一種降低大尺寸高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種降低大尺寸高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法。在SiC單晶爐中采用升華法生長(zhǎng)SiC單晶，生長(zhǎng)前抽真空至10-4Pa～10-2Pa，生長(zhǎng)壓力為5‐50mbar，溫度2100-2400℃，速率10-500μm/h；晶體生長(zhǎng)20-24h時(shí)，向生長(zhǎng)室中通入高純氮?dú)?‐10h；間隔20h后，再通入同樣的氮?dú)?；周期性地重?fù)此過程，得到間歇性摻氮的SiC單晶；所得SiC單晶無空洞、硅滴、多型等缺陷，大大降低了微管密度。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了將單晶微管密度降至最低，甚至達(dá)到零微管水平的目標(biāo)。
【專利說明】一種降低大尺寸高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種降低大尺寸高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的方法，屬于人工晶體材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC是繼S1、GaAs之后發(fā)展起來的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料，SiC具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高飽和電子遷移速率、良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，是制造高溫、大功率、高電壓、高頻半導(dǎo)體器件理想材料。目前，多種SiC電子器件已經(jīng)商品化，如P-1-N 二極管、肖特基二極管、MESFET、MOSFET、晶閘管等。
[0003]目前，應(yīng)用升華法生長(zhǎng)得到的大尺寸SiC體塊單晶仍然存在一些缺陷，如微管、位錯(cuò)、多型夾雜等，尤其微管缺陷的存在，在很大程度上制約了 SiC器件的合格率。在高電壓或大電流條件下工作的SiC器件，微管危害極大，會(huì)使器件的漏電流增加、擊穿電壓降低。因此制造大面積SiC器件首先要克服的障礙是晶體中的微管缺陷。CN102175565A提供了一種測(cè)量SiC晶體中微管密度的方法。微管的形成機(jī)理十分復(fù)雜，微管可形成于碳包裹體或硅滴，可終止于六邊形空洞或硅滴處。因此在存在多種缺陷且缺陷數(shù)量多的晶體中的微管，其微管產(chǎn)生的應(yīng)力可以通過其他缺陷得以釋放，應(yīng)力得到弛豫，因此摻雜元素引起的晶格畸變產(chǎn)生應(yīng)力，有可能導(dǎo)致新微管產(chǎn)生。近年來，隨著深入研究SiC單晶生長(zhǎng)過程中各類缺陷的形成機(jī)制，并采用多種方法消除碳包裹體、硅滴、空洞、多型等缺陷后，SiC晶體質(zhì)量大幅度提升，堪稱類完美晶體，并且已經(jīng)取得一定的應(yīng)用成果，但是類完美晶體中依然存在一定數(shù)量的微管，將單晶微管密度降至最低，甚至達(dá)到零微管水平是目前的技術(shù)難題。該難題的解決將促進(jìn)整個(gè)光電子和微電子SiC器件的快速發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)SiC單晶中微管缺陷的特點(diǎn)，本發(fā)明提供一種降低大尺寸高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法。
[0005]術(shù)語說明:
[0006]微管是SiC所特有的單晶缺陷，是沿著c軸方向延續(xù)生長(zhǎng)的空心螺位錯(cuò)，可貫穿整個(gè)晶棒。微管在晶體生長(zhǎng)過程中，常常成為生長(zhǎng)螺旋的中心，因此實(shí)際上，微管是柏氏矢量為c的整數(shù)倍的螺位錯(cuò)。
[0007]大尺寸高質(zhì)量SiC是指尺寸在2-6英寸，微管缺陷密度< 10個(gè)/cm2，晶體中無其他缺陷，如硅滴、包裹體、空洞、多型等。
