CN112466929B - 碳化硅衬底、晶锭及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种碳化硅衬底、晶锭及其制备方法，属于半导体材料领域。所述碳化硅衬底包含氮元素，所述碳化硅衬底具有六边形色斑的密度小于0.3个\平方厘米，形成所述六边形色斑的边部垂直于<10‑10>方向。本申请发现一种含氮的碳化硅衬底中存在的新型缺陷即六边形色斑，该六边形色斑的颜色不同与碳化硅主体区域的颜色，但与平面六边形空隙缺陷不同并不是六边形的空洞，六边形色斑会使得碳化硅衬底的电阻率不均匀，会严重影响碳化硅衬底制得的半导体器件的电学性能，如使得在碳化硅衬底上做的器件失效，因此本申请提供了一种包含六边形色斑密度少的碳化硅衬底和碳化硅晶锭。

Description

碳化硅衬底、晶锭及其制备方法
技术领域
本申请涉及一种碳化硅衬底、晶锭及其制备方法，属于半导体材料领域。
背景技术
碳化硅单晶是最重要的第三代半导体材料之一，因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性质，而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。目前碳化硅单晶的主要制备方法是物理气相传输(PVT)法，也是目前至今为止生长大直径SiC晶体最成功的方法。其主要是通过在高温下使碳化硅原料升华产生的气相源输运至籽晶处重新结晶生长SiC晶体。
目前已成熟的SiC器件包括：碳化硅肖特基二极管，其主要采用结型势垒肖特基二极管或混合p-n肖特基二极管结构；碳化硅金属-氧化物-半导体场效应管，SiC功率模块在光伏发电、风电、电动汽车、机车牵引、舰船等领域发展迅速；碳化硅光电器件，SiC在光电器件方面的应用主要包括绿光发光二极管、蓝光发光二极管和紫外光电二极。
一些公司已能提供Φ1英寸、2英寸、3英寸和4寸的碳化硅衬底，虽然目前已经可以提供大尺寸的衬底。目前的SiC衬底仍然存在许多结构缺陷，如微管、位错、夹杂以及镶嵌结构等，但是要大规模用到器件上还存在一定的差距，因为器件的性能取决于SiC衬底质量的好坏，尤其SiC衬底的缺陷会影响制得的器件的质量。而碳化硅衬底中存在的微管、位错、夹杂以及镶嵌结构已经被熟知且研究解决的方案比较多。但是，碳化硅单晶长晶质量条件要求高，影响因素复杂，对碳化硅单晶的缺陷认识尚处于不全面的阶段，而碳化硅单晶的质量对制得的器件的重要，需要继续完善碳化硅衬底的质量以保证制得的器件的质量。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种碳化硅衬底、晶锭及其制备方法，本申请发现一种含氮的碳化硅衬底中存在的新型缺陷即六边形色斑，该六边形色斑的颜色不同于碳化硅主体区域的颜色，但与平面六边形空隙缺陷不同并不是六边形的空洞，六边形色斑会使得碳化硅衬底的电阻率不均匀，会严重影响碳化硅衬底制得的半导体器件的电学性能，如使得在碳化硅衬底上做的器件失效，因此本申请提供了一种包含六边形色斑密度少的碳化硅衬底和碳化硅晶锭。
根据本申请的一个方面，提供了一种碳化硅衬底，所述碳化硅衬底包含氮元素，所述碳化硅衬底具有六边形色斑的数量密度小于0.3个\平方厘米，形成所述六边形色斑的边部垂直于<10-10>方向。例如，4英寸100mm的碳化硅晶面(大致为圆形，尺寸是直径的长度)的数量不高于25个。
可选地，六边形色斑的密度的上限选自0.2个\平方厘米、0.1个\平方厘米、0.05个\平方厘米、0.04个\平方厘米、0.03个\平方厘米。可选地，六边形色斑的密度小于0.05个\平方厘米。例如，4英寸100mm的碳化硅晶面的碳化硅晶面的数量不高于4个。
可选地，垂直于生长方向的所述碳化硅衬底表面自中心至边沿的六边形色斑的密度变化率低于20％。进一步地，垂直于生长方向的所述碳化硅衬底表面自中心至边沿的六边形色斑的密度变化率低于10％。
