【嘉德点评】该发明专利主要针对在籽晶接长时发生位错等缺陷大幅增加问题，提供了一种从生长的初期阶段开始显著降低位错密度的SiC单晶的生长方法，从而制造出位错密度从生长初期到末期都较低的SiC单晶。
集微网消息，2019年我国在以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体产业，如半导体照明、电力电子、射频芯片等领域取得了实质性发展，碳化硅的产业链包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造等环节，而我国多个本土企业在这些环节的技术创新上也取得了突出成就。
SiC与前两代半导体材料相比，具有更高的击穿场强、热导率和工作温度，因此具有明显的性能优势，在航空航天、新能源汽车、智能电网、微波通讯和固态照明等领域，具有更高的可靠性与稳定性。然而另一方面，由于SiC本身的结构特点，在使用SiC形成衬底的过程中，以各种位错（包括刃型位错、螺型位错及基平面位错）为代表的微观缺陷都会急剧增加，从而大大降低衬底的质量。目前已有的技术温度和压强范围较大，难以控制生长速度。当压力过低，生长速度很快，压力过高，籽晶蒸发严重，表面稍有损伤就会将其放大严重甚至穿透，更加剧位错的增加率。基于该背景，早在2019年5月14日，北京天科合达公司就提出一项名为“一种大尺寸低缺陷碳化硅单晶的制造方法”的发明专利（申请号：201910396099.4），申请人为北京天科合达半导体股份有限公司。
此发明专利主要针对在籽晶接长时发生位错等缺陷大幅增加问题，提供了一种从生长的初期阶段开始显著降低位错密度的SiC单晶的生长方法，从而制造出位错密度从生长初期到末期都较低的SiC单晶。
一方面，通过籽晶表面原位处理，去除籽晶表面污染物及损伤层，消除部分位错产生的根源，同时使籽晶上原有的位错轻微放大，有助于缓慢生长过程中的侧向生长率大于垂直生长率，从而有效愈合部分原有位错。另一方面，在接近同质外延的生长温度，原料中优先蒸发出的Si蒸汽与外部通入的碳氢气体反应沉积在籽晶表面，能有效的控制初期的生长气氛硅碳比以及单晶生长速度，从而降低位错、以及包裹物等缺陷的增加率，进而降低整柱晶体的位错、以及包裹物等缺陷，提高单晶体的品质。
在籽晶原位处理过程中，在1200℃到2000℃温度范围，籽晶表面的Si原子优先蒸发，留下C原子；将原料处温度控制在高于籽晶温度并且温差小于100℃的温度，这时原料中的Si原子也优先蒸发，并且蒸发速度大于籽晶表面Si原子的蒸发速度，由于原料处温度稍高于籽晶表面温度，原料中蒸发出的Si原子向籽晶表面迁移，并与籽晶表面的C原子反应生成SiC、Si2C及SiC2等硅碳气体，这些气体随同Si蒸气被抽到坩埚外部；使得籽晶表面暴露出新鲜的原子表面，同时，由于相较于完整的晶体表面，在缺陷处Si原子更容易被蒸发。
籽晶低速外延同质生长在1200℃到2000℃温度范围，此时碳化硅原料开始升华产生SiC、Si2C及SiC2等碳硅气体，然而由于温度比较低，此时的气氛中Si/C原子比远远大于1，主要气氛为含硅气氛，会导致很多硅液滴在籽晶表面产生，无法进行高质量的外延生长。因此，此时向坩埚内通入一定流量的碳氢气体，碳氢气体与原料中蒸发出的Si蒸气反应生成SiC、Si2C及SiC2等碳硅气体，维持气氛的硅碳比在1附近，这些气体在籽晶表面沉积，并且沉积速度大于籽晶表面原子的蒸发速度，使籽晶表面以小于50μm/h的速度同质生长。
图1 SiC位错密度变化趋势
SiC位错密度变化趋势如图1所示，表示进行正常的SiC单晶生长。用此工艺生长的碳化硅单晶锭，初期接长晶圆的位错密度为籽晶位错密度的近4倍，生长末期晶圆的位错密度为8900 个/cm2，通过这种方法可获得目标厚度的SiC单晶体。
此专利介绍了一种大尺寸低缺陷碳化硅单晶的制造方法，作为国内SiC材料体系的带头企业，天科合达等公司的持续创新也必将带领着我国半导体产业的进一步发展。
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（校对/holly）