CN101536157B - 用于制造碳化硅衬底的方法以及碳化硅衬底 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于制造碳化硅衬底的方法，其中，在其上形成半导体层的主表面具有由平坦台地和台阶组成的台阶-台地结构。用于制造碳化硅衬底的该方法其特征在于，原始材料衬底的主表面(1)的表面取向相对于(0001)面倾斜0.03°至1°的角度，并且以1250℃至1700℃执行氢气蚀刻。还公开了一种SiC衬底，其只具有很少的螺旋凹陷并且表面平坦度极好。
Description
技术领域
本发明涉及一种被用于制造半导体器件的碳化硅(SiC)衬底以及一种制造该碳化硅衬底的方法。
背景技术
应用于发光器件及晶体管的氮化物半导体主要通过在蓝宝石衬底或SiC衬底上进行异质外延生长来制造。特别是，SiC衬底在与氮化物半导体的晶格匹配方面是极好的，由此可以容易地在其上堆叠高质量氮化物半导体晶体。此外，SiC衬底的导热率极好，使得SiC衬底具有极好的优势，可以用来制造高输出器件。相应于晶体结构，SiC晶体被分成若干类型。包括4H-SiC和6H-SiC的两个类型主要用于氮化物半导体，在4H-SiC中，硅和碳的对在(0001)方向上以四周期堆叠，在6H-SiC中，硅和碳的对以六周期堆叠。
另一方面，在氮化物半导体器件中，晶体质量和表面平坦度的优异将显著地影响器件性能，并且SiC衬底上的氮化物晶体的质量及表面的平坦度取决于SiC衬底表面的状态。为了在SiC衬底上生长高质量平坦的氮化物半导体晶体，因此，必须对SiC衬底执行镜面精加工(finishing)，用于防止缺陷及粗糙，同时因为SiC衬底是极硬的并且在化学上是稳定的，使得存在抛光效率低、生产率低以及成本增加的问题。
因此，提出用氢气(包括氢气和另一气体的混合气体)来蚀刻表面的方法，以便精加工SiC衬底的表面(参看日本专利特开No.2001-77030(专利文献1))。其介绍了可以通过利用氢气对精加工成镜面的衬底执行蚀刻，而在蚀刻的表面上获得不具有由工艺造成的应变的高质量表面。在SiC单晶衬底的表面上，如果晶体的原子排列不被打断，则暴露原子排列状态，以提供如图2和3所示的由平坦台地(flat terrace)21和台阶22(台阶)组成的台阶-台地结构。对应于平台的各部分地方是台地21，并且台地提供了衬底的表面取向的晶面。例如，当(0001)面被蚀刻时，台地由(0001)面限定。台地的宽w非常依赖于衬底的倾角θ，使得当倾角θ增加时台地的宽度w减少并且台阶的数目增加。
专利文献1：日本专利特开No.2001-77030
发明内容
本发明要解决的问题
然而，当通过氢气蚀刻来执行表面精加工时，作为坏的影响，螺旋凹陷被不利地形成。换言之，在气体蚀刻中，作为碗状凹陷缺陷的螺旋凹陷容易形成在SiC晶片晶体中包括的螺形位错上。图4是从上方观察到的螺旋凹陷的图。在图4所示的示例中，随着两个台阶从SiC衬底的螺形位错向衬底表面生长，其螺旋形地旋转，并且当螺旋转的数目增加时，螺旋凹陷加深并且扩大。当螺旋凹陷被包括在其上堆叠了氮化物的电子器件或光学器件的一部分(有源区)中时，器件性能显著地劣化，以导致器件失效。
根据当前的SiC晶片制造技术，作为大型空心的螺形位错的微管(micropipe)的密度可以减少为大约0/cm2，而仍然包含约104/cm2的螺形位错。这表示基本上以100微米的间隔存在螺形位错。因此，当形成螺旋凹陷时，例如，在300平方微米的器件有源区中基本上肯定会包含有由螺形位错引起的螺旋凹陷，由此基本上全部的器件均为有缺陷的，并且成品率会显著地降低。这是显著地阻碍将气体蚀刻的SiC晶片工业应用到氮化物堆叠的因素之一。
