低Ic螺旋位错3英寸碳化硅晶片制造技术

本发明专利技术公开了一种直径至少约３英寸和１ｃ螺旋位错密度小于约２０００ｃｍ↑［－２］的高质量ＳｉＣ单晶晶片。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及低缺陷碳化硅晶片和它们作为半导体前体的应用，并涉及大的高质量碳化硅单晶的籽晶升华生长。
技术介绍
近几年，已经发现碳化硅在各种电子器件和用途中作为半导体材料。由于碳化硅的物理强度和对化学侵蚀的高耐受性，因而特别有用。碳化硅也具有极好的电子属性，包括耐辐射性、高耐压性、相对宽的带隙、高饱和电子漂移速度、高温操作，以及在蓝色、紫色和紫外光谱区域的高能光子吸收和发射。单晶碳化硅经常用籽晶升华生长法来制备。在典型的碳化硅生长技术中，籽晶和晶源粉末都置于反应坩埚中，该坩埚以在晶源与边缘冷却的籽晶之间形成温度梯度的方式被加热到晶源的升华温度。该温度梯度促进了材料的蒸汽相从晶源到籽晶之间的移动，然后在籽晶上冷凝并造成大块晶体的生长。该方法也被称为物理蒸汽转移法(PVT)。在典型碳化硅生长技术中，坩埚由石墨制成，通过电感或电阻来加热，安置了相应的线圈和绝缘体来建立和控制所需的温度梯度。晶源粉末与籽晶都是碳化硅。坩埚垂直定位，晶源粉末置于下部，籽晶置于顶部，典型地在籽晶固定器上；见美国专利4,866,005(重新发行号Re34,861)。这些来源是示例性的，而不是限制性的对最新籽晶升华生长技术的描述。本专利技术还涉及下述共同未决的和同样转让的美国申请公开号为20050145164；20050022724；20050022727；和20050164482。虽然近几年碳化硅大块晶体中结构缺陷的密度不断地被降低，但是仍然存在着相对高的缺陷密度，并且发现难以消除，例如，Nakamura等，“Ultrahigh quality silicon carbide single crystals，”Nature，Vol.430，August 26，2004，page 1009.这些缺陷能够在限制在此衬底上制出的器件的性能特征上引起显著问题，或者在一些情形下完全妨碍有用的器件。当前生产大块碳化硅单晶的籽晶升华技术在碳化硅晶体生长的表面上典型地导致了高于所要求的缺陷密度。较高的缺陷密度在这些晶体上或源于这些晶体的衬底上制备的器件的性能特征的限制方面引起显著的问题。例如，在一些市售的碳化硅晶片中的典型微管缺陷密度是每平方厘米(cm-2)100个的量级。然而，在碳化硅中形成的兆瓦器件需要约0.4cm-2的无缺陷区域。因此，得到可用来制造大表面积的，用于高电压、高电流应用的器件的大单晶仍然是一个值得努力的目标。衬底虽然已经可以得到低缺陷碳化硅的小样本，但是碳化硅的更广的商业用途需要更大的样本，特别是更大的晶片。作为比较，自从1975年以来，已经可以在市场上买到100mm(4英寸)的硅晶片，1981年后，可以买到150mm(6英寸)的硅晶片。4英寸和6英寸的砷化镓(GaAs)晶片也都能在市场上买到。因此，50mm(2英寸)和75mm(3英寸)的SiC晶片的商品化落后于其它这些材料，并且在某种程度上限制了碳化硅在更广泛领域的器件和应用中的采用和使用。螺旋位错，尤其是1c螺旋位错，是在SiC晶体制备中出现或扩大的通常的缺陷。其他表面缺陷包括螺纹位错、六角空隙和微管。如果这些缺陷残存于SiC晶体中，那么将导致在这些晶体上生长的器件会合并这些缺陷。在晶体生长技术中特殊缺陷的性质和对它们的描述通常很好理解。特别地，螺旋位错被定义为一种其中伯格斯矢量平行于方向向量的缺陷。在原子尺度上，得到的位错呈现螺旋梯的一般外貌。很多螺旋位错的存在也能导致其他缺陷的存在，比如微管和六角空隙。微管是一种空心超螺旋位错，其伯格斯矢量沿c轴排列。微管常常从一组3个或更多螺旋位错中形成。针对微管的产生，许多原因已经被提出或证实。这些原因包括过多的材料如硅或碳夹杂物、外来杂质如金属沉淀物、边界缺陷和局部位错的移动或滑动。参见例如Powell et al.