高电阻率碳化硅单晶体及制造方法技术

本发明专利技术的目的是提供一种高电阻率碳化硅衬底，具有适于后续器件如高频器件制造的电性能和结构质量，以便该器件可以显示出稳定的和线性的特性；以及提供一种高电阻率碳化硅衬底，具有低密度的结构缺陷和基本上受控的均匀径向分布的电阻率。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高电阻率碳化硅单晶体，由该碳化硅单晶体可以制造用于高频半导体器件如MESFET的衬底。选择高电阻率衬底的成分，以便消除使器件性能退化的俘获效应。本专利技术也涉及碳化硅衬底，该碳化硅衬底在处理之前具有高电阻率以及在处理步骤之后能保持高电阻率，所述处理步骤涉及在1500℃以上的温度加热。
技术介绍
制造具有低RF损耗的SiC和III-N功率微波器件需要半绝缘或高电阻率的碳化硅(SiC)衬底。已实现功率密度优于GaAs和硅LDMOS技术的SiC器件，但是，还存在许多需要解决的问题，以便实现SiC基微波技术的全部潜能。例如，存在于半绝缘衬底中的电活性缺陷(active defect)的密度通过引诱器件寄生俘获效应可能影响高频SiC器件的性能，寄生俘获效应亦称为背栅效应。半绝缘SiC衬底与导电衬底相比还可能具有更高的微管密度和易于遭受更低的晶体生长成品率。在现有技术中，公开了用于制造高电阻率(ρ≥105Ω·cm)SiC晶体的两种基本方法。在由美国专利号5611955描述的第一种方法中，在晶体生长过程中通过用重金属、或过渡金属(如钒)、或过渡金属和电钝化杂质(如氢、氯和氟)的组合物掺杂碳化硅引入深能级。在该公开的专利技术中，钝化杂质被用来平衡浅施主和受主的浓度。在由美国专利号6218680B1描述的第二种方法中(此后称为′680)，在碳化硅生长过程中引入本征点缺陷，以补偿浅受主或施主掺杂剂的主要(dominating)类型，而重金属或过渡元素掺杂剂的浓度尽可能保持低，这样他们不影响碳化硅晶体的电性能。例如′680引证了用于浅氮掺杂剂的5×1016cm-3的浓度，用于钒过渡金属的1014cm-3以下的浓度或分析测量的探测极限以下的浓度。现在很好地证实通过掺杂钒制造半绝缘碳化硅晶体可能在某些实际情况下会有不良副作用，对如晶体质量退化和低处理成品率。例如，如果引入晶体内的钒浓度过高且超过SiC中的钒的溶解度极限(3-5×1017cm-3，参见Jenny J.R.等的，Appl.Phys.Lett 68(14)，p.1963(1996))，那么产生附加的微管缺陷和富钒沉淀物(参见Balakrishna V.等，Mat.Res.Soc.Symp.572，p.245(1999)和Bickermann M.等，J.Cryst.Growth 233，p.211(2001))。在专利′680中克服了与过渡金属如钒的高浓度掺杂相关的复杂因素，在专利′680中，利用点缺陷或“本征缺陷”作为深能级补偿晶体中通过浅施主或受主引入的自由载流子。在晶体中可能存在许多自然点缺陷，如空位、反位和空隙。在碳化硅化合物半导体中，在完美晶格的硅位置硅原子缺席的硅空位(VSi)和类似的碳空位(VC)都可能出现。两个反位缺陷，可能是由于硅原子的加入晶格的C位置导致的硅反位(SiC)，还有碳反位(CSi)。同样，两个空隙ISi和IC可能源于硅或碳原子的两者之一的晶格位置与两个或更多完美晶格位置之间的位置失配。还可能形成这些本征缺陷对、合成物(complexs)和沉淀物(precipitates)。但是迄今为止几乎不清楚在晶体自身生长工序过程中如何能增强或抑制形成特别类型的本征缺陷。但是，某些本征缺陷可能是热不稳定的，且如果在半绝缘碳化硅衬底中使用，衬底的电阻率不能很好地控制在一定条件下。例如，据报道说当碳化硅晶体经受足够长的高温处理时，硅空位可能退火到外面。在与本专利技术优选实施例相比由具有不同成分的晶体生长制备的半绝缘碳化硅衬底上加工的肖特基栅场效应晶体管(MESFET)中，已观察到存在于这些衬底中的陷阱可能引起MESFET漏-源电流击穿(collapse)。例如在高漏源电压的施加之后可以看见该电流击穿，以及通过施加热量或光源到器件该电流击穿可能反相，以致俘获的载流子被释放(图15a)。该效果使器件性能退化，因器件不稳定和具有比希望值低的功率处理容量。在GaN MESFET和AlGaN/GaN HEMT中也会遇到漏电流击穿，在GaAs射频器件更广泛地研究不希望的稳态和瞬变现象。具体，存在于半绝缘砷化镓衬底中的陷阱如EL2反位深施主或Cr深受主已表明会影响化合物器件的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电气性能和结构质量适于后续器件制造的高电阻率碳化硅衬底，所述器件例如SiC或基于氮化物的高频器件，以致器件可以显示出稳定的和线性的性能。本专利技术的另一个目的是提供一种具有低密度结构缺陷和基本上受控的电阻率均匀径向分布的高电阻率硅碳化物衬底。本专利技术的再一目的是提供一种碳化硅衬底，其电阻率在各种处理步骤之后在室温下不小于105Ω·cm，处理步骤包括在高温下加热衬底，如在碳化硅的外延生长过程中使用的1500至1700℃的温度下。