DE69811824T2

DE69811824T2 - SiC-Einkristall und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69811824T2
Application number: DE69811824T
Authority: DE
Inventors: Masanobu Hiramoto; Kichiya Tanino
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2003-09-04
Anticipated expiration: 2018-11-07
Also published as: DE69811824D1; US6053973A; EP0916750A1; JP3043689B2; RU2160327C2; CA2252980C; CA2252980A1; JPH11147794A; TW446765B; EP0916750B1

Description

Der Erfindung zugrundeliegender allgemeiner Stand der Technik

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen SiC-Einkristall und ein Verfahren zum Herstellen desselben, genauer gesagt, einen SiC-Einkristall, der als Halbleitersubstrat-Wafer für eine lichtemittierende Diode, ein optisches Röntgenstrahl-Element, wie z. B. einen monochromatischen Sortierer, ein elektronisches Hochtemperatur-Halbleiterelement, und eine Leistungsvorrichtung Verwendung findet, sowie ein Verfahren zur Herstellung des SiC-Einkristalls.

2. Beschreibung des Standes der Technik

SiC (Siliziumcarbid) ist an Wärmebeständigkeit und mechanischer Stärke überlegen und weist ferner einen guten Widerstand gegen Strahlung auf. Zusätzlich ist es leicht, die Wertigkeit der Elektronen und Defektelektronen durch Dotieren mit einem Fremdstoff zu steuern. Ferner hat SiC einen breiten Energiebandabstand (zum Beispiel hat der 6H-SiC-Einkristall einen Energiebandabstand von etwa 3,0 eV, und der 4H-SiC- Einkristall hat einen Energiebandabstand von 3,26 eV). Somit ist es möglich, eine hohe Kapazität, eine hohe Frequenz, eine hohe Durchschlagfestigkeit und einen hohen Widerstand gegen Umgebungen zu erzielen, die durch herkömmliche Halbleitermaterialien wie z. B. Si (Silizium) und GaAs (Galliumarsenid) nicht realisiert werden können. Aus diesen Gründen finden SiC-Einkristalle ein immer größeres Interesse, und voraussichtlich wird man diese als Halbleitermaterial für Leistungsvorrichtungen der nächsten Generation nutzen.
Als Verfahren zum Ziehen (Erzeugen) eines SiC-Einkristalls dieses Typs werden die Achison-Methode und die Sublimations- und Umkristallisierungsmethode angewandt, die allgemein als ein gewerbliches Verfahren zum Produzieren eines SiC- Abschleifmaterials bekannt sind. Im Achison-Verfahren wird ein Impfkristallsubstrat vom Außenumfang her durch Anwenden einer Hochfrequenzelektrode aufgeheizt, um viele Kerne in zentraler Lage des Impfkristall-Substrats zu generieren, wobei sich eine Vielzahl von spiralförmigen Kristallaufwachsstellen entwickeln, die sich im Mittelteil des Impfkristallsubstrats zentrieren. In der Sublimations- und Umkristallisierungsmethode wird SiC-Pulver, das nach dem Achison-Verfahren produziert wird, als Rohmaterial benutzt, und ein Kristall wird auf einem einzigen Kristallkern gezogen.
Im Achison-Verfahren unter den oben beschriebenen herkömmlichen Produktionsmethoden wächst jedoch ein Einkristall langsam über eine lange Zeit auf, so daß die Kristallwachstumsrate sehr klein ist. Zusätzlich werden in einer Anfangsaufwachsstufe eine große Anzahl Kristallkerne generiert, und diese verbreiten sich im Lauf des Kristallaufwachsens über den oberen Teil des Kristalls. Somit ist es schwierig, einen einzigen großen Einkristall zu erhalten.
Im Sublimierungs- und Umkristallisierungsverfahren wird ein Hochgeschwindigkeitswachstum von etwa 1 mm/Std. angewandt, hauptsächlich aus wirtschaftlichen Gründen (Produktionskosten), so daß Verunreinigungen und Nadellöcher im Durchmesser von einigen Mikrometern, die den Kristall in Aufwachsrichtung durchdringen und voraussichtlich in einem aufwachsenden Kristall verbleiben. Solche Nadellöcher werden Mikrolunker-Defekte genannt und bewirken einen Kriechstrom, wenn dann eine Halbleitervorrichtung daraus hergestellt wird. Dementsprechend besteht das Problem, daß sich kein SiC-Einkristall hinreichend guter Qualität erzielen läßt. Das verhindert die praktische Anwendung von Sie, das eine überlegene Charakteristik im Vergleich zu anderen existierenden Halbleitermaterialien, wie z. B. Si und GaAs, hat, wie oben beschrieben.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung wurde angesichts der obigen Umstände gemacht. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen großen SiC-Einkristall bereitzustellen, der eine hohe Qualität aufweist und in dem kein kristalliner Kern generiert wird, durch Anwenden eines Verfahrens zum Produzieren eines SiC-Einkristalls, in dem ein Einkristall hoher Qualität stabil und wirksam mit höherer Aufwachsrate erzeugt werden kann.
