减少堆垛层错成核位置的顺序光刻方法和具有减少的堆垛层错成核位置的结构

具体实施方式

现在将在下文中参考其中本发明实施例被示出的附图对本发明进行充分的描述。然而，本发明可体现在许多不同的形式中，并且不应当被解释为受限于这里所提出的实施例。相反，提供这些实施例以使本公开将是彻底的和完整的，并且将充分地向本领域的技术人员传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，层和区域的尺寸和相对尺寸被夸大。将会理解，在元件或层被称为是“在另一个元件或层上”时，它可能是直接在另外的元件或层上或者可存在中间元件或层。相反地，在元件被称为“直接在另一个元件或层上”时，则不存在中间元件或层。相同的数字指其中相同的元件。正如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的列示项的任何以及所有组合。

这里所使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的并且不打算限制本发明。正如这里所使用的，单数形式“一个”同样用来包括复数形式，除非本说明书清楚地以其他的方式来表示。还将理解，在本说明书中使用时，术语“包含”指所述的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但是不排除一种或多种其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件、和/或其中组合的存在或添加。因此，例如，可按照本发明实施例生长三层或更多的外延层，即使在这里描述的是两层的生长。

将会了解，尽管在这里术语第一、第二等可用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语的限制。这些术语仅仅用来使一个元件、部件、区域、层或部分同另一个区域、层或部分区分开来。因此，下面所讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而未背离本发明的教导。

此外，相对的术语，如“下部”或“底部”和“上部”或“顶部”，在这里可用来描述如图中所说明的一个元件对另一个元件的关系。将会理解，除图中所描述的取向之外，相对术语还用来包含器件的不同取向。例如，如果图中的器件被翻转，被描述为在其他元件的“下部”一侧上的元件则将取向为在其他元件的“上部”一侧上。取决于附图的特定取向，示范的术语“下部”可因此包含“下部”和“上部”的取向。同样地，如果在其中一幅图中的器件被翻转，被描述为在其他元件的“下方”或“之下”的元件则将取向为在其他元件的“上方”。示范的术语“下方”或“之下”可因此包含下方和上方的取向。

在这里参考本发明理想实施例的示意性说明的横截面图和/或其他视图对本发明的实施例进行描述。同样地，作为比如制造技术和/或容限的结果，可期望图示的形状的变化。因此，本发明实施例不应当被解释为受限于这里所说明的区域的特定形状，但是将包括由比如制造产生的形状的偏差。例如，作为多边形来说明的生长或沉积区域通常将具有圆形或弯曲特征，和/或在具有另一区域的其边缘处的浓度梯度，而不是从第一区域到不同成分的第二区域的离散变化。因此，图中所说明的区域实际上是示意性的，并且它们的形状不是用来说明器件的精确形状也不是用来限制本发明的范围。

按照本发明的某些实施例，在具有朝向第一结晶方向的离轴取向的碳化硅衬底上制造外延碳化硅层的方法可包括利用图案化的蚀刻掩模掩蔽衬底的第一表面、蚀刻衬底的第一表面以形成多个特征、以及在蚀刻的第一表面上生长碳化硅的外延层，其中各特征包括以倾斜或垂直于第一结晶方向的角度取向的侧壁。衬底具有朝向第一结晶方向的离轴取向，如<1120>方向。利用干法蚀刻处理(如利用NF₃和/或SF₆的反应离子蚀刻)可对部分掩蔽的衬底进行蚀刻。

在某些实施例中，多个特征包括在倾斜和/或垂直于第一结晶方向的方向上伸展的多个沟槽。在其他的实施例中，多个特征包括周期性地重复的六边形凹坑的图案。

在某些实施例中，以包括侧壁的多个特征使衬底图案化，并以第一缺陷密度生长第一外延层。接着，以具有侧壁的多个特征使第一外延层图案化，并以小于第一缺陷密度的第二缺陷密度生长第二外延层。

