SiC结晶的制造方法以及SiC结晶技术

本发明专利技术涉及在ＳｉＣ单晶基片上生长ＳｉＣ结晶时闭塞中空缺陷的方法和利用该方法制得的结晶，该基片具有ＣＶＤ法产生的称为微管的中空缺陷；使该基片与将Ｃ／Ｓｉ原子比调整至结晶生长速度为碳原子供给控速的范围内的原料气体接触，使ＳｉＣ结晶的多层外延生长并积层，使ＳｉＣ单晶基片的中空缺陷分解到小的伯格斯矢量的位错上，阻碍缺陷延伸到结晶表面。本发明专利技术还提供将ＳｉＣ结晶形成缓冲层，再使用将Ｃ／Ｓｉ之比调整到高于形成缓冲层时的Ｃ／Ｓｉ之比的方向上的原料气体，再积层ＳｉＣ结晶，制造赋予所需膜质的ＳｉＣ结晶的制造方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及SiC结晶的制造方法，该方法能减少含在SiC基片(substrate)中的称为微管(micropipe)的中空缺陷。更加详细地涉及利用该制造方法制得的SiC结晶以及SiC单晶膜、由该SiC单晶膜构成的SiC半导体元件和SiC单晶基片、使用SiC单晶基片的电子器件、和使用上述SiC结晶作为晶种的SiC块状晶体的制造方法。
技术介绍
碳化硅SiC，因具有宽的带隙、高的绝缘破坏电压和高导热率等的优异的物性值，所以对其用作高耐压、低损失且高温下能够工作的高性能电源设备用半导体或者器件用基片的研究正在进行。为了制成SiC构成的半导体元件，多数使用将能够控制掺杂物浓度的SiC单晶膜形成在SiC单晶基片上的SiC单晶。为此，实施了在SiC单晶基片上通过化学气相生长(CVD)法外延生长形成SiC单晶膜。利用该CVD法，在高温常压以及减压下将含有气相状态的碳原子和硅原子的原料气体提供给SiC单晶基片，在SiC单晶基片上形成SiC单晶膜。作为为形成上述SiC单晶膜的SiC单晶基片，可用市面上出售的经升华法形成的SiC单晶基片。这样的SiC单晶基片100以101-103/cm2的高密度含有如图13A所示的微管(中空缺陷)101。在利用升华法形成SiC单晶基片100时，会生成无数的如图13A所示的螺旋位错102。其中，图13B中表示为阶梯状偏离的伯格斯矢量(Burgers vector)小的螺旋位错104时，不会形成中空，但是在具有大伯格斯矢量105的螺旋位错104时，为了降低中心的能量，成为中空，形成了微管101。换言之，微管101是大的螺旋位错104。这样的微管(中空缺陷)，在CVD法外延生长时，如图9-图12所示从基片延伸到外延膜上，微管不被覆盖，或者，即使在升华法进行块状(bulk)生长，因由晶种往块状晶体延展，所以在新形成的晶体中，以相同于基片和晶种中的密度再现微管。图9-图12中的微管记述为伯格斯矢量的3段(1段为1个SiC晶格的高度)。含微管101的半导体元件，就图8所示的破坏电压等方面来看，不能满足半导体元件所需的特性，所以即使含有1个微管101的半导体元件，品质也不好。为此，整个半导体元件的产品合格率(产率)受SiC单晶基片100的微管密度很大影响。若扩大半导体元件的面积的话，含在半导体元件区域内的微管101的概率增加，产率降低，阻碍了半导体元件面积的扩大。使用生长在大量含有微管101的SiC单晶基片100上的外延膜形成半导体元件时，在SiC结晶膜103上大量形成面积小的电极，不能制得不含微管101的半导体元件，废品多。为此，人们希望缺陷少、若可能的话，无缺陷的SiC单晶膜。另外还使用了如下的技术在制得能够控制掺杂物浓度的SiC单晶膜时，从极力降低无意混入的杂质的状态开始，若为n型，以规定的流量流动氮气等来控制结晶的掺杂物的技术。另外，若为p型，使用含有铝等的气体。因此，必须制得无意混入的杂质少的膜(高纯度SiC膜)。为了让用形成的SiC结晶制成半导体元件或使二次晶体生长，人们还希望SiC单晶膜的表面形状(morphology)尽量平滑。本专利技术的目的在于提供一种即使使用含有称为微管的中空缺陷的SiC单晶基片，也能减少从上述基片上延伸的中空缺陷的SiC结晶及其制造方法。本专利技术的目的还在于提供一种减少从基片延伸的中空缺陷并且以规定浓度掺入掺杂物的SiC单晶膜和SiC单晶基片。本专利技术的目的还在于提供SiC半导体元件和电子器件。本专利技术的目的还在于提供一种减少中空缺陷的SiC块状晶体的制造方法。
技术实现思路
