CN111868310B - 碳化硅单晶的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种SiC单晶的制造方法，其为利用上部设有温度测量用的孔的隔热材料包围生长容器，于该生长容器的上部的中心配置晶种基板，于生长容器的下部配置碳化硅原材料并使其升华而使SiC单晶在晶种基板上生长的方法，所述制造方法中，以使孔的中心位置与晶种基板的中心位置错开的方式，将孔相对于晶种基板的中心向外周侧的位置错开而设置，作为晶种基板，使用具有自作为基面的{0001}面仅倾斜了偏移角的主面的SiC单晶基板，在包含晶种基板的中心与孔的中心的剖视中，以使晶种基板的基面的法线矢量的与主面平行的分量的方向同孔的偏心方向为同一方向的方式，配置晶种基板而使SiC单晶生长。由此，提供一种减少了晶圆中央部的结晶性的劣化的碳化硅单晶的制造方法。

Description

碳化硅单晶的制造方法

技术领域

本发明涉及一种通过升华法而进行碳化硅的单晶生长的碳化硅单晶的制造方法。

背景技术

近年来，电动汽车及电冷暖气机之中大量使用逆变电路，由于电力损失少，且相较于使用半导体Si晶体的元件可取得更高的耐压的特性，因此谋求一种碳化硅(以后，有时也称为SiC)的半导体晶体。

作为SiC等的熔点高的晶体、难以进行液相生长的晶体的代表性且实际的生长方法，有升华法。升华法为在容器内以2000℃左右乃至2000℃以上的高温使固体原材料升华，从而使其在相对的晶种上进行晶体生长的方法(专利文献1)。

然而，为了升华，SiC的晶体生长需要高温，进而使得生长装置需要在高温下进行温度控制。此外，为了使经升华的物质的压力稳定，需要稳定地控制容器内的压力。此外，SiC的晶体生长依赖于升华速度，与Si的柴可拉斯基法或GaAs等的LPE制造法等相比，生长速度相对而言相当地慢。因此，会花费长时间生长。所幸，由于现今的控制设备的发达、计算机及个人计算机等的发达，能够长时间稳定地进行压力及温度的调节。

具体而言，基于SiC的升华法的生长方法使用如图7所示的SiC生长装置101而进行。该生长方法中，将碳化硅原材料103放入生长容器104内，使用加热器108进行加热，使其在配置在生长容器104内的晶种基板102上进行晶体生长(碳化硅单晶102a)。

生长容器104配置在真空的石英管内或真空的腔室内，其被活性低的气体充满一次，为了提升SiC的升华速度，使其氛围低于大气压。

于生长容器104的外侧配置有隔热材料105。在隔热材料105的一部分至少存在一个用于使用温度测量仪(高温计)107进行温度测量的孔106。因此，会有些许的热从孔中漏出。

该孔位于与晶种基板102的中心部相对应的位置，如图8所示，晶种基板102的面内温度分布在中心部变得最低，单晶会从中心向外侧呈螺旋状生长，因此会产生许多穿透位错(螺旋位错)。

生长容器104主要由碳材料构成，其具有通气性，使得生长容器内外的压力相等。

实际上，于生长容器的下部配置有碳化硅原材料。该碳化硅原材料为固体，在高温下、减压下会升华。经升华的材料在相对(配置于上部)的晶种基板上作为单晶而生长。为SiC时，单晶有立方晶、六方晶等，进一步在六方晶之中，4H、6H等作为代表性的多型(polytype)而为人所知。

多数情况下，在4H晶种上生长有4H，像这样，会生长出同型的单晶(专利文献2)。

在通过如上所述的SiC单晶的生长方法而得到的SiC单晶中，会在中央形成小平面，以螺旋位错为驱动力而进行生长，且存在许多缺陷。随着重复生长，中央部的结晶性会不断劣化。

