Die Studie zur Verteilung des elektrischen Widerstands in 4H-SiC-Kristallen vom n-Typ

4H-SiC ist als Halbleitermaterial der dritten Generation für seine große Bandlücke, hohe Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichnete chemische und thermische Stabilität bekannt, was es für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen äußerst wertvoll macht. Der Schlüsselfaktor für die Leistung dieser Geräte liegt jedoch in der Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstands innerhalb des 4H-SiC-Kristalls, insbesondere bei großen Kristallen, bei denen ein gleichmäßiger spezifischer Widerstand während des Kristallwachstums ein dringendes Problem darstellt. Stickstoffdotierung wird verwendet, um den spezifischen Widerstand von 4H-SiC vom n-Typ anzupassen. Aufgrund des komplexen radialen Wärmegradienten und der Kristallwachstumsmuster wird die Widerstandsverteilung jedoch häufig ungleichmäßig.

Wie wurde das Experiment durchgeführt?

Das Experiment nutzte die Methode des physikalischen Dampftransports (PVT), um 4H-SiC-Kristalle vom n-Typ mit einem Durchmesser von 150 mm zu züchten. Durch Anpassen des Mischungsverhältnisses von Stickstoff- und Argongasen wurde die Konzentration der Stickstoffdotierung gesteuert. Zu den spezifischen experimentellen Schritten gehörten:

Maintaining the crystal growth temperature between 2100°C and 2300°C and the growth pressure at 2 mbar.

Anpassen des Volumenanteils des Stickstoffgases von anfänglich 9 % auf 6 % und dann wieder auf 9 % während des Experiments.

Schneiden des gewachsenen Kristalls in etwa 0,45 mm dicke Wafer zur Messung des spezifischen Widerstands und zur Raman-Spektroskopie-Analyse.

Verwendung der COMSOL-Software zur Simulation des Wärmefelds während des Kristallwachstums, um die Widerstandsverteilung besser zu verstehen.

Was beinhaltete die Forschung?

Diese Studie umfasste die Züchtung von 4H-SiC-Kristallen vom n-Typ mit einem Durchmesser von 150 mm unter Verwendung der PVT-Methode sowie die Messung und Analyse der Widerstandsverteilung in verschiedenen Wachstumsstadien. Die Ergebnisse zeigten, dass der spezifische Widerstand des Kristalls durch den radialen Wärmegradienten und den Kristallwachstumsmechanismus beeinflusst wird und in verschiedenen Wachstumsstadien unterschiedliche Eigenschaften aufweist.

Was passiert im Frühstadium des Kristallwachstums?

In der Anfangsphase des Kristallwachstums beeinflusst der radiale Wärmegradient die Widerstandsverteilung am stärksten. Der spezifische Widerstand ist im zentralen Bereich des Kristalls geringer und nimmt zu den Rändern hin allmählich zu, da ein größerer Wärmegradient zu einer Abnahme der Stickstoffdotierungskonzentration von der Mitte zu den Rändern führt. Die Stickstoffdotierung dieser Stufe wird in erster Linie durch den Temperaturgradienten beeinflusst, wobei die Trägerkonzentrationsverteilung je nach Temperaturschwankungen deutliche Eigenschaften aufweist. Raman-spektroskopische Messungen bestätigten, dass die Trägerkonzentration in der Mitte höher und an den Rändern niedriger ist, was mit den Ergebnissen der Widerstandsverteilung übereinstimmt.

Welche Veränderungen treten in der mittleren Phase des Kristallwachstums auf?

Mit fortschreitendem Kristallwachstum dehnen sich die Wachstumsflächen aus und der radiale Wärmegradient nimmt ab. Obwohl der radiale Wärmegradient in diesem Stadium immer noch die Widerstandsverteilung beeinflusst, wird der Einfluss des Spiralwachstumsmechanismus auf die Kristallfacetten deutlich. Der spezifische Widerstand ist in den Facettenregionen im Vergleich zu den Nicht-Facettenregionen deutlich geringer. Die Raman-Spektroskopie-Analyse von Wafer 23 zeigte, dass die Trägerkonzentration in den Facettenbereichen deutlich höher ist, was darauf hindeutet, dass der spiralförmige Wachstumsmechanismus eine erhöhte Stickstoffdotierung fördert, was zu einem geringeren spezifischen Widerstand in diesen Bereichen führt.

Was sind die Merkmale des späten Stadiums des Kristallwachstums?

