CN104278322A - 制造碳化硅单晶的方法和碳化硅单晶衬底 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造碳化硅单晶的方法和碳化硅单晶衬底。提高了碳化硅单晶的质量。制备具有第一侧和第二侧的坩埚。将用于利用升华方法生长碳化硅的固体源材料布置在第一侧。将由碳化硅制成的籽晶布置在第二侧。将坩埚布置在绝热容器中。绝热容器具有面向第二侧的开口。加热坩埚，使固体源材料升华。通过绝热容器中的开口测量第二侧的温度。开口具有向着绝热容器的外侧变窄的锥形内表面。
Description
技术领域
本发明涉及制造碳化硅单晶的方法和碳化硅单晶衬底。
背景技术
近年来已经积极研究了使用碳化硅(SiC)作为半导体材料。SiC的宽带隙可以有助于增强半导体器件的性能。在制造SiC半导体时，通常，需要SiC衬底。SiC衬底(晶片)可以通过切割SiC单晶(锭)来形成。
日本专利特开No.2001-294499(专利文献1)公开了一种碳化硅单晶晶片，其具有不小于50mm的直径并且用于生长外延薄膜的衬底。根据该公布，晶片上任意两点之间的生长面取向偏差可以不大于60秒/厘米，从而可以在晶片的整个表面上外延生长良好质量的薄膜。
根据本发明人进行的研究，像日本专利特开No.2001-294499中的技术那样，简单地通过控制碳化硅单晶衬底的生长面的取向偏离，不能充分减轻在制造用这种碳化硅衬底制造半导体器件时的变化。
发明内容
鉴于以上问题制造了本发明，其目的是提供一种制造高质量碳化硅单晶的方法和允许更稳定的制造半导体器件的碳化硅单晶衬底。
根据本发明的制造碳化硅单晶的方法具有以下步骤。制备具有第一侧和与第一侧相反的第二侧的坩埚。在该坩埚的第一侧，布置用于利用升华方法生长碳化硅的固体源材料。在该坩埚的第二侧布置由碳化硅制成的籽晶。将坩埚布置在绝热容器中。绝热容器具有面向坩埚的第二侧的开口。加热坩埚，使得固体源材料升华。通过绝热容器中的开口，测量在加热的坩埚的第二侧的温度。绝热容器中的开口具有向着绝热容器的外侧变窄的锥形内表面。
根据本发明的碳化硅单晶衬底是由碳化硅单晶制成的，该碳化硅单晶具有主表面，所述主表面为包含直径为100mm的圆的形状。在通过在主表面上投影c轴获得的方向上的角分布为在3°以内。
根据本发明的制造方法，可以提高碳化硅单晶的质量。根据本发明的碳化硅单晶衬底，可以以更可靠的方式制造半导体器件。
结合附图时，由下面本发明的详细描述，本发明的上述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是示意性示出本发明第一实施例中的用于制造碳化硅单晶的方法的制造设备的构造的截面图。
图2和3是示意性示出图1的坩埚和绝热材料的构造的截面图。
图4是示意性示出本发明第一实施例中的制造碳化硅单晶的方法的流程图。
图5是示意性示出本发明第一实施例中的制造碳化硅单晶的方法中的第一步骤的截面图。
图6是示意性示出本发明第一实施例中的制造碳化硅单晶的方法中的第二步骤的截面图。
图7是示意性示出比较例中的制造设备的构造的截面图。
图8是示意性示出比较例中的制造方法的一个步骤的截面图。
图9是示意性示出本发明第二实施例中的制造碳化硅单晶的方法中的一个步骤的截面图。
图10是示意性示出本发明第三实施例中的用于制造碳化硅单晶的方法的制造设备的绝热材料的构造的截面图。
图11是示意性示出本发明第四实施例中的用于制造碳化硅单晶的方法的制造设备的绝热材料的构造的截面图。
图12是示意性示出本发明第五实施例中的制造碳化硅单晶衬底的方法中的一个步骤的截面图。
图13是示意性示出本发明第五实施例中的碳化硅单晶衬底的构造的平面图。
图14是沿着图13中的线XIV-XIV的示意性截面图。
图15是示意性示出图13的变形的平面图。
具体实施方式
在下文中将参考附图描述本发明的实施例。
首先，在下述的(i)至(ix)中，将描述实施例的概要。
