CN112760719A - 一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法，属于单晶硅生产加工技术领域；具体是采用高能粒子辐照碳化硅晶片，在碳化硅晶片引入点缺陷，以补偿碳化硅晶片浅能级缺陷；所述碳化硅晶片中的Al杂质浓度＜1E15cm‑3，B、N两种浅杂质浓度分别＜5E16cm‑3，采用高能粒子辐照剂量为0.3‑25MeV；辐照时间为0.1‑6h；本发明克服了在不使用深能级金属掺杂剂情况下实现半绝缘SiC晶圆片内和片间电阻率分布均匀的实际困难，不仅可以有效提升射频器件性能，同时可以提升产品一致性。

Description

一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法
技术领域
本发明属于单晶硅生产加工技术领域，涉及一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法。
背景技术
碳化硅（SiC）作为一种宽带隙半导体材料，具有高击穿场强、高工作温度、高电子饱和迁移速率和高热导率等优异物理特性，是制备高压电力电子器件、高频大功率射频器件的理想材料。尤其是在射频领域，在半绝缘的SiC单晶晶圆上制备的GaN射频器件能够处理的功率至少是GaAs材料制造的器件处理能力的5倍以上。对于射频器件一般需要高电阻率（“半绝缘”）衬底来进行耦合连接，一旦衬底导电将使射频器件频率产生严重的问题。经过计算获得射频器件无源性能的电阻率最小值需要1500欧姆厘米以上，而为了使器件背栅最小化，电阻率需要超过50000欧姆厘米（美国专利No. 5611955，No. 6218680）。
SiC单晶生长的主要方法为物理气相传输法（Physical Vapor TransportMethod，PVT），该方法在石墨坩埚底部放置碳化硅粉料，顶部放置SiC籽晶，通过将石墨坩埚加热到2000-2300℃，使SiC粉料气相升华形成Si2C、SiC2、Si等气相物质，利用SiC籽晶与碳化硅粉料之间形成的一定温度梯度，气相物质从坩埚底部输运到温度较低的SiC籽晶处，反应并沉积生长形成体块状SiC晶体。
目前SiC单晶形成半绝缘特性主要通过深能级缺陷补偿非故意掺杂形成的浅施主或受主浓度，而形成深能级的主要方法有：（1）加入钒、钪等金属掺杂剂，来形成深能级补偿，如美国专利No.5661955中所描述。SiC晶体中B、N等杂质浓度较高时，一般超过5E16cm-3，这样浓度采用掺杂剂钒进行补偿会削弱电子性能，并且高浓度掺杂或导致衬底热导率减小而限制器件输出功率。SiC晶体中B、N等杂质浓度较低时，N、B等杂质浓度，钒、钪等金属掺杂剂浓度都会随着生长时间延长而降低，然而各物质浓度衰减速率不同，极难调控SiC晶圆片内、片间电阻率均匀性。（2）通过热处理在晶体内部形成本征点缺陷等相关深能级来补偿浅能级杂质。如专利US6814801，CN101724893中所描述的，通过快速退火等工艺可以增加晶体中的点缺陷浓度。但是退火工艺能够增加的点缺陷浓度较小，同时需要极大的冷却速率，这种工艺生产效率较低，且SiC晶体中B、N等杂质浓度也会随着生长时间延长而降低，从而导致SiC晶圆片内、片间电阻率均匀性难以调控。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法，目的是在不使用深能级金属掺杂剂的情况下，实现半绝缘SiC晶圆片内和片间电阻率分布均匀，从而提高射频器件制造的一致性。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法，采用高能粒子辐照碳化硅晶片，在碳化硅晶片引入点缺陷，以补偿碳化硅晶片浅能级缺陷；所述碳化硅晶片中的Al杂质浓度＜1E15cm-3，B、N两种浅杂质浓度分别＜5E16cm-3，采用高能粒子辐照剂量为0.3-25MeV；辐照时间为0.1-6h。
