无微管碳化硅及其相关制备方法

专利名称：无微管碳化硅及其相关制备方法
技术领域：
本申请涉及无微管碳化硅、无微管碳化硅单晶晶圆、及其相关制备 方法。
背景技术：
已证明在制备各种电子器件中单晶碳化硅(SiC)是很有用的材料。 因其物理强度和对许多化学制品的极好耐抗性，SiC可用以制备适于用在 半导体工业的非常坚固的衬底。SiC具有极好的电特性，包括辐射硬度 (radiation hardness )、高击穿场、相对宽的带隙、高饱和电子漂移速度、 高温工作、以及对光谱中蓝、紫、紫外区域的高能光子的吸收和发射。
按照惯例，SiC使用各种晶籽升华生长工艺制备。例如，在美国专利 4,912,064; 4,866,005 (再版34,861)和5,679,153中公开了所选择的晶籽升 华生长工艺，通过引用将其整体内容并入此文。
在典型的SiC生长法中，晶籽材料和源材料被布置在反应坩埚中， 而后将反应坩埚加热至源材料的升华温度。通过反应坩埚周围环境的受 控力口热，在升华源材料和稍冷的晶籽材料(marginally cooler seed material) 之间形成热梯度。通过热梯度，气相中的源材料被传输到晶籽材料上， 在此其浓缩生长块体晶态梨晶(bulk crystalline boule )。这种类型的晶体 生长方法通常^L称为物理气相传输(PVT)法。
在传统的SiC生长方法中，反应坩埚由碳(包括，例如，石墨和/或 其它碳材料)制成，并利用感应或电阻加热技术被加热。将加热圈和关 联绝缘体相对反应坩埚谨慎定位以便形成和保持所需的热梯度。诸如粉末SiC这种源材料通常与竖直定位的反应坩埚联合使用。在PVT法过程 中，该粉末SiC ^皮保持在反应坩埚的下部，而晶籽材料位于反应坩埚的 上部。
SiC衬底的独特性质能够设计和生产一批高功率和/或高频率半导体
器件。在SiC晶圆生产方面，过去十年的持续发展已经达到了一个成熟
的水平，允许以商业可接受的价格点制造这种半导体器件。然而，某些
有关材料的问题继续阻碍SiC晶圓在许多商业应用中被选作衬底的广泛
使用。这些有关材料的问题主要是由常规生产的SiC的材料合成物中的
某些结构缺陷引起的，例如，微管、位错(例如，穿透位错、刃位错、
基面位错和/或螺型位错)、六边形空洞、堆垛层错等。每一结构缺陷由组
分SiC的材料晶格结构中的一个或多个中断引起。这种结构缺陷有损于
随后在SiC衬底上形成的半导体器件的生产和正常工作。因而损害器件 成品率和可靠性。
SiC中结构缺陷的性质和说明很好理解，并且尽管这种缺陷的密度随 着时间已4皮降低，然而仍出现相对高的缺陷浓度，并且已证明难以消除。 (例如，参见Nakamura等人的"超高品质碳化硅单晶，，，自然，第430巻 1009页("Ultrahigh quality silicon carbide single crystals", TV"她re, Vol.430 at page 1009 ), (2004年8月26日))。
;徵管是Sic中的普通结构缺陷，其在晶籽升华生长工艺中形成或扩
散。微管是空心并具有典型沿c轴的伯格斯(Burgers)矢量的超螺型位 错。许多原因导致在SiC中产生孩t管。这些原因包括过量材料夹杂(例 如硅或碳夹杂)、外来杂质(例如金属沉积物)、边界缺陷、以及局部位 错的移动或滑动。(参见，例如，Powell等人的"低微管密度SiC晶圆的 生长，，,材料科学论坛,("Growth of low micropipe density SiC wafers," Materials Science Fo醒)，Vols. 338-40, pp. 437-40 (2000))
其它迹象显示与六边形空洞关联。六边形空洞在晶体中是扁平的六 边形板状腔，并且常常具有尾随在其下面的中空管。(参见，例如，Kuhr 等，"SiC升华生长工艺中的六边形空洞和;徵管的形成"，应用物理杂志， ("Hexagonal voids and the formation of micropipes during SiC sublimationgrowth," /oMma/ of^^/zWi^"z'c& ) Vol. 89， No.8 at page 4625 (2001年4 月))
随着继续努力使SiC衬底和在SiC衬底上所形成的器件商业化，更 多的重点已放在组分衬底材料的品质上。例如，所谓的a面重复(RAF) 生长法已证明无微管SiC样品。然而，因其长的工艺周期、复杂的工艺、 在晶圆直径扩大方面的困难以及相应的费用，这一方法不适合于用在商 业应用中。因此，尽管工业上已经能够通过延时稳定减小商业SiC衬底 中的微管密度，然而仍需要一种在商业上可行并且提供完全无微管的单 晶SiC的SiC晶圓生长方法。

发明内容
本发明的实施例涉及无微管碳化硅(SiC)、无微管单晶SiC晶圆和 衬底、及其相关制备方法。
