TW201704560A - 一種用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，該多類型化合物為碳化矽、氮化物的一種，步驟包括：(A)提供一晶種設置於一沉積區；(B)提供一粉料設置於一高純度源體區；(C)進行一抽氣製程、一加熱製程、一長晶製程、一冷卻製程以製備出單晶晶體；其中，在該長晶製程中利用一加熱源與坩堝的相對移動來控制位於一氣體溫梯控制區內的溫度梯度產生溫度梯度移動，使溫度梯度呈現變動狀態，用以增加氣體溫梯控制區內的溫度梯度及過飽和度，提升晶體生長速率，以降低由晶種背後局部昇華所產生的缺陷持續在後續晶體生長過程中誘發其他缺陷，進而提升晶體品質，製備出高品質之單晶晶體材料。

Description

一種用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法

本發明係為一種用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，特別是關於以碳化矽、氮化物為原料，以使用物理氣相傳輸法(PVT)而製備出大尺寸之晶體。

近年來現代科技與生活品質的快速發展，各類3C高科技電子產品無不趨向輕、薄、短、小與多功能發展，因而諸如碳化矽(SiC)、第III族氮化物(如GaN、AlN)被發展出可做為半導體材料用於各種電子裝置，碳化矽(SiC)、第III族氮化物不但有高物理強度及高耐侵蝕強度，同時有絕佳的電子特性，包含有輻射硬度、高擊穿電場、較寬的能帶隙、高飽和電子飄移速度、可高溫操作等特性。

物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport，PVT)和物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition，PVD)則為業界用來做為碳化矽、第III族氮化物長晶的技術，其亦被用做為量產晶片之技術；物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport，PVT)主要是利用碳化矽(SiC)、第III族氮化物的材料粉體在高溫爐(坩堝)熱區的昇華，經由溫度梯度促進碳化矽(SiC)、第III族氮化物的氣相移動至晶種上進行長晶製程，完成晶體成 長。

但物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport，PVT)應用於碳化矽、第III族氮化物的晶體成長有下列缺點，以碳化矽為例：石墨導熱層缺陷，延伸至晶體內部，以PVT方法產製之碳化矽晶體中的六角空缺最早是由Stein(1993)發現，提出其形成原因是經由晶體背後的平面蒸發而來，其成核點是在晶種與晶種座間之石墨導熱層的不完美處；請參閱第一圖，為先前技術晶體成長缺陷示意圖，在長晶過程中，藉由六角空缺底部(靠近晶種)的成長階段，以及空缺頂部(靠近成長表面)的蒸發，會形成六角空缺的移動，晶種(13)與晶種座(11)間之石墨導熱層(12)的不完美處會引發六角空缺，而其他如6H(或15R)多晶嵌入物(15)、富碳沉積區、熱分解孔洞也肇因於同樣原因，文獻或專利中所使用避免這些缺陷的方式為於晶種背後鍍製一均勻光阻層，阻擋碳化矽因孔洞造成熱傳導不良而於晶種背後進行局部昇華，但因而降低晶體的成長速率及未能有再現性。

而先前技術中，如EP2664695A1、US7371281B2、US7695565B2、US6336971B1等專利，皆要克服上述缺點以提高碳化矽單多晶成長速率，其使用之改善技術包括：1.坩堝材質及結構改良；2.原料的供給方式控制；3.原料成分或比例變更；4.氣流控制裝置改良等，以提高晶種長晶表面生長速率，改善晶種品質並提高晶體成長速率。

因此目前業界極需發展出一種利用物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport，PVT)應用於碳化矽、氮化物的晶體成長，以克服及空缺頂部、六角空缺、多晶嵌入物、富碳沉積區、熱分解孔洞等缺點，如此一來，方能同時兼具效率與品質，製備出高品質的單晶晶體。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法(該多類型化合物可為碳化矽、氮化物(例如第III族氮化物)的一種，整合一抽氣製程、一加熱製程、一長晶製程、一冷卻製程及利用一可移動加熱源的移動等製程，以完成兼具環保與安全性，製備出大尺寸之單晶晶體材料。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法(該多類型化合物可為碳化矽、氮化物的一種)，步驟包括：(A)提供一晶種設置於一沉積區；(B)提供一粉料設置於一高純度源體區；(C)進行一抽氣製程、一加熱製程、一長晶製程、一冷卻製程以製備出單晶晶體；其中，在該長晶製程中利用一加熱源與坩堝的相對移動來控制位於一氣體溫梯控制區內的溫度梯度產生溫度梯度移動，使溫度梯度呈現變動狀態，用以增加氣體溫梯控制區內的溫度梯度及過飽和度。

