n型4H-SiC結晶の電気抵抗率分布に関する研究

4H-SiC は、第 3 世代の半導体材料として、その広いバンドギャップ、高い熱伝導率、優れた化学的および熱的安定性で知られており、高出力および高周波アプリケーションで非常に価値があります。ただし、これらのデバイスの性能に影響を与える主な要因は、4H-SiC 結晶内の電気抵抗率の分布、特に結晶成長中に均一な抵抗率が緊急の課題となる大型結晶の電気抵抗率の分布にあります。窒素ドーピングは、n 型 4H-SiC の抵抗率を調整するために使用されますが、複雑な半径方向の温度勾配と結晶成長パターンにより、抵抗率の分布が不均一になることがよくあります。

実験はどのように行われましたか?

実験では、物理的蒸気輸送 (PVT) 法を利用して、直径 150 mm の n 型 4H-SiC 結晶を成長させました。窒素ガスとアルゴンガスの混合比を調整することにより、窒素ドープ濃度を制御した。具体的な実験手順には次のものが含まれます。

結晶成長温度を 2100°C ～ 2300°C に維持し、成長圧力を 2 mbar に維持します。

窒素ガスの体積分率を最初の 9% から 6% に調整し、実験中に再び 9% に戻します。

抵抗率測定とラマン分光分析のために、成長した結晶を厚さ約 0.45 mm のウェーハに切断します。

COMSOL ソフトウェアを使用して結晶成長中の熱場をシミュレートし、抵抗率分布をより深く理解します。

研究には何が関係していましたか?

この研究では、PVT 法を使用して直径 150 mm の n 型 4H-SiC 結晶を成長させ、さまざまな成長段階での抵抗率分布を測定および分析しました。結果は、結晶の抵抗率が半径方向の熱勾配と結晶成長メカニズムの影響を受け、異なる成長段階で異なる特性を示すことを示しました。

結晶成長の初期段階では何​​が起こるのでしょうか?

結晶成長の初期段階では、半径方向の熱勾配が抵抗率分布に最も大きく影響します。抵抗率は結晶の中央領域では低く、端に向かって徐々に増加します。これは、より大きな温度勾配により中心から周辺に向かって窒素ドーピング濃度が減少するためです。この段階の窒素ドーピングは主に温度勾配の影響を受け、キャリア濃度分布は温度変化に応じて明確な特性を示します。ラマン分光測定により、抵抗率分布の結果と一致して、キャリア濃度が中心で高く、端で低いことが確認されました。

結晶成長の中期にはどのような変化が起こるのでしょうか？

結晶成長が進行するにつれて、成長ファセットが拡大し、半径方向の温度勾配が減少します。この段階では、半径方向の熱勾配が依然として抵抗率分布に影響を及ぼしますが、結晶ファセットに対する螺旋成長機構の影響が明らかになります。ファセット領域では、非ファセット領域と比較して抵抗率が著しく低くなります。ウェーハ２３のラマン分光分析では、ファセット領域のキャリア濃度が著しく高いことが示され、これはスパイラル成長機構が窒素ドーピングの増加を促進し、その結果これらの領域の抵抗率が低下することを示している。

結晶成長後期の特徴は何ですか?

結晶成長の後期段階では、ファセット上の螺旋成長メカニズムが支配的になり、ファセット領域の抵抗率がさらに低下し、結晶中心との抵抗率の差が増加します。ウェーハ 44 の抵抗率分布の分析により、ファセット領域の抵抗率が大幅に低く、これらの領域の窒素ドーピング量が多いことに対応することが明らかになりました。結果は、結晶の厚さが増加すると、キャリア濃度に対する螺旋成長メカニズムの影響が半径方向の温度勾配の影響を超えることを示しました。窒素ドーピング濃度は非ファセット領域では比較的均一ですが、ファセット領域では著しく高く、ファセット領域のドーピング機構が成長後期のキャリア濃度と抵抗率分布を支配していることを示しています。

温度勾配と窒素ドーピングはどのように関係していますか?

実験結果は、窒素ドーピング濃度と温度勾配との間に明確な正の相関関係があることも示しました。初期段階では、窒素ドーピング濃度は中心部で高く、ファセット領域で低くなります。結晶が成長するにつれて、ファセット領域の窒素ドーピング濃度が徐々に増加し、最終的には中心部の窒素ドーピング濃度を超え、抵抗率の差が生じます。この現象は、窒素ガスの体積分率を制御することで最適化できます。数値シミュレーション解析により、半径方向の熱勾配の減少により窒素ドーピング濃度がより均一になることが明らかになり、特に成長段階の後半で顕著になります。実験により、それを下回ると抵抗率分布が均一になる傾向がある臨界温度勾配 (ΔT) が特定されました。

窒素ドーピングのメカニズムは何ですか?

