CN101120124B - 碳化硅单晶的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳化硅单晶的制造方法，在使碳化硅单晶在单晶基板上外延生长时，能够减少在碳化硅单晶内产生的表面缺陷。该方法是在单晶基板(1)的表面使碳化硅单晶层外延生长的碳化硅单晶的制造方法，其中，在上述单晶基板(1)的表面，形成在与该基板表面(1)基本平行的一个方向上延伸的多个起伏(2)，且该起伏(2)在上述单晶基板的厚度方向上波动，并且，设置该起伏(2)，使得由伴随着碳化硅单晶的外延生长而传播的反相区域边界面和/或双晶带形成的表面缺陷彼此会合。

Description

碳化硅单晶的制造方法
技术领域
本发明涉及碳化硅单晶的制造方法，该方法可以制造能够用作半导体元件等电子材料的低缺陷密度或晶格畸变少的碳化硅单晶。
背景技术
作为碳化硅单晶的生长方法，迄今为止，已知通过升华法进行的块生长、在基板上通过外延生长形成薄膜。在通过升华法进行的块生长中，可以生长出高温相结晶多晶形的六方晶(6H、4H等)碳化硅单晶，且可以制备碳化硅本身的单晶基板。然而，向结晶内导入的缺陷(尤其是微管)极多，且难以扩大基板面积。
相反，如果在单晶基板上使用外延生长法，则能实现提高杂质添加的控制性和扩大基板面积，并且，可以减少在升华法中成为问题的微管。然而，在外延生长法中，通常由于基板材料与碳化硅的晶格常数的不同而导致层叠缺陷密度的增大成为问题。尤其是通常用作被生长基板的硅由于与碳化硅的晶格不相配，因此在碳化硅单晶生长层内会显著产生双晶(Twin)或反相区域边界面(APB：anti phase boundary)，这是制作半导体器件时电流泄漏的原因之一，会损害作为碳化硅电子元件的特性。
作为有效降低反相区域边界面的方法，由K.Shibahara等提出了在将硅单晶的表面法线轴从<001>方向向<110>方向稍微倾斜(导入偏离(オフ)角)的硅单晶基板上的生长法(参见非专利文献1)。
在图5中，示意性地示出了导入了偏离角的基板(以下记为“偏离基板”)50的一个例子。图5中，符号50表示偏离基板，51表示原子水平的台阶(阶差部分)。此外，在图5中，纸面对应于(-110)面，原子水平的台阶51在与纸面垂直的方向，即<110>方向上取向。通过向基板稍微倾斜，可以在一个方向上等间隔地导入原子水平的台阶，因此能在气相生长法中通过台阶传递而进行外延生长，具有抑制向垂直于导入的台阶方向(横切台阶的方向)传送表面缺陷。因此，对于碳化硅单晶层的膜厚增加，在膜中所含的二种反向区域内，向与导入的台阶平行的方向扩大的反相区域比向垂直方向扩大的半相区域优先扩大，因此能有效地减少反相区域边界面。
然而，在使用该偏离基板的方法中，存在以下所示的问题。在图6中，对于在由硅单晶形成的偏离基板上以一定膜厚形成碳化硅单晶层的情况，示意性地示出反相边界面的存在状态。图6中的结晶方向与图5相同。图6中，符号61表示碳化硅膜、62和63表示反向区域边界面，64表示半相区域边界面会合点，θ表示偏离角度，φ表示Si(001)与反相区域边界面之间的角度(54.7°)。
如图6中所示，在硅基板表面的平台(平坦部分)中产生的反相区域边界面63在反相边界面会合点64消失，在硅基板的单原子台阶中产生的反相区域边界62面由于没有会合对象而不会消失。即，使用偏离基板的方法能增加碳化硅与硅基板界面的台阶密度，存在会引起不希望的反相区域边界面61和双晶带的产生，从而无法完全消除反相区域边界面的问题。
因此，作为降低这样的碳化硅单晶内的反相区域边界面或双晶带(以下将其全部记为“表面缺陷”)的方法，本申请人提出了通过在具有与硅基板表面在一个方向上平行延伸的起伏的基板上使碳化硅单晶外延生长，从而降低在碳化硅单晶层内传送的表面缺陷的技术(参见专利文献1和专利文献2)。
即，施加了起伏加工的硅单晶基板的表面的微观形态是如图5所示的偏离斜面彼此对向的形态。在该基板上堆积碳化硅单晶层的情况下，在彼此相对的偏离斜面中形成的硅单晶基板表面的以单原子台阶为发端的反相区域边界面会增加膜厚，同时彼此相对地传播而最终会合消失。
非专利文献1：applied physics letter50卷，1987年，1888页
专利文献1：特开2000-178740号公报
