專利名稱：在離軸晶種上一百毫米SiC晶體的生長(zhǎng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料，特別涉及非常高結(jié)晶質(zhì)量(例如低
缺陷)的大直徑碳化硅(SiC)單晶的生長(zhǎng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體的電性質(zhì)直接產(chǎn)生于它們的物理性質(zhì)，包括它們的 晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷以足夠大的濃度中存在時(shí)，可 能損害半導(dǎo)體材料的所需物理和電性質(zhì)。 一些缺陷立即顯出問 題，而其它缺陷經(jīng)過連續(xù)使用一段時(shí)間后變得明顯。
所有晶體包括一些結(jié)構(gòu)缺陷。確實(shí)在某些程度上，缺陷的
存在提供用于晶體生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，這是因?yàn)槟承┤毕莸倪吘壙稍?某些條件下提供用于連續(xù)有序生長(zhǎng)的最佳機(jī)會(huì)。因此對(duì)于半導(dǎo) 體材料及其在電子設(shè)備上的應(yīng)用的相關(guān)調(diào)查變?yōu)檫@些缺陷的濃 度(典型地表示為每單位面積的缺陷數(shù))和它們的特征而不是它 們基本存在或不存在。如此處使用的，術(shù)語"缺陷"指在晶體結(jié) 構(gòu)中的缺陷或結(jié)構(gòu)缺陷，且不包括可有意或無意引入至晶體結(jié) 構(gòu)的雜質(zhì)元素如摻雜劑。
碳化硅具有大量的使它成為有利的半導(dǎo)體材料的性質(zhì)。物 理上，該材料非常硬，且具有極其高的熔點(diǎn)，給予其強(qiáng)有力的 物理特性。化學(xué)上，碳化硅具有很高的耐化學(xué)攻擊性，因此提 供化學(xué)穩(wěn)定性以及熱穩(wěn)定性。然而，可能最重要地，碳化硅具
有優(yōu)良的電性質(zhì)，包括高的擊穿電場(chǎng)、相對(duì)寬的帶隙(對(duì)于4H 多型體在室溫下約3.2eV)和高的飽和電子漂移速度。這些性質(zhì) 給予SiC關(guān)于高功率操作、高溫操作和輻照硬度的顯著優(yōu)勢(shì)。 然而在它的晶體形式中，碳化硅能以多于150種多型體(或晶體結(jié)構(gòu))存在，其中多種通過相對(duì)小的熱動(dòng)力學(xué)差別而分開。
因此，保持單一多型體同時(shí)生長(zhǎng)大的SiC晶體代表根本的挑戰(zhàn)。
高時(shí)，SiC傾向于直接由固相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?。由升華造成的蒸汽相種類(Si(g)、 SiC2(g)和Si2C(g))還增加了多型體控制的困難。作為另 一個(gè)因素，SiC傾向于以非化學(xué)計(jì)量方式升華且并傾向于留
下固體碳。
因此，某些碳化硅的物理和化學(xué)性質(zhì)能夠在碳化硅生長(zhǎng)，特別是可用于晶片、具有外延層的晶片和工業(yè)可行量的電子設(shè)備的工業(yè)生產(chǎn)中的尺寸、數(shù)量和純度方面的生長(zhǎng)期間造成困難。
典型地制造半導(dǎo)體設(shè)備的第一步包括形成最終構(gòu)成該設(shè)備的半導(dǎo)體材料的薄層。在很多應(yīng)用中，這采用在相同或不同半導(dǎo)體材料的大"塊體"基底晶體上生長(zhǎng)一層或多層外延層("外延層")的形式。使用非常精確的、公知的技術(shù)例如化學(xué)氣相沉積
(CVD)、分子束外延(molecular beam epitaxy)(MBE)及其它方法，
使外延層具有極高質(zhì)量地形成?？傊?，高質(zhì)量外延層的生長(zhǎng)要求相對(duì)慢的生長(zhǎng)速率。適用于作為基底的塊狀晶體典型地以相對(duì)快的速率生長(zhǎng)，但與外延層比較通常質(zhì)量有些低。然而，因?yàn)橥庋訉踊局貜?fù)其上形成外延層的基底的原子型式(pattern),所以更高質(zhì)量基底對(duì)于生產(chǎn)更高質(zhì)量的外延層是理想的和必須的。
在碳化硅的技術(shù)領(lǐng)域中，在碳化硅基底上的外延層生長(zhǎng)可通過沿"離軸"取向生長(zhǎng)外延層而得到提高。術(shù)語"離軸"通過與"同軸"生長(zhǎng)比較非常好理解。同軸生長(zhǎng)是指沿與碳化硅晶體限定面之一垂直進(jìn)行的方向發(fā)生的晶體生長(zhǎng)。生長(zhǎng)方向以公知的晶體米勒-布喇菲符號(hào)如[defg]給出，其中括號(hào)表示所給定的方向且整數(shù)表示沿著虛晶軸(imaginary crystal axe)矢量投影。當(dāng)米勒指數(shù)以圓括號(hào)給出時(shí)，符號(hào)指晶面。因此，將對(duì)碳化硅