使用存在有这种结晶性劣化的基板的元件的性能会显著降低。例如，在制作发光二极管时，会发生泄漏电流的增加及光度的降低。此外，有报告指出在高输出元件中无法维持耐压。因此，为了提升使用SiC单晶基板的元件的性能且提高晶圆内的产率，减少该中央部的结晶性的劣化是重要的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-191399号公报

专利文献2：日本特开2005-239465号公报

发明内容

本发明要解决的技术问题

本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供一种减少了晶圆中央部的结晶性的劣化的碳化硅单晶的制造方法。

解决技术问题的技术手段

为了达成上述目的，本发明提供一种碳化硅单晶的制造方法，其中，利用上部设有温度测量用的孔的隔热材料包围生长容器，于该生长容器内的上部的中心配置晶种基板，于所述生长容器的下部配置碳化硅原材料，使所述碳化硅原材料升华而使碳化硅单晶在所述晶种基板上生长，所述制造方法的特征在于，

以使所述隔热材料的温度测量用的孔的中心的位置与配置于所述生长容器内的所述晶种基板的中心的位置错开的方式，将所述温度测量用的孔，相对于配置在所述生长容器内的所述晶种基板的中心向外周侧的位置错开而设置，

作为所述晶种基板，使用具有自作为基面的{0001}面仅倾斜了偏移角的主面的碳化硅单晶基板，

在包含所述生长容器内的所述晶种基板的中心与所述隔热材料的所述温度测量用的孔的中心的剖视中，以使所述晶种基板的基面的法线矢量的与所述晶种基板的主面平行的分量的方向，同所述温度测量用的孔的中心相对于所述晶种基板的中心的偏心方向为同一方向的方式，将所述晶种基板配置于所述生长容器内，从而使所述碳化硅单晶生长。

如此，通过使温度测量用的孔偏心，将晶种基板上的最低温度区域自中心错开，扩大台阶流(step-flow)方向的SiC单晶生长区域，从而能够使减少了晶圆中央部的结晶性的劣化的SiC单晶生长。

此时，能够将所述晶种基板的偏移角设为0.5～10度。

若为这样的偏移角，则能够效率良好地进行台阶流生长。

此外，能够以使所述隔热材料的温度测量用的孔的中心，相对于配置在所述生长容器内的所述晶种基板的中心，位于比该晶种基板的半径的1/3的位置更靠外周侧的方式，设置所述隔热材料的温度测量用的孔。

若如此，则能够更确实地使碳化硅单晶在晶圆中央部沿台阶流方向生长，能够使减少了贯穿缺陷且减少了结晶性的劣化的碳化硅单晶生长。

发明效果

如上所述，根据本发明的碳化硅单晶的制造方法，能够制造减少了晶圆中央部的结晶性的劣化的碳化硅单晶。

附图说明

图1为示出能够实施本发明的碳化硅单晶的制造方法的SiC生长装置的一个实例的截面示意图。

图2为示出本发明的晶种基板的位置与温度分布的关系的图表。

图3为示出本发明的碳化硅单晶的制造方法的流程的一个实例的工序图。

图4为示出本发明中的晶种基板的配置方向的说明图。

图5为示出实施例中的晶圆面内应变分布的测定图。

图6为示出比较例中的晶圆面内应变分布的测定图。

图7为示出现有方法中使用的SiC生长装置的一个实例的截面示意图。

图8为示出以往的SiC生长装置中的晶种基板的位置与温度分布的关系的图。

具体实施方式

如上所述，本申请的发明人为了减少晶圆中央部的结晶性的劣化而反复进行了研究，结果发现通过下述方式，晶圆中央部的结晶性的劣化得以减少，从而完成了本发明：在利用上部设有温度测量用的孔的隔热材料包围生长容器，于该生长容器内的上部的中心配置晶种基板，于所述生长容器的下部配置碳化硅原材料，使所述碳化硅原材料升华而使碳化硅单晶在所述晶种基板上生长的碳化硅单晶的制造方法中，

