СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО SIC Советский патент 1996 года по МПК C30B23/00 C30B29/36 

Изобретение относится к области получения монокристаллического материала, а именно SiC, кристаллизацией из паровой фазы с конденсированием кристаллизующегося вещества и может быть использовано в технологии изготовления полупроводниковых приборов на основе карбида кремния.

Известен способ выращивания монокристаллического SiC, предложенный Лели и заключающийся в сублимации предварительно синтезированного поликристаллического SiC в тигле при 2300-2600^oC [1]
Недостатками этого способа являются: малый объем выращиваемых кристаллов (выход крупных кристаллов с размерами 5х5х2 мм³ не более 1%); недостаточное совершенство кристаллов (наличие большого числа структурных дефектов, в частности в виде включений 2-ой фазы, преимущественно графита, пор, политипных прослоек). высокое содержание неконтролируемых активных примесей (B, Al, N и др.) не менее 10¹⁷-10¹⁸ ат/см³.

Наиболее близким к предложенному является способ получения монокристаллического SiC, по которому выращивание ведут путем сублимации источника SiC на монокристаллическую подложку из SiC в графитовом тигле при 1600-2000^oC [2]
К недостаткам известного способа относятся: малый объем выращиваемых кристаллов с толщиной менее 1 мм, обусловленный нестационарностью процесса (резким замедлением скорости роста с увеличением времени кристаллизации, т. е. обеднением ячейки роста парами, обогащенными кремнием и выделением вследствие этого избыточного углерода на рабочих поверхностях источника и подложки); недостаточное совершенство получаемых кристаллов, заключающееся в наличии дефектов в виде включений 2-ой фазы (преимущественно графита), пор, имеющих плотность > 10⁴см^-2; относительно низкая чистота выращиваемых кристаллов, содержание примесей обычно не ниже 2• 10¹⁷см^-3.

Целью изобретения является снижение плотности дефектов типа пор, дислокаций и включений второй фазы и увеличение объема кристаллов.

Цель достигается тем, что по способу выращивания монокристаллического SiC путем сублимации источника SiC, размещенного в тигле, на подложку SiC при температуре 1600-2000^oC сублимацию ведут в присутствии Та, взятого в количестве ≥1% от веса источника.

На фиг. 1 представлена зависимость скорости роста от продолжительности процесса при 1850^oC и градиента температур 30 град/см для способа-прототипа (кривая а) и для предлагаемого способа (кривая б); на фиг.2 схема устройства для осуществления способа.

Присутствие в зоне роста Та способствует сохранению определенного соотношения Si: C в парой фазе в течение длительного периода времени, по крайней мере до 5 ч. Это позволяет резко увеличить объем выращиваемых кристаллов (по толщине более 10 мм, а площади зависят только от площади подложек), вести кристаллизацию как в замкнутой, так и в открытой системах. Кроме того, в системе, содержащей Та, поверхность растущего кристалла оказывается свободной от примесей, это способствует получению совершенных кристаллов с малой концентрацией дефектов (пор, дислокаций, включений второй фазы). Суммарная плотность этих дефектов не превышает 10¹ 10² см^-2, т.е. на 1-3 порядка ниже, чем в кристаллах, полученных известными способами.

Устройство включает контейнер 1, внутри которого размещен тигель 2 с источником паров SiC и Ta, подложки 3 из карбида кремния на держателе 4. Сверху тигель закрыт крышкой 5. Тигель помещают в контейнер, который в свою очередь помещают в кварцевый реактор. Внутри реактора создают вакуум 10^-3 10^-5 Па. Рост ведут при 1600 2000^oC с осевым температурным градиентом 5 200^oC/см.

Возможно выполнение тигля и контейнера из Та, что дает тот же эффект присутствия Та.

