[發(fā)明專利]高質(zhì)量碳化硅籽晶、碳化硅晶體、碳化硅襯底及其制備方法

有效

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• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113186601B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭同華;王波;趙寧;婁艷芳;郭鈺;張賀;劉春俊;楊建
• 申請（專利權(quán)）人: 北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司;江蘇天科合達(dá)半導(dǎo)體有限公司;新疆天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司
• 主分類號: C30B29/36
• 分類號: C30B29/36;C30B23/02
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 豆貝貝

本發(fā)明提供了一種高質(zhì)量碳化硅籽晶、碳化硅晶體、碳化硅襯底及其制備方法。本發(fā)明制備高質(zhì)量的碳化硅籽晶，并控制碳化硅粉料、石墨坩堝及保溫材料的雜質(zhì)濃度，結(jié)合一定的晶體生長工藝以及晶片加工方式，得到了高質(zhì)量的碳化硅襯底。所得碳化硅襯底具有高的結(jié)晶質(zhì)量，極低的微管數(shù)量、螺位錯密度和復(fù)合位錯密度；同時具有極低的p型雜質(zhì)濃度，表現(xiàn)出優(yōu)良的電學(xué)性能；還具有高的表面質(zhì)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，特別涉及一種高質(zhì)量碳化硅籽晶、碳化硅晶體、碳化硅襯底及其制備方法。

背景技術(shù)

碳化硅襯底，又稱為碳化硅晶片，形狀為圓形薄片，直徑一般為2英寸、3英寸、4英寸、6英寸和8英寸，厚度一般為80微米～800微米之間。碳化硅襯底因其具有寬帶隙、高的熱導(dǎo)率、高的擊穿場強(qiáng)以及高的飽和電子漂移速率等優(yōu)異性能，因此非常適合制造大功率、高溫、高頻電力電子器件，在新能源汽車、軌道交通、航空航天、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，碳化硅襯底要在新能源汽車、軌道交通、航空航天、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域獲得大規(guī)模實際應(yīng)用，襯底質(zhì)量必須足夠好。此處所指的襯底質(zhì)量包括三個方面：一是襯底的結(jié)晶質(zhì)量；二是襯底的電學(xué)性能；三是襯底的表面質(zhì)量。具體如下：

其一，在襯底的結(jié)晶質(zhì)量方面，目前碳化硅襯底的結(jié)晶缺陷包括微管、螺位錯、復(fù)合位錯缺陷(即螺位錯與基平面位錯組成的復(fù)合位錯，螺位錯與刃位錯組成的復(fù)合位錯，基平面位錯與刃位錯組成的復(fù)合位錯)，襯底中結(jié)晶缺陷的存在將導(dǎo)致基于襯底制造的器件性能失效或下降。

其二，在襯底的電學(xué)性能方面，目前導(dǎo)電型碳化硅襯底的電阻率調(diào)控主要通過控制氮摻雜量。由于碳化硅襯底中氮的濃度可以高達(dá)5×10²⁰/cm³，極易補(bǔ)償碳化硅襯底中的p型雜質(zhì)，因此在制備導(dǎo)電型碳化硅襯底過程中，會忽視碳化硅襯底中p型背景雜質(zhì)濃度控制，導(dǎo)致碳化硅襯底中p型雜質(zhì)濃度高。為了控制碳化硅襯底中的電阻率，會通過加大氮摻雜量補(bǔ)償襯底中過高的p型雜質(zhì)濃度，最終導(dǎo)致碳化硅襯底中p型雜質(zhì)濃度和氮濃度都偏高。偏高的p型雜質(zhì)濃度和氮濃度會導(dǎo)致基于襯底制造的器件性能偏差，嚴(yán)重時甚至影響器件性能的穩(wěn)定性。

其三，在襯底的表面質(zhì)量方面，碳化硅襯底表面由于加工工藝不優(yōu)，會導(dǎo)致襯底表面殘留一些劃痕。制造碳化硅器件前，需要在碳化硅襯底表面生長一層外延層，該外延層的成分也是碳化硅，晶體結(jié)構(gòu)與襯底的結(jié)構(gòu)相同，厚度一般為幾微米至幾十微米，該外延層的質(zhì)量對后續(xù)制造的器件的性能和可靠性至關(guān)重要。然而，該外延層的質(zhì)量嚴(yán)重依賴襯底的質(zhì)量，尤其是襯底表面質(zhì)量。如果在襯底表面有殘留的一定深度的劃痕，該劃痕在后續(xù)外延后仍然會保留下來。外延層中的劃痕將最終導(dǎo)致制造的器件存在漏電、擊穿或可靠性變差等問題。

目前，碳化硅晶體生長方法主要為物理氣相傳輸法(Physical Vapor TransportMethod)，其生長室結(jié)構(gòu)如圖6所示。將碳化硅粉料裝入石墨坩堝中，將SiC籽晶置于比SiC粉料溫度相對稍低的坩堝上部，坩堝內(nèi)的溫度升至2100～2400℃，使得SiC粉料升華，升華產(chǎn)生氣相物質(zhì)Si₂C、SiC₂和Si，升華所產(chǎn)生的氣相物質(zhì)在溫度梯度的作用下從SiC粉料的表面輸運到溫度相對稍低的SiC籽晶處，并在SiC籽晶上結(jié)晶形成塊狀SiC晶體。然而，目前的制備方法制得的碳化硅襯底的質(zhì)量欠佳，影響其實際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種高質(zhì)量碳化硅籽晶、碳化硅晶體、碳化硅襯底及其制備方法。本發(fā)明提供的高質(zhì)量碳化硅籽晶及制備的碳化硅襯底能夠有效降低晶體缺陷和雜質(zhì)濃度，改善表面質(zhì)量。

本發(fā)明提供了一種高質(zhì)量碳化硅籽晶，所述碳化硅籽晶至少有一個高質(zhì)量區(qū)域；

所述高質(zhì)量區(qū)域的規(guī)格為：微管數(shù)為0，螺位錯密度＜300個/cm²，復(fù)合位錯密度＜20個/cm²，任意間隔1cm的X射線搖擺曲線半高寬兩點間的差值＜40弧秒；