專利名稱：生產(chǎn)具有改善的載流子壽命的基底的方法
生產(chǎn)具有改善的載流子壽命的基底的方法
本申請是申請?zhí)枮?00780027337. X申請的分案申請。
相關申請的交叉參考
根據(jù)35U. S.C. § 119(e)，本申請要求2006年7月19日提交的美國臨時專利申請 60/831,839的權(quán)益。美國臨時專利申請60/831，839被并入本文作為參考。
本發(fā)明是在Office of Naval Research 授予的合同號 No. N00014-05-C-03M 下由美國政府支持作出的。美國政府可以對本發(fā)明擁有某些權(quán)利。
發(fā)明背景
本發(fā)明涉及碳化硅外延層的生長。作為半導體材料，碳化硅對于高功率、高頻和高溫電子器件來說是特別優(yōu)異的。碳化硅具有極高的導熱率，并且可以經(jīng)受高的電場和高的電流密度而不發(fā)生故障。碳化硅的寬的能帶間隙使得即使在高溫下也只有低的泄漏電流。 由于這些和其它原因，碳化硅對于供電裝置(即，設計在相對高的電壓操作的那些)來說是非常期望的半導體材料。
然而，碳化硅是一種難以處理的材料。生長過程必須在相對高的溫度進行，對于外延生長來說要超過至少約1400°C，和對于升華生長來說要大約2000°C。另外，碳化硅可以形成超過150種多型體，其中有許多只有小的熱力學差異。結(jié)果，碳化硅的單晶生長，無論通過外延層或整體晶體，都是一個有挑戰(zhàn)的工藝。最后，碳化硅的極大的硬度(其在工業(yè)上最經(jīng)常用作研磨材料)使其難以處理和難以將其形成為合適的半導體器件。
盡管如此，過去的十年來，在碳化硅的生長技術方面已經(jīng)取得了許多進展，其反映在例如美國專利 4，912，063,4, 912，064、Re. Pat. No. 34，861、美國專利 4，981，551、 5，200，022,5, 459，107 和 6，063，186 中。
一種特定的生長技術稱為“化學氣相沉積”或“CVD”。在這種技術中，將源氣體(例如，對于碳化硅來說為硅烷SiH4和丙烷C3H8)引入到加熱的反應室中，所述加熱的反應室還包括基底表面，源氣體在所述基底表面上反應以形成外延層。為了幫助控制生長反應的速率，源氣體典型地用載氣引入，由載氣形成氣流的最大部分。
用于碳化硅的化學氣相沉積(CVD)生長工藝已經(jīng)在溫度分布、氣體速度、氣體濃度、化學和壓力方面得到改進。用于產(chǎn)生特定外延層的條件的選擇經(jīng)常是各個因素之間的折中，所述因素例如期望的生長速率、反應溫度、周期時間、氣體體積、設備成本、摻雜均勻性和層的厚度。
碳化硅是具有理論性能的寬能帶間隙半導體材料，其可用于構(gòu)造高性能的二極管和晶體管。與諸如硅那樣的材料相比，這些半導體器件能夠在更高的功率和切換速度下操作。
功率電子學應用經(jīng)常優(yōu)選用晶體管或二極管設計來構(gòu)造電路，一類這些器件被稱為少數(shù)載流子或雙極器件。這類器件的操作特性取決于電子空穴偶的生成速率和復合率。 速率的倒轉(zhuǎn)被稱為壽命。特定的雙極器件包括PiN二極管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、閘流晶體管和雙極結(jié)型晶體管。
對于半導體功率器件性能來說，必須被優(yōu)化到理論水平的關鍵的材料參數(shù)是載流子復合壽命。在硅中，壽命受到諸如鐵的雜質(zhì)的限制。在碳化硅中，雖然對其了解比對硅的了解少，但是迄今為止的最佳知識表明，碳化硅的壽命由于晶格中的空位和反位 (antisite)的存在而受損。空位是其中不存在硅或碳原子的位置。反位是其中存在有錯誤原子的位置。
半導體碳化硅典型地通過由可包含硅、碳、碳化硅的固體混合物進行物理蒸氣遷移方法(又稱為升華)來生長，或者通過由硅烷和烴的氣體混合物進行化學氣相沉積(CVD) 來生長。通過這些方法生長的碳化硅材料的壽命小于500ns，其對于在碳化硅二極管和晶體管中實現(xiàn)理論的器件行為來說是太小的。半導體碳化硅的外延層經(jīng)常表現(xiàn)出比2微秒小得多的壽命值，低于諸如硅那樣的材料，并且低于期望的碳化硅的理論值。發(fā)明內(nèi)容
