CN111334860B - 一种高质量碳化硅晶体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体材料技术领域，提供了一种高质量碳化硅晶体的制备方法，采用高温化学气相沉积法制备碳化硅晶体的过程中通入氯气。所述氯气持续通入或间断通入。所述氯气从反应腔体的上方、下方或侧面通入。本发明通过在碳化硅生长的反应腔体中通入Cl2，对新生成的碳化硅表面的台阶聚集处产生刻蚀反应，从而减少晶体边缘位错缺陷的形成，提高碳化硅晶体质量。

Description

一种高质量碳化硅晶体的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，具体涉及一种高质量碳化硅晶体的制备方法。
背景技术
碳化硅单晶具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大和介电常数小及物理和化学性能稳定等独特的性能，被认为是制造高温、高压、高频大功率器件等理想的半导体材料。目前常用的碳化硅单晶的生长方法主要有物理气相传输法(PVT)和高温化学气相沉积法(HTCVD)。
高温化学气相沉积法(HTCVD)采用硅源气体和碳源气体作为反应气体，小分子气体作为载流子气体，在特定的温度梯度和压强下，在反应气体在籽晶表面进行化学反应生长碳化硅，并且有序沉积结晶而进行的晶体生长。
通常碳化硅晶体生长过程中，特别是晶体的边缘,容易产生晶型型变、微管、位错等缺陷，严重影响晶体质量。原因是生长过程中，由于气相组分过饱等参数使籽晶边缘进行择优生长，从而产生了偏离籽晶方向的晶格失配区域，在晶格失配区域，产生大量的晶型型变、微管以及不同种类的位错。晶体生长后，晶体的边缘出现大量的型变、微管、位错等缺陷，造成晶体质量差,且边缘表面出现条纹状不规则的层错形貌，给后续晶片加工带来碎片或裂纹的风险。因此，需要提供一种高质量碳化硅晶体生长的方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种高质量碳化硅晶体的制备方法，以提供高质量的碳化硅晶体。
本发明提供一种高质量碳化硅晶体的制备方法，采用高温化学气相沉积法制备碳化硅晶体的过程中通入氯气。
可选地，所述氯气持续通入或间断通入。
可选地，间断通入是指每通入m秒即停止n秒，接着继续通入m秒，停止n秒，重复至反应结束，其中，0＜m≤7200，0＜n≤7200。
可选地，通入氯气的流速为50-300sccm。
可选地，所述氯气从反应腔体的上方、下方或侧面通入。
可选地，制备碳化硅晶体的过程中需通入硅源气体、碳源气体以及载流子气体，且反应温度为2100-2450℃，反应时腔体内压力保持为100-30000pa。
可选地，所述氯气从所述反应腔体开始升温时通入，至所述反应腔体降温至室温后停止。
可选地，所述硅源气体包括SiH4，所述碳源气体包括CH4、C2H4、C2H6或C3H8，所述载流子气体包括H2或He。
可选地，所述硅源气体的流速为20-200sccm，所述碳源气体的流速为10-100sccm，所述载流子气体的流速为1-5slm。
由上述技术方案可知，本发明提供的高质量碳化硅晶体的制备方法，通过在碳化硅生长的反应腔体中通入Cl2，对新生成的碳化硅表面的台阶聚集处产生刻蚀反应，从而减少晶体边缘位错缺陷的形成，提高碳化硅晶体质量。
本发明对于氯气的通气方向，特别采用了从反应腔体的顶部向下通气，这样可以更有针对性地解决晶体边缘缺陷的问题。
本发明对于氯气的通入时间，特别采用了断续通入的方式，可以恰好刻蚀碳化硅晶体表面的台阶聚集处，使之更加平滑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本发明实施例1所制备的碳化硅晶体的外观图；
图2是本发明实施例2所制备的碳化硅晶体的外观图；
图3是本发明实施例3所制备的碳化硅晶体的外观图；
图4是本发明实施例1所制备的碳化硅晶片的XRD图；
图5是本发明实施例2所制备的碳化硅晶片的XRD图；
图6是本发明实施例3所制备的碳化硅晶片的XRD图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
