CN113990938A - 碳化硅晶片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳化硅晶片及其制备方法。于所述碳化硅晶片中，钒浓度与氮浓度的比例(V:N)在2:1至10:1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占所述碳化硅晶片中整片晶片面积的85％以上。

Description

碳化硅晶片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳化硅晶片，尤其涉及一种高电阻率的碳化硅晶片及其制备方法。
背景技术
目前，硅晶片已被广泛的运用于半导体产业中。许多电子装置内都包含了以硅晶片(Silicon wafer)做为材料所生产的硅芯片(Silicon chip)。然而，为了提升芯片的效能。目前许多厂商尝试以碳化硅晶片(Silicon carbide wafer)做为材料以生产碳化硅芯片(Silicon carbide chip)。碳化硅芯片具有耐高温与稳定性高等优点。
就现有技术来说，高电阻的碳化硅晶片的制备通常伴随着电阻率的分布不均以及掺杂浓度控制不易、碳化硅的纯度控制不易等问题。如何高电阻的碳化硅晶片的同时，并使电阻率均匀分布且控制碳化硅的纯度为目前所欲解决的问题。
发明内容
本发明提供一种碳化硅晶片及其制备方法，其能够产生高电阻均匀度以及高电阻率的碳化硅晶片。
本发明的一些实施例提供一种碳化硅晶片。于碳化硅晶片中，钒浓度与氮浓度的比例(V∶N)在2∶1至10∶1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占碳化硅晶片中整片晶片面积的85％以上。
在一些实施例中，于碳化硅晶片中，氮浓度是在1016原子/cm3至9.9*1016原子/cm3的范围之间，且钒浓度是在1017原子/cm3至9*1017原子/cm3的范围之间。
在一些实施例中，于碳化硅晶片中，氮浓度是在1016原子/cm3至5*1016原子/cm3的范围之间，且钒浓度是在1017原子/cm3至3.5*1017原子/cm3的范围之间。
在一些实施例中，于碳化硅晶片中，氮浓度是在5*1016原子/cm3至7*1016原子/cm3的范围之间，且钒浓度是在3.5*1017原子/cm3至5*1017原子/cm3的范围之间。
在一些实施例中，钒浓度与氮浓度的比例(V∶N)是在4.5∶1至10∶1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占碳化硅晶片中整片晶片面积的90％以上。
在一些实施例中，钒浓度与氮浓度的比例(V∶N)是在7∶1至10∶1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占碳化硅晶片中整片晶片面积的95％以上。
在一些实施例中，钒浓度与氮浓度的比例(V∶N)是在8∶1至10∶1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占碳化硅晶片中整片晶片面积的100％以上。
在一些实施例中，碳化硅晶片的刻蚀缺陷密度小于10,000ea/cm2。
在一些实施例中，碳化硅晶片的微管密度小于1ea/cm2。
本发明的另一些实施例提供一种碳化硅晶片的制备方法，其包括以下步骤。提供包含碳元素以及硅元素的原料以及位于原料上方的种晶于反应器内。于反应器中通入氩气以及钒气。加热反应器以及原料，以形成碳化硅材料于种晶上。冷却反应器以及原料，以获得碳化硅晶碇。切割碳化硅晶碇，以获得多个碳化硅晶片。
在一些实施例中，于反应器中通入氩气的流量为70sccm至85sccm的范围之间。
在一些实施例中，于反应器中通入钒气时的温度为2050℃至2250℃的范围之间。
基于上述，通过本发明实施例的制备方法所形成的碳化硅晶片，通过通入钒的气态分子来做掺杂，且控制钒的掺杂浓度与氮的浓度在一定的比例关系之下，能够使碳化硅晶片具备高电阻均匀度以及高电阻率。
附图说明
图1是依照本发明实施例的一种晶体成长设备的示意图；
图2A至图2C是依照本发明一些实施例的碳化硅晶片的制备方法的剖面示意图；
图3是依照本发明实施例的碳化硅晶片的制备方法流程图。
附图标记说明
102：反应器
104：感应线圈
106：种晶
108：碳化硅材料
108’：碳化硅晶片
108A：圆顶端(第一表面)
