CN102906316A - 用于碳化硅的受控生长的方法以及由其产生的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于碳化硅的受控生长的方法以及通过所述方法生产的结构。可通过将牺牲基底（104）放置在具有源材料（102）的生长区中而生长碳化硅（SiC）晶体。源材料（102）可包括低溶解度的杂质。随后在牺牲基底（104）上生长SiC以调节源材料（102）。随后用最终基底（120）替换牺牲基底（104），并且在最终基底（120）上生长SiC。产生碳化硅的单晶体，其中所述碳化硅晶体具有显著少的微管缺陷。这种晶体也可以包括基本均匀浓度的低溶解度杂质，并且可以用来制造晶片（200、300）和/或SiC芯片（202、302）。
Description
背景技术
碳化硅（SiC）表现出很多引人关注的电性能和热物理性能。碳化硅因其物理强度和高的化学侵蚀耐受性而是特别有用的。碳化硅还具有优良的电子特性，包括辐射硬度、高击穿场强、相对宽的带隙、高饱和电子漂移速度、高温操作、以及光谱的蓝、紫和紫外区域中的高能光子的吸收和发射。SiC的一些特性使其适于制造高功率密度的固态器件。
常常通过籽晶升华生长工艺生产SiC。在典型的碳化硅生长技术中，基底和源材料均被放置在反应坩埚内。当坩埚被加热时产生的热梯度促使来自源材料的材料朝向基底的气相运动，随后凝结在基底上且导致块状晶体的生长。
对于很多应用而言，希望晶体具有高的电阻率。已知的是能够将杂质作为掺杂剂引入SiC内，并且这些掺杂剂能够调节包括电阻率在内的某些特性。如果SiC以如上面刚刚讨论的升华生长工艺生产，则能够以多种方式中的任何将掺杂剂引入腔室内，使得掺杂剂将存在于由该工艺所生产的SiC晶体中。控制所述工艺以提供用于特定应用的适当浓度的掺杂剂。
发明内容
本发明的实施方案提供了一种生长具有相对少微管缺陷的半绝缘碳化硅（SiC）的方法。所述微管缺陷能够由低溶解度杂质的析出引起，并且经常简称为“微管”（micropipe）。本发明的实施方案能够提供SiC结构，例如块状晶体、晶片、以及用于其中半绝缘SiC为期望的应用的器件，例如光电导开关。光电导材料应当通常为绝缘的以支持高电压，但是能够被光学激励从而变为导电，并且由此容许用于高电压应用的快速协调切换。本发明的实施方案提供了用于SiC晶体的两部分生长工艺，其使低溶解度掺杂剂例如钒的析出最少化。
在一些实施方案中，通过将牺牲基底放置在具有源材料的生长区中而生长SiC晶体。例如，所述生长区可以为反应坩埚的内部，所述反应坩埚进而被放置在加热的腔室中。在这种示例中，可以使用物理气相传输（PVT）来生长SiC晶体。在所述牺牲基底上生长SiC以调节所述源材料。在一些实施方案中，所述源材料包括低溶解度杂质，并且生长发生，直到经过下述点：在牺牲基底上的SiC中所述低溶解度杂质的析出在此处终止。随后用最终基底替换所述牺牲基底，并且使用至少所述源材料在所述最终基底上生长SiC。产生碳化硅的单晶体。在一些实施方案中，所述碳化硅晶体包括基本均匀浓度的低溶解度杂质。所述晶体可为各种多型体中的任何，例如6H、4H、15R和3C。
在本发明的一些实施方案中，低溶解度杂质选自周期律IB族、IIB族、IIIB族、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族和IIIA族。在一些实施方案中，所述低溶解度杂质为钒。在一些实施方案中，所述低溶解度杂质为铬。在其中所述低溶解度杂质为钒的实施方案中，钒的浓度能够大于1×1015cm-3。为了实现所述低溶解度杂质的可能浓度的全范围的益处，可能必要的是在所述晶体中维持极低的背景杂质浓度。在其中所述低溶解度杂质为钒的实施方案中，所述晶体可掺杂有第二杂质。在一些实施方案中，氮能够用作所述第二杂质。在其中使用钒和氮的实施方案中，所述晶体能够被掺杂，使得钒具有至少5×1016cm-3的浓度，并且在晶体长度的至少一部分上维持具有从约1至约3的钒/氮比率值。
