JP2006321696A - Method for manufacturing silicon carbide single crystal - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a silicon carbide single crystal, by which an epitaxial layer of the silicon carbide single crystal can be grown on an inclined substrate having an inclination angle smaller than a conventional inclination angle without forming a 3C structure. <P>SOLUTION: In the method for manufacturing the silicon carbide single crystal by a CVD process comprising supplying a gaseous silicon hydride and a gaseous hydrocarbon together with a carrier gas onto a heated SiC substrate 5 to grow a single crystal by thermal decomposition reaction, an SiC single crystal substrate inclined from the (0001) plane at a small inclination angle is used as the SiC substrate 5, and the gaseous silicon hydride, the gaseous hydrocarbon, the carrier gas, and gaseous hydrochloric acid are simultaneously supplied onto the SiC single crystal substrate. The inclination angle is set to be within a range of 0.5-7.0° when the SiC single crystal substrate is 4H and within a range of 0.5-2.5° when the substrate is 6H. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、CVD法による半導体デバイス用炭化珪素単結晶の製造法に関わるものである。   The present invention relates to a method for producing a silicon carbide single crystal for a semiconductor device by a CVD method.

炭化珪素(SiC)は酸やアルカリに対する耐薬品性に優れると共に、高エネルギー線に対する耐性も高く、耐久性に優れた半導体材料である。また絶縁破壊電圧が高く、高温でも半導体としての性質を失わないため、パワーデバイスや高温デバイスの材料としても期待されている。   Silicon carbide (SiC) is a semiconductor material that is excellent in chemical resistance against acids and alkalis, has high resistance to high energy rays, and is excellent in durability. In addition, since the dielectric breakdown voltage is high and the properties as a semiconductor are not lost even at high temperatures, it is also expected as a material for power devices and high-temperature devices.

SiCには、およそ250種の結晶形があることが知られている。代表的には3C、4H、6H、15R等の結晶形(数字は<0001>軸方向のSi−C対の繰り返し周期を示し、Cは立方晶、Hは六方晶、Rは菱面体晶系を示す。)が存在する。このうち3C構造のSiC(3C−SiC)は高温あるいは放射線の照射される環境下で作動する能動素子に適すると考えられている。また6H構造のSiC(6H−SiC)は禁制帯幅が約2.9eVであり、青色発光素子として用いられている。4H構造のSiC(4H−SiC)は、約3.2eVと6H−SiCよりも広い禁制帯幅をもつため、青色から紫色の発光ダイオードや、その他の結晶形のSiCとのヘテロ接合デバイスに用途が考えられている。   It is known that SiC has approximately 250 crystal forms. Typically, crystal forms such as 3C, 4H, 6H, and 15R (numbers indicate the repetition period of Si—C pairs in the <0001> axial direction, C is cubic, H is hexagonal, and R is rhombohedral system. Is present). Among these, SiC having a 3C structure (3C-SiC) is considered to be suitable for an active element that operates at a high temperature or in an environment irradiated with radiation. Further, SiC having 6H structure (6H-SiC) has a forbidden band width of about 2.9 eV and is used as a blue light emitting element. SiC with 4H structure (4H-SiC) has a wider band gap than about 3.2 eV and 6H-SiC, so it can be used in heterojunction devices with blue to purple light-emitting diodes and other crystalline SiC Is considered.

半導体材料としてのSiC結晶の形成方法としては、改良レーリー法(昇華法)により得られた六方晶(6Hもしくは4H)SiC基板の(0001)Si面上に、CVD法(化学的気相成長法)によりエピタキシャル成長を行うことが一般的である。   As a method for forming an SiC crystal as a semiconductor material, a CVD method (chemical vapor deposition method) is used on a (0001) Si surface of a hexagonal (6H or 4H) SiC substrate obtained by an improved Rayleigh method (sublimation method). In general, the epitaxial growth is performed.

例えば、有機金属化学的気相成長法(MOCVD法)を用いて次のようにn型発光層を形成することが知られている(特許文献1参照)。すなわち、まず、(11−20)面に切り出した6H−SiC結晶基板11を、MOCVD装置に入れ高温で表面処理を行う。次いで、基板温度を成長温度(1500℃)まで降下した後、キャリアガスで希釈したシリコン(Si)の原料であるシラン(SiH4)と炭素(C)の原料であるプロパン(C38)ガスとを交互に導入する。その切替えの途中で塩化水素(HCl)ガスを導入し、余分のSi、Cを除去する。このようにすることにより、1原子ずつ成長を行うことができる。この成長を行うとき、SiC層の1層ごと交互に不純物添加を行う層と行わない層とを交互に成長させ、超格子構造のn型発光層12を形成する。不純物としては、導電型決定には窒素(N)を、発光中心として窒素の量を上回らない程度アルミニウム(Al)を導入する。 For example, it is known to form an n-type light emitting layer as follows using a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) (see Patent Document 1). That is, first, the 6H—SiC crystal substrate 11 cut out in the (11-20) plane is put in an MOCVD apparatus and subjected to surface treatment at a high temperature. Next, after the substrate temperature is lowered to the growth temperature (1500 ° C.), silane (SiH 4 ) which is a raw material of silicon (Si) diluted with a carrier gas and propane (C 3 H 8 ) which is a raw material of carbon (C) Gas and gas are introduced alternately. In the middle of the switching, hydrogen chloride (HCl) gas is introduced to remove excess Si and C. By doing so, it is possible to grow one atom at a time. When this growth is performed, a layer to which impurities are added alternately and a layer to which no doping is performed are alternately grown for each SiC layer to form the n-type light emitting layer 12 having a superlattice structure. As impurities, nitrogen (N) is introduced for determining the conductivity type, and aluminum (Al) is introduced to the extent that the amount of nitrogen does not exceed the emission center.

