TW202044353A - 碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及磊晶成長方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之課題係在於提供一種新穎的碳化矽基板的製造方法以及碳化矽基板的製造裝置。本發明實現一種碳化矽基板的製造方法以及碳化矽基板的製造裝置，係將相對的兩個碳化矽單晶基板加熱，且將原料從一個碳化矽單晶基板對另一個碳化矽單晶基板輸送。藉此，由於能夠將相對的碳化矽單晶基板之表面互相當作結晶成長的原料，故能夠實現於經濟性優異的碳化矽基板的製造方法。

Description

碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及磊晶成長方法
本發明係關於一種碳化矽(SiC)基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及磊晶成長(Epitaxial Growth)方法。
碳化矽半導體器件(SiC semiconductor device)比起Si(矽)半導體器件或砷化鎵(GaAs)半導體器件為高耐壓及高效率，進一步地能夠高溫運作，因此作為高性能半導體器件而受到矚目。
通常，碳化矽半導體器件係經碳化矽結晶成長而製作。於碳化矽結晶成長中係提案有各種成長方法。
於專利文獻1所記載之氣相磊晶成長方法係將由包含碳化矽多晶之材料所構成的碳化矽容器收容在由包含碳化鉭(TaC)之材料所構成的碳化鉭容器，在將基底基板收容於該碳化矽容器之內部的狀態下，以該碳化鉭容器內成為矽蒸氣壓的方式且在會產生溫度梯度(temperature gradient)的環境下將碳化鉭容器加熱。結果，藉由碳化矽容器的內表面被蝕刻(etching)而昇華的碳原子與氛圍(atmosphere)中的矽原子結合，藉此3C-SiC單晶的磊晶層在基底基板上成長。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利再公表2017-188381號公報。
[發明所欲解決之課題]
然而，於專利文獻1所記載的發明中，作為結晶成長中的原料之碳化矽容器每經過成長製程就會消耗，故在經濟性的觀點中有改善的餘地。
本發明的課題係在於提供一種新穎的碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及磊晶成長方法。 [用以解決課題之手段]
為了解決上述課題，本發明係將相對的兩個碳化矽單晶基板加熱，且將原料從一個前述碳化矽單晶基板對另一個前述碳化矽單晶基板輸送。 藉此，由於能夠將相對的碳化矽單晶基板之表面互相當作結晶成長的原料，故能夠實現於經濟性優異的碳化矽基板的製造方法。
在本發明之一較佳形態中，以一個前述碳化矽單晶基板成為高溫側且另一個前述碳化矽單晶基板成為低溫側的方式將兩個前述碳化矽單晶基板加熱。 藉此，能夠實現將兩個碳化矽單晶基板之間的溫度梯度當作驅動力的原料輸送。
在本發明之一較佳形態中，將兩個前述碳化矽單晶基板配置於準密閉空間且進行加熱。 藉此，能夠在準密閉空間中實現兩個碳化矽單晶基板之間的原料輸送。
在本發明之一較佳形態中，將兩個前述碳化矽單晶基板配置於由碳化矽材料所構成之本體容器內且進行加熱。 藉此，能夠在形成於碳化矽單晶基板之間的原料輸送空間中，使包含矽元素之氣相種的蒸氣壓及包含碳元素之氣相種的蒸氣壓產生。
在本發明之一較佳形態中，將兩個前述碳化矽單晶基板配置於原子數比Si／C（矽／碳）超過1的準密閉空間來進行加熱。 藉此，在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下適當地輸送原料。另外，關於SiC-Si平衡蒸氣壓環境的詳細於後描述。
在本發明之一較佳形態中，將兩個前述碳化矽單晶基板配置於原子數比Si／C為1以下的準密閉空間且進行加熱。 藉此，在SiC-C平衡蒸氣壓環境下適當地輸送原料。另外，關於SiC-C平衡蒸氣壓環境的詳細於後描述。
為了解決上述課題，本發明係具備：本體容器，係能夠收容複數個碳化矽單晶基板；前述本體容器係具有：設置具，係能夠將相鄰的兩個前述碳化矽單晶基板以相對的方式設置。 藉此，由於能夠將相對的碳化矽單晶基板之表面互相當作結晶成長的原料，故能夠實現於經濟性優異的碳化矽基板的製造裝置。
在本發明之一較佳形態中，前述本體容器係由包含矽原子及碳原子的材料所構成。 藉此，能夠在形成於碳化矽單晶基板之間的原料輸送空間中使包含矽元素之氣相種的蒸氣壓及包含碳元素之氣相種的蒸氣壓產生。
在本發明之一較佳形態中，前述設置具係由包含矽原子及碳原子的材料所構成。 藉此，能夠在原料輸送空間中使包含矽元素之氣相種的蒸氣壓及包含碳元素之氣相種的蒸氣壓產生。
在本發明之一較佳形態中，前述設置具係能夠將相鄰的兩個前述碳化矽單晶基板以成為大致平行的方式設置。 藉此，能夠將相鄰的碳化矽單晶基板之間的原料輸送的通量(flux)設成大致相同。
在本發明之一較佳形態中，前述本體容器係具有矽蒸氣供給源。 藉此，能夠將原料輸送空間設成SiC-Si平衡蒸氣壓環境。
在本發明之一較佳形態中，進一步具備：加熱爐，係能夠以相鄰的兩個前述碳化矽單晶基板中的一個前述碳化矽單晶基板成為高溫側且另一個前述碳化矽單晶基板成為低溫側的方式加熱前述本體容器。 藉此，能夠實現將兩個碳化矽單晶基板之間的溫度梯度當作驅動力的原料輸送。
在本發明之一較佳形態中，前述加熱爐係具有：高熔點容器，係能夠收容前述本體容器。 藉此，能夠保持所期望的蒸氣壓環境。
