一種優化碳化矽單晶生長的方法與流程
2023-07-12 09:51:21 1
本發明屬於碳化矽單晶生長領域，具體涉及一種優化碳化矽單晶生長的方法。
背景技術：
作為第三代半導體材料，碳化矽單晶具有禁帶寬度大，抗輻射能力強，擊穿電場高，介電常數小，熱導率大，電子飽和漂移速度高，化學穩定性高等獨特的特性，可以用來製造各種耐高溫的高頻大功率器件，應用於矽器件難以勝任的場合，被認為是製造光電子器件、高頻大功率器件、電力電子器件理想的半導體材料。在白光照明、光存儲、屏幕顯示、航天航空、高溫輻射環境、石油勘探、自動化、雷達與通信、汽車電子化等方面有廣泛應用，尤其在國防軍事上有著重要的戰略地位，因此受到各國的高度重視。
目前，生長SiC晶體最有效的方法是物理氣相傳輸法（Physical Vapor Transport），且在升華系統中形成的晶體具有較低的缺陷水準，因此也是主要商業化量產的技術。在典型碳化矽生產技術中，整個生長系統包括生長室、感應加熱系統及水冷系統，坩堝及保溫材料（典型的生長系統結構如圖1所示）。在石墨坩堝中生長SiC晶體時，經常觀察到生長原料（SiC粉體）石墨化現象，即SiC粉體顆粒發生非化學計量比分解，更多的矽原子以各種氣相組分SimCn，包括氣態的富矽基團（當m>n時，氣象組分SimCn就是氣態的富矽基團）的形式進入氣相，導致生長原料中碳過量。SiC粉體的石墨化將增大晶體石墨化和形成其他多型、位錯與微管道的可能性，使得晶體生長速率在很大程度上受到限制。增大生長室內氣體壓強在一定程度上可以抑制SiC粉體的石墨化，但也會相應降低晶體的生長速度。因此，如何設計一種提高生長過程中的Si與C組分的比例來優化碳化矽單晶生長的方法成為本領域亟需解決的技術問題。
技術實現要素：
本發明針對現有技術的不足，提出了一種優化碳化矽單晶生長的方法，該方法通過設置石墨導管，在碳化矽單晶生長過程中通入矽烷氣體，高溫時氣體分解，產生氣態的Si組分，首先可以提高SiC籽晶或晶體附近的Si與C的組分比例，促進晶體穩定生長，降低多型、位錯與微管道的形成；其次，氣態Si組分可以與SiC原料升華後所產生的C反應，抑制SiC原料的石墨化，使升華的組分穩定地向生長區輸運，優化生長過程，降低晶體中的缺陷。
為解決上述技術問題，本發明提出了一種優化碳化矽單晶生長的方法，根據本發明的實施例，包括以下步驟：（1）在石墨坩堝的側壁上部鑽取一個氣孔，用於連接石墨導管；（2）將SiC原料置於所述石墨坩堝底部，將SiC籽晶置於與所述石墨坩堝上蓋相連的石墨託盤上；（3）將所述石墨導管一端接入所述石墨坩堝側壁上的氣孔，另一端連接感應加熱爐的矽烷管路，用於通過此導管向所述爐體生長室內通入矽烷氣體；（4）在碳化矽晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空，當所述生長室內的真空度達到1×10-4Pa後，保持真空狀態，向所述生長室內通入置換氣體一段時間，再間隔10-40min後再次通入相同流量、相同時間的置換氣體，周期性重複此過程，徹底置換出所述生長室內殘留的空氣，達到除氧的目的，用於防止所述生長室內殘餘的氧與後續生長過程中通過所述石墨導管所通入的矽烷氣體發生反應；（5）對所述生長室加熱，控制所述坩堝上蓋處的溫度T1為1800-2300℃，控制所述SiC原料升華的溫度T2為2100-2700℃，生長壓力P為0-10KPa；（6）通過所述感應加熱爐的矽烷管路經所述石墨導管向生長室內通入矽烷氣體，通入時間與晶體生長時間相同；（7）所示碳化矽晶體生長結束，逐漸降低生長室溫度至室溫。
發明人發現，根據本發明實施例的該方法通過設置石墨導管，在碳化矽單晶生長過程中通入矽烷氣體，高溫時氣體分解，產生氣態的Si組分，首先可以提高SiC籽晶或晶體附近的Si與C的組分比例，促進晶體穩定生長，降低多型、位錯與微管道的形成；其次，氣態Si組分可以與SiC原料升華後所產生的C反應，抑制SiC粉體的石墨化，使升華的組分穩定地向生長區輸運，優化生長過程，降低晶體中的缺陷。
根據本發明的實施例，所述氣孔的直徑為4-8mm。
根據本發明的實施例，所述SiC籽晶的直徑為2-8英寸。
根據本發明的實施例，步驟（4）中，通入所述置換氣體流量為1-100mL/min，時間為3-60min，周期性重複次數大於5次；置換氣體為H2、Ar、He中的一種或者這三種氣體的任意組合氣體。
