CN101448984B - 制造碳化硅单晶的方法 - Google Patents

Abstract

制造SiC单晶的方法，包括下列步骤：使第一SiC单晶在由SiC单晶形成的第一晶种上在第一生长方向上生长；在与第一生长方向平行或倾斜的方向上设定在第一晶种上生长的第一SiC单晶，并在与第一生长方向垂直的截面中的长轴方向上切割所述设定的第一SiC单晶，以获得第二晶种；使用第二晶种以在其上在第二生长方向上生长第二SiC单晶，至厚度大于所述截面中的长轴长度；在与第二生长方向平行或倾斜的方向上设定在第二晶种上生长的第二SiC单晶，并在与第二生长方向垂直的截面中的长轴方向上切割所述设定的第二SiC单晶，以获得第三晶种；使用第三晶种以在其上生长第三SiC单晶；并以暴露出{0001}晶面的方式切割在第三晶种上生长的第三SiC单晶，由此获得SiC单晶。该方法能在不损害结晶度的情况下有效增大晶体。

Description

制造碳化硅单晶的方法

对相关申请的交叉引用：

本申请是依据35U.S.C.§111(a)提交的申请，其依据35U.S.C.§119(e)(1)要求于2006年5月18日依据35U.S.C.§111(b)提交的日本专利申请2006-138684的提交日的权益。

技术领域：

本发明涉及制造碳化硅(SiC)单晶的方法，特别涉及通过旨在制造具有大尺寸和优异品质的SiC单晶的生长方法实现晶体生长的制造SiC单晶的方法。

背景技术：

SiC是物理和化学稳定并具有宽的能带隙的材料，其物理和化学稳定性可通过高的热导率、通常优异的耐热性和机械强度并耐受辐射线表现出来。因此，其可用作即使在升高的温度也可用的环境防护装置的材料、防辐射线装置的材料、专用于功率控制的功率器件的材料、短波长发光器件的材料等。近年来，其已经作为专用于功率控制的功率器件引起普遍关注，并一直在进行引人注目的发展。

为了使SiC单晶广泛用作专用于功率控制的功率器件的材料，自然要求该晶体完全无缺陷，如位错。为了降低该器件的成本，也要求它是大直径晶片。

为了制造具有大直径且没有任何明显缺陷的这种晶片，具有大直径和低缺陷密度的晶种是必不或缺的。

但是，品质优异的普遍可得的SiC晶种是通过升华和重结晶方法(不使用晶种)和所谓的Lely方法制成的晶体(Lely晶体)。Lely方法难以增加直径，并且只能制造最多接近1平方厘米的晶体。

迄今可得的大SiC单晶是如下制造的：使用Leyly晶体作为晶种，使用被称作改性Lely方法的升华和重结晶法，在相同方向上(主要在c-轴方向上)重复晶体生长，并使晶体在a-轴方向上一点点扩大。

因此，a-轴方向上的尺寸扩大必然需要大量时间。由尺寸为大约1英寸的晶体制造尺寸为2英寸的晶体例如需要超过1年的时间。

为了解决上文提到的问题，已经公开了通过如贴砖那样边靠边地连接小晶种来实现晶体生长的方法(参考JP-A HEI 11-268989和WO-A2003-527298)；通过连接SiC单晶来制备晶种的方法(参考JP-A2001-253799)；和包括在能够制造大直径晶片的Si基底上生长立方SiC，将生长的立方SiC与Si基底剥离，然后对立方SiC施以热处理由此将其转化成六方SiC(例如4H-型)的方法(参看JP-A HEI 11-268995)。

当使通过连接小晶种而获得的材料生长为晶种或基底时，长成的产物的品质因发生晶体缺陷(如源自所得接点边界面的位错或微管)而降低。当使用Si基底获得大直径晶体时，这种晶体不能获得完全令人满意的品质，因为在热处理后仍然存在由于Si和SiC的晶格常数之间的不匹配而发生的晶体缺陷。

