TWI840829B - 碳化矽晶圓、磊晶晶圓以及半導體元件 - Google Patents

Abstract

本發明是關於一種碳化矽晶圓、一種磊晶晶圓及一種半導 體裝置。所述碳化矽晶圓具有一個表面及與所述一個表面相對的另一表面。一個表面的平均Rmax粗糙度為2.0奈米或小於2.0奈米，且一個表面的平均Ra粗糙度為0.1奈米或小於0.1奈米。邊緣區為自碳化矽晶圓的邊緣朝向中心的距離為碳化矽晶圓的半徑的5%至75%的區，且中心區為在碳化矽晶圓的中心處具有碳化矽晶圓的半徑的25%的半徑的區。一個表面的邊緣區的平均Rmax粗糙度與一個表面的中心區的平均Rmax粗糙度之間的差為0.01奈米至0.5奈米。

Description

碳化矽晶圓、磊晶晶圓以及半導體元件

[相關申請的交叉引用本申請案]

本專利申請案主張2021年6月17日在韓國智慧財產局申請的韓國專利申請案第10-2021-0078554號的權益，出於所有目的，所述專利申請案的全部揭露以引用的方式併入本文中。

本發明是關於碳化矽晶圓及根據碳化矽晶圓所製造的磊晶晶圓以及半導體裝置。

碳化矽(SiC)具有極佳抗熱性及機械強度，且在物理上及化學上穩定，使得作為半導體材料備受關注。近來，作為用於高功率裝置的基底，對碳化矽單晶基底的需求不斷增加。

作為用於製備SiC單晶的方法，存在液相磊晶法(Liquid Phase Epitaxy；LPE)、化學氣相沈積Chemical Vapor Deposition；CVD)、物理氣相傳輸(Physical Vapor Transport；PVT)以及類似者。PVT為藉由將SiC原材料負載至坩堝中、將由SiC單晶構成的種晶安置於坩堝的頂部上且接著藉由感應加熱方法來加熱坩堝以昇華原材料從而在種晶上成長SiC單晶來生長SiC單晶體的方法。

由於PVT具有高生長率，故PVT最廣泛用於呈鋼錠形式的SiC的製備。然而，流經坩堝的電流的密度可取決於坩堝及熱量絕緣體的特性以及製程條件等而改變，且坩堝內部的溫度分佈亦可改變，由此導致待製備的SiC鋼錠的彎曲及變形。當此彎曲及變形出現時，在晶圓的後續製造製程期間，晶圓的中心與邊緣之間的處理程度呈現差異，且相應地粗糙度屬性、光學屬性等可改變。

當磊晶層形成於自碳化矽鋼錠切割的晶圓上時，製造產率可受碳化矽晶圓的光學屬性以及表面粗糙度屬性的影響。若碳化矽晶圓的表面上的粗糙度存在差異，或若光學屬性存在問題，則磊晶層的品質可降低，且存在當製造半導體裝置時，裝置的屬性或製造產率可降低的風險。

因此，為了改良由碳化矽晶圓製造的半導體裝置的效能及製造產率，有必要考慮當製造碳化矽鋼錠及製造碳化矽晶圓時能夠滿足各種特性的方法。

上文所描述的背景技術為由發明者為導出實施例所獲取的或在導出製程期間所獲取的技術資訊，且並非必需在申請本揭露之前向公眾揭露的先前技術。

作為相關先前技術，存在揭露於韓國專利公開案第10-2018-0016585號中的「用於製造磊晶碳化矽單晶晶圓的方法」、揭露於韓國專利公開案第10-0675216號中的「用於量測混濁度及其設備的方法」等。

實施例的目標為提供一種滿足良好粗糙度特性及光學特性的碳化矽晶圓。

實施例的另一目標為提供一種在裝置製造中提供改良的製造產率的碳化矽晶圓。

根據本發明的實施例，碳化矽晶圓具有一個表面及與一個表面相對的另一表面。一個表面的平均Rmax粗糙度為2.0奈米或小於2.0奈米，且一個表面的平均Ra粗糙度為0.1奈米或小於0.1奈米。邊緣區為自碳化矽晶圓的邊緣朝向中心的距離為碳化矽晶圓的半徑的5%至75%的區，且中心區為在碳化矽晶圓的中心處具有碳化矽晶圓的半徑的25%的半徑的區。此處，一個表面的邊緣區的平均Rmax粗糙度與一個表面的中心區的平均Rmax粗糙度之間的差為0.01奈米至0.5奈米。

D65標準光源的總透光率可為10%至40%。

一個表面的平均Rmax粗糙度可為1.5奈米或小於1.5奈米。

一個表面的邊緣區的平均Ra粗糙度與一個表面的中心區的平均Ra粗糙度之間的差為0.08奈米或小於0.08奈米。

D65標準光源的混濁度可為0.3%至0.5%。

碳化矽晶圓的平均Ra粗糙度可為0.07奈米或小於0.07奈米。

一個表面可為Si表面，其中矽原子比碳原子更主要地呈現。

碳化矽晶圓的直徑可為4吋或大於4吋且可包含4H-碳化矽。

根據本發明的實施例的磊晶晶圓包含上文所描述的碳化矽晶圓及形成於碳化矽晶圓的一個表面上的磊晶層。

根據本發明的實施例的半導體裝置包含：上文所描述的碳化矽晶圓；磊晶層，形成於碳化矽晶圓一個表面一個表面上；障壁區，與碳化矽晶圓相對安置，磊晶層***於障壁區與碳化矽晶圓之間；源極電極，與磊晶層接觸；閘極電極，安置於障壁區上；以及汲極電極，安置於碳化矽晶圓的另一表面上。

