[发明专利]一种生长大尺寸低缺陷碳化硅单晶和晶片的方法

说明书

技术领域

本发明提供一种制备低缺陷密度的SiC单晶及其加工出SiC晶片的方法。

背景技术

碳化硅(SiC)是第三代宽带隙半导体材料，具有宽禁带、高热导率、高电子饱和迁移速率、高击穿电场等性质，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、高温电子器件理想的半导体材料。常用SiC多为α相即（4H、6H），其带隙较宽，可用于大功率电子器件；SiC生长使用较多的为（0001）面或（0001）面偏<11-20>方向0-8度偏角，以此晶面生长，根据晶体生长理论，SiC单晶（0001）面生长属于螺位错机制生长，生长表面存在的微管、位错等缺陷提供了晶体生长的台阶源。晶体内缺陷多继承于籽晶，即使生长温场在理想的情况下，晶体内部缺陷相对籽晶不会有较大的增殖，但无法降低位错密度。位错表现为SiC晶片中的线缺陷，外延生长时位错会延伸到外延层内降低器件的成品率及生产效率，使得SiC单晶衬底的有效使用面积减小，增加了SiC衬底的使用成本。SiC采用{11-20}面和{1-100}面生长可有效减少微管和位错，这是由于这些晶面的SiC生长机理和{0001}面不同，无生长螺旋和台阶。以此，微管和位错密度可有效降低，得到了非专利文献1的证实。论文仅研究了不同生长面对缺陷的影响，且晶片尺寸在1英寸以下，无实际应用。非专利文献2命名了RAF（RepeatedA-Face）工艺，其中a面为{11-20}，m面为{1-100}，论文提出了一种生长低位错密度、高质量的晶体生长方法，通过先m-a-m面生长（1次或多次）即重复a面生长，最后c面生长，减少微管及位错。并通过腐蚀坑和X射线形貌图进行了验证。通过该方法生长的最佳晶体的腐蚀坑密度比传统方法低3个数量级。同样证实了非专利文献1的结论，但受制于PVT法生长出的晶体厚度多在40mm以下，这种方法仅限于1英寸以下的晶体。而实际生产中所用SiC晶片尺寸在4英寸以上，因此无法用于减少大直径SiC晶体中的位错缺陷。

发明内容

本发明提供了一种生长大尺寸低缺陷碳化硅单晶和晶片的方法，解决了大直径SiC晶体中的位错缺陷的难题。

本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的：

一种生长大尺寸低缺陷碳化硅单晶和晶片的方法，包括以下步骤：

1．使用市场主流的{0001}面或{0001}面偏<11-20>方向0、4度偏角SiC晶片作为生长的籽晶，特别地，对其缺陷无特别要求，较多缺陷和较少缺陷皆可，此外，籽晶直径必须为所需晶片直径再加上0.5到1英寸。以此籽晶通过PVT法生长出SiC晶体；

2.从生长出的SiC晶体切割出晶片，特别地，根据晶体厚度，在保证切出晶片直径不小于籽晶的条件下尽可能将晶体生长面向<11-20>方向旋转，切出偏<11-20>方向大偏角的SiC晶片作为下步生长步骤的籽晶。同样地，可在保证切出晶片直径不小于籽晶的条件下尽可能将晶体生长面向<1-100>方向旋转，切出偏<1-100>方向大偏角的SiC晶片作为下步生长步骤的籽晶。特别地，籽晶厚度不小于1mm，可减少应力导致的位错产生；

3.将步骤2中切割出的晶片加工为籽晶，生长出SiC晶体；

4.将上一步所得SiC晶体切割，特别地，根据步骤2中的旋转方向，根据晶体厚度，在保证切出晶片直径不小于籽晶的条件下尽可能将晶体生长面向步骤2中的旋转方向旋转，切出偏步骤2中的旋转方向大偏角的SiC晶片作为下步生长步骤的籽晶；

5.将上一步中切割出的晶片加工为籽晶，生长出SiC晶体；

6.重复步骤4、5，特别地，直至SiC晶体生长面旋转至{11-20}面或{1-100}面；

7.将上一步所得晶体按其生长面切割晶片并加工，将加工出的晶片作为籽晶生长SiC晶体。特别地，选出1-2片晶片测试，将晶片使用熔融KOH腐蚀并用显微镜观察；

8.重复步骤7，特别地，将晶片使用熔融KOH腐蚀并用显微镜观察。直至腐蚀晶片经观察无微管且位错密度小于102每平方厘米；

9.将上步所得SiC晶片作为籽晶生长SiC晶体；

10.从生长出的SiC晶体切割出晶片，特别地，根据晶体厚度，在保证切出晶片直径不小于籽晶的条件下尽可能将晶体生长面向<0001>方向旋转，切出偏<0001>方向大偏角的SiC晶片作为下步生长步骤的籽晶；