此外，通过抛光而精加工SiC衬底需要长时间的工作，由此衬底的外边界被过度地抛光，使得衬底的形状被不利地劣化，并且衬底的厚度变化给半导体器件的制造带来不便。本发明的目的是提供具有少量螺旋凹陷的、表面平坦度极好的SiC衬底，以及用于制造该SiC衬底的方法。
用于解决问题的方式
本发明提供用于制造碳化硅衬底的方法，以通过将衬底的主表面的表面取向从(0001)面倾斜0.03°至1°并且通过以1250℃至1700℃执行氢气蚀刻而形成半导体层。优选地，氢气蚀刻包括步骤A和步骤B，所述步骤A以1450℃至1700℃执行氢气蚀刻，所述步骤B以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻的。在该模式中，优选地，在第一氢气蚀刻步骤A之后并且在第二氢气蚀刻步骤B之前，执行质子辐照、离子辐照、电子束辐照或伽马射线辐照。包括按照以下顺序的，以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻的步骤B、以1450℃至1700℃执行氢气蚀刻的步骤A、以及以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻的步骤B的模式也是可优选的。在该模式中，优选地，在第二氢气蚀刻步骤A之后并且在第三氢气蚀刻步骤B之前，执行质子辐照、离子辐照、电子束辐照或伽马射线辐照。
在所有的氢气蚀刻步骤之后，半导体层可以形成在主表面上，并且该形成在主表面上的半导体层可以是由碳化硅组成的层、或是包含氧原子的II-VI族半导体层、或是包含氮原子的III-V族半导体层。期望在比形成半导体层之前立即进行的氢气蚀刻步骤中的蚀刻温度低的温度条件下形成在主表面上形成的半导体层。优选地，构成碳化硅衬底的碳化硅具有6H型晶体结构。这样的模式对于表面取向与(0001)面倾斜0.03°至0.4°的主表面是优选的。在具有氢气分压为267Pa至100kPa的气氛下执行氢气蚀刻的这种模式是优选的，并且如果在氢气蚀刻步骤之后，将衬底保持在具有900℃至1200℃的温度并且氢气分压至少为13kPa的气氛中，则所述模式是更加优选的。优选地，上述主表面具有台阶-台地结构，所述台阶-台地结构由平坦台地和台阶(台阶)组成，并且相邻台地之间的台阶具有碳化硅的c轴晶胞长度的整数倍的长度的模式对于主表面这种的台阶-台地结构是优选的。根据该方法，可以制造具有直径为至少1.5英寸并且表面平坦度不大于5微米的碳化硅衬底。优选地，可以将经受质子辐照、离子辐照、电子束辐照或伽马射线辐照的衬底用作所述衬底，并且在经受氢气蚀刻的衬底上执行质子辐照、离子辐照、电子束辐照、伽马射线辐照、或碳化硅同质外延生长的模式也是优选的。
在根据本发明的碳化硅衬底中，用于形成半导体层的主表面具有由平坦台地和台阶组成的台阶-台地结构，主表面的表面取向与(0001)面倾斜0.03°至1°，并且在主表面上50微米×50微米的方形范围中具有深度至少为10纳米的碗状凹陷缺陷的数目不大于1。台阶终止在主表面上的螺形位错上并且达到台阶终端时的螺旋转的数目不大于5的这种衬底是优选的。具有6H型晶体结构的碳化硅可以可优选地用作构成碳化硅衬底的碳化硅。表面取向与(0001)面倾斜0.03°至0.4°的这种模式对于主表面是优选的，并且在相邻台地之间的台阶具有碳化硅的c轴晶胞的长度的整数倍的长度的这种模式对于主表面的台阶-台地结构是优选的。可以提供上述的台阶-台地结构的台地宽度具有以下分布的此类SiC衬底，并且在50微米×50微米的方形范围内，该台地宽度的分布的至少90％处于相同范围内的台地宽度的算术平均的±10％中。此外，可以提供具有直径为至少1.5英寸并且表面平坦度不大于5微米的碳化硅衬底。
发明效果
