TW202044487A - 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降低碳化矽基板的宏階褶的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之課題在於提供一種宏階褶的形成被抑制的碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及降低碳化矽基板的宏階褶的方法。本發明所提供之碳化矽基板的製造裝置係具備：本體容器20，係能夠收容碳化矽基板10，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；以及加熱爐30，係收容前述本體容器20，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度的方式進行加熱；前述本體容器20係具有：蝕刻空間S1，係在前述碳化矽基板10被配置於前述溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器20之一部分與前述碳化矽基板10相對而形成；以及矽蒸氣供給源25，係能夠對前述本體容器20內供給矽蒸氣。

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降低碳化矽基板的宏階褶的方法
本發明係關於一種宏階褶(macro step bunching)的形成被抑制的碳化矽(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降低碳化矽基板的宏階褶的方法。
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、高效率及高溫運作，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而製造的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；金屬氧化物半導體場效電晶體)等碳化矽半導體器件之中，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係記載有藉由熱處理步驟將碳化矽基板的表面予以蝕刻(etching)，得到在分子層級(molecular level)上平坦之表面的技術，該熱處理步驟係包含以下的加熱處理步驟：將單晶碳化矽基板收納在由鉭金屬所構成並且以使碳化鉭層在內部空間露出之方式上下嵌合的收納容器，並且在將前述收納容器之內部壓力保持在比外部壓力還高且在矽之飽和蒸氣壓下的真空之狀態下，用1500℃以上至2300℃以下的溫度均勻地加熱處理前述收納容器。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2008-16691號公報。
[發明所欲解決之課題]
本發明之課題在於提供一種宏階褶的形成被抑制的碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及降低碳化矽基板的宏階褶的方法。 [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基板的製造裝置係具備：本體容器，係能夠收容碳化矽基板，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；以及加熱爐，係收容前述本體容器，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度(temperature gradient)的方式進行加熱；前述本體容器係具有：蝕刻空間，係在前述碳化矽基板被配置於前述溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器之一部分與前述碳化矽基板相對而形成；以及第一矽蒸氣供給源，係能夠對前述本體容器內供給矽蒸氣。
如此，在藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的本體容器內將碳化矽基板與第一矽蒸氣供給源予以配置而進行蝕刻，藉此能夠抑制宏階褶的形成而進行蝕刻。
在該態樣中，前述第一矽蒸氣供給源係以前述本體容器內的原子數比矽／碳(Si ／C)超過1的方式所配置。 如此，藉由以本體容器內的原子數比矽／碳超過1的方式配置第一矽蒸氣供給源，能夠在本體容器內形成碳化矽-矽(SiC-Si)平衡蒸氣壓環境。
在該態樣中，前述本體容器係具有：基板保持具，係被設置於前述碳化矽基板與前述本體容器之間。 如此，藉由在碳化矽基板與本體容器之間設置基板保持具，能夠容易地形成蝕刻空間。
在該態樣中，前述本體容器係由包含多晶(polycrystalline)碳化矽之材料所構成。 如此，本體容器由包含多晶碳化矽之材料所構成，藉此在用加熱爐來加熱本體容器時，能夠在本體容器內使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓產生。
在該態樣中，前述加熱爐係具有：高熔點容器，係能夠收容前述本體容器；以及第二矽蒸氣供給源，係能夠對前述高熔點容器內供給矽蒸氣。 如此，藉由加熱爐具有高熔點容器與第二矽蒸氣供給源，能夠將本體容器在矽蒸氣壓環境下加熱。藉此，能夠抑制本體容器內之包含矽元素的氣相種之蒸氣壓降低。
在該態樣中，前述高熔點容器係由包含鉭的材料所構成，且前述第二矽蒸氣供給源是矽化鉭(tantalum silicide)。
