專利名稱：借助多層生長導向器的直徑導向式SiC升華生長的制作方法
借助多層生長導向器的直徑導向式SiC升華生長
背景技術：
4H和6H多型體的碳化硅晶片被用作生長SiC和GaN外延層的 晶格匹配的襯底，其中SiC和GaN外延層被用于制造SiC系和GaN 系半導體裝置。襯底和外延層中的晶體缺陷會嚴重影響這種半導體裝 置的性能。SiC襯底中最不希望出現(xiàn)的缺陷為微管、位錯和小角度晶 界。人們普遍認為，SiC和GaN單晶中的高缺陷密度會對由這些單晶 制成的裝置的性能產(chǎn)生不利的影響。
參照圖1，通常通過被稱為物理氣相傳輸(PVT)的升華技術來 生長大的SiC單晶。典型的PVT生長系統(tǒng)包括坩堝1，其通常由石墨 制成，里面裝有多晶SiC源材料3以及SiC籽晶4(通常為SiC單晶)。 源材料3被設置于坩堝1的底部，而籽晶4被附著在坩堝蓋或頂部2。 坩堝1被隔熱體6包裹。RF線圈7與坩堝1電磁耦合，并將其加熱 至SiC生長溫度，通常為1900匸至2400 °C。另外(或者作為可供選 用的其他方式)，可采用電阻加熱器(圖中未示出)，以將坩堝1內 部加熱至SiC生長溫度。這樣設置RF線圈7與坩堝1的相對位置， 使得源材料3的溫度高于籽晶4的溫度，并且這兩者間的溫度差為數(shù) 攝氏度至200 °C。通常使用穿過隔熱體6中的開孔8的光測高溫計來 監(jiān)測源材料3和籽晶4的溫度。
在高溫條件下，源材料3蒸發(fā)，從而使坩堝1中充滿Si2C、 SiC2 和Si的揮發(fā)性分子。受到坩堝1內溫度梯度的驅動，這些蒸氣移動 并凝結于籽晶4上，從而形成單晶5。
在如下文獻中披露了 PVT生長的現(xiàn)有工藝方法和裝置，這些文 獻為Y. Tairov禾口 V. Tsvetkov， "Investigation of Growth Processes of Ingots of Silicon Carbide Single Crystals", J. Crystal Growth, Vol. 43 (1978) ， 209-212頁;D. Nakamura等人，"Ultrahigh-Quality Silicon Carbide Single Crystals", Nature 430， 1009-1012頁，2004; D. Nakamura等人，"SiC Single Crystal, Method for Manufacturing SiC Single Crystal SiC Wafer Having an Epitaxial Film, Method for Manufacturing SiC Wafer Having an Epitaxial Film, and SiC Electronic Device"; I.D. Matukov等人，"Faceted Growth of SiC Bulk Crystals", Mat. Sci. Forum 457-460 (2004) ， 63-66頁；以及美國專利文獻5,683,507、 5,611,955、 5,667,587、 5,746,827、 5,968,261、 5,985,024、 6,428,621、 6,508,880、 6,534,026、 6,863,728、 6,670,282、 6,786,969禾卩6,890,600。
六方4H和6HSiC晶體(例如單晶5)的尺寸缺陷可分為兩類 "穿透型"(Threading)和"基面型"(Basal Plane)。穿透位錯是位錯 線平行于六方晶體c軸的位錯。穿透缺陷的例子包括穿透刃位錯 (TED)、穿透螺位錯(TSD)和微管?；嫖诲e(BPD)和基面堆 疊缺陷為位錯層平行于c基面的位錯。
當SiC晶體沿著c方向生長(也被稱為"軸向"生長或"法向"生長) 時，存在于籽晶中的TED、 TSD、以及微管會復制并蔓延至正在生長 的晶體中，而基面缺陷則不會出現(xiàn)這種情況。當SiC晶體沿著與c軸 垂直的方向生長(也稱為"側向"生長，可能沿著與六方晶體c軸垂直 的a、 m方向或其他晶體學方向進行生長)時，會出現(xiàn)相反的狀況 基面缺陷(BPD和堆疊缺陷)會復制并蔓延至正在生長的晶體中，而 穿透缺陷則不會出現(xiàn)這種情況。因此，重復進行側向生長和法向生長 可降低缺陷密度并提高晶體質量。
在一種現(xiàn)有的生長技術中，側向晶體生長和法向晶體生長是分開 進行的，每次均需要新的籽晶、新的源材料、新的坩堝等。然而，這 種技術過于復雜且耗時過長，因而不能用作工業(yè)化的工藝。
