專利名稱：在含氫環(huán)境中超高純碳化硅晶體的生長的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及在氫環(huán)境中生長超高純半絕緣碳化硅晶體，所述環(huán)境使晶體中的氮含量低，從而提高半絕緣品質(zhì)。
碳化硅(SiC)擁有的電學(xué)性能與物理性能組合使其成為有吸引力的高溫、高電壓、高頻及高功率的電子器件的半導(dǎo)體材料。這些性能包括3.0電子伏特(eV)的帶隙(6H)，4兆伏/厘米(MV/cm)的電場擊穿，4.9W/cmK的熱導(dǎo)率以及2×107厘米/秒(cm/s)的電子漂移速度。碳化硅通過摻雜導(dǎo)電或通過各種加工技術(shù)半絕緣化的能力也特別有用。這些品質(zhì)使得碳化硅成為大陣列電子應(yīng)用場合的候選材料。
許多應(yīng)用如RF器件的集成電路的生產(chǎn)要求電子器件能夠在其上制造并且相互連接的半絕緣襯底。歷史上，由于電流電阻高，曾采用藍(lán)寶石作為微波元件的襯底材料。但是，藍(lán)寶石的缺點是對具有與適當(dāng)?shù)钠骷ぷ飨嗥ヅ涞暮线m晶格的可在襯底上制造的半導(dǎo)體層的類型有限制。
正如對半導(dǎo)體電子學(xué)熟悉的人員所確認(rèn)的那樣，某些器件經(jīng)常要求高電阻率(“半絕緣”)的襯底，以降低RF耦合，或者滿足其他的功能性目標(biāo)如器件絕緣，因為導(dǎo)電襯底在較高的頻率下可能帶來嚴(yán)重問題。此處使用的術(shù)語“高電阻率”和“半絕緣”對于大多數(shù)目的而言可以認(rèn)為是同義詞。一般地，這兩個術(shù)語都描述的是電阻率高于約1500歐姆-厘米(ohm-cm)的半導(dǎo)體材料。
一般地，半絕緣碳化硅器件應(yīng)該具有至少約1500歐姆-厘米(ohm-cm)的襯底電阻率，以便獲得RF無源特性。此外，為了最大程度地將器件的傳輸線損降低至可接受的0.1dB/cm或更低的水平，要求電阻率為5000ohm-cm或更好。為了實現(xiàn)器件絕緣和最大程度地減小背柵效應(yīng)，半絕緣碳化硅的電阻率應(yīng)該接近50,000ohm-cm或更高。
該領(lǐng)域的研究表明碳化硅襯底的半絕緣特性是碳化硅帶隙內(nèi)的深處能級的結(jié)果，即距價帶和導(dǎo)帶比p型和n型摻雜劑產(chǎn)生的能級更遠(yuǎn)。這些“深”能級被認(rèn)為是距離導(dǎo)帶或價帶邊緣至少300meV的能級態(tài)，例如美國專利5,611,955代表了本領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有技術(shù)研究。
在碳化硅中制造的各種器件要求具有不同程度的導(dǎo)電性，以提供準(zhǔn)確的電響應(yīng)，例如電流切換、信號放大、功率傳輸?shù)?。事實上，碳化硅晶體的理想的電響應(yīng)范圍可以從高導(dǎo)電性晶體到高電阻率(半絕緣)晶體。然而，采用多數(shù)技術(shù)生長的碳化硅對于半絕緣用途而言一般導(dǎo)電率過高。特別是，碳化硅中的名義或者非有意添加的氮濃度在升華生長的晶體中往往足夠高(≥1-2×1017/cm3)，從而能夠提供充分的導(dǎo)電性，使得碳化硅無法用于要求半絕緣襯底的器件，例如微波器件。
因此，在制造電子器件用碳化硅晶體時的一個反復(fù)出現(xiàn)的問題是控制晶體內(nèi)的單質(zhì)雜質(zhì)例如氮。例如，氮含量影響碳化硅晶體的顏色。這種顏色變化可能對晶體在要求發(fā)光的某些應(yīng)用，例如發(fā)光二極管和寶石制造中的適用性產(chǎn)生有害的結(jié)果。晶體中的氮還會產(chǎn)生導(dǎo)電性，為了使碳化硅在不同電子應(yīng)用場合具有合適的性能，必須控制導(dǎo)電性。這里，本發(fā)明包括獲得半絕緣碳化硅晶體的手段，該手段的一個步驟包括在氫環(huán)境氣氛中采用改善的升華生長方法降低氮含量，從而降低晶體的本征導(dǎo)電性。
