CN114207195A - SiC衬底的制造方法及其制造装置和减少SiC衬底的宏观台阶聚束的方法 - Google Patents

SiC衬底的制造方法及其制造装置和减少SiC衬底的宏观台阶聚束的方法 Download PDF

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Abstract

本发明要解决的问题是提供一种抑制了宏观台阶聚束的形成的SiC衬底的制造方法及其制造装置。本发明的特征在于包括：主体容器(20)，能够收纳SiC衬底(10)，并且通过加热在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压；以及加热炉(30)，收纳所述主体容器(20)并进行加热，使得在内部空间中产生包含Si元素的气相物种的蒸气压并形成温度梯度，其中，所述主体容器(20)具有：蚀刻空间(S1)，在将所述SiC衬底(10)配置在所述温度梯度的高温侧的状态下，使配置在所述温度梯度的低温侧的所述主体容器(20)的一部分和所述SiC衬底(10)相对而形成；以及Si蒸气供给源(25)，能够将Si蒸气供给到所述主体容器(20)内。

Description

SiC衬底的制造方法及其制造装置和减少SiC衬底的宏观台阶 聚束的方法
技术领域
本发明涉及抑制了宏观台阶聚束的形成的SiC衬底的制造方法及其制造装置和减少SiC衬底的宏观台阶聚束的方法。
背景技术
SiC(碳化硅)半导体器件与Si(硅)或GaAs(砷化镓)半导体器件相比能够实现高耐压和高效率、高温工作，因而正在面向工业化进行开发。
通常，在用于器件制造的SiC衬底的从(0001)起略微倾斜的表面处形成有台阶-平台结构。以往，在SiC衬底的表面控制中存在如下问题：在器件制造过程中台阶聚束化(bunching)而形成台阶聚束。
已知这种台阶聚束对SiC半导体器件的特性产生不良影响。具体地，已知分别存在以下情况：(1)当在形成有台阶聚束的表面处进行外延生长时，在外延生长层(以下，称为外延层)的表面处发生由台阶聚束而引起的缺陷；(2)在外延层表面处形成氧化膜来制造的MOSFET等SiC半导体器件中，台阶聚束的存在对动作性能和可靠性产生影响。
针对这种问题，提出了各种抑制台阶聚束发生的技术。例如，在专利文献1中记载了如下技术：通过“热处理步骤，包括加热处理步骤，该加热处理步骤中，在由钽金属构成并上下嵌合成使碳化钽层暴露于内部空间的收纳容器中收纳所述单晶碳化硅衬底，在将所述收纳容器的内部压力保持为比外部压力高且硅的饱和蒸气压下的真空的状态下在1500℃以上且2300℃以下的温度下对所述收纳容器进行均匀加热处理”，蚀刻SiC衬底的表面，获得分子级平坦的表面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-16691号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是提供一种抑制了宏观台阶聚束的形成的SiC衬底的制造方法及其制造装置。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明的一实施方式的SiC衬底的制造装置包括：
主体容器，能够收纳SiC衬底，并且，通过加热在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压；以及
加热炉，收纳所述主体容器并进行加热，使得在内部空间中产生包含Si元素的气相物种的蒸气压并形成温度梯度；
其中，所述主体容器具有：
蚀刻空间，在将所述SiC衬底配置在所述温度梯度的高温侧的状态下，使配置在所述温度梯度的低温侧的所述主体容器的一部分和所述SiC衬底相对而形成；以及
Si蒸气供给源，能够将Si蒸气供给到所述主体容器内。
这样，在通过加热在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压的主体容器内配置SiC衬底和Si蒸气供给源来进行蚀刻，从而可以在蚀刻中抑制宏观台阶聚束的形成。
在该实施方式中，所述Si蒸气供给源配置成使所述主体容器内的Si/C原子数比超过1。
这样，通过将Si蒸气供给源配置成使主体容器内的原子数比Si/C超过1，可以在主体容器内形成SiC-Si平衡蒸气压环境。
在该实施方式中，所述主体容器具有衬底保持用具，所述衬底保持用具设置在所述SiC衬底和所述主体容器之间。
这样，通过在SiC衬底和主体容器之间设置衬底保持用具，可以容易地形成蚀刻空间。
在该实施方式中，所述主体容器由包含多晶SiC的材料构成。
这样，主体容器由包含多晶SiC的材料构成，由此，在通过加热炉加热主体容器时，可以在主体容器内产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压。
在该实施方式中，所述加热炉具有：高熔点容器，能够收纳所述主体容器；以及Si蒸气供给源，能够将Si蒸气供给到该高熔点容器内。
这样，加热炉具有高熔点容器和Si蒸气供给源，由此，可以在Si蒸气压环境下加热主体容器。由此，可以抑制主体容器内的包含Si元素的气相物种的蒸气压的下降。
