CN106232877A - 制造碳化硅晶锭的方法、碳化硅种衬底、碳化硅衬底、半导体器件和制造半导体器件的方法 - Google Patents

制造碳化硅晶锭的方法、碳化硅种衬底、碳化硅衬底、半导体器件和制造半导体器件的方法 Download PDF

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Abstract

一种制造碳化硅晶锭的方法包括以下步骤：制备碳化硅种衬底(10a)，所述碳化硅种衬底具有第一主表面(P1)和与所述第一主表面(P1)相反地设置的第二主表面(P2)；在不高于2000℃的温度下，在所述第二主表面(P2)上形成金属碳化物膜(11)；以及在通过支承构件(51a)支承上面形成有所述金属碳化物膜(11)的所述碳化硅种衬底(10a)的同时，通过升华在所述第一主表面(P1)上生长碳化硅单晶(100)。在生长步骤中，被所述支承构件(51a)支承的所述碳化硅种衬底(10a)的表面的被支承部分(SD)处于除了其中已经形成所述金属碳化物膜(11)的区域之外的区域中。

Description

制造碳化硅晶锭的方法、碳化硅种衬底、碳化硅衬底、半导体 器件和制造半导体器件的方法
技术领域
本公开涉及制造碳化硅(SiC)晶锭的方法、碳化硅种(seed)衬底、碳化硅衬底、半导体器件和制造半导体器件的方法。
背景技术
大多数SiC晶锭(单晶)是通过升华(也被称为“改良的Lely方法”)来制造的[例如，参见日本专利公开No.2001-139394(PTD 1)和日本专利公开No.2008-280196(PTD 2)]。
引用列表
专利文献
PTD 1：日本专利公开No.2001-139394
PTD 2：日本专利公开No.2008-280196
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供具有少量的晶体缺陷的碳化硅晶锭、可用于制造碳化硅晶锭的碳化硅种衬底、得自碳化硅晶锭的碳化硅衬底、和包括碳化硅衬底的半导体器件。
问题的解决方案
根据本公开的一个方面的一种制造碳化硅晶锭的方法包括以下步骤：制备碳化硅种衬底，所述碳化硅种衬底具有第一主表面和与所述第一主表面相反地设置的第二主表面；在不高于2000℃的温度下，在所述第二主表面上形成金属碳化物膜；以及在通过支承构件支承上面形成有所述金属碳化物膜的所述碳化硅种衬底的同时，通过升华在所述第一主表面上生长碳化硅单晶，在生长步骤中，被所述支承构件支承的所述碳化硅种衬底的表面的被支承部分处于除了其中已经形成所述金属碳化物膜的区域之外的区域中。
根据本公开的一个方面的一种碳化硅种衬底，所述碳化硅种衬底包括第一主表面和与所述第一主表面相反地设置的第二主表面，所述第一主表面是晶体生长表面，所述第二主表面上面具有金属碳化物膜，所述金属碳化物膜包括碳化钛、碳化钒和碳化锆中的至少一种。
根据本公开的一个方面的一种半导体器件包括碳化硅衬底，所述碳化硅衬底包括选自由钛、钒和锆组成的金属元素的组的至少一种，所述金属元素的浓度不小于0.01ppm且不大于0.1ppm。
本发明的有益效果
根据以上，提供了具有少量的晶体缺陷的碳化硅晶锭、可用于制造碳化硅晶锭的碳化硅种衬底、得自碳化硅晶锭的碳化硅衬底、和包括碳化硅衬底的半导体器件。
附图说明
图1是示出根据本公开的一个方面的制造碳化硅晶锭的方法的概况的流程图。
图2是示出根据本公开的一个方面的形成金属碳化物膜的步骤的示例的流程图。
图3是示出根据本公开的一个方面的将金属膜碳化的步骤的示例的流程图。
图4是示出根据本公开的一个方面的生长碳化硅单晶的步骤的示例的示意性剖视图。
图5是示出根据本公开的一个方面的生长碳化硅单晶的步骤的另一个示例的示意性剖视图。
图6是示出根据本公开的一个方面的通过支承构件支承的碳化硅种衬底的表面的被支承部分的示例的示意性平面图。
图7是示出根据本公开的一个方面的通过支承构件支承的碳化硅种衬底的表面的被支承部分的另一个示例的示意性平面图。
图8是示出根据本公开的一个方面的将金属膜碳化的步骤的示例的示意性剖视图。
图9是示出根据本公开的一个方面的碳化硅衬底的示例的示意图。
图10是示出根据本公开的一个方面的半导体器件的构造的示例的示意性剖视图。
图11是示出根据本公开的一个方面的制造半导体器件的方法的概况的流程图。
图12是示出根据本公开的一个方面的碳化硅外延衬底的示例的示意性剖视图。
图13是示出离子注入步骤的示意性剖视图。
图14是示出栅极氧化物膜形成步骤和电极形成步骤的示意性剖视图。
图15是示出层间绝缘膜形成步骤和电极形成步骤的示意性剖视图。
具体实施方式
[对本公开的实施例的描述]
首先，将以列表形式描述本公开的实施例。在下面的描述中，相同或对应的元件被用相同的参考符号指定并且不进行重复描述。关于在本说明书中的结晶学指示，用[]代表个体取向，用<>代表集合取向，用()代表个体平面，并且用{}代表集合平面。另外，负结晶学指标一般通过在数字上方附带“-”(横条)来表达，但在本说明书中通过在数字之前附带负号来表达。
