TWI361848B - Method for producing silicon carbide single crystal - Google Patents

Description

1361848 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種製造碳化矽（ 特別是關於一種製造SiC單晶之方 製造具有大尺寸及優越品質之SiC 達成晶體之生長。 【先前技術】

SiC是一種由富有導熱性所證 ，通常在抗熱性、機械強度及耐受 具有廣的能量譜帶間隙的材料。因 至可在高溫下使用之環保裝置用之 之材料，在特殊化電力控制之電力 發光裝置用之材料等。近年來，關 力裝置已引起普遍的注意且已進行 爲了使Si C單晶普及以作爲特 置用之材料，該晶體自然需要完全 降低裝置成本，彼也需要是大直徑 爲要製造此種具有大直徑且無 具有大的直徑及低的缺陷密度的晶: 然而一般可得到之品質優越之 用晶種及稱爲來利（Lely )方法之 成之晶體（來利晶體）。來利方法 有困難性且幾乎不能製造至多約1;

SiC )單晶之方法，且 法，其中藉由一種關於 單晶之製造的生長方法 明之物理及化學安定的 輻射線方面是優越的且 此，彼可以用來作爲甚 材料，抗輻射線裝置用 裝置用之材料，短波長 於特殊化電力控制之電 廣泛地發展。 殊化電力控制之電力裝 無瑕疵，例如脫位。爲 之晶片。 任何明顯瑕疵之晶片， 匯是絕對必須的》 SiC晶種是一種藉不使 昇華及再結晶方法所製 在使直徑增加之方面會 P方公分之晶體。 -5- 1361848 迄今可得之大的SiC單晶已藉以下步驟製造：使用來 利晶體作爲晶種，藉使用所謂之改良之來利方法的昇華及 再結晶方法，在相同方向（主要是在c-軸方向）上使晶體 重複生長，且在a-軸方向上一點一點地使晶體增大。 因此在a-軸方向上尺寸之增大需要很多時間。例如， 由約1英吋之晶體產製2英吋之晶體需超過1年之時間。

爲了解決上述問題，已揭示一種藉著類似於磁磚方式 地逐邊連結小尺寸之晶體以達成晶體生長之方法（參考 JP-A HEI 11-268989 及 WO-A 2003-527298);—種藉連 結SiC單晶以製造晶種之方法（參考JP-A 200卜253799) :及一種包含以下步驟之方法：在矽基材上令立方體型 SiC生長以使大直徑之晶片能被產製，從矽基材上除去已 生長之立方體型SiC，而後使立方體型之SiC受到熱處理 ，藉此將之轉化成六方體型之SiC，例如4H-型者（參考 JP-A HEI 1 1 -26 8995 )。 當藉連結小晶種所得者生長成晶種或基材時，已生長 之產物品質因有晶體瑕疵例如脫位或微管而降低，以致從 連接點之邊緣表面脫出。當使用矽基材以獲得大直徑之晶 體時，此晶體不能獲得完全令人滿意之品質，因爲Si及 SiC晶格常數間之不配合所產生之晶體缺陷存在於熱處理 後。 本發明是要提供一種能有效地完成晶體之增大而不引 起晶體缺陷之S i C單晶之製造方法。 -6- 1361848 【發明內容】 本發明已完成以實現上述目的且包含以下方面。

特別地，本發明之第一方面提供一種製造SiC單晶之 方法’其包括以下步驟：在由SiC單晶所形成之第一晶種 上以第一生長方向上生長第一SiC單晶，將該生長於第一 晶種上之第一 SiC單晶安置於平行或傾斜於該第一生長方 向之方向上且在垂直於該第一生長方向之剖面中的主軸方 向上切割所安置之第一 SiC單晶以獲得第二晶種，使用該 第二晶種以令第二SiC單晶在其第二生長方向上生長至大 於該剖面中主軸長度之厚度，將該生長於第二晶種上之第 一 SiC單晶安置於平行或傾斜於該第二生長方向之方向上 且在垂直於該第二生長方向之剖面中的主軸方向上切割所 安置之第二SiC單晶以獲得第三晶種，使用該第三晶種以 在其上生長第三SiC單晶，及以暴露{0001 }晶面之方式切 割在該第三晶種上所成長之第三s i C單晶，藉此獲得S i C 單晶。 本發明之第二方面包括第一方面之構成，其中第一單 晶生長在第一晶種上且其厚度大於第一晶種之表面直徑。 本發明之第三方面包括第一或第二方面之構成，其中 平行或傾斜於第一或第二生長方向之方向係與該第一或第 二生長方向呈（Γ或大於0°且小於90°之角度。 本發明之第四方面包括第一至第三方面之任一構成， 其中所生長之第三SiC單晶之厚度係大於第三晶種之表面 的主軸長度。