在一个实施例中，本发明提供一种在升华系统中利用物理气相传输 (PVT)工艺沿名义上的c轴生长方向生长碳化硅(SiC晶体)的方法， 其中，所述晶体完全无微管缺陷，所述方法包括将晶籽材料连接于晶 籽固定器，并在所述晶籽材料和所述晶籽固定器之间形成均匀热接触； 将源材料和连接于所述晶籽固定器的晶籽材料放置在反应坩埚中，其中 包括至少所述源材料、所述晶籽固定器、以及所述反应坩埚的所述升华 系统的构成组件基本无有害杂质；以及在PVT工艺期间，控制生长温度、 生长压强、SiC升华通量和组分、以及所述源材料与所述晶籽材料或生长 在所述晶籽材料上的SiC晶体之间的温度梯度，从而消除诱发微管的工 艺不稳定性、并且在所述晶籽材料上生长无樣t管SiC晶体。
在另一实施例中，本发明提供一种无微管碳化硅(SiC)晶圆，所述 SiC晶圆自通过在升华系统的反应坩埚中放置源材料和晶籽材料的工艺 沿名义上的c轴方向生长的SiC晶体切出，其中，包括至少所述源材料和 所述反应坩埚的所述升华系统的构成组件基本无有害杂质；以及在物理 气相传输(PVT)工艺期间，控制生长温度、生长压强、SiC升华通量和 组分、以及所述源材料与所述晶籽材料或生长在所述晶籽材料上的SiC晶体之间的温度梯度，从而消除诱发微管的工艺不稳定性。
在另一实施例中，本发明提供一种半导体晶圆，其包括块体单晶 碳化硅(SiC)衬底，所述SiC衬底自沿名义上的c轴方向生长并且微管密 度为零的SiC晶体切出，所述SiC衬底包括相对的第一和第二表面；外延 层，所述外延层在所述SiC衬底的至少第一表面上形成、并且包括定义用 于外延层的导电率的掺杂原子浓度；以及半导体器件，所述半导体器件
在另一实施例中，本发明提供一种半导体晶圆，其包括块体单晶 碳化硅(SiC)衬底，所述SiC衬底自沿名义上的c轴方向生长并且微管密 度为零的SiC晶体切出，所述SiC衬底包括相对的第一和第二表面；外延 层，所述外延层在所述SiC衬底的至少第一表面上形成、并且包括定义用 于外延层的导电率的掺杂原子浓度；以及至少部分在所述外延层中形成 的半导体器件。
在另 一实施例中，本发明才是供一种在升华系统中利用物理气相传输 (PVT)工艺沿名义上的c轴生长方向生长III族氮化物(III族氮化物晶体) 的方法，其中，所述III族氮化物晶体完全无微管缺陷，所述方法包括 将晶籽材料连接于晶籽固定器，并在所述晶籽材料和所述晶籽固定器之 间形成均匀热接触；将源材料和连接于所述晶籽固定器的晶籽材料放置 在反应坩埚中，其中包括至少所述源材料、所述晶籽固定器、以及所述 反应坩埚的所述升华系统的构成组件基本无有害杂质；以及在PVT工艺 期间，控制生长温度、生长压强、III族氮化物升华通量和组分、以及所
述源材料与所述晶籽材料或生长在所述晶籽材料上的m族氮化物晶体之
间的温度梯度，从而消除诱发微管的工艺不稳定性、并且在所述晶籽材 料上生长无微管III族氮化物晶体。
在另一实施例中，本发明提供一种半导体晶圆，其包括块体单晶 碳化硅(SiC)衬底，所述SiC衬底自直径为3英寸并且微管密度为零的晶 体切出，所述SiC衬底包括相对的第一和第二表面；以及外延层，所述外 延层在所述SiC衬底的至少第一表面上形成、并且包括定义用于外延层的 导电率的掺杂原子浓度。


图l是根据本发明实施例的晶籽升华系统的示意性剖视图2 (a)和2 (b)是分别示出了6H-SiC晶体(生长的初始阶段)的
蚀刻表面、和6H-SiC梨晶(块体生长阶段)中多型夹杂的分布的照相图
片；
图3是示出了在6H-15R多型边界微管的形成的图像； 图4 (a) -4 (c)是相片，分别示出了根据本发明各种实施例的包括 直径为2英寸的晶圓的光学图像、直径为2英寸的晶圆的交叉极化图像以 及直径为3英寸的晶圆的交叉极化图像的无微管4H-SiC衬底；以及
图5是示出了根据本发明实施例制备的直径为100mm的无微管 4H-SiC晶圓的相片。
具体实施例方式
现在将参照附图描述本发明实施例。然而，本发明不限于仅仅在此 描述的实施例。更确切地，所选择的实施例作为教导实例而被介绍。
出于清楚的目的，本发明的某些实施例以公知方法及相关设备为背 景进行描述。本领域技术人员将认识到本发明的范围不限于仅仅这些方 法及相关设备。更确切地，随着SiC生长方法及相关设备在随后几年的 变化和发展，本发明的教导将在这些新的环境中找到现成的应用。
正如照惯例所理解的，SiC梨晶可以使用晶籽升华系统通过诸如PVT 晶籽升华生长工艺生长。另一方面，晶籽升华系统可以包括高温CVD (HT-CVD)系统和卣化物CVD (H-CVD)系统。而后可以使用传统技术 将所形成的SiC梨晶切成晶圆，并且接着个体晶圆可以被用作用于晶籽 升华生长工艺中的晶籽材料或者用作衬底，在该衬底上可以形成各种半 导体器件。
如前所述，4艮好地确定了用于SiC的晶籽升华生长工艺的总体方面。 此外，晶体生长领域的技术人员并且尤其SiC生长及相关系统领域的技 术人员将公认，给定技术的细节根据许多相关环境和工艺条件通常有目
12的地可以并且将会变化。因而，在此给定的说明被以大体和示意性的意 识最适当地给出，使本领域技术人员公认基于所提供的申请文件而无需 过分的实验能够实施并使用本发明的各种实施例。
图1是适于用在由本发明某些实施例构想的这种晶籽升华生长工艺