可选地，所述碳化硅衬底具有六边形色斑的数量不大于30个。可选地，所述碳化硅衬底具有六边形色斑的数量的上限选自25个、20个、15个、10个、5个和3个，下限选自25个、20个、15个、10个、5个、3个和0个。优选地，所述碳化硅衬底具有六边形色斑的数量不大于10个。更优选地，所述碳化硅衬底具有六边形色斑的数量不大于3个。更优选地，所述碳化硅衬底具有六边形色斑的数量为0个。
可选地，所述碳化硅衬底的直径不小于75mm。优选地，所述碳化硅衬底的直径不小于100mm。更优选地，所述碳化硅衬底的直径不小于150mm。
可选地，所述碳化硅衬底中的氮含量为5×1017～5×1019cm-3。优选地，所述碳化硅衬底中的氮含量为5×1018～1×1019cm-3。更优选地，所述碳化硅衬底为N型碳化硅，所述碳化硅衬底中的氮含量为6×1018～9×1018cm-3。
可选地，所述碳化硅衬底为六方晶系单晶。优选地，所述碳化硅衬底的晶型为4H-SiC或6H-SiC。
可选地，掺氮的N型碳化硅单晶中会产生大量的六边形色斑，所述碳化硅衬底为N型碳化硅单晶时的电阻率为0.002Ω·cm～0.06Ω·cm。优选地，所述碳化硅衬底的电阻率为0.015Ω·cm～0.028Ω·cm。更优选地，所述碳化硅衬底的电阻率为0.018Ω·cm～0.022Ω·cm。
可选地，所述碳化硅衬底的所述六边形色斑的边部外侧区域为碳化硅主体区域，所述六边形色斑的边部内围成六方形区域，所述六边形色斑的边部分别与所述碳化硅主体区域和所述六方形区域在光学显微镜观察的颜色不同；和/或
所述六边形色斑的边部分别与所述碳化硅主体区域和所述六方形区域的氮含量不同。六边形色斑的形成可能与氮含量的分布是否均匀有关系，而六边形色斑的边部颜色在光学显微镜的不同的光强和光圈的模式观察呈现不同的颜色，如在偏光模式下的一种光强和光圈模式观察六边形色斑的边部的颜色发白，而碳化硅主体区域为黄色。如在偏光模式下另一种光强和光圈观察六边形色斑的边部颜色偏黄色，而碳化硅主体区域为墨绿色。
进一步地，六边形色斑的边部颜色包括颜色均一和不均一的情况；其边界包括清晰和不清晰的情况。六边形色斑的形状可能会因为一个或多个边很短而模糊呈现为五边形、四边形、三边形或类似圆形的形状。六边形色斑的区域较大时，六边形色斑的边部和六方形区域的区别会比较明显；但是，六边形色斑的区域较小时，六边形色斑的边部和六方形区域的边界模糊而可能会出现融为一体的情况。
优选地，所述六方形区域的氮含量不小于所述碳化硅主体区域的氮含量大于所述六边形色斑的边部的氮含量。更优选地，所述六方形区域大于所述碳化硅主体区域的氮含量的差值为A，所述碳化硅主体区域大于所述六边形色斑的边部的氮含量的差值为B，所述差值A不小于B。
可选地，所述差值A大于B，在氮含量为4×1018～1×1019的N型碳化硅中，差值A的范围为1.5×1018-4.5×1018cm-3，差值B的范围为0.1×1018-2.5×1018cm-3。
根据一种实施方式，所述六方形区域、所述碳化硅主体区域、所述六边形色斑的边部的氮含量分别为4.7×1018cm-3、4×1018cm-3、7.7×1018cm-3。
可选地，所述六边形色斑在所述碳化硅衬底的长晶面形成六边形；所述六边形色斑的边部在所述碳化硅衬底内部沿C轴延伸。所述碳化硅衬底的晶型为4H-SiC或6H-SiC。
可选地，所述六边形色斑为不等边的六边形。所述六边形色斑的边部的宽度不大于1mm；和/或所述六边形色斑的六个边部中距离最远的两个边部之间的距离不大于5mm。优选地，所述六边形色斑的边部宽度范围的上限选自70μm、60μm、50μm、40μm、30μm、20μm或10μm。所述六边形色斑的六个边部中距离最远的两个边部之间的距离范围的上限选自4mm、3mm、2mm、1mm、800μm、500μm、400μm、300μm、200μm、100μm、50μm或10μm。
优选地，所述六边形色斑的边部及六方区域所述占所述碳化硅衬底的面积的比0～2mm2/6英寸。
根据本申请的另一方面，提供了一种所述的碳化硅单晶衬底的制备方法，所述方法包括下述步骤：
1)制备碳化硅单晶锭：
提供具有氮气通道的坩埚，所述氮气通道设置在所述坩埚侧壁内并围绕坩埚内腔延伸，所述氮气通道的内侧壁小于所述氮气通道的外侧壁的密度；
