專利名稱：在高純碳化硅晶體中產(chǎn)生半絕緣電阻率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在如下專利申請(qǐng)中提出的發(fā)明，即共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利Nos.6,218,680(‘680專利)；6,396,080；6,403,982和6,507,046以及共同未決的專利申請(qǐng)系列No.09/810,830(公布為No.2001-0017374)。
如在‘680和相關(guān)專利中提出的，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，不使用釩作為摻雜劑來產(chǎn)生生成半絕緣特性的深層級(jí)狀態(tài)(deep level state)也能夠制造半絕緣碳化硅。
盡管釩能夠產(chǎn)生半絕緣碳化硅晶體，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，它的存在會(huì)產(chǎn)生反向柵效應(yīng)(back-grating effect)；也就是說，在使用釩摻雜的晶體作為半絕緣襯底的器件中，釩上捕獲的負(fù)電荷起內(nèi)生柵(grown-ingate)的作用。因此，出于大量器件的考慮，最好不使用釩。
在‘680和相關(guān)專利中，所描述的半絕緣碳化硅晶體包括施主摻雜劑、受主摻雜劑和產(chǎn)生深層級(jí)狀態(tài)的本征點(diǎn)缺陷。當(dāng)本征點(diǎn)缺陷的濃度超過施主濃度與受主濃度之差時(shí)，由本征點(diǎn)缺陷導(dǎo)致的狀態(tài)能夠在沒有釩起作用的情況下提供半絕緣特性；也就是，包括小于能夠影響晶體電子性能的釩的最小存在量。
對(duì)于半絕緣襯底的需求和優(yōu)點(diǎn)，它們?cè)谄骷貏e是微波器件中的應(yīng)用，以及對(duì)碳化硅半絕緣襯底的相關(guān)和特別需求在’680和相關(guān)專利中有詳細(xì)說明，并且在技術(shù)背景上是基本上熟知的。因此，在這里不再詳加重復(fù)。出于參考的目的，相關(guān)的討論在’680專利第1欄第14行到第3欄第33行中提出。
但是對(duì)于該討論還應(yīng)當(dāng)加以補(bǔ)充，即對(duì)于無線通訊設(shè)施，包括互聯(lián)網(wǎng)訪問的高帶寬傳輸和相關(guān)設(shè)施的日益增長(zhǎng)的需求，帶動(dòng)了能夠支持該傳輸?shù)钠骷碗娐返南鄳?yīng)需求，這反過來要求能夠制造具有所需性能的器件的材料，例如半絕緣碳化硅。
因此，’680專利解釋了，超微波性能能夠通過在高純的無釩半絕緣單晶碳化硅襯底上制造碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和相關(guān)器件加以獲得。如在’680專利中提出的，襯底的半絕緣性質(zhì)源自于本征(點(diǎn)缺陷相關(guān)的)深層級(jí)電子狀態(tài)，其存在于碳化硅能帶隙的中間附近。本征深層級(jí)狀態(tài)一般是在晶體剛玉(boule)在高溫下生長(zhǎng)期間出現(xiàn)的，其中襯底晶片是以技術(shù)上基本上熟知的方式從晶體剛玉上切割的。
在具有這些襯底的器件中，為了提供合適的低損耗RF性能，襯底必須通過不斷地保持其半絕緣特性起低損耗電介質(zhì)的作用。反過來，保持半絕緣性質(zhì)的能力取決于襯底中本征深層級(jí)狀態(tài)的總數(shù)目。在目前的實(shí)踐中，如果本征深層級(jí)的密度不夠高，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在半絕緣碳化硅晶片上或者使用半絕緣碳化硅晶片執(zhí)行后續(xù)步驟時(shí)，襯底的半絕緣特性會(huì)降低或者在功能上被消除。這些步驟包括外延層在大約(例如)1400℃或者更高的溫度下在半絕緣碳化硅晶片上的生長(zhǎng)。這反過來減少了能夠在晶片上形成的或者說包含該晶片的有用器件的數(shù)目。
盡管本發(fā)明人不希望受限于任何具體的理論，但是顯然，當(dāng)這種類型的半絕緣碳化硅襯底晶片在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行處理步驟時(shí)，后續(xù)的處理能夠起退火的作用，從而減少點(diǎn)缺陷的數(shù)目。這能夠正面地認(rèn)為可以產(chǎn)生更高品質(zhì)的晶體，但是當(dāng)本征點(diǎn)缺陷的數(shù)目是襯底晶片半絕緣特性的基礎(chǔ)時(shí)，這是不利的。
換言之，如果在特定溫度范圍內(nèi)保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，晶體平衡或者近平衡將變成點(diǎn)缺陷數(shù)目減少的狀態(tài)；也就是說，晶體在較低溫度下比在較高溫度下更加有序(點(diǎn)缺陷更少)，其方式與人們熟知的熱力學(xué)原理的預(yù)期一致。