因此，研究人員一直對控制特別是降低由升華生長室中的氣氛轉(zhuǎn)移到生長中的碳化硅晶體中氮的量這一問題進(jìn)行努力。例如，授予Carter等的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利5,718,760公開了降低碳化硅升華系統(tǒng)的環(huán)境氣氛中的氮濃度的方法。Carter＇760專利通過采用惰性氣體如氬氣反填充生長室并隨后將生長室排空至極低壓力來降低氮量。
減少晶體生長系統(tǒng)中的環(huán)境氮的另一種技術(shù)是最大程度地降低裝備本身中的氮含量。授予Kong等的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利5,119,540公開了晶體生長系統(tǒng)中不需要的氮的大部分(如果不是全部)源自于設(shè)備本身選出的氮氣。例如，由于設(shè)備開裂或者形成針孔，極高溫度下氮會通過裂縫或針孔逸出，則駐留在石墨設(shè)備中的氮可能會泄漏至環(huán)境氣氛中。Kong＇540專利通過使用由氮濃度低的材料制成的制造設(shè)備來防止氮進(jìn)入所述的碳化硅晶體中。所以，Kong＇540專利教導(dǎo)不存在高氮含量的極純設(shè)備組件能夠降低碳化硅晶體受過量氮污染。Kong＇540表明在化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)最大程度降低了氮含量，但是在此處公開的升華系統(tǒng)同樣適用。
除了降低氮濃度之外，研究人員也降低不可避免的氮含量在碳化硅晶體內(nèi)的作用。例如，Carter＇760專利承認(rèn)升華室中的背景氮會導(dǎo)致晶體具有不希望的顏色。因此，該＇760專利公開了采用相應(yīng)的p型摻雜劑補(bǔ)償?shù)康姆椒?，以最大程度地降低或者消除氮的不利作用。P型摻雜劑與氮相互補(bǔ)償，并且防止在Carter＇760發(fā)明的優(yōu)選無色碳化硅晶體中出現(xiàn)不希望的色心。
氮補(bǔ)償技術(shù)也已經(jīng)被用于防止無意的氮摻雜主導(dǎo)碳化硅晶體的導(dǎo)電性。同樣授予Carter等人的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6,218,680公開了又一種對通過升華生長的碳化硅晶體中氮含量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。Carter指出硼可以用來補(bǔ)償固有的氮。Carter＇680專利也在所公開的升華方法中利用溫度梯度在碳化硅晶體中產(chǎn)生點缺陷。所述Carter＇680技術(shù)將碳化硅晶體中不希望的氮濃度與相應(yīng)的受主摻雜劑如硼配合。然后，Carter＇680專利將任何過量的摻雜劑與溫度誘發(fā)的點缺陷配合，以產(chǎn)生所要求的半絕緣晶體。
其他研究也承認(rèn)在通過升華生長的碳化硅晶體中會引入無意的氮。該研究趨于重點放在最大程度地降低不希望的氮的作用上，而不是從一開始就防止氮的引入。Barrett等的美國專利5,611,955描述了這方面工作。Barrett＇955給出了將元素如釩引入半導(dǎo)體材料中以便在禁能隙產(chǎn)生深能態(tài)的手段。Barrett＇955方法通過捕獲氮并且阻礙氮的電子遷移來控制碳化硅晶體中的氮含量。因此，Barrett通過調(diào)整氮的作用而不是阻止其在晶體中存在獲得了半絕緣碳化硅晶體。
兩個Carter專利(與此處所述并要求權(quán)利的本發(fā)明具有共同的受讓人)提出的技術(shù)對于它們各自目的而言可用于最大程度地減小碳化硅晶體中氮引入的影響。Barrett＇955專利要求摻雜其他元素，可能會在碳化硅晶體中引起不可預(yù)測的電響應(yīng)。
