一种高品质碳化硅衬底及其制备方法和半导体器件与流程

本发明涉及碳化硅晶片，具体来讲，涉及一种高品质碳化硅衬底及其制备方法和半导体器件。

背景技术：

1、目前，碳化硅晶体面临的两大问题：1、质量问题，影响碳化硅器件端的良率、性能和可靠性；2、成本问题，影响碳化硅在终端的应用。其中，材料质量导致的材料和器件良率损失也是导致碳化硅晶体目前成本高、应用难的主要原因。

2、进一步讲，碳化硅衬底的质量问题包括两类：一类是缺陷问题导致的材料质量和良率等显性质量问题，可以在衬底材料指标中较好的体现；二是质量一致性问题导致的材料良率和器件性能可靠性问题，往往在衬底材料指标中较难体现出来，从而给后续器件应用时的可靠性带来更大的风险。

3、具体的，导电型碳化硅晶体中，一致性的问题主要体现在两个方面：一方面缺陷分布，缺陷聚集会导致碳化硅衬底上出现肉眼可见的黑斑“胎记”，引起透光率及位错等缺陷密度波动很大，虽然目前碳化硅晶体中的结晶缺陷得到了大幅改善，但依然存在缺陷控制不稳定、分布不均匀，造成整体缺陷密度低、局部密度高的问题。这些局部缺陷聚集导致特定区域的器件良率降低、性能下降。另一方面质量分布，如电阻率分布，虽然功率器件的低导通电阻特性希望材料电阻率越低越好，但过度宽泛的电性能分布会导致器件性能差异过大；特定区域如生长特征面处的电阻率过低，会导致此区域内位错、层错等缺陷的产生，也会导致器件在后续使用过程中可能会产生层错扩展等问题，严重威胁器件可靠性问题。

4、目前，常规物理气相输运法（简称pvt）制备的sic晶体和衬底上都会存在这样的“facet”，这种“facet”指的是生长特征面，本发明统称为生长特征面，生长特征面是升华法制备sic晶体时的固有属性。生长特征面在国内有多种叫法，其中，生长特征面本领域俗称“小面”、“生长小面”、“特征生长面”等，由于生长特征面的存在会使得缺陷在该区域密集，元素掺杂过程中会诱导元素也在生长特征面处聚集增多，因此表现为掺杂不均匀，使得电阻率在生长特征面处也相比于其他区域偏高，整体衬底的载流子均匀性差，会限制碳化硅衬底的规模化使用。另外，本发明中生长特征面不是指生长界面。

5、提高质量、降低成本是碳化硅晶体材料持续发展的目标。特别是在目前碳化硅产业快速步入规模化生产和应用的阶段，碳化硅材料性能的稳定性、一致性和可靠性对产业发展将起到至关重要的作用。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种高品质碳化硅衬底，所述高品质碳化硅衬底为导电型，且其全面积范围内不含有生长特征面、高掺杂区和缺陷聚集区中的任意一项或两项以上；所述碳化硅衬底采用pvt法制备得到。

2、生长特征面是pvt法制备sic晶体的固有属性，本技术中的高品质碳化硅衬底在pvt法生长时能够将生长特征面的运动趋势改变，使其向晶体的边缘移动并固定在距晶体边缘5mm范围内，晶体实际利用时都是对边缘进行切割的，因此随着晶体经过切割、研磨、抛光等加工后，即可得到不含生长特征面的碳化硅衬底。

3、原衬底中由于生长特征面的存在会使得缺陷在该区域密集，元素掺杂过程中会诱导元素也在生长特征面处聚集增多，因此表现为掺杂不均匀，使得电阻率在生长特征面处也相比于其他区域偏高，整体衬底的透光均匀性差，上述限制了碳化硅衬底的规模化使用。

4、本技术中的高品质碳化硅衬底无生长特征面，衬底整体在径向和轴向上均呈现均匀分布，因此能够从根本上扼制缺陷的产生与聚集，也避免掺杂过程中元素聚集，实现元素均匀掺杂，从而提高衬底的掺杂均匀性、电阻率均匀性及透光率均匀性，因此采用该碳化硅衬底生产的器件不仅自身性能好，而且批量化生产的一致性好，利于产业化推广使用。

