用於大碳化矽單晶的高品質生長的籽晶和籽晶夾持器組合的製作方法

2023-04-28 21:44:51

專利名稱：用於大碳化矽單晶的高品質生長的籽晶和籽晶夾持器組合的製作方法
背景技術：
本發明涉及大的碳化矽單一多型(polytype)晶體的升華生長。
很多年以來已知碳化矽(SiC)具有優異的物理和電子性能，與由矽或者砷化鎵製作的器件相比，這些性質理論上允許製造可以在更高溫度、更高功率和更高頻率下工作的電子器件。約4×106V/cm的高擊穿電場、約2.0×107cm/秒的高飽和電子漂移速率以及約4.9W/cm-K的高熱導率使得SiC在概念上適用於高頻、高功率應用。
特別是與其它半導體材料相比，碳化矽還具有非常寬的帶隙(例如，在300K下α-SiC的帶隙為3電子伏特(eV)，相比之下Si的帶隙為1.12eV而GaAs的帶隙為1.42eV)，具有高的電子遷移率，物理上非常硬，並具有優異的熱穩定性。例如，矽的熔點為1415℃(GaAs為1238℃)，而碳化矽典型在溫度達到至少約2000℃之前不會開始發生顯著數量的離解。作為另外一個因素，碳化矽可以製作成半導體材料，也可以製作成半絕緣材料。
然而，作為其商業化的障礙，碳化矽相對於其它常用技術需要高的處理溫度，難以獲得好的起始材料，難以按傳統方式實現某些摻雜技術，並且可能最重要的，碳化矽會以超過150種多型體結晶，其中許多靠非常小的熱力學差異相區分。不過，最近的進展，包括美國專利No.4865685和4866005(現在是Re.34861)中所討論的那些進展，已經使得以商業標準和規模製作碳化矽和碳化矽基器件成為可能。
這些進展之一是採用「離軸(off-axis)」生長技術來製造單晶(即單多型體)外延層和體單晶。一般的講，術語「離軸」用來描述這樣的晶體生長技術，其中以偏離基面或者主軸的角度(通常在約1度到10度之間)切割籽晶表面從而提供用於生長的籽晶。基本上，認為離軸生長表面可以為由晶體多型控制的臺階(橫向臺階)生長提供大量機會。襯底表面離軸製備會引起一系列的臺階和凸緣(ledge)以調和該(有意的)錯取向。臺階的平均間隔和高度很大程度上由錯取向的程度決定，即所選的離軸角度。
作為替代，軸上(on-axis)生長通常是不利的，因為軸上的生長表面能限定和提供的有序生長位置少得多，並且因為碳化矽的(0001)面不含多型信息。相反，軸上生長很可能從缺陷進行，因而不易控制。
然而，離軸生長表現出其自身特有的挑戰。具體的，大碳化矽晶體(例如適合於作晶片和器件襯底的那些晶體)的體生長通常採用籽晶升華生長技術進行，其細節在4866005專利中給出，本領域技術人員對此已很熟悉。Zetterling在Process Technology For SiliconCarbide Devices，INSPEC(2002)§§2.2.2.1-2.2.2.4中給出了另一個相關簡介。
簡單介紹之，籽晶升華技術包括容納有源粉和籽晶的石墨(或者類似的)坩堝。以可以在源粉(較熱)和籽晶(較冷)之間建立熱梯度的方式加熱坩堝(例如感應加熱)。主梯度一般指「軸向」梯度，因為其一般(並且是有意的)與生長坩堝的軸平行，坩堝中源粉位於底部或者較低部分，而籽晶處在較上的部分並與一些或者全部的源材料相對。當將源粉加熱到高於SiC的升華溫度時，該粉體產生氣化物質，它們通常或者主要沿著軸向梯度遷移，並凝結在籽晶上產生所希望的生長。在典型的SiC籽晶升華技術中，將源粉加熱到約2000℃以上。