步驟(C)中的長晶製程中，該加熱源可為一加熱線圈或加熱電阻絲(網)，特別是一感應式加熱線圈，本發明可控制加熱源與坩堝的相對位移以加大坩堝軸向(坩堝的垂直方向或由沉積區到高純度源體區的方向)溫度差異、提升坩堝的過飽和度並控制坩堝內壓力，使碳化矽、氮化物氣體分子於晶種上進行二維成核，生成高密度生長台階並快速沉積碳化矽單晶，以致使晶種表面之碳化矽、氮化物晶體成長速率大於晶種背後碳化矽、氮化物局部昇華之分解速率，其中該加熱源與坩堝的相對位移速率範圍可為30mm/min~5E-4mm/min，移動方向為平行坩堝軸向(坩堝的垂直方向或由沉積區到高純度源體區的方向)，可往上移動或往下移動。

本發明藉由加熱源與坩堝的相對位移，可使長晶製程中坩堝內的氣體溫梯控制區內的溫度梯度範圍控制在3-12℃/cm，同時沉積區與高純度源體區之溫差範圍控制在90-350℃/cm，其中高純度源體區溫度高於沉積區溫度。

本發明可利用一碳化矽、氮化物之單晶晶圓片來當作晶種，晶種可選自3C、4H、6H、2H及15R其中一種或其混合，並經上述一種用於成長相對應晶態之單晶晶體之製備方法，可利用晶種製備出表面具備大於100階/cm之高密度臺階的單晶晶體。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為 了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

11‧‧‧晶種座

12‧‧‧石墨導熱層

13‧‧‧晶種

14‧‧‧晶體

15‧‧‧多晶嵌入物

21‧‧‧可移動加熱源

22‧‧‧坩堝腔體

23‧‧‧沉積區

24‧‧‧高純度源體區

25‧‧‧氣體溫梯控制區

26‧‧‧加熱源

S31~S33‧‧‧步驟

第一圖係為本發明先前技術晶體成長缺陷示意圖；第二圖係為一種本發明一種製備單晶晶體之坩堝系統示意圖；第三圖係為本發明一種用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法流程示意圖；第四圖係為本發明一種實施例之物理氣相沉積法製程溫度壓力控制示意圖；第五(a)圖係為本發明一種比較例碳化矽單晶切片圖；第五(b)圖係為本發明一種實施例碳化矽單晶切片圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

本發明主要目的是提出一種獲得高成長速率之單晶晶體(例如碳化矽晶體、氮化物晶體)製作技術，藉由控制加熱源與坩堝的相對位移的位移提高坩堝系統溫度梯度及過 飽和度，及碳化矽料源使用率，用以提高晶種長晶表面碳化矽沉積速率，改善晶種品質並提高晶體成長速率，對後續進行大尺寸單晶晶體之量產能提高其易製性；其原理係利用當一個原子於界面上鍵合時，須考慮與周圍原子的相互作用，其鍵能大小與鄰近原子的距離成反比，晶體生長釋放能量越大，則越有利原子於此位置鍵合，因而只有光滑界面時不能借助活化能形成台階，必須通過二維成核不斷形成台階，以台階來維持促進生長，因此製備出具備高密度臺階的單晶晶體表面係為促進晶體成長速率的重大影響因素。

請參閱第二圖所示，為本發明一種製備單晶晶體之坩堝系統示意圖。如圖所示，本發明中坩堝包括可移動加熱源(21)、坩堝腔體(22)、沉積區(23)、高純度源體區(24)、氣體溫梯控制區(25)，其中可移動加熱源(21)可以是加熱線圈或加熱電阻絲(網)，特別是一種感應式加熱線圈，而沉積區(23)中可設置一固持器用以固定晶種，整個沉積區(23)位於坩堝腔體(22)中上方的位置，該處為坩堝腔體(22)於長晶製程中溫度相對較低的冷端，而高純度源體區(24)則位於沉積區(23)下方，用以容納材料源(如高純度碳化矽、氮化物粉料)，其位置為坩堝腔體(22)於長晶製程中溫度相對較高的熱端，可將原料(粉料)由固體昇華為氣體分子，控制加熱裝置內溫度、熱場、氣氛及壓力，將碳化矽等氣體分子傳送並沉積於沉積區(23)的晶種上，藉由控制相對冷端及相對熱端之溫度，加大坩堝 系統軸向溫度差異、氣體溫梯控制區(25)內的變動的溫度梯度及控制系統內壓力，碳化矽或氮化物氣體分子於晶種上快速沉積單晶，以致晶種表面之晶體成長速率大於晶種背後碳化矽局部昇華之分解速率。

請參閱第三圖所示，為本發明一種用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法流程示意圖。如圖所示，本發明提供一種用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法(該多類型化合物可為碳化矽、氮化物的一種)，步驟包括：(A)提供一晶種設置於一沉積區(S31)；(B)提供一粉料設置於一高純度源體區(S32)；(C)進行一抽氣製程、一加熱製程、一長晶製程、一冷卻製程以製備出單晶晶體；其中，在該長晶製程中利用一加熱源與坩堝的相對移動來控制位於一氣體溫梯控制區內的溫度梯度產生溫度梯度移動，使溫度梯度呈現變動狀態(S33)。

