專利名稱：制造高品質(zhì)大尺寸碳化硅晶體的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于半導(dǎo)體目的的碳化硅的生長(zhǎng)，并涉及大的高品質(zhì)碳化硅單晶的籽晶升華生長(zhǎng)。本發(fā)明特別涉及減少利用籽晶升華技術(shù)生長(zhǎng)的大單晶中的缺陷密度和多型體(polytype)改變的改良。
近年來，碳化硅作為半導(dǎo)體材料已用于多種電子器件和目的。碳化硅因其物理強(qiáng)度和高的耐化學(xué)侵蝕性而特別有用。碳化硅還具有優(yōu)異的電子性能，包括抗輻射性(radiation hardness)、高擊穿電場(chǎng)、相當(dāng)寬的帶隙、高的飽和電子漂移速度、高溫操作以及對(duì)光譜的藍(lán)、紫和紫外區(qū)域中的高能光子的吸收和發(fā)射。
單晶SiC通常是通過籽晶升華生長(zhǎng)方法制造的。在典型的碳化硅生長(zhǎng)技術(shù)中，籽晶和源粉兩者都被放置在加熱到源的升華溫度的反應(yīng)坩堝中，并且該放置方式在源和周邊較冷的籽晶之間產(chǎn)生熱梯度。這種熱梯度促進(jìn)物質(zhì)從源到籽晶的氣相移動(dòng)，隨后在籽晶上凝結(jié)從而導(dǎo)致體晶體生長(zhǎng)。這種方法也被稱為物理氣相傳輸(PVT)。
在典型的碳化硅生長(zhǎng)技術(shù)中，坩堝由石墨制成并通過感應(yīng)或者電阻進(jìn)行加熱，放置相關(guān)的線圈和絕緣體用以建立和控制所需的熱梯度。源粉是碳化硅，籽晶也是。坩堝豎直取向，源粉處于下部而籽晶位于上部，并且一般位于籽晶夾具上；參見美國(guó)專利No.4,866,005(重新頒布為No.RE34,861)。這些資料是對(duì)現(xiàn)代籽晶升華生長(zhǎng)技術(shù)的示例性而非限制性的描述。
然而，已經(jīng)證實(shí)難以通過典型的籽晶升華技術(shù)來制造大、高品質(zhì)的碳化硅體單晶。依據(jù)這些典型方法生長(zhǎng)的大晶體存在大量缺陷。150種存在的SiC多型體產(chǎn)生了特別的困難。這些多型體中的許多非常相似，通常只靠小的熱力學(xué)差異相區(qū)分。在籽晶升華系統(tǒng)中生長(zhǎng)大尺寸的SiC晶體時(shí)，在全部晶體中維持所希望的多型體同一性(identity)只是一個(gè)困難。
適合于半導(dǎo)體應(yīng)用的優(yōu)選多型體的SiC晶體是4H和6H。這些晶體優(yōu)選采用凸起的表面生長(zhǎng)以便更好地保持多型體一致性(registry)。凸起的表面由一系列堆垛序列或臺(tái)階構(gòu)成，從圓頂?shù)淖罡唿c(diǎn)直到晶體的側(cè)面。優(yōu)選地，這些堆垛序列是微觀臺(tái)階——深度小于1μm、更優(yōu)選小于約500nm的臺(tái)階。在晶體生長(zhǎng)過程中，微觀臺(tái)階可促進(jìn)一致的多型體一致性，因?yàn)閬碜宰丫У亩嘈腕w信息易于被淀積蒸氣獲得。當(dāng)凸起表面包括宏觀臺(tái)階——深度為1微米或者更大的臺(tái)階時(shí)，多型體一致性不能被一致地傳遞到淀積的蒸氣中。
在生長(zhǎng)過程中不能維持晶體變化的多型體一致性通常將導(dǎo)致具有高水平缺陷的晶體?？赡軄碜杂诙嘈腕w改變的缺陷包括微管和螺型位錯(cuò)。高濃度的缺陷會(huì)引起顯著問題限制在這些晶體上或者在這些晶體產(chǎn)生的襯底上制作的器件的性能。例如，在一些市售的碳化硅晶片中，典型的微管缺陷密度可以為大約100每平方厘米(cm-2)。然而，在碳化硅中形成的兆瓦器件需要大約0.4cm-2的無微管區(qū)域。因此，獲得可用來制作用于高電壓、高電流應(yīng)用的大表面積器件的大單晶仍是困難的。
因此，希望開發(fā)一種方法用以減少SiC體單晶的生長(zhǎng)表面上的宏觀臺(tái)階的存在，以便制造元微管、高品質(zhì)的體單晶。
發(fā)明概述本發(fā)明是對(duì)在籽晶升華系統(tǒng)中制造高品質(zhì)的碳化硅體單晶的方法的改良。在第一實(shí)施方案中，該改良包括通過在晶體生長(zhǎng)的最初的一(1)毫米中引入高濃度的氮原子來減少生長(zhǎng)晶體中的宏觀臺(tái)階的數(shù)量。
另一方面，本發(fā)明是一種高品質(zhì)的碳化硅體單晶，其在晶體最初的一(1)毫米中具有約1018cm-3至1019cm-3的摻雜劑濃度。
又一方面，本發(fā)明是一種高品質(zhì)的碳化硅體單晶，其在晶體最初的一(1)毫米中具有約1018cm-3至1019cm-3的氮水平。
再一方面，本發(fā)明是一種高品質(zhì)的碳化硅體單晶，其在晶體最初的一(1)毫米中具有約1018cm-3至1019cm-3的氮水平，并且在晶體的剩余部分中具有低于約1018cm-3的氮水平。