しかしCVD法によるエピタキシャル成長の場合、部分的に立方晶(3C構造)のSiCが形成されるという問題があった。この3C構造が発生すると6H構造もしくは4H構造との境界に結晶欠陥が生じ、電圧印加時に電流のリーク経路となりデバイスの耐圧を著しく下げる原因となってしまう。そのためこの立方晶(3C構造)の発生を抑止するには1800℃以上の高温で成長しなくてはならなかった。   However, in the case of epitaxial growth by the CVD method, there is a problem that cubic (3C structure) SiC is partially formed. When this 3C structure occurs, a crystal defect occurs at the boundary with the 6H structure or 4H structure, which becomes a current leakage path when a voltage is applied and causes a significant decrease in the breakdown voltage of the device. Therefore, in order to suppress the generation of this cubic crystal (3C structure), it must be grown at a high temperature of 1800 ° C. or higher.

この3C構造の発生程度は、ノマルスキー顕微鏡により評価できる。境界部に発生した欠陥は容易に観察できるためである。エピタキシャル層中に3C構造が発生した4H−SiCエピタキシャル基板の表面写真を図7に示す。   The degree of occurrence of this 3C structure can be evaluated with a Nomarski microscope. This is because defects generated at the boundary can be easily observed. FIG. 7 shows a surface photograph of the 4H—SiC epitaxial substrate in which the 3C structure is generated in the epitaxial layer.

その後、京大の松波らによって、(0001)面から[11−20]方向に傾斜をつけた基板上に成長するステップ制御エピタキシー法が発見され、1500℃程度まで温度を下げて成長できることが見出された。6H−SiCで最適な傾斜角度は3.5°であるが、4H−SiCでは8°とより大きい傾斜角が必要になる。   Later, Matsunami et al. Of Kyoto University discovered a step-controlled epitaxy method that grows on a substrate tilted in the [11-20] direction from the (0001) plane, and found that it can be grown at a temperature of about 1500 ° C. It was issued. 6H-SiC has an optimum tilt angle of 3.5 °, but 4H-SiC requires a tilt angle larger than 8 °.

この技術の発見で、SiCのCVD成長をより現実的な温度で行うことが可能になり、SiC電子デバイスの開発もより促進されるようになり、様々なデバイスが提案されるようになった。その中でも唯一、SiCデバイスとしてすでに実用化され、市場に出ているのがショットキーバリアーダイオードである。   With the discovery of this technology, it has become possible to carry out CVD growth of SiC at a more realistic temperature, the development of SiC electronic devices has been further promoted, and various devices have been proposed. The only Schottky barrier diode that has already been put into practical use as a SiC device and is on the market.

このショットキーバリアーダイオードのデバイス構造は、図8に示すように、n+型SiC基板31上にn-型エピタキシャル層32を成長し、n-側にショットキー電極33、n+側にオーミック電極34を形成している比較的単純な構造である。またショットキー電極33の周りは、電流のリークを抑止するためBを注入してボロン注入領域35とし、表面をSiO2パッシベート膜36で保護している。 Device structure of the Schottky barrier diode, as shown in FIG. 8, n on the n + -type SiC substrate 31 - grown -type epitaxial layer 32, n - shot side key electrode 33, n + ohmic to the side electrode 34 is a relatively simple structure. Further, around the Schottky electrode 33, B is implanted to form a boron implanted region 35 in order to suppress current leakage, and the surface is protected by the SiO 2 passivation film 36.

現在市販されているものは600V耐圧と1.3kV耐圧の二種類である。しかし最近になり、電流リークの大きな原因であるマイクロパイプ欠陥(中空貫通欠陥)をなくす成長技術も報告され、将来的にはより高耐圧の仕様も市販されるようになると予想される。また基板欠陥の低減と共に、将来的にはJFET(接合型電界効果トランジスタ)などへの展開が考えられ、SiC電子デバイスの市場は今後拡大していくものと予想される。
特開平5−7016号公報(段落番号0016、0017)
There are two types currently on the market: 600V breakdown voltage and 1.3kV breakdown voltage. Recently, however, a growth technique that eliminates micropipe defects (hollow penetration defects), which is a major cause of current leakage, has been reported, and it is expected that higher voltage specifications will be commercially available in the future. In addition, with the reduction of substrate defects, the development of JFET (junction field effect transistor) and the like is considered in the future, and the market of SiC electronic devices is expected to expand in the future.
Japanese Patent Laid-Open No. 5-7016 (paragraph numbers 0016 and 0017)

しかしながら、(0001)面から[11−20]方向にある角度傾いた傾斜基板(off−axis基板)は、(0001)面に平行な基板(on−axis基板)に比べて歩留りが低く、このため高価である。さらに傾斜が大きいほど歩留りが低くなり、高価になる傾向にある。特にショットキーバリアーダイオードやその他の縦型デバイスには、c軸方向の移動度が高い4H−SiC基板が用いられる。そのため傾斜基板の使用による、デバイスのコストへの影響は無視できないものがある。   However, an inclined substrate (off-axis substrate) inclined at an angle in the [11-20] direction from the (0001) plane has a lower yield than a substrate (on-axis substrate) parallel to the (0001) plane. Therefore, it is expensive. Furthermore, the greater the slope, the lower the yield and the higher the cost. In particular, a 4H—SiC substrate having high mobility in the c-axis direction is used for Schottky barrier diodes and other vertical devices. Therefore, the influence on the cost of the device due to the use of the inclined substrate cannot be ignored.

