[发明专利]一种用于生长高质量导电型碳化硅晶体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳化硅晶体领域，尤其是一种用于生长高质量导电型碳 化硅晶体的方法。

背景技术

当前，半导体产业的迅猛发展再次激发了现代科学技术的革新。作 为第三代宽带隙半导体材料，碳化硅在热学、电学、抗腐蚀等性能方面 优越于常用的衬底材料，可广泛用于制造半导体照明、微电子、电力电 子等半导体器件。根据权威机构的市场报告，碳化硅晶圆的市场规模在 2012年将达到4亿美元。因此，国际上主要的碳化硅晶圆生产商一直在努 力改善晶体质量和放大晶体尺寸。过去的几十年间，多种高性能的碳化 硅基半导体器件，如发光二极管、肖特基二极管、混合动力汽车的功率 模块逆变器等，已被成功研制，这无疑预示了今后半导体器件制造商对 碳化硅晶圆需求量的激增。但是，价格因素仍是阻碍碳化硅晶圆在国际 上广泛应用的壁垒，因此开发新的晶体生长工艺来提高晶体产量具有非 常重要的现实意义。

目前物理气相传输法(Physical Vapor Transport Method)被公认 是生长碳化硅、氮化铝等晶体最为成功的方法之一，其生长机理如图1 所示。通常，在晶体生长过程中，使碳化硅原料处于生长体系的热区 (2200～2300℃)、籽晶处于相对冷区(2100-2200)，这样处于高温区的 碳化硅原料分解、蒸发，以气态形式(包括Si₂C、SiC₂和Si等)传输至 籽晶区，在籽晶上吸附、结晶形成大尺寸碳化硅晶体。因此，生长体系 的轴向温度梯度是晶体生长的驱动力。

碳化硅半导体器件应用主要涉及三个领域，即照明器件、功率器件、 微波射频器件。前两者主要使用的衬底为导电型衬底，且可广泛用于民 用，因此对高质量导电型碳化硅晶片的需求迫切。然而，通常高质量碳 化硅晶体的生长速度在0.1-0.5mm/h之间，产量有限，价格相对较高， 制约了高性能碳化硅基器件的快速发展。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种于生长高质量 导电型碳化硅晶体的方法，该方法能够快速生长高质量的导电型碳化硅 晶体，可极大提高晶体产量，为工业客户的研发和新一代半导体器件产 业化进程提供保障。

为实现上述目的，本发明一种用于生长高质量导电型碳化硅晶体的 方法，具体为：

1)将已填充碳化硅原料和已粘结籽晶的坩埚放入晶体生长炉；

2)将晶体生长炉抽真空后，为晶体生长炉充入预定量的气体从而对 晶体生长体系进行洗气，多次重复此步骤；

3)提高晶体生长炉的温度，使填充碳化硅原料的原料区具有 2300-2700℃的温度，籽晶处具有1800-2300℃的温度；

4)将晶体生长炉的气压控制在0.01-200Pa范围内，开始快速生长 导电型碳化硅晶体；

5)生长结束后，关闭电源或以设定的速率降低晶体生长炉温度至 1000℃-1400℃后，随炉冷却至室温并得到高质量导电型碳化硅 晶体。

进一步，所述步骤1)的晶体生长炉包括感应加热炉、石墨加热炉和 /或W加热体炉。

进一步，所述晶体生长炉为感应加热炉，真空度可达10^-4Pa量级， 最高真空度可达10^-5Pa量级。

进一步，所述步骤2)的充入预定量的气体包括充入10³-10⁶Pa的 Ar或10³-10⁶Pa的N₂。

进一步，所述步骤3)通过坩埚材料的设计、坩埚结构的设计、保温 材料的设计和/或保温结构的设计而实施。

进一步，所述步骤4)控制晶体生长炉的气压在0.01-200Pa范围， 生长体系内气氛为氮气或含氮混合气氛，所述晶体生长速度在0.6mm/h -3mm/h范围内。

进一步，所述步骤5)降温速率在100℃/h-2000℃/h范围内。

进一步，所述高质量导电型碳化硅晶体的电阻率在0.001欧姆·厘 米～0.1欧姆·厘米范围内。

进一步，所述碳化硅晶体为4H-SiC晶体或6H-SiC晶体。

进一步，所述步骤5)还包括向晶体生长炉内充入流动的惰性气体。