TWI774929B

TWI774929B - 碳化矽單晶的製造方法

Info

Publication number: TWI774929B
Application number: TW108105921A
Authority: TW
Inventors: 池田均; 松本雄一; 高橋亨
Original assignee: 日商信越半導體股份有限公司
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2022-08-21
Also published as: JP6881357B2; EP3763853A4; CN111819311A; EP3763853A1; WO2019171901A1; JP2019156660A; KR20200128007A; TW201938855A; US20210047748A1

Abstract

本發明提供一種碳化矽單晶的製造方法，係使固體碳化矽原料於成長容器內昇華而使碳化矽單晶成長於晶種基板，其中將鉭（Ta）的粉末與碳的粉末一起混合，並予以附著於該成長容器內的該固體碳化矽原料，進行熱處理且燒結，於該固體碳化矽原料的表面將碳化鉭（TaC）的皮膜予以形成後或在形成的同時，使碳化矽單晶成長，藉此減低碳內含物。

Description

碳化矽單晶的製造方法

本發明係關於一種藉由昇華法進行碳化矽的結晶成長的碳化矽的製造方法。

近年來，隨著逆變器（Inverter）電路被電動車或電冷暖器具大量使用，由於電力損失少且能夠獲取較使用半導體Si結晶的元件更高的耐壓的特性，使得碳化矽（以下亦稱SiC）的半導體結晶為被需要。

作為SiC等的熔點高的結晶、液相成長不易的結晶之具代表性且實際的成長方法有昇華法。於容器內以2000℃前後乃至2000℃以上的高溫使固體原料昇華，而使結晶成長於對向的晶種上的方法（專利文獻1）。然而，為了昇華，SiC的結晶成長必須要高溫，成長裝置必須要有高溫時的溫度控制。此外，為了使經昇華的物質的壓力穩定，穩定容器內的壓力的控制係為必要。此外SiC的結晶成長係依照昇華速度而定，與Si的柴可拉斯基（Czochralski）法或GaAs等的LPE製法等比較，成長速度相對地非常緩慢。故耗費長時間成長。所幸如今控制機器的發達，計算機、個人電腦等的發達，使得長時間穩定地進行壓力、溫度的調節係為可能。

圖9係表示SiC製造裝置的概略截面圖。SiC的昇華法成長方法具體而言，使用如圖9所示的SiC製造裝置101進行。將固體碳化矽原料103放入成長容器104內，以加熱器（高頻加熱線圈）108加熱，使結晶成長於成長容器104內所配置的種基板（種晶圓）102。

成長容器104係配置於真空的石英管內或真空艙內，暫時填滿活性低的氣體，該氛圍氣係用以提升SiC的昇華速度而較大氣壓低。

成長容器104的外側配置有隔熱材（隔熱容器）105。隔熱材105的一部分中，至少具有一個為了用高溫計測量溫度的孔（上部溫度測量孔）106。因此，多少會有熱自孔洩漏。

成長容器104主要由碳材料所構成，具有通氣性，容器內外的壓力會變得相等。然而因為開始昇華之故，經昇華的氣體會洩漏至容器的外部。實際上，成長容器104的下部配置有固體碳化矽原料103。此為固體，且在高溫下、減壓下會昇華。經昇華的材料會作為單晶而成長於對向的晶種102上。若為SiC的場合，所謂單晶，係有立方晶、六方晶等，再加上六方晶之中，亦有4H、6H等作為代表性的聚合型而廣為人知。更多的場合則是4H種上成長出4H的方式，成長出同型的單晶（專利文獻2）。

此處使用圖8的流程圖說明過去的碳化矽單晶的製造方法。如圖8的（a）所示，將固體碳化矽原料103及種基板（種晶圓）102配置於成長容器104內。其次如圖8的（b）所示，將成長容器104配置於隔熱容器105內，其次如圖8的（c）所示，將整個隔熱容器105配置於外部容器（由SUS、石英等所構成）109。其次如圖8的（d）所示，將外部容器109內抽真空，在保持預定壓力的同時並予以升溫。其次如圖8的（e）所示，藉由昇華法進行SiC單晶的成長。最後如圖8的（f）所示，提升減壓壓力而中止昇華，停止成長，讓溫度慢慢下降而冷卻。［先前技術文獻］［專利文獻］