升华是在高温下升华源材料并且在种晶上将升华后的源材料重新结晶的晶体生长过程。通常，在这个过程中，源材料被容纳在生长容器(例如，由石墨制成的坩埚)的下部部分中，并且种晶被粘附并且固定到位于生长容器的上部部分中的支承构件(例如，坩埚的封盖)。为了固定种晶，广泛使用的是将石墨细小颗粒分散在有机溶剂中而得到的种晶固定剂(例如，参见PTD 1)。
种晶固定剂因被加热而被碳化，并且用作耐热粘合剂层。因此，种晶可被保持在支承构件上，即使在高温环境下(大约2300℃)也没有落到生长容器中。然而，溶剂挥发期间产生的气泡(空隙)会保留在此粘合剂层中。如果粘合剂层中存在空隙，则出现从种晶的粘合剂表面(背面表面)通过空隙向着支承构件的升华(所谓的背面升华)，从而造成从背面表面的一些元素的解吸附。因元素的解吸附而造成的背面的粗糙度(缺陷)传播到生长表面，然后进一步传播到生长晶体，并且其显露为微管缺陷。
为了应对此问题，PTD 2公开了一种通过碳化钛将种晶固定到支承构件的方法。根据PTD 2，在由碳化钛制成的粘合剂层中没有空隙，使得可防止背面升华。
然而，这种方法仍有改进的空间。也就是说，由于种晶(SiC)和支承构件(通常，C)具有不同的热膨胀系数，因此在种晶的背面表面固定(约束)到支承构件的情况下将种晶和支承构件暴露于高温环境由于种晶和支承构件之间的膨胀量差异而导致生长表面上的单晶和种晶中的热应力，从而允许因这个热应力而导致的缺陷(例如，位错缺陷)的出现。
本发明的发明人料想到，可通过在不将种晶约束到支承构件的情况下允许种晶自由热膨胀，解决以上所述的问题，并且基于这个构思来进行进一步研究以完成本公开的一个方面。
也就是说，[1]根据本公开的一个方面的一种制造碳化硅晶锭的方法包括以下步骤：制备碳化硅种衬底，所述碳化硅种衬底具有第一主表面和与第一主表面相反地设置的第二主表面；在不高于2000℃的温度下，在第二主表面上形成金属碳化物膜；以及在通过支承构件支承上面形成有金属碳化物膜的碳化硅种衬底的同时，通过升华在第一主表面上生长碳化硅单晶，在生长步骤中，被支承构件支承的碳化硅种衬底的表面的被支承部分处于除了其中已经形成金属碳化物膜的区域之外的区域中。
在以上的制造方法中，SiC种衬底(种晶)被支承在除了第二主表面(背面表面)之外的一部分处。第二主表面不受限制并且SiC种衬底可自由热膨胀，由此减轻SiC种衬底和SiC单晶(生长晶体)中出现的热应力。因此，可抑制由热应力而导致的缺陷的出现。
此外，虽然在导致背面升华的这样的模式下在第二主表面和支承构件之间通常形成间隙，但在以上制造方法中，由于金属碳化物膜形成为在第二主表面上的升华防止膜，所以也可以抑制这样的背面升华。这里，金属碳化物膜的熔点优选地高于SiC的升华温度。另外，在不高于2000℃(也就是说，低于SiC的升华温度的温度)下形成金属碳化物膜。因此，在形成金属碳化物膜期间，抑制了进而使衬底表面粗糙的来自SiC种衬底的元素的升华。
因此，根据以上的制造方法，可在第一主表面(晶体生长表面)上生长具有少量晶体缺陷的SiC单晶，同时抑制背面升华和热应力的出现。
[2]金属碳化物膜可包括碳化钛、碳化钒和碳化锆中的至少一种。
由于包括碳化钛(TiC)、碳化钒(VC)和碳化锆(ZrC)的金属碳化物膜具有比SiC的升华温度高的熔点并且可以是致密膜，因此可抑制背面升华。
[3]形成金属碳化物膜的步骤可包括在第二主表面上形成金属膜并且将金属膜碳化的步骤。这是因为，可容易地形成金属碳化物膜。
[4]将金属膜碳化的步骤可包括在第一主表面面向下的情况下将碳化硅种衬底放置在碳基底上，并且在向金属膜供应碳的同时，加热金属膜的步骤。这是因为，可容易地形成金属碳化物膜，同时用作生长表面的第一主表面受到保护。
[5]形成金属碳化物膜的步骤还可包括在将金属膜碳化的步骤之后平整金属碳化物膜的步骤。这是因为，可减少过量的碳。
[6]在生长步骤中，碳化硅种衬底可设置在源材料上方，与源材料有一定距离，第一主表面可面对源材料，被支承部分可处于第一主表面的端部。这是因为，根据此模式，在SiC种衬底不受约束的情况下，可在第一主表面上生长SiC单晶。
[7]根据本公开的一个方面的一种碳化硅种衬底包括第一主表面和与第一主表面相反地设置的第二主表面，第一主表面是晶体生长表面，第二主表面上面具有金属碳化物膜，金属碳化物膜包括碳化钛、碳化钒和碳化锆中的至少一种。
此SiC种衬底在第二主表面(背面表面)上具有包括TiC、VC和ZrC中的至少一种的金属碳化物膜，因此可被用于不使用种晶固定剂的制造SiC晶锭的方法。
[8]金属碳化物膜的膜厚度可不小于0.1μm且不大于1.0mm。这是因为，可抑制背面升华，同时避免成本过高。
[9]金属碳化物膜的膜厚度的变化系数可不大于20％。这是因为，可减轻热应力。
[10]根据本公开的一个方面的制造碳化硅晶锭的方法包括以下步骤：制备以上根据[7]至[9]中的任一项所述的碳化硅种衬底；以及在通过支承构件支承碳化硅种衬底的同时，通过升华，在第一主表面上生长碳化硅单晶，在生长步骤中，被支承构件支承的碳化硅种衬底的表面的被支承部分处于除了其中已经形成金属碳化物膜的区域之外的区域中。
根据这种制造方法，可在第一主表面上生长SiC单晶，同时抑制背面升华并且不妨碍SiC种衬底的自由膨胀。因此，可制造具有少量晶体缺陷的SiC晶锭。
