CN108166058A - 4H-SiC晶体生长方法 - Google Patents

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    • C30B9/08—Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents by cooling of the solution using other solvents
    • C30B9/10—Metal solvents

Abstract

本发明提供了一种4H‑SiC晶体生长方法，包括：制作多晶碳化硅与金属的混合物，将所述多晶碳化硅与金属的混合物作为原材料生长4H‑SiC晶体，所述多晶碳化硅与金属的混合物被加热融化，能够使硅与碳均匀混合，保证形成的4H‑SiC晶体中硅的含量，提高4H‑SiC晶体的质量。

Description

4H-SiC晶体生长方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种4H-SiC晶体生长方法。
背景技术
作为第三代宽带隙半导体材料的一员，相对于常见的硅(Si)和砷化钙(GaAs)等半导体材料，碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大、载流子饱和迁移速度高，热导率高、临界击穿场强高等诸多优异的性质。基于这些优良的特性，碳化硅材料是制备高温电子器件、高频大功率器件更为理想的材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。在光电子领域，相对传统衬底材料Si与蓝宝石，SiC晶格及热适配更小，用SiC衬底制作的LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)性能远优于蓝宝石衬底。
物理气相传输法是目前制备SiC衬底的主要方法。在典型的物理气相传输中，籽晶和源粉二者均被放置在加热到源粉能够升华温度的坩埚中，且在源粉和温度较低的籽晶之间产生温度梯度，这个温度梯度促进了物质从源粉到籽晶的气相移动，随后源粉升华的物质在籽晶上凝结从而导致晶体的生长。
SiC材料具有200多种同素异构体，目前常见的晶型有6H-SiC，4H-SiC和3H-SiC。SiC常见的晶型结构中，4H-SiC电子迁移率是6H-SiC的两倍多，具有较弱的各向异性，被认为是制备高频大功率器件最有前途的SiC材料。4H-SiC晶体生长方法主要包括：移动溶剂法(Traveling Solvent Method，TSM)、缓慢冷却技术(Slow Cooling Technique，SCT)、气液固方法(Vapor Liquid Solid，VLS)以及顶部籽晶溶盐法(Top Seeded Solution Growth，TSSG)。
在TSSG方法中，硅源、碳源在碳石墨坩埚中被加热，碳持续的从碳石墨坩埚的表面析出，然而硅的含量有限，导致最后形成的晶体中缺少硅，从而影响4H-SiC晶体的质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种4H-SiC晶体生长方法，提高4H-SiC晶体的质量。
本发明的技术方案是一种4H-SiC晶体生长方法，包括：制作多晶碳化硅与金属的混合物，将所述多晶碳化硅与金属的混合物作为原材料生长4H-SiC晶体。
进一步的，还包括：将所述多晶碳化硅与金属的混合物放入碳石墨坩埚中，将所述碳石墨坩埚放入腔室内采用顶部籽晶溶盐法生长4H-SiC晶体。
进一步的，采用化学气相沉积的方法形成所述多晶碳化硅与金属的混合物；反应气体为：SiHCl3、C3H8与M(C2H5)n，其中，M为所述金属，n为正整数。
进一步的，所述金属为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、或镥。
