碳化硅單晶襯底和其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及碳化硅單晶襯底和其制造方法，并且更具體地涉及能實(shí)現(xiàn)提高的晶體 質(zhì)量的碳化娃單晶襯底和其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，碳化硅越來(lái)越多地被采用為半導(dǎo)體器件如M0SFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng) 效應(yīng)晶體管）的材料以獲得半導(dǎo)體器件的更高的擊穿電壓、更低的損耗、在高溫環(huán)境中的 使用等。碳化硅是比傳統(tǒng)的廣泛用作半導(dǎo)體器件的材料的硅具有更寬的禁帶的寬禁帶半導(dǎo) 體。因此，通過(guò)采用碳化硅作為半導(dǎo)體器件的材料，可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件的更高的擊穿電 壓、更低的導(dǎo)通電阻等。由碳化硅制成的半導(dǎo)體器件與由硅制成的半導(dǎo)體器件相比，具有當(dāng) 在高溫環(huán)境下使用時(shí)性能劣化小的優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 例如，日本專利特開2001-294499號(hào)公報(bào)（專利文獻(xiàn)1)公開了制造碳化硅單晶的 方法的實(shí)例。根據(jù)該公開，當(dāng)利用升華再結(jié)晶方法生長(zhǎng)碳化硅單晶時(shí)，設(shè)計(jì)坩鍋并且選擇生 長(zhǎng)條件使得在生長(zhǎng)期間在生長(zhǎng)晶體中的溫度梯度始終為15°C或更小，從而制造其中在晶片 表面中的任意兩點(diǎn)之間的與（0001)面的取向差為40秒/cm或更小的碳化硅單晶晶片。
[0004] 日本專利特開2010-235390號(hào)公報(bào)（專利文獻(xiàn)2)陳述當(dāng)使用位錯(cuò)控制籽晶使碳 化硅單晶在生長(zhǎng)表面上生長(zhǎng)時(shí)，在c面小面中引入了高密度螺旋位錯(cuò)。據(jù)陳述，由此抑制了 不同多型或不同取向的晶體在c面小面上的產(chǎn)生，從而提供具有低缺陷密度的均勻碳化硅 單晶。
[0005] 此外，日本專利特開5-262599號(hào)公報(bào)（專利文獻(xiàn)3)描述了當(dāng)通過(guò)升華制造碳化 硅單晶時(shí)使用具有偏離{0001}面約60°至約120°的角度的暴露面的籽晶。據(jù)陳述，由此 生長(zhǎng)了其中沒有混入其它多型的碳化硅單晶。
[0006] 引用列表
[0007] 專利文獻(xiàn)
[0008] 專利文獻(xiàn)1 :日本專利特開2001-294499號(hào)公報(bào)
[0009] 專利文獻(xiàn)2 :日本專利特開2010-235390號(hào)公報(bào)
[0010] 專利文獻(xiàn)3 :日本專利特開5-262599號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 技術(shù)問(wèn)題
[0012] 然而，如果如在日本專利特開2001-294499號(hào)公報(bào)中描述的那樣將在碳化硅單晶 中的溫度梯度簡(jiǎn)單地設(shè)定為15°C/cm或更小，則可能產(chǎn)生不同的多型，并且不能充分提高 碳化硅單晶晶體質(zhì)量。如果如在日本專利特開2010-235390號(hào)公報(bào)中描述的那樣在c面 小面中簡(jiǎn)單地引入螺旋位錯(cuò)，則不能降低面中的面取向差，并且不能充分提高碳化硅單晶 的晶體質(zhì)量。此外，如果如在日本專利特開5-262599號(hào)公報(bào)中描述的那樣使用具有偏離 {0001}面約60°至約120°的角度的暴露面的籽晶，則在碳化硅單晶中產(chǎn)生層錯(cuò)而使碳化 硅單晶的晶體質(zhì)量劣化。
[0013] 已經(jīng)提出本發(fā)明以解決上述問(wèn)題，并且本發(fā)明的目的是提供能實(shí)現(xiàn)提高的晶體質(zhì) 量的碳化硅單晶襯底和其制造方法。
