성장 초기 단계의 온도 구배 제어를 통해 고품질 SiC 결정 성장 달성

소개

실리콘 카바이드(SiC)는 고전압 및 고온 응용 분야에서의 탁월한 성능으로 인해 최근 몇 년 동안 큰 주목을 받아온 광대역 간격 반도체 소재입니다. PVT(물리적 증기 수송) 방법의 급속한 발전으로 SiC 단결정의 품질이 향상되었을 뿐만 아니라 150mm SiC 단결정 제조에도 성공했습니다. 그러나 품질은SiC 웨이퍼특히 결함 밀도를 줄이는 측면에서 여전히 추가 개선이 필요합니다. 주로 SiC 결정 성장 과정에서 결함 형성 메커니즘에 대한 이해가 부족하기 때문에 성장된 SiC 결정 내에 다양한 결함이 존재한다는 것은 잘 알려져 있습니다. SiC 결정의 직경과 길이를 늘리는 동시에 결정화 속도를 향상시켜 SiC 기반 소자의 상용화를 가속화하려면 PVT 성장 공정에 대한 심층적인 연구가 필요합니다. 고품질 SiC 결정 성장을 달성하기 위해 초기 성장 단계에서 온도 구배 제어에 중점을 두었습니다. 실리콘이 풍부한 가스(Si, Si2C)는 초기 성장 단계에서 종자 결정 표면을 손상시킬 수 있으므로 초기 단계에서 서로 다른 온도 구배를 설정하고 주요 성장 과정에서 일정한 C/Si 비율 온도 조건으로 조정했습니다. 본 연구에서는 수정된 공정 조건을 사용하여 성장한 SiC 결정의 다양한 특성을 체계적으로 탐구합니다.

실험 방법

6인치 4H-SiC 부울의 성장은 4° 축외 C면 기판에서 PVT 방법을 사용하여 수행되었습니다. 초기 성장 단계에 대한 개선된 공정 조건이 제안되었습니다. 성장 온도는 2300~2400°C로 설정했고, 압력은 질소와 아르곤 가스 환경에서 5~20Torr로 유지했다. 6인치4H-SiC 웨이퍼표준 반도체 공정 기술을 통해 제작되었습니다. 그만큼SiC 웨이퍼초기 성장 단계에서 다양한 온도 구배 조건에 따라 처리하고 결함을 평가하기 위해 600°C에서 14분간 에칭했습니다. 표면의 에칭 피트 밀도(EPD)는 광학현미경(OM)을 사용하여 측정하였다. FWHM(반치폭) 값과 매핑 이미지6인치 SiC 웨이퍼고해상도 X선 회절(XRD) 시스템을 사용하여 측정했습니다.

결과 및 토론

그림 1: SiC 결정 성장 메커니즘의 도식

고품질 SiC 단결정 성장을 달성하려면 일반적으로 고순도 SiC 분말 소스를 사용하고 C/Si 비율을 정밀하게 제어하며 일정한 성장 온도와 압력을 유지해야 합니다. 또한, 초기 성장 단계에서 종자 결정 손실을 최소화하고 종자 결정의 표면 결함 형성을 억제하는 것이 중요합니다. 그림 1은 본 연구에서 SiC 결정 성장 메커니즘의 개략도를 보여줍니다. 그림 1에 표시된 것처럼 증기 가스(ST)는 종자 결정 표면으로 이동하여 확산되어 결정을 형성합니다. 성장(ST)에 관여하지 않는 일부 가스는 결정 표면에서 탈착됩니다. 종자결정 표면(SG)의 가스량이 탈착가스(SD)를 초과하면 성장과정이 진행된다. 따라서 RF 가열 코일의 위치를 ​​변경하여 성장 과정 중 적절한 가스(SG)/가스(SD) 비율을 연구했습니다.