本发明旨在提供能够在不留下晶体缺陷的情况下有效实现晶体扩大的SiC单晶制造方法。

发明内容：

已经为实现上述目的而完成了本发明，并包括下列方面。

具体而言，本发明的第一方面提供了制造SiC单晶的方法，包括下列步骤：使第一SiC单晶在由SiC单晶形成的第一晶种上在第一生长方向上生长；在与第一生长方向平行或倾斜的方向上设定在第一晶种上生长的第一SiC单晶，并在与第一生长方向垂直的截面中的长轴方向上切割所述设定的第一SiC单晶，以获得第二晶种；使用第二晶种以在其上在第二生长方向上生长第二SiC单晶，至厚度大于所述截面中的长轴长度；在与第二生长方向平行或倾斜的方向上设定在第二晶种上生长的第二SiC单晶，并在与第二生长方向垂直的截面中的长轴方向上切割所述设定的第二SiC单晶，以获得第三晶种；使用第三晶种以在其上生长第三SiC单晶；并以暴露出{0001}晶面的方式切割在第三晶种上生长的第三SiC单晶，由此获得SiC单晶。

本发明的第二方面包括第一方面的构造，其中在第一晶种上以大于第一晶种表面的直径的厚度生长第一SiC单晶。

本发明的第三方面包括第一或第二方面的构造，其中所述与第一或第二生长方向平行或倾斜的方向与该第一或第二生长方向具有0°或更大且小于90°的角。

本发明的第四方面包括第一至第三方面任一方面的构造，其中生长的第三SiC单晶的厚度大于第三晶种表面的长轴长度。

本发明的第五方面包括第一至第四方面的构造，其中由第一至第四方面的任一方面中的任何生长步骤获得晶种。

本发明的第六方面包括第一至第五方面任一方面的构造，其中如下使SiC单晶生长：将晶种的晶体生长部分的温度设为1800℃至2300℃，并将SiC单晶原材料的温度设为2000℃至2400℃并高于晶体生长部分的温度。

本发明的第七方面提供了通过第一至第六方面任一方面的方法获得的SiC单晶。

本发明的第八方面提供了通过第七方面的方法获得的SiC单晶，其中它具有由{0001}构成的、或相对于{0001}形成了±30°偏差的取向。

本发明的第九方面提供了使用第七或第八方面的SiC单晶的半导体器件。

本发明的第十方面提供了由第九方面的半导体器件形成的倒相器。

单晶制造方法包括在高温下向由SiC单晶形成的晶种供应来自作为原材料的SiC的蒸气，以引发SiC单晶生长。在该方法中，通过与生长方向平行或倾斜地切割生长的晶体而获得大的晶种。用晶种使单晶生长，然后以与上述相同的方式切割该单晶，由此制造更大的晶种，并重复单晶的生长，从而可以在不损害结晶度的情况下有效获得大的单晶。

根据下文中参照附图给出的描述，本领域技术人员可以明显看出本发明的上述和其它目的、特征和优点。

附图简述：

图1显示了本发明中用于晶体生长的装置的截面的一个实例。

图2是显示晶体切割方向的示例图。

本发明的最佳实施方式：

本发明涉及的SiC单晶制造方法基本上是包括下述步骤的方法：在超过2000℃的高温向由SiC单晶形成的晶种供应来自作为原材料的SiC的升华气体，由此在晶种上实现SiC单晶生长。

这种生长方法可用于旨在生长单晶的所有方法，例如使用硅烷或丙烷作为原材料代替升华气体的化学气相沉积法(CVD法)，或使用Si熔体作为溶剂实现生长的液相生长法。

本发明涉及包括下列步骤的方法：用第一晶种生长第一单晶，由其制造第二晶种，生长第二单晶，由其制造第三晶种，和制造最终单晶产物，并重复这些步骤以制造单晶。该方法的特征在于通过特别选择切割相关生成的单晶的方向，能够成功地使制成的晶种获得逐渐扩大的尺寸。

具体而言，首先，本发明使由SiC单晶形成的晶种(第一晶种)生长SiC单晶，优选达到大于晶种长轴的长度(生长厚度)。晶种是圆形、椭圆形或矩形的。在是圆形的情况下，长轴是直径，在是椭圆形的情况下，长轴是长轴长度，或在是矩形的情况下，长轴是长边的长度。要选择的晶种优选尽可能充分地不含晶体缺陷。从第二次制造开始，通过本发明获得的单晶可用作晶种。

