प्रारंभिक वाढीच्या टप्प्यात तापमान ग्रेडियंट नियंत्रणाद्वारे उच्च-गुणवत्तेची SiC क्रिस्टल वाढ प्राप्त करणे

परिचय

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) ही एक वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर सामग्री आहे ज्याने अलिकडच्या वर्षांत उच्च-व्होल्टेज आणि उच्च-तापमान अनुप्रयोगांमध्ये त्याच्या अपवादात्मक कामगिरीमुळे लक्षणीय लक्ष वेधले आहे. भौतिक वाष्प वाहतूक (PVT) पद्धतींच्या जलद प्रगतीने केवळ SiC सिंगल क्रिस्टल्सची गुणवत्ता सुधारली नाही तर 150mm SiC सिंगल क्रिस्टल्सची निर्मिती देखील यशस्वीरित्या साध्य केली आहे. तथापि, ची गुणवत्ताSiC वेफर्सविशेषत: दोष घनता कमी करण्याच्या दृष्टीने अजून वाढ करणे आवश्यक आहे. हे सर्वज्ञात आहे की वाढलेल्या SiC क्रिस्टल्समध्ये विविध दोष अस्तित्वात आहेत, मुख्यतः SiC क्रिस्टल वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान दोष निर्मितीच्या यंत्रणेची अपुरी समज यामुळे. SIC क्रिस्टल्सचा व्यास आणि लांबी वाढवण्यासाठी PVT वाढीच्या प्रक्रियेवर आणखी सखोल संशोधन आवश्यक आहे आणि क्रिस्टलायझेशन दर देखील वाढवते, ज्यामुळे SiC-आधारित उपकरणांच्या व्यापारीकरणाला गती मिळते. उच्च-गुणवत्तेची SiC क्रिस्टल वाढ साध्य करण्यासाठी, आम्ही सुरुवातीच्या वाढीच्या टप्प्यात तापमान ग्रेडियंट नियंत्रणावर लक्ष केंद्रित केले. सिलिकॉन-समृद्ध वायू (Si, Si2C) सुरुवातीच्या वाढीच्या टप्प्यात बियाणे क्रिस्टल पृष्ठभागास नुकसान करू शकतात, आम्ही सुरुवातीच्या टप्प्यात भिन्न तापमान ग्रेडियंट स्थापित केले आणि मुख्य वाढ प्रक्रियेदरम्यान स्थिर C/S गुणोत्तर तापमान परिस्थितीशी जुळवून घेतले. हा अभ्यास पद्धतशीरपणे सुधारित प्रक्रिया परिस्थिती वापरून वाढवलेल्या SiC क्रिस्टल्सच्या विविध वैशिष्ट्यांचा शोध घेतो.

प्रायोगिक पद्धती

6-इंच 4H-SiC बुल्सची वाढ PVT पद्धतीचा वापर करून 4° ऑफ-अक्ष C-फेस सब्सट्रेट्सवर केली गेली. सुरुवातीच्या वाढीच्या टप्प्यासाठी सुधारित प्रक्रिया परिस्थिती प्रस्तावित करण्यात आली होती. वाढीचे तापमान 2300-2400°C दरम्यान सेट केले गेले आणि नायट्रोजन आणि आर्गॉन वायूच्या वातावरणात 5-20 Torr वर दाब राखला गेला. 6-इंच4H-SiC वेफर्समानक सेमीकंडक्टर प्रक्रिया तंत्राद्वारे तयार केले गेले. दSiC वेफर्ससुरुवातीच्या वाढीच्या टप्प्यात वेगवेगळ्या तापमान ग्रेडियंट परिस्थितीनुसार प्रक्रिया केली गेली आणि दोषांचे मूल्यांकन करण्यासाठी 14 मिनिटांसाठी 600°C वर कोरले गेले. ऑप्टिकल मायक्रोस्कोप (OM) वापरून पृष्ठभागाची एच पिट घनता (EPD) मोजली गेली. अर्ध्या कमाल (FWHM) मूल्यांवर पूर्ण रुंदी आणि च्या मॅपिंग प्रतिमा6-इंच SiC वेफर्सउच्च-रिझोल्यूशन एक्स-रे डिफ्रॅक्शन (XRD) प्रणाली वापरून मोजले गेले.