在第一實施方案中，本發(fā)明涉及在基底上沉積碳化硅涂層的方法，使得所得涂層具有0. 5-1000微秒的載流子壽命，所述方法包括a.將包括氯代硅烷氣體、含碳氣體和氫氣的氣體混合物引入到含有基底的反應室中；和b.將基底加熱到大于1000°C但小于 2000°C的溫度；條件是反應室內(nèi)的壓力保持在0. 1-760托的范圍內(nèi)。
在第二實施方案中，本發(fā)明涉及在基底上沉積碳化硅涂層的方法，使得所得涂層具有0. 5-1000微秒的載流子壽命，所述方法包括a.將包括非氯化的含硅氣體、氯化氫、含碳氣體和氫氣的氣體混合物引入到含有基底的反應室中；和b.將基底加熱到大于1000°C 但小于2000°C的溫度；條件是反應室內(nèi)的壓力保持在0. 1-760托的范圍內(nèi)。
發(fā)明詳述
在本發(fā)明的第一實施方案中，所述氣體混合物可以另外包括摻雜氣體。所述摻雜氣體例舉氮氣、磷化氫氣體或三甲基鋁氣體。氯代硅烷氣體典型地具有通式民氏3^(12，其中y和ζ為大于零，w和χ為大于或等于零，R表示烴基團。所述烴基團例舉包含1-3個碳原子的烴基團，其例舉烷基，例如甲基、乙基或丙基)；鏈烯基，例如乙烯基或烯丙基；鹵代烴基，例如3-氯丙基。根據(jù)需要，所述R基團可以相同或不同。R例舉具有1-3個碳原子的單價烴基，例如甲基、乙基或丙基。w的值典型地為0-3，χ的值典型地為0-3，y的值典型地為1-3，和ζ的值典型地為1-3。氯代硅烷氣體例舉二氯硅烷氣體、三氯硅烷氣體、三甲基氯硅烷氣體、甲基氫二氯硅烷氣體、二甲基氫氯硅烷氣體、二甲基二氯硅烷氣體、甲基三氯硅烷氣體、或其混合物。
在本發(fā)明的第一實施方案中的含碳氣體典型地具有通式HaCbCl。，其中a和b為大于零，c為大于或等于零。所述含碳氣體例舉C3H8氣體、C2H6氣體、CH3Cl氣體或CH3CH2CH2Cl 氣體。
在本發(fā)明的第一實施方案中，基底典型地被加熱到1200-1800°C的溫度。可以使用任何可用的常規(guī)方法加熱所述基底，或者可以將反應室本身加熱到足夠使基底的溫度上升到所需水平的溫度。基底典型地包括單晶碳化硅基底或單晶硅晶片。這種基底可商購。
在第一實施方案中，反應室中的氣體總壓力可以在0. 1-760托的寬范圍變化，并且通常被控制在提供合理的外延生長速率的水平。反應室內(nèi)的壓力典型地為10-250托，或者，可以采用約80-200托范圍內(nèi)的壓力。
在本發(fā)明的第一實施方案中，被引入到反應室中的化學蒸氣的量應該允許實現(xiàn)期望的碳化硅外延層生長速率、生長均勻性和摻雜氣體引入。總的氣體流量典型地為1-150 升/分種范圍，這取決于反應室的大小和溫度分布。含碳和含硅氣體的組合流量典型地為總流量的0. 1-30%。摻雜氣體的流量典型地比總流量的小得多。含碳氣體與含硅氣體的流量之間的比典型地為0. 3-3，并且基于期望的摻雜氣體引入效率和表面形態(tài)來進行調(diào)節(jié)，所述比強烈地受到反應室設計(大小、溫度分布等)的影響。在這些條件下，通常可以實現(xiàn)約1-100微米/小時的生長速率。本領域技術人員應該理解，具體的參數(shù)例如氣流、壓力和晶片溫度在不同的實施方案之間可以有很大的變化不同，且仍可以實現(xiàn)相同或相似的結(jié)果，這并不脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍。
本發(fā)明的第一實施方案可以在靜態(tài)條件下進行，但是通常優(yōu)選將受控量的氣體混合物連續(xù)引入到室的一部分中，而在室的另一個位置抽真空，以便使得在基底區(qū)域上方的蒸氣流動是均勻的。
用于本發(fā)明方法中的反應室可以是通過化學氣相沉積工藝促進薄膜生長的任何室。這種室的實例由 Nordell 等人 Journal Electrochemical Soc，Vol. 143，No. 9， 1996 (2910 頁)或 Steckl 禾口 Li, IEEE Transactions on Electronic Devices, Vol. 39, No. 1，Jan. 1992 描述。
第一實施方案的所得產(chǎn)品是晶體3C、4H或6H碳化硅涂層的基底。所述涂層可以例如約Inm直到25cm的不同厚度生長。如果需要，可以將涂層從基底分離并且用作新的基底。