中的升华系统12的剖视图。如在最常规的系统中，升华系统12包括碳 反应坩埚(也^皮称为感受器或生长室(susceptor or growth cell)) 14和多 个感应线圏16,感应线圏适于当^皮施加电流时对反应坩埚14加热。或者， 电阻加热法可以应用于对反应坩埚14的力口热。使用任何适当的加热机理 和方法，在炫炉壳升华系统(furnace housing sublimation system) 12内的 温度可以是按常规可控的。
熔炉壳升华系统12也将典型地包括一个或多个进气和出气口及相 关设备，允许气体从反应坩埚14周围的环境受控引进和排出。各种气体 进入/或排出反应坩埚14周围的环境可以利用各种入口/出口、管、阀、 泵、气源、以及控制器而常规实现。
本领域技术人员将会进一步明白，升华系统12在某些实施例中可以 另外包括水冷石英器皿。然而，由于是本领域所公知的，这种另外元件
与本发明实施例不太相关而可省略。
另外，本领域技术人员将公认在此描述的这种SiC升华系统是在商
业上可获得各种标准配置的。另一方案，必要或适当时，升华系统可以 净皮_没计并实施为定制配置。因而，在此描述的方法实施例不限于升华系 统的特定子集、或任何特定系统配置。更确切地，许多不同类型和配置 的升华系统可以被用于生长根据本发明实施例的无微管SiC材料。
回到图1,反应坩埚14被绝缘材料18包围。绝缘材料18的组分、 尺寸和布局将随着不同的升华系统12而变化，以便定义和/或保持涉及反 应坩埚14的所需的热梯度(既在轴向上又在径向上)。出于清楚的目的， 术语"热梯度"在此用以描述与反应蚶埚14关联的一个或多个热梯度。本 领域技术人员理解本发明实施例中所形成的"热梯度"将包含(或可以进 一步具有以下特征)轴向和径向梯度，或者可以以多个等温线为特征。
在形成热梯度之前，反应坩埚14被装入一种或多种源材料。常规可得的反应坩埚14包括一个或多个部分，其中至少之一能够容纳源材料， 例如粉末SiC 20。粉末源材料最常见但不专用于晶籽升华生长工艺中。 如图1所示，源材料20被装在反应坩埚14的下部，这对于一种类型的 反应坩埚14是常见的。其它适当的反应坩埚以竖直或圆柱排列分布源材 料，其中源材料围在反应坩埚14的内部的大部分周围。在此，反应坩埚 14还可以被实施为多种形状，并且因而可以容纳一种或多种源材料。因 此，尽管本发明的实施例可以使用传统的反应坩埚设计，本发明的范围 不限于这种设计，而将找到在利用许多不同类型的反应坩埚的不同的升 华系统中的应用。
然而，再回到图1,晶籽材料22被布置在反应坩埚14的上部上方或 之中。晶籽材料22可以采用直径约为2英寸、3英寸(75mm)或4英寸 (100mm)的单晶SiC晶籽晶圆。SiC单晶梨晶26将在晶籽升华生长工艺 期间由晶籽材料22长成。
在图l所示的实施例中，晶籽固定器24用以容纳籽材料22。晶籽固 定器24^皮利用常规i支术以适当的方式固定连"^妄至反应坩埚14。例如，在 图1所示方位中，晶籽固定器24被连接至反应坩埚14的最上部从而将 晶籽材料容放在所需位置。在一个实施例中，晶籽固定器24由碳制成。
在本发明的某些实施例中， 一个或多个类型的掺杂原子可以在晶籽 升华工艺期间或之前被特意引入升华系统12中。例如， 一种或多种掺杂 气体可以被引入晶籽升华环境并由此被含在生长中的SiC梨晶中。可以 根据所形成的SiC梨晶需要的导电性而因受主或施主能力选择掺杂剂。 对于某些半导体器件，施主掺杂剂产生n型导电性，而受主掺杂剂产生p 型导电性。通常含n型的一些掺杂剂包括N、 P、 As、 Sb、和/或Ti。通 常含p型的一些掺杂剂包括B、 Al、 Ga、 Be、 Er、和/或Sc。
在根据本发明实施例的典型的升华生长方法中，具有给定频率的电 流经过感应线圏16从而加热反应蚶埚14,其中形成反应坩埚14的材料 (例如，碳)将响应该给定频率的电流。选择绝缘材料18的量和布局以 在源材料20和晶籽材料22之间形成热梯度。反应坩埚14被加热，使源 材料20达到约2000。C以上、而典型地范围从约210(TC至2500。C的升华温度。如此，热梯度被形成，使得晶籽材料22和在晶籽材料22上生长 的SiC晶态梨晶26的温度保持略低于源材料20的温度。照此，某些由 在升华的SiC源(例如，Si、 Si2C和/或SiC2)产生的蒸发物质先被热动 力传输到晶籽材料22,而后传输到在生长的SiC晶态梨晶26 (或"SiC晶 体")。
一旦SiC晶体26达到所需尺寸，通过将升华温系统12的温度降低 至约1900。C以下及/或将反应坩埚14周围的环境压强升高至400托(Torr) 以上而结束晶体生长工艺。
考虑到前述示例性系统和工艺、并鉴于最近关于利用PVT工艺生长 的SiC晶体中的微管缺陷的成核和传播的研究，已经确定在SiC梨晶的 块体生长期间，异质多型成核(foreign polytype nucleation )，例如3C-多 型，发生于生长的初始阶段(成核阶段)和/或随后的出现面生长期间。 这些观察资料显示在晶体生长期间多型不稳定性负面影响微管密度。基 于这一观念，如此后描述的本发明实施例关注成核和生长阶段的生长条 件的优化。在PVT生长环境中实施的这些优化生长条件提供实现高度有 效多型控制的生长工艺。在这些生长条件下，在晶籽材料上诱发和/或在 生长期间形成的微管若没完全消除则在实际上被消除。事实上，已经利 用本发明的多种实施例示出了直径为2英寸、3英寸和100mm的无微管 4H-SiC晶体以及直径为2英寸和3英寸无孩i管6H-SiC晶体。