5、可选的，所述碳化硅衬底为n型掺杂，n型元素掺杂浓度大于1e18cm-3，所述碳化硅衬底的全面积范围内的性质满足以下条件的任意一项或两项；

6、a、面内电阻率差值不高于2.0mω·cm；

7、b、透光率差值不高于3%。

8、可选的，所述面内电阻率差值不高于1.0mω·cm。

9、可选的，掺杂浓度为2e18~7e18cm-3，所述面内电阻率差值为0.62~0.86mω·cm。

10、可选的，所述透光率差值为0.5%~1.6%。

11、可选的，所述n型元素掺杂为n2掺杂，面内电阻率差值0.62~0.86mω·cm；透光率差值为0.5%~1.6%。

12、面内电阻率差值为“面内电阻率最大值-面内电阻率最小值”；透光率差值为“透光率最大值-透光率最小值”。

13、上述n型元素掺杂浓度大于1e18cm-3，属于中高氮掺杂，对于本领域技术人员而言，掺杂浓度越高，则越容易存在掺杂不均匀的情况，因此面内电阻率的差值会越大，本技术在控制生长特征面运动趋势的过程中，将生长特征面固定在晶体边缘，因此在掺杂过程中能够提高掺杂均匀性，并使得衬底的透光性更为均匀。

14、透光率与晶体里的掺杂浓度及均匀性有关，本技术碳化硅衬底的透光率差值不高于3%能够代表碳化硅衬底的透光性均匀，从而有利于提升下游器件端光刻工艺质量进而提升器件性能。

15、可选的，所述碳化硅衬底tdv小于200cm-2。

16、可选的，所述碳化硅衬底tdv小于100cm-2。

17、优选的，所述碳化硅衬底tdv小于10cm-2。

18、其中，总密度变化（简称tdv）定义为：在衬底内划分若干特定面积的方格，如面积为1mmx1mm，2mmx2mm，5mmx5mm，10mmx10mm的n个方格，方格内的刃位错（简称ted）或螺位错（简称tsd）密度为d1，d2，d3……dn。tdv为ted/tsd密度最大和ted/tsd密度最小之差dmax-dmin。

19、本技术的碳化硅衬底中由于消除了生长特征面，其能够使得ted和tsd分布更加均匀，因此tdv数值偏低，代表衬底整体的位错分布较为均匀，消除了目前衬底中存在的整体缺陷密度低、但局部密度高的问题。

20、将上述衬底制备电力电子器件时，由于面内电阻率差值低、透光率差值低的特性，能够在生产器件过程中保证器件具有优异的电学性能和可靠性。

21、可选的，所述碳化硅衬底的尺寸为4英寸、6英寸、8英寸或10英寸。

22、本发明第二方面提供了一种高品质碳化硅衬底的制备方法，所述碳化硅衬底由晶体至少经过切割步骤后得到，所述制备方法包括晶体稳定生长阶段，晶体稳定生长阶段的生长工艺条件包括以下步骤：

23、s1：靠近晶体生长边缘处存在限定边，所述限定边与所述晶体生长边缘处的距离不大于5mm，在所述限定边与晶体生长边缘范围内设置负的径向温度梯度-5℃/mm- -0.1℃/mm；在所述限定边至晶体中心设置连续的正的温度梯度，连续的正的温度梯度值≤3℃/cm；

24、s2：使用大于目标生长碳化硅晶体直径的籽晶进行晶体生长，籽晶直径较目标晶体和衬底直径至少大5mm以上，所述高品质碳化硅衬底由目标晶体处理后得到。

25、可选的，所述限定边与所述晶体生长边缘处的距离不大于3mm。

26、可选的，步骤s1中：以距离晶体生长边缘5mm为界，在距离晶体生长边缘小于5mm范围内设置负的径向温度梯度-5℃/mm- -0.1℃/mm；距离晶体生长边缘大于5mm范围内设置连续的正的温度梯度，连续的正的温度梯度值≤3℃/cm。

27、可选的，步骤s1中在距离晶体生长边缘小于5mm范围内设置负的径向温度梯度-3℃/mm- -1℃/mm。

28、径向温度梯度计算为以晶圆体中心为原点沿径向方向向外辐射的方向上，距离晶圆体中心较近点的温度t1和距离晶圆体中心较远点的温度t2温度之差（t2-t1）与两点距离d的比例，正的（正向）温度梯度δt=（t2-t1）/d；反之，则为负的温度梯度，δt=（t1-t2）/d。

29、本技术此次采用的制备方法是在步骤s1的设置下，能够驱动生长特征面向晶体边缘移动，并固定在晶体边缘5mm范围内，以得到高品质碳化硅衬底。然而本领域技术人员可以理解的是，生长特征面的运动趋势还可能会被其他方式控制，从而得到本技术的碳化硅衬底，因此本技术仅示意此次制备得到的高品质碳化硅衬底的制备方法，其他控制生长特征面趋势的方法不在本技术的研究范畴内。