Die für die Lösung der obigen Aufgabe erforderlichen wesentlichen Merkmale des Verfahrens zum Herstellen des erfindungsgemäßen SiC-Einkristalls sind in Anspruch 1 definiert.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 und 3 definiert.
Gemäß der Erfindung mit den obigen Merkmalen wird ein SiC- Einkristall, ein α-SiC-Einkristall-Substrat, in dem die physikalische Unebenheit nur klein ist und die Oberflächen rauheit so angepaßt ist, daß sie nur höchstens 2 · 10² nm (2000 Å) RMS (quadratischer Rauhtiefenmittelwert), vorzugsweise weniger als 1 · 10² nm (1000 Å) RMS beträgt, erzeugt. Die so angepaßte Oberflächenrauheit kann leicht eine Fehlanpassung eines Kristallgitters eliminieren, die von einem Phänomen bewirkt wird, in dem die Phasenumwandlung bei der Wärmebehandlung gleichzeitig von einer Bodenfläche und einer Seitenfläche eines Hohlteils aus erfolgt.
Die Wärmebehandlung bei hoher Temperatur, die mindestens so hoch wie die Dünnschicht-Aufziehtemperatur ist, so daß ein α- SiC-Einkristall durch Umkristallisierung integral auf dem α- SiC-Einkristall-Substrat aufgezogen werden kann, wird ausgeführt in Imitation des Aufwachsens des α-SiC-Einkristalls auf der Substratseite und auf einer im wesentlichen ganzen Zone, jedoch nicht auf den Endteilen des Polykristalls auf der polykristallinen α-SiC-Dünnschichtseite. Dementsprechend ist es möglich, stabil und wirksam einen großen SiC-Einkristall hoher Qualität zu erhalten, in dem keine Kristallkerne durch Fehlanpassung eines Kristallgitters generiert werden und kein Mikrolunker-Defekt oder dergl. auftreten kann. Somit ist es möglich, die Wirkung der praktischen Anwendung eines SiC-Einkristalls, der mit großer Kapazität, hoher Frequenz, hoher Durchschlagsfestigkeit und hohem Widerstand gegen die Umgebung, bestehendem Halbleitermaterial wie Si (Silizium) und GaAs (Galliumarsenid) überlegen ist, und der als Halbleitermaterial für eine Leistungsvorrichtung erwartet wird, zu erreichen.
Weitere Aufgaben und Wirkungen der Erfindung werden in Ausführungsformen klargestellt, die nachsehend beschrieben werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Seitenansicht, die ein α-SiC-Einkristall- Substrat im Verfahren des Herstellens eines α-SiC-Einkristalls gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine polykristalline α-SiC-Dünnschicht durch thermisches CVD (Abscheiden aus der Gasphase) auf die Oberfläche des α- SiC-Einkristall-Substrats gezogen wird;
Fig. 3 ist eine schematische Seitenansicht, die den Wärmebehandlungszustand eines Komplexes zeigt; und
Fig. 4 ist eine Vorderansicht, die einen SiC-Einkristall zeigt, der durch die Wärmebehandlung erhalten wurde.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Anschließend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben.
Die Fig. 1 bis 4 sind Ansichten, die das Verfahren der Produktion eines SiC-Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung in der Folge der Produktionsschritte illustrieren. In Fig. 1 bezeichnet 1 ein sechseckiges α-SiC-Einkristall- Substrat (Typ H6 oder Typ H4), das so bearbeitet wird, daß es eine Scheibenform mit einem Durchmesser d von etwa 25 mm hat. Die Oberfläche 1a des α-SiC-Einkristall-Substrats 1 wird geschliffen oder poliert, um jede physikalische Unebenheit abzuarbeiten. Spezifisch ist die Oberfläche 1a so angepaßt, daß sie eine Rauhtiefe aufweist, die höchstens 2 · 10² nm (2000 Å) RMS, vorzugsweise höchstens 1 · 10² nm (1000 Å) RMS beträgt, und noch stärker bevorzugt im Bereich von 1 · 10¹ bis 5 · 10¹ nm (100 bis 500 Å) liegt.
Danach wird auf die Oberfläche 1a des α-SiC-Einkristall- Substrats 1 durch thermochemische Abscheidung aus der Gasphase (nachstehend thermische CVD genannt) eine polykristalline α-SiC-Dünnschicht 2 aufgezogen wie in Fig. 2 gezeigt wird, unter Bedingungen, die nachstehend in Tabelle 1 aufgelistet sind. Die polykristalline α-SiC-Dünnschicht 2 wird aufgezogen, um eine Dünnschicht-Dicke t von 200 bis 500 um, vorzugsweise etwa 300 um, zu erzielen. Tabelle 1 Bedingungen der Thermischen CVD
