TWI716354B - 用於與功率元件製造技術整合之大直徑半導體晶圓 - Google Patents

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Abstract

一種用於製造碳化矽基材的方法，適用於在一般用於矽晶圓處理之標準磊晶腔室中的磊晶生長。對在一般用於矽基材的腔室中欲處理之任何基材設定嚴格的限制條件，以避免矽晶圓的汙染。為了獲得標準矽處理設備的所有優點，SiC基材係具有至少150mm之直徑。對於SiC人造晶塊的適當生長來說，生長坩堝係被製作為具有人造晶塊最終生長體積的六至十二倍之內部體積。又，上述坩堝之內部體積係被製作為具有0.8至4.0的高度對寬度比。對於各基材中的汙染、顆粒及缺陷設定嚴格的限制。

Description

用於與功率元件製造技術整合之大直徑半導體晶圓 【相關申請案之交互參照】
本申請案主張於2014年12月29日提出申請的美國專利申請案第14/585,101號及於2014年7月29日提出申請的美國臨時專利申請案第62/030,490號的優先權，該等申請案之內容各自以引用方式全部併入本文中。
本揭露有關於功率元件的製造，尤其是有關於用於功率元件的大直徑晶圓的製造。
碳化矽(SiC)係結晶半導體材料，熟習材料科學、電子學及物理學者公認其優勢在於寬能帶隙性質，且優勢亦在於高硬度、高導熱率以及化學惰性性質。該等性質讓SiC成為對於功率半導體元件的製造而言非常有吸引力的半導體，使功率密度及性能提升優於由更普遍的材料如矽所製成的元件。
SiC最普遍的形式由原子的立方或六方排列組成。Si及C層的堆疊可以許多形式呈現，稱之為多型體(polytype)。碳化矽結晶的類型係藉由如下所表示：表示出堆疊順序中重複單元數的數字，其後接續代表結 晶型式的符號。舉例而言，3C-SiC多型體指3個重複單元且係立方(C)晶格，而4H-SiC多型體指4個重複單元且係六方(H)晶格。
不同的碳化矽多型體在材料性質方面具有一些變異，最顯著的是電性質。4H-SiC多型體具有相對較大的能帶隙，3C-SiC具有較小的能帶隙，而大部分的其他多型體之能帶隙則落在兩者之間。對於高性能的功率元件應用，當能帶隙較大時，理論上材料更有能力提供相對較佳的高功率及導熱性能。
在自然中不會產生SiC結晶，故必須經合成而得。SiC結晶的生長可藉由昇華(亦稱物理氣相傳輸法(physical vapor transport))或者化學氣相沉積法(physical vapor transport)來執行。
藉由昇華的SiC生長非常具有挑戰性。超過2000C的溫度對於藉由昇華而產生Si和C物種的蒸氣流是必需的，這使得反應室組件與加熱爐的設計存在相當大的限制。原本由如艾其遜法(Acheson method)的程序所形成的SiC研磨材料係被用作結晶的Si與C原子之來源，且隨著技術成熟，團隊研發特別用於SiC結晶生長的用以合成SiC來源粉末的手段。上述生長通常係在真空腔室中的石墨容器中進行。上述石墨容器係藉由電阻法或感應法中任一者進行加熱。上述容器經小心地絕緣處理，以在其容積中建立受控的溫度梯度。使用種晶，其通常成形為板狀或盤狀。上述種晶一般係定向為以其生長表面朝向來源材料。上述種晶在容器中的位置係設計為使容器在被加熱時，種係在相對較低溫度的位置，而Si-C來源材料係在較高溫度的位置。當上述容器被加熱至足以使來源材料昇華之溫度時，蒸氣將流向較低溫度區域，並且在種晶上凝結。雖然在概念上看似簡單， 實務上SiC的生長非常複雜，且實踐者公認其非常難以進行。
在歷史上，Lely(US 2854364-1958)首先敘述了以SiC昇華為基礎的結晶生長中的初始步驟，其未添加晶種的結晶生長方法產生小型六方SiC薄板。於1970及1980年代，製造第一個對於製造元件而言有吸引力的尺寸之結晶的技術係由Tairov及Tsvetkov(Journal of Crystal Growth,52(1981)p.146-50以及Progress in Controlling the Growth of Polytypic Crystals in Crystal Growth and Characterization of Polytype Structures,P.Krishna,ed.,Pergammon Press,London,p.111(1983))所完成。他們的方法使用了雷利結晶(Lely crystal)做為晶種，並且藉由如上所述的昇華與傳輸來進行生長。該等結果顯示了用於藉由選擇晶種、壓力控制及溫度梯度的多型體控制之方法。而後，Davis(US 4866005-1989)揭露藉由正確判斷地選擇來源材料以及梯度控制的改善。直至今日，仍持續有對於Tairov、Tsvetkov及Davis的方法之改良被揭露。
圖1繪示藉由物理氣相傳輸之SiC結晶的生長的一般配置，作為先前技術之示例。繪示了具有蓋55的PVT反應室40，其被組態為用於SiC結晶生長。上述反應室40一般係由石墨容器所形成。將經顆粒化的SiC或矽及碳材料42置放在上述室的底部。位在上述容器上部的是種晶48，其安裝在上述室頂部的內側，例如經夾持或接合至蓋55。顯著地，在圖1的組態中，於處理期間，無論藉由如黏著劑或夾子等物理性附著、或藉由如於JP 2011-20860中所解釋的壓力差分(pressure differential)，晶種48的後表面與蓋55的底部表面接觸。
上述容器整體被如石墨氈或泡沫的絕緣體54所圍繞。上述 反應室40係被置放在真空爐70中，其藉由真空泵進行抽吸。若上述室係經電阻加熱，上述真空爐70可包含鋼(steel)，或者，若上述室係經感應加熱，其可包含如玻璃之介電質。在所示的實施例中，真空爐係包含玻璃，且經RF感應線圈72加熱。矽和碳由來源材料42蒸發出來，並凝結在晶種48上。未凝結在晶種上的矽和碳則擴散至反應容器外而進入真空爐中。上述擴散係藉由反應容器內部與真空爐之間的壓力梯度所驅動。被噴射至真空爐中的氣體如氮、氬及摻雜物透過石墨坩鍋牆而擴散至反應容器中。上述擴散係藉由真空腔室及反應容器內部之間的濃度梯度所驅動。