[0008]高純氮?dú)馐侵讣兌仍?9.999%以上的氮?dú)?，高純Ar是指純度在99.999%以上的Ar。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種降低高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法，包括在單晶爐中采用升華法生長(zhǎng)SiC單晶，包括步驟如下:[0011]將SiC粉料放在石墨坩堝的下部，SiC籽晶置于坩堝上部，采用橫截面尺寸為
2- 6英寸的SiC籽晶，生長(zhǎng)前，先抽真空，使生長(zhǎng)室真空度在10_4Pa~10_2Pa。生長(zhǎng)壓力為10 -50mbar，坩堝上蓋溫度控制在2100-2400°C，成核速率控制在20-100 μ m/h，軸向的溫度梯度控制在50-200°C /mm,晶體生長(zhǎng)時(shí)間為40 -1OOh ;采用感應(yīng)加熱方式；
[0012]晶體生長(zhǎng)20_24h時(shí)，向生長(zhǎng)室中通入高純氮?dú)猓獨(dú)饬髁繛? - 30sccm，通入時(shí)間為2 -1Oh0間隔20h后，再通入同等流量、相同時(shí)間的氮?dú)?；周期性地重?fù)此過程，得到間歇性摻氮的SiC單晶；
[0013]晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，在氬氣的保護(hù)下，逐步降低功率，使生長(zhǎng)系統(tǒng)的溫度緩慢降至室溫，降溫速率控制在20-100°C /h。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述籽晶是4H - SiC籽晶，生長(zhǎng)面為碳面，即(000 -1)面，生長(zhǎng)方向?yàn)檠豤軸[0001]方向。[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，周期性地重復(fù)通入高純氮?dú)? - 5次。
[0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，生長(zhǎng)室真空度為10_4Pa，成核速率控制在50-100μπιΛ，坩堝上蓋溫度是2300°C，生長(zhǎng)壓力時(shí)50mbar，軸向溫度梯度控制在100°C /mm，通入氮?dú)饬髁渴?0sccm，每次通氮?dú)鈺r(shí)間是5h，晶體生長(zhǎng)時(shí)間是40_50h，生長(zhǎng)結(jié)束后降溫速率控制在20-30 0C /ho
[0017]根據(jù)本發(fā)明的方法得到的SiC單晶，無空洞、硅滴、多型等缺陷，微管總量少，微管密度不超過2個(gè)/cm2。
[0018]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，用所得到的SiC單晶晶片做籽晶，繼續(xù)重復(fù)所述的生長(zhǎng)步驟，得到二代生長(zhǎng)的SiC晶體；用所得到的二代SiC單晶晶片做籽晶，再一次重復(fù)所述生長(zhǎng)步驟，進(jìn)行三代生長(zhǎng)后，所得SiC晶體微管密度小于0.5個(gè)/cm2。
[0019]用所得到的SiC單晶晶片做籽晶，重復(fù)本發(fā)明的生長(zhǎng)步驟，得到二代生長(zhǎng)的SiC晶體微管密度不超過I個(gè)/Cm2。三代生長(zhǎng)后所得SiC晶體微管密度小于0.5個(gè)/cm2。即經(jīng)過三代循環(huán)生長(zhǎng)后，晶體微管密度可小于0.5個(gè)/cm2。按上述的方法繼續(xù)經(jīng)過6-8代循環(huán)生長(zhǎng)后，可獲得幾乎無微管的SiC單晶。
[0020]因此，采用本發(fā)明所述的降低高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法制備的SiC單晶做籽晶，籽晶微管密度不超過2個(gè)/cm2，重復(fù)以上所述的降低SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法的步驟，獲得二代SiC單晶，在以此二代SiC單晶做籽晶，繼續(xù)重復(fù)以上所述的降低SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法的步驟，獲得三代SiC單晶，按此循環(huán)6-8代，獲得幾乎無微管的SiC單晶。
