[發(fā)明專利]高晶體質(zhì)量的SiC單晶晶錠及其形成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410314769.0
• 申請日: 2009-12-08
• 公開（公告）號: CN104120489A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 瓦拉塔拉詹·倫加拉詹;伊利婭·茨維巴克;邁克爾·C·諾蘭;布賴恩·K·布魯哈德
• 申請（專利權(quán)）人: II-VI有限公司
• 主分類號: C30B15/14
• 分類號: C30B15/14;C30B15/10;C30B29/06
• 代理公司: 北京天昊聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11112
• 代理人: 顧紅霞;何勝勇

本申請是2009年12月8日提交、發(fā)明名稱為“改進(jìn)的軸向梯度傳輸(AGT)生長工藝和利用電阻加熱的裝置”、申請?zhí)枮?00980149325.3(國際申請?zhí)枮镻CT/US2009/067112)的發(fā)明專利申請的分案申請。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及通過升華來生長工業(yè)規(guī)模的SiC單晶體，更具體而言，涉及通過軸向梯度傳輸(AGT)的技術(shù)來進(jìn)行這種生長。

背景技術(shù)

六角形4H和6H多型的碳化硅(SiC)晶片用作晶格匹配基底來生長用于制造運(yùn)用在電力電子和微波電子應(yīng)用中的SiC基和GaN基半導(dǎo)體器件的SiC和GaN外延層。

通常，利用物理氣相傳輸(PCT)技術(shù)通過升華來生長大型SiC單晶體。圖1示出了普通PVT布置的示意圖。PVT生長在通常由石墨制成的豎向坩堝11中進(jìn)行。升華源材料13設(shè)置在坩堝底部，同時(shí)生長晶體(或晶錠)15在位于坩堝頂部且例如附接在坩堝蓋12的內(nèi)部的籽晶14上生長。最常見地，將具有單RF(射頻)線圈的感應(yīng)加熱系統(tǒng)運(yùn)用于PVT生長。該加熱系統(tǒng)的布置如圖1所示，其包括與生長坩堝11同軸布置的圓筒形RF線圈19。

通常在2000℃至2400℃之間的溫度中進(jìn)行PVT生長。為了控制蒸汽傳輸速率，PVT生長在惰性氣體(如，氦和/或氬)的低氣壓(通常在1Torr至100Torr之間)下進(jìn)行。

在這樣的溫度和氣壓下，源材料13蒸發(fā)并揮發(fā)的分子物質(zhì)，諸如Si、Si₂C和SiC₂充滿坩堝11的內(nèi)部。生長晶體15在籽晶14上生長期間，源材料13的溫度保持為比籽晶14的溫度典型地高10℃至200℃。此溫差迫使蒸汽移向并且凝結(jié)在籽晶14上，從而促使生長晶體15生長。

PVT生成的SiC晶體的質(zhì)量取決于生長條件，諸如坩堝11內(nèi)生長晶體15進(jìn)行生長的上部中徑向溫度梯度的正負(fù)號和數(shù)值。生長晶體15中的強(qiáng)大的溫度梯度，尤其是徑向溫度梯度，產(chǎn)生熱彈性應(yīng)力，并導(dǎo)致生長晶體15中產(chǎn)生缺陷和裂紋。

在SiC升華生長技術(shù)中已知，晶體生長界面緊隨晶體及其附近的等溫線形狀。正徑向梯度(生長坩堝的內(nèi)部溫度從坩堝軸線朝著坩堝壁沿徑向增加)產(chǎn)生凸形(朝向源材料13)生長界面。負(fù)徑向梯度(溫度從坩堝軸線朝著坩堝壁沿徑向降低)產(chǎn)生凹形(朝向源材料13)生長界面。零徑向梯度(溫度從坩堝軸線朝著坩堝壁沿徑向不變)產(chǎn)生平面生長界面。

彎曲的(凸形或凹形)生長界面會導(dǎo)致生長界面上出現(xiàn)粗糙的大臺階，從而導(dǎo)致多型不穩(wěn)定性并產(chǎn)生缺陷。因此，普遍認(rèn)為，平面生長界面最宜于生長高質(zhì)量晶體，諸如生長晶體15。

通常，如圖1所示的傳統(tǒng)PVT加熱系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)在坩堝11中產(chǎn)生具有難于控制的強(qiáng)徑向溫度梯度的軸對稱熱場。

圖1所示的單RF線圈PVT加熱系統(tǒng)的另一個(gè)問題是，難于按比例擴(kuò)大以適應(yīng)更大直徑晶體的生長。隨著坩堝直徑和線圈直徑的增加，徑向梯度變得更陡，而線圈與坩堝之間的電磁耦合變得更弱。

美國專利No.6,800,136(下文中簡稱“'136專利”)披露了一種被稱為軸向梯度傳輸(AGT)的PVT升華生長技術(shù)，該技術(shù)目的在于減小不適宜的徑向溫度梯度。圖2中示出了'136專利中的AGT生長幾何結(jié)構(gòu)的概念圖。

AGT技術(shù)使用兩個(gè)獨(dú)立的平板加熱器，即源加熱器和晶錠加熱器。這些加熱器可以為感應(yīng)式或電阻式。加熱器與坩堝同軸布置，其中源加熱器布置在源材料下方，而晶錠加熱器布置在生長晶體上方。

AGT技術(shù)包括降低徑向熱流(期望降至0)的裝置。該裝置包括圍繞AGT生長室布置的圓筒形熱絕緣件和額外的加熱器。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整圓筒形熱絕緣件與該加熱器的組合可以將徑向熱損失降至0。據(jù)說，圖2所示的AGT幾何結(jié)構(gòu)確實(shí)使軸向熱流產(chǎn)生大致為0的徑向梯度。

'136專利中詳細(xì)描述了使用感應(yīng)加熱系統(tǒng)的AGT裝置，該專利通過引用并入本文。圖3示出了該感應(yīng)加熱式AGT的布置。其采用兩個(gè)平板式RF線圈，即頂部線圈30a和底部線圈30b。圓筒形坩堝31包括源材料32和生長著生長晶體35的籽晶33，并且圓筒形坩堝31布置在這些線圈之間，以將坩堝的頂部和底部用作平板式RF感受器。箭頭34表示生長坩堝中蒸汽沿著從源至晶體的方向傳輸。