本發明涉及半導體領域，尤其是涉及一種n型碳化硅晶體的液相生長方法。

背景技術：

1、碳化硅作為最具代表性的半導體材料，具有熱導率高、密度低、禁帶寬度大等優點，是制作高頻、高壓、高功率器件的理想襯底材料。液相法是生長碳化硅單晶的重要方法，其相比于物理氣相傳輸(pvt)法，生長溫度相對更低，更接近于熱力學平衡，是一種具有生長高質量碳化硅單晶潛力的方法。其基本生長原理是利用石墨坩堝作為盛裝原料容器的同時作為碳的來源，在晶體生長時，碳在石墨坩堝壁處(高溫區)溶解，通過溶液的輸運，傳輸到碳化硅籽晶處(低溫區)與硅結合析出形成碳化硅晶體。

2、由于液相法是從溶液中生長出碳化硅晶體，溶液的性質會對晶體生長有比較大的影響，液相法助熔劑體系中al元素的摻雜能夠起到降低晶體表面臺階聚并、改善晶體表面形貌的作用，cr元素的摻雜能夠增大碳在溶液中的溶解度，為晶體生長提供足夠的碳源，因此目前利用液相法生長大尺寸碳化硅晶體所用體系幾乎都為cr-si-al體系，該方法利用al元素的摻雜實現了p型碳化硅晶體生長。但是液相法在n型碳化硅晶體生長方面的研究進度相對緩慢，但n型碳化硅晶體在電子器件、新能源汽車等很多方面有十分廣泛的應用，因此對于n型碳化硅晶體液相法生長需要進行進一步的探索。首先要考慮助熔劑體系的選擇，重點在于助熔劑中所摻雜元素在抑制臺階聚并方面產生的積極影響，以及所摻雜元素在抑制溶液組分蒸發，維持生長體系更長時間穩定的有效作用。因此，本發明提出了一種n型碳化硅晶體的液相生長方法。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，以解決背景技術中的問題。

2、為實現上述目的，本發明提供了一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，具體包括以下步驟：

3、步驟一，對si、cr、摻雜元素m進行清洗烘干，混勻得混合物料sixcrymz，將混合物料作為生長原料置于石墨坩堝底部，然后將石墨坩堝纏繞保溫材料后置于帶有爐腔的加熱器中，將碳化硅籽晶通過粘接劑粘接到石墨托上，石墨托連接石墨桿并固定到提拉桿上；

4、步驟二，下降提拉桿將碳化硅籽晶置于混合物料上方，爐腔與真空泵連接，等爐腔密封后開啟真空泵凈化爐內的氣氛，當爐腔內的壓強到達0.01pa-10pa時充入氮氬混合氣體；

5、步驟三，充氣結束后通過線圈對石墨坩堝進行加熱，加熱至指定溫度后恒溫進行化料，恒溫前將下降提拉桿，同時旋轉提拉桿和石墨坩堝，使提拉桿和石墨坩堝的旋轉方向相反；

6、步驟四，恒溫結束后下降碳化硅籽晶，然后繼續對石墨坩堝進行加熱，同時觀察提拉桿所連接的重力傳感系統中重力示數的變化，通過重力示數判斷液面所在位置，直至碳化硅籽晶下降到液面下，恒定位置回熔；

7、步驟五，回熔結束后，繼續對石墨坩堝加熱，加熱時將碳化硅籽晶向上提拉，當溫度恒定且碳化硅籽晶位置不變時，碳化硅晶體生長開始，生長時間為0.5-10h；

8、步驟六，生長結束后，控制提拉桿提拉至晶體脫離液面，關閉旋轉系統，降至室溫，完成晶體生長。

9、優選的，步驟一中，sixcrymz中，si的摩爾占比x為40-70％，cr的摩爾占比y為20-60％，m的摩爾占比z為1-10％。

10、優選的，步驟一中，摻雜元素m為sc、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、y、zr、nb、mo、ce、la、tb、nd、ta、pr中的一種或幾種。

11、優選的，步驟二中，碳化硅籽晶在混合物料上方5-40mm處；充入0.8-1.3atm的氮氬混合氣體，其中，氮氬混合氣體中氮氣的質量百分比為0.05％-40％。

