半導(dǎo)體晶片的制造方法和半導(dǎo)體晶片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體晶片的制造方法，包括：碳層形成工序、貫穿孔形成工序、饋源層形成工序和外延層形成工序。在碳層形成工序中，在由多晶SiC構(gòu)成的基板（70）的表面形成碳層（71）。在貫穿孔形成工序中，在形成在基板（70）的碳層（71）形成貫穿孔（71c）。在饋源層形成工序中，在碳層（71）的表面形成Si層（72）和3C－SiC多晶層（73）。在外延層形成工序中，通過對基板（70）進行加熱，在通過貫穿孔（71c）露出的基板（70）的表面形成由4H－SiC單晶構(gòu)成的晶種，使晶種進行接近液相外延生長，形成4H－SiC單晶層。
【專利說明】半導(dǎo)體晶片的制造方法和半導(dǎo)體晶片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及使用至少表面由SiC構(gòu)成的基板的半導(dǎo)體晶片的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為高頻器件的半導(dǎo)體材料，至今為止，眾所周知的有硅(Si)、砷化鎵(GaAs)等。近年來，高頻器件的利用領(lǐng)域迅速擴大，伴隨于此，在高溫環(huán)境等嚴(yán)酷區(qū)域中使用的機會也不斷增加。因此，耐高溫環(huán)境的高頻器件的實現(xiàn)就成為提高較廣范圍的用途環(huán)境中的動作可靠性和大量的信息處理、控制性的重要課題之一。
[0003]作為制造耐熱性良好的半導(dǎo)體晶片的材料之一，碳化硅(SiC)備受矚目。SiC的機械強度良好且耐放射線能力較強。并且，SiC還能夠通過添加雜質(zhì)容易地控制電子、空穴的價電子，并且具有如下特征，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)和較高的絕緣擊穿電場(4H型的單晶SiC時，為S1、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2.2X 107cm / S)。上述理由使得SiC作為能夠?qū)崿F(xiàn)用上述既有半導(dǎo)體材料不能實現(xiàn)的高溫、高頻、耐電壓-耐環(huán)境性的下一代的功率器件的材料而受到期待。
[0004]至今為止，在使用SiC的半導(dǎo)體晶片的制造方法中，眾所周知的方法有形成外延層的方法。例如，在專利文獻I到3中公開有此種制造方法。
[0005]在專利文獻I中，通過CVD (Chemical Vapor Deposition、化學(xué)氣相生長)法形成SiC外延層。在上述外延生長的工序中，能夠通過導(dǎo)入將生長速度抑制在每小時Iym以下的缺陷發(fā)生抑止層，來形成缺陷較少的SiC的外延層。
[0006]在專利文獻2中，公開有下述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升華技術(shù)使SiC的塊材結(jié)晶生長的工序和在塊材結(jié)晶表面進行液相外延生長的工序。在上述液相外延生長的工序中，能夠通過進行熔融生長，來填充從上述晶種傳播到塊材結(jié)晶基板的微管缺陷，能夠形成微管缺陷較少的SiC的外延層。
[0007]在專利文獻3中，公開有亞穩(wěn)定性溶劑外延生長(MSE)法作為使單晶SiC進行接近液相外延生長的方法。在MSE法中，將由單晶SiC構(gòu)成的種子基板和比該種子基板的自由能高的碳供給饋源基板相對配置，且使Si熔融液層作為溶劑(碳移動介質(zhì))介于上述種子基板與上述碳供給饋源基板之間。并且，該方法通過在真空高溫環(huán)境下，對種子基板和碳供給饋源基板進行加熱處理，來使單晶SiC在上述種子基板的表面外延生長。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本特開2007 - 284298號公報
[0011]專利文獻2:日本特開平10 - 509943號公報
[0012]專利文獻3:日本特開2008 - 230946號公報

【發(fā)明內(nèi)容】
[0013]發(fā)明所要解決的課題
[0014]在專利文獻I到3的方法中，為了形成由單晶SiC構(gòu)成的外延層，需要由單晶SiC構(gòu)成的種子基板。但是，由于由單晶SiC構(gòu)成的基板非常昂貴，因此專利文獻I到3的方法提高了半導(dǎo)體器件的制造成本。
[0015]并且，由于由單晶SiC構(gòu)成的基板在能夠獲得的口徑尺寸方面受到限制，因此難以用專利文獻I到3的方法來制造大口徑的半導(dǎo)體晶片。
[0016]本發(fā)明是鑒于上述情況而做出的發(fā)明，其目的在于提供一種在將單晶SiC的外延層形成在基板表面的半導(dǎo)體晶片的制造方法，該方法能夠降低制造成本以及實現(xiàn)半導(dǎo)體晶片的大口徑化。
[0017]用于解決課題的方法和效果
