CN109952393A - SiC单晶复合体和SiC锭 - Google Patents

Abstract

本SiC单晶复合体具备位于俯视中央的中央部和围绕所述中央部外周的外周部，所述中央部与所述外周部的结晶面倾斜或不同，在所述中央部与所述外周部之间具有边界，构成所述中央部的结晶的方向与构成所述外周部的结晶方向隔着所述边界而不同。

Description

SiC单晶复合体和SiC锭

技术领域

本发明涉及SiC单晶复合体和SiC锭。

本申请基于2016年11月15日在日本提出申请的专利申请2016-222273号主张优先权，将其内容引用于此。

背景技术

碳化硅(SiC)与硅(Si)相比绝缘击穿电场大1位，带隙大3倍。另外，碳化硅(SiC)具有热传导率比硅(Si)高3倍左右等特性。期待碳化硅(SiC)在功率器件、高频器件、高温工作器件等中的应用。

SiC晶片是切取SiC锭而制作的。近年，随着市场需要，要求生长SiC外延膜的SiC晶片的大口径化。因此，SiC锭本身的大口径化、长度化的要求也在提高。例如，专利文献1中记载了为了扩大SiC单晶的口径而设置了锥形引导构件的单晶生长装置。

但是，如果从籽晶结晶生长出的单晶和在引导构件上生长出的多晶接触，则成为缺陷、不同种多型、开裂等的原因，使SiC锭品质劣化。

为了避免这样的问题，专利文献2中将锥形引导构件保持在高温，抑制多晶SiC在引导构件表面结晶生长。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2002-60297号公报

专利文献2：日本特开2013-166672号公报

发明内容

但是，专利文献2所记载的方法中，需要对引导构件进行加热等处理，要求更简便的方法。

本发明是鉴于上述问题而完成的，目的在于提供一种能够提供高品质SiC晶片的SiC单晶复合体和SiC锭。

本发明人专心研究的结果，发现了通过俯视时在中央部与外周部改变结晶状态，能够防止由于与多晶接触而产生的缺陷侵入到SiC晶片所用的中央部中，从而得到高品质SiC晶片。

即，本发明为了解决上述课题，提供以下手段。

(1)本实施方式一方案的SiC单晶复合体，具备：位于俯视中央的中央部、以及围绕所述中央部的外周的外周部，所述中央部与所述外周部的结晶面倾斜或不同，在所述中央部与所述外周部之间具有边界，构成所述中央部的结晶的方向与构成所述外周部的结晶的方向隔着所述边界而不同。

(2)上述方案的SiC单晶复合体中，可以是：所述中央部的结晶生长面具有相对于{0001}面为2°以上且20°以下的偏移角。

(3)上述方案的SiC单晶复合体，可以是：在与结晶生长时的偏移方向平行且穿过中心的直线和所述边界的交点，所述中央部与所述外周部的结晶面彼此以相对于所述中央部与所述外周部的边界面垂直的方向为轴倾斜2°以上。

(4)上述方案的SiC单晶复合体中，可以是：所述中央部的结晶面为(000-1)C面，所述外周部的结晶面为(0001)Si面。

(5)上述方案的SiC单晶复合体中，可以是：所述边界设置在距离所述SiC单晶复合体的外周端为所述SiC单晶复合体的直径5％以上的内侧。

(6)本发明一方案的SiC锭，具有：位于俯视中央的第1单晶、围绕所述第1单晶的外周的第2单晶、以及连接所述第1单晶与所述第2单晶的接合部，构成所述第1单晶的结晶的方向与构成所述第2单晶的结晶的方向以所述接合部为界而不同。

