專利名稱：SiC外延晶片及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及SiC外延晶片及其制造方法，特別是涉及缺陷密度低、膜厚和載流子 密度的均一丨丨生高、沒有臺階束(臺階聚束、臺階積累，Step bunching)的高品質(zhì)的SiC外延 晶片及其制造方法。本申請基于在2009年12月14日在日本提出的專利申請2009-283113號要求優(yōu) 先權，將其內(nèi)容援引于本申請中。
背景技術：
作為對于地球溫室化問題的應對，要求節(jié)能技術的提高。在很多的技術項目被提 出的過程中，降低電力轉(zhuǎn)換時的能量損耗的功率電子學技術處于骨干技術的位置。功率電 子學以往使用硅(Si)半導體進行技術改良使性能提高，但據(jù)說從硅的材料物性的極限來 看，其性能的提高也正在接近極限。因此，與硅相比具有較大的物性極限的碳化硅(SiC)正 在受到期待。碳化硅相對于硅具有例如帶隙約為3倍、絕緣擊穿電場強度約為10倍、熱導 率約為3倍的優(yōu)異的物性，期待著面向功率器件、高頻器件、高溫工作器件等的應用。為了促進SiC器件的實用化，確立高品質(zhì)的晶體生長技術、高品質(zhì)的外延生長技 術是不可缺少的。SiC具有較多的多型，但為了制作實用的SiC器件，主要使用的是4H_SiC。作為SiC 器件的基板，使用由采用升華法等制成的塊狀晶體加工出的SiC單晶晶片，通常，采用化學 氣相沉積法(CVD)在其上形成成為SiC器件的活性區(qū)域的SiC外延膜。在外延膜中容易混入與用于基板的多型不同的多型，例如，在基板使用了 4H_SiC 的情況下，混入3C-SiC和/或8H-SiC。不同的多型的混入擾亂晶格的層積結構，成為層積 缺陷。為了抑制它們的混入，外延生長一般是使SiC單晶基板微傾斜從而使其階流 (St印-flow)生長(來自原子階的橫向生長)來進行，但具有快的生長速度的臺階追趕具有 慢的生長速度的臺階從而合體，產(chǎn)生臺階束。在制作高品質(zhì)的外延膜時，需要降低層積缺陷和臺階束。另外，還需要降低外延膜 的表面的三角形的缺陷(以下稱為「三角缺陷」)，降低面內(nèi)的膜厚的偏差和載流子濃度的偏差。<低偏離角SiC單晶基板上的外延生長>在SiC基板為直到2英寸左右的尺寸的情況下，SiC單晶基板的偏離角(off angle)主要使用8°。在該偏離角下，晶片表面的臺(terrace)寬度小，可容易地得到階流 生長。但是，偏離角越大，從SiC錠得到的晶片枚數(shù)就越少。因此，在3英寸以上的SiC基 板中，主要使用4°左右的偏離角的基板。從削減成本的觀點來看，要求確立更低的偏離角、最優(yōu)選的是作為能夠進行階流 生長的偏離角已知的0. 4°左右的微傾斜偏離角SiC單晶基板上的外延生長技術。但是，偏離角越低，SiC單晶基板(晶片)的表面的臺寬度就越大，因此進入到臺階端的遷移原子的進入速度、即臺階端的生長速度容易產(chǎn)生偏差，其結果，快的生長速度的臺 階追趕慢的生長速度的臺階從而合體，存在產(chǎn)生臺階束的的問題。特別是在外延面為Si面 的情況下，由于與C面相比表面原子的遷移被抑制，因此容易產(chǎn)生臺階束。臺階束的降低在 低偏離角Sic單晶基板的利用中是較大的課題。另外，例如，在0.4°的偏離角的晶片中，與4°的偏離角的晶片相比臺寬度變?yōu)?10倍，階流生長的長度變長一個數(shù)量級，因此有以往使用的常識的階流生長的條件不能原 樣地使用之虞。<臺階束及其觀察、評價>所謂臺階束，是指在表面原子臺階(通常為2 10原子層左右)聚集并合體的現(xiàn)象， 也有時指該表面的階差本身。在非專利文獻2中表示了典型的臺階束。