本发明的实施方案能够生产具有低微管密度和/或显著的无微管区的SiC晶体。在一些实施方案中，生产出的块状晶体具有至少50mm的尺寸，并且具有多个10mm×10mm×1mm的体积，每个具有小于或等于5的微管。在一些实施方案中，所述块状晶体具有多个几何体积，每个具有100mm3的体积并且具有小于或等于5的微管。所述晶体可被切成碳化硅晶片。在一些实施方案中，生产出厚度至少为50μm的晶片。在一些实施方案中，这些晶片随后具有至少50mm的尺寸和至少50μm的厚度，并且在至少35%的碳化硅晶片上具有多个1mm3的无微管体积。根据本发明的实施方案制造的晶片可被切成芯片（die），其中能够使用芯片来形成器件。作为示例，能够以这种方式生产光电导开关。
在一些实施方案中，能够由晶片、晶体、或以其它方式生产用于器件中的芯片。至少一些实施方案中的碳化硅芯片基本没有微管并且具有至少10mm×10mm×1mm的尺寸。在一些实施方案中，所述芯片以大于或等于5×1016cm-3的浓度掺杂钒，并且掺杂氮，使得在芯片内维持具有从约1至约3的值的钒/氮比率。
附图说明
图1示出了生产晶体的方法以及根据本发明的示例实施方案生长的晶体。为了清楚起见，图1在三页上以图1A、图1B、和图1C分三部分示出。
图2示出了根据本发明的实施方案的示例晶片。图2的晶片还示出了芯片，所述芯片将由晶片切成以形成根据本发明的示例实施方案的器件。
图3示出了根据本发明的实施方案的另一示例晶片。图3的晶片还示出了芯片，所述芯片将由该晶片切成以形成根据本发明的示例实施方案的器件。
实施本发明的最佳方式
下面的详细描述参照了附图，这些附图示出了本发明的具体实施方案。具有不同结构和操作的其它实施方案并不偏离本发明的范围。
本发明的实施方案提供了呈半绝缘晶体形式的低溶解度杂质掺杂的碳化硅（SiC）的生产，其用于诸如高电压开关、光开关、和用作无源基底之类的应用。低溶解度杂质在晶体中的浓度在晶体长度的至少显著部分上是基本均匀的。能够使用SiC的各种多型体（polytype）。例如，能够使用6H、4H、15R和3C的多型体。能够使用多种低溶解度杂质作为掺杂剂。能够使用来自周期律IB族、IIB族、IIIB族、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族或IIIA族的杂质。例如，能够使用钒或铬。在一些实施方案中，掺杂包括由另一种杂质的补偿。例如，能够使用氮作为第二杂质。
在本文所述的示例实施方案中，使用钒（V）和氮（N）作为用于具有半绝缘特性的6H SiC晶体的掺杂剂。使用物理气相传输工艺由坩埚中的SiC源材料生长这种晶体。能够以多种形式中任何来提供坩埚中的SiC源材料，包括但不限于固体、粉末或气体。所生成的晶体可具有在高达17mm的晶体长度上保持介于8.3×1016cm-3与3.3×1017cm-3之间的钒浓度。该晶体能够具有在相同距离上保持介于6.0×1016cm-3与1.2×1017cm-3之间的氮浓度。不能过分强调的是，该实施方案仅为本发明的实施方案可以被如何实施的一个示例。
当杂质的浓度超过杂质的溶解度极限时，能够在SiC中发生低溶解度杂质（例如钒）的析出。析出常常伴随着该杂质沿着晶体长度的耗尽。杂质的析出使掺杂剂在最终晶体中的分布不均匀，并且还导致高的管密度，也称为高的微管密度或微管缺陷密度。微管主要为晶体结构内的微小的、管状空隙。
在本发明的示例实施方案中，使用两部分生长工艺来避免析出。在钒和氮掺杂的示例中，在工艺的第一部分期间允许过量的钒析出到在牺牲基底上生长的SiC牺牲层内。工艺的该第一部分可以调节坩埚中的材料（其为源材料或来自坩埚本身的材料），以便防止进一步的析出。牺牲基底随后被最终基底替代，在工艺的第二部分中在该最终基底上生长最终晶体。在工艺的该第二部分期间，晶体以浓度小于钒的浓度掺杂氮，以便实现通过钒对氮的完全补偿。随后能够以气体形式将氮引入坩埚内。由于使用调节的材料而不存在析出，这导致更均匀的掺杂剂浓度和减小的微管密度。在一些实施方案中，钒的浓度改变不大于十倍每厘米，或者小于一个数量级。
图1示出了根据本发明的示例实施方案的生长晶体的工艺，其中钒是所述低溶解度杂质。在图1A中，坩埚100含有SiC源材料102。在该示例中，坩埚的内部用作生长区。源材料102掺杂有钒。牺牲基底104被固定到坩埚盖110。具有牺牲基底的盖被放置在坩埚100上，使得基底悬挂在坩埚中处在源材料的上方，并且坩埚100被加热。
转向图1B，发生晶体生长，直到所生长的晶体112到达如下点：越过该点则钒析出终止。现在对下方的源材料102进行适当地调节以匹配系统的热分布。初始源材料已经发展且变为化学计量平衡。晶体112的生长应被停止的点将根据诸如坩埚的尺寸和类型以及源材料102中的钒浓度的参数而改变。但是，能够通过与关于杂质析出的晶体112检测相关联的牺牲生长来事先确定该点。作为示例，晶体112能够达到若干毫米的长度。
