一种N型碳化硅晶体的制备方法及生长装置与流程

一种n型碳化硅晶体的制备方法及生长装置
技术领域
1.本发明涉及一种n型碳化硅晶体的制备方法及生长装置，属于半导体材料制备的技术领域。


背景技术：

2.碳化硅材料由于其具有优良的半绝缘特性而受到广泛关注，特别是对于具有特殊需求的大功率半导体器件，碳化硅因所具有的高温、高频、大功率等特点成为这些器件选择的潜力材料。
3.目前碳化硅晶体工业生产多采用pvt法进行生产，但由于其生长条件要求较高，在生长过程中引入的缺陷限制了其性能的提高和进一步的应用与发展。因此，对缺陷的改善成为提高碳化硅衬底质量的首要前提。
4.位错，作为一种线缺陷，依据其形成机理的不同和造成的半原子面的差异，可分为贯穿刃位错(ted)、贯穿螺位错(tsd)及基平面位错(bpd)。不同位错及其密度的大小对后续外延生长的影响也各不相同。其中bpd大部分在外延生长初期会转化为ted，少数贯穿到外延层的bpd会对器件性能产生影响。而tsd易在外延层表面形成小坑、胡萝卜缺陷等缺陷，对器件的性能、成品率及可靠性产生重要影响。而碳化硅衬底位错对下游器件的影响除不同类型位错影响不同外，位错密度也是评估碳化硅衬底质量的重要参数之一。
5.由于目前碳化硅最为成熟的生长方式是采用pvt法进行生长，轴向温梯及径向温梯会在晶体中产生切应力，从而引起位错的滑移。对于tsd和bpd，可发生位错滑移，当碰到ted墙或其他缺陷时会滑移停滞，并在ted墙或缺陷附近产生位错堆积，从而造成碳化硅衬底局部位错密度过大，严重影响了碳化硅晶体的性能和进一步的应用与发展。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供了一种n型碳化硅晶体的制备方法及生长装置，通过控制氮源气体的流量不小于惰性气体的流量，利用氮源气体的热导率大于惰性气体的热导率，坩埚上方热量传输速率较快，使得轴向温度梯度增加，减少了碳化硅晶体中位错滑移造成的位错集中，提高了晶体生长的质量。
7.根据本申请的一个方面，提供了一种n型碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
8.(1)将原料放置坩埚的高温区，籽晶放置在坩埚的低温区，所述坩埚的顶部外壁向内凹陷形成环形气槽；将组装好的坩埚置于长晶炉的炉体内，使得环形气槽靠近所述炉体的通气孔处所述炉体由下至上分别设置有第一通气孔和第二通气孔；
9.(2)长晶阶段中，通过第一通气孔向炉体内通入惰性气体，通过第二通气孔向炉体内通入氮源气体，控制通入氮源气体的流量不小于通入惰性气体的流量，控制长晶温度和压力，在所述籽晶上生长n型碳化硅晶体。
10.进一步的，所述炉体由下至上分别设置有第一通气孔和第二通气孔；
11.步骤(1)中，将组装好的坩埚置于长晶炉的炉体内，使得环形气槽靠近于炉体的第二通气孔位置处。
12.进一步的，步骤(2)中，通过第一通气孔向炉体内通入惰性气体，通过第二通气孔向炉体内通入氮源气体，控制通入氮源气体的流量不小于通入惰性气体的流量
13.进一步的，优选的，步骤(2)中，通入氮源气体的流量为150～500ml/min，通入惰性气体的流量为50～150ml/min；
14.优选的，通入氮源气体的流量为200～300ml/min，通入惰性气体的流量为80～120ml/min。
15.进一步的，步骤(2)中，随着长晶过程的进行，逐渐提高通入氮源气体的流量，通入惰性气体的流量保持不变，通入氮源气体的流量的提高速率为2～10ml/h；
16.优选的，所述通入氮源气体的流量的提高速率为5～8ml/h；
17.优选的，长晶阶段刚开始时，控制通入氮源气体的流量为150～500ml/min，通入惰性气体的流量为50～150ml/min。
