JP4152130B2 - Epitaxial film manufacturing method and epitaxial film-coated substrate manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素基板に、エピタキシャル膜の成膜に適した平坦な表面を形成する技術に関するものである。また、本発明は、電子素子に適した酸化膜被覆炭化珪素基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
炭化珪素(SiC)は、光デバイスや電子デバイス用の基板として大いに注目されている。光デバイスの分野では、GaNなどの窒化物をサファイア(Al2O3)や炭化珪素基板上に製膜する際に利用されている。
【0003】
しかし、特開平10−270368号公報に記載されているように、サファイア基板を用いた場合、サファイア基板は電気的に絶縁性が高いため、基板上に導電性の層を形成し、この導電性層を介して電流を供給しなければならない。また、サファイアとGaNとはへき開面がことなるため、レーザーとして使用したとき、良好なキャビティーが得られない。そこで、サファイア基板にかわり、導電性のある炭化珪素基板を利用する試みが出てきている。炭化珪素は導電性があるため、基板に直接電極を形成することができるという利点がある。
【0004】
電子デバイスの分野では、長くシリコン(Si)が使用されてきたが、使用温度が125 ℃以下という限界があり、デバイス動作時の発熱による電力損失も、デバイスの設計上おおきな課題となっている。携帯電話の通信基地や衛生放送の通信分野、ETCシステムや自動車衝突防止機能システムの開発が進む交通・輸送分野で利用されるトランジスタなどの電子デバイスでは、利用可能温度が高いだけでなく、高耐圧であり、オン抵抗が小さく、また高周波での動作特性がよい材料が要望されている。
【0005】
こうした技術動向を支える材料として、ワイドバンドギャップ半導体がある。ワイドバンドギャップ半導体としては、GaN、AlNをはじめとした窒化物や炭化珪素、ダイヤモンドがある。結晶成長制御の困難さから、GaNやAlNの窒化物の自立した高品質な基板を得ることは難しいのが現状である。一方、SiCの基板は、Si基板上にCVD により製膜する方法の他に、昇華法をもちいたインゴット成長が可能である。このインゴット成長した炭化珪素からウエハを切りだし、そのウエハを鏡面研磨して基板として利用することができる。
【0006】
GaNやAlNは単独で結晶成長させることは困難であるが、上述の炭化珪素基板上に製膜することは、CVD やMBE などの製膜法を用いることにより可能である。良質なGaN膜やAlN膜を製膜するには、炭化珪素基板表面はできるだけ平滑であることが望ましい。
【0007】
炭化珪素インゴットから切り出された炭化珪素ウエハ表面に機械的な研磨を行い、平滑化する必要がある。研磨という平滑化プロセスは、研磨剤を用い、研磨が進行するにつれて、荒い研磨砥粒から微細な砥粒へと変えていくことで、より平滑な面を得る方法である。しかし、研磨砥粒は炭化珪素と同等かそれ以上硬いことが必要である。このため、炭化珪素基板には、研磨によるダメージ層やスクラッチと呼ばれる研磨傷が全面に発生する。図2に原子間力顕微鏡(AFM)により観察した研磨後の炭化珪素表面を示す。
【0008】
最終的なデバイス性能の多くは、炭化珪素基板上に成長させたエピタキシャル膜の膜質に左右される。このエピタキシャル膜の膜質は、下地である炭化珪素基板の影響を受ける。従って、高品質のエピタキシャル膜を得るためには、エピタキシャル膜の成膜前に、炭化珪素基板表面のダメージ層やスクラッチを除去し、原子レベルで平坦かつ清浄な表面を得ることが必要となる。
【0009】
炭化珪素基板の表面にある研磨傷を除去し、平坦な表面を得るために、CVD 装置内において1300℃以上、1850℃以下の温度範囲で水素ガス、塩化水素ガスを用いることが知られている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法では水素を用いるため、作業中に爆発の危険性がある。また、塩化水素は毒性気体であり、かつ腐食性があり、装置内部を腐食させる可能性がある。また、塩化水素ガスの排気には特別な装置を要する。CVD ではガス圧が0.1 〜760Torr と高く、このような装置ではガスは粘性流となり、大口径のウエハや数量を増やしたとき、ウエハの個所や試料毎にエッチング速度にむらが出る可能性がある。
【0011】
例えば、特開2001−77030号公報「炭化珪素半導体装置の製造方法」(三洋電機・日立・東芝・産業技術総合研究所)では反応炉中で1600℃から1850℃の温度で加熱し、水素を8L/min 流して表面処理をしている。このときの圧力は2 Torrより大きく100Torr以下が良いとしている。しかし、このような圧力下で多数の炭化珪素ウエハを同時に処理しようとしたとき、ガス流の粘性により、均等にエッチングされない可能性がある。また、大量の水素ガスをもちいているため、その処理方法においても十分な処理装置が必要となる。
【0012】
また、(S.Nakamura, T. Kimoto, H. Matsunami, S. Tanaka, N. Teraguchi and A. Suzuki :「 Appl.Phys.Lett.」76(2000) No.23,3412)では、1300℃の温度において水素1SLM (Standard Litter per Minute; 流量単位)に対して、塩化水素ガスを3sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute; 流量単位)流して、表面処理を実施していた。(Z.Y.Xie, C.H.Wei, L.Y.Li, Q.M.Yu and J.H.Edgar: 「J.Cryst.Growth」217 (2000)115 )では、1400〜1500℃の温度領域において水素中で1%の塩化水素ガスを流して表面処理を実施した。このような温度域において塩化水素ガスを用いると、反応炉の炉壁まで侵食されてしまう恐れがある。
【0013】
また、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)は、パーソナルコンピューターや携帯電話などの情報機器に組み込まれている高速MPU(マイクロプロセッサー)や高密度メモリーなどの超高集積回路(ULSI)のキーとなる構成要素である。MOSFETの材料としては、Siを用いることが圧倒的に多かった。「固体物理」2002年2月号第61頁「シリコン熱酸化の新しい描像」(影島他)によると、シリコン酸化膜はバンドギャップ8eV程度の絶縁膜であり、SiとSi酸化膜とのバンドオフセット(Siと酸化膜とのバンドギャップのずれ)は約3〜4eVと大変大きい。Si中のキャリアに対しては、高電圧が印加され、Siと酸化膜との界面近傍をキャリアが高速で移動する。このため、Si酸化膜は、MOSFETのゲート酸化膜として使用されている。
【0014】
SiがMOSFETの材料として使用される理由は以下のとおりである。Siは600〜1200℃で容易に酸化でき、生成した酸化膜は均等な厚さを持っていて、Siと酸化膜との界面はきわめて平坦となる。また、酸化膜や、酸化膜とSi基板との界面において、電荷捕獲準位密度が小さいために、キャリア移動度を高速化できるためである。酸化膜を形成した後に水素雰囲気中でアニールすると、さらに電荷捕獲準位密度は減少するとされている。電荷捕獲準位密度とは、キャリアをトラップする作用を示す指標である。電荷捕獲準位密度が高いと、キャリア移動度が低下し、デバイスの性能が悪くなる。
【0015】
しかし、最近では、Si材料の理論的限界を超えるような性能を有するデバイスが待望されている。こうした材料の候補として、ワイドギャップ半導体であるSiCがある。SiC基板上に良質の酸化膜を形成できれば、Siに変わるパワーエレクトロニクスデバイスとなるものと考えられる。
【0016】
炭化珪素基板上に酸化膜を形成する技術としては、以下のものがあげられる。
Ryoji Kosugi et al. 「J. Appl. Phys., 」 91 (2002) 1314 頁
S. Chakraborty et al. 「Solid-State Electronics 」45 (2001) 471 頁
特開平9−199497号公報
【0017】
しかし、これらの方法では、炭化珪素基板表面の研磨傷が残留したままの状態で酸化膜を形成している。この結果、酸化膜を形成しても、酸化膜と炭化珪素基板との界面には、研磨傷に由来する凹凸が残り、電荷捕獲準位密度が形成され、デバイスとしての性能が劣化してしまう。
【0018】
