CN110088363A

CN110088363A - SiC锭的制造方法

Info

Publication number: CN110088363A
Application number: CN201780078707.6A
Authority: CN
Inventors: 藤川阳平; 上东秀幸
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Lishennoco Co ltd; Resonac Holdings Corp
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: WO2018123868A1; US11008670B2; US20200087815A1; CN110088363B; JP6768492B2; JP2018104225A

Abstract

提供一种SiC锭的制造方法。在该SiC锭的制造方法中，包括使晶体在相对于{0001}面具有偏离角的主面上生长的晶体生长工序，至少在所述晶体生长工序的所述晶体从所述主面生长7mm以上后的后半生长工序中，使倾斜面与所述{0001}面所成的锐角为大于或等于比偏离角小2°的角度且小于或等于8.6°，该倾斜面是与沿着偏离方向切割的切割截面垂直且通过晶体生长面的中心和晶体生长面的偏离下游端部这两者的面。

Description

SiC锭的制造方法

技术领域

本发明涉及SiC锭的制造方法。

本申请基于2016年12月26日在日本提出申请的特愿2016-251169号要求优先权，在此援引其内容。

背景技术

与硅(Si)相比，碳化硅(SiC)的绝缘击穿电场大一个数量级，带隙大3倍。另外，与硅(Si)相比，碳化硅(SiC)具有热导率高3倍左右等特性。碳化硅(SiC)被期待着应用于功率器件、高频器件、高温工作器件等。

在SiC晶片上形成了外延膜的SiC外延晶片被使用于半导体等的器件。在SiC晶片上通过化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition：CVD)设置的外延膜成为SiC半导体器件的活性区域。

因此，要求没有裂纹等破损、缺陷少的高品质SiC晶片。此外，在本说明书中，SiC外延晶片是指形成外延膜后的晶片，SiC晶片是指形成外延膜前的晶片。

例如在专利文献1中记载了如下内容：进行晶体生长以使得在将所生长的SiC单晶的底面的长径设为D、将连结其底面与顶点的垂线的长度设为H时，满足(H/D)≥0.1，抑制SiC晶片的破损、多晶和/或多型的混入以及微管缺陷(micropipe defects)的产生。

另外，专利文献2记载了如下内容：通过在进行中央部比外缘部突出的凸状生长之后，进行中央部比外缘部凹陷的凹状生长，能够抑制SiC锭的裂纹、歪斜。由于SiC晶片是通过对SiC锭进行切片而获得的，因此，SiC锭是SiC晶片的前阶段。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2003-095794号公报

专利文献2：日本特开2011-219294号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

作为SiC晶片的致命缺陷之一，具有基底面位错(BPD)。基底面位错是沿着{0001}面产生的缺陷。在具有偏离角(offset angle)的SiC晶片中，有时大量的BPD呈列状排列存在。

产生基底面位错的主要因素有各种各样，但通常认为在缓和在SiC锭的生长过程中产生的歪斜时在基底面产生的滑移是产生呈列状存在的基底面位错的集合的原因之一。以下，将该呈列状存在的基底面位错群表述为“滑移带(slip band)”。产生了滑移带的SiC晶片由于其固有的会引起器件不良的主要因素，因此，无法用于接下来的工序。

然而，即使使用抑制应力的产生地使SiC单晶生长的专利文献1以及2所记载的方法，也无法充分地抑制基底面位错的产生。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够抑制滑移带的产生、进而能够减少基底面位错的产生的SiC锭的制造方法。

用于解决问题的技术方案

本发明人进行了深入研究，结果发现了能够获得通过使晶体生长过程按照预定条件进行而能够抑制滑移带的产生、进而能够减少基底面位错的产生的SiC锭的制造方法。

即，本发明为了解决上述技术问题，提供以下的技术方案。

(1)第一技术方案涉及的SiC锭的制造方法包括使晶体在相对于{0001}面具有偏离角的主面上生长的晶体生长工序，至少在所述晶体生长工序的所述晶体从所述主面生长了7mm以上之后的后半生长工序中，使倾斜面与所述{0001}面所成的锐角为大于或等于比偏离角小2°的角度且小于或等于8.6°来使晶体生长，所述倾斜面是与沿着偏离方向切割的切割截面垂直且通过晶体生长面的中心和晶体生长面的偏离下游端部这两者的面。偏离角大于0°。

