碳化硅热场体系及碳化硅晶锭生产工艺的制作方法

本发明涉及半导体领域，尤其是涉及一种碳化硅热场体系及碳化硅晶锭生产工艺。

背景技术：

1、高质量碳化硅衬底片的核心生长参数包括微管密度、位错密度、电阻率等。晶体生长过程中需要精确控制si/c比、生长温度梯度、生长速率及气流压力等参数，否则容易出现高位错缺陷。对于电阻率的控制，n型导电碳化硅电阻率控制一般是工艺中通过n2的流量(3-15sccm)和时间决定衬底片电阻率的分布，一般在降压段即开始通n2。提前通n2有利于4h晶型的稳定，但可能引起微管和位错的出现。

2、对于n型，通常在惰性气体(ar)中加入n2，n2/ar的比例为0.01-1。实际上，4h-sic单晶在生长的不同阶段，n掺杂的速率不同，因此相关技术中，一般通过控制n2/ar的数值及通氮时间以实现单晶生长前期、中后期电阻率的控制，需要控制的参数太多，生长工艺复杂，难以实现均匀电阻率，层错明显，工艺稳定性差。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一种碳化硅热场体系，在碳化硅晶锭的前、中、后期的生长过程中，可自动调节流向籽晶的碳化硅气氛中的氮浓度，整个过程无需改变n2/ar的数值，工艺稳定性强，可实现均匀电阻率控制，可有效降低层错。

2、本发明还提出一种利用上述碳化硅热场体系的碳化硅晶锭生产工艺。

3、根据本发明实施例的碳化硅热场体系，包括：坩埚盖，所述坩埚盖的底部设有籽晶；坩埚主体，所述坩埚主体与所述坩埚盖相连以限定出容纳空间；导气板，所述导气板设有多个导气孔，所述导气板设于所述容纳空间内以限定出在上下方向上间隔开的第一放料区域和第二放料区域，所述第一放料区域适于铺设在上下方向层叠设置的第一碳化硅粉料层和第二碳化硅粉料层，所述第一碳化硅粉料层包括多个第一碳化硅粉料，所述第二碳化硅粉料层包括多个第二碳化硅粉料，所述第一碳化硅粉料的粒径大于所述第二碳化硅粉料的粒径，所述第二碳化硅粉料的粒径大于所述导气孔的孔径，所述第一碳化硅粉料和所述第二碳化硅粉料的含氮量为0-1.5ppm，所述第二放料区域适于铺设第三碳化硅粉料层，所述第三碳化硅粉料层包括多个第三碳化硅粉料，所述第三碳化硅粉料的含氮量为500ppm-1000ppm。

4、根据本发明实施例的碳化硅热场体系，在碳化硅粉料受热前期，由于多孔导气板40处的多晶还未形成，导气孔处于通路状态，较高氮含量的第三碳化硅粉料受热分解，除部分同第二碳化硅粉料部分向下输运的气相组分在导气板处参与形成多晶外，大部分气相组分沿导气孔与第二碳化硅粉料和第一碳化硅粉料向温度较低的籽晶端输运，参与籽晶处碳化硅晶体的生长，实现原位氮掺杂，而由于生长前期晶体生长速率高，氮掺杂效率低，因此需要高氮含量的气相组分向上输运，此时第三碳化硅粉料的气相组分参与晶体生长，可提高晶体中氮含量，实现降低电阻率的效果。随着反应的进行，一方面，第二碳化硅粉料向下输运的气相组分和第三碳化硅粉料向上输运的气相组分在多孔导气板处参与反应的比例增加，逐渐地阻塞第三碳化硅粉料的向上输运，由于在长晶中后期，晶体生长速率低，氮掺杂效率高，因此需要关闭高氮含量的气相组分向上输运的通道(即导气孔)，可降低晶体中氮含量，实现增加电阻率的效果，从而可实现均匀电阻率，整个过程无需改变n2/ar的数值，工艺稳定性高，可有效降低层错。

5、在本发明的一些实施例中，所述第一碳化硅粉料的粒径为35目-40目，所述第二碳化硅粉料的粒径为10目-15目，所述第三碳化硅粉料的粒径为10目-15目，所述导气孔的孔径为15目-17目。

6、在本发明的一些实施例中，所述第一碳化硅粉料层的高度为h1,所述第二碳化硅粉料层的高度为h2,所述第三碳化硅粉料层的高度为h3，h1、h2和h3满足：20mm≤h1≤30mm，40mm≤h2≤50mm，45mm≤h3≤55mm。

7、在本发明的一些实施例中，所述坩埚主体包括；第一坩埚，所述第一坩埚的底部设有第一螺纹段；坩埚连接环，所述坩埚连接环的顶部设有适于与所述第一螺纹段螺纹配合的第二螺纹段，所述坩埚连接环的底部设有第三螺纹段；第二坩埚，所述第二坩埚的顶部设有第四螺纹段，所述第四螺纹段与所述第三螺纹段螺纹配合。