108B：种晶端(第二表面)
110：原料
D1：第一方向
D2：第二方向
S10、S20、S30、S40、S50：步骤
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1是依照本发明实施例的一种晶体成长设备的示意图。图2A至图2C是依照本发明一些实施例的碳化硅晶片的制备方法的剖面示意图。图3是依照本发明实施例的碳化硅晶片的制备方法流程图。以下，将参考图1的晶体成长设备以及图2A至图2C的示意图，配合图3的流程图对本发明一些实施例的碳化硅晶片的制备方法进行说明。
如图1以及图3的步骤S10所示，在晶体成长工艺中，是提供包含碳元素以及硅元素的原料110以及位于所述原料110上方的种晶106于反应器102内。举例来说，原料110例如为碳化硅粉末，其作为固态蒸发源放置在反应器102的底端。种晶106则设置在反应器102的顶端。在一些实施例中，种晶106可通过粘合剂层而固定于种晶乘载台(未绘出)上。种晶106的材料包括碳化硅。举例来说，种晶106为6H碳化硅或4H碳化硅。
如图1以及图3的步骤S20所示，在一些实施例中，在将原料110以及种晶106设置于反应器102内时，外界的空气会一起进入反应器102，使反应器102中包含氧气、氮气等气体。于是，在反应器102中通入钒气，使用钒的气态分子做掺杂。此举能避免使用固态钒时，其有溶解极限的问题产生。
在一些实施例中，于反应器102中通入氩气的流量为200sccm以下。在一些实施例中，于反应器102中通入氩气的流量为150sccm以下。在一些实施例中，于反应器102中通入氩气的流量为10sccm至100sccm的范围之间。在一些优选实施例中，于反应器102中通入氩气的流量为70sccm至85sccm的范围之间。此外，于反应器102中通入氩气的时间为50小时至300小时之间。在一些实施例中，于反应器102中通入氩气的时间为60小时至200小时之间。在一些实施例中，于反应器102中通入氩气的时间为60小时至150小时之间。
在一些实施例中，于反应器102中通入钒气时的温度为2000℃至2300℃的范围之间。在一些实施例中，于反应器102中通入钒气时的温度为2050℃至2250℃的范围之间。此外，于反应器102中通入钒气的时间为50小时至300小时之间。在一些实施例中，于反应器102中通入钒气的时间为60小时至200小时之间。在一些实施例中，于反应器102中通入钒气的时间为60小时至150小时之间。
在一些实施例中，于反应器102中通入氩气以及钒气之后，是使反应器102内的气压小为0.1至100torr，更佳为使反应器100内的气压为0.1至20torr。
接着，参考图1以及图3的步骤S30，是对于反应器102以及原料110进行加热，以形成碳化硅晶体108于种晶106上。举例来说，是通过物理气相传输法(Physical VaporTransport，PVT)形成碳化硅晶体108于种晶106上。在一些实施例中，是以感应线圈104加热反应器102以及原料110，以形成碳化硅晶体108于种晶106的上。工艺中，种晶106会承接从气态凝固的原料110(碳化硅粉末)，并慢慢成长半导体材料于种晶106上，直到获得具有预期尺寸的碳化硅晶体108为止。
参考图1以及图3的步骤S40，在碳化硅晶体108成长至预期的尺寸后，可获得碳化硅晶碇。碳化硅晶碇包括种晶端108B以及与种晶端108B相对的圆顶端108A，且种晶端108B为碳化硅晶碇中靠近种晶106的一端，而圆顶端108A为碳化硅晶碇中远离种晶106的一端。在一些实施例中，所形成的晶碇可以视使用的单晶种晶晶向而有不同的结晶构造。举例来说，碳化硅的晶碇包括4H-碳化硅、6H-碳化硅等。4H-碳化硅以及6H-碳化硅属于六方晶系。
接着，参考图3的步骤S50以及如图2A与图2B所示，是对经过晶体成长工艺得到的碳化硅晶碇(碳化硅晶体108)进行切割以形成碳化硅晶片。如图2A所示，可将碳化硅晶碇(碳化硅材料108)自反应器100中取出。所形成的碳化硅晶碇的厚度为5毫米至80毫米，例如为5毫米至50毫米或5毫米至30毫米。碳化硅晶碇(碳化硅材料108)包括第一表面108A以及与第一表面108A相对的第二表面108B。第一表面108A例如为碳面(或圆顶端)，而第二表面108B例如为硅面(或种晶端)。