的硅原子面的法線(垂直)方向指定為對(duì)于碳化硅的六邊(如6H、4H)多型體的
,同時(shí)將碳化硅面本身指定為(0001)面。
該
方向稱為c軸，同時(shí)將垂直于c軸的面稱為c面、c平面或基面。有時(shí)將c平面稱為"該"基面。
圖6說明用于簡(jiǎn)單六方晶體結(jié)構(gòu)的單位晶胞。c面和c軸在圖上標(biāo)明。
方向和它的相對(duì)向
方向也在圖6中標(biāo)出。認(rèn)
為[oooi]方向和[oooi]方向?yàn)榈韧较颍@是由于該晶體取向是
任意的。等同方向通過使用尖括號(hào)表示。所以，符號(hào)<0001>指等同于[OOOl]方向的方向 一族。平面族通過括號(hào)表示；如{0001}。 SiC晶片的一側(cè)通過硅原子封端，且另一側(cè)通過碳原子封端。根據(jù)慣例，將硅側(cè)表示為(0001)且將碳側(cè)表示為(000T)。
依據(jù)慣例和排版，"杠"的表示也可在相關(guān)整數(shù)的前面，即
(000-1)。
術(shù)語離軸是指沿除直接垂直于晶面之外的方向生長(zhǎng)，且相
對(duì)于垂直于晶體c面的c軸典型地輕微地傾斜。這些離軸方向被認(rèn)為是鄰近的，是輕微偏離基本方向或平面。離軸生長(zhǎng)可以降低隨機(jī)成核，因此促進(jìn)碳化硅外延層以更大的晶格精度生長(zhǎng)。這可理解為是由于與同軸面相比暴露于離軸面上的更大數(shù)目的
"臺(tái)階"所引起。在具體的實(shí)例中，已發(fā)現(xiàn)偏離<000!>方向朝
向<11^0>或<10〖0>方向?yàn)?。的取向?qū)τ诖龠M(jìn)高質(zhì)量碳化硅外
延層生長(zhǎng)特別有效。
示例性的離軸外延層生長(zhǎng)方法在美國(guó)專利4，912，064中提出，將其全部引入此處以作參考。在制備用于該生長(zhǎng)的基底中，將同軸塊狀碳化硅的較大晶體或"梨晶"以理想的角度(例如8。)切割以提供離軸面，且通常將大量的塊狀晶片(bulk wafer)以適當(dāng)?shù)慕嵌惹懈睢?br> 8然而，以8。的角度將SiC同軸生長(zhǎng)晶體切片以產(chǎn)生離軸晶 片是非常浪費(fèi)的；即，必須將梨晶的楔形部分從頂部和底部舍 棄，以提供用于外延層生長(zhǎng)的8。離軸基底。
基底生長(zhǎng)通常發(fā)生在籽晶升華生長(zhǎng)方法和系統(tǒng)中，如在普 通受讓的美國(guó)專利4，866，005及其再頒RE34，861中提出的，將二 者的內(nèi)容全部引入此處以作參考。升華生長(zhǎng)的特性在于梨晶生 長(zhǎng)的方向主要由來源(通常但不是必須的，SiC粉末)和晶種之間 的熱梯度確定。因此具有8。離軸表面的籽晶將沿?zé)崽荻?用暖于 晶種的粉末)的方向生長(zhǎng)。
迄今為止在提高碳化硅使用中的局限之一是尺寸因數(shù)。通 過比較，在其它半導(dǎo)體材料如硅(Si)和砷化鎵(GaAs)中，六英寸 直徑的晶片是普通的，并可得到具有300毫米(mm)直徑的一些 硅晶片。
相反，由碳化硅提供的物理生長(zhǎng)挑戰(zhàn)在于二英寸和三英寸 晶片(50.8mm和76.2mm)被認(rèn)為是典型地商業(yè)化的，而100mm以 上晶片不能廣泛獲得。在碳化硅生長(zhǎng)方面最近的工作確認(rèn)這些 典型的尺寸。例如，Dedulle等，F(xiàn)ree Q/" 4i7-57C S少
ikfe//zo<i, M^r五i L4丄S SC/五iVC五 FORt/M Vol. 457-460 (2004)，第71-74頁報(bào)導(dǎo)了 25mm和45mm直徑晶體的生 長(zhǎng)。Nakamura等人(同上，第163-168頁)在商購的晶片上進(jìn)行 外延生長(zhǎng)而不是延伸基底晶片本身的生長(zhǎng)或尺寸。Rost,
C/mw爐，MATERIALS SCIENCE FORUM VOL. 389-393 (2002)第67-70頁，同樣提到35mm單晶。Anikin ，
S/C 5m/A G腳A, MATERIALS SCIENCE FORUM， VOL. 338-342 (2000),第13-16頁才艮道了 30毫米直徑的晶體。 Gupta等人，<57/ 4/f-57C 5w/A: GVowf/z Wvawced
9尸rr (C4尸F(xiàn)r」，mat. res. soc. symp. proc. vol. 8i5 (2004)
報(bào)道了2英寸和3英寸碳化硅基底的使用。
當(dāng)然，圓面積(出于標(biāo)準(zhǔn)化和排列的目的，典型的半導(dǎo)體晶 片是圓形的，具有限定的"平的"邊緣部分)與半徑的平方成正比
