Schnelles Wachstum von SiC-Einkristallen unter VerwendungCVD-SiC-MasseQuelle über Sublimationsmethode
Durch die Verwendung von recyceltem MaterialCVD-SiC-BlöckeAls SiC-Quelle wurden SiC-Kristalle mit der PVT-Methode erfolgreich mit einer Geschwindigkeit von 1,46 mm/h gezüchtet. Die Mikroröhren- und Versetzungsdichten des gewachsenen Kristalls zeigen, dass die Kristallqualität trotz der hohen Wachstumsrate ausgezeichnet ist.
Siliziumkarbid (SiC)ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke und hervorragenden Eigenschaften für Anwendungen bei hoher Spannung, hoher Leistung und hoher Frequenz. Insbesondere im Leistungshalbleiterbereich ist die Nachfrage in den letzten Jahren stark gestiegen. Für Leistungshalbleiteranwendungen werden SiC-Einkristalle gezüchtet, indem eine hochreine SiC-Quelle bei 2100–2500 °C sublimiert und anschließend mithilfe der physikalischen Dampftransportmethode (PVT) auf einen Impfkristall umkristallisiert und anschließend verarbeitet wird, um Einkristallsubstrate auf Wafern zu erhalten . Traditionell,SiC-Kristallewerden mit der PVT-Methode mit einer Wachstumsrate von 0,3 bis 0,8 mm/h gezüchtet, um die Kristallinität zu kontrollieren, die im Vergleich zu anderen Einkristallmaterialien, die in Halbleiteranwendungen verwendet werden, relativ langsam ist. Wenn SiC-Kristalle mit der PVT-Methode mit hohen Wachstumsraten gezüchtet werden, sind Qualitätsverschlechterungen einschließlich Kohlenstoffeinschlüssen, verminderter Reinheit, polykristallinem Wachstum, Korngrenzenbildung sowie Versetzungs- und Porositätsdefekten nicht ausgeschlossen. Daher wurde kein schnelles Wachstum von SiC entwickelt und die langsame Wachstumsrate von SiC war ein großes Hindernis für die Produktivität von SiC-Substraten.
Andererseits wurden in jüngsten Berichten über das schnelle Wachstum von SiC eher Hochtemperatur-chemische Gasphasenabscheidungsmethoden (HTCVD) als die PVT-Methode verwendet. Das HTCVD-Verfahren verwendet einen Dampf, der Si und C enthält, als SiC-Quelle im Reaktor. HTCVD wurde noch nicht für die großtechnische Produktion von SiC eingesetzt und erfordert für die Kommerzialisierung weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Interessanterweise können SiC-Einkristalle selbst bei einer hohen Wachstumsrate von ∼3 mm/h mit der HTCVD-Methode mit guter Kristallqualität gezüchtet werden. Mittlerweile werden SiC-Komponenten in Halbleiterprozessen unter rauen Umgebungen eingesetzt, die eine Prozesskontrolle mit extrem hoher Reinheit erfordern. Für Halbleiterprozessanwendungen werden SiC-Komponenten mit einer Reinheit von ∼99,9999 % (∼6N) normalerweise durch das CVD-Verfahren aus Methyltrichlorsilan (CH3Cl3Si, MTS) hergestellt. Trotz der hohen Reinheit der CVD-SiC-Komponenten wurden sie jedoch nach Gebrauch entsorgt. Kürzlich wurden ausrangierte CVD-SiC-Komponenten als SiC-Quellen für das Kristallwachstum in Betracht gezogen, obwohl einige Rückgewinnungsprozesse, einschließlich Zerkleinerung und Reinigung, immer noch erforderlich sind, um den hohen Anforderungen einer Kristallwachstumsquelle gerecht zu werden. In dieser Studie haben wir ausrangierte CVD-SiC-Blöcke verwendet, um Materialien als Quelle für das Züchten von SiC-Kristallen zu recyceln. Die CVD-SiC-Blöcke für das Einkristallwachstum wurden als zerkleinerte Blöcke mit kontrollierter Größe hergestellt, die sich in Form und Größe erheblich von dem kommerziellen SiC-Pulver unterscheiden, das üblicherweise im PVT-Prozess verwendet wird. Daher wurde erwartet, dass das Verhalten des SiC-Einkristallwachstums erheblich ist anders. Vor der Durchführung von SiC-Einkristallwachstumsexperimenten wurden Computersimulationen durchgeführt, um hohe Wachstumsraten zu erzielen, und die thermische Zone wurde entsprechend für das Einkristallwachstum konfiguriert. Nach dem Kristallwachstum wurden die gewachsenen Kristalle mittels Querschnittstomographie, Mikro-Raman-Spektroskopie, hochauflösender Röntgenbeugung und Synchrotron-Weißstrahl-Röntgentopographie bewertet.