［專利文獻1］日本特開2000-191399號公報［專利文獻2］日本特開2005-239465號公報

［發明所欲解決之問題］然而，上述說明的過去的碳化矽單晶的製造方法中，碳化矽單晶的成長中的單晶之中，碳會作為內含物而被包入，一旦晶圓加工時碳塊露出至晶圓表面，碳塊會掉落而成為坑洞，研磨劑或洗淨劑會累積在該處，而有自該處出現會成為晶圓表面的傷痕、汙染的物質的問題。該碳內含物可在晶圓的穿透的顯微鏡檢查找出。［解決問題之技術手段］

有鑑於上述問題點，本發明提供一種碳內含物係為減少的碳化矽單晶的製造方法。

為達成上述目的，本發明提供一種碳化矽單晶的製造方法，係使固體碳化矽原料於成長容器內昇華而使碳化矽單晶成長於晶種基板上，其中將鉭（Ta）的粉末與碳的粉末一起混合，並予以附著於該成長容器內的該固體碳化矽原料，進行熱處理且燒結，於該固體碳化矽原料的表面將碳化鉭（TaC）的皮膜予以形成後或在形成的同時，使碳化矽單晶成長。

如此地於該固體碳化矽原料的表面將碳化鉭（TaC）的皮膜予以形成後或在形成的同時，使碳化矽單晶成長，因而能夠防止碳塊自固體原料浮游，藉此能夠製造碳內含物係為減少的碳化矽單晶。

此外，該成長容器由碳所構成的場合，使鉭（Ta）的粉末與碳的粉末一起混合而成之物也附著於該成長容器的內壁為佳。

成長容器由碳所構成的場合，如此地使鉭（Ta）的粉末與碳的粉末一起混合而成之物也附著於該成長容器的內壁，藉此能夠防止原料氣體與成長容器的碳反應而讓碳作為內含物被包入成長中的單晶之中。［對照先前技術之功效］

如上述般，若為本發明的碳化矽單晶的製造方法，能夠防止碳塊自固體原料浮游，藉此能夠製造碳內含物係為減少的碳化矽單晶。

以下針對本發明，作為實施型態的一範例，參考圖式並進行詳細說明，然而本發明不限於此。

（第一實施樣態）以下，針對本發明的第一實施樣態的碳化矽單晶的製造方法，參考圖1及圖2進行說明。圖1係表示本發明的第一實施樣態的碳化矽單晶的製造方法的流程圖。圖2係表示能夠實施本發明的第一實施樣態的碳化矽單晶的製造方法的SiC製造裝置的示意截面圖。

如圖2所示，SiC製造裝置1係包括種基板（種晶圓）2及容納固體碳化矽原料3的成長容器4、包覆成長容器4的隔熱容器5、將貫穿隔熱容器5而設置的上部溫度測量孔6予以通過而測量成長容器4內的溫度的溫度測量感測器7、加熱固體碳化矽原料3的加熱器（高頻加熱線圈）8以及容納隔熱容器5的外部容器9。

本發明的第一實施樣態的碳化矽單晶的製造方法，一開始如圖1的（a）所示，將Ta粉、碳粉及苯酚樹脂混合而附著於成長容器4內的固體碳化矽原料3的表面，將種基板（種晶圓）2配置於成長容器4內的上部。因混合有苯酚樹脂，故能夠使Ta粉及碳粉容易且平均地附著於固體原料表面。另外，固體碳化矽原料3係為將SiC粉末溶解並冷卻而成為塊狀者。

其次如圖1的（b）所示，將成長容器4配置於隔熱容器5內。

其次如圖1的（c）所示，將整個隔熱容器5配置於外部容器9內。外部容器9係例如由SUS、石英等所構成。

其次如圖1的（d）所示，將外部容器9內抽真空，在保持預定壓力的同時並予以升溫。此處的外部容器9內，可為氬氛圍，氮氛圍等。此時溫度2000℃以上，壓力100Torr（133hPa）以下為佳。

