CN103160928A

CN103160928A - 一种生长高质量SiC单晶的籽晶处理方法

Info

Publication number: CN103160928A
Application number: CN2011104144361A
Authority: CN
Inventors: 李翠; 杨志民; 杨立文; 蒋秉轩
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明公开了一种用于生长高质量SiC晶体的籽晶处理方法。该籽晶处理方法包括：在籽晶生长面的反面即籽晶背面通过磁控溅射、热蒸发等方法形成金属膜层，该金属膜层再经过热处理形成致密的金属化合物致密膜层。该金属化合物致密膜层在生长温度下稳定而且致密，抑制了籽晶背面的分解蒸发，消除了晶体生长过程中由籽晶背面背向分解蒸发导致的平面六方空洞缺陷，极大地提高了碳化硅的晶体质量和产率。

Description

一种生长高质量SiC单晶的籽晶处理方法

技术领域

本发明涉及一种生长高质量SiC单晶的籽晶处理方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术

以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料在性能上比第一、第二代半导体材料具有更明显的优势，在器件应用上存在更大的潜力。随着现代科技的发展和进步，越来越多的领域需要工作频率高、化学稳定性好、耐高温、功率密度高以及耐辐射强的材料和器件，第三代半导体的兴起成为了必然趋势。第三代半导体中技术最为成熟的就是SiC。SiC为间接带隙半导体，其带隙宽、热导率高、击穿强度高、化学性能好、抗辐射能力强，具有非常明显的优势。

目前生长SiC单晶体最成功的方法是物理气相输运法(PVT法)，典型的生长室结构示意图如图1所示。坩埚由坩埚盖和坩埚下部空间组成，坩埚盖用于固定籽晶，坩埚下部空间用于填装SiC原料。在生长SiC晶体过程中，SiC籽晶通过粘结剂或机械固定的方法固定到籽晶盖上。生长SiC晶体所用的坩埚材料主要为三高石墨(高强度、高密度和高纯度)。晶体生长过程可以简单地分为三个过程，即SiC原料的分解升华，分解升华的气氛在原料与籽晶间的传输过程，气氛在籽晶前表面生长的过程。

尽管石墨坩埚为三高石墨，但其孔隙率仍可达到10％以上。石墨坩埚盖存在的孔隙以及粘结剂在高温下生成的一些气孔会在晶体生长过程中产生不利的影响。这些气孔内部与气孔周围区域的导热性存在一定的差异，这些差异导致籽晶背面温度分布不均匀。同时，为满足晶体生长需求，坩埚内部温场分部如图2所示，籽晶背面到坩埚盖之间温度也是由高到低。因此，在籽晶背面，气孔与籽晶相连的地方，籽晶会发生分解，产生蒸汽。这些蒸汽会从坩埚盖以及粘结剂的气孔中逸出。籽晶的分解和蒸汽的逸出是一个持续的过程。籽晶背面分解的区域随着蒸汽的不断逸出，而不断向下伸展扩大，当这些区域形成一个闭合的气体包裹体在晶体中向温度升高的地方运动后便形成了平面六方空洞缺陷。平面六方空洞的几何形貌与SiC单晶的晶体结构相关。这些缺陷的存在，急剧地降低了晶片的质量和产率。因此提供一种抑制和消除籽晶的背向分解蒸发的籽晶处理方法非常必要。

发明内容

针对目前SiC晶体生长过程中普遍存在籽晶背向二次蒸发的问题，本发明的目的在于提供一种用于生长高质量SiC晶体的籽晶处理方法。该籽晶处理方法的使用能显著地减少晶体中的平面六方空洞缺陷，提高晶片的质量和产率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于生长高质量SiC晶体的籽晶处理方法，包括在SiC籽晶背面形成金属膜层，然后将该金属膜层经过一次或多次热处理形成金属化合物致密膜层。