例えば、Kosugiらの方法では、炭化珪素基板をRCA洗浄後、1200℃で30分間、乾燥および酸化させ、厚さ10nmの酸化膜を形成し、フッ酸により酸化膜を除去し、次いで400℃でシランガスと酸素とを使用して化学的気相成長法により酸化膜を形成している。この酸化膜を1000〜1200℃でアニール処理する。この報告によれば、1100℃以上の温度でのアニール処理により、界面準位密度(Dit:interface state density)が低減されている。これは、SiO2中で緩和(softening)が生じているために、Ditが低減したものであると報告されている。しかし、1200℃程度の温度でのアニールでは、炭化珪素基板にもともと存在していた研磨傷は消失しておらず、酸化膜と炭化珪素との界面の構造に起因する電荷捕獲準位が存在するはずである。
【0019】
S. Chakrabortyらの報告では、炭化珪素基板をRCA洗浄後、60秒間1%フッ酸中に浸漬し、1100℃で210分間、酸素雰囲気中で酸化し、窒素中やN2O中でアニール処理をしている。この酸化膜作製方法によっても、やはり、酸化膜と炭化珪素基板との界面に、基板の研磨傷に由来する電荷捕獲準位が生ずる。
【0020】
特開平9−199497号公報では、熱酸化膜を水素雰囲気中やアルゴン雰囲気中でアニールすることによって、熱酸化膜の特性を改善しようと試みている。しかし、酸化膜と炭化珪素基板との界面の構造を改善してはいない。
【0021】
本発明の課題は、水素ガスや塩化水素ガスを使用することなく、炭化珪素基板表面の研磨傷等の微細な凹凸を低減し、きわめて平坦度の良好な表面を形成することである。
【0022】
また、本発明の課題は、炭化珪素基板に酸化膜を設けるのに際して、炭化珪素基板と酸化膜との界面における微細な凹凸を低減し、電子素子に適した酸化膜被覆基板を提供することである。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平坦な表面を有する炭化珪素基板を製造する方法に係るものである。
【0024】
本発明では、炭化珪素からなる基材を10 −2 Torr以下の雰囲気圧力下もしくは10 −2 Torrから7600Torrの不活性ガス雰囲気中において1200℃以上、2200℃以下の温度で加熱処理し、前記基材の表面に炭素層を生成させる(炭素層生成工程)。
【0025】
そして、炭素層を酸化することによって除去し、炭化珪素基板の炭素層を除去した後の表面をエッチング処理することによって、平坦な表面を有する炭化珪素基板を得る(エッチング工程)。この表面にワイドバンドギャップ半導体からなるエピタキシャル膜を成膜する(成膜工程)。
【0026】
この方法によってエピタキシャル膜を得ることができる。
【0027】
また、本発明は、炭化珪素からなる基材を10−2Torr以下の雰囲気圧力下もしくは10−2Torrから7600Torrの不活性ガス雰囲気中において1200℃以上、2200℃以下の温度で加熱処理し、基材の表面に炭素層を生成させる炭素層生成工程、
前記炭素層を酸化することによって除去する炭素層除去工程、
次いで前記炭化珪素基板の前記炭素層を除去した後の表面をエッチング処理することによって、平坦な表面を有する炭化珪素基板を得るエッチング工程、および
前記表面にワイドバンドギャップ半導体からなるエピタキシャル膜を成膜する成膜工程を有することを特徴とする、エピタキシャル膜被覆基板の製造方法に係るものである。
【0028】
この方法によってエピタキシャル膜被覆基板が得られる。
【0029】
上述の方法によれば、炭化珪素基板表面の研磨傷をほぼ消去し、原子オーダーで平坦な表面を形成することができる。しかも、この処理プロセスにおいて水素や塩化水素を必要としない点で画期的である。
【0030】
また、炭化珪素基板と、この炭化珪素基板上に設けられた酸化膜とを備えている酸化膜被覆基板を製造するには、
炭化珪素からなる基材を10−2Torr以下の雰囲気圧力下もしくは10−2Torrから7600Torrの不活性ガス雰囲気中において1200℃以上、2200℃以下の温度で加熱処理し、基材の表面に炭素層を生成させる、 炭素層を酸化することによって酸化膜を生成させる。
【0031】
この方法によって、酸化膜被覆基板が得られる。
【0032】
この方法によれば、炭化珪素基板に酸化膜を設けるのに際して、炭化珪素基板と酸化膜との界面における微細な凹凸を低減し、電子素子に適した酸化膜被覆基板を提供できる。
【0033】
この方法によって、 炭化珪素基板の表面を原子間力顕微鏡によって測定したときの高低差を5nm以下とできる。
【0034】
このように、炭化珪素基板と酸化膜との界面における微細な凹凸が低減された酸化膜被覆基板は、電子素子として好適である。特に、酸化膜と基板との界面に沿った電荷捕獲準位が低減されるので、高性能の電子素子を提供可能である。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に詳細に説明する。図1は、本発明のプロセスを説明するための模式図である。
【0036】
図1(a)に示すように、炭化珪素からなる基材1Aを準備する。基材1の表面2は研磨面である。ここで、炭化珪素の結晶系は、6H、3C、4H系であってよい。また、炭化珪素の密度は、ほぼ理論密度であることが好ましい。この時点での基材1の表面2には、典型的には研磨傷が多数ついている。
【0037】
表面2の結晶面は特に限定されず、Si(0001)面であってよく、C(000−1)面であってよい。また、以下の結晶面であってよい。
(11-20) 面,(1-102)面
【0038】
炭化珪素からなる基材1を10−2Torr以下の雰囲気圧力下もしくは10−2Torrから7600Torrの不活性ガス雰囲気中において、1200℃以上、2200℃以下の温度で加熱処理し、図1(b)に示すように基材1の表面に炭素層4を生成させる(炭素層生成工程)。次いで、炭素層4を除去すると(炭素層除去工程)、図1(d)に示すような炭化珪素基板7が得られる。この基板7の表面8は、原子オーダーで平坦な表面を有する。
【0039】
炭素層生成工程においては、基材1を10−2Torr以下の雰囲気圧力下もしくは10−2Torrから7600Torrの不活性ガス雰囲気中において、1200℃以上、2200℃以下の温度で加熱処理することによって、Si成分が真空中に昇華され、基板表面からなくなり、カーボン層が残留する。この炭素の形態は特に限定されず、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンであってよい。この工程については、(M. Kusunoki et. al.「Applied physics letters 」Vol. 71, Number 18, 3November 1997, pages 2620 to 2622) において初めて報告された。
【0040】
炭素層生成工程においては、加熱温度は、炭素層の生成を促進するという観点からは、1200℃以上であることが更に好ましい。
【0041】
炭素層生成工程は、10−2Torr以下の雰囲気圧力下で行うことができ、または、10−2Torrから7600Torrの不活性ガス雰囲気中で行うことができる。
【0042】
炭素層生成工程を10−2Torr以下の雰囲気圧力下で行う利点は、基材表面からのSiの消失を促進し、炭素層の生成速度を高くできることである。雰囲気圧力の下限は特にないが、実用的な観点からは、10−10Torr以上であることが好ましい。
【0043】
一方、炭素層形成速度があまりにも早過ぎると、炭化珪素表面原子の再配列が追随できないため、表面に凹凸が残ってしまうことがある。そこで、不活性ガス雰囲気中で基板表面を加熱分解させることで、Siの消失を抑え、炭素層形成速度を低減させることにより、炭化珪素表面の原子が平坦になるように再配列させることができる。そのときの圧力としては10−2Torrから7600Torrが適当である。面方位、不純物、処理前の表面粗さ、研磨傷の量に応じて、圧力を変えればよい。不活性ガスとしては窒素、アルゴンガスがよい。
【0044】
炭素層4の厚さは特に限定されない。基材の表面平滑化を促進するという観点からは、炭素層4の厚さは10nm以上であることが好ましい。また、炭素層4の厚さの上限は特にないが、ある程度以上厚くすることは困難であり、実用的には200nm以下であってよい。
【0045】
次いで、炭素層4を除去することにより、平坦な表面8が得られる。この除去方法は特に限定されない。しかし、好適な実施形態においては、炭素層4を熱酸化し、COあるいはCO2として基材表面から除去する。
【0046】
炭素層4の熱酸化は、酸素含有雰囲気下で加熱することで実施する。この際の温度は1300℃以下とすることが好ましく、これによって炭素層4が除去される。
【0047】
また、加熱温度は、炭素層の熱酸化による炭素の消失を促進するという観点からは、600 ℃以上とすることが好ましく、1100℃以上とすることが更に好ましい。
【0048】
