JP2004343133A - Manufacturing method of silicon carbide, silicon carbide, and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体デバイスの基板材料やセンサーとして、半導体製造装置の部材として、半導体素子製造工程におけるダミーウエハに用いられる炭化珪素薄膜やインゴットあるいは構造体として、太陽電池として、さらには、X線マスクとして用いることができる炭化珪素製造方法及び炭化珪素並びにこの炭化珪素を用いた半導体装置に関する。 The present invention relates to a substrate material and a sensor of a semiconductor device, as a member of a semiconductor manufacturing apparatus, as a silicon carbide thin film or an ingot or a structure used for a dummy wafer in a semiconductor element manufacturing process, as a solar cell, and further as an X-ray mask. The present invention relates to a silicon carbide manufacturing method and silicon carbide that can be used, and a semiconductor device using the silicon carbide.
炭化珪素は2.2eV以上の広い禁制帯幅を有する半導体であり、熱的、化学的、機械的にも安定な結晶である。また、熱伝導率も高いため、高周波、大電力、高温などの条件下での半導体素子材料としての応用が期待されている。 Silicon carbide is a semiconductor having a wide band gap of 2.2 eV or more, and is a crystal that is thermally, chemically, and mechanically stable. Further, because of its high thermal conductivity, it is expected to be applied as a semiconductor element material under conditions such as high frequency, large power, and high temperature.
炭化珪素の製造方法としては、加熱したコークス表面で珪素を反応させ、コークス表面に炭化珪素を析出させる方法(アチェーソン法)やアチェーソン法により生成した炭化珪素を加熱して昇華させ、再結晶化させる方法(昇華法、改良レーリー法)、炭素るつぼ中で珪素を融解させ、るつぼ内の浮遊炭素と珪素とを反応させつつ引き上げをおこなう液相成長法などが知られている。 As a method for producing silicon carbide, a method of reacting silicon on the surface of a heated coke to precipitate silicon carbide on the surface of the coke (Acheson method) or heating and sublimating silicon carbide produced by the Acheson method to cause recrystallization. There are known methods (sublimation method, modified Rayleigh method), liquid phase growth method in which silicon is melted in a carbon crucible and pulled up while reacting suspended carbon with silicon in the crucible.
さらに高純度で結晶欠陥の少ない炭化珪素膜を得る方法としては、炭素源のガスと珪素源のガスを常圧または減圧雰囲気で熱的に反応させ、基板表面に析出させる化学的気相堆積法(CVD法)、基板表面に珪素源分子と炭素源分子とを交互に吸着させ、炭化珪素を基板の結晶性を引き継ぎつつエピタキシャル成長させる原子層エピタキシー法(ALE法)が用いられている。 Further, as a method for obtaining a silicon carbide film having high purity and few crystal defects, a chemical vapor deposition method is used in which a gas of a carbon source and a gas of a silicon source are thermally reacted under normal pressure or reduced pressure atmosphere to deposit on a substrate surface. An atomic layer epitaxy (ALE) method in which silicon source molecules and carbon source molecules are alternately adsorbed on the substrate surface and silicon carbide is epitaxially grown while inheriting the crystallinity of the substrate is used.
ところで、炭化珪素を半導体デバイスの材料として用いる場合、不純物の制御は極めて重要である。たとえば、ディスクリートタイプのパワー半導体デバイス(ショットキーバリアダイオードなど)のサブストレートとして炭化珪素を用いる場合、デバイスがオン状態の際の直列抵抗(オン抵抗)は素子内部での電力損失につながるため、極力低減しなければならない。このようなオン抵抗低減のため、サブストレートには最大1021/cm3もの不純物添加が要求される。 Incidentally, when silicon carbide is used as a material of a semiconductor device, control of impurities is extremely important. For example, when silicon carbide is used as a substrate of a discrete-type power semiconductor device (such as a Schottky barrier diode), the series resistance (on-resistance) when the device is in an on-state leads to power loss inside the device, and as much as possible. Must be reduced. In order to reduce such ON resistance, the substrate is required to be doped with impurities up to 10 21 / cm 3 .
一方、半導体デバイスの降伏電圧は、一般には不純物濃度の−0.5乗に比例するため、デバイス内部において電界が集中する部分の不純物濃度は1×1014/cm3以下まで低減しなければならない。珪素を素材とした半導体デバイスを作製する場合には、不純物の添加法として熱拡散法が用いられる。熱拡散法とは、被添加基板表面に不純物を塗布、または被添加基板を不純物雰囲気に曝しつつ、加熱することにより、所望の不純物を基板内部に拡散させることにより添加する方法である。しかしながら、炭化珪素中における不純物の拡散係数は珪素のそれに比べて著しく低く、半導体デバイスを作製できるほど(深さ1μm以上、添加濃度範囲 1×1014〜1×1021/cm3)不純物を添加することが不可能である。 On the other hand, since the breakdown voltage of a semiconductor device is generally proportional to the -0.5 power of the impurity concentration, the impurity concentration in the portion where the electric field is concentrated inside the device must be reduced to 1 × 10 14 / cm 3 or less. . When manufacturing a semiconductor device using silicon as a material, a thermal diffusion method is used as a method for adding impurities. The thermal diffusion method is a method in which an impurity is applied to the surface of a substrate to be added, or a desired impurity is diffused into the substrate by heating while exposing the substrate to an impurity atmosphere. However, the diffusion coefficient of impurities in silicon carbide is significantly lower than that of silicon, and impurities are added so that a semiconductor device can be manufactured (depth: 1 μm or more, addition concentration range: 1 × 10 14 to 1 × 10 21 / cm 3 ). It is impossible to do.
炭化珪素に対して、このような広範囲にわたる不純物濃度を制御するため、炭化珪素にはイオン注入法による不純物添加が施される。しかしながら、イオン注入法は不純物添加の深さ分布が注入イオンの飛程に制限されるため、たとえば特表平11−503571号公報にあるように、炭化珪素の半導体層へのドーパント導入方法は、低温で半導体層へドーパントをイオン注入する工程において非晶質表面近接層を形成させるように実施し、この工程の後で表面近接層に続く半導体層の非注入下層中にドーパントが拡散する高温での半導体層の焼鈍工程を実施しなければならない。しかも、本方法を用いたとしてもサブストレート全体への高濃度不純物添加は困難である。 In order to control such a wide range of impurity concentration in silicon carbide, silicon carbide is subjected to impurity addition by an ion implantation method. However, in the ion implantation method, since the depth distribution of the impurity addition is limited to the range of the implanted ions, for example, as disclosed in JP-A-11-503571, the method of introducing the dopant into the semiconductor layer of silicon carbide is as follows. An amorphous surface proximity layer is formed in the step of ion-implanting a dopant into the semiconductor layer at a low temperature, and at a high temperature at which the dopant diffuses into the non-implanted lower layer of the semiconductor layer following the surface proximity layer after this step. Must be carried out. Moreover, even if this method is used, it is difficult to add high-concentration impurities to the entire substrate.
また、注入イオンの電気的活性化が不十分であったり、イオン注入により炭化珪素内部に結晶欠陥が生じてしまうため、たとえば、特開平12−068225号公報に記載の発明のように炭素(C)原子を付加的にイオン注入することで、炭化珪素に注入したアクセプター原子の電気的活性化率を向上するとともに熱処理による拡散を抑制したり、特開平10−256173号公報にあるように、炭化珪素基板の珪素面上にSiO2 からなるマスクを形成し、不純物元素として窒素をイオン注入した後に、珪素面に垂直な方向のイオン注入(チャネリング注入)および(0001)珪素面に垂直な方向から7°傾斜した方向のイオン注入(ランダム注入)を行う必要がある。さらには、特開平11−121393号公報に述べられているように炭化ケイ素半導体にリン原子を高温でイオン注入する際に、そのイオン注入の温度が1200℃以上である炭化ケイ素半導体へのリン原子不純物をドープする方法をとらなければならない。 Further, since the electrical activation of the implanted ions is insufficient, or crystal defects are generated inside the silicon carbide due to the ion implantation, for example, carbon (C) is not used as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 12-068225. ) By additionally implanting atoms, the electrical activation rate of the acceptor atoms implanted into silicon carbide can be improved, and diffusion due to heat treatment can be suppressed. As disclosed in JP-A-10-256173, After forming a mask made of SiO 2 on the silicon surface of the silicon substrate and ion-implanting nitrogen as an impurity element, ion implantation in the direction perpendicular to the silicon surface (channeling implantation) and from the direction perpendicular to the (0001) silicon surface It is necessary to perform ion implantation (random implantation) in a direction inclined by 7 °. Further, as described in JP-A-11-121393, when phosphorus atoms are ion-implanted into a silicon carbide semiconductor at a high temperature, the phosphorus atoms are implanted into the silicon carbide semiconductor at a temperature of 1200 ° C. or higher. It is necessary to adopt a method of doping impurities.
例えば、サブストレート全体にわたる不純物添加を実施する際には、炭化珪素形成と同時に不純物を添加する方法(in−situ ドーピング)も用いられるが、この際には添加する不純物源や濃度に制限が加えられる。例えば、特開平09−063968号公報に開示の発明においては、炭素と珪素とを含んだガスを流すと同時にホウ素を含んだガスを流すことによりp型炭化珪素半導体層を気相成長する際に、結晶成長に寄与する炭素の供給量Qcと、結晶成長に寄与する珪素の供給量Qsiとの間に、1<Qc/Qsi<5の関係を満たすことが要求されている。 For example, a method of adding an impurity simultaneously with the formation of silicon carbide (in-situ doping) is used when performing the impurity addition over the entire substrate, but in this case, the impurity source and concentration to be added are limited. Can be For example, in the invention disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-063968, when a gas containing carbon and silicon is caused to flow and a gas containing boron is caused to flow at the same time, the p-type silicon carbide semiconductor layer is vapor-phase grown. It is required that the relationship of 1 <Qc / Qsi <5 be satisfied between the supply amount Qc of carbon contributing to crystal growth and the supply amount Qsi of silicon contributing to crystal growth.
また、形成されたp型炭化珪素半導体層においては、成分元素である炭素の原子密度dCと珪素の原子密度dSiとの間に、1<dC/dSi≦32/31の制限がある。または、特表平10−507734号公報に述べられているように、CVDプロセス又は昇華プロセスにおいて、炭化珪素単結晶のドーピングにその分子中で少なくとも1個のホウ素原子が少なくとも1個の炭素原子に化学的に結合されている有機ホウ素化合物を使用する際の有利な有機ホウ素化合物はトリアルキルホウ素である。 In the formed p-type silicon carbide semiconductor layer, there is a limit of 1 <d C / d Si ≦ 32/31 between the atomic density d C of carbon as a component element and the atomic density d Si of silicon. is there. Alternatively, as described in Japanese Patent Publication No. 10-507734, in a CVD process or a sublimation process, at least one boron atom is converted into at least one carbon atom in a molecule of a silicon carbide single crystal during doping thereof. A preferred organoboron compound when using a chemically bound organoboron compound is a trialkylboron.