以使所述隔热材料的温度测量用的孔的中心的位置与配置于所述生长容器内的所述晶种基板的中心的位置错开的方式，将所述温度测量用的孔，相对于配置在所述生长容器内的所述晶种基板的中心向外周侧的位置错开而设置，

作为所述晶种基板，使用具有自作为基面的{0001}面仅倾斜了偏移角的主面的碳化硅单晶基板，

在包含所述生长容器内的所述晶种基板的中心与所述隔热材料的所述温度测量用的孔的中心的剖视中，以使所述晶种基板的基面的法线矢量的与所述晶种基板的主面平行的分量的方向，同温度测量用的孔的中心相对于所述晶种基板的中心的偏心方向为同一方向的方式，将所述晶种基板配置于所述生长容器内，从而使所述碳化硅单晶生长。

以下，针对本发明，作为实施方案的一个实例，边参考附图边进行详细说明，但是本发明并不限定于此。

图1为示出能够实施本发明的碳化硅单晶的制造方法的SiC生长装置的一个实例的截面示意图。

如图1所示，本发明的SiC生长装置1具备：收纳晶种基板2及碳化硅原材料(也称为SiC原料)3的生长容器4、包围该生长容器4的隔热材料5、通过贯穿该隔热材料5而设置的温度测量用的孔(以下，也简称为孔)6来测量生长容器4内的温度的温度测量仪7及加热SiC原料的加热器8。

生长容器4由配置晶种基板2的生长室9与配置SiC原料3的升华室10组成，例如由具有耐热性的石墨形成。此外，进行晶体生长时，将生长容器4安装于未图示的石英管或腔室内，一边进行真空排气一边供给Ar等非活性气体，由此在非活性气体氛围的减压下进行晶体生长(碳化硅单晶2a的生长)。此时，若为n型，则也可添加氮。

加热器8能够使用进行RH(电阻加热)或RF(射频)加热的加热器。此外，通过将高温计用作温度测量仪7，能够自生长容器4的外部，通过隔热材料5的温度测量用的孔6，以非接触的方式精度良好地进行温度测量。

此处，针对本发明的SiC生长装置中的晶种基板及隔热材料的温度测量用的孔的位置进行详细描述。

在本发明中，晶种基板配置于生长容器内，更详细而言，如图1所示，配置于生长容器内的上部的中心。

此外，温度测量用的孔设置于隔热材料的上部。更详细而言，如图1所示，以使孔的中心的位置C2与生长容器内的上述晶种基板的中心的位置C1(换言之，生长容器上部的中心位置)错开的方式，以相对于晶种基板的中心C1向外周侧的位置错开的方式设置孔。

另外，作为设置于隔热材料上部的连接隔热材料的外侧与内侧的贯穿孔的、该温度测量用的孔的中心的位置C2，在此是指隔热材料的内侧(晶种基板侧)的截面的中心位置。

该隔热材料的温度测量用的孔的中心位置C2并不是晶种基板的中心位置C1，优选以使孔的中心位置C2相对于中心位置C1，位于比晶种基板的半径的1/3的位置更靠外周侧的方式设置孔。

如此，通过将温度测量用的孔的中心位置C2配置于中心位置C1的外侧，如图2所示，晶种基板中与孔的位置相对的位置的温度最低，能够使该温度最低的位置在晶种基板的半径的1/3的外侧。此外，该位置为碳化硅单晶的生长的起点。

以下，参考图3的工序图，对基于升华法的本发明的碳化硅单晶的制造方法进行说明。

首先，准备如图1所示的错开了温度测量用的孔6的位置的SiC生长装置1(工序一)。即，准备以使温度测量用的孔6的中心位置C2与之后配置的晶种基板2的中心的位置C1(生长容器上部的中心位置)错开的方式，将孔6相对于晶种基板2的中心位置C1向外周侧的位置错开而设置的装置。

