低基面位错块体生长的SiC晶片

背景技术

本发明涉及低缺陷碳化硅晶片和它们作为半导体用前驱体的应 用，以及涉及大的高质量碳化硅单晶的籽晶升华生长。

本发明涉及下面共同转让的美国专利申请公开：No.20050145164、 20050022724、20050022727、20050164482、20060032434和 20050126471。

近年来发现碳化硅可作为用于各种电子器件和用途的半导体材料 来应用。碳化硅由于其物理强度和高的抗化学侵蚀性而特别有用。碳 化硅还具有优异的电子性能，包括耐辐射性、高的击穿电场、相对宽 的带隙、高的饱和电子漂移速度、高温作业、以及在光谱的蓝区、紫 区和紫外区中高能光子的吸收和发射。

通常通过籽晶升华生长方法制备单晶碳化硅。在典型的碳化硅生 长技术中，将籽晶和源粉末均放置在反应坩锅内，该坩锅被加热至该 源的升华温度并且以在该源与边缘的较冷籽晶之间产生热梯度的方式 进行加热。该热梯度促进材料由源至籽晶的气相运动，随后在籽晶上 冷凝并导致块体晶体生长。该方法也被称作物理气相传输(PVT)。

在典型的碳化硅生长技术中，坩锅由石墨制成并且通过感应或电 阻加热，放置有关线圈和绝缘体以建立和控制所需的热梯度。源粉末 是碳化硅，碳化硅也是籽晶。坩锅垂直定向，源粉末在下部而籽晶位 于顶部，籽晶通常在籽晶夹持器上；见美国专利申请第4,866,005号 (以No.Re34,861重新发布)。这些源物质是现代籽晶升华生长技术 的示例性描述而不是限制性描述。

虽然近年来持续降低了碳化硅块晶中结构缺陷的密度，但仍出现 相对高的缺陷密度并发现难以消除，例如Nakamura等的超高质量碳化硅单晶(Ultrahigh quality silicon carbide single crystals)， Nature，Vol.430，2004年8月26日，1009页。当在籽晶衬底的表 面上存在位于晶体基面(c-面)内的位错时，这些位错可存留在随后 的晶体生长中。这些缺陷可导致重大问题，该问题在于限制了在这些 衬底上制成的器件的工作特性，或者在某些情况下可完全排除得到有 用器件。

当前用于制备大块碳化硅单晶的籽晶升华技术，通常在碳化硅晶 体的基面生长表面上产生高于所期望的缺陷密度。较高的缺陷密度可 导致重大问题，该问题在于限制了在这些晶体上或由该晶体所产生的 衬底上制成的器件的工作特性。例如，在一些市售的碳化硅晶片的基 面中，典型的微管缺陷密度可为约100每平方厘米(cm^-2)的数量级。 然而，在碳化硅中形成的兆瓦器件需要约0.4cm^-2数量级的无缺陷面 积。因此，获得可用来制造用于高电压、高电流应用的大表面积器件 的大单晶是仍然值得努力的目标。

虽然可得到低缺陷碳化硅的小样品，但碳化硅的更广泛的商业应 用需要更大的样品，且尤其需要更大的晶片。通过对比，自1975年已 经市售100mm(4″)硅晶片，并且在1981年可得到150mm(6 ″)硅晶片。 砷化镓(GaAs)4 ″(100mm)和6 ″(150mm)晶片也有市售。因此， 50mm(2″)和75mm(3″)SiC晶片的商业可获得性落在这些其它材料后 面，并且一定程度上限制了在更宽范围的器件和应用中采用和使用 SiC。

在晶体生长技术中具体缺陷的性质和描述一般很好理解。微管是 可在SiC中发现的普遍缺陷，并且可在SiC晶体的籽晶升华制备过程 中生长或扩展。可存在于SiC晶体中的其它缺陷包括穿透 (threading)、刃型(edge)和螺型位错以及六方孔隙(hexagonal voids)、堆垛层错和基面位错。如果这些缺陷保留在SiC晶体中，则 得到的在该晶体上生长的器件会引入这些缺陷。

微管是中空心超级螺型位错，其Burgers矢量典型地沿着c-轴。 提出或确定了许多产生微管的原因。这些包括过量的材料例如硅或碳 内含物、外来杂质例如金属沉积物、界面缺陷以及局部位错的活动或 滑动。例如见Powell等的低微管密度SiC晶片的生长(Growth of Low Micropipe Density SiC Wafers)，材料科学论坛(Material Science Forum)，Vols.338-340，第437-440页(2000)。