[0018]本發(fā)明所要解決的課題如上所述，其次，對用于解決該課題的方法和其效果進行說明。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的第一觀點，提供如下半導(dǎo)體晶片的制造方法。即，該半導(dǎo)體晶片的制造方法包括碳層形成工序、貫穿孔形成工序、饋源層形成工序和外延層形成工序。在上述碳層形成工序中，在至少表面由多晶SiC構(gòu)成的基板的表面形成碳層。在上述貫穿孔形成工序中，通過對形成在上述基板的上述碳層照射激光等，在該碳層形成貫穿孔。在上述饋源層形成工序中，在形成在上述基板的上述碳層的表面形成Si層，并且在該Si層的表面形成由多晶SiC構(gòu)成的饋源層。在上述外延層形成工序中，通過對上述基板進行1600°C以上2300°C以下的溫度范圍的加熱處理，在通過上述貫穿孔露出的上述基板的表面形成由4H — SiC單晶構(gòu)成的晶種，通過繼續(xù)上述加熱處理，使上述晶種進行接近液相外延生長，形成由4H — SiC單晶構(gòu)成的外延層。
[0020]由此，能夠使用 至少表面由多晶SiC構(gòu)成的基板來制造半導(dǎo)體晶片。由于由多晶SiC構(gòu)成的基板與由單晶SiC構(gòu)成的基板相比，價格更便宜，因此能夠降低半導(dǎo)體晶片的制造成本。并且，由于由多晶SiC構(gòu)成的基板與由單晶SiC構(gòu)成的基板相比，能夠得到更大口徑的基板，因此能夠制造大口徑的半導(dǎo)體晶片。
[0021 ] 在上述半導(dǎo)體晶片的制造方法中，優(yōu)選如下進行。即，在上述基板的表面形成有多個槽部或壁部。在上述貫穿孔形成工序中，在由上述槽部或上述壁部圍繞的每個區(qū)域形成上述貫穿孔。在上述外延層形成工序中，在每個上述區(qū)域形成由4H - SiC單晶構(gòu)成的上述外延層。
[0022]由此，能夠通過槽部或壁部來防止因相鄰的外延層彼此之間的接觸造成的生長障礙和在接觸部分中產(chǎn)生晶體位錯等干擾。從而，能夠用比從單一晶種生長到晶片整個面積為止的生長時間短的時間來高質(zhì)量地制造多個芯片的形成有外延層的半導(dǎo)體晶片。
[0023]在上述半導(dǎo)體晶片的制造方法的上述碳層形成工序中，優(yōu)選通過在1500°C以上2300°C以下的溫度范圍，且KT2Torr以下、更優(yōu)選的是KT5Torr以下的真空下進行加熱，使上述基板的表面的Si原子升華，形成上述碳層。
[0024]這樣一來，由于能夠在基板的表面良好地生成由碳納米材料構(gòu)成的薄膜，所以能夠僅使通過貫穿孔露出的部分適當(dāng)反應(yīng)。并且，能夠防止雜質(zhì)侵入到基板與碳層之間。
[0025]在上述半導(dǎo)體晶片的制造方法的上述碳層形成工序中，也可以通過化學(xué)氣相生長法、有機抗蝕劑或電子回旋共振濺射法來形成上述碳層。[0026]這樣一來,能夠在基板的表面有效地形成碳層。
[0027]在上述半導(dǎo)體晶片的制造方法的上述貫穿孔形成工序中，用紅外線的激光來形成貫穿孔，激光的光斑直徑優(yōu)選在100 μ m以下，更優(yōu)選在50 μ m以下。
[0028]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(nèi)生成多個晶種和因這些晶種的接觸造成的生長障礙和在接觸部分產(chǎn)生晶體位錯。
[0029]在上述半導(dǎo)體晶片的制造方法的上述外延層形成工序中，通過控制加熱處理溫度，能夠使由4H — SiC單晶構(gòu)成的外延層以水平方向(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倍的方式生長。
[0030]這樣一來，能夠根據(jù)各種要求，制造調(diào)整了外延層的長徑比的半導(dǎo)體晶片。并且，由于不需要用于調(diào)整長徑比的特殊部件，所以能夠簡化制造裝置。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的第二觀點，提供如下結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體晶片。即，該半導(dǎo)體晶片由上述半導(dǎo)體晶片的制造方法制造，通過控制使上述晶種進行接近液相外延生長的加熱處理溫度，將由4H — SiC單晶構(gòu)成的外延層控制為如下的長徑比，即，該外延層的水平方向(a軸方向)的尺寸是厚度方向(c軸方向)的尺寸的5倍到10倍。
[0032]這樣一來，能夠利用根據(jù)各種要求調(diào)整了外延層的長徑比的半導(dǎo)體晶片。并且，由于不需要用于調(diào)整長徑比的特殊部件，所以能夠簡化制造裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是表示在用于制造半導(dǎo)體晶片的加熱處理中所用的高溫真空爐的示意圖。
·[0034]圖2是詳細地表示高溫真空爐的主加熱室和預(yù)加熱室的剖視圖。
[0035]圖3是坩堝的外觀照片和剖面照片。
[0036]圖4是成為半導(dǎo)體器件的多個芯片的基礎(chǔ)的半導(dǎo)體晶片的示意圖。
[0037]圖5是表示利用在半導(dǎo)體器件的邊界形成有槽部的結(jié)構(gòu)的多晶SiC基板來形成4H - SiC單晶層的半導(dǎo)體晶片的制造方法的前半部分的工序圖。
[0038]圖6是表示利用在半導(dǎo)體器件的邊界形成有槽部的結(jié)構(gòu)的多晶SiC基板來形成4H - SiC單晶層的半導(dǎo)體晶片的制造方法的后半部分的工序圖。
[0039]圖7是表示多晶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。
[0040]圖8是表示通過激光照射形成在碳層的貫穿孔的一個例子的顯微鏡照片。