因此，需要一種碳化硅襯底晶片，其具有’680專利提出的優(yōu)點(diǎn)，并且當(dāng)在該半絕緣碳化硅襯底晶片上制造器件或電路的后續(xù)步驟期間能夠保持這些優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是在高純碳化硅晶體中產(chǎn)生半絕緣電阻率，其方式是使碳化硅晶體在后續(xù)的器件處理和制造步驟期間和之后仍然保持其半絕緣特性。
本發(fā)明滿足這一目標(biāo)的方法是，在不存在相當(dāng)數(shù)量的深層級(jí)捕獲元素的情況下制造高品質(zhì)半絕緣碳化硅。該方法包括，將碳化硅晶體加熱到一定溫度，該溫度高于碳化硅從源氣體進(jìn)行CVD生長(zhǎng)所需的溫度，但低于碳化硅在環(huán)境條件下以不利的高速度升華的溫度，從而在熱力學(xué)上增加晶體中點(diǎn)缺陷和由此產(chǎn)生的狀態(tài)的濃度(也就是每單位體積的數(shù)目)；然后以足夠快的速度將加熱的晶體冷卻到接近室溫，使在缺陷能夠充分移動(dòng)而消失或者被重退火消退進(jìn)入晶體的溫度范圍內(nèi)花費(fèi)的時(shí)間最少，即借此使所產(chǎn)生的碳化硅晶體的點(diǎn)缺陷狀態(tài)濃度大于類似生長(zhǎng)的但沒有被以這種方式加熱和冷卻的碳化硅晶體中點(diǎn)缺陷的濃度。
在另一個(gè)方案中，本發(fā)明涉及通過本發(fā)明的方法制造的半絕緣碳化硅晶體。
在另外一個(gè)方案中，本發(fā)明涉及在半絕緣襯底上制造半導(dǎo)體器件前體的方法。在該方案中，本發(fā)明包括將碳化硅襯底晶片加熱到至少2000℃的溫度，然后以至少每分鐘30℃的速度將加熱的晶片冷卻到接近室溫，然后在襯底晶片上沉積半導(dǎo)體材料的外延層。
本發(fā)明前述的和其他的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的方式根據(jù)下面聯(lián)系附圖的詳細(xì)說明將變得顯而易見，其中


圖1是圖解參考詳細(xì)說明書的溫度范圍和幾種不同冷卻速度的示意圖；和圖2是通過深層級(jí)瞬態(tài)譜(DLTS)測(cè)得的電容隨開爾文溫度改變的曲線圖。
圖3是碳化硅晶體樣品的三個(gè)電子順磁共振(EPR)評(píng)估的曲線圖的比較系列。
具體實(shí)施例方式
盡管本發(fā)明人不希望受限于任何具體的理論，但是本發(fā)明的本質(zhì)在熱力學(xué)上是很好理解的。如上所述，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是不使用釩在碳化硅內(nèi)產(chǎn)生半絕緣特性。相反，本發(fā)明在碳化硅內(nèi)產(chǎn)生了足夠大濃度的點(diǎn)缺陷狀態(tài)，從而使其在正常的半導(dǎo)體處理和器件制造之后剩余的濃度仍然超過產(chǎn)生半絕緣特性所需的數(shù)目。
熟悉碳化硅性質(zhì)和半絕緣特征基礎(chǔ)的人會(huì)意識(shí)到，滿足該需要的點(diǎn)缺陷沒有特定的數(shù)目或者濃度。相反，我們的目標(biāo)是使點(diǎn)陣中有助于導(dǎo)電性質(zhì)的其他摻雜劑(包括點(diǎn)缺陷)的濃度最小，然后以這些項(xiàng)目(items)的濃度超過該濃度，從而產(chǎn)生點(diǎn)缺陷和由此產(chǎn)生的狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生期望的半絕緣特性。
換言之，在補(bǔ)償晶體中，產(chǎn)生期望深層級(jí)狀態(tài)和半絕緣特性的點(diǎn)缺陷的濃度必須大于淺補(bǔ)償摻雜劑的濃度。因此，如果點(diǎn)缺陷的數(shù)目超過施主原子與受主原子濃度之差，那么碳化硅的半絕緣補(bǔ)償晶體則具有相對(duì)高濃度的受主原子和施主原子。該點(diǎn)缺陷的濃度還可以表述為超過任何未補(bǔ)償淺摻雜劑所需的濃度。
然而通常發(fā)現(xiàn)，使?jié)撛谘a(bǔ)償施主和受主原子的數(shù)目最小化從而使超過相關(guān)數(shù)值差所需的點(diǎn)缺陷的數(shù)目最小化會(huì)更加有效。例如(僅出于討論的目的)，如果施主原子的濃度為2E17(2×1017cm-3)，而受主原子為3E17(3×1017cm-3)，則點(diǎn)缺陷的濃度將大于1E17(也就是，3E17-2E17)。因此，盡管不是必需的，使施主原子和受主原子的數(shù)目(濃度)最小化是執(zhí)行本發(fā)明的優(yōu)選方式，因?yàn)樗軌驕p少在晶體中產(chǎn)生半絕緣特性所需的狀態(tài)的數(shù)目。
在最廣義的方案中，本發(fā)明是一種在不存在相當(dāng)數(shù)量的深層級(jí)捕獲元素的情況下產(chǎn)生高品質(zhì)半絕緣碳化硅晶體的方法。在該方案中，本發(fā)明包括將碳化硅晶體加熱到一定的溫度，該溫度高于碳化硅從源氣體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積(CVD)生長(zhǎng)所需的溫度，但低于碳化硅在周圍環(huán)境下以不利的高速度升華的溫度，借此在熱力學(xué)上增加晶體中點(diǎn)缺陷和由此產(chǎn)生的狀態(tài)的濃度。