专利文献2：特开2003-68655号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，根据本发明人的研究，认为在通过该方法形成碳化硅单晶层的情况下，碳化硅单晶层中的反相区域边界面密度在碳化硅单晶层膜厚增加的同时减少，但无法达到使得反相区域完全消失。在图7中示意性地示出在形成起伏的硅单晶基板上堆积的碳化硅单晶层表面中反相区域的存在状态。在图7中，符号71是反相区域边界面，72和73是堆积的碳化硅单晶层，两者中的硅与碳的层叠相位仅存在半周期的区别。此外，在图7中，起伏延伸方向为[-110]方向，纸面对应于(110)面。
如图7中示意性所示，如果着眼于形成的碳化硅单晶层表面，则对于起伏延伸方向和垂直方向([110]方向)，通过上述会合消失机理，反相区域会基本消失，对于与起伏延伸方向平行的方向([-110]方向)，存在反相区域。以下，对该点进行详细说明。
图8是表示实施了起伏加工的硅单晶基板的示意图。在图8中，符号81是硅单晶基板，82是起伏斜面的部分区域。起伏延伸方向是平行于[1-10]的方向。起伏的周期只要是0.01μm～1mm左右即可，特别优选在0.1μm～10μm的范围内，起伏的振幅只要为1nm～50μm左右即可，特别优选在10～100nm的范围内。此外，起伏斜面的角度为0.1°～54.7°，即，只要比立方晶体中的(001)面与(111)面形成的角度小即可，特别优选在1°～6°的范围。
图9示意性地示出了碳化硅膜沿台阶生长的过程，相当于将图8中所示的起伏斜面的部分区域82放大的图。在图9中，符号91是单原子台阶，92是硅单晶表面的平台，93是台阶的棱，94是碳化硅。
假如在单原子台阶91和平台92理想且完全连续地形成在硅单晶基板81的表面上，进而碳化硅膜理想且完全连续地形成在硅单晶基板81的表面上，进而碳化硅膜成为理想且完全的沿台阶生长的情况下，在平台部分生长的碳化硅膜的层叠周期是相同的，在针对一个平台时，与起伏延伸方向为同相位。在该情况下，碳化硅膜中的反相区域边界面仅是以台阶的棱93为发端的边界面，且其在碳化硅膜厚增加的同时，在平行于(-1-11)面的方向上传播。
另一方面，对于图9中未图示的起伏的其它方向相对的斜面，其情况也是同样的，此时，在碳化硅膜厚增加的同时，反相区域边界面在{111}平面上平行传播。在图10中，示意性地示出了形成一定膜厚的碳化硅膜时的反相区域边界的状态。在图10中，符号101、102是碳化硅单晶层，103、105是在(111)面上平行传播的反相区域边界面，104、106是在(-1-11)面上平行传播的反相区域边界面。
另外，在碳化硅单晶层101和102中，碳与硅的层叠周期相位彼此仅有半个周围的差异。如图10所示，在彼此方向相对的起伏斜面上形成的以单原子台阶的棱为发端的反相区域边界面104、106和103、105在碳化硅单晶层膜厚增加的同时，彼此接近，反相区域边界面104和103在碳化硅单晶层的该膜厚中，已经会合消失。此外，反相区域边界面106和105也能通过进一步堆积碳化硅单晶层而会合消失。因此，在如上所述的理想状态下，在堆积成一定膜厚以上的碳化硅单晶层表面不存在反相区域。
然而，在3～8英尺径的硅单晶基板表面形成如上所述的理想且完全单原子台阶等是非常困难的，如果考虑量产性等，则几乎不可能。此外，在通过机械的切削加工等形成起伏的情况下，成为在其延伸方向上缺乏连续性，在中途断裂的形态。在该情况下，在3～8英尺径的硅单晶基板表面上的全部区域中，无法获得如图9所示的碳化硅的生长，对于起伏延伸方向，也会产生层叠周期的混乱，形成反相区域。
在该情况下，反相区域边界面在碳化硅单晶层膜厚增加的同时，在{1-11}面或{-111}面上平行传播，结果，在碳化硅单晶层的表面中，形成如图7所示的反相区域。在半导体元件中使用这样的碳化硅单晶时，会产生漏电流较大的问题。
本发明是在上述背景下作成的，其目的在于提供一种可以碳化硅单晶的制造方法，该方法可以可以制造进一步减少以反相区域边界面为代表的表面缺陷，充分降低表面缺陷密度，并且能在半导体元件中使用的碳化硅单晶。
解决课题的方法
作为解决上述课题的方法，如下所述：
第1方法是一种碳化硅单晶的制造方法，其是使碳化硅单晶层在单晶基板的表面同质外延生长或异质外延生长的碳化硅单晶的制造方法，其中，
在上述单晶基板表面形成在与该基板表面基本平行的一个方向上延伸的多个起伏，且该起伏在上述单晶基板的厚度方向上波动，并且，设置该起伏，使得由伴随着碳化硅单晶的外延生长而传播的反相区域边界面和/或双晶带形成的表面缺陷彼此会合。