(7)上述方案的SiC锭中，所述第1单晶与所述第2单晶的多型可以不同。

根据本发明一方案的SiC单晶复合体，能够得到预定的SiC锭，能够得到高品质SiC晶片。

附图说明

图1是本发明一方案的SiC单晶复合体的示意图。

图2是示意地表示中央部与外周部的结晶面不同时的中央部与外周部的边界附近的图。

图3是示意地表示中央部与外周部的结晶面倾斜时的中央部与外周部的边界附近的图。

图4是在外周部的结晶面相对于中央部的结晶面倾斜了8°的SiC单晶复合体上结晶生长SiC而得到SiC晶片，并将得到的该SiC晶片的表面进行熔融KOH蚀刻处理后的边界部的显微镜像。

图5是对本实施方式的SiC单晶复合体的另一例进行俯视的图。

图6是将SiC单晶复合体设为籽晶，示出制作SiC锭的过程的图。

图7是在以往的SiC单晶上结晶生长出的SiC锭的截面示意图。

图8是在本实施方式的SiC单晶复合体上结晶生长出的SiC锭的截面示意图。

具体实施方式

以下，适当参照附图对应用了本发明的SiC单晶复合体和SiC锭进行详细说明。为了方便起见，以下说明中使用的附图有时将成为特征的部分放大表示，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。在以下说明中例示的材质、尺寸等仅为一例，本发明不限定于此，在不变更其主旨的范围能够适当变更来实施。

图1是本发明一方案的SiC单晶复合体10的示意图。图1(a)是截面示意图，图1(b)是平面示意图。

如图1所示，SiC单晶复合体10具备位于俯视中央的中央部1和围绕中央部1的外周的外周部2。在中央部1与外周部2之间形成有边界3。

中央部1的结晶生长面1a优选具有相对于{0001}面为2°以上且20°以下的偏移角。即，作为中央部1的结晶面的{0001}面优选相对于结晶生长面1a倾斜。在此，{0001}面是包含(000-1)C面和(0001)Si面的面，是相对于<0001>方向(c轴方向)正交的面。该面有时被称为c面。

在本说明书中，“偏移角”是指结晶生长面1a的向量与{0001}面的向量所成的角。另外，“偏移上游”是指将{0001}面的向量投影到结晶生长面1a上的向量的顶端朝向的方向，“偏移下游”是指偏移上游的相反方向。此外，“结晶面”是指由结晶具有的米勒指数定义的面，“结晶生长面”是指制作SiC锭时在表面露出的面，是指SiC单晶复合体10的一面。

当在SiC单晶复合体10的结晶生长面上制作SiC锭的情况下，SiC发生阶流生长。阶流生长是结晶一边沿a面方向生长，一边作为整体在c面方向上生长。因此，在偏移上游侧产生的缺陷、位错能够向偏移下游侧流出。因此，在结晶生长过程中产生的缺陷和结晶位错向外部流出，可得到高品质的SiC锭。

结晶生长面1a相对于{0001}面的偏移角为2°以上且20°以下，优选为3°以上且9°以下。如果偏移角过小，则缺陷难以向偏移下游流动。如果缺陷不向偏移下游流动，而是留在同一位置，则生长中缺陷难以减少。另外，如果偏移角过小，则结晶生长沿c轴方向进行，容易产生不同种多型。

另一方面，如果偏移角过大，则由于温度梯度而向c面滑动的方向(与{0001}面平行的方向)施加应力，容易产生基面位错。另外，与制作器件等时使用的SiC晶片的偏移角(通常为4°以下)之差变大。因此，需要从SiC锭斜向切取SiC晶片，得到的SiC晶片的获取数变少。

中央部1与外周部2的结晶面倾斜或不同，构成中央部1的结晶的方向与构成外周部2的结晶的方向隔着边界3而不同。边界3是中央部1与外周部2的界面。即使在中央部1与外周部2接合的情况下，中央部1与外周部2作为结晶也不连续。即，边界3在结晶学上接近结晶晶界，对应于原子排列混乱的区域。