基于下面的結(jié)合下列附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它目的和優(yōu)點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)它們的方式將變得更加清楚。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是用于籽晶升華生長(zhǎng)的升華系統(tǒng)的橫截面示意圖。
圖2是附著在籽晶夾具上的碳化硅體單晶的示意圖解。
圖3是依據(jù)本發(fā)明生長(zhǎng)的SiC體單晶的表面的原子力顯微鏡(AFM)照片和附帶的高度分布。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及制造高品質(zhì)碳化硅體單晶的方法。具體地，本發(fā)明包括對(duì)利用籽晶升華的這些晶體的生長(zhǎng)進(jìn)行改良的多種技術(shù)。關(guān)于碳化硅的升華生長(zhǎng)來描述本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于碳化硅本身。
如在本說明書的背景部分中所述，多年來已很好地建立了碳化硅的籽晶升華生長(zhǎng)的一般特征。而且，熟悉晶體生長(zhǎng)特別是困難材料體系如碳化硅的生長(zhǎng)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，這里給出的技術(shù)細(xì)節(jié)通?？赡懿⑶覍⒏鶕?jù)相關(guān)的環(huán)境而有目的地改變。因此，這里所給出的描述是以一般和示意性的意義最為適當(dāng)?shù)亟o出，并且認(rèn)為本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠基于這里的公開內(nèi)容實(shí)施本發(fā)明的改良而無需過多的實(shí)驗(yàn)。
在第一個(gè)大的方面，本發(fā)明是對(duì)在籽晶升華系統(tǒng)中制造高品質(zhì)碳化硅體單晶的方法的改良。這種改良是對(duì)于生長(zhǎng)的大約最初一(1)毫米，在足以在晶體中產(chǎn)生約1018cm-3至1019cm-3的濃度的氮分壓的存在下引發(fā)升華生長(zhǎng)；和隨后，對(duì)于升華生長(zhǎng)的剩余部分，在可將晶體中的氮濃度降低到小于約1018cm-3的氮分壓的存在下繼續(xù)生長(zhǎng)。
另一方面，本發(fā)明是在籽晶升華系統(tǒng)中制造高品質(zhì)碳化硅體單晶的方法。該方法包括將SiC籽晶放置在坩堝中的籽晶夾具上，并將坩堝抽真空以消除環(huán)境空氣和其它雜質(zhì)。接下來，將坩堝置于惰性氣體壓力下并將該系統(tǒng)加熱到SiC的升華溫度，開始該過程。降低系統(tǒng)中的惰性氣體壓力以引發(fā)生長(zhǎng)；并在惰性氣體為約400托時(shí)引入摻雜劑氣體以便在該過程的最初生長(zhǎng)階段產(chǎn)生約1018cm-3至約1019cm-3的摻雜劑濃度。優(yōu)選的惰性氣體壓力是稀有氣體壓力。在約1mm的最初生長(zhǎng)之后，降低摻雜劑氣體的分壓以便在生長(zhǎng)過程的全部剩余部分中產(chǎn)生等于或者低于約1018cm-3的摻雜劑濃度。
又一方面，本發(fā)明是在籽晶升華生長(zhǎng)工藝中制造具有減少的宏觀臺(tái)階的高品質(zhì)碳化硅體單晶的方法。減少晶體生長(zhǎng)表面上的宏觀臺(tái)階往往導(dǎo)致改良的單一多型體晶體生長(zhǎng)。不受理論約束，認(rèn)為通過如下方法可減少宏觀臺(tái)階對(duì)于生長(zhǎng)的大約最初一毫米，在足以在生長(zhǎng)的晶體中產(chǎn)生約1018cm-3至1019cm-3濃度的氮分壓的存在下首先引發(fā)籽晶升華生長(zhǎng)；隨后，對(duì)于升華生長(zhǎng)的剩余部分，在可將晶體中的氮濃度降低到約1018cm-3或更小的氮量的存在下繼續(xù)生長(zhǎng)。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是用于在籽晶升華生長(zhǎng)期間制造高品質(zhì)碳化硅體單晶時(shí)減少宏觀臺(tái)階存在的方法。該方法包括在晶體生長(zhǎng)的最初階段提高摻雜劑氣體的分壓，直到摻雜劑的濃度為約1019cm-3；隨后，降低摻雜劑氣體的分壓，直到晶體剩余部分中的摻雜劑原子的濃度等于或者低于約1018cm-3。
