TW201333246A - ＳｉＣ結晶之結晶成長方法及ＳｉＣ結晶基板 - Google Patents

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Abstract

提供將SiC結晶作為種晶而使SiC結晶磊晶成長之結晶成長方法。在此方法中，附加使將用作種晶之SiC結晶在真空中加熱而構成表面之Si昇華而形成以C為主體之膜的步驟。將經過該步驟之SiC結晶作為種晶而使SiC結晶磊晶成長。

Description

SiC結晶之結晶成長方法及SiC結晶基板
本案根據2011年12月16日申請之日本專利出願第2011-275589號主張優先權。該申請之所有內容透過參照援用於本說明書中。在本說明書中，揭露與碳化矽(SiC)結晶之結晶成長方法及SiC結晶基板相關之技術。
在SiC結晶之成長方法中，有昇華再結晶化法、CVD法、液相成長法等之各種方法。在此等方法中，使用SiC之種晶，使SiC單結晶磊晶成長於種晶上。此外，與SiC單結晶之液相成長法相關的技術已揭露於特開2011-51857號公報。
需要使缺陷少之高品質的SiC單結晶成長於種晶上。然而，在是種晶之SiC存在點缺陷或線缺陷等之缺陷的情況下，存在此等缺陷承繼至成長之SiC單結晶而使得在成長之SiC單結晶中形成缺陷的情形。結果，成長之SiC單結晶的品質劣化。
在本說明書中揭露將SiC作為種晶而使SiC結晶磊晶成長之結晶成長方法。在此結晶成長方法中，附加使將用作種晶之SiC結晶在真空中加熱而構成表面之Si昇華而形成以C為主體之膜的步驟。然後，將經過該步驟之SiC結晶作為種晶而使SiC結晶磊晶成長。
藉在種晶的表面形成以C為主體之膜，可將在種晶的表面表露之缺陷藉以C為主體之膜覆蓋。作為以C為主體之膜的一例，可列舉石墨烯或疊複數層之石墨烯的膜。藉將以C為主體之膜的表面作為起點而使SiC結晶成長，能以依照存在於以C為主體之膜的下方之SiC結晶之種晶的原子排列的方式使SiC結晶磊晶成長。藉此，可防止因在種晶的表面表露之缺陷而缺陷承繼至成長之SiC結晶的情形。因此，可使成長之SiC結晶的結晶性提升。
在上述之結晶成長方法中，較佳為使形成有以C為主體之膜之用作種晶之SiC結晶與將矽之融液作為溶媒的SiC溶液接觸。藉此，藉液相成長法，可將以C為主體之膜的表面作為起點，使SiC結晶磊晶成長。
在上述之結晶成長方法中，亦可將使用6H-SiC或4H-SiC之SiC結晶用作種晶。
此外，在本說明書中，揭露依序積層第一SiC結晶層、至少一層之石墨烯(graphene)、第二SiC結晶層的SiC結晶基板。與第一SiC結晶層之缺陷密度相比，第二SiC結晶層之缺陷密度為小。藉此，可將第二SiC結晶層用作為為了形成更高性能之功率元件等所用的基板。
在上述之SiC結晶基板中，石墨烯一層中的C原子之數密度亦可大於SiC結晶層之雙層一層中之C原子的數密度。SiC結晶層之雙層係指由Si及C之兩原子所構成之層。在SiC雙層的約三層份之Si原子昇華而形成一層份之石墨烯的情況時，成為如此之數密度的比。藉此，藉C原子的數密度，變得可特定第一SiC結晶層與第二SiC結晶層之接觸面。
根據揭露於本說明書之技術，可提供使結晶缺陷更少之SiC結晶同質磊晶成長於SiC基板上之方法等。
實施發明之形態
針對本案之實施例一邊參照圖式一邊作說明。於第1圖，圖示根據實施例之SiC結晶製造裝置(以下簡稱結晶製造裝置)1。結晶製造裝置1具備坩堝10。坩堝10係藉含碳之材質而形成。作為坩堝10之材質，可列舉石墨或SiC。坩堝10配置於坩堝台11之上。坩堝台11可予以旋轉。坩堝10可藉坩堝蓋14作密閉。坩堝10之外周為了保溫而以斷熱材12作覆蓋。於斷熱材12之外周，配置有多層螺旋構造之常導線圈13。常導線圈13係用以將坩堝10感應加熱之裝置。於常導線圈13，連接有不圖示之高頻電源。坩堝10、斷熱材12、常導線圈13配置於腔室15之內部。腔室15具備吸氣口16與排氣口17。
