Advances in SiC growth using chloride-based CVD

• Main Author: Leone, Stefano
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Linköpings universitet, Halvledarmaterial 2010
• Subjects: NATURAL SCIENCES; NATURVETENSKAP
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva-60226; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7393-303-2

Silicon Carbide (SiC) is a wide band-gap semiconductor. Similar to silicon it can be used to make electronic devices which can be employed in several applications. SiC has some unique features, such as wide band-gap, high hardness, chemical inertness, and capability to withstand high temperatures. Its high breakdown electric field, high saturated drift velocity and high thermal conductivity are some of the most important characteristics to understand why SiC has superior electrical properties compared to silicon, and make it very attractive for power devices especially at high voltages and high frequency. The gain in reduced device sizes, reduced cooling requirements, and especially in improved energy efficiency for AC/DC conversion are a very important reasons to keep working in improving the material quality. Yet several issues still limit its full employment in all its potential applications, and many more steps have thus to be done for its complete success. The core of an electric device is the epitaxial layer grown on a substrate by chemical vapor deposition (CVD). Gases containing silicon and carbon atoms, such as silane and ethylene, are often used to grow SiC, but limits in high growth rate are given by silicon cluster formation in the gas phase which is detrimental for the epitaxial layer quality. High growth rates are needed to deposit thick layers ( > 100 μm) which are required for high power devices. Chloride-based CVD, which is usually employed in the silicon epitaxial growth industry, is based on the presence of chlorinated species in the gas mixture which prevent the formation of silicon clusters, therefore resulting in very high growth rates. This chloride-based CVD process was first started to be investigated a few years ago and then only at typical growth conditions, without exploring all its full potential, such as its performance at low or high temperature growth. In addition important parameters affecting the epitaxial layer quality in terms of defect formation and electrical characteristics are the substrate orientation and its off-cut angle. Standard processes are run on substrates having an 8° off-cut angle towards a specific crystallographic direction. On lower off-cut angles, such as 4° or almost 0° (also called on-axis) which would be more economical and could resolve problems related to bipolar degradation, many typical issues should be solved or at least minimized. For 4° off-cut angle the main problem is the step-bunching resulting in high roughness of the epi surface whereas for nominally on-axis the formation of 3C inclusions is the main problem. In this thesis we discuss and present results on the use of the chloride-based CVD process in a hot-wall reactor to further explore most of the above mentioned topics. Onaxis substrates are used to grow homopolytypic epitaxial layers; detailed experiments on the gas phase composition adopting high contents of chlorine made it possible (Paper 1). Optimization of the on-axis surface preparation prior to the growth in combination with a correct choice of chlorinated precursors and growth conditions were required to reach a growth rate of 100 μm/h of 100% 4H polytype (Paper 2). Substrates with a 4° off-cut angle could be grown free from step-bunching, one of the most common morphological issue and usually detrimental for devices. Both the standard and chlorinated-process were successfully used, but at different growth rates (Paper 3). Also for this off-cut substrate a specific surface preparation and selected growth parameters made the growth possible at rates exceeding 100 μm/h (Paper 4). The benefit of the chlorinated chemistry was tested under unusual growth conditions, such as under a concentrated gas mixture (i.e. at very low carrier gas flow) tested on different off-cut substrates (Paper 5). A great advantage of chloride-based chemistry is the feasibility of growing at very low temperatures (1300 to 1400 °C compared to the 1600 °C standard temperature). At such low temperatures 4H-SiC epitaxial layers could be grown on 8° off-axis substrates (Paper 6), while high quality heteroepitaxial 3C-SiC layers were grown on on-axis 6H-SiC substrates (Paper 7). Finally, the very high growth rates achieved by the chloride-based CVD were applied in a vertical hot-wall reactor configuration, demonstrating the ability to grow very thick SiC layers at higher rates and lower temperatures than what is typically used for bulk growth (Paper 8). This work demonstrated that a new bulk growth process could be developed based on this approach. === Kiselkarbid (SiC) är en halvledare med ett stort bandgap och precis som den mycket vanliga halvledaren kisel kan SiC användas till elektroniska komponenter för många olika tillämpningar. SiC har unika materialegenskaper så som dess stora bandgap, dess höga hårdhet och motståndskraft både mot kemiskt aggressiva miljöer och höga temperaturer. Det som framförallt gör SiC så mycket bättre än kisel är främst den höga genombrottsfältstyrkan