參見圖2，當生長中的晶體側向擴張而超出籽晶尺寸時，發(fā)生了 一系列的側向生長和法向生長。SiC籽晶10 (類似于圖1中的SiC籽 晶4)的表面被切割為與晶體學c平面平行，并且SiC籽晶10含有如 圖2中虛線所示出的穿透缺陷(位錯、微管)，其中圖2中還繪制出 了晶體生長的三個順序時間段，分別標注為步驟l、步驟2和步驟3。 在步驟1中，晶體由籽晶10幵始沿法向方向生長，并形成晶體層11。 晶體層11繼承了籽晶10的所有穿透缺陷，然而其不含有基面缺陷。在晶體層ll生長的同時，形成了塊體(volume) 12。塊體12從晶體 層ll側向生長，因此其沒有穿透缺陷。另一方面，由于作為塊體12 的籽晶的晶體層11也不含基面缺陷，因此塊體12亦沒有基面缺陷。
在步驟2中，晶體層13沿著晶體層11的法向方向生長，其繼承 了晶體層11的所有穿透缺陷。同時，形成了塊體14和塊體15。塊體 14沿著塊體12的法向方向生長，而塊體15則側向生長。塊體14和 塊體15均不含有穿透缺陷、也不含有基面缺陷。
在步驟3中，形成了塊體16、 17和18。從圖中可看出，塊體16 含有穿透缺陷，而塊體17和18既不含有穿透缺陷、也不含有基面缺 陷。
從圖中可看出，側向擴張至超出籽晶10的范圍的SiC晶棒 (boule)部分包括塊體12、 14、 15、 17和18，這些塊體很理想地既 不含有穿透缺陷、也不含有基面缺陷。
圖3A、 3B和3C中示意性地示出了晶體直徑擴張的兩種可能模 式，即自由式和導向式。圖3A-3C各自示出了生長用坩堝(類似于圖 1中所示的生長用坩堝)的上部局部圖，其中坩堝蓋或頂部附著有SiC 籽晶。具體參見圖3A和3B，在自由式擴張中，單晶不接觸坩堝壁或 者坩堝的任何其余內部部分(除了坩堝頂部)，并且其形狀和形態(tài)僅 由坩堝內的溫度梯度來決定。當徑向溫度梯度較大時，如圖3A所示， 會形成透鏡形狀的晶體，并且該晶體具有多個邊緣面(edge facet)。 這種擴張會導致高度的熱彈性應力并形成位錯，尤其是靠近晶棒邊緣 的部分更是如此。當徑向溫度梯度較小時，如圖3B所示，在坩堝蓋 上多晶SiC于籽晶周圍成核，且與單晶并排生長，從而使得單晶的擴 張程度不可預測。
圖3C中示出了所謂的SiC晶棒直徑導向式擴張的示意圖。這種 技術的區(qū)別性特征在于包圍在籽晶周圍的圓錐形生長導向器，其促使 晶體在被稱為導向式直徑擴張(guided diameter expansion)的工藝中 形成導向器內腔的形狀。
參見圖4A至4D，圖4A中示出了導向式直徑擴張的理想情況， 其發(fā)生在SiC晶體生長過程中，SiC晶體沿著導向器內壁"滑動"而并不與內壁接觸。在晶體與生長導向器之間存在著通常為1 mm至2 mm寬或更窄的細縫。
然而，導向式擴張技術并非毫無問題。圖4B、 4C和4D中示出 了最有害的問題。圖4B示出了生長導向器的腐蝕，這種腐蝕是由在 PVT生長過程中坩堝內產(chǎn)生的侵蝕性的富含硅的蒸氣而造成的。由于 腐蝕，生長導向器的內表面變得不規(guī)則，因此長成的單晶的形狀也是 不規(guī)則的?？拷L成的單晶的邊緣處的不規(guī)則生長區(qū)域內存在眾多缺 陷。
如圖4C所示，另一問題是在生長導向器上形成了多晶SiC沉積 物。這些沉積物消耗了蒸氣相中的有益于單晶生長的物質(nutrient)， 從而降低了生長中的單晶的尺寸。
圖4D示出了晶體與生長導向器間的合并。在生長過程中，單晶 與導向器接觸，附著在其上并在邊緣處形成粗糙的缺陷。
據(jù)信，為了消除單晶與生長導向器間的合并、以及多晶SiC在生 長導向器上的沉積，可使生長導向器內表面的溫度維持為高于生長中 的晶體的溫度。這可通過對加熱器或線圈(如圖1中的RF線圈7) 的幾何形狀進行設計、以及/或者使用具有特殊(和復雜)幾何形狀 的生長用坩堝而達成。
PVT生長是一種"密閉"工藝，無法通過實驗方法測量坩堝的內部 溫度，僅能依靠模擬來對溫度進行估測。在高溫下，只是大概知道石 墨和SiC晶體的熱性質。這使得熱模擬的準確度較低。此外，坩堝內 的熱條件會隨著生長的進行而發(fā)生改變。
生長導向器所受到的腐蝕是由在PVT生長過程中坩堝內產(chǎn)生的 侵蝕性的富含硅的蒸氣對導向器材料(通常為石墨)進行化學侵蝕而 造成的。SiC升華生長中所用的坩堝、擋熱罩和其他部分， 一般是由 高純度等靜壓成型石墨制成的。眾所周知，高純度石墨的化學耐性取 決于其結構。 一般來說，石墨是通過將石墨填料(焦炭)與粘結劑混 合而制成的。石墨焦炭由尺寸為幾十微米至幾百微米的小尺寸石墨晶 粒構成。粘結劑由殘渣油(柏油、焦油)或由高碳樹脂構成。所制得 的混合物經(jīng)過碳化和石墨化，其中石墨化的溫度高達3000 °C。石墨化后的最終結構由被石墨化粘結劑包圍的石墨晶粒構成。石墨化粘結 劑在某種程度上仍是無定形的，S卩，其含有無序的化學鍵。在化學侵 蝕過程中，石墨化粘結劑首先被腐蝕(被除去)。石墨化粘結劑的去 除會使微小的石墨晶粒脫離，這種微小的石墨晶粒會懸浮于空氣中， 并對生長中的SiC晶體造成污染。這使得具有高粘結劑含量的石墨比 具有低粘結劑含量的石墨更易于發(fā)生氣體/蒸氣腐蝕。