於坩堝10內包含有矽溶液22。矽溶液22係以將矽熔解而獲得之作為主成分之溶液。於坩堝10之上方，具備保持夾具18。於坩堝10之上方，具備保持夾具18之前端部，以形成有石墨烯(grapbene)膜26之面與坩堝10對向的方式安裝有SiC種晶25。保持夾具18係可予以昇降的。此外，保持夾具18係由石墨而形成。
使用第2圖之流程與第3圖至第6圖的示意圖說明根據本實施例之SiC結晶之成長方法。第3圖至第6圖係SiC種晶25的表面附近之剖面示意圖。在第3圖至第6圖中，沒劃影線之圓圈代表C原子，劃影線之圓圈代表Si原子。
於第2圖之步驟S1中，在SiC種晶25的表面，進行形成石墨烯層26之步驟。石墨烯係指在二次元之蜂巢的晶格之晶格點配置C原子之厚度一原子層的碳材料。石墨烯層26係藉SiC表面分解法而形成。具體而言，作為SiC種晶25，準備6H-SiC之(0001)基板。在將SiC種晶25的表面洗浄後，在真空爐(不圖示)內載置SiC種晶25。然後，以真空度10-4~10-6(Torr)、1350~1500℃加熱SiC種晶25。藉將SiC種晶25在真空中加熱，SiC種晶25表面之Si原子昇華，藉殘存之C原子自組織形成石墨烯。
存在可藉形成之石墨烯層26塞住在SiC種晶25的表面表露之缺陷的情況。作為可藉石墨烯層26塞住的缺陷之例，可列舉由原子數個份之原子空位所構成之點缺陷或因錯位等所產生之線缺陷。此外，螺旋錯位為起因而產生之中空貫通缺陷(微管缺陷)難以藉石墨烯層26塞住。
說明在步驟S1中石墨烯層成長之機制。作為例子，使用第3圖及第4圖的示意圖作說明。第3圖係圖示石墨烯層之成長前的狀態之圖。第4圖係圖示石墨烯層之成長後的狀態之圖。在第3圖之SiC種晶25中，存在SiC雙層L1至L6為止的6層。SiC雙層係指由六角形晶格構造之C原子所構成之一層的C原子層與由六角形晶格構造之Si原子所構成之一層的Si原子層積層而形成之層。SiC雙層L1係表露於SiC種晶25的表面。SiC雙層L2至L6係形成SiC種晶25之整體。此外，在SiC雙層L6之下層雖進一步存在多數的SiC雙層，但在第3圖至第6圖中係省略圖示。
第3圖之SiC種晶25係缺陷D1表露於表面。缺陷D1係原子一個份之點缺陷於深度方向(第3圖之下方向)連續而形成之線缺陷。
若將第3圖之SiC種晶25在真空中加熱開始，則SiC雙層之三層份以上之Si原子昇華。然後，藉殘存之C原子而自組織形成石墨烯層26之一層。藉此，如第4圖所示，在Si原子層SL1之上，形成石墨烯層26。石墨烯層26之C原子的數密度大於Si原子層SL1之Si原子的數密度。隨此，晶格常數方面，石墨烯層26之六角形晶格構造比Si原子層SL1之六角形晶格構造小。此外，石墨烯層26之C原子的數密度與Si原子層SL1之Si原子的數密度之比係依SiC雙層之幾層份之Si原子昇華而定。隨此，通常情況下，石墨烯層26之C原子的數密度成為Si原子層SL1之Si原子的數密度之3倍以上。
然後，如第4圖所示，藉石墨烯層26，可覆蓋缺陷D1之表露部。此為因為石墨烯層之一層中的C原子的數密度比SiC雙層之一層中的C原子的數密度高使得只要於SiC雙層表露之缺陷為原子數個份之原子空位則用以塞住該原子空位之C原子即不會不足之故。
其次，於步驟S2中，從真空爐取出SiC種晶25。然後，SiC種晶25以形成有石墨烯層26之面與坩堝10對向的方式安裝於保持夾具18之前端部。
