製造碳化矽單晶的方法
2023-04-28 21:57:16 4
專利名稱：製造碳化矽單晶的方法
技術領域：
本發明涉及製造碳化矽(SiC )單晶的方法，特別涉及通過旨在製造具 有大尺寸和優異品質的SiC單晶的生長方法實現晶體生長的製造SiC單晶 的方法。
背景技術：
SiC是物理和化學穩定並具有寬的能帶隙的材料，其物理和化學穩定 性可通過高的熱導率、通常優異的耐熱性和機械強度並耐受輻射線表現出 來。因此，其可用作即使在升高的溫度也可用的環境防護裝置的材料、防 輻射線裝置的材料、專用於功率控制的功率器件的材料、短波長發光器件 的材料等。近年來，其已經作為專用於功率控制的功率器件引起普遍關注， 並一直在進行引人注目的itA。
為了使SiC單晶廣泛用作專用於功率控制的功率器件的材料，自然要 求該晶體完全無缺陷，如位錯。為了降低該器件的成本，也要求它是大直 徑晶片。
為了製造具有大直徑且沒有任何明顯缺陷的這種晶片，具有大直徑和 低缺陷密度的晶種是必不或缺的。
但是，品質優異的普遍可得的SiC晶種是通過升華和重結晶方法(不使用晶種)和所謂的Lely方法製成的晶體(Lely晶體)。Lely方法難以 增加直徑，並且只能製造最多接近1平方釐米的晶體。
迄今可得的大SiC單晶是如下製造的使用Leyly晶體作為晶種，使 用^皮稱作改性Lely方法的升華和重結晶法，在相同方向上(主要在c-軸方 向上)重複晶體生長，並使晶體在a-軸方向上一點點擴大。
因此，a-軸方向上的尺寸擴大必然需要大量時間。由尺寸為大約1英 寸的晶體製造尺寸為2英寸的晶體例如需要超過1年的時間。
為了解決上文提到的問題，已經公開了通過如貼磚那樣邊靠邊地連接 小晶種來實現晶體生長的方法(參考JP-A HEI 11-268989和WO-A 2003-527298 );通過連接SiC單晶來製備晶種的方法(參考JP-A 2001-253799 );和包括在能夠製造大直徑晶片的Si基底上生長立方SiC， 將生長的立方SiC與Si基底剝離，然後對立方SiC施以熱處理由此將其轉 化成六方SiC (例如4H-型)的方法(參看JP-A HEI 11-268995 )。
當使通過連接小晶種而獲得的材料生長為晶種或基底時，長成的產物 的品質因發生晶體缺陷(如源自所得接點邊界面的位錯或微管)而降低。 當使用Si基底獲得大直徑晶體時，這種晶體不能獲得完全令人滿意的品質， 因為在熱處理後仍然存在由於Si和SiC的晶格常數之間的不匹配而發生的 晶體缺陷。
本發明旨在提供能夠在不留下晶體缺陷的情況下有效實現晶體擴大的 SiC單晶製造方法。
發明內容
已經為實現上述目的而完成了本發明，並包括下列方面。 具體而言，本發明的第一方面提供了製造SiC單晶的方法，包括下列 步驟使第一 SiC單晶在由SiC單晶形成的第一晶種上在第一生長方向上 生長；在與第一生長方向平行或傾斜的方向上設定在第一晶種上生長的第 一SiC單晶，並在與第一生長方向垂直的截面中的長軸方向上切割所述設 定的第一SiC單晶，以獲得第二晶種；使用第二晶種以在其上在第二生長
5方向上生長第二SiC單晶，至厚度大於所述截面中的長軸長度；在與第二 生長方向平行或傾斜的方向上設定在第二晶種上生長的第二 SiC單晶，並 在與第二生長方向垂直的截面中的長軸方向上切割所述i殳定的第二 SiC單 晶，以獲得第三晶種；使用第三晶種以在其上生長第三SiC單晶；並以暴 露出{0001}晶面的方式切割在第三晶種上生長的第三SiC單晶，由此獲得 SiC單晶。
本發明的第二方面包括第一方面的構造，其中在第一晶種上以大於第 一晶種表面的直徑的厚度生長第一 SiC單晶。