从中央部1结晶生长的单晶与从外周部2结晶生长的单晶没有一体化。本说明书中，“一体化”与“接合”的含义不同。“一体化”是指“结晶排列没有混乱地接合”，“接合”是指“结晶彼此连接而没有空间上的空隙等间隙的状态”。即，“接合”是较宽的概念，“一体化”表示“接合”之中连结晶排列都连接起来的状态。因此，在结晶生长后残留边界的情况下，可以说是没有一体化。边界可以通过例如表面蚀刻后的显微镜像等来确认。

首先，对于中央部1与外周部2的结晶面不同的情况进行说明。图2是示意地表示中央部1与外周部2的结晶面不同时的图1中的边界B附近的图。也就是说，是将中央部1与外周部2之间的边界3的一部分放大了的图。

在图2中，中央部1的结晶面C1与外周部2的结晶面C2平行。另一方面，结晶面C1与结晶面C2的晶面指数不同。

作为中央部1与外周部2的结晶面不同的一例，有中央部1的结晶面C1为(000-1)C面，外周部2的结晶面C2为(0001)Si面的情况。C面与Si面可以分别具有20°以下的偏移角，也可以具有9°以下的偏移角。

SiC单晶具有Si面((0001)Si面)和C面((000-1)C面)这样的极性面，极性面的物性由于悬空键的不同而不同。所谓极性面，对于不存在缺陷等的理想面，是指从构成半导体的原子(SiC的情况下为Si与C)的基板表面的露出概率不同的面的。即，SiC基板中的C面中，主要是C面从基板表面露出，C比Si的露出概率高，Si面中，主要是Si面从基板表面露出，Si比C的露出概率高。

SiC单晶是硅原子的层与碳原子的层在<0001>方向上交替层叠而成的。因此，在(000-1)C面上结晶生长出的第1单晶与在(0001)Si面上结晶生长出的第2单晶，硅原子的层与碳原子的层的顺序相反。因此，在边界部3上连结第1单晶与第2单晶的接合部作为晶界存在，结晶彼此没有一体化。

另外，结晶面为(000-1)C面的情况下，4H-SiC与6H-SiC的多型的单晶生长，但如果结晶生长面为4H则占支配性地产生4H-SiC。相对于此，结晶面为(0001)Si面的情况下，虽然混合存在15R-SiC，但占支配性地产生6H-SiC。

因此，在(000-1)C面的结晶面C1上结晶生长4H-SiC，在(0001)Si面的结晶面C2上结晶生长6H-SiC。也就是说，在(000-1)C面上结晶生长出的第1单晶和在(0001)Si面上结晶生长出的第2单晶的多型也不同。

到此为止，作为中央部1与外周部2的结晶面不同的情况的一例，基于(000-1)C面与(0001)Si面的情况进行了说明，但不限定于该情况。

可举出例如中央部1的结晶面C1为(0001)，外周部2的结晶面C2为(1-10x)的情况，中央部1的结晶面C1为(0001)，外周部2的结晶面C2为(11-2x)的情况等(x是整数)。

任意情况下，结晶面都不同，因此在从中央部1结晶生长的第1单晶与从外周部2结晶生长的第2单晶之间作为晶界残存接合部。即，构成第1单晶的结晶的方向与构成第2单晶的结晶的方向不同，晶体彼此没有一体化。

接着，对于中央部1与外周部2的结晶面倾斜的情况进行说明。图3是将中央部1与外周部2的结晶面倾斜时的中央部1与外周部2之间的边界3的一部分即边界Ba附近放大了的图。

在图3中，中央部1的结晶面C1与外周部2的结晶面C2具有相同的晶面指数。

另一方面，结晶面C1与结晶面C2彼此以相对于边界面1A、边界面2A垂直的方向为轴倾斜了倾角θ。

一般如果在具有同一晶面指数的结晶面上生长结晶，则结晶一体化，看不到结晶的界面。但是，如果所述倾角θ达到2°以上，则在结晶的生长过程无法彻底缓和结晶的应变(混乱)，结晶变得没有一体化。

