DE102015115961B4

DE102015115961B4 - Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers

Info

Publication number: DE102015115961B4
Application number: DE102015115961.9A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Koga
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2035-09-23
Also published as: JP2016060688A; DE102015115961A1; JP6488607B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers (100; 200; 300), umfassend:einen ersten Schritt, bei welchem eine einkristalline SiC-Schicht (12; 14) epitaktisch auf einem Siliziumwafer (10) gewachsen wird; undeinen zweiten Schritt, bei welchem der Siliziumwafer (10) entfernt wird, um einen durch die einkristalline SiC-Schicht (12; 14) gebildeten einkristallinen SiC-Wafer (100; 200; 300) zu erhalten,wobei der erste Schritt umfasst:Befestigen des Siliziumwafers (10) an einem Waferhaltetisch (45) in einer Kammer (41),Reduzieren des Drucks innerhalb der Kammer (41) und dann Einführen des Quellgases, welches Kohlenstoff und Silizium enthält, in die Kammer (41),danach Aufheizen des Siliziumwafers (10), undnach dem Aufheizen des Siliziumwafers (10), Anlegen einer negativen Pulsspannung an den Siliziumwafer (10), wobei die Pulsspannung 10 V oder mehr und 1 kV oder weniger beträgt, die Frequenz der Pulsspannung 10 Hz oder mehr und 10 kHz oder weniger ist und eine Pulsbreite der Pulsspannung 1 µs oder mehr und 1000 µs oder weniger ist, während die Temperatur des Siliziumwafers (10) bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts von Silizium gehalten wird, wodurch, während ein Plasma des Quellgases, welches Kohlenstoff und Silizium enthält, erzeugt wird, die Ionen in dem Plasma in Richtung des Siliziumwafers (10) beschleunigt werden und der Siliziumwafer (10) mit den beschleunigten Ionen bestrahlt wird, wobei ein Verhältnis der Beschleunigungsenergien der Siliziumionen und der Kohlenstoffionen 7:3 ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers.
HINTERGRUND
Siliziumkarbide (SiC) beinhalten β-SiC mit einer Kristallstruktur vom kubischen Typ (auch bezeichnet als „3C-SiC“) und α-SiC mit einer Kristallstruktur vom hexagonalen Typ. Bei a-SiC existieren verschiedene Arten von Kristallstrukturisomeren vom 6H-, 4H- und 2H-Typ, abhängig von den unterschiedlichen Wiederholungsperiodizitäten der gestapelten Anordnung von Si und C. SiC weist eine große Bandlücke von 2,2 eV bis 3,3 eV auf, sodass erwartet wird, dass es als Halbleitermaterial für verschiedene Arten von Halbleiterbauteilen dienen kann.
Jedoch begrenzen Techniken, bei welchen ein einkristalliner SiC-Ingot durch ein Sublimationsverfahren oder das Czochralski-Verfahren gewachsen und einkristalline SiC-Wafer aus dem Ingot geschnitten werden, den Waferdurchmesser derzeit auf 150 mm oder weniger, und es können keine größeren Durchmesser erreicht werden. Dies liegt daran, dass die in einem SiC-Ingot erzeugte thermische Verspannung höher ist als bei einem Si-Ingot, was zu einer Verformung des Ingots mit einem großen Durchmesser führt. Folglich wurden einkristalline SiC-Wafer mit einem großen Durchmesser von beispielsweise 200 mm oder 300 mm noch nicht in den praktischen Gebrauch aufgenommen.
Es wurden Techniken untersucht, bei welchen eine einkristalline SiC-Schicht epitaktisch auf einem Siliziumwafer gewachsen wird, wodurch ein Durchmesser von 300 mm oder mehr erreicht wurde. Allgemein ist im Hinblick auf die Kristallwachstumstemperatur von SiC eine Temperatur von 1500 °C oder mehr für a-SiC und 1300 °C oder mehr für β-SiC erforderlich. Aus diesem Grund kann einkristallines α-SiC nicht durch einen typischen CVD-Prozess (CVD: „Chemical Vapor Deposition“ bzw. Chemische Dampfphasenabscheidung) direkt epitaktisch auf einem Siliziumwafer gewachsen werden, welcher einen Schmelzpunkt von 1414 °C aufweist. Obwohl β-SiC bei einer Temperatur von kleiner oder gleich dem Schmelzpunkt von Silizium epitaktisch gewachsen werden kann, liegt die Temperatur nahe an dem Schmelzpunkt. Folglich diffundieren Siliziumatome in dem Siliziumwafer während des epitaktischen Wachstums leicht in die SiC-Schicht, und Fehlstellen bilden sich in der Nähe des Übergangs, was zu einer schlechten Kristallinität führt.
Die JP S59-203799 A offenbart ein Verfahren, bei welchem ein polykristalline oder amorphe SiC-Schicht als Pufferschicht durch einen Niedrigtemperatur-CVD-Prozess, bei welchem die Temperatur des Siliziumwafers ungefähr 1050 °C beträgt, ausgebildet wird und dann eine einkristalline β-SiC-Schicht auf der SiC-Schicht gewachsen wird, wobei die Temperatur des Siliziumwafers ungefähr 1350 °C beträgt. Mit der Erkenntnis, dass es bei 1250 °C oder mehr schwer ist, eine einkristalline β-SiC-Schicht direkt auf einem Siliziumwafer auszubilden, offenbart die JP H07-312347 A ein Verfahren, bei welchem zuerst eine SiC-Schicht als Pufferschicht ausgebildet wird, indem ein Oberflächenabschnitt eines Siliziumwafers mit einem Plasma eines kohlenstoffbasierten Gases bei einer niedrigen Temperatur von 200°C karbonisiert wird und dann eine einkristalline β-SiC-Schicht durch Dampfphasenepitaxie auf der SiC-Schicht gewachsen wird, wobei die Temperatur des Siliziumwafers 1200 °C beträgt.
