CN115497815A - 碳化硅晶片、外延晶片和半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳化硅晶片，外延晶片以及半导体器件。所述碳化硅晶片具有一个表面和与所述一个表面相对的另一个表面。一个表面的平均Rmax粗糙度为2.0nm或更小，一个表面的平均Ra粗糙度为0.1nm或更小。边缘区域是从碳化硅晶片边缘到中心的距离为碳化硅晶片半径的5％到75％的区域，中心区域是在碳化硅晶片的中心具有碳化硅晶片半径的25％的区域。该一个表面边缘区域的平均Rmax粗糙度和一个表面中心区域的平均Rmax粗糙度之间的差值为0.01nm至0.5nm。本发明的碳化硅晶片在表面的几乎所有区域都具有优异的粗糙度和光学特性，并且表现出均匀的质量。

Description

碳化硅晶片、外延晶片和半导体器件
相关申请的交叉引用
本申请主张2021年6月17日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2021-0078554的根据35USC 119(a)下的权益，出于所有目的，将其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种碳化硅晶片及由其制造的半导体器件。
背景技术
碳化硅(SiC)具有优异的耐热性和机械强度，并且具有物理和化学稳定性，因此作为一种半导体材料备受关注。近年来，作为大功率器件的衬底，对碳化硅单晶衬底的需求不断增加。
作为制备SiC单晶的方法，有液相外延(LPE)、化学气相沉积(CVD)、物理气相传输(PVT)等。PVT是一种生长SiC单晶的方法，其通过将SiC原料装载到坩埚中，在坩埚顶部处理由SiC单晶组成的籽晶，然后通过感应加热方法加热坩埚，使原料升华，以在籽晶上生长SiC单晶。
PVT因其生长速度快，被最广泛地用于制备锭形式的SiC。然而，流经坩埚的电流密度可能会根据坩埚和热绝缘体的特性以及工艺条件等而改变，坩埚内的温度分布也可能会改变，从而导致要制备的SiC锭的弯曲和变形。当发生这样的弯曲和变形时，在晶片的后续制造过程中，晶片的中心和边缘之间的加工程度会出现差异，因此粗糙度特性、光学特性等可能会发生变化。
当在从碳化硅锭切割的晶片上形成外延层时，制造良率可能会受到碳化硅晶片的光学特性以及表面粗糙度特性的影响。如果碳化硅晶片的表面粗糙度存在差异，或者如果光学特性存在问题，则外延层的质量可能会恶化，并且存在在制造半导体器件时器件的特性或制造良率可能会降低的风险。
因此，为了提高由碳化硅晶片制造的半导体器件的性能和制造良率，有必要考虑在制造碳化硅锭和制造碳化硅晶片时能够满足各种特性的方法。
上述背景技术是发明人为推导实施方式而获得的或在推导过程中获得的技术信息，不一定是在提交本申请之前向公众公开的现有技术。
作为相关的现有技术，有韩国专利公开号10-2018-0016585中公开的“外延碳化硅单晶片的制造方法(Method for manufacturing epitaxial silicon carbide singlecrystal wafer)”、韩国专利公开号10-0675216中公开的“雾度测量方法及其装置(Methodfor measuring haze and apparatus thereof)”等。
发明内容
实施方式的一个目的是提供一种满足良好粗糙度特性和光学特性的碳化硅晶片。
实施方式的另一个目的是提供一种在器件制造中提供改进的制造良率的碳化硅晶片。
根据本发明的一种实施方式，碳化硅晶片具有一个表面和与该一个表面相对的另一个表面。一个表面的平均Rmax粗糙度为2.0nm或更小，且一个表面的平均Ra粗糙度为0.1nm或更小。边缘区域是从碳化硅晶片的边缘到中心的距离为碳化硅晶片半径的5％-75％的区域，中心区域是在碳化硅晶片中心处具有碳化硅晶片半径的25％的半径的区域。这里，一个表面的边缘区域的平均Rmax粗糙度和该一个表面的中心区域的平均Rmax粗糙度之间的差值为0.01nm至0.5nm。
D65标准光源的总透光率可为10％至40％。
一个表面的平均Rmax粗糙度可为1.5nm或更小。
一个表面的边缘区域的平均Ra粗糙度与一个表面的中心区域的平均Ra粗糙度之间的差值为0.08nm或更小。