18.进一步的，所述坩埚的顶部外壁向内凹陷形成环形气槽，所述环形气槽的圆心与坩埚顶部的圆心重合；
19.步骤(1)中，将组装好的坩埚置于长晶炉的炉体内，使得环形气槽靠近于炉体的第二通气孔位置处。
20.进一步的，步骤(2)中，控制长晶温度为1800～2700℃，长晶压力为1500～3000pa，长晶时间为80～200h；
21.优选的，控制长晶温度为2000～2400℃，长晶压力为1800～2200pa，长晶时间为100～150h。
22.进一步的，步骤(2)中，在长晶阶段中，还包括控制坩埚的旋转和/或升降；优选的，控制坩埚旋转的速率为5～20r/min，控制坩埚升降的速率为2～15mm/min；优选的，控制坩埚旋转的速率为10～15r/min，控制坩埚升降的速率为3～10mm/min。
23.进一步的，步骤(2)中，在长晶阶段中，还包括向第三通气孔通入氮源气体，所述第三通气孔设置于炉体侧壁，所述第三通气孔位于所述第二通气孔上侧；
24.控制第三通气孔通入的氮源气体的流量不大于第二通气孔通入的氮源气体的流量，且不小于第一通气孔通入的惰性气体的流量；
25.优选的，所述氮源气体选自氮气、氨气和有机胺类中的至少一种；和/或
26.所述惰性气体选自氦气、氖气和氩气中的至少一种；
27.优选的，所述氮源气体为氮气；
28.优选的，所述惰性气体为氩气。
29.根据本申请的另一个方面，提供了一种n型碳化硅晶体的生长装置，所述装置包括：
30.炉体，所述炉体的侧壁由下至上分别设置有第一通气孔和第二通气孔，所述第一通气孔用于向炉体内通入惰性气体，第二通气孔用于向炉体内通入氮源气体设置有通气孔；
31.坩埚，所述坩埚设置于所述炉体内，所述坩埚的顶部外壁向内凹陷形成环形气槽，所述环形气槽的圆心与坩埚顶部的圆心重合。
32.进一步的，所述坩埚的顶部外壁同心设置有多个环形气槽；
33.优选的，多个环形气槽的深度由内向外依次增加；
34.优选的，多个环形气槽内壁的宽度由内向外依次降低；
35.优选的，多个环形气槽的宽度由内向外依次增加；
36.优选的，所述坩埚与旋转升降装置连接。
37.进一步的，所述炉体由下至上分别设置有第一通气孔和第二通气孔，所述第一通气孔用于向炉体内通入惰性气体，第二通气孔用于向炉体内通入氮源气体；
38.优选的，炉体的四周侧壁上设置有多个第二通气孔，所述多个第二通气孔以炉体的轴向为中心对称设置；
39.优选的，所述炉体上还设置有第三通气孔，第三通气孔位于第二通气孔上侧，第三通气孔用于向炉体内通入氮源气体；
40.优选的，所述炉体的四周侧壁上设置有多个第三通气孔，所述多个第三通气孔以所述炉体的轴向为中心对称设置；
41.优选的，所述炉体外侧设置有加热线圈，所述炉体上还设置有抽气孔。
42.本发明的有益效果包括但不限于：
43.(1)本发明涉及的n型碳化硅晶体的制备方法，通过环形气槽靠近于炉体的通气孔位置处，通入的气体可沿着环形气槽流动，气流流速较快，气体扩散到坩埚内部，使得坩埚内远离中心轴线热量传输加快，减少了坩埚径向温度梯度，提高了晶体生长的质量。
44.(2)本发明涉及的n型碳化硅晶体的制备方法，通过控制通入氮源气体的流量不小于通入惰性气体的流量，利用通入的氮源气体的热导率大于通入的惰性气体的热导率，坩埚上方热量传输速率较快，使得轴向温度梯度增加，减少了碳化硅晶体中位错滑移造成的位错集中，提高了晶体生长的质量。
45.(3)本发明涉及的n型碳化硅晶体的制备方法，通过逐渐提高氮源气体的流量，使得坩埚上方的气体流速逐渐增大，使得轴向温度梯度差异逐渐增大，氮源气体增加也可以抵消长晶过程中长晶面温度上升不利于氮的掺杂，进一步减少了碳化硅晶体的位错缺陷，提高了碳化硅晶体的质量。
46.(4)本发明涉及的n型碳化硅晶体的生长装置，通过第一通气孔向炉体内通入惰性气体，第二通气孔向炉体内通入氮源气体；利用通入的氮源气体的热导率大于通入的惰性气体的热导率，使得坩埚的轴向温度梯度增加，保证了晶体生长速率，提高了晶体生长的质量。
