無摻雜元素的高純半絕緣碳化硅晶體生長裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳化硅晶體制備裝置，特別涉及一種制備高純半絕緣4H-SiC晶體的方法，該方法主要是先降低晶體生長前沿背景雜質(zhì)濃度后增加本征點(diǎn)缺陷濃度的方法來補(bǔ)償淺施主和淺受主能級之差，從而獲得半絕緣效應(yīng)的生長高純半絕緣碳化硅晶體的工
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【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅是繼第一代半導(dǎo)體硅、鍺，第二代半導(dǎo)體砷化鎵、磷化銦之后的第三代半導(dǎo)體材料。碳化硅具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子迀移速率和穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能，是制備保溫、高頻、高功率和和抗電磁輻射方面具有廣闊市場。半絕緣碳化硅襯底材料是制備高性能微波功率器件的首選材料，通常摻釩可以獲得半絕緣碳化硅襯底材料，但是在高溫時，釩的析出會導(dǎo)致一種背柵效應(yīng)而導(dǎo)致半絕緣效應(yīng)的降低。為了制備高穩(wěn)定性能的微波功率器件，需要制備高純半絕緣碳化硅來做襯底材料制備機(jī)載雷達(dá)、艦載雷達(dá)的通訊器件。
[0003]大直徑SiC晶體制備的常用方法是物理氣相傳輸法(Physical VaporTransport)。將碳化硅粉料放在密閉的石墨組成的坩禍底部，坩禍頂部固定一個籽晶，籽晶的直徑將決定晶體的直徑。粉料在感應(yīng)線圈的作用下將達(dá)到升華溫度點(diǎn)，升華產(chǎn)生的S1、C、Si2C和SiC2分子在軸向溫度梯度的作用下從原料表面?zhèn)鬏數(shù)阶丫П砻?，由于籽晶背部有散熱孔組成，所以在籽晶部分相對較冷，這樣在軸向溫度梯度的作用下在籽晶表面緩慢結(jié)晶達(dá)到生長晶體的目的。傳統(tǒng)的生長方法由于在石墨材質(zhì)和粉料中難免引入氮、硼、鋁、釩和鐵等雜質(zhì)元素，由于坩禍?zhǔn)敲荛]的狀態(tài)，坩禍內(nèi)部的雜質(zhì)很難避免進(jìn)入晶體內(nèi)部，導(dǎo)致很難生長雜質(zhì)含量很低的高純碳化硅晶體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種無摻雜元素的高純半絕緣碳化硅晶體生長裝置，解決了低雜質(zhì)的高純碳化硅晶體生產(chǎn)的難題。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案解決以上技術(shù)問題的:
一種無慘雜兀素的尚純半絕緣碳化娃晶體生長裝置，包括尚純石墨樹禍，在尚純石墨坩禍的外側(cè)面上設(shè)置有石墨氈保溫層，在石墨氈保溫層上分別設(shè)置有下測溫孔和上測溫孔，在高純石墨坩禍的內(nèi)腔頂部設(shè)置有石墨托，在石墨托上設(shè)置有籽晶，在籽晶上設(shè)置有生長后的碳化硅晶體，在高純石墨坩禍的腔內(nèi)下部設(shè)置有SiC高純粉料，在石墨托與高純石墨坩禍的內(nèi)腔內(nèi)側(cè)壁之間設(shè)置有小孔。
[0006]SiC高純粉料的頂面與籽晶的底面之間的距離為50-60毫米，下測溫孔的直徑和上測溫孔的直徑均為10-20毫米。
