TW202100817A - 結晶成長裝置及結晶成長方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種結晶成長裝置，其藉由以昇華法將SiC原料加熱使其昇華而使SiC結晶成長於SiC晶種基板上，並包含有石墨製成長容器、隔熱材、及加熱器，該石墨製成長容器由收容該SiC原料之本體、及兼作為貼附該SiC晶種基板之基部並且以該SiC晶種基板朝向內側之狀態安裝於該本體之上部的蓋體構成；該隔熱材包圍該成長容器；該加熱器加熱該SiC原料；當令該SiC晶種基板之厚度為t1，令該基部之厚度為t2時，t2/t1未達於5。藉此，可提供藉吸收因SiC晶種基板與石墨製基部之物性差異引起的應力，可謀求成長之SiC單晶的結晶品質之提高的結晶成長裝置。

Description

結晶成長裝置及結晶成長方法
本發明係有關於進行用以製造用於半導體元件製造之SiC單晶晶圓的塊狀SiC單晶成長之結晶成長裝置及結晶成長方法。
使用SiC單晶晶圓之功率元件因具有高耐壓、低損失及可高溫運作之特徵，近年受到關注。
用以製造SiC單晶晶圓之SiC單晶成長方法主要使用昇華法。在以昇華法所行之SiC單晶成長，一般如專利文獻1所揭示，將SiC之種晶基板(SiC晶種基板)安裝於兼作成長容器之蓋體的石墨製基部，且以該SiC晶種基板朝向內側之狀態將該蓋體安裝於成長容器之本體的上部。又，於成長容器之本體內填充SiC粉末原料。
結果，在成長容器內，貼附於蓋體之SiC晶種基板形成為與SiC粉末原料對向之狀態。在此狀態下，使用設於成長容器之外部的加熱器，將SiC粉末原料加熱至2000℃以上之超高溫，且於成長容器中設適當之溫度梯度，藉此，可使SiC結晶成長於SiC晶種基板上。
然而，使用如專利文獻1所揭示之結晶成長裝置時，因SiC晶種基板與作為其基部之石墨材料的物性差異，而於成長之SiC單晶中產生殘留應力或結晶缺陷，該等係使結晶品質惡化之主要原因。特別是關於殘留應力，因此而產生基部面錯位，該基部面錯位因使元件特性大為惡化，而成為極大之問題。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利公開公報2018-140884號
[發明欲解決之問題]
本發明係為解決上述問題而作成，其目的係提出藉吸收因SiC晶種基板與石墨製基部之物性差異引起的應力，可謀求成長之SiC單晶的結晶品質之提高的結晶成長裝置及結晶成長方法。 [解決問題之手段]
為達成上述目的，在本發明，提供一種結晶成長裝置，其藉由以昇華法將SiC原料加熱使其昇華而使SiC結晶成長於SiC晶種基板上，並包含有石墨製成長容器、隔熱材、及加熱器，該石墨製成長容器由收容該SiC原料之本體、及兼作為貼附該SiC晶種基板之基部並且以該SiC晶種基板朝向內側之狀態安裝於該本體之上部的蓋體構成；該隔熱材包圍該成長容器；該加熱器加熱該SiC原料；當令該SiC晶種基板之厚度為t1，令該基部之厚度為t2時，t2/t1未達於5。
根據此種結晶成長裝置，藉令t2(基部之厚度)/t1(SiC晶種基板之厚度)未達於5，可將因SiC晶種基板與石墨製基部的物性差異引起之應力(熱應力)以該基部之變形吸收。結果，可抑制於成長之SiC單晶中產生的殘留應力或結晶缺陷，而可謀求結晶品質之提高。特別是因可抑制成長之SiC單晶的基部面錯位之產生，故可大為提高形成於該SiC單晶中之元件(功率元件等)的元件特性。
該t2/t1以3以下為更佳。
藉此，可更確實地吸收因SiC晶種基板與石墨製基部之物性差異引起的應力。因而，可更確實地抑制於成長之SiC單晶中產生的殘留應力、結晶缺陷、還有成長之SiC單晶的基部面錯位之產生。
又，為達成上述目的，在本發明，提供一種結晶成長方法，其使用上述結晶成長裝置，使SiC於該SiC晶種基板上結晶成長。
根據此種結晶成長方法，可製造殘留應力或結晶缺陷被抑制，且基部面錯位之產生少的SiC單晶。結果，可謀求成長之SiC單晶的結晶品質之提高、及形成於該SiC單晶中之元件的元性特性之提高。 [發明效果]
