SiC外延晶片及SiC外延晶片的制造方法与流程

sic外延晶片及sic外延晶片的制造方法
技术领域
1.本发明涉及sic外延晶片及sic外延晶片的制造方法。


背景技术：

2.碳化硅(sic)与硅(si)相比，绝缘击穿电场大一个数量级，带隙为3倍大，热传导率为3倍左右高。期待着将碳化硅(sic)应用于功率器件、高频器件、高温工作器件等。
3.对于sic器件的实用化的促进，要求高品质的sic外延晶片及高品质的外延生长技术的确立。
4.sic器件形成于sic外延晶片。sic外延晶片具备sic基板和层叠在sic基板上的外延层。sic基板通过从用升华再结晶法等生长出的sic的块(bulk)单晶加工而得到。
5.外延层通过化学气相沉积法(chemical vapor deposition：cvd)等而制作，成为器件的活性区域。
6.外延层有时具有决定外延层的导电型的杂质和与杂质不同的导电型的硼(例如，专利文献1～3)。硼使漂移层内的有效的载流子浓度降低，有时成为缩短双极型器件的载流子寿命的原因。
7.现有技术文献
8.专利文献
9.专利文献1：日本特开2019-121690号公报
10.专利文献2：国际公开第2006/008941号
11.专利文献3：国际公开第2018/193664号


技术实现要素：

12.发明所要解决的课题
13.硼包含于在制造中使用的构件等，因此难以完全除去。若在外延层内存在硼浓度高的部分，则该部分难以通用地应用于器件。在外延晶片的面内硼浓度高的部位的比例越高，则能够通用地应用于器件的有效面积越少。在专利文献1～3中，关于外延层内的硼浓度的面内均匀性，没有记载。
14.本发明鉴于上述问题而完成，目的在于得到硼的含有量在面内的任意位置处都少、有效面积大的sic外延晶片及其制造方法。
15.用于解决课题的技术方案
16.本发明为了解决上述课题，提供以下的技术方案。
17.(1)第1方案的sic外延晶片具备sic基板和层叠于所述sic基板的sic的外延层，所述外延层包含决定导电型的杂质和导电型不同于所述杂质的硼，在所述外延层中，所述硼的浓度在面内的任意位置处都小于1.0
×
10
14
cm-3
。
18.(2)在上述方案的sic外延晶片中，直径可以为150mm以上。
19.(3)在上述方案的sic外延晶片中，直径可以为200mm以上。
20.(4)第2方案的sic外延晶片的制造方法，包括使用在sic基板的载置面的上方具有气体供给口的纵型炉而在sic基板上将sic的外延层成膜的成膜工序，所述成膜工序包括一边按照第1升温速度、第2升温速度、第3升温速度的顺序变更升温速度、一边升温至成膜温度的升温工序，所述第1升温速度比所述第2升温速度快，所述第2升温速度比所述第3升温速度快，所述第1升温速度为100℃/min以上。
21.(5)在上述方案的sic外延晶片的制造方法中，可以在成膜温度下，使所述sic基板的所述载置面的中心的高度位置比外周的高度位置高30μm以上。
22.(6)在上述方案的sic外延晶片的制造方法的所述成膜工序中，可以从所述sic基板的背面供给吹扫气体。所述吹扫气体例如从比所述sic基板的外周靠内侧20mm以上处供给。
23.(7)可以将上述方案的sic外延晶片的制造方法的所述升温工序所需的时间设为300秒以上且750秒以下。
24.发明效果
25.在上述方案的sic外延晶片中，硼的含有量在面内的任意位置处都少，有效面积大。另外，上述方案的sic外延晶片的制造方法能够在面内的任意位置处都使硼的含有量少。
附图说明
26.图1是第1实施方式的sic外延晶片的剖视图。
27.图2是第1实施方式的sic外延晶片的俯视图。
28.图3是第1实施方式的sic外延晶片的成膜装置的示意图。
29.图4是第1实施方式的sic外延晶片的成膜工艺的一例。