由因此获得的单晶制造晶种(第二晶种)。该晶种是通过在与生长方向平行或倾斜的方向上切割单晶来制造的。平行或倾斜方向是指与生长轴向呈0°或更大且小于90°、优选0°或更大且45°或更小的角度。指定这一具体范围的原因在于能够尽可能大地提高所述切割倾斜表面上的生长轴向的长度。

现在，下文描述第一晶种是圆形并在倾斜方向上进行切割的情况(参看图2)。

当第一晶种是圆形的并在倾斜方向上切割长成的单晶时，在第二晶种中与生长方向垂直形成的截面是椭圆形的。使a代表第一晶种的圆的直径，b代表单晶的截取部分的高度，且第二晶种截面的短轴方向上的长度是a，且长轴方向上的长度是[a²+b²]的平方根(图2(1))。

使该第二晶种生长第二SiC单晶。生长的单晶是具有椭圆截面的圆柱体形状。其长度(生长厚度)大于长轴的长度。

然后将该圆柱体制成第三晶种。这种制造方法在于，与长度方向平行或与长度方向倾斜地切割该圆柱体单晶。该倾斜角与上述相同。在截面中进行切割的方向是该椭圆形的长轴方向，以尽可能充分地扩大晶种面积。使d代表切割点处的单晶高度，并且如果b<d，则第三晶种表面的短轴长度c为[a²+b²]的平方根，且其长轴的长度是[a²+d²]的平方根(图2(2))。通过重复该程序，可以使得成功制成的晶种具有逐渐提高的面积。使该第三晶种生长单晶(图2(3))。当由生长产生的单晶不被制成晶种时，对这种生长的长度没有特别限制。但是，生长的单晶的长度优选大于所用晶种长轴的长度。最后，通过切割生长的单晶以暴露出{0001}晶面，可以获得SiC单晶作为制成品。

需要说明，上述说明已经涵盖了直到在第三晶种上生长第三单晶时的程序。在此，通过由生长的单晶获得晶种并进一步使所得晶种生长单晶，从这时起重复该程序直至切割最终获得的单晶以暴露出{0001}晶面，并产生SiC单晶作为制成品，可以获得更大的单晶。

对于在上述晶种制造过程中进行的切割，尽管可以用外周刀刃切割，用内轴刀刃切割，用线锯切割等，但用线锯切割经证实特别优选。

现在，下面参照附图具体描述本发明的生长单晶的方法。

本发明用于生长单晶的装置的一个实例显示在图1中。参照图1描述本发明的一个实施方案。参照图1，参考数字1是指真空室，由例如石英或不锈钢的材料制成，并且能够保持高真空度；数字2是指绝热材料；且数字6是指石墨坩锅。在用于充当晶体生长部分的坩锅上部中，安装晶种4，即SiC晶种。石墨坩锅和绝热材料优选使用经过卤素气体精制处理的碳质材料。石墨坩锅6下部的尺寸大到足以储存对晶体生长而言足量的SiC原材料5。为了加热坩锅6，将高频加热线圈3盘绕在坩锅外围。真空室1通过真空泵经由出口8排出空气。经由入口7向其供应高纯氩气，并因此能够在其中保持减压态的氩气氛。

本发明使用图1中所示的用于制造SiC单晶的装置如下实施SiC晶体的生长。作为此生长所用的晶种，使用Acheson晶体、Lely晶体、通过升华和重结晶法获得的单晶等。晶体取向可以为{0001}、{10-10}和{11-20}中的任一种，并可以容许存在偏差，只要不损害基本等同性即可。作为最终精加工，晶种优选进行牺牲氧化、反应性离子蚀刻、化学机械抛光或旨在去除抛光损害的类似加工。作为SiC单晶，使用通过Acheson法、Lely法或升华法制成的单晶。

将经过预处理的晶种安装到坩锅盖上，并将用于充当原材料的SiC粉末装在坩锅中与晶种相对的位置。将围绕其周边安装了绝热材料后的坩锅安装在加热炉中的预定位置。作为加热方法，尽管高频加热通常盛行，但电阻加热也足以胜任。调节加热温度，使坩锅上部在1800℃至2200℃的范围内，且坩锅下部在2000℃至2400℃的范围内。生长过程中所用的压力为660Pa至13kPa。