In−situドーピングによって不純物である窒素濃度を広範囲で変化させようとする場合、たとえばAppl.Phys.Lett.65(13),26
(1994)に述べられているように、炭化珪素中において結晶格子の占有率がNと競合関係に有るCの濃度を変化させる方法も報告されているが、この場合、結晶格子位置に納まるN濃度がC濃度に対して敏感に変化するため、炭化珪素成長時の珪素源とC源の組成比を厳密に制御する必要が有り、本方法を量産化に適応することは困難である。
When the concentration of nitrogen as an impurity is to be changed in a wide range by in-situ doping, for example, Appl. Phys. Lett. 65 (13), 26
As described in (1994), a method of changing the concentration of C in which the occupancy of the crystal lattice in silicon carbide competes with N has been reported. Since the concentration changes sensitively with respect to the C concentration, it is necessary to strictly control the composition ratio between the silicon source and the C source during the growth of silicon carbide, and it is difficult to apply this method to mass production.
また、昇華再結晶法により不純物を導入する場合には、あらかじめ原料となる炭化珪素粉体と不純物源(Al,B等)を一定割合で混合し、これを昇華させて種結晶上に再結晶化させるが、昇華温度における不純物源の蒸気圧が炭化珪素の蒸気圧を大きく上回るため、炭化珪素成長初期には不純物濃度が高く、成長終了時には不純物源が揮発して無くなってしまうため、不純物濃度の低い炭化珪素が形成される。 When impurities are introduced by a sublimation recrystallization method, silicon carbide powder as a raw material and an impurity source (Al, B, etc.) are mixed in a predetermined ratio, and the mixture is sublimated and recrystallized on a seed crystal. However, since the vapor pressure of the impurity source at the sublimation temperature greatly exceeds the vapor pressure of silicon carbide, the impurity concentration is high in the initial stage of silicon carbide growth, and the impurity source volatilizes and disappears at the end of the growth. Is formed.
このため、昇華再結晶化法により形成した炭化珪素をスライスして炭化珪素基板を得ようとしても、基板間の不純物濃度ばらつき(抵抗率のばらつき)が大きくなり、安定したデバイス特性が得られない。また、昇華再結晶化法により成長される炭化珪素表面は必ずしも平坦でないため、急峻なpn接合部や平滑なpn接合部を得ることは難しい。 Therefore, even if the silicon carbide formed by the sublimation recrystallization method is sliced to obtain a silicon carbide substrate, variation in impurity concentration (variation in resistivity) between the substrates increases, and stable device characteristics cannot be obtained. . Further, since the surface of silicon carbide grown by the sublimation recrystallization method is not always flat, it is difficult to obtain a steep pn junction or a smooth pn junction.
さらに、従来の気相成長法で炭化珪素を成長しつつ不純物を導入する場合(in−situドーピング)には、炭化珪素成長と同時に不純物の取り込みが進行するため、たとえば、成長中に不純物原料を切り替えてpn接合を得ようとしても、反応系中にある程度の不純物ガスが滞留するため、明確な(急峻な濃度勾配を有する)pn接合を得ることができない。また、接合部近辺にはドナー不純物とアクセプター不純物との両者が存在するため、補償度が高くなり、接合における移動度を高めることが困難である。さらには、原料ガスの流れ等により面内の不純物濃度が不均一になってしまい、大面積にわたって面内の不純物濃度を均一にすることは困難であった。そのため、厳密な不純物濃度の制御を行うことができず、歩留まり良く所望の不純物濃度分布を有する炭化珪素を得ることができなかった。 Further, when impurities are introduced while growing silicon carbide by a conventional vapor phase growth method (in-situ doping), the incorporation of impurities proceeds simultaneously with the growth of silicon carbide. Even if switching is performed to obtain a pn junction, a certain amount of impurity gas stays in the reaction system, so that a clear (having a steep concentration gradient) pn junction cannot be obtained. In addition, since both the donor impurity and the acceptor impurity exist near the junction, the degree of compensation increases, and it is difficult to increase the mobility at the junction. Further, the in-plane impurity concentration becomes non-uniform due to the flow of the raw material gas or the like, and it is difficult to make the in-plane impurity concentration uniform over a large area. Therefore, strict control of the impurity concentration cannot be performed, and silicon carbide having a desired impurity concentration distribution with high yield cannot be obtained.
本発明は、上述の問題点を克服するためになされたものであり、不純物源や不純物濃度に対する制限もしくは不純物添加範囲の深さ制限等を受けること無く、直径4インチ以上の大面積にわたり高い制御性のもとで不純物添加をおこないつつ、十分な生産性のもとで製造を可能とする炭化珪素製造方法、炭化珪素及び半導体装置を提供することを目的とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to overcome the above-described problems, and has high control over a large area of 4 inches or more in diameter without being restricted by an impurity source, an impurity concentration, or a depth of an impurity doping range. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing silicon carbide, a silicon carbide and a semiconductor device which can be manufactured with sufficient productivity while adding impurities under the same conditions.
上述の課題を解決するための手段として、第1の手段は、
基体上に気相又は液相から薄膜を析出させて炭化珪素を形成する炭化珪素製造方法において、
基体上に珪素層を形成する珪素層形成工程と、
前記珪素層にN,B,Al,Ga,In,P,As,Sb,Se,Zn,O,Au,V,Er,Ge,Feから選ばれる少なくとも1種類の元素を不純物として添加する不純物添加工程と、
前記不純物が添加された珪素層を炭化して不純物が添加された炭化珪素層を形成する炭化工程とを有することを特徴とする炭化珪素の製造方法である。
第2の手段は、
前記珪素層形成工程、不純物添加工程及び炭化工程を化学気相成長法を用いて基体上に薄膜をエピタキシャル成長をさせながら行い、前記珪素層形成工程における珪素原料としてシラン系又はジクロロシラン系ガスを用い、前記炭化工程における炭素原料として不飽和炭化水素ガスを用いることを特徴とする第1の手段にかかる炭化珪素製造方法である。
第3の手段は、
前記珪素層形成工程後に、不純物添加工程を行い、しかる後、炭化工程を行うことを特徴とする第1又は第2の手段にかかる炭化珪素製造方法である。
第4の手段は、
前記珪素層形成工程と不純物添加工程とを同時に行い、しかる後、炭化工程を行うことを特徴とする第1又は第2の手段にかかる炭化珪素製造方法である。
第5の手段は、
前記珪素層形成工程と不純物添加工程とを同時に行いつつ、これら工程を開始した一定時間後に炭化工程を行うことを特徴とする第1又は第2の手段にかかる炭化珪素製造方法である。
第6の手段は、
前記珪素層形成工程、不純物添加工程及び炭化工程によって薄膜状の炭化珪素を形成する一連の単位工程を繰り返し行うことにより、目的の厚さの炭化珪素層を形成することを特徴とする第1〜第5のいずれかの手段にかかる炭化珪素製造方法である。
第7の手段は、
前記各単位工程において添加する不純物量を変えることによって、厚さ方向に不純物濃度が異なる炭化珪素層を形成することを特徴とする第6の手段にかかる炭化珪素製造方法である。
第8の手段は、
得られる炭化珪素の不純物濃度が、1×1013/cm3〜1×1021/cm3の範囲になるように不純物添加量を制御することを特徴とする第1〜第7のいずれかの手段にかかる炭化珪素製造方法である。
第9の手段は、
得られる炭化珪素の厚さ方法における不純物濃度勾配が、1×1018/cm4〜4×1024/cm4の範囲になるように不純物添加量を制御することを特徴とする第1〜第8のいずれかの手段にかかる炭化珪素製造方法である。
第10の手段は、
前記基体は少なくともその表面が単結晶珪素、立方晶炭化珪素又は六方晶炭化珪素で構成されており、前記基体表面に形成される炭化珪素が立方晶炭化珪素又は六方晶炭化珪素であることを特徴とする第1〜第9のいずれかの手段にかかる炭化珪素製造方法である。
第11の手段は、
基体上に炭化珪素層を形成した後に、基体を除去してウエハ状の炭化珪素を形成することを特徴とする第1〜第10のいずれかの手段にかかる炭化珪素製造方法である。
第12の手段は、
単位工程における不純物添加工程で添加する不純物の種類を変えることによって炭化珪素層中にpn接合を設けることを第6〜第11のいずれかの手段にかかる炭化珪素製造方法である。
第13の手段は、
第1〜第12の手段にかかる炭化珪素製造方法によって製造された炭化珪素を種結晶に用いて気相成長法、昇華再結晶法、又は、液相成長法によって炭化珪素を成長させることを特徴とする炭化珪素製造方法である。
第14の手段は、
厚さ方法における不純物濃度勾配が、1×1022/cm4〜4×1024/cm4である層領域を有する炭化珪素である。
第15の手段は、
第1〜第13の手段にかかる炭化珪素製造法によって製造された炭化珪素、又は、第14の手段にかかる炭化珪素を用いたことを特徴とする半導体装置である。
As means for solving the above-mentioned problems, the first means is:
In a silicon carbide production method of forming a silicon carbide by depositing a thin film from a gas phase or a liquid phase on a substrate,
A silicon layer forming step of forming a silicon layer on a substrate,
Addition of at least one element selected from N, B, Al, Ga, In, P, As, Sb, Se, Zn, O, Au, V, Er, Ge, and Fe to the silicon layer as an impurity. Process and
Carbonizing the silicon layer to which the impurities are added to form a silicon carbide layer to which the impurities are added.
The second means is
The silicon layer forming step, the impurity adding step and the carbonizing step are performed while epitaxially growing a thin film on a substrate using a chemical vapor deposition method, and a silane-based or dichlorosilane-based gas is used as a silicon raw material in the silicon layer-forming step. And a method for producing silicon carbide according to a first means, wherein an unsaturated hydrocarbon gas is used as a carbon raw material in the carbonization step.
The third means is
An impurity adding step is performed after the silicon layer forming step, and then a carbonizing step is performed.
The fourth means is
A silicon carbide manufacturing method according to the first or second means, wherein the silicon layer forming step and the impurity adding step are performed simultaneously, and thereafter, the carbonizing step is performed.
The fifth means is
A method for producing silicon carbide according to a first or second means, characterized in that a carbonization step is performed after a lapse of a predetermined time from the start of these steps while simultaneously performing the silicon layer forming step and the impurity adding step.
Sixth means,
A first silicon carbide layer having a desired thickness is formed by repeatedly performing a series of unit steps of forming a thin-film silicon carbide by the silicon layer forming step, the impurity adding step, and the carbonizing step; A method for producing silicon carbide according to any one of the fifth means.