初晶優(yōu)選地是高純度的，并且通過籽晶升華技術(shù)(seededsublimation technique)產(chǎn)生，例如在美國(guó)專利RE34,861(從No.4,866,005重新授予)中提及的，并在Mueller的“從工業(yè)觀點(diǎn)看SiC體生長(zhǎng)的狀況”(Status of SiC Bulk Growth from an Industrial Pointof View)一文中討論的，該論文發(fā)表在《晶體生長(zhǎng)雜志》(J.Crystal.Growth)第211卷第1期(2000年)第325-332頁(yè)。
本方法進(jìn)一步包括以足夠快的速度將加熱的晶體冷卻到接近室溫，使冷卻晶體中剩余點(diǎn)缺陷的濃度保持大于第一濃度。
換言之，本方法包括以足夠快的速度將加熱的晶體冷卻到接近室溫的步驟，其減少了在如下溫度范圍內(nèi)花費(fèi)的時(shí)間，即通過加熱步驟產(chǎn)生的缺陷——包括但不僅限于此——能夠充分移動(dòng)從而被重退火消退進(jìn)入晶體的溫度范圍，借此產(chǎn)生一種碳化硅晶體，其點(diǎn)缺陷相關(guān)的深層級(jí)狀態(tài)的濃度大于類似生長(zhǎng)的但沒有被以這種方式加熱和冷卻的碳化硅晶體中該狀態(tài)的濃度。
碳化硅能夠以單晶碳化硅晶片或者單晶碳化硅剛玉(具有被典型限制為單晶結(jié)構(gòu)的剛玉)的形式被加熱。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，晶體具有多型性，其類型從碳化硅的3C、4H、6H和15R等多型中選擇。在更加優(yōu)選的實(shí)施例中，本方法包括加熱和冷卻補(bǔ)償碳化硅晶體，在最優(yōu)選的實(shí)施例中，包括加熱和冷卻最濃集摻雜劑的量為5E16或者更少的補(bǔ)償晶體。如前所述，當(dāng)使用補(bǔ)償晶體時(shí)，本方法包括加熱和冷卻晶體，從而將點(diǎn)缺陷的數(shù)目增加到大于未補(bǔ)償淺摻雜劑濃度的量。在正常情況下，冷卻步驟包括將加熱的晶體冷卻到室溫。因此，在另一個(gè)方案中，本發(fā)明是通過根據(jù)本發(fā)明及其各種實(shí)施例制造的半絕緣碳化硅晶體。
在優(yōu)選實(shí)施例中，加熱碳化硅晶體的步驟包括將晶體加熱到至少大約2000℃的溫度。盡管2000℃并不確切也不是必需的底限，但是點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生被認(rèn)為在熱力學(xué)上是有利的，因此可能包括溫度與這些缺陷濃度之間的指數(shù)關(guān)系。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在2000℃或者更高的溫度下可產(chǎn)生優(yōu)選的和有用數(shù)目的點(diǎn)缺陷。
在最優(yōu)選的實(shí)施例中，晶體在大氣壓下被加熱到大約2000℃-2400℃。這些溫度在大氣壓下提供了有意義的范圍。在高于2400℃的溫度下，碳化硅趨向于以不可忽視的高速度升華，因此在大氣壓下，超過2400℃不是有利的或者是有害的。
熟悉碳化硅物理性質(zhì)的人能夠理解，升華能夠在相當(dāng)寬的高溫范圍下發(fā)生。在該范圍的較低部分，升華的速度小到足以很少或者不被關(guān)注。然而在該范圍的較高部分，升華速度將足夠高以致是有害的。因此，本發(fā)明方法的溫度上限在一定程度上與在特定環(huán)境下升華足以引起麻煩的客觀程度有關(guān)。如上所述，在大氣壓下，2400℃被發(fā)現(xiàn)是較接近的上限，但并不絕對(duì)。
將溫度提高到2000℃或者更高的目的是出于熱力學(xué)原因在通常預(yù)期的方式中，晶體的熵隨溫度升高而增加，因此在更高的溫度下，能夠產(chǎn)生半絕緣特性的點(diǎn)缺陷和由此產(chǎn)生的狀態(tài)的數(shù)目越多。此外，熟悉碳化硅和晶體熱力學(xué)的人能夠意識(shí)到，隨著溫度增加，會(huì)出現(xiàn)在較低溫度下不存在的其他類型的狀態(tài)。如果加熱的晶體被根據(jù)本發(fā)明適當(dāng)?shù)乩鋮s，這些附加類型的狀態(tài)能夠被保留下來，并有利于期望的半絕緣性質(zhì)。
因此，將晶體有到這些溫度會(huì)產(chǎn)生更紊亂的晶體，隨著晶體返回到室溫，本發(fā)明將這些期望的狀態(tài)凍結(jié)(相對(duì)地)在晶體中。冷卻步驟是非常重要的，因?yàn)槿绻w被允許在中間溫度范圍內(nèi)，例如在超過1400℃的范圍內(nèi)花費(fèi)太多的時(shí)間，晶體會(huì)經(jīng)歷前述的退火處理，并能夠達(dá)到一個(gè)不同的平衡或者近平衡條件，其中隨著晶體變得更加有序，該狀態(tài)消失(或者在功能上被降低到不相關(guān)的數(shù)目)。
