TWI816326B - 碳化矽晶圓以及使用其之半導體元件 - Google Patents

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Abstract

提供一種碳化矽晶圓以及使用其之半導體元件。在實施例的碳化矽晶圓中，在對碳化矽晶圓的一個表面照射雷射之後獲得的光致發光訊號強度光譜中，具有強度較光譜的平均訊號強度大1.2倍的波峰訊號的數目為1/平方厘米或小於1/平方厘米。

Description

碳化矽晶圓以及使用其之半導體元件 [相關申請案的交叉參考]
本申請案主張基於2021年3月30日在韓國智慧財產局中提出申請的韓國專利申請案第10-2021-0041021號35 USC 119(a)的權益，所述韓國專利申請案的全部揭露內容出於全部目的併入本案供參考。
本揭露是有關於一種碳化矽晶圓以及使用其之半導體元件。
碳化矽(SiC)為具有2.2電子伏至3.3電子伏的寬帶帶隙的半導體，且由於其優異的物理性質及化學性質，已經進行將SiC作為半導體材料的研究及開發。
至於製造碳化矽晶種的方法，已知有液相磊晶(liquid phase epitaxy，LPE)、化學氣相沈積(chemical vapor deposition，CVD)及物理氣相傳輸(physical vapor transport，PVT)。其中，物理氣相傳輸(PVT)是如下方法：將碳化矽材料裝入坩堝內部， 在坩堝的上部側中設置由矽組成的晶種，藉由感應加熱方法對坩堝進行加熱以使碳化矽材料昇華，且藉此在晶種上生長碳化矽單晶。
物理氣相傳輸(PVT)可製造具有高生長速率的晶錠形狀的碳化矽，且因此是目前使用最廣泛的製程。然而，坩堝內部的電流密度及溫度分佈依據坩堝的性質、製程條件等而改變，使得難以確保碳化矽晶錠及晶圓的恆定性質。
需要一種能夠將由外部因素引起的過度變形或缺陷最小化並製造具有最小化缺陷的晶錠及晶圓的改進的方法。
在本先前技術部分中揭露的資訊僅用於增加對本發明背景的理解，且因此可能包含不構成對熟習此項技術者已知的相關技術的資訊。
相關現有技術為：在韓國專利登記第10-2160863號中揭露的「單碳化物單晶晶圓(Single carbide single crystal wafer)」，在韓國專利出版第10-2020-0044730號中揭露的「高純度碳化矽單晶基底以及其製造方法及應用(high purity silicon carbide single crystal substrate,and manufacturing method and application thereof)」等。
本揭露的目的是提供一種具有較少缺陷及優異的晶體品質的碳化矽晶圓。
本揭露的另一目的是提供一種在對碳化矽晶圓表面進行雷射照射後藉由散射光獲得的強度光譜中具有少量異常波峰訊號的碳化矽晶圓。
根據實施例的碳化矽晶圓包括彼此面對的一個表面與另一表面。所述一個表面為碳化矽晶體的矽原子層暴露於其上的表面，且所述另一表面為碳化矽晶體的碳原子層暴露於其上的表面。具有強度較藉由對所述一個表面照射雷射所獲得的光致發光訊號強度光譜中的光譜的平均訊號強度大1.2倍的波峰訊號的數目為1/平方厘米或小於1/平方厘米。
所述波峰訊號的所述數目可為0.54/平方厘米或小於0.54/平方厘米。
在自外向中心的方向上佔據半徑20%的邊緣區中，所述波峰訊號的所述數目可為0.05/平方厘米或小於0.05/平方厘米。
照射於所述碳化矽晶圓上的所述雷射可包括具有預定入射角的第一雷射及垂直照射於所述碳化矽晶圓上的第二雷射。所述第一雷射與所述第二雷射可指向同一點。此時，所述第一雷射的波長可為405奈米，且所述第二雷射的波長可為355奈米。
所述光譜的訊號強度可為轉換成灰度的訊號強度。
所述訊號強度的標準偏差可為所述平均訊號強度的0.005倍至0.05倍。
所述碳化矽晶圓可為4英吋或大於4英吋，且可包括4H碳化矽。
在表面上形成磊晶層之前，所述碳化矽晶圓可為裸晶圓。