當出現了製造較大結晶的方法，焦點亦轉向控制結晶中的缺陷。缺陷可被分類為內含物(inclusion)及結晶差排(dislocation)。在SiC晶體中的主要結晶缺陷係螺旋差排(screw dislocation)。其中，有被稱作微管或空心螺旋差排的特殊例子。此外，有基面差排(basal plane dislocation)及穿透刃狀差排(threading edge dislocation)。該等缺陷源自許多來源。舉例而言，在種晶中所含有的缺陷可能被傳遞到新生長的結晶體。起因於溫度梯度及熱膨脹不匹配之壓力在生長時進入晶種與結晶可能導致差排的形成。在形成SiC所需的昇華蒸氣流中化學計量的偏差可能導致不穩定的多型體生長-結果造成在所生長的結晶中有多型體內含物，其造成在多型體邊界形成差排。甚至差排之間的交互作用可建立或消除差排。
藉由所識別方法所製造的SiC結晶具有高濃度的差排。在此申請時，通常所記述的螺旋差排及基面濃度值分別標稱為5000至10000/cm2。最常藉由將垂直於對稱結晶軸的平面中之結晶切片來評估差排。在350至500C範圍中的溫度以如氫氧化鉀的熔鹽蝕刻所暴露的結晶表 面將顯露出差排。各差排種類具有獨特的形狀，因此他們能夠獨特地被計數。通常將上述差排計數並記述為一除以檢測面積的數字。上述識別方法是有用的，因其能得到形成在結晶平面上的平面半導體元件中所含有的缺陷之簡易相關性。在文獻中有許多實例顯示差排並未均勻地分布在所觀察的平面中。大量差排使得對於每一個單一差排進行計數非常不實際，尤其現今可能被要求在大於或等於直徑100mm之圓的區段上進行檢測。因此，對經蝕刻的區域進行採樣以確認差排的量。不正確的取樣方法可能導致在對與較大的結晶有關之差排濃度進行估計時出錯。在大部分的報告中並未提供取樣方法的細節，故雖非不可能，但通常可能難以複製結果。
對於固態物理及半導體元件有經驗的科學家均知，差排會導致元件性能低於材料的理論性質。因此，現今的努力聚焦在半導體SiC結晶品質的改良，以期識別並控制可減少源自於結晶生長的缺陷之因素。
一旦產生足夠大的結晶，此結晶必須被切割並製成晶圓，以適於放入用於使用平面製造方法製造半導體元件的設備中。隨著許多半導體結晶(例如矽、砷化鎵)已成功地被開發並商業化為晶圓產品，由大體積的結晶製造晶圓的方法已為人所知。對於晶圓製造及標準識別方法之常用方式及要件的評介可在Wolf及Tauber,Silicon Processing for the VLSI Era,Vol.1-Process Technology,Chapter 1(Lattice Press-1986)中找到。
由於其硬度，與處理其他如矽或砷化鎵的常見半導體結晶相比，將SiC製造成晶圓基材存在獨特的挑戰。必須對機器進行修正，且磨料(abrasive)的選擇改變為非常用材料。為了適應SiC而對常見的晶圓製造技術所做之修正經常被保存為專有資訊。已有報導的是，可在經鏡磨的SiC 晶圓上觀察到實質的次表面損傷，且可藉由使用與矽工業中所用之方法類似的經化學強化的機械研磨方法來減少或移除上述損傷(Zhou,L.等人，Chemomechanical Polishing of Silicon Carbide,J.Electrochem.Soc.,Vol.144,No.6,pp.1997-872(1967))。
為了在SiC晶圓上建造半導體元件，必須將附加的結晶SiC膜沉積在晶圓上，以建立具有所需導電度值及導體種類之元件主動區域。這一般是使用化學氣相沉積(CVD)方法來完成。自1970年代起，在俄羅斯、日本及美國的團隊已有發表藉由CVD磊晶之用於SiC生長的技術。最常見的藉由CVD的SiC生長之化學物係一含矽的來源氣體(例如單矽烷或氯矽烷)及含碳的來源氣體(例如烴氣)之混合物。對於低缺陷的磊晶層之生長的關鍵因素係基材表面從結晶對稱軸遠離斜置，以使化學原子以由基材結晶所建立的堆疊順序附著至表面。當斜置不充分，CVD程序將在表面上造成三維的缺陷，且此種缺陷將導致不運作的半導體元件。表面的不完美如裂縫、次表面損傷、凹處、顆粒、擦痕或汙染將中斷藉由CVD程序的晶圓結晶結構之複製(例如參照Powell and Larkin,Phys.Stat.Sol.(b)202,529(1997))。重要的是用於製造晶圓的研磨和清潔程序使表面的不完美最小化。於存在該等表面不完美的情況下，在磊晶膜中可能產生許多缺陷，包括基面差排、以及立方SiC內含物(參照例如，Powell等人，Transactions Third International High-Temperature Electronics Conference,Volume 1,pp.II-3-II-8,Sandia National Laboratories,Albuquerque,NM USA,9-14 June 1996)。
已知SiC中的缺陷會限制或破壞在上述缺陷上所形成的半導體元件的運作。Neudeck及Powell曾報導空心螺旋差排(微管(micropipe)) 嚴重地限制了SiC二極體中的電壓阻斷性能(P.G.Neudeck及J.A.Powell，IEEE Electron Device Letters,vol.15,no.2,pp.63-65,(1994))。於1994年，Neudeck評介了源自結晶(晶圓)以及磊晶之缺陷對功率元件的影響，彰顯因螺旋差排及形態磊晶缺陷而造成的功率元件功能性的限制。(Neudeck,Mat.Sci.Forum,Vols 338-342,pp.1161-1166(2000))。Hull報導了當在具有較低螺旋差排密度的基材上製造二極體時，於高電壓二極體逆向偏壓漏電流的分布轉移至較低值(Hull等人，Mat.Sci.forum,Vol.600-603,p.931-934(2009))。Lendenmann報導了雙極性二極體中正向電壓的縮減係連接至源自基材中的基面差排之磊晶層中的基面差排(Lendenmann等人，Mat.Sci.Forum,Vols 338-342,pp.1161-1166(2000))。
雖然SiC結晶的改良及將此材料用作電晶體及二極體的基材方面已經達成許多進展，但在主流功率電子設備中採用上述程序及元件的情況緩慢。現今，大部分功率半導體元件製造係以直徑150mm或更大的矽基材完成。該等基材對純度、表面汙染、顆粒、厚度均勻性及平坦性具有極高要求。由於常見的雜質將在矽中擴散，而後聚集在表面上，導致在基材表面上所製造的元件性能差，故矽基材上的純度與表面汙染問題在矽元件製造程序中十分重要。功率元件的製造使用相對大的晶片尺寸，且基材材料之結晶品質為了達到高製造及運作良率而反映出高程度的完全度。現在的功率元件之製造方法使用具有完美結晶品質(即低差排密度及低表面缺陷)的矽基材。
