[发明专利]用于形成具有空间均匀性掺杂杂质的SiC晶体的方法和系统

说明书

背景技术

本申请要求2005年4月19日提交的美国临时专利申请No.60/672,945的优先权，该美国临时专利申请以引用方式并入本文。

碳化硅(SiC)的独特电学性能使得其成为用于可在高频率、高电压和高电流密度下以及在苛刻条件下操作的最新型的半导体设备中的非常理想的材料。在许多此类的设备中，碳化硅被用作衬底，在该衬底上利用取向附生、光刻法和金属喷镀来形成半导体设备结构。取决于设备设计，衬底必须具有特定的电学参数，例如导电类型和电阻率。在高微波频率(RF设备)条件下工作的设备需要具有非常高的电阻率的半绝缘(SI)衬底，而对于诸如高功率转换设备之类的其它设备而言，则需要低电阻率的n型衬底和低电阻率的p型衬底。

目前，通过被称为物理气相传输(PVT)的升华技术来以工业规模生长SiC单晶。图1示出典型的现有技术PVT装置的示意图。在PVT中，碳化硅的多晶颗粒(SiC源)1被装在生长容器2的底部，而SiC籽晶4被附着在生长容器2的顶部。理想的是，生长容器2由不与SiC或任何被加入到SiC中的掺杂剂(将在下文中讨论)发生反应的材料(例如石墨)制成。将已装载的生长容器2抽真空，用惰性气体充至一定的、所需的压力，并通过至少一个加热元件3(例如RF线圈)加热至(例如)1900℃至2400℃的生长温度。以能够产生垂直温度梯度的方式来加热生长容器2，从而使得SiC源1的温度高于SiC籽晶4的温度。在高温条件下，SiC源1中的碳化硅升华，从而一系列的挥发性分子物质被释放到气相中。这些气态物质中的绝大部分是Si、Si₂C和SiC₂。受到温度梯度的驱动，它们被传输到SiC籽晶4上并在其上凝结，从而使得SiC单晶5在SiC籽晶4上生长。该领域的现有技术的专利包括(例如)美国专利No.6,805,745、5,683,507、5,611,955、5,667,587、5,746,827和Re.34,861，它们全部都以引用方式并入本文。

半导体材料技术领域的技术人员知道：在没有使用被称为掺杂的方法有意地引入某些杂质的条件下，是不可能生产出具有所需电学性能的SiC衬底的。在碳化硅中，化学键格外强并且杂质的固态扩散非常慢，以致于只有在晶体生长阶段(即当掺杂元素(掺杂剂)直接进入处于生长状态的SiC晶体5的晶格中时)才可完成本体掺杂。

作为在生长过程中对SiC进行掺杂的具体例子，通过将少量氮气(N₂)加入生长容器2的气氛中来生长出n型SiC晶体。通过在生长过程中保持适当的N₂分压，可容易地生长出具有非常均匀的电学性能的氮掺杂的SiC单晶。

除了氮掺杂的SiC晶体外，在其它类型的SiC晶体(包括半绝缘SiC晶体、p型SiC晶体和磷掺杂的n型SiC晶体)中获得均匀的电学性能要困难得多，这是由于所掺杂的化合物不是气态的而是固态的。钒是一种特别重要的掺杂剂，其被用于生产高电阻率的半绝缘SiC晶体。铝是另一种重要的掺杂剂，其用于生长p型导电晶体。其它固态掺杂剂包括硼、磷、重金属和稀土元素。

使用固态掺杂剂对SiC晶体进行掺杂的现有技术是通过将少量杂质直接混入SiC源1中来进行的。例如，钒可以以单质钒、碳化钒或硅化钒的形式被引入。铝可以以单质形式、碳化铝或硅化铝的形式被引入。其它合适的固体掺杂剂(例如硼或磷)可以以单质、碳化物或硅化物的形式被类似地引入。掺杂用化合物可以为粉末、块或碎片的物理形式。

在SiC晶体5的升华生长期间，在SiC源1和被直接混合在SiC源中的掺杂剂之间发生了多步化学反应。这些反应要经历多个阶段，从而导致多种中间化合物的形成。在进行钒掺杂的情况下，热力学分析表明SiC和钒掺杂剂(无论是单质、碳化物或硅化物)间的反应产物取决于SiC的化学计量比。换言之，当SiC源1为富含Si的、并且其组成对应于SiC和Si之间的两相平衡时，可能形成硅化钒(VSi₂)。当SiC源1为富含C的、并且其组成对应于SiC和C之间的两相平衡时，可能形成碳化钒(VC_x)。

已知刚合成的SiC源1通常是富含Si的。由于SiC升华的不一致特性，使得开始富含硅的SiC源1逐渐变为富含碳的。在升华生长期间SiC源1的这种化学计量上的变化依次引起以下反应：

在生长的初始阶段，当SiC源1富含Si时，钒掺杂剂与SiC之间的反应生成了硅化钒VSi₂。