DE69910897T2

DE69910897T2 - Verfahren zu Herstellung eines SiC-Einkristalls

Info

Publication number: DE69910897T2
Application number: DE69910897T
Authority: DE
Inventors: Kichiya Sanda-shi Tanino; Masanobu Sanda-shi Hiramoto
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1998-04-13
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: DE69910897D1; US6187279B1; JP2884085B1; EP0964081A2; EP0964081B1; EP0964081A3; JPH11292698A

Description

Der Erfindung zugrundeliegender allgemeiner Stand der Technik
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls aus SiC (Siliciumcarbid), der als Halbleitersubstrat-Wafer für eine lichtemittierende Diode, eine optische Röntgenstrahlvorrichtung, wie z. B. einen monochromatischen Sortierer, ein elektronisches Hochtemperatur-Halbleiter-Element, und eine Leistungsvorrichtung Verwendung findet.
2. Beschreibung des Standes der Technik
SiC (Siliciumcarbid) ist an Wärmebeständigkeit und mechanischer Stärke überlegen und weist ferner einen guten Widerstand gegen Strahlung auf. Zusätzlich ist es leicht, die Wertigkeit der Elektronen und Defektelektronen durch Dotieren mit einem Fremdstoff zu steuern. Ferner hat SiC einen breiten Energiebandabstand (zum Beispiel hat der 6H-SiC-Einkristall einen Energiebandabstand von etwa 3,0 eV, und der 4H-SiC- Einkristall hat einen Energiebandabstand von 3,26 eV). Somit ist es möglich, eine hohe Kapazität, eine hohe Frequenz, eine hohe Durchschlagfestigkeit und einen hohen Widerstand gegen Umgebungen zu erzielen, die durch herkömmliche Halbleitermaterialien wie z. B. Si (Silicium) und GaAs (Galliumarsenid) nicht realisiert werden können. Aus diesen Gründen finden SiC-Einkristalle ein immer größeres Interesse, und voraussichtlich wird man diese als Halbleitermaterial für Leistungsvorrichtungen der nächsten Generation nutzen.
Als Verfahren zum Ziehen (Erzeugen) eines SiC- Einkristalls dieses Typs sind ein Verfahren, in dem der SiC-Einkristall durch Sublimations- und Umkristallisierungsverfahren unter Verwendung eines Impfkristalls, sowie ein Hochtemperatur-Epitaxialverfahren bekannt, wobei im Fall der Hochtemperatur das Epitaxialwachstum auf einem Siliciumsubstrat durch Anwenden des Abscheidens aus der Gasphase (CVD – Chemical Vapor Deposition) durchgeführt wird, und damit ein kubischer SiC-Einkristall (β-SiC) gezüchtet wird.
In den oben beschriebenen herkömmlichen Produktionsmethoden treten jedoch beim Sublimierungs- und Umkristallisierungsverfahren, in denen das Aufwachsen des Einkristalls aufgrund des Gasphasenwachsens unter hoher Temperatur nur mit Schwierigkeiten gesteuert werden kann, Probleme auf wie z. B. Kristallgitterfehler und Mikrolunkerfehler, in denen nadelstichfeine Löcher mit einem Durchmesser von einigen μm, die den Kristall in Wachstumsrichtung durchdringen, mit etwa 100 bis 1000/cm² in einem wachsenden Kristall verbleiben. Solche Nadellöcher werden Mikrolunkerfehler genannt und verursachen bei der Herstellung eines Halbleiters einen Leckstrom, und machen es somit schwierig, den SiC-Einkristall mit ausgezeichneter Qualität herzustellen. Ferner ist bei der Hochtemperatur-Epitaxial-Methode die Temperatur des Substrats hoch und es ist auch erforderlich, eine hochreine Reduktions atmosphäre zu erzeugen. Somit tritt es bei diesem Verfahren das Problem auf, daß das Verfahren unter dem Gesichtspunkt der Installation nur mit Schwierigkeit durchgeführt werden kann. Ferner gibt es bei dem Verfahren ein weiteres Problem, weil beim epitaxialen Wachsen die Kristallwachstumsrate nur langsam ist, ausgedrückt in μm per Stunde, was zu dem Problem einer extrem schlechten Produktivität für den SiC-Einkristall führt.
