本發(fā)明屬于碳化硅單晶生長領(lǐng)域，具體涉及一種優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法。

背景技術(shù)：

作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅單晶具有禁帶寬度大，抗輻射能力強(qiáng)，擊穿電場高，介電常數(shù)小，熱導(dǎo)率大，電子飽和漂移速度高，化學(xué)穩(wěn)定性高等獨(dú)特的特性，可以用來制造各種耐高溫的高頻大功率器件，應(yīng)用于硅器件難以勝任的場合，被認(rèn)為是制造光電子器件、高頻大功率器件、電力電子器件理想的半導(dǎo)體材料。在白光照明、光存儲、屏幕顯示、航天航空、高溫輻射環(huán)境、石油勘探、自動化、雷達(dá)與通信、汽車電子化等方面有廣泛應(yīng)用，尤其在國防軍事上有著重要的戰(zhàn)略地位，因此受到各國的高度重視。

目前，生長SiC晶體最有效的方法是物理氣相傳輸法（Physical Vapor Transport），且在升華系統(tǒng)中形成的晶體具有較低的缺陷水準(zhǔn)，因此也是主要商業(yè)化量產(chǎn)的技術(shù)。在典型碳化硅生產(chǎn)技術(shù)中，整個(gè)生長系統(tǒng)包括生長室、感應(yīng)加熱系統(tǒng)及水冷系統(tǒng)，坩堝及保溫材料（典型的生長系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示）。在石墨坩堝中生長SiC晶體時(shí)，經(jīng)常觀察到生長原料（SiC粉體）石墨化現(xiàn)象，即SiC粉體顆粒發(fā)生非化學(xué)計(jì)量比分解，更多的硅原子以各種氣相組分Si_mC_n，包括氣態(tài)的富硅基團(tuán)（當(dāng)m>n時(shí)，氣象組分Si_mC_n就是氣態(tài)的富硅基團(tuán)）的形式進(jìn)入氣相，導(dǎo)致生長原料中碳過量。SiC粉體的石墨化將增大晶體石墨化和形成其他多型、位錯與微管道的可能性，使得晶體生長速率在很大程度上受到限制。增大生長室內(nèi)氣體壓強(qiáng)在一定程度上可以抑制SiC粉體的石墨化，但也會相應(yīng)降低晶體的生長速度。因此，如何設(shè)計(jì)一種提高生長過程中的Si與C組分的比例來優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法成為本領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法，該方法通過設(shè)置石墨導(dǎo)管，在碳化硅單晶生長過程中通入硅烷氣體，高溫時(shí)氣體分解，產(chǎn)生氣態(tài)的Si組分，首先可以提高SiC籽晶或晶體附近的Si與C的組分比例，促進(jìn)晶體穩(wěn)定生長，降低多型、位錯與微管道的形成；其次，氣態(tài)Si組分可以與SiC原料升華后所產(chǎn)生的C反應(yīng)，抑制SiC原料的石墨化，使升華的組分穩(wěn)定地向生長區(qū)輸運(yùn)，優(yōu)化生長過程，降低晶體中的缺陷。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，包括以下步驟：（1）在石墨坩堝的側(cè)壁上部鉆取一個(gè)氣孔，用于連接石墨導(dǎo)管；（2）將SiC原料置于所述石墨坩堝底部，將SiC籽晶置于與所述石墨坩堝上蓋相連的石墨托盤上；（3）將所述石墨導(dǎo)管一端接入所述石墨坩堝側(cè)壁上的氣孔，另一端連接感應(yīng)加熱爐的硅烷管路，用于通過此導(dǎo)管向所述爐體生長室內(nèi)通入硅烷氣體；（4）在碳化硅晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空，當(dāng)所述生長室內(nèi)的真空度達(dá)到1×10^-4Pa后，保持真空狀態(tài)，向所述生長室內(nèi)通入置換氣體一段時(shí)間，再間隔10-40min后再次通入相同流量、相同時(shí)間的置換氣體，周期性重復(fù)此過程，徹底置換出所述生長室內(nèi)殘留的空氣，達(dá)到除氧的目的，用于防止所述生長室內(nèi)殘余的氧與后續(xù)生長過程中通過所述石墨導(dǎo)管所通入的硅烷氣體發(fā)生反應(yīng)；（5）對所述生長室加熱，控制所述坩堝上蓋處的溫度T₁為1800-2300℃，控制所述SiC原料升華的溫度T₂為2100-2700℃，生長壓力P為0-10KPa；（6）通過所述感應(yīng)加熱爐的硅烷管路經(jīng)所述石墨導(dǎo)管向生長室內(nèi)通入硅烷氣體，通入時(shí)間與晶體生長時(shí)間相同；（7）所示碳化硅晶體生長結(jié)束，逐漸降低生長室溫度至室溫。