Seventh means,
A silicon carbide manufacturing method according to a sixth means, wherein a silicon carbide layer having a different impurity concentration in a thickness direction is formed by changing an impurity amount added in each of the unit steps.
Eighth means,
Any one of the first to seventh aspects, wherein the impurity addition amount is controlled so that the impurity concentration of the obtained silicon carbide is in the range of 1 × 10 13 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 . It is a method for producing silicon carbide according to the means.
The ninth means is
A first to a first aspect wherein the impurity addition amount is controlled such that the impurity concentration gradient in the obtained silicon carbide thickness method is in the range of 1 × 10 18 / cm 4 to 4 × 10 24 / cm 4 . 8. A method for producing silicon carbide according to any one of (8) to (9).
The tenth means is
At least the surface of the base is made of single crystal silicon, cubic silicon carbide or hexagonal silicon carbide, and the silicon carbide formed on the surface of the base is cubic silicon carbide or hexagonal silicon carbide. The method according to any one of the first to ninth means.
The eleventh means is
A method for producing silicon carbide according to any one of the first to tenth means, wherein after forming a silicon carbide layer on a substrate, the substrate is removed to form silicon carbide in a wafer form.
The twelfth means is
A sixth aspect of the present invention is a method for manufacturing a silicon carbide according to any one of the sixth to eleventh means, wherein a pn junction is provided in a silicon carbide layer by changing a type of an impurity added in an impurity adding step in a unit process.
The thirteenth means is
Silicon carbide produced by the silicon carbide production method according to the first to twelfth means is used as a seed crystal to grow silicon carbide by a vapor phase growth method, a sublimation recrystallization method, or a liquid phase growth method. Silicon carbide manufacturing method.
Fourteenth means,
Silicon carbide having a layer region in which the impurity concentration gradient in the thickness method is 1 × 10 22 / cm 4 to 4 × 10 24 / cm 4 .
The fifteenth means is
A semiconductor device using the silicon carbide manufactured by the silicon carbide manufacturing method according to the first to thirteenth means or the silicon carbide according to the fourteenth means.
上述の第1〜第5の手段によれば、珪素に不純物を添加してからこれを炭化することにより、不純物を含む炭化珪素を形成していることから、炭化珪素に不純物を添加する従来の場合に比較して、所望の高い濃度の不純物を容易にかつ正確に添加することが可能になった。すなわち、一般的に、炭化珪素に添加できる不純物濃度は限られているのに対して、珪素には比較的自由に不純物を添加できる。上記手段は、この点に着目したもので、上記手段により、炭化珪素における不純物の拡散係数と固溶度の限界を超えた高濃度の不純物添加が実現できる。また、上記手段によれば、最終的に炭化珪素層中に取り込まれる不純物量は、あらかじめ珪素に添加した不純物量に一致するため、炭化珪素中の不純物量は珪素層形成時の不純物添加条件(たとえば、不純物の供給量や供給時間)によって、厳密に制御することが可能である。しかも、既に形成された炭化珪素に対する不純物の拡散係数は、珪素に対する拡散係数をはるかに下回るため、炭化珪素成長中のインナーディフュージョンなどにより不純物の濃度分布が乱れることも防がれる。したがって、不純物の添加範囲は、あらかじめ形成する珪素層の厚さにより精密に制御することが可能である。これにより、例えば、厚さ1μm以上の領域にわたって第8の手段に規定されるような、極めて広い範囲の不純物濃度の炭化珪素を容易に得ることができる。これにより、半導体デバイスとして広い応用が可能になる。
なお、上述の珪素層形成工程及び不純物添加工程は、いずれも、炭素原料の不存在下で行うことが重要である。炭素原料の不存在下であれば、不純物添加工程を珪素層形成工程と同時に行ってもよいし、珪素層形成工程の後に行ってもよい。いずれにしても、炭化工程は、珪素層形成工程及び不純物添加工程よりも後で行なうことが必須である。その理由は以下の通りである。
すなわち、珪素層が形成された基体上に炭素原料と不純物原料とを同時に導入すると、不純物が添加されるよりも、炭化珪素が形成される方が優勢になる。これは、珪素表面の炭化は表面反応なのに対し、不純物の拡散は時間の平方根に比例する現象であるため、炭化現象の方が短時間で完了するためである。それゆえ、炭素の存在下では十分な不純物添加はできない。さらに、基板表面には炭素原料が優先的に吸着するため、不純物原料が基板内部に拡散することが阻まれる。
従って、十分な不純物を添加するためには、炭素原料の不存在下で不純物原料を珪素層の形成された基体に導入する必要がある。なお、この場合、珪素原料と不純物原料とは同時に導入してもよい。
そして、不純物元素が添加された珪素層が形成された後に、炭素原料を基体上に導入するようにすればよい。この炭化工程の際には、炭素原料と共に不純物原料が導入されていてもよい。これは不純物原料と炭素原料が同時に存在しても、炭化が優先的に起こると考えられるので、結果的に炭素原料が単独で導入された場合と同じとなるからである。
また、炭化工程において、所定の範囲の流量比(炭素原料と珪素原料の付着係数比によって決まる)であれば、炭素原料と共に珪素原料が存在していてもかまわない。これは、その流量比の範囲の場合には、基板表面に炭素原料が吸着層を形成し、炭素原料と珪素原料とを同時に供給してもそれ以上炭化珪素が形成されることがない状態にすることができるからである。
気相又は液相から薄膜を析出する具体的手段としては、例えば、化学的気相堆積(成長)法(CVD法)、分子線エピタキシー法(MBA法)、液相エピタキシー法(LPE法)等がある。
基体としては、少なくとも表面に珪素、炭化珪素、TiC、サファイヤ等を有するものを用いることができる。
添加する不純物としては、N,B,Al,Ga,In,P,As,Sb,Se,Zn,O,Au,V,Er,Ge,Feが挙げられる。このうち、アクセプターとしてP型半導体を形成するものとして、III族元素であるB,Al,Ga,Inが、ドナーとしてn型半導体を形成するものとして、V族元素であるN,P,As,Sbが、電子親和力の差により禁制帯に準位を形成し、電気抵抗を変化させるものとして、IV族元素であるSeが挙げられる。また、その他として深い準位を形成し、少数キャリアのライフタイムや抵抗率を変化させるものとしてZn,O,Au,V,Ge,Feが挙げられる。
上記不純物は、単独で使用しても、複数を同時に使用してもよい。例えば、同じタイプの不純物であっても、禁制帯中に形成する準位が異なり、温度に対する抵抗率の変化が異なるため、ある温度での抵抗率を調整したい場合、複数種の不純物を同時に添加する。例えば、上記のV族元素から任意の2つを選択し、これを同時に添加する。例えば、NとPとを添加する。
また、ドナーとアクセプターとを同時に添加して、キャリアを補償させることにより、抵抗率を増加させることができる。これにより、例えば、PiNダイオードのi層を形成することができる。例えば、ドナーのNとアクセプターのBを同時に添加する。また、結晶成長中にどうしても入り込んでしまう不純物による抵抗率の増加を相殺するために、その不純物とは逆の性質を持つ不純物を添加したり、ドナーとアクセプターを同時に添加する際に、入り込んでしまう不純物の性質を相殺するように調整してこれらを添加することにより、抵抗率の高い炭化珪素を形成することができる。
珪素層形成工程、不純物添加工程及び炭化工程は、気相又は液相への原料の供給を制御することにより行うことができる。例えば、炭化珪素の原料に対して混入する不純物源の濃度比を変えたり、不純物を混入する時間を調節する。
また、シラン系ガス又はジクロロシラン系のガスとしては、ジクロロシラン、テトラクロロシラン、トリクロロシラン、ヘキサクロロシラン等がある。また、不飽和炭化水素ガスとして、アセチレン、エチレン、プロパン等がある。これらの原料を用いることにより、炭化珪素の形成温度が低く、ガス流量比変化の許容幅が大きく、得られる炭化珪素の結晶性も良好なものとすることができる。
第2の手段によって製造する場合には、反応時の基板等の基体の温度を900〜1400℃、好ましくは1000〜1400℃にする。反応温度が高すぎると、基体として珪素を用いた場合に珪素が解け出してしまい、反応温度が低すぎると、反応速度が著しく遅くなるからである。
また、第6の手段によれば、任意の濃度プロファイルを有する不純物添加層形成が実現できる。また、この方法を用いた場合、不純物としては珪素中に拡散する不純物であれば一切の制約を受けずに用いることができる。
第7の手段によれば、任意の濃度勾配を有するものを得ることができる。すなわち、従来得ることができなかったような急な濃度勾配、例えば、第9の手段に規定されるような急な濃度勾配を有するものも容易に得ることができる。
第10の手段によれば、良好な炭化珪素が得られる。また、例えば、炭化珪素基板上に炭化珪素を形成した場合にはそのまま半導体用炭化珪素基板として利用できる。ここで、基体の炭化珪素としては、アチェーソン法や昇華再結晶法で形成した炭化珪素も用いることができる。また、珪素の表面を炭化したものでもよい。
この場合、基体としては、例えば、表面の結晶法線軸をわずかに傾けた基板(オフ角を導入した基板)を用いることができる。このような基板としては、表面法線軸を[001]から[110]方向にわずかに傾けた珪素(100)基板があげられる。また、基板として、表面に一方向に平行に延びる複数の起伏を設けた基板を用いることもできる。例えば、(001)面で、ある基板表面に[011]方位に平行に延びる起伏を設けた珪素基板や、立方晶炭化珪素基板等が挙げられる。この場合、形成させる炭化珪素層の欠陥を低減することが可能になり、高品質な炭化珪素を得ることができる。
第11の手段によれば、所望の均一な不純物濃度、あるいは、所望の厳密に制御された不純物濃度分布を有する炭化珪素半導体ウエハが得られる。基体の除去は、基体として例えば珪素基板を用いた場合には、基板上に炭化珪素層を形成した後に、基板をエッチング、切断による方法等で除去する。基板上に炭化珪素層を厚く形成した場合には、この形成した炭化珪素層をワイヤソー等の手段で切断、スライスしてウエハを得る。この場合、ウエハの直径が6インチの場合には、厚さを0.65mmとし、ウエハの直径が5インチの場合には、厚さを0.5mmとし、ウエハの直径が4インチ又は3インチの場合には、厚さを0.36mm程度とする。このような大面積で比較的厚い場合でも、ウエハ全体に正確に制御された不純物濃度を得ることができる。具体的には、直径4インチ以上にわたる面内全体の不純物濃度のばらつきを5%以下に、厚さ方向全体にわたる不純物濃度のばらつきを5%以下にできる。なお、ここで、不純物濃度のばらつき(%)は、不純物濃度のばらつき={(最高濃度−最低濃度)/平均濃度}×100(%)の式で求められる。さらには、不純物濃度勾配も第9の手段あるいは第14の手段に範囲で正確に制御して設けることができる。
第12の手段によれば、不純物濃度をそれぞれ正確に制御したpn接合が再現性よく得ることができるので、所望の半導体装置を歩留まり良く大量に製造することを可能にする。
第13の手段によれば、種結晶として用いる炭化珪素の不純物濃度を適度に設定することにより、その電気抵抗率を適切な値に制御し、これにより、結晶成長中におけるパーティクルの付着を防止することができ、結果として良質な炭化珪素インゴットを得ることを可能にする。
第14の手段によれば、厚さ方向に濃度勾配を有する炭化珪素を厚さ方向に多数のスライス片に切断形成することにより、所望の濃度のスライス片を容易に得ることができる。これにより、半導体の内部電界の制御幅が広がり、半導体デバイスの動作特性を設計する上で極めて有利になる。
第15の手段によれば、高速、高耐圧、高効率のパワー半導体等を得ることができる。
According to the above-described first to fifth means, since silicon carbide containing an impurity is formed by adding an impurity to silicon and then carbonizing the same, a conventional method of adding an impurity to silicon carbide is used. As compared with the case, it is possible to easily and accurately add a desired high concentration of impurities. That is, in general, the impurity concentration that can be added to silicon carbide is limited, but the impurity can be relatively freely added to silicon. The above means focuses on this point, and the above means can realize high-concentration impurity addition exceeding the diffusion coefficient and solid solubility limits of impurities in silicon carbide. According to the above means, since the amount of impurities finally taken into the silicon carbide layer matches the amount of impurities added to silicon in advance, the amount of impurities in the silicon carbide depends on the impurity addition conditions during the formation of the silicon layer ( For example, it can be strictly controlled by the supply amount and supply time of the impurity. In addition, since the diffusion coefficient of the impurity with respect to the already formed silicon carbide is much lower than the diffusion coefficient with respect to silicon, it is possible to prevent the impurity concentration distribution from being disturbed by inner diffusion or the like during the growth of silicon carbide. Therefore, the range of impurity addition can be precisely controlled by the thickness of the silicon layer formed in advance. Thereby, for example, silicon carbide having an impurity concentration in an extremely wide range as defined in the eighth means can be easily obtained over a region having a thickness of 1 μm or more. This enables a wide range of applications as a semiconductor device.
