一种降低物理气相传输法生长SiC单晶中位错密度的方法
【技术领域】
[0001]本发明提供一种降低物理气相传输法生长SiC单晶中位错密度的方法，属晶体材料生长技术领域。
【背景技术】
[0002]作为第三代宽带隙半导体材料的代表，碳化硅材料具有禁带宽度大、载流子饱和迀移速度高、热导率高、临界击穿电场强度高、化学稳定性好等优良的物理化学特性。基于这些优良的特性，SiC材料被认为是制作高频、大功率、耐高温和抗辐射电子器件的理想材料，以其制造的器件在白光照明、汽车电子化、雷达通讯、石油钻井、航空航天、核反应堆系统及军事装备等领域有着广泛的应用。
[0003]生长大直径、高质量的SiC单晶是实现器件应用的关键。过去的20年中，经过国内外同行的不懈努力，在碳化硅材料研制方面取得了飞速发展，已经实现了大尺寸4英寸(100mm)4H-SiC衬底的商品化，器件的致命缺陷一一微管密度已经可以在晶体生长过程中控制在IcnT2以下，甚至达到零微管水平。然而，SiC材料本身仍旧存在位错密度相对较高的问题，典型值为14CnT2量级，制约了 SiC材料在电子器件中更广泛的应用，比如在高位错密度衬底上制作的晶体三极管具有较大的漏电流。因此，目前提高SiC单晶材料质量的研宄焦点及重点已经转移到如何减少衬底材料中的位错密度。
[0004]SiC单晶中的位错主要包括穿透型位错(Threading Dislocat1ns)和基平面位错(Basal Plane Dislocat1ns) ο穿透型位错通常是沿生长方向(0001)延伸，沿c轴生长时，籽晶中的穿透型位错能够继承到生长层中。根据位错线与伯格斯矢量的方向关系，穿透型位错又可分为:穿透型螺位错(Threading Screw Dislocat1n)、穿透型刃位错(Threading Edge Dislocat1n)。对螺位错，其伯格斯矢量方向平行于位错线的方向，其柏格斯矢量为〈0001〉；对刃位错，其伯格斯矢量方向垂直于位错线的方向，其柏格斯矢量为1/3<11 -20〉。而基平面位错是躺在(0001)面内的一种位错，其方向沿着〈10 -10〉，柏格斯矢量为1/3〈11 -20〉，被认为是由于生长过程中或冷却过程中热应力对晶体的作用引起的。
[0005]在 Ultrahigh-quality Silicon Carbide Single Crystals(D.Nakamura, 1.Gunjishima, et al.[J].Nature 2004, 430:1009-1012)文章中，作者提出米用 “RepeatedA-Face (RAF)”方法，即通过多次重复a面(11-20)和m面(1-100)面交替生长，然后再进行c面生长，获得低位错密度高质量的SiC单晶。此方法需要多次重复生长，步骤复杂且在多次重复生长中容易引入其他的缺陷。在Polarity-and orientat1n-related DefectDistribut1n in 4H-SiC Single Crystals (Rost H, Schmidbaner M, Siche D, et al.[J].Journal of Crystal Growth 2006, 290:137-143)作者指出，SiC 沿非极性生长面生长时，相比沿c轴极性面生长，显示出完全不同的生长动力学及缺陷产生机制，穿透位错密度相比沿c轴生长大大降低，然而产生大量堆垛层错缺陷。
[0006]美国专利文件US6706114B2公布了一种新型籽晶托，其表面由两种热导率差异较大的材料制作图形，籽晶粘结在上面，以此调制物理气相传输生长方法时籽晶表面温度场分布，强制在预定义图形对应温度较低区域优先成核，按照预定义图形进行选择优先生长。生长后晶体面按预定义图形，对应分布高位错密度区域和低位错密度区域。美国专利文件US6863728 B2公布了采用了内表面镀TaxCy或Nb xCy材质的ring element装置，实现快速扩径，在扩径部分侧向生长区域位错密度大大降低；但是，籽晶部分沿c轴轴向生长区域位错密度继承自籽晶，位错密度没有降低。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中SiC材料仍存在对较高位错密度的不足，本发明提供一种降低物理气相传输法生长SiC单晶中位错密度的方法，可以稳定生长低位错密度的SiC单晶。
[0008]发明概述:
[0009]本发明根据SiC不同晶面生长速率各向异性原理，在SiC籽晶面上制作周期性台面和沟槽，台面侧壁面指数优选为{11-20}，调节生长参数，包括生长温度、压力、轴向梯度，获得最优的侧向生长速率，进行微区侧向生长，达到消除位错的目的。生长过程分两个阶段，第一个阶段，选择合适的生长条件，促进沿台面侧壁非极性面侧向生长，侧向生长区域位错密度大大降低；第二阶段，当台面之间沟槽侧向长平后，改变生长条件，促进沿c轴方向生长，提尚生长速率长厚晶体。
[0010]发明详述:
[0011]本发明的技术方案如下:
[0012]一种降低物理气相传输法生长SiC单晶中位错密度的方法，包括步骤如下:
[0013](I)在SiC籽晶面为(000-1) C面或(OOOl)Si面，或与
[0001]方向偏差0-8°的邻位面上制作沟槽，使得沟槽侧壁显露的面为(ll-20)a面或(l-1oo)m面；