在图1C中，牺牲基底已经被抛弃，并且最终基底120已经被固定到坩埚盖110。此刻，补偿掺杂剂（在本例中为氮）被引入系统内。补偿掺杂剂能够作为气体被引入。引发最终基底上的生长，并且产生最终SiC晶体。源材料和/或坩埚材料的调节容许化学计量更均匀的通量（flux）从源材料中形成，并且实现受控的掺杂分布。对于本说明书而言，术语“源材料”可指初始放置在生长区中的源材料，或者在生长区为坩埚内部的情况下包括或可以包括来自坩埚本身的材料的源材料。
取决于具体的系统参数，如上所述产生的V掺杂的SiC晶体能够导致其中钒浓度大于1×1015cm-3的晶体。在一些实施方案中，钒浓度可以大于5×1015cm-3。在一些实施方案中，钒浓度可以大于1×1016cm-3。在一些实施方案中，晶体可被掺杂使得钒浓度为至少5×1016cm-3并且能够在晶体长度的至少一部分上维持约1至约3的钒/氮比率值。为了实现低溶解度杂质的可能浓度的全范围的益处，可能必要的是在晶体中维持极低的背景杂质浓度。这能够使用高纯度输入技术例如烘焙、洗涤、吸气、化学净化、和维护洁净环境而实现。
在示例实施方案中，产生具有低微管密度和/或显著的无微管区域的晶体。在一些实施方案中，能够生产出的块状晶体具有至少50mm的尺寸，并且具有多个10mm×10mm×1mm的体积，每个具有小于或等于5的微管。在一些实施方案中，块状晶体能够具有多个至少100mm3的体积，每个体积具有小于或等于5的微管。在一些实施方案中，体积中的微管的数目可以小于或等于3微管。
晶体能够被切成碳化硅晶片。在一些实施方案中，生产出厚度至少为50μm的晶片。在一些实施方案中，这些晶片随后具有至少50mm的尺寸和至少50μm的厚度，并且还在碳化硅晶片的至少35%、40%、45%或50%中具有多个1mm3的无微管体积。
图2是从根据本发明实施方案制造的晶体切成的基本上圆形晶片的示意图。晶片200能够被切成芯片，其中芯片202可用于形成器件。作为示例，光电导开关能够以这种方式生产。进一步的加工可能是必要的以形成工作器件，所述加工包括但不限于在切割晶片之前沉积另外的半导体材料层。为了投入使用，最终的器件也可能需要被包封在封装件内，封装件具有用于安装和/或连接在电路内的适当接触部。
图3是从根据本发明实施方案制造的晶体切成的基本矩形晶片的示意图。晶片300能够被再次切成芯片，其中芯片302能够用来形成器件。根据本发明实施方案的晶片可具有各种形状和尺寸。
在示例实施方案中，用作器件的芯片可由晶片、由晶体或以任何其它方式生产。在这种实施方案中的碳化硅芯片可以是基本无微管的并且具有至少10mm×10mm×1mm的尺寸。在一些实施方案中，所述芯片掺杂有大于或等于5×1016cm-3浓度的钒，并且掺杂有氮，使得在芯片内保持具有约1至约3的钒/氮比率值。
本文所用术语仅仅用于描述特定实施方案而非意图限制本发明。如本文所用，除非文中另外清楚地指明，则单数形式“a”、“an”和“该”意图也包括复数形式。还应当理解的是，当术语“包括”和/或“包含”用于在本说明书中时，其指明所述特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合的存在或添加。另外，诸如“更小”和“更大”之类的比较性、定量术语意为包括相等的概念，因此“更小”能够不但意指最严格数学意义上的“更小”，而且意指“小于或等于”。
还应当指出的是，在本公开通篇中可使用术语诸如“上方”、“下方”、“在...内”、“在...上”、以及表示结构或部分的相对位置的其它术语对附图和说明书进行参照。这些术语仅出于方便起见并且仅仅是指从读者的角度所示的特征的相对位置。在本公开的上下文中放置或设置在另一元件的顶上的元件在功能上可处于实际产品中的相同位置中，但是由于器件或设备的取向可相对于观察者位于所述另一元件的旁边或下方。使用这些术语的任何讨论意图涵盖对于取向和布置的各种可能性。
尽管本文已经显示和描述了具体实施方案，但是本领域的普通技术人员理解，计划用于实现相同目的的任何布置可以替代所示的具体实施方案，并且本发明具有在其它环境下的其它应用。这种应用意为包括本发明的任何修改或变型。下面的权利要求绝不意图将本发明的范围限制于本文所述的具体实施方案。