Abbildung 1 zeigt die CVD-SiC-Quelle, die in dieser Studie für das PVT-Wachstum von SiC-Kristallen verwendet wurde. Wie in der Einleitung beschrieben, wurden CVD-SiC-Komponenten aus MTS durch das CVD-Verfahren synthetisiert und durch mechanische Bearbeitung für den Halbleitereinsatz geformt. N wurde im CVD-Prozess dotiert, um Leitfähigkeit für Halbleiterprozessanwendungen zu erreichen. Nach der Verwendung in Halbleiterprozessen wurden die CVD-SiC-Komponenten zerkleinert, um die Quelle für das Kristallwachstum vorzubereiten, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die CVD-SiC-Quelle wurde in Form von Platten mit einer durchschnittlichen Dicke von ∼0,5 mm und einer durchschnittlichen Partikelgröße von hergestellt 49,75 mm.
Abbildung 1: CVD-SiC-Quelle, hergestellt mit dem MTS-basierten CVD-Prozess.
Unter Verwendung der in Abbildung 1 gezeigten CVD-SiC-Quelle wurden SiC-Kristalle mit der PVT-Methode in einem Induktionsheizofen gezüchtet. Zur Bewertung der Temperaturverteilung in der thermischen Zone wurde der kommerzielle Simulationscode VR-PVT 8.2 (STR, Republik Serbien) verwendet. Der Reaktor mit der thermischen Zone wurde als zweidimensionales achsensymmetrisches Modell modelliert, wie in Abbildung 2 mit seinem Netzmodell dargestellt. Alle in der Simulation verwendeten Materialien sind in Abbildung 2 dargestellt und ihre Eigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt. Basierend auf den Simulationsergebnissen wurden SiC-Kristalle mit der PVT-Methode bei einem Temperaturbereich von 2250–2350 °C in einer Ar-Atmosphäre gezüchtet 35 Torr für 4 Stunden. Als SiC-Keim wurde ein 4° außeraxialer 4H-SiC-Wafer verwendet. Die gewachsenen Kristalle wurden mittels Mikro-Raman-Spektroskopie (Witec, UHTS 300, Deutschland) und hochauflösender XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Niederlande) bewertet. Die Verunreinigungskonzentrationen in den gezüchteten SiC-Kristallen wurden mittels dynamischer Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS, Cameca IMS-6f, Frankreich) bewertet. Die Versetzungsdichte der gewachsenen Kristalle wurde mithilfe der Synchrotron-Weißstrahl-Röntgentopographie an der Pohang-Lichtquelle bewertet.
Abbildung 2: Wärmezonendiagramm und Netzmodell des PVT-Wachstums in einem Induktionsheizofen.
Da HTCVD- und PVT-Methoden Kristalle unter einem Gas-Festphasen-Gleichgewicht an der Wachstumsfront züchten, führte das erfolgreiche schnelle Wachstum von SiC mit der HTCVD-Methode in dieser Studie zu der Herausforderung eines schnellen SiC-Wachstums mit der PVT-Methode. Bei der HTCVD-Methode wird eine Gasquelle verwendet, deren Durchfluss sich leicht steuern lässt, während bei der PVT-Methode eine feste Quelle verwendet wird, die den Durchfluss nicht direkt steuern kann. Die der Wachstumsfront bei der PVT-Methode bereitgestellte Flussrate kann durch die Sublimationsrate der festen Quelle durch Temperaturverteilungssteuerung gesteuert werden, eine genaue Steuerung der Temperaturverteilung in praktischen Wachstumssystemen ist jedoch nicht einfach zu erreichen.
Durch Erhöhen der Quellentemperatur im PVT-Reaktor kann die Wachstumsrate von SiC erhöht werden, indem die Sublimationsrate der Quelle erhöht wird. Um ein stabiles Kristallwachstum zu erreichen, ist die Temperaturkontrolle an der Wachstumsfront von entscheidender Bedeutung. Um die Wachstumsrate zu erhöhen, ohne Polykristalle zu bilden, muss an der Wachstumsfront ein hoher Temperaturgradient erreicht werden, wie das SiC-Wachstum mittels der HTCVD-Methode zeigt. Eine unzureichende vertikale Wärmeleitung zur Rückseite der Kappe sollte die an der Wachstumsfront angesammelte Wärme durch Wärmestrahlung an die Wachstumsoberfläche ableiten, was zur Bildung überschüssiger Oberflächen, also polykristallines Wachstum, führt.