在本發(fā)明的第二實施方案中，所述氣體混合物可以另外包括摻雜氣體。摻雜氣體如上述對于本發(fā)明的第一實施方案所述的。本發(fā)明第二實施方案中的非氯化的含硅氣體具有通式RwHxSiy，其中y為大于零，w和χ為大于或等于零，R表示烴基。所述烴基如上所述。 非氯化的含硅氣體例舉三甲基氫硅烷氣體、二甲基二氫硅烷氣體、甲基三氫硅烷氣體、或其混合物。在第二實施方案中的含碳氣體具有通式HaCbCl。，其中a和b為大于零，c為大于或等于零。所述含碳氣體例舉C3H8氣體、C2H6氣體、CH3Cl氣體或CH3CH2CH2Cl氣體。通常所述氣體混合物中的至少一種氣體包含氯原子。
在本發(fā)明的第二實施方案中，基底典型地被加熱到1200-1800°C的溫度。本發(fā)明第二實施方案中的基底如上述對于第一實施方案所述。
在第二實施方案中，反應室中的氣體總壓力可以在0. 1-760托的寬范圍內(nèi)變化， 并且通常被控制到提供合理的外延生長速率的水平。反應室內(nèi)的壓力典型地為10-250托， 或者，可以采用約80-200托的壓力。
在本發(fā)明的第二實施方案中，被引入到反應室中的化學蒸氣的量應該允許實現(xiàn)期望的碳化硅外延層生長速率、生長均勻性和摻雜氣體的引入。總的氣體流量典型地為1-150 升/分種，這取決于反應室的大小和溫度分布。含碳氣體和非氯化的含硅氣體的組合的流量典型地為總流量的0. 1-30%。摻雜氣體的流量典型地比總流量的小得多。含碳氣體與非氯化的含硅氣體的流量之間的比典型地為0. 3-3，并且基于期望的摻雜氣體引入效率和表面形態(tài)進行調(diào)節(jié)，所述比強烈地受到反應室設計(大小、溫度分布等)的影響。在這些條件下，通常可以實現(xiàn)約1-100微米/小時的生長速率。本領域技術人員應該理解，具體的參數(shù)例如氣流、壓力和晶片溫度在不同的實施方案之間可以有很大的變化，且仍可以實現(xiàn)相同或相似的結(jié)果，這并不脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍。CN 102517631 A說明書4/5頁
本發(fā)明的第一實施方案可以在靜態(tài)條件下進行，但是通常優(yōu)選連續(xù)地將受控量的氣體混合物引入到室的一部分中，而在室的另一個位置抽真空，以使得在基底區(qū)域上方的蒸氣流動是均勻的。
用于本發(fā)明第二實施方案中的反應室如上述對于第一實施方案所述。
來自第二實施方案的所得產(chǎn)品是晶體3C、4H或6H碳化硅涂層的基底。所述涂層可以例如約Inm直到25cm的不同厚度生長。如果需要，可以將涂層從基底分離并且用作新的基底。
在本發(fā)明上述實施方案中的方法的產(chǎn)品可用于半導體器件。所述產(chǎn)品可用作包含涂層的單個基底，或者可以將涂層與基底分離并且轉(zhuǎn)化為幾個基底。所述產(chǎn)品可以加工為晶體管或二極管或集成半導體器件。因此，本發(fā)明還涉及半導體器件，其包括(i)至少一種半導體器件組件和(ii)包括載流子壽命為0. 5-1000微秒的碳化硅區(qū)域的基底。所述半導體器件組件例舉晶體管和二極管，例如PiN 二極管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、閘流晶體管和雙極結(jié)型晶體管。所述基底如上述在本發(fā)明的兩個實施方案中所述。實施例
包括以下實施例用以說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。本領域技術人員應該理解，在隨后的實施例中披露的技術代表了發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的能夠較好地實踐本發(fā)明的技術，因此被認為是構(gòu)成實踐本發(fā)明的優(yōu)選方式。然而，在本公開的啟發(fā)下，本領域技術人員應該理解，可以對所披露的特定實施方案進行許多改變，而仍可以實現(xiàn)相同或相似的結(jié)果，這并不脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍。
載流子壽命的測量使用微波光電導衰減進行。由這種技術得到的壽命值是表面復合率和體復合速率或壽命的組合。
實施例1
