一种P型碳化硅晶体

技术领域

本发明涉及碳化硅晶体生长技术领域，具体来讲，涉及一种P型碳化硅晶体。

背景技术

碳化硅是第三代半导体材料，是继第一代元素半导体硅、锗，第二代化合物半导体砷化镓、磷化铟之后的宽禁带半导体材料。与前两代半导体材料相比，碳化硅具有较好的物理电子学特性及化学稳定性。其热导率高、击穿场强大、饱和电子漂移速率大，因此在高温、高频、大功率及耐腐蚀辐射器件制备及应用上具有广阔前景，广泛用于国防、航空航天、通信等领域。

微电子器件的制备需要晶体具有较高的p型或n型掺杂浓度，掺杂的实现可以通过晶体生长过程中原料掺杂，也可以通过离子注入等方法。要实现电子学性能表现，掺杂的离子需要激活状态，不同材料中掺杂离子的激活能与温度相关。硅在室温下就可以实现掺杂离子活化，碳化硅的掺杂离子活化能相对较高。

现有PVT法制备P型碳化硅晶体，通常使用硼/铝的单质或者化合物进行掺杂，由于硼/铝的单质或者化合物熔沸点高使得常温常压下均以固态形式存在，常温高压下部分可以气态形式存在，常温下无气体形态存在，因此PVT法制备P型碳化硅晶体目前均使用固相掺杂剂进行固相掺杂。主要是对掺杂源放置位置、放置掺杂源的容器改进、通过热场改进(如双线圈结构)单独控制掺杂源所在区域的温度等工艺参数等方式来减缓掺杂剂在生长前期的释放以及增加掺杂剂在生长后期的释放量以达到生长前后期晶体中掺杂剂量差异最小的目的。但上述方法只能在一定程度上减小生长前后期晶体中掺杂剂量差异，在实际的PVT法制备P型碳化硅晶体制备过程中，受固相掺杂剂浓度的降低及晶体生长过程的不可控性，沿晶锭生长方向随着生长的进行而出现掺杂物质浓度逐渐降低的现象不可避免。

发明内容

发明人研究发现：在PVT法制备P型碳化硅晶体制备过程中，受固相掺杂剂浓度的降低及晶体生长过程的不可控性，沿晶锭生长方向随着生长的进行而出现掺杂物质浓度逐渐降低的现象不可避免。此外受外界环境的影响，还会出现非故意掺杂氮元素的存在。基于上述两方面影响，会出现晶体前期衬底电阻率低，后期衬底电阻率逐渐升高，甚至导电类型发生转变，影响P型衬底的电阻率均匀性及电性能。因此，从实际应用出发，需要提高P型衬底掺杂浓度的均匀性，尤其是晶体前期与后期掺杂浓度的轴向均匀性，进而提高衬底电阻率的均匀性。

本发明一方面提供了一种P型碳化硅晶体，所述P型碳化硅晶体电阻率最大值≤3Ω*cm，相同径向位置的轴向电阻率变化率≤25％；P型元素杂质含量≥1E

与现有技术相比，本发明至少取得以下有益效果中的一项：

(1)本发明P型碳化硅晶体掺杂更均匀，电阻率更均匀，晶体透过率更高且均匀。

(2)本发明建立了晶体中掺杂量与晶体颜色的相关性。

(3)本发明P型碳化硅晶体相同径向位置的轴向电阻率变化率≤25％，P型元素杂质含量≥1E

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明P型碳化硅长晶装置结构示意图的一个示例性实施例；

图2示出了晶体中Al掺杂量大于1E

图3示出了晶体中Al掺杂量大于1E

图4示出了晶体中Al掺杂量大于1E

图5-1示出了晶体中Al掺杂量大于1E

图5-2为图5-1中气相掺杂的放大图；

图6示出了晶体中Al掺杂量大于1E

图7示出了晶体中Al掺杂量大于1E

图8示出了晶体中B掺杂量大于1E

图9示出了晶体中B掺杂量大于1E

附图标记说明：

1-外壳；2-感应线圈；3-石英管；4-保温筒；5-晶体生长腔；6-籽晶；7-坩埚；8-蒸发器；9-掺杂源；10-载气源；11-掺杂源开关2#；12-掺杂源开关1#；13-载气开关1#；14-载气开关2#。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的第一个示例性实施例中，P型碳化硅晶体电阻率最大值≤3Ω*cm，相同径向位置的轴向电阻率变化率≤25％；P型元素杂质含量≥1E

