JP2006032655A - Manufacturing method of silicon carbide substrate - Google Patents

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Shunichi Nakamura
俊一 中村
Tsunenobu Kimoto
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a homo-epitaxial growth layer with a small surface defect density on a silicon carbide substrate with a low off-angle. <P>SOLUTION: This manufacturing method comprises the steps of machining the ä0001} plane of silicon carbide, etching the surface of the silicon carbide by plasma of a material containing at least a halogen after the machining step, and exposing the surface of the silicon carbide to a plasma of a material not containing a halogen and containing at least oxygen after the etching step. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、表面にホモエピタキシャル成長層を備えた炭化珪素基板の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide substrate having a homoepitaxial growth layer on the surface.

炭化珪素(SiC)は優れた特性を備えるワイドバンドギャップ半導体であり次世代パワーデバイス用基板材料の最有力候補の一つとして期待されている。
SiC基板を用いたパワーデバイスは、SiC基板の表面に形成した低濃度のホモエピタキシャル成長層(低ドープ層)に作り込まれ、デバイスの性能はこの低ドープ層の膜質、特に表面欠陥密度の大小に左右される。
Silicon carbide (SiC) is a wide band gap semiconductor having excellent characteristics, and is expected as one of the most promising candidates for substrate materials for next-generation power devices.
A power device using an SiC substrate is built into a low-concentration homoepitaxial growth layer (low-doped layer) formed on the surface of the SiC substrate, and the performance of the device depends on the film quality of this low-doped layer, particularly the surface defect density. It depends.

ところで、ホモエピタキシャル成長したSiC結晶には、化学組成は同一でありながら積層方向の積み重なり順序が異なる「異種ポリタイプ」が存在することがある。成長中に混入した異種ポリタイプは原子配列の欠陥(積層欠陥)を発生させ、研磨歪みや異物などと相俟って表面欠陥密度を増大させる原因となる。   By the way, in SiC crystals grown homoepitaxially, there may be “heterogeneous polytypes” having the same chemical composition but different stacking order in the stacking direction. Different types of polytypes mixed during growth generate atomic arrangement defects (stacking faults), which together with polishing distortion and foreign matter increase the surface defect density.

一方、デバイス製造からの要求によりウエハーサイズが大口径化しており、3インチウエハーは量産レベルにあり、実験室レベルでは4インチウエハーも試作されているという。また、デバイス応用からの要求によりパワーデバイス用SiCのチップサイズは大型化しており、1cm角のサイズ(1cm×1cm)の大きさにも達する。このため、求められる低ドープ層の表面欠陥密度は1cm当たり1個よりも小さいことが必要である。 On the other hand, the wafer size has been increased due to demands from device manufacturing, 3 inch wafers are in mass production level, and 4 inch wafers are also prototyped at the laboratory level. Moreover, the chip size of SiC for power devices has been increased due to demands from device applications, and has reached the size of 1 cm square (1 cm × 1 cm). For this reason, the required surface defect density of the low-doped layer needs to be smaller than 1 per 1 cm 2 .

異種ポリタイプの混入を低減する方法の一つとして、下地のSiC基板の積層情報を伝えられるように、最表面にある結晶面を結晶軸に対して数度傾けた基板(これを「オフ角をつけた基板」という。)の上に成長する方法が広く用いられている。こうすると同じ条件で成長しても異種ポリタイプが混入しにくい(例えば、非特許文献1参照)。   As one method of reducing the mixing of different polytypes, a substrate with the crystal plane on the outermost surface inclined several degrees with respect to the crystal axis so as to convey the lamination information of the underlying SiC substrate (this is referred to as “off-angle The method of growing on a substrate with a "." Is widely used. This makes it difficult for foreign polytypes to be mixed even when grown under the same conditions (for example, see Non-Patent Document 1).

そこで、SiCインゴットから約8度程度のオフ角をつけてSiC基板をスライスすると共に、エピタキシャル成長前に、基板表面の研磨傷、結晶欠陥などを除去しするための処理、具体的には、化学機械研磨(CMP)や反応性イオンエッチング(RIE)などにより基板表面の研磨傷やダメージ層を除去したり、水素ガスや塩化水素ガスなどに曝露したり、或いはこれらを組み合わた処理が行われる等の工夫が試みられている。   Therefore, the SiC substrate is sliced with an off angle of about 8 degrees from the SiC ingot, and processing for removing polishing scratches and crystal defects on the substrate surface before epitaxial growth, specifically, chemical machinery Polishing scratches and damaged layers on the substrate surface are removed by polishing (CMP) or reactive ion etching (RIE), exposed to hydrogen gas or hydrogen chloride gas, or a combination of these is performed. Ingenuity is being tried.

応用物理, 第64巻, 第7号, pp.691-694 (1995)Applied Physics, Vol.64, No.7, pp.691-694 (1995)

ところが、基板にオフ角をつけてスライスすると高価なSiCインゴットに大量の無駄が生じるという問題が生ずる。例えば、4インチウエーハの場合、8度のオフを導入するためだけに、14mm(=4×2.54×tan8°)ものインゴット長を消費する。このため、産業的実施に鑑みると、なるべく低オフ角のSiC基板上に、表面欠陥密度が極めて小さいホモエピタキシャル成長を行えることが望ましい。   However, when the substrate is sliced with an off-angle, there is a problem that a large amount of waste is generated in an expensive SiC ingot. For example, in the case of a 4-inch wafer, an ingot length of 14 mm (= 4 × 2.54 × tan 8 °) is consumed only to introduce 8 degrees off. For this reason, in view of industrial implementation, it is desirable that homoepitaxial growth with an extremely small surface defect density can be performed on a SiC substrate having a low off-angle as much as possible.

しかし、上述の通りインゴットの消費を抑えるためにオフ角を小さくすると異種ポリタイプ(3C−)が混入しやすくなると共に表面の研磨歪みや異物などの影響を受けやすくなり、これらに起因する表面欠陥密度が増大する。特にパワーデバイス用に期待されている4H−SiCは異種ポリタイプの混入が顕著である。逆に、オフ角を大きくするとインゴットに無駄が生じるので、両者はいわばトレードオフの関係にある。   However, as described above, if the off-angle is reduced in order to suppress the consumption of ingots, different types of polytypes (3C-) are likely to be mixed, and the surface is more susceptible to polishing distortion and foreign matter, resulting in surface defects. Density increases. In particular, 4H-SiC, which is expected for power devices, is markedly mixed with different polytypes. Conversely, if the off-angle is increased, the ingot is wasted, so that both are in a trade-off relationship.

本件発明者らは、低オフ角基板を用いてSiC基板上にホモエピタキシャル成長を行い、結晶成長時に混入する異種ポリタイプについて研究している過程で、成長中に混入する異種ポリタイプや転位を含む大形の表面欠陥は、ナノメートルオーダーの極めて微少なかつ殆ど検出不可能なほど微量な異物がエピタキシャル成長前の基板表面に付着することにより発生するという知見を得た。   In the process of conducting homoepitaxial growth on a SiC substrate using a low off-angle substrate and studying different polytypes mixed during crystal growth, the present inventors include different polytypes and dislocations mixed during growth. It has been found that large surface defects are caused by extremely small and almost undetectable foreign matter on the order of nanometers adhering to the substrate surface before epitaxial growth.

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、低オフ角のSiC基板上に、表面欠陥密度の小さいホモエピタキシャル成長層を形成することをその主たる技術的課題とする。   This invention is made | formed in view of the above, and makes it the main technical subject to form the homoepitaxial growth layer with a small surface defect density on the SiC substrate of a low off angle.

本発明に係る炭化珪素基板の製造方法は、炭化珪素基板の表面を、少なくともハロゲンを含有する物質のプラズマによりエッチングするエッチング工程(SA1)と、前記炭化珪素の表面に付着した異物を除去するクリーニング工程(SA2)と、前記炭化珪素の表面にホモエピタキシャル成長するエピタキシャル成長工程(SA3)とを含むことを特徴とする。   The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to the present invention includes an etching step (SA1) for etching the surface of the silicon carbide substrate with a plasma of a substance containing at least halogen, and a cleaning for removing foreign substances adhering to the surface of the silicon carbide. It includes a step (SA2) and an epitaxial growth step (SA3) for homoepitaxial growth on the surface of the silicon carbide.