It is important that both the silicon layer forming step and the impurity adding step be performed in the absence of a carbon material. If no carbon source is present, the impurity adding step may be performed simultaneously with the silicon layer forming step, or may be performed after the silicon layer forming step. In any case, it is essential that the carbonizing step be performed after the silicon layer forming step and the impurity adding step. The reason is as follows.
That is, when a carbon material and an impurity material are simultaneously introduced onto a substrate on which a silicon layer is formed, the formation of silicon carbide is more predominant than the addition of impurities. This is because while carbonization of the silicon surface is a surface reaction, diffusion of impurities is a phenomenon proportional to the square root of time, and therefore the carbonization phenomenon is completed in a shorter time. Therefore, sufficient impurity cannot be added in the presence of carbon. Further, since the carbon material is preferentially adsorbed on the substrate surface, the impurity material is prevented from diffusing into the substrate.
Therefore, in order to add a sufficient impurity, it is necessary to introduce the impurity source into the substrate on which the silicon layer is formed in the absence of the carbon source. In this case, the silicon source and the impurity source may be introduced at the same time.
Then, after the silicon layer to which the impurity element is added is formed, the carbon material may be introduced onto the base. In the carbonization step, an impurity raw material may be introduced together with the carbon raw material. This is because carbonization is considered to occur preferentially even when the impurity raw material and the carbon raw material are present at the same time, and as a result, the result is the same as when the carbon raw material is introduced alone.
In addition, in the carbonization step, the silicon raw material may be present together with the carbon raw material as long as the flow ratio is within a predetermined range (determined by the adhesion coefficient ratio between the carbon raw material and the silicon raw material). This is because when the flow rate ratio is within the range, the carbon material forms an adsorption layer on the substrate surface, and no more silicon carbide is formed even when the carbon material and the silicon material are supplied simultaneously. Because you can.
Specific means for depositing a thin film from a gas phase or a liquid phase include, for example, a chemical vapor deposition (growth) method (CVD method), a molecular beam epitaxy method (MBA method), and a liquid phase epitaxy method (LPE method). There is.
As the substrate, a substrate having silicon, silicon carbide, TiC, sapphire, or the like at least on its surface can be used.
Examples of impurities to be added include N, B, Al, Ga, In, P, As, Sb, Se, Zn, O, Au, V, Er, Ge, and Fe. Among them, B, Al, Ga, and In which are Group III elements are used to form a P-type semiconductor as an acceptor, and N, P, As and V which are Group V elements are used to form an n-type semiconductor as a donor. Se, which is a group IV element, is one in which Sb forms a level in a forbidden band due to a difference in electron affinity and changes electric resistance. In addition, Zn, O, Au, V, Ge, and Fe may be used to form a deep level and change the lifetime and resistivity of minority carriers.
The impurities described above may be used alone or in combination. For example, even if impurities of the same type are formed at different levels in the forbidden band and change in resistivity with respect to temperature are different, if it is desired to adjust the resistivity at a certain temperature, multiple types of impurities are added simultaneously. I do. For example, two arbitrary elements are selected from the above-mentioned group V elements and are added simultaneously. For example, N and P are added.
Further, by adding a donor and an acceptor at the same time and compensating for carriers, the resistivity can be increased. Thereby, for example, the i layer of the PiN diode can be formed. For example, N as a donor and B as an acceptor are simultaneously added. In addition, in order to offset the increase in resistivity due to impurities that inevitably enter during crystal growth, impurities are introduced when an impurity having the opposite property to the impurity is added or when a donor and an acceptor are simultaneously added. By adjusting these properties so as to offset the properties of the impurities and adding them, silicon carbide having a high resistivity can be formed.
The silicon layer forming step, the impurity adding step, and the carbonizing step can be performed by controlling the supply of the raw material to the gas phase or the liquid phase. For example, the concentration ratio of the impurity source mixed with the silicon carbide raw material is changed, or the time during which the impurities are mixed is adjusted.
Examples of the silane-based gas or dichlorosilane-based gas include dichlorosilane, tetrachlorosilane, trichlorosilane, and hexachlorosilane. In addition, examples of the unsaturated hydrocarbon gas include acetylene, ethylene, and propane. By using these raw materials, the formation temperature of silicon carbide is low, the allowable range of change in the gas flow ratio is large, and the crystallinity of the obtained silicon carbide can be improved.
In the case of manufacturing by the second means, the temperature of the substrate such as the substrate during the reaction is set to 900 to 1400 ° C, preferably 1000 to 1400 ° C. If the reaction temperature is too high, silicon will be melted when silicon is used as the substrate, and if the reaction temperature is too low, the reaction rate will be significantly reduced.
Further, according to the sixth means, an impurity-added layer having an arbitrary concentration profile can be formed. In addition, when this method is used, any impurity that diffuses into silicon can be used without any restrictions.
According to the seventh means, it is possible to obtain one having an arbitrary concentration gradient. That is, it is possible to easily obtain a steep concentration gradient that could not be obtained conventionally, for example, a steep concentration gradient as defined in the ninth means.
According to the tenth means, good silicon carbide can be obtained. For example, when silicon carbide is formed on a silicon carbide substrate, it can be used as it is as a silicon carbide substrate for semiconductors. Here, as the silicon carbide of the base, silicon carbide formed by the Acessason method or the sublimation recrystallization method can also be used. Further, a material obtained by carbonizing the surface of silicon may be used.
In this case, as the substrate, for example, a substrate having a slightly inclined normal axis of the surface (a substrate having an off-angle) can be used. An example of such a substrate is a silicon (100) substrate whose surface normal axis is slightly inclined from the [001] direction to the [110] direction. Further, as the substrate, a substrate having a plurality of undulations extending in parallel in one direction on the surface can be used. For example, a silicon substrate or a cubic silicon carbide substrate provided with undulations extending in parallel to the [011] direction on the surface of a certain substrate on the (001) plane can be given. In this case, defects in the formed silicon carbide layer can be reduced, and high-quality silicon carbide can be obtained.
According to the eleventh means, a silicon carbide semiconductor wafer having a desired uniform impurity concentration or a desired strictly controlled impurity concentration distribution can be obtained. When a silicon substrate is used as the substrate, for example, a silicon carbide layer is formed on the substrate, and then the substrate is removed by etching, cutting, or the like. When the silicon carbide layer is formed thick on the substrate, the formed silicon carbide layer is cut and sliced by means such as a wire saw to obtain a wafer. In this case, when the diameter of the wafer is 6 inches, the thickness is 0.65 mm, and when the diameter of the wafer is 5 inches, the thickness is 0.5 mm, and the diameter of the wafer is 4 inches or 3 inches. In this case, the thickness is about 0.36 mm. Even in the case of such a large area and relatively thick, it is possible to obtain an accurately controlled impurity concentration over the entire wafer. Specifically, it is possible to reduce the variation of the impurity concentration over the entire surface in the thickness direction of 4 inches or more to 5% or less and the variation of the impurity concentration over the entire thickness direction to 5% or less. Here, the variation (%) of the impurity concentration is obtained by an equation of variation of the impurity concentration = {(maximum concentration−minimum concentration) / average concentration} × 100 (%). Further, the impurity concentration gradient can be provided in the ninth means or the fourteenth means by controlling it accurately within a range.
According to the twelfth means, a pn junction in which the impurity concentration is accurately controlled can be obtained with good reproducibility, so that a large number of desired semiconductor devices can be manufactured with high yield.
According to the thirteenth means, by appropriately setting the impurity concentration of silicon carbide used as a seed crystal, the electric resistivity thereof is controlled to an appropriate value, thereby preventing adhesion of particles during crystal growth. As a result, it is possible to obtain a high-quality silicon carbide ingot.
According to the fourteenth means, silicon carbide having a concentration gradient in the thickness direction is cut and formed into a large number of slices in the thickness direction, so that slices having a desired concentration can be easily obtained. As a result, the control range of the internal electric field of the semiconductor is widened, which is extremely advantageous in designing the operating characteristics of the semiconductor device.
According to the fifteenth means, a high-speed, high withstand voltage, high-efficiency power semiconductor or the like can be obtained.
(実施例1)
図1は実施例1にかかる炭化珪素製造方法を実施するためのCVD装置の概略構成を示す図、図2は実施例1にかかる炭化珪素製造方法の原料ガス供給タイミングの説明である。以下、図1、図2を参照にしながら実施例1にかかる炭化珪素製造方法を説明し、あわせて、本発明の実施例にかかる炭化珪素を説明する。なお、この実施例は、珪素層形成工程後に、不純物添加工程を行い、しかる後、炭化工程を行うようにした例である。
(Example 1)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a CVD apparatus for performing the silicon carbide manufacturing method according to the first embodiment, and FIG. 2 is an illustration of a raw material gas supply timing in the silicon carbide manufacturing method according to the first embodiment. Hereinafter, the method for manufacturing silicon carbide according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2, and the silicon carbide according to the embodiment of the present invention will be described. This embodiment is an example in which an impurity adding step is performed after a silicon layer forming step, and then a carbonizing step is performed.