酸素含有雰囲気の種類は特に限定されず、大気や純酸素であってよい。また、酸素と不活性ガスとの任意の混合物であってよい。この不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素を例示できる。
【0049】
炭素層4を熱酸化すると、基材1の表面には、図1(c)に示すように薄い酸化膜6が生成することが通常である。酸化膜6の形成速度は熱酸化処理時間や基板の面方位により異なる。例えばSi面では、1100℃で12時間の熱酸化により最大300nm の酸化膜が形成されうる。またC 面ではSi面より酸化速度が早く、同条件で最大500nm まで酸化される。熱酸化前にあるカーボン層の厚さにより、炭化珪素基板の酸化膜厚は変り得る。
【0050】
このようにして、炭化珪素基板1と、基板1の表面に形成された酸化膜6とを備えた酸化膜被覆基板9が得られる。この酸化膜被覆基板9を利用し、後述するように電子素子を構成できる。
【0051】
酸化膜6は、主として珪素原子と酸素原子とからなっており、珪素の酸化物からなるものと考えられる。しかし、炭化珪素中の炭素が酸化膜中に若干混入している可能性がある。また、酸化膜6の厚さは薄いほど、コンデンサとしての容量が高くなるので、絶縁性が維持できる範囲で薄い方がよい。絶縁性を考慮すると、1nm以上であることが好ましい。製造上の観点では500nm以下になると思われる。
【0052】
あるいは、酸化膜6をエッチングすることによって、平滑な表面8を露出させることができる。このエッチャントは限定されないが、フッ酸、フッ化アンモニウム水溶液、フッ化カリウム水溶液が好ましく、フッ酸が特に好ましい。
【0053】
得られた表面8の粗さは限定されない。しかし、原子間力顕微鏡(AFM)で計測したときに5nm以下であることが好ましく、3nm以下であることが更に好ましい。
具体的には、基板表面8を原子間力顕微鏡で観測して表面8のプロファイルを得る。そして、顕微鏡に付属の目盛りを使用し、2000nmのスキャン範囲における高低差を測定する。この高低差が表面8の粗さにあたる。
【0054】
また、基板表面8の結晶面によっては、特に表面8の結晶面がSi面である場合には、表面8の原子間力顕微鏡によるプロファイルには、テラスと、テラス間の段差(ステップ)とが観測されることがある。この場合には、隣接するテラス間の段差の大きさ(ステップ高さ)は、5nm以下とすることが好ましく、3nm以下とすることがさらに好ましい。
【0055】
本発明の方法によって得られた炭化珪素基板の表面には、原子間力顕微鏡で観測したときに特に規則的な凹凸は見いだされなかった。また、基板表面8の結晶面によっては、幅200〜300nm程度のテラスが観測されたが、このテラスにも特に周期は見いだされなかった。このように凹凸に周期が見いだされないことは、上のエピタキシャル膜との格子ミスマッチを緩和するという観点からは好ましいと考えられる。
【0056】
本発明の炭化珪素基板の用途は特に限定されず、平滑な表面を要する各種部材として利用できる。好適な実施形態においては、炭化珪素基板の表面にエピタキシャル膜を成膜できる。エピタキシャル膜の材質は、導電体、半導体、絶縁体のいずれであってもよい。特に好適な実施形態においては、炭化珪素基板の表面に半導体膜をエピタキシャル成長させる。
【0057】
このような半導体の種類は限定されないが、ワイドバンドギャップ半導体であることが好ましく、特に窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウムと窒化ガリウムの混成化合物(AlxGa1−xN), 酸化亜鉛が好ましい。また,成膜方法としては、化学的気相成長法、分子線エピタキシャル法、有機金属化学的気相成長法、蒸着法、スパッタリング法を例示できる。
【0058】
また、本発明の酸化膜被覆基板9の用途は限定されない。しかし、酸化膜を絶縁膜として使用する電子素子が好ましい。このような電子素子としては、酸化膜を絶縁膜として利用する絶縁素子や、酸化膜をゲート電極に利用するトランジスタを例示できる。
【0059】
例えば、図8の模式図に示すように、MOSFET10の素材として本発明の酸化膜被覆基板を使用できる。本例のMOSFET10は、炭化珪素基板11と、基板11の表面に形成されたソース電極12と、ドレイン電極13とを備えている。そして、基板11の表面11aの一部に本発明の酸化膜15が形成されており、酸化膜15にゲート電極14が設けられている。酸化膜15は絶縁膜として作用し、ソース12からドレイン13へと向かって、矢印Aのようにキャリアが移動する。ここで、本発明の酸化膜被覆基板においては、基板11と酸化膜15との界面17で、研磨傷に起因する微細な凹凸が少なく、このためにキャリアの移動に対する電荷捕獲準位が低減される。
【0060】
【実施例】
[実施例1]
10−2Torr以下まで真空引き可能な炉内に炭化珪素基材1を収容した。この基材1は6H−SiC(0001)基板であり、そのSi面2を処理した。原子間力顕微鏡により表面2の粗さを観察すると、高密度かつ微細な研磨傷がみられた。図2にこの図像を示す。研磨傷の深さは10〜50nmであった。また、基材1の表面2について、[11-20] 方向から、反射高速電子線回折(RHEED)写真を撮影した。この結果を図5に示す。3本の回折ロッドは、左から順番に、(0-1),(00),(01) に該当する。
【0061】
(炭素層生成工程)
炉内を500 ℃/hで昇温し、1700℃で4時間加熱した。加熱中はロータリーポンプと油拡散ポンプにて真空引きをした。これによって炭素層4を生成させた。本例の炭素層4は主としてグラファイトからなる。炭素層4について、上記と同様にして反射高速電子線回折(RHEED)写真を撮影した。この結果を図6に示す。図6においては、図5に比べて、各回折ロッドが細くなっており、原子レベルで平坦なテラス領域が大きくなっていることがわかる。また、回折ロッド間の間隔が図5に比べて変化しているのは、表面に炭素層が新たに生成したためである。炭化珪素の格子定数は3.07オングストロームであり、グラファイトの格子定数は2.46オングストロームである。グラファイトの格子定数が炭化珪素よりも小さいため、逆格子空間を表す回折パターン上ではグラファイトの回折ロッド間隔のほうが大きくなる。
【0062】
(炭素層の除去工程)
その後、試料を管状炉にて1150℃で10時間保持し、飽和水蒸気を含んだ酸素ガスを毎分100cc流しながら熱酸化させることによって、図1(c)に示す熱酸化膜6を生成させた。この酸化膜6は、主として珪素原子と酸素原子とからなっていた。また酸化膜の厚さは約25nmであった。
【0063】
次いで、試料を5%フッ酸水溶液中に室温で10分間浸漬させた。こうして処理を終えた基板の表面8を、再び原子間力顕微鏡で観察した。この結果を図3の左上の写真に示す。[11−20] 方向に幅200〜300nmのテラスができ、またステップ高は1.5nmであった。図3の右欄には、写真の線に沿ってみたときの凹凸の形態を示している。
【0064】
また、基板の表面8について、上記と同様にして反射高速電子線回折(RHEED)写真を撮影した。この結果を図7に示す。図7においては、図5に比べて、各回折ロッドが細くなっており、表面の凹凸が原子レベルに縮小していることがわかる。また、回折ロッド間の間隔は図5と同様であり、炭化珪素が露出していることがわかる。
【0065】
[実施例2]
760Torrの窒素雰囲気内において実施例1と同様の炉内に炭化珪素基材を収容した。この基材は6H−SiC(0001)基板であるが、そのC面を処理した。
【0066】
(炭素層生成工程)
1900℃で4時間熱処理をした。加熱中において真空ポンプは使用していない。この熱処理により、表面に炭素層を形成した。断面を電子顕微鏡観察したところ、炭素層は主にグラファイトで形成されていた。炭素層の膜厚は約100nmであった。一方、比較のためにC面基板を真空中で1900℃4時間加熱処理したところ、カーボンナノチューブが約350nmの厚さで形成されていた。窒素雰囲気中で加熱することにより、炭素層形成速度を抑制することができた。
【0067】
(炭素層の除去工程)
加熱処理した基板を、管状炉にて1150℃で3時間、飽和水蒸気を含んだ酸素ガスを毎分100cc流しながら熱酸化した。この酸化膜は主として珪素原子と酸素原子とからなっていた。また、酸化膜の膜厚は約40nmであった。
【0068】
次に試料を5%フッ酸水溶液中に室温で10分間浸漬させた。こうして処理を終えた基板の表面を原子間力顕微鏡で観察した。この結果を図9に示す。表面にSi面で見られたようなステップは観察されなかった。しかし、表面プロファイルの高低差は2000nmのスキャン範囲において2nm以内であった。
【0069】
[実施例3]
実施例1で製造した炭化珪素基板の表面8に、分子線エピタキシャル法(MBE)によりAlNを約0.2μm成膜した。AlN表面の凹凸は3nm以下であった。図4の左側にAlN膜の原子間力顕微鏡像を示す。また、図4の右側に、原子間力顕微鏡像の点線部分の断面粗さ曲線を示す。
【0070】
