[发明专利]大直径高品质的SiC单晶、方法和设备

说明书

描述了用于形成适于生产直径为100、125、150和200mm的高晶体品质SiC基底的大直径SiC单晶的方法和系统。SiC单晶通过接种升华技术在浅径向温度梯度的存在下生长。在SiC升华生长期间，过滤掉碳颗粒的带有SiC的蒸气通量通过置于晶种与带有SiC的蒸气源之间的分隔板基本限制于晶种表面的中心面积。分隔板包括被第二基本蒸气不可透部件围绕的第一基本蒸气可透部件。长成的晶体具有平或微凸的生长界面。由长成的晶体制造的大直径SiC晶片显示出低晶格曲率和低密度的晶体缺陷如堆垛层错、夹杂、微管和位错。

发明背景

发明领域

本发明涉及4H和6H多型体的高品质大直径碳化硅(SiC)单晶及其升华生长方法。本发明SiC单晶可用于半导体、电子和光电器件如大功率和高频二极管和晶体管、超快半导体光开关、在严苛环境中工作的检测器以及许多其它器件中。

本发明是改进的SiC升华晶体生长方法。本发明的主要新方面是控制蒸气传输和温度梯度，其中所述传输限制于生长的晶体的中心面积，而晶体及其周围在接近零的径向温度梯度条件下。这导致有利地成型生长界面，例如是平的或朝向来源轻微凸起的，降低的晶体应力和降低的晶体缺陷密度。

本发明其它新方面包括SiC源通过升华和蒸气从源自SiC源的颗粒过滤而就地致密化。作为任选特征，本发明包括由元素组分就地合成SiC源的步骤。

通过本发明生长方法生长的SiC单晶适于制造4H和6H多型体、n型和半绝缘的大直径高品质SiC单晶基底，包括直径为100mm、125mm、150mm和200mm的基底。

相关技术描述

过去十年来，在SiC晶体生长和基底制造中实现了显著的进步。目前市售的最大SiC基底是直径为100mm的4H和6H SiC晶片。150mm基底正在开发中，目前有限量的150mm n型基底基于试验或抽样可得到。150mm直径SiC基底以及未来200mm基底的广泛实现能赋予SiC-和GaN基半导体器件的显著成本降低。

开发级150mm n型晶片是本领域中已知的。然而，SiC基器件的进展仍受到市售高品质150mm SiC基底的稀缺性和200mm基底的不可得性制约。

SiC基底中的有害缺陷包括：位错、微管、堆垛层错、外来多型体的夹杂和碳夹杂。SiC基底中的应力是对器件性能和技术有害的另一因素。位错和微管

六方形SiC中的主要位错类型是：螺纹螺型位错(TSD)、螺纹刃型位错(TED)和基面位错(BPD)。术语“螺纹”意指位错线近似地平行于六方形<0001>轴。术语“基”意指位错线位于基础六方形(0001)平面中。TSD导致泄漏和器件劣化，而BPD导致偏移下堆垛层错的产生，以及随后终端器件失效。TED视为相对良性缺陷。

微管(MP)为具有超过3c的伯格斯矢量的空心TSD，其中c为晶格参数。4H SiC均相外延层通常在4°切割基底上生长，由此存在的至少一部分位错和微管从基底延伸到外层(epilayer)中。MP为甚至在低偏压下导致严重的电荷泄漏的“器件杀手”。

在KOH基熔剂中蚀刻通常用于显示出由于位错和MP导致的腐蚀坑—各位错类型产生具有特性几何形状的腐蚀坑。除蚀刻外，MP密度(MPD)可通过在偏光显微镜下研究抛光的SiC晶片而光学上测定。在轴SiC晶片(即平行于六方形c面取向)或离轴几度取向的晶片上蚀刻时，各螺纹位错和MP在晶片表面上产生一个腐蚀坑。因此，MP、TSD和TED密度作为每1cm²晶片表面的相应腐蚀坑的数目测量。

SiC相关文献和本公开内容中所用术语‘位错密度’、‘总位错密度’和‘晶片平均位错密度’应当理解为每1cm²晶片表面的腐蚀坑密度，因此表明螺纹位错的密度。