CN108118394B - 一种降低碳化硅单晶中氮杂质含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低碳化硅单晶中氮杂质含量的方法，将高温时能与氮元素反应的特种元素，与SiC粉体原料充分混合，将混合后的SiC粉体原料置于石墨坩埚底部，将籽晶和坩埚盖固定在坩埚顶部，通过对生长室抽真空并加热至900~1200℃，使特种元素与氮元素反应，形成在2400℃以下不发生分解的氮化物，向生长系统中通入惰性气体气并维持生长室压力1‑10KPa，升高生长室温度至1900‑2100℃，保持1‑150小时后，逐渐降温至室温。采用本发明的降低碳化硅单晶中氮杂质的方法，在保证晶体质量的前提下，能够实现低含氮量的SiC晶体生长。

Description

一种降低碳化硅单晶中氮杂质含量的方法

技术领域

本发明涉及晶体生长领域，尤其涉及一种降低碳化硅单晶中氮杂质含量的方法。

背景技术

作为第三代半导体材料，碳化硅（SiC）单晶具有禁带宽度大，抗辐射能力强，击穿电场高，介电常数小，热导率高，电子饱和漂移速度高，化学稳定性高等独特的特性，可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料。在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面有广泛应用，尤其在国防军事上有着重要的战略地位，因此受到各国的高度重视。

目前，生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输法（Physical VaporTransport，即PVT法），且在升华系统中形成的晶体具有较低的缺陷水准，因此也是主要商业化量产的技术。在采用PVT法生长SiC晶体时，生长设备、SiC粉体原料、石墨元件和保温材料无法避免受到氮杂质的沾污，这些材料会吸附大量的氮杂质，即使对生长系统抽真空，仍然有一定量的氮杂质残留。氮杂质是SiC单晶中常见的浅施主杂质，过高的氮杂质含量会增加制备半绝缘SiC单晶的难度。因此，降低氮杂质含量，对于制备半绝缘SiC晶体具有重要的意义。

发明内容

针对PVT方法生长SiC存在的氮含量高的问题，本发明提供一种降低碳化硅单晶中氮杂质的方法，将高温时能与氮元素反应的特种元素与SiC粉体原料充分混合，置于石墨坩埚底部，真空加热使特种元素与氮元素反应，所形成的氮化物在SiC生长温度范围内(2000~2200℃)以稳定的形态存在，有效避免氮杂质进入SiC晶格中，在保证晶体质量的前提下，实现低含氮量的SiC晶体生长。

为解决现有技术问题，本发明的技术方案是：

一种降低碳化硅单晶中氮杂质的方法，包括如下步骤：

(1)选取特种元素并与SiC粉体原料混合，将混合后的SiC粉体原料置于石墨坩埚底部，将籽晶设置于坩埚盖上，将坩埚盖设置于所述石墨坩埚顶部；

(2)对生长室抽真空，初步除去生长室中的氧气与氮气；

(3)对生长室加热，维持一定时间，使所述特种元素与氮元素反应，形成在2400℃以下不发生分解的氮化物；

(4)向生长室中通入惰性气体气，维持所述生长室内的压力并继续对生长室加热，使所述SiC粉体原料升华至籽晶表面，籽晶生长一段时间后将所述生长室的温度降至室温，结束生长，得到低含氮量的SiC晶体。

进一步的，所述步骤（1）中选取的特种元素是在温度为500-2100℃时与氮元素发生化学反应形成氮化物的材料。

进一步的，所述步骤（1）中所述SiC粉体原料颗粒度为10-1000μm，纯度为99.999%以上。

进一步的，所述步骤（1）中所述石墨坩埚及所述坩埚盖材料为高纯石墨，纯度为99.9995%以上。

进一步的，所述步骤（1）中所述籽晶为4H、6H、15R SiC籽晶中的一种，厚度为200-1000μm，直径为2-8英寸，生长的SiC单晶为2-8英寸。

进一步的，所述步骤 (2)中，所述生长室的真空度低于10^-3Pa。

进一步的，所述步骤(4)中，所述惰性气体包括：He、Ne、Ar、H₂及其任意组合，纯度为99.999%以上。

进一步的，所述步骤(2)、(3)、(4)中，所述生长室为由所述石墨坩埚与所述坩埚盖形成的密闭空间。

进一步的，所述步骤（3）中，所述生长室的温度为900-1200℃，持续时间为1~10h。

进一步的，所述步骤（4）中，所述惰性气体的流量为1-1000sccm，所述生长室的压力1-10KPa，所述生长室的温度为1900-2100℃，持续时间为1-150h。

本发明的有益效果是，由于采用了高温时与氮元素发生化学反应的特种元素，所形成的氮化物在SiC生长温度范围内(2000~2200℃)以稳定的形态存在，有效避免氮杂质进入SiC晶格中，突破了目前传统的生长方式，实现了低氮含量的SiC晶体生长，可以有效降低SiC晶体中氮杂质的浓度，其N含量低于5×10¹⁶个/cm³。该方法尤其适于直径4寸以上的高纯半绝缘SiC单晶的生长。