D65标准光源的雾度可为0.3％至0.5％。
碳化硅晶片的平均Ra粗糙度可为0.07nm或更小。
一个表面可以是硅表面，其中硅原子比碳原子更主要。
碳化硅晶片的直径可以是4英寸或更大，并且可以包括4H碳化硅。
根据本发明的实施方式的外延晶片包括上述碳化硅晶片和形成在碳化硅晶片的一个表面上的外延层。
根据本发明的实施方式的半导体器件包括：上述碳化硅晶片；外延层，形成在碳化硅晶片的一个表面上；阻挡区，设置为与碳化硅晶片相对，外延层插在其间；源极，与外延层接触；栅极，设置在阻挡区上；和漏极，设置在碳化硅晶片的另一个表面上。
根据实施方式的碳化硅晶片在表面的几乎所有区域都具有优异的粗糙度和光学特性，并且可以表现出均匀的质量。
当制造外延层和器件时，根据实施方式的碳化硅晶片可以改善器件特性和良率。
附图的简要说明
图1是示出了根据实施方式的碳化硅晶片的实例的概念图。
图2是示出了用于制造碳化硅锭的设备的实例的概念图。
图3是示出了用于制造碳化硅锭的设备的反应室的内部空间的实例的概念图。
图4是示出了在根据实施方式的碳化硅晶片的制造过程中温度、压力和氩气压力相对于时间的趋势图。
图5是在实验例中测量的实施例1和2以及对比例1和2的粗糙度时通过原子力显微镜拍摄的照片。
图6是示出了在实验例中形成实施例1和2以及对比例1和2的外延层时的良率的概念图。
图7是根据实施方式的半导体器件的实例的概念图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述一种或多种实施方式。然而，实施方式可以以许多不同的形式实现，并且不限于本文描述的实施方式。在整个说明书中，相同的附图标记分配给相似的零件。
在本发明中，某个元素“包含”或“包括”另一个元素的短语意味着该特定元素可以进一步包括一个或多个其他元素，但不排除一个或多个其他元素的存在或添加，除非另有相反规定。
在整个说明书中，当一个元件(例如层、区域或衬底)被描述为“在另一个元件上”、“连接到”或“耦合到”另一个元件时，它可以直接“在”、“连接到”或“耦合到”另一个元件，或者可以有一个或多个其他元件介入其中。
在本发明中，B定位在A上意味着B直接定位在A上，或B定位在A上，而另一层定位在二者之间，且不限于B定位在靠近A的表面上。
在本发明中，包含在Markush格式表达式中的术语“这些的组合”是指选自由Markush格式表达式中描述的组分组成的组中的一种或多种混合物或组合，它意味着包括选自由组分组成的组中的一种或多种。
在本发明中，描述“A和/或B”是指“A或B，或A和B”
在本发明中，如“第一”、“第二”、“A”或“B”等术语用于彼此区分相同的术语。
在本发明中，除非另有特别说明，否则单数形式在上下文中被解释为包括复数形式以及单数形式。
碳化硅晶片10
为了实现上述目的，根据实施方式的碳化硅晶片10包括一个表面11和彼此相对的另一个表面，其中一个表面的平均Rmax粗糙度为2.0nm或更小，其中一个表面的平均Ra粗糙度为0.1nm或更小，其中边缘区域是从碳化硅晶片边缘到中心的距离为碳化硅晶片的半径的5％至75％的区域，其中中心区域是半径为从碳化硅晶片的中心开始的碳化硅晶片的半径的25％的区域，其中，一个表面的边缘区域的平均Rmax粗糙度和一个表面的中心区域的平均Rmax粗糙度之间的差值为0.01nm至0.5nm。
Rmax粗糙度(最大峰谷高度)在工件的表面粗糙度曲线的一定长度内平行于粗糙度曲线的中心线(基准线)，并且表示分别通过粗糙度曲线的最低点(谷)和最高峰(峰)的两条平行线之间的垂直距离。
在一种实施方式中，当制造基于碳化硅晶片的外延晶片和器件时，应注意，Rmax粗糙度和Ra粗糙度与器件制造良率相关，并且其旨在提供满足预定Rmax粗糙度和Ra粗糙度条件的碳化硅晶片。
同时，总透光率(Tt)表示光通过材料内部时平行透光率(Tp)和扩散透光率(Td)的总和。此外，雾度指的是一种现象，在这种现象中，取决于材料的类型和状态光会漫射，而不是反射或吸收，从而在光通过材料内部时显示不透明外观。可通过测量漫射透光率和总透光率来计算雾度，如等式1所示。
[等式1]
H＝Td/(Tt×100)
其中H为雾度，Td为漫射透光率，Tt为总透光率。