将碳化硅籽晶置于坩埚内顶部和碳化硅原料置于坩埚内底部，所述坩埚外组装保温结构后置于长晶炉内；
利用物理气相传输法生长碳化硅单晶锭，在所述碳化硅单晶生长过程中，通过所述氮气通道向所述坩埚内腔渗透氮气，调节制得的碳化硅单晶锭中的氮的分布；
2)将制得的所述碳化硅单晶锭经过包括切割的步骤，即制得所述的碳化硅衬底。
可选地，氮气通道为螺旋通道，螺旋通道沿坩埚的轴向围绕所述坩埚内腔螺旋延伸，在坩埚底部和顶部之间至少缠绕一次。
优选地，内衬和外壳分别为桶状，内衬套设在外壳内紧密可拆卸连接，在内衬和外壳的交界面形成螺旋氮气通道，氮气通道的进气口和出气口都设置在坩埚的底端，即螺旋氮气通道在坩埚底部和顶部之间缠绕两次，通氮气的原理和循环水相似。
可选地，所述内衬形成氮气通道部分的壁厚C为3-5mm，壁厚C太小容易被侵蚀透，氮气直接通到坩埚内腔内影响长晶稳定性，壁厚C太大容易阻碍氮气向坩埚里面的扩散，该设置方式在不影响发热的情况下，增加氮气的通透性。
可选地，所述利用物理气相传输法生长碳化硅单晶锭的方法包括下述步骤：
控制长晶炉的温度、压力和通入长晶炉内的惰性气体流量以对长晶炉内清洗除杂；
升温阶段：调节长晶炉的温度至1800～2400K，控制坩埚内的压强为0.6×105～1.2×105Pa，通入长晶炉内的惰性气体流量为50-500mL/min，通入氮气通道的氮气流量V1为20～200mL/min；
长晶阶段：提高通入氮气通道的氮气流量V2为50～500mL/min，所述V2大于V1，长晶温度为2200K-2800K，长晶压强为100-5000Pa，保持时间为80～120h，即制得所述的碳化硅单晶锭。
可选地，所述长晶阶段包括第一长晶阶段和第二长晶阶段，所述第一长晶阶段与第二长晶阶段的时间比为1:0.8-1.2，所述第一长晶阶段与第二长晶阶段的氮气入口和氮气出口调换。
优选地，所述惰性气体流量为300～400mL/min。更优选地，所述惰性气体流量为300mL/min。优先地，惰性气体为氩气和/或氦气。
优选地，所述升温阶段的所述氮气流量V1为40～100mL/min。更优选地，所述升温阶段的所述氮气流量V1为60mL/min。优选地，所述长晶阶段的所述氮气流量V2为110～400mL/min。更优选地，所述长晶阶段的所述氮气流量V2为300mL/min。本申请的不同阶段的氮气分压和流量的控制方式，可以降低六边形色斑的数量和密度。优选，氮气为高纯氮气，纯度不低于99.99％。
可选地，所述坩埚包括内衬和外壳，所述内衬形成所述氮气通道的内侧壁，所述外壳形成所述氮气通道的外侧壁，所述内衬的密度小于所述外壳的密度。优选地，所述内衬的密度不高于1.75g/cm3。优选地，所述外壳的密度不低于1.85g/cm3。更优选地，所述外壳的密度不低于1.90g/cm3。优选，坩埚为石墨材质。外壳采用更致密的石墨材质，这样可减少高温下气氛的流失量，特别是防止蒸发的硅气氛逸出，而降低可能引起六边形色斑的富碳气氛。氮气是在内衬上慢慢往里渗透，根据浓度梯度来扩散，由于内衬和外壳致密度不一样，往外扩散的阻力更大一点，因此氮气更多的往内部扩散，而在坩埚内部，在籽晶面边缘的氮气浓度大于籽晶面中心，即使PVT方法会导致径向温度的存在，这种结构和通气方式也会平衡掉PVT方法带来的不均匀性，从而使电阻率非常非常均匀，同时有效的减小六边形色斑的数量和密度。
可选地，所述碳化硅原料为碳化硅多晶或碳化硅粉料。进一步地，所述碳化硅原料为碳化硅粉料，所述坩埚内装填的碳化硅原料包括上层原料和下层原料，上层原料小于下层原料的粒径，所述上层原料在碳化硅原料中的占比为30-40V％。优选地，所述上层原料的粒径为5-10mm，下层原料的粒径为20-30mm。底层的大颗粒原料之间的缝隙较大会增加原料之间的热辐射率从而增加底层原料内温度分布的均匀性，这样在一个合适的温度下就会使原料蒸发的更快，但是大颗粒原料会造成气氛向生长腔内传输的不均匀性，因此在原料顶置5-10mm的小颗粒原料，提供较小的气氛孔道，使原本较强的气氛流通过更多更密的小孔道均匀开，使气氛更均匀。气氛均匀后会使长晶面的过饱和度变得均匀，从而长晶更稳定，有效的减少六边形色斑的数量和密度。另一方面用下层原料用大颗粒SIC粉料，减缓原料颗粒完全碳化的时间，以降低可能引起六边形色斑的富碳气氛。