SiC als Verbindung enthaltend ein α-SiC-Einkristallsubstrat und eine polykristalline β-SiC-Platte, ausgebildet auf der Oberfläche des Substrats, welches mit thermischer CVD (Chemical Vapor Deposition) zu einem Einkristall umgewandelt wird, ist in EP-A-0921214 und WO-A-98/53125 bekannt. Diese Bezugsnummer wurde am 20. Mai 1988 eingereicht und beantragte die Priorität vom 23. Mai 1997 und wurde am 26. November 1998 veröffentlicht.
Aus EP-A-0922792 und WO-A-99/00538, eingereicht am 23. Juni 1998 mit Beanspruchung der Prioritäten vom 26. Juni 1997 und 4 Juli 1977, veröffentlicht am 1. Januar 1999, ist bekannt, einen α-SiC-Einkristall in enge Berührung mit einer amorphen oder polykristallinen β-SiC-Platte zu bringen, nachdem die Oberflächen glattgeschliffen wurden, um eine komplexe Verbindung zu erzeugen, die in einer unter Druck stehenden Atmosphäre aus gesättigtem SiC-Dampf wärmebehandelt wird.
Auch EP-A-0964084 und WO-A-99/13139, das am 5. August 1998 unter Beanspruchung der Priorität 10. September 1997 eingereicht und am 18. März 1999 veröffentlicht wurde, offenbart einen SiC-Einkristall, der durch thermische CVD auf einem Stapel fehlerhaft ausgerichtet regulierter Kristallorientierungflächen einer Vielzahl folienartiger α-SiC-Einkristall stücke ausgebildet ist. Die Verbindung wird wärmebehandelt, um einen integrierten Einkristall wachsen zu lasen.
In EP-A-0916750, eingereicht am 6. November 1998 mit Beanspruchung der Priorität vom 7. November 1997, und veröffentlicht am 9. Mai 1999, wird angeregt, auf einem α-SiC-Kristallsubstrat eine polykristalline α-SiC-Folie durch thermische CVD zu züchten, nachdem die Oberfläche des α-SiC-Einkristallsubstrats auf eine Oberflächenrauheit gleich oder kleiner als 2 × 10² nm eingestellt wurde. Dann wird die Verbindung mit einer hohen Temperatur in einem Argon-Gasstrom wärmebehandelt, um auf diese Weise einen α-SiC-Einkristall auf dem α-SiC-Einkristall-Substrat zu züchten.
Die genannten Probleme verhindern eine praktische Anwendung des SiC-Einkristalls mit überlegenen Merkmalen im Vergleich zu anderen, bisherigen Halbleitermaterialien, wie z. B. Si und GaAs, wie oben beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Umstände und Probleme gemacht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens zur Erzeugung eines SiC-Einkristalls zum Ermöglichen der Herstellung eines solchen Hochqualitäts-SiC-Einkristalls mit hoher Produktivität, die die praktische Anwendung des Einkristalls als Halbleitermaterial beschleunigen kann.
Zur Lösung der obigen Aufgaben umfaßt das Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls die Schritte des Schichtbildens eines α-SiC-Einkristall-Substrats auf eine polykristalline β-SiC-Platte, gekennzeichnet durch das Anwenden einer Wärmebehandlung auf das α-SiC-Einkristall-Substrat und die polykristalline β-SiC-Platte in einer Inertgas-Atmosphäre und einer gesättigten SiC-Dampf-Atmosphäre, wodurch die polykristalline β-SiC-Platte in den Einkristall festphasenumgeformt wird und dadurch einen Einkristall integriert mit dem α-SiC-Einkristall-Substrat aufwachsen läßt.