1361848 本發明之第五方面包括第一至第四方面之 晶種係藉由第一至第四方面之任一者的生長步 本發明之第六方面包括第一至第五方面之 其中藉由晶種之晶體生長部分的溫度設定在介 2300 °C並將SiC單晶原料之溫度設定在介左 2400 °C且在高於晶體生長部分之溫度的程度下 晶生長。 本發明之第七方面提供一種藉由第一至第 一方法所得之SiC單晶。 本發明之第八方面提供一種藉由第七方面 之 SiC單晶，其具有由{000 1 }所構成之定[ {000 1 }呈±30°之分枝的定向。 本發明之第九方面提供一種半導體裝置， 或第八方面之SiC單晶。 本發明之第十方面提供一種由第九方面之 所形成之轉化器。 在包含於高溫下由原料SiC供應蒸氣至由 形成之晶種以使SiC單晶生長的單晶製造方法 平行或傾斜於生長方向上切割生長的晶體以獲 。藉著使用該晶種以生長單晶，隨後以如上述 切割該單晶，藉此製造更大之晶種且重複單晶 以有效地獲得大的單晶，卻不損害結晶性。 本發明之以上及其他目的、特徵及優點， 述並參考所附圖示對精於此技藝之人士是明顯ί 構成，其中 驟所獲的。 任一構成， 於180(TC至 2 000。。至 ，令SiC單 六方面之任 之方法所得 旬或形成與 其使用第七 半導體裝置 SiC單晶所 中，藉著在 得大的晶種 之相同方式 之生長，可 由下文之描 治。 -8- 1361848 本發明之最佳實施模式 本發明所預期之製造SiC單晶的方法基本上是一種包 含以下步驟之方法：在超過2000°c之高溫下由原料SiC供 應昇華之氣體至由SiC單晶所形成之晶種，藉此使SiC單 晶生長於晶種上。

此生長方法可以適用於所有關於生長單晶之方法，例 如使用矽烷或丙烷作爲原料以代替昇華氣體之化學氣相沉 積方法（CVD方法）或藉使用熔融矽作爲溶劑進行生長之 液相生長方法。 本發明係關於一種包含以下步驟之方法：使用第一晶 種生長第一單晶，由彼製造第二晶種，生長第二單晶，由 彼製造第三晶種，且製造單晶之最終產物，且重複這些步 驟以製造單晶。該方法特徵在於能藉特別選擇相關之生長 的單晶的切割方向以順序地製造晶種以得到逐漸增大之尺 寸。 特別地，首先本發明使一種由SiC單晶所形成之晶種 (第一晶種）生長成SiC，其長度較佳是大於該晶種的主 軸。該單晶是圓形或橢圓形或長方形。主軸在圓形之情況 中是直徑，在橢圓形情況中是主軸長度，在長方形情況中 是長邊之長度。所選擇之晶種較佳是極盡可能無缺陷的。 在第二製造之後，藉本發明所得之單晶可以用來作爲晶種 由因此所得之單晶製造一種晶種（第二晶種）。此晶 -9- 1361848 種藉著在平行或傾斜於生長方向之方向上切割該單晶而製 造。平行·或傾斜方向意指與生長之軸方向呈〇°或大於〇°且 小於90°，較佳是0°或大於0°且小於45°。限定此特別範 圍之理由是要使在切割之傾斜表面上之生長軸方向之長度 盡可能地增加。 現在，將在以下說明第一晶種是圓形且在傾斜方向上 進行切割的情況（參考圖2)。

