[发明专利]低基面位错块体生长的SiC晶片

说明书

背景技术

本发明涉及低缺陷碳化硅晶片和它们作为半导体用前驱体的应用，以及涉及大的高质量碳化硅单晶的籽晶升华生长。

本发明涉及下面共同转让的美国专利申请公开：No.20050145164、20050022724、20050022727、20050164482、20060032434和20050126471。

近年来发现碳化硅可作为用于各种电子器件和用途的半导体材料来应用。碳化硅由于其物理强度和高的抗化学侵蚀性而特别有用。碳化硅还具有优异的电子性能，包括耐辐射性、高的击穿电场、相对宽的带隙、高的饱和电子漂移速度、高温作业、以及在光谱的蓝区、紫区和紫外区中高能光子的吸收和发射。

通常通过籽晶升华生长方法制备单晶碳化硅。在典型的碳化硅生长技术中，将籽晶和源粉末均放置在反应坩锅内，该坩锅被加热至该源的升华温度并且以在该源与边缘的较冷籽晶之间产生热梯度的方式进行加热。该热梯度促进材料由源至籽晶的气相运动，随后在籽晶上冷凝并导致块体晶体生长。该方法也被称作物理气相传输(PVT)。

在典型的碳化硅生长技术中，坩锅由石墨制成并且通过感应或电阻加热，放置有关线圈和绝缘体以建立和控制所需的热梯度。源粉末是碳化硅，碳化硅也是籽晶。坩锅垂直定向，源粉末在下部而籽晶位于顶部，籽晶通常在籽晶夹持器上；见美国专利申请第4,866,005号(以No.Re34,861重新发布)。这些源物质是现代籽晶升华生长技术的示例性描述而不是限制性描述。

虽然近年来持续降低了碳化硅块晶中结构缺陷的密度，但仍出现相对高的缺陷密度并发现难以消除，例如Nakamura等的超高质量碳化硅单晶(Ultrahigh quality silicon carbide single crystals)，Nature，Vol.430，2004年8月26日，1009页。当在籽晶衬底的表面上存在位于晶体基面(c-面)内的位错时，这些位错可存留在随后的晶体生长中。这些缺陷可导致重大问题，该问题在于限制了在这些衬底上制成的器件的工作特性，或者在某些情况下可完全排除得到有用器件。

当前用于制备大块碳化硅单晶的籽晶升华技术，通常在碳化硅晶体的基面生长表面上产生高于所期望的缺陷密度。较高的缺陷密度可导致重大问题，该问题在于限制了在这些晶体上或由该晶体所产生的衬底上制成的器件的工作特性。例如，在一些市售的碳化硅晶片的基面中，典型的微管缺陷密度可为约100每平方厘米(cm^-2)的数量级。然而，在碳化硅中形成的兆瓦器件需要约0.4cm^-2数量级的无缺陷面积。因此，获得可用来制造用于高电压、高电流应用的大表面积器件的大单晶是仍然值得努力的目标。

虽然可得到低缺陷碳化硅的小样品，但碳化硅的更广泛的商业应用需要更大的样品，且尤其需要更大的晶片。通过对比，自1975年已经市售100mm(4″)硅晶片，并且在1981年可得到150mm(6 ″)硅晶片。砷化镓(GaAs)4 ″(100mm)和6 ″(150mm)晶片也有市售。因此，50mm(2″)和75mm(3″)SiC晶片的商业可获得性落在这些其它材料后面，并且一定程度上限制了在更宽范围的器件和应用中采用和使用SiC。

在晶体生长技术中具体缺陷的性质和描述一般很好理解。微管是可在SiC中发现的普遍缺陷，并且可在SiC晶体的籽晶升华制备过程中生长或扩展。可存在于SiC晶体中的其它缺陷包括穿透(threading)、刃型(edge)和螺型位错以及六方孔隙(hexagonalvoids)、堆垛层错和基面位错。如果这些缺陷保留在SiC晶体中，则得到的在该晶体上生长的器件会引入这些缺陷。

微管是中空心超级螺型位错，其Burgers矢量典型地沿着c-轴。提出或确定了许多产生微管的原因。这些包括过量的材料例如硅或碳内含物、外来杂质例如金属沉积物、界面缺陷以及局部位错的活动或滑动。例如见Powell等的低微管密度SiC晶片的生长(Growth of LowMicropipe Density SiC Wafers)，材料科学论坛(Material ScienceForum)，Vols.338-340，第437-440页(2000)。