對(duì)于優(yōu)選的2400℃的上限，熟悉碳化硅和晶體生長(zhǎng)技術(shù)的人能夠理解，在大氣壓下實(shí)際的極限并不是絕對(duì)的一個(gè)。換言之，當(dāng)使用相對(duì)典型的設(shè)備在大氣壓下工作時(shí)，2400℃是優(yōu)選的上限溫度。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠以更高的溫度進(jìn)行加熱而無需進(jìn)行過度的實(shí)驗(yàn)，但是必須添加額外設(shè)備和技術(shù)，例如在上方結(jié)合硅和碳?xì)夥栈蛘呤褂闷渌母邏杭夹g(shù)以防止在較高溫度下碳化硅開始以統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著的程度發(fā)生升華。
因此，本發(fā)明的方法將晶體加熱到在晶體內(nèi)實(shí)際產(chǎn)生最多狀態(tài)的高溫，同時(shí)避免或者使晶體的降解或升華最小化。
在加熱步驟期間，晶體優(yōu)選地在高溫下保持至少大約2分鐘，這是一個(gè)具有實(shí)際和功能性考慮的時(shí)間間隔。從實(shí)踐的觀點(diǎn)看，在大多數(shù)情況下，需要數(shù)分鐘才能夠?qū)⒕w加熱到這一溫度。從功能的觀點(diǎn)看，這也為晶體達(dá)到相應(yīng)于期望生成的狀態(tài)的平衡和近平衡條件提供了足夠的時(shí)間。加熱時(shí)間目前在功能上的最佳表述是，在晶體中足以獲得具有期望數(shù)目狀態(tài)的熱平衡或者近平衡的時(shí)間?？梢岳斫?，從該術(shù)語(yǔ)的最適當(dāng)和嚴(yán)格的意義上講，晶體不需要達(dá)到完全的平衡，但是本文使用該術(shù)語(yǔ)用于描述一種條件，其中晶體到達(dá)了給定的溫度并且在那里保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間從而產(chǎn)生期望數(shù)目的狀態(tài)。
加熱晶體的步驟優(yōu)選地包括在感應(yīng)加熱器中加熱晶體，其中冷卻晶體的步驟包括(至少)降低感應(yīng)線圈的功率。感應(yīng)加熱器及其在半導(dǎo)體制造中操作的方法在技術(shù)上基本上是好理解的，并且能夠根據(jù)本發(fā)明無需過度的實(shí)驗(yàn)地加以采用。因此，因?yàn)榫唧w的感應(yīng)加熱器對(duì)于要求權(quán)利保護(hù)的本發(fā)明并不是至關(guān)重要的，所以這里不再詳細(xì)說明。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠使用其他類型的加熱而無需進(jìn)行過度的實(shí)驗(yàn)。
當(dāng)晶體在2000℃或者更高溫度下被加熱期望的一段時(shí)間之后，以如下的方式使之冷卻，即避免在缺陷能夠充分移動(dòng)而消失或者被重退火消退進(jìn)入系統(tǒng)的溫度范圍內(nèi)停留很長(zhǎng)的時(shí)間。在目前優(yōu)選的實(shí)施例中，超過大約30℃每分鐘的冷卻速度似乎是優(yōu)選的，而150℃每分鐘的速度似乎是一個(gè)有用的上限。
熟悉熱力學(xué)以及材料，特別是處于相對(duì)高溫度下的材料的加熱和冷卻的人能夠理解，冷卻速度不需要恒定，也不需要?jiǎng)偤么┻^整個(gè)冷卻處理。換言之，將晶體冷卻時(shí)，特別是在重退火能夠以顯著的速度發(fā)生的溫度范圍內(nèi)冷卻時(shí)，冷卻速度期望的優(yōu)選極限范圍是30℃/分鐘-150℃/分鐘。出于通常的且容易理解的熱力學(xué)原因，隨著晶體從最高溫度開始冷卻，熱量損失以及冷卻的速度趨向于最快，當(dāng)晶體接近和到達(dá)較低溫度時(shí)，則趨向于中速。特別地，當(dāng)晶體在低于重退火能夠以顯著速度發(fā)生的溫度范圍內(nèi)冷卻時(shí)，冷卻速度可以變慢而不會(huì)產(chǎn)生任何功能上的缺陷。因此，隨著單個(gè)晶體的冷卻，冷卻的速度能夠在30℃/分鐘-150℃/分鐘的優(yōu)選范圍內(nèi)改變，同時(shí)仍然能夠獲得本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)。
太慢的冷卻速度允許晶體在狀態(tài)會(huì)回復(fù)的溫度范圍內(nèi)花費(fèi)太多時(shí)間，晶體變得足夠有序從而使?fàn)顟B(tài)的數(shù)目降低到保持半絕緣特性所需的數(shù)目之下。選擇地，過快的冷卻速度會(huì)在晶體內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，如果熱應(yīng)力足夠大的話，會(huì)使晶體產(chǎn)生裂紋。