為了保護石墨免于發(fā)生氣體/蒸氣腐蝕，人們提出了使用多種碳 涂層和耐火涂層。碳涂層可由無定形(玻璃態(tài)、玻璃質)碳或熱解的
晶體石墨構成。這些碳涂層較薄，通常其厚度不超過40微米至50微 米，并且在SiC升華生長的條件下會快速地被蒸氣腐蝕。保護性耐火 涂層可包含碳化鉭或碳化鈮。然而，在SiC升華生長的條件下，這些 耐火涂層并非呈惰性。反而是這些耐火涂層會與蒸氣反應，然后剝落 并造成晶體的污染。

發(fā)明內容
一種由碳/石墨材料制成的生長導向器，其由內層或套筒以及外 層構成。面對著生長中的晶體的內層由高導熱率石墨制成，而外層由 具有低導熱率的多孔碳素材料制成。這種組合影響了導向器空腔內的 熱傳導，使得內表面溫度高于生長中的晶體的溫度。結果，避免或消 除了多晶SiC的沉積以及生長中的晶體在導向器上的附著。
生長導向器的耐蒸氣腐蝕性得到提高，這是通過由低粘結劑含量 的石墨制成導向器的內層而達成的。另外，通過從蒸氣中除去過量的 硅，也提高了生長導向器的耐腐蝕穩(wěn)定性。上述硅的去除是通過在生
長用坩堝內加入硅"吸收劑"(getter)來達到的。這種吸收劑優(yōu)選為對 硅具有高化學親和性的碳素材料。
更具體而言，本發(fā)明披露了一種SiC晶棒生長方法，該方法包括 在生長用柑堝內設置生長導向器，其中所述生長用坩堝的底部裝有 SiC源材料，而塒堝頂部裝有SiC籽晶。生長導向器具有內層和外層， 其中所述內層限定了所述生長導向器中的開孔的至少一部分，并且所 述外層在所述坩堝內支承著所述內層。所述開孔朝向所述源材料，而
10所述籽晶放置于所述開孔的與所述源材料相對的一端。所述內層由第 一材料形成，并且所述外層由不同于第一材料的第二材料形成，其中 第一材料的導熱率高于第二材料的導熱率。使所述源材料通過生長導 向器中的所述開孔、升華生長在所述生長用坩堝內的所述籽晶上，從 而在該籽晶上形成SiC晶棒。
開孔可呈圓錐形，其具有直徑較小的一端和直徑較大的一端?？?將籽晶放置在圓錐形開孔的所述直徑較小的一端。
在生長6H多型體碳化硅晶棒時，生長導向器開孔的中心軸與至
少內層的內表面之間的夾角為43.3° 、48.6°或54.7° ，而在生長4H 多型體碳化硅晶棒時，該夾角為43.3。或51.5° 。
在200(TC下，內層的導熱率可高于50 W/(m.K)，并且外層的導 熱率可低于20 W/(m'K)。
可由粘結劑含量低于20重量％的等靜壓成型石墨、或由不含粘 結劑的中間相石墨制成內層。外層可由多孔碳制成。
在PVT法生長SiC晶棒的過程中，外層能夠起到硅吸收劑的作用。
內層的厚度可介于2 mm至6 mm之間。生長用坩堝的頂部與至 少部分內層之間可存在2 mm至5 mm的縫隙。該縫隙可由導熱率低 于20W/(m.K)的材料填充，該材料例如為(但不限于)形成外層的材 料。
在2000。C下，內層的導熱率優(yōu)選高于80 W/(m.K)，并且外層的 導熱率優(yōu)選低于10W/(m《)。
可將內層設置在外層中的溝或凹槽內。所述開孔可由內層表面和 外層表面組合限定。
本發(fā)明還披露了 SiC晶棒生長裝置，該裝置包括石墨材質的生 長用坩堝；設置在生長用坩堝內的底部的SiC源材料；設置在生長用 坩堝內的頂部的SiC籽晶；設置在生長用坩堝內的頂部的生長導向器， 所述生長導向器具有由籽晶向源材料延伸的開孔，所述開孔的至少一 部分由所述生長導向器的第一層的表面限定，所述第一層在生長用坩 堝內由所述生長導向器的第二層支承，所述生長導向器的所述第一層由第一材料形成，第二層由不同于第一材料的第二材料形成，并且第 一材料的導熱率高于第二材料的導熱率；用于在生長用坩堝內形成溫
度梯度的裝置，其中該溫度梯度足以使SiC源材料蒸發(fā)并被輸送至籽 晶，蒸發(fā)后的源材料在籽晶上凝結并形成SiC晶棒。
開孔可呈圓錐形，其具有直徑較小的一端和直徑較大的一端?？?將籽晶放置在圓錐形開孔的所述直徑較小的一端。圓錐形開孔的直徑 較大的一端可朝向源材料。
在生長6H多型體碳化硅晶棒時，生長導向器開孔的中心軸與第 一層的表面之間的夾角為43.3° 、 48.6°或54.7° ，而在生長4H多 型體碳化硅晶棒時，該夾角為43.3?；?1.5° 。
在2000。C下，第一層的導熱率可高于50 W/(m.K)，并且第二層 的導熱率可低于20 W/(m.K)。
可由粘結劑含量低于20重量％的等靜壓成型石墨或由不含粘結 劑的中間相石墨制成第一層。第二層可由多孔碳制成。
可由第一層表面和第二層表面組合起來限定開孔。
生長用坩堝的頂部與第一層的至少一部分之間可被縫隙隔開。


圖1為現(xiàn)有技術的物理氣相傳輸(PVT)生長系統(tǒng)的剖視示意圖， 其用以在籽晶上生長SiC晶體。
圖2是在與圖1所示PVT生長系統(tǒng)類似的PVT生長系統(tǒng)中，按 現(xiàn)有技術在籽晶上生長的SiC晶體的一系列側向生長以及法向生長的 示意圖。