[0041]圖9是表示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。
[0042]圖10是表示利用在半導(dǎo)體器件的邊界形成有壁部的結(jié)構(gòu)的多晶SiC基板來形成4H - SiC單晶層的半導(dǎo)體晶片的制造方法的前半部分的工序圖。
[0043]圖11是表示利用在半導(dǎo)體器件的邊界形成有壁部的結(jié)構(gòu)的多晶SiC基板來形成4H - SiC單晶層的半導(dǎo)體晶片的制造方法的后半部分的工序圖。
[0044]圖12是表示多個生長溫度時的生長速度與Si熔融液的厚度之間的關(guān)系的圖表。
[0045]圖13是表示4H - SiC單晶的Si面中的a軸方向和c軸方向的生長速度變化的圖表和a軸方向相對于c軸方向的生長速度的長徑比的變化的圖表。[0046]圖14是表示4H— SiC單晶的C面中的a軸方向和c軸方向的生長速度變化的圖表和a軸方向相對于c軸方向的生長速度的長徑比的變化的圖表。
【具體實施方式】
[0047]接著，對發(fā)明的實施方式進行說明。首先，對用于制造半導(dǎo)體晶片的高溫真空爐11和坩堝(嵌合容器)2進行說明。圖1是表示在用于制造半導(dǎo)體晶片的加熱處理中使用的高溫真空爐11的示意圖。圖2是詳細地表示高溫真空爐11的主加熱室21和預(yù)加熱室22的剖視圖。圖3 (a)是從上方拍攝坩堝2的外觀照片，圖3 (b)是坩堝2的剖面顯微鏡照片。
[0048]如圖1和圖2所示，高溫真空爐11包括能夠?qū)⒈惶幚砦锛訜岬?000°C以上2300°C以下的溫度的主加熱室21和能夠?qū)⒈惶幚砦镱A(yù)加熱到500°C以上的溫度的預(yù)加熱室22。預(yù)加熱室22被配置在主加熱室21的下方，相對于主加熱室21在上下方向上相鄰。并且，高溫真空爐11包括被配置在預(yù)加熱室22下方的絕熱室23。該絕熱室23相對于預(yù)加熱室22在上下方向上相鄰。
[0049]高溫真空爐11包括真空室19，上述主加熱室21和預(yù)加熱室22置于該真空室19的內(nèi)部。作為真空形成裝置的渦輪分子泵34與真空室19連接，例如，能夠在真空室19內(nèi)獲得10_2Pa以下、更理想的是10_7Pa以下的真空。閘閥25介于渦輪分子泵34與真空室19之間。并且，輔助用的回轉(zhuǎn)泵26與渦輪分子泵34連接。
[0050]高溫真空爐11包括可將被處理物在預(yù)加熱室22與主加熱室21之間以上下方向移動的移動機構(gòu)27。該移動機構(gòu)27包括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包括活塞桿(cylinder rod)30，該活塞桿30的一端與上述支撐體28連接。并且，在高溫真空爐11中設(shè)置有用于測量真空度的真空計31和用于進行質(zhì)量分析法的質(zhì)量分析裝置32。
[0051]上述真空室19通過搬送路徑65與用于預(yù)先保管被處理物的無圖示的存貨室連接。該搬送路徑65能夠通過閘閥66進行開閉。`
[0052]上述主加熱室21在平面剖面視圖形成為正六邊形，并且，被配置在真空室19的內(nèi)部空間的上部。如圖2所示，在主加熱室21的內(nèi)部具有作為加熱器的網(wǎng)狀加熱器33。并且，構(gòu)成為第一多層熱反射金屬板41固定于主加熱室21的側(cè)壁和天花板，通過該第一多層熱反射金屬板41將網(wǎng)狀加熱器33的熱朝向主加熱器21的中央部反射。
[0053]這樣一來，實現(xiàn)了如下布局:在主加熱室21內(nèi)，以圍繞作為加熱處理對象的被處理物的方式配置網(wǎng)狀加熱器33，并且，在其外側(cè)配置多層熱反射金屬板41。因此，能夠?qū)Ρ惶幚砦镞M行較強、均等地加熱，直到溫度上升到1000°C以上2300°C以下的溫度為止。
[0054]由第一多層熱反射金屬板41封閉主加熱室21的天花板側(cè)，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。被處理物能夠經(jīng)由該貫穿孔55在主加熱室21與鄰接在該主加熱室21下側(cè)的預(yù)加熱室22之間移動。
[0055]移動機構(gòu)27的支撐體28的一部分被插入上述貫穿孔55。該支撐體28構(gòu)成為從上至下依次彼此間隔一定距離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和第四多層熱反射金屬板44。
[0056]3個多層熱反射金屬板42~44均被水平配置，并且，通過垂直方向上設(shè)置的柱部35相互連接。并且，構(gòu)成為在被第二多層熱反射金屬板42和第三多層熱反射金屬板43夾著的空間配置承受臺36，能夠?qū)⒈惶幚砦镙d放在該承受臺36上。在本實施方式中，該承受臺36由碳化鉭構(gòu)成。
[0057]凸緣形成在上述汽缸部29的活塞桿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(jié)構(gòu)能夠通過使上述汽缸部29伸縮，來使承受臺36上的被處理物與上述3塊多層熱反射金屬板42~44 一起上下移動。
[0058]上述預(yù)加熱室22通過用多層熱反射金屬板46包圍主加熱室21下側(cè)的空間而構(gòu)成。該預(yù)加熱室22構(gòu)成為在平面剖面視圖為圓形。另外，在預(yù)加熱室22內(nèi)沒有上述網(wǎng)狀加熱器33那樣的加熱單元。