接着，如图2B所示，是对碳化硅晶碇(碳化硅材料108)进行切割处理。举例来说，是沿着第一方向D1将碳化硅晶碇的边角切割成等径圆柱，以及磨成导圆角，以避免晶片的边角因为碰撞而破裂。接着，是沿着第二方向D2将碳化硅晶碇切片，来将多个晶片切割分离。碳化硅晶碇(碳化硅材料108)的切片方法包括以刀具或线材配合磨粒(磨粒如钻石颗粒)的方式进行切割。将碳化硅晶碇切片并研磨抛光后，可得到多个如图2C所示的碳化硅晶片108’。
在一些实施例中，于所形成的碳化硅晶片108’中，钒浓度与氮浓度的比例(V∶N)在2∶1至10∶1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占碳化硅晶片108’中整片晶片面积的85％以上。在一些实施例中，钒浓度与氮浓度的比例(V∶N)是在4.5∶1至10∶1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占碳化硅晶片108’中整片晶片面积的90％以上。在一些优选实施例中，钒浓度与氮浓度的比例(V∶N)是在7∶1至10∶1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占碳化硅晶片108’中整片晶片面积的95％以上。在一些最佳实施例中，钒浓度与氮浓度的比例(V∶N)是在8∶1至10∶1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占碳化硅晶片108’中整片晶片面积的100％以上。
在一些实施例中，于所形成的碳化硅晶片108’中，氮浓度是控制在1016原子/cm3至9.9*1016原子/cm3的范围之间，且钒浓度是控制在1017原子/cm3至9*1017原子/cm3的范围之间。在一些实施例中，氮浓度是控制在1016原子/cm3至5*1016原子/cm3的范围之间，且所述钒浓度是控制在1017原子/cm3至3.5*1017原子/cm3的范围之间。在又一实施例中，氮浓度是控制在5*1016原子/cm3至7*1016原子/cm3的范围之间，且钒浓度是控制在3.5*1017原子/cm3至5*1017原子/cm3的范围之间。
此外，在本发明实施例，所形成的碳化硅晶片108’的刻蚀缺陷密度(etchpitdensity；EPD)小于10,000ea/cm2。在一些优选实施例中，所形成的碳化硅晶片108’的刻蚀缺陷密度小于9,000ea/cm2。在一些实施例中，所形成的碳化硅晶片108’的微管密度(micropipe density；MPD)小于1ea/cm2。在一些优选实施例中，所形成的碳化硅晶片108’的微管密度(micropipe density；MPD)小于0.8ea/cm2，且优选为等于0ea/cm2。
为了证明本发明碳化硅晶片的制备方法能够带来具备高电阻均匀度以及高电阻率的碳化硅晶片，将以下列的实验例进行说明。以下列举数个实验来验证本发明的功效，但实验内容并非用以限制本发明的范围。
实验例
在下述的实验例中，是以图3所记载的步骤进行碳化硅晶片的制备。其中，通入氩气的流量，以及通入钒气的温度，是如表1所记载的方式执行。所得到的碳化硅晶片中，其刻蚀缺陷密度、微管密度以及氮、钒浓度比例与电阻率的量测结果亦如表1所示。
表1
Figure BDA0003182415140000071
如上述表1的实验结果所示，当控制钒气体的温度在2155℃至2250℃的范围之间，且控制氩气流量在70sccm至85sccm的范围之间，并通过钒气通入时间调控钒/氮浓度比例(V∶N)使其符合2∶1至10∶1的范围时，能够得到高电阻均匀度以及高电阻率的碳化硅晶片。如实验例3所示，当工艺符合本发明条件，且钒/氮浓度比例(V∶N)是控制在2∶1时，其电阻率高于1012Ω·cm的部分可占碳化硅晶片面积中整片晶片面积的85％。如实验例1-2及6所示，当工艺符合本发明条件，且钒/氮浓度比例(V∶N)是控制在4.5∶1至6∶1的范围时，其电阻率高于1012Ω·cm的部分可占碳化硅晶片面积中整片晶片面积的90％。如实验例4所示，当工艺符合本发明条件，且钒/氮浓度比例(V∶N)是控制在7∶1时，其电阻率高于1012Ω·cm的部分可占碳化硅晶片面积中整片晶片面积的95％。如实验例5、7-9所示，当工艺符合本发明条件，且钒/氮浓度比例(V∶N)是控制在8∶1至10∶1的范围时，其电阻率高于1012Ω·cm的部分可占碳化硅晶片面积中整片晶片面积的100％。
