CN105940149A - 碳化硅晶锭、碳化硅晶片、碳化硅晶锭及碳化硅晶片的制造方法 - Google Patents

碳化硅晶锭、碳化硅晶片、碳化硅晶锭及碳化硅晶片的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明一实施方式中的碳化硅晶锭(1)包括分别含有供体或受体、且交替配置的多个第一结晶层(3)和多个第二结晶层(4)，第二结晶层(4)中的供体或受体的浓度大于与其上部或下部相接的第一结晶层(3)中的供体或受体的浓度。

Description

碳化硅晶锭、碳化硅晶片、碳化硅晶锭及碳化硅晶片的制造方法
技术领域
本发明涉及一种碳化硅晶锭、碳化硅晶片、碳化硅晶锭及碳化硅晶片的制造方法。
背景技术
目前，碳化硅(SiC)作为电子元件的基板材料而受到关注。例如，在日本特开2012-136391号公报中，记载有用于形成电子元件基板的碳化硅晶锭及碳化硅晶片的制造方法。
在这种碳化硅晶锭及碳化硅晶片的制造方法中，希望制造出高纯度的碳化硅晶体。
然而，仅将碳化硅晶体形成为高纯度时，例如，用于形成电子元件基板的晶片内的供体或受体少，基板的电阻增加。其结果，可能会降低电子元件的性能。
另外，当将碳化硅晶体形成为高纯度时，在碳化硅晶锭及晶片中难以留下晶体生长过程。其结果，当碳化硅晶锭及晶片中存在缺陷时，会出现难以推断碳化硅晶锭及晶片制造工序的不足之处的情况。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够提高电子元件性能或者推断制造工序的不足之处的碳化硅晶锭及晶片。
发明内容
本发明一实施方式中的碳化硅晶锭，包括分别含有供体或受体、且交替配置的多个第一结晶层及多个第二结晶层，该第二结晶层中的所述供体或所述受体的浓度，大于与其上部或下部相接的所述第一结晶层中的所述供体或所述受体的浓度。
本发明一实施方式中的碳化硅晶片，包括分别含有供体或受体、且交替配置的多个第一结晶层及多个第二结晶层，该第二结晶层中的所述供体或所述受体的浓度，大于与其上部或下部相接的所述第一结晶层中的所述供体或所述受体的浓度。
本发明一实施方式中的碳化硅晶锭，具有在结晶生长方向上交替配置的多个第一结晶层及多个第二结晶层，该第二结晶层的颜色比与其上部或下部相接的所述第一结晶层颜色更深。
本发明一实施方式中的碳化硅晶片，具有交替配置的多个第一结晶层及多个第二结晶层，该第二结晶层的颜色比与其上部或下部相接的所述第一结晶层颜色更深。
根据本发明一实施方式中的碳化硅晶锭或晶片，能够提高电子元件的性能或者推断制造工序的不足之处。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式中的碳化硅晶锭的侧面示意图。
图2是表示本发明一实施方式中的碳化硅晶锭的截面放大示意图。
图3是表示本发明一实施方式中的碳化硅晶锭的截面放大示意图。
图4是表示本发明一实施方式中的碳化硅晶锭的截面示意图。
图5是表示本发明一实施方式中的碳化硅晶锭的截面放大示意图。
图6是表示本发明一实施方式中的碳化硅晶锭的截面放大示意图。
图7是表示本发明一实施方式中的碳化硅晶片的侧面示意图。
图8是表示本发明一实施方式中的碳化硅晶片的截面放大示意图。
图9是表示本发明一实施方式中的碳化硅晶锭中使用的晶体制造装置的一个例子的截面图。
具体实施方式
＜碳化硅晶锭＞
下面，参照图1～图6对本发明一实施方式的碳化硅晶锭进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于本实施方式，在不脱离本发明要旨的范围内，可施加各种的改变、改进。
图1是表示本发明一实施方式中的碳化硅晶锭的侧面示意图。图2是将图1所示的晶锭沿上下方向(Z轴方向)切断得到的横截面的一部分进行放大，表示晶锭内供体或受体的浓度及晶锭颜色的截面图。图3是将图2所示晶锭的横截面的一部分进一步放大，表示晶锭内供体或受体的浓度及晶锭颜色的截面图。图4是表示与图1所示晶锭不同的实施方式中晶锭的侧面示意图。图5是将图4所示的晶锭沿上下方向切断得到的横截面的一部分进行放大，表示晶锭内供体或受体的浓度及晶锭的颜色的截面图。图6是表示将与图1及图4所示晶锭不同的实施方式中的晶锭沿上下方向切断得到的横截面的一部分进行放大，表示晶锭内供体或受体的浓度及晶锭侧面形状的截面图。另外，图7是表示本发明一实施方式中的碳化硅晶片的侧面示意图。
将晶锭1加工制成晶片2。之后，晶片2经过半导体元件的制造工序，成为如晶体管或二极管等电子元件的一部分。晶锭1由碳化硅晶体组成。晶锭1例如形成为板形或柱形。晶锭1的平面形状例如为圆形或多角形。在本实施方式中，晶锭1形成为图1所示的柱形，晶锭1的平面形状为圆形。即，晶锭1的形状为圆柱形。另外，从一个晶锭1可以得到例如45个以上且225个以下的晶片2。
另外，图1中记载的向下虚线箭头表示晶体生长的方向。在图2、图3及图6也是相同。