[0007]—種降低碳化硅晶體雜質(zhì)并獲得高純半絕緣碳化硅晶體的方法，包括以下步驟: 第一步、將籽晶綁定在石墨托上，將籽晶倒放置在坩禍頂部，將SiC高純粉料放置在生長腔的底部，粉料距籽晶距離大約50-60毫米；
第二步、生長時坩禍周圍用石墨氈進(jìn)行保溫處理，坩禍頂部和底部各有一個10-20毫米的散熱孔來獲得合適的軸向溫度梯度，同時通過該孔用高溫紅外儀來測量生長腔內(nèi)的溫度。
[0008]針對現(xiàn)有生長工藝技術(shù)，本發(fā)明目的通過降低背景中的雜質(zhì)元素濃度來獲得高純碳化硅晶體，對切割后的晶片進(jìn)行高溫快速冷卻從而增加點(diǎn)缺陷濃度，增加的點(diǎn)缺陷足以補(bǔ)償淺施主和淺受主之差的方式來達(dá)到半絕緣的目的。最終獲得制備大直徑高純半絕緣4H-SiC晶體的方法。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是一種制備高純半絕緣4H-SiC的方法，主要是在沒有故意摻入深能級補(bǔ)償元素而實(shí)現(xiàn)半絕緣效應(yīng)的生長工藝方法。該方法同樣還是使用常規(guī)的物理氣相傳輸法生長碳化硅晶體。在生長晶體時，對石墨坩禍的頂部邊緣部分，主要目的是讓石墨坩禍材料本身和碳化硅粉料中的雜質(zhì)元素氮、硼、鋁、釩和鐵在生長初期溫度達(dá)到大約在1950-2050度時，生長壓力控制在600-800mbar，正好達(dá)到背景雜質(zhì)元素氮、硼、鋁、釩等雜質(zhì)的升華點(diǎn)，讓背景中的氮、硼、鋁、釩進(jìn)行先升華，從而降低背景中的雜質(zhì)濃度來獲得高純碳化硅晶體。對生長出的晶體進(jìn)行切割加工成標(biāo)準(zhǔn)晶圓，然后對切割后的晶圓進(jìn)行高溫快速冷卻處理，主要目的是增加晶體中的點(diǎn)缺陷濃度，增加碳化硅晶體中形成原生點(diǎn)缺陷，這種點(diǎn)缺陷足以補(bǔ)償淺施主和淺受主的濃度差，從而達(dá)到半絕緣效應(yīng)，其中半絕緣碳化硅晶體的原生點(diǎn)缺陷濃度高于碳化硅晶體中的非故意摻雜形成的淺施主和淺受主的濃度之差。該發(fā)明主要涉及到的石墨頂蓋的邊緣小孔的尺寸控制在0.5-2毫米的六個小孔，小孔主要目的是讓生長腔內(nèi)的雜質(zhì)元素在生長的前期進(jìn)行釋放，特別是產(chǎn)生淺施主雜質(zhì)元素氮元素能在生長初期溢出不至于在開始生長晶體的時候而進(jìn)行晶體中，一旦進(jìn)行晶體就很難獲得半絕緣效應(yīng)，按照此種方法獲得的晶體是高純晶體。晶片在高溫快速冷卻的溫度控制在1800-1900度左右，生成的原生點(diǎn)缺陷為碳空位、硅空位或硅碳雙空位/反位。本發(fā)明涉及的碳化硅晶體包括4H-SiC和6H-SiC晶體。晶片在快速冷卻過程中所用的時間在20-100分鐘內(nèi)快速將溫度從1800-1900度降低到1500度以下。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的物理氣相傳輸法生長SiC晶體的生長腔體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
