CN115704106B - SiC外延晶片及SiC外延晶片的制造方法 - Google Patents

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Abstract

目的在于得到硼的含有量少的SiC外延晶片及其制造方法。该SiC外延晶片具备SiC基板和层叠于所述SiC基板的SiC的外延层，所述外延层包含决定导电型的杂质和导电型与所述杂质不同的硼，所述外延层的中心处的所述硼的浓度小于5.0×1012cm‑3。

Description

SiC外延晶片及SiC外延晶片的制造方法
技术领域
本发明涉及SiC外延晶片及SiC外延晶片的制造方法。
背景技术
碳化硅(SiC)与硅(Si)相比，绝缘击穿电场大一个数量级，带隙为3倍大，热传导率为3倍左右高。期待着将碳化硅(SiC)应用于功率器件、高频器件、高温工作器件等。
对于SiC器件的实用化的促进，要求高品质的SiC外延晶片及高品质的外延生长技术的确立。
SiC器件形成于SiC外延晶片。SiC外延晶片具备SiC基板和层叠在SiC基板上的外延层。SiC基板通过从用升华再结晶法等生长出的SiC的块(bulk)单晶加工而得到。
外延层通过化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition：CVD)等而制作，成为器件的活性区域。
外延层有时具有决定外延层的导电型的杂质和与杂质不同的导电型的硼(例如，专利文献1～3)。硼使漂移层内的有效的载流子浓度降低，有时成为缩短双极型器件的载流子寿命的原因。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2019-121690号公报
专利文献2：国际公开第2006/008941号
专利文献3：国际公开第2018/193664号
发明内容
发明所要解决的课题
硼包含于在制造中使用的构件等，因此难以完全除去，但要求硼浓度的进一步的降低。
本发明鉴于上述问题而完成，目的在于得到硼的含有量少的SiC外延晶片及其制造方法。
用于解决课题的技术方案
本发明为了解决上述课题，提供以下的技术方案。
(1)第1方案的SiC外延晶片具备SiC基板和层叠于所述SiC基板的SiC的外延层，所述外延层包含决定导电型的杂质和导电型不同于所述杂质的硼，所述外延层的中心处的所述硼的浓度小于5.0×1012cm-3。
(2)上述方案的SiC外延晶片的直径可以为150mm以上。
(3)上述方案的SiC外延晶片的直径可以为200mm以上。
(4)第2方案的SiC外延晶片的制造方法，包括使用在SiC基板的载置面的上方具有气体供给口的纵型炉而在SiC基板上将SiC的外延层成膜的成膜工序，所述成膜工序包括一边按照第1升温速度、第2升温速度、第3升温速度的顺序变更升温速度、一边升温至成膜温度的升温工序，所述第1升温速度比所述第2升温速度快，所述第2升温速度比所述第3升温速度快，所述第1升温速度为100℃/min以上，在所述成膜工序中，使所述气体供给口及处于从所述气体供给口到所述载置面的气体流路的中途的上游构件的温度为1200℃以下。
(5)在上述方案的SiC外延晶片的制造方法中，所述气体供给口及所述上游构件可以是层叠多个SiC层而形成的碳构件。
(6)在上述方案的SiC外延晶片的制造方法中，可以在成膜温度下，使所述SiC基板的所述载置面的中心的高度位置比外周的高度位置高30μm以上。
(7)可以将上述方案的SiC外延晶片的制造方法的所述升温工序所需的时间设为300秒以上且750秒以下。
(8)在上述方案的SiC外延晶片的制造方法中，可以将所述SiC基板被运送至所述纵型炉时的温度设为500℃以上。
(9)在上述方案的SiC外延晶片的制造方法的所述成膜工序中，可以从所述SiC基板的背面供给吹扫气体。所述吹扫气体例如从比所述SiC基板的外周靠内侧20mm以上处供给。