晶锭1的高度例如设定为30mm以上且150mm以下。晶锭1的直径例如设定为75mm以上且210mm以下。晶锭1的高度和直径例如可以采用游标卡尺测定。
如图3所示，晶锭1含有多个第一结晶层3和多个第二结晶层4。晶锭1由多个第一结晶层3和多个第二结晶层4分别一层一层交替配置而形成。第一结晶层3和第二结晶层4是在晶锭1内形成的层状区域。第一结晶层3和第二结晶层4的平面形状与晶锭1相同，例如具有圆形或多角形的平面形状。在本实施方式中，第一结晶层3和第二结晶层4的平面形状为圆形。
多个第一结晶层3和多个第二结晶层4分别含有供体或受体。作为第一结晶层3或第二结晶层4中含有的供体，例如选择氮(N)、磷(P)、砷(As)等材料。作为第一结晶层3或第二结晶层4中含有的受体，例如选择铝(Al)，硼(B)或镓(Ga)等材料。另外，根据电子元件的种类和使用方法，适当选择是否在第一结晶层3和第二结晶层4中掺入供体，或者掺入受体。
第一结晶层3的每层厚度例如设定为3μm以上且300μm以下。第二结晶层4的每层厚度例如设定为3μm以上且300μm以下。如上所述，由于第一结晶层3和第二结晶层4的厚度非常薄，因此，将晶锭1加工成晶片2时，晶片2能够具有多个第一结晶层3和多个第二结晶层4。另外，例如采用光学显微镜，并由第一结晶层3或第二结晶层4的横截面，可以测定第一结晶层3或第二结晶层4的厚度。另外，第一结晶层3和第二结晶层4的直径与晶锭1的直径相同。
多个第二结晶层4的各层中供体或受体的浓度，大于与其上部或下部相接的第一结晶层3的供体或受体的浓度。因此，第二结晶层4的导电率高于第一结晶层3。结果，当从晶锭1切割出晶片2而制造电子元件时，由于成为基板的晶片2具有供体等浓度高的多个第二结晶层4，所以能够降低成为电子元件的基板的电阻。由此，能够提高电子元件的性能。
另外、晶锭1含有供体或受体的浓度比第二结晶层4更低的第一结晶层3。结果，例如，在制造从晶锭1切割的晶片2时，根据生长在晶片2上的外延层的晶格常数，能够选择将晶片2的表面作为第一结晶层3，还是将晶片2的表面作为第二结晶层4。其结果是，例如生长在晶片2上的外延层材料的选择项增多，能够提高晶锭1的通用性。
第一结晶层3含有供体或受体，以使第一结晶层3的载流子密度例如为1×1018个/cm3以上且5×1018个/cm3以下。第二结晶层4含有供体或受体，以使第二结晶层4的载流子密度高于第一结晶层3的载流子密度，且在1×1020个/cm3以下。另外，可通过例如利用了霍尔效应的载流子浓度测定，测定第一结晶层3和第二结晶层4的载流子密度。
另外，第二结晶层4的载流子密度，例如设定为第一结晶层3的载流子密度的1.1倍以上且10倍以下。由于第二结晶层4的载流子密度为第一结晶层3的1.1倍以上，能够有效提高晶锭1的导电率。另外，由于第二结晶层4的载流子密度为第一结晶层3的10倍以下，能够减少第二结晶层4中缺陷的发生。
多个第一结晶层3和多个第二结晶层4也可以周期性地配置。即，可以有规则地将多个第二结晶层4和多个第一结晶层3交替配置。其结果是，能够降低由晶锭1制成的多个晶片2间的品质偏差。
如图2所示，晶锭1也可以具有朝向晶锭1下表面供体或受体的浓度增大的浓度梯度区域5。在本实施方式的浓度梯度区域5，多个第一结晶层3和多个第二结晶层4中的供体或受体的浓度随着多个第一结晶层3或多个第二结晶层4各自位置在结晶生长方向的延伸而增大。换言之，在一个浓度梯度区域5中，某个第一结晶层3的供体或受体的浓度比位于其上方的第一结晶层3更高。另外，在一个浓度梯度区域5中，某个第二结晶层4的供体或受体的浓度比位于其上方的第二结晶层3更高。即，由于有多个第一结晶层3和多个第二结晶层4，随着浓度梯度区域5中供体或受体的浓度在微观上升高或降低的同时，作为整体向下逐渐升高。由于具有这样的构成，能够控制晶片2表面的晶格常数，例如生长在晶片2上的外延层材料的选择项增多。因此，例如能够提高晶锭1的通用性。
浓度梯度区域5的载流子密度，例如设定为1×1018个/cm3以上且1×1020个/cm3以下。浓度梯度区域5的载流子密度更优选设定为如5×1018个/cm3以上且1×1019个/cm3以下。如果浓度梯度区域5的载流子密度为5×1018个/cm3以上，则能够有效提高晶锭1的导电性。另外，如果浓度梯度区域5的载流子密度为1×1019个/cm3以下，则能够减少晶锭1中缺陷的发生。
晶锭1也可以具有多个浓度梯度区域5。而且，多个浓度梯度区域5可以在结晶生长的方向上分开存在，也可以在结晶生长的方向上连续存在。由此，能够在多个晶片2中含有浓度梯度区域5，能够在多个晶片2中形成晶格常数逐渐变化的区域，因此能够由晶锭1制造出通用性高的多个晶片2。
浓度梯度区域5的厚度，例如设定为500μm以上且900μm以下。另外，浓度梯度区域5的数量，例如设定为由一个晶锭1切割的晶片2的数量的1/2以上且2倍以下。另外，多个浓度梯度区域5之间例如以1.2mm以下的间隔配置。