對於下一世代的功率半導體元件而言，半導體SiC係具有前景的材料。對於功率電子設備的製造減緩採用SiC晶圓的原因是大部分製 造的SiC基材具有相對小的直徑(76至100mm)，具有大的缺陷密度，且比矽更貴。使用除了矽以外的具有小於150mm直徑之晶圓使得功率元件的製造更昂貴，且對於以針對150mm或更大直徑而設計的設備來處理小型晶圓更增添了複雜度。為了解決上述採用的問題，必須發展能夠模擬下列所有特質的SiC基材製程：
○150mm或更大的晶圓直徑
○晶圓厚度、傾斜及平坦度與類比的矽晶圓相當，或者可與矽處理設備相容
○非常低的結晶缺陷密度
○非常低的表面汙染等級，以預防在與進行矽程序之共用設備上的交叉汙染。
○與SiC磊晶之相容性以使基材能適用於元件製造。
具有等於或大於150mm直徑的SiC結晶之生長非常困難。傳統的昇華方法受限於反應室中所含的Si/C來源材料之數量。為了使直徑150mm或更大的結晶生長，需要極大量的來源材料，其可能占據反應室及爐中的許多體積。這需要非常大的反應室。較大的室幾何結構可導致大的徑向與軸向溫度梯度，其隨後導致結晶中的壓力大或過度的生長速率。上述壓力造成結晶中的缺陷形成，而大的生長速率導致於控制結晶的多型體方面存在挑戰。大的缺陷密度(總差排大於2E4/cm2)對於要創造具有可靠性的功率元件而言不夠低。緊密的室設計可能限制溫度梯度，甚至使得沒有足夠的驅動力支持蒸氣傳輸且所得結晶非常小，而對切割基材而言不實用。
在先前技術中已討論到具有150mm的直徑且低差排密度的討論。Fujimoto的US 2010/0295059 A1揭示一種藉由昇華而使SiC結晶生長為具有低差排密度的方法，其說明此方法可支持使結晶生長至直徑250mm，但所提供的實例均在直徑100mm以下。Fujimoto完全以差排密度控制為基礎來主張將此程序延伸至直徑高達250mm，而沒有任何關於如何縮放昇華程序以適應大的結晶之洞見。Nakabayashi的US 201110206929 A1揭示一種藉由昇華而使SiC結晶生長為具有低差排密度的方法，其說明此方法可支持使結晶生長至直徑300mm的能力，但所提供的實例均在75至105mm之範圍內。如同Fujimoto，其缺乏在縮放程序以適應大結晶方面的任何細節；僅討論到缺陷控制的方法。其他揭示大直徑晶圓的參考文獻包括US8,747,982以及US8,741,413。
Kondo(Mat.Sci.Forum Vols.778-780(2014)p.17)揭示藉由被稱為重複A面的方法而使碳化矽結晶生長為直徑150mm的方法。結果顯示低缺陷密度。Kondo並未討論到與藉由昇華的用於製造具有大於150mm直徑的4H-SiC結晶之方法的延伸有關的細節。
前述專利均未揭露適用於功率元件製造的由SiC的大結晶製造大直徑基材的方法。進而，前述專利均未提起或處理當對使用用於較大結晶的較大反應室時可能發生的溫度梯度及壓力的問題。
包括以下發明內容係為了提供本發明的一些態樣及特徵的基本理解。此發明內容並非本發明的廣泛性概述，就此而言，其並非意欲特定地識別本發明的關鍵或重要元件，或者去描繪本發明的範疇。其唯一 的目的係以簡化形式提出一些本發明的概念作為對於如下所呈現更詳細的說明之序言。
Loboda的美國專利公開第2012/0114545號揭示一種用於使大型碳化矽錠(ingot)生長至高達直徑150mm的方法，其中對上述Si/C來源組成物以及昇華方法進行改良以獲得4H SiC的大型結晶。本揭露內容之標的說明了下述整合製造策略能產生準確地模擬矽基材特質且能被使用在用於製造矽元件的製造程序中之SiC基材：
○具有大於149mm直徑之SiC基材，通常係150+/- 1mm或200+/- 1mm，其係4H-SiC多型體且該基材係經定向以使該結晶的基材之表面自c軸遠離朝向<11-20>方向斜置(tilt)3.5至4.4度。對於更嚴謹的要件，該結晶的基材係自c軸遠離朝向<11-20>方向斜置3.8至4.2度。
○為了製造非常大直徑的4H-SiC結晶，於昇華期間所給予的壓力必須小心地進行管理。該壓力源自於結晶與該結晶生長於其中的反應室間的溫度梯度及膨脹係數失配。對於大型SiC結晶的適當壓力管理包括石墨坩堝反應室，其填充有包含矽及碳原子的裝料，且種晶(seed crystal)係置放在坩堝頂部，以使其非牢固地附著至坩堝，且晶種(seed)之支撐並不會因加熱或冷卻期間的膨脹係數失配而將壓力轉移至晶種。該晶種的附著與坩堝的設計使昇華的蒸氣凝結在晶圓表面，亦使一些蒸氣繞過晶圓而脫離含所生長之結晶的坩堝容積。
○為了使結晶長到能夠獲得許多直徑大於149mm的基材之尺寸，發現在該反應室內部體積與目標結晶尺寸體積(直徑與長度)之間有重要的關係。具體而言，除了大於149mm的直徑以外，所生長的結晶 必須體積夠大以獲得許多切片，該等切片能夠轉換成元件製造用基板，為了於製造上實用，最小值為10或以上。該反應室應具有足夠的體積來容納所生長的結晶以及生長結晶所需之來源材料的體積。如此，該反應室的內部體積必須在最終結晶預期體積的6至12倍之範圍內。較佳的設計對應於具有在0.8至4.0範圍內之一內部高度與內部直徑比率的一反應室。
○SiC結晶之電阻率亦必須控制在低的值以及狹窄的範圍以用於功率元件的製造。由該結晶製成的該等基材成為一般垂直功率元件設計中現行途徑的一部分，且若電阻率高，在基材上製造的元件將無效率。在大直徑SiC結晶生長中的電阻率控制係藉由將N2氣體添加到結晶生長程序中而完成。除了要有充足體積以獲得充足數量的基材以外，已發現來自一結晶及不同結晶間的所有基材必須呈現共通的電阻率範圍。使用所述之方法，發現在從單一結晶切出的晶圓上所量測的電阻率值係在0.013至0.022ohm-cm之範圍內。這對應於大於3E18/cm2、且高達約6E18/cm2之氮供體濃度(nitrogen donor concentration)。
○為了能夠將SiC晶圓導入矽處理系統中並獲得可接受的處理特徵，應適當地製備該等SiC晶圓之表面。具體而言，該表面汙染以及顆粒應控制在指定等級。類似地，金屬汙染應控制在指定等級。亦需要將差排的密度及擦痕(scratch)保持在指定等級之下。所有上述說明將於以下進行更詳細敘述。應注意的是，當處理矽晶圓時，在沉積程序之前，可使用氧化程序調節(condition)晶圓的表面。然而，SiC 不氧化。因此，標準氧化程序對於調節SiC表面無效，使得在其導入至沉積處理腔室之前，SiC晶圓需要如本文中所揭露般被製備。