可选地，所述涂层为TaC涂层。涂层的设置防止籽晶在长晶过程中的背部蒸发，而引起的在六边形色斑上的空洞缺陷。优选地，所述涂层通过CVD法(化学气相沉积)、PVD法(物理气相沉积)或MBE法(分子束外延)形成。
可选地，所述碳化硅籽晶的硅面的粗糙度Ra＜0.5。为减少碳化硅单晶内部位错的数量特别是TSD(螺形位错)。在长晶前，对籽晶的碳面进行精细的抛光处理，使其表面充分光滑，Si面也进行精细的抛光处理，使其没有划痕和尽可能光滑。
可选地，所述碳化硅原料的中间部位装填硅粉。优选地，所述硅粉装填在设置通孔的装料器内，所述装料器装填在所述碳化硅原料的中间部位。碳化硅原料中装填硅粉用于补偿碳化硅单晶生长时的升华气氛中的硅，进一步将硅粉放中间是因为PVT生长法中加热线圈加热坩埚中的温度最低，使得硅粉不会在长晶初期就过早挥发，以降低可能引起六边形色斑的富碳气氛。
根据本申请的另一方面，提供了一种碳化硅单晶锭，所述碳化硅单晶锭经过包括切割步骤处理形成碳化硅衬底；所述碳化硅衬底选自上述任一所述的碳化硅衬底或所述碳化硅衬底选自上述任一所述方法制备得到的碳化硅衬底。
可选地，所述碳化硅单晶锭经过包括切割、抛光步骤处理形成碳化硅衬底。进一步地，所述碳化硅单晶锭经过端面加工、多线切割、研磨、机械抛光、化学机械抛光、清洗封装、形成开盒即用的碳化硅衬底。
可选地，沿C轴延伸的碳化硅单晶的生长方向，所述六边形色斑的边部的宽度增大，所述六边形色斑的边部的宽度增大，所述六边形色斑的六个边部中距离最远的两个边部之间的距离增大。
可选地，六边形色斑会出现在碳化硅单晶锭的沿C轴延伸的碳化硅单晶的生长方向的部分区域，即同一碳化硅单晶锭切割后制得的碳化硅衬底中的六边形色斑的数量不同。
可选地，其包括上述任一项所述的碳化硅衬底的制备方法中的所述步骤1)的制备碳化硅单晶锭的方法。
本申请中，六边形色斑作为一种碳化硅衬底中的新型缺陷，六边形色斑的每个边部与碳化硅主体区域的表面平齐，并不是六边形的凹坑，但是呈现出与碳化硅主体区域颜色不同的六边形或近六边形，本申请将所述六边形色斑的边部组成的区域定义为六边形色斑，其它的性质参见本申请的其它部分。
本申请的有益效果包括但不限于：
1.根据本申请的碳化硅衬底，具有发现含氮的碳化硅衬底中存在的新型缺陷即六边形色斑，该六边形色斑的颜色不同于碳化硅主体区域的颜色，但与平面六边形空隙缺陷不同并不是六边形的空洞，六边形色斑会使得碳化硅衬底的电阻率不均匀，会严重影响碳化硅衬底制得的半导体器件的电学性能，如使得在碳化硅衬底上做的器件失效，本申请的碳化硅衬底包含六边形色斑密度少。
2.根据本申请的碳化硅衬底，具有的位错、碳包裹体、层错等的缺陷密度低、电阻率均匀。
3.根据本申请的碳化硅衬底的制备方法，制得的碳化硅衬底的六边形色斑数的密度低和数量少，位错、碳包裹体、层错等的缺陷密度低、电阻率均匀；控制方法简单，操作方便。
4.根据本申请的碳化硅单晶晶锭，本申请发现含氮的碳化硅晶锭中存在的新型缺陷即六边形色斑，该六边形色斑的颜色不同于碳化硅主体区域的颜色，但与平面六边形空隙缺陷不同并不是六边形的空洞，六边形色斑会使得碳化硅晶锭的电阻率不均匀，会严重影响碳化硅晶锭制得的碳化硅衬底，进而影响制得的半导体器件的电学性能，如使得在碳化硅衬底上做的器件失效，本申请的碳化硅晶锭包含六边形色斑密度少。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为组装后的坩埚至于长晶炉内的示意图。
图2a、2b、2c分别为本申请实施例1涉及的碳化硅单晶锭中长晶初期的碳化硅衬底2#存在的3种六边形色斑示意图。
图3a、3b、3c分别为本申请实施例1涉及的碳化硅单晶锭制得的长晶中期碳化硅衬底8#中存在的3种六边形色斑示意图。
图4a、4b、4c分别为本申请实施例1涉及的碳化硅单晶锭中沿生长方向延伸的连续3个碳化硅衬底中同一C轴位置的六边形色斑。
图5为本申请实施例1涉及的碳化硅衬底8#的一个六边形色斑。
图6为腐蚀后的图5中的六边形色斑。