优选的，所述碳化硅晶片中的Al杂质浓度＜2E14cm-3，所述B、N两种浅杂质浓度分别＜1E16cm-3，采用高能粒子辐照剂量为0.3-10MeV。
优选的，所述高能粒子为电子或中子或γ射线。
优选的，辐照方式为碳化硅晶片相对辐照装置固定或移动。
更优的，所述移动是碳化硅晶片自转同时高能粒子束贯穿碳化硅晶片做直线运动或高能粒子束在碳化硅晶片表面做Z形轨迹移动。
更优的，所述直线运动或Z形轨迹移动的速度为0.2-5mm/h。
优选的，所述碳化硅晶片采用物理气相传输法生长得到，生长温度为2000-2300℃，生长压力为0.1-500Pa。
更优的，所述碳化硅晶体的晶型为3C、4H、6H、15R中的一种。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。
与现有技术相比，本方案克服了在不使用深能级金属掺杂剂情况下实现半绝缘SiC晶圆片内和片间电阻率分布均匀的实际困难，不仅可以有效提升射频器件性能，同时可以提升产品一致性。
附图说明
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合以下附图进行说明：
图1为物理气相传输法生长SiC晶体的生长室结构示意图。
图2为高能粒子束相对碳化硅晶圆做Z形轨迹移动示意图。
图3为高能粒子束相对碳化硅晶圆做直线运动示意图。
图4为20mm以上SiC晶体头中尾三个位置晶片经过高能粒子辐照后的电阻率测试分布情况。
图中，1为坩埚盖，2为石墨托，3为粘结剂，4为籽晶，5为生长的碳化硅晶体，6为碳化硅粉料，7为石墨坩埚，8为碳化硅晶圆。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明 的技术方案，但保护范围不被此限制。
本发明涉及一种半绝缘碳化硅单晶晶圆制备的方法，首先是制备碳化硅晶片，之后采用高能粒子辐照碳化硅晶片，在碳化硅晶片引入点缺陷，以补偿碳化硅晶片浅能级缺陷。具体过程如下：
通过加热装置对石墨生长室进行加热，生长室的结构示意图如附图1所示。生长室主要包括以下部分：坩埚盖1、石墨托2、粘结剂3、籽晶4、生长的碳化硅晶体5、碳化硅粉料6、石墨坩埚7。通过粘结剂3将籽晶4固定在石墨托2上放置于石墨坩埚7上部，碳化硅粉料6放置于石墨坩埚7下部。
通过加热装置加热石墨坩埚，温度在1500℃以前使用真空泵对反应腔体抽真空，真空值低于1E-3Pa，从而降低晶体生长前期的本底氮杂质浓度。生长温度达到1500℃后通入氢气和氩气混合气体，控制生长压力至设定范围0.1-500Pa，石墨坩埚底部温度范围2000-2300℃，获得一定的温度梯度，经过一定生长时间生长得到碳化硅晶体，包括3C、4H、6H和15R等单一晶型的碳化硅晶体。
优选，其中的设定生长速度范围为0.2-5mm/h。制备得到的单一晶型的碳化硅晶体限定浓度为Al杂质浓度＜1E15cm-3，优选Al杂质浓度小于2E14 cm-3，B、N两种浅杂质浓度在5E16cm-3以下，优选在1E16cm-3以下。
在上述制备的高纯碳化硅晶体的方法中，没有故意掺杂元素存在，B、Al、N等主要浅能级杂质浓度达到限定浓度以下。在切割获得碳化硅晶圆片后，利用高能粒子辐照晶片，从而引入一定浓度的点缺陷，以补偿浅能级缺陷，高能粒子可以是电子、中子或γ射线。
当碳化硅晶片中的Al杂质浓度＜1E15cm-3，B、N两种浅杂质浓度分别＜5E16cm-3的范围内，采用高能粒子辐照剂量为0.3-25MeV；辐照时间为0.1-6h。
优选的，当碳化硅晶片中的Al杂质浓度＜2E14cm-3，所述B、N两种浅杂质浓度分别＜1E16cm-3，采用高能粒子辐照剂量为0.3-10MeV。
辐照方式为碳化硅晶片相对辐照装置固定或移动。所述移动是碳化硅晶片自转同时高能粒子束贯穿碳化硅晶片做直线运动或高能粒子束在碳化硅晶片表面做Z形轨迹移动。所述直线运动或Z形轨迹移动的速度为0.2-5mm/h。（如图2和3所示）从而确保晶片每个位置都可以被粒子束轰击。