根據實施例的碳化矽晶圓在表面的幾乎所有區域中具有極佳粗糙度及光學屬性且可展示均一品質。

當製造磊晶層及裝置時，根據實施例的碳化矽晶圓可改良裝置特性及產率。

1:半導體裝置

10:碳化矽晶圓

11:一個表面

12: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:碳化矽鋼錠

110:碳化矽種晶

200:反應器

210:本體

220:蓋板

230:上部部分

240:下部部分

300:原材料

400:熱絕緣材料

500:反應室

600:加熱器

700:真空排氣機/真空排氣裝置

800:質量流量控制器

810:管道

Sa:壓力降低製程

Sb:溫度升高製程/溫度增加製程

S1:第一生長製程

S2:第二生長製程

S3:冷卻製程

圖1為繪示根據實施例的碳化矽晶圓的實例的概念視圖。

圖2為繪示用於製造碳化矽鋼錠的設備的實例的概念視圖。

圖3為繪示用於製造碳化矽鋼錠的設備的反應室的內部空間的實例的概念視圖。

圖4為繪示根據實施例的碳化矽晶圓的製造製程中的溫度、壓力以及氬氣壓力與時間相對的趨勢的圖形。

圖5為當量測實驗實例中的實例1及實例2以及比較實例1及比較實例2的粗糙度時經由原子力顯微鏡截取的攝影。

圖6為當形成實驗實例中的實例1及實例2以及比較實例1及比較實例2的磊晶層時繪示產率的概念視圖。

圖7為根據實施例的半導體裝置的實例的概念視圖。

在下文中，將參考隨附圖式詳細地描述一或多個實施例。然而，實施例可以許多不同形式實施且不限於本文中所描述的實施例。貫穿本說明書，相同參考標號分配至類似部件。

貫穿本揭露，某一元件「包括」或「包含」另一元件的片語意謂某些元件可更包含一或多個其他元件但不排除一或多個其他元件的存在或添加，除非另有相反規定。

貫穿本說明書，當諸如層、區或基底的元件描述為「在」另一元件「上」、「連接至」另一元件或「耦接至」另一元件時，所述元件可直接「在」另一元件「上」、直接「連接至」另一元件或直接「耦接至」另一元件，或可存在介入於所述元件與另一元件之間的一或多個其他元件。

在本揭露中，B定位於A上的含義意謂B定位為直接位於A上或B定位為位於A上，而另一層定位於B與A之間，且未被理解為受限於B定位為鄰接於A的表面上。

在本揭露中，包含於馬庫西(Markush)格式的表達式中的術語「此等的組合」意謂選自由描述於馬庫西格式的表達式中的組分組成的群組的一或多種混合物或組合，且意謂包含選自由組分組成的群組的一或多種混合物或組合。

在本揭露中，描述「A及/或B」」意謂「A或B，或A及B」。

在本揭露中，諸如「第一，」、「第二，」、「A」或「B」 的術語用於區分彼此相同的術語。

在本揭露中，除非另有特別說明，否則單數形式在上下文中解譯為包含複數形式以及單數形式。

碳化矽晶圓10

為達成以上目標，根據實施例的碳化矽晶圓10包含一個表面11及彼此相對的另一表面，其中一個表面的平均Rmax粗糙度為2.0奈米或小於2.0奈米，其中一個表面的平均Ra粗糙度為0.1奈米或小於0.1奈米，其中邊緣區為自碳化矽晶圓的邊緣朝向中心的距離為碳化矽晶圓的半徑的5%至75%的區，其中中心區為自碳化矽晶圓的中心具有碳化矽晶圓的半徑的25%的半徑的區，且其中一個表面的邊緣區的平均Rmax粗糙度與一個表面的中心區的平均Rmax粗糙度之間的差為0.01奈米至0.5奈米。

Rmax粗糙度(最大峰谷高度)在工件的表面粗糙度曲線的某一長度內平行於粗糙度曲線的中心線(參考線)，且表示分別經過粗糙度曲線的最低點(谷)及最高峰(峰)的兩條平行線之間的豎直距離。

在實施例中，當製造磊晶晶圓及基於碳化矽晶圓的裝置時，應注意Rmax粗糙度及Ra粗糙度與裝置製造產率相關，且希望提供滿足預定Rmax粗糙度及Ra粗糙度條件的碳化矽晶圓。

