生產具有改善的載流子壽命的基底的方法

2023-09-11 13:20:05

專利名稱：生產具有改善的載流子壽命的基底的方法
生產具有改善的栽流子壽命的基底的方法 相關申請的交叉參考根據35 U. S. C. § 119 (e)，本申請要求2006年7月19日 提交的美國臨時專利申請60/831, 839的權益。美國臨時專利申請 60/831， 839被併入本文作為參考。本發明涉及碳化矽外延層的生長。作為半導體材料，碳化 矽對於高功率、高頻和高溫電子器件來說是特別優異的。碳化矽具有 極高的導熱率，並且可以經受高的電場和高的電流密度而不發生故障。 碳化矽的寬的能帶間隙使得即使在高溫下也只有低的洩漏電流。由於 這些和其它原因，碳化矽對於供電裝置(即，設計在相對高的電壓操 作的那些)來說是非常期望的半導體材料。然而，碳化矽是一種難以處理的材料。生長過程必須在相 對高的溫度進行，對於外延生長來說要超過至少約1400X:，和對於升
華生長來說要大約200ox:。另外，碳化矽可以形成超過iso種多型體， 其中有許多只有小的熱力學差異。結果，碳化矽的單晶生長，無論通 過外延層或整體晶體，都是一個有挑戰的工藝。最後，碳化矽的極大 的硬度(其在工業上最經常用作研磨材料)使其難以處理和難以將其形 成為合適的半導體器件。儘管如此，過去的十年來，在碳化矽的生長技術方面已經 取得了許多進展，其反映在例如美國專利4, 912, 063、 4,912,064、 Re. Pat. No. 34, 861、美國專利4, 981, 551、 5, 200, 022、 5, 459, 107和 6， 063， 186中。
—種特定的生長技術稱為"化學氣相沉積"或"CVD"。 在這種技術中，將源氣體(例如，對於碳化矽來說為矽烷SiH4和丙烷
C3iy引入到加熱的反應室中，所述加熱的反應室還包括基底表面，源 氣體在所述基底表面上反應以形成外延層。為了幫助控制生長反應的 速率，源氣體典型地用栽氣引入，由載氣形成氣流的最大部分。用於碳化矽的化學氣相沉積(CVD)生長工藝已經在溫度分 布、氣體速度、氣體濃度、化學和壓力方面得到改進。用於產生特定 外延層的條件的選擇經常是各個因素之間的折中，所述因素例如期望 的生長速率、反應溫度、周期時間、氣體體積、設備成本、摻雜均勻 性和層的厚度。碳化矽是具有理論性能的寬能帶間隙半導體材料，其可用 於構造高性能的二極體和電晶體。與諸如矽那樣的材料相比，這些半 導體器件能夠在更高的功率和切換速度下操作。功率電子學應用經常優選用電晶體或二極體設計來構造 電路， 一類這些器件被稱為少數栽流子或雙極器件。這類器件的操作 特性取決於電子空穴偶的生成速率和複合率。速率的倒轉被稱為壽命。 特定的雙極器件包括PiN二極體、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、閘流晶 體管和雙極結型電晶體。對於半導體功率器件性能來說，必須被優化到理論水平的 關鍵的材料參數是載流子複合壽命。在矽中，壽命受到諸如鐵的雜質 的限制。在碳化矽中，雖然對其了解比對矽的了解少，但是迄今為止 的最佳知識表明，碳化矽的壽命由於晶格中的空位和反位(antisite)
的存在而受損。空位是其中不存在矽或碳原子的位置。反位是其中存 在有錯誤原子的位置。半導體碳化矽典型地通過由可包含珪、碳、碳化矽的固體 混合物進行物理蒸氣遷移方法(又稱為升華)來生長，或者通過由矽烷 和烴的氣體混合物進行化學氣相沉積(CVD)來生長。通過這些方法生長 的碳化矽材料的壽命小於500 ns，其對於在碳化矽二極體和電晶體中 實現理論的器件行為來說是太小的。半導體碳化矽的外延層經常表現出比2微秒小得多的壽命值，低於諸如矽那樣的材料，並且低於期望 的碳化矽的理論值。

發明內容
在第一實施方案中，本發明涉及在基底上沉積碳化矽塗層 的方法，使得所得塗層具有0. 5-1000微秒的栽流子壽命，所述方法包 括a.將包括氯代矽烷氣體、含碳氣體和氫氣的氣體混合物引入到含 有基底的反應室中；和b.將基底加熱到大於1000X:但小於2000匸的 溫度；條件是反應室內的壓力保持在0. 1-760託的範圍內。在第二實施方案中，本發明涉及在基底上沉積碳化矽塗層 的方法，使得所得塗層具有0. 5-1000微秒的載流子壽命，所述方法包 括a.將包括非氯化的含矽氣體、氯化氫、含碳氣體和氫氣的氣體混 合物引入到含有基底的反應室中；和b.將基底加熱到大於1000X:但 小於2000C的溫度；條件是反應室內的壓力保持在0. 1-760託的範圍 內。