このエッチング工程(SA1)は異種ポリタイプ混入及び表面欠陥発生の原因となる表面のダメージ層を除去する工程であり、反応性イオンエッチング(RIE)法などを適用することができる。エッチングに代えて、化学機械研磨(CMP)を行うことも考えられるが、物理的な研磨により却って基板にダメージを与えてしまうので、CMPのみ行うことは好ましくない。ただし、CMPを行った後でRIEを行うことは問題がない。   This etching step (SA1) is a step of removing a damaged layer on the surface that causes mixing of different polytypes and generation of surface defects, and a reactive ion etching (RIE) method or the like can be applied. Although chemical mechanical polishing (CMP) may be performed instead of etching, it is not preferable to perform only CMP because physical damage causes the substrate to be damaged. However, there is no problem in performing RIE after performing CMP.

さらに、これに続くクリーニング工程(SA2)は前記エッチング工程後に被エッチング面の表面にわずかに残る残留物を除去する工程であり本発明における最も本質的部分である。   Further, the subsequent cleaning step (SA2) is a step for removing a slight residue remaining on the surface of the surface to be etched after the etching step, which is the most essential part of the present invention.

このクリーニング工程(SA2)は、酸素を含有する物質のプラズマに被エッチング面を曝露する工程であることが好ましい。なお、エッチング工程とクリーニング工程とは同一の装置で行ってもよい。   This cleaning step (SA2) is preferably a step of exposing the surface to be etched to plasma of a substance containing oxygen. Note that the etching process and the cleaning process may be performed by the same apparatus.

このクリーニング工程(SA2)におけるプラズマ雰囲気には、ハロゲン元素を含有しないことが好ましい。ハロゲン元素を含んでいると炭化珪素中の炭素がハロゲン原子と重合膜を形成するため、クリーニング効率が低下するためである。   The plasma atmosphere in the cleaning step (SA2) preferably does not contain a halogen element. This is because when the halogen element is contained, carbon in silicon carbide forms a polymer film with a halogen atom, so that the cleaning efficiency is lowered.

一方、エッチング工程(SA1)は、そのエッチング中に堆積物を生じない条件でエッチングされることが好ましい。エッチング工程の次に行われるクリーニング工程(SA2)は、エッチング中及びエッチング停止後に基板に堆積する異物を除去する工程であるが、クリーニング工程で異物を完全に取り除くためにはエッチング中も可能な限り堆積物の形成を抑えておくことが好ましいためである。   On the other hand, the etching step (SA1) is preferably performed under conditions that do not cause deposits during the etching. The cleaning process (SA2) performed after the etching process is a process of removing foreign substances deposited on the substrate during etching and after the etching is stopped. In order to completely remove foreign substances in the cleaning process, as much as possible during etching. This is because it is preferable to suppress the formation of deposits.

具体的には、エッチング工程(SA1)におけるエッチングガスがフッ化炭素と酸素を含み、プラズマ中に含まれる酸素の原子数がエッチングガスとして供給される炭素の原子数の少なくとも3倍以上であるようにすることが好ましい。RIEにおいて、プラズマに含まれる酸素の原子数が、炭素の原子数の3倍以上ともなると、平均的には、重合物を生ずる化学反応種はなくなるので、堆積物を生じる可能性を十分低減できるからである。プラズマの不均一等を考慮すれば、余裕を持って4倍以上としておくことが望ましい。
具体的には、例えば、エッチングガスとして四フッ化炭素ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いる場合、理論上は四フッ化炭素と酸素の混合比(流量比)が少なくとも2:3か、それよりも酸素が多くすればよい。
Specifically, the etching gas in the etching step (SA1) contains carbon fluoride and oxygen, and the number of oxygen atoms contained in the plasma is at least three times the number of carbon atoms supplied as the etching gas. It is preferable to make it. In RIE, when the number of oxygen atoms contained in the plasma is more than three times the number of carbon atoms, on average, there is no chemical reactive species that generates a polymer, so the possibility of generating deposits can be sufficiently reduced. Because. In consideration of plasma non-uniformity, it is desirable to set it to 4 times or more with a margin.
Specifically, for example, when a mixed gas of carbon tetrafluoride gas and oxygen gas is used as an etching gas, theoretically, the mixing ratio (flow rate ratio) of carbon tetrafluoride and oxygen is at least 2: 3, More oxygen than is required.

また、炭化珪素基板の表面が、(0001)Si面である場合において、クリーニング工程(SA2)は、炭化珪素表面を酸化しないと共に、酸素原子のノックオンを生じさせないようにすることが好ましい。具体的には、例えば、酸素プラズマ処理時間が長い、或いはプラズマ電力が大きいほど、酸素原子がノックオンされやすくなる。よって、必要最小限の処理時間、プラズマ電力でクリーニング工程を終えることが望ましい。   When the surface of the silicon carbide substrate is a (0001) Si surface, it is preferable that the cleaning step (SA2) does not oxidize the silicon carbide surface and does not cause oxygen atom knock-on. Specifically, for example, as the oxygen plasma treatment time is longer or the plasma power is larger, oxygen atoms are more easily knocked on. Therefore, it is desirable to finish the cleaning process with the minimum necessary processing time and plasma power.

本発明に係る炭化珪素基板の製造方法は、4H−SiC基板及び6H−SiC基板その他種々のポリタイプに適用可能であるが、4H−SiCは、工業的に入手可能なポリタイプの中では、比較的、電子移動度が大きく、絶縁破壊電界も大きいので、高耐圧パワーデバイスに適用する場合には、4H−SiC基板が好ましいためである。   The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to the present invention can be applied to a 4H-SiC substrate, a 6H-SiC substrate, and other various polytypes, but 4H-SiC is an industrially available polytype, This is because the electron mobility is relatively large and the dielectric breakdown electric field is also large, so that a 4H—SiC substrate is preferable when applied to a high voltage power device.

本発明における炭化珪素基板はオフ角が小さい基板であってもよい。本発明によれば、オフ角の大小にかかわらず結晶欠陥密度の小さいホモエピタキシャル成長をさせることができるが、オフ角が小さくても結晶欠陥密度を小さくできるので、その場合の技術的意義が一層大きい。   The silicon carbide substrate in the present invention may be a substrate having a small off angle. According to the present invention, homoepitaxial growth with a low crystal defect density can be performed regardless of the off-angle, but even if the off-angle is small, the crystal defect density can be reduced, and the technical significance in that case is even greater. .

具体的には、炭化珪素基板の表面は、{0001}面であると共に、<0001>方向から0度以上1度以下、より好ましくは0.5度以上1度以下の傾き、すなわちオフ角、を持っていることが好ましい。   Specifically, the surface of the silicon carbide substrate is a {0001} plane and has an inclination of 0 ° to 1 °, more preferably 0.5 ° to 1 ° from the <0001> direction, that is, an off angle, It is preferable to have

また、炭化珪素基板の表面は、(0001)Si面を用いることが好ましい。Si面はC面と比べて残留窒素ドナー密度が小さいので、高耐圧デバイスの作製に好ましいためである。なお、従来は低オフ角基板への結晶成長においてはSi面よりもC面の方が表面欠陥密度が小さいとされていたが、本発明では、表面欠陥(三角形状表面欠陥)の発生原因となる異物を除去しているためにそれが起こらず、高耐圧デバイスに適用する際に理想的な面であるSi面に、結晶欠陥密度が極めて小さいホモエピタキシャル成長層を形成できる。   The surface of the silicon carbide substrate is preferably a (0001) Si surface. This is because the Si surface has a smaller residual nitrogen donor density than the C surface, and thus is preferable for manufacturing a high voltage device. Conventionally, in crystal growth on a low off-angle substrate, the C plane has a smaller surface defect density than the Si plane. However, in the present invention, the occurrence of surface defects (triangular surface defects) This does not occur because the foreign matter is removed, and a homoepitaxial growth layer having a very low crystal defect density can be formed on the Si surface, which is an ideal surface when applied to a high voltage device.

本発明によると、炭化珪素の低オフ角面、乃至実質的にほぼオフ無し面の上に表面欠陥密度の低いホモエピタキシャル成長層を形成することが可能となる。特に、炭化珪素の{0001}面、特に(0001)Si面においてその効果が顕著である。   According to the present invention, it is possible to form a homoepitaxial growth layer having a low surface defect density on a low off-angle surface of silicon carbide or a substantially non-off surface. In particular, the effect is remarkable in the {0001} plane of silicon carbide, particularly the (0001) Si plane.

