碳化硅基板的制作方法

本发明涉及碳化硅基板。

本申请基于并要求2015年10月15日提交的日本专利申请第2015-203995号的优先权，并通过引用的方式将其全部内容并入本文中。

背景技术：

专利文献1和专利文献2公开了通过将原料粉末和晶种配置在坩埚中并且通过感应加热来加热所述坩埚，使所述原料粉末升华并在所述晶种上再结晶的方法。

专利文献1：日本特开平9-48688号公报

专利文献2：日本特开2013-35705号公报

技术实现要素：

本公开的半导体基板是碳化硅基板，并且包含碳侧主面和硅侧主面。所述碳化硅基板具有4h晶体结构并且含有氮。碳化硅基板的直径为100mm以上并且厚度为300μm以上。所述碳侧主面和所述硅侧主面的相对于{0001}面的偏角为4°以下。而且，所述碳侧主面中的氮浓度高于所述硅侧主面中的氮浓度，并且所述碳侧主面的拉曼峰位移与所述硅侧主面的拉曼峰位移之差为0.2cm^-1以下。

附图说明

图1是示出碳化硅基板的结构的一个实例的示意性剖视图；

图2是示出碳化硅基板的结构的一个实例的示意性平面图；

图3是示出用于制造碳化硅基板的示意性方法的流程图；

图4是说明碳化硅基板的制造方法的示意性剖视图；且

图5是示出碳化硅基板的制造方法的示意性剖视图。

具体实施方式

[本发明的实施方式的说明]

首先，下文列出并说明本发明的实施方式。本申请的半导体基板是碳化硅基板，其包含碳面侧主面和硅面侧主面，并且具有4h晶体结构。所述碳面侧主面和所述硅面侧主面的相对于{0001}面的偏角为4°以下。直径为100mm以上。厚度为300μm以上。而且，所述碳面侧主面中的氮浓度高于所述硅面侧主面中的氮浓度，并且所述碳面侧主面中的拉曼峰位移与所述硅面侧主面中的拉曼峰位移之差为0.2cm^-1以下。

在碳化硅基板中，有时会发生翘曲。碳化硅基板的翘曲在使用碳化硅基板制造半导体装置的过程中引起各种问题。更具体地，当在光刻工艺中通过吸附固定基板时，例如，翘曲会引起吸附失效。本发明人研究了原因及其对策，并获得以下发现。

所述碳化硅基板例如可以通过对利用升华技术获得的单晶碳化硅进行切割来制造。在升华技术中，单晶碳化硅在生长方向上存在温度梯度的条件下生长。更具体地，在通过升华技术生长的单晶碳化硅中，在后生长区域中的生长温度高于在前生长区域中的生长温度。因此，在后生长区域中的晶格常数大于在前生长区域中的晶格常数。而且，在利用升华法的4h结构的碳化硅的生长中，经常将碳面作为生长面。

当通过在与生长方向交叉的面内切割如上所述获得的单晶碳化硅来制造碳化硅基板时，接近碳面侧主面的区域中的晶格常数大于接近硅面侧主面的区域中的晶格常数。特别地，当在接近生长方向的垂直方向的面内切割单晶碳化硅时，例如当切割单晶碳化硅以使得碳面侧主面和硅面侧主面的相对于{0001}面的偏角为4°以下时，接近碳面侧主面的区域中的晶格常数与接近硅面侧主面的区域中的晶格常数之差增加。由此，晶格常数的差异引起从基板内部向硅面侧主面延伸的多余半平面(extra-half-plane)。结果，在硅面侧主面中产生拉伸应力，并且在碳面侧主面中产生压缩应力。拉伸应力和压缩应力造成碳化硅基板翘曲。特别地，当碳化硅基板的直径大时，例如当直径为100mm以上时，翘曲的产生变成问题。对此，根据本发明人的研究，通过形成碳面侧主面中的氮浓度高于硅面侧主面中的氮浓度的状态，使上述拉伸应力和压缩应力减小，并且翘曲受到抑制。

在本申请的碳化硅基板中，碳面侧主面中的氮浓度高于硅面侧主面中的氮浓度，并且使碳面侧主面中的拉曼峰位移与硅面侧主面中的拉曼峰位移之差为0.2cm^-1以下。在此，当存在拉伸应力时，拉曼峰移向正侧，而当存在压缩应力时，拉曼峰移向负侧。换句话说，在本申请的碳化硅基板中，将碳面侧主面中的氮浓度设定为高于硅面侧主面中的氮浓度，以使得拉伸应力和压缩应力降低到拉曼位移差为0.2cm^-1以下的程度。由此，根据本申请的碳化硅基板，可以提供能够降低翘曲的碳化硅基板。

