TW202035807A - 碳化矽半導體基板、碳化矽半導體基板的製造方法、碳化矽半導體基板的製造裝置以及碳化矽半導體基板的階排列方法 - Google Patents

碳化矽半導體基板、碳化矽半導體基板的製造方法、碳化矽半導體基板的製造裝置以及碳化矽半導體基板的階排列方法 Download PDF

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Abstract

本發明之課題在於提供一種具有階高度已被控制的成長層之碳化矽半導體基板、碳化矽半導體基板的製造方法、碳化矽半導體基板的製造裝置以及碳化矽半導體基板的階排列方法。本發明的碳化矽半導體基板的製造方法係包含使碳化矽基板10在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下成長的成長工序。藉由如此地使碳化矽基板10在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下成長，能夠提供成長層的階高度已被控制之碳化矽半導體基板。

Description

碳化矽半導體基板、碳化矽半導體基板的製造方法、碳化矽半導體基板的製造裝置以及碳化矽半導體基板的階排列方法
本發明係關於一種具有階(step)高度已被控制的成長層之碳化矽半導體基板、碳化矽半導體基板的製造方法、碳化矽半導體基板的製造裝置以及碳化矽半導體基板的階排列方法。
由於SiC(碳化矽)半導體器件(semiconductor device)比起Si(矽)或GaAs(砷化鎵)半導體器件能夠高耐壓及高效率、高溫運作，故朝向產業化進行著開發。
通常，於碳化矽基板的表面係形成有階-台階(step-terrace)構造，該碳化矽基板係從用於器件製造的(0001)設置了些微傾斜。在習知上，於碳化矽基板的表面控制之中，階在器件製造程序(device manufacturing process)中會束化(聚束)而不幸形成有階褶(step bunching)的情形被視為問題。
已知該階褶會對SiC半導體器件的特性造成不良影響。具體而言，以下情形已分別為人所知：(1)若在形成有階褶之表面進行磊晶成長(epitaxial growth)，則有在磊晶成長層(以下稱作磊晶層)的表面產生因階褶而起之缺陷的狀況，(2)於在磊晶層表面形成氧化膜來製造的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；金屬氧化物半導體場效電晶體)等SiC半導體器件之中，有階褶的存在會對運作性能及可靠度造成致命性影響的狀況。
針對此種問題，提案有各種將階褶之產生予以抑制之技術。例如於專利文獻1係記載有以下技術：於化學氣相沉積(CVD：Chemical Vapor Deposition)法之中，對「晶格無序層(lattice disorder layer)」設成3 nm以下之SiC單結晶基板的氣體蝕刻(gas etching)後的表面，將SiC的磊晶成長所必要之量的SiH4 氣體與C3 H8 氣體以濃度比C／Si為0.7至1.2同時地供給，藉此提供無階褶(step bunching free)之SiC磊晶晶圓(SiC epitaxial wafer)的技術。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]特開2013-34007號公報。
[發明所欲解決之課題]
不過，若將上述之(1)及(2)的階褶之問題進一步地向前推進，則希望將形成於碳化矽基板表面的階高度予以控制，以提供於器件製造上較佳的表面。亦即，階高度得以控制的話，便能夠在磊晶成長及氧化膜形成之中對因階-台階構造而起之問題有貢獻，結果能夠使器件之運作性能及可靠度提升。
然而，雖認定專利文獻1所記載之技術能夠抑制階褶的產生，但並非能夠控制碳化矽基板表面之階高度的成長手法。
本發明之課題在於提供一種具有階高度已被控制之成長層的碳化矽半導體基板、碳化矽半導體基板的製造方法、碳化矽半導體基板的製造裝置以及碳化矽半導體基板的階排列方法。 [用以解決課題之手段]
為了解決上述課題，本發明的一態樣之碳化矽半導體基板的製造方法係包含：成長工序，係使碳化矽基板在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下成長。
如此，藉由在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下使碳化矽基板成長，能夠提供成長層之階高度已被控制的碳化矽半導體基板。
在該態樣之中，前述成長工序係在經由Si蒸氣壓空間所排氣的原料供給空間配置前述碳化矽基板，來使前述碳化矽基板成長。 如此，原料供給空間係經由Si蒸氣壓空間而被排氣(抽真空)，藉此能夠將原料供給空間內的SiC-Si平衡蒸氣壓環境長時間維持。
