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    本發明提供一種半導體晶圓的製造方法，包括：碳層形成步驟、貫穿孔形成步驟、進給層形成步驟和外延層形成步驟。在碳層形成步驟中，在由多晶SiC構成的基板(70)的表面形成碳層(71)。在貫穿孔形成步驟中，在形成在基板(70)的碳層(71)形成貫穿孔(71c)。在進給層形成步驟中，在碳層(71)的表面形成Si層(72)以及3C-SiC多晶層(73)。在外延層形成步驟中，藉由對基板(70)進行加熱，來在通過貫穿孔(71c)露出的基板(70)的表面，形成由4H-SiC單晶構成的晶種，使晶種進行接近液相外延生長，形成4H-SiC單晶層。
    公开号:TW201314839A
    申请号:TW101130853
    申请日:2012-08-24
    公开日:2013-04-01
    发明作者:Tadaaki Kaneko；Noboru Ohtani；Shoji Ushio；Ayumu Adachi；Satoru Nogami
    申请人:Toyo Tanso Co；
    IPC主号:H01L21-00
    专利说明:
    半導體晶圓之製造方法及半導體晶圓
    本發明係關於使用了至少表面由SiC構成的基板的半導體晶圓的製造方法。
    作為高頻元件的半導體材料，至今為止，眾所皆知的有矽(Si)、砷化鎵(GaAs)等。近年來，伴隨著高頻元件的利用領域急速擴大，在高溫環境等殘酷領域中，使用的機會也不斷增加。因此，可耐高溫環境的高頻元件的實現，就成為對提高在較廣範圍的用途環境中之動作的可靠性和大量的信息處理．控制性的重要課題之一。
    作為製造耐熱性良好的半導體晶圓的材料之一，碳化矽(SiC)倍受矚目。SiC的機械強度良好且放射線能力也強。並且，SiC還能夠藉由添加雜質來容易地控制電子、電洞的價電子，同時，具備有如下特徵，即，較寬的禁帶寬度(6H型的單晶SiC時大約為3.0eV，4H型的單晶SiC時為3.2eV)或較高的絕緣崩潰電場(4H型的單晶SiC時，為Si或GaAs的大約10倍2.8MV/cm)、電子飽和漂移速度(4H型的單晶SiC時，為Si的大約兩倍2.2×107cm/s)。因上述理由，使得SiC作為能夠實現用上述既有半導體材料不能實現的高溫、高頻、耐電壓、耐環境性的下世代的功率元件的材料而受到期待。
    至今為止，在使用了SiC的半導體晶圓的製造方法中，形成外延層的方法是眾所皆知的。例如，在專利文獻1到3中揭示有此種製造方法。
    在專利文獻1中，藉由CVD(Chemical Vapor Deposition、化學氣相沈積)法形成SiC外延層。在前述外延生長的步驟中，能夠藉由導入將生長速度抑制在每小時1μm以下的瑕疪發生抑止層中，來形成瑕疪較少的SiC的外延層。
    在專利文獻2中，揭示有下述SiC外延層的形成方法。即，SiC外延層的形成方法包括使用晶種添加昇華技術，使SiC的單晶塊材生長的步驟，和在單晶塊材表面進行液相外延生長的步驟。在前述液相外延生長的步驟中，能夠藉由進行熔融生長，來堵塞從前述晶種傳播到單晶塊材基板的微管瑕疪，能夠形成微管瑕疪較少的SiC外延層。
    在專利文獻3中，揭示有作為使單晶SiC接近液相外延生長的方法之準安定溶劑外延生長(MSE)法。在MSE法中，將由單晶SiC構成的種基板和比該種基板自由能量較高的碳供給進給基板相對配置，且使Si融溶層作為溶劑(碳移動介質)，介於前述種基板與前述碳供給進給基板之間。並且，藉由在真空高溫環境下，對種基板以及碳供給進給基板進行加熱處理，來使單晶SiC在前述種基板的表面外延生長的方法。 〔先前技術文獻〕 〔專例文獻〕
    〔專利文獻1〕日本特開2007-284298號專利公報
    〔專利文獻2〕日本特開平10-509943號專利公報
    〔專利文獻3〕日本特開2008-230946號專利公報
    在專利文獻1到3的方法中，為了形成由單晶SiC構成的外延層，需要由單晶SiC構成的種基板。但是，由於由單晶SiC構成的基板非常貴，因此專利文獻1到3的方法提高了半導體元件的製造成本。
    並且，由於由單晶SiC構成的基板，在可取得的口徑尺寸方面受到限制，因此難以用專利文獻1到3的方法來製造大口徑的半導體晶圓。
    本發明是鑒於上述內容的發明，其目的是在基板表面，形成單晶SiC的外延層的半導體晶圓的製造方法，提供一種能夠降低製造成本，以及實現半導體晶圓的大口徑化的方法。
    本發明所要解決的課題如上所述，其次，對用於解決該課題的手段和其效果進行說明。