圖3A-3B是在與圖1所示PVT生長系統(tǒng)類似的PVT生長系統(tǒng)中， 現(xiàn)有技術的SiC晶體在籽晶上自由式擴張生長的剖視示意圖，所述生 長是分別在高(或強)的徑向溫度梯度以及低的徑向溫度梯度的存在 下進行的。
圖3C是在與圖1所示PVT生長系統(tǒng)類似的PVT生長系統(tǒng)中， 現(xiàn)有技術的SiC晶體在籽晶上導向式擴張生長的剖視示意圖。
圖4A是在與圖1所示PVT生長系統(tǒng)類似的PVT生長系統(tǒng)中，現(xiàn)有技術的SiC晶體在籽晶上進行理想的導向式擴張生長的剖視示意 圖。
圖4B-4D是在與圖1所示PVT生長系統(tǒng)類似的PVT生長系統(tǒng)中， 現(xiàn)有技術的SiC晶體在籽晶上導向式擴張生長的剖視示意圖，其示出 了在導向式擴張生長中所遇到的典型問題，即分別為由PVT生長 過程中產(chǎn)生的富含硅的侵蝕性蒸氣對生長導向器造成的腐蝕；SiC在 生長導向器上的沉積；以及在生長導向器上形成多晶SiC沉積物。
圖5A-5B是在與圖1所示PVT生長系統(tǒng)類似的PVT生長系統(tǒng)中， 現(xiàn)有技術的SiC晶體在籽晶上導向式擴張生長的剖視示意圖，其中在 這兩幅圖中，生長導向器分別為具有為零的導熱率，以及具有導熱性。
圖6是在與圖1所示PVT生長系統(tǒng)類似的PVT生長系統(tǒng)中，SiC 晶體在籽晶上導向式擴張生長的剖視示意圖，該生長系統(tǒng)利用了本發(fā) 明所披露的多層生長導向器。
圖7是在與圖1所示PVT生長系統(tǒng)類似的PVT生長系統(tǒng)中生長 出的6H-SiC晶棒側面的照片，該生長系統(tǒng)利用了圖6中所示的多層 生長導向器。
圖8A-8B為由圖7中所示晶棒所獲得的晶片的線性搖擺曲線掃 描圖，其分別示出了樣品角度Q (度)與晶片上的距離間的關系、以 及半峰全寬(FWHM)與晶片上的距離間的關系。
圖9A-9C為在圖7中所示的晶棒的一個邊緣處、中心以及外邊 緣處的X射線反射圖。
圖10A-10B分別是由未使用圖6所示的生長導向器以及使用了 圖6所示的生長導向器生長出的SiC晶片而得到的位錯密度圖，其中 顏色較深的陰影部分表示位錯密度較大，而顏色較淺的陰影部分表示 位錯密度較小。
發(fā)明詳述
本發(fā)明所披露的SiC升華晶體生長在其生長過程中利用了晶體 直徑的導向式擴張，以消除或避免生長導向器的腐蝕、多晶SiC在導向器上的沉積、以及晶體在導向器上的附著。其可用于生產(chǎn)大直徑、 高質量的SiC單晶。
為了理解生長導向器的設計對其內表面溫度的影響、及其與晶體
溫度間的關系，可參照圖5A、 5B和圖6。圖5A、 5B和圖6這三幅 圖均示意性地示出了 SiC晶體生長用坩堝(與圖1中的坩堝類似)的 上部，這三個SiC晶體生長用坩堝分別具有非導熱性圓錐形生長導向 器、導熱性圓錐形生長導向器、以及根據(jù)本發(fā)明實施方案的多層生長 導向器。各生長導向器均設置在坩堝頂部，并包圍在SiC籽晶以及生 長的SiC晶棒的周圍。
在SiC升華生長的高溫下，傳熱的方式主要為輻射傳熱，也有較 少部分的傳熱是借助于石墨部件(如生長導向器)的熱傳導。由于源 材料溫度高于籽晶溫度，因此坩堝內熱流的總體方向是向上的，分別 如圖5A、 5B和圖6中的箭頭21、 31和41所示出的那樣，由源材料 流向晶體。逸出坩堝的熱量如箭頭29、 39和49所示出。SiC晶體的 生長界面通常為等溫線構型。然而，由于小平面的形成，生長界面可 能會與等溫線發(fā)生微小的偏離。
圖5A描述了導熱率為零的現(xiàn)有技術的圓錐形生長導向器22的 理想情況。生長導向器22的圓錐形起到了熱"漏斗"的作用，其將熱 流朝向坩堝軸23 (以虛線示出)的方向匯聚。這樣，在生長導向器 22的腔體內除了存在著以箭頭24標注的軸向熱流之外，還出現(xiàn)了以 箭頭25標注的具有徑向分量的熱流。這在生長導向器22的腔體內部 以及生長中的晶體27與生長導向器22之間的界面處形成了等溫線， 這些等溫線向著坩堝的底部凸起。圖5A中以虛線示出了單根凸起的 等溫線26。由于生長導向器22的導熱率為零，因此在生長中的晶體 27與生長導向器22的圓錐形內表面之間不會發(fā)生熱交換。這意味著， 生長中的晶體27的表面與生長導向器22的圓錐形內表面在所有的接 觸點或彼此緊密相鄰的地方，這二者的溫度都是相同的。
圖5B示出了這樣一種情況，其中圓錐形生長導向器32由導熱性 材料(如常規(guī)的等靜壓成型石墨)制成。除了以箭頭34標注的導向 器腔體內的軸向熱流(其平行于坩堝軸33(以虛線示出))外，穿過生長導向器32的熱傳導形成了具有指向外部的徑向分量的熱流(如箭
