一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于晶體生長領(lǐng)域，具體來說涉及一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法。該方法首先在物理氣相傳輸法設(shè)備上進行襯底的輕微腐蝕處理，在缺陷處產(chǎn)生凹坑和溝槽；然后在化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備上進行側(cè)向外延生長，填補凹坑和溝槽，封閉襯底缺陷。采用本發(fā)明所述的方法，可以對已成型碳化硅襯底中的缺陷進行進一步的減少或者完善，顯著減少碳化硅襯底中的缺陷，從而提高襯底質(zhì)量，進而保證襯底中的微管、位錯等缺陷不會被外延層繼承，進一步保證了外延層的質(zhì)量。
【專利說明】
一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于晶體生長領(lǐng)域，具體來說涉及一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅(SiC)是第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高電子飽和迀移速率、高擊穿電場等性質(zhì)，與以硅為代表的第一代半導(dǎo)體材料和以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體材料相比有著明顯的優(yōu)越性，加之其具有與GaN相似的晶格結(jié)構(gòu)。因此其被認為是制造光電子器件、高頻大功率器件、高溫電子器件等的理想半導(dǎo)體材料。在白光照明、屏幕顯示、光存儲、高壓輸電、石油勘探、自動化、雷達與通信、電動汽車、高鐵動車等方面有廣泛應(yīng)用。因此生產(chǎn)高質(zhì)量、大尺寸的碳化硅晶體是迫在眉睫的任務(wù)。
[0003]目前碳化硅生長的主要方法有物理氣相傳輸法(PVT)，液相外延法(LPE)，化學(xué)氣相反應(yīng)法(CVD)等。物理氣相傳輸法的大致過程為:將碳化硅粉料和碳化硅籽晶分別置于封閉石墨坩禍的底部和頂部，對石墨坩禍進行加熱。當(dāng)加熱溫度超過1800°C時，即出現(xiàn)碳化硅的分解。碳化硅分解為Si2C，SiC2，SiC等各種不同的氣相組分，上述氣相組分在溫度以及濃度梯度的作用下傳輸?shù)巾敳繙囟容^低的籽晶位置處，在籽晶位置處進行結(jié)晶，從而實現(xiàn)碳化硅晶體的生長。液相外延法的大致過程為:在Si溶液中加入稀土和過渡金屬元素，以提高C在Si溶液中的溶解度，然后將粘有碳化硅籽晶的籽晶桿緩緩插入溶液中，控制籽晶桿的溫度和旋轉(zhuǎn)速度，使碳化硅在籽晶上不斷析出，從而實現(xiàn)碳化硅的生長?；瘜W(xué)氣相反應(yīng)法的大致過程為:反應(yīng)室中放置碳化硅籽晶，在反應(yīng)室中通入含Si和含C的物質(zhì)分別作為Si源和C源，兩者反應(yīng)生成SiC，生成的SiC在籽晶位置進行結(jié)晶，從而實現(xiàn)碳化硅晶體的生長。
[0004]上述的各種方法生長的碳化硅晶體的質(zhì)量都強烈的依賴于籽晶的質(zhì)量，籽晶中的微管、位錯等缺陷都會被生長的晶體所繼承，從而影響得到的晶體的質(zhì)量。而外延時外延層的質(zhì)量與襯底的質(zhì)量也有直接的關(guān)系，襯底中的微管、位錯等缺陷也將直接或間接的被外延層繼承，成為缺陷點，影響外延層的質(zhì)量。
[0005]到目前為止沒有一種有效的方法可以減少已成型碳化硅襯底中的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對目前碳化硅襯底中存在缺陷，而且缺陷無法有效減少的問題，本發(fā)明目的在于提供一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法。該方法的應(yīng)用能顯著減少碳化硅襯底中的缺陷，從而提尚襯底質(zhì)量。
[0007]本發(fā)明所述的一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，首先在物理氣相傳輸法設(shè)備上進行襯底的輕微腐蝕處理，在缺陷處產(chǎn)生凹坑和溝槽;然后在化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備上進行側(cè)向外延生長，填補凹坑和溝槽，封閉襯底缺陷。
[0008]腐蝕時產(chǎn)生凹坑和溝槽的原理:在缺陷位置一般原子的排列比較雜亂，容易產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力場，處于該應(yīng)力場中的原子自身自由能較高，因此在進行高溫處理時，更容易脫離其位置揮發(fā)，最終導(dǎo)致在缺陷的位置產(chǎn)生比較明顯的凹坑和溝槽。