发明效果
在上述方案的SiC外延晶片中，硼的含有量少，能够延长器件的载流子寿命。另外，上述方案的SiC外延晶片的制造方法能够减少硼的含有量。
附图说明
图1是第1实施方式的SiC外延晶片的剖视图。
图2是第1实施方式的SiC外延晶片的俯视图。
图3是用于制造第1实施方式的SiC外延晶片的成膜装置的一例的示意图。
图4是第1实施方式的SiC外延晶片的成膜工艺的一例。
图5是第1实施方式的SiC外延晶片的成膜装置的SiC基板附近的放大图。
图6是用于制造第1实施方式的SiC外延晶片的成膜装置的其它例子的示意图。
附图标记说明
1…SiC基板，2…外延层，10…SiC外延晶片，20…腔室，21…主体，22…气体供给口，23…气体排出口，30…支承体，40…基座，41…支承部，42…外周部，43…贯通孔，50…下部加热器，60…上部加热器，70…上游构件，100…成膜装置，G…成膜气体，RS…升温工序，S1…第1升温工序，S2…第2升温工序，S3…第3升温工序，T1…成膜温度，Δh…高低差，d…距离，p1…中心，p2…点。
具体实施方式
以下，关于本实施方式，一边适当参照附图，一边详细进行说明。在以下的说明中使用的附图，为了使本发明的特征容易理解，有时为了方便而将成为特征的部分放大地示出，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。在以下的说明中例示的材质、尺寸等是一例，本发明不限定于它们，能够在不变更其主旨的范围内适当变更而实施。
图1是第1实施方式的SiC外延晶片10的剖视图。图2是第1实施方式的SiC外延晶片10的俯视图。SiC外延晶片10具有SiC基板1和外延层2。SiC外延晶片10例如是直径为150mm以上的圆板。SiC外延晶片10的直径也可以为200mm以上。
SiC基板1例如是从SiC晶锭切割出的。SiC晶锭例如使用升华法而在SiC晶种上生长。SiC基板1例如将从(0001)向<11-20>方向具有偏离角的面设为生长面。SiC基板1包含杂质。杂质例如是氮。
SiC基板1的俯视形状例如是圆形。SiC基板1的直径例如为150mm以上。对于SiC基板1，也可以将圆的一部分开槽口。被开槽口的部分被称作定向平面(orientation flat)OF。定向平面OF用于SiC基板1的方位等的确认。
外延层2层叠于SiC基板1上。外延层2例如通过化学气相沉积法(CVD法)而形成。外延层2是SiC的单晶膜。外延层2例如也可以由多层形成。例如，外延层2也可以由杂质浓度不同的多个SiC单晶膜形成。
外延层2包含决定导电型的杂质和硼。决定导电型的杂质例如是氮。氮的导电型是n型。外延层2中的决定导电型的杂质浓度例如为1.0×1014cm-3以上且3.0×1016cm-3以下，优选为1.0×1014cm-3以上且3.0×1015cm-3以下。外延层2中的决定导电型的杂质浓度的面内均匀性例如优选为20％以内，更优选为10％以下。决定导电型的杂质浓度的面内均匀性例如根据通过SiC外延晶片的中心的径向的10点以上的测定点的结果而求出。杂质浓度的面内均匀性是将多个测定点中的杂质浓度的最大值与最小值之差除以多个测定点的杂质浓度的平均值而得到的值。可以在与定向平面OF平行的方向上配置测定点，也可以在与定向平面OF垂直的方向上配置测定点，还可以在与定向平面OF平行及垂直的方向分别配置测定点。
硼表示与氮的导电型不同的导电型。硼的导电型是p型。硼不是有意地掺杂于外延层2，而是在外延层2的成膜时包含于基座等成膜装置的硼作为杂质混入的。硼是有效的载流子浓度下降的原因，并且也可能成为抑制双极型器件的电导率调制效果的原因。优选外延层2中的硼浓度少，但难以完全除去。
