TWI499687B - Silicon carbide single crystal and silicon carbide single crystal manufacturing method - Google Patents

Description

碳化矽單晶及碳化矽單晶之製造方法

本發明，係為有關於碳化矽(以下，稱作SiC)單晶和SiC單晶之製造方法者。

在先前技術中，作為高品質SiC單晶晶圓，係存在有在專利文獻1中所揭示者。在專利文獻1所揭示之SiC單晶晶圓中，係藉由將會對於裝置特性造成不良影響之位錯的密度設為規定值以下、具體而言，在具有3吋之直徑的晶圓中而將位錯密度設為2500cm^-2 以下，來成為適於製作裝置。於此之所謂位錯，身為以線狀而上升之結晶缺陷的作為對象之位錯，係為具有與c軸相平行之方向的螺旋位錯。

然而，在本發明者們基於實驗等而進行了努力檢討後，其結果，係得知了，就算是如同在專利文獻1中所揭示一般而單純地將螺旋位錯之密度設為規定值以下，也並不會成為適於製作能夠抑制漏洩電流之裝置的SiC單晶。

〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特表2008-515748號公報(對應於美國專利7314520號公報)

本發明，係以提供一種適於製作能夠對於漏洩電流作抑制之裝置的高品質之SiC單晶以及SiC單晶之製造方法一事，作為目的。

本發明之第1形態的SiC單晶，係包含有螺旋位錯，將前述螺旋位錯中之伯格斯向量(Burgers vector)b為滿足b><0001>+1/3<11-20>之位錯作為L位錯，前述L位錯之密度係被設為300個/cm² 以下。

在前述SiC單晶中，係將螺旋位錯中之可能會成為漏洩電流之發生的重要原因之L位錯的密度，設為300個/cm² 以下。藉由此，係成為能夠作成適於製作能夠對於漏洩電流作抑制之裝置的高品質之SiC單晶。

在本發明之第2形態之SiC單晶之製造方法中，係使用由前述第1形態之SiC單晶所成並且表面為與{0001}面相平行或者是相對於{0001}面而具有既定之傾斜角的基板，將前述基板作為種結晶，而在前述表面上使SiC單晶成長。

在本發明之第3形態之SiC單晶之製造方法中，係使用由前述第1形態之SiC單晶所成並且表面為相對於{0001}面而在〈11-20〉方向上具備有10度以內之傾斜角的基板，將前述基板作為種結晶，而在前述表面上使 SiC單晶成長。

本發明之第4形態之SiC單晶之製造方法，其特徵為，包含有：第1工程，係使用由前述第1形態之SiC單晶所成並且表面為相對於{0001}面而在〈11-20〉方向上具備有10度以內之傾斜角的基板，並將前述基板作為種結晶，而在前述表面上使SiC單晶成長；和第2工程，係從藉由前述第1工程而成長了的SiC單晶，而切出表面為相對於{0001}面而在〈11-20〉方向上具備有10度以內之傾斜角的基板，並將前述基板作為種結晶，而在前述表面上使SiC單晶成長，將前述第1工程和第2工程反覆進行複數次。

如此這般，藉由將前述第1形態之SiC單晶作為種晶來使用，並更進而使新的SiC單晶成長，係能夠製造出繼承了成為基礎之種晶的品質之高品質之SiC單晶。

在本發明中之上述或者是其他的目的、構成、優點，係藉由一面參考下述之圖面一面於以下進行詳細說明而可更為明瞭。在圖面中，〔圖1〕圖1，係為本發明之第1實施形態的SiC單晶之剖面模式圖。

