[发明专利]碳化硅外延

说明书

技术领域

本发明涉及碳化硅外延。

背景技术

碳化硅是用于将来的功率电子应用的有前途的材料，因为它可以维持比硅高得多的电压并且具有类似于铜的热传导性。

根据硅和碳双分子层的堆叠的顺序，碳化硅以数种不同晶体形式(或“多型”)存在。

最常用的多型碳化硅是四阶六边形堆叠顺序碳化硅(4H-SiC)，因为它可以以单晶体形式生长它并且产生半导体材料的晶片。然而，这些晶体通过物理蒸汽输运(PVT)工艺生产，其中碳化硅的粉末在大约2200℃被升华，产生蒸汽，该蒸汽行进并且然后在晶种上凝结。这种工艺是非常耗能的，并且因此生产碳化硅晶片比生产硅晶片昂贵得多。

另一种多型碳化硅，三阶立方碳化硅(3C-SiC)，在原则上可以外延地生长在硅晶片上，因为它们共享立方晶体形式。在这种情况下，可以比制造4H-SiC晶片更廉价地实现用于装置制造的一层碳化硅。然而，在硅上外延生长一层三阶立方碳化硅(即，3C-SiC/Si异质外延)存在两个重大的挑战。

首先，在三阶立方碳化硅和硅晶片种子之间存在晶格失配。

第二，碳化硅和硅具有不同的热膨胀系数。当一层碳化硅在高温下生长在硅上并且然后冷却到室温时，碳化硅比硅以更快的速率收缩，由此导致结构翘曲。

如JP10135140A中描述的，当在刚玉或碳化硅基片上生长氮化铟镓铝(InGaAlN)时，通过在基片上形成一层二氧化硅并且通过在基片的暴露部分上的二氧化硅层中的开口选择性地生长InGaAlN，可以减少扭曲或破裂。InGaAlN通常在不超过大约600℃的温度下生长，该温度远远低于基片的熔点。然而，碳化硅通常在超过1200℃的温度下生长。此外，使用气体混合物生长碳化硅，该气体混合物在这种高温下蚀刻二氧化硅。

如WO03069657A中描述的，已经做出了通过在单晶硅-锗基片(具有5％到20％之间的Ge含量)上生长碳化硅来解决碳化硅层中的破裂问题的尝试。

发明内容

本发明设法解决当在尤其是具有延长的距离(例如，超过1mm)上的界面的硅上生长碳化硅以便制造包括一个或更多个竖直类型的晶体管的硅上碳化硅半导体装置时的晶片翘曲问题和/或其它机械缺陷。

根据本发明的第一个方面，提供一种方法，该方法包括：提供单晶体硅晶片，所述单晶体硅晶片具有主表面，所述主表面支撑具有窗口的掩蔽层，所述窗口暴露所述硅晶片的对应区域，在所述晶片的暴露区域上形成碳化硅种子区域，和在所述碳化硅种子区域上生长单晶体碳化硅。术语“硅晶片”旨在排除硅-锗晶片。

这种方法可以有助于减小由碳化硅和硅的热膨胀的差异引起的跨越硅晶片的翘曲引起的力。此外，多晶体和/或非晶态碳化硅的区域可以形成在单晶体碳化硅层之间，这可以有助于减小应力，并且因此有助于减小翘曲引起的力。

形成碳化硅种子区域优选地包括在每一个暴露区域上形成相应的碳化硅种子层。形成碳化硅层优选地包括在每一个碳化硅种子区域上生长相应的单晶体碳化硅层。

提供具有支撑掩蔽层的主表面的硅晶片可以包括：提供硅晶片；在所述硅晶片上形成掩蔽层以使得所述掩蔽层直接覆盖在主表面上；在所述掩蔽层上提供具有窗口的蚀刻掩模；和通过所述蚀刻掩模中的所述窗口蚀刻所述掩蔽层以达到所述晶片的所述主表面。

掩蔽层可以包括电介质层。电介质层可以是二氧化硅层。二氧化硅层可以是热氧化物层或沉积的二氧化硅层。掩蔽层可以包括双层，该双层包括第一和第二双层层，例如，一层二氧化硅(最靠近晶片)和一层氮化硅(最远离晶片)。掩蔽层可以具有范围在2000到10000埃之间的，例如4000到6000埃之间的厚度。所述主表面可以是第一主表面并且所述掩蔽层可以是第一掩蔽层，并且所述硅晶片可以具有支撑第二掩蔽层的第二相对主表面。第二掩蔽层优选地不被图案化。晶片的背部上的掩蔽层的存在可以有助于加强该晶片。第一掩蔽层和第二掩蔽层可以包括相同的材料，例如二氧化硅。掩蔽层可以包括半导体层。该半导体可以是多晶硅。

掩蔽层可以随后在反应器室中时在高温下被供给气体部分地或完全地蚀刻。即使掩蔽层可以被部分地或完全地消耗，掩蔽层仍然可以用于防止或抑制单晶体碳化硅生长在位于下面的硅的区域上，例如，通过引起多晶体和/或非晶态碳化硅形成在单晶体碳化硅层之间。

单晶体碳化硅层和多晶体和/或非晶态碳化硅区域可以是共面的(即，形成在相同的层中)。由于多晶体和/或非晶态碳化硅区域形成在掩蔽层上，单晶体碳化硅层和多晶体和/或非晶态碳化硅区域可以位于不同的平面中。

如较早提及的，多晶体和/或非晶态碳化硅区域可以有助于减小应力。