同時，當光穿過材料的內部時，總透射率(total transmittance；Tt)表示平行透射率(parallel transmittance；Tp)與漫透射率(diffusion transmittance；Td)的和。另外，混濁度是指光取決於材料的類型及狀態而漫射而非反射或吸收以當光穿過材料的內部時繪示不透明外觀的現象。混濁度可藉由量測如等式1 中的漫透射率及總透光率來計算。

[等式1]H=Td/(Tt×100)

其中H為混濁度，Td為漫透射率且Tt為總透光率。

在實施例中，當製造磊晶晶圓及基於碳化矽晶圓的裝置時，應理解，作為光學屬性的總透光率及混濁度與裝置製造產率相關，且提供滿足預定總透光率及混濁度值的碳化矽晶圓。在以下實驗實例中描述特定量測程序。

碳化矽晶圓10可具有用於D65標準光源的0.3%至0.5%、0.3%至0.4%或0.34%至0.37%的混濁度。當超出混濁度範圍的上限時，存在當製造磊晶晶圓及裝置時缺陷速率增加的風險。藉由滿足以上混濁度範圍，可防止坑狀缺陷，且當製造磊晶晶圓及裝置時可改良製造產率。

碳化矽晶圓10可具有用於D65標準光源的10%至40%、15%至35%或20%至30%的總透光率。若碳化矽晶圓10具有此類總透光率範圍，則可展示良好的碳化矽晶圓品質。

D65標準光源對應於具有接近6504K的色彩溫度的日光。

參考圖1，一個表面11為所謂的Si表面，其中矽原子與其他原子相比更主要地呈現在Si表面上，且作為一個表面的相對側的另一表面12為所謂的C表面，其中碳原子與其他原子相比主要呈現在C表面上。當自碳化矽鋼錠切割以製造碳化矽晶圓時，碳化矽鋼錠可在碳化矽鋼錠中的碳原子的層與矽原子的層之間的介面處或在平行於介面的方向上容易地切割，使得碳原子主要暴露的表面及矽原子主要暴露的表面趨向於呈現在割面上。

當碳化矽晶圓10的形狀為圓形或橢圓形時，一個表面11的中心可對應於圓形或橢圓形的中心。另外，平坦區域、凹口等可形成於碳化矽晶圓的一部分中。

一個表面11的平均Rmax粗糙度可為2.0奈米或小於2.0奈米、1.5奈米或小於1.5奈米或1.1奈米或小於1.1奈米。一個表面的平均Rmax粗糙度可為0.1奈米或大於0.1奈米。滿足此Rmax粗糙度範圍的碳化矽晶圓具有表面上的最低點與最高點之間的良好高度差，且可期望後續磊晶生長製程及裝置製造製程期間的高產率。

一個表面11的邊緣區的平均Rmax粗糙度與一個表面的中心區的平均Rmax粗糙度之間的差可為0.01奈米至0.5奈米或0.1奈米至0.3奈米。當以此方式提供邊緣區與中心區之間的Rmax粗糙度差的範圍時，可在碳化矽晶圓的主要區中展示較低程度的不對稱性，且可增加形成於後續製程中的磊晶層的厚度平坦度且可獲得良好的裝置製造產率。

當量測一個表面11的Rmax粗糙度時，與參考線(中心線)相比，最低點(谷)可為-1.0奈米或大於-1.0奈米或為-0.8奈米或大於-0.8奈米。當量測一個表面的Rmax粗糙度時，與參考線相比，最高點(峰)可為1奈米或小於1奈米或0.57奈米或小於0.57奈米。參考線(中心線)可經由如描述於稍後將描述的實驗實例中的粗糙度量測裝置來界定。

一個表面11的平均Ra粗糙度可為0.1奈米或小於0.1奈米、0.08奈米或小於0.08奈米、0.07奈米或小於0.07奈米或0.05奈米或小於0.05奈米。一個表面的平均Ra粗糙度可為0.1奈米或 大於0.1奈米。

一個表面11的邊緣區的平均Ra粗糙度可為0.1奈米或小於0.1奈米、0.08奈米或小於0.08奈米或0.07奈米或小於0.07奈米。一個表面的邊緣區的平均Ra粗糙度可為0.01奈米或大於0.01奈米。

一個表面11的中心區的平均Ra粗糙度可為1奈米或小於1奈米或可為0.07奈米或小於0.07奈米。

滿足此Ra粗糙度範圍的碳化矽晶圓可在後續磊晶生長製程中具有良好品質且可在裝置製造中提供對產率的改良。

描述於稍後將描述的實驗實例中的方法可應用於碳化矽晶圓10的Ra粗糙度及Rmax粗糙度的量測。

根據0.01°至0.5°、0.02°至0.4°或0.1°至0.4°的高解析度X射線繞射分析，碳化矽晶圓10可具有搖擺曲線的半最大值全寬(full width at half maximum；FWHM)。具有此等特性的碳化矽晶圓可具有極佳結晶特性且可改良經由後續製程製造的裝置的特性。

