CN117166053A - SiC单晶基板 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及SiC单晶基板。提供降低了局部性的贯穿位错的密集的SiC单晶基板。本发明涉及的SiC单晶基板(1)的直径为199mm以上，在基板整面的各任意的0.25mm2的区域中，贯穿位错密度为5×104/cm2以下，所述贯穿位错包括贯穿刃型位错。
Description
技术领域
本发明涉及SiC单晶基板。
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。另外，碳化硅(SiC)具有与硅(Si)相比热传导率为3倍左右高等特性。因而，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。因而，近年来，对如上述那样的半导体器件使用SiC外延晶片。
SiC外延晶片通过在SiC单晶基板的表面层叠SiC外延层而得到。以下，有时将层叠SiC外延层前的SiC单晶基板称作SiC基板，将层叠SiC外延层后的基板称作SiC外延晶片。SiC基板从SiC锭(ingot)切出。
为了实现活用了上述那样的SiC的优异特性的SiC器件，提出了使用降低了晶体缺陷密度的SiC基板的方案(例如，专利文献1～3)。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2017-31049号公报
专利文献2：日本特开2016-183108号公报
专利文献3：日本特开2021-50112号公报
发明内容
发明要解决的课题
作为代表性的晶体缺陷，已知有贯穿刃型位错(TED)、贯穿螺型位错(TSD)、基平面位错(BPD)等位错。作为位错的评价方法，已知有蚀刻法、光致发光法、X射线形貌法、透射电子射线衍射法等。
本发明人进行了深入研究，结果，通过将蚀刻法和光致发光法组合来进行评价而发现了：若贯穿刃型位错、贯穿螺型位错(以下，有时将贯穿刃型位错及贯穿螺型位错统称为“贯穿位错”)以预定密度以上、局部性地在SiC基板中密集，则在SiC基板上形成SiC外延层后，在SiC外延晶片中，会在与该贯穿位错的密集部对应的部位产生堆垛层错、三角缺陷的密集部。基于该发现，开发了能够抑制这样的外延生长后的堆垛层错、三角缺陷的密集部的产生的、降低了局部性的贯穿位错的密集的SiC基板。
本发明鉴于上述情形而完成，目的在于提供降低了局部性的贯穿位错的密集的SiC单晶基板。
用于解决课题的技术方案
本发明为了解决上述课题而提供以下的技术方案。
本发明的方案1是一种SiC单晶基板，直径为199mm以上，在基板整面的各任意的0.25mm2的区域中，贯穿位错密度为5×104/cm2以下，所述贯穿位错包括贯穿刃型位错。
本发明的方案2，在方案1的SiC单晶基板的基础上，所述贯穿位错密度为2.2×104/cm2以下。
本发明的方案3，在方案2的SiC单晶基板的基础上，所述贯穿位错密度为1.0×104/cm2以下。
本发明的方案4，在方案1的SiC单晶基板的基础上，激发波长313nm的PL发光强度的黑色度为5.3以下。
本发明的方案5，在方案2的SiC单晶基板的基础上，激发波长313nm的PL发光强度的黑色度为3.8以下。
本发明的方案6，在方案3的SiC单晶基板的基础上，激发波长313nm的PL发光强度的黑色度为2.4以下。
发明效果
根据本发明涉及的SiC单晶基板，能够提供降低了局部性的贯穿位错的密集的SiC单晶基板。
附图说明
图1是本实施方式涉及的SiC单晶基板的平面示意图。
图2A是外延生长前的SiC单晶基板的PL像。
图2B是在SiC单晶基板上使外延膜生长后的SiC外延晶片的PL像，也示出了将6mm见方部分的一部分放大后的PL像。
图3示出在通过熔融KOH蚀刻而显露出蚀坑的基板的表面中包含中心的1mm见方的共焦微分干涉显微镜像。
图4A是示出SiC单晶基板的面方位的示意图，是相对于主面垂直地剖切的垂直剖视图。
图4B是示出SiC单晶基板的面方位的示意图，是从相对于主面垂直的方向观察的平面示意图。
图5A是关于不具有贯穿位错密集部的晶种(seed crystal)的制作方法示意性地示出各工序的图，是将熔融KOH蚀刻及光致发光组合来确定晶种的贯穿位错密集部的地点的工序。
图5B是关于不具有贯穿位错密集部的晶种的制作方法示意性地示出各工序的图，是对包括贯穿位错密集部的地点的部位进行除去加工而重新制作的工序。