如以上所述，根據本發明，可實現藉吸收因SiC晶種基板與石墨製基部之物性差異引起的應力，可謀求成長之SiC單晶的結晶品質之提高的結晶成長裝置及結晶成長方法。
[用以實施發明之形態]
誠如上述，在以昇華法所行之SiC單晶成長，因SiC晶種基板與作為其基部之石墨材料的物性差異，而於成長之SiC單晶中產生殘留應力或結晶缺陷，該等係使結晶品質惡化之主要原因。又，因該殘留應力，成長之SiC單晶的基部面錯位之產生增多，而有形成於該SiC單晶中之元件的元件特性惡化之問題。
因此種情況，期望開發藉吸收因SiC晶種基板與石墨製基部之物性差異引起的應力，可謀求成長之SiC單晶的結晶品質之提高的結晶成長裝置及結晶成長方法。
本案發明人對上述問題致力反覆檢討之結果，首先檢討了為有效吸收因SiC晶種基板與石墨製基部之物性差異引起的應力，使用何種手法為有效。結果，發現以安裝SiC晶種基板之石墨製基部的變形吸收該應力，對抑制成長之SiC單晶的基部面錯位之產生有效。
進而，本案發明人致力檢討了為以石墨製基部之變形使該基部面錯位之產生在預定結晶品質內，具體係使成長之SiC單晶的基部面錯位密度未達於3,321/cm2 ，應如何呈現SiC晶種基板與石墨製基部之關係。結果，發現當令SiC晶種基板之厚度為t1，令石墨製基部之厚度為t2時，藉令t2/t1未達於5，可維持上述預定結晶品質，而完成本發明。
即，本發明係一種結晶成長裝置，其藉由以昇華法將SiC原料加熱使其昇華而使SiC結晶成長於SiC晶種基板上，並包含有石墨製成長容器、隔熱材、及加熱器，該石墨製成長容器由收容該SiC原料之本體、及兼作為貼附該SiC晶種基板之基部並且以該SiC晶種基板朝向內側之狀態安裝於該本體之上部的蓋體構成；該隔熱材包圍該成長容器；該加熱器加熱該SiC原料；當令該SiC晶種基板之厚度為t1，令該基部之厚度為t2時，t2/t1未達於5。
以下，就本發明之實施形態，依據附加之圖式，具體地說明，本發明並不限於該等。
圖1顯示本發明之結晶成長裝置的一例。 此結晶成長裝置1係藉由以昇華法將SiC原料5加熱使其昇華而使SiC(單晶)結晶成長於SiC晶種基板4上之結晶成長裝置。
結晶成長裝置1包含有具耐熱性之石墨製成長容器、包圍該成長容器之隔熱材(爐)6、將該成長容器內之SiC原料(例如SiC粉末原料)5加熱之加熱器7。成長容器具有可收容SiC原料5之石墨製本體2、兼作為貼附SiC晶種基板4之基部並且以SiC晶種基板4朝向內側之狀態安裝於本體2之上部的石墨製蓋體3。
本體2呈例如具底部之圓筒形，SiC原料5配置於本體2之底部。又，本體2之上部開放。再者，蓋體3藉呈例如圓板形，可安裝於本體2上部之階差部。
隔熱材(爐)6可為腔室或石英管。隔熱材6其上部具有用以導入惰性氣體(例如Ar氣體)之氣體導入口(圖中未示)。來自惰性氣體供給部之惰性氣體從氣體導入口導入至爐內，而調整該爐內之壓力。導入至該爐內之惰性氣體從圖中未示之氣體排出口排出。
加熱器7配置於隔熱材6之外部。加熱器7可使用例如RH加熱器(電阻加熱器)、RF加熱器(射頻加熱器)等，具有可將SiC原料5加熱至2000℃以上之超高溫的功能。
又，在上述結晶成長裝置1，當令SiC晶種基板4之厚度為t1，令作為其基部之蓋體3的厚度為t2時，t2/t1設定未達於5，較佳係設定為3以下。由於藉此，可以該基部之熱變形吸收使SiC結晶成長於SiC晶種基板4上時產生之SiC晶種基板的熱應力，故可實現成長之SiC的結晶品質之提高、特別是基部面錯位之產生的抑制。此外，t2/t1之下限並未特別限定，可為例如0.1。
又，作為SiC晶種基板4之基部的蓋體3之厚度t2以0.8mm以上為佳。藉此，可確保蓋體3之強度，而可充分發揮作為SiC晶種基板4之基部的功能。
此外，在本例中，蓋體3呈具一定厚度之圓板形，但不限於此。舉例而言，蓋體3亦可為中央部比端部薄之圓板形。即，當蓋體3之端部的厚度為SiC晶種基板4的厚度之5倍以上時，可使蓋體3之中央部(SiC晶種基板4之基部部分)比端部薄，而使t2/t1未達於5。