將五個碳化硅晶片GH n+SiC, 76mm直徑，向<1120〉傾斜8度)置于反應室中并且加熱到大約1570-1600°C。將反應室中的壓力保持在95托。在保持上述壓力的同時，將包含氫氣、丙烷氣體、二氯硅烷氣體和氮氣的氣體混合物引入到反應室中。得到的產(chǎn)品是5 個碳化硅晶片，每個晶片包含30um 4H SiC外延層。使用氮氣流實現(xiàn)的N型摻雜相當于約 6xl014/cm3的凈載流子濃度。使用微波光電導衰減技術進行復合壽命測量。對五個晶片測量的個體中值壽命為1. 0-6. 0微秒。對五個晶片測量的個體平均壽命為1. 2-12. 0微秒。
實施例2
對實施例1的一個碳化硅晶片GH n+SiC, 76mm直徑，向<1120〉傾斜8度)分別進行使用時間分辨光致發(fā)光光譜法的試驗和由光致發(fā)光信號的衰減來測定壽命。通過沿X 軸和Y軸直徑掃描材料來評價壽命。在通過微波光電導衰減測量時，樣品的壽命值范圍為 5-12微秒，在通過時間分辨的光致發(fā)光光譜法測量時，其壽命值范圍為2-4微秒。
實施例3
將五個碳化硅晶片GH n+SiC，76mm直徑，向<1120〉傾斜8度)置于反應室中并且加熱到大約1570-1600°C。將反應室中的壓力保持在95托。在保持上述壓力的同時，將包含氫氣、丙烷氣體、三氯硅烷氣體和氮氣的氣體混合物引入到反應室中。所得產(chǎn)品是5 個碳化硅晶片，每個晶片包含30um 4H SiC外延層。使用氮氣流實現(xiàn)的N型摻雜相當于約hl015/cm3的凈載流子濃度。使用微波光電導衰減技術進行復合壽命測量。對五個晶片測量的個體中值壽命為0. 9-1. 2微秒。對五個晶片測量的個體平均壽命為0. 9-1. 6微秒。
因此，本發(fā)明的方法可以最小化單晶碳化硅材料中的壽命限制缺陷。本發(fā)明描述了生長碳化硅的方法，與目前已知的現(xiàn)有技術的生長碳化硅的其它方法相比，本發(fā)明方法生長的碳化硅具有更接近方法理論碳化硅值的復合壽命值。
權(quán)利要求
1.在單晶碳化硅基底上沉積碳化硅涂層的方法，使得所得涂層具有0.5-1000微秒的載流子壽命，所述方法包括a.將包括氯代硅烷氣體、含碳氣體和氫氣的氣體混合物引入到含有單晶碳化硅基底的反應室中，其中氯代硅烷氣體是二氯硅烷氣體、甲基氫二氯硅烷氣體、二甲基二氯硅烷氣體、或其混合物；b.將基底加熱到1200°C-1800°C的溫度；條件是反應室內(nèi)的壓力保持在0. 1-760托的范圍內(nèi)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述氣體混合物另外包括摻雜氣體。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述摻雜氣體是氮氣、磷化氫氣體或三甲基鋁氣體。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述含碳氣體具有通式HaCbCl。，其中a和b為大于零，和c 為大于或等于零。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述含碳氣體為C3H8氣體、C2H6氣體、CH3Cl氣體或 CH3CH2CH2Cl 氣體。
6.權(quán)利要求1的方法，其中涂層具有1.2-12. 0微秒的載流子壽命。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法生產(chǎn)的產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明涉及在基底上沉積碳化硅材料的方法，使得所得基底具有0.5-1000微秒的載流子壽命，所述方法包括a.將包括氯代硅烷氣體、含碳氣體和氫氣的氣體混合物引入到含有基底的反應室中；和b.將基底加熱到大于1000℃但小于2000℃的溫度；條件是反應室內(nèi)的壓力保持在0.1-760托的范圍內(nèi)。本發(fā)明還涉及在基底上沉積碳化硅材料的方法，使得所得基底具有0.5-1000微秒的載流子壽命，所述方法包括a.將包括非氯化的含硅氣體、氯化氫、含碳氣體和氫氣的氣體混合物引入到含有基底的反應室中；和b.將基底加熱到大于1000℃但小于2000℃的溫度；條件是反應室內(nèi)的壓力保持在0.1-760托的范圍內(nèi)。
文檔編號C30B29/36GK102517631SQ20121000280
公開日2012年6月27日 申請日期2007年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月19日
發(fā)明者G·鐘, M·羅伯達 申請人:陶氏康寧公司