金属化合物致密膜层在SiC晶体生长温度下极其稳定，既不升华也不产生杂质气氛，同时在高温下具有致密性，能阻止气体分子的通过。

所述热处理包括低温热处理和高温热处理过程，其中低温热处理过程为：在氩气气氛下将镀有金属膜的籽晶放入石墨坩埚中，加热到500～1000℃保温30～200分钟；高温热处理过程为：将经过低温热处理过程的籽晶片放入石墨坩埚中，在氩气气氛中，加热到1800～2300℃保温30～300分钟。

所述氩气气氛的气压为5000Pa～10⁵Pa。

所述金属膜层采用热蒸发、磁控溅射、电子束蒸发或脉冲激光沉积法沉积在籽晶背面。

所述金属膜层的材料选自钨、钽、钼、锇、铱、铼、铌、钛和锆中的高熔点金属或其合金、或该些金属的碳化物、硼化物或氮化物。

所述金属碳化致密物膜层为单层膜或多层膜，每层膜的厚度为0.2～5微米，优选为0.5～1微米。形成每一层金属化合物致密膜层所选用的材料可以相同也可以不同。

所述籽晶为SiC籽晶。SiC晶体的晶格结构由致密排列的两个亚晶格组成，具有多种晶型，每种晶型的C/Si双原子层的堆垛次序不同，不同晶型的SiC晶体具有不同的电学性能与光学性能。本发明的SiC籽晶为4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC或3C-SiC。

本发明的优点是：

通过本发明的籽晶处理方法，在籽晶生长面的反面即籽晶背面形成金属化合物致密膜层。该金属化合物致密膜层在生长温度下稳定而且致密，抑制了籽晶背面的分解蒸发，消除了晶体生长过程中由籽晶背面背向分解蒸发导致的平面六方空洞缺陷。采用本发明的籽晶处理方法后，平面六方空洞减少90％以上，极大地提高了碳化硅的晶体质量和产率。

附图说明

图1为物理气相输运法生长SiC晶体的典型生长室结构示意图；

图2物理气相输运法生长SiC晶体的典型生长室温场分布示意图；

图3目前PVT法生长SiC晶体普遍使用的籽晶粘接示意图；

图4晶体生长过程中籽晶背向蒸发示意图；

图5籽晶处理后粘接示意图；

图6a为采用未处理籽晶生长的6H-SiC晶体横截面的SEM图；图6b为采用本发明处理后的籽晶生长的6H-SiC晶体横截面的SEM图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不受这些实施例的限制。

如图1、图3所示，是目前PVT法生长SiC晶体普遍使用的生长室结构示意图和籽晶粘接示意图。其中坩埚盖1是由三高石墨加工而成，孔隙率为10％(此图中未画出)，坩埚盖1的内表面8的平整度优于10微米。籽晶3通过粘结剂2粘到坩埚盖1的内表面8上。在坩埚盖的下部空间4内放置SiC原料5。

由于机械加工精度较差，粘结剂粘接不均匀等因素，导致籽晶背面9与坩埚盖内表面8之间存在气孔10。气孔10内部区域与气孔10外部区域存在导热率的差异，造成籽晶背面9温度分布不均匀。如图2至图4所示，晶体生长时，坩埚内存在温度梯度，该温度梯度导致气孔10与籽晶背面9相连的地方，以及籽晶背面9发生分解，产生蒸汽11。这些蒸汽11会从坩埚盖外表面7以及粘结剂的气孔10中逸出。籽晶背面9的分解和蒸汽11的逸出是一个持续的过程。籽晶背面9分解的区域12随着蒸汽11的不断逸出，而不断向下伸展扩大，当这些区域形成一个闭合的气体包裹体在晶体中向温度升高的地方运动后便形成了平面六方空洞缺陷13。该缺陷的形成严重地降低了晶片的质量和产率。

图5是籽晶经处理后的粘接示意图。该籽晶处理方法是在籽晶背面9形成单层或者多层高熔点金属化合物致密膜层14，该致密膜层14能有效地抑制籽晶背面9的背向蒸发过程的进行，从而显著地消除了籽晶背面9背向蒸发所造成的平面六方空洞缺陷13，极大地提高了晶片的质量和产率。