Claims (54)
1.一种生长碳化硅的晶体的方法，所述方法包括
将牺牲基底放置在具有源材料的生长区中；
在所述牺牲基底上生长碳化硅；
用最终基底替换所述牺牲基底；以及
使用至少所述源材料在所述最终基底上生长碳化硅以产生碳化硅的晶体。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述源材料包括低溶解度杂质并且碳化硅的晶体包括基本均匀浓度的所述低溶解度杂质，并且其中所述碳化硅在牺牲基底上的生长包括生长碳化硅直到经过下述点：在所述牺牲基底上的碳化硅中所述低溶解度杂质的析出在此处终止。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述低溶解度杂质包括钒。
4.如权利要求3所述的方法，其中，钒的浓度大于1×1015cm-3。
5.如权利要求2的方法，其中，将第二杂质引入所述生长区内，并且所述碳化硅的晶体包括基本均匀浓度的第二杂质。
6.如权利要求2所述的方法，其中，所述碳化硅选自6H、4H、15R和3C的多型体。
7.如权利要求2所述的方法，其中，所述低溶解度杂质选自周期律IB族、IIB族、IIIB族、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族和IIIA族。
8.如权利要求2所述的方法，其中，所述低溶解度杂质是钒和铬中的一种。
9.如权利要求5所述的方法，其中，所述低溶解度杂质包括钒。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述第二杂质包括氮。
11.如权利要求9所述的方法，还包括切割所述碳化硅的晶体以产生用于制造半导体器件的钒掺杂的碳化硅晶片。
12.如权利要求10所述的方法，其中，钒具有至少5×1016cm-3的浓度，并且在晶体长度的至少一部分上维持具有约1至约3的值的钒/氮比率。
13.如权利要求11所述的方法，还包括切割所述晶片以生产至少一个半导体器件。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个半导体器件包括光电导开关。
15.一种碳化硅晶体，具有基本均匀浓度的低溶解度杂质，所述碳化硅晶体由包括下述步骤的工艺形成：
将牺牲基底放置在具有源材料的腔室中，所述源材料包括所述低溶解度杂质；
在所述牺牲基底上生长碳化硅；
用最终基底替换所述牺牲基底；以及
使用至少所述源材料在所述最终基底上生长碳化硅以产生所述碳化硅晶体。
16.碳化硅晶片，该碳化硅晶片由权利要求15所述的碳化硅晶体切成。
17.如权利要求16所述的碳化硅晶片，所述碳化硅晶片具有至少50mm的尺寸和至少50μm的厚度，其中所述碳化硅晶片包括在所述碳化硅晶片的至少35%上的1mm2的无微管区域。
18.如权利要求16所述的碳化硅晶片，包括多个10mm×10mm×1mm体积，每个具有小于或等于5的微管。
19.如权利要求16所述的碳化硅晶片，包括多个几何体积，每个具有100mm3的体积且具有小于或等于5的微管。
20.半导体器件，该半导体器件是通过切割如权利要求16所述的晶片而生产。
21.如权利要求15所述的碳化硅晶体，其中，所述低溶解度杂质包括钒。
22.如权利要求15所述的碳化硅晶体，该碳化硅晶体具有基本均匀浓度的第二杂质。
23.如权利要求22所述的碳化硅晶体，其中，所述低溶解度杂质包括钒。
24.如权利要求23所述的碳化硅晶体，其中，所述第二杂质包括氮。
25.如权利要求24所述的碳化硅晶体，其中，钒具有至少5×1016cm-3的浓度，并且在晶体长度的至少一部分上维持具有约1至约3的值的钒/氮比率。
26.钒掺杂的碳化硅晶片，其由权利要求23所述的碳化硅晶体切成。
27.半导体器件，该半导体器件至少部分地通过切割如权利要求25所述的晶片而生产。
28.光电导开关，该光电导开关至少部分地通过切割如权利要求26所述的晶片而生产。
29.一种半绝缘的碳化硅晶体，其具有选自6H、4H、15R和3C的多型体的至少50mm的尺寸，所述半绝缘的碳化硅晶体包括：
基本均匀浓度的杂质，所述杂质选自周期律IB族、IIB族、IIIB族、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族和IIIA族之一；以及
