降低碳化硅晶體雜質并獲得高純半絕緣碳化硅晶體的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳化硅晶體制備方法，特別涉及一種制備高純半絕緣4H-SiC晶體 的方法，該方法主要是先降低晶體生長前沿背景雜質濃度后增加本征點缺陷濃度的方法來 補償淺施主和淺受主能級之差，從而獲得半絕緣效應的生長高純半絕緣碳化硅晶體的工 〇
【背景技術】
[0002]碳化硅是繼第一代半導體硅、鍺，第二代半導體砷化鎵、磷化銦之后的第三代半導 體材料。碳化硅具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子迀移速率和穩(wěn)定的物理和化學性 能，是制備保溫、高頻、高功率和和抗電磁輻射方面具有廣闊市場。半絕緣碳化硅襯底材料 是制備高性能微波功率器件的首選材料，通常摻釩可以獲得半絕緣碳化硅襯底材料，但是 在高溫時，釩的析出會導致一種背柵效應而導致半絕緣效應的降低。為了制備高穩(wěn)定性能 的微波功率器件，需要制備高純半絕緣碳化硅來做襯底材料制備機載雷達、艦載雷達的通 訊器件。
[0003] 大直徑SiC晶體制備的常用方法是物理氣相傳輸法（PhysicalVapor Transport)。將碳化硅粉料放在密閉的石墨組成的坩堝底部，坩堝頂部固定一個籽晶，籽晶 的直徑將決定晶體的直徑。粉料在感應線圈的作用下將達到升華溫度點，升華產生的Si、C、 Si2C和SiC2分子在軸向溫度梯度的作用下從原料表面?zhèn)鬏數阶丫П砻?，由于籽晶背部有?熱孔組成，所以在籽晶部分相對較冷，這樣在軸向溫度梯度的作用下在籽晶表面緩慢結晶 達到生長晶體的目的。傳統(tǒng)的生長方法由于在石墨材質和粉料中難免引入氮、硼、鋁、釩和 鐵等雜質元素，由于坩堝是密閉的狀態(tài)，坩堝內部的雜質很難避免進入晶體內部，導致很難 生長雜質含量很低的高純碳化硅晶體。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種降低碳化硅晶體雜質并獲得高純半絕緣碳化硅晶體的方法，解 決了低雜質的高純碳化硅晶體生產的難題。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術方案解決以上技術問題的： 一種降低碳化硅晶體雜質并獲得高純半絕緣碳化硅晶體的方法，包括以下步驟： 第一步、將籽晶綁定在石墨托上，將籽晶倒放置在坩堝頂部，將SiC高純粉料放置在生 長腔的底部，粉料距籽晶距離大約50-60毫米； 第二步、生長時坩堝周圍用石墨氈進行保溫處理，坩堝頂部和底部各有一個10-20毫米 的散熱孔來獲得合適的軸向溫度梯度，同時通過該孔用高溫紅外儀來測量生長腔內的溫 度。
[0006] 針對現(xiàn)有生長工藝技術，本發(fā)明目的通過降低背景中的雜質元素濃度來獲得高純 碳化硅晶體，對切割后的晶片進行高溫快速冷卻從而增加點缺陷濃度，增加的點缺陷足以 補償淺施主和淺受主之差的方式來達到半絕緣的目的。最終獲得制備大直徑高純半絕緣 4H-SiC晶體的方法。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是一種制備高純半絕緣4H-SiC的方法，主要是 在沒有故意摻入深能級補償元素而實現(xiàn)半絕緣效應的生長工藝方法。該方法同樣還是使用 常規(guī)的物理氣相傳輸法生長碳化硅晶體。在生長晶體時，對石墨坩堝的頂部邊緣部分，主要 目的是讓石墨坩堝材料本身和碳化硅粉料中的雜質元素氮、硼、鋁、釩和鐵在生長初期溫度 達到大約在1950-2050度時，生長壓力控制在600-800mbar，正好達到背景雜質元素氮、硼、 鋁、釩等雜質的升華點，讓背景中的氮、硼、鋁、釩進行先升華，從而降低背景中的雜質濃度 來獲得高純碳化硅晶體。