[發明專利]一種無石墨包裹物的導電碳化硅晶體生長工藝

有效

• 申請號: 201210432144.5
• 申請日: 2012-11-02
• 公開（公告）號: CN102965733A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 王波;彭同華;劉春俊;趙寧;婁艷芳;王文軍;王剛;陳小龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: C30B29/36
• 分類號: C30B29/36;C30B25/00;C30B28/14
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周長興

技術領域

本發明主要應用于導電碳化硅晶體生長領域，具體來說是通過消除在碳化硅晶體生長過程中所引入的石墨包裹物來提高導電碳化硅晶體質量。

背景技術

在信息技術迅猛發展的今天，半導體技術的革新扮演著越來越重要的角色。以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料，是繼硅、砷化鎵之后的第三代寬禁帶半導體。與硅和砷化鎵為代表的傳統半導體材料相比，碳化硅在工作溫度、抗輻射、耐擊穿電壓等性能方面具有很大優勢。作為目前發展最成熟的寬帶隙半導體材料，碳化硅具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，其優異性能可以滿足現代電子技術對高溫、高頻、高功率以及抗輻射的新要求，因而被看作是半導體材料領域最有前景的材料之一。此外，由于六方碳化硅與氮化鎵、氮化鋁相近的晶格常數及熱膨脹系數，因此也成為制造高亮度發光二極管(HB-LED)和紫外探測器(Ultraviolet?Explorer)的理想襯底材料。

目前生長碳化硅晶體最有效的方法是物理氣相傳輸(PVT)法(Journalof?Crystal?Growth?43(1978)209-212)，典型的生長室結構如圖1所示。坩堝7由上部的蓋和下部的堝組成，上部的蓋用于粘籽晶4，通常稱之為籽晶托，下部的堝用于裝碳化硅原料8。坩堝側壁及上下是耐高溫的保溫材料3，保溫材料通常是石墨氈。保溫層側壁是石英套水冷裝置2，由于保溫層輻射熱量較大，要求水流速度較大。石英套水冷裝置2外是感應線圈加熱器1。

在導電碳化硅晶體5生長中，包裹物是一種比較常見的缺陷。它不僅容易造成碳化硅晶格畸變而產生應力，還能誘發微管等其他晶體缺陷的產生。晶體中包裹物通常(0001)面的分布具有局部聚集現象，聚集在一起的包裹物呈現條紋狀分布，條紋寬度可達100μm，長度可達毫米量級。包裹物尺寸大小從幾微米、幾十微米甚至到上百微米，包裹物沒有規則的外形，分布在不同的層面上。結合導電碳化硅晶體的縱切片中包裹物分布情況發現晶體中包裹物的分布具有下列規律：

(1)在晶體生長初期幾乎沒有包裹物，包裹物開始于生長后的某個時刻；

(2)包裹物初始分布在晶面中心，隨著生長的進行，包裹物分布區域逐漸向四周擴大，呈現輻射狀分布，邊緣區域包裹物很少；

(3)晶體尺寸越大越容易產生包裹物。

為了辨別晶體(6H晶型)中包裹物的物相，利用Raman光譜對包裹物進行了物相測試。Raman光譜測試結果顯示，包裹物的Raman譜圖一樣，除了6H-SiC的特征峰以外，均有1582cm^-1較強峰，而沒有Si的任何特征峰。由于1582cm^-1屬于石墨的特征峰，因此Raman測試結果表明導電碳化硅晶體中的包裹物主要是細小石墨顆粒。

盡管所用的碳化硅原料平均顆粒尺寸約200μm，但原料的粒度分布范圍較寬，最細顆粒直徑只有幾微米，粗的可達幾百微米甚至毫米量級。晶體生長初期，由于此時生長溫度相對較低，生長室內碳化硅氣相物質6壓力較低，因此生長速度較慢，原料石墨化還未開始。隨著生長的進行，生長室內氣相物質壓逐漸增大，細顆粒的原料石墨化也逐漸開始，石墨化后的細顆粒有可能在生長室內氣相物質的對流作用下帶到生長界面，從而在晶體中開始產生包裹物。由于對流受溫度梯度分布影響，而生長面中心區域溫度最低，也就是大量攜帶石墨化后的細顆粒氣相物質先接觸到晶體生長的中心區域，然后再向邊緣擴散，從而包裹物中區域多邊緣少。可見，原料中被完全石墨化的原料小顆粒應該是導電碳化硅晶體石墨包裹物產生的根本原因。

為了減少晶體中的石墨包裹物，首先要挑選合適粒度分布的碳化硅原料，細小顆粒的碳化硅粉末要過篩掉，以從源頭上抑制包裹物的產生；其次要控制晶體生長速度，采用相對較慢的生長速度進行晶體生長，使得生長室內的氣相物質壓力較低，從而減小對流的產生；再次要控制生長室內的溫度梯度，晶體生長時驅動力過大可導致包裹物產生。這些措施都有利于減少碳包裹物，但離徹底消除晶體中石墨包裹物還有較大差距。

發明內容

本發明的目的在于提供一種制備無石墨包裹物的導電碳化硅晶體生長工藝，以改進公知技術中的缺陷。

為實現上述目的，本發明提供的無石墨包裹物的導電碳化硅晶體生長工藝，利用氫原子可以在高溫下與石墨顆粒反應生成氣態的碳氫化合物或碳氫自由基，將石墨顆粒在原料中或從料面到晶體生長面的輸運過程中消除，從而生長出無石墨包裹物導電碳化硅晶體；其過程為：