CN105408531B - SiC基板的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可防止SiC晶片的库存或浪费的发生的具有外延层的SiC基板的制造方法。逐片地制作具有外延层的SiC基板的方法，其包括在晶种基板上使外延层生长，以及使SiC基板生长，并且进一步包括将得到的具有外延层的SiC基板从前述晶种基板拆下的工序。

Description

SiC基板的制造方法

技术领域

本发明涉及具有SiC外延层的SiC基板的制造方法。

背景技术

SiC单晶在热学、化学方面非常稳定、机械强度优异、耐放射线方面强，而且与Si单晶相比具有高的绝缘击穿电压、高的热导率等优异物性。因此，可实现Si单晶和GaAs单晶等现有半导体材料不能实现的高输出、高频、耐电压、耐环境性等，作为可进行大电力控制和节能的功率器件材料、高速大容量信息通信用器件材料、车载用高温器件材料、耐放射线器件材料等这样宽范围的新一代半导体材料的期待正在高涨。

以往，单晶SiC器件通过如下来制作：使用升华法等在晶种基板上使被称作锭(ingot)的大口径的大尺寸块状晶体生长，从该一个锭以规定的厚度切出多片SiC晶片，在该SiC晶片上，形成成为半导体器件的活性区域的单晶SiC外延膜。单晶SiC外延膜的形成主要使用从气相供给原料从而形成所期望的外延膜的化学气相生长法(CVD法)(专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2013-32254号公报

发明内容

发明所要解决的课题

这样，在以往的制造方法中，为了降低成本，从一个锭切出多片SiC晶片。因此，如果其后的外延层的形成要求少，则有时存在SiC晶片的库存，或产生浪费。

本发明鉴于上述课题，以提供一种新的SiC基板的制造方法为目的。

用于解决课题的手段

本发明为逐片地制造具有外延层的SiC基板的方法，该方法包括：

在晶种基板上使外延层生长，以及

使SiC基板生长，并且进一步包括：

将得到的具有外延层的SiC基板从晶种基板拆下的工序。

发明效果

根据本发明，由于能够通过连贯的工艺逐组地制作具有外延层的SiC基板，因此能够随时应对订购，能够防止存在晶片的库存，或产生浪费。

附图说明

图1是表示以往的具有外延层的SiC基板的制造方法的示意图。

图2是表示根据本发明的具有外延层的SiC基板的制造方法的示意图。

图3是表示根据本发明的具有外延层的SiC基板的制造方法的示意图。

图4是表示可用于本发明的基于溶液法的SiC晶体制造装置的构成的一个例子的剖面示意图。

图5是表示可用于本发明的基于升华法的SiC晶体制造装置的构成的一个例子的剖面示意图。

图6是表示可用于本发明的基于化学气相生长(CVD)法的SiC晶体制造装置的构成的一个例子的剖面示意图。

具体实施方式

在具有外延层的SiC基板的以往的制造方法中，为了降低成本，如图1所示，首先，通过升华法等，在SiC晶种基板1上使大尺寸的SiC块状晶体2生长，从SiC块状晶体2切割多片SiC晶片。因此，如果外延层的形成要求少，则有时过多制作的SiC晶片的库存变多，或产生浪费。

进而，在通过化学气相生长(CVD)法形成外延层的情况下，为了使外延层生长于具有偏离角(offset angle)的面，例如在使用了正面生长的SiC块状晶体2的情况下，如图1所示，需要从SiC块状晶体2以付与规定的偏离角的方式倾斜地切割从而切出晶片。这样，由于从SiC块状晶体2以具有规定的偏离角的方式倾斜地进行切割，因此在SiC块状晶体2的两端产生舍弃的部分。

另外，由于在成为基板的SiC晶片上形成外延层，因此尽管原本只要确保外延层的质量即可，但对于SiC晶片也要求高质量。因此，为了确保外延层的质量，在从SiC块状晶体2切出的全部晶片中，需要个别地实施切断或化学机械研磨(CMP研磨)。

