DE69300877T2

DE69300877T2 - Wachstum von SiC-Einkristall.

Info

Publication number: DE69300877T2
Application number: DE69300877T
Authority: DE
Inventors: Momoya Fukuda; Yasuhiro Maeda; Seiichi Taniguchi
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: LPE SpA
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1993-01-26
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2013-01-27
Also published as: AU3202793A; JPH05208900A; AU653286B2; EP0554047B1; US5288326A; EP0554047A1; DE69300877D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines hochreinen SiC-Einkristalls durch die kontinuierliche Sublimation und Kondensation von SiC, das durch Dampfphase-Synthese hergestellt wird. Die Vorrichtung eignet sich besonders zur Herstellung großer Einkristalle.
Durch das Sublimationsverfahren hergestellte SiC- Einkristalle werden zur Herstellung von Bauelementen, wie etwa Halbleitern, auf verschiedenen industriellen Gebieten verwendet.
Bei einem herkömmlichen Sublimationsverfahren wird ein pulverförmiges SiC-Material in einem Graphittiegel mit Abdeckungen angeordnet, und es wird ein Keimkristall an der Deckelplatte an einer stelle angebracht, die dem SiC-Materialpulver gegenüberliegt, das auf eine Temperatur von etwa 2000 bis 2500ºC erhitzt wird. Das erhitzte Material wird aus dem Tiegel verdampft und auf der Oberfläche des Keimkristalls kondensiert. Das kondensierte SiC wächst zu einem Einkristall mit einer Kristallorientierung, die auf die des Keimkristalls ausgerichtet ist (W.F. Knippenberg, Philips Res.Rep.18,3 [1963] p. 171).
Bei einem anderen Verfahren wird ein Keimkristall an dem Boden eines Graphittiegels angebracht, in dem Tiegel wird ein mit Löchern versehener Hohlzylinder aus Graphit angeordnet, ein Raum zwischen der Innenfläche des Tiegels und dem Hohlzylinder wird mit gepulvertem SiC- Material gefüllt, und das gepulverte Material wird auf eine hohe Temperatur erhitzt. Das Material verdampft und durchdringt die in dem Hohlzylinder ausgebildeten Löcher, um auf der Oberfläche des Keimkristalls an dem Tiegelboden zu kondensieren (Y. M. Tairov: J. Cryst. Growth, 43 [ 1978] S. 209; and G. Ziegler, P. Loring, D. Theis und E. Weyrich: IEEE Trans. on Electron Devices, ED-30, 4 [1983] s. 277).
Der bei diesen Verfahren einzusetzende Tiegel muß aus hochreinem Graphit hergestellt sein, um eine Verunreinigung des entstehenden SiC-Kristalls mit Einschlüssen zu vermeiden. Selbst wenn für den Tiegel Graphitmaterial der höchsten auf dem Markt erhältlichen Reinheit benutzt wird, enthält es Verunreinigungen in einer Menge von etwa 5 ppm. Die Verunreinigungen werden bei der Erhitzung auf hohe Temperatur aus der Tiegelwandung verdampft und in den wachsenden SiC- Kristall eingemischt. Die in dem entstehenden Einkristall enthaltenen Verunreinigungen verursachen verschiedenen Probleme, wie etwa schlechte Leistungseigenschaften und sogar fehlerhafte Funktion, wenn der Einkristall zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements dient.
Es wird angenommen, daß die Verunreinigungen aus dem Tiegelmaterial in folgender Weise in den Einkristall gelangen. Wenn das pulverförmige SiC-Material in dem Tiegel verdampft wird, hat das Sublimationsprodukt, das heißt das SiC-Gas, nicht immer eine stöchiometrische Zusammensetzung, sondern es enthält Si, Si&sub2;, C, SiC&sub2;, Si&sub2;C usw. in Mischung. Diese Komponenten reagieren miteinander unter Bildung von SiC-Gas, das für den Wachstum des SiC- Einkristalls verbraucht wird. Ferner wird SiC auch durch die Reaktion der gasförmigen Komponenten, wie etwa Si, Si&sub2;, SiC&sub2; und Si&sub2;C, mit C in der Tiegelwandung gebildet. Während der Reaktionen mit dem Tiegel werden gleichzeitig die Verunreinigungselemente aus dem Tiegel verdampft und in den wachsenden Einkristall eingeführt.
