具有降低的晶体应力的大尺寸碳化硅单晶材料的制作方法

1.本公开涉及晶体材料，并且更具体地涉及具有降低的晶体应力的大尺寸碳化硅单晶材料。


背景技术：

2.碳化硅(sic)表现出许多吸引人的电学和热物理性质。由于其物理强度和高耐化学侵蚀性以及各种电子性质，包括辐射硬度、高击穿场、相对宽的带隙、高饱和电子漂移速度、高温操作以及在光谱的蓝色、紫色和紫外区域中高能光子的吸收和发射，sic特别有用。与包括硅和蓝宝石在内的常规晶片或衬底材料相比，sic的此类性质使其更适合于制造用于诸如功率电子设备、射频设备和光电设备的高功率密度固态设备的晶片或衬底。sic存在于称为多型体的许多不同的晶体结构中，其中某些常见的多型体(例如，4h-sic和6h-sic)具有六方晶体结构。
3.虽然sic表现出优越的材料性质，但是生长sic所需的晶体生长技术与用于其它晶体材料的常规生长过程非常不同，并且显著地更具挑战性。半导体制造中利用的常规晶体材料(诸如硅和蓝宝石)具有显著更低的熔点，从而允许有从熔融的源材料直接生长晶体的技术，这使得能够制造大直径晶体材料。相比之下，块状(bulk)晶体sic通常通过在高温下的晶种升华生长过程产生，其中各种挑战包括杂质掺入、与热和晶体应力相关联的结构缺陷以及意外多型体的形成等。在典型的sic生长技术中，衬底和源材料都被放置在反应坩埚内部。当坩埚被加热时产生的热梯度促进材料从源材料到衬底的气相移动，随后在衬底上冷凝并导致块状晶体生长。众所周知，杂质可作为掺杂剂引入sic，并且这些掺杂剂可调节某些性质。对于sic的升华生长，可以多种方式将掺杂剂引入室中，以使得掺杂剂将存在于由该过程产生的sic晶体中。该过程被控制以提供用于特定应用的适当浓度的掺杂剂。在块状晶体生长之后，可通过将sic的块状晶体锭或晶锭切片来获得sic的单个晶片，并且单个晶片可随后经受诸如精磨或抛光的附加的过程。
4.sic晶片的独特性质使得能够设计和制造高功率和/或高频半导体设备的阵列。持续的发展已经导致sic晶片的制造达到一定的成熟水平，其允许这样的半导体设备被制造用于日益广泛的商业应用。随着半导体设备工业的不断成熟，期望具有更大可用直径的sic晶片。sic晶片的可用直径可受到sic的材料组成中的某些结构缺陷以及某些晶片形状特征的限制。材料组成中的结构缺陷可包括位错(例如，微管、螺旋刃位错、螺旋螺位错和/或基平面位错)、六边形空隙和堆垛层错等。与sic相关联的晶片形状特征可包括可涉及晶片平整度的翘曲、弓曲和厚度变化。这些不同的结构缺陷和晶片形状特征可促成晶体应力，该晶体应力可不利于随后在常规sic晶片上形成的半导体设备的制造和正确操作。这样的晶体应力大体上与晶片的半径平方成正比，并且结果，难以经济地制造高质量的较大直径的sic半导体晶片。
5.本领域继续寻求具有更大尺寸的改进的sic晶片和相关的固态设备，同时克服与常规sic晶片相关联的挑战。


技术实现要素：

6.公开了包括sic晶片和sic晶锭的碳化硅(sic)材料和相关方法，其提供具有降低的晶体应力的大尺寸sic晶片。sic材料的生长条件包括保持sic晶体的大体上凸形的生长表面、调节生长的sic晶体的前侧到后侧热分布中的差异、供应足够的源通量以允许sic晶体的商业上可行的生长速率以及减少sic源材料和对应的sic晶体中污染物或非sic颗粒的包含。通过形成表现出较低晶体应力的较大尺寸sic晶体，可减小与缺失的或附加的原子平面相关联的总位错密度，从而提高晶体质量和可用的sic晶体生长高度。
7.在一个方面中，sic晶片包括至少195毫米(mm)的尺寸以及对于由从sic晶片的中心起的半径界定的第一区域来说小于1000厘米/立方厘米(cm/cm3)的在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度，该半径占sic晶片的晶片半径的至少50％。在某些实施例中，该尺寸在从195mm至205mm的范围内，或在从195mm至455mm的范围内，或在从195mm至305mm的范围内。在某些实施例中，在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度在从0cm/cm3至小于1000cm/cm3的范围内，或者在从20cm/cm3至小于1000cm/cm3的范围内。在某些实施例中，在第一区域中在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度小于200cm/cm3，或者小于100cm/cm3。在某些实施例中，界定第一区域的半径占sic晶片的晶片半径的至少90％或sic晶片的晶片半径的至少95％。在某些实施例中，sic晶片还包括限定在第一区域和sic晶片的周边边缘之间的第二区域，其中，第二区域包括高于第一区域的在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度。在某些实施例中，在第二区域中在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度小于1000cm/cm3。在某些实施例中，sic晶片包括4h-sic晶片或半绝缘sic或n型sic。
8.在另一个方面中，sic晶锭包括在从195mm至305mm的范围内的宽度和在从50mm至300mm的范围内的晶锭高度。在某些实施例中，宽度在从195mm至205mm的范围内，或者在从100mm至300mm的范围内。在某些实施例中，晶锭高度的至少50％构造成提供多个sic晶片，并且多个sic晶片中的每个sic晶片包括对于由从sic晶片的中心起的半径界定的第一区域来说小于1000cm/cm3的在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度，该半径占sic晶片的晶片半径的至少50％。在某些实施例中，半径是晶片半径的至少90％。在某些实施例中，在第一区域中在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度小于200cm/cm3，或者小于100cm/cm3。在某些实施例中，晶锭高度的至少75％构造成提供多个sic晶片，并且多个sic晶片中的每个sic晶片包括对于由从sic晶片的中心起的半径界定的第一区域来说小于1000cm/cm3的在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度，该半径占sic晶片的晶片半径的至少50％。在某些实施例中，半径是晶片半径的至少90％。在某些实施例中，在第一区域中在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度小于200cm/cm3，或者小于100cm/cm3。在某些实施例中，sic晶锭是a面sic晶锭、或m面sic晶锭或面sic晶锭。
9.在另一个方面中，一种用于提供用于晶体生长的sic源材料的方法包括：由sic晶体材料形成多个研磨介质；以及通过用多个研磨介质研磨sic源粉末来增加sic源粉末的密
度。在某些实施例中，该方法还包括在减小sic源粉末的颗粒尺寸之前从多个研磨介质中移除表面污染物。在某些实施例中，移除表面污染物包括在减小sic源粉末的颗粒尺寸之前使用研磨过程。在某些实施例中，移除表面污染物还包括对多个研磨介质施加化学蚀刻。在某些实施例中，sic晶体材料包括sic晶体晶锭。在某些实施例中，形成多个研磨介质包括对sic晶体晶锭进行线锯切割。在某些实施例中，sic源粉末的密度在从1.5克/立方厘米(g/cm3)至3.2g/cm3的范围内，或在用多个研磨介质研磨后在从1.5g/cm3至2.5g/cm3的范围内。