，Growth of LowMicropipe Density SiC Wafers，Materials Science Forum，Vols.338-340，pp437-440(2000)。在晶体中，六角空隙是平的、六角形片状的空腔在其下常常有空管拖尾。一些证据表明微管与六角空隙有关。关于这些缺陷(示例性的而非限制性的)的较近期的讨论在下列文献中被提出Kuhr et al.，Hexagonal Voids And TheFormation Of Micropipes During SiC Sublimation Growth，Journal of AppliedPhysics，Volume 89，No.8，page 4625(April 2001)。在SiC大块单晶中的表面缺陷的存在也可以干扰单-多型晶体生长。150个可得到的SiC多型造成了特殊的困难。其中许多多型非常相似，经常仅仅通过小的热力学区别来分开。在用籽晶升华系统生长大尺寸SiC晶体中，在整个晶体中维持所需多型的一致仅仅是一个困难。当表面缺陷存在时，在晶体表面没有足够的多型信息给沉积层以维持所需的多型。生长的晶体表面的多型的改变导致了更多表面缺陷的形成。最近研究表明用籽晶升华技术制备的大块晶体的问题能够由籽晶本身和它被物理处理的方式所产生；例如Sanchez et al，Formation Of ThermalDecomposition Cavities In Physical Vapor Transport Of Silicon Carbide，Journalof Electronic Materials，Volume 29，No.3，page 347(2000).Sanchez用术语“微管”来描述，“在超螺旋位错的中心形成的直径在0.1μm到5μm范围内的近似圆柱形的空隙平行或近似平行于 轴”，同前，在第347页。Sanchez将更大的空隙(“直径从5μm到100μm”)称为“热分解腔”，并且认为微管和热分解腔由不同的原因产生。同前。因此，在籽晶升华系统中制备更大的高质量的，具有低1c螺旋位错缺陷水平的大块碳化硅单晶来减少制备的晶体中的总缺陷量，仍旧是不变的技术目标和商业目标。
技术实现思路
一方面，本专利技术是直径至少约3英寸和1c螺旋位错密度小于约2000cm-2的高质量SiC单晶晶片。另一方面，本专利技术是直径至少约3英寸和1c螺旋位错密度小于约2500cm-2的SiC半导体前体晶片。另一方面，本专利技术是在籽晶升华生长系统中使用直径至少约3英寸和1c螺旋位错密度小于约2500cm-2的高质量SiC单晶晶片的方法。另一方面，本专利技术是建立在直径至少约3英寸和1c螺旋位错密度小于约2500cm-2的SiC单晶籽晶上的功率器件。附图说明图1是根据本专利技术进行缺陷蚀刻后的SiC晶片图；图2是根据本专利技术的半导体前体晶片；图3是根据本专利技术的两个以上的半导体前体器件；图4是根据本专利技术的籽晶升华系统的截面示意图；图5是根据本专利技术的金属氧化物半导体场效应晶体管的截面示意图；图6是根据本专利技术的金属半导体场效应晶体管的截面示意图。具体实施例方式本专利技术涉及高质量碳化硅晶片。具体地说，本专利技术合并了几种用于改进采用籽晶升华法进行这样的晶片生长的技术。一方面，本专利技术是具有至少约3英寸直径和1c螺旋位错密度小于约2000cm-2，更优选是小于约1500cm-2，最优选是小于约1000本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高质量ＳｉＣ单晶晶片，具有至少约３英寸直径和小于约２５００ｃｍ↑［－２］的１ｃ螺旋位错密度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿德里安波维尔，马克布莱德，斯蒂芬G米勒，瓦莱里F茨韦特科夫，罗伯特泰勒莱昂纳德，
申请(专利权)人：格里公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]