기상법에 의한 탄화규소 결정의 성장

기상법에 의한 탄화규소 결정의 성장

반도체 재료로 가장 많이 사용되는 탄화규소 결정은4H-SiC 웨이퍼. 그러나 탄화규소 결정에는 여러 유형이 있습니다. 탄화규소 결정 성장 과정에서 조건이 잘 제어되지 않으면 생성되는 탄화규소 결정 구조는 3C, 6H, 15R 등일 수 있지만 4H는 아닐 수 있다.

탄화규소 결정의 성장에는 두 가지 측면이 고려되어야 합니다.

  1. SiC 결정 자체의 성장 특성. 주요 성장 특성은 융점 및 분해점을 포함한 상전이점입니다. 성장 특성에 따라 적절한 결정 성장 방법을 선택해야 합니다. 큰 탄화규소의 결정성장에 있어서 일반적인 방법은 고체-액체 상변화를 수반하는 액상법과 고체-기체 상변화를 가지는 기상법이 있으며, 이는 상상태로 분류되는 공정에 참여한다. 일반적으로 고체상 방법은 탄화규소 성장 공정에서 사용되지 않습니다. 순수한 고체-고체상 변환의 단점을 극복하기 어렵기 때문입니다.
  2. 장비가 견딜 수 있는 조건. 조건이 충족되지 않으면 성장이 불가능합니다. 더욱이 산업화된 생산은 비용을 고려해야 합니다.

탄화규소 결정의 특성은 위상 다이어그램을 기반으로 분석할 수 있습니다(온도 및 기타 인출 조건의 변화는 매우 정확하지 않음).

정상적인 조건에서 탄화규소는 액체가 되기 전에 분해되므로 SiC 결정 성장 과정에 참여하는 액체 상태의 순수한 탄화규소는 없습니다. Si가 과량인 경우 액상 범위는 0.01%~19%이며 액상법 사용이 가능하다. 그러나 온도가 1700℃보다 높으면 많은 양의 Si가 증발하므로 단순 이원 공정 성장 기술로는 SiC 결정 성장을 달성할 수 없습니다.

결론적으로 액상법과 관련된 탄화규소 단결정 성장의 일반적인 방법인 균일 용융법은 한계가 있는 반면 불균일 용융 플럭스법(Si-C-Cr과 같은 3원 이상)은 아직 개발 중에 있다. . 액상법에는 4가지 주요 장점이 있습니다.

  1. 직경 확장;
  2. 두껍게 하다;
  3. P형 도핑 가능;
  4. 시드 결정보다 한 크기의 전위 밀도가 낮습니다.

실리콘 카바이드 고형물(2400-2500°C)의 승화-승화 과정이 더 낮은 온도에서 실현될 수 있어 승화에 의해 실리콘 카바이드를 성장시킬 수 있다는 것이 재미있습니다. 승화법은 탄화규소 결정을 성장시키는 기상법의 일종으로 기체는 고체 표면에 결정을 형성한다.

온도 필드의 시뮬레이션은 가상 반응기(SiC) 소프트웨어로 시뮬레이션할 수 있습니다. 4H-SiC 성장에 필요한 시드 결정 온도는 2120-2200°C이고 공기 압력은 500-3000Pa입니다. 6H-SiC 탄화규소 결정 성장에 필요한 시드 결정 온도는 2200-2300°C이고 공기 압력은 1000-10000Pa입니다.

탄화규소 결정 성장 이미지

(a) 탄화규소 결정 성장을 위한 PVT 방법

(b) PVT법으로 성장한 SiC 결정의 내부 온도장

고순도 반절연 6인치 SiC를 성장시키기 위한 이론적인 온도 필드: 시드 결정 온도는 2200℃, 성장 압력은 30mbar, H2+Ar 분위기, 두께는 22mm에 달할 수 있습니다.

증기상 방법은 결정을 성장시킵니다.

이 방법의 주요 공정이 화학 반응인지 여부는 물리적 기상 증착과 화학적 기상 증착으로 나눌 수 있습니다.

물리적 증착:

이 방법의 주요 과정은 물리적 과정이며 화학 반응이 일어나지 않습니다. 원료 가스는 탄화규소이고, 얻어진 성장도 탄화규소이다. 특정 장비를 고려하면 물리적 기상 증착에는 승화-응축(Physical Vapor Transport, 줄여서 PVT), 진공 증발, 스퍼터링, 이온빔 증착, 분자빔 에피택시 및 레이저 마모가 포함됩니다. 법률 등이 있습니다.

화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD라고 함)의 경우 화학 반응의 생성을 포함해야 합니다. 유사하게, 화학 기상 증착에는 기상 에피택시, 핫 필라멘트 방법, 마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착, 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 등이 포함된다.

예를 들면, GaAs는 MOCVD법에 의해 성장된다. 일반적인 실험 방법은 다음과 같습니다.

압력은 8kPa, 온도는 500-630°C입니다. 원료는 H2에 의해 운반되는 TMGa/AsH3의 혼합 가스입니다. 이러한 조건에서 TMGa+AsH3+H2가 반응하여 GaAs를 생성합니다.

유사하게, 탄화규소는 물리적 기상 수송 및 고온 화학 기상 증착을 사용하여 단결정을 성장시킬 수 있습니다. 아래 그림과 같이 물리기상수송의 원료는 탄화규소 고체로 가열 후 기체로 변하여 최종적으로 종자결정 표면에서 결정으로 성장한다(참고: PVT법은 종자결정이 필요하며, 그렇지 않으면 Lely 방법입니다). 그러나 화학 기상 증착은 다릅니다. 원료는 기체이며 종결정의 표면에서 직접 화학반응이 일어나 결정을 형성한다.