また傾斜基板上にSiCをCVD成長すると、傾斜方向の基板エッジ部に、エピタキシャル層が傾斜角度分だけ傾いて成長される現象が度々起こる。図9において、傾斜基板であるn+SiC基板31上にn-SiCエピタキシャル層32を形成した場合に、n-SiCエピタキシャル層32が基板エッジ部37で基板傾斜角度θ分だけ傾いて成長する様子を示す。成長条件により、頻度や傾いて成長される領域38は異なるが、傾斜角度θが大きいほどデバイス作製に使えなくなる領域(傾いて成長される領域38)が大きくなる。その分、一枚のエピタキシャル基板から取得できるデバイス取得歩留りが低減することになる。 In addition, when SiC is grown on a tilted substrate by CVD, a phenomenon occurs in which the epitaxial layer is tilted and grown at the tilted substrate edge portion by the tilt angle. In FIG. 9, when the n SiC epitaxial layer 32 is formed on the n + SiC substrate 31, which is an inclined substrate, the n SiC epitaxial layer 32 grows at the substrate edge portion 37 with an inclination of the substrate inclination angle θ. Indicates. Depending on the growth conditions, the region 38 that grows at a different frequency or tilt differs, but as the tilt angle θ increases, the region that cannot be used for device fabrication (the region 38 that tilts and grows) becomes larger. Accordingly, the device acquisition yield that can be acquired from one epitaxial substrate is reduced.

ところで、従来のCVD法の場合、使用する傾斜基板(off−axis基板)の最適な傾斜角度は、6H−SiCで3.5°、4H−SiCで8°であり、比較的大きい。ここで、従来よりも傾斜の小さいSiC基板上に3C構造を生じさせずにエピタキシャル層を成長することができれば、従来のように傾斜角度の大きい傾斜基板を使用する必要がなくなることから、基板にかかるコストを低減することができ、さらにはエッジ部で発生する上記問題も低減されて、一枚のエピタキシャル基板から取得できるデバイス取得歩留りが向上する。   By the way, in the case of the conventional CVD method, the optimum inclination angle of the inclined substrate (off-axis substrate) to be used is 3.5 ° for 6H—SiC and 8 ° for 4H—SiC, which is relatively large. Here, if an epitaxial layer can be grown on a SiC substrate having a smaller inclination than the conventional one without generating a 3C structure, it is not necessary to use an inclined substrate having a large inclination angle as in the prior art. Such costs can be reduced, and further, the above-described problems occurring at the edge portion are reduced, and the device acquisition yield that can be acquired from one epitaxial substrate is improved.

そこで、本発明の目的は、従来よりも傾斜角度の小さい傾斜基板上に、3C構造を生じさせずにエピタキシャル層を成長することが可能な炭化珪素単結晶の製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a silicon carbide single crystal capable of growing an epitaxial layer on a tilted substrate having a smaller tilt angle than before without producing a 3C structure.

上記目的を達成するため、本発明では、従来よりも傾斜の小さい基板上に、Si原料、C原料およびキャリアガスと同時にHClガスを供給するCVD法にて、SiCエピタキシャル層を成長する。   In order to achieve the above object, in the present invention, a SiC epitaxial layer is grown on a substrate having a smaller inclination than in the prior art by a CVD method in which HCl gas is supplied simultaneously with Si raw material, C raw material and carrier gas.

本発明は、具体的には次のように構成したものである。   The present invention is specifically configured as follows.

請求項1の発明に係る炭化珪素単結晶の製造方法は、珪素の水素化ガスと炭化水素ガスをキャリアガスと共に加熱したSiC基板上に供給し、熱分解反応により単結晶を成長させるCVD法による炭化珪素単結晶の製造方法において、上記SiC基板として、(0001)面から小さい傾斜角度で傾斜したSiC単結晶基板を用い、このSiC単結晶基板上に、珪素の水素化ガス、炭化水素ガス及びキャリアガスと共に、HClガスを同時に供給することを特徴とする。   A method for producing a silicon carbide single crystal according to the invention of claim 1 is based on a CVD method in which a silicon hydride gas and a hydrocarbon gas are supplied onto a SiC substrate heated together with a carrier gas, and a single crystal is grown by a thermal decomposition reaction. In the method for producing a silicon carbide single crystal, a SiC single crystal substrate inclined at a small inclination angle from the (0001) plane is used as the SiC substrate, and a silicon hydride gas, a hydrocarbon gas, and It is characterized in that HCl gas is supplied simultaneously with the carrier gas.

この特徴によれば、HClガスを同時に供給することで、HClのエッチング作用が営まれ、表面にステップが現れ、強制的にテラスを狭めてキンクを形成するため、3C構造の核の発生が抑止される。このため、例えば、(0001)面から[11−20]方向に従来よりも小さい傾斜角度で傾いた傾斜基板(off−axis基板)を用いて、SiCエピタキシャル層を成長することができる。   According to this feature, by supplying HCl gas at the same time, the etching action of HCl is performed, a step appears on the surface, and the terrace is forcibly narrowed to form a kink, thereby suppressing the generation of 3C structure nuclei. Is done. Therefore, for example, an SiC epitaxial layer can be grown using an inclined substrate (off-axis substrate) inclined from the (0001) plane in the [11-20] direction at an inclination angle smaller than that of the prior art.

請求項2の発明に係る炭化珪素単結晶の製造方法は、珪素の水素化ガスと炭化水素ガスをキャリアガスと共に加熱したSiC基板上に供給し、熱分解反応により単結晶を成長させるCVD法による炭化珪素単結晶の製造方法において、上記SiC基板として、(0001)面から小さい傾斜角度で傾斜したSiC単結晶基板を用い、このSiC単結晶基板上に、先にキャリアガスとHClガスを供給し、その後に珪素の水素化ガスと炭化水素ガスを供給することを特徴とする。   A method for producing a silicon carbide single crystal according to the invention of claim 2 is based on a CVD method in which a silicon hydride gas and a hydrocarbon gas are supplied onto a SiC substrate heated together with a carrier gas, and a single crystal is grown by a thermal decomposition reaction. In the method for manufacturing a silicon carbide single crystal, an SiC single crystal substrate inclined at a small inclination angle from the (0001) plane is used as the SiC substrate, and a carrier gas and an HCl gas are first supplied onto the SiC single crystal substrate. Thereafter, silicon hydride gas and hydrocarbon gas are supplied.