可以省略需要高成本的用于精加工的抛光，并且可以提供不具有由抛光引起的形状变形的SiC衬底。此外，可以提供具有少量螺旋凹陷的SiC衬底，由此可以改善用于形成氮化物半导体层的衬底表面的平坦度。
附图说明
图1是示出衬底的主表面的表面取向的图。
图2是示出SiC单晶衬底表面上的台阶-台地结构的截面的示意图。
图3是放大图2所示的台阶-台地结构的一个单元的图。
图4是从上方观察到的螺旋凹陷状态的图。
图5是示出在最小曲率半径(临界半径)及衬底的倾角之间的关系的图。
图6是示出用于本发明的示例的氢蚀刻炉的结构图。
图7是示出在使用具有0.14°倾角的衬底的情况下，50微米×50微米的方形的主表面的状态的图。
附图标记说明
1主表面，21台地，22台阶，51衬底，52基座，53绝热器，54线圈，55石英腔，θ倾角。
具体实施方式
现在更详细地描述本发明。在参考附图描述下面实施例的同时，本发明的附图中由相同附图标号指示的部分表示相同部分或相应的部分。
(碳化硅衬底)
在根据本发明的碳化硅衬底中，优选地，用于形成半导体层的主表面具有台阶-台地结构，主表面的表面取向与(0001)面倾斜0.03°到1°，并且具有深度为至少10纳米的、作为碗状凹陷缺陷的螺旋凹陷的数目不大于1，优选地，在主表面上的50微米×50微米的方形的范围中不大于0.5。因此，用于形成氮化物半导体层等等的衬底表面变成是平坦的，并且电子器件或光学器件的性能可以得到改善。衬底表面上的凹陷缺陷等等的形状可以由原子力显微镜(AFM)来测量。关于缺陷的数目(缺陷数)，可以从主表面任意选择在50微米×50微米的方形范围内的五个部分，并且测量各自的缺陷数目，以便将缺陷数目的平均值看作缺陷数目。关于螺旋凹陷，随着台阶从SiC衬底的螺形位错向衬底表面生长的同时，其螺旋形旋转，并且当螺旋转的数目增加时，螺旋凹陷加深并且扩大，使得损害了衬底的平坦度。因此，台阶终止在螺形位错上，并且达到台阶终端时的螺旋转的数目不大于5的这种模式是优选的；并且台阶终止在螺形位错上，并且达到台阶终端时的螺旋转的数目不大于1的这种模式是更加优选的。关于螺旋转的数目，可以从主表面任意选择在50微米×50微米的方形范围内的五个部分，并且对每个部分测量每个螺形位错的螺旋转的数目，用于将螺旋转的平均值看作螺旋转的数目。作为SiC衬底，可列出的是6H-SiC或4H-SiC，在所述6H-SiC中，硅和碳的对在(0001)方向上以六个周期堆叠；在所述4H-SiC中，硅和碳的对以四个周期堆叠。
优选地，用于形成半导体层的主表面具有如图2所示的台阶-台地结构。图3是图2中的部分23的放大视图。在倾角θ、台阶h及台地的长度w之间的关系如下：
h＝w×tanθ
并因此，在倾角θ是0.1°、0.3°及0.5°的情况下，通过由AFM分别读出的台地的长度w而计算的台阶h基本上为1.5纳米。这对应于6H-SiC的c轴晶胞长度，并因而对应于关于硅和碳的对的层数的六层。另一方面，氮化物半导体堆叠的周期是III族和氮的对的两层，并且上述的六层对应于两层的三个周期。因此，在本发明中的SiC衬底在6H类型的情况下在与氮化物半导体的异质外延生长匹配方面是极好的。类似地，当在主表面的台阶-台地结构中的相邻台地之间的台阶具有碳化硅的c轴晶胞(六层)的长度的整数倍的长度时，由于不引起堆叠失配缺陷，所以是有利的。
(用于制造碳化硅衬底的方法)
本发明提供用于制造碳化硅衬底的方法，该方法通过将衬底的主表面的表面取向与(0001)面倾斜0.03°至1°，并且通过以1250℃至1700℃执行氢气蚀刻来制造碳化硅衬底，其中，用于形成半导体层的所述碳化硅衬底的主表面具有由平坦台地及台阶(台阶)组成的台阶-台地结构。优选地，可以通过执行在这样的条件下的氢蚀刻来提供用于堆叠氮化物半导体的SiC衬底，由此在抑制螺旋凹陷生长的同时增加衬底表面的平坦度。