因此，仍然需要在開始升華時能夠深入控制氮進(jìn)入碳化硅晶體的方法。通過控制晶體開始生長時的氮含量，可以最大程度地減少補(bǔ)償技術(shù)及相關(guān)工藝步驟。控制氮的引入也能夠開發(fā)類型更多的晶體，包括氮含量根據(jù)特定目的而變化的晶體。
此處述及并要求權(quán)利的方法提供了一種用于制造與現(xiàn)有技術(shù)方法相比電阻率更加可預(yù)測的半絕緣碳化硅晶體的技術(shù)。實現(xiàn)對進(jìn)入通過升華生長的碳化硅晶體的氮含量的控制是對升華工藝的關(guān)鍵性改進(jìn)，能夠獲得更可靠、質(zhì)量更高的半絕緣碳化硅晶體產(chǎn)品。
發(fā)明概述這里，本發(fā)明人已發(fā)展了在氫或者含氫環(huán)境中生產(chǎn)超高純半絕緣碳化硅晶體的方法，該氫或含氫環(huán)境在晶體中產(chǎn)生低的氮濃度，從而提高半絕緣品質(zhì)。如上所述，碳化硅標(biāo)準(zhǔn)的升華生長通常在氬環(huán)境氣氛中進(jìn)行。此處所述的對碳化硅升華生長的改進(jìn)之一是在生長室中采用氫環(huán)境取代氬環(huán)境。氫環(huán)境能夠控制和選擇性調(diào)整生長中晶體中的氮含量。
碳化硅晶體中的氮含量是確立晶體導(dǎo)電性或電阻率的儀器因素。因此，此處述及并要求權(quán)利的方法提供了降低由升華生長室的環(huán)境氣氛轉(zhuǎn)移到在其中生長的碳化硅晶體的氮含量的技術(shù)。生長中晶體中氮含量的降低能夠使所獲得的碳化硅產(chǎn)品具有更可靠的半絕緣質(zhì)量。
附圖簡述

圖1是對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)的氬環(huán)境中生長的4H-碳化硅晶體的低溫光致發(fā)光譜。
圖2是對應(yīng)于在根據(jù)此處本發(fā)明的氫環(huán)境中生長的4H-碳化硅晶體的低溫光致發(fā)光譜。
發(fā)明詳述本發(fā)明是降低通過升華生長的半絕緣碳化硅晶體中氮含量的方法和獲得的其中具有降低的氮含量的高純半絕緣碳化硅晶體。本發(fā)明的第一個實施方案將氫或者含氫環(huán)境氣氛引入用于生長碳化硅晶體的升華生長室中。以前的標(biāo)準(zhǔn)升華系統(tǒng)在生長碳化硅時使用氬環(huán)境。這里本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)氫環(huán)境在控制生長中晶體中的氮含量方面比其它環(huán)境氣體更有用。
本發(fā)明的方法包括將碳化硅源粉末和碳化硅籽晶放入升華生長室中。所述源粉末，正如其名字的含義那樣，提供在生長室中用于在由碳化硅籽晶提供的生長表面上生長碳化硅晶體的碳化硅物質(zhì)源。美國專利Re.34,861提出粉末形式的固態(tài)碳化硅是這樣一種優(yōu)選的源材料。所述第一個實施方案中的方法包括在氫環(huán)境的生長室中將碳化硅源粉末加熱至升華。通過在約0.1-50乇的壓力下，以約10-1000標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分(sccm)的流速將氫氣引入生長室中，在升華生長室中建立起氫環(huán)境。
升華過程要求對生長室內(nèi)不同區(qū)域的溫度進(jìn)行控制。當(dāng)將碳化硅源粉末加熱至第一個溫度時，加熱碳化硅籽晶并將其保持在接近源粉末溫度的第二個溫度下。因此，籽晶的溫度比源粉末的溫度以及碳化硅升華的溫度都低。較低的籽晶溫度促使由源粉末升華的物質(zhì)凝聚在籽晶上。因此，籽晶提供制造具有希望尺寸的碳化硅晶體的生長表面。本文的方法包括對碳化硅源粉末進(jìn)行連續(xù)加熱，直至籽晶上出現(xiàn)期望量的碳化硅晶體。
依據(jù)所獲生長晶體中期望的多型，籽晶優(yōu)選具有選自于3C，4H，6H和15R碳化硅多型的多型。凝聚在籽晶上的碳化硅物質(zhì)最好生長與籽晶多型相同的碳化硅晶體。
