CN112725893B - 一种导电型碳化硅单晶及其制备方法 - Google Patents

一种导电型碳化硅单晶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种导电型碳化硅单晶，掺杂元素包括氮和原子半径大于硅的原子半径的元素；所述导电型碳化硅单晶的电阻率为0.01Ω·cm～0.05Ω·cm；所述原子半径大于硅的原子半径的元素的掺杂浓度为氮元素浓度的0.1％到10％。本发明中的碳化硅晶体，在氮元素掺入的基础上，通过原子半径大于硅的原子半径的元素的引入，并控制氮和原子半径大于硅的原子半径的元素的浓度，在保证电阻率处于导电类型碳化硅单晶衬底要求的基础上，能够补偿氮原子和碳原子尺寸差异引起的晶格畸变，降低晶体的内应力，降低晶体内部的位错密度。本发明还提供了一种导电型碳化硅单晶的制备方法。

Description

一种导电型碳化硅单晶及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种导电型碳化硅单晶及其制备方法。
背景技术
碳化硅(SiC)单晶是一种宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、临界击穿场强大、热导率高、饱和漂移速度高等诸多特点，这些特性使得碳化硅被广泛地应用于制作高温、高频及大功率电子器件。
现有的碳化硅导电衬底，主要掺杂元素为氮，通过控制氮原子浓度至一定含量达到要求的电阻率。氮原子在晶体内，主要占据碳原子位，由于氮原子比碳原子尺寸小，造成晶格畸变，导致晶体内部存在较多的位错。
目前的碳化硅晶片中，主要包含有三类位错：基面位错(BPD)、贯通螺旋位错(TSD)和贯通刃型位错(TED)。根据关于晶体缺陷与器件的调查报告，BPD会引起器件的氧化膜不良，造成器件的绝缘击穿，另外，在双极性器件中，BPD会引发层积缺陷，造成器件性能退化。TSD也会造成器件漏电流的产生，并使栅氧化膜寿命降低。由此可见，在碳化硅单晶内的位错会严重影响器件的使用及寿命，尤其是碳化硅衬底中基平面位错(BPD)的存在，其在外延的过程中很容易转变为堆垛层错(SF)，严重影响器件的性能。
因此，获得位错密度低的碳化硅导电衬底或者减少碳化硅导电衬底中的位错密度是一个重要的研究课题，对于碳化硅衬底质量以及后段器件性能的提升具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导电型碳化硅单晶及其制备方法，本发明中的导电型碳化硅单晶中的位错等缺陷少。
本发明提供了一种导电型碳化硅单晶，掺杂元素包括氮和原子半径大于硅的原子半径的元素；
所述导电型碳化硅单晶的电阻率为0.01Ω·cm～0.05Ω·cm；
所述原子半径大于硅的原子半径的元素的掺杂浓度为氮元素浓度的0.1％到10％。
优选的，所述电阻率为0.03Ω·cm～0.04Ω·cm。
优选的，所述氮元素的掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3。
优选的，所述原子半径大于硅的原子半径的元素为过渡族金属元素。
优选的，所述原子半径大于硅的原子半径的元素为钒(V)、钛(Ti)、钪(Sc)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钨(W)、钽(Ta)、铜(Cu)、锑(Sb)、镓(Ga)、锡(Sn)、金(Au)。
优选的，所述原子半径大于硅的原子半径的元素的掺杂浓度为氮元素浓度的0.5％到5％。
优选的，所述原子半径大于硅的原子半径的元素的掺杂浓度为为氮元素浓度的1％到3％。
优选的，所述导电型碳化硅单晶的穿透螺位错密度小于600cm-2，基平面位错密度小于400cm-2，总位错密度小于3000cm-2。