前述成長工序係配置Si原子供給源及C(碳)原子供給源來使前述碳化矽基板成長，俾使前述原料供給空間內的原子數比Si／C(矽／碳)超過1。 藉由以這樣的原子數比Si／C配置Si原子供給源及C原子供給源，能夠在原料供給空間內容易地形成SiC-Si平衡蒸氣壓環境。
在該態樣之中，前述成長工序係以1600℃以上的溫度進行。 藉由以這樣的溫度區域成長，能夠高速地使碳化矽基板成長。
又，本發明亦關於一種碳化矽半導體基板。亦即，本發明的一態樣的碳化矽半導體基板係具備：成長層，係排列了1晶胞(unit cell)高度之階。 如此排列1晶胞高度之階，藉此對在磊晶成長時因階褶而起之缺陷產生的問題、及因MOSFET等之中的階-台階構造而起的問題等之解決做出貢獻，結果能夠使運作性能及可靠度提升。
在該態樣之中，前述成長層係4H-SiC(4H型碳化矽)。
又，本發明亦關於一種上述之碳化矽半導體基板的製造裝置。亦即，本發明的一態樣之碳化矽半導體基板的製造裝置係具備：原料供給空間，係對碳化矽基板供給Si原子及C原子來使前述碳化矽基板成長；Si蒸氣壓空間，係形成有Si蒸氣壓環境；以及高溫真空爐，係能夠加熱前述原料供給空間；前述原料供給空間係經由前述Si蒸氣壓空間而被排氣。 如此，原料供給空間係經由Si蒸氣壓空間而被排氣(抽真空)，藉此能夠將原料供給空間內長時間維持對成長較佳的原子數比Si／C。
在該態樣之中，前述原料供給空間係具有：Si原子供給源；以及C原子供給源；前述Si原子供給源及前述C原子供給源係以前述原料供給空間內的原子數比Si／C超過1的方式被配置。 藉由設為這樣的構成，能夠在原料供給空間內形成SiC-Si平衡蒸氣壓環境。
在該態樣之中，於前述原料供給空間內係設有：溫度梯度(temperature gradient)，係朝向前述碳化矽基板使溫度下降。 藉由設有這樣的溫度梯度，能夠對碳化矽基板輸送Si原子與C原子，且能夠使成長速度提升。
在該態樣之中，具備：原料容器，係具有前述原料供給空間；以及滲碳容器，係具有前述Si蒸氣壓空間。
在該態樣中，前述高溫真空爐係具有：主加熱室，係能夠將前述原料供給空間予以加熱；預備加熱室，係連接於前述主加熱室；以及移動機構，係使前述原料供給空間移動；前述移動機構係構成為能夠在前述主加熱室與前述預備加熱室之間移動。 藉由如此地設為能夠將原料供給空間從主加熱室往預備加熱室移動之構成，能夠使碳化矽基板急速地升溫及降溫。
又，本發明亦有關於一種碳化矽半導體基板的階排列方法，係用於降低碳化矽半導體基板之底面差排(basal plane dislocation)。亦即，本發明之一態樣的碳化矽半導體基板的階排列方法係用於降低碳化矽半導體基板之底面差排，前述碳化矽半導體基板的階排列方法係於碳化矽半導體基板的表面排列1晶胞高度之階，且在包含使碳化矽基板成長之成長工序的碳化矽半導體基板的製造方法中包含：使碳化矽基板在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下成長的成長工序。
在該態樣之中，前述成長工序係配置Si原子供給源及C原子供給源來使前述碳化矽基板成長，俾使原料供給空間內的原子數比Si／C超過1。 [發明功效]
根據已揭示的技術，能夠提供一種具有階高度已被控制之成長層的碳化矽半導體基板、碳化矽半導體基板的製造方法、碳化矽半導體基板的製造裝置以及碳化矽半導體基板的階排列方法。
在一併結合圖式及申請專利範圍時，藉由參酌以下所記載的用以實施發明的形態，能夠明瞭其他的課題、特徵及優點。
以下，使用圖1至圖7，對將本發明示於圖式之一較佳實施形態詳細地進行說明。本發明之技術的範圍並非限定於隨附的圖式所示的實施形態，在申請專利範圍所記載的範圍內能夠適當變更。
[碳化矽半導體基板的製造方法] 以下，對本發明的一實施形態之碳化矽半導體基板的製造方法詳細地進行說明。
本發明之碳化矽半導體基板的製造方法係包含：成長工序，係使碳化矽基板10在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下成長。如此，藉由在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下使碳化矽基板10成長，能夠製造具有階12的高度已被控制之成長層11的碳化矽半導體基板。
[碳化矽基板] 也可以使用任意的多型體(polytype)的材料來作為碳化矽基板10。作為碳化矽半導體器件的基板來說，使用從以昇華法等製作之體結晶(bulk crystal)加工而成的碳化矽基板10。
在本說明書中的說明裡，將碳化矽基板10之製作半導體元件的面(具體而言是堆積成長層11的面)稱為主面，將與該主面相對的面稱為背面。又，將主面及背面合稱為表面。
另外，以作為主面來說，能夠例示從(0001)面或(000-1)面設置了數度(例如0.4°至8°)的偏離角(off angle)的表面。(另外，在本說明書中，於密勒指數(Miller index)的標記中，「-」係意味著附在緊接在-後面之指數的桿(bar))。
