[发明专利]SiC 单晶晶片及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳化硅(SiC)单晶晶片及其制造方法，该单晶晶片预期可作为高耐压和低损失半导体器件材料或在高温或辐射线环境下等使用的耐环境用半导体器件材料利用。更具体而言，本发明涉及可实现高可靠性和高生产率SiC半导体器件的SiC单晶晶片及其制造方法。

背景技术

碳化硅(SiC)是热和化学稳定的化合物半导体中的一种。SiC与硅(Si)相比具有带隙大大约3倍、绝缘破坏电压大大约10倍、电子饱和速度大大约2倍、热传导率大大约3倍这样的物性特征。由于这种优异的特征，SiC预期可作为打破Si器件的物性极限的功率器件、高温操作的耐环境器件这样的电子器件材料应用。

另一方面，在光器件中进行了以短波长化为目标的氮化物系材料(GaN、AlN)的开发。SiC与其他化合物半导体材料相比，相对于氮化物系材料的晶格失配(lattice mismatching)格外小，因此，也作为氮化物系材料的外延生长用基板材料受到关注。

因此，寻求可在器件、基板中使用的优质SiC单晶晶片及其高效的制造方法。为此，需要制造可用于制作晶片的优质SiC块状单晶(单晶锭，single crystal ingot)。

<SiC块状单晶的制造>

SiC单晶晶片可通过对由SiC块状单晶经过切片(slicing)切出的晶片实施研磨(lapping，研磨成均一厚度)、抛光(polishing，镜面研磨)等加工来制作。这些加工本身可通过与Si单晶晶片的制作同样的工序来实施，这是本领域技术人员所公知的。

作为用于制作SiC单晶晶片的SiC块状单晶的制造方法，已知有升华再结晶法和熔液生长法。

升华再结晶法目前是市售的SiC单晶晶片的主要制造方法。在该方法中，使原料SiC粉末在石墨制坩埚等坩埚内在2200～2500℃的高温下升华，使SiC的单晶在该坩埚内的低温部配置的由SiC单晶构成的晶种(seed)上再结晶。

用升华再结晶法生长的SiC单晶所具有的问题是，其包括许多从晶种继承的位错、微管缺陷，而且存在据认为在晶体生长中产生的许多位错。据认为，在晶体生长中新产生位错的原因有以下几点：(1)升华再结晶法基本上在坩埚内的封闭系统内进行，因此，通过SiC原料升华供给的升华气体的成分在晶体生长中变动。(2)反应在固相和气相下进行，因此在生长环境中存在大的温度梯度，结果，在晶体中产生大的热应力。(3)随着晶体生长，生长界面在坩埚内移动，因此，温度环境、作为原料的升华气体浓度随时间变化。

由于随着生长进行，上述的晶体生长条件的变动导致新产生缺陷，因而升华再结晶法极难获得品质大幅超出晶种的晶体。此外，在升华再结晶法中，作为原料的SiC粉末、坩埚难以实现高纯度化，因此，再结晶得到的SiC单晶中不可避免地混入了硼、氮等杂质元素。这些杂质具有诱发SiC晶体内的位错的产生的可能，而且，在器件制作时难以以良好的控制获得所必需的低掺杂层。

在熔液生长法中，使碳(C)熔融在Si或Si合金的熔体中，制备以该熔体为溶剂的SiC熔液。C的熔解以使得熔液中的SiC与固相SiC能够达到热力学平衡状态(即，熔液中的SiC浓度达到饱和浓度)的方式进行。使SiC晶种与该SiC熔液(液相)接触，通过使熔液至少在晶种附近为过冷却状态，从而产生SiC的过饱和状态，使SiC单晶在晶种上生长。作为产生过饱和状态的方法，设置温度梯度使得晶种附近的熔体温度低于其他部分的熔体温度的所谓温度差法是常用的。

与升华再结晶法相比，属于液相生长的熔液生长法可以使生长温度降低500℃～1000℃，因此温度控制性优异。因此，可以极力地减小晶体中的热应力，可以抑制位错的产生。进而，为接近热力学平衡的状态下的晶体生长，可以实质上消除晶体生长中熔液组成等因素的变动。结果，可以基本上完全消除晶体生长中新产生的位错，与升华再结晶法相比，位错、微管缺陷显著减少，可以制造优质的SiC块状单晶。

<SiC单晶外延晶片的制造>

为了使用由用上述升华再结晶法或熔液生长法制造的SiC块状单晶(单晶锭)制作的Si单晶晶片(也称为块状晶片)来制作SiC器件，必要的是，以该SiC单晶晶片为基板，在其表面上形成杂质浓度和厚度被精密地控制的低掺杂的SiC单晶外延膜或以GaN等氮化物半导体为首的III-V族化合物半导体的单晶外延膜。这样形成了外延膜的晶片被称为外延晶片。