TWI640663B - 碳化矽晶體（４Ｈ－ＳｉＣ）生長方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法，包括：製作多晶碳化矽與金屬的混合物，將所述多晶碳化矽與金屬的混合物作為原材料生長碳化矽晶體(4H-SiC)，所述多晶碳化矽與金屬的混合物被加熱熔化，能夠使矽與碳均勻混合，保證形成的碳化矽晶體(4H-SiC)中矽的含量，提高碳化矽晶體(4H-SiC)的品質。

Description

碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法
本發明涉及半導體製造領域，特別涉及一種碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法。
作為第三代寬頻隙半導體材料的一員，相對於常見的矽(Si)和砷化鈣(GaAs)等半導體材料，碳化矽(碳化矽)材料具有禁帶寬度大、載流子飽和遷移速度高，熱導率高、臨界擊穿場強高等諸多優異的性質。基於這些優良的特性，碳化矽材料是製備高溫電子元件、高頻大功率元件更為理想的材料。特別是在極端條件和惡劣條件下應用時，碳化矽元件的特性遠遠超過了Si元件和GaAs元件。在光電子領域，相對傳統基底材料Si與藍寶石，碳化矽晶格及熱適配更小，用碳化矽基底製作的LED(Light-Emitting Diode，發光二極體)性能遠優於藍寶石基板。
物理氣相傳輸法是目前製備碳化矽基板的主要方法。在典型的物理氣相傳輸中，籽晶和源粉二者均被放置在加熱到源粉能夠昇華溫度的坩堝中，且在源粉和溫度較低的籽晶之間產生溫度梯度，這個溫度梯度促進了物質從源粉到籽晶的氣相移動，隨後源粉昇華的物質在籽晶上凝結從而導致晶體的生長。
碳化矽材料具有200多種同素異構體，目前常見的晶型有6H-SiC，4H-SiC和3H-SiC。SiC常見的晶型結構中，4H-SiC電子遷移率是 6H-SiC的兩倍多，具有較弱的各向異性，被認為是製備高頻大功率元件最有前途的SiC材料。4H-SiC晶體生長方法主要包括：移動溶劑法(Traveling Solvent Method，TSM)、緩慢冷卻技術(Slow Cooling Technique，SCT)、蒸氣液固方法(Vapor Liquid Solid，VLS)以及頂部籽晶溶鹽法(Top Seeded Solution Growth，TSSG)。
在TSSG方法中，矽源、碳源在碳石墨坩堝中被加熱，碳持續的從碳石墨坩堝的表面析出，然而矽的含量有限，導致最後形成的晶體中缺少矽，從而影響4H-SiC晶體的品質。
本發明的目的在於提供一種4H-SiC晶體生長方法，提高4H-SiC晶體的品質。
本發明的技術方案是一種4H-SiC晶體生長方法，包括：製作多晶碳化矽與金屬的混合物，將所述多晶碳化矽與金屬的混合物作為原材料生長4H-SiC晶體。
進一步的，還包括：將所述多晶碳化矽與金屬的混合物放入碳石墨坩堝中，將所述碳石墨坩堝放入腔室內採用頂部籽晶溶鹽法生長4H-SiC晶體。
進一步的，採用化學氣相沉積的方法形成所述多晶碳化矽與金屬的混合物；反應氣體為：SiHCl3、C3H8與M(C2H5)n，其中，M為所述金屬，n為正整數。
進一步的，所述金屬為鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、或鑥。
進一步的，在所述反應氣體中，所述Si與M的品質比為1：0.6~1：0.7，所述Si與C的原子比為1：1。
進一步的，在所述化學氣相沉積中，反應腔室的溫度為1200℃~1300℃，壓力為760Torr。
進一步的，所述頂部籽晶溶鹽法包括：升高所述腔室的溫度使所述多晶碳化矽與金屬的混合物融化；將4H-SiC籽晶放置於融化的所述多晶碳化矽與金屬的混合物的表面生長4H-SiC晶體。
進一步的，在生長4H-SiC晶體的過程中，不斷地從所述腔室的一端中通入氬氣，從所述腔室的另一端排出廢氣。
進一步的，採用射頻加熱、電阻加熱或紅外輻射加熱的方法升高所述腔室的溫度。
進一步的，形成所述4H-SiC晶體之後，採用冷卻的氬氣對所述腔室進行冷卻。
與現有技術相比，本發明提供的4H-SiC晶體生長方法中，採用多晶碳化矽與金屬的混合物作為原材料生長4H-SiC晶體，所述多晶碳化矽與金屬的混合物被加熱融化，能夠使矽與碳均勻混合，保證形成的4H-SiC晶體中矽的含量，提高4H-SiC晶體的品質。