[11]根据本公开的一个方面的一种碳化硅衬底是通过将用以上根据[10]所述的制造方法得到的碳化硅晶锭进行切片而得到的衬底，衬底包括形成金属碳化物膜的金属元素，该金属元素的浓度不小于0.01ppm且不大于0.1ppm。
通过将以上根据[7]至[9]中的任一项所述的SiC种衬底的第一主表面上生长的SiC晶锭进行切片，得到此SiC衬底。SiC衬底因此包括形成形成在SiC种衬底的第二主表面(背面表面)上的金属碳化物膜的金属元素。此SiC衬底抑制了生长期间的背面升华和弛豫的热应力，因此具有少量缺陷和高晶体质量。另外，以上浓度范围内的金属元素被认为对半导体器件的性能的影响小。因此，此SiC衬底可有助于提高半导体器件的性能。应该注意，以上的“ppm”是指“质量分数”。
[12]根据本公开的一个方面的一种半导体器件包括碳化硅衬底，该碳化硅衬底包括选自由钛、钒和锆组成的金属元素的组的至少一种，该金属元素的浓度不小于0.01ppm且不大于0.1ppm。
[13]在以上的[12]中，碳化硅衬底可以是半绝缘衬底。本文中使用的半绝缘衬底是指具有不小于105Ω·cm的电阻的衬底。例如，电阻的上限可以是1017Ω·cm。半绝缘衬底中的n型杂质的浓度可不小于0cm-3且小于1017cm-3。半绝缘衬底中的p型杂质的浓度可不小于0cm-3且小于1017cm-3。
[14]在以上的[12]中，碳化硅衬底可以是n型衬底。例如，n型衬底中的n型杂质的浓度可不小于1017cm-3。例如，n型杂质的浓度的上限可以是1020cm-3。
[15]在以上的[12]中，碳化硅衬底可以是p型衬底。例如，p型衬底中的p型杂质的浓度可不小于1017cm-3。例如，p型杂质的浓度的上限可以是1020cm-3。
[16]根据本公开的一个方面的一种制造半导体器件的方法包括以下步骤：制备以上根据[11]所述的碳化硅衬底；以及处理碳化硅衬底。
[本公开的实施例的细节]
虽然现在将详细描述本公开的实施例(下文中也被称为“本实施例”)，但本实施例不限于此。
[制造碳化硅晶锭的方法]
图1是示出根据本实施例的制造方法的概况的流程图。如图1中所示，此制造方法包括制备SiC种衬底10a的步骤(S100)、形成金属碳化物膜11的步骤(S200)、以及生长SiC单晶100的步骤(S300)。图4是示出生长SiC单晶100的步骤的示意性剖视图。如图4中所示，在本实施例的制造方法中，在第二主表面P2不受约束并且不妨碍SiC种衬底10a自由热膨胀的情况下，在SiC种衬底10a的背面表面(第二主表面P2)上形成金属碳化物膜11，并且在生长表面(第一主表面P1)上生长SiC单晶100。此制造方法可通过金属碳化物膜11抑制背面升华，并且可减轻SiC种衬底10a或SiC单晶100中出现的热应力，由此制造出具有少量晶体缺陷的SiC单晶100，即，SiC晶锭。另外，由于金属碳化物膜11比SiC发生汽化的可能性低，因此金属碳化物膜11中包括的金属元素不太可能被掺入SiC单晶100中。现在，将描述各步骤。
<制备碳化硅种衬底的步骤：S100>
在这个步骤中，制备SiC种衬底10a。SiC种衬底10a具有第一主表面P1和与第一主表面P1相反地设置的第二主表面P2。第一主表面P1是晶体生长表面，第二主表面P2是其背面表面。例如，第一主表面P1可以在(0001)平面[所谓的Si面]上，或(000-1)平面[所谓的C面]上。
通过将具有例如4H、6H的多晶型的SiC晶锭切片成一定厚度的片来制备SiC种衬底10a。4H的多晶型特别可用于半导体器件。这里，期望的是，进行切片，使得SiC种衬底10a的第一主表面P1相对于{0001}平面倾斜不小于1°且不大于10°。也就是说，期望的是，SiC种衬底10a具有相对于{0001}平面的不小于1°且不大于10°的偏离角。这是因为，可通过以此方式限制SiC种衬底10a的偏离角来抑制诸如基面位错的晶体缺陷。这个偏离角更优选地不小于1°且不大于8°，特别优选地，不小于2°且不大于8°。例如，偏离方向是<11-20>方向。
例如，SiC种衬底10a的平面形状是圆形。SiC种衬底10a的直径例如不小于25mm，优选地不小于100mm(例如，不小于4英寸)，更优选地不小于150mm(例如，不小于6英寸)。SiC种衬底10a的直径越大，可制造出的SiC晶锭的直径越大。因此，可用单个晶圆制作的芯片的数量可增大，以削减半导体器件的制造成本。虽然通常难以控制直径大的SiC晶锭中的晶体缺陷，但根据本实施例，在保持晶体质量的同时，可制造出例如甚至直径不小于100mm的SiC晶锭。SiC种衬底10a的厚度是例如大约0.5至5.0mm，优选地大约0.5至2.0mm。
在进行切片之后，期望的是使SiC种衬底10a的第二主表面P2经受抛光、反应离子蚀刻(RIE)等以平整表面。这样有助于在第二主表面P2上形成均匀的金属碳化物膜11。例如，可使用金刚石磨粒进行抛光。例如，就算术平均粗糙度Ra而言，平整的度量是大约不大于1μm。更优选地，进一步执行化学机械抛光(CMP)，因为带来的结果是平整度增加。例如，胶体氧化硅被用于CMP。
这里，为了提高SiC单晶100的晶体质量，第一主表面P1还可经受类似的平整处理。可在以下将描述的形成金属碳化物膜11之后，进行第一主表面P1上的平整处理。