圖1是認(rèn)為在本發(fā)明中有用的籽晶升華生長(zhǎng)類型的升華系統(tǒng)的截面示意圖。該系統(tǒng)概括命名為10。與大多數(shù)典型系統(tǒng)一樣，該系統(tǒng)10包括石墨基座(susceptor)或坩堝12，以及多個(gè)感應(yīng)線圈14，當(dāng)施加電流通過線圈14時(shí)該線圈加熱基座12。作為可選方案，一些系統(tǒng)包含電阻加熱。熟悉這些晶體生長(zhǎng)技術(shù)的技術(shù)人員明白，該系統(tǒng)可被進(jìn)一步封閉在某些環(huán)境之中，如水冷卻的石英容器。然而，該另外的封閉物與本發(fā)明關(guān)系不大，這里將其省去以使附圖和說明清晰。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，這里所述類型的碳化硅升華系統(tǒng)既可以從市場(chǎng)上購(gòu)得也可以按照必要或適當(dāng)?shù)挠脩粜褪綐?gòu)建而成。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行選擇或者設(shè)計(jì)，且無需過多的實(shí)驗(yàn)。
基座12一般被絕緣體16包圍，在圖1中顯示了它的幾個(gè)部分。盡管圖1所示的絕緣體在尺寸和布置上大體是一致的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，可以利用絕緣體16的布置和數(shù)量來提供所希望的沿著基座12的熱梯度(軸向和徑向)。同樣為了簡(jiǎn)化目的，這里沒有說明這些可能的變化。
基座12包括用于容納碳化硅源粉18的一個(gè)或者多個(gè)部分。該源粉18在碳化硅籽晶升華生長(zhǎng)技術(shù)中最為常用——然而并不排他。圖1顯示源粉18容納于基座12的下部，并且這是一種典型的設(shè)置。作為另一種常見的變化，一些系統(tǒng)以豎直、圓筒形設(shè)置來分布源粉，其中相比圖1所示設(shè)置，源粉圍繞著基座12內(nèi)部的更大部分?？梢允褂眠@兩種類型的設(shè)備來適當(dāng)?shù)貙?shí)施這里所述的本發(fā)明。
用20表示碳化硅籽晶，且一般將其放在基座12的上部。籽晶夾具22典型將籽晶20固定到位，并以本領(lǐng)域公知的適當(dāng)方式將籽晶夾具22附著到基座上。在圖1所示的取向中，籽晶夾具22的上部一般附著在基座12的最上部以便將籽晶20固定在所希望的位置。籽晶夾具22優(yōu)選是石墨籽晶夾具。
可優(yōu)選將籽晶20放在坩堝12中，同時(shí)在籽晶20上施加最小的扭力，以便由此防止扭力以一定方式使晶體翹曲或者彎曲，否則這會(huì)引起不希望的跨籽晶20的熱差異。
在一些實(shí)施方案中，希望在附著籽晶20之前對(duì)籽晶夾具22退火。在升華生長(zhǎng)之前對(duì)籽晶夾具22退火可防止籽晶夾具22在晶體生長(zhǎng)期間在SiC升華溫度下發(fā)生大的變形。對(duì)籽晶夾具22退火還可以最小化或者消除跨籽晶20的溫度差異，否則這往往在生長(zhǎng)中的晶體24中引發(fā)和傳播缺陷。對(duì)籽晶夾具22退火的優(yōu)選方法包括在處于或者高于2500℃的溫度下退火至少約30分鐘。
通過命名為24的虛線矩形表示生長(zhǎng)中的晶體。生長(zhǎng)中的晶體24可具有與籽晶20相同的直徑或者比籽晶20更大的直徑。優(yōu)選地，生長(zhǎng)中的單晶24具有與籽晶20相同的直徑。
在本說明書的背景部分中，以及在本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它資料中，簡(jiǎn)單闡述了升華生長(zhǎng)的梗概。典型地，將具有基座12所能響應(yīng)的頻率的電流通過感應(yīng)線圈14來加熱石墨基座12。選擇絕緣體16的數(shù)量和布置以便在基座12將源粉18加熱到升華溫度時(shí)在源粉18和生長(zhǎng)中的晶體24之間產(chǎn)生熱梯度，源粉的升華溫度典型為約2000℃至約2500℃的量級(jí)。建立熱梯度以便將籽晶20以及之后的生長(zhǎng)中晶體24的溫度維持在接近或者高于碳化硅升華溫度的溫度，由此在熱力學(xué)上促進(jìn)碳化硅升華時(shí)產(chǎn)生的氣相物質(zhì)(Si、Si2C和SiC2)首先凝結(jié)在籽晶上，并隨后凝結(jié)在生長(zhǎng)中的晶體上。作為一個(gè)實(shí)例，美國(guó)專利No.4,866,005建議將籽晶維持在約2300℃。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，在Ar壓力下降的過程中，當(dāng)升華系統(tǒng)的Ar壓力達(dá)到約400托時(shí)引入摻雜劑。優(yōu)選地，將摻雜劑氣體的分壓維持在高水平直到晶體生長(zhǎng)的最初階段之后。在晶體生長(zhǎng)的第一毫米期間，摻雜劑濃度優(yōu)選為約1018cm-3至1019cm-3。隨后，降低摻雜劑氣體的分壓以便在隨后的體單晶生長(zhǎng)部分中產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的摻雜劑濃度(例如，低于約1018cm-3，更優(yōu)選低于約1017cm-3)。
