專(zhuān)利名稱(chēng)：減少堆垛層錯(cuò)成核位置的順序光刻方法和具有減少的堆垛層錯(cuò)成核位置的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制作在電子器件(如功率電子器件)中使用的半導(dǎo)體材料的方法。尤其是，本發(fā)明的某些實(shí)施例涉及可減少碳化硅中晶體缺陷的過(guò)程以及由此生成的結(jié)構(gòu)和器件。本發(fā)明與在2001年10月26日提出的、現(xiàn)在以號(hào)碼2003-0080842 A1公布的、序號(hào)為10/046,346的同時(shí)待審和一般轉(zhuǎn)讓的申請(qǐng)，以及在2003年9月22日提出的、序號(hào)為10/605,312的同時(shí)待審和一般轉(zhuǎn)讓的申請(qǐng)中公開(kāi)并要求權(quán)利的主題有關(guān)；這些申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用將全部結(jié)合在此，就好像是完全在這里提出的一樣。
碳化硅碳化硅(SiC)在最近二十年是作為可提供大量?jī)?yōu)于硅和砷化鉀的優(yōu)點(diǎn)的適當(dāng)?shù)暮蜻x半導(dǎo)體材料出現(xiàn)的。尤其是，碳化硅具有寬能帶隙、高擊穿電場(chǎng)、高熱傳導(dǎo)性、高飽和的電子漂移速度，并且在物理上是極端魯棒的。碳化硅具有極端高的熔點(diǎn)并且是世界上已知的最堅(jiān)硬的材料之一。
然而，因?yàn)槠湮锢韺傩?，碳化硅還可能相對(duì)難以生產(chǎn)。因?yàn)樘蓟杩梢远嘈蜕L(zhǎng)，所以可能很難長(zhǎng)成大的單晶體。用來(lái)生長(zhǎng)碳化硅的高溫還可能使不純度(包括摻雜)的控制相對(duì)比較困難，并且同樣可能在薄膜(如外延層)生產(chǎn)中出現(xiàn)困難。由于其硬度，傳統(tǒng)的切削和拋光半導(dǎo)體晶片的步驟對(duì)碳化硅還可能更困難。類(lèi)似地，其對(duì)于化學(xué)侵蝕的抵抗可能使得難以傳統(tǒng)方式進(jìn)行蝕刻。
另外，碳化硅可形成超過(guò)150種的多型，這些多型中的許多通過(guò)相對(duì)小的熱力學(xué)差異被分離。結(jié)果，在碳化硅中生長(zhǎng)單晶襯底和高質(zhì)量外延層(“外延層”)曾經(jīng)是并且可能保持為困難的任務(wù)。
然而，基于包括由本發(fā)明的受讓人所進(jìn)行的該特殊領(lǐng)域中大量的研究和發(fā)現(xiàn)，在碳化硅的生長(zhǎng)及其制成有用的器件方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)步。因此，加入碳化硅作為襯底用于其他有用的半導(dǎo)體(如III族的氮化物)以生產(chǎn)藍(lán)色和綠色發(fā)光二極管的商用器件現(xiàn)在是可用的。同樣地，基于碳化硅的商用器件可用于微波和射頻(RF)高功率、高電壓應(yīng)用和/或用于其他應(yīng)用。
因?yàn)樘蓟杓夹g(shù)的成功已經(jīng)增加了某些基于SiC的器件的實(shí)用性，這些器件的特殊方面已經(jīng)變得更加明顯。尤其是，已經(jīng)觀(guān)察到某些基于碳化硅的雙極性器件(如雙極性功率器件)的正向電壓(Vf)在某些器件的操作期間可顯著地增加。這種增加通常被稱(chēng)為“Vf漂移”。出于多種原因，半導(dǎo)體器件中這樣的功能性問(wèn)題可能常常是由制成器件的材料的晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷引起的。下面將討論這些缺陷的實(shí)例。
沉積系統(tǒng)和方法通常用來(lái)在襯底上形成半導(dǎo)體材料層，如外延膜。例如，化學(xué)汽相淀積(CVD)反應(yīng)器系統(tǒng)和過(guò)程可用來(lái)在襯底上形成半導(dǎo)體材料(如碳化硅(SiC))層。CVD過(guò)程可能對(duì)形成具有受控特性、厚度和/或布置的層(如外延層)尤其有效。通常，在沉積系統(tǒng)(如CVD系統(tǒng))中，襯底被置于襯托器內(nèi)的反應(yīng)室中，并且包括將要在襯底上沉積的試劑或反應(yīng)物的一種或多種生產(chǎn)氣體被引入與襯底相鄰的反應(yīng)室內(nèi)?？墒股a(chǎn)氣體流過(guò)反應(yīng)室以便于向襯底提供均勻的或受控制濃度的試劑或反應(yīng)物。
磁化硅晶體結(jié)構(gòu)沉積系統(tǒng)(如CVD反應(yīng)器)可用來(lái)在具有預(yù)定多型(如2H、4H、6H、15R、3C等)的單晶碳化硅襯底上形成碳化硅的外延層。術(shù)語(yǔ)“多型”指晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)原子層的排序和布置。因此，盡管碳化硅的不同多型在化學(xué)計(jì)量上是相同的，但是它們擁有不同的晶體結(jié)構(gòu)并且因此可具有不同的材料特性，如能帶隙、載流子遷移率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)。字母H、R和C指多型的一般晶體結(jié)構(gòu)，即分別指六邊形、菱形和立方體形。多型表示中的數(shù)字指層布置的重復(fù)周期。因此，4H晶體具有六邊形晶體結(jié)構(gòu)，其中晶體中原子的布置每隔四個(gè)雙層重復(fù)。
圖1說(shuō)明了假設(shè)的晶體的六邊形晶胞。晶胞60包括一對(duì)相對(duì)的六邊形面61A、61B。六邊形面垂直于c-軸，c-軸沿著如由米勒-布拉菲標(biāo)引系統(tǒng)定義的、用于標(biāo)明六邊形晶體中方向的<0001>方向延伸。因此，六邊形面有時(shí)被稱(chēng)為c-面，其定義了晶體的c-平面或基面。垂直于c-平面的平面被稱(chēng)為棱柱面。
碳化硅擁有許多對(duì)半導(dǎo)體性能和器件來(lái)說(shuō)潛在有利的物理和電子特征。這些可包括寬能帶隙、高熱傳導(dǎo)性、高飽和的電子漂移速度、高電子遷移率、超高的機(jī)械強(qiáng)度和輻射硬度。然而，取決于缺陷的類(lèi)型、位置和密度，碳化硅膜中結(jié)晶缺陷的存在可能限制了在該膜中制作的電子器件的性能。因此，有意義的研究已經(jīng)集中于減少碳化硅膜中的缺陷。已知某些缺陷(如微管)嚴(yán)重地限制并且甚至阻礙了器件性能。其他缺陷(如穿透位錯(cuò))不認(rèn)為是對(duì)器件操作單獨(dú)有害的，因此它們不會(huì)明顯地以通常在外延膜上發(fā)現(xiàn)的密度來(lái)影響器件性能。
對(duì)于其中期望高電壓阻塞能力的應(yīng)用(例如功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用)來(lái)說(shuō)，碳化硅膜通?！半x軸”生長(zhǎng)。也就是，以稍微傾斜于垂直晶體軸(c-軸)的角度切削襯底晶體。采取比如六邊形多型(如4H或6H)，在圖2所說(shuō)明的其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)晶方向上構(gòu)成切口的傾斜角，所述方向即為<1120>方向(朝向六邊形晶胞的一點(diǎn))或<1010>方向(朝向六邊形晶胞的平面?zhèn)鹊闹行?、或沿不同的方向。作為離軸切削的結(jié)果，所制備的襯底的面的特征在于平臺(tái)和臺(tái)階的周期布置。參見(jiàn)比如Kong等人的標(biāo)題為“Homoepitaxial Growth of alpha-SiC ThinFilms and Semiconductor Devices Fabricated Thereon”、轉(zhuǎn)讓給北卡羅萊納州立大學(xué)的美國(guó)專(zhuān)利4,912,064，該申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用將全部結(jié)合在此，就好像是完全在這里提出的一樣。
因此，當(dāng)外延層在襯底上生長(zhǎng)時(shí)，沉積的原子結(jié)合到晶體層臺(tái)階的曝光邊緣處的原子，這使得臺(tái)階以所謂臺(tái)階流方式側(cè)向生長(zhǎng)。圖3說(shuō)明了臺(tái)階流生長(zhǎng)。各層或臺(tái)階在其中晶體最初被離軸切割的方向(在圖3所說(shuō)明的情形中為<1120>方向)上生長(zhǎng)。
結(jié)晶缺陷在最基本的層次上，結(jié)構(gòu)結(jié)晶缺陷可分成四類(lèi)點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷、面缺陷和三維缺陷。點(diǎn)缺陷包括空位，線(xiàn)缺陷包括位錯(cuò)，面缺陷包括堆垛層錯(cuò)，以及三維缺陷包括多型參雜。
