一种碳化硅晶体、籽晶及衬底的制作方法

1.本技术涉及一种碳化硅晶体、籽晶及衬底，属于半导体材料领域。


背景技术：

2.碳化硅是典型的宽禁带半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料代表之一。碳化硅材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子迁移率等优异特性，成为制备高温、高频、高功率及抗辐射器件的热门材料之一。
3.目前碳化硅生长的方法主要有物理气相传输法(pvt)、液相外延法(lpe)、化学气相沉积法(cvd)等，其中pvt法是应用最成熟的方法，也是目前唯一的一种可以提供商用碳化硅衬底需求的生长方法。pvt法生长碳化硅晶体的生长炉一般都采用感应加热的方式，即在感应线圈中通中频交流电，通过坩埚的感应发热对生长室内的碳化硅粉料进行加热，使粉料分解，在温度较低的籽晶处结晶生长，从而实现晶体的生长。pvt法生长碳化硅晶体往往需要在籽晶处构建非常均匀的温度场，通过稳定的径向温梯及轴向温梯实现碳化硅气氛的均匀向上传输及有序排列，从而得到低缺陷密度的高质量碳化硅晶体。对于微管、杂质、小角晶界及长程晶格畸变等缺陷，研究者在籽晶角度方面做了大量工作，生长碳化硅晶体的籽晶为了获得足够高的生长台阶密度，通常以(0001)面(即si面)偏向《11-20》方向一定角度的籽晶进行生长，这样可以使得生长信息得到有效传递并大幅降低晶体的缺陷密度。碳化硅晶体在长晶过程中通过形核中心以螺旋生长的方式不断传递生长台阶信息，最终形成小面结构，而小面外的区域则根据形核中心传递出的生长台阶信息进行台阶流生长。
4.形核是碳化硅晶体生长中非常重要的环节，形核质量的好坏将直接决定后期碳化硅晶体的结晶质量。以(0001)面(即si面)偏向《11-20》方向一定角度的籽晶进行碳化硅生长虽然能提高晶体质量，但是这个角度的存在也会使得形核中心偏向《11-20》方向，导致形核中心(即形成的小面中心点)与晶体中心不重合或重合率较低。晶体中心往往是温场中心，即径向温度最低点，径向上生长速度最快，而形核中心与温场中心不重合则可能导致形核中心的生长台阶信息无法有效传递到晶体中心及形核中心对面区域，次生微管、多型、层错、位错等缺陷，制约晶体质量的进一步提升。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，提供了一种碳化硅晶体，该碳化硅晶体的形核中心点与晶体中心点的距离小于碳化硅晶体直径的1/4，两个中心点的距离较小，形核质量高，缺陷密度低。
6.根据本技术一个方面，提供了一种碳化硅晶体，所述碳化硅晶体具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面，所述第一主表面和/或所述第二主表面具有形核形貌，所述形核形貌具有形核中心点，所述碳化硅晶体的中轴线贯穿所述第一主表面和所述第二主表面，所述中轴线与所述第一主表面和/或所述第二主表面的交点为晶体中心点；
7.在所述第一主表面和/或第二主表面，所述形核中心点至所述晶体中心点的距离
小于所述碳化硅晶体直径的1/4。
8.优选地，所述形核中心点至晶体中心点的距离小于所述碳化硅晶体直径的1/5；
9.优选地，所述形核中心点至所述晶体中心点的距离小于所述碳化硅晶体直径的1/10；
10.优选地，所述形核中心点至所述晶体中心点的距离小于所述碳化硅晶体直径的1/12；
11.更优选地，所述形核中心点与晶体中心点重合。
12.可选地，所述形核中心点与所述晶体中心点的距离为0-25mm；
13.优选地，所述形核中心点与所述晶体中心点的距离为0-20mm；
14.更优选地，所述形核中心点与所述晶体中心点的距离为0-15mm；