在一种实施方式中，当制造基于碳化硅晶片的外延晶片和器件时，应理解，作为光学特性的总透光率和雾度值与器件制造良率相关，并且提供满足预定总透光率和雾度值的碳化硅晶片。具体测量程序在以下实验例中描述。
对于D65标准光源，碳化硅晶片10可具有0.3％至0.5％、0.3％至0.4％或0.34％至0.37％的雾度。当超过雾度范围的上限时，存在在制造外延晶片和器件时缺陷率增加的风险。通过满足上述雾度范围，可以防止坑状缺陷，并且可以在制造外延晶片和器件时提高制造良率。
对于D65标准光源，碳化硅晶片10的总透光率可为10％至40％、15％至35％或20％至30％。如果具有这样的总透光率范围，则可以显示出良好的碳化硅晶片质量。
D65标准光源对应于色温接近6504K的日光。
参考图1，一个表面11是所谓的Si表面，其中硅原子与其他原子相比更多地出现在其上，而另一个表面12(即一个表面的相对侧)是所谓的C表面，其中碳原子与其他原子相比主要出现在其上。当从碳化硅锭切割以制造碳化硅晶片时，可以在碳化硅锭中碳原子层和硅原子层之间的界面处或在平行于界面的方向上容易地切割碳化硅锭，因此，碳原子主要暴露的表面和硅原子主要暴露的表面倾向于出现在切割面上。
当碳化硅晶片10的形状为圆形或椭圆形时，一个表面11的中心可对应于圆形或椭圆形的中心。此外，可以在碳化硅晶片的一部分中形成平坦区、凹口等。
一个表面11的平均Rmax粗糙度可为2.0nm或更小、1.5nm或更小或1.1nm或更小。一个表面的平均Rmax粗糙度可为0.1nm或更大。满足此Rmax粗糙度范围的碳化硅晶片在表面上的最低点和最高点之间具有良好的高度差，并且可以预期在随后的外延生长过程和器件制造过程中具有高良率。
一个表面11的边缘区域的平均Rmax粗糙度和一个表面的中心区域的平均Rmax粗糙度之间的差值可以是0.01nm至0.5nm，或0.1nm至0.3nm。当以这种方式提供边缘区域和中心区域之间的Rmax粗糙度差的范围时，可以在碳化硅晶片的主区域中表现出较低的不对称程度，并且可以增加在后续工艺中形成的外延层的厚度平坦度，并且可以获得良好的器件制造良率。
当测量一个表面11的Rmax粗糙度时，与基准线(中心线)相比，最低点(谷)可能为-1.0nm或更大，或为-0.8nm或更大。当测量一个表面的Rmax粗糙度时，与基准线相比，最高点(峰)可为1nm或更小，或0.57nm或更小。基准线(中心线)可通过粗糙度测量装置定义，如下文实验例中所述。
一个表面11的平均Ra粗糙度可为0.1nm或更小、0.08nm或更小、0.07nm或更小、或0.05nm或更小。一个表面的平均Ra粗糙度可为0.01nm或更大。
一个表面11的边缘区域的平均Ra粗糙度可为0.1nm或更小、0.08nm或更小、或0.07nm或更小。一个表面边缘区域的平均Ra粗糙度可为0.01nm或更大。
一个表面11的中心区域的平均Ra粗糙度可为1nm或更小，或可为0.07nm或更小。
满足这种Ra粗糙度范围的碳化硅晶片在随后的外延生长工艺中可以具有良好的质量，并且可以在器件制造中提高良率。
后续要描述的实验例中描述的方法可应用于测量碳化硅晶片10的Ra和Rmax粗糙度。
根据0.01°至0.5°、0.02°至0.4°或0.1°至0.4°的高分辨率X射线衍射分析，碳化硅晶片10可具有摇摆曲线的半极大处全宽度(FWHM)。具有这些特性的碳化硅晶片可具有优异的晶体特性，并可改善通过后续工艺制造的器件的特性。
通过应用高分辨率X射线衍射分析系统(HR-XRD系统)将碳化硅晶片的[11-20]方向与X射线路径对齐，并将X射线源和X射线检测器设置为2θ的角度(35°-36°)，然后根据碳化硅晶片的偏离角调整ω(ω，或θ，X射线检测器)角度，来测量摇摆曲线，并通过摇摆曲线的半极大处全宽度来评价结晶度。具体而言，在应用相对于碳化硅锭的(0001)平面选自0°到10°范围的偏离角的碳化硅晶片中，当偏离角为0°时，ω角为17.8111°，当角度为4°时，ω角为13.811°，当偏离角为8°时，ω角为9.8111°。
碳化硅晶片10可以具有150μm到900μm的厚度，并且只要厚度是适用于半导体器件的适当厚度，则厚度不限于此。
碳化硅晶片10可包括基本上单晶的4H碳化硅结构，其中多晶夹杂物最小化。
碳化硅晶片10的直径可以是4英寸或更大、5英寸或更大或6英寸或更大。晶片的直径可以是12英寸或更小、10英寸或更小、或8英寸或更小。
