[发明专利]一种高品质的大尺寸碳化硅晶体生长方法

说明书

本发明提供了一种高品质的大尺寸碳化硅晶体生长方法，旨在提高生长的SiC晶体质量，消除平面六方空洞缺陷。此方法包括以下步骤：将装有碳化硅原料和籽晶的坩埚放于单晶生长炉中，坩埚快速上推距离范围为5‑50mm，远离高温区，待达到一定的温度和压力条件下，坩埚缓慢下降，下降距离与坩埚上推距离一致，之后在一定的温度和压力条件下使碳化硅原料发生升华并在籽晶上结晶，将晶体冷却，获得碳化硅单晶。本发明的优点是：在晶体生长初期，使籽晶远离高温区，消除因温度高导致的籽晶烧蚀，从而消除平面六方空洞缺陷；同时保证SiC原料的充分利用，从而获得高品质的大尺寸碳化硅晶体。

技术领域

本发明属于碳化硅晶体生长领域，具体涉及一种高品质的大尺寸碳化硅晶体生长方法。

背景技术

碳化硅作为第三代半导体材料，具有非常优异的物理及化学性能，在高端光电、大功率以及微波射频等领域具有广泛的用途。

目前生长碳化硅晶体最成熟最有效的方式是物理气相输运法（Journal ofcrystal growth 43(1978）209-212)，物理气相输运法的基本原理是：将碳化硅原料放置在坩埚中，将籽晶固定在坩埚上盖顶部，在高温和低压下使原料升华，升华后的气体以晶体生长热场提供的温度梯度为动力做质量传输，最终输运至籽晶处，在其上结晶生长。热场中的温度梯度包括轴向温度梯度和径向温度梯度。

碳化硅单晶衬底中的各种缺陷是影响碳化硅基各类器件主要性能的因素之一。研究表明，碳化硅单晶生长中的缺陷产生与籽晶的状态具有密切的联系。籽晶的状态包括籽晶自身的缺陷（例如微管、多型、位错等）、籽晶加工过程的损伤（例如划痕等）以及在生长初期引入的缺陷。针对籽晶自身缺陷以及加工损伤，目前具有较好的办法进行处理。但是针对生长初期的缺陷，目前还没有行之有效的办法处理。

通常碳化硅晶体生长界面是凸界面，在有籽晶的位置生长的是碳化硅单晶，在籽晶外侧的无籽晶位置生长的自发成核的多晶，通过凸的生长界面从而保证生长的晶体边缘多晶侵入到单晶区中，从而导致晶体单晶区不会缩小，满足尺寸要求。这样，籽晶边缘位置的温度会显著高于籽晶中心位置。而碳化硅籽晶厚度通常350微米到500微米，太厚的籽晶会显著增加生产的成本。这样，初期生长时籽晶边缘温度显著高于籽晶中心位置的温度，会经常出现籽晶边缘区域发生烧蚀现象，导致生长晶体质量达不到要求。随着碳化硅晶体直径的变大，籽晶边缘与中心的温度差也变得越大，导致生长初期籽晶边缘更容易被高温侵蚀，从而导致这个问题显得越来越明显。

在实际晶体生长过程中发现，尤其是6英寸单晶生长时，经常出现籽晶生长初期的烧蚀，而后晶体生长出现大量平面六方空洞缺陷，甚至籽晶边缘位置被烧穿生长成多晶，导致晶体质量整体下降。因此目前亟需一种提高晶体品质的生长方法，以避免其对晶体质量带来的不良影响。

发明内容

针对生长初期籽晶烧蚀导致出现平面六方空洞等问题，本发明提供了一种高品质碳化硅晶体生长方法。相比于常规的碳化硅晶体生长方法，其可以大幅减少生长初期籽晶烧蚀导致的平面六方空洞等问题，获得高质量的碳化硅晶体，使晶体合格率以及晶片的质量得到显著的提升。为实现上述目的，本发明的特征在将装有碳化硅原料和籽晶的坩埚放于单晶生长炉中，坩埚快速上推距离范围为5-50mm，使籽晶远离高温区，在一定的温度、压力和坩埚移动条件下使碳化硅原料发生升华并在籽晶上结晶，将晶体冷却，获得碳化硅单晶。其中所述温度、压力和坩埚移动条件为依次进行的以下过程：（1）在压力为20-80kPa的条件下，将温度升至2100-2400℃，快速上推坩埚5-50mm使籽晶远离高温区，并维持1-10h；（2）在步骤（1）基础上保持加热电源的功率不变，将压力降至100-3000Pa，SiC晶体开始在籽晶上结晶生长，并维持1-5h；（3）保持压力恒定、加热电源的功率恒定，用10小时到30小时时间将坩埚缓慢下降5-50mm；（4）保持压力恒定，温度保持在2100-2400℃，温度与步骤（1）生长温度接近，相差不超过50℃，继续进行晶体生长40-100h；（5）将压力升至20-80kPa，进行降温冷却。所述温度为坩埚内碳化硅原料处的温度，所述压力为生长室内的压力。