(i)制造碳化硅单晶19的方法具有以下步骤。制备具有第一侧21和与第一侧21相反的第二侧22的坩埚20。在坩埚20中的第一侧21上布置用于利用升华方法生长碳化硅的固体源材料11。在坩埚20中的第二侧22上布置由碳化硅制成的籽晶12。将坩埚20布置在绝热容器31至34中。绝热容器31至34具有面向坩埚20的第二侧22的开口OP。加热坩埚20，使得固体源材料11升华并在籽晶12上再结晶。通过绝热容器31至34中的开口OP，测量加热的坩埚20的第二侧22的温度。绝热容器31至34中的开口OP具有向着绝热容器31至34的外侧变窄的锥形内表面TI。
根据本制造方法，绝热容器31至34中的开口OP具有向着绝热容器31至34的外侧变窄的锥形内表面TI。由此，抑制了由于开口OP的内表面上的碳化硅再结晶造成的开口OP堵塞。因此，可以用可靠的方式通过开口OP测量坩埚20的温度。因此，能够更精确地进行生长碳化硅单晶19的加热，并且可以提高碳化硅单晶19的质量。
(ii)在上述的(i)中，绝热容器31至34中的开口OP的锥形内表面TI的法线NM的方向，相对从坩埚20的第一侧21到坩埚20的第二侧22的方向VT，可以倾斜不小于120°且不大于170°。由此，更可靠地抑制了开口OP的堵塞。
(iii)在上述的(i)或(ii)中，绝热容器31至34中的开口OP的、由锥形内表面TI形成的部分的深度TC可以大于绝热容器31中开口OP的开口面积的有效直径DM的1/3。由此，更可靠地抑制了开口OP的堵塞。
(iv)在上述的(i)至(iii)中，开口OP的锥形内表面TI可以具有表面粗糙度Ra<0.9μm。由此，更可靠地抑制了开口部OP的堵塞。
(v)在上述的(i)至(iv)中，绝热容器32可以具有主体部32a和相对于主体部32a位于外侧的外侧部32b。绝热容器31中的开口OP穿过主体部32a和外侧部32b。开口OP在外侧部32b中具有锥形内表面TI。外侧部32b的密度比主体部32a高。由此，碳化硅不易在锥形内表面TI上再结晶。因此，更可靠地抑制了开口部OP的堵塞。
(vi)在上述的(v)中，绝热容器31的外侧部32b可以由玻璃碳和热解碳中的至少一种制成。因此，可以很容易降低开口OP的锥形内表面TI的表面粗糙度。
(vii)在上述的(v)或(vi)中，绝热容器31的主体部32a可以由碳纤维制成。由此，可以提高绝热容器31的隔热。因此，可以更精确地进行用于生长碳化硅单晶19的加热。
(viii)碳化硅单晶衬底201、202具有主表面MS，主表面MS为包含直径为100mm的圆的形状。在通过在主表面MS上投影c轴获得的方向CP上的角分布在3°以内。
根据本碳化硅单晶衬底201、202，能够以更稳定的方式制造半导体器件。
(ix)在上述的(viii)中，主表面MS相对于{0001}面可以具有大于1°的偏离角。因此，角分布可以很容易地在3°内。
现在将在下文中描述进一步的细节，作为第一至第五实施例。
(第一实施例)
首先将参考图1描述本实施例中的用于制造晶锭(碳化硅单晶)的方法的制造设备100。如后面将要描述的，制造设备100是用于利用升华再结晶方法生长碳化硅晶锭的设备。制造设备100具有坩埚20、绝热容器31、外部容器60、加热部40和辐射温度计51和52。
坩埚20具有包括底部21(第一侧)和侧部23的容器部以及盖部22(与第一侧相反的第二侧)。该容器部具有用于在其中容纳用于升华再结晶方法的固体源材料的空间。盖部22可以附着到容器部的侧部23，以封闭该空间。此外，盖部22保持籽晶，使得其与容器部中的空间相对。例如，坩埚20由石墨制成。
外部容器60容纳坩埚20。外部容器60具有气体导入口60a和排气口60b，用于控制其中的气氛和压力。
辐射温度计51和52用于测量外部容器60内的特定部分的温度。具体地，辐射温度计51被布置为面对底部21，以便能够测量坩埚20的底部21的温度。辐射温度计52被布置为面对盖部22，以便能够测量坩埚20的盖部22的温度。