外延层2的中心p1处的硼的浓度为5.0×1012cm-3以下。外延层2的外周侧的点p2处的硼浓度优选小于1.0×1014cm-3。点p2是比外延层2的外周靠内侧5mm的点。从外周起靠内侧5mm的范围有时不被视为器件的有效区域。因而，从外周起靠内侧5mm的范围，多数情况下能够忽略。
各层的杂质及硼浓度例如能够通过水银探针(Hg-CV)法、二次离子质谱分析法(SIMS)等来进行测定。
Hg-CV法将施主浓度Nd与受主浓度Na之差(Nd-Na)作为n型的杂质浓度进行测定。在与施主浓度相比，受主浓度充分小的情况下，能够将它们的浓度差视为n型的杂质浓度。
二次离子质谱分析法(SIMS)是一边在厚度方向上对层进行切削、一边对飞出来的二次离子进行质谱分析的方法。能够根据质谱分析来测定掺杂浓度。
接着，说明第1实施方式的SiC外延晶片的制造方法。首先准备SiC基板1。通过将SiC晶锭以预定的厚度进行切割，得到SiC基板1。关于SiC基板1，也可以购买所销售的SiC基板。
接着，进行在SiC基板1上将外延层2成膜的成膜工序。外延层2例如通过CVD法被成膜。
图3是第1实施方式的SiC外延晶片10的成膜装置100的一例的示意图。成膜装置100例如具有腔室20、支承体30、基座40、下部加热器50及上部加热器60。图3示出SiC基板1载置于基座40的状态。成膜装置100是在SiC基板1的载置面的上方存在气体供给口22的纵型炉。
腔室20例如具有主体21、气体供给口22及气体排出口23。
主体21包围成膜空间S。气体供给口22是将成膜气体G向成膜空间S供给的入口。气体供给口22是气体供给管中的在成膜空间S露出的部分。气体供给口22例如处于SiC基板1的载置面的上方。气体排出口23是将滞留于成膜空间S内的成膜气体G等排出的出口。气体排出口23例如处于比SiC基板1的载置面靠下方处。成膜气体G例如是Si系气体、C系气体、吹扫气体、掺杂剂气体。
Si系气体是在分子内包含Si的原料气体。Si系气体例如是甲硅烷(SiH4)、二氯甲硅烷(SiH2Cl2)、三氯甲硅烷(SiHCl3)、四氯硅烷(SiCl4)等。C系气体例如是丙烷(C3H8)、乙烯(C2H4)等。掺杂剂气体是包含成为载流子的元素的气体。掺杂剂气体例如是氮、氨等。吹扫气体是将这些气体向SiC基板1运送的气体，是相对于SiC惰性的氢等。
气体供给口22例如包括碳构件和覆盖其表面的SiC或TaC层。通过表面由SiC或TaC覆盖，能够抑制来自气体供给口22的硼的释放。另外，气体供给口22更优选是层叠有多个SiC层的碳构件。多个SiC层优选分别是SiC的外延层。多个SiC层各自优选以与将外延层2成膜时的条件同样的条件被成膜。若在碳构件的表面形成有多个SiC层，则能够进一步抑制来自构件的硼释放。
支承体30支承SiC基板1。支承体30能够以轴为中心进行旋转。SiC基板1例如以SiC基板1载置于基座40的状态载置于支承体30。基座40以载置有SiC基板1的状态被向腔室20内运送。支承体30及基座40例如能够使用与气体供给口22同样的材料。下部加热器50例如处于支承体30内，加热SiC基板1。上部加热器60加热腔室20的上部。
成膜工序例如在图3所示的纵型炉中进行。首先将SiC基板1向成膜空间S运送。SiC基板1例如以载置于基座40上的状态被运送。将SiC基板1向成膜装置100内运送时的温度优选设为500℃以上。通过将SiC基板1的运送温度维持得高，能够缩短成膜整体花费的时间。
接着，在运送后的SiC基板1上将外延层2成膜。图4是第1实施方式的SiC外延晶片10的制造工艺的一例。成膜工序具有升温至成膜温度T1的升温工序RS。在升温工序后维持成膜温度T1，进行外延层2的成膜。成膜温度T1例如为1500℃以上。
升温工序RS所需的时间例如为300秒以上且750秒以下。若升温工序RS所需的时间短，则SiC基板1、基座40的变形变大，外延层2的面内均匀性变差。另外，若升温工序RS所需的时间短，则会因由基座40的面内的温度差等引起的对流而发生成膜气体的反卷，从基座40释放的硼会被取入到晶片。若升温工序RS所需的时间长，则从在成膜装置100中使用的构件释放的硼的量增加。