在上述碳化硅基板中，可以将碳面侧主面中的氮浓度设定为比硅面侧主面中的氮浓度高1×10¹⁶cm^-3以上。通过这样做，可以可靠地抑制翘曲的产生。

在上述碳化硅基板中，碳面侧主面中的氮浓度与硅面侧主面中的氮浓度之差可以为1×10¹⁷cm^-3以下。由此，可以适当地设定碳面侧主面中的氮浓度与硅面侧主面中的氮浓度之差。

在上述碳化硅基板中，氮浓度可以随着在厚度方向上距碳面侧主面的距离的减小而增加。通过这样做，可以有效地实现翘曲的降低。

在上述碳化硅基板中，直径可以为150mm以上。本申请的碳化硅基板适于具有易翘曲的大直径的碳化硅基板。

在此，在六方晶系碳化硅的{0001}面(c面)中，将最外表面中硅原子排列的面定义为硅面，并且将最外表面中碳原子排列的面定义为碳面。在本申请中，碳面侧主面是由以碳面作为主体的晶面构成的主面。硅面侧主面是由以硅面作为主体的晶面构成的主面。而且，本申请中的拉曼峰位移是指fto(2/4)e2(波数为776cm^-1)的拉曼峰的峰位移。

[本发明的实施方式的详情]

接着，下文参照附图说明本发明的碳化硅基板的一个实施方式。需要说明的是，在附图说明中，相同或相应的成分被给予相同的附图标记，并且不重复说明。

参照图1，本实施方式的碳化硅基板9包含碳面侧主面91和硅面侧主面92。碳化硅基板9由具有4h晶体结构的单晶碳化硅构成。碳面侧主面91和硅面侧主面92的相对于构成碳化硅基板9的碳化硅的{0001}晶面的偏角为4°以下。换句话说，碳面侧主面91和硅面侧主面92与{0001}面之间形成的角度为4°以下。

参照图1和图2，碳化硅基板9具有圆盘状形状。碳化硅基板9的直径为100mm以上。碳化硅基板9的直径可以为150mm以上。具有更大直径的碳化硅基板9使得能够有效地使用碳化硅基板9来制造半导体装置(二极管、场效应晶体管等)。碳化硅基板9的厚度(碳面侧主面91与硅面侧主面92之间的距离)为300μm以上。碳化硅基板9的厚度可以为600μm以下。

而且，碳面侧主面91中的氮浓度高于硅面侧主面92中的氮浓度，并且碳面侧主面91中的拉曼峰位移与硅面侧主面92中的拉曼峰位移之差为0.2cm^-1以下。碳面侧主面91中的氮浓度高于硅面侧主面92中的氮浓度，这导致碳面侧主面91中的拉曼峰位移与硅面侧主面92中的拉曼峰位移之差为0.2cm^-1以下。

在本实施方式的碳化硅基板9中，将碳面侧主面91中的氮浓度设定为高于硅面侧主面92中的氮浓度，以使得碳面侧主面91中的压缩应力和硅面侧主面92中的拉伸应力降低到碳面侧主面91中的拉曼峰位移与硅面侧主面92中的拉曼峰位移之差为0.2cm^-1以下的程度。结果，本实施方式的碳化硅基板9变成翘曲降低的碳化硅基板。

在此，例如，可以如下研究碳面侧主面91和硅面侧主面92中的拉曼峰位移。参照图2，假想在碳面侧主面91(或硅面侧主面92)的中心处彼此垂直相交的直线(参见图2中的虚线)。此外，假想所述直线与碳面侧主面91(或硅面侧主面92)的周边的交点。然后，在总共九个位置处测量拉曼峰位移，所述九个位置包括对应于在所述直线上且从与周边的交点起向内部靠近10cm的点的四个测量区域99c，对应于中心的测量区域99a，以及对应于所述直线上的测量区域99a和测量区域99c的中点的四个测量区域99b。而且，将其平均值作为碳面侧主面91(或硅面侧主面92)的拉曼峰位移。

在碳化硅基板9中，碳面侧主面91中的氮浓度优选设定为比硅面侧主面92中的氮浓度高1×10¹⁶cm^-3以上。通过这样做，更可靠地抑制翘曲的产生。碳面侧主面91中的氮浓度与硅面侧主面92中的氮浓度之差可以为1×10¹⁷cm^-3以下。

