[發明專利]一種半絕緣碳化硅單晶晶圓的制備方法

在審

• 申請號: 202110043756.4
• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN112760719A
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 毛開禮;魏汝省;趙麗霞;戴鑫;李天;喬亮;范云;李斌;靳霄曦
• 申請（專利權）人: 山西爍科晶體有限公司
• 主分類號: C30B33/04
• 分類號: C30B33/04;C30B29/36
• 代理公司: 太原高欣科創專利代理事務所(普通合伙) 14109
• 代理人: 崔雪花;冷錦超

本發明提出一種半絕緣碳化硅單晶晶圓的制備方法，屬于單晶硅生產加工技術領域；具體是采用高能粒子輻照碳化硅晶片，在碳化硅晶片引入點缺陷，以補償碳化硅晶片淺能級缺陷；所述碳化硅晶片中的Al雜質濃度＜1E15cm^?3，B、N兩種淺雜質濃度分別＜5E16cm^?3，采用高能粒子輻照劑量為0.3?25MeV；輻照時間為0.1?6h；本發明克服了在不使用深能級金屬摻雜劑情況下實現半絕緣SiC晶圓片內和片間電阻率分布均勻的實際困難，不僅可以有效提升射頻器件性能，同時可以提升產品一致性。

技術領域

本發明屬于單晶硅生產加工技術領域，涉及一種半絕緣碳化硅單晶晶圓的制備方法。

背景技術

碳化硅（SiC）作為一種寬帶隙半導體材料，具有高擊穿場強、高工作溫度、高電子飽和遷移速率和高熱導率等優異物理特性，是制備高壓電力電子器件、高頻大功率射頻器件的理想材料。尤其是在射頻領域，在半絕緣的SiC單晶晶圓上制備的GaN射頻器件能夠處理的功率至少是GaAs材料制造的器件處理能力的5倍以上。對于射頻器件一般需要高電阻率（“半絕緣”）襯底來進行耦合連接，一旦襯底導電將使射頻器件頻率產生嚴重的問題。經過計算獲得射頻器件無源性能的電阻率最小值需要1500歐姆厘米以上，而為了使器件背柵最小化，電阻率需要超過50000歐姆厘米（美國專利No. 5611955，No. 6218680）。

SiC單晶生長的主要方法為物理氣相傳輸法（Physical Vapor TransportMethod，PVT），該方法在石墨坩堝底部放置碳化硅粉料，頂部放置SiC籽晶，通過將石墨坩堝加熱到2000-2300℃，使SiC粉料氣相升華形成Si₂C、SiC₂、Si等氣相物質，利用SiC籽晶與碳化硅粉料之間形成的一定溫度梯度，氣相物質從坩堝底部輸運到溫度較低的SiC籽晶處，反應并沉積生長形成體塊狀SiC晶體。

目前SiC單晶形成半絕緣特性主要通過深能級缺陷補償非故意摻雜形成的淺施主或受主濃度，而形成深能級的主要方法有：（1）加入釩、鈧等金屬摻雜劑，來形成深能級補償，如美國專利No.5661955中所描述。SiC晶體中B、N等雜質濃度較高時，一般超過5E16cm^-3，這樣濃度采用摻雜劑釩進行補償會削弱電子性能，并且高濃度摻雜或導致襯底熱導率減小而限制器件輸出功率。SiC晶體中B、N等雜質濃度較低時，N、B等雜質濃度，釩、鈧等金屬摻雜劑濃度都會隨著生長時間延長而降低，然而各物質濃度衰減速率不同，極難調控SiC晶圓片內、片間電阻率均勻性。（2）通過熱處理在晶體內部形成本征點缺陷等相關深能級來補償淺能級雜質。如專利US6814801，CN101724893中所描述的，通過快速退火等工藝可以增加晶體中的點缺陷濃度。但是退火工藝能夠增加的點缺陷濃度較小，同時需要極大的冷卻速率，這種工藝生產效率較低，且SiC晶體中B、N等雜質濃度也會隨著生長時間延長而降低，從而導致SiC晶圓片內、片間電阻率均勻性難以調控。

發明內容

本發明克服了現有技術的不足，提出一種半絕緣碳化硅單晶晶圓的制備方法，目的是在不使用深能級金屬摻雜劑的情況下，實現半絕緣SiC晶圓片內和片間電阻率分布均勻，從而提高射頻器件制造的一致性。

為了達到上述目的，本發明是通過如下技術方案實現的。

一種半絕緣碳化硅單晶晶圓的制備方法，采用高能粒子輻照碳化硅晶片，在碳化硅晶片引入點缺陷，以補償碳化硅晶片淺能級缺陷；所述碳化硅晶片中的Al雜質濃度＜1E15cm^-3，B、N兩種淺雜質濃度分別＜5E16cm^-3，采用高能粒子輻照劑量為0.3-25MeV；輻照時間為0.1-6h。

優選的，所述碳化硅晶片中的Al雜質濃度＜2E14cm^-3，所述B、N兩種淺雜質濃度分別＜1E16cm^-3，采用高能粒子輻照劑量為0.3-10MeV。

優選的，所述高能粒子為電子或中子或γ射線。