例如，图4是在外周部2的结晶面C2相对于中央部1的结晶面C1倾斜了8°的SiC单晶复合体上结晶生长SiC而得到的SiC晶片的显微镜像。在中央部1上结晶生长出的部分是第1单晶21，在外周部2上结晶生长出的部分是第2单晶22。图4是对SiC晶片的表面进行蚀刻，并采用显微镜拍摄其表面的像。

如图4所示，在第1单晶21与第2单晶22之间确认到明确的接合部23。构成第1单晶21的结晶的方向与构成第2单晶22的结晶的方向隔着接合部23而不同。因此，接合部23在结晶学上接近结晶晶界，对应于原子排列混乱的区域。因此，第1单晶21与第2单晶22接合，但没有作为晶体一体化。

图5是对本实施方式的SiC单晶复合体的另一例进行俯视的图。如图5所示，当中央部1为圆形的情况下，在中央部1与外周部2的圆形的边界部3的全部位置，如图3所示，对中央部1的结晶面与外周部2的结晶面赋予倾角θ是困难的。

例如，在与偏移方向平行且穿过SiC单晶的中心的直线与边界3交叉的交点B1、B3，如果以相对于边界面1A、边界面2A垂直的方向为轴赋予倾角θ，则在另一交点B2、B4倾斜方向变化，无法赋予以相对于边界面1A、2A垂直的方向为轴的倾角θ。

该情况下，至少在与结晶生长时的偏移方向平行且穿过中心的直线L1和边界3的交点B1、B3，倾角θ优选具有预定关系。

在SiC单晶复合体的结晶生长中产生的缺陷从偏移上游侧向下游侧流动。因此，通过晶体在交点B1、B3不连续连结(没有一体化)，能够防止在外周部2产生的缺陷和位错向中央部1传递。

此时，倾角θ优选为2°以上，更优选为4°以上，进一步优选为8°以上。上限可以如上所述地将中央部的结晶面设为C面并将外周部的结晶面设为Si面，为180°以下即可。

另外，如图5所示将外周部2分为多份，在边界3，优选扩大满足预定倾角θ的关系的范围。外周部2的分割数优选为4份以上，更优选为6份以上。

如果将外周部2设为4份，则与偏移方向平行且穿过中心的直线L1与边界3的交点B1、B3和与直线L1正交的直线L2与边界3的交点B2、B4能够满足预定的倾角θ的关系。

如果4个交点B1、B2、B3、B4满足预定的倾角θ的关系，则在圆形状的边界的任意位置，中央部1的结晶面C1与外周部2的结晶面C2的应变都达到在结晶生长过程中无法缓和应变的程度。因此，能够避免从中央部1结晶生长出的第1单晶与从外周部2结晶生长出的第2单晶一体化的情况。

此时，倾角θ优选为2°以上，更优选为4°以上，进一步优选为8°以上。

同样地，如果将外周部2分为6份，则可以在6个交点满足预定的倾角θ的关系。SiC具有6重对称的晶体结构。因此，如果在6个交点满足预定的倾角θ的关系，则在具有对称性的全部取向，能够避免第1单晶与第2单晶一体化的情况。

此时，倾角θ优选为2°以上，更优选为4°以上，进一步优选为8°以上。

接着，基于图6～图8，对从中央部1结晶生长出的第1单晶与从外周部2结晶生长出的第2单晶没有一体化的优点进行说明。图6是将SiC单晶复合体10设为籽晶，示出制作SiC锭20的过程的图。

图6所示坩埚100能够在坩埚下部收纳原料G。坩埚100具有：设置在与原料G相对的位置的结晶设置部101、以及从结晶设置部101向原料G扩径的锥形引导构件102。通过加热原料G而产生的原料气体沿着锥形引导构件102向设置于结晶设置部101的SiC单晶复合体10供给。通过向SiC单晶复合体10供给原料气体，SiC锭20在SiC单晶复合体10的结晶生长面上结晶生长。