    根據本發明的第一觀點，提供如下半導體晶圓的製造方法。即，該半導體晶圓的製造方法，包括碳層形成步驟、貫穿孔形成步驟、進給層形成步驟和外延層形成步驟。在前述碳層形成步驟中，在至少表面由多晶SiC構成的基板的表面形成碳層。在前述貫穿孔形成步驟中，對形成在前述基板的前述碳層照射雷射光等，來在該碳層形成貫穿孔。在前述進給層形成步驟中，在形成在前述基板的前述碳層的表面形成Si層，同時，在該Si層的表面形成由多晶SiC構成的進給層。在前述外延層形成步驟中，藉由對前述基板進行1600℃以上2300℃以下的溫度範圍進行加熱處理，以在通過前述貫穿孔露出的前述基板的表面，形成由4H-SiC單晶構成的晶種，且藉由繼續前述加熱處理，來使前述晶種接近液相外延生長，形成由4H-SiC單晶構成的外延層。
    所以，能夠使用至少表面由多晶SiC構成的基板來製造半導體晶圓。由於由多晶SiC構成的基板與由單晶SiC構成的基板相比，價格便宜，因此能夠降低半導體晶圓的製造成本。並且，由於由多晶SiC構成的基板與由單晶SiC構成的基板相比，能夠得到大口徑的基板，因此能夠製造大口徑的半導體晶圓。
    在前述半導體晶圓的製造方法中，如以下來進行為較佳。即，在前述基板的表面形成有多個槽部或壁部。在前述貫穿孔形成步驟中，在被前述槽部或前述壁部圍繞的每個區域形成前述貫穿孔。在前述外延層形成步驟中，在每個前述區域形成由4H-SiC單晶構成的前述外延層。
    所以，能夠藉由槽部或壁部來防止鄰接的外延層彼此之間的接觸，而帶來的生長障礙或在接觸部分中產生結晶轉變等干擾。因此，能夠使用比從單一晶種生長到晶圓整個面積為止，較短的生長時間，來高質量地製造形成有多個晶片的外延層的半導體晶圓。
    在前述半導體晶圓的製造方法的前述碳層形成步驟中，藉由在1500℃以上2300℃以下的溫度範圍內，且10-2Torr以下為較佳，更理想的是10-5Torr以下的真空下進行加熱，來使前述基板的表面的Si原子昇華，形成前述碳層。
    這樣一來，由於能夠在基板的表面良好地生成由納碳材料構成的薄膜，因此能夠僅使藉由貫穿孔露出的部分適當反應。並且，能夠防止雜質侵入到基板與碳層之間。
    在前述半導體晶圓的製造方法的前述碳層形成步驟中，也可以藉由化學氣相沈積法、有機抗蝕劑法或電子迴旋共振濺射法，來形成前述碳層。
    這樣一來，能夠在基板的表面有效地形成碳層。
    在前述半導體晶圓的製造方法的前述貫穿孔形成步驟中，用紅外線的雷射光來形成貫穿孔，雷射光的點直徑在100μm以下為最佳，更理想的是50μm以下。
    這樣一來，能夠使通過貫穿孔露出的基板的面積變小，在每個貫穿孔生長單一的晶種，抑制在貫穿孔內的多個晶種生長和這些晶種的接觸而帶來的生長障礙，或在接觸部分中產生的結晶轉變。
    在前述半導體晶圓的製造方法的前述外延層形成步驟中，藉由控制加熱處理溫度，使得由4H-SiC單晶構成的外延層的水平方向(a軸方向)的外延生長速度，比厚度方向(c軸方向)的外延生長速度快5倍到10倍。
    這樣一來，能夠因應各種要求，製造被調整了外延層的高深寬比的半導體晶圓。並且，由於不需調整高深寬比用的特殊部件，因此能夠簡化製造裝置。
    根據本發明的第二觀點，提供如下結構的半導體晶圓。即，該半導體晶圓由前述半導體晶圓的製造方法來製造，藉由控制使前述晶種接近液相外延生長的加熱處理溫度，來將由4H-SiC單晶構成的外延層的水平方向(a軸方向)的尺寸，控制在對於厚度方向(c軸方向)的尺寸的5倍到10倍的高深寬比。
    這樣一來，能夠因應各種要求，來利用被調整了外延層的高深寬比的半導體晶圓。並且，由於不需調整高深寬比用的特殊部件，因此能夠簡化製造裝置。 實施例
    其次，對關於發明的實施例進行說明。首先，對用於製造半導體晶圓的高溫真空爐11和坩堝(嵌合容器)2進行說明。圖1為示出了在用於製造半導體晶圓的加熱處理中，使用的高溫真空爐11的示意圖。圖2為詳細地示出了高溫真空爐11的本加熱室21，以及預備加熱室22的剖面圖。圖3(a)為從上方拍攝坩堝2的外觀照片，圖3(b)為坩堝2的剖面顯微鏡照片。
    如圖1及圖2所示，高溫真空爐11具備有能夠將被處理物加熱到1000℃以上2300℃以下的溫度的本加熱室21，和能夠將被處理物預備加熱到500℃以上的溫度的預備加熱室22。預備加熱室22被配置在本加熱室21的下方，相對於本加熱室21且鄰接在上下方向。並且，高溫真空爐11具備有被配置在預備加熱室22下方的絕熱室23。該絕熱室23相對於預備加熱室22且鄰接在上下方向。
    高溫真空爐11具備有真空室19，前述本加熱室21和預備加熱室22置於該真空室19的內部。作為真空形成裝置的渦輪分子泵34連接在真空室19上，例如，能夠在真空室19內獲得10-2Pa以下，較佳的是10-7Pa以下的真空。閘門閥25介於渦輪分子泵34與真空室19之間。並且，輔助用的螺旋泵26連接在渦輪分子泵34上。