[0021]本發(fā)明的方法包括兩個(gè)方面的改進(jìn)，一方面是對(duì)成核工藝及生長(zhǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化，如成核速率、溫度梯度、生長(zhǎng)溫度和壓力等可以控制晶體生長(zhǎng)的輸運(yùn)過程，可有效阻止新微管的產(chǎn)生。通過優(yōu)化和穩(wěn)定生長(zhǎng)參數(shù)可控制微管的增殖，但無法消除由籽晶繼承來的微管。因此，另一方面是通過調(diào)制摻氮的方法阻斷微管在晶體內(nèi)的延伸。微管作為一種線缺陷，不能在一個(gè)完整晶體的內(nèi)部中斷，只有碰到表面、界面、應(yīng)力場(chǎng)或其它缺陷時(shí)，才可以終止，但是由于高質(zhì)量晶體中無其他缺陷，本發(fā)明通過人為引入界面，即調(diào)制摻氮，從而中斷了微管在晶體內(nèi)的延伸。在正常的生長(zhǎng)步驟中，周期性地向生長(zhǎng)腔中通入氮?dú)?，其流量? - 30sCCm，通入時(shí)間為2 -1Oh0在單晶中產(chǎn)生周期性的生長(zhǎng)條紋，該生長(zhǎng)條紋即為具有高氮雜質(zhì)的應(yīng)力層。由籽晶繼承來的微管，當(dāng)微管延伸到摻氮條紋界面時(shí)，即可終止，如圖6。[0022]采用該方法生長(zhǎng)的SiC晶體，尤其后期生長(zhǎng)的晶體，微管密度會(huì)大大降低，所得SiC晶體做籽晶繼續(xù)生長(zhǎng)新晶體，依然采用上述方法降低微管密度，經(jīng)過幾代籽晶和晶體的循環(huán)后，晶體的微管密度將會(huì)大幅度下降。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，經(jīng)過長(zhǎng)期循環(huán)生長(zhǎng)后，SiC可達(dá)到無微管，并通過控制生長(zhǎng)條件使在晶體生長(zhǎng)過程中不產(chǎn)生新微管，則最終可得到大尺寸高質(zhì)量的無微管SiC單晶。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是實(shí)施例1所用的3英寸SiC籽晶的微管缺陷度分布圖，其微管密度小于10個(gè) /cm2。
[0024]圖2是實(shí)施例1經(jīng)過一代循環(huán)生長(zhǎng)制備的3英寸SiC襯底的微管缺陷密度分布圖，其微管密度小于2個(gè)/cm2。
[0025]圖3是實(shí)施例1經(jīng)過二代循環(huán)生長(zhǎng)制備的3英寸SiC襯底的微管缺陷密度分布圖，其微管密度小于I個(gè)/cm2。
[0026]圖4是實(shí)施例1經(jīng)過三代循環(huán)生長(zhǎng)制備的3英寸SiC襯底的微管缺陷密度分布圖，其微管密度小于0.5個(gè)/cm2。
[0027]圖5是同步輻射實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的微管分布，3英寸面積內(nèi)只有一個(gè)微管缺陷，微管密度為0.02個(gè)/cm2。
[0028]圖6是SiC單晶縱切片，一條微管終止于摻氮條紋處。圖中，1、摻氮條紋，2、微管，
3、籽晶；圖右側(cè)向上的箭頭為生長(zhǎng)方向。`【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。實(shí)施例中所用的晶體生長(zhǎng)設(shè)備為SiC單晶生長(zhǎng)爐。使用高純氮?dú)馐羌兌仍?9.999%以上的氮?dú)狻?br> [0030]實(shí)施例1:
[0031]在SiC單晶爐中，采用升華法生長(zhǎng)SiC單晶，采用感應(yīng)加熱方式，生長(zhǎng)單晶的尺寸為3英寸。將SiC粉料放在石墨坩堝的下部，SiC籽晶置于坩堝上部，SiC籽晶與SiC粉料之間保持一定的距離。
[0032]生長(zhǎng)前，先抽真空以去除雜質(zhì)，使生長(zhǎng)室真空度達(dá)到10_4Pa。采用的籽晶面尺寸是
3英寸，生長(zhǎng)面為碳面，生長(zhǎng)方向沿c軸[0001]方向。籽晶的微管缺陷密度4.5個(gè)/cm2。生長(zhǎng)時(shí)，生長(zhǎng)壓力為5mbar，坩堝上蓋溫度在2100°C，成核速率控制在10 μ m/h，軸向的溫度梯度控制在50°C/mm。生長(zhǎng)20h后，向生長(zhǎng)室中通過5h高純氮?dú)?，其流量?sCCm。每間隔20h，再通入相同時(shí)間和流量的氮?dú)?。生長(zhǎng)時(shí)間40h，生長(zhǎng)完后，降溫速率是20°C/h。此步驟重復(fù)進(jìn)行幾次，得到間歇性摻氮的SiC單晶。