优选的，穿透螺位错密度小于400cm-2，基平面位错密度小于200cm-2，总位错密度小于2500cm-2。
优选的，穿透螺位错密度小于200cm-2，基平面位错密度小于100cm-2，总位错密度小于2000cm-2。
优选的，穿透螺位错密度小于100cm-2，基平面位错密度小于50cm-2，总位错密度小于1000cm-2。
本发明提供一种导电型碳化硅晶体的制备方法，包括以下步骤：
在氮气和氩气的混合气氛中，使碳化硅混合粉料升华，在碳化硅籽晶的碳面进行晶体生长，得到导电型碳化硅晶体；
所述碳化硅混合粉料包括碳化硅粉料和含有原子半径大于硅的原子半径的元素的单质或者化合物；
所述含有原子半径大于硅的原子半径的元素的单质或者化合物的质量为所述碳化硅粉料质量的0.01％～0.1％。
优选的，所述晶体生长过程中，参数控制如下：
(1)将压力升至20～80Kpa，将碳化硅混合粉料处的温度升温至2000～2500℃，保温1～5小时；
(2)将压力降至50～5000Pa，保持50～200小时，进行晶体生长；
(3)将压力升至20～80Kpa，进行冷却，得到导电型碳化硅晶体。
优选的，所述阶段(1)中，籽晶处的温度比所述碳化硅混合粉料处的温度低100～200℃。
本发明提供了一种导电型碳化硅单晶，掺杂元素包括氮和原子半径大于硅的原子半径的元素；所述导电型碳化硅单晶的电阻率为0.01Ω·cm～0.05Ω·cm；所述原子半径大于硅的原子半径的元素的掺杂浓度为氮元素浓度的0.1％到10％。本发明中的碳化硅晶体，在氮元素掺入的基础上，通过原子半径大于硅的原子半径的元素的引入，并控制氮和原子半径大于硅的原子半径的元素元素的浓度，具有以下优点：(1)在现有碳化硅导电单晶衬底中，杂质元素主要为氮元素，氮原子在晶体内部主要占据碳原子位。氮原子比碳原子半径小，两者间差异较小，但是在导电型碳化硅单晶中，氮元素的浓度达到1018至1020级别，此时氮原子和碳原子的尺寸差异在晶体内部引起的晶格畸变和内应力将被显著地放大，这些晶格畸变和内应力将导致晶体内高的位错密度，尤其是基平面位错(BPD)。通过原子半径大于硅的原子半径的元素的掺入，能够补偿氮原子和碳原子尺寸差异引起的晶格畸变，降低晶体内部的位错密度。(2)在晶体内部引入原子半径比硅原子半径大的元素，例如过渡族金属元素，相比氮原子而言，过渡族金属元素比碳原子半径大得多，因此只需引入少量的过渡族金属元素，例如氮元素浓度的千分之几至百分之几，即可弥补氮元素引起的晶格畸变，从而降低晶体内的应力，减少晶体位错密度，尤其是BPD。由于过渡族金属元素掺杂量比氮元素小得多，仍然能够控制碳化硅晶体的电阻率满足导电型的要求。(3)碳化硅导电晶体由于高浓度氮元素的掺入，会导致晶体内存在很高的内应力，尤其是对于大尺寸晶体，内应力会更大，在加工过程中开裂风险较高。通过原子半径比硅原子半径大的元素的引入，能够显著地降低晶体的内应力，能够降低晶体在后续加工过程中开裂的风险，减小加工难度。
具体实施方式
本发明提供了一种导电型碳化硅单晶，掺杂元素包括氮和原子半径大于硅的原子半径的元素；
所述导电型碳化硅单晶的电阻率为0.01Ω·cm～0.05Ω·cm；
所述原子半径大于硅的原子半径的元素的掺杂浓度为氮元素浓度的0.1％到10％。
本发明中的碳化硅单晶衬底属于导电型，其电阻率范围为0.01～0.05Ω·cm，优选0.03～0.05Ω·cm，或优选0.015～0.025Ω·cm，如0.01Ω·cm、0.015Ω·cm、0.02Ω·cm、0.025Ω·cm、0.03Ω·cm、0.035Ω·cm、0.04Ω·cm、0.045Ω·cm、0.05Ω·cm，优选以上述任意数值为上限或下限的范围值。
在本发明中的碳化硅单晶中，主要包括两类掺杂元素，一类是氮元素，另一类是半径比硅的原子半径大的元素，优选为过渡族金属元素，更优选为钒(V)、钛(Ti)、钪(Sc)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钨(W)、钽(Ta)、铜(Cu)、锑(Sb)、镓(Ga)、锡(Sn)、金(Au)。
