[發明專利]一種生長高質量SiC單晶的籽晶處理方法

無效

• 申請號: 201110414436.1
• 申請日: 2011-12-13
• 公開（公告）號: CN103160928A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 李翠;楊志民;楊立文;蔣秉軒
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: C30B29/36
• 分類號: C30B29/36;C30B23/02
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 程鳳儒

技術領域

本發明涉及一種生長高質量SiC單晶的籽晶處理方法，屬于晶體生長技術領域。

背景技術

以碳化硅(SiC)為代表的第三代半導體材料在性能上比第一、第二代半導體材料具有更明顯的優勢，在器件應用上存在更大的潛力。隨著現代科技的發展和進步，越來越多的領域需要工作頻率高、化學穩定性好、耐高溫、功率密度高以及耐輻射強的材料和器件，第三代半導體的興起成為了必然趨勢。第三代半導體中技術最為成熟的就是SiC。SiC為間接帶隙半導體，其帶隙寬、熱導率高、擊穿強度高、化學性能好、抗輻射能力強，具有非常明顯的優勢。

目前生長SiC單晶體最成功的方法是物理氣相輸運法(PVT法)，典型的生長室結構示意圖如圖1所示。坩堝由坩堝蓋和坩堝下部空間組成，坩堝蓋用于固定籽晶，坩堝下部空間用于填裝SiC原料。在生長SiC晶體過程中，SiC籽晶通過粘結劑或機械固定的方法固定到籽晶蓋上。生長SiC晶體所用的坩堝材料主要為三高石墨(高強度、高密度和高純度)。晶體生長過程可以簡單地分為三個過程，即SiC原料的分解升華，分解升華的氣氛在原料與籽晶間的傳輸過程，氣氛在籽晶前表面生長的過程。

盡管石墨坩堝為三高石墨，但其孔隙率仍可達到10％以上。石墨坩堝蓋存在的孔隙以及粘結劑在高溫下生成的一些氣孔會在晶體生長過程中產生不利的影響。這些氣孔內部與氣孔周圍區域的導熱性存在一定的差異，這些差異導致籽晶背面溫度分布不均勻。同時，為滿足晶體生長需求，坩堝內部溫場分部如圖2所示，籽晶背面到坩堝蓋之間溫度也是由高到低。因此，在籽晶背面，氣孔與籽晶相連的地方，籽晶會發生分解，產生蒸汽。這些蒸汽會從坩堝蓋以及粘結劑的氣孔中逸出。籽晶的分解和蒸汽的逸出是一個持續的過程。籽晶背面分解的區域隨著蒸汽的不斷逸出，而不斷向下伸展擴大，當這些區域形成一個閉合的氣體包裹體在晶體中向溫度升高的地方運動后便形成了平面六方空洞缺陷。平面六方空洞的幾何形貌與SiC單晶的晶體結構相關。這些缺陷的存在，急劇地降低了晶片的質量和產率。因此提供一種抑制和消除籽晶的背向分解蒸發的籽晶處理方法非常必要。

發明內容

針對目前SiC晶體生長過程中普遍存在籽晶背向二次蒸發的問題，本發明的目的在于提供一種用于生長高質量SiC晶體的籽晶處理方法。該籽晶處理方法的使用能顯著地減少晶體中的平面六方空洞缺陷，提高晶片的質量和產率。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種用于生長高質量SiC晶體的籽晶處理方法，包括在SiC籽晶背面形成金屬膜層，然后將該金屬膜層經過一次或多次熱處理形成金屬化合物致密膜層。

金屬化合物致密膜層在SiC晶體生長溫度下極其穩定，既不升華也不產生雜質氣氛，同時在高溫下具有致密性，能阻止氣體分子的通過。

所述熱處理包括低溫熱處理和高溫熱處理過程，其中低溫熱處理過程為：在氬氣氣氛下將鍍有金屬膜的籽晶放入石墨坩堝中，加熱到500～1000℃保溫30～200分鐘；高溫熱處理過程為：將經過低溫熱處理過程的籽晶片放入石墨坩堝中，在氬氣氣氛中，加熱到1800～2300℃保溫30～300分鐘。

所述氬氣氣氛的氣壓為5000Pa～10⁵Pa。

所述金屬膜層采用熱蒸發、磁控濺射、電子束蒸發或脈沖激光沉積法沉積在籽晶背面。

所述金屬膜層的材料選自鎢、鉭、鉬、鋨、銥、錸、鈮、鈦和鋯中的高熔點金屬或其合金、或該些金屬的碳化物、硼化物或氮化物。

所述金屬碳化致密物膜層為單層膜或多層膜，每層膜的厚度為0.2～5微米，優選為0.5～1微米。形成每一層金屬化合物致密膜層所選用的材料可以相同也可以不同。

所述籽晶為SiC籽晶。SiC晶體的晶格結構由致密排列的兩個亞晶格組成，具有多種晶型，每種晶型的C/Si雙原子層的堆垛次序不同，不同晶型的SiC晶體具有不同的電學性能與光學性能。本發明的SiC籽晶為4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC或3C-SiC。

本發明的優點是：

通過本發明的籽晶處理方法，在籽晶生長面的反面即籽晶背面形成金屬化合物致密膜層。該金屬化合物致密膜層在生長溫度下穩定而且致密，抑制了籽晶背面的分解蒸發，消除了晶體生長過程中由籽晶背面背向分解蒸發導致的平面六方空洞缺陷。采用本發明的籽晶處理方法后，平面六方空洞減少90％以上，極大地提高了碳化硅的晶體質量和產率。

附圖說明

圖1為物理氣相輸運法生長SiC晶體的典型生長室結構示意圖；

圖2物理氣相輸運法生長SiC晶體的典型生長室溫場分布示意圖；