30.图5是第1实施方式的sic外延晶片的成膜装置的sic基板附近的放大图。
31.附图标记说明
[0032]1…
sic基板，2
…
外延层，10
…
sic外延晶片，20
…
腔室，21
…
主体，22
…
气体供给口，23
…
气体排出口，30
…
支承体，40
…
基座，41
…
支承部，42
…
外周部，43
…
贯通孔，50
…
下部加热器，60
…
上部加热器，100
…
成膜装置，g
…
成膜气体，rs
…
升温工序，s1
…
第1升温工序，s2
…
第2升温工序，s3
…
第3升温工序，t1
…
成膜温度，δh
…
高低差，d
…
距离，p1
…
中心，p2
…
点。
具体实施方式
[0033]
以下，关于本实施方式，一边适当参照附图，一边详细进行说明。在以下的说明中使用的附图，为了使本发明的特征容易理解，有时为了方便而将成为特征的部分放大地示出，各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。在以下的说明中例示的材质、尺寸等是一例，本发明不限定于它们，能够在不变更其主旨的范围内适当变更而实施。
[0034]
图1是第1实施方式的sic外延晶片10的剖视图。图2是第1实施方式的sic外延晶片10的俯视图。sic外延晶片10具有sic基板1和外延层2。sic外延晶片10例如是直径为150mm以上的圆板。sic外延晶片10的直径也可以为200mm以上。
[0035]
sic基板1例如是从sic晶锭切割出的。sic晶锭例如使用升华法而在sic晶种上生
长。sic基板1例如将从(0001)向《11-20》方向具有偏离角的面设为生长面。sic基板1包含杂质。杂质例如是氮。
[0036]
sic基板1的俯视形状例如是圆形。sic基板1的直径例如为150mm以上。对于sic基板1，也可以将圆的一部分开槽口。被开槽口的部分被称作定向平面(orientation flat)of。定向平面of用于sic基板1的方位等的确认。
[0037]
外延层2层叠于sic基板1上。外延层2例如通过化学气相沉积法(cvd法)而形成。外延层2是sic的单晶膜。外延层2例如也可以由多层形成。例如，外延层2也可以由杂质浓度不同的多个sic单晶膜形成。
[0038]
外延层2包含决定导电型的杂质和硼。决定导电型的杂质例如是氮。氮的导电型是n型。外延层2中的决定导电型的杂质的杂质浓度例如为1.0
×
10
14
cm-3
以上且3.0
×
10
16
cm-3
以下，优选为1.0
×
10
14
cm-3
以上且3.0
×
10
15
cm-3
以下。外延层2中的决定导电型的杂质浓度的面内均匀性例如优选为20％以内，更优选为10％以下。杂质浓度的面内均匀性例如根据通过sic外延晶片的中心的径向的10点以上的测定点的结果而求出。决定导电型的杂质浓度的面内均匀性是将多个测定点中的杂质浓度的最大值与最小值之差除以多个测定点的杂质浓度的平均值而得到的值。可以在与定向平面of平行的方向上配置测定点，也可以在与定向平面of垂直的方向上配置测定点，还可以在与定向平面of平行及垂直的方向分别配置测定点。
[0039]
硼表示与氮的导电型不同的导电型。硼的导电型是p型。硼不是有意地掺杂于外延层2，而是在外延层2的成膜时包含于基座等成膜装置的硼作为杂质混入的。硼是有效的载流子浓度下降的原因，并且也可能成为抑制双极型器件的电导率调制效果的原因。优选外延层2中的硼浓度少，但难以完全除去。
[0040]
在外延层2中，硼的浓度在面内的任意位置处都小于1.0
×
10
14
cm-3
。硼的浓度有外延层2的外侧比中心高的倾向。若外延层2的中心p1和从外周起靠内侧5mm的4个点p2处的硼浓度处于上述范围，则能够视为在面内的任意位置处硼浓度都处于上述范围内。此外，从外周起靠内侧5mm的范围有时不被视为器件的有效区域。因而，从外周起靠内侧5mm的范围，多数情况下能够忽略。
