本發(fā)明涉及一種提升碳化硅晶體電阻率均勻性的物理氣相傳輸法。

背景技術(shù)：

1、隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，面對下一代電力電子器件的更高性能要求，現(xiàn)有硅（si）、鍺（ge）等廣泛使用的半導(dǎo)體材料由于自身物化性能的限制，越來越難以滿足這些新需求。以碳化硅（sic）、氮化鎵（gan）等晶體為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展，為新一代電力電子器件的發(fā)展帶了新的希望。

2、與傳統(tǒng)的硅材料相比，碳化硅晶體具備寬帶隙、高飽和電子遷移率、高擊穿場強(qiáng)、高熱導(dǎo)率等突出優(yōu)點(diǎn)，而且其自身的物理化學(xué)性質(zhì)也特別穩(wěn)定，是未來電力電子器件的最佳襯底材料之一。當(dāng)前，采用碳化硅材料制備的電力電子器件已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于交通（電動汽車、高鐵、軌道交通、飛機(jī)等）、新能源、通訊等涉及國計民生的重要領(lǐng)域中。

3、近幾年來，隨著電動汽車、電動自行車、軌道交通、白色家電等對節(jié)能環(huán)保、高效電能轉(zhuǎn)化的迫切需求，使得對碳化硅晶體需求越來越旺盛。然而，由于碳化硅襯底高昂的價格，嚴(yán)重地制約其應(yīng)用場景。為此，降低碳化硅晶體的成本是碳化硅產(chǎn)業(yè)面臨的首要問題，也是推進(jìn)碳化硅晶體走向更廣大市場的必由之路。

4、為了降低碳化硅襯底的成本，業(yè)界已經(jīng)從提升晶體直徑（開發(fā)8寸襯底）、生長更厚的晶體（厚度＞30?mm）、提高晶體的品質(zhì)與良率、開發(fā)新的加工技術(shù)（激光切割、快速拋光等）、研發(fā)新的晶體生長技術(shù)（液相法）等手段以期實(shí)現(xiàn)碳化硅晶體的降本增效。其中，提升晶體的電阻率均勻性是提升碳化硅襯底產(chǎn)品性能一致性，提高產(chǎn)品良率的重要方向之一。因?yàn)橐r底的電阻率大小以及均勻性直接影響著最終器件的性能優(yōu)劣，以及產(chǎn)品性能的一致性。

5、在碳化硅晶體生長過程中，一般通過調(diào)節(jié)氮?dú)獾暮縼碚{(diào)控電阻率的大?。ǖ吭礁呔w電阻率越低），通過調(diào)節(jié)生長界面形狀和生長速度來調(diào)控電阻率的均勻性。為了獲得更低的電阻率，一般需要采用高摻雜來實(shí)現(xiàn)，然而高摻雜容易導(dǎo)致晶體產(chǎn)生位錯缺陷，影響晶體的品質(zhì)。專利202211490608，公開了一種通過環(huán)形二層裝填不同含氮的碳化硅粉料的方法應(yīng)用到碳化硅晶體的生長過程中，獲得了片內(nèi)電阻率差值為3?mω·cm。專利202310797984，公開了一種透過控制碳化硅晶體的軸向溫梯與徑向溫梯的比例差以及調(diào)節(jié)氮濃度的摻雜量而使形成的碳化硅晶體及碳化硅晶片具有均勻的電阻率，其電阻率為15-20?mω·cm的范圍內(nèi)，且其片內(nèi)電阻率均勻性偏差為小于0.4%。專利202322608500，公開了一種碳化硅晶體生長裝置，其能夠在生長碳化硅單晶時改善溫梯過大的問題，進(jìn)而保持碳化硅晶體生長過程中凸度一致，長出晶體凸出高度差（生長界面形狀）在0-3?mm，最終使得單片內(nèi)電阻差值小于0.2?m?ω/cm2。專利202410530915公開了一種生長結(jié)構(gòu)和方法，通過在生長過程中通過額外的補(bǔ)充口補(bǔ)充20-50%的氮?dú)?，使得電阻率最大值與最小值差異小于2?mω·cm。

6、上述專利分別從生長爐結(jié)構(gòu)和生長工藝、裝料方式、控制晶體生長溫度梯度等方面來提高碳化硅晶體的電阻率均勻性。以上方法雖然在一定程度上提高了晶體電阻率的均勻性，但是也間接導(dǎo)致生長裝置或裝料工序復(fù)雜化降低效率，或者由于凸度增加導(dǎo)致晶體應(yīng)力變大，使晶體容易開裂等不利因素，且以上措施僅僅提升了片內(nèi)的電阻率均勻性，對于晶體頭尾的電阻率均勻性未做說明。本發(fā)明提供了一種簡便可行的提升碳化硅晶體電阻率均勻性的新方法，不僅可以大幅提升碳化硅晶體片內(nèi)的電阻率，還可以大幅提升晶體頭尾的電阻率均勻性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種提升碳化硅晶體電阻率均勻性的物理氣相傳輸法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種提升碳化硅晶體電阻率均勻性的物理氣相傳輸法，包括以下步驟：