蚀刻温度被设定为至少1250℃，并且为了增加蚀刻速率，优选地为至少1400℃。另一方面，就抑制螺旋凹陷的形成、以及在形成所述螺旋凹陷的情况下抑制其生长进而获得的平坦的主表面的角度而言，蚀刻温度被设定为不大于1700℃，并且优选地为不大于1500℃。因此，当以恒定温度执行蚀刻时，以1400℃至1500℃执行同样处理的模式是优选的，并且通过长时间的蚀刻也可以有效地抑制螺旋凹陷的形成。
在蚀刻之前响应衬底表面的裂纹及粗糙化的状态而调节蚀刻温度的模式是优选的。例如，在以1450℃至1700℃执行氢气蚀刻的步骤A之后，当实施以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻的步骤B时，通过以高温蚀刻、执行有效率的蚀刻、并且其后通过以低温蚀刻来增加衬底表面的平坦度来去除深裂纹，可以增加整个精加工步骤的效率并且可以减少成本。当衬底的主表面的倾角足够大时，因为难以形成螺旋凹陷，所以通过高温蚀刻也可以抑制螺旋凹陷的形成。关于步骤A和B中的工艺温度之间的关系，步骤A中的工艺温度可以简单地高于步骤B中的工艺温度。
如果在蚀刻之前由抛光或粗糙化衬底造成划痕是严重的，当按照以下顺序执行包括以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻的步骤B、以1450℃至1700℃执行氢气蚀刻的步骤A、以及以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻的步骤B的方法时，通过以低温暂时执行蚀刻可以使由抛光造成的划痕变浅，其后可以以高温来增加蚀刻效率并且最后通过低温的蚀刻可以用来改善衬底表面的平坦度，并且，可以防止由深抛光裂纹或粗糙化意外地引起螺旋凹陷的现象，同时抑制主表面的倾角变小。这模式对于减少精加工时间也是有利的。与上述相似，关于步骤A和B中的工艺温度之间的关系，步骤A中的工艺温度可以简单地高于步骤B中的工艺温度。步骤B中的工艺温度在步骤A前后可以彼此相同或不同。
图1示出了衬底的主表面的表面取向。如图1所示，主表面1的倾角是在衬底的法线和晶体的<0001>轴之间的角度(倾角)θ，并且是由主衬底的主表面1和(0001)面形成的角度。为了抑制螺旋凹陷的形成和生长，表面的主表面的表面取向与(0001)面倾斜最小0.03°，并且优选地，该倾角为至少0.05°，更优选地为至少0.1°。当使用大的倾角时，在防止由偶然因素引起螺旋凹陷形成的方面中，其是优选的；但是大的倾角会引起以下问题：如由在SiC衬底的台阶末端上的SiC和氮化物半导体之间，c轴晶格常数表现出的失配引起的结晶度退化的问题；或者是，由于表面粗糙化(台阶聚束)而难以在氮化物半导体生长表面上制造器件的问题，其中，所述氮化物半导体生长表面由SiC衬底上的氮化物半导体的生长中的倾角产生。由此方面，衬底的主表面的表面取向与(0001)面倾斜不大于1°，并且优选地，倾角不大于0.5°，更优选地不大于0.4°。
如图1所示，主表面的表面取向的倾角方向由直线2和衬底的<1-100>轴之间的角度γ来表示，所述直线2通过将晶体的<0001>轴投影到衬底的主表面1来形成。当晶体的倾角方向偏离<1-100>轴时，即，当γ值增加时，台阶从六层变成三层，并且因为三层在与氮化物半导体匹配方面较差，所以优选地，γ为更小。当由于衬底制造中的技术问题不可能完全地对消γ值的时候，优选地，γ值不大于±10°，更优选地不大于±5°，以及特别优选地不大于±2°。