根據具體揭示的實施例，一經拋光的4H-SiC碳化矽半導體基材經揭示，其經製備用於磊晶生長，該基材具有：149至152mm之一直徑；365至675mm之一厚度；一經傾斜(beveled)的周圍邊緣(例如：相對於該基材的製造表面具有22.5+/- 0.2度之最大角度)；0.5um至5um範圍內之一總厚度變化(TTV)，以及1um至40um範圍內之一翹曲；在該基板的C面或Si面之任一者上藉由TXRF所量測的一表面金屬汙染等級，該表面金屬汙染等級作為Na、Mg、Al、Ca、K、Mg的面密度總和係在25E10/cm2至275E10/cm2之間，且作為P、Ni、Fe、Co、Cu、Mn原子的面密度總和係在10E10/cm2至150E10/cm2之間；該基材中結晶差排(包含穿透螺旋差排、基面差排以及微管)之一中位數面密度，該中位數面密度係在1/cm2至2600/cm2之間；在5um至5000um的範圍內之一累積擦痕長度(aggregated scratch length)；以及，範圍在5至500個總顆粒之顆粒數，該等顆粒具有0.5um至10um的直徑範圍。在一些實施例中，該基材可經定向以使該基材的表面自c軸遠離朝向<11-20>方向斜置3.5至4.4度。在一些實施例中，當該基材係在熔化的KOH中經蝕刻並於19個部位經測量(各個部位為1×1mm2)，該等部位係均勻地分布而遍及該製造表面，基面差排的一中位數面密度係在1/cm2至2500/cm2的範圍內，且穿透螺旋差排的一中位數面密度係在0/cm2至400/cm2的範圍內，且該基材上至少一個部位測量到零螺旋差排。此外，基材內電阻率可在0.013ohm-cm至0.022ohm-cm之範圍內。該基材可進一步包含經沉積在矽或碳表面的一或多個SiC同質磊晶層，具有在1.5um至 160um範圍內的複合物厚度，且該等磊晶層的至少一者具有濃度在1E14/cm3至3E19/cm3之範圍內的n-型或p-型摻雜物原子。該磊晶膜可藉由一磊晶程序而製造，該磊晶程序包含：i.將一或多個基材裝載至CVD磊晶系統中；ii.當該基材暴露於氫及氯化氫之一氣體混合物時，將該(等)基材加熱至足以蝕刻該製造表面的一升高溫度；以及，iii.使用一氣體混合物而於該等基材上沉積該等磊晶膜，該氣體混合物包含至少一種具有一氯原子之氣體。在一些實施例中，在該基材的C面或Si面之任一者上藉由TXRF所量測的表面金屬汙染等級作為Na、Mg、Al、Ca、K的面密度總和係在25E10/cm2至275E10/cm2之間，且作為P、Ni、Fe、Co、Cu、Mn原子的面密度總和係在10E10/cm2至150E10/cm2之間。又，當SiC同質磊晶層在熔化的KOH中經蝕刻並於遍布一表面的19個部位進行測量，螺旋差排的中位數面密度係在0/cm2至400/cm2的範圍內，且至少一個部位測量到零螺旋差排，而基面差排的中位數面密度係在0/cm2至20/cm2的範圍內，且至少一個部位測量到零基面差排。
根據一些揭示的實施例，提供一種生長具有超過149mm之直徑最大值的4H-SiC的方法，其包含：i.製備一空心、圓柱狀的石墨反應室，其具有4000cm3至16000cm3之內部體積以及在0.8至4.0的範圍內的一內部直徑對內部高度的比率；ii.將一矽原子的來源及一碳原子的來源導入該反應室中；iii.將4H-SiC碳化矽種晶置放入該反應室中；iv.將該反應室密封，並以石墨絕緣體圍繞該反應室；v.將該圓柱狀反應室導入一真空爐中；vi.將該爐排空；vii.以實質上係惰性氣體的一氣體混合物填充該真空爐至接近大氣壓力的一壓力；viii.將該真空爐中的該圓柱狀反應室加熱到在1975C至2500C 的範圍內之一溫度；ix.將該真空爐中的該壓力降低至少於50托但不少於0.05托；以及x.使該來源昇華並且將矽及碳的蒸汽凝結在該晶種上。
在所揭示的方法中，該矽原子的來源可包含一混合物，該混合物包含多晶矽碎片(polysilicon chip)。在一些特定實施例中，當該結晶的該體積達到該反應室內部體積的十二分之一至六分之一時，可停止昇華。該方法可進一步包含沿一方向切割該結晶，以使所得的晶圓具有自c軸遠離朝向<11-20>方向斜置3.5至4.4度之表面。該方法亦可進一步包含在一矽或碳表面沉積一或多個SiC同質磊晶層(homoepitaxial layer)，其等具有1.5um至160um範圍內的複合物厚度，且該等磊晶層的至少一者具有濃度在1E14/cm3至3E19/cm3之範圍內的n-型或p-型摻雜物原子。
沉積一或多個SiC同質磊晶層可包含：i.將一或多個基材置放於一CVD磊晶系統中；ii.當該基材暴露於氫及氯化氫之一氣體混合物時，將該(等)基材加熱至足以蝕刻該基材表面的一升高溫度；以及iii.使用一氣體混合物於該等基材上沉積該等磊晶膜，該氣體混合物包含至少一種具有一氯原子之氣體。
在一些實施例中，在該基材的該C面或Si面之任一者上藉由TXRF所量測的表面金屬汙染等級作為Na、Mg、Al、Ca、K、Mg的面密度總和係在25E10/cm2至275E10/cm2之間，且作為P、Ni、Fe、Co、Cu、Mn原子的面密度總和係在10E10/cm2至150E10/cm2之間。此外，當該SiC同質磊晶層在熔化的KOH中經蝕刻並於遍布一表面的19個部位進行測量，螺旋差排的中位數面密度係在0/cm2至400/cm2的範圍內，且至少一個部位測量到零螺旋差排，而基面差排的中位數面密度係在0/cm2至20/cm2的範圍 內，且至少一個部位測量到零基面差排。在經切割的晶圓中之氮供體濃度可大於3E18/cm2，且多至約6E18/cm2。在由單一結晶所切下的晶圓上所測得的電阻率值可在0.013至0.022ohm-cm之範圍內。
亦揭示的是一種用於在一SiC晶圓上的SiC磊晶層之磊晶生長方法，包含將SiC晶圓置放在一磊晶生長腔室中；進行將該晶圓加熱至在1400至1600℃的範圍內之一溫度的一預生長清潔步驟，然後將該晶圓暴露於會蝕刻該晶圓表面的一氣體。在一些實施例中，該氣體包含氫及氯化氫之一混合物。在該預生長清潔步驟之後，該方法進行至一磊晶生長步驟，其中使一或多種含氯之化學氣體流入該腔室中。
