[发明专利]制备碳化硅单晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过防止晶格缺陷的发生可制备所需的4H-碳化硅单晶的方法。

背景技术

碳化硅热稳定性和化学稳定性非常好，并且具有优良的耐热性和机械强度，因而用作耐环境性半导体材料。还公知碳化硅具有晶体的多型结构。晶体多型(crystal polytype)是其中晶体甚至在相同化学组成的情况下也具有多种不同结构的现象。认为通过结合Si和C得到的分子是晶体结构中的一个单元，晶体聚合是由这样的事实引起的，即，在晶体的c-轴方向([0001]方向)层压该单元结构分子的情况下，周期性结构就会改变。

通常，晶体多型包括2H、3C、4H、6H和15R。此处，第一个数字表示层压的重复周期，字母表示晶系，即，H表示六方晶系，R表示菱形晶系，C表示立方晶系。各个晶体结构在物理和电学性能上是不同的，并且对于不同用途的应用被认为利用了这些不同。例如，4H用作耐高频和耐高压电气设备的基板晶片(substrate wafer)，还有6H用作蓝色LED的光发射材料，因为其带隙宽达约3eV。3C是能够高速运行的半导体元件材料，因为晶体的高对称性和电子的高迁移性。

顺便提及，作为生长碳化硅单晶的方法，例如，气相生长法，Acheson法和溶液生长法，已被常规了解。

所述气相生长法包括，例如，升华法(改进的接力法(relaymethod))和化学气相沉积法(CVD法)。升华法是包括如下步骤的方法：在2,000℃或更高的高温下，升华作为原料的碳化硅粉末，以及在保持低温的籽晶基板上过饱和Si、Si₂C和Si₂C气体，从而沉积单晶。所述CVD法是包括使用硅烷气体和烃基气体，在由Si制成的、加热的基板上进行外延生长碳化硅单晶的方法，用于制备碳化硅单晶。

所述Acheson法是包括加热硅酸酐和碳至2,000℃或更高的高温以制备人造磨料的方法，并且单晶作为副产物而产生。

所述溶液法是包括如下步骤的方法：在由包含碳(通常石墨)的材料制成的坩埚中熔融硅以得到熔体，将来自所述坩埚的碳溶解在所述熔体中，在低温部分布置的籽晶基板上结晶碳化硅，并使所述晶体生长。

但是，已知在通过上述升华法制备的单晶中存在各种晶格缺陷，例如中空渗透缺陷(hollow penetrating defect)和叠层缺陷(stackingfault)。而且，由于晶体生长与所述升华法中的多型转变密切相关，因此，难于协调控制晶格缺陷和控制多型转变，从而导致可能发生晶体多型的问题。

而且，由于供应少量的原料，因为在所述CVD方法中原料是以气体形式供应的，所以要制备的碳化硅单晶被限制为薄膜，难以制备大块单晶作为器件的基板材料。

在所述Acheson方法中，在原料中存在大量杂质，并且难以提高纯度，而且还可能获得大尺寸的晶体。

另一方面，在所述溶液法中，由于存在更少量的晶格缺陷，而且也很少发生晶体多型，所以可获得具有良好结晶性的单晶。

单晶是通过在特定方向生长(层压)晶体而制备的，在所述气相法例如升华法中，具有不同于常规单晶性能的单晶在某些层压结构的边缘上生长，也就是说，发生了晶体多型的转变。另一方面，尽管在所述溶液法中可以防止晶体多型的转变，但得到的晶体具有与籽晶相同的晶体结构，并且通过控制晶体多型的转变而不管所述籽晶的晶体结构，得不到具有衍生的晶体结构的碳化硅单晶。

顺便提及，如上所述，因为4H-碳化硅单晶的电子迁移性大、抑制带宽和电解分解(electrolysis breakdown)、导电各相异性小和供体或受体水平相对弱，现认为其适合用于与器件相关的应用。但是，在用作籽晶的接力晶体(crystal relay)(由接力法制备的SiC晶体)中几乎不存在4H-碳化硅。另外，由于所述接力晶体在所述溶液法中用作籽晶，所以难以制备4H-碳化硅籽晶。

本发明的一个目的是解决上述问题，并提供一种通过使用6H-碳化硅单晶或15R-碳化硅单晶作为籽晶，来转变晶体多型，能够从6H或15R制备需要的4H-碳化硅单晶的方法。

发明公开

为了解决上述问题，根据本发明的第一个方面，一种制备碳化硅单晶的方法包括：使碳化硅单晶基板与通过熔融包含Si和C的原料而制备的熔体接触，和在所述基板上生长碳化硅单晶，所述方法包括进行以下步骤(a)和(b)的循环：

a)使所述籽晶基板与所述熔体的所述表面接触，生长单晶，并从所述熔体的所述表面分离所述籽晶基板，从而打断所述单晶的所述生长的步骤，和