專利名稱：SiC單晶的生長方法和由該方法生長的SiC單晶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在SiC單晶襯底、特別是4H-SiC單晶襯底上外延生長SiC單晶、特別是4H-SiC單晶的方法。
背景技術(shù)：
SiC與Si相比具有更大的能帶隙，因此在日本未審專利公報(bào)(公開)第2003-300797號(hào)、日本未審專利公報(bào)(公開)第2003-300796號(hào)、日本未審專利公報(bào)(公開)第2003-342099號(hào)、日本未審專利公報(bào)(公開)第2001-181095號(hào)、日本未審專利公報(bào)(公開)第10-17399號(hào)等中提出了適合作為半導(dǎo)體材料等的高品位SiC單晶的各種制造技術(shù)。
但是，上述技術(shù)存在以下問題(1)劣化半導(dǎo)體器件特性的晶體缺陷(堆垛層錯(cuò)、三角缺陷及其它表面缺陷)容易產(chǎn)生；(2)晶體生長速度慢；(3)外延晶體生長面的平坦度(表面形態(tài))差。
特別地，防止上述(1)的表面缺陷是作為半導(dǎo)體材料實(shí)用化的大前提。
以往所知道的，如果將SiC(0001)面(六方晶的底面)作為外延生長面，在生長面中容易混入結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同的SiC晶體(多型體)，不能得到高品質(zhì)的晶體。
因此，進(jìn)行了臺(tái)階流動(dòng)生長(step flow growth)，將生長面自(0001)面傾斜數(shù)度的角度(偏角，off-angle)作為生長面。但是，即使采用這種方法，要想完全避免對(duì)器件特性致命的缺陷如三角缺陷或carrot缺陷(器件殺手)的發(fā)生并且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的外延生長也是非常困難的。
其原因被認(rèn)為是在臺(tái)階流動(dòng)生長中，晶體生長在橫向上逐步進(jìn)行。但是，在偏角小的襯底中，平臺(tái)面積大，因此在平臺(tái)面上容易產(chǎn)生缺陷的起點(diǎn)并且從那些起點(diǎn)生長的缺陷進(jìn)入外延生長層中。另外，在<0001>軸方向延伸的稱為“微管(micropipes)”的大型螺型位錯(cuò)引起的針孔也傳遞到生長層中。
與此相對(duì)，也進(jìn)行了把(11-20)面作為生長面。盡管可以避免微管的產(chǎn)生，但是堆垛層錯(cuò)大量混入。這成為器件特性劣化的原因。
為解決該問題，日本未審專利公報(bào)(公開)第2003-300797號(hào)公開了把自(11-20)面以<0001>軸為中心在<1-100>軸方向上在-45度至45度的范圍內(nèi)的任意方向上以至少3度至不超過60度的偏角傾斜的面作為外延薄膜生長面。這改善了SiC單晶的生長速度，但是存在不能減少雜質(zhì)混入的問題。
特別地，對(duì)于從器件特性的觀點(diǎn)考慮最適合作為半導(dǎo)體材料的結(jié)晶多型體即4H-SiC單晶，尋求解決上述諸問題的晶體生長方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠以實(shí)用的生長速度生長可以用作半導(dǎo)體材料的低缺陷、低雜質(zhì)的SiC單晶的4H-SiC單晶外延生長方法以及由此得到的4H-SiC單晶。
為實(shí)現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種SiC單晶生長方法，包括在將該襯底的外延生長面相對(duì)于4H-SiC單晶的(0001)面在<11-20>軸方向上以12度至低于30度的偏角傾斜的同時(shí)通過外延生長在4H-SiC單晶襯底上生長4H-SiC單晶。
優(yōu)選，偏角為至少12度并且不超過25度。