15.优选地，所述形核中心点与所述晶体中心点的距离为0-10mm；
16.优选地，所述形核中心点与所述晶体中心点的距离为0-6mm；
17.优选地，所述形核中心点与所述晶体中心点的距离为0-3mm；
18.更优选地，所述形核中心点与所述晶体中心点的距离为0。
19.可选地，所述第一主表面是{0001}面。
20.可选地，所述形核中心点在所述{0001}面的中心偏向《11-20》方向。
21.可选地，所述形核形貌大致呈圆形，所述形核形貌的直径与所述碳化硅晶体直径的比例为1/5-2/3，所述形核形貌的面积与所述第一主表面或所述第二主表面面积的比例为1/25-4/9；
22.优选地，所述形核形貌的直径与所述碳化硅晶体直径的比例为1/4-1/2，所述形核形貌的面积与所述第一主表面或所述第二主表面面积的比例为1/16-1/4。
23.可选地，所述形核形貌的直径为40mm-220mm，所述碳化硅晶体直径大于等于90mm；
24.优选地，所述形核形貌的直径为50mm-200mm，所述碳化硅晶体直径≥100mm。
25.可选地，所述形核形貌内围绕的晶体区域的tsd小于160/cm2，ted小于1600/cm2；所述形核形貌外的晶体区域的tsd小于120/cm2，ted小于1100/cm2；
26.优选地，所述形核形貌内围绕的晶体区域的tsd小于150/cm2，ted小于1500/cm2；所述形核形貌外的晶体区域的tsd小于100/cm2，ted小于1000/cm2；
27.更优选地，所述形核形貌内围绕的晶体区域的tsd小于120/cm2，ted小于1300/cm2；所述形核形貌外的晶体区域的tsd小于80/cm2，ted小于700/cm2。
28.可选地，所述晶体的表面应力绝对值小于18mpa，所述形核形貌内差值小于25mpa，所述晶体的结晶质量小于28arcs；
29.优选地，所述晶体的表面应力绝对值小于15mpa，所述形核形貌内差值小于20mpa，所述晶体的结晶质量小于25arcs。
30.根据本技术的另一方面，提供一种碳化硅籽晶，其由上述任一项碳化硅晶体进行切割、研磨和抛光，制得所述碳化硅籽晶。
31.根据本技术的又一方面，提供一种碳化硅衬底，其由上述任一项碳化硅晶体进行切割、研磨和抛光，制得所述碳化硅衬底。
32.本技术中涉及的晶体中心点定义的是碳化硅晶体中轴线与第一主表面({0001}面)和第二主表面的交点为晶体中心点；
33.本技术中涉及的晶体中心指的是第一主表面的晶体中心点向第二主表面的晶体中心点的延伸，也是温场中心，即径向温度最低点；
34.本技术中涉及的形核中心指的是第一主表面的形核形貌的形核中心点向第二主表面的形核形貌的形核中心点的延伸。
35.形核中心点与晶体中心点的位置关系能有效反应晶体中心与形核中心的位置关系。
36.本技术的有益效果包括但不限于：
37.1.根据本技术的碳化硅晶体，其形核中心点与晶体中心点的距离小于碳化硅晶体直径的1/4，两个中心点的距离较小，则形核中心和晶体中心重合度越高或完全重合，形核质量就会越高，缺陷密度就会越低。
38.2.根据本技术的碳化硅籽晶，其由本技术的碳化硅晶体制成，其形核中心点与晶体中心点距离较小或重合，能够使得形核中心的生长台阶信息有效传递到晶体中心及关于晶体中心对称的对面区域，能够进一步提升籽晶生成的碳化硅晶体的形核质量。
39.3.根据本技术的碳化硅衬底，其由本技术的碳化硅晶体制成，其晶体中心点和形核中心点的距离较小，形核质量高，缺陷密度低。
40.4.根据本技术的碳化硅晶体、籽晶和衬底，bow小于5um，warp小于10um，ttv小于3um，ltv小于1um。
附图说明
41.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
42.图1为本技术实施例涉及的一种碳化硅晶体生长装置轴向截面示意图。
