TWI231320B - SiC single crystal and method for growing same - Google Patents
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Description
1231320 Λ7 _ B7 五、發明說明(1 ) 技術領域 本發明係關於一種適用於半導體電子物件的Sic單晶 以及其成長方法,特別以6H多型的SiC單晶以及其成長方 法。 過去技術 近年來對碳化矽(SiC )或氮化鎵(GaN )等的輕元 素所構成之化合物半導體硏究非常盛行。相關的化合物半 導體,因爲其特徵爲輕元素所構成故結合能量非常強,其 結果能量的禁制頻帶(頻帶間隔)、絕緣破壞電場、熱傳 導度較爲大。因此,活用此寬頻帶間隔的特徵,作爲高效 率、高耐壓能量裝置、高頻率能量裝置、高溫操作裝置、 或作爲自藍色至紫色發光裝置用的材料而受到矚目。然而 ,因結合能源較強,這些化合物,於大氣壓下依舊不會融 解,藉由使用矽等其他半導體的融液結晶化的整體結晶之 育成較爲困難。 作爲使整體狀的SiC單晶成長的方法,已知有特公昭 第59-48792號公報或特開平2-30699號公報揭示所謂的改良 型雷里法。此改良型雷里法係於石墨製坩鍋中設置由SiC 單晶所成的晶種,且於減壓環境下將原料S i C粉末昇華, 使晶種上面再結晶目的規模的SiC單晶者。 對於此改良的雷里法中爲首的昇華方法,作爲其晶種 ,使用主要爲露出{ 0001 }面的SiC單晶基板。然而,使 用面定向爲{ 0001 }的SiC單晶基板成長SiC單晶時,如 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----r---訂---------線—
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -4- 1231320 A7 _____ B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(2 ) 微管線的缺陷會向〈000 1 >軸方向延伸而到達單晶的表面 ,故使用此SiC單晶製作元件時會產生泄放電流等情況。 作爲有關解決此微管線問題的技術,已知有例如專利 第2 804860號公報所記載的SiC單晶成長方法。此方法中, 作爲晶種使用與丨0001 }面僅60 °至120 °的角度α之結 晶面露出的SiC單晶者,較佳爲使用露出{ 1-100 }面或{ 1 1 -20丨面的SiC單晶者。僅使用如此的晶種,即可減少到 達單晶表面的微管線。 發明的揭示 然而,專利第2804 860號公報所揭示的SiC單結晶成長 方法,有著下述的問題。即,如同公報所記載的發明之發 明者們於固態物理(b )( 202號163頁至175頁1 997年 )所述,露出{ 1-100面或{ 11 -20 }面的SiC單晶作爲 晶種使用時,可控制結晶多形,亦可抑制微管線到達表面 ,但有著會產生高密度的堆積缺陷露出於SiC單晶表面之 問題。此堆積缺陷會因結晶成長時成面狀而擴充,若使用 堆積缺陷露出於表面的SiC單晶製作元件時,與使用露出 微管線於表面的SiC單晶時相同,其有產生泄放電流的危 險。 本發明係對上述詳細硏究,提供一種減少表面露出的 微管線以及堆積缺陷之SiC單晶,以及其成長方法。 本發明爲使6H型多型(poly type )的SiC單晶成長的 方法,其特徵爲露出{ 01-14}面,或對{ 01-14}面成僅 請 先 閱 讀 背 面 之 注
項I·· 頁I w I I 訂 線
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -5- A7 1231320 ------— —_B7____ 五、發明說明(3 ) 約1 〇 °以內的離角α之傾斜面的SiC單晶所成晶種上,使 6H型多型的SlC單晶進行成長。 對於與本發明相關的SiC單晶之成長方法,例如僅使 用使{ 0 1 -1 4 }露出的晶種,即可具有該晶種露出面對微管 線延伸〈000 1〉方向成35 °傾斜。因此,僅於如此晶種上 使6H型多型的SlC單晶進行成長,即可將微管線到達該 SiC單晶的側面,可抑制微管線到達表面的事發生。