绝热容器31容纳坩埚20。绝热容器31具有开口OP和OQ。开口OP面对坩埚20的盖部22，并被布置在盖部22和辐射温度计52之间。开口OP具有向着绝热容器31的外侧变窄的锥形内表面TI。开口OQ面向坩埚20的底部21，并且被布置在底部21和辐射温度计51之间。绝热容器31优选地由碳纤维制成。
进一步参照图2，绝热容器31中的开口OP的锥形内表面TI的法线NM的方向相对于从坩埚20的底部21到坩埚20的盖部22的方向VT倾斜角AG。角AG优选不小于120°且不大于170°。方向VT优选是与重力方向相反的方向。绝热容器31中的开口OP的、由锥形内表面TI形成的部分沿着方向VT具有深度TC。
进一步参照图3，深度TC优选大于绝热容器31中的开口OP的有效直径DM的1/3。本文“有效直径”计算为2·(S/π)1/2，其中S表示在垂直于方向VT的表面上通过开口OP暴露的绝热容器31的内部的面积。在垂直于方向VT的表面上通过开口OP暴露的部分是圆形的情况下(图3的情况)，这个圆的直径对应“有效直径”。该形状优选是圆形或椭圆形，更优选为圆形。
加热部40(图1)用于加热坩埚20。例如，加热部40是通过高频加热线圈或电阻加热器实现的。在使用高频加热线圈的情况下，加热部40优选被布置在绝热容器31的外侧，如图所示。在使用电阻加热器的情况下，加热部40优选被布置在绝热容器31内部。
加热部40被构造成能够调节坩埚20的底部21的温度和坩埚20的盖部22的温度中的每一个。为此，加热部40可以被配置为能够在方向VT上移位(图2)。另外，加热部40可以具有功率能够彼此独立地控制的多个部分。
现在将在下文中描述本实施例中的制造晶锭的方法。
制备上述的坩埚20(图4：步骤S10)。
参照图5，将用于利用升华方法生长碳化硅的固体源材料11容纳在坩埚20中。换言之，将固体源材料11布置在坩埚20中的底部21上(图4：步骤S20)。将由碳化硅制成的籽晶12布置在坩埚20中的盖部22上(图4：步骤S30)。籽晶12是由碳化硅制成的单晶。籽晶12的碳化硅的晶体结构优选为六方。此外，该晶体结构的多型优选是4H或6H。
然后将坩埚20布置在绝热容器31中(图4：步骤S40)。
参照图6，加热坩埚20，使得固体源材料11升华并在籽晶12上再结晶(图4：步骤S50)。具体地，当坩埚20的底部21的温度被加热到不低于碳化硅可以升华的温度的温度时，坩埚20的盖部22的温度被保持在略低于固体源材料的温度的温度。由于这种温度的差异，在与底部21接触的固体源材料11和与盖部22接触的籽晶12之间提供了用于升华再结晶方法所需的温度梯度。例如，使固体源材料11的温度保持在不低于2100℃且不高于2450℃的温度，而使籽晶12的温度保持在不低于2000℃且不高于2250℃的温度。
为了控制该温度梯度，测量加热的坩埚20的底部21和盖部22中的每一个的温度。辐射温度计51通过开口OQ测量底部21的温度。辐射温度计52通过开口OP测量盖部22的温度(图4：步骤S60)。
利用上面描述的升华再结晶方法，在籽晶12上形成晶锭19(碳化硅单晶)。
与本实施例中的绝热容器31(图1)不同，比较例中的制造设备100Z的绝热容器31Z(图7)设置有具有圆柱形内表面SI的开口OP。在这种情况下，由于从坩埚20泄漏的升华性气体的圆柱形内表面SI上的再结晶所形成的沉积物18，开口OP的堵塞是可能的。因此，辐射温度计52不能精确地测量坩埚20的盖部22的温度。由于前面所描述的温度梯度不能被精确地控制，所以变得难以制造高质量的晶锭19。
相反，根据本实施例，绝热容器31(图6)中的开口OP具有向着绝热容器31的外侧变窄的锥形内表面TI。因此，防止了由碳化硅的再结晶所形成的沉积物18引起的开口OP的堵塞。因此，可以以稳定的方式通过开口OP测量坩埚20的温度。因此，可以更精确地执行用于生长晶锭19的加热，并且可以改善晶锭19的质量。
在绝热容器31中的开口OP的锥形内表面TI的法线NM的方向相对于从坩埚20的底部21到坩埚20的盖部22的方向VT(图2)优选倾斜不小于120°且不大于170°。因此，更可靠地抑制了开口OP的堵塞。