窒素ドーピング濃度は、温度および半径方向の熱勾配だけでなく、C/Si 比、窒素ガスの体積分率、および成長速度にも影響されます。非ファセット領域では、窒素ドーピングは主に温度と C/Si 比によって制御されますが、ファセット領域では窒素ガスの体積分率がより重要な役割を果たします。この研究では、ファセット領域の窒素ガス体積分率を調整することで、抵抗率を効果的に低減し、より高いキャリア濃度を達成できることが示されました。

図 1(a) は、結晶のさまざまな成長段階を表す、選択されたウェーハの位置を示しています。ウエハー No.1 が初期、No.23 が中期、No.44 が後期を表します。これらのウェーハを分析することで、研究者はさまざまな成長段階での抵抗率分布の変化を比較できます。

図 1(b)、1©、および 1(d) はそれぞれ、ウェーハ No.1、No.23、および No.44 の抵抗率分布マップを示しています。色の濃さは抵抗率レベルを示し、暗い領域はファセット位置を表し、より低い領域を表します。抵抗率。

ウェーハ No.1: 成長ファセットは小さく、ウェーハの端に位置し、全体的に高い抵抗率があり、中心から端に向かって増加します。

ウェーハ No.23: ファセットが拡大してウェーハの中心に近くなり、ファセット領域の抵抗率が大幅に低くなり、非ファセット領域の抵抗率が高くなります。

ウェーハ No.44: ファセットは拡大を続けてウェーハ中心に向かって移動し、ファセット領域の抵抗率は他の領域よりも著しく低くなります。

図2(a)は、結晶直径方向([1120]方向)に沿った成長ファセットの幅の経時変化を示しています。ファセットは、成長初期の狭い領域から後期の広い領域に拡大します。

図 2(b)、2©、および 2(d) は、それぞれウェーハ No.1、No.23、および No.44 の直径方向に沿った抵抗率分布を示しています。

ウェーハ No.1: 成長ファセットの影響は最小限で、抵抗率は中心から端に向かって徐々に増加します。

ウェハ No.23: ファセットは抵抗率を大幅に低下させますが、ファセット以外の領域はより高い抵抗率レベルを維持します。

ウェーハ No.44: ファセット領域はウェーハの残りの部分よりも抵抗率が大幅に低く、抵抗率に対するファセット効果がより顕著になります。

図 3(a)、3(b)、および 3© はそれぞれ、ウェーハ No.1、No.23、および No.44 上の異なる位置 (A、B、C、D) で測定された LOPC モードのラマン シフトを示しています。 、キャリア濃度の変化を反映します。

ウェーハ No.1: ラマン シフトは中心 (点 A) から端 (点 C) に向かって徐々に減少しており、中心から端まで窒素ドーピング濃度が減少していることを示しています。点 D (ファセット領域) では、顕著なラマン シフト変化は観察されません。

ウェーハ No.23 および No.44: ラマン シフトはファセット領域 (ポイント D) でより高く、窒素ドーピング濃度が高いことを示しており、低抵抗率測定と一致しています。

図 4(a) は、ウェーハの異なる半径方向位置におけるキャリア濃度と半径方向の温度勾配の変化を示しています。これは、キャリア濃度が中心から端に向かって減少する一方、温度勾配は成長初期段階で大きく、その後減少することを示しています。

図4(b)は、温度勾配(ΔT)に対するファセット中心とウェーハ中心のキャリア濃度の差の変化を示しています。成長初期段階（ウェーハ No.1）では、キャリア濃度はファセット中心よりもウェーハ中心の方が高くなります。結晶が成長するにつれて、ファセット領域の窒素ドーピング濃度が中央の窒素ドーピング濃度を徐々に上回り、Δn が負から正に変化し、ファセット成長メカニズムの優位性が増大していることを示しています。

図 5 は、時間の経過に伴うウェーハ中心とファセット中心の抵抗率の変化を示しています。結晶が成長するにつれて、ウェーハ中心の抵抗率は 15.5 mΩ・cm から 23.7 mΩ・cm に増加しますが、ファセット中心の抵抗率は最初に 22.1 mΩ・cm に増加し、その後 19.5 mΩ・cm に減少します。ファセット領域の抵抗率の低下は窒素ガス体積分率の変化と相関しており、窒素ドーピング濃度と抵抗率の間に負の相関があることを示しています。

結論

研究の重要な結論は、半径方向の熱勾配と結晶ファセットの成長が 4H-SiC 結晶の抵抗率分布に大きな影響を与えるということです。

結晶成長の初期段階では、半径方向の熱勾配によってキャリア濃度分布が決まり、結晶の中心では抵抗率が低く、端では抵抗率が高くなります。

結晶が成長するにつれて、ファセット領域の窒素ドーピング濃度が増加して抵抗率が低下し、ファセット領域と結晶中心の間の抵抗率の差がより明確になります。

臨界温度勾配が特定され、これは、半径方向の熱勾配からファセット成長メカニズムへの抵抗率分布制御の移行を示しています。**

出典: Xie, X.、Kong, Y.、Xu, L.、Yang, D.、Pi, X. (2024)。 n型4H-SiC結晶の電気抵抗率の分布。結晶成長ジャーナル。 https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892