按照本发明某些实施例的半导体结构可包括具有第一表面的离轴碳化硅衬底和在第一表面上形成的碳化硅的外延层。衬底的第一表面包括多个特征，各特征具有倾斜或垂直于离轴结晶方向的侧壁。与衬底相比，外延层具有减小的基面位错密度。

本发明的其他实施例包括具有第一表面和在第一表面上形成的碳化硅的第一外延层的离轴碳化硅衬底。衬底的表面包括多个特征，各特征具有倾斜或垂直于离轴结晶方向的侧壁。与衬底相比，第一外延层具有减小的基面位错密度。第一外延层还包括多个特征，各特征具有倾斜或垂直于离轴结晶方向的侧壁。在第一外延层上生长第二外延层。与第一外延层相比，第二外延层具有减小的基面位错密度。

本发明的某些实施例可提供减小堆垛层错成核位置密度和/或减小基于碳化硅的双极性器件内的正向电压(V_f)漂移的方法，以及具有可充当堆垛层错成核位置的减小的基面位错密度的碳化硅结构。

某些实施例包括在碳化硅衬底的掩蔽表面上进行蚀刻，如干法蚀刻，并且在某些实施例中为利用NF₃和/或SF₆化学处理的反应离子蚀刻(RIE)，以此形成具有由此可进行外延生长的侧壁的多种结构。在美国专利4,865,685和4,981,551中提出了用于碳化硅的干法蚀刻的示范的、但不是限制性的技术，其内容通过引用将全部结合在此。用于实施这里所描述的蚀刻的其他技术和化学处理通常在本领域中是公认的并且除了说明本发明的实施例之外将不在这里对其进行详细描述。

这里所使用的术语“衬底”在某种意义上足够广泛地包括了大块单晶体(通常从梨晶中切割下来的)，以及可包括一层或多层外延层的器件前体结构，如晶片，但是其基本上(尽管不必是专门地)充当了对其上形成的器件的物理和电子支持。

同样地，术语“干法蚀刻”和“湿法蚀刻”常常被用来指反应离子蚀刻或等离子体蚀刻(“干法”)或用来指在熔化的盐或其他溶液中的蚀刻(“湿法”)。

通常，但不是必需，衬底将是n-型的，因为n-型衬底可在基于碳化硅的器件中提供大量的优点，并且可具有大约每cm³的1E18-1E19(1×10¹⁸-1×10¹⁹)载流子的活性载流子浓度。与衬底相比，外延层的载流子浓度可根据其用途来选择(或描述)。“导电”层通常可具有1E18-19cm^-3的载流子浓度。“阻挡”层可通常具有小于1E16cm^-3的载流子浓度。取决于终端器件的结构或用途，“活性”层可具有这些参数范围内的载流子浓度。因此，尽管如n、n+和n-这样的术语可用来描述衬底和外延层，但是这样的术语应当被认为是说明意义的而不是限制意义的。

在其上形成器件的碳化硅衬底可取自大的晶体(或“梨晶”)，通常通过从碳化硅梨晶锯下碳化硅衬底晶片以及此后在衬底晶片上进行非选择性蚀刻这些步骤而取得。在大多数情况下，按照本发明的实施例，在进行第一图案化蚀刻之前，锯下的衬底晶片被研磨、抛光、蚀刻(通常为RIE)和清洗(利用酸或溶剂)。术语“研磨”以其典型的意义被使用，即用来描述利用反向旋转研磨机和研磨粉浆(如金刚石)使晶片表面变平的步骤。研磨有助于使晶片表面平行并且可减少机械缺陷(如锯痕)。同样地，按照惯例，在实施本发明的步骤之前，可以其他的方式执行抛光、蚀刻和清洗步骤。

本发明的某些实施例可便利地减少外延层内基面位错的密度。基面位错密度的这种减少可以和所识别的测量结合以此使活性器件区域同衬底以及在以前结合的申请No.10/046,346中讨论过的表面缺陷隔离，并且基面位错密度的这种减少可用来提供SiC双极性器件。