(2)也可以在上述技术方案涉及的SiC锭的制造方法中的所述晶体生长工序的全部晶体生长过程中，使所述锐角为大于或等于比偏离角小2°的角度且小于或等于8.6°。

(3)在上述技术方案涉及的SiC锭的制造方法中，所述偏离角也可以为小于或等于4°。

(4)在上述技术方案涉及的SiC锭的制造方法中，也可以在所述晶体生长工序的所述后半生长工序中，使所述锐角的角度变化为3°以内。

(5)在上述技术方案涉及的SiC锭的制造方法中的所述晶体生长工序的所述后半生长工序中，偏离下游侧的晶体生长和偏离上游侧的晶体生长也可以相对于通过晶体生长面的中心且与所述切割截面正交的面对称。

发明效果

根据本发明的一个技术方案涉及的SiC锭的制造方法，能够抑制滑移带的产生，能够制作出BPD低的晶片。

附图说明

图1是俯视进行KOH蚀刻后的SiC晶片的一部分而得到的图。

图2是将图1中的滑移带附近放大后的图。

图3是用于升华法的制造装置的一个例子的示意图。

图4是表示SiC锭的偏离下游侧的晶体生长过程的状况的图。

具体实施方式

以下，适当参照附图对本实施方式进行详细的说明。对于在以下的说明中使用的附图，有时为了方便起见而放大地显示了成为特征的部分，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。在以下的说明中例示的材质、尺寸等是一个例子，本发明并不限定于那些例子，能够在不改变本发明的宗旨的范围内适当进行变更来实施。

“滑移带”

首先对滑移带进行说明。图1和图2是用KOH进行蚀刻后的SiC晶片的Si面。图1是俯视偏离下游侧的SiC晶片的一部分而得到的图。对于SiC晶片的像，在图1中使用照相，在图2中使用光学显微镜照相。图1的SiC晶片向＜11－20＞方向偏离。在图1中，左侧是偏离上游侧，右侧是偏离下游侧。如图1所示，滑移带L是俯视SiC晶片时宏观上可视为沿着与偏离方向交叉的方向延伸的线状的基底面位错的集合。在SiC晶片的偏离上游侧未见到滑移带。滑移带L容易产生在SiC晶片的偏离下游侧。

在本说明书中，“偏离上游”是指将{0001}面的法线矢量投影到作为基础的单晶(籽晶)的主面上而得的矢量的前端所朝向的方向，“偏离下游”是指与偏离上游相反的方向。另外，“偏离方向”是指与将{0001}面的法线矢量投影到作为基础的单晶(籽晶)的主面上而得的矢量平行的方向。在图1中，偏离下游是＜11－20＞方向，偏离上游是其相反侧。

图2是将图1中的滑移带L附近放大了的图。如图2所示，滑移带L聚集有大量的微小缺陷D，因此，可视为线状。缺陷D是沿着{0001}面存在的基底面位错(BPD)。通过KOH蚀刻，基底面位错成为凹坑状，因此，滑移带可视为蚀坑的密集部呈线状延伸的形状。这样，由于滑移带为基底面位错呈线状密集的形状，因此，能够用形状进行判定，能够辨别滑移带与孤立的基底面位错。

如图1以及图2所示，在SiC晶片的大范围内产生滑移带L。因此，滑移带L对于SiC晶片来说是致命缺陷。

“SiC锭的制造方法”

对本实施方式涉及的SiC锭的制造方法进行说明。当使用本实施方式涉及的SiC锭的制造方法时，能够抑制上述滑移带L的产生，能够制作出BPD低的SiC晶片。

本实施方式涉及的SiC锭的制造方法包括使晶体在相对于{0001}面具有偏离角的主面上生长的晶体生长工序。

作为SiC锭的制造方法之一，已知升华法。升华法是使通过加热原料而产生的原料气体在单晶(籽晶)上进行再结晶而获得大的单晶的方法。

图3是用于升华法的制造装置的一个例子的示意图。制造装置100具有坩埚10和线圈20。在坩埚10和线圈20之间也可以具有通过线圈20的感应加热来发热的发热体(省略图示)。

