[发明专利]生产具有改善的载流子寿命的基底的方法

说明书

本申请是申请号为200780027337.X申请的分案申请。

相关申请的交叉参考

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2006年7月19日提交的美国临时专利申请60/831,839的权益。美国临时专利申请60/831,839被并入本文作为参考。

本发明是在Office of Naval Research授予的合同号No.N00014-05-C-0324下由美国政府支持作出的。美国政府可以对本发明拥有某些权利。

发明背景

本发明涉及碳化硅外延层的生长。作为半导体材料，碳化硅对于高功率、高频和高温电子器件来说是特别优异的。碳化硅具有极高的导热率，并且可以经受高的电场和高的电流密度而不发生故障。碳化硅的宽的能带间隙使得即使在高温下也只有低的泄漏电流。由于这些和其它原因，碳化硅对于供电装置(即，设计在相对高的电压操作的那些)来说是非常期望的半导体材料。

然而，碳化硅是一种难以处理的材料。生长过程必须在相对高的温度进行，对于外延生长来说要超过至少约1400℃，和对于升华生长来说要大约2000℃。另外，碳化硅可以形成超过150种多型体，其中有许多只有小的热力学差异。结果，碳化硅的单晶生长，无论通过外延层或整体晶体，都是一个有挑战的工艺。最后，碳化硅的极大的硬度(其在工业上最经常用作研磨材料)使其难以处理和难以将其形成为合适的半导体器件。

尽管如此，过去的十年来，在碳化硅的生长技术方面已经取得了许多进展，其反映在例如美国专利4,912,063、4,912,064、Re.Pat.No.34,861、美国专利4,981,551、5,200,022、5,459,107和6,063,186中。

一种特定的生长技术称为“化学气相沉积”或“CVD”。在这种技术中，将源气体(例如，对于碳化硅来说为硅烷SiH₄和丙烷C₃H₈)引入到加热的反应室中，所述加热的反应室还包括基底表面，源气体在所述基底表面上反应以形成外延层。为了帮助控制生长反应的速率，源气体典型地用载气引入，由载气形成气流的最大部分。

用于碳化硅的化学气相沉积(CVD)生长工艺已经在温度分布、气体速度、气体浓度、化学和压力方面得到改进。用于产生特定外延层的条件的选择经常是各个因素之间的折中，所述因素例如期望的生长速率、反应温度、周期时间、气体体积、设备成本、掺杂均匀性和层的厚度。

碳化硅是具有理论性能的宽能带间隙半导体材料，其可用于构造高性能的二极管和晶体管。与诸如硅那样的材料相比，这些半导体器件能够在更高的功率和切换速度下操作。

功率电子学应用经常优选用晶体管或二极管设计来构造电路，一类这些器件被称为少数载流子或双极器件。这类器件的操作特性取决于电子空穴偶的生成速率和复合率。速率的倒转被称为寿命。特定的双极器件包括PiN二极管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、闸流晶体管和双极结型晶体管。

对于半导体功率器件性能来说，必须被优化到理论水平的关键的材料参数是载流子复合寿命。在硅中，寿命受到诸如铁的杂质的限制。在碳化硅中，虽然对其了解比对硅的了解少，但是迄今为止的最佳知识表明，碳化硅的寿命由于晶格中的空位和反位(antisite)的存在而受损。空位是其中不存在硅或碳原子的位置。反位是其中存在有错误原子的位置。

半导体碳化硅典型地通过由可包含硅、碳、碳化硅的固体混合物进行物理蒸气迁移方法(又称为升华)来生长，或者通过由硅烷和烃的气体混合物进行化学气相沉积(CVD)来生长。通过这些方法生长的碳化硅材料的寿命小于500ns，其对于在碳化硅二极管和晶体管中实现理论的器件行为来说是太小的。半导体碳化硅的外延层经常表现出比2微秒小得多的寿命值，低于诸如硅那样的材料，并且低于期望的碳化硅的理论值。

发明内容

在第一实施方案中，本发明涉及在基底上沉积碳化硅涂层的方法，使得所得涂层具有0.5-1000微秒的载流子寿命，所述方法包括：a.将包括氯代硅烷气体、含碳气体和氢气的气体混合物引入到含有基底的反应室中；和b.将基底加热到大于1000℃但小于2000℃的温度；条件是反应室内的压力保持在0.1-760托的范围内。