在该实施方式中，所述高熔点容器由包含钽的材料构成，并且，所述Si蒸气供给源为硅化钽。
此外，本发明还涉及SiC衬底的制造方法。即，本发明的一实施方式的SiC衬底的制造方法包括：蚀刻步骤，在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压的主体容器的内部收纳SiC衬底和Si蒸气供给源，并且，加热所述主体容器，使得在包含Si元素的气相物种的蒸气压的环境下形成温度梯度，从而蚀刻所述SiC衬底。
这样，通过在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压的主体容器内配置SiC衬底和Si蒸气供给源来进行蚀刻，从而可以抑制宏观台阶聚束的形成来进行蚀刻。
在该实施方式中，所述Si蒸气供给源配置成使所述主体容器内的Si/C原子数比超过1。
在该实施方式中，所述蚀刻步骤在SiC-Si平衡蒸气压环境下蚀刻SiC衬底。
在该实施方式中，所述蚀刻步骤具有：Si原子升华步骤，使Si原子从SiC衬底的表面热升华；以及C原子升华步骤，通过使残留在SiC衬底的表面处的C原子和所述主体容器内的Si蒸气反应来使C原子从SiC衬底的表面升华。
在该实施方式中，所述蚀刻步骤使配置在所述温度梯度的高温侧的所述SiC衬底和配置在所述温度梯度的低温侧的所述主体容器的一部分相对来进行蚀刻。
此外，本发明还涉及减少SiC衬底的宏观台阶聚束的方法。即，即，本发明的一实施方式的减少SiC衬底的宏观台阶聚束的方法是包括在SiC-Si平衡蒸气压环境下蚀刻SiC衬底的蚀刻步骤的方法。
在该实施方式中，所述蚀刻步骤是在1400℃以上且2300℃以下的温度范围内进行加热的步骤。
在该实施方式中，所述蚀刻步骤是将Si蒸气供给源配置成使蚀刻空间内的Si/C原子数比超过1来进行蚀刻的步骤。
此外，本发明还涉及SiC衬底的制造方法。即，本发明的一实施方式的SiC衬底的制造方法包括：蚀刻步骤，在SiC-Si平衡蒸气压环境下蚀刻SiC衬底，其中，所述蚀刻步骤是在通过包含Si元素的气相物种的蒸气压的环境而被排气的蚀刻空间内配置所述SiC衬底来进行蚀刻的步骤。
在该实施方式中，所述蚀刻步骤是将Si蒸气供给源配置成使蚀刻空间内的原子数比Si/C超过1来进行蚀刻的步骤。
在该实施方式中，所述蚀刻步骤是对所述SiC衬底配置在温度梯度的高温侧的蚀刻空间进行加热的步骤。
此外，本发明还涉及SiC衬底的制造装置。即，本发明的一实施方式的SiC衬底的制造装置包括：主体容器，能够收纳SiC衬底，并且，通过加热在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压；以及加热炉，收纳所述主体容器，并且，进行加热，使得在内部空间中产生包含Si元素的气相物种的蒸气压并形成温度梯度，其中，所述主体容器具有：蚀刻空间，所述SiC衬底配置在所述温度梯度的高温侧；以及Si蒸气供给源，能够将Si蒸气供给到所述主体容器内。
在该实施方式中，所述Si蒸气供给源配置成使所述主体容器内的Si/C原子数比超过1。
在该实施方式中，所述主体容器具有衬底保持用具，所述衬底保持用具能够将所述SiC衬底的至少一部分保持在所述主体容器的中空。
发明的效果
根据所公开的技术，可以提供一种抑制了宏观台阶聚束的形成的SiC衬底的制造方法及其制造装置。
其他所要解决的技术问题、特征和优点将通过阅读以下记载的具体实施方式并结合附图和权利要求而变得显而易见。
附图说明
图1是一实施方式的SiC衬底的制造装置的示意图。
图2是使用一实施方式的SiC衬底的制造装置来蚀刻的SiC衬底的说明图。
图3是一实施方式的SiC衬底的制造装置的说明图。
图4是一实施方式的SiC衬底的制造装置的说明图。
图5是一实施方式的SiC衬底的制造方法的蚀刻步骤前的SiC衬底表面的SEM像。
图6是在一实施方式的SiC衬底的制造方法的实施例1中观察到的SiC衬底表面的SEM像。
图7是在一实施方式的SiC衬底的制造方法的比较例1中观察到的SiC衬底表面的SEM像。
图8是说明一实施方式的SiC衬底的制造方法的蚀刻步骤的主体容器内的环境的曲线图。
具体实施方式
以下，使用图1至图8对本发明的图示的优选的一实施方式进行详细说明。本发明的技术范围不限于附图所示的实施方式，能够在权利要求书所记载的范围内进行适当变更。
[SiC衬底的制造装置]
以下，对作为本发明的一实施方式的SiC衬底的制造装置进行详细说明。
如图1所示，根据本实施方式的SiC衬底的制造装置包括：主体容器20，能够收纳SiC衬底10，通过加热在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压；以及加热炉30，收纳该主体容器20，并且，进行加热，使得在内部空间中产生包含Si元素的气相物种的蒸气压并形成温度梯度。
此外，主体容器20具有：蚀刻空间S1，在将SiC衬底10配置在温度梯度的高温侧的状态下，通过使配置在温度梯度的低温侧的主体容器20的一部分和SiC衬底10相对而形成；以及Si蒸气供给源25，能够将Si蒸气供给到主体容器20内。