Als nächstes wird ein Komplex M, bestehend aus dem α-SiC- Einkristall-Substrat 1 und der polykristallinen α-SiC- Dünnschicht 2 in einem porösen Kohlenstoffbehälter 3, wie in Fig. 3 gezeigt wird, untergebracht. In einem Zustand, in dem die Außenseite des porösen Kohlenstoffbehälters 3 mit α-SiC- Pulver 4 umgeben und bedeckt ist, wird eine etwa 2 Stunden dauernde Wärmebehandlung in einem Argongasfluß bei einer Temperatur von 1.900 bis 2.400ºC, vorzugsweise 2.200ºC durchgeführt. Als Ergebnis wird, wie in Fig. 4 gezeigt wird, in Imitation des Aufziehens des Einkristalls auf dem α-SiC- Substrat 1, ein Polykristall der polykristallinen α-SiC- Dünnschicht 2 umkristallisiert, um α-SiC-Einkristalle 5 in einer ganzen Zone, jedoch ohne die Endteile 2e und 2e der polykristallinen α-SiC-Dünnschicht 2, die sich über die Seitenfläche des gesamten Umfangs des α-SiC-Einkristall- Substrats 1 gebildet hat, aufwachsen zu lassen. Der α-SiC- Einkristall 5 ist integral aufgezogen in einem Bereich von der Oberfläche (Kristallausrichtungsfläche) 1a des α-SiC- Einkristall-Substrats 1 bis zur polykristallinen α-SiC- Dünnschicht 2. Der α-SiC-Einkristall 5 hat die gleiche Ausrichtung wie die Kristallachse des α-SiC-Einkristall- Substrats 1.
Wie oben beschrieben, wird als α-SiC-Einkristall-Substrat 1 ein Substrat mit einer physikalisch wenig unebenen Oberfläche benutzt, und mit einer Rauhtiefe, die so angepaßt ist, daß sie höchstens 2 · 10² nm (2.000 Å) RMS, vorzugsweise höchstens 1 · 10² nm (1.000 Å) RMS beträgt, bei welcher eine Fehlanpassung des Kristallgitters, die bei der Wärmebearbeitung durch die gleichzeitige Phasenumwandlung von Bodenflächen und Seitenflächen von einem Hohlteil aus bewirkt wird, eliminiert werden kann. Der Komplex M, der durch Aufziehen der polykristallinen α-SiC-Dünnschicht 2 auf die Oberfläche des Substrats 1 gebildet wird, wird einer Wärmebehandlung bei hoher Temperatur (2.200ºC, 2 Stunden) unterzogen, die gleich oder höher ist als die Dünnschicht-Aufziehtemperatur (1.850ºC) im thermischen CVD. Daraus ergibt sich, daß in Imitation des Aufziehens des α-SiC-Einkristalls auf der Seite des Substrats 1 der Polykristall auf der Seite der polykristallinen α-SiC-Dünnschicht 2 in einer im wesentlichen ganzen Zone, jedoch ohne die Endteile des Dünnschicht- Aufziehteils, umkristallisiert wird. Somit wird der α-SiC- Einkristall, der in der gleichen Richtung ausgerichtet ist wie die Kristallachse des α-SiC-Einkristall-Substrats 1 integral aufgezogen. Auf diese Weise ist es möglich, wirksam einen SiC-Einkristall beträchtlicher Größe und mit hoher Qualität, in dem kein Kristallkern, verursacht durch die Fehlanpassung des Kristallgitters, in einer Schnittstelle zu erzeugen, ohne daß ein Mikrolunker-Defekt auftritt.
In diesem Zusammenhang wurden die Ergebnisse in nachstehender Tabelle 2 erhalten, wenn die Rauhtiefe des α-SiC-Einkristall- Substrats 1 verändert und die Kristallqualitäten entsprechender α-SiC-Einkristalle, die durch den obigen Produktionsprozeß produziert wurden, durch Röntgenstrahlbeugung ausgewertet wurden. Hinsichtlich der numerischen Werte, die in Tabelle 2 gezeigt werden, zeigen die Werte in der oberen Reihe Werte der Oberflächenrauheit RMS (Einheit: nm), und die in der unteren Reihe zeigen Halbbandbreiten (integriertes Stärkeverhältnis) einer Röntgenstrahl-Schwankungskurve von (0006) Reflexion der entsprechenden Einkristalle an. Jede Halbbandbreite wurde erhalten durch Durchschnittsbildung gemessener Werte an 5 willkürlichen Punkten. Tabelle 2
Wenn, wie in obiger Tabelle 2 ersichtlich, die Rauhtiefe des α-SiC-Einkristall-Substrats 1 2 · 10² nm (2.000 Å) RMS beträgt, verengt sich die Halbbandbreite schnell. Somit wird verständlich, daß es keine Veränderung der Kristallqualität gibt und die Kristalle eine gute Einheitlichkeit aufweisen.
Zusätzlich wird bei der Wärmebehandlung des Komplexes M dieser in den Behälter 3 aus porösem Kohlenstoff gebracht, und die Außenseite des Kohlenstoffbehälters 3 wird mit α-SiC-Pulver 4 bedeckt. Die vorgegebene Wärmebehandlung wird im Argongasfluß ausgeführt, so daß sich das α-SiC-Pulver 4 in einer Atmosphäre hoher Temperatur zersetzt. Wenigstens ein Teil des zersetzten Si und C wird durch den Behälter 3 in den porösen Kohlenstoffbehälter 3 gebracht, so daß die vorbestimmte Wärmebehandlung in einer gesättigten SiC-Dampfatmosphäre ausgeführt werden kann. Dementsprechend kann die Zersetzung des α-SiC-Einkristall-Substrats 1 und der polykristallinen α-SiC-Dünnschicht 2 verhindert werden, und es ist möglich, einen α-SiC-Einkristall höherer Qualität zu erzeugen. Ferner ist es möglich, zu verhindern, daß sich das Si und C, die sich durch den Behälter 3 in den Kohlenstoffbehälter 3 bewegen, vor der Phasenumwandlung am SiC haften bleiben. Demgemäß ist es möglich, einen guten Einkristall hoher Qualität zu erzeugen.