氢气蚀刻可以在纯氢气体中执行或在氢气和任意的气体的混合气体气氛中执行。为了防止由过度解吸(desorption)Si而引起的在SiC衬底表面上形成碳化物层，优选地，氢气分压为至少267Pa，并且更优选地为至少500Pa。另一方面，为了防止由过度的氢分压而引起C的过度去除所导致的在SiC衬底表面上形成Si微粒，以适当地减少氢分压、抑制气体蚀刻速率、执行稳定的台阶形成、并且抑制螺旋凹陷的形成，优选地，用于氢气蚀刻的氢气分压为不大于100kPa，以及更优选地是不大于13kPa。此外，例如，在氢气分压不大于13kPa的情况下，以1250℃至1700℃执行氢气蚀刻；并且其后，将衬底保持在具有氢气分压为至少13kPa的900℃至1200℃的气氛中的模式是优选的。根据该模式，以第一高温低压的气氛中对Si进行蚀刻，并且在随后的低温高压的气氛中，可以将Si和C两者都保持在衬底中。
虽然通过化学抛光精加工可以将SiC衬底的表面的算术平均粗糙度(Ra)平坦化成约0.1纳米，但是由于SiC太硬并且在化学上稳定，使得其需要长的处理时间和高成本。此外，通过长时间的抛光，衬底外围边缘与中央部分相比被更过度地抛光，由此衬底形状被劣化，使得具有1.5英寸直径的衬底的表面平坦度在抛光之后，例如，增加至8微米，虽然在化学抛光以前衬底的表面平坦度就为3微米。根据发明的制造方法，具有直径为至少1.5英寸并且表面平坦度优选的不大于5微米，并且更优选地不大于2微米的SiC衬底可以通过规定的氢蚀刻来制造而不执行化学抛光。用表面测量仪器来测量表面平坦度，所述表面测量仪器在光学上用激光束的干涉来测量表面的形状。
在制造步骤中，杂质浓度可以通过在SiC衬底上执行离子注入来控制。例如，杂质浓度可以通过使用经受离子注入的衬底来控制。当包括以1450℃至1700℃执行氢气蚀刻的步骤A和以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻的步骤B时，为了在掺杂剂由于第一氢蚀刻中的高温而容易扩散和掺杂剂由于第二氢蚀刻中的低温而几乎不扩散的情况下，防止掺杂剂扩散，在第一氢气蚀刻步骤A之后并且在第二氢气蚀刻步骤B之前执行离子注入的模式是有利的。当在第二氢蚀刻步骤B之后执行离子注入，并且其后以不高于第二氢气蚀刻温度的温度在主表面上形成半导体层时，在防止由于氢气蚀刻中的热而引起掺杂剂扩散的方面中，这是优选的。此外，在避免由离子注入或复杂缺陷的形成而形成的点缺陷扩散和复合的方面，这也是优选的。因而，优选的是这样一种模式：在所有的氢气蚀刻步骤之后在主表面上形成半导体层，并且以比紧邻在形成半导体层以前所进行的氢气蚀刻步骤的蚀刻温度低的温度来使得在主表面上形成的半导体层形成。另外，在第二氢气蚀刻步骤B之后执行离子注入，并且其后以至少为第二氢气蚀刻温度的温度，在主表面上可以形成半导体层。
在掺杂剂由于第一氢蚀刻中的高温而容易扩散以及由于第二氢蚀刻中的低温而几乎不扩散的情况下，在第一氢气蚀刻步骤A之后并且在第二氢气蚀刻步骤B以前执行离子注入的模式是有利的。在该情况下，在离子注入步骤中粘附或形成在衬底表面上的杂质或小的裂纹可以通过第二氢气蚀刻去除的方面，其也是优选的。通过用质子辐照、离子辐照、电子束辐照或伽马射线辐照来代替离子注入，可以将相似的模式应用到控制SiC的各种特性的情况。换言之，可以选择第一和第二氢气蚀刻步骤以及上述的工艺的次序，以响应在用于控制SiC各种特性的工艺之后所需的大或小的热处理温度、或对目标特征的控制施加坏影响的温度、以及气体蚀刻温度。在所有的氢气蚀刻步骤之后，在主表面上可以形成由碳化硅组成的层、或包含氧原子的II-VI族半导体层、或包含氮原子的III-V族半导体层。可以使用诸如汽相外延、分子束外延、脉冲激光器烧蚀、或溅射的任意形成工艺来形成该半导体层。
