本發(fā)明屬于碳化硅單晶生長領(lǐng)域,具體涉及一種優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法。
背景技術(shù):
作為第三代半導(dǎo)體材料,碳化硅單晶具有禁帶寬度大,抗輻射能力強(qiáng),擊穿電場(chǎng)高,介電常數(shù)小,熱導(dǎo)率大,電子飽和漂移速度高,化學(xué)穩(wěn)定性高等獨(dú)特的特性,可以用來制造各種耐高溫的高頻大功率器件,應(yīng)用于硅器件難以勝任的場(chǎng)合,被認(rèn)為是制造光電子器件、高頻大功率器件、電力電子器件理想的半導(dǎo)體材料。在白光照明、光存儲(chǔ)、屏幕顯示、航天航空、高溫輻射環(huán)境、石油勘探、自動(dòng)化、雷達(dá)與通信、汽車電子化等方面有廣泛應(yīng)用,尤其在國防軍事上有著重要的戰(zhàn)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(tǒng)中形成的晶體具有較低的缺陷水準(zhǔn),因此也是主要商業(yè)化量產(chǎn)的技術(shù)。在典型碳化硅生產(chǎn)技術(shù)中,整個(gè)生長系統(tǒng)包括生長室、感應(yīng)加熱系統(tǒng)及水冷系統(tǒng),坩堝及保溫材料(典型的生長系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示)。在石墨坩堝中生長SiC晶體時(shí),經(jīng)常觀察到生長原料(SiC粉體)石墨化現(xiàn)象,即SiC粉體顆粒發(fā)生非化學(xué)計(jì)量比分解,更多的硅原子以各種氣相組分SimCn,包括氣態(tài)的富硅基團(tuán)(當(dāng)m>n時(shí),氣象組分SimCn就是氣態(tài)的富硅基團(tuán))的形式進(jìn)入氣相,導(dǎo)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(cuò)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(nèi)氣體壓強(qiáng)在一定程度上可以抑制SiC粉體的石墨化,但也會(huì)相應(yīng)降低晶體的生長速度。因此,如何設(shè)計(jì)一種提高生長過程中的Si與C組分的比例來優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法成為本領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出了一種優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法,該方法通過設(shè)置石墨導(dǎo)管,在碳化硅單晶生長過程中通入硅烷氣體,高溫時(shí)氣體分解,產(chǎn)生氣態(tài)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(jìn)晶體穩(wěn)定生長,降低多型、位錯(cuò)與微管道的形成;其次,氣態(tài)Si組分可以與SiC原料升華后所產(chǎn)生的C反應(yīng),抑制SiC原料的石墨化,使升華的組分穩(wěn)定地向生長區(qū)輸運(yùn),優(yōu)化生長過程,降低晶體中的缺陷。
為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提出了一種優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法,根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,包括以下步驟:(1)在石墨坩堝的側(cè)壁上部鉆取一個(gè)氣孔,用于連接石墨導(dǎo)管;(2)將SiC原料置于所述石墨坩堝底部,將SiC籽晶置于與所述石墨坩堝上蓋相連的石墨托盤上;(3)將所述石墨導(dǎo)管一端接入所述石墨坩堝側(cè)壁上的氣孔,另一端連接感應(yīng)加熱爐的硅烷管路,用于通過此導(dǎo)管向所述爐體生長室內(nèi)通入硅烷氣體;(4)在碳化硅晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空,當(dāng)所述生長室內(nèi)的真空度達(dá)到1×10-4Pa后,保持真空狀態(tài),向所述生長室內(nèi)通入置換氣體一段時(shí)間,再間隔10-40min后再次通入相同流量、相同時(shí)間的置換氣體,周期性重復(fù)此過程,徹底置換出所述生長室內(nèi)殘留的空氣,達(dá)到除氧的目的,用于防止所述生長室內(nèi)殘余的氧與后續(xù)生長過程中通過所述石墨導(dǎo)管所通入的硅烷氣體發(fā)生反應(yīng);(5)對(duì)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(yīng)加熱爐的硅烷管路經(jīng)所述石墨導(dǎo)管向生長室內(nèi)通入硅烷氣體,通入時(shí)間與晶體生長時(shí)間相同;(7)所示碳化硅晶體生長結(jié)束,逐漸降低生長室溫度至室溫。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn),根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的該方法通過設(shè)置石墨導(dǎo)管,在碳化硅單晶生長過程中通入硅烷氣體,高溫時(shí)氣體分解,產(chǎn)生氣態(tài)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(jìn)晶體穩(wěn)定生長,降低多型、位錯(cuò)與微管道的形成;其次,氣態(tài)Si組分可以與SiC原料升華后所產(chǎn)生的C反應(yīng),抑制SiC粉體的石墨化,使升華的組分穩(wěn)定地向生長區(qū)輸運(yùn),優(yōu)化生長過程,降低晶體中的缺陷。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,所述氣孔的直徑為4-8mm。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,所述SiC籽晶的直徑為2-8英寸。