图7碳化硅衬底8#中的图4c中的碳化硅衬底中的一个六边形色斑相关的氮含量。
图8为一种实施方式的碳化硅衬底的结构示意图；
图9为一种实施方式的碳化硅晶锭切割成碳化硅衬底的连续几片碳化硅衬底的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。
本申请的实施例中分析方法如下：
利用Olympus多功能光学显微镜观察六边形色斑的形貌；
利用二次离子质谱，即SIMS为Secondary Ion Mass Spectroscopy检测碳化硅单晶的氮含量；
利用拉曼光谱仪测试碳化硅衬底的元素组成；
利用高分辨率的XRD，测试衬底半峰宽检测晶体质量和晶型结构如晶向。
实施例1
参考图1，坩埚侧壁设置氮气通道6，氮气通道6设置在坩埚侧壁内并围绕坩埚内腔延伸，氮气通道的内侧壁小于氮气通道的外侧壁的密度。
作为一种实施方式，坩埚2包括内衬21和外壳22，坩埚侧壁形成氮气通道6，氮气通道6为螺旋通道，螺旋通道沿坩埚的轴向围绕坩埚内腔螺旋延伸，氮气通道在坩埚底部和顶部之间至少缠绕一次。例如，氮气通道自坩埚底部的进气口71延伸至坩埚顶部后又延伸坩埚底部形成出气口72。
具体的，内衬21和外壳22分别为桶状，内衬21套设在外壳22内，内衬21和外壳22密封贴合拼接设置，在内衬21和外壳22的交界面形成螺旋氮气通道，即在内衬21和外壳22内壁各做一半，两者拼接起来是一个螺旋通道，氮气通道的进气口71和出气口72都设置在坩埚的底端，即螺旋氮气通道在坩埚底部和顶部之间缠绕两次。
作为一种实施方式，内衬形成氮气通道6部分的壁厚C为3-5mm，壁厚C太小容易被侵蚀透，氮气直接通到坩埚内腔内影响长晶稳定性，壁厚C太大容易阻碍氮气向坩埚里面的扩散，该设置方式在不影响发热的情况下，增加氮气的通透性。
实施例2
参考图1，根据本申请的一种实施方式，一种利用实施例1的坩埚制备碳化硅单晶锭的方法包括下述步骤：
1)制备碳化硅单晶锭：
提供实施例1的具有氮气通道的坩埚，氮气通道设置在坩埚侧壁内并围绕坩埚内腔延伸，氮气通道的内侧壁小于氮气通道的外侧壁的密度；
将碳化硅籽晶1置于坩埚2内顶部和碳化硅原料3置于坩埚2内底部，坩埚2外组装保温结构3后置于长晶炉4内，采用感应线圈5进行加热；
温度控制器12控制长晶炉的温度、通过真空系统8控制压力和通过惰性气体系统9通入长晶炉10内的惰性气体流量以对长晶炉10内清洗除杂；
升温阶段：调节长晶炉的温度至1800～2400K，控制坩埚2内的压强为0.6×105～1.2×105Pa，通入长晶炉10内的惰性气体流量为50-500mL/min，通入氮气通道的氮气流量V1为20～200mL/min；
长晶阶段：提高通入氮气通道的氮气流量V2为50～500mL/min，V2大于V1，长晶温度为2200K-2800K，长晶压强为100-5000Pa，保持时间为80～120h；
停止通入氮气，并持续通入惰性气体，通入惰性气体的流量不变；
降温阶段：关闭中频加热电源，增加长晶炉的石英管内循环水流量，使长晶炉腔快速降温，降温时间约10h，等降温结束，关闭保护惰性气体流量；
降温结束，开炉得到电阻率均匀的4英寸、6英寸或8英寸的N型碳化硅单晶锭；
2)将制得的碳化硅单晶锭经过包括切割的步骤，即制得碳化硅衬底。
对制得的碳化硅衬底进X射线衍射检测六边形色斑的边部的方向垂直于<10-10>方向，制得的一种碳化硅衬底的结构示意图参见图8，和制得的一种碳化硅晶锭切割成碳化硅衬底的结构示意图参见图9。
实施例3碳化硅单晶锭1#的制备
碳化硅单晶锭1#的制备方法包括下述步骤：
提供实施例1的具有氮气通道的坩埚，氮气通道设置在坩埚侧壁内并围绕坩埚内腔延伸，氮气通道的内侧壁密度为1.70g/cm3，外壳的密度为1.90g/cm3；
将碳化硅籽晶置于坩埚内顶部和碳化硅粉料置于坩埚内底部，坩埚外组装保温结构后密封于长晶炉内；
控制长晶炉的温度、压力和通入长晶炉内的氩气流量以对长晶炉内清洗除杂；
升温阶段：调节长晶炉的温度至2200K，控制坩埚内的压强为0.9×105Pa，通入长晶炉内的氩气流量为300mL/min，通入氮气通道的氮气流量V1为40mL/min；