在已於原子等級(atomic level)平坦化之碳化矽基板10的表面係確認到階-台階構造。該階-台階構造係成為階12與台階13交互排列的階梯構造，該階12是1分子層以上的階差部位，該台階13是露出了{0001}面之平坦部位。
階12係1分子層(0.25 nm)為最小高度(最小單位)，且藉由該1分子層重疊複數層來形成各式各樣的階高度。在本說明書中的說明裡，階12係束化(聚束)而巨大化，且將具有超過各多型體之1晶胞的高度之階稱作宏階褶(MSB：Macro Step Bunching)。
亦即，所謂的MSB在4H-SiC的情形是指超過4分子層(5分子層以上)而聚束了的階12，在6H-SiC的情形是指超過6分子層(7分子層以上)而聚束了的階12。
該MSB是在磊晶層表面產生因MSB而起之缺陷及MOSFET之氧化膜可靠度的妨害要因之一，因此希望不要在碳化矽基板10的表面形成。
[成長工序] 本發明的實施形態之成長工序係在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下使碳化矽基板10成長，藉此能夠在形成有MSB之碳化矽基板10上使未形成有MSB的成長層11成長(參照圖1)。
於該成長工序係能夠採用昇華法。昇華法是以下的手法：將原料與碳化矽基板10配置於原料供給空間S1(成長空間)內且予以加熱，藉此把從原料昇華而成的原料氣體輸送至碳化矽基板10上並使原料氣體再結晶化而使碳化矽基板10成長。
亦即，於該原料供給空間S1內除了配置有碳化矽基板10之外還配置有作為原料的Si原子供給源及C原子供給源，且將Si原子供給源及C原子供給源加熱，藉此對原料供給空間S1內供給作為碳化矽基板10之原料的Si原子及C原子。該Si原子及C原子係被輸送至碳化矽基板10的表面且再結晶化，藉此將成長層11予以形成。
又，在本發明的實施形態之成長工序中，希望將碳化矽基板10配置在經由Si蒸氣壓空間S2所排氣(抽真空)之原料供給空間S1。亦即，如圖2中的(a)所示，希望將具有原料供給空間S1之原料容器20配置於具有Si蒸氣壓空間S2的滲碳容器30內，且進一步地將碳化矽基板10配置在該原料容器20內。
原料容器20係具備：上容器21；以及下容器22，係能夠與該上容器21嵌合；於該容器內具有：原料供給空間S1，係使碳化矽基板10成長。此時，於上容器21與下容器22的嵌合部係形成有微小的間隙23，原料容器20內係從該間隙23所排氣(抽真空)。
以作為Si原子供給源及C原子供給源來說，能夠採用Si基板等能供給Si原子的材料或石墨等能供給C原子的材料、碳化矽基板等能供給Si原子及C原子的材料。又，以多結晶SiC(Poly-SiC)形成原料容器20的至少一部分，藉此能夠把原料容器20自身當成Si原子供給源及C原子供給源。
圖2中的(a)係表示採用多結晶SiC製的原料容器20且還將Si基板24配置在原料供給空間S1內之形態。於該情形係成為以下的形態：原料容器20及Si基板24在原料供給空間S1內供給Si原子，且原料容器20供給C原子。
該Si原子供給源及C原子供給源之配置並不限於該形態，只要是能夠在原料供給空間S1內供給Si原子及C原子之形態即可。例如原料容器20可採用多結晶SiC以外的材料，也可採用在原料供給空間S1內配置Si材料、C材料、SiC材料的形態。 另外，於在原料使用多結晶SiC的情形下，能夠將多結晶SiC(原料)與單結晶SiC(碳化矽基板10)之蒸氣壓差(化學位能(chemical potential)差)當作成長驅動力。
又，較佳為於原料供給空間S1內設有：溫度梯度，係朝向碳化矽基板10使溫度下降。將該溫度梯度作為成長驅動力，引發Si原子及C原子往碳化矽基板10輸送，因此成長層11之成長速度上升。
進一步地，為了使Si原子與C原子有效率地到達碳化矽基板10，也可以使Si原子供給源及C原子供給源靠近碳化矽基板10。在圖2中的(a)裡係示出以下形態：將作為Si原子供給源及C原子供給源之多結晶SiC製的上容器21與碳化矽基板10平行地靠近配置。
該碳化矽基板10的主面與上容器21的頂面之距離L較佳係被設定於0.5 mm至20 mm的範圍，更佳係被設定於0.7 mm至10 mm的範圍。
在該距離L為0.5 mm以上的情形下，碳化矽基板10的主面與上容器21的頂面之溫度差變大。結果成長驅動力變大且成長速度增加。 另一方面，在距離L為20 mm以下的情形下，原料與基板的距離變近，原料氣體的輸送有效率地進行，成長速度增加。
又，如圖2中的(a)所示，原料容器20係被配置於形成有Si蒸氣壓環境之Si蒸氣壓空間S2內。如此，原料供給空間S1被配置於Si蒸氣壓空間S2內，且原料容器20內經由Si蒸氣壓環境的空間而被排氣(抽真空)，藉此能夠抑制Si原子從原料供給空間S1內減少之情形。藉此，能夠將原料供給空間S1內對成長較佳的原子數比Si／C長時間維持。
