具有低位错密度的SiC晶体和从晶体切割的SiC晶片的制作方法
【专利说明】具有低位错密度的S i C晶体和从晶体切割的S i C晶片
[0001] 相关专利申请
[0002] 本专利申请要求2013年10月18日提交的美国专利申请No. 14/058, 167和2013 年2月5日提交的美国临时专利申请No. 61/761，171的优先权权益。
【背景技术】
[0003] 1.抟术领域
[0004] 所公开的发明涉及碳化硅（Sic)晶体和晶片的制造。
[0005] 2.相关抟术
[0006] 碳化硅SiC因其宽带隙特性以及极高硬度、高导热性和化学惰性特性，是熟悉材 料科学、电子学和物理学的技术人员所公认有利的晶体半导体材料。这些特性使SiC成 为对于制造功率半导体器件极具吸引力的半导体，使得与由更常见材料如硅制成的器件相 比，功率密度和性能得以增强。
[0007] 最常见形式的SiC由原子的立方或六方排列组成。Si和C层的堆叠可呈现多种形 式，称为多型体。碳化硅晶体的类型由表示堆叠序列中的重复单元数的数字加上代表晶形 的字母来表示。例如，3C-SiC多型体是指3个重复单元和立方（C)晶格，而4H-SiC多型体 是指4个重复单元和六方（H)晶格。
[0008] 不同的碳化硅多型体在材料特性方面有一些差别，最明显的是电特性。4H-SiC多 型体具有相对较大的带隙，而3C-SiC具有较小的带隙，大多数其他多型体的带隙则落在两 者之间。对于高性能功率器件应用，当带隙较大时，理论上，材料更能够提供相对更高的功 率和导热性能。
[0009] SiC晶体并非天然存在的，因此必须合成。SiC晶体的生长可通过升华/物理气相 运输或化学气相沉积来进行。
[0010] 通过升华的SiC的生长极具挑战性。通过升华来生成Si/C物质的蒸气流要求温 度超过2, 000°C，这极大地限制了反应池组件和熔炉设计。最初，将通过如艾奇逊法之类的 工艺形成的SiC研磨材料用作晶体的Si和C原子的来源，并随着技术成熟，多个团队开发 出了合成专用于SiC晶体生长的SiC源粉末的装置。通常在处于真空室内的石墨容器中进 行该生长。通过电阻法或感应法加热石墨容器。以小心的方式隔绝容器以便在体积内形成 受控的温度梯度。使用形状通常类似于板状或盘状的晶种。晶种通常以其生长表面面向源 材料而取向。容器中的晶种的位置被设计成使得当加热容器时，晶种位于相对较低温度位 置，而Si-c源材料位于较高温度位置。当将容器加热至足以使源材料升华的温度时，蒸汽 将向低温区域穿行并冷凝在晶种上。虽然该过程在概念上看似简单，但在实施过程中，SiC 的生长非常复杂并且是操作人员公认很难进行的。
[0011] 历史上，基于Sic升华的晶体生长的最初进展首次由Lely(US2, 854, 364)描述， 其未加晶种的晶体生长的方法得到小六方SiC片晶。在1970年代和1980年代，产生对于制 备器件具有吸引力的尺寸的首种晶体的技术由Tairov和Tsvetkov在俄罗斯完成（Journal ofCrystalGrowth，52 (1981)p. 146-50 (《晶体生长杂志》，第 52 卷，1981 年，第 146-150 页） 和ProgressinControllingtheGrowthofPolytypicCrystalsinCrystalGrowth andCharacterizationofPolytypeStructures,P.Krishna,ed. ,PergammonPress， London，p. 111(1983)(《控制晶体生长中多型晶体的生长及多型体结构的表征的进展》， P.Krishna编辑，帕加蒙出版社，伦敦，第111页，1983年））。他们的方法使用Lely晶体作 为晶种，并通过如上所述的升华和运输进行生长。这些结果显示了通过晶种、压力控制和温 度梯度的选择来进行多型体控制的方法。随后，Davis(US4, 866, 005)揭示了通过源材料 和梯度控制的恰当选择所实现的改进。对Tairov、Tsvetkov和Davis的方法的改良至今仍 在不断揭示。
[0012] 当产生较大晶体的方法出现时，关注点也会转移到控制晶体中的缺陷。缺陷可归 类为包裹物和晶体位错。SiC晶体中的主要晶体缺陷是螺旋位错。称为微管或空芯螺旋位 错的特例就属于该类型。另外，还存在基面位错和螺纹型刃位错。这些缺陷源于多种来源。 例如，晶种中所含的缺陷可传递到新生长的晶体体积中。温度梯度和热膨胀不匹配所产生 并传递给生长过程中的晶种和晶体的应力可导致位错的形成。在来自形成SiC所需物的升 华蒸汽流中的化学计量的偏差可导致不稳定多型体生长，继而在生长的晶体中产生多型体 包裹物，导致多型体边界处的位错的形成。甚至位错之间的相互作用也可形成或消除位错。