10.在另一个方面中，一种用于形成sic单晶材料的方法包括：生长具有在从195mm至305mm的范围内的宽度和在从50mm至300mm的范围内的晶锭高度的sic晶锭。在某些实施例中，该方法还包括从sic晶锭分离多个sic晶片，其中，多个sic晶片中的每个具有在从195mm至305mm的范围内的宽度。在某些实施例中，sic晶锭沿着(0001)晶面生长。在某些实施例中，sic晶锭沿着sic晶锭的m平面生长。在某些实施例中，该方法还包括沿着sic晶锭的(0001)晶面或在sic晶锭的(0001)晶面的4度内从sic晶锭分离多个sic晶片。在某些实施例中，该方法还包括沿着sic晶锭的晶面族中的一个从sic晶锭分离多个sic晶片。在某些实施例中，sic晶锭沿着sic晶锭的a平面生长。在某些实施例中，该方法还包括沿着sic晶锭的(0001)晶面从sic晶锭分离多个sic晶片。在某些实施例中，该方法还包括沿着sic晶锭的晶面族中的一个从sic晶锭分离多个sic晶片。在某些实施例中，sic晶锭沿着sic晶锭的晶面族中的一个生长。在某些实施例中，该方法还包括沿着sic晶锭的(0001)晶面从sic晶锭分离多个sic晶片。在某些实施例中，该方法还包括沿着sic晶锭的晶面族中的一个从sic晶锭分离多个sic晶片。在某些实施例中，生长sic晶锭包括提供具有在从0.9g/cm3至3.2g/cm3的范围内、或在从0.9g/cm3至2.5g/cm3的范围内、或在从1.5g/cm3至3.2g/cm3的范围内、或在从1.5g/cm3至2.5g/cm3的范围内的源密度的sic源材料。在某些实施例中，生长sic晶锭包括提供具有在从0.9g/cm3至3.2g/cm3的范围内或在从1.5g/cm3至2.5g/cm3的范围内的振实密度的sic源粉末。
11.在另一个方面中，任何前述方面单独地或一起地和/或如本文中描述的各种单独的方面和特征可被组合以获得附加的优点。除非本文中有相反的指示，否则如本文中公开的任何各种特征和元件都可与一个或多个其它公开的特征和元件组合。
12.在结合附图阅读优选实施例的以下详细描述之后，本领域技术人员将意识到本公开的范围并实现其附加方面。
附图说明
13.并入并形成本说明书的一部分的附图图示了本公开的若干方面，并与描述一起用于解释本公开的原理。
14.图1a是基平面位错可见的4h碳化硅(sic)晶片的1cm
×
1cm部分的x射线形貌图像，该基平面位错与晶面族紧密对齐。
15.图1b是针对具有明显减少的基平面位错的区域的与图1a的图像相同的4h-sic晶片的1cm
×
1cm部分的x射线形貌图像，该基平面位错与晶面族紧密对齐。
16.图1c是与图1a的图像相同的4h-sic晶片的更大部分的x射线形貌图像，其从晶片
中心跨越到晶片周边，并且显示超过一半的4h-sic晶片具有明显减少的基平面位错，该基平面位错与晶面族紧密对齐。
17.图2是类似于图1c的图像但是针对不同的4h-sic晶片的x射线形貌图像，该4h-sic晶片表现出甚至更大的区域具有与缺失的原子平面相关联的减少的基平面位错。
18.图3是示例性sic晶片的前视图，图示了由从晶片中心起的半径界定的第一区域和限定在第一区域和晶片周边之间的第二区域。
19.图4是sic生长系统的截面图，该sic生长系统包括坩埚、源材料和坩埚盖，该坩埚盖可用来提供具有降低的晶体应力的晶体生长条件，以用于生产大尺寸晶锭和对应的晶片。
20.图5是另一种sic生长系统的截面图，该sic生长系统可提供具有降低的晶体应力的晶体生长条件，以用于生产大尺寸晶锭和对应的晶片。
21.图6图示了用于将sic晶体形成为研磨介质以随后用于研磨具有增加的密度水平和减少的污染物的sic粉末的通用过程。
具体实施方式
22.下面阐述的实施例代表了使本领域技术人员能够实践实施例的必要信息，并且图示了实践实施例的最佳模式。在根据附图阅读以下描述后，本领域技术人员将理解本公开的概念，并且将认识到这些概念在本文中没有特别提及的应用。应当理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求书的范围内。
23.将理解，尽管术语第一、第二等可在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，并且类似地，第二元件可被称为第一元件。如本文中所用，术语“和/或”包括相关联的列举项目中的一个或多个的任何和所有组合。
24.将理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，它可直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可存在居间元件。相反，当元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在居间元件。同样，将理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为“在另一个元件上方”或“在另一个元件上方延伸”时，它可直接在另一个元件上方或直接在另一个元件上方延伸，或者也可存在居间元件。相反，当元件被称为“直接在另一个元件上方”或“直接在另一个元件上方延伸”时，不存在居间元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“联接”到另一个元件时，该元件可直接连接或联接到另一个元件，或者可存在居间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一个元件时，不存在居间元件。
25.诸如“下方”或“上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“竖直”的相对术语可在本文中用于描述一个元件、层或区域与如附图中图示的另一个元件、层或区域的关系。将理解，这些术语和上面讨论的那些术语旨在包括除了附图中描绘的取向之外的设备的不同取向。
26.本文中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例，而并不旨在限制本公开。如本文中所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解，当在本文中使用时，术语“包括(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(includes)”、和/或“包含(including)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部
件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或添加。
27.除非另有限定，本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有由与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解，本文中使用的术语应当被解释为具有与它们在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且将不会被解释成理想化或过于正式的含义，除非在本文中明确地如此限定。
28.本文中参考本公开的实施例的示意图描述实施例。照此，层和元件的实际尺寸可为不同的，并且由于例如制造技术和/或公差而与图示的形状存在变化是预期的。例如，图示或描述为正方形或矩形的区域可具有倒圆或弯曲的特征，并且示出为直线的区域可具有一些不规则部。因此，图中图示的区域是示意性的，并且它们的形状并不旨在图示设备的区域的精确形状，并且不旨在限制本公开的范围。图之间的公共元件可在本文中用公共元件数字示出，并且随后可不重新描述。
29.公开了包括sic晶片和sic晶锭的碳化硅(sic)材料和相关方法，其提供具有降低的晶体应力的大尺寸sic晶片。sic材料的生长条件包括保持sic晶体的大体上凸形的生长表面、调节生长的sic晶体的前侧到后侧热分布中的差异、供应足够的源通量以允许sic晶体的商业上可行的生长速率以及减少sic源材料和对应的sic晶体中污染物或非sic颗粒的包含。通过形成表现出较低晶体应力的较大尺寸sic晶体，可减小与缺失的或附加的原子平面相关联的总位错密度，从而提高晶体质量和可用的sic晶体生长高度或长度。如本文中所用，缺失的原子平面和附加的原子平面可互换地用来描述处于压缩或拉伸状态的晶体中的应力状态。
30.sic可能是非常难以生长的晶体材料，因为在正常压力下，它不具有液态，而是直接从固体转化为气体，以及转化回固体。这使得它不同于大多数材料，因为无法进行液相生长。sic晶体生长的另一个主要挑战是在sic中观察到的非常低的堆垛层错能，其使得非常容易将附加的原子平面及其相关联的缺陷结构引入晶格中。这种低堆垛层错能与sic的常规物理气相输运生长中采用的非常高的温度相结合使得在从局部应力场可获得的能量低于产生堆垛层错所需的能量的状态下保持生长具有挑战性。sic中的晶体应力可由许多因素控制。晶体高度和晶体直径可起重要作用，因为应力可与晶体高度和晶体直径的平方成比例地增加。常规的sic生长技术已经实现了100和150毫米(mm)直径的sic晶体。这样的sic晶体的尺寸典型地受到限制，以防止诱导晶体应力超过形成高密度位错的sic晶体的临界分切应力。对于如本文中公开的较大直径sic晶体(例如，超过150mm)，直径增加的量可不成比例地增加晶体应力，从而在生长期间产生较短的可用晶体高度。特别地，晶体中的应力水平大体上随着晶体的直径的平方增加而增加。例如，如果根据与150mm sic晶体相同的条件生长，则200mm sic晶体中的一般应力水平将预计具有150mm sic晶体的应力的约1.78倍。另外，已知应力大体上随着生长晶体的高度或长度而增加，从而将较大直径的晶体限制到较短的生长高度或长度，使得不超过临界分切应力。
