CN115261976A - 降低碳化硅晶体生长过程中bpd缺陷的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置及方法，所述装置包括电极组，所述电极组包括至少1对电极，每对所述电极包括2个电极块，且所述电极块与碳化硅籽晶电连接；电流源，所述电流源与所述电极电连接，本发明基于电流的加热效应对晶体进行加热，由于碳化硅晶体缺陷区的相焓变小于无缺陷区域的相焓变，在电流的加热效应下，碳化硅晶体缺陷区将会优先于无缺陷区进行蒸发形成缺陷坑，基于碳化硅晶体
面和
面的生长速度要远大于(0001)面的生长速度的原因，使得BPD缺陷向TED缺陷转变，从而减少BPD缺陷的数量，进而提升碳化硅晶体的品质。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅晶体生长领域，特别是涉及一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置及方法。
背景技术
碳化硅材料作为第三代半导体的典型代表，具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率快、化学稳定性高、抗辐射能力强等优异性能，因此，碳化硅晶体的生长一直是国内外研究的热点。
用于功率器件的N型碳化硅晶体需要在其晶体生长的过程中掺入氮杂质，使碳化硅晶体成为导电型的碳化硅晶体。目前，常用的导电型碳化硅晶体多采用4H晶型，4H-SiC晶体的生长方向对应的晶向为[0001]且偏向晶向
的角度为4度，碳化硅晶体的生长方式有PVT(物理气相沉积)法、CVD(化学气相沉积)法等，使用PVT法生长4H-SiC晶体的原理是通过加热的方式使得碳化硅生长原料升华后，重新在籽晶的碳面上层积生长单晶来使得晶体生长。在碳化硅晶体生长初期，由于晶体生长距离较短，此时，碳化硅籽晶中的原生缺陷会被碳化硅晶体所继承。同时，在晶体生长的成核过程中，热力学上的扰动会引入新的缺陷，即在碳化硅生长过程中容易产生TSD和BPD等缺陷，直接影响了整体晶体的质量，大大降低了其制备的器件的可靠性。
BPD缺陷是一种基平面位错缺陷，虽然可以在碳化硅晶体生长的后续工艺中，通过退火、刻蚀等方法，使BPD缺陷的数量减少，或转化为对碳化硅晶体的质量影响更小的TED缺陷，但是，上述过程对于减少BPD缺陷的数量是有限的，因此，如何促使更多的BPD缺陷向TED缺陷转化，从而提升碳化硅晶体的品质成为亟待解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置及方法，用于解决现有技术中碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷数量过多，从而影响碳化硅晶体性能的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置，其特征在于，所述装置包括：
电极组，所述电极组包括至少1对电极，每对所述电极包括2个电极块，且所述电极块与碳化硅籽晶电连接；
电流源，所述电流源与所述电极电连接。
可选地，所述电极组包括N≥2对所述电极，且所述电极组为环状结构。
可选地，所述电极块呈轴对称分布。
可选地，相邻所述电极块之间还设置有绝缘块，以通过所述绝缘块隔离所述电极块，所述绝缘块包括二氧化硅(SiO2)绝缘块、氧化铝(Al2O3)绝缘块、氮化硅(Si3N4)绝缘块、环氧树脂绝缘块或聚酰亚胺绝缘块中的一种或组合。
可选地，所述电流源为直流电流源或频率为0～100KHz的交流电流源的一种。
可选地，所述电流源输出的电流大小为0.001A～2A。
本发明还提供一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供任一上述的装置及待碳化硅晶体生长的碳化硅籽晶，使所述电极块与所述碳化硅籽晶电连接，并将所述装置放置在PVT法生长碳化硅晶体的热场环境中；
步骤S2：进行碳化硅晶体生长；
步骤S3：通过所述电流源向每对所述电极的电极块输入电流，进行加热处理；
步骤S4：加热完成后，关闭电流输入，继续进行碳化硅晶体生长。
可选地，步骤S4之后还包括：步骤S5：重复S3-S4步骤，直至碳化硅晶体生长结束；步骤S6：碳化硅晶体生长完成后，对碳化硅晶体降温退火，待冷却至室温后取出碳化硅晶体，经切磨抛光后碱蚀得到所述降低了BPD缺陷的碳化硅晶体衬底。
可选地，所述碳化硅籽晶的硅面上覆盖有玻璃碳涂层或石墨纸。
可选地，所述电极块位于所述碳化硅籽晶侧壁的外围，所述电极块与所述碳化硅籽晶电连接的方式包括直接电连接或间接电连接。
如上所述，本发明提出了降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置及方法，所述装置结构简单，包括至少1对呈轴对称分布的电极块，所述电极块一端与所述电流源电连接，所述电极块另一端与所述籽晶电连接，通过所述电流源产生的电流对碳化硅晶体进行加热，利用电流对碳化硅晶体的加热效应，使碳化硅晶体的侧向生长速度大于垂直方向生长速度，促使BPD缺陷向TED缺陷转化，从而减少BPD缺陷的数量，从而提升碳化硅晶体的性能和利用率。