一種無慘雜兀素的尚純半絕緣碳化娃晶體生長裝置，包括尚純石墨樹禍2，在尚純石墨坩禍2的外側(cè)面上設(shè)置有石墨氈保溫層7，在石墨氈保溫層7上分別設(shè)置有下測溫孔8和上測溫孔9，在高純石墨坩禍2的內(nèi)腔頂部設(shè)置有石墨托1，在石墨托1上設(shè)置有籽晶4，在籽晶4上設(shè)置有生長后的碳化硅晶體5，在高純石墨坩禍2的腔內(nèi)下部設(shè)置有SiC高純粉料3，在石墨托1與高純石墨坩禍2的內(nèi)腔內(nèi)側(cè)壁之間設(shè)置有小孔6。
[0011]SiC高純粉料3的頂面與籽晶4的底面之間的距離為50-60毫米，下測溫孔8的直徑和上測溫孔9的直徑均為10-20毫米。
[0012]—種降低碳化硅晶體雜質(zhì)并獲得高純半絕緣碳化硅晶體的方法，包括以下步驟: 第一步、將籽晶綁定在石墨托1上，將籽晶3倒放置在坩禍頂部，將SiC高純粉料3放置在生長腔的底部，粉料距籽晶距離大約50-60毫米；
第二步、生長時坩禍周圍用石墨氈進(jìn)行保溫處理，坩禍頂部和底部各有一個10-20毫米的散熱孔來獲得合適的軸向溫度梯度，同時通過該孔用高溫紅外儀來測量生長腔內(nèi)的溫度。
[0013]本發(fā)明是一種無摻雜元素的高純半絕緣碳化硅晶體生長方法，通過感應(yīng)加熱的方法對石英管內(nèi)的高真空石墨坩禍進(jìn)行加熱，石墨材質(zhì)均采用高純石墨。生長時坩禍周圍用石墨氈進(jìn)行保溫處理，坩禍頂部和底部各有一個10-20毫米的散熱孔來獲得合適的軸向溫度梯度，同時通過該孔用高溫紅外儀來測量生長腔內(nèi)溫度。
[0014]在以上制備高純半絕緣碳化硅晶體的方法中，沒有故意摻雜釩元素來補(bǔ)償淺施主和淺受主的能級差，通過使用常規(guī)的物理氣相傳輸法生長碳化硅晶體，在生長過程中將石墨坩禍的頂部邊緣對稱地開6個小孔，其中所述小孔的直徑大小范圍控制在0.5-2毫米。小孔的主要目的是讓生長前沿的背景中的氮、硼、鋁、釩和鐵雜質(zhì)元素從小孔中溢出，從而減少背景中的雜質(zhì)元素進(jìn)入晶體來減少晶體中的雜質(zhì)獲得高純碳化硅晶體，當(dāng)生長溫度控制在大約在1950-2050度時，生長壓力控制在600-800mbar，正好達(dá)到背景雜質(zhì)元素氮、硼、鋁、釩等雜質(zhì)的溢出溫度點(diǎn)，讓背景中的氮、硼、鋁、釩進(jìn)行先從小孔中溢出，從而降低背景中的雜質(zhì)濃度來獲得高純碳化硅晶體；之后再繼續(xù)增加生長溫度和降壓生長腔內(nèi)的生長壓力，當(dāng)生長溫度達(dá)到碳化硅粉料的升華溫度2050-2250時，生長腔內(nèi)壓力控制在5-100mabr時，碳化硅粉料開始升華，升華的碳化硅粉料逐步將邊緣小孔密封住，從而保證生長腔內(nèi)是準(zhǔn)平衡狀態(tài)而滿足碳化硅晶體生長的準(zhǔn)平衡狀態(tài)要求來進(jìn)行晶體生長。
[0015]下一步將生長結(jié)束后的碳化硅晶體進(jìn)行切割成碳化硅晶片，對碳化硅晶片進(jìn)行高溫快速冷卻處理，使用的主要設(shè)備是箱式高溫退火爐，該爐可以設(shè)置不同的溫區(qū)，同時箱內(nèi)可以充氬氣保護(hù)，先將晶片放在高溫區(qū)將溫度控制在1700-1900度左右，待晶片溫度處于該區(qū)時間大約20-60分鐘左右，然后將晶片迅速移動到溫度相對較低區(qū)域，該溫區(qū)溫度設(shè)定在1400-1500度左右，在該溫區(qū)恒定時間大約30-60分鐘，然后將晶片移動更低溫區(qū)，控制溫度大約在1500以下直至溫度降低室溫，通過迅速降溫可以增加碳化硅晶體中的本征點(diǎn)缺陷濃度，從而獲得半絕緣效果，其中半絕緣晶體的本征點(diǎn)缺陷濃度將足以補(bǔ)償碳化硅晶體中非故意摻雜形成的淺施主和淺受主的濃度差，從而確保晶片的半絕緣特性，用于制造微波高功率器件的襯底材料。