Der Graphittiegel selbst wird bei der Verdampfung des C verbraucht, so daß der Tiegel seine Struktur und seine Wanddicke ändert. Diese Veränderungen in der Struktur und in der Wanddicke führen zu einer Veränderung des Temperaturgradienten in der Längsrichtung des Tiegels. Infolgedessen bleiben die Kristallwachstumsbedingungen nicht konstant, so daß der entstehende Kristall eine schlecht Homogenität und eine wenig zuverlässige Qualität hat.
Bei dem Sublimationsverfahren unter Benutzung eines Graphittiegels es Einschränkungen in der Größe eines brauchbaren Tiegels und dem Volumen des gepulverten SiC- Materials, mit dem der Tiegel beschickt werden kann. Infolge der Beschränkungen des herkömmlichen Verfahrens ist es praktisch unmöglich, einen SiC-Einkristall mit einem Durchmesser von mehr als etwa 30 mm oder einer Länge von einigen 10 mm herzustellen.
Auf der anderen Seite werden Einkristalle, die in ihrem Durchmesser und in ihrer Länge größer sind, zur Erhöhung der Produktivität in der Verarbeitungslinie der Halbleiter-Bauelemente benötigt und nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellte Kristalle sind nicht groß genug. Demzufolge war die Herstellung großer SiC- Einkristalle bisher nicht möglich.
Die vorliegende Erfindung ist daher gerichtet auf die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung hochreiner SiC-Einkristalle ohne die Benutzung von Graphittiegeln. Die vorliegende Erfindung ist auch darauf gerichtet, die Beschränkungen hinsichtlich des Durchmessers und der Länge des SiC- Einkristallprodukts zu verringern, indem man den Kristall aus SiC wachsen läßt, das aus einem gasförmigen Gemisch synthetisiert wurde.
Die vorliegende Erfindung schafft demgemäß eine Vorrichtung zur Herstellung eines SiC-Einkristalls mit einer Kammer, die in eine Reaktionszone und eine Kristallwachstumszone unterteilt ist, einer Leitung für die Zuführung eines gasförmigen Gemisches in die Reaktionszone, einem Reaktorrohr für die Synthetisierung von SiC in fester Phase aus dem gasförmigen Gemisch, einem Erhitzer für die Verdampfung des festen SiC, einer in dem Reaktorrohr ausgebildeten Öffnung für die Zirkulation des verdampften SiC aus der Reaktionszone in die Kristallwachstumszone, einer in der Kristallwachstumszone angeordneten, einziehbaren Basis für die Anbringung eines Kristallkeims auf ihr, und Heizeinrichtungen zur Aufrechterhaltung eines bestimmten, von der genannten Öffnung zu der Anbringungsbasis abnehmenden Temperaturgradienten im inneren der Kristallwachstumszone, wodurch das aus dem gasförmigen Gemisch synthetisierte feste SiC in der Reaktionszone verdampft wird, in die Kristallwachstumszone zirkuliert und als Einkristall auf dem Kristallkeim kondensiert.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zum Wachsen eines SiC-Kristalls, bei dem man ein gasförmiges Gemisch zur Bildung von SiC in fester Phase einer Reaktionszone zuführt, das SiC in fester Phase erhitzt, um es in eine Kristallwachstumszone hinein zu verdampfen, die Kristallwachstumszone zur Schaffung eines in Richtung von der Reaktionszone weg abnehmenden Temperaturgradienten erhitzt, und das verdampfte SiC auf einem Kristallkeim kondensiert, der in der Kristallwachstumszone an einer Stelle unterhalb der Reaktionszone angebracht ist.
Da das Kristallwachstum ohne Benutzung eines Graphittiegels erfolgt, können hochreine SiC-Einkristalle mit einem hohen Freiheitsgrad des Durchmessers und der Länge ohne irgendwelche auf den Tiegel zurückzuführende Probleme bei der Herstellung oder an den Produkten hergestellt werden. Der erhaltene Einkristall ist von sehr zuverlässiger Qualität. Die Reinheit des erhaltenen Einkristalls ist sehr hoch, weil das durch die Dampfphase-Reaktion synthetisch hergestellte feste SiC zu dem Einkristall heranwächst, wobei weniger Gelegenheit für den Einschluß von Verunreinigungen besteht.
Die anderen Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung verständlich.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung einer Vorrichtung für das SiC- Kristallwachstum nach der vorliegenden Erfindung.
Eine Vorrichtung für das SiC-Kristallwachstum nach der vorliegenden Erfindung hat eine Kammer 10, die in eine Reaktionszone 20 und eine Sublimationszone 30 geteilt ist. Die Kammer 10 wird durch einen Rahmen 11 gehalten, der mit einem Steuerpult für verschiedene Arbeitsgänge ausgestattet ist.
