CN111868311A

CN111868311A - 碳化硅单晶的制造方法

Info

Publication number: CN111868311A
Application number: CN201980019480.7A
Authority: CN
Inventors: 池田均; 松本雄一; 海老原正人; 高桥亨
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2020-10-30
Also published as: EP3767014A1; TW201940758A; WO2019176446A1; JP2019156698A; EP3767014A4; US20210010161A1; KR20200130815A

Abstract

本发明提供一种碳化硅单晶的制造方法，其中，使碳化硅原材料于生长容器内升华，从而使碳化硅单晶在晶种基板上生长，所述制造方法的特征在于，作为所述晶种基板，使用设置于所述生长容器的面为偏移角1°以下的{0001}面、且晶体生长面为凸形状的生长晶锭端面的基板，并将所述晶种基板的直径设为所述生长容器的内径的80％以上。由此，提供一种碳化硅单晶的制造方法，该制造方法能够制造即使进行没有偏移角的生长、即在自C轴＜0001＞没有倾斜的基面上的生长方向上，也不易产生不同的多型，且直体率高的碳化硅单晶。

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晶体生长的碳化硅的制造方法。

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，为了进行升华，SiC的晶体生长中需要高温，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，SiC的升华法生长方法使用如图9所示的碳化硅单晶生长装置101而进行，将碳化硅固体原材料103放入生长容器104内，利用加热器108(高频加热线圈)进行加热，使生长晶体102a在配置在生长容器104内的板状的晶种基板(正面(just plane)晶种晶圆)102上进行晶体生长。

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。

生长容器104的外侧配置有隔热材料(隔热容器)105。在隔热材料105的一部分至少存在一个用于使用高温计(温度测量传感器)107进行温度测量的孔(上部温度测量孔)106。生长容器104主要由碳材料构成，其具有透气性，使得容器内外的压力相等。于生长容器104的下部配置有碳化硅原材料103。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的晶种基板(晶种晶圆)102上作为单晶(生长晶体)102a而生长。

此处使用图10对使用了上述制造装置的以往的碳化硅单晶的制造方法进行说明。首先，如图10的(a)所示，将碳化硅原材料103及具有一定厚度的正面晶种基板(正面晶种晶圆)102配置于生长容器104内。接着如图10的(b)所示，将生长容器104配置于隔热容器105内。接着如图10的(c)所示，将整个隔热容器105配置于外部容器109内。接着如图10的(d)所示，将外部容器109内抽真空，保持规定压力(例如1～20Torr(1.3～26hPa))并升温至2000～2300℃。接着如图10的(e)所示，利用升华法使碳化硅单晶(生长晶体)102a在晶种基板(种晶圆)102上生长。最后如图10的(f)所示，提高减压压力而中止升华，停止生长，并逐渐降低温度进行冷却。

此外，SiC单晶中有立方晶、六方晶等，进一步，六方晶之中的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)。

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

专利文献3：日本特开2010-126380号公报

发明内容

本发明要解决的技术问题

然而，在使用不具有偏移角的{0001}面(偏移角为1°以下的所谓的正面)的晶体取向的晶种基板的情况下，在开始晶体生长时存在容易无序(乱れ)(微晶、异多型化)的问题(参考图11)。图11示出了处于生长初期的状态的碳化硅单晶生长装置101’。

此外，使SiC的六方晶的晶体在不具有偏移角的正面的晶种基板上、例如在具有平行于六方晶的基面(Basal Plane)的面的晶种基板上生长时，由于生长初期的二维晶核(Two-dimensional nucleus)的随机产生，经常不仅产生原有晶种的多型、例如4H结构，而且还会产生6H结构(参考图5、图6)。另外，图5示出了在(0111)面的4H结构的正面晶种基板11上生长出4H结构12、6H结构13的状态。

如该例这样，当6H结构的不同的多型混入4H结构中时，会完全丧失作为半导体的价值。这是因为耐压等的特性会大不相同。此外，也会成为切片时发生破裂的原因。

使用具有偏移角的基板时，由于以台阶生长的机理进行生长，因此比较不易无序。图7示出了具有偏移角的情况下的台阶生长。图7示出了SiC源15进入到具有偏移角的晶种基板14上的状态。

如晶体生长的教科书中常见的，由于作为原料的碳源与硅源进入扭结(kink)处，因此容易追随基板所具有的4H结构，不易无序。

六方晶具有A、B及C这三个晶格格位(site)。这是因下述通式(1)的Si及C侧的键的扭曲而在六方晶的基面上产生三个原子进入位置或轴而造成的，如图8所示，4H结构中以ABCB的顺序堆垛，6H结构中以ABCACB的顺序堆垛。

[化学式1]