藉由應用高解析度X射線繞射分析系統(high-resolution X-ray diffraction analysis system；HR-XRD系統)以將碳化矽晶圓的[11-20]方向與X射線路徑對準，且將X射線源及X射線偵測器設定為2θ的角度(35°至36°)且接著根據碳化矽晶圓的偏角調整ω(omega)(ω、或θ(theta)θ、X射線偵測器)角度來量測搖擺曲線，且經由搖擺曲線的半最大值全寬值來評估結晶度。具體而言，在應用相對於碳化矽鋼錠的(0001)平面選自0°至10°的範圍的偏角的碳化矽晶圓當中，當偏角為0°時ω角度為17.8111°，當 角度為4°時ω角度為13.811°且當偏角為8°時ω角度為9.8111°。

碳化矽晶圓10可具有150微米至900微米的厚度，且只要厚度為適用於半導體裝置的適當的厚度，即可厚度不限於此。

碳化矽晶圓10可包含實質上單晶的4H-碳化矽結構，其中多晶型夾雜物最小化。

碳化矽晶圓10的直徑可為4吋或大於4吋、5吋或大於5吋或6吋或大於6吋。晶圓的直徑可為12吋或小於12吋、10吋或小於10吋或8吋或小於8吋。

碳化矽晶圓10可經由稍後將描述碳化矽晶圓製造方法來製造。

碳化矽晶圓10可為在表面上形成磊晶層之前的晶圓。例示性地，碳化矽晶圓可自碳化矽鋼錠及在經受平坦化及化學機械研磨之前切割。

製造碳化矽晶圓的方法

為達成以上目標，製造根據實施例的碳化矽晶圓的方法包含：將原材料300及碳化矽種晶110配置成在具有內部空間的反應器200中彼此間隔開的製備方法；藉由控制內部空間的溫度、壓力以及大氣及製備自碳化矽種晶生長的碳化矽鋼錠100來昇華原材料的生長製程；冷卻反應器及復原碳化矽鋼錠的冷卻製程；以及切割復原的碳化矽鋼錠以製備碳化矽晶圓的切割製程，其中將熱絕緣材料400安置以包圍反應器的外部表面且提供用於控制內部空間的溫度的加熱器600，其中生長製程藉由包括將內部空間的溫度自室溫升高至第一溫度的溫度升高製程、將溫度自第一溫度升高至第二溫度的第一生長製程以及將溫度維持至第二溫度的第 二生長製程來製備碳化矽鋼錠，其中第一溫度為內部空間的減壓開始處的溫度，其中第二溫度為完成內部空間的減壓且在減壓下誘導碳化矽鋼錠的生長處的溫度，其中溫度差為內部空間的上部部分的溫度與內部空間的下部部分的溫度之間的差，且其中第二溫度處的溫度為160℃至240℃。

在製備方法中，原材料300及碳化矽種晶110間隔開以在具有內部空間的反應器200中面向彼此。

在製造碳化矽晶圓的方法中，碳化矽鋼錠的製造可經由圖2中所繪示的設備來執行。

製備製程中的碳化矽種晶可根據目標晶圓施加適當的大小，且碳化矽種晶的C表面((000-1)表面)可朝向原材料300導引。

碳化矽種晶110可包含4吋或大於4吋的4H碳化矽、6吋或大於6吋的4H碳化矽或8吋或大於8吋的4H碳化矽。碳化矽種晶可為12吋或小於12吋。

原材料300可以具有碳源及矽源的粉末的形式施加，且可施加粉末彼此頸縮的原材料或表面碳化的碳化矽粉末。

只要反應器200為用於碳化矽鋼錠生長反應的適當的容器，即可應用反應器200，且具體言之可應用石墨坩堝。舉例而言，反應器可包含包含內部空間及開口的本體210及對應於開口以形成內部空間的蓋板220。坩堝蓋板可更包含與坩堝蓋板一體或分離的種晶固持器，且可固定碳化矽種晶使得碳化矽種晶及原材料經由種晶固持器面向彼此。

反應器200可藉由由熱絕緣材料400包圍來固定，且包 圍反應器的熱絕緣材料可定位於諸如石英管的反應室500中。加熱器600可提供於熱絕緣材料及反應室外部以控制反應器的內部空間的溫度。

熱絕緣材料400可具有8×10^-3Ωm或小於8×10^-3Ωm、5×10^-3Ωm或小於5×10^-3Ωm或3.1×10^-3Ωm或小於3.1×10^-3Ωm的電阻率。熱絕緣材料可具有1×10^-4Ωm或大於1×10^-4Ωm、2.5×10^-4Ωm或大於2.5×10^-4Ωm或1.0×10^-4Ωm或大於1.0×10^-4Ωm。當應用具有此類電阻率的熱絕緣材料時，可進一步減少待生長的碳化矽鋼錠中的缺陷的出現。

熱絕緣材料400可具有72%至95%、75%至93%或80%至91%的孔隙率。當應用滿足此孔隙率的熱絕緣材料時，可進一步減少待生長的碳化矽鋼錠中的缺陷的出現。

熱絕緣材料400可包含碳類毛氈，具體而言石墨毛氈，且可包含嫘縈類石墨毛氈或瀝青類石墨毛氈。

熱絕緣材料400的密度可為0.14g/cc至0.28g/cc或0.15g/cc至0.17g/cc。當應用具有此類密度的熱絕緣材料時，可生長高品質碳化矽鋼錠。

反應室500可包含連接至反應室的內部以調整反應室內部的真空度的真空排氣機700、連接至反應室的內部以將氣體引入至反應室中的管道810以及控制氣體的流入的質量流量控制器800。經由此等，有可能調整後續生長製程中的惰性氣體的流動速率且可控制冷卻製程。