根據實施例的半導體元件包括：上述的碳化矽晶圓；磊晶層，設置於所述碳化矽晶圓的所述一個表面上；障壁區，面對所述碳化矽晶圓，且所述磊晶層介置於所述障壁區與所述碳化矽晶圓之間；源極電極，與所述磊晶層接觸；閘極電極，設置於所述障壁區上；以及汲極電極，設置於所述碳化矽晶圓的所述另一表面上。
根據實施例，在藉由對碳化矽晶圓的一個表面照射雷射並對散射光或反射光、晶圓極座標-強度光譜進行檢測而獲得的影像圖中，確定異常波峰訊號的數目，且提供具有少量異常波峰訊號的碳化矽晶圓，因此可預期進一步得到改善的元件特性及產率。
1:半導體元件
10:碳化矽晶圓
11:一個表面
12:外表面/另一表面
20:磊晶層
21:n-型磊晶層
22:p+型磊晶層
23:n+型區
30:障壁區
41:源極電極
42:閘極電極
43:汲極電極
100:碳化矽晶錠
110:碳化矽晶種
200:反應容器
210:主體
220:蓋
230:上部部分
240:下部部分
300:原材料
400:絕熱材料
500:反應腔室/石英管
600:加熱構件
700:真空排氣元件
800:質量流量控制器
810:管道
D1:第一檢測器
D2:第二檢測器
L1:第一元件
L2:第二元件
PL:光致發光
S1:第一生長製程
S2:第二生長製程
S3:冷卻步驟
Sa:減壓製程
Sb:昇溫製程/增溫製程
圖1是示出根據實施例的碳化矽晶圓的實例的概念圖。
圖2是示出碳化矽晶錠的製造元件的實例的概念圖。
圖3是碳化矽晶錠的製造元件的反應器的內部空間的概念圖。
圖4是示出根據實施例在碳化矽晶圓的製造製程中溫度、壓力及氬氣壓力相對於時間的改變的曲線圖。
圖5是用於對根據實施例的碳化矽晶圓的缺陷、雜質等進行檢測的製程的實例的概念圖。
圖6是示出實施例(實例1、實例2及實例3)及比較例1(比 較例1)的異常波峰訊號的影像圖。
圖7是示出根據實施例碳化矽晶圓的除由坎德拉(Candela)8520量測的缺陷之外的缺陷及背景的暗部分影像圖。
圖8是根據實施例碳化矽晶圓的除由坎德拉8520量測的缺陷之外的背景的極-灰度強度光譜(polar-grayscale intensity spectrum)。
圖9是根據實施例碳化矽晶圓的除由坎德拉8520量測的缺陷之外的缺陷及背景的極-灰度強度光譜。
圖10是根據實施例的半導體元件的實例的示意圖。
提供以下詳細說明以幫助讀者獲得對本文中所述的方法、設備及/或系統的全面理解。然而，在理解本揭露之後，本文中所述的方法、設備及/或系統的各種改變、修改及等效形式將顯而易見。在說明書通篇中，相同的參考編號用於相似的部件。
在本揭露通篇中，除非有相反的陳述，某個組件「包括」或「包含」另一組件的短語意指所述某個組件可更包括一或多個其他組件，但是不排除存在或添加一或多個其他組件。
在本揭露通篇中，應理解當一組件被稱為「連接」至另一組件時，它可直接連接至所述另一組件或者可能存在中間組件。
為易於說明，在本文中可使用例如「上方」、「上部」、「下方」及「下部」等空間相對性用語來闡述如圖中所示的一個組件相對於另一組件的關係。此種空間相對性用語旨在除圖中所繪示 定向以外亦囊括元件在使用或操作中的不同定向。舉例而言，若翻轉圖中的元件，則被闡述為相對於另一組件位於「上方」或「上部」的組件此時將相對於所述另一組件位於「下方」或「下部」。因此，用語「上方」同時囊括視元件空間定向而定的上方與下方兩種定向。
在本申請案中，馬庫什型(Markush-type)表述中包含的短語「其組合」表示選自由馬庫什型表述中所述的組分組成的群組的一或多種混合物或組合，即表示包含選自由所述組分組成的群組的一或多種組分。
在本揭露中，說明「A及/或B」意指「A或B，或者A及B」。
在本揭露中，例如「第一」、「第二」、「A」或「B」的用語用於將相同的用語彼此區分開來。除非上下文另有明確規定，否則單數形式「一(a、an)」及「所述(the)」包括複數形式。
在本揭露中，除非另有特別說明，否則單數形式在上下文中被解釋為包括複數形式以及單數形式。
碳化矽晶圓10
