رشد ناهم‌اپیتکسی 3C-SiC روی زیرلایه‌های سیلیکونی با جهت‌گیری‌های مختلف

۱. مقدمه
با وجود دهه‌ها تحقیق، هترواپیتاکسیال 3C-SiC رشد یافته بر روی زیرلایه‌های سیلیکونی هنوز به کیفیت کریستالی کافی برای کاربردهای الکترونیکی صنعتی دست نیافته است. رشد معمولاً روی زیرلایه‌های Si(100) یا Si(111) انجام می‌شود که هر کدام چالش‌های متمایزی را ارائه می‌دهند: دامنه‌های ضد فاز برای (100) و ترک خوردگی برای (111). در حالی که فیلم‌های جهت‌دار [111] ویژگی‌های امیدوارکننده‌ای مانند کاهش چگالی نقص، بهبود مورفولوژی سطح و تنش کمتر را نشان می‌دهند، جهت‌گیری‌های جایگزین مانند (110) و (211) همچنان مورد مطالعه قرار نگرفته‌اند. داده‌های موجود نشان می‌دهند که شرایط رشد بهینه ممکن است وابسته به جهت‌گیری باشد و تحقیقات سیستماتیک را پیچیده کند. نکته قابل توجه این است که استفاده از زیرلایه‌های Si با شاخص میلر بالاتر (به عنوان مثال، (311)، (510)) برای هترواپیتاکسی 3C-SiC هرگز گزارش نشده است، و فضای قابل توجهی را برای تحقیقات اکتشافی در مورد مکانیسم‌های رشد وابسته به جهت‌گیری باقی می‌گذارد.

۲. تجربی
لایه‌های 3C-SiC از طریق رسوب بخار شیمیایی (CVD) در فشار اتمسفر با استفاده از گازهای پیش‌ساز SiH4/C3H8/H2 رسوب داده شدند. زیرلایه‌ها ویفرهای Si با ابعاد 1 سانتی‌متر مربع با جهت‌گیری‌های مختلف بودند: (100)، (111)، (110)، (211)، (311)، (331)، (510)، (553) و (995). همه زیرلایه‌ها به جز (100) که ویفرهای برش خورده 2 درجه نیز در آن آزمایش شدند، روی محور بودند. تمیزکاری قبل از رشد شامل چربی‌زدایی اولتراسونیک در متانول بود. پروتکل رشد شامل حذف اکسید بومی از طریق عملیات حرارتی H2 در دمای 1000 درجه سانتیگراد و به دنبال آن یک فرآیند دو مرحله‌ای استاندارد بود: کربوریزاسیون به مدت 10 دقیقه در دمای 1165 درجه سانتیگراد با 12 sccm C3H8، سپس اپیتاکسی به مدت 60 دقیقه در دمای 1350 درجه سانتیگراد (نسبت C/Si = 4) با استفاده از 1.5 sccm SiH4 و 2 sccm C3H8. هر مرحله رشد شامل چهار تا پنج جهت‌گیری مختلف Si، با حداقل یک (100) ویفر مرجع بود.

۳. نتایج و بحث
مورفولوژی لایه‌های 3C-SiC رشد یافته روی زیرلایه‌های مختلف Si (شکل 1) ویژگی‌های سطحی و زبری متمایزی را نشان داد. از نظر بصری، نمونه‌های رشد یافته روی Si(100)، (211)، (311)، (553) و (995) آینه‌ای به نظر می‌رسیدند، در حالی که نمونه‌های دیگر از شیری ((331)، (510)) تا کدر ((110)، (111)) متغیر بودند. صاف‌ترین سطوح (که بهترین ریزساختار را نشان می‌دهند) روی زیرلایه‌های (100)2° off و (995) به دست آمدند. نکته قابل توجه این است که همه لایه‌ها پس از خنک شدن، از جمله 3C-SiC(111) که معمولاً مستعد تنش است، بدون ترک باقی ماندند. اندازه محدود نمونه ممکن است از ترک خوردن جلوگیری کرده باشد، اگرچه برخی از نمونه‌ها به دلیل تنش حرارتی انباشته شده، خمیدگی (انحراف 30-60 میکرومتر از مرکز به لبه) را نشان دادند که با میکروسکوپ نوری با بزرگنمایی 1000 برابر قابل تشخیص است. لایه‌های بسیار خمیده رشد یافته روی زیرلایه‌های Si(111)، (211) و (553) شکل‌های مقعر نشان دادند که نشان‌دهنده کرنش کششی است و برای مرتبط کردن آن با جهت‌گیری کریستالوگرافی، به کار تجربی و نظری بیشتری نیاز است.

شکل 1 نتایج XRD و AFM (روبش در 20×20 میکرومتر مربع) لایه‌های 3C-SC رشد یافته بر روی زیرلایه‌های Si با جهت‌گیری‌های مختلف را خلاصه می‌کند.

تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) (شکل 2) مشاهدات نوری را تأیید کردند. مقادیر جذر میانگین مربعات (RMS) صاف‌ترین سطوح را روی زیرلایه‌های (100)2° off و (995) تأیید کردند که دارای ساختارهای دانه‌مانند با ابعاد جانبی 400-800 نانومتر بودند. لایه رشد یافته (110) ناهموارترین لایه بود، در حالی که ویژگی‌های کشیده و/یا موازی با مرزهای تیز گاه به گاه در جهت‌های دیگر ظاهر شدند ((331)، (510)). اسکن‌های θ-2θ پراش اشعه ایکس (XRD) (خلاصه شده در جدول 1) هترواپیتاکس موفقیت‌آمیزی را برای زیرلایه‌های با شاخص میلر پایین‌تر نشان داد، به جز Si(110) که پیک‌های مخلوط 3C-SiC(111) و (110) را نشان داد که نشان‌دهنده پلی‌کریستالینیته است. این اختلاط جهت‌گیری قبلاً برای Si(110) گزارش شده است، اگرچه برخی مطالعات 3C-SiC با جهت‌گیری انحصاری (111) را مشاهده کردند که نشان می‌دهد بهینه‌سازی شرایط رشد بسیار مهم است. برای شاخص‌های میلر ≥5 ((510)، (553)، (995))، هیچ پیک XRD در پیکربندی استاندارد θ-2θ شناسایی نشد زیرا این صفحات با شاخص بالا در این هندسه پراش ندارند. عدم وجود پیک‌های 3C-SiC با شاخص پایین (به عنوان مثال، (111)، (200)) نشان دهنده رشد تک کریستالی است که برای تشخیص پراش از صفحات با شاخص پایین، نیاز به کج کردن نمونه است.

شکل ۲ محاسبه زاویه صفحه در ساختار بلوری CFC را نشان می‌دهد.

زوایای کریستالوگرافی محاسبه‌شده بین صفحات با شاخص بالا و پایین (جدول 2) جهت‌گیری‌های نادرست زیادی (>10°) را نشان دادند که عدم وجود آنها را در اسکن‌های استاندارد θ-2θ توضیح می‌دهد. بنابراین، تجزیه و تحلیل شکل قطب بر روی نمونه با جهت‌گیری (995) به دلیل مورفولوژی دانه‌ای غیرمعمول آن (به‌طور بالقوه از رشد ستونی یا دوقلویی) و زبری کم انجام شد. شکل‌های قطب (111) (شکل 3) از زیرلایه Si و لایه 3C-SiC تقریباً یکسان بودند که رشد اپیتاکسیال بدون دوقلویی را تأیید می‌کند. نقطه مرکزی در χ≈15° ظاهر شد که با زاویه نظری (111)-(995) مطابقت دارد. سه نقطه معادل تقارن در موقعیت‌های مورد انتظار (χ=56.2°/φ=269.4°، χ=79°/φ=146.7° و 33.6°) ظاهر شدند، اگرچه یک نقطه ضعیف پیش‌بینی نشده در χ=62°/φ=93.3° نیاز به بررسی بیشتر دارد. کیفیت بلوری، که از طریق پهنای نقطه در اسکن‌های φ ارزیابی می‌شود، امیدوارکننده به نظر می‌رسد، اگرچه اندازه‌گیری‌های منحنی راکینگ برای تعیین کمیت مورد نیاز است. شکل‌های قطبی برای نمونه‌های (510) و (553) هنوز برای تأیید ماهیت اپیتاکسیالی فرضی آنها تکمیل نشده است.

شکل 3 نمودار پیک XRD ثبت شده روی نمونه جهت‌دار (995) را نشان می‌دهد که صفحات (111) زیرلایه Si (a) و لایه 3C-SiC (b) را نشان می‌دهد.

۴. نتیجه‌گیری
رشد هترواپیتکسیال 3C-SiC در اکثر جهت‌گیری‌های Si به جز (110) که منجر به تولید ماده پلی‌کریستال شد، موفقیت‌آمیز بود. زیرلایه‌های Si(100)2° off و (995) صاف‌ترین لایه‌ها را تولید کردند (RMS < 1 nm)، در حالی که (111)، (211) و (553) خمیدگی قابل توجهی (30-60 μm) نشان دادند. زیرلایه‌های با شاخص بالا به دلیل عدم وجود پیک‌های θ-2θ، برای تأیید اپیتاکسی به مشخصه‌یابی پیشرفته XRD (مثلاً شکل‌های قطبی) نیاز دارند. کارهای در حال انجام شامل اندازه‌گیری‌های منحنی rocking، تحلیل تنش رامان و بسط به جهت‌گیری‌های با شاخص بالا برای تکمیل این مطالعه اکتشافی است.

XKH به عنوان یک تولیدکننده یکپارچه عمودی، خدمات پردازش سفارشی حرفه‌ای را با مجموعه‌ای جامع از زیرلایه‌های کاربید سیلیکون ارائه می‌دهد و انواع استاندارد و تخصصی از جمله 4H/6H-N، 4H-Semi، 4H/6H-P و 3C-SiC را در قطرهای 2 تا 12 اینچ ارائه می‌دهد. تخصص کامل ما در رشد کریستال، ماشینکاری دقیق و تضمین کیفیت، راه‌حل‌های متناسب برای الکترونیک قدرت، RF و کاربردهای نوظهور را تضمین می‌کند.