1.本发明涉及一种半导体晶种及其制造方法、及半导体晶体的制造方法，尤其涉及一种碳化硅晶种及其制造方法。


背景技术：

2.在半导体产业中，制造晶圆的方法包括先形成晶体，接着将晶体切片以获得晶圆。晶体例如是在高温的环境中制造。在常见的晶体制造方法中，晶种被置放于高温炉中，晶种接触气态或液态的原料，并形成半导体材料于晶种的表面，直到获得具有预期尺寸的晶体为止。晶体可以视制造方式与制造原料而有不同的结晶构造。
3.在长晶的制作过程中，晶种的质量是攸关所成长出晶体质量的关键因素。举例来说，以碳化硅晶种为例，倘若碳化硅晶种质量不佳，将导致于晶体生长过程中因成长方向不一而产生很多缺陷，并影响良率，无法成长出质量优良的碳化硅晶体。


技术实现要素：

4.本发明提供一种碳化硅晶种，其硅面与碳面的相对两表面的基面位错(basal plane dislocations；bpd)密度差异比低、碳化硅晶种的局部厚度变化(local thickness variation；ltv)为2.5μm以下、且碳化硅晶种的堆垛层错(stacking fault；sf)密度为10ea/cm2以下，利用满足上述结构特性的碳化硅晶种，能够使晶体在成长过程中成长方向较一致，藉此降低从其成长得到的碳化硅晶体的结构缺陷，成长出质量优良的碳化硅晶体。
5.本发明另提供一种碳化硅晶种的制造方法，通过调整温度梯度满足特定范围能够形成上述的碳化硅晶种，使得使用满足上述结构组成的碳化硅晶种能够成长出质量优良的碳化硅晶体。
6.本发明的碳化硅晶种具有硅面、以及相对硅面的碳面，其中硅面的基面位错密度bpd1与碳面的基面位错密度bpd2之间的差异比d满足下述式(1)，且碳化硅晶种的局部厚度变化ltv为2.5μm以下；以及碳化硅晶种的堆垛层错sf密度为10ea/cm2以下，
7.d＝(bpd1-bpd2)/bpd1≤25％
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(1)。
8.根据本发明的实施例，硅面与碳面之间的基面位错密度差异比d较佳为20％以下，更佳为15％以下。
9.根据本发明的实施例，碳化硅晶种的局部厚度变化ltv为1.5μm以下。
10.根据本发明的实施例，堆垛层错sf密度为5ea/cm2以下。
11.根据本发明的实施例，局部厚度变化ltv与堆垛层错sf密度为经加工后所测得的数值。
12.本发明提供一种利用上述碳化硅晶种形的碳化硅晶体的制造方法，其包括下述步骤：将上述的碳化硅晶种放置于坩埚顶部；将含碳化硅原料放置于坩埚内；对碳化硅原料加热，于坩埚内形成热场，使碳化硅原料在坩埚的热场中升华，其中在坩埚中热场的径向温度梯度大于等于5℃/cm且小于等于50℃/cm；升华后的碳化硅在接触放置于坩埚顶部的晶种
后成长为碳化硅单晶；持续使碳化硅单晶成长于晶种上，以获得碳化硅晶体。
13.在根据本发明的实施例的碳化硅晶体的制造方法中，径向温度梯度大于等于5℃/cm且小于等于45℃/cm。
14.在根据本发明的实施例的碳化硅晶体的制造方法中，所成长的碳化硅晶体的基面位错密度bpd为300ea/cm2以下、堆垛层错sf密度为10ea/cm2以下、贯通螺旋位错(threading screw dislocation；tsd)密度为35ea/cm2以下。
15.基于上述，本发明的碳化硅晶种通过控制硅面与碳面之间的基面位错密度差异比d、局部厚度变化ltv以及堆垛层错sf密度满足特定范围，藉此可以让晶体生长方向一致化，制造高质量缺陷少的碳化硅晶体。本发明另提供一种利用上述碳化硅晶种来制造碳化硅晶体的制造方法的制造方法，利用上述硅面与碳面之间的基面位错密度差异小、局部厚度变化ltv与堆垛层错sf密度小的碳化硅晶种来成长碳化硅晶体，通过控制成长晶体的径向温度梯度满足特定范围，藉此能够形成高质量缺陷少的碳化硅晶体。
附图说明
16.图1为本发明一实施例中碳化硅晶种的示意图；
17.图2是依照本发明的一实施例的一种制备碳化硅晶体的步骤图；
18.图3是依照本发明一实施例中一种碳化硅晶种设置于物理气相传输法(physical vapor transport，pvt)设备的示意图。