又,晶 種的露出面({ 〇 1 -1 4 }面)爲堆積缺陷會擴充的面,即對 與〈000 1〉方向成垂直的面成約55 °的傾斜,故於如此晶 種上成長6H型多型的SiC單晶,堆積缺陷則會到達該SiC 單晶的側面,可抑制堆積缺陷到達表面的事發生。又,晶 種的露出面即使非{ 〇 1 -1 4 },對於此{ 0 1 -1 4 }面約僅 1 〇 °以內的離角α傾斜面,同樣可抑制微管線以及堆積缺 陷到達成長SiC單晶的表面。 又,離角α以5°以內爲佳,且離角α爲3°以內更佳 。即,晶種的表面愈接近{ 0 1 -1 4 }可更確實地抑制微管線 以及堆積缺陷到達表面。 又,有關本發明的其他SiC單晶成長方法,其特徵爲 以石墨製的坩鍋內將SiC原料粉末昇華,坩鍋內設置的晶 種上使6H型多型之SiC單晶進行再結晶的Sic單晶成長方 法中,作爲晶種,使用具有露出{ 01 -14 },或對於此{ 〇 1 -1 4 }面約僅1 0 °以內的離角α傾斜面之SiC單晶。 如此的SiC單晶成長方法,石墨製坩鍋內設置的晶種 露出面,例如爲{ 0 1 -1 4 }面時,該晶種的露出面對微管線 : ----:------------$ I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -6 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1231320 Α7 ____ Β7 五、發明說明(4 ) 所延伸的〈0001〉方向具有約35 °的傾斜。因此,使Sic 原料粉末昇華的如此晶種上使6H型多型之SiC單晶進行結 晶,微管線即可到達該SiC單晶的側面,可抑制微管線到 達表面的事發生。又,晶種的露出面({ 〇 1 -丨4 }面)爲堆 積缺陷會擴充的面,即對與〈〇〇〇1〉方向成垂直的面成約 55 °的傾斜,故於如此晶種上成長6H型多型的SiC單晶, 堆積缺陷則會到達該S i C單晶的側面,可抑制堆積缺陷到 達表面的事發生。又,晶種的露出面即使非{ 〇 1 -1 4 },對 於此丨0 1 -1 4 }面約僅1 0 °以內的離角α傾斜面,同樣可 抑制微管線以及堆積缺陷到達成長SiC單晶的表面。 圖面簡單說明 圖1表示使本發明的SiC單晶進行成長的結晶成長裝置 截面圖。 圖2表示說明SiC單晶的(01-14 )面所使用的圖。 圖3表示SiC單晶內的微管線以及堆積缺陷的狀態圖。 圖4表示表面由{ 〇 1 -1 4 }面成僅離角α傾斜的晶種。 主要元件對照表 2 結晶成長裝置 4 坩鍋 6 熱屏蔽部 8 反應管 10 高周波線圈 :----------------7---訂---------線- (請先閱讀背面之注意事項再1?3?4頁)
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -7 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1231320 A7 B7 五、發明說明(5 ) 12 氣體導入管 14 氣體排出管 15 原料 16 容器部 18 蓋子 20 晶種設置部 30 晶種 30u 晶種表面 40u 表面 42 微管線 44 堆積缺陷 欲實施發明的最佳型態 以下參考所附的圖面,對本發明的SiC單晶以及其成 長方法的最適實施型態作詳細說明。且,使用同一元件時 則使用同一符號而省略其說明。又,對實施型態以及實施 例的說明有使用結晶的晶格方向以及晶格面的狀況,於此 對晶格方向以及晶格面的記號作說明。個別定向爲〔〕、 集合定向爲〈〉、各個面爲()、集合面爲{}等分別表 示。又’對負指數於結晶學上爲將(條狀)加到數字上面 ’但於說明書中則直接將負號加在數字的前面。 圖1表示使本實施型態的SiC單晶成長的結晶成長裝置 2之截面圖。結晶成長裝置2的主要部分爲,內部中使SiC 單晶成長的石墨製坩鍋4、與防止坩鍋4的熱會向外放射的 @張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) "