附图说明
图1显示为现有技术中碳化硅晶体生长过程中BPD腐蚀坑结构示意图。
图2显示为本发明的降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置的俯视结构示意图。
图3显示为本发明的降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置的立体结构示意图。
图4显示为本发明降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的方法工艺流程图。
元件标号说明
10 电极组
101 电极
1011 电极块
20 电流源
30 碳化硅籽晶
301 玻璃碳涂层
S1-S6 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。
在本发明中，除另有明确规定外，如有术语“组装”、“相连”、“连接”等术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
请参阅图2-图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在现有的PVT法生长碳化硅晶体时，热力学上的扰动会使得长晶过程中引入BPD缺陷，如何减少BPD缺陷或者促使BPD缺陷向TED缺陷转化，对于提升碳化硅晶体的品质变得尤为重要。
如图1所示，现有技术中，常见的BPD缺陷坑由三个面组成，分别为AOB面、AOC面和BOC面，其中AOC面接近于
面，BOC面接近于
面，BPD缺陷坑位于AOB面上，而BPD缺陷会影响碳化硅晶体的品质，因此，如何扩大AOC面与BOC面的面积从而使AOB面的面积减小，从而减少BPD缺陷的数量变得尤为重要。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置，包括：
电极组10，所述电极组10包括至少1对电极101，每对所述电极101包括2个电极块1011，且所述电极块1011与碳化硅籽晶30电连接；
电流源20，所述电流源30与所述电极101电连接。
本发明实施例中，整个降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置除了包括所述电极组10和所述电流源20外，还包括生长碳化硅晶体所需要的本领域技术人员所熟知的其他组件，此处不再一一赘述。
作为示例，所述电极组10包括N≥2对所述电极101，且所述电极组10为环状结构。
具体的，如图2所示，在本实施例中，所述电极组10包括6对所述电极101，每对所述电极101即可通过所述电流源20单独控制产生电流，也可以通过所述电流源20共同控制产生电流，所述电极101之间互相连接形成环状结构，所述环状结构的内径与用于生长碳化硅晶体的所述碳化硅籽晶30的外径一致，所述电极101与所述碳化硅籽晶30接触，并且所述电极101的数量越多，与所述碳化硅籽晶30接触的区域越大，在碳化硅晶体生长过程中产生的电流在碳化硅晶体内部分布的越均匀，越有利于BPD缺陷的减少。当然，关于所述电极101的数量可根据实际需要进行设置，例如，所述电极101的数量还可为3对、4对或者5对，在此不做限制。
作为示例，所述电极块1011呈轴对称分布。
具体的，如图2所示，在本实施例中，所述电极组10包括6对所述电极101，每对所述电极101包括2个所述电极块1011，即在本实施例中一共包含12个所述电极块1011。对应所述电极101的2个所述电极块1011关于所述环状结构的对称轴均匀且对称分布，从而控制碳化硅晶体内部产生均匀且对称的电流。当然，关于所述电极块1011的设计并非局限于此，可根据需要进行适应性的改变。
作为示例，相邻所述电极块1011之间还设置有绝缘块，以通过所述绝缘块隔离所述电极块1011，所述绝缘块包括二氧化硅(SiO2)绝缘块、氧化铝(Al2O3)绝缘块、氮化硅(Si3N4)绝缘块、环氧树脂绝缘块或聚酰亚胺绝缘块中的一种或组合。
具体的，如图2和图3所示，在本实施例中，相邻所述电极块1011之间预留有一定间隔，在所述间隔内填充绝缘块(图中未示出)，使得相邻所述电极块1011之间不会形成更大面积的互相接触，所述绝缘块为环氧树脂绝缘块，使得所述电极101在碳化硅晶体的生长过程中尽可能的减少电流损失。当然，关于所述电极块1011之间绝缘块的选择并非局限于此，可根据需要进行适应性的改变。
作为示例，所述电流源20为直流电流源或频率为0～100KHz的交流电流源的一种。
具体的，所述电流源20为频率为0～100KHz的交流电流源，例如，可以为1KHz、30KHz、60KHz或100KHz。交流电的趋肤效应有利于加热区域集中的晶体表面并且所述电流源20的频率越大，趋肤深度越浅，加热效应使BPD缺陷减少的效果越好，但所述电流源20的频率过大会带来电路设计复杂的问题，因此，在本实施例中，所述电流源20为频率优选为30KHz的交流电流源。但关于所述电流源20的选择并非局限于此，可根据需要进行适应性的改变。