在達(dá)到所希望的晶體尺寸后，通過將系統(tǒng)的溫度降低到低于約1900℃，并將壓力提高到高于約400托來終止生長(zhǎng)。
可能進(jìn)一步希望在升華生長(zhǎng)過程完成之后對(duì)晶體進(jìn)行退火?？梢栽诟哂诩s2500℃的溫度下對(duì)晶體退火持續(xù)大于約30分鐘的時(shí)段。
為清楚起見，這里使用單數(shù)術(shù)語(yǔ)“熱梯度”，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，多個(gè)梯度可能理想地共存于基座12中，并且其可以分為軸向和徑向梯度，或者分為多個(gè)等溫線。
如果適當(dāng)?shù)鼐S持溫度梯度和其它條件(壓力、載氣等)，整個(gè)熱力學(xué)會(huì)促進(jìn)氣化物質(zhì)以與籽晶20相同的多型體首先凝結(jié)在籽晶20上，然后凝結(jié)在生長(zhǎng)中的晶體24上。
在描述本發(fā)明時(shí)，應(yīng)理解公開了許多技術(shù)。其中的每種都具有各自的益處，且每種也都能與其它所公開的技術(shù)中的一種或多種(或者在某些情形中全部)結(jié)合使用。因此，為清楚起見，本說明書不再以不必要的方式來重復(fù)這些單個(gè)步驟的每一個(gè)可能的組合。然而，閱讀本說明書和權(quán)利要求時(shí)應(yīng)當(dāng)清楚，這些組合全部都包含在本發(fā)明和權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
考慮到籽晶的直徑和厚度成比例的尺寸，無論以百分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)還是比例表示，應(yīng)當(dāng)清楚在本發(fā)明所提供的改良的上下文內(nèi)容中，在這里所述的更大直徑的籽晶方面，這些比例具有它們的發(fā)明性意義。
因此，在某些實(shí)施方案中，這里以包括晶體絕對(duì)尺寸的方式在相關(guān)實(shí)施方案中對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述和要求權(quán)利，所述絕對(duì)尺寸指直徑，其中優(yōu)選2英寸(50mm)、3英寸(75mm)、和100mm直徑的單晶。
而在另一個(gè)方面，本發(fā)明是高品質(zhì)的碳化硅體單晶襯底，其具有摻雜劑濃度為約1018cm-3至1019cm-3的1mm厚的部分。晶體的剩余部分具有的摻雜劑濃度低于約1018cm-3。
圖2是依據(jù)本發(fā)明生長(zhǎng)的附著在籽晶夾具22上的碳化硅體單晶的示意圖解。SiC籽晶20附著在籽晶夾具22上。按前面所述進(jìn)行升華之后，籽晶20上發(fā)生體單晶生長(zhǎng)。所得單晶至少包括高摻雜層26和常規(guī)摻雜層28，并且具有約5至75mm的總厚度。
體單晶24的高摻雜層26優(yōu)選摻雜有n型摻雜劑。優(yōu)選的n型摻雜劑包括N、P、As、Sb、Bi及其混合物。氮是特別優(yōu)選的摻雜劑。高摻雜層26優(yōu)選具有約1018cm-3至1019cm-3的摻雜劑濃度。如果高摻雜區(qū)26的摻雜劑濃度高于約1019cm-3，那么所得體單晶24中可能具有過大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致堆垛缺陷和尺寸不穩(wěn)定。而且，摻雜水平高于約1019cm-3，會(huì)導(dǎo)致在晶體生長(zhǎng)期間發(fā)生多型體改變。高摻雜層優(yōu)選約一(1)mm厚。在優(yōu)選實(shí)施方案中，生長(zhǎng)的第一毫米限定了高摻雜層26。
體單晶24的常規(guī)摻雜層28可以是摻雜或者不摻雜的。當(dāng)摻雜時(shí)，常規(guī)摻雜層28優(yōu)選摻雜有n型摻雜劑。優(yōu)選的n型摻雜劑包括N、P、As、Sb、Bi及其混合物。氮是特別優(yōu)選的摻雜劑。常規(guī)摻雜層28優(yōu)選具有低于約1018cm-3、更優(yōu)選低于約1017cm-3的摻雜劑濃度。該常規(guī)摻雜層優(yōu)選為約4mm至74mm。