又，本發明也關於一種磊晶成長方法。亦即，本發明之一態樣的磊晶成長方法係將原料從一個碳化矽單晶基板對另一個碳化矽單晶基板輸送，且繼承另一個前述碳化矽單晶基板的多晶型(polymorphism)而進行結晶成長。
在本發明之一較佳形態中，以一個碳化矽單晶基板成為高溫側且另一個碳化矽單晶基板成為低溫側的方式進行加熱。
在本發明之一較佳形態中，在經由矽蒸氣壓空間所排氣的原料輸送空間配置前述碳化矽單晶基板來使前述碳化矽單晶基板成長。
在本發明之一較佳形態中，將前述碳化矽單晶基板配置於準密閉空間且進行加熱。
在本發明之一較佳形態中，將前述碳化矽單晶基板配置於原子數比Si／C超過1的準密閉空間且進行加熱。
在本發明之一較佳形態中，將前述碳化矽單晶基板配置於原子數比Si／C為1以下的準密閉空間且進行加熱。
在本發明之一較佳形態中，前述高熔點容器係具有矽蒸氣供給材料。 藉此，能夠保持所期望的蒸氣壓環境。 [發明功效]
根據已揭示的技術，能夠提供一種新穎的碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及磊晶成長方法。
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9，詳細地說明將本發明示於圖式之一較佳實施形態。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。
[碳化矽基板的製造方法] 以下，對本發明的一實施形態之碳化矽基板的製造方法(以下單純稱作製造方法)詳細地進行說明。
本發明係能夠理解為一種製造方法，係將相對的碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12加熱，且將原料在碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12之間輸送，藉此能夠進行碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12的蝕刻及結晶成長。
具體來說，製造方法係包含：設置步驟，係使碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12相對而設置；以及加熱步驟，係藉由加熱在碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12之間進行原料輸送。
[設置步驟] 本發明的一實施形態之設置步驟是使一個碳化矽單晶基板11與另一個碳化矽單晶基板12相對(對峙)而設置的步驟。這些碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12較佳為以相鄰的方式且以成為大致平行的方式所設置。
[碳化矽單晶基板] 以下，對碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12的詳細部分進行說明。
以碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12來說，能夠例示從以昇華法等製作之鑄錠(ingot)切片(slice)成圓盤狀而得的碳化矽晶圓(SiC wafer)、將碳化矽單晶加工成薄板狀而得的碳化矽基板。另外，以作為碳化矽單晶的結晶多晶型(crystal polymorphism)來說，也能夠採用任意的多型體(polytype)。
以作為碳化矽單晶基板的表面來說，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))。
於已以原子層級被平坦化之碳化矽單晶基板的表面係確認到階-台階(step-terrace)構造。該階-台階構造係成為階與台階交互地並排的階梯構造，該階是1分子層以上的階差部位，該台階是露出{0001}面的平坦部位。
階係1分子層(0.25 nm)為最小高度(最小單位)，且藉由該1分子層複數重疊而形成各種的階高度。在本說明書中的說明裡，將階束化(聚束)而巨大化且具有超過各多型體之1晶胞(unit cell)之高度的部分稱為宏階摺(Macro Step Bunching：MSB)。
亦即，所謂的MSB在4H-SiC(4H型碳化矽)之情形下是超過4分子層(5分子層以上)而聚束的階，在6H-SiC之情形下是超過6分子層(7分子層以上)而聚束的階。
以MSB來說，因MSB而起的缺陷會產生在成長層形成時的表面，或是碳化矽半導體器件中的氧化膜可靠度之妨礙要素之一，因此最好是不要形成於碳化矽單晶基板的表面。
以作為碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12之大小來說，從幾公分見方的晶片尺寸的觀點，能夠例示6吋、8吋等6吋以上的晶圓尺寸。
碳化矽單晶基板11係具有主表面113(未圖示)及背面114。又，碳化矽單晶基板12係具有主表面123及背面124(未圖示)。
在本說明書中的說明裡，表面係指主表面及背面雙方。單面係指主表面及背面的任一方，另一單面係指與單面相對之相同基板的面。 在本說明書中的說明裡，成長層111係指在處理前的碳化矽單晶基板11上所形成之層。成長層121係指在處理前的碳化矽單晶基板12上所形成之層。
在碳化矽單晶基板的表面上所形成之成長層的表面較佳為BPD密度無止境地減低。因此，碳化矽單晶基板的表面較佳為BPD密度無止境地減低。又，在成長層的形成中，BPD較佳為轉換成包含貫穿刃差排(Threading Edge Dislocation：TED)之其他的缺陷／差排。