(課題解決のメカニズムについて)
始めに、本発明の課題解決のメカニズムについて説明をする。なお、炭化珪素の面は、所要の数字の上にバーを付して表記するが、本明細書においては、所要の数字の前に−記号を付して表記する。
(About the problem solving mechanism)
First, the problem solving mechanism of the present invention will be described. In addition, although the surface of silicon carbide is described by adding a bar on a required number, in this specification, it is expressed by adding a-symbol before the required number.

六方晶炭化珪素(6H−SiC){0001}面にホモエピタキシャル成長を行った場合、オフ角が小さいと、異種ポリタイプ、特に立方晶(3C−)炭化珪素が多く混入する。従来、この原因は研磨に起因する表面ダメージによるものと考えられてきた。このため、これらの研磨ダメージを除去するために、化学機械研磨(CMP)、反応性イオンエッチング(RIE)或いは塩化水素と水素の混合ガス、或いは減圧下での水素ガスによる高温エッチングなどを適宜組み合わせて用いられていた。   When homoepitaxial growth is performed on the hexagonal silicon carbide (6H—SiC) {0001} plane, if the off angle is small, a large amount of different polytypes, particularly cubic (3C—) silicon carbide is mixed. Conventionally, this cause has been considered to be due to surface damage caused by polishing. Therefore, in order to remove these polishing damages, chemical mechanical polishing (CMP), reactive ion etching (RIE), a mixed gas of hydrogen chloride and hydrogen, or high temperature etching with hydrogen gas under reduced pressure is appropriately combined. Used.

しかし、オフ角が小さい基板では、従来のダメージ層を除去するという方法が奏功せず、表面欠陥密度が却って増大する。特に、低オフ角基板への成長における表面欠陥密度の増大は特に(0001)Si面において顕著な現象であり、このため、Si面よりもC面を用いることを推奨する報告もある。しかし、上述の通り高耐圧パワーデバイスには不純物濃度を下げられるSi面が望ましい。従って、C面を用いることは最善の方法とはいえない。   However, with a substrate having a small off angle, the conventional method of removing the damaged layer does not work, and the surface defect density increases. In particular, the increase in the surface defect density in the growth to a low off-angle substrate is a remarkable phenomenon particularly in the (0001) Si plane, and there is a report recommending the use of the C plane rather than the Si plane. However, as described above, a Si surface capable of lowering the impurity concentration is desirable for a high breakdown voltage power device. Therefore, using the C-plane is not the best method.

ところで、表面欠陥には種々のものがあるが、オフ角が小さい時に発生しやすいものとして、三角形状表面欠陥がある。この欠陥は、オフ角θの正弦(sinθ)に反比例して起こりやすくなるため、オフ角が小さくなるほど欠陥密度が増大し、これにより異種ポリタイプによる積層欠陥などが発生する。   By the way, there are various types of surface defects, but a triangular surface defect is likely to occur when the off-angle is small. This defect is likely to occur in inverse proportion to the sine of the off angle θ (sin θ), so that the defect density increases as the off angle decreases, thereby causing stacking faults due to different polytypes.

三角形状表面欠陥の発生原因は下地のダメージ層ではなくエピタキシャル成長中にステップフロー成長領域に異物が存在するために起こると考えられる。ステップフロー成長では、ナノレベルほどの大きさの異物があってもその領域ではエピタキシャル成長が阻害され、表面欠陥を生じる。この表面欠陥形成のメカニズムは、以下のようなモデルにより説明される。   The cause of the occurrence of triangular surface defects is thought to be due to the presence of foreign matter in the step flow growth region during epitaxial growth, not the underlying damage layer. In step flow growth, even if there is a foreign substance having a nanometer level, epitaxial growth is inhibited in that region, and surface defects are generated. The mechanism of this surface defect formation is explained by the following model.

図4乃至図6は異物に起因する欠陥形成のメカニズムについて説明するための原子レベルの拡大図であり、各図の(a)は上面図、(b)は断面図である。
図4は成長前の状態であり、SiCの基板10のテラスF1とステップSからなる階段状の原子表面が示している。この表面テラスF1の上に1個の異物12が付着している場合を仮定する。
4 to 6 are enlarged views at the atomic level for explaining the mechanism of defect formation caused by the foreign matter, in which (a) is a top view and (b) is a cross-sectional view.
FIG. 4 shows a state before growth and shows a stepped atomic surface composed of the terrace F1 and the step S of the SiC substrate 10. Assume that one foreign substance 12 is attached on the surface terrace F1.

図5は、図4の状態からやや時間が経過してエピタキシャル成長が進んだ様子を示している。ホモエピタキシャル成長は、原子レベルのステップから横方向成長が進むというステップフローモードの成長が支配的である。
図5(b)に示すように、異物12が存在しないところでは、表面テラスF2のそれぞれが正常にステップフロー成長領域を拡大していくが、異物が存在するステップでは、ステップフロー成長が阻害される。この様子を上面から見ると、図5(a)に示すように、異物の付着した位置を頂点する三角形の表面欠陥F2が成長することになる。
FIG. 5 shows a state in which the epitaxial growth has progressed after some time has elapsed from the state of FIG. Homoepitaxial growth is dominated by step flow mode growth in which lateral growth proceeds from atomic steps.
As shown in FIG. 5B, each of the surface terraces F2 normally expands the step flow growth region where the foreign matter 12 is not present, but the step flow growth is inhibited in the step where the foreign matter is present. The When this state is viewed from the upper surface, as shown in FIG. 5A, a triangular surface defect F2 apex at the position where the foreign matter is attached grows.

図6は成長が終了した様子を示している。一つの異物からさらに大きな三角形の表面欠陥F3が形成されることが分かる。図7は、図6の鳥瞰図を示している。大きく成長した三角形の表面欠陥F3は本当に凹んでいる。   FIG. 6 shows the state where the growth has been completed. It can be seen that a larger triangular surface defect F3 is formed from one foreign substance. FIG. 7 shows a bird's eye view of FIG. The greatly grown triangular surface defect F3 is really concave.

なお、図4乃至図6に示すモデルは簡単のためオフ方向へのステップフロー成長のみを考えているが、実際には欠陥内での2次元核発生やステップフローの回り込みのために、最終的には図6のような状態ではなく図8のように埋まってくる場合もある。この図のように、異物12の隣に転位で隔てられた領域15が形成される。なお、この転位で隔てられた領域15自身がさらに積層欠陥や異種ポリタイプを含むこともある。そして、転位で隔てられた領域15の上に形成したテラスF4は本当に凹んでいる。転位を含む欠陥の境界16は、テラスF4の端の方から直線状に延長した破線で表される。すなわち、破線上には転位が存在する。欠陥の境界17は、もし、転位で隔てられた領域15の内部に異種ポリタイプや積層欠陥がなければ転位を含まない。   Although the models shown in FIGS. 4 to 6 are simple, only step flow growth in the off direction is considered, but in reality, the final flow is generated due to generation of two-dimensional nuclei in the defect and wraparound of the step flow. May be buried as shown in FIG. 8 instead of the state shown in FIG. As shown in this figure, a region 15 separated by dislocations is formed next to the foreign material 12. In addition, the region 15 itself separated by this dislocation may further include a stacking fault or a different polytype. And the terrace F4 formed on the area | region 15 separated by the dislocation is really recessed. The defect boundary 16 including dislocations is represented by a broken line extending linearly from the end of the terrace F4. That is, dislocations exist on the broken line. The defect boundary 17 does not include dislocations unless there are dissimilar polytypes or stacking faults within the region 15 separated by dislocations.

以上のような考察に基づき、表面欠陥の発生原因となりうる異物発生原因を検討したところ、ダメージ層を除去するためにエピタキシャル成長の前に行っていたRIE工程の際にSiC基板上に付着する堆積物が疑われた。本件発明らは、これが異物となりエピタキシャル成長の際に三角形状表面欠陥を誘発するのではないかと考えた。   Based on the above considerations, the cause of the generation of foreign matters that may cause surface defects was examined. Deposits deposited on the SiC substrate during the RIE process performed before epitaxial growth to remove the damaged layer Was suspected. The present inventors have thought that this may become a foreign substance and induce a triangular surface defect during epitaxial growth.

RIE工程でウエハー表面に付着する堆積物(異物)の大きさはナノレベルの大きさであり、具体的には例えば四フッ化エチレン樹脂などのフッ化炭素化合物であると考えられる。これらは化学的に極めて安定な化合物であるため、通常の化学反応やウエット洗浄などでは容易に除去できない。   The size of the deposit (foreign matter) adhering to the wafer surface in the RIE process is a nano-level size, and is specifically considered to be a fluorocarbon compound such as tetrafluoroethylene resin. Since these are chemically very stable compounds, they cannot be easily removed by ordinary chemical reaction or wet cleaning.