生長製程可由加熱器600藉由加熱反應器200及反應器的內部空間來執行，且同步或單獨加熱，藉由降低內部空間中的壓 力以調整真空度且注入惰性氣體，可誘導碳化矽鋼錠的生長。

加熱器600可經安裝以在反應器200的豎直方向上可移動，且相應地可改變反應器與加熱器之間的相對位置，且可應用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。具體而言，可應用內部空間的上部部分中的碳化矽種晶110與內部空間的下部部分中的原材料300之間的溫度差。

加熱器600可沿著反應器200或包圍反應器的熱絕緣材料400的外部周邊表面形成為螺旋型線圈。

參考圖4，生長製程包含：將內部空間的溫度自室溫升高至第一溫度的溫度升高製程Sb；將溫度自第一溫度升高至第二溫度的第一生長製程S1；以及將溫度維持在第二溫度處的第二生長製程S2，由此製備碳化矽鋼錠。

在生長製程之前，壓力降低Sa在大氣狀態下降低內部空間中的壓力。

溫度增加至第一溫度可以3℃/min至13℃/min的速率執行，或可以5℃/min至11℃/min的速率執行。溫度增加至預生長起始溫度可以7℃/min至10℃/min的速率執行。

壓力降低製程Sa可執行使得內部空間的壓力變為10托爾(torr)或小於10托爾或5托爾或小於5托爾。

溫度升高製程Sb可藉由注入諸如氬氣或氮氣的惰性氣體來執行使得內部空間的壓力變為500托爾至800托爾，且可執行溫度升高使得內部空間的下部部分的溫度以1℃/min至10℃/min的速率變為1500℃至1700℃。

參考圖3，在生長製程中，內部空間的上部部分230可為 對應於碳化矽種晶110的表面的位置，且內部空間的下部部分240為對應於原材料300的表面的位置。

作為原材料300的昇華部分地開始處的溫度的第一溫度可為在如圖4的虛線區中所繪示的生長製程之前已經受溫度增加製程Sb的溫度，且可為在溫度升高製程中內部空間的壓力降低在惰性氣體的注入之後開始處的溫度。具體而言，基於內部空間的下部部分240，第一溫度可為1500℃至1700℃、1600℃至1640℃。

基於內部空間的上部部分230，第一溫度可為1450℃至1650℃或1550℃至1587℃。

在第一生長製程S1中，第一溫度處的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40℃至60℃或50℃至55℃。

作為原材料300的昇華全面地進行處的溫度的第二溫度可為如繪示於圖4的虛線區域中製得第一生長製程的溫度升高處的溫度，且可為在完成內部空間的壓力降低之後在減壓下誘導碳化矽鋼錠的生長處的溫度。另外，與第二溫度處的壓力減壓相比，碳化物鋼錠的生長可藉由將壓力改變至±10%來誘發。

基於內部空間的下部部分240，第二溫度可為2100℃至2500℃或2200℃至2400℃。

基於內部空間的上部部分230，第二溫度可為1900℃至2300℃或2100℃至2250℃。

在第一生長製程S1中，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160℃至240℃或180℃至220℃。溫度差可為196℃至207℃或202℃至207℃。

在第一生長製程S1中，內部空間的上部部分230與內部空間的下部部分240之間的溫度差可與內部空間中的溫度增加一起增加。

第一生長製程(S1)具有內部空間的上部部分230及內部空間的下部部分240的溫度範圍、溫度差以及溫度變化速率，故除所期望的晶體以外的多晶型現象的出現可最小化且可獲得穩定的鋼錠生長。若溫度差小於第一生長製程的第一溫度及第二溫度處的上述範圍，則除所期望的晶體以外晶體可混合，由此增加形成多晶的可能性，且可降低生長速率。在另一方面，若溫度差大於上述範圍，則晶體的品質可降低。

在第一生長製程S1中，壓力降低可與自第一溫度至第二溫度的溫度增加一起執行，且可執行至1托爾至50托爾。

第一生長製程S1的溫度增加速率可小於溫度增加製程Sb的溫度增加速率，且可小於溫度增加製程的整個製程與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℃/min至5℃/min或3℃/min至5℃/min。在上文溫度增加速率範圍中可防止除所期望的晶體以外的多晶型現象及亦可誘導穩定的生長。

第一生長製程S1可繼續進行作為加熱器600的最大加熱區域以成為內部空間的下部部分240、原材料300的表面240，且在加熱器為螺旋型線圈的情況中，藉由改變繞組編號及厚度等，有可能在內部空間的上部部分230與內部空間的下部部分之間應用目標溫度差。