坩埚10具有设置在与原料G相对向的位置的晶体设置部11。坩埚10也可以在内部具有从晶体设置部11向原料G扩径的锥形导向件12。在图3中，为了容易理解，同时图示了原料G、籽晶1以及从籽晶生长出的SiC锭2。

当向线圈20施加交流电流时，坩埚10被加热，从原料G产生原料气体。所产生的原料气体沿着锥形导向件12被供给到设置于晶体设置部11的籽晶1。通过向籽晶1供给原料气体，SiC锭2在籽晶1的主面进行晶体生长。

因此，在本实施方式涉及的SiC锭的制造方法中，使籽晶1的主面为相对于{0001}面具有偏离角的面，将该主面朝向原料G侧地设置于晶体设置部11。在此，“偏离角”是指主面的法线矢量与{0001}面的法线矢量所成的角。

在具有偏离角的主面上，SiC单晶进行台阶流动生长(step flowgrowth)。在台阶流动生长中，晶体一边沿a面方向生长，一边作为整体沿c面方向生长。

因此，通过使用台阶流动生长，能够使在偏离上游侧产生的缺陷和/或位错向偏离下游侧流出。即，使在晶体生长过程中产生的缺陷以及晶***错向外部流出，能得到高品质的SiC锭。

偏离角大于0°。由于偏离角大于0°，所以能够定义偏离下游侧。进一步，主面相对于{0001}面的偏离角优选为2°～8°，更优选为2°～4°。

在主面相对于{0001}面的偏离角小时，存在难以产生滑移带L的倾向。认为这是由于以下原因：当偏离角过大时，由于温度梯度，会在c面滑移的方向(与{0001}面平行的方向)上施加应力，会容易产生基底面位错。

另外，当与制作器件等时所使用的SiC晶片的偏离角(通常为小于或等于4°)之差大时，需要从SiC锭斜着切取SiC晶片。即，所得到的SiC晶片的取得数会变少。

如上所述，在坩埚10内设置籽晶1，使SiC锭2进行晶体生长。接着，对晶体生长过程的条件进行说明。

图4是表示SiC锭的偏离下游侧的晶体生长过程的状况的图。图4所示的面是沿着偏离方向切割的切割截面，是包含晶体生长面的中心的截面。如图4所示，SiC锭2具有c面生长区域2A和侧面生长区域2B。

c面生长区域2A是在与{0001}面垂直的＜0001＞方向上进行晶体生长的区域。与此相对，侧面生长区域2B是从生长过程的SiC锭的侧面侧供给原料气体、在与＜0001＞方向不同的方向上进行了晶体生长的区域。c面生长区域2A与侧面生长区域2B的晶体生长方向不同，因此，在c面生长区域2A与侧面生长区域2B之间存在边界B。

侧面生长区域2B通过原料气体绕到SiC锭的侧面来进行晶体生长。即，难以控制晶体生长的过程。与此相对，c面生长区域2A沿着在坩埚10内产生的等温线进行生长，因此能够进行控制。即，在本实施方式涉及的SiC锭的制造方法中，控制c面生长区域2A的生长状态。

在本实施方式涉及的SiC锭的生长方法中进行晶体生长，以使得预定倾斜面S与{0001}面所成的锐角θ成为大于或等于比偏离角小2°的角度且小于或等于8.6°。预定倾斜面S是与沿着偏离方向切割的切割截面垂直、且连结晶体生长面2a的中心C和偏离下游端部E_low的面。另外，比偏离角小2°的角度是指从偏离角的数值的绝对值减去2°后的数值。

在此，“晶体生长面2a”是指在晶体生长过程中露出的c面生长区域2A的外表面。另外，“晶体生长面的中心C”是指在晶体生长过程中俯视SiC锭时的中央。该点与通过俯视籽晶1的主面1a时的中央且与主面1a垂直的线和晶体生长面2a的交点对应。