在上述杂质元素中，氮元素的浓度控制在1×1018cm-3～5×1018cm-3，如1×1018cm-3，2×1018cm-3，3×1018cm-3，4×1018cm-3，5×1018cm-3，优选以上述任意数值为上限或下限的范围值；所述原子半径比硅元素的原子半径大的化学元素的浓度为氮元素浓度的0.1％到10％，优选为0.5～5％，更优选为2～3％，如0.1％、0.2％、0.5％、0.8％、1.0％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％，优选以上述任意数值为上限或下限的范围值；
进一步地，氮元素的浓度控制在3×1018cm-3～8×1018cm-3，半径比硅元素的原子半径大的化学元素的掺杂浓度为氮元素浓度的0.5％到5％；
进一步地，氮元素的浓度控制在5×1018cm-3～6×1018cm-3，半径比硅元素的原子半径大的化学元素的掺杂浓度为为氮元素浓度的1％到3％。
在本发明中，所述碳化硅单晶衬底中，典型的位错密度如下，穿透螺位错密度小于1000cm-2，基平面位错密度小于600cm-2，总位错密度小于8000cm-2。
进一步地，在碳化硅单晶衬底中，典型的位错密度如下，穿透螺位错密度小于800cm-2，基平面位错密度小于400cm-2，总位错密度小于5000cm-2。
更进一步地，在碳化硅单晶衬底中，典型的位错密度如下，穿透螺位错密度小于600cm-2，基平面位错密度小于200cm-2，总位错密度小于3000cm-2。
本发明还提供了一种导电型碳化硅晶体的制备方法，包括以下步骤：
在氮气和氩气的混合气氛中，使碳化硅混合粉料升华，在碳化硅籽晶的碳面进行晶体生长，得到导电型碳化硅晶体；
所述碳化硅混合粉料包括碳化硅粉料和含有原子半径大于硅的原子半径的元素的单质或者化合物；
所述含有原子半径大于硅的原子半径的元素的单质或者化合物的质量为所述碳化硅粉料质量的0.01％～0.1％。
本发明优选将具有一定偏角度的籽晶粘结在石墨坩埚盖上，在坩埚的底部装满足够的混有含有原子半径大于硅的原子半径的元素的单质或者化合物的碳化硅粉料，再将粘有籽晶的坩埚盖置于坩埚上部，装配好后放入单晶生长炉中。
在本发明中，所述籽晶的偏角度优选为0°～8°，更优选为0°、4°或8°。所述籽晶具有4H晶型结构。
在本发明中，所述含有原子半径大于硅的原子半径的元素的单质或者化合物的质量为碳化硅粉料质量的0.01～0.1％，优选为0.03～0.08％，如0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.1％，优选以上述任意数值为上限或下限的范围值。
(1)对所述单晶生长炉抽真空之后，充入氩气和氮气的混合气体，直至炉内压力达到20～80Kpa，保持该压力，进行加热升温，将碳化硅混合粉料处的温度升温至2000～2500℃，籽晶处温度比所述碳化硅混合粉料处温度低100～200℃，保温1～5小时；
在本发明中，阶段(1)的压力优选为20～80KPa，更优选为30～70KPa，最优选为40～60KPa，具体的，在本发明的实施例中，可以是30KPa；所述温度优选为2000～2500℃，更优选为2100～2400℃，最优选为2200～2300℃；所述维持的时间优选为1～5小时，更优选为2～4小时，最优选为2～3小时，具体的，在本发明的实施例中，可以是3小时。所述籽晶处温度比所述碳化硅混合粉料处温度低100～200℃，优选为低150℃。
(2)保持炉内温度不变；通过生长炉控压系统，将压力降至50～5000Pa，保持50～200小时，进行晶体生长；