六方孔隙在晶体中是种平的六方板状孔穴，该孔穴通常具有拖曳 在它们下面的中空管。一些证据显示微管与六方孔隙有关。在Kuhr 等的六方孔隙和在SiC升华生长期间微管的形成(Hexagonal Voids And The Formation Of Micropipes During SiC Sublimation Growth)， 应用物理杂志(Journal of Applied Physics)，Volume 89，No.8，4625 页(2001年4月)中提出了这种缺陷的相对较近期的讨论(示例性且非 限制性)。

最近研究表明，用籽晶升华技术制得的块晶中的问题可由籽晶本 身及对其进行物理处理的方式引起；例如Sanchez等的在碳化硅的物理气相传输中热分解孔穴的形成(Formation Of Thermal Decomposition Cavities In Physical Vapor Transport Of Silicon Carbide)，电子材料杂志(Journal of Electronic Materials)， Volume 29，No.3，347页(2000)。在第347页，Sanchez使用术语 “微管”来描述，“与[0001]轴平行或几乎平行的排列成行的在超级 螺型位错的芯中形成的直径范围为0.1μm-5μm的近似圆筒状的孔 隙”。同上，Sanchez称较大孔隙(“直径为5μm-100μm”)为“热 分解孔穴”，并且认为微管和热分解孔穴产生自不同的原因。

因此，在用籽晶升华系统形成晶体中，制备具有低基面缺陷水平 的更大的高质量碳化硅块体单晶仍具有不变的技术商业目的。

基面位错通常位于(0001)面内，或者与表面相交或者产生封闭 的环。对于大多数应用，主要关切的是可与晶片表面相交且因此扩展 到随后沉积的外延层内的基面位错的数目。当SiC晶片作为用于外延 生长的衬底使用时，关键是要考虑到与晶片表面相交的位错的数目。 通过进行晶片的缺陷腐蚀来测量该数目，晶片的缺陷腐蚀可显示在位 错位置处的凹陷。对于这种测量，当增加偏离<0001>方向的偏切 (offcut)(“离轴”)角度时，与表面相交的位错的数目可增加。 目前大多数商业SiC晶体用4度的偏切角制得，然而，可使用从0到 90度的任何其它角度。在给定的代表性区域中计数位错(可以直线或 曲线观测到)的数目得到代表性的基面缺陷密度。

在其中衬底用作有源器件层的情况中，块体材料中的缺陷密度也 是相关的，并且最合适的度量是给定体积的材料中基面位错的总线长 度。这通过考虑小体积材料(例如包含在用于X射线形貌法的样品中 的材料)和测量观测到的位错的总的长度来测量。然后将该长度除以 样品体积以得到每cm³的基面位错总的线长度。

发明概述

在一方面，本发明是具有至少约3英寸(75mm)的直径和至少一 连续平方英寸(6.25cm²)的表面积的高质量SiC单晶晶片，所述表 面积具有小于约200cm^-2的基面位错密度。

在另一方面，本发明是具有至少约3英寸(75mm)的直径和至少 一连续平方英寸(6.25cm²)的表面积的SiC半导体前驱体晶片，所述 表面积具有小于约100cm^-2的基面位错密度。

在另一方面，本发明是一种在籽晶升华生长系统中使用具有至少 约3英寸(75mm)的直径和至少一连续平方英寸(6.25cm²)的表面 积的高质量SiC单晶晶片的方法，所述表面积具有小于约100cm^-2的 基面位错密度。

在又一方面，本发明是在这样的SiC单晶籽晶上构建的多个功率 器件，该SiC单晶籽晶具有至少约3英寸(75mm)的直径和至少一连 续平方英寸(6.25cm²)的表面积，该表面积具有小于约100cm^-2的 基面位错密度。