    高溫真空爐11具備有在預備加熱室22與本加熱室21之間，可將被處理物在上下方向移動的移動機構27。該移動機構27具備有可支撐被處理物的支撐體28，和可使該支撐體28上下移動的汽缸部29。汽缸部29具備有汽缸桿(cylinder rod)30，該汽缸桿30的一端連接在前述支撐體28。並且，在高溫真空爐11中，設置有用於測量真空度的真空計31，以及用於進行質量分析法的質量分析裝置32。
    前述真空室19通過搬送路徑65，與用於預先保管被處理物的無圖示的儲存室連接。該搬送路徑65能夠藉由閘門閥66來開關。
    前述本加熱室21在平面剖面視被形成為正六角形，同時，被配置在真空室19的內部空間的上部。如圖2所示，在本加熱室21的內部，具有作為加熱器的網狀加熱器33。並且，構成為固定在本加熱室21的側壁或天花板上之第一多層熱反射金屬板41，藉由該第一多層熱反射金屬板41，將網狀加熱器33的熱朝向本加熱器21的中央部反射。
    這樣一來，實現了如下佈局：在本加熱室21內，以圍繞作為加熱處理對象的被處理物的方式配置網狀加熱器33，並且，在其外側配置多層熱反射金屬板41。因此，能夠對被處理物進行較強、且均等地加熱，直到溫度上升到1000℃以上2300℃以下的為止。
    藉由第一多層熱反射金屬板41關閉本加熱室21的天花板側，另一方面，在底面的第一多層熱反射金屬板41形成有貫穿孔55。被處理物能夠透過該貫穿孔55，在本加熱室21與鄰接在該本加熱室21下側的預備加熱室22之間移動。
    移動機構27的支撐體28的一部分被插入前述貫穿孔55。該支撐體28之構成為，從上開始依次彼此間隔，配置有第二多層熱反射金屬板42、第三多層熱反射金屬板43以及第四多層熱反射金屬板44。
    3個多層熱反射金屬板42~44均被水平配置，同時，藉由垂直方向上設置的柱部35相互連接。並且，構成為在被夾在第二多層熱反射金屬板42以及第三多層熱反射金屬板43的空間上配置承受台36，而能夠將被處理物載放在該承受台36上。在本實施例中，該承受台36由碳化鉭鈣構成。
    凸緣形成在前述汽缸部29的汽缸桿30的端部，該凸緣被固定在第四多層熱反射金屬板44的下表面。該結構能夠藉由使前述汽缸部29伸縮，來使承受台36上的被處理物與前述3塊多層熱反射金屬板42~44同時上下移動。
    前述預備加熱室22構成為用多層熱反射金屬板46包圍本加熱室21下側的空間。該預備加熱室22構成為在平面剖面成為圓形。另外，在預備加熱室22內沒有具備有像前述網狀加熱器33那樣的加熱單元。
    如圖2所示，在預備加熱室22的底面部中，在前述多層熱反射金屬板46形成有貫穿孔56。並且，在形成預備加熱室22的側壁的多層熱反射金屬板46中，在與前述搬送路徑65相對的部位形成有通路孔50。並且，前述高溫真空爐11具備有可關閉前述通路孔50的開閉部件51。
    在預備加熱室22的下側鄰接的前述絕熱室23的上側，藉由前述多層熱反射金屬板46區劃，下側以及側部藉由多層熱反射金屬板47區劃。在覆蓋絕熱室23的下側的多層熱反射金屬板47形成有貫穿孔57，能夠插入前述汽缸桿30。
    在前述貫穿孔57的相當於上端部的位置中，在多層熱反射金屬板47形成收納凹部58。在該收納凹部58中，能夠收納前述支撐體28所具備有的第四多層熱反射金屬板44。
    多層熱反射金屬板41~44、46、47全部都是隔開規定的間隔，來疊層金屬板(鎢製)的結構。在前述開閉部件51中，對關閉通路孔50的部分也使用相同結構的多層熱反射金屬板。
    作為多層熱反射金屬板41~44、46、47的材質，只要是相對於網狀加熱器33的熱輻射具有充分的加熱特性，並且，熔点高於大氣溫度的物質，能夠使用任何材質。例如，除了前述鎢之外，還能夠將鉭、鈮、鉬等高熔点金屬材料當作多層熱反射金屬板41~44、46、47來使用。並且，還能夠將碳化鎢、碳化鋯(zirconium carbide)、碳化鉭、碳化鉿、碳化鉬等碳化物當作多層熱反射金屬板41~44、46、47來使用。並且，也可以在其反射面進一步形成由金和碳化鎢等構成的紅外線反射膜。
    並且，支撐體28所具有的多層熱反射金屬板42~44，是在使該貫穿孔的位置不同的同時，隔開規定的間隔來疊層具有多個較小的貫穿孔的沖孔金屬板結構的鎢板的結構。
    並且，支撐體28的最上層所具有的第二多層熱反射金屬板42的疊層塊數，少於本加熱室21的第一多層熱反射金屬板41的疊層塊數。
