Kristallzüchtungs-Verfahren

Präsentation zum Thema: "Kristallzüchtungs-Verfahren"—  Präsentation transkript:

1 Kristallzüchtungs-Verfahren
Alternative Kristallzüchtungs-Verfahren Guten Abend meine Damen und Herrn. Mein Name ist Peter Wellmann und ich komme vom Institut für Werkstoffwissenschaften 6. Ich beschäftige mich dort mit der Kristallzüchtung und Charakterisierung von Halbleitern großer Bandlücke. Im Rahmen dieses Vortrages möchte ich alle innerhalb der Forschergruppe beantragten Kristallzüchtungsvorhaben vorstellen.

2 „State of the art“ SiC Kristallzüchtung
Quelle > T > 2000°C 20 40 60 80 100 1000 2000 3000 4000 T [°C] Kohlenstoff [At%] SiC+C Si+SiC F+SiC F+C G+C G F F+G Peritektikum ( 13% Si) 2830°C±40°C 1414°C Beginnen möchte ich mit einigen Grundlagen zur Siliziumkarbid Kristallzüchtung Phasendiagramm --> Peritektikum --> Gasphasenzüchtung, Lösungszüchtung in einem eingeschränkten Bereich aber auch möglich. Prinzip: In einem geschlossenen Tiegel wird ein Siliziumkarbid-Quellenmaterial (i.A. Pulver) bei über 2000°C sublimiert, was dann eine einem vorgegebenen SiC Keimkristall rekristallisiert und so zu einem Kristallwachstum führt. Für dieses Züchtungsverfahren haben sich in der Praxis die Namen Sublimations-Kristallzüchtung und PVT-Verfahren eingebürgert. PVT steht für „physical vapor transport“. Mit der oben beschriebenen Methode werden bereits erfolgreich 2-Zoll Halbleiterscheiben kommerziell hergestellt. Und es wird derzeit der Übergang zu 3-Zoll und 4-Zoll Scheiben vollzogen. Nichtsdestotrotz gibt es noch eine Reihe von Problemen im Bereich der Kristallqualität, auf die ich in der nächsten Folie eingehen möchte. Phasendiagramm mit Peritektikum  Gasphasenzüchtung Sublimations-Kristallzüchtung = PVT-Verfahren (engl. physical vapor transport)

3 SiC Kristallbaufehler
Mikroröhren Sofortausfall Defekte  Bauelement Versetzungen & Stapelfehler Schleichender Ausfall / schlechte Performance Versetzungen Polytypie 6H-SiC 15R-SiC 4H-SiC 10mm Optimierte elektronische Eigenschaften Kohlenstoffeinschlüsse Siliziumeinschlüsse Hohlräume Mikroröhren sind sicherlich die bekanntesten Defekte in SiC --> Sofortiger Bauelementeausfall. --> Je nach Bauelementgröße kann man aber bereits mit weiniger als 100 MPs/cm2 eine Ausbeute von >50% erlangen. Ein großes Problem stellen sie insbesondere bei großflächigen Hochleistungsbauelementen dar. Versetzungen: Wurden bisher eher stiefmütterlich behandelt. Im Zuge der fortschreitenden Aktivitäten bei der Herstellung von Bauelementen treten sie immer mehr in den Vordergrund. --> Schleichender Bauelementeausfall bzw. schlechte Performance. Polytypie: Hier gekennzeichnet durch unterschiedliche Farben in einem Kristalllängsschnitt. Zum einen hat man insbesondere beim sog. 4H-SiC das Problem von ungewollten Fremdpolytypeinschlüssen. Ich möchte das Thema Polytypie positiv füllen. Durch die Auswahl eines speziellen SiC Polytyps kann man gezielt elektronische Eigenschaften beeinflussen. Zu den weiteren Defekten in Siliziumkarbid zählen: C- und Si-Einschlüsse sowie Hohlräume. Zu diesen kann gesagt werden, dass diese durch technologische Maßnahmen sehr gut beherrscht werden, was aber keineswegs bedeuten soll, dass der physikalischer Ursprung immer geklärt ist.