图4的平面图示意性示出了其中可实现本发明某些实施例的沉积系统101。沉积系统101可以是水平、热壁、流通、CVD系统，如图所示其包括衬托器组件100、限定直通通道180A的石英管180、电磁频率(EMF)发生器182(如包括电源和RF线圈环绕的管子180)和生产气体供应160。除了石英管180或者代替石英管180，还可在衬托器组件100附近设置绝缘盖。沉积系统101可用来在衬底120上形成层或膜(图5)。虽然图5只说明了单个衬底120，但是系统101可适合于在多个衬底120上同时形成若干个膜。

衬底120可以是晶片或者是由与要被沉积的层的材料相同或不同的材料形成的其他结构。衬底120可以由比如2H-、4H-、或6H-SiC形成。在其上沉积膜的衬底表面可以是基部衬底或添加在基部衬底上的第一或后来的层。例如，用于接收沉积的膜的衬底120的表面可以是利用沉积系统101或可选用设备在以前沉积的层。正如本领域的技术人员将会意识到的，按照本公开内容，本发明的实施例可便利地使用除这里特别提到的材料之外的半导体材料。

通常，如下面所讨论的，生产气体供应160将生产气体供给衬托器组件100并使之穿过衬托器组件100。EMF发生器182感应加热衬托器组件100，以此在其中沉积反应发生的衬托器组件100内提供热区。生产气体继续通过衬托器组件100并作为可包括比如生产气体的剩余成分和反应副产品的废气从衬托器组件100中排出。本发明的实施例可利用除热壁CVD系统以外类型的沉积系统。在阅读了这里的说明书时，对本发明系统和方法的其他修改对本领域的普通技术人员来说将是显而易见。

生产气体可包括一种或多种成分，如试剂、反应物、物种、载体等。在期望于衬底上形成SiC层之处，生产气体可包括前体气体(如硅烷(SiH₄)和丙烷(C₃H₈))以及载运气体(如净化的氢气(H₂))。生产气体供应160可根据需要由具有流量控制和/或计量装置的一个或多个加压的气体容器来提供。

图5示出了示范的传统衬托器100。正如图4所说明的，衬托器100可用于比如流通、热壁、和/或CVD反应器。衬托器100具有顶部衬托器构件100A和底部衬托器构件100B。衬托器100还具有将反应室107限定其间的顶部衬垫103和底部衬垫105。例如，衬底120(如半导体晶片)位于反应室107内并且可位于(可旋转的)大浅盘154的内表面上。在一端处，将生产气体P引入反应室107并使其流过反应室107、通过衬底120、以及最终在相反的一端处从反应室107中排出。正如这里所使用的，术语生产气体指一种或多种气体。正如图5所示，由反应室107内的箭头表示的，在生产气体流过反应室107时，一部分生产气体如所预定的可与衬底120接触，并因此在衬底120上沉积试剂或反应物，以此在其上形成层。在某些系统中，反应室107可具有介于大约0.1和1米之间的长度、介于大约0.05和0.5米之间的宽度、以及介于大约1和10cm之间的高度。然而，反应室107不限于这些尺寸。衬托器构件可包括高质量石墨。包括衬托器设计的CVD沉积系统的实例在标题为“Induction Heating Devices and Methods for Controllably Heating anArticle”、公布号为US 2003/0079689的美国专利和2003年4月16日提出的、标题为“Methods and Apparatus for Controlling Formation ofDeposits in a Deposition System and Deposition Systems and methodsIncluding the Same”、申请号为10/414,787的美国专利中可找到，上述两个申请通过引用将全部结合在此。

在某些实施例中，衬托器构件100A和100B由这样一种材料形成，该材料适合于响应由EMF发生器182在其中生成的涡电流而生成热量，这样的材料和感应加热布置对本领域的技术人员来说是公知的。构件可由石墨制成，并且更优选地由高纯度石墨制成。