根據實施例的碳化矽晶圓10包括彼此相對的一個表面11與外表面12，其中所述一個表面為其中碳化矽晶體的矽原子層暴露出的表面，且另一表面為其中碳化矽晶體的碳原子層暴露出的表面，且其中在所述一個表面中，具有強度較在對碳化矽晶圓的所述一個表面上照射雷射後獲得的光致發光訊號強度光譜 (photoluminescence signal intensity spectrum)的平均訊號強度大1.2倍的波峰訊號的數目可為1/平方厘米或小於1/平方厘米。
在使用熔融KOH對表面進行蝕刻之後，可藉由掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)、原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)等來識別碳化矽晶圓中的缺陷。然而，此方法可能對晶圓造成損壞，且在量測多個晶圓的缺陷時效率低，且難以容易地識別一些缺陷，因此不適合於晶圓的大規模生產。
如圖5中所示，發明者識別影像圖(藉由對碳化矽晶圓的所述一個表面照射雷射並對光致發光進行檢測而獲得的晶圓的極座標-強度光譜(polar coordinate-intensity spectrum))中異常波峰訊號的數目，並提供具有少量異常波峰訊號的碳化矽晶圓，以可預期進一步得到改善的元件特性及產率。
藉由雷射對晶圓的雜質及缺陷進行檢測可藉由科天(KLA-Tencor)的坎德拉8520來執行，且可如下示例性地執行。參照圖5，首先，第一元件L1以預定入射角照射波長為405奈米的第一雷射，且第二元件L2垂直照射355奈米的第二雷射。此時，第一雷射及第二雷射指向相同的位置。自以高速旋轉的碳化矽晶圓的表面邊緣至其中心執行照射，以照射碳化矽晶圓的表面的所有區域。如果第一元件的第一雷射與第二元件的第二雷射照射於碳化矽晶圓的表面上的雜質及缺陷上，則照射的雷射的一部分被散射或者反射光的強度下降，或者可能形成光致發光PL。藉由第 二元件、第一檢測器D1、第二檢測器D2等對此種散射光、反射光或光致發光進行直接檢測，可檢測到雜質、缺陷等。第一雷射、第二雷射、光致發光、散射光及反射光的強度被電子記錄，且可形成如圖6及圖7中所示示出晶圓的所述表面上的光致發光、散射光及反射光中的一或多個的相對強度的影像圖，或者可識別如圖8及圖9的極座標-灰度強度光譜所示缺陷或雜質相對於周邊的相對強度。該圖可提供關於缺陷的大小及位置的資訊。
雷射可相對於垂直於碳化矽晶圓的表面的線具有預定的入射角。舉例而言，第一元件L1的第一雷射可具有20°至70°入射角中的任一入射角，且可具有60°入射角。第二元件的第二雷射可垂直於碳化矽晶圓的表面進行照射。
第一元件L1的第一雷射可在第一雷射照射的路徑中包括單獨的偏振器。
第一檢測器D1及第二檢測器D2在反射光或散射光的路徑中可更包括單獨的分光器，以藉由單個光電二極體及四邊形位置感測檢測器(quad position sensing detector，Quad PSD)進行檢測。
在對碳化矽晶圓的一個表面照射雷射後獲得的光致發光訊號強度光譜中，光譜的平均訊號強度可為對碳化矽晶圓照射雷射後光致發光的訊號強度的灰度轉換的平均強度。
在碳化矽晶圓10中，具有強度較光譜的平均訊號強度大1.2倍的波峰訊號的數目可為1/平方厘米或小於1/平方厘米、或者 0.54/平方厘米或小於0.54/平方厘米、或者0.25/平方厘米或小於0.25/平方厘米。在碳化矽晶圓中，波峰訊號的數目可為0.01/平方厘米或大於0.01/平方厘米。波峰訊號可具有較平均訊號強度低25倍的強度。具有此種數目的波峰訊號的碳化矽晶圓具有優異的結晶度，可將後續磊晶製程等中的缺陷形成最小化，且在元件製造期間可具有良好的特性及產率。
在碳化矽晶圓10中，具有強度較光譜的平均訊號強度高1.3倍至20倍的波峰訊號的數目可為0.5/平方厘米或小於0.5/平方厘米、或者0.2/平方厘米或小於0.2/平方厘米。在碳化矽晶圓中，波峰訊號的數目可為0.01/平方厘米或大於0.01/平方厘米。具有此種數目的波峰訊號的碳化矽晶圓具有優異的結晶度，可將後續磊晶製程等中的缺陷形成最小化，且在元件製造期間可具有良好的特性及產率。