該方法可進一步包含如下步驟：在將該晶圓置放到該磊晶生長腔室中之前，使用布襯墊且在30至600C的範圍內之一溫度，以二氧化矽或氧化鋁磨料對該基材進行拋光，以藉此將該晶圓的表面粗糙度減低至少於1nm。此外，在該晶圓之該拋光後，該方法可包含使用酸性溶液(pH少於4)清潔該晶圓之步驟，以移除顆粒及殘餘的金屬汙染。在該拋光步驟後，可在一超音波清洗機中清潔該晶圓，並以聚合物刷(使用聚乙烯醇(PVA)刷)擦洗。該清潔及擦洗步驟後可進行旋轉潤洗及乾燥。
在一些實施例中，用於磊晶生長的該晶圓係藉由將SiC結晶切片產生4H-SiC晶圓而獲得，以使所得的該晶圓表面係在自c軸遠離朝向<11-20>方向4度的一角度上。然後將該晶圓的邊緣倒角(chamfer)成22.5+/-0.1度之一角度。
由如下所提供有關例示性實施例的詳細說明將清楚顯露所揭示發明之其他特徵及優點。
31‧‧‧間隙
40‧‧‧反應室/容器/室
42‧‧‧經顆粒化的SiC或矽及碳材料/來源材料
46‧‧‧架子
48‧‧‧種晶/晶種
50‧‧‧氣體通道環/環/底部氣流環
53‧‧‧石墨扣件/扣件/分隔物/延伸部分/扣件環
54‧‧‧絕緣體
55‧‧‧蓋
59‧‧‧氣體通道/溝槽/氣流通道
61‧‧‧氣體收集器/同
70‧‧‧真空爐
72‧‧‧RF感應線圈
d‧‧‧內部直徑
V‧‧‧反應體積
ds‧‧‧內部直徑
併入並組成說明書一部分之隨附圖式例示本發明之實施例，且與說明一同用以解釋及描述本發明之原則。該等圖式係以圖解方式意圖繪示例示性實施例之主要特徵。該等圖式並非意圖描繪實際實施例的每一個特徵，亦非所描繪元件的相對尺寸，且非依實際比例描繪。
圖1繪示根據先前技術的反應室；圖2繪示用於本發明實施例之反應室。
在昇華系統中使用物理蒸氣傳輸使SiC結晶生長。在所述實施例中，使該結晶生長為具有獲得直徑至少150mm或200mm的晶圓之直徑。此外，設定條件以徹底降低壓力，藉此使生長結晶中的缺陷最小化。在生長程序期間，藉由適當地包括氮控制電阻率。
本文中所述方法的實施例提供優於先前方法的數種優點，以及用於種晶生長的裝置。大部分的先前技術之系統以接點物理性地連接(例如附著)上述晶種的背表面以及上述坩堝或反應室的頂部、或蓋。此種接點並不必要，且可能有害於結晶形成。藉由使晶種及室間的接點最小化，在生長中施加至結晶之壓力亦最小化，因此改良了所生長結晶之品質，此可由低結晶缺陷密度所證實。
在本文中所揭示的反應室之各種揭示組態於安裝程序期間將對種晶的損害或彎曲最小化，且由於種晶係機械性地自反應室解偶，反應室的種晶於生長期間可獨立地膨脹及收縮，，由此使壓力最小化。
現在參照圖2，繪示根據本發明一實施例的PVT反應室，其係經組態為用於SiC結晶生長。上述反應室40較佳的是由石墨容器所形成，具有石墨蓋55。上述室具有被稱為「d」的內部直徑，而反應體積被稱為V。上述反應體積係指蒸氣傳輸以落在晶種48上且結晶生長所用的體積。在上述室的上部提供架子46，其具有內部直徑，於圖2中被稱為「ds」，其稍小於晶種48的直徑。架子46可被作成連接至容器側壁之石墨環。或者，可與容器整合地製作架子46，例如上述容器可以架子形成作為容器40的內部側壁之整合部分。當然，架子的壁面不需要是垂直的，而可為傾斜的，在此情況下，於架子的來源側上直徑「ds」可具有比晶種側較大的值。
架子46係用於在其外圍邊緣支撐種晶48，而無任何物理性附著。甚至種晶48係簡單地置放在容器內，以停留在架子46上。在架子頂部的室之內部直徑係稍大於晶種直徑以容納晶種的平面(例如水平)熱膨脹。然後將石墨扣件53置放在晶種上而不與晶種接觸，以維持晶種上的自由空間，但使晶種在有界空間中垂直地自由移動。扣件53係經組態以防止晶種垂直移動到如下程度：晶種的背表面能與蓋55的表面接觸。在一些實施例中，扣件53係形成為蓋55的一部分。舉例而言，如標註中所繪示，扣件53可為對蓋55環擴張機器加工或整合製造。
選擇性地，在石墨容器扣件或分隔物53的底部提供氣體通道59。氣體通道的實例係表示於標註中，繪示提供在面對晶種及輔助氣體流動的表面上的溝槽59。可替代地，可在晶種上方、晶種下方或此兩處提供分離的氣體通道環。在圖1中，在晶種48下提供氣體通道環50，並將其用於把氣體導入蓋55及晶種48之間的間隙31中。氣體通道環50通常係平 墊片之形狀，在其面對晶種48側具有流動通道如通道59，即在圖1中所示的情況中，在環50的頂部表面上提供通道。根據環50的一變異體，在面對晶種的表面上且在環50的外部邊緣上提供通道或溝槽59。
在圖2的實例中，氣體透過蓋55中的氣體收集器61流出室40；然而，氣體收集器可為增加氣體在相對於徑向往室頂部外之方向上的傳導之任何幾何形狀或材料。一般而言，該配置係組態為由晶種48下產生氣流，環繞晶種邊緣並透過氣體通道環50進入間隙31，並且流出容器頂部，如圖1中的虛線所示。氣體通道配件及氣體收集器二者皆應由與SiC結晶生長中使用的程序溫度及化學品相容的材料來構造，例如石墨、鉬等。整體配置使晶種之垂直動作被約束，以在蓋與晶種的背表面之間維持間隙31。如此，晶種的背表面永遠不會接觸蓋，而避免了因此種接觸可能造成的壓力。又，此配置使得晶種能自由膨脹及收縮，而不會在加熱及冷卻時從室賦予晶種壓力。
如標註中所示，在特定實例中，蓋55係與延伸部分53整合地形成，延伸部分53作為扣件環53而發揮功能。氣流通道59係形成在延伸部分53的底部，以允許氣體流動。當將蓋55置放在容器頂部時，其在蓋55及晶種48之間形成間隙31。底部氣流環50允許氣體由晶種下方進入。又，存在用於使晶種48垂直移動(浮動或藉由氣流往上)的退縮空間，但其垂直動作係受限於延伸部分53之預定距離量，而使其背表面永遠不會接觸蓋的表面。又，在蓋55中提供洞61，以透過蓋55而由容器抽吸出氣體。
根據其中所生長的結晶尺寸組態反應室40。此反應室係設計為具有足夠的體積V來容納所生長結晶的體積，以及生長結晶所需之來 源材料的體積。來源材料可包含多晶矽碎片。根據如下進一步詳述之實例，已確認要獲得高品質結晶，反應室的內部體積應在最終結晶預期體積的六至十二倍之範圍內。即，直徑d及體積V係組態為使所得體積為反應室中所生長結晶體積的六至十二倍。更具體而言，反應室應具有在0.8至4.0範圍內之內部高度與內部直徑比率(h/d)。在其他實施例中，反應室的內部體積係設為8000至20000cm3，且在一些實施例中，反應室之內部直徑與內部高度比率係設為2至8。
