TWI766133B - 碳化矽晶體及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種碳化矽晶體及其製造方法，碳化矽晶體包括材質為碳化矽且依序堆疊的N型晶種層、阻障層、及半絕緣塊體。N型晶種層具有介於0.01~0.03Ω．cm的電阻率。阻障層包含有於所述N型晶種層上依序磊晶形成的多個磊晶膜，並且每個磊晶膜的一碳矽比是沿著自鄰近所述N型晶種層朝向遠離所述N型晶種層的一成形方向漸增。碳化矽晶體的氮濃度是自所述N型晶種層朝向半絕緣塊體擴散且呈遞減分佈，以使所述半絕緣塊體具有大於107Ω．cm的電阻率。

Description

碳化矽晶體及其製造方法
本發明涉及一種晶棒及其製造方法，尤其涉及使用低電阻率晶種的一種碳化矽晶體及其製造方法。
現有的碳化矽晶體之製造方法所採用的晶種大都是半絕緣晶種層，以利於在半絕緣晶種層通過長晶製程形成有高電阻率的一半絕緣塊體。然而，上述半絕緣晶種層的價格高昂且取得不易，因而無形中影響了半絕緣塊體的製造成本及生產效率，已成為本領域亟欲改善的問題之一。
於是，本發明人認為上述缺陷可改善，乃特潛心研究並配合科學原理的運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺陷的本發明。
本發明實施例在於提供一種碳化矽晶體及其製造方法，其能有效地改善現有碳化矽晶體之製造方法所可能產生的缺陷。
本發明實施例公開一種碳化矽晶體，包括：一N型晶種(N-type seed)層，其材質為碳化矽並且具有介於0.01~0.03Ω．cm的一電阻率(resistivity)；一阻障層，包含有於所述N型晶種層上依序磊晶形成的多個磊晶膜，並且每個所述磊晶膜的材質為碳化矽；其中，每個所述磊晶膜具有一碳矽比(C/Si ratio)，並且多個所述磊晶膜的所述碳矽比是沿著自鄰近所述N型晶種層朝向遠離所述N型晶種層的一成形方向漸增；以及一半絕緣塊體，其於遠離所述N型 晶種層的一個所述磊晶膜上長晶所形成，並且所述半絕緣塊體的材質為碳化矽；其中，所述碳化矽晶體的氮濃度是自所述N型晶種層朝向所述半絕緣塊體擴散且呈遞減分佈，以使所述半絕緣塊體具有大於107Ω．cm的一電阻率。
本發明實施例也公開一種碳化矽晶體的製造方法，包括：一準備步驟：提供一N型晶種層，其材質為碳化矽並具有介於0.01~0.03Ω．cm的一電阻率；一磊晶步驟：於所述N型晶種層上通過一磊晶製程依序形成有材質為碳化矽的多個磊晶膜，並且多個所述磊晶膜的一碳矽比是沿著自鄰近所述N型晶種層朝向遠離所述N型晶種層的一成形方向漸增；以及一長晶步驟：於遠離所述N型晶種層的一個所述磊晶膜上通過一長晶製程形成有材質為碳化矽的一半絕緣塊體；其中，所述碳化矽晶體的氮濃度是自所述N型晶種層朝向所述半絕緣塊體擴散且呈遞減分佈，以使所述半絕緣塊體具有大於107Ω．cm的一電阻率。
綜上所述，本發明實施例所公開的碳化矽晶體及其製造方法，通過在N型晶種層與半絕緣塊體之間形成有多個磊晶層，以能有效地阻擋上述N型晶種層的氮擴散，進而使得價格較低且容易取得之N型晶種層能夠被用來形成具備高電阻率的半絕緣塊體，藉以有效地降低所述半絕緣塊體的製造成本、並提升其生產效率。
為能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，但是此等說明與附圖僅用來說明本發明，而非對本發明的保護範圍作任何的限制。
100:碳化矽晶體
1:N型晶種層
2:阻障層
21、22、23:磊晶膜
3:半絕緣塊體
H:成形方向
S110:準備步驟
S130:磊晶步驟
S150:長晶步驟
圖1為本發明碳化矽晶體的平面示意圖。
圖2為本發明碳化矽晶體的製造方法的流程示意圖。
請參閱圖1和圖2所示，其為本發明的實施例，需先說明的是，本實施例對應附圖所提及的相關數量與外型，僅用來具體地說明本發明的實施方式，以便於了解本發明的內容，而非用來侷限本發明的保護範圍。