其次如圖1的（e）所示，藉由昇華法進行SiC單晶（成長結晶）2a的成長。此時，固體碳化矽原料3的表面的附著物受到燒結，於固體碳化矽原料3的表面形成碳化鉭（TaC）的皮膜10（參考圖2）。

最後如圖1的（f）所示，提升減壓壓力而中止昇華，停止成長，讓溫度慢慢下降而冷卻。

若為這樣的製造方法，藉由於固體碳化矽原料3的表面形成碳化鉭（TaC）的皮膜10的同時使碳化矽單晶成長，因而能夠防止碳塊自固體原料浮游，故能夠使經成長的碳化矽結晶係碳內含物為經減低者。

（第二實施樣態）其次，針對本發明的第二實施樣態的碳化矽單晶的製造方法，參考圖3及圖4進行說明。圖3係表示本發明的第二實施樣態的碳化矽單晶的製造方法的流程圖。圖4係表示能夠實施本發明的第二實施樣態的碳化矽單晶的製造方法的SiC製造裝置的示意截面圖。圖4的SiC製造裝置1’係與圖2的SiC製造裝置1具有同樣的構成。

本發明的第二實施樣態的碳化矽單晶的製造方法，一開始如圖3的（a）所示，將Ta粉、碳粉及苯酚樹脂混合而附著於成長容器4內的固體碳化矽原料3的表面及成長容器4的側壁。

其次如圖3的（b）所示，以高溫燒結，將附著物予以TaC膜化、冷卻。藉此，於固體碳化矽原料的表面將碳化鉭的皮膜10予以形成的同時，亦於成長容器4的側壁形成碳化鉭的皮膜10’（參考圖4）。

其次如圖3的（c）所示，將種基板（種晶圓）2安裝於成長容器4的上部。

其次如圖3的（d）所示，將成長容器4配置於隔熱容器5內。

其次如圖3的（e）所示，將整個隔熱容器5配置於外部容器9內。

其次如圖3的（f）所示，將外部容器9內抽真空，在保持預定壓力的同時並予以升溫。此處的外部容器9內，可為氬氛圍，氮氛圍等。此時溫度2000℃以上，壓力100Torr（133hPa）以下為佳。

其次如圖3的（g）所示，藉由昇華法進行SiC單晶（成長結晶）的成長。

最後如圖3的（h）所示，提升減壓壓力而中止昇華，停止成長，讓溫度慢慢下降而冷卻。

若為這樣的製造方法，於固體碳化矽原料的表面及成長容器的內壁將碳化鉭（TaC）的皮膜予以形成後使碳化矽單晶成長，藉此能夠防止碳塊自固體原料浮游的同時，能夠防止原料氣體與成長容器的碳反應而讓碳作為內含物被包入成長中的單晶之中，故能夠使經成長的碳化矽結晶係碳內含物為經更有效地減低者。此外，該第二實施樣態中，雖然於成長容器內壁也形成有TaC皮膜，只要於固體碳化矽原料的表面形成有TaC皮膜，於形成容器表面就不一定需要形成。但是使成長容器內壁也形成的話，更能夠抑制碳的內含物。［實施例］

以下表示實施例與比較例而更具體地說明本發明，然而本發明不限於此。

（實施例1）利用以下的成長條件，使直徑4英寸（100mm）的SiC單晶成長。＜條件＞晶種基板．．．主要面係自｛0001｝面朝＜1120＞方向傾斜4°的直徑4英吋（100mm）的SiC單晶基板成長溫度．．．2200℃ 壓力．．．10Torr（13hPa）氛圍．．．氬氣、氮氣以示於圖1的順序（即第一實施樣態中所說明的順序）製造SiC單晶。

將經製造的單晶切出，以顯微鏡調查晶圓面內的碳內含物的分布及平均個數（密度）。該結果示於圖5。由圖5可知，實施例1中，碳內含物密度為2.4個/cm² ，相較於後敘的比較例，碳內含物係大幅地被改善。