Weitere Verfahren zur Abscheidung von SiC-Schichten auf Si-Substraten sind aus der JP 2004 - 307253 A , der WO 88/04333 A1 , der US 5 225 032 A , der US 2002/0096104 A1 und der US 2009/0014756 A1 bekannt. Die DE 41 09 005 C1 beschreibt, dass eine SiC-Schicht von einer Substratschicht getrennt werden kann. Die DE 36 13 012 A1 beschreibt eine Abscheidung von α-SiC auf einer β-SiC-Schicht.
Technisches Problem
Bei den oben genannten Techniken wird eine einkristalline β-SiC-Schicht auf einem Siliziumwafer mit einer Pufferschicht dazwischen ausgebildet, und die einkristalline β-SiC-Schicht wird nicht direkt auf Silizium ausgebildet. Daher ist ein Schritt zur Ausbildung einer Pufferschicht erforderlich, was den Herstellungsprozess verkompliziert. Da darüber hinaus die bei der JP S59-203799 A ausgebildete Pufferschicht polykristallin oder amorph ist, kann für die auf der Pufferschicht ausgebildete einkristalline SiC-Schicht eine schlechte Kristallinität erwartet werden. Darüber hinaus kann bei einer Karbonisierung bei einer niedrigen Temperatur wie in der JP H07-312347 A beschrieben, die Siliziumwaferoberfläche nicht hinreichend modifiziert werden, was zu der Ausbildung von Defekten wie Versetzungen führt. Folglich kann für die auf einer solchen Pufferschicht ausgebildete einkristalline SiC-Schicht ebenfalls eine schlechte Kristallinität erwartet werden.
Angesichts der obigen Probleme wäre es daher hilfreich, ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers bereitzustellen, welches für Wafer mit einem größeren Durchmesser geeignet ist und es ermöglicht, einen einkristallinen SiC-Wafer mit einer hohen Kristallinität zu erhalten.
ZUSAMMENFASSUNG
Um dieses Problem zu lösen, ist eine Technik erforderlich, bei welcher eine einkristalline SiC-Schicht hoher Kristallinität epitaktisch auf einem Siliziumwafer gewachsen werden kann, selbst wenn die Temperatur des Siliziumwafers niedriger ist als der Schmelzpunkt von Silizium. Die zum epitaktischen Wachsen von einkristallinem β-SiC erforderliche Energie muss dem Reaktionsfeld des Siliziumwafers zugeführt werden. Wenn die Temperatur des Siliziumwafers niedriger als der Schmelzpunkt ist, kann typischerweise keine einkristalline SiC-Schicht gewachsen werden. Selbst wenn eine einkristalline SiC-Schicht unter Verwendung einer Technik zur Ausbildung einer Pufferschicht wie oben erwähnt gewachsen werden kann, ist typischerweise die Kristallinität schlecht. Diesbezüglich beruht die erfindungsgemäße Lösung darauf, die zum epitaktischen Wachsen von einkristallinem β-SiC erforderliche Energie dem Reaktionsfeld nicht nur in Form von Wärme eines Siliziumwafers zuzuführen, sondern auch indem ein Quellgas in Form von Ionen in Richtung des Siliziumwafers beschleunigt wird und der Wafer mit den Ionen bestrahlt wird. Mit anderen Worten hat sich herausgestellt, dass als ein Ergebnis des Zuführens einer bestimmten Menge an Beschleunigungsenergie der Ionen des Quellgases an das Reaktionsfeld eine einkristalline β-SiC-Schicht hoher Kristallinität epitaktisch gewachsen werden kann, selbst wenn die Temperatur des Siliziumwafers bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts von Silizium gehalten wird.
Darüber hinaus kann im Hinblick auf die Kristallstruktur die einkristalline β-SiC-Schicht vielmehr direkt auf einer Oberfläche des Siliziumwafers gewachsen werden. Um eine einkristalline α-SiC-Schicht auf einem Siliziumwafer zu wachsen, ist erforderlich, dass zunächst eine einkristalline β-SiC-Schicht auf dem Siliziumwafer gewachsen wird, und dann kann eine einkristalline α-SiC-Schicht auf der einkristallinen β-SiC-Schicht gewachsen werden. Der Erfinder hat auch herausgefunden, dass, selbst wenn die Temperatur des Siliziumwafers bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts von Silizium gehalten wurde, eine einkristalline α-SiC-Schicht hoher Kristallinität auf einer einkristallinen β-SiC-Schicht gewachsen werden konnte, indem ein Verfahren eingesetzt wurde, bei welchem ein Quellgas in Form von Ionen in Richtung des Siliziumwafers beschleunigt wird und der Wafer mit den Ionen bestrahlt wird.
Diese Offenbarung basiert auf den obigen Erkenntnissen, und es wird bereitgestellt:

(1) Ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers, umfassend:
- einen ersten Schritt, bei welchem eine einkristalline SiC-Schicht epitaktisch auf einem Siliziumwafer gewachsen wird; und
- einen zweiten Schritt, bei welchem der Siliziumwafer entfernt wird, um einen durch die einkristalline SiC-Schicht gebildeten einkristallinen SiC-Wafer zu erhalten,
- wobei der erste Schritt umfasst:
  - Befestigen des Siliziumwafers an einem Waferhaltetisch in einer Kammer,
  - Reduzieren des Drucks innerhalb der Kammer und dann Einführen des Quellgases, welches Kohlenstoff und Silizium enthält, in die Kammer,
  - danach Aufheizen des Siliziumwafers, und
  - nach dem Aufheizen des Siliziumwafers, Anlegen einer negativen Pulsspannung an den Siliziumwafer, wobei die Pulsspannung 10 V oder mehr und 1 kV oder weniger beträgt, die Frequenz der Pulsspannung 10 Hz oder mehr und 10 kHz oder weniger ist und eine Pulsbreite der Pulsspannung 1 µs oder mehr und 1000 µs oder weniger ist, während die Temperatur des Siliziumwafers bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts von Silizium gehalten wird, wodurch, während ein Plasma des Quellgases, welches Kohlenstoff und Silizium enthält, erzeugt wird, die Ionen in dem Plasma in Richtung des Siliziumwafers beschleunigt werden und der Siliziumwafer mit den beschleunigten Ionen bestrahlt wird, wobei ein Verhältnis der Beschleunigungsenergien der Siliziumionen und der Kohlenstoffionen 7:3 ist.