これは加熱したSiC基板上に珪素の水素化ガスと炭化水素ガスを供給する前に、キャリアガスとHClガスを先に供給(導入)し、かつ上記SiC基板として傾斜の小さいSiC単結晶基板を用いる形態の炭化珪素単結晶の製造方法である。作用効果は請求項1の場合と同じである。   This is because a carrier gas and HCl gas are first supplied (introduced) before supplying a silicon hydride gas and a hydrocarbon gas onto a heated SiC substrate, and a SiC single crystal substrate having a small inclination is used as the SiC substrate. It is a manufacturing method of the silicon carbide single crystal of the form to be used. The operational effects are the same as in the case of claim 1.

請求項3の発明は、請求項1又は2記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、上記SiC基板として、(0001)面から0.5°〜7.0°の範囲で傾斜させた4H構造のSiC単結晶基板、もしくは(0001)面から0.5°〜2.5°の範囲で傾斜させた6H構造のSiC単結晶基板を用いることを特徴とする。   A third aspect of the present invention is the method for producing a silicon carbide single crystal according to the first or second aspect, wherein the SiC substrate is a 4H structure inclined from the (0001) plane within a range of 0.5 ° to 7.0 °. The SiC single crystal substrate or a SiC single crystal substrate having a 6H structure tilted in a range of 0.5 ° to 2.5 ° from the (0001) plane is used.

このようにSiC単結晶基板の傾斜角度を、4H構造のSiC単結晶基板で0.5°〜7.0°、6H構造のSiC単結晶基板で0.5°〜2.5°の範囲としたのは、この範囲を外れると、平坦性の悪化及び欠陥数の増大が認められ、実用上問題が生じるからである。   Thus, the inclination angle of the SiC single crystal substrate is in the range of 0.5 ° to 7.0 ° for the SiC single crystal substrate having the 4H structure, and 0.5 ° to 2.5 ° for the SiC single crystal substrate having the 6H structure. This is because, if out of this range, deterioration in flatness and an increase in the number of defects are recognized, causing problems in practical use.

請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、キャリアガスとしてH2ガス、またはHeとH2の混合ガス、またはArとH2の混合ガスのいずれかを用いることを特徴とする。 The invention of claim 4 is the method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein the carrier gas is H 2 gas, a mixed gas of He and H 2 , or a mixture of Ar and H 2 . One of the gases is used.

請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、HClガスの流量をキャリアガス流量の0.1〜5.0%に設定することを特徴とする。   The invention of claim 5 is the method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein the flow rate of HCl gas is set to 0.1 to 5.0% of the carrier gas flow rate. And

HCl流量は、成長中のエピタキシャル表面にステップを発生させるだけの量が必要である。しかしHCl流量が多すぎると、エピタキシャル層のエッチングが過剰に進み、その分、製膜速度は低下してしまう。従って最適なHCl流量が存在し、これは使用する装置や成長条件により異なるが、HClガスの流量は大体キャリアガス流量の0.1〜5.0%が良い。   The HCl flow rate should be sufficient to cause a step on the growing epitaxial surface. However, if the flow rate of HCl is too large, the etching of the epitaxial layer proceeds excessively, and the film forming speed is reduced accordingly. Therefore, there is an optimum HCl flow rate, which varies depending on the apparatus used and the growth conditions, but the HCl gas flow rate is preferably 0.1 to 5.0% of the carrier gas flow rate.

請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、珪素の水素化ガスとして、Si26、SiH4-xClx(X=1、2、3、4)、Si26-xClx(X=1、2、3、4、5、6)のいずれかを用い、炭化水素ガスとしてCH4、C26、C(CH34のいずれかを用いることを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is the method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of the first to fifth aspects, wherein Si 2 H 6 , SiH 4−x Cl x (X = 1, 2, 3, 4), Si 2 H 6-x Cl x (X = 1, 2 , 3, 4, 5, 6) and CH 4 , C 2 H 6 , C ( CH 3 ) 4 is used.

請求項7の発明は、請求項1〜6のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、成長速度を20μm/hour以下とすることを特徴とする。   A seventh aspect of the present invention is the method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of the first to sixth aspects, wherein the growth rate is 20 μm / hour or less.

この成長速度によれば、確実にSiC単結晶をエピタキシャル成長することができる。   According to this growth rate, the SiC single crystal can be reliably epitaxially grown.

<発明の要点>   <Key points of the invention>

従来の傾斜基板を用いたSiCのCVD成長の様子は、図5のように表すことができる。平坦に研磨された表面でも、基板表面には階段状にステップが無数に存在している。ここでステップの上面をテラス21、側面をキンク22と称す。SiCがエピタキシャル成長をするとき、反応種はテラス21の表面に付着し、表面上でランダムウォーク23を起こす。そして最終的には再蒸発24により気化するか、キンク22に達して結晶(原料付着25)として取り込まれることになる。   The state of CVD growth of SiC using a conventional inclined substrate can be expressed as shown in FIG. Even on a flatly polished surface, there are an infinite number of steps on the substrate surface. Here, the upper surface of the step is referred to as a terrace 21, and the side surface is referred to as a kink 22. When SiC undergoes epitaxial growth, reactive species adhere to the surface of the terrace 21 and cause a random walk 23 on the surface. Finally, it is vaporized by re-evaporation 24 or reaches the kink 22 and is taken in as crystals (raw material adhesion 25).

これを巨視的に見るとステップが傾斜方向に流れるように成長していく様子が観測される。このような成長をステップフロー成長といい、これが理想的に行われると、下地の結晶形やポリタイプを完全に引き継ぐようになる。   When this is viewed macroscopically, it can be observed that the steps grow so as to flow in the tilt direction. Such growth is called step flow growth, and when this is ideally performed, the underlying crystal form and polytype are completely taken over.