对于这样的以往技术，本发明为使用晶种基板，逐片地制造具有外延层的SiC基板的方法。在晶种基板上制作一组具有外延层的SiC基板，接着，从晶种基板拆下一组具有外延层的SiC基板。这样地操作而得到的具有外延层的SiC基板能够送至其后的元件制作过程。

本发明以逐片地制造具有外延层的SiC基板的方法为对象，该方法包括：在晶种基板上使外延层生长、以及使SiC基板生长，并且进一步包括将得到的具有外延层的SiC基板从晶种基板拆下。

根据本发明，由于能够通过连贯的工艺逐组地制作具有外延层的SiC基板，因此能够随时应对订购，能够防止存在晶片的库存，或产生浪费。

SiC基板为支持外延层的基板，通常为电阻率较低的厚膜。氮密度通常为约10¹⁸个/cm³以上。膜厚例如可以为150～500μm或200～400μm。

外延层是作为元件工作的活性层而起作用的层，除了形成n型半导体等情形以外，通常为电阻率较高的薄膜。外延层在不进行氮掺杂等的情况下，为杂质较少的高纯度薄膜，氮密度通常为约10¹⁴～10¹⁶个/cm³。另外，也能够对外延层掺杂氮，将氮密度设为例如约10¹⁶～10¹⁷个/cm³。厚膜取决于元件的设计，但例如可以为5～200μm、10～30μm或10～20μm。

(实施方式1)

在根据本发明的一个实施方式中，如图2所示，能够在晶种基板1上使外延层3生长，在外延层3上使SiC基板5生长。

能够使用溶液法或CVD法使外延层3生长。优选使用溶液法使外延层3生长。

在使用CVD法使外延层生长的情况下，需要在晶种基板的生长面付与偏离角。另一方面，在使用溶液法使外延层生长的情况下，由于能够进行正面(on-axis)生长而不需要付与偏离角，因此能够防止晶种基板的基底面位错传播至外延层3。另外，在使用溶液法使外延层生长的情况下，能够避免在CVD法中可能发生的陷落(Downfall)。

另外，在外延层3的生长中使用溶液法的情况下，优选进行(000-1)C面生长或(0001)Si面生长，更优选进行Si面生长。虽然通过溶液法难以形成基于Si面生长的厚膜，但如果为约500μm以下的薄膜，则能够得到位错少并且质量高的膜。

能够使用溶液法、高温CVD法或升华法使SiC基板5生长。优选使用溶液法使SiC基板5生长。通过使用溶液法使SiC基板5生长，能够以快的生长速度使SiC基板5生长，另外由于进行接近热平衡的状态下的晶体生长，因此能够得到缺陷少的高质量基板。

进一步优选在使用溶液法形成外延层3之后，使用溶液法形成SiC基板5。

在本实施方式中，在晶种基板上形成外延层之前，需要预先对晶种基板的生长面进行CMP研磨，但在外延层上使SiC基板生长时，不需要对外延层的生长面实施CMP研磨。

在本实施方式中，由于先形成外延层，因此其后生长的SiC基板的质量不高也可以。例如，即使发生位错的产生或多晶型物的混入也没问题，如果溶剂的夹杂物为微观水平也没问题。

这样，由于SiC基板的质量不高也可以，因此在使SiC基板生长前的外延层的CMP研磨是不需要的，能够降低成本。另外，在SiC基板的生长中，能够专注(specialize)高速生长，即使在这方面也能够降低成本。

典型地，在CVD法中使用了偏离生长(offset growth)，在溶液法中使用了正位生长(onset growth)。但是，在SiC基板的所需厚度为约500μm以下的情况下，能够利用溶液法使用偏离生长来使SiC单晶生长。因此，在本实施方式中，在具有偏离角的晶种基板的生长面上，能够使用CVD法以使外延层偏离生长，进而也能够使用溶液法以使SiC基板偏离生长。

另外，作为所生长的SiC基板5，在所需厚度为约500μm以下的情况下，优选使用溶液法进行(000-1)C面生长或(0001)Si面生长，更优选进行Si面生长。虽然在溶液法中难以形成基于Si面生长的厚膜，但是如果为约500μm以下的厚度，则在Si面生长的情况下，能够得到4H易于稳定、位错少并且质量高的SiC基板。