10‧‧‧腔室
11‧‧‧第一開口
12‧‧‧第二開口
20‧‧‧碳石墨坩堝
30‧‧‧多晶碳化矽與金屬的混合物
40‧‧‧籽晶夾持裝置
50‧‧‧碳化矽籽晶
60‧‧‧加熱裝置
第1圖為本發明一實施例所提供的4H-SiC晶體生長方法的流程示意圖。
第2圖為本發明一實施例所提供的4H-SiC晶體生長方法所採取的裝置的結構示意圖。
為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容做進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。
其次，本發明利用示意圖進行了詳細的表述，在詳述本發明實例時，為了便於說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應對此作為本發明的限定。
本發明的核心思想是：採用多晶碳化矽與金屬的混合物作為原材料生長4H-SiC晶體，所述多晶碳化矽與金屬的混合物被加熱熔化，能夠使矽與碳均勻混合，保證形成的4H-SiC晶體中矽的含量，提高4H-SiC晶體的品質。
第1圖為本發明一實施例所提供的4H-SiC晶體生長方法的流程示意圖，如第1圖所示，本發明提出一種4H-SiC晶體生長方法，包括以下步驟：步驟S01：製作多晶碳化矽與金屬的混合物；步驟S02：將所述多晶碳化矽與金屬的混合物放入碳石墨坩堝中，將所述碳石墨坩堝放入腔室內；步驟S03：升高所述腔室的溫度使所述多晶碳化矽與金屬的混合物融化；步驟S04：將碳化矽籽晶放置於融化的所述多晶碳化矽與金屬的混合物的表面生長碳化矽晶體(4H-SiC)。
請參考第1圖所示，詳細說明本發明提出的碳化矽晶體生長 方法：
在步驟S01中，製作多晶碳化矽與金屬的混合物，將所述多晶碳化矽與金屬的混合物作為生長碳化矽晶體的原材料。
本實施例中，採用化學氣相沉積的方法形成所述多晶碳化矽與金屬的混合物；在反應腔室中通入的反應氣體為：SiHCl3、C3H8與M(C2H5)n，其中，M為所述多晶碳化矽與金屬的混合物中的金屬，所述金屬為鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)或鑥(Lu)，n為正整數。
在所述反應氣體中，所述Si與M的品質比為1：0.6~1：0.7，所述Si與C的原子比為1：1。所述反應腔室的溫度為1200℃~1300℃，壓力為760Torr。
在步驟S02中，將所述多晶碳化矽與金屬的混合物放入碳石墨坩堝中，將所述碳石墨坩堝放入腔室內。所述腔室為採用頂部籽晶溶鹽法生長碳化矽晶體的腔室，本實施例中，採用頂部籽晶溶鹽法生長4H-SiC晶體。
在步驟S03中，升高所述腔室的溫度使所述多晶碳化矽與金屬的混合物融化。通過位於所述腔室外部的加熱裝置對腔室進行加熱，升高所述腔室的溫度，使得位於所述碳石墨坩堝中的多晶碳化矽與金屬的混合物融化。
在步驟S04中，將碳化矽籽晶放置於融化的所述多晶碳化矽與金屬的混合物的表面生長碳化矽晶體。待所述多晶碳化矽與金屬的混合物融化之後，將所述碳化矽籽晶放置於融化的所述多晶碳化矽與金屬的混 合物的上表面，即將所述碳化矽籽晶放置於液體的矽、碳、金屬的上表面，矽與碳在所述碳化矽籽晶上凝結從而形成碳化矽晶體。
第2圖為本發明一實施例所提供的碳化矽晶體生長方法所採取的裝置的結構示意圖，如第2圖所示，所述裝置包括腔室10、位於腔室10內的碳石墨坩堝20，所述碳石墨坩堝20內放置有多晶碳化矽與金屬的混合物30，在所述腔室10的頂部設置有籽晶夾持裝置40，所述籽晶夾持裝置40夾持有碳化矽籽晶50。在所述腔室10的側壁外設置有加熱裝置60，用於升高腔室10的溫度。
首先製作所述多晶碳化矽與金屬的混合物30，然後將所述多晶碳化矽與金屬的混合物30放置於所述碳石墨坩堝20內，將所述碳石墨坩堝20放置於所述腔室10內。
透過所述加熱裝置60升高所述腔室10的溫度，使所述多晶碳化矽與金屬的混合物20融化。所述加熱裝置50可以為射頻加熱器(RF heater)、電阻加熱器(resistive Heater)或紅外輻射加熱器(IR heater)，採用射頻加熱、電阻加熱或紅外輻射加熱的方法升高所述腔室10的溫度，當然也可以採用本領域技術人員已知的其他方式進行加熱，或者所述加熱裝置60屬於所述腔室10的一部分，由使用的腔室10決定加熱方式。