图5C是关于不具有贯穿位错密集部的晶种的制作方法示意性地示出各工序的图，是进行晶体生长直到能取得足够的尺寸的晶种的工序。
图5D是关于不具有贯穿位错密集部的晶种的制作方法示意性地示出各工序的图，是从口径扩大部分切出比晶种11大的晶种10-2且使用该晶种10-2来使单晶生长的工序。
图6是图2A所示的PL像的放大图。
标号说明
1SiC单晶基板
具体实施方式
以下，关于本发明，一边适当参照附图，一边详细地说明。对于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料、尺寸等是一例，本发明不限定于它们，能够在起到本发明的效果的范围内适当变更来实施。另外，在各图中，关于要在该图中说明的构成要素以外的本领域技术人员周知的构成要素，有时省略。
图1是本实施方式涉及的SiC单晶基板的平面示意图。
图1所示的SiC单晶基板1在基板1A整面的任意的0.25mm2的区域M中，贯穿位错密度为5×104/cm2以下。
对于SiC单晶基板1，优选在基板1A整面的任意的0.25mm2的区域M中，贯穿位错密度为2.2×104/cm2以下。
对于SiC单晶基板1，进一步优选在基板1A整面的任意的0.25mm2的区域M中，贯穿位错密度为1.0×104/cm2以下。
在图1中，关于区域M只图示了其一部分。
图1所示的SiC单晶基板1通过具备在基板1A整面的各任意的0.25mm2的区域M中(换言之，在基板1A整面中选择出的任意的0.25mm2的区域M中)贯穿位错密度都为5×104/cm2以下的结构，成为抑制了在之后的外延生长后的SiC外延晶片中局部性地产生堆垛层错及三角缺陷的SiC单晶基板。
在此，“堆垛层错”意味着晶格的堆叠构造的混乱的缺陷。
另外，“三角缺陷”在广义上是堆垛层错的一种，意味着朝向三角形的顶点及其对边(底边)沿着台阶流动生长方向依次排列的方向而形成的缺陷。即，三角缺陷的对边(底边)在与<11-20>方向正交的方向上配置。三角缺陷使起点为三角形的顶点，与台阶流动生长一起以一边维持大致三角形的相似形、一边增大其面积的方式生长。因此，通常，起点的尺寸是在SiC外延膜的生长初期产生的三角缺陷那么大，能够根据三角缺陷的尺寸来推测起点的膜中的深度。图2所示的三角缺陷的PL像均为相同程度的尺寸，可认为这起因于其起点是处于基板表面的贯穿位错。
另外，在本说明书中，“贯穿位错密度”中的“贯穿位错”是将贯穿刃型位错(TED)和贯穿螺型位错(TSD)合起来的位错。
对于SiC基板中的位错的存在，能够通过光致发光(PL)而可视化。具体而言，能够利用相机拍摄向试样的表面照射了激发光时的PL强度的面内分布，作为二维图像而得到。在PL像中，不存在位错的部分变亮，存在位错的部分变暗(看起来黑)，因此能够基于该对比度来检测位错。
对于位错的种类，能够使用光学显微镜、电子显微镜(SEM)等，根据通过熔融KOH蚀刻而显现的蚀坑的形状来判别。一般来说，具有中型六边形状且存在芯的蚀坑相当于贯穿螺型位错(TSD)，具有小型六边形状且存在芯的蚀坑相当于贯穿刃型位错(TED)。
在图2中示出外延生长前后的PL像。图2A是外延生长前的SiC基板的PL像，图2B是在该SiC基板上使膜厚约10μm的外延膜生长后的SiC外延晶片的PL像，也示出了将6mm见方部分的一部分放大的PL像。
图2A及图2B是包含基板的中心的相同地点的PL像，是在光致发光装置(Lasertec株式会社制，SICA88)中使用波长313nm的激发光且使用近红外波长(660nm以上的波长)的受光波长而得到的反射像。
通过比较图2A及图2B的PL像可知：在与图2A所示的PL像中用四边形包围的部位的看起来黑的部分(以下，有时称作“PL黑色部”)对应的、图2B的部位产生了许多堆垛层错和/或三角缺陷。此外，确认了图2A所示的PL像中的PL黑色部是通过熔融KOH蚀刻而贯穿位错密集的部分(以下，有时称作“贯穿位错密集部”)。贯穿位错密集部是贯穿位错以比面内整体的贯穿位错密度高的密度密集的部分。
本发明人发现了SiC外延晶片中的堆垛层错和/或三角缺陷的产生很大程度上依赖于SiC基板中的贯穿位错的密集的程度、即贯穿位错密度。在表1中，关于7片SiC基板示出了在包含其中心的6mm见方的范围中SiC基板中的贯穿位错密度与外延生长后的SiC外延晶片中的堆垛层错和/或三角缺陷的产生的关系。
【表1】