又，本發明也關於一種碳化矽基板的製造方法。亦即，本發明的一態樣之碳化矽基板的製造方法係包含：蝕刻步驟，係將碳化矽基板與矽蒸氣供給源收容在使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的本體容器之內部，且以在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境下形成有溫度梯度的方式將前述本體容器加熱，藉此蝕刻前述碳化矽基板。 如此，在使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的本體容器內將碳化矽基板與矽蒸氣供給源予以配置而進行蝕刻，藉此能夠抑制宏階褶的形成而進行蝕刻。
在該態樣中，前述矽蒸氣供給源係以前述本體容器內的原子數比矽／碳超過1的方式所配置。
在該態樣中，前述蝕刻步驟係在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下將碳化矽基板予以蝕刻。
在該態樣中，前述蝕刻步驟係具有：矽原子昇華步驟，係使矽原子從碳化矽基板的表面熱昇華；以及碳原子昇華步驟，係使殘留於碳化矽基板之表面的碳原子與前述本體容器內的矽蒸氣反應，藉此使碳原子從碳化矽基板的表面昇華。
在該態樣中，前述蝕刻步驟係使被配置於前述溫度梯度之高溫側的前述碳化矽基板與被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器之一部分相對以進行蝕刻。
又，本發明也關於一種降低碳化矽基板的宏階褶的方法。亦即，本發明的一態樣之降低碳化矽基板的宏階褶的方法係用以降低碳化矽基板的宏階褶，且包含：蝕刻步驟，係在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下將碳化矽基板予以蝕刻。
在該態樣中，前述蝕刻步驟是以1400℃以上至2300℃以下之溫度範圍進行加熱的步驟。
在該態樣中，前述蝕刻步驟是以蝕刻空間內的原子數比矽／碳超過1的方式配置矽蒸氣供給源而進行蝕刻的步驟。
又，本發明也關於一種碳化矽基板的製造方法。亦即，本發明的一態樣之碳化矽基板的製造方法係包含：蝕刻步驟，係在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下將碳化矽基板予以蝕刻；前述蝕刻步驟是在蝕刻空間配置前述碳化矽基板而進行蝕刻的步驟，前述蝕刻空間係經由包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境所排氣。
在該態樣中，前述蝕刻步驟是以蝕刻空間內的原子數比矽／碳超過1的方式配置矽蒸氣供給源而進行蝕刻的步驟。
在該態樣中，前述蝕刻步驟是將於溫度梯度之高溫側配置有前述碳化矽基板的蝕刻空間予以加熱的步驟。
又，本發明也關於一種碳化矽基板的製造裝置。亦即，本發明的一態樣之碳化矽基板的製造裝置係具備：本體容器，係能夠收容碳化矽基板，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；以及加熱爐，係收容前述本體容器，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度的方式進行加熱；前述本體容器係具有：蝕刻空間，係於前述溫度梯度之高溫側配置有前述碳化矽基板；以及矽蒸氣供給源，係能夠對前述本體容器內供給矽蒸氣。
在該態樣中，前述矽蒸氣供給源係以前述本體容器內的原子數比矽／碳超過1的方式所配置。
在該態樣中，前述本體容器係具有：基板保持具，係能夠將前述碳化矽基板的至少一部分保持在前述本體容器的中空部位。 [發明功效]
根據已揭示的技術，能夠提供一種宏階褶的形成被抑制的碳化矽基板、碳化矽基板的製造方法、碳化矽基板的製造裝置以及降低碳化矽基板的宏階褶的方法。
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8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。
[碳化矽基板的製造裝置] 以下，對屬於本發明之一實施形態之碳化矽基板的製造裝置詳細地進行說明。
如圖1所示，本實施形態之碳化矽基板的製造裝置係具備：本體容器20，係能夠收容碳化矽基板10，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；以及加熱爐30，係收容該本體容器20，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度的方式進行加熱。 又，本體容器20係具有：蝕刻空間S1，係在碳化矽基板10被配置於溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於溫度梯度之低溫側的本體容器20之一部分與碳化矽基板10相對而形成；以及矽蒸氣供給源25，係能夠對本體容器20內供給矽蒸氣。
藉由使用這樣的碳化矽基板的製造裝置，能夠如圖2所示般製造宏階褶的形成被抑制之碳化矽基板。
[碳化矽基板10] 以作為碳化矽基板10來說，能夠例示從以昇華法等製作之體結晶(bulk crystal)切片(slice)成圓盤狀而得的碳化矽晶圓、將單晶碳化矽加工成薄板狀的碳化矽基板。另外，以作為單晶碳化矽的結晶多型來說，也能夠採用任意的多型體(polytype)。
在本說明書中的說明裡，將碳化矽基板10之製作半導體元件那面(具體而言是堆積磊晶層之面)稱作主面101，將與該主面相對的面稱作背面102。又，將主面101及背面102合起來稱作表面，將貫通主面101與背面102的方向稱作表背方向。