<形成金属碳化物膜的步骤：S200>
在这个步骤中，在不高于2000℃的温度下，在第二主表面P2上形成金属碳化物膜11。该温度限于不高于2000℃，因为如果温度高于2000℃，则SiC可升华，使SiC种衬底10a的表面粗糙。
(金属碳化物膜)
期望的是，金属碳化物膜11能够在不高于2000℃下形成，并且由在形成之后具有高于SiC晶体生长期间的温度(2100℃至2500℃)的熔点的材料形成。还期望的是，金属碳化物膜11是其中具有少量空隙的致密膜。这样是为了抑制晶体生长期间的背面升华。满足这些条件的材料的示例包括高熔点金属的碳化物。更具体地，示例包括TiC、VC和ZrC。金属碳化物膜11可由选自TiC、VC和ZrC的一种类型的材料或两种或更多种类型的材料形成。当由两种或更多种类型的材料形成时，Ti、V和C例如可形成复合化合物。此外，金属碳化物膜11可以是单个层、或多个层的层合物。这是因为，可在任一种情况下抑制背面升华。也就是说，金属碳化物膜11可包括TiC、VC和ZrC中的至少一种。
当在本说明书中用诸如“TiC、VC和ZrC”的化学式表达化合物时，将包括任何传统已知的原子比，而不一定限于化学当量范围内的原子比，除非原子比受特别限制。例如，术语“TiC”不限于“Ti”和“C”之间的原子比是50:50，但包括任何传统上已知的原子比。
可通过用例如化学气相沉积(CVD)、溅射等在第二主表面P2上沉积金属元素(例如，Ti、V和Zr)和碳(C)来形成金属碳化物膜11，或者可通过首先形成金属碳化物膜11并随后将金属膜11a碳化来形成金属碳化物膜11，如以下将描述的。
图2是示出形成金属碳化物膜11的步骤(S200)的示例的流程图。如图2中所示，这个步骤(S200)可包括例如在第二主表面P2上形成金属膜11a的步骤(S210)，和将金属膜11a碳化的步骤(S220)。这个步骤还可包括在将金属膜11a碳化的步骤(S220)之后的平整金属碳化物膜11的步骤(S230)。例如，可在晶体生长期间使用的生长容器50(例如，坩埚)中执行这些步骤。可在此模式下简化制造处理。
(形成金属膜的步骤：S210)
在这个步骤中，在第二主表面P2上形成金属膜11a。例如，可制备具有对应于金属膜11a的适宜厚度的金属板，并且将它放置在第二主表面P2上。可供选择地，可通过CVD、溅射等，在第二主表面P2上形成金属膜11a。
(将金属膜碳化的步骤：S220)
然后，将金属膜11a碳化。图3是示出这个步骤(S220)中的合适操作过程的流程图。图8是示出操作的示意性剖视图。
如图3和图8中所示，优选地，首先，在第一主表面P1面向下的情况下，执行将SiC种衬底10a放置在碳基底31上的步骤(S221)。这样将抑制第一主表面P1的表面粗糙度。碳基底31不受特别限制，但是优选地是诸如碳片材的高柔性材料。这是因为，第一主表面P1可受到保护。
然后，执行在向金属膜11a供应碳的同时加热金属膜11a的步骤(S222)。这里，可按任何形式供应碳。例如，可供应气态形式、粉末形式、片材形式或板形式的碳。例如，加热温度不低于金属膜11a的熔点且不高于2000℃。加热气氛优选地是真空气氛(压力减小气氛)或诸如氩气(Ar)的惰性气体气氛。然后，金属膜11a在被设置在不低于金属膜11a的熔点且不高于2000℃的范围内的目标温度下保持大约1至24小时，由此形成金属碳化物膜11。
当金属膜11a是金属板并且以板形式供应碳(如图8中所示)时，可从碳板32上方施加适宜负载，使金属膜11a和碳板32彼此紧密接触，从而在其间不形成间隙。因此，可得到均匀的金属碳化物膜11，并且金属碳化物膜11可强力粘附于第二主表面P2。为了施加负载，例如，可在碳板32上放置重量。这里，重量优选地是不可加热的主体。
如上所述，金属碳化物膜11可在形成之后被平整化。因此，可减少过量的碳。还可调节金属碳化物膜11的膜厚度和膜厚度分布。具体地，例如，金属碳化物膜11的表面可通过RIE等被干蚀刻或者通过CMP等被抛光。
(金属碳化物膜的膜厚度)
优选地，金属碳化物膜11的膜厚度不小于0.1μm且不大于1.0mm。如果膜厚度小于0.1μm，则不可充分抑制背面升华。另一方面，由于1.0mm足以提供抑制升华的功能，因此膜厚度超过1.0mm是不经济的。然而，若忽略了经济效率，可接受膜厚度超过1.0mm。金属碳化物膜11的膜厚度更优选地不小于1.0μm且不大于1.0mm，进一步优选地不小于10μm且不大于1.0mm，最优选地不小于100μm且不大于1.0mm。这样将增强抑制背面升华的效果。
(膜厚度的变化系数)
优选地，金属碳化物膜11的膜厚度的变化系数不超过20％。这是因为，在晶体生长期间得到金属碳化物膜11中的较窄温度分布，由此减少了热应力的出现和集中。这里使用的“膜厚度的变化系数”是指膜厚度分布的指标，该指标是被表达为通过将膜厚度的标准偏差除以膜厚度的平均值而得到的百分比的值。为了计算变化系数，将在多个位置(至少5个位置、优选地10个或更多个位置、更优选地20个或更多个位置)测量膜厚度。可通过传统上已知的装置来测量膜厚度。例如，可使用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)。此变化系数更优选地不大于18％，特别优选地，不大于15％。这样将减少热应力的出现。