附图简要描述

图1是偏移根据本发明的SiC晶片4度的x射线透射形貌像；

图2是根据本发明的半导体前驱体晶片的示意性截面视图；

图3是根据本发明的多个半导体前驱体器件的示意性截面视图；

图4是根据本发明的籽晶升华系统的示意性截面视图；

图5是根据本发明的金属氧化物半导体场效应晶体管的示意性截 面视图；和

图6是根据本发明的金属半导体场效应晶体管的示意性截面视 图。

发明详述

本发明涉及高质量的碳化硅晶片。具体地，本发明包含几种用于 改善利用籽晶升华的这种晶片的生长的技术。

在以下描述中，基面位错密度可规定为4度离轴晶片的面密度。 然而，存在的明确假设是，在材料中这种面积测量和总基面线长度之 间存在直接关系。

一方面，本发明是具有至少约3英寸(75mm)的直径和至少一连 续平方英寸(6.25cm²)的表面积的高质量SiC单晶晶片，所述表面 积具有小于约500cm^-2、更优选小于约75cm^-2和最优选小于约50cm^-2的基面位错密度。该单晶碳化硅的多型优选是3C、4H、6H、2H或15R 多型。

在考虑籽晶直径与厚度的比例尺寸时，无论表示成百分比、分数 或比例，应当理解的是，在本发明所提供的改进方案的上下文中，这 些比例在本文在此所述的较大直径籽晶的背景下具有它们的发明含 义。

因此，在某些实施方案中，本文以包括晶体的绝对尺寸(通常就 直径而言，优选2英寸(50mm)、3英寸(75mm)和100mm直径的 单晶)的方式在相关实施方案中对本发明进行了描述和主张。当然更 准确地，1英寸等于25.4mm，表示3英寸等于76.2mm。然而，在晶 片领域中有时普遍的是，术语例如“3英寸”和“75mm”可互换地使 用。本领域普通技术人员可认识到这种普通惯例以及用“50mm”替代 “2英寸”、用“100mm”替代“4英寸”等。这些替代不意欲限 制由英制单位到公制单位的转换，而是意欲表示本领域的普通用法。

图1是根据本发明形成的SiC晶片的X射线透射形貌像。该形貌 像是取自3英寸(75mm)直径梨晶(boule)的晶片的0.5cm×0.5cm 区域。将该晶片减薄至约80μm以在形貌像中获得较好的对比度。

图1中所示的4度偏切样品包括在0.5cm×0.5cm区域中的11基 面位错(可观测到为直线或曲线)。假定所有这些可与样品表面相交， 则得到44cm^-2的基面缺陷密度。在计算体密度时，这些11基面位错 具有0.05cm的平均长度，得到的总样品线长度是0.55cm。观察的面 积是0.5cm×0.5cm，样品厚度为0.008cm，得到的样品体积是0.002 cm³。因此该样品每cm^-3的总线长度是275cm/cm³即275cm^-2。

又一方面，本发明是具有4H多型、至少约3英寸(75mm)的直 径并具有至少一连续平方英寸(6.25cm²)的表面积的高质量SiC半 导体前驱体晶片，所述表面积具有约2,000-20,000个与晶片表面相交 的位错(对于4度离轴晶片)。

另一方面，如图2中所示意性表示的那样，本发明是具有4H多型、 至少约3英寸(75mm)的直径和至少一连续平方英寸(6.25cm²)的 表面积的高质量碳化硅半导体前驱体晶片4，所述表面积具有小于约 500cm^-2的基面位错密度。该晶片另外具有位于表面上的至少一个III族 氮化物层6。III族氮化物层6优选是GaN、AlGaN、AlN、Al InGaN、InN、 AlInN及其组合中的一个层或多个层。

III族氮化物的生长和电子特性在本领域中一般是明了的。碳化硅 衬底上的III族氮化物层是某些类型发光二极管(LED)的基本部件。在 其它所需的因素中，III族元素的原子分数(例如In_xGa_yN_1-x-y)适合组 合物的带隙(有限地)，从而同样适合得到的发射频率并因此适合LED 的颜色。

图3是在SiC晶片9上的多个碳化硅半导体器件前驱体8的示意 性图解，该晶片9具有至少约3英寸(75mm)的直径和至少一连续平 方英寸(6.25cm²)的表面积，该表面积具有约50-500cm^-2的基面位 错密度。该示意性图解的器件包括在晶片某些部分上的多个相应的III 族氮化物外延层10。优选的III族氮化物外延层独立地选自GaN、AlGaN、 AlN、AlInGaN、InN和AlInN。

另一方面，本发明是一种在籽晶升华系统中制备高质量块体碳化 硅单晶的方法。在该方面，本发明包括生长具有至少约3英寸(75mm) 的直径并具有至少一连续平方英寸(6.25cm²)的表面积的SiC梨晶， 所述表面积具有小于约500cm^-2的基面位错密度，然后优选机械地将 SiC梨晶切成晶片，其中每个晶片在至少一连续平方英寸(6.25cm²) 的表面上具有小于约500cm^-2的基面位错密度。该晶片厚度优选为约 0.5mm。