位錯(cuò)是一種在整個(gè)晶體內(nèi)延續(xù)許多晶胞長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)不完整性。位錯(cuò)的更確切的描述可將其分類(lèi)為螺型位錯(cuò)和刃型位錯(cuò)。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公認(rèn)的，在根據(jù)返回到自身的真實(shí)晶體內(nèi)的從原子至原子(或從離子至離子)的對(duì)稱(chēng)路徑被稱(chēng)為伯格斯回路。如果代表結(jié)構(gòu)的晶格內(nèi)的相同路徑不會(huì)返回其自身，以使開(kāi)始和結(jié)束不在相同的原子上，則伯格斯回路包含一個(gè)或多個(gè)位錯(cuò)。在晶格中完成閉合回路的矢量被稱(chēng)為伯格斯矢量，并且該矢量測(cè)量位錯(cuò)的量級(jí)和方向。
如果伯格斯矢量平行于定位位錯(cuò)的線(xiàn)，則缺陷被稱(chēng)為螺型位錯(cuò)。另一方面，如果伯格斯矢量垂直于位錯(cuò)，則其被稱(chēng)為刃型位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)的最簡(jiǎn)單形式是在兩個(gè)垂直平面之間插入的原子或離子的不完整平面，在某種意義上它有些類(lèi)似中途插進(jìn)紙牌的額外的卡片。
螺型位錯(cuò)不必是不利的并且實(shí)際上可能是有利于晶體生長(zhǎng)的。例如，在碳化硅晶體的名義上(0001)定向的生長(zhǎng)表面處的1C穿透螺型位錯(cuò)提供了一個(gè)或幾個(gè)原子高的重新生成的邊緣。在該邊緣處，晶體的連續(xù)生長(zhǎng)相對(duì)容易。然而，位錯(cuò)允許塑性流動(dòng)能夠在晶體內(nèi)相對(duì)容易地發(fā)生。位錯(cuò)可沿著滑移面優(yōu)先移動(dòng)。位錯(cuò)移過(guò)晶體相對(duì)容易，因?yàn)榛泼嫔系囊苿?dòng)只涉及結(jié)構(gòu)要素的輕微移動(dòng)。換句話(huà)說(shuō)，滑移面提供了據(jù)此可重新組織晶體的低能中間狀態(tài)。
碳化硅中的缺陷在碳化硅功率器件中，這樣的相對(duì)低能中間狀態(tài)的實(shí)用性可促進(jìn)層錯(cuò)繼續(xù)生長(zhǎng)，因?yàn)槠骷牟僮骺商峁?qū)動(dòng)位錯(cuò)移動(dòng)所需要的相對(duì)少量的能量。
商用質(zhì)量的SiC晶片和外延層通常包括螺型位錯(cuò)和刃型位錯(cuò)。這些位錯(cuò)還可以通過(guò)它們?cè)诰w內(nèi)的排列被進(jìn)一步分組。沿著c-軸傳播的那些位錯(cuò)被稱(chēng)為穿透位錯(cuò)，而位于c-平面內(nèi)的位錯(cuò)被稱(chēng)為基面位錯(cuò)。通常，在SiC中，借助于下面所描述的機(jī)制，基面位錯(cuò)可優(yōu)先分解成局部位錯(cuò)，這在能量方面是有利的1/3<1120>→1/3<1010>+1/3<0110> (方程1)上述分解反應(yīng)描述了基面位錯(cuò)分解成兩個(gè)肖克利局部位錯(cuò)。在上述分解期間生成的線(xiàn)缺陷將限制堆垛層錯(cuò)缺陷。實(shí)際上，局部位錯(cuò)將通常約束堆垛層錯(cuò)的整個(gè)周長(zhǎng)，除非堆垛層錯(cuò)到達(dá)自由表面。這種堆垛層錯(cuò)在雙極性器件中將通常是電激活的，并且在正向操作期間，在堆垛層錯(cuò)附近可減少電子-空穴等離子體的密度。減少的等離子體密度可增加器件的正向電壓。另外潛在的復(fù)雜性是通過(guò)重組增強(qiáng)的位錯(cuò)滑移，堆垛位錯(cuò)在器件的正向操作期間可繼續(xù)擴(kuò)張。這種行為可引起器件利用的實(shí)際障礙，因?yàn)槠淇蓪?dǎo)致具有可以在操作期間不可預(yù)見(jiàn)地改變的功能特性的器件。
換句話(huà)說(shuō)，由于晶體內(nèi)先前存在的缺陷，電流通過(guò)碳化硅雙極性器件的應(yīng)用可能傾向于啟動(dòng)或傳播(或兩者)晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的變化。正如上面所注意到的，許多SiC多型處于緊密的熱力學(xué)鄰近，并且固相轉(zhuǎn)變是非?？赡艿?。在堆垛層錯(cuò)影響器件的大部分有效面積時(shí)，它們趨向于以一種不期望的模式導(dǎo)致正向電壓增加，這可阻止器件如在許多應(yīng)用中所需要或所期望地那樣精確和/或有效地操作。
在某些慣例中，位錯(cuò)密度通過(guò)材料每立方厘米位錯(cuò)長(zhǎng)度的厘米數(shù)來(lái)描述，并且因此報(bào)告為每平方厘米(cm-2)的位錯(cuò)密度單位。在另一個(gè)慣例中(以及正如這里所使用的)，用于SiC外延層生長(zhǎng)的4H-SiC襯底的離軸取向以及用來(lái)檢測(cè)位錯(cuò)的常用蝕刻技術(shù)使得更便于利用蝕刻坑密度(單位也是cm-2)來(lái)描述SiC內(nèi)的位錯(cuò)密度。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將因此認(rèn)識(shí)到，對(duì)于如以cm/cm3表述的給定的位錯(cuò)密度，取決于典型的位錯(cuò)配置和襯底的偏軸角，可以得到以坑數(shù)/cm2表述時(shí)的非常不同的位錯(cuò)坑密度。因此，盡管這兩個(gè)數(shù)字將具有相同的凈單位(cm-2)，但是它們不必表示相同的實(shí)際位錯(cuò)密度。為了清楚和一致起見(jiàn)，在本申請(qǐng)中，位錯(cuò)密度將被描述為在8°離軸(0001)取向的襯底制備的硅表面的蝕刻外表面上描繪的特定坑密度。
根據(jù)這里所使用的慣例，目前商業(yè)可得到的4H-SiC襯底可具有近似每cm2的1E3至1E5(大約103-105)位錯(cuò)。這包括穿透螺型和刃型位錯(cuò)以及基面位錯(cuò)。推測(cè)起來(lái)，所有類(lèi)型的位錯(cuò)可影響器件性能，但是基面位錯(cuò)作為可導(dǎo)致Vf漂移的堆垛層錯(cuò)的一般成核位置已經(jīng)被特別包含。
襯底內(nèi)的缺陷又常常在這樣的襯底上生長(zhǎng)的外延層中被復(fù)制，從而使襯底晶體質(zhì)量相對(duì)于由此產(chǎn)生的器件的質(zhì)量和性能而成為極為重要的因素。
傳統(tǒng)的襯底制備和外延層生長(zhǎng)實(shí)踐可相當(dāng)有效地使基面位錯(cuò)的密度從襯底內(nèi)的1E3-1E4cm-2減少到外延層內(nèi)的大約400cm-2。位錯(cuò)密度的這種減少可借助于襯底制備和外延層生長(zhǎng)操作中的變化來(lái)完成。
因此，對(duì)于基于SiC的雙極性和其他器件的結(jié)構(gòu)和操作內(nèi)的連續(xù)改進(jìn)，最好是提供基礎(chǔ)襯底及其晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的連續(xù)改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的某些實(shí)施例，通過(guò)在具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向的碳化硅襯底的表面上形成多個(gè)第一特征可制作外延碳化硅層。所述的多個(gè)第一特征包括取向不平行于(即傾斜或垂直于)預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。接著，在其中包括多個(gè)第一特征的碳化硅襯底的表面上生長(zhǎng)第一外延碳化硅層。然后，在第一外延層的表面上形成多個(gè)第二特征。所述的多個(gè)第二特征包括取向不平行于預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。然后，在其中包括多個(gè)第二特征的第一外延層的表面上生長(zhǎng)第二外延碳化硅層。第一和第二特征可以是相同的或者至少部分不相同。
在某些實(shí)施例中，通過(guò)掩蔽碳化硅表面并且接著蝕刻被曝光的所述表面可形成第一和/或第二特征。在某些實(shí)施例中，可通過(guò)干法蝕刻進(jìn)行蝕刻?？衫梦g刻氣體(如NF3和/或SF6)實(shí)施干法蝕刻。在某些實(shí)施例中使用NF3。在某些實(shí)施例中，預(yù)定結(jié)晶方向?yàn)?amp;lt;1120>方向。
在某些實(shí)施例中，多個(gè)第一和/或第二特征包括在垂直于預(yù)定結(jié)晶方向的方向上伸展的多個(gè)溝槽。在其他實(shí)施例中，溝槽傾斜于預(yù)定結(jié)晶方向伸展。還可設(shè)置傾斜的或垂直的溝槽。在其它實(shí)施例中，多個(gè)第一和/或第二特征包括多個(gè)坑，如周期性重復(fù)的六邊形坑的圖案。第一和第二特征(如溝槽)可以彼此偏離。