4 Definierte Einstellung der Gasphasenkomposition Sublimationszüchtung
Kristallzüchtung Projekt I Projekt III Projekt VIII Wellmann/Winnacker M-PVT Verfahren Definierte Einstellung der Gasphasenkomposition Hofmann/Winnacker Lösungszüchtung Kristallzüchtung nahe am thermodynamischen Gleichgewicht Projekt II Pensl Sublimationszüchtung Züchtung auf neuen Kristallflächen Hundhausen/Ley Mikro- Ramanspektroskopie Charakterisierung des Stofftransportes Im Bereich der Kristallzüchtung sind 4 Projekte angesiedelt. Projekt I „Wellmann/Winnacker“ nennt sich M-PVT Verfahren oder modifiziertes PVT Verfahren. Durch eine zusätzliche Gasleitung in den Tiegel soll direkt Einfluss auf die Gasphasenkomposition genommen werden. Ich habe auf der letzten Folie zahlreiche Kristalldefekte vorgestellt. Es ist naheliegend, dass man durch Veränderung der Stoichiometrie in Gasphase Einfluss auf die Defektgeneration nehmen kann. Projekt III „Pensl“ beschäftigt sich ebenfalls mit der Gasphasenzüchtung. Hier sollen auf NEUEN Kristallflächen gezüchtet werden. Neu heißt jetzt nicht NEU im Sinne von noch nie da gewesen, sondern NEU im Sinne einer Abgrenzung zur der konventionellen (0001) Richtung im hexagonalen SiC Gitter. Projekt II „Hofmann/Winnacker“ beschäftigt sich mit der Lösungszüchtung von SiC. Damit ist eine Kristallzüchtung nahe am thermodynamischen Gleichgewicht möglich, die einen vertieften Einblick zu Grundlagen des SiC Kristallwachstums liefern soll. Im Projekt VIII „Hundhausen/Ley“ werden zwar keine Kristalle gezüchtet; es kommt aber eine Mikro-Ramanspektroskopiemethode zum Einsatz die die Charakterisierung des Stofftransportes im Züchtungsreaktor erlaubt und somit dem Kristallzüchter ganz wichtige Informationen zu den Vorgängen im Wachstumsraum gibt.

5 Projekt I – Variation der Gasphasenkomposition
Isolation SiC-Keim Gasraum Gasauslass SiC-Pulver Graphittiegel A B C 3C-SiC 6H-SiC 15R-SiC 4H-SiC 2H-SiC (1100) (0001) Si (1120) Hexagonalität Si-reich Gasphase C-reich SiC Polytypie Definierte Einstellung der Gasphasenkomposition Reduzierte Defektdichte Si-reich: verbessertes Ankeimen Ar / He + SiH4 / C3H8 + N / TMAl Einstellung Polytyp C/Si bestimmt Hexagonalität Flexible Dotierung Homogene (& hohe) Dotierung Idee: Definierte Einstellung der Gasphasenkomposition Defektgeneration: Polytypie: Definierte Einstellung des Polytyps. Dotierung: Verweis auf Vortrag Dotierung - Pensl. Grundsätzlich: Machbarkeit des M-PVT Verfahren mit Inertgas ist bereits demonstriert - Nicht Gegenstand dieses Projektes - Schwerpunkt ist Ausloten des M-PVT Potentials.

6 Projekt I - Definierte Einstellung des Polytyps
Temperatur und Temperaturgradient T-To Diss. Ellison, 2000. Gasphasenkomposition C/Si Verhältnis C-reiche Gasphase fördert Hexagonalität (4H-SiC gegenüber 6H-SiC) 4H 6H Substratpolarität stabiles 15R-SiC Wachstum bisher nur auf (0001) Si-face 4H-SiC Umschlag in 6H-SiC beobachtet C-face 6H-SiC Umschlag in 4H-SiC beobachtet 4H-SiC/6H-SiC Substrat Stabilitätskriterien für SiC Polytypen C-reich 4H-SiC KEINE Druckabhängigkeit T-To Substratpolarität: Temperatur und Temperaturgradient: KEINE Druckabhängigkeit: Gasphasenkomposition (HT-CVD):