[0016]滿足微波功率器件的襯底需要的半絕緣碳化硅材料的點(diǎn)缺陷濃度沒有嚴(yán)格的數(shù)量限制，最主要的是要求點(diǎn)缺陷濃度超過淺施主和淺受主濃度之差的絕對值即可，這樣半絕緣的特性就已經(jīng)具備。通常通過故意摻雜的方式(摻釩)也可以獲得一種半絕緣效應(yīng)的是摻隹凡半絕緣碳化娃晶體。
[0017]本發(fā)明的生長體系是在超高真空下，真空大約到1.5X10_6mabr。使用的石墨材質(zhì)和粉料均是高純材料，生長體系中難免存在少量雜質(zhì)，例如環(huán)境中的N，石墨材質(zhì)中的B，這些雜質(zhì)會進(jìn)入到晶體中，但是本底雜質(zhì)濃度越小越好，濃度均在8.5X 1017cm-3，優(yōu)選2.5 X1017cm_3o
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種無摻雜元素的高純半絕緣碳化硅晶體生長裝置，包括高純石墨坩禍(2)，在高純石墨坩禍(2)的外側(cè)面上設(shè)置有石墨氈保溫層(7)，在石墨氈保溫層(7)上分別設(shè)置有下測溫孔(8)和上測溫孔(9)，其特征在于，在高純石墨坩禍(2)的內(nèi)腔頂部設(shè)置有石墨托(1)，在石墨托(1)上設(shè)置有籽晶(4)，在籽晶(4)上設(shè)置有生長后的碳化硅晶體(5)，在高純石墨坩禍(2)的腔內(nèi)下部設(shè)置有SiC高純粉料(3)，在石墨托(1)與高純石墨坩禍(2)的內(nèi)腔內(nèi)側(cè)壁之間設(shè)置有小孔(6)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無摻雜元素的高純半絕緣碳化硅晶體生長裝置，其特征在于，SiC高純粉料(3)的頂面與籽晶(4)的底面之間的距離為50-60毫米，下測溫孔(8)的直徑和上測溫孔(9)的直徑均為10-20毫米。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無摻雜元素的高純半絕緣碳化硅晶體生長裝置，解決了低雜質(zhì)的高純碳化硅晶體生產(chǎn)的難題。包括高純石墨坩堝（2），在高純石墨坩堝（2）的外側(cè)面上設(shè)置有石墨氈保溫層（7），在石墨氈保溫層（7）上分別設(shè)置有下測溫孔（8）和上測溫孔（9），在高純石墨坩堝（2）的內(nèi)腔頂部設(shè)置有石墨托（1），在石墨托（1）上設(shè)置有籽晶（4），在籽晶（4）上設(shè)置有生長后的碳化硅晶體（5），在高純石墨坩堝（2）的腔內(nèi)下部設(shè)置有SiC高純粉料（3），在石墨托（1）與高純石墨坩堝（2）的內(nèi)腔內(nèi)側(cè)壁之間設(shè)置有小孔（6）。本發(fā)明目的通過降低背景中的雜質(zhì)元素濃度來獲得高純碳化硅晶體。
【IPC分類】C30B23/00, C30B29/36
【公開號】CN105420813
【申請?zhí)枴緾N201510972097
【發(fā)明人】王利忠, 李斌, 王英民, 魏汝省, 毛開禮, 徐偉, 戴鑫, 馬康夫, 周立平, 付芬, 田牧, 侯曉蕊
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年12月22日