本發(fā)明在籽晶生長表面與源粉末之間保持溫度梯度。Re.34,861介紹了各種在源粉末與籽晶之間保持溫度梯度的方法。例如，可以通過在籽晶與源粉末之間設(shè)定希望的幾何距離和溫度差，來建立所述梯度。或者，可以通過獨立控制在其中發(fā)生碳化硅粉末升華和碳化硅晶體生長的生長室內(nèi)相應(yīng)區(qū)域的溫度來建立溫度梯度。
典型地，將碳化硅源粉末保持在約2000-2500℃。繼而將籽晶保持在比源粉末約低50-350℃的溫度下。
本文的方法還包括在升華生長期間將源粉末和籽晶分別保持在各自足夠高的溫度下，以增加生長晶體中的點缺陷數(shù)目。點缺陷連同較低的氮含量一起可使所獲碳化硅晶體具有半絕緣性。
或者，增加點缺陷數(shù)目的步驟可以包括在標(biāo)題為“Method ForProducing Semi-Insulating Resistivity In High Purity SiliconCarbide Crystals”的共同未決且共同轉(zhuǎn)讓的美國公開申請20030233975中介紹的方法。如本文所述，該方法包括將碳化硅晶體加熱至高于由源氣體CVD生長碳化硅要求的溫度，但是比在環(huán)境條件下碳化硅發(fā)生不利的高速升華的溫度低，以便從熱力學(xué)上增加晶體中所得狀態(tài)(resulting states)和點缺陷的濃度(即單位體積中的數(shù)目)；然后，以足夠快的速度將加熱的晶體冷卻至接近室溫，以最大程度地縮短在缺陷充分可運動從而消失或重新退火進(jìn)入晶體中的溫度范圍內(nèi)的停留時間，從而制備出這樣的碳化硅晶體，該碳化硅晶體中的點缺陷狀態(tài)濃度比未按該方式進(jìn)行加熱和冷卻的同樣生長的碳化硅晶體中點缺陷狀態(tài)濃度高。
此外所述并要求權(quán)利的方法能夠在不需要深能級摻雜元素如釩的情況下制備半絕緣碳化硅晶體。如共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6,218,680所討論的，制備半絕緣碳化硅的現(xiàn)有技術(shù)方法加入在碳化硅的價帶與導(dǎo)帶之間形成能態(tài)的摻雜劑?，F(xiàn)有技術(shù)的這些能態(tài)移動遠(yuǎn)離導(dǎo)帶和價帶，從而提高了晶體的半絕緣質(zhì)量。引入到碳化硅的通常深能級捕獲元素包括釩和其他過渡金屬。本文的方法能夠不依賴于可能難以精確控制的更復(fù)雜的摻雜量(doping levels)制備出半絕緣碳化硅晶體。
此處本發(fā)明人發(fā)展的方法能夠?qū)⒃谔蓟柙捶勰┲猩钅芗壊东@的元素量保持最低，從而簡化制造工藝。碳化硅粉末中深能級捕獲元素此處被看作是存在量“低于可探測水平”，意味著所述元素的存在量不能被現(xiàn)代復(fù)雜的分析技術(shù)探測到。
特別是，更為通用的探測少量元素的技術(shù)之一是二次離子質(zhì)譜(″SIMS″)，因此，此處所指的可探測極限是元素例如釩和其他過渡金屬的存在量低于1×1016(1E16)，或者在其他情況下(包括釩)低于1E14。這兩個量代表使用SIMS技術(shù)時大多數(shù)痕量元素(特別是釩)的典型探測極限，例如參見SIMS Theory-Sensitivity and DetectionLimits，Charles Evans & Associates(1995)，www.cea.com。
此處所述并要求權(quán)利的方法有助于通過控制生長室中環(huán)境氣氛中的氫濃度，來控制引入到生長中的碳化硅晶體中的氮量。盡管本發(fā)明人不希望受任何特定理論的束縛，但是，氫抑制晶體中氮的有效性應(yīng)歸因于氫原子對碳化硅生長表面的鈍化。氫原子有效地阻塞、減少或者阻礙氮原子進(jìn)入到生長中晶體的表面。
因此，此處本發(fā)明的方法在另一個實施方案中適當(dāng)描述為一種在升華生長室中鈍化生長中的碳化硅晶體，以控制能夠進(jìn)入晶體的氮量的方法。本發(fā)明方法的第二個實施方案包括將含氫環(huán)境氣體引入生長室中并且在氫環(huán)境生長室中將碳化硅源粉末加熱至升華。加熱源粉末的同時，對在氫環(huán)境生長室中的碳化硅籽晶加熱并將其保持在低于源粉末溫度的第二個溫度下。籽晶的溫度足夠低，使由源粉末升華的物質(zhì)凝聚在籽晶上。
