดับอุณหภูมิที่แตกต่างกันหลังจากผ่านไป 10 ชั่วโมง

ตารางที่ 1: ภาพกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (OM) ของพื้นผิว SiC ลูกเปตองที่เติบโตเป็นเวลา 10 ชั่วโมงและ 100 ชั่วโมงภายใต้สภาวะการไล่ระดับอุณหภูมิที่ต่างกัน

ที่ค่าเริ่มต้น dT=50°C ความหนาแน่นของข้อบกพร่องบนพื้นผิว SiC ลูกเปตองหลังจากการเติบโต 10 ชั่วโมงต่ำกว่าความหนาแน่นภายใต้ dT=30°C และ dT=150°C อย่างมีนัยสำคัญ ที่ dT=30°C การไล่ระดับของอุณหภูมิเริ่มต้นอาจน้อยเกินไป ส่งผลให้สูญเสียผลึกของเมล็ดและเกิดข้อบกพร่อง ในทางกลับกัน ที่ไล่ระดับอุณหภูมิเริ่มต้นที่สูงขึ้น (dT=150°C) สถานะความอิ่มตัวยิ่งยวดที่ไม่เสถียรอาจเกิดขึ้น ซึ่งนำไปสู่การรวมเข้าของโพลีไทป์และข้อบกพร่องเนื่องจากความเข้มข้นของตำแหน่งว่างสูง อย่างไรก็ตาม หากการไล่ระดับอุณหภูมิเริ่มต้นถูกปรับให้เหมาะสม การเติบโตของผลึกคุณภาพสูงสามารถทำได้โดยการลดการก่อตัวของข้อบกพร่องเริ่มต้นให้เหลือน้อยที่สุด เนื่องจากความหนาแน่นของข้อบกพร่องบนพื้นผิวลูกเปตอง SiC หลังจากการเติบโต 100 ชั่วโมงมีความคล้ายคลึงกับผลลัพธ์หลังจากผ่านไป 10 ชั่วโมง การลดการก่อตัวของข้อบกพร่องในระหว่างระยะการเจริญเติบโตเริ่มแรกจึงเป็นขั้นตอนสำคัญในการได้รับผลึก SiC คุณภาพสูง

ตารางที่ 2: ค่า EPD ของลูกเปตอง SiC ที่สลักไว้ภายใต้สภาวะการไล่ระดับอุณหภูมิที่ต่างกัน

เวเฟอร์ที่เตรียมจากลูกเปตองที่ปลูกเป็นเวลา 100 ชั่วโมงถูกแกะสลักเพื่อศึกษาความหนาแน่นของข้อบกพร่องของผลึก SiC ดังแสดงในตารางที่ 2 ค่า EPD ของผลึก SiC ที่ปลูกภายใต้ dT=30°C เริ่มต้น และ dT=150°C คือ 35,880/ซม.² และ 25,660 /ซม.² ตามลำดับ ในขณะที่ค่า EPD ของผลึก SiC ที่เติบโตภายใต้สภาวะที่เหมาะสม (dT=50°C) ลดลงอย่างมากเป็น 8,560/ซม.²

ตารางที่ 3: ค่า FWHM และการจับคู่ XRD ภาพของคริสตัล SiC ภายใต้สภาวะเกรเดียนต์ของอุณหภูมิเริ่มต้นที่แตกต่างกัน

ตารางที่ 3 แสดงค่า FWHM และภาพการจับคู่ XRD ของผลึก SiC ที่ปลูกภายใต้สภาวะเกรเดียนต์ของอุณหภูมิเริ่มต้นที่แตกต่างกัน ค่า FWHM เฉลี่ยของผลึก SiC ที่ปลูกภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด (dT=50°C) คือ 18.6 อาร์ควินาที ซึ่งต่ำกว่าค่าของผลึก SiC ที่เพิ่มขึ้นภายใต้สภาวะเกรเดียนต์ของอุณหภูมิอื่นๆ อย่างมีนัยสำคัญ

บทสรุป

ศึกษาผลของการไล่ระดับอุณหภูมิของเฟสการเจริญเติบโตเริ่มต้นต่อคุณภาพผลึก SiC โดยการควบคุมการไล่ระดับของอุณหภูมิ (dT[°C] = Tbottom-Tupper) โดยการเปลี่ยนตำแหน่งคอยล์ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของข้อบกพร่องบนพื้นผิวลูกเปตอง SiC หลังจากเติบโตเป็นเวลา 10 ชั่วโมงภายใต้สภาวะเริ่มต้น dT=50°C นั้นต่ำกว่าความหนาแน่นภายใต้ dT=30°C และ dT=150°C อย่างมีนัยสำคัญ ค่า FWHM เฉลี่ยของผลึก SiC ที่ปลูกภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด (dT=50°C) คือ 18.6 อาร์ควินาที ซึ่งต่ำกว่าค่าของผลึก SiC ที่ปลูกภายใต้สภาวะอื่นๆ อย่างมีนัยสำคัญ สิ่งนี้บ่งชี้ว่าการปรับการไล่ระดับอุณหภูมิเริ่มต้นอย่างเหมาะสมจะช่วยลดการก่อตัวของข้อบกพร่องเริ่มแรกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงบรรลุการเติบโตของผลึก SiC คุณภาพสูง**