    藉由該結構，為了防止真空室19內的污染，將被處理物(例如，SiC基板)收納在合適的容器內。另外，容器既可以是後面說明的坩堝2，也可以是其它容器。並且，在該狀態下將被處理物從搬送路徑65導入真空室19的內部，放置在預備加熱室22內的前述承受台36上。當在該狀態下，驅動前述網狀加熱器33時，本加熱室21被加熱到1000℃以上2300℃以下的規定溫度(例如，大約1800℃)。並且，此時，藉由前述渦輪分子泵34的驅動，將真空室19內的壓力調整到10-3以下，10-5以下為最佳。
    這裡，如上所述，支撐體28的第二多層熱反射金屬板42的疊層塊數，少於前述第一多層熱反射金屬板41的疊層塊數。因此，網狀加熱器33所產生的熱的一部分，能夠透過第二多層熱反射金屬板42來恰當地供給(分配)到預備加熱室22，對預備加熱室22內的SiC基板進行預備加熱，使其到達500℃以上的規定溫度(例如，800℃)。即，即使不將加熱器設置在預備加熱室22中，也能夠實現預備加熱，能夠實現預備加熱室22的簡單結構。
    在規定時間進行了前述預備加熱處理之後，驅動汽缸部29，使支撐體28上升。該結果是SiC基板從下側通過貫穿孔55，移動到本加熱室21內。因此，使得本加熱處理立刻開始，能夠將本加熱室21內的SiC基板急速地升溫到規定的溫度(大約1800℃)。
    其次，對坩堝(收容容器)2進行說明。如圖3(a)所示，坩堝2具備有可相互嵌合的上容器2a和下容器2b。並且，該坩堝2由鉭金屬構成，且使碳化鉭層露在內部空間。
    更詳細地說，如圖3(b)所示，坩堝2的結構是在其最表層部分形成TaC層，在該TaC層內側形成Ta2C層，且進一步在其內側配置有作為基材的鉭金屬。另外，由於鉭與碳的結合狀態具有溫度依存性，因此前述坩堝2的結構是將碳濃度較高的TaC配置在最表層的部分中，同時，將碳濃度較低的Ta2C配置在內側，且在更內側處配置有碳濃度為零的基材的鉭金屬。
    當對坩堝2進行加熱處理時，如圖2的點劃線所示，將其配置在高溫真空爐11的預備加熱室22，用適當的溫度(例如，大約800℃)進行預備加熱。其次，藉由汽缸部29的驅動，將預備加熱室22內的坩堝2移動到升溫到預先設定的溫度(例如，大約1800℃)的本加熱室21，急速進行升溫。
    另外，在本加熱室21進行加熱時，將坩堝2內的大氣壓維持為大約1Pa以下的真空為較佳。並且，藉由除去上容器2a的狀態或上容器2a和下容器2b的嵌合部分的間隙來實現坩堝2內的真空。
    在本實施例中，利用上述結構的高溫真空爐11和坩堝2，從基板製造半導體晶圓。在下述說明中，當僅使用CVD法或進行加熱處理等時，利用上述高溫真空爐11來進行。
    其次，使用多晶SiC基板來製造半導體晶圓的方法進行說明。圖4為分割型的半導體晶圓的示意圖。半導體晶圓成為半導體元件的多個晶片的基礎。在本導體晶圓上，為了區劃半導體元件的1個晶片的尺寸，形成有槽部或壁部。能夠藉由用該槽部或壁部切開半導體晶圓，來按照一個晶片尺寸分割半導體晶圓。
    以下，對使用形成有槽部的多晶SiC基板70，來製造在半導體元件的邊界形成有槽部的分割型的半導體晶圓的第一實施例進行說明。圖5以及圖6為示出了使用在半導體元件的邊界形成有槽部的結構的多晶SiC基板70，來形成4H-SiC單晶層的半導體晶圓的製造方法的步驟圖。
    首先，如圖5(a)所示，準備具有多個槽部70a和用該槽部70a區劃的凸部70b的多晶SiC基板70。該槽部70a藉由熱蝕刻和研磨等適當方法形成，一個凸部70b的尺寸與半導體元件的一個晶片的尺寸大小相對應。
    其次，進行用於在基板70的表面形成碳層71的碳層形成步驟。碳層形成步驟是使用高溫真空爐11和坩堝2來進行的。首先，將基板70收容在坩堝2內。然後，藉由用高溫真空爐11，將坩堝2內保持為高溫且真空狀態下，來使基板70表面的Si昇華，藉由殘留的C，在基板70的表面形成碳層71(參照圖5(b))。另外，圖7示出了拍攝基板70和在碳層形成步驟中，形成的碳層71的剖面的顯微鏡照片的一個例子。
    另外，碳層形成步驟的加熱處理包括預備加熱步驟和本加熱步驟為較佳。在前述預備加熱步驟中，在預備加熱室中用800℃以上的溫度，對收容有基板70的坩堝2進行加熱。在前述本加熱步驟中，藉由將前述坩堝2從前述預備加熱室移動到預先以1500℃以上2300以下的溫度進行加熱的本加熱室，來以1500℃以上2300以下的溫度下加熱基板70。如此，藉由從預備加熱室移動到本加熱室，急速升溫來進行加熱處理，能夠短時間高效率地進行碳層形成步驟。另外，該加熱處理是在爐內壓力為10-5Torr以下的真空下進行加熱為較佳。
    如上所述，由於在基板70形成有多個槽部70a，因此碳層71在與該槽部70a相對應的位置上形成槽部71a。所以，碳層71構成為具有多個槽部71a以及凸部71b。