另外，“偏离下游端部E_low”是晶体生长面2a的位于最靠偏离下游侧的端部，是沿着偏离方向的切割截面与晶体生长面2a相交的点。即，在存在侧面生长区域2B的情况下，是沿着偏离方向的切割截面、与c面生长区域2A和侧面生长区域2B之间的边界B相交的点。

当进行晶体生长以使得预定倾斜面S与{0001}面所成的锐角θ成为大于或等于比偏离角小2°的角度且小于或等于8.6°时，能抑制滑移带L的产生。

为了抑制滑移带L的产生，使锐角θ的上限为小于或等于8.6°是特别重要的。由于不优选晶体生长面2a的形状成为较大的凹陷，因此下限值被确定为该值。但是，由于允许生长面的一部分成为不显著的凹状，因此，下限值优选从偏离角减去2°后的角度。进一步，更优选生长面形状在整体上为微凸状，因此，下限值更优选为大于或等于从偏离角减去1°后的角度，进一步优选为大于或等于偏离角。

抑制滑移带L的产生的原因还不明确。然而，考虑有可能是SiC锭2的晶体生长面2a的形状有助于抑制滑移带L的产生。

当预定倾斜面S与{0001}面所成的锐角θ大时，SiC锭的形状成为凸状。SiC锭2在超过2000℃的高温中生长。因此，存在如下情况：在为从坩埚内取出而进行冷却时、在生长过程中会在SiC锭2中产生温度变化。当SiC锭的厚度根据部位而不同时，伴随着因热容量的不同而产生的温度差，在SiC锭2内会产生应力。

在缓和在SiC锭2内产生的应力时，有时晶体会沿着{0001}面滑移。对于基底面位错，{0001}面中的滑移是原因之一，基底面位错的集合体是滑移带L。也即是，认为通过进行晶体生长以使得在SiC锭2内不产生应力，从而滑移带L的产生得到抑制。

另一方面，当仅考虑应力的缓和(晶体生长面2a的形状)时，认为滑移带L也可以以晶体生长面的中心C为基准而在偏离上游侧和下游侧对称地产生。然而，滑移带L具有容易产生于偏离下游侧这一特征。

对于滑移带L的产生位置存在各向异性这一情况，仅从晶体生长面2a的凸形状的程度是不能解释的。虽然这一点尚未充分解释清楚，但认为施加应力的方向和{0001}面之间的关系性可能具有影响。

生长中的温度差在晶体生长面2a的法线方向上产生得最大，成为应力产生的主要因素。认为可能是当施加这种应力的方向与{0001}面接***行时，晶体会沿着{0001}面偏移，容易产生滑移带L。当对偏离上游侧和偏离下游侧进行比较时，偏离下游侧一方更容易成为施加应力的方向和{0001}面接***行。

根据这样的观点，认为由晶体生长面2a规定的预定倾斜面S与{0001}面所成的锐角θ对有无产生滑移带L是有作用的。用后述的实施例对详细内容进行说明，确认了当预定倾斜面S与{0001}面所成的锐角θ为大于或等于比偏离角小2°的角度且小于或等于8.6°时，滑移带L的产生被大幅地抑制。

对于预定倾斜面S与{0001}面所成的锐角θ为预定关系，在晶体从主面1a生长7mm以上后的后半生长工序中至少满足该预定关系即可。在此，晶体生长量作为晶体生长面的中心C处的厚度来求取。

SiC锭的厚度越厚，在SiC锭内产生的应力越大。因此，在SiC锭的厚度足够薄的区域中，即使不满足预定关系，也难以产生滑移带L。

另一方面，在生长初期也满足预定关系会难以在SiC锭内产生应力，滑移带L的产生被抑制。即，在晶体生长工序的全部晶体生长过程中，预定倾斜面S与{0001}面所成的锐角θ优选为大于或等于比偏离角小2°的角度且小于或等于8.6°。