(2) Das Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers wie oben unter (1) genannt, wobei bei dem ersten Schritt eine einkristalline β-SiC-Schicht epitaktisch auf dem Siliziumwafer gewachsen wird, wodurch ein durch die einkristalline β-SiC-Schicht gebildeter einkristalliner β-SiC-Wafer hergestellt wird.
(3) Das Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers wie oben unter (2) genannt, wobei bei dem ersten Schritt die Temperatur des Siliziumwafers bei 800 °C bis 1000 °C gehalten wird.
(4) Das Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers wie oben unter (1) genannt, wobei bei dem ersten Schritt eine einkristalline β-SiC-Schicht epitaktisch auf dem Siliziumwafer gewachsen wird und anschließend eine einkristalline α-SiC-Schicht epitaktisch auf der einkristallinen β-SiC-Schicht gewachsen wird, und die einkristalline β-SiC-Schicht nach dem zweiten Schritt entfernt wird, wodurch ein durch die einkristalline α-SiC-Schicht gebildeter einkristalliner SiC-Wafer hergestellt wird.
(5) Das Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers wie oben unter (4) genannt, wobei bei dem ersten Schritt die Temperatur des Siliziumwafers bei 800 °C bis 1000 °C während des Wachstums der einkristallinen β-SiC-Schicht und bei 1000 °C bis 1300 °C während des Wachsens der einkristallinen α-SiC-Schicht gehalten wird.
(6) Das Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers wie oben unter (1) genannt, wobei vor dem ersten Schritt der Siliziumwafer karbonisiert wird, um in einem Oberflächenabschnitt des Siliziumwafers eine einkristalline β-SiC-Schicht auszubilden, und bei dem ersten Schritt eine einkristalline α-SiC-Schicht epitaktisch auf der einkristallinen β-SiC-Schicht des Siliziumwafers gewachsen wird, wodurch ein durch die einkristalline α-SiC-Schicht gebildeter einkristalliner α-SiC-Wafer hergestellt wird.
(7) Das Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers wie oben unter (6) genannt, wobei bei dem ersten Schritt die Temperatur des Siliziumwafers bei 1000 °C bis 1300 °C gehalten wird.

Vorteilhafter Effekt
Das hierin offenbarte Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers ist geeignet für Wafer mit einem großen Durchmesser und ermöglicht es, einen einkristallinen SiC-Wafer mit einer hohen Kristallinität zu erhalten.
Figurenliste
In den beigefügten Zeichnungen:

sind 1(A) bis 1(D) schematische Querschnittsansichten, welche ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers gemäß Ausführungsbeispiel 1 veranschaulichen;
sind 2(A) bis 2(F) schematische Querschnittsansichten, welche ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers gemäß Ausführungsbeispiel 2 veranschaulichen;
sind 3(A) bis 3(E) schematische Querschnittsansichten, welche ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers gemäß Ausführungsbeispiel 3 veranschaulichen; und
ist 4 einen schematische Ansicht einer bei den Ausführungsbeispielen verwendeten Plasmaionenbestrahlungsvorrichtung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das offenbarte Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers umfasst: einen ersten Schritt, bei welchem eine einkristalline SiC-Schicht epitaktisch auf einen Siliziumwafer gewachsen wird, und einen zweiten Schritt, bei welchem der Siliziumwafer entfernt wird, um einen durch die einkristalline SiC-Schicht gebildeten einkristallinen SiC-Wafer zu erhalten. Bei dem ersten Schritt wird, während die Temperatur des Siliziumwafers bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Silizium gehalten wird, ein Kohlenstoff und Silizium enthaltendes Quellgas ionisiert, und der Siliziumwafer wird mit den beschleunigten Ionen bestrahlt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Offenbarung werden nun beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1
Ausführungsbeispiel 1 wird mit Bezug auf 1(A) bis 1(D) beschrieben. Zunächst wird bei dem ersten Schritt eine einkristalline β-SiC-Schicht 12 epitaktisch auf einem Siliziumwafer 10 gewachsen (1(A), 1(B)). Als Nächstes wird bei dem zweiten Schritt der Siliziumwafer 10 entfernt, um einen durch die einkristalline β-SiC-Schicht 12 gebildeten einkristallinen β-SiC-Wafer 100 zu erhalten (1(C), 1 (D)).
Ausführungsbeispiel 2
Ausführungsbeispiel 2 wird mit Bezug auf 2(A) bis 2(F) beschrieben. Zunächst wird bei dem ersten Schritt eine einkristalline β-SiC-Schicht 12 epitaktisch auf einem Siliziumwafer 10 gewachsen, und anschließend wird eine einkristalline α-SiC-Schicht 14 epitaktisch auf der einkristallinen β-SiC-Schicht 12 gewachsen (2(A) bis 2(C)). Als Nächstes wird bei dem zweiten Schritt der Siliziumwafer 10 entfernt (2(D)). Nach dem zweiten Schritt wird die einkristalline β-SiC-Schicht 12 entfernt, um einen durch die einkristalline α-SiC-Schicht 14 gebildeten einkristallinen α-SiC-Wafer 200 zu erhalten (2(E), 2(F)).
Dieses Ausführungsbeispiel zielt darauf ab, einen einkristallinen α-SiC-Wafer zu erhalten. Die einkristalline α-SiC-Schicht kann nicht direkt auf einer Oberfläche des Siliziumwafers gewachsen werden, kann jedoch auf der einkristallinen β-SiC-Schicht gewachsen werden. Folglich wird bei diesem Ausführungsbeispiel zuerst die einkristalline β-SiC-Schicht 12 auf dem Siliziumwafer 10 ausgebildet.