升温工序RS例如具有第1升温工序S1、第2升温工序S2及第3升温工序S3。第1升温工序S1、第2升温工序S2及第3升温工序S3各自的升温速度不同。升温工序RS只要将升温速度变更2次以上即可，也可以具有第4升温工序、第5升温工序等升温速度不同的进一步的工序。
第1升温工序S1以第1升温速度进行升温。第1升温速度为100℃/min以上。第1升温速度比第2升温工序S2中的第2升温速度快。在第1升温工序S1中，例如将温度提升至1200℃左右。
第2升温工序S2在第1升温工序S1之后且第3升温工序S3之前进行。第2升温工序S2以第2升温速度进行。第2升温速度比第1升温速度慢，比第3升温速度快。第2升温速度例如为第1升温速度的90％以下。在第2升温工序S2中，例如将温度提升至1400℃左右。
第3升温工序S3在第2升温工序S2之后进行。第3升温工序S3以第3升温速度进行。第3升温速度比第2升温速度慢。第3升温速度例如为第2升温速度的90％以下。
通过加快第1升温速度，能够缩短升温工序RS整体所需的时间。若升温工序RS整体所需的时间变短，则从成膜装置100释放的硼的量变少。另外，通过将升温速度逐级地减慢，能够抑制SiC基板1、基座40的变形过于变大。
接着，在到达了成膜温度T1后，进行外延层2向SiC基板1的成膜。在成膜时，使气体供给口22的温度成为1200℃以下、优选1100℃以下。气体供给口22的温度例如能够通过调整上部加热器、下部加热器之类的各种加热器的输出而实现。除此之外，也可以通过利用构成炉内的构件的构造、放射率等物理性质值而实现。上述气体供给口22的温度例如能够使用热电偶来测定。另外，也可以使用计算机的模拟结果。
温度越高，则来自构件的硼的释放量越多。通过降低气体供给口22的温度，能够降低硼的释放量。
另外，图5是第1实施方式的SiC外延晶片的成膜装置的SiC基板1附近的放大图。SiC基板1载置于基座40上。基座40例如具有支承部41、外周部42及贯通孔43。
SiC基板1载置于支承部41上。外周部42防止在成膜时SiC基板1向外侧飞出。外周部42例如也可以是环状的独立构件。环状的独立构件更优选是层叠有多个SiC层的碳构件。多个SiC层优选分别是SiC的外延层。多个SiC层各自优选以与将外延层2成膜时的条件同样的条件被成膜。若在碳构件的表面形成有多个SiC层，则能够进一步抑制来自构件的硼释放。贯通孔43是将支承部41的上表面和下表面相连的孔。
将SiC基板1的载置面的中心的高度位置与最外周的高度位置之差称作高低差Δh。高低差Δh例如能够利用激光位移计来测定。首先，在炉的上部，在基座的中心、外周部分别设置测定用的端口及激光位移计，在不设置晶片的状态下求出成膜温度下的中心部与外周部的高度的差值，从而测定基座的翘曲。接着，通过在基座上设置晶片，且以与不设置晶片地测定了翘曲时相同的条件进行测定，能够测定高低差Δh。通过一边测定高低差Δh、一边进行成膜，能够保持任意的高低差Δh。另外，通过选择激光光源的波长，也能够在设置有晶片的状态下测定基座的翘曲。例如，在SiC晶片的情况下，若将激光光源的波长设为600nm以上，则激光透过SiC晶片，因此能够在设置有晶片的状态下测定基座的翘曲。成膜时的高低差Δh优选为30μm以上。即，在成膜温度T1下，优选使SiC基板1的载置面的中心的高度位置比最外周的高度位置高30μm以上。另外，成膜温度T1下的高低差Δh优选为100μm以下。
上述的高低差Δh的范围只要在成膜温度T1下满足即可，可以在常温下不满足。另外，关于载置面的外周，在存在外周部42的情况下，外周部42与载置面的交界成为载置面的外周。
