CN112725894A

CN112725894A - 低电阻率P型4H-SiC单晶及制备方法

Info

Publication number: CN112725894A
Application number: CN202011548190.2A
Authority: CN
Inventors: 陈秀芳; 仲光磊; 谢雪健; 杨祥龙; 彭燕; 胡小波; 徐现刚
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2021-04-30

Abstract

本申请提供了一种低电阻率P型4H‑SiC单晶及制备方法，采用碳化硅生长仿真软件，对物理气相传输法生长晶体的过程模拟，获取将不可监测的坩埚内各点温度、物质输运流线、剩料形状及结晶度等，根据SiC单晶的生长过程中在各预设时间节点的物质传输路径及SiC粉料状态图、坩埚内的温场图，获得模型中的温场、热扩散、物质传输和表面动力学。然后，将模拟的结果进行分析，选择的生长温度和生长压力、Al源释放器在坩埚中的放置位置，并利用PVT单晶生长炉对p型4H‑SiC单晶进行实际生长，进而可以提高掺杂均匀性，获得质量良好的P型4H‑SiC单晶。

Description

低电阻率P型4H-SiC单晶及制备方法

技术领域

本申请涉及碳化硅单晶生长技术领域，尤其涉及一种低电阻率P型4H-SiC单晶及制备方法。

背景技术

作为第三代半导体材料，SiC(碳化硅)具有优越的物理化学性质，是制作大功率、高温、高频、抗辐照等器件的理想衬底材料，在电力电子、交通运输、清洁能源、国防军事等领域具有广阔的应用前景。因此，对SiC单晶的生长研究一直备受关注。SiC单晶根据导电类型分为n型、半绝缘、p型。目前国内外对n型和半绝缘型SiC衬底的研究较为成熟，对p型SiC衬底的研究刚刚起步。

很多电力、电子器件需要p型SiC衬底，特别在高压领域中，要求器件的电压达到10kV以上，n沟道SiC基IGBT器件由于电导调制作用，在高压领域中具有低的导通电阻特性，被认为是最有发展潜力的电子器件之一。在n沟道SiC基的IGBT器件中，需要一层p+SiC层作为漏注入区。另外，P型SiC衬的应变系数远高于n型SiC衬，甚至比大多数金属材料高一个数量级，在600℃的高温和零下120℃的低温条件下仍保持很高的应变系数。因此，p型SiC衬底更适合应用于高灵敏度的机械传感器。

在制备p型SiC单晶时，由于Al元素能够在SiC中形成最浅的受主能级，所以目前对p型SiC单晶的生长通常选用Al作为掺杂元素来形成受主能级。由于Al原子在SiC中占据Si原子的位置，4H-SiC只能沿着籽晶C面生长，因此，相对于沿着籽晶Si面生长的6H-SiC掺杂更加困难。由于掺杂技术的制约，目前p型4H-SiC衬底的电阻率远高于n型衬底的电阻率，要想实现p型4H-SiC衬底低电阻率条件，则需要大量掺杂Al元素，因此，高掺杂、低电阻率和低缺陷的p型4H-SiC单晶的制备是目前的研究热点。

但是，基于PVT(物理气相沉积)法生长SiC单晶所用坩埚的封闭性，只能通过坩埚上盖温度监测点来预测坩埚内部温场情况，对生长过程中坩埚内部的晶体生长状况无法了解，不利于晶体生长的调控，导致杂Al元素掺导不均匀，进而造成生长低电阻率p型4H-SiC单晶成功率低且实验周期长。

发明内容

针对现有的采用PVT法生长低电阻率p型4H-SiC单晶成功率低且实验周期长的问题，本申请实施例提供了一种低电阻率P型4H-SiC单晶及制备方法。

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种低电阻率P型4H-SiC单晶制备方法，所述方法包括：

根据预设SiC单晶生长炉结构，在碳化硅生长仿真软件中，建立SiC单晶生长炉模型，并设定所述生长炉模型中各模块的材料属性、所述生长炉模型的加热方式；

使所述生长炉模型在不同的生长温度、生长压力条件下，模拟SiC单晶的生长，并输出在SiC单晶的生长过程中在各预设时间节点的物质传输路径及SiC粉料状态图、坩埚内的温场图；