30、步骤s1中的晶体生长径向温度梯度可以通过业内常规的技术手段进行设置，如调整生长腔室内温度或压力或保温层材料厚度等参数进行整体调整。不连续的温度梯度设置可以通过在晶体生长腔室内进行结构化改进，优化晶体生长界面的温度分布，从而实现温度梯度的可控调整，如在晶体生长腔室边缘放置较中心区域更低热导率的材料，减少边缘热量散失，从而实现晶体生长界面处的温度分布跃变；反之，如在晶体生长边缘放置更高热导率的材料或减少边缘保温层的厚度等方案，则可以设置反向的温度梯度分布；此外，还可以在生长腔室内设置不同热场结构或新型材料调节温度分布，如在晶体生长边缘的石墨环上设置涂敷有高反射率的tac涂层材料，使生长腔室内的热量辐射向晶体生长边缘集中，从而实现温度梯度跃变。通过以上业内使用较为通用的技术手段，可以根据实际的需求进行方案配置，以达到调节晶体生长腔室内温度梯度的目的。

31、可选的，晶体稳定生长阶段中，先以10-50℃/min的速率将生长腔室内的温度升至2200℃以上，同时将生长腔室内的压力降至1-100mbar，之后在步骤s1和s2的设置下保持50h以上进行晶体生长。

32、可选的，晶体稳定生长阶段中，先以10-30℃/min的速率将生长腔室内温度提高至2200℃以上，同时将压力降至5-50mbar，之后在步骤s1和s2的设置下保持50h以上进行晶体生长。

33、本发明中，采用pvt法制备碳化硅晶体，晶体生长采用等静压石墨作为生长腔室(坩埚)的原材料，以sic粉料作为晶体生长的原料。为保证碳化硅优异稳定的电学性能，本发明优选为采用具有一定纯度的碳化硅合成粉料，碳化硅粉料的总杂质含量不高于1e19cm-3；更优选为，碳化硅粉料中总杂质含量不高于1e17cm-3。

34、本发明中，碳化硅晶体生长时，将sic粉料装入石墨坩埚腔室内并在生长腔室顶部放置sic籽晶后，密封坩埚，将坩埚放置于石墨软毡或硬毡制备的热绝缘保温材料内包裹，然后移入晶体生长设备腔室进行晶体生长。

35、可选的，在晶体稳定生长阶段之前，还包括晶体成核阶段，晶体成核阶段的生长工艺条件包括以下步骤：

36、晶体的生长腔室密封后，对生长腔室进行抽真空至10-3pa以下，在真空阶段稳定一段时间后开始通入惰性气体，使生长腔室内压力逐步升高至100-1000mbar后恒定，同时往腔室内以1ml/min-100ml/min通入氮气。

37、可选的，晶体成核阶段生长腔室内压力提升的同时，将生长腔室内的温度由室温逐步提升至1600-2100℃后恒定，恒温恒压下保持5-50h后进行晶体稳定生长阶段。

38、可选的，晶体成核阶段所述生长腔室内的温度恒定为1800-2100℃，生长腔室内的压力恒定至300-800mbar，恒温恒压下保持30-50h后进行晶体稳定生长阶段。

39、晶体成核阶段中，碳化硅粉料升华形成晶核，后续在晶体稳定生长阶段，碳化硅粉料能够充分升华并传输至籽晶出进行稳定生长，最终得到碳化硅晶体，由于步骤s2中籽晶直径较目标晶体和衬底直径至少大5mm以上，因此制备出的sic晶体具有边缘加工余量，将边缘切割即可高品质的碳化硅晶体。例如，籽晶直径为160mm，衬底直径为150mm或者籽晶直径为210mm，衬底直径为200mm，因此既能够保证大尺寸碳化硅衬底的顺利制备，又能够提高制备的碳化硅衬底的品质。

40、本发明第三方面提供一种半导体器件，所述半导体器件含有上述碳化硅衬底。

41、与现有技术相比，本发明至少取得以下有益效果中的一项：

42、（1）本发明碳化硅衬底无肉眼可见的生长特征面，全面积范围内电阻率差值不高于2.0mω·cm，透光率差值不高于3%，因此代表碳化硅衬底具有高度均匀性，使用该碳化硅衬底制备的半导体器件具有更高的良率、性能和可靠性。

43、（2）本发明碳化硅衬底全面积范围内tdv小于200cm-2，消除了目前衬底中存在的整体缺陷密度低、但局部密度高的问题，且几乎不存在位错、层错等缺陷，因此更适用于大范围推广使用。

44、（3）本发明制备方法通过在晶体的生长中进行步骤s1的调控，能够控制生长特征面的运动趋势，并将其锁定在晶体边缘区域5mm范围内，随后晶体经过切割、研磨、抛光等加工后，即可得到目标碳化硅衬底。

45、（4）本发明的碳化硅衬底电学均匀性（例如，电阻率均匀性）高、透光率均匀性高和缺陷分布均匀性高，将该衬底切割用于制备半导体器件时，能够提高有效面积利用率，相比于同等面积的其他衬底，其制备的半导体器件的不仅性能好，而且数量较多，可降低半导体器件的生产成本。