[0059]如圖2所示，在預(yù)加熱室22的底面部中，在上述多層熱反射金屬板46形成有貫穿孔56。并且，在形成預(yù)加熱室22的側(cè)壁的多層熱反射金屬板46中，在與上述搬送路徑65相對的部位形成有通路孔50。上述高溫真空爐11還包括可關(guān)閉上述通路孔50的開閉部件51。
[0060]就在預(yù)加熱室22的下側(cè)相鄰的上述絕熱室23而言，其上側(cè)通過上述多層熱反射金屬板46分隔，下側(cè)和側(cè)部通過多層熱反射金屬板47分隔。在覆蓋絕熱室23的下側(cè)的多層熱反射金屬板47形成有貫穿孔57，能夠插入上述活塞桿30。
[0061]在上述貫穿孔57的相當(dāng)于上端部的位置中，在多層熱反射金屬板47形成收納凹部58。在該收納凹部58中能夠收納上述支撐體28所具有的第四多層熱反射金屬板44。
[0062]多層熱反射金屬板41~44、46、47的結(jié)構(gòu)都是隔開規(guī)定的間隔疊層金屬板(鎢制)的結(jié)構(gòu)。在上述開閉部件51中，對關(guān)閉通路孔50的部分也使用相同結(jié)構(gòu)的多層熱反射金屬板。
[0063]作為多層熱反射金屬板41~44`46、47的材質(zhì),只要是相對于網(wǎng)狀加熱器33的熱輻射具有充分的加熱特性，并且，熔點高于環(huán)境溫度的物質(zhì)，能夠使用任何材質(zhì)。例如，除了使用上述鎢之外，還能夠?qū)g、鈮、鑰等高熔點金屬材料用作多層熱反射金屬板41~44、46、47。并且，還能夠?qū)⑻蓟u、碳化鋯(U - 二々Λ力一/SM F')、碳化鉭、碳化鉿、碳化鑰等碳化物用作多層熱反射金屬板41~44、46、47。并且，也可以在其反射面進一步形成由金、碳化鎢等構(gòu)成的紅外線反射膜。
[0064]并且，支撐體28所具有的多層熱反射金屬板42~44的結(jié)構(gòu)是將具有多個較小的貫穿孔的穿孔金屬結(jié)構(gòu)的鎢板使該貫穿孔的位置不同并且隔開規(guī)定的間隔來疊層的結(jié)構(gòu)。
[0065]并且，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(shù)少于主加熱室21的第一多層熱反射金屬板41的疊層塊數(shù)。
[0066]通過該結(jié)構(gòu)，為了防止真空室19內(nèi)的污染，將被處理物(例如，SiC基板)收納在合適的容器內(nèi)。另外，容器既可以是后面說明的坩堝2，也可以是其它容器。并且，在該狀態(tài)下將被處理物從搬送路徑65導(dǎo)入真空室19的內(nèi)部，放置在預(yù)加熱室22內(nèi)的上述承受臺36上。當(dāng)在該狀態(tài)下，驅(qū)動上述網(wǎng)狀加熱器33時，主加熱室21被加熱到1000°C以上2300°C以下的規(guī)定溫度(例如，大約1800°C)。并且，此時，通過上述渦輪分子泵34的驅(qū)動，將真空室19內(nèi)的壓力調(diào)整到10_3以下，優(yōu)選為10_5以下。
[0067]這里，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(shù)少于上述第一多層熱反射金屬板41的疊層塊數(shù)。因此，網(wǎng)狀加熱器33所產(chǎn)生的熱的一部分能夠經(jīng)由第二多層熱反射金屬板42恰當(dāng)?shù)靥峁?分配)到預(yù)加熱室22，對預(yù)加熱室22內(nèi)的SiC基板進行預(yù)加熱，使其到達500°C以上的規(guī)定溫度(例如，800°C )。即，即使不將加熱器設(shè)置在預(yù)加熱室22中，也能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)加熱，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)加熱室22的簡單結(jié)構(gòu)。
[0068]在用規(guī)定時間進行了上述預(yù)加熱處理之后，驅(qū)動汽缸部29，使支撐體28上升。結(jié)果是SiC基板從下側(cè)通過貫穿孔55，移動到主加熱室21內(nèi)。由此，主加熱處理立刻開始，能夠?qū)⒅骷訜崾?1內(nèi)的SiC基板急速地升溫到規(guī)定的溫度(大約1800°C)。
[0069]其次，對坩堝(收容容器)2進行說明。如圖3 (a)所示，坩堝2包括能夠相互嵌合的上容器2a和下容器2b。并且，該坩堝2構(gòu)成為由鉭金屬構(gòu)成，且使碳化鉭層在內(nèi)部空間露出。
[0070]更詳細地說，如圖3 (b)所示，坩堝2的結(jié)構(gòu)是在其最表層部分形成TaC層，在該TaC層內(nèi)側(cè)形成1&2(:層，且進一步在其內(nèi)側(cè)配置有作為基材的鉭金屬。另外，由于鉭與碳的結(jié)合狀態(tài)具有溫度依賴性，因此上述坩堝2的結(jié)構(gòu)是將碳濃度高的TaC配置在最表層的部分中，并且，將碳濃度略低的Ta2C配置在內(nèi)側(cè)，且進一步在內(nèi)側(cè)配置有碳濃度為零的基材的鉭金屬。
[0071]當(dāng)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(yù)加熱室22，用適當(dāng)?shù)臏囟?例如，大約800°C)進行預(yù)加熱。其次，通過汽缸部29的驅(qū)動，將預(yù)加熱室22內(nèi)的坩堝2移動到升溫到預(yù)先設(shè)定的溫度(例如，大約1800°C)的主加熱室21，急速進行升溫。
