[发明专利]碳化硅晶体生长的方法和装置

说明书

本申请是2000年10月5日提交的标题为“碳化硅晶体生长的方法和装置”的中国专利申请00814001.4的分案申请。

技术领域

本发明涉及大型单晶体的高温生长，特别涉及高质量碳化硅单晶体生长的方法和装置。

背景技术

碳化硅经常被用作一种半导体材料。碳化硅具有很宽的带隙、很低的介电常数，并且在远高于其它半导体材料如硅已变得不稳定的温度下仍很稳定。这些以及其它特征使碳化硅具有优良的半导体特性。由碳化硅制成的电子设备相对于其它普通的半导体材料如硅制成的设备预期可在更高的温度、更快的速度和更高的辐射密度下工作。

那些对半导体固态物理学和性能都很熟悉的技术人员都知道半导体材料必须具有特定的性质才能用作电子设备的加工材料。在许多场合中，所需的单晶体要求具有较低的晶格缺陷以及较低的化学和物理杂质。如果不能有效地控制杂质浓度，材料通常将不能用于电子设备中。即使是一种纯的材料，具有缺陷的晶格结构也可能使该材料无法使用。

除了其电学性能外，碳化硅还具有其它良好的物理特性。碳化硅非常硬，根据多型的不同(即原子排到)和结晶方向的不同，其可具有在8.5-9.25Mohs之间的硬度。作为比较，金刚石具有10Mohs的硬度。碳化硅非常有光泽，根据多型的不同其折射系数在2.5-2.71之间。作为对比，钻石的折射系数为2.4。此外，碳化硅是一种非常艰硬并且极其稳定的材料，其可在空气中加热到2000℃以上而不会损坏。这些物理特性使得碳化硅成为一种理想的、天然宝石的替代物。在Hunter等人的美国专利文献US5,723,391和US5,762,896中就将碳化硅用作宝石。

因此，由于对碳化硅所具有的物理特性和潜在用途的认识，有许多研究人员提出了许多用以形成碳化硅晶体的技术。这些技术通常分为两大类，但我们也清楚某些技术的归类并不那么容易。第一种技术是公知的化学气相沉积法(CVD)，该方法中需将反应剂和气体引入一个系统中，在该系统中它们在一合适的基体上形成碳化硅晶体。

其它主要的碳化硅晶体生长技术通常为升华法。正如“升华”本身的含义，升华法通常采用某种固体碳化硅原材料，该材料被加热到固体碳化硅升华为止。然后气态的碳化硅原材料在一基体如籽晶上凝结，该凝结用以形成所需的晶体多型。

实际使用中能够产生较好晶体的第一种升华技术是在20世纪五十年代由J.A.Lely开发出来的，并在美国专利US2,854,364中公开。通常的观点是Lely的技术在碳容器内部衬上一层碳化硅原料，将容器加热到碳化硅升化的温度后再使之冷凝，再结晶的碳化硅就沿着容器的衬层沉积。

随后，Lely的升华技术被几个研究人员进行了修改和改进。Hergenrother的美国专利US3,228,756(“Hergenrother‘756”)中论述了另一种升华生长技术，其采用碳化硅籽晶，其它的碳化硅在其上凝结以生长晶体。Hergenrother‘756提出：为了促进晶体适度的生长，籽晶必须加热到一个合适的温度，该温度通常以这样的方式加热到超过2000℃，即籽晶处于1800℃到2000℃期间的时间最小。

Ozarow的美国专利US3,236,780(“Ozarow‘780”)中论述了另一种无籽晶升华技术，其在碳容器使用碳化硅衬层。Ozarow‘780试图在容器的碳化硅衬层的内部部分和容器的外部部分之间建立起一个径向的温度梯度。

Knippenberg的美国专利US3,615,930(“Knippenberg‘930”)和US3,962,406(“Knippenberg‘406”)中论述了另一种使碳化硅按所需形式生长的方法。Knippenberg‘930专利中论述了一种用升华法生长晶体在碳化硅中生长PN结的方法。根据该专利的论述，碳化硅在一封闭空间中加热，该空间中含有具有供体类型掺杂剂原子的隋性气体。之后掺杂材料由容器排出，容器在有受体掺杂剂的条件再次加热。该技术的目的是用来形成具有相反导电类型的相邻晶体部分从而形成PN结。

Knippenberg‘406专利论述了一种三步法来形成碳化硅，其中一个二氧化硅芯体完全包在周围碳化硅粒料中或者周围用来形成碳化硅的材料中。然后加热包裹在一起的碳化硅和二氧化硅。该系统加热到一个温度，该温度下二氧化硅芯体的周围形成一圈碳化硅壳体，然后该系统接着再加热从而使二氧化硅从碳化硅壳体中气化出来。最后，该系统进一步加热从而使其它的碳化硅继续在碳化硅壳体中生长。