[0013] 由所指出的方法产生的SiC晶体具有高浓度的位错。截至本申请提交时为止，螺 旋位错和基面浓度的通常报告值在标称上分别为5, 000-10, 000/cm2。位错最常通过在垂直 于晶体对称轴的平面中对晶体切片来进行评估。用熔融盐如氢氧化钾在350-500°C范围内 的温度下蚀刻暴露的晶体表面将揭示位错。每种位错类型具有独特的形状，从而可对它们 独特地计数。位错通常以数量除以检测面积来计数和报告。该表征方法是有用的，因为其 允许在晶体平面上形成的平面半导体器件中所含的缺陷的简单关联。文献中有许多例子显 示位错不均匀地分布在观测平面中。较大计数的位错使得对每个位错计数显得非常不切实 际，特别是由于如今要求对大于或等于相当于100mm直径圆形的截面进行检测。因此，对蚀 刻区取样以确定位错的量。不正确的取样方法可导致与较大晶体相关的位错浓度的估值错 误。在大多数报告中，未提供取样方法的细节，因此报告的结果通常难以重现（如果并非不 可能的话）。
[0014] 在固态物理学和半导体器件方面富有经验的科学家认识到，位错导致器件性能低 于材料的理论特性。因此，现今的努力集中于改善半导体SiC晶体质量外观以识别和控制 那些可减少源于晶体生长的缺陷的因素。
[0015] -旦产生足够大的晶体，就必须将晶体切割并制造成晶片，以便可用于使用平面 制造方法制造半导体器件。由于许多半导体晶体（如，硅、砷化镓）已成功开发并商业化 为晶片产品，由大块晶体制造晶片的方法是已知的。晶片制造的常见方法和要求及表征 的标准方法的综述可见于WolfandTauber，SiliconProcessingfortheVLSIEra， Vol.l-ProcessTechnology，Chapter1(LatticePress-1986)(Wolf和Tauber，《超大规模 集成电路时代的硅处理，第1卷-工艺技术》，第1章，莱迪思出版社，1986年）。
[0016] 由于其硬度，与处理其他常见半导体晶体如硅或砷化镓相比，SiC晶片衬底的制造 带来了独特的挑战。必须对机器进行改造，并改变研磨剂的选择而不使用常用材料。据报 告，可在镜面抛光SiC晶片上观察到大量亚表面损伤，这可通过使用类似于硅行业中使用 的化学增强机械抛光方法来减少或移除（Zhou，L，etal.，ChemomechanicalPolishingof SiliconCarbide,J.Electrochem.Soc. ,Vol.144,no. 6,June1997,pp.L161-L163(Zhou，L.等人，碳化硅的化学机械抛光，《电化学学会杂志》，第144卷，第6期，1997年6月，第 L161-L163 页））。
[0017] 为了在SiC晶片上构造半导体器件，必须将另外的晶体SiC膜沉积在晶片上以形 成具有所需电导率值和导体类型的器件有源区。这通常使用化学气相沉积（CVD)方法完 成。自1970年代以来，俄罗斯、日本和美国的多个团队公布了通过CVD外延来生长SiC的 技术。通过CVD来生长SiC的最常见的化学物质是含硅的源气体（例如，甲硅烷或氯硅烷） 和含碳的源气体（例如，烃气体）的混合物。低缺陷外延层的生长的关键要素是衬底表面 偏离晶体对称轴倾斜以允许化学原子以衬底晶体所建立的堆叠顺序附接至表面。当该倾斜 不足时，CVD工艺将在表面上产生三维缺陷，并且此类缺陷将产生不可操作的半导体器件。 表面瑕疵诸如裂纹、亚表面损伤、凹坑、颗粒、划痕或污染会妨碍通过CVD工艺复制晶片的 晶体结构（参见例如PowellandLarkin，Phys.Stat.Sol. (b) 202, 529 (1997)(Powell和 Larkin，《固体物理（b)》，第202卷，第529页，1997年））。重要的是用于制造晶片的抛光和 清洗工艺要最大程度减少表面瑕疵。在存在这些表面瑕疵的情况下，可在外延膜中产生若 干缺陷，包括基面位错和立方SiC包裹物（参见例如Powell，et.al.TransactionsThird InternationalHigh-TemperatureElectronicsConference,Volume1，pp.11-3-11-8， SandiaNationalLaboratories，Albuquerque，NMUSA，9_14Junel"6(Powell等人，《第 三届国际高温电子学会议汇刊》，第I卷，第II-3-II-8页，美国新墨西哥州阿尔伯克基的桑 迪亚国家实验室，1996年6月9-14日））。
[0018]SiC中的缺陷已知能够限制或破坏缺陷上形成的半导体器件的操作。据Neudeck 和Powell报道，空芯螺旋位错（微管）严重限制SiC二极管的电压闭锁性能（P.G.Neudeck andJ.A.Powell,IEEEElectronDeviceLetters，vol. 15，no.2，pp. 63-65，(1994) (P.G.Neudeck和J.A.Powell，《IEEE电