Die vorliegende Erfindung mit den obigen Merkmalen bedarf keiner mühsamen und kostspieligen Vorbehandlung, bei der das SiC-Einkristall-Substrat und die polykristalline SiC-Platte zu einer hochgenauen glatten Oberfläche geschliffen werden, so daß die sich gegenüberliegenden Oberflächen genau und dicht aufeinandergepaßt werden können oder so glatt oberflächenbehandelt werden, daß die ganzen Flächen derselben vollständig aufeinandergepaßt werden. Das SiC-Einkristall-Substrat und die polykristalline SiC-Platte, die eine wenig genaue glatte Oberfläche aufweisen, werden benutzt, und beide, Substrat und Platte, werden einfach zum Befestigen aufeinander geschichtet, um eine Wärmebehandlung darauf anzuwenden, wobei die Einkristall-Umwandlung durch die Festphasen-Umwandlung einer ganzen Oberflächenschicht der polykristallinen SiC-Platte ausgeführt wird, und die Einkristall-Umwandlung in Oberflächenrichtung abläuft, bei der der Berührungspunkt als Ausgangspunkt wirkt, und bewirkt auf diese Weise, daß die ganze Oberflächenschicht der polykristallinen SiC-Platte wirksam zu einem Einkristall wächst, der mit dem Einkristall-SiC-Substrat integriert ist, so daß es möglich werden kann, den SiC-Einkristall mit hoher Qualität zu erhalten, der im wesentlichen frei von Kristallgitterstörstellen und Mikrolunkerfehlern ist, und mit hoher Produktivität zu erzeugen. Somit wird erwartet, den SiC-Einkristall als Halbleitermaterial für eine Leistungsvorrichtung einzusetzen, das überlegen ist im Hinblick auf eine große Kapazität, eine hohe Frequenz, eine hohe Durchschlagfestigkeit und einen hohen Widerstand gegenüber Umgebungen bekannter Halbleitermaterialien wie z. B. Si (Silicium) und Gags (Galliumarsenid). Das kann den praktischen Einsatz des Einkristalls beschleunigen.
Die übrigen Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser offensichtlich aus der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm eines Materials, das zur Produktion eines SiC-Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
2 ist ein Diagramm, das einen Zustand vor einem ersten Schritt (d. i. ein Wärmebehandlungsschritt) der Schritte der Herstellung des SiC-Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Diagramm, das einen Zustand nach Abschluß der ersten Wärmebehandlung im ersten Schritt (d. i. im Wärmebehandlungsschritt) zeigt.
4 ist ein Diagramm, das einen Zustand nach Abschluß der letzten Wärmebehandlung im ersten Schritt (d. i. im Wärmebehandlungsschritt) zeigt.
5 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines α-SiC-Einkristallklumpens, hergestellt durch Verwenden des SIC-Einkristall-Substrats bei der Herstellung des SiC-Einkristalls.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Anhand der Zeichnungen werden nachstehend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
1 ist ein Diagramm eines Materials, das zum Herstellen eines SiC-Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. In 1 bezeichnet 1 ein sechseckiges α-SiC-Substrat (Typ 6H oder Typ 4H), das zu einem plattenförmigen SiC geformt wird durch Ausschneiden einer Anzahl plattenförmiger SiC-Einkristallstücke 1A aus einem α-SiC-Einkristallklumpen 1', der nach der Achison-Methode gemäß 5 hergestellt wurde, die oberen und hinteren Flächen derselben werden bearbeitet, so daß sie eine Dicke von 0,5 mm aufweisen, so daß die Oberfläche (0001) jedes plattenförmigen SiC-Einkristallstücks 1A als vertikale Achse wirken kann.
2 bedeutet eine polykristalline räumliche β-SiC-Platte, die gesondert durch das thermische chemische Abscheiden aus der Gasphase (nachstehend als thermisches CVD bezeichnet) bei einer Temperatur im Bereich von 1300 bis 1900°C erzeugt wurde. In der polykristallinen β-SiC-Platte 2 wird die β-SiC-Dünnschicht mit einer Dicke von im wesentlichen 1 mm, deren Fläche (111) hochorientiert ist, auf gesintertem Graphit, in den Figuren nicht gezeigt, durch thermische CVD erzeugt. Danach wird das Graphit verascht zum Abtragen und auf diese Weise Isolieren der beiden Oberflächen 2a, 2a des flachplattenförmigen Materials mit einer Dicke von 0,8 mm, die geschliffen werden, um eine glatte Oberfläche von gleich oder weniger als 1 × 10² nm (1000 Å) RMS, vorzugsweise 5 nm (50 Å) RMS zu erzeugen.
Die flachplattenförmige polykristalline β-SiC-Platte 2 und das α-SiC-Einkristall-Substrat 1, das auf die obige Weise erzeugt wurde, werden durch ein Lösungsmittel abgewaschen, mit Ultraschall oder Flußsäure getrocknet, bevor die beiden, Substrat 1 und Platte 2, aufeinandergeschichtet befestigt werden, so daß sie eng aufeinandergepaßt sind.