亦即，在從原料供給空間S1直接排氣的情形下，Si原子會從間隙23被排氣。於該情形下，原料供給空間S1內的原子數比Si／C會顯著地減少，因此沒有維持住適合於成長的環境。 另一方面，在經由Si蒸氣壓環境的Si蒸氣壓空間S2來將原料容器20內予以排氣之情形下，能夠抑制Si原子從原料供給空間S1被排氣的情形，保持原料供給空間S1內的原子數比Si／C。
以Si蒸氣壓空間S2來說，只要在加熱時形成有Si蒸氣壓環境即可，例如能夠用滲碳容器30來形成Si蒸氣壓環境。 該滲碳容器30只要是能夠將原料容器20收容於Si蒸氣壓空間S2內的形態即可，例如具備：上容器31；以及下容器32，係能夠與該上容器31嵌合。與原料容器20同樣地，該滲碳容器30係在上容器31與下容器32之嵌合部形成有微小的間隙33，且從該間隙33被排氣(抽真空)。
該滲碳容器30的內壁面係由複數個層所構成，且從Si蒸氣壓空間S2內部側朝向外部側依序具有：矽化鉭(tantalum silicide)層(TaSi2 或者是Ta5 Si3 等)、碳化鉭(tantalum carbide)層(TaC或者是Ta2 C)、以及鉭層(Ta)。
藉由如此地從內側形成有矽化鉭層、碳化鉭層、鉭層，能夠將存在於Si蒸氣壓空間S2內的C原子取入到滲碳容器30自身(使滲碳容器30自身滲碳)。又，矽化鉭層係藉由加熱來對滲碳容器30之Si蒸氣壓空間S2供給Si原子。結果，能夠在加熱時將Si蒸氣壓空間S2內設成高純度的Si蒸氣壓環境(Si氛圍(atmosphere))。 另外，只要能夠將C原子取入且在Si蒸氣壓空間S2形成Si蒸氣壓環境的話，能夠作為滲碳容器30來採用。
又，以原料容器20及滲碳容器30來說，希望形成能夠收納6吋晶圓或8吋晶圓的直徑。
圖2中的(b)是將成長機構之概要予以表示的說明圖。以1400℃以上至2300℃以下的溫度範圍將配置了碳化矽基板10的原料供給空間S1予以加熱，藉此持續地進行以下1)至5)的反應，結果認定成長有在進行。
1)　Poly-SiC(s)→Si(v)+C(s) 2)　2C(s)+Si(v)→SiC2 (v) 3)　C(s)+2Si(v)→Si2 C(v) 4)　Si(v)+SiC2 (v)→2SiC(s) 5)　Si2 C(v)→Si(v)+SiC(s)
1)的說明：原料容器20(Poly-SiC(s))被加熱，藉此Si原子(Si(v))因熱分解而從SiC脫離。 2)及3)的說明：藉著Si原子(Si(v))脫離而殘留的C(C(s))係在原料供給空間S1內與Si蒸氣(Si(v))反應，藉此成為Si2 C或者是SiC2 等而在原料供給空間S1內昇華。 4)及5)的說明：已昇華的Si2 C或者是SiC2 等係藉由溫度梯度(及化學位能差)而到達、擴散至碳化矽基板10的台階13並到達階12，藉此繼承基底之碳化矽基板10的多型而成長(階流動成長(step-flow growth))。
在本發明的實施形態之成長工序中的成長環境之特徵在於：是SiC-Si平衡蒸氣壓環境。以下，詳細地對SiC-Si平衡蒸氣壓環境及SiC-C平衡蒸氣壓環境進行說明。另外，在本說明書中的SiC-Si平衡蒸氣壓環境及SiC-C平衡蒸氣壓環境係指包含：近熱平衡蒸氣壓環境，係滿足由理論上的熱平衡環境所導出的成長速度與成長溫度之關係。
SiC-Si平衡蒸氣壓環境係指：SiC(固相)、Si(液相)以及氣相之三相成為平衡狀態時之蒸氣壓的環境。 換言之，在本說明書中的「SiC-Si蒸氣壓環境」係指：SiC(固體)與Si(液相)係經由氣相而成為相平衡狀態時之蒸氣壓的環境。 SiC-Si平衡蒸氣壓環境係藉由將例如原子數比Si／C超過1之準密閉空間予以熱處理來形成。具體而言，在滿足化學計量比1：1之SiC製的原料容器20內配置了滿足化學計量比1：1之碳化矽基板10與Si蒸氣供給源(Si基板或Si丸(pellet)等)的情形下，原料容器20內的原子數比Si／C超過1。 另外，在本說明書中的「準密閉空間」係指以下空間：容器內能夠抽真空，能夠封入已在容器內產生的蒸氣之至少一部分的空間。該準密閉空間係能夠於原料容器20內或滲碳容器30內形成。
又，SiC-C平衡蒸氣壓環境係指：SiC(固相)、C(固相)以及氣相之三相成為平衡狀態時之蒸氣壓的環境。 換言之，在本說明書中的「SiC-C平衡蒸氣壓環境」係指：SiC(固相)與C(固相)係經由氣相而成為相平衡狀態時之蒸氣壓的環境。 SiC-C平衡蒸氣壓環境係藉由將例如原子數比Si／C在1以下之準密閉空間予以熱處理來形成。具體而言，在滿足化學計量比1：1之SiC製的原料容器20內配置了滿足化學計量比1：1之碳化矽基板10的情形下，原料容器20內的原子數比Si／C成為1。又，也可以配置C蒸氣供給源(C丸等)來將原子數比Si／C設成1以下。
SiC-Si平衡蒸氣壓環境之氣相中的原子數比Si／C係比SiC-C平衡蒸氣壓環境之氣相中的原子數比Si／C還大。
於本手法中，在SiC原料與碳化矽基板間的蒸氣壓環境為SiC-Si平衡蒸氣壓環境之條件下，將多結晶SiC(SiC原料)與單結晶SiC(碳化矽基板10)的蒸氣壓差(化學位能差)及溫度梯度作為成長驅動力來使碳化矽基板10成長。