[0009]側(cè)向外延生長的原理:凹坑和溝槽的位置相對其他位置可以提供更多的原子附著位置，減小成核的自由能，因此更有利于晶體的成核和生長，特別是在生長速率比較慢，自發(fā)形核比較困難的情況下，在凹坑和溝槽的位置更容易成核和生長。若未對碳化硅襯底進行腐蝕，那么晶體不會優(yōu)先選擇在凹坑和溝槽的位置生長。
[0010]本發(fā)明所述的一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，其具體步驟為:
[0011](I)將碳化硅襯底放置在坩禍中，將坩禍放入物理氣相傳輸法設(shè)備中，將設(shè)備抽真空，達到彡1Pa的真空度維持3-5h，升溫到800-1500°C，維持1-1Oh;然后通入保護氣體，繼續(xù)升溫到1500-2500 °C，維持l_20h，實現(xiàn)襯底表面的輕微腐蝕，完成凹坑和溝槽的產(chǎn)生；最后將設(shè)備降溫，取出襯底清洗以后備用；
[0012](2)將清洗以后的碳化硅襯底放入化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備中，通入Si源和C源，精確控制晶體生長的速率實現(xiàn)側(cè)向外延的生長，填補產(chǎn)生的凹坑和溝槽，從而達到封閉籽晶缺陷的目的。
[0013]本發(fā)明輕微腐蝕過程中，將設(shè)備抽真空，達到<10?3的真空度維持3-511，然后升溫到800-1500°C，維持l-10h，不僅保證了設(shè)備內(nèi)的清潔度而且真空加熱處理可以消除碳化硅襯底表面附著的雜質(zhì)。繼續(xù)升溫到1500-25000C，維持l_20h，可以使得襯底上的凹坑和溝槽進一步的顯現(xiàn)。
[0014]側(cè)向外延生長過程中，為了保證晶體優(yōu)先選擇在凹坑和溝槽的位置生長，本發(fā)明首先以10-200nm/h的速率生長5-30h，當(dāng)襯底厚度達到200-300μπι后，凹坑和溝槽被填平，再以5-50ym/h的速率生長1-50小時，得到符合后期生產(chǎn)要求的碳化硅襯底。
[0015]本發(fā)明所述的保護氣體為氬氣或者氦氣。所述的硅源為SiH4或其他Si的氣態(tài)化合物。所述的碳源為CH4或其他C的氣態(tài)化合物。
[0016]綜上所述，采用本發(fā)明所述的方法，可以對已成型碳化硅襯底中的缺陷進行進一步的減少或者完善，顯者減少碳化娃襯底中的缺陷，從而提尚襯底質(zhì)量，進而保證襯底中的微管、位錯等缺陷不會被外延層繼承，進一步保證了外延層的質(zhì)量。
【具體實施方式】
[0017]實施例1
[0018]一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，首先在物理氣相傳輸法設(shè)備上進行襯底的輕微腐蝕處理，在缺陷處產(chǎn)生凹坑和溝槽;然后在化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備上進行側(cè)向外延生長，填補凹坑和溝槽，封閉襯底缺陷。
[0019]其具體步驟為:
[0020](I)將碳化硅襯底放置在坩禍中，將坩禍放入物理氣相傳輸法設(shè)備中，將設(shè)備抽真空，達到SlOPa的真空度維持3h，升溫到8(KTC，維持1h;然后通入保護氣體，繼續(xù)升溫到1500°C，維持20h，實現(xiàn)襯底表面的輕微腐蝕，完成凹坑和溝槽的產(chǎn)生;最后將設(shè)備降溫，取出襯底清洗以后備用；
[0021](2)將清洗以后的碳化硅襯底放入化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備中，通入Si源和C源，精確控制晶體生長的速率實現(xiàn)側(cè)向外延的生長，填補產(chǎn)生的凹坑和溝槽，從而達到封閉籽晶缺陷的目的。
[0022]步驟(2)中進行側(cè)向外延的生長時，首先以10nm/h的速率生長30h，當(dāng)襯底厚度達至lj200ym后以35ym/h的速率生長10小時。
[0023]步驟(I)中所述的保護氣體為氬氣。
[0024]步驟(2)中所述的硅源為SiH4。
[0025]步驟(2)中所述的碳源為CH4。
[0026]實施例2
[0027]一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，首先在物理氣相傳輸法設(shè)備上進行襯底的輕微腐蝕處理，在缺陷處產(chǎn)生凹坑和溝槽;然后在化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備上進行側(cè)向外延生長，填補凹坑和溝槽，封閉襯底缺陷。