以往，臺階束的觀察和評價，通過微分干涉顯微鏡等的光學顯微鏡和具有原子分 辨率的原子力顯微鏡(AFM)的組合來進行的情況較多(例如，非專利文獻2、3)。<三角缺陷和層積缺陷以及它們的觀察、評價>在本說明書中，所謂「三角缺陷」，是指具有與使SiC單晶基板微傾斜的[11-20]方 向垂直的邊的大致三角形的缺陷，其存在于外延膜的表面(再者，在本說明書中，在密勒指 數(shù)的表記中，意指附于其緊后面的指數(shù)的杠)。尺寸雖然也取決于偏離角度、缺陷的起點 的深度和膜厚，但在從外延膜的表面?zhèn)扔^察的情況下，單邊的尺寸為2 u nTlmm左右，高度 /深度為50nm左右?？梢酝ㄟ^使用激光的光學式表面檢查裝置、寬范圍觀察型原子力顯微 鏡、微分干涉顯微鏡等進行檢測。另外，層積缺陷是由于晶格面的重疊錯位而產(chǎn)生的面缺陷的一種，在本說明書中 所謂「層積缺陷」，是通過光致發(fā)光(PL)測定，作為具有與使SiC單晶基板微傾斜的[11-20] 方向垂直的邊的大致三角形的發(fā)光點或者暗部檢測出的。尺寸雖然也取決于偏離角度、缺 陷的起點的深度和膜厚，但在從外延膜的表面?zhèn)扔^察的情況下，單邊的尺寸為2 400 y m左 右，面積為100iinT80000iim2左右。在發(fā)光的情況下，在42(T430nm附近檢測出3C的多型 的層積缺陷、在460nm附近檢測出8H的多型的層積缺陷。在用750nm以上的IR光檢測的 情況下，包含3C和8H的所有的層積缺陷作為暗部被檢測到(非專利文獻1)。再者，在光致發(fā)光(PL)測定時，可以檢測出存在于外延膜的膜中的層積缺陷，因此 所謂本說明書的「層積缺陷」，存在于外延膜的膜整體中的「層積缺陷」成為對象。因此，存 在于外延膜中但不在表面顯現(xiàn)的缺陷也成為對象，在這點上，不同于只有在外延膜的表面 顯現(xiàn)的缺陷成為對象的「三角缺陷」。對于「三角缺陷」的降低方法，在專利文獻1中報告了 在SiC單晶基板上，將材料 氣體中所含有的碳和硅的原子數(shù)比(C/Si比)設為0. 7，在1625°C的生長溫度下生長的5 u m 的SiC外延層(「缺陷降低層」)的表面，三角缺陷密度為2. 5個/cm2 (實施例1)，另外，將該 缺陷降低層的層厚設為0. 5 ym，在該層之上將原子數(shù)比(C/Si比)設為1.2，在相同生長溫 度(1625°C)下生長的lOiim的SiC外延層(活性層)的表面，三角缺陷密度為2個/cm2 (實 施例2)，以及，不形成缺陷降低層，將原子數(shù)比(C/Si比)設為1.6，在1625°C下生長的lOym 的SiC外延層的表面，三角缺陷密度為5 10個/cm2 (比較例)。在專利文獻1中，著眼于在比以往的生長溫度150(Tl60(rC高的生長溫度下外延 生長，為了降低「三角缺陷」需要形成「缺陷降低層」。另外，表示出僅靠「1625°C」這一比以往的生長溫度高的生長溫度的要件，不能夠降低三角缺陷密度。<氣體蝕刻和原料氣體的供給>在SiC單晶基板上形成SiC外延膜吋，以往，在進行了機械研磨后，順序進行化學 機械研磨(CMP)和氣體蝕刻，進行了 SiC單晶基板的表面處理后，采用化學氣相沉積法形成 了 SiC外延膜。氣體蝕刻是為了起因于研磨エ序的損傷和研磨痕(擦痕)的除去和表面平坦 化，作為預處理在1500°C左右的高溫下主要使用氫氣進行蝕刻的處理。在氣體蝕刻吋，ー邊將作為SiC外延膜的原料氣體的丙烷(C3H8)氣體添加到氫氣 氛中ー邊進行(專利文獻2、專利文獻3的段落