〔圖2A〕圖2A，係為對於在圖1之區域R1中的L位錯以及在L位錯之周圍所發生的螺旋狀之形變的模樣作展示之擴大模式圖。

〔圖2B〕圖2B，係為對於圖2A中所示之螺旋狀的形變之方向作展示之模式圖。

〔圖2C〕圖2C，係為對於身為圖2B中所示之螺旋狀的形變之方向之伯格斯向量的詳細內容作展示之圖。

〔圖3A〕圖3A，係為對於在圖1之區域R2中的nL位錯以及在nL位錯之周圍所發生的螺旋狀之形變的模樣作展示之擴大模式圖。

〔圖3B〕圖3B，係為對於圖3A中所示之螺旋狀的形變之方向作展示之模式圖。

〔圖3C〕圖3C，係為對於身為圖3B中所示之螺旋狀的形變之方向之伯格斯向量的詳細內容作展示之圖。

〔圖4〕圖4，係為對於SiC單晶之結晶方位作展示的模式圖。

〔圖5〕圖5，係為對於在使用SiC單晶而構成了PN二極體的情況時之漏洩電流作了調查的結果作展示之圖表。

(第1實施形態)

參考圖面，對本發明之第1實施形態作說明。圖1中所示之本實施形態之SiC單晶1，係為將藉由昇華再結晶法或氣體供給法等所形成的SiC單晶鑄錠，例如與{0001}面相平行或者是相對於{0001}面而設定有既定之傾斜角地來切出成基板狀者。另外，於此，雖係列舉出 切出成基板狀之SiC單晶1為例來作說明，但是，在本發明中之所謂SiC單晶，係並不被限定於切出成基板狀者，亦包含有鑄錠狀者，且亦包含有從鑄錠而將不必要之部分作了除去之構造者。

此SiC單晶1，係包含有螺旋位錯2。關於此螺旋位錯2之密度，亦即是關於在將SiC單晶1在與螺旋位錯2垂直之方向上作了切斷的情況時之與每1cm² 中所存在的螺旋位錯2之數量，係被設為會滿足後述之關係的結晶。

本發明者們，係進行各種的實驗並針對螺旋位錯2之密度和漏洩電流之間的關係作了調查。例如，係針對在對於漏洩電流之有無作調查時一般所使用的構造，具體而言，係構成PN二極體，而對於施加了所期望的電壓時之漏洩電流的發生之有無作了調查。例如，針對PN二極體，係藉由對於SiC單晶1而將雜質作離子植入而構成之，並構成為使雜質濃度成為1×10²¹ cm^-3 。其結果，係確認到：雖然螺旋位錯2之密度和漏洩電流係存在有相關關係，但是，就算是螺旋位錯2之密度為相等，漏洩電流也不會成為一定，而亦存在有並不適於製作裝置者。

又，在更進而進行了努力檢討之後，亦得知了：螺旋位錯2亦係存在有各種種類，在螺旋位錯2中，亦係存在有形變為大者和形變為小者，關於形變為小者，係難以成為漏洩電流之發生因素，而形變為大者則會成為漏洩電流之發生因素。

在先前技術中，係無關於形變之大小，而均將其視為 螺旋位錯2。在專利文獻1中，係對於1c螺旋位錯密度有所規定。在一般性的螺旋位錯之定義中，係相當於伯格斯向量b=1c=〈0001〉。但是，係並不存在相關於柏格斯向量之測定手法的詳細的敘述。因此，係並未將形變之大小列入考慮，而將所有的螺旋位錯2視為相同之物來對於螺旋位錯2之密度作了規定。然而，若是根據本發明者們所發現之結果，則係得知了：在針對SiC單晶是否適於裝置之製作一事而藉由螺旋位錯2之密度來作規定的情況時，係成為有需要亦將螺旋位錯2之形變的大小亦列入考慮地來作規定。亦即是，就算是並不將螺旋位錯2之形變的大小列入考慮地而將全部的螺旋位錯2均一地視為相同之螺旋位錯2並將螺旋位錯2的密度設為規定值以下，也無法得到能夠對於漏洩電流作抑制之適於製作裝置的SiC單晶。