相较之下，如比较例10所示，由于通入钒气体的温度与氩气流量过高，因此会导致钒/氮浓度比例(V∶N)超出10∶1的范围，并使其电阻率高于1012Ω·cm的部分为碳化硅晶片面积中整片晶片面积的0％，因此评价不佳。另外，如比较例11及比较例13所示，由于通入钒气体的温度与氩气流量过低，因此会导致钒/氮浓度比例(V∶N)低于2∶1的范围，并使其电阻率高于1012Ω·cm的部分为碳化硅晶片面积中整片晶片面积的0％，因此评价不佳。相同地，如比较例12所示，若是氩气流量过低，且氮气浓度过时高，则会导致钒/氮浓度比例(V∶N)低于2∶1的范围，并使其电阻率高于1012Ω·cm的部分为碳化硅晶片面积中整片晶片面积的0％，因此评价不佳。
综上所述，通过本发明实施例的制备方法所形成的碳化硅晶片，通过通入钒的气态分子来做掺杂，且控制钒的掺杂浓度与氮的浓度在一定的比例关系之下，能够使碳化硅晶片具备高电阻均匀度以及高电阻率。

Claims (12)

1.一种碳化硅晶片，其特征在于，在所述碳化硅晶片中，钒浓度与氮浓度的比例在2:1至10:1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占所述碳化硅晶片中整片晶片面积的85％以上。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其特征在于，在所述碳化硅晶片中，所述氮浓度是在1016原子/cm3至9.9*1016原子/cm3的范围之间，且所述钒浓度是在1017原子/cm3至9*1017原子/cm3的范围之间。
3.根据权利要求2所述的碳化硅晶片，其特征在于，在所述碳化硅晶片中，所述氮浓度是在1016原子/cm3至5*1016原子/cm3的范围之间，且所述钒浓度是在1017原子/cm3至3.5*1017原子/cm3的范围之间。
4.根据权利要求2所述的碳化硅晶片，其特征在于，在所述碳化硅晶片中，所述氮浓度是在5*1016原子/cm3至7*1016原子/cm3的范围之间，且所述钒浓度是在3.5*1017原子/cm3至5*1017原子/cm3的范围之间。
5.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其特征在于，在所述钒浓度与所述氮浓度的比例是在4.5:1至10:1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占所述碳化硅晶片中整片晶片面积的90％以上。
6.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其特征在于，所述钒浓度与所述氮浓度的比例是在7:1至10:1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占所述碳化硅晶片中整片晶片面积的95％以上。
7.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其特征在于，所述钒浓度与所述氮浓度的比例是在8:1至10:1的范围之间，且其电阻率高于1012Ω·cm的部分占所述碳化硅晶片中整片晶片面积的100％以上。
8.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其特征在于，所述碳化硅晶片的刻蚀缺陷密度小于10,000ea/cm2。
9.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其特征在于，所述碳化硅晶片的微管密度小于1ea/cm2。
10.一种碳化硅晶片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供包含碳元素以及硅元素的原料以及位于所述原料上方的种晶于反应器内；
于所述反应器中通入氩气以及钒气；
加热所述反应器以及所述原料，以形成碳化硅材料于所述种晶上；
冷却所述反应器以及所述原料，以获得碳化硅晶碇；以及
切割所述碳化硅晶碇，以获得多个碳化硅晶片。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，在所述反应器中通入所述氩气的流量为70sccm至85sccm的范围之间。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，在所述反应器中通入所述钒气时的温度为2050℃至2250℃的范围之间。
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