为了达到上述目的，本专利技术者进行了深入研究，结果发现利用化学气相生长法(CVD法)使SiC结晶外延生长在市面上出售的SiC单晶基片上时，相对于形成最高纯度的SiC结晶膜的原料气体中的C/Si原子数之比(本说明书中简称为C/Si之比)的值，使硅原子过剩的值能够抑制微管的延伸。即，本专利技术者发现原料气体中的C/Si之比的大小会改变结晶生长速度，在某一值以下，结晶生长速度达到碳原子供给控速，变慢；通过C/Si之比的大小，换言之，通过结晶生长速度的快慢改变闭塞微管缺陷的闭塞率，而使上述结晶生长速度达到碳原子供给控速的范围内，闭塞率急剧增大，在该范围内，随着C/Si之比变小，几乎没有发现高密度存在于SiC单晶基片中的微管；另外通过C/Si之比的大小可改变所得SiC结晶的杂质氮，以及通过C/Si之比的大小也可改变晶体表面形状(morphology)，完成了本专利技术。本专利技术的SiC结晶的制造方法的特征在于它是提供载气中含有含碳原子物质和硅原子物质的原料气体给含有称为微管的中空缺陷的SiC单晶基片，在常压或减压下，在1400℃以上的温度下在该基片上外延生长SiC结晶的方法，将上述原料气体中的碳原子和硅原子的原子数之比(C/Si之比)调整到结晶生长速度变为受碳原子供给控速的范围内，使SiC结晶的多层外延生长并积层，将存在于上述基片中的微小缺陷分解到多个伯格斯矢量小的不带有中空的位错上，使存在于上述基片中的中空缺陷不延续到SiC结晶表面。这里的外延生长是通过步流模式(step flow mode)或盘旋生长进行的，较好通过步流模式进行。上述SiC结晶的制造方法包括调整到至少2种的C/Si之比进行外延生长的SiC结晶的制造方法。此时，利用调整到至少2种的C/Si之比的结晶生长制得的至少第1层和第2层，可都调整到碳原子供给控速的范围内的C/Si之比来形成。也可以至少其中1层以调整到碳原子供给控速的范围内的C/Si之比形成，无论哪一种都可以制得闭塞了微管的SiC结晶。至少2种的C/Si之比是在上述SiC单晶基片上外延生长的第1层的低C/Si之比、高于上述第1层的C/Si之比的其上第2层的C/Si之比。还包括将积层在上述SiC单晶基片上的第1层作为缓冲层，在将C/Si之比调整到高于形成上述缓冲层时的C/Si之比的增加方向的原料气体的供给下，再在其上外延生长并积层第2层，并得到所需的膜质的SiC结晶的制造方法。还包括上述第1层为缓冲层，第2层为活性层的SiC结晶的制造方法。此时，容易闭塞微管并且易控制掺入杂质，得到杂质浓度低的膜质。本专利技术的SiC结晶是利用上述方法制得的SiC结晶，其特征在于，可减少从基片延伸的中空缺陷并且具有所需的膜质。该SiC结晶还包括具有如下特征的SiC结晶从上述基片延伸到晶体表面的中空缺陷的密度为0或者1/cm2以下的SiC结晶，或者是相对于基片中的密度，良好再现50％以下，更好的是20％以下的SiC结晶。还包括至少具有作为缓冲层的上述SiC结晶的SiC结晶。本专利技术的SiC结晶是通过权利要求2-5中任一项所述的制造方法形成。该SiC结晶的特征在于，所需膜质是不含有规定量以上的显示半导性的杂质的膜质，或者是添加了规定量掺杂物的膜质。本专利技术的SiC单晶膜是利用上述方法制得的SiC单晶膜，其特征在于，它是从基片延伸的中空缺陷减少并且具有所需膜质的SiC单晶膜。上述SiC单晶膜包括在用于其制造的基片上的SiC单晶膜和与基片独立出来的SiC单晶膜两者。本专利技术的SiC单晶膜还包括除去SiC单晶基片、独立后的SiC单晶膜，另外所需膜质不含有规定量以上的显示半导性的杂质的膜质，或者所需膜质添加了规定量掺杂物的膜质。本文档来自技高网...

【技术保护点】
ＳｉＣ结晶的制造方法，它是提供载气中含有含碳原子物质和硅原子物质的原料气体给具有称为微管的中空缺陷的ＳｉＣ单晶基片，在常压或减压下，在１４００℃以上的温度下在该基片上外延生长ＳｉＣ结晶的方法，其特征在于，将上述原料气体中的碳原子和硅原子的原子数之比（Ｃ／Ｓｉ之比）调整到结晶生长速度变为碳原子供给控速的范围内，使ＳｉＣ结晶的多层外延生长并积层，将存在于上述基片中的中空缺陷分解到多个伯格斯矢量小的不带有中空的位错上，使存在于上述基片中的中空缺陷不延伸到ＳｉＣ结晶表面。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：镰田功穗，土田秀一，
申请(专利权)人：财团法人电力中央研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]