[发明专利]碳化硅晶片的退火方法

说明书

技术领域

本发明涉及宽禁带半导体材料领域，具体涉及一种物理气相输运法（PVT）生长的碳化硅晶体，更具体涉及一种碳化硅晶片的退火工艺。该方法通过对碳化硅晶片进行保护气体下的高温退火处理，从而消除碳化硅晶片中的应力，减少缺陷，提高晶片的结晶质量。

背景技术

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料的代表，具有许多优异的性质，如高硬度（莫氏硬度：9.5，金刚石：10）、高热导率（4.9W/cm·K）、宽禁带（2.40-3.26eV）、高饱和漂移速度（2.0-2.5×10⁷cm/s）、大临界击穿场强（2～3×10⁶V/cm）、化学稳定性高、抗辐射能力强等，与以第一代半导体材料和第二代半导体材料相比有着明显的优越性，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料，在高温、高压、强辐射的工作环境下具有广阔的应用前景，并对未来电子信息产业技术的发展产生重要影响。

目前比较成熟的SiC晶体生长方法是物理气相输运（PVT）法。PVT法是一种气相生长方法，PVT法生长SiC晶体时，对坩埚材料、控温精度、原料、籽晶以及压力等都有很高的要求，近年来，科研工作者在改进PVT法生长工艺上做了大量工作，SiC晶体的质量、尺寸等都有很大提高，但是生长出的晶体中仍然会有或多或少的缺陷。此外，PVT法生长SiC晶体的坩埚内部同时存在着纵向和径向的温度梯度，因此，SiC晶体的生长面上各区域的生长速度是不同的，生长速度的不一致会导致SiC晶体中存在较大的应力场。这些缺陷或者应力的存在不仅会影响SiC晶片的成品率，还会影响以SiC为衬底的外延片的质量，甚至会影响SiC基器件的性能。SiC晶体生长结束后通常会被加工成一定规格的晶片，这些晶片主要用来做外延材料的衬底，或其他SiC基器件。因此，SiC晶片结晶质量的好坏，直接影响外延材料和SiC基器件的性能。

因此，为了消除应力，减少缺陷，需要对SiC晶体进行高温退火处理。传统的SiC晶体退火技术是对刚出炉的晶锭进行退火。例如在晶体生长结束后直接退火，即、晶体的第一次原位退火，又例如对经过一次退火的晶体或取出的晶体进行二次退火，但是这种退火方式往往都要求退火温度高，退火时间长，而且并不能彻底消除SiC晶体中的残余应力。CN102534805和CN101984153A公开一种改进的二次退火工艺，但退火温度仍较高（2300～2500℃），退火时间也较长（10～50小时升温到退火温度，在退火温度上保温10～40小时后再用10～50小时降温到室温）。

此外，SiC晶体在加工过程中，经线切割、表面磨削等工艺后，也会增加SiC晶片表面的应力。专利申请CN102543718A公布了一种降低碳化硅晶片翘曲度、弯曲度的方法，其在研磨抛光完碳化硅晶片上施加机械应力使晶片产生向平整度减小方向的变形，再将晶片加热到足够的温度（100～2000℃），进行退火保持足够长时间（0.1～200小时），以使其晶格发生滑移、重排，从而将晶片的变形保留下来，达到所获晶片具有足够小的翘曲度、弯曲度，但是该方法需要施加额外的机械压力，对设备要求较高，而且该方法只是涉及降低翘曲度，并没有提出对晶片结晶质量的影响。又，CN102817083A公开一种分阶段升温的SiC晶片退火方法：升温至低温区域（200～400℃）保温3～6小时；再升温至中温区域（500～700℃）保温5～10小时；然后升温至高温区域（800～1900℃）保温10～20小时；最后以10～15℃/小时降温至室温，该法虽能将晶片加工应力基本消除，但是退火步骤较为复杂，退火时间较长，而且该法也没有提出退火对晶片结晶质量的影响。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明旨在提供一种新的简便、易操作的对SiC晶片的退火方法，既能减少SiC晶片中的残余应力，又能减少缺陷密度、提高晶片的结晶质量。

在此，本发明提供一种碳化硅晶片的退火方法，包括：将经初加工的碳化硅晶片置于退火炉中，在惰性气体或还原性气体的保护下，缓慢升温1～8小时（优选3～6小时）至退火温度1200～1800℃（优选1300～1500℃），在该退火温度恒温保温0.1～5小时（优选2～3小时），然后缓慢降温1～10（优选3～7小时）小时至室温。

本发明通过对SiC晶片进行退火，与SiC晶锭的退火过程相比，具有退火温度低，时间短，在生产过程中容易实现等优点。经本发明退火处理，可以显著降低SiC晶片中的残余应力、减少缺陷，提高SiC晶片的结晶质量。