[0014] 技術(shù)方案
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的制造碳化硅單晶襯底的方法包括以下步驟。制備籽晶和碳化硅原材 料，籽晶具有主表面并且由碳化硅制成。通過(guò)在維持在碳化硅原材料中任意兩點(diǎn)之間的溫 度梯度為30°C/cm或更小的同時(shí)，升華碳化硅原材料，在主表面上生長(zhǎng)碳化硅單晶1。籽 晶的主表面是{0001}面或相對(duì)于{0001}面具有10°或更小偏離角的面，并且主表面具有 20/cm2或更大的螺旋位錯(cuò)密度。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的碳化硅單晶襯底具有主表面。主表面具有100mm或更大的最大尺 寸。在主表面中的彼此相距l(xiāng)cm的任意兩點(diǎn)之間的{0001}面取向差為35秒或更小。
[0017] 有益效果
[0018] 根據(jù)本發(fā)明，可以提供能實(shí)現(xiàn)提高的晶體質(zhì)量的碳化硅單晶襯底和其制造方法。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的碳化硅單晶襯底的結(jié)構(gòu)的示意性 透視圖。
[0020] 圖2是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的碳化硅單晶襯底的結(jié)構(gòu)的示意性截面 圖。
[0021] 圖3是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的碳化硅單晶襯底的結(jié)構(gòu)的示意性平面 圖。
[0022] 圖4是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的制造碳化硅單晶襯底的方法的流程圖。
[0023] 圖5是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的制造碳化硅單晶襯底的裝置的結(jié)構(gòu)的 示意性截面圖。
[0024] 圖6是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的制造碳化硅單晶襯底的方法的示意性 截面圖。
[0025] 圖7是概念性示出碳化硅單晶的螺旋生長(zhǎng)的示意性截面圖。
[0026] 圖8是概念性示出碳化硅單晶的螺旋生長(zhǎng)的示意性透視圖。
[0027] 圖9是示出用于測(cè)量在碳化硅原材料中的溫度梯度的第一步驟的示意性截面圖。
[0028] 圖10是示出用于測(cè)量在碳化硅原材料中的溫度梯度的第二步驟的示意性截面 圖。
[0029] 圖11是示出用于測(cè)量在碳化硅原材料中的溫度梯度的第三步驟的示意性截面 圖。
[0030] 圖12是示出用于測(cè)量在碳化硅原材料中的溫度梯度的第四步驟的示意性截面 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 以下將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在以下附圖中，使用相同引用編號(hào)指示相 同或?qū)?yīng)的部分并且將不重復(fù)其描述。關(guān)于在本文中晶體學(xué)的標(biāo)記，個(gè)別取向、集合取向、 個(gè)別面和集合面分別示于[]，〈>，0和{}中。雖然在晶體學(xué)中負(fù)的指數(shù)通常由具有在其上 的橫線的數(shù)字表示，但是在本文中在數(shù)字前添加負(fù)號(hào)以指示結(jié)晶學(xué)中的負(fù)的指數(shù)。在 表示角時(shí)，采用其中全方位角被定義為360度的系統(tǒng)。
[0032] 首先將描述本發(fā)明的實(shí)施例的概要。
[0033] 作為關(guān)于制造晶體質(zhì)量良好的碳化硅單晶的方法的勤奮研究的結(jié)果，發(fā)明人做出 以下發(fā)現(xiàn)，并且構(gòu)想了本發(fā)明。