例。因此，增大適當(dāng)?shù)腟iC籽晶的直徑，塊狀晶體在籽晶上生長(zhǎng)，
和從塊狀晶體切割晶片，這潛在地提供幾何學(xué)的而不是僅邊緣 的優(yōu)點(diǎn)，條件是能夠保留合適的最小缺陷濃度(即高質(zhì)量)。例
如，45mm直徑的晶片具有1590mm2的面積；而90mm晶片(即兩 倍于該直徑)將具有約6360mm2的面積。
在用于得到離軸晶片的常規(guī)技術(shù)中，更大的晶體典型地偏 離晶體法向取向，接著對(duì)著該取向切割晶片，以生產(chǎn)離軸晶種。
晶體偏離法向而取向減少了切割與該晶體同樣尺寸的晶片可利 用的有效厚度。該有效的損失能夠通過晶片尺寸(直徑)和切角 的切線評(píng)價(jià)。例如，對(duì)于在100毫米直徑的晶體上的八度(8。)離 軸切割，該8。(0.1405)的切線限定接近14毫米材料的損失。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明為半導(dǎo)體晶體。該晶體包括晶種部和在所 述晶種部上的生長(zhǎng)部。所述晶種部和所述生長(zhǎng)部形成大體上豎 直的圓柱形碳化硅單晶。晶種面定義為在生長(zhǎng)部和晶種部之間 的界面，所述晶種面大體平行于豎直的圓柱形晶體的底面，且 位于相對(duì)于單晶的{0001}面約0.5°和12°離軸之間。該生長(zhǎng)部復(fù) 制所述晶種部的多型體和所述生長(zhǎng)部具有至少約100mm的直 徑。
另一方面，本發(fā)明為包含單晶晶種部和在該晶種部上的單 晶生長(zhǎng)部的半導(dǎo)體材料，其中所述晶種部和生長(zhǎng)部具有足以限 定至少100mm直徑的豎直圓柱形碳化硅單晶的直徑。晶種面定義為在生長(zhǎng)部和晶種部之間的界面，所述晶種面大體平行于豎
直圓柱形晶體的底面，且位于相對(duì)于單晶的{0001}面約0.5。和 12。離軸之間。該生長(zhǎng)部復(fù)制所述晶種部的多型體。
另一方面，本發(fā)明為半導(dǎo)體晶片，其包括具有至少100毫 米直徑和小于100cm^微管密度的碳化硅的單 一 多型體。
又一方面，本發(fā)明為用于生長(zhǎng)高質(zhì)量大直徑碳化硅單晶的 方法。該方法包括相對(duì)于產(chǎn)生籽晶的塊狀晶體的c軸呈 一 定角 度，從碳化硅的塊體單晶切割碳化硅籽晶，該籽晶具有相對(duì)于 該塊狀晶體的c-面離軸的面，沿垂直于該籽晶的晶種面且相對(duì) 于c面不垂直的方向，將主熱梯度施加到在籽晶生長(zhǎng)系統(tǒng)中的離 軸籽晶，直至獲得理想尺寸的塊狀晶體，和通過平行于該籽晶 的原始面切割塊狀晶體而從該塊狀晶體切割離軸晶片，從而生 產(chǎn)具有相對(duì)于該晶種晶片(seed wafer)的c軸離軸的面的晶種晶 片。
基于以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它目的 和優(yōu)點(diǎn)及其完成的方式將變得更加清楚。


圖l為根據(jù)常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)的塊狀晶體的示意圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的晶體的示意圖。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的晶體的另 一 實(shí)施方案的示意圖。
圖4為根據(jù)本發(fā)明的晶體的另 一 實(shí)施方案的示意圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明的晶片的示意圖。
圖6為六方晶體幾何學(xué)的特定方面的示意圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明形成的晶片的高質(zhì)量表面的 一套三張照片。
圖8為根據(jù)本發(fā)明的塊狀晶體的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖l為用于獲得離軸碳化硅晶片的常規(guī)技術(shù)的示意圖。通
常，將以10廣泛指示的塊狀晶體沿同軸定向生長(zhǎng)。因而圖l說明 c軸
15垂直于晶體10的c面(0001)14。為了獲得用于離軸生 長(zhǎng)的離軸晶種，將晶體10沿著多條線13切割，該線13不垂直(離 軸)于c軸15,因此相對(duì)于c面14是不平行的。
如在背景技術(shù)中提到的，引起一些問題。首先，以這種方 式切割晶體10限定了在晶體10的底部和頂部各自浪費(fèi)的部分 12。理想的切割線13(其因此限定面)離軸的度數(shù)越大，將浪費(fèi) 越多量的材料。