基板である6H−SiCは六方晶系の結晶をもち、その格子定数はa=3.07オングストローム、c=15.1オングストロームである。一方、AlNは六方晶ウルツ鉱型の結晶系をもち、その格子定数はa=3.11オングストローム、c=4.98オングストロームである。a 軸における格子不整合は1.3%である。炭化珪素基板の表面を平滑にすることにより、良好なAlNエピタキシャル膜が生成可能であった。
【0071】
また、窒化アルミニウム膜の代わりに、窒化ガリウム膜を成膜し、上記と同様の結果を得た。
【0072】
[実施例4]
10−2Torr以下まで真空引き可能な炉内に炭化珪素基材1を収容した。この基材1は6H−SiC(0001)基板であり、そのSi面2を処理した。この基板は実施例1と同じものである。
【0073】
(炭素層生成工程)
炉内を500 ℃/hで昇温し、1700℃で4時間加熱した。加熱中はロータリーポンプと油拡散ポンプにて真空引きをした。これによって炭素層4を生成させた。本例の炭素層4は主としてグラファイトからなる。炭素層4について、上記と同様にして反射高速電子線回折(RHEED)写真を撮影した結果、実施例1と同様の結果が得られた。
【0074】
(熱酸化膜の生成工程)
その後、試料を管状炉にて1150℃で12時間保持し、飽和水蒸気を含んだ酸素ガスを毎分100cc流しながら熱酸化させた。この結果、主としてSi原子と酸素原子とからなる酸化膜が得られた。酸化膜の厚さは約30nmであった。
【0075】
(熱酸化膜の除去工程)
実施例1と同様にして熱酸化膜をエッチングによって除去した。得られた試料について、実施例1と同様の測定を行った結果、実施例1と同様の結果が得られた。特に、[11−20] 方向に幅200〜300nmのテラスができ、またステップ高は0.7〜2.3nmであった。先に記したように、炭化珪素のc軸方向の格子定数は15.1オングストローム(1.51nm)であり、このステップ高さは、炭化珪素の単位格子の半分から1.5倍の高さに相当するものと考えられる。
【0076】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、水素ガスや塩化水素ガスを使用することなく、炭化珪素基板表面の研磨傷等の微細な凹凸を低減し、きわめて平坦度の良好な表面を形成することができる。
【0077】
また、本発明によれば、炭化珪素基板に酸化膜を設けるのに際して、炭化珪素基板と酸化膜との界面における微細な凹凸を低減し、電子素子に適した酸化膜被覆基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)、(b)、(c)、(d)は、本発明による炭化珪素基板の表面処理プロセスの説明図である。
【図2】処理前の基材1の表面2の原子間力顕微鏡写真を示す。
【図3】炭化珪素基板の表面8の原子間力顕微鏡写真、および断面粗さ曲線を示す。
【図4】炭化珪素基板の表面8上に成膜されたエピタキシャル膜の原子間力顕微鏡写真、および断面粗さ曲線を示す。
【図5】処理前の基材1の表面2について、反射高速電子線回折(RHEED)写真を示す。
【図6】炭素層4について、反射高速電子線回折(RHEED)写真を示す。
【図7】基板の表面8について、反射高速電子線回折(RHEED)写真を示す。
【図8】本発明の酸化膜被覆基板10を利用したMOSFET10を示す模式図である。
【図9】炭化珪素基板の表面8の原子間力顕微鏡写真、および断面粗さ曲線を示す。
【符号の説明】
1 処理前の炭化珪素からなる基材 2 基材1の表面
4 炭素層 6、15 酸化膜 7、11 炭化珪素基板
8、11a 炭化珪素基板7の表面 9 酸化膜被覆基板
10 MOSFET 17 酸化膜と炭化珪素基板との界面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for forming a flat surface suitable for forming an epitaxial film on a silicon carbide substrate. The present invention also relates to an oxide film-coated silicon carbide substrate suitable for an electronic device.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide (SiC) has received much attention as a substrate for optical devices and electronic devices. In the field of optical devices, nitrides such as GaN are made of sapphire (Al2O3) And film formation on a silicon carbide substrate.
[0003]
However, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-270368, when a sapphire substrate is used, the sapphire substrate is electrically insulative, and thus a conductive layer is formed on the substrate. Current must be supplied through the layers. Further, since sapphire and GaN have different cleavage planes, a good cavity cannot be obtained when used as a laser. Therefore, attempts have been made to use conductive silicon carbide substrates instead of sapphire substrates. Since silicon carbide has conductivity, there is an advantage that an electrode can be directly formed on a substrate.
[0004]
In the field of electronic devices, silicon (Si) has been used for a long time. However, the operating temperature is limited to 125 ° C. or less, and power loss due to heat generation during device operation has become a major issue in device design. Electronic devices such as transistors used in mobile phone communication bases, satellite broadcasting communication fields, and traffic and transportation fields where ETC systems and automobile collision prevention function systems are being developed are not only high in temperature but also high withstand voltage. Therefore, there is a demand for a material with low on-resistance and good operating characteristics at high frequencies.
[0005]
Wide bandgap semiconductors are materials that support these technological trends. Wide band gap semiconductors include nitrides such as GaN and AlN, silicon carbide, and diamond. Due to the difficulty in controlling crystal growth, it is difficult to obtain a self-supporting high-quality substrate of GaN or AlN nitride. On the other hand, in addition to the method of depositing a SiC substrate on a Si substrate by CVD, ingot growth using a sublimation method is possible. A wafer is cut out from the ingot-grown silicon carbide, and the wafer can be mirror-polished to be used as a substrate.