図1において、CVD装置10は、成膜室1内には、ガス導入パイプ2がその先端ノズル2aが成膜室1の中央部に位置するように略垂直に立てた状態に設けられ、このガス導入パイプ2の先端部には、プレート3とが取り付けられている。プレート3の下側には、このプレート3上に配置される基板4等を加熱するための加熱手段5が設けられている。なお、基板4は本発明における基体を構成するものである。ガス導入パイプ2のガス供給側は、成膜室1の外部に設けられ、バルブ2b,2c,2d,2eを介してそれぞれ、H2ガス、N2ガス、SiH2Cl2ガス及びC2H2ガス供給源に接続されている。また、成膜室1には、排気パイプ6が接続され、この排気パイプ6が圧力調整バルブ7を介して図示しない排気ポンプ等に接続されて成膜室1内を排気できるようになっている。
In FIG. 1, a
上述のCVD装置10は、公知のいわゆるコールドウォールタイプの減圧CVD装置であり、プレート3上に配置した基板4を加熱手段5によって適宜の温度に加熱し、排気パイプ6によって成膜室1内の排気を行うとともに、ガス導入パイプ2のノズル2aから、適宜のガスを供給し、成膜室1内に適宜の気相を形成することによって、基板4上に薄膜を成長させるものである。
The above-described
上述の減圧CVD装置10によって、次のようにして、炭化珪素を製造する。ここで、基板4として、直径が6インチであり、結晶の{001}面が表面に現れる単結晶珪素基板を用る。そして、前処理としてこの珪素基板表層を炭化し、基板上に成長させる炭化珪素層と珪素基板との間にバッファ層として薄い炭化珪素層を形成することにより、結晶性のよい炭化珪素層を成長できるようにする。すなわち、排気パイプ6を通じて成膜室1内を排気し、バルブ2b及びバルブ2eを開いて、H2ガスを200sccm、C2H2ガスを50sccmそれぞれを導入して、成膜室1内を100mTorrになるようにするとともに、加熱手段5によって基板4の温度を約1分間で1200℃まで加熱する。これによって、基板4の表層をあらかじめ炭化しておく。この処理が終了したら、バルブ2eを閉じてC2H2ガスの導入を一旦止める。以後は、基板温度を維持したままでH2ガスを常時200sccm流しつつ、成膜室1内の圧力が60mTorrとなるように排気パイプ6を通じての圧力調整バルブ7による排気量をコントロールすることによって圧力調整を行いながら以下の成膜操作をする。
Silicon carbide is manufactured by the above-described low-
図2に示したように、まず、バルブ2cを開いて供給量30sccmでSiH2Cl2ガスを5秒間供給する(珪素層の形成)。次に、バルブ2cを閉じてSiH2Cl2ガス供給を止め、バルブ2dを開いて供給量50sccmでN2ガスを5秒間供給する(珪素層へのN(ドナー)添加)。次いで、バルブ2dを閉じてN2ガス供給を止め、バルブ2eを開いて供給量10sccmでC2H2ガスを5秒間供給する(N添加された珪素層の炭化)。以上の一連の工程(珪素層の形成工程、珪素層へのN添加工程及びN添加された珪素層の炭化工程)を単位工程とすると、この単位工程を2000回繰り返す。これにより、基板4(珪素基板)上にエピタキシャル成長によって立方晶炭化珪素膜が形成される。
As shown in FIG. 2, first, the valve 2c is opened, and a SiH 2 Cl 2 gas is supplied at a supply amount of 30 sccm for 5 seconds (formation of a silicon layer). Next, the valve 2c is closed to stop the supply of the SiH 2 Cl 2 gas, and the
上記炭化珪素膜の成長に要した時間は8.3時間である。成長の結果、基板4(珪素基板)上には54μmの単結晶炭化珪素半導体膜が形成された。基板4(珪素基板)上に成長した炭化珪素中のN濃度をSIMS(2次イオン質量分析法)により測定した結果、7.4×1019/cm3で均一に分布していることが判明した。また、この炭化珪素中の室温における電子濃度をホール効果を用いて測定したところ、7.2×1019/cm3であることが分かった。さらに、この炭化珪素の抵抗率は0.007Ωcmであった。不純物濃度のばらつきは、面内、厚さ方向とも3.7%であった。 The time required to grow the silicon carbide film is 8.3 hours. As a result of the growth, a single-crystal silicon carbide semiconductor film of 54 μm was formed on substrate 4 (silicon substrate). The N concentration in the silicon carbide grown on the substrate 4 (silicon substrate) was measured by SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) and found to be uniformly distributed at 7.4 × 10 19 / cm 3. did. When the electron concentration in the silicon carbide at room temperature was measured using the Hall effect, it was found to be 7.2 × 10 19 / cm 3 . Further, the resistivity of the silicon carbide was 0.007 Ωcm. The variation in the impurity concentration was 3.7% both in the plane and in the thickness direction.
(実施例2)
図3は実施例2にかかる炭化珪素製造方法の原料ガス供給タイミングの説明である。図3を参照にしながら実施例2にかかる炭化珪素製造方法及び炭化珪素を説明する。この実施例の炭化珪素製造方法は、上述の実施例1の炭化珪素製造方法における単位工程が異なるほかはほぼ同一の構成を有するので、以下では、上記単位工程を中心説明し、共通する部分の説明は省略する。なお、この実施例は、珪素層形成工程と不純物添加工程とを同時に行い、しかる後、炭化工程を行うようにした例である。
(Example 2)
FIG. 3 is an illustration of a raw material gas supply timing in the silicon carbide manufacturing method according to the second embodiment. Second Embodiment A silicon carbide manufacturing method and silicon carbide according to a second embodiment will be described with reference to FIG. The method for manufacturing silicon carbide of this embodiment has almost the same configuration except that the unit process in the method for manufacturing silicon carbide of the first embodiment is different. Description is omitted. This embodiment is an example in which the silicon layer forming step and the impurity adding step are performed simultaneously, and thereafter, the carbonizing step is performed.
図3に示したように、この実施例の単位工程は、まず、バルブ2cを開いて供給量30sccmでSiH2Cl2ガスを5秒間供給する(珪素層の形成)と同時に、バルブ2dを開いて供給量50sccmでN2ガスを5秒間供給する(珪素層へのN(ドナー)添加)。すなわち、SiH2Cl2ガスとN2ガスとを同時に5秒間供給することによって、珪素層の形成と、珪素層へのN(ドナー)添加とを同時に行う。次いで、バルブ2c及びバルブ2dを閉じてSiH2Cl2ガス及びN2ガスの供給を止め、バルブ2eを開いて供給量10sccmでC2H2ガスを5秒間供給する(N添加された珪素層の炭化)。以上の単位工程を2000回繰り返す。これにより、基板4(珪素基板)上にエピタキシャル成長によって立方晶炭化珪素半導体膜が形成される。
As shown in FIG. 3, in the unit process of this embodiment, first, the valve 2c is opened to supply SiH 2 Cl 2 gas at a supply amount of 30 sccm for 5 seconds (formation of a silicon layer), and at the same time, the
炭化珪素の成長に要した時間は5.6時間である。成長の結果、基板4(珪素基板)上には54μmの単結晶炭化珪素が得られた。珪素基板上に成長した炭化珪素中の不純物をSIMS(2次イオン質量分析法)により測定した結果、実施例1と同量のN2供給量であるにもかかわらず、炭化珪素中のN濃度は7.4×1019/cm3で均一に分布していることが判明した。また、この炭化珪素中の室温における電子濃度をホール効果を用いて測定したところ、7.2×1019/cm3であることが分かった。また、この炭化珪素の抵抗率は0.007Ωcmであった。不純物濃度のばらつきは、面内、厚さ方向とも3.7%であった。この実施例によれば、珪素層の堆積工程と珪素層への不純物添加工程が時間的に重なっても、分離しても、本発明の効果は変わらないことが明らかとなった。又、実施例1に比較して短い時間で同様の炭化珪素半導体が得られる。 The time required for the growth of silicon carbide is 5.6 hours. As a result of the growth, single-crystal silicon carbide of 54 μm was obtained on substrate 4 (silicon substrate). Impurities in the silicon carbide grown on the silicon substrate were measured by SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy). As a result, although the N 2 supply amount was the same as that in Example 1, the N concentration in the silicon carbide was Was found to be uniformly distributed at 7.4 × 10 19 / cm 3 . When the electron concentration in the silicon carbide at room temperature was measured using the Hall effect, it was found to be 7.2 × 10 19 / cm 3 . The resistivity of the silicon carbide was 0.007 Ωcm. The variation in the impurity concentration was 3.7% both in the plane and in the thickness direction. According to this example, it has been clarified that the effect of the present invention does not change even if the step of depositing the silicon layer and the step of adding impurities to the silicon layer are overlapped in time or separated. Further, a similar silicon carbide semiconductor can be obtained in a shorter time than in Example 1.
(実施例3)
図4は実施例3にかかる炭化珪素製造方法の原料ガス供給タイミングの説明である。図4を参照にしながら実施例3にかかる炭化珪素製造方法及び炭化珪素を説明する。この実施例の炭化珪素製造方法も、上述の実施例1の炭化珪素製造方法における単位工程が異なるほかはほぼ同一の構成を有するので、以下では、上記単位工程を中心説明し、共通する部分の説明は省略する。なお、この実施例は、珪素層形成工程と不純物添加工程とを同時に行いつつ、これら工程を開始した一定時間後に炭化工程を行うようにした例である。
(Example 3)
FIG. 4 is an illustration of a raw material gas supply timing of the method for manufacturing silicon carbide according to the third embodiment. Third Embodiment A silicon carbide manufacturing method and silicon carbide according to a third embodiment will be described with reference to FIG. The method for manufacturing silicon carbide of this embodiment also has almost the same configuration except that the unit process in the method for manufacturing silicon carbide of the above-described first embodiment is different. Description is omitted. This embodiment is an example in which the carbonization step is performed a fixed time after the start of these steps while simultaneously performing the silicon layer forming step and the impurity adding step.