第二，根據(jù)固體和平面幾何學(xué)的基本原則，如果晶體10為 圓柱體的形式，那么以一定角度而不是平行于平面來切割平面， 產(chǎn)生橢圓形切片而不是圓形切片。盡管這對(duì)于碳化硅的微觀生 長(zhǎng)不是問題，但在宏觀上，晶種和晶片常規(guī)上是圓形的(在限定 的位置具有正交面)，因此該橢圓形切片必須以某些習(xí)慣的方式 處理或修整成常規(guī)形狀。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的以20廣泛指示的晶體的第 一 實(shí)施方案 的示意性說明。晶體20包括晶種部21和在晶種部21上的生長(zhǎng)部 22。晶種部21和生長(zhǎng)部22—起形成大致豎直的圓柱形碳化硅單 晶o 晶 種面23定義為在生長(zhǎng)部22和晶種部21之間的界面。在實(shí) 踐中和如本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所認(rèn)知，在生長(zhǎng)的晶體中，晶種
面23可為實(shí)際的而不是觀察的。晶種面23大體上與豎直的圓柱 形晶體20的底面24和25平行，且處于相對(duì)于單晶20的c面約0.5 和20度離軸之間。當(dāng)然，該(0001)c面為{0001}面一族的成員。 生長(zhǎng)部22復(fù)制晶種部21的多型體，生長(zhǎng)部22具有至少約IOO毫米 的直徑。
取向傾斜的度數(shù)不是由數(shù)值本身限定，而通過邏輯函數(shù)考慮而限定。例如，夸張地說，在90。"離軸"角上生長(zhǎng)必然意味著 在不同晶面上生長(zhǎng)。相似地，釆用接近于0。的離軸取向提供與 基面本身最小的不同。因此，將理解盡管成功的生長(zhǎng)已在高至8。 的離軸取向得到證實(shí)，但是同樣期望以更大的角度成功，8°不 表示對(duì)于本發(fā)明的絕對(duì)上限。
圖2也說明晶體20的c軸27，同樣地說明了在升華期間驅(qū)動(dòng) 晶體生長(zhǎng)方向的熱梯度30。如在現(xiàn)有技術(shù)中公知的，熱梯度表 示越過物理距離所需的溫度差異；例如，每厘米攝氏度。 一般 來講，在熱梯度存在下，升華的(和其它氣態(tài))物質(zhì)將從較溫暖 的位置遷移至(相對(duì))較冷的位置。所以控制晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)中的 熱梯度是控制晶體生長(zhǎng)的性質(zhì)和方向的重要因素。在本文的圖 中，各個(gè)箭頭(16、 30、 60)示意性地表示軸向熱梯度。
因而圖2說明與在圖l中說明的晶體對(duì)照，生長(zhǎng)不垂直于c 面26而發(fā)生，但是替代的是垂直于晶種面23。以相應(yīng)的方式， 熱梯度30和c軸27不再彼此平行，也不意欲彼此平行。
晶種部21和生長(zhǎng)部22典型地具有選自由石灰化硅的3C、 4H、 6H和15R多型體組成的組中的多型體，4H多型體對(duì)于高頻、高 功率設(shè)備特別(但不是排他的)有益。相似地，4H和6H多型體對(duì) 于高溫設(shè)備、光電設(shè)備和III族氮化物材料的沉積特別有益?？?以了解，這些相對(duì)于彼此在相對(duì)意義上是有利的，本發(fā)明提供 優(yōu)點(diǎn)而與單晶的多型體無關(guān)。
晶種面相對(duì)于c面離軸的角度在某些程度上是設(shè)計(jì)選擇的 事項(xiàng)，典型地范圍在0.5。和12。之間，但已使用對(duì)于6H在約3.5。 和對(duì)于4H在約8。的離軸，二者相對(duì)于c面表示。
圖3和4說明本發(fā)明另外的實(shí)施方案。特別地，包括升華生 長(zhǎng)的晶種碳化硅生長(zhǎng)的特性在于即使在最佳條件下， 一些生 長(zhǎng)的晶體展示至少為不規(guī)則并潛在地包括非單 一 多型體材料的
13邊緣，且在某些情況下， 一個(gè)或多個(gè)表面可為非平面的，這有 時(shí)取決于將它們物理安裝到生長(zhǎng)系統(tǒng)或從生長(zhǎng)系統(tǒng)中物理去除 的方式。
因而，圖3說明了以34廣泛指示的半導(dǎo)體晶體，該半導(dǎo)體晶 體包括單晶晶種部35和在該晶種部35上的單晶生長(zhǎng)部36,晶種 部35和生長(zhǎng)部36具有相同的多型體。晶體34還包括以37示意性 說明的邊緣部，該邊緣部可包括其它多型體(即與晶種和生長(zhǎng)部 不同)或與經(jīng)常對(duì)于許多電子應(yīng)用所期望的單晶材料不一致的 多晶材料。
晶種部和生長(zhǎng)部36仍然具有足夠的直徑以限定至少100毫 米直徑的豎直圓柱形碳化硅單晶，而不依賴于任何不同的多型 體材料。如在前述實(shí)施方案中，晶種面40定義為在生長(zhǎng)部36和 具有晶種面40的晶種部35的界面，該晶種面40大體上與豎直圓 柱形晶體34的底面41和42平行，且在相對(duì)于單晶34的c面43的約 0.5。和12。離軸之間。如在其它實(shí)施方案中，生長(zhǎng)部36復(fù)制晶種 部35的多型體。