發明詳述在本發明的第一實施方案中，所述氣體混合物可以另外包 括摻雜氣體。所述摻雜氣體例舉氮氣、磷化氫氣體或三甲基鋁氣體。 氯代矽烷氣體典型地具有通式RwHxSiyCL,其中y和z為大於零，w和 x為大於或等於零，R表示烴基團。所述烴基團例舉包含l-3個碳原子 的烴基團，其例舉烷基，例如曱基、乙基或丙基)；鏈烯基，例如乙 烯基或烯丙基；卣代烴基，例如3-氯丙基。根據需要，所述R基團可 以相同或不同。R例舉具有1-3個碳原子的單價烴基，例如甲基、乙 基或丙基。w的值典型地為0-3， x的值典型地為0-3， y的值典型地 為1-3，和z的值典型地為1-3,氯代矽烷氣體例舉二氯矽烷氣體、三 氯矽烷氣體、三甲基氯矽烷氣體、甲基氫二氯矽烷氣體、二曱基氫氯 矽烷氣體、二甲基二氯矽烷氣體、曱基三氯矽烷氣體、或其混合物。在本發明的第一實施方案中的含碳氣體典型地具有通式 HaCbC1。，其中a和b為大於零，c為大於或等於零。所述含碳氣體例舉 CsH8氣體、(:2116氣體、CH3C1氣體或CH3CH2CH2C1氣體。
在本發明的第一實施方案中，基底典型地被加熱到 1200-1800C的溫度。可以使用任何可用的常規方法加熱所述基底，或 者可以將反應室本身加熱到足夠使基底的溫度上升到所需水平的溫 度。基底典型地包括單晶碳化矽基底或單晶矽晶片。這種基底可商購。在第一實施方案中，反應室中的氣體總壓力可以在 0.1-760託的寬範圍變化，並且通常被控制在提供合理的外延生長速 率的水平。反應室內的壓力典型地為10-250託，或者，可以採用約 80-200託範圍內的壓力。在本發明的第一實施方案中，被引入到反應室中的化學蒸 氣的量應該允許實現期望的碳化矽外延層生長速率、生長均勻性和摻 雜氣體引入。總的氣體流量典型地為1-150升/分種範圍，這取決於反 應室的大小和溫度分布。含碳和含矽氣體的組合流量典型地為總流量 的0.1-30%。摻雜氣體的流量典型地比總流量的1%小得多。含碳氣體 與含矽氣體的流量之間的比典型地為0.3-3，並且基於期望的摻雜氣 體引入效率和表面形態來進行調節，所述比強烈地受到反應室設計(大 小、溫度分布等)的影響。在這些條件下，通常可以實現約1-IOO微米 /小時的生長速率。本領域技術人員應該理解，具體的參數例如氣流、 壓力和晶片溫度在不同的實施方案之間可以有很大的變化不同，且仍 可以實現相同或相似的結果，這並不脫離本發明的精神實質和範圍。本發明的第一實施方案可以在靜態條件下進行，但是通常 優選將受控量的氣體混合物連續引入到室的一部分中，而在室的另一 個位置抽真空，以便使得在基底區域上方的蒸氣流動是均勻的。用於本發明方法中的反應室可以是通過化學氣相沉積工 藝促進薄膜生長的任何室。這種室的實例由Nordell等人Journal Electrochemical Soc， Vol. 143， No. 9， 1996 (2910頁)或Steckl和 Li， IEEE Transactions on Electronic Devices, Vol. 39, No.l， Jan. 1992描述。第一實施方案的所得產品是晶體3C、4H或6H碳化矽塗層 的基底。所述塗層可以例如約lnm直到25 cm的不同厚度生長。如果需要，可以將塗層從基底分離並且用作新的基底。在本發明的第二實施方案中，所述氣體混合物可以另外包