在自碳化矽晶圓10的外向中心的方向上佔據半徑20%的邊緣區中，具有強度較平均訊號強度大1.2倍的波峰訊號的數目可為0.05/平方厘米或小於0.05/平方厘米、0.03/平方厘米或小於0.03/平方厘米。在碳化矽晶圓中，邊緣區中的波峰訊號的數目可為0.005/平方厘米或大於0.005/平方厘米。具有此種數目的波峰訊號的碳化矽晶圓在元件製造期間可具有良好的特性及產率。
光譜的訊號強度可為轉換成光致發光的灰度強度的強度。
光譜中訊號強度的標準偏差可為平均訊號強度的0.005 倍至0.05倍、或者為平均訊號強度的0.008倍至0.03倍。具有此種訊號強度標準偏差的碳化矽晶圓可表現出均勻的晶體品質，且可容易地執行隨後的元件製造製程。
碳化矽晶圓10的直徑可為4英吋或大於4英吋、5英吋或大於5英吋及6英吋或大於6英吋。晶圓的直徑可為12英吋或小於12英吋且可為10英吋或小於10英吋。
碳化矽晶圓10可包括4H碳化矽，且可由4H碳化矽製成。
照射至碳化矽晶圓10的雷射包括具有預定入射角的第一雷射及垂直於碳化矽晶圓進行照射的第二雷射，第一雷射的波長可為405奈米，且第二雷射的波長可為355奈米。
在表面上形成磊晶層之前，碳化矽晶圓10可為裸晶圓。示例性地，碳化矽晶圓可為自碳化矽晶錠切割下來且經過平坦化及化學機械拋光(chemical mechanical polishing)後的裸晶圓。
如圖1中所示，碳化矽晶圓10可包括Si表面及C表面，Si表面為其上顯露出矽原子層的一個表面11，C表面為其上顯露出碳原子層的另一表面12。當藉由對碳化矽晶錠進行切割來製造碳化矽晶圓時，容易在碳化矽單晶的碳原子層與矽原子層之間的邊界表面上或者沿著平行於該邊界表面的方向進行切割。藉此，主要暴露出碳原子的表面及主要暴露出矽原子的表面顯露在切割表面上。
作為碳化矽晶圓10的一個表面11的Si表面的Ra粗糙 度可為0.3奈米或小於0.3奈米，且可為0.2奈米或小於0.2奈米。所述一個表面的Ra粗糙度可為0.01奈米或大於0.01奈米。具有此種粗糙度範圍的晶圓可在藉由後續製程進行元件製造期間具有改善的電性性質。
碳化矽晶圓10可具有100微米至900微米的厚度，且該厚度不限於此，只要其為適用於半導體元件的適當厚度即可。
碳化矽晶圓10可藉由稍後闡述的製造碳化矽晶圓的方法來製造。
碳化矽晶圓的製造方法
為了達成上述目的，根據實施例的製造碳化矽晶圓的方法包括：製備步驟，將原材料300與碳化矽晶種110彼此間隔開地設置於具有內部空間的反應容器200中；生長步驟，藉由控制內部空間的溫度、壓力及氣氛對原材料進行昇華，並製備自碳化矽晶種生長的碳化矽晶錠；冷卻步驟，對反應容器進行冷卻並對碳化矽晶錠進行再生；以及切割步驟，藉由對再生的碳化矽晶錠進行切割來製備碳化矽晶圓。反應容器包括環繞外表面的絕熱材料400以及用於控制內部空間溫度的加熱構件600。生長步驟包括：昇溫製程，將內部空間的溫度自室溫昇高至第一溫度；第一生長製程，將溫度自第一溫度昇高至第二溫度；以及第二生長製程，用於維持第二溫度。第一溫度為內部空間的壓力開始下降的溫度，且第二溫度為由於內部空間的壓力下降而在降低的壓力下誘導碳化矽晶錠生長的溫度。溫度差為內部空間的上部部分的溫 度與下部部分的溫度之間差異，且在第一溫度下的溫度差為30℃至80℃。
內部空間的上部部分為碳化矽晶種110所在的區域，且內部空間的下部部分為原材料300所在的區域。
圖2示出碳化矽晶錠製造元件的實例。參照於此，將對根據實施例的製造碳化矽晶圓的方法進行闡述。
在製備步驟中，將原材料300與碳化矽晶種110在具有內部空間的反應容器200中彼此間隔開且佈置成彼此面對。
依據期望的碳化矽晶圓，碳化矽晶種110可具有適當的大小，且碳化矽晶種的C表面((000-1)表面)可朝向原材料300。
碳化矽晶種可包括4英吋或大於4英吋的4H碳化矽。
原材料300可以具有碳源及矽源的粉末的形式應用，且可應用其中粉末彼此頸縮的原材料或者其中表面經碳化物處理的碳化矽粉末。