[0006]
Although it is difficult to crystallize GaN and AlN alone, it is possible to form a film on the above-described silicon carbide substrate by using a film forming method such as CVD or MBE. In order to form a high-quality GaN film or AlN film, the surface of the silicon carbide substrate is desirably as smooth as possible.
[0007]
It is necessary to mechanically polish and smooth the surface of the silicon carbide wafer cut out from the silicon carbide ingot. The smoothing process called polishing is a method of obtaining a smoother surface by using a polishing agent and changing from rough abrasive grains to fine abrasive grains as polishing progresses. However, the abrasive grains must be harder than silicon carbide or higher. For this reason, a damage layer caused by polishing or polishing scratches called scratches are generated on the entire surface of the silicon carbide substrate. FIG. 2 shows the polished silicon carbide surface observed with an atomic force microscope (AFM).
[0008]
Much of the final device performance depends on the quality of the epitaxial film grown on the silicon carbide substrate. The film quality of the epitaxial film is affected by the silicon carbide substrate as the base. Therefore, in order to obtain a high-quality epitaxial film, it is necessary to remove a damaged layer or scratch on the surface of the silicon carbide substrate to form a flat and clean surface at the atomic level before the epitaxial film is formed.
[0009]
It is known to use hydrogen gas or hydrogen chloride gas in a temperature range of 1300 ° C or higher and 1850 ° C or lower in a CVD apparatus in order to remove polishing scratches on the surface of the silicon carbide substrate and obtain a flat surface. .
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, since this method uses hydrogen, there is a risk of explosion during operation. In addition, hydrogen chloride is a toxic gas and corrosive, and may corrode the inside of the apparatus. Also, a special device is required for exhausting hydrogen chloride gas. In CVD, the gas pressure is as high as 0.1 to 760 Torr. In such an apparatus, the gas becomes a viscous flow, and when the diameter of a large-diameter wafer or the number of wafers is increased, the etching rate may vary depending on the location or sample of the wafer. .
[0011]
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-77030, “Silicon Carbide Semiconductor Device Manufacturing Method” (Sanyo Electric, Hitachi, Toshiba, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) Surface treatment is performed by flowing 8L / min. The pressure at this time is preferably larger than 2 Torr and not more than 100 Torr. However, when a large number of silicon carbide wafers are to be processed simultaneously under such pressure, there is a possibility that the etching will not be performed uniformly due to the viscosity of the gas flow. In addition, since a large amount of hydrogen gas is used, a sufficient processing apparatus is required for the processing method.
[0012]
In (S. Nakamura, T. Kimoto, H. Matsunami, S. Tanaka, N. Teraguchi and A. Suzuki: “Appl. Phys. Lett.” 76 (2000) No. 23, 3412), 1300 ° C. Surface treatment was carried out by flowing hydrogen chloride gas at 3 sccm (Standard Cubic Centimeter per Minute; flow rate unit) with respect to 1 SLM (Standard Litter per Minute; flow rate unit) of hydrogen at a temperature. (ZYXie, CHWei, LYLi, QMYu and JHEdgar: “J.Cryst.Growth” 217 (2000) 115), 1% hydrogen chloride gas was flowed in hydrogen in the temperature range of 1400-1500 ° C. The surface treatment was carried out. When hydrogen chloride gas is used in such a temperature range, there is a risk that the reactor wall of the reactor will be eroded.
