一种3C-SiC单晶体的制备方法与流程

本发明涉及半导体材料制备，具体涉及一种3c-sic单晶体的制备方法。

背景技术：

1、碳化硅材料具有耐高温、耐高压、耐辐射、耐化学腐蚀、硬度大、热导率大等优点。相较于已经广泛工业应用的六方结构单晶4h-sic，立方结构单晶3c-sic具有更高的电子迁移率、饱和电子速度和热导率，更适合用来制备mosfet等器件。

2、目前，4h-sic单晶已经被广泛应用于igbt、mosfet等器件的制造。在工业生产中，制作4h-sic单晶衬底的第一步是生长厚度10mm以上的单晶体，接着通过切割、研磨和抛光步骤制作厚度350μm厚的衬底。然而，对于3c-sic单晶，制备具有大厚度（>1mm）的单晶体仍然存在挑战。cn115692181a公开了一种方法，具体包括在正轴的4h-sic单晶衬底上生长3c-sic单晶，但因为易形成双堆叠晶界缺陷，不能得到应用。现有技术还公开了另外一种方法，具体包括采用化学气相沉积方法，在si单晶基底上生长3c-sic单晶，但是由于si的熔点是1414℃，生长温度不能高于或接近该温度，否则熔化或软化的si基底不能作为生长基底。由于生长温度低，3c-sic单晶的生长速度慢，难以生长大厚度的3c-sic单晶。例如，materialsscience forum vols 457-460 (2004) pp 285-288对应的期刊文章公开了采用化学气相沉积方法，在si单晶基底上生长3c-sic单晶，生长温度为1300℃，生长速度0.4-1.5μm/h，生长厚度2-6μm。

3、综上所述，需要开发一种新的3c-sic单晶体的制备方法，以提高生长速度并得到大厚度3c-sic单晶体。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种3c-sic单晶体的制备方法，所述制备方法先在低于si熔点的一定温度下，采用化学气相沉积在si单晶基底上生长3c-sic单晶初始层，接着将3c-sic单晶初始层与4h-sic单晶基底相接触进行键合，去除si单晶基底，进一步在高于si熔点的一定温度下，采用化学气相沉积在3c-sic单晶初始层上快速生长3c-sic单晶加厚层。本发明所述制备方法解决了在si单晶基底上生长3c-sic单晶体速度慢且难以长厚的问题，3c-sic单晶的生长速度可达到200μm/h，制备得到的3c-sic单晶体的厚度≥1mm，且(111)峰的半高宽小于50arcsec。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种3c-sic单晶体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、（1）采用化学气相沉积在si单晶基底上生长3c-sic单晶初始层，得到si/3c-sic复合体；

5、（2）对步骤（1）所述si/3c-sic复合体的侧面进行切割，去除位于侧面的所述3c-sic单晶初始层，将上下两个侧面的所述3c-sic单晶初始层的外表面分别与两个4h-sic单晶基底的外表面相接触进行键合，得到si/3c-sic/4h-sic复合体；

6、（3）将步骤（2）所述si/3c-sic/4h-sic复合体去除si单晶基底，得到两个4h-sic/3c-sic复合体；

7、（4）采用化学气相沉积在步骤（3）所述4h-sic/3c-sic复合体的3c-sic单晶初始层上生长3c-sic单晶加厚层，得到4h-sic/3c-sic加厚复合体；

8、（5）将步骤（4）所述4h-sic/3c-sic加厚复合体去除4h-sic单晶基底，经环切得到3c-sic单晶体。

9、本发明所述制备方法先在低于si熔点的一定温度下，采用化学气相沉积在si单晶基底上生长3c-sic单晶初始层，接着将3c-sic单晶初始层与4h-sic单晶基底相接触进行键合，去除si单晶基底，进一步在高于si熔点的一定温度下，采用化学气相沉积在3c-sic单晶初始层上快速生长3c-sic单晶加厚层。本发明所述制备方法解决了在si单晶基底上生长3c-sic单晶体速度慢且难以长厚的问题，3c-sic单晶的生长速度可达到200μm/h，制备得到的3c-sic单晶体的厚度≥1mm，且(111)峰的半高宽小于50arcsec。

10、需要说明的是，本发明中，步骤（1）与步骤（4）所述化学气相沉积可以是水平进气或竖直进气，优选竖直进气，采用的化学气相沉积装置可以是热壁式或冷壁式，优选热壁式。将基底固定于腔体内，可以通过悬挂丝固定，也可以是通过其他连接件连接固定。悬挂丝可以是石墨绳子或钼丝，优选钼丝。用来经过化学反应生成sic的气体原料可以是三氯甲基硅烷（ch3sicl3），采用鼓泡方法将在常温下呈现液态的三氯甲基硅烷转变为气态，鼓泡时通入的载气为氢气（h2），通入腔体的稀释气为氢气或氩气（ar），优选为氢气。生长开始时，先将腔体加热至生长温度，并维持在一定压力，接着通入气体原料和稀释气进行生长。原料气体为三氯甲基硅烷和氢气，三氯甲基硅烷和氢气的流量比为1:20。

11、作为本发明优选的技术方案，步骤（1）中，所述si单晶基底的表面粗糙度＜0.5nm，所述生长的生长方向为si单晶基底表面法向为(111)面偏[001]方向2-4度，例如2度、2.2度、2.5度、2.8度、3度、3.1度、3.3度、3.5度、3.7度或4度等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