頭35所示)。在晶體37的生長過程中，在晶體37與生長導向器32 的圓錐形內表面之間發(fā)生了熱交換，并且熱傳遞的方向由晶體37指 向生長導向器32中。這樣，生長導向器32的內表面溫度低于晶體37 的溫度。因此，有可能發(fā)生多晶SiC在生長導向器32上的沉積、以 及生長中的晶體37棒與生長導向器32之間的合并。
參見圖6，根據(jù)本發(fā)明實施方案的圓錐形生長導向器42由兩個 獨立的層構成，這兩個層連接在一起從而形成生長導向器42。這兩個 層包括面向坩堝內壁48的外層42b以及面向生長中的晶體47的內層 42a。外層42b由具有低導熱率的材料構成，該材料例如為(但不限 于)多孔碳，而內層42a由具有高導熱率的材料構成，該材料例如為 (但不限于)石墨。在內層42a與坩堝頂部或蓋52之間設置有縫隙 51。如圖6所示，縫隙51中填充有形成外層42b的低導熱率材料， 或其他任何合適并且/或者需要的非導熱性材料。
箭頭45a、 45b和45c分別示出了沿著生長導向器42的內層42a 的熱傳導。由于存在這種熱傳導，使得生長導向器42的腔體內出現(xiàn) 了徑向熱流。在生長導向器42靠下的部分，如箭頭45a所示，徑向 熱流的方向是向外的。在生長導向器42靠上的部分(SiC晶體47在 這里生長)，如箭頭45c所示，徑向熱流的方向是向內的，即沿著從 生長導向器42到晶體47的方向。這意味著生長導向器42的內表面 溫度高于晶體47的溫度。因此，不可能發(fā)生多晶SiC在生長導向器 42上的鄰近晶體47的位置處的沉積、以及生長中的晶體47晶棒與生 長導向器42 (尤其是與內層42a)之間的合并。
有利的是，用于生長導向器42的外層42b的材料為在SiC升華 生長溫度下具有低導熱率的多孔碳素材料。有利的是，在200(TC下， 生長導向器42的外層42b的導熱率低于20 W/(m.K)，更有利的是低 于10 W/(m-K)。
有利的是，用于生長導向器42的內層42a的材料為在SiC升華 生長溫度下具有高導熱率的等靜壓成型石墨。有利的是，在2000 °C 下，生長導向器42的內層42a的導熱率高于50 W/(m.K)，更有利的是高于80 W/(m.K)。
生長導向器42的內層42a被成型為薄壁圓錐形，其壁厚優(yōu)選為 2 mm至6 mm。生長導向器42的內層42a與坩堝蓋52之間的縫隙51 的寬度優(yōu)選為2 mm至5 mm，并且其中填充有低導熱率材料，例如 (但不限于)用以形成生長導向器42的外層42b的材料。
有利的是，將內層42a設置在形成于外層42b中的溝或凹槽53 內，從而使面向坩堝軸43 (以虛線示出)的內層42a和外層42b的表 面是共平面或基本共平面的，并且這二者合起來限定了生長導向器42 的圓錐形內表面。
在PVT生長過程中，石墨耐氣體或蒸氣腐蝕的穩(wěn)定性取決于粘 結劑含量粘結劑含量越高，石墨越易于受到腐蝕。在圖6中所示出、 并且在上文中結合圖6所描述的實施方案中，通過優(yōu)選使用具有低粘 結劑含量的、致密的等靜壓成型石墨來構造內層42a，可提高生長導 向器42抵抗富含硅的蒸氣侵蝕的耐抗性。有利的是，用于制備生長 導向器42的內層42a的石墨品種包含小于20重量％的粘結劑。更有 利的是，由不含粘結劑的中間相石墨來制備生長導向器42的內層 42a。
由于SiC升華的不一致特性(incongruent character)，所以SiC 上的蒸氣相是富含硅的。根據(jù)溫度的不同，在SiC升華生長的溫度范 圍內，蒸氣中Si:C原子比可為1.3至3。 Si:C比值也可能取決于源材 料中的SiC晶粒的尺寸以及多型的組成。SP，微細粒狀的SiC晶粒上 的氣相中的Si:C比值高于大尺寸晶粒上的氣相中的Si:C比值。此外， 非六方多型體上的Si:C比值也高于六方多型體上的Si:C比值。據(jù)觀 察，在SiC升華生長過程中，蒸氣相中的Si:C比值越高，石墨的腐 蝕越嚴重。
為了降低富含硅的蒸氣對石墨的腐蝕，有利的是，從蒸氣相中除 去過量的硅。這可通過在生長用坩堝中加入硅"吸收劑"55來達到。硅 吸收劑55 (在圖6中，僅僅為了示意性目的而將其示作方塊)優(yōu)選由 對硅具有高化學親和性的碳素材料制成，更有利的是，由多孔石墨或
纖維狀石墨、多孔碳或纖維狀碳、或碳化的有機泡沫或有機氈制成。生長成的晶體通常會展示出高度的應力，這種應力是由生長過程 中的某些條件造成的。這些條件可包括(但不限于)溫度梯度、摻 雜程度、組成不均勻性或摻雜不均勻性、特定的生長機制和條件。另 外，已知的是，生長所導致的應力如果過大，可導致長成的晶棒在隨 后的加工成為晶片的過程中發(fā)生破裂。
通過降低在生長過程中、于晶體邊緣處形成的邊緣面的數(shù)量和種 類，可降低長成的晶體中的應力，并減少隨后的破裂。為了達到該目 的，使所制造的圓錐形生長導向器42的錐角符合六方SiC中一個主