根据模拟生长得到的SiC单晶的生长速率、所述坩埚内的温场图中籽晶处温场是否为微凸场，选择最终的生长温度和生长压力；

根据选择的生长温度和生长压力所对应的在各预设时间节点的物质传输路径及SiC粉料状态图，设计Al源释放器在坩埚中的放置位置。

根据选择的生长温度和生长压力、Al源释放器在坩埚中的放置位置，在所述预设SiC单晶生长炉中进行P型4H-SiC单晶的生长。

根据本申请实施例的第二方面，提供了一种P型4H-SiC单晶，所述P型4H-SiC单晶为利用本申请实施例的第一方面提供的生长方法得到的单晶。

本申请实施例提供的低电阻率P型4H-SiC单晶及制备方法，采用碳化硅生长仿真软件，对物理气相传输法生长晶体的过程模拟，获取将不可监测的坩埚内各点温度、物质输运流线、剩料形状及结晶度等，根据SiC单晶的生长过程中在各预设时间节点的物质传输路径及SiC粉料状态图、坩埚内的温场图，获得模型中的温场、热扩散、物质传输和表面动力学。然后，将模拟的结果进行分析，选择的生长温度和生长压力、Al源释放器在坩埚中的放置位置，并利用PVT单晶生长炉对p型4H-SiC单晶进行实际生长。本申请实施例可以获取不同时刻不同状态下坩埚内部生长的温场情况、晶体生长情况、不同时刻剩料的演变情况，来进行Al源掺杂的优化，进而可以提高掺杂均匀性，获得质量良好的P型4H-SiC单晶。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的碳化硅单晶生长炉的局部结构示意图；

图2为本申请实施例提供的不同生长腔内压力对坩埚内部温度的影响示意图；

图3为本申请实施例提供的模拟得到的生长时间为1h时的坩埚内部温场图；

图4为本申请实施例提供的Al源释放器的示意图；

图5a至5d为本申请实施例提供的不同时刻SiC粉料演变示意图；

图6为本申请实施例提供的抛光后的高掺杂100mm p型4H-SiC衬底的示意图；

图7为本申请实施例提供的抛光后的高掺杂100mm p型4H-SiC衬底电阻率mapping图；

图8为本申请实施例提供的抛光后的高掺杂100mm p型4H-SiC衬底XRD衍射。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

为了提高生长成品率，降低生长成本，本申请实施例利用VR(Virtual Reactor系列软件)-PVT SiC^TM软件对PVT法生长4H-SiC单晶进行模拟研究。研究生长过程中不同温度条件以及不同生长压力条件下的温场和物质传输情况。本发明采用VR-PVT SiC^TM数值模拟软件，其相当于一个虚拟的单晶生长炉，用于物理气象传输法生长晶体的模拟，将不可监测的坩埚内各点温度、物质输运流线、剩料形状及结晶度等进行计算。然后，将模拟的结果进行分析，利用实际PVT单晶生长炉对p型4H-SiC单晶进行生长。当然，不限于使用VR-PVTSiC^TM软件，也可以采用其它的模拟软件，如CGSim软件、PolySim软件等模拟软件。

基于上述原理，下面将对本申请实施例提供的方法进行详细介绍。本申请实施例提供的方法主要包括如下步骤：

S110:根据预设SiC单晶生长炉结构，在碳化硅生长仿真软件中，建立SiC单晶生长炉模型，并设定所述生长炉模型中各模块的材料属性、所述生长炉模型的加热方式。

图1为本申请实施例提供的碳化硅单晶生长炉的局部结构示意图。如图1所示，首先根据预设的实际SiC单晶生长炉结构，在碳化硅生长仿真软件中，建立生长模型，其主要由加热线圈10、石英管20、保温材料30、石墨坩埚40、籽晶50以及SiC粉料60等模块组成。在设计好生长炉模型后，可以根据材料的热导率、电导率、密度、热容量、加热能力、弹性模量、辐射特性来设定材料属性，对各个模块进行物性定义。

根据实际单晶生长炉采用RF加热的方式，定义生长SiC用的单晶生长炉模型为RF加热；其原理是当晶体生长坩埚放到感应线圈内，通入交流电后线圈内会产生时谐电磁场，坩埚表面会产生时谐的感应电流，即产生涡流，涡流在坩埚表面流动产生电阻热，因此产生高温并传到至坩埚内部，在低压高温状态下，SiC粉料升华成气体并流向籽晶表面结晶成核。同时，根据实际生长炉的检测点设定在石墨坩埚上盖中心，设定模型的坩埚上盖中心为监测点，并让软件根据坩埚上盖中温度来自动调节加热功率，当然，也可以根据需要将监测点设置在其他位置。最后，按照所需要的生长时间段来设定生长时间，并按照所需要关注的生长节点(例如，生长程序节点分别为1h、2h、3h、4h……)来编辑程序。

S120:使所述生长炉模型在不同的生长温度、生长压力条件下，模拟SiC单晶的生长，并输出在SiC单晶的生长过程中在各预设时间节点的物质传输路径及SiC粉料状态图、坩埚内的温场图。