在某些實(shí)施例中，在碳化硅襯底的表面上生長(zhǎng)第一外延碳化硅層以使第一外延碳化硅層包含比碳化硅襯底更低的基面位錯(cuò)密度。此外，在本發(fā)明另外的實(shí)施例中，第二外延碳化硅層包含比第一外延碳化硅層更低的基面位錯(cuò)密度。
按照本發(fā)明某些實(shí)施例的碳化硅半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向并且在其表面上包括多個(gè)第一特征的碳化硅襯底。所述多個(gè)第一特征包括取向不平行于(即傾斜和/或垂直于)預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。第一外延碳化硅層也被設(shè)置在其中包括多個(gè)第一特征的碳化硅襯底的表面上。第二特征被設(shè)置在遠(yuǎn)離碳化硅襯底的第一外延層的表面上，并且第二外延碳化硅層被設(shè)置在第一外延層的表面上。預(yù)定結(jié)晶方向可以是<1120>方向。第一和/或第二特征可包括如上所述的溝槽和/或凹坑，和/或可以是偏離的。還是如上所述，第一外延碳化硅層可包含比碳化硅襯底更低的基面位錯(cuò)密度，以及第二外延碳化硅層可包含比第一外延碳化硅層更低的基面位錯(cuò)密度。
本發(fā)明的其它實(shí)施例通過(guò)從具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向的碳化硅襯底表面上的多個(gè)第一特征的至少一個(gè)側(cè)壁外延生長(zhǎng)以形成外延碳化硅層來(lái)制作外延碳化硅層，所述至少一個(gè)側(cè)壁的取向不平行于預(yù)定結(jié)晶方向。在第一外延層的表面上外延生長(zhǎng)多個(gè)第二特征的至少一個(gè)側(cè)壁。所述特征可以是如上所述的溝槽和/或凹坑。
此外，按照本發(fā)明其它實(shí)施例的方法和結(jié)構(gòu)可利用除碳化硅以外的單晶襯底來(lái)制作其上的兩個(gè)或多個(gè)外延層。


圖1是六邊形晶胞結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)結(jié)晶方向的六邊形晶胞的頂視圖；圖3是離軸碳化硅晶體的示意性側(cè)視圖；圖4是外延沉積系統(tǒng)的示意圖；圖5是能夠形成圖4的沉積系統(tǒng)的一部分的襯托器組件的橫截面；圖6是依照本發(fā)明某些實(shí)施例的已經(jīng)被處理的SiC晶片的示意圖；圖7A和7B是依照本發(fā)明某些實(shí)施例的已經(jīng)被處理的SiC晶片的表面的一部分的放大圖；圖8A是依照本發(fā)明某些實(shí)施例的、具有周期性六邊形坑結(jié)構(gòu)的、已經(jīng)被圖案化的碳化硅晶片表面的干涉測(cè)量導(dǎo)出的地形表示；
圖8B是沿著圖8A的B-B線(xiàn)所取得的深度分布圖；圖8C是沿著圖8A的C-C線(xiàn)所取得的深度分布圖；圖9A是依照本發(fā)明某些實(shí)施例的、具有周期性溝槽結(jié)構(gòu)的、已經(jīng)被圖案化的碳化硅晶片表面的示意平面圖；圖9B是圖9A中所示結(jié)構(gòu)的示意性正視圖；圖9C是圖9A中所示結(jié)構(gòu)的可替換實(shí)施例的示意性正視圖；圖10是按照本發(fā)明某些實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的示意性正視圖；圖11是按照本發(fā)明某些實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的示意性正視圖；圖12是按照本發(fā)明某些實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的示意性正視圖；圖13是按照本發(fā)明某些實(shí)施例的SiC外延層表面的顯微照片；圖14是按照本發(fā)明另外的實(shí)施例的SiC外延層表面的顯微照片；以及圖15是按照本發(fā)明另外的實(shí)施例的SiC外延層表面的顯微照片。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將在下文中參考其中本發(fā)明實(shí)施例被示出的附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行充分的描述。然而，本發(fā)明可體現(xiàn)在許多不同的形式中，并且不應(yīng)當(dāng)被解釋為受限于這里所提出的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例以使本公開(kāi)將是徹底的和完整的，并且將充分地向本領(lǐng)域的技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的范圍。在附圖中，為了清楚起見(jiàn)，層和區(qū)域的尺寸和相對(duì)尺寸被夸大。將會(huì)理解，在元件或?qū)颖环Q(chēng)為是“在另一個(gè)元件或?qū)由稀睍r(shí)，它可能是直接在另外的元件或?qū)由匣蛘呖纱嬖谥虚g元件或?qū)?。相反地，在元件被稱(chēng)為“直接在另一個(gè)元件或?qū)由稀睍r(shí)，則不存在中間元件或?qū)?。相同的?shù)字指其中相同的元件。正如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的列示項(xiàng)的任何以及所有組合。
這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅僅是為了描述特定實(shí)施例的并且不打算限制本發(fā)明。正如這里所使用的，單數(shù)形式“一個(gè)”同樣用來(lái)包括復(fù)數(shù)形式，除非本說(shuō)明書(shū)清楚地以其他的方式來(lái)表示。還將理解，在本說(shuō)明書(shū)中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“包含”指所述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、和/或部件的存在，但是不排除一種或多種其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件、和/或其中組合的存在或添加。因此，例如，可按照本發(fā)明實(shí)施例生長(zhǎng)三層或更多的外延層，即使在這里描述的是兩層的生長(zhǎng)。
將會(huì)了解，盡管在這里術(shù)語(yǔ)第一、第二等可用來(lái)描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/或部分，這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)當(dāng)受這些術(shù)語(yǔ)的限制。這些術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)使一個(gè)元件、部件、區(qū)域、層或部分同另一個(gè)區(qū)域、層或部分區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此，下面所討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可被稱(chēng)為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而未背離本發(fā)明的教導(dǎo)。
此外，相對(duì)的術(shù)語(yǔ)，如“下部”或“底部”和“上部”或“頂部”，在這里可用來(lái)描述如圖中所說(shuō)明的一個(gè)元件對(duì)另一個(gè)元件的關(guān)系。將會(huì)理解，除圖中所描述的取向之外，相對(duì)術(shù)語(yǔ)還用來(lái)包含器件的不同取向。例如，如果圖中的器件被翻轉(zhuǎn)，被描述為在其他元件的“下部”一側(cè)上的元件則將取向?yàn)樵谄渌摹吧喜俊币粋?cè)上。取決于附圖的特定取向，示范的術(shù)語(yǔ)“下部”可因此包含“下部”和“上部”的取向。同樣地，如果在其中一幅圖中的器件被翻轉(zhuǎn)，被描述為在其他元件的“下方”或“之下”的元件則將取向?yàn)樵谄渌摹吧戏健?。示范的術(shù)語(yǔ)“下方”或“之下”可因此包含下方和上方的取向。