[0028]其具體步驟為:
[0029](I)將碳化硅襯底放置在坩禍中，將坩禍放入物理氣相傳輸法設(shè)備中，將設(shè)備抽真空，達到SlOPa的真空度維持5h，升溫到1500°C，維持Ih;然后通入保護氣體，繼續(xù)升溫到2500°C，維持lh，實現(xiàn)襯底表面的輕微腐蝕，完成凹坑和溝槽的產(chǎn)生;最后將設(shè)備降溫，取出襯底清洗以后備用；
[0030](2)將清洗以后的碳化硅襯底放入化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備中，通入Si源和C源，精確控制晶體生長的速率實現(xiàn)側(cè)向外延的生長，填補產(chǎn)生的凹坑和溝槽，從而達到封閉籽晶缺陷的目的。
[0031 ]步驟(2)中進行側(cè)向外延的生長時，首先以200nm/h的速率生長5h，當(dāng)襯底厚度達至lj300ym后以15ym/h的速率生長20小時。
[0032]步驟(I)中所述的保護氣體為氦氣。
[0033]步驟(2)中所述的硅源為SiH4。
[0034]步驟(2)中所述的碳源為CH4。
[0035]實施例3
[0036]一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，首先在物理氣相傳輸法設(shè)備上進行襯底的輕微腐蝕處理，在缺陷處產(chǎn)生凹坑和溝槽;然后在化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備上進行側(cè)向外延生長，填補凹坑和溝槽，封閉襯底缺陷。
[0037]其具體步驟為:
[0038](I)將碳化硅襯底放置在坩禍中，將坩禍放入物理氣相傳輸法設(shè)備中，將設(shè)備抽真空，達到SlOPa的真空度維持4h，升溫到1150°C，維持5h;然后通入保護氣體，繼續(xù)升溫到2000°C，維持10h，實現(xiàn)襯底表面的輕微腐蝕，完成凹坑和溝槽的產(chǎn)生;最后將設(shè)備降溫，取出襯底清洗以后備用；
[0039](2)將清洗以后的碳化硅襯底放入化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備中，通入Si源和C源，精確控制晶體生長的速率實現(xiàn)側(cè)向外延的生長，填補產(chǎn)生的凹坑和溝槽，從而達到封閉籽晶缺陷的目的。
[0040]步驟(2)中進行側(cè)向外延的生長時，首先以100nm/h的速率生長15h，當(dāng)襯底厚度達至lj250ym后以25ym/h的速率生長30小時。
[0041 ]步驟(I)中所述的保護氣體為氬氣。
[0042]步驟(2)中所述的硅源為SiH4。
[0043]步驟(2)中所述的碳源為CH4。
[0044]實施例4
[0045]—種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，首先在物理氣相傳輸法設(shè)備上進行襯底的輕微腐蝕處理，在缺陷處產(chǎn)生凹坑和溝槽;然后在化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備上進行側(cè)向外延生長，填補凹坑和溝槽，封閉襯底缺陷。
[0046]其具體步驟為:
[0047](I)將碳化硅襯底放置在坩禍中，將坩禍放入物理氣相傳輸法設(shè)備中，將設(shè)備抽真空，達到SlOPa的真空度維持3.5h，升溫到950°C，維持8h;然后通入保護氣體，繼續(xù)升溫到1700°C，維持15h，實現(xiàn)襯底表面的輕微腐蝕，完成凹坑和溝槽的產(chǎn)生;最后將設(shè)備降溫，取出襯底清洗以后備用；
[0048](2)將清洗以后的碳化硅襯底放入化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備中，通入Si源和C源，精確控制晶體生長的速率實現(xiàn)側(cè)向外延的生長，填補產(chǎn)生的凹坑和溝槽，從而達到封閉籽晶缺陷的目的。
[0049]步驟(2)中進行側(cè)向外延的生長時，首先以50nm/h的速率生長20h，當(dāng)襯底厚度達至lj300ym后以5ym/h的速率生長50小時。
[0050]步驟(I)中所述的保護氣體為氦氣。
[0051 ] 步驟(2)中所述的硅源為SiH4。
[0052]步驟(2)中所述的碳源為CH4。
[0053]實施例5
[0054]一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，首先在物理氣相傳輸法設(shè)備上進行襯底的輕微腐蝕處理，在缺陷處產(chǎn)生凹坑和溝槽;然后在化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備上進行側(cè)向外延生長，填補凹坑和溝槽，封閉襯底缺陷。