第2方法是根据第1方法中的碳化硅单晶的制造方法，其中，与上述起伏延伸方向基本垂直方向的起伏周期和起伏振幅与上述起伏的波动周期和波动振幅的关系如下：在上述单晶基板上使碳化硅单晶同质外延生长或异质外延生长时，该碳化硅单晶层表面的起伏延伸方向的双晶带和/或反相区域边界面的每单位面积的个数在对上述碳化硅单晶层的膜厚增加显示出饱和的倾向后，随着上述碳化硅单晶层膜厚的进一步增加，与起伏延伸方向基本垂直方向的双晶带和/或反相区域边界面的每单位面积的个数减少。
第3方法是根据第1方法中的碳化硅单晶的制造方法，其特征在于，与上述起伏延伸方向基本垂直方向的起伏周期和起伏振幅与上述起伏的波动周期和波动振幅的关系如下：在上述单晶基板上使碳化硅单晶同质外延生长或异质外延生长时，上述碳化硅单晶层表面的反相区域经过形成在与上述起伏延伸方向基本垂直的方向上延伸的条状状态后，在上述碳化硅单晶层膜厚增加的同时，上述碳化硅单晶层表面的反相区域的占有率和/或双晶带的占有率减少。
第4方法是根据第1方法中的碳化硅单晶的制造方法，其中，上述起伏的波动周期是在与上述起伏延伸方向基本垂直的方向上的起伏周期的100～700倍，且波动周期除以波动振幅的值为60～700。
第5方法是根据第4方法中的碳化硅单晶的制造方法，其中，上述起伏的波动周期在0.2～0.7mm的范围内。
第6方法是根据第1～第5方法中任一项的碳化硅单晶的制造方法，其中，上述单晶基板是硅单晶。
发明效果
按照上述方法，可以制造在单晶基板上表面缺陷密度充分低，且可以适用于半导体元件的碳化硅单晶。
具体实施方式
以下，对于本发明的实施方式，以具体例的形式，主要说明被成膜基板是硅单晶，表面缺陷是反相边界面的情况。
图1是示出本发明实施方式的碳化硅单晶制造方法中使用的硅单晶基板的图，图2是示出在图1所示的硅单晶基板上形成一定膜厚的碳化硅单晶层时的碳化硅单晶层表面的反相区域的图，图3是示出沿图2所示的AA’线和BB’线的剖面的图，图4是示出本发明实施方式的碳化硅制造方法中使用的硅单晶基板中原子水平的台阶状态的图。以下，参照这些附图，对本发明实施方式的碳化硅单晶的制造方法进行说明。
本发明实施方式的碳化硅单晶的制造方法是通过在碳化硅单晶层的被成膜单晶基板表面形成2维起伏结构，从而获得使被成膜单晶基板的基本整个面上的表面缺陷少的碳化硅单晶层的方法。在该实施方式中，通过使得在(1-11)面与(-111)面上平行传播的2种反相区域边界面有效地会合消失，从而使上述反相区域消失。即，通过在硅单晶基板表面设置2维起伏结构，使这些在不同方向上传播的反相区域边界面有效地会合消失。
在图1中，符号1是硅单晶，2是起伏的棱线。如图所示，在基板厚度方向(基板表面的法线方向)上波动的在一个方向上延伸的起伏中，即，在2维起伏结构中，起伏的棱线与以往的1维起伏结构(没有“波动”的起伏结构)不同，成为在硅单晶基板1的厚度方向(＝表面的平均面的法线方向)上波动的结构。这样的2维起伏结构除了起伏周期和起伏振幅以外，还由波动周期和波动振幅限定。这些周期、振幅、起伏形状或波动形状在单纯的正弦波形状的情况下为单一的值，但在通常形状的情况下，以Fourier级数表现，因此不是单一的值。
在图1中，示出了起伏、波动和正弦波形状的情况作为一个例子。在该情况下，起伏的周期和振幅与上述以往的1维起伏结构的情况相同，只要为0.01μm～1mm左右即可，特别优选在0.1μm～10μm的范围。此外，起伏的振幅只要为1nm～50μm左右即可，特别优选在10nm～100nm的范围。波动的周期和振幅如后所述，优选均比起伏的周期和振幅大。在图1中，示出了波动的周期、振幅均比起伏的周期、振幅大的情况。
图2是示意性地示出在具有2维起伏结构的硅单晶基板上形成一定膜厚的碳化硅单晶层时的碳化硅单晶层表面的反相区域的图。如图2所示，反相区域的存在状态在外观上与上述图7所示的状态基本相同。然而，如以下说明，碳化硅单晶层内部的反向区域边界面的状态不同。
图3是示意性地示出沿图2所示的AA’线和BB’线的剖面的图。图中，31和32是碳化硅单晶层内部的反相区域边界面，31是伴随着碳化硅单晶层膜厚的增加而在(1-11)面上平行传播的边界面，32是在(-111)面上平行传播的边界面。如AA’剖面所示，在与起伏延伸方向垂直的剖面中，在与(111)面和(-1-11)面分别平行传播的反相区域边界面基本全部会合消失，在碳化硅膜表面附近，反相区域消失。
另一方面，如BB’剖面所示，对于起伏延伸方向的剖面，在与(111)面与(-1-11)面分别平行传播的反相区域边界面32和33并未完全会合消失，因此在碳化硅膜表面中发现反相区域。这样，在AA’剖面和BB’剖面中不同的原因是波动周期和振幅均比起伏周期和振幅大。可是，由于“波动”的存在，在与(1-11)面与(-111)面分别平行传播的反相区域边界面的数量基本相同，因此这些反相区域边界面能通过进一步堆积碳化硅膜而会合消失。因此，在一定的膜厚以上，可以获得不含反相区域的碳化硅单晶。