作为示例，所述电流源20输出的电流大小为0.001A～2A。
具体的，所述电流源20输出的电流大小为0.001A～2A，例如，可以为0.001A、0.01A、0.1A、1A或2A。在本实施例中，所述电流源20输出的电流大小优选为0.1A，基于电流的加热效应，在碳化硅晶体内部电流流径的路线上，晶体会因电流作用而升温，因此在晶体表面的BPD缺陷位置优先蒸发升华而形成腐蚀坑，基于
面和
面的生长速度要远大于(0001)面的生长速度的原因，使得BPD缺陷向TED缺陷转变，从而减少BPD缺陷的数量，进而提升碳化硅晶体的品质。
基于同一构思，本发明实施例还提供一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的方法。图4是本发明实施例提供的一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的方法的流程示意图，如图4所示，本实施例的方法包括如下步骤：
步骤S1：提供上述任一装置及待碳化硅晶体生长的碳化硅籽晶，使所述电极块1011与所述碳化硅籽晶30电连接，并将所述装置放置在PVT法生长碳化硅晶体的热场环境中；
步骤S2：进行碳化硅晶体生长；
步骤S3：通过所述电流源20向每对所述电极101的所述电极块1011输入电流，进行加热处理；
步骤S4：加热完成后，关闭电流输入，继续进行碳化硅晶体生长。
具体的，在步骤S1中，如图2和图3所示，提供如权利要求1-6中任意一项所述的装置及待碳化硅晶体生长的所述碳化硅籽晶30，使得所述电极块1011与所述碳化硅籽晶30之间形成电连接，并将所述装置与所述碳化硅籽晶30共同放置在PVT法生长碳化硅晶体的热场环境中。
具体的，在步骤S2中，提供压力为50～1500Pa、温度为2200～2350℃和环境气氛为Ar(氩气)的碳化硅生长环境，使碳化硅晶体生长。
具体的，在步骤S3中，通过所述电流源20向每对所述电极101的所述电极块1011输入电流，当籽晶表面层积的碳化硅单晶厚度达到0.2mm时，给每对所述电极按次序交替通入0.1A电流，通入电流的时间为30分钟。基于电流的加热效应，在碳化硅晶体内部电流流径的路线上，晶体会因电流作用而升温，在晶体表面原有的BPD缺陷位置优先蒸发升华而形成腐蚀坑。
具体的，在步骤S4中，加热完成后，关闭电流输入，关闭时间为2小时，在电流停止输入的2个小时内，晶体表面会保持继续生长。
作为示例，所述步骤S4之后还包括：
步骤S5：重复S3-S4步骤，直至碳化硅晶体生长结束；
步骤S6：碳化硅晶体生长完成后，对碳化硅晶体退火降温，待冷却至室温后取出碳化硅晶体，经切磨抛光后碱蚀得到降低了BPD缺陷的碳化硅晶体衬底。
具体的，在步骤S5中，重复S3-S4步骤，使得每对所述电极101按次序交替多次通入0.1A电流，此时，晶体的厚度由原来的0.2mm增长至3.5～6mm，后续停止电流输入后，碳化硅晶体继续生长直至整个生长过程结束。
具体的，在步骤S6中，碳化硅晶体生长完成后，对碳化硅晶体生长装置进行退火降温，待碳化硅晶体冷却至室温后取出碳化硅晶体，经切磨抛光碱蚀后，最终得到所述降低了BPD缺陷的碳化硅晶体衬底。
经过测算，基于本发明实施例提供的一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的方法得到的碳化硅晶体衬底中BPD缺陷值为327pcs/cm2，采用与本发明实施例同样的环境和工艺进行碳化硅晶体生长，但生长过程中未进行本发明实施例中所述的通入电流的过程，生长得到的碳化硅晶体衬底中BPD缺陷值为3815pcs/cm2。相比而言，本发明实施例提供的一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的方法对于减少碳化硅晶体中BPD缺陷的数量是十分有效的。
作为示例，所述碳化硅籽晶30的硅面上覆盖有玻璃碳涂层301或石墨纸。
具体的，如图3所示，在本实施例中，所述碳化硅籽晶30的硅面上覆盖有玻璃碳涂层301以防止非生长面(硅面)被加热电流蒸发。所述碳化硅籽晶30包括生长面(碳面)和非生长面(硅面)，当交流电流作用在所述碳化硅籽晶30上时，不仅生长面(碳面)会被电流加热，非生长面(硅面)也同样会被电流加热。因此，为了使所述碳化硅籽晶30的非生长面(硅面)不会被加热电流蒸发，需要在非生长面(硅面)覆盖一层既导电又不会被蒸发的所述玻璃碳涂层301，使得电流从该物质表面流过时不会对非生长面(硅面)产生不良影响。当然，关于所述碳化硅籽晶30的硅面上覆盖物可根据实际需要进行设置，例如，所述碳化硅籽晶30的硅面上还可以覆盖厚度为0.1～0.5mm的石墨纸，在此不做限制。
作为示例，所述电极块1011位于所述碳化硅籽晶30侧壁的外围，所述电极块1011与所述碳化硅籽晶30电连接的方式包括直接电连接或间接电连接。