Ausführungsbeispiel 3
Ausführungsbeispiel 3 wird mit Bezug auf 3(A) bis 3(E) beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird vor dem ersten Schritt (ein Schritt eines epitaktischen Wachsens von einkristallinem SiC) der Siliziumwafer 10 karbonisiert, um eine einkristalline β-SiC-Schicht 10A in einem Oberflächenabschnitt des Siliziumwafers 10 auszubilden (3(A), 3(B)). Als Nächstes wird bei dem ersten Schritt eine einkristalline α-SiC-Schicht 14 epitaktisch auf der einkristallinen β-SiC-Schicht 10A des Siliziumwafers 10 gewachsen (3(C)). Als Nächstes wird bei dem zweiten Schritt der die einkristalline β-SiC-Schicht 10A beinhaltende Siliziumwafer 10 entfernt, um einen durch die einkristalline α-SiC-Schicht 14 gebildeten einkristallinen α-SiC-Wafer 300 zu erhalten (3(D), 3(E)).
Bei Ausführungsbeispiel 2 wird die einkristalline β-SiC-Schicht durch epitaktisches Wachstum gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die einkristalline β-SiC-Schicht durch die Karbonisierung des Siliziumwafers 10 ausgebildet.
Detaillierte Beschreibung der Schritte jedes Ausführungsbeispiels
Die Siliziumwafer 10 in 1(A), 2(A) und 3(A) können präpariert werden, indem ein einkristalliner Silizium-Ingot durch das Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) oder das Schmelzzonenverfahren (FZ-Verfahren) gewachsen wird und mit einer Drahtsäge oder dergleichen geschnitten wird. Um eine hohe Getter-Fähigkeit zu erreichen, kann darüber hinaus Kohlenstoff und/oder Stickstoff zu dem Siliziumwafer 10 hinzugefügt werden. Darüber hinaus können, um während der Plasmabehandlung die Spannung zu steuern, dem Siliziumwafer 10 bestimmte Dotierungen mit einer vorgegebenen Konzentration hinzugefügt werden, um ein Substrat vom sogenannten n-Typ oder p-Typ zu erhalten.
Um eine einkristalline SiC-Schicht mit regelmäßig angeordnetem Silizium und Kohlenstoff epitaktisch zu wachsen, ist darüber hinaus ein Substrat bevorzugt, welches frei von COP-Defekten (COP: „crystal originated particle“) ist, wobei es sich um Hohlräume handelt, welche als durch Punktdefekte gebildete aggregierte Fehlstellen erzeugt werden. Ein „COP-freier Siliziumwafer“ bezeichnet hierin einen Siliziumwafer, bei welchem durch die nachfolgend beschriebene Beobachtung/Auswertung keine COP-Defekte erfasst werden. Hierbei wird speziell ein aus einem durch das CZ-Verfahren gewachsenen einkristallinen Ingot geschnittenen Siliziumwafer zunächst durch SC-1 gereinigt (d.h. durch eine Reinigung unter Verwendung einer gemischten Lösung in welcher wässriger Ammoniak, Wasserstoffperoxidlösung und Reinstwasser in dem Verhältnis 1:1:15 gemischt sind), und die Siliziumwaferoberfläche nach der Reinigung wird unter Verwendung von Surfscan SP-2, hergestellt von KLA-Tenchor Corporation, als Oberflächendefektinspektionsvorrichtung beobachtet und ausgewertet, um so als Oberflächenvertiefungen angenommene leichte Punktdefekte (LPDs) zu identifizieren. Hierbei ist der Beobachtungsmodus der schräge Modus („oblique incidence mode“), und die Oberflächenvertiefungen werden basierend auf dem unter Verwendung von breiten/schmalen Kanälen gemessenen Verhältnis der Größen untersucht. Für so identifizierte LPDs wird unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops (AFM: „Atomic Force Microscope“) bestimmt, ob es sich um Oberflächenvertiefungen handelt oder nicht. Ein Siliziumwafer, bei welchem durch die Beobachtung und Auswertung keine Oberflächenvertiefungen beobachtet werden, wird als ein „COP-freier Siliziumwafer“ definiert.
Der Durchmesser des Siliziumwafers ist vorzugsweise 200 mm oder mehr, stärker bevorzugt 300 mm oder mehr. Der Durchmesser des Siliziumwafers 10 und der Durchmesser des zu erhaltenden einkristallinen SiC-Wafers stimmen überein. Folglich kann mit größerem Durchmesser des Siliziumwafers 10 der einkristalline SiC-Wafer mit einem größeren Durchmesser erhalten werden.
Es ist wichtig, dass der Schritt des epitaktischen Wachsens der einkristallinen β-SiC-Schicht 12 oder der einkristallinen α-SiC-Schicht 14 auf dem Siliziumwafer 10 (1(B), 2(B), 2(C), 3(C)) durch ein Verfahren durchgeführt werden kann, bei welchem, während die Temperatur des Siliziumwafers 10 bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts von Silizium gehalten wird, ein Kohlenstoff und Silizium enthaltendes Quellgas ionisiert wird und die Ionen beschleunigt werden, um den Siliziumwafer 10 zu bestrahlen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, welche dieses Verfahren realisiert, wird mit Bezug auf 4 beschrieben. Insbesondere zeigt 4 eine Plasmaionenbestrahlungsvorrichtung 40, welche eine Plasmakammer 41, einen Gaseinlass 42, eine Vakuumpumpe 43, ein Pulsspannungsanwendungsmittel 44, einen Waferhaltetisch 45 und eine Heizung 46 aufweist.