浓度梯度区域5也可以在结晶生长的方向上连续存在。在这种情况下，例如，若配合浓度梯度区域5而由晶锭1切割出晶片2，则能够降低每个晶片2的品质偏差。
如图4所示，晶锭1也可以具有位于中央部的中央区域6和直径随着结晶生长方向增加的周边区域7。而且，如图5所示，在周边区域7中，多个第一结晶层3和多个第二结晶层4也可以相对于中央区域中的结晶生长方向倾斜而配置。由此，例如在切出晶片2时进行外圆磨削的情况下，能够以周边区域7和中央区域6的边界为基准而进行磨削。其结果是，能够提高工作效率。另外，当存在晶种时，中央区域6是位于晶种的下方的部分，周边区域7为比晶种的下表面宽度更宽的部分。
另外，周边区域7的多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的各层相对于中央区域6的多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的各表面，例如以50°以上且80°以下的范围倾斜而配置。
另外，图4和图5所示的虚线将中央区域6和周边区域7分开，是为了方便起见而在图中表示。另外，图4和5中记载的向下虚线箭头表示中央区域6中晶体生长的方向。
周边区域7中多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的供体或受体的浓度，也可以比内侧的第一结晶层3和第二结晶层4更低。由于具有这样的构成，周边区域7的强度比中央区域6更高，能够使晶锭1难以破裂。其结果，能够减少由晶锭1的破裂或缺损造成的生产效率的降低。
另外，周边区域7的载流子密度，例如设定为1×1016个/cm3以上且3×1018个/cm3以下。而且，特别是，周边区域7的载流子密度优选为5×1017个/cm3以上且2×1018个/cm3以下。通过将周边区域7的载流子密度设定为5×1017个/cm3以上，例如使其与中央区域6间的载流子密度之差变小，能够减少加工晶锭1时破裂等情况的发生。另外，通过将周边区域7的载流子密度设定为2×1018个/cm3以下，例如能够更容易区分中央区域6和周边区域7。
第一结晶层3的厚度也可以比第二结晶层4的厚度小(薄)。在这种情况下，将晶锭1加工成晶片2时，晶锭1中第二结晶层4的比例变大。结果，能够更容易地加工由碳化硅晶体构成的晶锭1。另外，此时第一结晶层3的厚度例如设定为第二结晶层4厚度的50％以上且70％以下。
晶锭1的上表面也可以由第一结晶层3形成。在这种情况下，晶锭1通过后述的晶体制造装置100而形成于晶种101的下表面，但是，晶锭1的上表面由晶格常数小的第一结晶层3形成，因此能够减小晶锭1和晶种101间的形变。
晶锭1的下表面也可以由第一结晶层3形成。在这种情况下，通过切掉晶锭1的下部，可以将切掉的晶锭1的下部用作后续制造晶锭1时的晶种101。因此，由于晶锭1的品质由晶种101的品质决定，能够降低多个晶锭1之间的品质偏差。
如图6所示，在晶锭1的侧面可以连续形成有多个凹部11和多个凸部12。这种情况下，可以增大晶锭1的侧面的表面积，晶锭1更容易放热，因此能够提高晶锭1的生长速度。另外，在本实施方式中，与多个第一结晶层3和多个第二结晶层4相对应地形成有多个凹部11和多个凸部12。另外，在图6中，将晶锭1的一侧侧面显示在图中的右侧。另外，凹部11的深度例如设定为25μm以上且100μm以下。另外，凸部12的高度例如设定为25μm以上且100μm以下。
另外，在晶锭1中，多个第二结晶层4的各层颜色比与其上部或下部相接的第一结晶层3更深。即，在晶锭1中，通过多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的颜色差异而形成条纹。由于晶体生长的过程以可目视确认的状态留在晶锭1中，因此，例如当晶锭1存在缺陷时，通过确认颜色变化，可以推断制造工序的不足之处。
另外，在本实施方式中，通过使多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的供体或受体等杂质浓度不同，能够使多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的颜色也不同。而且，在本实施方式中，可以通过光学显微镜辨别结晶层的颜色。另外，在本实施方式中，通过使供体或受体的浓度不同而使多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的颜色发生变化，然而也可以同时掺入供体和受体而使颜色发生变化。另外，例如也可以在晶锭1中掺入与供体或受体不同的杂质而使颜色发生变化。
另外，在本实施方式的晶锭1中，当照射光而进行观察时，深棕色至棕色的部分为杂质浓度高的部分，棕色至赭色的部分为杂质浓度低的部分。即，对于晶锭1而言，透光度随着杂质浓度而变化，可以确定受杂质浓度的影响而发生同色系的颜色变化。另外，照射光时的颜色也根据晶锭1的多晶形式而变化。例如，晶锭1的多晶形式为4H时，晶锭1变为棕色系的颜色，多晶形式为6H时，晶锭1变为绿色系的颜色。因此，通过识别晶锭1的颜色也可以掌握多晶形式。
