CN106757357B - 一种高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法 - Google Patents

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    • C30B33/02—Heat treatment

Abstract

本发明属于新材料加工技术领域，发明人提供了一种全新的高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法，该方法采用正常获得的碳化硅单晶进行粗加工，切割得到厚度为3‑8mm的晶棒，或加工为厚度为300‑800μm的碳化硅晶片之后对上述晶棒或晶片进行高温快速退火从而获得高纯半绝缘碳化硅衬底，该方法避免了在碳化硅晶体生长过程中进行热场调节，而是直接对加工好的高质量碳化硅单晶进行二次高温快速退火加工，从而在晶片中引入本征点缺陷来实现碳化硅单晶的半绝缘特性，获得的半绝缘碳化硅衬底品质好且加工方法简单，效率较之现有技术更高。

Description

一种高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法
技术领域
本发明属于新材料晶体加工领域，具体涉及一种高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法。
背景技术
碳化硅(SiC)单晶具有宽禁带、高热导率、高临界击穿场强和高饱和电子漂移速率等优点，因而成为第三代半导体的核心材料之一。其中，半绝缘SiC单晶衬底在高频下能够有效降低器件的介质损耗并减少寄生效应，因此是高频、微波器件的优选材料。然而，通常的物理气相输运(PVT)法生长碳化硅单晶过程中，由于原料、保温材料及生长设备中含有较高含量的电活性杂质(如氮、硼、铝等)，使生长出的碳化硅单晶中含有较高浓度的载流子并呈导电特性。为了使碳化硅单晶呈现半绝缘特性，通常在晶体生长过程中有意的引入深能级杂质如钒元素，使其俘获载流子而使碳化硅呈现高阻态。然而，高浓度的钒掺杂会在碳化硅单晶中形成沉淀并诱生微管等缺陷，从而影响衬底质量及后续外延及器件的性能。为此，高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的制备成为研究热点。然而，高纯半绝缘单晶的生长及其生长所需的高纯碳化硅原料的制备技术难度极大。
在高纯半绝缘碳化硅单晶的研究过程中，CREE提出，可以利用碳化硅中的本征点缺陷作为深能级俘获中心，从而实现碳化硅的半绝缘特性。据此，CREE提出通过控制碳化硅单晶生长界面的热场处于非平衡状态，并在晶体生长结束后进行快速冷却以在晶体中引入本征点缺陷来实现碳化硅单晶的半绝缘特性，但是这一方案依然存在缺陷，体现在：首先，固/气界面的热场调节具有较高的技术难度，且非平衡态的热场条件下易产生缺陷，从而导致晶体质量差等问题；其次，生长结束后的退火具有局限性，因单晶生长腔室内的冷却时间长、速率慢，且晶体厚度较大，难以在晶体内部均匀的引入高浓度本征点缺陷，从而限制了碳化硅晶体的半绝缘特性。
发明内容
根据现有技术存在的不足和空白，本发明的发明人提供了一种全新的高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法，该方法采用正常获得的碳化硅单晶进行粗加工，切割得到厚度为3-8mm的晶棒，也可将碳化硅单晶加工为厚度为300-800μm的碳化硅晶片，之后对上述晶棒或晶片进行高温快速退火从而获得高纯半绝缘碳化硅衬底，该方法避免了在碳化硅晶体生长过程中进行热场调节，而是直接对加工好的高质量碳化硅单晶进行二次高温快速退火加工，从而在晶片中引入本征点缺陷来实现碳化硅单晶的半绝缘特性，获得的半绝缘碳化硅衬底品质好且加工方法简单，效率较之现有技术更高。
与现有技术相比，本发明的最大不同在于采用的退火技术为高温快速热处理，其不同于之前的退火技术的特点在于：(1)快速升温，升温速率可达100℃/s；(2)短时高温处理，处理时间为60s-600s；(3)快速降温，降温速率为100-300℃/s；
在上述条件下，通过快速升温和短时保温在碳化硅晶体中产生Frenkel点缺陷对(空位和自间隙原子)，通过快速降温将高温时产生的缺陷对冻析在晶格中，避免以往慢速退火过程中点缺陷的重新复合湮灭。
本发明的具体技术方案如下：
(1)原材料准备：
将生长出的合格碳化硅单晶进行粗加工，切割得到厚度为3-8mm的晶棒
或将生长出的碳化硅单晶进行加工切片，得到厚度为300-800μm的碳化硅晶片；
上述步骤中切割时可以采用常规的金刚线切割；
本发明所采用的高温快速热处理技术可适用于已经接近成品的碳化硅晶片，也可适用于切割得到的具有一定厚度的晶棒。虽然从原理上来讲，晶棒越薄(直至薄到常规晶片厚度)高温快速热处理引入点缺陷的效果越好；晶棒越厚，则高温快速热处理效果越差。但快速的升降温可能会对晶片的加工质量造成影响(比如翘曲度、弯曲度等由于应力而增大)，因此发明人限定了上述规格的晶片或晶棒进行本发明所提供的高温快速热处理；采用这种规格可以达到晶体加工质量和性能的最佳平衡；
