利用數(shù)值模擬軟件構(gòu)建了兩種6英寸SiC單晶生長(zhǎng)模型

摘要

大直徑高質(zhì)量 SiC 襯底對(duì)提高 SiC 和 GaN 器件的良率、降低器件成本具有重要意義。然而，隨著單晶直徑的擴(kuò)大，如何實(shí)現(xiàn)襯底片內(nèi)單晶質(zhì)量均勻性是亟需解決的問(wèn)題之一。使用數(shù)值模擬軟件構(gòu)建了兩種生長(zhǎng)模型并研究其溫場(chǎng)分布，模擬結(jié)果表明微凸溫場(chǎng)生長(zhǎng)的晶體外形更加平整。對(duì)兩個(gè)批次的 6 英寸 ( 1 英寸= 2. 54 cm) SiC 單晶襯底分別進(jìn)行了 ( 004) 面 X 射線搖擺曲線全圖掃描，評(píng)價(jià)了襯底結(jié)晶質(zhì)量，并在襯底上進(jìn)行了 GaN 外延生長(zhǎng)。結(jié)果表明，采用結(jié)晶質(zhì)量好且均勻的 SiC 單晶襯底，外延生長(zhǎng)的 GaN 質(zhì)量更高。

0引言

半導(dǎo)體材料作為信息產(chǎn)業(yè)的基石，被廣泛用于集成電路、電力電子器件和微波射頻器件的制備。所謂“一代材料決定一代器件”，以硅 ( Si)、砷化鎵 ( GaAs) 為代表的第一、二代半導(dǎo)體材料，其器件特性目前已逼近材料的物理極限。

碳化硅( SiC) 材料具有禁帶寬度大、飽和電子速度高、臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高等特性，其品質(zhì)因子優(yōu)異，在高溫、高頻、大功率及抗輻射領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，SiC 產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)外均成為科技戰(zhàn)略布局熱點(diǎn)，極大地促進(jìn)了 SiC 單晶制備技術(shù)的發(fā)展。高質(zhì)量、大直徑 SiC 單晶有利于提高器件良率、降低器件成本，是未來(lái) SiC 單晶發(fā)展的方向。目前國(guó)外 6 英寸 ( 1 英寸= 2. 54 cm) SiC 襯底已成為主流產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)商業(yè)化 SiC 襯底直徑正處于 4 英寸向 6 英寸過(guò)渡階段。

SiC 單晶材料的制備方法主要有物理氣相傳輸( PVT ) 法、溶液法和高溫化學(xué)氣相沉積( HTCVD) 法。其中 PVT 法是技術(shù)成熟度最高、應(yīng)用最廣泛的方法。

在該方法中，一般采用中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)，SiC 在超過(guò) 2 000 ℃的密閉石墨坩堝內(nèi)進(jìn)行生長(zhǎng)，整個(gè)生長(zhǎng)體系類(lèi)似“黑盒子”，無(wú)法對(duì)坩堝內(nèi)溫度場(chǎng)和生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行直接觀察和測(cè)量，只能通過(guò)晶體的外形推測(cè)溫場(chǎng)分布情況。隨著 SiC單晶直徑增大，中頻感應(yīng)的“趨膚效應(yīng)”使晶體生長(zhǎng)前沿徑向溫度梯度增大，導(dǎo)致大直徑 SiC 晶體中的應(yīng)力增大，晶體結(jié)晶質(zhì)量不均勻，劣化晶體質(zhì)量。因此生長(zhǎng)結(jié)晶質(zhì)量均勻的大直徑 SiC 單晶，單晶生長(zhǎng)的裝配設(shè)計(jì)工作尤為重要。

本文借助 Virtual Ｒeactor-PVT SiCTM軟件開(kāi)展了6 英寸 SiC 單晶生長(zhǎng)溫場(chǎng)及流場(chǎng)研究。加入三代半交流群，加vx：tuoke08。采用高分辨X 射線衍射儀研究了兩個(gè)批次 SiC 單晶質(zhì)量均勻性，并在制備的 SiC 襯底上進(jìn)行了 GaN 異質(zhì)外延，驗(yàn)證了 SiC 結(jié)晶質(zhì)量和均勻性對(duì) GaN 外延層質(zhì)量的影響。