在此，將SiC原料與碳化矽基板之蒸氣壓差當作成長量的情形下，SiC的成長速度係能由以下的式1求出。
[式1]
Figure 02_image001
在此，T是SiC原料側的溫度、mi 是氣相種(Six Cy )之1分子的質量、k是波茲曼常數(Boltzmann constant)。 又，P原料 i -P基板 i 是原料氣體成為過飽和的狀態而作為SiC析出之成長量，且原料氣體係設想為SiC、Si2 C、SiC2 。
能夠以原料供給空間S1內之原子數比Si／C超過1的方式配置Si原子供給源及C原子供給源來加熱，藉此形成該SiC-Si平衡蒸氣壓環境。 以下，詳細地對形成SiC-Si平衡蒸氣壓環境之原料供給空間S1的配置進行說明。
在本手法之中，能夠以原料供給空間S1內之原子數比Si／C超過1的方式配置Si原子供給源及C原子供給源，藉此形成SiC-Si平衡蒸氣壓環境。相對地，藉由以原料供給空間S1內的原子數比Si／C成為1以下的方式進行配置來形成SiC-C平衡蒸氣壓環境。
亦即，於加熱前將Si原子供給源在原料供給空間S1內配置得比C原子供給源還多，藉此能夠在原料供給空間S1內形成SiC-Si平衡蒸氣壓環境。 另外，雖示出了Si基板24作為Si原子供給源，但只要是供給Si原子來使原料供給空間S1內的原子數比Si／C上升的材料，則當然能夠採用。
另一方面，能夠以原料供給空間S1內之原子數比Si／C成為1以下的方式配置Si原子供給源及C原子供給源來加熱，藉此形成SiC-C平衡蒸氣壓環境。 圖3中的(a)係表示在SiC製的原料容器20內僅配置了碳化矽基板10之形態。
本手法之中的加熱溫度較佳係以1400℃至2200℃的範圍所設定，更佳係以1600℃至2000℃的範圍所設定。 在圖2及圖3的形態之中，因應於加熱溫度之Si原子與C原子的平衡蒸氣壓係從Si原子供給源及C原子供給源產生，且充滿原料供給空間S1內。
在本手法之中的成長速度係能夠藉由上述溫度區域來控制，能夠以0.001 μm／min至1 μm／min的範圍選擇。 在本手法之中的成長量較佳為5 μm至15 μm，更佳為8 μm至10 μm。 本手法之中的成長時間係能夠設定為任意的時間，以成為想要的成長量。例如，在成長速度為10 nm／min時想把成長量設為10 μm的情形下，成長時間設為使其成長100分鐘即可。 在本手法之中的真空度(主加熱室41)為10-5 Pa至10 Pa，更佳為10-3 Pa至1 Pa。 在本手法之中係能夠在成長中導入惰性氣體。該惰性氣體係能夠選擇Ar等，且以10-5 Pa至10000 Pa的範圍導入該惰性氣體，藉此能夠調整高溫真空爐40(主加熱室41)的真空度。
根據本發明之碳化矽半導體基板的製造方法，包含：成長工序，係使碳化矽基板10在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下成長。如此，藉由在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下使碳化矽基板成長，能夠使排列了1晶胞高度的階12之成長層11成長。
又，根據本發明之碳化矽半導體基板的製造方法，將碳化矽基板10配置在經由Si蒸氣壓空間S2所排氣(抽真空)之原料供給空間S1，以使碳化矽基板10成長。如此，原料供給空間S1係經由Si蒸氣壓空間S2而被排氣，藉此能夠將原料供給空間S1內的SiC-Si平衡蒸氣壓環境長時間維持。
另外，在圖1之中雖然表示了對不具有作為耐壓層之磊晶層的碳化矽基板10實施了本發明之成長工序的例子，但是對具有作為耐壓層之磊晶層的碳化矽基板10實施本發明之成長工序當然也是可以的。
又，本發明是一種碳化矽半導體基板的階排列方法，係在包含使碳化矽基板成長之成長工序的碳化矽半導體基板的製造方法之中使碳化矽基板在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下成長，藉此在碳化矽半導體基板的表面排列1晶胞高度之階。
又，SiC-Si平衡蒸氣壓環境係藉由例如以原料供給空間內的原子數比Si／C超過1的方式配置Si原子供給源及C原子供給源而成長來形成。
[碳化矽半導體基板] 本發明的一實施形態之碳化矽半導體基板的特徵在於具備：成長層11，係已排列了1晶胞高度的階12。如圖5所示，已使4H-SiC(0001)面側成長之成長層11的表面係沿著>11-20>而遍及100 μm以上的範圍未形成MSB，1 nm(1晶胞)高度的階12係以14 nm之台階13寬進行排列。另外，能夠藉由原子力顯微鏡(AFM：Atomic Force Microscope)、或日本特開2015-179082號公報所記載之將掃描型電子顯微鏡(SEM)像對比度(contrast)予以評價的手法，來確認該階高度及台階寬。