进一步的，在所述反应气体中，所述Si与M的质量比为1:0.6～1:0.7，所述Si与C的原子比为1:1。
进一步的，在所述化学气相沉积中，反应腔室的温度为1200℃～1300℃，压力为760Torr。
进一步的，所述顶部籽晶溶盐法包括：升高所述腔室的温度使所述多晶碳化硅与金属的混合物融化；将4H-SiC籽晶放置于融化的所述多晶碳化硅与金属的混合物的表面生长4H-SiC晶体。
进一步的，在生长4H-SiC晶体的过程中，不断地从所述腔室的一端中通入氩气，从所述腔室的另一端排出废气。
进一步的，采用射频加热、电阻加热或红外辐射加热的方法升高所述腔室的温度。
进一步的，形成所述4H-SiC晶体之后，采用冷却的氩气对所述腔室进行冷却。
与现有技术相比，本发明提供的4H-SiC晶体生长方法中，采用多晶碳化硅与金属的混合物作为原材料生长4H-SiC晶体，所述多晶碳化硅与金属的混合物被加热融化，能够使硅与碳均匀混合，保证形成的4H-SiC晶体中硅的含量，提高4H-SiC晶体的质量。
附图说明
图1为本发明一实施例所提供的4H-SiC晶体生长方法的流程示意图。
图2为本发明一实施例所提供的4H-SiC晶体生长方法所采取的装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应对此作为本发明的限定。
本发明的核心思想是：采用多晶碳化硅与金属的混合物作为原材料生长4H-SiC晶体，所述多晶碳化硅与金属的混合物被加热融化，能够使硅与碳均匀混合，保证形成的4H-SiC晶体中硅的含量，提高4H-SiC晶体的质量。
图1为本发明一实施例所提供的4H-SiC晶体生长方法的流程示意图，如图1所示，本发明提出一种4H-SiC晶体生长方法，包括以下步骤：
步骤S01：制作多晶碳化硅与金属的混合物；
步骤S02：将所述多晶碳化硅与金属的混合物放入碳石墨坩埚中，将所述碳石墨坩埚放入腔室内；
步骤S03：升高所述腔室的温度使所述多晶碳化硅与金属的混合物融化；
步骤S04：将4H-SiC籽晶放置于融化的所述多晶碳化硅与金属的混合物的表面生长4H-SiC晶体。
请参考图1所示，详细说明本发明提出的4H-SiC晶体生长方法：
在步骤S01中，制作多晶碳化硅与金属的混合物，将所述多晶碳化硅与金属的混合物作为生长4H-SiC晶体的原材料。
本实施例中，采用化学气相沉积的方法形成所述多晶碳化硅与金属的混合物；在反应腔室中通入的反应气体为：SiHCl3、C3H8与M(C2H5)n，其中，M为所述多晶碳化硅与金属的混合物中的金属，所述金属为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)或镥(Lu)，n为正整数。
在所述反应气体中，所述Si与M的质量比为1:0.6～1:0.7，所述Si与C的原子比为1:1。所述反应腔室的温度为1200℃～1300℃，压力为760Torr。
在步骤S02中，将所述多晶碳化硅与金属的混合物放入碳石墨坩埚中，将所述碳石墨坩埚放入腔室内。所述腔室为采用顶部籽晶溶盐法生长4H-SiC晶体的腔室，本实施例中，采用顶部籽晶溶盐法生长4H-SiC晶体。
在步骤S03中，升高所述腔室的温度使所述多晶碳化硅与金属的混合物融化。通过位于所述腔室外部的加热装置对腔室进行加热，升高所述腔室的温度，使得位于所述碳石墨坩埚中的多晶碳化硅与金属的混合物融化。
在步骤S04中，将4H-SiC籽晶放置于融化的所述多晶碳化硅与金属的混合物的表面生长4H-SiC晶体。待所述多晶碳化硅与金属的混合物融化之后，将所述4H-SiC籽晶放置于融化的所述多晶碳化硅与金属的混合物的上表面，即将所述4H-SiC籽晶放置于液体的硅、碳、金属的上表面，硅与碳在所述4H-SiC籽晶上凝结从而形成4H-SiC晶体。