又，在上述結晶成長裝置1，結構亦可為於隔熱材6設溫度測定用孔9，且使用設於隔熱材6之外部的高溫計等溫度測定器8，而可透過該孔9以非接觸方式測定成長容器內之溫度。
接著，說明使用上述結晶成長裝置1之本發明的結晶成長方法之一例。 圖2顯示本發明結晶成長方法之一例。 此外，在以下之說明中，各要件之符號對應附於圖1之符號。
首先，如步驟S1所示，將作為SiC原料(SiC固體材料)5之SiC粉末材料填充於成長容器之本體。接著，如步驟S2所示，將SiC晶種基板4貼附於成長容器之蓋體(基部部分)3。在此，SiC晶種基板4之厚度t1與該SiC晶種基板4之基部的厚度t2之比(t2/t1)設定未達於5，更佳係設定為3以下。
然後，如步驟S3所示，以SiC晶種基板4朝向內側之狀態將蓋體3安裝於成長容器之本體2的上部。又，如步驟S4所示，將該成長容器設置於作為腔室之隔熱材6內。此後，藉一面將例如腔室內真空排氣，一面將Ar氣體等惰性氣體導入至該腔室內，而於該腔室內建造預定壓力之惰性氣體環境。
接著，如步驟S5所示，以加熱器7將SiC原料5加熱，且將成長容器升溫至2000℃以上之溫度，進一步，透過溫度測定用孔9以溫度測定器8測定成長容器內之溫度，以此測定溫度為基礎，控制加熱器7之輸出，藉此，可一面調節溫度，一面使SiC原料5昇華。
結果，如步驟S6所示，SiC結晶(單晶)成長於SiC晶種基板4上。
根據以上之結晶成長裝置及結晶成長方法，藉令t2(基部之厚度)/t1(SiC晶種基板之厚度)未達於5，可將因SiC晶種基板與石墨製基部的物性差異引起之應力(熱應力)以該基部之變形吸收。結果，可抑制於成長之SiC單晶中產生的殘留應力或結晶缺陷，而可謀求結晶品質之提高。特別是因可抑制成長之SiC單晶的基部面錯位之產生，故可大為提高形成於該SiC單晶中之元件(功率元件等)的元件特性。 [實施例]
以下，列舉本發明之實施例，詳細地說明本發明，該等並非限定本發明。
(實施例) 使用了圖1之結晶成長裝置及圖2之結晶成長方法，進行SiC單晶之成長，檢驗成長之SiC單晶的基部面錯位產生多少。又，令SiC晶種基板之直徑為4吋(約10cm)。再者，令SiC晶種基板之厚度為一定，準備了SiC晶種基板之基部的厚度係使得t2/t1=1、2、3、4之四個蓋體(樣品)(實施例1~4)。
又，比較例係使用與實施例1~4相同之SiC晶種基板時，準備了使得t2/t1=5之一個蓋體(樣品)。
圖3顯示比較例之結晶成長裝置。 在該圖中，藉對與圖1之結晶成長裝置1相同的要件附上相同之符號，而省略其詳細之說明。此外，圖3之結晶成長裝置1’與圖1之結晶成長裝置1不同的點在於蓋體3之厚度t2厚，具體而言為t2/t1=5。
(實施例1) 使用圖1之結晶成長裝置，將具有1mm厚度t1之SiC晶種基板貼附於具有1mm厚度t2之石墨製蓋體(基部)，將該蓋體組入成長容器之本體後，以昇華法進行了SiC塊狀結晶之成長。又，使用多線鋸將所得之SiC晶錠切片，並且研磨，藉此，形成了SiC晶圓。接著，對該SiC晶圓施行以熔融KOH所行之蝕刻，在面內八十處計算該SiC晶圓中之基部面錯位密度，求出其平均值。
(實施例2) 使用圖1之結晶成長裝置，將具有1mm厚度t1之SiC晶種基板貼附於具有2mm厚度t2之石墨製蓋體(基部)，將該蓋體組入成長容器之本體後，以昇華法進行了SiC塊狀結晶之成長。又，使用多線鋸將所得之SiC晶錠切片，並且研磨，藉此，形成了SiC晶圓。接著，對該SiC晶圓施行以熔融KOH所行之蝕刻，在面內八十處計算該SiC晶圓中之基部面錯位密度，求出其平均值。
(實施例3) 使用圖1之結晶成長裝置，將具有1mm厚度t1之SiC晶種基板貼附於具有3mm厚度t2之石墨製蓋體(基部)，將該蓋體組入成長容器之本體後，以昇華法進行了SiC塊狀結晶之成長。又，使用多線鋸將所得之SiC晶錠切片，並且研磨，藉此，形成了SiC晶圓。接著，對該SiC晶圓施行以熔融KOH所行之蝕刻，在面內八十處計算該SiC晶圓中之基部面錯位密度，求出其平均值。