परिणाम आणि चर्चा

आकृती 1: SiC क्रिस्टल ग्रोथ मेकॅनिझमची योजनाबद्ध

उच्च-गुणवत्तेची SiC सिंगल क्रिस्टल वाढ साध्य करण्यासाठी, सामान्यत: उच्च-शुद्धता SiC पावडर स्रोत वापरणे, C/Si गुणोत्तर तंतोतंत नियंत्रित करणे आणि सतत वाढीचे तापमान आणि दाब राखणे आवश्यक आहे. याव्यतिरिक्त, बियाणे स्फटिकाचे नुकसान कमी करणे आणि सुरुवातीच्या वाढीच्या टप्प्यात बियाणे क्रिस्टलवरील पृष्ठभागावरील दोषांची निर्मिती रोखणे महत्वाचे आहे. आकृती 1 या अभ्यासात SiC क्रिस्टल ग्रोथ मेकॅनिझमची योजनाबद्धता स्पष्ट करते. आकृती 1 मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, बाष्प वायू (ST) बीज क्रिस्टल पृष्ठभागावर वाहून नेले जातात, जेथे ते पसरतात आणि क्रिस्टल तयार करतात. काही वायू वाढीमध्ये गुंतलेले नसतात (ST) क्रिस्टल पृष्ठभागातून शोषून घेतात. जेव्हा सीड क्रिस्टल पृष्ठभागावरील वायूचे प्रमाण (SG) desorbed gas (SD) पेक्षा जास्त होते, तेव्हा वाढीची प्रक्रिया पुढे जाते. म्हणून, वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान योग्य गॅस (SG)/गॅस (SD) गुणोत्तराचा RF हीटिंग कॉइलची स्थिती बदलून अभ्यास केला गेला.

आकृती 2: SiC क्रिस्टल ग्रोथ प्रक्रिया परिस्थितीचे योजनाबद्ध

आकृती 2 या अभ्यासात SiC क्रिस्टल वाढ प्रक्रियेच्या परिस्थितीची योजनाबद्धता दर्शवते. सामान्य वाढ प्रक्रियेचे तापमान 2300 ते 2400°C पर्यंत असते, 5 ते 20 Torr वर दबाव राखला जातो. वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान, तापमान ग्रेडियंट dT=50~150°C (a) पारंपारिक पद्धतीने राखला जातो. काहीवेळा, स्त्रोत वायूंच्या असमान पुरवठ्यामुळे (Si2C, SiC2, Si) स्टॅकिंग फॉल्ट्स, पॉलीटाइप समावेशन आणि त्यामुळे क्रिस्टलची गुणवत्ता खराब होऊ शकते. म्हणून, सुरुवातीच्या वाढीच्या टप्प्यात, RF कॉइलची स्थिती बदलून, dT काळजीपूर्वक 50~100°C च्या आत नियंत्रित केले गेले, नंतर मुख्य वाढ प्रक्रियेदरम्यान dT=50~150°C मध्ये समायोजित केले (b) सुधारित पद्धती) . तापमान ग्रेडियंट (dT[°C] = Tbottom-Tupper) नियंत्रित करण्यासाठी, तळाचे तापमान 2300°C वर निश्चित केले होते आणि वरचे तापमान 2270°C, 2250°C, 2200°C ते 2150°C पर्यंत समायोजित केले होते. तक्ता 1 10 तासांनंतर वेगवेगळ्या तापमान ग्रेडियंट परिस्थितीत वाढलेल्या SiC बुले पृष्ठभागाच्या ऑप्टिकल मायक्रोस्कोप (OM) प्रतिमा सादर करते.