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,步驟(4)中,通入所述置換氣體流量為1-100mL/min,時(shí)間為3-60min,周期性重復(fù)次數(shù)大于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(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,步驟(6)中,通入硅烷氣體的流量為1-50mL/min,通入時(shí)間與晶體生長時(shí)間均為20-200hr。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,步驟(7)中,降溫時(shí)間為10-50hr。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,所述碳化硅單晶為2H、4H、6H、3C和15R或這五種晶型的任意組合晶型。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,硅烷氣體為甲硅烷。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,所述石墨導(dǎo)管成反“Z”形。
本發(fā)明至少包括以下有益效果:本發(fā)明所述優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法通過設(shè)置石墨導(dǎo)管,在碳化硅單晶生長過程中通入硅烷氣體,高溫時(shí)氣體分解,產(chǎn)生氣態(tài)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(jìn)晶體穩(wěn)定生長,降低多型、位錯(cuò)與微管道的形成;其次,氣態(tài)Si組分可以與SiC原料升華后所產(chǎn)生的C反應(yīng),抑制SiC粉體的石墨化,使升華的組分穩(wěn)定地向生長區(qū)輸運(yùn),優(yōu)化生長過程,降低晶體中的缺陷。
附圖說明
圖1為本發(fā)明優(yōu)化碳化硅單晶生長方法的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
其中,感應(yīng)線圈1,石墨導(dǎo)管2,硅烷氣體3,SiC籽晶4,石墨坩堝5,SiC原料6,石墨坩堝上蓋7,石墨托盤8。
具體實(shí)施方式
為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案,下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明,下面描述的實(shí)施例是示例性的,僅用于解釋本發(fā)明,而不能讓理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
本發(fā)明提出了一種優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法,根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,圖1為本發(fā)明優(yōu)化碳化硅單晶生長方法的裝置結(jié)構(gòu)示意圖,參照?qǐng)D1所示,包括以下步驟:第一步:在石墨坩堝5的側(cè)壁上部鉆取一個(gè)直徑為4-8mm的氣孔,用于連接石墨導(dǎo)管2;第二步:將SiC原料6置于所述石墨坩堝底部,將直徑為2-8英寸的SiC籽晶4置于與所述石墨坩堝上蓋7相連的石墨托盤8上;第三步:將所述石墨導(dǎo)管一端接入所述石墨坩堝側(cè)壁上的氣孔,另一端連接感應(yīng)加熱爐的硅烷管路,用于通過此導(dǎo)管向所述爐體生長室內(nèi)通入硅烷氣體3;根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例,本發(fā)明所述氣孔位于所述SiC原料的上方,所述石墨導(dǎo)管的具體形狀不受限制,本發(fā)明優(yōu)選為反“Z”形,硅烷氣體的具體種類不受限制,可以為甲硅烷、乙硅烷或其他更高級(jí)的硅氫化合物,本發(fā)明優(yōu)選為甲硅烷(SiH4),其純度為99.9999%以上。在碳化硅單晶生長過程中通入甲硅烷(SiH4)氣體,高溫時(shí)SiH4分解,產(chǎn)生氣態(tài)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(jìn)晶體穩(wěn)定生長,降低多型、位錯(cuò)與微管道的形成;其次,氣態(tài)Si組分可以與SiC原料升華后所產(chǎn)生的C反應(yīng),抑制SiC粉體的石墨化,使升華的組分穩(wěn)定地向生長區(qū)輸運(yùn),優(yōu)化生長過程,降低晶體中的缺陷。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,第四步:在碳化硅晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空,當(dāng)所述生長室內(nèi)的真空度達(dá)到1×10-4Pa后,保持真空狀態(tài),向所述生長室內(nèi)通入置換氣體,氣體流量為1-100mL/min,通入時(shí)間為3-60min,再間隔10-40min后再次通入相同流量、相同時(shí)間的置換氣體,周期性重復(fù)此過程5次以上,徹底置換出所述生長室內(nèi)殘留的空氣,達(dá)到除氧的目的,用于防止所述生長室內(nèi)殘余的氧與后續(xù)生長過程中通過所述石墨導(dǎo)管所通入的硅烷氣體發(fā)生反應(yīng);根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例,本發(fā)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(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,第五步:對(duì)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(yīng)加熱爐的硅烷管路經(jīng)所述石墨導(dǎo)管向生長室內(nèi)通入硅烷氣體,流量為1-50mL/min,通入時(shí)間與晶