本专利技术的又一目的是提供一种通过控制生长工序过程中引入晶体的电活性本征缺陷的类型、可重复控制衬底的电阻率的方法。通过包含本征性质和非本征性质的深能级的适当组合的高电阻率碳化硅晶体可以实现这些目的。调整本征缺陷(如空位和反位)以及非本征缺陷(如掺杂剂)的组合，以致非本征缺陷的电性能(受主或施主任何一个)与希望控制半导体的费米能级位置的本征缺陷之一(分别是施主或受主)相反。为了提供高电阻率碳化硅衬底，氮施主的浓度优选保持在1016cm-3以下，用深受主(如钛)优选在5×1015cm-3以下浓度掺杂晶体，以致本征缺陷(如碳空位深施主)被引入晶体，以补偿深受主和浅受主。附图说明图1说明使半导体晶体半绝缘的现有技术补偿机制的例子的能带模型，这里通过浅受主SA补偿浅施主SD，浅受主SA被深施主DD过补偿。图2在室温下ρ＞106Ω·cm的4H-SiC晶体的X-频带处在77°K时测量的EPR波谱，识别以正电荷态存在两种本征缺陷碳空位(VC+)，也叫所谓的EI5中心以及硅反位(SiC+)，也叫所谓的EI6中心。图3在电子照射的p型4H-SiC晶体的X-频带处在77°K时测量的EPR波谱，具有高浓度的碳空位(VC+)和硅反位(SiC+)缺陷。图4增加激发的光子能量的碳空位的总体EPR强度的变化。这些测量是在VC+和SiC+信号很好地分开的W-频带(～95GHz)执行的。图5用于4H-SiC晶体中的碳空位深能级的能带模型。图6在根据本专利技术制备的晶体上通过次离子质谱仪(SIMS)测量的各种元素的原子浓度。图7在导致包含钛深受主和本征缺陷(如碳空位和硅反位深施主)的条件下生长的晶体切下的经抛光的4H-SiC衬底上测量的电阻率的温度相关性。图8在包含本征缺陷(如碳空位)的各种晶体中与Ti和B的SIMS浓度的电阻率相关性。电阻率值是在300℃测量的。图9在室温下ρ＞106Ω·cm的4H-SiC晶体的X-频带处在77°K时测量的EPR波谱，包括硅空位相关的缺陷。图10在与图9中测量的晶体相同的条件下生长的高电阻率4H-SiC晶体的红外吸收光谱，在1600℃退火之前和之后。硅空位吸收线标记V1、V1′以及V2。图11在具有～1.5×1014cm-3的平均Ti浓度的晶体上通过SIMS测量的各种元素的原子浓度。图12在包含硅空位深受主和低浓度钛的4H-SiC衬底(刚抛光后在1600℃退火)上测量的电阻率的温度相关性。图13Ti浓度增加和硼浓度恒定生长的4H-S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在２５℃下具有至少１０↑［５］Ω.ｃｍ的电阻率的半绝缘碳化硅单晶体，包含至少一种深能级受主或施主杂质以及一种深能级本征缺陷，其中通过补偿浅施主或浅受主两者之一，深杂质的浓度足以影响晶体的电气性能，但是低于本征深能级的浓度，所述深杂质是受主或施主。

【技术特征摘要】
SE 2001-10-29 0103602-91.一种在25℃下具有至少105Ω·cm的电阻率的半绝缘碳化硅单晶体，包含至少一种深能级受主或施主杂质以及一种深能级本征缺陷，其中通过补偿浅施主或浅受主两者之一，深杂质的浓度足以影响晶体的电气性能，但是低于本征深能级的浓度，所述深杂质是受主或施主。2.根据权利要求1的碳化硅晶体，其中至少一种本征缺陷是深施主，至少一种杂质具有深受主能级。3.根据权利要求2的碳化硅晶体，其中受主杂质之一具有位于带隙的上半部分的至少一个能级。4.根据权利要求1或2的碳化硅晶体，其中深受主杂质是钛和硼的化合物。5.根据权利要求1或2的碳化硅晶体，其中深受主杂质之一是钛。6.根据权利要求1或2的碳化硅晶体，其中深受主杂质之一是硼。7.根据权利要求1至6的任意一项的碳化硅晶体，其中本征深施主之一是碳空位或与碳位置相关的单体或合成的本征缺陷。8.根据权利要求1或2的碳化硅晶体，其中一种深受主杂质选自IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB或IIIA周期列，如Sc、Ti、Nb、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni以及B或Ga。9.根据权利要求1的碳化硅晶体，其中至少一种本征缺陷是深受主如硅空位，至少一种杂质具有深施主能级。10.根据权利要求8的碳化硅晶体，其中施主杂质之一具有位于半导体的带隙的下半部分的至少一个能级。11.根据权利要求1或9的碳化硅晶体，其中一种深施主杂质是从选自IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB周期列的过渡金属中选择的，如Ta、Zn或Mo或选自VA周期列。12.根据权利要求1、2和9的任意...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾利克山德尔埃利森，古彦T桑，卓恩麦格纳森，埃里克简森，
申请(专利权)人：诺斯泰尔股份公司，
类型：发明
国别省市：SE[瑞典]