[发明专利]100毫米的高纯半绝缘单晶碳化硅晶片

说明书

本申请是申请日为2005年6月14日、发明名称为“100毫米的高纯半绝缘单晶碳化硅晶片”、申请号为200580021074.2的分案申请（201010257230.8）的分案申请。

本发明涉及共同转让的美国专利No.6814801和美国公布Nos.20050022727以及2005022724。本发明还涉及共同转让的美国专利Nos.6218680、6396080、6403982、6639247以及6507046中提出的那些发明。

本发明涉及半绝缘碳化硅单晶，且具体地，涉及形成直径至少100毫米（mm）的高纯半绝缘碳化硅单晶晶片的方法。因为英制和公制单位之间的关系（例如，25.4毫米=1英寸），这样的晶片也被称为“4英寸”晶片。

碳化硅（SiC）的电子和物理综合性能使其是用于高温，高压，高频和高功率电子器件的引人关注的半导体材料。这些性能包括3.0电子伏特（eV）的带隙（6H），4兆伏每厘米（MV/cm）的击穿电场，4.9W/cmK的热导率，以及2×10⁷厘米每秒（cm/s）的电子漂移速率。碳化硅还特别有用的能力是可通过掺杂变成导电的，或者采用多种加工技术变成半绝缘的。这些性能使得碳化硅成为大量电子应用的选择材料。

制造用于许多应用比如RF器件的集成电路需要半绝缘的衬底，在其上面构建电子器件并将它们彼此连接。历史上，蓝宝石因其对电流的高阻性而被用作微波器件的衬底材料。然而，蓝宝石的缺点在于，限制了对于适当器件操作具有合适的晶格匹配的衬底上可以制造的半导体层的类型。

如这里所用到的，术语“高阻”和“半绝缘”在大多数场合下可以认为是同义的。通常，这两个术语描述了具有的电阻率大于大约1500欧姆厘米（ohm-cm）的半导体材料。这样，为了实现RF无源行为，半绝缘碳化硅器件应当具有至少1500欧姆厘米（ohm-cm）的衬底电阻率。而且，为将器件的传输线路损耗最小化到可以接受的0.1dB/cm或者更小的水平，需要5000ohm-cm或者更好的电阻率。为了器件绝缘以及为了使背栅效应最小化，半绝缘碳化硅的电阻率需要接近50000ohm-cm或者更高的范围。

本领域的研究表明，碳化硅衬底的半绝缘行为是碳化硅带隙中的深能级所导致的结果；即，离价带和导带都比p型和n型掺杂剂产生的能级离的远。这些“深”能级被认为由离导带或者价带边缘至少300meV的态组成，例如，作为本领域标准在先研究代表的美国专利No.5611955。

如上面的参考专利和申请中所提出的，已经发现可以在不采用钒作为掺杂剂以产生引起半绝缘特性的深能级态的情况下制备半绝缘的碳化硅。

尽管钒可以制得半绝缘的碳化硅晶体，但是已经发现它的存在会产生背栅效应；即，在采用钒掺杂晶体作为半绝缘衬底的器件中，在钒上俘获的负电荷会起到内生栅的作用。这样，出于特定的器件考虑，最好避免钒。

在上面参照的授权专利中，半绝缘的碳化硅晶体被描述为包括施主掺杂剂，受主掺杂剂以及产生深能级态的本征点缺陷。当本征点缺陷的浓度超过施主浓度和受主浓度之差时，由本征点缺陷产生的态可以在不存在钒功效的情况下提供半绝缘特性，即，包括最小的存在量，其小于可以影响晶体的电子性能的存在量。

在上面参照的授权专利中详细阐述了对半绝缘衬底的要求和它们的优势，它们在器件特别是微波器件中的应用，以及对碳化硅半绝缘衬底相关的和具体的要求，并且根据背景的观点这些通常在本领域内是熟知的。因此，这里不再对其进行赘述。为参照目的，在No.6218680（“680”专利）中的第1栏第14行到第3栏第33行给出了相关的讨论。

然而，对于这个讨论要增加的是，对于包括因特网接入的高带宽传输的无线通讯服务以及相关服务的不断提高的要求驱使对可以支持这种传输的器件和电路提出相应的要求，这进而对材料——比如半绝缘碳化硅——产生需求，从这些材料可以制造出具有所需性能的器件。

由此，'680专利指出，通过将碳化硅场效应晶体管（FET）以及相关的器件制作在高纯、无钒的半绝缘单晶碳化硅衬底上，可以得到优越的微波性能。如'680专利中所述，这些衬底的半绝缘性源于碳化硅带隙中间附近存在本征（点缺陷相关的）深电子态。这些本征深态一般在梨晶高温生长的过程中产生，衬底晶片是以本领域通常熟知的方式从梨晶上切下。