3、（1）采用常規(guī)pvt法晶體生長裝置與熱場結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝爐，裝爐原料為經(jīng)梯度滲氮預(yù)處理的碳化硅粉料；

4、（2）在加熱升溫階段同步實(shí)施動態(tài)滲氮處理：以載氣總流量的30-60%通入氮?dú)?，控制生長腔壓力為300-700?mbar，并維持軸向溫度梯度δt=15-20℃/cm；

5、（3）在晶體接種及生長階段，將氮?dú)饬髁空{(diào)整為常規(guī)工藝流量的40-60%，同步調(diào)控生長速率為0.2-0.25?mm/h；

6、（4）完成晶體生長后程序控冷，降溫速率≤5℃/min，全程維持氮?dú)夥謮簽榭倸鈮旱?0-30%；

7、（5）獲得軸向電阻率梯度＜1.2%/cm且6英寸晶圓片內(nèi)電阻率極差＜0.15?mω·cm的碳化硅晶體。

8、優(yōu)選的，所述梯度滲氮預(yù)處理包括：

9、在氮?dú)夥謮禾荻葓鱿逻M(jìn)行三階段處理：初始活化階段（1500-1600℃/ar:n2=4:1）、梯度滲透階段（1800-190℃/軸向δt=100℃）、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散階段（2000-2100℃/等溫保持）；

10、預(yù)處理后原料的氮濃度分布均勻性≥98.7%。

11、優(yōu)選的，步驟（2）中所述載氣為氬氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w，其中氬氣流量為100-400sccm，氮?dú)饬髁繛闅鍤饬髁康?0-50%。

12、優(yōu)選的，步驟（2）中生長腔壓力控制為400-600?mbar，且氮?dú)馔ㄈ胛恢脼樯L腔底部多孔氣體分布器，分布器孔徑梯度為0.5-2?mm（中心向邊緣遞增）。

13、優(yōu)選的，步驟（3）中氮?dú)饬髁客ㄟ^閉環(huán)反饋系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)參數(shù)包括：

14、實(shí)時晶體生長界面凸度（控制波動＜0.5?mm）；

15、軸向溫度梯度變化量（δ(δt)≤0.5℃/cm）；

16、生長速率偏差（≤±0.02?mm/h）。

17、優(yōu)選的，所述程序控冷階段采用分段冷卻策略：

18、第一階段（生長溫度至1500℃）：降溫速率3-5℃/min，氮?dú)夥謮壕S持20-30%；

19、第二階段（1500℃至800℃）：降溫速率1-3℃/min，氮?dú)夥謮褐鸩浇档椭?-10%；

20、第三階段（＜800℃）：自然冷卻，關(guān)閉氮?dú)夤?yīng)。

21、優(yōu)選的，步驟（1）中裝料采用三維螺旋堆疊法，層間旋轉(zhuǎn)角度為25-35°，粉料堆積密度梯度為1.8-2.2?g/cm3（中心向邊緣遞減）。

22、優(yōu)選的，所述碳化硅晶體的軸向電阻率梯度＜1.2%/cm，6英寸晶圓片內(nèi)電阻率極差＜0.15?mω·cm，且頭尾電阻率差異＜8%。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

24、傳統(tǒng)通過載氣摻氮的方式受制于生長溫梯和生長界面形狀的限制，生長腔中氣相流動模式固定，導(dǎo)致載氣中的氮原子與碳化硅氣相組分混合不充分，會在局部引起氮濃度不均勻，這是引起碳化硅晶體電阻率不均勻的關(guān)鍵所在；

25、本發(fā)明專利通過在升溫階段通入載氣流量30-60%的氮?dú)鈱υ线M(jìn)行滲氮，使是氮原子在升溫時就預(yù)先進(jìn)入碳化硅原料的晶格或者吸附在原料表面，起到了預(yù)先混合的目的，使得原料中的氮含量及分布更加均勻；

26、在生長的過程中氮隨著原料的揮發(fā)一起升華并同時在生長界面處凝華結(jié)晶，可以大大降低氮原子與碳化硅氣相組分混合均勻性的要求，提升晶體中的氮含量均勻性；

27、在正常生長過程中，由于氮?dú)饬髁靠稍O(shè)置為常規(guī)工藝的40-60%，大大減低了高氮摻雜容易引起位錯、層錯增加的問題，提升了晶體的質(zhì)量；

28、與現(xiàn)有工藝相比，可以在保持所有工藝設(shè)備與配置不變的前提下，僅需在升溫過程中增加通入氮?dú)膺M(jìn)行原料滲氮處理，流程操作方便、簡單，易于生產(chǎn)。