要錐體面(dominant pyramidal facet)與六方SiC中的c軸之間所形 成的夾角，其中所述錐角為生長導向器42的中心軸43與生長導向器 42的內表面(例如(但不限于)，內層42a的內表面)之間的夾角。有 利的是，主要的錐體晶面選自由U，O，-l,n)面構成的組，其中，對于 6H多型體，n=4、 5和6，而對于4H多型體，n=3禾卩4。對于6H多 型體，相應的生長導向器42的錐角選自43.3° 、 48.6°禾B 54.8° 。對 于4H多型體，相應的生長導向器42的錐角選自43.3°或51.5° 。
此外，還可對長成的晶棒和/或切割的晶片實施更多的常規(guī)處理 (如生長后退火)，以減輕應力并減少破裂。
概括而言，上述實施方案具有如下特征
1. 通過使用圓錐形生長導向器，使得SiC升華生長工藝與晶棒 直徑的導向式擴張結合進行，其中所述圓錐形生長導向器置于生長晶 棒的周圍，并且與生長晶棒共軸。生長導向器由兩層構成具有高導 熱率的內層以及具有低導熱率的外層。
2. 生長導向器的內層優(yōu)選由導熱性石墨制成，所述導熱性石墨 例如為(但不限于)等靜壓成型石墨。優(yōu)選的是，在2000 。C下，生 長導向器的內層的導熱率高于50 W/(m《)，更有利的是高于80 W/(m-K)。
3. 生長導向器的外層優(yōu)選由低導熱率的碳素材料制成。優(yōu)選的 是，在2000 'C下，生長導向器的外層的導熱率低于20W/(m《)，更 有利的是低于10 W/(nvK)。
4. 生長導向器內層的厚度優(yōu)選介于2mm至6mm之間。5. 優(yōu)選的是，生長導向器內層的上部(或端部)與坩堝蓋之間
存在縫隙。優(yōu)選的是，該縫隙寬度為2 mm至5 mm。該縫隙可由低 導熱率材料填充，該材料例如為(但不限于)用于導向器外層的材料。
6. 生長導向器的內層優(yōu)選由粘結劑含量低于20重量％的石墨品 種制成。更優(yōu)選的是，生長導向器的內層由不含粘結劑的中間相石墨 制成。
7. 優(yōu)選在蒸氣相中的硅:碳比值通過從該蒸氣相中除去過量的Si 而降低的條件下進行SiC的升華生長。
8. 優(yōu)選通過使用設置于生長用坩堝內的硅吸收劑來實現(xiàn)從蒸氣 相中就地去除過量硅的操作。優(yōu)選的是，硅吸收劑為對硅具有高化學 親和性的碳素材料。更優(yōu)選的是，硅吸收劑為多孔石墨或纖維狀石墨、 或碳化的有機泡沫或有機氈形式的多孔碳或纖維狀碳。
9. 優(yōu)選的是，圓錐形生長導向器的錐角(圓錐表面與圓錐軸之 間的夾角)選自6H或4H晶體多型中的錐體面與六方c軸之間的夾 角。更具體而言，希望晶面選自由{1，0，-1，11}面構成的組，其中，對于 6H多型體，n=4、 5和6，而對于4H多型體，n=3禾B 4。更優(yōu)選的是， 對于6H多型體，生長導向器的錐角選自43.3° 、 48.6°或54.7° 。 對于4H多型體，生長導向器的錐角選自43.3°或51.5° 。
上述與導向式直徑擴張結合的SiC晶體生長工藝具有如下優(yōu)點
l.SiC晶棒直徑的無缺陷側向擴張?？深A想到，在近期內，該優(yōu) 點能夠使SiC襯底直徑由目前的76.2 mm (3英寸)增至100 mm，而 在稍遠的將來，可使SiC襯底直徑增至125 mm到150 mm。
2. SiC襯底的晶體質量得到改善，其包括襯底邊緣處的缺陷密度 得到降低，所述缺陷例如為晶粒、微管和位錯。
使用上面所述的這種導向式直徑擴張技術生長出了多個4H和 6H多型體的SiC單晶。下面將對一種這樣的晶體生長進行描述。
在由致密的、等靜壓成型石墨制成的坩堝內進行升華式晶體生 長。準備直徑為60mm的6H-SiC籽晶，該籽晶表面被切割成與晶面 (0001)平行。使用碳基粘合劑將該籽晶粘附到籽晶固定件(在本實 施例中，固定件為坩堝頂部或坩堝蓋)。SiC源材料為高純度多晶SiC晶粒，其尺寸為lmm至3mm。該SiC源材料裝于柑堝底部。
制備與上述生長導向器42類似的生長導向器，其具有圓錐形內 表面且錐角為44。。如圖6所示，生長導向器包括兩層。由等靜壓成 型石墨加工得到壁厚為3 mm的薄壁圓錐體，其中該等靜壓成型石墨 的密度為1.78g/cm3，且含有低于20重量9b的粘結劑。將該圓錐體用 作生長導向器的內層。根據(jù)制造商的數(shù)據(jù)，該等靜壓成型石墨在室溫 下的導熱率為約130 W/(m.K)，并且在2000 'C下的導熱率為約80 W/(m《)。在導向器內層與坩堝蓋之間形成有2 mm的縫隙。該縫隙 內填充了用于導向器外層的材料。
導向器外層由密度接近于1.0 g/cn^的多孔石墨制成。該材料在 室溫下的導熱率為約60 W/(m.K)，并且在2000 'C下的導熱率低于20 W/(nvK)。該材料還用作硅吸收劑。
根據(jù)標準的SiC生長工序來進行生長。坩堝中裝有源材料和籽 晶，并將生長導向器置于柑堝內。坩堝被由輕質石墨泡沫制成的隔熱 體包圍。借助RF線圈進行加熱，其中RF線圈以與坩堝共軸的方式 布置。