本實施例公開一種碳化矽晶體100及其製造方法，而為便於理解本實施例的內容，以下將先說明所述碳化矽晶體100的具體構造，而後再接著說明上述碳化矽晶體的製造方法。
如圖1所示，所述碳化矽晶體100包含有一N型晶種(N-type seed)層1、一阻障層2、及一半絕緣塊體3。其中，上述N型晶種層1、阻障層2、及半絕緣塊體3是沿一成形方向H(如：圖1中的由下往上)堆疊形成、並且材質皆為碳化矽。以下將分別就本實施例之碳化矽晶體100的各個部位作一說明，但本發明不以此為限。
所述N型晶種層1的厚度介於300~500微米(μm)，並且N型晶種層1的厚度於圖1中是以350微米來說明。其中，所述N型晶種層1具有介於0.01~0.03Ω．cm的一電阻率(resistivity)，並且所述N型晶種層1的氮濃度為M1×1018atom/cm3，0<M1<10。進一步地說，本實施例的N型晶種層1電阻率例如是0.02Ω．cm，而M1例如是5.71，但本發明不以此為限。
據此，本實施例所採用的N型晶種層1的厚度較薄(如：約為現有半絕緣晶種層之厚度的一半)，並且所述N型晶種層1是屬於價格較低(如：低於現有半絕緣晶種層之價格的60%)且容易取得之晶種。
然而，所述N型晶種層1的氮濃度較高，所以如何避免上述N型晶種層1的氮過度擴散至所述半絕緣塊體3，即為本實施例之阻障層2的設置用意所在。也就是說，所述阻障層2能阻擋上述N 型晶種層1的氮擴散，以使所述半絕緣塊體3能具有較低的氮濃度、進而具備有較高的電阻率。
所述阻障層2包含有於N型晶種層1上依序磊晶形成的多個磊晶膜21、22、23，並且每個磊晶膜21、22、23的材質為碳化矽。其中，所述阻障層2的厚度為300微米以下，並且上述每個磊晶膜21、22、23的厚度為100微米以下。而於所述阻障層2中，相連於所述半絕緣塊體3的所述磊晶膜21、22、23之厚度大於相連於所述N型晶種層1的所述磊晶膜21、22、23的厚度。
進一步地說，所述阻障層2所包含的磊晶膜21、22、23數量於本實施例中為三個，並且上述三個磊晶膜21、22、23的厚度自鄰近所述N型晶種層1朝向遠離N型晶種層1依序為5微米、5微米、及30微米，但本發明不受限於此。
再者，所述每個磊晶膜21、22、23具有一碳矽比(C/Si ratio)，並且上述多個磊晶膜21、22、23的碳矽比是沿著自鄰近所述N型晶種層1朝向遠離所述N型晶種層1的成形方向H漸增。舉例來說，自鄰近所述N型晶種層1朝向遠離所述N型晶種層1的三個磊晶膜21、22、23之碳矽比依序為1.2~1.4、1.4~1.6、及1.7~1.9。而於本實施例中，上述三個磊晶膜21、22、23之碳矽比依序為1.3、1.5、及1.8，但本發明不受限於此。
據此，所述阻障層2通過多個磊晶膜21、22、23的碳矽比分布不同以及厚度上的差異，以有效地阻擋上述N型晶種層1的氮擴散。進一步地說，於本實施例中，自鄰近所述N型晶種層1朝向遠離所述N型晶種層1的三個磊晶膜21、22、23之氮濃度依序為M2×1017atom/cm3、M3×1016atom/cm3、M4×1015atom/cm3；其中，0<M2<10、0<M3<10、0<M4<10。再者，M2例如是5.5，M3例如是5.5，而M4例如是4.0，但本發明不以此為限。
需額外說明的是，本實施例的阻障層2除了能夠有效地阻擋 上述N型晶種層1的氮擴散之外，所述阻障層2還能具備有修飾N型晶種層1缺陷之效果。舉例來說，現有半絕緣晶種層中所存在的基面位錯(basal plane dislocation，BPD)情況，在現有半絕緣晶種層進行長晶製程而形成半絕緣塊體的過程中，上述基面位錯情況會延續存在於半絕緣塊體內。然而，所述N型晶種層1中所存在的基面位錯情況，其在通過以磊晶製程形成多個磊晶膜21、22、23之過程中，會有逐漸減緩的效果，以使得在阻障層2上所形成的半絕緣塊體3，其所存在的基面位錯情況會優於N型晶種層1。