而且，氮浓度优选随着在碳化硅基板9的厚度方向上距碳面侧主面91的距离的减小以及距硅面92的距离的增加而增加。由此，可以有效地实现翘曲的降低。氮浓度可以随着在碳化硅基板9的厚度方向上距碳面侧主面91的距离的减小以及距硅面92的距离的增加而逐步增加。此外，氮浓度可以随着在碳化硅基板9的厚度方向上距碳面侧主面91的距离的减小以及距硅面92的距离的增加而连续增加。

接着，下文参照图3至图5说明本实施方式的碳化硅基板9的制造方法的一个实例。在本实施方式的碳化硅基板9的制造方法中，使用图4所示的单晶的制造装置100制造碳化硅单晶。参照图4，单晶的制造装置100包含坩埚1，绝热构件21、22、23，辐射温度计71、72，和感应加热线圈74。

坩埚1由可通过感应加热来加热的材料(例如石墨)制成。坩埚1包含周壁部11、底壁部12和盖部13。周壁部11具有圆柱形状。底壁部12连接到周壁部11，并且封闭周壁部11的一侧的开口。盖部13连接到周壁部11，封闭周壁部11的另一侧的开口，并且包含保持晶种51的保持部14。在本实施方式中，周壁部11具有中空圆柱形状。底壁部12具有圆盘状形状。周壁部11和底壁部12是一体形成的。

盖部13可从周壁部11拆卸且可安装至周壁部11。盖部13的外周形成的盖部结合面13a与周壁部11的内周形成的周壁部结合面11a彼此接触，由此盖部13被固定到周壁部11。例如，在盖部结合面13a和周壁部结合面11a中可以形成螺旋形的螺纹槽。在盖部13的一侧的主面中，形成从所述主面的中心部突出的保持部14。保持部14被定位成当将盖部13安装至周壁部11时包含中心轴α。中心轴α对应于周壁部11的中心轴。在保持部14的前端，形成保持晶种的保持面14a。

绝热构件21、22、23例如由模制的绝热构件制成。绝热构件21、22、23例如具有毡状结构，并且由以碳作为主要成分的纤维构成。绝热构件22具有圆盘状形状。坩埚1被配置在绝热构件22上，以使得底壁部12的外表面12b接触绝热构件22的第一主面22b。绝热构件21具有中空圆柱形状。绝热构件21被配置成完全覆盖坩埚1的周壁部11的外表面11b。绝缘构件23被配置在盖部13的外表面13b上，以覆盖坩埚1的盖部13的外表面13b。坩埚1被绝热构件21、22、23包围。

在绝热构件22中，在包含中心轴α的区域中形成在厚度方向上贯通绝热构件22的贯通孔22a。辐射温度计71被配置成经由贯通孔22a与坩埚1的底壁部12相对。通过辐射温度计71测量底壁部12的温度，并得到原料粉末52的温度。在绝热构件23中，在包含中心轴α的区域中形成在厚度方向上贯通绝热构件23的贯通孔23a。辐射温度计72被配置成经由贯通孔23a与坩埚1的盖部13相对。通过辐射温度计72测量盖部13的温度，并得到晶种51的温度。

感应加热线圈74被配置成以螺旋状包围覆盖有绝热构件21的坩埚1的周壁部11的外表面11b侧。感应加热线圈74与电源(图中未示出)连接。被绝热构件21、22、23覆盖的坩埚1被配置在由感应加热线圈74包围的区域中。

接着，下面说明制造碳化硅基板的具体步骤。参照图3，在本实施方式的碳化硅基板的制造方法中，作为工序(s10)进行原料粉末配置工序。在该工序(s10)中，参照图4，原料粉末52被配置成与坩埚1的底壁部12的内表面12a接触。更具体地，在除去盖部13的状态下将碳化硅的原料粉末52配置在坩埚1内。

随后，作为工序(s20)进行晶种配置工序。在该工序(s20)中，晶种51被配置在保持部14上。晶种51由具有4h晶体结构的碳化硅制成。更具体地，例如，将晶种51安装至从周壁部11除去的盖部13的保持部14。将晶种51安装至保持部14的保持面14a。这时，使晶种51的生长面51a为碳面。接着，将盖部13安装至周壁部11。通过这样做，将晶种51配置在与中心轴α交叉的区域中。通过工序(s10)至(s20)，将原料粉末52和晶种51配置在坩埚1内。

接着，作为工序(s30)进行升华-再结晶工序。在该工序(s30)中，通过使原料粉末52升华并在晶种51上再结晶，使单晶53在晶种51上生长。更具体地，例如，将内部配置有原料粉末52和晶种51的坩埚1例如用绝热构件21、22、23覆盖。此外，将用绝热构件21、22、23覆盖的坩埚1如图4所示配置在由感应加热线圈74包围的区域中。然后，当高频电流流过感应加热线圈74时，坩埚1通过感应加热被加热。