1231320 a? _ B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(6 ) 熱屏蔽部6、與包圍此熱屏蔽部材料的冰冷式反應管8、與 圍繞反應管8周圍同使坩鍋4加熱的高周波線圈1〇等構成 。又,反應管8的頂部欲導入氬氣等惰性氣體而***氣體 導管1 2,反應管8的底部因欲排除惰性氣體至外面而*** 氣體排出管14。 坩鍋4則具有,有底圓桶狀而可內裝s i c多結晶所成原 料1 5之容器部1 6,封住此容器部1 6的上部開口的蓋子1 8 ,與附於蓋子1 8且將晶種30固定於底面的晶種設置部20 。其中,本實施型態中,作爲晶種30,使用露出{ 0 1 -1 4 ί面的6H型多型(”H”表示六方晶體系、”6”表示原子堆積 以6層作爲一周期之結晶構造)的SlC單晶。 其次’參照圖2對6H-SiC單晶的(〇卜14 )面作說明。 如同圖所示,(01-14 )面對〔000 1〕方向具有約35 ° ( 35.26 ° )的傾斜,對與〔〇〇〇1〕方向垂直面具有約55 ° (54.74 ° )的傾斜。 再參考圖1至圖4,對SiC單晶的成長方法作說明。 將內裝原料1 5以及晶種30的坩鍋4設置於反應管8後 ,反應管8內約進行1小時的之真空排氣,再以氣體導入管 12導入惰性氣體將反應管8成常壓狀態(760ΤΟΙΓ )其次反 應管8再次進行約1 〇分鐘的真空排氣後,以氣體導入管12 導入惰性氣體,再度將反應管8成常壓狀態(760Tori:)。 當以上操作結束後,以高周波線圈1 0開始加熱坩鍋4 。此時,將坩鍋4溫度至約2000 °C的同時,使晶種30的溫 度僅低於原料1 5的溫度約50 °C形成溫度梯度。同時’使反 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填^ · 頁 訂 線
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -9- 1231320 A7 __ B7 五、發明說明(7 ) 應管8內的壓力降至約4Τοη。因此,SiC多結晶所成的原 料1 5進行昇華,原料1 5的氣體到達晶種30,如圖3所示, 晶種30的表面(露出面)30u上可使直徑約2英吋的6H型 多型之SiC單晶40成長。且,對於圖3,欲能更淸楚敘述 本發明將晶種30的上方作爲SiC單晶40的位置,但事實上 由圖1可知,SiC單經40於晶種30的下方成長。 於此,參照圖3對SiC單晶40的成長過程作更詳細說 明。一般而言,使SiC單晶成長時,向〈0001〉方向延伸 的微管線或與〈0001〉成垂直的面上擴充的堆積缺陷含於 SiC單晶的內部較爲多。因此,使用多數的微管線或堆積缺 陷露出表面的SiC單晶製作元件時,有產生泄放電流的危 險。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於此,使用如本發明型態的將{ 0 1 -1 4 }面露出的晶種 30,晶種30的表面30ιι如上述,對微管線42 (圖中爲鏈狀 線)延伸〈000 1〉方向具有約35 °的傾斜。因此,若成長 某程度的SiC單晶40時,微管線42便到達SiC單晶40的 側面40s,而可抑制到達微管線42到達表面40u的事。又 ,晶種30的表面30u爲堆積缺陷44 (圖中虛線所示)爲擴 充面,即對與〈〇〇〇1〉方向垂直的面具有約55 °的傾斜。 因此,成長至某程度的SiC單晶40時,堆積缺陷44可到達 SiC單晶40的側面,可抑制到達堆積缺陷44到達表面40u 的事。 又,圖4所示,即使晶種30的表面30u並非如本實施 型態的{ 0-38 }面,作爲對此{ 01-14 }面約僅10 °以內 -10· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1231320 A7 B7 五、發明說明(8 ) 的離角α傾斜面,同樣可抑制微管線42以及堆積缺陷44到 達成長的SiC單晶40表面40ιι。且,離角α以5 °以內爲佳 ,較佳爲3 °以內。即,越接近晶種表面{ (Η -14 }面,越 可確實抑制抑制微管線42以及堆積缺陷44到達成長的SiC 單晶40表面40u。 〔實施例〕 對於本發明的SlC單晶以及其成長方法,參照實施例 作具體說明。 實施例1 實施例1中,作爲晶種30,使用露出(01 -14 )面的 6H-SiC單晶。因此反應管8內的壓力保持4Torr,原料15 的溫度爲約2300 °C.的同時使晶種30的溫度成約2250 t, 晶種30上的直徑2英吋的SiC單晶40作整體成長。此時的 成長速度爲lmm/h,SiC單晶40的厚度爲20mm。 