括摻雜氣體。摻雜氣體如上述對於本發明的第一實施方案所述的。本 發明第二實施方案中的非氯化的含矽氣體具有通式RJxSiy，其中y為 大於零，w和x為大於或等於零，R表示烴基。所述烴基如上所述。非 氯化的含矽氣體例舉三甲基氫矽烷氣體、二甲基二氫矽烷氣體、甲基 三氫矽烷氣體、或其混合物。在第二實施方案中的含碳氣體具有通式 HaCbCl。，其中a和b為大於零，c為大於或等於零。所述含碳氣體例舉 C3Hs氣體、(^6氣體、CH3C1氣體或CH3CH2CH2C1氣體。通常所述氣體混 合物中的至少一種氣體包含氯原子。在本發明的第二實施方案中，基底典型地被加熱到 1200-180(TC的溫度。本發明第二實施方案中的基底如上迷對於第一實 施方案所述。在第二實施方案中，反應室中的氣體總壓力可以在 0.1-760託的寬範圍內變化，並且通常被控制到提供合理的外延生長 速率的水平。反應室內的壓力典型地為10-250託，或者，可以採用約 80-200託的壓力。在本發明的第二實施方案中，被引入到反應室中的化學蒸 氣的量應該允許實現期望的碳化矽外延層生長速率、生長均勻性和摻 雜氣體的引入。總的氣體流量典型地為1-150升/分種，這取決於反應 室的大小和溫度分布。含碳氣體和非氯化的含矽氣體的組合的流量典 型地為總流量的0. 1 - 30°/。。摻雜氣體的流量典型地比總流量的1%小得 多。含碳氣體與非氯化的含矽氣體的流量之間的比典型地為0.3-3， 並且基於期望的摻雜氣體引入效率和表面形態進行調節，所述比強烈 地受到反應室設計(大小、溫度分布等)的影響。在這些條件下，通常 可以實現約1-100微米/小時的生長速率。本領域技術人員應該理解， 具體的參數例如氣流、壓力和晶片溫度在不同的實施方案之間可以有 很大的變化，且仍可以實現相同或相似的結果，這並不脫離本發明的 精神實質和範圍。
本發明的第一實施方案可以在靜態條件下進行，但是通常 優選連續地將受控量的氣體混合物引入到室的一部分中，而在室的另 一個位置抽真空，以使得在基底區域上方的蒸氣流動是均勻的。用於本發明第二實施方案中的反應室如上述對於第一實 施方案所述。來自第二實施方案的所得產品是晶體3C、 4H或6H碳化矽 塗層的基底。所述塗層可以例如約lnm直到25cm的不同厚度生長。如 果需要，可以將塗層從基底分離並且用作新的基底。在本發明上述實施方案中的方法的產品可用於半導體器 件。所述產品可用作包含塗層的單個基底，或者可以將塗層與基底分 離並且轉化為幾個基底。所述產品可以加工為電晶體或二極體或集成 半導體器件。因此，本發明還涉及半導體器件，其包括(i)至少一種半 導體器件組件和(ii)包括載流子壽命為0.5-1000微秒的碳化矽區域 的基底。所述半導體器件組件例舉電晶體和二極體，例如PiN二極體、 絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、閘流電晶體和雙極結型電晶體。所述基底 如上述在本發明的兩個實施方案中所述。
實施例包括以下實施例用以說明本發明的優選實施方案。本領域 技術人員應該理解，在隨後的實施例中披露的技術代表了發明人發現 的能夠較好地實踐本發明的技術，因此被認為是構成實踐本發明的優 選方式。然而，在本公開的啟發下，本領域技術人員應該理解，可以 對所披露的特定實施方案進行許多改變，而仍可以實現相同或相似的 結果，這並不脫離本發明的精神實質和範圍。載流子壽命的測量使用微波光電導衰減進行。由這種技術 得到的壽命值是表面複合率和體複合速率或壽命的組合。
實施例1將五個碳化矽晶片(4H n+ SiC， 76mm直徑，向傾 斜8度)置於反應室中並且加熱到大約1570-1600"C。將反應室中的壓 力保持在95託。在保持上述壓力的同時，將包含氫氣、丙烷氣體、二氯矽烷氣體和氮氣的氣體混合物引入到反應室中。得到的產品是5個 碳化矽晶片，每個晶片包含30mn 4H SiC外延層。使用氮氣流實現的 N型摻雜相當於約6xlO"/cm3的淨栽流子濃度。使用微波光電導衰減技 術進行複合壽命測量。對五個晶片測量的個體中值壽命為1.0-6. 0微 秒。對五個晶片測量的個體平均壽命為1.2-12. O微秒。 實施例2對實施例1的一個碳化矽晶片(4H n+ SiC， 76mm直徑，