附图说明

图1是本发明所使用的生长室结构剖面示意图

1、石墨上盖，2、感应线圈，3、SiC籽晶，4、SiC晶体，5、石墨坩埚，6、SiC原料及特种元素混合体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，如图1所示，本发明所使用的晶体生长室，其主要结构和材料包括：感应线圈、石墨坩埚、石墨上盖、SiC籽晶、SiC原料、特种元素。通过感应线圈对石墨坩埚加热，通过热传导作用，特种元素达到与氮杂质反应的温度T₁，形成固态或者气态的氮化物，之后继续升温，使SiC原料达到升华温度T₂，石磨上盖顶部中心温度达到T₃，使位于顶部的SiC籽晶进行生长，得到低氮含量的SiC晶体。

实施例1

采用特种元素钽粉高温时与氮元素发生化学反应的方法生长SiC单晶，具体步骤如下：

（1）将SiC原料与钽粉按照摩尔比1：0.01的配比均匀混合后置于石墨坩埚下部，采用SiC籽晶置于石墨坩埚上部，籽晶为4英寸4H晶型SiC，生长面为碳面，生长方向为onaxis；

（2）将装配好的坩埚置于单晶炉生长室中；

（3）对生长室抽真空，使其真空度达到1×10^-4Pa；

（4）对石墨坩埚加热，使SiC原料表面的温度T₁控制在1200℃，保持2小时；

（5）向生长室通入Ar气，气体流量为100sccm，维持生长室内压力为5000Pa；

（6）继续对石墨坩埚加热，使SiC原料表面的温度T₂控制在2200℃，石墨上盖顶部中心温度T₃控制在为2000℃，使SiC原料升华，籽晶开始生长，保持生长60hr；

（7）生长结束后，逐渐降低生长室温度至室温，降温时间20hr，得到20mm厚度的4英寸的4H-SiC单晶，晶体内任意位置的氮含量低于5×10¹⁶个/cm³。

实施例2

本实施例的具体步骤与实施例1不同之处：将实施例1步骤（1）中的钽粉改变为钛粉，将步骤（4）中SiC原料表面的温度T₁改变为1300℃。本实施例其余步骤与实施例1相同，在此不再赘述，得到20mm厚度的4英寸的4H-SiC单晶，晶体内任意位置的氮含量低于5×10¹⁶个/cm³。

实施例3

本实施例的具体步骤与实施例1不同之处：将实施例1步骤（1）中的钽粉改变为铝粉，将步骤（4）中SiC原料表面的温度T₁改变为900℃，将步骤（6）中SiC原料表面的温度T₂改变为2100℃，石墨上盖顶部中心温度T₃改变为1900℃。本实施例其余步骤与实施例1相同，在此不再赘述，得到20mm厚度的4英寸的4H-SiC单晶，晶体内任意位置的氮含量低于5×10¹⁶个/cm³。

Claims (8)

1.一种降低碳化硅单晶中氮杂质的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)选取在温度为500-2100℃时与氮元素发生化学反应形成氮化物的特种元素钛粉或铝粉并与纯度为99.999％以上的SiC粉体原料混合，将混合后的SiC粉体原料置于石墨纯度为99.9995％以上的石墨坩埚底部，将籽晶设置于坩埚盖上，将坩埚盖设置于所述石墨坩埚顶部；

(2)对生长室抽真空，初步除去生长室中的氧气与氮气；

(3)对生长室加热，所述生长室的温度为900-1200℃，维持1～10h，使所述特种元素与氮元素反应，形成在2400℃以下不发生分解的氮化物；

(4)向生长室中通入惰性气体气，维持所述生长室内的压力1-10KPa并继续对生长室加热，所述生长室的温度为1900-2100℃，使所述SiC粉体原料升华至籽晶表面，籽晶生长1-150h后将所述生长室的温度降至室温，结束生长，得到低含氮量的SiC晶体。

2.根据权利要求1所述的一种降低碳化硅单晶中氮杂质的方法，其特征在于，所述SiC粉体原料颗粒度为10-1000μm。

3.根据权利要求1所述的一种降低碳化硅单晶中氮杂质的方法，其特征在于，所述石墨坩埚及所述坩埚盖材料为高纯石墨。

4.根据权利要求1所述的一种降低碳化硅单晶中氮杂质的方法，其特征在于，所述籽晶为4H、6H、15R SiC籽晶中的一种，厚度为200-1000μm，直径为2-8英寸，生长的SiC单晶为2-8英寸。

5.根据权利要求1所述的一种降低碳化硅单晶中氮杂质的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述生长室的真空度低于10^-3Pa。

6.根据权利要求1所述的一种降低碳化硅单晶中氮杂质的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述惰性气体包括：He、Ne、Ar及其任意组合，纯度为99.999％以上。

7.根据权利要求1所述的一种降低碳化硅单晶中氮杂质的方法，其特征在于，所述生长室为由所述石墨坩埚与所述坩埚盖形成的密闭空间。

8.根据权利要求1所述的一种降低碳化硅单晶中氮杂质的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述惰性气体的流量为1-1000sccm。

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