[0072]另外，在主加熱室21進行加熱時，優(yōu)選將坩堝2內(nèi)的氣氛維持為大約IPa以下的真空。并且，通過除去了上容器2a的狀態(tài)或上容器2a和下容器2b的嵌合部分的間隙來實現(xiàn)坩堝2內(nèi)的真空。
[0073]在本實施方式中，利用上述結(jié)構(gòu)的高溫真空爐11和坩堝2，從基板制造半導(dǎo)體晶片。在下述說明中，僅在CVD法、加熱處理等時，利用上述高溫真空爐11來進行。
[0074]接著，對用多晶SiC基板來制造半導(dǎo)體晶片的方法進行說明。圖4為分割型的半導(dǎo)體晶片的示意圖。半導(dǎo)體晶片成為半導(dǎo)體器件的多個芯片的基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體晶片上，以劃分半導(dǎo)體器件的I個芯片的尺寸的方式，形成有槽部或壁部。能夠通過在該槽部或壁部切開半導(dǎo)體晶片，按照一個芯片尺寸分割半導(dǎo)體晶片。
[0075]下面，對利用形成有槽部的多晶SiC基板70，來制造在半導(dǎo)體器件的邊界形成有槽部的分割型的半導(dǎo)體晶片的第一實施方式進行說明。圖5和圖6是表示利用在半導(dǎo)體器件的邊界形成有槽部的結(jié)構(gòu)的多晶SiC基板70來形成4H - SiC單晶層的半導(dǎo)體晶片的制造方法的工序圖。
[0076]首先，如圖5 (a)所示，準(zhǔn)備具有多個槽部70a和由該槽部70a劃分的凸部70b的多晶SiC基板70。該槽部70a通過熱蝕刻、研磨等適當(dāng)方法形成，一個凸部70b為與半導(dǎo)體器件的一個芯片的尺寸相對應(yīng)的尺寸。
[0077]其次，進行用于在基板70的表面形成碳層71的碳層形成工序。碳層形成工序是使用高溫真空爐11和坩堝2進行的。首先，將基板70收容在坩堝2內(nèi)。然后，通過用高溫真空爐11將坩堝2內(nèi)保持為高溫且真空狀態(tài)下，來使基板70表面的Si升華，通過殘留的C，在基板70的表面形成碳層71 (參照圖5 (b))。另外，圖7表示拍攝基板70和在碳層形成工序中形成的碳層71的剖面的顯微鏡照片的一個例子。
[0078]另外，優(yōu)選碳層形成工序的加熱處理包括預(yù)加熱工序和主加熱工序。在上述預(yù)加熱工序中，在預(yù)加熱室中用800°C以上的溫度對收容有基板70的坩堝2進行加熱。在上述主加熱工序中，通過將上述坩堝2從上述預(yù)加熱室移動到預(yù)先加熱到1500°C以上2300以下的溫度的主加熱室，而以1500°C以上2300以下的溫度加熱基板70。這樣，通過從預(yù)加熱室移動到主加熱室，急速升溫，進行加熱處理，能夠短時間高效率地進行碳層形成工序。另外，優(yōu)選該加熱處理是在爐內(nèi)壓力為KT5Torr以下的真空下進行加熱的。
[0079]如上所述，由于在基板70形成有多個槽部70a，所以在碳層71的與該槽部70a相對應(yīng)的位置上形成槽部71a。因此，碳層71構(gòu)成為具有多個槽部71a和凸部71b。
[0080]其次，進行用于在碳層71形成貫穿孔的貫穿孔形成工序。用激光裝置形成該貫穿孔。在本實施方式中，將紅外線激光裝置用作激光裝置。另外，在貫穿孔形成工序中所用的激光裝置并不限于紅外線激光裝置，只要能夠?qū)⒓す獾妮敵稣{(diào)整為不損壞基板70而僅除去碳層71，就能夠使用其它激光裝置。并且，優(yōu)選激光裝置能夠?qū)⒐獍咧睆?將激光照射到對象時的該激光的直徑)調(diào)整在50 μ m以下。在本工序中，對多個凸部71b的中心部分別照射激光。
[0081]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))。并且，能夠通過該貫穿孔71c使基板70的表面露出。另外，圖8表示拍攝在碳層71形成有貫穿孔71c的情況的顯微鏡照片。
[0082]其次，進行用于在基板70的表面形成饋源層的饋源層形成工序。在該工序中，首先，通過CVD法使Si蒸鍍在碳層71的表面，形成Si層72。然后，以覆蓋該Si層72的方式，通過CVD法使3C - SiC多晶層73蒸鍍(參照圖5 (d))。
[0083]其次，進行用于形成4H — SiC單晶層的外延層形成工序。在該工序中，在向真空中導(dǎo)入了不活潑氣體的稀薄氣體氣氛下進行加熱處理。并且，優(yōu)選在1600°C以上2300以下的范圍進行加熱處理。另外，能夠通過調(diào)整該加熱處理溫度，來控制外延層(4H — SiC單晶層)的長徑比(后面將詳細說明)。`
[0084]通過進行加熱處理，在3C —SiC多晶層73的內(nèi)側(cè)，Si層72熔融，如圖6 (e)所示，在3C — SiC多晶層73的內(nèi)側(cè)形成Si熔融液層72a。由于該Si熔融液層72a發(fā)揮碳移動介質(zhì)那樣的作用，所以通過繼續(xù)進行加熱處理，在由貫穿孔71c露出的基板70的表面生成由4H - SiC單晶構(gòu)成的晶種74 (參照圖6 (e))。另外，圖9表示拍攝該晶種74得到的顯微鏡照片。
[0085]然后，通過進一步繼續(xù)加熱處理，用亞穩(wěn)定性溶劑外延生長法(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))。