在這里參考本發(fā)明理想實(shí)施例的示意性說(shuō)明的橫截面圖和/或其他視圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。同樣地，作為比如制造技術(shù)和/或容限的結(jié)果，可期望圖示的形狀的變化。因此，本發(fā)明實(shí)施例不應(yīng)當(dāng)被解釋為受限于這里所說(shuō)明的區(qū)域的特定形狀，但是將包括由比如制造產(chǎn)生的形狀的偏差。例如，作為多邊形來(lái)說(shuō)明的生長(zhǎng)或沉積區(qū)域通常將具有圓形或彎曲特征，和/或在具有另一區(qū)域的其邊緣處的濃度梯度，而不是從第一區(qū)域到不同成分的第二區(qū)域的離散變化。因此，圖中所說(shuō)明的區(qū)域?qū)嶋H上是示意性的，并且它們的形狀不是用來(lái)說(shuō)明器件的精確形狀也不是用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
按照本發(fā)明的某些實(shí)施例，在具有朝向第一結(jié)晶方向的離軸取向的碳化硅襯底上制造外延碳化硅層的方法可包括利用圖案化的蝕刻掩模掩蔽襯底的第一表面、蝕刻襯底的第一表面以形成多個(gè)特征、以及在蝕刻的第一表面上生長(zhǎng)碳化硅的外延層，其中各特征包括以?xún)A斜或垂直于第一結(jié)晶方向的角度取向的側(cè)壁。襯底具有朝向第一結(jié)晶方向的離軸取向，如<1120>方向。利用干法蝕刻處理(如利用NF3和/或SF6的反應(yīng)離子蝕刻)可對(duì)部分掩蔽的襯底進(jìn)行蝕刻。
在某些實(shí)施例中，多個(gè)特征包括在傾斜和/或垂直于第一結(jié)晶方向的方向上伸展的多個(gè)溝槽。在其他的實(shí)施例中，多個(gè)特征包括周期性地重復(fù)的六邊形凹坑的圖案。
在某些實(shí)施例中，以包括側(cè)壁的多個(gè)特征使襯底圖案化，并以第一缺陷密度生長(zhǎng)第一外延層。接著，以具有側(cè)壁的多個(gè)特征使第一外延層圖案化，并以小于第一缺陷密度的第二缺陷密度生長(zhǎng)第二外延層。
按照本發(fā)明某些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可包括具有第一表面的離軸碳化硅襯底和在第一表面上形成的碳化硅的外延層。襯底的第一表面包括多個(gè)特征，各特征具有傾斜或垂直于離軸結(jié)晶方向的側(cè)壁。與襯底相比，外延層具有減小的基面位錯(cuò)密度。
本發(fā)明的其他實(shí)施例包括具有第一表面和在第一表面上形成的碳化硅的第一外延層的離軸碳化硅襯底。襯底的表面包括多個(gè)特征，各特征具有傾斜或垂直于離軸結(jié)晶方向的側(cè)壁。與襯底相比，第一外延層具有減小的基面位錯(cuò)密度。第一外延層還包括多個(gè)特征，各特征具有傾斜或垂直于離軸結(jié)晶方向的側(cè)壁。在第一外延層上生長(zhǎng)第二外延層。與第一外延層相比，第二外延層具有減小的基面位錯(cuò)密度。
本發(fā)明的某些實(shí)施例可提供減小堆垛層錯(cuò)成核位置密度和/或減小基于碳化硅的雙極性器件內(nèi)的正向電壓(Vf)漂移的方法，以及具有可充當(dāng)堆垛層錯(cuò)成核位置的減小的基面位錯(cuò)密度的碳化硅結(jié)構(gòu)。
某些實(shí)施例包括在碳化硅襯底的掩蔽表面上進(jìn)行蝕刻，如干法蝕刻，并且在某些實(shí)施例中為利用NF3和/或SF6化學(xué)處理的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)，以此形成具有由此可進(jìn)行外延生長(zhǎng)的側(cè)壁的多種結(jié)構(gòu)。在美國(guó)專(zhuān)利4,865,685和4,981,551中提出了用于碳化硅的干法蝕刻的示范的、但不是限制性的技術(shù)，其內(nèi)容通過(guò)引用將全部結(jié)合在此。用于實(shí)施這里所描述的蝕刻的其他技術(shù)和化學(xué)處理通常在本領(lǐng)域中是公認(rèn)的并且除了說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例之外將不在這里對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。
這里所使用的術(shù)語(yǔ)“襯底”在某種意義上足夠廣泛地包括了大塊單晶體(通常從梨晶中切割下來(lái)的)，以及可包括一層或多層外延層的器件前體結(jié)構(gòu)，如晶片，但是其基本上(盡管不必是專(zhuān)門(mén)地)充當(dāng)了對(duì)其上形成的器件的物理和電子支持。
同樣地，術(shù)語(yǔ)“干法蝕刻”和“濕法蝕刻”常常被用來(lái)指反應(yīng)離子蝕刻或等離子體蝕刻(“干法”)或用來(lái)指在熔化的鹽或其他溶液中的蝕刻(“濕法”)。
通常，但不是必需，襯底將是n-型的，因?yàn)閚-型襯底可在基于碳化硅的器件中提供大量的優(yōu)點(diǎn)，并且可具有大約每cm3的1E18-1E19(1×1018-1×1019)載流子的活性載流子濃度。與襯底相比，外延層的載流子濃度可根據(jù)其用途來(lái)選擇(或描述)?！皩?dǎo)電”層通?？删哂?E18-19cm-3的載流子濃度。“阻擋”層可通常具有小于1E16cm-3的載流子濃度。取決于終端器件的結(jié)構(gòu)或用途，“活性”層可具有這些參數(shù)范圍內(nèi)的載流子濃度。因此，盡管如n、n+和n-這樣的術(shù)語(yǔ)可用來(lái)描述襯底和外延層，但是這樣的術(shù)語(yǔ)應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是說(shuō)明意義的而不是限制意義的。
在其上形成器件的碳化硅襯底可取自大的晶體(或“梨晶”)，通常通過(guò)從碳化硅梨晶鋸下碳化硅襯底晶片以及此后在襯底晶片上進(jìn)行非選擇性蝕刻這些步驟而取得。在大多數(shù)情況下，按照本發(fā)明的實(shí)施例，在進(jìn)行第一圖案化蝕刻之前，鋸下的襯底晶片被研磨、拋光、蝕刻(通常為RIE)和清洗(利用酸或溶劑)。術(shù)語(yǔ)“研磨”以其典型的意義被使用，即用來(lái)描述利用反向旋轉(zhuǎn)研磨機(jī)和研磨粉漿(如金剛石)使晶片表面變平的步驟。研磨有助于使晶片表面平行并且可減少機(jī)械缺陷(如鋸痕)。同樣地，按照慣例，在實(shí)施本發(fā)明的步驟之前，可以其他的方式執(zhí)行拋光、蝕刻和清洗步驟。
本發(fā)明的某些實(shí)施例可便利地減少外延層內(nèi)基面位錯(cuò)的密度?；嫖诲e(cuò)密度的這種減少可以和所識(shí)別的測(cè)量結(jié)合以此使活性器件區(qū)域同襯底以及在以前結(jié)合的申請(qǐng)No.10/046,346中討論過(guò)的表面缺陷隔離，并且基面位錯(cuò)密度的這種減少可用來(lái)提供SiC雙極性器件。
圖4的平面圖示意性示出了其中可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明某些實(shí)施例的沉積系統(tǒng)101。沉積系統(tǒng)101可以是水平、熱壁、流通、CVD系統(tǒng)，如圖所示其包括襯托器組件100、限定直通通道180A的石英管180、電磁頻率(EMF)發(fā)生器182(如包括電源和RF線(xiàn)圈環(huán)繞的管子180)和生產(chǎn)氣體供應(yīng)160。除了石英管180或者代替石英管180，還可在襯托器組件100附近設(shè)置絕緣蓋。沉積系統(tǒng)101可用來(lái)在襯底120上形成層或膜(圖5)。雖然圖5只說(shuō)明了單個(gè)襯底120，但是系統(tǒng)101可適合于在多個(gè)襯底120上同時(shí)形成若干個(gè)膜。
襯底120可以是晶片或者是由與要被沉積的層的材料相同或不同的材料形成的其他結(jié)構(gòu)。襯底120可以由比如2H-、4H-、或6H-SiC形成。在其上沉積膜的襯底表面可以是基部襯底或添加在基部襯底上的第一或后來(lái)的層。例如，用于接收沉積的膜的襯底120的表面可以是利用沉積系統(tǒng)101或可選用設(shè)備在以前沉積的層。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到的，按照本公開(kāi)內(nèi)容，本發(fā)明的實(shí)施例可便利地使用除這里特別提到的材料之外的半導(dǎo)體材料。
通常，如下面所討論的，生產(chǎn)氣體供應(yīng)160將生產(chǎn)氣體供給襯托器組件100并使之穿過(guò)襯托器組件100。EMF發(fā)生器182感應(yīng)加熱襯托器組件100，以此在其中沉積反應(yīng)發(fā)生的襯托器組件100內(nèi)提供熱區(qū)。生產(chǎn)氣體繼續(xù)通過(guò)襯托器組件100并作為可包括比如生產(chǎn)氣體的剩余成分和反應(yīng)副產(chǎn)品的廢氣從襯托器組件100中排出。本發(fā)明的實(shí)施例可利用除熱壁CVD系統(tǒng)以外類(lèi)型的沉積系統(tǒng)。在閱讀了這里的說(shuō)明書(shū)時(shí)，對(duì)本發(fā)明系統(tǒng)和方法的其他修改對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)。