通过使用这种SiC衬底的制造装置，如图2所示，可以制造抑制了宏观台阶聚束的形成的SiC衬底。
<SiC衬底10>
作为SiC衬底10，可以例示从使用升华法等制造的块状晶体切成圆盘状而成的SiC晶片、或将单晶SiC加工成薄板状而成的SiC衬底。另外，作为单晶SiC的晶体多晶型，可以采用任何多晶型。
在本说明书中的说明中，将SiC衬底10的制作半导体元件的面(具体而言，堆积外延层的面)称为主面101，并将与该主面相对的面称为背面102。此外，将主面101和背面102合称为表面，并且，将贯通主面101和背面102的方向称为表背方向。
另外，作为主面101，可以例示从(0001)面或(000-1)面设置几度(例如，0.4至8°)的偏离角的表面。(另外，在本说明书中，在米勒指数的标记中，“-”是表示紧随其后为指数的横号)。
在以原子级平坦化的SiC衬底10的表面处确认了台阶-平台结构。该台阶-平台结构为作为一分子层以上的台阶部位的台阶11和作为{0001}面露出的平坦部位的平台12交替排列而成的台阶结构。
在台阶11中，一分子层(0.25nm)为最小高度(最小单位)，通过该一分子层重叠多层，形成各种台阶高度。在本说明书中的说明中，将台阶11束化(聚束)而巨大化，并具有超过各多晶型的一晶胞的高度的称为宏观台阶聚束(MSB：Macro Step Bunching。以下，称为MSB)。
即，MSB在4H-SiC的情况下是超过4分子层(5分子层以上)聚束而成的台阶11，在6H-SiC的情况下是超过6分子层(7分子层以上)聚束而成的台阶11。
该MSB在外延层形成时的表面处发生由MSB引起的缺陷，或者是阻碍MOSFET的氧化膜可靠性的主要原因之一，因而期望的是，在SiC衬底10的表面处不形成该MSB。
另外，作为SiC衬底10的尺寸，可以例示从数厘米见方的芯片尺寸到6英寸(约15.24厘米)晶片或8英寸(约20.32厘米)晶片。
<主体容器20>
主体容器20只要是以下结构即可：能够收纳SiC衬底10，并且，在加热处理时在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压。例如，主体容器20由包含多晶SiC的材料构成。在本实施方式中，主体容器20的整体由多晶SiC构成。通过对由这种材料构成的主体容器20进行加热，可以产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压。
即，期望的是，进行了加热处理的主体容器20内的环境成为包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的混合体系的蒸气压环境。作为该包含Si元素的气相物种，可以例示Si、Si2、Si3、Si2C、SiC2、SiC。此外，作为包含C元素的气相物种，可以例示Si2C、SiC2、SiC、C。即，成为SiC系气体存在于主体容器20内的状态。
此外，只要是在主体容器20的加热处理时能够在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压的结构，就可以采用该结构。例如，可以示出在内面的一部分处露出多晶SiC的结构、将多晶SiC单独配置在主体容器20内的结构等。
如图3所示，主体容器20是具备能够相互嵌合的上容器21和下容器22的嵌合容器。在上容器21和下容器22的嵌合部处形成有微小的间隙23，并且，构成为能够从该间隙23进行主体容器20内的排气(抽真空)。
主体容器20具有蚀刻空间S1，该蚀刻空间S1是在将SiC衬底10配置在温度梯度的高温侧的状态下，使配置在温度梯度的低温侧的主体容器20的一部分和SiC衬底10相对而形成的。即，利用设置在加热炉30中的温度梯度，至少使主体容器20的一部分(例如，下容器22的底面)的温度低于SiC衬底10，从而形成蚀刻空间S1。
蚀刻空间S1是将设置在SiC衬底10和主体容器20之间的温度差作为驱动力来将SiC衬底10表面的Si原子和C原子输送到主体容器20的空间。
例如，配置SiC衬底10，使得在将SiC衬底10的主面101(或背面102)的温度和与该主面101相对的下容器22的底面的温度进行比较时，主面101侧的温度高并且下容器22的底面侧的温度低(参照图3和图4)。这样，通过在主面101和下容器22的底面之间形成设有温度差的空间(蚀刻空间S1)，可以将温度差作为驱动力来将主面101的Si原子和C原子输送到下容器22的底面。
主体容器20也可以具有设置在SiC衬底10和主体容器20之间的衬底保持用具24。
根据本实施方式的加热炉30为这样的结构：进行加热以形成温度梯度，使得温度从主体容器20的上容器21向着下容器22下降。因此，通过在SiC衬底10和下容器22之间设置能够保持SiC衬底10的衬底保持用具24，可以在SiC衬底10和下容器22之间形成蚀刻空间S1。
衬底保持用具24只要是能够将SiC衬底10的至少一部分保持在主体容器20的中空的结构即可。例如，只要是一点支撑或三点支撑、支撑外周缘的结构或夹持一部分的结构等常用的支撑手段，就当然可以采用。作为该衬底保持用具24的材料，可以采用SiC材料或高熔点金属材料。