Zunächst wird der Siliziumwafer 10 auf dem Waferhaltetisch 45 in der Plasmakammer 41 platziert und fixiert. Als Nächstes wird der Druck innerhalb der Plasmakammer 41 unter Verwendung der Vakuumpumpe 43 reduziert, und das Quellgas wird durch den Gaseinlass 42 in die Plasmakammer 41 eingeführt. Anschließend wird der Waferhaltetisch 45 unter Verwendung der Heizung 46 aufgeheizt, und eine negative Spannung wird durch die Pulsspannungsanwendungsmittel 44 in Pulsform an den Waferhaltetisch 45 (und den Siliziumwafer 10) angelegt. Somit kann ein Plasma des Kohlenstoff und Silizium enthaltenden Quellgases erzeugt werden, und die in dem erzeugten Plasma enthaltenen Ionen des Quellgases können in Richtung des Siliziumwafers 10 beschleunigt werden, um den Wafer zu bestrahlen. Die auftreffenden Siliziumionen und Kohlenstoffionen reagieren auf dem Siliziumwafer, sodass einkristallines SiC epitaktisch gewachsen wird.
Das Quellgas kann eines oder mehrere von Methan, Ethan, Propan und dergleichen als Kohlenstoffquelle(n) und eines oder mehrere von Monosilan, Dichlorsilan, Trichlorsilan, Siliziumtetrachlorid und dergleichen als Siliziumquelle(n) verwenden.
Die Vakuumqualität in der Plasmakammer 41 wird auf 5 Pa oder weniger eingestellt. Wenn sie 5 Pa überschreitet, wird das Plasma unstabil und der Plasmazustand kann unter Umständen nicht gehalten werden.
Hierbei ist die an den Siliziumwafer 10 angelegte Pulsspannung 10 V oder mehr und 1 kV oder weniger. Wenn die Spannung weniger als 10 V ist, kann die Bindungsenergie zwischen Silizium und Kohlenstoff unzureichend zur Ausbildung einer SiC-Schicht sein. Wenn hingegen die Spannung 1 kV überschreitet, dringen Silizium und Kohlenstoff durch die Oberfläche in den Siliziumwafer ein, was die Ausbildung einer SiC-Schicht verhindern kann.
Die Frequenz der Pulsspannung bestimmt die Häufigkeit der Bestrahlungen des Siliziumwafers 10 mit den Ionen. Die Frequenz der Pulsspannung ist 10 Hz oder mehr und 10 kHz oder weniger. Hierbei kann, wenn die Frequenz 10 Hz oder mehr ist, eine lonenbestrahlungsvariation abgedeckt werden, was zu einer stabilen Ionenbestrahlung führt. Wenn die Frequenz 10 kHz oder weniger ist, wird die Plasmaausbildung aufgrund von Glimmentladung stabilisiert.
Die Pulsbreite der Pulsspannung bestimmt die Bestrahlungsdauer des Siliziumwafers 10 mit den Ionen. Die Pulsbreite ist 1 µs bis 1000 µs. Eine Pulsbreite von 1 µs oder mehr ermöglicht es, den Siliziumwafer 10 auf stabile Weise mit den Ionen zu bestrahlen. Eine Pulsbreite von 1000 µs oder weniger stabilisiert die Plasmaausbildung aufgrund von Glimmentladung.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wird die zum epitaktischen Wachsen von einkristallinem β-SiC hoher Kristallinität erforderliche Energie erreicht durch die Summe der dem Siliziumwafer 10 zugeführten Wärmeenergie und der Beschleunigungsenergie der auf den Siliziumwafer 10 auftreffenden Ionen. Wenn die Temperatur des Siliziumwafers 10 bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunks von Silizium gehalten wird, kann insbesondere fehlende Wärmeenergie durch die Beschleunigungsenergie der Ionen kompensiert werden.
Wenn bei den dargestellten Ausführungsbeispielen die einkristalline β-SiC-Schicht epitaktisch gewachsen wird (1(B) und 2(B)), vorzugsweise während die Temperatur des Siliziumwafers bei 800 °C bis 1000 °C gehalten wird, beträgt die Beschleunigungsenergie der Siliziumionen 7 eV oder mehr, und die Beschleunigungsenergie der Kohlenstoffionen beträgt 3 eV oder mehr. Indem die Beschleunigungsenergie der Ionen auf diese Weise eingestellt wird, kann fehlende Wärmeenergie durch die Beschleunigungsenergie der Ionen kompensiert werden, selbst wenn die Temperatur wie oben erwähnt im Bereich des Schmelzpunkts des Siliziumwafers oder niedriger ist, wodurch eine einkristalline β-SiC-Schicht hoher Kristallinität ausgebildet wird. Wenn die Temperatur des Siliziumwafers 800 °C oder mehr ist, muss die Beschleunigungsenergie der Ionen nicht größer sein als die unten genannte Obergrenze. Es wird angemerkt, dass, wenn die Temperatur des Siliziumwafers höher ist, die erforderliche Beschleunigungsenergie der Ionen niedriger ist. Darüber hinaus können mit dem Verhältnis der Beschleunigungsenergien der Siliziumionen und der Kohlenstoffionen von 7:3 die Siliziumionen und die Kohlenstoffionen bis zu derselben Tiefe ausgehend von der Siliziumwaferoberfläche appliziert werden, sodass in dem Oberflächenabschnitt des Siliziumwafers auf stabile Weise eine SiC-Schicht ausgebildet werden kann.