43.图2为本技术实施例涉及的碳化硅晶体生长装置俯视图。
44.图3为本技术实施例涉及的碳化硅晶体生长装置的上腔室径向截面示意图。
45.图4为背景技术中涉及的形核中心点与晶体中心点不重合的碳化硅晶体。
46.图5为本技术实施例涉及的形核中心点与晶体中心点重合的碳化硅晶体。
47.1.坩埚体，2.生长腔室，21.上腔室，22.下腔室，3.籽晶放置部(籽晶)，4.多孔石墨分隔板，5、sic粉料，6.多孔石墨台，7.石墨连接筒，8.盖体，9、腔体，
48.10、碳化硅晶体，101、第一主表面，102、第二主表面，103、晶体中心点，104、形核形貌，105、形核中心点。
49.a.a通气口(1#通气口)，a'.a'通气口(5#通气口)，2-4#通气口，6-8#通气口。
具体实施方式
50.下面结合实施例详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
51.如无特别说明，本技术的实施例中的原料均通过商业途径购买。
52.本实施方式提供一种碳化硅晶体生长装置，以用于生产形核中心点105与晶体中心点103的距离小或重合的碳化硅晶体，参考图1-图3、图5，该碳化硅晶体生长装置包括坩埚体1，坩埚体1内的生长腔室2的侧壁开设多个通气口，通气口设在生长腔室2的侧壁的同一高度处，通气口包括第一对通气口，第一对通气口包括a通气口和a'通气口，a通气口和a'
通气口关于生长腔室2的中轴线对称设置，a通气口和a'通气口所在直线的两侧对称设有第二对通气口，以从a通气口至a'通气口沿生长腔室2的侧壁向生长腔室2内通入不同浓度梯度的气氛。现有的碳化硅晶体在长晶过程中碳化硅晶体10的形核中心一般在碳化硅晶体10的晶体中心偏向《11-20》方向一定距离，如在碳化硅晶体10直径的1/4处，从形核中心发出的生长台阶信息与在碳化硅晶体10径向上的传输生长距离就会存在较大差异，《11-20》方向传输距离最短，《-1-120》方向传输距离最长，且《-1-120》方向传输过程中会经过晶体中心，晶体中心是温场中心，温度最低点，本身生长速度最快，形核中心与晶体中心的分离将不可避免的对碳化硅晶体长晶过程造成扰动，形核中心的台阶信息无法有效穿过晶体中心，导致生长信息丢失、错配甚至失配，对晶体质量提升有很大隐患。因此，本技术在生长腔室的同一高度处开设有多个通气口，以构建从a通气口至a'通气口含si气氛逐渐减少，含c气氛逐渐增大的梯度变化，引导形核中心向晶体中心(即温场中心)移动。
53.第二对通气口的数量为奇数对，均匀的分布在第一对通气口所在直线的两侧；第二对通气口的数量可以为1对、3对、5对或7对，可根据实际情况设置第二对通气口的数量，在一具体的实施方式中，第二对通气口的数量为3对，参考图2和图3，从a通气口依次标记为1#-8#通气口，1#-8#通气口均匀的分布在生长腔外周侧壁，则a通气口为1#通气口，a'通气口为5#通气口，各个通气口通过石墨导管连接到不同的气源上，含硅气氛为硅烷类气体，含c气氛为烷类气体，烷类气体包括甲烷和/或乙烷，硅烷类气体包括甲硅烷和/或乙硅烷，3#通气口和7#通气口通入烷类气体与硅烷类气体的体积比为1：1，2#和8#通气口通入烷类气体与硅烷类气体的体积比为1：3，4#、6#通气口通入烷类气体与硅烷类气体的体积比为3：1，1#通气口全部通入硅烷类气体，5#通气口完全通入烷类气体，进而构建了从a通气口至a'通气口含si气体逐渐减少，含c气体逐渐增大的梯度变化。