在利用了如上所述的晶籽升华工艺的SiC块体生长期间，典型地于 初始阶段(成核阶段)发生异质多型成核，例如，3C-多型异质多型成核， 并且如图2(a)和2(b)所示，可以甚至于随后的在生长前沿出现(0001 ) 面的生长阶段期间继续成核。同样，15R多型可以在既在4H-SiC又在 6H-SiC梨晶中的3C多型夹杂(3C-polytype inclusions )上成核。在生长 初始阶段期间，工艺参数(例如压强和温度)的不稳定性可引起多型夹 杂。
可在块体生长工艺的不同阶段形成的面边界的出现增大了多型成核 的概率，因为沿这些界面表面能量减小。台阶聚并(Step-bunching)和增 大的位错密度通常沿[ll50]方向(及其同族)形成。在面边界附近，这种缺陷的密度进一步增大。另外，有害杂质的浓度往往在这些区域增大， 导致应力产生和晶格失配。从原子级扩展至肉眼可见的程度的面边界和
多型夹杂的出现导致增大的缺陷级，包括在SiC晶体中的微管形成。还 应该注意到SiC源通量的浓度和/或组分在上面讨论的形成缺陷中扮演关 键角色。这样，仔细研究生长工艺参数从而找到适当条件，使得这种面 边界周围的多型夹杂和缺陷形成被减少和/或阻止。
在代表如图2 ( a)所示的生长工艺初始阶段的6H-SiC晶体的蚀刻表 面上，从晶体中心至晶体边缘的生长台阶分布的各向异性产生可辨对比。 沿[ll00]晶体学方向，表面形貌显示出台阶流动生长机理的存在。沿[1150] 方向，观察到台阶聚并形成，很可能显示了在此方向上生长速率增大。 料想沿[ll00]和[ll50]晶体学方向生长速率的不同可能导致台阶变形，以 及巨大量的形成位错的弯结的产生。这种情况促进多型夹杂的形成，因 此导致微管的形成。图2(b)示出了出现在[ll50]方向及其同族上的6H 晶体中的15R多型夹杂。这一点通过光致发光和UV吸收特性被证实。
图3中示出了含15R多型夹杂的6H-SiC梨晶的剖面(沿c轴方向切 割)。在6H/15R边界上显示了微管群(micropipe clusters )的形成。
作为实例，并且与上面关注的研究一致，已经注意到(1)台阶聚 并发生在[ll50]方向的面边界；(2)面边界是大体沿[ll50]方向传播的新 多型成核的优选区域；以及(3)微管产生始于在多型边界成核的多型夹 杂。
在生长根据本申请实施例的SiC无微管单晶梨晶的方法中，SiC梨晶 沿名义上的c轴方向生长，其中名义上的c轴方向被定义为相对c轴[OOOl] 方向在O到IO度的范围之内。起初，系统内的有害杂质(与特意引入升 华系统的掺杂剂相比)作为微管成核的第一可能源成为消除的目标。更 确切地说，晶籽上或生长前沿的有害杂质可能开始使可以遍及SiC梨晶 传播的微管和/或微管群成核。
例如，源材料内的有害杂质(例如，图1所示的升华系统中的粉末 SiC源材料20)可以通过提供杂质含量尽可能低的极高品质的SiC源材 料来消除。例如，常见的源材料杂质包括铁、镍和/或铬。当可获得核对纯度的极高品质的SiC源材料时，其可以确保并入本发明实施例。然而， 一种或多种高品质源材料(可能被提供为固体、粉末、液体和/或气体形 式)可以被用作与本发明某些实施例相符的升华或蒸发系统中的SiC源 材料，其中这种源材料含有总浓度小于按重量计百万分之(ppmwt)五的 金属杂质，而更优选小于2ppmwt金属杂质。在这种情况下，金属杂质包 4舌至少以下金属，例如Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Zr、 Mo、 Pd、 Ta和/或W。实际上，本发明的某些实施例^见定在使用的SiC 源材料包含总浓度小于lppmwt的Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Zr、 Mo、 Pd、 Ta和/或W。
除了规定极高品质的源材料之外，本发明的某些实施例要求反应坩 埚和晶籽材料固定器由金属含量尽可能低的高品质极纯的碳制成。对此，
可以利用辉光》文电质谱(GDMS)和次级离子质谱(SIMS)分析技术来 确认形成源材料、反应坩埚和晶籽固定器的材料中的金属杂质的减少。
在前面努力消除作为产生微管的源的有害杂质之后，多型夹杂(如 前所述)被作为产生微管的其余源。通过精确和严格控制气相组分、气 相物质的扩散速率、生长温度、块体生长期间的压强、源通量、环境气 体和生长区尺寸，使得多型夹杂可以被消除。更确切地说，在晶体生长 期间的不稳定性，例如温度峰、压强偏差或生长条件的任何变化，可能 引发多型夹杂。为了维持稳定生长条件而对这些工艺参数的严格控制消 除多型夹杂，因此阻止微管形成。