當第一晶種是圓形且生長之單晶在傾斜方向上被切割 時，在第二晶種中垂直於生長方向上所形成之剖面是橢圓 形。若a代表第一晶種之圓形的直徑且b代表單晶剖開部 分之高度，則第二晶種剖面的次軸方向上的長度會是a且 主軸方向上之長度會是[a2 + b2]之平方根（.圖2 ( 1 ))。 製造此第二晶種以生長第二SiC單晶。生長之單晶是 具有橢圓剖面之柱狀體形。其長度（生長之厚度）大於主 軸長度。 其次，此柱狀體被製造成第三晶種。此製造方法由在 平行於長度方向或傾斜於長度方向上切割柱狀單晶之步驟 所構成。傾斜角度同於上述者。在剖面中所進行之切割方 向是橢圓形之長軸方向，爲要極盡可能地增大晶種之面積 。若d代表在切割點上單晶之高度，假設b<d，則第三晶 種之表面的次軸長度c會是[a2 + b2]之平方根且其主軸長度 會是[a2 + d2]之平方根（圖2(2))。藉重複此程序，可 能使順序產製之晶種逐漸增加面積。製造該第三晶種以生 長單晶（圖2 ( 3 ))。當由此生長所得之單晶不被製成晶 -10- 1361848 種時，此生長之長度不受特別限制。然而生長之單晶之長 度較佳是大於所用之晶種之主軸長度。最後，藉切割生長 之單晶以暴露{000 1 }晶面，可能得到SiC單晶以作爲製造 物件。

附帶地，先前描述已涵蓋至第三晶種上生長第三單晶 之步驟的程序。在此，藉著由生長之單晶獲得晶種且進一 步使所得之晶種生長成單晶，由此重複此程序直至最後所 得之單晶被切割以暴露{ 000 1 }晶面且使SiC單晶成爲製造 物件，更大單晶之獲得變爲可能。 爲了在上述晶種製造期間進行切割，雖然可利用使用 外部週邊之切割刃之切割，使用內部週邊之切割刃之切割 ，使用線鋸之切割等，但特佳是使用線鋸之切割。 現在，本發明之生長單晶之方法將在以下參考所附之 圖示來特別地描述。 本發明之用以生長單晶之裝置的實例說明於圖1中。 本發明之一具體表現將參考圖1來描述。參考圖1，參考 編號1指明一真空室，其是用能保持高度真空之材料例如 石英或不鏽鋼所製成：編號2指明熱絕緣材料；且編號6 指明石墨坩鍋。在欲作爲晶體生長部分之坩鍋的上部固定 一晶種4，亦即SiC晶種。石墨坩鍋及熱絕緣材料較佳使 用已用鹵素氣體進行精製處理之含碳材料。石墨堪鍋6之 下部具有大的尺寸以致能儲存足量之SiC原料5以生長晶 體。爲加熱坩鍋6，高頻加熱線圈纏繞在堪鍋周圍。藉— 真空幫浦由出口 8將空氣排出真空室。經由入口 7供應高 -11 - 1361848 純度氣氣且因此使其中保持除壓狀態之氬氣壓。

本發明藉使用圖1中所說明之SiC單晶製造用裝置進 行Sic晶體之生長如下。使用亞克森（Acheson)晶體、 來利晶體、由昇華及再結晶方法所得之單晶或類似者作爲 用以生長之晶種。晶體定向可以是{0001}、{10-10}及 20}之任一者且可以忍受分枝的存在，只要實際品質不受 損。爲要除去磨光之損害，較佳對晶種進行犧牲的氧化作 用、反應性離子蝕刻、化學機械磨光或類似者以作爲最終 精製步驟。使用藉亞克森方法、來利方法或昇華方法所製 造之單晶以作爲Sic單晶。 經預處理之晶種被固定於坩鍋蓋上且欲作爲原料之 SiC粉末裝塡於坩鍋中與晶種相反之位置上。在週邊安置 熱絕緣材料後，坩鍋放置於加熱爐中預定之位置上。雖然 通常普遍使用高頻加熱以作爲加熱方法，但可以用電阻加 熱代替。加熱溫度在坩鍋上部調節至1800 °C至2200 °C之 範圍內且在坩鍋下部調節至2000 °C至2400 °C之範圍內。 生長期間所用之壓力在660 Pa至13 kPa範圍內。 已進行如上述之表面處理的晶種4被機械地或藉黏合 之接合方法固定至石墨坩鍋蓋上晶體生長部份中。以相對 於晶種4之方式安置SiC原料粉末5於其中之石墨坩鍋6 被放置於真空室1中，後者藉渦輪分子幫浦抽真空直至空 氣壓力達3xl(T5 Torr。在此之後，真空室內部完全用高純 度之氬氣來墳充。在石墨坩鍋6之外側，設置高頻線圈以 作爲用以加熱坩鍋之加熱裝置3。此加熱裝置3是一種加 -12- 1361848 熱石墨坩鍋6內之SiC原料5至超過1 900°C溫度（例如能 使原料因昇華產生氣體之溫度）的裝置。