可优选将SiC晶片减薄，以便为了X射线形貌法使缺陷更明显。 出于计数目的优选厚度为约80μm。对晶片进行减薄以便使表面上的 缺陷更明显，并且没必要将其作为籽晶升华的前驱步骤。因此通常在 没有减薄的抛光籽晶上进行升华生长。

如本领域中已知的，优选在籽晶升华系统中生长SiC梨晶。在将 该梨晶切成片之后，然后可依次使用这些晶片作为在碳化硅单晶的籽 晶升华生长中的籽晶。

如说明书的背景技术部分所指出的，碳化硅籽晶升华生长的总体 方面已基本上很好地确立多年。此外，熟悉晶体尤其是困难材料体系 例如碳化硅的生长的人可认识到的是，取决于相关情况，通常能够并 且会有目的地改变所给技术的细节。因此，本文中给出的描述最适合 是以一般的和示意性的意义给出，应理解的是，本领域技术人员能够 在本文公开内容的基础上进行本发明的改进而无需过多实验。

在描述本发明时，应理解许多技术被公开。这些技术中的每一种 具有单独的益处，并且还可将每种技术与其它公开技术中的一种或多 种或者在某些情况下为所有相结合使用。因此，为清楚起见，本说明 书将避免重复单独步骤以非必要的方式的每一种可能的组合。然而， 应这样理解来阅读本说明书和权利要求书，即这种组合全部落入本发 明和权利要求的范围内。

图4是用于本发明中预期类型的籽晶升华生长的升华系统的截面 示意图。在12中宽泛地指定了该系统。如在大多数典型系统中那样， 系统12包括石墨接受器或坩锅14和多个感应线圈16，当施加电流通 过线圈16时感应线圈16加热接受器14。作为可选方案，某些系统包 含电阻加热。熟悉这些晶体生长技术的人应理解，在某些情况中还可 将该系统装入例如水冷石英容器中。另外，与接受器14相通的至少一 个气体入口或出口(未示出)包括在籽晶升华系统12中。然而，这种 另外的附加物与本发明相关度小并且在本文中可略除以有助于使附图 和说明书更清楚。另外，本领域技术人员认识到的是，本文中所描述 的这种类型的碳化硅升华系统不仅可商购，而且在可能必要和合适时 可以定做方式建造。因此，本领域普通技术人员可对它们进行选择或 设计而无需过多实验。

接受器14通常被绝缘体18环绕，图4中说明了该绝缘体的几个 部分。虽然图4说明了与尺寸和布置基本相一致的绝缘体，但本领域 技术人员应理解和认识到的是，可利用绝缘体18的布置和数量来提供 沿着接受器14的所需热梯度(轴向和径向两者)。此外，出于简化目 的，未在本文中说明这些可能的变更。

出于清楚目的，在本文中会使用单数术语“热梯度”，但本领域 技术人员应理解的是，几种梯度可按所需共存于接受器14中并且可被 次归类为轴向或径向梯度或者多个等温线。

接受器14包括用于容纳碳化硅粉末源20的一个或多个部分。该 粉末源20最常(虽然不仅仅)用于碳化硅的籽晶升华生长技术中。图 4说明了容纳在接受器14下部的粉末源20，这是一种典型的布置。作 为另一种熟悉的变化形式，一些系统将粉末源垂直地呈圆筒状布置， 在该布置中，源粉末环绕接受器14内部的比图4中所说明的布置更为 大的部分。可使用两种类型的设备适当地实施本文中所描述的发明。

碳化硅籽晶指定为22，并且通常放置在接受器14的上部。籽晶 22优选是直径为至少约3英寸(75mm)的单晶SiC籽晶。在籽晶升华 生长过程中，生长的晶体26沉积在籽晶22上。

籽晶夹持器28通常将籽晶22夹持在适当位置，籽晶夹持器28 以合适的方式连接至接受器14。这可包括本领域中已知的各种布置。 在图4中所示的定向中，籽晶夹持器28的上部连接至接受器14，优 选石墨坩锅的最上部，以在所需的位置夹持籽晶。籽晶夹持器28优选 是石墨籽晶夹持器。