Claims

1. Ein Verfahren zum Erzeugen eines SiC-Einkristalls, in dem eine Oberfläche eines α-SiC-Einkristall-Substrats so eingestellt wird, daß sie eine Rauhtiefe von höchstens 2 · 10² nm (2000 Å) RMS aufweist, wobei eine polykristalline α-SiC-Dünnschicht auf der Oberfläche des α-SiC-Einkristall-Substrats gezogen wird, dann der Komplex bei hoher Temperatur im Bereich 1900 bis 2400ºC wärmebehandelt wird, und die Wärmebehandlung des Komplexes in einem Zustand ausgeführt wird, in dem der Komplex in einen porösen Kohlenstoff-Behälter verbracht wird und eine Außenseite des porösen Kohlenstoffbehälters mit α-SiC-Pulver bedeckt wird, wobei ein α-SiC-Einkristall durch Kristall- Aufwachsen und Umkristallisieren der polykristallinen α-SiC- Dünnschicht auf dem α-SiC-Einkristall-Substrat ausgebildet wird.

2. Ein Verfahren zum Erzeugen eines SiC-Einkristalls gemäß Anspruch 1, in dem die Oberflächen-Rauhtiefe des α-SiC- Einkristall-Substrats so eingestellt wird, daß sie höchstens 1 · 10² nm (1000 A) RMS beträgt.

3. Ein Verfahren zum Erzeugen SiC-Einkristalle gemäß Anspruch 1 oder 2, in dem die polykristalline α-SiC-Dünnschicht durch thermische chemische Dampfabscheidung aus der Gasphase gezogen wird.