采用高分辨XRD摇摆曲线测试P型碳化硅晶体得到的衬底，半高宽≤30arcsec，半高宽片内变化率≤30％，相同径向位置的轴向半高宽变化率≤20％。优选的，半高宽片内变化率≤20％，相同径向位置的轴向半高宽变化率≤15％。更优选的，半高宽片内变化率≤15％，相同径向位置的轴向半高宽变化率≤10％。

具体的，将P型碳化硅晶体得到的衬底经过KOH腐蚀表征，总位错密度≤3000/cm

具体的，所述P型碳化硅晶体硬度不低于9.5级莫氏硬度。

具体的，所述P型碳化硅晶体可见光下透过率≥0.6，折射率2.6～2.8。优选的，P型碳化硅晶体可见光下晶体透过率≥0.8。

具体的，所述P型碳化硅晶体在455～490nm波长范围吸收橙色光，晶体颜色呈蓝色。进一步讲，1E

具体的，上述P型碳化硅晶体的制备方法包括以下步骤：

(1)真空阶段：长晶炉抽真空，去除生长腔室中的杂质气体，真空度≤1E

(2)升温升压阶段：真空阶段结束后，向长晶炉内通入载气，升温至2000℃以上、升压至10mbar以上；

(3)通入掺杂源：向长晶炉内通入气化后的掺杂源和载气，进行气相掺杂；进一步讲，可以通过控制载气流量以及掺杂源进入的量，从而控制晶体中掺杂源的浓度。

(4)形核阶段：控制近籽晶面温度≥2000℃，压力≥10mbar，有利于抑制二维形核，提高晶体结晶质量；

(5)降压生长阶段：控制压力降低至≤10mbar，温度≥2100℃，得到P型碳化硅晶体。

上述制备方法适用于4H、6H、15R、3C等碳化硅晶型。掺杂源可以是含有Al或B的化合物。例如，掺杂源可以是三甲基铝、三甲基硼、氯化铝或氯化硼中的一种。

进一步讲，P型碳化硅长晶装置包括对长晶炉的晶体生长腔提供掺杂源的气体供送单元，所述气体供送单元包括至少一个载气通道、至少一个掺杂源气体通道，所述载气通道上设有载气源、载气流量监测单元和控制所述载气通道通断的载气开关，所述掺杂源气体通道上设有掺杂源、掺杂源流量监测单元、控制掺杂源气体通道通断的掺杂源开关、掺杂源气化单元。

载气源通过载气通道与晶体生长腔连通，掺杂源通过掺杂源气体通道与晶体生长腔连通，所述掺杂源气化装置能够使掺杂源进行气化。

长晶炉单元，包括坩埚、保温筒、炉体以及晶体生长腔；其中，坩埚置于保温筒内，坩埚底部用于放置碳化硅原料，坩埚顶部用于设置籽晶；所述炉体用于放置坩埚和保温筒。

在工作时，可以通过载气流量监测单元和掺杂源流量监测单元控制载气流量以及掺杂源的量，控制最终进入晶体生长腔室的掺杂源数量，从而控制晶体中掺杂源的浓度。

具体的，所述气化装置为蒸发器或鼓泡气。所述炉体包括炉内腔体以及外壳，所述炉内腔体上设置有石英管，所述外壳上设置有感应线圈。本装置可实现掺杂源源源不断进入晶体生长腔室，使得晶体生长过程中腔室内的掺杂源浓度保持稳定，使得晶体轴向掺杂浓度均匀性明显提高。

实施例2-4

在第一示例性实施例的基础上，参考图1所示，图1示出了P型碳化硅长晶装置的结构示意图，P型碳化硅长晶装置包括：

长晶炉单元，包括坩埚7、保温筒4、炉体以及晶体生长腔5；其中，坩埚7置于保温筒4内，坩埚7底部用于放置碳化硅粉料，坩埚7顶部用于设置籽晶6；所述炉体内部用于放置坩埚7和保温筒4。所述炉体包括炉内腔体以及外壳1，所述炉内腔体上设置有石英管3，所述外壳上设置有感应线圈2。

对长晶炉的晶体生长腔提供掺杂源的气体供送单元，气体供送单元包括一个载气通道和一个掺杂源气体通道，所述载气通道和掺杂源气体通道在靠近晶体生长腔处合并为一个气体通道。载气通道上设有载气源10、载气流量监测单元和控制所述载气通道通断的载气开关，载气开关包括载气开关1#13和载气开关2#14。掺杂源气体通道上设有掺杂源9、掺杂源流量监测单元、控制掺杂源通道通断的掺杂源开关和蒸发器8，具体的，所述掺杂源开关包括掺杂源开关1#12和掺杂源开关2#11。