图2为本发明一实施例所提供的4H-SiC晶体生长方法所采取的装置的结构示意图，如图2所示，所述装置包括腔室10、位于腔室10内的碳石墨坩埚20，所述碳石墨坩埚20内放置有多晶碳化硅与金属的混合物30，在所述腔室10的顶部设置有籽晶夹持装置40，所述籽晶夹持装置40夹持有4H-SiC籽晶50。在所述腔室10的侧壁外设置有加热装置60，用于升高腔室10的温度。
首先制作所述多晶碳化硅与金属的混合物30，然后将所述多晶碳化硅与金属的混合物30放置于所述碳石墨坩埚20内，将所述碳石墨坩埚20放置于所述腔室10内。
通过所述加热装置60升高所述腔室10的温度，使所述多晶碳化硅与金属的混合物20融化。所述加热装置50可以为射频加热器(RF heater)、电阻加热器(resistive Heater)或红外辐射加热器(IR heater)，采用射频加热、电阻加热或红外辐射加热的方法升高所述腔室10的温度，当然也可以采用本领域技术人员已知的其他方式进行加热，或者所述加热装置60属于所述腔室10的一部分，由使用的腔室10决定加热方式。
待所述多晶碳化硅与金属的混合物20融化之后，移动所述籽晶夹持装置40，将所述4H-SiC籽晶50放置于所述多晶碳化硅与金属的混合物20的上表面，即将所述4H-SiC籽晶50放置于液体的硅、碳、金属的上表面，硅与碳在所述4H-SiC籽晶50上凝结从而形成4H-SiC晶体。
所述腔室10的顶端设置有第一开口11，在底部设置有第二开口12，在生成4H-SiC晶体的过程中，不断地从所述腔室的第一开口中通入氩气(Ar)，从腔室10的第二开口中排出废气。并且，形成所述4H-SiC晶体之后，采用冷却的氩气对所述腔室进行冷却。
综上所述，本发明提供的4H-SiC晶体生长方法，采用多晶碳化硅与金属的混合物作为原材料生长4H-SiC晶体，所述多晶碳化硅与金属的混合物被加热融化，能够使硅与碳均匀混合，保证形成的4H-SiC晶体中硅的含量，提高4H-SiC晶体的质量。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种4H-SiC晶体生长方法，其特征在于，包括：制作多晶碳化硅与金属的混合物，将所述多晶碳化硅与金属的混合物作为原材料生长4H-SiC晶体。
2.如权利要求1所述的4H-SiC晶体生长方法，其特征在于，还包括：将所述多晶碳化硅与金属的混合物放入碳石墨坩埚中，将所述碳石墨坩埚放入腔室内采用顶部籽晶溶盐法生长4H-SiC晶体。
3.如权利要求2所述的4H-SiC晶体生长方法，其特征在于，采用化学气相沉积的方法形成所述多晶碳化硅与金属的混合物；反应气体为：SiHCl3、C3H8与M(C2H5)n，其中，M为所述金属，n为正整数。
4.如权利要求3所述的4H-SiC晶体生长方法，其特征在于，所述金属为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、或镥。
5.如权利要求3所述的4H-SiC晶体生长方法，其特征在于，在所述反应气体中，所述Si与M的质量比为1:0.6～1:0.7，所述Si与C的原子比为1:1。
6.如权利要求5所述的4H-SiC晶体生长方法，其特征在于，在所述化学气相沉积中，反应腔室的温度为1200℃～1300℃，压力为760Torr。
7.如权利要求3所述的4H-SiC晶体生长方法，其特征在于，所述顶部籽晶溶盐法包括：升高所述腔室的温度使所述多晶碳化硅与金属的混合物融化；将4H-SiC籽晶放置于融化的所述多晶碳化硅与金属的混合物的表面生长4H-SiC晶体。
8.如权利要求7所述的4H-SiC晶体生长方法，其特征在于，在生长4H-SiC晶体的过程中，不断地从所述腔室的一端中通入氩气，从所述腔室的另一端排出废气。
9.如权利要求8所述的4H-SiC晶体生长方法，其特征在于，采用射频加热、电阻加热或红外辐射加热的方法升高所述腔室的温度。
10.如权利要求9所述的4H-SiC晶体生长方法，其特征在于，形成所述4H-SiC晶体之后，采用冷却的氩气对所述腔室进行冷却。
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