図4に示したように、この実施例の単位工程は、まず、バルブ2cを開いて供給量30sccmでSiH2Cl2ガスを連続して供給する(珪素層の形成)と同時に、バルブ2dを開いて供給量50sccmでN2ガスを連続して供給する(珪素層へのN(ドナー)添加)。すなわち、SiH2Cl2ガスとN2ガスとを同時に継続して供給することによって、珪素層の形成と、珪素層へのN(ドナー)添加とを継続的に行う。次に、上記SiH2Cl2ガスとN2ガスとの供給開始時点から5秒経過後にバルブ2eを開いて供給量10sccmでC2H2ガスを5秒間供給する(N添加された珪素層の炭化)。この場合、C2H2ガス供給時においても、上記SiH2Cl2ガスとN2ガスとの供給は継続する。
As shown in FIG. 4, in the unit process of this embodiment, first, the valve 2c is opened and the SiH 2 Cl 2 gas is continuously supplied at a supply amount of 30 sccm (formation of a silicon layer), and at the same time, the
以上の単位工程を2000回繰り返す。これにより、基板4(珪素基板)上にエピタキシャル成長によって立方晶炭化珪素半導体膜が形成される。炭化珪素の成長に要した時間は5.6時間である。成長の結果、基板4(珪素基板)上には54μmの単結晶炭化珪素が得られた。珪素基板上に成長した炭化珪素中の不純物をSIMS(2次イオン質量分析法)により測定した結果、実施例1と同量のN2供給量であるにもかかわらず、炭化珪素中のN濃度は7.3×1019/cm3で均一に分布していることが判明した。また、この炭化珪素中の室温における電子濃度をホール効果を用いて測定したところ、7.2×1019/cm3であることが分かった。また、この炭化珪素の抵抗率は0.007Ωcmであった。不純物濃度のばらつきは、面内、厚さ方向とも3.7%であった。この実施例によれば、SiH2Cl2供給とN2供給を連続し、C2H2供給を間欠的に行っても、実質的に炭化珪素中への不純物添加は、C2H2供給時(珪素層の炭化時)には起こっておらず、不純物添加過程と炭化過程が時間的に分離していることがわかる。また、この実施例によっても、実施例1に比較して短い時間でほぼ同様の炭化珪素半導体が得られる。また、この実施例によれば、他の実施例に比較してガス供給の制御を単純にできる。 The above unit process is repeated 2000 times. Thus, a cubic silicon carbide semiconductor film is formed on substrate 4 (silicon substrate) by epitaxial growth. The time required for the growth of silicon carbide is 5.6 hours. As a result of the growth, single-crystal silicon carbide of 54 μm was obtained on substrate 4 (silicon substrate). Impurities in the silicon carbide grown on the silicon substrate were measured by SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy). As a result, although the N 2 supply amount was the same as that in Example 1, the N concentration in the silicon carbide was Was found to be uniformly distributed at 7.3 × 10 19 / cm 3 . When the electron concentration in the silicon carbide at room temperature was measured using the Hall effect, it was found to be 7.2 × 10 19 / cm 3 . The resistivity of the silicon carbide was 0.007 Ωcm. The variation in the impurity concentration was 3.7% both in the plane and in the thickness direction. According to this embodiment, even if the supply of SiH 2 Cl 2 and the supply of N 2 are continuous and the supply of C 2 H 2 is performed intermittently, the addition of impurities into silicon carbide is substantially the same as the supply of C 2 H 2. It does not occur at the time (at the time of carbonization of the silicon layer), indicating that the impurity addition process and the carbonization process are temporally separated. Also in this embodiment, a substantially similar silicon carbide semiconductor can be obtained in a shorter time than in the first embodiment. According to this embodiment, the control of gas supply can be simplified as compared with the other embodiments.
(実施例4)
次に、図5は実施例4にかかる炭化珪素製造方法の原料ガス供給タイミングの説明である。図5を参照にしながら実施例4にかかる炭化珪素製造方法及び炭化珪素を説明する。この実施例の炭化珪素製造方法は、上述の実施例3の炭化珪素製造方法における単位工程において、N2ガスを供給する代わりにBCl3ガスを20sccm供給することによって、珪素層に添加する不純物として、N(ドナー)の代わりに、B(アクセプター)を添加するようにした点、C2H2ガス供給量を5sccmとした点を除く外は実施例3と同じであるので、詳細説明は省略する。
(Example 4)
Next, FIG. 5 is an explanation of the raw material gas supply timing of the method for manufacturing silicon carbide according to the fourth embodiment. Example 4 A method for manufacturing silicon carbide and silicon carbide according to Example 4 will be described with reference to FIG. In the silicon carbide manufacturing method of this embodiment, as a unit step in the silicon carbide manufacturing method of the above-described third embodiment, a BCl 3 gas is supplied at a flow rate of 20 sccm instead of the N 2 gas. , N (donor) in place of adding B (acceptor), and except that the supply amount of C 2 H 2 gas was set to 5 sccm, is the same as that of Example 3, and the detailed description is omitted. I do.
炭化珪素の成長に要した時間は5.6時間である。成長の結果、基板4(珪素基板)上には54μmの単結晶炭化珪素が得られた。珪素基板上に成長した炭化珪素中のB濃度をSIMS(2次イオン質量分析法)により測定した結果、1.3×1019/cm3で均一に分布していることが判明した。また、この炭化珪素中の室温における正孔濃度をホール効果を用いて測定したところ、1.0×1019/cm3であることが分かった。また、この炭化珪素の抵抗率は0.01Ωcmであった。不純物濃度のばらつきは、面内、厚さ方向とも3.7%であった。 The time required for the growth of silicon carbide is 5.6 hours. As a result of the growth, single-crystal silicon carbide of 54 μm was obtained on substrate 4 (silicon substrate). The B concentration in the silicon carbide grown on the silicon substrate was measured by SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) and found to be uniformly distributed at 1.3 × 10 19 / cm 3 . The hole concentration at room temperature in the silicon carbide was measured using the Hall effect, and was found to be 1.0 × 10 19 / cm 3 . The resistivity of this silicon carbide was 0.01 Ωcm. The variation in the impurity concentration was 3.7% both in the plane and in the thickness direction.
(実施例5)
次に、図6は実施例5にかかる炭化珪素製造方法の原料ガス供給タイミングの説明である。図6を参照にしながら実施例5にかかる炭化珪素製造方法及び炭化珪素を説明する。この実施例の炭化珪素製造方法は、上述の実施例3の炭化珪素製造方法における単位工程において、N2ガスの供給量(fn)を変えるとともに、SiH2Cl2ガスとN2ガスとの供給開始時点からC2H2ガスの供給を開始する時点間での時間(ts)を変えて多数の炭化珪素半導体を成膜した外は実施例3と同じであるので、詳細説明は省略する。
(Example 5)
Next, FIG. 6 illustrates the timing of supplying the source gas in the method for manufacturing silicon carbide according to the fifth embodiment. Example 5 A method for manufacturing silicon carbide and silicon carbide according to Example 5 will be described with reference to FIG. In the silicon carbide manufacturing method of this embodiment, the supply amount (fn) of the N 2 gas is changed and the supply of the SiH 2 Cl 2 gas and the N 2 gas is performed in the unit process in the silicon carbide manufacturing method of the third embodiment. Example 3 is the same as Example 3 except that the time (ts) between the start point and the point at which the supply of the C 2 H 2 gas is started is changed, and the detailed description is omitted.
図7はtsとfnを変化させて成膜した多数の炭化珪素半導体中の電子濃度を観測した結果を示すグラフである。図7に示されるように、電子濃度はtsとfnの双方に比例しており、その値は3×1014/cm3から1.8×1020/cm3のデバイス化が可能な範囲で高精度の制御が可能であることが判明した。 さらに、tsを10秒以上に延長することにより、さらに高い電子密度を達成でき得ることもわかる。 FIG. 7 is a graph showing the result of observing the electron concentration in a number of silicon carbide semiconductors formed by changing ts and fn. As shown in FIG. 7, the electron concentration is proportional to both ts and fn, and the value is in a range from 3 × 10 14 / cm 3 to 1.8 × 10 20 / cm 3 where a device can be formed. It turned out that high-precision control was possible. Further, it is also understood that a higher electron density can be achieved by extending ts to 10 seconds or more.
(実施例6)
次に、基板4(単結晶珪素基板)上に、pn接合を有する半導体装置を形成する例を実施例6として掲げる。この実施例は、上述の実施例3の方法における単位工程を1000回行って基板4上にn型半導体を形成し、次に、実施例4の方法における単位工程を1000回行うことによって、上記n型半導体の上にp型半導体を形成して、基板4上にpn接合された厚さ54μmの炭化珪素半導体を形成するものである。形成時間は5.6時間である。成膜条件は、単位工程の回数を除いてはそれぞれ実施例3、4と同じである。
(Example 6)
Next, an example of forming a semiconductor device having a pn junction on a substrate 4 (single-crystal silicon substrate) will be described as a sixth embodiment. In this embodiment, an n-type semiconductor is formed on the substrate 4 by performing the unit process in the method of the third embodiment 1,000 times, and then the unit process in the method of the fourth embodiment is performed 1,000 times. A p-type semiconductor is formed on the n-type semiconductor to form a pn junction silicon carbide semiconductor having a thickness of 54 μm on the substrate 4. The formation time is 5.6 hours. The film forming conditions are the same as those in Examples 3 and 4, except for the number of unit processes.
次に、基板4(単結晶珪素基板)をHFとHNO3の混合溶液を用いて除去し、炭化珪素半導体の上面側(pタイプ側)と下面側(nタイプ側)にNiの電極を蒸着する。次いで、上面、下面の電極に導線を接着し、直流電圧を印可しつつ、pn接合部の容量を測定した。印加電圧は−10Vから+10Vの直流であり、容量測定は1MHzの交流電圧(0.2V)を用いた。印加電圧に対する容量変化から、本方法にて形成されたpn接合部のビルトインポテンシャルは1.56Vであることが見出され、pn接合部の不純物濃度勾配が1.4×1024/cm4であることが算出された。次に、上部電極をマイナス側とし下部電極をプラス側とし炭化珪素半導体内のpn接合に電圧を印可したところ、3Vで降伏現象が観測された。 Next, substrate 4 (single crystal silicon substrate) is removed using a mixed solution of HF and HNO 3 , and Ni electrodes are deposited on the upper surface side (p type side) and the lower surface side (n type side) of the silicon carbide semiconductor. I do. Next, a conductive wire was adhered to the upper and lower electrodes, and the capacitance of the pn junction was measured while applying a DC voltage. The applied voltage was a direct current of -10 V to +10 V, and the capacity measurement used an AC voltage of 1 MHz (0.2 V). From the change in capacitance with respect to the applied voltage, it was found that the built-in potential of the pn junction formed by this method was 1.56 V, and the impurity concentration gradient of the pn junction was 1.4 × 10 24 / cm 4 . It was calculated that there is. Next, when a voltage was applied to the pn junction in the silicon carbide semiconductor with the upper electrode being on the negative side and the lower electrode being on the positive side, a breakdown phenomenon was observed at 3V.