另外，以作為主面101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11與台階12交互地並排的階梯構造，該階11是1分子層以上的階差部位，該台階12是{0001}面已露出的平坦部位。
階11係1分子層(0.25 nm)為最小高度(最小單位)，且藉由該1分子層重疊複數層而形成各種的階高度。在本說明書中的說明裡，將階11束化(聚束)而巨大化，且具有超過各多型體之1晶胞(unit cell)的高度的部分稱作宏階褶(以下稱MSB)。
亦即，所謂的MSB在4氫(H)-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11，在6氫-碳化矽之情形下是超過6分子層(7分子層以上)而聚束的階11。
由於該MSB係在磊晶層形成時的表面會產生因MSB而起的缺陷，是MOSFET之氧化膜可靠度的妨礙要素之一，因此期望不要在碳化矽基板10的表面形成。
另外，以作為碳化矽基板10之大小來說，從幾公分見方的晶片尺寸的觀點，能夠例示6吋晶圓或8吋晶圓。
[本體容器20] 本體容器20只要是能夠收容碳化矽基板10且在加熱處理時使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的構成即可。例如，本體容器20係由包含多晶碳化矽之材料所構成。在本實施形態中，本體容器20之全體係由多晶碳化矽所構成。藉由將以此種材料所構成的本體容器20予以加熱，能夠使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓產生。
亦即，加熱處理過的本體容器20內之環境較期望為包含矽元素的氣相種及包含碳元素的氣相種之混合系的蒸氣壓環境。以作為該包含矽元素的氣相種來說，能夠例示Si、Si2 、Si3 、Si2 C、SiC2 、SiC。又，以作為該包含碳元素的氣相種來說，能夠例示Si2 C、SiC2 、SiC、C。亦即，成為SiC系氣體存在於本體容器20內的狀態。
又，在本體容器20之加熱處理時，只要是能夠在內部空間產生包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓的構成，則能夠採用該構成。例如，能夠表示多晶碳化矽已在內面的一部分露出之構成、或在本體容器20內分開配置多晶碳化矽之構成等。
如圖3所示，本體容器20是具備能夠互相地嵌合的上容器21與下容器22之嵌合容器。於上容器21與下容器22的嵌合部係形成有微小的間隙23，且構成為能夠從該間隙23進行本體容器20內的排氣(抽真空)。
本體容器20係具有：蝕刻空間S1，係在碳化矽基板10被配置於溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於溫度梯度之低溫側的本體容器20之一部分與碳化矽基板10相對而形成。亦即，藉由設於加熱爐30之溫度梯度，至少本體容器20的一部分(例如下容器22之底面)變得比碳化矽基板10還低溫，藉此形成蝕刻空間S1。
蝕刻空間S1是把設於碳化矽基板10與本體容器20之間的溫度差作為驅動力，來將碳化矽基板10的表面之矽原子及碳原子對本體容器20輸送的空間。 例如，在將碳化矽基板10之主面101(或者是背面102)的溫度與相對於該主面101之下容器22的底面之溫度予以比較時，以主面101側的溫度變高且下容器22之底面側的溫度變低的方式配置碳化矽基板10(參照圖3及圖4)。如此，形成在主面101與下容器22的底面之間設定了溫度差之空間(蝕刻空間S1)，藉此能夠把溫度差作為驅動力，來將主面101之矽原子及碳原子對下容器22的底面輸送。
本體容器20也可以具有被設置於碳化矽基板10與本體容器20之間的基板保持具24。 本實施形態之加熱爐30是以形成以下的溫度梯度之方式進行加熱的構成：俾使溫度從本體容器20的上容器21朝向下容器22而下降。因此，藉由在碳化矽基板10與下容器22之間設置能夠將碳化矽基板10予以保持的基板保持具24，能夠在碳化矽基板10與下容器22之間形成蝕刻空間S1。
基板保持具24只要是能夠將碳化矽基板10的至少一部分保持在本體容器20之中空部位的構成即可。例如，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。以作為該基板保持具24的材料來說，能夠採用碳化矽材料、高熔點金屬材料。
另外，也可以因應加熱爐30之溫度梯度的方向而不設置基板保持具24。例如，在加熱爐30形成使溫度從下容器22朝向上容器21而下降的溫度梯度之情形下，也可以(不設置基板保持具24地)在下容器22的底面配置碳化矽基板10。
又，本體容器20係具有能夠對本體容器20內供給矽蒸氣之矽蒸氣供給源25。
矽蒸氣供給源25只要是在加熱處理時使矽蒸氣於本體容器20內產生的構成即可。以作為該矽蒸氣供給源25來說，能夠例示固體的矽(矽基板或矽粉末等的矽丸(Si pellet))或矽化合物。另外，以該矽蒸氣供給源25來說，期望以本體容器20內的原子數比矽／碳超過1的方式配置。
例如，在如本實施形態般本體容器20的全體由多晶碳化矽所構成且基板保持具24由碳化矽材料所構成之情形下，僅配置矽蒸氣供給源25即可。亦即，在滿足化學計量比1：1之多晶碳化矽的本體容器20內配置了滿足化學計量比1：1之碳化矽基板10、滿足化學計量比1：1之碳化矽製的基板保持具24、及矽蒸氣供給源25(矽丸等)之情形下，本體容器20內的原子數比矽／碳係超過1。