在優(yōu)選實(shí)施例中，冷卻步驟既包括被動(dòng)步驟又包括主動(dòng)步驟。作為第一個(gè)步驟，降低或者完全關(guān)閉感應(yīng)加熱器的功率。在晶體被加熱到的相對(duì)高的溫度下，初始熱量損失是輻射熱損失。當(dāng)溫度更低時(shí)，變成了傳導(dǎo)和對(duì)流冷卻機(jī)制。因此，為了進(jìn)一步促進(jìn)和控制冷卻速度，可以向加熱室灌注惰性氣體，典型地為氬氣。此外，晶體和與晶體接觸的材料的熱量能夠用于幫助控制冷卻速度。因此，控制冷卻速度的三種基本方法包括調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈(或者其他本領(lǐng)域熟知的相關(guān)加熱機(jī)構(gòu))的功率；在碳化硅晶體周圍和上方流動(dòng)冷卻氣體；和控制晶體及其周圍環(huán)境的熱量；也就是，例如使用熱沉(heat sink)。因?yàn)檫@些都是熱力學(xué)條件，所以它們能夠以多種不同的方式進(jìn)行，對(duì)于要求權(quán)利保護(hù)的本方法不是至關(guān)重要的，并能夠由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員執(zhí)行而無需進(jìn)行過度的實(shí)驗(yàn)。
30℃/分鐘-150℃/分鐘的優(yōu)選冷卻速度也能夠表達(dá)為，在小于70分鐘的時(shí)間內(nèi)將晶體冷卻到室溫附近，或者以更快的速度，在小于20分鐘的時(shí)間內(nèi)將晶體冷卻到室溫附近。
因?yàn)楸景l(fā)明提供了有益的半絕緣碳化硅晶體，包括襯底晶片，所以本發(fā)明的方法能夠進(jìn)一步包括如下步驟將碳化硅襯底晶片加熱到大約2000℃的溫度(優(yōu)選地為2000℃-2400℃)，以至少30℃/分鐘的速度(優(yōu)選地為接近150℃/分鐘)將加熱晶片冷卻到接近室溫，然后在襯底晶片上沉積一層或多層半導(dǎo)體材料外延層。因?yàn)樘蓟璧膬?yōu)點(diǎn)通常(盡管不是唯一的)與其寬能帶隙性質(zhì)有關(guān)，但是在優(yōu)選實(shí)施例中，沉積外延層的步驟還包括使用化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)沉積從由其他寬能帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成的組中選擇的外延層，例如碳化硅或者III族氮化物。在碳化硅的實(shí)例中，沉積外延層的步驟典型地在大于大約1400℃溫度下執(zhí)行。如上所述，在先前技術(shù)中，在這種溫度下執(zhí)行的步驟趨向于將缺陷的數(shù)目降低到襯底不再具有合適的半絕緣特性的數(shù)值點(diǎn)。因?yàn)楸景l(fā)明提供了一種與“原生(as-grown)晶體”相比用于可控地增加點(diǎn)缺陷和由此產(chǎn)生的深層級(jí)狀態(tài)的數(shù)目的方法，所以后面的處理步驟不會(huì)退化晶體的半絕緣特性，盡管一些缺陷預(yù)期會(huì)被回復(fù)。
因此，在另一個(gè)方案中，本發(fā)明包括通過本發(fā)明的這一方案和實(shí)施例制造的晶片和外延層。
本發(fā)明能夠在襯底晶片或者單晶體剛玉上執(zhí)行，襯底為優(yōu)選的實(shí)施例，因?yàn)樗鼈冚^大的體表比使它們能夠以對(duì)于本發(fā)明有用的相對(duì)快的速度冷卻而不會(huì)產(chǎn)生過度的或者災(zāi)難性的熱應(yīng)力。然而，除了實(shí)踐的觀點(diǎn)之外，在晶片中產(chǎn)生額外狀態(tài)的方式與在剛玉中在概念上沒有差別。因此，本發(fā)明也能夠包括如下的步驟將碳化硅剛玉加熱到至少大約2000℃的溫度，然后以至少大約30℃/分鐘的速度將加熱的剛玉冷卻到接近室溫，然后從剛玉切割碳化硅晶片，然后在所切割的晶片上沉積一層或多層半導(dǎo)體材料外延層。
在可選擇實(shí)施例中，本發(fā)明能夠包括如下的步驟從單晶體剛玉中切割碳化硅晶片，然后在大氣壓下將所切割的晶片加熱到至少大約2000℃的溫度，然后以至少30℃/分鐘的速度將加熱的晶片冷卻到接近室溫，之后在所切割晶片上沉積半導(dǎo)體材料外延層。
如熟悉碳化硅制備和外延層生長(zhǎng)的人已知的，所切割的碳化硅晶片在被切片之后一般不被直接使用，而是經(jīng)過清洗和拋光制備出更有利于外延生長(zhǎng)的表面。在本技術(shù)中完善建立起來的對(duì)一般的半導(dǎo)體材料和具體的碳化硅進(jìn)行拋光和清洗的步驟能夠無需過度的實(shí)驗(yàn)地被實(shí)踐，這里不再進(jìn)行詳細(xì)的討論。
無論如何，本發(fā)明進(jìn)一步包括晶片和一個(gè)或多個(gè)外延層，并能夠進(jìn)一步包括具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法形成的晶片和外延層的器件。