(実施例7)
この実施例は、上述の実施例の方法で製造した炭化珪素を種結晶に用いて、昇華再結晶法によって炭化珪素を製造する例である。以下説明する。まず、上述の実施例5の方法を用い、形成される炭化珪素の抵抗率が0.001Ωcmになるようにfn又はtsの値を設定して口径6インチの珪素基板上に口径6インチの立方晶炭化珪素の第1の種結晶を形成する。同様にして、形成される炭化珪素の抵抗率が50Ωcmになるようにfn又はtsの値を設定して口径6インチの珪素基板上に口径6インチの立方晶炭化珪素の第2の種結晶を形成する。
(Example 7)
This embodiment is an example in which silicon carbide manufactured by the method of the above embodiment is used as a seed crystal to manufacture silicon carbide by a sublimation recrystallization method. This will be described below. First, the value of fn or ts is set so that the resistivity of silicon carbide to be formed is 0.001 Ωcm by using the method of the above-described fifth embodiment, and a cubic of 6 inches in diameter is formed on a silicon substrate having 6 inches in diameter. A first seed crystal of crystalline silicon carbide is formed. Similarly, the value of fn or ts is set so that the resistivity of the formed silicon carbide is 50 Ωcm, and the second seed crystal of cubic silicon carbide having a diameter of 6 inches is formed on a silicon substrate having a diameter of 6 inches. Form.
次に、上記種結晶たる炭化珪素が形成された基板を黒鉛製のるつぼに下向きに設置し、るつぼ下部にSiCパウダーを挿入し、パウダー温度を2400℃、基板温度を2000℃としてSiCパウダーを昇華させ、基板上にSiCを再結晶化させた。この場合、基板表面とパウダー上部との間隔を100mmとする。SiCの成長速度は0.5mm/hrである。 Next, the substrate on which the silicon carbide serving as the seed crystal was formed was placed downward in a graphite crucible, and SiC powder was inserted into the lower portion of the crucible. Then, SiC was recrystallized on the substrate. In this case, the distance between the substrate surface and the upper part of the powder is 100 mm. The growth rate of SiC is 0.5 mm / hr.
10mm成長後の表面を500℃の熔融KOHで10分エッチング処理し、表面のエッチピット密度を測定したところ、第1の種結晶(抵抗率が0.001Ωcm)を用いた場合には、10/cm2以下であるのに対し、第2の種結晶(抵抗率が50Ωcm)を用いた場合には、3500/cm2となった。すなわち、抵抗率を著しく低く押さえることにより、昇華再結晶化におけるパーティクル(主として原料の炭化珪素粉)の静電気による付着を抑えることができ、欠陥濃度が著しく低い、口径6インチ、厚さ10mmの高品位の立方晶炭化珪素インゴットが得られる。 The surface after the growth of 10 mm was etched with molten KOH at 500 ° C. for 10 minutes, and the etch pit density of the surface was measured. When the first seed crystal (resistivity 0.001 Ωcm) was used, 10 / cm 2 or less, whereas the value was 3500 / cm 2 when the second seed crystal (resistivity was 50 Ωcm) was used. That is, by keeping the resistivity extremely low, the adhesion of particles (mainly silicon carbide powder as a raw material) due to static electricity in sublimation recrystallization can be suppressed, and the defect concentration is extremely low, the diameter is 6 inches, and the thickness is 10 mm. A graded cubic silicon carbide ingot is obtained.
次に、比較のために、同様の条件下で、市販の6H−SiC(マイクロパイプ濃度100/cm2、口径2インチ、抵抗率40Ωcm)を基板にしてSiCを昇華再結晶化させたところ、表面のエッチピット密度は1000/cm2、パーティクル数は3000/cm2であった。
Next, for comparison, SiC was sublimated and recrystallized using a commercially available 6H—SiC (
以上のように、上記実施例によれば、とpn接合部において1024/cm4を超える急峻な不純物濃度勾配が形成できる。また、上述の実施例5に示したように、不純物濃度を1×1014〜1×1021/cm3の範囲で制御良く変化し得ることから、濃度勾配も1017/cm4から1024/cm4の範囲で制御可能であることは自明であり、半導体デバイスのpn接合部において3から10000Vの広い範囲で降伏電圧を制御可能であることが明らかである。 As described above, according to the above embodiment, a steep impurity concentration gradient exceeding 10 24 / cm 4 can be formed at the pn junction. Further, as shown in the above-described fifth embodiment, since the impurity concentration can be controlled and changed in the range of 1 × 10 14 to 1 × 10 21 / cm 3 , the concentration gradient also ranges from 10 17 / cm 4 to 10 24. / it in the range of cm 4 can be controlled is obvious, it is clear that the pn junction of the semiconductor device can control the breakdown voltage from 3 in a wide range of 10000 V.
以上、実施例に基づいて説明したように、本発明を用いると、広い範囲での不純物濃度制御および不純物濃度勾配制御が高精度で可能となり、半導体デバイスのビルトインポテンシャルや降伏電圧を高精度で制御することが可能となる。 また、本発明の効果は不純物としてN2,BCl3を用いた場合に限られたものではなく、珪素に対して拡散し得る不純物であれば、一切の制限なく、本発明の効果が発現する。 また、炭化珪素の原料としては、SiH2Cl2とC2H2を用いたが、その他基板上に珪素を析出させる原料と、この珪素を炭化させ得る炭素源を組み合わせることにより、本発明の効果が発現する。 As described above based on the embodiments, when the present invention is used, impurity concentration control and impurity concentration gradient control over a wide range can be performed with high accuracy, and the built-in potential and breakdown voltage of a semiconductor device can be controlled with high accuracy. It is possible to do. The effect of the present invention is not limited to the case where N 2 or BCl 3 is used as an impurity, and the effect of the present invention is exhibited without any limitation as long as the impurity can diffuse into silicon. . Although SiH 2 Cl 2 and C 2 H 2 were used as the raw materials for silicon carbide, the present invention can be implemented by combining other raw materials for depositing silicon on a substrate with a carbon source capable of carbonizing the silicon. The effect appears.
炭化珪素の成長温度としては1200℃を用いたが、これも珪素源の分解ならびに珪素層の炭化が起こり得る温度900℃以上であれば、本発明の効果が発現し得る。炭化珪素成長時のガス供給時間に関しても本発明の実施例に限られるものではなく、所望の炭化珪素膜厚を得るための必要なガス導入時間、ガス導入回数を選択することができる。炭化珪素の結晶相としても立方晶に限るものではなく、六方晶系や菱面体晶系の炭化珪素であっても、本発明の効果は何ら変わるものではない。 Although 1200 ° C. was used as the growth temperature of silicon carbide, the effect of the present invention can be exhibited if the temperature is 900 ° C. or more at which decomposition of the silicon source and carbonization of the silicon layer can occur. The gas supply time during the growth of silicon carbide is not limited to the embodiment of the present invention, and a gas introduction time and a gas introduction frequency necessary for obtaining a desired silicon carbide film thickness can be selected. The crystal phase of silicon carbide is not limited to cubic, and the effects of the present invention are not changed even if hexagonal or rhombohedral silicon carbide is used.
さらに、上述の実施例では、気相成長法による場合の例を掲げたが、本発明は、液相成長法にも適用できる。液相成長法による場合は、はじめに基板表面をSi融液に接触させ、基板表面にSi層を成長させた後、このSi層を不純物雰囲気に露出させ(例えば、不純物雰囲気の気相や不純物を含んだSi融液)、Si層中に不純物を拡散させ、次いで、不純物を含んだSi表面を炭化水素雰囲気に露出させる。これにより、液相成長法によっても、気相成長法と同様の効果をえることができる。また、上記実施例では、不純物濃度勾配を1.4×1024/cm4にした例を掲げたが、本発明の方法によれば、不純物濃度勾配を1×1018/cm4〜4×1024/cm4の範囲内で任意に選定することができることが確認されている。以下、本発明との比較のために、従来の製造方法の具体例を比較例として掲げる。 Further, in the above-described embodiment, an example of the case of the vapor phase growth method is given, but the present invention can be applied to the liquid phase growth method. In the case of the liquid phase growth method, first, the substrate surface is brought into contact with a Si melt to grow a Si layer on the substrate surface, and then the Si layer is exposed to an impurity atmosphere (for example, a gas phase or impurities in the impurity atmosphere are removed). Impurities) are diffused into the Si layer, and then the Si surface containing the impurities is exposed to a hydrocarbon atmosphere. Thus, the same effect as the vapor phase growth method can be obtained by the liquid phase growth method. Further, in the above embodiment, an example in which the impurity concentration gradient is set to 1.4 × 10 24 / cm 4 is given. However, according to the method of the present invention, the impurity concentration gradient is set to 1 × 10 18 / cm 4 to 4 ×. It has been confirmed that it can be arbitrarily selected within the range of 10 24 / cm 4 . Hereinafter, for comparison with the present invention, specific examples of the conventional manufacturing method will be listed as comparative examples.
(比較例1)
この比較例は、実施例1における単位工程が異なるほかは実施例1と同様の成膜条件で成膜を行うものである。すなわち、図8に示すように、実施例1における単位工程を繰り返す代わりに、H2ガス、SiH2Cl2ガス、N2ガス及びC2H2ガスを同時に連続して60分間供給することによって、炭化珪素形成と同時に不純物添加も行うようにしたものである。各ガスの供給量は、実施例1と同じである。
(Comparative Example 1)
In this comparative example, a film is formed under the same film forming conditions as in Example 1 except that the unit process in Example 1 is different. That is, as shown in FIG. 8, instead of repeating the unit process in Example 1, H 2 gas, SiH 2 Cl 2 gas, N 2 gas and C 2 H 2 gas are simultaneously supplied continuously for 60 minutes. In addition, impurities are added simultaneously with the formation of silicon carbide. The supply amount of each gas is the same as in the first embodiment.
これにより、77μmの立方晶炭化珪素半導体膜を基板4(単結晶珪素基板)上にを得た。珪素基板上に成長した炭化珪素中の不純物をSIMS(2次イオン質量分析法)により測定した結果、炭化珪素中のN濃度は3.2×1016/cm3で均一に分布していることが判明した。また、この炭化珪素中の室温における電子濃度をホール効果を用いて測定したところ、2.7×1016/cm3であることが分かった。また、この炭化珪素の抵抗率は0.42Ωcmであった。不純物濃度のばらつきは、面内、厚さ方向とも8.2%であった。 Thus, a 77 μm cubic silicon carbide semiconductor film was obtained on substrate 4 (single crystal silicon substrate). Impurities in the silicon carbide grown on the silicon substrate were measured by SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy). As a result, the N concentration in the silicon carbide was uniformly distributed at 3.2 × 10 16 / cm 3 . There was found. When the electron concentration in the silicon carbide at room temperature was measured using the Hall effect, it was found to be 2.7 × 10 16 / cm 3 . The resistivity of the silicon carbide was 0.42 Ωcm. The variation in the impurity concentration was 8.2% both in the plane and in the thickness direction.
