具有低位錯(cuò)密度的sic晶體的制作方法
【專利說(shuō)明】具有低位錯(cuò)密度的SIC晶體
[0001] 相關(guān)專利申請(qǐng)
[0002] 本專利申請(qǐng)要求2013年8月9日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 13/963, 989和2013年 2月5日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/761，179的優(yōu)先權(quán)權(quán)益。
【背景技術(shù)】
[0003] 1.摶術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本公開(kāi)涉及制備具有低位錯(cuò)密度計(jì)數(shù)的碳化硅以及涉及用于在物理氣相運(yùn)輸生 長(zhǎng)期間支撐SiC晶種的方法和設(shè)備。
[0005] 2.相關(guān)摶術(shù)
[0006] 碳化硅SiC因其寬帶隙特性以及也對(duì)于極高硬度、高導(dǎo)熱性和化學(xué)惰性特性，是 熟悉材料科學(xué)、電子學(xué)和物理學(xué)的技術(shù)人員所公認(rèn)的有利的晶體半導(dǎo)體材料。這些特性使 SiC成為對(duì)于制造功率半導(dǎo)體器件極具吸引力的半導(dǎo)體，使得與由更常見(jiàn)材料如硅制成的 器件相比，功率密度和性能得以增強(qiáng)。
[0007] 最常見(jiàn)形式的SiC由原子的立方或六方排列組成。Si和C層的堆疊可呈現(xiàn)多種形 式，稱為多型體。碳化硅晶體的類型由表示堆疊序列中的重復(fù)單元數(shù)的數(shù)字加上代表晶形 的字母來(lái)表示。例如，3C-SiC多型體是指3個(gè)重復(fù)單元和立方（C)晶格，而4H-SiC多型體 是指4個(gè)重復(fù)單元和六方（H)晶格。
[0008] 不同的碳化硅多型體在材料特性方面有一些差別，最明顯的是電特性。4H-SiC多 型體具有相對(duì)較大的帶隙，而3C-SiC具有較小的帶隙，大多數(shù)其他多型體的帶隙則落在兩 者之間。對(duì)于高性能功率器件應(yīng)用，當(dāng)帶隙較大時(shí)，理論上，材料更能夠提供相對(duì)更高的功 率和導(dǎo)熱性能。
[0009] SiC晶體并非天然存在的，因此必須合成。SiC晶體的生長(zhǎng)可通過(guò)升華/物理氣相 輸運(yùn)（PVT)或化學(xué)氣相沉積來(lái)進(jìn)行。
[0010] 通過(guò)升華的SiC的生長(zhǎng)極具挑戰(zhàn)性。通過(guò)升華來(lái)生成Si/C物質(zhì)的蒸氣流要求溫 度超過(guò)2, 000°C，這極大地限制了反應(yīng)池組件和熔爐設(shè)計(jì)。最初，將通過(guò)如艾奇遜法之類的 工藝形成的SiC研磨材料用作晶體的Si和C原子的來(lái)源，并隨著技術(shù)成熟，多個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā) 出了合成專用于SiC晶體生長(zhǎng)的SiC源粉末的裝置。通常在處于真空室內(nèi)的石墨容器中進(jìn) 行該生長(zhǎng)。通過(guò)電阻法或感應(yīng)法加熱石墨容器。以小心的方式隔絕容器以便在體積內(nèi)形成 受控的溫度梯度。使用形狀通常類似于板狀或盤狀的晶種。晶種通常以其生長(zhǎng)表面面向源 材料而取向。容器中的晶種的位置被設(shè)計(jì)成使得當(dāng)加熱容器時(shí)，晶種位于相對(duì)較低溫度位 置，而Si-c源材料位于較高溫度位置。當(dāng)將容器加熱至足以使源材料升華的溫度時(shí)，蒸氣 將向低溫區(qū)域穿行并冷凝在晶種上。雖然該過(guò)程在概念上看似簡(jiǎn)單，但在實(shí)施過(guò)程中，SiC 的生長(zhǎng)非常復(fù)雜并且是操作人員公認(rèn)很難進(jìn)行的。