    其次，進行用於在碳層71形成貫穿孔的貫穿孔形成步驟。使用雷射裝置形成該貫穿孔。在本實施例中，將紅外線雷射裝置作為雷射裝置。另外，在貫穿孔形成步驟中所用的雷射裝置，並不限於紅外線雷射裝置，只要能夠在不損壞基板70，僅除去碳層71的情況下，來調整雷射光的輸出，則也能夠使用其它雷射裝置。並且，雷射裝置能夠將點直徑(將雷射光照射到對象時的該雷射光的直徑)調整在50μm以下為較佳。在本步驟中，對多個凸部71b的中心部分別照射雷射光。
    這樣一來，能夠除去一部分碳層71，形成貫穿孔71c(參照圖5(c))。並且，能夠通過該貫穿孔71c使基板70的表面露出。另外，圖8示出了拍攝有在碳層71形成有貫穿孔71c的情況的顯微鏡照片。
    其次，進行用於在基板70的表面形成進給層的進給層形成步驟。在該步驟中，首先，藉由CVD法在碳層71的表面使Si汽相沉積，形成Si層72。然後，以覆蓋該Si層72的方式，藉由CVD法使3C-SiC多晶層73汽相沉積(參照圖5(d))。
    其次，進行用於形成4H-SiC單晶層的外延層形成步驟。在該步驟中，在向真空中導入惰性氣體的稀薄氣體大氣壓下進行加熱處理。並且，以1600℃以上2300以下的範圍內進行加熱處理為較佳。另外，能夠藉由調整該加熱處理溫度，來控制外延層(4H-SiC單晶層)的高深寬比(後面將詳細說明)。
    藉由進行加熱處理，來在3C-SiC多晶層73的內側溶融Si層72，如圖6(e)所示，在3C-SiC多晶層73的內側形成Si融溶層72a。由於該Si融溶層72a如碳移動介質那樣發揮作用，因此藉由繼續進行加熱處理，來在因貫穿孔71c露出的基板70的表面，生成由4H-SiC單晶構成的晶種74(參照圖6(e))。另外，圖9示出了拍攝有該晶種74的顯微鏡照片。
    然後，藉由進一步繼續加熱處理，藉由準安定溶劑外延生長法(MSE法)，使4H-SiC晶種74進行接近液相外延生長，形成4H-SiC單晶層74a(參照圖6(f))。
    這裡所說的MSE法，是將種層和自由能大於該種層的進給層相對配置，使厚度較薄的Si溶融層作為溶媒來介於兩方的層之間，且在真空高溫環境下進行加熱處理的方法。藉由該方法，能夠根據自由能的差，將在溶融層產生的濃度梯度(不根據溫度梯度的濃度梯度)作為驅動力，讓4H-SiC單晶在種層側接近液相外延生長。
    在本實施例中，暫時形成的4H-SiC單晶層74a(晶種74)作為種層發揮作用，自由能高於該種層的3C-SiC多晶層73作為進給層發揮作用。更具體地說，根據4H-SiC單晶層74a和3C-SiC多晶層73的自由能的差，在Si溶融層產生濃度梯度，該濃度梯度成為驅動力，Si和C從3C-SiC多晶層73洗提到Si融溶層72a。被攝入Si融溶層72a的C，移動到4H-SiC單晶層74a側，與Si結合，使4H-SiC單晶層74a接近液相外延生長。
    這裡，在本實施例中，在凸部71b彼此之間形成槽部71a的結構。因此，在外延層形成步驟中，能夠防止鄰接的4H-SiC單晶層74a彼此干擾，有效地利用基板70的區域，有效地製造半導體元件。
    然後，藉由去掉Si融溶層72a以及3C-SiC多晶層73，能夠獲得形成有4H-SiC單晶層74a的半導體晶圓(參照圖6(g))。
    其次，使用形成有壁部的多晶SiC基板70來代替槽部，製造分割型的半導體晶圓的第二實施例進行說明。圖10以及圖11為示出了使用在半導體元件的邊界，形成有壁部結構的多晶SiC基板，來形成4H-SiC單晶層的半導體晶圓的製造方法的步驟圖。在以下的說明中，對於與在邊界形成槽部時(第一實施例)的步驟為相同的步驟，簡化或省略說明。
    首先，如圖10(a)所示，準備具有多個壁部80a和以該壁部80a區劃的凹部80b的多晶SiC基板80。該凹部80b是藉由熱蝕刻、研磨等適當方法形成的，一個凹部80b的尺寸成為對應於半導體元件的一個晶片的尺寸大小。
    其次，進行用於在基板80形成碳層81的碳層形成步驟。在碳層形成步驟中，與第一實施例一樣，將基板80收容在坩堝2內，藉由高溫真空爐11將坩堝2內保持在高溫且真空狀態下。藉由該加熱處理，使基板80表面的Si昇華，藉由殘留的C，在基板80的表面形成碳層81(參照圖10(b))。
    由於在基板80形成有多個壁部80a，因此在碳層81與該壁部80a相對應的位置，形成壁部81a。因此，碳層81的結構具有多個壁部81a和凹部81b。
    其次，進行用於在所形成的碳層81形成貫穿孔的貫穿孔形成步驟。該貫穿孔的形成與上述一樣，是利用紅外線雷射裝置進行的。在本步驟中，分別向多個凹部81b的中心部照射雷射光。
    這樣一來，能夠除去一部分碳層81，形成貫穿孔81c(參照圖10(c))。並且，能夠通過該貫穿孔81c使基板80的表面露出。