附帶地，加熱裝置3可以是利用電阻加熱之形式者。 爲令坩鍋保持於高溫狀態，石墨坩鍋較佳用例如碳纖維製 之熱:絕緣材料2來覆蓋。在加熱期間，線圏位置例如調節 於具有700 Torr之氬氣壓之環境中以使含有晶種之晶體生 長部分可以被加熱至1 800t：至230(TC之溫度範圍內且含 有SiC原料之高溫部分可以加熱至比晶體生長部分之溫度 更高之20001至2400 °C之溫度範圍內。 在晶體生長之環境中的壓力逐漸降至10至150 T〇rr 範圍內且晶體以約0.5至1毫米/小時之速度生長。在生 長過程中，可以視情況需要添加雜質例如氮或鋁。在完成 生長後，晶體生長之環境中的壓力轉換成原初之7〇〇 Torr 程度且坩鍋被冷卻。 在完成生長後從坩鍋中取出之晶體使用外部週邊切割 刃或線鋸在平行或傾斜於生長方向之方向上被切割。藉此 切割所除去之厚度被調節至約0.5至5毫米之範圍內。由 此切割出之晶體進行與第一者所採用者相同之磨光處理及 預處理且隨後能用來製備其下生長用之晶種。在重複此程 序以增大晶體至預定之尺寸後，藉X光繞射裝置測試該經 增大的晶體以確認晶體定向且進行與暴露所需晶面有關之 切割工作及磨光工作，結果獲得大直徑之晶種或大直徑之 晶片。 本發明之實例將說明於下。然而’本發明不限於這些 -13- 1361848 實例。 【實施方式】 實例1 :

使用暴露（ 0001 )面之4H-SiC單晶之晶種基材（直 徑50毫米且厚度0.4毫米）在1 l〇°C下用硫酸—過氧化氫 混合溶液洗滌10分鐘，用流動之超純水洗滌5分鐘，用 氨-過氧化氫混合溶液洗滌10分鐘，用流動之超純水洗 滌5分鐘，用氫氯酸-過氧化氫混合溶液洗滌10分鐘， 用流動之超純水洗滌5分鐘且另外用HF溶液洗滌。在此 之後，彼在1200°C下進行表面氧化作用且再次進行氟化氫 之洗滌以完成而作爲晶種。 在石墨製且內徑爲50毫米且深95毫米之坩鍋中， SiC原料粉末（由Showa Denko K.K製且以“#240”之商品 編號銷售）塡充至60毫米高。而後，晶種快速地傳至石 墨製坩鍋用之蓋的下側。 該蓋安置於坩鍋之開放部分。整個石墨坩鍋用碳纖維 製之熱絕緣材料來包裹且固定在高頻加熱爐內之反應室中 。反應管內部經由氣體排放汽口 8除壓至5x1 0·5 Torr，而 後用經由惰性氣體入口 7導入之氬氣塡充至常壓，隨後經 由氣體排放汽口再次除壓至5xl0·5 Torr以將空氣由反應 管內排出。而後，氬氣經由惰性氣體入口導入直至達700 Torr。石墨坩鍋被加熱直至其上部達2200 °C且下部達 22 5 0°C至23 00 °C之程度。在此之後，經由氣體排出汽口排 -14- 1361848 出氣體，氬氣壓被減壓至5.3 kPa ’晶體之生長進行20小 時。在此時間點上，暫停生長且用新鮮之供應代替原料粉 末。藉重複此程序5次，能達成1〇〇毫米長度之生長。 因此所得之晶體在垂直於生長方向上被切割且鏡磨光 以得到供下次生長用之晶種。晶種尺寸爲50毫米xlOO毫 米（長方形）。其厚度是1毫米。

