无掺杂元素的高纯半绝缘碳化硅晶体生长装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳化硅晶体制备装置，特别涉及一种制备高纯半绝缘4H-SiC晶体的方法，该方法主要是先降低晶体生长前沿背景杂质浓度后增加本征点缺陷浓度的方法来补偿浅施主和浅受主能级之差，从而获得半绝缘效应的生长高纯半绝缘碳化硅晶体的工
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【背景技术】
[0002]碳化硅是继第一代半导体硅、锗，第二代半导体砷化镓、磷化铟之后的第三代半导体材料。碳化硅具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子迀移速率和稳定的物理和化学性能，是制备保温、高频、高功率和和抗电磁辐射方面具有广阔市场。半绝缘碳化硅衬底材料是制备高性能微波功率器件的首选材料，通常掺钒可以获得半绝缘碳化硅衬底材料，但是在高温时，钒的析出会导致一种背栅效应而导致半绝缘效应的降低。为了制备高稳定性能的微波功率器件，需要制备高纯半绝缘碳化硅来做衬底材料制备机载雷达、舰载雷达的通讯器件。
[0003]大直径SiC晶体制备的常用方法是物理气相传输法(Physical VaporTransport)。将碳化硅粉料放在密闭的石墨组成的坩祸底部，坩祸顶部固定一个籽晶，籽晶的直径将决定晶体的直径。粉料在感应线圈的作用下将达到升华温度点，升华产生的S1、C、Si2C和SiC2分子在轴向温度梯度的作用下从原料表面传输到籽晶表面，由于籽晶背部有散热孔组成，所以在籽晶部分相对较冷，这样在轴向温度梯度的作用下在籽晶表面缓慢结晶达到生长晶体的目的。传统的生长方法由于在石墨材质和粉料中难免引入氮、硼、铝、钒和铁等杂质元素，由于坩祸是密闭的状态，坩祸内部的杂质很难避免进入晶体内部，导致很难生长杂质含量很低的高纯碳化硅晶体。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种无掺杂元素的高纯半绝缘碳化硅晶体生长装置，解决了低杂质的高纯碳化硅晶体生产的难题。
[0005]本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的:
一种无惨杂兀素的尚纯半绝缘碳化娃晶体生长装置，包括尚纯石墨樹祸，在尚纯石墨坩祸的外侧面上设置有石墨毡保温层，在石墨毡保温层上分别设置有下测温孔和上测温孔，在高纯石墨坩祸的内腔顶部设置有石墨托，在石墨托上设置有籽晶，在籽晶上设置有生长后的碳化硅晶体，在高纯石墨坩祸的腔内下部设置有SiC高纯粉料，在石墨托与高纯石墨坩祸的内腔内侧壁之间设置有小孔。
[0006]SiC高纯粉料的顶面与籽晶的底面之间的距离为50-60毫米，下测温孔的直径和上测温孔的直径均为10-20毫米。
[0007]—种降低碳化硅晶体杂质并获得高纯半绝缘碳化硅晶体的方法，包括以下步骤: 第一步、将籽晶绑定在石墨托上，将籽晶倒放置在坩祸顶部，将SiC高纯粉料放置在生长腔的底部，粉料距籽晶距离大约50-60毫米；
第二步、生长时坩祸周围用石墨毡进行保温处理，坩祸顶部和底部各有一个10-20毫米的散热孔来获得合适的轴向温度梯度，同时通过该孔用高温红外仪来测量生长腔内的温度。