另外，根据加热炉30的温度梯度的方向也可以不设置衬底保持用具24。例如，在加热炉30形成温度梯度使得温度从下容器22朝向上容器21下降的情况下，也可以在下容器22的底面处配置SiC衬底10(而不设置衬底保持用具24)。
此外，主体容器20具有能够将Si蒸气供给到主体容器20内的Si蒸气供给源25。
Si蒸气供给源25只要是在加热处理时在主体容器20内产生Si蒸气的结构即可。作为该Si蒸气供给源25，可以例示固体的Si(Si衬底或Si粉末等的Si颗粒)、Si化合物。另外，期望的是，该Si蒸气供给源25配置成使主体容器20内的原子数比Si/C超过1。
例如，在如本实施方式那样主体容器20的整体由多晶SiC构成并且衬底保持用具24由SiC材料构成的情况下，仅配置Si蒸气供给源25即可。即，在满足化学计量比1:1的多晶SiC的主体容器20内配置了满足化学计量比1:1的SiC衬底10、满足化学计量比1:1的SiC制的衬底保持用具24以及Si蒸汽供给源25(Si颗粒等)的情况下，主体容器20内的Si/C原子数比超过1。
<加热炉30>
如图1所示，加热炉30具备：主加热室31，能够将被处理物(SiC衬底10等)加热至1000℃以上且2300℃以下的温度；预热室32，能够将被处理物预热至500℃以上的温度；高熔点容器40，能够收纳主体容器20；以及移动装置33(移动台)，能够将该高熔点容器40从预热室32移动到主加热室31。
主加热室31在俯视剖视图中形成为正六边形，并且，在其内侧配置有高熔点容器40。
在主加热室31的内部设置有加热器34(网状加热器)。此外，在主加热室31的侧壁或顶部处固定有多层热反射金属板(未图示)。该多层热反射金属板构成为将加热器34的热量朝向主加热室31的大致中央部反射。
由此，在主加热室31内，以包围收纳被处理物的高熔点容器40的方式配置加热器34，并且，在其外侧配置多层热反射金属板，由此，可以升温至1000℃以上且2300℃以下的温度。
另外，作为加热器34，例如可以使用电阻加热式的加热器或高频感应加热式的加热器。
此外，加热器34也可以采用能够在高熔点容器40内形成温度梯度的结构。例如，加热器34也可以构成为在上侧(或下侧)配置有多个加热器。此外，加热器34也可以构成为随着朝向上侧(或下侧)而宽度变大。或者，加热器34也可以构成为能够随着朝向上侧(或下侧)而增大所供给的电力。
此外，主加热室31连接有：进行主加热室31内的排气的真空形成用阀35；将惰性气体导入到主加热室31内的惰性气体注入用阀36；以及测量主加热室31内的真空度的真空计37。
真空形成用阀35与对主加热室31内进行排气来抽真空的抽真空泵连接(未图示)。通过该真空形成用阀35和抽真空泵，可以将主加热室31内的真空度调整为例如10Pa以下，更优选为1Pa以下，进一步优选为10-3Pa以下。作为该抽真空泵，可以例示涡轮分子泵。
惰性气体注入用阀36与惰性气体供给源连接(未图示)。通过该惰性气体注入用阀36和惰性气体供给源，可以将惰性气体在10-5至10000Pa的范围内导入到主加热室31内。作为该惰性气体，可以选择Ar、He、N2等。
预热室32与主加热室31连接，并且，构成为能够通过移动装置33移动高熔点容器40。另外，本实施方式的预热室32构成为能够利用主加热室31的加热器34的余热进行升温。例如，在将主加热室31升温至2000℃的情况下，预热室32升温至1000℃左右，可以进行被处理物(SiC衬底10、主体容器20、高熔点容器40等)的脱气处理。
移动装置33构成为载置高熔点容器30而能够在主加热室31和预热室32之间移动。由于由该移动装置33进行的在主加热室31和预热室32之间的传送最短在1分钟左右完成，因而可以实现1至1000℃/min的升温和降温。
由于能够这样进行急速升温和急速降温，因而能够观察在以往的装置中难以实现的、不具有升温中和降温中的低温生长历史的表面形状。
此外，在图1中，预热室32配置在主加热室31的下方，但不限于此，也可以配置在任意方向上。
此外，根据本实施方式的移动装置33是载置高熔点容器40的移动台。从该移动台和高熔点容器40的接触部释放微小的热量。由此，可以在高熔点容器40内形成温度梯度。
在本实施方式的加热炉30中，由于高熔点容器40的底部与移动台接触，因而温度梯度设置成使得温度从高熔点容器40的上容器41朝向下容器42下降。
另外，该温度梯度的方向可以通过改变移动台和高熔点容器40的接触部的位置而设定为任意方向。例如，当在移动台上采用悬挂式等来将接触部设置在高熔点容器40的顶部处的情况下，热量向上方逸出。因此，温度梯度被设置成使得温度从高熔点容器40的上容器41朝向下容器42上升。另外，期望的是，该温度梯度沿SiC衬底10的表-背方向形成。
此外，如上所述，也可以通过加热器34的结构来形成温度梯度。
<高熔点容器40>
根据本实施方式的加热炉30内的包含Si元素的气相物种的蒸气压环境是使用高熔点容器40和Si蒸气供给源44来形成的。例如，只要是能够在主体容器20的周围形成包含Si元素的气相物种的蒸气压环境的方法，就可以用于本发明的SiC衬底的制造装置。