Wenn bei den dargestellten Ausführungsbeispielen die einkristalline α-SiC-Schicht epitaktisch gewachsen wird (2(C) und 3(C)), vorzugsweise während die Temperatur des Siliziumwafers bei 1000 °C bis 1300 °C gehalten wird, wird die Beschleunigungsenergie der Siliziumionen auf 7 eV oder mehr eingestellt, und die Beschleunigungsenergie der Kohlenstoffionen wird auf 3 eV oder mehr eingestellt. Indem die Beschleunigungsenergie der Ionen auf solche Weise eingestellt wird, kann auch in dem Fall, wenn die Temperatur wie oben erwähnt in dem Bereich des Schmelzpunkts des Siliziumwafers oder niedriger ist, die fehlende Wärmeenergie durch die Beschleunigungsenergie der Ionen kompensiert werden, wodurch eine einkristalline α-SiC-Schicht hoher Kristallinität ausgebildet wird. Die zum Wachsen der einkristallinen α-SiC-Schicht erforderliche Energie ist höher als die zum Wachsen der einkristallinen β-SiC-Schicht erforderliche Energie. Daher wird die Temperatur des Siliziumwafers höher eingestellt als in dem Fall des Wachsens von einkristallinem β-SiC. Wenn die Temperatur des Siliziumwafers 1000 °C oder mehr ist, muss die Beschleunigungsenergie der Ionen nicht größer sein als die unten genannte Obergrenze.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Beschleunigungsenergie der Siliziumionen und die Beschleunigungsenergie der Kohlenstoffionen vorzugsweise weniger als 3 keV, stärker bevorzugt weniger als 1 keV. Wenn die Energie größer oder gleich 3 keV ist, kann der Siliziumwafer 10 übermäßig beschädigt werden, und es kann das Phänomen auftreten, dass Ionen in den Siliziumwafer eindringen, was das epitaktische Wachstum der SiC-Schicht auf der Oberfläche behindern kann.
Die Beschleunigungsenergie der Ionen wird hauptsächlich über die angelegte Spannung gesteuert. Darüber hinaus kann als ergänzende Steuerung der Widerstand zwischen dem Wafer und den Pulsspannungsanwendungsmitteln (der Widerstand des Haltetisches, der Widerstand zwischen dem Haltetisch und den Pulsspannungsanwendungsmitteln) angepasst werden oder das Timing der Spannungsanwendung angepasst werden, um dadurch den Abstand zwischen dem Plasmabereich und dem Wafer anzupassen. Darüber hinaus kann die Beschleunigungsenergie der Ionen gemessen werden, indem ein zu überwachender Wafer für eine kurze Zeit prozessiert wird, um die Konzentrationsprofile von Silizium und Kohlenstoff innerhalb der Waferoberfläche in der Tiefenrichtung durch SIMS-Analyse (SIMS: Sekundärionen-Massenspektrometrie) zu erfassen.
Die Dicke der einkristallinen β-SiC-Schicht 12 in 1(B) und der einkristallinen α-SiC-Schichten 14 in 2(C) und 3(C) ist vorzugsweise 300 µm oder mehr. Wenn die Dicke 300 µm oder mehr ist, können diese einkristallinen SiC-Schichten als Wafer verwendet werden. Es wird angemerkt, dass die einkristalline β-SiC-Schicht 12 in 2(B) und die einkristalline β-SiC-Schicht 10A in 3(B) lediglich zur Ausbildung von einkristallinen α-SiC-Schichten darauf genutzt werden. Folglich kann die Dicke der Schichten ungefähr 10 nm bis 1 µm betragen.
Das Karbonisieren des Siliziumwafers 10 in 3(B) kann durch ein bekanntes oder vorgegebenes Verfahren durchgeführt werden. Zum Beispiel können ein kohlenstoffbasiertes Gas, wie zum Beispiel Propangas, Methangas oder Ethangas, und Wasserstoffgas als Trägergas in einen Wärmebehandlungsofen eingeführt werden, und die Karbonisierung kann in der Kohlenstoffatmosphäre bei einer Temperatur des Siliziumwafers 10 von 1000 °C bis 1300 °C für 1 bis 60 Minuten durchgeführt werden.
Die Siliziumwafer 10 in 1(C) und 2 (D) können entfernt werden durch eine Behandlung mit einer alkalischen Lösung oder einer Säurelösung, in welcher Silizium gelöst wird. Als die alkalische Lösung kann eine gemischte Lösung aus Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid verwendet werden, wohingegen eine gemischte Lösung aus Flusssäure und Salpetersäure als die Säurelösung verwendet werden kann. Der Siliziumteil in 3(D) kann ebenfalls auf dieselbe Weise entfernt werden.
Die einkristalline β-SiC-Schicht 12 in 2(E) kann durch einen gegebenen Schleif- und/oder Polierprozess, wie zum Beispiel CMP (Chemisch-Mechanisches Polieren) entfernt werden. Die einkristalline β-SiC-Schicht 10A in 3(D) kann auf dieselbe Weise entfernt werden.
Die obere und untere Oberfläche der einkristallinen β-SiC-Schicht 12 in 1(C) und der einkristallinen α-SiC-Schichten 14 in 2(E) und 3(D) werden durch ein gegebenes Verfahren, wie zum Beispiel einen CMP-Prozess, um ungefähr 0,01 µm bis 10 µm abgeschliffen oder -poliert, sodass die Enddicke des jeweiligen Wafers erreicht wird.
Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen können einkristalline SiC-Wafer mit einer hohen Kristallinität erhalten werden. Da darüber hinaus eine auf einem Siliziumwafer ausgebildete einkristalline SiC-Schicht als Wafer verwendet wird, kann auf effiziente Weise ein einkristalliner SiC-Wafer mit einem großen Durchmesser von 200 mm oder mehr, oder sogar 300 mm oder mehr, hergestellt werden.
BEISPIELE
Beispiel 1
Gemäß dem in 1(A) bis 1(D) dargestellten Verfahren wurde ein einkristalliner β-SiC-Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm unter Verwendung einer in 4 dargestellten Vorrichtung hergestellt.
Zunächst wurde ein durch das CZ-Verfahren gewachsener COP-freier einkristalliner Silizium-Ingot geschnitten und prozessiert, um einen (111)-Siliziumwafer vom p-Typ (spezifischer Widerstand 0,01 Ωcm, Sauerstoffkonzentration: 1,3 x 10¹⁸ Atome/cm³) mit einem Durchmesser von 300 mm zu erhalten.
