[發明專利]高品質大碳化硅單晶的制備方法及用其制備的碳化硅單晶

有效

• 申請號: 200910199338.3
• 申請日: 2009-11-25
• 公開（公告）號: CN101701358A
• 公開（公告）日: 2010-05-05
• 發明（設計）人: 嚴成鋒;陳之戰;施爾畏;肖兵;陳義
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C30B23/00
• 分類號: C30B23/00;C30B29/36
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

技術領域

本發明涉及寬禁帶半導體晶圓制備技術領域，具體涉及一種高品質大碳化硅單晶的制 備方法以及用此方法制備的碳化硅單晶。

背景技術

碳化硅(SiC)是第三代半導體材料的核心之一，其不僅具有禁帶寬度大、熱導率高、載 流子飽和遷移速度高、臨界擊穿電場強度高等優點，還具有極好的化學穩定性，非常適于 制作高溫、高頻、抗輻射、大功率和高密度集成的電子器件。SiC材料由于在國防軍事上有 著重要的戰略地位，因而受到各國的高度重視。目前，已經有多種SiC基微電子器件問世 并應用于航空航天、核工業、雷達系統和汽車制造等領域，如金屬半導體場效應晶體管 (MESFET)、P-i-N二極管、Schottky二極管、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)及 閘流管等。此外，6H-SiC作為氮化鎵(a-GaN)基光電器件的襯底，6H-SiC單晶與a-GaN之 間在點陣失配度和熱膨脹系數等方面均優于白寶石單晶。生長大直徑、高質量的SiC單晶 是實現器件應用的關鍵。升華法是生長SiC單晶的最常用方法之一，涉及熱力學、動力學、 以及質量傳遞和熱量傳遞等多種復雜過程，在晶體生長過程中有多個參數需要優化。升華 法生長的SiC單晶中可能存在微管、小角度晶界、空洞、基本螺位錯和寄生多型體等缺陷， 對其應用會產生負面影響。

SiC單晶生長主要采用籽晶引導氣相輸運技術(PVT)，即高純(電子級)的SiC粉料 置于2000℃以上高溫處，沿SiC籽晶方向有一溫度梯度，使粉料與籽晶間有一個Si和C 組分的氣相輸運，實現在籽晶上定向生長SiC晶體。SiC單晶具有200多種同質多型體， 最為常見且生長技術較為成熟的是6H-SiC(點群6mm，空間群P63mc)和4H-SiC(點群 6mm，空間群P63mc)。不同的多型體具有不同的物理性能，尤其在半導體特性方面表現出 各自的特性。由于不同多型的SiC單晶的堆垛層錯能非常接近，因此在籽晶升華法生長SiC 單晶過程中極易出現其它寄生多型體與本體的競爭生長。碳化硅雖然有很多優點，但因其 制備方法特殊，生長完美晶體的難度大而長久未得到廣泛應用。升華法生長大直徑、高品 質、多型單一的SiC單晶，關鍵要有合適的溫度場，包括均勻的徑向溫度分布、合理的軸 向溫度梯度，其它的影響因素還有生長壓力、籽晶質量等。通過設計不同的石墨坩堝結構 和放置位置可以得到了適合SiC單晶生長的軸向溫度梯度，它既有利于控制SiC單晶的生 長速率，又能保證晶體后續生長結晶品質的持續提高。在一定溫度下，不同構型SiC晶體 的形成與生長溫度有關，所生長SiC晶體的構型主要由生長溫度與籽晶來控制，其中微管、 小角度晶界、空洞、基本螺位錯和寄生多型體等缺陷的產生絕大部分是由于晶體生長初期 籽晶徑向溫度分布不勻，接種不好引起。如何在石墨籽晶架上緊密、貼切粘接SiC籽晶， 是保證和優化籽晶徑向溫度分布均勻性，避免生長初期各個區域的結晶條件存在差異，出 現寄生6H、15R多型同4H多型競爭生長的關鍵，是實現生長高品質SiC單晶的核心技術。

現有典型的用于SiC晶體生長的籽晶固定技術主要有兩種：

一種是由籽晶架、籽晶夾持器和籽晶組成，參見美國專利US?4,866,005(重新頒布為 No.RE34861)，坩堝垂直取向，源粉處于下部而籽晶通過籽晶夾持器固定在上部的籽晶架上。 由于石墨籽晶架是通過機床加工出來的，表面較為粗糙，表面的平整度和光滑度不夠。另 外薄籽晶磨拋加工后由于應力，表面也存在一定的曲翹度。石墨籽晶架和籽晶通過夾持器 來夾卡，這兩個固體材料表面接觸不可能服貼，在高溫下，相互緊貼的地方傳熱好，溫度 低，接觸不好或相離的地方導熱不好，溫度高，不可避免就會引起籽晶表面徑向溫度分布 存在差異，晶體生長在籽晶處接種初期各個區域的結晶條件存在差異，極易出現寄生6H、 15R多型同4H多型競爭生長，及其它缺陷如小角度晶界、空洞、螺位錯等的出現。

另一種是由籽晶架、蔗糖碳化層和籽晶組成。籽晶架上放置足量的蔗糖在180℃左右 熔化成粘稠的液體，把籽晶放置在液態蔗糖上，再放置到700℃的高溫下使蔗糖碳化，從 而把籽晶固定在籽晶架上。由于蔗糖具有較多的氧原子、較低的碳氫比，在碳化時產生大 量的小分子脫除，重量損耗較大，殘碳率較低，較低的殘碳率不易支撐骨架，碳化后形成 的大的介孔碳層具有大量的孔洞。籽晶與籽晶架中間夾著孔洞的地方，傳熱不好，溫度高， 有碳粘連的地方傳熱好，溫度低，籽晶表面的溫度分布同樣存在差異，較難實現無缺陷、 高品質、單一多型碳化硅單晶的生長。