[加熱步驟] 本發明的一實施形態之加熱步驟係將碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12加熱，且舉例來說包含：原料輸送步驟，係將原料從碳化矽單晶基板11對碳化矽單晶基板12輸送。此時，在碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12之間形成有原料輸送空間S0。
加熱步驟舉例來說，在碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12之間形成具有溫度梯度的原料輸送空間S0，以使一個碳化矽單晶基板11成為高溫側且另一個碳化矽單晶基板12成為低溫側。
如圖1所示，藉由將碳化矽單晶基板11設置於溫度梯度的高溫側，同時進行一個碳化矽單晶基板11(背面114)的蝕刻與另一個碳化矽單晶基板12(主表面123)中的成長層121之形成。
如圖2所示，藉由將碳化矽單晶基板11設置於溫度梯度的低溫側，同時進行背面114中的成長層111之形成與主表面123的蝕刻。
加熱步驟較佳為在準密閉空間中加熱碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12。另外，在本說明書中的說明裡，準密閉空間係指以下的空間：空間內部能夠抽真空，也能夠將在空間內部產生的蒸氣之至少一部分予以封入。
(原料輸送步驟) 如圖3所示，能夠理解為：在本實施形態之原料輸送空間S0中，持續地進行基於以下1)至5)的反應的原料輸送，且舉例來說形成有成長層121。
1)　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：碳化矽單晶基板11的背面114被熱分解，藉此矽原子(Si(v))從背面114脫離。 2)及3)的說明：藉著矽原子(Si(v))脫離而殘留在背面114的碳(C(s))係與原料輸送空間S0內的矽蒸氣(Si(v))反應，藉此成為Si2 C或者是SiC2 等而在原料輸送空間S0內昇華。 4)及5)的說明：已昇華的Si2 C或者是SiC2 等係藉由溫度梯度而到達／擴散至碳化矽單晶基板12的主表面123的台階且到達階，藉此成長層121繼承主表面123的多晶型而成長／形成(階流動成長(step-flow growth))。
原料輸送步驟係包含：矽原子昇華步驟，係使矽原子從碳化矽單晶基板11熱昇華；以及碳原子昇華步驟，係使殘留在碳化矽單晶基板11之背面114的碳原子與原料輸送空間S0內的矽原子結合，藉此使殘留在碳化矽單晶基板11之背面114的碳原子昇華。
原料輸送步驟係包含：蝕刻步驟，係基於矽原子昇華步驟及碳原子昇華步驟將作為原料的輸送來源之碳化矽單晶基板的表面予以蝕刻。
原料輸送步驟係包含：成長步驟，係在作為原料的輸送目的地之碳化矽單晶基板的表面上進行基於上述階流動成長的成長層形成。
成長步驟係能夠理解成：在原料輸送空間S0中擴散的Si2 C或者是SiC2 等在輸送目的地成為過飽和且凝結。 成長步驟係能夠理解成是基於物理氣相傳輸(Physical Vapor Transport)。
本發明的一實施形態之原料輸送的驅動力係能夠理解成：是因已形成之溫度梯度而起的碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12之間的蒸氣壓差。 因此能夠理解成：不只是碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12各自的表面上的溫度差，因相對的碳化矽材料之表面等的結晶構造而起的化學位能(chemical potential)差也是原料輸送的驅動力。
以本發明的一實施形態之原料輸送來說，輸送來源或者是輸送目的地也可以不是碳化矽單晶基板。具體來說，形成準密閉空間的碳化矽材料可能成為輸送來源或者是輸送目的地。
本發明的一實施形態之原料輸送係使用摻雜物氣體(dopant gas)供給機構來對準密閉空間內供給摻雜物氣體，藉此能夠調整成長層111的摻雜濃度。另一方面，在不供給摻雜物氣體之情形下，成長層111或成長層121繼承準密閉空間內的摻雜濃度而形成。
本發明的一實施形態之原料輸送較佳為在具有包含矽元素之氣相種及包含碳元素之氣相種的環境下進行，更佳為在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下進行，更佳為在SiC-C平衡蒸氣壓環境下進行。
在本說明書中的說明裡，SiC-Si蒸氣壓環境係指：碳化矽(固體)與矽(液相)經由氣相而成為相平衡狀態時的蒸氣壓的環境。又，SiC-C平衡蒸氣壓環境係指：碳化矽(固相)與碳(固相)經由氣相而成為相平衡狀態時的蒸氣壓的環境。
本發明的一實施形態之SiC-Si平衡蒸氣壓環境係藉由將原子數比Si／C超過1的準密閉空間加熱而形成。又，本發明的一實施形態之SiC-C平衡蒸氣壓環境係藉由將原子數比Si／C為1以下的準密閉空間加熱而形成。
本發明的一實施形態之加熱溫度較佳為以1400℃至2300℃的範圍所設定，更佳為以1600℃至2000℃的範圍所設定。
本發明的一實施形態之加熱時間係能夠以成為所期望的蝕刻量的方式設定為任意的時間。例如，在蝕刻速度為1μm／min時，在欲將蝕刻量設成1μm之情形下，加熱時間係成為1分鐘。
本發明的一實施形態之溫度梯度舉例來說係以0.1℃／mm至5℃／mm的範圍所設定。
本發明的一實施形態之溫度梯度較期望為在原料輸送空間S0中為相同。
本發明的一實施形態之蝕刻量及成長量舉例來說係0.1μm至20μm的範圍，不過可以因應需求而適當變更。
本發明的一實施形態之蝕刻速度及成長層的成長速度係能夠藉由上述溫度區域來控制，舉例來說以0.001μm／min至2μm／min的範圍所設定。
能夠理解成：本發明的一實施形態之蝕刻量及成長量為同等。