對於功率元件製造採用4H-SiC需要在許多情況下在用於製造元件的處理設備中SiC基材能夠與矽基材並排而使用。因此，為了確保相容性，SiC基材不應造成在程序中設備的交叉汙染，且基材之尺寸應與現行使用矽晶圓之設備相容。
先前已揭示製造適用於CVD磊晶及元件製造的SiC晶圓之先前策略(Loboda等人，13/959,896)。以下為在本文中所揭示的特定實施例中所依循的步驟，其中，如上所述，特定地發展該等步驟，以產生與在矽元件工廠中之製造相容之SiC基材。首先使用多線切割程序將SiC結晶切片，以形成平均厚度在600至750um範圍中的切片。使用鑽石塗層槽輪對基材施加斜面，建立相對於晶圓表面在1及25度之間的傾斜角度。一般用於矽晶圓的傾斜角度係約22.5度，且在此實施例中亦將此值應用至SiC晶圓。使用鑽石磨料將基材厚度減低至在365至675um之範圍內的值，藉由固定磨料研磨及單一/雙側游離磨料拋光之組合以產生雙側經拋光的基材。為了產生用於光刻法而適當地平坦的基材，使用具有大型拋光桌的拋光設備批次地拋光晶圓。拋光機上的桌子一般係為至少直徑40吋之均等，並且 能夠拋光直徑大達200mm的基材批次。在該等實施例中，使用二板上之布襯墊及以鑽石為基礎的漿料進行拋光。SiC基材厚度的目標值係刻意地小於用於製造功率元件的典型矽晶圓(Si基材平均厚度大於625um)。這是為了確保SiC基材的電阻值分布不受限於功率元件的運作。最終的基材拋光係以於基材上建立機械及化學作用兩者的方法，以二氧化矽或氧化鋁磨料、布襯墊及30至60C範圍內的溫度進行。目標是降低表面粗糙度至低於1nm，以使晶圓適用於製造半導體元件所需的CVD磊晶程序。在一些實施例中，最終的拋光僅在欲用於磊晶膜之生長的晶圓側進行。
研磨及拋光SiC晶圓的程序有可能添加金屬汙染及/或微粒至表面。微粒將導致沉積在基材上的磊晶膜中的缺陷。藉由以布拋光襯墊及使用如銅或錫的軟金屬板的拋光機進行拋光而將金屬汙染最小化。在進行鑽石拋光後經由超音波清潔槽，並使用混合在去離子水中的低濃度(0.5至10%)腐蝕性界面活性劑(9<pH<12)來清潔基材之顆粒。該等步驟之後進行潤洗及旋轉乾燥程序。在最終拋光後，使用酸性溶液(pH<4)移除顆粒及殘餘的金屬汙染而清潔基材。在最終拋光後，使用超音波清洗及聚合物擦洗(scrub)(例如聚乙烯醇(PVA)刷)兩者來清潔基材表面，而後進行旋轉潤洗及乾燥。
一旦SiC基材經拋光，其必須經檢查以確認其表面沒有汙染及缺陷。使用所述方法來製造基材，對此方法所製備的基材之檢查顯露以下事項：
○藉由雷射光散射光譜儀、用於顆粒、擦痕(scratch)及其他表面不完美的非破壞性測試來檢查此基材。對上述SiC基材，此測試顯現少於或等於5000um的累積擦痕長度，且顆粒直徑大於0.5um的顆粒總 數少於或等於500。相同的測試可用在對基材表面上的微管進行計數。藉由對微管進行計數，並將計數依檢查區域進行劃分，發現微管的面密度少於或等於0.1/cm2。
○藉由TXRF檢查SiC基材表面，且表面上的總金屬濃度特徵在於：Na、Mg、Al、Ca、K、Mg原子的面密度總和少於或等於275E10/cm2，且P、Ni、Fe、Co、Cu、Mn原子的面密度總和少於或等於300E10/cm2。
○晶圓形狀經評價顯示小於5um的TTV與小於40um的翹曲。
使用所述方法在所製造的經拋光SiC基材上量測到的低等級的汙染物、擦痕及顆粒顯示出相比於在用於製造功率元件的矽基材上所量測到的更佳的值。此品質使在相同製造線中能在SiC與Si基材之間交換，同時將製造損失之風險最小化。雖然在5um至10000um之範圍內的累積擦痕長度亦可使用，較佳的累積擦痕長度係在5um至5000um的範圍內。顆粒數應保持在5至500個總顆粒，該等顆粒具有0.5um至10um之直徑範圍，對於更嚴格的程序要件，應觀察到具有0.5um至10um直徑範圍的5至250個總顆粒，而對於較為寬鬆的要件，應觀察到具有0.5um至10um直徑範圍的5至1000個總顆粒。此外，總厚度變化(TTV)係設在0.5um至5um的範圍內，而翹曲係設在1um至40um的範圍內。在特定實施例中，將翹曲限制在12至30um，以確保較平坦的晶圓及較高的元件產率。
為了確認結晶完全度與可靠的功率元件之製造一致，對所製造的SiC基材的限制取樣係藉由熔鹽(KOH)蝕刻進行破壞性的測試。一般而言，對所生長的每個結晶的一切片進行測試。熔鹽蝕刻程序將修飾穿透螺旋差排、基面差排以及微管。在基材上19個點進行差排的計數(每個點1mm2 之檢測面積)。螺旋差排的中位數面密度值等於或少於400/cm2，且基面差排的中位數面密度少於2600/cm2。在特定實施例中，基面差排之範圍設在1至800/cm2，且對於更嚴格的規格，基面差排之範圍係設在1至250/cm2。
一旦確認SiC基材無汙染，且與使用在製造程序中的基材相容，結晶SiC的膜必須藉由CVD磊晶程序而沉積在大直徑SiC基材上。此是在能夠批次處理許多基材的化學氣相沉積系統中進行。通常晶圓的矽面為沉積表面，但一些新興元件設計在碳面上使SiC磊晶生長。在沉積磊晶膜之前，將基材加熱至1400至1600C的範圍內之一溫度，而後暴露於會蝕刻基材表面的氣體。氫及氯化氫的混合物係用於蝕刻的有效氣體，且提供附加的優點，即，自所暴露的表面移除金屬及VI-A族的汙染。在一些實施例中，在SiC磊晶中所使用的一或多種化學氣體含有氯。發現當將氯物種使用於生長反應時，在金屬汙染等級中存在附加的優點，即，在所生長的膜之頂部表面的金屬汙染等級將低於或低至在啟動生長前經拋光的基材表面的等級。因此，在所揭示的實施例中，晶圓表面的污染等級於啟動生長程序前被嚴格控制。此外，根據本發明的實施例，在沉積程序中或之前，使用沉積腔室中的氯氣流自SiC晶圓表面移除金屬汙染物。發現藉由使用氯氣流，在所沉積的磊晶層中所得的任何金屬汙染低於SiC晶圓中的金屬汙染。
一旦完成磊晶程序，藉由使用超音波浴而後進行潤洗及旋轉乾燥，清潔晶圓以移除未固定的顆粒。在沉積的磊晶膜較厚(10至100+um)的一些應用中，晶圓的背側可變得較粗糙。為了使晶圓的背側回到磊晶前情況，利用在基材上建立機械及化學作用兩者的方法，以二氧化矽或氧化 鋁磨料、布襯墊、及30至600C之範圍內的一溫度完成基材的研磨。在此拋光後，使用酸性溶液(pH<4)移除顆粒及殘餘的金屬汙染而清潔基材。可使用超音波清洗及聚合物擦洗(例如聚乙烯醇(PVA)刷)之一或兩者來進行清潔，而後進行旋轉潤洗及乾燥手續。
