【嘉德點評】該發明專利主要針對在籽晶接長時發生位錯等缺陷大幅增加問題，提供了一種從生長的初期階段開始顯著降低位錯密度的SiC單晶的生長方法，從而製造出位錯密度從生長初期到末期都較低的SiC單晶。
集微網消息，2019年我國在以碳化矽（SiC）為代表的第三代半導體產業，如半導體照明、電力電子、射頻晶片等領域取得了實質性發展，碳化矽的產業鏈包括單晶襯底、外延片、器件設計、器件製造等環節，而我國多個本土企業在這些環節的技術創新上也取得了突出成就。
SiC與前兩代半導體材料相比，具有更高的擊穿場強、熱導率和工作溫度，因此具有明顯的性能優勢，在航空航天、新能源汽車、智能電網、微波通訊和固態照明等領域，具有更高的可靠性與穩定性。然而另一方面，由於SiC本身的結構特點，在使用SiC形成襯底的過程中，以各種位錯（包括刃型位錯、螺型位錯及基平面位錯）為代表的微觀缺陷都會急劇增加，從而大大降低襯底的質量。目前已有的技術溫度和壓強範圍較大，難以控制生長速度。當壓力過低，生長速度很快，壓力過高，籽晶蒸發嚴重，表面稍有損傷就會將其放大嚴重甚至穿透，更加劇位錯的增加率。基於該背景，早在2019年5月14日，北京天科合達公司就提出一項名為「一種大尺寸低缺陷碳化矽單晶的製造方法」的發明專利（申請號：201910396099.4），申請人為北京天科合達半導體股份有限公司。
此發明專利主要針對在籽晶接長時發生位錯等缺陷大幅增加問題，提供了一種從生長的初期階段開始顯著降低位錯密度的SiC單晶的生長方法，從而製造出位錯密度從生長初期到末期都較低的SiC單晶。
一方面，通過籽晶表面原位處理，去除籽晶表面污染物及損傷層，消除部分位錯產生的根源，同時使籽晶上原有的位錯輕微放大，有助於緩慢生長過程中的側向生長率大於垂直生長率，從而有效癒合部分原有位錯。另一方面，在接近同質外延的生長溫度，原料中優先蒸發出的Si蒸汽與外部通入的碳氫氣體反應沉積在籽晶表面，能有效的控制初期的生長氣氛矽碳比以及單晶生長速度，從而降低位錯、以及包裹物等缺陷的增加率，進而降低整柱晶體的位錯、以及包裹物等缺陷，提高單晶體的品質。
在籽晶原位處理過程中，在1200℃到2000℃溫度範圍，籽晶表面的Si原子優先蒸發，留下C原子；將原料處溫度控制在高於籽晶溫度並且溫差小於100℃的溫度，這時原料中的Si原子也優先蒸發，並且蒸發速度大於籽晶表面Si原子的蒸發速度，由於原料處溫度稍高於籽晶表面溫度，原料中蒸發出的Si原子向籽晶表面遷移，並與籽晶表面的C原子反應生成SiC、Si2C及SiC2等矽碳氣體，這些氣體隨同Si蒸氣被抽到坩堝外部；使得籽晶表面暴露出新鮮的原子表面，同時，由於相較於完整的晶體表面，在缺陷處Si原子更容易被蒸發。
籽晶低速外延同質生長在1200℃到2000℃溫度範圍，此時碳化矽原料開始升華產生SiC、Si2C及SiC2等碳矽氣體，然而由於溫度比較低，此時的氣氛中Si/C原子比遠遠大於1，主要氣氛為含矽氣氛，會導致很多矽液滴在籽晶表面產生，無法進行高質量的外延生長。因此，此時向坩堝內通入一定流量的碳氫氣體，碳氫氣體與原料中蒸發出的Si蒸氣反應生成SiC、Si2C及SiC2等碳矽氣體，維持氣氛的矽碳比在1附近，這些氣體在籽晶表面沉積，並且沉積速度大於籽晶表面原子的蒸發速度，使籽晶表面以小於50μm/h的速度同質生長。
圖1 SiC位錯密度變化趨勢
SiC位錯密度變化趨勢如圖1所示，表示進行正常的SiC單晶生長。用此工藝生長的碳化矽單晶錠，初期接長晶圓的位錯密度為籽晶位錯密度的近4倍，生長末期晶圓的位錯密度為8900 個/cm2，通過這種方法可獲得目標厚度的SiC單晶體。
此專利介紹了一種大尺寸低缺陷碳化矽單晶的製造方法，作為國內SiC材料體系的帶頭企業，天科合達等公司的持續創新也必將帶領著我國半導體產業的進一步發展。
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（校對/holly）