大浅盘154等可位于底部构件110B和衬底120之间以此支持衬底120。按照某些实施例，大浅盘154可被适当的机构(图中未示出)旋转驱动。例如，系统可包括气体驱动的旋转系统，如在2001年1月8日提出的、标题为“Gas Driven Rotation Apparatus and Methodfor Forming Silicon Carbide Layers”、申请序列号为09/756,548的美国专利中所描述的，和/或如在2002年4月8日提出的、标题为“GasDriven Planetary Rotation Apparatus and Methods for Forming SiliconCarbide Layers”、申请序列号为10/117,858的美国专利中所描述的，这些申请的公开内容通过引用将全部结合在此。另一方面，大浅盘154还可以是静止的。大浅盘154可能适合于支持一个或多个衬底120。大浅盘154可由任何适当的材料制成，如SiC涂敷的石墨、固体SiC和/或固体SiC合金。可省略大浅盘154以使衬底被留在衬托器构件100B、衬垫105或其他适当的支持物上。

在使用过程中，生产气体供应160通过入口102向反应室107供应生产气体流P。生产气体P通常在流动方向R上流动。如图所示，某部分的生产气体和试剂在这里与衬底120接触以此在衬底120的曝光表面上形成所期望的层(如外延层)。

虽然前述的沉积系统101和方法是作为关于水平、热壁、CVD、流通沉积过程来描述的，但是本发明的各个方面可用于其他类型的沉积系统和过程。虽然特定实施例已经参考“顶部”、“底部”等来描述，但是依照本发明可使用其他的取向和配置。例如，沉积系统和过程可以是冷壁和/或非水平流通系统和过程。沉积系统和过程可以是除CVD系统或过程之外的汽相外延(VPE)、液相外延(LPE)、或等离子体增强的CVD(PECVD)沉积系统和过程。

现在参见图6，其上将生长一层或多层外延层的单晶碳化硅衬底晶片10具有通常圆形的周长。在晶片上研磨一对平台以此帮助晶片取向。尤其是，晶片10包括主要平台12和次要平台14。晶片的表面16通常对应于碳化硅晶体的c-面(除了晶片已经以朝向<1120>方向的偏轴角α的角度被切割之外)。在某些实施例中，偏轴角α可以是大约8°。主要平台12沿<1120>方向延伸，虽然次要平台14是沿<1010>方向取向的。

在某些实施例中，在外延生长之前，晶片10的表面16被掩蔽并被蚀刻以此在其上形成预定的图案。可使用包含SiO₂、Si₃N₄、氧化铟锡(ITO)的传统掩模和/或其他传统掩蔽材料。利用传统技术可制作并图案化掩模。蚀刻过程可包括如上所述的反应离子蚀刻。在其他实施例中，无掩模蚀刻和/或选择性生长技术可用来在衬底上形成多个特征。在另外的实施例中，激光形成图案可用来在衬底上形成多个特征。图案包括多个特征，所述多个特征包括以对其中台阶流外延生长将发生的结晶方向倾斜或垂直的角度(即不平行)取向的至少一个侧壁。在所说明的实施例中，以朝向<1120>方向离轴切割晶片10；因此，外延生长将在<1120>方向上发生。因此，在所说明的实施例中，晶片包括多个特征，所述多个特征包括以对<1120>结晶方向来说倾斜或垂直角度取向的至少一个侧壁。

图7A说明了示范的蚀刻图案，其是蚀刻之后的晶片10的表面的一部分25的放大视图的理想化示意图。正如这里所说明的，晶片10的表面16包括在这里被蚀刻的多个周期性重复的六边形坑20。各个坑被六个侧壁22所包围。在某些实施例中，包括图7A所说明的实施例，至少一个坑20被定向，以及在某些实施例中，各个坑20被定向，以使其中的两个侧壁以近似平行于其中外延生长将发生的结晶方向(在这种情形下，为<1120>方向)的方向延伸，而其余的四个侧壁倾斜于其中外延生长将发生的结晶方向。在其他实施例中，至少一个坑20被定向，以使其中的两个侧壁以近似垂直于其中外延生长将发生的结晶方向的方向延伸，而其余的四个侧壁倾斜于其中外延生长将发生的结晶方向。