具有小于或等于5微管的多个10mm×10mm×1mm体积。
30.如权利要求29所述的半绝缘的碳化硅晶体，其中，所述杂质是钒和铬中的一种。
31.如权利要求29所述的半绝缘的碳化硅晶体，其中，所述杂质包括浓度大于1×1015cm-3的钒。
32.如权利要求29所述的半绝缘的碳化硅晶体，其中，所述杂质包括浓度大于或等于5×1016cm-3的钒，所述半绝缘的碳化硅晶体还掺杂有氮，使得在晶体长度的至少一部分上维持具有约1至约3的值的钒/氮比率。
33.碳化硅晶片，该碳化硅晶片由权利要求32所述的碳化硅晶体切成。
34.半导体器件，该半导体器件是通过切割权利要求32所述的碳化硅晶片而生产。
35.光电导开关，该光电导开关是至少部分地通过切割如权利要求33所述的碳化硅晶片而生产。
36.一种半绝缘的碳化硅晶体，其具有选自6H、4H、15R和3C的多型体的至少50mm的尺寸，所述半绝缘的碳化硅晶体包括：
基本均匀浓度的杂质，所述杂质选自周期律IB族、IIB族、IIIB族、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族和IIIA族之一；以及
具有小于或等于5微管的多个100mm3体积。
37.如权利要求36所述的半绝缘的碳化硅晶体，其中，所述杂质是钒和铬中的一种。
38.如权利要求36所述的半绝缘的碳化硅晶体，其中，所述杂质包括浓度大于1×1015cm-3的钒。
39.如权利要求36所述的半绝缘的碳化硅晶体，其中，所述杂质包括浓度大于或等于5×1016cm-3的钒，所述半绝缘的碳化硅晶体还掺杂有氮，使得在晶体长度的至少一部分上维持具有约1至约3的值的钒/氮比率。
40.碳化硅晶片，该碳化硅晶片是由如权利要求39所述的碳化硅晶体切成。
41.半导体器件，该半导体器件是通过切割权利要求40所述的碳化硅晶片而生产。
42.光电导开关，该光电导开关至少部分地通过切割权利要求40所述的碳化硅晶片而生产。
43.一种半绝缘的碳化硅晶片，其具有选自6H、4H、15R和3C的多型体的至少50mm的尺寸和至少50μm的厚度，所述半绝缘的碳化硅晶体包括：
基本均匀浓度的杂质，所述杂质选自周期律IB族、IIB族、IIIB族、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族和IIIA族之一；以及
在所述碳化硅晶片的至少35%上的多个1mm3的无微管体积。
44.如权利要求43所述的半绝缘的碳化硅晶片，其中，所述杂质是钒和铬中的一种。
45.如权利要求43所述的半绝缘的碳化硅晶片，其中，所述杂质包括浓度大于1×1015cm-3的钒。
46.如权利要求43所述的半绝缘的碳化硅晶片，其中，所述杂质包括浓度大于或等于5×1016cm-3的钒，所述半绝缘的碳化硅晶体还掺杂有氮，使得在晶体长度的至少一部分上维持具有约1至约3的值的钒/氮比率。
47.半导体器件，该半导体器件由权利要求43所述的碳化硅晶体切成。
48.光电导开关，该光电导开关是至少部分地通过切割权利要求43所述的碳化硅晶片而生产。
49.一种半绝缘的碳化硅的基本无微管芯片，其具有至少10mm×10mm×1mm的尺寸，包括：
选自6H、4H、15R和3C的多型体；以及
基本均匀浓度的杂质，所述杂质选自周期律IB族、IIB族、IIIB族、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族和IIIA族之一。
50.如权利要求49所述的半绝缘的碳化硅的基本无微管芯片，其中，所述杂质是钒和铬中的一种。
51.如权利要求49所述的半绝缘的碳化硅的基本无微管芯片，其中，所述杂质包括浓度大于1×1015cm-3的钒。
52.如权利要求49所述的半绝缘的碳化硅的基本无微管芯片，其中，所述杂质包括浓度大于或等于5×1016cm-3的钒，所述半绝缘的碳化硅的基本无微管芯片还掺杂有氮，使得在所述芯片上维持具有约1至约3的值的钒/氮比率。
53.半导体器件，该半导体器件由权利要求49所述的半绝缘的碳化硅的基本无微管芯片所生产。
54.光电导开关，该光电导开关由权利要求49所述的半绝缘的碳化硅的基本无微管芯片所生产。
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