在一些实施方案中，可优选在升华系统12中包括掺杂原子。将掺 杂气体引入籽晶升华系统12使掺杂原子引入生长的晶体中。就掺杂剂 的受主和施主能力对掺杂剂进行选择。在给定的半导体中，施主掺杂 物产生n型传导而受主掺杂物产生p型传导。优选的掺杂原子包括n 型和p型掺杂原子。特别优选的n型掺杂剂包括N、P、As、Sb、Bi 及其混合物。特别优选的p型掺杂剂包括B、Al、Ga、In、Tl及其混 合物。

在典型的升华生长技术中，使具有接受器14相应的频率的电流通 过感应线圈16来加热石墨接受器14。对绝缘体18的数量和布置进行 选择，以当接受器14将粉末源20加热至升华温度时在粉末源20和生 长晶体26之间产生热梯度，所述升华温度典型地高于约2000℃，优 选为约2100℃-约2500℃。建立热梯度以维持籽晶22的温度，此后维 持生长的晶体接近但低于碳化硅源的温度，从而热动力学地促进在碳 化硅升华时产生的气化物种(Si、Si₂C和SiC₂)首先冷凝在籽晶上并 然后冷凝在生长的晶体上；例如美国专利第4,866,005号。

如果适当维持温度梯度和其它条件(压力、载气等)，则总热动 力学会促进气化物种以和籽晶22相同的多型首先冷凝在籽晶22上并 然后冷凝在生长的晶体26上。

在达到所需晶体尺寸之后，通过将系统温度降至低于约1900℃和 将压力升至高于约400托来终止生长。

在升华生长过程完成之后可能还需要将晶体退火。可在生长温度 或高于生长温度下将晶体退火大于约30分钟时间。

如背景技术中所一般性提及的，当各个器件部分的晶体质量得以 改善时，电子器件的工作性能通常可得以改善。因此，本发明晶片的 缺陷减少特性同样地提供了改善的器件。具体地，当在至少一连续平 方英寸(6.25cm²)的表面积上的基面位错密度降至约500cm^-2或更 低时，逐渐可得到更高功率、更高电流的器件。

因此，在另一方面，本发明是在低缺陷3英寸(75mm)碳化硅晶片 上形成的多个场效应晶体管，所述晶片具有至少一连续平方英寸(6.25 cm²)的表面积，该表面积具有约50-500cm^-2的基面位错密度。

在另一方面以及如图5中所示意性说明的，本发明是在低缺陷3 英寸(75mm)碳化硅衬底44上形成的多个金属氧化物半导体场效应晶 体管(MOSFET)，该衬底44具有至少一连续平方英寸(6.25cm²)的 表面积，该表面积具有小于约500cm^-2的基面位错密度，在某些情况 下为约50-500cm^-2，以及在某些情况下(到预期为止)为小于约50cm^-2。 图5说明了基本的MOSFET结构。块体单晶衬底44包括互相对置的相 应的第一表面48和第二表面50。衬底上的外延层具有相应的源极52、 沟道56和漏极54部分，栅极接触64通过氧化物层62控制沟道56。 相应的源极和漏极接触58、60在源极和漏极部分52、54上。MOSFET 的结构和工作以及MOSFET的组合和变化形式在本领域中是明了的，因 此图5及其说明是示例性的而不是对所主张的发明的限制。

参考图6，另一方面，本发明是在低缺陷3英寸(75mm)碳化硅晶 片上形成的多个金属半导体场效应晶体管(MOSFET)66，所述晶片具 有至少一连续平方英寸(6.25cm²)的表面积，该表面积具有约50-500 cm^-2的基面位错密度。衬底68包括互相对置的相应的第一表面70和 第二表面72。导电沟道74位于衬底68的第一表面70上。欧姆源极 (Ohmic source)76和漏极78接触位于导电沟道74上。金属栅极接触 80位于导电沟道74上的源极76和漏极78之间，用以在向金属栅极 接触80施加偏压时形成有源沟道。

本领域中已知的是，多于一种类型的器件可位于根据本发明的碳 化硅晶片上。可包括的另外器件是结型场效应晶体管、异质场效应晶 体管(hetero field effect transistor)、二极管和本领域中已知 的其它器件。这些(和其它)器件的结构和工作在本领中是明了的， 并且可使用本文中所描述和主张的衬底对其进行实施而无需过多实 验。

在说明书和附图中，公开了本发明的典型实施方案。仅以普遍的 和描述性意义使用具体术语，并且不是出于限制目的。本发明的范围 由下面的权利要求书规定。