[发明专利]一种掺锗改善碳化硅单晶衬底面型参数的方法

说明书

本发明公开了一种掺锗改善碳化硅单晶衬底面型参数的方法，在物理气相传输法(PVT)生长碳化硅单晶过程中掺入非电活性的锗杂质，锗杂质会钉扎硅核心不全位错，通过位错钉扎效应阻止Si核心不全位错的滑移，抑制单晶衬底在加工过程中的机械应力下的滑移，以实现改善碳化硅单晶衬底面型参数的目的。同时，为了控制生长初期锗的高蒸汽压，防止锗原子在生长表面的团簇效应，并保证生长过程中锗源的持续供应，实现晶体生长过程中的均匀掺杂，本发明使用锗烷(GeH₄)气体作为锗的掺杂源，在PVT单晶生长的同时，向生长腔内稳定、均匀地通GeH₄气体以实现以上目的。

技术领域

本发明属于晶体材料技术领域，涉及碳化硅单晶的生长，尤其涉及一种掺锗改善碳化硅单晶衬底面型参数的方法。

背景技术

半导体碳化硅材料具有禁带宽度大、热导率高、击穿场强高、饱和电子漂移速率高、化学稳定性及热稳定性良好等优异特性，在电力电子、射频微波及量子传感等领域具有重要的应用价值，是新能源技术、智能电网、信息通讯、轨道交通和国防军工等国民经济发展的基础核心材料。目前，生长4H-SiC单晶的方法主要为物理气相输运法，虽然用该种方法得到的4H-SiC单晶已经在商业上广泛地运用了，但是目前4H-SiC单晶中的总位错密度仍高达10³-10⁴cm^-2，成为限制4H-SiC材料应用的关键瓶颈难题。

碳化硅单晶中的位错类型主要分为穿透型位错(Threading dislocation—TD)和基平面位错(Base plane dislocation—BPD)。BPD会在热应力作用下产生并滑移。完整的BPD柏氏矢量为但是其极易通过反应

分解为由层错(SF)分隔的两个不全位错。其中，Si核心不全位错的滑移势垒远低于C核心不全位错。因此，BPD的滑移主要通过Si核心不全位错的滑移进行。

此外，在碳化硅单晶衬底加工过程中的机械应力会导致BPD的形核及滑移，影响衬底的面型参数(如翘曲度、弯曲度等)。由于BPD的Si核心不全位错在热应力和机械应力下的滑移，导致4H-SiC单晶衬底中BPD不均匀，从而引起衬底的面型参数的恶化。

发明内容

为了减少4H-SiC单晶衬底中的BPD在热应力和机械应力下的增殖滑移，优化碳化硅晶体的机械性质以及面型参数，本发明提供了一种掺锗改善碳化硅单晶衬底面型参数的方法，在PVT生长过程中掺入非电活性的锗杂质，锗杂质会钉扎硅核心不全位错，通过位错钉扎效应阻止Si核心不全位错的滑移，以实现上述一系列目的。同时，为了控制生长初期锗的高蒸汽压，防止锗原子在生长表面的团簇，实现晶体生长过程中的均匀掺杂，本发明使用锗烷(GeH₄)气体掺杂源，在PVT单晶生长的同时，向生长腔内稳定、均匀地通GeH₄气体以实现以上目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种掺锗改善碳化硅单晶衬底面型参数的方法，所述方法包括在PVT法的基础上，引入气态锗源，形成稳定、均匀、可控的掺杂气氛,最后得到均匀掺杂的掺锗碳化硅单晶衬底材料。

在本发明中，本发明中生长装置采用感应加热，结合了PVT与HTCVD生长的优点，在PVT生长装置的基础上，引入了气态生长源及掺杂源，在PVT生长的同时，稳定地通入GeH₄气体，形成稳定、均匀、可控的掺杂气氛,最后得到均匀掺杂的掺锗碳化硅单晶材料。已知在碳化硅单晶衬底加工过程中，面型参数的恶化源于机械应力作用下BPD的形核及滑移，而BPD的滑移由其中Si核心不全位错的滑移实现。在4H-SiC的单晶生长中，掺杂Ge会优先替代不全位错核心处Si原子，而Ge是一种非电活性的杂质，并且具有钉扎Si核心不全位错的作用,由于Si核心不全位错被Ge杂质钉扎，在碳化硅单晶衬底的加工过程引入的机械应力作用下，Si核心不全位错的滑移被抑制。因此，Ge掺杂的方法有助于增强4H-SiC单晶衬底的机械性质，并改善碳化硅单晶衬底的面型参数。