碳化硅晶片10可通过后续描述的碳化硅晶片制造方法制造。
碳化硅晶片10可以是在表面上形成外延层之前的晶片。例如，可以从碳化硅锭切割碳化硅晶片，然后进行平面化和化学机械抛光。
碳化硅晶片的制造方法
为了实现上述目的，根据实施方式的制造碳化硅晶片的方法包括：在具有内部空间的反应器200中，将原料300和碳化硅籽晶110布置为彼此隔开的制备过程；通过控制内部空间的温度、压力和气氛使原料升华并制备由碳化硅籽晶生长的碳化硅锭100的生长过程；冷却反应器并回收碳化硅锭的冷却过程；和切割回收的碳化硅锭以制备碳化硅晶片的切割过程，其中隔热材料400被布置成围绕反应器的外表面，并且提供用于控制内部空间的温度的加热器600，其中，所述生长过程通过以下方式来制备碳化硅锭，包括将内部空间的温度从室温升高到第一温度的升温过程、将温度从第一温度升高到第二温度的第一生长过程和将温度保持到第二温度的第二生长过程，其中第一温度是内部空间开始减压的温度，其中第二温度是内部空间减压完成并在减压下诱导碳化硅锭生长的温度，其中温差是内部空间上部的温度与内部空间下部的温度之间的差值，其中第二温度下的温度为160℃至240℃。
在制备过程中，原料300和碳化硅籽晶110在具有内部空间的反应器200中彼此隔开以面对面。
在制造碳化硅晶片的方法中，可以通过图2所示的设备来执行碳化硅锭的制造。
制备过程的碳化硅籽晶可根据目标晶片以适当尺寸施加，并且碳化硅籽晶的C表面((000-1)表面)可朝向原料300。
碳化硅籽晶110可包括4英寸或更大的4H碳化硅、6英寸或更大的4H碳化硅或8英寸或更大的4H碳化硅。碳化硅籽晶可为12英寸或更小。
原料300可以以具有碳源和硅源的粉末的形式使用，并且可以使用其中粉末彼此颈缩的原料或其中表面碳化的碳化硅粉末。
只要反应器200是碳化硅锭生长反应的适当容器，就可以使用反应器200，具体而言，可以使用石墨坩埚。例如，反应器可包括：包括内部空间和开口的主体210，和与开口相对应的盖220，以形成内部空间。坩埚盖还可以包括与坩埚盖一体或分开的籽晶托架，并且可以固定碳化硅籽晶，以便碳化硅籽晶和原料通过籽晶托架彼此面对。
反应器200可通过被隔热材料400包围而固定，且围绕反应器的隔热材料可位于反应室500中，例如石英管中。可在隔热材料和反应室外部提供加热器600，以控制反应器内部空间的温度。
隔热材料400的比电阻可为8×10-3Ωm或更小、5×10-3Ωm或更小、或3.1×10-3Ωm或更小。隔热材料的比电阻可为1×10-4Ωm或更大，2.5×10-4Ωm或更大，或1.0×10-4Ωm或更大。当应用具有这种比电阻的隔热材料时，可进一步减少待生长碳化硅锭中缺陷的发生。
隔热材料400可具有72％至95％、75％至93％、或80％至91％的孔隙率。当应用满足该孔隙率的隔热材料时，可进一步减少待生长碳化硅锭中缺陷的发生。
隔热材料400可以包括碳基毡，特别是石墨毡，并且可以包括人造丝基石墨毡或沥青基石墨毡。
隔热材料400的密度可为0.14g/cc至0.28g/cc，或0.15g/cc至0.17g/cc。当应用具有这种密度的隔热材料时，可以生长高质量的碳化硅锭。
反应室500可包括连接至反应室内部以调节反应室内部的真空度的真空排气装置700、连接至反应室内部以将气体引入反应室的管道810和控制气体流入的质量流量控制器800。通过这些，可以在随后的生长过程中调节惰性气体的流速，并且可以控制冷却过程。
生长过程可以通过加热器600加热反应器200和反应器的内部空间来执行，并且在加热的同时或与加热单独地进行：通过降低内部空间的压力来调整真空度以及注入惰性气体，可以诱导碳化硅锭的生长。
加热器600可安装为可在反应器200的垂直方向上移动，相应地，反应器和加热器之间的相对位置可改变，并且可施加在内部空间的上部230和内部空间的下部240之间的温差。具体地，可以施加内部空间上部的碳化硅籽晶110和其下部的原料300之间的温差。
加热器600可沿反应器200的外周表面或围绕反应器的隔热材料400形成螺旋线圈。
参照图4，生长过程包括：将内部空间的温度从室温升高到第一温度的升温过程Sb；将温度从第一温度升高到第二温度的第一生长过程S1；和将温度保持在第二温度的第二生长过程S2，从而制备碳化硅锭。