高低差Δh例如能够通过成膜条件来控制。若升温速度快，则高低差Δh有变大的倾向。除此之外，也可以通过构成基座40的材料来调整高低差Δh。例如，若将基座40使用热膨胀率不同的两种以上的材料来制作，也可以利用热膨胀率的不同来调整高低差Δh。
若高低差Δh变大，则在SiC基板1的上表面附近出现从SiC基板1的中央去往外侧的成膜气体G的流动，能够防止发生成膜气体G的反卷等。成膜气体G的反卷成为从构件释放的硼再次被取入到外延层2的原因。若在SiC基板1的上表面附近出现从SiC基板1的中央去往外侧的成膜气体G的流动，则外延层2中包含的硼浓度变低。另外，若高低差Δh为预定的范围内，则外延层2的中心与外周部分的成膜条件的差小，外延层2的面内均匀性升高。
另外，在成膜时，也可以经由贯通孔43向SiC基板1的背面供给气体。向SiC基板1的背面侧供给的气体防止成膜气体G绕到SiC基板1的背面。向背面供给的气体是相对于SiC惰性的吹扫气体。
吹扫气体优选从比SiC基板1的最外周靠内侧20mm以上处朝向SiC基板1的背面供给。例如，贯通孔43与最外周的距离d优选为20mm以上。若吹扫气体向SiC基板1的背面的供给位置满足上述条件，则能够抑制由来自背面的吹扫气体扰乱成膜气体G的流动，能够抑制成膜气体G向SiC基板1的反卷。
本实施方式的SiC外延晶片10的成膜方法，通过使用纵型炉且规定升温工序，能够控制成膜气体G的流动，防止未反应气体向外延层2的反卷。另外，本实施方式的SiC外延晶片10的成膜方法通过规定气体供给口22的温度，能够降低来自原本的构件的硼的释放量。其结果，实施方式的SiC外延晶片10的成膜方法能够使外延层2的中心处的硼的浓度小于5.0×1012cm-3。另外，能够使外延层2的外周处的硼的浓度成为1.0×1014cm-3以下。
由于硼成为寿命抑制因素，所以为了在双极型器件中得到充分的电导率调制效果，需要硼的浓度小于5.0×1012cm-3。
本实施方式的SiC外延晶片10由于外延层2的中心处的硼的浓度小于5.0×1012cm-3，所以在双极型器件中能够得到充分的电导率调制效果。即，若使用本实施方式的SiC外延晶片10，则能够制造高品质的器件。
在外延层2中，决定导电型的杂质浓度越低，则硼浓度对载流子浓度均匀性造成的影响越大。这是因为：外延层2中的氮的浓度越低，则外延层2中包含的硼相对于氮的比例相对越高。换言之，在决定导电型的杂质浓度低的外延层2中，硼浓度低是有价值的。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了详述，但本发明不限定于特定的实施方式，能够在记载于权利要求书内的本发明的主旨的范围内进行各种变形、变更。
例如，图6是用于制造第1实施方式的SiC外延晶片的成膜装置的其它例子的示意图。图6所示的成膜装置101在成膜空间S内的从气体供给口22到SiC基板1的载置面的气体流路的中途存在上游构件70，这一点与图3的成膜装置100不同。在成膜装置101的说明中，对与成膜装置100同样的结构标注同样的附图标记。在使用成膜装置101的情况下，也利用与成膜装置100同样的方法进行外延层2的成膜。
上游构件70是处于成膜空间S内的构件，是在气体的流动方向上处于气体供给口22与SiC基板1的载置面之间的构件。上游构件70例如是将来自加热器的辐射反射的反射器、控制气体流动的锥构件等。
上游构件70例如包括碳构件和覆盖其表面的SiC或TaC层。通过表面由SiC或TaC覆盖，能够抑制来自上游构件70的硼的释放。
在该变形例中也同样，通过使用纵型炉且规定升温工序，能够控制成膜气体G的流动，防止未反应气体向外延层2的反卷。另外，通过规定处于成膜空间S中的气体流路的中途的气体供给口22及上游构件70的温度，能够降低来自原本的构件的硼的释放量。其结果，在该变形例中也同样，能够使外延层2的中心处的硼的浓度小于5.0×1012cm-3。另外，能够使外延层2的外周处的硼的浓度成为1.0×1014cm-3以下。
