CN102575383A - 制造碳化硅晶体的方法以及碳化硅晶体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过升华来制造SiC晶体的方法，其中用于生长SiC晶体的气氛气体含有He。所述气氛气体可还含有N。所述气氛气体可还含有选自Ne、Ar、Kr、Xe和Rn中的至少一种气体。He在所述气氛气体中的分压优选为40％以上。

Description

制造碳化硅晶体的方法以及碳化硅晶体

技术领域

本发明涉及制造碳化硅(SiC)晶体的方法和SiC晶体。

背景技术

已知SiC晶体具有宽的带隙以及最大击穿电场和大于硅(Si)的热导率，同时SiC晶体的载流子迁移率水平是与Si相当。电子饱和漂移速度和击穿电压也是大的。因此，对于SiC晶体在要求高效率、高击穿电压和大容量的半导体器件中的应用的期待是高的。

在例如日本特开2001-114599号公报(专利文献1)中公开了用于这种半导体器件中的制造SiC晶体的方法。具体而言，专利文献1教导了，通过在其中引入氩(Ar)气的真空容器(加热炉)中由加热器进行加热，将晶种的温度保持为比SiC原料粉末的温度低约10-100℃而在晶种上生长SiC晶体。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本特开2001-114599号公报

发明内容

技术问题

为了生长SiC晶体，通常必须在高温加热SiC原料。本申请的本发明人发现，如果降低气氛的压力以便提高SiC晶体的生长速度，则根据在上述专利文献1中所公开的制造方法，生长条件会变得不稳定。由于不稳定的生长条件，所生长的SiC晶体的结晶性发生劣化。

本发明涉及使得SiC晶体的结晶性良好的SiC晶体和制造SiC晶体的方法。

解决问题的手段

本发明人努力研究了使生长条件变得不稳定的原因。本发明人发现，在生长气氛包含Ar气的情况下，上述问题由通过Ar电离的放电而引起。本发明人发现，当通过其中将加热器的温度设定为高于坩埚的温度的电阻加热法来生长SiC晶体时，这个问题特别明显。

本发明的制造SiC晶体的方法的特征在于，在通过升华来制造碳化硅(SiC)晶体的方法中，用于生长SiC晶体的气氛气体含有氦(He)。

根据本发明的制造SiC晶体的方法，将具有比Ar更高的电离能的He用于气氛气体。因为能够抑制He的电离状态，所以即使在非常高温的气氛下生长SiC晶体时，也不会发生放电。因此，能够稳定生长条件，从而使得所制造的SiC晶体的结晶性良好。

优选地，在上述制造SiC晶体的方法中，所述气氛气体还含有氮(N)。

N与气氛气体和晶体制造装置的反应性低，并且是SiC的n型掺杂剂。因为能够在稳定的生长条件下制造n型SiC晶体，所以能够获得所制造的n型SiC晶体的良好结晶性。

优选地，在上述制造SiC晶体的方法中，所述气氛气体还含有选自氖(Ne)、Ar、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)的至少一种气体。

即使气氛气体还含有其他惰性气体，只要含有He，则就能够使生长条件稳定。

优选地，在上述制造SiC晶体的方法中，He气在所述气氛气体中的分压为40％以上。优选地，用于生长SiC晶体的气氛的压力为300托以下。

作为努力研究的结果，本发明人发现，通过将He分压和气氛的压力控制在上述范围内，能够使SiC晶体的生长条件更加稳定。因此，能够使所制造的SiC晶体的结晶性更加良好。

优选地，在上述制造SiC晶体的方法中，通过电阻加热来生长SiC晶体。

如上所述，借助于含有He的气氛气体，能够使生长条件稳定。因此，即使在根据其中将加热器的温度设定为高于坩埚的加热温度的电阻加热法来生长SiC晶体的情况下，也能够使生长条件稳定。此外，因为电阻加热法使得能够容易地控制其中生长SiC晶体的坩埚的温度分布，所以能够使所制造的SiC晶体的结晶性更加良好。

优选地，在上述制造SiC晶体的方法中，利用使用由石墨制成的加热器，通过电阻加热法来生长SiC晶体。

因此，允许在2000℃以上的高温下进行加热。因此，能够使所制造的SiC晶体的结晶性更加良好。

本发明的SiC晶体通过上述制造SiC晶体的方法中的任一种来制造。本发明的SiC晶体是单晶。因为在晶体生长期间能够在稳定的生长条件下制造本发明的SiC晶体，所以能够获得具有良好的结晶性的单晶。