[0055]其具體步驟為:
[0056](I)將碳化硅襯底放置在坩禍中，將坩禍放入物理氣相傳輸法設(shè)備中，將設(shè)備抽真空，達到SlOPa的真空度維持4.5h，升溫到1300°C，維持3h;然后通入保護氣體，繼續(xù)升溫到2200°C，維持5h，實現(xiàn)襯底表面的輕微腐蝕，完成凹坑和溝槽的產(chǎn)生;最后將設(shè)備降溫，取出襯底清洗以后備用；
[0057](2)將清洗以后的碳化硅襯底放入化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備中，通入Si源和C源，精確控制晶體生長的速率實現(xiàn)側(cè)向外延的生長，填補產(chǎn)生的凹坑和溝槽，從而達到封閉籽晶缺陷的目的。
[0058]步驟(2)中進行側(cè)向外延的生長時，首先以150nm/h的速率生長25h，當(dāng)襯底厚度達至lj200ym后以50ym/h的速率生長I小時。
[0059]步驟(I)中所述的保護氣體為氬氣。
[0060]步驟(2)中所述的硅源為SiH4。
[0061]步驟(2)中所述的碳源為CH4。
[0062]采用本發(fā)明處理完的樣品和處理之前樣品的效果的對比如下:
[0063]高分辨X射線衍射(HRXRD)是表征晶體質(zhì)量的一種重要測試方法，可以從宏觀上表征晶體的結(jié)晶完整性。HRXRD的半峰寬越窄，表明晶體質(zhì)量越好。我們對處理前后的樣品進行了 HRXRD的測量，發(fā)現(xiàn)(004)的衍射半峰寬從140弧秒減小到75弧秒，而(102)的衍射半峰寬從537弧秒減小到了 230弧秒，表明晶體質(zhì)量得到了明顯的提高；
[0064]采用熔融KOH或NaOH腐蝕的方法可以直觀的觀察襯底的腐蝕坑密度，腐蝕坑密度是表征晶體質(zhì)量的又一重要指標，腐蝕坑密度越小表明晶體質(zhì)量越高。我們對處理前后的樣品的腐蝕坑密度進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)腐蝕坑密度從5E5的降低到了 4E3左右，表明晶體質(zhì)量得到了很大的提高。
【主權(quán)項】
1.一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，其特征在于，首先在物理氣相傳輸法設(shè)備上進行襯底的輕微腐蝕處理，在缺陷處產(chǎn)生凹坑和溝槽;然后在化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備上進行側(cè)向外延生長，填補凹坑和溝槽，封閉襯底缺陷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，其特征在于，其具體步驟為: (1)將碳化硅襯底放置在坩禍中，將坩禍放入物理氣相傳輸法設(shè)備中，將設(shè)備抽真空，達到< 1Pa的真空度維持3-5h，升溫到800-1500 V，維持1-1Oh;然后通入保護氣體，繼續(xù)升溫到1500-2500°C，維持l_20h，實現(xiàn)襯底表面的輕微腐蝕，完成凹坑和溝槽的產(chǎn)生；最后將設(shè)備降溫，取出襯底清洗以后備用； (2)將清洗以后的碳化硅襯底放入化學(xué)氣相反應(yīng)法設(shè)備中，通入Si源和C源，精確控制晶體生長的速率實現(xiàn)側(cè)向外延的生長，填補產(chǎn)生的凹坑和溝槽，從而達到封閉籽晶缺陷的目的。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(2)中進行側(cè)向外延的生長時，首先以10-200nm/h的速率生長5-30h，當(dāng)襯底厚度達到200-300μπι后以5-50ym/h的速率生長1-50小時。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(I)中所述的保護氣體為氬氣或者氦氣。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(2)中所述的硅源為SiH4或其他Si的氣態(tài)化合物。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳化硅襯底的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(2)中所述的碳源為CH4或其他C的氣態(tài)化合物。
【文檔編號】C30B25/18GK106048716SQ201610503578
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】于國建, 宗艷民, 梁慶瑞, 宋生
【申請人】山東天岳先進材料科技有限公司