依據(jù)本發(fā)明生長(zhǎng)的體單晶具有減少的表面宏觀臺(tái)階。優(yōu)選地，生長(zhǎng)表面基本不含宏觀臺(tái)階。如前所述，宏觀臺(tái)階是生長(zhǎng)表面中的深度約1微米或者更大的臺(tái)階。依據(jù)本發(fā)明生長(zhǎng)的晶體的生長(zhǎng)表面可以使晶體在整個(gè)晶體中保持一致的多型體。優(yōu)選的多型體包括3C、4H、6H和15R多型體。
圖3是依據(jù)本發(fā)明生長(zhǎng)的高品質(zhì)SiC體單晶的表面的原子力顯微鏡(AFM)照片和高度分布。從圖3中的高度分布可以看到。該單晶的表面形貌變化不超過約30或40埃()，且常常更小，由此證實(shí)不存在宏觀臺(tái)階。
不受理論約束，認(rèn)為宏觀臺(tái)階的存在會(huì)不利地增加臺(tái)階聚群(bunching)現(xiàn)象。臺(tái)階聚群是液態(tài)反應(yīng)物在生長(zhǎng)中晶體的生長(zhǎng)表面上匯聚(pooling)的現(xiàn)象。宏觀臺(tái)階為液態(tài)反應(yīng)物在生長(zhǎng)表面上匯聚提供了更多位置。液態(tài)反應(yīng)物或者臺(tái)階聚群的存在會(huì)在生長(zhǎng)表面上引發(fā)不同多型體的二次成核。如前所述，這樣的多型體改變會(huì)導(dǎo)致所得晶體中存在缺陷，比如微管缺陷。
在生長(zhǎng)步驟期間，作為來自非化學(xué)計(jì)量比氣相的SiC晶體生長(zhǎng)的結(jié)果，通過排出過多的硅發(fā)生臺(tái)階聚群。這種游離硅在生長(zhǎng)表面上產(chǎn)生液態(tài)層，由于Chaussende等人所描述的氣-液-固生長(zhǎng)機(jī)制的形成，該液態(tài)層引起臺(tái)階聚群(“Vapor-liquid-solid mechanism for thegrowth of SiC homoepitaxial layers by VPE”Journal of CrystalGrowth，234(2002)63-69)。在依據(jù)式(1)的生長(zhǎng)步驟中，氣相中高濃度的n型摻雜劑原子(優(yōu)選氮)會(huì)將液態(tài)硅層刻蝕掉，結(jié)果可防止臺(tái)階聚群形成。氣相中所希望的高濃度的n型摻雜劑原子可通過本發(fā)明的方法得到。
(1)2Si(l)+N2(g)→2SiN(g)附圖和說明書中已經(jīng)給出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，并且盡管采用了具體的術(shù)語(yǔ)，但它們是以一般和說明性的意義進(jìn)行使用而并非為了限制，權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.在用籽晶升華系統(tǒng)中制造高品質(zhì)碳化硅體單晶的方法，其改良包括對(duì)于生長(zhǎng)的大約第一(1)毫米，在足以在晶體中產(chǎn)生約1018cm-3至1019cm-3濃度的氮分壓的存在下引發(fā)升華生長(zhǎng)；和隨后，對(duì)于升華生長(zhǎng)的剩余部分，在將晶體中的氮濃度降低到低于約1018cm-3的氮分壓的存在下繼續(xù)生長(zhǎng)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在氮的存在下引發(fā)升華生長(zhǎng)的步驟包括在約400托的Ar壓力下向升華系統(tǒng)中引入氮。
3.依據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法進(jìn)一步包括在單晶碳化硅的最初生長(zhǎng)階段之后，降低籽晶升華系統(tǒng)中的氮分壓。
4.依據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法包括采用碳化硅襯底的籽晶來引發(fā)生長(zhǎng)，所述籽晶具有的多型體選自3C，4H，6H和15R多型體。
5.依據(jù)權(quán)利要求4的方法，該方法包括以基本與籽晶相同的直徑生長(zhǎng)體單晶。
6.依據(jù)權(quán)利要求4的方法，該方法包括將籽晶放置到坩堝中同時(shí)在籽晶上施加最小的扭力，以便由此防止扭力以一定方式使晶體翹曲或者彎曲，否則這會(huì)引起不希望的跨籽晶的熱差異。
7.依據(jù)權(quán)利要求4的方法，該方法包括在升華生長(zhǎng)之前對(duì)籽晶夾具退火，以防止籽晶夾具在晶體生長(zhǎng)期間在SiC升華溫度下發(fā)生大的變形，并由此最小化或者消除跨籽晶的溫度差異，否則該溫度差異往往在生長(zhǎng)中的晶體中引發(fā)和傳播缺陷。
8.依據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述籽晶升華生長(zhǎng)步驟包括將籽晶放置在石墨籽晶夾具上，并在使用前將石墨籽晶夾具在高于2500℃的溫度下退火至少30分鐘，以便減少該材料在生長(zhǎng)條件下的形狀改變。