[0086]這里所說的MSE法是將種子層和自由能大于該種子層的饋源層相對配置，使厚度較小的Si熔融層作為溶劑介于兩個層之間，在真空高溫環(huán)境下進行加熱處理的方法。通過該方法，能夠基于自由能之差，將在Si熔融層產(chǎn)生的濃度梯度(不基于溫度梯度的濃度梯度)作為驅(qū)動力，使4H - SiC單晶在種子層側(cè)進行接近液相外延生長。
[0087]在本實施方式中，暫時形成的4H— SiC單晶層74a (晶種74)發(fā)揮作為種子層的作用，自由能高于該種子層的3C — SiC多晶層73發(fā)揮作為饋源層的作用。更具體地說，基于4H — SiC單晶層74a與3C — SiC多晶層73的自由能之差，在Si熔融層產(chǎn)生濃度梯度，該濃度梯度成為驅(qū)動力，Si和C從3C — SiC多晶層73溶出到Si熔融液層72a。進入Si熔融液層72a的C移動到4H — SiC單晶層74a側(cè)，與Si結(jié)合，由此使4H — SiC單晶層74a進行接近液相外延生長。
[0088]這里，在本實施方式中，是在凸部71b彼此之間形成槽部71a的結(jié)構(gòu)。因此，在外延層形成工序中，能夠防止相鄰的4H - SiC單晶層74a彼此干擾。由此能夠有效地利用基板70的區(qū)域，有效地制造半導(dǎo)體器件。
[0089]然后，通過除去Si熔融液層72a和3C — SiC多晶層73，能夠獲得形成有4H — SiC單晶層74a的半導(dǎo)體晶片(參照圖6 (g))。
[0090]接著，對使用形成有壁部來代替槽部的多晶SiC基板70，制造分割型的半導(dǎo)體晶片的第二實施方式進行說明。圖10和圖11是表示利用在半導(dǎo)體器件的邊界形成有壁部的結(jié)構(gòu)的多晶SiC基板，來形成4H —SiC單晶層的半導(dǎo)體晶片的制造方法的工序圖。在以下的說明中，對于與在邊界形成槽部時(第一實施方式)的工序相同的工序，有時簡化或省略說明。
[0091]首先，如圖10 (a)所示，準(zhǔn)備具有多個壁部80a和由該壁部80a劃分的凹部80b的多晶SiC基板80。該凹部80b是通過熱蝕刻、研磨等適當(dāng)方法形成的，一個凹部80b為與半導(dǎo)體器件的一個芯片的尺寸相對應(yīng)的尺寸。
[0092]其次，進行用于在基板80形成碳層81的碳層形成工序。在碳層形成工序中，與第一實施方式同樣，將基板80收容在坩堝2內(nèi)，通過高溫真空爐11將坩堝2內(nèi)保持在高溫且真空狀態(tài)下。通過該加熱處理，使基板80表面的Si升華，通過殘留的C，在基板80的表面形成碳層81 (參照圖10 (b))。
[0093]由于在基板80形成有多個壁部80a，所以在碳層81的與該壁部80a相對應(yīng)的位置形成壁部81a。因此，碳層81具有多個壁部81a和凹部81b的結(jié)構(gòu)。
[0094]其次，進行用于在所形成的碳層81形成貫穿孔的貫穿孔形成工序。該貫穿孔的形成與上述同樣，是用紅外線激光裝置進行的。在本工序中，分別向多個凹部81b的中心部照射激光。
[0095]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))。并且，能夠通過該貫穿孔81c使基板80的表面露出。
[0096]其次，進行用于在基板80的表面形成饋源層的饋源層形成工序。在該工序中，首先，通過CVD法使Si蒸鍍在碳層81的表面，形成Si層72。然后，以覆蓋該Si層72的方式，通過CVD法使3C — SiC多晶層73蒸鍍(參照圖10 (d))。
[0097]接著，進行用于形成4H — SiC單晶層的外延層形成工序。在該工序中，使用上述高溫真空爐11，在1600°c以上2300°C以下的范圍進行加熱處理。通過進行加熱處理，使Si層72在3C — SiC多晶層73的內(nèi)側(cè)熔融，如圖11 (e)所示，在3C — SiC多晶層73的內(nèi)側(cè)形成Si熔融液層72a。并且，在通過貫穿孔81c露出的基板80的表面生成由4H — SiC單晶構(gòu)成的晶種74 (參照圖11 (e))。接著,通過繼續(xù)加熱處理,使晶種74外延生長,形成4H—SiC單晶層74a (參照圖11 (f))。
[0098]另外，在本實施方式中，由于是在凹部81b彼此之間形成壁部81a的結(jié)構(gòu)，所以能夠防止在外延層形成工序中，相鄰的4H - SiC單晶層74a彼此干擾的情況。由此，能夠有效地利用基板80的區(qū)域，有效地制造半導(dǎo)體器件。
[0099]然后，能夠通過除去Si熔 融液層72a和3C — SiC多晶層73，獲得形成有4H — SiC單晶層74a的半導(dǎo)體晶片(參照圖11 (g))。[0100]接著，對通過調(diào)整外延層形成工序中的加熱處理溫度(生長溫度)，來控制所形成的4H - SiC單晶層74a的長徑比的構(gòu)成進行說明。
[0101]首先，參照圖12，對Si熔融液的厚度和生長速度之間的關(guān)系進行說明。圖12是表示多個生長溫度時的生長速度與Si熔融液的厚度之間的關(guān)系的圖表。
[0102]圖12的圖表的縱軸表示4H - SiC單晶層的生長速度，橫軸表示Si熔融液層的厚度的倒數(shù)。并且，圖12的圖表表示生長溫度分別為1500°c、1700°c、180(rc、190(rc時的Si熔融液層的厚度與4H - SiC單晶層的生長速度之間的關(guān)系。