於步驟S3中，生成矽溶液22。具體而言，將內部設有矽原料之坩堝10載置於結晶製造裝置1的坩堝台11。然後藉使既定頻率之交流電流流往常導線圈13，將坩堝10 感應加熱。另外，將惰性氣體從吸氣口16供給至腔室15內，同時使坩堝台11旋轉既定旋轉數。加熱溫度設為矽之熔點(1410℃)以上。藉此，矽原料熔解，生成矽溶液22。此外，可藉坩堝10之熔解將碳供給至矽溶液22中。
於第4圖中，使SiC結晶成長於SiC種晶25(第4圖)的表面上。具體而言，使保持夾具18從坩堝10的上方往坩堝10內部降下，並使SiC種晶25之形成有石墨烯層26的面浸漬於矽溶液22。藉此，作出矽溶液22與SiC種晶25隔著石墨烯層26而接觸之狀態。
在本實施例中，將氬氣供給至腔室15內，並將腔室15內之壓力調整為大氣壓力，溫度調整為1500℃。另外，在本實施例所使用之此等條件為一例，亦可使用其他條件。
說明步驟S4中之SiC結晶的同質磊晶成長之機制。如前述，石墨烯層26之C原子的數密度係大於Si原子層SL1之Si原子的數密度。結果，變成在石墨烯層26(第4圖)內存在與Si原子層SL1之Si原子共價鍵合之C原子、及未共價鍵合之C原子。與Si原子共價鍵合之C原子及未共價鍵合之C原子因為共價鍵合之共價鍵之形相異，故活性度(親和性)相異。因此活性度之不同，在石墨烯層26的表面可從以六角形晶格構造排列之多數的C原子之中區別與下層之Si原子共價鍵合之C原子及未與下層之Si原子共價鍵合之C原子。
此外，石墨烯層26係作用為SiC雙層之C原子的層。此為石墨烯層26對齊下層之Si原子層SL1的原子排列而 成長之故。然後，藉Si原子對於形成石墨烯層26之多數的C原子之中因下層之Si原子而受影響之C原子選擇性共價鍵合，如第5圖所示，形成SiC雙層之Si原子層SL2。藉此，以石墨烯層26的表面作為起點，可使對齊石墨烯層26的下層之Si原子層SL1的原子排列之Si原子層SL2成長。然後，藉石墨烯層26與Si原子層SL2，形成SiC雙層L1a。
此外，如第5圖所示，在Si原子層SL2因為變成於缺陷D1之上方亦存在Si原子，故缺陷D1不會承繼。缺陷D1之上方存在Si原子的第一理由係在缺陷D1塞住之狀態的石墨烯層26之表面形成有Si原子層SL2之故。此外，第二理由係Si原子層SL2以對齊石墨烯層26的下層之Si原子層SL1之原子排列的方式形成。藉此，在因缺陷D1而在下層之Si原子層SL1不存在Si原子之區域中Si原子基於上層之Si原子層SL2之六角形晶格構造而正確配置之故。
然後，因應維持SiC種晶25浸漬於矽溶液22之狀態，如第6圖所示，於SiC雙層L1a上以積層SiC雙層L2a、L3a…及多數的SiC雙層的方式一直成長下去。然後，形成磊晶成長層27。此外，藉依磊晶成長層27之成長狀況而拉起保持夾具18，可使磊晶成長層27連續成長。SiC雙層L2a之後的成長係SiC結晶往SiC結晶上成長，為一般之同質磊晶成長。由於缺陷D1係以SiC雙層L1a塞住，故可防止在比SiC雙層L2a上層側形成缺陷D1為起因之缺陷的事態。此外，磊晶成長層27之厚度只要為可形成各種半導體裝置之厚度即可，可使用例如50微米左右之值。
藉以上，完成第6圖所示之SiC結晶基板28。SiC結晶基板28係具有依序積層SiC種晶25、石墨烯層26及磊晶成長層27之構造。此外，表露於SiC種晶25的表面之缺陷D1因為不會承繼至磊晶成長層27，故與SiC種晶25之缺陷密度相比下磊晶成長層27之缺陷密度小。
完成之SiC結晶基板28係以石墨烯層26存在於內部之狀態用作為用以製造各種半導體裝置之基板。此情況下，於磊晶成長層27形成各種半導體裝置。此外，SiC種晶25係作用為用以確保SiC結晶基板28之機械強度的基底基板。