此外，所述氫鈍化方法在升華生長期間將源粉末和籽晶保持在各自足夠高的溫度，以增加生長中晶體中點缺陷的數(shù)目。點缺陷有助于使所獲碳化硅晶體具有半絕緣性。加熱、升華以及凝聚步驟在充分高的溫度連續(xù)進(jìn)行，以使半絕緣晶體中產(chǎn)生足夠數(shù)目的點缺陷。整個碳化硅沉積過程持續(xù)進(jìn)行，直至在籽晶上生長出期望量的高純半絕緣碳化硅晶體。
在生長室中保持充分的氫環(huán)境濃度，以便使生長中的碳化硅晶體鈍化，防止引入氮。因此，氫鈍化控制引入到生長中的碳化硅晶體中的氮量。本發(fā)明人不希望受任何特定理論的束縛，但是，在升華生長碳化硅晶體領(lǐng)域的研究暗示在生長室環(huán)境氣氛中的氫原子能夠減少碳化硅晶體中未配對電子的數(shù)目。授予Williams的美國專利5,151,384在第二欄、第38-70行對在硅化合物上氫鈍化的電子配對進(jìn)行了描述和要求了權(quán)利。這種未配對電子的減少對應(yīng)著碳化硅晶體生長時可能與之結(jié)合的氮原子數(shù)目的減少。
還存在解釋氫環(huán)境抑制氮引入的物理機(jī)制的另外的幾種說法。一種說法是碳化硅晶體的氫鈍化基本上是在晶體生長表面上存在一層保護(hù)該表面防止氮引入的氫原子。參見例如美國專利5,709,745(第26欄，第18-24行)、美國專利6,113,451(第8欄，第38-44行)和美國專利6,201,342(第8欄，第33-39行)。
最后，1993年3月12日提交的公開的歐洲專利申請0561462A2(第10欄，第42-48行)將氫鈍化描述為氫填充在碳化硅晶粒邊界之間的空隙處，從而不允許氮的進(jìn)入。本發(fā)明人不依賴上述這些描述氫在碳化硅生長中作用的任何一種具體描述。此處公開并要求權(quán)利的方法通過氫原子與生長中的碳化硅晶體之間的這些物理和化學(xué)相互作用的組合，成功地控制了氮含量。
將進(jìn)入生長室的氫流量控制在約0.1-50乇的壓力下約80-1000標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分(sccm)，在生長室中為生長期望的晶體提供充分的氫濃度。已證明所述方法成功地制造出具有低于約2×1015個氮原子/立方厘米(cm-3)的碳化硅晶體。在優(yōu)選的實踐中，環(huán)境氣氛中的氫濃度制造出具有低于約1×1015cm-3個氮原子的碳化硅晶體。所獲碳化硅晶體中的氮濃度低，再加上深能級，能夠使電阻率高于或等于1×105ohm-cm。
此處要求權(quán)利的本發(fā)明能夠用于多種其他領(lǐng)域。例如，在含氫環(huán)境中合成高純碳化硅粉末潛在地降低了源粉末中的氮含量。該技術(shù)也用于制造接近無色的寶石材料。最后，控制碳化硅晶體中氮的進(jìn)入代表了在制造用于加工MESFET和HEMT高頻電子器件的半絕緣碳化硅晶體和晶片上的進(jìn)步。此處公開的技術(shù)提供了在碳化硅晶體和晶片中獲得極低氮含量的高效且直接的方法。事實上，具有極低氮濃度的大塊晶片可以通過控制生長中晶體中的氮含量制備出。由這些晶體制備的晶片可以取代對生長在目前碳化硅襯底上的厚高純外延層的需要。
圖1和2描述了此處述及并要求權(quán)利的本發(fā)明代表了在通過升華生長高純半絕緣碳化硅晶體領(lǐng)域中的重要進(jìn)展。氫環(huán)境控制進(jìn)入晶體中的氮并且提供了更可靠的半絕緣碳化硅晶體質(zhì)量。圖1是對應(yīng)于在傳統(tǒng)的氬環(huán)境中生長的4H-碳化硅晶體的低溫光致發(fā)光譜。圖2是對應(yīng)于在根據(jù)此處本發(fā)明的氫環(huán)境中生長的4H-碳化硅晶體的低溫光致發(fā)光譜。