第二生長製程S2全面地昇華原材料300以在第一生長製 程S1中藉由在增加至第二溫度之後將第二溫度維持來形成碳化物鋼錠。

第二生長製程S2可繼續進行5至180小時、30小時至160小時或50至150小時。

生長製程可藉由圍繞反應器200的豎軸來實施且可更平均地維持溫度梯度。

生長製程可應用反應器200外部的預定流動速率的惰性氣體。惰性氣體可連續流入反應器的內部空間中且可在自原材料300至碳化矽種晶110的方向上流動。相應地，可形成反應器及反應器的內部空間的穩定溫度梯度。

第二生長製程S2的惰性氣體可具體而言為氬氣、氦氣以及其混合氣體。

在第二生長製程S2之後，可包含冷卻反應器200及復原碳化矽鋼錠的冷卻製程S3。

冷卻製程S3以預定冷卻速率及惰性氣體的預定流動速率條件來冷卻經由生長製程生長的碳化矽鋼錠。

在冷卻製程S3中，可以1℃/min至10℃/min或3℃/min至9℃/min的速率執行冷卻。可以5℃/min至8℃/min的速率執行冷卻製程。

在冷卻製程S3中，可同步執行反應器200的內部空間的壓力控制，且壓力控制可與冷卻製程分離執行。可執行壓力控制使得內部空間中的壓力為高達800托爾。

在冷卻製程S3中，預定流動速率的惰性氣體可應用於反應器200內部，如生長製程在中。惰性氣體可為例如氬氣及氮氣。 惰性氣體可連續流入反應器的內部空間中且可在自原材料300至碳化矽種晶110的方向上流動。

冷卻製程S3可包含：將反應器200的內部空間加壓以變為大氣壓力或大於大氣壓力且冷卻，使得內部空間的溫度基於內部空間的上部部分230變為1500℃至1700℃的第一冷卻製程；以及在第一冷卻製程之後在室溫下冷卻內部空間的溫度的第二冷卻製程。

冷卻製程S3的恢復可藉由切割與碳化矽種晶110接觸的碳化矽鋼錠100的背側來執行。以此方式切割的碳化矽鋼錠將與種晶接觸的背側的損耗降至最低且可具有改良的晶體品質。

切割製程為藉由在冷卻製程之後切割復原的碳化矽鋼錠來製備碳化矽晶圓的製程。

在切割製程中，碳化矽鋼錠可切割成與(0001)表面或已開始生長的表面形成預定的偏角。切割製程的偏角可為0°至10°。

切割製程可允許晶圓的厚度為100微米至900微米，但本揭露不限於此。

厚度平坦化的處理製程為經由切割製程及研磨晶圓的表面製備。

用於處理製程中的研磨砂輪可為表面上嵌入粒子的類型，且研磨砂輪的表面上嵌入的粒子可為金剛石。

在研磨砂輪及晶圓在相對方向上旋轉的同時可執行處理製程。

在處理製程中，研磨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。

方法可更包含在處理製程之後濕式蝕刻碳化矽晶圓。

處理製程可更包含化學機械研磨製程。

化學機械研磨可藉由在旋轉板上施加磨料粒子漿液且將固定晶圓接觸至具有預定壓力的旋轉研磨頭來執行。

在化學機械研磨中，板的旋轉速度可為70rpm至180rpm、80rpm至160rpm或100rpm至150rpm。

在化學機械研磨中，研磨頭的旋轉速度可為60rpm至150rpm、70rpm至140rpm或90rpm至135rpm。

在化學機械研磨中，研磨頭接觸旋轉板上的晶圓的壓力可為2psi至10psi、3psi至8psi或4psi至6psi。

為了滿足旋轉板及研磨頭的旋轉速度及壓力，獲得碳化矽晶圓的良好的Rmax粗糙度及混濁度特性。

在處理製程之後，可進一步執行經由常規的RCA化學清潔溶液的清潔製程。

經由以上製造方法製造的碳化矽晶圓具有低缺陷密度、少數雜質粒子、良好的表面粗糙度特性以及良好的光學特性的優勢，且當此應用至裝置製造時，可製造具有極佳電子及光學屬性的裝置。

製造磊晶晶圓的方法

為達成以上目標，製造根據實施例的磊晶晶圓的方法包含將用於磊晶成長的源氣體注入至安置根據方法製造的碳化矽晶圓10的生長容器中及根據化學氣相沈積法在晶圓的一個表面11上生長磊晶層的生長製程。

生長製程可更包含在注入源氣體之前氣體蝕刻碳化矽晶 圓的表面的蝕刻製程。氣體蝕刻可藉由將晶圓維持在1400℃至1600℃的溫度下且以預定流動速率施加氫氣來執行。

在生長製程中，首先，將晶圓置放於生長容器中，將生長容器的內部抽空成真空，且可注入作為源氣體的碳類氣體及矽類氣體。另外，可進一步注入諸如氮氣的摻雜氣體。當注入氣體時，碳類氣體與矽類氣體的碳/矽原子濃度比可為0.5比2。

生長製程中的碳類氣體可為選自由CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₆、C₃H₈組成的群組的至少一個且矽類氣體可為選自由SiH₄、SiCl₄、SiHCl₃、SiH₂Cl₂、SiH₃Cl、Si₂H₆組成的群組的至少一個。