长晶阶段：提高通入氮气通道的氮气流量V2为200mL/min，长晶温度为2400K，长晶压强为1000Pa，保持时间为100h；
停止通入氮气，并持续通入惰性气体，通入氩气的流量不变；
降温阶段：关闭中频加热电源，增加长晶炉的石英管内循环水流量，使长晶炉腔快速降温，降温时间10h，等降温结束，关闭保护惰性气体流量；
降温结束，开炉得到电阻率均匀的N型碳化硅单晶锭1#。
碳化硅衬底的制备，将碳化硅单晶锭1#述经过端面加工、多线切割、研磨、机械抛光、化学机械抛光、清洗封装、形成开盒即用的6英寸的碳化硅衬底，该制备方法不限于6英寸的碳化硅单晶，还可以是4英寸、8英寸和12英寸等。以下述尺寸的碳化硅衬底为例进行说明，碳化硅单晶锭1#制得多片厚度为350±25μm的尺度为6英寸的碳化硅衬底，自籽晶沿着长晶方向分别为碳化硅衬底1#、碳化硅衬底2#、碳化硅衬底3#、碳化硅衬底4#等，以此类推。其中，碳化硅衬底2#属于长晶初期阶段，碳化硅衬底8#属于长晶中期阶段，碳化硅衬底中的六边形色斑的数量相同。
图2a、2b、2c分别为碳化硅衬底1#中的3个不同的六边形色斑。图3a、3b、3c分别为碳化硅衬底4#中的存在的3个不同的六边形色斑。图4a、4b、4c分别为碳化硅衬底6#、7#、8#中的存在的同一个六边形色斑的延伸。
碳化硅衬底中的六边形色斑的数目0.055个/平方厘米，密度变化率为17％，氮含量为6-8×1018cm-3，电阻率为0.020-0.024Ω·cm，六边形色斑的边部和立方区域的总面积为2平方毫米。
实施例4碳化硅单晶锭2#的制备
本实施例的碳化硅单晶锭2#与实施例3的碳化硅单晶锭1#的制备方法不同之处在于，长晶阶段包括第一长晶阶段和第二长晶阶段，第一长晶阶段与第二长晶阶段的时间比为1:1，第一长晶阶段与第二长晶阶段的氮气入口和氮气出口调换，长晶的具体的步骤包括：
第一长晶阶段：先把氮气流量增加到200ml/min，控制红外测温计温度为2200K，控制生长腔内的绝对压强在1000Pa，生长50h；
第二长晶阶段：把氮气进气口和出气口调换，阶段一的进气口变成出气口，出气口变成进气口，控制红外测温计温度为2400K，控制生长腔内的绝对压强在1000Pa，生长50h。
碳化硅衬底中的六边形色斑的数目为0.027个/平方厘米，密度变化率为4％，氮含量为8-9×1018cm-3，电阻率为0.018-0.021Ω·cm，六边形色斑的边部和立方区域的总面积小于0.8平方毫米。
实施例5碳化硅单晶锭3#的制备
本实施例的碳化硅单晶锭3#与实施例4的碳化硅单晶锭2#的制备方法不同之处在于，
升温阶段：调节长晶炉的温度至1800K，控制坩埚内的压强为0.6×105Pa，通入长晶炉内的氩气流量为50mL/min，通入氮气通道的氮气流量V1为20mL/min；
长晶的具体的步骤包括：
第一长晶阶段：先把氮气流量增加到150ml/min，控制红外测温计温度为2200K，控制生长腔内的绝对压强在200Pa，生长50h；
第二长晶阶段：把氮气进气口和出气口调换，阶段一的进气口变成出气口，出气口变成进气口，控制红外测温计温度为2200K，控制生长腔内的绝对压强在200Pa，生长50h。
碳化硅衬底中的六边形色斑的数目为0.044个/平方厘米，密度变化率为14％，氮含量为7-8×1018cm-3，电阻率为0.019-0.022Ω·cm，六边形色斑的边部和立方区域的总面积为1.2平方毫米。
实施例6碳化硅单晶锭4#的制备
本实施例的碳化硅单晶锭4#与实施例3的碳化硅单晶锭1#的制备方法不同之处在于，坩埚内装填的碳化硅原料包括上层原料和下层原料，上层原料的粒径为8mm，下层原料的粒径为25mm，上层原料在碳化硅原料中的占比为75V％。
碳化硅衬底中的六边形色斑的数目为0.038个/平方厘米，密度变化率为11％，氮含量为7-8×1018cm-3，电阻率为0.019-0.022Ω·cm，六边形色斑的边部和立方区域的总面积为1.7平方毫米。
实施例7碳化硅单晶锭5#的制备
