CN112609238B - 一种n型碳化硅单晶生长用坩埚、装置及应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种N型碳化硅单晶生长用坩埚、装置及应用。所述坩埚包括侧壁、底部和由所述侧壁和底部围成的内腔，所述坩埚还包括用于密封所述内腔的上盖，所述侧壁的至少部分设为透气性石墨材料，所述透气性石墨材料用于向所述碳化硅单晶处渗透氮气。本发明坩埚及装置在提高大尺寸N型碳化硅单晶掺氮量的分布均匀性、电阻率的分布均匀性以及提高碳化硅单晶品质等方面具有重要应用价值。

Description

一种N型碳化硅单晶生长用坩埚、装置及应用

技术领域

本发明涉及一种N型碳化硅单晶生长用坩埚、装置及应用。

背景技术

碳化硅是继硅和砷化镓之后的第三代宽禁带半导体材料的典型代表，其具有禁带宽度大、饱和电子漂移速率高、击穿场强大以及热导率高等优异的物理性能，因而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。高质量碳化硅晶体是半导体和信息产业发展的基石，其制备水平制约了下游器件的制备与性能。

尽管近几年物理气相传输法(PVT)生长碳化硅晶体取得了长足的进步，但其生长晶体的稳定性仍需要进一步研究。特别地，对于导电型掺氮碳化硅的生长更是如此，其电阻率的均匀性一直是目前亟待解决的问题。

目前，常用的方法是在通入惰性气体的时候引入氮气，用氮原子取代晶格上的碳原子，通过引入一个自由电子来降低电阻率。采用PVT法促使晶体长大时不可避免的需有测温孔散热，这导致坩埚内形成轴向温度梯度和径向温度梯度。研究表明，晶体内的掺氮量受到温度高低的影响，温度较高时掺氮量降低使得电阻率升高。晶体长晶面上的径向温度梯度使得在同样的生长条件下，边缘掺氮量低，中心掺氮量高，从而出现边缘电阻率高中心电阻率低的分布特点。因此，PVT这种长晶方法必然会导致电阻率的不均匀性。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种N型碳化硅单晶生长用坩埚、装置及应用。所述坩埚及装置可以通过石墨壁向坩埚内腔渗透气体如氮气，调节碳化硅晶体在径向和/或轴向上的氮分布和/或电阻率分布，可用于提高碳化硅晶体在径向和/或轴向上的氮分布的均匀性和/或在径向和/或轴向上的电阻率分布的均匀性。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种N型碳化硅单晶生长用坩埚，包括侧壁、底部和由所述侧壁和底部围成的内腔，所述坩埚还包括用于密封所述内腔的上盖，

所述内腔用于物理气相传输法生长碳化硅单晶，所述侧壁的至少部分设为透气性石墨材料，所述透气性石墨材料用于向所述碳化硅单晶处渗透氮气。

与直接在所述碳化硅单晶处通入氮气相比，该坩埚使用透气性石墨材料向所述碳化硅单晶处渗透氮气，可以提高氮气供给的均匀性，减少氮气流动带来的氮气分布的不均匀，并通过调整透气性石墨材料的设置位置和形状控制氮气扩散的起始位置和方向，另外透气性石墨材料还具有分隔作用，使氮气与内腔中的惰性气体各自发挥各自的不同作用，且能够始终保持内腔中靠近所述透气性石墨材料位置处的氮气浓度高于内腔中远离所述透气性石墨材料位置处的氮气浓度。

在上述坩埚中，所述侧壁中设环绕所述坩埚内腔的通道，

所述通道靠近所述内腔一侧的所述侧壁材质为第一石墨材料，所述第一石墨材料为所述透气性石墨材料，所述通道远离所述内腔一侧的所述侧壁材质为第二石墨材料，

所述第一石墨材料的气体渗透能力高于所述第二石墨材料。

在上述坩埚中，所述第一石墨材料的密度小于所述第二石墨材料的密度；

优选的，所述第一石墨材料的密度小于所述第二石墨材料的密度0.05-1.0g/cm³，更优选，0.1-0.8g/cm³，更优选，0.2-0.4g/cm³，更优选，0.3g/cm³；