異物は、ナノレベルの異物であるので、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡では確認できない。また、数密度が小さければ、原子間力顕微鏡(AFM)によっても、観察範囲内に1つも存在しない可能性が高くなり、確認できない可能性がある。例えば、1平方センチメートル当たり10000個という数密度は、平均的に、100ミクロン四方にわずか1つの粒子を与えるのみである。100ミクロン四方とは、現在、一般に流通している原子間力顕微鏡では、最大級の観察範囲に相当する。
本件の発明者はRIE工程の後、事前に原子間力顕微鏡によりSiC基板の表面を観察してみたが、測定範囲内に異物をとらえることはできなかった。それゆえ、以上のような理論的考察によらなければ、結晶欠陥の発生原因及びその対策を見つけることが困難であったと考えられる。
Since the foreign matter is a nano-level foreign matter, it cannot be confirmed with an optical microscope or a scanning electron microscope. Further, if the number density is small, there is a high possibility that none exists in the observation range even by an atomic force microscope (AFM), and there is a possibility that it cannot be confirmed. For example, a number density of 10,000 per square centimeter gives, on average, only one particle per 100 microns square. The 100-micron square corresponds to the largest observation range in an atomic force microscope that is currently in circulation.
The inventor of the present case tried to observe the surface of the SiC substrate with an atomic force microscope in advance after the RIE process, but could not catch the foreign matter within the measurement range. Therefore, it is considered that it was difficult to find the cause of crystal defects and the countermeasures without the theoretical consideration as described above.

しかし、上述の理論的考察に基づけば、SiC基板上に付着した微量の異物は、ホモエピタキシャル成長において欠陥の発生を誘発し助長することが明らかである。異物の付着量がわずかでも、ステップフローモードでエピタキシャル成長を行うと異物が存在する各所において大きな表面欠陥が成長し、表面の欠陥密度が増大するのである。   However, based on the above theoretical considerations, it is clear that a small amount of foreign matter adhering to the SiC substrate induces and promotes the generation of defects in homoepitaxial growth. Even if the amount of foreign matter attached is small, when epitaxial growth is performed in the step flow mode, large surface defects grow in various places where foreign matter exists, and the defect density on the surface increases.

本発明は、上記考察とこれに基づく実験に基づきなされたものであり、三角形状表面欠陥の発生原因となる異物を除去(クリーニング)するための工程を導入した点が本発明の最も本質的部分である。以下、実施形態について説明する。   The present invention has been made on the basis of the above considerations and experiments based on the above considerations, and the most essential part of the present invention is that a process for removing (cleaning) foreign substances that cause generation of triangular surface defects is introduced. It is. Hereinafter, embodiments will be described.

(第1の実施形態)
図1は、本発明に炭化珪素基板(SiC基板)の製造方法の一例について説明するための工程図である。始めに、SiCインゴットから切り出されたウエハーを準備する。ウエハーは4H−SiC(0001)Si面の0.7度オフ基板及び、4H−SiC(000−1)C面0.7度オフ基板の二種類を用いる。
4H−SiCを用いたのは絶縁破壊電界が大きく、高耐圧パワーデバイスに適しているからである。尤も、本発明は4H−SiCに限らず、6H−SiCなどにも当然に適用することができる。また、Si面とC面の両方を用いたのは、本発明の効果を比較するためである。
(First embodiment)
FIG. 1 is a process diagram for explaining an example of a method for manufacturing a silicon carbide substrate (SiC substrate) according to the present invention. First, a wafer cut from a SiC ingot is prepared. Two types of wafers are used: a 4H-SiC (0001) Si surface 0.7 degree off substrate and a 4H-SiC (000-1) C surface 0.7 degree off substrate.
The reason why 4H-SiC is used is that it has a large dielectric breakdown electric field and is suitable for a high voltage power device. However, the present invention is naturally applicable not only to 4H—SiC but also to 6H—SiC. The reason why both the Si surface and the C surface are used is to compare the effects of the present invention.

この状態では、スライシングの際に生じた多量の研磨傷や異物がウエハーに含まれている。そこで、機械研磨により鏡面としその後所定のウエット洗浄などを経た後、基板表面をエッチングする。エッチングは例えば反応性イオンエッチング(RIE)装置を用いるとよい。このエッチング工程(SA1)により、表面のダメージ層が除去される。
RIE装置には、電極間隔が約7cm程度の平行平板プラズマ発生装置を用いた。エッチングガスは四フッ化炭素(CF)ガスと酸素(O)ガスを1:2で混合した混合ガスを用いた。エッチング中の圧力は約25Paであり、13.56MHzの高周波プラズマで、35分間エッチングした。プラズマ電力密度は1平方センチメートル当たり4Wであり、SiCのエッチング速度は150nm/minであった。
In this state, the wafer contains a large amount of polishing scratches and foreign matters generated during slicing. Therefore, the surface of the substrate is etched after being mirror-finished by mechanical polishing and then subjected to predetermined wet cleaning and the like. For example, a reactive ion etching (RIE) apparatus may be used for the etching. By this etching step (SA1), the damaged layer on the surface is removed.
As the RIE apparatus, a parallel plate plasma generator having an electrode interval of about 7 cm was used. As the etching gas, a mixed gas in which carbon tetrafluoride (CF 4 ) gas and oxygen (O 2 ) gas were mixed at a ratio of 1: 2 was used. The pressure during etching was about 25 Pa, and etching was performed with high frequency plasma of 13.56 MHz for 35 minutes. The plasma power density was 4 W per square centimeter and the SiC etch rate was 150 nm / min.

従来はその後エピタキシャル成長工程(SA3)を行っていたが、本発明では、エッチング工程(SA1)とエピタキシャル成長工程(SA3)の間に次のクリーニング工程(SA2)を含む点が重要である。   Conventionally, an epitaxial growth step (SA3) has been performed thereafter, but in the present invention, it is important to include a next cleaning step (SA2) between the etching step (SA1) and the epitaxial growth step (SA3).

クリーニング工程(SA2)は、RIE工程中或いはRIEプラズマ停止後に発生した異物を除去する工程である。クリーニングは種々の方法が考えられるが、スパッタリングでは、SiC表面の異物の存在しない部分に、ダメージを生ずるので、好ましくない。従って、熱平衡状態以上に励起された化学反応種による反応を用いることが好ましい。最も簡単な方法は、プラズマ励起酸素を用いることである。   The cleaning process (SA2) is a process for removing foreign matters generated during the RIE process or after the RIE plasma is stopped. Although various cleaning methods are conceivable, sputtering is not preferable because it causes damage to a portion on the SiC surface where no foreign matter exists. Therefore, it is preferable to use a reaction by a chemical reactive species excited to a thermal equilibrium state or higher. The simplest method is to use plasma excited oxygen.

プラズマ励起酸素はスパッタリングを起こさずに異物であるフッ化炭素ポリマーを分解することができるので、本発明におけるクリーニング工程に適している。具体的には、エッチング後の基板表面を酸素プラズマに曝露することである。
なおこのクリーニング工程はエッチング工程(SA1)を行ったRIE装置と同一のチャンバーを用いても、また、異なるチャンバーを用いてもよい。
Since plasma-excited oxygen can decompose the fluorocarbon polymer which is a foreign substance without causing sputtering, it is suitable for the cleaning process in the present invention. Specifically, the surface of the substrate after etching is exposed to oxygen plasma.
In this cleaning process, the same chamber as the RIE apparatus that has performed the etching process (SA1) may be used, or a different chamber may be used.

ただし、酸素プラズマによるクリーニングの条件は、やや注意を要する。詳細は後述するが、端的にいうと、強すぎても弱すぎても、望まれる効果が得られないのである。実験で得られた成功例は、例えば、平行平板プラズマ発生装置の場合、圧力10Pa、周波数13.56MHz、1平方センチメートル当たり約0.4Wの高周波電力を印加するプラズマに約2分間曝露するとよい。   However, cleaning with oxygen plasma requires a little care. Although the details will be described later, in short, if it is too strong or too weak, the desired effect cannot be obtained. For example, in the case of a parallel plate plasma generator, the successful example obtained in the experiment may be exposed to plasma applying a high-frequency power of about 0.4 W per square centimeter at a pressure of 10 Pa, a frequency of 13.56 MHz, and about 2 minutes.