因此，即使带有偏移角的晶种(晶种基板)平坦时，也能够在不破坏多型的情形下开始生长。即，即使为平坦的晶种(晶种基板)，也因其平坦的生长表面上存在台阶，而比较容易根据被称为侧向生长或台阶生长的机理进行不会破坏多型的生长。

相对于此，在正面、即基面上生长时，会随机产生二维晶核，在面内的多个位置发生SiC特有的螺旋生长，也会因为多型没有露出层结构，导致无法维持多型的堆垛顺序，产生应被称为异多型的晶种的核的小区域并逐渐扩散传播。

然而，使用带有偏移角的晶种(晶种基板)时，生长晶碇并非点对称，直体率(直体长度/总长度)变差(即直体长度变短)，因此存在晶圆产率降低的问题。

此外，专利文献3中公开了以规定厚度切取生长后的端面侧，并将其用作碳化硅单晶端面晶种。

然而，本申请的发明人通过研究得知，即使在将上述物质用作晶种基板的情况下，当晶种基板的直径相对于收纳容器的内径而言较小时，抑制不同的多型的产生的效果也会变小。

本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供一种碳化硅单晶的制造方法，该制造方法能够制造即使进行没有偏移角的生长、即在自C轴＜0001＞几乎没有倾斜的基面上的生长方向上，也不易产生异多型，且直体率高的碳化硅单晶。

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，使碳化硅原材料在生长容器内升华，从而使碳化硅单晶在晶种基板上生长，所述制造方法的特征在于，作为所述晶种基板，使用设置于所述生长容器的面为偏移角1°以下的{0001}面、且晶体生长面为凸形状的生长晶锭端面的基板，并将所述晶种基板的直径设为所述生长容器的内径的80％以上。

通过使用这样的生长晶锭端面作为晶种(晶种基板)，并将晶种基板的直径设为生长容器的内径的80％以上，能够制造不易产生异多型，且直体率高的碳化硅单晶。

发明效果

如上所述，根据本发明，通过使用生长晶锭端面作为晶种基板，并将晶种基板的直径设为生长容器的内径的80％以上，能够制造不易产生异多型，且直体率高的碳化硅单晶。

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碳化硅单晶生长装置的一个实例的截面示意图(碳化硅单晶生长前)。

图2为示出能够实施本发明的碳化硅单晶的制造方法的碳化硅单晶生长装置的截面示意图(碳化硅单晶生长中)。

图3为示出本发明的碳化硅单晶的制造方法的流程图。

图4为示出在实施例1的碳化硅单晶中没有产生异多型的状态的俯视图。

图5为示出在正面晶种上产生了异多型的状态的截面示意图。

图6为示出在正面晶种上产生了异多型的状态的俯视图。

图7为示出将具有偏移角的基板用作晶种基板时的单晶生长初期状态的截面示意图。

图8为示出将具有偏移角的基板用作晶种基板时的4H结构的单晶的生长状态的截面示意图。

图9为示出以往的碳化硅单晶生长装置的截面示意图。

图10为示出以往的碳化硅单晶的制造方法的流程图。

图11为示出以往的碳化硅单晶生长装置的截面示意图(碳化硅单晶的生长初期)。

具体实施方式

以下，作为实施方式的一个实例，边参考附图边对本发明进行详细说明，但本发明并不限定于此。

以下，边参考图1～图3边对本发明的碳化硅单晶的制造方法进行说明。

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

图1所示的能够实施本发明的碳化硅单晶的制造方法的碳化硅单晶生长装置1具备：收纳种基板(晶种基板、种晶圆)2及碳化硅原材料3的生长容器4、包围该生长容器4的隔热材料(隔热容器)5、通过贯穿该隔热材料5而设置的上部温度测量孔6来测量生长容器4内的温度的温度测量传感器7、及加热碳化硅原材料3的加热器8(高频加热线圈)。

生长容器4由配置种基板2的生长室与配置碳化硅原材料3的升华室组成，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安装于由SUS或石英构成的外部容器9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。

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，通过使用高温计作为温度测量传感器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(上部温度测量孔)6，以非接触的方式精度良好地进行温度测量。本发明中，作为配置于生长容器4的种基板2，使用设置于生长容器4的面为偏移角1°以下的{0001}面、且单晶生长面为凸形状的生长晶锭端面(顶部晶体)的基板。另外，该设置于生长容器4的面只要为偏移角1°以下的{0001}面即可，以偏移角的下限计，能够设为0°。此外，可将晶种(晶种基板)2的直径设为生长容器4的内径的80％以上，更优选设为90％以上。另外，以晶种2的直径的上限计，可设为生长容器4的内径的100％。此外，最厚的位置的厚度可设为5mm以上，优选设为1cm以上。