[0011] 歷史上，基于Sic升華的晶體生長(zhǎng)的最初進(jìn)展首次由Lely (US 2, 854, 364)描述， 其未加晶種的晶體生長(zhǎng)的方法得到小六方SiC片晶。在1970年代和1980年代，產(chǎn)生對(duì)于制 備器件具有吸引力的尺寸的首種晶體的技術(shù)由Tairov和Tsvetkov在俄羅斯完成（Journal of Crystal Growth，52 (1981) p. 146-50 (《晶體生長(zhǎng)雜志》，第 52 卷，1981 年，第 146-150 頁(yè)） 和 Progress in Controlling the Growth of Polytypic Crystals in Crystal Growth and Characterization of Polytype Structures, P.Krishna, ed. , Pergammon Press, London，p. 111(1983)(《控制晶體生長(zhǎng)中多型晶體的生長(zhǎng)及多型體結(jié)構(gòu)的表征的進(jìn)展》， P. Krishna編輯，帕加蒙出版社，倫敦，第111頁(yè)，1983年））。他們的方法使用Lely晶體作 為晶種，并通過(guò)如上所述的升華和運(yùn)輸進(jìn)行生長(zhǎng)。這些結(jié)果顯示了通過(guò)晶種、壓力控制和溫 度梯度的選擇來(lái)進(jìn)行多型體控制的方法。隨后，Davis(US 4, 866, 005)揭示了通過(guò)源材料 和梯度控制的恰當(dāng)選擇所實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)。對(duì)Tairov、Tsvetkov和Davis的方法的改良至今仍 在不斷揭示。
[0012] 當(dāng)產(chǎn)生較大晶體的方法出現(xiàn)時(shí)，關(guān)注點(diǎn)也會(huì)轉(zhuǎn)移到控制晶體中的缺陷。缺陷可歸 類為包裹物和晶體位錯(cuò)。SiC晶體中的主要晶體缺陷是螺旋位錯(cuò)。稱為微管或空芯螺旋位 錯(cuò)的特例就屬于該類型。另外，還存在基面位錯(cuò)和螺紋型刃位錯(cuò)。這些缺陷源于多種來(lái)源。 例如，晶種中所含的缺陷可傳遞到新生長(zhǎng)的晶體體積中。溫度梯度和熱膨脹不匹配所產(chǎn)生 并傳遞給生長(zhǎng)過(guò)程中的晶種和晶體的應(yīng)力可導(dǎo)致位錯(cuò)的形成。在來(lái)自形成SiC所需物的升 華蒸氣流中的化學(xué)計(jì)量的偏差可導(dǎo)致不穩(wěn)定多型體生長(zhǎng)，繼而在生長(zhǎng)的晶體中產(chǎn)生多型體 包裹物，導(dǎo)致多型體邊界處的位錯(cuò)的形成。甚至位錯(cuò)之間的相互作用也可形成或消除位錯(cuò)。
[0013] 由所指出的方法產(chǎn)生的SiC晶體具有高濃度的位錯(cuò)。截至本申請(qǐng)?zhí)峤粫r(shí)為止，螺 旋位錯(cuò)和基面濃度的通常報(bào)告值在標(biāo)稱上分別為5, 000-10, 000/cm2。位錯(cuò)最常通過(guò)在垂直 于晶體對(duì)稱軸的平面中對(duì)晶體切片來(lái)進(jìn)行評(píng)估。用熔融鹽如氫氧化鉀在350-500°C范圍內(nèi) 的溫度下蝕刻暴露的晶體表面將揭示位錯(cuò)。每種位錯(cuò)類型具有獨(dú)特的形狀，從而可對(duì)它們 獨(dú)特地計(jì)數(shù)。位錯(cuò)通常以數(shù)量除以檢測(cè)面積來(lái)計(jì)數(shù)和報(bào)告。該表征方法是有用的，因?yàn)槠涫?得在晶體平面上形成的平面半導(dǎo)體器件中所含的缺陷容易關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)中有許多例子顯示位 錯(cuò)在觀察平面中不均勻地分布。