附图说明
47.此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
48.图1为本申请涉及的n型碳化硅晶体的生长装置的剖视图；
49.图2为本申请涉及的n型碳化硅晶体的生长装置中坩埚的剖视图；
50.图3为本申请涉及的n型碳化硅晶体的生长装置中坩埚的横截面示意图；
51.图4为本申请对比例制得的碳化硅晶体的位错密度示意图；
52.图5为本申请实施例制得的碳化硅晶体的位错密度示意图；
53.其中，1、炉体；11、第一通气孔；12、第二通气孔；13、第三通气孔；14、抽气孔；2、坩埚；21、环形气槽；3、保温层；31、测温孔；4、石墨托盘；5、支撑杆；6、加热线圈。
具体实施方式
54.下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
55.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
56.另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、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申请和简化描述，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申请的限制。
57.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
58.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
59.在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、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申请中的具体含义。
60.在本申请中，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申请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。
61.实施例1
62.参考图1
‑
3，本实施例提供了一种用于生长n型碳化硅晶体的装置，该装置包括炉体1和坩埚2，炉体1上设置通气孔，坩埚2设置于炉体1内；坩埚2的顶部外壁向内凹陷形成环形气槽21，环形气槽21的圆心与坩埚2顶部的圆心重合。环形气槽21的设置，使得气体可沿着环形气槽21流动，气流流速较快，气体扩散到坩埚内部，使得坩埚2内远离中心轴线热量传输加快，减少了坩埚径向温度梯度，从而减少了碳化硅晶体中位错缺陷，提高了晶体生长的质量。
63.具体的，坩埚2的结构不做具体限定，坩埚2可以使用本领域常规使用的坩埚。例如：坩埚2可由坩埚体和顶部的坩埚盖组成，或坩埚2可由上下两个坩埚体组成，只要保证坩
埚2的顶部外壁形成环形气槽21即可。
64.作为本申请的一种实施方式，所述坩埚的顶部外壁同心设置有多个环形气槽。多个环形气槽21形成多个气体通道，使得氮源气体在坩埚2上方形成较均匀的流场，气体流速加快，减少了径向温度梯度，增加了轴向温度梯度。
65.作为本申请的一种实施方式，结合参考图2，多个环形气槽21的深度由内向外依次增加。气体通过环形气槽扩散到坩埚2内部，多个环形气槽21的深度由内向外依次增加，使得远离中心轴线的热量传输速率依次增加，进一步减小了径向温度梯度。
66.作为本申请的一种实施方式，结合参考图3，多个环形气槽21内壁的宽度由内向外依次降低，使得热量由内外通过环形气槽21传输热量的速率依次增加，进一步减小了坩埚的径向温度梯度。
