[发明专利]一种无石墨包裹物的导电碳化硅晶体生长工艺

说明书

技术领域

本发明主要应用于导电碳化硅晶体生长领域，具体来说是通过消除在碳化硅晶体生长过程中所引入的石墨包裹物来提高导电碳化硅晶体质量。

背景技术

在信息技术迅猛发展的今天，半导体技术的革新扮演着越来越重要的角色。以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代宽禁带半导体。与硅和砷化镓为代表的传统半导体材料相比，碳化硅在工作温度、抗辐射、耐击穿电压等性能方面具有很大优势。作为目前发展最成熟的宽带隙半导体材料，碳化硅具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，其优异性能可以满足现代电子技术对高温、高频、高功率以及抗辐射的新要求，因而被看作是半导体材料领域最有前景的材料之一。此外，由于六方碳化硅与氮化镓、氮化铝相近的晶格常数及热膨胀系数，因此也成为制造高亮度发光二极管(HB-LED)和紫外探测器(Ultraviolet Explorer)的理想衬底材料。

目前生长碳化硅晶体最有效的方法是物理气相传输(PVT)法(Journalof Crystal Growth 43(1978)209-212)，典型的生长室结构如图1所示。坩埚7由上部的盖和下部的埚组成，上部的盖用于粘籽晶4，通常称之为籽晶托，下部的埚用于装碳化硅原料8。坩埚侧壁及上下是耐高温的保温材料3，保温材料通常是石墨毡。保温层侧壁是石英套水冷装置2，由于保温层辐射热量较大，要求水流速度较大。石英套水冷装置2外是感应线圈加热器1。

在导电碳化硅晶体5生长中，包裹物是一种比较常见的缺陷。它不仅容易造成碳化硅晶格畸变而产生应力，还能诱发微管等其他晶体缺陷的产生。晶体中包裹物通常(0001)面的分布具有局部聚集现象，聚集在一起的包裹物呈现条纹状分布，条纹宽度可达100μm，长度可达毫米量级。包裹物尺寸大小从几微米、几十微米甚至到上百微米，包裹物没有规则的外形，分布在不同的层面上。结合导电碳化硅晶体的纵切片中包裹物分布情况发现晶体中包裹物的分布具有下列规律：

(1)在晶体生长初期几乎没有包裹物，包裹物开始于生长后的某个时刻；

(2)包裹物初始分布在晶面中心，随着生长的进行，包裹物分布区域逐渐向四周扩大，呈现辐射状分布，边缘区域包裹物很少；

(3)晶体尺寸越大越容易产生包裹物。

为了辨别晶体(6H晶型)中包裹物的物相，利用Raman光谱对包裹物进行了物相测试。Raman光谱测试结果显示，包裹物的Raman谱图一样，除了6H-SiC的特征峰以外，均有1582cm^-1较强峰，而没有Si的任何特征峰。由于1582cm^-1属于石墨的特征峰，因此Raman测试结果表明导电碳化硅晶体中的包裹物主要是细小石墨颗粒。

尽管所用的碳化硅原料平均颗粒尺寸约200μm，但原料的粒度分布范围较宽，最细颗粒直径只有几微米，粗的可达几百微米甚至毫米量级。晶体生长初期，由于此时生长温度相对较低，生长室内碳化硅气相物质6压力较低，因此生长速度较慢，原料石墨化还未开始。随着生长的进行，生长室内气相物质压逐渐增大，细颗粒的原料石墨化也逐渐开始，石墨化后的细颗粒有可能在生长室内气相物质的对流作用下带到生长界面，从而在晶体中开始产生包裹物。由于对流受温度梯度分布影响，而生长面中心区域温度最低，也就是大量携带石墨化后的细颗粒气相物质先接触到晶体生长的中心区域，然后再向边缘扩散，从而包裹物中区域多边缘少。可见，原料中被完全石墨化的原料小颗粒应该是导电碳化硅晶体石墨包裹物产生的根本原因。

为了减少晶体中的石墨包裹物，首先要挑选合适粒度分布的碳化硅原料，细小颗粒的碳化硅粉末要过筛掉，以从源头上抑制包裹物的产生；其次要控制晶体生长速度，采用相对较慢的生长速度进行晶体生长，使得生长室内的气相物质压力较低，从而减小对流的产生；再次要控制生长室内的温度梯度，晶体生长时驱动力过大可导致包裹物产生。这些措施都有利于减少碳包裹物，但离彻底消除晶体中石墨包裹物还有较大差距。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备无石墨包裹物的导电碳化硅晶体生长工艺，以改进公知技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供的无石墨包裹物的导电碳化硅晶体生长工艺，利用氢原子可以在高温下与石墨颗粒反应生成气态的碳氢化合物或碳氢自由基，将石墨颗粒在原料中或从料面到晶体生长面的输运过程中消除，从而生长出无石墨包裹物导电碳化硅晶体；其过程为：