如图2所示，晶锭1也具有朝向晶锭1的下表面颜色变深的颜色梯度区域8。在本实施方式的颜色梯度区域8中，多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的颜色随着多个第一结晶层3或多个第二结晶层4的各自位置在结晶生长方向的延伸而变深。换言之，在一个颜色梯度区域8中，某个第一结晶层3的颜色比位于其上方的第一结晶层3更深。另外，在一个颜色梯度区域8中，某个第二结晶层4的颜色比位于其上方的第二结晶层3更深。即，由于具有多个第一结晶层3和多个第二结晶层4，颜色梯度区域8的颜色在微观上或变深或变浅的同时，作为整体向下逐渐变深。在这种情况下，可以逐渐改变晶格常数。另外，通过配合晶片2上形成的外延层的杂质浓度而调整晶片2表面的杂质浓度，在形成外延层时能够提高外延晶体的品质。
颜色梯度区域8的厚度，例如设定为500μm以上且900μm以下。而且，颜色梯度区域8例如形成为含有赭色至深棕色的颜色。
晶锭1也可以在结晶生长的方向上含有多个颜色梯度区域8。而且，多个颜色梯度区域8可以在结晶生长的方向上分开存在，也可以在结晶生长的方向上连续存在。由此，在多个晶片2中含有浓度梯度区域5，能够在多个晶片2中形成晶格常数逐渐变化的区域，因此能够由晶锭1制造出通用性高的多个晶片2。
另外，浓度梯度区域5的数量，例如设定为由一个晶锭1切出的晶片2的数量的1/2倍以上且2倍以下。另外，多个浓度梯度区域5之间例如以1.2mm以下的间隔配置。
其中，优选在结晶生长的方向上连续具有多个颜色梯度区域8。在这种情况下，例如，若配合颜色梯度区域8而由晶锭1切出晶片2，则能够降低每个晶片2的品质偏差。
周边区域7中的多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的颜色，也可以比内侧的第一结晶层3和第二结晶层4的颜色浅。在这种情况下，由于周边区域7的杂质比内侧少，因此周边区域7的晶体硬度变大，可以使晶锭1难以破裂。另外，由于周边区域7的杂质浓度比中央区域6低，因此，透明度比中央区域6高，形成比中央区域6更明亮的棕色。
另外，在周边区域7中，优选多个第一结晶层3和多个第二结晶层4相对于中央区域中的结晶生长方向倾斜而配置。由此，例如在切出晶片2时进行外圆磨削的情况下，能够以周边区域7和中央区域6的边界为基准而进行磨削。其结果，能够提高工作效率。
＜碳化硅晶片＞
下面，参照图7和图8对本发明一实施方式中的碳化硅晶片进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于本实施方式，在不脱离本发明要旨的范围内，可施加各种改变、改进等。
图8是将图7所示的晶片沿上下方向切断得到的横截面的一部分进行放大的图，是表示晶片内供体或受体的浓度及晶片颜色的截面图。
晶片2例如成为电子元件的基板。如图7所示，晶片2形成为板状，并具有第1主表面9和与第1主表面9对置的第2主表面10。晶片2的平面形状例如为圆形或多角形。晶片2的厚度例如设定为350μm以上且600μm以下。
晶片2含有多个第一结晶层3和多个第二结晶层4。如图8所示，晶片2由多个第一结晶层3和多个第二结晶层4分别一层一层交替配置而组成。而且，多个第二结晶层4的各层中的供体或受体的浓度，大于与其上部或下部相接的第一结晶层3的供体或受体的浓度。因此，第二结晶层4的导电率高于第一结晶层3的导电率。结果，由于成为基板的晶片2具有供体等浓度高的多个第二结晶层4，因此能够降低成为电子元件的基板的电阻，因此，能够提高电子元件的性能。
另外，第一结晶层3的电阻率例如设定为15mΩ·cm以下。另外，第二结晶层4的电阻率例如设定为20mΩ·cm以下。而且，第二结晶层4的电阻率与第一结晶层3的电阻率之差例如设定为1mΩ·cm以上且15mΩ·cm以下。当将第一结晶层3和第二结晶层4的电阻率设定为20mΩ·cm以下时，则更容易保证作为电子元件的性能。
另外，晶片2含有供体或受体浓度低于第二结晶层4的第一结晶层3。其结果，例如，当使外延层在晶片2上生长时，可以将供体等浓度低且晶格常数与外延层相近的第一结晶层3作为基底。因此，可以减少在外延层中因晶格常数的差异引起的形变或转移等的发生。
在晶片2中，第1主表面9侧的第一结晶层3和第二结晶层4中的供体或受体的浓度，也可以高于第2主表面10侧的第一结晶层3和第二结晶层4中的供体或受体的浓度。在这种情况下，当制造电子元件时，例如当形成SiC的外延层时，若在第1主表面9中形成外延层，则由于晶格常数相近而可以提高外延层的品质。另一方面，由于第2主表面10侧的供体或受体的浓度高，因此能够降低电子元件基板内的电阻。