[0008]针对现有生长工艺技术，本发明目的通过降低背景中的杂质元素浓度来获得高纯碳化硅晶体，对切割后的晶片进行高温快速冷却从而增加点缺陷浓度，增加的点缺陷足以补偿浅施主和浅受主之差的方式来达到半绝缘的目的。最终获得制备大直径高纯半绝缘4H-SiC晶体的方法。为实现以上目的，本发明是一种制备高纯半绝缘4H-SiC的方法，主要是在没有故意掺入深能级补偿元素而实现半绝缘效应的生长工艺方法。该方法同样还是使用常规的物理气相传输法生长碳化硅晶体。在生长晶体时，对石墨坩祸的顶部边缘部分，主要目的是让石墨坩祸材料本身和碳化硅粉料中的杂质元素氮、硼、铝、钒和铁在生长初期温度达到大约在1950-2050度时，生长压力控制在600-800mbar，正好达到背景杂质元素氮、硼、铝、钒等杂质的升华点，让背景中的氮、硼、铝、钒进行先升华，从而降低背景中的杂质浓度来获得高纯碳化硅晶体。对生长出的晶体进行切割加工成标准晶圆，然后对切割后的晶圆进行高温快速冷却处理，主要目的是增加晶体中的点缺陷浓度，增加碳化硅晶体中形成原生点缺陷，这种点缺陷足以补偿浅施主和浅受主的浓度差，从而达到半绝缘效应，其中半绝缘碳化硅晶体的原生点缺陷浓度高于碳化硅晶体中的非故意掺杂形成的浅施主和浅受主的浓度之差。该发明主要涉及到的石墨顶盖的边缘小孔的尺寸控制在0.5-2毫米的六个小孔，小孔主要目的是让生长腔内的杂质元素在生长的前期进行释放，特别是产生浅施主杂质元素氮元素能在生长初期溢出不至于在开始生长晶体的时候而进行晶体中，一旦进行晶体就很难获得半绝缘效应，按照此种方法获得的晶体是高纯晶体。晶片在高温快速冷却的温度控制在1800-1900度左右，生成的原生点缺陷为碳空位、硅空位或硅碳双空位/反位。本发明涉及的碳化硅晶体包括4H-SiC和6H-SiC晶体。晶片在快速冷却过程中所用的时间在20-100分钟内快速将温度从1800-1900度降低到1500度以下。
【附图说明】
[0009]图1是本发明的物理气相传输法生长SiC晶体的生长腔体结构示意图。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图对本发明进行详细说明:
一种无惨杂兀素的尚纯半绝缘碳化娃晶体生长装置，包括尚纯石墨樹祸2，在尚纯石墨坩祸2的外侧面上设置有石墨毡保温层7，在石墨毡保温层7上分别设置有下测温孔8和上测温孔9，在高纯石墨坩祸2的内腔顶部设置有石墨托1，在石墨托1上设置有籽晶4，在籽晶4上设置有生长后的碳化硅晶体5，在高纯石墨坩祸2的腔内下部设置有SiC高纯粉料3，在石墨托1与高纯石墨坩祸2的内腔内侧壁之间设置有小孔6。
[0011]SiC高纯粉料3的顶面与籽晶4的底面之间的距离为50-60毫米，下测温孔8的直径和上测温孔9的直径均为10-20毫米。
[0012]—种降低碳化硅晶体杂质并获得高纯半绝缘碳化硅晶体的方法，包括以下步骤: 第一步、将籽晶绑定在石墨托1上，将籽晶3倒放置在坩祸顶部，将SiC高纯粉料3放置在生长腔的底部，粉料距籽晶距离大约50-60毫米；
第二步、生长时坩祸周围用石墨毡进行保温处理，坩祸顶部和底部各有一个10-20毫米的散热孔来获得合适的轴向温度梯度，同时通过该孔用高温红外仪来测量生长腔内的温度。
[0013]本发明是一种无掺杂元素的高纯半绝缘碳化硅晶体生长方法，通过感应加热的方法对石英管内的高真空石墨坩祸进行加热，石墨材质均采用高纯石墨。生长时坩祸周围用石墨毡进行保温处理，坩祸顶部和底部各有一个10-20毫米的散热孔来获得合适的轴向温度梯度，同时通过该孔用高温红外仪来测量生长腔内温度。
[0014]在以上制备高纯半绝缘碳化硅晶体的方法中，没有故意掺杂钒元素来补偿浅施主和浅受主的能级差，通过使用常规的物理气相传输法生长碳化硅晶体，在生长过程中将石墨坩祸的顶部边缘对称地开6个小孔，其中所述小孔的直径大小范围控制在0.5-2毫米。小孔的主要目的是让生长前沿的背景中的氮、硼、铝、钒和铁杂质元素从小孔中溢出，从而减少背景中的杂质元素进入晶体来减少晶体中的杂质获得高纯碳化硅晶体，当生长温度控制在大约在1950-2050度时，生长压力控制在600-800mbar，正好达到背景杂质元素氮、硼、铝、钒等杂质的溢出温度点，让背景中的氮、硼、铝、钒进行先从小孔中溢出，从而降低背景中的杂质浓度来获得高纯碳化硅晶体；之后再继续增加生长温度和降压生长腔内的生长压力，当生长温度达到碳化硅粉料的升华温度2050-2250时，生长腔内压力控制在5-100mabr时，碳化硅粉料开始升华，升华的碳化硅粉料逐步将边缘小孔密封住，从而保证生长腔内是准平衡状态而满足碳化硅晶体生长的准平衡状态要求来进行晶体生长。