接着，使用图4对本发明的2维起伏结构中波动的周期和振幅均与起伏的基本相同的情况进行说明。图4是示出实施了2维起伏加工的硅单晶基板中的原子水平的台阶状态的示意图。图4中，符号41、42、43和44是硅单晶基板表面的平台(平坦部分)、411、412、421、422、431、432、441和442是台阶(级差部分)的棱线。
以下，对于使碳化硅单晶层在上述硅单晶基板上沿台阶生长的情况进行说明。在以各台阶的棱线为发端的反相边界区域在结晶学上等价于(111)面的方向传播。在该情况下，由于不会合消失，从而残留到最后的反相区域边界面是以411、412、421、422、431、432、441和442各棱线为发端的反相区域边界面。这些反相区域边界面通过碳化硅单晶层的继续生长，使以棱线411为发端的反相区域边界面与以棱线421为发端的反相区域边界面会合消失，另外，使以棱线412为发端的反相区域边界面与以棱线442为发端的反相区域边界面会合消失。对于以其它棱线422、432、431、441为发端的反相区域边界面也相同。在所有的反相区域边界面会合消失后，在其以上的膜厚中获得的碳化硅单晶层中，不含有反相区域。
如以上说明，如果在作为被成膜基板的硅单晶基板表面形成理想的原子水平的台阶或平台，并且进行碳化硅膜的沿台阶生长，即使起伏与波动的周期和振幅基本相同，也能通过反相区域边界面的会合消失而使反相区域消失。然而，在现实中，实现这样的理想状态是非常困难的。即，起伏与波动的周期和振幅基本相同时，与波动的周期和振幅比起伏的周期和振幅大的情况相比，通过进行起伏加工，能在硅单晶基板表面导入更多原子水平的台阶。这些台阶是产生反相区域边界面的原因，因此优选其个数尽可能少的，这意味着优选波动周期和振幅比起伏周期和振幅大。
此外，在实际获得的碳化硅单晶层中，存在反相区域边界面和作为表面缺陷的双晶带。在双晶带的情况下，也与反相区域边界面相同，将通过实施起伏或波动加工而导入的原子水平的台阶与作为其产生源的碳化硅单晶层的生长一并在{111}面上平行传播，但如以下说明，在双晶带的情况下，会合消失的情况较少，在会合后会残存任一方的双晶带，在与{111}面平行的方向上继续传播。因此，在该情况下，重要的是尽可能减少通过2维起伏加工导入的原子水平的台阶个数，这意味着优选波动周期和振幅比起伏周期和振幅大。
图11是示意性地示出在实施起伏或波动加工的硅单晶基板上形成碳化硅膜时的状态的图。图中，符号111是碳化硅膜，112是在(111)面上平行传播的双晶带，113是在(-1-11)上平行传播的双晶带，114和115是原子水平的台阶。如图11所示，在双晶带的情况下，会合消失的情况较少，在会合后会残存任一方的双晶带，与以后的碳化硅膜的生长一起在与(-1-11)面或(111)面的任一个面平行的面上继续传播。在该两方向内的哪一个方向传播取决于导入到硅单晶基板81的表面的台阶92的状态和碳化硅膜的生长状况。
总之，对于起伏或波动的每1个周期，在从峰向谷的方向的台阶114的个数与从谷向峰的方向的台阶115的个数相同的情况下，即在该含义中理想的情况下，碳化硅膜111的膜厚达到规定值以上时，起伏或波动的每1个周期中残存的双晶带的个数为1个。
然而，还取决于形成起伏或波动的加工方法，从基板整体的宏观方面看，即使在从峰向谷的方向的台阶个数与从谷向峰的方向的台阶个数在统计上是相等的，但从微观的观点来看，在着眼于各个起伏或波动的情况下，不容易实现上述两个台阶的个数相同的理想状态。在这样的情况下，每1周期残存的双晶带的个数比1个大。因此，从减少双晶带个数的观点出发，也优选导入的原子水平的台阶数少的。
通过后述的实施例进行详细说明，对于起伏周期和振幅与波动周期和振幅的关系对产生表面缺陷的影响，发明人等进行了系统性的研究，结果发现，在两者间存在以下关系时，能最有效地降低表面缺陷。即，在起伏周期、振幅均比波动周期、振幅小的情况下，两者均形成碳化硅单晶层时，其表面中的反相区域的分布经过向起伏延伸方向基本垂直的方向上延伸的条状结构后，整个面上的反相区域消失的关系成立时，能最有效地降低表面缺陷。
其中，所谓的条状结构是指理想的，如图2或图7所示的状态，未必一定要在与起伏延伸方向上基本垂直的方向上反相区域完全连续，与一个反相区域在起伏延伸方向上相比，只要是在其垂直方向上延伸的形态即可。如果这样的起伏周期和振幅与波动周期和振幅的关系着眼于反相区域边界面和/或双晶带的单位面积的个数，则还可以如以下所示。
