[发明专利]一种碳化硅单晶生长方法

说明书

本申请涉及一种碳化硅单晶生长方法，所述方法包括将原料置于碳化硅单晶生长装置中，加热使得原料升华形成碳化硅单晶的步骤，所述晶体生长装置中设置有含有Si与SiC的混合物或Si粉的Si元素补充装置，所述Si元素补充装置设置于原料的内部，在Si元素补充装置上设有若干通孔；所述Si元素补充装置为钽材料坩埚或镀钽石墨材料坩埚；在晶体生长过程中，Si与SiC的混合物或Si粉可穿过通孔为碳化硅单晶的生长补充Si元素。本申请可以有效的调节在碳化硅单晶生长中生长腔室中的Si/C比例，从而减少单晶生长产生的碳包裹体缺陷以及调节原料区的温度场分布，减少原料的碳化。

技术领域：

本申请属于晶体生长领域，具体涉及一种碳化硅单晶生长方法。

背景技术：

碳化硅单晶是最重要的第三代半导体材料之一，因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性质，而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。

高纯碳化硅单晶是制备高频、大功率微波器件的首选材料，但高纯半绝缘碳化硅单晶由于其纯度要求较高，故而单晶制备技术难度大，生产成本高。而造成生产成本高的主要原因为SiC单晶晶锭的尺寸在生长过程受到限制。目前最为成熟可以实现SiC单晶量产的方法为PVT法，即在高温下使碳化硅原料升华产生的气相源输运至籽晶处重新结晶而成。在PVT法生长SiC单晶的过程中，由于Si组分的低熔点特性，会优先蒸发及升华，并通过石墨坩埚壁向外渗透，随着反应的进行，Si/C比例逐渐降低，单晶生长缺陷增加，质量下降，致使可用晶锭尺寸不能继续增加，从而限制了高品质单晶的生长及成本的降低。

有相关专利及文献报道向原料中添加Si或SiO₂成分，来调节Si/C比例，但直接添加Si分同样存在Si较早挥发的问题，同Si蒸汽可能在开始长晶之前对籽晶造成侵蚀与破坏，而SiO₂中的氧可能与通入的气体(H₂)组分发生反应，或与C粉反应发生燃烧，对生长高纯SiC晶体产生不利影响。

另一方面，PVT法生长碳化硅单晶的生长过程在密闭的石墨坩埚中进行，因此在高温下生长环境处于富碳气氛下。晶体生长初期，由于硅组分的蒸气分压较高，因此晶体生长界面处于硅组分和碳组分相平衡的状态。随着晶体生长的进行，碳化硅原料中的硅组分不断升华减少，导致生长腔室内的气相组分逐渐失衡成为富碳状态，且生长结束一般会在原料区的底部及靠近坩埚壁底部发生严重碳化。在富碳的生长环境下，晶体生长的前沿界面会有碳的富集并形成碳包裹体缺陷。包裹体进而会诱生微管、位错、层错等缺陷，严重影响到碳化硅衬底质量进而影响外延层质量和器件性能。

在现有技术中，为了消除PVT法生长碳化硅中的碳包裹体缺陷，Avinash K Gupta等提出在生长腔室内添加固态硅氧化物(如固态SiO或SiO₂)，以期在晶体生长过程中作为硅组分的补充源，从而减少富碳组分的生成，进而抑制碳包裹体的形成[US 2008/0115719A1]。但是该方法无法充分抑制碳化硅原料的碳化，导致在晶体生长的后期出现较高浓度的碳包裹体缺陷，导致晶体质量和衬底质量大幅降低。Avinash K Gupta等提出的在生长腔室中加入固态硅氧化物以补充硅组分的技术，会引入额外的杂质，致使晶体中杂质浓度可能出现不稳定的波动，进而可能会影响到碳化硅衬底的导电性能。

在JP4962205B2中公开了一种碳化硅单晶生产装置和方法，以促进SiC单晶的生长速率，延长SiC单晶的生长时间，减少SiC粉末原料的残留量。该装置在坩埚中设置若干个多孔空心管，多孔空心管中为下部的SiC粉末受热升华提供上升通道，所产生的升华气体通过所述多孔管到坩埚上部的空间区域中。该技术方案实质上是降低SiC的生长时间，提高其生长速度，但是其对于SiC原料向单晶的转化并不具有调节Si/C的能力。