本实施例的碳化硅单晶锭4#与实施例3的碳化硅单晶锭1#的制备方法不同之处在于，碳化硅籽晶的背面外延的TaC涂层，碳化硅籽晶的硅面的粗糙度Ra＜0.5，碳化硅原料的中间部位装填硅粉。
碳化硅衬底中的六边形色斑的数目为0.033个/平方厘米，密度变化率为7％，氮含量为7-8×1018cm-3，电阻率为0.019-0.022Ω·cm，六边形色斑的边部和立方区域的总面积为1.5平方毫米。
实施例8碳化硅单晶锭1#-5#的六边形色斑缺陷的检测
分别对碳化硅单晶锭1#-5#中存在的六边形色斑进行检测，通过X射线定向仪测得六边形色斑的边垂直于<10-10>方向；进行拉曼检测发现六边形色斑并不是多型；对六边形色斑腐蚀性试验发现其不是位错尤其不是螺旋位错(简称TSD位错)，参考图其为碳化硅衬底8#中的一个六边形色斑腐蚀前(图5)、腐蚀后(图6)的图片，六边形色斑、刃型位错和螺型位错腐蚀完后都为六边形腐蚀坑，图上能看出，腐蚀后的刃型位错和螺型位错较六边形色斑的腐蚀坑尺寸总体较小，螺形位错比刃型位错的腐蚀坑尺寸高约几十微米，而刃型位错的腐蚀坑的尺寸有几到十几微米，腐蚀坑的大小和腐蚀工艺相关，但总的来说比腐蚀后的刃型位错和螺型位错较六边形色斑的腐蚀坑尺寸小，并且刃型位错和螺型位错的分布与六边形色斑无明显联系。氮元素的检测结构表明，六方形区域大于碳化硅主体区域的氮含量的差值为A，碳化硅主体区域大于六边形色斑的边部的氮含量的差值为B，差值A大于差值B。参考图7，碳化硅衬底8#中的图4c中的一个六边形色斑的相关的六方形区域、碳化硅主体区域、六边形色斑的边部的氮含量分别为7.7×1018cm-3、4.7×1018cm-3、4×1018cm-3。
对比例1碳化硅单晶锭D1#的制备
本实施例的碳化硅单晶锭D1#与实施例3的碳化硅单晶锭1#的制备方法不同之处在于，氮气通道不存在于坩埚侧壁，而是将氮气与氩气直接通入长晶炉内。
碳化硅衬底中的六边形色斑的数目为0.301个/平方厘米，密度变化率为35％，氮含量为3×1018～5×1018cm-3，电阻率为0.023-0.030Ω·cm，六边形色斑的边部和立方区域的总面积为3.9平方毫米。
对比例2碳化硅单晶锭D2#的制备
本实施例的碳化硅单晶锭D2#与实施例3的碳化硅单晶锭1#的制备方法不同之处在于，升温阶段的氮气流量为100mL/min，长晶阶段的氮气流量为50mL/min。
碳化硅衬底中的六边形色斑的数目为0.33个/平方厘米，密度变化率为37％，氮含量为1×1018～2×1018cm-3，电阻率为0.035-0.045Ω·cm，六边形色斑的边部和立方区域的总面积为4.0平方毫米。
以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底包含氮元素，所述碳化硅衬底具有六边形色斑的密度小于0.3个\平方厘米，形成所述六边形色斑的边部垂直于<10-10>方向；
所述碳化硅衬底的所述六边形色斑的边部外侧区域为碳化硅主体区域，所述六边形色斑的边部内围成六方形区域，
所述六方形区域大于所述碳化硅主体区域的氮含量的差值为A，所述碳化硅主体区域大于所述六边形色斑的边部的氮含量的差值为B，所述差值A不小于差值B；
所述碳化硅衬底中的六边形色斑的数量沿生长方向逐渐减少；
所述六边形色斑不是六边形的空洞。
2.根据权利要求1所述的碳化硅衬底，其特征在于，垂直于生长方向的所述碳化硅衬底表面自中心至边沿的六边形色斑的密度变化率低于20％。
3.根据权利要求2所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底具有六边形色斑的密度小于0.05个\平方厘米。
4.根据权利要求1所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的直径不小于75mm；和/或
所述碳化硅衬底中的氮含量为5×1017～5×1019cm-3；和/或
所述碳化硅衬底为六方晶系单晶；和/或
所述碳化硅衬底的电阻率为0.002Ω·cm～0.06Ω·cm。
5.根据权利要求4所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的直径不小于100mm；和/或