能夠理解成本發明的一實施形態之加熱步驟係包含：摺分解步驟，係基於蝕刻步驟將碳化矽單晶基板的表面上之MSB的形成予以分解／抑制。
能夠理解成：在本發明的一實施形態之蝕刻步驟中所蝕刻的碳化矽單晶基板上之表面層舉例來說是應變層(strained layer)E211，該應變層E211係經過了機械式加工(例如切片或磨光／研磨)或雷射加工，導入有傷、潛傷、應變等加工損傷。
[碳化矽基板的製造裝置] 以下，使用圖4及圖5詳細地說明屬於本發明之一實施形態的碳化矽基板的製造裝置(以下單純稱作製造裝置)。另外，對於與在前面的製造方法所示的構成基本上相同的構成要素附加相同的符號並將其說明簡略化。
如圖4所示，製造裝置係具備本體容器20、加熱爐30及高熔點容器40。
[本體容器] 本體容器20係能夠收容碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12，且只要是在加熱處理時使包含矽元素之氣相種的蒸氣壓及包含碳元素之氣相種的蒸氣壓在內部空間產生之構成即可。
本體容器20舉例來說係由包含碳化矽多晶的材料所構成。在本發明之一實施形態中，本體容器20整體係由碳化矽多晶所構成。因此，本體容器20的至少一部分可以成為原料輸送中的輸送來源或者是輸送目的地。
被加熱處理過的本體容器20內之環境較期望為成為包含矽元素之氣相種及包含碳元素之氣相種的混合系之蒸氣壓環境。以作為該包含矽元素之氣相種來說，能夠例示Si、Si2 、Si3 、Si2 C、SiC2 、SiC。又，以作為包含碳元素之氣相種來說，能夠例示Si2 C、SiC2 、SiC、C。
本體容器20的摻雜物及摻雜濃度係能夠配合欲形成的成長層111或成長層121的摻雜物及摻雜濃度來選擇。能夠例示氮元素作為摻雜物。
又，在本體容器20的加熱處理時，只要是使包含矽元素之氣相種的蒸氣壓及包含碳元素之氣相種的蒸氣壓在內部空間產生的構成，則能夠採用該構造。舉例來說，能夠示出碳化矽多晶在內表面的一部分露出的構成、在本體容器20內將碳化矽多晶分開設置的構成等。
如圖4所示，本體容器20是具備能夠互相嵌合的上容器23及下容器24之嵌合容器。於上容器23與下容器24的嵌合部係形成有微小的間隙25，且構成為能夠從該間隙25進行本體容器20內的排氣(抽真空)。
本體容器20係具有形成於碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12之間的原料輸送空間S0。原料輸送空間S0係經由矽蒸氣壓空間所排氣(參照圖5等)。原料輸送空間S0中的原料輸送機構係如同上述。
[矽蒸氣供給源] 本體容器20係具有矽蒸氣供給源26(在圖4中未圖示，在圖5中有圖示)。矽蒸氣供給源26係用於將本體容器20內之準密閉空間的原子數比Si／C以超過1的方式調整之目的。以作為矽蒸氣供給源來說，能夠例示固體的矽(矽片或矽粉末等的矽丸(Si pellet))或矽化合物。
例如，如本發明的一實施形態般，在本體容器20之整體由碳化矽多晶所構成之情形下，藉由設置矽蒸氣供給源26，本體容器20內的原子數比Si／C會超過1。具體來說，將滿足化學計量比1：1之碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12與矽蒸氣供給源26設置在滿足化學計量比1：1之碳化矽多晶的本體容器20內之情形下，本體容器20內的原子數比Si／C係會超過1。
本發明的一實施形態之SiC-Si平衡蒸氣壓環境係藉由將原子數比Si／C超過1的準密閉空間加熱而形成。又，本發明的一實施形態之SiC-C平衡蒸氣壓環境係藉由將原子數比Si／C為1以下的準密閉空間加熱而形成。
[設置具] 設置具21及設置具22只要是能夠將碳化矽單晶基板11的至少一部分保持在本體容器20之中空部位的構成即可。舉例來說，1點支持、3點支持、將外周緣予以支持的構成、將一部分予以挾持的構成等，只要是慣用的支持手段則當然能夠採用。設置具21及設置具22的材料較佳為碳化矽材料。在本發明之一實施形態中例示使用設置具21及設置具22的情形，不過僅用設置具21當然也能夠將碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12以相對的方式設置。
設置具21及設置具22係以碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12相鄰的方式且呈大致平行的方式將碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12保持。
設置具21及設置具22係以碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12離開預定距離的方式將碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12保持。此時，預定距離較佳為100mm以下，更佳為50mm以下，更佳為20mm以下，更佳為10mm以下，再更佳為7mm以下，再更佳為5mm以下，再更佳為3.5mm以下，再更佳為3mm以下，再更佳為2.7mm以下。該預定距離較佳為0.7mm以上，更佳為1.0mm以上，更佳為1.2mm以上，再更佳為1.5mm以上，再更佳為1.7mm以上。
[加熱爐] 加熱爐30是以形成溫度能夠從本體容器20的上容器23朝向下容器24而下降／上升的溫度梯度之方式進行加熱的構成。藉此，在碳化矽單晶基板11的厚度方向形成有溫度梯度。因此，舉例來說，將設置具21設在碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12之間且將設置具22設在碳化矽單晶基板12及下容器24之間，藉此能夠形成原料輸送空間S0。