54.在一实施例中，参考图1，坩埚体1内设有多孔分割件，多孔分隔件将生长腔室分为上腔室21和下腔室22，其中，通气口开设在上腔室21的侧壁，多孔分隔件能够将上腔室21内的气氛输送至下腔室22。多孔分隔件将生长腔室2分为上腔室21和下腔室22，将通气口开设在上腔室21的侧壁，下腔室22能够设置不同的温度变化梯度，加上多孔分隔件的透气性，可以保证上腔室21内通入的气氛能够有效快速导出，维持上腔室内压力及各种气相组分的动态平衡，为碳化硅晶体生长构建稳定的温场和流场结构，减少或消除因气流扰动造成的碳化硅晶体缺陷(如应力、ted、tsd、面型等)，提高碳化硅晶体质量。另外，下腔室22的设置也可以作为原料重结晶回收区，构建一定的温度梯度差，使上腔室21未反应的气氛进入下腔室22后逐渐重结晶获得高纯度的碳化硅粉料，实现原料重复利用。
55.作为一种实施方式，多孔分隔件为多孔石墨分隔板4，多孔石墨分隔板4的密度小于坩埚体的密度。多孔分隔件为多孔石墨分隔板4，可以使上腔室21内通入的气体及时有效排出，同时上腔室21与下腔室22形成的压强差会形成向下的气流从而有效抑制c颗粒物向上运动进入碳化硅晶体，减少碳化硅晶体的包裹物数量。坩埚体通常为石墨坩埚体，多孔石墨分隔板4的密度小于石墨坩埚体的密度，使上腔室21未反应的气体进入下腔室22后逐渐重结晶获得高纯度的碳化硅粉料，实现原料重复利用。
56.在一实施例中，多孔石墨分隔板4的密度为0.2-1.5g/cm3，石墨坩埚体的密度通常为1.3-2.5g/cm3；进一步地，多孔石墨分隔板4的密度为0.3-1.3g/cm3。
57.上腔室21的顶部盖体9内侧设有籽晶放置部，a'通气口正对籽晶放置部3的《11-20
》方向(也是籽晶的《11-20》方向)；通气口开设在上腔室21的侧壁靠近籽晶放置部3的位置。由于碳化硅晶体10的形核中心一般在碳化硅晶体10的晶体中心偏向《11-20》方向一定距离，所以a'通气口正对籽晶放置部3的《11-20》方向，a'通气口的含si气氛的浓度最低，含c气氛的浓度最大，a通气口的含si气氛的浓度最高，含c气氛的浓度最低，更有利于引导形核中心向晶体中心(即温场中心)移动。
58.碳化硅晶体生长装置还包括多孔石墨台6，下腔室22由多孔石墨台6、坩埚体侧壁及多孔分隔件围成；多孔石墨台6的密度小于坩埚体1的密度。多孔石墨台6的密度小于坩埚体1的密度，能够避免进入下腔室22的气氛进入石墨坩埚体的侧壁析出碳化硅晶粒对坩埚体1的保温结构造成侵蚀从而延长保温结构的寿命，起到降本增效的效果。进一步地，多孔石墨台6呈中空的凸台状，多孔石墨台6的顶部向多孔分隔件延伸，多孔石墨台6选自圆台状、圆锥状、圆柱状中的一种形状，但不限于这些形状。多孔石墨台6的中空部位设置有石墨连接筒7，石墨连接筒7的一端向远离下腔室22的方向延伸。石墨连接筒7通过石墨导管连接气体处理装置，气体处理装置吸收多余的气氛，避免气氛对坩埚体1的保温结构造成侵蚀。
59.石墨连接筒7的密度小于坩埚体1的密度；石墨连接筒7的密度不大于多孔石墨台6的密度。石墨连接筒7的密度小于坩埚体1的密度，不大于多孔石墨台6的密度，能够避免进入下腔室22的气氛进入石墨坩埚体的侧壁析出碳化硅晶粒对坩埚体1的保温造成侵蚀从而延长保温寿命。
60.在一实施方式中，上腔室21的直径为100-300mm，高度为150-500mm，通气口的孔径为5-20mm，坩埚体侧壁的厚度为10-30mm，下腔室22的高度为150-500mm，多孔石墨台6的顶部到多孔分隔件底部的距离为30-100mm，下腔室22从上到下的温度变化量为0.1-10℃/mm，以保证碳化硅粉料充分重结晶。
61.在本实施例中还提供一种碳化硅晶体长晶方法，使用上述的生长装置，碳化硅晶体长晶方法包括以下步骤：
62.1.组装阶段
63.(1)将坩埚体1、籽晶、sic粉料5、多孔石墨分隔板4、多孔石墨台6、石墨连接筒7按照图1组装，其中籽晶单元的《11-20》方向正对a'通气口，然后将生长装置置入加热装置的腔体9中；
64.2.长晶准备阶段
65.(1)将生长腔室2内压力抽至10-6