图7B详细说明了六边形坑20。坑20包括相对的若干对侧壁22a、22b和22c。坑20的特征还在于长轴24和短轴26，所述长轴24在相对的顶点之间穿过六边形的中心，所述短轴26在相对的侧边之间穿过六边形的中心。

在某些实施例中，六边形坑20可具有大约0.1至大约1μm的深度和大约5至大约30μm的长轴。在特定的实施例中，坑20可具有大约0.5μm的深度和大约10μm的长轴。在某些实施例中，坑20可具有大约20∶1的长轴和深度的比率。侧壁22可具有大约0.25至5μm的宽度。在特定的实施例中，侧壁可具有大约4μm的宽度。

图8A-8C说明了示范的结构。图8A是依照本发明某些实施例的、具有周期性六边形坑结构的、已经被图案化的碳化硅晶片表面的干涉测量导出的地形表示。图8B是沿着B-B线所取得的深度分布图，而图8C是沿着C-C线所取得的深度分布图。图8A-8C所说明的结构具有近似约9.73μm的长轴、大约0.5μm的深度和大约4μm的侧壁宽度。

在没有背离本发明范围的情况下可选择其他尺寸。例如，上面指定的示范尺寸采用大约8°的偏轴角α，并且是基于本理解和能力来选择的。如果使用不同的偏轴角，其他尺寸可用来增加或最大化缺陷减少的量值。

除六边形之外的其他特征形状可用于本发明的其他实施例。这些特征可包括比如线条、人字形图案、或其他多边形。图9A说明了其上已经形成由台面条纹34分离的一连串沟槽32的衬底30的一部分。沟槽32包括垂直于其中台阶流外延生长将发生的结晶方向(在这种情形下，为<1120>方向)延伸的相对的侧壁32A、32B。在某些实施例中，侧壁的排列倾斜于其中台阶流外延生长将发生的结晶方向。

图9B是按照其他实施例的、示出了沟槽32和台面34的衬底30的侧视图。在某些实施例中，沟槽32可具有大约10至大约40μm的宽度。在特定的实施例中，沟槽32可具有大约0.5μm的深度和大约18μm的宽度。在某些实施例中，沟槽32可具有大约36∶1的宽度和深度的比率。台面34可具有大约0.25至5μm的宽度。在特定的实施例中，台面34可具有大约3μm的宽度。在图9B的侧视图中还说明了掩模36。

正如图9B所说明的，侧壁32A、32B相对于沟槽32的底32C可以是垂直的，或者如图9C所说明的，它们相对于沟槽32的底32C可以是呈一定角度的。另外，侧壁32A、32B可以如图所示是笔直的或者可以包含弯曲部分。同样地，利用其他特征形状，如六边形或其他多边形，特征的侧壁可以相对于衬底是垂直的或呈一定角度的并且可包括笔直的或弯曲的部分。例如，如图9C所示，可对结构进行蚀刻，以使侧壁32A、32B相对于沟槽底32C呈一定角度。在这种情形下，台面34的顶部部分34A比起底部部分更窄。在某些实施例中，取决于光刻和/或其他技术，台面可具有介于大约0和大约5μm的宽度。

