【導(dǎo)讀】高質(zhì)量低缺陷的SiC晶體是制備SiC功率半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵，目前比較主流的生長(zhǎng)方法有PVT法、液相法以及高溫CVD法等，本文帶你了解以上三種SiC晶體生長(zhǎng)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。
高質(zhì)量低缺陷的SiC晶體是制備SiC功率半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵，目前比較主流的生長(zhǎng)方法有PVT法、液相法以及高溫CVD法等，本文帶你了解以上三種SiC晶體生長(zhǎng)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。
在常壓下，不存在Si:C化學(xué)計(jì)量比等于1:1的液相SiC。因此，通常用于硅晶體生長(zhǎng)的以融液作為原料的方法不能用于SiC塊狀晶體生長(zhǎng)，而是采用升華法（PVT，物理氣相傳輸法）。升華法是在石墨坩堝中放入作為原料的SiC粉末和作為籽晶的SiC襯底，并設(shè)置溫度梯度，使SiC粉末側(cè)的溫度略高，然后將整體溫度保持在2000～2500℃。現(xiàn)在使用的SiC籽晶升華法被稱為改良Lely法，廣泛用于SiC襯底的生產(chǎn)。
圖1顯示了改良Lely法的SiC晶體生長(zhǎng)示意圖。在加熱到2000℃以上的石墨坩堝中，SiC粉末會(huì)升華為Si2C、SiC2、Si等分子狀態(tài)，并被輸送到籽晶表面。所提供的原子在籽晶表面移動(dòng)，并被引入形成晶體的位置，從而生長(zhǎng)出SiC塊狀單晶。內(nèi)部惰性氣氛通常使用低壓氬氣，并在n型摻雜時(shí)加入氮?dú)狻?/p>
圖1：升華法制備SiC塊狀單晶生長(zhǎng)示意圖
升華法目前被廣泛用于SiC單晶的制備，但與Si單晶生長(zhǎng)用融液作為原料的方法相比，其生長(zhǎng)速度較慢，雖然品質(zhì)在逐漸改善，但晶體中仍含有許多位錯(cuò)等問題。
除了升華法以外，還有通過溶液的液相生長(zhǎng)法、氣相生長(zhǎng)高溫CVD法等方法來嘗試制備SiC塊狀單晶。圖2展示了SiC單晶的液相生長(zhǎng)法示意圖。
圖2：用于SiC塊狀晶體制備的液相生長(zhǎng)法
首先，關(guān)于液相生長(zhǎng)法，碳在硅溶劑中的溶解度非常低。因此，在溶劑中通過添加Ti、Cr等多種元素來提高碳的溶解度。碳由石墨坩堝供給，SiC單晶在溫度稍低的籽晶表面生長(zhǎng)。生長(zhǎng)溫度通常設(shè)定在1500～2000℃，低于升華法，據(jù)報(bào)道生長(zhǎng)速度可達(dá)數(shù)百μm/h左右。
SiC液相生長(zhǎng)法的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)沿[0001]方向生長(zhǎng)晶體時(shí)，可以將沿[0001]方向延伸的位錯(cuò)彎曲至垂直方向，從而將其從側(cè)壁掃至晶體外部。沿[0001]方向延伸的螺旋位錯(cuò)在現(xiàn)有的SiC晶體中高密度存在，是器件漏電流的來源，使用液相生長(zhǎng)法制備的SiC晶體中，螺旋位錯(cuò)的密度大幅降低。
溶液生長(zhǎng)所面臨的挑戰(zhàn)包括提高生長(zhǎng)速度、延長(zhǎng)生長(zhǎng)晶體的長(zhǎng)度以及改善晶體的表面形態(tài)等。
高溫CVD法生長(zhǎng)SiC單晶是指在低壓氫氣氣氛中，以SiH4作為Si原料，以C3H8作為C原料，在保持高溫（通常為2000℃以上）的SiC襯底表面生長(zhǎng)單晶SiC層的方法。被導(dǎo)入生長(zhǎng)爐的原料氣體，在被熱壁包圍的熱分解區(qū)域，分解成SiC2、Si2C等分子，并輸送到籽晶表面，從而生長(zhǎng)出單晶SiC。
圖3：高溫CVD法示意圖
高溫CVD法的優(yōu)點(diǎn)包括可以使用高純度的原料氣體，通過控制氣體流量，可以精確控制氣相中的C/Si比率，這是影響缺陷密度的重要生長(zhǎng)參數(shù)，在SiC的塊狀生長(zhǎng)中可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較快的生長(zhǎng)速度，達(dá)到1mm/h以上等。另一方面，高溫CVD法的缺點(diǎn)包括反應(yīng)生成物大量附著在生長(zhǎng)爐內(nèi)和排氣管道上，給設(shè)備維護(hù)帶來很大負(fù)擔(dān)，以及氣體中的氣相反應(yīng)生成顆粒，導(dǎo)致顆粒作為異物被摻入晶體中。
高溫CVD法作為高質(zhì)量SiC塊狀晶體的制備方法具有廣闊的前景，因此正在不斷持續(xù)開發(fā)這種方法，以實(shí)現(xiàn)比升華法更低的成本、更高的生產(chǎn)率和更低的位錯(cuò)密度。
此外，據(jù)報(bào)道，RAF（Repeated A-Face）法是利用升華法制備SiC塊狀單晶缺陷較少的方法。在RAF法中，從沿[0001]方向生長(zhǎng)的晶體中切出與[0001]方向垂直的籽晶，然后在其上生長(zhǎng)SiC單晶。接著，再切出與該生長(zhǎng)方向垂直的籽晶，使SiC單晶生長(zhǎng)。通過重復(fù)該循環(huán)，將位錯(cuò)掃出晶體，從而獲得缺陷較少的SiC塊狀單晶。使用RAF法制備的SiC單晶，其位錯(cuò)密度比普通的低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。
文章來源：三菱電機(jī)半導(dǎo)體
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