In einem solchen Zustand, wie in 2 gezeigt wird, werden das α-SiC-Einkristall-Substrat und die polykristalline β-SiC-Platte 2 horizontal eingeschoben und in einem wärmefesten Carbon-Ofen (nicht dargestellt) angeordnet, α-SiC-Einkristallkörner 3 sind angeordnet und an der Peripherie eingefüllt. Ein Inertgasstrom, z. B. Ar im Umfang von 1 Atom, wird in den Ofen eingeblasen, so daß die Temperatur in der Mitte des Ofens während eines Zeitraums von 10 Stunden von 1100°C auf 2000 bis 2300°C steigt, und diese Temperatur wird im wesentlichen 5 Std. lang auf 2000 bis 2300°C gehalten. Somit wird eine erste Wärmebehandlung angewandt unter einer Inertgasatmosphäre und in einer gesättigten SiC-Dampfatmosphäre.
Durch diese erste Wärmebehandlung, wie in 3 gezeigt wird, wird die polykristalline β-SiC-Platte 2 festphasentransformiert und führt somit zur Einkristall-Umwandlung der polykristallinen β-SiC-Platte 2A in einer Tiefe im Bereich d von 100 bis 50 μm über eine ganze Schichtoberfläche.
Nach der ersten Wärmebehandlung werden die Wärmebehandlungen unter den gleichen Atmosphären- und Temperaturbedingungen wiederholt wie oben erwähnt, wobei der obengenannte Einkristallteil 2A als Impfkristall festphasenaufgewachsen ist und damit den übrigen polykristallinen β-SiC-Plattenteil 2B in Einkristalle umwandelt, um den Einkristallteil 2' in die gleiche Richtung auszurichten wie die Kristallachse des α-SiC-Einkristall-Substrats 1. Folglich wird der Einkristallteil 2' in den Einkristall des α-SiC-Einkristall-Substrats 1 integriert und wächst somit als großförmige SiC-Einkristalle 4 auf, wie in 4 gezeigt ist.
In der obigen Ausführungsform werden die aneinander liegenden Flächen 1a, 2a des α-SiC-Einkristall-Substrats und der poly kristallinen β-SiC-Platte 2 geschliffen, so daß sie eine glatte Oberfläche aufweisen, mit gleich oder weniger als 100 nm (100 Å) RMS (quadratischer Rauhtiefenmittelwert), vorzugsweise 5 nm (50 Å) RMS. In diesem Zustand, in dem die glatten Oberflächen sich gegenseitig ganz berührend eng aufeinandergeschichtet sind, werden sie dann einer Wärmebehandlung unterzogen. Als Alternative geht, auch wenn die beiden aneinanderliegenden Oberflächen 1a, 2a nicht so streng aneinander angepaßt sind und die aneinanderliegenden Oberflächen 1a, 2a nicht ganz glatt zu flachen Oberflächen bearbeitet sind, so daß sie sich nicht vollständig berühren, die Einkristall-Umwandlung aufgrund der Festphasen-Umwandlung in eine Oberflächenrichtung, bei der der Berührungspunkt der Ausgangspunkt ist, wobei die ganze polykristalline β-SiC-Platte 2 Einkristall-umgewandelt wird. Das wurde durch einen Versuch bestätigt.
Daher ist kein beschwerlicher und aufwendiger Vorbereitungsprozeß erforderlich, in dem das α-SiC-Einkristall-Substrat 1 und die polykristalline β-SiC-Platte 2 zu der hochgenauen glatten Oberfläche geschliffen werden, so daß die aneinanderliegenden Oberflächen 1a, 2a genau und eng aufeinandergepaßt sind oder so glattgeschliffen werden, daß die gesamten Flächen vollständig aufeinandergepaßt werden. Das α-SiC-Einkristallsubstrat 1 und die polykristalline β-SiC-Platte 2 mit weniger genauen glatten Oberflächen werden benutzt und das Substrat 1 und die Platte 2 werden zur Befestigung einfach aufeinander geschichtet, um die Wärmebehandlung durchzuführen, und somit wird ein ganzer Bereich der polykristallinen β-SiC-Platte 2 Einkristall-umgewandelt, wodurch es möglich wird, SiC-Einkristalle hoher Qualität mit hoher Produktivität zu erzeugen, die im wesentlichen frei sind von Kristallgitter-Störstellen und Mikrolunker-Fehlstellen.
