Mencapai Pertumbuhan Kristal SiC Berkualitas Tinggi melalui Pengendalian Gradien Suhu pada Fase Pertumbuhan Awal

Perkenalan

Silikon karbida (SiC) adalah bahan semikonduktor celah pita lebar yang telah menarik perhatian besar dalam beberapa tahun terakhir karena kinerjanya yang luar biasa dalam aplikasi tegangan tinggi dan suhu tinggi. Kemajuan pesat metode Pengangkutan Uap Fisik (PVT) tidak hanya meningkatkan kualitas kristal tunggal SiC tetapi juga berhasil mencapai pembuatan kristal tunggal SiC 150mm. Namun, kualitaswafer SiCmasih memerlukan perbaikan lebih lanjut, khususnya dalam hal pengurangan kepadatan cacat. Telah diketahui bahwa berbagai cacat terdapat dalam kristal SiC yang tumbuh, terutama karena kurangnya pemahaman tentang mekanisme pembentukan cacat selama proses pertumbuhan kristal SiC. Penelitian mendalam lebih lanjut mengenai proses pertumbuhan PVT diperlukan untuk meningkatkan diameter dan panjang kristal SiC sekaligus meningkatkan laju kristalisasi, sehingga mempercepat komersialisasi perangkat berbasis SiC. Untuk mencapai pertumbuhan kristal SiC berkualitas tinggi, kami fokus pada kontrol gradien suhu selama fase pertumbuhan awal. Karena gas kaya silikon (Si, Si2C) dapat merusak permukaan kristal benih selama fase pertumbuhan awal, kami menetapkan gradien suhu yang berbeda pada tahap awal dan menyesuaikan dengan kondisi suhu rasio C/Si yang konstan selama proses pertumbuhan utama. Studi ini secara sistematis mengeksplorasi berbagai karakteristik kristal SiC yang ditumbuhkan menggunakan kondisi proses yang dimodifikasi.

Metode Eksperimental

Pertumbuhan boule 4H-SiC 6 inci dilakukan dengan menggunakan metode PVT pada substrat C-face 4° off-axis. Perbaikan kondisi proses untuk fase pertumbuhan awal diusulkan. Suhu pertumbuhan diatur antara 2300-2400°C, dan tekanan dipertahankan pada 5-20 Torr, dalam lingkungan gas nitrogen dan argon. 6 inciwafer 4H-SiCdibuat melalui teknik pemrosesan semikonduktor standar. Ituwafer SiCdiproses sesuai dengan kondisi gradien suhu yang berbeda pada fase pertumbuhan awal dan dietsa pada 600°C selama 14 menit untuk mengevaluasi cacat. Kepadatan lubang etsa (EPD) permukaan diukur menggunakan mikroskop optik (OM). Nilai lebar penuh setengah maksimum (FWHM) dan gambar pemetaanWafer SiC 6 incidiukur menggunakan sistem difraksi sinar-X (XRD) resolusi tinggi.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1: Skema Mekanisme Pertumbuhan Kristal SiC

Untuk mencapai pertumbuhan kristal tunggal SiC berkualitas tinggi, biasanya perlu menggunakan sumber bubuk SiC dengan kemurnian tinggi, mengontrol rasio C/Si secara tepat, dan mempertahankan suhu dan tekanan pertumbuhan yang konstan. Selain itu, meminimalkan hilangnya kristal benih dan menekan pembentukan cacat permukaan pada kristal benih selama fase pertumbuhan awal sangatlah penting. Gambar 1 mengilustrasikan skema mekanisme pertumbuhan kristal SiC pada penelitian ini. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, gas uap (ST) diangkut ke permukaan kristal benih, di mana gas tersebut berdifusi dan membentuk kristal. Beberapa gas yang tidak terlibat dalam pertumbuhan (ST) terdesorpsi dari permukaan kristal. Ketika jumlah gas pada permukaan kristal benih (SG) melebihi gas yang terdesorbsi (SD), proses pertumbuhan berlangsung. Oleh karena itu, rasio gas (SG)/gas (SD) yang sesuai selama proses pertumbuhan dipelajari dengan mengubah posisi koil pemanas RF.