根據本發明的實施例，步驟（6）中，通入矽烷氣體的流量為1-50mL/min，通入時間與晶體生長時間均為20-200hr。
根據本發明的實施例，步驟（7）中，降溫時間為10-50hr。
根據本發明的實施例，所述碳化矽單晶為2H、4H、6H、3C和15R或這五種晶型的任意組合晶型。
根據本發明的實施例，矽烷氣體為甲矽烷。
根據本發明的實施例，所述石墨導管成反「Z」形。
本發明至少包括以下有益效果：本發明所述優化碳化矽單晶生長的方法通過設置石墨導管，在碳化矽單晶生長過程中通入矽烷氣體，高溫時氣體分解，產生氣態的Si組分，首先可以提高SiC籽晶或晶體附近的Si與C的組分比例，促進晶體穩定生長，降低多型、位錯與微管道的形成；其次，氣態Si組分可以與SiC原料升華後所產生的C反應，抑制SiC粉體的石墨化，使升華的組分穩定地向生長區輸運，優化生長過程，降低晶體中的缺陷。
附圖說明
圖1為本發明優化碳化矽單晶生長方法的裝置結構示意圖。
其中，感應線圈1，石墨導管2，矽烷氣體3，SiC籽晶4，石墨坩堝5，SiC原料6，石墨坩堝上蓋7，石墨託盤8。
具體實施方式
為了使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合具體實施例對本發明作進一步的詳細說明，下面描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能讓理解為對本發明的限制。
本發明提出了一種優化碳化矽單晶生長的方法，根據本發明的實施例，圖1為本發明優化碳化矽單晶生長方法的裝置結構示意圖，參照圖1所示，包括以下步驟：第一步：在石墨坩堝5的側壁上部鑽取一個直徑為4-8mm的氣孔，用於連接石墨導管2；第二步：將SiC原料6置於所述石墨坩堝底部，將直徑為2-8英寸的SiC籽晶4置於與所述石墨坩堝上蓋7相連的石墨託盤8上；第三步：將所述石墨導管一端接入所述石墨坩堝側壁上的氣孔，另一端連接感應加熱爐的矽烷管路，用於通過此導管向所述爐體生長室內通入矽烷氣體3；根據本發明的一些實施例，本發明所述氣孔位於所述SiC原料的上方，所述石墨導管的具體形狀不受限制，本發明優選為反「Z」形，矽烷氣體的具體種類不受限制，可以為甲矽烷、乙矽烷或其他更高級的矽氫化合物，本發明優選為甲矽烷(SiH4)，其純度為99.9999%以上。在碳化矽單晶生長過程中通入甲矽烷（SiH4）氣體，高溫時SiH4分解，產生氣態的Si組分，首先可以提高SiC籽晶或晶體附近的Si與C的組分比例，促進晶體穩定生長，降低多型、位錯與微管道的形成；其次，氣態Si組分可以與SiC原料升華後所產生的C反應，抑制SiC粉體的石墨化，使升華的組分穩定地向生長區輸運，優化生長過程，降低晶體中的缺陷。
根據本發明的實施例，第四步：在碳化矽晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空，當所述生長室內的真空度達到1×10-4Pa後，保持真空狀態，向所述生長室內通入置換氣體，氣體流量為1-100mL/min，通入時間為3-60min，再間隔10-40min後再次通入相同流量、相同時間的置換氣體，周期性重複此過程5次以上，徹底置換出所述生長室內殘留的空氣，達到除氧的目的，用於防止所述生長室內殘餘的氧與後續生長過程中通過所述石墨導管所通入的矽烷氣體發生反應；根據本發明的一些實施例，本發明所述置換氣體可以為H2、Ar、He中的一種或者這三種氣體的任意組合氣體。
根據本發明的實施例，第五步：對所述生長室加熱，控制所述坩堝上蓋處的溫度T1為1800-2300℃，控制所述SiC原料升華的溫度T2為2100-2700℃，生長壓力P為0-10KPa；第六步：通過所述感應加熱爐的矽烷管路經所述石墨導管向生長室內通入矽烷氣體，流量為1-50mL/min，通入時間與晶體生長時間相同，均為20-200hr；通過感應加熱爐的感應線圈1對所述坩堝加熱，通過熱傳導作用，使SiC原料達到升華溫度T2，控制石墨坩堝上蓋處的溫度T1低於SiC原料的溫度，使得升華後的氣象組分SimCn在籽晶處結晶生長，同時通入甲矽烷（SiH4）氣體，使其在坩堝內部分解產生氣態的Si組分，增加Si與C的組分比例，得到低缺陷的SiC晶體。根據本發明的一些實施例，在石墨坩堝中生長SiC晶體時，經常觀察到生長原料（SiC粉體）石墨化現象，即SiC原料顆粒發生非化學計量比分解，更多的矽原子以各種氣相組分SimCn，包括氣態的富矽基團（當m>n時，氣象組分SimCn就是氣態的富矽基團）的形式進入氣相，導致生長原料中碳過量。本發明通過導入甲矽烷（SiH4）氣體很好地抑制了SiC粉體的石墨化。