9.依據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法包括將SiC籽晶放置在坩堝中的籽晶夾具上；
將坩堝抽真空以消除環(huán)境空氣和其它雜質(zhì)；將坩堝置于惰性氣體壓力下；加熱該系統(tǒng)至SiC的升華溫度；降低惰性氣體壓力以引發(fā)SiC生長(zhǎng)；在約400托或更低的惰性氣體壓力下引入摻雜劑氣體以便在該過程的最初生長(zhǎng)階段中產(chǎn)生約1018cm-3到約1019cm-3的摻雜劑濃度；在約1mm的晶體生長(zhǎng)之后，將摻雜劑氣體的分壓降低到合適的水平，以便在生長(zhǎng)過程的全部剩余部分中獲得等于或者低于約1018cm-3的摻雜劑濃度。
10.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中將SiC籽晶放置在籽晶夾具上的步驟包括將籽晶放在石墨籽晶夾具上。
11.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，該方法進(jìn)一步包括通過將坩堝中的惰性氣體壓力提高到高于約400托并將溫度降低到低于約1900℃來終止晶體生長(zhǎng)，從而終止生長(zhǎng).
12.依據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中終止生長(zhǎng)的步驟發(fā)生在約5mm到約75mm的晶體生長(zhǎng)之后。
13.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中將坩堝放置在惰性氣體壓力下的步驟包括引入選自稀有氣體及其混合物的惰性氣體。
14.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中將系統(tǒng)加熱到SiC生長(zhǎng)溫度的步驟包括加熱到約1900至2500℃的溫度。
15.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中引入摻雜劑氣體的步驟包括引入選自N、P、As、Sb、Bi及其混合物的摻雜劑氣體。
16.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中引入摻雜劑氣體的步驟包括向籽晶升華溫度中引入氮。
17.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中降低惰性氣體壓力以引發(fā)SiC生長(zhǎng)的步驟包括將惰性氣體壓力降低到低于400托。
18.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，該方法進(jìn)一步包括在晶體生長(zhǎng)過程完成之后對(duì)晶體進(jìn)行退火。
19.高品質(zhì)的碳化硅體單晶，其包含
具有約1017cm-2至1019cm-2摻雜劑濃度的一(1)毫米厚部分；和具有低于約1017cm-2摻雜劑濃度的襯底剩余部分。
20.依據(jù)權(quán)利要求19的單晶，其中所述的碳化硅包含的多型體選自3C、4H、6H和15R多型體。
21.依據(jù)權(quán)利要求19的單晶，其中所述的摻雜劑濃度包含選自n型摻雜劑原子的摻雜劑原子。
22.依據(jù)權(quán)利要求21的單晶，其中所述n型摻雜劑原子選自N、P、As、Sb、Bi及其混合物。
23.依據(jù)權(quán)利要求21的單晶，其中所述n型摻雜劑原子包含氮。
24.在籽晶升華生長(zhǎng)期間制造高品質(zhì)碳化硅體單晶時(shí)減少臺(tái)階聚群的方法，該方法包括在晶體生長(zhǎng)的第一毫米期間提高摻雜劑氣體的分壓，以便在升華系統(tǒng)的氣相中產(chǎn)生高的摻雜劑原子濃度；以及隨后，通過與氣相中的摻雜劑原子反應(yīng)除去存在于碳化硅體單晶生長(zhǎng)表面上的液態(tài)硅。
25.依據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中所述摻雜劑氣體選自n型摻雜劑原子。
26.依據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述n型摻雜劑原子選自N、P、As、Sb、Bi及其混合物。
27.依據(jù)權(quán)利要求24的方法，該方法進(jìn)一步包括使用具有的多型體選自3C、4H、6H和15R多型體的碳化硅襯底籽晶來引發(fā)生長(zhǎng)。