(實施例4) 使用圖1之結晶成長裝置，將具有1mm厚度t1之SiC晶種基板貼附於具有4mm厚度t2之石墨製蓋體(基部)，將該蓋體組入成長容器之本體後，以昇華法進行了SiC塊狀結晶之成長。又，使用多線鋸將所得之SiC晶錠切片，並且研磨，藉此，形成了SiC晶圓。接著，對該SiC晶圓施行以熔融KOH所行之蝕刻，在面內八十處計算該SiC晶圓中之基部面錯位密度，求出其平均值。
(比較例) 使用圖3之結晶成長裝置，將具有1mm厚度t1之SiC晶種基板貼附於具有5mm厚度t2之石墨製蓋體(基部)，將該蓋體組入成長容器之本體後，以昇華法進行了SiC塊狀結晶之成長。又，使用多線鋸將所得之SiC晶錠切片，並且研磨，藉此，形成了SiC晶圓。接著，對該SiC晶圓施行以熔融KOH所行之蝕刻，在面內八十處計算該SiC晶圓中之基部面錯位密度，求出其平均值。
(檢驗結果) •在實施例1，基部面錯位密度之平均值係965/cm2 。 •在實施例2，基部面錯位密度之平均值係980/cm2 。 •在實施例3，基部面錯位密度之平均值係1096/cm2 。 •在實施例4，基部面錯位密度之平均值係1971/cm2 。 •在比較例，基部面錯位密度之平均值係3321/cm2 。
圖4顯示t2/t1與基部面錯位密度之關係。 此關係匯整了實施例1~4及比較例之結果。
從該圖清楚可見，明白當令t2/t1為橫軸，令基部面錯位密度為縱軸時，隨著t2/t1之增加，基部面錯位密度以指數級增加。可知特別當t2/t1為5以上時，基部面錯位密度急遽地增加。因而，確認了藉令t2/t1未達於5，可使SiC晶圓之基部面錯位密度未達於3,321/cm2 ，而可提高該SiC晶圓之結晶品質。
又，確認了由於藉令t2/t1為3以下，可使SiC晶圓之基部面錯位密度為1,096/cm2 以下，而可更提高該SiC晶圓之結晶品質。
從此檢驗結果可知，在實施例，證明了藉令t2/t1未達於5，可提高SiC晶圓之結晶品質。
如以上所說明，根據本發明，可實現藉吸收因SiC晶種基板與石墨製基部之物性差異引起的應力，可謀求成長之SiC單晶的結晶品質之提高的結晶成長裝置及結晶成長方法。
此外，本發明並不限於上述實施形態。上述實施形態為例示，具有與記載於本發明之申請專利範圍的技術思想實質上相同之結構，發揮同樣之作用效果者不論何者，皆包含在本發明之技術範圍。
1:結晶成長裝置 1’:結晶成長裝置 2:本體 3:蓋體 4:SiC晶種基板 5:SiC原料 6:隔熱材(爐) 7:加熱器 8:溫度測定器 9:溫度測定用孔 S1:步驟 S2:步驟 S3:步驟 S4:步驟 S5:步驟 S6:步驟 t1:SiC晶種基板之厚度 t2:蓋體之厚度
圖1係顯示本發明結晶成長裝置之一例的截面圖。 圖2係顯示本發明結晶成長方法之一例的流程圖。 圖3係顯示比較例之結晶成長裝置的截面圖。 圖4係顯示t2/t1與基部面錯位密度之關係的圖。
1:結晶成長裝置
2:本體
3:蓋體
4:SiC晶種基板
5:SiC原料
6:隔熱材(爐)
7:加熱器
8:溫度測定器
9:溫度測定用孔
t1:SiC晶種基板之厚度
t2:蓋體之厚度

Claims (3)

  1. 一種結晶成長裝置，其藉由以昇華法將SiC原料加熱使其昇華而使SiC結晶成長於SiC晶種基板上，並包含： 石墨製成長容器，由收容該SiC原料之本體、及兼作為貼附該SiC晶種基板之基部並以該SiC晶種基板朝向內側之狀態安裝於該本體之上部的蓋體構成； 隔熱材，包圍該成長容器；及 加熱器，用來加熱該SiC原料； 若令該SiC晶種基板之厚度為t1，且令該基部之厚度為t2，則t2/t1未達於5。
  2. 如請求項1之結晶成長裝置，其中， 該t2/t1為3以下。
  3. 一種結晶成長方法，其使用如請求項1或2之結晶成長裝置，使SiC結晶成長於該SiC晶種基板上。
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