このとき傾斜角が小さいほどテラス21は広くなり、キンク22は少なくなる。理想的に研磨されたon−Axis基板では無限に広いテラスを持ち、キンクは存在しないことになる。テラス21が広くてキンク22が少ないと、反応種はキンク22に届く前にテラス21上に核を形成してしまう。この核がそのまま成長を続けていくと3C構造になると言われている。   At this time, the smaller the inclination angle, the wider the terrace 21 and the fewer kinks 22. An ideally polished on-axis substrate has an infinitely large terrace and no kink. If the terrace 21 is wide and the kink 22 is small, the reactive species form nuclei on the terrace 21 before reaching the kink 22. If this nucleus continues to grow, it is said to have a 3C structure.

本発明の特徴は、SiC成長と同時にHClを導入することにある。このHClの役割は、次の二点にある。   A feature of the present invention is that HCl is introduced simultaneously with SiC growth. The role of HCl is in the following two points.

(1)基板上からの再蒸発の促進、それによりテラス上に発生した成長核の除去。   (1) Promotion of reevaporation from the substrate, thereby removing growth nuclei generated on the terrace.

(2)SiC基板表面のエッチングにより、強制的なステップの形成。   (2) Forced step formation by etching of the SiC substrate surface.

水素雰囲気中である程度以上の温度があれば、SiCはHClによってエッチングされる。特にSiC基板においてはHClのエッチングにより、幅が数十ナノメートルオーダーのステップが表面に現れることが認められている(図6参照)。そのため従来よりも少ない傾斜角でも、強制的にテラスを狭めてキンクを形成するため、ステップフロー成長が促進され、3C構造の核の発生を抑止することが可能になる。   If there is a certain temperature in the hydrogen atmosphere, SiC is etched by HCl. In particular, in a SiC substrate, it is recognized that a step having a width of several tens of nanometers appears on the surface by HCl etching (see FIG. 6). For this reason, the kinks are formed by forcibly narrowing the terrace even with an inclination angle smaller than that of the prior art, so that step flow growth is promoted and generation of 3C structure nuclei can be suppressed.

本発明による炭化珪素単結晶の製造方法によれば、従来のように傾斜角の大きい傾斜基板を用いることなく、より小さな傾斜角度のSiC単結晶基板を用いて、良質なSiC単結晶薄膜の成長が可能になるため、より低価格でかつデバイス歩留りの高いSiCエピタキシャルウェハを製造することが可能になる。これによりSiCデバイスの開発促進、さらにはエンドユーザーへの展開の促進を実現することができる。   According to the method for producing a silicon carbide single crystal according to the present invention, a high-quality SiC single crystal thin film is grown using a SiC single crystal substrate having a smaller inclination angle without using an inclined substrate having a larger inclination angle as in the prior art. Therefore, it becomes possible to manufacture a SiC epitaxial wafer with a lower price and a higher device yield. Thereby, it is possible to realize the development promotion of the SiC device and further the promotion to the end user.

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on illustrated embodiments.

<CVD装置>
図1は本発明の製造方法で用いたSiC製造用CVD装置のリアクター(CVD炉)の構造を示した概略図である。
<CVD equipment>
FIG. 1 is a schematic view showing the structure of a reactor (CVD furnace) of a SiC manufacturing CVD apparatus used in the manufacturing method of the present invention.

このCVD炉は、直径5.08cm(2インチ)の基板が1チャージ可能な、高周波誘導加熱によるホットウォール式の横型(基板水平設置型)炉である。円筒形の石英外周管1の中に、グラファイト製断熱材2で包まれた円筒形のサセプタ3を設置してある。このサセプタ3もグラファイト製であるが、表面にはSiCコートを施してある。サセプタ3の外観は円筒形であるが、中は方形にくりぬいて、軸方向に沿った通路4を形成してあり、この中にSiC基板5を設置するようになっている。   This CVD furnace is a hot wall type horizontal (substrate horizontal installation type) furnace using high frequency induction heating, in which a substrate having a diameter of 5.08 cm (2 inches) can be charged. A cylindrical susceptor 3 wrapped with a graphite heat insulating material 2 is installed in a cylindrical quartz outer tube 1. This susceptor 3 is also made of graphite, but the surface is coated with SiC. The appearance of the susceptor 3 is cylindrical, but the inside thereof is hollowed out to form a passage 4 along the axial direction, and the SiC substrate 5 is installed therein.

加熱は、断熱材2とサセプタ3からなるホットウォール部を覆って石英外周管1の周囲に巻回した高周波誘導コイル6を用い、高周波誘導法によって行われる。高周波誘導コイル6は、サセプタ3のうちのSiC基板を保持している部分(基板ホルダー部3a)を加熱する。   Heating is performed by a high frequency induction method using a high frequency induction coil 6 wound around the quartz outer tube 1 so as to cover a hot wall portion composed of the heat insulating material 2 and the susceptor 3. The high frequency induction coil 6 heats a portion (substrate holder portion 3 a) of the susceptor 3 that holds the SiC substrate.

温度測定は、パイロメーターで石英外周管1内の温度を加熱時の輻射光より測定する方式であり、サセプタ3のうちのSiC基板を保持している部分(基板ホルダー部3a)の温度を下流から測定している。この測定した温度を、高周波誘導コイル6の高周波発生機にフィードバックして、石英外周管1内の温度を制御している。また石英外周管1は空冷式になっており、成長時は常時ファンにて冷やされるようになっている。   The temperature measurement is a method in which the temperature in the quartz outer tube 1 is measured with a pyrometer from the radiation light during heating, and the temperature of the portion of the susceptor 3 holding the SiC substrate (substrate holder portion 3a) is set downstream. Is measured from. The measured temperature is fed back to the high frequency generator of the high frequency induction coil 6 to control the temperature in the quartz outer tube 1. The quartz outer tube 1 is air-cooled, and is always cooled by a fan during growth.

排気はドライポンプにて行っており、ポンプの後ろで除害塔に流れ込み、排気ガスが除害された後、希釈用N2と混合されて大気放出される。またリアクターとポンプの間にはフィルターがあり、パーティクルなどをトラップするようになっている。 Exhaust is performed by a dry pump, and flows into the detoxification tower behind the pump. After the exhaust gas is detoxified, it is mixed with N 2 for dilution and released into the atmosphere. There is a filter between the reactor and the pump to trap particles.