图7是在以往的SiC单晶30上结晶生长出的SiC锭40的截面示意图。以往的SiC单晶30没有分为中央部和外周部，具有一样的结晶生长面30a，因此结晶生长的SiC锭40沿着坩埚内的温度分布和原料气体的供给量一样地结晶生长。例如，在具有相对于{0001}面为4°偏移角的结晶生长面30a上结晶生长SiC锭40。

如果生长推进而使尺寸变大，则生长出的结晶本身的隔热效果变大，锥形引导构件一方变为低温。结果在锥形引导构件表面析出多晶，对生长结晶端部的形状造成影响。由于该影响，容易向锭外周部导入缺陷。

如果在锥形引导构件102析出的多晶A(参照图6)和SiC锭40在结晶生长过程中接触，则在该接触了的部分产生缺陷、不同种多型、开裂等。这些缺陷向SiC锭40的内侧传播。由于该影响，容易向锭外周部导入缺陷，SiC锭40的品质劣化。

另一方面，图8是在本实施方式的SiC单晶复合体10上结晶生长出的SiC锭20的截面示意图。

在SiC单晶复合体10上结晶生长出的SiC锭20，在第1单晶21与第2单晶22之间具有接合部23，第1单晶21在SiC单晶复合体10的中央部1上结晶生长，第2单晶22在外周部2上结晶生长。接合部23不是第1单晶21和第2单晶22那样的单晶，也不是非晶形的，而是具有一些结晶性的结晶混乱的部分。

以接合部23为界，构成第1单晶21的结晶的方向与构成第2单晶22的结晶的方向不同。即，以接合部23为界，对彼此相邻的第1单晶21与第2单晶22进行比较时，无法确认作为晶体的连续性，第1单晶21与第2单晶22没有一体化。也就是说，即使在SiC锭20的外周侧存在的第2单晶22与多晶A接触而产生缺陷，结晶性也被接合部23隔断，该缺陷没有传播到第1单晶21。

这从图4所示的实施了蚀刻的晶片表面也能够确认。在图4的第2单晶22存在缺陷D。图4所示缺陷D是基面位错(BPD)。缺陷D在第2单晶22内沿一个方向连续存在。这是因为基面位错沿着(0001)面延伸存在的缘故。另一方面，该缺陷D没有经由接合部23传递到第1单晶21。即，可以说第2单晶22内的缺陷没有传递到第1单晶21。

也就是说，即使在结晶生长过程中多晶A与SiC锭20接触，产生的缺陷也没有通过接合部23向第1单晶21传递。即，通过用线锯等切取第1单晶21，能够得到高品质的SiC晶片。

另外，如果使用本实施方式的SiC单晶复合体10，则还具有能够将SiC锭20以高品质进行长尺寸化这一优点。

SiC单晶复合体10的边界3优选设置在距SiC单晶复合体10的外周端为SiC单晶复合体10的直径5％以上的内侧。如上所述，结晶的外周部受到周边影响容易产生缺陷。通过将边界3设置在距外周端一定程度的内侧，缺陷止于第2单晶的部分，能够不对第1单晶的部分造成影响。如果在该范围设置边界3，则即使在进行长尺寸化的情况下，也能够防止在第1单晶的部分的不同种多型和小倾角晶界的产生。另外，为了不使SiC晶片的取得效率大幅下降，优选将SiC单晶复合体10的边界3设置在距离SiC单晶复合体10的外周端为SiC单晶复合体10的直径30％的内侧位置的外侧。SiC单晶复合体10中的边界B的位置与接合部23的位置的关系通过事前研究来确认。

如上所述，根据本实施方式的SiC单晶复合体10，能够防止在结晶生长过程中由于多晶与SiC锭接触而产生的缺陷侵入到SiC锭20的内部。

即，根据本实施方式的SiC单晶复合体10，能够得到在中央部具有高品质的第1单晶的SiC锭，通过切取第1单晶能够得到高品质的SiC晶片。

以上，参照附图对本发明一方案的SiC单晶进行了说明，但只要不脱离本发明主旨，可以对上述方案施加各种变更。

(SiC单晶复合体和SiC锭的制造方法)