Пример 1. Выращивание кристаллов SiC проводят на монокристаллических подложках SiC политипа 6Н. Рост ведут сэндвич-методом при 1600^oC в условиях вакуума. Осевой температурный градиент в зоне роста составляет 30 град/см, расстояние между источниками и подложками 1 мм. В тигель вводят Та в элементарном состоянии в количестве 1% от веса источника. Скорость роста 0,02 мм/ч. Продолжительность выращивания 5 ч.

При проведении процесса получены кристаллы SiC (6Н) донорного типа проводимости толщиной 0,1 мм. Суммарное содержание дефектов (дислокаций, пор, включений второй фазы) не более 10² см^-2. Суммарная концентрация примесей 1•10¹⁷ см^-3 (концентрация компенсирующих акцепторных примесей 10¹⁵ см^-3, концентрация основной донорной примеси азота вследствие неконтролируемого попадания из атмосферы печи 1•10¹⁷ см^-3.

Пример 2. Подложки, атмосфера, осевой температурный градиент, расстояние между источниками и подложками такие же, как в примере 1. Температура роста 2000^oC. В тигель вводят Та в элементарном состоянии в количестве 10% от веса источника. Скорость роста 2,0 мм/ч. Продолжительность выращивания 5 ч.

При проведении процесса получены кристаллы SiC (6Н) донорного типа проводимости толщиной 10 мм. Суммарное содержание дефектов не более 10² см^-2. Суммарная концентрация примесей менее 5•10¹⁶ см^-3.

Пример 3. Подложки, атмосфера, осевой температурный градиент, расстояние между источниками и подложками такие же, как в примере 1. Температура роста 1850^oC. В тигель вводят Та в элементарном состоянии в количестве 0,1% от веса источника. Средняя скорость роста 0,7 мм/ч. Продолжительность выращивания 5 ч.

При проведении процесса получены кристаллы SiC (6H) донорного типа проводимости толщиной 3,5 мм. Суммарное содержание дефектов более 10³ см^-2. Суммарная концентрация примесей 2•10¹⁷ см^-3.

Как следует из примера, введение в тигель Та в количестве 0,1% от веса источника не гарантирует улучшения совершенства полученных кристаллов. Скорость роста кристаллов уменьшается с увеличением времени процесса вследствие графитации источников. Кроме того, не снижается содержание примесей в слоях.

Пример 4. Подложки, атмосфера, осевой температурный градиент, расстояние между источниками и подложками такие же, как в примере 1. Температура роста 1850^oC. Контейнер и тигель изготовлены из Та. Скорость роста 0,8 мм/ч. Продолжительность выращивания 5 ч.

При проведении процесса были получены кристаллы SiC (6Н) донорного типа проводимости толщиной 4 мм. Суммарное содержание дефектов не более 10² см^-2. Суммарная концентрация примесей менее 1•10¹⁶ см^-3.

Таким образом, предлагаемый способ выращивания монокристаллического SiC позволяет улучшить совершенство материала в 10 100 раз, увеличить объем выращиваемых кристаллов в 3 5 раз по сравнению с известными способами получения. Кроме того, предлагаемый способ позволяет снизить суммарное содержание примесей более, чем в 20 раз. Кристаллы, выращенные предлагаемым способом, могут быть использованы для изготовления на их основе полупроводниковых приборов, в частности светодиодов, высокотемпературных диодов, транзисторов.

Способ выращивания монокристаллического SiC, включающий сублимацию источника SiC, размещенного в тигле, на подложку SiC при 1600 - 2000^oС, отличающийся тем, что, с целью снижения плотности дефектов типа пор, дислокаций и включений второй фазы и увеличения объема кристаллов, сублимацию ведут в присутствии Та, взятого в количестве ≥ 1% от веса источника.

Способ выращивания монокристаллического SiC, включающий сублимацию источника SiC, размещенного в тигле, на подложку SiC при 1600 2000^oС, отличающийся тем, что, с целью снижения плотности дефектов типа пор, дислокаций и включений второй фазы и увеличения объема кристаллов, сублимацию ведут в присутствии Та, взятого в количестве ≥ 1% от веса источника.