[0041]
各层的杂质及硼浓度例如能够通过水银探针(hg-cv)法、二次离子质谱分析法(sims)等来测定。
[0042]
hg-cv法将施主浓度nd与受主浓度na之差(nd-na)作为n型的杂质浓度进行测定。在与施主浓度相比，受主浓度充分小的情况下，能够将它们的浓度差视为n型的杂质浓度。
[0043]
二次离子质谱分析法(sims)是一边在厚度方向上对层进行切削、一边对飞出来的二次离子进行质谱分析的方法。能够根据质谱分析来测定掺杂浓度。
[0044]
对于杂质及硼浓度的测定点，只要能够反映晶片面内的分布即可，可以是任意的点。优选从晶片的边缘起小于5mm的部分不包含于测定点。例如，以晶片的中心为原点，在十字的方向上在多点处进行测定。例如，在6英寸晶片的情况下，以原点为中心在十字的4个方向上分别各5点的合计21点处进行测定。
[0045]
接着，说明第1实施方式的sic外延晶片的制造方法。首先准备sic基板1。通过将sic晶锭以预定的厚度切割，得到sic基板1。关于sic基板1，也可以购买所销售的sic基板。
[0046]
接着，进行在sic基板1上将外延层2成膜的成膜工序。外延层2例如通过cvd法而成
膜。
[0047]
图3是第1实施方式的sic外延晶片10的成膜装置100的一例的示意图。成膜装置100例如具有腔室20、支承体30、基座40、下部加热器50及上部加热器60。图3示出sic基板1载置于基座40的状态。成膜装置100是在sic基板1的载置面的上方具有气体供给口22的纵型炉。
[0048]
腔室20例如具有主体21、气体供给口22及气体排出口23。
[0049]
主体21包围成膜空间s。气体供给口22是将成膜气体g向成膜空间s供给的入口。气体供给口22例如处于sic基板1的载置面的上方。气体排出口23是将滞留于成膜空间s内的成膜气体g等排出的出口。气体排出口23例如处于比sic基板1的载置面靠下方处。成膜气体g例如是si系气体、c系气体、吹扫气体、掺杂剂气体。
[0050]
si系气体是在分子内包含si的原料气体。si系气体例如是甲硅烷(sih4)、二氯甲硅烷(sih2cl2)、三氯甲硅烷(sihcl3)、四氯硅烷(sicl4)等。c系气体例如是丙烷(c3h8)、乙烯(c2h4)等。掺杂剂气体是包含成为载流子的元素的气体。掺杂剂气体例如是氮、氨等。吹扫气体是将这些气体向sic基板1运送的气体，是相对于sic惰性的氢等。
[0051]
支承体30支承sic基板1。支承体30能够以轴为中心进行旋转。sic基板1例如以sic基板1载置于基座40的状态载置于支承体30。基座40以载置有sic基板1的状态被运送至腔室20内。下部加热器50例如处于支承体30内，加热sic基板1。
[0052]
上部加热器60加热腔室20的上部。在成膜空间s内露出的构件例如是碳构件，表面可以由sic或tac被覆。
[0053]
成膜工序例如在图3所示的纵型炉中进行。图4是第1实施方式的sic外延晶片10的制造工艺的一例。成膜工序具有升温至成膜温度t1的升温工序rs。在升温工序后维持成膜温度t1，进行外延层2的成膜。成膜温度t1例如为1500℃以上。
[0054]
升温工序rs所需的时间例如为300秒以上且750秒以下。若升温工序rs所需的时间短，则sic基板1、基座40的变形变大，外延层2的面内均匀性变差。另外，若升温工序rs所需的时间短，则会因由基座40的面内的温度差等引起的对流而发生成膜气体的反卷，从基座40释放的硼会被取入到晶片中。若升温工序rs所需的时间长，则从在成膜装置100中使用的构件释放的硼的量增加。
[0055]