即，在起伏周期、振幅均比波动周期、振幅小的情况下，两者均形成碳化硅单晶层后，碳化硅单晶层表面的起伏延伸方向的反相区域边界面和/或双晶带的每单位面积的个数相对于膜厚增加显示饱和的倾向后，随着膜厚的进一步增加，在与起伏延伸方向基本垂直的方向的反相区域边界面和/或双晶带的每单位面积的个数减少的关系成立时，能最有效地降低表面缺陷。
其中，所谓的饱和倾向，在碳化硅单晶的膜厚与反相区域边界面和/或双晶带的每单位面积的个数的关系中，是表示反相区域边界面和/或双晶带的每单位面积的个数与碳化硅单晶层的膜厚的微系数的绝对值减少的倾向，并不一定是指反相区域边界面和/或双晶带的每单位面积的个数不依赖于碳化硅膜厚而采取恒定值。具体地说，波动周期是起伏周期的100～700倍，在波动周期除以波动振幅的值在60～700的范围内的情况下，由于波动加工引起的表面缺陷的降低效果变得显著，此外，波动周期是起伏周期的200～650倍，在波动周期除以波动振幅的值在80～6650的范围的情况下，其降低效果变得显著。
实施例
以下，通过实施例更详细地说明本发明。在以下的说明中，首先将以往的使用具有一维起伏的基板的方法作为比较例进行说明，然后，对本发明的实施例进行说明。
(比较例)
在直径8英寸的Si(001)基板表面上，通过以下所示的机械研磨方法，形成基本在<1-10>方向上延伸的起伏。在形成起伏时使用的研磨剂和研磨架(cross)均是市售的物品，分别为约9μm直径的金刚石浆料(エンギス公司制造的ハイプレス)和研磨架(エンギスM414)。在研磨架中均匀渗透金刚石浆料，在衬垫上放置Si(001)基板，对Si(001)基板上整体施加0.2kg/cm2的压力，且与<1-10>方向平行地，在研磨架上约20cm左右的距离上，在一个方向上往复约300次。在Si(001)基板上形成几乎无数的与<1-10>方向平行的研磨伤(起伏)。
由于在实施了研磨处理的Si(001)基板表面附着了研磨磨粒等，因此通过超声波洗涤机洗涤，然后，通过过氧化氢水+硫酸混合溶液(1:1)、HF溶液进行洗涤。在洗涤后的基板表面上残留大量期望的起伏以外的细小尖峰(スパイク)上的凹凸或缺陷，无法作为被成膜基板使用。因此，洗涤后，在起伏加工后的基板上形成约1μm的热氧化膜，然后，通过稀氢氟酸除去形成的热氧化膜。经过该热氧化膜的形成和蚀刻除去的一系列工序，从而将Si(001)基板表面蚀刻约200nm，结果除去细小的凹凸而获得非常光滑的波状起伏。在与起伏延伸方向垂直的方向的周期为1～2μm，其振幅为30～50nm，此外，起伏斜面的倾斜角为3～5°。
在实施了起伏加工的Si(001)基板上通过气相生长法形成碳化硅单晶层(以下记为“3C-SiC”。)。3C-SiC的生长分为Si(001)基板表面的碳化工序和通过交互供给原料气体而进行的碳化硅生长工序。在碳化工序中，在乙炔氛围中，在120分钟内将基板从室温加热至1300℃。在碳化工序后，在1300℃下，将基板表面交互暴露在二氯硅烷和乙炔中，实施碳化硅的生长。碳化工序的详细条件示于表1，碳化硅生长工序的详细条件示于表2。
表1
 
碳化温度 1300℃
乙炔流量 30sccm
压力 60mTorr
升温时间 120分钟
表2
 
生长温度 1300℃
原料气体的供应方法 乙炔与二氯硅烷交互供给
乙炔流量 30sccm
二氯硅烷流量 300sccm
各气体的供给间隔 3秒
各气体的供给时间 4秒
最大压力 100mTorr
最低压力 10mTorr
得到的3C-SiC的表面缺陷状态通过如下方法评价：将3C-SiC在500℃的熔融KOH中放置5分钟而进行蚀刻后，通过光学显微镜计算表面产生的每单位面积的蚀刻坑列的个数。在3C-SiC的表面中，反相区域边界面以线的形式存在，此外，双晶带以带的形式存在。因此，以上述方法进行蚀刻时，反相区域边界面、双晶带以及这些缺陷的存在部分作为蚀刻坑列被观察到。因此，通过测量每单位面积的蚀刻坑列的个数，可以定量地评价导入到3C-SiC中的由反相区域边界面和双晶密度形成的表面缺陷。特别是，虽然仅用本方法无法区别反相区域边界面和双晶带，但本发明的作用效果在于，能够一并减少这两者的缺陷，这意味着采用本方法的评价方法是妥当的。