在為生長做準備的過程中，將生長用坩堝排空并用惰性氣體(例 如(但不限于)純氦氣)沖洗，以除去氧氣、氮氣和濕氣。隨后，在500 托的氦氣壓力下，將坩堝加熱至所需的生長溫度。在達到生長溫度后， 將生長用柑堝內的氦氣壓力由500托降低至20托。在加熱過程內， 調整RF線圈的位置，使得坩堝底部(源材料)的溫度達到213(TC， 并且使坩堝頂部(籽晶)溫度達到2090 °C。使用光測高溫計來測量 坩堝頂部和底部的溫度。在生長過程中，使這兩者的溫度保持恒定。
待生長周期結束后，將坩堝冷卻至室溫。取下坩堝蓋，該坩堝蓋 載有長成的晶棒并且該晶棒被生長導向器包圍。目測表明，在長成的 晶棒與生長導向器之間存在約1 mm的縫隙。在生長導向器的內表面 上僅發(fā)現(xiàn)了微弱的腐蝕痕跡。將生長導向器與晶體分開并對生長導向 器進行分析。盡管生長導向器的內層由于受到了蒸氣腐蝕而顯示出少 量的重量損失，但是生長導向器的外層由于從蒸氣相中吸收了硅而顯 示出重量增加。這樣生長得到的6H-SiC晶棒的照片示于圖7中。在生長過程中， 晶棒的直徑由60 mm擴張至大約85 mm。晶棒具有光滑且閃亮的生 長界面，其中心平坦且邊緣處略微凸起。在晶棒表面不存在可見的缺 陷。
在將這樣長成的晶棒制成晶片之前，對其進行生長后退火。該退 火是等溫的，S卩，該晶棒被放置于石墨盒內，該石墨盒經(jīng)設計從而使 其中的溫度梯度最小化。退火條件包括本領域已知的溫度、壓力以及 持續(xù)時間的恰當組合。
將長成的晶棒制成晶片。利用X射線搖擺曲線技術對制得的晶 片進行表征。使用雙晶衍射計(CuKotl，光斑尺寸lxl mm2， (0006) 布拉格反射)進行X射線測量。圖8A和8B示出了在其中一個晶片 上進行線性搖擺曲線掃描的結果。圖8A的Q掃描示出了在整個晶片 直徑范圍內，樣品角度Q的變化較小，為約o.r。這表明該晶體中不 含有取向發(fā)生偏差的亞晶粒。圖8B的FWHM掃描顯示出，在邊緣處， 搖擺曲線的寬度(FWHM)分別低于125弧秒(arc-second)和低于 50弧秒。搖擺曲線的形狀是一種良好的衡量晶體質量的衡量手段晶 體質量越高，則反射越強，并且其FWHM越小。圖7、 8A和8B示出 了使用圖6中的多層生長導向器并通過本文所述方法而生長得到的所 有SiC晶體的典型結果。
圖9A-9C分別示出了在長成的晶棒的一個邊緣處、中心處以及 相對邊緣處的X射線反射圖。從圖中可看出，與在中心區(qū)域測得的X 射線反射相比，在長成的晶棒邊緣處測得的X射線反射更強且更窄。
圖IOA和10B示出了導向式直徑擴張對位錯密度的影響。圖10A 是在直徑為76.2 mm (3英寸)的標準工業(yè)級別的半絕緣6H-SiC晶片 上測得的位錯密度圖，其中該半絕緣6H-SiC晶片是從一個未經(jīng)導向 式直徑擴張的晶棒上切下的，即，該晶棒是使用標準PVT生長工藝 長成的。該圖示出平均位錯密度為1.2xl05cm—2。在晶片邊緣附近， 可看到呈暗"云霧"狀的高位錯密度區(qū)域，其密度達到106cm-2。
圖IOB示出了 76.2mm (3英寸)的晶片的位錯密度圖，其中該 晶片是從一個使用了圖6的多層生長導向器、并采用了上述導向式直徑擴張而長成的晶棒上切下的。該晶片中的平均位錯密度為4.6xl04 cm—2?？煽闯?，邊緣附近的位錯密度低于中心區(qū)域的位錯密度。
由使用圖6的多層生長導向器、并采用本文所述的導向式直徑擴 張技術而長成的SiC晶棒所獲得的結果表明，晶體的"擴張"部分具 有高的晶體質量。這使得所述SiC升華生長工藝可用于生產(chǎn)大尺寸的 高質量SiC單晶。
可以看出，利用圖6所示多層生長導向器的、本文所述的SiC升 華晶體生長方法將晶棒直徑的軸向生長與側向生長結合在一起，其中 側向生長程度以及生長中的晶體的形狀由圓錐形導向器決定，其中圓 錐形導向器置于生長晶棒周圍、并且與生長晶棒共軸。利用了圖6的 多層生長導向器的本文所述的SiC升華晶體生長方法避免或消除了現(xiàn) 有技術的導向式直徑擴張生長的缺陷，即，蒸氣對生長導向器的腐蝕、 多晶SiC在導向器內表面上的沉積、以及生長中的晶體在導向器上的 附著。
已經(jīng)參照優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進行了說明。本領域的普通技 術人員通過閱讀和理解前面的詳細說明，可以對本發(fā)明進行顯而易見 的修改和改變。這意味著本發(fā)明可以被解釋為包括所有上述的修改和 改變，只要這些修改和改變落入所附的權利要求書或權利要求書的等 同物的范圍內即可。
權利要求