31.此外，诱导生长应力和临界分切应力在不同的晶体方向上可具有不同的量值。就这一点而言，最佳低应力条件对应于诱导生长应力和临界分切应力都处于最小值的方向。对于sic，这相当于使基平面或(0001)平面垂直于生长方向布置。对于基平面与生长方向不垂直的生长方向，较高的相关联应力可分解到基平面上。以这种方式，sic晶体可在基平面
垂直于生长方向的情况下生长以达到降低的应力条件，并且随后在离轴若干度处切割，以用于离轴sic晶片为优选的设备应用。通过不在基本上垂直于生长方向的方向上切割晶片，生长晶体的顶端部分或底端部分在几何上不能形成sic晶片，并且这些不可用的晶体部分与直径成比例。举例来说，从150mm直径的晶体切割4度离轴晶片可导致约10.5mm高度或长度的不可用晶体。将其放大到200mm直径的晶体将导致约14mm的不可用晶体。另外，较大直径的晶片可能需要增加的厚度，以便为后续设备制造过程保持合适的刚性，从而进一步减少可从给定晶体生长高度获得的晶片的量。
32.就这一点而言，用于150mm及以下的sic晶体的常规晶体生长技术不一定可扩展以实际上获得具有更大直径的sic晶体。根据本公开的原理，提供了表现出较低晶体应力的技术，从而允许具有增加的可用晶体高度的较大直径sic晶体(例如，200mm或更大)。如本文中所用，晶体材料的高度或长度是可互换使用的术语，以指代如在垂直于在其上生长sic晶体的晶种的方向上测量的sic晶体的尺寸。如下面将进一步详细描述的，这样的技术包括保持sic晶体的大体上凸形的生长表面、供应足够的源通量以允许sic晶体的商业上可行的生长速率以及减少sic源材料和对应的sic晶体中污染物或非sic颗粒的包含。
33.sic的晶种升华生长过程的一般方面是成熟的(well established)。照此，晶体生长领域的技术人员和特别地sic生长和相关系统的领域的技术人员将认识到，给定技术或过程的具体细节可根据许多相关环境、处理条件和设备构造而变化。因此，本文中给出的描述在一般和示意性的意义上给出是最合适的，因为可以认识到本领域技术人员将能够基于所提供的公开内容实现和使用本文中公开的各种实施例，而无需过度实验。另外，本领域技术人员将认识到，本文中所述类型的sic升华系统在商业上可以各种标准构造获得。备选地，在必要或适当的情况下，升华系统可以定制构造来设计和实现。因此，本文中描述的实施例不限于升华系统的特定子集或任何特定系统构造。相反，根据本文中公开的实施例，许多不同类型和构造的升华系统可用来生长晶体sic材料。
34.如本文中所用，“衬底”是指晶体材料，诸如可由块状晶体材料形成的单晶半导体材料。块状晶体材料可指块状晶体和晶体晶锭。如本文中所用，术语“块状晶体”可与术语“晶锭”互换使用。在某些实施例中，衬底可具有足够的厚度(i)以进行表面处理(例如，精磨和抛光)以支持一个或多个半导体材料层的外延沉积，并且任选地(ii)如果与刚性载体分离和当与刚性载体分离时是独立的。在某些实施例中，术语“衬底”和“晶片”可互换使用，因为晶片典型地用作可在其上形成的半导体设备的衬底。照此，衬底或晶片可指已与较大或块状晶体材料或衬底分离的独立晶体材料。在某些实施例中，sic晶片可具有大体上圆柱形或圆形的形状，和/或可具有以下厚度中的至少约一种或多种的厚度：100微米(μm)、200μm、300μm、350μm、500μm、750μm、1mm、2mm、3mm、5mm、1厘米(cm)、2cm、5cm、10cm、20cm、30cm或更大。在某些实施例中，厚度可包括任何数量的范围，这些范围包括上面列出的值的不同组合。例如，厚度可在包括200μm至300μm、或200μm至350μm、或200μm至500μm、或200μm至750μm、或200μm至1mm等的范围内被提供。就这一点而言，可提供不同的厚度范围，该范围从上面列出的每个值开始，并以上面列出的所有可能的更高值结束。在另外的实施例中，sic晶片可具有非圆形形状，诸如具有任何上述尺寸的正方形或矩形形状。可在圆形晶片形状的背景下提供本公开的原理。然而，所提供的任何晶片直径值也可指晶片的尺寸或最长尺寸，而与晶片形状无关。
35.在某些实施例中，晶片可包括能够分割成两个较薄晶片的较厚晶片。在某些实施例中，晶片可为较厚晶片的部分，该较厚晶片具有布置在其上的一个或多个外延层(任选地与一个或多个金属触点结合)，作为具有多个电操作设备的设备晶片的部分。设备晶片可被分割以产生较薄的设备晶片和第二较薄晶片，在第二较薄晶片上可随后形成一个或多个外延层(任选地与一个或多个金属触点结合)。
36.在某些实施例中，晶片可包括大约200mm或更大、或大约300mm或更大、或大约450mm或更大、或在包括大约200mm至大约450mm的范围内、或在包括大约200mm至大约300mm的范围内的直径。关于相对尺寸，术语“大约”或“约”被限定为意指在一定公差内的标称尺寸，诸如从直径尺寸起的正或负5mm。为了将这样的公差考虑在内，本文中描述的具有“200mm”直径的晶片可包含包括195mm至205mm的直径范围，具有“300mm”直径的晶片可包含包括295mm至305mm的直径范围，并且具有“450mm”直径的晶片可包含包括445mm至455mm的直径范围。在另外的实施例中，这样的公差可更小，诸如正或负1mm，或正或负0.25mm。对于具有非圆形形状的晶片，任何上述直径值都可指具有非圆形形状的晶片的最长尺寸。
37.本文中公开的方法可应用于单晶和多晶种类二者的各种晶体材料的衬底或晶片。在某些实施例中，本文中公开的方法可利用立方、六方和其它晶体结构，并且可针对具有轴上和离轴晶体学取向的晶体材料。在某些实施例中，本文中公开的方法可应用于半导体材料和/或宽带隙材料。示例性材料包括但不限于碳化硅(sic)、硅(si)、砷化镓(gaas)、蓝宝石和金刚石。在某些实施例中，这样的方法可利用具有六方晶体结构的单晶半导体材料，诸如4h-sic、6h-sic或iii族氮化物材料(例如，氮化镓(gan)、氮化铝(aln)、氮化铟(inn)、氮化铟镓(ingan)、氮化铝镓(algan)或氮化铝铟镓(alingan))。在某些实施例中，衬底或晶片可包括具有大约200mm、或300mm或更大的直径和在100μm至1000μm的范围内、或在100μm至800μm的范围内、或在100μm至600μm的范围内、或在150μm至500μm的范围内、或在150μm至400μm的范围内、或在200μm至500μm的范围内或在任何其它厚度范围内或具有由任何上面指定的值确定的端点的厚度的4h-sic。就这一点而言，可提供不同的厚度范围，该范围从上面列出的每个值开始，并以上面列出的所有可能的更高值结束。
38.下文描述的各种说明性实施例大体上提到sic或具体地提到4h-sic，但是应当意识到，可使用其它合适的晶体材料。在各种sic多型体中，4h-sic多型体由于其高热导率、宽带隙和各向同性电子迁移率而对于功率电子设备来说特别有吸引力。本文中公开的实施例可应用于轴上sic(即，没有与其c-平面的有意角向偏离)或离轴sic(即，典型地以非零角度偏离诸如c-轴的生长轴，该角度典型地在从0.5
°
至10
°
的范围内或其子范围(诸如2
°
至6
°
或另一子范围)。本文中公开的某些实施例可利用轴上4h-sic或邻位(离轴)4h-sic，其具有在包括1
°
至10
°
或2
°
至6
°
或约2
°
、4
°
、6
°
或8
°
的范围内的切角。本文中公开的实施例可应用于具有多种多型体(例如，普通sic晶片内的4h和6h多型体)的sic晶片。
39.本文中公开的实施例还可应用于掺杂的晶体半导体材料(例如，n掺杂的导电sic和/或p掺杂的sic)、共掺杂的和/或未掺杂的晶体半导体材料(例如，半绝缘sic或高电阻率sic)。在某些实施例中，包括sic晶锭和sic晶片在内的sic晶体材料可包括n型掺杂(包括有意和无意掺杂剂，诸如氮(n))，其具有在包括1
×
10
17
cm-3
至1