具体的，上述P型碳化硅晶体的制备方法包括以下步骤：

(1)真空阶段：长晶炉抽真空，真空度≤1E

(2)升温升压阶段：真空阶段结束后，打开载气开关1#13，向长晶炉内通入载气，升温至2000℃以上、升压至10mbar以上，升压时间≥2h；

(3)通入掺杂源：打开载气开关2#14和掺杂源开关1#12，使掺杂源和载气进入蒸发器8内，掺杂源进行气化，然后打开掺杂源开关2#11，使气化后的掺杂源气体及载气进入长晶炉腔体5内，观察掺杂源流量监测单元和载气流量监测单元，通过调整掺杂源开关2#11、掺杂源开关1#12和载气开关2#14的大小可以控制掺杂源进入长晶炉腔的量，进而控制晶体中掺杂源的量。

(4)形核阶段：控制近籽晶面温度≥2000℃，压力≥10mbar；

(5)降压生长阶段：控制压力降低至≤10mbar，温度≥2100℃，得到P型碳化硅晶体。

实施例2-4，采用三甲基铝作为掺杂源进行气相掺杂，分别制备不同掺杂量的晶体，晶体厚度为20mm，采用SIMS测试制备晶体中Al含量的轴向分布，分别参考图2、图4和图6所示。图2、图4和图6中黄色曲线为本示例性实施例制备得到的晶体Al含量轴向分布曲线图，蓝色曲线为采用固相掺杂制备得到的晶体Al含量轴向分布曲线图。

测试制备晶体中的相同径向位置的轴向电阻率，分别参考图3、图5-1、图5-2和图7所示。图3、图5-1、图5-2和图7中黄色曲线为本示例性实施例制备得到的晶体轴向电阻率变化曲线图，蓝色曲线为采用固相掺杂制备得到的晶体轴向电阻率变化曲线图。

将本实施例2-4制备得到的P型碳化硅晶体的衬底，经过KOH腐蚀，总位错密度≤1000/cm

P型碳化硅晶体硬度为9.5级莫氏硬度。

可见光下晶体透过率≥0.6，折射率在2.64～2.70。

实施例5

在实施例2-4的基础上，本示例性实施例中分别采用三甲基硼作为掺杂源进行气相掺杂和固相掺杂，采用SIMS测试制备晶体中B含量的轴向分布，参考图8所示；测试制备晶体中的轴向电阻率，参考图9中所示。

图8中，黄色曲线为本示例性实施例制备得到的晶体B含量轴向分布曲线图，蓝色曲线为采用固相掺杂制备得到的晶体B含量轴向分布曲线图。

图9中，黄色曲线为本示例性实施例制备得到的晶体轴向电阻率变化曲线图，蓝色曲线为采用固相掺杂制备得到的晶体轴向电阻率变化曲线图。

实验例

在实施例2的基础上，对制备得到的晶体在可见光下进行透过率测试，参考表1所示。

表1透过率测试表

参考表1所示，本实施例制备得到的P型碳化硅晶体透过率在0.63-0.65，采用固相掺杂时，制备得到的P型碳化硅晶体透过率在0.57-0.61，可以看出，采用气相掺杂能够提高晶体透过率以及透过率的均匀性。

将实施例2-5制备得到的晶体，分别进行相同径向位置的轴向电阻率变化率计算和P型元素杂质变化率计算，计算结果参考表2所示。将本申请制备得到的晶体在波长455～490nm下进行晶体颜色测试，晶体颜色测试结果参考表2所示。

本申请中变化率的计算公式为：变化率＝(最大值-最小值)/最大值，其中“p型元素杂质变化率”＝[lg(最大值)-lg(最小值)]/lg(最大值)

表2轴向电阻率变化率和P型元素杂质变化率计算表

参考实施例2-5所示，本申请采用气相掺杂制备得到的晶体中，电阻率最大值≤3Ω*cm，相同径向位置的轴向电阻率变化率≤25％，P型元素杂质变化率≤10％。采用固相掺杂制备得到的晶体中，电阻率最大值＞6Ω*cm，相同径向位置的轴向电阻率变化率＞50％，P型元素杂质变化率＞10％。可以看出，本申请采用气相掺杂时制备得到的晶体掺杂更加均匀，轴向电阻率更均匀。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。