（實施例2）利用以下的成長條件，使直徑4英寸（100mm）的SiC單晶成長。＜條件＞晶種基板．．．主表面係自｛0001｝面朝＜1120＞方向傾斜4°的直徑4英吋（100mm）的SiC單晶基板成長溫度．．．2200℃ 壓力．．．10Torr（13hPa）氛圍．．．氬氣、氮氣以示於圖3的順序（即第二實施樣態中所說明的順序）製造SiC單晶。

將經製造的單晶切出，以顯微鏡調查晶圓面內的碳內含物的分布及平均個數（密度）。該結果示於圖6。由圖6可知，實施例2中，碳內含物密度為0.73個/cm² ，相較於後敘的比較例，看得出碳內含物係大幅地被改善。此外，實施例2中，相較於實施例1，看得出碳內含物係大幅地被改善。

（比較例）利用以下的成長條件，使直徑4英寸（100mm）的SiC單晶成長。＜條件＞晶種基板．．．主表面係自｛0001｝面朝＜1120＞方向傾斜4°的直徑4英吋（100mm）的SiC單晶基板。成長溫度．．．2200℃ 壓力．．．10Torr（13hPa）氛圍．．．氬氣、氮氣以示於圖8的順序製造SiC單晶。

將經製造的單晶切出，以顯微鏡調查晶圓面內的碳內含物的分布及平均個數（密度）。該結果示於圖7。由圖7可知，比較例中，碳內含物密度為25.6個/cm² ，相較於實施例1、2，看得出產生有非常多的碳內含物。

另外，本發明並不限於上述的實施型態。上述實施型態為舉例說明，凡具有與本發明的申請專利範圍所記載之技術思想及實質上同樣構成而產生相同的功效者，不論為何物皆包含在本發明的技術範圍內。

1‧‧‧SiC製造裝置 1’‧‧‧SiC製造裝置 2‧‧‧種基板（種晶圓） 2a‧‧‧SiC單晶（成長結晶） 3‧‧‧固體碳化矽原料 4‧‧‧成長容器 5‧‧‧隔熱容器 6‧‧‧上部溫度測量孔 7‧‧‧溫度測量感測器 8‧‧‧加熱器（高頻加熱線圈） 9‧‧‧外部容器 10‧‧‧皮膜 10’‧‧‧皮膜 101‧‧‧SiC製造裝置 102‧‧‧種基板（種晶圓） 102a‧‧‧SiC單晶（成長結晶） 103‧‧‧固體碳化矽原料 104‧‧‧成長容器 105‧‧‧隔熱材 106‧‧‧上部溫度測量孔 107‧‧‧溫度測量感測器 108‧‧‧加熱器（高頻加熱線圈） 109‧‧‧外部容器

圖1係表示本發明的第一實施樣態的碳化矽單晶的製造方法的流程圖。圖2係表示能夠實施本發明的第一實施樣態的碳化矽單晶的製造方法的SiC製造裝置的示意截面圖。圖3係表示本發明的第二實施樣態的碳化矽單晶的製造方法的流程圖。圖4係表示能夠實施本發明的第二實施樣態的碳化矽單晶的製造方法的SiC製造裝置的示意截面圖。圖5係為實施例一的晶圓面內的碳內含物的分布及平均個數（密度）。圖6係為實施例二的晶圓面內的碳內含物的分布及平均個數（密度）。圖7係為比較例的晶圓面內的碳內含物的分布及平均個數（密度）。圖8係表示過去的碳化矽單晶的製造方法的流程圖。圖9係為一般的碳化矽單晶製造裝置的示意截面圖。

Claims

一種碳化矽單晶的製造方法，係使固體碳化矽原料於成長容器內昇華而使碳化矽單晶成長於晶種基板，其中，將鉭（Ta）的粉末與碳的粉末一起混合，並予以附著於該成長容器內的該固體碳化矽原料，進行熱處理且燒結，於該固體碳化矽原料的表面將碳化鉭（TaC）的皮膜予以形成後或在形成的同時，使碳化矽單晶成長。
如請求項1所述之碳化矽單晶的製造方法，其中該成長容器係由碳所構成，以及使鉭（Ta）的粉末與碳的粉末一起混合而成之物也附著於該成長容器的內壁。