更优选的，所述第一石墨材料的密度为1.0-2.0g/cm³，更优选，1.3-1.6g/cm³，所述第二石墨材料的密度为1.5-2.5g/cm³，更优选，1.6-1.9g/cm³。

在上述方法中，所述第一石墨材料的厚度小于所述第二石墨材料的厚度；

优选的，所述第一石墨材料的厚度小于所述第二石墨材料的厚度0.05-50mm，更优选，0.5-30mm，更优选，1-25mm，更优选，2-20mm；

更优选的，所述第一石墨材料的厚度为1-20mm，更优选，3-8mm，所述第二石墨材料的厚度为2-70mm，更优选5-20mm；

上述密度和厚度的材质设计可以在不影响发热的情况下，使更多的氮气进入内腔。

在上述坩埚中，所述内腔包括放置原料的第一部分和生长碳化硅单晶的第二部分，所述通道位于所述第一部分所在的所述内腔外和/或所述第二部分所在的所述内腔外。

在上述坩埚中，所述通道环绕所述坩埚内腔的形状为螺旋形、筒形、或链条状，优选，螺旋形。

在上述坩埚中，所述通道包括进气口和出气口，所述进气口与所述出气口通过所述通道相连通，优选的，所述进气口和所述出气口位于所述坩埚的下部。

在上述坩埚中，包括内桶和外桶，所述内桶设于所述外桶内，所述内桶外侧壁和/或所述外桶内侧壁设凹陷，所述内桶置于所述外桶内时，所述凹陷形成所述通道。

在上述坩埚中，所述内腔的直径为100-200mm。

在上述坩埚中，所述通道为螺旋形，所述通道为螺旋形，所述通道的直径为0.5-1.5cm，螺距为0.3-3cm。

另一方面，本发明还提供了一种N型碳化硅单晶生长用装置，包括以上任一所述的坩埚、设于所述坩埚外周的保温结构、设于保温结构外的真空隔离罩、设于保温结构顶部的散热孔、设于真空隔离罩外的加热线圈、和/或用于监控所述上盖处温度的温度计。

本发明保护以上任一所述坩埚或所述N型碳化硅单晶生长用装置在制备碳化硅晶体中的应用，

优选的，所述应用包括调节所述碳化硅晶体在径向和/或轴向上的氮分布和/或电阻率分布，更优选的，所述应用包括提高所述碳化硅晶体在径向和/或轴向上的氮分布的均匀性和/或在径向和/或轴向上的电阻率分布的均匀性。

本发明的有益效果如下：

本发明在PVT长晶过程中使用坩埚侧面石墨壁向内渗透氮气的方式，可以平衡PVT法碳化硅长晶存在的径向和轴向上的温度梯度所带来的掺氮量、电阻率分布不均的技术问题，本发明可以用于调节N型碳化硅单晶掺氮量、电阻率分布，在提高大尺寸N型碳化硅单晶掺氮量的分布均匀性、电阻率的分布均匀性以及提高碳化硅单晶品质等方面具有重要应用价值。

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为一种碳化硅单晶生长用坩埚纵向剖面图。

图2为含有图1所示坩埚的碳化硅单晶生长装置。

附图标记如下：

1侧壁，2底部，3内腔，4通道，5原料，6第一部分，7第二部分，8进气口，9出气口，10内桶，11外桶，12籽晶，13上盖，14保温结构，15真空隔离罩，16加热线圈，17温度计，18散热孔。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