このクリーニング工程により、SiC表面に付着した極めて微量なエッチング堆積物などの異物が完全に除去される。その後、化学気相成長(CVD)チャンバーなどによりエピタキシャル成長を行う。なお、各工程の前後に、所定のウエット洗浄工程、塩化水素と水素の混合ガス雰囲気或いは減圧下で水素ガス又は水素ガスとプロパンガスとの混合ガス雰囲気に曝露する工程、などを含んでいてもよい。   By this cleaning process, foreign matters such as extremely small amounts of etching deposits attached to the SiC surface are completely removed. Thereafter, epitaxial growth is performed by a chemical vapor deposition (CVD) chamber or the like. In addition, before and after each step, a predetermined wet cleaning step, a step of exposing to a mixed gas atmosphere of hydrogen chloride and hydrogen or a mixed gas atmosphere of hydrogen gas or hydrogen gas and propane gas under reduced pressure, and the like may be included. Good.

エピタキシャル成長には、常圧横型コールドウォールCVD装置を用いた。原料ガスはモノシランガスとプロパンガスとの混合ガスであり、キャリアガスは水素とした。なお、モノシランガスとプロパンガスの混合比は、モノシランガス流量0.50ml/min(標準状態)に対し、プロパンガスは、(0001)Si面に対しては0.26ml/min(標準状態)とし、(000−1)C面に対しては0.33ml/min(標準状態)とする。また、キャリアガスの水素の流量は3 l/min(標準状態)とする。また、成長時の基板温度は約1500℃、成長時間は2時間とした。   For the epitaxial growth, a normal pressure horizontal cold wall CVD apparatus was used. The source gas was a mixed gas of monosilane gas and propane gas, and the carrier gas was hydrogen. The mixing ratio of monosilane gas and propane gas is set to a monosilane gas flow rate of 0.50 ml / min (standard state), and propane gas is set to 0.26 ml / min (standard state) for the (0001) Si surface. 000-1) 0.33 ml / min (standard state) for the C-plane. The flow rate of hydrogen of the carrier gas is 3 l / min (standard state). The substrate temperature during growth was about 1500 ° C. and the growth time was 2 hours.

(欠陥密度の測定)
図2(a)は、クリーニング工程(SA2)の酸素プラズマ処理時間と三角形状表面欠陥密度の関係を示す表である。(0001)Si面、(000−1)C面ともに、わずか2分の酸素プラズマ処理により三角形状表面欠陥密度が急激に減少し、その後は1平方センチメートル当たり10個程度で飽和傾向となった。これは、酸素プラズマ処理により、三角形状表面欠陥の発生原因が除去されたためと考えられる。
低オフ角基板の場合、表面欠陥密度は一般にSi面で高く、C面で低いとされているが、上記比較例から明らかなように、本発明によると、両者に殆ど差異は見られなかった。
(Measurement of defect density)
FIG. 2A is a table showing the relationship between the oxygen plasma treatment time in the cleaning step (SA2) and the triangular surface defect density. On both the (0001) Si face and the (000-1) C face, the triangular surface defect density rapidly decreased by the oxygen plasma treatment for only 2 minutes, and thereafter, the tendency was saturated at about 10 per square centimeter. This is presumably because the cause of the occurrence of triangular surface defects was removed by the oxygen plasma treatment.
In the case of a low off-angle substrate, the surface defect density is generally high on the Si surface and low on the C surface, but as is clear from the comparative example, according to the present invention, there was almost no difference between the two. .

三角形状表面欠陥密度が1平方センチメートル当たり10個程度で飽和するのは、CVD成長装置において、以前のCVD成長により発生した異物が炉壁に付着しており、これが、前記成長のための基板導入時に、基板表面に落下したためと考えられる。実際、三角形状表面欠陥密度は、CVD成長回数とともに、わずかに増加する傾向が見られた。CVD成長により発生する異物は、キャリアガスの流れ方向に対して、反応部分よりも下流側に発生するので、反応部分よりも上流側から基板を導入することで、CVD成長により発生する異物を避けることができる。   The triangular surface defect density is saturated at about 10 per square centimeter because the foreign material generated by the previous CVD growth adheres to the furnace wall in the CVD growth apparatus, and this is caused when the substrate for the growth is introduced. This is thought to be due to the fall on the substrate surface. In fact, the triangular surface defect density tended to increase slightly with the number of CVD growths. Foreign matter generated by CVD growth is generated downstream of the reaction portion with respect to the flow direction of the carrier gas. By introducing the substrate from the upstream side of the reaction portion, foreign matter generated by CVD growth is avoided. be able to.

また、CVD成長装置において、反応部分よりも上流側にプラズマ処理装置を設けると、プラズマ処理装置からCVD成長装置へ搬送中に、異物が付着するのを避けることができて好ましい。これは、例えば、CVD装置において、反応部分よりも上流側に、高周波コイルを設け、その付近でRIE及び酸素プラズマ処理を行った後に、CVD反応部分に基板を搬送することで実現できる。   In the CVD growth apparatus, it is preferable to provide a plasma processing apparatus on the upstream side of the reaction part because foreign substances can be prevented from adhering during transfer from the plasma processing apparatus to the CVD growth apparatus. This can be realized, for example, by providing a high-frequency coil upstream of the reaction portion in the CVD apparatus, carrying out RIE and oxygen plasma treatment in the vicinity thereof, and then transporting the substrate to the CVD reaction portion.

酸素プラズマ処理時間が長い場合に、(0001)Si面のみ、三角形状表面欠陥密度がわずかに増加するのは、酸素原子のノックオン効果によるものと考えられる。すなわち、酸素原子が炭化珪素表面に吸着している場合に、さらに酸素イオンの入射によるイオン衝撃を受けると、酸素原子が炭化珪素中に押し込まれる。(000−1)C面では、最表面が炭素原子であるので、この炭素原子と押し込まれた酸素原子とが一酸化炭素の形で脱離することにより、押し込まれた酸素原子が取り除かれる。しかし、(0001)Si面では、最表面が珪素原子であるので、押し込まれた酸素原子を取り除くためには、最表面の珪素原子を押し退けて、次原子層に存在する炭素原子と押し込まれた酸素原子とが一酸化炭素の形で脱離する必要があり、表面に歪みを生ずる。従って、(0001)Si面の場合には、酸素プラズマ処理時間は、不必要に長くしない方がよい。同様の理由により、(0001)Si面の場合には、酸素プラズマ電力は、不必要に大きくしない方がよい。   When the oxygen plasma treatment time is long, the fact that the triangular surface defect density slightly increases only on the (0001) Si surface is considered to be due to the knock-on effect of oxygen atoms. That is, when oxygen atoms are adsorbed on the surface of silicon carbide, the oxygen atoms are pushed into the silicon carbide when subjected to ion bombardment due to incidence of oxygen ions. In the (000-1) C plane, since the outermost surface is a carbon atom, the carbon atom and the pushed-in oxygen atom are desorbed in the form of carbon monoxide, so that the pushed-in oxygen atom is removed. However, since the outermost surface is a silicon atom in the (0001) Si surface, in order to remove the pushed-in oxygen atoms, the outermost silicon atoms were pushed away and pushed into the carbon atoms present in the next atomic layer. Oxygen atoms need to be desorbed in the form of carbon monoxide, causing distortion on the surface. Therefore, in the case of the (0001) Si surface, it is better not to unnecessarily increase the oxygen plasma treatment time. For the same reason, in the case of the (0001) Si surface, it is better not to unnecessarily increase the oxygen plasma power.

本発明に係る炭化珪素基板の製造方法によれば、低オフ角基板、理想的には、ほぼオフ無し基板へのホモエピタキシャル成長が可能となる。ただし、完全にジャスト(オフ無し)の基板はそもそも入手が困難であり、かつ、ステップフロー成長モードで成長しないので、ジャスト(オフ無し)とは0.5度程度の実質的にオフ角が極めて小さいものを意味する広い概念として理解されるべきである。   According to the method for manufacturing a silicon carbide substrate according to the present invention, it is possible to perform homoepitaxial growth on a low off-angle substrate, ideally, a substantially off-off substrate. However, a substrate that is completely just (no off) is difficult to obtain in the first place, and does not grow in the step flow growth mode. Therefore, just (no off) has a substantially off angle of about 0.5 degrees. It should be understood as a broad concept that means small things.