在表1中，通过目视判定了SiC基板中的PL黑色部的有无。另外，将SiC外延晶片的外延层通过研磨除去而露出SiC基板的表面后，将利用光学显微镜拍摄通过熔融KOH蚀刻而显露出了蚀坑的基板的表面而得到的显微镜像取入到计算机，使用图像解析软件算出了SiC基板中的贯穿位错密度。另外，使用同时设置有共焦微分干涉显微镜和光致发光(PL)观察功能的检查装置(Lasertec株式会社制，SICA88)的共焦微分干涉显微镜判定了SiC外延晶片中的堆垛层错及三角缺陷的有无。
如表1所示，在贯穿位错密度为1.0×104〔/cm2〕的基板中，没有出现PL黑色部。伴随于此，在外延生长后的SiC外延晶片的包含中心的6mm见方的范围中，不存在堆垛层错及三角缺陷。在贯穿位错密度为2.2×104〔/cm2〕的基板中，出现了PL黑色部，但在外延生长后的SiC外延晶片的包含中心的6mm见方的范围中不存在堆垛层错及三角缺陷。在贯穿位错密度为2.7×104〔/cm2〕的基板及贯穿位错密度为5.0×104〔/cm2〕的基板中，出现了PL黑色部，在外延生长后的SiC外延晶片的包含中心的6mm见方的范围中，存在堆垛层错，但不存在三角缺陷。在贯穿位错密度为6.0×104〔/cm2〕的基板、贯穿位错密度为1.0×105〔/cm2〕的基板及贯穿位错密度为2.0×105〔/cm2〕的基板中，均出现了PL黑色部，在外延生长后的SiC外延晶片的包含中心的6mm见方的范围中，堆垛层错及三角缺陷均存在。
在图3中，关于其它的SiC基板，示出在通过熔融KOH蚀刻而显露出蚀坑的基板的表面中包含中心的1mm见方的共焦微分干涉显微镜像。在像整体中，贯穿位错密度为3.3×104〔/cm2〕，另一方面，仅在左下1/4(虚线框)的部分中，贯穿位错密度为6.1×104〔/cm2〕。若基于表1的结果，则像整体的贯穿位错密度3.3×104〔/cm2〕是在外延生长后的SiC外延晶片中不产生三角缺陷的贯穿位错密度。左下1/4(虚线框)的部分的贯穿位错密度6.1×104〔/cm2〕是在外延生长后的SiC外延晶片中堆垛层错及三角缺陷均产生的贯穿位错密度。
若仅在图3所示那样的1mm见方的一部分(左下1/4(虚线框)的部分)，在SiC基板的表面局部性地存在贯穿位错密度为6.0×104〔/cm2〕以上的部分，则之后，在外延生长后的SiC外延晶片中，会与1mm见方的一部分(左下1/4(虚线框)的部分)对应地局部性地产生其堆垛层错及三角缺陷。
若使用即使基板整体的平均贯穿位错密度充分低也局部性地具有预定的贯穿位错密度以上的部分(区域)那样的、产生了不均匀的贯穿位错密度的分布的SiC基板来制作SiC外延晶片，则会局部性地产生堆垛层错及三角缺陷。这样，为了抑制在SiC外延晶片中局部性地产生的堆垛层错和/或三角缺陷的密集，需要使用不具有贯穿位错密集部的SiC基板。
将PL像的对比度定量化。在图6中示出图2A所示的PL像的放大图。在图6所示的PL像中，在PL黑色部的中央(图6中的标号A所示的部分)、中央与边界的1/2的位置(图6中的标号B所示的部分)、边界(图6中的标号C所示的部分)、远离PL黑色部的位置(图6中的标号D所示的部分)，黑色度(＝(背景部平均-PL黑色部最小值)/背景部标准偏差)分别为7.9、7.0、4.5、1.2。此外，“背景部平均”及“背景部标准偏差”以在PL像(PL发光强度像)中看起来不黑的部分(例如，图6中的标号D所示的部分的附近)的0.8mm见方为背景部，意味着该背景部的发光强度的平均或其标准偏差。
另外，PL黑色部的中央(标号A)、中央与边界的1/2的位置(标号B)、边界(标号C)、远离PL黑色部的位置(标号D)的贯穿位错密度分别为2.5×105〔/cm2〕、1.1×105〔/cm2〕、3.3×104〔/cm2〕、5.4×103〔/cm2〕。根据黑色度与贯穿位错密度的相关性，若将黑色度设为K、将贯穿位错密度设为D〔/cm2〕，则黑色度K能够通过以下的式子算出。
K＝1/0.5571xln(D/2663.1)
根据上述式子，在贯穿位错密度为1.0×104〔/cm2〕、2.2×104〔/cm2〕、2.7×104〔/cm2〕、5.0×104〔/cm2〕、6.0×104〔/cm2〕、1×105〔/cm2〕时，黑色度分别被求出为2.4、3.8、4.2、5.3、5.6、6.5。