<成長条件>
石英外周管1の原料導入口からサセプタ3の通路4内に、珪素の水素化ガス(Si原料ガス)としてSiH4ガス、炭化水素ガス(C原料ガス)としてC38ガス、キャリアガスとしてH2ガスを用い、これらとHClガスを同時に石英外周管1内に導入した。すなわち、Si原料にはSiH4を、C原料としてC38を、キャリアガスとしてH2を用いており、それらにHClを混合させて成長を行った。
<Growth conditions>
SiH 4 gas as silicon hydride gas (Si raw material gas), C 3 H 8 gas as hydrocarbon gas (C raw material gas), and carrier gas from the raw material introduction port of the quartz outer tube 1 into the passage 4 of the susceptor 3 Using H 2 gas, these and HCl gas were simultaneously introduced into the quartz outer tube 1. That is, SiH 4 was used as the Si raw material, C 3 H 8 was used as the C raw material, and H 2 was used as the carrier gas. Growth was performed by mixing HCl with them.

SiCエピタキシャル成長時には、基板ホルダー部3aの温度は1500℃に設定した。圧力は約13332Pa(100Torr)で行った。SiC基板5には、(0001)面から[11−20]方向に2°傾斜した4H−SiC基板、及び(0001)面から[11−20]方向に3°傾斜した4H−SiC基板を用い、そのSi面上に成長を行った。また成長前のSiC基板5にはRCA洗浄を施し、表面の酸化膜を除去した。   During the SiC epitaxial growth, the temperature of the substrate holder portion 3a was set to 1500 ° C. The pressure was about 13332 Pa (100 Torr). As the SiC substrate 5, a 4H—SiC substrate inclined by 2 ° in the [11-20] direction from the (0001) plane and a 4H—SiC substrate inclined by 3 ° in the [11-20] direction from the (0001) plane are used. Growing on the Si surface. Further, the SiC substrate 5 before growth was subjected to RCA cleaning, and the oxide film on the surface was removed.

成長シーケンスを図2に示す。最初は基板ホルダー部3aを成長温度の1550℃(T1)まで、H2ガスのみを流しながら昇温する(図2の時刻a)。 The growth sequence is shown in FIG. Initially, the substrate holder portion 3a is heated to a growth temperature of 1550 ° C. (T1) while flowing only H 2 gas (time a in FIG. 2).

水素雰囲気で成長温度1550℃(T1)まで上げた後、HClガスの導入を開始することにより、SiC表面を軽くエッチングしてステップを出す(HCl処理:図2の時刻a〜c)。   After raising the growth temperature to 1550 ° C. (T1) in a hydrogen atmosphere, the introduction of HCl gas is started, and the SiC surface is lightly etched to take steps (HCl treatment: times a to c in FIG. 2).

そのHCl処理が終了する前後(図2の時刻b、c)から、C38ガス、SiH4ガスの順に炉内に加えていって、SiCエピタキシャル層の成長を行う(SiC成長処理:図2の時刻c〜d)。このSiCエピタキシャル層の成長時のSiH4ガス、C38ガスの量は、8°傾斜の基板上での成長で8μm/hourを実現する量を導入し、HCl流量は50sccm導入した。成長したエピタキシャル層の膜厚は20μmである。 Before and after the end of the HCl treatment (time b and c in FIG. 2), C 3 H 8 gas and SiH 4 gas are added into the furnace in this order to grow a SiC epitaxial layer (SiC growth treatment: FIG. 2 times cd). The amounts of SiH 4 gas and C 3 H 8 gas during the growth of the SiC epitaxial layer were introduced so as to achieve 8 μm / hour when grown on a substrate inclined at 8 °, and the HCl flow rate was introduced at 50 sccm. The thickness of the grown epitaxial layer is 20 μm.

所定のSiCエピタキシャル層の成長後、降温を開始する(図2の時刻e)。流すH2ガスの流量は昇温から昇温(図2の時刻a〜e)まで、一貫して20.0slmに固定し、表面処理時のHClガスの流量は100sccmで行った。 After the growth of the predetermined SiC epitaxial layer, the temperature lowering is started (time e in FIG. 2). The flow rate of the H 2 gas to be flowed was constantly fixed at 20.0 slm from the temperature rise to the temperature rise (time a to e in FIG. 2), and the flow rate of the HCl gas during the surface treatment was 100 sccm.

<エピタキシャル層>
図3に、(0001)面から[11−20]方向に2°傾斜した4H−SiC基板上に成長したときの、SiCエピタキシャル層の表面の写真を、また図4に、同じく(0001)面から[11−20]方向に3°傾斜した4H−SiC基板上に成長したときの、SiCエピタキシャル層の表面の写真を示す。表面は平坦で、線状に連続する欠陥はみられないことより、このSiCのエピタキシャル層中に3C構造は発生していないとわかる。
<Epitaxial layer>
FIG. 3 is a photograph of the surface of the SiC epitaxial layer when grown on a 4H—SiC substrate inclined by 2 ° in the [11-20] direction from the (0001) plane, and FIG. 4 also shows the (0001) plane. The photograph of the surface of a SiC epitaxial layer when it grows on the 4H-SiC board | substrate inclined 3 degrees to [11-20] direction from FIG. Since the surface is flat and no linearly continuous defects are observed, it can be seen that no 3C structure is generated in the SiC epitaxial layer.

なお、この図3、図4に表面を示すSiCエピタキシャル層は、2つともSi面上に成長を行っている。またSiC成長時のSiH4ガスとC38ガスの量は、8°傾斜の基板上への成長で8μm/hourを実現する量を導入し、HCl流量は50sccm導入した。成長したエピタキシャル層膜厚は20μmである。 Note that the two SiC epitaxial layers whose surfaces are shown in FIGS. 3 and 4 are grown on the Si surface. Further, the amounts of SiH 4 gas and C 3 H 8 gas at the time of SiC growth were introduced so as to achieve 8 μm / hour by growth on a substrate inclined at 8 °, and the HCl flow rate was introduced at 50 sccm. The thickness of the grown epitaxial layer is 20 μm.

