TW482833B - Single crystal SiC and a method of producing the same - Google Patents

Description

482833 A7 B7 五、發明説明（彳) 本發明係有單結晶碳化矽及其製造方法者，更詳細者 係有關做爲發光二極管，ULSI (超大型集成電路）， 整流元素，開關元素，放大元素，光傳感器等之高溫半導 體電子元素之基板晶圓等所使用之單結晶S i C及其製造 方法者。 先行技術中，S i C (碳化矽）比S i (矽），

GaAs (鎵砷）等之既存半導體材料不僅耐熱性及機械 性強度較佳之外，高溫特性，高周波特性，耐壓特性，耐 環境特性亦佳，更藉由不純物之添加後，容易控制電子， 正孔之價電子，且具有廣範圍禁止帶幅（即6 Η型之 S i C單結晶約3 · 0 e V，4Η型之S i C單結晶 3· 26 eV)因此做爲新一代之Power Device用半導體 材料被重視，且被期待之。 而做爲此種S i C單結晶之製造方法者，先行技術中 ，藉由使用種結晶之昇華再結晶法製造S i C單結晶之方 法與高溫度時於矽基板上使用化學氣相成長法（CVD法 )後使外延成長後製造立方晶之S i C單結晶（冷一 SiC)之方法爲公知者。 惟，上述之先行技術之製造方法不僅共同結晶成長速 度爲l#m/hr ，之極低速者，而昇華再結晶法時，製 造被稱爲微管缺陷之半導體device時存在於造成漏電流等 原因之結晶貫穿成長方向之直徑數微米之針孔爲1 〇 0〜 1 0 0 0 / c m 2之成長結晶之問題點’此乃如上所述，相 較Si ，GaAs等之既存半導體材料後，具有極多優點 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 争· 482833 A7 __ B7 五、發明説明（2 ) 特徵，卻阻礙其實用化之重要因素。 又，高溫C V D法時，除基板溫度高至1 7 0 0〜 1 9 0 0°C之外，尙需具備高純度之還原性氣分，設備極 爲困難，更且，爲了外延成長其成長速度亦受限等問題出 現。 本發明鑑於上述之先行技術之問題，因此以提供一可簡 單有效製造晶格缺陷及微管缺陷幾乎未受影響之極高品質 之單結晶S i C與由作業面，設備面視其高品質單結晶 S i C均容易者，可促進做爲半導體材料之實用化之單結 晶S i C之製造方法者爲其目的者。 本發明之單結晶S i C係於S i C單結晶基材之表面 藉由s i原子與C原子組成1 〇//m以上之厚度之多結晶 板合成後形成複合體經熱處理後，使該多結晶板之多結晶 體變換成單結晶者爲其特徵。 如此組成之本發明不僅S i C單結晶基材及其表面所 合成之多結晶板組成之複合體經熱處理之設備面，作業面 方法均極爲簡單，使多結晶板之多結晶體轉變後其結晶可 有效與S i C單結晶基材之結晶軸同方位配向之單結晶充 份成長之。且，複合體中多結晶板之厚度做成1 〇 /zm以 上後，於S i C單結晶基材表面附近即使殘留造成妨礙多 結晶板側之多結晶體之單結晶化原因之微管缺陷，仍不致 影響其缺陷可使單結晶變大成長之。因此，微管缺陷，幾 無影響其缺陷者可取得高品質之單結晶S i C者。因此， 比起Si (矽），GaAs (鎵砷）等既存半導體材料其 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — ll· —----·——— ——1TL-----Φ. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 482833 A 7 B7 五、發明説明（3 ) 較佳之高溫特性，高周波特性，耐壓特性，耐環境特性等 可做爲Power Device用半導體材料可有效促進單結晶 S i C之實用化者。 又，本發明之單結晶S i C之製造方法係於S i C單 結晶基材之表面上由S i原子與C原子組成1 〇#m以上 厚度之多結晶板經合成後，使其複合體熱處理後將該多結 晶板之多結晶體變換成單結晶育成者爲其特徵者。 此製造方法亦幾無微管缺陷不造成任何缺陷影響簡單 取得高品質單結晶S i C，且有效成長後，可做爲性能極 優異之半導體材料之可利用之單結晶S i C於工業規模安 定性佳被製造後可有效供給之。 麫浐部中呔^.準h消费合作扣印繁 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 又，本發明之單結晶S i C及單結晶S i C之製造方 法中，將形成複合體之多結晶板於S i C單結晶基材表面 藉由物理性蒸鍍法或熱化學性蒸鍍法後做成被成膜之点-S i C多結晶板之同時，將此々一 S i C多結晶板之熱化 學性蒸鍍溫度設定爲13 0 0〜1 6 0 0°C之範圍時，可 控制S i C單結晶基材及其表面之多結晶板間不純物之涉 入，或其不純物之擴散，比S i C單結晶基材更少不純物 或晶格缺陷之高純度，高品質之單結晶S i C可有效取得 〇 〔圖面之簡單說明〕 圖1係代表本發明之單結晶S i C之熱處理前複合體 之模式圖，圖2係代表擴大單結晶S i C之熱處理前重要 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 482833 五、發明說明（4)銳儿29 部位之圖，圖3係代表擴大單結晶S i C之熱處理後重要 部位之圖者。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 符號說明 1 α - S 1 C單結晶基材 . 2 /3 — SiC多結晶板 3 界面 4 多結晶體 5 單結晶 以下說明有關實施例。圖1係代表單結晶S i C熱處 理前複合體Μ之模式圖者，因此，此複合體μ係於六方晶 系（6Η型，4Η型）之a — SiC單結晶基材1之表面 卜-藉由高周波磁控管，濺射法（以下稱P V D法）或 1 3 0 0〜1 6 0 0 t之溫度範圍下熱化學性蒸鍍法（以 下稱C V D法）後，以1 〇 // m以上厚度（t )之立方晶 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 系/3 — S 1 C多結晶板2成膜後被形成之，此/3 — S i C 多結晶板2之成膜階段中，藉由圖2之顯微鏡淸楚顯示截 面腐蝕照片，於殘存晶格缺陷及微管缺陷之α - S i C單 結晶基材1之表面上Θ - S i C多結晶板2之多結晶體4 被成長後，α — S 1 C單結晶基材1與/3 — S i C多結晶 板2相互不同結晶面接合之結晶形態呈現直線狀淸楚界面 3。 · 此外，、將該複合體Μ全體於1 6 0 〇〜2 4 0 0°C， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 482833 五、發明說明（5 / …、s、S.] 較佳者爲2 0 0 0〜2 2 0 〇°C之溫度範圍下，且於 S i C飽和蒸氣壓中藉由熱處理後，於該界面3引起晶格 振動後改變原子間配列之固相成長做爲主體產生結晶成長 ’因此’藉由圖3之顯微鏡淸楚顯不截面腐餓照片，該yg 一 S i C多結晶板2之多結晶體4變相爲α — S i C後於 該万—S i C多結晶板2與該α — S i C單結晶基材1之 結晶軸同方位配向之單結晶5與α — θ i C單結晶基材1 側之單結晶成整體化育成之。 .而，該複合體Μ中於形成該界面3之α - S i C單結 晶基材1之表面附近分散著針孔狀之微管缺陷，存在此微 管缺陷個處上伴隨上述之熱處理之/3 — S i C多結晶板2 側之多結晶體4與α — S i C單結晶基材1之結晶軸同方 位配向之該基材1側之單結晶成整體成長之單結晶5無法 充份成長，或即使成長於該界面3附近，具體而言，由界 面3至未滿.1 0 /zm之厚度範圍L中殘存影響其微管缺陷 及其被影響之缺陷，含此缺陷之單結晶S i C者其品質爲 極不良者。 針對此點考量，本發明該複合體Μ中α — S i C單結 晶基材1之表面使Θ - S i C多結晶板2爲1 〇 # m以上 厚度（t )之成膜。因此，除上述殘存缺陷之範圍L以外 之範圍L 1之/3 - S 1 C多結晶板2側之微管缺陷或其被 影響者完全不存在使單結晶5可充份成長，藉由使用此範 圍L 1之單結晶5後可取得高品質之單結晶S i C。· 亦即，.本申請人如以下所述方法所製造之單結晶 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -------------1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂j------鍊▲ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制农 -8 - 482833 A7 B7 年月 ^——_zizrj 五、發明說明（6 ) S i C之試料進行如下之實驗。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 即，使用高周波磁控管，濺射裝置後，以/3 - S i C 材做爲α — S i C單結晶基材1表面之目標，於氬（A r )氣，Ο · lT〇r r，基材溫度600 t下進行累計 2 0小時之成膜。再置入CVD — S i C附蓋坩堝中維持 S i C飽和蒸氣壓同時於2 2 0 0°C下進行5小時熱處理 ，使濺射之/3 - S i C多結晶板側之表面輕輕硏磨之同時 以氫氧化鉀（K〇Η )與紅血鹽之混合溶液煮沸後使表面 腐融。之後，其表面以normal squee干擾顯微鏡放大4 0 0 倍觀察後，完全未出現結晶粒界。 又，如上所製造之單結晶S i C試料係利用X線反射 裝置藉由結晶後進行X線之折射，測定橫軸爲2 0，縱軸 做爲折射強度之折射模型。其結果，C u Κ α線2 Θ爲 4 0〜7 0 °間以等間隔出現折射強度之波尖。由此可確 定如上所製造之單結晶S i C試料之組成原子爲有規則並 排之單結晶者。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 另外，做爲S 1 C單結晶基材者，該實施例中係使用 α — S i C單結晶基材1 ，除此之外，亦可使用如：^ 一 s i C煅燒體，0 — s i C單結晶體等等，又，做爲多結 晶板者，該實施例中藉由P V D法或熱c V D法後使用於 α — S i C單結晶基材1之表面上成膜之石一 s i C結晶 板2 ，除此之外，亦可使用如：α - S i C多結晶板，高 純度之S 1 C煅燒體，高純度（1 〇 1 4 atm / c m 3 )以下 之非晶質板、，可取得與該實施例相同之高品質單結晶 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -9- 482833 89. 3. 修正 月a 補充 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（7) S 1 C 者。 又，該實施例中，做爲α — S i C單結晶基材1者’ 亦可使用型，4H型任一均可，使用6H型時，由伴 隨熱處理後之/5 - S i C多結晶板2之多結晶體轉換成α - S i C之單結晶易與6 Η型之單結晶同形態者育成之’ 又，使用4 Η型之單結晶基材1時，易與伴隨熱處理後之 其4 Η型之單結晶同形態之單結晶轉化育成之。 更且，做爲該複合體Μ之熱處理溫度條件者’以 1 6 50〜2400 °C，處理時間爲1〜3小時者宜。若 ，熱處理溫度小於1 6 5 0 °C時，則形成原子運動能之界 面無法供與多量之S 1 C。反之，大於2 4 0 0 °C則 S i C之分解能遠大於熱能之供給，S i C之結晶被分解 之。 又，本申請內容之開示係均被載於1 9 9 7年6月 2 5日申請之特願平9 一 2〇7 0 3 9號明細書，主題， 圖面及摘要文中。 如以上所述，本發明係於S i C單結晶基材之表面上 藉由S i原子與C原子組成之1 〇 m以上多結晶板經合 成後形成之複合體熱處理後，與將多結晶板多結晶體變換 爲單結晶之S i C單結晶基材之結晶軸同方位配向之單結 晶成整體大型成長後，不僅具優異之耐熱性，及機械性強 度，更不影響微管缺陷及其他缺陷可有效製造高品質之單 結晶S i C之高超技術者。 · 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 11 —-------AKW-------tr—^------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -10-

