一种气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法

1.本发明涉及一种晶体生长方法，尤其涉及一种均匀掺杂碳化硅单晶生长方法。

背景技术：

2.碳化硅晶体是第三代半导体材料，其一方面可以制备电力电子器件和功率器件，另一方面也是重要的衬底材料，可用于氮化镓生长。其高热导率、抗辐射、耐腐蚀决定其可在恶劣环境下长期稳定工作。在航天、卫星、新能源、5g通信领域有较大应用前景。
3.碳化硅单晶的制备方法分为气相法和液相法两大类。当前应用最为广泛的是物理气相传输法，也就是pvt法或籽晶升华法。主要用到石墨坩埚，碳化硅原料和碳化硅籽晶分别放置在石墨坩埚上下端。它的基本原理是通过高温将高纯碳化硅粉料气化升华，籽晶放置于低温区，利用温度梯度的驱动力使得气相组分输运到籽晶位置在籽晶生长面结晶生长。经过几十小时以上的生长时间，可以获得较厚的碳化硅晶锭。
4.为了获得具有某种特性的碳化硅单晶，可以在碳化硅单晶生长过程中掺杂其它物质元素。如导电型碳化硅单晶可以通过掺杂氮元素获得，p型碳化硅单晶可以通过掺杂铝元素获得，半绝缘型碳化硅单晶可以通过掺杂硼元素获得。还有其它掺杂特性的研究。在气相法生长碳化硅单晶过程中掺杂通常有两种途径，一种是生长过程中通入杂质元素气体，这种掺杂方式难以精准控制，受气体流量、气压、晶体生长时间等因素影响。另一种途径是在碳化硅高纯原料中掺入杂质元素，经过充分混合后进行晶体生长，这种途径掺杂在晶体生长面上的均匀性难以控制，杂质元素粒子易于聚集形成缺陷。特别对于大尺寸晶体生长过程中的掺杂，掺杂均匀性的控制更是一大难题。
5.掺杂不均匀将直接导致晶体性能的一致性较差。对于后期的器件制备及器件性能稳定性带来不利影响。产品良率降低，生产成本增加。因而在碳化硅单晶生长过程中控制掺杂均匀性成为掺杂碳化硅晶体制备的重要问题。