本發明的第三方面包括第一或第二方面的構造，其中所述與第一或第 二生長方向平行或傾斜的方向與該第一或第二生長方向具有0。或更大且 小於90°的角。
本發明的第四方面包括第一至第三方面任一方面的構造，其中生長的 第三SiC單晶的厚度大於第三晶種表面的長軸長度。
本發明的第五方面包括第一至第四方面的構造，其中由第一至第四方 面的任一方面中的任何生長步驟獲得晶種。
本發明的第六方面包括第一至第五方面任一方面的構造，其中如下使 SiC單晶生長將晶種的晶體生長部分的溫度設為1800'C至2300"C，並將 SiC單晶原材料的溫度設為2000。C至2400。C並高於晶體生長部分的溫度。
本發明的第七方面提供了通過第一至第六方面任一方面的方法獲得的 SiC單晶。
本發明的第八方面提供了通過第七方面的方法獲得的SiC單晶，其中 它具有由{0001}構成的、或相對於{0001}形成了±30°偏差的取向。
本發明的第九方面提供了使用第七或第八方面的SiC單晶的半導體器件。
本發明的第十方面提供了由第九方面的半導體器件形成的倒相器。 單晶製造方法包括在高溫下向由SiC單晶形成的晶種供應來自作為原 材料的SiC的蒸氣，以引發SiC單晶生長。在該方法中，通過與生長方向
平行或傾斜地切割生長的晶體而獲得大的晶種。用晶種使單晶生長，然後以與上述相同的方式切割該單晶，由此製造更大的晶種，並重複單晶的生 長，從而可以在不損害結晶度的情況下有效獲得大的單晶。
根據下文中參照附圖給出的描述，本領域技術人員可以明顯看出本發 明的上述和其它目的、特徵和優點。
附圖簡述
圖l顯示了本發明中用於晶體生長的裝置的截面的一個實例。 圖2是顯示晶體切割方向的示例圖。
本發明的最佳實施方式
本發明涉及的SiC單晶製造方法基本上是包括下述步驟的方法在超 過2000"C的高溫向由SiC單晶形成的晶種供應來自作為原材料的SiC的升 華氣體，由此在晶種上實現SiC單晶生長。
這種生長方法可用於旨在生長單晶的所有方法，例如使用矽烷或丙烷 作為原材料代替升華氣體的化學氣相沉積法(CVD法)，或使用Si熔體 作為溶劑實現生長的液相生長法。
本發明涉及包括下列步驟的方法用第一晶種生長第一單晶，由其制 造第二晶種，生長第二單晶，由其製造第三晶種，和製造最終單晶產物，
並重複這些步驟以製造單晶。該方法的特徵在於通過特別選擇切割相關生 成的單晶的方向，能夠成功地使製成的晶種獲得逐漸擴大的尺寸。
具體而言，首先，本發明使由SiC單晶形成的晶種(第一晶種)生長 SiC單晶，優選達到大於晶種長軸的長度(生長厚度)。晶種是圓形、橢 圓形或矩形的。在是圓形的情況下，長軸是直徑，在是橢圓形的情況下， 長軸是長軸長度，或在是矩形的情況下，長軸是長邊的長度。要選擇的晶 種優選儘可能充分地不含晶體缺陷。從第二次製造開始，通過本發明獲得 的單晶可用作晶種。
由因此獲得的單晶製造晶種(第二晶種)。該晶種是通過在與生長方 向平行或傾斜的方向上切割單晶來製造的。平行或傾斜方向是指與生長軸向呈0°或更大且小於90。、優選0°或更大且45。或更小的角度。指定 這一具體範圍的原因在於能夠儘可能大地提高所述切割傾斜表面上的生長 軸向的長度。
現在，下文描述第一晶種是圓形並在傾斜方向上進行切割的情況(參 看圖2)。
當第一晶種是圓形的並在傾斜方向上切割長成的單晶時，在第二晶種 中與生長方向垂直形成的截面是橢圓形的。使a代表第一晶種的圓的直徑， b代表單晶的截取部分的高度，且第二晶種截面的短軸方向上的長度是a， 且長軸方向上的長度是32 + 1)2的平方根(圖2(1))。
使該第二晶種生長第二 SiC單晶。生長的單晶是具有橢圓截面的圓柱 體形狀。其長度(生長厚度)大於長軸的長度。