在體單晶的籽晶升華生長過程中，為了在晶體的生長表面上保持晶體的基面(平行於晶體的主對稱面的平面)，離軸技術促使凸起晶體的生長。進而，要在籽晶升華技術中促進這種凸起生長，除了軸向(生長方向)熱梯度外，一般需要應用相對高的徑向熱梯度。在生長溫度下，這些徑向梯度在生長的晶體中增加了應力，且這些徑向梯度在晶體冷卻到使用溫度或者室溫時進而會產生其它應力。
在碳化矽中，離軸生長表現出基於兩種因素組合的另一個問題。第一個因素，在碳化矽中主滑移面是基面。第二個因素，熱梯度的變化在梯度變化的方向上向晶體施加應力；即軸向梯度的變化在軸向上向晶體施加應力。正如熟悉這些因素的人所知，熱梯度的存在不會產生應力，產生應力的是那些熱梯度的變化率。換句話說，如果熱梯度表示每單位距離的溫度變化，則每單位距離的梯度變化率(即二階導函數)產生應力。如在離軸升華生長中，當基面相對於主生長方向離軸時，這些軸向力(由梯度變化率引起的)包括平行於滑移面並施加到其上的分量，由此產生並促進滑移缺陷。按熟知的矢量分解成其各分量的方式，該平行於基面的分量的大小隨離軸角度的增加而增加。
結果，增加生長中的碳化矽晶體或者其籽晶具有的離軸角度會增加作用到基面上的滑移力，而這些力進而會增加每單位面積中的滑移缺陷的濃度。
相比之下，在軸上生長中，由熱梯度變化引起的軸向力既不包括也不會向基面(滑移面)上施加與其平行的分量。由此，在軸上生長過程中可以更容易地避免滑移缺陷。然而，如上所述，軸上生長表現出較少的多型信息和較低的單位面積表面臺階密度，由此使得軸上生長對於將的多種多型複製到生長中的晶體中來講是相對困難的技術。
因此，對於碳化矽，軸上和離軸籽晶升華生長技術都表現出特有的缺點。
發明簡述第一方面，本發明是一種碳化矽生長系統，包括坩堝；所述坩堝中的碳化矽源組合物；所述坩堝中的籽晶夾持器；所述籽晶夾持器上的碳化矽籽晶；在所述坩堝中產生主熱梯度的裝置，其限定了所述源組合物和所述籽晶之間的主生長方向，以促進從所述源組合物到所述籽晶的蒸氣傳輸；並且將所述籽晶放置在所述籽晶夾持器上，且所述籽晶的宏觀生長表面相對於所述主熱梯度形成約70°到89.5°的角度。
在相似的方面，本發明是一種碳化矽生長系統，包括坩堝；所述坩堝中的碳化矽源組合物；所述坩堝中的籽晶夾持器；所述籽晶夾持器上的碳化矽籽晶；在所述坩堝中產生主熱梯度的裝置，其限定了所述源組合物和所述籽晶之間的主生長方向，以促進所述源組合物和所述籽晶之間的蒸氣傳輸；並且將所述籽晶放置在所述籽晶夾持器上，且所述籽晶的宏觀生長表面相對於所述主熱梯度和所述主生長方向形成約70°到89.5°的角度，以及所述籽晶的晶體取向使所述晶體的c軸與所述主熱梯度形成約0°到2°的角度。
另一方面，本發明是一種生長具有減少缺陷的碳化矽大單晶體的方法。該方法包括，當在籽晶和源組合物之間建立基本上與離軸晶體的基面垂直的熱梯度時，在相對於籽晶的(0001)面為約0.5°到10°離軸的籽晶生長面上進行成核生長。
在另一方法方面，本發明包括，在碳化矽籽晶和碳化矽源組合物之間建立主生長溫度梯度，並將籽晶放置在籽晶夾持器上，且籽晶的宏觀生長面相對於主生長梯度之間形成約70°到89.5°的角度。
而在另一方法方面，本發明包括，在碳化矽籽晶和碳化矽源組合物之間建立主生長溫度梯度；在籽晶上提供與(0001)面離軸約1°到10°的生長面；並將籽晶放置在籽晶夾持器上，使生長面相對於主生長梯度之間的角度約為70°到89.5°。
基於下面的結合附圖的詳細描述，本發明的前述和其它目的及優點，以及實現這些的方式將變得更加清楚。
附圖簡述

圖1是依據本發明的有籽晶的碳化矽系統的橫截面示意圖。
圖2是說明依據本發明的籽晶和主熱梯度之間(between)和之中(among)的幾何關係的圖解。