升温工序rs例如具有第1升温工序s1、第2升温工序s2及第3升温工序s3。第1升温工序s1、第2升温工序s2及第3升温工序s3各自的升温速度不同。对于升温工序rs，只要将升温速度变更2次以上即可，也可以具有第4升温工序、第5升温工序等升温速度不同的进一步的工序。
[0056]
第1升温工序s1以第1升温速度进行升温。第1升温速度为100℃/min以上。第1升温速度比第2升温工序s2中的第2升温速度快。在第1升温工序s1中，例如将温度提升至1200℃左右。
[0057]
第2升温工序s2在第1升温工序s1之后且第3升温工序s3之前进行。第2升温工序s2以第2升温速度进行。第2升温速度比第1升温速度慢，比第3升温速度快。第2升温速度例如为第1升温速度的90％以下。在第2升温工序s2中，例如将温度提升至1400℃左右。
[0058]
第3升温工序s3在第2升温工序s2之后进行。第3升温工序s3以第3升温速度进行。第3升温速度比第2升温速度慢。第3升温速度例如为第2升温速度的90％以下。
[0059]
通过加快第1升温速度，能够缩短升温工序rs整体所需的时间。若升温工序rs整体所需的时间变短，则从成膜装置100释放的硼的量变少。另外，通过将升温速度逐级地减慢，能够抑制sic基板1、基座40的变形过于变大。
[0060]
另外，图5是第1实施方式的sic外延晶片的成膜装置的sic基板1附近的放大图。sic基板1载置于基座40上。基座40例如具有支承部41、外周部42及贯通孔43。
[0061]
sic基板1载置于支承部41上。外周部42防止在成膜时sic基板1向外侧飞出。外周部42例如也可以是环状的独立构件。贯通孔43是将支承部41的上表面和下表面相连的孔。
[0062]
将sic基板1的载置面的中心的高度位置与最外周的高度位置之差称作高低差δh。高低差δh例如能够利用激光位移计来进行测定。首先，在炉的上部在基座的中心、外周部分别设置测定用的端口及激光位移计，在不设置晶片的状态下求出成膜温度下的中心部与外周部的高度的差值，从而测定基座的翘曲。接着，通过在基座上设置晶片，且以与不设置晶片地测定了翘曲时相同的条件进行测定，能够测定高低差δh。通过一边测定高低差δh、一边进行成膜，能够保持任意的高低差δh。另外，通过选择激光光源的波长，也能够在设置有晶片的状态下测定基座的翘曲。例如，在sic晶片的情况下，若将激光光源的波长设为600nm以上，则激光透过sic晶片，因此能够在设置有晶片的状态下测定基座的翘曲。成膜时的高低差δh优选为30μm以上。即，在成膜温度t1下，优选使sic基板1的载置面的中心的高度位置比最外周的高度位置高30μm以上。另外，成膜温度t1下的高低差δh优选为100μm以下。
[0063]
上述的高低差δh的范围只要在成膜温度t1下满足即可，在常温下可以不满足。另外，关于载置面的最外周，在存在外周部42的情况下，外周部42与载置面的交界成为最外周。
[0064]
高低差δh例如能够通过成膜条件来控制。若升温速度快，则高低差δh有变大的倾向。除此之外，也可以通过构成基座40的材料来调整高低差δh。例如，也可以将基座40使用热膨胀率不同的两种以上的材料来制作，利用热膨胀率的不同来调整高低差δh。
[0065]
若高低差δh变大，则在sic基板1的上表面附近形成从sic基板1的中央朝向外侧的成膜气体g的流动，能够防止发生成膜气体g的反卷等。成膜气体g的反卷成为从基座40等释放的硼、未反应气体被取入到外延层2的原因。若在sic基板1的上表面附近形成从sic基板1的中央朝向外侧的成膜气体g的流动，则外延层2中包含的硼浓度变低。另外，若高低差δh为预定的范围内，则外延层2的中心与外周部分的成膜条件之差小，外延层2的面内均匀性提高。
[0066]
