[发明专利]通过升华制造大直径碳化硅晶体及相关半导体SIC晶片的方法

说明书

本发明公开了一种制备碳化硅衬底的方法，所述衬底适于在正常用于硅晶片加工的标准外延室中外延生长。对要在正常用于硅衬底的外延室中被加工的任何衬底设置了严格的限制，以避免所述硅晶片的污染。为了充分利用标准硅加工设备，所述SiC衬底具有至少150mm的直径。为了SiC芯棒的适当生长，使生长坩埚的内部体积为所述芯棒的最终生长体积的6至12倍。另外，使所述坩埚的所述内部体积具有0.8至4.0的高度与宽度比。对每个衬底中的污染、颗粒和缺陷设置了严格的限制。

相关专利申请

本申请要求2014年12月29日提交的美国专利申请No.14/585,101和2014年7月29日提交的美国临时专利申请No.62/030,490的优先权益，这两份专利申请的内容均全文以引用方式并入本文。

背景技术

1.技术领域

本公开涉及功率器件的制造，具体地讲，涉及用于功率器件的大直径晶片的制造。

2.相关技术

碳化硅SiC是熟悉材料科学、电子学和物理学的技术人员所公认对于宽带隙特性以及也对于极高硬度、高导热性和化学惰性特性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好的高功率和导热性性能。

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(也称为物理气相输运)或化学气相沉积来进行。

SiC通过升华来生长极具挑战性。通过升华来生成Si和C物质的蒸气流要求温度超过2000℃，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，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。使用晶种，并且其形状通常类似于板状或盘状。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，蒸气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。