CN101724906A - 一种用于生长高质量导电型碳化硅晶体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效生长碳化硅晶体的方法，即通过快速生长制备高质量导电型碳化硅晶体的方法。在传统的物理气相传输法生长导电型碳化硅晶体过程中，晶体生长速度通常在0.1-0.5mm/h范围，电阻率≥0.025欧姆·厘米。本发明采用更高的原料温度(2300-2700℃)，较低的生长界面温度(1800-2300℃)，并辅以控制生长体系的氮气压力，可获得高的晶体生长速度(0.6-3mm/h)，晶体的电阻率可达0.01欧姆·厘米，并且晶体的结晶质量很高。实现高质量、低电阻率碳化硅晶体的快速生长，为进一步提高碳化硅晶体产量、降低成本提供必要条件。此外，快速生长碳化硅晶体还具有放大晶体、减少晶体体缺陷等优点。

Description

一种用于生长高质量导电型碳化硅晶体的方法

技术领域

本发明涉及碳化硅晶体领域，尤其是一种用于生长高质量导电型碳化硅晶体的方法。

背景技术

当前，半导体产业的迅猛发展再次激发了现代科学技术的革新。作为第三代宽带隙半导体材料，碳化硅在热学、电学、抗腐蚀等性能方面优越于常用的衬底材料，可广泛用于制造半导体照明、微电子、电力电子等半导体器件。根据权威机构的市场报告，碳化硅晶圆的市场规模在2012年将达到4亿美元。因此，国际上主要的碳化硅晶圆生产商一直在努力改善晶体质量和放大晶体尺寸。过去的几十年间，多种高性能的碳化硅基半导体器件，如发光二极管、肖特基二极管、混合动力汽车的功率模块逆变器等，已被成功研制，这无疑预示了今后半导体器件制造商对碳化硅晶圆需求量的激增。但是，价格因素仍是阻碍碳化硅晶圆在国际上广泛应用的壁垒，因此开发新的晶体生长工艺来提高晶体产量具有非常重要的现实意义。

目前物理气相传输法(Physical Vapor Transport Method)被公认是生长碳化硅、氮化铝等晶体最为成功的方法之一，其生长机理如图1所示。通常，在晶体生长过程中，使碳化硅原料处于生长体系的热区(2200～2300℃)、籽晶处于相对冷区(2100-2200)，这样处于高温区的碳化硅原料分解、蒸发，以气态形式(包括Si₂C、SiC₂和Si等)传输至籽晶区，在籽晶上吸附、结晶形成大尺寸碳化硅晶体。因此，生长体系的轴向温度梯度是晶体生长的驱动力。

碳化硅半导体器件应用主要涉及三个领域，即照明器件、功率器件、微波射频器件。前两者主要使用的衬底为导电型衬底，且可广泛用于民用，因此对高质量导电型碳化硅晶片的需求迫切。然而，通常高质量碳化硅晶体的生长速度在0.1-0.5mm/h之间，产量有限，价格相对较高，制约了高性能碳化硅基器件的快速发展。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种于生长高质量导电型碳化硅晶体的方法，该方法能够快速生长高质量的导电型碳化硅晶体，可极大提高晶体产量，为工业客户的研发和新一代半导体器件产业化进程提供保障。