利用设置好的生长炉模型，使其在不同的生长温度、生长压力条件下，模拟SiC单晶的生长，输出在SiC单晶的生长过程中在各预设时间节点的数据。

S130:根据模拟生长得到的SiC单晶的生长速率、所述坩埚内的温场图中籽晶处温场是否为微凸场，选择最终的生长温度和生长压力。

经过上述对PVT法生长SiC的模拟，根据坩埚内的温场图中籽晶处温场是否为微凸，以及晶体生长速度，确定了最佳的生长监测点温度和最佳生长压力。

由于高掺杂容易导致晶体内部晶格失配，容易开裂，本实施选择微凸温场可以减小晶体生长过程中由于热应力产生的晶格失配，提高晶体成品率。另外，晶体的生长速率可以根据生长完后晶体的切面图以及设定的生长时间来确定。

S140:根据选择的生长温度和生长压力所对应的在各预设时间节点的物质传输路径及SiC粉料状态图，设计Al源释放器在坩埚中的放置位置。

根据选择的生长温度和生长压力所对应的在各预设时间节点的物质传输路径及SiC粉料状态图，分析模拟结果中单晶生长中不同时刻的剩料形态及物质传输情况，调整掺杂工艺，将Al掺杂源至于稳定释放器内，并将Al源释放器放置在坩埚中的不同位置。

由于Al源(如Al₂C₃)在高温下具有极易挥发性，因此根据模拟的温场结果，优先确定Al源放到离高温区较远的位置，结合其剩料在整个生长阶段的演变以及不同时期物质传输路径，本实施例将第一Al源释放器放置在坩埚底部的中区位置，将第二Al源释放器放置在坩埚中的料面上方且靠近料面位置处。第二Al源释放器可以由多个相互独立的子Al源释放器组成，其中，子Al源释放器可以沿坩埚的中轴线对称分布；第一Al源释放器中的Al源的重量大于子Al源释放器中的Al源的重量。本实施例根据剩料演变情况，将含有充足Al源的第一Al源释放器放置在坩埚底部的中区位置，可以保证整个生长阶段稳定释放，以提高轴向掺杂均匀性；将含有相对少量Al源的子Al源释放器放置坩埚中的料面上方且靠近料面位置处，放置多个子Al源释放器，这样既可以保证Al源的低温需求，能将Al源充足带入到生长的SiC晶体中，也能较好的提高晶体掺杂的均匀性。

S150:根据选择的生长温度和生长压力、Al源释放器在坩埚中的放置位置，在所述预设SiC单晶生长炉中进行P型4H-SiC单晶的生长。

基于模拟结果，可以选用Al4C3作为掺杂源进行p型4H-SiC单晶的实际生长，获得质量良好的p型4H-SiC单晶。然后，对得到的单晶可以分别用少子寿命测试仪、二次离子质谱仪、拉曼光谱仪、高分辨x射线衍射仪等设备对衬底电阻率、掺杂浓度、晶型、结晶质量进行测试。

基于上述方法，下面将结合具体的生长参数进行进一步的说明。

实施例一

本实例选用10mbar生长压力来保证晶体的生长速率。坩埚上盖中心点的温度是我们实际生长单晶过程中能够直接通过红外测温计测量得到的，其温度的变化会对生长腔内的温度场产生重要影响。结合4H-SiC单晶的温度生长条件，将坩埚上盖中心点的温度分别设定为2210℃、2230℃、2250℃，生长压力10mbar进行温场模拟。根据所需的计算精度，在VR-PVT SiC^TM数值模拟软件中设置划分计算网格并对网格进行优化调整。加热方式选择射频加热，设置加热功率跟随坩埚上盖中心点设定温度进行拟合，编辑生长时间为24h。

根据模式结果，坩埚上盖中心点的温度为2210℃、2230℃、2250℃时，晶体中心点生长速分别为344μm/h、390um/h、443um/h。为了保证Al的持续释放，需要选用较低的生长温度，SiC粉料的升华需要较低的背景压力，图2为本申请实施例提供的不同生长腔内压力对坩埚内部温度的影响示意图，如图2所示，经过模拟得知压力不影响温场，经过模拟筛选验证；图3为本申请实施例提供的模拟得到的生长时间为1h时的坩埚内部温场图，如图3所示，在坩埚上盖中心2210℃，腔内压力10mbar时，籽晶处为微凸温场。综上分析，选用腔内压力10mbar，坩埚上盖中心温度2210℃作为实际生长p型4H-SiC单晶的条件。