19.附图标记说明
20.10：碳化硅晶种
21.10si：硅面
22.10c：碳面
23.100：炉体
24.102：坩埚
25.104：承载台
26.106：碳化硅原料
27.112：成长面
28.114：感应线圈
29.116：碳化硅晶体
30.bpd1：硅面的基面位错密度
31.bpd2：碳面的基面位错密度
32.g：径向温度梯度
33.s200、s210、s220、s230：步骤
具体实施方式
34.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
35.以下将参考附图来全面地描述本发明的例示性实施例，但本发明还可按照多种不同形式来实施，且不应解释为限于本文所述的实施例。在附图中，为了清楚起见，各区域、部
位及层的大小与厚度可不按实际比例绘制。
36.《碳化硅晶种》
37.图1为本发明一实施例中碳化硅晶种的示意图。如图1所示，碳化硅晶种10具有硅面10si、以及相对硅面10si的碳面10c。值得注意的是，本发明的碳化硅晶种10满足下述三种要件。具体而言，要件1为碳化硅晶种10的硅面10si的基面位错密度bpd1与碳面10c的基面位错密度bpd2之间的差异比d满足下述式(1)。要件2为碳化硅晶种的局部厚度变化ltv为2.5μm以下，而要件3为碳化硅晶种的堆垛层错(stacking fault,sf)sf密度为10ea/cm2以下：
38.d＝(bpd1-bpd2)/bpd1≤25％
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(1)。
39.具体而言，通过本发明的碳化硅晶种两相对表面的基面位错密度差异比d为25％以下、ltv为2.5μm以下、以及sf密度为10ea/cm2，使长晶面与相对于长晶面的表面之间的基面位错密度差异比d控制在特定范围内，并且局部厚度变化ltv与堆垛层错sf密度低，藉此确认出能够使据此成长的晶体具备低缺陷、质量优良的结构。本发明的碳化硅的晶种长晶面可以是碳面10c、也可以是硅面10si，且加工制程可以包含切割、研磨、抛光，而碳化硅晶种10可为6h碳化硅或4h碳化硅，本发明并不以此为限。
40.以碳面10c作为长晶面为例，本发明通过使碳化硅晶种10中作为成长面的碳面10c的基面位错密度bpd2与碳化硅晶种10另一面为硅面10si的基面位错密度bpd1之间满足上述式(1)，藉此能够解决晶体成长过程中，因晶种质量不佳导致在长晶过程中晶体生长方向不一，而产生很多缺陷，特别是藉此所制得的晶体于晶种侧分布有较高密度的缺陷的问题。倘若碳化硅晶体中存在较多的缺陷，由这些碳化硅晶体切割制得的碳化硅晶圆也会存在上述缺陷，无法制造出高质量的碳化硅晶种10。以基面位错密度(basal plane dislocations，bpd)为例，所制得的碳化硅晶体中的基面位错密度会延伸至磊晶层，造成磊晶层的各种阶层的肖克利型堆垛层错(shockley-type stacking fault)，导致元件的漏电流提升，从而导致此电子元件的效能降低及良率可用元件数降低。
41.另外，碳化硅晶种10的表面平坦度ltv为2.5μm以下，藉此能实现成长低缺陷高质量的碳化硅晶体。作为碳化硅晶种10表面平坦度的指标而言，例如是结晶基板的局部的突起或凹陷的高度，即局部厚度变化。具体来说，碳化硅晶种10的局部厚度变化ltv可以进一步控制为1.5μm以下，从其成长得到的碳化硅晶体具有较少的缺陷，并因而能确保后续磊晶所形成的膜层的质量。本实施例中，局部厚度变化ltv测量前，可对碳化硅晶种10表面进行加工制程，例如研磨及抛光，但本发明不以此为限。
42.此外，堆垛层错sf密度被控制为10ea/cm2以下。据此，由于堆垛层错的密度低，因而能确保后续磊晶所形成的膜层的质量。堆垛层错sf密度更佳为被控制在5ea/cm2以下。本实施例中，堆垛层错sf密度的测量前，可对碳化硅晶种10表面进行加工制程，例如研磨及抛光，但本发明不以此为限。在本实施例中，碳化硅晶种10的厚度例如为8mm至50mm，较佳为17mm～20mm。