1工藝實(shí)驗(yàn)

1. 1 Virtual Ｒeactor-PVT SiCTM數(shù)值模擬

Virtual Ｒeactor-PVT SiCTM是一款基于有限元算法的專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于 PVT 生長(zhǎng) SiC 單晶的數(shù)值模擬軟件。該軟件的計(jì)算原理是: 根據(jù)麥克斯韋方程組，計(jì)算感應(yīng)加熱體系內(nèi)各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度;根據(jù)坡印亭定理，求得坩堝各點(diǎn)的電阻熱量。石墨坩堝加熱后，其熱量會(huì)向坩堝內(nèi)部傳遞，形成 SiC單晶生長(zhǎng)的溫度場(chǎng)。熱量的傳遞主要包括: 固態(tài)介質(zhì)中的熱傳導(dǎo)、氣態(tài)介質(zhì)中的熱傳導(dǎo)和對(duì)流、固氣界面上的熱輻射三部分。圖 1 為 SiC 單晶生長(zhǎng)模型示意圖。通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)系統(tǒng)建立模型，設(shè)定初始條件及指定某一設(shè)定點(diǎn)溫度，軟件將根據(jù)系統(tǒng)配置的物理屬性對(duì)熱量的傳遞進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，求得 SiC晶體生長(zhǎng)的溫度場(chǎng)。

1. 2 6英寸SiC單晶表征及外延實(shí)驗(yàn)

采用高分辨 X 射線衍射儀對(duì)兩個(gè)批次 6 英寸4H-SiC 單晶襯底 (004) 面進(jìn)行搖擺曲線測(cè)試，評(píng)價(jià)其結(jié)晶質(zhì)量。在相同條件下，對(duì) 6 英寸 SiC 襯底進(jìn)行 GaN 異質(zhì)外延生長(zhǎng)，得到 GaN 外延薄膜。采用高分辨 X 射線衍射儀分別對(duì) GaN 外延層的(002) 和 ( 102) 面進(jìn)行對(duì)稱(chēng)衍射和斜對(duì)稱(chēng)衍射，比較兩個(gè)批次的 SiC 襯底外延 GaN 結(jié)晶質(zhì)量，研究襯底結(jié)晶均勻性對(duì) GaN 外延質(zhì)量的影響。

2結(jié)果與分析

2. 1不同溫場(chǎng)及流場(chǎng)模擬

目前 SiC 單晶生長(zhǎng)通常采用中頻感應(yīng)電源的加熱模式，生長(zhǎng)腔內(nèi)存在溫度梯度。一般而言，生長(zhǎng)腔內(nèi)的軸向溫度梯度決定了晶體的生長(zhǎng)速率，而籽晶表面的徑向溫度梯度與晶體中的熱應(yīng)力有關(guān)。籽晶表面的徑向溫度梯度太小，則容易在晶體邊緣產(chǎn)生多晶，多晶與單晶競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，不利于單晶尺寸的擴(kuò)大; 而籽晶表面的徑向溫度梯度太大，會(huì)在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，造成晶體應(yīng)力偏大，容易開(kāi)裂。本文中構(gòu)建了兩種不同的生長(zhǎng)模型，分別簡(jiǎn)稱(chēng)模型 A 和模型 B，設(shè)定主要初始參數(shù): 籽 晶 溫 度 為 2 400 ℃，生 長(zhǎng) 壓 強(qiáng) 20 mbar( 1 mbar = 100 Pa) ，中頻電源頻率 10 kHz，生長(zhǎng)時(shí)間 100 h，分析了兩種不同生長(zhǎng)模型中的溫場(chǎng)分布和晶體生長(zhǎng)情況。