然後將該圓柱體製成第三晶種。這種製造方法在於，與長度方向平行 或與長度方向傾斜地切割該圓柱體單晶。該傾斜角與上述相同。在截面中 進行切割的方向是該橢圓形的長軸方向，以儘可能充分地擴大晶種面積。 使d代表切割點處的單晶高度，並且如果lxd，則第三晶種表面的短軸長 度c為a2 + 1>2]的平方根，且其長軸的長度是[a2 + W的平方根(圖2(2))。 通過重複該程序，可以使得成功製成的晶種具有逐漸提高的面積。使該第 三晶種生長單晶(圖2(3))。當由生長產生的單晶不被製成晶種時，對這 種生長的長度沒有特別限制。但是，生長的單晶的長度優選大於所用晶種 長軸的長度。最後，通過切割生長的單晶以暴露出{0001}晶面，可以獲得 SiC單晶作為製成品。
需要說明，上述說明已經涵蓋了直到在第三晶種上生長第三單晶時的 程序。在此，通過由生長的單晶獲得晶種並進一步使所得晶種生長單晶， 從這時起重複該程序直至切割最終獲得的單晶以暴露出{0001}晶面，並產 生SiC單晶作為製成品，可以獲得更大的單晶。
對於在上述晶種製造過程中進行的切割，儘管可以用外周刀刃切割， 用內軸刀刃切割，用線鋸切割等，但用線鋸切割經證實特別優逸。
現在，下面參照附圖具體描述本發明的生長單晶的方法。
8本發明用於生長單晶的裝置的一個實例顯示在
圖1中。參照圖l描述 本發明的一個實施方案。參照圖1，參考數字l是指真空室，由例如石英
或不鏽鋼的材料製成，並且能夠保持高真空度；數字2是指絕熱材料；且 數字6是指石墨坩鍋。在用於充當晶體生長部分的坩鍋上部中，安裝晶種 4，即SiC晶種。石墨坩鍋和絕熱材料優選使用經過囟素氣體精製處理的碳 質材料。石墨坩鍋6下部的尺寸大到足以儲存對晶體生長而言足量的SiC 原材料5。為了加熱坩鍋6，將高頻加熱線圏3盤繞在坩鍋外圍。真空室l 通過真空泵經由出口 8排出空氣。經由入口 7向其供應高純氬氣，並因此 能夠在其中保持減壓態的氬氣氛。
本發明使用圖1中所示的用於製造SiC單晶的裝置如下實施SiC晶體 的生長。作為此生長所用的晶種，4吏用Acheson晶體、Ldy晶體、通過升 華和重結晶法獲得的單晶等。晶體取向可以為{0001}、 {10-10}和{11-20}中 的任一種，並可以容許存在偏差，只要不損害基本等同性即可。作為最終 精加工，晶種優選進行犧牲氧化、反應性離子蝕刻、化學機械拋光或旨在 去除拋光損害的類似加工。作為SiC單晶，使用通過Acheson法、Lely法 或升華法製成的單晶。
將經過預處理的晶種安裝到坩鍋蓋上，並將用於充當原材料的SiC粉 末裝在坩鍋中與晶種相對的位置。將圍繞其周邊安裝了絕熱材料後的坩鍋 安裝在加熱爐中的預定位置。作為加熱方法，儘管高頻加熱通常盛行，但
電阻加熱也足以勝任。調節加熱溫度，使坩鍋上部在18oo*c至2200x:的範 圍內，且坩鍋下部在2000。c至2400x:的範圍內。生長過程中所用的壓力為
660 Pa至13 kPa。
將如上所述經*面處理的晶種4機械安裝或使用粘合連接法安裝到 晶體生長部分中的石墨坩鍋蓋上。將石墨坩鍋6 (其中已經將SiC原材料 粉末5放在晶種4對面)裝在真空室1中，該真空室用渦輪分子泵排空直 至空氣壓力為3xlO-STorr。此後，將真空室內部用高純Ar氣充分置換。 在石墨坩鍋6的出口側，安裝高頻線圏作為用於加熱坩鍋的加熱器件3。 這種加熱裝置3是將石墨坩鍋6中的SiC原材料5加熱至超過1卯0。C的溫度(這能使該原材料通過升華產生氣體)的裝置。