将如上所述经过表面处理的晶种4机械安装或使用粘合连接法安装到晶体生长部分中的石墨坩锅盖上。将石墨坩锅6(其中已经将SiC原材料粉末5放在晶种4对面)装在真空室1中，该真空室用涡轮分子泵排空直至空气压力为3×10^-5Torr。此后，将真空室内部用高纯Ar气充分置换。在石墨坩锅6的出口侧，安装高频线圈作为用于加热坩锅的加热器件3。这种加热装置3是将石墨坩锅6中的SiC原材料5加热至超过1900℃的温度(这能使该原材料通过升华产生气体)的装置。

顺便说明，加热装置3可以是采用电阻加热的类型。为了使坩锅保持在高温状态下，该坩锅优选用例如碳纤维制成的绝热材料2覆盖。在加热过程中，例如，在具有700Torr氩气氛的环境中调节线圈位置，以便可以将含有晶种的晶体生长部分加热至1800℃至2300℃的温度，并可以将含有SiC原材料的高温部分加热至2000℃至2400℃的、比晶体生长部分高的温度。

将晶体生长环境中的压力逐渐降至10至150Torr，并且晶体以大约0.5至1毫升/小时的速度生长。在该生长过程中，有时可能需要在该环境中加入杂质，如氮或铝。在生长完成后，将晶体生长环境中的压力恢复至700Torr的初始水平，并将坩锅冷却。

用外周刀刃或线锯在与生长方向平行或倾斜的方向上切割在生长完成后从坩锅中取出的晶体。调节该切割去除的厚度以落在0.5至5毫米的大致范围内。对由此切下的晶体施以如第一次中采用的相同抛光方法和预处理方法，并因此使其可制备用于下一次生长的晶种。在通过重复该程序使晶体扩大到预定尺寸后，通过X-射线衍射装置测试扩大的晶体以证实晶体取向，并施以切割作业和抛光作业，从而暴露出的必要晶面，结果获得了大直径晶种或大直径晶片。

下面列举本发明的实施例。但是，本发明不限于这些实施例。

实施例1：

在110℃，将使用暴露出(000-1)面的4H-SiC单晶的晶种基底(直径50毫米，厚度0.4毫米)用硫酸-过氧化氢混合溶液洗涤10分钟，用流动超纯水洗涤5分钟，用氨-过氧化氢混合溶液洗涤10分钟，用流动超纯水洗涤5分钟，用盐酸-过氧化氢混合溶液洗涤10分钟，用流动超纯水洗涤5分钟，并进一步用HF溶液洗涤。此后，在1200℃对其施以表面氧化，并再施以HF洗涤以获得晶种。

在由石墨制成的内径50毫米深95毫米的坩锅中，装入SiC原材料粉末(Showa Denko K.K.制造，并以产品编号“#240”出售)至60毫米高度。然后，将晶种迅速粘在石墨制坩锅盖的下侧上。

将该盖子放在坩锅开口部分上。将整个石墨坩锅用由碳纤维制成的绝热材料包裹，并装在高频加热炉内的反应室中。经由排气口8将反应管内部减压至5×10^-5Torr，然后用经由惰性气体入口7引入的氩气填充至常压，然后经由排气口再减压至5×10^-5Torr，从而从反应管内排出空气。然后，经由惰性气体入口引入氩气直至700Torrs。加热石墨坩锅，直至其上部达到2200℃且下部达到2250至2300℃。此后，经由气体排出口排出气体，并将氩气氛减压至5.3kPa，并进行晶体生长20小时。此时，暂时停止生长，并将原材料粉末更换成新供应品。通过将该程序重复5次，能使生长达到100毫米长度。

与生长方向垂直地切割由此获得的晶体，并镜面抛光以获得用于下次生长的晶种。该晶种尺寸为50毫米×100毫米(矩形)。其厚度为1毫米。

使该晶种以如上所述的相同方式生长至111毫米的长度。与100mm侧上的表面平行地垂直切割长成的晶体以获得晶种。该晶种的表面尺寸为100毫米×111毫米。其厚度为1毫米。

