[发明专利]低1c螺旋位错3英寸碳化硅晶片

说明书

技术领域

本发明涉及低缺陷碳化硅晶片和它们作为半导体前体的应用，并涉及大 的高质量碳化硅单晶的籽晶升华生长。

背景技术

近几年，已经发现碳化硅在各种电子器件和用途中作为半导体材料。由 于碳化硅的物理强度和对化学侵蚀的高耐受性，因而特别有用。碳化硅也具 有极好的电子属性，包括耐辐射性、高耐压性、相对宽的带隙、高饱和电子 漂移速度、高温操作，以及在蓝色、紫色和紫外光谱区域的高能光子吸收和 发射。

单晶碳化硅经常用籽晶升华生长法来制备。在典型的碳化硅生长技术 中，籽晶和晶源粉末都置于反应坩埚中，该坩埚以在晶源与边缘冷却的籽晶 之间形成温度梯度的方式被加热到晶源的升华温度。该温度梯度促进了材料 的蒸汽相从晶源到籽晶之间的移动，然后在籽晶上冷凝并造成大块晶体的生 长。该方法也被称为物理蒸汽转移法(PVT)。

在典型碳化硅生长技术中，坩埚由石墨制成，通过电感或电阻来加热， 安置了相应的线圈和绝缘体来建立和控制所需的温度梯度。晶源粉末与籽晶 都是碳化硅。坩埚垂直定位，晶源粉末置于下部，籽晶置于顶部，典型地在 籽晶固定器上；见美国专利4,866,005(重新发行号Re34,861)。这些来源 是示例性的，而不是限制性的对最新籽晶升华生长技术的描述。

本发明还涉及下述共同未决的和同样转让的美国申请：公开号为： 20050145164；20050022724；20050022727；和20050164482。

虽然近几年碳化硅大块晶体中结构缺陷的密度不断地被降低，但是仍然 存在着相对高的缺陷密度，并且发现难以消除，例如，Nakamura等， “Ultrahigh quality silicon carbide single crystals，”Nature，Vol.430，August 26， 2004，page 1009.这些缺陷能够在限制在此衬底上制出的器件的性能特征上 引起显著问题，或者在一些情形下完全妨碍有用的器件。当前生产大块碳化 硅单晶的籽晶升华技术在碳化硅晶体生长的表面上典型地导致了高于所要 求的缺陷密度。较高的缺陷密度在这些晶体上或源于这些晶体的衬底上制备 的器件的性能特征的限制方面引起显著的问题。例如，在一些市售的碳化硅 晶片中的典型微管缺陷密度是每平方厘米(cm^-2)100个的量级。然而，在 碳化硅中形成的兆瓦器件需要约0.4cm^-2的无缺陷区域。因此，得到可用来 制造大表面积的，用于高电压、高电流应用的器件的大单晶仍然是一个值得 努力的目标。衬底

虽然已经可以得到低缺陷碳化硅的小样本，但是碳化硅的更广的商业用 途需要更大的样本，特别是更大的晶片。作为比较，自从1975年以来，已 经可以在市场上买到100mm(4英寸)的硅晶片，1981年后，可以买到150mm (6英寸)的硅晶片。4英寸和6英寸的砷化镓(GaAs)晶片也都能在市场 上买到。因此，50mm(2英寸)和75mm(3英寸)的SiC晶片的商品化落 后于其它这些材料，并且在某种程度上限制了碳化硅在更广泛领域的器件和 应用中的采用和使用。

螺旋位错，尤其是1c螺旋位错，是在SiC晶体制备中出现或扩大的通 常的缺陷。其他表面缺陷包括螺纹位错、六角空隙和微管。如果这些缺陷残 存于SiC晶体中，那么将导致在这些晶体上生长的器件会合并这些缺陷。

在晶体生长技术中特殊缺陷的性质和对它们的描述通常很好理解。特别 地，螺旋位错被定义为一种其中伯格斯矢量平行于方向向量的缺陷。在原子 尺度上，得到的位错呈现螺旋梯的一般外貌。很多螺旋位错的存在也能导致 其他缺陷的存在，比如微管和六角空隙。

微管是一种空心超螺旋位错，其伯格斯矢量沿c轴排列。微管常常从一 组3个或更多螺旋位错中形成。针对微管的产生，许多原因已经被提出或证 实。这些原因包括过多的材料如硅或碳夹杂物、外来杂质如金属沉淀物、边 界缺陷和局部位错的移动或滑动。参见例如：Powell et al.，Growth of Low  Micropipe Density SiC Wafers，Materials Science Forum，Vols.338-340， pp437-440(2000)。