一種降低物理氣相傳輸法生長SiC單晶中位錯密度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種降低物理氣相傳輸法生長SiC單晶中位錯密度的方法，屬晶體材料生長技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]作為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料的代表，碳化硅材料具有禁帶寬度大、載流子飽和迀移速度高、熱導(dǎo)率高、臨界擊穿電場強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良的物理化學(xué)特性?；谶@些優(yōu)良的特性，SiC材料被認(rèn)為是制作高頻、大功率、耐高溫和抗輻射電子器件的理想材料，以其制造的器件在白光照明、汽車電子化、雷達(dá)通訊、石油鉆井、航空航天、核反應(yīng)堆系統(tǒng)及軍事裝備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]生長大直徑、高質(zhì)量的SiC單晶是實(shí)現(xiàn)器件應(yīng)用的關(guān)鍵。過去的20年中，經(jīng)過國內(nèi)外同行的不懈努力，在碳化硅材料研制方面取得了飛速發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大尺寸4英寸(100mm)4H-SiC襯底的商品化，器件的致命缺陷一一微管密度已經(jīng)可以在晶體生長過程中控制在IcnT2以下，甚至達(dá)到零微管水平。然而，SiC材料本身仍舊存在位錯密度相對較高的問題，典型值為14CnT2量級，制約了 SiC材料在電子器件中更廣泛的應(yīng)用，比如在高位錯密度襯底上制作的晶體三極管具有較大的漏電流。因此，目前提高SiC單晶材料質(zhì)量的研宄焦點(diǎn)及重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到如何減少襯底材料中的位錯密度。
[0004]SiC單晶中的位錯主要包括穿透型位錯(Threading Dislocat1ns)和基平面位錯(Basal Plane Dislocat1ns) ο穿透型位錯通常是沿生長方向(0001)延伸，沿c軸生長時，籽晶中的穿透型位錯能夠繼承到生長層中。根據(jù)位錯線與伯格斯矢量的方向關(guān)系，穿透型位錯又可分為:穿透型螺位錯(Threading Screw Dislocat1n)、穿透型刃位錯(Threading Edge Dislocat1n)。對螺位錯，其伯格斯矢量方向平行于位錯線的方向，其柏格斯矢量為〈0001〉；對刃位錯，其伯格斯矢量方向垂直于位錯線的方向，其柏格斯矢量為1/3<11 -20〉。而基平面位錯是躺在(0001)面內(nèi)的一種位錯，其方向沿著〈10 -10〉，柏格斯矢量為1/3〈11 -20〉，被認(rèn)為是由于生長過程中或冷卻過程中熱應(yīng)力對晶體的作用引起的。
[0005]在 Ultrahigh-quality Silicon Carbide Single Crystals(D.Nakamura, 1.Gunjishima, et al.[J].Nature 2004, 430:1009-1012)文章中，作者提出米用 “RepeatedA-Face (RAF)”方法，即通過多次重復(fù)a面(11-20)和m面(1-100)面交替生長，然后再進(jìn)行c面生長，獲得低位錯密度高質(zhì)量的SiC單晶。此方法需要多次重復(fù)生長，步驟復(fù)雜且在多次重復(fù)生長中容易引入其他的缺陷。在Polarity-and orientat1n-related DefectDistribut1n in 4H-SiC Single Crystals (Rost H, Schmidbaner M, Siche D, et al.[J].Journal of Crystal Growth 2006, 290:137-143)作者指出，SiC 沿非極性生長面生長時，相比沿c軸極性面生長，顯示出完全不同的生長動力學(xué)及缺陷產(chǎn)生機(jī)制，穿透位錯密度相比沿c軸生長大大降低，然而產(chǎn)生大量堆垛層錯缺陷。