为实现上述目的，本发明一种用于生长高质量导电型碳化硅晶体的方法，具体为：

1)将已填充碳化硅原料和已粘结籽晶的坩埚放入晶体生长炉；

2)将晶体生长炉抽真空后，为晶体生长炉充入预定量的气体从而对晶体生长体系进行洗气，多次重复此步骤；

3)提高晶体生长炉的温度，使填充碳化硅原料的原料区具有2300-2700℃的温度，籽晶处具有1800-2300℃的温度；

4)将晶体生长炉的气压控制在0.01-200Pa范围内，开始快速生长导电型碳化硅晶体；

5)生长结束后，关闭电源或以设定的速率降低晶体生长炉温度至1000℃-1400℃后，随炉冷却至室温并得到高质量导电型碳化硅晶体。

进一步，所述步骤1)的晶体生长炉包括感应加热炉、石墨加热炉和/或W加热体炉。

进一步，所述晶体生长炉为感应加热炉，真空度可达10^-4Pa量级，最高真空度可达10^-5Pa量级。

进一步，所述步骤2)的充入预定量的气体包括充入10³-10⁶Pa的Ar或10³-10⁶Pa的N₂。

进一步，所述步骤3)通过坩埚材料的设计、坩埚结构的设计、保温材料的设计和/或保温结构的设计而实施。

进一步，所述步骤4)控制晶体生长炉的气压在0.01-200Pa范围，生长体系内气氛为氮气或含氮混合气氛，所述晶体生长速度在0.6mm/h-3mm/h范围内。

进一步，所述步骤5)降温速率在100℃/h-2000℃/h范围内。

进一步，所述高质量导电型碳化硅晶体的电阻率在0.001欧姆·厘米～0.1欧姆·厘米范围内。

进一步，所述碳化硅晶体为4H-SiC晶体或6H-SiC晶体。

进一步，所述步骤5)还包括向晶体生长炉内充入流动的惰性气体。

通过使用本发明的方法，能够克服在传统的物理气相传输法生长导电型碳化硅晶体过程中晶体生长速度低、电阻率高的技术问题，可获得0.6-3mm/h的高晶体生长速度以及可达0.001欧姆·厘米-0.1欧姆·厘米范围内的低电阻率，从而实现高质量、低电阻率碳化硅晶体的快速生长，为进一步提高碳化硅晶体产量、降低成本提供了必要条件。此外，使用本发明的快速生长碳化硅晶体的方法能够制备出较大尺寸的晶体，并且能够有效降低晶体的缺陷。

附图说明

图1是物理气相传输法生长碳化硅晶体的生长机理示意图；

图2是0.01Pa气压下生长晶体切片的X-射线摇摆曲线谱；

图3是0.01Pa气压下生长晶体切片的电阻率分布图；

图4是200Pa氮气氛下生长晶体切片的X-射线摇摆曲线谱；

图5是200Pa氮气氛下生长晶体切片的电阻率分布图。

具体实施方式

本发明提出了一种用于生长高质量导电型碳化硅晶体的方法，所得晶体的电阻率可达0.001欧姆·厘米-0.1欧姆·厘米范围内，该方法包括以下步骤：

1)将已填充碳化硅原料和已粘结籽晶的坩埚放入晶体生长炉；

2)将晶体生长炉抽真空后，为晶体生长炉充入预定量的气体从而对晶体生长体系进行洗气，多次重复此步骤；

3)提高晶体生长炉的温度，使填充碳化硅原料的原料区具有2300-2700℃的温度，籽晶处具有1800-2300℃的温度；

4)将晶体生长炉的气压控制在0.01-200Pa范围内，开始快速生长导电型碳化硅晶体；

5)生长结束后，关闭电源或以一定的速率降低晶体生长炉温度至1000℃-1400℃后，随炉冷却至室温并得到高质量导电型碳化硅晶体。

其中，步骤1的晶体生长炉包括感应加热炉、石墨加热炉和/或W加热体炉。进一步，所用生长炉为感应加热炉，真空度可达10^-4Pa量级，最高真空度可达10^-5Pa量级。步骤1中将晶体生长炉加热至200-500℃后，再将晶体生长炉抽真空至10^-3Pa量级；

步骤2中充入预定量的气体包括充入10³-10⁶Pa的Ar或10³-10⁶Pa的N₂，在加热生长体系条件下并反复洗气的目的，是为了去除生长体系中吸附的水分和氧气；

步骤3可以通过坩埚材料的设计、坩埚结构的设计、保温材料的设计和/或保温结构的设计而实现；

步骤4控制晶体生长炉的气压在0.01-200Pa范围，生长体系内气氛为氮气或含氮混合气氛，快速生长导电型碳化硅晶体中晶体生长速度在0.6mm/h-3mm/h范围内；

步骤5通过向晶体生长炉内充入流动的惰性气体使得晶体生长炉的温度降至1000℃-1400℃，该降温过程中的降温速率在100℃/h-2000℃/h范围内。

通过使用本发明的方法，能够克服在传统的物理气相传输法生长导电型碳化硅晶体过程中晶体生长速度低、电阻率高的技术问题，可获得0.6-3mm/h的高晶体生长速度以及可达0.001欧姆·厘米-0.1欧姆·厘米范围内的低电阻率，从而实现高质量、低电阻率碳化硅晶体的快速生长，为进一步提高碳化硅晶体产量、降低成本提供了必要条件。此外，使用本发明的快速生长碳化硅晶体的方法能够制备出较大尺寸的晶体，并且能够有效降低晶体的缺陷。

以下通过实施例，来具体说明快速生长导电型SiC晶体的方法。

[实施例一]