Sowohl Stoffübergangs- als auch Rekristallisationsprozesse im PVT-Verfahren sind dem HTCVD-Verfahren sehr ähnlich, unterscheiden sich jedoch in der SiC-Quelle. Dies bedeutet, dass ein schnelles Wachstum von SiC auch dann erreichbar ist, wenn die Sublimationsrate der SiC-Quelle ausreichend hoch ist. Allerdings birgt die Erzielung hochwertiger SiC-Einkristalle unter hohen Wachstumsbedingungen mithilfe der PVT-Methode mehrere Herausforderungen. Kommerzielle Pulver enthalten typischerweise eine Mischung aus kleinen und großen Partikeln. Aufgrund von Oberflächenenergieunterschieden weisen kleine Partikel relativ hohe Verunreinigungskonzentrationen auf und sublimieren vor großen Partikeln, was zu hohen Verunreinigungskonzentrationen in den frühen Wachstumsstadien des Kristalls führt. Da sich außerdem festes SiC bei hohen Temperaturen in Dampfspezies wie C und Si, SiC2 und Si2C zersetzt, bildet sich zwangsläufig festes C, wenn die SiC-Quelle im PVT-Verfahren sublimiert. Wenn das gebildete feste C klein und leicht genug ist, können unter schnellen Wachstumsbedingungen kleine C-Partikel, bekannt als „C-Staub“, durch starken Stofftransport zur Kristalloberfläche transportiert werden, was zu Einschlüssen im gewachsenen Kristall führt. Um Metallverunreinigungen und C-Staub zu reduzieren, sollte daher die Partikelgröße der SiC-Quelle im Allgemeinen auf einen Durchmesser von weniger als 200 μm kontrolliert werden und die Wachstumsrate sollte ∼0,4 mm/h nicht überschreiten, um einen langsamen Stofftransfer aufrechtzuerhalten und ein Aufschwimmen auszuschließen C-Staub. Metallverunreinigungen und C-Staub führen zum Abbau gewachsener SiC-Kristalle, die die Haupthindernisse für das schnelle Wachstum von SiC mittels der PVT-Methode darstellen.
In dieser Studie wurden zerkleinerte CVD-SiC-Quellen ohne kleine Partikel verwendet, wodurch schwebender C-Staub bei starkem Stofftransfer eliminiert wurde. Daher wurde die thermische Zonenstruktur mithilfe der PVT-Methode auf Basis einer Multiphysik-Simulation entworfen, um ein schnelles SiC-Wachstum zu erreichen. Die simulierte Temperaturverteilung und der Temperaturgradient sind in Abbildung 3a dargestellt.
Abbildung 3: (a) Temperaturverteilung und Temperaturgradient in der Nähe der Wachstumsfront des PVT-Reaktors, ermittelt durch Finite-Elemente-Analyse, und (b) vertikale Temperaturverteilung entlang der achsensymmetrischen Linie.
Im Vergleich zu typischen thermischen Zoneneinstellungen für das Züchten von SiC-Kristallen mit einer Wachstumsrate von 0,3 bis 0,8 mm/h und einem kleinen Temperaturgradienten von weniger als 1 °C/mm weisen die thermischen Zoneneinstellungen in dieser Studie einen relativ großen Temperaturgradienten von ∼ auf 3,8 °C/mm bei einer Wachstumstemperatur von ∼2268 °C. Der Temperaturgradientwert in dieser Studie ist vergleichbar mit dem schnellen Wachstum von SiC mit einer Geschwindigkeit von 2,4 mm/h unter Verwendung der HTCVD-Methode, wobei der Temperaturgradient auf ∼14 °C/mm eingestellt ist. Anhand der in Abbildung 3b gezeigten vertikalen Temperaturverteilung haben wir bestätigt, dass in der Nähe der Wachstumsfront kein umgekehrter Temperaturgradient vorhanden war, der Polykristalle bilden könnte, wie in der Literatur beschrieben.
