稳定的高掺杂碳化硅 [0001] 发明背景 [0002] 碳化硅(SiC)表现出许多吸引人的电学和热物理性质。碳化硅因其物理强度和对化学侵蚀的高耐受性而特别有用。碳化硅还具有优异的电子性质，包括辐射硬度、高击穿电场、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的一些性质使其适于制造高功率密度固态器件。 [0003] SiC通常通过晶种升华生长法制造。在典型的碳化硅生长技术中，基材和源材料均放置在反应坩埚内部。在加热坩埚时产生的热梯度促使材料从源材料气相移动到基材上，随后在基材上冷凝并实现大块晶体生长。 [0004] 已知可以将杂质作为掺杂剂引入SiC，这些掺杂剂可以调节某些性质。如果SiC如上文所述在升华生长法中制得，掺杂剂可以以多种方式引入该室，使得掺杂剂会存在于由该方法制得的SiC晶体中。控制该方法以提供适于特定应用的掺杂剂的合适浓度。 [0005] 发明概述 [0006] 本发明的实施方案使用应变补偿组分以允许高掺杂，从而在SiC晶体和晶片中实现高导电性。在一些实施方案中，制造SiC晶体的方法包括将籽晶放置在生长区中并将源材料定位在生长区中，其中该源材料包括掺杂剂和所述应变补偿组分。该SiC晶体在籽晶上生长，使得SiC晶体包括该掺杂剂与该应变补偿组分。该SiC晶体随后可以切割成SiC晶片。该应变补偿组分可以是向SiC晶格中引入对抗应变(opposng strain)以使总净应变降低的任何元素。为此，该应变补偿元素的浓度可以是掺杂剂浓度的1％至20％。在一些实施方案中，该浓度将为1％至180％。在一些实施方案中，该浓度将为3％至120％。在一些实施方案中，该浓度将为5％至100％。在一些实施方案中，该浓度将为20％至100％。 [0007] 在本发明的一些实施方案中，该应变补偿组分选自锗、锡、砷、磷及其组合。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为1×1017cm-3至2×1021cm-3。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为2×1017cm-3至2×1020cm-3。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为2×1017cm-3至1.8×1020cm-3。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为2×1017cm-3至 1×1020cm-3。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为1×1018cm-3至1.8×1020cm-3。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为1×1018cm-3至1.8×1019cm-3。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为1×1018cm-3至1×1019cm-3。在一些实施方案中，该应变补偿组分包含锗。在一些实施方案中，碳化硅晶体中锗的浓度为1×1017cm-3至2×1021cm-3。在其中使用锗的一些实施方案中，SiC晶体和/或晶片中锗的浓度为2×1017cm-3至2×1020cm-3。在其中使用锗的一些实施方案中，SiC晶体中锗的浓度为1×1018cm-3至1×1019cm-3。 [0008] 在一些实施方案中，SiC晶体和/或晶片中掺杂剂的浓度为1×1018cm-3至1× 1021cm-3。在一些实施方案中，SiC晶体和/或晶片中掺杂剂的浓度为1×1018cm-3至1.8× 1020cm-3。在一些实施方案中，SiC晶体中掺杂剂的浓度为1×1018cm-3至1×1020cm-3。在一些实施方案中，SiC晶体中掺杂剂的浓度为1×1018cm-3至1.8×1019cm-3。在一些实施方案中， 18 -3 20 -3 SiC晶体和/或晶片中掺杂剂的浓度为1×10 cm 至1×10 cm 。在一些实施方案中，SiC晶体和/或晶片中的掺杂剂包含氮。在其中该掺杂剂包含氮的一些实施方案中，SiC晶体和/或晶片中氮的浓度为1×1018cm-3至1×1021cm-3。在其中该掺杂剂包含氮的一些实施方案中，SiC晶体和/或晶片中氮的浓度为1×1018cm-3至1.8×1020cm-3。在其中该掺杂剂为氮的一些实施方案中，SiC晶体和/或晶片中氮的浓度为1×1018cm-3至1×1020cm-3。在其中该掺杂剂为氮的一些实施方案中，SiC晶体和/或晶片中氮的浓度为1×1018cm-3至1×1019cm-3。 [0009] 一些实施方案的SiC晶片具有50mm至300mm的尺寸并包含应变补偿组分和掺杂剂。 在一些实施方案中，SiC晶片中应变补偿组分的浓度为掺杂剂浓度的1％至180％，并且该应变补偿组分包括等电子元素和/或具有与掺杂剂相同的多数载流子类型的元素。