[0014](2)沿制作好沟槽的SiC籽晶面进行两个阶段晶体生长，第一阶段:低温生长，生长温度1600-200()°C，压力0_50mbar，生长至沟槽长平；第二阶段:高温生长，生长温度2050_2300°C，生长压力 10_80mbar，生长 2O-2OOh ；
[0015](3)重复步骤(1)、(2)过程，实现物理气相传输法生长SiC单晶中位错密度的降低。
[0016]根据本发明，优选的，步骤(I)中所述的沟槽均匀交互排布，沟槽宽50-1000 μπι，沟槽深50-500 μ m ;进一步优选的，沟槽宽100-500 μ m，沟槽深100-300 μ m。SiC籽晶面上，沟槽之间的部分为台面，优选的，台面宽50-1000 μ m，进一步优选100-400 μπι。优选的，台面的形状为菱形、正方形、正三角形、正六边形或符合本发明目的的其他图形。
[0017]根据本发明，步骤(I)中所述的沟槽可通过机械或化学方法获得，如刻蚀、金刚石多线切割等可以制备沟槽的方法。优选的，沟槽制作完毕后，依次采用氢氟酸、丙酮和去离子水超声清洗，以去除制作沟槽时产生的碎肩。
[0018]根据本发明，优选的，步骤(2)中晶体生长之前在高温高压下，通入H2或者HCl腐蚀性气体退火，以腐蚀籽晶表面，目的是去除制作沟槽时侧壁引入的应力损伤层。进一步优选的，退火温度1950-2100°C，退火压力500-1000mbar，退火时间10_60min。
[0019]根据本发明，优选的，步骤⑵中第一阶段:低温生长，优选的生长温度1650-1850 °C，压力0-30mbar，生长至沟槽长平；第二阶段:高温生长，优选的生长温度2050-2250°C，生长压力 10_50mbar，生长时间 20_100h。
[0020]根据本发明，晶体生长完后，按常规的半导体切磨抛加工工艺，加工成籽晶晶片，重复上述内容，籽晶位错密度逐步降低。
[0021]本发明的原理:
[0022]本发明通过在SiC生长籽晶表面上制作周期性图形台面和沟槽，利用各晶面生长速度的不同，选择合适的生长条件，使显露的侧面快速生长，阻断来自沿籽晶生长方向延伸的位错，从而达到降低和消除SiC单晶位错密度的目标。
[0023]沟槽侧壁显露出非极性生长面，优选的为a面(11-20)，因a面(11_20)表面键结构具有最大的扭折位密度，所以相比其它晶面具有最大的侧向生长速率。根据SiC晶体生长时不同晶面生长速率差别较大的各向异性原理，进行两个阶段的生长过程，第一个阶段:选择合适的生长条件，促进沿沟槽侧壁非极性面侧向生长，此时a面生长速率^远大于籽晶面(c面)生长速率V。，侧向生长阻断了来自垂直生长方向的位错延伸，侧向自由生长区域位错密度大大降低，同时保证生长层具有原子级光滑表面；第二阶段，当台面之间的沟槽侧向长平后，改变生长条件，提高生长温度，促进沿c轴方向生长，提高生长速率长厚晶体。此时生长晶体在沟槽区域对应自由侧向生长区域相比台面区域位错密度可以降低两个数量级。采用本方法多次进行优化生长，实现最终整体位错密度的降低。
[0024]本发明的有益效果:
[0025]1、本发明基于不同晶面生长速率各向异性原理，只需利用机械或化学方法使籽晶表面显露出非极性面即可，工艺简单，成本低，并且能够明显降低物理气相传输法生长SiC单晶中的位错密度；
[0026]2、本发明通过一次生长过程中调节生长参数，控制损伤层去除及两阶段生长，消除了多次升降温引入的缺陷，同时节约时间，生长效率高；
[0027]3、本发明选用最具有最快侧向生长速率的(ll_20)a面，生长参数可调整范围宽，生长容易控制，稳定性高重复性好。
【附图说明】
[0028]图1为本发明实施例1SiC籽晶面的结构示意图。
[0029]图2为本发明实施例2SiC籽晶面的结构示意图。
[0030]图3为本发明实施例3SiC籽晶面的结构示意图。
[0031]图4为本发明物理气相传输法(PVT)生长装置的结构示意图。
[0032]图5为本发明实施例1生长层中穿透位错分布示意图。
[0033]图6为本发明实施例6生长得到的SiC层采用激光共聚焦显微镜观察到的穿透位错分布图。
[0034]其中:1、SiC籽晶，2、菱形台面，3、沟槽，4、正三角形台面，5、正六边形台面，6、碳化硅粉料，7、石墨坩祸，8、石墨保温纤维材料，9、穿透位错，10、a面生长，11、c面生长。
【具体实施方式】
[0035]下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
[0036]实施例中所用的晶体生长装置为物理气相传输法(PVT)生长装置，如图4所示。该装置包括石墨坩祸7，石墨坩祸7外侧设置有石墨保温纤维材料8，将碳化硅粉料6放置在石墨坩祸7下部，将籽晶I放置在石墨坩祸7上部。
[0037]实施例1
[0038]一种降低物理气相传输法生长SiC单晶中位错密度的方法，包括步骤如下:
[0039](I)在SiC籽晶I面为(000-1) C面上，使用机械刻蚀的方法制作沟槽3，使得沟槽3侧壁显露的面为(I 1-20) a面；
[0040]如图1所示，沟槽3均匀交互排布，沟槽3宽200 μ m，沟槽3深200 μ m ；SiC籽晶I面上沟槽3之间的部分为菱形台面2，沟槽3侧壁即为菱形台面2侧壁，菱形台面2宽度(即菱形边长)为300 μπι;