根據本發明的實施例，第七步：所示碳化矽晶體生長結束，逐漸降低生長室溫度至室溫，降溫時間為10-50hr，優選的，本發明所述碳化矽單晶為2H、4H、6H、3C和15R或這五種晶型的任意組合晶型。
實施例1：採用感應加熱式PVT法單晶爐生長4H-SiC單晶，具體步驟如下：（1）在石墨坩堝的側壁上部鑽取一個直徑為6mm的氣孔；
（2）將SiC原料置於所述石墨坩堝底部，將直徑為4英寸的SiC籽晶置於與所述石墨坩堝上蓋相連的石墨託盤上，生長面為碳面，生長方向為軸向；
（3）將裝配好的坩堝置於單晶爐生長室中，所述石墨導管一端接入所述石墨坩堝側壁上的氣孔，另一端連接感應加熱爐的矽烷管路；
（4）在碳化矽晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空，使所述生長室內的真空度達到1×10-4Pa，保持真空狀態，向所述生長室內通入氬氣，氣體流量為20mL/min，通入時間為10min，再間隔10min後再次通入相同流量、相同時間的置換氣體，周期性重複此過程6次，徹底置換出所述生長室內殘留的空氣；
（5）對所述生長室加熱，控制所述坩堝上蓋處的溫度T1為1900℃，控制所述SiC原料升華的溫度T2為2300℃，生長壓力P為5KPa；
（6）通過所述感應加熱爐的矽烷管路經所述石墨導管向生長室內通入甲矽烷氣體，流量為5mL/min，通入時間與晶體生長時間相同，均為100hr。
（7）所示碳化矽晶體生長結束，逐漸降低生長室溫度至室溫，降溫時間25hr，得到厚度大於30mm，直徑大於4英寸的4H-SiC單晶，生長速度大於6g/hr，微管密度低於5/cm2，無包裹物，無多型。
實施例2：採用感應加熱式PVT法單晶爐生長6H-SiC單晶，具體步驟如下：（1）在石墨坩堝的側壁上部鑽取一個直徑為6mm的氣孔；
（2）將SiC原料置於所述石墨坩堝底部，將直徑為4英寸的SiC籽晶置於與所述石墨坩堝上蓋相連的石墨託盤上，生長面為碳面，生長方向為軸向；
（3）將裝配好的坩堝置於單晶爐生長室中，所述石墨導管一端接入所述石墨坩堝側壁上的氣孔，另一端連接感應加熱爐的矽烷管路；
（4）在碳化矽晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空，使所述生長室內的真空度達到1×10-4Pa，保持真空狀態，向所述生長室內通入氬氣，氣體流量為20mL/min，通入時間為10min，再間隔10min後再次通入相同流量、相同時間的置換氣體，周期性重複此過程6次，徹底置換出所述生長室內殘留的空氣；
（5）對所述生長室加熱，控制所述坩堝上蓋處的溫度T1為2000℃，控制所述SiC原料升華的溫度T2為2400℃，生長壓力P為5KPa；
（6）通過所述感應加熱爐的矽烷管路經所述石墨導管向生長室內通入甲矽烷氣體，流量為5mL/min，通入時間與晶體生長時間相同，均為100hr。
（7）所示碳化矽晶體生長結束，逐漸降低生長室溫度至室溫，降溫時間25hr，得到厚度大於30mm，直徑大於4英寸的6H-SiC單晶，生長速度大於6g/hr，微管密度低於5/cm2，無包裹物，無多型。
發明人發現，根據本發明實施例的該方法通過設置石墨導管，在碳化矽單晶生長過程中通入矽烷氣體，高溫時氣體分解，產生氣態的Si組分，首先可以提高SiC籽晶或晶體附近的Si與C的組分比例，促進晶體穩定生長，降低多型、位錯與微管道的形成；其次，氣態Si組分可以與SiC原料升華後所產生的C反應，抑制SiC粉體的石墨化，使升華的組分穩定地向生長區輸運，優化生長過程，降低晶體中的缺陷。
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型，同時，對於本領域的一般技術人員，依據本申請的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。