<碳化硅种衬底>
通过上述的步骤(S100)和步骤(S200)，制备本实施例的制造方法可利用的SiC种衬底10a。如图4中所示，SiC种衬底10a包括第一主表面P1和与第一主表面P1相反地设置的第二主表面P2。这里，第一主表面P1是晶体生长表面，作为其背面表面的第二主表面P2上形成有金属碳化物膜11。如上所述，金属碳化物膜11可包括TiC、VC和ZrC中的至少一种。
<生长碳化硅单晶的方法：S300>
在这个步骤中，通过使用具有金属碳化物膜11的SiC种衬底10a，在SiC种衬底10a上生长SiC单晶100。
如图4中所示，制备包括支承构件51a和容器主体52的生长容器50。生长容器50由例如石墨制成。生长容器50包含例如粉状的SiC多晶体的粉末作为源材料1。支承构件51a还用作生长容器50的封盖。支承构件51a设置有用于支承SiC种衬底10a的支承部分ST。SiC种衬底10a设置在源材料1上方，与源材料1有一定距离，使得用作生长表面的第一主表面P1面对源材料1。
这里，SiC种衬底10a通过支承部分ST，被支承在第一主表面P1端部的被支承部分SD处。也就是说，被支承构件51a支承的SiC种衬底10a的表面的被支承部分SD处于除了其中已经形成金属碳化物膜11的区域之外的区域中。因此，在金属碳化物膜11和支承构件51a之间存在间隙，并且SiC种衬底10a的第二主表面P2侧不受限制。虽然散热器、加热元件等可被插入这个间隙中以保持晶体生长期间的温度环境，但期望的是在这种情况下SiC种衬底10a上的约束程度最小。还优选地不通过装配、粘附等将支承部分ST和被支承部分SD彼此固定，从而没有妨碍SiC种衬底10a的自由膨胀。也就是说，优选地只是将SiC种衬底10a放置在支承部分ST上。
图6是示出第一主表面P1上的被支承部分SD的示例的示意性平面图。如图6中所示，优选地，存在至少三个被支承部分SD。这样将稳定SiC种衬底10a的姿态。图7是示出第一主表面P1上的被支承部分SD的另一个示例的示意性平面图。如图7中所示，更优选地，设置被支承部分SD，使其环绕SiC种衬底10a的外周。这是因为，SiC种衬底10a的姿态可以以更加稳定的方式得以保持。
然后，如图4中所示，通过升华来生长SiC单晶100。也就是说，通过设置生长容器50中的适宜温度和压力条件，源材料1在图4中的箭头方向上升华并且升华物沉积在第一主表面P1上。这里，温度条件优选地不低于2100℃且不高于2500℃，压力条件优选地不小于1.3kPa且不高于大气压。压力条件可进一步不高于13kPa，以增大生长速率。
在本实施例中，SiC种衬底10a的第二主表面P2侧没有如上所述受约束。因此，SiC种衬底10a可在生长SiC单晶100期间自由热膨胀。因此，传统制造方法中的SiC种衬底10a和SiC单晶100中出现的热应力得以减轻。此外，可通过金属碳化物膜11抑制来自第二主表面P2的升华。因此，可制造出具有少量晶体缺陷的SiC晶锭。
[变形]
现在，描述制造SiC晶锭的方法的变形。图5是示出根据变形的生长SiC单晶100的步骤的示意性剖视图。如图5中所示，在这个变形中，使用SiC种衬底10b，SiC种衬底10b具有以连接第一主表面P1和第二主表面P2的锥形形状倾斜的侧表面。通过例如将SiC晶锭研磨成圆柱形形状，然后将SiC晶锭切片以得到衬底，并且此后将衬底的侧表面斜切来制备此SiC种衬底10b。SiC种衬底10b具有形成在第二主表面P2上的金属碳化物膜11，如同上述的SiC种衬底10a一样。
如图5中所示，支承构件51b还具有以锥形形状倾斜的支承部分ST。因此，可在不需要特别的定位工作的情况下，通过支承构件51b支承SiC种衬底10b，导致减小的处理负载。另外，被支承部分SD是以锥形形状倾斜的SiC种衬底10b的侧表面的一部分。也就是说，同样，在这种情况下，被支承部分SD处于除了其中已经形成金属碳化物膜11的区域之外的SiC种衬底10b的表面的区域中。因此，以与以上类似的方式，可在SiC种衬底10b的第二主表面P2侧不受约束的情况下，在第一主表面P1上生长SiC单晶100，并且通过金属碳化物膜11抑制背面升华。因此，可制造出具有少量晶体缺陷的SiC晶锭。
<碳化硅衬底>
描述根据本实施例的SiC衬底1000。图9是示出SiC衬底1000的示例的示意图。SiC衬底1000是通过将用上述制造方法得到的SiC晶锭切片而得到的衬底(晶圆)，并且可用作半导体器件的衬底，因为它具有少量的晶体缺陷。例如，SiC衬底1000的厚度不小于0.2mm且不大于5.0mm。SiC衬底1000的平面形状是例如圆形，SiC衬底1000的直径优选地不小于100mm，更优选地不小于150mm。可因此削减半导体器件的制造成本。
经受了上述制造处理后，SiC衬底1000包括形成金属碳化物膜11的金属元素(例如，Ti、V和Zr)。然而，元素的浓度在不小于0.01ppm且不大于0.1ppm的范围内，并且被视为对半导体器件的性能的影响小。例如，可通过二次离子质谱仪(SIMS)或全反射X射线荧光计(TXRF)来测量金属元素的浓度(质量分数)。金属元素的浓度优选地不大于0.09ppm，更优选地不大于0.08ppm，特别优选地不大于0.07ppm。