    其次，進行用於在基板80的表面形成進給層的進給層形成步驟。在該步驟中，首先，藉由CVD法在碳層81的表面使Si汽相沉積，來形成Si層72。然後，以覆蓋該Si層72的方式，藉由CVD法使3C-SiC多晶層73汽相沉積(參照圖10(d))。
    接著，進行用於形成4H-SiC單晶層的外延層形成步驟。在該步驟中，使用前述高溫真空爐11，在1600℃以上2300℃以下的範圍內進行加熱處理。藉由進行加熱處理，來使Si層72在3C-SiC多晶層73的內側溶融，如圖11(e)所示，在3C-SiC多晶層73的內側形成Si融溶層72a。並且，在通過貫穿孔81c露出的基板80的表面，生成由4H-SiC單晶構成的晶種74(參照圖11(e))。接著，藉由繼續加熱處理，來使晶種74外延生長，形成4H-SiC單晶層74a(參照圖11(f))。
    另外，在本實施例中，由於是在凹部81b彼此之間形成壁部81a的結構，因此能夠防止在外延層形成步驟中，鄰接的4H-SiC單晶層74a彼此干擾的情況。從而，能夠有效地利用基板80的區域，有效地製造半導體元件。
    然後，能夠藉由去掉Si融溶層72a以及3C-SiC多晶層73，獲得形成有4H-SiC單晶層74a的半導體晶圓(參照圖11(g))。
    其次，藉由調整在外延層形成步驟中的加熱處理溫度(生長溫度)，來控制所形成的4H-SiC單晶層74a的高深寬比的結構進行說明。
    首先，參照圖12，對Si溶液的厚度和生長速度之間的關係進行說明。圖12為示出在多個生長溫度中的生長速度和Si溶液的厚度之間的關係的圖表。
    圖12的圖表的縱軸示出了4H-SiC單晶層的生長速度，橫軸示出了Si融溶層的厚度的逆數。並且，圖12的圖表示出了生長溫度分別為1500℃、1700℃、1800℃、1900℃時的Si融溶層的厚度和4H-SiC單晶層的生長速度之間的關係。
    從該圖表可知，4H-SiC單晶層在各個生長溫度中，隨著Si融溶層的厚度變大，生長速度下降。這可以認為是由於隨著Si融溶層的厚度變大，3H-SiC多晶層和4H-SiC單晶層分離，C原子的移動太花時間之緣故。
    其次，參照圖13以及圖14，對4H-SiC單晶層的生長速度和生長溫度之間的關係進行說明。圖13為示出了4H-SiC單晶層的Si面的a軸方向，以及c軸方向的生長速度變化的圖表，和相對於c軸方向的a軸方向的生長速度的高深寬比的變化的圖表。圖14為示出了4H-SiC單晶的C面中的a軸方向，以及c軸方向的生長速度變化的的圖表，和相對於c軸方向的a軸方向的生長速度的高深寬比的變化的圖表。
    圖13(a)(b)以及圖14(a)(b)的圖表的縱軸示出了4H-SiC單晶的生長速度，橫軸示出了生長溫度。並且，圖13以及圖14的圖表示出了當使4H-SiC單晶的面(Si面或C面)和方向(a軸方向或c軸方向)不同時，生長速度與生長溫度之間的關係。
    圖13示出了4H-SiC單晶的Si面中生長速度與生長溫度之間的關係。在圖13(a)中，示出了a軸方向的生長速度與生長溫度之間的關係，在圖13(b)中，示出了c軸方向的生長速度與生長溫度之間的關係。從圖13(a)的圖表可知，隨著生長溫度變高，a軸方向的生長速度呈增加趨勢。另一方面，從圖13(b)的圖表可知，隨著生長溫度變高，c軸方向的生長速度呈減少趨勢。圖13(c)為示出了相對於c軸方向的a軸方向的生長速度的高深寬比的變化的圖表，隨著生長溫度變高，高深寬比變大。
    如圖14所示，這些趨勢在4H-SiC單晶的C面中也是一樣。即，如圖14(a)所示可知，在C面中，也是當提高生長溫度時，a軸方向的生長速度增加，另一方面，如圖14(b)所示，c軸方向的生長速度呈減少趨勢，如圖14(c)所示，為示出了相對於c軸方向的a軸方向的生長速度的高深寬比的變化的圖表，隨著提高生長溫度，高深寬比變大。
    即，4H-SiC單晶具有因應於生長溫度的變化，生長速度比(a軸方向的生長速度/c軸方向的生長速度)發生變化的性質。因此，能夠藉由設定生長溫度來控制生長速度比。
    根據上述內容，能夠藉由設定外延層形成步驟的加熱處理溫度，來形成所期望的高深寬比的4H-SiC單晶層74a。並且，不僅能夠藉由在生長溫度，也能夠進一步考慮圖12所示的Si融溶層72a的厚度，來推測水平方向(a軸方向)以及垂直方向(c軸方向)的具體生長速度。從而，能夠形成所期望的形狀的4H-SiC單晶層74a。