圖3也說明將與相對(duì)于較前實(shí)施方案提出的相同觀點(diǎn)進(jìn)行 說明的c軸57和施加的熱梯度60的方向。
圖4說明了根據(jù)本發(fā)明的另 一 晶體44 ，該晶體44包括晶種部 4 5和生長(zhǎng)部4 6,非單晶材料邊緣部4 7以及可為非平面的表面5 0 和51。該非平面的表面例如50和51的成因是變化的，^f旦是不必 然排除單晶。因此，晶種部45和生長(zhǎng)部46在全部晶體44內(nèi)具有 足以限定至少100毫米豎直圓柱形碳化硅單晶52的直徑"D"。
如在其它實(shí)施方案中，圖4說明定義為在生長(zhǎng)部46和晶種部 4 5之間界面的晶種面5 3,晶種面5 3大體上與豎直圓柱型晶體部 52的底面54和55平行。晶種面53又在相對(duì)于單晶52的c面56約 0.5。和12。的離軸之間。如在其它實(shí)施方案中，生長(zhǎng)部46復(fù)制晶種部45的多型體。
在又一實(shí)施方案中，如在圖5中說明，本發(fā)明包括具有至少 100mm直徑"D"的半導(dǎo)體晶片62，其符合如在不同的來源(如 http:〃www.cree.com/products/pdf/MAT畫CATA LOG.00G.pdf [在 線](2006年6月))中討論的用于晶片或直徑測(cè)量的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。晶 片62包括大體上平行的面63和64和大體上垂直于面63和64的圓 周邊緣65。該晶片特征在于形成晶片的單晶的c面66是在相對(duì)于 單晶晶片62的底面63和64呈0.5。和12。度離軸之間。
在晶片形式中，1 OOmm單晶適合于常規(guī)材料加工和加工設(shè) 備。在晶片形式中，晶體還能用作用于碳化硅或其它材料、特 別是III族氮化物的外延生長(zhǎng)的基底，該碳化硅或其它材料、特 別是ni族氮化物用于光電設(shè)備例如藍(lán)光發(fā)射光發(fā)射二極管和藍(lán) 色激光二極管。
因此，在另一方面，本發(fā)明是根據(jù)本發(fā)明的晶片和在晶片 上形成的外延層的組合。具有外延層的晶片提供許多優(yōu)勢(shì)(典型 地作為前驅(qū)體)。例如，該晶片和外延層能夠形成用于金屬半導(dǎo) 體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFETs)的基底。根據(jù)本發(fā)明的單晶晶片提 供與碳化硅和III族氮化物二者接近的晶格匹配。該晶片具有碳 化硅的高熱傳導(dǎo)性，提供更大功率加工和改進(jìn)的可靠性。在SiC 基底上的III族氮化物外延層的使用提供了用于短波長(zhǎng)激光二極 管的有利途徑，該短波長(zhǎng)激光二極管與更長(zhǎng)波長(zhǎng)二極管比較能 夠顯著地增加光存儲(chǔ)能力。作為另一優(yōu)勢(shì)，能夠形成碳化硅， 該碳化硅具有范圍從用于微波設(shè)備(如美國(guó)專利6,316,793)的絕 緣至用于光發(fā)射二極管(如美國(guó)專利4，918，497)和激光器(如美 國(guó)專利5,592，501)導(dǎo)電的電導(dǎo)率。
根據(jù)本發(fā)明的晶體和晶片在所有實(shí)施方案中具有低于100 每平方厘米(cm,,在一些實(shí)施方案中具有低于300111-2,在一些
15實(shí)施方案中具有低于15cm々，和在一些實(shí)施方案中低于5cm^的 微管密度。
也能將根據(jù)本發(fā)明的晶體和晶片使用用于描述質(zhì)量的其它 標(biāo)準(zhǔn)分類。這些標(biāo)準(zhǔn)的一些以一個(gè)或多個(gè)下列術(shù)語描述。
"(區(qū)域)污染"指局域化面積中在表面上的任何異物，所述 異物在高強(qiáng)度或漫射照明下顯示為由污跡、污點(diǎn)或水斑引起的 外〗現(xiàn)上的變色、斑點(diǎn)或混濁。
"裂紋"指從晶片的前側(cè)延伸至晶片的后側(cè)表面的晶片破裂 或開裂。出于質(zhì)量描述的目的，"裂紋"在高強(qiáng)度照明下必須超 過0.010英寸的長(zhǎng)度。這有助于從可允許的結(jié)晶條紋中識(shí)別破裂 線。該破裂線典型地展示尖細(xì)的傳播線，從條紋中識(shí)別該尖細(xì) 的傳播線。
"邊緣碎片，，指沿徑向深度或?qū)挾瘸^1.5毫米的任何不規(guī) 則的邊緣(包括晶片鋸?fù)顺龅暮圹E)。當(dāng)在漫射照明下觀察時(shí)， 可將邊緣碎片確定為從該晶片邊緣非故意缺失的材料。
