[发明专利]生产具有改善的载流子寿命的基底的方法

说明书

相关申请的交叉参考

[0001]根据35 U.S.C.§119(e)，本申请要求2006年7月19日 提交的美国临时专利申请60/831,839的权益。美国临时专利申请 60/831,839被并入本文作为参考。

[0002]本发明是在Office of Naval Research授予的合同号 No.N00014-05-C-0324下由美国政府支持作出的。美国政府可以对本 发明拥有某些权利。

发明背景

[0003]本发明涉及碳化硅外延层的生长。作为半导体材料，碳化 硅对于高功率、高频和高温电子器件来说是特别优异的。碳化硅具有 极高的导热率，并且可以经受高的电场和高的电流密度而不发生故障。 碳化硅的宽的能带间隙使得即使在高温下也只有低的泄漏电流。由于 这些和其它原因，碳化硅对于供电装置(即，设计在相对高的电压操 作的那些)来说是非常期望的半导体材料。

[0004]然而，碳化硅是一种难以处理的材料。生长过程必须在相 对高的温度进行，对于外延生长来说要超过至少约1400℃，和对于升 华生长来说要大约2000℃。另外，碳化硅可以形成超过150种多型体， 其中有许多只有小的热力学差异。结果，碳化硅的单晶生长，无论通 过外延层或整体晶体，都是一个有挑战的工艺。最后，碳化硅的极大 的硬度(其在工业上最经常用作研磨材料)使其难以处理和难以将其形 成为合适的半导体器件。

[0005]尽管如此，过去的十年来，在碳化硅的生长技术方面已经 取得了许多进展，其反映在例如美国专利4,912,063、4,912,064、Re. Pat.No.34,861、美国专利4,981,551、5,200,022、5,459,107和 6,063,186中。

[0006]一种特定的生长技术称为“化学气相沉积”或“CVD”。 在这种技术中，将源气体(例如，对于碳化硅来说为硅烷SiH₄和丙烷 C₃H₈)引入到加热的反应室中，所述加热的反应室还包括基底表面，源 气体在所述基底表面上反应以形成外延层。为了帮助控制生长反应的 速率，源气体典型地用载气引入，由载气形成气流的最大部分。

[0007]用于碳化硅的化学气相沉积(CVD)生长工艺已经在温度分 布、气体速度、气体浓度、化学和压力方面得到改进。用于产生特定 外延层的条件的选择经常是各个因素之间的折中，所述因素例如期望 的生长速率、反应温度、周期时间、气体体积、设备成本、掺杂均匀 性和层的厚度。

[0008]碳化硅是具有理论性能的宽能带间隙半导体材料，其可用 于构造高性能的二极管和晶体管。与诸如硅那样的材料相比，这些半 导体器件能够在更高的功率和切换速度下操作。

[0009]功率电子学应用经常优选用晶体管或二极管设计来构造 电路，一类这些器件被称为少数载流子或双极器件。这类器件的操作 特性取决于电子空穴偶的生成速率和复合率。速率的倒转被称为寿命。 特定的双极器件包括PiN二极管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、闸流晶 体管和双极结型晶体管。

[0010]对于半导体功率器件性能来说，必须被优化到理论水平的 关键的材料参数是载流子复合寿命。在硅中，寿命受到诸如铁的杂质 的限制。在碳化硅中，虽然对其了解比对硅的了解少，但是迄今为止 的最佳知识表明，碳化硅的寿命由于晶格中的空位和反位(antisite) 的存在而受损。空位是其中不存在硅或碳原子的位置。反位是其中存 在有错误原子的位置。

[0011]半导体碳化硅典型地通过由可包含硅、碳、碳化硅的固体 混合物进行物理蒸气迁移方法(又称为升华)来生长，或者通过由硅烷 和烃的气体混合物进行化学气相沉积(CVD)来生长。通过这些方法生长 的碳化硅材料的寿命小于500ns，其对于在碳化硅二极管和晶体管中 实现理论的器件行为来说是太小的。半导体碳化硅的外延层经常表现 出比2微秒小得多的寿命值，低于诸如硅那样的材料，并且低于期望 的碳化硅的理论值。

发明内容