技术实现要素：

6.针对前述技术问题，本发明提供一种气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法。本发明通过改变石墨坩埚内部结构，在石墨坩埚内部原料与籽晶之间加入蜂窝状石墨圆柱体，控制混合原料气体组分在籽晶表面的分布均匀性，达到掺杂碳化硅晶体生长过程中的掺杂物质分布均匀性控制。
7.本发明所述的一种气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法，通过如下所述的气相法碳化硅单晶生长用石墨坩埚实现：该石墨坩埚结构装置，包括石墨坩埚内部多孔蜂窝状石墨圆柱体、高纯碳化硅粉与固态粉状掺杂物质混合均匀的碳化硅原料、碳化硅籽晶及石墨坩埚体；包括下述制备步骤：
8.(1)将混合均匀的碳化硅原料放入石墨坩埚中，在碳化硅原料上部放置多孔蜂窝状石墨圆柱体，碳化硅籽晶固定在石墨坩埚上盖内侧，封闭石墨坩埚；
9.(2)将石墨坩埚放入晶体生长炉，进行碳化硅单晶生长。
10.进一步的，所述步骤(1)中，所述多孔蜂窝状石墨圆柱体其直径略小于石墨坩埚内径，差值2-4毫米。
11.进一步的，所述步骤(1)中，所述多孔蜂窝状石墨圆柱体高度根据碳化硅原料与籽晶间距来决定，控制其上表面距离籽晶2-3厘米。
12.进一步的，所述步骤(1)中，所述多孔蜂窝状石墨圆柱体孔径为1-4厘米。
13.针对上述工艺要求，本发明提出了一种气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法，在石墨坩埚内部原料与籽晶之间加入蜂窝状石墨圆柱体，控制混合原料气体组分在籽晶表面的分布均匀性，达到掺杂碳化硅晶体生长过程中的掺杂物质分布均匀性控制。其石墨坩埚结构装置包括石墨坩埚内部多孔蜂窝状石墨圆柱体，高纯碳化硅粉与固态粉状掺杂物质混合均匀的碳化硅原料，碳化硅籽晶，石墨坩埚体。
14.本发明的有益效果如下：
15.本发明提供了一种气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法。通过在石墨坩埚内部原料与籽晶之间加入蜂窝状石墨圆柱体，实现控制混合原料气体组分在籽晶表面的分布均匀性，达到掺杂碳化硅晶体生长过程中的掺杂物质分布均匀性控制目的。本发明操作简单，成本较低，易于大批量生产。
附图说明
16.图1为本发明的石墨坩埚结构示意图；
17.图2为多孔蜂窝状石墨圆柱体截面图。
18.其中，1、石墨坩埚内部多孔蜂窝状石墨圆柱体，2、高纯碳化硅粉与固态粉状掺杂物质混合均匀的碳化硅原料，3、碳化硅籽晶，4、石墨坩埚体。
具体实施方式
19.为了本专业领域人员能更好地理解本发明的技术方案，下面我们将结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例为示例性的，仅仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
20.针对上述问题，本发明提供了一种气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法，在石墨坩埚内部原料与籽晶之间加入蜂窝状石墨圆柱体，控制混合原料气体组分在籽晶表面的分布均匀性，达到掺杂碳化硅晶体生长过程中的掺杂物质分布均匀性控制。
21.实施例1
22.本发明所述的一种气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法，其特征在于：通过如下所述的气相法碳化硅单晶生长用石墨坩埚实现：该石墨坩埚结构装置，包括石墨坩埚内部多孔蜂窝状石墨圆柱体1、高纯碳化硅粉与固态粉状掺杂物质混合均匀的碳化硅原料2、碳化硅籽晶3及石墨坩埚体4；实际制备步骤为：
23.(1)称量适量高纯碳化硅粉及高纯碳化铝粉，球磨混合48小时；
24.(2)将混合均匀的原料放入石墨坩埚中，在碳化硅原料上部放置多孔蜂窝状石墨圆柱体，石墨圆柱体其直径略小于石墨坩埚内径，差值3毫米；石墨圆柱体上表面距离籽晶2厘米；石墨圆柱体蜂窝孔径为3厘米；
25.(3)4英寸4h晶型碳化硅籽晶固定在石墨坩埚上盖内侧，封闭石墨坩埚；
26.(4)将石墨坩埚放入晶体生长炉，进行碳化硅单晶生长，生长温度2150℃，氩气作为载气，反应室内气压在4.1kpa，生长时间96小时，得到p型碳化硅晶锭。
27.采用上述工艺生长的碳化硅晶锭加工出的碳化硅晶圆衬底颜一致，掺杂均匀性好。
28.由此，本发明提供了一种气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法，在石墨坩埚内部原料与籽晶之间加入蜂窝状石墨圆柱体，控制混合原料气体组分在籽晶表面的分布均匀性，达到掺杂碳化硅晶体生长过程中的掺杂物质分布均匀性控制。使用结构改变的石墨坩埚进行掺杂碳化硅晶体生长，得到掺杂均匀的碳化硅晶锭。
29.在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“具体实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、材料、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，描述的具体特征、材料、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。
30.尽管给出和描述了本发明的实施例，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法，通过气相法碳化硅单晶生长用石墨坩埚实现：该石墨坩埚结构装置包括石墨坩埚内部多孔蜂窝状石墨圆柱体、高纯碳化硅粉与固态粉状掺杂物质混合均匀的碳化硅原料、碳化硅籽晶及石墨坩埚体；其特征在于：包括下述步骤：(1)将混合均匀的碳化硅原料放入石墨坩埚中，在碳化硅原料上部放置多孔蜂窝状石墨圆柱体，碳化硅籽晶固定在石墨坩埚上盖内侧，封闭石墨坩埚；(2)将石墨坩埚放入晶体生长炉，进行碳化硅单晶生长。2.如权利要求1所述的气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法，其特征在于：所述的多孔蜂窝状石墨圆柱体其直径略小于石墨坩埚内径，差值2-4毫米。3.如权利要求1所述的气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法，其特征在于：所述的多孔蜂窝状石墨圆柱体高度根据碳化硅原料与籽晶间距来决定，控制其上表面距离籽晶2-3厘米。4.如权利要求1所述的气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法，其特征在于：所述的多孔蜂窝状石墨圆柱体孔径为1-4厘米。

技术总结

本发明公开了一种气相法生长碳化硅单晶掺杂均匀性的有效控制方法，根据气相法生长碳化硅单晶的物理特征，通过改变石墨坩埚的内部结构，在石墨坩埚内部原料与籽晶之间加入蜂窝状石墨圆柱体，控制混合原料气体组分在籽晶表面的分布均匀性，达到掺杂碳化硅晶体生长过程中的掺杂物质分布均匀性控制。中的掺杂物质分布均匀性控制。中的掺杂物质分布均匀性控制。