    如上所述，本實施例的半導體晶圓的製造方法，包括碳層形成步驟、貫穿孔形成步驟、進給層形成步驟和外延層形成步驟。在碳層形成步驟中，至少在表面由多晶SiC構成的基板70、80的表面形成碳層71、81。在貫穿孔形成步驟中，對形成在基板70、80的碳層71、81照射雷射光，在該碳層71、81形成貫穿孔71c、81c。在進給層形成步驟中，在形成在基板70、80的碳層71、81的表面形成Si層72，同時，在該Si層72的表面形成3C-SiC多晶層73。在外延層形成步驟中，藉由對基板70、80進行1600℃以上2300℃以下的溫度範圍的加熱處理，來在通過貫穿孔71c、81c露出的基板70、80的表面，形成由4H-SiC單晶構成的晶種74，藉由繼續加熱處理，來使晶種74進行接近液相外延生長，形成4H-SiC單晶層74a。
    這樣一來，能夠使用至少表面由多晶SiC構成的基板來製造半導體晶圓。因此，能夠降低半導體晶圓的製造成本，同時，能夠製造大口徑的半導體晶圓。
    並且，在本實施例的半導體晶圓的製造方法中，在基板70、80的表面，形成有多個槽部70a或壁部80a。在貫穿孔形成步驟中，在被槽部70a或壁部80a圍繞的每個區域形成貫穿孔。在外延層形成步驟中，在每個前述區域形成4H-SiC單晶層74a。
    這樣一來，能夠藉由槽部70a或壁部80a防止鄰接的4H-SiC單晶層74a彼此之間的接觸而帶來的生長阻礙和接觸部分中的結晶轉變的發生等干擾。因此，能夠用比從單一晶種生長到晶圓整個面積的生長時間之較短的時間，來高質量地製造多個晶片的形成有4H-SiC單晶層74a的半導體晶圓。
    並且，在本實施例的半導體晶圓的製造方法的碳層形成步驟中，藉由在1500℃以上2300℃以下的溫度範圍內且10-5Torr以下的真空下進行加熱，來使基板表面的Si原子昇華，形成碳層71、81。
    這樣一來，由於能夠在基板70、80的表面，良好地生成由奈米碳材料構成的薄膜，因此能夠僅使通過貫穿孔71c、81c露出的部分，在外延層形成步驟中進行反應。並且，能夠防止在碳層形成步驟中，雜質侵入到基板70、80與碳層71、81之間。
    並且，在本實施例的半導體晶圓的製造方法中，被使用在貫穿孔形成步驟中的雷射光是紅外線雷射光，點直徑在50μm以下。
    這樣一來，能夠使通過貫穿孔71c、81c露出的基板70、80的面積變小，在每個貫穿孔生成單一晶種，抑制貫穿孔內的多個晶種生成和它們的接觸所帶來的生長阻礙或在接觸部分中產生結晶轉變，適當地生成晶種74。
    並且，在本實施例的半導體晶圓的製造方法中，藉由基於4H-SiC單晶的a軸方向的外延生長速度與溫度之間的關係，以及4H-SiC單晶的C軸方向的外延生長速度與溫度之間的關係，來設定外延層形成步驟時的加熱處理溫度，來將4H-SiC單晶層74a的高深寬比，調整為外延層的水平方向(a軸方向)的尺寸相對於厚度方向(c軸方向)的尺寸的5倍到10倍左右。
    這樣一來，能夠因應各種要求，製造4H-SiC單晶層74a的高深寬比被調整了的半導體晶圓。並且，由於不需用於調整高深寬比的特殊部件，因此能夠簡化製造裝置。
    以上，對本發明的實施例進行了說明，能夠對上述結構更進一步進行如下變更。
    圖5以及圖10等所示的多晶SiC基板的形狀係，舉例說明能夠因應所要求的一個晶片尺寸的大小，來進行適當變更。
    上述實施例的結構是藉由高溫真空爐11在高溫且真空狀態下進行加熱，來在基板70(或基板80)的表面形成碳層71，形成碳層的方法並不限於此方法。例如，能夠利用CVD法、有機抗蝕劑法或電子迴旋共振濺射法等眾所周知的技術，來形成碳層。
    在上述實施例的進給層形成步驟中，藉由CVD法在碳層的表面，使Si以及3C-SiC多晶汽相沉積，也可以疊層Si基板、多晶SiC基板來進行設置。
    只要適用本發明，不用說能夠變更如上所述的製造方法的一部分。並且，在上述實施例中所述的溫度條件或壓力條件等僅是一個例子，能夠因應裝置的結構、所製造的半導體晶圓的用途等情況進行適當變更。
    70、80‧‧‧多晶SiC基板
    71、81‧‧‧碳層
    71a‧‧‧槽部
    71c、81c‧‧‧貫穿孔
    81a‧‧‧壁部
    72‧‧‧Si層
    72a‧‧‧Si融溶層
    73‧‧‧3C-SiC多晶層
    74‧‧‧晶種
    74a‧‧‧4H-SiC單晶層
    圖1為示出了在製造半導體晶圓用的加熱處理中所用的高溫真空爐的示意圖。
    圖2為詳細地示出了高溫真空爐的本加熱室以及預備加熱室的剖面圖。
    圖3為坩堝的外觀照片以及剖面照片。
    圖4為成為半導體元件的多個晶片的基礎的半導體晶圓的示意圖。
    圖5為示出了利用在半導體元件的邊界，形成有槽部的結構的多晶SiC基板，來形成4H-SiC單晶層的半導體晶圓的製造方法的前半部分的步驟圖。
    圖6為示出了利用在半導體元件的邊界，形成有槽部的結構的多晶SiC基板，來形成4H-SiC單晶層的半導體晶圓的製造方法的後半部分的步驟圖。