待所述多晶碳化矽與金屬的混合物20融化之後，移動所述籽晶夾持裝置40，將所述碳化矽籽晶50放置於所述多晶碳化矽與金屬的混合物20的上表面，即將所述碳化矽籽晶50放置於液體的矽、碳、金屬的上表面，矽與碳在所述碳化矽籽晶50上凝結從而形成碳化矽晶體(4H-SiC)。
所述腔室10的頂端設置有第一開口11，在底部設置有第二開 口12，在生成碳化矽晶體的過程中，不斷地從所述腔室的第一開口中通入氬氣(Ar)，從腔室10的第二開口中排出廢氣。並且，形成所述碳化矽晶體之後，採用冷卻的氬氣對所述腔室進行冷卻。
綜上所述，本發明提供的碳化矽晶體生長方法，採用多晶碳化矽與金屬的混合物作為原材料生長碳化矽晶體，所述多晶碳化矽與金屬的混合物被加熱融化，能夠使矽與碳均勻混合，保證形成的碳化矽晶體中矽的含量，提高碳化矽晶體的品質。
上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，並非對本發明範圍的任何限定，本發明領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬於申請專利範圍的保護範圍。

Claims (10)

  1. 一種碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法，包括：製作多晶碳化矽與金屬的混合物；以及將所述多晶碳化矽與金屬的混合物作為原材料生長碳化矽晶體(4H-SiC)。
  2. 如請求項1所述的碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法，還包括：將所述多晶碳化矽與金屬的混合物放入碳石墨坩堝中，將所述碳石墨坩堝放入腔室內採用頂部籽晶溶鹽法生長碳化矽晶體。
  3. 如請求項2所述的碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法，其中所述多晶碳化矽與金屬的混合物係採用化學氣相沉積的方法形成；反應氣體為：SiHCl3、C3H8與M(C2H5)n，其中，M為所述金屬，n為正整數。
  4. 如請求項3所述的碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法，其中所述金屬為鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、或鑥。
  5. 如請求項3所述的碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法，其中在所述反應氣體中，所述Si與M的品質比為1：0.6~1：0.7，所述Si與C的原子比為1：1。
  6. 如請求項5所述的碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法，其中在所述化學氣相沉積中，反應腔室的溫度為1200℃~1300℃，壓力為760Torr。
  7. 如請求項3所述的碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法，其中所述頂部籽晶溶鹽法包括：升高所述腔室的溫度使所述多晶碳化矽與金屬的混合物融化；將碳化矽籽晶放置於融化的所述多晶碳化矽與金屬的混合物的表面生長碳化矽晶體(4H-SiC)。
  8. 如請求項7所述的碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法，其中在生長碳化矽晶體(4H-SiC)的過程中，不斷地從所述腔室的一端中通入氬氣，從所述腔室的另一端排出廢氣。
  9. 如請求項8所述的碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法，其中採用射頻加熱、電阻加熱或紅外輻射加熱的方法升高所述腔室的溫度。
  10. 如請求項9所述的碳化矽晶體(4H-SiC)生長方法，其中形成所述碳化矽晶體(4H-SiC)之後，採用冷卻的氬氣對所述腔室進行冷卻。
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