8、在本发明的一些实施例中，所述第二坩埚的顶部设有台阶槽，所述台阶槽与所述导气板卡接配合。

9、根据本发明实施例的碳化硅晶锭生产工艺，包括：s1：以设定初始高温位利用上述的碳化硅热场体系进行预长晶；s2：根据所述预长晶结束所述第一碳化硅粉料层、所述第二碳化硅粉料处形成的多晶陶瓷体的中心厚度确定设定初始高温位是否为目标初始高温位；s3：以所述预长晶获得的所述目标初始高温位进行正式长晶。

10、根据本发明实施例的碳化硅晶锭生产工艺，可实现均匀电阻率，整个过程无需改变n2/ar的数值，工艺稳定性高，可有效降低层错。

11、在本发明的一些实施例中，在所述预长晶时，仅在所述第一放料区域铺设所述第一碳化硅粉料层和所述第二碳化硅粉料层，不在所述第二放料区域铺设所述第三碳化硅粉料层。

12、在本发明的一些实施例中，所述预长晶工艺包括：将所述碳化硅热场体系由初始零位调整到设定初始高温位；抽真空，工艺检漏；在生长阶段，控制所述碳化硅热场体系由所述设定初始高温位以第一预设速度向上移动到设定终止高温位，氩气流量保持在50sccm，氮气流量保持在3sccm，加热线圈的功率控制在15kw。

13、在本发明的一些实施例中，步骤s2包括：如果检测所述陶瓷体的中心厚度介于3mm-5mm，确定所述设定初始高温位为目标初始高温位，否则，重新调整设定初始高温位，直至所述陶瓷体的中心厚度满足要求，获得所述目标初始高温位。

14、在本发明的一些实施例中，所述正式长晶包括：将所述碳化硅热场体系由初始零位调整到目标初始高温位；抽真空，工艺检漏；在生长阶段，控制所述碳化硅热场体系由所述目标初始高温位以第一预设速度向上移动到目标终止高温位，氩气流量保持在50sccm，氮气流量保持在3sccm，加热线圈的功率控制在15kw。

15、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种碳化硅热场体系，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的碳化硅热场体系，其特征在于，所述第一碳化硅粉料的粒径为35目-40目，所述第二碳化硅粉料的粒径为10目-15目，所述第三碳化硅粉料的粒径为10目-15目，所述导气孔的孔径为15目-17目。

3.根据权利要求1所述的碳化硅热场体系，其特征在于，所述第一碳化硅粉料层的高度为h1,所述第二碳化硅粉料层的高度为h2,所述第三碳化硅粉料层的高度为h3，h1、h2和h3满足：20mm≤h1≤30mm，40mm≤h2≤50mm，45mm≤h3≤55mm。

4.根据权利要求1所述的碳化硅热场体系，其特征在于，所述坩埚主体包括；

5.根据权利要求4所述的碳化硅热场体系，其特征在于，所述第二坩埚的顶部设有台阶槽，所述台阶槽与所述导气板卡接配合。

6.一种碳化硅晶锭生产工艺，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的碳化硅晶锭生产工艺，其特征在于，在所述预长晶时，仅在所述第一放料区域铺设所述第一碳化硅粉料层和所述第二碳化硅粉料层，不在所述第二放料区域铺设所述第三碳化硅粉料层。

8.根据权利要求7所述的碳化硅晶锭生产工艺，其特征在于，所述预长晶工艺包括：

9.根据权利要求8所述的碳化硅晶锭生产工艺，其特征在于，步骤s2包括：

10.根据权利要求9所述的碳化硅晶锭生产工艺，其特征在于，所述正式长晶包括：

技术总结本发明公开了一种碳化硅热场体系及碳化硅晶锭生产工艺，碳化硅热场体系包括：坩埚盖；坩埚主体；导气板，导气板设于容纳空间内以限定出在上下方向上间隔开的第一放料区域和第二放料区域，第一放料区域适于铺设有第一碳化硅粉料层和第二碳化硅粉料层，第一碳化硅粉料层包括多个第一碳化硅粉料，第二碳化硅粉料层包括多个第二碳化硅粉料，第一碳化硅粉料和第二碳化硅粉料的含氮量为0‑1.5ppm，第二放料区域适于铺设第三碳化硅粉料层，第三碳化硅粉料层包括多个第三碳化硅粉料，第三碳化硅粉料的含氮量为500ppm‑1000ppm。根据本发明的碳化硅热场体系，工艺稳定性强，可实现均匀电阻率控制，可有效降低层错。技术研发人员：李远田受保护的技术使用者：江苏集芯先进材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5