[加熱爐30] 如圖1所示，加熱爐30係具備：主加熱室31，係能夠將被處理物(碳化矽基板10等)加熱到1000℃以上至2300℃以下的溫度；預備加熱室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予以收容；以及移動手段33(移動台)，係能夠將該高熔點容器40從預備加熱室32往主加熱室31移動。
主加熱室31係在俯視剖面觀看時形成為正六角形，且於主加熱室31的內側配置有高熔點容器40。 於主加熱室31的內部係具備有加熱器(heater)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)。該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。
藉此，在主加熱室31內，以將收容有被處理物之高熔點容器40予以包圍的方式配置加熱器34，進一步地在高熔點容器40的外側配置多層熱反射金屬板，藉此能夠升溫到1000℃以上至2300℃以下的溫度。 另外，以作為加熱器34來說，能夠使用例如電阻加熱式的加熱器或高頻率感應加熱式的加熱器。
又，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。例如，加熱器34也可以在上側(或者是下側)配置多個加熱器地構成。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)而將所供給的電力放大的方式構成。
又，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例如10 Pa以下，更佳為1 Pa以下，再更佳為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10000 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、He、N2 等。
預備加熱室32係與主加熱室31連接，且藉由移動手段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加熱室32而言，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。例如，在將主加熱室31升溫到2000℃之情形下，預備加熱室32係被升溫到1000℃左右，能夠進行被處理物(碳化矽基板10、本體容器20、高熔點容器40等)的脫氣處理。
移動手段33係構成為能夠將高熔點容器40載置而在主加熱室31與預備加熱室32之間移動。由該移動手段33所進行的主加熱室31與預備加熱室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。 由於如此地進行急速升溫及急速降溫，因此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，而這在習知的裝置上是困難的。 又，在圖1中，雖將預備加熱室32配置在主加熱室31的下方，但也可不限於此地配置於任意方向。
又，本實施形態之移動手段33是將高熔點容器40予以載置的移動台。讓微小的熱從該移動台與高熔點容器40的接觸部散逸。藉此，能夠在高熔點容器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。 另外，該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。例如，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，該溫度梯度較佳為沿著碳化矽基板10的表背方向所形成。 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40] 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及矽蒸氣供給源44來形成。例如，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環境的方法，則能夠採用本發明之碳化矽基板的製造裝置。
高熔點容器40係包含高熔點材料而構成。例如，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 ；多晶碳化矽等。
該高熔點容器40與本體容器20同樣地是具備能夠互相地嵌合的上容器41與下容器42的嵌合容器，且構成為能夠將本體容器20予以收容。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：矽蒸氣供給源44，係能夠對高熔點容器40內供給包含矽元素的氣相種之蒸氣壓。矽蒸氣供給源44只要是在加熱處理時使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在高熔點容器40內產生的構成即可，能夠例示例如固體的矽(單晶矽片或矽粉末等的矽丸)或矽化合物。
在本實施形態之碳化矽基板的製造裝置中，採用碳化鉭作為高熔點容器40的材料，且採用矽化鉭作為矽蒸氣供給源44。亦即，如圖3及圖4所示般構成為：於高熔點容器40的內側形成有矽化鉭層，於加熱處理時矽蒸氣從矽化鉭層對容器內供給，藉此形成矽蒸氣壓環境。 除此之外，只要是在加熱處理時於高熔點容器40內形成包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的構成則能夠採用。