圖2A~圖2C以及圖3A~圖3C，係為針對形變之大小為相異的螺旋位錯2作展示之圖。參考圖2A~圖2C來對於形變為大之螺旋位錯2作說明，並參考圖3A~圖3C來針對形變為小之螺旋位錯2作說明。另外，在以下之說明中，係將螺旋位錯2中之會成為漏洩電流之發生因素的形變為大之位錯稱作leakage(L)位錯2a，並將難以成為漏洩電流之發生因素的形變為小之位錯稱作negligibly leakage(nL)位錯2b。

如同圖2A以及圖3A中所示一般，在螺旋位錯2之周圍，係以螺旋位錯2之位錯芯為中心而螺旋狀地產生有 形變。而，在藉由實驗而作了確認後，其結果，在圖2A所示之L位錯2a處，螺旋狀之形變係為大，相較於此，在圖3A所示之nL位錯2b處，螺旋狀之形變係變小。

針對此些之L位錯2a和nL位錯2b，身為螺旋狀之形變的方向之柏格斯向量，係作為在圖2B以及圖3B中所示之方向b1、b2來作展示。又，若是將此些之柏格斯向量b1、b2作模式性展示，則係可分別如同圖2C或圖3C一般地來作展示。

基本上，螺旋位錯2，係如同在圖4所示之以六方晶所構成之SiC單晶1的晶體定向之模式途中所示一般，成為具有c軸成分〔0001〕之位錯。又，在進行了各種之檢討並對於SiC單晶1作了解析後，其結果，係確認到，螺旋位錯2，係存在著除了c軸成分〔0001〕以外而亦存在有伴隨著〔1-100〕之位錯和伴隨著1/3〔11-20〕之位錯者。

具體而言，關於藉由實驗所確認到的L位錯2a，柏格斯向量b1，係藉由〈0001〉方向之向量c和〈1-100〉方向之向量m所構成。又，關於nL位錯2b，柏格斯向量b2，係藉由〈0001〉方向之向量c和1/3〈11-20〉方向之向量a所構成。

故而，針對相較於所確認到的nL位錯2b而柏格斯向量b為更小之螺旋位錯2，係能夠將其視為難以成為漏洩電流之發生因素的nL位錯2b。亦即是，可以說若是柏格斯向量b至少為〈0001〉方向之向量c和1/3〈11-20〉 方向之向量a的總和以下之大小，則會成為nL位錯2b。此事，係代表著滿足b≦〈0001〉+1/3〈11-20〉，亦即是滿足b² ≦c² +2a．c+a² (但是，向量之內積a．c=axc×cos90度=0)之關係。另外，關於各向量之大小，在4H-SiC的情況時，向量c係為1.008nm，向量a係為0.309nm，向量m係為3^0.5 ×a=0.535nm。

另一方面，當柏格斯向量b為超過〈0001〉方向之向量c和1/3〈11-20〉方向之向量a的總和之大小的情況時，由於係存在有並不會成為nL位錯2b之可能性，因此係將其視為L位錯2a。亦即是，若是柏格斯向量b為超過〈0001〉方向之向量c和1/3〈11-20〉方向之向量a的總和之大小，則係視為L位錯2a。若是滿足b>〈0001〉+1/3〈11-20〉，亦即是滿足b² >c² +2a．c+a² (但是，向量之內積a．c=a×c×cos90度=0)之關係，則係將其作為L位錯2a。

如此這般，將螺旋位錯2區分成L位錯2a和nL位錯2b，並對於SiC單晶進行離子植入而形成PN二極體，再藉由實驗來針對L位錯2a之密度和nL位錯2b之密度和漏洩電流之發生的有無作了調查。其結果，關於是否會發生漏洩電流一事，係確認到，此事主要係依存於L位錯2a之密度，關於nL位錯2b，就算是存在有多數，也不太會成為漏洩電流之發生因素。

