一种高均匀性的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，涉及一种高均匀性的碳化硅衬底及其制备方法和半导体器件。

背景技术：

1、碳化硅半导体由于具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率高等优异的物理性能而备受关注，基于碳化硅单晶衬底制备的功率器件具有耐高压、耐高温、低损耗等优良的性能，因而被广泛应用于新能源汽车、光伏及电网等产业领域。经过多年的技术和产业发展，碳化硅单晶衬底制备技术已经得到了长足进步，但依然面临一些问题，其中包括：1、衬底质量问题，影响碳化硅器件端的良率、性能和可靠性；2、衬底成本问题，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、常规物理气相输运法制备的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，本发明统称生长特征面。生长特征面有多种叫法，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。

4、进一步讲，生长特征面是升华法制备sic晶体时的固有属性，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生长特征面，生长特征面区域相较于其他区域具有更高的掺杂浓度，因此，生长特征面区域载流子浓度和电阻率显著不同于其他区域，导致生长特征面区域电学性能和缺陷状态容易出现异常质量问题。

5、因此，提高衬底质量、降低衬底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。本发明聚焦碳化硅单晶制备时电学性能一致性的问题，目的是解决碳化硅生长时由于本征特性而产生的电学性能不一致问题及由此可能带来的器件端性能和可靠性隐患。

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均匀性碳化硅衬底，高均匀性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。碳化硅衬底的全面积范围内的性质满足以下a~b中的任意一项或两项；

2、a、掺杂浓度变化率＜10%；

3、b、载流子浓度变化率＜5%。

4、可选的，所述碳化硅衬底为n型掺杂，n型元素掺杂浓度≥1e18cm-3，且其全面积范围内不含有高掺杂区、缺陷聚集区中的任意一项或两项；所述碳化硅衬底采用pvt法制备得到。

5、生长特征面是pvt法制备sic晶体的固有属性，本技术中的高均匀性碳化硅衬底在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。

6、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，整体衬底的载流子均匀性差，上述限制了碳化硅衬底的规模化使用。

7、本技术中的高均匀性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、电阻率均匀性及载流子均匀性，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。

8、可选的，所述n型掺杂中主掺杂元素为n元素，除n元素外，还可以共掺杂其他元素。如v族元素磷、砷等；iv族元素ge、sn等；iii族元素b、al等。

9、可选的，掺杂浓度变化率可以＜8%；或者掺杂浓度变化率可以＜5%；或者掺杂浓度变化率可以＜3%。

10、可选的，载流子浓度变化率＜3%；或者载流子浓度变化率＜2%；或者载流子浓度变化率＜1%。

11、可选的，掺杂浓度不高于5e19cm-3，载流子浓度变化率＜5%。

12、可选的，n型元素掺杂为n2掺杂，掺杂浓度变化率＜3%，载流子浓度变化率＜1%。

13、掺杂浓度变化率为“碳化硅衬底面内掺杂浓度最大值-碳化硅衬底面内掺杂浓度最小值”；载流子浓度变化率为“碳化硅衬底面内载流子浓度最大值-碳化硅衬底面内载流子浓度最小值”。

14、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，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，并使得衬底的电阻率更为均匀。

15、载流子与晶体里的掺杂浓度及均匀性有关，本技术碳化硅衬底的载流子浓度变化率＜5%能够代表碳化硅衬底的载流子均匀，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。

16、可选的，所述碳化硅衬底tdv密度小于100cm-2；优选的，所述碳化硅衬底tdv密度小于50cm-2；更优选的，所述碳化硅衬底tdv密度小于10cm-2。

17、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。

18、可选的，所述碳化硅衬底ted总密度变化小于100cm-2。优选的，所述碳化硅衬底ted总密度变化小于50cm-2。更优选的，所述碳化硅衬底ted总密度变化小于10cm-2。