28.依據(jù)權(quán)利要求24的方法，該方法進(jìn)一步包括在升華生長(zhǎng)之前對(duì)籽晶夾具進(jìn)行退火，以防止籽晶夾具在晶體生長(zhǎng)過程中在SiC升華溫度下發(fā)生大的變形，并由此最小化或者消除跨籽晶的溫度差異，否則該溫度差異會(huì)在生長(zhǎng)中的晶體中引發(fā)和傳播缺陷。
29.依據(jù)權(quán)利要求24的方法，該方法包括在使用前在約2500℃的溫度下將石墨籽晶夾具退火至少30分鐘，以便減少晶體在生長(zhǎng)條件下的形狀改變。
權(quán)利要求
1.在籽晶升華系統(tǒng)中制造高品質(zhì)碳化硅體單晶的方法，其改良包括對(duì)于生長(zhǎng)的大約第一(1)毫米，在足以在晶體中產(chǎn)生約1018cm-3至1019cm-3濃度的氮分壓的存在下引發(fā)升華生長(zhǎng)；和隨后，對(duì)于升華生長(zhǎng)的剩余部分，在將晶體中的氮濃度降低到低于約1018cm-3的氮分壓的存在下繼續(xù)生長(zhǎng)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在氮的存在下引發(fā)升華生長(zhǎng)的步驟包括在約400托的Ar壓力下向升華系統(tǒng)中引入氮。
3.依據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法進(jìn)一步包括在單晶碳化硅的最初生長(zhǎng)階段之后，降低籽晶升華系統(tǒng)中的氮分壓。
4.依據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法包括采用碳化硅襯底的籽晶來引發(fā)生長(zhǎng)，所述籽晶具有的多型體選自3C，4H，6H和15R多型體。
5.依據(jù)權(quán)利要求4的方法，該方法包括以基本與籽晶相同的直徑生長(zhǎng)體單晶。
6.依據(jù)權(quán)利要求4的方法，該方法包括將籽晶放置到坩堝中同時(shí)在籽晶上施加最小的扭力，以便由此防止扭力以一定方式使晶體翹曲或者彎曲，否則這會(huì)引起不希望的跨籽晶的熱差異。
7.依據(jù)權(quán)利要求4的方法，該方法包括在升華生長(zhǎng)之前對(duì)籽晶夾具退火，以防止籽晶夾具在晶體生長(zhǎng)期間在SiC升華溫度下發(fā)生大的變形，并由此最小化或者消除跨籽晶的溫度差異，否則該溫度差異往往在生長(zhǎng)中的晶體中引發(fā)和傳播缺陷。
8.依據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述籽晶升華生長(zhǎng)步驟包括將籽晶放置在石墨籽晶夾具上，并在使用前將石墨籽晶夾具在高于2500℃的溫度下退火至少30分鐘，以便減少該材料在生長(zhǎng)條件下的形狀改變。
9.在籽晶升華系統(tǒng)中制造高品質(zhì)碳化硅體單晶的方法，該方法包括將SiC籽晶放置在坩堝中的籽晶夾具上；將坩堝抽真空以消除環(huán)境空氣和其它雜質(zhì)；將坩堝置于惰性氣體壓力下；加熱該系統(tǒng)至SiC的升華溫度；降低惰性氣體壓力以引發(fā)SiC生長(zhǎng)；在約400托或更低的惰性氣體壓力下引入摻雜劑氣體以便在該過程的最初生長(zhǎng)階段中產(chǎn)生約1018cm-3到約1019cm-3的摻雜劑濃度；在約1mm的晶體生長(zhǎng)之后，將摻雜劑氣體的分壓降低到合適的水平，以便在生長(zhǎng)過程的全部剩余部分中獲得等于或者低于約1018cm-3的摻雜劑濃度。
10.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中將SiC籽晶放置在籽晶夾具上的步驟包括將籽晶放在石墨籽晶夾具上。
11.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，該方法進(jìn)一步包括通過將坩堝中的惰性氣體壓力提高到高于約400托并將溫度降低到低于約1900℃來終止晶體生長(zhǎng)，從而終止生長(zhǎng)。
12.依據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中終止生長(zhǎng)的步驟發(fā)生在約5mm到約75mm的晶體生長(zhǎng)之后。
13.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中將坩堝放置在惰性氣體壓力下的步驟包括引入選自稀有氣體及其混合物的惰性氣體。
14.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中將系統(tǒng)加熱到SiC生長(zhǎng)溫度的步驟包括加熱到約1900至2500℃的溫度。
15.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中引入摻雜劑氣體的步驟包括引入選自N、P、As、Sb、Bi及其混合物的摻雜劑氣體。