具體而言，如同圖5中所示一般，若是對於構成了二極體的情況時之漏洩電流作確認，則只要L位錯2a之密 度係為100個/cm² 以下，則幾乎均未發生漏洩電流。又，若是L位錯2a之密度係為300個/cm² 以下，則雖然會發生若干的漏洩電流，但是對於所製作之裝置係幾乎不會造成影響。因此，於此情況，也可以說SiC單晶1係為適於製作裝置者。相反的，若是L位錯2a之密度成為1000個/cm² 的程度，則係發生有漏洩電流。於此情況，由於會對於所製作之裝置造成影響，因此可以說係並不適於製作裝置。

另外，關於螺旋位錯2係身為L位錯2a和nL位錯2b之何者一事，係可藉由大角度收斂電子繞射法(LACBED)來作確認。又，藉由透過電子顯微鏡(TEM)觀察或X射線拓樸圖等之其他方法，也能夠對於螺旋位錯2係身為L位錯2a和nL位錯2b之何者一事作確認。

故而，在SiC單晶1中，係將螺旋位錯2中之柏格斯向量b為滿足b>〈0001〉+1/3〈11-20〉之L位錯2a的密度設為300個/cm² 以下，較理想為設為100個/cm² 以下。藉由此，係成為能夠作成可抑制漏洩電流並適於製作裝置的高品質之SiC單晶1。

針對此種高品質之SiC單晶1，例如係可藉由下述一般之方法來製造。首先，使用使{1-100}作了露出的種結晶，而在該身為成長面之{1-100}面上使SiC單晶成長。接著，從此SiC單晶而製作使{11-20}面露出之種結晶。接著，在此種結晶之身為成長面的{11-20}面 上，使SiC單晶成長。接著，藉由從此SiC單晶而平行於{0001}面地來作切出或者是相對於{0001}面而設定既定之斜角地來切出，係能夠製作出基板狀的SiC單晶。此SiC單晶，由於係身為從所謂的a面成長結晶所製作者，因此基本上係幾乎並不含有螺旋位錯2。

若是將此種高品質之SiC單晶作為種結晶來使用，並進而藉由昇華再結晶法或氣體供給法來使新的SiC單晶鑄錠成長，則係能夠作成繼承有成為基礎之種結晶的品質之高品質的SiC單晶鑄錠。特別是，若是將SiC單晶之表面設為相對於{0001}面而具有既定之斜角者，則藉由階流成長，係能夠對於異種多態之形成作抑制，並製造出更為高品質之SiC單晶鑄錠。藉由從此SiC單晶鑄錠而平行於{0001}面地來作切出或者是相對於{0001}面而設定既定之斜角地來切出，係能夠製作出基板狀的SiC單晶1。從此些之中，更進而選擇出L位錯2a之密度為滿足上述範圍者。藉由此，係能夠得到在本實施形態中所說明了的適於製作裝置之高品質的SiC單晶1。

又，藉由將相對於{0001}面之既定的斜角朝向〈11-20〉方向而設為10度以內，由於係成為易於將存在於種結晶中之螺旋位錯2的L位錯2a之柏格斯向量b從〈0001〉+〈1-100〉而將柏格斯向量b轉換為〈0001〉+1/3〈11-20〉，因此係能夠將L位錯2a轉換為nL位錯2b，而更為有效。此原理係在於：螺旋位錯2之方向係會藉由成長而成為容易從〈1-100〉方向來配向為〈11- 20〉方向之故。

進而，若是越反覆進行將相對於{0001}面之既定的斜角朝向〈11-20〉方向而設為10度以內之成長，則係越易於將柏格斯向量b轉換為〈0001〉+1/3〈11-20〉，而能夠將L位錯2a指數函數性地轉換為nL位錯2b，因此係為更加有效。此原理，亦與上述相同的，係因為螺旋位錯2之方向會藉由成長而成為容易從〈1-100〉方向來配向為〈11-20〉方向之故。