藉由具有階12的高度被如此地控制於1晶胞的成長層11，在成長層11上形成作為耐壓層之磊晶層的情形下係能夠抑制因階褶而起的缺陷在磊晶層表面產生的情形。 又，在將成長層11當成耐壓層的情形下，在MOSFET中因階-台階構造而起的問題不會產生，結果能夠使運作性能及可靠度提升。亦即，能夠對較佳的氧化絕緣膜形成做出貢獻。
[碳化矽半導體基板的製造裝置] 以下，參照圖4來對本發明之碳化矽半導體基板的製造裝置詳細地進行說明。該實施形態之製造裝置係具備：滲碳容器30，係具有Si蒸氣壓空間S2；原料容器20，係具有原料供給空間S1；以及高溫真空爐40，係能夠將原料供給空間S1予以加熱。另外，在同實施形態中，對於基本上與前面的碳化矽半導體基板以及碳化矽半導體基板的製造方法相同的構成要素附加相同的符號而將說明簡略化。
圖4是在本發明之碳化矽半導體基板的製造方法之成長工序所用的高溫真空爐40(碳化矽半導體基板的製造裝置)之一例。 該高溫真空爐40係具備：主加熱室41；預備加熱室42；以及移動機構43(移動台)，係能夠將滲碳容器30從預備加熱室42往主加熱室41移動。主加熱室41係能夠將碳化矽基板10加熱到1000℃以上至2300℃以下的溫度。預備加熱室42是在主加熱室41將碳化矽基板10加熱前用以進行預備加熱的空間。
於主加熱室41係連接有：真空形成用閥(valve)44；惰性氣體注入用閥45；以及真空計46。真空形成用閥44係連接於將主加熱室41內排氣來抽真空之抽真空泵，能夠調整主加熱室41內的真空度。又，惰性氣體注入用閥45係對主加熱室41內導入惰性氣體(例如Ar等)，能夠調整該壓力。真空計46係能夠測定主加熱室41內的真空度。
又，於主加熱室41之內部係具備有加熱器(heater)47。進一步地，於主加熱室41之側壁及天花板係固定有熱反射金屬板(未圖示)，該熱反射金屬板係以使加熱器47的熱朝向主加熱室41的大致中央部反射之方式所構成。 藉此，能夠將碳化矽基板10加熱並使碳化矽基板10升溫到1000℃以上至2300℃以下的溫度。另外，能夠使用例如電阻加熱式的加熱器或者是高頻感應加熱式的加熱器來作為加熱器47。
預備加熱室42係與主加熱室41連接，且構成為能夠藉由移動機構43來移動滲碳容器30。藉此，原料供給空間S1從主加熱室41被搬送到預備加熱室42，或者是從預備加熱室42被搬送到主加熱室41。 另外，於該預備加熱室42係不設有主加熱室41般的加熱器47，而是藉由主加熱室41的餘熱來升溫。例如在主加熱室41為2000℃之情形下，預備加熱室42係構成為升溫至1000℃左右並能夠進行滲碳容器30等的脫氣處理。
又，由於主加熱室41與預備加熱室42之間的搬送藉由移動機構43最短在1分鐘左右完成，故能夠實現1℃／min至1000℃／min的升溫、降溫。由於能夠如此地進行急速升溫及急速降溫，故能夠觀察不具有升溫中及降溫中之低溫成長歷程的表面形狀，而這在習知的裝置是困難的。 又，在圖5中雖然將預備加熱室42配置在主加熱室41的下方，但不限於此，能夠設置於任意的方向。
移動機構43是將滲碳容器30予以配置的台，微小的熱從與該滲碳容器30的接觸部分逸散。藉此，於滲碳容器30內至原料供給空間S1內產生有溫度梯度，成為碳化矽基板10的成長驅動力。如圖5所示，在從下面支持滲碳容器30的情形下，以溫度朝向滲碳容器30的底面方向(從上往下)下降的方式設有溫度梯度。 另外，該溫度梯度係能夠藉由變更移動機構43之設計來設於任意的方向，例如於移動機構43採用垂吊式等的情形下，由於熱往上方向逸散的緣故，以溫度梯度來說，以溫度朝向滲碳容器30的頂面方向(從下往上)下降的方式設有些微的溫度梯度。
根據本發明，包含：配置工序，係在經由Si蒸氣壓空間S2所排氣(抽真空)之原料供給空間S1配置碳化矽基板10；以及成長工序，係使碳化矽基板10在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下成長。 如此，使碳化矽基板10成長之原料供給空間S1係經由Si蒸氣壓空間S2而被排氣(抽真空)，藉此能夠抑制原料供給空間S1內的Si原子被排氣的情形，來將原料供給空間S1內的原子數比Si／C保持為適合成長的比率。 進一步地，藉由在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下使碳化矽基板10成長，能夠抑制在碳化矽基板10表面形成有MSB的情形。此時，在「晶格無序層」存在於碳化矽基板10的情形下也能夠抑制MSB形成的情形。 [實施例]
用以下的方法製造了實施例1、比較例1的碳化矽半導體基板。 [實施例1] (配置工序) 將碳化矽基板10用以下的條件配置在原料供給空間S1及Si蒸氣壓空間S2內(參照圖2中的(a))。 [碳化矽基板10] 多型:4H-SiC。 偏離方向(off-direction)及偏離角(off-angle):>11-20>方向偏離4°。 成長面:(0001)面。 基板尺寸:橫寬10 mm × 縱寬10 mm × 厚度0.3 mm。 晶格無序層:5 μm。 另外，以SEM-EBSD(Electron Back Scatter Diffraction；背向散射電子繞射技術)確認了晶格無序層的深度。也可以用TEM(Transmission Electron Microscope；穿透式電子顯微鏡)及μXRD(Micro X-Ray Diffractometer；微X射線繞射儀)確認。