实施例1、碳化硅单晶生产用坩埚

如图1所示，本实施例提供一种N型碳化硅单晶生长用坩埚，包括侧壁1、底部2和由侧壁1和底部2围成的内腔3，

内腔3用于物理气相传输法生长碳化硅单晶，侧壁1中设环绕坩埚内腔3的通道4，

通道4靠近内腔3一侧的侧壁的材质为第一石墨材料(为透气性石墨材料)，通道3远离内腔一侧的侧壁的材质为第二石墨材料(为透气性或非透气性石墨材料)，

第一石墨材料的气体渗透能力高于第二石墨材料，以便于在碳化硅长晶过程中使气体如氮气尽量多地渗入内腔3内，而不是向外从坩埚侧壁渗出；

第一石墨材料的密度小于第二石墨材料的密度，第一石墨材料的厚度小于第二石墨材料的厚度；

第一石墨材料的密度小于第二石墨材料的密度0.3g/cm³；

第一石墨材料的厚度小于第二石墨材料的厚度9mm；

第一石墨材料的密度为1.5g/cm³，第二石墨材料的密度为1.8g/cm³；

第一石墨材料的厚度为6mm，第二石墨材料的厚度为15mm；

内腔3包括放置原料5的第一部分6和生长碳化硅单晶的第二部分7，通道4位于第一部分6所在的内腔3外和第二部分7所在的内腔3外，还可以是通道4位于第一部分6所在的内腔3外或第二部分7所在的内腔3外；

通道4环绕坩埚内腔3的形状为螺旋形，还可为筒形、环形、或链条状；

通道4包括进气口8和出气口9，进气口8与出气口9通过通道4相连通，进气口8和出气口9位于坩埚的下部；

坩埚包括内桶10和外桶11，内桶10设于外桶11内，内桶10外侧壁和/或外桶11内侧壁设凹陷，内桶10置于外桶11内时，凹陷形成通道4。

内腔的直径为180mm，通道为螺旋形，通道的直径为1cm(0.5-1.5cm均可)，通道螺距为1.5cm(0.3-3cm均可)。

实施例2、一种N型碳化硅单晶生长用装置

如图2所示，本实施例提供的一种N型碳化硅单晶生长用装置，包括：实施例1中的坩埚、用于密封坩埚的上盖13、设于坩埚外周的保温结构14、设于保温结构14外的真空隔离罩15，设于真空隔离罩15外的加热线圈16、和用于监控上盖13处温度的温度计17，保温结构14顶部设散热孔18。

上述坩埚及装置的使用方法如下：

当进行碳化硅长晶时，在内腔3第一部分6放置原料5，在内腔3第二部分7的顶部上盖13内壁设籽晶12，密封内腔3，按照PTV法制备碳化硅单晶；

单晶生长过程中，合理设置第一石墨材料如内桶10和第二石墨材料如外桶11的密度和厚度，使氮气渗入内腔3中，内腔3边缘的氮气浓度高于中心，可以平衡由径向温度梯度(一般中心温度低外围温度高)导致的晶锭边缘掺氮量低、中心掺氮量高的问题，或可以调节晶锭径向掺氮量分布及电阻率分布；

合理设置通道4的环绕位置、密度等排布方式，可以平衡由轴向温度梯度(一般上部由于散热孔的设置导致内腔上部温度相对低、内腔下部温度相对高)导致的晶锭上部掺氮量高，下部掺氮量低的问题，或调节晶锭轴向掺氮量分布及电阻率分布，上述装置及方法可以用于提高碳化硅掺氮量分布的均匀性以及提高碳化硅晶体电阻率分布均匀性。

实施例3、N型碳化硅单晶生产工艺

使用实施例2中的N型碳化硅单晶生产用装置进行，方法如下：

1)升温阶段(10h)：控制坩埚上盖13的温度即温度计17升高到1900K，此时原料5顶面温度升到2200K，生长腔即内腔3内的绝对压强为0.9×10⁵Pa，向生长腔中通入保护气氛氩气，向通道中通入氮气。

2)长晶阶段1(50h)：使氮气在通道中的流量为75ml/min，控制红外测温计即温度计17的温度为2500K，控制生长腔内的绝对压强在3000Pa，生长碳化硅单晶50小时；

