[發(fā)明專(zhuān)利]SiC單晶的升華生長(zhǎng)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201080051456.0
• 申請(qǐng)日: 2010-09-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102596804A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 阿維納什·K·古普塔;伊利婭·茨維巴克;愛(ài)德華·西門(mén)納斯;瓦拉塔拉詹·倫加拉詹;馬庫(kù)斯·L·蓋特金
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: II-VI有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): C01B31/36
• 分類(lèi)號(hào): C01B31/36;B01D9/00
• 代理公司: 北京天昊聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11112
• 代理人: 丁業(yè)平;金小芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及SiC單晶的物理氣相傳輸生長(zhǎng)。

背景技術(shù)

4H和6H多型碳化硅的晶片被用作晶格匹配襯底，以使SiC和GaN的取向附生層生長(zhǎng)，這些取向附生層被用于制造電力和RF應(yīng)用的SiC基半導(dǎo)體設(shè)備和GaN基半導(dǎo)體設(shè)備。

通過(guò)被普遍稱(chēng)為物理氣相傳輸（PVT）的升華技術(shù)來(lái)以工業(yè)規(guī)模生長(zhǎng)SiC單晶。PVT生長(zhǎng)通常在石墨坩堝中進(jìn)行，該石墨坩堝裝有通常放在坩堝底端的固體SiC升華源材料，以及通常放在坩堝頂端的SiC單晶種。升華源材料通常為獨(dú)立合成的多晶SiC顆粒。將裝載好的坩堝放于爐中，并加熱至生長(zhǎng)溫度，該生長(zhǎng)溫度通常介于2000℃與2400℃之間。在生長(zhǎng)期間，一般保持源材料的溫度比籽晶的溫度高約10℃至200℃。

達(dá)到合適的高溫時(shí)，升華源蒸發(fā)，并且諸如Si、Si₂C和/或SiC₂等蒸氣種類(lèi)填充坩堝內(nèi)部。升華源和籽晶之間的溫差迫使蒸氣種類(lèi)遷移，并在籽晶上凝結(jié)從而使SiC單晶在籽晶上生長(zhǎng)。為了控制生長(zhǎng)速率以利于獲得良好的晶體質(zhì)量，在惰性氣體低壓下（通常為1托至100托）進(jìn)行PVT生長(zhǎng)。

通常，使用這種基礎(chǔ)PVT構(gòu)造生長(zhǎng)的SiC晶體具有結(jié)構(gòu)缺陷，如夾雜、微管和位錯(cuò)。通常認(rèn)為，夾雜有碳、硅和異源多型物是由氣相化學(xué)計(jì)量比的偏差造成的，其通常以Si:C原子比表示。眾所周知，SiC是以在蒸氣中Si:C的原子比大于1這樣的方式不均衡升華的。根據(jù)SiC源的條件（如顆粒結(jié)構(gòu)和尺寸、多型組成、化學(xué)計(jì)量比、溫度等），在升華源材料上方的蒸氣中的Si:C比可高達(dá)1.5或更高。如果蒸氣中的Si:C比過(guò)高，在處于生長(zhǎng)之中的SiC晶體中就會(huì)形成硅夾雜物。反之，如果蒸氣中的Si:C比過(guò)低，在處于生長(zhǎng)之中的SiC晶體中就會(huì)形成碳夾雜物。

還據(jù)信，六角4H和6H多型SiC單晶的穩(wěn)定生長(zhǎng)需要使用富含碳的氣相，而異源多型夾雜物（如15R）是由氣相化學(xué)計(jì)量比的偏差造成的。

當(dāng)SiC升華源材料含有金屬雜質(zhì)時(shí)，長(zhǎng)成的碳化硅單晶中就會(huì)存在金屬碳化物的夾雜物。

PVT長(zhǎng)成的SiC單晶中的夾雜物導(dǎo)致局部應(yīng)力，其通過(guò)位錯(cuò)和微管的生成、倍增和移動(dòng)而減輕。當(dāng)SiC單晶晶片被用作GaN或SiC取向附生的襯底時(shí)，襯底上存在有夾雜物、微管和位錯(cuò)對(duì)取向附生層的質(zhì)量和在所述取向附生層上形成的半導(dǎo)體設(shè)備的性能是有害的。

自PVT生長(zhǎng)技術(shù)初始，已開(kāi)發(fā)了眾多工藝改進(jìn)來(lái)提高長(zhǎng)成的晶體質(zhì)量和降低缺陷密度。

例如，Hunter的美國(guó)專(zhuān)利No.5,858,086（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“‘086專(zhuān)利”）披露了通過(guò)升華使AlN（氮化鋁）晶體生長(zhǎng)的系統(tǒng)。圖1示出了在‘086Hunter專(zhuān)利中披露的系統(tǒng)的示意圖，其中蒸氣2從AlN源材料4進(jìn)入空間6（空間6位于AlN籽晶8之前），并且在籽晶8上沉積，從而使AlN晶體10生長(zhǎng)。隨著AlN晶體10進(jìn)行生長(zhǎng)，圍繞在生長(zhǎng)之中的AIN晶體10周?chē)恼魵?變得遲緩、被污染并逐漸不適于高質(zhì)量AlN晶體10的生長(zhǎng)。為了避免這一缺陷，在AlN籽晶8和AlN晶體10要生長(zhǎng)的所在空間周?chē)胖么┛鬃韪艏?2。如圖1所示，阻隔件12向AlN源4延伸。生長(zhǎng)坩鍋14中環(huán)繞阻隔件12的那部分被構(gòu)造成與阻隔件12一起限定間隙16，間隙16能夠使蒸氣2的一部分如箭頭18所示通過(guò)穿孔阻隔件12，從而使該部分蒸氣通過(guò)一個(gè)或多個(gè)通氣孔19從生長(zhǎng)坩堝14的內(nèi)部逸出至生長(zhǎng)坩堝14外部的空間。

Balakrishna等的美國(guó)專(zhuān)利No.5,985,024披露了一種用于高純度SiC單晶生長(zhǎng)的系統(tǒng)。圖2示出了在Balakrishna等的專(zhuān)利中披露的系統(tǒng)的示意圖，其中來(lái)自升華源材料22的硅蒸氣20向SiC籽晶24上升，其中硅蒸氣20與由外源提供的含碳?xì)怏w26混合。由含Si蒸氣和含C蒸氣之間的反應(yīng)而產(chǎn)生SiC蒸氣28到達(dá)SiC籽晶24，并在其上沉積，使SiC晶體30在SiC籽晶24上生長(zhǎng)。用過(guò)的SiC蒸氣28、氣體和氣態(tài)雜質(zhì)經(jīng)由介于SiC晶體30與保護(hù)性襯里36（理想地由高純度碳化硅或碳化鉭制成）之間的間隙34以及位于生長(zhǎng)坩堝32頂部的一個(gè)或多個(gè)孔或通氣口38，從生長(zhǎng)坩鍋32的內(nèi)部逸出至生長(zhǎng)坩鍋32外部的空間。