67.作为本申请的一种实施方式，多个环形气槽的宽度由内向外依次增加；在单位时间内靠边缘的环形气槽内气体带走的热量比靠中心的环形气槽内气体带走的热量要多，因此使得与中心温度的相对差值减小，径向温梯减小。
68.作为本申请的一种实施方式，坩埚2包括坩埚体和坩埚盖，坩埚盖盖合坩埚体的顶部开口；坩埚盖的顶部向内凹形成环形气槽2，环形气槽21设置在坩埚盖上，方便加工，且环形气槽21凹陷设置，使得氮源气体进入到坩埚盖内部，进一步增大了坩埚2的轴向温度梯度。
69.作为本申请的一种实施方式，炉体1由下至上分别设置有第一通气孔11和第二通气孔12，第一通气孔11用于向炉体内通入惰性气体，第二通气孔12用于向炉体内通入氮源气体。通入的惰性气体或氮源气体可沿着环形气槽21流动，气流流速较快，且利用通入的氮源气体的热导率大于通入的惰性气体，加快了坩埚2上部的散热，使得坩埚2的轴向温度梯度增加，径向梯度温度降低，进一步减少了碳化硅晶体中位错滑移造成的位错集中，提高了晶体生长的质量。
70.具体的，第一通气孔11和第二通气孔12的开孔形状和数量不做具体限定，环形气槽21的形状和数量不做具体限定，只要保证第二通气孔12与环形气槽21连通即可，氮源气体通过第二通气孔12可进入环形气槽21中，在坩埚2上方形成气体流场。氮源气体可以为本领域常规使用的氮源气体，氮源气体选自氮气、氨气和有机胺类中的至少一种，优选的，氮源气体为氮气。惰性气体可以为本领域常规使用的惰性气体，惰性气体选自氦气、氖气和氩气中的至少一种。优选的，惰性气体为氩气。氮气在100℃时热导率为7.5cal/(cm
·
℃
·
s)，氩气在100℃时热导率为5.2cal/(cm
·
℃
·
s)，且气体热导率随温度的升高而增大，在2000℃的碳化硅长晶温度下，氮气的热导率明显高于氩气。
71.作为本申请的一种实施方式，炉体1的四周侧壁上设置有多个第二通气孔12，多个第二通气孔12以炉体1的轴向为中心对称设置，使得氮源气体从侧壁均匀进入炉体1内部，在坩埚2四周散热较快，较均匀地减小了径向温度梯度。
72.作为本申请的一种实施方式，炉体1上还设置有第三通气孔13，第三通气孔13位于第二通气孔12上侧，第三通气孔13用于向炉体1内通入氮源气体，与第二通气孔12通入的氮源气体，作为n型碳化硅晶体生长所需的氮源气体环境。
73.作为本申请的一种实施方式，炉体1的四周侧壁上设置有多个第三通气孔13，多个第三通气孔13以炉体1的轴向为中心对称设置，使得氮源气体较均匀地通入到炉体1内部。
且设置第二通气孔1氮源气体的流量大于第三通气孔13氮源气体的流量，使得坩埚2附近氮源气体的流量增加，使得坩埚2上方轴向温度梯度进一步增大。
74.作为本申请的一种实施方式，坩埚2的四周设置有保温层3，位于坩埚2顶部的保温层3上设置有测温孔31；测温孔31位于环形气槽21的中心轴线上。测温孔31满足碳化硅长晶过程中进行温度测量的需求，同时由于炉体1内原料区温度高，测温孔远离高温区，温度较低形成轴向温度梯度。将测温孔31位于环形气槽21的中心轴线上，使得轴向上形成较均匀地温度梯度差异。
75.作为本申请的一种实施方式，该装置还包括石墨托盘4，石墨托盘4用于放置坩埚2；石墨托盘4下方连接支撑杆5，支撑杆5穿过炉体1底部的开孔与外部的旋转升降装置连接。旋转升降装置用于控制坩埚2的旋转升降，旋转升降装置包括电机，电机驱动支撑杆从而带动石墨托盘4和和坩埚2旋转升降，以提高坩埚2内部气体流速的均匀性。
76.作为本申请的一种实施方式，炉体1外侧设置有加热线圈6，炉体1上还设置有抽气孔14。抽气孔可设置在炉体的顶部上炉盖或底部下炉盖处。加热线圈6用于对坩埚2进行加热，提供晶体生长所需的温度，抽气孔14用于对炉体1内抽气，以保证炉体1处于一定的压力。