7 Projekt I – Definierte Einstellung des Polytyps
4H-SiC 15R-SiC Ziele Minimierung Fremdpolytypeinschlüsse Erzwungene 4H-SiC  6H-SiC und 6H-SiC  4H-SiC Übergänge Ziele 15R-SiC Einkristalle (35mm Wafer) Überprüfung der maximalen MOS-Kanalbeweglichkeit Ansatz C-face 4H-SiC-Substrat C-reiche Gasphase niedrige Temperatur großer Temperaturgradient Ansatz (Si-face 15R-SiC-Lely-Substrat) Schwerpunkt: 6H- und 4H-SiC-Substrat C-reiche Gasphase (Si-reicher als 4H-SiC) niedrige Temperatur (?) Temperaturgradient (?) 4H-SiC: „straight forward“ 15R-SiC: sollte gehen auf Si-face 15R-SiC Lely-Plättchen Schwerpunkt: Realisierbarkeit auf 6H-SiC oder 4H-SiC; neuer Freiheitsgrad Gasphasenkomposition sollte stabilen Parameterraum für 15R-SiC ermöglichen (Vorergebnisse: Beim Versuch von 6H auf 4H umzuschalten, wuchs 15R-SiC stabil, noch keine Statistik)

8 Projekt I – Grundlagenuntersuchungen zum
Stofftransport im M-PVT Verfahren Numerische Simulation Temperatur- und Stofftransportfeldes SiC SiH4/C3H8 SiC Kristall SiC-Pulver Graphittiegel SiC Verbrauch Form der Phasengrenze Röntgen-Insitu-Beobachtung Si12C SiH4 + 13C3H8 Si13C Markierung Stofftransport mit 13C Schließlich sollen Grundlagen zum Stofftransport im modifizierten PVT System durchgeführt werden. Zum einen soll die Numerische Simulation des Temperaturfeldes und des Stofftransportes erfolgen. Hierzu ist zu sagen, dass das Wechselspiel aus numerischer Simulation und experimenteller Verifikation bereits in der Vergangenheit sehr wertvolle Aussagen zum Verständnis und zur Verbesserung des Züchtungsprozesses geliefert hat. Für die notwendigen Aufgaben steht am Lehrstuhl ein Programmpaket zur Verfügung. Röntgen-Insitu-Beobachtung: Einzigartige Anlage am Institut. Ermöglich direkten Einblick in den Tiegel. Zum anderen soll eine Markierung des zusätzlichen Gasstromes durch 13C-haltige Gase erfolgen. Das Einbauverhalten - hier angedeutet durch einen dunkleren Kristallbereich im Zentrum - soll mittels Mikro-Ramanspektroskopie erfolgen. Mikro-Ramanspektroskopie ist die Domäne von Projekt VIII.

9 Projekt VIII – Nachweis von Si13C mittels Mikro- Ramanspektroskopie
Mit zunehmender 13C Konzentration Modenverschiebung zu niedrigeren Frequenzen Modenverbreiterung Sie sehen hier Ramanspektren von TO-Phononenbanden in SiC. Die Sequenz beginnt mit natürlichem SiC, das etwa 1% an 13C enthält. Mit zunehmender Anreicherung von 13C gegenüber 12C beobachtet man eine deutliche Modenverschiebung zu kleineren Wellenlängen sowie eine Modenverbreiterung. Diese Verschiebung und Verbreiterung soll nun herangezogen werden um das Verhältnis von 12C und 13C im gewachsenen SiC Kristall zu bestimmen und um dadurch, je nach Startkonfiguration des Züchtungsprozesses, Aussagen über den Kristallzüchtungsprozess zu treffen

10 Projekt VIII - Beispiel Si13C Methode
Längsschnitt SiC Kristall Si13C Pulver Si12C Ich möchte Ihnen nun ein Beispiel vorstellen: Arbeitsgruppe Dr. Pensl --> Experiment mit Si13C als Quellenmaterial --> erwartet Si13C Sublimation und direkten Einbau in den Kristall. --> Untersuchung eines Kristalllängsschnittes mittels Mikro-Ramanspektroskopie entlang der gezeigten Linie. --> Ergebnis: sehr hoher Anteil an Si12C. --> nur maximal 40% Si13C in den Kristall eingebaut. --> Erhebliche C-Anteil aus Wandreaktionen. Der beschriebene Effekt ist natürlich sehr anlagenspezifisch und hängt zudem stark von den eingestellten Wachstumsbedingungen ab. Auch wenn Wandeffekte nicht immer so deutlich zu Tage treten, so zeigt dieses Beispiel dennoch sehr schön das Potenzial der Ramanspektroskopie auf und erweist sich für den Kristallzüchter als sehr wertvoll. Weitere Aspekte der Mikro-Ramanspektroskopie, insbesondere für die Kristalldefekt-Charakterisierung werden im Vortrag Charakterisierung durch Prof. Strunk vorgestellt. Züchtungsanlage: Pensl