如上提到的应明白，熟悉尤其诸如碳化硅这种困难材料系统中的晶 体生长的人将理解给定技术的细节可根据相关环境而变化。典型地，在 应用PVT工艺期间的生长压强范围将从0.1至400托(Torr),并且更 典型地在0.1至100托之间。如上所述，工艺温度范围将从约200(TC至 2500°C 。这些条件可能因在使用的升华系统的不同和在进行的晶籽升华 生长工艺的变化而变化。
然而，与系统和工艺变化无关，本发明实施例要求所需的生长压强 和工艺温度被严格控制而无明显瞬变，以便消除多型夹杂的出现，并由 此阻止微管的形成。根据本发明的各种实施例，如图4 (a)、 4 (b)、 4 (c)和图5中所 示，已制备了直径为2英寸、3英寸和100mm的导电4H-SiC以及直径为 2英寸和3英寸的半绝缘6H-SiC单晶。应注意，根据本发明实施例所形 成的这些晶体完全无微管。由本发明实施例获得的材料的这些早期实例 是非限制性的。事实上，本发明可实现制备125mm、 150mm以及更大直 径的具有不同导电性类型的各种材料的晶体。
使用前述的升华系统或等同物，本发明的某些实施例提供完全无微 管缺陷的生长单晶SiC的各种方法。这些方法采用PVT来生长SiC并且 通常沿名义上的c轴方向为晶体生长作准备。然而，本发明的实施例可 应用于沿在相对c轴0至10度的范围内的名义上的方向的S i C晶体生长。 在一个更特定的实施例中，生长方向是c轴方向相对[ll50]或[ll00]方向 倾斜在4度以内的方向。
如上所述，晶体生长发生于高品质的晶籽。在本发明的某些实施例 中，晶籽可以被实施为晶圆的形式，其材料的特征在于微管密度小于 2cm-2,而更优选微管密度小于lcm-2。
另 一种方案，合格的SiC晶籽晶圓的特征是具有均匀的X射线衍射 并且半峰宽小于50arcsec,而更优选小于30arcsec。或者，合格的SiC晶 軒晶圆的特征是无外来多型夹杂(extraneous polytype inclusion )。
应该通过均匀热接触进行晶籽材料(即，晶籽晶圆)与升华系统内 的晶籽固定器的连接。各种常规理解的技术可以被用以实施均匀热接触。 例如，晶籽材料可以与晶籽固定器直接体接触放置，或者可以使用粘合 剂将晶籽材料固定于晶籽固定器，以确保导电和/或热辐射迁移在晶籽和 晶籽固定器之间的整个区域基本均匀。或者，包括可控间隙结构的晶圓 固定器可以被用以限定和保持晶籽材料和晶籽固定器之间的所需分离间 隙。本领域技术人员还将明白，可控间隙结构的使用需要在晶籽材料上 (即，在与生长表面相对的表面上)具有保护性的后表面涂层，以便晶籽 材料在生长工艺期间不会无意中升华。在本发明的各种实施例中，可控 间隙结构可被用以形成晶籽材料和晶籽固定器之间10pm或更小、5pm或 更小、2pm或更小的分离距离，而实际上可能小于ljmi。以所选择的适当晶籽材料(及其核实的组分纯度)，并且以适当连接 至位于基本无金属杂质的反应坩埚环境中晶籽固定器的晶籽材料，消除 微管诱导工艺不稳定性变成本发明各实施例的主要焦点。通过利用公知 的自动化、半自动化以人直接控制技术仔细控制工艺条件，温度、压强、
温度梯度以及所形成的SiC升华通量可以在所需的工艺周期中^皮精确限
定并保持。
在本发明的某些实施例中，生长压强祐:控制在约300至o.i托的范围
中，而更优选地在50至0.1托的范围中。工艺温度被控制在约2000至 2500。C的范围中。生长的晶体和源材料之间的热梯度被控制在约50至 150。C/cm的范围中。工艺周期中在升华的SiC物质通量可以通过生长温 度在0.3至10°C/hr的范围中坡式增大而被控制。
通过某些CVD和液相SiC外延研究(例如，参见J. Sumakeris等，第五 届欧洲碳化硅及相关材料会议(5th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials ) (2004)和美国专利5,679,153 )已经清楚 的证明，单晶SiC衬底中的微管可通过过生长SiC外延层(overgrown SiC epitaxy layers)而被减少或消除。该结果可通过控制Si和C反应物的输入 量而获得，并且由此在外延生长期间控制Si/C比。在略微富硅条件下的这 种过生长将单晶SiC衬底中的Burgers矢量微管分为具有较'J 、 Burgers矢量 多个贯穿螺型位4晉，其不构成在所形成的外延层中的开管结构。
因此，在本发明的某些实施例中，已经发现这一独特的微管减少(消 除)机理可以被扩展至与外延相对的块体SiC晶体的升华生长法。这一创 造性扩展提议，在全面生长工艺之初(即，生长成核阶段)，通过使用低 微管密度而不必无微管晶籽材料、并且控制生长成核温度，使得通过低 "初始温度"引发的改进的Si/C比，从而晶籽材料中的微管可以过生长，其 中低"初始温度"促进在块体生长初始阶段期间晶籽材料中现有的任何微 管的闭合(closing-off )。在本发明的一个更特殊的实施例中，这一初始温 度范围在约2000至2200°C之间。