तक्ता 1: वेगवेगळ्या तापमान ग्रेडियंट परिस्थितीत 10 तास आणि 100 तास उगवलेल्या SiC बाउल पृष्ठभागाच्या ऑप्टिकल मायक्रोस्कोप (OM) प्रतिमा

सुरुवातीच्या dT=50°C वर, 10 तासांच्या वाढीनंतर SiC बुल पृष्ठभागावरील दोष घनता dT=30°C आणि dT=150°C पेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी होती. dT=30°C वर, प्रारंभिक तापमान ग्रेडियंट खूप लहान असू शकतो, परिणामी बियाणे स्फटिक नष्ट होते आणि दोष तयार होतात. याउलट, उच्च प्रारंभिक तापमान ग्रेडियंट (dT=150°C) वर, एक अस्थिर सुपरसॅच्युरेशन स्थिती उद्भवू शकते, ज्यामुळे पॉलीटाइप समावेश आणि उच्च रिक्त स्थान एकाग्रतेमुळे दोष निर्माण होतात. तथापि, प्रारंभिक तापमान ग्रेडियंट ऑप्टिमाइझ केले असल्यास, प्रारंभिक दोषांची निर्मिती कमी करून उच्च-गुणवत्तेची क्रिस्टल वाढ प्राप्त केली जाऊ शकते. 100 तासांच्या वाढीनंतर SiC बुले पृष्ठभागावरील दोष घनता 10 तासांनंतरच्या परिणामांसारखीच असल्याने, सुरुवातीच्या वाढीच्या टप्प्यात दोष निर्मिती कमी करणे ही उच्च-गुणवत्तेची SiC क्रिस्टल्स मिळविण्यासाठी एक महत्त्वाची पायरी आहे.

तक्ता 2: भिन्न तापमान ग्रेडियंट परिस्थितींनुसार खोदलेल्या SiC बाउलची EPD मूल्ये

वेफर्स100 तास उगवलेल्या बाउल्सपासून तयार केलेले, तक्ता 2 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे SiC क्रिस्टल्सच्या दोष घनतेचा अभ्यास करण्यासाठी खोदण्यात आले. प्रारंभिक dT=30°C आणि dT=150°C अंतर्गत वाढलेल्या SiC क्रिस्टल्सचे EPD मूल्य 35,880/cm² आणि 25,660 होते. /cm², अनुक्रमे, तर SiC क्रिस्टल्सचे EPD मूल्य अनुकूल परिस्थितीत (dT=50°C) लक्षणीयरीत्या 8,560/cm² पर्यंत कमी झाले.

तक्ता 3: भिन्न प्रारंभिक तापमान ग्रेडियंट स्थिती अंतर्गत SiC क्रिस्टल्सची FWHM मूल्ये आणि XRD मॅपिंग प्रतिमा

तक्ता 3 वेगवेगळ्या प्रारंभिक तापमान ग्रेडियंट परिस्थितीत वाढलेल्या SiC क्रिस्टल्सची FWHM मूल्ये आणि XRD मॅपिंग प्रतिमा सादर करते. ऑप्टिमाइझ केलेल्या परिस्थितीत (dT=50°C) वाढलेल्या SiC क्रिस्टल्सचे सरासरी FWHM मूल्य 18.6 आर्कसेकंद होते, जे इतर तापमान ग्रेडियंट परिस्थितीत वाढलेल्या SiC क्रिस्टल्सच्या तुलनेत लक्षणीयरीत्या कमी होते.

निष्कर्ष

कॉइलची स्थिती बदलून तापमान ग्रेडियंट (dT[°C] = Tbottom-Tupper) नियंत्रित करून SiC क्रिस्टल गुणवत्तेवर प्रारंभिक वाढीच्या टप्प्यातील तापमान ग्रेडियंटचा प्रभाव अभ्यासला गेला. परिणामांवरून असे दिसून आले की 10 तासांच्या वाढीनंतर SiC बूल पृष्ठभागावरील दोष घनता dT=30°C आणि dT=150°C अंतर्गत प्रारंभिक dT=50°C परिस्थितीत लक्षणीयरीत्या कमी होती. ऑप्टिमाइझ केलेल्या परिस्थितीत वाढलेल्या SiC क्रिस्टल्सचे सरासरी FWHM मूल्य (dT=50°C) 18.6 आर्कसेकंद होते, जे इतर परिस्थितींमध्ये वाढलेल्या SiC क्रिस्टल्सच्या तुलनेत लक्षणीयरीत्या कमी होते. हे सूचित करते की प्रारंभिक तापमान ग्रेडियंट ऑप्टिमाइझ केल्याने प्रारंभिक दोषांची निर्मिती प्रभावीपणे कमी होते, ज्यामुळे उच्च-गुणवत्तेची SiC क्रिस्टल वाढ प्राप्त होते.**