[0015]下一步将生长结束后的碳化硅晶体进行切割成碳化硅晶片，对碳化硅晶片进行高温快速冷却处理，使用的主要设备是箱式高温退火炉，该炉可以设置不同的温区，同时箱内可以充氩气保护，先将晶片放在高温区将温度控制在1700-1900度左右，待晶片温度处于该区时间大约20-60分钟左右，然后将晶片迅速移动到温度相对较低区域，该温区温度设定在1400-1500度左右，在该温区恒定时间大约30-60分钟，然后将晶片移动更低温区，控制温度大约在1500以下直至温度降低室温，通过迅速降温可以增加碳化硅晶体中的本征点缺陷浓度，从而获得半绝缘效果，其中半绝缘晶体的本征点缺陷浓度将足以补偿碳化硅晶体中非故意掺杂形成的浅施主和浅受主的浓度差，从而确保晶片的半绝缘特性，用于制造微波高功率器件的衬底材料。
[0016]满足微波功率器件的衬底需要的半绝缘碳化硅材料的点缺陷浓度没有严格的数量限制，最主要的是要求点缺陷浓度超过浅施主和浅受主浓度之差的绝对值即可，这样半绝缘的特性就已经具备。通常通过故意掺杂的方式(掺钒)也可以获得一种半绝缘效应的是掺隹凡半绝缘碳化娃晶体。
[0017]本发明的生长体系是在超高真空下，真空大约到1.5X10_6mabr。使用的石墨材质和粉料均是高纯材料，生长体系中难免存在少量杂质，例如环境中的N，石墨材质中的B，这些杂质会进入到晶体中，但是本底杂质浓度越小越好，浓度均在8.5X 1017cm-3，优选2.5 X1017cm_3o
【主权项】
1.一种无掺杂元素的高纯半绝缘碳化硅晶体生长装置，包括高纯石墨坩祸(2)，在高纯石墨坩祸(2)的外侧面上设置有石墨毡保温层(7)，在石墨毡保温层(7)上分别设置有下测温孔(8)和上测温孔(9)，其特征在于，在高纯石墨坩祸(2)的内腔顶部设置有石墨托(1)，在石墨托(1)上设置有籽晶(4)，在籽晶(4)上设置有生长后的碳化硅晶体(5)，在高纯石墨坩祸(2)的腔内下部设置有SiC高纯粉料(3)，在石墨托(1)与高纯石墨坩祸(2)的内腔内侧壁之间设置有小孔(6)。2.根据权利要求1所述的一种无掺杂元素的高纯半绝缘碳化硅晶体生长装置，其特征在于，SiC高纯粉料(3)的顶面与籽晶(4)的底面之间的距离为50-60毫米，下测温孔(8)的直径和上测温孔(9)的直径均为10-20毫米。
【专利摘要】本发明公开了一种无掺杂元素的高纯半绝缘碳化硅晶体生长装置，解决了低杂质的高纯碳化硅晶体生产的难题。包括高纯石墨坩埚（2），在高纯石墨坩埚（2）的外侧面上设置有石墨毡保温层（7），在石墨毡保温层（7）上分别设置有下测温孔（8）和上测温孔（9），在高纯石墨坩埚（2）的内腔顶部设置有石墨托（1），在石墨托（1）上设置有籽晶（4），在籽晶（4）上设置有生长后的碳化硅晶体（5），在高纯石墨坩埚（2）的腔内下部设置有SiC高纯粉料（3），在石墨托（1）与高纯石墨坩埚（2）的内腔内侧壁之间设置有小孔（6）。本发明目的通过降低背景中的杂质元素浓度来获得高纯碳化硅晶体。
【IPC分类】C30B23/00, C30B29/36
【公开号】CN105420813
【申请号】CN201510972097
【发明人】王利忠, 李斌, 王英民, 魏汝省, 毛开礼, 徐伟, 戴鑫, 马康夫, 周立平, 付芬, 田牧, 侯晓蕊
【申请人】中国电子科技集团公司第二研究所
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月22日