<最適条件について>
上記実施例にて定めた成長温度、圧力、C/Si比は、本発明者において一番実績のある条件として示したものである。エピタキシャル層の品質に影響がないならばこれと異なる条件でも問題はない。
<About optimum conditions>
The growth temperature, pressure, and C / Si ratio determined in the above examples are shown as the most proven conditions for the present inventors. If the quality of the epitaxial layer is not affected, there is no problem even if it is different from this condition.

しかし基板傾斜角に対しては、最適な成長条件が存在する。用いる傾斜基板の仕様は、コストと装置で実現可能な成長条件との兼ね合いで、できるだけ小さな傾斜角度になるように決めなくてはならない。SiC基板は傾斜が小さいほど歩留りが良くなり、廉価に提供されるからである。   However, optimal growth conditions exist for the substrate tilt angle. The specifications of the inclined substrate to be used must be determined so that the inclination angle is as small as possible in consideration of the cost and the growth conditions that can be realized by the apparatus. This is because the SiC substrate is provided at a lower price as the tilt is smaller and the yield is improved.

本発明者の実験によれば、4H形のSiC単結晶基板を用いる場合には、できるだけ小さな傾斜角度として(0001)面から0.5°〜7.0°の傾斜角度の範囲に定めるのであれば、従来の傾斜角度(8°)より小さな傾斜角度(0.5°〜7.0°)でありながら、平坦性の悪化や欠陥数の増大を伴わず、実用上問題のないSiC単結晶を得ることができることが分かった。   According to the experiments by the present inventors, when a 4H type SiC single crystal substrate is used, the inclination angle should be set as small as possible within the range of the inclination angle of 0.5 ° to 7.0 ° from the (0001) plane. For example, an SiC single crystal having a smaller tilt angle (0.5 ° to 7.0 °) than the conventional tilt angle (8 °), and having no problem in practical use without causing deterioration in flatness or increasing the number of defects. It turns out that can be obtained.

また、6H形のSiC単結晶基板を用いる場合には、できるだけ小さな傾斜角度として(0001)面から0.5°〜2.5°の傾斜角度の範囲に定めるのであれば、従来の傾斜角度(3.5°)より小さな傾斜角度(0.5°〜2.5°)でありながら、平坦性の悪化や欠陥数の増大を伴わず、実用上問題のないSiC単結晶を得ることができることが分かった。   Further, when a 6H-type SiC single crystal substrate is used, if the inclination angle is set as small as possible within the range of the inclination angle of 0.5 ° to 2.5 ° from the (0001) plane, the conventional inclination angle ( It is possible to obtain an SiC single crystal having no practical problem without deteriorating flatness and increasing the number of defects, while having an inclination angle smaller than (3.5 °) (0.5 ° to 2.5 °). I understood.

さらにHCl流量は、成長中のエピタキシャル表面にステップを発生させるだけの量が必要である。しかしHCl流量が多すぎると、エピタキシャル層のエッチングが過剰に進み、その分、製膜速度は低下してしまう。従って最適なHCl流量が存在する。これは使用する装置や成長条件により異なるが、HClガスの流量は大体キャリアガス流量の0.1〜5.0%が良い。   Further, the HCl flow rate should be sufficient to cause a step on the growing epitaxial surface. However, if the flow rate of HCl is too large, the etching of the epitaxial layer proceeds excessively, and the film forming speed is reduced accordingly. There is therefore an optimal HCl flow rate. Although this differs depending on the apparatus used and the growth conditions, the flow rate of HCl gas is preferably 0.1 to 5.0% of the carrier gas flow rate.

また確実にSiC単結晶をエピタキシャル成長するためには、成長速度を20μm/hour以下とするのが好ましいことが分かった。   It was also found that the growth rate is preferably 20 μm / hour or less in order to reliably epitaxially grow the SiC single crystal.

<他の実施例、変形例>
上記実施例では、SiC単結晶基板上に、先にキャリアガスとHClガスを供給し、その後に珪素の水素化ガスと炭化水素ガスを供給する形態としたが、SiC単結晶基板上に、珪素の水素化ガス、炭化水素ガス及びキャリアガスと共に、HClガスを同時に(例えば図2のa点にて)供給する形態とすることもでき、これによっても本発明所期の作用効果を同様に得ることができる。
<Other embodiments and modifications>
In the above embodiment, the carrier gas and the HCl gas are first supplied onto the SiC single crystal substrate, and then the hydrogenated hydrogen gas and the hydrocarbon gas are supplied. The hydrogen gas, the hydrocarbon gas, and the carrier gas can be supplied simultaneously with the HCl gas (for example, at the point a in FIG. 2), and this also achieves the intended effects of the present invention. be able to.

また上記実施例では、用いた基板が4H−SiC基板であるため、その傾斜角度を2°と3°に設定したが、6H−SiC基板を用いるのであれば、傾斜角度はより小さくすることが可能である。   Moreover, in the said Example, since the board | substrate used was a 4H-SiC board | substrate, the inclination angle was set to 2 degrees and 3 degrees, However, If a 6H-SiC board | substrate is used, an inclination angle may be made smaller. Is possible.

更にまた上記実施例では、傾斜方向が[11−20]のSiC基板を用いたが、成長条件を最適化すれば他の方向に傾斜した基板を用いることも可能である。   Furthermore, in the above embodiment, the SiC substrate having the tilt direction of [11-20] is used. However, if the growth conditions are optimized, a substrate tilted in another direction can be used.