另外，在这种情况下，第1主表面9侧的第一结晶层3和第二结晶层4中的供体或受体的浓度，例如设定为第2主表面10侧的第一结晶层3和第二结晶层4中供体或受体浓度的1.1倍以上且10倍以下。
随着多个第一结晶层3或多个第二结晶层4分别与第1主表面9接近，多个第一结晶层3和多个第二结晶层4中的供体或受体的浓度也可以升高。在这种情况下，由于晶格常数逐渐变化，能够降低晶片2的内应力。
第1主表面9侧和第2主表面10侧的第一结晶层3和第二结晶层4中的供体或受体的浓度，也可以比厚度方向途中的第一结晶层3和第二结晶层4中的供体或受体的浓度更低。在这种情况下，可以减小第1主表面9侧和第2主表面10侧中杂质的浓度差，例如在制造电子元件时进行高温处理时，能够减少由线性膨胀系数差引起的基板形变。
另外，在这种情况下，厚度方向途中的第一结晶层3和第二结晶层4中供体或受体的浓度，例如设定为第1主表面9侧和第2主表面10侧的第一结晶层3和第二结晶层4中供体或受体浓度的1.1倍以上且10倍以下。
多个第二结晶层4的各层颜色比与其上部或下部相接的第一结晶层3的颜色更深。即，在晶片2中，根据多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的颜色不同而形成有条纹。其结果，通过确认其颜色变化能够推断制造工序的不足之处。
多个第二结晶层4和多个第一结晶层3也可以周期性地配置。即，也可以有规则地将多个第二结晶层4和多个第一结晶层3交替配置。其结果是，能够降低由晶锭1制造出的多个晶片2各自之间的品质偏差。
第1主表面9侧的第一结晶层3和第二结晶层4的颜色，也可以分别比第2主表面10侧的第一结晶层3和第二结晶层4的颜色深。在这种情况下，例如，由于因杂质不同或杂质的量不同而引起晶片2内颜色的不同，因此，在第1主表面9和第2主表面10的晶格常数不同。其结果是，可以配合外延层的材料而在晶格常数相近的第1主表面9或第2主表面10上形成外延层，能够提高晶片2的通用性。
随着每个第一结晶层3和第二结晶层4的位置接近第1主表面9，多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的颜色也可以变深。在这种情况下，可在晶片2的厚度方向上使晶格常数逐渐变化，能够降低晶片2的内应力。
随着每个第一结晶层3和第二结晶层4的位置由第2主表面10向第1主表面9靠近，多个第一结晶层3和多个第二结晶层4的颜色也可以变深，并在途中突然变浅，进而，越接近第1主表面9越变深。在这种情况下，例如，由于杂质的量不同而引起了晶片2内的颜色不同，因此，杂质浓度在晶片2内侧高，而在第1主表面9侧和第2主表面10侧变小。其结果，例如在制造电子元件时进行高温处理时，可以减小第1主表面9侧和第2主表面10侧的热膨胀差，能够减少由热膨胀引起的基板形变。
＜晶体制造装置＞
下面，对于制造本发明一实施方式的碳化硅晶锭1和晶片2的制造方法中所用的晶体制造装置的一例，参照图9说明本实施方式。图9的横截面简要示出了晶体制造装置的一例。另外，本发明并不限定于本实施方式，可在不脱离本发明要旨的范围内施加各种改变、改进等。
晶体制造装置100为制造晶锭1的装置。晶体制造装置100通过使碳化硅晶体在晶种101的下表面生长而制造晶锭1。如图9所示，晶体制造装置100主要包括保持部件102和坩埚103，晶种101被固定在保持部件102上，在坩埚103内储存有溶液104。通过晶体制造装置100，使晶种101的下表面接触溶液104，从而在晶种101的下表面制造晶锭1。
晶种101是成为在晶体制造装置100中生长的晶锭1的种子的碳化硅晶体。晶种101例如为具有圆形或多角形的平面形状的平板状。
晶种101被固定在保持部件102的下面。晶种101例如通过含碳的粘结材料(图中未示出)被固定在保持部件102上。另外，晶种101可以通过保持部件102在上下方向上移动。
保持部件102用于保持晶种101。另外，保持部件102具有使晶种101接触溶液104和使晶锭1远离溶液104的功能。如图9所示，保持部件102被固定在移动装置105的移动机构(图中未示出)上。移动装置105具有利用如电机而使固定在移动装置105的保持部件102在上下方向上移动的移动机构。其结果，保持部件102通过移动装置105在上下方向上移动，晶种101随着保持部件102的移动而在上下方向上移动。
保持部件102例如形成为柱形。保持部件102例如由碳的多晶体或由将碳烧制而成的烧结体构成。保持部件102能够以可旋转在贯穿保持部件102的平面形状的中心部而沿着上下方向延伸的轴周围的方式，固定在移动装置105上。即，保持构件102也可以自转。
溶液104储存在坩埚103内部，并具有为晶种101提供晶锭1原料的功能。溶液104含有与晶锭1相同的材料。即，由于晶锭1是碳化硅晶体，因此溶液104中含有碳和硅。在本实施方式中，溶液104是将碳作为溶质而溶解在硅溶剂中的溶液。另外，为了提高碳的溶解度等原因，溶液104也可以含有例如一种或两种以上的钕(Nd)、钽(Ta)、钪(Sc)、铬(Cr)、锆(Zr)、镍(Ni)或钇(Y)等金属材料作为添加材料。