具体的，如图3所示，在本实施例中，所述电极块1011位于所述碳化硅籽晶30侧壁的外围，所述电极块1011内侧直接接触所述碳化硅籽晶30，即所述电极块1011与所述碳化硅籽晶30电连接的方式为直接电连接，使得经所述电流源20产生的电流通过所述电极块1011直接输入至所述碳化硅籽晶30。当然，关于所述电极块1011与所述碳化硅籽晶30电连接方式可根据实际需要进行设置，例如，所述电极块1011与所述碳化硅籽晶30电连接方式还可为间接连接，此时，在所述电极块1011与所述碳化硅籽晶30之间设置低电阻中间物质，在此不做限制。所述低电阻中间物质为本领域技术人员所熟知，在此不做一一赘述。
综上所述，本发明提供一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置，所述降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置包括电极组，所述电极组包括至少1对电极，每对所述电极包括2个电极块，且所述电极块与碳化硅籽晶电连接；电流源，所述电流源与所述电极电连接。基于所述装置还提供一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的方法，所述降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的方法包括如下步骤：提供所述的装置及待碳化硅晶体生长的碳化硅籽晶，使所述电极块与所述碳化硅籽晶电连接，并将所述装置放置在PVT法生长碳化硅晶体的热场环境中；进行碳化硅晶体生长；通过所述电流源向每对所述电极的电极块输入电流，进行加热处理；加热完成后，关闭电流输入，继续进行碳化硅晶体生长；重复S3-S4步骤，直至碳化硅晶体生长结束；碳化硅晶体生长完成后，对碳化硅晶体降温退火，待冷却至室温后取出碳化硅晶体，经切磨抛光碱蚀后得到所述降低了BPD缺陷的碳化硅晶体衬底。本发明基于电流的加热效应对晶体进行加热，由于碳化硅晶体缺陷区的相焓变小于无缺陷的区域，在电流的加热效应下，碳化硅晶体缺陷区将会优先于无缺陷区进行蒸发形成缺陷坑，基于碳化硅晶体
面和
面的生长速度要远大于(0001)面的生长速度的原因，使得BPD缺陷向TED缺陷转变，从而减少BPD缺陷的数量，进而提升碳化硅晶体的品质。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的装置，其特征在于，所述装置包括：
电极组，所述电极组包括至少1对电极，每对所述电极包括2个电极块，且所述电极块与碳化硅籽晶电连接；
电流源，所述电流源与所述电极电连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电极组包括N≥2对所述电极，且所述电极组为环状结构。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电极块呈轴对称分布。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：相邻所述电极块之间还设置有绝缘块，以通过所述绝缘块隔离所述电极块，所述绝缘块包括二氧化硅(SiO2)绝缘块、氧化铝(Al2O3)绝缘块、氮化硅(Si3N4)绝缘块、环氧树脂绝缘块或聚酰亚胺绝缘块中的一种或组合。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电流源为直流电流源或频率为0～100KHz的交流电流源的一种。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电流源输出的电流大小为0.001A～2A。
7.一种降低碳化硅晶体生长过程中BPD缺陷的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：提供如权利要求1-6中任意一项所述的装置及待碳化硅晶体生长的碳化硅籽晶，使所述电极块与所述碳化硅籽晶电连接，并将所述装置放置在PVT法生长碳化硅晶体的热场环境中；
步骤S2：进行碳化硅晶体生长；
步骤S3：通过所述电流源向每对所述电极的电极块输入电流，进行加热处理；
步骤S4：加热完成后，关闭电流输入，继续进行碳化硅晶体生长。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤S4之后还包括：
步骤S5：重复S3-S4步骤，直至碳化硅晶体生长结束；
步骤S6：碳化硅晶体生长完成后，对碳化硅晶体降温退火，待冷却至室温后取出碳化硅晶体，经切磨抛光后碱蚀得到所述降低了BPD缺陷的碳化硅晶体衬底。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述碳化硅籽晶的硅面上覆盖有玻璃碳涂层或石墨纸。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述电极块位于所述碳化硅籽晶侧壁的外围，所述电极块与所述碳化硅籽晶电连接的方式包括直接电连接或间接电连接。
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2022
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