接着，使用图3对本发明的碳化硅单晶的制造方法进行说明。

首先，如图3的(a)所示，利用具有与欲获得的晶体相同尺寸的直径且不具有偏移角的正面，将固定于生长容器4上部的顶部晶体安装至生长容器4内，并将碳化硅原材料3安装至生长容器4的下部。

接着，如图3的(b)所示，将生长容器4配置于隔热容器5内。

接着，如图3的(c)所示，将整个隔热容器5配置于外部容器9内。

接着，如图3的(d)所示，将外部容器9内抽真空，保持规定压力(例如1～20Torr(1.3～26hPa))并升温至2000～2300℃。

接着，如图3的(e)所示，利用升华法使碳化硅单晶(生长晶体)2a在晶种(晶种基板)2上生长(参考图2的碳化硅单晶生长装置1’)。

最后，如图3的(f)所示，提高压力而中止升华，停止生长，并逐渐降低温度进行冷却。

通过将以上述方式制造的SiC单晶用作单晶生长面为生长晶锭端面的晶种基板，并将晶种基板的直径设为生长容器的内径的80％以上，能够制造不易产生异多型，且直体率高的碳化硅单晶。

实施例

以下，示出实施例及比较例而对本发明进行更具体的说明，但是本发明并不限定于此。

(实施例1)

在以下的生长条件下，按照图3所示的流程，使直径为100mm的SiC单晶生长。

＜条件＞

生长容器内径···105mm

晶种基板···主面为{0001}面、直径为100mm(晶种基板的直径/生长容器的内径为95％)且最大厚度为8mm的包括凸形状的生长晶锭端面的SiC单晶基板

生长温度···2200℃

压力···10Torr(13hPa)

氛围···氩气、氮气

SiC单晶生长后，调查了直体率(直体部/总长度)，其结果为90％。此外，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，观察晶圆的表面，如图4所示，可判断没有产生异多型。此外，总共进行了五个批次的制造。将其结果示于表1、表2。如表1、表2所示，五个批次均没有产生异多型(即异多型产生率为0％)。

[表1]

	异多型产生次数	生长次数	直体率
				实施例1	0	N＝5	90％
比较例1	10	N＝10	-
				比较例2	0	N＝5	40％

[表2]

(实施例2)

除了使用直径为84mm的晶种基板(晶种基板的直径/生长容器的内径为80％)以外，以与实施例1相同的条件使SiC单晶生长。

SiC单晶生长后，调查了直体率(直体部/总长度)，其结果为85％。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，观察晶圆的表面，可判断没有产生异多型。此外，总共进行了五个批次的制造。将其结果示于表2。如表2所示，五个批次均没有产生异多型(即异多型产生率为0％)。

(比较例1)

除了使用主面为{0001}面且厚度为1mm(恒定)的晶种(晶种基板)以外，以与实施例1相同的条件使SiC单晶生长。

总共进行了十个批次的制造。将其结果示于表1。如表1所示，十个批次均产生异多型而无序。

(比较例2)

除了使用主面自{0001}面向＜11-20＞方向倾斜了4°且厚度为1mm(恒定)的晶种(晶种基板)以外，以与实施例1相同的条件使SiC单晶生长。

SiC单晶生长后，调查了直体率(直体部/总长度)，其结果为40％。总共进行了五个批次的制造。将其结果示于表1。如表1所示，五个批次均没有产生异多型。

(比较例3)

除了使用直径为79mm的晶种基板(晶种基板的直径/生长容器的内径为75％)以外，以与实施例1相同的条件使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，观察晶圆的表面。此外，总共进行了十个批次的制造。将其结果示于表2。如表2所示，可知十个批次中有两个批次产生了异多型(即异多型产生率为20％)。

(比较例4)

除了使用直径为52mm的晶种基板(晶种基板的直径/生长容器的内径为50％)以外，以与实施例1相同的条件使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，观察晶圆的表面。此外，总共进行了十个批次的制造。将其结果示于表2。如表2所示，可知十个批次中有三个批次产生了异多型(即异多型产生率为30％)。

(比较例5)

除了使用直径为21mm的晶种基板(晶种基板的直径/生长容器的内径为20％)以外，以与实施例1相同的条件使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，观察晶圆的表面。此外，总共进行了十个批次的制造。将其结果示于表2。如表2所示，可知十个批次中有五个批次产生了异多型(即异多型产生率为50％)。

由表2可知，只要将晶种基板的直径设为生长容器的内径的80％以上，就可充分地抑制异多型的产生。

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

1.一种碳化硅单晶的制造方法，其中，使碳化硅原材料于生长容器内升华，从而使碳化硅单晶在晶种基板上生长，所述制造方法的特征在于，

作为所述晶种基板，使用设置于所述生长容器的面为偏移角1°以下的{0001}面、且晶体生长面为凸形状的生长晶锭端面的基板，

并将所述晶种基板的直径设为所述生长容器的内径的80％以上。