坩埚103用于容纳溶液104。此外，坩埚103还承担着作为将晶锭1的原料在内部融解的容器的功能。坩埚103例如由石墨形成。在本实施方式中，使硅在坩埚103中融解，并使坩埚103的一部分(碳)溶解在融解了的硅中，从而形成溶液104。为了储存溶液104，坩埚103例如形成为上面形成有开口的凹形。
在本实施方式中，采用使碳化硅晶锭1生长的溶液法。在溶液法中，通过在使溶液104在晶种101的下表面保持亚稳态(热力学上，与晶体的析出和熔出达平衡的稳定状态极其相近的状态)的状态下，降低晶种101的温度等，由此控制条件使晶体的析出比熔出进行得略快，以使晶体生长在晶种101的下表面。
坩埚103配置于坩埚容器106的内部。坩埚容器106的作用是保持坩埚103。保温材料107配置在该坩埚容器106和坩埚103之间。该保温材料107包围坩埚103的周围。保温材料107抑制坩埚103的放热，使坩埚103内部的温度分布接近均匀。坩埚103能够以可旋转在贯穿坩埚103底面中心部而沿着上下方向延伸的轴周围的方式，配置在坩埚容器106的内部。即，坩埚103也可以自转。
坩埚容器106配置在腔室108的内部。腔室108将晶锭1生长的空间和外部环境分开。通过具有腔室108，可以减少晶锭1中混入多余的杂质。在腔室108的内部环境中充满非活性气体。因此，可以使腔室108的内部与外部隔离。另外，坩埚容器106可以被支承在腔室108的底面，也可以是坩埚容器106的底面被从该底面贯穿腔室108的底部而向下延伸的支承轴(图中未显示)支承。
腔室108包括使保持部件102通过的通过孔109、用于向腔室108内供给气体的进气孔110和用于从腔室108内排出气体的排气孔111。而且，晶体制造装置100具有用于向腔室108的内部供给气体的气体供给装置(图中未显示)，通过气体供给装置，将气体从进气孔110供给腔室108，并从排气孔111排出。
腔室108例如形成为圆筒状。腔室108，例如将直径150mm以上且1000mm以下的圆形下端部作为底面，高度例如设定为500mm以上且2000mm以下。腔室108例如由不锈钢或绝缘石英等材料形成。作为向腔室108内供给的非活性气体，例如可举出氩(Ar)或氦(He)等。
通过加热装置112加热坩埚103，本实施方式的加热装置112包括线圈113和交流电源114，例如，通过利用了电磁波的感应加热方法加热坩埚103。另外，加热装置112也可以采用例如传递由碳等发热电阻产生的热量等的其他方式。当采用这种传热方式的加热装置时，(在坩埚103和保温材料107之间)配置有发热电阻。
线圈113由导体形成，缠绕在坩埚103的周围。具体地说，线圈113以圆筒状包围坩埚103的方式，配置在腔室108的周围。具有线圈113的加热装置112，具有由线圈113形成的圆筒状加热区域。另外，虽然在本实施方式中线圈113配置在腔室108的周围，但是线圈113也可以配置在腔室108的内侧。
交流电源114用于给线圈113供给交流电。通过电流在线圈113中流动而产生电场，位于电场内的坩埚容器106中产生感应电流。通过该感应电流的焦耳热加热坩埚容器106。另外，坩埚容器106的热量经保温材料107传递给坩埚103，进而加热坩埚103。通过调整交流电的频率以使感应电流容易流入坩埚容器106，能够缩短达到坩埚103内设定温度的加热时间，提高电源效率。
在本实施方式中，将交流电源114和移动装置105与控制装置115连接而进行控制。即，晶体制造装置100通过控制装置115将溶液104的加热和温度控制、以及晶种101的装卸联动控制。控制装置115包括中央运算处理装置和存储器等存储装置，例如由众所周知的计算机构成。
＜碳化硅晶锭的制造方法＞
下面，对本发明一实施方式中的碳化硅晶片2和碳化硅晶锭1的制造方法进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于本实施方式，可在不脱离本发明要旨的范围内施加各种改变、改进等。
本发明一实施方式中的碳化硅晶锭的制造方法，具有准备工序、接触工序、晶体生长工序和分离工序。
(准备工序)
准备晶体制造装置100。如上所述，晶体制造装置100主要包括保持部件102、坩埚103、固定在保持部件102上的晶种101和坩埚103内的溶液104。
准备晶种101。作为晶种101，使用对由例如升华法或溶液生长法等制造的碳化硅晶体块进行切割等加工而形成为平板状的晶种。
准备保持部件102。接着，将晶种101固定在保持部件102的下面。具体地说，在保持部件102的下表面涂上含碳的粘结材料。然后，在保持部件102的下表面夹着粘结材料而放置晶种101，从而将晶种101固定在保持部件102上。