[0103]從該圖表可知，4H — SiC單晶層在各個生長溫度時，隨著Si熔融液層的厚度變大，生長速度下降。能夠認(rèn)為這是由于隨著Si熔融液層的厚度變大，3C - SiC多晶層和4H -SiC單晶層分離，所以，C原子的移動耗時間的緣故。
[0104]接著，參照圖13和圖14，對4H — SiC單晶的生長速度和生長溫度之間的關(guān)系進行說明。圖13是表示4H - SiC單晶的Si面中的a軸方向和c軸方向的生長速度變化的圖表和a軸方向相對于c軸方向的生長速度的長徑比的變化的圖表。圖14是表示4H - SiC單晶的C面中的a軸方向和c軸方向的生長速度變化的的圖表和a軸方向相對于c軸方向的生長速度的長徑比的變化的圖表。
[0105]圖13 (a) (b)和圖14 (a) (b)的圖表的縱軸表示4H — SiC單晶的生長速度，橫軸表示生長溫度。并且，圖13和圖14的圖表表示當(dāng)改變4H — SiC單晶的面(Si面或C面)和方向(a軸方向或c軸方向)時，生長速度與生長溫度之間的關(guān)系。
[0106]圖13表示4H—SiC單晶的Si面中生長速度與生長溫度之間的關(guān)系。在圖13(a)中，表不a軸方向的生長速度與生長溫度之間的關(guān)系,在圖13 (b)中，表不c軸方向的生長速度與生長溫度之間的關(guān)系。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。而從圖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)是表示a軸方向相對于c軸方向的生長速度的長徑比的變化的圖表，可知隨著生長溫度變高，長徑比變大。
[0107]如圖14所示，這些趨勢在4H —SiC單晶的C面中也是一樣。即，可知:在C面中，也是當(dāng)提高生長溫度時，如圖14 (a)所示，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,是表示a軸方向相對于c軸方向的生長速度的長徑比的變化的圖表，可知隨著提高生長溫度，長徑比變大。
[0108]即，4H — SiC單晶具有相應(yīng)于生長溫度的變化，生長速度比(a軸方向的生長速度/ c軸方向的生長速度)發(fā)生變化的性質(zhì)。因此，能夠通過設(shè)定生長溫度來控制生長速度比。
[0109]基于上述內(nèi)容，能夠通過設(shè)定外延層形成工序的加熱處理溫度，來形成所期望的長徑比的4H — SiC單晶層74a。并且，能夠通過在生長溫度之外，進一步考慮圖12所示的Si熔融液層72a的厚度，來推測水平方向(a軸方向)和垂直方向(c軸方向)的具體生長速度。由此，能夠形成所期望的形狀的4H - SiC單晶層74a。
[0110]如上所述，本實施方式的半導(dǎo)體晶片的制造方法包括碳層形成工序、貫穿孔形成工序、饋源層形成工序和外延層形成工序。在碳層形成工序中，在至少表面由多晶SiC構(gòu)成的基板70、80的表面形成碳層71、81。在貫穿孔形成工序中，對形成在基板70、80的碳層71、81照射激光，在該碳層71、81形成貫穿孔71c、81c。在饋源層形成工序中，在形成在基板70、80的碳層71、81的表面形成Si層72，并且，在該Si層72的表面形成3C — SiC多晶層73。在外延層形成工序中，通過對基板70、80進行1600°C以上2300°C以下的溫度范圍的加熱處理，在通過貫穿孔7lc、8Ic露出的基板70、80的表面形成由4H — SiC單晶構(gòu)成的晶種74，通過繼續(xù)加熱處理，使晶種74進行接近液相外延生長，形成4H - SiC單晶層74a。
[0111]這樣一來，能夠使用至少表面由多晶SiC構(gòu)成的基板來制造半導(dǎo)體晶片。因此，能夠降低半導(dǎo)體晶片的制造成本，并且，能夠制造大口徑的半導(dǎo)體晶片。
[0112]并且，在本實施方式的半導(dǎo)體晶片的制造方法中，在基板70、80的表面形成有多個槽部70a或壁部80a。在貫穿孔形成工序中，在由槽部70a或壁部80a圍繞的每個區(qū)域形成貫穿孔。在外延層形成工序中，在每個上述區(qū)域形成4H - SiC單晶層74a。
[0113]這樣一來，能夠通過槽部70a或壁部80a防止因相鄰的4H — SiC單晶層74a彼此之間的接觸造成的生長阻礙和接觸部分中的晶體位錯的發(fā)生等干擾。因此，能夠用比從單一晶種生長到晶片整個面積的生長時間短的時間來高質(zhì)量地制造多個芯片的形成有4H -SiC單晶層74a的半導(dǎo)體晶片。
[0114]并且，在本實施方式的半導(dǎo)體晶片的制造方法的碳層形成工序中，通過在1500°C以上2300°C以下的溫度范圍且KT5Torr以下的真空下進行加熱，來使基板表面的Si原子升華，形成碳層71、81。
[0115]這樣一來，由于能夠在基板70、80的表面良好地生成由碳納米材料構(gòu)成的薄膜，所以能夠僅使通過貫穿孔71c、81c露出的部分在外延層形成工序中進行反應(yīng)。并且，能夠防止在碳層形成工序中，雜質(zhì)侵入到基板70、80與碳層71、81之間。
[0116]并且，在本實施方式的半導(dǎo)體晶片的制造方法中，在貫穿孔形成工序中所使用的激光是紅外線激光，光斑直徑·在50 μ m以下。
[0117]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(nèi)生成多個晶種和因它們的接觸所造成的生長阻礙和在接觸部分中產(chǎn)生晶體位錯，適當(dāng)?shù)厣删ХN74。