如此得到的SiC單晶40以拉曼分光分析時,可測出表 面全體爲6H型。且SiC單晶40的整體爲厚度約330 // m的 晶圓狀進行製片漏,施行金剛石硏磨處理,晶圓的表裡面 成爲鏡面狀。由目視可知此SiC單晶的晶圓,表面全體爲 均質、且由端部未有多結晶化或結晶的多形化產生。且, 對使用溶融氫氧化鉀作晶圓的蝕刻處理作評價時,晶圓的 表面無觀察到微管線以及堆積缺陷。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 x 297公釐) -11 - —— — — — — II ^ ·11111111 I ▼ . (請先閱讀背面之注意事項再填 句本頁)
I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1231320 A7 B7 五、發明說明(9 ) 實施例2 實施例2中,作爲晶種30,使用露出自(〇 1 -14 )面至 (000 1 )面的方向成3 °傾斜面之6H-SiC單晶。因此,反 應管8內的壓力保持4Torr,原料15的溫度爲約2300 °C的 同時使晶種30的溫度成約2 1 70 °C,晶種30上的直徑2英吋 的SiC單晶40作整體成長。此時的成長速度爲〇.8mm/h, SiC單晶的厚度爲16mm。與實施例1相同,SiC單晶40的 整體經製片製得晶圓,施行晶圓的鈾刻處理作評價時,無 觀察到微管線以及堆積缺陷。 實施例3 實施例3中,作爲晶種30,使用露出自(01-14 )面至 (0001 )面的方向成5 °傾斜面之6H-SiC單晶。因此,反 應管8內的壓力保持4Torr,原料15的溫度爲約2300 °C的 Μ時使晶種30的溫度成約2 1 70 °C,晶種30上的直徑2英吋 的SiC單晶40作整體成長。此時的成長速度爲0.8mm/h,
SiC單晶的厚度爲16mm。SiC單晶40的整體經製片製得晶 圓,施行晶圓的触刻處理作評價時,無觀察到微管線以及 堆積缺陷。 實施例4
實施例4中,作爲晶種30,使用露出自(〇 1 -14 )面至 (000 1 )面的方向成10 °傾斜面之6H-SiC單晶。因此, 反應管8內的壓力保持4Τοι·ι·,原料15的溫度爲約2300 °C -I I I I I I I ·11111111 I _ , * (請先閱讀背面之注意事項再填 鋼本頁) .1.· 填W本一
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -12- 1231320 A7 __ B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(10) 的同時使晶種30的溫度成約2 1 70 °C,晶種30上的直徑2英 吋的SiC單晶40作整體成長。此時的成長速度爲0.8mm/h ,SiC單晶的厚度爲16mm。SiC單晶40的整體經製片製得 晶圓,施行晶圓的蝕刻處理作評價時,無觀察到微管線以 及堆積缺陷。 比較例1 欲與上述的實施例作比較,作爲晶種使用露出(0001 )面的6H-SiC單晶。因此,反應管內的壓力保持4Torr, 原料的溫度爲約2300 t的同時使晶種30的溫度成約2170 °C,晶種上的直徑2英吋的SiC單晶作整體成長。此時的成 長速度爲0.6mm/h,SiC單晶的厚度爲12mm。SiC單晶的 整體經製片製得晶圓,施行晶圓的蝕刻處理作評價時,雖 無觀察到堆積缺陷,但觀察到約300個/cm2的微管線。 比較例2 比較例2中,作爲晶種使用露出(0 -1 0 1 )面的6 Η - S i C 單晶。因此,反應管內的壓力保持4Torr,原料的溫度爲約 2 3 00 °C的同時使晶種30的溫度成約2170 t,晶種上的直徑 2英吋的SiC單晶作整體成長。此時的成長速度爲〇.8mm/h ’ SiC單晶的厚度爲16mm。SiC單晶的整體經製片製得晶 圓,施行晶圓的蝕刻處理作評價時,雖無觀察到微管線, 但觀察到約1000個/cm2的堆積缺陷。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -13- 請 先 閱 讀 背 Sj 之 注 意 事 項 再 填^ $ 頁 訂 線