<碳化硅外延衬底>
描述根据本实施例的碳化硅外延衬底。图12是示出根据本实施例的碳化硅外延衬底的构造示例的示意性剖视图。SiC外延衬底2000包括SiC衬底1000和形成在SiC衬底1000上的外延层1001。
SiC衬底1000包括选自由Ti、V和Zr组成的金属元素组中的至少一个。在SiC衬底1000中，金属元素的浓度不小于0.01ppm且不大于0.1ppm。外延层1001是在SiC衬底1000上外延生长的层。外延层1001可以是由碳化硅制成的层、或由与碳化硅不同的化合物(诸如，氮化镓(GaN))制成的层。例如，外延层1001的厚度可不小于5μm、或不小于10μm。例如，外延层1001的厚度可不大于100μm、或不大于50μm。
如上所述，SiC衬底1000是具有少量晶体缺陷的衬底。因此，SiC衬底1000上生长的外延层1001也可以是具有少量晶体缺陷的层。
[半导体器件]
描述根据本实施例器件的半导体器件。图10是示出根据本实施例的半导体器件的构造的示例的示意性剖视图。图10中示出的半导体器件是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。
MOSFET 3000包括SiC外延衬底2000。MOSFET 3000还包括栅极氧化物膜136、栅极电极140、层间绝缘膜160、源极电极141、表面保护电极142、漏极电极145、和背面表面保护电极147。
如上所述，SiC外延衬底2000包括SiC衬底1000和形成在SiC衬底1000上的外延层1001。也就是说，MOSFET 3000是包括含选自由Ti、V和Zr组成的金属元素的组中的至少一个的SiC衬底，金属元素的浓度不小于0.01ppm且不大于0.1ppm。
在MOSFET 3000中，SiC衬底1000是具有n型导电性(第一导电类型)的n型衬底。外延层1001设置在SiC衬底1000上。在MOSFET 3000中，外延层1001是由碳化硅制成的同质外延层。外延层1001包括例如漂移区131、本体区132、源区133和接触区134。漂移区131包含诸如氮(N)的n型杂质并且具有n型导电性。漂移区131中的n型杂质的浓度可低于SiC衬底1000中的n型杂质的浓度。本体区132包含诸如铝(Al)或硼(B)的p型杂质，并且具有p型导电性(不同于第一导电类型的第二导电类型)。本体区132中的p型杂质的浓度可高于漂移区131中的n型杂质的浓度。
本说明书中的“第一导电类型”和“第二导电类型”仅仅用于将第一导电类型和第二导电类型彼此区分开。因此，第一导电类型可以是p型并且第二导电类型可以是n型。
源区133包含诸如磷(P)的杂质，并且具有n型导电性。源区133通过本体区132与漂移区131分开。源区133形成外延层1001的表面的一部分。当从垂直于外延层1001的表面的方向来看时，源区133可被本体区132环绕。源区133中的n型杂质的浓度可高于漂移区131中的n型杂质的浓度。
接触区134包含诸如Al、B的p型杂质，并且具有p型导电性。接触区134形成外延层1001的表面的一部分。接触区134贯穿源区133延伸，并且接触本体区132。接触区134中的p型杂质的浓度可高于本体区132中的p型杂质的浓度。
栅极氧化物膜136形成在外延层1001的表面上。栅极氧化物膜136接触源区133、本体区132和漂移区131中的每个。例如，栅极氧化物膜136可由二氧化硅制成。
栅极电极140设置在栅极氧化物膜136上。栅极电极140面对源区133、本体区132和漂移区131中的每个。例如，栅极电极140可由掺杂有杂质Al的多晶硅制成。
源极电极141接触源区133和接触区134。源极电极141可接触栅极氧化物膜136。例如，源极电极141可由包括Ti、Al和Si的材料制成。源极电极141可欧姆接触源区133。源极电极141还可欧姆接触接触区134。
层间绝缘膜160覆盖栅极电极140。层间绝缘膜160接触栅极电极140和栅极氧化物膜136。层间绝缘膜160将栅极电极140和源极电极141彼此电绝缘。表面保护电极142覆盖层间绝缘膜160。例如，表面保护电极142可由包括Al的材料制成。表面保护电极142电连接到源极电极141。
漏极电极145接触SiC衬底1000。漏极电极145可欧姆接触SiC衬底1000。漏极电极145和外延层1001彼此面对，使SiC衬底1000插入其间。例如，漏极电极145可由包括NiSi的材料制成。背面表面保护电极147电连接到漏极电极145。例如，背面表面保护电极147可由包括Al的材料制成。
<制造半导体器件的方法>
描述根据本实施例的制造半导体器件的方法。举例来说，这里描述制造上述MOSFET 3000的方法。图11是示出根据本实施例的制造半导体器件的方法的概况的流程图。制造半导体器件的方法包括制备碳化硅衬底的步骤(S1000)和处理碳化硅衬底的步骤(S2000)。已经描述了制备SiC衬底的步骤，因此这里将不重复进行描述。
(处理碳化硅衬底的步骤：S2000)