Eine Leitung 21 mündet in die Reaktionszone 20 für die Zuführung eines Silangases, eines Kohlenwasserstoffgases, eines Dotiergases bzw. eines Trägergases, die für die SiC-Herstellung nötig sind. Jedes Gas strömt aus einer Gasquelle zu der Leitung 21. Seine Strömung wird jeweils durch ein Strömungsregulierventil 22a-22f gesteuert, um ein Gasgemisch 41 mit bestimmter Zusammensetzung zu bilden. Ein Druckregulierventil 23 ist nahe der Reaktionszone 20 vorgesehen, um die Strömung des in die Reaktionszone 20 einzuführenden Gasgemisches 41 zu steuern. Auf diese Weise wird das Innere der Reaktionszone 20 unter einem bestimmten Gasdruck gehalten.
Die Reaktionszone 20 hat ein Reaktorrohr 24. Die Durchgangsweite des Reaktorrohrs 24 variiert längs der Strömungsrichtung des Gasgemisches 41 von einem Abschnitt mit großen Durchmesser zu einem Abschnitt mit kleinem Durchmesser. Zwischen dem Reaktorrohr 24 und der Außenwand 25 ist ein Wärmeisolator 26 vorgesehen, und außenseitig des Reaktorrohrs 24 ist ein Heizkörper 27 angeordnet. Der Innenraum, der von dem Teil des Reaktorrohrs 24 mit großem Durchmesser umgeben ist, dient als Dampfphase-Reaktionszone 28 für die SiC-Synthese. Das durch die Dampfphase-Reaktion synthetisierte SiC läßt man abwärts durch einen Durchgang 29 strömen, der von dem Teil des Reaktorrohrs 24 mit kleinem Durchmesser umgeben ist.
Das Reaktorrohr 24 hat einen in die Sublimationszone 30 ragenden vorspringenden Teil 24a. Eine Einsaugleitung 31a ist an das Innere des vorspringenden Teils 24a angeschlossen. Eine andere Absaugleitung 31b ist an das Unterteil der Sublimationszone 30 angeschlossen. In den Absaugleitungen 31a und 31b sind Druckregelventile 32a bzw. 32b vorgesehen. Eine mit einem Strömungsregelventil 33 ausgestattete Zuführungsleitung 34 ist an das Innere der Sublimationszone 30 angeschlossen, um Inertgas, wie Ar in die Sublimationszone 30 einzuführen.
Nachdem die Kammer 10 evakuiert ist, wird das Gasgemisch 41 mit bestimmter Zusammensetzung durch die Leitung 21 in die Kammer 10 eingeführt, wobei die Druckregulierventile 32a, 32b, das Strömungsregelventil 33, usw. gesteuert werden. Hierdurch wird die Reaktionszone 20 und die Sublimationszone 30 auf einem Druck gehalten, der zur Synthese und Sublimation des SiC und zum Wachstum eines SiC-Einkristalls geeignet ist. Nicht umgesetzte gasförmige Bestandteile, z. B. Wasserstoff und Kohlenwasserstoff aus dem der Kammer 10 zugeführten Gasgemisch 41 werden durch die Abgasleitungen 31a, 31b nach außen abgegeben.
Die Sublimationskammer 30 hat einen Erhitzer 35, um das Innere mit einem bestimmten Temperaturgradienten zu erhitzen. Festes SiC 42 strömt aus dem vorstehenden Teil 24a des Reaktorrohrs 24 in die Sublimationszone 30, wird durch den Erhitzer 35 erhitzt und verdampft. Dieser Teil der Sublimationszone 30 dient als Sublimatorteil 36.
In dem Unterteil der Sublimationszone 30 ist eine Kristallwachstumszone 40 vorgesehen. In der Kristallwachstumszone 40 befindet SiCh ein Montagestativ 37 für die Anbringung eines Einkristalls. Das Montagestativ 37 wird auf einer Drehwelle 38 gehalten, die durch den Boden der Kammer 10 hindurchgeht. Die Drehwelle 38 ist mit einer Hubstange 39 gekoppelt, die sich von dem Rahmen 11 in horizontaler Richtung erstreckt. Daher ist das Montagestativ 37 so eingerichtet, das es in der Kristallwachstumszone 40 gedreht und aus der Kammer 10 zurückgezogen werden kann. Die Drehgeschwindigkeit und die Rückzugsgeschwindigkeit des Montagestativs 37 werden durch Betätigung eines Steuerpults (nicht gezeigt) gesteuert, das an dem Rahmen 11 vorgesehen ist.