對生長出的晶體進行切割加工成標準晶圓，然后對切割后的晶圓 進行高溫快速冷卻處理，主要目的是增加晶體中的點缺陷濃度，增加碳化硅晶體中形成原 生點缺陷，這種點缺陷足以補償淺施主和淺受主的濃度差，從而達到半絕緣效應，其中半絕 緣碳化硅晶體的原生點缺陷濃度高于碳化硅晶體中的非故意摻雜形成的淺施主和淺受主 的濃度之差。該發(fā)明主要涉及到的石墨頂蓋的邊緣小孔的尺寸控制在0.5-2毫米的六個小 孔，小孔主要目的是讓生長腔內的雜質元素在生長的前期進行釋放，特別是產生淺施主雜 質元素氮元素能在生長初期溢出不至于在開始生長晶體的時候而進行晶體中，一旦進行晶 體就很難獲得半絕緣效應，按照此種方法獲得的晶體是高純晶體。晶片在高溫快速冷卻的 溫度控制在1800-1900度左右，生成的原生點缺陷為碳空位、硅空位或硅碳雙空位/反位。本 發(fā)明涉及的碳化硅晶體包括4H-SiC和6H-SiC晶體。晶片在快速冷卻過程中所用的時間在 20-100分鐘內快速將溫度從1800-1900度降低到1500度以下。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發(fā)明的物理氣相傳輸法生長SiC晶體的生長腔體結構示意圖； 圖2為本發(fā)明方法生長后的高純本絕緣SiC晶片的電阻率測試圖。
【具體實施方式】
[0008] 下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明： 一種降低碳化硅晶體雜質并獲得高純半絕緣碳化硅晶體的方法，包括以下步驟： 第一步、將籽晶綁定在石墨托1上，將籽晶3倒放置在坩堝頂部，將SiC高純粉料3放置在 生長腔的底部，粉料距籽晶距離大約50-60毫米； 第二步、生長時坩堝周圍用石墨氈進行保溫處理，坩堝頂部和底部各有一個10-20毫米 的散熱孔來獲得合適的軸向溫度梯度，同時通過該孔用高溫紅外儀來測量生長腔內的溫 度。
[0009] 本發(fā)明是一種無摻雜元素的高純半絕緣碳化硅晶體生長方法，通過感應加熱的方 法對石英管內的尚真空石墨謝禍進彳丁加熱，石墨材質均米用尚純石墨。生長室的結構不意 圖如附圖1所示。主要包括以下幾個部分:石墨托1、石墨坩堝2、SiC高純粉料3、籽晶4、生長 后的碳化硅晶體5、石墨坩堝頂部邊緣的小孔6、石墨坩堝周圍的石墨氈保溫7、下測溫孔8和 上測溫孔9組成。通過特殊處理的籽晶粘接工藝將籽晶綁定在石墨托1上，將籽晶3倒放置在 坩堝頂部，將SiC高純粉料3放置在生長腔的底部，粉料距籽晶距離大約50-60毫米。生長時 坩堝周圍用石墨氈進行保溫處理，坩堝頂部和底部各有一個10-20毫米的散熱孔來獲得合 適的軸向溫度梯度，同時通過該孔用高溫紅外儀來測量生長腔內溫度。
[0010] 在以上制備高純半絕緣碳化硅晶體的方法中，沒有故意摻雜釩元素來補償淺施主 和淺受主的能級差，通過使用常規(guī)的物理氣相傳輸法生長碳化硅晶體，在生長過程中將石 墨坩堝的頂部邊緣對稱地開6個小孔，其中所述小孔的直徑大小范圍控制在0.5-2毫米。小 孔的主要目的是讓生長前沿的背景中的氮、硼、鋁、釩和鐵雜質元素從小孔中溢出，從而減 少背景中的雜質元素進入晶體來減少晶體中的雜質獲得高純碳化硅晶體，當生長溫度控制 在大約在1950-2050度時，生長壓力控制在600-800mbar，正好達到背景雜質元素氮、硼、鋁、 釩等雜質的溢出溫度點，讓背景中的氮、硼、鋁、釩進行先從小孔中溢出，從而降低背景中的 雜質濃度來獲得高純碳化硅晶體;之后再繼續(xù)增加生長溫度和降壓生長腔內的生長壓力， 當生長溫度達到碳化硅粉料的升華溫度2050-2250時，生長腔內壓力控制在5-100mabr時， 碳化硅粉料開始升華，升華的碳化硅粉料逐步將邊緣小孔密封住，從而保證生長腔內是準 平衡狀態(tài)而滿足碳化硅晶體生長的準平衡狀態(tài)要求來進行晶體生長。