如常规所理解的，与本发明实施例相符的升华工艺可以包括以下步 骤首先对反应坩埚周围的环境抽空从而消除环境空气、气体杂质和无关固体微粒。接着，反应坩埚被置于利用一种或多种惰性气体的压强下。
而后，升华系统对反应蚶埚环境加热达到经PVT能够实现SiC晶体生长的 温度。 一旦达到这一温度，升华系统内的压强被降低至足以促使SiC晶体 生长的一点。
可以生长具有各种多型的无微管SiC晶体，其中多型至少包括3C、 4H、 6H和15R。从这种SiC晶体切出的晶圆可以随后用于各种衬底的制造。 例如，使用公知的技术，可以制造高品质半导体晶圆，其包括在其至少 一个表面上的同质外延层，例如，SiC,以及异质外延层，例如，III族氮 化物(Group III-nitrides )。例如，该III族氮化物层可以为GaN、 AlGaN、 A1N、 AlInGaN、 InN、及/或A薩。
如此，可以制造半导体晶圆，其包括直径为至少2英寸、3英寸、4英 寸(100mm)或更大并且微管密度为零的块体单晶SiC衬底。SiC衬底将 包括至少一个以及可能两个主要(并相对的)表面。如常规所理解，可 以在SiC衬底上制造多个有源和/或无源器件。
在一个实施例中，形成多个器件之前，可以在衬底的主要表面上形
道区。此后，常规的半导体制造工艺可以被继而应用于SiC晶圓的表面， 从而形成所需的半导体器件，例如，具有在所定义的沟道区上形成的常 规栅结构(例如，氧化物或金属栅结构)的晶体管。这种晶体管的选择 实例包括金属氧化物半导体场效应晶体管、结场效应晶体管、异质场 效应晶体管、以及金属半导体场效应晶体管。
另一种方案，在本发明的其它实施例中，形成半导体器件之前，可 以在衬底的至少一个主要表面上形成外延层。该外延层可以包括所选择 的足以形成用于外延层的所需导电率的掺杂原子浓度。因此，形成的外 延层可以被用以制造位于该外延层上的 一个或多个肖特基势垒二极管
(Schottky barrier diode )、结型势垒肖特基二极管、PiN二极管、晶闸管
(thyristor)、及/或双极结型晶体管。
鉴于上述说明，无微管衬底可以用以扩大SiC材料在制造半导体器件和电子器件中的应用。应注意，上述实施例并非旨在详尽描述本发明的 范围。更确切地，本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限 定的本发明的范围的情况下可使上述实例做各种改进和变化。
例如，在一个这种改进中，上述方法实施例中的任何一个可以适合 于在晶籽材料上生长III族氮化物。也就是说，具有名义上C轴生长方向的 III族氮化物(III族氮化物晶体)单晶可以利用在升华系统中的物理气相
传输(PVT)工艺进行生长。这种III族氮化物晶体将会完全无微管缺陷。 用于生长III族氮化物晶体的一种方法包括采用均匀热接触将晶籽材料 连接于晶籽固定器；在与升华系统关联的反应坩埚中放置源材料和连接 于晶籽固定器的晶籽材料，其中升华系统的构成组件(包括至少源材料、 晶籽固定器、以及反应坩埚)基本无有害杂质；以及在PVT工艺期间控 制生长温度、生长压强、III族氮化物升华通量和组分、以及源材料与晶 籽材料或生长在晶籽材料上的III族氮化物晶体之间的温度梯度，从而消 除诱发微管的工艺不稳定性、并且在晶籽材料上生长无微管III族氮化物 晶体。
权利要求
1、一种在升华系统中利用物理气相传输(PVT)工艺沿名义上的c轴生长方向生长碳化硅(SiC晶体)的方法，其中，所述晶体完全无微管缺陷，所述方法包括将晶籽材料连接于晶籽固定器，并在所述晶籽材料和所述晶籽固定器之间形成均匀热接触；将源材料和连接于所述晶籽固定器的晶籽材料放置在反应坩埚中，其中包括至少所述源材料、所述晶籽固定器、以及所述反应坩埚的所述升华系统的构成组件基本无有害杂质；以及在PVT工艺期间，控制生长温度、生长压强、SiC升华通量和组分、以及所述源材料与所述晶籽材料或生长在所述晶籽材料上的SiC晶体之间的温度梯度，从而消除诱发微管的工艺不稳定性、并且在所述晶籽材料上生长无微管SiC晶体。
2、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述源材料和连接有所述晶籽材料的所述晶籽固定器放置在所述反应坩埚中、并且将所述反应坩埚放置在所述升华系统中之后，接着对所述反应坩埚周围的环境抽空从而消除环境空气、气体杂质和无关固体微粒；利用至少 一种惰性气体回填所述升华系统；对所述升华系统加热达到促进SiC晶体生长的温度；以及降低所述升华系统内所述反应坩埚的压强从而开始SiC晶体生长。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SiC晶体生长的名义上的方向范围在相对所述c轴方向从0至10度之间。
4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述SiC晶体生长的名义上的方向范围在所述c轴方向相对[ll50]或[l〖00]方向倾斜0至4度之间。
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无微管SiC晶体具有选自一种由3C、 4H、 6H、以及15R组成的多型中的多型。