接着，将SiC原料3收纳至生长容器4内的升华室10中(工序二)，准备晶种基板2并将其配置于生长室9的上部的中心位置(工序三)。此处，作为晶种基板2，准备具有自作为基面的{0001}面仅倾斜了偏移角的主面的碳化硅单晶基板。此外，该偏移角的大小虽然没有特别限定，但是能够设定为例如0.5～10度。通过使用这样的晶种基板2，能够进行台阶流生长，进一步通过晶种基板2、温度测量用的孔6的配置位置及之后详述的晶种基板2的配置方向的关系，能够减少所生长的碳化硅单晶2a中的应变及贯穿缺陷。此外，通过将偏移角设定成如上所述的值，能够以更良好的效率进行台阶流生长。

此外，关于此时的晶种基板2的配置方式(配置方向)，参考图4进行说明。图4为说明晶种基板2的配置方向的图，此处仅简单地记载了温度测量用的孔6及配置于生长容器4的上部中心的晶种基板2。另外，图4为包含晶种基板的中心C1与温度测量用的孔的中心C2的截面图。此外，作为晶种基板2，可例举出具有自作为基面的{0001}面向＜11-20＞方向倾斜了0.5～10度的晶体生长面的单晶基板。

如上所述，晶种基板本身具有自基面倾斜了偏移角的主面。因此，该基面的法线矢量N相对于与晶种基板2的主面垂直的方向是倾斜的，可分成与主面垂直的方向的分量Nv及与主面平行的方向的分量Np。在该实例中，与主面平行的方向的分量Np朝向左侧。

然而，当考量到温度测量用的孔的中心的位置C2，如上所述，使所述C2自晶种基板的中心的位置C1错开，在此将该错开的方向定义为偏心方向D。在该实例中，偏心方向D朝向左侧。

在本发明中，如图4所示，以使上述的Np(在此朝向左侧)与D(在此朝向左侧)为同一方向的方式，调节晶种基板的方向而进行配置。

接着，例如通入氩气及氮气，以1～20torr(1.3hPa～2.7×10hPa)的压力，使用加热器进行加热，从而以2000～2300℃的温度使SiC单晶2a在晶种基板2上生长(工序4)。

此时，如图4记载的冷却点所示，在晶种基板2中，对应于温度测量用的孔6的位置的部位的温度最低，该温度最低的位置为碳化硅单晶的生长的起点。对于图4而言，冷却点右侧的范围比冷却点左侧的范围广，在该宽广的范围内，在与主面平行的方向上，晶体沿台阶流方向逐渐生长。

然后，通过这样的本发明的制造方法，能够制造减少了晶圆中央部的贯穿缺陷且减少了结晶性的劣化的良好的碳化硅单晶。此外，能够抑制发生在通过现有方法制造的碳化硅单晶的面内的应变。

另外，在图1、图4中，示出了以使温度测量用的孔的中心位置C2相对于晶种基板的中心位置C1，位于晶种基板2的半径的1/2的位置附近的方式而设置孔6的实例。然而，孔只要错开至外周侧的位置即可，也能够设置于晶种基板2的外缘位置，错开的程度并没有特别限定。但是，如上所述，优选使孔的中心位置C2相对于晶种基板的中心位置C1，位于比晶种基板的半径的1/3的位置更靠外周侧，更优选使孔的中心位置C2相对于晶种基板的中心位置C1，位于比晶种基板的半径的1/2的位置更靠外周侧。若如此，则实际使碳化硅单晶2a在晶种基板2上生长时，能够更确实地在晶种基板面内的宽广范围内使碳化硅单晶沿台阶流方向生长。并且，能够更确实地得到应变或贯穿缺陷更少的碳化硅单晶。

实施例

以下示出实施例及比较例而更具体地说明本发明，但是本发明并不限定于此。

(实施例)