此外，完成後之SiC結晶基板28藉使用TEM(Transmission Electron Microscope)，可藉TEM影像確認石墨烯層26(亦即SiC種晶25與磊晶成長層27之接觸面)的存在。此為石墨烯一層中之C原子的數密度比SiC雙層的C原子層中之C原子的數密度還大而使得六角形晶格構造的晶格常數產生差異之故。藉此，可識別使用根據本案之SiC結晶成長方法而製造的SiC結晶基板。
<效果>
說明根據本實施例之SiC結晶的製造方法之效果。本實施例之結晶成長方法具備在SiC種晶25的表面形成石墨烯層26之步驟。然後，藉使SiC結晶以石墨烯層26的表面作為起點而成長，能以依照存在於石墨烯層26的下方之SiC種晶25的原子排列的方式使SiC結晶磊晶成長。藉此，可防止表露於SiC種晶25的表面之缺陷為起因而缺陷亦承繼至成長之SiC結晶。隨此，變得可使用液層法製造使結晶缺陷比SiC種晶25減少之磊晶成長層27。
以上，雖針對本發明的實施例詳細作說明，但此等僅為例示，並非限定申請專利範圍者。申請專利範圍所載之技術係包含將以上例示之具體例作各種變形、變更者。
<變形例>
於步驟S4中，使SiC結晶成長於SiC種晶25之石墨烯層26的表面之方法不限為液相成長法。使用昇華再結晶化法或CVD(Chemical Vapor Deposition)法之情況下亦可使結晶缺陷比SiC種晶減少之磊晶成長層成長。
在本實施例中，於步驟S1中，雖說明將一層之石墨烯層26形成於SiC種晶25的表面之情況，但不限為此例。亦可在SiC種晶25的表面形成複數層石墨烯層。此外，於最上層之石墨烯層中，在可使Si原子對於因SiC種晶表面之Si原子而受影響之C原子選擇性共價鍵合的範圍內，可使石墨烯層之層數增加。
在本實施例中，雖說明將6H-SiC用作種晶之情況，但不限為此結晶構造。亦可將例如4H-SiC用作種晶。此外，用作種晶之SiC亦可為多結晶。
說明於本說明書或圖式中之技術要素係藉單獨或各種的組合而發揮技術實用性者，並非限定於申請時請求項記載之組合。此外，本說明書或圖式所例示之技術係可同時達成複數個目的者，為藉達成其中之一的目的而本身具有技術實用性者。
1‧‧‧結晶製造裝置
22‧‧‧矽溶液
25‧‧‧SiC種晶
26‧‧‧石墨烯層
27‧‧‧磊晶成長層
28‧‧‧SiC結晶基板
D1‧‧‧缺陷
L1至L6‧‧‧SiC雙層
第1圖係SiC結晶製造裝置的示意圖。
第2圖係SiC結晶之成長方法的流程圖。
第3圖係SiC結晶之剖面示意圖。
第4圖係SiC結晶之剖面示意圖。
第5圖係SiC結晶之剖面示意圖。
第6圖係SiC結晶之剖面示意圖。

Claims (6)

  1. 一種結晶成長方法，其係將SiC結晶作為種晶而使SiC結晶磊晶成長之結晶成長方法，附加使將用作種晶之SiC結晶在真空中加熱而構成表面之Si昇華而形成以C為主體之膜的步驟，並將經過該步驟之SiC結晶作為種晶而使SiC結晶磊晶成長。
  2. 如申請專利範圍第1項之結晶成長方法，其中使形成有以C為主體之膜之用作種晶之SiC結晶與將矽之融液作為溶媒之SiC溶液接觸而使SiC結晶磊晶成長。
  3. 如申請專利範圍第1項之結晶成長方法，其中將6H-SiC或4H-SiC之SiC結晶用作種晶。
  4. 如申請專利範圍第2項之結晶成長方法，其中將6H-SiC或4H-SiC之SiC結晶用作種晶。
  5. 一種SiC結晶基板，其係依序積層第一SiC結晶層、至少一層之石墨烯(graphene)及第二SiC結晶層之SiC結晶基板，其特徵為與第一SiC結晶層之缺陷密度相比，第二SiC結晶層之缺陷密度為小。
  6. 如申請專利範圍第5項之SiC結晶基板，其中石墨烯一層中之C原子的數密度大於SiC結晶層之雙層一層中之C原子的數密度。
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