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、可选的，所述碳化硅衬底基平面位错（简称bpd）总密度变化小于50cm-2。优选的，所述碳化硅衬底bpd总密度变化小于20cm-2。更优选的，所述碳化硅衬底bpd总密度变化小于10cm-2。

21、将上述衬底制备电力电子器件时，由于掺杂浓度变化率值低、载流子浓度变化率值低的特性，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。

22、可选的，所述碳化硅衬底的尺寸可以是4英寸、6英寸、8英寸、10英寸或12英寸。

23、本发明第二方面提供了一种高均匀性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：

24、s1：在晶体生长面的径向设置不连续的温度梯度分布，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6mm，在所述限定边至晶体中心设置连续且正的温度梯度；在所述限定边与晶体生长边缘范围内的温度梯度≥2℃/cm，所述限定边与晶体生长边缘范围内的温度梯度值大于限定边至晶体中心的温度梯度值。

25、s2：设置籽晶沿<11-20>或<1-100>或其他任意平行于c面方向的晶向的偏角＞0°。

26、s3：设置晶体生长石墨环沿平行于晶体生长方向的夹角α＞0°。

27、s4：晶体生长腔室内壁和晶体生长石墨环之间设置充足的碳化硅粉料，从而保证sic晶体横向生长具有充足的反应气氛，保证sic晶体能够具有连续横向生长的化学环境，所述高均匀性碳化硅衬底由sic晶体处理后得到。

28、可选的，步骤s1中所述限定边与晶体生长边缘范围内的温度梯度≥5℃/cm；

29、和/或步骤s2中籽晶沿<11-20>晶向的偏角＞2°；

30、和/或步骤s3中晶体生长石墨环沿平行于晶体生长方向的夹角α≥8°。

31、可选的，所述限定边与所述晶体生长边缘处的距离不大于5mm。

32、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大于5mm范围内设置连续且正的温度梯度，连续且正的温度梯度值≤3℃/cm，距离晶体生长边缘小于5mm范围内的温度梯度≥5℃/cm。例如，参考图6所示，坐标轴原点表示晶圆体中心，在晶体生长面的径向设置不连续的温度梯度分布，以距离晶体生长边缘5mm为界，距离晶体生长边缘大于5mm范围内正的温度梯度为连续的平滑曲线，距离晶体生长边缘小于5mm范围内温度梯度大于距离晶体生长边缘大于5mm范围内的温度梯度。

33、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。

34、本技术此次采用的制备方法是在步骤s1的设置下，在晶体生长过程中，边缘也在不断横向生长扩径，本发明在晶体生长过程中通过控制距离晶体生长边缘小于6mm范围内的温度梯度值大于距离晶体生长边缘大于6mm范围内的温度梯度值，从而保证晶体边缘有足够的横向生长驱动力，保证晶体边缘持续的扩径生长能力。通过扩径生长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，以得到高均匀性碳化硅衬底。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均匀性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。

35、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。

36、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-s4的设置下并保持50h以上进行晶体生长。

37、可选的，在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-s4的设置下保持50h以上进行晶体生长。

38、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。

39、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。

40、本发明中，参考图3所示，通过在sic坩埚上部设置石墨支撑部件，在石墨支撑部件和sic坩埚壁之间装入sic粉料作为横向生长的料源，从而保证晶体横向生长导致的径向生长具有足够的扩径空间。然而，本发明并不限于此，还可以是其它设计方式。

41、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：

42、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。

43、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。

44、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。

45、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，将边缘切割即可得到高均匀性的碳化硅晶体。同时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。

46、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。

47、与现有技术相比，本发明至少取得以下有益效果中的一项：

48、（1）本发明碳化硅衬底无肉眼可见的生长特征面，全面积范围内掺杂浓度变化率＜10%，载流子浓度变化率＜5%，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。

49、（2）本发明碳化硅衬底全面积范围内tdv密度小于100cm-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。

50、（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。

51、（4）本发明碳化硅衬底具有高度均匀性，例如，掺杂均匀性、载流子均匀性等。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。