一文探讨SiC碳化硅单晶的生长

时间： 2024-03-06 来源：芯长征科技公众号

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自其发现至今，碳化硅一直深受人们的广泛关注。碳化硅是由各占一半的Si原子和C原子共同组成，通过共享sp³杂化轨道的电子对，以共价键连接形成。在其单晶的基本结构单元中，4个Si原子按正四面体结构排列，C原子位于该正四面体的中心，反之也可将Si原子看作四面体中心，以此形成SiC₄或CSi₄的四面体结构。SiC中的共价键离子性较强，硅碳键能很高，约为4.47eV。由于堆垛层错能较低，碳化硅晶体在生长过程中易形成各种多型，现已知的就达到200多种，可分为三大类：立方、六方及三方。

图 1

目前SiC晶体的生长方法主要有物理气相传输法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高温化学气相沉积法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Method)等。其中，PVT法是已发展较为成熟，更适用于产业化批量生产的方法。

图 2

所谓PVT法，是指将SiC籽晶放置在坩埚顶部，将SiC粉料作为原料放置在坩埚底部，在高温低压的密闭环境下，SiC粉料升华，并在温度梯度和浓度差的作用下向上传输至籽晶附近，达到过饱和状态后再结晶的一种方法。该方法可以实现SiC晶体尺寸和特定晶型的可控生长。

然而，使用PVT法生长SiC晶体需要在长时间的生长过程中，始终维持适宜的生长条件，否则会导致晶格紊乱，从而影响晶体的质量。但SiC晶体的生长是在密闭空间内完成的，有效的监控手段少，变量多，因此工艺控制的难度较高。

图 3

在PVT法生长SiC晶体的过程中，台阶流动生长模式（Step Flow Growth）被认为是单一晶型稳定生长的主要机制。

气化后的Si原子和C原子会优先在kink点位置与晶体表面原子成键，在此处成核生长，从而使得各个台阶平行向前流动。当晶体表面产生台阶宽度远远超过吸附原子的扩散自由程时，大量吸附原子就可能发生团聚，形成的二维岛状生长模式会破坏台阶流动生长模式，导致4H晶型结构信息丢失，从而产生多型缺陷。因此，工艺参数的调节要实现对表面台阶结构的调控，以此抑制多型缺陷的产生，达到获得单一晶型的目的，最终制备出高品质的晶体。

图 4

物理气相传输法作为发展最早的SiC晶体生长方法，是目前生长SiC晶体最为主流的生长方法。该方法相较其它方法对生长设备要求低，生长过程简单，可控性强，发展研究较为透彻，已经实现了产业化应用。HTCVD法的优势是可以生长导电型（n、p）和高纯半绝缘晶片，可以控制掺杂浓度，使晶片中载流子浓度在3×10¹³～5×10¹⁹/cm³之间可调，其劣势是技术门槛高，市场占有率低。随着液相法生长SiC晶体技术的不断成熟，未来其对整个SiC行业的推进将表现出巨大潜力，很可能是SiC晶体生长的新突破点。