在一些实施方案中，该浓度将为1％至20％。在一些实施方案中，该浓度将为3％至120％。在一些实施方案中，该浓度将为5％至100％。在一些实施方案中，该浓度将为20％至100％。在一些实施方案中，该应变补偿组分选自锗、锡、砷、磷及其组合，并且该掺杂剂是n型掺杂剂。在一些实施方案中，该掺杂剂包含氮，且该应变补偿组分包含锗。 [0010] 一些实施方案的SiC晶片具有50mm至300mm的尺寸和小于0.01ohm-cm的电阻率，其中该SiC晶片以1×1018cm-3至1×1021cm-3的浓度包含氮。在一些实施方案中，氮的浓度为1× 1018cm-3至1×1020cm-3。在一些实施方案中，氮的浓度为1×1018cm-3至1×1019cm-3。在一些实施方案中，该SiC晶片以氮浓度的1％至180％的浓度进一步包含应变补偿组分。在一些实施方案中，该浓度将为1％至20％。在一些实施方案中，该浓度将为3％至120％。在一些实施方案中，该浓度将为5％至100％。在一些实施方案中，该浓度将为20％至100％。在一些实施方案中，该应变补偿组分选自锗、锡、砷、磷及其组合。在一些实施方案中，该应变补偿组分包含锗。 [0011] 附图概述 [0012] 图1A和图1B显示了制造晶体的方法和根据本发明的示例性实施方案生长的晶体。 [0013] 图2显示了根据本发明的实施方案的示例性晶片。图2的晶片还显示了可以从晶片中切割以形成器件的模具。 [0014] 图3显示了根据本发明的实施方案的另一示例性晶片。图3的晶片还显示了可以从晶片中切割以形成器件的模具。 [0015] 发明详述 [0016] 现在将在下文中参照附图更全面地描述本发明的实施方案，在所述附图中显示了本发明的实施方案。但是，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应解释为限于本文中所述的实施方案。相反，提供这些实施方案以使本公开彻底和完整，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的数字始终是指相同的要素。 [0017] 要理解的是，尽管术语第一、第二等等在本文中可用于描述各种要素，但这些要素不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一种要素与另一种要素。例如，第一要素可以被称为第二要素，类似地，第二要素可以被称为第一要素，而不会离开本发明的范围。本文中所用的术语“和/或”包括相关列举的项目的一种或多种的任意和全部组合。 [0018] 要理解的是，当元件如层、区域或基材被称为“在另一元件上(on)”或延伸“到另一元件上(onto)”，其可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或还可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一元件上”或“直接延伸到另一元件上”时，则不存在中间元件。还要理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件上时，其可以直接连接或耦合到另一元件上，或可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件上时，则不存在中间元件。 [0019] 相对术语如“下方”或“上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”在本文中可用于描述图中所示的一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系。要理解的是，除图中所示取向外，这些术语还意在涵盖该器件的不同取向。 [0020] 本文中使用的术语仅用于描述特定实施方案，而非意在限制本发明。本文中所用的单数形式“一个”、“一种”和“该”意在还包括复数形式，除非上下文明确地另行描述。还要理解的是，术语“包含”和/或“包括”用于本文时规定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组分的存在，但是不排除存在或添加一种或多种其它特征、整数、步骤、操作、元件、组分和/或其组。 [0021] 本文中所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所述领域普通技术人员通常理解的相同含义，除非另行定义。还要理解的是，本文中所用的术语应解释为具有与它们在本说明书上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的含义来解释，除非在本文中明确地如此定义。 [0022] 比较性量化术语如“小于”和“大于”意在涵盖相等的概念，除非另行明确说明。作为实例，“小于”不仅是指最严格的数学意义上的“小于”，而是还意味着“小于或等于”。 [0023] 当对器件结构施加偏置时，高度掺杂的n型SiC将形成堆垛层错。