背景討論有助于了解圖1和2所展示出的優(yōu)點。上述圖繪出的是碳化硅晶體的光致發(fā)光光譜，并且示出了在特定波長處的發(fā)光強(qiáng)度峰。這些發(fā)光峰與所述及的碳化硅晶體中的氮含量成比例相關(guān)。參照Ivanov等的文章“Nitrogen Doping Concentration as determined byPhotoluminescence in 4H-and 6H-SiC”(1996年9月15日發(fā)表于第80卷、第6期的Journal of Applied Physics，第3504-3508頁)。晶體中的氮濃度可以由電子和空穴在中性氮的中心復(fù)合期間的發(fā)光確定。
在研究電子與空穴的復(fù)合時，碳化硅被認(rèn)為是一種間接帶隙半導(dǎo)體。正如為熟悉電子躍遷的人員所了解的那樣，當(dāng)價帶頂與導(dǎo)帶底具有相同的動量狀態(tài)時，半導(dǎo)體中出現(xiàn)直接躍遷。這意味著晶體動量在電子與空穴的復(fù)合期間容易得到保持，結(jié)果，躍遷產(chǎn)生的能量可能會主要并且有效地成為光子(即產(chǎn)生光而不是熱)。當(dāng)導(dǎo)帶底與價帶頂不具有相同的動量狀態(tài)時，要求光子(即振動能的量子)以使晶體動量守恒，而且，這種躍遷稱作“間接的”。需要第三種粒子-光子使得間接輻射躍遷不容易發(fā)生，從而降低晶體的發(fā)光效率。
碳化硅的間接帶隙阻止空穴與電子的直接復(fù)合。因此，與其它粒子無關(guān)的自由激子的直接非光子輔助復(fù)合被禁止。碳化硅中電子與空穴的復(fù)合要求形成前述的光子，以解決復(fù)合的電子與空穴之間的動量差。
Ivanov等在1996年報導(dǎo)電子-空穴的激發(fā)可能與光子相關(guān)，或者受晶體中雜質(zhì)的束縛以滿足要求的動量守恒。復(fù)合的發(fā)光強(qiáng)度取決于復(fù)合的電子-空穴對是否受光子或者雜質(zhì)如氮的束縛。參見Ivanov等的前述文獻(xiàn)(第3504-3508頁)。因此，Ivanov等指出晶體中的雜質(zhì)濃度可以通過將與雜質(zhì)配對的電子-空穴復(fù)合的發(fā)光強(qiáng)度同與光子配對的電子-空穴復(fù)合的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行比較來確定。
此處的圖1和2對這些概念進(jìn)行了描述，并且展示了本發(fā)明降低氮含量方法的成功。所述圖給出了4H碳化硅晶體的相對發(fā)光強(qiáng)度與波長的關(guān)系。將發(fā)光峰強(qiáng)度標(biāo)記為Q0，其對應(yīng)的是受作為晶體中雜質(zhì)的氮原子束縛的電子-空穴復(fù)合的強(qiáng)度。圖中發(fā)光強(qiáng)度較低的峰對應(yīng)的是與光子有關(guān)的復(fù)合，在本文其最有意義的是標(biāo)記為I75的復(fù)合。I75是強(qiáng)度最高的光子輔助復(fù)合，并可通過其不對稱線形確定(Ivanov的前述文獻(xiàn)，第3505頁)。正如本領(lǐng)域人員所了解的那樣，Q0與I75之比值為一個可用來外推碳化硅晶體中氮含量的常數(shù)(Ivanov的前述文獻(xiàn)，第3508頁)。
參看圖1，所繪制的是通過在傳統(tǒng)氬環(huán)境氣氛中生長的4H碳化硅晶體的發(fā)光強(qiáng)度。因此，圖1代表了在通過升華生長的碳化硅領(lǐng)域中現(xiàn)有技術(shù)。所獲碳化硅晶體中外推的氮含量約3×1015個氮原子/立方厘米。
圖2所示的發(fā)光數(shù)據(jù)對應(yīng)著采用此處公開的本發(fā)明在氫環(huán)境氣氛中生長的晶體。由圖中光譜可以看出，Q0與I75之比值為0.6，對應(yīng)著晶體中的氮濃度為3×1014個氮原子/立方厘米。圖2中的數(shù)據(jù)表明在升華生長室中存在氫環(huán)境可使晶體中的氮含量降低約一個數(shù)量級。因此，圖2表明生長室環(huán)境中的氫濃度可用來降低其中生長的碳化硅晶體中的氮含量。所獲低氮的晶體是所期望的高純半絕緣晶體。