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的該方法通過設(shè)置石墨導(dǎo)管，在碳化硅單晶生長過程中通入硅烷氣體，高溫時(shí)氣體分解，產(chǎn)生氣態(tài)的Si組分，首先可以提高SiC籽晶或晶體附近的Si與C的組分比例，促進(jìn)晶體穩(wěn)定生長，降低多型、位錯與微管道的形成；其次，氣態(tài)Si組分可以與SiC原料升華后所產(chǎn)生的C反應(yīng)，抑制SiC粉體的石墨化，使升華的組分穩(wěn)定地向生長區(qū)輸運(yùn)，優(yōu)化生長過程，降低晶體中的缺陷。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述氣孔的直徑為4-8mm。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述SiC籽晶的直徑為2-8英寸。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，步驟（4）中，通入所述置換氣體流量為1-100mL/min，時(shí)間為3-60min，周期性重復(fù)次數(shù)大于5次；置換氣體為H₂、Ar、He中的一種或者這三種氣體的任意組合氣體。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，步驟（6）中，通入硅烷氣體的流量為1-50mL/min，通入時(shí)間與晶體生長時(shí)間均為20-200hr。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，步驟（7）中，降溫時(shí)間為10-50hr。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述碳化硅單晶為2H、4H、6H、3C和15R或這五種晶型的任意組合晶型。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，硅烷氣體為甲硅烷。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述石墨導(dǎo)管成反“Z”形。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：本發(fā)明所述優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法通過設(shè)置石墨導(dǎo)管，在碳化硅單晶生長過程中通入硅烷氣體，高溫時(shí)氣體分解，產(chǎn)生氣態(tài)的Si組分，首先可以提高SiC籽晶或晶體附近的Si與C的組分比例，促進(jìn)晶體穩(wěn)定生長，降低多型、位錯與微管道的形成；其次，氣態(tài)Si組分可以與SiC原料升華后所產(chǎn)生的C反應(yīng)，抑制SiC粉體的石墨化，使升華的組分穩(wěn)定地向生長區(qū)輸運(yùn)，優(yōu)化生長過程，降低晶體中的缺陷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明優(yōu)化碳化硅單晶生長方法的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，感應(yīng)線圈1，石墨導(dǎo)管2，硅烷氣體3，SiC籽晶4，石墨坩堝5，SiC原料6，石墨坩堝上蓋7，石墨托盤8。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，下面描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能讓理解為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明提出了一種優(yōu)化碳化硅單晶生長的方法，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圖1為本發(fā)明優(yōu)化碳化硅單晶生長方法的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，參照圖1所示，包括以下步驟：第