另外，在晶体生长过程中，优选使晶体生长面2a的形状恒定。

若晶体生长面2a的形状恒定，则在晶体生长过程中难以发生歪斜。即，难以在SiC锭2内产生应力。

为了使晶体生长面2a的形状为恒定，在晶体生长工序的晶体生长过程中，优选使预定倾斜面S与{0001}面所成的锐角θ的角度变化量为3°以内。可以说若满足该关系，则在生长过程中SiC锭2会以相似的形状变大。

另外，到此为止，对偏离下游的晶体生长面2a与{0001}面之间的关系进行了规定。如上所述，这是由于滑移带L容易产生在偏离下游侧。

另一方面，根据应力缓和的观点，优选晶体生长过程中的SiC锭2的形状在偏离下游侧和偏离上游侧为对称。即，偏离下游侧的晶体生长和偏离上游侧的晶体生长优选相对于如下的面为对称，该面为通过晶体生长面的中心且与偏离方向正交的面。

在上述条件下制作后，停止SiC锭的生长。为了将在超过2000℃的高温中生长的SiC锭2从坩埚10内取出而使制造装置100被冷却。冷却包含自然冷却和施加了外力的强制冷却。

至此为止，对制造SiC锭的过程中的优选条件进行了说明。

接着，对用于满足该条件的方法进行说明。

晶体生长显著受到晶体生长时的温度的影响。因此，设定等温面以使得由晶体生长面2a规定的预定倾斜面S与{0001}面所成的锐角θ满足预定关系。

作为对于晶体生长面控制晶体生长时的温度分布的方法，可以使用日本特开2008-290885号公报所公开的方法。具体而言，可以使用如下构成的升华法晶体生长装置，该装置具有与配置有籽晶的部位的侧面相对向的加热器和与配置有原料的部位的侧面相对向的加热器这上下两个加热器，在该上下的加热器间设置有由绝热构件形成的隔壁部。隔壁部防止来自下侧的加热器的热向坩埚的上方传递，能够控制相对于籽晶的表面的等温面。

在通过升华法进行晶体生长时，当在周期性地改变氮(N)掺杂量的同时进行生长时，根据氮(N)浓度的不同，生长面会成为条纹图案。将其沿着纵截面方向切片，能够根据颜色变化的界面求出各个时刻的生长面的形状。在生长面在生长期间发生了变化的情况下，能够通过如下那样的方法进行调整，来维持生长面的形状。

对于维持晶体生长时的等温面，能够通过还结合其他技术来实现。具体而言，结合如下技术：在生长期间移动坩埚以使得修正在上述方法中事先求出的生长面形状的变化，使生长面高度与该等温面一致。

首先，在高温区域与低温区域之间设置由绝热材料形成的隔壁部，在生长开始时籽晶的{0001}面和由等温面规定的倾斜面为满足预定关系的温度分布。并且，根据事先确认了各时间的生长面高度的相同条件的生长结果来类推。

另外，当生长期间的晶体附近的温度梯度大时，晶体内的应力会变大。作为晶体附近的温度梯度，存在生长方向(生长轴方向)的温度梯度和径向的温度梯度。

如上所述，径向的温度梯度能够通过使用具有隔壁部和上下加热器的装置使等温面与籽晶的表面平行来减小。生长轴方向的温度梯度能够通过减少籽晶与原料的温度差来减少。

由于当温度梯度过小时，生长会变得不稳定，因此温度梯度优选为50Kcm^-1左右。通过在能够稳定生长的范围内将生长轴方向的温度梯度和径向的温度梯度这两方控制为小的值，能够抑制应力的产生。

以上，对本发明的优选实施方式进行了详细描述，但本发明并不限定于特定的实施方式，可以在权利要求书内所记载的本发明的主旨的范围内进行各种变形、变更。

实施例

(研究例1)

首先，准备了成为晶体生长的核的籽晶。籽晶使用了多型为4H、偏离角为4°、直径为4英寸的籽晶。

接着，在如图3所示的坩埚内设置单晶，进行了晶体生长。按每一定时间使掺杂的氮量变化来进行了晶体生长。晶体生长时的等温面在各时间进行了控制。晶体生长时的等温面的形状按各实施例发生了变化。即，以晶体生长面的形状按各实施例变化的方式进行了制作。