(比較例)−RIE工程の効果−
RIE工程により異物が付着するのであれば、RIE工程を行わないか、或いはRIEの処理時間を短くすれば、欠陥密度が低減されるのではないかとも考えられる。しかし、以下の実験結果が示すように、RIE工程はホモエピタキシャル成長層の欠陥密度を低減させるために必要な工程であることが分かる。
(Comparative example) -Effect of RIE process-
If foreign matter adheres by the RIE process, it may be considered that the defect density is reduced if the RIE process is not performed or if the RIE processing time is shortened. However, as the following experimental results show, it can be seen that the RIE process is a process necessary for reducing the defect density of the homoepitaxial growth layer.

[実験] 酸素プラズマ処理時間を20分に固定し、RIEの時間を7〜70分と変えた。装置及びその他の条件は、前記と同様である。
図2(b)は、クリーニング工程(SA2)の酸素プラズマ処理時間を20分間に固定した状態における、RIE処理時間と三角形状表面欠陥密度の関係を示す表である。
[Experiment] The oxygen plasma treatment time was fixed at 20 minutes, and the RIE time was changed from 7 to 70 minutes. The apparatus and other conditions are the same as described above.
FIG. 2B is a table showing the relationship between the RIE processing time and the triangular surface defect density in a state where the oxygen plasma processing time in the cleaning step (SA2) is fixed to 20 minutes.

この結果が示すように、三角形状表面欠陥密度は、当初はRIE時間の増大とともに減少し、RIE時間が35分のときに最小値をとり、それ以降は増加に転ずる。増加に転ずる理由は、明らかではない。当初、RIE時間の増大とともに三角形状表面欠陥密度が減少するのは、機械加工によりダメージを受けた炭化珪素表面層がRIEにより除去されるためと考えられる。酸素プラズマ処理のみでは、炭化珪素表面層は事実上エッチングされないため、このダメージに起因して発生する三角形状表面欠陥を回避できない。   As this result shows, the triangular surface defect density initially decreases with an increase in the RIE time, takes a minimum value when the RIE time is 35 minutes, and thereafter increases. The reason for the increase is not clear. Initially, the reason why the triangular surface defect density decreases as the RIE time increases is considered to be because the silicon carbide surface layer damaged by machining is removed by RIE. Since the silicon carbide surface layer is practically not etched only by the oxygen plasma treatment, the triangular surface defects generated due to this damage cannot be avoided.

なお、RIEの代わりに、CMPのみを用いると、3.5度オフ基板でも、1000〜2000の三角形状表面欠陥を生じ、1度以下のオフ角では、表面欠陥が多すぎて評価できなかった。CMPは、必然的に機械研磨の成分を含むため、この機械研磨の成分によって、基板内部に再びダメージを生じていると考えられる。このことから、RIE工程は本発明において不可欠の工程であることが分かる。   In addition, when only CMP was used instead of RIE, a triangular surface defect of 1000 to 2000 was generated even with a 3.5 degree off substrate, and an off angle of 1 degree or less could not be evaluated because there were too many surface defects. . Since CMP inevitably contains a mechanical polishing component, it is considered that the mechanical polishing component causes damage to the inside of the substrate again. From this, it can be seen that the RIE process is an indispensable process in the present invention.

(第2の実施形態)
RIEの際になるべく堆積物を生じさせないようにすることは重要である。RIE工程の際には四フッ化炭素(CF)ガスと、酸素(O)ガスとの混合ガスを用いるが、その混合比率が三角形状表面欠陥密度の発生に及ぼす影響について調べたところ、興味深い結果が得られた。
(Second Embodiment)
It is important to avoid deposits as much as possible during RIE. In the RIE process, a mixed gas of carbon tetrafluoride (CF 4 ) gas and oxygen (O 2 ) gas is used, and when the influence of the mixing ratio on the generation of triangular surface defect density was investigated, Interesting results were obtained.

具体的には、酸素プラズマ処理時間を2分に、RIEの時間を35分に、それぞれ固定し、RIEの際の四フッ化炭素と酸素の混合比(流量比)を変えた。装置及びその他の条件は、前記と同様である。これらの条件において、炭化珪素のエッチング速度は、150〜200nm/min程度である。   Specifically, the oxygen plasma treatment time was fixed to 2 minutes and the RIE time was fixed to 35 minutes, and the mixing ratio (flow rate ratio) of carbon tetrafluoride and oxygen during RIE was changed. The apparatus and other conditions are the same as described above. Under these conditions, the etching rate of silicon carbide is about 150 to 200 nm / min.

図3は、四フッ化炭素と酸素の混合比と、三角形状表面欠陥密度の関係を示すものである。酸素の混合量が増加するとともに、三角形状表面欠陥密度が明らかに減少している。エッチング後の表面は、四フッ化炭素と酸素の混合比が流量比で2:1の場合には、網状のモフォロジーが見られたが、同混合比が流量比で1:1の場合には、多少の突起が見られる程度となり、同混合比が流量比で1:2の場合には、光学顕微鏡で確認できる範囲において、全く平坦であった。   FIG. 3 shows the relationship between the mixing ratio of carbon tetrafluoride and oxygen and the triangular surface defect density. As the amount of oxygen mixed increases, the triangular surface defect density clearly decreases. When the mixing ratio of carbon tetrafluoride and oxygen was 2: 1 by flow ratio, the surface after etching showed a net-like morphology, but when the mixing ratio was 1: 1 by flow ratio. Some protrusions were observed, and when the mixing ratio was 1: 2, the flow ratio was completely flat within a range that could be confirmed with an optical microscope.

酸素の混合比率が増加することにより、堆積物が減少し、その結果、表面の平坦性が向上したと考えられる。このように、RIEにおいて、なるべく堆積物を生じさせない条件を選択することにより、三角形状表面欠陥密度が減少する。これは、酸素プラズマ処理のみでは、この堆積物を除去するのに不十分であるためと考えられる。   It is considered that the increase in the mixing ratio of oxygen results in a decrease in deposits, resulting in improved surface flatness. Thus, in RIE, the triangular surface defect density is reduced by selecting conditions that do not cause deposits as much as possible. This is presumably because oxygen plasma treatment alone is insufficient to remove this deposit.

しかし、炭化珪素の表面において、堆積が一様となるわけではないので、単に酸素プラズマ処理の時間を長くしたり、プラズマ電力を増加するだけでは、平坦性を回復することはできない。さらに、上述のように、(0001)Si面に対しては、堆積物を生じていない部分を、不必要に酸素プラズマに曝露すると、CVD成長の際に三角形状表面欠陥を生ずる。従って、RIEにおいて、堆積物を生じさせない条件を選ぶことが、必要である。フッ化炭素に代えて、それ自身は堆積物を生じない、六フッ化硫黄(SF)や三フッ化窒素(NF)などを用いてもよい。 However, since the deposition is not uniform on the surface of silicon carbide, the flatness cannot be recovered simply by increasing the time of the oxygen plasma treatment or increasing the plasma power. Furthermore, as described above, when a portion where no deposit is generated is unnecessarily exposed to oxygen plasma on the (0001) Si surface, a triangular surface defect is generated during CVD growth. Therefore, it is necessary to select conditions that do not cause deposits in RIE. Instead of fluorocarbon, sulfur hexafluoride (SF 6 ), nitrogen trifluoride (NF 3 ), or the like that does not generate a deposit itself may be used.

−異物について−
ここで、RIE工程で発生する異物について考察を加える。シリコンウエハー(Si)のプラズマエッチングにおいても、フッ化炭素は、フッ化炭素系の重合堆積物を生成することが、よく知られている。四フッ化炭素の場合、例えば、
-Foreign matter-
Here, the foreign matter generated in the RIE process is considered. It is well known that in plasma etching of a silicon wafer (Si), carbon fluoride generates a fluorocarbon-based polymerized deposit. In the case of carbon tetrafluoride, for example,

(化1)CF(気)+Si(固)→CF(重合して堆積)+SiF(気) (Chemical formula 1) CF 4 (gas) + Si (solid) → CF 2 (polymerized and deposited) + SiF 2 (gas)

という反応により、珪素はエッチングされ、同時にフッ化炭素系の重合膜が堆積する。同様の堆積物は、四塩化炭素の場合にも見られる。このとき、酸素を添加すると、酸素によりこの重合膜がスパッタリングされて除去される他、例えば、 By this reaction, silicon is etched, and at the same time, a fluorocarbon polymer film is deposited. Similar deposits are seen with carbon tetrachloride. At this time, when oxygen is added, the polymer film is sputtered and removed by oxygen, for example,

(化2)2CF(気)+O(気)+2Si(固)→2CO(気)+2SiF(気) (Chemical formula 2) 2CF 4 (gas) + O 2 (gas) + 2Si (solid) → 2CO (gas) + 2SiF 2 (gas)

という反応により、重合する反応種の発生そのものを抑制できる。化2の化学反応式に見るように、理論上は四フッ化炭素と酸素の混合比が流量比で2:1よりも酸素が多ければ、堆積物の発生を抑制できる。 Thus, the generation of the reactive species to be polymerized can be suppressed. As can be seen from the chemical reaction formula of Chemical Formula 2, theoretically, if the mixing ratio of carbon tetrafluoride and oxygen is more than 2: 1 in terms of flow rate, the generation of deposits can be suppressed.