當設計磊晶膜結構以建構電晶體或二極體時，通常沉積最少兩層膜，第一層具有與基材類似的摻雜物種類，濃度及電阻率，而第二層具有相同種類但濃度較低的摻雜物，導致比基材更高的電阻率。亦可添加摻雜有供體或受體原子的額外的膜。在一實例中，為了製造MOSFET而需要兩層膜，第一層具有與基材類似的電阻率，而第二層具有比基材更高得多的電阻率。
當完成磊晶程序後，清潔上述基材以移除在磊晶生長或處理期間可能已轉移至基材的顆粒。該磊晶程序非常清潔，且對基材表面不會帶來額外的金屬汙染。在取樣的基礎上進行類似於經拋光晶圓的測試方法，以確認金屬汙染物的濃度、擦痕、顆粒等於或少於在經拋光晶圓上所需或所達成者。
為了確認磊晶膜層的結晶完全度與可靠的功率元件之製造一致，對所製造的SiC晶圓的限制取樣係藉由熔鹽(KOH)蝕刻進行破壞性的測試。熔鹽蝕刻程序將修飾穿透螺旋差排、基面差排以及微管。在基材上19個點進行差排的計數(每個點1mm2之檢測面積)。螺旋差排的中位數面密度值係等於或少於300/cm2。在一些實施例中，螺旋差排的中位數面密度值係在0/cm2至400/cm2之範圍內，且在其他實施例中螺旋差排的中位數面密度係在1/cm2至200/cm2之範圍內。在晶圓上19個部位的任意者上，基面 差排的中位數面密度係少於或等於1/cm2。
隨著可被用於在使用矽基材之製造線中製造功率元件的SiC基材的到來，次一步驟係將SiC基材的直徑延伸到超過149mm至大於200mm的值，以改良元件製造程序的製造經濟。所述製造SiC結晶及基材的方法可延伸至具有直徑大達202mm之基材。
實例1
結晶係生長在類似於在圖2中所示的反應室中，且上述反應室之內部體積為反應室中所生長的結晶體積的六到十二倍。在此態樣，注意到在一些實施例中，當結晶體積達到反應室內部體積的十二分之一至六分之一時，停止昇華結晶生長程序。在其他實施例中，當結晶達到反應室內部體積的三分之一時，停止昇華結晶生長程序。
將該等結晶切片以產生4H-SiC基材，以使所得的表面係在自c軸遠離朝向<11-20>方向4度的角度上。使用有溝槽的鑽石研磨輪將該等基材的邊緣倒角成22.5+/-0.1度之角度。在邊緣倒角程序後，晶圓直徑規格係150+/-0.4mm。然後藉由表面研磨及拋光對晶圓兩側進行處理，達到<1nm的RMS表面粗糙度。下表以在矽面或碳面上進行測試之實例，呈現對於數個直徑150mm基材的金屬汙染之總X光螢光(TXRF)量測。TXRF量測係在晶圓上的矽面(0001)上三個位置(半徑=0，於120度半徑=3.75mm，於300度半徑=3.75mm)進行。各元件的最小可偵側濃度如下所示：
Figure 104124497-A0202-12-0024-1
汙染金屬組的最大值及最小值濃度表列於下。
矽面金屬汙染物
Figure 104124497-A0202-12-0025-2
Figure 104124497-A0202-12-0026-3
碳面金屬汙染物
Figure 104124497-A0202-12-0026-5
Figure 104124497-A0202-12-0027-6
實例2
晶圓形狀及電阻率
結晶係生長在類似於在圖2中所示的反應室中，且上述反應室之內部體積為反應室中所生長的結晶體積的六到十二倍。將該等結晶切片以產生4H-SiC基材，以使所得的表面係在自c軸遠離朝向<11-20>方向4度之角度上。使用有溝槽的鑽石研磨輪將該等基材的邊緣倒角成22.5+/-0.1度之角度。在邊緣倒角程序後，晶圓直徑規格係150+/-0.4mm。然後藉由表面研磨及拋光對晶圓兩側進行處理，達到<1nm的RMS表面粗糙度。原本的結晶尺寸、經拋光的晶圓直徑、經拋光的晶圓厚度、經拋光的晶圓形狀度量值及電阻率值表列如下。
Figure 104124497-A0202-12-0027-7
實例3：
結晶係生長在類似於在圖2中所示的反應室中，且上述反應 室之內部體積為反應室中所生長的結晶體積的六到十二倍。將該等結晶切片以產生4H-SiC基材，以使所得的表面係在自c軸遠離朝向<11-20>方向4度之角度上。使用有溝槽的鑽石研磨輪將該等基材的邊緣倒角成22.5+/-0.1度之角度。在邊緣倒角程序後，晶圓直徑規格係150+/-0.4mm。使用光散射光譜儀評估矽面上的擦痕及顆粒(排除2mm邊緣)。所測量的原結晶直徑、所研磨的晶圓厚度、晶圓擦痕及顆粒表列如下。
Figure 104124497-A0202-12-0028-8
實例4：
結晶缺陷
結晶係生長在類似於在圖2中所示的反應室中，且上述反應室之內部體積為反應室中所生長的結晶體積的六到十二倍。將四種不同的結晶切片以製造4H-SiC基材，其處理為150mm直徑的經研磨基材。然後在熔化的KOH中蝕刻各基材，以顯露差排。於平均分布在基材上且位在19個位置的1×1mm部位對螺旋差排(TSD)及基面差排(BPD)的數目進行計數。結果總結如下：
Figure 104124497-A0202-12-0029-9
Figure 104124497-A0202-12-0030-10
統計資料如下所示：
基面差排面密度(cm-2)
Figure 104124497-A0202-12-0031-11
螺旋差排面密度(cm-2)
Figure 104124497-A0202-12-0031-12
實例5.磊晶圓結晶缺陷
切割4H-SiC基材並處理為直徑150mm的經拋光基材。使用批次暖壁(warm wall)CVD系統將具有目標厚度15um及目標摻雜6E15/cm3的磊晶膜沉積在晶圓上。在熔化的KOH中蝕刻各基材，以顯露差排。於位在平均分布在基材上之19個位置的1×1mm部位對螺旋及基面差排的數目進行計數。結果總結如下：
Figure 104124497-A0202-12-0032-13
實例6：磊晶圓金屬汙染
下表以在矽面或碳面上進行的測試實例，呈現對於數個直徑150mm基材的金屬汙染之總X光螢光(TXRF)量測。TXRF量測係在晶圓上的三個位置進行(半徑=0，於120度半徑=3.75mm，於300度半徑=3.75mm)。汙染金屬組的最大值及最小值濃度表列於下。
切割4H-SiC基材並處理為直徑150mm的經拋光基材。使用批次暖壁CVD系統將具有目標厚度5um及目標摻雜1.5至2.0E15/cm3的 磊晶膜沉積在晶圓上。TXRF量測係在矽面上進行。