그림 1 물리적 증기 수송의 PVT 방법

그림 2 고온 화학 기상 증착(HT-CVD) 방법

PVT 방법에 의한 탄화규소의 결정 성장은 복잡한 물리적 및 화학적 과정입니다. 고온에서 기본적인 탄화규소 결정 성장 과정은 원료의 분해 및 승화, 대량 수송 및 종자 결정의 표면 결정화를 포함합니다. 물리적 증기 수송에 의한 탄화규소의 성장에는 두 가지 고유한 특성이 있습니다.

  1. 원료는 탄화규소 고체이므로 순도를 제어하기가 쉽지 않습니다.
  2. 분말을 기체로 만드는 과정에서 다양한 기체가 발생할 수 있습니다.

고체 SiC 분말은 분해되어 여러 다른 기체상 성분으로 승화됩니다. 주요 기체 성분은 Si, SiC, Si2C 및 SiC2입니다. 반응식은 아래와 같다. 흑연 도가니의 C는 Si 증기와 반응하여 SiC2 및 Si2C를 생성할 수 있습니다. 또한 기상 조성에는 소량의 C, C2, Si2, Si3, Si2C3 등이 있지만 무시할 수 있습니다.

SiC(s)=Si(g)↑+C(s)

2SiC(s)=Si2C(g) ↑+C(s)

2SiC(s)=SiC2(g) ↑+Si(l,g) ↑

SiC(s)=SiC(g) ↑

C(s) + Si(l, g) = SiC(s)

SiC 원료의 분해 과정에서 원료의 불균일한 승화로 인해 기상 조성의 Si 원자 수가 C 원자 수보다 훨씬 많습니다. 비화학량론적 비율이 높으면 Si와 C가 분리됩니다. Si는 기상에 축적되고 C는 고체상에서 응집됩니다. 성장 물질은 현재 심하게 흑연화될 것입니다. 이론상으로는 성장 계면 부근에서 Si:C의 비율을 1:1로 유지하는 것이 가장 이상적인 성장 방법이지만, 이는 실제 탄화규소 결정 성장 과정에서 그 비율을 유지하기 어렵다. 이러한 이유로, 과잉 C의 균형을 맞추기 위해 적절한 양의 Si를 성장 물질에 첨가함으로써 화학량론적 비율을 유지할 수 있다.

Si, SiC, Si2C, SiC2 가스가 시드 결정의 표면에 도달하면 준안정 영역에서 결정이 연속적으로 형성됩니다.

SiC(g) = SiC(들)

Si(g) + SiC2(g) = 2SiC(s)

Si2C(g) + SiC2(g) = 3SiC(s)

따라서 성장된 탄화규소 단결정의 결함은 제어하기 위한 더 많은 기술적 수단이 필요하며 일반적으로 전도성 SiC 기판을 생산하는 데 사용됩니다.

화학기상증착법은 특수가스를 원료로 사용하기 때문에 비용이 많이 든다. 이제 반절연 SiC 기판을 생산하는 데만 사용할 수 있습니다. 두 가지 일반적인 화학 반응 경로는 다음과 같습니다.

C2H(g) + 2SiH4(g) — 2SiC(s) + 6H2(g)

3SiH4(g) + C3H8(g) — 3SiC(s) + 10H2(g)

SiH4만 사용하면 V(Si): V(H2)>0.05%일 때 Si 방울이 형성됩니다. 그런 다음 할로겐을 원료에 도입하여 Si 결함을 줄일 수 있습니다. 사용된 유형에는 HCl, SiCl4, SiHCl3, CH3Cl, SiCl3H3 및 SiH3Cl이 포함됩니다.

필요한 장비는 의도적 도핑 성장 영역, 의도하지 않은 도핑 성장 영역, 가열 시스템, 냉각 시스템, 진공 시스템, 가스 공급 시스템, 배기 가스 처리 시스템, 제어 시스템 및 경보 시스템을 포함한 수평 고온 벽 CVD-VP508이 될 수 있습니다.

탄화규소 결정 성장 절차에는 기판(종자 결정) 세척, 진공 에칭, 에피택시 성장이 포함됩니다.

기판 준비 및 세척 ——기판을 반응 챔버에 넣기——진공——기판의 고온 in-situ 에칭——SiC의 에피택셜 성장을 위한 원래 가스 주입——실험 종료, 샘플 꺼내기

성장률: 5-10um/h, 표준 프로세스는 다음과 같습니다.

  1. Si 소스: SiH4SiHCl3 SiCl4
  2. C 소스: CH4C2H6 C3H8 CCl4
  3. 캐리어 가스: H2, Ar
  4. 온도: 1200-1800℃
  5. 기압: 10-1000mbar

추신: 1bar=1atm=100kPa, 표준 대기압과 비교하기 쉽습니다.

이것은 탄화규소 결정 성장을 위한 주요 방법인 PVT 방법과 HTCVD 방법의 두 가지 기상 방법입니다.

 

파워 웨이 웨이퍼

자세한 내용은 이메일로 문의하십시오victorchan@powerwaywafer.compowerwaymaterial@gmail.com.

이 게시물을 공유하기