根據本發明之碳化矽基板的製造裝置，成為以下的構成：具備本體容器20與加熱爐30，且本體容器20具有蝕刻空間S1與矽蒸氣供給源25；該本體容器20係能夠收容碳化矽基板10，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；該加熱爐30係收容本體容器20，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度的方式進行加熱；該蝕刻空間S1係在碳化矽基板10被配置於溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於溫度梯度之低溫側的本體容器20之一部分與碳化矽基板10相對而形成，該矽蒸氣供給源25係能夠對前述本體容器20內供給矽蒸氣。
在碳化矽基板10與本體容器20之間能夠形成近熱平衡狀態，且在本體容器20內能夠形成碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境。在此種環境下，將加熱爐30的溫度梯度作為驅動力而引起質量的輸送，將碳化矽基板10蝕刻，藉此能夠製造MSB的形成被抑制的碳化矽基板。
又，根據本實施形態之碳化矽基板的製造裝置，藉由在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓環境(例如矽蒸氣壓環境)下加熱本體容器20，能夠抑制包含矽元素的氣相種被從本體容器20內排氣的情形。亦即，使本體容器20內之包含矽元素的氣相種之蒸氣壓與本體容器20外之包含矽元素的氣相種之蒸氣壓平衡，藉此能夠維持本體容器20內的環境。
換言之，本體容器20係被配置於形成有包含矽元素的氣相種之蒸氣壓環境(例如矽蒸氣壓環境)的高熔點容器40內。如此，藉著經由包含矽元素的氣相種之蒸氣壓環境(例如矽蒸氣壓環境)而將本體容器20內排氣(抽真空)，能夠抑制矽原子從蝕刻空間S1內減少的情形。藉此，能夠將蝕刻空間S1內長時間維持成有利於蝕刻的原子數比矽／碳。
又，根據本實施形態之碳化矽基板的製造裝置，本體容器20係由多晶碳化矽所構成。藉由設為此種構成，在使用加熱爐30將本體容器20予以加熱時，能夠僅使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在本體容器20內產生。
[碳化矽基板的製造方法] 以下，對屬於本發明之一實施形態的碳化矽基板的製造方法詳細地進行說明。
本實施形態之碳化矽基板的製造方法係包含：蝕刻步驟，係將碳化矽基板10與矽蒸氣供給源25收容在使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的本體容器20之內部，且以在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境下形成有溫度梯度的方式將該本體容器20加熱，藉此蝕刻碳化矽基板10。 另外，在同實施形態中，對於與前面的碳化矽基板的製造裝置基本上相同的構成要素附加相同的符號而將說明簡略化。
以下，對本實施形態之碳化矽基板的製造方法之蝕刻步驟詳細地進行說明。
[蝕刻步驟] 將配置了碳化矽基板10的本體容器20以1400℃以上至2300℃以下的溫度範圍加熱，藉此持續地進行以下1)至5)的反應，結果認定蝕刻有在進行。
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：碳化矽基板10(SiC(s))被加熱，藉此矽原子(Si(v))因熱分解而從碳化矽基板10的表面脫離(矽原子昇華步驟)。 2)及3)的說明：藉著矽原子(Si(v))脫離而殘留在碳化矽基板10的表面的碳(C(s))係與本體容器20內的矽蒸氣(Si(v))反應，藉此成為Si2 C或者是SiC2 等而在本體容器20內昇華(碳原子昇華步驟)。 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本體容器20內的底面(多晶碳化矽)且成長。
亦即，蝕刻步驟係具有：矽原子昇華步驟，係使矽原子從碳化矽基板10的表面熱昇華；以及碳原子昇華步驟，係使殘留於碳化矽基板10之表面的碳原子與本體容器20內的矽蒸氣反應，藉此使碳原子從碳化矽基板10的表面昇華。
又，蝕刻步驟的特徵在於：使被配置於溫度梯度之高溫側的碳化矽基板10與被配置於溫度梯度之低溫側的本體容器20之一部分相對以進行蝕刻。 亦即，使碳化矽基板10的主面101與溫度比該主面101還低的本體容器20的底面相對地配置，藉此在它們之間形成蝕刻空間S1。在該蝕刻空間S1中，將加熱爐30形成的溫度梯度作為驅動力而引起質量的輸送，結果能夠將碳化矽基板10蝕刻。
換言之，蝕刻步驟係使碳化矽基板10與本體容器20的一部分相對地配置，以本體容器20的一部分成為低溫側且碳化矽基板10成為高溫側的方式附加溫度梯度來加熱。藉由該溫度梯度，將矽元素及碳元素從碳化矽基板10對本體容器20輸送來將碳化矽基板10蝕刻。
又，本發明之蝕刻步驟的特徵在於在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下將碳化矽基板10蝕刻。以下，對碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境及碳化矽-碳平衡蒸氣壓環境詳細地進行說明。 另外，本說明書中的碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境及碳化矽-碳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蝕刻速度與蝕刻溫度之關係。