优选地，在上述SiC晶体中，晶体的多晶型物(多晶型)是4H-SiC。因此，能够实现用于高击穿电压的器件的材料。

发明效果

因为根据本发明的SiC晶体和制造SiC晶体的方法，气氛气体含有He，所以能够使SiC晶体的结晶性良好。

附图说明

图1是根据本发明实施方案的SiC晶体的示意性截面图。

图2是根据本发明实施方案的能够用于制造SiC晶体的制造装置的示意性截面图。

图3是根据本发明实施方案的坩埚的放大截面图。

图4是沿图2的线IV-IV所取的示意性截面图。

图5是用于描述根据比较例的SiC晶体的制造步骤的示意性截面图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本发明的实施方案进行说明。在附图中，相同或相应的元件分配有相同的标号，并且不再重复其说明。

首先，参考图1，在下文中对根据本发明实施方案的SiC晶体10进行说明。SiC晶体10是具有良好结晶性的单晶。SiC晶体10的多晶型优选是、但不限于4H-SiC。

将参考图1-4来对本实施方案的制造SiC晶体10的方法进行说明。

首先，准备图2-4中所示的SiC晶体10的制造装置100。将参考图2和3来对用于SiC晶体10的制造装置100的主要构造进行说明。制造装置100通过升华来生长SiC晶体。具体而言，制造装置100通过升华含有SiC的原料17来将升华的原料气体沉积在晶种11上而生长SiC晶体10。

如图2中所示，制造装置100主要包括坩埚101、绝热体121、反应容器123以及加热单元124。

坩埚101具有配置在其中的晶种11和原料17。坩埚101优选由例如石墨制成。因为石墨在高温下稳定，所以能够抑制坩埚101的破裂。此外，因为构成坩埚101的C是SiC晶体的构成元素，所以即使升华而混入到SiC晶体中，坩埚101的C也不会变成杂质。因此，能够使所制造的SiC晶体的结晶性更加良好。

如图3中所示，坩埚101包括用于在其中贮存原料的底部部分101a和用于在内部配置晶种11的盖部分101b。盖部分101b具有弯曲而嵌入到底部部分101a中的边缘。底部部分101a和盖部分101b在连接部分101c处连接。

如图2和4中所示，加热单元124围绕坩埚101的外周以对坩埚101的内部进行加热。加热单元124包括加热器125和电极126。加热器125是例如石墨加热器。电极126由例如铜(Cu)制成。

加热单元124不限于通过电阻加热的系统，并且可以是高频加热盘管等。

绝热体121围绕加热单元124的外周。绝热体121优选由例如碳毡制成。因为碳毡具有绝热效果并且在SiC晶体的生长期间能够抑制生长条件的变化，所以能够使所制造的SiC晶体的结晶性良好。

反应容器123设置在绝热体121的周围。在反应容器123的两端形成有用于向反应容器123中引入气氛气体的进气口123a和用于将气氛气体排出到反应容器123外部的排气口123b。

在反应容器123的上方和下方分别设置辐射温度计127b和127a以测量坩埚101的上方和下方的温度。

制造装置100可以包括上述元件之外的各种元件。为了方便，这里不显示这种其他元件的图示和说明。

如图2中所示，在坩埚101中配置原料17。原料17可以是粉末或烧结体。例如，准备多晶的SiC粉末或SiC烧结体。在本实施方案中，将原料17配置在坩埚101的下部。

如图2中所示，在坩埚101中将晶种11配置为面对原料17。在本实施方案中，将晶种11配置在坩埚101的上部以面对原料17。晶种11的晶体结构没有特别限制，并且可以与待生长的SiC晶体10的晶体结构相同或不同。从提高生长的SiC晶体10的结晶性的观点来看，优选准备具有相同晶体结构的SiC晶体作为晶种11。

在坩埚101中，将原料17加热至升华来引起原料气体在晶种11上的沉积，由此生长SiC晶体10。用于生长SiC晶体10的气氛是含有He的气氛气体。

具体而言，含有He的气体通过反应容器123的进气口123a流入到反应容器123中。因此，反应容器123被含有He的气体填充。能够使含有He的气体从坩埚101的连接部分101c流入到坩埚101中。因此，坩埚101的内部包括含有He的气氛气体。