只要反應容器200為用於碳化矽晶錠生長反應的合適容器則可應用，且具體而言可應用石墨坩堝。舉例而言，反應容器可包括主體210及蓋220，主體210包括內部空間及開口，蓋220對應於開口以將內部空間密封。蓋可整體地或單獨地更包括晶種保持器，且可藉由晶種保持器來固定碳化矽晶種，使得碳化矽晶種110與原材料300彼此面對。
反應容器200可藉由被絕熱材料400環繞而被固定，且環繞反應容器的絕熱材料可位於反應腔室500(例如石英管)中。 加熱構件600設置於絕熱材料及反應腔室的外部，以對反應容器的內部空間的溫度進行控制。
絕熱材料400可具有72%至95%、75%至93%以及80%至91%的孔隙率。當應用滿足此種孔隙率的絕熱材料時，可進一步減少生長的碳化矽晶錠中裂紋的出現。
絕緣材料400可具有0.2百萬帕或大於0.2百萬帕、0.48百萬帕或大於0.48百萬帕及0.8百萬帕或大於0.8百萬帕的抗壓強度。另外，絕熱材料可具有3百萬帕或小於3百萬帕及2.5百萬帕或小於2.5百萬帕的抗壓強度。當絕熱材料具有此種抗壓強度時，由於優異的熱/機械穩定性及出現灰的低可能性，可製造高品質的碳化矽晶錠。
絕熱材料400可包括碳系氈，特別是石墨氈，且可包括嫘縈系石墨氈或瀝青系石墨氈。
反應腔室500可包括：真空排氣元件700，連接至反應腔室的內部並對反應腔室內部真空度進行控制；管道810，連接至反應腔室的內部並將氣體引入至反應腔室中；以及質量流量控制器800，用於對氣體流入進行控制。藉此，可在隨後的生長步驟及冷卻步驟中對惰性氣體的流速進行調節。
生長步驟可藉由以下來執行：藉由加熱構件600對反應容器200及反應容器的內部空間進行加熱，以及與加熱同時或單獨地藉由對內部空間進行減壓以調節真空度並供應惰性氣體，可誘導碳化矽晶錠的生長。
加熱構件600可裝配成在反應容器200的垂直方向上可移動，且藉此，可改變反應容器與加熱構件之間的相對位置，且可在內部空間的上部部分230與內部空間的下部部分240之間施加溫度差。具體而言，可對內部空間的上部部分中的碳化矽晶種110及下部部分中的原材料300施加溫度差。
加熱構件600可沿著反應容器200或環繞反應容器的絕熱材料400的外周表面形成螺旋線圈。
參照圖4，生長步驟包括：昇溫製程Sb，將內部空間的溫度自室溫昇高至第一溫度；第一生長製程S1，將溫度自第一溫度昇高至第二溫度；以及第二生長製程S2，維持第二溫度，且藉此提供碳化矽晶錠。
在生長步驟之前，可包括在大氣狀態下降低內部空間的壓力的減壓製程Sa。
可以3℃/分鐘至13℃/分鐘的速率執行且可以5℃/分鐘至11℃/分鐘的速率進行將溫度增加至第一溫度。可以7℃/分鐘至10℃/分鐘的速率執行將溫度增加至預生長開始溫度。
可進行減壓製程Sa，使得內部空間的壓力為10托或小於10托、5托或小於5托。
可藉由注入惰性氣體(例如氬氣或氮氣)來進行昇溫製程Sb，以使內部空間的壓力變為500托至800托，且可以1℃/分鐘至10℃/分鐘的速率執行增溫，以使內部空間的下部部分變為1500℃至1700℃的溫度。
參照圖3，在生長步驟中，內部空間的上部部分230可為與碳化矽晶種110的表面對應的位置，且內部空間的下部部分240可為與原材料300的表面對應的位置。
第一溫度為原材料300開始部分昇華的溫度。第一溫度可為在如圖4的虛線區中所示的生長階段之前已經經歷增溫製程Sb的溫度，且可為在增溫步驟中注入惰性氣體之後內部空間開始減壓的溫度。具體而言，基於內部空間的下部部分240，其可為1500℃至1700℃、或者1520℃至1660℃。
基於內部空間的上部部分230，第一溫度可為1400℃至1650℃、或者1450℃至1600℃。
在第一生長製程S1中，在第一溫度下，內部空間的上部部分230與內部空間的下部部分240之間的溫度差可為30℃至80℃且可為40℃至70℃。
第二溫度為原材料300的昇華強烈進行的溫度。如圖4的虛線區中所示，第二溫度可為在第一生長製程中溫度昇高至的溫度以及在內部空間中的減壓下誘導碳化矽晶錠生長的溫度。另外，當在第二溫度下在減小壓力的±10%內改變壓力時，可誘導碳化矽晶錠的生長。