為了便于直觀比較兩種模型的溫場(chǎng)分布，將模型 A 和模型 B 的溫度刻度線設(shè)置為相同的范圍和步長(zhǎng)，由此可以通過(guò)等溫線的密集程度判斷溫場(chǎng)分布。圖 2 示出了模型 A 中的溫場(chǎng)分布圖和晶體生長(zhǎng)示意圖，圖中 t 為生長(zhǎng)溫度，X 為晶圓直徑。從圖 2 ( a) 中可以看出，模型 A 生長(zhǎng)體系的高溫區(qū)接近料底部，料內(nèi)的等溫線分布稀疏; 從圖 2 ( b)中可以看出，生長(zhǎng)的 SiC 單晶中心厚度明顯比晶體邊緣厚，晶體凸度為 14. 6 mm。晶體凸度較大與生長(zhǎng)前沿的溫場(chǎng)分布有關(guān)。為了進(jìn)一步量化模型 A 中的溫場(chǎng)分布情況，從溫場(chǎng)中提取相關(guān)數(shù)據(jù)，描繪出生長(zhǎng)前沿徑向溫度分布、生長(zhǎng)腔內(nèi)軸向溫度分布、料內(nèi)軸向溫度分布和料表面徑向溫度分布，如圖3所示，圖中x1～x4分別為生長(zhǎng)前沿徑向距離、生長(zhǎng)腔內(nèi)軸向距離、料內(nèi)軸向距離以及料表面徑向距離。從圖 3 ( a) 中可以看出，籽晶中心到籽晶邊緣的溫度基本呈線性增加，徑向溫度差約為 12 ℃; 圖 3( b) 表明，生長(zhǎng)腔內(nèi)越靠近料表面溫度變化越緩慢，越靠近籽晶溫度變化越明顯，生長(zhǎng)腔內(nèi)的軸向溫度差為約 17 ℃; 通過(guò)圖 3 ( c) 可以看出，料內(nèi)軸向方向的最高溫基本處于料中間位置，這表明晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，一部分料會(huì)向生長(zhǎng)腔內(nèi)傳輸，一部分料會(huì)向坩堝底部傳輸; 圖 3 ( d) 展示了料表面徑向溫度分布，可以看出靠近坩堝壁的溫度最高，而位于中心位置的 SiC 料溫度最低，料表面徑向溫度差約為 18 ℃。造成這種差異主要與中頻感應(yīng)的加熱模式的趨膚效應(yīng)有關(guān)。

圖 4 示出了模型 B 中的溫場(chǎng)分布圖和晶體生長(zhǎng)示意圖。從圖 4 ( a) 中可以看出，模型 B 生長(zhǎng)體系的料內(nèi)的等溫線比模型 A 中的密集，表明料內(nèi)的溫度梯度變大; 從圖 4 ( b) 中可以看出，生長(zhǎng)的SiC 單晶面形較為平整，晶體凸度為 5. 4 mm。說(shuō)明籽晶生長(zhǎng)前沿的溫度場(chǎng)相對(duì)較平。圖 5 ( a) 中可以看出，籽晶中心到籽晶邊緣的溫度盡管略有增加，但溫度差僅約為 6 ℃，明顯小于模型 A 中的籽晶表面徑向溫度差; 圖 5 ( b) 表明生長(zhǎng)腔內(nèi)的軸向溫度差約為 14 ℃，基本與模型 A 中的生長(zhǎng)腔內(nèi)溫度差一致; 通過(guò)圖 5 ( c) 可以看出，料內(nèi)軸向方向的最高溫基本處于料底部，高溫區(qū)位置比模型 A中相對(duì)靠下; 圖 5 ( d) 表明，料表面徑向溫度差約為 21 ℃，略大于模型 A 中料表面徑向溫度差。

通過(guò)對(duì)比模型 A 與模型 B 中的溫場(chǎng)分布，如表 1 所示，可以看出模型 A 生長(zhǎng)前沿溫度場(chǎng)為典型的凸溫場(chǎng)，而模型 B 生長(zhǎng)前沿的溫度場(chǎng)為典型的***溫場(chǎng)。根據(jù)晶體生長(zhǎng)理論，凸溫場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，容易在晶體中產(chǎn)生晶格畸變和位錯(cuò)等缺陷，劣化晶體的質(zhì)量。因此推測(cè)模型 B 中的溫場(chǎng)更適合生長(zhǎng)高質(zhì)量 6 英寸 SiC 單晶。