所述碳化硅衬底中的氮含量为5×1018～1×1019cm-3；和/或
所述碳化硅衬底的晶型为4H-SiC或6H-SiC；和/或
所述碳化硅衬底的电阻率为0.015Ω·cm～0.028Ω·cm。
6.根据权利要求5所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的直径不小于150mm；和/或
所述碳化硅衬底为N型碳化硅，所述碳化硅衬底中的氮含量为6×1018～9×1018cm-3。
7.根据权利要求1所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述六边形色斑在所述碳化硅衬底的长晶面形成六边形；所述六边形色斑的边部在所述碳化硅衬底内部沿C轴延伸；
所述六边形色斑的边部的宽度不大于1mm；和/或
所述六边形色斑的六个边部中距离最远的两个边部之间的距离不大于5mm。
8.根据权利要求4所述的碳化硅衬底，其特征在于，所述六边形色斑为不等边的六边形。
9.权利要求1-8中任一项所述的碳化硅衬底的制备方法，所述方法包括下述步骤：
1)制备碳化硅单晶锭：
提供具有氮气通道的坩埚，所述氮气通道设置在所述坩埚侧壁内并围绕坩埚内腔延伸，所述氮气通道的内侧壁小于所述氮气通道的外侧壁的密度；
将碳化硅籽晶置于坩埚内顶部和碳化硅原料置于坩埚内底部，所述坩埚外组装保温结构后置于长晶炉内；
利用物理气相传输法生长碳化硅单晶锭，在所述碳化硅单晶锭生长过程中，通过所述氮气通道向所述坩埚内腔渗透氮气，调节制得的碳化硅单晶锭中的氮的分布；
2)将制得的所述碳化硅单晶锭经过包括切割的步骤，即制得包含所述的碳化硅衬底。
10.根据权利要求9所述的碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述利用物理气相传输法生长碳化硅单晶锭的方法包括下述步骤：
控制长晶炉的温度、压力和通入长晶炉内的惰性气体流量以对长晶炉内清洗除杂；
升温阶段：调节长晶炉的温度至1800～2400K，控制坩埚内的压强为0.6×105～1.2×105Pa，通入长晶炉内的惰性气体流量为50-500mL/min，通入氮气通道的氮气流量V1为20～200mL/min；
长晶阶段：提高通入氮气通道的氮气流量V2为50～500mL/min，所述V2大于V1，长晶温度为2200K-2800K，长晶压强为100-5000Pa，保持时间为80～120h，即制得所述的碳化硅单晶锭。
11.根据权利要求10所述的碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述长晶阶段包括第一长晶阶段和第二长晶阶段，所述第一长晶阶段与第二长晶阶段的时间比为1:0.8-1.2，所述第一长晶阶段与第二长晶阶段的氮气入口和氮气出口调换。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述坩埚包括内衬和外壳，所述内衬形成所述氮气通道的内侧壁，所述外壳形成所述氮气通道的外侧壁，所述内衬的密度小于所述外壳的密度。
13.根据权利要求12所述的碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述内衬的密度不高于1.75g/cm3。
14.根据权利要求13所述的碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述外壳的密度不低于1.85g/cm3。
15.根据权利要求13所述的碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述坩埚的密度不低于1.90g/cm3。
16.一种碳化硅单晶锭，其特征在于，所述碳化硅单晶锭经过包括切割步骤处理形成碳化硅衬底；所述碳化硅衬底选自权利要求1-8中任一项所述的碳化硅衬底或所述碳化硅衬底选自权利要求9-15中任一项所述方法制备得到的碳化硅衬底。
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