mbar以下，并将温度升高至第一温度1200-1600℃，持续2-5h；
66.(2)向生长腔室2内通入惰性气体，将压力升至生长压力0-120mbar，持续1-3h，惰性气体的纯度大于99.999％；
67.(3)保持第一温度和生长压力不变，不同气源通过通气口向上腔室内通入特定成分的气体，气体流量均为1-300sccm，通入后持续1-3h，使气体充分混合稳定，构建出从a通气口(1#通气口)到a'通气口(5#通气口)含si气氛逐渐减小、含c气氛逐渐增大的浓度梯度变化，为后期晶体生长做准备。
68.具体地，以第二对通气口的数量为3对为例，从a通气口依次标记为1#-8#通气口，则a通气口为1#通气口，a'通气口为5#通气口，各个通气口通过石墨导管连接到不同的气源上，含硅气体为硅烷类气体，含c气氛为烷类气体，硅烷类气体和烷类气体的纯度均大于
99.999％，烷类气体包括甲烷和/或乙烷，硅烷类气体包括甲硅烷和/或乙硅烷，3#和7#通入烷类气体与硅烷类气体的体积比为1：1，2#和8#通气口通入烷类气体与硅烷类气体的体积比为1：3，4#、6#通气口通入烷类气体与硅烷类气体的体积比为3：1，1#气孔全部通入硅烷类气体，5#气孔完全通入烷类气体，进而构建了从a通气口至a'通气口含si气氛逐渐减少，含c气氛逐渐增大的梯度变化。
69.3.长晶阶段：
70.(1)第一长晶阶段：在上腔室内保持生长压力不变，保持通气口的气体流量不变，将第一温度升至第二温度2000℃-2500℃，进行碳化硅晶体生长，生长时间为18-55；
71.(2)第二长晶阶段：在上腔室内保持第二温度，各通气口气体流量在18-55h内逐步均匀降低至原气体流量的1/3-1/2；
72.(3)第三长晶阶段：在上腔室内保持第二温度，保持第二长晶阶段最终通入通气口的气体流量，继续进行碳化硅晶体生长,第三长晶阶段的长晶时间为18-55h。
73.常规长晶过程中形核中心一般在中心偏《11-20》方向一定距离，如1/4直径处，从形核中心发出的生长台阶在径向上的传输生长距离就会存在较大差异，《11-20》方向传输距离最短，《-1-120》方向传输距离最长，且《-1-120》方向传输过程中会经过晶体中心，晶体中心是温场中心，温度最低点，本身生长速度最快，两个中心的分离将不可避免的对长晶过程造成扰动，形核中心的台阶信息无法有效穿过晶体中心，导致生长信息丢失、错配甚至失配，对晶体质量提升有很大隐患；本技术构建的含si气氛和/或含c气氛的浓度梯度变化引导形核中心向晶体中心偏移，可以使形核中心靠近晶体中心甚至重合，两个中心重合后台阶的生长信息往各个方向的传输生长距离都是一样的，这样可以最大限度地将生长信息有效传递出去，不会造成扰动。
74.4.生长结束，冷却后从生长装置中取出碳化硅晶体。
75.5.将得到的碳化硅晶体进行切割、研磨、抛光等加工后得到改进的碳化硅籽晶，使用该籽晶重复步骤1-5过程，至少2-3轮后即可得到形核中心与晶体中心重合的碳化硅晶体；
76.6.将形核中心与晶体中心重合的碳化硅晶体进行切割、研磨、抛光等加工后即可得到形核中心与晶体中心重合的碳化硅籽晶及衬底。
77.在一实施例中，上腔室的压力为5-120mbar，下腔室的压力为0-100mbar，上腔室的压力大于下腔室的压力，上下腔室的压力差为5-20mbar，以保证上腔室的气体通过多孔石墨分隔板的孔隙快速导向下腔室，维持上腔室内压力及各种气相组分的动态平衡，下腔室从上到下的温度变化量为0.1-10℃/mm，上腔室的温度为下腔室顶部的温度，保证碳化硅粉料充分重结晶，为碳化硅单晶生长构建稳定的温场和流场结构，减少或消除因气流扰动造成的晶体缺陷(如应力、ted、tsd、面型等)，进而提高晶体质量。