基於內部空間的下部部分240，第二溫度可為2100℃至2400℃、2300℃至2350℃。
基於內部空間的上部部分230，第二溫度可為1900℃至 2300℃、2100℃至2250℃。
在第一生長製程S1中，在第二溫度下內部空間的上部部分230與內部空間的下部部分240之間的溫度差可為150℃至250℃、或180℃至220℃。
在第一生長製程S1中，隨著內部空間的溫度昇高，內部空間的上部部分230與內部空間的下部部分240之間的溫度差可能增大。
第二溫度下的溫度差可較第一溫度下的溫度差大120℃至180℃，且較第一溫度下的溫度差大130℃至150℃。
第一生長製程S1具有溫度範圍、溫度差以及內部空間的上部部分230與內部空間的下部部分240之間的溫度差的改變量，因此當形成初始碳化矽晶錠時可將產生除目標晶體之外的同質多形現象(polymorphism)最小化，且可使穩定的晶錠生長成為可能。如果在第一生長製程的第一溫度及第二溫度下，溫度差小於上述溫度差的範圍，則由於除目標晶體之外的晶體的混合，形成多晶的可能性增加，且存在生長速率可能降低的風險。另一方面，如果溫度差大於上述溫度差的範圍，則晶體品質可能劣化。
在第一生長製程S1中，壓力可隨著溫度自第一溫度昇高至第二溫度而降低，且壓力可降低至1托至50托。
第一生長製程S1的溫度增加速率可小於增溫製程Sb的溫度增加速率。第一生長製程S1的溫度增加速率可小於整個增溫製程及第一生長製程的平均溫度增加速率。
第一生長製程S1的溫度增加速率可為1℃/分鐘至5℃/分鐘及3℃/分鐘至5℃/分鐘。在此種溫度增加速率範圍內，可防止除目標晶體之外的同質多形現象的發生，並誘導穩定生長。
可執行第一生長製程S1，使得加熱構件600的最大加熱面積變成內部空間的下部部分240及原材料300的表面240，且如果加熱構件是螺旋線圈形狀，則可藉由改變纏繞的數目及厚度來施加內部空間的上部部分230與內部空間的下部部分240之間的期望溫度差。
在第二生長製程S2中，在溫度昇高至第一生長製程S1中的第二溫度後，維持第二溫度以使原材料300強烈昇華以形成碳化矽晶錠。
第二生長製程S2可執行達5小時至180小時、30小時至160小時以及50小時至150小時。
可在相對於反應容器200的上下方向的旋轉軸旋轉的同時執行生長步驟，且可更恆定地維持溫度梯度。
在生長步驟中，可將預定流速的惰性氣體施加至反應容器200的外部。惰性氣體可流入至反應容器的內部空間中，且流動可在自原材料300至碳化矽晶種110的方向上進行。藉此，可形成反應容器與內部空間的穩定溫度梯度。
具體而言，生長步驟中的惰性氣體可為氬氣、氦氣或其混合物。
在冷卻步驟S3中，藉由生長步驟生長的碳化矽晶錠在預 定的冷卻速率及預定的惰性氣體流速條件下被冷卻。
在冷卻步驟S3中，可以1℃/分鐘至10℃/分鐘的速率執行冷卻，且可以3℃/分鐘至9℃/分鐘的速率執行冷卻。在冷卻步驟中，可以5℃/分鐘至8℃/分鐘的速率執行冷卻。
在冷卻步驟S3中，可同時對反應容器200的內部空間的壓力進行控制，且亦可與冷卻步驟分開地對壓力進行控制。可執行壓力調節，使得內部空間的壓力高達800托。
在冷卻步驟S3中，類似於生長步驟，可將在預定流速下的惰性氣體施加至反應容器200的內部。惰性氣體可為例如氬氣或氮氣。惰性氣體可流入至反應容器的內部空間中，且流動可在自原材料300至碳化矽晶種110的方向上進行。
在冷卻步驟S3中，將反應容器200的內部空間的壓力加壓至大氣壓以上，且冷卻步驟可包括：第一冷卻製程，對內部空間的溫度進行冷卻，使得基於上部部分230的內部空間的溫度變為1500℃至1700℃；以及第二冷卻製程，在第一冷卻製程之後將內部空間的溫度冷卻至室溫。
恢復冷卻步驟S3可藉由對碳化矽晶錠100的與碳化矽晶種110接觸的後表面進行切割來執行。以此種方式切割的碳化矽晶錠可將與晶種接觸的後表面的損失最小化，且可表現出改善的晶體品質。
在切割步驟中，碳化矽晶錠100可被切割成與(0001)表面或生長開始表面形成預定的偏角。切割步驟的偏角可為0°至10°。
