高质量且低缺陷的 SiC 晶体,对于制备 SiC 功率半导体器件起着至关重要的作用。当下,在 SiC 晶体生长领域,比较主流的方法包含 PVT 法(物理气相传输法)、液相法以及高温 CVD 法等。接下来,就让我们一同深入了解这三种 SiC 晶体生长方法以及它们各自的优缺点。
在常压环境下,并不存在 Si 与 C 化学计量比为 1:1 的液相 SiC。所以,那些常用于硅晶体生长、以融液作为原料的常规方法,没办法应用到 SiC 块状晶体的生长过程中。而升华法(也就是 PVT 法)便成为了可行之选。具体操作时,要先把作为原料的 SiC 粉末以及作为籽晶的 SiC 衬底放置在石墨坩埚内,然后设定温度梯度,让 SiC 粉末那一侧的温度稍高一些,接着将整体温度维持在 2000℃至 2500℃这个区间。如今所运用的 SiC 籽晶升华法也被称作改良 Lely 法,在 SiC 衬底的生产方面应用十分广泛。
我们可以通过上图(升华法制备 SiC 块状单晶生长示意图)来直观地了解改良 Lely 法的 SiC 晶体生长情况。当石墨坩埚被加热到 2000℃以上时,其中的 SiC 粉末会升华为 Si2C、SiC2、Si 等分子形态,随后这些分子会被输送至籽晶表面。所提供的原子会在籽晶表面移动,并被引导至合适的位置形成晶体,最终实现 SiC 块状单晶的生长。在这个过程中,内部的惰性气氛通常采用低压氩气,倘若要进行 n 型掺杂的话,还需要加入氮气。
虽说升华法目前在 SiC 单晶的制备方面应用广泛,不过与那些以融液作为原料来生长 Si 单晶的方法相比,它存在着生长速度偏慢的问题。而且,尽管其晶体品质在不断改进,但依旧存在晶体中含有较多位错等不足之处。
除了升华法外,还有通过溶液的液相生长法以及气相生长高温 CVD 法等途径,来尝试制备 SiC 块状单晶。从上图(用于 SiC 块状晶体制备的液相生长法示意图)中,我们可以清晰地看到 SiC 单晶液相生长法的相关情况。
就液相生长法而言,碳在硅溶剂中的溶解度是非常低的。为此,人们会在溶剂中添加诸如 Ti、Cr 等多种元素,以此来提高碳的溶解度。碳由石墨坩埚进行供给,而 SiC 单晶则会在温度稍低一些的籽晶表面生长起来。其生长温度一般设定在 1500℃至 2000℃之间,相较于升华法的温度要低一些。据相关报道,其生长速度能够达到数百 μm/h 左右。
SiC 液相生长法有着独特的优势,当沿着 [0001] 方向生长晶体时,它能够把沿 [0001] 方向延伸的位错弯曲至垂直方向,进而将这些位错从侧壁清扫至晶体外部。要知道,沿 [0001] 方向延伸的螺旋位错在现有的 SiC 晶体中是高密度存在的,并且还是器件漏电流产生的源头。采用液相生长法制备的 SiC 晶体,其螺旋位错的密度能够大幅降低。当然,溶液生长法也面临着一些挑战,比如怎样进一步提高生长速度、怎样延长所生长晶体的长度以及如何改善晶体的表面形态等问题,都亟待解决。
高温 CVD 法生长 SiC 单晶,是在低压氢气气氛中进行的,它以 SiH4 作为 Si 原料,以 C3H8 作为 C 原料,在保持高温(通常在 2000℃以上)的 SiC 衬底表面来生长单晶 SiC 层。被导入生长炉的原料气体,会在被热壁包围的热分解区域分解成 SiC2、Si2C 等分子,之后这些分子被输送到籽晶表面,从而实现单晶 SiC 的生长。
从上图 (高温 CVD 法示意图)中能更直观地知晓这一过程。高温 CVD 法有着诸多优点,例如可以使用高纯度的原料气体,而且通过对气体流量进行控制,能够精准地把控气相中的 C/Si 比率,要知道这可是影响缺陷密度的关键生长参数。在 SiC 的块状生长方面,它还能实现相对较快的生长速度,甚至可以达到 1mm/h 以上。不过,该方法也存在缺点,像是反应生成物会大量附着在生长炉内以及排气管道上,这给设备的维护工作带来了极大的负担。另外,气体中的气相反应会生成颗粒,这些颗粒有可能会作为异物被掺入到晶体之中。
尽管如此,高温 CVD 法作为一种制备高质量 SiC 块状晶体的方法,有着广阔的发展前景,所以相关人员正在不断地对其进行持续开发,力求实现比升华法更低的成本、更高的生产率以及更低的位错密度。
此外,值得一提的是 RAF(Repeated A-Face)法,它是利用升华法来制备 SiC 块状单晶且能减少缺陷的一种方法。在 RAF 法的操作过程中,先是从沿 [0001] 方向生长的晶体里切出与 [0001] 方向垂直的籽晶,然后在这个籽晶上生长 SiC 单晶。接着,再从这个生长方向上切出与之垂直的籽晶,继续让 SiC 单晶生长。通过不断重复这样的循环操作,就能把位错从晶体中清扫出去,进而获得缺陷较少的 SiC 块状单晶。采用 RAF 法制备出的 SiC 单晶,其位错密度相较于普通的要低 1 至 2 个数量级呢。
来源:
晶格半导体
免责声明:
以上内容源于网络,版权归原作者所有,如涉及作品版权问题,请您告知我们将及时处理!
知识星球APP内的文件均支持手机在线阅读及电脑下载,现有洁净室技术、
项目管理、
生产工艺、
标准规范、
工程图纸、培训课件、选型样本、行业调研、厂务运维、BIM族库等
23500+份文
件可供下载
学习
,
涵
盖电子半导体、
液晶面板、
医疗制药、生物制药、医疗器械、食品、化妆品、锂电池、太阳能电池、薄膜新材料、数据中心
、生物安全实验室
、动物实验室等行业领域,内容
覆
盖项目规划、设计、采购、施工、调试、运维、节能等应用场景。
知识星球VIP
3267位
会员,期待你的加入!
知识星球VIP会员精品资源
1、半导体厂建&洁净室技术专题
2、
厂务运维管理&二次配技术