通过本发明的碳化硅单晶的制造方法，使用图1所示的SiC生长装置，在以下的生长条件下，使直径为4英寸(100mm)的SiC单晶生长。

＜条件＞

晶种基板···主面自{0001}面向＜11-20＞方向倾斜了4°的直径为4英寸(100mm)的SiC单晶基板

生长温度···2200℃

压力···10Torr(1.3×10hPa)

氛围···氩气、氮气

另外，如图1所示，温度测量用的孔开设在对应于距晶种基板的中心的距离为晶种基板的半径的1/2的位置的部位，如图4所示，以使晶种基板的基面的晶体生长方向的法线矢量的与晶种基板的主面平行的分量的方向同孔的偏心方向为同一方向的方式，配置晶种基板，从而进行晶体生长。

SiC单晶生长后，使用多线切割机(multi-wire saw)切取晶圆，进行研磨、镜面抛光及CMP抛光后，将通过光弹性评价而调查了面内应变分布的结果示于图5。

进一步，将调查了晶圆中央部的结晶性的结果示于表1。

(比较例)

准备如图7所示的SiC生长装置，通过现有的碳化硅单晶的制造方法而制造碳化硅单晶。如图7所示，以使温度测量用的孔的中心位置与晶种基板的中心一致的方式，使用开设有孔的装置，使用主面为{0001}面的SiC单晶基板作为晶种基板，除此以外，以与实施例相同的条件使直径为4英寸(100mm)的SiC单晶生长。

SiC单晶生长后，使用多线切割机切取晶圆，进行研磨、镜面抛光及CMP抛光后，将通过光弹性评价而调查了面内应变分布的结果示于图6。进一步，以与实施例相同的方式调查晶圆中央部的结晶性，并将结果示于表1。

[表1]

由图5及图6所示的结果可知，与比较例相比，实施例中的晶圆的面内中央部及外周部的应变减弱。

此外，由表1可判断，实施例中各坐标的半值宽度与比较例相比为显著小的值，与比较例相比，实施例的晶圆具有平坦的面且结晶性得以改善。

另外，本发明并不限定于上述的实施方案。上述实施方案为例示，具有与本发明的权利要求书中记载的发明构思实质相同的构成，且发挥相同的技术效果的技术方案均包含在本发明的技术范围内。

Claims (3)

1.一种碳化硅单晶的制造方法，其中，利用上部设有温度测量用的孔的隔热材料包围生长容器，于该生长容器内的上部的中心配置晶种基板，于所述生长容器的下部配置碳化硅原材料，使所述碳化硅原材料升华而使碳化硅单晶在所述晶种基板上生长，所述制造方法的特征在于，

以使所述隔热材料的温度测量用的孔的中心的位置与配置于所述生长容器内的所述晶种基板的中心的位置错开的方式，将所述温度测量用的孔，相对于配置在所述生长容器内的所述晶种基板的中心向外周侧的位置错开而设置，

作为所述晶种基板，使用具有自作为基面的{0001}面仅倾斜了偏移角的主面的碳化硅单晶基板，

在包含所述生长容器内的所述晶种基板的中心与所述隔热材料的所述温度测量用的孔的中心的剖视中，以使所述晶种基板的基面的法线矢量的与所述晶种基板的主面平行的分量的方向，同所述温度测量用的孔的中心相对于所述晶种基板的中心的偏心方向为同一方向的方式，将所述晶种基板配置于所述生长容器内，从而使所述碳化硅单晶生长。

2.根据权利要求1所述的碳化硅单晶的制造方法，其特征在于，将所述晶种基板的偏移角设为0.5～10度。

3.根据权利要求1或2所述的碳化硅单晶的制造方法，其特征在于，以使所述隔热材料的温度测量用的孔的中心，相对于配置在所述生长容器内的所述晶种基板的中心，位于比该晶种基板的半径的1/3的位置更靠外周侧的方式，设置所述隔热材料的温度测量用的孔。

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