一步：在石墨坩堝5的側(cè)壁上部鉆取一個(gè)直徑為4-8mm的氣孔，用于連接石墨導(dǎo)管2；第二步：將SiC原料6置于所述石墨坩堝底部，將直徑為2-8英寸的SiC籽晶4置于與所述石墨坩堝上蓋7相連的石墨托盤8上；第三步：將所述石墨導(dǎo)管一端接入所述石墨坩堝側(cè)壁上的氣孔，另一端連接感應(yīng)加熱爐的硅烷管路，用于通過此導(dǎo)管向所述爐體生長室內(nèi)通入硅烷氣體3；根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，本發(fā)明所述氣孔位于所述SiC原料的上方，所述石墨導(dǎo)管的具體形狀不受限制，本發(fā)明優(yōu)選為反“Z”形，硅烷氣體的具體種類不受限制，可以為甲硅烷、乙硅烷或其他更高級的硅氫化合物，本發(fā)明優(yōu)選為甲硅烷(SiH4)，其純度為99.9999%以上。在碳化硅單晶生長過程中通入甲硅烷（SiH₄）氣體，高溫時(shí)SiH₄分解，產(chǎn)生氣態(tài)的Si組分，首先可以提高SiC籽晶或晶體附近的Si與C的組分比例，促進(jìn)晶體穩(wěn)定生長，降低多型、位錯與微管道的形成；其次，氣態(tài)Si組分可以與SiC原料升華后所產(chǎn)生的C反應(yīng)，抑制SiC粉體的石墨化，使升華的組分穩(wěn)定地向生長區(qū)輸運(yùn)，優(yōu)化生長過程，降低晶體中的缺陷。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第四步：在碳化硅晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空，當(dāng)所述生長室內(nèi)的真空度達(dá)到1×10^-4Pa后，保持真空狀態(tài)，向所述生長室內(nèi)通入置換氣體，氣體流量為1-100mL/min，通入時(shí)間為3-60min，再間隔10-40min后再次通入相同流量、相同時(shí)間的置換氣體，周期性重復(fù)此過程5次以上，徹底置換出所述生長室內(nèi)殘留的空氣，達(dá)到除氧的目的，用于防止所述生長室內(nèi)殘余的氧與后續(xù)生長過程中通過所述石墨導(dǎo)管所通入的硅烷氣體發(fā)生反應(yīng)；根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，本發(fā)明所述置換氣體可以為H₂、Ar、He中的一種或者這三種氣體的任意組合氣體。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第五步：對所述生長室加熱，控制所述坩堝上蓋處的溫度T₁為1800-2300℃，控制所述SiC原料升華的溫度T₂為2100-2700℃，生長壓力P為0-10KPa；第六步：通過所述感應(yīng)加熱爐的硅烷管路經(jīng)所述石墨導(dǎo)管向生長室內(nèi)通入硅烷氣體，流量為1-50mL/min，通入時(shí)間與晶體生長時(shí)間相同，均為20-200hr；通過感應(yīng)加熱爐的感應(yīng)線圈1對所述坩堝加熱，通過熱傳導(dǎo)作用，使SiC原料達(dá)到升華溫度T₂，控制石墨坩堝上蓋處的溫度T₁低于SiC原料的溫度，使得升華后的氣象組分Si_mC_n在籽晶處結(jié)晶生長，同時(shí)通入甲硅烷（SiH₄）氣體，使其在坩堝內(nèi)部分解產(chǎn)生氣態(tài)的Si組分，增加Si與C的組分比例，得到低缺陷的SiC晶體。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，在石墨坩堝中生長SiC晶體時(shí)，經(jīng)常觀察到生長原料（SiC粉體）石墨化現(xiàn)象，即SiC原料顆粒發(fā)生非化學(xué)計(jì)量比分解，更多的硅原子以各種氣相組分Si_mC_n，包括氣態(tài)的富硅基團(tuán)（當(dāng)m>n時(shí)，氣象組分Si_mC_n就是氣態(tài)的富硅基團(tuán)）的形式進(jìn)入氣相，導(dǎo)致生長原料中碳過量。本發(fā)明通過導(dǎo)入甲硅烷（SiH₄）氣體很好地抑制了SiC粉體的石墨化。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第七步：所示碳化硅晶體生長結(jié)束，逐漸降低生長室溫度至室溫，降溫時(shí)間為10-50hr，優(yōu)選的，本發(fā)明所述碳化硅單晶為2H、4H、6H、3C和15R或這五種晶型的任意組合晶型。