12、需要说明的是，本发明中，si单晶基底的表面粗糙度需要小于0.5nm，过大的表面粗糙度会导致sic单晶在si的(111)面以外的面外延生长，引入额外的缺陷；而且，生长方向为si单晶基底表面法向为(111)面偏[001]方向2-4度，若偏向[001]方向的偏轴角度过小，会在生长3c-sic单晶时引入双堆叠晶界缺陷，若偏向[001]方向的偏轴角度过大，制作的3c-sic单晶不适合进行外延生长。

13、作为本发明优选的技术方案，步骤（1）中，所述化学气相沉积的生长温度为1000-1300℃，例如1000℃、1030℃、1050℃、1070℃、1100℃、1120℃、1150℃、1180℃、1200℃、1220℃、1250℃、1270℃或1300℃等，生长压力为100-500pa，例如100pa、200pa、300pa、400pa或500pa等，生长速度为0.5-2μm/h，例如0.5μm/h、0.7μm/h、1μm/h、1.1μm/h、1.3μm/h、1.5μm/h、1.8μm/h或2μm/h等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

14、需要说明的是，本发明中，对于在si单晶基底上生长3c-sic单晶初始层，生长温度在1000-1300℃范围内，生长温度过低，不能形成3c-sic单晶结构，生长温度过高，si单晶基底发生软化，不能生长表面平整的3c-sic单晶层；生长压力在100-500pa范围内，生长压力过低，生长速度慢，生长压力过高，易生长sic多晶；合适的生长速度控制在0.5-2μm/h范围内。

15、作为本发明优选的技术方案，步骤（1）中，所述3c-sic单晶初始层的厚度为1-5μm，例如1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

16、需要说明的是，本发明中，在si单晶基底上生长的3c-sic单晶初始层厚度为1-5μm，若厚度过薄，后续抛光过程中可能发生碎裂，若厚度过厚，会因为生长速度太慢而消耗工艺时间。

17、作为本发明优选的技术方案，步骤（2）中，所述3c-sic单晶初始层的用于键合的外表面的表面粗糙度＜2nm，所述4h-sic单晶基底的用于键合的外表面的表面粗糙度＜2nm。

18、需要说明的是，本发明中，步骤（2）所述切割采用金刚线切割出圆形形状，然后对上下两个侧面的3c-sic单晶初始层的外表面依次进行研磨和抛光，具体采用金刚石砂轮进行研磨，采用化学机械抛光方法进行抛光；若3c-sic单晶初始层的用于键合的外表面的表面粗糙度过大，会导致后续键合面接触不良，影响键合效果，同理，用于支撑层的4h-sic单晶基底的用于键合的外表面的表面粗糙度过大，会导致后续键合面接触不良，影响键合效果。

19、作为本发明优选的技术方案，步骤（2）所述键合的温度为20-40℃，例如20℃、23℃、25℃、27℃、30℃、33℃、35℃、38℃或40℃等，所述键合在真空下进行，控制绝对真空度≤10-3pa；所述键合的时间为5-30s，例如5s、7s、10s、13s、15s、18s、20s、23s、25s、28s或30s等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

20、需要说明的是，本发明中，所述键合方法采用表面活化键合的方式，具体是将3c-sic单晶初始层的外表面与4h-sic单晶基底的外表面相接触后，实现原子级的结合。

21、作为本发明优选的技术方案，步骤（3）中，所述去除si单晶基底采用化学腐蚀方法，例如化学原料采用hf酸溶液。

22、需要说明的是，本发明中，3c-sic单晶初始层表面采用化学腐蚀方法在去除si单晶基底后，不需要进行研磨和抛光步骤。

23、作为本发明优选的技术方案，步骤（4）中，所述化学气相沉积的生长温度为1500-1600℃，例如1500℃、1510℃、1520℃、1530℃、1540℃、1550℃、1560℃、1570℃、1580℃、1590℃或1600℃等，生长压力为500-2000pa，例如500pa、800pa、1000pa、1300pa、1500pa、1700pa、1800pa或2000pa等，生长速度为50-200μm/h，例如50μm/h、80μm/h、100μm/h、120μm/h、150μm/h、160μm/h、180μm/h或200μm/h等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

24、需要说明的是，本发明中，对于在3c-sic单晶初始层上生长3c-sic单晶加厚层，生长温度在1500-1600℃范围内，若生长温度过低，会导致生长速度过低，若生长温度过高，则易引入4h-sic晶型缺陷；生长压力在500-2000pa范围内，若生长压力过低，会导致生长速度慢，若生长压力过高，易生长sic多晶；合适的生长速度控制在50-200μm/h范围内。

25、作为本发明优选的技术方案，步骤（4）中，所述3c-sic单晶加厚层的厚度为1-5mm，例如1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

26、作为本发明优选的技术方案，步骤（5）中，所述去除4h-sic单晶基底采用金刚线切割，所述环切采用金刚线切割，获得圆形的3c-sic单晶体。

27、作为本发明优选的技术方案，步骤（5）中，所述3c-sic单晶体的厚度≥1mm，且(111)峰的半高宽小于50arcsec。

28、与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

29、本发明所述制备方法先在低于si熔点的一定温度下，采用化学气相沉积在si单晶基底上生长3c-sic单晶初始层，接着将3c-sic单晶初始层与4h-sic单晶基底相接触进行键合，去除si单晶基底，进一步在高于si熔点的一定温度下，采用化学气相沉积在3c-sic单晶初始层上快速生长3c-sic单晶加厚层。本发明所述制备方法解决了在si单晶基底上生长3c-sic单晶体速度慢且难以长厚的问题，3c-sic单晶的生长速度可达到200μm/h，制备得到的3c-sic单晶体的厚度≥1mm，且(111)峰的半高宽小于50arcsec。