当氢气蚀刻步骤包括以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻的第一步骤B、以1450℃至1700℃执行氢气蚀刻的第二步骤A、以及以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻的第三步骤B时，为了在掺杂剂由于第二氢蚀刻中的高温度而容易扩散以及掺杂剂由于第三氢蚀刻中的低温而几乎不扩散的情况下防止掺杂剂扩散，在第二氢气蚀刻步骤A之后并且在第三氢气蚀刻B以前执行离子注入的模式是有利的。当在经受氢气蚀刻的衬底上执行离子注入、质子辐照、电子束辐照、伽马射线辐照或碳化硅同质外延生长时，为了任意控制诸如整个SiC衬底或在SiC衬底表面附近的导电率之类的各种特征，这是优选的。此外，当执行同质外延生长时，为了可以显著地改善在表面附近SiC的结晶度，这是优选的。
传统的SiC衬底在结晶度方面不是同质的，并且在单个衬底中主表面的表面取向显著地偏离，由此除非提供约0.5°的倾角，否则不可能使台阶的方向和形状同质化。然而，由于SiC衬底质量的提高，已经使得可以在不大于0.2°的小范围内控制衬底的倾角和衬底的表面取向的倾角方向，并且已经使得可以使具有小倾角的单个衬底中的台阶方向和形状同质化。在本发明中，例如，在主表面的台阶-台地结构内可以将在50微米×50微米的方形范围内的台地宽度的分布的至少90％调整在50微米×50微米的方形范围内的台地宽度的算术平均的±10％中。
虽然现在根据示例对本发明进行更详细地描述，但是本发明不限于这些示例。
<示例>
示例1
如图6所示，6H-SiC的2英寸衬底51被设置到氢蚀刻炉的基座52中，所述衬底51的(0001)面是被抛光成镜面。关于在SiC衬底中的主表面的表面取向，从(0001)面到(1-100)面的倾角被设定为0.03°到0.5°。在炉中的基座52由涂敷有SiC的高纯石墨制成，并且绝热器53由纤维性的石墨制成。通过石英腔55，线圈54被布置在炉的外围上，并且高频电流被馈送给用于感应加热炉中的SiC衬底的线圈。利用辐射温度计测量在基座下侧的温度，控制感应电流，并且将温度设定为1450℃。以0.1cm3/min将6N的高纯度氢馈送到炉中，并且炉被排空并且被用3kPa的氢气来替换，用于执行蚀刻。在将炉保持在蚀刻温度至少30分钟之后，减少温度。温度减少过程中的压力被设定为900kPa。这是因为已经证实如果气压保持在3kPa，则Si的小液滴会保留在衬底表面上。
当在氢蚀刻之后用AFM观察衬底的主表面时，已经形成台阶-台地结构。图7示出在使用具有0.14°倾角的衬底的情况下，50微米×50微米的方形的主表面的状态(AFM图片)。如图7所示，没有具有深度为至少10纳米的碗状凹陷缺陷存在于该50微米×50微米的方形的范围中。此外，与其他的任意的五部分上的测量的平均值(全部六部分的平均)为0.17。台阶终止在主表面的螺形位错上，并且达到台阶终端时的螺旋转的数目的平均数为0.8次。
示例2
类似于示例1，相对于以下衬底来制造SiC衬底，其中，所述衬底具有其表面取向从(0001)面向(1-100)面倾斜0.02°的主表面。结果，通过AFM观察到如图4所示的碗状凹陷缺陷(螺旋凹陷)。在图4所示的凹陷的中央部分的最深处的外围上呈现的台阶的曲率的最小半径(临界半径；对应于图4所示出的两个箭头之间的距离的1/4)是725纳米。当在衬底中，最初存在的台阶宽度大于螺旋凹陷的曲率的最小半径时，来自螺形位错的台阶几乎不与由于从衬底的(0001)面倾斜造成的衬底倾角引起的台阶耦合，进行碗状蚀刻，则形成螺旋凹陷。另一方面，当台阶宽度小于曲率的最小半径，则不形成螺旋凹陷。
如图3所示，在倾角θ、台阶h及台地的长度w之间的关系如下：
h＝w×tanθ