實(shí)施例1：采用感應(yīng)加熱式PVT法單晶爐生長4H-SiC單晶，具體步驟如下：（1）在石墨坩堝的側(cè)壁上部鉆取一個(gè)直徑為6mm的氣孔；

（2）將SiC原料置于所述石墨坩堝底部，將直徑為4英寸的SiC籽晶置于與所述石墨坩堝上蓋相連的石墨托盤上，生長面為碳面，生長方向?yàn)檩S向；

（3）將裝配好的坩堝置于單晶爐生長室中，所述石墨導(dǎo)管一端接入所述石墨坩堝側(cè)壁上的氣孔，另一端連接感應(yīng)加熱爐的硅烷管路；

（4）在碳化硅晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空，使所述生長室內(nèi)的真空度達(dá)到1×10^-4Pa，保持真空狀態(tài)，向所述生長室內(nèi)通入氬氣，氣體流量為20mL/min，通入時(shí)間為10min，再間隔10min后再次通入相同流量、相同時(shí)間的置換氣體，周期性重復(fù)此過程6次，徹底置換出所述生長室內(nèi)殘留的空氣；

（5）對所述生長室加熱，控制所述坩堝上蓋處的溫度T₁為1900℃，控制所述SiC原料升華的溫度T₂為2300℃，生長壓力P為5KPa；

（6）通過所述感應(yīng)加熱爐的硅烷管路經(jīng)所述石墨導(dǎo)管向生長室內(nèi)通入甲硅烷氣體，流量為5mL/min，通入時(shí)間與晶體生長時(shí)間相同，均為100hr。

（7）所示碳化硅晶體生長結(jié)束，逐漸降低生長室溫度至室溫，降溫時(shí)間25hr，得到厚度大于30mm，直徑大于4英寸的4H-SiC單晶，生長速度大于6g/hr，微管密度低于5/cm²，無包裹物，無多型。

實(shí)施例2：采用感應(yīng)加熱式PVT法單晶爐生長6H-SiC單晶，具體步驟如下：（1）在石墨坩堝的側(cè)壁上部鉆取一個(gè)直徑為6mm的氣孔；

（2）將SiC原料置于所述石墨坩堝底部，將直徑為4英寸的SiC籽晶置于與所述石墨坩堝上蓋相連的石墨托盤上，生長面為碳面，生長方向?yàn)檩S向；

（3）將裝配好的坩堝置于單晶爐生長室中，所述石墨導(dǎo)管一端接入所述石墨坩堝側(cè)壁上的氣孔，另一端連接感應(yīng)加熱爐的硅烷管路；

（4）在碳化硅晶體生長前先將所述石墨坩堝抽真空，使所述生長室內(nèi)的真空度達(dá)到1×10^-4Pa，保持真空狀態(tài)，向所述生長室內(nèi)通入氬氣，氣體流量為20mL/min，通入時(shí)間為10min，再間隔10min后再次通入相同流量、相同時(shí)間的置換氣體，周期性重復(fù)此過程6次，徹底置換出所述生長室內(nèi)殘留的空氣；

（5）對所述生長室加熱，控制所述坩堝上蓋處的溫度T₁為2000℃，控制所述SiC原料升華的溫度T₂為2400℃，生長壓力P為5KPa；

（6）通過所述感應(yīng)加熱爐的硅烷管路經(jīng)所述石墨導(dǎo)管向生長室內(nèi)通入甲硅烷氣體，流量為5mL/min，通入時(shí)間與晶體生長時(shí)間相同，均為100hr。

（7）所示碳化硅晶體生長結(jié)束，逐漸降低生長室溫度至室溫，降溫時(shí)間25hr，得到厚度大于30mm，直徑大于4英寸的6H-SiC單晶，生長速度大于6g/hr，微管密度低于5/cm²，無包裹物，無多型。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的該方法通過設(shè)置石墨導(dǎo)管，在碳化硅單晶生長過程中通入硅烷氣體，高溫時(shí)氣體分解，產(chǎn)生氣態(tài)的Si組分，首先可以提高SiC籽晶或晶體附近的Si與C的組分比例，促進(jìn)晶體穩(wěn)定生長，降低多型、位錯與微管道的形成；其次，氣態(tài)Si組分可以與SiC原料升華后所產(chǎn)生的C反應(yīng)，抑制SiC粉體的石墨化，使升華的組分穩(wěn)定地向生長區(qū)輸運(yùn)，優(yōu)化生長過程，降低晶體中的缺陷。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型，同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本申請的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。