在本实施方式中，在使SiC基板生长后，从晶种基板拆下具有外延层的SiC基板。作为拆下具有外延层的SiC基板的方法，可举出线锯等。

在拆下具有外延层的SiC基板之后，在其后的工序中，能够进行外延层的CMP研磨等必要的加工。

在本实施方式中，可考虑切割余量和基于研磨的切削余量的部分预先较厚地生长外延层。

在拆下具有外延层的SiC基板之后，能够对晶种基板的生长面实施CMP研磨，再次使外延层生长，在外延层上使SiC基板生长。在本实施方式中，最初，在使晶种基板与石墨轴粘接之后，能够在晶种基板与石墨轴粘接的状态下对晶种基板的生长面进行CMP研磨，因此，其后能够省略使晶种基板与石墨轴粘接的工序。

(实施方式2)

在根据本发明的另外的实施方式中，如图3所示，能够在晶种基板1上使SiC基板5生长，在SiC基板5上形成外延层3。

能够使用溶液法、高温CVD法或升华法使SiC基板5生长。能够使用溶液法或CVD法使外延层3生长。优选地，能够使用溶液法使外延层3生长。

作为所生长的SiC基板5，在所需厚度为约500μm以下的情况下，优选使用溶液法进行(000-1)C面生长或(0001)Si面生长，更优选进行Si面生长。虽然通过溶液法难以形成基于Si面生长的厚膜，但如果为约500μm以下的厚度，则在Si面生长的情况下，能够得到4H易于稳定、位错少并且质量高的SiC基板。

在使用CVD法使外延层3生长的情况下，由于进行偏离生长，因此需要事先在所生长的SiC基板上形成偏离面。在SiC基板不具有偏离面的情况下，需要倾斜地切割或研磨SiC基板以付与偏离角。另一方面，在使用溶液法使外延层生长的情况下，由于能够进行正面生长，因此不需要付与偏离角。因此，在使正面生长以使SiC基板生长的情况下，能够使用溶液法以相同的面进行外延生长。

在本实施方式中，由于先使SiC基板生长，之后使外延层生长，因此SiC基板层的质量也变得重要。因此，需要对晶种基板的生长面实施CMP研磨后使SiC基板层生长，进而也需要对外延层生长前的SiC基板的生长面实施CMP研磨。

在使外延层生长后，从晶种基板拆下具有外延层的SiC基板。作为拆下具有外延层的SiC基板的方法，可举出线锯等。

在拆下具有外延层的SiC基板之后，在其后的工序中，能够进行外延层的CMP研磨等必要的加工。

在拆下具有外延层的SiC基板之后，能够对晶种基板的生长面实施CMP研磨，再次使SiC基板生长，在SiC基板上使外延层生长。在本实施方式中，最初，在使晶种基板与石墨轴粘接之后，能够在晶种基板与石墨轴粘接的状态下对晶种基板的生长面进行CMP研磨，因此，其后能够省略使晶种基板与石墨轴粘接的工序。

在根据本发明的方法中，能够使用在SiC单晶的制造中通常所使用的质量的SiC单晶作为晶种。例如，能够使用通过升华法常规制作的SiC单晶作为晶种。另外，可用于本方法的晶种例如可以为板状、圆盘状、圆柱状、棱柱状、圆锥台状或棱锥台状等任意形状。

如上所述，在外延层的生长中，能够使用溶液法和CVD法，在SiC基板的生长中，能够使用溶液法、升华法和高温CVD法。

以下，示出能够用于本发明的方法的基于溶液法的晶体生长方法的一个例子，但基于溶液法的晶体生长方法不限于记载的实施方式。

在溶液法中，在石墨坩埚中熔化Si熔液或将合金熔化在Si熔液中，使C从石墨坩埚溶解在该熔液中，能够在设置于低温部的晶种基板上使SiC晶体层析出从而使SiC晶体生长。