高熔点容器40构成为包含高熔点材料。例如，可以例示作为通用耐热部件的C，作为高熔点金属的W、Re、Os、Ta、Mo，作为碳化物的Ta9C8、HfC、TaC、NbC、ZrC、Ta2C、TiC、WC、MoC，作为氮化物的HfN、TaN、BN、Ta2N、ZrN、TiN，作为硼化物的HfB2、TaB2、ZrB2、NB2、TiB2，以及多晶SiC等。
该高熔点容器40与主体容器20一样是具备能够相互嵌合的上容器41和下容器42的嵌合容器，并且，构成为能够收纳主体容器20。在上容器41和下容器42的嵌合部处形成有微小的间隙43，并且，构成为能够从该间隙43进行高熔点容器40内的排气(抽真空)。
高熔点容器40具有能够将包含Si元素的气相物种的蒸气压供给到高熔点容器40内的Si蒸气供给源44。Si蒸气供给源44只要是在加热处理时在高熔点容器40内产生包含Si元素的气相物种的蒸气压的结构即可，例如，可以例示固体的Si(单晶Si片、Si粉末等的Si颗粒)、Si化合物。
在根据本实施方式的SiC衬底的制造装置中，采用TaC作为高熔点容器40的材料，并且采用硅化钽作为Si蒸气供给源44。即，如图3和图4所示，在高熔点容器40的内侧形成有硅化钽层，构成为在加热处理时从硅化钽层向容器内供给Si蒸气，从而形成Si蒸气压环境。
此外，只要是在加热处理时在高熔点容器40内形成包含Si元素的气相物种的蒸气压的结构，就可以采用。
根据本发明的SiC衬底的制造装置，其构成为，具备：主体容器20，能够收纳SiC衬底10，通过加热在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压；以及加热炉30，收纳主体容器20，并进行加热，使得在内部空间中产生包含Si元素的气相物种的蒸气压并且形成温度梯度，其中，主体容器20具有：蚀刻空间S1，在SiC衬底配置在温度梯度的高温侧的状态下，使配置在温度梯度的低温侧的主体容器20的一部分和SiC衬底10相对而形成；以及Si蒸气供给源25，能够将Si蒸气供给到所述主体容器20内。
能够在SiC衬底10和主体容器20之间形成近热平衡状态，而且能够在主体容器20内形成SiC-Si平衡蒸气压环境。在这种环境中，以加热炉30的温度梯度作为驱动力而发生质量的输送，通过蚀刻SiC衬底10，可以制造抑制了MSB的形成的SiC衬底。
此外，根据本实施方式的SiC衬底的制造装置，通过在包含Si元素的气相物种的蒸气压环境(例如Si蒸气压环境)下加热主体容器20，可以抑制从主体容器20内排出包含Si元素的气相物种。即，通过使主体容器20内的包含Si元素的气相物种的蒸气压和主体容器20外的包含Si元素的气相物种的蒸气压平衡，能够保持主体容器20内的环境。
换句话说，主体容器20配置在形成包含Si元素的气相物种的蒸气压环境(例如Si蒸气压环境)的高熔点容器40内。这样，通过包含Si元素的气相物种的蒸气压环境(例如Si蒸气压环境)对主体容器20内进行排气(抽真空)，从而可以抑制Si原子从蚀刻空间S1内减少。由此，可在蚀刻空间S1内长时间维持对蚀刻优选的原子数比Si/C。
此外，根据本实施方式的SiC衬底的制造装置，主体容器20由多晶SiC构成。通过采用这种结构，当使用加热炉30加热主体容器20时，可以在主体容器20内仅产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压。
[SiC衬底的制造方法]
以下，对作为本发明的一实施方式的SiC衬底的制造方法进行详细说明。
根据本实施方式的SiC衬底的制造方法包括：蚀刻步骤，在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压的主体容器20的内部收纳SiC衬底10和Si蒸气供给源25，并加热该主体容器20，使得在包含Si元素的气相物种的蒸气压的环境下形成温度梯度，由此蚀刻SiC衬底10。
另外，在该实施方式中，对于与前述的SiC衬底的制造装置基本相同的构成要素标注相同的附图标记并简化其说明。
以下，对根据本实施方式的SiC衬底的制造方法的蚀刻步骤进行详细说明。
<蚀刻步骤>
考虑通过将配置有SiC衬底10的主体容器20在1400℃以上且2300℃以下的温度范围内进行加热，持续地进行以下1)至5)的反应，结果蚀刻会进行。
1)SiC(s)→Si(v)+C(s)
2)2C(s)+Si(v)→SiC2(v)
3)C(s)+2Si(v)→Si2C(v)
4)Si(v)+SiC2(v)→2SiC(s)
5)Si2C(v)→Si(v)+SiC(s)
1)的说明：由于加热SiC衬底10(SiC(s))，因而通过热分解使Si原子(Si(v))从SiC衬底10表面脱离(Si原子升华步骤)。
2)和3)的说明：由于Si原子(Si(v))脱离而残留在SiC衬底10表面处的C(C(s))与主体容器20内的Si蒸气(Si(v))反应，从而成为Si2C或SiC2等而在主体容器20内升华(C原子升华步骤)。
4)和5)的说明：所升华的Si2C或SiC2等由于温度梯度而到达主体容器20内的底面(多晶SiC)并生长。