[0033]晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，為了降低晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力，在氬氣的保護(hù)下，逐步降低功率，使生長(zhǎng)系統(tǒng)的溫度緩慢降至室溫，降溫速率20-30°C /h。
[0034]SiC單晶經(jīng)過切割、研磨和拋光后，用光學(xué)顯微鏡觀察缺陷情況，無碳包裹體、空洞、硅滴、多型等缺陷，微管總量少，微管密度1.8個(gè)/cm2，如圖2。用該晶片做籽晶，重復(fù)以上生長(zhǎng)步驟，新生長(zhǎng)的晶體微管密度0.8個(gè)/cm2，如圖3。再進(jìn)行一代生長(zhǎng)循環(huán)后，晶體微管密度小于0.5個(gè)/cm2，如圖4。即經(jīng)過三代循環(huán)生長(zhǎng)后，晶體微管密度可小于0.5個(gè)/cm2。[0035]測(cè)試微管密度所用儀器是顯微鏡，由日本OLYMPUS公司生產(chǎn)。拋光后的晶片通過顯微鏡的反射偏光模式進(jìn)行觀察。微管的偏光像具有彗星狀，一般為帶托尾的小黑點(diǎn)，這是由于微管貫穿整個(gè)晶片，而光學(xué)顯微鏡有一定的景深，微管在焦平面以下的部分顯示為一模糊的小尾，由此可以確定微管的存在。
[0036]參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，將被測(cè)表面進(jìn)行分區(qū)，保證測(cè)量點(diǎn)的均勻分布，測(cè)量每個(gè)小區(qū)的微管密度，各小區(qū)統(tǒng)計(jì)平均得到整個(gè)被測(cè)面積的平均微管密度。
[0037]3英寸SiC晶片的小區(qū)劃分如圖1所示，整個(gè)被測(cè)表面被劃分成7 X 7mm2的小方形。直徑76.2mm的晶體表面被劃分成68個(gè)小區(qū)，每區(qū)中心測(cè)一點(diǎn)，記錄微管數(shù)目和測(cè)量點(diǎn)的面積(由放大倍數(shù)決定)，計(jì)算該點(diǎn)的微管密度=微管數(shù)目/測(cè)量面積。最終得到整個(gè)被測(cè)面積的微管分布，所有小區(qū)取平均得到該晶片的平均微管密度。如圖4所示，微管總個(gè)數(shù)為4個(gè)，計(jì)算得到的微管密度為0.4個(gè)/cm2。 [0038]實(shí)施例2:
[0039]一種降低高質(zhì)量SiC晶體中微管密度的方法，如實(shí)施例1所述，不同之處在于，生長(zhǎng)前，抽真空至真空度達(dá)到10_3Pa。生長(zhǎng)時(shí)，生長(zhǎng)壓力為50mbar，坩堝上蓋溫度在2400°C，成核速率控制在500 μ m/h，軸向的溫度梯度控制在200°C /_。生長(zhǎng)22h后，向生長(zhǎng)室中通入2h高純氮?dú)?，其流量?sccm。生長(zhǎng)時(shí)間是60h，生長(zhǎng)完后，降溫速率是40°C /h。經(jīng)過三代循環(huán)生長(zhǎng)后，結(jié)果與實(shí)施例1相同。
[0040]實(shí)施例3:
[0041]一種降低高質(zhì)量SiC晶體中微管密度的方法，具體方法與實(shí)施例1相同，不同之處在于，生長(zhǎng)前，抽真空至真空度達(dá)到10_2Pa。生長(zhǎng)時(shí)，生長(zhǎng)壓力為45mbar，坩堝上蓋溫度在22000C，成核速率控制在220 μ m/h,軸向的溫度梯度控制在150°C /mm。生長(zhǎng)24h后，向生長(zhǎng)室中通過IOh高純氮?dú)?，其流量為lOsccm。生長(zhǎng)時(shí)間是100h，生長(zhǎng)完后，降溫速率是100°C /h。經(jīng)過三代循環(huán)生長(zhǎng)后，結(jié)果與實(shí)施例1相同。
[0042]實(shí)施例4:
[0043]一種無微管SiC單晶的制備方法，采用實(shí)施例1制備的SiC單晶做籽晶，經(jīng)過三代循環(huán)后所得SiC單晶的微管密度0.4個(gè)/cm2。