在生长过程之前，在大气状态下降低内部空间压力的减压过程Sa。
可以3℃/min至13℃/min的速率、或以5℃/min至11℃/min的速率将温度升高至第一温度。可以7℃/min至10℃/min的速率将温度升高至预生长开始的温度。
可以执行减压过程Sa，以使内部空间的压力变为10托或更小，或5托或更小。
可通过注入惰性气体(例如氩气或氮气)来执行升温过程Sb，以使内部空间的压力变为500托至800托，并可进行升温，以使内部空间下部的温度以1℃/min至10℃/min的速率变为1500℃至1700℃。
参考图3，在生长过程中，内部空间的上部230可以是对应于碳化硅籽晶110的表面的位置，内部空间的下部240是对应于原料300的表面的位置。
第一温度是原材料300开始部分升华的温度，可以是如图4的虚线区域所示的在生长过程之前经历升温过程Sb的温度，并且可以是在升温过程中注入惰性气体后内部空间开始减压的温度。具体地，基于内部空间的下部240，它可以是1500℃至1700℃，1600℃至1640℃。
基于内部空间的上部230，第一温度可以是1450℃至1650℃，或1550℃至1587℃。
在第一生长过程S1中，在第一温度下，内部空间的上部230和内部空间的下部240之间的温差可为40℃至60℃，或50℃至55℃。
第二温度是原料300进行完全升华的温度，可以是如图4的虚线区域所示的进行第一生长过程的温度升高的温度，并且可以是在内部空间的减压完成后，在减压下诱导碳化硅锭生长的温度。此外，与第二温度下的减压的压力相比，通过将压力改变到±10％可以诱导碳化物锭的生长。
基于内部空间的下部240，第二温度可以是2100℃至2500℃，或2200℃至2400℃。
基于内部空间的上部230，第二温度可以是1900℃至2300℃，或2100℃至2250℃。
在第一生长过程S1中，内部空间的上部230和内部空间的下部240之间的温差可为160℃至240℃，或180℃至220℃。温差可为196℃至207℃、或202℃至207℃。
在第一生长过程S1中，内部空间的上部230和内部空间的下部240之间的温差可以随着内部空间中的温度升高而增大。
第一生长过程(S1)具有内部空间的上部230和内部空间的下部240的温度范围、温差和温度变化率，因此可以最小化所需晶体以外的多态性的发生，并且可以获得稳定的锭生长。如果在第一生长过程的第一温度和第二温度下的温差小于上述范围，则可以混合所需晶体以外的晶体，从而增加形成多晶体的可能性，并且可以降低生长速率。另一方面，如果温差大于上述范围，则晶体的质量可能会恶化。
在第一生长过程S1中，减压可以与温度从第一温度升高到第二温度的温度升高一起执行，并且可以执行到1托到50托。
第一生长过程S1的升温速率可以小于升温过程Sb的升温速率，并且可以小于升温过程和第一生长过程的整个过程的平均升温速率。
第一生长过程S1的升温速率可以是1℃/min至5℃/min，或3℃/min至5℃/min。在上述升温速率范围内，可以防止所需晶体以外的多态性，也可以诱导稳定生长。
第一生长过程S1可以进行到加热器600的最大加热面积，即内部空间的下部240、原材料300的表面240，如果加热器是螺旋线圈，则可以通过改变缠绕数量和厚度等，应用在内部空间的上部230和内部空间的下部之间的目标温差。
第二生长过程S2通过在第一生长过程S1中升高到第二温度后，保持第二温度，将原材料300完全升华以形成碳化物锭。
第二生长过程S2可进行5至180小时、30小时至160小时、或50至150小时。
生长过程可以通过围绕反应器200的垂直轴旋转来执行，并且可以更均匀地保持温度梯度。
生长过程可在反应器200外部施加预定流速的惰性气体。惰性气体可连续流入反应器的内部空间，并可沿从原料300到碳化硅籽晶110的方向流动。因此，可以形成反应器及其内部空间的稳定温度梯度。
第二生长过程S2的惰性气体具体可以是氩气、氦气及其混合气体。
在第二生长过程S2之后，可以包括冷却反应器200的冷却过程S3和回收碳化硅锭。
冷却过程S3以预定的冷却速率和预定的惰性气体流动速率条件冷却通过生长过程生长的碳化硅锭。
在冷却过程S3中，可以1℃/min至10℃/min、或3℃/min至9℃/min的速度进行冷却。冷却过程可以5℃/min至8℃/min的速度进行。