Figure 104124497-A0202-12-0033-14
切割4H-SiC基材並處理為直徑150mm的經拋光基材。使用批次暖壁CVD系統將具有目標厚度15um及目標摻雜3.6E15/cm3的磊晶膜沉積在晶圓上。TXRF量測係在矽與碳面上進行。
Figure 104124497-A0202-12-0034-15
應理解的是，本文中所述的程序及技術並非固有地與任何特定裝置有關，且可藉由任何適當的組件組合來實施。進而，可根據本文中所述之教示使用不同類型的通用元件。其亦可證明建構特殊裝置以進行本文中所述方法步驟之優點。已參照特定實例敘述本發明，在任何方面其意為說明性而不是限制性的。所屬技術領域中具通常知識者將理解許多不同的功能性元件組合會適用於實施本發明。進而，考慮本文中所揭示發明的說明書及實務，其他本發明的實施態樣對所屬技術領域中具通常知識者來 說是明顯的。所述實施例之各種態樣及/或組件可單獨或任意組合而用在相關領域中。說明書及實例係意欲僅作為例示性，本發明真正的範圍和精神係由如下請求項所示。
31‧‧‧間隙
40‧‧‧反應室/容器/室
42‧‧‧經顆粒化的SiC或矽及碳材料/來源材料
46‧‧‧架子
48‧‧‧種晶/晶種
50‧‧‧氣體通道環/環/底部氣流環
53‧‧‧石墨扣件/扣件/分隔物/延伸部分/扣件環
54‧‧‧絕緣體
55‧‧‧蓋
59‧‧‧氣體通道/溝槽/氣流通道
61‧‧‧氣體收集器/洞
70‧‧‧真空爐
72‧‧‧RF感應線圈
d‧‧‧內部直徑
V‧‧‧反應體積
ds‧‧‧內部直徑

Claims (15)

  1. 一種用於製造SiC結晶至一生長體積的方法，其包含：i.將包含矽碎片的一混合物導入一反應室中，該反應室係由石墨製成，且具有係該SiC結晶之該生長體積的六至十二倍範圍內之內部體積的圓柱狀內部；ii.將一碳化矽種晶(seed crystal)置放在該反應室中與該反應室之一蓋相鄰；iii.使用該蓋將該圓柱狀反應室密封；iv.以石墨絕緣體圍繞該反應室；v.將該圓柱狀反應室導入一真空爐中；vi.將該真空爐排空；vii.以包含惰性氣體的一氣體混合物填充該真空爐至接近大氣壓力的一壓力；viii.將該真空爐中的該圓柱狀反應室加熱到1975℃至2500℃之範圍內的一溫度；ix.將該真空爐中的壓力降低至從0.05torr到少於50torr；x.將氮氣體來源導入該真空爐中；以及xi.使矽及碳物種昇華並且使蒸氣凝結在該晶種(seed)上並且當該SiC結晶的該生長體積達到該反應室內部體積的十二分之一至六分之一並且該SiC結晶足夠大以產生10個或更多基板時，停止昇華。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該圓柱狀石墨反應室具有4000cm3至16000cm3的一體積。
  3. 如請求項2之方法，其中該圓柱狀石墨反應室具有0.8至4.0範圍內的內高度與內直徑的一比率。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含：沿一方向切割該結晶，以使所得的晶圓具有自c軸遠離朝向<11-20>方向斜置3.5至4.4度之表面；對各晶圓進行研磨及拋光，藉此將各晶圓之厚度降低至365mm至675mm範圍內的一平均厚度；對各晶圓的周圍邊緣進行研磨以建立一傾斜邊緣；且其中，對各晶圓進行研磨及拋光以產生在0.5um至5um的範圍內的一總厚度變化，以及在1um至40um範圍內的翹曲。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其進一步包含清潔該等晶圓以在該基材的一C面或一Si面之任一者上提供藉由TXRF所量測的表面金屬汙染等級，該表面金屬汙染等級作為Na、Mg、Al、Ca、K、Mg的面密度總和係25E10/cm2至250E10/cm2，且作為P、Ni、Fe、Co、Cu、Mn原子的面密度總和係10E10/cm2至150E10/cm2。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中清潔該等晶圓包含將該等晶圓浸在具有低濃度腐蝕性界面活性劑之超音波清潔槽中，該等腐蝕性界面活性劑具有大於9至小於12的一pH且在去離子水中混合。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該腐蝕性界面活性劑之該濃度係從0.5至10%。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其進一步包含進行潤洗以及旋轉乾燥程序。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包含在拋光之後使用pH小於4的酸性溶液來清潔該等基材，以移除顆粒及剩餘的金屬汙染。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其進一步包含使用聚乙烯醇刷擦洗(scrub)該等晶圓。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該基材中結晶差排的中位數面密度係在1/cm2以及2600/cm2之間。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中在各晶圓的製造表面上所量測的累積擦痕長度係在5um至5000um之範圍內。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中在各晶圓中的一顆粒數係在5至500個總顆粒，各顆粒具有0.5um至10um的一直徑範圍。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其進一步包含將該基材裝載至磊晶沉積腔室中，藉由將該等基材加熱至一升高溫度來清潔該等基材，並且將氫及氯化氫之一氣體混合物流入該磊晶沉積腔室中，且在該等晶圓上沉積SiC之磊晶層。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該等磊晶層係使用一氣體混合物沉積在該等基材上，該氣體混合物包括至少一種具有氯原子之氣體。
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