12、優選的，步驟三中，石墨坩堝以5-30℃/min的升溫速率進行加熱，加熱至1500-1800℃，恒溫20-40min進行化料，提拉桿以150-300mm/h的速度下降，至碳化硅籽晶在預估液面上方5-10mm處；提拉桿的旋轉速度為3-35rpm，石墨坩堝的旋轉速度為1-10rpm。

13、優選的，步驟四中，以1.5-5℃/min的升溫速率對石墨坩堝進行加熱，加熱至1620-1870℃，碳化硅籽晶下降到液面下方2-20mm處，回熔時間為5-30min。

14、優選的，步驟五中，以2.5-10℃/min的升溫速率對石墨坩堝進行加熱，加熱至1650-1900℃，將碳化硅籽晶以30-300mm/h的速度向上提拉，碳化硅籽晶提拉至液面上方0-1mm或液面下方0-3mm處。

15、優選的，步驟六中，提拉桿以20-300mm/h的速度提拉，以0.5-30℃/min的降溫速率降至室溫。

16、因此，本發明一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，本發明通過在si-cr體系的基礎上摻雜其他的元素，尋找出抑制臺階聚并相關的元素從而代替al去改善晶體表面形貌，同時考慮了摻雜元素對于抑制溶液組分蒸發，維持生長體系更長時間穩定的有效作用，從而能夠生長表面臺階更加均勻的n型碳化硅晶體。

17、下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

技術特征：

1.一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，其特征在于：步驟一中，sixcrymz中，si的摩爾占比x為40-70％，cr的摩爾占比y為20-60％，m的摩爾占比z為1-10％。

3.根據權利要求1所述的一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，其特征在于：步驟一中，摻雜元素m為sc、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、y、zr、nb、mo、ce、la、tb、nd、ta、pr中的一種或幾種。

4.根據權利要求1所述的一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，其特征在于：步驟二中，碳化硅籽晶在混合物料上方5-40mm處；充入0.8-1.3atm的氮氬混合氣體，其中，氮氬混合氣體中氮氣的質量百分比為0.05％-40％。

5.根據權利要求1所述的一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，其特征在于：步驟三中，石墨坩堝以5-30℃/min的升溫速率進行加熱，加熱至1500-1800℃，恒溫20-40min進行化料，提拉桿以150-300mm/h的速度下降，至碳化硅籽晶在預估液面上方5-10mm處；提拉桿的旋轉速度為3-35rpm，石墨坩堝的旋轉速度為1-10rpm。

6.根據權利要求1所述的一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，其特征在于：步驟四中，以1.5-5℃/min的升溫速率對石墨坩堝進行加熱，加熱至1620-1870℃，碳化硅籽晶下降到液面下方2-20mm處，回熔時間為5-30min。

7.根據權利要求1所述的一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，其特征在于：步驟五中，以2.5-10℃/min的升溫速率對石墨坩堝進行加熱，加熱至1650-1900℃，將碳化硅籽晶以30-300mm/h的速度向上提拉，碳化硅籽晶提拉至液面上方0-1mm或液面下方0-3mm處。

8.根據權利要求1所述的一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，其特征在于：步驟六中，提拉桿以20-300mm/h的速度提拉，以0.5-30℃/min的降溫速率降至室溫。

技術總結
本發明公開了一種n型碳化硅晶體的液相生長方法，屬于半導體技術領域。本發明通過改變碳化硅生長的生長原料的配方，生長原料被配置為Si<subgt;x</subgt;Cr<subgt;y</subgt;M<subgt;z</subgt;，其中，Si占原料的摩爾比x為40?70％，Cr占原料的摩爾比y為20?60％，M占原料的摩爾比z為1?10％；M為Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ce、La、Tb、Nd、Ta、Pr中的一種或幾種。本發明通過在Si?Cr體系的基礎上摻雜其他的元素M，配合本發明的液態生長方法可以代替Al元素改善晶體形貌，同時可以抑制溶液組分蒸發，維持生長體系更長時間穩定的有效作用，從而能夠生長表面臺階更加均勻的n型碳化硅晶體。

技術研發人員：徐永寬,柳宇輝,齊小方,馬文成
受保護的技術使用者：天津理工大學
技術研發日：
技術公布日：2025/3/20