[发明专利]高晶体质量的SiC单晶晶锭及其形成方法

说明书

本申请是2009年12月8日提交、发明名称为“改进的轴向梯度传输(AGT)生长工艺和利用电阻加热的装置”、申请号为200980149325.3(国际申请号为PCT/US2009/067112)的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及通过升华来生长工业规模的SiC单晶体，更具体而言，涉及通过轴向梯度传输(AGT)的技术来进行这种生长。

背景技术

六角形4H和6H多型的碳化硅(SiC)晶片用作晶格匹配基底来生长用于制造运用在电力电子和微波电子应用中的SiC基和GaN基半导体器件的SiC和GaN外延层。

通常，利用物理气相传输(PCT)技术通过升华来生长大型SiC单晶体。图1示出了普通PVT布置的示意图。PVT生长在通常由石墨制成的竖向坩埚11中进行。升华源材料13设置在坩埚底部，同时生长晶体(或晶锭)15在位于坩埚顶部且例如附接在坩埚盖12的内部的籽晶14上生长。最常见地，将具有单RF(射频)线圈的感应加热系统运用于PVT生长。该加热系统的布置如图1所示，其包括与生长坩埚11同轴布置的圆筒形RF线圈19。

通常在2000℃至2400℃之间的温度中进行PVT生长。为了控制蒸汽传输速率，PVT生长在惰性气体(如，氦和/或氩)的低气压(通常在1Torr至100Torr之间)下进行。

在这样的温度和气压下，源材料13蒸发并挥发的分子物质，诸如Si、Si₂C和SiC₂充满坩埚11的内部。生长晶体15在籽晶14上生长期间，源材料13的温度保持为比籽晶14的温度典型地高10℃至200℃。此温差迫使蒸汽移向并且凝结在籽晶14上，从而促使生长晶体15生长。

PVT生成的SiC晶体的质量取决于生长条件，诸如坩埚11内生长晶体15进行生长的上部中径向温度梯度的正负号和数值。生长晶体15中的强大的温度梯度，尤其是径向温度梯度，产生热弹性应力，并导致生长晶体15中产生缺陷和裂纹。

在SiC升华生长技术中已知，晶体生长界面紧随晶体及其附近的等温线形状。正径向梯度(生长坩埚的内部温度从坩埚轴线朝着坩埚壁沿径向增加)产生凸形(朝向源材料13)生长界面。负径向梯度(温度从坩埚轴线朝着坩埚壁沿径向降低)产生凹形(朝向源材料13)生长界面。零径向梯度(温度从坩埚轴线朝着坩埚壁沿径向不变)产生平面生长界面。

弯曲的(凸形或凹形)生长界面会导致生长界面上出现粗糙的大台阶，从而导致多型不稳定性并产生缺陷。因此，普遍认为，平面生长界面最宜于生长高质量晶体，诸如生长晶体15。

通常，如图1所示的传统PVT加热系统几何结构在坩埚11中产生具有难于控制的强径向温度梯度的轴对称热场。

图1所示的单RF线圈PVT加热系统的另一个问题是，难于按比例扩大以适应更大直径晶体的生长。随着坩埚直径和线圈直径的增加，径向梯度变得更陡，而线圈与坩埚之间的电磁耦合变得更弱。

美国专利No.6,800,136(下文中简称“'136专利”)披露了一种被称为轴向梯度传输(AGT)的PVT升华生长技术，该技术目的在于减小不适宜的径向温度梯度。图2中示出了'136专利中的AGT生长几何结构的概念图。

AGT技术使用两个独立的平板加热器，即源加热器和晶锭加热器。这些加热器可以为感应式或电阻式。加热器与坩埚同轴布置，其中源加热器布置在源材料下方，而晶锭加热器布置在生长晶体上方。

AGT技术包括降低径向热流(期望降至0)的装置。该装置包括围绕AGT生长室布置的圆筒形热绝缘件和额外的加热器。适当地调整圆筒形热绝缘件与该加热器的组合可以将径向热损失降至0。据说，图2所示的AGT几何结构确实使轴向热流产生大致为0的径向梯度。

'136专利中详细描述了使用感应加热系统的AGT装置，该专利通过引用并入本文。图3示出了该感应加热式AGT的布置。其采用两个平板式RF线圈，即顶部线圈30a和底部线圈30b。圆筒形坩埚31包括源材料32和生长着生长晶体35的籽晶33，并且圆筒形坩埚31布置在这些线圈之间，以将坩埚的顶部和底部用作平板式RF感受器。箭头34表示生长坩埚中蒸汽沿着从源至晶体的方向传输。