实施例1

采用直流磁控溅射的方法，在6H-SiC籽晶生长面的背面表面溅射1微米的钽膜，工艺条件为：用模具或掩膜板保护SiC籽晶生长面，防止生长面受到污染。使用金属钽靶在气压为0.13Pa、电流为1.5A的条件下，向SiC籽晶生长面的背面表面沉积1微米厚的钽膜。然后将镀有钽膜的籽晶放入石墨坩埚中，在氩气气氛下以5℃/分钟的升温速率加热到800℃，保温100分钟，该氩气气氛的气压为10⁵Pa。然后将镀有钽膜的籽晶在该氩气气氛下加热到2200℃保温50分钟。此时，银白色的金属钽膜转化为金黄色的TaC膜。

将未经过处理的籽晶和经过以上步骤处理的籽晶分别粘接在石墨坩埚盖上，在同样的生长条件下进行晶体生长试验，得到的晶体如图6a和图6b所示。从图6a可以看出，未经过处理的籽晶生长得到的晶体内部有较多的反光面，即平面六方空洞。与图6a相比，经过处理的籽晶生长的晶体出现的平面六方空洞很少，减少90％以上，如图6b所示。

实施例2

采用直流磁控溅射的方法，在6H-SiC籽晶生长面的背面表面溅射1微米的钽膜，工艺条件为：用模具或掩膜板保护SiC籽晶生长面，防止生长面受到污染。使用金属钽靶在气压为0.13Pa、电流为1.5A的条件下，向SiC籽晶生长面的背面表面沉积0.5微米厚的钽膜。然后将镀有金属膜的籽晶放入石墨坩埚中，在氩气气氛下以5℃/分钟的升温速率下加热到800℃，保温100分钟，该氩气气氛的气压为10⁵Pa。然后将镀有钽膜的籽晶在该氩气气氛下加热到2200℃保温50分钟。此时，银白色的金属钽膜转化为金黄色的TaC膜。

重复以上工艺过程，在SiC籽晶生长面的背面表面形成6层总厚度为3微米的TaC膜层。将经过如此处理的籽晶粘接在石墨坩埚该上进行生长试验，同未经过处理的籽晶在同样的生长条件下生长得到的晶体相比，经过处理的籽晶生长的晶体出现的平面六方空洞减少90％以上。

Claims

1.一种用于生长高质量SiC晶体的籽晶处理方法，其特征在于：该方法包括在籽晶背面形成金属膜层，然后将该金属膜层经过一次或多次热处理形成金属化合物致密膜层。

2.根据权利要求1所述的籽晶处理方法，其特征在于：所述热处理包括低温热处理和高温热处理过程，其中低温热处理过程为：在氩气气氛下将镀有金属膜的籽晶放入石墨坩埚中，加热到500～1000℃保温30～200分钟；高温热处理过程为：将经过低温热处理过程的籽晶片放入石墨坩埚中，在氩气气氛中，加热到1800～2300℃保温30～300分钟。

3.根据权利要求2所述的籽晶处理方法，其特征在于：所述氩气气氛的气压为5000Pa～10⁵Pa。

4.根据权利要求1所述的籽晶处理方法，其特征在于：所述金属膜层采用热蒸发、磁控溅射、电子束蒸发或脉冲激光沉积法沉积在籽晶背面。

5.根据权利要求1所述的籽晶处理方法，其特征在于：所述金属膜层的材料选自钨、钽、钼、锇、铱、铼、铌、钛和锆中的高熔点金属或其合金、或该些金属的碳化物、硼化物或氮化物。

6.根据权利要求1-5任一项所述的籽晶处理方法，其特征在于：所述金属化合物致密膜层为单层膜或多层膜，每层膜的厚度为0.2～5微米。

7.根据权利要求6所述的籽晶处理方法，其特征在于：每层膜的厚度为0.5～1微米。

8.根据权利要求6所述的籽晶处理方法，其特征在于：形成每一层金属化合物致密膜层所选用的材料相同或不同。

9.根据权利要求1所述的籽晶处理方法，其特征在于：所述籽晶为SiC籽晶。

10.根据权利要求9所述的籽晶处理方法，其特征在于：所述SiC籽晶为4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC或3C-SiC。