和非專利文獻4)。如非專利文獻4 所示，氫氣蝕刻是為了得到良好的外延表面所必需的，但僅為氫時顯示出產(chǎn)生了 Si小滴 (droplet)，通過添加C3H8，有可抑制其產(chǎn)生的效果。但是，如果由研磨造成的損傷和研磨痕(擦痕)在氣體蝕刻后的基板表面還殘留， 則存在下述問題其后在形成于該基板表面的外延膜中會導入異種多型、位錯、層積缺陷 等。因此，如果為了避免該問題而延長氣體蝕刻時間使蝕刻量増加，則存在下述問題本次 在基板表面產(chǎn)生表面再構成，在外延生長開始前在基板表面產(chǎn)生臺階束。因此，為了抑制該臺階束的產(chǎn)生，作為使蝕刻量減少的方法，曾提出了在氣體蝕刻 時ー邊將作為原料氣體的娃燒(SiH4)氣體添加到氫氣中一邊進行的方法(專利文獻3)。在專利文獻2和3的任ー種方法中，都是添加作為SiC外延膜的原料氣體的C3H8 氣體或SiH4氣體來進行氣體蝕刻，但在氣體蝕刻后不排出該添加氣體，原樣地繼續(xù)導入其 他的氣體進入SiC外延膜的成膜エ序(專利文獻2的圖2、專利文獻3的圖4)。S卩，成為下 述狀態(tài)在開始SiC外延膜的生長前，在SiC基板的表面已經(jīng)存在丙烷(C3H8)氣體或硅烷 (SiH4)氣體。這樣，在如專利文獻2和3所代表的現(xiàn)在一般實行的方法中，在開始SiC外延膜的 生長時，沒有同時地進行作為原料氣體的C3H8氣體和SiH4氣體的供給?，F(xiàn)有技術文獻專利文獻I :日本特開2009-256138號公報專利文獻2 日本專利第4238357號公報專利文獻3 日本特開2005-277229號公報非專利文獻I !Materials Science Forum vols. 615-617 (2009) ppl29_132非專利文獻2 Mater. Sci. Forum 527-529，(2006) pp. 239-242非專利文獻3 :Journal Cryst. Growth 291, (2006) pp. 370-374非專利文獻4 :Journal Cryst. Growth 291, (2002)pp. 1213-1218
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述狀況完成的，其目的是提供一種降低三角缺陷和層積缺陷、膜 厚和載流子濃度的均一性高、在晶片的整個面沒有臺階束的、與以往相比品質(zhì)格外高的SiC 外延晶片及其制造方法。三角缺陷和層積缺陷對SiC器件的特性、成品率和可靠性帶來惡劣影響，因此其 降低不可缺少。關于本發(fā)明作為對象的低偏離角的SiC外延晶片，現(xiàn)實情況是對于降低三 角缺陷的方法，在專利文獻I中已有公開，但對于降低層積缺陷的方法，基本上沒有報告。
因此，首先，對于三角缺陷和層積缺陷的降低，調(diào)查了外延生長時的生長溫度、與 三角缺陷以及層積缺陷的密度的關系。表權利要求
1.一種SiC外延晶片，是在以O. 4° 5。的偏離角傾斜的4H-SiC單晶基板上形成了 SiC外延層的SiC外延晶片，其特征在于，所述SiC外延層的表面的三角形的缺陷密度為I 個/cm2以下。
2.—種SiC外延晶片，是在以O. 4° 5°的偏離角傾斜的4H-SiC單晶基板上形成了 SiC外延層的SiC外延晶片，其特征在于，所述SiC外延層中的層積缺陷的密度為I個/cm2 以下。
3.根據(jù)權利要求I或2的任一項所述的SiC外延晶片，其特征在于，在所述SiC外延層 的面方向的膜厚分布為2%以下，并且面方向的載流子濃度分布為10%以下的同時，在室溫 下所述SiC外延晶片的主面翹曲成凸狀，該凸部的曲率半徑在IOnTlOOOm的范圍。