[原料供給空間S1] 原料容器20的材料:多結晶SiC。 原料容器20的尺寸:直徑60 mm × 高度4 mm。 Si基板24:橫寬10 mm × 縱寬10 mm × 厚度 0.2mm。 藉由如此地將Si基板24配置於原料容器20內，原料供給空間S1內的原子數比Si／C係以超過1的方式所設定(SiC-Si平衡蒸氣壓環境)。
[Si蒸氣壓空間S2] 滲碳容器30的矽化鉭層:TaSi2 或者是Ta5 Si3 。 滲碳容器30的碳化鉭層:TaC或者是Ta2 C。 滲碳容器30的鉭層:Ta。 滲碳容器30的尺寸:直徑160 mm × 高度60 mm。
(成長工序) 用以下的條件使以上述條件配置了的碳化矽基板10成長。 升溫率:10℃／min。 加熱溫度：1800℃。 加熱時間:60 min。 成長速度:68 nm／min。 主加熱室真空度:10-5 Pa。 降溫率:1000℃／min。
圖5是以上述條件成長過的實施例1之碳化矽基板10的表面的SEM像。圖5中的(a)是以倍率×1000觀察的SEM像，圖5中的(b)是以倍率×100000觀察的SEM像。 於該實施例1之碳化矽基板10的表面係未形成有MSB，且1.0nm(全晶胞)的階12以14 nm的台階13寬規律地排列。另外，藉由AFM測定了階12的高度。 又，根據加熱溫度與成長速度的關係可知，能夠如該實施例1般抑制階12之高度的成長環境是SiC-Si平衡蒸氣壓環境(參照圖7)。
[比較例1] (配置工序) 將碳化矽基板10用以下的條件配置在原料供給空間S1及Si蒸氣壓空間S2內(參照圖3中的(a))。 [碳化矽基板10] 使用了與實施例1同樣的碳化矽基板10。 [原料供給空間S1] 使用了與實施例1同樣的原料容器20。在原料容器20內僅配置碳化矽基板10，不配置Si基板24。結果，原料供給空間S1內的原子數比Si／C被設定為成為1以下(SiC-C平衡蒸氣壓環境)。 [Si蒸氣壓空間S2] 使用了與實施例1同樣的滲碳容器30。
(成長工序) 用與實施例1同樣的條件，使以上述條件配置了的碳化矽基板10成長。
圖6是以上述條件成長過的比較例1之碳化矽基板10的表面的SEM像。圖6中的(a)是以倍率×1000觀察的SEM像，圖6中的(b)是以倍率×100000觀察的SEM像。 於該比較例1之碳化矽基板10的表面係形成有階端為鋸齒(zigzag)形狀的MSB，且高度3 nm的階12以平均42 nm的台階13寬進行排列。另外，藉由AFM測定了階12的高度。 又，根據加熱溫度與成長速度的關係可知，能夠如該比較例1般形成有MSB的成長環境是SiC-C平衡蒸氣壓環境(參照圖7)。
圖7是將以本發明之碳化矽半導體基板的製造方法所成長之加熱溫度與成長速度的關係予以表示的圖表。該圖表的橫軸是溫度的倒數，該圖表的縱軸係將成長速度予以對數顯示。將以原料供給空間S1內的原子數比Si／C超過1的方式設定(參照圖2中的(a))而成長的結果用○印表示，將以原料供給空間S1內的原子數比Si／C成為1或者不滿1的方式設定(參照圖3中的(a))而成長的結果用×印表示。○印部位之碳化矽基板10的表面皆未形成有MSB，階12是1晶胞的高度。另一方面，×印部位之碳化矽基板10的表面皆形成有MSB。
又在圖7的圖表中，將在SiC-Si平衡蒸氣壓環境之中的碳化矽基板成長之熱力學計算的結果以虛線(阿瑞尼氏圖(Arrhenius’ plot))表示，將在SiC-C平衡蒸氣壓環境之中的碳化矽基板成長之熱力學計算的結果以二點鏈線(阿瑞尼氏圖)表示。
亦即，虛線是在SiC(固相)、Si(液相)以及氣相之三相成為平衡狀態之蒸氣壓環境之中，將多結晶SiC作為原料而使單結晶SiC成長時之熱力學計算的結果。具體而言，使用式1而用以下的條件(i)至條件(iv)進行了熱力學計算。(i)為體積固定的SiC+Si系，(ii)成長驅動力是原料供給空間S1內的溫度梯度、以及多結晶SiC與單結晶SiC之蒸氣壓差(化學位能差)，(iii)原料氣體是SiC、Si2 C、SiC2 ，(iv)原料於階12吸附的吸附係數為0.001。
又，二點鏈線是在SiC(固相)、C(固相)以及氣相之三相成為平衡狀態之蒸氣壓環境中，將多結晶SiC作為原料而使單結晶SiC成長時之熱力學計算的結果。具體而言，使用式1而用以下的條件(i)至條件(iv)進行了熱力學計算。(i)為體積固定的SiC+C系，(ii)成長驅動力是原料供給空間S1內的溫度梯度、以及多結晶SiC與單結晶SiC之蒸氣壓差(化學位能差)，(iii)原料氣體是SiC、Si2 C、SiC2 ，(iv)原料於階12吸附的吸附係數為0.001。