然后，通过加热单元124将原料17加热至高达原料17的升华温度的温度。尽管没有特别限制，但是该加热优选包括电阻加热，更优选使用石墨加热器125的电阻加热。也可以使用高频加热方法。通过这种加热，将原料17升华而产生升华气体(原料气体)。

所述升华气体在设置在低于原料17的温度下的晶种11的表面上再次固化。作为生长温度的实例，将原料17的温度保持为2300℃以上且2400℃以下，而将晶种11的温度保持为2100℃以上且2200℃以下。因此，在晶种11上生长SiC晶体。在生长期间将生长温度保持为恒定温度，或者以特定比例变化。

在本步骤中，上述气氛气体可还含有氮如N₂气。在这种情况下，能够生长n型SiC晶体10，因为N是n型掺杂剂。尽管C适用于坩埚101、绝热体121等的材料，但是与其他掺杂剂相比，N₂气与C的反应性低。另外，与其他掺杂剂相比，N₂气不要求特殊的设备，从而导致成本降低。

气氛气体可还包含选自Ne、Ar、Kr、Xe和Rn中的至少一种气体。即使气氛气体含有这种惰性气体，也能够显示因含有He而获得的效果。含有Ar的气氛气体是有利的，因为能够降低制造成本并且提高热导率。

在气氛气体中，He的分压优选为40％以上，更优选为60％以上，还优选为80％以上。在这种情况下，能够有效地抑制放电的发生。

在上述生长SiC晶体10的步骤中，用于生长的气氛的压力优选为300托以下，更优选为50托以下，还优选为30托以下。在这种情况下，能够提高生长速度。

然后，将制造装置100的内部冷却至室温。将所制造的SiC晶体10从制造装置100中取出。由此，能够制造图1中所示的SiC晶体10(SiC锭)，其包含晶种11和形成在晶种11上的SiC晶体。

可以通过从SiC锭中除去晶种11来制造图1中所示的SiC晶体10。在要进行除去的情况下，可以将晶种11单独除去，或者可以将晶种11与生长的SiC晶体的一部分除去。

除去的方法没有特别限制。例如，可以使用机械方式如切断、研削或解理。切断是指利用具有金刚石电镀轮的外周刃的机器如切片机等来从SiC锭中至少除去晶种11。研削是指通过在旋转的同时使磨石与表面接触而在厚度方向上研削掉表面。解理是指沿晶格面分割晶体。也可以使用化学除去方法如蚀刻。

在所制造的SiC晶体10厚的情况下，可以通过从生长的SiC晶体中切出多个SiC晶体层来制造图1中所示的SiC晶体10。在这种情况下，能够降低每个SiC晶体10的制造成本。

然后，如果需要，可以通过研削、研磨等来使SiC晶体的一面或两面平坦化。

在下文中，将与图5中所示的根据专利文献1的制造SiC晶体的方法进行比较来说明根据本实施方案的制造SiC晶体10的方法的优点。

根据专利文献1的制造SiC晶体的方法基于与本实施方案的制造SiC晶体10的方法基本类似的构成，不同之处在于用于生长SiC晶体的气氛包含Ar气。

当气氛气体包含Ar时，如果降低压力以提高SiC晶体的生长速度，则由于Ar的电离而发生放电。认为这由在作为制造装置100中的高温区域的加热单元124附近中的Ar的电离所引起。在这种情况下，如图5中所示，在对应于其中配置原料17的侧的坩埚101的外周，即被加热至相对高温的外周区域处，发生沉积物21的沉积。例如，在绝热体121包含C的情况下，沉积物21是具有黑色的C。

发生气氛气体的放电使得生长条件变得不稳定如温度变化。不稳定的生长条件会在生长的SiC晶体中引起缺陷和/或将多晶型物变成不期望的类型。因此，所制造的SiC晶体的结晶性会发生劣化。

相比之下，在本实施方案中，用于生长SiC晶体10的气氛(气氛气体)包含He。He是有利的，因为电子因比Ar更高的电离能而不容易电离。因为能够抑制He的电离状态，所以即使在非常高温的气氛中生长SiC晶体的情况中也不会发生放电。根据能够减少沉积物21(图5)的产生的事实，可以确认，在本实施方案中抑制了放电。因为能够使得生长条件稳定，所以抑制了在所制造的SiC晶体10中产生缺陷，并获得了显示预期的多晶型的SiC晶体10。因此，能够使得SiC晶体10的结晶性良好。

