不具有钒控制的半绝缘碳化硅制造技术

公开了一种碳化硅的半绝缘体单晶，它具有至少５０００Ω－ｃｍ的室温电阻率和建立离价带或者导带至少７００ｍｅＶ的能态的俘获元素浓度，该浓度低于影响晶体电阻率的量，优选低于可检测的水平。还公开了形成晶体的方法以及一些得到的器件，这些器件采用利用本发明专利技术衬底形成的器件的微波频率能力。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本申请是2001年1月10日申请的序列号为No.09/757,950的部分延续，而序列号为No.09/757,950的申请是1999年5月18日申请的序列号为09/313,802、现在已经授权的美国专利No.6,218,680的延续。本专利技术涉及用于特定目的的高质量碳化硅晶体的生长，具体地说，涉及在微波器件中使用的高质量半绝缘碳化硅衬底的制造。本专利技术在“Department of the Air Force Contract Number F33615-95-C-5426”下诞生。政府可以对本专利技术享有某些权利。
技术介绍
术语“微波”指的是大约0.1千兆赫(GHz)至1,000GHz频率范围内的电磁能量，相应的波长大约为300厘米至0.3毫米。尽管外行人也许认为“微波”与烹调设备最广泛相关，但熟悉电子设备的人们都认为微波频率可用于各种电子目的和相应的电子设备中，包括各种通讯设备和相关的电路部件以及使它们工作的电路。与许多其它半导体电子器件和得到的电路一样，器件(或电路)显示某些希望或者需要的性能特征的能力在很大程度上、并且经常完全取决于制造材料。用于微波设备的一种适当的备用材料是碳化硅，它为微波应用提供了一个首要的优点，即具有非常高的击穿电场。碳化硅的这种特性能够使器件例如金属半导体场效应晶体管(MESFETs)工作在漏电压比形成在砷化镓(GaAs)中的场效应晶体管大九倍的漏电压下。此外，碳化硅具有导热率为4.9瓦每开氏温度每厘米(W/K-cm)的显著优点，该导热率是硅的3.3倍，是砷化镓或者蓝宝石的十倍。这些性能给碳化硅提供了在测量的栅周边的高功率密度(以瓦每毫米(W/mm)表示)和按照芯片面积(die area)极高的功率处理能力(W/mm)。由于芯片尺寸受波长限制，因此上述性能对于高功率、高频应用来说尤其有利。因此，由于碳化硅在任何给定频率的优异的热和电性能，因此碳化硅MESFETs的功率至少是由砷化镓制成的器件的五倍。如熟悉微波器件的人员所认识的，由于导电衬底在微波频率容易产生严重问题，因此为了耦合(coupling)的目的，经常需要高电阻率(“半绝缘”)衬底。如这里所使用的，对于大部分目的来说，术语“高电阻率”和“半绝缘”可以认为意思相同。总之，两个术语都描述了具有大于大约1500欧姆-厘米(Ω-cm)电阻率的半导体材料。对于广泛用于通讯设备例如寻呼机和移动电话的单块微波集成电路(MMICs)来说，这种微波器件尤其重要，所述通讯设备通常需要高电阻率衬底。因此，对于微波器件衬底来说需要下来特性适于高度复杂、高性能电路元件的高结晶质量、好的导热率、器件之间以及与衬底的好的电绝缘、低的电阻损耗特性、低的串话特性和大的晶片直径。假定碳化硅具有宽带隙(在300K，4H碳化硅为3.2eV)，这种半绝缘特性在理论上应是可能的。作为一个结果，适当的高电阻率碳化硅衬底应允许在相同的集成电路(“芯片”)上放置功率和无源器件，由此减小该器件的尺寸，同时增加其效率和性能。碳化硅还提供了其它的良好的质量，包括在高温工作而没有物理、化学损害或者电击穿的能力。然而，熟悉碳化硅的人员清楚，对于这些目的来说，通过大多数技术生长的碳化硅通常导电程度太高。尤其是，碳化硅中标称的或者偶然的氮浓度在升华生长的晶体中足够高(1-2×1017cm-3)，以至于提供足够的电导率，阻止了这种碳化硅用于微波器件。为了实用，碳化硅器件应具有至少1500欧姆-厘米(Ω-cm)的衬底电阻率，以便实现RF无源性能。此外，需要5000Ω-cm或者更好(better)的电阻率使器件传输线损耗达到可接受的0.1dB/cm或者更小的水平。从器件绝缘和使后开启效果(backgating effects)最小的方面来说，半绝缘碳化硅的电阻率应接近50000Ω-cm，或者更高。