Die Komponenten des Gasgemisches 41, die durch die Leitung 21 in die Reaktionszone 20 eingeführt werden, werden in der Dampfphase-Reaktionszone 28 miteinander umgesetzt um das feste SiC 42 zu synthetisieren. Das synthetisch hergestellte SiC 42 strömt durch den Durchgang 29 abwärts aus dem vorstehenden Teil 24a des Reaktorrohrs 24 heraus und wird durch den Erhitzer 35 erhitzt. Das erhitzte SiC 42 wird in den Sublimatorteil 36 zu SiC-Gas verdampft. Das gebildete SiC-Gas wird auf einem an dem Montagestativ 37 in der Kristallwachstumszone 40 angebrachten Keimkristall (nicht gezeigt) unter einer solchen Bedingung kondensiert, daß ein bestimmter Gradient der Umgebungstemperatur bei einem konstanten Druck eingehalten wird. Dadurch wächst ein SiC-Einkristall 43 auf dem Keimkristall. Die Drehgeschwindigkeit und die Rückzugsgeschwindigkeit des Montagestativs 37 werden in Abhängigkeit von der Wachstumsgeschwindigkeit des SiC-Einkristalls 43 so gesteuert, das die Bedingungen für das Kristallwachstum konstant gehalten werden.
Der Sublimatorteil 36 wird vorzugsweise unter dem gleichen Druck wie die Kristallwachstumszone 40 gehalten, in der sich das Montagestativ 37 befindet. Der Druck in der Reaktionszone 20 wird höher als der in der Sublimationszone 30 gehalten, so daß das synthetisierte SiC 42 nach unten gelangt. Die Temperatur der Reaktionszone 20 wird unter dem Sublimationspunkt des SiC gehalten, während der vorstehende Teil 24a des Reaktorrohres 24 durch den Erhitzer 35 auf eine Temperatur über dem Sublimationspunkt des SiC erhitzt wird. Ferner wird die Umgebungstemperatur in der Sublimationszone 30 vorzugsweise in der Weise gesteuert, daß die Temperatur von dem Sublimatorteil 36 zur Kristallwachstumszone 40 mit einem Gradienten von 50ºC/cm oder weniger abfällt, um dadurch das Wachstum des Einkristalls aus dem verdampften SiC-Gas zu erleichtern.

Beispiel:

Zuerst wurde Ar-Gas durch die Leitung 21 und die Zuführungsleitung 34 in die Kammer 10 eingeleitet, um die Gasatmosphäre in der Kammer 10 gegen Ar-Gas auszutauschen. Das Innere der Kammer 10 wurde dann auf 1,32 Pa (10&supmin;² Torr) evakuiert. Die Zuführung des Ar-Gases und die Evakuierung wurden abwechselnd fünfmal wiederholt, um Einschlüsse aus der Kammer 10 zu entfernen. Danach wurde Ar-Gas in die Kammer 10 wieder eingeführt und das Innere der Kammer 10 wurde durch die Erhitzer 27, 35 auf 2400ºC erhitzt. Das Innere der Kammer 10 wurde wiederum auf 132 Pa (1 Torr) evakuiert und eine Stunde einer Ausheizbehandlung unterworfen.
Nachdem das Innere der Kammer 10 konditioniert war, wurde das Gasgemisch 41 in die Reaktionszone 20 und die Sublimationszone 30 eingeführt, die beide unter den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen gehalten wurden. Das genannte Gasgemisch 41 wurde hergestellt durch Mischen von Silangas (SiH&sub4;) mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,3 ml/min, Propangas (C&sub3;H&sub8;) mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 ml/min, Wasserstoffgas (H&sub2;) mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 l/min und Stickstoffgas (N&sub2;) mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,01 ml/min. Gleichzeitig wurde Ar-Gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 l/min durch die Zuführungsleitung 34 in die Sublimationszone 30 eingeführt. Hierauf wurde der Druck in der Reaktionszone 20 über dem in der Sublimationszone 30 gehalten. Tabelle 1: Temperatur und Druck in ieder Zone Zone Temperatur (ºC) Druck Reaktionszone Sublimationszone Temperaturgradient von dem Sublimatorteil (36) zu der Kristallwachstumszone (40)
Im Zuge des Wachstums des SiC-Einkristalls 43 wurde das Montagestativ 37 mit einer Geschwindigkeit von 4 mm/h abgesenkt, wobei es mit einer Drehgeschwindigkeit von 10 UpM gedreht wurde. Der SiC-Einkristall 43 wuchs auf dem Montagestativ 37. Der erhaltene SiC-Einkristall 43 war von hoher Qualität ohne Einschluß von Verunreinigungen. Da Stickstoff als Dotiergas benutzt wurde, entstand ein SiC-Einkristall des n-Typs. Der Durchmesser des SiC- Einkristalls 43 konnte je nach Oberflächengröße des Montagestativs 37 mit einem hohen Freiheitsgrad verändert werden.
