CN113981536A - 碳化硅晶碇及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳化硅晶碇及其制备方法，所述碳化硅晶碇包括种晶端以及与所述种晶端相对的圆顶端。于碳化硅晶碇中，种晶端的钒浓度与氮浓度的比例为5:1至11:1的范围之间，且圆顶端的钒浓度与氮浓度的比例为2:1至11:1的范围之间。

Description

碳化硅晶碇及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳化硅晶碇，尤其涉及一种具备均匀高电阻率的碳化硅晶碇及其制备方法。
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。
碳化硅晶片一般是由碳化硅晶碇切割而形成。因此，碳化硅晶碇的质量会直接影响到后续生产的晶片/芯片的质量。就现有技术来说，高电阻的晶碇通常有质量均匀性劣化的问题，其晶碇于种晶端与圆顶端两端的电阻率的分布不均，且也不易控制掺杂。基于此，如何达到高电阻均匀度以及高电阻率的碳化硅晶碇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碇及其制备方法，其能够产生高电阻均匀度以及高电阻率的碳化硅晶碇。
本发明的一些实施例提供一种碳化硅晶碇，其包括种晶端以及与种晶端相对的圆顶端。种晶端的钒浓度与氮浓度的比例为5:1至11:1的范围之间，且圆顶端的钒浓度与氮浓度的比例为2:1至11:1的范围之间。
在本发明的一些实施例中，种晶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份占种晶端面积的100％，且圆顶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份占圆顶端面积的90％以上。
在本发明的一些实施例中，圆顶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份占圆顶端面积的100％。
在本发明的一些实施例中，种晶端与圆顶端的钒浓度是在1017原子/cm3至9.9*1017原子/cm3的范围之间。
在本发明的一些实施例中，种晶端的钒浓度是在5*1017原子/cm3至9.9*1017原子/cm3的范围之间。
在本发明的一些实施例中，圆顶端的钒浓度是在1017原子/cm3至5*1017原子/cm3的范围之间。
在本发明的一些实施例中，种晶端与圆顶端的氮浓度是在1016原子/cm3至9.9*1016原子/cm3的范围之间。
在本发明的一些实施例中，种晶端的氮浓度是在5*1016原子/cm3至9.9*1016原子/cm3的范围之间。
在本发明的一些实施例中，圆顶端的氮浓度是在1016原子/cm3至5*1016原子/cm3的范围之间。
本发明的一些实施例另提供一种碳化硅晶碇的制备方法，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，以获得碳化硅晶碇。所述碳化硅晶碇包括种晶端以及与种晶端相对的圆顶端，且种晶端为碳化硅晶碇中靠近种晶的一端，而圆顶端为碳化硅晶碇中远离种晶的一端。
在本发明的一些实施例中，于反应器中通入氩气的流量为70sccm至80sccm的范围之间。
在本发明的一些实施例中，于反应器中通入钒气时的温度为2100℃至2250℃的范围之间。
在本发明的一些实施例中，于反应器中通入氩气以及钒气之后，是使反应器内的气压为0.1至100torr。
在本发明的一些实施例中，碳化硅晶碇的厚度为5毫米至80毫米。
在本发明的一些实施例中，种晶端与圆顶端的钒浓度的比例在1.2:1至7:1的范围之间，且所述种晶端与所述圆顶端的氮浓度的比例在1.7:1至3:1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碇，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，能够使碳化硅晶碇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碇成长设备的示意图；
图2是依照本发明实施例的碳化硅晶碇的制备方法流程图。
附图标记说明
102：反应器
104：感应线圈
106：种晶
108：碳化硅晶体
108A：圆顶端
108B：种晶端
110：原料
S10、S20、S30、S40：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，相同元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碇成长设备的示意图。图2是依照本发明实施例的碳化硅晶碇的制备方法流程图。以下，将参考图1的晶碇成长设备配合图2的流程图对本发明一些实施例的碳化硅晶碇的制备方法进行说明。
如图1以及图2的步骤S10所示，在晶碇成长工艺中，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(未示出)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2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。因此，是于反应器102中通入氩气以将氧气、氮气等气体排出，形成真空环境。然而，仍会有少量的氮气存在于反应器102中。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，以及在反应器102中通入氩气，当作钒气的载体(carrier)帮助化学反应的产生。