图4表示剖面示意图，该剖面示意图示出了在可用于实施根据本发明的制造方法的溶液法中能够使用的SiC晶体制造装置的一个例子。图示的SiC晶体制造装置100具备收容C溶解在Si或Si/X的熔液中而成的Si-C溶液24的坩埚10，形成从Si-C溶液24的内部向Si-C溶液24的表面温度降低的温度梯度，使保持于可升降的晶种保持轴12前端的晶种基板14与Si-C溶液24接触，能够以晶种基板14作为基点使SiC晶体生长。

Si-C溶液24通过如下制备：将原料装入坩埚中，使C溶解在经加热熔化而制备的Si或Si/X的熔液中。X为一种以上的金属，只要能够与SiC(固相)形成成为热力学平衡状态的液相(溶液)就不特别限定。作为合适的金属X的例子，可举出Ti、Mn、Cr、Ni、Ce、Co、V、Fe等。例如，在坩埚内加入Si，装入Cr、Ni等，能够形成Si-Cr溶液、Si-Cr-Ni溶液等。另外，通过将坩埚10设为石墨坩埚等炭质坩埚或SiC坩埚，C通过坩埚10的溶解而溶解在熔液中，形成了Si-C溶液。这样的话，在Si-C溶液24中不存在未溶解的C，能够防止因SiC晶体在未溶解的C上的析出而引起的SiC的浪费。C的供给例如也可以利用烃气体的吹入、或者将固体的C供给源与熔液原料一起装入的方法，或者也可以将这些方法与坩埚的溶解进行组合。

在通过溶液法使外延层生长的情况下，由于外延层通常为杂质较少的厚度10～30μm左右的薄膜，因此生长速度不快也可以，在SiC外延层的生长中，优选使用Si的熔液。

由于SiC基板通常为较厚的膜并且为低电阻率的厚膜，因此即使混入若干杂质也优选生长速度快，在通过溶液法使SiC基板生长的情况下，在SiC基板的生长中，优选使用Si/X熔液。

Si-C溶液24优选其表面温度为能够增多C的溶解量的1800～2200℃。

Si-C溶液的温度测定能够使用热电偶、辐射温度计等来进行。关于热电偶，从高温测定和防止杂质混入的观点考虑，优选在石墨保护管中放入了被覆有氧化锆或氧化镁玻璃的钨-铼线的热电偶。

晶种保持轴12是将晶种基板保持于其端面的石墨轴，能够使用圆柱状、棱柱状等任意形状的石墨轴。

为了保温，坩埚10的外周可用隔热材料18覆盖。也可以将它们一并收容在石英管26内。在隔热材料18的周围配置有加热装置。加热装置例如可以为高频线圈22。高频线圈22可以由上段线圈22A和下段线圈22B构成，上段线圈22A和下段线圈22B可以各自独立地控制。

由于坩埚10、隔热材料18和高频线圈22等加热装置成为高温，因此可配置在水冷室的内部。为了可进行装置内的气氛调整，水冷室可具备气体导入口和气体排出口。

Si-C溶液24的温度通常由于辐射等而易于形成与Si-C溶液24的内部相比表面温度下降的温度分布。另外，在加热装置为具备上段线圈22A和下段线圈22B的高频线圈22的情况下，通过分别调整上段线圈22A和下段线圈22B的输出，能够在从Si-C溶液24的内部到表面的区域形成规定的温度降低的温度梯度。温度梯度例如可在距溶液表面的深度约为30mm的范围内设为约10～50℃/cm。

在Si-C溶液24中溶解的C通过扩散和对流而被分散。由于加热装置的输出控制、自Si-C溶液24表面的散热以及经由晶种保持轴12的热损失等，晶种基板14的底面附近可形成与Si-C溶液24的内部相比成为低温的温度梯度。在高温且溶解度大的溶液内部溶入的C在到达低温且溶解度低的晶种基板附近时成为过饱和状态，以该过饱和度为驱动力能够在晶种基板14上使SiC晶体生长。