在SiC基板1的PL像中，在黑色度为2.4的部分中，没有出现PL黑色部，可认为在外延生长后的SiC外延晶片的该部分中不存在堆垛层错及三角缺陷。在黑色度为3.8的部分中，出现了PL黑色部，但可认为在外延生长后的SiC外延晶片的该部分中不存在堆垛层错及三角缺陷。在黑色度为4.2及5.3的部分中，出现了PL黑色部，但可认为在外延生长后的SiC外延晶片的该部分中存在堆垛层错但不存在三角缺陷。在黑色度为5.6、6.5的部分中，出现了PL黑色部，可认为在外延生长后的SiC外延晶片的该部分中堆垛层错及三角缺陷均存在。
因此，在SiC基板1的PL像中，黑色度优选为5.3以下，更优选为3.8以下，进一步优选为2.4以下。
SiC基板1的外形没有特别的限制，能够使用各种平板形状、厚度的SiC基板，典型的是圆板状。SiC基板的厚度例如能够为300～650μm的范围。
在SiC基板1为圆板状的情况下，其尺寸例如可以为直径6英寸(145mm～155mm)、直径8英寸(190mm～205mm)。
另外，SiC基板1的直径也可以为149mm以上，还可以为199mm以上。
SiC基板1优选是4H-SiC。这是因为，虽然SiC存在各种多型，但为了制作实用的SiC器件而主要使用的是4H-SiC。
图4是示出SiC基板的面方位的示意图，图4A是相对于主面垂直地剖切的垂直剖视图，图4B是从相对于主面垂直的方向观察的平面示意图。
SiC基板1能够为主面相对于(0001)面在<11-20>方向上以0°～6°的范围和/或在<1-100>方向上以0°～0.5°的范围具有偏角的SiC基板。
由于偏角越大、则从SiC单晶锭得到的晶片片数越少，所以从成本削减的观点出发，优选偏角小。
图4所示的SiC单晶基板1具有成为晶体取向的指标的定位槽(notch)2，但也可以取代定位槽2，而具有OF(定位边，orientation flat)。
(SiC单晶基板的制造方法)
为了制造不具有贯穿位错密集部的SiC单晶基板、即在基板整面的任意的0.25mm2的区域中贯穿位错密度都为5×104/cm2以下的SiC单晶基板，使用不具有贯穿位错密集部的晶种、即在基板整面的任意的0.25mm2的区域中贯穿位错密度都为5×104/cm2以下的晶种，来使单晶生长。
在以往的晶种中，存在不少贯穿位错密集部。由于没有关注局部性的贯穿位错密集部，所以没有认识到局部性的贯穿位错密集部的存在。
关于不具有贯穿位错密集部的晶种的制作方法，参照图5来说明。
(1)首先，如图5A所示，与SiC基板同样，将熔融KOH蚀刻和光致发光(PL)组合，以在基板的缺陷测定中进行的方法同样的方法，确定晶种10的贯穿位错密集部的地点10a。
(2)接着，如图5B所示，对包含贯穿位错密集部的地点10a的部位进行除去加工，重新制作不包含贯穿位错密集部的地点10a的小的晶种11。此外，即使靠近中心部产生了贯穿位错密集部，也能够以将其去除的方式进行加工而将其作为晶种，之后通过进行口径扩大而使足够大小的单晶生长。
(3)接着，如图5C所示，进行晶体生长，谋求口径扩大，直到能取得足够尺寸的晶种为止。标号12表示口径扩大部分。
(4)接着，如图5D所示，从口径扩大部分12切出比晶种11大的晶种10-2，使用该晶种10-2来使单晶生长。
(5)反复进行以上的(1)～(4)的工序，直到得到不具有贯穿位错密集部的晶种为止。
若使用如以上这样得到的不具有贯穿位错密集部的晶种来使单晶生长，则能够制造在基板整面的任意的0.25mm2的区域中贯穿位错密度都为5×104/cm2以下的SiC单晶锭。通过对该SiC单晶锭进行通常的基板加工(圆筒加工、切片～研磨)，能够得到SiC基板。
Claims (6)
1.一种SiC单晶基板，
直径为199mm以上，在基板整面的各任意的0.25mm2的区域中，贯穿位错密度为5×104/cm2以下，
所述贯穿位错包括贯穿刃型位错。
2.根据权利要求1所述的SiC单晶基板，
所述贯穿位错密度为2.2×104/cm2以下。
3.根据权利要求2所述的SiC单晶基板，
所述贯穿位错密度为1.0×104/cm2以下。
4.根据权利要求1所述的SiC单晶基板，
激发波长313nm的光致发光的黑色度为5.3以下。
5.根据权利要求2所述的SiC单晶基板，
激发波长313nm的光致发光的黑色度为3.8以下。
6.根据权利要求3所述的SiC单晶基板，
激发波长313nm的光致发光的黑色度为2.4以下。
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