[0013]
Metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) are the key to ultra-high integrated circuits (ULSI) such as high-speed MPUs (microprocessors) and high-density memories that are built into information devices such as personal computers and mobile phones. Is a constituent element. As the material of the MOSFET, Si was overwhelmingly used. According to “Solid physics”, February 2002, page 61 “New picture of silicon thermal oxidation” (Kageshima et al.), The silicon oxide film is an insulating film with a band gap of about 8 eV. The offset (shift of the band gap between Si and the oxide film) is as large as about 3 to 4 eV. A high voltage is applied to the carriers in Si, and the carriers move at high speed in the vicinity of the interface between Si and the oxide film. For this reason, the Si oxide film is used as a gate oxide film of the MOSFET.
[0014]
The reason why Si is used as a material for MOSFET is as follows. Si can be easily oxidized at 600 to 1200 ° C., and the generated oxide film has a uniform thickness, and the interface between Si and the oxide film becomes extremely flat. Another reason is that the carrier mobility can be increased because the charge trap state density is low at the oxide film or at the interface between the oxide film and the Si substrate. It is said that when the oxide film is formed and then annealed in a hydrogen atmosphere, the charge trap level density is further reduced. The charge trap level density is an index indicating an action of trapping carriers. When the charge trap level density is high, the carrier mobility is lowered and the device performance is deteriorated.
[0015]
Recently, however, devices having performance exceeding the theoretical limit of Si materials have been desired. A candidate for such a material is SiC, which is a wide gap semiconductor. If a high-quality oxide film can be formed on the SiC substrate, it is considered that a power electronics device that changes to Si is obtained.
[0016]
Examples of techniques for forming an oxide film on a silicon carbide substrate include the following.
Ryoji Kosugi et al. “J. Appl. Phys.,” 91 (2002) p. 1314
S. Chakraborty et al. “Solid-State Electronics” 45 (2001) 471
JP-A-9-199497
[0017]
However, in these methods, the oxide film is formed in a state where polishing scratches on the surface of the silicon carbide substrate remain. As a result, even when an oxide film is formed, irregularities derived from polishing flaws remain at the interface between the oxide film and the silicon carbide substrate, a charge trap level density is formed, and the device performance deteriorates. .
[0018]
For example, in the method of Kosugi et al., A silicon carbide substrate is RCA cleaned, dried and oxidized at 1200 ° C. for 30 minutes to form an oxide film having a thickness of 10 nm, the oxide film is removed with hydrofluoric acid, and then at 400 ° C. An oxide film is formed by chemical vapor deposition using silane gas and oxygen. This oxide film is annealed at 1000 to 1200 ° C. According to this report, the interface state density (Dit: Interface state density) is reduced. This is SiO2D due to softening in ititIs reported to have been reduced. However, in the annealing at a temperature of about 1200 ° C., the polishing scratches originally existing in the silicon carbide substrate are not lost, and there are charge trap levels due to the structure of the interface between the oxide film and silicon carbide. It should be.
[0019]
According to a report by S. Chakraborty et al., After RCA cleaning, a silicon carbide substrate was immersed in 1% hydrofluoric acid for 60 seconds, oxidized at 1100 ° C. for 210 minutes in an oxygen atmosphere, and in nitrogen or N2Annealing is performed in O. Also by this oxide film manufacturing method, the charge trap level derived from the polishing flaw of the substrate is generated at the interface between the oxide film and the silicon carbide substrate.
[0020]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-199497 attempts to improve the characteristics of the thermal oxide film by annealing the thermal oxide film in a hydrogen atmosphere or an argon atmosphere. However, the structure of the interface between the oxide film and the silicon carbide substrate is not improved.
[0021]
An object of the present invention is to reduce the fine irregularities such as polishing scratches on the surface of the silicon carbide substrate without using hydrogen gas or hydrogen chloride gas, and to form a surface with extremely good flatness.
[0022]
Another object of the present invention is to provide an oxide film-coated substrate suitable for an electronic device by reducing fine irregularities at the interface between the silicon carbide substrate and the oxide film when an oxide film is provided on the silicon carbide substrate. is there.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide substrate having a flat surface.It is related.
[0024]
In the present invention, a substrate made of silicon carbide is used as 10 -2 Under atmospheric pressure below Torr or 10 -2 Heat treatment is performed at a temperature of 1200 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower in an inert gas atmosphere of 7600 Torr to Torr to generate a carbon layer on the surface of the substrate (carbon layer generating step).
[0025]
And carbon layerOxidationByRemove,By etching the surface of the silicon carbide substrate after removing the carbon layer, a silicon carbide substrate having a flat surface is obtained (etching step). thisOn the surfaceMade of wide band gap semiconductorEpitaxial film is formed(Film formation process).
[0026]
By this methodEpitaxial filmObtainable.
[0027]
The present invention also provides a substrate made of silicon carbide with 10-2Under atmospheric pressure below Torr or 10-2A carbon layer generating step of generating a carbon layer on the surface of the substrate by heat treatment at a temperature of 1200 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower in an inert gas atmosphere of 7600 Torr from Torr;
The carbon layerOxidationByRemoveCarbon layer removal step,
Next, an etching step of obtaining a silicon carbide substrate having a flat surface by etching the surface of the silicon carbide substrate after removing the carbon layer,and
On the surfaceMade of wide band gap semiconductorThe present invention relates to a method for manufacturing an epitaxial film-coated substrate, comprising a film forming step for forming an epitaxial film.
[0028]
By this methodEpitaxial film coated substrateIs obtained.
[0029]
According to the above-described method, polishing scratches on the surface of the silicon carbide substrate can be almost eliminated, and a flat surface can be formed on the atomic order. Moreover, this treatment process is revolutionary in that it does not require hydrogen or hydrogen chloride.
[0030]
An oxide film-covered substrate comprising a silicon carbide substrate and an oxide film provided on the silicon carbide substrateTo manufacture,
10 base materials made of silicon carbide-2Under atmospheric pressure below Torr or 10-2A heat treatment is performed at a temperature of 1200 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower in an inert gas atmosphere from Torr to 7600 Torr to generate a carbon layer on the surface of the substrate. An oxide film is generated by oxidizing the carbon layer.
[0031]
By this method, an oxide film coated substrateIs obtained.
[0032]
This wayAccording to the present invention, when an oxide film is provided on a silicon carbide substrate, fine irregularities at the interface between the silicon carbide substrate and the oxide film can be reduced, and an oxide film-coated substrate suitable for an electronic device can be provided.
[0033]
This wayBy, Height difference when the surface of the silicon carbide substrate is measured with an atomic force microscopeThe5nm or lessAnd can.