碳化矽-矽蒸氣壓環境係指：碳化矽(固體)與矽(液相)經由氣相而成為相平衡狀態時之蒸氣壓的環境。 碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境係藉由將例如原子數比矽／碳超過1之準密閉空間予以熱處理來形成。 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，也能夠封入已在容器內產生的蒸氣之至少一部分。該準密閉空間係能夠於本體容器20內或高熔點容器40內形成。
又，碳化矽-碳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之蒸氣壓的環境。 碳化矽-碳平衡蒸氣壓環境係藉由將例如原子數比矽／碳為1以下的準密閉空間予以熱處理來形成。
碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境之氣相中的原子數比矽／碳係比碳化矽-碳平衡蒸氣壓環境之氣相中的原子數比矽／碳還大。
以下，參照形成有碳化矽-碳平衡蒸氣壓環境之本體容器20內的蝕刻空間S1(圖4)，對形成有碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境之本體容器20內的蝕刻空間S1(圖3)詳細地進行說明。
形成有碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境的蝕刻空間S1係能夠藉由在加熱處理前以本體容器20內的原子數比矽／碳超過1的方式配置矽蒸氣供給源25且加熱來形成。
例如，如圖3所示，在滿足化學計量比1：1之多晶碳化矽的本體容器20內配置了滿足化學計量比1：1之碳化矽基板10、滿足化學計量比1：1之碳化矽製的基板保持具24、以及矽蒸氣供給源25(矽丸等)之情形下，本體容器20內的原子數比矽／碳係超過1。
另一方面，形成有碳化矽-碳平衡蒸氣壓環境的蝕刻空間S1係能夠藉由在加熱處理前以蝕刻空間S1內的原子數比矽／碳成為1以下的方式配置且加熱來形成。
例如，如圖4所示，在滿足化學計量比1：1之多晶碳化矽的本體容器20內配置了滿足化學計量比1：1之碳化矽基板10、以及滿足化學計量比1：1之碳化矽製的基板保持具24之情形下，本體容器20內的原子數比矽／碳係成為1或者是1以下。 又，為了使蝕刻空間S1內的原子數比矽／碳下降，可以將碳蒸氣供給源分開配置，也可以採用包含碳蒸氣供給源之本體容器20及／或基板保持具24。以該碳蒸氣供給源來說，能夠例示固體的碳(碳基板或碳粉末等之碳丸)或碳化合物。
本手法中的蝕刻溫度較佳為以1400℃至2300℃的範圍設定，更佳為以1600℃至2000℃的範圍設定。 本手法中的蝕刻速度係能夠藉由上述溫度區域來控制，能夠在0.001 μm／min至2 μm／min的範圍選擇。 本手法中的蝕刻量只要是能夠分解碳化矽基板10之MSB的蝕刻量則能夠採用。以該蝕刻量來說，能夠例示0.1 μm以上至20 μm以下，不過也能夠因應需求來應用。 本手法中的蝕刻時間能夠以成為期望的蝕刻量之方式設定為任意的時間。例如，在蝕刻速度為1 μm／min時欲將蝕刻量設為1 μm之情形下，蝕刻時間是1分鐘。 本手法中的溫度梯度係在蝕刻空間S1中以0.1℃／mm至5℃／mm的範圍設定。
[實施例] 用以下的方法製造了實施例1、比較例1的碳化矽基板。 [實施例1] 用以下的條件在本體容器20及高熔點容器40收容了碳化矽基板10(配置步驟)。
[碳化矽基板10] 多型：4H-SiC。 基板尺寸：橫寬10mm × 縱寬10mm × 厚度0.3 mm。 偏離方向及偏離角：>11-20>方向偏離4°。 蝕刻面：(0001)面。 有無MSB：有。
圖5是蝕刻步驟前的碳化矽基板10之表面的SEM像。於該蝕刻步驟前的碳化矽基板10之表面係形成有高度3nm以上的MSB。另外，藉由AFM(Atomic Force Microscope；原子力顯微鏡)測定階11高度。
[本體容器20] 材料：多晶碳化矽。 容器尺寸：直徑60 mm × 高度4 mm。 基板保持具24的材料：單晶碳化矽。 碳化矽基板10與本體容器20之底面的距離：2 mm。 矽蒸氣供給源25：單晶矽片。
[高熔點容器40] 材料：TaC。 容器尺寸：直徑160 mm × 高度60 mm。 矽蒸氣供給源44(矽化合物)：TaSi2 。
[蝕刻步驟] 將以上述條件配置的碳化矽基板10用以下的條件加熱處理。 加熱溫度：1900℃。 加熱時間：60 min。 蝕刻速度：300 nm／min。 主加熱室真空度：10-5 Pa。
圖6是已以上述條件蝕刻的實施例1之碳化矽基板10的表面的SEM像。 可知於該實施例1之碳化矽基板10的表面係未形成有MSB，且1.0 nm(全晶胞(full unit cell))的階11有規則地排列。
在該實施例1中，以本體容器20內的原子數比矽／碳超過1的方式配置矽蒸氣供給源25(參照圖3)。藉此在本體容器20內形成碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境。藉由在該碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下將碳化矽基板10蝕刻，能夠製造MSB的形成被抑制的碳化矽基板10。
[比較例1] 用以下的條件在本體容器20及高熔點容器40收容了碳化矽基板10(配置步驟)。
[碳化矽基板10] 使用與實施例1相同的碳化矽基板10。
[本體容器20] 使用與實施例1相同的本體容器20。此時，不配置矽蒸氣供給源25(單晶矽片)，在本體容器20內僅配置碳化矽基板10而已(參照圖4)。
[高熔點容器40] 使用與實施例1相同的高熔點容器40及矽蒸氣供給源44(矽化合物)。