生產(chǎn)氣體可包括一種或多種成分，如試劑、反應(yīng)物、物種、載體等。在期望于襯底上形成SiC層之處，生產(chǎn)氣體可包括前體氣體(如硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8))以及載運(yùn)氣體(如凈化的氫氣(H2))。生產(chǎn)氣體供應(yīng)160可根據(jù)需要由具有流量控制和/或計(jì)量裝置的一個(gè)或多個(gè)加壓的氣體容器來(lái)提供。
圖5示出了示范的傳統(tǒng)襯托器100。正如圖4所說(shuō)明的，襯托器100可用于比如流通、熱壁、和/或CVD反應(yīng)器。襯托器100具有頂部襯托器構(gòu)件100A和底部襯托器構(gòu)件100B。襯托器100還具有將反應(yīng)室107限定其間的頂部襯墊103和底部襯墊105。例如，襯底120(如半導(dǎo)體晶片)位于反應(yīng)室107內(nèi)并且可位于(可旋轉(zhuǎn)的)大淺盤(pán)154的內(nèi)表面上。在一端處，將生產(chǎn)氣體P引入反應(yīng)室107并使其流過(guò)反應(yīng)室107、通過(guò)襯底120、以及最終在相反的一端處從反應(yīng)室107中排出。正如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)生產(chǎn)氣體指一種或多種氣體。正如圖5所示，由反應(yīng)室107內(nèi)的箭頭表示的，在生產(chǎn)氣體流過(guò)反應(yīng)室107時(shí)，一部分生產(chǎn)氣體如所預(yù)定的可與襯底120接觸，并因此在襯底120上沉積試劑或反應(yīng)物，以此在其上形成層。在某些系統(tǒng)中，反應(yīng)室107可具有介于大約0.1和1米之間的長(zhǎng)度、介于大約0.05和0.5米之間的寬度、以及介于大約1和10cm之間的高度。然而，反應(yīng)室107不限于這些尺寸。襯托器構(gòu)件可包括高質(zhì)量石墨。包括襯托器設(shè)計(jì)的CVD沉積系統(tǒng)的實(shí)例在標(biāo)題為“Induction Heating Devices and Methods for Controllably Heating anArticle”、公布號(hào)為US 2003/0079689的美國(guó)專(zhuān)利和2003年4月16日提出的、標(biāo)題為“Methods and Apparatus for Controlling Formation ofDeposits in a Deposition System and Deposition Systems and methodsIncluding the Same”、申請(qǐng)?zhí)枮?0/414,787的美國(guó)專(zhuān)利中可找到，上述兩個(gè)申請(qǐng)通過(guò)引用將全部結(jié)合在此。
在某些實(shí)施例中，襯托器構(gòu)件100A和100B由這樣一種材料形成，該材料適合于響應(yīng)由EMF發(fā)生器182在其中生成的渦電流而生成熱量，這樣的材料和感應(yīng)加熱布置對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是公知的。構(gòu)件可由石墨制成，并且更優(yōu)選地由高純度石墨制成。
大淺盤(pán)154等可位于底部構(gòu)件110B和襯底120之間以此支持襯底120。按照某些實(shí)施例，大淺盤(pán)154可被適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)(圖中未示出)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。例如，系統(tǒng)可包括氣體驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，如在2001年1月8日提出的、標(biāo)題為“Gas Driven Rotation Apparatus and Methodfor Forming Silicon Carbide Layers”、申請(qǐng)序列號(hào)為09/756,548的美國(guó)專(zhuān)利中所描述的，和/或如在2002年4月8日提出的、標(biāo)題為“GasDriven Planetary Rotation Apparatus and Methods for Forming SiliconCarbide Layers”、申請(qǐng)序列號(hào)為10/117,858的美國(guó)專(zhuān)利中所描述的，這些申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用將全部結(jié)合在此。另一方面，大淺盤(pán)154還可以是靜止的。大淺盤(pán)154可能適合于支持一個(gè)或多個(gè)襯底120。大淺盤(pán)154可由任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥桑鏢iC涂敷的石墨、固體SiC和/或固體SiC合金?？墒÷源鬁\盤(pán)154以使襯底被留在襯托器構(gòu)件100B、襯墊105或其他適當(dāng)?shù)闹С治锷稀?br> 在使用過(guò)程中，生產(chǎn)氣體供應(yīng)160通過(guò)入口102向反應(yīng)室107供應(yīng)生產(chǎn)氣體流P。生產(chǎn)氣體P通常在流動(dòng)方向R上流動(dòng)。如圖所示，某部分的生產(chǎn)氣體和試劑在這里與襯底120接觸以此在襯底120的曝光表面上形成所期望的層(如外延層)。
雖然前述的沉積系統(tǒng)101和方法是作為關(guān)于水平、熱壁、CVD、流通沉積過(guò)程來(lái)描述的，但是本發(fā)明的各個(gè)方面可用于其他類(lèi)型的沉積系統(tǒng)和過(guò)程。雖然特定實(shí)施例已經(jīng)參考“頂部”、“底部”等來(lái)描述，但是依照本發(fā)明可使用其他的取向和配置。例如，沉積系統(tǒng)和過(guò)程可以是冷壁和/或非水平流通系統(tǒng)和過(guò)程。沉積系統(tǒng)和過(guò)程可以是除CVD系統(tǒng)或過(guò)程之外的汽相外延(VPE)、液相外延(LPE)、或等離子體增強(qiáng)的CVD(PECVD)沉積系統(tǒng)和過(guò)程。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖6，其上將生長(zhǎng)一層或多層外延層的單晶碳化硅襯底晶片10具有通常圓形的周長(zhǎng)。在晶片上研磨一對(duì)平臺(tái)以此幫助晶片取向。尤其是，晶片10包括主要平臺(tái)12和次要平臺(tái)14。晶片的表面16通常對(duì)應(yīng)于碳化硅晶體的c-面(除了晶片已經(jīng)以朝向<1120>方向的偏軸角α的角度被切割之外)。在某些實(shí)施例中，偏軸角α可以是大約8°。主要平臺(tái)12沿<1120>方向延伸，雖然次要平臺(tái)14是沿<1010>方向取向的。
在某些實(shí)施例中，在外延生長(zhǎng)之前，晶片10的表面16被掩蔽并被蝕刻以此在其上形成預(yù)定的圖案?？墒褂冒琒iO2、Si3N4、氧化銦錫(ITO)的傳統(tǒng)掩模和/或其他傳統(tǒng)掩蔽材料。利用傳統(tǒng)技術(shù)可制作并圖案化掩模。蝕刻過(guò)程可包括如上所述的反應(yīng)離子蝕刻。在其他實(shí)施例中，無(wú)掩模蝕刻和/或選擇性生長(zhǎng)技術(shù)可用來(lái)在襯底上形成多個(gè)特征。在另外的實(shí)施例中，激光形成圖案可用來(lái)在襯底上形成多個(gè)特征。圖案包括多個(gè)特征，所述多個(gè)特征包括以對(duì)其中臺(tái)階流外延生長(zhǎng)將發(fā)生的結(jié)晶方向傾斜或垂直的角度(即不平行)取向的至少一個(gè)側(cè)壁。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，以朝向<1120>方向離軸切割晶片10；因此，外延生長(zhǎng)將在<1120>方向上發(fā)生。因此，在所說(shuō)明的實(shí)施例中，晶片包括多個(gè)特征，所述多個(gè)特征包括以對(duì)<1120>結(jié)晶方向來(lái)說(shuō)傾斜或垂直角度取向的至少一個(gè)側(cè)壁。