[0034]
Thus, an oxide film-coated substrate in which fine unevenness at the interface between the silicon carbide substrate and the oxide film is reduced is suitable as an electronic element. In particular, since the charge trap level along the interface between the oxide film and the substrate is reduced, a high-performance electronic device can be provided.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the process of the present invention.
[0036]
As shown to Fig.1 (a), the base material 1A which consists of silicon carbide is prepared. The
[0037]
The crystal plane of the
(11-20) plane, (1-102) plane
[0038]
[0039]
In the carbon layer generation step, the
[0040]
In the carbon layer generation step, the heating temperature is more preferably 1200 ° C. or higher from the viewpoint of promoting the generation of the carbon layer.
[0041]
The carbon layer generation process is 10-2Can be performed under atmospheric pressure below Torr, or 10-2It can be carried out in an inert gas atmosphere from Torr to 7600 Torr.
[0042]
Carbon layer generation process is 10-2The advantage of performing under atmospheric pressure below Torr is that the disappearance of Si from the substrate surface can be promoted and the carbon layer formation rate can be increased. Although there is no lower limit of the atmospheric pressure, from a practical viewpoint, 10-10It is preferably at least Torr.
[0043]
On the other hand, if the carbon layer formation rate is too high, the rearrangement of silicon carbide surface atoms cannot follow, and irregularities may remain on the surface. Therefore, by thermally decomposing the substrate surface in an inert gas atmosphere, it is possible to rearrange the atoms on the silicon carbide surface to be flat by suppressing the disappearance of Si and reducing the carbon layer formation rate. . The pressure at that time is 10-27600 Torr from Torr is suitable. What is necessary is just to change a pressure according to a surface orientation, an impurity, the surface roughness before a process, and the quantity of a polishing flaw. As the inert gas, nitrogen or argon gas is preferable.
[0044]
The thickness of the
[0045]
Next, by removing the
[0046]
The thermal oxidation of the
[0047]
The heating temperature is preferably 600 ° C. or higher, and more preferably 1100 ° C. or higher, from the viewpoint of promoting the disappearance of carbon due to thermal oxidation of the carbon layer.
[0048]
The kind of oxygen-containing atmosphere is not particularly limited, and may be air or pure oxygen. Moreover, any mixture of oxygen and an inert gas may be used. Examples of the inert gas include nitrogen, argon, helium, and carbon dioxide.
[0049]
When the
[0050]
In this way, oxide film-covered
[0051]
The oxide film 6 is mainly composed of silicon atoms and oxygen atoms, and is considered to be composed of silicon oxide. However, carbon in silicon carbide may be slightly mixed in the oxide film. Further, the thinner the oxide film 6, the higher the capacitance as a capacitor. Therefore, it is preferable that the oxide film 6 be thin as long as the insulating property can be maintained. In consideration of insulation, the thickness is preferably 1 nm or more. From a manufacturing point of view, it seems to be 500nm or less.
[0052]
Alternatively, the smooth surface 8 can be exposed by etching the oxide film 6. Although this etchant is not limited, hydrofluoric acid, ammonium fluoride aqueous solution, and potassium fluoride aqueous solution are preferable, and hydrofluoric acid is particularly preferable.
[0053]
The roughness of the obtained surface 8 is not limited. However, it is preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less, when measured with an atomic force microscope (AFM).
Specifically, the substrate surface 8 is observed with an atomic force microscope to obtain a profile of the surface 8. Then, using the scale attached to the microscope, the height difference in the scan range of 2000 nm is measured. This height difference corresponds to the roughness of the surface 8.
[0054]
Depending on the crystal plane of the substrate surface 8, particularly when the crystal plane of the surface 8 is a Si plane, the profile of the surface 8 by an atomic force microscope includes a terrace and a step between the terraces. May be observed. In this case, the size of the step between adjacent terraces (step height) is preferably 5 nm or less, and more preferably 3 nm or less.
[0055]
When the surface of the silicon carbide substrate obtained by the method of the present invention was observed with an atomic force microscope, no regular irregularities were found. Depending on the crystal plane of the substrate surface 8, a terrace having a width of about 200 to 300 nm was observed, but no particular period was found on this terrace. Thus, it is considered that it is preferable from the viewpoint of relaxing the lattice mismatch with the upper epitaxial film that the period is not found in the unevenness.
[0056]
The use of the silicon carbide substrate of the present invention is not particularly limited, and can be used as various members that require a smooth surface. In a preferred embodiment, an epitaxial film can be formed on the surface of the silicon carbide substrate. The material of the epitaxial film may be any of a conductor, a semiconductor, and an insulator. In a particularly preferred embodiment, a semiconductor film is epitaxially grown on the surface of the silicon carbide substrate.
[0057]
The type of such a semiconductor is not limited, but is preferably a wide band gap semiconductor, particularly aluminum nitride, gallium nitride, and a mixed compound of aluminum nitride and gallium nitride (AlxGa1-xN), zinc oxide is preferred. Examples of film forming methods include chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, organometallic chemical vapor deposition, vapor deposition, and sputtering.
[0058]
Moreover, the use of the oxide film-coated
[0059]
For example, as shown in the schematic diagram of FIG. 8, the oxide film-coated substrate of the present invention can be used as a material for the
[0060]
【Example】
[Example 1]
10-2
[0061]
(Carbon layer generation process)
The inside of the furnace was heated at 500 ° C./h and heated at 1700 ° C. for 4 hours. During heating, a vacuum was drawn with a rotary pump and an oil diffusion pump. Thereby, the
[0062]
(Carbon layer removal process)
Thereafter, the sample was held in a tubular furnace at 1150 ° C. for 10 hours, and thermally oxidized while flowing 100 cc of oxygen gas containing saturated water vapor per minute, thereby producing a thermal oxide film 6 shown in FIG. . The oxide film 6 was mainly composed of silicon atoms and oxygen atoms. The thickness of the oxide film was about 25 nm.
[0063]
Next, the sample was immersed in a 5% aqueous hydrofluoric acid solution at room temperature for 10 minutes. The surface 8 of the substrate thus treated was observed again with an atomic force microscope. The result is shown in the upper left photograph of FIG. A terrace having a width of 200 to 300 nm was formed in the [11-20] direction, and the step height was 1.5 nm. The right column of FIG. 3 shows the form of irregularities when viewed along the line of the photograph.
[0064]
Further, a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) photograph was taken on the surface 8 of the substrate in the same manner as described above. The result is shown in FIG. In FIG. 7, it can be seen that each diffractive rod is thinner than in FIG. 5, and the surface irregularities are reduced to the atomic level. Moreover, the space | interval between diffractive rods is the same as that of FIG. 5, and it turns out that silicon carbide is exposed.
[0065]
[Example 2]
The silicon carbide base material was housed in the same furnace as in Example 1 in a nitrogen atmosphere of 760 Torr. This base material was a 6H—SiC (0001) substrate, but its C surface was treated.