較大計(jì)數(shù)的位錯(cuò)使得對(duì)每個(gè)位錯(cuò)計(jì)數(shù)顯得非常不切實(shí)際， 特別是由于如今要求對(duì)大于或等于相當(dāng)于100mm直徑圓形的截面進(jìn)行檢測(cè)。因此，對(duì)蝕刻 區(qū)取樣以確定位錯(cuò)的量。然而，不正確的取樣方法可導(dǎo)致與較大晶體相關(guān)的位錯(cuò)濃度的估 值錯(cuò)誤。在大多數(shù)報(bào)告中，未提供取樣方法的細(xì)節(jié)，因此報(bào)告的結(jié)果通常難以重現(xiàn)（如果并 非不可能的話）。
[0014] 在固態(tài)物理學(xué)和半導(dǎo)體器件方面富有經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)家認(rèn)識(shí)到，位錯(cuò)導(dǎo)致器件性能低 于材料的理論特性。因此，現(xiàn)今的努力集中于改善半導(dǎo)體SiC晶體質(zhì)量外觀以識(shí)別和控制 那些可減少源于晶體生長(zhǎng)的缺陷的因素。
[0015] -旦產(chǎn)生足夠大的晶體，就必須將晶體切割并制造成晶片，以便可用于使用平面 制造方法制造半導(dǎo)體器件。由于許多半導(dǎo)體晶體（如，硅、砷化鎵）已成功開(kāi)發(fā)并商業(yè)化 為晶片產(chǎn)品，由大塊晶體制造晶片的方法是已知的。晶片制造的常見(jiàn)方法和要求及表征 的標(biāo)準(zhǔn)方法的綜述可見(jiàn)于 Wolf and Tauber，Silicon Processing for the VLSI Era， Vol.l-Process Technology，Chapter 1 (Lattice Press-1986) (Wolf 和 Tauber，《超大規(guī)模 集成電路時(shí)代的硅處理，第1卷-工藝技術(shù)》，第1章，萊迪思出版社，1986年）。
[0016] 由于其硬度，與處理其他常見(jiàn)半導(dǎo)體晶體如硅或砷化鎵相比，SiC晶片襯底的制 造帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。必須對(duì)機(jī)器進(jìn)行改造，并且需要改變研磨劑的選擇而不使用常用 材料。據(jù)報(bào)告，可在鏡面拋光SiC晶片上觀察到大量亞表面損傷，這可通過(guò)使用類似于硅 行業(yè)中使用的化學(xué)增強(qiáng)機(jī)械拋光方法來(lái)減少或移除（Zhou，L.，et al.，Chemomechanical Polishing of Silicon Carbide, J. Electrochem.Soc., Vol. 144, no.6, June 1997， pp. L161-L163 (Zhou，L.等人，碳化硅的化學(xué)機(jī)械拋光，《電化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》，第144卷，第6 期，1997 年 6 月，第 L161-L163 頁(yè)））。
[0017] 為了在SiC晶片上構(gòu)造半導(dǎo)體器件，必須將另外的晶體SiC膜沉積在晶片上以形 成具有所需電導(dǎo)率值和導(dǎo)體類型的器件有源區(qū)。這通常使用化學(xué)氣相沉積（CVD)方法完 成。自1970年代以來(lái)，俄羅斯、日本和美國(guó)的多個(gè)團(tuán)隊(duì)公布了通過(guò)CVD外延來(lái)生長(zhǎng)SiC的 技術(shù)。通過(guò)CVD來(lái)生長(zhǎng)SiC的最常見(jiàn)的化學(xué)物質(zhì)是含硅的源氣體（例如，甲硅烷或氯硅烷） 和含碳的源氣體（例如，烴氣體）的混合物。低缺陷外延層的生長(zhǎng)的關(guān)鍵要素是襯底表面 偏離晶體對(duì)稱軸傾斜以允許化學(xué)原子以襯底晶體所建立的堆疊順序附接至表面。當(dāng)該傾斜 不足時(shí)，CVD工藝將在表面