圖3是離軸取向的離軸籽晶的示意圖。
圖4是離軸取向的軸上籽晶的示意圖。
圖5是說明離軸籽晶和主熱梯度之間的幾何關係的圖解。
圖6是說明作用在離軸碳化矽的基面(滑移面)上的應力的矢量圖。
圖7是說明作用在軸上碳化矽的基面(滑移面)上的應力的矢量圖。
發明詳述在第一實施方案中，本發明是碳化矽的籽晶升華生長系統。在這個方面，本發明包括，坩堝、坩堝中的碳化矽源組合物、坩堝中的籽晶夾持器、籽晶夾持器上的碳化矽籽晶、以及在坩堝中產生主熱梯度的裝置，其限定了源組合物和籽晶之間的主生長方向以促進源組合物和籽晶之間的蒸氣傳輸。將籽晶放置在籽晶夾持器上，使籽晶的宏觀生長表面相對於主熱梯度和主生長方向形成約70°到89.5°的角度，並且籽晶的晶體取向使晶體的c軸與主熱梯度之間形成約0°到2°的角度。
圖1是依據本發明的代表性籽晶碳化矽升華系統的橫截面示意圖。本領域技術人員知道，圖1僅是這個系統的概圖，是不成比例的，且可以包括或者替代大量變化，但仍能實施這裡所要求的發明。因此，圖1應理解成是對本發明的說明和示例，而不是限制。
圖1說明了概括命名為10的坩堝，其由管狀部分11、底部分12和籽晶夾持器13組成。在許多實施方案中，坩堝10的優選材料是石墨，但可以部分或者完全採用其它材料，並且可以作為塗層。例子包括碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)以及相關的碳化物組合物。
碳化矽源組合物14位於坩堝中。如圖1中所示，(最典型為碳化矽源粉的)碳化矽源組合物14的部分位於坩堝10中。
籽晶16位於籽晶夾持器13上。為了促進籽晶16上的升華生長，在坩堝10中建立箭頭17所表示的熱梯度。如圖1中所示，正如這些技術中經常所實施的，通過向橫截面中20處所示的線圈中通電流來將石墨或者其它坩堝10感應加熱。一般將線圈保持在石英管21的外側。為了產生熱梯度，在石英管21和坩堝10的內部和周圍放置22所示的絕緣體。目的是產生梯度，其中，將源粉加熱到接近碳化矽的升華溫度，同時將籽晶16保持在略低的溫度，在大多數情況下，溫度變化沿梯度17相對均勻。一般採用紅外(光學)技術和設備來優選監控源材料14和籽晶16的溫度。如果必要，可以調節施加在線圈20或者絕緣體部位22上的電流，以提供所希望或者必需的梯度。作為可選方案，一些技術和系統採用電阻加熱，而非感應加熱。
典型地，升華生長在可能相對於升華工藝惰性的氣氛中進行。通常的選擇包括惰性氣體如氬，其它氣體如氫，或者甚至是真空。
這裡所用的短語「主熱梯度」是為了強調在本技術中應當理解在所採用的極高溫度下，可能存在沿很多方向的很多熱梯度。因此，這些梯度可被適當理解為矢量數量；即，用大小和方向來表徵。而主熱梯度是建立在籽晶16和源粉14之間的熱梯度，且最好在概念上理解為圖1的示意取向中以及大多數生長技術中的豎直(或者「軸向」)梯度。由於籽晶升華生長的本質，這些生長將在與主熱梯度相同的方向上最顯著地進行。
其它生長技術特別結合了徑向溫度梯度；即，垂直於主熱梯度並在大小上比主熱梯度小的梯度。實際上，如果徑向梯度超過軸向梯度的大小，則主要生長將沿著徑向梯度發生而非沿著軸向梯度。因此，如果為了任何特定的目標或目的希望或需要，有時可以有意產生和採用徑向梯度並且可以結合這些徑向梯度使用本發明。
然而對於本發明最基本的是籽晶16在籽晶夾持器13上的放置方式(positioning)。在本發明中，將籽晶16放置在籽晶夾持器13上，使籽晶的宏觀生長表面與主熱梯度17和由主熱梯度限定並因而與主熱梯度平行的主生長方向之間形成約70°到89.5°的角度(在這方面，圖1不一定按比例)。還對籽晶的晶體取向進行定位，使晶體16的c軸與主熱梯度17之間形成約0°到2°的角度。