3)长晶阶段2(50h)：把氮气进气口和出气口调换，阶段1的进气口变成出气口，出气口变成进气口，使氮气在通道中的流量为75ml/min，控制红外测温计温度为2500K，控制生长腔内的绝对压强在3000Pa，生长50小时；

4)停止通入氮气，并持续通入氩气，其流量不变；

5)降温阶段(10h)：关闭中频加热电源，使生长腔快速降温；

6)降温结束，关闭保护气氛流量，得到N型碳化硅单晶晶体，晶型为4H型，直径为150mm。

实施例4、N型碳化硅单晶生产工艺

按照实施例3的方法进行，不同之处在于：氮气的流量为60ml/min。

实施例5、N型碳化硅单晶生产工艺

按照实施例3的方法进行，不同之处在于：氮气的流量为40ml/min。

实施例6、N型碳化硅单晶生产工艺

按照实施例3的方法进行，不同之处在于：氮气的流量为20ml/min。

实施例7、N型碳化硅单晶生产工艺

按照实施例3的方法进行，不同之处在于：长晶阶段1和2中，控制红外测温计温度为2200K。

实施例8、N型碳化硅单晶生产工艺

按照实施例3的方法进行，不同之处在于：长晶阶段1和2中，控制红外测温计温度为2800K。

对比例1、氮气渗透方式不同的影响

按照实施例3的方法进行，不同之处在于：使用未改进的坩埚(普通石墨坩埚，无通道)进行PVT长晶，同时向坩埚生长腔内通入氮气和氩气，其中，氮气的流量为75ml/min。

对比例2、氮气流量的影响

按照实施例3的方法进行，不同之处在于：长晶阶段1和2中氮气在通道中的流量为10ml/min。

检测结果

使用SIMS(二次离子质谱)方法检测实施例和对比例获得的N型碳化硅晶体的N分布，使用N型电阻率测试仪(型号：NC-80MAP，生产厂家：日本NAPSON CORPORATION，精度等级0.00001Ω·cm)及其使用说明方法检测实施例和对比例获得的N型碳化硅晶体的电阻率分布，结果如表1所示。

表1中，A1、A2、A3为在径向上每隔40mm取样检测结果，其中A2位于中心，A1和A3位于A2的两侧，B1、B2、B3为在轴向上从籽晶方向往生长面方向上每隔5片(每片厚度为0.35mm)的同一个位置取样检测结果。

表1

表1结果显示：

与对比例1相比，实施例3-8使用本申请改进后的实施例2装置和方法时，碳化硅单晶中氮掺杂的分布均匀性和电阻率的分布均匀性均显著提高；

实施例3-6结果说明，使用本申请改进后的实施例2装置和方法时，长晶温度相同，氮气流量越高，氮掺杂量越高，电阻率越低；

实施例7与实施例3的结果相比表明，长晶温度越低，氮越容易掺进晶体，即氮掺杂量越高，电阻率越低；

实施例8与实施例3的结果相比表明，长晶温度越高，氮越不容易掺进晶体，即氮掺杂量越低，电阻率越高；

对比例1结果说明，不使用本申请改进后的实施例2装置和方法时，碳化硅单晶的氮分布和电阻率分布不均匀；

对比例2结果说明，使用本申请改进后的实施例2装置和方法时，氮气流量过低，氮掺杂量过高且电阻率值过高而不符合要求。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神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权利要求范围之内。

Claims (16)