som gör att SiC klarar höga spänningar vilket är särskilt intressant för kraftkomponenter, för användning vid höga spänningar och höga frekvenser. Med elektroniska komponenter av SiC kan man, jämfört med samma komponenter av kisel, minska komponenternas storlek och kylbehov, men den huvudsakliga vinsten är en högre energieffektivitet vid AC/DC-omvandling. De minskade energiförlusterna är ett mycket starkt argument för att fortsätta att förbättra materialkvalitén på SiC. Det är materialrelaterade problem som idag håller tillbaka SiC-teknologin och ett antal problem måste lösas för att SiC ska få sitt stora genombrott. Kärnan i en elektronisk komponent är det epitaxiella skikt som har växts ovanpå ett substrat. Ordet epitaxi kommer från grekiskans epi, som betyder ovanpå, och taxis, som betyder i ordning, så ett epitaxiellt skikt har alltså odlats på ett substrat och kopierat substratets kristallstruktur. Den vanligaste tekniken för att odla epitaxiella skikt i halvledarindustrin kallas på engelska chemical vapor deposition. Någon bra svensk översättning finns inte men tekniken innebär att man deponerar ett tunt skikt via kemiska reaktioner mellan gaser. Tekniken förkortas generallt för CVD från dess engelska namn. För att odla ett epitaxiellt skikt av SiC använder man gaser med kisel och kol, så som silan (SiH4) och eten (C2H4), som späds ut kraftigt i vätgas. För att öka tillväxthastigheten i processen måste man öka mängden silan och eten i gasblandningen. Ett problem är dock att vid höga koncentrationer av kisel bildas kiseldroppar som regnar ner på substratytan och förstör det epitaxiella skiktet. Detta faktum gör att man inte kan odla epitaxiella skikt av SiC snabbare än ca 5-10 μm i timmen. För många kraftkomponenter krävs epitaxiella skikt med en tjocklek på 100 μm, eller mer och för att kunna odla sådana skikt på rimlig tid används kloridbaserad CVD. Kloridbaserad CVD är idag standard i kiselindustrin och bygger på närvaron av klorföreningar i gasblandningen. Eftersom klor binder starkare till kisel än vad kisel gör, hindrar närvaron av klor bildningen av kiseldroppar och man kan öka koncentrationen av kisel i gasblandningen och därmed öka tillväxthastigheten betydligt. Kloridbaserad CVD för kiselkarbid började på allvar undersökas för snart tio år sedan och då var fokus främst på redan välkända tillväxtförhållanden, men den fulla potentialen hos kloridbaserad CVD, så som dess effekt på låg-  eller högtemperatur tillväxt har ännu inte studerats. Inte heller har grundliga undersökningar gjorts av vad det är i processen som har betydelse för det epitaxiella skiktets elektriska egenskaper eller för bildandet av olika defekter under tillväxten. När man kapar upp en kiselkarbidkristall i tunna skivor för att kunna odla epitaxiella skikt på dem, kapar man ofta kristallen lite snett i förhållande till hur atomplanen ligger i den. Detta gör att man får en kristallyta som ser ut lite som en trappa på atomär nivå. Detta är bra eftersom atomer som ska bygga upp det epitaxiella skiktet gärna binder till ytan vid ett sådant trappsteg eftersom de där kan binda till flera atomer samtidigt. Substrat som har kapats snett på det viset kallas off-axis substrat och för 4H-polytypen av SiC kapar man vanligen substraten 8 eller 4° snett. Substrat som kapats helt parallellt med kristallplanen kallas on-axis substrat, dessa är generellt sett svåra att odla bra epitaxiella skikt på, men man får inga spillbitar när man kapar kristallen och vissa kristalldefekter i substratet tränger inte igenom till episkiktet vilket ger bättre livslängd för de elektroniska komponenterna. För att kunna odla på on-axis substrat gjordes detaljerade undersökningar av olika gasblandningar för processen och en hög klorhalt i gasblandningen möjliggjorde en process med hög tillväxthastighet på on-axis substrat (Artikel 1). Ytterligare optimering av både gaskemin och etsning av substratytan innan tillväxt gjorde att tillväxthastigheter på 100 μm i timmen kunde användas (Artikel 2). För substrat med 4° off-axis-vinkel utvecklades en process för odling av epitaxiella skikt där vanliga kristalldefekter, som är förödande för en elektrisk komponent, eliminerades och tack vare den kloridbaserade kemin kunde skikten odlas med relativt hög hastighet (Artikel 3). Även denna process utvecklades så att tillväxthastigheten överskred 100 μm i timmen (Artikel 4). Den kloridbaserade processen testades även under mera ovanliga tillväxtförhållanden, så som under väldigt lågt vätgasflöde, alltså väldigt hög koncentration av både kisel och kol i gasblandningen (Artikel 5). Den kloridbaserade kemin möjliggjorde även tillväxt vid låga temperaturer, 1300-1400 °C i stället för 1600 °C vilket är av stort intresse för vissa applikationer. Epitaxiella skikt hög kvalité av både hexagonal 4H-SiC (Artikel 6) och kubisk 3CSiC (Artikel 7) odlades vid låga temperaturer på substrat av hexagonal SiC. Slutligen användes även den kloridbaserade kemin för att odla tjocka epitaxiella skikt vid högre temperaturer, 1700-1800 °C, med en mycket hög tillväxthastighet (Artikel 8). Detta är ett första steg mot en kloridbaserad process för att odla SiC bulkkristaller som sedan kan kapas till SiC substrat. Tack vare den kloridbaserade kemin kan betydligt lägre temperaturer än standard bulkprocesser användas som har en process temperatur på ca 2100-2400 °C.