43.本实施例中，基面位错密度bpd的检测方式例如可以采下述的方式进行分析：以koh于500℃进行蚀刻碳化硅晶体，再以测量仪器例如为自动光学检查(automated optical inspection，简称aoi)，计算单位面积的bpd数量密度。aoi仪器为高速高精度光学影像检测系统，包含测量镜头技术、光学照明技术、定位测量技术、电子电路测试技术、图像处理技术
及自动化技术应用等，其运用机器视觉做为检测标准技术。测量仪器利用光学仪器取得成品的表面状态，再以计算机图像处理技术来检出异物或图案异常等瑕疵。
44.本实施例中，局部厚度变化ltv的检测方式例如可以采用光学仪器进行分析。另外，堆垛层错sf密度的检测方式例如可以采用x光绕射拓朴(x-ray diffraction；xrt)进行分析，本发明不以此为限。此外，在本实施例中，可先对晶种表面进行抛光研磨再进行ltv与sf密度的测量，抛光研磨例如是以化学机械研磨(cmp)来加工上述碳化硅晶圆而形成碳化硅晶种10，其中cmp期间的压力大于15g/cm2，抛光速度：不小于15rpm，时间：0.5hr至6hr。
45.在本实施例中，硅面10si与碳面10c之间的基面位错密度差异比d为25％以下，较佳为20％以下，更佳为15％以下，10％以下，最佳为5％以下，在其他实施例中可为3％至5％、3％至10％、3％至25％、5％至10％、5％至25％、10％至25％。碳化硅晶种10中硅面10si的基面位错密度bpd1可以是70～300ea/cm2，较佳为70～200ea/cm2，在其他实施例中可以是70～130ea/cm2，或70～90ea/cm2，碳化硅晶种10中碳面10c的基面位错密度bpd2可以是70～300ea/cm2，较佳为70～170ea/cm2，在其他实施例中可以是70～120ea/cm2，或70～90ea/cm2，但本发明并不以此为限。
46.在本发明中局部厚度变化ltv为2.5μm以下，较佳为1.5μm以下，更佳为1.4μm以下、0.5μm以下，最佳为0.3μm以下。另外，在本发明中堆垛层错sf密度为10ea/cm2以下，较佳为9ea/cm2以下，更佳为8ea/cm2以下、5ea/cm2以下，最佳为4ea/cm2以下，其中，局部厚度变化ltv可以为碳面或硅面的ltv，堆垛层错sf密度可以为碳面或硅面的sf密度，本发明不以此为限。在本实施例中，对碳化硅晶种10的加工制程可包括切割制程、研磨制程、抛光制程、蚀刻制程及/或其他制程，本发明并不以此为限。
47.以下对利用上述碳化硅晶种来制造碳化硅晶体的制造方法进行说明。
48.《利用上述碳化硅晶种来成长的碳化硅晶体的制造方法》
49.图2是依照本发明的一实施例的一种制备碳化硅晶体的步骤图。
50.请参照图2，于步骤s200中，将d为25％以下、ltv为2.5μm以下、且sf密度为10ea/cm2以下的碳化硅晶种放置于坩埚顶部；以及将含碳化硅原料放置于坩埚内。于步骤s210中，对碳化硅原料加热，于坩埚内形成热场，使碳化硅原料在坩埚的热场中升华。值得注意的是，在坩埚中热场的径向温度梯度被控制为小于等于50℃/cm，藉此能够抑制长晶制程中缺陷的产生。倘若坩埚中热场的径向温度梯度为50℃/cm以上，所成长的碳化硅晶体的基面位错密度变大，导致所成长出来的碳化硅晶体缺陷过多，造成后续加工制程及磊晶制程质量不佳。此外，基于制程时间考虑，坩埚中热场的径向温度梯度的下限较佳为5℃/cm以上。此外，后续控制坩埚中热场的径向温度梯度的方式可以是5℃/cm至30℃/cm、5℃/cm至25℃/cm，但本发明不以此为限。
51.更具体来说，请继续参照图2，在坩埚中热场的径向温度梯度被控制为大于等于5℃/cm且小于等于50℃/cm的前提下，于步骤s220中，升华后的碳化硅在接触放置于坩埚顶部的晶种后成长为碳化硅单晶。然后，于步骤s230中，持续使碳化硅单晶生长于晶种上，以获得碳化硅晶体。在本实施例中，藉此所成长出来的碳化硅晶体的碳面的基面位错密度bpd为300ea/cm2以下、堆垛层错sf密度为10ea/cm2以下、贯通螺旋位错tsd为35ea/cm2以下。其中，晶体的贯通螺旋位错tsd可先以koh于400至550℃进行蚀刻碳化硅晶体，再由显微镜或aoi仪器来测量。
