[發(fā)明專利]水平生長高質(zhì)量半導(dǎo)體單晶的系統(tǒng)及該單晶的制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010419654.3
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN112176405B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 歐文·施密特;邁克爾·沃格爾
• 申請（專利權(quán)）人: 硅晶體有限公司
• 主分類號: C30B23/00
• 分類號: C30B23/00;C30B23/06;C30B29/36
• 代理公司: 北京同達(dá)信恒知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11291
• 代理人: 黃志華;何月華

本發(fā)明涉及一種水平生長高質(zhì)量半導(dǎo)體單晶的系統(tǒng)及該單晶的制造方法。具體地，本發(fā)明涉及一種用于通過物理氣相傳輸(PVT)使用水平取向的PVT生長結(jié)構(gòu)制造一個或多個半導(dǎo)體單晶的系統(tǒng)及方法。更具體地，本發(fā)明提供一種用于制造半導(dǎo)體材料的一個或多個單晶的PVT生長系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有用于容納PVT生長結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔，該P(yáng)VT生長結(jié)構(gòu)用于在內(nèi)部生長該一個或多個單晶，其中，該反應(yīng)器用于在相對于重力方向的一取向上容納該P(yáng)VT生長結(jié)構(gòu)，使得該P(yáng)VT生長結(jié)構(gòu)內(nèi)部的該一個或多個單晶的生長方向是基本上水平的或者在小于預(yù)定值的水平角度內(nèi)。所制造的一個或多個單晶可以是由諸如碳化硅(例如4H?SiC)和III?V族半導(dǎo)體的半導(dǎo)體材料制成。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于生長高質(zhì)量塊狀半導(dǎo)體單晶的系統(tǒng)和方法，更具體地，涉及基于物理氣相傳輸在相對于重力方向的水平方向上水平生長半導(dǎo)體單晶(諸如碳化硅)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

碳化硅(Silicon Carbide，SiC)被廣泛用作大量應(yīng)用(諸如電力電子、射頻和發(fā)光半導(dǎo)體部件)中的電子部件的半導(dǎo)體襯底材料。

通常使用物理氣相傳輸(Physical Vapor Transport，PVT)方法生長塊狀SiC單晶梨晶，特別是用于商業(yè)目的。然后通過從塊狀SiC晶體(例如使用線鋸)切割薄片或晶圓并通過一系列拋光步驟精加工襯底表面來從單晶梨晶產(chǎn)生SiC襯底。精加工的SiC襯底用于例如在外延過程中的半導(dǎo)體部件的制造，在外延過程中將合適的半導(dǎo)體材料(例如SiC、GaN)的薄單晶層沉積到SiC襯底上。沉積的單晶層及從其制造的電子部件的特性關(guān)鍵取決于底層襯底的質(zhì)量和同質(zhì)性。為此，SiC出色的物理、化學(xué)、電學(xué)和光學(xué)特性使其成為電力設(shè)備應(yīng)用中的優(yōu)選半導(dǎo)體襯底材料。

PVT是一種晶體生長方法，該方法主要包括將合適的原材料升華，然后在籽晶處再冷凝，在籽晶處發(fā)生單晶的形成。將原材料和籽晶放置在生長結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在生長結(jié)構(gòu)中通過加熱升華原材料。然后，由于在原材料和籽晶之間建立了溫度梯度，升華后的蒸汽以受控的方式朝向籽晶擴(kuò)散并沉積到籽晶上，在該籽晶處，升華后的蒸汽生長成為單晶。

基于PVT的生長系統(tǒng)的核心是所謂的反應(yīng)器，該反應(yīng)器提供了腔室，在該腔室中，放置生長結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生適于生長單晶的低壓氣氛。生長結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁通常由密度例如為至少1.75g/cm³的多孔石墨制成，呈氣態(tài)的摻雜組分或惰性氣體可以借助多孔性通過該多孔石墨滲透到生長隔室中。用于在PVT生長結(jié)構(gòu)內(nèi)部升華原材料的熱通常由感應(yīng)加熱系統(tǒng)或電阻加熱系統(tǒng)提供。生長結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度通過安裝在生長結(jié)構(gòu)前緣附近的一個或多個高溫計或熱電偶來測量。真空密封的反應(yīng)器通過一個或多個真空泵抽成真空，并通過一個或多個氣體進(jìn)料部供應(yīng)惰性氣體或摻雜氣體，以產(chǎn)生受控氣體(氣體混合物氣氛)。所有的過程參數(shù)(壓力、溫度、氣流等)均可通過計算機(jī)操作的系統(tǒng)控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制和存儲，該系統(tǒng)控制器與所有相關(guān)部件(例如逆變器、高溫計、真空控制閥、MFC和壓力計，如下面將參照圖3更詳細(xì)描述的相關(guān)部件)進(jìn)行通信。

在感應(yīng)加熱的PVT系統(tǒng)的情況下，反應(yīng)器通常包括一個或多個玻璃管，該一個或多個玻璃管可選地用水冷卻并且在兩端設(shè)置有凸緣以使反應(yīng)器的內(nèi)部與大氣隔絕。在專利US8,865,324B2中描述了這類感應(yīng)加熱的PVT系統(tǒng)的示例。加熱感應(yīng)線圈安裝在反應(yīng)器外部，并且通常被“法拉第籠(Faraday cage)”包圍，該“法拉第籠”提供了對電磁輻射的屏蔽。在常規(guī)的電阻加熱的PVT系統(tǒng)中，加熱電阻元件安裝在反應(yīng)器內(nèi)部。如果反應(yīng)器是由金屬制成的，則該反應(yīng)器可以用水或空氣冷卻。在公開的專利申請US 2016/0138185和US 2017/0321345中描述了電阻加熱的PVT系統(tǒng)的示例。