在绝热容器31中的开口OP的、由锥形内表面TI形成的部分的深度TC(图2)优选大于绝热容器31中的开口OP的开口面积的有效直径DM(图3)的1/3。因此，更可靠地抑制了开口OP的堵塞。
(第二实施例)
参照图9，在本实施例中，采用绝热容器32来代替第一实施例中的绝热容器31(图1)。绝热容器32具有主体部32a和相对于主体部32a位于外侧的外侧部32b。绝热容器32中的开口OP穿过主体部32a和外侧部32b。开口OP在外侧部32b具有锥形的内表面TI。外侧部32b的密度比主体部32a高。
主体部32a优选由碳纤维制成。外侧部32b优选由玻璃碳和热解碳中的至少一种制成，并且更优选由玻璃碳或热解碳制成。开口OP的锥形内表面TI的表面粗糙度Ra优选小于0.9μm，更优选小于0.7μm，并且进一步优选小于0.5μm。
由于上述以外的特征与上面描述的第一实施例中的特征基本相同，所以相同或相应的元件被赋予相同的附图标记，并且将不再重复其描述。
根据本实施例，设置有锥形内表面TI的外侧部32b的密度比主体部32a高。因此，在锥形内表面TI上的碳化硅的再结晶的可能较小，并且更可靠地抑制了开口OP的堵塞。
在锥形内表面TI的表面粗糙度Ra小于0.9μm的情况下，更可靠地抑制了开口OP的堵塞。在主体部32a由碳纤维制成的情况下，可以增强绝热容器31的隔热。因此，可以更准确地进行用于晶锭19的生长的加热。在外侧部32b由玻璃碳和热解碳的至少一种制成的情况下，容易降低开口OP的锥形内表面TI的表面粗糙度。
(第三实施例)
参照图10，在本实施例中，采用绝热容器33来代替第一实施例中的绝热容器31(图1)。绝热容器33中的开口OP是使得锥形内表面TI和圆柱形内表面SI彼此连接。圆柱形内表面SI优选相对于锥形内表面TI被布置外侧。因此，圆柱形内表面SI的堵塞的可能性较小。由于上述以外的特征与上面描述的第一或第二实施例中的特征基本相同，所以相同或相应的元件被赋予相同的附图标记，并且将不再重复其描述。
(第四实施例)
参照图11，在本实施例中，采用绝热容器34来代替第一实施例中的绝热容器31(图1)。绝热容器34中的开口OP具有锥形的内表面MP。严格地说，锥形的内表面MP包括精细特征，如台阶。每个台阶具有不大于10mm的尺寸。由于上述以外的特征与上面描述的第一或第二实施例中的特征基本相同，所以相同或相应的元件被赋予相同的附图标记，并且将不再重复其描述。
(第五实施例)
参照图12，沿虚线DL切割第一到第四实施例中的任一个得到的晶锭19。
参照图13和14，通过切割来制造晶片201(碳化硅单晶衬底)。碳化硅单晶衬底201具有主表面MS，主表面MS为包含直径为100mm的圆的形状。在晶片201被设置有定向平面OF的情况下，在假定没有定向平面的状态下(假定用图13中的虚线所示的形状)，确定主表面MS是否为包含直径为100mm的圆。在具有缺口NT(图15)代替定向平面OF的晶片202的情况下，假定无缺口NT的状态。
由于如前所述，晶锭19的质量高，所以由其得到的晶片201的质量也高。具体地，在通过将c轴投影到主表面MS上获得的方向CP上的角分布可以在3°之内并且可以在1°之内。主表面MS相对于{0001}面的偏离角优选大于1°，更优选大于2°，并且例如在4°左右。偏离角优选小于10°。
根据本实施例，碳化硅单晶衬底201具有主表面MS，主表面MS为包含直径为100mm的圆的形状。由于如此充分地确保了主表面的尺寸，所以可以在碳化硅单晶衬底201上有效地制造半导体器件。通过将c轴投影到主表面MS上所获得的方向CP上的角分布在3°以内。由此，可以以更稳定的方式制造半导体器件。优选主表面MS相对于{0001}面具有大于1°的偏离角。因此，角分布可以很容易地在3°之内。
(实例1)
制造锭19(图12)，角AG、有效直径DM、深度(TC)和用于锥形内表面TI的材料作为参数被限定如下(图2)。然后，下面的表1中的样品编号1-10的晶片是从每个晶锭19获得的。然后检测每个晶片在方向CP上的角分布。利用每个晶片制造沟槽型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。然后，通过测量每个MOSFET的击穿电压，检查器件的成品率。