据信这种堆垛层错的形成和蔓延是由于晶格中存在掺杂剂(例如氮)所引发的高拉伸应力。本发明的实施方案使用应变补偿组分以实现高掺杂，并因此在SiC晶体、晶片和器件中实现高导电性。该应变补偿组分在晶格中引发压缩应力，并抵消了掺杂剂原子所引发的拉伸应力，从而产生无应力的并因此稳定化的材料，该材料在施加偏置电压时不会劣化。由于更高的掺杂，该材料将具有更高的导电性，但是没有形成堆垛层错的倾向。当该材料用于较低电压器件时，这些特征可能是有利的。 [0024] 虽然各种元素可能在平衡应力方面起作用，但相对于掺杂剂，具有与多数载流子类型相反的元素会损害该材料的导电性，并降低或抵消通过使用更高掺杂剂浓度所获得的导电性方面的任何增益。由此，本发明的实施方案使用作为等电子元素或具有与掺杂剂相同的多数载流子类型的元素或这两种的组合的应变补偿组分。锗、锡、砷和磷是实例。该应变补偿组分可以是单一元素或元素的组合。 [0025] 图1A和图1B显示了根据本发明的示例性实施方案而生长晶体的方法。在图1A中，坩埚100含有源材料102。在该实施例中，坩埚的内部充当生长区。源材料102可以包括硅、碳、SiC、硅化合物、碳化合物或前述的任意或全部的组合。其它元素如作为掺杂剂的氮和作为应变补偿组分的锗可以被包含在该源材料中。或者，可以以不同于包含在源材料中的方式将所述其它元素的一种、一些或全部引入到该生长区中。将籽晶104固定到坩埚盖110上。 将具有籽晶104的盖子110放置在坩埚100上，使得籽晶在坩埚中悬浮在源材料上方，并加热坩埚100。如前所述，该应变补偿组分应当是等电子的，或具有与掺杂剂相同的多数载流子类型(n型或p型，施主或受主)。其它潜在的应变补偿元素包括锡、砷和磷。 [0026] 该源材料升华并在籽晶上形成SiC。当生长区加热到1800℃至2500℃的温度时发生升华。当源材料温度升高时，籽晶的生长表面的温度同样升高至接近源材料温度的温度。 通常，籽晶的生长表面被加热到约1700℃至约2400℃的温度。在生长过程中，该坩埚被缓慢抽空以降低压力。通过将源材料和SiC籽晶的生长表面保持在它们各自的温度下足够的时间，将在籽晶上形成所需多晶型的单晶SiC的宏观生长。 [0027] 转向图1B，使用物理气相输运法在坩埚中由源材料生长该SiC晶体。发生晶体生长，直到生长的晶体112达到其所需长度。所选长度部分地取决于要采用的形成后加工的类型。应该停止生长晶体112的点也将取决于这样的参数诸如坩埚的尺寸与类型和源材料102中掺杂剂和应变补偿组分的任何浓度。可以通过试验生长并结合检查晶体112以测定杂质浓度来预先确定该点。 [0028] SiC的升华生长可以用各种生长系统、不同尺寸的坩埚、不同类型的各种材料的坩埚并使用不同的加热方法来实现。本领域技术人员可以调整具体生长温度和压力以适应这些变量。在典型的情况下，当诸如坩埚的类型或尺寸的变量改变时，可能需要如前所述进行试验生长，以确定特定系统的最佳生长条件。 [0029] 在一些实施方案中，该SiC晶体生长成使得该SiC晶体中应变补偿组分的浓度为掺杂剂浓度的1％至20％。在一些实施方案中，该浓度将为1％至180％。在一些实施方案中，该浓度将为3％至120％。在一些实施方案中，该浓度将为5％至100％。在一些实施方案中，该浓度将为20％至100％。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为1×1017cm-3至2× 1021cm-3。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为2×1017cm-3至2×1020cm-3。在一些实 17 -3 20 -3 施方案中，该应变补偿组分的浓度为2×10 cm 至1.8×10 cm 。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为2×1017cm-3至1×1020cm-3。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为1×1018cm-3至1.8×1020cm-3。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为1×1018cm-3至 1.8×1019cm-3。在一些实施方案中，该应变补偿组分的浓度为1×1018cm-3至1×1019cm-3。 [0030] 在一些实施方案中，SiC晶体具有50mm至300mm的尺寸和小于0.01ohm-cm的电阻率，其中该SiC晶体将以1×1018cm-3至1×1021cm-3的浓度包括氮作为掺杂剂。在一些实施方案中，氮的浓度将为1×1018cm-3至1.8×1020cm-3。在一些实施方案中，氮的浓度将为1× 1018cm-3至1.8×1019cm-3。该SiC晶体可以以1×1018cm-3至1×1021cm-3、1×1018cm-3至1× 1020cm-3、1×1018cm-3至1.8×1019cm-3、或1×1018cm-3至1×1020cm-3的浓度包括任何掺杂剂。 