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。在一些较佳实施例中，于反应器102中通入氩气的流量为70sccm至80sccm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2100℃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2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)，并慢慢成长半导体晶体于种晶106的上，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2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。
再来，可将碳化硅晶碇(碳化硅晶体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。在一些实施例中，碳化硅晶碇的种晶端108B与圆顶端108A的钒浓度的比例在1.2:1至7:1的范围之间，且种晶端108B与圆顶端108A的氮浓度的比例在1.7:1至3:1的范围之间。在一些较佳实施例中，碳化硅晶碇的种晶端108B与圆顶端108A的钒浓度的比例在1.5:1至2.5:1的范围之间，且种晶端108B与圆顶端108A的氮浓度的比例在1.8:1至2.9:1的范围之间。此外，在一些实施例中，于种晶端108B的钒浓度与氮浓度的比例(V:N)为5:1至11:1。在一些实施例中，于圆顶端108A的钒浓度与氮浓度的比例(V:N)为2:1至11:1。
在一些实施例中，种晶端108B与圆顶端108A的钒浓度是控制在1017原子/cm3至9.9*1017原子/cm3的范围之间。更具体地，种晶端108B的钒浓度是控制在5*1017原子/cm3至9.9*1017原子/cm3的范围之间。圆顶端108A的钒浓度是控制在1017原子/cm3至5*1017原子/cm3的范围之间。此外，在一些实施例中，种晶端108B与圆顶端108A的氮浓度是控制在1016原子/cm3至9.9*1016原子/cm3的范围之间。更具体地，种晶端108B的氮浓度是控制在5*1016原子/cm3至9.9*1016原子/cm3的范围之间。圆顶端108A的氮浓度是控制在1016原子/cm3至5*1016原子/cm3的范围之间。
通过特定的氮浓度与钒的掺杂浓度比例，并配合工艺上通入氩气的流量与通入钒气时的温度的调整，能够使碳化硅晶碇具备高电阻均匀度以及高电阻率。举例来说，在本发明实施例中，种晶端108B的电阻率高于1012Ω·cm的部份占种晶端108B面积的100％，且圆顶端108A的电阻率高于1012Ω·cm的部份占圆顶端108A面积的90％以上。在一些较佳的实施例中，种晶端108B的电阻率高于1012Ω·cm的部份占种晶端108B面积的100％，且圆顶端108A的电阻率高于1012Ω·cm的部份占圆顶端108A面积的100％。
为了证明本发明碳化硅晶碇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碇，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2所记载的步骤进行碳化硅晶碇的制备。其中，通入氩气的流量与时间，以及通入钒气的温度与时间，是如表1及表2所记载的方式执行。所得到的碳化硅晶碇中，种晶端与圆顶端的钒、氮浓度比例以及电阻率亦如表1及表2所示。
表1
Figure BDA0003181512190000061
表2
Figure BDA0003181512190000071
如上述表1的实验结果所示，当控制钒气体的温度在2100℃至2250℃的范围之间，且控制氩气流量在70sccm至80sccm的范围之间时，能够得到高电阻均匀度以及高电阻率的碳化硅晶碇。如实验例1～3所示，种晶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份可占种晶端面积的100％，且圆顶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份占圆顶端面积的90％以上。此外，如实验例4～5所示，种晶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份可占种晶端面积的100％，且圆顶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份占圆顶端面积的100％。
