[发明专利]通过升华/凝结方法生产大的均匀碳化硅晶锭的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2007年12月12提交的在35U.S.C.§119(e)之下的美国临时专利申请序列号61/013083的受益。美国临时专利申请序列号61/013083结合于本文中作为参考。

技术领域

本发明描述了一种生产大碳化硅(SiC)晶锭的方法。该方法能够进行设计而生产多晶SiC，或任何多晶类型的晶体SiC。

背景技术

晶体碳化硅是适用于碳化硅器件制作的半导体材料，这种碳化硅器件相比于传统半导体晶体材料如硅和砷化镓，能够在更高功率和更高温度下工作。

块状晶体SiC是很难生长的材料，因为生长工艺过程需要极度高温(1900至2500℃)。生长块状晶体SiC最常见的方法是升华。

在商业用途上块状晶体SiC生长的基准技术(benchmark art)是Davis等的美国专利RE34,861的技术，其中描述了一种升华方法。其中的方法是作为由LeIy(US2,854,364)，Tairov(参见J.Crystal Growth，52(1981)pp.46)和其它人先前报道的方法的改进出现的。

块状晶体SiC生长的升华反应通常在位于炉子中的封闭圆柱形反应池中实施。反应热源可以是电阻加热或RF感应加热。所述反应池典型地由石墨制成。种晶置于池内，通常在顶部，而晶体生长的源材料放在种子的对面。一旦加热反应池，源材料就蒸发而随后凝结在种晶上。

尽管以上描述的方法想象相对简单，但是实际上实现却困难。反应控制和蒸汽传输取决于许多变量，这些变量中没有一个在工艺过程期间是直接在用户控制之下的。该方法不能原位监控，因为是在封闭的不透明反应池中实施的。来自源的蒸汽向种晶传输，其凝结和结晶都显著地受到池中的温度分布影响。随着物料蒸发和从源区域向种晶区域传输，温度分布也发生变化。为了实现成功的晶体生长，所有这些变量需要先验性地协调实施。

典型地，粉末形式的碳化硅用作源材料。颗粒粒径及其分布的选择将会影响生长工艺过程。Davis等教导认为，粉末应该是恒定的多型体组合物，“其由恒定比例的多型体构成，包括单个多型体。”在如此实施中，这最大化蒸汽组合物的可重复性。Wang  等(J.Crystal  Growth  (2007)doi：10.1016/j.jcrysgro.2007.03.022)和其中的参考文献证实SiC粉末颗粒粒径几何形状影响装填，而不同SiC颗粒粒径能够用于提高晶体生长速率。

SiC粉末的纯度将会影响SiC晶体的纯度，而由此影响其电阻率值和电的传导。低成本高纯度碳化硅粉末并不易于获得。在升华SiC晶体生长期间反应环境(温度，压力等)的特殊控制需要限制有害杂质从源引入到SiC晶体中。对于半导体器件应用有关SiC晶体生长的杂质实例包括硼，磷，氮，铝，钛，钒和铁。

Ota等(Materials Science Forum VoIs.457-460(2004)p.115)证实了采用纯硅和碳粉混合物的高电阻率SiC晶体的生长能够通过粉末混合物中硅和碳的相对含量的变化而实现。他们报道了采用基于硅和碳粉混合物的混合的源的结果，而他们讨论了烧结混合物给出了相当于SiC粉末源的较好结果。硅和碳粉源显示出硼和铝引入降低。这项工作并未提供他们方法可重复性的见解。

对于SiC晶体生长的源材料的其它变型都已经报道。Balakrishna等(US5,985,024)开发了一种方法，通过采用新型SiC原位源方法降低了杂质引入，其中高纯硅金属在高纯烃气体存在下蒸发以递送用于碳化硅生长的种。Maruyama等(US 7,048,798B2)描述了通过将有机硅原料和含树脂的碳反应而形成SiC源粉末材料的方法。

如果不控制SiC粉末粒径和填充，SiC晶体生长工艺过程就会缺乏可重复性。源材料的纯度控制对于产生高纯SiC晶体是很重要的。对于产生杂质低而适用于SiC晶体生长的通用SiC粉末的替代物需要更多的努力。生长适用于半导体器件应用的SiC晶体的可重复方法需要所有这些变量的细微平衡和管理。

发明内容