即，蚀刻步骤具有：Si原子升华步骤，使Si原子从SiC衬底10的表面热升华；以及C原子升华步骤，通过使残留在SiC衬底10的表面处的C原子与主体容器20内的Si蒸气反应而从SiC衬底10的表面升华。
此外，蚀刻步骤的特征在于，使配置在温度梯度的高温侧的SiC衬底10和配置在温度梯度的低温侧的主体容器20的一部分相对来进行蚀刻。
即，通过将SiC衬底10的主面101和温度比该主面101低的主体容器20的底面相对配置，在它们之间形成蚀刻空间S1。在该蚀刻空间S1中，以加热炉30形成的温度梯度作为驱动力而发生质量的输送，结果可以蚀刻SiC衬底10。
换句话说，在蚀刻步骤中，将SiC衬底10和主体容器20的一部分相对配置，以主体容器20的一部分为低温侧并且SiC衬底10为高温侧的方式设置温度梯度进行加热。利用该温度梯度，将Si元素和C元素从SiC衬底10输送到主体容器20来蚀刻SiC衬底10。
此外，根据本发明的蚀刻步骤的特征在于，在SiC-Si平衡蒸气压环境下蚀刻SiC衬底10。以下，对SiC-Si平衡蒸气压环境和SiC-C平衡蒸气压环境进行详细说明。
另外，本说明书中的SiC-Si平衡蒸气压环境和SiC-C平衡蒸气压环境包括满足从理论热平衡环境导出的蚀刻速度与蚀刻温度的关系的近热平衡蒸气压环境。
SiC-Si蒸气压环境是指SiC(固体)和Si(液相)通过气相成为相平衡状态时的蒸气压的环境。
SiC-Si平衡蒸气压环境例如通过对Si/C原子数比超过1的准封闭空间进行热处理而形成。
另外，本说明书中的“准封闭空间”是指能够进行容器内的抽真空，但能够将容器内产生的蒸气的至少一部分封闭的空间。该准封闭空间可以形成在主体容器20内或高熔点容器40内。
此外，SiC-C平衡蒸气压环境是指SiC(固相)和C(固相)通过气相成为相平衡状态时的蒸气压的环境。
SiC-C平衡蒸气压环境例如通过对原子数比Si/C为1以下的准封闭空间进行热处理而形成。
SiC-Si平衡蒸气压环境的气相中的原子数比Si/C大于SiC-C平衡蒸气压环境的气相中的原子数比Si/C。
以下，参照形成SiC-C平衡蒸气压环境的主体容器20内的蚀刻空间S1(图4)，对形成SiC-Si平衡蒸气压环境的主体容器20内的蚀刻空间S1(图3)进行详细说明。
形成SiC-Si平衡蒸气压环境的蚀刻空间S1可以通过在加热处理前将Si蒸气供给源25配置成使主体容器20内的原子数比Si/C超过1并进行加热而形成。
例如，如图3所示，当在满足化学计量比1:1的多晶SiC的主体容器20内配置了满足化学计量比1:1的SiC衬底10、满足化学计量比1:1的SiC制的衬底保持用具24以及Si蒸汽供给源25(Si颗粒等)的情况下，主体容器20内的Si/C原子数比超过1。
另一方面，形成SiC-C平衡蒸气压环境的蚀刻空间S1可以通过在加热处理前配置成使蚀刻空间S1内的原子数比Si/C为1以下并进行加热而形成。
例如，如图4所示，当在满足化学计量比1:1的多晶SiC的主体容器20内配置了满足化学计量比1:1的SiC衬底10和满足化学计量比1:1的SiC制的衬底保持用具24的情况下，主体容器20内的Si/C原子数比为1或1以下。
此外，为了降低蚀刻空间S1内的Si/C原子数比，既可以单独配置C蒸气供给源，也可以采用包括C蒸气供给源的主体容器20或衬底保持用具24。作为该C蒸气供给源，可以例示固体的C(C衬底或C粉末等的C颗粒)或C化合物。
本方法中的蚀刻温度优选为设定在1400至2300℃的范围内，更优选为设定在1600至2000℃的范围内。
本方法中的蚀刻速度可以通过上述温度范围来控制，能够在0.001至2μm/min的范围内选择。
本方法中的蚀刻量只要是可以分解SiC衬底10的MSB的蚀刻量就可以采用。作为该蚀刻量，可以例示0.1μm以上且20μm以下，但能够根据需要来应用。
本方法中的蚀刻时间可以设定为任意时间以成为所期望的蚀刻量。例如，当蚀刻速度为1μm/min时，在想要将蚀刻量设定为1μm的情况下，蚀刻时间为1分钟。
本方法中的温度梯度在蚀刻空间S1中设定在0.1至5℃/mm的范围内。
实施例
通过以下的方法制造了实施例1、比较例1的SiC衬底。
<实施例1>
在以下条件下，将SiC衬底10收纳在主体容器20和高熔点容器40中(配置步骤)。
[SiC衬底10]
多晶型：4H-SiC
衬底尺寸：横宽10mm×纵宽10mm×厚度0.3mm
偏离方向和偏离角：<11-20>方向4°偏离
蚀刻面：(0001)面
MSB的有无：有
图5是蚀刻步骤前的SiC衬底10的表面的SEM像。在该蚀刻步骤前的SiC衬底10表面处形成有高度3nm以上的MSB。另外，台阶11高度通过AFM来测量。
[主体容器20]
材料：多晶SiC
容器尺寸：直径60mm×高度4mm
衬底保持用具24的材料：单晶SiC
SiC衬底10和主体容器20的底面的距离：2mm
Si蒸气供给源25：单晶Si片
[高熔点容器40]
材料：TaC
容器尺寸：直径160mm×高度60mm
Si蒸气供给源44(Si化合物)：TaSi2
[蚀刻步骤]