使该晶种进一步生长至100毫米长度。用X-射线衍射装置测试长成的单晶，以确定能够暴露出{0001}表面的晶体取向，沿该晶体取向切割并调节形状，结果获得直径100毫米的单晶。

实施例2：

使用相对于4H-SiC晶体的(000-1)面倾斜10°的晶体作为晶种(直径50毫米的圆形)，并在与实施例1中相同的条件下发生晶体生长。

在该晶种上，实施初次生长至90毫米长度。与生长方向呈30°角倾斜地切割生长的晶体以获得椭圆形晶种，其切割面具有大约100毫米的长轴和50毫米的短轴。其厚度为1毫米。使该椭圆形晶种进一步生长至100毫米长度。与生长方向呈45°度角倾斜地并且与长轴平行地切割已生长的晶体，获得长轴和短轴几乎都等于100毫米长的晶种(几乎为圆形)。其厚度为1毫米。

使该圆形晶种进一步生长至100毫米长度。用X-射线衍射装置测试由此获得的长成的晶体，以确定能够暴露出{0001}表面的晶体取向，沿该晶体取向切割并调节形状，结果获得直径100毫米的单晶。

工业应用性：

由于SiC具有优异的热导率、耐热性和机械强度，其单晶在多种领域中用作半导体器件，还用作由其制成的倒相器。特别地，该单晶作为用于控制电功率的功率元件的用途已经引起关注。

Claims (10)

1.制造SiC单晶的方法，包括下列步骤：

使第一SiC单晶在由SiC单晶形成的第一晶种上在第一生长方向上生长；

在与第一生长方向平行或倾斜的方向上并在与第一生长方向垂直的截面中包括长轴的方向上切割在第一晶种上生长的第一SiC单晶，以获得第二晶种；

使用第二晶种以在其上在第二生长方向上生长第二SiC单晶，至厚度大于所述截面中的长轴长度；

在与第二生长方向平行或倾斜的方向上并在与第二生长方向垂直的截面中包括长轴的方向上切割在第二晶种上生长的第二SiC单晶，以获得第三晶种；

使用第三晶种以在其上生长第三SiC单晶；并

以暴露出{0001}晶面的方式切割在第三晶种上生长的第三SiC单晶，由此获得SiC单晶。

2.根据权利要求1的制造SiC单晶的方法，其中在第一晶种上生长的第一SiC单晶的厚度大于第一晶种表面的直径。

3.根据权利要求1的制造SiC单晶的方法，其中所述与第一或第二生长方向平行或倾斜的方向与该第一或第二生长方向具有0°或更大且小于90°的角。

4.根据权利要求2的制造SiC单晶的方法，其中所述与第一或第二生长方向平行或倾斜的方向与该第一或第二生长方向具有0°或更大且小于90°的角。

5.根据权利要求1至4任一项的制造SiC单晶的方法，其中生长的第三SiC单晶的厚度大于第三晶种表面的长轴长度。

6.根据权利要求1至4任一项的制造SiC单晶的方法，其中通过权利要求1至4任一项中的方法中的任何生长步骤获得晶种。

7.根据权利要求5的制造SiC单晶的方法，其中通过权利要求1至4任一项中的方法中的任何生长步骤获得晶种。

8.根据权利要求1至4任一项的制造SiC单晶的方法，其中如下使SiC单晶生长：将晶种的晶体生长部分的温度设为1800℃至2300℃，并将SiC单晶原材料的温度设为2000℃至2400℃并高于晶体生长部分的温度。

9.根据权利要求5的制造SiC单晶的方法，其中如下使SiC单晶生长：将晶种的晶体生长部分的温度设为1800℃至2300℃，并将SiC单晶原材料的温度设为2000℃至2400℃并高于晶体生长部分的温度。

10.根据权利要求6的制造SiC单晶的方法，其中如下使SiC单晶生长：将晶种的晶体生长部分的温度设为1800℃至2300℃，并将SiC单晶原材料的温度设为2000℃至2400℃并高于晶体生长部分的温度。