在本說明書中，已對本發(fā)明的典型實施方案進(jìn)行了公開，而且，盡管使用的是特定的術(shù)語，但是，所使用的這些術(shù)語僅僅具有一般的和描述性意義，其目的不是加以限制。本發(fā)明的范圍在附后的權(quán)利要求中給出。
權(quán)利要求
1.一種制造具有可控氮含量的半絕緣碳化硅晶體的方法，所述方法包括將含氫環(huán)境氣體引入升華生長室；在氫環(huán)境生長室中將碳化硅源粉末加熱至升華，同時，在氫環(huán)境生長室中將碳化硅籽晶加熱至比源粉末溫度低的第二個溫度并隨后進(jìn)行保溫，在該第二個溫度下，由源粉末升華的物質(zhì)將凝聚在籽晶上，繼續(xù)加熱碳化硅源粉末直至在籽晶上已出現(xiàn)期望量的碳化硅晶體生長；同時在生長室中保持充分的氫環(huán)境濃度，以最大程度地減少進(jìn)入生長中的碳化硅晶體中的氮量；以及加熱晶體，以使晶體中點缺陷數(shù)目增加至使所獲碳化硅晶體具有半絕緣性的量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其包括將碳?xì)浠衔镂镔|(zhì)引入生長室，以便建立氫環(huán)境。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制造具有可控氮含量的半絕緣碳化硅晶體的方法，其中，保持氫環(huán)境濃度的步驟包括在生長室中保持充分的氫環(huán)境濃度，以使生長中的碳化硅晶體相對氮的進(jìn)入鈍化，從而最大程度地減少進(jìn)入生長中的碳化硅晶體中的氮量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其中，加熱晶體增加點缺陷數(shù)目的步驟包括在升華生長期間將源粉末和籽晶保持在各自足夠高的溫度下，以使生長中晶體中點缺陷數(shù)目增加至使所獲碳化硅晶體具有半絕緣性的量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其中，加熱晶體增加點缺陷數(shù)目的步驟包括加熱碳化硅晶體，其加熱溫度比由源氣體CVD生長碳化硅要求的溫度高，但是比在環(huán)境條件下碳化硅發(fā)生不利的高速升華的溫度低，從而在熱力學(xué)上增加晶體中所得狀態(tài)和點缺陷的濃度；以及，隨后以足夠快的速度將加熱的晶體冷卻至接近室溫，以便最大程度地縮短在缺陷充分可遷移從而消失或重新退火進(jìn)入晶體中的溫度范圍內(nèi)的停留時間，從而制備出這樣的碳化硅晶體，該碳化硅晶體中的點缺陷狀態(tài)濃度比未按該方式進(jìn)行加熱和冷卻的另外相同生長的碳化硅晶體中點缺陷狀態(tài)濃度高。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其包括在約0.1-50乇的壓力下將環(huán)境氫引入生長室。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其包括以約10-1000標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分的流速將環(huán)境氫引入生長室。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其包括保持碳化硅源粉末溫度為約2000-2500℃，以及保持籽晶溫度比源粉末溫度低約50-350℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其包括加熱具有選自于3C，4H，6H和15R碳化硅多型的多型的籽晶。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其包括加熱碳化硅源粉末，該碳化硅源粉末中深能級捕獲元素的量低于采用二次離子質(zhì)譜(SIMS)能夠探測的量。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其包括將充分量的環(huán)境氫引入生長室，以獲得具有低于約2×1015個氮原子/立方厘米的生長中的碳化硅晶體。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其包括將充分量的環(huán)境氫引入生長室，以獲得具有低于約1×1015個氮原子/立方厘米的生長中的碳化硅晶體。