[0006]美國專利文件US6706114B2公布了一種新型籽晶托，其表面由兩種熱導(dǎo)率差異較大的材料制作圖形，籽晶粘結(jié)在上面，以此調(diào)制物理氣相傳輸生長方法時籽晶表面溫度場分布，強(qiáng)制在預(yù)定義圖形對應(yīng)溫度較低區(qū)域優(yōu)先成核，按照預(yù)定義圖形進(jìn)行選擇優(yōu)先生長。生長后晶體面按預(yù)定義圖形，對應(yīng)分布高位錯密度區(qū)域和低位錯密度區(qū)域。美國專利文件US6863728 B2公布了采用了內(nèi)表面鍍TaxCy或Nb xCy材質(zhì)的ring element裝置，實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)徑，在擴(kuò)徑部分側(cè)向生長區(qū)域位錯密度大大降低；但是，籽晶部分沿c軸軸向生長區(qū)域位錯密度繼承自籽晶，位錯密度沒有降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)中SiC材料仍存在對較高位錯密度的不足，本發(fā)明提供一種降低物理氣相傳輸法生長SiC單晶中位錯密度的方法，可以穩(wěn)定生長低位錯密度的SiC單晶。
[0008]發(fā)明概述:
[0009]本發(fā)明根據(jù)SiC不同晶面生長速率各向異性原理，在SiC籽晶面上制作周期性臺面和溝槽，臺面?zhèn)缺诿嬷笖?shù)優(yōu)選為{11-20}，調(diào)節(jié)生長參數(shù)，包括生長溫度、壓力、軸向梯度，獲得最優(yōu)的側(cè)向生長速率，進(jìn)行微區(qū)側(cè)向生長，達(dá)到消除位錯的目的。生長過程分兩個階段，第一個階段，選擇合適的生長條件，促進(jìn)沿臺面?zhèn)缺诜菢O性面?zhèn)认蛏L，側(cè)向生長區(qū)域位錯密度大大降低；第二階段，當(dāng)臺面之間溝槽側(cè)向長平后，改變生長條件，促進(jìn)沿c軸方向生長，提尚生長速率長厚晶體。
[0010]發(fā)明詳述:
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0012]一種降低物理氣相傳輸法生長SiC單晶中位錯密度的方法，包括步驟如下:
[0013](I)在SiC籽晶面為(000-1) C面或(OOOl)Si面，或與
[0001]方向偏差0-8°的鄰位面上制作溝槽，使得溝槽側(cè)壁顯露的面為(ll-20)a面或(l-1oo)m面；
[0014](2)沿制作好溝槽的SiC籽晶面進(jìn)行兩個階段晶體生長，第一階段:低溫生長，生長溫度1600-200()°C，壓力0_50mbar，生長至溝槽長平；第二階段:高溫生長，生長溫度2050_2300°C，生長壓力 10_80mbar，生長 2O-2OOh ；
[0015](3)重復(fù)步驟(1)、(2)過程，實(shí)現(xiàn)物理氣相傳輸法生長SiC單晶中位錯密度的降低。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(I)中所述的溝槽均勻交互排布，溝槽寬50-1000 μπι，溝槽深50-500 μ m ;進(jìn)一步優(yōu)選的，溝槽寬100-500 μ m，溝槽深100-300 μ m。SiC籽晶面上，溝槽之間的部分為臺面，優(yōu)選的，臺面寬50-1000 μ m，進(jìn)一步優(yōu)選100-400 μπι。優(yōu)選的，臺面的形狀為菱形、正方形、正三角形、正六邊形或符合本發(fā)明目的的其他圖形。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，步驟(I)中所述的溝槽可通過機(jī)械或化學(xué)方法獲得，如刻蝕、金剛石多線切割等可以制備溝槽的方法。優(yōu)選的，溝槽制作完畢后，依次采用氫氟酸、丙酮和去離子水超聲清洗，以去除制作溝槽時產(chǎn)生的碎肩。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(2)中晶體生長之前在高溫高壓下，通入H2或者HCl腐蝕性氣體退火，以腐蝕籽晶表面，目的是去除制作溝槽時側(cè)壁引入的應(yīng)力損傷層。進(jìn)一步優(yōu)選的，退火溫度1950-2100°C，退火壓力500-1000mbar，退火時間10_60min。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟⑵中第一階段:低溫生長，優(yōu)選的生長溫度1650-1850 °C，壓力0-30mbar，生長至溝槽長平；第二階段:高溫生長，優(yōu)選的生長溫度2050-2250°C，生長壓力 10_50mbar，生長時間 20_100h。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，晶體生長完后，按常規(guī)的半導(dǎo)體切磨拋加工工藝，加工成籽晶晶片，重復(fù)上述內(nèi)容，籽晶位錯密度逐步降低。