11 Projekt III – Züchtung auf neuen Kristallflächen
(0001) konventionelle Kristallzüchtung auf c-Fläche keine Polytypinformation Stabiles 4H-SiC Kristallwachstum A B C 3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC (1-100) (11-20) (0001) Si Vermeidung von Mikroröhren (Schraubenversetzung in (0001) Richtung mit Anteil von Stufenversetzung) Kristallzüchtung auf a-Fläche (11-20) Polytypinformation Ich möchte nun zu Projekt III - Züchtung auf neuen Kristallflächen von Dr. Pensl wechseln. Konventionell wird heute auf der (0001) Fläche von Siliziumkarbid gezüchtet. Wie man sofort sieht. Die Oberfläche ist unabhängig vom Polytyp immer gleich. Anders (1-100) Richtung: Hier Polytypinformation Ebenso (11-20) Richtung; entspricht Draufsicht Ziel von Projekt III Pensl ist zum einen die 4H-SiC Kristallzüchtung. Hier geht es (1-100) Polytypinformation

12 Projekt III – Züchtung auf neuen Kristallflächen
4H-SiC auf (11-20) und 3C-SiC auf (001) 2000°C 1970°C Glasgraphit/TaC (001)-Fläche (3C) +10% Si 80 mm T 0 mm 60 mm 2180°C 2150°C SiC Graphit (1120)-Fläche (4H)

13 Projekt II - Kristallzüchtung aus der Lösung
Idee: Ansatz: Züchtung nahe am thermodynamischen Gleichgewicht zur Vermeidung struktureller Defekte Einzigartige Hochdruckanlage in Erlangen (p~200bar) Züchtung aus Si-Lösung (Problem: hoher Si-Partialdruck)

14 Projekt II - Kristallzüchtung aus der Lösung
Defekt-Reduzierung Polytypie Reaktionskinetik Stofftransport Si-C Phasendiagramm Mikroröhren-Schließen in 4H-SiC? (in 6H-SiC bereits demonstriert) C/Si Abhängigkeit auf Si-reicher Seite untersuchen Reaktion von Si mit C über SiC C-Transport durch Si Schmelze HINWEIS: 1.Jahr bereits genehmigt. Investitionen getätigt für Rotation des Kristalls --> Stofftransport. Rest „straigth forward:“ Si-reiche Seite des Phasen- diagramms

15 Querverbindungen innerhalb der Forschergruppe
Projekte I,II,III KRISTALLZÜCHTUNG Projekt VIII   Projekt VI Defekte in SiC  allgemein Substratlieferant Projekt VII Realstrukturen von SiC  Projekt IX SiC Teststrukturen  Vernetzung zu allen Charakterisierungsprojekten --> Projekt VI: Röntgen-Charakterisierung --> Projekt VII: Mikroskopische Untersuchungen: z.B. TEM --> Projekt IX: Besonderheit - SiC Teststrukturen: das Bauelement zur Charakterisierung herangezogen. Allgemein Substratlieferant an alle in der Forschergruppe beteiligten Gruppen.

16 M-PVT Anlage mit erweitertem Gassystem: Ar/He / H2 SiH4:H2 / C3H8 N2 Hochdruckanlage (p~200bar) Typische PVT-Anlage

17 Physikalische Eigenschaften von SiC
4H-SiC 6H-SiC 15R-SiC 3C-SiC Bandlücke [eV] 3,265 3,023 2,986 2,390 Gitterparameter [Å] a = 3.08 c = 10.05 c = 15.12 c = 37.70 a = 4.36 Effektive Masse [m e ] m = 0.37 h = 0.94 = 0.69 = 0.92 e||/ ^ = 0.53/0.28 = 0.68/0.25 Beweglichkeit bei T=300K [cm 2 /Vs] n = 500 p = 50 = 300 = 400 (nicht optimiert) = 900 = 20