[发明专利]具有低位错密度的SiC晶体和从晶体切割的SiC晶片

说明书

相关专利申请

本专利申请要求2013年10月18日提交的美国专利申请No.14/058,167和2013年2月5日提交的美国临时专利申请No.61/761,171的优先权权益。

背景技术

1.技术领域

所公开的发明涉及碳化硅(SiC)晶体和晶片的制造。

2.相关技术

碳化硅SiC因其宽带隙特性以及极高硬度、高导热性和化学惰性特性，是熟悉材料科学、电子学和物理学的技术人员所公认有利的晶体半导体材料。这些特性使SiC成为对于制造功率半导体器件极具吸引力的半导体，使得与由更常见材料如硅制成的器件相比，功率密度和性能得以增强。

最常见形式的SiC由原子的立方或六方排列组成。Si和C层的堆叠可呈现多种形式，称为多型体。碳化硅晶体的类型由表示堆叠序列中的重复单元数的数字加上代表晶形的字母来表示。例如，3C-SiC多型体是指3个重复单元和立方(C)晶格，而4H-SiC多型体是指4个重复单元和六方(H)晶格。

不同的碳化硅多型体在材料特性方面有一些差别，最明显的是电特性。4H-SiC多型体具有相对较大的带隙，而3C-SiC具有较小的带隙，大多数其他多型体的带隙则落在两者之间。对于高性能功率器件应用，当带隙较大时，理论上，材料更能够提供相对更高的功率和导热性能。

SiC晶体并非天然存在的，因此必须合成。SiC晶体的生长可通过升华/物理气相运输或化学气相沉积来进行。

通过升华的SiC的生长极具挑战性。通过升华来生成Si/C物质的蒸气流要求温度超过2,000℃，这极大地限制了反应池组件和熔炉设计。最初，将通过如艾奇逊法之类的工艺形成的SiC研磨材料用作晶体的Si和C原子的来源，并随着技术成熟，多个团队开发出了合成专用于SiC晶体生长的SiC源粉末的装置。通常在处于真空室内的石墨容器中进行该生长。通过电阻法或感应法加热石墨容器。以小心的方式隔绝容器以便在体积内形成受控的温度梯度。使用形状通常类似于板状或盘状的晶种。晶种通常以其生长表面面向源材料而取向。容器中的晶种的位置被设计成使得当加热容器时，晶种位于相对较低温度位置，而Si-C源材料位于较高温度位置。当将容器加热至足以使源材料升华的温度时，蒸汽将向低温区域穿行并冷凝在晶种上。虽然该过程在概念上看似简单，但在实施过程中，SiC的生长非常复杂并且是操作人员公认很难进行的。

历史上，基于SiC升华的晶体生长的最初进展首次由Lely(US2,854,364)描述，其未加晶种的晶体生长的方法得到小六方SiC片晶。在1970年代和1980年代，产生对于制备器件具有吸引力的尺寸的首种晶体的技术由Tairov和Tsvetkov在俄罗斯完成(JournalofCrystalGrowth，52(1981)p.146-50(《晶体生长杂志》，第52卷，1981年，第146-150页)和ProgressinControllingtheGrowthofPolytypicCrystalsinCrystalGrowthandCharacterizationofPolytypeStructures，P.Krishna，ed.，PergammonPress，London，p.111(1983)(《控制晶体生长中多型晶体的生长及多型体结构的表征的进展》，P.Krishna编辑，帕加蒙出版社，伦敦，第111页，1983年))。他们的方法使用Lely晶体作为晶种，并通过如上所述的升华和运输进行生长。这些结果显示了通过晶种、压力控制和温度梯度的选择来进行多型体控制的方法。随后，Davis(US4,866,005)揭示了通过源材料和梯度控制的恰当选择所实现的改进。对Tairov、Tsvetkov和Davis的方法的改良至今仍在不断揭示。

当产生较大晶体的方法出现时，关注点也会转移到控制晶体中的缺陷。缺陷可归类为包裹物和晶体位错。SiC晶体中的主要晶体缺陷是螺旋位错。称为微管或空芯螺旋位错的特例就属于该类型。另外，还存在基面位错和螺纹型刃位错。这些缺陷源于多种来源。例如，晶种中所含的缺陷可传递到新生长的晶体体积中。温度梯度和热膨胀不匹配所产生并传递给生长过程中的晶种和晶体的应力可导致位错的形成。在来自形成SiC所需物的升华蒸汽流中的化学计量的偏差可导致不稳定多型体生长，继而在生长的晶体中产生多型体包裹物，导致多型体边界处的位错的形成。甚至位错之间的相互作用也可形成或消除位错。