Gambar 2: Skema Kondisi Proses Pertumbuhan Kristal SiC

Gambar 2 menunjukkan skema kondisi proses pertumbuhan kristal SiC pada penelitian ini. Suhu proses pertumbuhan umumnya berkisar antara 2300 hingga 2400°C, dengan tekanan dipertahankan pada 5 hingga 20 Torr. Selama proses pertumbuhan, gradien suhu dipertahankan pada dT=50~150°C ((a) metode konvensional). Terkadang, pasokan gas sumber yang tidak merata (Si2C, SiC2, Si) dapat mengakibatkan kesalahan penumpukan, inklusi politipe, dan dengan demikian menurunkan kualitas kristal. Oleh karena itu, pada fase pertumbuhan awal, dengan mengubah posisi kumparan RF, dT dikontrol secara hati-hati dalam suhu 50~100°C, kemudian disesuaikan ke dT=50~150°C selama proses pertumbuhan utama ((b) metode yang ditingkatkan) . Untuk mengontrol gradien suhu (dT[°C] = Tbottom-Tupper), suhu bawah ditetapkan pada 2300°C, dan suhu atas disesuaikan dari 2270°C, 2250°C, 2200°C hingga 2150°C. Tabel 1 menyajikan gambar mikroskop optik (OM) dari permukaan boule SiC yang tumbuh dalam kondisi gradien suhu berbeda setelah 10 jam.

Tabel 1: Gambar Mikroskop Optik (OM) Permukaan SiC Boule yang Ditumbuhkan Selama 10 Jam dan 100 Jam pada Kondisi Gradien Suhu Berbeda

Pada dT awal=50°C, kepadatan cacat pada permukaan boule SiC setelah 10 jam pertumbuhan secara signifikan lebih rendah dibandingkan pada dT=30°C dan dT=150°C. Pada dT=30°C, gradien suhu awal mungkin terlalu kecil, mengakibatkan hilangnya kristal benih dan pembentukan cacat. Sebaliknya, pada gradien suhu awal yang lebih tinggi (dT=150°C), keadaan lewat jenuh yang tidak stabil dapat terjadi, menyebabkan inklusi dan cacat politipe karena konsentrasi kekosongan yang tinggi. Namun, jika gradien suhu awal dioptimalkan, pertumbuhan kristal berkualitas tinggi dapat dicapai dengan meminimalkan pembentukan cacat awal. Karena kepadatan cacat pada permukaan boule SiC setelah 100 jam pertumbuhan serupa dengan hasil setelah 10 jam, mengurangi pembentukan cacat selama fase pertumbuhan awal merupakan langkah penting dalam memperoleh kristal SiC berkualitas tinggi.

Tabel 2: Nilai EPD Boule SiC Terukir dalam Kondisi Gradien Suhu Berbeda

Waferdibuat dari boule yang ditumbuhkan selama 100 jam digores untuk mempelajari kepadatan cacat kristal SiC, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2. Nilai EPD kristal SiC yang ditumbuhkan pada dT=30°C dan dT=150°C awal adalah 35.880/cm² dan 25.660 /cm², sedangkan nilai EPD kristal SiC yang tumbuh dalam kondisi optimal (dT=50°C) berkurang secara signifikan menjadi 8.560/cm².

Tabel 3: Nilai FWHM dan Gambar Pemetaan XRD Kristal SiC pada Kondisi Gradien Suhu Awal yang Berbeda

Tabel 3 menyajikan nilai FWHM dan gambar pemetaan XRD kristal SiC yang tumbuh dalam kondisi gradien suhu awal yang berbeda. Nilai FWHM rata-rata kristal SiC yang tumbuh dalam kondisi optimal (dT=50°C) adalah 18,6 detik busur, jauh lebih rendah dibandingkan kristal SiC yang tumbuh dalam kondisi gradien suhu lainnya.

Kesimpulan

Pengaruh gradien suhu fase pertumbuhan awal terhadap kualitas kristal SiC dipelajari dengan mengontrol gradien suhu (dT[°C] = Tbottom-Tupper) dengan mengubah posisi kumparan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kepadatan cacat pada permukaan boule SiC setelah 10 jam pertumbuhan pada kondisi awal dT=50°C jauh lebih rendah dibandingkan pada kondisi dT=30°C dan dT=150°C. Nilai FWHM rata-rata kristal SiC yang tumbuh dalam kondisi optimal (dT=50°C) adalah 18,6 detik busur, jauh lebih rendah dibandingkan kristal SiC yang tumbuh dalam kondisi lain. Hal ini menunjukkan bahwa mengoptimalkan gradien suhu awal secara efektif mengurangi pembentukan cacat awal, sehingga mencapai pertumbuhan kristal SiC berkualitas tinggi.**