Bei einer Temperatur des Siliziumwafers von 900 °C wurden Methangas und Monosilangas in eine Plasmakammer eingeleitet, und eine einkristalline β-SiC-Schicht von 500 µm wurde epitaktisch auf dem Siliziumwafer gewachsen, mit den folgenden Bedingungen innerhalb der Plasmakammer: Druck: 0,05 Pa; Pulsspannung: 750 V; Frequenz: 320 Hz und Pulsbreite: 183 µs. Die Beschleunigungsenergie von Siliziumionen betrug 105 eV, wohingegen die Beschleunigungsenergie von Kohlenstoffionen 45 eV betrug.
Anschließend wurde der Siliziumwafer mit einer Lösung aufgelöst, in welcher eine gemischte Lösung aus Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid mit deionisiertem Wasser verdünnt war. Als Nächstes wurden die obere und untere Oberfläche der einkristallinen β-SiC-Schicht geschliffen und poliert. Die Schleif-/Poliermarge betrug 2 µm. Somit wurde ein einkristalliner β-SiC-Wafer mit einer Dicke von 498 µm und einem Durchmesser von 300 mm erhalten.
Die Kristallinität des resultierenden Wafers wurde unter Verwendung des PL-Verfahrens (PL: Photolumineszenz), XPS („X-ray Photoelectron Spectroscopy“ bzw. Röntgenphotoelektronenspektroskopie) und TEM-Beobachtung (TEM: Transmissionselektronenmikroskopie) ausgewertet. Somit konnte die Ausbildung von kubischem SiC bestätigt werden.
Beispiel 2
Gemäß dem in 2(A) bis 2(F) dargestellten Verfahren wurde ein einkristalliner α-SiC-Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm unter Verwendung einer in 4 dargestellten Vorrichtung hergestellt.
Der Siliziumwafer wurde auf dieselbe Weise präpariert wie bei Beispiel 1. Bei einer Temperatur des Siliziumwafers von 900 °C wurden Methangas und Monosilangas in eine Plasmakammer geleitet, und eine einkristalline β-SiC-Schicht von 0,5 µm wurde epitaktisch auf dem Siliziumwafer gewachsen, unter den folgenden Bedingungen innerhalb der Plasmakammer: Druck: 0,07 Pa; Pulsspannung: 890 V; Frequenz: 290 Hz und Pulsbreite: 168 µs. Die Beschleunigungsenergie von Siliziumionen betrug 125 eV, wohingegen die Beschleunigungsenergie von Kohlenstoffionen 53 eV betrug.
Unter denselben Bedingungen wie bei Beispiel 1, außer dass die Temperatur des Siliziumwafers 1200 °C betrug, wurde anschließend eine einkristalline α-SiC-Schicht von 500 µm epitaktisch auf der einkristallinen β-SiC-Schicht gewachsen.
Anschließend wurde der Siliziumwafer mit einer Lösung aufgelöst, in welcher eine gemischte Lösung aus Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid mit deionisiertem Wasser verdünnt war. Als Nächstes wurde die einkristalline β-SiC-Schicht durch Schleifen und Polieren entfernt. Als Nächstes wurden die obere und untere Oberfläche der einkristallinen α-SiC-Schicht geschliffen und poliert. Die Schleif-/Poliermarge betrug 3 µm. Somit wurde ein einkristalliner α-SiC-Wafer mit einer Dicke von 497 µm und einem Durchmesser von 300 mm erhalten.
Die Kristallinität des resultierenden Wafers wurde unter Verwendung des PL-Verfahrens, XPS und TEM-Beobachtung ausgewertet. Somit konnte die Ausbildung von hexagonalem 4H-SiC bestätigt werden.
Beispiel 3
Gemäß dem in 3(A) bis 3(E) dargestellten Verfahren wurde ein einkristalliner α-SiC-Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm unter Verwendung einer in 4 dargestellten Vorrichtung hergestellt.
Der Siliziumwafer wurde auf dieselbe Weise wie bei Beispiel 1 präpariert. Propangas und Wasserstoffgas wurden in einen Wärmebehandlungsofen eingeführt, und die Karbonisierung wurde in der Kohlenstoffatmosphäre bei einer Temperatur des Siliziumwafers von 1200 °C für 3 Minuten durchgeführt. Ein Oberflächenabschnitt (20 nm) des Siliziumwafers wurde zu einer einkristallinen β-SiC-Schicht.
Bei einer Temperatur des Siliziumwafers von 1200 °C wurden Methangas und Monosilangas in einer Plasmakammer geleitet, und eine einkristalline α-SiC-Schicht von 500 µm wurde epitaktisch auf der einkristallinen β-SiC-Schicht des Siliziumwafers gewachsen, mit den folgenden Bedingungen innerhalb der Plasmakammer: Druck: 0,1 Pa; Pulsspannung: 940 V; Frequenz: 270 Hz und Pulsbreite: 140 µs. Die Beschleunigungsenergie der Siliziumionen betrug 132 eV, wohingegen die Beschleunigungsenergie der Kohlenstoffionen 56 eV betrug.
Anschließend wurde der Siliziumteil mit einer Lösung aufgelöst, in welcher eine gemischte Lösung aus Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid mit deionisiertem Wasser verdünnt war. Als Nächstes wurde die einkristalline β-SiC-Schicht durch Schleifen und Polieren entfernt. Als Nächstes wurden die obere und untere Oberfläche jeder einkristallinen α-SiC-Schicht geschliffen und poliert. Die Schleif-/Poliermarge betrug 3 µm. Somit wurde der einkristalline α-SiC-Wafer mit einer Dicke von 497 µm und einem Durchmesser von 300 mm erhalten.
Die Kristallinität des resultierenden Wafers wurde unter Verwendung des PL-Verfahrens, XPS und TEM-Beobachtung ausgewertet. Somit konnte die Ausbildung von hexagonalem 4H-SiC bestätigt werden.
Vergleichsbeispiel
Ein durch ein Sublimationsverfahren gewachsener α-SiC-Einkristall-Ingot wurde geschliffen und prozessiert, um einen α-SiC-Wafer mit einem Durchmesser von 100 mm zu erhalten. Auf diesem α-SiC-Wafer wurde bei einer Temperatur des Wafers von 1580 °C durch einen typischen CVD-Prozess epitaktisch eine einkristalline α-SiC-Schicht von 10 µm gewachsen. Für die hierbei erhaltene einkristalline SiC-Schicht wird eine hohe Kristallinität erwartet.