52.通过本发明的碳化硅晶种的制造方法，能够获得的低缺陷少高质量的碳化硅晶体，因此经过加工后可形成多个缺陷少质量优良的碳化硅晶圆。
53.本发明的碳化硅晶体的制造方法利用满足上述要件1至要件3的碳化硅晶种，通过控制在坩埚中热场的径向温度梯度小于等于50℃/cm来制造碳化硅晶体，据此，能够制造出低缺陷高质量的碳化硅晶体。
54.图3是依照本发明一实施例中一种碳化硅晶种设置于物理气相传输法(physical vapor transport，pvt)设备的示意图，一并参照图2的碳化硅晶体的制造方法来进行说明。
55.请参照图3，本实施例是以物理气相传输法(physical vapor transport，pvt)作为范例，但并非限制于图2所示的pvt设备，而是可应用于所有以pvt为成长机制的设备与制程中。
56.请参照图3，pvt设备一般具有炉体100，并在炉体100中设置石墨坩埚102及其晶种承载台104。于图2的步骤s200中，将d为25％以下、且ltv为2.5μm以下及sf密度为10ea/cm2以下的碳化硅晶种10放置于坩埚102顶部，并将碳化硅原料106放置于石墨坩埚102的底部。并且在本实施例中，碳化硅晶种10的碳面10c朝向碳化硅原料106的面则是作为成长面112，但本发明不以此为限，在其他实施例中，也可以以硅面10si朝向碳化硅原料106的面做为成长面112。
57.请继续参照图3，石墨坩埚102外还设置有感应线圈114，用以加热石墨坩埚102内的碳化硅原料106。于图2的步骤s210中，对碳化硅原料106加热，使碳化硅原料106在坩埚102的热场中升华。更具体而言，当感应线圈114加热石墨坩埚102底部的碳化硅原料106至高温，碳化硅原料106会发生分解而不经液相直接升华。
58.请继续参照图3，于图2的步骤s220中，直接升华的碳化硅原料106在温度梯度g的驱动下传输至处于低温的碳化硅晶种10的生长面112而成核长晶。然后，请继续参照图3，于图2的步骤s230中，持续使碳化硅单晶成长于碳化硅晶种10上，最终成长得到碳化硅晶体116。
59.值得注意的是，本发明的碳化硅晶体的制造方法中，如图3所示，坩埚102中热场的径向温度梯度g小于等于50℃/cm，通过控制坩埚102中热场的径向温度梯度g而在碳化硅晶种10的成长面112成长的碳化硅晶体116，藉此能够成长出高质量低缺陷的碳化硅晶体116。在本实施例中，所成长出来的碳化硅晶体的基面位错密度bpd为300ea/cm2以下、堆垛层错sf密度为10ea/cm2以下、贯通螺旋位错tsd为35ea/cm2以下。
60.基于上述可知，本发明的碳化硅晶种10通过控制硅面10si与碳面10c之间的基面位错密度差异比、碳化硅晶种的局部厚度变化ltv为2.5μm以下以及堆垛层错sf密度为10ea/cm2以下，可以让晶体生长方向一致化，制造高质量缺陷少的碳化硅晶体，并且，通过运用本发明的碳化硅晶体的制造方法，能够制造出缺陷少高质量的碳化硅晶体。
61.以下列举数个实验来验证本发明的技术效果，但实验内容并非用以限制本发明的范围。
62.〈制备例1-10〉
63.在如图3的设备中分别将不同的碳化硅晶种放置于坩埚顶部，并将含碳化硅原料放置于坩埚内，对碳化硅原料加热。不同的碳化硅晶种如下表1所示，其具有不同基面位错密度bpd、基面位错密度差异比d、局部厚度变化ltv以及堆垛层错sf密度。并且，调整坩埚内
的温度梯度，以分别于坩埚内形成不同径向温度梯度的热场。
64.如下表1所示，比较例1-3的温度梯度大于50℃/cm，实施例1-7的温度梯度小于等于50℃/cm，例如下表1的实施例1中，于坩埚内形成径向温度梯度为20℃/cm的热场。然后，使碳化硅原料在坩埚的热场中升华。接着，升华后的碳化硅在接触放置于坩埚顶部的不同碳化硅晶种10，以于该晶种上成长碳化硅单晶。持续使碳化硅单晶生长于碳化硅晶种10上，以获得碳化硅晶体。将所获得的碳化硅晶体进行下述的晶体缺陷分析与评价。