In den späteren Stadien des Kristallwachstums dominiert der spiralförmige Wachstumsmechanismus auf den Facetten, wodurch der spezifische Widerstand in den Facettenbereichen weiter verringert und der Widerstandsunterschied zum Kristallzentrum erhöht wird. Die Analyse der Widerstandsverteilung des Wafers 44 ergab, dass der spezifische Widerstand in den Facettenbereichen deutlich niedriger ist, was einer höheren Stickstoffdotierung in diesen Bereichen entspricht. Die Ergebnisse zeigten, dass mit zunehmender Kristalldicke der Einfluss des Spiralwachstumsmechanismus auf die Ladungsträgerkonzentration den des radialen Wärmegradienten übersteigt. Die Stickstoffdotierungskonzentration ist in den Nicht-Facettenregionen relativ gleichmäßig, in den Facettenregionen jedoch deutlich höher, was darauf hindeutet, dass der Dotierungsmechanismus in Facettenregionen die Ladungsträgerkonzentration und die Widerstandsverteilung im späten Wachstumsstadium bestimmt.

Wie hängen Temperaturgradient und Stickstoffdotierung zusammen?

Die Versuchsergebnisse zeigten auch eine klare positive Korrelation zwischen der Stickstoffdotierungskonzentration und dem Temperaturgradienten. Im Frühstadium ist die Stickstoffdotierungskonzentration im Zentrum höher und in den Facettenbereichen niedriger. Während der Kristall wächst, steigt die Stickstoffdotierungskonzentration in den Facettenbereichen allmählich an und übersteigt schließlich die in der Mitte, was zu Widerstandsunterschieden führt. Dieses Phänomen kann durch die Steuerung des Volumenanteils des Stickstoffgases optimiert werden. Numerische Simulationsanalysen ergaben, dass die Verringerung des radialen Wärmegradienten zu einer gleichmäßigeren Stickstoffdotierungskonzentration führt, was insbesondere in den späteren Wachstumsstadien deutlich wird. Das Experiment identifizierte einen kritischen Temperaturgradienten (ΔT), unterhalb dessen die Widerstandsverteilung dazu neigt, gleichmäßig zu werden.

Was ist der Mechanismus der Stickstoffdotierung?

Die Konzentration der Stickstoffdotierung wird nicht nur durch die Temperatur und den radialen Wärmegradienten beeinflusst, sondern auch durch das C/Si-Verhältnis, den Volumenanteil des Stickstoffgases und die Wachstumsrate. In Nicht-Facettenregionen wird die Stickstoffdotierung hauptsächlich durch die Temperatur und das C/Si-Verhältnis gesteuert, während in Facettenregionen der Volumenanteil des Stickstoffgases eine entscheidendere Rolle spielt. Die Studie zeigte, dass durch die Anpassung des Stickstoffgas-Volumenanteils in den Facettenbereichen der spezifische Widerstand effektiv reduziert werden kann, wodurch eine höhere Trägerkonzentration erreicht wird.

Abbildung 1(a) zeigt die Positionen der ausgewählten Wafer, die verschiedene Wachstumsstadien des Kristalls darstellen. Wafer Nr. 1 stellt das Frühstadium dar, Nr. 23 das Mittelstadium und Nr. 44 das Spätstadium. Durch die Analyse dieser Wafer können Forscher die Änderungen der Widerstandsverteilung in verschiedenen Wachstumsstadien vergleichen.

Die Abbildungen 1(b), 1© und 1(d) zeigen jeweils die Karten der Widerstandsverteilung der Wafer Nr. 1, Nr. 23 und Nr. 44, wobei die Farbintensität die Widerstandsniveaus anzeigt, wobei dunklere Bereiche Facettenpositionen mit niedrigeren Stellen darstellen Widerstand.

Wafer Nr. 1: Die Wachstumsfacetten sind klein und befinden sich am Rand des Wafers, mit insgesamt hohem spezifischem Widerstand, der von der Mitte zum Rand hin zunimmt.

Wafer Nr. 23: Die Facetten haben sich erweitert und liegen näher an der Wafermitte, mit einem deutlich geringeren spezifischen Widerstand in den Facettenbereichen und einem höheren spezifischen Widerstand in den Nicht-Facettenbereichen.

Wafer Nr. 44: Die Facetten dehnen sich weiter aus und bewegen sich in Richtung Wafermitte, wobei der spezifische Widerstand in den Facettenbereichen deutlich geringer ist als in anderen Bereichen.

Abbildung 2(a) zeigt die Breitenschwankung der Wachstumsfacetten entlang der Kristalldurchmesserrichtung ([1120]-Richtung) über die Zeit. Die Facetten erweitern sich von schmaleren Regionen in der frühen Wachstumsphase zu größeren Bereichen in der späteren Phase.