Mit dem PVT-System wurden SiC-Kristalle 4 Stunden lang aus der CVD-SiC-Quelle gezüchtet, wie in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt. Ein repräsentatives SiC-Kristallwachstum aus dem gewachsenen SiC ist in Abbildung 4a dargestellt. Die Dicke und Wachstumsrate des in Abbildung 4a gezeigten SiC-Kristalls beträgt 5,84 mm bzw. 1,46 mm/h. Der Einfluss der SiC-Quelle auf die Qualität, den Polytyp, die Morphologie und die Reinheit des in Abbildung 4a gezeigten gewachsenen SiC-Kristalls wurde untersucht, wie in den Abbildungen 4b-e dargestellt. Das Querschnittstomographiebild in Abbildung 4b zeigt, dass das Kristallwachstum aufgrund der suboptimalen Wachstumsbedingungen konvex geformt war. Die Mikro-Raman-Spektroskopie in Abbildung 4c identifizierte den gewachsenen Kristall jedoch als eine einzige Phase aus 4H-SiC ohne polytypische Einschlüsse. Der FWHM-Wert des (0004)-Peaks, der aus der Röntgen-Rocking-Curve-Analyse ermittelt wurde, betrug 18,9 Bogensekunden, was ebenfalls eine gute Kristallqualität bestätigt.
Abbildung 4: (a) Gewachsener SiC-Kristall (Wachstumsrate 1,46 mm/h) und seine Auswertungsergebnisse mit (b) Querschnittstomographie, (c) Mikro-Raman-Spektroskopie, (d) Röntgen-Rocking-Kurve und ( e) Röntgentopographie.
Abbildung 4e zeigt die Weißstrahl-Röntgentopographie, die Kratzer und Gewindeversetzungen im polierten Wafer des gewachsenen Kristalls identifiziert. Die Versetzungsdichte des gewachsenen Kristalls wurde mit etwa 3000 ea/cm² gemessen und war damit etwas höher als die Versetzungsdichte des Impfkristalls, die etwa 2000 ea/cm² betrug. Es wurde bestätigt, dass der gewachsene Kristall eine relativ geringe Versetzungsdichte aufwies, vergleichbar mit der Kristallqualität kommerzieller Wafer. Interessanterweise wurde mit der PVT-Methode mit einer zerkleinerten CVD-SiC-Quelle unter einem großen Temperaturgradienten ein schnelles Wachstum von SiC-Kristallen erreicht. Die Konzentrationen von B, Al und N im gewachsenen Kristall betrugen 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵ bzw. 1,98 × 10¹⁹ Atome/cm³. Die P-Konzentration im gewachsenen Kristall lag unter der Nachweisgrenze (<1,0 × 10¹⁴ Atome/cm³). Die Verunreinigungskonzentrationen waren für Ladungsträger ausreichend niedrig, mit Ausnahme von N, das während des CVD-Prozesses absichtlich dotiert wurde.
Obwohl das Kristallwachstum in dieser Studie angesichts kommerzieller Produkte klein war, hat der erfolgreiche Nachweis eines schnellen SiC-Wachstums mit guter Kristallqualität unter Verwendung der CVD-SiC-Quelle durch die PVT-Methode erhebliche Auswirkungen. Da CVD-SiC-Quellen trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften durch das Recycling von weggeworfenen Materialien kostenmäßig wettbewerbsfähig sind, gehen wir davon aus, dass sie weit verbreitet als vielversprechende SiC-Quelle als Ersatz für SiC-Pulverquellen eingesetzt werden. Um CVD-SiC-Quellen für ein schnelles Wachstum von SiC einzusetzen, ist eine Optimierung der Temperaturverteilung im PVT-System erforderlich, was weitere Fragen für zukünftige Forschung aufwirft.
Abschluss
In dieser Studie gelang der erfolgreiche Nachweis eines schnellen SiC-Kristallwachstums unter Verwendung zerkleinerter CVD-SiC-Blöcke unter Hochtemperaturgradientenbedingungen durch die PVT-Methode. Interessanterweise wurde das schnelle Wachstum von SiC-Kristallen durch den Ersatz der SiC-Quelle durch die PVT-Methode erreicht. Es wird erwartet, dass diese Methode die Produktionseffizienz von SiC-Einkristallen im großen Maßstab erheblich steigern, letztendlich die Stückkosten von SiC-Substraten senken und den weit verbreiteten Einsatz von Hochleistungs-Leistungsbauelementen fördern wird.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 19. Juli 2024