[蝕刻步驟] 將以上述條件配置的碳化矽基板10用與實施例1相同的條件進行了蝕刻。
圖7是以上述條件蝕刻了的比較例1之碳化矽基板10的表面的SEM像。 於該比較例1的碳化矽基板10的表面係形成有高度3 nm以上的MSB。
在該比較例1中，以本體容器20內的原子數比矽／碳成為1以下的方式將各構件配置(參照圖4)。藉此，於本體容器20內形成有碳化矽-碳平衡蒸氣壓環境。
圖8是將用本發明之碳化矽基板的製造方法進行了蝕刻之情形下的加熱溫度與蝕刻速度之關係予以表示的圖表。該圖表的橫軸是溫度的倒數，該圖表的縱軸係將蝕刻速度予以對數顯示。將以蝕刻空間S1內的原子數比矽／碳超過1的方式設定(參照圖3)而蝕刻了的結果用○印表示，將以蝕刻空間S1內的原子數比矽／碳成為1以下(1或者是不滿1)的方式設定(參照圖4)而蝕刻了的結果用×印表示。○印處之碳化矽基板10的表面皆未形成有MSB，且階11是1晶胞的高度。另一方面，×印處之碳化矽基板10的表面皆形成有MSB。
此處，在進行本體容器20內之加熱時，在將從碳化矽基板10產生之包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓設為蝕刻量之情形下，碳化矽基板10的蝕刻速度係由以下的數學式1所求出。
[數學式1]
Figure 02_image001
此處，T是碳化矽基板10的溫度，mi 是氣相種(Six Cy )的分子量，k是波茲曼常數(Boltzmann constant)。 又，Pi 是藉由將碳化矽基板10加熱而在本體容器20內產生的蒸氣壓予以加總的值。另外，以作為Pi 的氣相種來說，設想為SiC、Si2 C、SiC2 等。
在圖8的圖表中，將在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下的碳化矽基板蝕刻之熱力學計算的結果以虛線(阿瑞尼氏圖(Arrhenius’ plot))表示，將在碳化矽-碳平衡蒸氣壓環境下的碳化矽基板蝕刻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之環境下將單晶碳化矽蝕刻時的熱力學計算結果。具體而言，使用數學式1而用以下的條件(i)至條件(iv)進行了熱力學計算。(i)為體積固定的碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境；(ii)蝕刻驅動力是蝕刻空間S1內的溫度梯度；(iii)原料氣體是SiC、Si2 C、SiC2 ；(iv)原料從階11昇華之脫離係數是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之環境下將單晶碳化矽蝕刻時的熱力學計算結果。具體而言，使用數學式1而用以下的條件(i)至條件(iv)進行了熱力學計算。(i)為體積固定的碳化矽-碳平衡蒸氣壓環境；(ii)蝕刻驅動力是蝕刻空間S1內的溫度梯度；(iii)原料氣體是SiC、Si2 C、SiC2 ；(iv)原料從階11昇華的脫離係數是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，可知在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下所蝕刻之圖8的○印處的條件下，MSB的形成被分解／抑制，且1nm(1晶胞)高度的階11在碳化矽基板10的表面整齊排列。 另一方面，可知在碳化矽-碳平衡蒸氣壓環境下所蝕刻之圖8的×印處的條件下形成有MSB。
根據本發明之碳化矽基板的製造方法，藉由包含在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下將碳化矽基板10蝕刻的蝕刻步驟，能夠製造MSB的形成被抑制的碳化矽基板。
10:碳化矽基板 11:階 12:台階 20:本體容器 21,41:上容器 22,42:下容器 23,43:間隙 24:基板保持具 25,44:矽蒸氣供給源 30:加熱爐 31:主加熱室 32:預備加熱室 33:移動手段 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 101:主面 102:背面 S1:蝕刻空間
[圖1]是一實施形態之碳化矽基板的製造裝置之概略圖。 [圖2]是由一實施形態之碳化矽基板的製造裝置所蝕刻之碳化矽基板的說明圖。 [圖3]是一實施形態之碳化矽基板的製造裝置之說明圖。 [圖4]是一實施形態之碳化矽基板的製造裝置之說明圖。 [圖5]是一實施形態之碳化矽基板的製造方法之蝕刻步驟前的碳化矽基板表面之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基板的製造方法之實施例1所觀察的碳化矽基板表面之SEM像。 [圖7]是在一實施形態之碳化矽基板的製造方法之比較例1所觀察的碳化矽基板表面之SEM像。 [圖8]是說明一實施形態之碳化矽基板的製造方法之蝕刻步驟中的本體容器內之環境的圖表(graph)。
10:碳化矽基板
20:本體容器
21,41:上容器
22,42:下容器
34:基板保持具
35:矽蒸氣供給源
30:加熱爐
31:主加熱室
32:預備加熱室
33:移動手段
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
S1:蝕刻空間

Claims (21)