所制作的SiC锭以通过晶体生长面的中心且沿着＜11－20＞方向的切割截面进行了切割。拍摄所切割的截面，确认了晶体生长面的形状。在截面中，确认到起因于所掺杂的氮浓度的不同的条纹图案。该条纹图案的界面与晶体生长过程中的晶体生长面对应。

于是，关于所作成的各实施例的SiC锭，测定了按每一定时间改变所掺杂的氮量而得到的晶体生长面的凸面度、和预定的面S与{0001}面所成的锐角θ的推移。对于凸面度，当将生长的SiC单晶的底面的长径作为D、将连结该底面和顶点的垂线的长度作为H时，用(H/D)来求取。在此，SiC单晶的底面的直径D是根据拍摄所切割的截面而得到的像的条纹图案测定连接各一定时间的晶体生长面的端部的面的直径而得到的。另外，将从各一定时间的晶体生长面的顶点向连接各一定时间的晶体生长面的端部而得到面作出的垂线的长度作为H。关于所作成的各SiC锭，分别将其最大值以及最小值的结果表示于表1。

在此，最大值、最小值是指关于凸面度和锐角θ观察了20～26面的晶体生长面时的最大值和最小值，所述晶体生长面是在切割了各实施例的SiC锭而得到的截面的像中表现为条纹图案的各一定时间的晶体生长面。

此外，在晶体生长量超过了7mm的区域测定了凸面度以及锐角θ。在晶体生长初期，籽晶的端部升华，因此，未作为评价的对象。

晶体生长量根据拍摄所切割的截面而得到的像来求取。

另外，与籽晶的主面平行地将所制作的SiC锭切割，确认了有无产生滑移带。对于切割截面，在研磨后进行KOH蚀刻，判断了是否确认到BPD的凹坑列的集合。将滑移带的有无表示于表1。

[表1]

如实施例1～6所示，通过使锐角θ为小于或等于8.6°，能够抑制滑移带的产生。

(研究例2)

接着，改变最初准备的单晶，进行了与研究例1同样的研究。

在研究例2中，准备了多型为4H、偏离角为4°、直径6英寸的单晶、和多型为4H、偏离角为8°、6英寸的单晶。

[表2]

如上所述，即使单晶的直径改变，也得到了同样的结果。另外，即使使偏离角为8°，当锐角θ超过8.6°时，也会产生滑移带。

标号说明

1…籽晶、1a…主面、2…SiC锭、2a…晶体生长面、2A…c面生长区域、2B…侧面生长区域、10…坩埚、11…晶体设置部、12…锥形导向件、20…线圈、100…制造装置、L…滑移带、D…缺陷、B…边界、C…中心、E_low…偏离下游端部、S…倾斜面、θ…锐角。

Claims

1.一种SiC锭的制造方法，

包括使晶体在相对于{0001}面具有偏离角的主面上生长的晶体生长工序，

至少在所述晶体生长工序的所述晶体从所述主面生长了7mm以上之后的后半生长工序中，

使倾斜面与所述{0001}面所成的锐角为大于或等于比偏离角小2°的角度且小于或等于8.6°来使晶体生长，所述倾斜面是与沿着偏离方向切割的切割截面垂直且通过晶体生长面的中心和晶体生长面的偏离下游端部这两者的面。

2.根据权利要求1所述的SiC锭的制造方法，

在所述晶体生长工序的全部晶体生长过程中，使所述锐角为大于或等于比偏离角小2°的角度且小于或等于8.6°。

3.根据权利要求1或2所述的SiC锭的制造方法，

所述偏离角为小于或等于4°。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的SiC锭的制造方法，

在所述晶体生长工序的所述后半生长工序中，使所述锐角的角度变化为3°以内。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的SiC锭的制造方法，

在所述晶体生长工序的所述后半生长工序中，偏离下游侧的晶体生长和偏离上游侧的晶体生长相对于通过晶体生长面的中心且与所述切割截面正交的面对称。