准备坩埚103。然后，将硅粒子作为硅原料放入坩埚103内，通过将坩埚103加热至硅的熔点(1420℃)以上，准备溶液104。具体地说，形成坩埚103的碳(溶质)溶解在液化了的硅(溶剂)内，从而可准备溶液104。
(接触工序)
使晶种101的下表面与溶液104接触。通过使保持部件102移动至下方而使晶种101接触溶液104。另外，虽然在本实施方式中通过使晶种101移动至下方而使晶种101接触溶液104，但也可以通过使坩埚103向上方移动而使晶种101接触溶液104。
只要晶种101下表面的至少一部分与溶液104的液面接触即可。因此，既可以使晶种101的整个下表面与溶液104接触，也可以浸渍到晶种101的侧面或上面的方式与溶液104进行接触。
(晶体生长工序)
在通过接触工序接触到溶液104的晶种101的下表面，从溶液104生长碳化硅晶体。即，通过使晶种101的下表面与溶液104接触，在晶种101的下表面与晶种101下表面附近的溶液104之间出现温度差。而且，通过该温度差，碳成为过饱和状态，可以将溶液104中的碳和硅作为碳化硅晶锭1析出在晶种101的下表面。
接着，从溶液104中提起晶种101，使晶锭1生长为柱形。另外，通过一边调整晶锭1向平面方向和下方的生长速度，一边逐渐向上拉起晶种101，可以使晶锭1保持恒定的直径而生长。具体地说，可以将提起晶种101的速度例如设定为50μm/h以上且150μm/h以下。
碳化硅晶体的生长，例如使作为供体或受体的杂质溶解在溶液104内的情况下，使晶种101或坩埚103周期性地向反方向旋转而进行。通过使晶种101或坩埚103周期性地向反方向旋转，在晶锭1的生长过程中，以从坩埚103的侧壁面下降并由坩埚103的底面中央上升的方式，能够在溶液104中产生周期性流动。结果，向反方向旋转时，对于所生长的结晶的原料供给量增多，掺入的杂质量变小，因此能够在调整杂质浓度的同时，形成第一结晶层3和第二结晶层4。
另外，对碳化硅晶体的生长而言，将成为供体或受体的杂质作为气体提供给腔室108内的同时，周期性增减供给量而进行。结果，在生长的碳化硅晶体中掺入了供体或受体，可以形成浓度梯度区域5或颜色梯度区域8。
另外，通过调整晶锭1的生长面与溶液104液面之间形成的弯月面(meniscus)的高度，可以在晶锭1的侧面形成多个凹部11和多个凸部12，或者在晶锭1中形成周边区域7。
碳化硅晶体的生长也可以在晶种101的下表面形成第一结晶层3的方式进行。通过在晶种101的下表面形成晶格常数小的第一结晶层3，可以减小生长的碳化硅晶体与晶种101之间的形变。结果，可以减少由于生长的碳化硅晶体与晶种101之间的形变引起的转移的发生，提高晶锭1的品质。
溶液104的温度例如可设定为1400℃以上且2000℃以下。溶液104的温度有波动时，作为溶液104的温度，例如可以采用在规定时间内多次测定温度的平均值。作为溶液104的温度的测定方法，例如可以采用利用热电偶直接测定的方法，或者利用辐射温度计间接测定的方法等。
另外，在本实施方式的晶体生长工序中，使晶种101或坩埚103旋转，但也可以通过周期性改变导入气体的种类，周期性改变供体或受体的分压比，从而形成第一结晶层3和第二结晶层4。另外，也可以通过上述方法形成浓度梯度区域5或颜色梯度区域8。
另外，在晶体生长工序中，也可以通过周期性改变晶锭1的生长面与溶液104的液面之间形成的弯月面的高度，周期性改变晶锭1的生长速度，由此形成第一结晶层3和第二结晶层4、或者浓度梯度区域5或颜色梯度区域8。
另外，在晶体生长工序中，也可以通过周期性改变坩埚103和线圈113或保温材料107之间的位置，来改变供体或受体在溶液104中的溶解度，从而形成第一结晶层3和第二结晶层4、或者浓度梯度区域5或颜色梯度区域8。
(分离工序)
碳化硅晶体生长后，使生长的碳化硅晶锭1与溶液104分离，结束晶体生长。然后，将生长的碳化硅晶锭1从晶种101切割而分离。由此能够制造出晶锭1。
＜碳化硅晶片的制造方法＞
下面，对本发明一实施方式中的碳化硅晶片2的制造方法进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于本实施方式，可在不脱离本发明要旨的范围内施加各种改变、改进等。
通过切割由上述制造工序制得的碳化硅晶锭1，制造出碳化硅晶片2。具体地说，通过将晶锭1切成包含第一结晶层3和第二结晶层4的圆片而制成碳化硅晶片2。即，通过相对于长度方向(结晶生长的方向)垂直地切割晶锭1，制造出含有第一结晶层3和第二结晶层4的碳化硅晶片2。另外，通过适当调整晶锭1的切割位置，可以调整晶片2内供体或受体的浓度分布或颜色变化。
也可以通过切断第二结晶层4来进行晶锭1的切割。在这种情况下，由于第二结晶层4的含有物质比第一结晶层3多，容易降低晶体的强度，因此晶锭1变得更容易切断。
附图标记的说明
1 晶锭
2 晶片
3 第一结晶层
4 第二结晶层
5 浓度梯度区域
6 中央区域
7 周边区域
8 颜色梯度区域
9 第1主表面
10 第2主表面
11 凹部
12 凸部