1.一種SiC晶棒生長方法，包括(a)在生長用坩堝內設置生長導向器，所述坩堝的底部裝有SiC源材料，而所述坩堝的頂部裝有SiC籽晶，所述生長導向器具有內層和外層，所述內層限定了所述生長導向器中的開孔的至少一部分，并且所述外層在所述坩堝內支承著所述內層，所述開孔朝向所述源材料，而所述籽晶放置于所述開孔的與所述源材料相對的一端，其中所述內層由第一材料形成，并且所述外層由不同于所述第一材料的第二材料形成，其中所述第一材料的導熱率高于所述第二材料的導熱率；以及(b)使所述源材料通過所述生長導向器中的所述開孔、升華生長在所述生長用坩堝內的所述籽晶上，從而在所述籽晶上形成SiC晶棒。
2. 權利要求l所述的方法，其中所述開孔呈圓錐形，其具有直徑較小的一端和直徑較大的一端；并且所述籽晶被放置在所述圓錐形開孔的所述直徑較小的一端。
3. 權利要求2所述的方法，其中在生長6H多型體SiC晶棒時，所述生長導向器的所述開孔的中心軸與至少所述內層的內表面之間的夾角為43.3。、 48.6°或54.7° ，而在生長4H多型體SiC晶棒時，該夾角為43.3°或51.5° 。
4. 權利要求l所述的方法，其中，在2000 "C下，所述內層的導熱率高于50 W/(m.K);并且所述外層的導熱率低于20 W/(m《)。
5. 權利要求l所述的方法，其中所述內層由粘結劑含量低于20重量％的等靜壓成型石墨、或由不含粘結劑的中間相石墨制成；并且所述外層由多孔碳制成。
6. 權利要求5所述的方法，其中在PVT法生長所述SiC晶棒的過程中，所述外層起到硅吸收劑的作用。
7. 權利要求1所述的方法，其中所述內層的厚度在2 mm至6mm之間。
8. 權利要求1所述的方法，其中所述生長用坩堝的頂部與所述內層的至少一部分之間間隔有2 mm至5 mm的縫隙。
9. 權利要求8所述的方法，其中所述縫隙由導熱率低于20W/(m，K)的材料填充。
10. 權利要求8所述的方法，其中所述縫隙由用于形成所述外層的所述材料填充。
11. 權利要求l所述的方法，其中，在2000 'C下，所述內層的導熱率高于80 W/(m.K);并且所述外層的導熱率低于10W/(nvK)。
12. 權利要求l所述的方法，其中所述內層設置在所述外層中的溝或凹槽內。
13. 權利要求12所述的方法，其中所述開孔由所述內層的表面和所述外層的表面組合限定。
14. 一種SiC晶棒生長裝置，包括石墨材質的生長用坩堝；SiC源材料，其設置于所述生長用坩堝內的底部；SiC籽晶，其設置于所述生長用坩堝內的頂部；生長導向器，其設置于所述生長用坩堝內的頂部，所述生長導向器具有由所述籽晶向所述源材料延伸的開孔，所述開孔的至少一部分由所述生長導向器的第一層的表面限定，所述第一層在所述生長用坩堝內由所述生長導向器的第二層支承，所述生長導向器的所述第一層由第一材料形成，所述第二層由不同于所述第一材料的第二材料形成，并且所述第一材料的導熱率高于所述第二材料的導熱率；以及用于在所述生長用柑堝內形成溫度梯度的裝置，其中所述溫度梯度足以使所述SiC源材料蒸發(fā)并被輸送至所述籽晶，所述蒸發(fā)后的源材料在所述籽晶上凝結并形成SiC晶棒。
15.權利要求14所述的裝置，其中所述開孔呈圓錐形，其具有直徑較小的一端和直徑較大的一端;所述籽晶放置在所述圓錐形開孔的所述直徑較小的一端；并且所述圓錐形開孔的所述直徑較大的一端朝向所述源材料。
16.權利要求14所述的方法，其中在生長6H多型體SiC晶棒時，所述生長導向器的所述開孔的中心軸與所述第一層的所述表面之間的夾角為43.3° 、 48.6°或54.7° ，而在生長4H多型體SiC晶棒時，該夾角為43.3°或51.5° 。
17.權利要求14所述的方法，其中在2000 'C下，所述第一層的導熱率高于50W/(nvK);并且所述第二層的導熱率低于20 W/(nvK)。
18.權利要求14所述的方法，其中所述第一層由粘結劑含量低于20重量％的等靜壓成型石墨、或由不含粘結劑的中間相石墨制成；并且所述第二層由多孔碳制成。
19. 權利要求14所述的方法，其中所述開孔由所述第一層的所述表面和所述第二層的表面組合限定。
20. 權利要求14所述的方法，其中所述生長用坩堝的頂部與所述第 一 層的至少 一 部分之間間隔有縫隙。
全文摘要
在生長SiC晶棒時，在生長用坩堝內設置生長導向器，其中所述坩堝的底部裝有SiC源材料，而所述坩堝的頂部裝有SiC籽晶。所述生長導向器具有內層和外層，其中所述內層限定了所述生長導向器中的開孔的至少一部分，并且所述外層在坩堝內支承著所述內層。所述開孔朝向源材料，而所述籽晶放置于所述開孔的與所述源材料相對的一端。所述內層由第一材料形成，并且所述外層由不同的第二材料形成，其中所述第一材料的導熱率高于所述第二材料的導熱率。使所述源材料通過所述生長導向器中的所述開孔、升華生長在所述生長用坩堝內的所述籽晶上，從而在所述籽晶上形成SiC晶棒。
文檔編號C30B23/00GK101680112SQ200880006182
公開日2010年3月24日 申請日期2008年1月15日 優(yōu)先權日2007年1月16日
發(fā)明者伊利婭·茨維巴克, 托馬斯·E·安德森, 愛德華·西門納斯, 阿維納什·K·古普塔 申請人:Ii-Vi有限公司