同时，获得腔内压力10mbar、坩埚上盖中心温度2210℃生长条件下不同生长节点的物质传输路径及SiC粉料演变图，对模拟的动态生长图进行分析，得到不同时刻剩料演变情况。图5a至5d为本申请实施例提供的不同时刻SiC粉料演变示意图，根据图5a至5d中，1h、6h、14h、24h的物质传输路径及SiC粉料状态图，可知随着生长过程的继续，SiC粉料外型逐渐演变为高脚杯形状，外部已经碳化，粉料的顶部和底部出现料内结晶的现象，颜色越深，说明其结晶粒度越大。

图4为本申请实施例提供的Al源释放器的示意图，如图4所示，本实施例中的Al源释放器为将Al掺杂源至于稳定释放器内组成的。基于粉料结晶粒度过大，容易导致SiC粉料升华出的气体由料表面流向籽晶，并且阻止中间部分的SiC粉料升华成气体流向籽晶，本实施例将含有相对充足Al源(含量量5-10g)释放器放置在底部高温区，保证整个生长阶段稳定释放，提高轴向掺杂均匀性，将多个含有少量Al源(含量量0-5g)的释放器放置在低温区，保证径向掺杂均匀性。进而，在不同生长阶段都有Al源的均匀释放，达到控制前后期电阻率差别小，加工后的同一片SiC衬底电阻率均匀的目的。

图6为本申请实施例提供的抛光后的高掺杂100mm p型4H-SiC衬底的示意图。如图6所示，利用上述生长条件来进行p型4H-SiC单晶的生长，可以获得无裂纹的、直径为100mmp型4H-SiC衬底，衬底颜色为深蓝色。SIMS测试结果显示其Al掺杂浓度为2.9E19cm-3。图7为本申请实施例提供的抛光后的高掺杂100mm p型4H-SiC衬底电阻率mapping图。如图7所示，对其进行电阻率mapping测试，其电阻率最低处达0.30Ω·cm.，全片电阻率均匀性偏差为23.51％。对抛光后的晶片进行拉曼测试，其晶片全片为4H，不存在其它多型。图8为本申请实施例提供的抛光后的高掺杂100mm p型4H-SiC衬底XRD衍射，如图8所示，采用HRXRD测试半峰宽(FWHM)来表征4英寸p型4H-SiC晶圆的结晶质量，FWHM的值为28.0″，表明该晶圆结晶质量较高。

实施例二

本实施例对100mm p型4H-SiC单晶生长模拟研究,根据生长要求对生长模型进行构建，定义各模块的材料性质以及边界条件，对划分计算网格并对网格进行优化调整。设定加热方式选择射频加热，加热功率跟随坩埚上盖中心点设定温度进行拟合，编辑生长时间为24h。首先研究不同压力对温场状态的影响，定义坩埚上盖中心温度为2530℃，改变腔内生长压力分别为10mbar、50mbar、100mbar。获得不同腔内生长压力的条件下的温场、各预设时间节点的物质传输路径及SiC粉料状态图。模拟结果显示腔内压力的改变不会对温场产生影响，主要会影响到晶体的生长速率。生长腔内压力10mbar、50mbar、100mbar时晶体的中心点生长速分别约443μm/h、191μm/h、127um/h。获得坩埚上盖中心温度为2530℃度时，腔内压力分别为10mbar、50mbar、100mbar时温场情况。将含有相对充足Al源(5-10g)释放器放置在坩埚底部的中心区域，保证整个生长阶段稳定释放，提高轴向均匀性，将含有少量Al源(0-5g)的释放器放置在粉料上方，保证径向均匀性，进行P型SiC单晶生长，获得质量良好的P型SiC单晶。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里申请的公开后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims

1.一种低电阻率P型4H-SiC单晶制备方法，其特征在于，所述方法包括：

根据选择的生长温度和生长压力所对应的在各预设时间节点的物质传输路径及SiC粉料状态图，设计Al源释放器在坩埚中的放置位置；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设计Al源释放器在坩埚中的放置位置，包括：

将第一Al源释放器放置在坩埚底部的中区位置，将第二Al源释放器放置在所述坩埚中的料面上方且靠近所述料面位置处；

其中，第二Al源释放器由多个相互独立的子Al源释放器组成，第一Al源释放器中的Al源的重量大于所述子Al源释放器中的Al源的重量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子Al源释放器沿所述坩埚的中轴线对称分布。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生长温度为坩埚上盖中心点的温度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料属性包括热导率、电导率、密度、热容量，加热能力、弹性模量、辐射特性中的一种或多种。

6.一种低电阻率P型4H-SiC单晶，其特征在于，所述P型4H-SiC单晶为利用权利要求1至5任一所述的生长方法得到的单晶。