×
10
21
cm-3
的范围内、或在包括1
×
10
17
cm-3
至3
×
10
18
cm-3
的范围内、或在从1
×
10
18
cm-3
至1
×
10
19
cm-3
的范围内、或在从1
×
10
18
cm-3
至3
×
10
18
cm-3
的范围内等的浓度。
40.在某些实施例中，n掺杂的sic晶体材料可具有在包括0.001ohm-cm至0.05ohm-cm的范围内、或在包括0.001ohm-cm至0.03ohm-cm的范围内、或在从0.005ohm-cm至0.05ohm-cm的范围内、或在从0.005ohm-cm至0.03ohm-cm的范围内的电阻率。在其它实施例中，包括半绝缘sic晶锭和半绝缘sic晶片在内的较高电阻率的sic晶体材料可包括具有至少1500ohm-cm、或至少5000ohm-cm、或至少50000ohm-cm、或至少1
×
105ohm-cm、或至少1
×
106ohm-cm、或至少1
×
109ohm-cm、或至少1
×
10
11
ohm-cm、或在包括1500ohm-cm至1
×
10
11
ohm-cm的范围内、或在包括1
×
105ohm-cm至1
×
109ohm-cm的范围内、或在包括1
×
105ohm-cm至1
×
10
11
ohm-cm的范围内的电阻率的无意掺杂或未掺杂的sic。半绝缘sic晶片可掺杂硼(b)、钒(v)、铝(al)或它们的组合。共掺杂的sic晶片可根据实施例包括诸如n、al、b和v等的两种或更多种掺杂剂的组合。
41.晶体sic可包括各种晶体缺陷，包括位错(例如，螺旋刃位错、螺旋螺位错、基平面位错和/或超级螺位错或微管等)、六边形空隙和堆垛层错等。混合位错可包括彼此相交或彼此终止的不同位错(例如，螺旋刃位错、螺旋螺位错、基平面位错和/或超级螺位错或微管)的一种或多种组合。例如，混合位错可包括彼此相交或终止的螺旋螺位错和基平面位错。上述各种晶体缺陷可在晶体生长期间和/或在生长后的加热或冷却期间形成，其中在晶体sic的材料晶格结构中形成一个或多个不连续部。这样的晶体缺陷可能不利于随后在sic晶片上形成的半导体设备的制造、正确操作、设备良率和可靠性。特别地，与缺失的棱柱原子平面相关的缺陷可导致显著的晶体应力，该显著的晶体应力可限制实际的晶片直径和晶体生长长度。这些缺失的棱柱原子平面可由各种位错界定，例如，界定基平面位错可在对应的晶片的平面内行进，并且界定螺旋刃位错可在相对于晶片的平面的竖直方向上行进。虽然缺失的棱柱原子平面可能难以量化，但界定这样的缺失棱柱平面的相关联的基平面位错可能够通过晶片成像(包括x射线形貌术)容易地检测到。举例来说，对于具有六方晶体结构的sic晶片，界定缺失的原子平面的基平面位错将与晶面族紧密对齐，例如在平面族中的任何一个的5度内。通过x射线形貌图像，这些基平面位错将表现为与平面族相对应的线，从而允许它们能够容易地与其它基平面位错区分开来，这些其它基平面位错不与缺失的棱柱原子平面相关联。
42.图1a是基平面位错可见的4h-sic晶片12的1cm
×
1cm部分的x射线形貌图像，该基平面位错与晶面族紧密对齐。sic晶片12具有大约200mm的直径，并且图像10是从比晶片12的中心更靠近晶片12的周边的区域拍摄的。为了获得图像10，在透射模式下执行x射线形貌成像，该模式使用透射来突出显示可与晶面族对齐的缺陷。为了说明的目的，三个箭头14-1至14-3被提供到图像10的右侧，其指示相对于图像10的晶面族的取向。如图所示，可看到图像10中与这些箭头14-1至14-3中的一个或多个紧密对齐的多条线。这些线指示与缺失的原子平面相关联的基平面位错。如果存在未对齐或者偏离晶面族超过5度的线，则这样的线将指示与其它缺陷机制相关联的基平面位错，例如晶体结构中缺失的原子基平面取向的平面。在图像10中，多条线与如由14-1或14-3箭头指示的取向紧密对齐。以这种方式，与缺失的原子平面相关联的基平面位错在图像10中形成对角交叉阴影图案。当这些缺失的原子平面在整个晶体结构中过于普遍时，相关联的晶体
应力可限制实际的晶体生长高度和晶体直径。为了量化与缺失的原子平面相关联的基平面位错，可手动地或利用自动图像分析来测量在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线长度。例如，在图1a中，这样的基平面位错的总线长度为约170厘米/平方厘米(cm/cm2)。当将样品的厚度(在图1a的示例中为0.048cm)考虑在内时，在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度可表示为3500厘米/立方厘米(cm/cm3)。为了量化与整个晶片的缺失的原子平面相关联的基平面位错，可捕获和分析像图1a的图像10这样的多个图像。
43.图1b是针对具有明显减少的基平面位错的区域的与图1a的图像10相同的4h-sic晶片12的1cm
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1cm部分的x射线形貌图像16，该基平面位错与晶面族紧密对齐。特别地，在图像16中提供了叠加的虚线框18，以突出显示与箭头14-1的取向对齐的单个基平面位错线的位置。就这一点而言，在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线长度小于1cm/cm2。当将sic晶片12的0.048cm的厚度考虑在内时，在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度小于20cm/cm3，这指示晶体应力在生长期间降低到低于形成缺失的原子平面所需的水平的sic晶片12的区域。换句话说，晶体应变接近或低于临界分切应力的水平。
44.图1c是与图1a的图像10相同的4h-sic晶片12的较大部分的x射线形貌图像20，其从晶片中心12c跨越到晶片周边12
p
。如上所述，sic晶片12具有大约200mm的直径，并且因此，图像20从晶片中心12c到晶片周边12
p
跨越大约100mm的半径。提供了重叠的竖直虚线，该虚线将晶片12的第一区域12’与第二区域12”分开，该第一区域12’具有在晶面族的5度内对齐的较低密度的基平面位错，该第二区域12”具有在晶面族的5度内对齐的较高密度的基平面位错。特别地，重叠的竖直虚线大约在从晶片中心12c起的半径处提供，在该半径处，在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度对于第一区域12’来说小于2000cm/cm3，并且对于第二区域12”来说大于2000cm/cm3。如图所示，第一区域12’从晶片中心12c起跨越大于晶片12的半径的一半，从而将应力诱导的缺失的原子平面的高密度限制到晶片12的外围。另外，第一区域12’的大部分(特别是在晶片中心12c附近)具有小于100cm/cm2的这样的基平面位错的总线密度。在图像20中注意到两个大的微管22的存在，并且示出了从微管22起在各个方向上传播的对应的基平面位错线。虽然与微管22相关联的基平面位错可能与如上所述的缺失的原子平面不相关，但是与图像20中的平面对齐的这样的基平面位错的量远不足以影响整体分析。如果存在更多这样的微管22，则可能需要注意而仅计数与缺失的原子平面相关联的基平面位错。
45.图2是类似于图1c的图像20但是针对不同的4h-sic晶片26的x射线形貌图像24，该4h-sic晶片26表现出甚至更大的区域具有与缺失的原子平面相关联的减少的基平面位错。sic晶片26具有大约200mm的直径，并且因此，图像24从晶片中心26c到晶片周边26
p
跨越大约100mm的半径。sic晶片26的厚度与图1c的sic晶片12相同。提供了重叠的竖直虚线，该虚线将晶片26的第一区域26’与第二区域26”分开，该第一区域26’具有在晶面族的5度内对齐的较低密度的基平面位错，该第二区域26”具有在晶面族的5度内对齐的较高密
度的基平面位错。如图所示，第一区域26’跨越晶片26的半径的至少95％，从而将应力诱导的缺失的原子平面的高密度限制到在晶片26的非常外围处的第二区域26”。虽然从晶片周边26
p
可看到的延伸到第一区域26’中的较暗特征的数量增加，但是这些较暗特征中的大多数与缺失的棱柱原子平面不相关。例如，提供了从晶片周边26
p
获取的1cm