77.实施例2
78.一种利用实施例1所述的装置生长n型碳化硅晶体的方法，具体包括以下步骤：
79.(1)组装阶段：将硅原料和碳原料放置于坩埚的高温区，籽晶放置于坩埚的低温区；将组装好的坩埚置于长晶炉的炉体内；
80.(2)升温阶段：调节长晶炉的温度从500～2000℃进行升温，控制坩埚内的压强从0.2
×
105pa升至5
×
105pa，标记v1为第一通气孔通入惰性气体的流量，v2为第二通气孔通入氮源气体的流量，v3为第三通气孔通入氮源气体的流量；升温阶段v1通入惰性气体的流量为200ml/min，v3或v2通入氮源气体的流量为100ml/min；由此使得炉体内从上到下形成轴向温度梯度，并提供n型碳化硅生长所需的氮气环境；
81.(3)长晶阶段：长晶阶段温度需在升温阶段温度的基础上继续升温至2400～2600℃以满足n型碳化硅长晶需求。长晶阶段v1惰性气体的流量为50～150ml/min，v2氮源气体的流量为150～500ml/min，v3氮源气体的流量保持为50～150ml/min，长晶压力为1500～3000pa，在长晶阶段保持长晶时间为100～150h，即制得所述n型碳化硅晶体。其中v2气体的流量大于v1和v3，其目的主要为使坩埚附近氮气的流量增大，从而增大坩埚上方环形气槽内氮气流速，使得坩埚上方轴向温度梯度进一步增大。
82.或者逐渐提高v2氮气气体的流量，通入氮源气体的流量的提高速率为2～10ml/h，以逐渐增大通入氮源气体的流量，使坩埚上方的气体流速逐渐增大，也可以抵消长晶过程中长晶面温度上升不利于氮的掺杂，且可使轴向温度梯度逐步增加。
83.或者，同时在长晶阶段，可控制坩埚在第二通气孔附近升降，升降速率为0.1～1mm/h，坩埚可在升降过程中旋转，以保证气体流速的均匀性，尤其是在坩埚上盖进气槽处，坩埚旋转的速率为10～15r/min。
84.各个实施例和对比例中具体制备参数如表1所示，制得n型碳化硅晶体1#～6#、对比n型碳化硅晶体d1#～d2#。其中，充入的惰性气体为氩气，氮源气体为氮气。
85.表1
[0086][0087][0088]
按照常规的长晶工艺得到对比n型碳化硅晶体d3#，该长晶炉炉体的惰性气体通气孔及氮气通气孔均位设置于炉体底部；
[0089]
该长晶工艺包括：1)升温阶段：调节长晶炉的温度从500～2000℃进行升温，控制坩埚内的压强从0.2
×
105pa升至5
×
105pa，惰性气体通气孔通入150ml/min，氮气80ml/min；
2)长晶阶段：长晶阶段温度需在升温阶段温度的基础上继续升温至2400～2600℃以满足n型碳化硅长晶需求；惰性气体通气孔通入150ml/min，氮气130ml/min；长晶阶段未进行坩埚旋转与移动。得到的对比n型碳化硅晶体d3#的位错密度示意图如图4所示。
[0090]
按照本申请的方法制得的n型碳化硅晶体1#如图5所示。本申请的方法制得的碳化硅晶体的位错密度显著降低，且位错分布较为稀疏，减少了在长晶过程中径梯大引起的剪切应力而发生滑移造成位错集中的现象。
[0091]
将上述制得的n型碳化硅晶体1#～6#、对比n型碳化硅晶体d1#～d2#进行碳化硅晶体缺陷的检测，并对其螺旋位错tsd、平面位错bpd和位错密度等进行检测，检测结果如表2所示。
[0092]
表2
[0093][0094][0095]
由表2的结果可知，本申请在长晶阶段中，通过控制通入氮源气体的流量不小于通入惰性气体的流量及优化氮气的提高比率，使得到的n型碳化硅晶体的位错缺陷少，晶体质量高。
[0096]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0097]
以上，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。