在制备了SiC衬底之后，执行处理SiC衬底的步骤。本实施例中的处理SiC衬底的步骤包括例如在SiC衬底上外延生长、在SiC衬底上形成电极以及将SiC衬底划片。也就是说，处理SiC衬底的步骤可以是包括外延生长步骤、电极形成步骤和划片步骤中的至少一个的步骤。
如图12中所示，首先，例如，通过CVD在SiC衬底1000上生长由碳化硅制成的外延层1001。由此制造出SiC外延衬底2000。例如，使用硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)作为外延生长的源材料气体。例如，使用氢(H2)作为载气。例如，外延生长期间SiC衬底1000的温度可以是大约不低于1400℃且不高于1700℃。
在外延生长之后，执行离子注入。图13是示出离子注入步骤的示意性剖视图。例如，将Al离子注入外延层1001的表面中。因此，在外延层1001中形成具有p型导电性的本体区132。随后，将例如P离子注入本体区132中，达到的深度比以上Al离子的注入深度浅。因此，形成具有n型导电性的源区133。此外，例如，将Al离子注入源区133中。因此，形成接触区134，接触区134贯穿源区133延伸并且到达本体区132，并且具有p型导电性。在外延层1001中，除了本体区132、源区133和接触区134之外的区域用作漂移区131。例如，离子注入期间SiC外延衬底2000的温度可以是大约300℃至600℃。
在离子注入之后，执行激活退火。例如，SiC外延衬底2000在大约1800℃的温度下经受大约30分钟的热处理。这样激活了通过离子注入而引入的杂质，以在每个区域中生成所期望的载流子。
在激活退火之后，形成栅极氧化物膜。图14是示出栅极氧化物膜形成步骤和电极形成步骤的示意性剖视图。例如，通过热氧化来形成栅极氧化物膜。通过在包括氧气的气氛下使SiC外延衬底2000经受热处理来引起热氧化。因此，可形成由二氧化硅制成的栅极氧化物膜。例如，热处理温度可以是大约1300℃。例如，热处理时间可以是大约60分钟。栅极氧化物膜136被形成为接触外延层1001的表面上的漂移区131、本体区132、源区133和接触区134中的每个。
然后，在栅极氧化物膜上形成栅极电极。例如，通过LPCVD(低压CVD)来形成栅极电极。例如，栅极电极140由掺杂有杂质并且表现出导电性质的多晶硅制成。栅极电极140形成在面对源区133、本体区132和漂移区131中的每个的位置。
然后，形成层间绝缘膜。图15是示出层间绝缘膜形成步骤和电极形成步骤的示意性剖视图。例如，通过等离子体CVD来形成层间绝缘膜。例如，层间绝缘膜由包括二氧化硅的材料制成。层间绝缘膜160被形成为覆盖栅极电极140并且接触栅极氧化物膜136。
然后，形成源极电极。在形成源极电极之前，部分蚀刻层间绝缘膜160和栅极氧化物膜136。因此，形成通过栅极氧化物膜136暴露源区133和接触区134的区域。然后，在此时暴露源区133和接触区134的区域上，例如，通过溅射来形成金属层。例如，金属层由包括Ti、Al和Si的材料制成。金属层例如经受大约1000℃的热处理，以将金属层的至少一部分硅化。金属层此时用作与源区133欧姆接触的源极电极141。
然后，形成表面保护电极。例如，通过溅射来形成表面保护电极。例如，表面保护电极可由包括Al的材料制成。如图10中所示，表面保护电极142被形成为接触源极电极141并且覆盖层间绝缘膜160。
然后，形成漏极电极。例如，通过溅射来形成漏极电极。如图10中所示，漏极电极145形成在面对外延层1001的位置，使SiC衬底1000插入其间。例如，漏极电极145可由包括NiSi的材料制成。背面表面保护电极147进一步形成为接触漏极电极145。例如，通过溅射来形成背面表面保护电极。例如，背面表面保护电极由包括Al的材料制成。
此外，通过指定的划片刀来划分SiC衬底1000。因此，制造出作为多个芯片的半导体器件。
如上所述，已经将MOSFET描述为本说明书中的半导体器件的示例。然而，本实施例的半导体器件不限于MOSFET。例如，本实施例可应用于IGBT(绝缘栅双极晶体管)、SBD(肖特基势垒二极管)、LED(发光二极管)、JFET(结型场效应晶体管)、晶闸管、GTO(栅极关断晶闸管)、PiN二极管、MESFET(金属半导体场效应晶体管)。
这些半导体器件不限于碳化硅半导体器件，只要它们包括本实施例的碳化硅衬底。例如，本实施例的半导体器件可包括碳化硅衬底上的由不同于碳化硅的化合物(诸如，GaN)制成的外延层。
取决于应用的半导体器件、器件规范等，酌情地改变SiC衬底1000的导电类型。SiC衬底1000可以是n型衬底、p型衬底、或半绝缘衬底。
在生长上述的SiC单晶的步骤(S300)中，通过将例如N2气体、磷化氢(PH3)气体引入生长容器50中，可将作为n型杂质的氮、磷等掺入单晶中，由此可制造具有n型导电性的SiC单晶。通过将这个SiC单晶切片来得到n型衬底。
通过将包含诸如Al、B的p型杂质的固体或气体引入生长容器50中，可将作为p型杂质的Al、B等掺入单晶中，由此可制造出具有p型导电性的SiC单晶。通过将这个SiC单晶切片来得到p型衬底。包含p型杂质的固体或气体的示例包括金属Al、三甲基铝((CH3)3Al)气体、三氯化硼(BCl3)气体。