6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶籽材料包括微管密度小于2cnT2的SiC晶籽晶圆。
7、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶籽材料包括微管密度小于lcm-2的SiC晶籽晶圆。
8、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶籽材料包括特征是具有均匀的X射线衍射并且半峰宽小于50arcsec的SiC晶籽晶圆。
9、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶籽材料包括特征是具有均匀的X射线衍射并且半峰宽小于30arcsec的SiC晶籽晶圓。
10、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶籽材料包括无外来多型夹杂的S i C晶籽晶圓。
11、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述晶籽材料和所述晶籽固定器之间使用或不使用粘合剂的情况下，在所述晶籽材料和所述晶籽固定器之间使用直接体接触或者使用可控间隙结构来完成将所述晶籽材料连接于所述晶籽固定器，所述可控间隙结构包括所述晶籽材料的背后热保护层。
12、 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述可控间隙结构保持所述晶籽材料和所述晶籽固定器之间的分离距离，所述分离距离选自以下任意之一10(im或更小、5(im或更小、2jmi或更小以及ljim或更小。
13、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生长压强被控制在约760至0.1托的范围中。
14、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生长压强被控制在约300至0.1托的范围中。
15、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生长压强被控制在约50至0.1托的范围中。
16、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工艺温度被控制在约2000至2500°C的范围中。
17、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与所述SiC晶体的生长成核相关联的初始温度被控制在约2000至2200。C的范围中。
18、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热梯度被控制在约50至150。C/cm的范围中。
19、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SiC升华通量通过使生长温度在0.3至10°C/hr的范围中增大而被控制。
20、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源材料包括高纯度固体、粉末、液体和气体中至少之一。
21、 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述源材料含有总浓度小于按重量计百万分之五的金属杂质。
22、 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述源材料含有总浓度小于按重量计百万分之二的金属杂质。
23、 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述源材料含有总浓度小于按重量计百万分之一的金属杂质，并且所述金属杂质包括以下至少一种金属Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Zr、 Mo、 Pd、Ta和/或W。
24、 一种无微管碳化硅(SiC )晶圓，所述SiC晶圆自通过在升华系统的反应坩埚中放置源材料和晶籽材料的工艺沿名义上的c轴方向生长的SiC晶体切出，其中，包括至少所述源材料和所述反应坩埚的所述升华系统的构成组件基本无有害杂质；以及在物理气相传输(PVT)工艺期间，控制生长温度、生长压强、SiC升华通量和组分、以及所述源材料与所述晶籽材料或生长在所述晶籽材料上的SiC晶体之间的温度梯度，从而消除诱发微管的工艺不稳定性。
25、 根据权利要求24所述的无微管SiC晶圆，其特征在于，最小直径选自如下尺寸至少2英寸、至少3英寸、以及至少100mm。
26、 根据权利要求24所述的无微管SiC晶圓，其特征在于，包括在所述晶圆的主要表面上形成的同质外延层。
27、 根据权利要求26所述的无微管SiC晶圆，其特征在于，所述同质外延层是SiC。