另外，用於熱力學計算之各化學種的資料係採用了JANAF熱化學表(JANAF thermochemical table)的值。
結果，可知在使碳化矽基板10於SiC-Si平衡蒸氣壓環境下成長之圖7的○印部位之條件下，MSB的形成被分解、抑制，且1 nm(1晶胞)高度的階12在成長層11的表面排列整齊。 另一方面，可知在使碳化矽基板10在SiC-C平衡蒸氣壓環境下成長之圖7的×印部位之條件下形成有MSB。
根據本發明之碳化矽半導體基板的製造方法，藉由包含使碳化矽基板10在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下成長的成長工序，能夠使排列了1晶胞高度之階12的成長層11成長。
10:碳化矽基板 11:成長層 12:階 13:台階 20:原料容器 21,31:上容器 22,32:下容器 23,33:間隙 24:Si基板 30:滲碳容器 40:高溫真空爐 41:主加熱室 42:預備加熱室 43:移動機構 44:真空形成用閥 45:惰性氣體注入用閥 46:真空計 47:加熱器 L:距離 MSB:宏階褶 S1:原料供給空間 S2:Si蒸氣壓空間
[圖1]是一實施形態之碳化矽半導體基板的製造方法之成長工序的說明圖。 [圖2]是一實施形態之碳化矽半導體基板的製造方法之成長工序的說明圖。 [圖3]是一實施形態之碳化矽半導體基板的製造方法之成長工序的說明圖。 [圖4]是在一實施形態之碳化矽半導體基板的製造方法所用的高溫真空爐之概略圖。 [圖5]是在一實施形態之碳化矽半導體基板的製造方法之實施例1所觀察之碳化矽基板表面的SEM(Scanning Electron Microscopy；掃描式電子顯微鏡)像。 [圖6]是在一實施形態之碳化矽半導體基板的製造方法之比較例1所觀察之碳化矽基板表面的SEM像。 [圖7]是將一實施形態之碳化矽半導體基板的製造方法之成長工序的成長條件予以說明的圖表(graph)。
10:碳化矽基板
11:成長層
12:階
13:台階
MSB:宏階褶

Claims (14)

  1. 一種碳化矽半導體基板的製造方法，係包含： 成長工序，係使碳化矽基板在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下成長。
  2. 如請求項1所記載之碳化矽半導體基板的製造方法，其中前述成長工序係在經由矽蒸氣壓空間所排氣的原料供給空間配置前述碳化矽基板，來使前述碳化矽基板成長。
  3. 如請求項2所記載之碳化矽半導體基板的製造方法，其中前述成長工序係配置矽原子供給源及碳原子供給源來使前述碳化矽基板成長，俾使前述原料供給空間內的原子數比矽／碳超過1。
  4. 如請求項1至3中任一項所記載之碳化矽半導體基板的製造方法，其中前述成長工序係以1600℃以上的溫度進行。
  5. 一種碳化矽半導體基板，係具備： 成長層，係排列了1晶胞高度之階。
  6. 如請求項5所記載之碳化矽半導體基板，其中前述成長層係4H型碳化矽。
  7. 一種碳化矽半導體基板的製造裝置，係具備： 原料供給空間，係對碳化矽基板供給矽原子及碳原子來使前述碳化矽基板成長； 矽蒸氣壓空間，係形成有矽蒸氣壓環境；以及 高溫真空爐，係能夠加熱前述原料供給空間； 前述原料供給空間係經由前述矽蒸氣壓空間而被排氣。
  8. 如請求項7所記載之碳化矽半導體基板的製造裝置，其中前述原料供給空間係具有： 矽原子供給源；以及 碳原子供給源； 前述矽原子供給源及前述碳原子供給源係以前述原料供給空間內的原子數比矽／碳超過1的方式被配置。
  9. 如請求項7或8所記載之碳化矽半導體基板的製造裝置，其中於前述原料供給空間內係設有：溫度梯度，係朝向前述碳化矽基板使溫度下降。
  10. 如請求項9所記載之碳化矽半導體基板的製造裝置，其中具備： 原料容器，係具有前述原料供給空間；以及 滲碳容器，係具有前述矽蒸氣壓空間。
  11. 如請求項7或8所記載之碳化矽半導體基板的製造裝置，其中前述高溫真空爐係具有： 主加熱室，係能夠將前述原料供給空間予以加熱； 預備加熱室，係連接於前述主加熱室；以及 移動機構，係使前述原料供給空間移動； 前述移動機構係構成為能夠在前述主加熱室與前述預備加熱室之間移動。
  12. 一種碳化矽半導體基板的階排列方法，係在碳化矽半導體基板的表面排列1晶胞高度之階，且包含： 成長工序，係使碳化矽基板在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下成長。
  13. 如請求項12所記載之碳化矽半導體基板的階排列方法，其中前述成長工序係配置矽原子供給源及碳原子供給源來使前述碳化矽基板成長，俾使原料供給空間內的原子數比矽／碳超過1。
  14. 一種碳化矽半導體基板，係藉由如請求項1至4中任一項所記載之碳化矽半導體基板的製造方法所製造。
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