本發(fā)明不僅限于應(yīng)用于任何具體的器件，而是可以應(yīng)用于普遍使用的具有半絕緣碳化硅襯底的微波器件，包括各種類型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、接點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)(MESFET)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)和DMOS晶體管。熟悉半導(dǎo)體器件和用于微波頻率操作的器件的人會(huì)意識(shí)到，該列表并無限制且沒有窮盡。然而，它們是本文說明和權(quán)利要求的本發(fā)明提供的優(yōu)點(diǎn)的例證。
圖1示意性地圖解了本發(fā)明使用的溫度范圍和冷卻速度。熟悉這些技術(shù)的人會(huì)意識(shí)到，圖1在本質(zhì)上只是用于解釋，而不是具體實(shí)驗(yàn)的精確表示。
圖1是溫度對(duì)時(shí)間的曲線圖。描述了三種基本溫度系列的特征。最上面用10表示的線代表碳化硅的溫度，優(yōu)選地為2000℃，超過它，會(huì)以根據(jù)本發(fā)明的方式產(chǎn)生期望數(shù)目的點(diǎn)缺陷。換言之，本發(fā)明包括將碳化硅晶體加熱到由線10表示的溫度或者更高的溫度。
第二高的線用12表示并代表較低的溫度(可以理解，它是相對(duì)的而非精確的，但在優(yōu)選實(shí)施例中為大約1200℃)，其與上溫度線10一起限定了一個(gè)溫度范圍(用箭頭11表示)，如果允許晶體在該溫度范圍中保留足夠長(zhǎng)的時(shí)間以至接近平衡或者近平衡條件，則在溫度線10以上的溫度下產(chǎn)生的狀態(tài)預(yù)期會(huì)回復(fù)。因此，如上所述，一旦產(chǎn)生了較多數(shù)目的狀態(tài)，本文說明的發(fā)明將使晶體在溫度范圍11內(nèi)花費(fèi)的時(shí)間最小。如上所述，當(dāng)晶體處于圖1中11所示意性表示的溫度范圍內(nèi)時(shí)，使冷卻速度保持在大約30℃/分鐘-150℃/分鐘是特別有用的。
14表示的第三條線代表室溫(25℃，298K)，并且在室溫和溫度線12之間限定了另一個(gè)溫度范圍(用箭頭13表示)。箭頭13表示的溫度范圍代表如下的溫度，其仍然高于室溫，但是在該溫度范圍內(nèi)發(fā)生的重新排序的量對(duì)于半絕緣特性而言在統(tǒng)計(jì)學(xué)上并不顯著。
出于多種原因，晶體通常被預(yù)期一直冷卻到室溫，無論是在預(yù)制造期間，還是在存儲(chǔ)、運(yùn)輸或者甚至在使用期間。然而可以理解，如果晶體被加熱到超過線10表示的溫度，然后足夠快速地冷卻到線12表示的溫度之下，便會(huì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的益處，而無論是否到達(dá)了室溫。
三種冷卻曲線用線15、16和17示意性地表示。因?yàn)閳D1的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，可以理解，線15表示最慢的冷卻速度，而線17表示最快的冷卻速度。這樣，由延長(zhǎng)曲線15表示的晶體與由遵循線16或17表示的冷卻曲線的晶體相比，在箭頭11指示的溫度范圍內(nèi)要花費(fèi)多得多的時(shí)間。因此，曲線15示意性地表示先前技術(shù)冷卻晶體的方法(有意的或者無意的)，而線16和17示意性地表示本發(fā)明的更快速的冷卻步驟。如前所述，只要冷卻速度滿足本文說明的功能性方案，則速度不需要恒定。
圖2圖解了深層級(jí)期望的高濃度，其與更高的生長(zhǎng)溫度相關(guān)。圖2畫出了由深層級(jí)瞬態(tài)譜技術(shù)(DLTS)測(cè)得的電容隨溫度改變的曲線。在較高溫度下(例如在300K)生長(zhǎng)的晶體樣品的幅度較高(實(shí)線)，表示與在較低溫度下生長(zhǎng)的樣品相比(虛線)深層級(jí)的濃度較大。
深層級(jí)瞬態(tài)譜在半導(dǎo)體技術(shù)中基本上是好理解的，并且是用于研究半導(dǎo)體深層級(jí)的靈敏方法。該方法是基于當(dāng)深層級(jí)在被前偏置脈沖充電之后發(fā)射其載流子時(shí)，反向偏置二極管的電容充電(capacitancecharge)。發(fā)射速度是溫度依賴的，并且是每種缺陷類型的特征。利用溫度依賴的發(fā)射速度，能夠確定深層級(jí)的激活能。見例如ASTM國(guó)際測(cè)試No.F978-02，“用瞬態(tài)電容技術(shù)表征半導(dǎo)體深層級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法”(Standard Test Method for Characterizing Semiconductor DeepLevels by Transient Capacitance Techniques)。用于評(píng)估晶體的其它技術(shù)能夠包括電容電壓(CV)技術(shù)，以及電子順磁共振(EPR)。