しかし、炭化珪素のエッチングにおいては、炭化珪素にも炭素が含まれるため、炭素原子のハロゲン元素スカベンジ効果によりフッ素等のハロゲン原子が奪われ、重合を生じやすい。一方で、蒸気圧の高い珪素化合物を生成するためには、ハロゲン化が有効であるので、ハロゲン化物の使用は避けられない。炭化珪素が、ハロゲン化炭素の重合を促進することは、例えば下記の反応からも明らかである。   However, in silicon carbide etching, since silicon carbide also contains carbon, halogen atoms such as fluorine are taken away by the halogen element scavenging effect of carbon atoms, and polymerization is likely to occur. On the other hand, in order to produce a silicon compound having a high vapor pressure, since halogenation is effective, use of a halide is inevitable. It is clear from the following reaction, for example, that silicon carbide promotes polymerization of halogenated carbon.

(化3)CF(気)+SiC(固)→2CF(重合して堆積)+Si(固) (Chemical formula 3) CF 4 (gas) + SiC (solid) → 2CF 2 (polymerized and deposited) + Si (solid)

堆積物の発生を避けるためには、例えば次のような反応が必要であろう。   In order to avoid the generation of deposits, for example, the following reaction will be necessary.

(化4)2CF(気)+3O(気)+4SiC(固)→6CO(気)+4SiF(気) (Chemical formula 4) 2CF 4 (gas) + 3O 2 (gas) +4 SiC (solid) → 6CO (gas) + 4SiF 2 (gas)

シリコンの例に習えば、理論上は四フッ化炭素と酸素の混合比が2:3よりも酸素が多ければ、堆積物の発生を抑制できることになる。   According to the example of silicon, theoretically, if the mixing ratio of carbon tetrafluoride and oxygen is more than 2: 3, the generation of deposits can be suppressed.

四フッ化炭素と酸素の混合比と、表面モフォロジーの関係は、以下のように説明される。同混合比が2:1の場合には、酸素が不足しており、例えば化3の化学反応式により、重合膜が堆積する。同混合比が1:1の場合には、化4の化学反応式によれば、酸素が不足していることとなるが、実際には、平均的に酸素は足りており、局所的に酸素不足となった場所で重合物が堆積している。同混合比が1:2の場合には、酸素は全面にわたって十分であり、重合物は堆積しない。   The relationship between the mixing ratio of carbon tetrafluoride and oxygen and the surface morphology is explained as follows. When the mixing ratio is 2: 1, oxygen is insufficient, and a polymer film is deposited by the chemical reaction formula of Chemical Formula 3, for example. When the mixing ratio is 1: 1, oxygen is deficient according to the chemical reaction formula of Chemical Formula 4, but actually, oxygen is sufficient on average, and oxygen is locally present. Polymer is deposited at the shortage. When the mixing ratio is 1: 2, oxygen is sufficient over the entire surface and no polymer is deposited.

ただし、フッ化炭素に代えて、他のハロゲン化炭素或いは六フッ化硫黄や三フッ化窒素などであっても、化3と同様の化学反応、すなわち、SiC中の炭素がハロゲン原子を奪って重合する反応は、起こりうる。この意味において、ハロゲンを含むプラズマを用いた後には、前記ナノレベルの異物の発生は避けられないのである。   However, in place of fluorocarbon, other halogenated carbon, sulfur hexafluoride, nitrogen trifluoride, etc. may be used in the same chemical reaction as in chemical formula 3, that is, carbon in SiC deprives the halogen atom. The polymerization reaction can occur. In this sense, the generation of the nano-level foreign matter is unavoidable after using a plasma containing halogen.

このように、四フッ化炭素と酸素の混合比が少なくとも1:2か、それよりも酸素が多い場合には、プラズマ電力が印加され、RIEが進行している間は、重合物は堆積しない。しかし、プラズマ電力が遮断され、RIEが停止すると、次のような理由により重合物を生じる可能性がある。プラズマにより励起されていたガス種は、拡散し、その一部は炭化珪素表面で失活する。酸素分子はフッ化炭素分子よりも軽いので、先に拡散して失活し、最終的には、フッ化炭素分子のみが励起された状態となる。その後、フッ化炭素分子が炭化珪素表面に到達すると、例えば化3のような化学反応により、重合物(ポリマー)が生成する。   Thus, when the mixing ratio of carbon tetrafluoride and oxygen is at least 1: 2 or more than that, plasma power is applied and no polymer is deposited while RIE is in progress. . However, when the plasma power is cut off and the RIE is stopped, a polymer may be formed for the following reason. The gas species excited by the plasma diffuses, and a part of it is deactivated on the silicon carbide surface. Since the oxygen molecule is lighter than the fluorocarbon molecule, it diffuses and deactivates first, and finally, only the fluorocarbon molecule is excited. Thereafter, when the fluorocarbon molecules reach the silicon carbide surface, a polymer (polymer) is generated by a chemical reaction such as Chemical Formula 3, for example.

このため、RIE工程で異物の発生を抑えても、エッチング停止後には必ず堆積物(異物)が付着するので、RIE工程後にクリーニング工程(SA3)を行うことが必要となるのである。   For this reason, even if the generation of foreign matter is suppressed in the RIE process, deposits (foreign matter) always adhere after the etching is stopped. Therefore, it is necessary to perform the cleaning step (SA3) after the RIE step.

(第3の実施形態)−(0001)Si面の利用−
絶縁破壊耐圧の大きいSiCパワーデバイスを作成する場合には、本発明に係る炭化珪素基板の製造方法を、SiCの(000−1)C面ではなく、むしろ(0001)Si面に適用することが好ましい。
(Third embodiment)-Utilization of (0001) Si surface-
When producing a SiC power device with a high breakdown voltage, the method for manufacturing a silicon carbide substrate according to the present invention may be applied to the (0001) Si surface rather than the (000-1) C surface of SiC. preferable.

これは、(0001)Si面は、(000−1)C面に比べて、残留窒素ドナー密度が、約1桁小さいためである。オフ面であっても、{0001}近傍面であっても、同様である。   This is because the (0001) Si plane has a residual nitrogen donor density that is about an order of magnitude smaller than the (000-1) C plane. The same applies to the off-plane and the {0001} neighboring surface.

例えば、4H−SiC(000−1)C面の場合、最小の残留窒素ドナー密度は、8度及び0.3度オフ基板に対して、それぞれ8×1014及び2×1015/cmである。従って、工業的に設計可能なドナー密度は、それぞれ、8×1015及び2×1016/cmとなり、理論最高耐圧は、それぞれ1.97及び0.96kVとなる。 For example, for a 4H—SiC (000-1) C plane, the minimum residual nitrogen donor density is 8 × 10 14 and 2 × 10 15 / cm 3 for an 8 degree and 0.3 degree off substrate, respectively. is there. Accordingly, the industrially designable donor densities are 8 × 10 15 and 2 × 10 16 / cm 3 , respectively, and the theoretical maximum withstand voltages are 1.97 and 0.96 kV, respectively.

ただし、工業的にパワーデバイスを作製するためには、信頼性に対する配慮が必要であり、また、電界集中や、他の作製プロセスのために、作製余裕を持たせなければならないので、許容電界が、理論絶縁破壊電界の6〜7割程度に制限される。従って、実用上の最高耐圧は、それぞれ0.67及び0.33kV程度である。   However, in order to manufacture a power device industrially, it is necessary to consider the reliability, and it is necessary to provide a manufacturing margin for electric field concentration and other manufacturing processes. It is limited to about 60 to 70% of the theoretical breakdown electric field. Therefore, the practical maximum breakdown voltage is about 0.67 and 0.33 kV, respectively.