相较之下，如表2的比较例6～7所示，当钒气体的温度与氩气流量过低时，则所形成的碳化硅晶碇的电阻率以及电阻均匀度皆无法符合需求。如比较例6所示，在高氮浓度的情况下，其钒掺杂浓度不足，因此，不论是种晶端或是圆顶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份皆小于其面积的15％。此外。如比较例7所示，在低氮浓度的情况下，其钒掺杂浓度仍不足，因此，种晶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份小于其面积的20％，且圆顶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份小于其面积的15％。
另外，如表2的比较例8所示，即使氩气流量符合需求，但若是通入钒气体的温度过高时(2500℃)，不论是种晶端或是圆顶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份都为0％，无法达到高电阻率的需求。如表2的比较例9所示，即使通入钒气体的温度符合需求，但若是氩气流量过低时(30sccm)，不论是种晶端或是圆顶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份都为0％，无法达到高电阻率的需求。相同地，如表2的比较例10所示，即使通入钒气体的温度符合需求，但若是氩气流量过高时(200sccm)，不论是种晶端或是圆顶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份都为0％，无法达到高电阻率的需求。据此，由上述实验例与比较例可以得知，控制钒气体的温度在2100℃至2250℃的范围之间，且控制氩气流量在70sccm至80sccm的范围之间时，是有利于得到高电阻均匀度以及高电阻率的碳化硅晶碇。
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碇，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，能够使碳化硅晶碇具备高电阻均匀度以及高电阻率。据此，由本发明的碳化硅晶碇所生产出的晶片/芯片亦会具备较高的质量。

Claims (15)

1.一种碳化硅晶碇，其特征在于，包括:种晶端以及与所述种晶端相对的圆顶端，其中所述种晶端的钒浓度与氮浓度的比例为5:1至11:1的范围之间，且所述圆顶端的钒浓度与氮浓度的比例为2:1至11:1的范围之间。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶碇，其特征在于，所述种晶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份占所述种晶端面积的100％，且所述圆顶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份占所述圆顶端面积的90％以上。
3.根据权利要求2所述的碳化硅晶碇，其特征在于，所述圆顶端的电阻率高于1012Ω·cm的部份占所述圆顶端面积的100％。
4.根据权利要求1所述的碳化硅晶碇，其特征在于，所述种晶端与所述圆顶端的钒浓度是在1017原子/cm3至9.9*1017原子/cm3的范围之间。
5.根据权利要求4所述的碳化硅晶碇，其特征在于，所述种晶端的钒浓度是在5*1017原子/cm3至9.9*1017原子/cm3的范围之间。
6.根据权利要求4所述的碳化硅晶碇，其特征在于，所述圆顶端的钒浓度是在1017原子/cm3至5*1017原子/cm3的范围之间。
7.根据权利要求1所述的碳化硅晶碇，其特征在于，所述种晶端与所述圆顶端的氮浓度是在1016原子/cm3至9.9*1016原子/cm3的范围之间。
8.根据权利要求7所述的碳化硅晶碇，其特征在于，所述种晶端的氮浓度是在5*1016原子/cm3至9.9*1016原子/cm3的范围之间。
9.根据权利要求7所述的碳化硅晶碇，其特征在于，所述圆顶端的氮浓度是在1016原子/cm3至5*1016原子/cm3的范围之间。
10.一种碳化硅晶碇的制备方法，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，以形成碳化硅晶体于所述种晶上；以及
冷却所述反应器以及所述原料，以获得碳化硅晶碇，其中所述碳化硅晶碇包括种晶端以及与所述种晶端相对的圆顶端，且所述种晶端为所述碳化硅晶碇中靠近所述种晶的一端，而所述圆顶端为所述碳化硅晶碇中远离所述种晶的一端。
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80sccm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2100℃至2250℃的范围之间。
13.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以及所述钒气之后，是使所述反应器内的气压为0.1至100torr。
14.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅晶碇的厚度为5毫米至80毫米。
15.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述种晶端与所述圆顶端的钒浓度的比例在1.2:1至7:1的范围之间，且所述种晶端与所述圆顶端的氮浓度的比例在1.7:1至3:1的范围之间。
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