1231320 A7 B7 五、發明說明(11) 比較例 比較例3中,作爲晶種使用露出(1 1-20 )面的6H_Sic 單晶。因此,反應管內的壓力保持4Torr,原料的溫度爲,約 2 300 t:的同時使晶種30的溫度成約21 70t:,晶種上的直徑 2英吋的SiC單晶作整體成長。此時的成長速度爲〇7mm/h ,SiC單晶的厚度爲14mm。SiC單晶的整體經製片製得晶 圓,施行晶圓的蝕刻處理作評價時,雖無觀察到微管,線, 但觀察到約500個/cm2的堆積缺陷。 由上述本發明者以本發明的實施型態爲準作具體說明 ,但本發明無侷限於上述實施型態者。例如,使SlC單晶 成長的結晶成長裝置,不侷限於如圖1所示者,可使用其 他種種。 產業上可利用性 由上述說明,本發明的SiC單晶,表面始終未露出微 管線以及堆積缺陷,又本發明的SiC單晶之成長方法,可 出 露 低 減 陷 缺 積 堆 及 以 線 管 微 的 面 表 晶 單 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填 者 訂 線
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -14·
Claims (1)
- 20 11 3 2 8 8 8 8 ABCD告 公 六、申請專利範圍 第8 9 1 1 8 2 5 3號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 民國91年9月修正 1·一種SiC單晶的成長方法,其特徵爲6Η型多型( polytype)的SiC單晶之成長方法,其中曝露丨14丨面 、或曝露對丨0 1 -1 4 }面僅傾斜約1 〇。以下之離角α的面 之 SiC單晶所成的晶種上,使6H型多型的SiC單晶成 長爲,微管線到達該6H型多型之SiC單晶的側面,而該 微管線未到達該表面之高度。 2·如申請專利範圍第1項的SiC單晶成長方法,其中 使該6H型多型的SiC單晶成長爲’該6H型多型的SiC 單晶內的層疊缺陷到達該側面,而未到達該表面之高度。 3·如申請專利範圍第丨項的SiC單晶成長方法,其中 該離角^爲5 °以下者。 4·如申請專利範圍第1項的Sl(:單晶成長方法,其中 該離角^爲3°以下者。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5.—種SiC單晶的成長方法,其特徵爲於石墨製的坩 鍋內使S!C原料粉末昇華,在設置於該坩鍋內的晶種上, 使6H型多型的SiC單晶進行再結晶的SlC單晶成長方法 中’作爲該晶種使用曝露丨〇 1 _丨4丨面、或曝露對丨〇 Μ 4 面僅傾斜約10&以下之離角α的面之.SiC單晶,使該 6H型多型的SiC單晶成長爲,微管線到達該6H型多型之 SiC單晶的側面’而該微管線未到達該表面之高度。 1231320 A8 B8 C8 P8____ 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 6. 如申請專利範圍第5項的S i C單晶成長方法,其中 使該6H型多型的SiC單晶成長爲,該6H型多型的SiC 單晶內的層疊缺陷到達該側面,·而未到達該表面之高度。 7. —種SiC單晶,其特徵爲經由如申請專利範圍第1 項至第6項中任一項之SiC單晶成長方法所成長者。 8. —種SiC單晶,其特徵爲6H型多型的SiC單晶, 其{ 01-14丨面、或對丨01-14丨面僅傾斜約1〇°以下之離 角α的面爲曝露面,該曝露面上未出現微管線者。 9 .如申請專利範圍第8項之S i C單晶,其中該曝露面 上未出現層疊缺陷。 10. —種SiC單晶成長方法,其特徵爲成長6H型多型 的SiC單晶之方法,其由曝露{ 01-14丨面、或對{ 01-14 }面僅傾斜約10°以下之離角α的面之SiC單晶,所成的 直徑L上的晶種上,6H型多型的SiC單晶成長至高度爲 Lx tan35.26° 以上。 11. 如申請專利範圍第1〇項之SiC單晶成長方法,其 中該6H型多型的SiC單晶,成長至高度爲Lx tan54.74° 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 以上。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210 X 297公釐) -2-
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