[發明專利]一種維持大尺寸碳化硅晶型穩定的裝置及生長方法

有效

• 申請號: 202010517206.7
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN113122914B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 楊麗雯;何麗娟;靳麗婕;程章勇;韋玉平;李天運;陳穎超;李百泉;張云偉;王麗君
• 申請（專利權）人: 北京世紀金光半導體有限公司
• 主分類號: C30B23/00
• 分類號: C30B23/00;C30B29/36
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種穩定大尺寸碳化硅晶型穩定的生長方法。包括（1）生長初期籽晶近生長界面通入保護氣體，均勻（0001）小面及小面附近區域的料源飽和度。從而達到避免小面及小面附近臺階寬化的目的。該方法有助于減少異晶型在寬臺階上產生2D成核的可能性，從而提高晶體的穩定性。（2）生長后期在小面附近增加氣流的基礎上增加籽晶軸向提拉以及旋轉，從而達到控制界面形狀穩定和維持飽和度均一的兩個目標，使得整個生長過程中晶型穩定。該發明的碳化硅單晶生長裝置能應用于4?6英寸及不同切割偏角的籽晶，甚至更大尺寸的晶體生長，大幅度穩定了小面及小面附近晶型的穩定性，得到了高質量的碳化硅單晶晶體。

技術領域

本發明屬于半導體材料生長技術領域，特別涉及一種高質量大尺寸的SiC生長方法。

背景技術

碳化硅（SiC）由于其較大的禁帶寬度使其具備良好的物理特性，其中包括較高的熱導率，較強的擊穿電壓，較高的飽和電子遷移率，使其成為下一代超高功率電子元器件的理想材料，在所有的高功率電子元器件中，碳化硅成熟度較高，當前市面已經開始了6英寸SiC單晶的產業化。碳化硅有多種多型結構，3C、6H、4H及15R是250多種多型中最為常見的類型。由于碳化硅多型之間的堆垛層錯能十分接近，因此當生長條件稍微變化時4H晶型很容易轉化成6H，15R或者其他多型，多型導致晶體結構的變化，微管、位錯以及其他缺陷會在多型的附近產生，造成晶體質量的惡化。

國內外研究人員對PVT法SiC晶體生長多型控制已經做了大量的工作，在0°碳化硅單晶生長過程中，晶體分為三個區域，小面區，非小面區，以及過渡區（小面邊緣區域）。由于PVT單晶生長方法客觀存在的飽和度在晶面分布不均的現狀，從而造成小面或過渡區局部臺階寬化并形成寬臺階。因此在較寬的臺階上產生2D成核，該2D成核會沿著基面擴展，從而覆蓋整個晶面，在不恰當的熱場條件下，該多型可能會沿著晶體生長方向（C方向）生長，使得原有晶型被完全改變。

為了避免小面及小面附近生長多型，需做到以下4點：（1）生長恒溫初期保持小面和過渡區域飽和度均勻；（2）生長中后期嚴格控制界面為微凸界面；（3）需要同時考慮0°和4°兩種籽晶及不同尺寸的適用模式；（4）該裝置針對不同最終生長晶錠厚度的適用性。

因此需設計特殊結構以滿足以上4點要求。

發明內容

本發明針對上述問題，提供一種控制小面及小面邊緣最大程度控制晶型穩定的單晶生長結構及生長方法。其結構包括：提拉旋轉螺桿1，該提拉螺旋桿1與2螺紋籽晶托為螺紋連接，螺桿1通過旋轉提拉，可在生長過程中對螺紋籽晶托2進行速率可控的提拉和旋轉，該籽晶托2與嵌套石墨筒3為螺紋連接。生長開始根據需要將嵌有氣流導管6的嵌套石墨筒3與石墨坩堝4通過螺紋旋接，并調節到目標高度，使得導管6到籽晶面11的距離和料源8表面的距離滿足工藝要求。

進一步的，提拉螺旋桿1為中空結構，上紅外測溫儀10通過中空的提拉螺桿1的中空結構直接測量籽晶托2的中心溫度。

進一步的，籽晶托2的螺紋高度約為40-60mm，直徑可根據需要選擇4-6英寸。

進一步的，嵌套石墨筒3的外表面螺紋長度150-200mm，可以滿足與坩堝4多檔位多位置配合。

進一步的，石墨坩堝4上部內螺紋長度150-200mm。

進一步的，氣流導管6為材料，該導管為高溫材料材料，管厚為5-8mm，使用過程中，與等靜壓碳進一步反應形成堅硬致密的碳化物（碳化鉭、碳化鋯、碳化鈦、碳化鈮、碳化鋨、碳化鎢、碳化鉬、碳化釔中的一種）保護層，內外壁既保護免受Si蒸汽腐蝕，也不至于脆性斷裂。

提供一種控制小面及小面邊緣最大程度控制晶型穩定的單晶生長結構及生長方法。其生長方法包括：

步驟一，生長恒溫初期通過氣流導管充入保護氣體N2/Ar，流量為600-1000sccm，此時壓力控制在100-1000Pa之間，溫度控制在2190±5°C。