  1. 一種碳化矽基板的製造裝置，係具備： 本體容器，係能夠收容碳化矽基板，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；以及 加熱爐，係收容前述本體容器，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度的方式進行加熱； 前述本體容器係具有： 蝕刻空間，係在前述碳化矽基板被配置於前述溫度梯度之高溫側的狀態下，藉由使被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器之一部分與前述碳化矽基板相對而形成；以及 第一矽蒸氣供給源，係能夠對前述本體容器內供給矽蒸氣。
  2. 如請求項1所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述第一矽蒸氣供給源係以前述本體容器內的原子數比矽／碳(Si／C)超過1的方式所配置。
  3. 如請求項1或2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： 基板保持具，係被設置於前述碳化矽基板與前述本體容器之間。
  4. 如請求項1或2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多晶碳化矽之材料所構成。
  5. 如請求項1或2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；以及 第二矽蒸氣供給源，係能夠對前述高熔點容器內供給矽蒸氣。
  6. 如請求項5所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述高熔點容器係由包含鉭的材料所構成； 前述第二矽蒸氣供給源是矽化鉭。
  7. 一種碳化矽基板的製造方法，係包含： 蝕刻步驟，係將碳化矽基板與矽蒸氣供給源收容在使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生的本體容器之內部，且以在包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境下形成有溫度梯度的方式將前述本體容器加熱，藉此蝕刻前述碳化矽基板。
  8. 如請求項7所記載之碳化矽基板的製造方法，其中前述矽蒸氣供給源係以前述本體容器內的原子數比矽／碳超過1的方式所配置。
  9. 如請求項7或8所記載之碳化矽基板的製造方法，其中前述蝕刻步驟係在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下將前述碳化矽基板予以蝕刻。
  10. 如請求項7或8所記載之碳化矽基板的製造方法，其中前述蝕刻步驟係具有： 矽原子昇華步驟，係使矽原子從前述碳化矽基板的表面熱昇華；以及 碳原子昇華步驟，係使殘留於前述碳化矽基板之表面的碳原子與前述本體容器內的矽蒸氣反應，藉此使前述碳原子從碳化矽基板的表面昇華。
  11. 如請求項7或8所記載之碳化矽基板的製造方法，其中前述蝕刻步驟係使被配置於前述溫度梯度之高溫側的前述碳化矽基板與被配置於前述溫度梯度之低溫側的前述本體容器之一部分相對以進行蝕刻。
  12. 一種降低碳化矽基板的宏階褶的方法，係用以降低碳化矽基板的宏階褶，且包含： 蝕刻步驟，係在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下將碳化矽基板予以蝕刻。
  13. 如請求項12所記載之降低碳化矽基板的宏階褶的方法，其中前述蝕刻步驟是以1400℃以上至2300℃以下之溫度範圍進行加熱的步驟。
  14. 如請求項12或13所記載之降低碳化矽基板的宏階褶的方法，其中前述蝕刻步驟是以蝕刻空間內的原子數比矽／碳超過1的方式配置矽蒸氣供給源而進行蝕刻的步驟。
  15. 一種碳化矽基板的製造方法，係包含： 蝕刻步驟，係在碳化矽-矽平衡蒸氣壓環境下將碳化矽基板予以蝕刻； 前述蝕刻步驟是在蝕刻空間配置前述碳化矽基板而進行蝕刻的步驟，前述蝕刻空間係經由包含矽元素的氣相種之蒸氣壓的環境所排氣。
  16. 如請求項15所記載之碳化矽基板的製造方法，其中前述蝕刻步驟是以前述蝕刻空間內的原子數比矽／碳超過1的方式配置矽蒸氣供給源而進行蝕刻的步驟。
  17. 如請求項15或16所記載之碳化矽基板的製造方法，其中前述蝕刻步驟是將於溫度梯度之高溫側配置有前述碳化矽基板的前述蝕刻空間予以加熱的步驟。
  18. 一種碳化矽基板的製造裝置，係具備： 本體容器，係能夠收容碳化矽基板，且藉由加熱使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓及包含碳元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生；以及 加熱爐，係收容前述本體容器，以使包含矽元素的氣相種之蒸氣壓在內部空間產生並且形成有溫度梯度的方式進行加熱； 前述本體容器係具有： 蝕刻空間，係於前述溫度梯度之高溫側配置有前述碳化矽基板；以及 矽蒸氣供給源，係能夠對前述本體容器內供給矽蒸氣。
  19. 如請求項18所記載之碳化矽基板的製造裝置，其中前述矽蒸氣供給源係以前述本體容器內的原子數比矽／碳超過1的方式所配置。
  20. 如請求項18或19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： 基板保持具，係能夠將前述碳化矽基板的至少一部分保持在前述本體容器的中空部位。
  21. 一種碳化矽基板，係由請求項7至11、15至17中任一項所記載之碳化矽基板的製造方法所製造。
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