接着，示出能够用于本发明方法的基于升华法的晶体生长方法的一个例子，但基于升华法的晶体生长方法不限于记载的实施方式。

对利用升华法使SiC晶体晶体生长的晶体生长工序进行说明。在基于升华法的SiC晶体的制造中，在将成为原料的SiC粉末填充到设置了晶种基板的坩埚内部之后，将该坩埚设置在晶体生长用装置的内部。接着，在使上述晶体生长用装置的内部为惰性气体气氛后进行减压。其后，将上述晶体生长用装置升温至1800～2400℃。由此，坩埚内部的SiC粉末分解·升华，产生升华化学物质(气体)，其到达保持于晶体生长温度范围的晶种的晶体生长面，能够使SiC晶体外延生长。

图5表示剖面示意图，该剖面示意图示出了在可用于实施根据本发明的制造方法的升华法中能够使用的SiC晶体制造装置的一个例子。如图5所示，晶体生长装置500具备填充了对于SiC晶体的晶体生长而言足够量的SiC原料粉末64的坩埚50，以及配置于坩埚50的侧面和上下方的隔热材料58，并放置在真空容器中，该真空容器能够利用真空排气装置进行真空排气并且具有能够利用Ar等惰性气体对内部气氛进行压力控制的气体导入口和气体排出口。

作为坩埚50的材料，例如能够使用石墨等碳材料。真空容器可用石英或不锈钢等保持高真空的材料来制作。作为隔热材料58的材料，例如能够使用碳纤维等碳材料。

坩埚50上部的一部分以圆柱状突出，构成安装SiC晶种基板54的台部62，保持晶种基板54。在安装台62上例如可使用石墨粘合剂粘接而将晶种基板54保持。

在真空容器的外部配置有加热装置，例如能够利用卷绕在真空容器的周围的高频线圈等进行加热。

坩埚温度的测量例如能够在覆盖坩埚下部的隔热材料58的中央部设置直径2～4mm的光路60，采集坩埚下部的光，使用辐射温度计来进行。能够将该温度视作原料温度。也能够在覆盖坩埚上部的隔热材料58的中央部设置同样的光路60，同样地测定坩埚50的温度来进行测定。能够将其视作晶种的温度。

使晶种基板54保持于安装台62，例如能够如下所述地进行晶体生长。

将真空容器内的气氛置换成高纯度氩气等惰性气体。接着，利用配置于真空容器周围的高频加热线圈等加热装置，对真空容器以及配置在其中的坩埚50进行加热。予以说明，加热装置不限于高频加热线圈，也可以为电阻加热方式的装置。

此时，对高频加热线圈等加热装置的位置等进行调节，以将坩埚50的上部设为低温部、将坩埚50的下部设为高温部的方式进行设定。由此，在坩埚50的下部有效地使升华气体从SiC粉末64产生，在坩埚50的上部冷却上述升华气体，能够以晶种基板54为基点使SiC晶体晶体生长。

为了易于将原料气化并且易于生长质量好的晶体，期望原料温度设定为2100～2500℃、更优选为2200～2400℃来开始生长。期望以晶种温度与原料温度相比低40～100℃(更优选50～70℃)、温度梯度成为5～25℃/cm(更优选10～20℃/cm)的方式进行设定。

接着，在将坩埚50设为上述设定温度的状态下，通过气体排出口将惰性气体排出并使真空容器的内部为133.3～13332.2Pa左右的减压状态，由此在晶种54上进行SiC晶体的晶体生长。通过进行一定时间的晶体生长，能够使规定大小的SiC晶体晶体生长。

接着，示出能够用于本发明的方法的基于化学气相生长(CVD)法的晶体生长方法的一个例子，但基于CVD法的晶体生长方法不限于记载的实施方式。

CVD为如下方法：通过在约1400～1800℃下加热CVD装置的反应室，同时供给硅烷或丙烷等原料气体，使SiC外延膜生长。予以说明，也可以通过CVD法使SiC基板生长，此时优选使用超过2000℃的温度，特别地将其称为高温CVD法。基于CVD法的SiC的外延生长以阶梯流动(step flow)生长为基础，因此作为成为生长基点的基板，为了实现稳定的外延生长，使用从(0001)Si面向(11-20)方向仅倾斜了4～8度左右的基板。