この比較例1から、明らかなように、上述の実施例によれば、一旦基板上に珪素層を形成し、形成と同時に不純物を添加した後に、不純物を含んだ珪素層を炭化するようにしていることから、炭化珪素形成と同時に不純物を添加した場合に比べて、同量の不純物ガス導入量であっても不純物濃度は3桁以上高くなり、炭化珪素の抵抗率を著しく低減することが可能となる。 As is apparent from Comparative Example 1, according to the above-described embodiment, a silicon layer is formed on a substrate once, an impurity is added simultaneously with the formation, and then the silicon layer containing the impurity is carbonized. Therefore, as compared with the case where impurities are added simultaneously with the formation of silicon carbide, the impurity concentration is increased by three digits or more even with the same amount of impurity gas introduced, and the resistivity of silicon carbide can be significantly reduced. It becomes.
(比較例2)
この比較例は、上述の比較例1において、図9に示すように、N2ガスの供給の代わりにBCl3ガスを20sccm供給するようにしたほかは比較例1と同じである。これにより、珪素層に添加する不純物として、N(ドナー)の代わりに、B(アクセプター)を添加するようにした点を除く外は比較例1と同じであるので、詳細説明は省略する。
(Comparative Example 2)
This comparative example is the same as the comparative example 1 except that the BCl 3 gas was supplied at 20 sccm instead of the N 2 gas supply as shown in FIG. This is the same as Comparative Example 1 except that B (acceptor) is added instead of N (donor) as an impurity to be added to the silicon layer, and thus detailed description is omitted.
これにより、77μmの立方晶炭化珪素膜を珪素基板上に得た。珪素基板上に成長した炭化珪素中の不純物をSIMS(2次イオン質量分析法)により測定した結果、炭化珪素中のB濃度は2.2x1016/cm3で均一に分布していることが判明した。また、この炭化珪素中の室温における正孔濃度をホール効果を用いて測定したところ、7.5x1015/cm3であることが分かった。また、この炭化珪素の抵抗率は1.74Ω−cmであった。不純物濃度のばらつきは、面内、厚さ方向とも8.2%であった。 Thus, a 77 μm cubic silicon carbide film was obtained on the silicon substrate. Impurities in the silicon carbide grown on the silicon substrate were measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry), and it was found that the B concentration in the silicon carbide was uniformly distributed at 2.2 × 10 16 / cm 3. did. The hole concentration in the silicon carbide at room temperature was measured using the Hall effect and found to be 7.5 × 10 15 / cm 3 . The resistivity of this silicon carbide was 1.74 Ω-cm. The variation in the impurity concentration was 8.2% both in the plane and in the thickness direction.
この比較例2からも、明らかなように、上述の実施例によれば、一旦基板上に珪素層を形成し、形成と同時に不純物を添加した後に、不純物を含んだ珪素層を炭化するようにしていることから、炭化珪素形成と同時に不純物を添加した場合に比べて、同量の不純物ガス導入量であっても不純物濃度は3桁以上高くなり、炭化珪素の抵抗率を著しく低減することが可能となる。 As is apparent from Comparative Example 2, according to the above-described embodiment, a silicon layer is once formed on a substrate, an impurity is added simultaneously with the formation, and then the silicon layer containing the impurity is carbonized. Therefore, as compared with the case where impurities are added simultaneously with the formation of silicon carbide, the impurity concentration becomes three orders of magnitude or more even with the same amount of impurity gas introduced, and the resistivity of silicon carbide can be significantly reduced. It becomes possible.
(比較例3)
次に、図10を参照にしながら比較例3にかかる炭化珪素製造方法及び炭化珪素を説明する。この比較例の炭化珪素製造方法は、上述の比較例1の炭化珪素製造方法におけるN2ガスの供給量(fn)を変えて多数の炭化珪素半導体を成膜した外は比較例1と同じであるので、詳細説明は省略する。
(Comparative Example 3)
Next, a method for manufacturing silicon carbide and silicon carbide according to Comparative Example 3 will be described with reference to FIG. The method for producing silicon carbide of this comparative example is the same as that of comparative example 1 except that a large number of silicon carbide semiconductors were formed by changing the supply amount (fn) of N 2 gas in the method for producing silicon carbide of comparative example 1 described above. Therefore, detailed description is omitted.
図11はfnを変化させて成膜した多数の炭化珪素半導体中の電子濃度を観測した結果を示すグラフである。図11に示されるように、電子濃度はfnによって増加する傾向があるが、その関係は比例関係ではなく、fnの増加に伴い、電子濃度の増加傾向が鈍化する傾向にある。また、本比較例における電子濃度の可変範囲は1×1013/cm3から4×1016/cm3程度であり、上述の実施例の場合に比較して狭く、半導体デバイスの製造には不十分である。 FIG. 11 is a graph showing the result of observing the electron concentration in a number of silicon carbide semiconductors formed by changing fn. As shown in FIG. 11, the electron concentration tends to increase with fn, but the relationship is not proportional, and the tendency of the electron concentration to increase with fn tends to slow down. Further, the variable range of the electron concentration in the present comparative example is about 1 × 10 13 / cm 3 to 4 × 10 16 / cm 3, which is narrower than that in the above-described embodiment, and is not suitable for manufacturing a semiconductor device. It is enough.
(比較例4)
次に、基板4(単結晶珪素基板)上に、pn接合を有する半導体装置を形成する比較例を比較例4として掲げる。この比較例は、上述の比較例1の方法を30分行って基板4上にn型半導体を形成し、次に、比較例3の方法を30分行うことによって、上記n型半導体の上にp型半導体を形成して、基板4上にpn接合された厚さ77μmの炭化珪素半導体を形成するものである。成膜条件は、成膜時間を除いてはそれぞれ比較例1、2と同じである。
(Comparative Example 4)
Next, a comparative example in which a semiconductor device having a pn junction is formed on a substrate 4 (single-crystal silicon substrate) will be described as a comparative example 4. In this comparative example, the method of Comparative Example 1 is performed for 30 minutes to form an n-type semiconductor on the substrate 4, and then the method of Comparative Example 3 is performed for 30 minutes, so that the n-type semiconductor is formed on the substrate 4. A p-type semiconductor is formed to form a pn junction silicon carbide semiconductor having a thickness of 77 μm on the substrate 4. The film forming conditions are the same as those of Comparative Examples 1 and 2 except for the film forming time.
次に、基板4(単結晶珪素基板)をHFとHNO3の混合溶液を用いて除去し、炭化珪素半導体の上面側(pタイプ側)と下面側(nタイプ側)にNiの電極を蒸着する。次いで、上面、下面の電極に導線を接着し、直流電圧を印加しつつ、pn接合部の容量を測定した。印加電圧は−10Vから+10Vの直流であり、容量測定は1MHzの交流電圧(0.2V)を用いた。印加電圧に対する容量変化から、本方法にて形成されたpn接合部のビルトインポテンシャルは0.92Vであることが見出され、pn接合部の不純物濃度勾配が4.5x1018/cm4であることが算出された。次に、上部電極をマイナス側とし下部電極をプラス側とし炭化珪素内のpn接合に電圧を印加したところ、124Vで降伏現象が観測された。 Next, substrate 4 (single crystal silicon substrate) is removed using a mixed solution of HF and HNO 3 , and Ni electrodes are deposited on the upper surface side (p type side) and the lower surface side (n type side) of the silicon carbide semiconductor. I do. Next, a conductive wire was bonded to the upper and lower electrodes, and the capacitance of the pn junction was measured while applying a DC voltage. The applied voltage was a direct current of -10 V to +10 V, and the capacity measurement used an AC voltage of 1 MHz (0.2 V). From the change in capacitance with respect to the applied voltage, it was found that the built-in potential of the pn junction formed by this method was 0.92 V, and the impurity concentration gradient of the pn junction was 4.5 × 10 18 / cm 4. Was calculated. Next, when a voltage was applied to the pn junction in the silicon carbide with the upper electrode being on the negative side and the lower electrode being on the positive side, a breakdown phenomenon was observed at 124V.
以上詳述したように、本発明は、基体上に気相又は液相から薄膜を析出させて炭化珪素半導体を形成する炭化珪素製造方法において、基体上に珪素層を形成する珪素層形成工程と、前記珪素層にN,B,Al,Ga,In,P,As,Sb,Se,Zn,O,Au,V,Er,Ge,Feから選ばれる少なくとも1種類の元素を不純物として添加する不純物添加工程と、前記不純物が添加された珪素層を炭化して不純物が添加された炭化珪素層を形成する炭化工程とを有することを特徴とするもので、これにより、不純物源や不純物濃度に対する制限もしくは不純物添加範囲の深さ制限等を受けること無く、高い制御性のもとで不純物添加をおこないつつ、十分な生産性のもとで製造を可能とする炭化珪素製造方法、炭化珪素及び半導体装置を得ているものである。 As described in detail above, the present invention relates to a silicon carbide manufacturing method for forming a silicon carbide semiconductor by depositing a thin film from a gas phase or a liquid phase on a base, and a silicon layer forming step of forming a silicon layer on the base. An impurity in which at least one element selected from the group consisting of N, B, Al, Ga, In, P, As, Sb, Se, Zn, O, Au, V, Er, Ge, and Fe is added to the silicon layer; And a carbonization step of carbonizing the silicon layer to which the impurity is added to form a silicon carbide layer to which the impurity is added, thereby limiting an impurity source and an impurity concentration. Alternatively, a silicon carbide manufacturing method, a silicon carbide, and a semiconductor device capable of manufacturing with sufficient productivity while performing impurity addition with high controllability without being subject to the depth limitation of the impurity addition range, etc. It is what you are getting.
1…成膜室、2…ガス導入パイプ、3…プレート、4…基板、5…加熱手段、6…排気パイプ。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記基体上に珪素層を形成する珪素層形成工程と、
前記珪素層中にN,B,Al,Ga,In,P,As,Sb,Se,Zn,O,Au,
V,Er,Ge,Feから選ばれる少なくとも1種類の元素を不純物として添加させる不
純物添加工程と、
前記不純物が添加された珪素層を炭化して不純物が添加された炭化珪素層を形成する炭
化工程と、
を有することを特徴とする炭化珪素の製造方法。 In a silicon carbide manufacturing method of forming a silicon carbide by depositing a thin film from a gas phase on a substrate,
A silicon layer forming step of forming a silicon layer on the substrate,
N, B, Al, Ga, In, P, As, Sb, Se, Zn, O, Au,
An impurity adding step of adding at least one element selected from V, Er, Ge, and Fe as impurities;
A carbonization step of carbonizing the silicon layer to which the impurities are added to form a silicon carbide layer to which the impurities are added;
A method for producing silicon carbide, comprising:
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