圖3是由碳化硅晶體樣品電子順磁共振(EPR)評(píng)估獲得的三個(gè)曲線的比較系列。EPR是用于測(cè)量材料某些特性的常用技術(shù)，也被稱作電子自旋共振(ESR)或者電子磁共振(EMR)。ERP表示在磁場(chǎng)存在下微波輻射被至少具有一個(gè)未成對(duì)自旋電子的順磁離子或分子共振吸收的過程。在分析根據(jù)本發(fā)明的晶體時(shí)，EPR用于測(cè)量占據(jù)晶體能帶隙中深層級(jí)阱的電荷數(shù)目。通過在連續(xù)改變的強(qiáng)磁場(chǎng)中測(cè)量吸收微波能量的電荷，EPR檢測(cè)被晶體點(diǎn)陣中各種缺陷捕獲的未成對(duì)自旋電子數(shù)目。然而，EPR測(cè)量不吸收來自阱的電荷，而只是檢測(cè)它們的存在，因此允許對(duì)同一樣品進(jìn)行重復(fù)分析。
圖3的三個(gè)曲線表示(從左到右)傳統(tǒng)生長(zhǎng)的碳化硅晶體，根據(jù)本發(fā)明加熱并以30℃/分鐘的范圍冷卻的碳化硅晶體，和根據(jù)本發(fā)明加熱并以150℃/分鐘的范圍冷卻的碳化硅晶體。
圖3每個(gè)部分的大小相同，且碳空位(Vc)——也就是，提供該狀態(tài)的一種點(diǎn)缺陷類型，進(jìn)而提供半絕緣特性——EPR信號(hào)的大小(任意單位)與EPR檢測(cè)到的缺陷中心的數(shù)目成比例。如熟悉EPR的人已知的，“g因子”(或者“g值”)是電子阱類型的特征，并與微波頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。因此，假定測(cè)得的樣品尺寸在實(shí)驗(yàn)誤差的預(yù)期邊界內(nèi)是相同的，那么碳空位的EPR線大小(從谷到峰)與樣品中缺陷的濃度成比例。因此，圖3顯示，從原生條件(左框)到本發(fā)明使用的30℃冷卻速度的處理(中框)再到本發(fā)明使用的150℃冷卻速度的處理(右框)，碳空位的數(shù)目(和半絕緣特性的最終改善)顯著增加。
在附圖和說明書中，提出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，盡管采用了具體的術(shù)語(yǔ)，但是它們的使用是一般性的并且只是出于描述的目的，并非出于限制的目的，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于在不存在相關(guān)數(shù)量的深層級(jí)捕獲元素的情況下制造高品質(zhì)半絕緣碳化硅晶體的方法，該方法包括將具有第一濃度點(diǎn)缺陷相關(guān)深層級(jí)狀態(tài)的碳化硅晶體加熱到一定溫度，該溫度高過碳化硅從源氣體進(jìn)行CVD生長(zhǎng)所需的溫度，但低于碳化硅在環(huán)境條件下的升華溫度，借此在熱力學(xué)上增加晶體中點(diǎn)缺陷和由此產(chǎn)生的狀態(tài)的濃度；和以足夠快的速度將加熱的晶體冷卻接近室溫，以保持冷卻晶體內(nèi)的點(diǎn)缺陷的濃度，保持大于第一濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括加熱和冷卻晶體從而使點(diǎn)缺陷的數(shù)目增加到超過未補(bǔ)償摻雜劑的濃度的量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括加熱具有從碳化硅的3C、4H、6H和15R多型中選擇的多型晶體。
4.一種制造半導(dǎo)體器件前體的方法，包括在根據(jù)權(quán)利要求1制造的半絕緣碳化硅襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括加熱和冷卻補(bǔ)償碳化硅晶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，包括加熱和冷卻補(bǔ)償晶體，其中最濃集摻雜劑的存在量為大約5E16或者更少。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中加熱晶體的步驟包括將碳化硅晶體加熱到至少大約2000℃的溫度，借此在熱力學(xué)上增加晶體中點(diǎn)缺陷和由此產(chǎn)生的深層級(jí)的數(shù)目。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或者權(quán)利要求7的方法，包括將晶體冷卻到室溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，包括在大氣壓下將晶體加熱到大約2000℃-2400℃的溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，包括以每分鐘30℃-150℃的速度冷卻晶體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，包括將晶體冷卻到1200℃或者更低。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或者權(quán)利要求7的方法，包括加熱碳化硅剛玉。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或者權(quán)利要求7的方法，包括加熱碳化硅晶片。