1.一种N型碳化硅单晶生长用坩埚，其特征在于，所述坩埚包括侧壁、底部和由所述侧壁和底部围成的内腔，所述坩埚还包括用于密封所述内腔的上盖，

所述内腔用于物理气相传输法生长N型碳化硅单晶，所述侧壁中设环绕所述坩埚内腔的通道，

所述通道靠近所述内腔一侧的所述侧壁材质为第一石墨材料，所述第一石墨材料为透气性石墨材料，所述通道远离所述内腔一侧的所述侧壁材质为第二石墨材料，

所述第一石墨材料的气体渗透能力高于所述第二石墨材料；

所述通道包括进气口和出气口，所述进气口与所述出气口通过所述通道相连通，所述物理气相传输法生长碳化硅单晶包括长晶阶段1和长晶阶段2，其中，在长晶阶段1中，使氮气在所述通道中的流量为75ml/min，控制温度为2500K，控制绝对压强在3000Pa，生长碳化硅单晶50小时；在长晶阶段2中，把氮气进气口和出气口调换，长晶阶段1的进气口变成出气口，出气口变成进气口，使氮气在所述通道中的流量为75ml/min，控制温度为2500K，控制绝对压强在3000Pa，生长50小时。

2.如权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述第一石墨材料的密度小于所述第二石墨材料的密度，和/或

所述第一石墨材料的厚度小于所述第二石墨材料的厚度。

3.如权利要求2所述的坩埚，其特征在于，所述第一石墨材料的密度小于所述第二石墨材料的密度的差值为0.05-1.0g/cm3，和/或

所述第一石墨材料的厚度小于所述第二石墨材料的厚度的差值为0.05-50mm。

4.如权利要求3所述的坩埚，其特征在于，所述第一石墨材料的密度小于所述第二石墨材料的密度的差值为0.2-0.4g/cm3，和/或

所述第一石墨材料的厚度小于所述第二石墨材料的厚度的差值为0.5-30mm。

5.如权利要求4所述的坩埚，其特征在于，所述第一石墨材料的密度为1.0-2.0g/cm3；和/或，

所述第一石墨材料的厚度为1-20mm。

6.如权利要求5所述的坩埚，其特征在于，所述第一石墨材料的密度为1.6-1.9g/cm3，和/或

所述第一石墨材料的厚度为3-8mm。

7.如权利要求1-6任一项所述的坩埚，其特征在于，所述内腔包括放置原料的第一部分和生长碳化硅单晶的第二部分，所述通道位于所述第一部分所在的所述内腔外和/或所述第二部分所在的所述内腔外。

8.如权利要求1-6中任一所述的坩埚，其特征在于，所述通道环绕所述坩埚内腔的形状为螺旋形、筒形、环形、或链条状。

9.如权利要求8所述的坩埚，其特征在于，所述通道环绕所述坩埚内腔的形状为螺旋形；和/或

所述进气口和所述出气口位于所述坩埚的下部。

10.如权利要求1-6中任一所述的坩埚，其特征在于，所述坩埚包括内桶和外桶，所述内桶设于所述外桶内，所述内桶外侧壁和/或所述外桶内侧壁设凹陷，所述内桶置于所述外桶内时，所述凹陷形成所述通道。

11.如权利要求1-6中任一所述的坩埚，其特征在于，所述内腔的直径为100-200mm。

12.如权利要求1-6中任一所述的坩埚，其特征在于，所述通道为螺旋形，所述通道的直径为0.5-1.5cm，螺距为0.3-3cm。

13.一种N型碳化硅单晶生长用装置，其特征在于，所述装置包括：权利要求1-12中任一所述的坩埚、设于所述坩埚外周的保温结构、设于保温结构外的真空隔离罩、设于保温结构顶部的散热孔、设于真空隔离罩外的加热线圈、和/或用于监控所述上盖处温度的温度计。

14.权利要求1-12中任一所述坩埚或权利要求13所述N型碳化硅单晶生长用装置在制备碳化硅晶体中的应用。

15.如权利要求14所述的应用，其特征在于，所述应用包括调节所述碳化硅晶体在径向和/或轴向上的氮分布和/或电阻率分布。

16.如权利要求15所述的应用，其特征在于，所述应用包括提高所述碳化硅晶体在径向和/或轴向上的氮分布的均匀性和/或在径向和/或轴向上的电阻率分布的均匀性。

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