Als polykristalline SiC-Platte, wie in der obigen Ausführungsform gezeigt, wird plattenförmiges SiC benutzt, das durch thermisch-chemische Abscheidung aus der Gasphase erzeugt wird, wobei die polykristalline SiC-Platte selbst eine hohe Reinheit ohne Störungsstellen, wie z. B. eine Leerstelle, aufweist. Daher wird zwischen dem SiC-Einkristall-Substrat und der polykristallinen SiC-Platte keine Kristall-Korngrenze oder dergl. ausgebildet, und damit wird die Qualität des SiC-Einkristalls noch weiter erhöht. Das beschränkt sich nicht auf den obigen Fall. Als Alternative kann auch ein plattenförmiges SiC benutzt werden, das durch Ionenbeschichtung, Spratzen und Plasma-CVD aufgebracht wird.
Ferner, wie in der obigen Ausführungsform gezeigt, wird vorzugsweise ein α-SiC-Einkristall als SiC-Einkristall-Substrat verwendet. Als Alternative kann auch der β-SiC-Einkristall benutzt werden. Besonders kann im Fall der Anwendung des SiC-Einkristall-Substrats mit einer Kristallfläche, die der polykristallinen SiC-Platte gegenüberliegt, die eine (0001) Oberfläche ±5° oder (110) Oberfläche ±5° des SiC-Einkristall-Stücks hat, das in Plattenform aus dem SiC-Einkristall-Klumpen, der durch die Achison-Methode produziert wurde, ausgeschnitten wird, der Einkristall aus der Kristallfläche des SiC-Einkristall-Substrats in einer C-Axialrichtung durch Festphasenumwandlung der polykristallinen SiC-Platte mit gleichzeitiger Wärmebehandlung aufwachsen gelassen werden. Im Aufwachsschritt wird die Einschließung von Kristallgitterfehlstellen extrem reduziert, dabei wächst der Kristall der gleichen polymorphen Struktur wie das SiC-Einkristall-Substrat leicht und sicher auf. Als Ergebnis läßt sich der Hochqualitäts-SiC-Einkristall, in den keine andere polymorphe Struktur eingemischt ist, wirksam erhalten.
Ferner kann das α-SiC-Einkristall-Substrat 1, das in der obigen Ausführungsform verwendet wird, entweder aus einem 6H-SiC-Einkristall oder einem 4H-SiC-Einkristall bestehen. Ferner wird in der obigen Ausführungsform die polykristalline β-SiC-Dünnschicht 2 als polykristalline Platte benutzt. Als Alternative läßt sich, auch wenn eine amorphe Platte hoher Reinheit (gleich oder weniger als 10¹⁴ atm/cm³) verwendet wird, ein SiC-Einkristall hoher Qualität ähnlich dem obigen erzeugen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls, das die folgenden Schritte umfaßt: Schichtbilden eines α-SiC-Einkristall-Substrats auf eine polykristalline β-SiC-Platte, wobei eine Wärmebehandlung auf das α-SiC-Einkristall-Substrat und die polykristalline β-SiC-Platte angewandt wird unter einer Inertgas-Atmosphäre und einer gesättigten SiC-Dampf-Atmosphäre, wodurch die polykristalline β-SiC-Platte in den Einkristall festphasen-umgeformt ist und dadurch einen Einkristall integriert mit dem α-SiC-Einkristallsubstrat aufwachsen läßt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem ein anderes plattenförmiges β-IC durch thermische chemische Abscheidung aus der Gasphase erzeugt und als die polykristalline β-SiC-Platte benutzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, in dem eine Schichtfläche der plattenförmigen polykristallinen β-SiC-Platte die durch thermische chemische Abscheidung aus der Gasphase erzeugt wurde, auf eine Glätte von gleich oder weniger als 10² nm (1000 Å) RMS (quadratischer Rauhtiefenmittelwert) geschliffen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem das angewandte α-SiC-Einkristall-Substrat eine Kristallfläche gegenüber der polykristallinen β-SiC-Platte hat, wobei die Kristalloberfläche (0001) Fläche ±5° oder (110) Fläche ±5° eines α-SiC-Einkristall-Stücks ist, das in Plattenform aus einem durch das Achison-Verfahren erzeugten α-SiC-Einkristall-Klumpen geschnitten wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 4, in dem im Zustand des Schichtbildens und Befestigens des α-SiC-Einkristall-Substrats und der polykristallinen β-SiC-Platte Wärmebehandlungen unter der gleichen Bedingung wiederholt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem die Temperatur der Wärmebehandlung im Bereich von 2000 bis 2300°C festgesetzt ist.