14.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，包括加熱晶體至少2分鐘。
15.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中加熱晶體的步驟包括在感應(yīng)加熱器中加熱晶體，而冷卻晶體的步驟包括降低供給感應(yīng)線圈的功率。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中冷卻步驟進(jìn)一步包括使晶體與冷卻劑接觸。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，用于在半絕緣襯底上制造半導(dǎo)體器件前體，包括將碳化硅襯底晶片加熱到至少大約2000℃；以至少大約30℃/分鐘的速度將加熱的晶片冷卻到1200℃；和在襯底晶片上沉積半導(dǎo)體材料外延層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中加熱晶片的冷卻步驟包括將加熱的晶片冷卻到接近室溫。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中沉積外延層的步驟包括沉積從碳化硅和III族氮化物中選擇的層。
20.根據(jù)權(quán)利要求7、權(quán)利要求16或者權(quán)利要求17的方法，其中冷卻晶片的步驟包括用惰性氣體灌注周圍環(huán)境。
21.根據(jù)權(quán)利要求7或者權(quán)利要求17的方法，其中冷卻步驟包括控制周圍環(huán)境的熱量。
22.根據(jù)權(quán)利要求9或者權(quán)利要求17的方法，包括在少于70分鐘的時(shí)間內(nèi)冷卻到大約室溫。
23.根據(jù)權(quán)利要求9或者權(quán)利要求17的方法，包括在少于20分鐘的時(shí)間內(nèi)冷卻到大約室溫。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，用于在半絕緣襯底上制造半導(dǎo)體器件前體，包括將碳化硅剛玉加熱到至少2000℃的溫度；以至少大約30℃/分鐘的速度將加熱的剛玉冷卻到接近室溫；從剛玉切割碳化硅晶片；和在切片的晶片上沉積半導(dǎo)體材料外延層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，包括在大氣壓下將剛玉加熱到大約2000℃-2400℃的溫度。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，包括以大約每分鐘30℃-50℃的速度冷卻剛玉。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，包括將剛玉冷卻到1200℃或者更低。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，用于在半絕緣襯底上制造半導(dǎo)體器件前體，包括從單晶體碳化硅剛玉切割碳化硅晶片；將切片的晶體加熱到至少大約2000℃的溫度；以至少大約30℃/分鐘的速度將加熱的晶片冷卻到接近室溫；和在切片的晶片上沉積半導(dǎo)體材料外延層。
29.根據(jù)權(quán)利要求17或者權(quán)利要求28的方法，包括在大氣壓下將切片的晶片加熱到2000℃-2400℃。
30.根據(jù)權(quán)利要求17或者權(quán)利要求28的方法，包括以大約每分鐘30℃-150℃的速度冷卻晶片。
31.根據(jù)權(quán)利要求17或者權(quán)利要求28的方法，包括將晶片冷卻到1200℃或者更低。
32.根據(jù)權(quán)利要求17、權(quán)利要求24或者權(quán)利要求28的方法，包括通過化學(xué)氣相沉積沉積碳化硅外延層，同時(shí)使晶片保持在大約1400℃或者更高的溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種方法，用于在沒有相關(guān)數(shù)量深層級(jí)捕獲元素的情況制造高品質(zhì)半絕緣碳化硅晶體。本發(fā)明包括如下步驟將具有與深層級(jí)狀態(tài)相關(guān)的第一點(diǎn)缺陷濃度的碳化硅晶體加熱到一定的溫度，該溫度高于碳化硅從源氣體進(jìn)行CVD生長(zhǎng)所需的溫度，但低于碳化硅在環(huán)境條件下的升華溫度，借此在熱力學(xué)上增加晶體中點(diǎn)缺陷和由此產(chǎn)生的狀態(tài)的濃度，然后以足夠快的速度將加熱的晶體冷卻到接近室溫，使冷卻晶體中點(diǎn)缺陷的濃度保持大于第一濃度。
文檔編號(hào)C30B33/00GK1663033SQ03814624
公開日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2003年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月24日
發(fā)明者賈森·R.·詹妮, 戴維·P.·馬爾塔, 赫德森·M.·霍布古德, 斯蒂芬·G.·米勒 申請(qǐng)人:克里公司