表1
在表1中，样品编号1代表锥形内表面TI的深度TC被设定为零，即，没有锥形内表面TI的比较例的情况，和具体地设置有圆柱状内表面SI的制造设备100Z(图7和8)的情况。样品编号2-10代表实例。样品编号4和5的材料对应于用于外侧部32b的材料(图9)，并且采用碳纤维作为用于与外侧部32b结合的主体部32a的材料。
从表1中的结果发现，与圆柱形内表面SI的情况(样品编号1)相比，在锥形内表面TI的情况(样品编号2)下，角分布和器件成品率得到了改善。发现，与TC＝DM/3的情况(样品编号7)相比，在TC>DM/3(样品编号6)的情况下，角分布和设备产量得到了改善。在样品3至5之间的比较发现，玻璃碳或热解碳比碳纤维优选作为锥形内表面TI的材料，并且特别优选玻璃碳。
在与方向VT(图2)垂直的表面上通过开口OP暴露的部分的形状(图3中的开口OP的形状)被定义为圆形，并且有效直径DM被设定为30mm。将用于生长晶锭19(图6)的温度设定到2200℃，并且将升高至该温度的速率设定为500℃/小时。在温度上升期间设定在70kPa的Ar气氛作为外部容器60中的气氛，并且通过在坩埚20达到该生长温度时的时间点将大气压力降低到2kPa来开始生长。用于生长的时间段被设定为100小时，并且通过使大气压力升高至70kPa来停止生长。
在比较例(对应于样品编号1)中，在开始生长之后24小时之内，开口OP就被堵塞，并且由辐射温度计52对盖部22的温度的测量发生了异常状态。相反，在实例(对应于样品编号2至10)中，开口OP没有被堵塞。
虽然已详细地描述和说明了本发明，但应清楚地理解，其仅仅是说明性和示例并且不被认为是限制，本发明的范围是由权利要求解释的。
Claims (9)
1.一种制造碳化硅单晶的方法，包括以下步骤：
制备具有第一侧和与所述第一侧相反的第二侧的坩埚；
在所述坩埚中的所述第一侧，布置用于利用升华方法生长碳化硅的固体源材料；
在所述坩埚中的所述第二侧布置由碳化硅制成的籽晶；
将所述坩埚布置在绝热容器中，所述绝热容器具有面向所述坩埚的所述第二侧的开口；
加热所述坩埚，使得所述固体源材料升华并在所述籽晶上再结晶；并且
通过所述绝热容器中的所述开口，测量被加热的所述坩埚的所述第二侧的温度，所述绝热容器中的所述开口具有向着所述绝热容器的外侧变窄的锥形内表面。
2.根据权利要求1所述的制造碳化硅单晶的方法，其中
相对于从所述坩埚的所述第一侧到所述坩埚的所述第二侧的方向，所述绝热容器中的所述开口的所述锥形内表面的法线方向倾斜不小于120°且不大于170°。
3.根据权利要求1所述的制造碳化硅单晶的方法，其中
所述绝热容器中的所述开口的由所述锥形内表面形成的部分的深度大于所述绝热容器中的所述开口的开口面积的有效直径的1/3。
4.根据权利要求1所述的制造碳化硅单晶的方法，其中
所述开口的所述锥形内表面具有Ra<0.9μm的表面粗糙度。
5.根据权利要求1所述的制造碳化硅单晶的方法，其中
所述绝热容器具有主体部和相对于所述主体部位于外侧的外侧部，所述绝热容器中的所述开口穿过所述主体部和所述外侧部，所述开口在所述外侧部中具有所述锥形内表面，并且所述外侧部的密度比所述主体部高。
6.根据权利要求5所述的制造碳化硅单晶的方法，其中
所述绝热容器的所述外侧部由玻璃碳和热解碳中的至少一种制成。
7.根据权利要求5所述的制造碳化硅单晶的方法，其中
所述绝热容器的所述主体部由碳纤维制成。
8.一种碳化硅单晶衬底，包括主表面，所述主表面为包含具有100mm的直径的圆的形状，在通过在所述主表面上投影c轴获得的方向上的角分布在3°以内。
9.根据权利要求8所述的碳化硅单晶衬底，其中
所述主表面相对于{0001}面具有大于1°的偏离角。
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