另外，也可以经由贯通孔43而向sic基板1的背面供给气体。向sic基板1的背面侧供给的气体防止成膜气体g绕到sic基板1的背面。
[0067]
向背面供给的气体是相对于sic惰性的吹扫气体。
[0068]
吹扫气体优选从比sic基板1的最外周靠内侧20mm以上处朝向sic基板1的背面供给。例如，贯通孔43与最外周的距离d优选为20mm以上。若吹扫气体向sic基板1的背面的供给位置满足上述条件，则能够抑制由来自背面的吹扫气体扰乱成膜气体g的流动。
[0069]
通过经过上述工序，制作在面内的任意位置处硼的浓度都为1.0
×
10
14
cm-3
以下的sic外延晶片10。
[0070]
本实施方式的sic外延晶片10由于硼的浓度为1.0
×
10
14
cm-3
以下，所以能够延长
器件加工后的载流子寿命。若载流子寿命长，则在双极型器件中，能够得到充分的电导率调制效果。
[0071]
在外延层2中，决定导电型的杂质浓度越低，则该效果越显著。例如，在外延层2中的氮的浓度为1.0
×
10
15
cm-3
且硼的浓度为1.0
×
10
14
cm-3
的情况下，相对于决定导电型的氮，硼占据10％的比例。在该情况下，伴随于硼的存在的不良影响变大。换言之，在决定导电型的杂质浓度低的外延层2中，硼浓度低是有价值的。
[0072]
以上，对本发明的优选的实施方式进行了详述，但本发明不限定于特定的实施方式，能够在记载于权利要求书内的本发明的主旨的范围内进行各种变形、变更。
[0073]
【实施例】
[0074]
(实施例1)
[0075]
准备了直径为150mm的sic基板。使用与图3所示的成膜装置100同样的纵型炉，在sic基板1上将外延层2成膜。升温工序设为3阶段而将升温速度变更了2次。第1次的升温速度(第1升温速度)为100℃/min以上。第2次的升温速度(第2升温速度)小于第1升温速度的80％。第3次的升温速度(第3升温速度)小于第2升温速度的80％。成膜温度设为1600℃以上且低于1700℃。升温所需的时间为300秒以上且小于750秒。
[0076]
在外延层2的成膜时，从sic基板1的背面侧供给了吹扫气体。
[0077]
吹扫气体以吹到比sic基板1的外周靠内侧20mm以上的位置的方式进行了供给。另外，在1600℃以上且低于1700℃的温度范围中，sic基板1的载置面的中心的高度位置比最外周的高度位置高30μm以上。
[0078]
并且，在制作后，测定了sic外延晶片10的中心p1处的硼浓度和比外周靠内侧5mm的4个点p2的硼浓度。实施例1的中心p1处的硼浓度是5.0
×
10
13
cm-3
，点p2处的硼浓度是9.0
×
10
13
cm-3
。因此，实施例1的sic外延晶片在面内的任意位置处硼浓度都小于1.0
×
10
14
cm-3
。
[0079]
(比较例1)
[0080]
准备了直径是150mm的sic基板。比较例1使用了在sic基板的侧方具有气体供给口的横型炉。并且，使用横型炉，在sic基板1上将外延层2成膜。升温工序是1个阶段，升温速度没有变更。升温速度设为了100℃/min以下。成膜温度设为了1600℃以上且低于1700℃。升温所需的时间为750秒以上。
[0081]
在比较例中，没有向sic基板1的背面侧供给吹扫气体。另外，由于升温速度与实施例相比缓慢，所以在1600℃以上且低于1700℃的温度范围中，sic基板1的载置面的中心的高度位置比最外周的高度位置高不足30μm。
[0082]
并且，在制作后，测定了比较例1的sic外延晶片的中心p1处的硼浓度和比外周靠内侧5mm的4个点p2的硼浓度。比较例1的中心p1处的硼浓度是9.2
×
10
14
cm-3
，点p2处的硼浓度是8.1
×
10
13
cm-3
。因此，比较例1的sic外延晶片具有硼浓度成为1.0
×
10
14
cm-3
以上的部位。