在以下条件下对在上述条件下配置的SiC衬底10进行了加热处理。
加热温度：1900℃
加热时间：60min
蚀刻速度：300nm/min
主加热室真空度：10-5Pa
图6是在上述条件下进行蚀刻的实施例1的SiC衬底10表面的SEM像。
可知，在该实施例1的SiC衬底10表面处未形成MSB，并且，1.0nm(full unit cell，全晶胞)的台阶11有规则地排列。
在该实施例1中，Si蒸气供给源25配置成使主体容器20内的Si/C原子数比超过1(参照图3)。由此，在主体容器20内形成SiC-Si平衡蒸气压环境。通过在该SiC-Si平衡蒸气压环境下蚀刻SiC衬底10，可以制造抑制了MSB的形成的SiC衬底10。
<比较例1>
在以下条件下，将SiC衬底10收纳在主体容器20和高熔点容器40内(配置步骤)。
[SiC衬底10]
使用了与实施例1相同的SiC衬底10。
[主体容器20]
使用了与实施例1相同的主体容器20。此时，未配置Si蒸气供给源25(单晶Si片)，并且，在主体容器20内仅配置了SiC衬底10(参照图4)。
[高熔点容器40]
使用了与实施例1相同的高熔点容器40和Si蒸气供给源44(Si化合物)。
[蚀刻步骤]
在与实施例1相同的条件对在上述条件下配置的SiC衬底10进行了蚀刻。
图7是在上述条件下进行蚀刻的比较例1的SiC衬底10表面的SEM像。
在该比较例1的SiC衬底10表面处形成有高度3nm以上的MSB。
在该比较例1中，各部件配置成使主体容器20内的原子数比Si/C为1以下(参照图4)。由此，在主体容器20内形成有SiC-C平衡蒸气压环境。
图8是示出在使用根据本发明的SiC衬底的制造方法进行蚀刻的情况下的加热温度与蚀刻速度的关系的曲线图。该曲线图的横轴是温度的倒数，该曲线图的纵轴对数表示了蚀刻速度。将设定成使蚀刻空间S1内的Si/C原子数比超过1(参照图3)来进行蚀刻的结果用○标记表示，将设定成使蚀刻空间S1内的Si/C原子数比为1以下(1或小于1)(参照图4)来进行蚀刻的结果用×标记表示。○标记部位的SiC衬底10表面均未形成MSB，并且，台阶11为1晶胞的高度。另一方面，×标记部位的SiC衬底10表面均形成了MSB。
这里，在对主体容器20内进行了加热时，在将从SiC衬底10产生的包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压作为蚀刻量的情况下，SiC衬底10的蚀刻速度使用以下的式1来求出。
[式1]
Figure BDA0003246475330000181
这里，T是SiC衬底10的温度，mi是气相物种(SixCy)的分子量，k是玻尔兹曼常数。
此外，Pi是将通过加热SiC衬底10而在主体容器20内产生的蒸气压相加而得到的值。另外，作为Pi的气相物种，可以设想SiC、Si2C、SiC2等。
在图8的曲线图中，将在SiC-Si平衡蒸气压环境中的SiC衬底蚀刻的热力学计算结果用虚线(阿伦尼乌斯图)表示，将在SiC-C平衡蒸气压环境中的SiC衬底蚀刻的热力学计算结果用双点划线(阿伦尼乌斯图)表示。
即，虚线是在SiC(固体)和Si(液相)通过气相成为相平衡状态时的蒸气压环境中蚀刻了单晶SiC时的热力学计算结果。具体地，在以下的条件(i)至(iv)下使用式1进行了热力学计算。(i)是体积恒定的SiC-Si平衡蒸气压环境；(ii)蚀刻驱动力是蚀刻空间S1内的温度梯度；(iii)原料气体为SiC、Si2C、SiC2；(iv)原料从台阶11升华的脱离系数为0.001。
此外，双点划线是在SiC(固相)和C(固相)通过气相达到相平衡状态时的蒸气压环境中蚀刻了单晶SiC时的热力学计算结果。具体地，在以下的条件(i)至(iv)下使用式1进行了热力学计算。(i)是体积恒定的SiC-C平衡蒸气压环境；(ii)蚀刻驱动力是蚀刻空间S1内的温度梯度；(iii)原料气体为SiC、Si2C、SiC2；(iv)原料从台阶11升华的脱离系数为0.001。
另外，在热力学计算中使用的各化学物种的数据采用了JANAF热化学表的值。
结果可知，在SiC-Si平衡蒸气压环境下蚀刻的图8的○标记部位的条件下，分解、抑制了MSB的形成，在SiC衬底10的表面处排列了1nm(1晶胞)高度的台阶11。
另一方面可知，在SiC-C平衡蒸气压环境下蚀刻的图8的×标记部位的条件下，形成有MSB。
根据本发明的SiC衬底的制造方法，通过包括在SiC-Si平衡蒸气压环境下蚀刻SiC衬底10的蚀刻步骤，可以制造抑制了MSB的形成的SiC衬底。
附图标记说明
10 SiC衬底
101 主面
11 台阶
12 平台
20 主体容器
24 衬底保持用具
25 Si蒸气供给源
30 加热炉
40 高熔点容器
44 Si蒸气供给源
S1 蚀刻空间

Claims (21)

1.一种SiC衬底的制造装置，其包括：
主体容器，能够收纳SiC衬底，并且通过加热在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压；以及
加热炉，收纳所述主体容器并进行加热，使得在内部空间中产生包含Si元素的气相物种的蒸气压并形成温度梯度，