[0021]本發(fā)明的原理:
[0022]本發(fā)明通過在SiC生長籽晶表面上制作周期性圖形臺面和溝槽，利用各晶面生長速度的不同，選擇合適的生長條件，使顯露的側(cè)面快速生長，阻斷來自沿籽晶生長方向延伸的位錯，從而達(dá)到降低和消除SiC單晶位錯密度的目標(biāo)。
[0023]溝槽側(cè)壁顯露出非極性生長面，優(yōu)選的為a面(11-20)，因a面(11_20)表面鍵結(jié)構(gòu)具有最大的扭折位密度，所以相比其它晶面具有最大的側(cè)向生長速率。根據(jù)SiC晶體生長時不同晶面生長速率差別較大的各向異性原理，進(jìn)行兩個階段的生長過程，第一個階段:選擇合適的生長條件，促進(jìn)沿溝槽側(cè)壁非極性面?zhèn)认蛏L，此時a面生長速率^遠(yuǎn)大于籽晶面(c面)生長速率V。，側(cè)向生長阻斷了來自垂直生長方向的位錯延伸，側(cè)向自由生長區(qū)域位錯密度大大降低，同時保證生長層具有原子級光滑表面；第二階段，當(dāng)臺面之間的溝槽側(cè)向長平后，改變生長條件，提高生長溫度，促進(jìn)沿c軸方向生長，提高生長速率長厚晶體。此時生長晶體在溝槽區(qū)域?qū)?yīng)自由側(cè)向生長區(qū)域相比臺面區(qū)域位錯密度可以降低兩個數(shù)量級。采用本方法多次進(jìn)行優(yōu)化生長，實(shí)現(xiàn)最終整體位錯密度的降低。
[0024]本發(fā)明的有益效果:
[0025]1、本發(fā)明基于不同晶面生長速率各向異性原理，只需利用機(jī)械或化學(xué)方法使籽晶表面顯露出非極性面即可，工藝簡單，成本低，并且能夠明顯降低物理氣相傳輸法生長SiC單晶中的位錯密度；
[0026]2、本發(fā)明通過一次生長過程中調(diào)節(jié)生長參數(shù)，控制損傷層去除及兩階段生長，消除了多次升降溫引入的缺陷，同時節(jié)約時間，生長效率高；
[0027]3、本發(fā)明選用最具有最快側(cè)向生長速率的(ll_20)a面，生長參數(shù)可調(diào)整范圍寬，生長容易控制，穩(wěn)定性高重復(fù)性好。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1SiC籽晶面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2SiC籽晶面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3SiC籽晶面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖4為本發(fā)明物理氣相傳輸法(PVT)生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1生長層中穿透位錯分布示意圖。
[0033]圖6為本發(fā)明實(shí)施例6生長得到的SiC層采用激光共聚焦顯微鏡觀察到的穿透位錯分布圖。
[0034]其中:1、SiC籽晶，2、菱形臺面，3、溝槽，4、正三角形臺面，5、正六邊形臺面，6、碳化硅粉料，7、石墨坩禍，8、石墨保溫纖維材料，9、穿透位錯，10、a面生長，11、c面生長。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面通過具體實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0036]實(shí)施例中所用的晶體生長裝置為物理氣相傳輸法(PVT)生長裝置，如圖4所示。該裝置包括石墨坩禍7，石墨坩禍7外側(cè)設(shè)置有石墨保溫纖維材料8，將碳化硅粉料6放置在石墨坩禍7下部，將籽晶I放置在石墨坩禍7上部。
[0037]實(shí)施例1
[0038]一種降低物理氣相傳輸法生長SiC單晶中位錯密度的方法，包括步驟如下:
[0039](I)在SiC籽晶I面為(000-1) C面上，使用機(jī)械刻蝕的方法制作溝槽3，使得溝槽3側(cè)壁顯露的面為(I 1-20) a面；
[0040]如圖1所示，溝槽3均勻交互排布，溝槽3寬200 μ m，溝槽3深200 μ m ；SiC籽晶I面上溝槽3之間的部分為菱形臺面2，溝槽3側(cè)壁即為菱形臺面2側(cè)壁，菱形臺面2寬度(即菱形邊長)為300 μπι;