그림 2: SiC 결정 성장 공정 조건의 도식

그림 2는 본 연구에서 SiC 결정 성장 공정 조건의 개략도를 보여줍니다. 일반적인 성장 공정 온도 범위는 2300~2400°C이며 압력은 5~20Torr로 유지됩니다. 성장 과정에서 온도 구배는 dT=50~150°C로 유지됩니다((a) 기존 방법). 때로는 원료가스(Si2C, SiC2, Si) 공급이 고르지 않아 Stacking 결함, 다형 개재물 등이 발생해 결정 품질이 저하되는 경우도 있다. 따라서 초기 성장 단계에서는 RF 코일의 위치를 ​​변경하여 dT를 50~100°C 범위 내에서 세심하게 제어한 후, 본 성장 과정에서는 dT=50~150°C로 조정했습니다((b) 개선된 방법). . 온도 구배(dT[°C] = Tbottom-Tupper)를 조절하기 위해 바닥 온도를 2300°C로 고정하고, 상단 온도를 2270°C, 2250°C, 2200°C에서 2150°C로 조정했습니다. 표 1은 10시간 후 다양한 온도 구배 조건에서 성장한 SiC 보울 표면의 광학 현미경(OM) 이미지를 나타냅니다.

표 1: 다양한 온도 변화 조건에서 10시간 및 100시간 동안 성장한 SiC 부울 표면의 광학 현미경(OM) 이미지

초기 dT=50°C에서 10시간 성장 후 SiC 부울 표면의 결함 밀도는 dT=30°C 및 dT=150°C보다 현저히 낮았습니다. dT=30°C에서는 초기 온도 구배가 너무 작아서 종자정이 손실되고 결함이 형성될 수 있습니다. 반대로, 더 높은 초기 온도 구배(dT=150°C)에서는 불안정한 과포화 상태가 발생하여 높은 공극 농도로 인해 다형 개재물 및 결함이 발생할 수 있습니다. 그러나 초기 온도 구배를 최적화하면 초기 결함 형성을 최소화하여 고품질의 결정 성장을 이룰 수 있습니다. 100시간 성장 후 SiC 보울 표면의 결함 밀도는 10시간 후 결과와 유사하므로 초기 성장 단계에서 결함 형성을 줄이는 것이 고품질 SiC 결정을 얻는 데 중요한 단계입니다.

표 2: 다양한 온도 변화 조건에서 에칭된 SiC 보울의 EPD 값

웨이퍼100시간 동안 성장한 부울로 제조된 SiC 결정의 결함 밀도를 연구하기 위해 표 2에 표시된 대로 에칭되었습니다. 초기 dT=30°C 및 dT=150°C에서 성장한 SiC 결정의 EPD 값은 35,880/cm² 및 25,660이었습니다. /cm²인 반면, 최적화된 조건(dT=50°C)에서 성장한 SiC 결정의 EPD 값은 8,560/cm²로 크게 감소했습니다.

표 3: 다양한 초기 온도 구배 조건에서 SiC 결정의 FWHM 값 및 XRD 매핑 이미지

표 3은 다양한 초기 온도 구배 조건에서 성장한 SiC 결정의 FWHM 값과 XRD 매핑 이미지를 나타냅니다. 최적화된 조건(dT=50°C)에서 성장한 SiC 결정의 평균 FWHM 값은 18.6아크초였으며, 이는 다른 온도 구배 조건에서 성장한 SiC 결정의 값보다 상당히 낮았습니다.

결론

SiC 결정 품질에 대한 초기 성장 단계 온도 구배의 영향은 코일 위치를 변경하여 온도 구배(dT[°C] = Tbottom-Tupper)를 제어함으로써 연구되었습니다. 결과는 초기 dT=50°C 조건에서 10시간 성장 후 SiC 부울 표면의 결함 밀도가 dT=30°C 및 dT=150°C 조건보다 현저히 낮음을 보여주었습니다. 최적화된 조건(dT=50°C)에서 성장한 SiC 결정의 평균 FWHM 값은 18.6아크초였으며, 이는 다른 조건에서 성장한 SiC 결정의 값보다 상당히 낮았습니다. 이는 초기 온도 구배를 최적화하면 초기 결함 형성을 효과적으로 줄여 고품질 SiC 결정 성장을 달성할 수 있음을 나타냅니다.**