实施例1

在本实施例中对在用于生长SiC晶体的气氛气体中含有He的优点进行研究。

(本发明例1-6)

在本发明例1-6中，根据在前述实施方案中所述的制造SiC晶体的方法来制造SiC晶体10。

具体而言，首先准备图3中所示构造的石墨制坩埚101。坩埚101具有140mm的外径、120mm的内径和100mm的高度。

在坩埚101的外周配置包括石墨加热器125和Cu电极126的加热单元124。在坩埚101和加热单元124的外周配置由碳毡制成的绝热体121。

在坩埚101中的下部配置原料17。将SiC粉末用于原料17。在坩埚101中的上部配置晶种11，使得其面对原料17。对于晶种11，使用具有75mm的外径的4H-SiC。

对于反应容器123中的气氛气体，分别以0.5slm(标准升每分钟)和0.1slm的流量引入He气和N₂气，并通过加热单元124提高坩埚101中的温度。在由测量坩埚101在原料17侧的温度的辐射温度计127a指示的值到达预定的温度之后，根据在下述表1中指示的坩埚101中的压力来控制功率，从而使得在原料17侧的辐射温度计127a的测量温度达到2400℃以及在晶种11侧的辐射温度计127b的温度达到2200℃。因此，从原料17升华SiC气体以在晶种11上生长SiC晶体并持续50小时的生长时间。然后，将制造装置100冷却，使得其内部变为与室温一样低。由此制造了SiC晶体。

(比较例1-6)

在比较例1-6的每一个中的制造SiC晶体的方法与本发明例1-6的制造SiC晶体的方法基本类似，不同之处在于使用基于流量为0.5slm的Ar气和流量为0.1slm的N₂气的气氛气体。即，在比较例1-6的每一个中的制造SiC晶体的方法与本发明例1-6的区别在于使用Ar气代替He气。

(测量方法)

对于本发明例1-6和比较例1-6，测量电流变化范围相对于平均电流值的比例以作为加热器电流变化范围。将结果示于下述表1中。较小的加热器电流变化范围意味着未发生放电。在表1中，“＜1”是指小于1％，且“1-2”是指1％以上且2％以下。

表1

(测量结果)

如表1中所示，含有He作为气氛气体的本发明例1-6的加热器电流变化范围小于1％。因此确定，通过使用含有He的气氛气体能够抑制放电。

此外，如表1中所示，在相同压力下，与使用不含He的气氛气体的比较例1-6相比，使用含有He的气氛气体的本发明例1-6中的每一个都降低了加热器电流变化范围，即抑制了放电。

而且，已确定，当气氛的压力为300托以下，更优选50托以下时，能够显著地抑制放电。

由此，可确认，通过根据本实施例，使用用于生长SiC晶体的含有He的气氛气体，能够抑制放电。应理解，因为通过抑制放电而使得生长条件稳定，所以能够使所制造的SiC晶体的结晶性良好。

实施例2

在本实施例中对使用用于生长SiC晶体的含有He的气氛气体的优点进行进一步研究。

(本发明例7-12和比较例7-12)

在本发明例7-12和比较例7-12中的制造SiC晶体的方法与本发明例1-6和比较例1-6的制造SiC晶体的方法基本类似，不同之处在于将原料17侧的温度设定为2300℃。具体而言，在生长SiC晶体的步骤中，控制功率而使得在原料17侧由辐射温度计127a测量的温度达到2300℃且在晶种11侧由辐射温度计127b测量的温度达到2100℃。

(测量方法)

对于本发明例7-12和比较例7-12，与本发明例1-6和比较例1-6同样地测量加热器电流变化范围。将结果显示在下述表2中。

表2

(测量结果)

如表2中所示，使用含有He的气氛气体的本发明例7-12的加热器电流变化范围小于1％。因此确定，通过使用含有He的气氛气体能够抑制放电。

此外，如表2中所示，在相同压力下，与使用不含有He的气氛气体的比较例7-12相比，使用含有He的气氛气体的本发明例7-12中的每一个都降低了加热器电流变化范围，即抑制了放电。