Die Abbildungen 2(b), 2© und 2(d) zeigen die Widerstandsverteilung entlang der Durchmesserrichtung für die Wafer Nr. 1, Nr. 23 bzw. Nr. 44.

Wafer Nr. 1: Der Einfluss der Wachstumsfacetten ist minimal, wobei der spezifische Widerstand von der Mitte zum Rand hin allmählich zunimmt.

Wafer Nr. 23: Die Facetten verringern den spezifischen Widerstand deutlich, während die Bereiche ohne Facetten höhere Widerstandsniveaus beibehalten.

Wafer Nr. 44: Die Facettenbereiche haben einen deutlich geringeren spezifischen Widerstand als der Rest des Wafers, wobei der Facetteneffekt auf den spezifischen Widerstand stärker ausgeprägt ist.

Die Abbildungen 3(a), 3(b) und 3© zeigen jeweils die Raman-Verschiebungen des LOPC-Modus, gemessen an verschiedenen Positionen (A, B, C, D) auf den Wafern Nr. 1, Nr. 23 und Nr. 44 , was Änderungen in der Trägerkonzentration widerspiegelt.

Wafer Nr. 1: Die Raman-Verschiebung nimmt vom Zentrum (Punkt A) zum Rand (Punkt C) allmählich ab, was auf eine Verringerung der Stickstoffdotierungskonzentration vom Zentrum zum Rand hinweist. Am Punkt D (Facettenbereich) wird keine signifikante Änderung der Raman-Verschiebung beobachtet.

Wafer Nr. 23 und Nr. 44: Die Raman-Verschiebung ist in den Facettenbereichen (Punkt D) höher, was auf eine höhere Stickstoffdotierungskonzentration hinweist, was mit den niedrigen Widerstandsmessungen übereinstimmt.

Abbildung 4(a) zeigt die Variation der Trägerkonzentration und des radialen Temperaturgradienten an verschiedenen radialen Positionen der Wafer. Dies deutet darauf hin, dass die Trägerkonzentration von der Mitte zum Rand hin abnimmt, während der Temperaturgradient im frühen Wachstumsstadium größer ist und anschließend abnimmt.

Abbildung 4(b) zeigt die Änderung der Differenz der Trägerkonzentration zwischen der Facettenmitte und der Wafermitte mit dem Temperaturgradienten (ΔT). Im frühen Wachstumsstadium (Wafer Nr. 1) ist die Trägerkonzentration in der Wafermitte höher als in der Facettenmitte. Während der Kristall wächst, übersteigt die Stickstoffdotierungskonzentration in den Facettenbereichen allmählich die in der Mitte, wobei sich Δn von negativ nach positiv ändert, was auf die wachsende Dominanz des Facettenwachstumsmechanismus hinweist.

Abbildung 5 zeigt die Änderung des spezifischen Widerstands in der Wafermitte und in der Facettenmitte im Zeitverlauf. Während der Kristall wächst, steigt der spezifische Widerstand in der Wafermitte von 15,5 mΩ·cm auf 23,7 mΩ·cm, während der spezifische Widerstand in der Facettenmitte zunächst auf 22,1 mΩ·cm ansteigt und dann auf 19,5 mΩ·cm abnimmt. Der Rückgang des spezifischen Widerstands in den Facettenbereichen korreliert mit Änderungen im volumetrischen Anteil des Stickstoffgases, was auf eine negative Korrelation zwischen der Stickstoffdotierungskonzentration und dem spezifischen Widerstand hinweist.

Schlussfolgerungen

Die wichtigsten Schlussfolgerungen der Studie sind, dass der radiale Wärmegradient und das Kristallfacettenwachstum die Widerstandsverteilung in 4H-SiC-Kristallen erheblich beeinflussen:

Im frühen Stadium des Kristallwachstums bestimmt der radiale Wärmegradient die Ladungsträgerkonzentrationsverteilung mit einem geringeren spezifischen Widerstand in der Kristallmitte und einem höheren an den Rändern.

Während der Kristall wächst, nimmt die Stickstoffdotierungskonzentration in den Facettenbereichen zu, wodurch der spezifische Widerstand sinkt, wobei der Widerstandsunterschied zwischen Facettenbereichen und dem Kristallzentrum deutlicher wird.

Es wurde ein kritischer Temperaturgradient identifiziert, der den Übergang der Steuerung der Widerstandsverteilung vom radialen Wärmegradienten zum Facettenwachstumsmechanismus markiert.**

Originalquelle: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D. & Pi, X. (2024). Verteilung des elektrischen Widerstands eines 4H-SiC-Kristalls vom n-Typ. Zeitschrift für Kristallwachstum. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892