100 晶体制造装置
101 晶种
102 保持部件
103 坩埚
104 溶液
105 移动装置
106 坩埚容器
107 保温材料
108 腔室
109 通过孔
110 进气孔
111 排气孔
112 加热装置
113 线圈
114 交流电源
115 控制装置

Claims (24)

1.一种碳化硅晶锭，其中，
包括分别含有供体或受体、且交替配置的多个第一结晶层和多个第二结晶层，
该第二结晶层中所述供体或所述受体的浓度，大于与该第二结晶层的上部或下部相接的第一结晶层中的所述供体或所述受体的浓度。
2.如权利要求1所述的碳化硅晶锭，其中，
还具有浓度梯度区域，在该浓度梯度区域中，所述多个第一结晶层和所述多个第二结晶层的所述供体或所述受体的浓度，随着该结晶层的各自位置向结晶生长方向推进而增大。
3.如权利要求2所述的碳化硅晶锭，其中，
在结晶生长方向上连续具有多个所述浓度梯度区域。
4.如权利要求3所述的碳化硅晶锭，其中，
直径随着向结晶生长方向推进而增加，在直径增加的周边区域中，多个所述第一结晶层和多个所述第二结晶层相对于中央区域中的结晶生长方向倾斜而配置。
5.如权利要求4所述的碳化硅晶锭，其中，
所述周边区域中的所述多个第一结晶层和所述多个第二结晶层的所述供体或所述受体的浓度，低于内侧的所述第一结晶层和所述第二结晶层的所述供体或所述受体的浓度。
6.如权利要求1～5中任一项所述的碳化硅晶锭，其中，
所述第一结晶层和所述第二结晶层的厚度分别为3～300μm。
7.如权利要求2～5中任一项所述的碳化硅晶锭，其中，
所述浓度梯度区域在结晶生长方向上的厚度为500～900μm。
8.一种碳化硅晶片，其中，
包括分别含有供体或受体、且交替配置的多个第一结晶层和多个第二结晶层，
该第二结晶层中的所述供体或所述受体的浓度，大于与该第二结晶层的上部或下部相接的所述第一结晶层中所述供体或所述受体的浓度。
9.如权利要求8所述的碳化硅晶片，其中，
所述第一结晶层的电导率低于所述第二结晶层的电导率。
10.如权利要求8所述的碳化硅晶片，其中，
第1主表面侧的所述第一结晶层和所述第二结晶层中所述供体或所述受体的浓度，大于第2主表面侧的所述第一结晶层和所述第二结晶层中所述供体或所述受体的浓度。
11.如权利要求10所述的碳化硅晶片，其中，
所述多个第一结晶层和所述多个第二结晶层中所述供体或所述受体的浓度，随着该结晶层的位置与所述第1主表面接近而升高。
12.如权利要求8所述的碳化硅晶片，其中，
所述第1主表面侧和所述第2主表面侧的所述第一结晶层和所述第二结晶层中所述供体或所述受体的浓度，低于厚度方向途中的所述第一结晶层和所述第二结晶层中所述供体或所述受体的浓度。
13.一种碳化硅晶锭，其中，
具有在晶体生长方向上交替配置的多个第一结晶层和多个第二结晶层，
该第二结晶层的颜色比与该第二结晶层的上部或下部相接的所述第一结晶层的颜色深。
14.如权利要求13所述的碳化硅晶锭，其中，
具有颜色梯度区域，在该颜色梯度区域中，所述多个第一结晶层和所述多个第二结晶层的颜色分别随着该结晶层的位置向结晶生长方向推进而变深。
15.如权利要求14所述的碳化硅晶锭，其中，
在结晶生长方向上连续具有多个所述颜色梯度区域。
16.如权利要求13所述的碳化硅晶锭，其中，
直径随着向结晶生长方向推进而增加，在直径增加的周边区域中，多个所述第一结晶层和多个所述第二结晶层相对于中央区域中结晶生长方向倾斜而配置。
17.如权利要求16所述的碳化硅晶锭，其中，
所述周边区域中的所述多个第一结晶层和所述多个第二结晶层的颜色，比内侧的所述第一结晶层和所述第二结晶层的颜色浅。
18.如权利要求13～17中任一项所述的碳化硅晶锭，其中，
所述第一结晶层和所述第二结晶层的厚度分别为3～300μm。
19.如权利要求14～17中任一项所述的碳化硅晶锭，其中，
所述颜色梯度区域在结晶生长方向上的厚度为500～900μm。
20.一种碳化硅晶片，其中，
具有交替配置的多个第一结晶层和多个第二结晶层，
该第二结晶层的颜色比与该第二结晶层的上部或下部相接的所述第一结晶层的颜色深。
21.如权利要求20所述的碳化硅晶片，其中，
第1主表面侧的所述第一结晶层和所述第二结晶层的颜色，分别比第2主表面侧的所述第一结晶层和所述第二结晶层的颜色深。
22.如权利要求21所述的碳化硅晶片，其中，
所述多个第一结晶层和所述多个第二结晶层的颜色分别随着该结晶层的位置接近第1主表面而变深。
23.如权利要求20所述的碳化硅晶片，其中，
所述多个第一结晶层和所述多个第二结晶层的颜色分别随着该结晶层的位置由第2主表面向第1主表面靠近而变深，在途中突然变浅，随着接近第1主表面再变深。
24.如权利要求20～23中任一项所述的碳化硅晶片，其中，
所述第一结晶层和所述第二结晶层的厚度分别为3～300μm。
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