将填充碳化硅原料和粘结好籽晶的坩埚放入晶体生长炉。加热晶体生长炉至300℃后，对晶体生长体系抽真空至10^-3Pa量级，再充入一定量氩气，重复此步骤操作3次对体系进行洗气。洗气结束后，开始晶体生长：升高体系温度使原料具有高的蒸发温度(2500-2700℃)，籽晶处具有相对低的温度(2100-2300℃)；控制体系氮气和氩气的混合气压为0.01Pa，进行晶体生长。生长结束后，关闭电源，产物随炉冷却至室温。取出生长晶体、切片、表面加工、表征。所得晶体的生长速度为3mm/h。图2显示了加工后晶片的X-射线衍射谱，晶片上三点(中心点，中心点延直径15mm处各取一点)(0004)晶面衍射峰半高宽均值为19.2弧秒，说明所得晶体具有非常高的结晶质量。图3显示了晶片的电阻率测试图，可以看到晶体的平均电阻率为0.02欧姆·厘米，不均匀性仅为1.09％，良好的导电性能可为制备高性能SiC基功率和照明器件提供保证。

[实施例二]

将填充碳化硅原料和粘结好籽晶的坩埚放入晶体生长炉。加热体系至400℃后，对晶体生长体系抽真空至10^-3Pa量级，再充入一定量氩气，重复此步操作3次对体系进行洗气。洗气结束后，开始晶体生长：提升体系温度使原料具有高的蒸发温度(2300-2500℃)，籽晶处具有相对低的温度(1800-2100℃)；控制体系氮气和氩气的混合气压为200Pa，进行晶体生长。生长结束后，关闭电源，产物随炉冷却至室温。取出生长晶体、切片、表面加工、表征。所得晶体的生长速度为1.0mm/h。图4显示了加工后晶片的X-射线衍射谱，晶片上三点(中心点，中心点延直径15mm处各取一点)(0004)晶面衍射峰半高宽均值为19.2弧秒，说明所得晶体具有非常高的结晶质量。图5显示了晶片的电阻率测试图，可以看到晶体的平均电阻率为0.01欧姆·厘米，不均匀性仅为2.02％，良好的导电性能可为制备高性能SiC基功率和照明器件提供保证。

在本发明一种用于生长高质量导电型碳化硅晶体的方法中，为了提高晶体的生长速率，可根据所需生长晶体的尺寸对生长晶体所用坩埚尺寸进行设计调整。适用的坩埚材料包括石墨、碳化钽等。

通过设计晶体生长体系内的温场以及气压，使所得晶体的生长速度超出常规的碳化硅单晶生长速度，使本发明的晶体生长方法的晶体生长速度达到0.6-3mm/h，尤其使生长速度大于1mm/h。

本发明对晶体生长所用原料没有特别要求，即普通碳化硅原料以及高纯碳化硅原料均可适用。极低电阻率的形成主要在于对生长体系氮气成分的控制，使大量氮成功注入晶体，在晶体中形成高浓度的浅施主能级，从而提供大量可自由移动的电子作为载流子，因此对生长体系以及原料中存在其他较低浓度(＜10¹⁸/cm³)杂质没有特别要求。

应该指出，上述的具体实施方式只是对本发明进行详细说明，它不应是对本发明的限制。对于熟悉本领域技术的人员而言，在不偏离权利要求的宗旨和范围时，可以有多种形式和细节的变化。

Claims (10)

1.一种用于生长高质量导电型碳化硅晶体的方法，具体为：

1)将已填充碳化硅原料和已粘结籽晶的坩埚放入晶体生长炉；

2)将晶体生长炉抽真空后，为晶体生长炉充入预定量的气体从而对晶体生长体系进行洗气，多次重复此步骤；

3)提高晶体生长炉的温度，使填充碳化硅原料的原料区具有2300-2700℃的温度，籽晶处具有1800-2300℃的温度；

4)将晶体生长炉的气压控制在0.01-200Pa范围内，开始快速生长导电型碳化硅晶体；

5)生长结束后，关闭电源或以设定的速率降低晶体生长炉温度至1000℃-1400℃后，随炉冷却至室温并得到高质量导电型碳化硅晶体。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)的晶体生长炉包括感应加热炉、石墨加热炉和/或W加热体炉。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶体生长炉为感应加热炉，真空度可达10^-4Pa量级，最高真空度可达10^-5Pa量级。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)的充入预定量的气体包括充入10³-10⁶Pa的Ar或10³-10⁶Pa的N₂。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)通过坩埚材料的设计、坩埚结构的设计、保温材料的设计和/或保温结构的设计而实施。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)控制晶体生长炉的气压在0.01-200Pa范围，生长体系内气氛为氮气或含氮混合气氛，所述晶体生长速度在0.6mm/h-3mm/h范围内。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)降温速率在100℃/h-2000℃/h范围内。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高质量导电型碳化硅晶体的电阻率在0.001欧姆·厘米～0.1欧姆·厘米范围内。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳化硅晶体为4H-SiC晶体或6H-SiC晶体。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)还包括向晶体生长炉内充入流动的惰性气体。

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