65.〈晶种的缺陷d、ltv、sf评价〉
66.对碳化硅晶种进行基面位错密度差异比d、局部厚度变化ltv、堆垛层错sf的测定，测得结果如下表1所示。其中，以前文所述的检测方式检测晶种的基面位错密度差异比d、局部厚度变化ltv与堆垛层错sf，并评价如下：
67.碳化硅晶种同时满足下述三要件者评价为g，代表质量佳，碳化硅晶种缺少其中任一要件者则评价为ng，代表质量不佳：
68.要件1：硅面与碳面之间的基面位错密度差异比d为25％以下；
69.要件2：局部厚度变化ltv为2.5μm以下；且
70.要件3：堆垛层错sf为10ea/cm2以下。
71.换句话说，倘若碳化硅晶种的d、ltv及sf任一者不满足上述要件者，则晶种的评价为ng，代表质量不佳。d、ltv与sf三者需同时满足才评价为g。
72.〈晶体的基面位错密度bpd、堆垛层错sf、贯通螺旋位错tsd〉
73.对成长后的碳化硅晶体进行基面位错密度bpd、堆垛层错sf、贯通螺旋位错tsd的测定，测得结果如下表1所示。其中，上述缺陷的评价如下：
74.所测得晶体的基面位错bpd密度大于300ea/cm2、堆垛层错sf密度大于10ea/cm2、贯通螺旋位错tsd大于35ea/cm2者评价为ng，代表质量不佳。
75.相对于此，基面位错bpd密度的数值小于等于300ea/cm2、堆垛层错sf密度数值小于等于10ea/cm2、贯通螺旋位错tsd数值小于等于35ea/cm2者评价为g，代表质量佳。
76.表1
[0077][0078]
如表1的比较例1至3所示，比较例1的碳化硅晶种的基面位错密度差异比d虽为25％以下满足要件1，但其局部厚度变化ltv大于2.5μm不满足要件2、且堆垛层错sf密度大于10ea/cm2不满足要件3，据此所制造出来的碳化硅晶体存在sf密度、bpd密度、tsd密度等缺陷高的问题，无法成长出质量优异的碳化硅晶体。另外，比较例2的碳化硅晶种的基面位错密度差异比d大于25％、局部厚度变化ltv大于2.5μm、且堆垛层错sf密度大于10ea/cm2，亦即比较例2的碳化硅晶种不满足要件1至3，由表1可知，据此所制造出来的碳化硅晶体存在多缺陷与质量不佳的问题。此外，比较例3的碳化硅晶种的基面位错密度差异比d小于25％虽满足要件1、局部厚度变化ltv为2μm虽满足要件2、然而，其堆垛层错sf密度大于10ea/cm2不满足要件3，据此所制造出来的碳化硅晶体仍然存在多缺陷与质量不佳的问题。
[0079]
相对于此，如表1的实施例1至7的碳化硅晶种所示，以硅面与碳面之间的基面位错密度差异比d≤25％、且局部厚度变化ltv为2.5μm以下、以及堆垛层错sf密度为10ea/cm2以下等同时满足要件1至要件3的碳化硅晶体作为成长的晶种，据此制造出缺陷少且质量佳的碳化硅晶体。
[0080]
另外，分别比较由实施例1至7以及比较例1至3的碳化硅晶种成长的碳化硅晶体质量可知，温度梯度小于等于50℃/cm时，晶体成长过程较稳定，缺陷比较少。但若温度梯度小于5℃/cm，则无法成长晶体。另外，温度梯度过低则会造成制程时间过长，温度梯度较佳可
大于等于5℃/cm。相反地，若温度梯度太高，晶体生长快速，会造成所成长的碳化硅晶体中存在较多的缺陷，影响晶体质量及后续加工制程的良率，所以温度梯度较佳可小于等于50℃/cm。
[0081]
综上所述，本发明的碳化硅晶种由于碳化硅晶种作为成长面及其相对表面之间的基面位错密度差异比d小于等于25％、且ltv为2.5μm以下以及sf密度为10ea/cm2以下，因此从其成长得到的碳化硅晶体的基面位错bpd密度为300ea/cm2以下、堆垛层错sf密度为10ea/cm2以下、贯通螺旋位错tsd密度为35ea/cm2以下，并因而能确保后续磊晶所形成的膜层的质量。
[0082]
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定的为准。
[0083]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。