在冷却过程S3中，可以同时执行反应器200的内部空间的压力控制，并且可以与冷却过程分开执行压力控制。可以进行压力控制，使内部空间中的压力达到800托。
在冷却过程S3中，可在反应器200内施加预定流速的惰性气体，如在生长过程中一样。例如，惰性气体可以是氩气和氮气。惰性气体可连续流入反应器的内部空间，并可沿从原料300到碳化硅籽晶110的方向流动。
冷却过程S3可包括将反应器200的内部空间加压至大气压或更高，并进行冷却，使得基于反应器200的上部230内部空间的温度变为1500℃至1700℃的第一冷却过程；和在第一冷却过程之后，在室温下冷却内部空间的温度的第二冷却过程。
冷却过程S3的恢复可通过切割与碳化硅籽晶110接触的碳化硅锭100的后侧来执行。以这种方式切割的碳化硅锭可将与籽晶接触的后侧损失降至最低，并可提高晶体质量。
切割过程是通过在冷却过程之后切割回收的碳化硅锭来制备碳化硅晶片的过程。
在切割过程中，可将碳化硅锭切割成与(0001)表面或已开始生长的表面形成预定的偏离角。切割过程的偏离角可以为0°至10°。
切割过程可允许晶片的厚度为100μm至900μm，但本发明不限于此。
将通过切割过程制备的晶片厚度整平并抛光晶片表面的加工过程。
加工过程中使用的抛光轮可以是一种表面嵌有颗粒的类型，嵌在抛光轮表面的颗粒可以是金刚石。
可以在抛光轮和晶片沿相反方向旋转的同时执行加工过程。
在加工过程中，抛光轮的直径可以大于晶片的直径，并且可以是250mm或更小。
该方法还可以包括在加工过程之后对碳化硅晶片进行湿法蚀刻。
加工过程还可以包括化学机械抛光过程。
化学机械抛光可通过在旋转板上施加磨粒浆液并以预定压力将固定晶片接触到旋转抛光头来执行。
在化学机械抛光中，板的旋转速度可以为70rpm至180rpm、80rpm至160rpm、或100rpm至150rpm。
在化学机械抛光中，抛光头的转速可以为60rpm至150rpm、70rpm至140rpm、或90rpm至135rpm。
在化学机械抛光中，抛光头接触旋转板上的晶片的压力可以为2psi至10psi、3psi至8psi、或4psi至6psi。
为了满足旋转板和抛光头的转速和压力，获得了碳化硅晶片的良好的Rmax粗糙度和雾度特性。
在加工过程之后，可进一步执行通过常规RCA化学清洗溶液的清洗过程。
通过上述制造方法制造的碳化硅晶片具有缺陷密度低、杂质粒子数量少、表面粗糙度特性好和光学特性好的优点，并且当将其应用于器件制造时，可以制造具有优异电学和光学特性的器件。
外延晶片的制造方法
为了实现上述目的，根据实施方式的制造外延晶片的方法包括将用于外延生长的源气体注入其中布置根据该方法制造的碳化硅晶片10的生长容器中，并根据化学气相沉积方法在晶片的一个表面11上生长外延层的生长过程。
生长过程还可包括在注入源气体之前对碳化硅晶片的表面进行气体蚀刻的蚀刻过程。可通过将晶片保持在1400℃至1600℃的温度下并以预定流速施加氢气来执行气体蚀刻。
在生长过程中，首先，将晶片放置在生长容器中，将生长容器内部抽真空，并可注入作为源气体的碳基气体和硅基气体。此外，可以进一步注入诸如氮气之类的掺杂气体。当注入气体时，碳基气体和硅基气体的碳/硅原子浓度比可以为0.5比2。
生长过程中的碳基气体可以是选自由CH4、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8组成的组中的至少一种，硅基气体可以是选自由SiH4、SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、Si2H6组成的组中的至少一种。
在生长过程中，可通过注入气体并保持1400℃至1700℃的温度在碳化硅晶片10的一个表面11上生长外延层。
通过该生长过程生长的外延晶片的外延层的厚度可以是5μm至20μm。
在生长过程之后，停止源气体注入，在室温下进行冷却，耗尽气体，将惰性气体加压至大气压，然后可以回收外延晶片。
生长过程可根据需要执行一次或两次或更多次。当生长过程执行两次或更多次时，可在外延层上进一步形成第二外延层(未示出)。重复执行以形成第二外延层的生长过程可以在用于形成外延层的生长过程中应用的相同过程中执行，并且可以不同于用于形成外延层的生长过程来应用温度、源气体的成分、掺杂气体的类型等。