[0011]下一步將生長結束后的碳化硅晶體進行切割成碳化硅晶片，對碳化硅晶片進行高 溫快速冷卻處理，使用的主要設備是箱式高溫退火爐，該爐可以設置不同的溫區(qū)，同時箱內 可以充氬氣保護，先將晶片放在高溫區(qū)將溫度控制在1700-1900度左右，待晶片溫度處于該 區(qū)時間大約20-60分鐘左右，然后將晶片迅速移動到溫度相對較低區(qū)域，該溫區(qū)溫度設定在 1400-1500度左右，在該溫區(qū)恒定時間大約30-60分鐘，然后將晶片移動更低溫區(qū)，控制溫度 大約在1500以下直至溫度降低室溫，通過迅速降溫可以增加碳化硅晶體中的本征點缺陷濃 度，從而獲得半絕緣效果，其中半絕緣晶體的本征點缺陷濃度將足以補償碳化硅晶體中非 故意摻雜形成的淺施主和淺受主的濃度差，從而確保晶片的半絕緣特性，用于制造微波高 功率器件的襯底材料。
[0012 ]滿足微波功率器件的襯底需要的半絕緣碳化硅材料的點缺陷濃度沒有嚴格的數 量限制，最主要的是要求點缺陷濃度超過淺施主和淺受主濃度之差的絕對值即可，這樣半 絕緣的特性就已經具備。通常通過故意摻雜的方式(摻釩)也可以獲得一種半絕緣效應的是 摻隹凡半絕緣碳化娃晶體。
[0013]本發(fā)明的生長體系是在超高真空下，真空大約到1.5X10-6mabr。使用的石墨材質 和粉料均是高純材料，生長體系中難免存在少量雜質，例如環(huán)境中的N，石墨材質中的B，這 些雜質會進入到晶體中，但是本底雜質濃度越小越好，濃度均在8.5X1017cm-3，優(yōu)選2.5X 1017cm_3〇
[0014]圖2是本發(fā)明方法生長獲得SiC晶片的電阻率測試圖。其中該晶片的電阻率平均為 6.5Χ108Ω.cm，最小電阻率在3.5Χ107Ω.cm，最大電阻率可以達8.5Χ1012Ω.cm。
[0015]下表為本發(fā)明生長的高純晶片的SB1S測試結果：
實驗結果表面通過該方法獲得了晶體中雜質濃度非常低的高純碳化硅晶體。
【主權項】
1. 一種降低碳化硅晶體雜質并獲得高純半絕緣碳化硅晶體的方法，包括以下步驟： 第一步、將籽晶綁定在石墨托（1)上，將籽晶（3)倒放置在坩堝頂部，將SiC高純粉料(3) 放置在生長腔的底部，粉料距籽晶距離大約50-60毫米； 第二步、生長時坩堝周圍用石墨氈進行保溫處理，坩堝頂部和底部各有一個10-20毫米 的散熱孔來獲得合適的軸向溫度梯度，同時通過該孔用高溫紅外儀來測量生長腔內的溫 度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種降低碳化硅晶體雜質并獲得高純半絕緣碳化硅晶體的方法，解決了低雜質的高純碳化硅晶體生產的難題。包括以下步驟：第一步、將籽晶綁定在石墨托（1）上，將籽晶（3）倒放置在坩堝頂部，將SiC高純粉料（3）放置在生長腔的底部，粉料距籽晶距離大約50-60毫米；第二步、生長時坩堝周圍用石墨氈進行保溫處理，坩堝頂部和底部各有一個10-20毫米的散熱孔來獲得合適的軸向溫度梯度，同時通過該孔用高溫紅外儀來測量生長腔內的溫度。本發(fā)明目的通過降低背景中的雜質元素濃度來獲得高純碳化硅晶體。
【IPC分類】C30B23/00, C30B29/36
【公開號】CN105463573
【申請?zhí)枴緾N201510973547
【發(fā)明人】王利忠, 李斌, 王英民, 魏汝省, 毛開禮, 徐偉, 戴鑫, 馬康夫, 周立平, 付芬, 田牧, 侯曉蕊
【申請人】中國電子科技集團公司第二研究所
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年12月22日