在晶片已经被蚀刻以此在这里形成如上所述的表面特征以及掩模被可选地除去之后，晶片被放置于外延生长反应器(比如，如上所述的反应器100)内并且在晶片上生长一层或多层碳化硅外延层。正如上面所讨论的，在离轴晶片上的碳化硅外延生长可以台阶流方式在离轴切割的方向上进行。尽管不能完全理解精确的机制，但是目前可以认为，在衬底晶体上传播的某些基面位错在表面特征的蚀刻的侧壁处被终止或者被转换成不同类型的位错，并且被禁止或阻止传播进作为基面位错的外延层。因为某些基面位错被禁止传播进作为基面位错的外延层，那些位错不会受分解成由肖克利局部位错限制的堆垛层错的影响，所述由肖克利局部位错限制的堆垛层错可形成电激活的堆垛层错。

图10说明了图案化衬底的外延生长。衬底30包括其表面上的多个沟槽32。外延层40以台阶流方式由衬底表面生长出来。依照本发明的某些实施例，与未成核并由台面侧壁生长出来的区域44相比，成核并由沟槽32的侧壁32A生长出来的区域42可具有减小的基面缺陷密度。尤其是，区域42可表现为将基面缺陷密度减少到原来的1/10。

如图10所示的，可受益于缺陷减少的外延层40的百分数可能取决于特征的几何形状。尤其是，侧壁高度、宽度和/或间距可影响这个百分数。为了提供基面缺陷密度的更大减少，最好是在最初的外延层生长之后实施第二特征形成和外延层生长循环。如图11所说明的，衬底30包括在这里被蚀刻的沟槽32。第一外延层40在包括具有减少的基面缺陷密度的区域42的上面形成，所述区域42与不具有减少的基面缺陷密度的区域44交替出现。在第一外延层40的生长达到预定厚度之后，衬底被掩蔽并被第二次蚀刻以此形成具有侧壁52A的沟槽52，在某些实施例中，所述侧壁52A可横跨区域44。沟槽52可具有与沟槽42相同的尺寸或者至少某些沟槽52可具有与至少某些沟槽42不同的尺寸。外延层50接着在其上生长。层50的基面位错密度可相对于层40的基面位错密度被减小。在图11所说明的实施例中，沟槽52直接在于衬底30上形成的沟槽32的上方形成。如图12所说明的，在外延层40上形成的沟槽52可能偏离在衬底30上形成的沟槽32。图13是包括台面54的碳化硅晶片表面的一部分的照片，所述台面54偏离下面的台面34。

图14是依照本发明实施例的、在六角蚀刻表面上生长的外延层表面的诺马尔斯基显微照片。图15是依照本发明实施例的、在线型蚀刻表面上生长的外延层表面的诺马尔斯基显微照片。

在形成第一和/或第二外延层之后，可以利用本领域的技术人员公知的技术在第一和/或第二外延碳化硅层上制作一个或多个电子器件(如双极性器件)。电子器件(如双极性器件)的制作对本领域的技术人员来说是公知的并且在这里不必作进一步的描述。为了清楚起见，这些器件未在图10-12中进行说明。此外，将会理解，可实施特征-形成和外延-生长步骤的三次或更多次的重复。

单独来说，这里所涉及的技术在本领域中通常是公认的和容易理解的，并且在没有不适当实验的情况下是可以实现的。在这里可用作起始结构的类型的单晶碳化硅晶片在市场上可以从Cree公司(4600 Silicon Drive，Durham，North Carolina 27706)购得。可利用如在美国专利4,912,063、4,912,064、5,679,153和6,297,522中提出的技术实施碳化硅外延层的生长。碳化硅的干法和电解蚀刻在美国专利6,034,001、5,571,374、5,227,034、4,981，551和4,865,685中进行了描述。将熔化的氢氧化钾用作蚀刻剂以此识别并表征半导体表面是容易理解的，并且包括以ASTM标准(如ASTM F1404.92)表述的形式。衬底晶片的切割、机械抛光和研磨在本领域中也是完全传统的。

在附图和说明中，已经公开了本发明的典型实施例，并且尽管已经使用了特定的术语，但是只是在一般的以及描述性的意义上并且不是出于限制目的地使用这些特定术语，本发明的范围在下面的权利要求中被提出。