16.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中引入摻雜劑氣體的步驟包括向籽晶升華溫度中引入氮。
17.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中降低惰性氣體壓力以引發(fā)SiC生長(zhǎng)的步驟包括將惰性氣體壓力降低到低于400托。
18.依據(jù)權(quán)利要求9的方法，該方法進(jìn)一步包括在晶體生長(zhǎng)過程完成之后對(duì)晶體進(jìn)行退火。
19.在籽晶升華系統(tǒng)中制造高品質(zhì)碳化硅體單晶的方法，該方法包括通過如下方法減少晶體生長(zhǎng)表面處存在的宏觀臺(tái)階首先對(duì)于生長(zhǎng)的大約第一(1)毫米，在足以在晶體中產(chǎn)生約1018cm-3至約1019cm-3濃度的氮分壓的存在下引發(fā)籽晶升華生長(zhǎng)；和隨后對(duì)于升華生長(zhǎng)的剩余部分，在將晶體中的氮濃度降低到約1018cm-3或者更低的氮分壓的存在下繼續(xù)生長(zhǎng)。
20.依據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述引發(fā)晶體生長(zhǎng)的步驟在等于或者低于約400托的Ar壓力下發(fā)生。
21.依據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中對(duì)晶體生長(zhǎng)的剩余部分降低氮分壓的步驟包括約5mm至75mm的另外的晶體生長(zhǎng)。
22.依據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中引發(fā)晶體生長(zhǎng)的步驟在約1900至2500℃之間的溫度下發(fā)生。
23.高品質(zhì)的碳化硅體單晶，其包含具有約1017cm-2至1019cm-2摻雜劑濃度的一(1)毫米厚部分；和具有低于約1017cm-2摻雜劑濃度的襯底剩余部分。
24.依據(jù)權(quán)利要求23的單晶，其中所述的碳化硅包含的多型體選自3C、4H、6H和15R多型體。
25.依據(jù)權(quán)利要求23的單晶，其中所述的摻雜劑濃度包含選自n型摻雜劑原子的摻雜劑原子。
26.依據(jù)權(quán)利要求25的單晶，其中所述n型摻雜劑原子選自N、P、As、Sb、Bi及其混合物。
27.依據(jù)權(quán)利要求25的單晶，其中所述n型摻雜劑原子包含氮。
28.在籽晶升華生長(zhǎng)期間制造高品質(zhì)碳化硅體單晶時(shí)減少臺(tái)階聚群的方法，該方法包括在晶體生長(zhǎng)的第一毫米期間提高摻雜劑氣體的分壓，以便在升華系統(tǒng)的氣相中產(chǎn)生高的摻雜劑原子濃度；以及隨后，通過與氣相中的摻雜劑原子反應(yīng)除去存在于碳化硅體單晶生長(zhǎng)表面上的液態(tài)硅。
29.依據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中所述摻雜劑氣體選自n型摻雜劑原子。
30.依據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中所述n型摻雜劑原子選自N、P、As、Sb、Bi及其混合物。
31.依據(jù)權(quán)利要求28的方法，該方法進(jìn)一步包括使用具有的多型體選自3C、4H、6H和15R多型體的碳化硅襯底籽晶來引發(fā)生長(zhǎng)。
32.依據(jù)權(quán)利要求28的方法，該方法進(jìn)一步包括在升華生長(zhǎng)之前對(duì)籽晶夾具進(jìn)行退火，以防止籽晶夾具在晶體生長(zhǎng)過程中在SiC升華溫度下發(fā)生大的變形，并由此最小化或者消除跨籽晶的溫度差異，否則該溫度差異會(huì)在生長(zhǎng)中的晶體中引發(fā)和傳播缺陷。
33.依據(jù)權(quán)利要求28的方法，該方法包括在使用前在約2500℃的溫度下將石墨籽晶夾具退火至少30分鐘，以便減少晶體在生長(zhǎng)條件下的形狀改變。
全文摘要
本發(fā)明是對(duì)在籽晶升華系統(tǒng)中制造高品質(zhì)碳化硅體單晶的方法的改良。在第一實(shí)施方案中，該改良包括通過在晶體生長(zhǎng)的最初的一(1)毫米中引入高濃度的氮原子來減少生長(zhǎng)晶體中的宏觀臺(tái)階的數(shù)量。
文檔編號(hào)C30B23/00GK101072901SQ200580042153
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日
發(fā)明者A·鮑威爾, V·F·采夫科夫, M·布拉迪, R·T·萊昂納德 申請(qǐng)人:克里公司