在本發明的優選實施方案中，籽晶16的生長表面與晶體的(0001)面的離軸在約1°到10°之間。換句話說，在這個實施方案中，籽晶夾持器13和籽晶16都是離軸的。
作為可選方案，在下面的實施方案中也存在優勢，其中籽晶的生長表面是晶體的基面，並且當這個基面是晶體的(0001)面時。換句話說，在這個實施方案中，籽晶夾持器13是離軸的，然而籽晶16是軸上的。而在更優選的實施方案中，籽晶本身是離軸的，由此晶體的c軸與主熱梯度之間形成小於約1°的角度。
此外正如本領域所熟知的，晶體的c軸是垂直於主對稱面的軸。另外，如這裡所一致採用的，將平行於主對稱面的晶面稱為基面。
在圖2到圖7中示例說明了本發明的多個特徵。作為簡要前序，這些圖說明了幾個關係。第一個這種關係是籽晶表面與籽晶c軸的關係。與c軸不垂直的面被稱為「離軸」面。第二個關係是籽晶夾持器和生長環境中的主熱梯度的關係。當籽晶夾持器與主熱梯度不垂直時，籽晶夾持器相對於該梯度是「離軸」的。第三個關係是當籽晶固定在籽晶夾持器上以進行生長時籽晶面(宏觀生長表面)和主熱梯度之間的關係。
在圖2中，再次用17示意說明熱梯度，而以16表示籽晶。籽晶的生長表面用23表示，而主熱梯度17和生長表面23之間的角度用α表示。如上所述，α優選在約70°到89.5°之間，更優選的範圍是在約80°到88°之間。晶體的c軸以24表示，並且與主熱梯度17之間分開約0°到2°的相對小的角度β。因為圖2是示意性的，因此應當明白α和β不是按比例繪出。
圖3是另一個示意性說明，顯示了其中籽晶夾持器13和籽晶16都在離軸方向上的實施方案。以18表示基面。如在這個組合中可以看到的，晶體24的c軸和主熱梯度17之間基本上彼此平行，而生長表面23呈現出希望方式的或者通過採用離軸籽晶而有利表現出的合適的生長臺階機會。應與圖5、6和7比較察看圖3，這有助於進一步說明本發明。
圖4說明了即使採用軸上籽晶也可提供優勢的本發明的某些實施方案。前面已經標明的要素繼續採用它們相同的附圖標記。如圖4所示，籽晶夾持器13為軸上籽晶16提供離軸取向。因為晶體的生長傾向於使其基面垂直於生長方向，許多增殖缺陷如1c螺位錯將彼此相交，稱為複合的效應(不要與p-n器件中電子與空穴之間的「複合」相混淆)。進而，這種複合會減少所得晶體中的缺陷數目。在傳統的離軸生長中，基面與生長方向不垂直，因此離軸生長表現出較少的複合機會。
圖5說明了在更傳統的(現有技術)離軸技術中的一些關係，其中晶體16的生長面23是離軸面，但晶體24的c軸與主熱梯度17的離軸程度與晶體對基面18的離軸程度相同。如背景中所述，這表現出一些有利於複製籽晶16多型的方面，但產生圖6中所示的情況。圖6是矢量圖，其中籽晶(在圖6中沒有另外顯示)的生長表面23相對於主熱梯度17是離軸的。熱梯度的任何變化發生在與熱梯度17相同的矢量方向上。代表由變化梯度引起的力的矢量以25表示。因為矢量25不直接垂直於生長表面23，其施加在表面23上可以分解成兩個分矢量26和27。具體的，分矢量26施加平行於基面的力。如背景中所另外提到的，因為基面是碳化矽的滑移面，分矢量26在生長過程中可促進滑移缺陷。
圖7是說明本發明優點的矢量圖。採用本發明，由於晶體的c軸要麼平行要麼近似平行於熱梯度17，熱梯度變化產生的力矢量25基本上完全垂直施加在滑移面23上。結果，要麼沒有力分量，要麼至多是最小的力分量施加在滑移面上。由此，本發明有助於在籽晶升華生長過程中避免滑移缺陷。