或者，偏角為至少12度并且不超過18度。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供通過本發(fā)明方法生長的SiC單晶。


本發(fā)明的這些和其它目的及特征從以下結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案的說明中將更加明顯，其中圖1是在六方晶中表示本發(fā)明中規(guī)定的偏角的晶體結(jié)構(gòu)的圖；圖2是顯示通過以各種方式變化偏角和C/Si比的外延生長得到的SiC單晶的生長速度相對(duì)于C/Si比的圖；圖3是顯示通過以各種方式變化偏角和C/Si比的外延生長得到的SiC單晶的雜質(zhì)濃度相對(duì)于C/Si比的圖。
具體實(shí)施例方式
以下將參考附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種SiC單晶生長方法，包括在將該襯底的外延生長面相對(duì)于4H-SiC單晶的(0001)面在<11-20>軸方向上以12度至低于30度的偏角傾斜的同時(shí)通過外延生長在4H-SiC單晶襯底上生長4H-SiC單晶。
圖1顯示了本發(fā)明中規(guī)定的外延生長面。該圖顯示了SiC單晶的六方晶結(jié)構(gòu)。襯底面即生長面相對(duì)于六方晶的底面即(0001)面在<11-20>軸方向上傾斜精確的偏角。
偏角優(yōu)選為至少12度并且不超過25度，最優(yōu)選為至少12度并且不超過18度。
根據(jù)本發(fā)明，還提供通過以上方法生長的SiC單晶。
本發(fā)明人基于以下新發(fā)現(xiàn)完成了本發(fā)明通過使用具有相對(duì)于4H-SiC單晶的(0001)面在<11-20>軸方向上以至少12度并且小于30度的偏角傾斜的面作為外延生長面的襯底，可以以實(shí)用的生長速度生長低缺陷、低雜質(zhì)的4H-SiC單晶。
以往，如例如日本未審專利公報(bào)(公開)第2003-300797號(hào)所公開的，在使用相對(duì)于4H-SiC單晶的(0001)面在<11-20>軸方向上傾斜約8度的面作為生長面的襯底上進(jìn)行了外延生長。在偏角為1度至10度的(0001)輕微傾斜面的情況下，生長面作為臺(tái)階和{0001}平臺(tái)形成，因此在生長層上容易產(chǎn)生稱為“臺(tái)階束(step bunching)”的表面粗糙度。另外，生長面容易受到平臺(tái)上的異物即雜質(zhì)和粒子的影響。
與此相對(duì)，根據(jù)本發(fā)明的方法，生長速度提高，同時(shí)，可以在外延生長面不粗糙化的情況下得到極為平坦的生長層。偏角不小于12度的生長面不是臺(tái)階和{0001}平臺(tái)，而是由該偏角確定的特定面。此時(shí)，即使在生長面上形成二維核，也沒有不同多型體的混雜。另外，由于是二維生長，因此也不會(huì)產(chǎn)生三角缺陷。
在偏角為4度至8度的生長面上容易產(chǎn)生的三角缺陷，根據(jù)本發(fā)明通過將偏角設(shè)定為至少12度至小于30度而實(shí)質(zhì)上消除。這是由于如果偏角變大，晶體生長面的平臺(tái)寬度變小，平臺(tái)上的缺陷產(chǎn)生起點(diǎn)大幅減少。另外，由于結(jié)晶表面上的自由結(jié)合臂密度與(0001)面上的不同，因此雜質(zhì)的進(jìn)入效率也變化。具體地，N原子的進(jìn)入被抑制，高純度晶體的制作變得容易。
通過采用本發(fā)明的偏角，與常規(guī)的約8度的偏角的襯底相比，可以得到殘留雜質(zhì)(給體和受體)低的極高品質(zhì)的外延生長層。特別地，當(dāng)偏角為約15度時(shí)，可以得到最高純度的晶體。
在本發(fā)明中，通過將作為外延晶體生長條件之一的C/Si比(SiC原料氣例如硅烷氣和丙烷氣的混合比)變小，襯底上存在的微管分解。這即使在常規(guī)的偏角8度的襯底上也觀察得到，但是通過將偏角變大，微管通過<0001>軸方向所需的能量變大(位錯(cuò)線變長)，微管向<0001>軸方向的進(jìn)展被阻礙，并且與常規(guī)的偏角8度的襯度相比，微管的分解被促進(jìn)。