本申请中所有气体通入到反应腔体中以及对反应腔体进行抽真空、抽气等操作均通过阀门实现其通入与关闭。
本申请提供了一种高质量碳化硅晶体的制备方法，采用高温化学气相沉积(HTCVD)法制备碳化硅晶体的过程中通入氯气。
首先，在进行反应之前需对反应腔体进行洗气，洗气一般有以下几个步骤：
步骤S1:对反应腔体进行抽真空处理，使反应腔体内气压小于10-5Pa；
步骤S2：向所述反应腔体中通入氩气，氩气的通入流速为10-30slm，直至反应腔体内气压达到80000-90000pa，停止通入氩气；
步骤S3：对所述反应腔体进行抽气，使反应腔体内气压再次小于10-5Pa；
步骤S4：重复步骤S2-S3的操作2-5次。
至此，可以完全去除反应腔体内的空气，为碳化硅的生长提供无氧环境。
接着，对反应腔体进行加热，加热至2100-2450℃，加热速率为1-10℃/min；
然后，从反应腔体的下方向反应腔体内通入硅源气体、碳源气体以及载流子气体，同时以50-300sccm的流速通入氯气，可以从反应腔体的上方、下方或侧面通入氯气。
最后，反应生长完成后，停止通气，以1-30slm的流速向反应腔体内通入氩气，使反应腔体内气压达到标准大气压，以1-10℃/min的速率对反应腔体降温至室温。
实施例1
本发明实施例1提供了一种碳化硅晶体的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1:对反应腔体进行抽真空处理，使反应腔体内气压小于10-5Pa；
步骤S2：向所述反应腔体中通入氩气，氩气的通入流速为30slm，直至反应腔体内气压达到80000pa，停止通入氩气；
步骤S3：对所述反应腔体进行抽气，使反应腔体内气压再次小于10-5Pa；
步骤S4：重复步骤S2-S3的操作5次。
步骤S5：对反应腔体进行加热，加热至2350℃，加热速率为10℃/min；
步骤S6：从反应腔体的下方向反应腔体内通入硅源气体SiH4、碳源气体C2H4以及载流子气体H2，打开控压蝶阀以保持反应腔体内的压力为500Pa，反应生长150h，其中硅源气体SiH4的流速为100sccm，碳源气体C2H4的流速为40sccm，载流子气体H2的流速为2slm；
步骤S7：反应生长完成，停止通气，以10slm的流速向反应腔体内通入氩气，使反应腔体内气压达到标准大气压，以1-10℃/min的速率对反应腔体降温至室温，取出晶体，即为所制备的碳化硅晶体。
实施例2
实施例2与实施例1的方案基本相同，区别在于实施例2在反应生长的150h内，从反应腔体的上方持续通入氯气，氯气的流速为200sccm。
实施例3
实施例3与实施例1的方案基本相同，区别在于实施例3在反应生长的150h内，从反应腔体的上方每通入一小时即停止一小时，接着继续通入一小时，停止一小时，重复至生长结束，氯气的流速为200sccm。
实施例4
实施例4与实施例1的方案基本相同，区别在于实施例4在反应生长的150h内，从反应腔体的上方每通入两小时即停止一小时，接着继续通入两小时，停止一小时，重复至生长结束，氯气的流速为200sccm。
实施例5
实施例5与实施例1的方案基本相同，区别在于实施例5在反应生长的150h内，从反应腔体的上方每通入一小时即停止两小时，接着继续通入一小时，停止两小时，重复至生长结束，氯气的流速为200sccm。
实施例6
实施例6与实施例1的方案基本相同，区别在于实施例6在反应生长的150h内，从反应腔体的上方持续通入氯气和氩气，氯气的流速为200sccm，氩气的流速为2slm。
实施例7
实施例7与实施例1的方案基本相同，区别在于实施例7在反应生长的150h内，从反应腔体的上方持续通入氯气，氯气的流速为50sccm。
实施例8
实施例8与实施例1的方案基本相同，区别在于实施例8在反应生长的150h内，从反应腔体的上方持续通入氯气，氯气的流速为300sccm。
实施例9
实施例9与实施例1的方案基本相同，区别在于实施例9在反应生长的150h内，从反应腔体的下方持续通入氯气，氯气的流速为200sccm。
实施例10
实施例10与实施例1的方案基本相同，区别在于实施例10在反应生长的150h内，从反应腔体的侧面持续通入氯气，氯气的流速为200sccm。