这时，进行感应加热，使得原料粉末52的温度变得高于晶种51的温度。结果，形成温度梯度，其中沿着作为生长方向的中心轴α，晶种51侧的温度低并且原料粉末52侧的温度高。更具体地，例如，可以使晶种51的温度为2000℃以上且2300℃以下。可以使原料粉末52的温度为2100℃以上且2400℃以下。可以使晶种51与原料粉末52的温度差为100℃以上且300℃以下。此外，可以使坩埚1内的压力例如为1kpa以上且5kpa以下。使坩埚1的内部为填充有惰性气体如氩气的气氛。此外，在本实施方式中，向坩埚1中引入氮气。调节氮气向坩埚1内的引入量(流量)以使其随着时间而增加。可以逐步地或连续地增加氮气的引入量。

由此，作为碳化硅的粉末的原料粉末52升华，并且产生作为气态碳化硅的原料气体。所述原料气体被供给到晶种51。结果，如图5所示，原料气体在晶种51上再结晶，并且具有4h晶体结构的碳化硅的单晶53在晶种51上生长。氮被包含在单晶53中。

上述温度梯度的存在使得在作为单晶碳化硅的单晶53中的在后生长区域的生长温度高于在前生长区域的生长温度。因此，在不采取任何措施的情况下，在单晶53中在后生长区域的晶格常数大于在前生长区域的晶格常数。在本实施方式中，如上所述，引入到坩埚1中的氮气的量随着时间而增加。由此，在单晶53中，在后生长区域中的氮浓度变得高于在前生长区域中的氮浓度。引入碳化硅中的氮浓度变得越高，碳化硅的晶格常数就变得越小。结果，抑制了单晶53的晶格常数的变化。然后，通过维持该状态，单晶53在沿着中心轴α的方向上生长。然后，经过预先设定的加热时间，加热结束，并且工序(s30)结束。

接着，作为工序(s40)进行切割工序。在该工序(s40)中，将在工序(s30)中在坩埚1中生长的单晶53从坩埚1中移出并切割。更具体地，在工序(s30)中加热结束后，将坩埚1从感应加热线圈74所包围的区域中移出。之后，将坩埚1的盖部13除去。然后，从盖部13获得单晶53。将所获得的单晶53切割以形成相对于{0001}面具有4°以下的角度的主面。结果，参照图1，获得碳化硅基板9，其具有相对于{0001}面的偏角为4°以下的碳面侧主面91和硅面侧主面92。

接着，如图3所示，作为工序(s50)进行表面平坦化工序。在该工序(s50)中，对在工序(s40)中获得的碳化硅基板9的碳面侧主面91和硅面侧主面92中的至少一者进行平坦化。更具体地，对碳面侧主面91和硅面侧主面92中的至少一者进行诸如mp(机械抛光)和cmp(化学机械抛光)的平坦化。然后，通过进行清洗等获得本实施方式的碳化硅基板9。

在本实施方式的碳化硅基板的制造方法中，如上所述，单晶53在碳面作为生长面的情况下生长。而且，引入坩埚1中的氮气的量随着时间而增加。这使得在单晶53中在后生长区域中的氮浓度高于在前生长区域中的氮浓度。由此，由于温度变化引起的晶格常数的增加得到抑制。然后，在工序(s40)中对所获得的单晶53进行切割。结果，可以制造碳化硅基板9，其中碳面侧主面91中的氮浓度高于硅面侧主面92中的氮浓度，并且碳面侧主面91中的拉曼峰位移与硅面侧主面92中的拉曼峰位移之差为0.2cm^-1以下。

需要说明的是，本文公开的实施方式和工作实例在任何方面都是说明性而非限制性的。本发明的范围是由权利要求的各项限定的，而不是由上述实施方式限定的，并且旨在包括在与权利要求的各项等同的范围和含义内的任何修改。

标号说明

1坩埚

11周壁部

11a周壁部结合面

11b外表面

12底壁部

12a内表面

12b外表面

13盖部

13a盖部结合面

13b外表面

14保持部

14a保持面

21、22、23绝热构件

22a、23a贯通孔

22b第一主面

51晶种

51a生长面

52原料粉末

53单晶

71、72辐射温度计

74感应加热线圈

9碳化硅基板

91碳面侧主面

92硅面侧主面

99a、99b、99c测量区域

100单晶的制造装置