[发明专利]SiC单晶的升华生长

说明书

技术领域

本发明涉及SiC单晶的物理气相传输生长。

背景技术

4H和6H多型碳化硅的晶片被用作晶格匹配衬底，以使SiC和GaN的取向附生层生长，这些取向附生层被用于制造电力和RF应用的SiC基半导体设备和GaN基半导体设备。

通过被普遍称为物理气相传输（PVT）的升华技术来以工业规模生长SiC单晶。PVT生长通常在石墨坩埚中进行，该石墨坩埚装有通常放在坩埚底端的固体SiC升华源材料，以及通常放在坩埚顶端的SiC单晶种。升华源材料通常为独立合成的多晶SiC颗粒。将装载好的坩埚放于炉中，并加热至生长温度，该生长温度通常介于2000℃与2400℃之间。在生长期间，一般保持源材料的温度比籽晶的温度高约10℃至200℃。

达到合适的高温时，升华源蒸发，并且诸如Si、Si₂C和/或SiC₂等蒸气种类填充坩埚内部。升华源和籽晶之间的温差迫使蒸气种类迁移，并在籽晶上凝结从而使SiC单晶在籽晶上生长。为了控制生长速率以利于获得良好的晶体质量，在惰性气体低压下（通常为1托至100托）进行PVT生长。

通常，使用这种基础PVT构造生长的SiC晶体具有结构缺陷，如夹杂、微管和位错。通常认为，夹杂有碳、硅和异源多型物是由气相化学计量比的偏差造成的，其通常以Si:C原子比表示。众所周知，SiC是以在蒸气中Si:C的原子比大于1这样的方式不均衡升华的。根据SiC源的条件（如颗粒结构和尺寸、多型组成、化学计量比、温度等），在升华源材料上方的蒸气中的Si:C比可高达1.5或更高。如果蒸气中的Si:C比过高，在处于生长之中的SiC晶体中就会形成硅夹杂物。反之，如果蒸气中的Si:C比过低，在处于生长之中的SiC晶体中就会形成碳夹杂物。

还据信，六角4H和6H多型SiC单晶的稳定生长需要使用富含碳的气相，而异源多型夹杂物（如15R）是由气相化学计量比的偏差造成的。

当SiC升华源材料含有金属杂质时，长成的碳化硅单晶中就会存在金属碳化物的夹杂物。

PVT长成的SiC单晶中的夹杂物导致局部应力，其通过位错和微管的生成、倍增和移动而减轻。当SiC单晶晶片被用作GaN或SiC取向附生的衬底时，衬底上存在有夹杂物、微管和位错对取向附生层的质量和在所述取向附生层上形成的半导体设备的性能是有害的。

自PVT生长技术初始，已开发了众多工艺改进来提高长成的晶体质量和降低缺陷密度。

例如，Hunter的美国专利No.5,858,086（以下简称为“‘086专利”）披露了通过升华使AlN（氮化铝）晶体生长的系统。图1示出了在‘086Hunter专利中披露的系统的示意图，其中蒸气2从AlN源材料4进入空间6（空间6位于AlN籽晶8之前），并且在籽晶8上沉积，从而使AlN晶体10生长。随着AlN晶体10进行生长，围绕在生长之中的AIN晶体10周围的蒸气2变得迟缓、被污染并逐渐不适于高质量AlN晶体10的生长。为了避免这一缺陷，在AlN籽晶8和AlN晶体10要生长的所在空间周围放置穿孔阻隔件12。如图1所示，阻隔件12向AlN源4延伸。生长坩锅14中环绕阻隔件12的那部分被构造成与阻隔件12一起限定间隙16，间隙16能够使蒸气2的一部分如箭头18所示通过穿孔阻隔件12，从而使该部分蒸气通过一个或多个通气孔19从生长坩埚14的内部逸出至生长坩埚14外部的空间。

Balakrishna等的美国专利No.5,985,024披露了一种用于高纯度SiC单晶生长的系统。图2示出了在Balakrishna等的专利中披露的系统的示意图，其中来自升华源材料22的硅蒸气20向SiC籽晶24上升，其中硅蒸气20与由外源提供的含碳气体26混合。由含Si蒸气和含C蒸气之间的反应而产生SiC蒸气28到达SiC籽晶24，并在其上沉积，使SiC晶体30在SiC籽晶24上生长。用过的SiC蒸气28、气体和气态杂质经由介于SiC晶体30与保护性衬里36（理想地由高纯度碳化硅或碳化钽制成）之间的间隙34以及位于生长坩埚32顶部的一个或多个孔或通气口38，从生长坩锅32的内部逸出至生长坩锅32外部的空间。