并且在6H-SiC的情况下，台阶h是1.5纳米，代入w＝725纳米，结果是θ＝0.12°，并且当θ≥0.12°时不形成螺旋凹陷。类似地，当以1650℃执行氢蚀刻时，曲率的最小半径是480纳米，由此代入台阶h＝1.5纳米并且w＝480纳米，结果是θ＝0.18°，并且当θ≥0.18°时不形成螺旋凹陷。
基于这些结果，在图5中绘制曲率的最小半径(临界半径)(黑色圈)和衬底的倾角(白色圈)。此外，示出用于抑制螺旋凹陷所必需的倾角的图形。如图5所示，当蚀刻温度为1250℃时，1000/T(K)＝1000/(1250+273)＝0.66，并因而当从图5的倾角θ≥0.03°时，可以抑制螺旋凹陷的形成。类似地，当蚀刻温度为1700℃时，1000/T(K)＝1000/(1700+273)＝0.51，并因而当来自图5的倾角θ≥0.3°时，可以抑制螺旋凹陷的形成。实际上，优选地，在考虑由在SiC衬底的平面中的表面取向的离差所引起的波动的情况下大致地设定倾角。
曲率的最小半径取决于蚀刻炉的规格、蚀刻气氛以及氢分压。在制造中，可以采用几乎不倾斜SiC衬底来用于在多个温度下执行测试蚀刻、实际测量故意形成的螺旋凹陷的临界半径、产生诸如图5所示出的对应于各个仪器以及蚀刻条件的图、以及基于该图决定衬底倾角。
虽然已经描述了本发明的实施例以及示例，但是也可以从头开始设计上述实施例以及示例的结构的适当组合。
在所有的方面中，本次公开的实施例以及示例都被看作是说明性的，而不是限制性的。通过上述描述没有示出本发明的范围，而是通过专利的权利要求的范围来示出本发明的范围，并且其旨在包括专利的权利要求范围的等价外延和范围中的所有修改。
工业应用
用于堆叠氮化物半导体层等等的衬底表面的平坦度是非常高的，以致于可以改善电子器件或光学器件的器件性能。
Claims (22)
1.一种用于制造碳化硅衬底的方法，其中，用于形成半导体层的、所述碳化硅衬底的主表面具有由平坦台地和台阶组成的台阶-台地结构，
所述方法通过将衬底的主表面(1)的表面取向相对于(0001)面倾斜0.03°至1°并且执行氢气蚀刻来制造所述碳化硅衬底，
其中，所述氢气蚀刻按顺序地包括：
步骤A，以1450℃至1700℃执行氢气蚀刻，以及
步骤B，以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻。
2.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅衬底的方法，在所述步骤A之后并且所述步骤B之前执行质子辐照、离子辐照、电子束辐照或伽马射线辐照。
3.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅衬底的方法，其中，所述氢气蚀刻按顺序地包括：
步骤B，以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻，
步骤A，以1450℃至1700℃执行氢气蚀刻，以及
所述步骤B，以1250℃至1500℃执行氢气蚀刻。
4.根据权利要求3所述的用于制造碳化硅衬底的方法，在所述步骤A之后并且所述步骤B之前执行质子辐照、离子辐照、电子束辐照或伽马射线辐照。
5.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅衬底的方法，包括在所有的氢气蚀刻步骤之后、在所述主表面(1)上形成半导体层的步骤。
6.根据权利要求5所述的用于制造碳化硅衬底的方法，其中，
在所述主表面上形成的所述半导体层是由碳化硅组成的层、或包含氧原子的II-VI族半导体层、或包含氮原子的III-V族半导体层。
7.根据权利要求5所述的用于制造碳化硅衬底的方法，在比紧邻在形成所述半导体层之前执行的氢气蚀刻步骤中的蚀刻温度更低的温度条件下，来形成在所述主表面上所形成的所述半导体层。