通過使偏角為至少12度，得到缺陷減少效果和雜質(zhì)減少效果，但是如果偏角變得過大，將容易產(chǎn)生堆垛層錯(cuò)并且殘留雜質(zhì)濃度反而會(huì)增加，因此偏角被限定在小于30度。
實(shí)施例實(shí)施例1制備了具有相對(duì)于4H-SiC單晶的(0001)面在<11-20>軸方向上以15度的偏角傾斜的面作為外延生長面的襯底。該襯底是通過將通過升華生長的作為以(0001)面為生長面的種晶的4H-SiC的單晶在相對(duì)于(0001)軸方向傾斜15度的面上進(jìn)行切片制成晶片，并將該晶片表面進(jìn)行拋光而得到的。襯底的厚度為約380μm。
通過化學(xué)氣相淀積(CVD)進(jìn)行外延生長。使用的系統(tǒng)為水平熱壁CVD系統(tǒng)。將襯底裝入由石墨絕熱材料圍繞的石墨感受器后，然后將反應(yīng)器抽真空至約1×10-4Pa或更低。
然后，將由8slm氫氣和0.8slm氬氣組成的載氣導(dǎo)入反應(yīng)器內(nèi)并通過高頻感應(yīng)加熱對(duì)石墨感受器進(jìn)行加熱。加熱的石墨感受器將襯底加熱。當(dāng)襯底溫度達(dá)到1350℃至1550℃時(shí)，保持襯底約1分鐘至30分鐘。由此，襯底表面被氫氣腐蝕，表面上的殘留雜質(zhì)被除去，表面變平坦。
然后，向反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)入硅烷氣和丙烷氣的原料氣并進(jìn)行SiC單晶的外延生長。生長條件是硅烷氣流量2sccm、丙烷氣流量1sccm(C/Si比相當(dāng)于1.5)、襯底溫度1550℃、壓力80托。在該條件下晶體生長約2小時(shí)。結(jié)果，得到厚度8μm的SiC單晶外延生長層。生長速度為4μm/小時(shí)。
通過原子力顯微鏡(AFM)測(cè)定所得的外延生長層的表面粗糙度。結(jié)果，平坦度極高，以RMS計(jì)為0.1nm。生長前的襯底表面粗糙度以RMS計(jì)為0.2nm，因此與襯底表面相比，生長層表面平坦度提高。
通過Normarski光學(xué)顯微鏡觀察生長層表面。結(jié)果，不能確認(rèn)三角缺陷及其它器件殺手。
另外，在外延襯底上，通過真空氣相淀積形成鎳電極，形成肖特基(Schottky)電極。這些肖特基電極用于通過電容電壓測(cè)定法測(cè)定外延生長層中的雜質(zhì)濃度。結(jié)果，供體濃度為3×1013cm-3或雜質(zhì)的進(jìn)入極少、并且品質(zhì)極高。
實(shí)施例2使用與實(shí)施例1相同的襯底，通過相同的CVD系統(tǒng)和條件，進(jìn)行4H-SiC單晶的外延生長。但是，在生長條件中，丙烷氣流量變?yōu)?.67sccm，使C/Si比為1.0左右。結(jié)果，生長厚度變?yōu)?.8μm，生長速度提高到4.4μm/h。
通過Normarski光學(xué)顯微鏡觀察生長層的表面。結(jié)果，與實(shí)施例一樣，不能確認(rèn)三角缺陷。
表面粗糙度以RMS計(jì)為0.1nm。
實(shí)施例3使用與實(shí)施例1相同的襯底，通過相同的CVD系統(tǒng)和條件，進(jìn)行4H-SiC單晶的外延生長。但是，在生長條件中，丙烷氣流量變?yōu)?.33sccm，使C/Si比為0.5左右。結(jié)果，生長厚度變?yōu)?.5μm，生長速度變?yōu)?.75μm/h。
通過Normarski光學(xué)顯微鏡觀察生長層的表面。結(jié)果，與實(shí)施例一樣，不能確認(rèn)三角缺陷。另外，確認(rèn)了存在于襯底中的微管在外延生長層分解、消失。
表面粗糙度以RMS計(jì)為0.1nm。
實(shí)施例4制備了具有相對(duì)于4H-SiC單晶的(0001)面在<11-20>軸方向上以25度的偏角傾斜的面作為外延生長面的襯底。該襯底是通過將通過升華生長的作為以(0001)面為生長面的種晶的4H-SiC的單晶在相對(duì)于(0001)軸方向傾斜25度的面上進(jìn)行切片制成晶片，并將該晶片表面進(jìn)行拋光而得到的。襯底的厚度為約380μm。