[0118]并且，在本實施方式的半導(dǎo)體晶片的制造方法中，通過基于4H - SiC單晶的a軸方向的外延生長速度與溫度之間的關(guān)系以及4H — SiC單晶的C軸方向的外延生長速度與溫度之間的關(guān)系來設(shè)定外延層形成工序時的加熱處理溫度，從而將4H - SiC單晶層74a的長徑比調(diào)整為外延層的水平方向(a軸方向)的尺寸為相對于厚度方向(c軸方向)的尺寸的5倍到10倍左右。
[0119]這樣一來，能夠根據(jù)各種要求，制造調(diào)整了 4H - SiC單晶層74a的長徑比的半導(dǎo)體晶片。并且，由于不需要用于調(diào)整長徑比的特殊部件，因此能夠簡化制造裝置。
[0120]以上，對本發(fā)明的實施方式進行了說明，能夠?qū)ι鲜鰳?gòu)成進行如下變更。
[0121]圖5和圖10等所示的多晶SiC基板的形狀是示例，能夠根據(jù)所要求的一個芯片尺寸的大小來進行適當(dāng)變更。
[0122]上述實施方式的構(gòu)成為通過高溫真空爐11在高溫且真空狀態(tài)下進行加熱，在基板70 (或基板80)的表面形成碳層71，但形成碳層的方法并不限于此方法。例如，能夠利用CVD法、有機抗蝕劑法或電子回旋共振濺射法等眾所周知的技術(shù)，來形成碳層。
[0123]在上述實施方式的饋源層形成工序中，通過CVD法在碳層的表面蒸鍍Si和3C —SiC多晶，也可以設(shè)為疊層Si基板、多晶SiC基板來進行設(shè)置的方式。[0124]只要適用本發(fā)明，不用說能夠變更如上所述的制造方法的一部分。并且，在上述實施方式中所述的溫度條件和壓力條件等僅是一個例子，能夠根據(jù)裝置的結(jié)構(gòu)、所制造的半導(dǎo)體晶片的用途等情況進行適當(dāng)變更。
[0125]符號說明
[0126]70,80 多晶 SiC 基板
[0127]71,81 碳層
[0128]71a 槽部
[0129]71c,81c 貫穿孔
[0130]81a 壁部
[0131]72Si 層
[0132]72aSi熔融液層
[0133]733C —SiC 多晶層
[0134]74晶種
[0135]74a 4H—SiC 單晶層`
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體晶片的制造方法，其特征在于，包括: 碳層形成工序，在至少表面由多晶SiC構(gòu)成的基板的表面形成碳層； 貫穿孔形成工序，在形成在所述基板的所述碳層形成貫穿孔； 饋源層形成工序，在形成在所述基板的所述碳層的表面形成Si層，并且在該Si層的表面形成由多晶SiC構(gòu)成的饋源層；和 外延層形成工序，通過對所述基板進行1600°c以上2300°C以下的溫度范圍的加熱處理，在通過所述貫穿孔露出的所述基板的表面形成由4H - SiC單晶構(gòu)成的晶種，通過繼續(xù)所述加熱處理，使所述晶種進行接近液相外延生長，形成由4H - SiC單晶構(gòu)成的外延層。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體晶片的制造方法，其特征在于: 在所述基板的表面形成有多個槽部或壁部，在所述貫穿孔形成工序中，在由所述槽部或所述壁部圍繞的每個區(qū)域形成所述貫穿孔，在所述外延層形成工序中，在每個所述區(qū)域形成由4H — SiC單晶構(gòu)成的所述外延層。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體晶片的制造方法，其特征在于: 在所述碳層形成工序中，通過在1500°C以上2300°C以下的溫度范圍的真空下進行加熱，使所述基板的表面的Si原子升華，形成所述碳層。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體晶片的制造方法，其特征在于: 在所述碳層形成工序中，通過化學(xué)氣相生長法、有機抗蝕劑法或電子回旋共振濺射法形成所述碳層?！?br> 5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體晶片的制造方法，其特征在于: 在所述貫穿孔形成工序中，利用紅外線的激光在碳層形成貫穿孔，紅外線的激光的光斑直徑在100 μ m以下。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體晶片的制造方法，其特征在于: 在所述外延層形成工序中，通過控制加熱處理溫度，能夠使由4H - SiC單晶構(gòu)成的外延層以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倍的方式生長。
7.一種半導(dǎo)體晶片，其是利用權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體晶片的制造方法制造得到的，該半導(dǎo)體晶片的特征在于: 通過控制使所述晶種進行接近液相外延生長的加熱處理溫度，將由4H — SiC單晶構(gòu)成的外延層控制為水平方向的尺寸相對于厚度方向的尺寸為5倍到10倍的長徑比。
【文檔編號】C30B29/36GK103857835SQ201280041389
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月26日
【發(fā)明者】金子忠昭, 大谷升, 牛尾昌史, 安達步, 野上曉 申請人:東洋炭素株式會社