8.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅衬底的方法，其中，
构成所述碳化硅衬底的碳化硅是6H-碳化硅。
9.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅衬底的方法，所述主表面(1)的表面取向相对于(0001)面倾斜0.03°至0.4°。
10.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅衬底的方法，在具有267Pa至100kPa的氢气分压的气氛下执行所述氢气蚀刻。
11.根据权利要求10所述的用于制造碳化硅衬底的方法，包括有在所述氢气蚀刻步骤之后的下述步骤：将所述衬底保持在具有900℃至1200℃的温度以及至少为13kPa的氢气分压的气氛中。
12.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅衬底的方法，其中，
在所述台阶-台地结构中，在相邻的台地之间的台阶具有是碳化硅的c轴晶胞的长度的整数倍的长度。
13.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅衬底的方法，制造具有直径为至少1.5英寸并且表面平坦度不大于5μm的碳化硅衬底。
14.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅衬底的方法，其中，
所述衬底经受质子辐照、离子辐照、电子束辐照或伽马射线辐照。
15.根据权利要求1所述的用于制造碳化硅衬底的方法，在经受了所述氢气蚀刻的所述衬底上执行质子辐照、离子辐照、电子束辐照、伽马射线辐照或碳化硅同质外延生长。
16.一种利用根据权利要求1的制造碳化硅衬底的方法获得的碳化硅衬底，其中，
用于形成半导体层的主表面(1)的表面取向相对于(0001)面倾斜0.03°至1°，并且，
在所述主表面(1)上的50μm×50μm的方形的范围中，具有至少10纳米的深度的碗状凹陷缺陷的数目不大于1。
17.根据权利要求16所述的碳化硅衬底，其中，
用于形成所述半导体层的所述主表面(1)具有由平坦台地(21)和台阶(22)组成的台阶-台地结构，
所述台阶(22)终止在所述主表面(1)上的螺形位错上，并且，
到达所述台阶(22)的终端的螺旋转的数目不大于5。
18.根据权利要求16所述的碳化硅衬底，其中，
构成所述碳化硅衬底的碳化硅是6H-碳化硅。
19.根据权利要求16所述的碳化硅衬底，其中，
所述主表面(1)是使得表面取向相对于(0001)面倾斜0.03°至0.4°的主表面。
20.根据权利要求16所述的碳化硅衬底，其中，
用于形成所述半导体层的所述主表面(1)具有由平坦台地(21)和台阶(22)组成的台阶-台地结构，并且
在所述台阶-台地结构中，相邻的台地(21)之间的台阶(22)具有是碳化硅的c轴晶胞的长度的整数倍的长度。
21.根据权利要求16所述的碳化硅衬底，其中，
用于形成所述半导体层的所述主表面(1)具有由平坦台地(21)和台阶(22)组成的台阶-台地结构，所述台阶-台地结构的台地宽度具有一分布，并且在50μm×50μm的方形的范围内所述台地宽度的所述分布的至少90％处于所述50μm×50μm的方形的范围中的所述台地宽度的算术平均的±10％之内。
22.根据权利要求16所述的碳化硅衬底，其中，
所述碳化硅衬底具有至少为1.5英寸的直径和不大于5μm的表面平坦度。
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