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1cm部分的分解图，以用于更仔细的检查。如图所示，分解图的右侧和右下角展示了与晶面族对齐并配准在第二区域26”内的多条对角线。分解图的左下角展示了与第一区域26’配准的几条这样的对角线。分解图中其余的较暗特征与晶面族不对齐，并且因此不会被计数以用于量化缺失的棱柱原子平面的目的。以这种方式，在跨越第一区域26’的一部分和整个第二区域26”二者的分解图中，与缺失的原子平面相关联的基平面位错的总线密度小于250cm/cm3。注意，与缺失的原子平面无关的某些较暗的图像特征在图像24的位于晶片中心26c处或附近的区域中是可见的。这些较暗特征的图案指示在晶片分离和/或随后的晶片处理期间形成的晶片伪影。以这种方式，当量化与缺失的原子平面相关的基平面位错时，可排除容易归因于后生长过程的图像特征。即使这样的特征无意中被计数，它们似乎也不会显著地改变分析，因为总长度在晶片中心26c附近仍然小于12cm/cm2。
46.如将在后面更详细地描述的，公开了提供具有降低的晶体应力的大面积sic晶片的生长条件和技术，如图1a至图1c的示例性sic晶片12和图2的示例性sic晶片26那样。通过如上所述用x射线形貌术表征sic晶片，sic晶片的总晶体应力和缺失的原子平面可根据每单位体积的对应的基平面位错的线密度来量化。图3是示例性sic晶片28的前视图，图示了由从晶片中心28c起的半径28’r
界定的第一区域28’和限定在第一区域28’和晶片周边28
p
之间的第二区域28”。基于上述x射线形貌，在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度在第二区域28”中可比在第一区域28’中更大。根据本公开的实施例，第一区域28’中的这样的基平面位错的总线密度可小于1000cm/cm3、或小于200cm/cm3、或小于100cm/cm3、或在从0cm/cm3或20cm/cm3到任何上述值的任何范围内，其对应于缺失的原子平面的低密度。在另外的实施例中，第二区域28’中的这样的基平面位错的总线密度也可小于1000cm/cm3、或小于200cm/cm3、或小于100cm/cm3、或在从0cm/cm3或20cm/cm3到任何上述值的任何范围内。对于较大直径的sic晶片，界定第一区域28’的半径28’r
可占如在晶片周边28
p
处测量的总晶片半径28r的至少50％、或至少75％、或至少90％、或至少95％、或100％。举例来说，如果sic晶片28是具有100mm的晶片半径28r的200mm晶片，则限定第一区域28’的半径28’r
可包括至少50mm(例如，图1a至图1c的sic晶片12)、或至少75mm、或至少90mm、或至少95mm(例如，图2的sic晶片26)、或100mm。对于半径28'r等于晶片半径28r的sic晶片，第一区域28'可延伸横跨整个sic晶片28。
47.图4是sic生长系统30的截面图，该sic生长系统30包括坩埚32、源材料34和可用来形成sic晶体38的坩埚盖36。就这一点而言，sic生长系统30可用来提供具有降低的晶体应力的晶体生长条件，以用于生产大宽度或直径的晶锭和对应的晶片。虽然未示出，但应当理解，晶种(例如，晶体sic材料)可放置在坩埚盖36附近，以用于在生长期间形成sic晶体38。源材料34和晶种大体上包含在坩埚32中，并且源材料34可定位在晶种的上方、下方或邻近处。坩埚32可包括对含si和含c气体相对稳定的材料。在某些实施例中，坩埚32可包括石墨、碳化钽(tac)涂覆石墨和/或碳化铌(nbc)涂覆石墨以及固体tac和nbc等中的一种或多种。
在某些实施例中，坩埚32可被密封以防止气体逸出，或者部分地开放以允许一些气体流出坩埚32。在某些实施例中，坩埚32可为导电的，以允许感应加热，而在其它实施例中，可使用辐射加热，并且在另外其它实施例中，可使用感应加热和辐射加热的组合。在某些实施例中，可控制坩埚32中的温度分布，使得既考虑至系统的热输入，又使用绝缘挡板来控制热流。在某些实施例中，源材料34可保持在比坩埚盖36更高的温度，使得在坩埚32内产生温度梯度。该温度梯度有助于提供从源材料34到sic晶体38的包含含si和含c气体物种的蒸气流(vapor flux)40的输运。当源材料34升华和冷凝以形成sic晶体38时，蒸气流40也可由从源材料34到sic晶体38的气体流驱动。在某些实施例中，气体源可被驱动通过高温区域以使气体能够裂解成组成部分，或者各种气体物种可直接与sic晶体38相互作用。在某些实施例中，一个或多个高频电场用来辅助气体裂解过程。
48.sic晶体38的生长条件典型地可通过供应用于沉积si和c的蒸气流40来实现。实现这一点的方式有很多，并且本文中描述的实施例提供用于改变sic晶体生长的某些方面，以减少包括对应的sic晶体和所得sic晶片中的缺失的原子平面的晶体缺陷。蒸气流40可通过经由加热源材料34来生成sic、sic2、si2c和si气体中的一种或多种来提供，源材料34可包括下列中的一种或多种：多晶sic；单晶sic；si和c的聚合物；si和c粉末的混合物，其中si与c的比率为1:1或在1:1比率的20％公差内；sic、si和c粉末的混合物，其中si与c的比率为1:1或在1:1比率的20％公差内；无定形或晶体sic(例如，多晶或单晶)的圆盘或团块；和sic的多孔网片。根据应用，源材料可包括si和c之外的附加材料，例如掺杂剂源材料。在某些实施例中，气体源也可单独地或除了上述源材料34之外用来供应蒸气流40。这样的气体源可包括一种或多种物种，诸如sih4、si2h6、sicl2h2、sicl3h、sicl4、ch4、c2h6和si(ch3)4。在包括气体源和固体源的组合的实施例中，当si或c供应中的某个由气体提供时，固体源中的si与c的比率可改变为偏离1:1。
49.在某些实施例中，这些源可主要包括纯sic，但是可经常添加杂质以实现晶体的有意掺杂、表面能的改变、点缺陷的有意产生和晶格尺寸的改变。这些杂质可包括周期表中的几乎任何元素，通常是用于诱导p型掺杂的诸如硼(b)的iii族元素、或用于诱导n型掺杂的n、更大原子半径的原子(包括ge和sn、v)，并且可包括一些镧系元素以改变表面能，并改变所得晶格参数尺寸，或引入深能级电缺陷。
50.在某些实施例中，通过控制生长条件以保持生长的sic晶体38的大体上凸形的生长表面，可获得改进的多型体控制和生长速率。这可通过管理径向热分布来实现，使得sic晶体38的中心区域比周边部分更冷，以便在中心区域中提供更高的生长速率。如果这样的热分布太大，则晶体应力可能增加。源材料34和sic晶体38之间的距离42部分地促成源材料34和sic晶体38之间的热梯度。较高的热梯度可能与在生长期间增加的晶体应力相关联，而较低的热梯度可能与较低的生长速率相关联。就这一点而言，简单地降低热梯度以避免晶体应力可导致较低的生长速率，其对于提供生产规模数量的sic晶体38是不切实际的。另外，如果距离42太短，则生长的sic晶体38的可实现的晶锭高度或长度可能被限制。
51.虽然提供凸形生长表面对于多型体控制和减少某些晶体缺陷的形成可能是重要的，但是在不引入缺失的原子平面的情况下控制径向热分布可能是一个挑战，特别是对于较大直径的sic晶体。特别地，从sic晶体38的前侧或生长表面到sic晶体38的更靠近晶种和坩埚盖36的后侧的径向热分布中的任何偏差都可诱导晶体内剪切应力和缺失的原子平面。
根据本公开的方面，描述了各种晶体生长技术，其促进凸形生长表面，同时还减少生长的sic晶体38的径向热分布中的前侧到后侧的偏差。在某些实施例中，可对生长的sic晶体38的前侧采用阴影掩蔽，以促进凸形生长表面，而不需要在后侧热分布中提供更高的梯度。当存在阴影掩蔽时，为了允许sic晶体38的更大晶锭高度，sic晶体38可缓慢地移动远离源材料34，以允许更多的物理空间用于sic晶体38的生长，同时还保持凸形生长表面的条件。另外，使sic晶体38缓慢地移动远离源材料34也可提供从生长的sic晶体38的表面到源材料34的一致距离。上述效果也可通过使源材料34缓慢地移动远离生长晶体38来实现。