In dem oben erwähnten Beispiel wurde Stickstoffgas als Dotiergas angesetzt, jedoch können natürlich andere Gase, die keine Dotierung bewirken, oder ein gasförmiges Material mit einem Dotiergas zur Erzeugung eines Einkristalls des p-Typs eingesetzt werden. Beispielsweise wurde ein SiC-Einkristall des p-Typs durch Einführung von Al(CH&sub3;)&sub3; mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,01 ml/min anstelle von N&sub2; erhalten.
Nach den bevorzugten Merkmalen der vorliegenden Erfindung wird wie oben erwähnt das in der Reaktionszone synthetisch hergestellte feste SiC verdampft und dann so kondensiert, daß der SiC-Einkristall auf dem Keimkristall wächst, der als Ausgangspunkt auf dem Montagestativ angebracht ist. Demzufolge wird das Wachstum des SiC- Einkristalls ohne Benutzung eines Graphittiegels wie bei den herkömmlichen Verfahren erreicht. Infolgedessen treten auf den Graphittiegel zurückzuführende Probleme nicht auf, wie z. B. die Wanderung von Verunreinigungen aus dem Tiegel in den Einkristall und die Schwankung der Kristallwachstumsbedingungen als Begleiterscheinung der Änderung der Dicke und Struktur des Tiegels. Infolgedessen kann ein hochreiner SiC-Einkristall von ausgezeichneter Qualität erzeugt werden. Ferner besteht keine Beschränkung bezüglich der Abmessungen des erf indungsgemäß herzustellenden SiC-Einkristalls. Der in seinem Durchmesser oder seiner Länge große Einkristall kann unter den gleichen Bedingungen hergestellt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung eines SiC-Einkristalls mit einer Kammer (10), die in eine Reaktionszone (20) und eine Kristallwachstumszone (30) unterteilt ist, einer Leitung (21) für die Zuführung eines gasförmigen Gemisches in die Reaktionszone (20), einem Reaktorrohr für die Synthetisierung von SiC in fester Phase aus dem gasförmigen Gemisch, einem Erhitzer (27) für die Verdampfung des festen SiC, einer in dem Reaktorrohr ausgebildeten Öffnung für die Zikulation des verdampften SiC aus der Reaktionszone in die Kristallwachstumszone, einer in der Kristallwachstumszone angeordneten, einziehbaren Basis für die Anbringung eines Kristallkeims auf ihr, und Heizeinrichtungen (35) zur Aufrechterhaltung eines bestimmten, von der genannten Öffnung zu der Anbringungsbasis abnehmenden Temperaturgradienten im Inneren der Kristallwachstumszone, wodurch das aus dem gasförmigen Gemisch synthetisierte feste SiC in der Reaktionszone verdampft wird, in die Kristallwachstumszone zirkuliert und als Einkristall auf dem Kristallkeim kondensiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Leitung an eine Silangasquelle, eine Kohlenwasserstoffgasquelle, eine Trägergasquelle und wahlweise eine Dotiergasquelle angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die einziehbare Basis unter dem Reaktorrohr angeordnet ist und entsprechend der Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls in Abwärtsrichtung beweglich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die einziehbare Basis mittels Schraubengewinde angebracht ist, so daß sie gleichzeitig abgesenkt und gedreht wird.

5. Verfahren zum Wachsen eines SiC-Kristalls, bei dem man ein gasförmiges Gemisch zur Bildung von SiC in fester Phase einer Reaktionszone zuführt, das SiC in fester Phase erhitzt, um es in eine Kristallwachstumszone hinein zu verdampfen, die Kristallwachstumszone zur Schaffung eines in Richtung von der Reaktionszone weg abnehmenden Temperaturgradienten erhitzt, und das verdampfte SiC auf einem Kristallkeim kondensiert, der in der Kristallwachstumszone an einer Stelle unterhalb der Reaktionszone angebracht ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Kristallkeim beim Wachsen aus der Reaktionszone zunehmend abgesenkt wird.