在生長製程中，磊晶層可藉由注入氣體及維持1400℃至1700℃的溫度來生長於碳化矽晶圓10的一個表面11上。

經由生長製程生長的磊晶晶圓的磊晶層的厚度可為5微米至20微米。

在生長製程之後，停止源氣體注入，在室溫下進行冷卻，排出氣體，將惰性氣體加壓至大氣壓力，且接著可復原磊晶晶圓。

生長製程可根據需要執行一次或兩次或大於兩次。當生長製程執行兩次或大於兩次時，第二磊晶層(未繪示)可進一步形成於磊晶層上。反覆地執行以形成第二磊晶層的生長製程可在與用於形成磊晶層的生長製程中應用的相同製程中執行，且可以不同於用於形成磊晶層的生長製程來應用溫度、源氣體的組合物、摻雜氣體的類型等。

半導體裝置1

為達成以上目標，根據實施例的半導體裝置包含：根據上文的碳化矽晶圓10；安置於碳化矽晶圓的一個表面上的磊晶層20； 安置以面對碳化矽晶圓的障壁區30，磊晶層***於障壁區與碳化矽晶圓之間；與磊晶層接觸的源極電極41；安置於障壁區上的閘極電極42；以及安置於碳化矽晶圓的另一表面上的汲極電極43。

半導體裝置1的實例繪示於圖7中。

碳化矽晶圓10可包含n⁺型碳化矽。

此處，上標的+及-標識指示相對載子濃度。舉例而言，n⁺意謂強摻雜且具有高摻雜劑濃度的n型半導體，且p^-意謂極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無晶格常數差的碳化矽單晶層形成。

磊晶層20可藉由化學氣相沈積(CVD)製程或類似者來形成。

磊晶層20包含：n^-型磊晶層21，安置於n⁺型碳化矽晶圓10上；以及p⁺型磊晶層22，安置於n^-型磊晶層上。

n⁺型區23可藉由在p⁺型磊晶層上應用選擇性離子植入來形成。

具有向下挖至n^-型磊晶層21的溝渠結構的障壁區及溝渠結構的障壁區上的閘極電極42可安置於半導體裝置1的中心處。

半導體裝置1可藉由應用根據用於製造碳化矽鋼錠及晶圓的方法製造的碳化矽晶圓10來減少缺陷速率。

在下文中，將經由具體實例更詳細地描述本發明。以下實例僅為說明性以幫助理解本發明，且本發明的範疇不限於此。

實例-碳化矽晶圓的製造

如圖2中所繪示，作為用於製造碳化矽鋼錠的設備的實 例，在反應器200的內部空間的下部部分中裝入作為原材料300的碳化矽粉末，且碳化矽種晶110安置於上部部分上。此時，將6吋4H-碳化矽晶體應用為碳化矽種晶，且以常規方式固定碳化矽種晶使得導引C表面((000-1)表面)以面對內部空間的底部處的碳化矽原材料。

將反應器200密封，且反應器200的外部由具有下文的表1中繪示的密度的熱絕緣材料400包圍，且接著將反應器安置於石英管500中，石英管500的外部上提供有加熱線圈，加熱線圈為加熱器600。降低反應器的內部空間的壓力以調整至真空大氣，且注入氬氣使得內部空間達到760托爾，且接著再次降低內部空間的壓力。同時，將內部空間的溫度以5℃/min的溫度增加速率升高至2300℃，且石英管內部的氬氣的流動速率經由管道810及與石英管連通的真空排氣裝置700來控制。在2300℃的溫度及20托爾的壓力下，在面向碳化矽原材料的碳化矽種晶的前表面上生長碳化矽鋼錠100小時。

在生長之後，將內部空間的溫度以5℃/min至8℃/min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托爾以冷卻碳化矽鋼錠。

經冷卻碳化矽鋼錠的外部周邊表面研磨且加工成具有均一外部直徑的形式，且將碳化矽鋼錠切割成與碳化矽鋼錠的(0001)表面成4°的偏角，且製備具有360微米的厚度的碳化矽晶圓。接著，經由金剛石砂輪研磨碳化矽晶圓以將厚度平面化，且其後，使用二氧化矽漿液用於化學機械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)處理。

將碳化矽晶圓固定至CMP研磨儀器的研磨頭，且將碳化矽晶圓的一個側面朝向研磨板上的研磨墊導引，聚氨酯類拋光墊附接至研磨板。接著，當注入二氧化矽漿液時，在下文的表1中繪示的條件下旋轉研磨板及研磨頭，且研磨晶圓的一個表面，且將經研磨碳化矽晶圓清潔及乾燥。