在本发明中，所述阶段(2的压力优选为50～5000Pa，更优选为200～4000Pa，最优选为500～3000Pa；具体的，在本发明的实施例中，可以是1000Pa或2000Pa；所述阶段(2)的温度维持阶段(1)的温度不变；所述阶段(2)的压力维持时间优选为50～200小时，更优选为100～150小时，具体的，在本发明的实施例中，可以是100小时。
(3)最后将压力升至20～80Kpa，进行冷却，得到导电型碳化硅晶体
优选的，所述阶段(3)中的压力优选为30～70KPa，更优选为30～50KPa，具体的，在本发明的实施例中，可以是30KPa。
将生长的晶体，经过晶体加工处理，切，磨，抛等处理，得到厚度在200～1000μm的碳化硅单晶片，所述碳化硅单晶片的尺寸优选为4英寸。
本发明提供了一种导电型碳化硅单晶，掺杂元素包括氮和原子半径大于硅的原子半径的元素；所述导电型碳化硅单晶的电阻率为0.01Ω·cm～0.05Ω·cm；所述原子半径大于硅的原子半径的元素的掺杂浓度为氮元素浓度的0.1％到10％。本发明中的碳化硅晶体，在氮元素掺入的基础上，通过原子半径大于硅的原子半径的元素的引入，并控制氮和原子半径大于硅的原子半径的元素的浓度，在保证电阻率处于导电类型碳化硅单晶衬底要求的基础上，具备以下的优点：(1)在现有碳化硅导电单晶衬底中，杂质元素主要为氮元素，氮原子在晶体内部主要占据碳原子位。氮原子比碳原子半径小，两者间差异较小，但是在导电型碳化硅单晶中，氮元素的浓度达到1018至1020级别，此时氮原子和碳原子的尺寸差异在晶体内部引起的晶格畸变和内应力将被显著地放大，这些晶格畸变和内应力将导致晶体内高的位错密度，尤其是基平面位错(BPD)。通过原子半径大于硅的原子半径的元素的掺入，能够补偿氮原子和碳原子尺寸差异引起的晶格畸变，降低晶体内部的位错密度。(2)在晶体内部引入原子半径比硅原子半径大的元素，例如过渡族金属元素，相比氮原子而言，过渡族金属元素比碳原子半径大得多，因此只需引入少量的过渡族金属元素，例如氮元素浓度的千分之几至百分之几，即可弥补氮元素引起的晶格畸变，从而降低晶体内的应力，减少晶体位错密度，尤其是BPD。由于过渡族金属元素掺杂量比氮元素小得多，仍然能够控制碳化硅晶体的电阻率满足导电型的要求。(3)碳化硅导电晶体由于高浓度氮元素的掺入，会导致晶体内存在很高的内应力，尤其是对于大尺寸晶体，内应力会更大，在加工过程中开裂风险较高。通过原子半径比硅原子半径大的元素的引入，能够显著地降低晶体的内应力，能够降低晶体在后续加工过程中开裂的风险，减小加工难度。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种导电型碳化硅单晶及其制备方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
采用角度为4°的4H-SiC籽晶一片，以C面作为晶体生长面，将其粘结于石墨坩埚盖上。在坩埚底部装满足够的混有VC的SiC粉末原料，再将粘有籽晶的坩埚盖置于坩埚上部，装配好后放入单晶生长炉中。对所述的单晶炉进行抽真空至压力小于10Pa，然后以氩气和氮气向生长炉充气至压力达到30kPa，保持该压力不变，采用中频感应加热进行升温，设定原料处温度在2200-2300℃，籽晶处温度低于原料温度150℃，温度达到后保温3h，此后保持炉内温度不变；通过生长炉控压系统，将压力降至1000Pa，保持100h，最后再将压力升至30kPa，进行降温冷却获得4英寸的4H-SiC导电单晶体。将晶体切割、加工成400微米厚的4英寸SiC晶片。
对晶片的电阻率和位错密度进行测试。测试结果数据如下：晶片的电阻率为0.020Ω·cm，TSD(穿透螺位错)密度250cm-2，BPD(基平面位错)密度200cm-2，总位错密度2800cm-2。
实施例2