所述半絕緣塊體3於遠離上述N型晶種層1的一個所述磊晶膜21、22、23上長晶所形成，並且所述半絕緣塊體3的材質為碳化矽。其中，基於上述阻障層2設置於所述半絕緣塊體3與N型晶種層1之間，所以所述碳化矽晶體100的氮濃度是自所述N型晶種層1朝向所述半絕緣塊體3擴散且呈遞減分佈，以使所述半絕緣塊體3能夠具有大於107Ω．cm的一電阻率。
於本實施例中，所述半絕緣塊體3的氮濃度是接近於其所相連的所述磊晶膜21、22、23之氮濃度，並且所述半絕緣塊體3的電阻率為M×109Ω．cm，0<M<10。其中，所述半絕緣塊體3的電阻率是沿所述成形方向H自鄰近所述阻障層2的部位朝向遠離所述阻障層2的部位大致呈漸增狀。舉例來說，若將半絕緣塊體3沿著成形方向H劃分為十等分時，所述十等分之M值沿成形方向H依序為2.8、3.5、5.4、6.5、6.7、6.7、6.6、6.6、6.7、及7.0，但本發明不以此為限。
依上述所載，本實施例的碳化矽晶體100通過在N型晶種層1與半絕緣塊體3之間形成有多個磊晶層，以能有效地阻擋上述N型晶種層1的氮擴散(如：半絕緣塊體3的氮濃度約為N型晶種層1氮濃度的千分之一)，進而使得價格較低且容易取得之N型晶 種層1能夠被用來形成具備高電阻率的半絕緣塊體3，藉以有效地降低半絕緣塊體3的製造成本、並提升其生產效率。
以上為本實施例碳化矽晶體100的結構說明，下述接著介紹碳化矽晶體的製造方法。其中，本實施例的碳化矽晶體100較佳是以實施下述製造方法所製造形成，但本發明不受限於此。也就是說，所述碳化矽晶體100也可以是依據設計需求而微調或改變下述製造方法所製成。
如圖1和圖2所示，所述碳化矽晶體的製造方法於本實施例中包含一準備步驟S110、一磊晶步驟S130、及一長晶步驟S150。以下將就本實施例碳化矽晶體的製造方法之各個步驟作一說明，而有關於碳化矽晶體100中之各部位材質或結構特徵請參酌上述圖1的相關介紹，以下不再加以贅述。
所述準備步驟：提供一N型晶種層1，其材質為碳化矽並具有介於0.01~0.03Ω．cm的一電阻率。
所述磊晶步驟：於所述N型晶種層1上通過一磊晶製程依序形成有材質為碳化矽的多個磊晶膜21、22、23(如：三個磊晶膜)，並且多個所述磊晶膜21、22、23的一碳矽比是沿著自鄰近所述N型晶種層1朝向遠離所述N型晶種層1的一成形方向H漸增。
進一步地說，於所述磊晶步驟中，形成多個所述磊晶膜21、22、23的所述磊晶製程較佳是處於無氮環境下實施，並且相連於所述半絕緣塊體3的一個所述磊晶膜21、22、23於磊晶製程中所形成的厚度以及所被實施的溫度與壓力，其皆大於相連於所述N型晶種層1的一個所述磊晶膜21、22、23於磊晶製程中所形成的厚度以及所被實施的溫度與壓力。也就是說，越晚成形的磊晶膜23之厚度及所被實施的溫度與壓力，其大於越早成形的磊晶膜21之厚度及所被實施的溫度與壓力。
所述長晶步驟：於遠離所述N型晶種層1的一個所述磊晶膜21、22、23上通過一長晶製程形成有材質為碳化矽的一半絕緣塊體3；其中，所述碳化矽晶體100的氮濃度是自所述N型晶種層1朝向所述半絕緣塊體3擴散且呈遞減分佈，以使所述半絕緣塊體3具有大於107Ω．cm的一電阻率。
[本發明實施例的技術效果]
綜上所述，本發明實施例所公開的碳化矽晶體及其製造方法，通過在N型晶種層1與半絕緣塊體3之間形成有多個磊晶層，以能有效地阻擋上述N型晶種層1的氮擴散(如：半絕緣塊體3的氮濃度約為N型晶種層1氮濃度的千分之一)，進而使得價格較低且容易取得之N型晶種層1能夠被用來形成具備高電阻率的半絕緣塊體3，藉以有效地降低半絕緣塊體3的製造成本、並提升其生產效率。
再者，本發明實施例的阻障層2除了能夠有效地阻擋上述N型晶種層1的氮擴散之外，所述阻障層2還能具備有修飾N型晶種層1缺陷之效果。例如：所述N型晶種層1中所存在的基面位錯情況，其在通過以磊晶製程形成多個磊晶膜21、22、23之過程中，會有逐漸減緩的效果，以使得在阻障層2上所形成的半絕緣塊體3，其所存在的基面位錯情況會優於N型晶種層1。
