一种高质量低缺陷碳化硅单晶、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种高质量低缺陷碳化硅单晶片，且含有氮；碳面中的氮浓度低于硅面中的氮浓度，且氮浓度在晶片厚度方向上，随着距碳面的距离的增大而增加。本发明专利技术中的碳化硅单晶晶片能够保证向碳面凸起弯曲。此种向碳面凸起弯曲的结构在晶体切割和晶片加工过程中得以保留，并与加工应力抵消，可获得残余应力较小的碳化硅单晶晶片，同时有利于减小晶片位错，还保证了外延层的缺陷密度在较低水平。本发明专利技术还提供了一种高质量低缺陷碳化硅单晶的制备方法及应用。

【技术实现步骤摘要】
一种高质量低缺陷碳化硅单晶、其制备方法及应用
本专利技术属于半导体
，尤其涉及一种高质量低缺陷碳化硅单晶、其制备方法及应用。
技术介绍
碳化硅(SiC)单晶是一种宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、临界击穿场强大、热导率高、饱和漂移速度高等诸多特点，被广泛应用于制作高温、高频及大功率电子器件。此外，由于SiC和氮化镓(GaN)的晶格失配小，SiC单晶是GaN基LED、肖特基二极管、MOSFET、IGBT、HEMT等器件的理想衬底材料。为降低器件成本，下游产业对SiC单晶衬底提出了大尺寸的要求，目前国际市场上已有6英寸(150毫米)产品，预计市场份额将逐年增大。与传统硅功率器件制作工艺不同的是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件。由于碳化硅器件必须制作在外延材料上，所以基本上所有碳化硅单晶材料都将作为衬底材料用来生长外延材料。碳化硅晶片的两个表面，将最外表面中硅原子排列的面定义为硅面，并且将最外表面中碳原子排列的面定义为碳面，通常以碳化硅晶片的硅面作为同质外延的生长面，但目前的碳化硅晶片外延之后，经常会引起硅片的凸起弯曲，造成外延片的翘曲变大，当碳化硅晶片的衬底直径在6英寸(150毫米)以上时，翘曲的问题更加严重。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高质量低缺陷碳化硅单晶片、其制备方法及应用，本专利技术中的碳化硅单晶能够得到翘曲度小的碳化硅外延片。本专利技术提供一种高质量低缺陷碳化硅单晶片，具有4H，6H，15R等晶型结构，且含有氮；碳面中的氮浓度低于硅面中的氮浓度，且在晶片厚度方向上，氮浓度随着与碳面的距离的增大而增加。优选的，所述硅面的氮浓度优选为6×1018～8×1018cm-3，更优选为6.5×1018～7.5×1018cm-3，更优选为6.8×1018～7×1018cm-3；所述碳面的氮浓度优选为5.5×1018～7×1018cm-3，更优选为6×1018～6.5×1018cm-3。优先的，晶片的厚度范围在200微米到1000微米；进一步优选的，晶片的厚度范围在300微米到600微米；更优选的，晶片的厚度范围在350±20微米和500±20微米。优选的，所述硅面中的氮浓度比碳面中的氮浓度高1×1016cm-3～4×1018cm-3；进一步优选的，所述硅面中的氮浓度比碳面中的氮浓度高5×1016cm-3～2×1018cm-3；更优选的，所述硅面中的氮浓度比碳面中的氮浓度高1×1017cm-3～1×1018cm-3。优选的，所述碳面和所述硅面的相对于{0001}面的偏角为8°以下；进一步优选的，所述碳面和所述硅面的相对于{0001}面的偏角为6°以下；更优选的，所述碳面和所述硅面的相对于{0001}面的偏角为4°以下。优选的，所述硅面的氮浓度是碳面的氮浓度的1.01～2倍；进一步优选的，所述硅面的氮浓度是碳面的氮浓度的1.02～1.08倍；更优选的，所述硅面的氮浓度是碳面的氮浓度的1.03～1.06倍。优选的，所述晶片的电阻率范围在0.015Ω·cm到0.050Ω·cm；进一步优选的，所述晶片的电阻率范围在0.017Ω·cm到0.030Ω·cm；更优选的，所述晶片的电阻率范围在0.018Ω·cm到0.025Ω·cm。优选的，所述晶片的位错TSD<400个/cm2，TED<5000个/cm2，BPD<1000个/cm2；进一步优选的，所述晶片的位错TSD<300个/cm2，TED<4500个/cm2，BPD<800个/cm2；更优选的，所述晶片的位错TSD<200个/cm2，TED<4000个/cm2，BPD<600个/cm2。本专利技术提供一种高质量低缺陷碳化硅晶体的制备方法，包括以下步骤：在含有氮气的混合气氛下，以籽晶的碳面为生长面，使碳化硅原料升华并在籽晶的碳面上结晶，得到碳化硅单晶；所述氮气浓度随生长时间逐渐降低，且氮气浓度的变化速率V氮与晶体生长速率V生长呈负相关性，具有式I所示关系，V氮＝k×V生长式I。优选的，所述式I中的k为相关系数，k为负值，k的取值范围为-2.6×1016～-8×1012。优选的，所述晶体生长速率V生长为0.05mm/h～0.40mm/h；进一步优选的，所述晶体生长速率V生长为0.10mm/h～0.30mm/h；更优选的，所述晶体生长速率V生长为0.15mm/h～0.25mm/h。优选的，所述含有氮气的混合气氛中氮气在碳化硅单晶生长的起始气氛中的体积百分比为6％～10％，终止气氛中的体积百分比为1％～5％；进一步优选的，所述含有氮气的混合气氛中氮气在碳化硅单晶生长的起始气氛中的体积百分比为7％～9％，终止气氛中的体积百分比为2％～4％；更优选的，所述含有氮气的混合气氛中氮气在碳化硅单晶生长的起始气氛中的体积百分比为7％～8％，终止气氛中的体积百分比为3％～4％。优选的，所述籽晶的偏角度为0～8°；进一步优选的，所述籽晶的偏角度为0～6°；更优选的，所述籽晶的偏角度为0～4°。优选的，所述碳化硅单晶生长过程中，工艺条件如下：在压力20～80Kpa下，升温至2000～2500℃，维持1～10小时；将压力降至100～5000Pa，维持1～5小时；将压力维持在100～5000Pa，提升籽晶，按照权利要求5～8的方法控制氮气流量，进行碳化硅单晶的生长，生长时间为40～500小时；将压力升至20～80KPa，降温冷却，得到碳化硅单晶。优选的，所述籽晶的提升速度为0～5mm/h，籽晶的提升高度为0～50mm；进一步优选的，所述籽晶的提升速度为0～3mm/h，籽晶的提升高度为0～30mm；更优选的，所述籽晶的提升速度为0.5～1.5mm/h，籽晶的提升高度为10～25mm。如上文所述的高质量低缺陷碳化硅单晶片或上文所述的制备方法在制备碳化硅衬底外延层中的应用。通过大量的研究，本专利技术提供了一种高质量低缺陷碳化硅单晶片，具有4H，6H，15R等晶型结构，且含有氮；碳面中的氮浓度低于硅面中的氮浓度，且氮浓度在晶片厚度方向上，随着距碳面的距离的增大而增加，晶片的厚度范围在200微米到1000微米。本专利技术中的碳化硅单晶晶片，所述碳面中的氮浓度低于所述硅面中的氮浓度，使接近碳面的区域中的晶格常数大于接近硅面的区域中的晶格常数，在硅面中产生压缩应力，在碳面中产生拉伸应力，保证向碳面凸起弯曲。此种向碳面凸起弯曲的结构在晶体切割和晶片加工过程中得以保留，并与加工应力抵消，可获得残余应力较小的碳化硅单晶晶片，同时有利于减小晶片位错。在硅面同质外延生长碳化硅薄膜时，由于外延层的氮浓度低于晶片的硅面，外延层的晶格常数大于硅面，使晶片向硅面凸起弯曲，两种应力相互抵消，外延层在生长过程中保持较小的翘曲度，从而得到翘曲度小的碳化硅外延片，此外延层中具有少的残余应力，保证了外延层的缺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高质量低缺陷碳化硅单晶片，且含有氮；/n碳面中的氮浓度低于硅面中的氮浓度，且在晶片厚度方向上，氮浓度随着与碳面的距离的增大而增加，所述碳化硅单晶片的厚度为200微米到1000微米。/n