理論上，本發明可以包括採用軸上籽晶夾持器和楔形籽晶，以提供離軸生長面和垂直於生長方向的基面(換句話說，c軸平行於生長方向)。然而，這種楔形籽晶造成大量機械困難，因此不常採用。相似地，應該明白，將整個坩堝傾斜或者傾斜熱梯度可以產生相同的有效幾何分布。然而，這樣的技術相對複雜，因此，基於實用或者商業觀點吸引力較小，所有其它因素相同。
在優選的實施方案中，籽晶的多型選自碳化矽的4H和6H多型。
在優選的實施方案中，將籽晶夾持器的籽晶夾持面保持與水平方向(水平方向定義為垂直於主生長梯度的方向)偏離約4°的角度，並使籽晶生長面與晶體的(0001)面離軸約4°。當然，這可以用餘角表示(像這裡描述的所有其它角度那樣)；即相對於主生長梯度的約86°的角度。
因此，另一方面，本發明是生長具有減少缺陷的碳化矽大單晶體的方法。
在其最廣泛的方面，該方法包括當在籽晶和源組合物之間建立基本上與離軸晶體的基面垂直的熱梯度時，在與籽晶的(0001)面有約1°到10°離軸的籽晶生長面上進行成核生長。
除這個方面以外，本發明包括在碳化矽籽晶和碳化矽源組合物之間建立主生長溫度梯度，提供與(0001)面離軸約1°到10°的籽晶生長面；並將籽晶放置在籽晶夾持器上，使生長面相對於主生長梯度成約70°到80°的角度。
由此，角偏離(off angle)籽晶夾持器和角偏離籽晶的組合可以得到微觀在軸上的籽晶表面(即碳化矽籽晶晶片的晶體學c軸與碳化矽生長物質的主流動方向之間形成約0°到2°的角度)，但由於籽晶晶片是離軸的(即宏觀籽晶表面既不是垂直於也不是近近垂直於碳化矽的晶體學c軸)，與具有宏觀上垂直於(或者近似垂直於)碳化矽的晶體學c軸的籽晶表面的籽晶相比，籽晶表面具有單位面積上更高密度的表面臺階。這些表面臺階起到成核位置的作用，使臺階-流動生長模式成為可能，該模式有助於高品質碳化矽的成核和生長。
本發明提供了良好的多型穩定性以及成核後的穩定生長，避免裂開缺陷，基面內的熱應力分量的分解由晶體中存在的徑向溫度梯度決定，其有助於在生長或者冷卻過程中降低碳化矽晶體中形成與熱應力相關的基面位錯的可能性。
附圖和說明書中已經給出了本發明的優選實施方案，儘管採用了特定的術語，但它們僅為一般和說明意義，而並非為了限制，本發明的範圍在權利要求中限定。
權利要求
1.碳化矽生長系統，包括坩堝；所述坩堝中的碳化矽源組合物；所述坩堝中的籽晶夾持器；所述籽晶夾持器上的碳化矽籽晶；在所述坩堝中產生主熱梯度的裝置，其限定了所述源組合物和所述籽晶之間的主生長方向，以促進從所述源組合物到所述籽晶的蒸氣傳輸；並且，將所述籽晶放置在所述籽晶夾持器上且使所述籽晶的宏觀生長表面相對於所述主熱梯度形成約70°到89.5°的角度。
2.依據權利要求1的碳化矽生長系統，其中所述籽晶的宏觀生長表面相對於所述主熱梯度形成約70°到80°的角度。
3.依據權利要求1的碳化矽生長系統，其中所述籽晶夾持器包括的籽晶夾持面與所述主熱梯度的垂線形成約0.3°到20°的角度。
4.依據權利要求3的碳化矽生長系統，其中所述籽晶夾持器的籽晶夾持面與所述主熱梯度的垂線形成約4°的角度。
5.依據權利要求1的碳化矽生長系統，其中將所述籽晶放置在所述籽晶夾持器上，並使所述籽晶的宏觀生長表面相對於所述主熱梯度和所述主生長方向形成約70°到89.5°的角度，並且所述籽晶的晶體取向使所述晶體的c軸與所述主熱梯度之間形成約0°到2°的角度。
6.依據權利要求5的碳化矽生長系統，其中所述籽晶的生長表面與所述籽晶的(0001)面離軸約1 °到10°。
7.依據權利要求5的碳化矽生長系統，其中所述籽晶的生長表面是所述籽晶的基面。