此晶種以如上述之相同方式生長直至達111毫米之長 度。生長之晶體被垂直切割以與在100毫米之邊上的表面 平行，獲得一晶種。晶種表面尺寸爲100毫米XI1 1毫米。 其厚度是1毫米。 此晶種進一步生長直至長度達100毫米。此生長之單 晶用X光繞射裝置來測試，以決定能暴露{000 1 }面之晶體 定向，沿著該晶體定向切割且調整形狀，結果獲得直徑 100毫米之單晶》 實例2 : 被堆砌以與4H-SiC晶體之{0001 }面呈10°之晶體被用 來作爲晶種（直徑5 0毫米之圓）且在與實例1中相同條 件下進行晶體生長。 在此晶種上，進行第一生長直至長度爲90毫米。生 長之晶體以與生長方向呈3 0°之角度傾斜地切割，以獲得 橢圓形之晶種，其切割面具有約100毫米之主軸及50毫 米之次軸。其厚度是1毫米。此橢圓形晶種進一步生長直 至長度爲100毫米。生長之晶體以與生長方向呈45°之角 -15- 1361848 度且平行於主軸傾斜地切割，以獲得晶種，其主軸及次軸 幾乎具有100毫米之等長度（實際上是圓形）。其厚度是 1毫米。 此圓的晶種進一步生長直至長度爲100毫米。由此所 得之生長的晶體用X光繞射裝置測試以決定能暴露{000 1 } 面之晶體定向，沿著晶體定向切割且調整形狀，結果得到 直徑100毫米之單晶。 [工業適用性] 因爲Sic有優越之導熱性/熱阻及機械強度，其單晶 被用在不同應用中，作爲半導體裝置及作爲其形成之轉化 器。特別地’使用單晶以作爲控制電力用之電力元件已受 人注意。 【圖式簡單說明】

圖1說明本發明中用以生長晶體之裝置的剖面的實例 〇 圖2是說明晶體切割方向的說明性作圖。 -16-

Claims (1)

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附件(A):第096117640號申請專利範圍修正本 十、申請專利範圍 正本 民國100年7月 8 曰修正

1 · 一種製造Sic單晶之方法，其包含以下步驟： 在由Sic單晶所形成之第一晶種上以第一生長方 長第一 S i C單晶； 將該生長於第一晶種上之第一 SiC單晶安置於平 傾斜於該第一生長方向之方向上且在垂直於該第一生 向之剖面中的主軸方向上切割所安置之第一 SiC單晶 得第二晶種； 使用該第二晶種以令第二SiC單晶在其第二生長 上生長至大於該剖面中主軸長度的厚度； 將該生長於第二晶種上之第二SiC單晶安置於平 傾斜於該第二生長方向之方向上且在垂直於該第二生 向之剖面中的主軸方向上切割所安置之第二SiC單晶 得第三晶種； 使用該第三晶種以在其上生長第三SiC單晶；及 以暴露{0001}晶面之方式切割在該第三晶種上所 之第三S i C單晶，藉此獲得S i C單晶。 2. 如申請專利範圍第1項之製造SiC單晶之方 其中第一SiC單晶生長在第一晶種上且其厚度大於第 種之表面直徑。 3. 如申請專利範圍第1或2項之製造S i C單晶 法，其中平行或傾斜於第一或第二生長方向之方向係 向生 行或 長方 以獲 方向 行或 長方 以獲 生長 法， 一晶 之方 與該 fl361848 第一或第二生長方向呈0°或大於0°至小於90°之角度。 4. 如申請專利範圍第1或2項之製造SiC單晶之方 法，其中所生長之第三SiC單晶之厚度係大於第三晶種之 表面的主軸長度。 5. 如申請專利範圍第1或2項之製造SiC單晶之方 法，其中晶種係藉由申請專利範圍第1至4項中任一項之 方法中之任何生長步驟所獲得。 6. 如申請專利範圍第1或2項之製造SiC單晶之方 法，其中藉由將晶種之晶體生長部分的溫度設定在介於 1 8 00艺至2300 °C並將SiC單晶原料之溫度設定在介於 2000°C至2400°C且在溫度高於晶體生長部分之溫度下，令 S i C單晶生長。 -2-