半导体器件1
为了实现上述目的，根据实施方式的半导体器件包括：根据上述的碳化硅晶片10；外延层20，设置在碳化硅晶片的一个表面上；阻挡区30，设置为面向碳化硅晶片，外延层插在阻挡区30与碳化硅晶片之间；源极41，与外延层接触；栅极42，设置在阻挡区上；和漏极43，设置在碳化硅晶片的另一个表面上。
图7中示出了半导体器件1的实例。
碳化硅晶片10可包括n+型碳化硅。
这里，上标的+和-符号表示相对载流子浓度。例如，n+表示强掺杂且具有高掺杂浓度的n型半导体，而p-表示非常轻掺杂且掺杂浓度相对较低的p型半导体。
碳化硅晶片10上的外延层20可由碳化硅单晶层形成，该碳化硅单晶层与碳化硅晶片具有较小或无晶格常数差。
外延层20可以通过化学气相沉积(CVD)工艺等形成。
外延层20包括布置在n+型碳化硅晶片10上的n-型外延层21；和布置在n-型外延层上的p+型外延层22。
可通过在p+型外延层上施加选择性离子注入来形成n+型区域23。
具有向下挖掘到n-型外延层21的沟槽结构的阻挡区和沟槽结构的阻挡区上的栅极42可以设置在半导体器件1的中心。
半导体器件1可通过应用根据制造碳化硅锭和晶片的方法制造的碳化硅晶片10来降低缺陷率。
下文中，将通过具体实施例更详细地描述本发明。以下实施例仅为帮助理解本发明的说明性实施例，本发明的范围不限于此。
实施例-碳化硅晶片的制造
如图2所示，作为用于制造碳化硅锭的设备的实施例，在反应器200的内部空间的下部中装入作为原料300的碳化硅粉末，并且在上部上布置碳化硅籽晶110。此时，应用6英寸4H碳化硅晶体作为碳化硅籽晶，并且以常规方式固定碳化硅籽晶，使得C表面((000-1)表面)朝向内部空间底部的碳化硅原料。
将反应器200密封，其外部由具有下表1所示密度的隔热材料400包围，然后将反应器放置在石英管500中，石英管500的外部配有加热线圈，加热线圈是加热器600。降低反应器的内部空间的压力，以调节至真空环境，并注入氩气，使内部空间达到760托，然后再次降低内部空间的压力。同时，内部空间的温度以5℃/min的升温速率上升至2300℃，石英管内氩气的流速通过管道810和与石英管连通的真空排气装置700进行控制。在2300℃的温度和20托的压力下，在面向碳化硅原料的碳化硅籽晶的前表面上生长碳化硅锭100小时。
生长后，内部空间的温度以5℃/min至8℃/min的速率冷却至25℃，同时注入氩气或氮气，使内部空间的压力变为760托，以冷却碳化硅锭。
将冷却的碳化硅锭的外周表面打磨并加工成具有均匀外径的形状，并且将碳化硅锭切割成与碳化硅锭的(0001)表面具有4°的偏离角，并且制备具有360μm厚度的碳化硅晶片。然后，通过金刚石砂轮打磨碳化硅晶片以使厚度平整，然后，使用二氧化硅浆料进行化学机械抛光(CMP)处理。
将碳化硅晶片固定在CMP抛光设备的抛光头上，碳化硅晶片的一侧朝向抛光板上的抛光垫，聚氨酯基抛光垫连接到抛光板。然后，在注入二氧化硅浆料的同时，在下表1所示的条件下旋转抛光板和抛光头，抛光晶片的一个表面，并清洁和干燥抛光的碳化硅晶片。
[表1]
实施例1 实施例2 对比例1 对比例2
抛光头转速[rpm] 90 135 180 225
板的旋转速度[rpm] 100 150 200 250
抛光头压力[psi] 6 4 6 4
对比例-碳化硅晶片的制造
在上述实施例中，通过将CMP过程中的条件更改为上述表1来制备碳化硅晶片。
实验例–碳化硅晶片的粗糙度和光学特性的测量
通过AFM装置(Park System制造的XE-150)测量在实施例和对比例中制备的碳化硅晶片的平均Ra粗糙度和平均Rmax粗糙度特性，并通过NIPPON DENSHOKU的雾度计NDH5000W装置的D65标准光源测量总透光率和雾度。结果如图5和表2所示。测量期间，基准线表示测量截面的粗糙度曲线的中心线。碳化硅晶片的一个表面的边缘区域是从一个表面的边缘到中心的距离是碳化硅晶片的半径的5％到75％的区域，并且一个表面的中心区域是与碳化硅晶片的从一个表面的中心开始的半径相比具有25％的半径的区域。
[表2]
Figure BDA0003700540240000161