請參閱第四圖所示，為本發明一種實施例之物理氣相沉積法製程溫度壓力控制示意圖。如圖所示，本發明實施例以PVT法製備4H-SiC單晶晶體，生長製程於高溫真空感應爐中的坩堝進行，使用之起始原料為高純度99%以上之碳化矽粉料，平均粒度為1-30mm，而晶種長晶溫度約為2100-2250℃，系統使用Ar為載體氣體，其系統長晶時壓力約為0.7-5torr，生長時間為30小時，晶種為一約350μm碳化矽單晶晶圓片；於抽氣製程中，將4H-SiC晶種用一固持器加 以固定，然後進行抽氣，以移除坩堝系統內的空氣及其他雜質，而於加熱製程中，加入惰性氣體Ar(或可為N2)及氫、甲烷、氨等輔助氣體，並使用加熱線圈加熱整個系統至約2100-2250℃，而於長晶製程中，系統內長晶時壓力值範圍為0.7-5torr壓力值，並調降加熱線圈位置，使之以約1mm/min進行向下移動，移動距離為6公分，共費時一小時完成線圈位置位移，由於長晶時加熱線圈共有6次移動，使得氣體溫梯控制區內的溫度梯度一直呈現變動狀態，並使溫度梯度變大；於長晶製程中，監控坩堝上部(沉積區)及坩堝下部(高純度源體區)之溫度，兩者差異達攝氏90-350度，氣體溫梯控制區內的溫度梯度為3-12℃/cm，成長速率為450μm/hr，而於冷卻製程中，可對完成之單晶晶體進行退火；本發明比較例中，使用上述相同條件，但未調控加熱線圈位移及位置，其坩堝上部(沉積區)及坩堝下部(高純度源體區)之溫度，兩者差異為攝氏40-80度，溫度梯度為1.3-2.7℃/cm，成長速率為200μm/hr。

請參閱第五(a)、五(b)圖所示，為本發明一種比較例碳化矽單晶切片圖、本發明一種實施例碳化矽單晶切片圖。如圖所示，上述實施例、比較例所生長之碳化矽晶體經切片後，可確認晶體內部品質，以比較例所製作之單晶性質，經分析後共五片僅一切片可進入後續加工道次(如紅色框之切片)；而以實施例所製作之碳化矽晶體，經分析後共六片且六 片皆可進入後續加工，其品質及可用數量，確實明顯提升，且能有效降低晶種缺陷繼續延伸至晶體內部的比例，証明本發明可有效提升碳化矽晶體品質及晶圓良率。

本發明為一種用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，其功效在於可使晶體成長速率達300-600μm/小時，同時表面具備高密度成長臺階，完成之晶體直徑可達2吋-6吋以上；實施例中原約350μm碳化矽單晶晶圓片經過PVT法歷經約2-3小時後可培養出一晶體，厚度約為0.8-1.5mm，表面具備有大於100階/cm高密度成長臺階，再由此晶體當作一厚晶種可繼續進行碳化矽晶體生長工作，除可排除原生晶種背後孔洞缺陷所造成之延伸六角空缺、碳簇、矽滴沉積，並排除以上缺陷誘發其他多型體產生的可能，提高所生長碳化矽晶體的品質，並可充分使用粉料，因而可適用於大量量產製程。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

S31-S33‧‧‧步驟

Claims (9)

1. 一種用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，該多類型化合物係為碳化矽、氮化物其中一種，步驟包括：(A)提供一晶種設置於一沉積區；(B)提供一粉料設置於一高純度源體區；(C)進行一抽氣製程、一加熱製程、一長晶製程、一冷卻製程以製備出單晶晶體；其中，在該長晶製程中利用一加熱源與一坩堝的相對位移來控制位於一氣體溫梯控制區內的溫度梯度產生溫度梯度移動，使溫度梯度呈現變動狀態。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，其中，該粉料係為一碳化矽粉料或一氮化物粉料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，其中，該加熱源係為一加熱線圈或一加熱電阻絲(網)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，其中，該加熱源與坩堝之相對移動方向係為垂直方向。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，其中，該加熱源與坩堝之相對移動速率範圍係為30mm/min~5E-4mm/min。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，其中，該氣體溫梯控制區內的溫度梯度範圍係為3-12℃/cm。
7. 如申請專利範圍第1項所述之用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，其中，該沉積區與該高純度源體區之溫差範圍係為90-350℃/cm。
8. 如申請專利範圍第1項所述之用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，其中，該晶種係為一厚度350um 以上，直徑2吋到6吋以上單晶晶圓片，用以成長相對應尺寸以上之單晶晶體。
9. 如申請專利範圍第1項所述之用於成長多類型化合物之單晶晶體之製備方法，其中，該晶種係選自3C、4H、6H、2H及15R其中一種或其混合，用以成長相對應晶態之單晶晶體。