圖7A說(shuō)明了示范的蝕刻圖案，其是蝕刻之后的晶片10的表面的一部分25的放大視圖的理想化示意圖。正如這里所說(shuō)明的，晶片10的表面16包括在這里被蝕刻的多個(gè)周期性重復(fù)的六邊形坑20。各個(gè)坑被六個(gè)側(cè)壁22所包圍。在某些實(shí)施例中，包括圖7A所說(shuō)明的實(shí)施例，至少一個(gè)坑20被定向，以及在某些實(shí)施例中，各個(gè)坑20被定向，以使其中的兩個(gè)側(cè)壁以近似平行于其中外延生長(zhǎng)將發(fā)生的結(jié)晶方向(在這種情形下，為<1120>方向)的方向延伸，而其余的四個(gè)側(cè)壁傾斜于其中外延生長(zhǎng)將發(fā)生的結(jié)晶方向。在其他實(shí)施例中，至少一個(gè)坑20被定向，以使其中的兩個(gè)側(cè)壁以近似垂直于其中外延生長(zhǎng)將發(fā)生的結(jié)晶方向的方向延伸，而其余的四個(gè)側(cè)壁傾斜于其中外延生長(zhǎng)將發(fā)生的結(jié)晶方向。
圖7B詳細(xì)說(shuō)明了六邊形坑20?？?0包括相對(duì)的若干對(duì)側(cè)壁22a、22b和22c?？?0的特征還在于長(zhǎng)軸24和短軸26，所述長(zhǎng)軸24在相對(duì)的頂點(diǎn)之間穿過(guò)六邊形的中心，所述短軸26在相對(duì)的側(cè)邊之間穿過(guò)六邊形的中心。
在某些實(shí)施例中，六邊形坑20可具有大約0.1至大約1μm的深度和大約5至大約30μm的長(zhǎng)軸。在特定的實(shí)施例中，坑20可具有大約0.5μm的深度和大約10μm的長(zhǎng)軸。在某些實(shí)施例中，坑20可具有大約20∶1的長(zhǎng)軸和深度的比率。側(cè)壁22可具有大約0.25至5μm的寬度。在特定的實(shí)施例中，側(cè)壁可具有大約4μm的寬度。
圖8A-8C說(shuō)明了示范的結(jié)構(gòu)。圖8A是依照本發(fā)明某些實(shí)施例的、具有周期性六邊形坑結(jié)構(gòu)的、已經(jīng)被圖案化的碳化硅晶片表面的干涉測(cè)量導(dǎo)出的地形表示。圖8B是沿著B(niǎo)-B線(xiàn)所取得的深度分布圖，而圖8C是沿著C-C線(xiàn)所取得的深度分布圖。圖8A-8C所說(shuō)明的結(jié)構(gòu)具有近似約9.73μm的長(zhǎng)軸、大約0.5μm的深度和大約4μm的側(cè)壁寬度。
在沒(méi)有背離本發(fā)明范圍的情況下可選擇其他尺寸。例如，上面指定的示范尺寸采用大約8°的偏軸角α，并且是基于本理解和能力來(lái)選擇的。如果使用不同的偏軸角，其他尺寸可用來(lái)增加或最大化缺陷減少的量值。
除六邊形之外的其他特征形狀可用于本發(fā)明的其他實(shí)施例。這些特征可包括比如線(xiàn)條、人字形圖案、或其他多邊形。圖9A說(shuō)明了其上已經(jīng)形成由臺(tái)面條紋34分離的一連串溝槽32的襯底30的一部分。溝槽32包括垂直于其中臺(tái)階流外延生長(zhǎng)將發(fā)生的結(jié)晶方向(在這種情形下，為<1120>方向)延伸的相對(duì)的側(cè)壁32A、32B。在某些實(shí)施例中，側(cè)壁的排列傾斜于其中臺(tái)階流外延生長(zhǎng)將發(fā)生的結(jié)晶方向。
圖9B是按照其他實(shí)施例的、示出了溝槽32和臺(tái)面34的襯底30的側(cè)視圖。在某些實(shí)施例中，溝槽32可具有大約10至大約40μm的寬度。在特定的實(shí)施例中，溝槽32可具有大約0.5μm的深度和大約18μm的寬度。在某些實(shí)施例中，溝槽32可具有大約36∶1的寬度和深度的比率。臺(tái)面34可具有大約0.25至5μm的寬度。在特定的實(shí)施例中，臺(tái)面34可具有大約3μm的寬度。在圖9B的側(cè)視圖中還說(shuō)明了掩模36。
正如圖9B所說(shuō)明的，側(cè)壁32A、32B相對(duì)于溝槽32的底32C可以是垂直的，或者如圖9C所說(shuō)明的，它們相對(duì)于溝槽32的底32C可以是呈一定角度的。另外，側(cè)壁32A、32B可以如圖所示是筆直的或者可以包含彎曲部分。同樣地，利用其他特征形狀，如六邊形或其他多邊形，特征的側(cè)壁可以相對(duì)于襯底是垂直的或呈一定角度的并且可包括筆直的或彎曲的部分。例如，如圖9C所示，可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行蝕刻，以使側(cè)壁32A、32B相對(duì)于溝槽底32C呈一定角度。在這種情形下，臺(tái)面34的頂部部分34A比起底部部分更窄。在某些實(shí)施例中，取決于光刻和/或其他技術(shù)，臺(tái)面可具有介于大約0和大約5μm的寬度。
在晶片已經(jīng)被蝕刻以此在這里形成如上所述的表面特征以及掩模被可選地除去之后，晶片被放置于外延生長(zhǎng)反應(yīng)器(比如，如上所述的反應(yīng)器100)內(nèi)并且在晶片上生長(zhǎng)一層或多層碳化硅外延層。正如上面所討論的，在離軸晶片上的碳化硅外延生長(zhǎng)可以臺(tái)階流方式在離軸切割的方向上進(jìn)行。盡管不能完全理解精確的機(jī)制，但是目前可以認(rèn)為，在襯底晶體上傳播的某些基面位錯(cuò)在表面特征的蝕刻的側(cè)壁處被終止或者被轉(zhuǎn)換成不同類(lèi)型的位錯(cuò)，并且被禁止或阻止傳播進(jìn)作為基面位錯(cuò)的外延層。因?yàn)槟承┗嫖诲e(cuò)被禁止傳播進(jìn)作為基面位錯(cuò)的外延層，那些位錯(cuò)不會(huì)受分解成由肖克利局部位錯(cuò)限制的堆垛層錯(cuò)的影響，所述由肖克利局部位錯(cuò)限制的堆垛層錯(cuò)可形成電激活的堆垛層錯(cuò)。
圖10說(shuō)明了圖案化襯底的外延生長(zhǎng)。襯底30包括其表面上的多個(gè)溝槽32。外延層40以臺(tái)階流方式由襯底表面生長(zhǎng)出來(lái)。依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，與未成核并由臺(tái)面?zhèn)缺谏L(zhǎng)出來(lái)的區(qū)域44相比，成核并由溝槽32的側(cè)壁32A生長(zhǎng)出來(lái)的區(qū)域42可具有減小的基面缺陷密度。尤其是，區(qū)域42可表現(xiàn)為將基面缺陷密度減少到原來(lái)的1/10。
如圖10所示的，可受益于缺陷減少的外延層40的百分?jǐn)?shù)可能取決于特征的幾何形狀。尤其是，側(cè)壁高度、寬度和/或間距可影響這個(gè)百分?jǐn)?shù)。為了提供基面缺陷密度的更大減少，最好是在最初的外延層生長(zhǎng)之后實(shí)施第二特征形成和外延層生長(zhǎng)循環(huán)。如圖11所說(shuō)明的，襯底30包括在這里被蝕刻的溝槽32。第一外延層40在包括具有減少的基面缺陷密度的區(qū)域42的上面形成，所述區(qū)域42與不具有減少的基面缺陷密度的區(qū)域44交替出現(xiàn)。在第一外延層40的生長(zhǎng)達(dá)到預(yù)定厚度之后，襯底被掩蔽并被第二次蝕刻以此形成具有側(cè)壁52A的溝槽52，在某些實(shí)施例中，所述側(cè)壁52A可橫跨區(qū)域44。溝槽52可具有與溝槽42相同的尺寸或者至少某些溝槽52可具有與至少某些溝槽42不同的尺寸。外延層50接著在其上生長(zhǎng)。層50的基面位錯(cuò)密度可相對(duì)于層40的基面位錯(cuò)密度被減小。在圖11所說(shuō)明的實(shí)施例中，溝槽52直接在于襯底30上形成的溝槽32的上方形成。如圖12所說(shuō)明的，在外延層40上形成的溝槽52可能偏離在襯底30上形成的溝槽32。圖13是包括臺(tái)面54的碳化硅晶片表面的一部分的照片，所述臺(tái)面54偏離下面的臺(tái)面34。
圖14是依照本發(fā)明實(shí)施例的、在六角蝕刻表面上生長(zhǎng)的外延層表面的諾馬爾斯基顯微照片。圖15是依照本發(fā)明實(shí)施例的、在線(xiàn)型蝕刻表面上生長(zhǎng)的外延層表面的諾馬爾斯基顯微照片。
在形成第一和/或第二外延層之后，可以利用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的技術(shù)在第一和/或第二外延碳化硅層上制作一個(gè)或多個(gè)電子器件(如雙極性器件)。電子器件(如雙極性器件)的制作對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是公知的并且在這里不必作進(jìn)一步的描述。為了清楚起見(jiàn)，這些器件未在圖10-12中進(jìn)行說(shuō)明。此外，將會(huì)理解，可實(shí)施特征-形成和外延-生長(zhǎng)步驟的三次或更多次的重復(fù)。