若是在上述成長中而將斜角設為較10度更大，則由於係會有發生層積缺陷的問題，因此係並不會成為適於製作裝置之高品質的SiC單晶。

如同以上所說明一般，在本實施形態中，係將螺旋位錯2區分為L位錯2a和nL位錯2b，並將L位錯2a的密度設為300個/cm² 以下，較理想為設為100個/cm² 以下。藉由此，係成為能夠作成可抑制漏洩電流並適於製作裝置的高品質之SiC單晶1。

(其他實施形態)

本揭示，係並不被限定於上述之實施形態，而可在申請專利範圍所記載之範圍內作適宜之變更。

例如，在上述實施形態中所說明了的SiC單晶1之面方位或製造方法等，係為任意，只要至少使SiC單晶1中之L位錯2a的密度成為在上述實施形態中所說明了的範圍內即可。又，在製造SiC單晶鑄錠時，也會有採用部分 性地設置積極性地使螺旋位錯2發生的螺旋位錯可發生區域，並在其以外之部分處構成使螺旋位錯2之密度變小的低密度螺旋位錯區域的構成之情形。於此情況，只要針對被使用在裝置製作中之低密度螺旋位錯區域，而使L位錯2a之密度成為在上述實施形態中所說明之範圍內即可。

另外，在上述實施形態中，雖係作為對於SiC單晶1所形成的裝置之其中一例，而製作PN二極體，並針對漏洩電流之發生的有無作了調查，但是，針對MOSFET等之其他的元件，漏洩電流之發生的有無之關係亦係成為與PN二極體相同。故而，可以說只要L位錯2a之密度係成為在上述實施形態中所說明的範圍內，則SiC單晶1係成為亦適於製作二極體以外之其他的裝置者。

又，在展示向量的情況時，原本應該將所期望之英文字設為粗體，或者是在英文字之上方附加朝向右方之箭頭，但是，由於係存在有起因於電子申請所造成的表現上之限制，因此係設為在所期望之英文字前方記載有向量者。又，在展示結晶之方位的情況時，原本應該在所期望之數字之上附加橫條(-)，但是，由於係存在有起因於電子申請所造成的表現上之限制，因此在本說明書中，係設為在所期望之數字前方附加有橫條者。

Claims (6)

1. 一種碳化矽單晶，係為包含有螺旋位錯(2)之碳化矽單晶，其特徵為：將前述螺旋位錯中之伯格斯向量(Burgers vector)b為滿足b><0001>+1/3<11-20>之位錯作為L位錯(2a)，前述L位錯之密度係被設為300個/cm² 以下。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之碳化矽單晶，其中，前述L位錯之密度係被設為100個/cm² 以下。
3. 一種碳化矽單晶之製造方法，其特徵為：係準備由申請專利範圍第1項或第2項所記載之碳化矽單晶所成並且表面為與{0001}面相平行或者是相對於{0001}面而具有既定之傾斜角的基板，將前述基板作為種結晶，而在前述表面上使碳化矽單晶成長。
4. 一種碳化矽單晶之製造方法，其特徵為：係準備由申請專利範圍第1項或第2項所記載之碳化矽單晶所成並且表面為相對於{0001}面而在〈11-20〉方向上具備有10度以內之傾斜角的基板，將前述基板作為種結晶，而在前述表面上使碳化矽單晶成長。
5. 一種碳化矽單晶之製造方法，其特徵為，包含有：第1工程，係準備由申請專利範圍第1項或第2項所記載之碳化矽單晶所成並且表面為相對於{0001}面而在 〈11-20〉方向上具備有10度以內之傾斜角的基板，並將前述基板作為種結晶，而在前述表面上使碳化矽單晶成長；和第2工程，係從藉由前述第1工程而成長了的碳化矽單晶，而切出表面為相對於{0001}面而在〈11-20〉方向上具備有10度以內之傾斜角的基板，並將前述基板作為種結晶，而在前述表面上使碳化矽單晶成長。
6. 如請求項5所記載之碳化矽單晶之製造方法，其中，在前記第2工程之後再度進行前記第1工程。