體生長時(shí)間相同,均為20-200hr;通過感應(yīng)加熱爐的感應(yīng)線圈1對(duì)所述坩堝加熱,通過熱傳導(dǎo)作用,使SiC原料達(dá)到升華溫度T2,控制石墨坩堝上蓋處的溫度T1低于SiC原料的溫度,使得升華后的氣象組分SimCn在籽晶處結(jié)晶生長,同時(shí)通入甲硅烷(SiH4)氣體,使其在坩堝內(nèi)部分解產(chǎn)生氣態(tài)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(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例,在石墨坩堝中生長SiC晶體時(shí),經(jīng)常觀察到生長原料(SiC粉體)石墨化現(xiàn)象,即SiC原料顆粒發(fā)生非化學(xué)計(jì)量比分解,更多的硅原子以各種氣相組分SimCn,包括氣態(tài)的富硅基團(tuán)(當(dāng)m>n時(shí),氣象組分SimCn就是氣態(tài)的富硅基團(tuán))的形式進(jìn)入氣相,導(dǎo)致生長原料中碳過量。本發(fā)明通過導(dǎo)入甲硅烷(SiH4)氣體很好地抑制了SiC粉體的石墨化。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,第七步:所示碳化硅晶體生長結(jié)束,逐漸降低生長室溫度至室溫,降溫時(shí)間為10-50hr,優(yōu)選的,本發(fā)明所述碳化硅單晶為2H、4H、6H、3C和15R或這五種晶型的任意組合晶型。
實(shí)施例1:采用感應(yīng)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(cè)壁上部鉆取一個(gè)直徑為6mm的氣孔;
(2)將SiC原料置于所述石墨坩堝底部,將直徑為4英寸的SiC籽晶置于與所述石墨坩堝上蓋相連的石墨托盤上,生長面為碳面,生長方向?yàn)檩S向;
(3)將裝配好的坩堝置于單晶爐生長室中,所述石墨導(dǎo)管一端接入所述石墨坩堝側(cè)壁上的氣孔,另一端連接感應(yīng)加熱爐的硅烷管路;
(4)在碳化硅晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空,使所述生長室內(nèi)的真空度達(dá)到1×10-4Pa,保持真空狀態(tài),向所述生長室內(nèi)通入氬氣,氣體流量為20mL/min,通入時(shí)間為10min,再間隔10min后再次通入相同流量、相同時(shí)間的置換氣體,周期性重復(fù)此過程6次,徹底置換出所述生長室內(nèi)殘留的空氣;
(5)對(duì)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(yīng)加熱爐的硅烷管路經(jīng)所述石墨導(dǎo)管向生長室內(nèi)通入甲硅烷氣體,流量為5mL/min,通入時(shí)間與晶體生長時(shí)間相同,均為100hr。
(7)所示碳化硅晶體生長結(jié)束,逐漸降低生長室溫度至室溫,降溫時(shí)間25hr,得到厚度大于30mm,直徑大于4英寸的4H-SiC單晶,生長速度大于6g/hr,微管密度低于5/cm2,無包裹物,無多型。
實(shí)施例2:采用感應(yīng)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(cè)壁上部鉆取一個(gè)直徑為6mm的氣孔;
(2)將SiC原料置于所述石墨坩堝底部,將直徑為4英寸的SiC籽晶置于與所述石墨坩堝上蓋相連的石墨托盤上,生長面為碳面,生長方向?yàn)檩S向;
(3)將裝配好的坩堝置于單晶爐生長室中,所述石墨導(dǎo)管一端接入所述石墨坩堝側(cè)壁上的氣孔,另一端連接感應(yīng)加熱爐的硅烷管路;
(4)在碳化硅晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空,使所述生長室內(nèi)的真空度達(dá)到1×10-4Pa,保持真空狀態(tài),向所述生長室內(nèi)通入氬氣,氣體流量為20mL/min,通入時(shí)間為10min,再間隔10min后再次通入相同流量、相同時(shí)間的置換氣體,周期性重復(fù)此過程6次,徹底置換出所述生長室內(nèi)殘留的空氣;
(5)對(duì)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(yīng)加熱爐的硅烷管路經(jīng)所述石墨導(dǎo)管向生長室內(nèi)通入甲硅烷氣體,流量為5mL/min,通入時(shí)間與晶體生長時(shí)間相同,均為100hr。
(7)所示碳化硅晶體生長結(jié)束,逐漸降低生長室溫度至室溫,降溫時(shí)間25hr,得到厚度大于30mm,直徑大于4英寸的6H-SiC單晶,生長速度大于6g/hr,微管密度低于5/cm2,無包裹物,無多型。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn),根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的該方法通過設(shè)置石墨導(dǎo)管,在碳化硅單晶生長過程中通入硅烷氣體,高溫時(shí)氣體分解,產(chǎn)生氣態(tài)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(jìn)晶體穩(wěn)定生長,降低多型、位錯(cuò)與微管道的形成;其次,氣態(tài)Si組分可以與SiC原料升華后所產(chǎn)生的C反應(yīng),抑制SiC粉體的石墨化,使升華的組分穩(wěn)定地向生長區(qū)輸運(yùn),優(yōu)化生長過程,降低晶體中的缺陷。
盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例,可以理解的是,上述實(shí)施例是示例性的,不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型,同時(shí),對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員,依據(jù)本申請(qǐng)的思想,在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處。