目前的工作趋于主张碳化硅衬底的半绝缘性能是深在碳化硅带隙内的能级的结果；即，比由p型和n型掺杂剂建立的能级更远离价带和导带；例如，美国专利No.5,611,955。根据‘955专利，碳化硅中价带和导带之间的深能级能够通过控制所选择的元素或者这些元素的组合引入碳化硅中而产生，所述元素例如为过渡金属或者像氢、氯或氟等钝化元素，以便在碳化硅中形成深能级中心；例如第3栏第37-53行。还可以参见Mitchel，The 1.1eV Deep Level in 4H-SiC.SIMC-X，Berkley CA，June 1998；Hobgood，Semi-Insulating GH-SiC Grown byPhysical Vapor Transport，Appl.Phys.Lett.Vol.66，No.11(1995)；WO95/04171；Sriram，RF Performance of SiC MESFETson High Resistivity Substrates，IEEE Electron Device Letters，Vol.15，No.11(1994)；Evwaraye，Examination of Electrical and OpticalProperties of Vanadium in Bulk n-type Silicon Carbide，J.Appl.Phys.76(10)(1994)；Schneider，Infrared Spectra and Electron SpinResonance of Vanadium Deep Level Impurities in Silicon Carbide，Appl.Phys.Lett.56(12)(1990)；和Allen，Frequency and PowerPerformance of Microwave SiC FET’s，Proceedings of InternationalConference on Silicon Carbide and Related Materials 1995，Instituteof Physics。按照常规思路，这些深能级元素杂质(还已知为深能级俘获元素)可以通过在高纯碳化硅高温升华或者化学汽相淀积(CVD)生长过程中引入。具体地说，认为钒是用于此目的的理想过渡金属。根据‘955专利和类似的技术，钒补偿碳化硅材料并且产生碳化硅的高电阻率(即半绝缘)特性。但是，作为补偿元素引入钒生成了半绝缘碳化硅，也产生了某些缺点。首先，包括钒的任何掺杂剂的大量存在都会消极地影响得到材料的结晶质量。因此，可以明显减少或者消除钒或者其它元素，增加得到材料的晶体质量及其相应的电子质量。具体地说，应理解为钒的补偿量能够引起生长缺陷，例如碳化硅中的内含物和微管。作为第二个缺陷，钒补偿量的引入会降低产量，提高半绝缘碳化硅衬底的制造费用。第三，碳化硅或者任何其它半导体元素的主动补偿都有些复杂和不可预知，因此增加了制造复杂度，如果能够避免补偿，就可以避免这种复杂度。在1999年5月18日申请的专利申请序列号No.09/313,802及其2001年1月10日申请的延续序列号No.09/757,950中，公开了一种改进的半绝缘碳化硅，其中在补偿的碳化硅单晶中钒浓度保持在可检测(例如SIMS检测)的水平以下。在相关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半绝缘碳化硅单晶，包括：在所述碳化硅单晶中的施主掺杂剂、受主掺杂剂和本征点缺陷；其中第一导电类型的掺杂剂数量比第二导电类型的掺杂剂数量大；和所述碳化硅晶体中起补偿占优势的第一掺杂剂作用的本征点缺陷的数量比某一个数 值差大，通过该数值差，所述第一类型掺杂剂控制所述第二类型掺杂剂；过渡元素的浓度小于１Ｅ１６；所述碳化硅单晶至少具有５０００欧姆－ｃｍ的室温电阻率。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：小卡尔文H卡特，马克布拉迪，瓦勒瑞F特斯瓦特科夫，斯蒂芬穆尔勒，赫德森M赫伯古德，
申请(专利权)人：克里公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]