52.图5是sic生长系统44的截面图，该sic生长系统44可提供具有降低的晶体应力的晶体生长条件，以用于生产大宽度或直径的晶锭和对应的晶片。在某些实施例中，sic生长系统44包括促进在坩埚盖36的中心处的附加热耗散的布置。图示了包围坩埚32和坩埚盖36的绝缘层46。绝缘层46形成与sic晶体38和坩埚盖36的中心配准的开口48。以这种方式，热量50可更容易地在开口48处耗散，从而提供具有用于形成凸形生长表面的sic晶体38的较冷的中心部分的径向热分布。在某些实施例中，开口48的尺寸和位置可构造成用于促进凸形生长表面和前侧到后侧热分布的匹配，以减少缺失的原子平面的形成。虽然开口48图示为完全穿过绝缘层46的整个厚度形成，但是开口48也可体现部分开口，使得绝缘层46在开口48处具有减小的厚度。在另外的实施例中，sic晶体38的后侧热分布可在生长期间动态地调节，使得在生长开始时可能有益的热分布中的较高梯度可在以后的生长阶段期间减小。例如，绝缘层46和开口48(或部分开口)相对于坩埚32的位置可在生长期间移动。备选地，sic晶体38相对于绝缘层46的位置也可在生长期间偏移。在又一些另外的示例中，开口48可在生长期间被关闭、打开和/或调整大小，以补偿随着sic晶体38生长得更长而在前侧到后侧的热分布中的任何变化。有源加热元件可围绕坩埚32的外围设置和/或与坩埚32的中心配准，该中心可在生长期间动态地调节。
53.在某些实施例中，碳化硅生长系统44可包括坩埚32的设计，该坩埚32向sic晶体38的中心提供增加的蒸气流40，以用于促进凸形生长表面。例如，坩埚32的一个或多个内侧壁32’可形成有一个或多个侧壁特征，该侧壁特征为坩埚32内的蒸气流40提供小于sic晶体38的直径的孔口或通道。内侧壁32’上的各种侧壁特征可与坩埚32或附接到坩埚32的单独部件成一体。侧壁特征可包括一个或多个突起，所述突起远离内侧壁32’朝向坩埚32的中心延伸以限定孔口或通道。根据该实施例，所得到的孔口或通道可形成有任何数量的形状，包括圆形、矩形和六边形。六边形孔口或通道可提供与[1120]和/或晶体方向中的一个或多个的对齐。在某些实施例中，孔口或通道可在坩埚32内形成狭缝，或者突起可体现一个或多个开口。各种侧壁特征的表面也可被机加工成不同的粗糙度水平，以便管理沿着坩埚32的用于sic生长的成核位点。在又一些另外的实施例中，内侧壁32’的侧壁特征可包括坩埚32中的凹部或者甚至其中蒸气流40的部分可从坩埚32排出的区域。以这种方式，蒸气流40被允许朝向sic晶体38的中心自由地传播，同时在sic晶体的周边处的蒸气流40由沿着内侧壁32’布置的侧壁特征至少部分地阻挡或移除。因此，可在不需要sic晶体38中更大的径向热分布的情况下在sic晶体38的中心部分中实现更高的生长速率，从而促进具有降低的晶体应力和缺失的原子平面的凸形生长表面。为了有效地引导蒸气流40优先地朝向sic晶体38，侧壁特征可能需要定位在离sic晶体38不太远的地方。例如，侧壁特征可在小于sic晶体38的直径的一半的距离处设置在内侧壁32’上，以确保蒸气流40优先地输送到sic晶体38的
中心。在另外的实施例中，坩埚32可具有位于坩埚32的内侧壁32’的不同竖直部分中的不同侧壁特征，以用于以期望的方式引导蒸气流40。在存在侧壁特征的某些实施例中，生长的sic晶体38可在远离侧壁特征的方向上逐渐地移动，以实现更大的晶锭高度。在某些实施例中，侧壁特征可备选地体现源管，该源管优先地向sic晶体38的中心供应蒸气流40。在另外的实施例中，绝缘层46可与坩埚32的内侧壁32’的任何侧壁特征相结合或者与如本文中公开的本公开的任何其它原理相结合来形成开口48。
[0054]
在某些实施例中，sic生长系统44可包括将在生长期间可能存在的边界层的形成考虑在内的设计。在用于sic的生长温度下，由源材料34提供的蒸气流40可提供比c物种更多的si物种，但是生长的sic晶体38大体上接受等量的每种物种。就这一点而言，蒸气流40的过量物种可被拒绝以沿着生长的sic晶体38的表面在坩埚32中形成边界层。边界层可包括c物种和si物种两者。在形成边界层之后，随后的蒸气流40现在必须穿过边界层，以便到达sic晶体38的表面。因此，边界层可限制sic晶体38的生长速率。为了将边界层考虑在内并允许蒸气流40以更可控的方式到达sic晶体38，可在坩埚32中提供管，该管构造成向边界层提供破坏性气体流。例如，惰性气体可通过管并朝向边界层的中心提供，从而中断或减小沿着sic晶体38的中心的边界层的厚度。以这种方式，sic晶体38的生长速率可在中心增加，而不需要本可能促进晶体应力的更大的径向热分布。在某些实施例中，管可包括石墨、tac、nbc、涂覆有tac和nbc中的一种或多种的石墨以及它们的组合。惰性气体可包括氩气(ar)，并且可以脉冲或恒定流量提供给边界层，其促进蒸气流40的改进输送。管可从坩埚32的底部提供，或者在沿着坩埚32的内侧壁32’的其它位置中提供，以提供边界层的受控破坏。破坏边界层的其它方式包括周期性地降低和重建坩埚32中的气体压力、将超声波或低频脉冲施加到生长的sic晶体38和/或边界层、在生长期间以恒定或可变的速度旋转sic晶体38以及布置管理气体流模式的特定排气路径的一种或多种组合。在另外的实施例中，用于将边界层考虑在内的任何上述原理可单独使用，或者与绝缘层46和开口48中的任何一个结合使用，和/或与坩埚32的侧壁特征结合使用，或者与如本文中公开的本公开的任何其它原理结合使用。
[0055]
对于更大宽度或直径的sic晶锭(例如，200mm及以上)的生长，在sic晶体38的整个表面上保持来自蒸气流40的含si和含c物种的合适化学计量比变得越来越困难。例如，si/c比率在生长表面的中心可比在生长sic晶体38的边缘处更高。这可导致台阶聚并和台地形成(step bunching and terrace formation)在晶体38中更普遍，从而在所得晶体中引起缺陷。提供了若干种机制，其在生长的sic晶体38的径向方向上调节或定制相对si/c比率，或者改变表面和阶跃自由能(step free energies)以减少大表面台地的产生。应当注意，如果相对si/c比率过高或过低，sic晶体38可表现出不同的缺陷，因此对于特定的一组生长条件可能需要调节si/c比率。如果从中心到边缘沿着生长的sic晶体38的半径的si/c比率中存在太大的变化，则可有效地减小合适的si/c比率的范围，因此使得对于更大直径的生长条件保持合适的si/c比率变得相当具有挑战性。如上所述，用于在横跨生长的sic晶体38的蒸气流40中实现si/c比率的各种方式可包括在绝缘材料46中提供一个或多个开口48、为坩埚32的内侧壁32’提供各种侧壁特征以及用于破坏边界层的各种技术。
[0056]
在某些实施例中，各种参数相应地包括改变生长的sic晶体38的晶体表面温度和改变引入的气体或蒸气流40的组成。在某些实施例中，生长技术可包括调节蒸气流40中含
si和含c物种的量值。另外，蒸气流40可包括气相中的其它原子物种，例如n、ar、he、b和/或其它金属物种。在sic晶体38的整个生长过程中，或者在坩埚32内的某些生长部分处和/或在sic晶体38的生长表面上，可提供其它原子物种的存在。例如，其它原子物种可在生长的开始、中间和/或接近结束时作为蒸气流40内的一次或多次爆发来提供。在其它实施例中，可以在sic晶体38的不同生长部分中不同的可变量提供其它原子物种。在另外的其它实施例中，其它原子物种中的一种或多种可在一次或多次爆发中提供，而一种或多种原子物种中的其它原子物种在一个或多个生长部分期间以连续方式提供。
[0057]
在某些实施例中，可利用sic晶体38和源材料34之间的电场和/或到达的辐射的能谱来控制生长条件。在某些实施例中，用于生长的晶种内的螺旋刃位错和螺旋螺位错的存在和/或分布可定制用于大直径生长。可在生长期间提供蒸气流40的一个或多个中断，以允许sic晶体38的晶体表面的重构。在某些实施例中，由于热梯度或内置(build in)位错网络而存在于sic晶体38中的应变可提供面内晶格常数的改变，从而改变表面能参数。在某些实施例中，可调节生长的sic晶体38的掺杂水平，从而导致sic晶体38的表面附近的差异性辐射吸收和不同的轴向热梯度。
[0058]
本公开的原理可用于sic晶体38的生长，其对应生长表面的晶体学取向从离轴0度直到若干度，这取决于实施例并且针对生长表面(例如，c面或si面)的任一极性。在又一些另外的实施例中，sic晶体38的主晶体生长平面的选择可通过选择对应的晶种而从其它基平面(例如，六方晶体结构的m平面族或m面、六方晶体结构的a平面族或a面)或者沿着六方晶体结构的晶面选择。就这一点而言，根据本公开的任何原理，sic晶体晶锭可沿着m面、a面或沿着晶面生长。以这种方式，这样的sic晶体可被称为m面sic晶体或m面sic晶锭、或a面sic晶体或a面sic晶锭、或面sic晶体或面sic晶体晶锭。在生长之后，这样的sic晶体晶锭然后可沿着(0001)晶面(或c面或c平面)或从(0001)晶面离轴若干度(例如，至约10