"邊緣排除"是指限定的晶片外環(huán)面，將該晶片外環(huán)面表示 為晶片加工面積且將其從表面加工標(biāo)準(zhǔn)中排除。
"六邊板(hex plates)"是指在晶片表面上的六邊形薄片，其 在漫射照明下對(duì)于肉眼看起來的顏色為銀色。
"掩膜缺陷(mask defect)"("小山丘(mound)")指當(dāng)用漫射照 明觀察時(shí)在晶片前側(cè)表面之上隆起的明顯的面積。
"橘子剝離，，指當(dāng)在漫射照明下觀察時(shí)目測(cè)可發(fā)現(xiàn)的表面粗 糙化。
"凹痕，，指單獨(dú)可分辨的不規(guī)則表面，其看起來像具有長(zhǎng)度 和寬度比不低于5至l的晶片表面中的凹陷，且其在高強(qiáng)度照明 下是可見的。
"外來多型體"("夾雜物"或"微晶")是指晶片結(jié)晶學(xué)區(qū)域，其
16為多晶或?yàn)榫瑲埩粑镆酝獾钠渌煌亩嘈腕w材料(例如與
6H混合的4H)。多個(gè)區(qū)域經(jīng)常顯示變色或清楚的邊界線且根據(jù) 在漫射照明下的面積百分比判斷。
"擦痕"定義為進(jìn)入前側(cè)晶片表面的個(gè)別的切口或溝槽，其 具有長(zhǎng)度和寬度比大于5至1，且在高強(qiáng)度照明下可見。
"條紋"定義為線性晶體學(xué)缺陷，其從晶片表面向下擴(kuò)展， 其可以或不可以穿過晶片整個(gè)厚度且一般在其長(zhǎng)度上追隨晶體 學(xué)平面。
"總的可用面積"是指在邊緣排除的區(qū)域之內(nèi)，從前側(cè)晶片 質(zhì)量面積中累積減去全部顯著缺陷的面積。殘留百分比值表明 無全部顯著缺陷的前側(cè)表面的比例(不包括至邊緣排除的兩毫 米)。
在如背景技術(shù)的這些標(biāo)準(zhǔn)的情況下，根據(jù)本發(fā)明的晶片展 示邊緣碎片具有每一 晶片小于2的濃度。根據(jù)本發(fā)明的晶片展示 橘子剝離或凹痕不多于晶片面積的百分之三十，且在一些實(shí)施 方案中不多于晶片面積的百分之十。
根據(jù)本發(fā)明的晶片展示條紋為每一晶片20條以下，且在其 它實(shí)施方案中為每一 晶片3條以下。根據(jù)本發(fā)明的晶片沒有區(qū)域 污染或裂紋。六邊板的濃度低于晶片累積面積的百分之三十， 且在其它實(shí)施方案中低于晶片的累積面積的百分之十。
根據(jù)本發(fā)明的晶片具有不多于八條擦痕或在一些實(shí)施方案 中不多于五條擦痕。
將根據(jù)本發(fā)明的晶片在200X顯微鏡下觀察掩膜缺陷(小山 丘)。在所有實(shí)施方案中晶片在十字圖案中觀察的9個(gè)視野中的3 個(gè)以下具有10個(gè)以下的缺陷，或在其它實(shí)施方案中晶片在十字 圖案中觀察的9個(gè)視野中的5個(gè)以下具有10個(gè)以下的缺陷。晶片 沒有污染。以累計(jì)總量表示，累計(jì)面積缺陷為晶片面積的百分之三十以下，在一些實(shí)施方案中為晶片面積的百分之十以下。
在另一方面，本發(fā)明為用于生長(zhǎng)高質(zhì)量大直徑碳化硅單晶 的方法。在這一方面，本發(fā)明包括相對(duì)于產(chǎn)生籽晶的塊狀晶體 的C軸呈一定角度，從碳化硅的塊體單晶切割碳化硅籽晶，該籽 晶具有相對(duì)于該塊狀晶體的C-面離軸的面，沿垂直于籽晶的晶 種面且相對(duì)于c面不垂直的方向，將主熱梯度施加到籽晶生長(zhǎng)系
統(tǒng)中的離軸籽晶，直至獲得理想尺寸的塊狀晶體，以及通過平 行于籽晶的原始面切割塊狀晶體而從塊狀晶體切割離軸晶片，
從而生產(chǎn)具有相對(duì)于晶種晶片的c軸離軸的面的晶種晶片。
特別地，該方法典型地包括從塊狀晶體切割多片晶片。 如相對(duì)于本發(fā)明的其它方面所注意到的，得到的晶片提供
用于將切割的離軸晶片引晶至塊體生長(zhǎng)系統(tǒng)的適當(dāng)晶種。然后 碳化硅的塊體生長(zhǎng)能夠在該引晶的系統(tǒng)中進(jìn)行。
該方法能進(jìn)一步包括在晶種晶片的離軸面上生長(zhǎng)至少一層 和潛在地多層的外延層，碳化硅和m族氮化物材料的外延層是 特別有利的。
圖7為根據(jù)本發(fā)明形成的碳化硅晶片的一套三張照片。圖 7(A)和7(B)略微不垂直的角度拍攝，因此在照片中的晶片表現(xiàn) 為橢圓。然而，該晶片是圓形的，如通過圖7(C)的正面照片說 明。這些照片展示根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的100mm晶片。
圖8為說明該方法及其優(yōu)點(diǎn)的示意性圖。圖8說明以70廣泛 指示的塊狀晶體，其中相對(duì)面71和72相對(duì)于c面73離軸。出于參 考的目的，還示出c軸74。為清晰起見，圖8放大了離軸取向的 程度。