78.以下表1为碳化硅晶体1#-5#按照上述制备方法制备的步骤相关参数，及对比碳化硅晶体d1#-d3#的相关参数，以及对碳化硅晶体1#-5#及d1#-d3#的形核中心点105与晶体中心点103的距离相关参数的测量。其中碳化硅晶体d1#所使用的生长装置相对碳化硅晶体3#所使用的本技术请求保护的生长装置不设置通气口，除与通气口相关的步骤和参数不同外，其他步骤和参数均相同；d2#与碳化硅晶体3#的制备方法不同之处在于上下腔室的压力差小于5mbar，其它步骤和参数相同；d3#与碳化硅晶体3#的制备方法不同之处在于上下腔
室的压力差大于25mbar，其它步骤和参数相同。
79.表1
[0080][0081][0082]
需要注意的是，上述的小面指的是形核形貌104形成的小面，形核形貌大致呈圆形，小面直径即为形核形貌的直径。
[0083]
由上表1可以看出，通过本技术的碳化硅晶体长晶装置及制备方法制备的碳化硅晶体1#-5#，其形核中心点105(即小面中心点)与晶体中心点103的距离控制在0-20mm的范围内，两个中心点的距离值＜晶体直径的1/10。另外，碳化硅晶体10的小面直径为50-200mm，碳化硅晶体10直径≥100mm，小面直径为碳化硅晶体10直径的1/4-1/2，小面面积为碳化硅晶体10主表面面积的1/16-1/4。碳化硅晶体1#-5#、d2#和d3#经过重复三次步骤1-5
后，形核中心点105与晶体中心点103能够完全重合，说明形核中心与晶体中心重合度较高，甚至完全重合；而对比碳化硅晶体d1#的形核中心点105与晶体中心点103始终具有一定的距离且超过了30mm，说明形核中心与晶体中心重合度较较低，远远不如碳化硅晶体1#-5#的两个中心的重合度。
[0084]
表2为经过重复三次步骤1-5后的碳化硅晶体1#-5#、d2#及d3#的性能测试，其性能包括螺纹错位tsd密度、刃位错ted密度、表面应力绝对值、结晶质量、弯曲度bow、翘曲度warp、总厚度偏差ttv、局部厚度偏差ltv；及将形核中心点105与晶体中心点103重合的碳化硅晶体1#-5#，进行切割、研磨、抛光等加工后即可得到形核中心点105与晶体中心点103重合的碳化硅籽晶z1#-z5#及衬底c1#-c5#的性能的测试。
[0085]
此处需要说明的是将碳化硅晶体进行切割、研磨、抛光等获得籽晶或衬底的工艺为现有技术，在此不再赘述。另外，晶体中心点定义的是碳化硅晶体中轴线与第一主表面101和第二主表面102的交点为晶体中心点；测试的晶体中心点与形核中心点的相关距离参数统一在第一主表面测量。
[0086][0087]
从表2中可以得出，碳化硅晶体1#-5#、碳化硅籽晶z1#-z5#及衬底c1#-c5#的小面范围内的tsd＜150/cm2，ted＜1500/cm2，小面范围外的tsd＜100/cm2，ted＜1000/cm2；表面应力绝对值小于15mpa，面内差值小于20mpa；结晶质量小于25arcs(弧秒)；bow小于5um，warp小于10um，ttv小于3um，ltv小于1um。其中d2#与碳化硅晶体3#的制备方法不同之处在
于上下腔室的压力差小于5mbar，其它步骤和参数相同；d3#与碳化硅晶体3#的制备方法不同之处在于上下腔室的压力差大于25mbar，其它步骤和参数相同，d2#和d3#的性能测试结果均差于碳化硅晶体1#-5#，说明上、下腔室的压力差过小或过大，都会影响上腔室内压力及各种气相组分的动态平衡，进而影响碳化硅单晶生长构建的流场结构，增加或产生因气流扰动造成的晶体缺陷，进而影响晶体的质量。
[0088]
以上所述，仅为本技术的实施例而已，本技术的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本技术的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。