而且，已确定，当气氛的压力为100托以下，更优选50托以下时，能够显著地抑制放电。

由此，可确认，通过根据本实施例，使用用于生长SiC晶体的含有He的气氛气体能够抑制放电。应理解，因为通过抑制放电而使得生长条件稳定，所以能够使所制造的SiC晶体的结晶性良好。

实施例3

在本实施例中对在用于生长SiC晶体的气氛气体中含有He的优点进行进一步研究。此外，还对He在气氛气体中的分压的优选范围进行了研究。

(本发明例13-17)

本发明例13-17与本发明例12基本类似，不同之处在于气氛气体不同。具体而言，没有使用N₂气流。此外，在本发明例14-17中，将Ar气与He气一起引入，从而使得达到下述表3中所示的分压(He/(He+Ar))。即，本发明例13的气氛气体仅基于He，而本发明例14-17的气氛气体基于He和Ar。分压通过式“He分压/(He分压+Ar分压)”而获得。

(本发明例18-22)

本发明例18-22与本发明例11基本类似，不同之处在于气氛气体不同。具体而言，没有使用N₂气流。此外，在本发明例19-22中，将Ar气与He气一起引入，从而使得达到下述表3中所示的分压(He/(He+Ar))。即，本发明例18的气氛气体仅基于He，而本发明例19-22的气氛气体基于He和Ar。

(比较例13和14)

比较例13和14各自分别与本发明例13和18类似，不同之处在于使用Ar气代替He气。即，在比较例13和14中所使用的气氛气体仅基于Ar。

(测量方法)

对于本发明例13-22以及比较例13和14，与本发明例1-6和比较例1-6同样地测量加热器电流变化范围。将结果示于下述表3中。

表3

(测量结果)

此外，如表3中所示，在相同压力下，与使用不含有He的气氛气体的比较例13和14相比，使用含有He的气氛气体的本发明例13-17和18-22中的每一个都降低了加热器电流变化范围，即抑制了放电。

而且，在相同压力下，与不同之处仅在于He分压(不同之处在于He分压小于40％)的本发明例17和22相比，He分压为40％以上的本发明例13-16和18-21进一步降低了加热器电流变化范围，即进一步抑制了放电。

因此，可确认，通过根据本实施例，使用用于生长SiC晶体的含有He的气氛气体能够抑制放电。而且可确认，通过将He的分压设定为40％以上能够进一步抑制放电。

尽管已经基于如上所述实施方案和实施例对本发明进行了说明，但是企图是，可以将实施方案和实施例的特征适当组合。此外，应理解，本文中公开的实施方案和实施例在各方面都是例示性和非限制的。本发明的范围由权利要求书的项来限定而不是由上述实施方案和实施例来限定，并且本发明的范围旨在包括在所述范围内的任何改变以及与权利要求书的项等价的含义。

附图标记

10SiC晶体；11晶种；17原料；21沉积物；100制造装置；101坩埚；101a底部部分；101b盖部分；101c连接部分；121绝热体；123反应容器；123a进气口；123b排气口；124加热单元；125加热器；126电极；127a，127b辐射温度计

Claims (9)

1.一种通过升华来制造碳化硅晶体(10)的方法，其中用于生长所述碳化硅晶体(10)的气氛气体包含氦气。

2.根据权利要求1的制造碳化硅晶体(10)的方法，其中所述气氛气体还含有氮气。

3.根据权利要求1的制造碳化硅晶体(10)的方法，其中所述气氛气体还含有选自氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的至少一种气体。

4.根据权利要求1的制造碳化硅晶体(10)的方法，其中氦气在所述气氛气体中的分压为40％以上。

5.根据权利要求1的制造碳化硅晶体(10)的方法，其中用于生长所述碳化硅晶体(10)的气氛的压力为300托以下。

6.根据权利要求1的制造碳化硅晶体(10)的方法，其中通过电阻加热法来生长所述碳化硅晶体(10)。

7.根据权利要求6的制造碳化硅晶体(10)的方法，其中使用由石墨制成的加热器，通过所述电阻加热法来生长所述碳化硅晶体(10)。

8.一种碳化硅晶体(10)，其通过权利要求1的制造碳化硅晶体(10)的方法制得，其中所述碳化硅晶体(10)是单晶。

9.根据权利要求8的碳化硅晶体(10)，其中晶体的多晶型物是4H-SiC。

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