如圖4所示，加熱爐30係具備：主加熱室31，係能夠將被處理物(碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12等)加熱到1000℃以上至2300℃以下的溫度；預備室32，係能夠將被處理物預備加熱到500℃以上的溫度；高熔點容器40，係能夠將本體容器20收容；以及移動機構33(移動台)，係能夠將該高熔點容器40從預備室32向主加熱室31移動。
主加熱室31係在俯視剖面觀看下形成為正六角形，且於主加熱室31的內側設置有高熔點容器40。
主加熱室31內係具備有加熱器34(網目加熱器(mesh heater))。又，於主加熱室31的側壁及／或天花板係固定有多層熱反射金屬板(未圖示)。多層熱反射金屬板係以使加熱器34的熱朝向主加熱室31的大致中央部反射的方式所構成。
加熱器34係在主加熱室31內以將收容有被處理物之高熔點容器40予以包圍的方式所設置。此時，藉由在加熱器34的外側設置有多層熱反射金屬板，能夠進行1000℃以上至2300℃以下之溫度範圍的升溫。
舉例來說，加熱器34係能夠採用電阻加熱式的加熱器或高頻率感應加熱式的加熱器。
加熱器34也可以採用能夠在高熔點容器40內形成溫度梯度之構成。 舉例來說，加熱器34也可以在上側(或者是下側)設置有多個加熱器地構成。又，加熱器34也可以用寬度隨著朝向上側(或者是下側)而變大的方式構成。或者是，加熱器34也可以用能夠隨著朝向上側(或者是下側)而將所供給的電力加大的方式構成。
於主加熱室31係連接有：真空形成用閥(valve)35，係進行主加熱室31內的排氣；惰性氣體注入用閥36，係對主加熱室31內導入惰性氣體；以及真空計37，係測定主加熱室31內的真空度。
真空形成用閥35係與將主加熱室31內予以排氣並抽真空的抽真空泵連接(未圖示)。藉由該真空形成用閥35及抽真空泵，主加熱室31內的真空度係能夠調整至較佳為10 Pa以下，更佳為1 Pa以下，最佳為10-3 Pa以下。以作為該抽真空泵來說，能夠例示渦輪分子泵(turbomolecular pump)。
惰性氣體注入用閥36係與惰性氣體供給源連接(未圖示)。 藉由該惰性氣體注入用閥36及惰性氣體供給源，能夠以10-5 Pa至104 Pa的範圍對主加熱室31內導入惰性氣體。以作為該惰性氣體來說，能夠選擇Ar等。
惰性氣體注入用閥36是能夠對本體容器20內供給摻雜物氣體的摻雜物氣體供給機構。亦即，藉由對惰性氣體選擇摻雜物氣體(例如N2 等)，能夠提高成長層111的摻雜濃度。
預備室32係與主加熱室31連接，且藉由移動機構33構成為能夠移動高熔點容器40。另外，以本實施形態之預備室32來說，以能夠藉由主加熱室31之加熱器34的餘熱而升溫的方式所構成。舉例來說，在將主加熱室31升溫到2000℃之情形下，預備室32係被升溫到1000℃左右，能夠進行被處理物(碳化矽單晶基板11、本體容器20、高熔點容器40等)的脫氣處理。
移動機構33係構成為能夠將高熔點容器40載置而在主加熱室31與預備室32間移動。
由移動機構33所進行的主加熱室31與預備室32之間的搬運以最短1分鐘左右完成，因此能夠實現1 ℃至1000 ℃／min的升溫／降溫。藉此，由於進行急速升溫及急速降溫，故能夠觀察升溫中及降溫中的不具有低溫成長歷程之表面形狀。又，在圖4中將預備室32設置在主加熱室31的下方，但也可不限於此地配置於任意方向。
本實施形態之移動機構33是將高熔點容器40予以載置的移動台。該移動台與高熔點容器40的接觸部係成為熱的傳播路徑。藉此，能夠以移動台與高熔點容器40的接觸部側成為低溫側的方式在高熔點容器40內形成溫度梯度。
在本實施形態之加熱爐30中，由於高熔點容器40的底部與移動台接觸，因此以溫度從高熔點容器40的上容器41朝向下容器42而下降的方式設有溫度梯度。
溫度梯度的方向能夠藉由將移動台與高熔點容器40之接觸部的位置予以變更來設定成任意的方向。舉例來說，在對移動台採用垂吊式等而將接觸部設於高熔點容器40的天花板之情形下，熱會往上方向散逸。因此對溫度梯度來說，以溫度從高熔點容器40的上容器41朝向下容器42而上升的方式設有溫度梯度。另外，該溫度梯度較期望為沿著碳化矽單晶基板11及碳化矽單晶基板12的厚度方向來形成。又，也可以如上述般，藉由加熱器34的構成來形成溫度梯度。
[高熔點容器] 本實施形態之加熱爐30內的包含矽元素的氣相種之蒸氣壓環境係使用高熔點容器40及矽蒸氣供給材料44來形成。舉例來說，只要是能夠在本體容器20的周圍形成包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境的方法，則能夠採用到本發明之碳化矽基板的製造裝置。
高熔點容器40較佳為包含以下的高熔點材料來構成：具有與構成本體容器20之材料的熔點同等或者以上的熔點之高熔點材料。
舉例來說，高熔點容器40係能夠例示：屬於泛用耐熱構件的碳；屬於高熔點金屬的W、Re、Os、Ta、Mo；屬於碳化物的Ta9 C8 、HfC、TaC、NbC、ZrC、Ta2 C、TiC、WC、MoC；屬於氮化物的HfN、TaN、BN、Ta2 N、ZrN、TiN；屬於硼化物的HfB2 、TaB2 、ZrB2 、NB2 、TiB2 ；碳化矽多晶等。
如圖5所示，高熔點容器40與本體容器20同樣地是具備能夠互相嵌合的上容器41與下容器42的嵌合容器，且構成為能夠將本體容器20收容。於上容器41與下容器42的嵌合部係形成有微小的間隙43，且構成為能夠從該間隙43進行高熔點容器40內的排氣(抽真空)。