[0066]
(Carbon layer generation process)
Heat treatment was performed at 1900 ° C. for 4 hours. A vacuum pump is not used during heating. A carbon layer was formed on the surface by this heat treatment. When the cross section was observed with an electron microscope, the carbon layer was mainly formed of graphite. The film thickness of the carbon layer was about 100 nm. On the other hand, when the C-plane substrate was heat-treated in vacuum at 1900 ° C. for 4 hours for comparison, carbon nanotubes were formed with a thickness of about 350 nm. By heating in a nitrogen atmosphere, the carbon layer formation rate could be suppressed.
[0067]
(Carbon layer removal process)
The heat-treated substrate was thermally oxidized in a tubular furnace at 1150 ° C. for 3 hours while flowing 100 cc of oxygen gas containing saturated water vapor per minute. This oxide film was mainly composed of silicon atoms and oxygen atoms. The thickness of the oxide film was about 40 nm.
[0068]
Next, the sample was immersed in a 5% aqueous hydrofluoric acid solution at room temperature for 10 minutes. The surface of the substrate thus processed was observed with an atomic force microscope. The result is shown in FIG. No steps as observed on the Si surface were observed. However, the height difference of the surface profile was within 2 nm in the 2000 nm scan range.
[0069]
[Example 3]
About 0.2 μm of AlN was formed on the surface 8 of the silicon carbide substrate manufactured in Example 1 by molecular beam epitaxy (MBE). The unevenness of the AlN surface was 3 nm or less. An atomic force microscope image of the AlN film is shown on the left side of FIG. Moreover, the cross-sectional roughness curve of the dotted line part of an atomic force microscope image is shown on the right side of FIG.
[0070]
The substrate 6H—SiC has a hexagonal crystal, and the lattice constants thereof are a = 3.07 angstroms and c = 15.1 angstroms. On the other hand, AlN has a hexagonal wurtzite type crystal system, and the lattice constants thereof are a = 3.11 angstroms and c = 4.98 angstroms. The lattice mismatch in the a-axis is 1.3%. By smoothing the surface of the silicon carbide substrate, a good AlN epitaxial film could be generated.
[0071]
In addition, a gallium nitride film was formed instead of the aluminum nitride film, and the same results as above were obtained.
[0072]
[Example 4]
10-2
[0073]
(Carbon layer generation process)
The inside of the furnace was heated at 500 ° C./h and heated at 1700 ° C. for 4 hours. During heating, a vacuum was drawn with a rotary pump and an oil diffusion pump. Thereby, the
[0074]
(Thermal oxide film generation process)
Thereafter, the sample was held at 1150 ° C. for 12 hours in a tubular furnace, and thermally oxidized while flowing 100 cc of oxygen gas containing saturated water vapor per minute. As a result, an oxide film mainly composed of Si atoms and oxygen atoms was obtained. The thickness of the oxide film was about 30 nm.
[0075]
(Thermal oxide film removal process)
The thermal oxide film was removed by etching in the same manner as in Example 1. About the obtained sample, as a result of performing the same measurement as Example 1, the result similar to Example 1 was obtained. In particular, a terrace with a width of 200 to 300 nm was formed in the [11-20] direction, and the step height was 0.7 to 2.3 nm. As described above, the lattice constant of silicon carbide in the c-axis direction is 15.1 angstroms (1.51 nm), and this step height is half to 1.5 times as high as the unit cell of silicon carbide. It is thought that it corresponds to.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, fine unevenness such as polishing scratches on the surface of the silicon carbide substrate is reduced without using hydrogen gas or hydrogen chloride gas, and a surface with extremely good flatness is formed. be able to.
[0077]
In addition, according to the present invention, when an oxide film is provided on a silicon carbide substrate, it is possible to reduce fine irregularities at the interface between the silicon carbide substrate and the oxide film and provide an oxide film-coated substrate suitable for an electronic device. it can.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A, 1B, 1C and 1D are explanatory views of a surface treatment process of a silicon carbide substrate according to the present invention.
FIG. 2 shows an atomic force micrograph of the
FIG. 3 shows an atomic force micrograph of a surface 8 of a silicon carbide substrate and a cross-sectional roughness curve.
FIG. 4 shows an atomic force micrograph and a cross-sectional roughness curve of an epitaxial film formed on surface 8 of a silicon carbide substrate.
FIG. 5 shows a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) photograph of the
6 shows a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) photograph of the
FIG. 7 shows a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) photograph of the surface 8 of the substrate.
FIG. 8 is a schematic view showing a
FIG. 9 shows an atomic force micrograph of a surface 8 of a silicon carbide substrate and a cross-sectional roughness curve.
[Explanation of symbols]
1 Base material made of silicon carbide before
4
8, 11a Surface of silicon carbide substrate 7 9 Oxide film coated substrate
10
Claims (6)
前記炭素層を酸化することによって除去する炭素層除去工程、
前記炭化珪素基板の前記炭素層を除去した表面をエッチング処理することによって、平坦な表面を有する炭化珪素基板を得るエッチング工程、および
前記表面にワイドバンドギャップ半導体からなるエピタキシャル膜を成膜する成膜工程
を有することを特徴とする、エピタキシャル膜の製造方法。A substrate made of silicon carbide 10 -2 Torr or less under atmospheric pressure or 10 -2 Torr 1200 ° C. or higher in an inert gas atmosphere of 7600Torr from, heat treatment at 2200 ° C. below the temperature on the surface of the substrate A carbon layer generating step for generating a carbon layer;
Removing the carbon layer by oxidizing the carbon layer;
Etching process for obtaining a silicon carbide substrate having a flat surface by etching the surface of the silicon carbide substrate from which the carbon layer has been removed , and forming an epitaxial film made of a wide band gap semiconductor on the surface The manufacturing method of an epitaxial film characterized by having a process.
前記炭素層を酸化することによって除去する炭素層除去工程、
前記炭化珪素基板の前記炭素層を除去した表面をエッチング処理することによって、平坦な表面を有する炭化珪素基板を得るエッチング工程、および
前記炭化珪素基板の前記表面にワイドバンドギャップ半導体からなるエピタキシャル膜を成膜する成膜工程を有することを特徴とする、エピタキシャル膜被覆基板の製造方法。A substrate made of silicon carbide 10 -2 Torr or less under atmospheric pressure or 10 -2 Torr 1200 ° C. or higher in an inert gas atmosphere of 7600Torr from, heat treatment at 2200 ° C. below the temperature on the surface of the substrate A carbon layer generating step for generating a carbon layer;
Removing the carbon layer by oxidizing the carbon layer;
An etching process for obtaining a silicon carbide substrate having a flat surface by etching the surface of the silicon carbide substrate from which the carbon layer has been removed, and an epitaxial film made of a wide band gap semiconductor on the surface of the silicon carbide substrate. A method for producing an epitaxial film-coated substrate, comprising a film forming step of forming a film.
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