°
)切割成sic晶片。备选地，这样的sic晶体晶锭可沿着m面、a面或沿着它们在其中生长的晶面切割。在某些实施例中，对应的m面和/或a面晶片可包括圆形形状或非圆形形状，例如矩形。
[0059]
用于增加具有适当低的晶体应力的sic晶体(特别是大直径晶体)的可实现的晶锭高度的其它生长技术包括对源材料的改进。在sic晶体生长中，晶锭高度、良率和成本可为可放置在坩埚内的源材料的重量的函数。以这种方式，增加源材料的密度可允许增加坩埚中源材料的重量，从而以降低的成本提供更高的晶锭高度和良率。源材料可包括多晶sic、单晶sic、si和c的聚合物、si、c和/或sic的粉末、无定形或晶体sic的圆盘或团块、sic的固体块或其它固体形式、以及sic的多孔网片以及其它形式的sic中的一种或多种。在某些方面中，用于sic生长的源材料可包括具有约0.9至1.3克/立方厘米(g/cm3)的振实密度的sic粉末。如本文中所用，振实密度或敲击密度是指在轻敲过程已经被采用合适的时间量和/或合适的轻敲次数(例如，1200次轻敲)之后粉末的质量除以粉末的最终体积。根据本公开的方面，sic粉末的颗粒尺寸分布可构造成以减少的污染物提供至少1.5g/cm3、或至少1.8g/cm3、或至少2.0g/cm3、或至少2.5g/cm3、或在从1.5g/cm3至2.5g/cm3的范围内、或在从1.8g/cm3至2.5g/cm3的范围内、或在从2.0g/cm3至2.5g/cm3的范围内、或在从1.8g/cm3至3.2g/cm3的范围内、或在从2.0g/cm3至2.5g/cm3的范围内的振实密度。在某些方面，具有任何上述振
实密度的sic粉末可被压制以形成固体sic源材料，其具有在从0.9g/cm3至3.2g/cm3的范围内、或在从1.3g/cm3至3.2g/cm3的范围内、或在从1.5g/cm3至3.2g/cm3的范围内、或在从1.8g/cm3至3.2g/cm3的范围内、或在从1.8g/cm3至2.5g/cm3的范围内、或在从2.0g/cm3至2.5g/cm3的范围内的源密度。通过对源材料的sic粉末的这种改进，与常规源材料相比，可实现的晶锭高度可是两倍、三倍或更多。
[0060]
由于在粉末生产期间引入的污染物，用于源材料的常规sic粉末的颗粒尺寸分布和对应的密度受到限制。例如，常规的研磨介质可用来形成sic粉末，并且典型地可显示大约10-1
至100百万分率(ppm)的污染水平。这样的污染水平将粉末中的颗粒尺寸分布限制到较大的值，从而提供较低的密度(例如，1.3g/cm3)。根据本公开的方面，改进的研磨介质可由sic晶体提供，其与常规研磨介质相比具有更高的纯度水平。就这一点而言，sic晶锭可被分割和处理以形成具有显著降低的污染水平的研磨介质。
[0061]
图6图示了用于将sic晶体54形成为研磨介质54’以随后用于研磨具有增加的密度水平和减少的污染物的sic粉末的通用过程52。sic晶体54可体现任何固体sic晶体材料，例如根据常规晶体生长技术或本公开的任何晶体生长技术生长的sic晶锭。在某些实施例中，sic晶体54可能不一定满足包括掺杂水平和晶体缺陷等在内的生产目标。代替将sic晶体54废弃，它可用来形成研磨介质54’。在其它实施例中，sic晶体54不被认为是生产废料。为了形成研磨介质54’，sic晶体54可通过线锯切割分离成具有的尺寸范围从5mm
×
5mm至15mm
×
15mm的较小的立方体部分，然而也可提供其它尺寸。在将sic晶体54分离成较小的研磨介质54’之后，通过使研磨介质54’经受一次或多次初始粉末研磨过程来有效地抛光研磨介质54’，可移除任何残留的表面污染物。另外，通过使研磨介质54’经受化学蚀刻，可移除残留的表面污染物。在某些实施例中，可通过初始粉末研磨过程或化学蚀刻单独地或者通过初始粉末研磨过程和化学蚀刻的组合来实现表面污染物的移除。除了上述表面污染物移除步骤之外，在不偏离本公开的原理的情况下，还可设想其它清洁技术。
[0062]
在适当移除表面污染物之后，研磨介质54’可用来研磨具有减小的颗粒尺寸和合适的颗粒尺寸分布的sic粉末，以用于形成具有减少的污染物的高密度sic粉末源材料。虽然研磨介质54’以立方形式示出，但是研磨介质54’也可以诸如圆形或椭圆形球的其它形状提供。另外，研磨介质54'也可用来研磨sic源粉末以外的其它材料。在另一些实施例中，用研磨介质54’研磨的sic粉末可经受陶瓷成型技术，以将sic粉末形成为各种尺寸和形状的附加研磨介质。
[0063]
根据本文中公开的方面，图4至图5中描述的上述改进的晶体生长技术和相对于图6描述的源材料改进中的一种或多种单独地或以彼此的各种组合可提供具有降低的晶体应力和更大的晶锭高度的大直径sic晶体。在某些实施例中，具有大约200mm的直径的sic晶体可形成为具有大于50mm、或大于100mm、或大于200mm、或在从50mm至300mm的范围内、或在从100mm至300mm的范围内、或在包括上面列出的值的不同组合的任何数量的范围内的晶锭高度。对于这样的晶锭高度，晶锭高度的至少50％、或至少60％、或至少75％、或至少90％、或在从50％至90％的范围内、或在从60％至90％的范围内、或在从50％至75％的范围内、或在从60％至75％的范围内、或由任何上述值界定的任何其它范围内可构造成提供多个sic晶片，并且多个sic晶片中的每个sic晶片包括降低的晶体应力和缺失的原子平面。也就是说，对于由总晶片半径的至少50％、或至少90％、或至少95％的半径界定的区域来说，至少上述
百分比的晶锭高度可能够生产具有在小于1000cm/cm3、或小于200cm/cm3、或小于100cm/cm3、或从0cm/cm3、或20cm/cm3开始到任何上述值的任何范围的晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度的sic晶片。另外，根据本公开的原理，任何上述晶锭高度和对应的百分比可同样地应用于沿着m面、a面或沿着晶面生长的sic晶锭。如前所述，可利用的生长技术和源材料的组合的选择可依赖于与每个特定升华系统相关的具体细节。就这一点而言，晶体生长领域的技术人员和特别地sic生长和相关系统的领域的技术人员将认识到，给定技术、过程、源材料的选择及其组合的具体细节可与每个具体晶体生长构造的具体环境和处理条件相关地选择。
[0064]
可设想，任何前述方面和/或如本文中描述的各种单独的方面和特征可被组合以获得附加的优点。除非本文中有相反的指示，否则如本文中公开的任何各种实施例都可与一个或多个其它公开的实施例相结合。
[0065]
本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有这样的改进和修改都被认为在本文中公开的概念和所附权利要求书的范围内。

技术特征：
1.一种碳化硅(sic)晶片，包括至少195毫米(mm)的尺寸以及对于由从所述sic晶片的中心起的半径界定的第一区域来说小于1000厘米/立方厘米(cm/cm3)的在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度，所述半径占所述sic晶片的晶片半径的至少50％。2.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，所述尺寸在从195mm至205mm的范围内。3.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，所述尺寸在从195mm至455mm的范围内。4.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，所述尺寸在从195mm至305mm的范围内。5.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，在所述晶面族的5度内对齐的基平面位错的所述总线密度在从0cm/cm3至小于1000cm/cm3的范围内。6.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，在所述晶面族的5度内对齐的基平面位错的所述总线密度在从20cm/cm3至小于1000cm/cm3的范围内。7.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，在所述第一区域中在所述晶面族的5度内对齐的基平面位错的所述总线密度小于200cm/cm3。8.