Auswertung

Drei SiC-Wafer wurden gemäß jedem der Beispiele und dem Vergleichsbeispiel hergestellt, und deren Oberflächenintegrität wurde unter Verwendung einer Laserstreuung-Defektinspektionsvorrichtung ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Anzahl von Defekten mit einer Größe von 10 µm oder mehr in jedem Wafer (Anzahl/cm²) wurde bestimmt. Tabelle 1 zeigt, dass bei Beispiel 1 bis 3 sowie bei dem Vergleichsbeispiel eine hohe Kristallinität erreicht wurde.

	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Vergleichsbeispiel
Erster einkristalliner SiC-Wafer	0,87	0,89	1,05	0,88
Zweiter einkristalliner SiC-Wafer	0,99	0,77	0,96	0,91
Dritter einkristalliner SiC-Wafer	0,95	1,08	0,75	1,10
(Einheit: Anzahl/cm²)

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Das hierin offenbart Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers ist geeignet für Wafer mit einen großem Durchmesser und ermöglicht es, einen einkristallinen SiC-Wafer mit einer hohen Kristallinität zu erhalten.
Bezugszeichenliste

10: Siliziumwafer
10A: einkristalline β-SiC-Schicht
12: einkristalline β-SiC-Schicht
14: einkristalline α-SiC-Schicht
100: einkristalliner β-SiC-Wafer
200, 300: einkristalliner α-SiC-Wafer
40: Plasmaionenbestrahlungsvorrichtung
41: Plasmakammer
42: Gaseinlass
43: Vakuumpumpe
44: Pulsspannungsanwendungsmittel
45: Waferhaltetisch
46: Heizung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers (100; 200; 300), umfassend: einen ersten Schritt, bei welchem eine einkristalline SiC-Schicht (12; 14) epitaktisch auf einem Siliziumwafer (10) gewachsen wird; und einen zweiten Schritt, bei welchem der Siliziumwafer (10) entfernt wird, um einen durch die einkristalline SiC-Schicht (12; 14) gebildeten einkristallinen SiC-Wafer (100; 200; 300) zu erhalten, wobei der erste Schritt umfasst: Befestigen des Siliziumwafers (10) an einem Waferhaltetisch (45) in einer Kammer (41), Reduzieren des Drucks innerhalb der Kammer (41) und dann Einführen des Quellgases, welches Kohlenstoff und Silizium enthält, in die Kammer (41), danach Aufheizen des Siliziumwafers (10), und nach dem Aufheizen des Siliziumwafers (10), Anlegen einer negativen Pulsspannung an den Siliziumwafer (10), wobei die Pulsspannung 10 V oder mehr und 1 kV oder weniger beträgt, die Frequenz der Pulsspannung 10 Hz oder mehr und 10 kHz oder weniger ist und eine Pulsbreite der Pulsspannung 1 µs oder mehr und 1000 µs oder weniger ist, während die Temperatur des Siliziumwafers (10) bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts von Silizium gehalten wird, wodurch, während ein Plasma des Quellgases, welches Kohlenstoff und Silizium enthält, erzeugt wird, die Ionen in dem Plasma in Richtung des Siliziumwafers (10) beschleunigt werden und der Siliziumwafer (10) mit den beschleunigten Ionen bestrahlt wird, wobei ein Verhältnis der Beschleunigungsenergien der Siliziumionen und der Kohlenstoffionen 7:3 ist.
Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers (100) nach Anspruch 1, wobei bei dem ersten Schritt eine einkristalline β-SiC-Schicht (12) epitaktisch auf dem Siliziumwafer (10) gewachsen wird, wodurch ein durch die einkristalline β-SiC-Schicht (12) gebildeter einkristalliner β-SiC-Wafer hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers (100) nach Anspruch 2, wobei bei dem ersten Schritt die Temperatur des Siliziumwafers (10) bei 800 °C bis 1000 °C gehalten wird.
Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers (200) nach Anspruch 1, wobei bei dem ersten Schritt eine einkristalline β-SiC-Schicht (12) epitaktisch auf dem Siliziumwafer (10) gewachsen wird und anschließend eine einkristalline α-SiC-Schicht (14) epitaktisch auf der einkristallinen β-SiC-Schicht (12) gewachsen wird, und die einkristalline β-SiC-Schicht (12) nach dem zweiten Schritt entfernt wird, wodurch ein durch die einkristalline α-SiC-Schicht (14) gebildeter einkristalliner α-SiC-Wafer hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers (200) nach Anspruch 4, wobei bei dem ersten Schritt die Temperatur des Siliziumwafers (10) während des Wachsens der einkristallinen β-SiC-Schicht (12) bei 800 °C bis 1000 °C gehalten wird und während des Wachsens der einkristallinen α-SiC-Schicht (14) bei 1000 °C bis 1300 °C gehalten wird.
Verfahren zur Herstellung eines einkristalline SiC-Wafers (300) nach Anspruch 1, wobei vor dem ersten Schritt der Siliziumwafer (10) karbonisiert wird, um in einem Oberflächenabschnitt des Siliziumwafers (10) eine einkristalline β-SiC-Schicht (10A) auszubilden, und bei dem ersten Schritt eine einkristalline α-SiC-Schicht (14) epitaktisch auf der einkristallinen β-SiC-Schicht (10A) des Siliziumwafers (10) gewachsen wird, wodurch ein durch die einkristalline α-SiC-Schicht (14) gebildeter einkristalliner α-SiC-Wafer (300) hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen SiC-Wafers (300) nach Anspruch 6, wobei bei dem ersten Schritt die Temperatur des Siliziumwafers (10) bei 1000 °C bis 1300 °C gehalten wird.