[0034] 在碳化娃晶體生長(zhǎng)期間，籽晶的堆疊結(jié)構(gòu)以臺(tái)階流動(dòng)生長(zhǎng)（step-flowgrowth)和 螺旋生長(zhǎng)兩種生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)移至生長(zhǎng)晶體。螺旋生長(zhǎng)主要發(fā)生在小面部中，并且使用螺旋位 錯(cuò)作為堆疊結(jié)構(gòu)的信息的供應(yīng)源。因此，當(dāng)螺旋位錯(cuò)密度低時(shí)，籽晶的晶體結(jié)構(gòu)不能被充分 轉(zhuǎn)移至生長(zhǎng)晶體，由此在生長(zhǎng)晶體的生長(zhǎng)表面的小面部中，不同多型的產(chǎn)生增加。換句話 說(shuō)，為了抑制不同的多型的產(chǎn)生，籽晶的主表面需要具有特定密度的螺旋位錯(cuò)。特別地，為 了在抑制不同多型產(chǎn)生的同時(shí)制造具有100mm或更大的大直徑的碳化硅單晶襯底，需要控 制在籽晶的主表面中的螺旋位錯(cuò)密度使得其高于或等于該特定密度。另外，為了降低在具 有100mm或更大的直徑的碳化硅單晶襯底中的面取向差，需要控制在碳化硅原材料中的溫 度分布使得其小于或等于特定溫度梯度。
[0035] 作為勤奮研究的結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過(guò)使用在其主表面中具有20/cm2或更大螺旋 位錯(cuò)密度的籽晶，并且通過(guò)在維持在碳化硅原材料中任意兩點(diǎn)之間的溫度梯度為30°C/cm 或更小的同時(shí)，通過(guò)升華碳化硅原材料，在籽晶的主表面上生長(zhǎng)碳化硅單晶，可以制造碳化 娃單晶襯底，其中在碳化娃單晶襯底的主表面中的彼此相距l(xiāng)cm的任意兩點(diǎn)之間的{0001} 面取向差為35秒或更小，其中可以抑制不同多型的混入，并且其中主表面具有100mm或更 大的最大尺寸以提供大的直徑。
[0036] (1)根據(jù)本實(shí)施例的制造碳化硅單晶襯底10的方法包括以下步驟。制備籽晶2和 碳化硅原材料3,籽晶2具有主表面2a并且由碳化硅制成。通過(guò)在維持在碳化硅原材料3 中的任意兩點(diǎn)之間的溫度梯度為30°C/cm或更小的同時(shí)，升華碳化硅原材料3,在主表面2a 上生長(zhǎng)碳化硅單晶1。籽晶2的主表面2a是{0001}面或相對(duì)于{0001}面具有10°或更 小的偏離角的面，并且主表面2a具有20/cm2或更大的螺旋位錯(cuò)密度。
[0037] 根據(jù)本實(shí)施例的制造碳化硅單晶襯底10的方法，可以制造碳化硅單晶襯底10,其 中在主表面10a中的彼此相距l(xiāng)cm的任意兩點(diǎn)之間的{0001}面取向差為35秒或更小，其 中可以抑制不同多型的混入，并且其中主表面l〇a具有100mm或更大的最大尺寸。
[0038] (2)優(yōu)選地，在本實(shí)施例的制造碳化硅單晶襯底10的方法中，主表面2a具有 100000/cm2或更小的螺旋位錯(cuò)密度。因此，可以降低在碳化硅單晶襯底10的主表面10a中 的螺旋位錯(cuò)密度。
[0039] (3)優(yōu)選地，在本實(shí)施例的制造碳化硅單晶襯底10的方法中，在生長(zhǎng)碳化硅單晶1 的步驟中，在碳化硅原材料3的表面3a和碳化硅單晶1的面對(duì)碳化硅原材料3的表面3a 的生長(zhǎng)表面la之間的溫度梯度為5°C/cm或更大。因此，可以提高碳化硅單晶1的生長(zhǎng)速 度。
[0040] (4)優(yōu)選地，在本實(shí)施例的制造碳化硅單晶襯底10的方法中，籽晶2的主表面2a 具有80mm或更大的最大尺寸，并且碳化硅單晶1的沿著與主表面2a平行的面切片的切割 表面具有100mm或更大的最大尺寸，并且碳化硅單晶1的切割表面的最大尺寸比籽晶2的 主表面2a的最大尺寸大。因此，可以制造包括具有大尺寸的主表面10a的碳化硅單晶襯底 10。
[0041] (5)根據(jù)本實(shí)施例的碳化硅單晶襯底10具有主表面10a。主表面10a具有100mm 或更大的最大尺寸。在主表面l〇a中的彼