2. 2 6英寸SiC襯底表征

采購(gòu)了兩個(gè)批次 6 英寸 SiC 襯底，分別命名為批次 I 和批次 II。為了評(píng)價(jià)不同批次間的襯底結(jié)晶質(zhì)量，采用高分辨 X 射線衍射儀對(duì)兩個(gè)批次 SiC 襯底分別進(jìn)行了 (004) 面對(duì)稱(chēng)衍射搖擺曲線測(cè)試。測(cè)試前首先對(duì)樣品中心點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化測(cè)試，獲得樣品中心點(diǎn)的最優(yōu)俯仰角。然 后 分 別 沿＜ 1120 ＞和＜1100＞兩個(gè)方向?qū)M(jìn)行全圖掃描，研究晶片不同區(qū)域搖擺曲線的衍射角和半峰寬的變化，評(píng)價(jià)襯底結(jié)晶質(zhì)量均勻性。批次 I 和批次 II 的 SiC 襯底(004) 面搖擺曲線全圖掃描結(jié)果分別如圖 6 和圖 7所示。從圖 6 中可以看出，批次 I 中的 SiC 襯底＜1120＞和＜1100＞方向衍射角度變化分別為0. 880°和0. 577°，半峰寬分別為 84 "和 102 "，說(shuō)明該晶片 (004) 面衍射角變化大; 半峰寬在不同區(qū)域波動(dòng)大，晶片結(jié)晶質(zhì)量不均勻。從圖 7 中可以看出，批次 II 的 SiC 襯底＜1120＞和＜1100＞方向衍射角度變化分別為0. 060°和0. 027°，半峰寬分別為 40"和42 "，說(shuō)明該晶片不同區(qū)域的 (004) 衍射角度變化不大，結(jié)晶質(zhì)量高、結(jié)晶質(zhì)量均勻。推測(cè)造成兩個(gè)批次襯底結(jié)晶質(zhì)量不一致的原因可能與 SiC 單晶生長(zhǎng)的溫場(chǎng)不同有關(guān)，凸溫場(chǎng)導(dǎo)致晶體中應(yīng)力大，造成了 SiC 晶面彎曲。

2. 3 6英寸SiC襯底GaN外延表征

對(duì)兩個(gè)批次 SiC 襯底分別在相同條件下進(jìn)行GaN 異質(zhì)外延，并對(duì) GaN (002) 和 ( 102) 面進(jìn)行搖擺曲線全圖掃描測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖 8 所示?？梢钥闯雠?I 的 SiC 襯底外延 GaN (002) 和102) 面搖擺曲線半峰寬分別為 235 "～ 260"和293 "～ 333 "，批 次 II 的 SiC 襯 底 外 延 的 GaN(002) 和 ( 102) 面搖擺曲線半峰寬分別為 152 "～160"和 255 "～ 270"，批次 II 的 SiC 襯底外延 GaN的晶體質(zhì)量明顯優(yōu)于批次 I 的 SiC 襯底外延 GaN。由此可以推斷 SiC 襯底結(jié)晶的均勻性對(duì) GaN 外延層質(zhì)量有較大影響，襯底結(jié)晶質(zhì)量越高、越均勻，外延層的質(zhì)量越高。

3 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬軟件構(gòu)建了兩種 6 英寸 SiC單晶生長(zhǎng)模型，通過(guò)理論計(jì)算表明平溫場(chǎng)中生長(zhǎng)的SiC 單晶面形平整，應(yīng)力較小。對(duì)兩批次 6 英寸SiC 襯底進(jìn)行了 X 射線 (004) 面搖擺曲線全圖掃描測(cè)試，研究了其結(jié)晶質(zhì)量及其均勻性。在 SiC 襯底上外延了 GaN 材料，通過(guò)對(duì)外延層進(jìn)行 (002)和 ( 102) 面搖擺曲線測(cè)試，表明 SiC 襯底對(duì) GaN外延層質(zhì)量有重要影響，襯底結(jié)晶質(zhì)量越高、結(jié)晶質(zhì)量越均勻，有助于獲得高質(zhì)量 GaN 外延層。

審核編輯 ：李倩