坩埚中的源材料可以以任何形式提供，包括但不限于固体、粉末或气体。该源材料可以包括硅、碳、SiC、硅化合物、碳化合物或前述的任意或全部的组合。其它元素如作为掺杂剂的氮和作为应变补偿组分的锗可以包含在该源材料中。或者可以以不同于包含在源材料中的方式将所述其它元素的一种、一些或全部引入到该生长区中。一旦生长的SiC晶体达到所需尺寸，就用惰性气体回填该系统以提高压力，将温度缓慢降低至中间温度，随后更快地降低至室温。中间温度可以为约150℃至约500℃。在一些实施方案中，中间温度为约175℃至约225℃。 [0031] 图2是从根据本发明的一个实施方案制得的晶体切割的基本圆形的晶片的示意图。晶片200可以切割成模具，其中模具202可用于形成器件。为了形成工作器件，可能需要进一步的加工，包括但不限于在切割晶片之前沉积附加的半导体材料层。为了投入使用，还可能需要将成品器件封装在封装体中，该封装体具有适当触点用于在电路中安装和/或连接。 [0032] 图3是从根据本发明的一个实施方案制得的晶体上切割的基本矩形的晶片的示意图。晶片300也可以切割成模具，其中模具302可用于形成器件。本发明的实施方案的晶片可以具有各种形状与尺寸。在基本圆形晶片的情况下，术语“尺寸”(如在50mm至300mm的尺寸中)是指直径。在矩形晶片的情况下，该尺寸是指一侧的长度，例如最长一侧的长度。晶片的尺寸可以为例如50mm至200mm、50mm至300mm、或100mm至300mm。 [0033] 在示例性实施方案中，SiC材料，无论在晶体、晶片还是在模具形状因子中，以1× 1018cm-3至1×1021cm-3的浓度包含掺杂剂。在一些实施方案中，该掺杂剂的浓度为1×1018cm-3至1×1020cm-3。在一些实施方案中，该掺杂剂的浓度为1×1018cm-3至1×1019cm-3。在一些实施方案中，该SiC晶体和/或晶片进一步以该掺杂剂浓度的1％至20％的浓度包含应变补偿组分。在一些实施方案中，该浓度将为1％至180％。在一些实施方案中，该浓度将为3％至 120％。在一些实施方案中，该浓度将为5％至100％。在一些实施方案中，该浓度将为20％至 100％。在一些实施方案中，该应变补偿组分选自锗、锡、砷、磷及其组合。在一些实施方案中，该应变补偿组分包含锗，并且该掺杂剂是n型掺杂剂如氮。 [0034] 还可以在应变补偿组分(无论是锗还是另一元素)方面对该材料进行规定。在一些 17 -3 21 -3 实施方案中，该SiC晶体和/或晶片中应变补偿组分的浓度为1×10 cm 至2×10 cm 。在一些实施方案中，应变补偿组分的浓度为2×1017cm-3至1.8×1020cm-3。在一些实施方案中，应变补偿组分的浓度为1×1018cm-3至1.8×1019cm-3。应变补偿组分对掺杂剂的比率仍可以保持为1％至180％。在一些实施方案中，该浓度将为1％至20％。在一些实施方案中，该浓度将为3％至120％。在一些实施方案中，该浓度将为5％至100％。在一些实施方案中，该浓度将为20％至100％。采用任何本文中所讨论的材料参数的组合，可以制得具有小于0.01ohm-cm的电阻率的晶体材料。还可以制得具有小于0.05ohm-cm的电阻率的晶体和/或晶片。晶体还可以具有0.001ohm-cm至0.01ohm-cm、0.005ohm-cm至0.01ohm-cm、或0.005ohm-cm至 0.05ohm-cm的电阻率。 [0035] 应当注意的是，采用氮作为掺杂剂和采用锗作为应力补偿组分，可以实现非常高的掺杂，因为氮溶解度被认为是约2.6×1020或该SiC晶体中的原子的约0.5％是氮。考虑到本文中规定的参数，补偿由最高可实现的氮浓度造成的应力所需要的锗原子数量将远小于硅和碳原子数量的1％，这不超过锗溶解度极限。但是，由于锗原子纳入到晶格位点上时由锗原子引起的应力(晶胞膨胀)，因此锗的纳入可能受到限制。由于纳入氮产生了相反的应力(晶胞收缩)，因此预期高浓度氮的存在将会允许向该材料中纳入更高浓度的锗。事实上，通过平衡锗造成的膨胀与氮造成的收缩，可以达到明显高于通常可见于未平衡材料的锗掺入水平，由此可以实现2×1018至2×1020cm-3的锗浓度。采用锗，氮溶解度极限可以高于1× 1021，进一步降低了SiC的电阻率(以及锗的溶解度极限)。 [0036] 还应注意的是，本文中提及的材料、浓度、SiC生长条件以及SiC晶片尺寸的各种组合不应解释为排除其它组合。例如，掺杂剂的任何所述浓度可能能够在任何不同尺寸的晶片中与应变补偿组分的任何所述浓度组合。讨论的各种实施方案的部分可以以不同方式组合。还应注意的是，物理性质如电阻率、浓度与浓度比率通常适用于从具有给定性质的晶体中切割的晶片，且反之亦然。 [0037] 尽管在本文中已经说明和描述了特定实施方案，但本领域技术人员应当了解，计算以实现相同目的的任何布置可以替代所示特定实施方案，并且本发明在其它环境中具有其它应用。本申请意在涵盖本发明的任何调整或变化。以下权利要求绝非意在将本发明的范围限制于本文中描述的具体实施方案。