8.依據權利要求5的碳化矽生長系統，其中所述籽晶的生長表面是所述籽晶的(0001)面。
9.依據權利要求5的碳化矽生長系統，其中所述籽晶的宏觀生長表面相對於所述主熱梯度和主生長方向形成約70°到80°的角度，並且所述籽晶的晶體取向使所述籽晶的c軸與所述主熱梯度形成小於1°的角度。
10.依據權利要求1或5的碳化矽生長系統，其中所述籽晶具有的多型選自碳化矽的4H和6H多型。
11.依據權利要求5的碳化矽生長系統，其中所述籽晶夾持器選自TaC，NbC和石墨。
12.依據權利要求5的碳化矽生長系統，其中所述熱梯度裝置包括電阻加熱器或者以一定頻率工作的感應線圈，所述坩堝對其響應而被加熱。
13.依據權利要求5的碳化矽生長系統，其中所述籽晶夾持器的籽晶夾持面與水平方向偏離約0.3°到20°，並且所述籽晶的生長面與所述的籽晶夾持面平行。
14.依據權利要求13的碳化矽生長系統，其中所述籽晶夾持器的籽晶夾持面與水平方向偏離約4°，並且所述籽晶的生長面與晶體的(0001)面有約4°的離軸。
15.依據權利要求1或5的碳化矽生長系統，其中所述源組合物包含碳化矽粉體。
16.生長具有減少缺陷的碳化矽大單晶體的籽晶升華方法，該方法包括在與籽晶的(0001)面約1 °到10°的離軸的籽晶生長面上成核生長；同時在籽晶和源組合物之間建立基本上與離軸晶體的基面垂直的熱梯度。
17.生長具有減少缺陷的碳化矽大單晶體的籽晶升華方法，該方法包括在碳化矽籽晶和碳化矽源組合物之間建立主生長溫度梯度；並將籽晶放置在籽晶夾持器上，使籽晶的宏觀生長面相對於主生長梯度成約70°到89.5°的角度。
18.依據權利要求17的方法，包括將籽晶放置在籽晶夾持器上，使籽晶的宏觀生長面相對於主生長梯度成約70°到80°的角度。
19.依據權利要求17的方法，包括建立總溫度差在約50到200℃之間的主溫度梯度。
20.依據權利要求17的方法，包括提供籽晶的基面作為生長表面。
21.依據權利要求17的方法，包括將所得塊體晶體切成晶片。
22.依據權利要求21的方法，包括在切成的晶片上生長半導體材料的外延層。
23.依據權利要求22的方法，包括生長選自碳化矽和III族氮化物的外延層。
24.依據權利要求17的籽晶升華方法，進一步包括在籽晶上提供與(0001)面約1°到10°的離軸的生長面。
25.依據權利要求24的方法，包括在籽晶夾持器上提供籽晶，其相對於主生長梯度形成約70°到80°的角度。
26.依據權利要求17或者24的方法，包括在籽晶夾持器上提供籽晶，其相對於主生長梯度形成約86°的角度。
27.依據權利要求24的方法，包括在籽晶上提供與(0001)面約4°離軸的生長面。
28.依據權利要求17或24的方法，包括提供具有選自碳化矽的4H和6H多型的籽晶。
全文摘要
公開了碳化矽籽晶升華生長系統和相關方法。該系統包括坩堝、坩堝中的碳化矽源組合物、坩堝中的籽晶夾持器、籽晶夾持器上的碳化矽籽晶、在坩堝中產生主熱梯度的裝置，該梯度限定源組合物和籽晶之間的主生長方向並促進源組合物和籽晶之間的蒸氣傳輸，並將籽晶放置在籽晶夾持器上，使籽晶的宏觀生長表面相對於主熱梯度和主生長方向形成約70°到89.5°的角度，並且籽晶的晶體取向使晶體的c軸與主熱梯度之間形成約0°到2°的角度。
文檔編號C30B23/00GK101027433SQ200580032490
公開日2007年8月29日 申請日期2005年7月12日 優先權日2004年8月10日
發明者S·G·穆勒, A·泊韋爾, V·F·特斯維特考夫 申請人:克裡公司