使用該襯底，通過相同的CVD系統(tǒng)和條件，進(jìn)行4H-SiC單晶的外延生長。生長條件與實(shí)施例1相同。結(jié)果，生長厚度變?yōu)?.6μm，生長速度提高到4.3μm/h。
通過Normarski光學(xué)顯微鏡觀察生長層的表面。結(jié)果，與實(shí)施例一樣，不能確認(rèn)三角缺陷。
實(shí)施例5使用與實(shí)施例4相同的襯底，通過相同的CVD系統(tǒng)和條件，進(jìn)行4H-SiC單晶的外延生長。但是，在生長條件中，丙烷氣流量變?yōu)?.67sccm，使C/Si比為1.0左右。結(jié)果，生長厚度變?yōu)?.4μm，生長速度提高到4.7μm/h。
通過Normarski光學(xué)顯微鏡觀察生長層的表面。結(jié)果，與實(shí)施例一樣，不能確認(rèn)三角缺陷。
比較例1制備了具有相對(duì)于4H-SiC單晶的(0001)面在<11-20>軸方向上以8度的偏角傾斜的面作為外延生長面的襯底。該襯底是通過將通過升華生長的作為以(0001)面為生長面的種晶的4H-SiC的單晶在相對(duì)于(0001)軸方向傾斜8度的面上進(jìn)行切片制成晶片，并將該晶片表面進(jìn)行拋光而得到的。襯底的厚度為約380μm。
使用該襯底，通過與實(shí)施例相同的CVD系統(tǒng)和條件，進(jìn)行4H-SiC單晶的外延生長。
在生長條件中，丙烷氣流量變?yōu)?.67sccm，使C/Si變?yōu)?.0左右。結(jié)果，生長厚度為6.7μm，生長速度為3.35μm/h。
通過Normarski光學(xué)顯微鏡觀察生長層的表面。結(jié)果，確認(rèn)了三角缺陷的存在。
比較例2制備了具有相對(duì)于4H-SiC單晶的(0001)面在<11-20>軸方向上以4度的偏角傾斜的面作為外延生長面的襯底。該襯底是通過將通過升華生長的作為以(0001)面為生長面的種晶的4H-SiC的單晶在相對(duì)于(0001)軸方向傾斜4度的面上進(jìn)行切片制成晶片，并將該晶片表面進(jìn)行拋光而得到的。襯底的厚度為約380μm。
使用該襯底，通過與實(shí)施例相同的CVD系統(tǒng)和條件，進(jìn)行4H-SiC單晶的外延生長。
在生長條件中，丙烷氣流量變?yōu)?.67sccm，使C/Si變?yōu)?.0左右。結(jié)果，生長厚度為8.4μm，生長速度為4.2μm/h。
通過Normarski光學(xué)顯微鏡觀察生長層的表面。結(jié)果，確認(rèn)了三角缺陷的存在。
通過原子力顯微鏡(AFM)測(cè)定表面粗糙度。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以RMS計(jì)為1.4nm。由于襯底的表面粗糙度以RMS計(jì)為0.1至0.2nm，因此生長層表面即使與襯底表面相比平坦度也顯著變差。
比較例3制備了具有相對(duì)于4H-SiC單晶的(0001)面在<11-20>軸方向上以30度的偏角傾斜的面作為外延生長面的襯底。該襯底是通過將通過升華生長的作為以(0001)面為生長面的種晶的4H-SiC的單晶在相對(duì)于(0001)軸方向傾斜30度的面上進(jìn)行切片制成晶片，并將該晶片表面進(jìn)行拋光而得到的。襯底的厚度為約380μm。
使用該襯底，通過與實(shí)施例相同的CVD系統(tǒng)和條件，進(jìn)行4H-SiC單晶的外延生長。
在生長條件中，丙烷氣流量變?yōu)?.67sccm，使C/Si變?yōu)?.0左右。結(jié)果，生長厚度為9.8μm，生長速度為4.9μm/h。
通過Normarski光學(xué)顯微鏡觀察生長層的表面。結(jié)果，確認(rèn)了缺陷的存在。
通過AFM測(cè)定表面粗糙度。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以RMS計(jì)為0.1nm，非常平坦。