(2)将上述规格的晶棒或晶片放入高温快速退火炉腔室中，设置退火温度为2000-2500℃，退火时间为300-600s，通入惰性气体作为保护气氛；
(3)将退火结束的晶棒快速拉出退火腔室并在保护气氛中快速冷却，降温速率不低于100-150℃/s；
与现有的常规退火操作相比，上述退火温度远高于常规退火的温度；更为重要的是在高温退火时间和降温速率上，常规退火时间为数十甚至数百小时，而本发明中采用的高温快速热处理退火时间仅几分钟即可。
高温快速热处理在现有技术中常用于单晶硅衬底的处理，其退火温度一般为1300℃，这与单晶硅的性质息息相关；而现有技术中对于碳化硅的相应处理还是一个空白，因此本发明在本领域中第一次确定了针对碳化硅高温快速热处理时的退火温度，并提供了对应的技术，填补了本领域的空白；
同时发明人将退火时间限定为300-600s，退火时间是为了保证在高温处理下Frenkel缺陷对充分产生并有足够时间达到其在此温度下的平衡态，如时间过短则Frenkel缺陷对产生不完全，后续引入的点缺陷浓度较低；如时间过长则Frenkel缺陷对的产生已达平衡态，对后续引入的点浓度基本不会产生影响；
快速降温时可以通过快速减小退火炉功率+水冷风冷来实现快速降温；除此之外也可以采用将退火后的碳化硅晶片或晶棒由垂直的高温炉膛直接通过通道浸入下面放置的甲基硅油中冷却来实现快速降温，具体可视实际工况选择，发明人在此不再赘述；
通过上述方法获得的半绝缘碳化硅衬底，其电阻率可提高到1×107Ω·cm以上，一般均可达到108Ω·cm以上，同时确保其弯曲度、翘曲度等加工质量指标达标，而现有技术中未做退火处理的晶片电阻率在105Ω·cm以下；
可见采用本发明的方法进行处理可以使半绝缘碳化硅衬底的电阻率大大提升同时确保其加工指标不变劣。
综上所述，发明人提供了一种全新的高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法，该方法采用正常获得的碳化硅单晶进行粗加工，切割得到厚度为3-8mm的晶棒，或加工为厚度为300-800μm的碳化硅晶片之后对上述晶棒或晶片进行高温快速退火从而获得高纯半绝缘碳化硅衬底，该方法避免了在碳化硅晶体生长过程中进行热场调节，而是直接对加工好的高质量碳化硅单晶进行二次高温快速退火加工，从而在晶片中引入本征点缺陷来实现碳化硅单晶的半绝缘特性，获得的半绝缘碳化硅衬底品质好且加工方法简单，效率较之现有技术更高。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
实施例1
一种高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法，具体步骤如下：
将初始切片电阻率值＜105Ω·cm的碳化硅晶棒加工成厚度为3mm的标准晶棒。将晶棒置于高温快速退火炉中，通入高纯氩气作为保护气氛。将退火炉膛温度升至2300℃，升温速率为100℃/s。在2300℃时保持500s后，将晶棒直接由炉膛引入到甲基硅油中冷却，使冷却速率高于150℃/s。待晶棒冷却到室温后，将晶棒加工为厚度350μm的标准晶片，经检测得到电阻率为1010Ω·cm以上的半绝缘碳化硅晶片。晶片弯曲度＜30μm，翘曲度＜20μm，总厚度变化＜10μm，满足器件用半绝缘碳化硅衬底要求。
实施例2
一种高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法，具体步骤如下：
将由碳化硅单晶加工获得的初始切片电阻率值～105Ω·cm，弯曲度和翘曲度分别为25μm和15μm的碳化硅晶片置于高温快速退火炉中，通入高纯氩气作为保护气氛。将退火炉膛温度升至2200℃，升温速率为60℃/s。在2200℃时保持300s后，将晶片直接由炉膛引入到甲基硅油中冷却，使冷却速率高于100℃/s。待晶片冷却到室温后进行清洗，得到电阻率为1010Ω·cm以上的半绝缘碳化硅晶片。晶片弯曲度为35μm，翘曲度为25μm，总厚度变化为6μm，满足器件用半绝缘碳化硅衬底要求。

Claims (1)

1.一种高纯半绝缘碳化硅衬底的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）原材料准备：
将生长出的合格碳化硅单晶进行粗加工，切割得到厚度为3-8 mm的晶棒或将生长出的碳化硅单晶进行加工切片，得到厚度为300-800 μm的碳化硅晶片；
（2）将上述规格的晶棒或晶片放入高温快速退火炉腔室中，升温速率60-100 °C /s，设置退火温度为2000-2500 °C，退火时间为300-600 s，通入惰性气体作为保护气氛；
（3）将退火结束的晶棒快速拉出退火腔室并在保护气氛中快速冷却，降温速率100-150°C/s；
步骤（3）中快速冷却采用快速减小退火炉功率+水冷风冷来实现，或将退火后的碳化硅晶片或晶棒由垂直的高温炉膛直接通过通道浸入下面放置的甲基硅油中冷却来实现。
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