首先，对SiC单晶复合体10的制造方法进行说明。

对于SiC单晶复合体10的中央部1与外周部2的结晶面不同的情况具体说明。

首先，通过线锯将已经形成结束的SiC单晶的中央挖孔成圆形。例如，在已经形成结束的SiC单晶的结晶生长面为(000-1)C面的情况下，被挖孔的中央部1的结晶生长面也是(000-1)C面。

另一方面，将挖孔时残留的外周部2的方向翻转。并且，在通过对中央部1挖孔而形成的开口部再次嵌入中央部1。由于外周部2的方向翻转，所以结晶生长面成为(0001)Si面。

这样，从1个SiC单晶挖出中央部1，嵌入将挖出的中央部1的方向翻转了的外周部2中，由此能够得到本实施方式的SiC单晶复合体10。

接着，对于SiC单晶复合体10的中央部1与外周部2的结晶面倾斜的情况具体说明。

该情况下，如图5所示，将外周部2分为多个。并且将分出的外周部2在与中央部1的接点，设置为满足预定的倾角θ的关系。并且通过在分出的外周部2连结中央部1的外周，由此得到本实施方式的SiC单晶复合体10。

接着，在该SiC单晶复合体10的一面结晶生长单晶，制作SiC锭20。

SiC锭20的作制方法可以采用例如升华法之类的公知方法。例如，可以通过使用图6所示的坩埚100，制作从SiC单晶复合体10扩径了的SiC锭20。

从最后得到的SiC锭20获得SiC晶片。在SiC锭20的外周侧形成的第2单晶22有时与多晶A接触，结晶品质比第1单晶21差。

因此，使用线锯等除去SiC锭20的第2单晶22，加工成预定形状。并且，将被加工成预定形状的SiC锭在厚度方向上切片，由此得到SiC晶片。

附图标记说明

1…中央部、1a，30a…结晶生长面、1A，2A…边界面、2…外周部、3…边界、10…SiC单晶复合体、20，40…SiC锭、21…第1单晶、22…第2单晶、23…接合部、100…坩埚、101…结晶设置部、102…锥形引导构件、B，Ba…边界、B1～B4…交点、C1，C2…结晶面、D…缺陷、G…原料

Claims (7)

1.一种SiC单晶复合体，具备：

位于俯视中央的中央部、以及

围绕所述中央部的外周的外周部，

所述中央部与所述外周部的结晶面倾斜或不同，

在所述中央部与所述外周部之间具有边界，构成所述中央部的结晶的方向与构成所述外周部的结晶的方向隔着所述边界而不同。

2.根据权利要求1所述的SiC单晶复合体，

所述中央部的结晶生长面具有相对于{0001}面为2°以上且20°以下的偏移角。

3.根据权利要求1或2的任一项所述的SiC单晶复合体，

在与结晶生长时的偏移方向平行且穿过中心的直线与所述边界的交点，

所述中央部与所述外周部的结晶面彼此以相对于所述中央部与所述外周部的边界面垂直的方向为轴倾斜2°以上。

4.根据权利要求1或2的任一项所述的SiC单晶复合体，

所述中央部的结晶面为(000-1)C面，所述外周部的结晶面为(0001)Si面。

5.根据权利要求1～4的任一项所述的SiC单晶复合体，

所述边界设置在距离所述SiC单晶复合体的外周端为所述SiC单晶复合体的直径5％以上的内侧。

6.一种SiC锭，具有：

位于俯视中央的第1单晶、

围绕所述第1单晶的外周的第2单晶、以及

连接所述第1单晶与所述第2单晶的接合部，

构成所述第1单晶的结晶的方向与构成所述第2单晶的结晶的方向以所述接合部为界而不同。

7.根据权利要求6所述的SiC锭，

所述第1单晶与所述第2单晶的多型不同。