與該方法一致，因?yàn)樯L(zhǎng)晶體的面71、 72已相對(duì)于晶體的c 面離軸，且4艮設(shè)晶體70以立體豎直的圓柱體形式生長(zhǎng)(正如典型 的)，所以能將晶體70垂直于其圓柱軸切割，以限定單個(gè)晶片75
18具有離軸表面且為圓形而非橢圓形的形式。
將了解盡管相對(duì)于SiC的(0001)面和
軸已描述此處敘述的技術(shù)，但是能使用其它的面(如{0001}平面)和相對(duì)于其
它軸將該技術(shù)引入。由于許多原因，(oooi)和(oooi)面便于碳化
硅塊體生長(zhǎng)，但并非完全如此。因此，本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將能夠使用除此處描述的那些之外的角度和面引入要求保護(hù)的發(fā)明。
還將由熟悉碳化硅晶體生長(zhǎng)的那些人員所理解的是能將術(shù)語"單晶"用于描述具有一些嵌合體特征的大梨晶晶體。如對(duì)于本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員進(jìn)一步已知的，在具有一起生長(zhǎng)以形成單晶的多個(gè)成核區(qū)的情況下，具有嵌合體特征的晶體生長(zhǎng)。得到的區(qū)域可通過位錯(cuò)或其它缺陷約束，但當(dāng)使用已公知的技術(shù)特別是X-射線衍射分析時(shí)，仍具有單晶特性。這些區(qū)域的聚集可具有在晶粒之間含有非常小的傾斜區(qū)域的嵌合體結(jié)構(gòu)，但這些區(qū)域仍一起生長(zhǎng)，從而形成單晶。
根據(jù)x-射線衍射，根據(jù)本發(fā)明生長(zhǎng)的晶體的單晶特性將具有來自約36和180角秒(arc second)之間的衍射角的角發(fā)散。這在現(xiàn)有技術(shù)中的單晶公差的正常范圍內(nèi)，其中40至60角秒(sec")的角發(fā)散表示高質(zhì)量單晶。測(cè)量角發(fā)散作為在布拉格角處的半值寬度(FWHM),其符合現(xiàn)有技術(shù)中公知的標(biāo)準(zhǔn)。
在附圖和說明書中，已描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，盡管已使用具體的術(shù)語，但它們僅以普通的和描述性的意義使用，而不是出于限定的目的，將本發(fā)明的范圍限定在權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1. 一種半導(dǎo)體晶體，其包括晶種部；和在所述晶種部上的生長(zhǎng)部；所述晶種部和所述生長(zhǎng)部形成大體上豎直圓柱形碳化硅單晶；晶種面定義為在所述生長(zhǎng)部和所述晶種部之間的界面；所述晶種面大體上平行于所述豎直圓柱形晶體的底面且相對(duì)于所述單晶的基面離軸；所述生長(zhǎng)部復(fù)制所述晶種部的多型體和所述生長(zhǎng)部具有至少約100mm的直徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體晶體，其中所述晶種面在 偏離所述晶體的{0001 }平面的約0.5°和12°離軸之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體晶體，其中所述晶種部和 所述生長(zhǎng)部具有選自由碳化硅的2H、 3C、 4H、 6H和15R多型體 組成的組中的多型體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體晶體，其中所述晶種面在 相對(duì)于所述晶體的{0001 }平面的約3.5°和8°離軸之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體晶體，其中所述多型體選 自由4H和6H組成的組，且所述晶種面在相對(duì)于所述晶體的 {0001}平面的約3.5。和8。離軸之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體晶體，其中所述晶種面朝 向<1150>方向離軸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體晶體，其中所述晶種面朝 向<10!0>方向離軸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體晶體，其具有低于100cm—2 的微管密度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體晶體，其具有低于20(^-2的微管密度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體晶體，其具有低于5cm—2 的微管密度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體晶體，其具有低于lcm-2 的微管密度。