另外，通过在具有减少的n型杂质和p型杂质的气氛中生长单晶，可制造出半绝缘SiC单晶。通过将这个SiC单晶切片来得到半绝缘衬底。例如，可如下地形成具有减少的n型杂质和p型杂质的气氛。也就是说，由石墨制成并且放置在炉子(包括生长容器50)中的构件预先经受热处理、卤素处理等，以使由石墨制成的构件中包括的氮、磷、Al、B等最小化。通过使用由具有最少的n型杂质和p型杂质的石墨制成的构件，并且通过不将n型杂质和p型杂质大幅引入被引入气体中，可形成其中SiC单晶可以为半绝缘的气氛。
尽管以上已经描述了本实施例，但应该理解，本文中公开的实施例在每个方面都是例证性的，而非限制性的。本发明的范围由权利要求书的条款而非上述实施例限定，并且旨在包括与权利要求书的条款等同的范围和含义内的任何修改形式。
参考符号列表
1源材料；10a、10b碳化硅种衬底；11金属碳化物膜；11a金属膜；31碳基底；32碳板；50生长容器；51a、51b支承构件；52容器主体；100碳化硅单晶；131漂移区；132本体区；133源区；134接触区；136栅极氧化物膜；140栅极电极；141源极电极；142表面保护电极；145漏极电极；147背面表面保护电极；160层间绝缘膜；1000碳化硅衬底(半导体器件的衬底)；1001外延层；2000碳化硅外延衬底；3000MOSFET(半导体器件)；P1第一主表面；P2第二主表面；SD被支承部分；ST支承部分。

Claims (16)

1.一种制造碳化硅晶锭的方法，包括以下步骤：
制备碳化硅种衬底，所述碳化硅种衬底具有第一主表面和与所述第一主表面相反地设置的第二主表面；
在不高于2000℃的温度下，在所述第二主表面上形成金属碳化物膜；以及
在通过支承构件支承上面形成有所述金属碳化物膜的所述碳化硅种衬底的同时，通过升华，在所述第一主表面上生长碳化硅单晶，
在生长步骤中，被所述支承构件支承的所述碳化硅种衬底的表面的被支承部分处于除了已经形成所述金属碳化物膜的区域之外的区域中。
2.根据权利要求1所述的制造碳化硅晶锭的方法，其中，
所述金属碳化物膜包括碳化钛、碳化钒和碳化锆中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的制造碳化硅晶锭的方法，其中，
形成所述金属碳化物膜的步骤包括以下步骤：
在所述第二主表面上形成金属膜，以及
将所述金属膜碳化。
4.根据权利要求3所述的制造碳化硅晶锭的方法，其中，
将所述金属膜碳化的步骤包括以下步骤：
在所述第一主表面面向下的情况下将所述碳化硅种衬底放置在碳基底上，以及
在向所述金属膜供应碳的同时加热所述金属膜。
5.根据权利要求3或4所述的制造碳化硅晶锭的方法，其中，
形成金属碳化物膜的步骤还包括以下步骤：在将所述金属膜碳化的步骤之后，平整所述金属碳化物膜。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的制造碳化硅晶锭的方法，其中，
在生长步骤中，
所述碳化硅种衬底被布置在源材料上方，并且与所述源材料有距离，
所述第一主表面面对所述源材料，以及
所述被支承部分处于所述第一主表面的端部处。
7.一种碳化硅种衬底，包括第一主表面和与所述第一主表面相反地设置的第二主表面，
所述第一主表面是晶体生长表面，
所述第二主表面上面具有金属碳化物膜，
所述金属碳化物膜包括碳化钛、碳化钒和碳化锆中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的碳化硅种衬底，其中，
所述金属碳化物膜的膜厚度不小于0.1μm且不大于1.0mm。
9.根据权利要求7或8所述的碳化硅种衬底，其中，
所述金属碳化物膜的膜厚度的变化系数不大于20％。
10.一种制造碳化硅晶锭的方法，包括以下步骤：
制备根据权利要求7至9中的任一项所述的碳化硅种衬底；以及在通过支承构件支承所述碳化硅种衬底的同时，通过升华，在所述第一主表面上生长碳化硅单晶，
在生长步骤中，被所述支承构件支承的所述碳化硅种衬底的表面的被支承部分处于除了已经形成所述金属碳化物膜的区域之外的区域中。
11.一种碳化硅衬底，所述碳化硅衬底是通过将根据权利要求10所述的制造方法已经得到的碳化硅晶锭进行切片来得到的，
所述衬底包括形成所述金属碳化物膜的金属元素，
所述金属元素的浓度不小于0.01ppm且不大于0.1ppm。
12.一种半导体器件，包括碳化硅衬底，所述碳化硅衬底包括从由钛、钒和锆组成的金属元素的组选择的至少一种金属元素，所述金属元素的浓度不小于0.01ppm且不大于0.1ppm。
13.根据权利要求12所述的半导体器件，其中，
所述碳化硅衬底是半绝缘衬底。
14.根据权利要求12所述的半导体器件，其中，
所述碳化硅衬底是n型衬底。
15.根据权利要求12所述的半导体器件，其中，
所述碳化硅衬底是p型衬底。
16.一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：
制备根据权利要求11所述的碳化硅衬底；以及
处理所述碳化硅衬底。
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