实施例11
实施例11与实施例2的方案基本相同，区别在于实施例11中的碳源气体选用CH4。
实施例12
实施例12与实施例2的方案基本相同，区别在于实施例12中的碳源气体选用C2H6。
实施例13
实施例13与实施例2的方案基本相同，区别在于实施例13中的碳源气体选用C3H8。
实施例14
实施例14与实施例2的方案基本相同，区别在于实施例14中的载流子气体选用He。
图1是本发明实施例1所制备的碳化硅晶体的外观图；图2是本发明实施例2所制备的碳化硅晶体的外观图；图3是本发明实施例3所制备的碳化硅晶体的外观图。由图1-3可以看出，图1中示出的碳化硅晶体外表面有明显的缺陷、位错和层错条纹，晶体边缘“毛刺”现象严重，晶体质量差。而图2中示出的碳化硅晶体外表面相对于图1中的碳化硅晶体的外表面则无位错、层错现象，边缘无“毛刺”，晶体质量优；主要是由于通入Cl2对新生成的SiC表面的台阶聚集处(step bunching)产生刻蚀反应(etch reaction)，刻蚀后形成SiH2Cl2气体排出腔体，同时形成的C与腔体内多余的Si蒸汽反应再形成SiC，从而可以减少位错缺陷的形成，从而提高晶体质量。
图3中示出的碳化硅晶体外表面则具有较图2中的碳化硅晶体更光滑的外表面，这主要是由于实施例2中在整个生长过程中持续通入的氯气会对碳化硅晶体产生过度的腐蚀。因而，图3中采用氯气通入1小时，停止1小时，间断进入到反应腔体中的氯气可以恰好刻蚀碳化硅晶体表面的台阶聚集处，使之更加平滑。
取出实施例1-实施例3中各一片晶片进行XRD检测，检测时的位置是距离晶片边缘5mm的位置，在晶片主定位边180°的方向(正对主定位边)。检测完成后通过检测图谱中的FWHM(半峰全宽)来表征晶体的结晶质量，FWHM数值越小，表明晶体的结晶质量越高。图4是本发明实施例1所制备的碳化硅晶片的XRD图；图5是本发明实施例2所制备的碳化硅晶片的XRD图；图6是本发明实施例3所制备的碳化硅晶片的XRD图。由图4-图6可以看出，图4中FWHM＝131.4″，图5中FWHM＝21.6″，图6中FWHM＝14.4″，由此可以看出，实施例2和实施例3的碳化硅晶体的结晶质量远远优于实施例1的碳化硅晶体，而且实施例3的碳化硅晶体的结晶质量略高于实施例2的碳化硅晶体，证实间断通入的氯气更利于获得高质量的碳化硅晶体。
对实施例1-实施例13获得的碳化硅晶片的尺寸和质量进行检测，结果参见表1。
表1
Figure BDA0002409221430000071
Figure BDA0002409221430000081
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值并不限制本发明的范围。在这里示出和描述的所有示例中，除非另有规定，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (2)

1.一种高质量碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，采用高温化学气相沉积法制备碳化硅晶体的过程中通入氯气，所述氯气间断通入，每通入一小时即停止一小时，接着继续通入一小时，停止一小时，重复至生长结束，氯气的流速为200sccm，所述氯气从反应腔体的上方通入；制备碳化硅晶体的过程中需通入硅源气体、碳源气体以及载流子气体，且反应温度为2100-2450℃，反应时腔体内压力保持为100-30000pa；所述氯气从所述反应腔体开始升温时通入，至所述反应腔体降温至室温后停止；所述硅源气体的流速为20-200sccm，所述碳源气体的流速为10-100sccm，所述载流子气体的流速为1-5slm。
2.根据权利要求1所述的高质量碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，所述硅源气体包括SiH4，所述碳源气体包括CH4、C2H4、C2H6或C3H8，所述载流子气体包括H2或He。
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