[发明专利]碳化硅衬底和用于生长SiC单晶锭的方法

说明书

本发明涉及一种具有改进的机械特性和电学特性的碳化硅(SiC)衬底。此外，本发明涉及用于在物理气相传输生长系统中生产块状SiC晶体的方法。碳化硅衬底包括构成所述衬底(100)的总表面积的至少30％的内部区域(102)，以及径向围绕所述内部区域(102)的环形外周区域(104)，其中，内部区域(102)中的掺杂剂的平均浓度与外周区域(104)中的该掺杂剂的平均浓度相差至少1×10¹⁸cm^‑3。

技术领域

本发明涉及具有改进的机械特性和电学特性的碳化硅(SiC)衬底。此外，本发明涉及用于在物理气相传输生长系统中生产块状SiC晶体的方法。

背景技术

由于其优异的物理、化学和电学性质，碳化硅尤其用作用于电力电子半导体组件、用于射频组件以及用于各种特殊发光半导体组件的半导体衬底材料。需要具有理想纯度和无缺陷的品质的块状SiC晶体作为这些产品的基础。

如本领域中已知的，块状SiC晶体通常通过物理气相沉积技术生产，特别是使用升华方法。该方法需要超过2000℃的温度。物理气相传输(PVT)基本上是升华和再冷凝的过程，其中源材料和晶种以使得源材料的温度高于晶种的温度的方式放置在生长炉内，从而使源材料升华，蒸气物质扩散并沉积在晶种上形成单晶。

为了生产晶片形衬底，例如通过孕镶金刚石的线锯将块状SiC晶体切片。通过随后的多级抛光步骤来精加工表面。为了制造电子组件，薄单晶层(例如SiC或GaN)外延地沉积在抛光的晶片上。这些层的特性以及由此制造的电子组件的特性决定性地取决于下面的SiC衬底的品质。

特别地，衬底的几何形状对于沉积的外延层的品质是重要的。例如，仅对于不展示出与理想的平坦形状显著偏离的衬底可以确保外延反应器内的最佳热耦合(对于均匀且高品质的层生长是决定性的)。如本领域技术人员已知的，弯曲度和翘曲度表征衬底的几何形状特性。当使用具有不令人满意的几何形状特性(即具有太高的弯曲度和/或翘曲度值时)的衬底，随后的外延工艺导致品质较低的外延层以及产率降低的制造工艺。

美国公开专利8,747,982B2示出了用于通过物理气相传输来制造SiC单晶的传统方法。在该工艺中，生长表面由温度场的等温线限定。为了利用该方法来制造高品质的SiC单晶，表面必须是弯曲的。然而，弯曲的热场也是造成冷却后在晶体内部冻结的热致机械张力的原因。由此可以得到由晶锭制造的具有高的弯曲度和翘曲度(bow and warp)值的晶片。

当优化锯切工艺时，具有令人满意的几何形状(即具有低的弯曲度和翘曲度值)的衬底可以从单晶体切割。然而，锯切工艺将表面和次表面损伤层引入至衬底表面中，该损伤层使得衬底变形并且在随后的抛光工艺中必须被移除以实现期望的表面品质。在锯切工艺之后，衬底的形状主要由近表面损伤层内的机械应力决定。通过在执行所述抛光工艺中移除该损伤层，在晶体内部冻结的热致张力成为主导效应并确定成品衬底的几何形状。因此，在抛光工艺过程中改变衬底的几何形状，并且热致应力最终决定了完全加工的晶片的几何形状。

传统的衬底通常保持热致应力，因此表现出升高的弯曲度和翘曲度值，这导致整个工艺链的产率降低。

此外，已知采用相当高的衬底厚度，例如衬底厚度与衬底直径之间的比率为约0.013。在US 7,422,634B2中提到，当为直径约75mm的衬底选择约1mm的衬底厚度时，可以实现低的弯曲度和翘曲度值。然而，所得比率远高于根据当前生产标准的衬底的比率。目前的衬底具有约150mm的直径和350μm的厚度，这导致0.0023的比率。显然，增加的厚度通过增加衬底的刚度使该衬底更稳定。因此，由于内部机械张力，衬底不易受到变形的影响。然而，该解决方案涉及更大量的材料并因此涉及显著更高的成本。