【实施例】
(实施例1)
准备了直径为150mm的SiC基板。使用与图3所示的成膜装置100同样的纵型炉在SiC基板1上将外延层2成膜。外周部42使用了层叠有多个SiC层的环状的独立构件。升温工序设为3阶段，将升温速度变更了2次。第1次的升温速度(第1升温速度)设为了100℃/min以上。第2次的升温速度(第2升温速度)设为了小于第1升温速度的80％。第3次的升温速度(第3升温速度)设为了小于第2升温速度的80％。成膜温度设为了1600℃以上且低于1700℃。升温所需的时间为350秒以上且小于750秒。
在外延层2的成膜时，从SiC基板1的背面侧供给了吹扫气体。
吹扫气体以吹到比SiC基板1的外周靠内侧20mm以上的位置的方式供给。另外，在1600℃以上且低于1700℃的温度范围中，SiC基板1的载置面的中心的高度位置比最外周的高度位置高30μm以上。另外，成膜时的气体供给口22的温度为1100℃以下。
并且，在制造后，测定了SiC外延晶片10的中心p1处的硼浓度。实施例1的中心p1处的硼浓度是2.0×1012cm-3。
(比较例1)
准备了直径为150mm的SiC基板。比较例1使用了在SiC基板的侧方具有气体供给口的横型炉。构成炉的构件的一部分使用了没有被SiC外延层覆盖的碳构件。并且，使用横型炉在SiC基板1上将外延层2成膜。升温工序是1个阶段，升温速度没有变更。升温速度设为了100℃/min以下。成膜温度设为了1600℃以上且低于1700℃。升温所需的时间为750秒以上。
在比较例1中，没有向SiC基板1的背面侧供给吹扫气体。另外，由于升温速度与实施例相比缓慢，所以在1600℃以上且低于1700℃的温度范围中，SiC基板1的载置面的中心的高度位置比外周的高度位置高不足30μm。
并且，在制造后，测定了比较例1的SiC外延晶片的中心p1处的硼浓度。比较例1的中心p1处的硼浓度是1.7×1014cm-3。

Claims (9)

1.一种SiC外延晶片，
具备SiC基板和层叠于所述SiC基板的SiC的外延层，
所述外延层包含决定导电型的杂质和导电型不同于所述杂质的硼，
所述外延层的中心处的所述硼的浓度为2.0×1012cm-3以下。
2.根据权利要求1所述的SiC外延晶片，
直径为150mm以上。
3.根据权利要求1或2所述的SiC外延晶片，
直径为200mm以上。
4.一种SiC外延晶片的制造方法，
包括使用在SiC基板的载置面的上方具有气体供给口的纵型炉而在SiC基板上将SiC的外延层成膜的成膜工序，
所述成膜工序包括一边按照第1升温速度、第2升温速度、第3升温速度的顺序变更升温速度、一边升温至成膜温度的升温工序，
所述第1升温速度比所述第2升温速度快，
所述第2升温速度比所述第3升温速度快，
所述第1升温速度为100℃/min以上，
在所述成膜工序中，使所述气体供给口及处于从所述气体供给口到所述载置面的气体流路的中途的上游构件的温度为1200℃以下。
5.根据权利要求4所述的SiC外延晶片的制造方法，
所述气体供给口及所述上游构件是层叠多个SiC层而形成的碳构件。
6.根据权利要求4或5所述的SiC外延晶片的制造方法，
在成膜温度下，所述SiC基板的所述载置面的中心的高度位置比外周的高度位置高30μm以上。
7.根据权利要求4或5所述的SiC外延晶片的制造方法，
所述升温工序所需的时间为300秒以上且750秒以下。
8.根据权利要求4或5所述的SiC外延晶片的制造方法，
使所述SiC基板被运送至所述纵型炉时的温度为500℃以上。
9.根据权利要求4或5所述的SiC外延晶片的制造方法，
在所述成膜工序中，从所述SiC基板的背面供给吹扫气体，
所述吹扫气体从比所述SiC基板的外周靠内侧20mm以上处供给。
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