其中，所述主体容器具有：
蚀刻空间，在将所述SiC衬底配置在所述温度梯度的高温侧的状态下，使配置在所述温度梯度的低温侧的所述主体容器的一部分和所述SiC衬底相对而形成；以及
Si蒸气供给源，能够将Si蒸气供给到所述主体容器内。
2.根据权利要求1所述的SiC衬底的制造装置，其中，所述Si蒸气供给源配置成使所述主体容器内的Si/C原子数比超过1。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的SiC衬底的制造装置，其中，所述主体容器具有衬底保持用具，所述衬底保持用具设置在所述SiC衬底和所述主体容器之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的SiC衬底的制造装置，其中，所述主体容器由包含多晶SiC的材料构成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的SiC衬底的制造装置，其中，所述加热炉具有：
高熔点容器，能够收纳所述主体容器；以及
Si蒸气供给源，能够将Si蒸气供给到该高熔点容器内。
6.根据权利要求5所述的SiC衬底的制造装置，其中，
所述高熔点容器由包含钽的材料构成，
所述Si蒸气供给源为硅化钽。
7.一种SiC衬底的制造方法，其包括：蚀刻步骤，在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压的主体容器的内部收纳SiC衬底和Si蒸气供给源，并且，加热所述主体容器，使得在包含Si元素的气相物种的蒸气压的环境下形成温度梯度，从而蚀刻所述SiC衬底。
8.根据权利要求7所述的SiC衬底的制造方法，其中，所述Si蒸气供给源配置成使所述主体容器内的Si/C原子数比超过1。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的SiC衬底的制造方法，其中，所述蚀刻步骤在SiC-Si平衡蒸气压环境下蚀刻SiC衬底。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的SiC衬底的制造方法，其中，所述蚀刻步骤具有：
Si原子升华步骤，使Si原子从SiC衬底的表面热升华；以及
C原子升华步骤，通过使残留在SiC衬底的表面处的C原子和所述主体容器内的Si蒸气反应来使C原子从SiC衬底的表面升华。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的SiC衬底的制造方法，其中，所述蚀刻步骤使配置在所述温度梯度的高温侧的所述SiC衬底和配置在所述温度梯度的低温侧的所述主体容器的一部分相对来进行蚀刻。
12.一种减少SiC衬底的宏观台阶聚束的方法，其包括：蚀刻步骤，在SiC-Si平衡蒸气压环境下蚀刻SiC衬底。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述蚀刻步骤是在1400℃以上且2300℃以下的温度范围内进行加热的步骤。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中，所述蚀刻步骤是将Si蒸气供给源配置成使蚀刻空间内的Si/C原子数比超过1来进行蚀刻的步骤。
15.一种SiC衬底的制造方法，其包括：
蚀刻步骤，在SiC-Si平衡蒸气压环境下蚀刻SiC衬底，
其中，所述蚀刻步骤是在通过包含Si元素的气相物种的蒸气压的环境而被排气的蚀刻空间内配置所述SiC衬底来进行蚀刻的步骤。
16.根据权利要求15所述的SiC衬底的制造方法，其中，所述蚀刻步骤是将Si蒸气供给源配置成使蚀刻空间内的Si/C原子数比超过1来进行蚀刻的步骤。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的SiC衬底的制造方法，其中，所述蚀刻步骤是对所述SiC衬底配置在温度梯度的高温侧的蚀刻空间进行加热的步骤。
18.一种SiC衬底的制造装置，其包括：
主体容器，能够收纳SiC衬底，并且，通过加热在内部空间中产生包含Si元素的气相物种和包含C元素的气相物种的蒸气压；以及
加热炉，收纳所述主体容器并进行加热，使得在内部空间中产生包含Si元素的气相物种的蒸气压并形成温度梯度，
其中，所述主体容器具有：
蚀刻空间，所述SiC衬底配置在所述温度梯度的高温侧；以及
Si蒸气供给源，能够将Si蒸气供给到所述主体容器内。
19.根据权利要求18所述的SiC衬底的制造装置，其中，所述Si蒸气供给源配置成使所述主体容器内的Si/C原子数比超过1。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的SiC衬底的制造装置，其中，所述主体容器具有衬底保持用具，所述衬底保持用具能够将所述SiC衬底的至少一部分保持在所述主体容器的中空。
21.一种SiC衬底，其通过根据权利要求7至11和15至17中任一项所述的制造方法来制造。
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