以上所述僅為本發明的優選可行實施例，並非用來侷限本發明的保護範圍，凡依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的權利要求書的保護範圍。
100‧‧‧碳化矽晶體
1‧‧‧N型晶種層
2‧‧‧阻障層
21、22、23‧‧‧磊晶膜
3‧‧‧半絕緣塊體
H‧‧‧成形方向

Claims (8)

  1. 一種碳化矽晶體，包括：一N型晶種(N-type seed)層，其材質為碳化矽並且具有介於0.01~0.03Ω．cm的一電阻率(resistivity)；一阻障層，包含有於所述N型晶種層上依序磊晶形成的多個磊晶膜，並且每個所述磊晶膜的材質為碳化矽；其中，每個所述磊晶膜具有一碳矽比(C/Si ratio)，並且多個所述磊晶膜的所述碳矽比是沿著自鄰近所述N型晶種層朝向遠離所述N型晶種層的一成形方向漸增；以及一半絕緣塊體，其於遠離所述N型晶種層的一個所述磊晶膜上長晶所形成，並且所述半絕緣塊體的材質為碳化矽；其中，所述碳化矽晶體的氮濃度是自所述N型晶種層朝向所述半絕緣塊體擴散且呈遞減分佈，以使所述半絕緣塊體具有大於107Ω．cm的一電阻率；其中，所述阻障層所包含的所述磊晶膜數量進一步限定為三個，並且自鄰近所述N型晶種層朝向遠離所述N型晶種層的三個所述磊晶膜之碳矽比依序為1.2~1.4、1.4~1.6、及1.7~1.9。
  2. 如請求項1所述的碳化矽晶體，其中，所述半絕緣塊體的所述電阻率為M×109Ω．cm，0<M<10，並且所述半絕緣塊體的所述電阻率沿所述成形方向自鄰近所述阻障層的部位朝向遠離所述阻障層的部位呈漸增狀。
  3. 如請求項1所述的碳化矽晶體，其中，所述N型晶種層的厚度介於300~500微米(μm)，並且所述阻障層的厚度為300微米以下。
  4. 如請求項1所述的碳化矽晶體，其中，於所述阻障層中，相連於所述半絕緣塊體的所述磊晶膜之厚度大於相連於所述N型晶種層的所述磊晶膜的厚度，並且每個所述磊晶膜的厚度為100 微米以下。
  5. 如請求項1所述的碳化矽晶體，其中，所述N型晶種層的氮濃度為M1×1018atom/cm3，所述阻障層所包含的所述磊晶膜數量進一步限定為三個，並且自鄰近所述N型晶種層朝向遠離所述N型晶種層的三個所述磊晶膜之氮濃度依序為M2×1017atom/cm3、M3×1016atom/cm3、M4×1015atom/cm3；其中，0<M1<10、0<M2<10、0<M3<10、0<M4<10。
  6. 一種碳化矽晶體的製造方法，包括：一準備步驟：提供一N型晶種層，其材質為碳化矽並具有介於0.01~0.03Ω．cm的一電阻率；一磊晶步驟：於所述N型晶種層上通過一磊晶製程依序形成有材質為碳化矽的多個磊晶膜，並且多個所述磊晶膜的一碳矽比是沿著自鄰近所述N型晶種層朝向遠離所述N型晶種層的一成形方向漸增；以及一長晶步驟：於遠離所述N型晶種層的一個所述磊晶膜上通過一長晶製程形成有材質為碳化矽的一半絕緣塊體；其中，所述碳化矽晶體的氮濃度是自所述N型晶種層朝向所述半絕緣塊體擴散且呈遞減分佈，以使所述半絕緣塊體具有大於107Ω．cm的一電阻率；其中，於所述磊晶步驟中所形成的所述磊晶膜數量進一步限定為三個，並且自鄰近所述N型晶種層朝向遠離所述N型晶種層的三個所述磊晶膜之碳矽比依序為1.2~1.4、1.4~1.6、及1.7~1.9。
  7. 如請求項6所述的碳化矽晶體的製造方法，其中，於所述磊晶步驟中，形成多個所述磊晶膜的所述磊晶製程是處於無氮環境下實施。
  8. 如請求項6所述的碳化矽晶體的製造方法，其中，相連於所述半絕緣塊體的一個所述磊晶膜於所述磊晶製程中所形成的厚度 以及所被實施的溫度與壓力，其皆大於相連於所述N型晶種層的一個所述磊晶膜於所述磊晶製程中所形成的厚度以及所被實施的溫度與壓力。
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