Claims (1)

1. 482833 A8 B8 d- Λ.a. D8 六、申請專利範圍Ll' 4 第87 1 1 098 1號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 民國89年3月修正 1 •一種單結晶S 1 C，其特徵係於α 一 s i C單結 晶所成的S i C單結晶基材的表面上，由s i原子以及C 原子所構成，且於S i C單結晶基材的表面以物理蒸鍍法 、或1 3 0 0至1 6 0 0 °C範圍的熱化學蒸鍍法成 1 〇#m以上厚度的膜之非晶質或yS — S i C多結晶板， 將此疊層成的複合體進行熱處理後，使上述多結晶板之多 結晶體變換而結單結晶S i C。 2 · —種單結晶S i C的製造方法，其特徵係於使用 α 一 S 1 C單結晶所成的S i C單結晶基材表面上，疊層 1〇m以上厚度的A - S i C多結晶板後，此疊層的複 合體於比形成/5 - S 1 C多結晶板時較高溫度之1 6 5 0 至2 4 0 0°C下，且於S i C飽和蒸氣壓中進行熱處理， 使上述多結晶板的多結晶轉換結晶成單結晶者。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 ·如申請專利範圍第2項的單結晶s i C的製造方 法，其中/3 — S i C多結晶板係，由上述s i C單結晶基 材表面上，以物理蒸鍍法或熱化學蒸鍍法進行成膜者。 4 ·如申請專利範圍第3項的單結晶s i C的製造方 法，其中/3 — S i C多結晶板係，由1300至〜 1 6 0 0 °C範圍的熱化學蒸鍍法進行上述s i C單結晶基 材之表面上成膜者。 - 5 ·如<申請專利範圍第2項的單結晶s i C的製造方 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公爱） 482833 A8 B8 C8 D8 t、申請專利範圍法，其中上述複合體的熱處理溫度爲2 Ο Ο 0至 2 2〇〇°C者。 • I -τ — I. I I — I ί I I I I I I I I I-tTL « — — — — — — I— . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -2 -