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，在所述第一区域中在所述晶面族的5度内对齐的基平面位错的所述总线密度小于100cm/cm3。9.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，界定所述第一区域的所述半径占所述sic晶片的所述晶片半径的至少90％。10.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，界定所述第一区域的所述半径占所述sic晶片的所述晶片半径的至少95％。11.根据权利要求1所述的sic晶片，还包括限定在所述第一区域和所述sic晶片的周边边缘之间的第二区域，其中，所述第二区域包括高于所述第一区域的在所述晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度。12.根据权利要求11所述的sic晶片，其中，在所述第二区域中在所述晶面族的5度内对齐的基平面位错的所述总线密度小于1000cm/cm3。13.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，所述sic晶片包括4h-sic晶片。14.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，所述sic晶片包括半绝缘sic。15.根据权利要求1所述的sic晶片，其中，所述sic晶片包括n型sic。16.一种碳化硅(sic)晶锭，包括在从195毫米(mm)至305mm的范围内的宽度和在从50mm至300mm的范围内的晶锭高度。17.根据权利要求16所述的sic晶锭，其中，所述宽度在从195mm至205mm的范围内。18.根据权利要求16所述的sic晶锭，其中，所述晶锭高度在从100mm至300mm的范围内。19.根据权利要求16所述的sic晶锭，其中，所述晶锭高度的至少50％构造成提供多个sic晶片，并且所述多个sic晶片中的每个sic晶片包括对于由从所述sic晶片的中心起的半径界定的第一区域来说小于1000厘米/立方厘米(cm/cm3)的在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度，所述半径占所述sic晶片的晶片半径的至少50％。20.根据权利要求19所述的sic晶锭，其中，所述半径是所述晶片半径的至少90％。21.根据权利要求19所述的sic晶锭，其中，在所述第一区域中在所述晶面族的5
度内对齐的基平面位错的所述总线密度小于200cm/cm3。22.根据权利要求19所述的sic晶片，其中，在所述第一区域中在所述晶面族的5度内对齐的基平面位错的所述总线密度小于100cm/cm3。23.根据权利要求16所述的sic晶锭，其中，所述晶锭高度的至少75％构造成提供多个sic晶片，并且所述多个sic晶片中的每个sic晶片包括对于由从所述sic晶片的中心起的半径界定的第一区域来说小于1000厘米/立方厘米(cm/cm3)的在晶面族的5度内对齐的基平面位错的总线密度，所述半径占所述sic晶片的晶片半径的至少50％。24.根据权利要求23所述的sic晶锭，其中，所述半径是所述晶片半径的至少90％。25.根据权利要求23所述的sic晶锭，其中，在所述第一区域中在所述晶面族的5度内对齐的基平面位错的所述总线密度小于200cm/cm3。26.根据权利要求23所述的sic晶锭，其中，在所述第一区域中在所述晶面族的5度内对齐的基平面位错的所述总线密度小于100cm/cm3。27.根据权利要求16所述的sic晶锭，其中，所述sic晶锭是a面sic晶锭。28.根据权利要求16所述的sic晶锭，其中，所述sic晶锭是m面sic晶锭。29.根据权利要求16所述的sic晶锭，其中，所述sic晶锭是面sic晶锭。30.一种用于提供用于晶体生长的碳化硅(sic)源材料的方法，所述方法包括：由sic晶体材料形成多个研磨介质；以及通过用所述多个研磨介质研磨sic源粉末来增加所述sic源粉末的密度。31.根据权利要求30所述的方法，还包括在减小所述sic源粉末的颗粒尺寸之前从所述多个研磨介质中移除表面污染物。32.根据权利要求31所述的方法，其中，移除所述表面污染物包括在减小所述sic源粉末的颗粒尺寸之前使用研磨过程。33.根据权利要求32所述的方法，其中，移除所述表面污染物还包括对所述多个研磨介质施加化学蚀刻。34.根据权利要求30所述的方法，其中，所述sic晶体材料包括sic晶体晶锭。35.根据权利要求34所述的方法，其中，形成所述多个研磨介质包括对所述sic晶体晶锭进行线锯切割。36.根据权利要求30所述的方法，其中，在用所述多个研磨介质研磨之后，所述sic源粉末的密度在从1.5克/立方厘米(g/cm3)至3.2g/cm3的范围内。37.根据权利要求30所述的方法，其中，在用所述多个研磨介质研磨之后，所述sic源粉末的密度在从1.5g/cm3至2.5g/cm3的范围内。38.一种用于形成碳化硅(sic)单晶材料的方法，所述方法包括：生长具有在从195毫米(mm)至305mm的范围内的宽度和在从50mm至300mm的范围内的晶锭高度的sic晶锭。39.根据权利要求38所述的方法，还包括从所述sic晶锭分离多个sic晶片，其中，所述多个sic晶片中的每个具有在从195mm至305mm的范围内的宽度。40.根据权利要求38所述的方法，其中，所述sic晶锭沿着(0001)晶面生长。41.根据权利要求38所述的方法，其中，所述sic晶锭沿着所述sic晶锭的m平面生长。
42.根据权利要求41所述的方法，还包括沿着所述sic晶锭的(0001)晶面或在所述sic晶锭的所述(0001)晶面的4度内从所述sic晶锭分离多个sic晶片。43.根据权利要求41所述的方法，还包括沿着所述sic晶锭的晶面族中的一个从所述sic晶锭分离多个sic晶片。44.根据权利要求38所述的方法，其中，所述sic晶锭沿着sic晶锭的a平面生长。45.根据权利要求44所述的方法，还包括沿着所述sic晶锭的(0001)晶面从所述sic晶锭分离多个sic晶片。46.根据权利要求44所述的方法，还包括沿着所述sic晶锭的晶面族中的一个从所述sic晶锭分离多个sic晶片。47.根据权利要求38所述的方法，其中，所述sic晶锭沿着所述sic晶锭的晶面族中的一个生长。48.根据权利要求47所述的方法，还包括沿着所述sic晶锭的(0001)晶面从所述sic晶锭分离多个sic晶片。49.根据权利要求47所述的方法，还包括沿着所述sic晶锭的晶面族中的一个从所述sic晶锭分离多个sic晶片。50.根据权利要求38所述的方法，其中，生长所述sic晶锭包括提供具有在从0.9g/cm3至3.2g/cm3的范围内的源密度的sic源材料。51.根据权利要求38所述的方法，其中，生长所述sic晶锭包括提供具有在从0.9g/cm3至2.5g/cm3的范围内的源密度的sic源材料。52.根据权利要求38所述的方法，其中，生长所述sic晶锭包括提供具有在从1.5g/cm3至3.2g/cm3的范围内的源密度的sic源材料。53.根据权利要求38所述的方法，其中，生长所述sic晶锭包括提供具有在从1.5g/cm3至2.5g/cm3的范围内的源密度的sic源材料。54.根据权利要求38所述的方法，其中，生长所述sic晶锭包括提供具有在从0.9g/cm3至3.2g/cm3的范围内的振实密度的sic源粉末。55.根据权利要求38所述的方法，其中，生长所述sic晶锭包括提供具有在从1.5g/cm3至2.5g/cm3的范围内的源密度的sic源粉末。

技术总结
公开了包括SiC晶片和SiC晶锭的碳化硅(SiC)材料和相关方法，其提供具有降低的晶体应力的大尺寸SiC晶片。SiC材料的生长条件包括保持SiC晶体的大体上凸形的生长表面、调节生长的SiC晶体的前侧到后侧热分布中的差异、供应足够的源通量以允许SiC晶体的商业上可行的生长速率以及减少SiC源材料和对应的SiC晶体中污染物或非SiC颗粒的包含。通过形成表现出较低晶体应力的较大尺寸SiC晶体，可减小与缺失的或附加的原子平面相关联的总位错密度，从而提高晶体质量和可用的SiC晶体生长高度。而提高晶体质量和可用的SiC晶体生长高度。而提高晶体质量和可用的SiC晶体生长高度。


技术研发人员：Y
受保护的技术使用者：沃孚半导体公司
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2023/10/7