高熔點容器40係具有：矽蒸氣供給材料44，係能夠對高熔點容器40內供給包含矽元素之氣相種的蒸氣壓。
[矽蒸氣供給材料] 矽蒸氣供給材料44只要是在加熱處理時使矽蒸氣在高熔點容器40內產生的構成即可，舉例來說，能夠例示固體的矽(矽片、矽粉末等的矽丸)或矽化合物。
舉例來說，矽蒸氣供給材料44是將高熔點容器40的內壁予以被覆的薄膜。
在高熔點容器40為碳化鉭等的金屬化合物之情形下，矽蒸氣供給材料44舉例來說是構成高熔點容器40的金屬原子及矽原子的矽化物(silicide)材料。
高熔點容器40係在內側具有矽蒸氣供給材料44，藉此能夠將本體容器20內的包含矽元素之氣相種的蒸氣壓環境予以維持。這能夠理解成是因為本體容器20內的包含矽元素之氣相種的蒸氣壓與本體容器20外的包含矽元素之氣相種的蒸氣壓被平衡的緣故。
以下表示參考例1至參考例3。 [參考例1] 用以下的條件將碳化矽單晶基板E10收容於本體容器20，進一步地將本體容器20收容於高熔點容器40。
[碳化矽單晶基板E10] 多晶型：4H-SiC。 基板尺寸：橫寬(10mm)，縱寬(10mm)，厚度(0.3mm)。 偏離方向及偏離角：＜11-20＞方向偏離4°。 成長面：(0001)面。 有無MSB：無。
[本體容器20] 材料：碳化矽多晶。 容器尺寸：直徑(60mm)，高度(4mm)。 碳化矽單晶基板E10與碳化矽材料之距離：2mm。 容器內的原子數比Si／C：1以下。
[高熔點容器40] 材料：碳化鉭。 容器尺寸：直徑(160mm)，高度(60mm)。 矽蒸氣供給材料44(矽化合物)：TaSi2 。
將已用上述條件配置的碳化矽單晶基板E10用以下的條件予以加熱處理。 加熱溫度：1700℃。 加熱時間：300min。 溫度梯度：1℃／mm。 成長速度：5nm／min。 主加熱室31的真空度：10-5 Pa。
圖6是求出在成長層E11中從BPD轉換成其他缺陷／差排(TED等)之轉換率的手法之說明圖。 圖6中的(a)係表示藉由加熱步驟使成長層E11成長後的樣子。在該加熱步驟中，曾經存在於碳化矽單晶基板E10的BPD會以一定的確率轉換為TED。因此，只要不是100％轉換，在成長層E11的表面會混合存在TED與BPD。 圖6中的(b)係表示使用KOH(氫氧化鉀)溶解蝕刻法來確認成長層E11中之缺陷的樣子。該KOH溶解蝕刻法是以下的手法：將碳化矽單晶基板E10浸於加熱到約500℃的溶解鹽(KOH等)中，於差排或缺陷部分形成蝕刻坑(etch pit)，藉由該蝕刻坑的大小／形狀來判別差排的種類。藉由該手法得到存在於成長層E11之表面的BPD數。 圖6中的(c)係表示在KOH溶解蝕刻後將成長層E11去除的樣子。 在本手法中，用機械研磨或CMP(Chemical-Mechanical Planarization；化學機械平坦化)等平坦化到蝕刻坑深度後，用熱蝕刻將成長層E11去除而使碳化矽單晶基板E10的表面表露。 圖6中的(d)係表示針對已去除成長層E11之碳化矽單晶基板E10使用KOH溶解蝕刻法來確認碳化矽單晶基板E10中之缺陷的樣子。藉由該手法，得到存在於碳化矽單晶基板E10的表面之BPD數。
依據圖6所示的一連串順序，將存在於成長層E11的表面之BPD數(參照圖6中的(b))與將存在於碳化矽單晶基板E10的表面之BPD數(圖6中的(d))予以比較，藉此能夠得到在加熱步驟中從BPD轉換為其他缺陷／差排的BPD轉換率。
存在於參考例1之成長層E11的表面之BPD數為約0個cm-2 ，存在於碳化矽單晶基板E10的表面之BPD數為1000個cm-2 。 亦即，能夠理解成：將表面不存在MSB的碳化矽單晶基板E10配置於原子數比Si／C為1以下的準密閉空間且進行加熱，藉此將BPD減低／去除。
在參考例1中，以本體容器20內的原子數比Si／C成為1以下的方式，於本體容器20內形成有SiC-C平衡蒸氣壓環境。 能夠理解成：由於包含上述方法中的蝕刻步驟之加熱步驟與包含本發明的一實施形態之蝕刻步驟之加熱步驟是基於相同的反應基礎過程，所以在本發明的一實施形態之蝕刻步驟中也可以將BPD減低／除去。
[參考例2] 用以下的條件將碳化矽單晶基板E10收容於本體容器20，進一步地將本體容器20收容於高熔點容器40。
[碳化矽單晶基板E10] 多晶型：4H-SiC。 基板尺寸：橫寬(10mm)，縱寬(10mm)，厚度(0.3mm)。 偏離方向及偏離角：＜11-20＞方向偏離4°。 成長面：(0001)面。 有無MSB：有。
[本體容器20] 材料：碳化矽多晶。 容器尺寸：直徑(60mm)，高度(4mm)。 碳化矽單晶基板E10與碳化矽材料之距離：2mm。 矽蒸氣供給源26：矽片。 容器內的原子數比Si／C：超過1。
藉由在本體容器20內將碳化矽單晶基板與矽片一併收容，容器內的原子數比Si／C會超過1。
[高熔點容器40] 材料：碳化鉭。 容器尺寸：直徑160mm × 高度60mm。 矽蒸氣供給材料44(矽化合物)：TaSi2 。
將已用上述條件配置的碳化矽單晶基板E10用以下的條件予以加熱處理。 加熱溫度：1800℃。 加熱時間：60min。 溫度梯度：1℃／mm。 成長速度：68nm／min。 主加熱室31的真空度：10-5 Pa。
圖7是成長層E11之成長前的碳化矽單晶基板E10之表面的SEM像。圖7中的(a)是以倍率×1000觀察的SEM像，圖7中的(b)是以倍率×100000觀察的SEM像。 能夠理解成於該成長層E11之成長前的碳化矽單晶基板E10之表面係形成有MSB，且高度3nm以上的階以平均42nm的台階寬進行排列。另外，用AFM(Atomic Force Microscope；原子力顯微鏡)測定了階高度。