[0044]以此晶片做籽晶，繼續(xù)重復(fù)實(shí)施例1的生長(zhǎng)方法的步驟，按此循環(huán)8代，最后獲得的SiC單晶，按實(shí)施例1的方法測(cè)量微管，未檢出。在同步輻射實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果為在3英寸面積內(nèi)只有一個(gè)微管，只有0.02個(gè)/cm2，接近零微管水平，如圖5所示。
【權(quán)利要求】
1.一種降低高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法，包括在單晶爐中采用升華法生長(zhǎng)SiC單晶，包括步驟如下:將SiC粉料放在石墨坩堝的下部，SiC籽晶置于坩堝上部，采用橫截面尺寸為2 - 6英寸的SiC籽晶，生長(zhǎng)前，先抽真空，使生長(zhǎng)室真空度在10_4Pa~10_2Pa ;載氣為高純Ar氣，生長(zhǎng)壓力為5 - 50mbar，坩堝上蓋溫度控制在2100-2400°C，生長(zhǎng)速率控制在20-500 μ m/h，軸向的溫度梯度控制在50-200°C /mm,晶體生長(zhǎng)時(shí)間為40 -1OOh ;采用感應(yīng)加熱方式；晶體生長(zhǎng)20-24h時(shí)，向生長(zhǎng)室中通入高純氮?dú)?，氮?dú)饬髁繛? - 30sccm，通入時(shí)間為.2-10h。間隔20h后，再通入同等流量、相同時(shí)間的氮?dú)?；周期性地重?fù)此過程，得到間歇性摻氮的SiC單晶；晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，在氬氣的保護(hù)下，逐步降低功率，使生長(zhǎng)系統(tǒng)的溫度緩慢降至室溫，降溫速率控制在20-100°C /h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述籽晶是4H-SiC籽晶，生長(zhǎng)面為碳面，生長(zhǎng)方向?yàn)檠豤軸[0001]方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法，其特征在于，周期性地重復(fù)通入高純氮?dú)? - 5次。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法，其特征在于，生長(zhǎng)室真空度為10_4Pa，成核速率控制在50-100 μ m/h,坩堝上蓋溫度是2300°C，生長(zhǎng)壓力是.50mbar,軸向溫度梯度控制在100°C /mm,通入氮?dú)饬髁渴?0sccm,每次通氮?dú)鈺r(shí)間是5h,晶體生長(zhǎng)時(shí)間是40-50h，生長(zhǎng)結(jié)束后降溫速率控制在20-30°C /h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法，其特征在于，用所得到的SiC單晶晶片做籽晶，重復(fù)所述的生長(zhǎng)步驟，得到二代生長(zhǎng)的SiC晶體；用所得到的二代SiC單晶晶片做籽晶，再一次重復(fù)所述生長(zhǎng)步驟，進(jìn)行三代生長(zhǎng)后，所得SiC晶體微管密度小于0.5個(gè)/cm2。
6.一種降低高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法，包括采用權(quán)利要求1 -4任一項(xiàng)所述的降低高質(zhì)量SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法制備的SiC單晶做籽晶，籽晶微管密度不超過2個(gè)/cm2，重復(fù)所述的生長(zhǎng)步驟，獲得二代SiC單晶，以此二代SiC單晶做籽晶，繼續(xù)重復(fù)以上所述的降低SiC單晶中微管密度的生長(zhǎng)方法的步驟，獲得三代SiC單晶，按此循環(huán).6-8代，獲得幾乎無微管的SiC單晶。
【文檔編號(hào)】C30B29/36GK103590101SQ201310547407
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】陳秀芳, 徐現(xiàn)剛, 彭燕, 胡小波 申請(qǐng)人:山東大學(xué)