比較實例-碳化矽晶圓的製造

在以上實例中，藉由在CMP製程期間將條件改變成上文的表1來製備碳化矽晶圓。

實驗實例-碳化矽晶圓的粗糙度及光學屬性的量測

實例及比較實例中製備的碳化矽晶圓的平均Ra粗糙度及平均Rmax粗糙度特性經由AFM裝置(由帕克系統(Park System)製造的XE-150)來量測，且總透光率及混濁度經由日本電色(NIPPON DENSHOKU)的混濁度儀(Haze Meter)NDH5000W裝置的D65標準光源來量測。結果繪示於圖5及表2中。在量測期間，參考線指示量測區段的粗糙度曲線的中心線。碳化矽晶圓的一個表面的邊緣區為自一個表面的邊緣朝向中心的距離為碳化矽晶圓的半徑的5%至75%的區域，且一個表面的中心區為與自一個表面的中心的碳化矽晶圓的半徑相比具有25%的半徑的區域。

參考表2，在實例的情況下，平均Ra粗糙度為0.1奈米或小於0.1奈米，平均Rmax粗糙度為2.0奈米或小於2.0奈米，中心區與邊緣區之間的Rmax粗糙度差為0.5奈米或小於0.5奈米，且混濁度在0.3%至0.5%的範圍內。在比較實例中，平均Rmax粗糙度為3.5奈米或大於3.5奈米，中心區與邊緣區之間的粗糙度差大於0.5奈米，且混濁度值亦大於0.52%，指示較差粗糙度及光學屬性。

實驗實例-磊晶晶圓製造中的產率的量測

磊晶層形成於在實例及比較實例中以如下常規方式製備的碳化矽晶圓上。

將碳化矽晶圓置放於室中，注入用於磊晶成長的碳類氣體及矽類氣體，且藉由化學氣相沈積在碳化矽晶圓的一個表面上生長碳化矽磊晶層。

當用KLA天科(Tencor)的燭光8520儀器來評估碳化矽晶圓的磊晶層時，具有作為磊晶層中的主要缺陷的疊差、三角形及克拉缺陷的區域判定為缺陷性且在圖6中觀測製造產率。在實例1及實例2的情況下，產率分別為98.9%及94.7%，且在比較實例 1及比較實例2中，產率分別為88.9%及75.8%，使得確認當基於具有極佳Rmax粗糙度及混濁度特性的碳化矽晶圓而製備磊晶層時，可實現90%或大於90%的高製造產率。

儘管本揭露包含具體實例，但在理解本申請案的揭露之後將顯而易見的是，可在不脫離申請專利範圍及其等效物的精神及範疇的情況下在此等實例中作出形式及細節的各種改變。僅以描述性意義而非出於限制性目的來考慮本文中所描述的實例。對每一實例中的特徵或態樣的描述應視為適用於其他實例中的類似特徵或態樣。若以不同次序執行所描述的技術及/或若所描述的系統、架構、裝置或電路中的組件以不同方式組合及/或藉由其他組件或其等效物替換或補充，則可達成合適結果。因此，本揭露的範圍並非由實施方式定義，而是由申請專利範圍及其等效物定義，且應將屬於申請專利範圍及其等效物的範圍內的所有變化解釋為包含於本揭露中。

Claims (10)

1. 一種碳化矽晶圓，包括一個表面及與所述一個表面相對的另一表面，其中所述一個表面的平均Rmax粗糙度為2.0奈米或小於2.0奈米，其中所述一個表面的平均Ra粗糙度為0.1奈米或小於0.1奈米，其中所述碳化矽晶圓的邊緣區為自所述碳化矽晶圓的邊緣朝向中心的距離為所述碳化矽晶圓的半徑的5%至75%的區，其中所述碳化矽晶圓的中心區為在所述碳化矽晶圓的中心處具有所述碳化矽晶圓的所述半徑的25%的半徑的區，且其中所述一個表面的所述邊緣區的平均Rmax粗糙度與所述一個表面的所述中心區的平均Rmax粗糙度之間的差為0.01奈米至0.5奈米。
2. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述碳化矽晶圓具有用於D65標準光源的10%至40%的總透光率。
3. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述一個表面的所述平均Rmax粗糙度為1.5奈米或小於1.5奈米。
4. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述一個表面的所述邊緣區的所述平均Ra粗糙度與所述一個表面的所述中心區的所述平均Ra粗糙度之間的差為0.08奈米或小於0.08奈米。
5. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述碳化矽晶圓具有用於D65標準光源的0.3%至0.5%的混濁度。
6. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述碳化矽晶 圓的所述一個表面的所述平均Ra粗糙度為0.07奈米或小於0.07奈米。
7. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述一個表面為Si表面，其中矽原子比碳原子更主要地暴露在所述Si表面上。
8. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述碳化矽晶圓的直徑為4吋或大於4吋且包括4H-碳化矽。
9. 一種磊晶晶圓，包括：如請求項1所述的碳化矽晶圓；以及磊晶層，形成於所述碳化矽晶圓的所述一個表面上。
10. 一種半導體裝置，包括：如請求項1所述的碳化矽晶圓；磊晶層，形成於所述碳化矽晶圓的所述一個表面上；障壁區，與所述碳化矽晶圓相對安置，所述磊晶層***於障壁區與碳化矽晶圓之間；源極電極，與所述磊晶層接觸；閘極電極，安置於所述障壁區上；以及汲極電極，安置於所述碳化矽晶圓的所述另一表面上。

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