圖8是成長層E11之成長後的碳化矽單晶基板E10之表面的SEM像。圖8中的(a)是以倍率×1000觀察的SEM像，圖8中的(b)是以倍率×100000觀察的SEM像。 能夠理解成於該參考例2之成長層E11的表面未形成有MSB，且1.0nm(全晶胞(full unit cell))的階以14 nm的台階寬有規則地進行排列。另外，用AFM測定了階高度。
因此，能夠理解成：將表面存在有MSB的碳化矽單晶基板E10配置於原子數比Si／C超過1的準密閉空間且加熱，藉此形成有MSB被分解的成長層E11。
在參考例2中，由於矽蒸氣供給源26是以本體容器20內的原子數比Si／C超過1的方式所設置，故於本體容器20內形成有SiC-Si平衡蒸氣壓環境。 能夠理解成：由於包含上述方法中的蝕刻步驟之加熱步驟與包含本發明的一實施形態之蝕刻步驟之加熱步驟是基於相同的反應基礎過程，所以在本發明的一實施形態之蝕刻步驟中，碳化矽單晶基板的表面上的MSB也可以分解。
[參考例3] 圖9是將以本發明之碳化矽基板的製造方法進行成長後的加熱溫度與成長速度之關係予以表示的圖表(graph)。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。將碳化矽單晶基板E10配置於原子數比Si／C超過1的空間(本體容器20內)且使成長層E11成長於碳化矽單晶基板E10後之結果以〇印表示。又，將碳化矽單晶基板E10配置於原子數比Si／C為1以下的空間(本體容器20內)且使成長層E11成長於碳化矽單晶基板E10後之結果以×印表示。
又，在圖9的圖表中，將在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下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平衡蒸氣壓環境下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。
在本手法中，碳化矽原料與碳化矽基板間的蒸氣壓環境係於成為SiC-C平衡蒸氣壓環境或者是SiC-C平衡蒸氣壓環境之條件下，將化學位能差或溫度梯度作為成長驅動力來使碳化矽單晶基板E10成長。以該化學位能差來說，能夠例示在碳化矽多晶與碳化矽單晶的表面產生之氣相種的分壓差。
在此，在將從碳化矽原料(輸送來源)與碳化矽基板(輸送目的地)產生之蒸氣的分壓差作為成長量之情形下，用以下的數學式1求得碳化矽的成長速度。
[數學式1]
Figure 02_image001
在此，T是碳化矽原料側的溫度、mi 是氣相種(Six Cy )之分子量、k是波茲曼常數(Boltzmann constant)。 又，P輸送來源 i -P輸送目的地 i 是原料氣體成為過飽和的狀態而作為碳化矽析出之成長量，且原料氣體係設想為SiC、Si2 C、SiC2 。
亦即，虛線是在碳化矽(固體)與矽(液相)經由氣相而成為相平衡狀態時的蒸氣壓環境下，將碳化矽多晶作為原料使碳化矽單晶成長時的熱力學計算的結果。 具體來說，使用數學式1，用以下的條件(i)至條件(iv)進行了熱力學計算。(i)是體積固定的SiC-Si平衡蒸氣壓環境；(ii)成長驅動力是本體容器20內的溫度梯度、以及碳化矽多晶與碳化矽單晶的蒸氣壓差(化學位能差)；(iii)原料氣體是SiC、Si2 C、SiC2 ；(iv)原料於碳化矽單晶基板E10之階吸附的吸附係數為0.001。
又，二點鏈線是在碳化矽(固相)與碳(固相)經由氣相而成為相平衡狀態時的蒸氣壓環境中，將碳化矽多晶作為原料而使碳化矽單晶成長時的熱力學計算的結果。 具體來說，使用數學式1，用以下的條件(i)至條件(iv)進行了熱力學計算。(i)是體積固定的SiC-C平衡蒸氣壓環境；(ii)成長驅動力是本體容器20內的溫度梯度、以及碳化矽多晶與碳化矽單晶的蒸氣壓差(化學位能差)；(iii)原料氣體是SiC、Si2 C、SiC2 ；(iv)原料於碳化矽單晶基板E10之階吸附的吸附係數為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。
根據該圖9的圖表可以了解到以下情形：將碳化矽單晶基板E10配置於原子數比Si／C超過1的空間(本體容器20內)且使成長層E11成長於碳化矽單晶基板E10後的結果(〇印)，與SiC-Si平衡蒸氣壓環境下的碳化矽成長之熱力學計算的結果有一致傾向。 又，能夠理解成：將碳化矽單晶基板E10配置於原子數比Si／C為1以下的空間(本體容器20內)且使成長層E11成長於碳化矽單晶基板E10後的結果(×印)，與SiC-C平衡蒸氣壓環境下的碳化矽成長之熱力學計算的結果有一致傾向。
在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下，推定以1960℃的加熱溫度達成1.0 μm／min以上的成長速度。又，推定以2000℃以上的加熱溫度達成2.0 μm／min以上的成長速度。 另一方面，在SiC-C平衡蒸氣壓環境下，推定以2000℃的加熱溫度達成1.0 μm／min以上的成長速度。又，推定以2030℃以上的加熱溫度達成2.0 μm／min以上的成長速度。
根據本發明，藉由不改變氛圍地調整加熱條件，能夠自在地將碳化矽單晶基板的表面上的蝕刻及成長層形成分別實施。藉此，能夠謀求碳化矽半導體製程的最佳化。
又，根據本發明，由於一邊在碳化矽單晶基板的單面形成有成長層一邊在其他的單面進行蝕刻，故能夠一邊抑制碳化矽單晶基板的變形、破損一邊製造成長層正下方的基底基板層薄的碳化矽基板。
又，根據本發明，藉由在SiC-Si平衡蒸氣壓環境下蝕刻碳化矽單晶基板的表面，能夠製造MSB的形成被抑制且表面被平坦化的碳化矽單晶基板。