图6表示剖面示意图，该剖面示意图示出了可用于实施根据本发明的制造方法的能够在CVD法(包括高温CVD法)中使用的SiC晶体制造装置300的一个例子。

CVD反应容器30内藏有用于保持使SiC单晶生长的基板34的基座32。CVD反应容器30在外周配置有用于加热至反应温度并保持反应温度的加热器(高温线圈)36。用于进行SiC单晶的形成的反应温度以基板温度计例如为1400～1800℃左右。CVD反应容器30能够利用在一端连接的排气装置(未图示)减压至所需的真空度。反应温度能够通过辐射温度计和热电偶(未图示)来连续地检测。辐射温度计主要覆盖600～1800℃的高温范围，热电偶覆盖从室温至1800℃的全部温度范围。

载气供给源、硅气体供给源、烃气体供给源和掺杂气体供给源等(未图示)经由能够各自独立地操作的开闭阀和流量控制器(未图示)连接至共同的气体供给管(未图示)，该气体供给管连接至CVD反应容器30的其它端。作为载气，通常使用氢(H₂)，但不需要限定为氢，只要是不对形成SiC单晶的CVD反应产生影响的气体即可。

作为CVD条件的一个例子，例如使用具有偏离角度为5°的(0001)Si面的晶种基板，在温度1500℃、气氛压力11kPa下，作为载气使用30slm的H₂气体，作为原料气体使用8sccm的SiH₄气体和4sccm的C₃H₈气体并且作为掺杂气体使用20sccm的N₂气体，进行40～120分钟的生长，能够使例如10～30μm厚度的外延层生长。

在使用CVD法使外延层生长的情况下，优选在1500～1700℃的温度范围内进行生长，在使用高温CVD法使SiC基板生长的情况下，为了提高生长速度，将生长温度设为较高，优选在2200～2500℃的温度范围内进行生长。

附图标记说明

1 晶种基板

2 SiC块状晶体

3 外延层

4 晶种保持轴

5 SiC基板

100 用于溶液法的晶体制造装置

10 坩埚

12 晶种保持轴

14 晶种基板

18 隔热材料

22 高频线圈

22A 上段高频线圈

22B 下段高频线圈

24 Si-C溶液

26 石英管

300 用于CVD法的晶体制造装置

30 CVD反应容器

32 基座

34 基板

36 加热器(高频线圈)

500 用于升华法的晶体制造装置

50 坩埚

54 晶种

58 隔热材料

60 光路

62 晶种安装台

64 SiC原料粉末

Claims (7)

1.逐片地制造具有SiC外延层的SiC基板的方法，包括：

在晶种基板上，通过使用了Si的熔液的溶液法使SiC外延层生长，

在所述生长的SiC外延层上，通过溶液法使SiC基板生长，

并进一步包括：

将得到的具有SiC外延层的SiC基板从所述晶种基板拆下的工序，

所述SiC外延层的氮密度为10¹⁴～10¹⁷个/cm³，

所述SiC基板的氮密度为10¹⁸个/cm³以上。

2.权利要求1所述的制造方法，其中，通过所述溶液法使SiC基板生长包括使用Si/X的熔液，其中X选自Ti、Mn、Cr、Ni、Ce、Co、V和Fe。

3.权利要求1或2所述的制造方法，其中，所述晶种基板是经CMP研磨而成的。

4.权利要求1或2所述的制造方法，其中，使所述SiC外延层生长包括使正面生长。

5.权利要求1或2所述的制造方法，其中，使所述SiC外延层生长包括进行(000-1)C面生长或(0001)Si面生长。

6.权利要求1或2所述的制造方法，其中，使所述SiC基板生长包括进行(000-1)C面生长或(0001)Si面生长。

7.权利要求1或2所述的制造方法，其中，使所述SiC外延层生长包括使所述SiC外延层生长成5～200μm的厚度，使所述SiC基板生长包括使所述SiC基板生长成150～500μm的厚度。