在图13中，示出了起伏延伸方向，即Si(001)基板的<1-10>方向的平行方向和与起伏延伸方向垂直方向的蚀刻坑列密度以及将两者加合的总计的3C-SiC的膜厚依赖性。图中，○、□、▲是实验中获得的值，这些记号间的线是将各试验中得到的一系列的值连接的直线。如图所示，由于起伏下降的效果，在3C-SiC膜厚增加的同时，与起伏延伸方向平行的方向的蚀刻坑列密度急剧减少，在100μm以上的膜厚中，为1×103个/cm2以下。另一方面，对于与起伏延伸方向垂直的方向，随着3C-SiC膜厚的增加，确认了稍微减少的倾向，但在400μm的膜厚中，蚀刻坑列密度为9×105个/cm3，是较高的值。
(实施例1)
采用与比较例中说明的方法同样的方法，在Si(001)基板表面形成在<1-10>方向上延伸的起伏后，通过使用以下所示的模版掩模的干式蚀刻法实施波动加工。在图12中，示意性地示出了干式蚀刻时的模版掩模与起伏的相对关系。在图12中，符号121是实施了起伏加工的Si(001)基板，122是形成的起伏，123是模版掩模，124是在模版掩模中形成的矩形的开口部分。如图所示，设置Si(001)基板和模版掩模123，使得矩形图案124的长度方向与起伏122的延伸方向垂直。作为干式蚀刻法，采用使用了CF4和氧的混合气体的反应性离子蚀刻法。蚀刻条件如表3所示。
表3
 
气体流量比 CF4(40sccm)、O2(10sccm)
气体压力 10Pa
RF投入功率 250W
另外，在进行蚀刻时，在模版掩模123与Si(001)基板之间设置0.1～1.2mm的空隙。
按照以上的方法，制作波动振幅为1μm，波动周期为0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm和1.2mm的不同的Si(001)基板。在制作具有不同波动周期的Si(001)基板时，使用开口部分124的宽度和周期不同的模版掩模123，波动振动通过调整蚀刻时间来控制。
在表4和图14中，示出了在与比较例相同的条件下在实施了起伏和波动加工的Si(001)基板上形成400μm厚度的3C-SiC时的蚀刻坑列密度的波动周期依赖性。图14是将表4中所示的数值数据图表化的图，图中○记号是实验中获得的值，记号间的线是连接这些实验中获得的值的直线。该表和该图中所示的蚀刻坑列密度是将与起伏延伸方向平行和垂直的2个方向的蚀刻坑列密度加合的总计的值。另外，在任一种情况下，波动振幅恒定为1μm，与起伏延伸方向垂直的方向的周期、振幅和起伏斜面的倾斜角也与比较例相同，分别为1～2μm、30～50nm和3～5°。
表4
 
0.1mm 2.5×105个/cm2
0.2mm 1×105个/cm2
0.4mm 2×104个/cm2
0.6mm 1×104个/cm2
0.8mm 2×105个/cm2
1.2mm 6×105个/cm2
如表4或图14所示，通过在波动周期为0.1～1.2mm的范围内实施波动加工，与未实施波动加工的比较例的蚀刻坑列密度的值9×105个/cm2相比变小。尤其是波动周期在0.2～0.7mm的范围内，蚀刻坑列密度的值为1×105个/cm2以下，通过波动加工降低表面缺陷密度的效果显著。如果考虑与起伏延伸方向垂直方向的周围为1～2μm以及波动振幅为1μm，则可知在波动周期是与起伏延伸方向垂直方向的周期的100～700倍，并且用波动周期除以波动振幅的值在200～700的范围内的情况下，表面缺陷密度降低效果显著。
在图15和图16中，对于作为确认通过波动加工降低表面缺陷效果显著的例子的波动周期为0.4mm的情况，以及作为确认并不显著的例子的波动周期为0.1mm的情况，示出了与起伏延伸方向平行和垂直的2方向蚀刻坑列密度和其总值的3C-SiC膜厚依赖性。在波动周期为0.4mm的情况下，在3C-SiC膜厚增加的同时，与起伏延伸方向平行方向的蚀刻坑列密度急剧减少，在该膜厚为100μm下，其值为1×103个/cm2，在100μm以上的膜厚下，显示出饱和的倾向。
相反，与起伏延伸方向垂直方向的蚀刻坑列密度直至3C-SiC膜厚为100μm，其值基本恒定为4×105个/cm2，在其以上的膜厚，也就是与起伏延伸方向平行的方向的蚀刻坑列密度的值开始显示饱和倾向的膜厚以上，开始减少，在膜厚为400μm时，为2×104个/cm2。在起伏周期为0.2mm、0.6mm的情况下，也确认了这样的蚀刻坑列密度的3C-SiC膜厚依赖性。