單獨(dú)來(lái)說(shuō)，這里所涉及的技術(shù)在本領(lǐng)域中通常是公認(rèn)的和容易理解的，并且在沒(méi)有不適當(dāng)實(shí)驗(yàn)的情況下是可以實(shí)現(xiàn)的。在這里可用作起始結(jié)構(gòu)的類(lèi)型的單晶碳化硅晶片在市場(chǎng)上可以從Cree公司(4600 Silicon Drive，Durham，North Carolina 27706)購(gòu)得?？衫萌缭诿绹?guó)專(zhuān)利4,912,063、4,912,064、5,679,153和6,297,522中提出的技術(shù)實(shí)施碳化硅外延層的生長(zhǎng)。碳化硅的干法和電解蝕刻在美國(guó)專(zhuān)利6,034,001、5,571,374、5,227,034、4,981，551和4,865,685中進(jìn)行了描述。將熔化的氫氧化鉀用作蝕刻劑以此識(shí)別并表征半導(dǎo)體表面是容易理解的，并且包括以ASTM標(biāo)準(zhǔn)(如ASTM F1404.92)表述的形式。襯底晶片的切割、機(jī)械拋光和研磨在本領(lǐng)域中也是完全傳統(tǒng)的。
在附圖和說(shuō)明中，已經(jīng)公開(kāi)了本發(fā)明的典型實(shí)施例，并且盡管已經(jīng)使用了特定的術(shù)語(yǔ)，但是只是在一般的以及描述性的意義上并且不是出于限制目的地使用這些特定術(shù)語(yǔ)，本發(fā)明的范圍在下面的權(quán)利要求中被提出。
權(quán)利要求
1.一種制作外延碳化硅層的方法，包含在具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向的碳化硅襯底的表面上形成多個(gè)第一特征，所述多個(gè)第一特征包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁；在其中包括所述多個(gè)第一特征的所述碳化硅襯底的表面上生長(zhǎng)第一外延碳化硅層；在所述第一外延層的表面上形成多個(gè)第二特征，所述多個(gè)第二特征包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁；以及在其中包括所述多個(gè)第二特征的所述第一外延層的表面上生長(zhǎng)第二外延碳化硅層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成多個(gè)第一特征包含掩蔽具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向的所述碳化硅襯底的表面；以及蝕刻通過(guò)所述掩蔽被曝光的所述碳化硅襯底的表面，以此在被掩蔽的所述碳化硅襯底的表面上形成所述多個(gè)第一特征。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中蝕刻包含利用NF3和/或SF6干法蝕刻被掩蔽的所述碳化硅襯底的表面。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述預(yù)定結(jié)晶方向是<1120>方向。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成多個(gè)第一特征包含在具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向的所述碳化硅襯底的表面上形成多個(gè)溝槽，所述多個(gè)溝槽以?xún)A斜和/或垂直于所述預(yù)定結(jié)晶方向的方向伸展并包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成多個(gè)第一特征包含在具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向的所述碳化硅襯底的表面上形成多個(gè)凹坑并包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述多個(gè)凹坑包含周期性重復(fù)的六邊形坑的圖案。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成多個(gè)第二特征包含掩蔽所述第一外延層的表面；以及蝕刻通過(guò)所述掩蔽曝光的所述第一外延層的表面，以此在被掩蔽的所述第一外延層上形成所述多個(gè)第二特征。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中蝕刻包含利用NF3和/或SF6干法蝕刻被掩蔽的所述第一外延層。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成多個(gè)第二特征包含在所述第一外延層的表面上形成多個(gè)溝槽，所述多個(gè)溝槽以?xún)A斜和/或垂直于所述預(yù)定結(jié)晶方向的方向伸展并包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成多個(gè)第二特征包含在所述第一外延層的表面上形成多個(gè)凹坑并包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述多個(gè)凹坑包含周期性重復(fù)的六邊形坑的圖案。
13.如權(quán)利要求1所述的方法其中生長(zhǎng)所述第一外延碳化硅層包含在其中包括所述多個(gè)第一特征的所述碳化硅襯底的表面上生長(zhǎng)所述第一外延碳化硅層，以使所述第一外延碳化硅層包含比所述碳化硅襯底更低的基面位錯(cuò)密度；以及其中生長(zhǎng)所述第二外延碳化硅層包含在其中包括所述多個(gè)第二特征的所述第一外延碳化硅層的表面上生長(zhǎng)所述第二外延碳化硅層，以使所述第二外延碳化硅層包含比所述第一外延碳化硅層更低的基面位錯(cuò)密度。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一和第二特征是彼此偏離的。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，還包含在所述第二外延碳化硅層上形成雙極性器件。
16.一種碳化硅半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含碳化硅襯底，其具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向并包括在其表面上的多個(gè)第一特征，所述多個(gè)第一特征包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁；第一碳化硅層，位于其中包括所述多個(gè)第一特征的所述碳化硅襯底的表面上，所述第一外延層包括在遠(yuǎn)離所述碳化硅襯底的其表面上的多個(gè)第二特征，所述多個(gè)第二特征包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁；以及第二外延碳化硅層，位于其中包括所述多個(gè)第二特征的所述第一外延層的表面上。
17.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述預(yù)定結(jié)晶方向是<1120>方向。
18.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)第一特征包含以?xún)A斜和/或垂直于所述預(yù)定結(jié)晶方向的方向伸展的多個(gè)溝槽并包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的側(cè)壁。
19.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)第一特征包含多個(gè)凹坑，其包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。
20.如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)凹坑包含周期性重復(fù)的六邊形坑的圖案。
21.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)第二特征包含所述第一外延層的表面上的多個(gè)溝槽，所述多個(gè)溝槽以?xún)A斜和/或垂直于所述預(yù)定結(jié)晶方向的方向伸展并包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。
22.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)第二特征包含所述第一外延層的表面上的多個(gè)凹坑，所述多個(gè)凹坑包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。
23.如權(quán)利要求22所述的結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)凹坑包含周期性重復(fù)的六邊形坑的圖案。
24.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述外延碳化硅層包含比所述碳化硅襯底更低的基面位錯(cuò)密度。