根据SiC晶体中头、中、尾不同位置的Al、B、N三种浅杂质浓度，设计不同的辐照剂量和不同的辐照时间，可以获得片内、片见电阻率分布均匀的半绝缘碳化硅单晶晶圆。
本发明通过控制碳化硅单晶中的B、Al、N主要浅能级杂质浓度，利用高能粒子束轰击SiC单晶晶圆，可以根据不同生长时期获得的晶片中的主要浅能级杂质浓度，设定高能粒子束轰击时间和轰击剂量，从而可以根据B、Al、N等主要浅能级杂质浓度，获得相应浓度的点缺陷浓度（每单位体积的数目），从而实现补偿非故意浅掺杂杂质元素的目的，利用这一方法可以获得电阻率大于1E9欧姆厘米的半绝缘碳化硅晶圆，合适条件下可以获得电阻率大于1E12欧姆厘米的半绝缘碳化硅晶圆。其中“半绝缘”和“高阻”在概念上的描述是一致的，即电阻率大于1E5欧姆厘米，不影响本发明的权利要求范围。
本发明的生长体系优选是高纯的，且没有深能级补偿元素，如钒、钪等金属元素的。图4是本发明方法生长的厚度20mm以上SiC晶体头中尾三个位置晶片经过处理后的电阻率测试分布情况。对晶体的整体电阻率分布进行了测量，在头、中、尾三个阶段整个晶圆表面电阻率均可大于1E11欧姆厘米，具有较好均匀性。
与现有技术相比，本方案克服了在不使用深能级金属掺杂剂情况下实现半绝缘SiC晶圆片内和片间电阻率分布均匀的实际困难，不仅可以有效提升射频器件性能，同时可以提升产品一致性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明 所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明 所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法，其特征在于，采用高能粒子辐照碳化硅晶片，
在碳化硅晶片引入点缺陷，以补偿碳化硅晶片浅能级缺陷；所述碳化硅晶片中的Al杂质浓度＜1E15cm-3，B、N两种浅杂质浓度分别＜5E16cm-3，采用高能粒子辐照剂量为0.3-25MeV；辐照时间为0.1-6h。
2.根据权利要求1所述的一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法，其特征在于，所述碳化硅晶片中的Al杂质浓度＜2E14cm-3，所述B、N两种浅杂质浓度分别＜1E16cm-3，采用高能粒子辐照剂量为0.3-10MeV。
3.根据权利要求1所述的一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法，其特征在于，所述高能粒子为电子或中子或γ射线。
4.根据权利要求1所述的一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法，其特征在于，辐照方式为碳化硅晶片相对辐照装置固定或移动。
5.根据权利要求4所述的一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法，其特征在于，所述移动是碳化硅晶片自转同时高能粒子束贯穿碳化硅晶片做直线运动或高能粒子束在碳化硅晶片表面做Z形轨迹移动。
6.根据权利要求5所述的一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法，其特征在于，所述直线运动或Z形轨迹移动的速度为0.2-5mm/h。
7.根据权利要求1所述的一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法，其特征在于，所述碳化硅晶片采用物理气相传输法生长得到，生长温度为2000-2300℃，生长压力为0.1-500Pa。
8.根据权利要求7所述的一种半绝缘碳化硅单晶晶圆的制备方法，其特征在于，所述碳化硅晶体的晶型为3C、4H、6H、15R中的一种。
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