順便說明，加熱裝置3可以是採用電阻加熱的類型。為了使坩鍋保持 在高溫狀態下，該坩鍋優選用例如碳纖維製成的絕熱材料2覆蓋。在加熱 過程中，例如，在具有700Torr氬氣氛的環境中調節線圏位置，以便可以 將含有晶種的晶體生長部分加熱至1800X:至2300'C的溫度，並可以將含有
sic原材料的高溫部分加熱至2000x:至2400x:的、比晶體生長部分高的溫度。
將晶體生長環境中的壓力逐漸降至10至150 Torr,並且晶體以大約 0.5至1毫升/小時的速度生長。在該生長過程中，有時可能需要在該環境 中加入雜質，如氮或鋁。在生長完成後，將晶體生長環境中的壓力恢復至 700Torr的初始水平，並將坩鍋冷卻。
用外周刀刃或線鋸在與生長方向平行或傾斜的方向上切割在生長完成 後從坩鍋中取出的晶體。調節該切割去除的厚度以落在0.5至5毫米的大 致範圍內。對由此切下的晶體施以如第一次中採用的相同拋光方法和預處 理方法，並因此使其可製備用於下一次生長的晶種。在通過重複該程序使 晶體擴大到預定尺寸後，通過X-射線衍射裝置測試擴大的晶體以證實晶體 取向，並施以切割作業和拋光作業，從而暴露出的必要晶面，結果獲得了 大直徑晶種或大直徑晶片。
下面列舉本發明的實施例。但是，本發明不限於這些實施例。
實施例1:
在iior;,將使用暴露出(ooo-i)面的4H-sic單晶的晶種基底(直徑
50毫米，厚度0.4毫米)用硫酸-過氧化氫混合溶液洗滌10分鐘，用流動 超純水洗滌5分鐘，用氨-過氧化氬混合溶液洗滌10分鐘，用流動超純水 洗滌5分鐘，用鹽酸-過氧化氫混合溶液洗滌10分鐘，用流動超純水洗滌5 分鐘，並進一步用HF溶液洗滌。此後，在1200"C對其施以表面氧化，並 再施以HF洗滌以獲得晶種。
在由石墨製成的內徑50毫米深95毫米的坩鍋中，裝入SiC原材料粉
10末(Showa Denko K.K.製造，並以產品編號"#240"出售)至60毫米高 度。然後，將晶種迅速粘在石墨制坩鍋蓋的下側上。
將該蓋子放在蚶鍋開口部分上。將整個石墨坩鍋用由碳纖維製成的絕 熱材料包泉，並裝在高頻加熱爐內的反應室中。經由排氣口8將反應管內 部減壓至5xl(T5 Torr,然後用經由惰性氣體入口 7引入的氬氣填充至常 壓，然後經由排氣口再減壓至5>< iO-5 Torr，從而從反應管內排出空氣。 然後，經由惰性氣體入口引入氬氣直至700Torrs。加熱石墨坩鍋，直至其 上部達到2200'C且下部達到2250至2300°C。此後，經由氣體排出口排出 氣體，並將氬氣氛減壓至5.3 kPa，並進行晶體生長20小時。此時，暫時 停止生長，並將原材料粉末更換成新供應品。通過將該程序重複5次，能 使生長達到100毫米長度。
與生長方向垂直地切割由此獲得的晶體，並鏡面拋光以獲得用於下次 生長的晶種。該晶種尺寸為50亳米xl00毫米(矩形)。其厚度為l亳米。
使該晶種以如上所述的相同方式生長至111毫米的長度。與100mm 側上的表面平行地垂直切割長成的晶體以獲得晶種。該晶種的表面尺寸為 100毫米x 111毫米。其厚度為1毫米。
使該晶種進一步生長至100毫米長度。用X-射線^t射裝置測試長成的 單晶，以確定能夠暴露出{0001}表面的晶體取向，沿該晶體取向切割並調 節形狀，結果獲得直徑100毫米的單晶。
實施例2:
使用相對於4H-SiC晶體的(000-l)面傾斜10。的晶體作為晶種(直徑50 毫米的圓形)，並在與實施例1中相同的條件下發生晶體生長。
在該晶種上，實施初次生長至90毫米長度。與生長方向呈30。角傾 斜地切割生長的晶體以獲得橢圓形晶種，其切割面具有大約100毫米的長 軸和50毫米的短軸。其厚度為l毫米。使該橢圓形晶種進一步生長至IOO 毫米長度。與生長方向呈45。度角傾斜地並且與長軸平行地切割已生長的 晶體，獲得長軸和短軸幾乎都等於100亳米長的晶種(幾乎為圓形)。其
