[发明专利]高质量碳化硅籽晶、碳化硅晶体、碳化硅衬底及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高质量碳化硅籽晶、碳化硅晶体、碳化硅衬底及其制备方法。本发明制备高质量的碳化硅籽晶，并控制碳化硅粉料、石墨坩埚及保温材料的杂质浓度，结合一定的晶体生长工艺以及晶片加工方式，得到了高质量的碳化硅衬底。所得碳化硅衬底具有高的结晶质量，极低的微管数量、螺位错密度和复合位错密度；同时具有极低的p型杂质浓度，表现出优良的电学性能；还具有高的表面质量。

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，特别涉及一种高质量碳化硅籽晶、碳化硅晶体、碳化硅衬底及其制备方法。

背景技术

碳化硅衬底，又称为碳化硅晶片，形状为圆形薄片，直径一般为2英寸、3英寸、4英寸、6英寸和8英寸，厚度一般为80微米～800微米之间。碳化硅衬底因其具有宽带隙、高的热导率、高的击穿场强以及高的饱和电子漂移速率等优异性能，因此非常适合制造大功率、高温、高频电力电子器件，在新能源汽车、轨道交通、航空航天、智能电网等领域具有广阔的应用前景。

然而，碳化硅衬底要在新能源汽车、轨道交通、航空航天、智能电网等领域获得大规模实际应用，衬底质量必须足够好。此处所指的衬底质量包括三个方面：一是衬底的结晶质量；二是衬底的电学性能；三是衬底的表面质量。具体如下：

其一，在衬底的结晶质量方面，目前碳化硅衬底的结晶缺陷包括微管、螺位错、复合位错缺陷(即螺位错与基平面位错组成的复合位错，螺位错与刃位错组成的复合位错，基平面位错与刃位错组成的复合位错)，衬底中结晶缺陷的存在将导致基于衬底制造的器件性能失效或下降。

其二，在衬底的电学性能方面，目前导电型碳化硅衬底的电阻率调控主要通过控制氮掺杂量。由于碳化硅衬底中氮的浓度可以高达5×10²⁰/cm³，极易补偿碳化硅衬底中的p型杂质，因此在制备导电型碳化硅衬底过程中，会忽视碳化硅衬底中p型背景杂质浓度控制，导致碳化硅衬底中p型杂质浓度高。为了控制碳化硅衬底中的电阻率，会通过加大氮掺杂量补偿衬底中过高的p型杂质浓度，最终导致碳化硅衬底中p型杂质浓度和氮浓度都偏高。偏高的p型杂质浓度和氮浓度会导致基于衬底制造的器件性能偏差，严重时甚至影响器件性能的稳定性。

其三，在衬底的表面质量方面，碳化硅衬底表面由于加工工艺不优，会导致衬底表面残留一些划痕。制造碳化硅器件前，需要在碳化硅衬底表面生长一层外延层，该外延层的成分也是碳化硅，晶体结构与衬底的结构相同，厚度一般为几微米至几十微米，该外延层的质量对后续制造的器件的性能和可靠性至关重要。然而，该外延层的质量严重依赖衬底的质量，尤其是衬底表面质量。如果在衬底表面有残留的一定深度的划痕，该划痕在后续外延后仍然会保留下来。外延层中的划痕将最终导致制造的器件存在漏电、击穿或可靠性变差等问题。

目前，碳化硅晶体生长方法主要为物理气相传输法(Physical Vapor TransportMethod)，其生长室结构如图6所示。将碳化硅粉料装入石墨坩埚中，将SiC籽晶置于比SiC粉料温度相对稍低的坩埚上部，坩埚内的温度升至2100～2400℃，使得SiC粉料升华，升华产生气相物质Si₂C、SiC₂和Si，升华所产生的气相物质在温度梯度的作用下从SiC粉料的表面输运到温度相对稍低的SiC籽晶处，并在SiC籽晶上结晶形成块状SiC晶体。然而，目前的制备方法制得的碳化硅衬底的质量欠佳，影响其实际应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高质量碳化硅籽晶、碳化硅晶体、碳化硅衬底及其制备方法。本发明提供的高质量碳化硅籽晶及制备的碳化硅衬底能够有效降低晶体缺陷和杂质浓度，改善表面质量。

本发明提供了一种高质量碳化硅籽晶，所述碳化硅籽晶至少有一个高质量区域；

所述高质量区域的规格为：微管数为0，螺位错密度＜300个/cm²，复合位错密度＜20个/cm²，任意间隔1cm的X射线摇摆曲线半高宽两点间的差值＜40弧秒；