4.一種SiC外延晶片的制造方法，是在以O. 4° 5°的偏離角傾斜的4H-SiC單晶基 板上形成了 SiC外延層的SiC外延晶片的制造方法，其特征在于，具有在通過氣體蝕刻將表面清潔化了的所述基板上，以碳化硅的外延生長所需要的 量的碳和硅的原子數(shù)比C/Si成為O. 7 1.2的方式供給含硅氣體和含碳氣體，在高于1600°C 且為1800°C以下的溫度下外延生長碳化硅膜，所述碳化硅膜的外延生長，(I)在使用偏離角為O. 4° 2°的4H-SiC單晶基板的情 況下，在將外延生長碳化硅膜的生長溫度設為160(Tl64(rC時，將生長速度設為f3ym/小 時進行，在將生長溫度設為164(T170(TC時，將生長速度設為3 4 μ m/小時進行，在將生長 溫度設為170(Tl800°C時，將生長速度設為Γ Ομπι/小時進行，(2)在使用偏離角為2° 5°的4H-SiC單晶基板的情況下，在將外延生長碳化硅膜的生長溫度設為160(Tl640°C時， 將生長速度設為2 4μπι/小時進行，在將生長溫度設為164(Tl700°C時，將生長速度設為 ΓΙΟ μ m/小時進行，在將生長溫度設為170(Tl800°C時，將生長速度設為1(Γ20μπι/小時進 行。
5.一種SiC外延晶片的制造方法，其特征在于，具備準備在室溫下主面被加工成凸狀，具有O. 4° 5。的偏離角的4H-SiC單晶基板的工 序；和在通過氣體蝕刻將表面清潔化了的所述基板上，以碳化硅的外延生長所需要的量的碳 和硅的原子數(shù)比C/Si成為O. 7^1. 2的方式供給含硅氣體和含碳氣體，在高于1600°C且為 ISOO0C以下的溫度下外延生長碳化硅膜的工序。
6.根據(jù)權利要求5所述的SiC外延晶片的制造方法，其特征在于，所述外延生長碳化硅 膜的工序，(I)在使用偏離角為O. 4° 2。的4H-SiC單晶基板的情況下，在將外延生長碳化 硅膜的生長溫度設為160(Tl64(rC時，將生長速度設為f3ym/小時進行，在將生長溫度設 為164(Tl700°C時，將生長速度設為:Γ4μπι/小時進行，在將生長溫度設為170(Tl800°C時， 將生長速度設為ΓΙΟ μ m/小時進行，(2)在使用偏離角為2° 5。的4H-SiC單晶基板的 情況下，在將外延生長碳化硅膜的生長溫度設為160(Tl64(rC時，將生長速度設為2 4μπι/ 小時進行，在將生長溫度設為164(Γ1700 時，將生長速度設為Γ Ομπι/小時進行，在將生 長溫度設為170(Tl800°C時，將生長速度設為1(Γ20μπι/小時進行
7.根據(jù)權利要求5或6的任一項所述的SiC外延晶片的制造方法，其特征在于，所述凸 部的曲率半徑在IOnTlOOOm的范圍。
8.根據(jù)權利要求Γ7的任一項所述的SiC外延晶片的制造方法，其特征在于，同時地進行所述含硅氣體和所述含碳氣體的供給。
9.根據(jù)權利要求4 7的任一項所述的SiC外延晶片的制造方法，其特征在于，具備在 通過所述氣體蝕刻將表面清潔化之前進行研磨直到所述4H-SiC單晶基板的表面的晶格無 序?qū)幼優(yōu)?nm以下的エ序。
10.根據(jù)權利要求4 7的任一項所述的SiC外延晶片的制造方法，其特征在于，在氫氣 氛下在140(T180(TC的溫度下進行所述氣體蝕刻。
11.根據(jù)權利要求10所述的SiC外延晶片的制造方法，其特征在于，在所述氣體蝕刻 中，向所述氫氣氛中添加含娃氣體和/或含碳氣體來進行。
全文摘要
本發(fā)明提供一種降低三角缺陷和層積缺陷、載流子濃度和膜厚的均一性高、無臺階束的SiC外延晶片及其制造方法。本發(fā)明的SiC外延晶片，是在以0.4°～5°的偏離角傾斜的4H-SiC單晶基板上形成了SiC外延層的SiC外延晶片，其特征在于，所述SiC外延層的表面的三角形的缺陷密度為1個/cm2以下。
文檔編號H01L21/205GK102656297SQ201080056408
公開日2012年9月5日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權日2009年12月14日
發(fā)明者道哉 小田原, 大祐 武藤, 賢治 百瀬 申請人:昭和電工株式會社