ii厚度為1毫米。
使該圓形晶種進一步生長至100毫米長度。用x-射線衍射裝置測試由
此獲得的長成的晶體，以確定能夠暴露出{0001}表面的晶體取向，沿該晶 體取向切割並調節形狀，結果獲得直徑100毫米的單晶。
工業應用寸生
由於SiC具有優異的熱導率、耐熱性和機械強度，其單晶在多種領域 中用作半導體器件，還用作由其製成的倒相器。特別地，該單晶作為用於 控制電功率的功率元件的用途已經引起關注。
權利要求
1. 製造SiC單晶的方法，包括下列步驟使第一SiC單晶在由SiC單晶形成的第一晶種上在第一生長方向上生長；在與第一生長方向平行或傾斜的方向上設定在第一晶種上生長的第一SiC單晶，並在與第一生長方向垂直的截面中的長軸方向上切割所述設定的第一SiC單晶，以獲得第二晶種；使用第二晶種以在其上在第二生長方向上生長第二SiC單晶，至厚度大於所述截面中的長軸長度；在與第二生長方向平行或傾斜的方向上設定在第二晶種上生長的第二SiC單晶，並在與第二生長方向垂直的截面中的長軸方向上切割所述設定的第二SiC單晶，以獲得第三晶種；使用第三晶種以在其上生長第三SiC單晶；並以暴露出{0001}晶面的方式切割在第三晶種上生長的第三SiC單晶，由此獲得SiC單晶。
2. 根據權利要求l的製造SiC單晶的方法，其中在笫一晶種上生長的 第一 SiC單晶的厚度大於第一晶種表面的直徑。
3. 根據權利要求l或權利要求2的製造SiC單晶的方法，其中所述與 第一或第二生長方向平行或傾斜的方向與該第一或第二生長方向具有0° 或更大且小於90。的角。
4. 根據權利要求l至3任一項的製造SiC單晶的方法，其中生長的第 三SiC單晶的厚度大於第三晶種表面的長軸長度。
5. 根據權利要求1至4任一項的製造SiC單晶的方法，其中通過權利 要求1至4任一項中的方法中的任何生長步驟獲得晶種。
6. 根據權利要求1至5任一項的製造SiC單晶的方法，其中如下使 SiC單晶生長將晶種的晶體生長部分的溫Jl沒為1800'C至2300匸，並將 SiC單晶原材料的溫度設為2000。C至2400X:並高於晶體生長部分的溫度。
7. 通過權利要求1至6任一項的方法獲得的SiC單晶。
8. 根據權利要求7的SiC單晶，其中它具有由{0001}構成的、或相對 於{0001}形成了 士30。偏差的取向。
9. 使用權利要求7或權利要求8的SiC單晶的半導體器件。
10. 由權利要求9的半導體器件形成的倒相器。
全文摘要
製造SiC單晶的方法，包括下列步驟使第一SiC單晶在由SiC單晶形成的第一晶種上在第一生長方向上生長；在與第一生長方向平行或傾斜的方向上設定在第一晶種上生長的第一SiC單晶，並在與第一生長方向垂直的截面中的長軸方向上切割所述設定的第一SiC單晶，以獲得第二晶種；使用第二晶種以在其上在第二生長方向上生長第二SiC單晶，至厚度大於所述截面中的長軸長度；在與第二生長方向平行或傾斜的方向上設定在第二晶種上生長的第二SiC單晶，並在與第二生長方向垂直的截面中的長軸方向上切割所述設定的第二SiC單晶，以獲得第三晶種；使用第三晶種以在其上生長第三SiC單晶；並以暴露出{0001}晶面的方式切割在第三晶種上生長的第三SiC單晶，由此獲得SiC單晶。該方法能在不損害結晶度的情況下有效增大晶體。
文檔編號C30B29/36GK101448984SQ20078001810
公開日2009年6月3日 申請日期2007年5月10日 優先權日2006年5月18日
發明者坂口泰之, 小柳直樹, 莊內智博 申請人:昭和電工株式會社