    圖7為示出了多晶SiC基板和在該基板的表面，形成的碳層的一個例子的剖面顯微鏡照片。
    圖8為示出了藉由雷射光，形成在碳層的貫穿孔的一個例子的顯微鏡照片。
    圖9為示出了從形成在碳層的貫穿孔，進行生長的途中的外延層的一個例子的顯微鏡照片。
    圖10為示出了利用在半導體元件的邊界，形成有壁部的結構的多晶SiC基板，來形成4H-SiC單晶層的半導體晶圓的製造方法的前半部分的步驟圖。
    圖11為示出了利用在半導體元件的邊界，形成有壁部的結構的多晶SiC基板，來形成4H-SiC單晶層的半導體晶圓的製造方法的後半部分的步驟圖。
    圖12為示出了在多個生長溫度中，生長速度和Si溶液的厚度之間的關係的圖表。
    圖13為示出了在4H-SiC單晶的Si面中，a軸方向以及c軸方向的生長速度變化的圖表，和相對於c軸方向的a軸方向的生長速度的高深寬比的變化的圖表。
    圖14為示出了在4H-SiC單晶的C面中，a軸方向以及c軸方向的生長速度變化的圖表，和相對於c軸方向的a軸方向的生長速度的高深寬比的變化的圖表。
    70‧‧‧多晶SiC基板
    71‧‧‧碳層
    71a‧‧‧槽部
    72a‧‧‧Si融溶層
    73‧‧‧3C-SiC多晶層
    74‧‧‧晶種
    74a‧‧‧4H-SiC單晶層
    权利要求:
    Claims (7)
    [1] 一種半導體晶圓的製造方法，包括：碳層形成步驟，在至少表面由多晶SiC構成的基板的表面形成碳層；貫穿孔形成步驟，在形成在前述基板的前述碳層形成貫穿孔；進給層形成步驟，在形成在前述基板的前述碳層的表面形成Si層，同時，在該Si層的表面形成由多晶SiC構成的進給層；以及外延層形成步驟，藉由對前述基板進行1600℃以上2300℃以下的溫度範圍的加熱處理，來在通過前述貫穿孔露出的前述基板的表面，形成由4H-SiC單晶構成的晶種，藉由繼續前述加熱處理，來使前述晶種接近液相外延生長，形成由4H-SiC單晶構成的外延層。
    [2] 如申請專利範圍第1項的半導體晶圓的製造方法，其中，在前述基板的表面形成有多個槽部或壁部，在前述貫穿孔形成步驟中，在被前述槽部或前述壁部圍繞的每個區域形成前述貫穿孔，在前述外延層形成步驟中，在每個前述區域形成由4H-SiC單晶構成的前述外延層。
    [3] 如申請專利範圍第1項的半導體晶圓的製造方法，其中，在前述碳層形成步驟中，藉由在1500℃以上2300℃以下的溫度範圍的真空下進行加熱，來使前述基板的表面的Si原子昇華，形成前述碳層。
    [4] 如申請專利範圍第1項的半導體晶圓的製造方法，其中，在前述碳層形成步驟中，藉由化學氣相沈積法、有機抗蝕劑法或電子迴旋共振濺射法形成前述碳層。
    [5] 如申請專利範圍第1項的半導體晶圓的製造方法，其中，在前述貫穿孔形成步驟中，利用紅外線的雷射光將貫穿孔形成在碳層，紅外線的雷射光的點直徑在100μm以下。
    [6] 如申請專利範圍第1項的半導體晶圓的製造方法，其中，在前述外延層形成步驟中，藉由控制加熱處理溫度，使得由4H-SiC單晶構成的外延層的水平方向的外延生長速度比厚度方向的外延生長速度快5倍到10倍。
    [7] 一種藉由申請專利範圍第1項到第6項中任一項的半導體晶圓的製造方法所製造的半導體晶圓，其中，藉由控制使前述晶種進行接近液相外延生長的加熱處理溫度，來將由4H-SiC單晶構成的外延層的水平方向的尺寸，控制為相對於厚度方向的尺寸的5倍到10倍的高深寬比。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    TWI567867B|2017-01-21|
    EP2749675A1|2014-07-02|
    EP2749675A4|2015-06-03|
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    CN103857835A|2014-06-11|
    KR101910696B1|2018-10-22|
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    CN103857835B|2017-02-15|
    WO2013031154A1|2013-03-07|
    KR20140069039A|2014-06-09|
    US9029219B2|2015-05-12|
    JP5875143B2|2016-03-02|
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