采用角度为4°的4H-SiC籽晶一片，以C面作为晶体生长面，将其粘结于石墨坩埚盖上。在坩埚底部装满足够的V合金化的SiC粉末原料，再将粘有籽晶的坩埚盖置于坩埚上部，装配好后放入单晶生长炉中。对所述的单晶炉进行抽真空至压力小于10Pa，然后以氩气和氩氮混合气向生长炉充气至压力达到30kPa，保持该压力不变，采用中频感应加热进行升温，设定原料处温度在2200-2300℃，籽晶处温度低于原料温度150℃，温度达到后保温3h，此后保持炉内温度不变；通过生长炉控压系统，将压力降至2000Pa，保持100h，最后再将压力升至30kPa，进行降温冷却获得4英寸的4H-SiC导电单晶体。将晶体切割、加工成400微米厚的4英寸SiC晶片。
对晶片的电阻率和位错密度进行测试。测试结果数据如下：晶片的电阻率为0.023Ω·cm，TSD(穿透螺位错)密度180cm-2，BPD(基平面位错)密度90cm-2，总位错密度1520cm-2。
比较例1
采用角度为4°的4H-SiC籽晶一片，以C面作为晶体生长面，将其粘结于石墨坩埚盖上。在坩埚底部装满足够的SiC粉末原料，再将粘有籽晶的坩埚盖置于坩埚上部，装配好后放入单晶生长炉中。对所述的单晶炉进行抽真空至压力小于10Pa，然后以氩气和氮气向生长炉充气至压力达到30kPa，保持该压力不变，采用中频感应加热进行升温，设定原料处温度在2200-2300℃，籽晶处温度低于原料温度150℃，温度达到后保温3h，此后保持炉内温度不变；通过生长炉控压系统，将压力降至1000Pa，保持100h，最后再将压力升至30kPa，进行降温冷却获得4英寸的4H-SiC导电单晶体。将晶体切割、加工成400微米厚的4英寸SiC晶片。
对晶片的电阻率和位错密度进行测试。测试结果数据如下：晶片的电阻率为0.016Ω·cm，TSD(穿透螺位错)密度850cm-2，BPD(基平面位错)密度1050cm-2，总位错密度7500cm-2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种导电型碳化硅单晶，掺杂元素为氮和钒；
所述导电型碳化硅单晶的电阻率为0.01Ω·cm～0.05Ω·cm；
所述钒的掺杂浓度为氮元素浓度的0.1％到0.8％；
所述导电型碳化硅单晶的穿透螺位错密度小于200cm-2，基平面位错密度小于100cm-2，总位错密度小于2000cm-2。
2.根据权利要求1所述的导电型碳化硅单晶，其特征在于，所述电阻率为0.03Ω·cm～0.04Ω·cm。
3.根据权利要求1所述的导电型碳化硅单晶，其特征在于，所述氮元素的掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的导电型碳化硅单晶，其特征在于，穿透螺位错密度小于100cm-2，基平面位错密度小于50cm-2，总位错密度小于1000cm-2。
5.一种如权利要求1所述的导电型碳化硅晶体的制备方法，包括以下步骤：
在氮气和氩气的混合气氛中，使碳化硅混合粉料升华，在碳化硅籽晶的碳面进行晶体生长，得到导电型碳化硅晶体；
所述碳化硅混合粉料包括碳化硅粉料和钒的单质或者化合物；
所述钒的单质或者化合物的质量为所述碳化硅粉料质量的0.01％～0.08％。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述晶体生长过程中，参数控制如下：
(1)将压力升至20～80Kpa，将碳化硅混合粉料处的温度升温至2000～2500℃，保温1～5小时；
(2)将压力降至50～5000Pa，保持50～200小时，进行晶体生长；
(3)将压力升至20～80Kpa，进行冷却，得到导电型碳化硅晶体。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述阶段(1)中，籽晶处的温度比所述碳化硅混合粉料处的温度低100～200℃。
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