参考表2，在实施例的情况下，平均Ra粗糙度为0.1nm或更小，平均Rmax粗糙度为2.0nm或更小，中心区域和边缘区域之间的Rmax粗糙度差为0.5nm或更小，雾度在0.3％到0.5％的范围内。在对比例中，平均Rmax粗糙度为3.5nm或更大，中心区域和边缘区域之间的粗糙度差为大于0.5nm，并且雾度值也大于0.52％，表明粗糙度和光学特性较差。
实验例-外延晶片制造中的良率测量
以如下常规方式在实施例和对比例中制备的碳化硅晶片上形成外延层。
将碳化硅晶片置于腔室中，注入用于外延生长的碳基和硅基气体，并通过化学气相沉积在碳化硅晶片的一个表面上生长碳化硅外延层。
当使用KLA Tencor's Candela 8520设备评估碳化硅晶片的外延层时，具有外延层中的主要缺陷的层错、三角形和克拉缺陷的区域被判断为有缺陷，制造良率如图6所示。在实施例1和2的情况下，良率分别为98.9％和94.7％，在对比例1和2中，良率分别为88.9％和75.8％，因此证实了当基于具有优异Rmax粗糙度和雾度特性的碳化硅晶片制备外延层时，可以实现90％或更多的高制造良率。
虽然本发明包括具体实例，但在理解本发明的内容后，显然可以在这些实例中对形式和细节进行各种更改，而不偏离权利要求及其等效物的精神和范围。本文描述的实例仅在描述性意义上考虑，而非出于限制目的。每个实例中的特征或方面的描述应视为适用于其他实例中的类似特征或方面。如果所描述的技术以不同的顺序执行，和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的组件以不同的方式组合，和/或由其他组件或其等效物替换或补充，则可以实现适当的结果。因此，本发明的范围不是由具体实施方式定义的，而是由权利要求书及其等效物定义的，并且权利要求书及其等效物范围内的所有变化都应解释为包含在本发明中。

Claims (10)

1.一种碳化硅晶片，包括一个表面和与所述一个表面相对的另一个表面，
其中，所述一个表面的平均Rmax粗糙度为2.0nm或更小，
其中，所述一个表面的平均Ra粗糙度为0.1nm或更小，
其中，边缘区域是从碳化硅晶片的边缘到中心的距离为碳化硅晶片的半径的5％到75％的区域，
其中，中心区域是在碳化硅晶片的中心处具有碳化硅晶片的半径的25％的半径的区域，和
其中，所述一个表面的边缘区域的平均Rmax粗糙度和所述一个表面的中心区域的平均Rmax粗糙度之间的差值为0.01nm至0.5nm。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其中，D65标准光源的总透光率为10％至40％。
3.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其中，所述一个表面的平均Rmax粗糙度为1.5nm或更小。
4.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其中，所述一个表面的边缘区域的平均Ra粗糙度与所述一个表面的中心区域的平均Ra粗糙度之间的差值为0.08nm或更小。
5.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其中，D65标准光源的雾度为0.3％至0.5％。
6.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其中，所述碳化硅晶片的平均Ra粗糙度为0.07nm或更小。
7.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其中，所述一个表面为硅表面，其中硅原子比碳原子出现更多。
8.根据权利要求1所述的碳化硅晶片，其中，所述碳化硅晶片的直径为4英寸或更大，并且包含4H碳化硅。
9.一种外延晶片，包括：
根据权利要求1所述的碳化硅晶片；和
在所述碳化硅晶片的一个表面上形成的外延层。
10.一种半导体器件，包括：
根据权利要求1所述的碳化硅晶片；
外延层，在所述碳化硅晶片的一个表面上形成；
阻挡区，设置为与碳化硅晶片相对，外延层插在所述阻挡区与所述碳化硅晶片之间；
源极，与外延层接触；
栅极，设置在阻挡区上；和
漏极，设置在碳化硅晶片的另一个表面上。
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