在切割步驟中，晶圓的厚度可為150微米至900微米、及200微米至600微米，但是不限於此。
在切割步驟之後，可更包括對所製備的碳化矽晶圓的厚度進行平坦化以及對表面進行拋光的處理步驟。
在處理步驟中，砂輪可為顆粒嵌入表面中的形式，且嵌入砂輪的表面中的顆粒可為金剛石。
可在砂輪與晶圓以相反方向旋轉的同時執行處理步驟。
在處理步驟中，砂輪的直徑可大於晶圓的直徑，且可為250毫米或小於250毫米。
所述方法可更包括在處理步驟之後對碳化矽晶圓進行濕式蝕刻。
所述處理步驟可更包括化學機械拋光步驟。
化學機械拋光可藉由在旋轉表面板上施加磨粒漿料並以預定壓力接觸固定至旋轉拋光頭的晶圓來執行。
在處理步驟之後，可進一步執行藉由常規RCA化學清洗溶液的清洗步驟。
藉由上述製造方法製造的晶圓具有低缺陷密度、少量雜質顆粒及良好表面性質的優點，且當應用於元件製造時，可製造具有優異電性性質及光學性質的元件。
半導體元件1
為了達成上述目的，根據實施例的半導體包括：根據上述的碳化矽晶圓10；磊晶層21，設置於碳化矽晶圓的一個表面上； 障壁區30，設置成面對碳化矽晶圓，且磊晶層介置於障壁區30與碳化矽晶圓之間；源極電極41，與磊晶層接觸；閘極電極42，設置於障壁區上；以及汲極電極43，設置於碳化矽晶圓的另一表面上。
圖10中示出半導體元件1的實例。
碳化矽晶圓10可包括n+型碳化矽。
此處，上標的+及-符號表示相對載流子濃度。舉例而言，n+意指重摻雜且具有高摻雜劑濃度的n型半導體，且p-表示极輕摻雜且相對低摻雜劑濃度的p型半導體。
碳化矽晶圓10上的磊晶層20可由與碳化矽晶圓具有小的或沒有晶格常數差異的碳化矽單晶層形成。
磊晶層20可藉由化學氣相沈積(CVD)製程等形成。
磊晶層20可包括：設置於n+型碳化矽晶圓10上的n-型磊晶層21；以及設置於n-型磊晶層上的p+型磊晶層22。
可藉由在p+型磊晶層上應用選擇性離子注入來形成n+型區23。
可在半導體元件1的中心中設置具有挖掘至n-型磊晶層21的溝槽結構的障壁區及設置於溝槽結構的障壁區上的閘極電極42。
將根據用於製造碳化矽晶錠及晶圓的方法製造的碳化矽晶圓10應用於半導體元件1，因此可降低缺陷率。
在下文中，將藉由具體實例更詳細地闡述本發明。以下 實例僅是例示性的，以幫助理解本發明，且本發明的範圍不限於此。
實例1-碳化矽晶圓的製備
如圖2中所示，作為用於製造碳化矽晶錠的設備的實例，將作為原材料300的碳化矽粉末裝入反應容器200的內部空間的下部部分中，並將碳化矽晶種110設置於上部部分。此時，應用由6英吋4H-碳化矽晶體構成的碳化矽晶種，並以常規方式固定，使得C表面((000-1)表面)指向設置於內部空間底部處的碳化矽原材料。
在將反應容器200密封並使用絕熱材料400環繞其外部之後，將反應容器設置於石英管500內，石英管500在外部上設置有用作加熱構件600的加熱線圈。對反應容器的內部空間的壓力減小以調節至真空氣氛，並注入氬氣以使內部空間達到760托。
然後，在再次對內部空間進行減壓的同時，內部空間的溫度以7℃/分鐘至10℃/分鐘的速率昇高至基於下部部分的表1的實例1的第一溫度。在第一生長製程中，在壓力減小的同時，溫度以3℃/分鐘至5℃/分鐘的速率昇高，且將內部空間的上部部分及內部空間的下部部分的溫度及壓力設定為表1中的實例的條件。在達到表1中實例的操作溫度、溫度差及壓力後，使碳化矽晶錠生長達80至140小時，同時維持相同的條件。
生長後，將內部空間的溫度以5℃/分鐘至8℃/分鐘的速率冷卻至25℃，且同時注入氬氣或氮氣，使得內部空間的壓力變 為760托，以對碳化矽晶錠進行冷卻。
對冷卻的碳化矽晶錠的外周表面進行研磨並加工成具有均勻外徑的形狀，以與碳化矽晶錠的(0001)表面具有4°的偏角進行切割，且製備具有360微米的厚度的碳化矽晶圓。然後，藉由金剛石砂輪對碳化矽晶圓進行拋光以使厚度變平，隨後使用二氧化矽漿料進行化學機械拋光。
實例2-碳化矽晶圓的製備
在實例1中，藉由將在預生長及生長期間的溫度條件改變成下表1中的溫度條件來製備碳化矽晶圓。