【技术特征摘要】
1.一种高质量低缺陷碳化硅单晶片，且含有氮；
碳面中的氮浓度低于硅面中的氮浓度，且在晶片厚度方向上，氮浓度随着与碳面的距离的增大而增加，所述碳化硅单晶片的厚度为200微米到1000微米。


2.根据权利要求1所述的高质量低缺陷碳化硅单晶片，其特征在于，所述碳化硅单晶片的晶型结构为4H，6H或15R。


3.根据权利要求1所述的高质量低缺陷碳化硅单晶片，其特征在于，所述碳化硅单晶片的掺杂元素为氮，其余元素均在SIMS检出限以下。


4.根据权利要求1所述的高质量低缺陷碳化硅单晶片，其特征在于，所述硅面中的氮浓度比碳面中的氮浓度高1×1016cm-3～4×1018cm-3。


5.根据权利要求1所述的高质量低缺陷碳化硅单晶片，其特征在于，所述碳面和所述硅面的相对于{0001}面的偏角为8°以下。


6.根据权利要求1所述的高质量低缺陷碳化硅单晶片，其特征在于，所述硅面的氮浓度是碳面的氮浓度的1.01～2倍。


7.根据权利要求1所述的高质量低缺陷碳化硅单晶片，其特征在于，所述碳化硅单晶片的电阻率为0.015Ω·cm～0.050Ω·cm。


8.根据权利要求1所述的高质量低缺陷碳化硅单晶片，其特征在于，所述碳化硅单晶片的位错TSD<400个/cm2，TED<5000个/cm2，BPD<1000个/cm2。


9.一种高质量低缺陷碳化硅晶体的制备方法，包括以下步骤：
在含有氮气的混合气氛下，以籽晶的碳面为生长面，使碳化硅原料升华并在籽晶的碳面上结晶，得到碳化硅单晶；
所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春俊，姚静，雍庆，娄艳芳，赵宁，王波，彭同华，杨建，
申请(专利权)人：北京天科合达半导体股份有限公司，北京天科合达新材料有限公司，江苏天科合达半导体有限公司，新疆天科合达蓝光半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11