SiC粉料预处理对4H-SiC单晶生长的多型控制

摘要:采用预处理工艺对源粉进行改性，成功生长出4H-SiC单晶，提高了SiC晶体的多型稳定性。为了提高SiC源粉中的C/Si比，将SiC源粉与液态碳源混合，然后在1200℃下预热，改性源粉生长的SiC单晶呈现完整的4H多型。用改性源粉生长的SiC晶体的摇摆曲线值和缺陷密度均小于用常规源粉生长的SiC晶体。

介绍

碳化硅具有高击穿电压、高导热性和高电子迁移率等特点，是目前最具吸引力和前景的宽带隙半导体材料之一。近年来，在n型4H-SiC衬底上生长SiC外延层制备了mosfet和sdd的SiC功率器件。特别是在大功率器件应用中，晶体缺陷的减少是不可避免的关键问题。同时，普遍认为氮掺杂、较高的C/Si比和较低的生长温度有利于形成4H-SiC多型。由于过量的氮掺杂会使SiC单晶的晶体质量恶化，因此控制SiC源粉中的C/Si比可以作为获得4H多型稳定形成的另一种方法。为了获得更高的C/Si比，在SiC源粉中掺入过量的碳/石墨粉。然而，该工艺在球磨过程中产生了不完全均匀混合和杂质污染，在生长过程中可能导致生长晶体中出现碳夹杂、多型夹杂和多晶形成。

本研究提出了制备高碳硅比碳化硅源粉的新方法。将碳化硅粉与液相碳混合，在1200℃下退火，制备出新的碳化硅源粉，最终用于PVT工艺的碳化硅源材料为碳包覆碳化硅粉。本文主要研究了新型SiC源材料对SiC晶体质量和多型稳定性的影响。对传统碳化硅源和新型改性碳化硅源生长的两种碳化硅晶体进行了系统比较。

实验

如前所述，在SiC源粉中添加过量的碳/石墨粉会导致生长晶体在生长过程中晶体质量变差。因此，为了改善传统方法的非均匀性，提出了一种新的改进方法，用于PVT过程中获得均匀的SiC源。图1为SiC源粉预处理过程示意图。制备的SiC粉末的平均晶粒尺寸和密度本研究中使用的Acheson方法)分别为200μm和1.76g/cm3。将SiC源粉与液相碳材料混合，在1200℃下进行热处理，最终得到包覆碳的SiC源粉。

生长温度在2200 ~ 2400℃，仅用1~40 torr的氩气来研究C包覆SiC粉末的确切效果。种子材料采用4英寸的4H-SiC, 40°取向c面。将生长的碳化硅圆切割并抛光成550μm厚的晶圆，通过锭位检测晶体质量和多型测定。在550℃下进行6min的KOH刻蚀以观察缺陷。为了研究晶体质量，在整个SiC晶圆上进行了XRD摇摆曲线映射(摇摆曲线的光束尺寸=10mm×10mm)。

图1 SiC源粉预处理工艺示意图。将碳化硅源粉与液相碳材料混合，在1200℃下进行热处理。

结果与讨论

改性SiC源粉生长SiC晶锭的图像如图2所示。为了研究生长晶体中多晶的稳定性和包合性，对紫外灯下获得的碳化硅锭图像进行了观察。未观察到其他多型和多晶。将pvt生长的碳化硅晶圆沿基面切成薄片。选取每个SiC锭沿生长方向分别从上、中、下三个方向切片的3片SiC晶圆进行各种分析。在不考虑钢锭位置的情况下，得到了几乎完全一致的晶圆，如图3所示。

图2 用改性碳化硅源粉生长的碳化硅晶体锭，(a)晶锭图像，(b)晶锭的紫外灯图像。

图3 SiC晶圆片与铸锭位置的照片，01(下)，07(中)，15(上)。

图4展示了在不同位置进行多型研究的SiC晶体x射线衍射图。Nishino等报道了与双衍射效应相关的主峰之间的小周期峰的数量可以代表SiC晶体的多型;4H-SiC有3个峰，6H-SiC有5个峰，15R-SiC有4个峰。在不考虑铸锭位置的情况下，只得到4H-SiC型。两个主峰之间的三个小周期峰与双衍射效应有关，表明这些晶体只形成了4H-SiC多型。

图4 不同位置碳化硅晶体的x射线衍射图进行多型研究。

图5展示了由碳涂层SiC源粉末制成的4英寸SiC晶圆。基于SiC晶圆均匀的交叉偏振图像，认为成功获得了几乎无应力的高质量SiC晶体。测量了传统方法和改进方法生长的SiC晶体的半最大全宽(FWHM)值，如图6所示。用改进的方法得到的生长SiC晶体的FWHM值测量如下:平均值(平均值)=22.7 arcsec，最大值(最大值)=35.6 arcsec，最小值(最小值)=17.6 arcsec。在常规方法下，FWHM的平均值、最大值和最小值分别为34.8 arcsec、108.1 arcsec和20.0 arcsec。

图5 碳包覆碳化硅源粉制备的4英寸碳化硅晶圆照片。(a)晶圆图，(b)交叉偏振图。

对传统方法和改进方法生长的SiC晶体的微管密度和蚀刻坑密度进行了精确计数。用改进的蚀刻坑数方法生长的SiC晶体图像如图7所示。结果表明，改性源粉生长的SiC晶体的MPD值为0.53/cm2, EPD值<0.7E4。在常规源粉生长的SiC晶体中，获得了MPD=1.0/cm2, EPD <1.0 E 4的值，但本文未显示)。综上所述，本研究提出的改进常规粉源的改性方法是减少生长SiC晶体缺陷的合适方法。

图6 x射线摇摆曲线作图数据，(a)常规方法，(b)修正方法。

图7 用改性源粉生长的SiC晶体中蚀刻坑面积的计数。蚀刻坑的平均值由五个不同区域(交叉偏光图像中的红框)的测量数据得到。

结论

本文提出了提高SiC源粉中C/Si比以提高4H多型稳定性的新预处理工艺，并在改性源粉中成功生长出了SiC单晶。改性源粉生长的SiC单晶表现出完整的4H多型。用改性源粉生长的SiC晶体的摇摆曲线值和缺陷密度小于用常规源粉生长的SiC晶体，表明晶体质量得到改善。