従って、これ以上の耐圧を実現するためには、現状では(0001)Si面を用いなければならない。   Therefore, in order to realize a breakdown voltage higher than this, the (0001) Si surface must be used at present.

(その他の実施形態)
炭化珪素の(0001)Si面と、(000−1)C面とでは、表面ステップ構造が異なる。(000−1)C面では、1分子層(Si−Cペア)のステップが大多数を占めるのに対し、(0001)Si面では、単位格子高さ(4H−SiCでは4分子層、6H−SiCでは6分子層)のステップが形成される。(0001)Si面における、単位格子高さのステップは、通常2H構造をとるIII族窒化物半導体の、高品質結晶を成長するのに好ましい。
(Other embodiments)
The surface step structure is different between the (0001) Si surface of silicon carbide and the (000-1) C surface. In the (000-1) C plane, the steps of one molecular layer (Si—C pair) occupy the majority, whereas in the (0001) Si plane, the unit cell height (4 molecular layers, 6H in 4H—SiC). -In SiC, a step of 6 molecular layers) is formed. The step of the unit cell height on the (0001) Si plane is preferable for growing a high-quality crystal of a group III nitride semiconductor that usually has a 2H structure.

すなわち、単位格子高さのステップのために、隣接するテラス間で窒化物半導体の原子配置が一致し、原子配置の違いに起因する構造欠陥の発生を抑制できる。このような高品質III族窒化物半導体/炭化珪素界面、とりわけ窒化アルミニウム又は窒化ホウ素又はこれらの混晶と、炭化珪素との界面は、格子不整合が極めて小さく、界面に未結合手が極めて少ない。これら窒化物半導体は、禁制帯幅が大きいので、界面準位の問題の多い酸化膜に代わる絶縁膜として利用できる。従って、高性能絶縁膜/炭化珪素構造が実現し、高性能デバイスが作製できる。   That is, due to the unit cell height step, the atomic arrangement of the nitride semiconductor matches between adjacent terraces, and the generation of structural defects due to the difference in atomic arrangement can be suppressed. Such a high-quality group III nitride semiconductor / silicon carbide interface, particularly an interface between aluminum nitride or boron nitride or a mixed crystal thereof and silicon carbide, has extremely small lattice mismatch and very few dangling bonds at the interface. . Since these nitride semiconductors have a large forbidden band width, they can be used as an insulating film in place of an oxide film having many interface state problems. Therefore, a high performance insulating film / silicon carbide structure is realized, and a high performance device can be manufactured.

本発明に係る炭化珪素基板の製造方法によると、表面欠陥密度の極めて小さいホモエピタキシャル成長層を形成することができ、炭化珪素を用いた様々なデバイスを作成するための基本技術であるといえる。
以上のように、本発明の産業上の利用可能性は極めて大きい。
According to the method for manufacturing a silicon carbide substrate according to the present invention, a homoepitaxial growth layer having an extremely small surface defect density can be formed, which can be said to be a basic technique for producing various devices using silicon carbide.
As described above, the industrial applicability of the present invention is extremely large.

図1は、本発明に炭化珪素基板(SiC基板)の製造方法の一例について説明するための工程図である。FIG. 1 is a process diagram for explaining an example of a method for manufacturing a silicon carbide substrate (SiC substrate) according to the present invention. 図2(a)は、酸素プラズマ処理時間と三角形状表面欠陥密度の関係を示す表である。(b)は、酸素プラズマ処理時間を20分間に固定した状態における、RIE処理時間と三角形状表面欠陥密度の関係を示す表である。FIG. 2A is a table showing the relationship between the oxygen plasma treatment time and the triangular surface defect density. (B) is a table | surface which shows the relationship between RIE processing time and the triangular surface defect density in the state which fixed oxygen plasma processing time to 20 minutes. 図3は、四フッ化炭素と酸素の混合比と、三角形状表面欠陥密度の関係を示す表である。FIG. 3 is a table showing the relationship between the mixing ratio of carbon tetrafluoride and oxygen and the triangular surface defect density. 図4は異物に起因する欠陥形成のメカニズムについて説明するための原子レベルの拡大図であり、エピタキシャル成長前の状態を示している。FIG. 4 is an enlarged view at the atomic level for explaining the mechanism of defect formation caused by foreign matter, and shows a state before epitaxial growth. 図5は、図4の状態からやや時間が経過してエピタキシャル成長が進んだ様子を示している。FIG. 5 shows a state in which the epitaxial growth has progressed after some time has elapsed from the state of FIG. 図6は、図5の状態からさらに時間が経過してエピタキシャル成長が終了した様子を示している。FIG. 6 shows a state in which the epitaxial growth is completed after a further time has elapsed from the state of FIG. 図7は、図6の鳥瞰図を示している。FIG. 7 shows a bird's eye view of FIG. 図8は、ステップフローの回り込み等を考慮した異物周辺のエピタキシャル成長の様子を示している。FIG. 8 shows a state of epitaxial growth around the foreign matter in consideration of the wraparound of the step flow.

符号の説明Explanation of symbols

10 炭化珪素(SiC)基板
12 異物
15 転位で隔てられた領域
16 欠陥の境界(転位を含む)
17 欠陥の境界(15の領域内に異種ポリタイプや積層欠陥が存在しなければ転位無し)
F1〜F4 表面テラス(表面欠陥)
10 Silicon carbide (SiC) substrate 12 Foreign material 15 Region separated by dislocation 16 Defect boundary (including dislocation)
17 Defect boundary (no dislocation unless there are different polytypes or stacking faults in 15 regions)
F1-F4 surface terrace (surface defects)

Claims (8)

炭化珪素基板の表面を、少なくともハロゲンを含有する物質のプラズマによりエッチングするエッチング工程(SA1)と、前記炭化珪素の表面に付着した異物を除去するクリーニング工程(SA2)と、前記炭化珪素の表面にホモエピタキシャル成長するエピタキシャル成長工程(SA3)とを含むことを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。 An etching step (SA1) for etching the surface of the silicon carbide substrate with plasma of a substance containing at least halogen; a cleaning step (SA2) for removing foreign matter adhering to the surface of the silicon carbide; and a surface of the silicon carbide. A method for manufacturing a silicon carbide substrate, comprising an epitaxial growth step (SA3) for homoepitaxial growth. 前記クリーニング工程(SA2)は、少なくとも酸素を含有する物質のプラズマに曝露する工程であることを特徴とする請求項1記載の炭化珪素基板の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein the cleaning step (SA2) is a step of exposing to a plasma of a substance containing at least oxygen. 前記エッチング工程(SA1)は、そのエッチング中に堆積物を生じない条件でエッチングされることを特徴とする、請求項1記載の炭化珪素基板の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein the etching step (SA1) is performed under conditions that do not cause deposits during the etching. 前記エッチング工程(SA1)におけるエッチングガスは、フッ化炭素と酸素を含むと共に、プラズマ中に含まれる酸素の原子数がエッチングガスとして供給される炭素の原子数の3倍以上であることを特徴とする、請求項1記載の炭化珪素基板の製造方法。 The etching gas in the etching step (SA1) includes carbon fluoride and oxygen, and the number of oxygen atoms contained in the plasma is at least three times the number of carbon atoms supplied as the etching gas. A method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1. 前記炭化珪素基板の表面が、(0001)Si面である場合において、前記クリーニング工程(SA2)は、炭化珪素表面を酸化しないと共に、酸素原子のノックオンを生じさせないことを特徴とする、請求項1記載の炭化珪素基板の製造方法。 2. When the surface of the silicon carbide substrate is a (0001) Si surface, the cleaning step (SA2) does not oxidize the silicon carbide surface and does not cause oxygen atom knock-on. The manufacturing method of the silicon carbide substrate of description. 前記炭化珪素基板は、4H−SiC基板であることを特徴とする、請求項1記載の炭化珪素基板の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein the silicon carbide substrate is a 4H—SiC substrate. 前記炭化珪素基板の表面は、{0001}面であると共に、<0001>方向から0度よりも大きくかつ1度以下の傾きを有することを特徴とする、請求項1記載の炭化珪素基板の製造方法。 2. The silicon carbide substrate according to claim 1, wherein the surface of the silicon carbide substrate is a {0001} plane and has an inclination of greater than 0 degree and less than or equal to 1 degree from a <0001> direction. Method. 前記炭化珪素基板の表面は、(0001)Si面であることを特徴とする、請求項1記載の炭化珪素基板の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein the surface of the silicon carbide substrate is a (0001) Si surface.
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