比較例4制備了具有相對(duì)于4H-SiC單晶的(0001)面在<11-20>軸方向上以45度的偏角傾斜的面作為外延生長面的襯底。該襯底是通過將通過升華生長的作為以(0001)面為生長面的種晶的4H-SiC的單晶在相對(duì)于(0001)軸方向傾斜45度的面上進(jìn)行切片制成晶片，并將該晶片表面進(jìn)行拋光而得到的。襯底的厚度為約380μm。
使用該襯底，通過與實(shí)施例相同的CVD系統(tǒng)和條件，進(jìn)行4H-SiC單晶的外延生長。
在生長條件中，丙烷氣流量變?yōu)?.67sccm，使C/Si變?yōu)?.0左右。結(jié)果，生長厚度為12μm，生長速度為6μm/h。
通過Normarski光學(xué)顯微鏡觀察生長層的表面。結(jié)果，確認(rèn)了缺陷的存在。
通過AFM測(cè)定表面粗糙度。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以RMS計(jì)為0.1nm，非常平坦。
在以上說明的實(shí)施例1～5和比較例1～4中，在以各種方式從1度至45度變化偏角和在0.5至2.0的范圍內(nèi)變化C/Si比的同時(shí)進(jìn)行外延生長。生長速度和雜質(zhì)濃度相對(duì)于所得的4H-SiC單晶外延生長層的C/Si比的變化如圖2和圖3所示?？梢钥闯?，通過象本發(fā)明那樣將偏角設(shè)定為至少12度和低于30度，生長速度提高的同時(shí)雜質(zhì)濃度下降。
產(chǎn)業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明，提供一種可以以實(shí)用的生長速度生長可以用作半導(dǎo)體材料的低缺陷、低雜質(zhì)的SiC單晶的4H-SiC單晶外延生長方法，以及通過該方法得到的4H-SiC單晶。
盡管出于例示的目的參考所選擇的具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明，但是顯然在不偏離本發(fā)明的基本構(gòu)思和范圍的情況下本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變更。
權(quán)利要求
1.一種SiC單晶生長方法，包括在使4H-SiC單晶襯底的外延生長面相對(duì)于4H-SiC單晶的(0001)面在<11-20>軸方向上以至少12度且低于30度的偏角傾斜的同時(shí)通過外延生長在所述襯底上生長4H-SiC單晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiC單晶生長方法，其中所述偏角為至少12度且不超過25度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiC單晶生長方法，其中所述偏角為至少12度且不超過18度。
4.通過權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)所述的方法生長的SiC單晶。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可以以實(shí)用的生長速度生長可以用作半導(dǎo)體材料的低缺陷、低雜質(zhì)的SiC單晶的4H－SiC單晶外延生長方法以及由該得到的4H－SiC單晶。本發(fā)明的方法包括在使4H－SiC單晶襯底的外延生長面相對(duì)于4H－SiC單晶的(0001)面在<11－20>軸方向上以至少12度且低于30度的偏角傾斜的同時(shí)通過外延生長在所述襯底上生長4H－SiC單晶。
文檔編號(hào)C30B25/20GK1950548SQ20058001505
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月14日
發(fā)明者木本恒暢, 鹽見弘, 齊藤廣明 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社, 六方有限公司