由光致發光信號的衰減來測定壽命。通過沿X軸和Y軸直徑掃描材料 來評價壽命。在通過微波光電導衰減測量時，樣品的壽命值範圍為 5-12微秒，在通過時間分辨的光致發光光i普法測量時，其壽命值範圍 為2-4微秒。 實施例3將五個碳化矽晶片(4H n+ SiC， 76咖直徑，向〈1120〉傾 斜8度)置於反應室中並且加熱到大約1570-1600X:。將反應室中的壓 力保持在95託。在保持上述壓力的同時，將包含氫氣、丙烷氣體、三 氯矽烷氣體和氮氣的氣體混合物引入到反應室中。所得產品是5個碳 化矽晶片，每個晶片包含30um 4H SiC外延層。使用氮氣流實現的N 型摻雜相當於約5xlO"/cm3的淨載流子濃度。使用微波光電導衰減技 術進行複合壽命測量。對五個晶片測量的個體中值壽命為0.9-1.2微 秒。對五個晶片測量的個體平均壽命為0.9-1. 6微秒。因此，本發明的方法可以最小化單晶碳化矽材料中的壽命 限制缺陷。本發明描述了生長碳化矽的方法，與目前已知的現有技術 的生長碳化矽的其它方法相比，本發明方法生長的碳化矽具有更接近 方法理論碳化矽值的複合壽命值。
權利要求
1. 在基底上沉積碳化矽塗層的方法，使得所得塗層具有0.5-1000微秒的載流子壽命，所述方法包括a. 將包括氯代矽烷氣體、含碳氣體和氫氣的氣體混合物引入到含有基底的反應室中；b. 將基底加熱到大於1000℃但小於2000℃的溫度；條件是反應室內的壓力保持在0.1-760託的範圍內。
2. 權利要求l的方法，其中所述氣體混合物另外包括摻雜氣體。
3. 權利要求2的方法，其中所述摻雜氣體是氮氣、磷化氫氣體或 三甲基鋁氣體。
4. 權利要求1、 2或3的方法，其中所述氯代矽烷氣體具有通式 RwHxSiyClz，其中y和z為大於零，w和x為大於或等於零，和R表示 烴基團。
5. 權利要求1、 2、 3或4的方法，其中所述含碳氣體具有通式 HaCbC1。，其中a和b為大於零，和c為大於或等於零。
6. 權利要求5的方法，其中所述含碳氣體為C3Hs氣體、CA氣體、 CH3C1氣體或CH3CH2CH2C1氣體。
7. 根據權利要求l、 2、 3、 4、 5或6的方法生產的產品。
8. 在基底上沉積碳化矽塗層的方法，使得所得塗層具有 0. 5-1000微秒的載流子壽命，所述方法包括a. 將包括非氯化的含矽氣體、氯化氫、含碳氣體和氫氣的氣體混 合物引入到含有基底的反應室中；b. 將基底加熱到大於IOOO匸但小於20001C的溫度； 條件是反應室內的壓力保持在0. 1-760託的範圍內。
9. 權利要求8的方法，其中所述氣體混合物另外包括摻雜氣體。
10. 權利要求9的方法，其中所述摻雜氣體是氮氣、磷化氫氣體 或三甲基鋁氣體。
11. 權利要求8、 9或10的方法，其中所述含矽氣體是單氫化矽氣體、氯代矽烷氣體、二氯矽烷氣體、三氯矽烷氣體或四氯矽烷氣體。
12. 權利要求8、 9、 10或11的方法，其中所述非氯化的含矽氣 體具有通式RASiy，其中y為大於零，w和x為大於或等於零，和R 表示烴基團.
13. 權利要求8、 9、 10、 11或12的方法，其中所述含碳氣體具 有通式HaCbC1。，其中a和b為大於零，和c為大於或等於零。
14. 權利要求13的方法，其中所述含碳氣體為C3Hs氣體、(^6氣 體、CH3C1氣體或CH3CH2CH2C1氣體。
15. 權利要求8的方法，其中所述氣體混合物中的至少一種氣體 包含氯原子。
16. 根據權利要求8、 9、 10、 11、 12、 13、 14或15的方法生產的產品。
17. 半導體器件，其包括(i) 至少一種半導體器件組件；和(ii) 包括載流子壽命為0. 5-1000微秒的碳化矽區域的基底。
全文摘要
本發明涉及在基底上沉積碳化矽材料的方法，使得所得基底具有0.5-1000微秒的載流子壽命，所述方法包括a.將包括氯代矽烷氣體、含碳氣體和氫氣的氣體混合物引入到含有基底的反應室中；和b.將基底加熱到大於1000℃但小於2000℃的溫度；條件是反應室內的壓力保持在0.1-760託的範圍內。本發明還涉及在基底上沉積碳化矽材料的方法，使得所得基底具有0.5-1000微秒的載流子壽命，所述方法包括a.將包括非氯化的含矽氣體、氯化氫、含碳氣體和氫氣的氣體混合物引入到含有基底的反應室中；和b.將基底加熱到大於1000℃但小於2000℃的溫度；條件是反應室內的壓力保持在0.1-760託的範圍內。
文檔編號C30B25/02GK101490315SQ200780027337
公開日2009年7月22日 申請日期2007年7月17日 優先權日2006年7月19日
發明者G·鍾, M·羅伯達 申請人:陶氏康寧公司