實例3-碳化矽晶圓的製備
在實例1中，藉由將在預生長及生長期間的溫度條件改變成下表1中的溫度條件來製備碳化矽晶圓。
比較例1-碳化矽晶圓的製備
在實例1中，藉由將在預生長及生長期間的溫度條件改變成下表1中的溫度條件來製備碳化矽晶圓。
實驗例1-碳化矽晶圓的缺陷/雜質製備
藉由科天(KLA-Tencor)的坎德拉8520元件，旋轉實例1至實例3以及比較例1的碳化矽晶圓，且同時如圖5中所示，自邊緣至中心對碳化矽晶圓的表面照射具有405奈米的波長及預定入射角的第一元件L1的第一雷射以及具有355奈米的波長且垂直照射的第二元件L2的第二雷射。藉此，藉由對光致發光進行檢測來形成影像圖，且基於碳化矽晶圓的中心來形成根據極座標的 光致發光的灰度強度光譜，且結果在圖6至圖9及表1等中示出。在此情況下，具有為光譜的平均訊號強度1.2倍至25倍的強度的波峰訊號被視為異常訊號。
參照圖6及表1，證實在碳化矽晶圓的整個表面上，實例1具有17個異常訊號、實例2具有97個異常訊號且實例3具有44個異常訊號(光譜上的波峰訊號)，且可看出，在比較例中示出超過400個訊號。
Figure 111109069-A0305-02-0024-2
另外，作為製造基於實例1至實例3的碳化矽晶圓的元件的結果，證實該元件與比較例相比具有良好的產率。
儘管上面已經詳細闡述本發明的較佳實施例，但是本發明的範圍並不限於此，且熟習此項技術者使用如下面申請專利範圍中定義的本發明的基本概念進行的各種修改及改進亦處於本發明的範圍內。
10:碳化矽晶圓
11:一個表面
12:外表面/另一表面

Claims (8)

  1. 一種碳化矽晶圓，包括彼此面對的一個表面與另一表面，其中所述一個表面為碳化矽晶體的矽原子層暴露於其上的表面，且所述另一表面為所述碳化矽晶體的碳原子層暴露於其上的表面，且其中具有強度較藉由對所述一個表面照射雷射所獲得的光致發光訊號強度光譜中的光譜的平均訊號強度大1.2倍的波峰訊號的數目為1/平方厘米或小於1/平方厘米，其中照射在所述碳化矽晶圓上的所述雷射包括具有預定入射角的第一雷射及垂直照射在所述碳化矽晶圓上的第二雷射，其中所述第一雷射與所述第二雷射指向同一點，且其中所述第一雷射的波長為405奈米，且所述第二雷射的波長為355奈米。
  2. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述波峰訊號的所述數目為0.54/平方厘米或小於0.54/平方厘米。
  3. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中在自外向中心的方向上佔據半徑20%的邊緣區中，所述波峰訊號的所述數目為0.05/平方厘米或小於0.05/平方厘米。
  4. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述光譜的訊號強度為轉換成灰度的訊號強度。
  5. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述訊號強度的標準偏差為所述平均訊號強度的0.005倍至0.05倍。
  6. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述碳化矽晶圓為4英吋或大於4英吋，且包括4H碳化矽。
  7. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中在表面上形成磊晶層之前，所述碳化矽晶圓為裸晶圓。
  8. 一種半導體元件，包括：如請求項1所述的碳化矽晶圓；磊晶層，設置於所述碳化矽晶圓的所述一個表面上；障壁區，面對所述碳化矽晶圓，且所述磊晶層介置於所述障壁區與所述碳化矽晶圓之間；源極電極，與所述磊晶層接觸；閘極電極，設置於所述障壁區上；以及汲極電極，設置於所述碳化矽晶圓的所述另一表面上。
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