另一方面，在波动周期为0.1mm的情况下，在3C-SiC膜厚增加的同时，与起伏延伸方向平行的方向的蚀刻坑列密度减少，在该膜厚为200μm下，其值为1×103个/cm2，在200μm以上的膜厚下，显示出饱和的倾向。相反，与起伏延伸方向垂直方向的蚀刻坑列密度从3C-SiC膜厚为40μm开始缓慢减少，但在100μm下，该现象倾向饱和，在膜厚为400μm下，其值为2.5×102个/cm2，是较高的值。在波动周期为0.8mm和1.2mm的情况下，也确认了同样的蚀刻列密度的3C-SiC膜厚依赖性。
通过以上的结果，确认在起伏周期、振幅比波动周期、振幅小的情况下，两者均形成碳化硅膜时，与起伏延伸方向平行的方向的蚀刻坑列密度相对于膜厚增加显示出饱和的倾向后，随着膜厚的进一步增加，在与起伏延伸方向基本垂直的方向的蚀刻坑列密度减少的关系成立时，能最有效地降低表面缺陷。
(实施例2)
接着，通过与实施例1同样的方法，在Si(001)基板表面形成在<1-10>方向上延伸的起伏后，在波动周期恒定为0.4mm下，制作波动振幅为0.2μm、0.5μm、1μm、5μm、10μm的不同的Si(001)基板。波动振幅通过调整蚀刻时的蚀刻时间来控制。
在表5和图17中，示出了在与比较例同样的条件下在实施了起伏和波动加工的Si(001)基板上形成400μm厚的3C-SiC时的蚀刻坑列密度的波动振幅依赖性。图17是将表5所示的数值数据图表化的图，图中○记号是实验中获得的值，记号间的线是连接这些实验中获得的值的直线。该表和该图所示的蚀刻坑列密度是将与起伏延伸方向平行和垂直的2个方向的蚀刻坑列密度加合的总计的值。另外，在任一种情况下，波动周期均恒定为0.4mm，与起伏延伸方向垂直方向的周期、振幅和起伏斜面的倾斜角也与比较例相同，分别是1～2μm、30～50μm和3～5°。
表5
 
0.2μm 6×105个/cm2
0.5μm 6×105个/cm2
1μm 2×104个/cm2
5μm 4×104个/cm2
10μm 7×105个/cm2
15μm 4×105个/cm2
如表5或图17所示，通过在波动振幅为0.2～15μm的范围内实施波动加工，与未实施波动加工的比较例的蚀刻坑列密度的值9×105个/cm2相比变小。特别是，在波动振幅为1～5μm的范围，蚀刻坑列密度的值为2～4×104个/cm2以下，确认了通过波动加工降低表面缺陷密度的效果显著。此外，由图17所示的结果可知，波动振幅为0.7～7μm的范围内时，蚀刻坑列密度的值为1×105个/cm2以下。如果考虑与起伏延伸方向垂直方向的周期为1～2μm和波动周期为0.4mm，则可知在波动周期是与起伏延伸方向垂直的方向的周期的200～400倍，以及用波动周期除以波动振幅的值在约60～约570的范围内的情况下，蚀刻坑列密度的值为1×105个/cm2以下。
在图18和图19中，对于作为确认了通过波动加工降低表面缺陷效果显著的例子的波动振幅为5μm的情况、以及作为确认并不显著的例子的波动振幅为0.2μm的情况，示出了与起伏延伸方向平行和垂直的2个方向的蚀刻坑列密度和其总值的3C-SiC膜厚依赖性。
在波动振幅为5μm的情况下，在3C-SiC膜厚增加的同时，与起伏延伸方向平行的方向的蚀刻坑列密度减少，在该膜厚为100μm下，其值为1×103个/cm2，在100μm以上的膜厚下，显示出饱和的倾向。相反，与起伏延伸方向垂直的方向的蚀刻坑列密度直至3C-SiC膜厚为100μm，其值基本恒定为8×105个/cm2，在其以上的膜厚下，也就是与起伏延伸方向平行的方向的蚀刻坑列密度的值开始显示饱和倾向的膜厚以上时，开始减少，在膜厚为400μm时，为4×104个/cm2。确认这样的蚀刻坑列密度的3C-SiC膜厚依赖性与起伏振幅为1μm的情况(图15所示的结果)相同。
另一方面，在波动振幅为0.2μm的情况下，在3C-SiC膜厚增加的同时，与起伏延伸方向平行的方向的蚀刻坑列密度减少，在该膜厚为100μm下，其值为1×103个/cm2，在其以上的膜厚下，显示出饱和的倾向。相反，与起伏延伸方向垂直的方向的蚀刻坑列密度对3C-SiC膜厚基本没有显示出依赖性，其值为6×105个/cm2，是较高的值。在波动振幅为0.5μm、10μm和15μm的情况下，也确认了同样的蚀刻坑列密度的3C-SiC膜厚依赖性。
通过以上的结果，确认在本实施例中，也与实施例1相同，在起伏周期、振幅比波动周期、振幅小的情况下，两者均形成碳化硅膜时，与起伏延伸方向平行的方向的蚀刻坑列密度相对于膜厚增加显示出饱和的倾向后，随着膜厚的进一步增加，在与起伏延伸方向基本垂直的方向的蚀刻坑列密度减少的关系成立时，能最有效地降低表面缺陷。