25.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一外延碳化硅層包含比所述碳化硅襯底更低的基面位錯(cuò)密度，以及其中所述第二外延碳化硅層包含比所述第一外延碳化硅層更低的基面位錯(cuò)密度。
26.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二特征是彼此偏離的。
27.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，還包含所述第二外延碳化硅層上的雙極性器件。
28.一種制作外延單晶層的方法，包含在具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向的單晶襯底的表面上形成多個(gè)第一特征，所述多個(gè)第一特征包括至少一個(gè)側(cè)壁；在其中包括所述多個(gè)特征的所述單晶襯底的表面上生長(zhǎng)所述第一外延層；在所述第一外延層的表面上形成多個(gè)第二特征，所述多個(gè)第二特征包括至少一個(gè)側(cè)壁；以及在其中包括所述多個(gè)第二特征的所述第一外延層的表面上生長(zhǎng)第二外延層。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中形成多個(gè)第一特征包含掩蔽具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向的所述單晶襯底的表面；以及蝕刻被掩蔽的所述單晶襯底的表面，以此在被掩蔽的所述單晶襯底的表面上形成所述多個(gè)第一特征。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其中形成多個(gè)第二特征包含掩蔽所述第一外延層的表面；以及蝕刻被掩蔽的所述第一外延層的表面，以此在被掩蔽的所述第一外延層的表面上形成所述多個(gè)第二特征。
31.如權(quán)利要求28所述的方法其中生長(zhǎng)所述第一外延層包含在其中包括所述多個(gè)第一特征的所述單晶襯底的表面上生長(zhǎng)所述第一外延層，以使所述第一外延層包含比所述單晶襯底更低的基面位錯(cuò)密度；以及其中生長(zhǎng)所述第二外延層包含在其中包括所述多個(gè)第二特征的所述第一層的表面上生長(zhǎng)第二碳化物層，以使所述第二外延層包含比所述第一外延層更低的基面位錯(cuò)密度。
32.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述單晶襯底包含碳化硅。
33.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述第一和第二特征是彼此偏離的。
34.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含單晶襯底，其具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向并包括在其表面上的多個(gè)第一特征，所述多個(gè)第一特征包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁；第一外延層，位于其中包括所述多個(gè)第一特征的所述單晶襯底的表面上；所述第一外延層包括在遠(yuǎn)離所述單晶襯底的其表面上的多個(gè)第二特征，所述多個(gè)第二特征包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁；以及第二外延層，位于其中包括所述多個(gè)第二特征的所述第一外延層的表面上。
35.如權(quán)利要求34所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一外延層包含比所述單晶襯底更低的基面位錯(cuò)密度。
36.如權(quán)利要求34所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一外延層包含比所述單晶襯底更低的基面位錯(cuò)密度，以及其中所述第二外延層包含比所述第一外延層更低的基面位錯(cuò)密度。
37.如權(quán)利要求34所述的結(jié)構(gòu)，其中所述單晶襯底包含碳化硅。
38.如權(quán)利要求34所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二特征是彼此偏離的。
39.一種制作外延碳化硅層的方法，包含從具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向的碳化硅襯底表面上的多個(gè)第一特征的至少一個(gè)側(cè)壁外延生長(zhǎng)以形成第一外延碳化硅層，所述至少一個(gè)側(cè)壁的取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向；以及外延生長(zhǎng)所述第一外延層表面上的多個(gè)第二特征的至少一個(gè)側(cè)壁以形成第二外延碳化硅層，所述至少一個(gè)側(cè)壁的取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述預(yù)定結(jié)晶方向是<1120>方向。
41.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述多個(gè)第一特征包含在具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向的所述碳化硅襯底的表面上的多個(gè)溝槽，所述多個(gè)溝槽以垂直于所述預(yù)定結(jié)晶方向的方向伸展并包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。
42.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述多個(gè)第一特征包含在具有朝向預(yù)定結(jié)晶方向的離軸取向的所述碳化硅襯底的表面上的多個(gè)凹坑，所述多個(gè)凹坑包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，其中所述多個(gè)凹坑包含周期性重復(fù)的六邊形坑的圖案。
44.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述多個(gè)第二特征包含在所述第一外延層的表面上的多個(gè)溝槽，所述多個(gè)溝槽以垂直于所述預(yù)定結(jié)晶方向的方向伸展并包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。
45.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述多個(gè)第二特征包含在所述第一外延層的表面上的多個(gè)凹坑，所述多個(gè)凹坑包括取向不平行于所述預(yù)定結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述多個(gè)凹坑包含周期性重復(fù)的六邊形坑的圖案。
47.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述外延碳化硅層包含比所述碳化硅襯底更低的基面位錯(cuò)密度。
48.如權(quán)利要求39所述的方法其中所述第一外延碳化硅層包含比所述碳化硅襯底更低的基面位錯(cuò)密度；以及其中所述第二外延碳化硅層包含比所述第一外延碳化硅層更低的基面位錯(cuò)密度。
49.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述第一和第二特征是彼此側(cè)向偏離的。
全文摘要
通過(guò)在具有朝向結(jié)晶方向的離軸取向的碳化硅襯底的表面上形成第一特征可制作外延碳化硅層。第一特征包括取向不平行于即傾斜或垂直于結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。接著，在其中包括第一特征的碳化硅襯底的表面上生長(zhǎng)第一外延碳化硅層。接下來(lái)，在第一外延層上形成第二特征。第二特征包括取向不平行于結(jié)晶方向的至少一個(gè)側(cè)壁。然后，在其中包括第二特征的第一外延層的表面上生長(zhǎng)第二外延碳化硅層。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1934676SQ200580008606
公開(kāi)日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2005年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月18日
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