13.一種采用根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求3的方法制造的半絕緣碳化硅晶體，其氮原子濃度低于約2×1015cm-3。
14.一種采用根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求3的方法制造的半絕緣碳化硅晶體，其氮原子濃度低于約1×1015cm-3。
15.一種采用根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求3的方法制造的半絕緣碳化硅晶體，其電阻率至少1×105ohm-cm。
16.一種制造具有可控氮含量的半絕緣碳化硅晶體的方法，所述方法包括將碳化硅源粉末加熱至升華并保溫，同時，將碳化硅籽晶加熱至比源粉末溫度低的溫度并保溫，在該溫度下，由源粉末升華的物質(zhì)凝聚在籽晶上，形成連續(xù)擴(kuò)展的碳化硅晶體生長表面；采用氫原子鈍化所述碳化硅生長表面，以減少氮由環(huán)境氣氛進(jìn)入所獲碳化硅晶體；加熱晶體，以使晶體中點缺陷數(shù)目增加至使所獲碳化硅晶體具有半絕緣性的量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，加熱晶體增加點缺陷數(shù)目的步驟包括在升華生長期間將源粉末和籽晶保持在各自足夠高的溫度下，以使生長中晶體中點缺陷數(shù)目增加至使所獲碳化硅晶體具有半絕緣性的量。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，加熱晶體增加點缺陷數(shù)目的步驟包括加熱碳化硅晶體，其加熱達(dá)到的溫度比由源氣體CVD生長碳化硅要求的溫度高，但是比在環(huán)境條件下碳化硅發(fā)生不利的高速升華的溫度低，從而在熱力學(xué)上增加晶體中所得狀態(tài)和點缺陷的濃度；以及，隨后以足夠快的速度將加熱的晶體冷卻至接近室溫，以便最大程度地縮短在缺陷充分可遷移從而消失或重新退火進(jìn)入晶體中的溫度范圍內(nèi)的停留時間，從而制備出這樣的碳化硅晶體，該碳化硅晶體中的點缺陷狀態(tài)濃度比未按該方式進(jìn)行加熱和冷卻的另外相同生長的碳化硅晶體中點缺陷狀態(tài)濃度高。
全文摘要
公開了一種制備具有可控氮含量的半絕緣碳化硅晶體的方法。所述方法包括如下步驟將含氫環(huán)境氣體引入升華生長室；在氫環(huán)境生長室中將碳化硅源粉末加熱至升華，同時，在氫環(huán)境生長室中將碳化硅籽晶加熱至比源粉末溫度低的第二個溫度并隨后進(jìn)行保溫，在該第二個溫度下，由源粉末升華的物質(zhì)將凝聚在籽晶上，繼續(xù)加熱碳化硅源粉末直至在籽晶上已出現(xiàn)期望量的碳化硅晶體生長，同時在生長室中保持充分的氫環(huán)境濃度，以最大程度地減少進(jìn)入生長中的碳化硅晶體中的氮量；以及在升華生長期間同時將源粉末和籽晶保持在各自足夠高的溫度下，以使生長中晶體中點缺陷數(shù)目增加至所獲碳化硅晶體具有半絕緣性的量。
文檔編號C30B23/00GK1849417SQ200480026416
公開日2006年10月18日 申請日期2004年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月28日
發(fā)明者D·P·馬爾塔, J·R·詹尼, H·M·霍布古德, V·F·茨韋特科夫 申請人:克里公司