以上，对实施例进行了说明，但本实施例仅是本发明实施方式的一个例子。因此，本发明并不限定于实施例中所述的条件、方法等。特别是，作为碳化硅单晶层的被成膜基板，还可以使用硅单晶以外的单晶，对于起伏或波动加工的方法也一样，并不限定于本实施例中所述的方法，也可以使用其他的方法。此外，对于波动周期、振幅，不必是如本实施例那样恒定的值，在具有上述恒定的条件，即，起伏周期和振幅以及波动周期和振幅在形成碳化硅单晶时，碳化硅单晶层表面的起伏延伸方向的半相区域边界面和/或双晶带的每单位面积的个数相对于膜厚显示出饱和倾向后，在随着膜厚的进一步增加，与起伏延伸方向基本垂直方向的半相区域边界面和/或双晶带的每单位面积的个数减少的关系成立的范围内，即使分布了波动周期和振幅的值，也能获得同样的效果。
工业实用性
本发明可以在制备能用作半导体元件等电子材料的低缺陷密度或晶格畸变少的碳化硅单晶时使用。
附图说明
图1是示出本发明实施方式的碳化硅单晶的制造方法中使用的硅单晶基板的图。
图2是示出在图1所示的硅单晶基板上形成一定膜厚的碳化硅单晶层时的碳化硅单晶表面的反相区域的图。
图3是示出沿图2所示AA’线和BB’线的剖面的图。
图4是示出本发明实施方式的碳化硅单晶的制造方法中使用的硅单晶基板中原子水平的台阶状态的图。
图5是示出导入了偏离角的基板的一个例子的示意图。
图6是示出在由硅单晶形成的偏离基板上形成一定膜厚的碳化硅单晶层时的反相边界面的存在状态的示意图。
图7是示出在形成起伏的硅单晶基板上堆积的碳化硅单晶层表面的反相区域存在状态的示意图。
图8是示出实施了1维起伏加工的硅单晶基板的示意图。
图9是示出碳化硅膜沿台阶生长的过程的示意图。
图10是示出形成一定膜厚的碳化硅膜时的反相区域边界面状态的示意图。
图11是示出在实施了起伏或波动加工的硅单晶基板上形成碳化硅膜时的状态的示意图。
图12是示出干式蚀刻时的模版(stencil)掩模与起伏的相对关系的示意图。
图13是示出蚀刻坑(etch pit)列密度的3C-SiC膜厚依赖性的图。
图14是示出蚀刻坑列密度的波动周期依赖性的图。
图15是示出蚀刻坑列密度的3C-SiC膜厚依赖性的图。
图16是示出蚀刻坑列密度的3C-SiC膜厚依赖性的图。
图17是示出蚀刻坑列密度的波动周期依赖性的图。
图18是示出蚀刻坑列密度的3C-SiC膜厚依赖性的图。
图19是示出蚀刻坑列密度的3C-SiC膜厚依赖性的图。
符号说明
1硅单晶
2起伏的棱线
31伴随着碳化硅单晶层膜厚的增加，在{1-11}面平行传播的边界面
32伴随着碳化硅单晶层膜厚的增加，在{-111}面平行传播的边界面
41、42、43、44硅单晶基板表面的平台
50偏离基板
51原子水平的台阶
61碳化硅膜
62、63反相区域边界面
64反相区域边界面会合点
θ偏离角度
φSi(001)面与反相区域边界面形成的夹角
71反相区域边界面
72、73堆积的碳化硅单晶层
81硅单晶基板
82起伏斜面的部分区域
91单原子台阶
92硅单晶表面的平台
93台阶的棱
94碳化硅
101、102碳化硅单晶层
103、105在{111}面上平行传播的反相区域边界面
104、106在{-1-11}面上平行传播的反相区域边界面
111碳化硅膜
112在{-1-11}面上平行传播的双晶带
113在{111}面上平行传播的双晶带
114、115原子水平的台阶
121实施了起伏加工的Si(001)基板
122形成的起伏
123模版掩模
124在模版掩模中形成的矩形的开口部分
411、412、421、422、431、432、441、442台阶的棱线

Claims (4)

1.一种碳化硅单晶的制造方法，其是使碳化硅单晶层在单晶基板的表面同质外延生长或异质外延生长的碳化硅单晶的制造方法，其中，
在上述单晶基板表面，形成在与该基板表面基本平行的一个方向上延伸的多个起伏，且该起伏在上述单晶基板的厚度方向上波动，并且，设置该起伏，使得由伴随着碳化硅单晶的外延生长而传播的反相区域边界面和/或双晶带形成的表面缺陷彼此会合，
上述起伏的波动周期和波动振幅比存在于与上述起伏延伸方向基本垂直方向的起伏周期和起伏振幅大。
2.权利要求1所述的碳化硅单晶的制造方法，其中，上述起伏的波动周期是在与上述起伏延伸方向基本垂直的方向上的起伏周期的100～700倍，且波动周期除以波动振幅的值为60～700。
3.权利要求2所述的碳化硅单晶的制造方法，其中，上述起伏的波动周期在0.2～0.7mm的范围内。
4.权利要求1～3中任一项所述的碳化硅单晶的制造方法，其中，上述单晶基板是硅单晶。
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