[發明專利]一種高品質的大尺寸碳化硅晶體生長方法

有效

• 申請號: 201811534979.5
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN110592673B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 劉春俊;姚靜;彭同華;趙寧;王波;楊建
• 申請（專利權）人: 北京天科合達半導體股份有限公司;新疆天科合達藍光半導體有限公司
• 主分類號: C30B29/36
• 分類號: C30B29/36;C30B23/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 王學強

本發明提供了一種高品質的大尺寸碳化硅晶體生長方法，旨在提高生長的SiC晶體質量，消除平面六方空洞缺陷。此方法包括以下步驟：將裝有碳化硅原料和籽晶的坩堝放于單晶生長爐中，坩堝快速上推距離范圍為5?50mm，遠離高溫區，待達到一定的溫度和壓力條件下，坩堝緩慢下降，下降距離與坩堝上推距離一致，之后在一定的溫度和壓力條件下使碳化硅原料發生升華并在籽晶上結晶，將晶體冷卻，獲得碳化硅單晶。本發明的優點是：在晶體生長初期，使籽晶遠離高溫區，消除因溫度高導致的籽晶燒蝕，從而消除平面六方空洞缺陷；同時保證SiC原料的充分利用，從而獲得高品質的大尺寸碳化硅晶體。

技術領域

本發明屬于碳化硅晶體生長領域，具體涉及一種高品質的大尺寸碳化硅晶體生長方法。

背景技術

碳化硅作為第三代半導體材料，具有非常優異的物理及化學性能，在高端光電、大功率以及微波射頻等領域具有廣泛的用途。

目前生長碳化硅晶體最成熟最有效的方式是物理氣相輸運法（Journal ofcrystal growth 43(1978）209-212)，物理氣相輸運法的基本原理是：將碳化硅原料放置在坩堝中，將籽晶固定在坩堝上蓋頂部，在高溫和低壓下使原料升華，升華后的氣體以晶體生長熱場提供的溫度梯度為動力做質量傳輸，最終輸運至籽晶處，在其上結晶生長。熱場中的溫度梯度包括軸向溫度梯度和徑向溫度梯度。

碳化硅單晶襯底中的各種缺陷是影響碳化硅基各類器件主要性能的因素之一。研究表明，碳化硅單晶生長中的缺陷產生與籽晶的狀態具有密切的聯系。籽晶的狀態包括籽晶自身的缺陷（例如微管、多型、位錯等）、籽晶加工過程的損傷（例如劃痕等）以及在生長初期引入的缺陷。針對籽晶自身缺陷以及加工損傷，目前具有較好的辦法進行處理。但是針對生長初期的缺陷，目前還沒有行之有效的辦法處理。

通常碳化硅晶體生長界面是凸界面，在有籽晶的位置生長的是碳化硅單晶，在籽晶外側的無籽晶位置生長的自發成核的多晶，通過凸的生長界面從而保證生長的晶體邊緣多晶侵入到單晶區中，從而導致晶體單晶區不會縮小，滿足尺寸要求。這樣，籽晶邊緣位置的溫度會顯著高于籽晶中心位置。而碳化硅籽晶厚度通常350微米到500微米，太厚的籽晶會顯著增加生產的成本。這樣，初期生長時籽晶邊緣溫度顯著高于籽晶中心位置的溫度，會經常出現籽晶邊緣區域發生燒蝕現象，導致生長晶體質量達不到要求。隨著碳化硅晶體直徑的變大，籽晶邊緣與中心的溫度差也變得越大，導致生長初期籽晶邊緣更容易被高溫侵蝕，從而導致這個問題顯得越來越明顯。

在實際晶體生長過程中發現，尤其是6英寸單晶生長時，經常出現籽晶生長初期的燒蝕，而后晶體生長出現大量平面六方空洞缺陷，甚至籽晶邊緣位置被燒穿生長成多晶，導致晶體質量整體下降。因此目前亟需一種提高晶體品質的生長方法，以避免其對晶體質量帶來的不良影響。

發明內容

針對生長初期籽晶燒蝕導致出現平面六方空洞等問題，本發明提供了一種高品質碳化硅晶體生長方法。相比于常規的碳化硅晶體生長方法，其可以大幅減少生長初期籽晶燒蝕導致的平面六方空洞等問題，獲得高質量的碳化硅晶體，使晶體合格率以及晶片的質量得到顯著的提升。為實現上述目的，本發明的特征在將裝有碳化硅原料和籽晶的坩堝放于單晶生長爐中，坩堝快速上推距離范圍為5-50mm，使籽晶遠離高溫區，在一定的溫度、壓力和坩堝移動條件下使碳化硅原料發生升華并在籽晶上結晶，將晶體冷卻，獲得碳化硅單晶。其中所述溫度、壓力和坩堝移動條件為依次進行的以下過程：（1）在壓力為20-80kPa的條件下，將溫度升至2100-2400℃，快速上推坩堝5-50mm使籽晶遠離高溫區，并維持1-10h；（2）在步驟（1）基礎上保持加熱電源的功率不變，將壓力降至100-3000Pa，SiC晶體開始在籽晶上結晶生長，并維持1-5h；（3）保持壓力恒定、加熱電源的功率恒定，用10小時到30小時時間將坩堝緩慢下降5-50mm；（4）保持壓力恒定，溫度保持在2100-2400℃，溫度與步驟（1）生長溫度接近，相差不超過50℃，繼續進行晶體生長40-100h；（5）將壓力升至20-80kPa，進行降溫冷卻。所述溫度為坩堝內碳化硅原料處的溫度，所述壓力為生長室內的壓力。