12. —種半導(dǎo)體晶片，其包括 單晶晶種部；和 在所述晶種部上的單晶生長(zhǎng)部；所述晶種部和所述生長(zhǎng)部具有足以限定至少100毫米直徑 的豎直圓柱形碳化硅單晶的直徑；晶種面定義為所述生長(zhǎng)部和所述晶種部之間的界面；所述 晶種面大體上平行于所述豎直圓柱形晶體的底面，且在相對(duì)于 所述單晶的{0001 }平面約0.5°和12°離軸之間；和所述生長(zhǎng)部復(fù)制所述晶種部的多型體。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述晶種部 和所述生長(zhǎng)部具有選自由^f友化硅的2H、 3C、 4H、 6H和15R多型 體組成的組中的多型體。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述多型體 選自由4H和6H組成的組。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述晶種面 朝向<11&>方向離軸。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述晶種面 朝向<1010>方向離軸。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體晶片，其進(jìn)一步包括在 所述豎直圓柱體單晶的底面之一上的至少一層半導(dǎo)體材料的外 延層。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述外延層包括碳化硅。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述外延層 包括III族氮化物。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體晶片，其包括多層外延層。
21. 用于生長(zhǎng)高質(zhì)量大直徑碳化硅單晶的方法，所述方法 包括相對(duì)于產(chǎn)生籽晶的塊狀晶體的c -軸呈 一 定角度，從碳化硅 的塊體單晶切割碳化硅籽晶，所述籽晶具有相對(duì)于所述塊狀晶體的c-面離軸的面；將主熱梯度施加到在籽晶生長(zhǎng)系統(tǒng)中的離軸籽晶，以生產(chǎn) 復(fù)制所述晶種軸取向的所得的塊狀晶體；和通過平行于所述籽晶的原始面切割所述塊狀晶體而從塊狀 晶體切割晶片，以生產(chǎn)具有相對(duì)于所述晶種晶片的{0001}平面 離軸的面的晶片。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其包括從所述塊狀晶體 切割多片晶片。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其進(jìn)一步包括將切割的 離軸晶片引晶至塊體生長(zhǎng)系統(tǒng)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法,其包括在引晶切割的離 軸晶片的籽晶升華系統(tǒng)中進(jìn)行碳化硅的塊體生長(zhǎng)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述晶 種晶片的離軸面上生長(zhǎng)至少一層外延層。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其包括生長(zhǎng)多層外延層。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其包括生長(zhǎng)碳化硅的外 延層。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其包括生長(zhǎng)III族氮化物的外延層。
29.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，將所述熱梯度施加到在 籽晶生長(zhǎng)系統(tǒng)中的離軸籽晶。
全文摘要
公開了半導(dǎo)體晶體及其相關(guān)的生長(zhǎng)方法。該晶體包括晶種部和在晶種部上的生長(zhǎng)部。該晶種部和該生長(zhǎng)部形成大體上豎直的圓柱形碳化硅單晶。晶種面定義在生長(zhǎng)部和晶種部之間的界面，該晶種面大體上平行于豎直圓柱形晶體的底面且相對(duì)于單晶的基面離軸。生長(zhǎng)部復(fù)制晶種部的多型體且生長(zhǎng)部具有至少約100mm的直徑。
文檔編號(hào)C30B29/36GK101484616SQ200780025613
公開日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月6日
發(fā)明者羅伯特·泰勒·萊昂納德, 阿德里安·鮑威爾, 馬克·貝迪 申請(qǐng)人:科里公司