又，根據本發明，藉由碳化矽單晶基板的表面在SiC-C平衡蒸氣壓環境下進行磊晶成長，能夠製造具有以下之成長層的碳化矽單晶基板：作為碳化矽半導體器件的耐壓層而適當地發揮作用的無BPD(BPD free)之成長層。
11,12,E10:碳化矽單晶基板 20:本體容器 21,22:設置具 23,41:上容器 24,42:下容器 25,43:間隙 26:矽蒸氣供給源 30:加熱爐 31:主加熱室 32:預備室 33:移動機構(移動台) 34:加熱器 35:真空形成用閥 36:惰性氣體注入用閥 37:真空計 40:高熔點容器 44:矽蒸氣供給材料 111,121,E11:成長層 113,123:主表面 114,124:背面 E211:應變層 S0:原料輸送空間
[圖1]是本發明的一實施形態之碳化矽基板的製造方法之說明圖。 [圖2]是本發明的一實施形態之碳化矽基板的製造方法之說明圖。 [圖3]是本發明的一實施形態之碳化矽基板的製造方法之說明圖。 [圖4]是本發明的一實施形態之碳化矽基板的製造裝置之說明圖。 [圖5]是本發明的一實施形態之碳化矽基板的製造裝置之說明圖。 [圖6]是關於參考例1中的碳化矽基板中的BPD(Basal Plane Dislocation；基底面差排)數之評價的說明圖。 [圖7]是參考例2中的碳化矽基板表面之SEM(Scanning Electron Microscopy；掃描式電子顯微鏡)像。 [圖8]是參考例2中的碳化矽基板表面之SEM像。 [圖9]是參考例3中的碳化矽基板之成長速度與加熱溫度的相關圖。
11,12:碳化矽單晶基板
114:背面
121:成長層
123:主表面
S0:原料輸送空間

Claims (21)

  1. 一種碳化矽基板的製造方法，係將相對的兩個碳化矽單晶基板加熱，且將原料從一個前述碳化矽單晶基板對另一個前述碳化矽單晶基板輸送。
  2. 如請求項1所記載之碳化矽基板的製造方法，其中以一個前述碳化矽單晶基板成為高溫側且另一個前述碳化矽單晶基板成為低溫側的方式將兩個前述碳化矽單晶基板加熱。
  3. 如請求項1或2所記載之碳化矽基板的製造方法，其中將兩個前述碳化矽單晶基板配置於準密閉空間且進行加熱。
  4. 如請求項1或2所記載之碳化矽基板的製造方法，其中將兩個前述碳化矽單晶基板配置於由碳化矽材料所構成之本體容器內且進行加熱。
  5. 如請求項1或2所記載之碳化矽基板的製造方法，其中將兩個前述碳化矽單晶基板配置於原子數比矽／碳超過1的準密閉空間且進行加熱。
  6. 如請求項1或2所記載之碳化矽基板的製造方法，其中將兩個前述碳化矽單晶基板配置於原子數比矽／碳為1以下的準密閉空間且進行加熱。
  7. 一種碳化矽基板的製造裝置，係具備：本體容器，係能夠收容複數個碳化矽單晶基板； 前述本體容器係具有：設置具，係能夠將相鄰的兩個前述碳化矽單晶基板以相對的方式設置。
  8. 如請求項7所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述本體容器係由包含矽原子及碳原子的材料所構成。
  9. 如請求項7或8所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述設置具係由包含矽原子及碳原子的材料所構成。
  10. 如請求項7或8所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述設置具係能夠將相鄰的兩個前述碳化矽單晶基板以成為大致平行的方式設置。
  11. 如請求項7或8所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述本體容器係具有矽蒸氣供給源。
  12. 如請求項7或8所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中進一步具備： 加熱爐，係能夠以相鄰的兩個前述碳化矽單晶基板中的一個前述碳化矽單晶基板成為高溫側且另一個前述碳化矽單晶基板成為低溫側的方式加熱前述本體容器。
  13. 如請求項12所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述加熱爐係具有：高熔點容器，係能夠收容前述本體容器。
  14. 如請求項13所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述高熔點容器係具有矽蒸氣供給材料。
  15. 一種磊晶成長方法，係將原料從一個碳化矽單晶基板對另一個碳化矽單晶基板輸送，且繼承另一個前述碳化矽單晶基板的多晶型而進行結晶成長。
  16. 如請求項15所記載之磊晶成長方法，其中以一個前述碳化矽單晶基板成為高溫側且另一個前述碳化矽單晶基板成為低溫側的方式進行加熱。
  17. 如請求項15或16所記載之磊晶成長方法，其中在經由矽蒸氣壓空間所排氣的原料輸送空間配置前述碳化矽單晶基板來使前述碳化矽單晶基板成長。
  18. 如請求項15或16所記載之磊晶成長方法，其中將前述碳化矽單晶基板配置於準密閉空間且進行加熱。
  19. 如請求項15或16所記載之磊晶成長方法，其中將前述碳化矽單晶基板配置於原子數比矽／碳超過1的準密閉空間且進行加熱。
  20. 如請求項15或16所記載之磊晶成長方法，其中將前述碳化矽單晶基板配置於原子數比矽／碳為1以下的準密閉空間且進行加熱。
  21. 一種碳化矽基板，係由請求項1至6中任一項所記載之碳化矽基板的製造方法、請求項15至20中任一項所記載之磊晶成長方法所製造。
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