28、 根据权利要求24所述的无微管SiC晶圓，其特征在于，包括在所述晶圓的主要表面上形成的异质外延层。
29、 根据权利要求28所述的无微管SiC晶圆，其特征在于，所述异质外延层是III族氮化物层。
30、 根据权利要求29所述的无微管SiC晶圆，其特征在于，所述III族氮化物层选自以下至少之一GaN、 AlGaN、 A1N、 AlInGaN、 InN、及/或AlInN。
31、 根据权利要求24所述的无微管SiC晶圆，其特征在于，具有选自如下多型3C、 4H、 6H、以及15R。
32、 一种半导体晶圆，其包括无微管碳化硅(SiC )晶圆，所述SiC晶圓自沿名义上的c轴方向生长并且微管密度为零的SiC晶体切出，所述SiC衬底包括相对的第一和第二表面；外延层，所述外延层在所述SiC衬底的至少第一表面上形成、并且包括定义用于外延层的导电率的掺杂原子浓度；以及半导体器件，所述半导体器件包括在所述外延层中形成并在所述外延层中定义沟道区的源/漏区。
33、 根据权利要求32所述的半导体晶圆，其特征在于，进一步包括在所述沟道区上形成的棚4及介质层；以及在所述沟道区上方的栅极介质层上形成的金属栅结构。
34、 根据权利要求32所述的半导体晶圆，其特征在于，所述半导体器件包括结型场效应晶体管和异质场效应晶体管中至少之一 。
35、 根据权利要求32所述的半导体晶圆，其特征在于，所述SiC村底的最小直径选自如下尺寸至少2英寸、至少3英寸、以及至少100mm。
36、 一种半导体晶圓，其包括无微管碳化硅(SiC )晶圆，所述SiC晶圓自沿名义上的c轴方向生长并且微管密度为零的SiC晶体切出，所述SiC衬底包括相对的第一和第二表面；外延层，所述外延层在所述SiC衬底的至少第一表面上形成、并且包括定义用于外延层的导电率的掺杂原子浓度；以及半导体器件，所述半导体器件至少部分在所述外延层中形成。
37、 根据权利要求32所述的半导体晶圓，其特征在于，所述半导体 器件包括肖特基势垒二极管、结型势垒肖特基二极管、晶闸管、双极结 型晶体管、及/或PiN二极管中至少之一。
38、 根据权利要求36所述的半导体晶圓，其特征在于，所述SiC衬底 的最小直径选自如下尺寸至少2英寸、至少3英寸、以及至少100mm。
39、 一种在升华系统中利用物理气相传输(PVT)工艺沿名义上的c 轴生长方向生长III族氮化物(III族氮化物晶体)的方法，其中，所述III 族氮化物晶体完全无微管缺陷，所述方法包括将晶籽材料连接于晶籽固定器，并在所述晶籽材料和所述晶籽固定 器之间形成均匀热接触；将源材料和连接于所述晶籽固定器的晶籽材料放置在反应坩埚中， 其中包括至少所述源材料、所述晶籽固定器、以及所述反应坩埚的所述 升华系统的构成组件基本无有害杂质；以及在PVT工艺期间，控制生长温度、生长压强、III族氮化物升华通量 和组分、以及所述源材料与所述晶籽材料或生长在所述晶籽材料上的III 族氮化物晶体之间的温度梯度，从而消除诱发微管的工艺不稳定性、并 且在所述晶籽材料上生长无微管III族氮化物晶体。
40、 一种半导体晶圆，其包括无微管碳化硅(SiC )晶圆，所述SiC晶圓自直径为3英寸并且微管密 度为零的晶体切出，所述SiC衬底包括相对的第一和第二表面；以及外延层，所述外延层在所述SiC衬底的至少第一表面上形成、并且包 括定义用于外延层的导电率的掺杂原子浓度。
41、 根据权利要求40所述的半导体晶圓，其特征在于，进一步包括 一种半导体器件，所述半导体器件包括在所述外延层中形成并在所述外延层中定义沟道区的源/漏区。
42、 根据权利要求41所述的半导体晶圓，其特征在于，所述半导体 器件包括结型场效应晶体管和异质场效应晶体管中至少之一 。
43、 根据权利要求40所述的半导体晶圓，其特征在于，进一步包括 一种半导体器件，所述半导体器件至少部分在所述外延层中形成，其中所述半导体器件包括肖特基势垒二极管、结型势垒肖特基二极管、晶闸管、双极结型晶体管、及/或PiN二极管中至少之一。
全文摘要
本发明公开了一种无微管单晶碳化硅(SiC)及其相关制备方法。通过将源材料和晶籽固定器上的晶籽材料放置在升华系统的反应坩埚中生长SiC，其中包括至少所述源材料、所述晶籽固定器、以及所述反应坩埚的所述升华系统的构成组件基本无有害杂质。在PVT工艺期间，控制生长温度、生长压强、SiC升华通量和组分、以及所述源材料与所述晶籽材料或生长在所述晶籽材料上的SiC晶体之间的温度梯度，消除诱发微管的工艺不稳定性、并且在所述晶籽材料上生长无微管SiC晶体。
文档编号H01L21/36GK101536168SQ200780042190
公开日2009年9月16日 申请日期2007年9月13日 优先权日2006年9月14日
发明者伊戈尔·赫列布宁科夫, 坚吉兹·巴尔卡什, 小卡尔文·H.·卡特, 尤里·赫列布宁科夫, 巴莱里·茨韦特科夫, 杰姆·巴什切里, 穆拉特·N.·西兰, 维贾伊·巴拉克里什纳, 罗伯特·T.·伦纳德, 贾森·R.·珍妮, 赫德森·麦克德·霍布古德, 阿德里安·R.·鲍威尔 申请人:科锐有限公司