本発明の製造方法で使用した基板水平設置型のSiC製造用CVD炉の構造を示したもので、(a)は側方から示した概略図、(b)はその断面略図である。The structure of the CVD furnace for SiC manufacture of the board | substrate horizontal installation type used with the manufacturing method of this invention was shown, (a) is the schematic shown from the side, (b) is the cross-sectional schematic diagram. 本発明の製造方法に係るCVD法によるSiCの成長シーケンスを示した図である。It is the figure which showed the growth sequence of SiC by CVD method which concerns on the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法により2°傾斜基板上に成長したSiCエピタキシャル層の表面を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the surface of the SiC epitaxial layer grown on the 2 degree inclination board | substrate by the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法により3°傾斜基板上に成長したSiCエピタキシャル層の表面を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the surface of the SiC epitaxial layer grown on the 3 degree inclination board | substrate by the manufacturing method of this invention. 傾斜基板上のエピタキシャル成長の進行状態を示す図である。It is a figure which shows the progress state of the epitaxial growth on an inclination board | substrate. 高温HClエッチングによりSiC上に発生するステップを示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the step which generate | occur | produces on SiC by high temperature HCl etching. 3C構造が発生したSiCエピタキシャル層の表面を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the surface of the SiC epitaxial layer which 3C structure generate | occur | produced. 従来のCVD法を用いて得られるSiCショットキーバリアーダイオードの構造を示した図である。It is the figure which showed the structure of the SiC Schottky barrier diode obtained using the conventional CVD method. 傾斜基板の使用により、エッジ部で傾いて成長するエピタキシャル層の模式図である。It is a schematic diagram of the epitaxial layer which inclines and grows in an edge part by use of an inclination board | substrate.

符号の説明Explanation of symbols

1 石英外周管
2 断熱材(グラファイト製)
3 サセプタ(グラファイト製)
3a 基板ホルダー
4 通路
5 SiC基板
6 高周波誘導コイル
21 テラス
22 キンク
23 ランダムウォーク
24 再蒸発
25 原料付着
31 n+型SiC基板
32 n-型エピタキシャル層
33 ショットキー電極
34 オーミック電極
35 ボロン注入領域
36 SiO2パッシベート膜
37 基板エッジ部
38 傾いて成長される領域
1 Quartz outer tube 2 Heat insulation material (made of graphite)
3 Susceptor (made of graphite)
3a Substrate holder 4 Passage 5 SiC substrate 6 High frequency induction coil 21 Terrace 22 Kink 23 Random walk 24 Re-evaporation 25 Material deposition 31 n + type SiC substrate 32 n type epitaxial layer 33 Schottky electrode 34 Ohmic electrode 35 Boron implantation region 36 SiO 2 Passivate film 37 Substrate edge 38 Inclined region

Claims (7)

珪素の水素化ガスと炭化水素ガスをキャリアガスと共に加熱したSiC基板上に供給し、熱分解反応により単結晶を成長させるCVD法による炭化珪素単結晶の製造方法において、
上記SiC基板として、(0001)面から小さい傾斜角度で傾斜したSiC単結晶基板を用い、このSiC単結晶基板上に、珪素の水素化ガス、炭化水素ガス及びキャリアガスと共に、HClガスを同時に供給することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
In a method for producing a silicon carbide single crystal by a CVD method in which a silicon hydride gas and a hydrocarbon gas are supplied onto a SiC substrate heated with a carrier gas, and a single crystal is grown by a thermal decomposition reaction,
As the SiC substrate, an SiC single crystal substrate inclined at a small inclination angle from the (0001) plane is used, and HCl gas is simultaneously supplied onto the SiC single crystal substrate together with a hydrogenated hydrogen gas, a hydrocarbon gas, and a carrier gas. A method for producing a silicon carbide single crystal, comprising:
珪素の水素化ガスと炭化水素ガスをキャリアガスと共に加熱したSiC基板上に供給し、熱分解反応により単結晶を成長させるCVD法による炭化珪素単結晶の製造方法において、
上記SiC基板として、(0001)面から小さい傾斜角度で傾斜したSiC単結晶基板を用い、このSiC単結晶基板上に、先にキャリアガスとHClガスを供給し、その後に珪素の水素化ガスと炭化水素ガスを供給することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
In a method for producing a silicon carbide single crystal by a CVD method in which a silicon hydride gas and a hydrocarbon gas are supplied onto a SiC substrate heated with a carrier gas, and a single crystal is grown by a thermal decomposition reaction,
As the SiC substrate, an SiC single crystal substrate tilted at a small tilt angle from the (0001) plane is used. A carrier gas and an HCl gas are first supplied onto the SiC single crystal substrate, and then a silicon hydride gas is used. A method for producing a silicon carbide single crystal, comprising supplying a hydrocarbon gas.
請求項1又は2記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、
上記SiC基板として、(0001)面から0.5°〜7.0°の範囲で傾斜させた4H構造のSiC単結晶基板、もしくは(0001)面から0.5°〜2.5°の範囲で傾斜させた6H構造のSiC単結晶基板を用いることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
In the manufacturing method of the silicon carbide single crystal of Claim 1 or 2,
As the SiC substrate, a SiC single crystal substrate having a 4H structure tilted in a range of 0.5 ° to 7.0 ° from the (0001) plane, or a range of 0.5 ° to 2.5 ° from the (0001) plane. A method for producing a silicon carbide single crystal, characterized by using a SiC single crystal substrate having a 6H structure tilted at 1.
請求項1〜3のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、
キャリアガスとしてH2ガス、またはHeとH2の混合ガス、またはArとH2の混合ガスのいずれかを用いることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
In the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in any one of Claims 1-3,
H 2 gas as a carrier gas, or He and the mixed gas of H 2 or Ar and manufacturing method of silicon carbide single crystal, which comprises using one of a mixed gas of H 2,,.
請求項1〜4のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、
HClガスの流量をキャリアガス流量の0.1〜5.0%に設定することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
In the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in any one of Claims 1-4,
A method for producing a silicon carbide single crystal, wherein a flow rate of HCl gas is set to 0.1 to 5.0% of a carrier gas flow rate.
請求項1〜5のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、
珪素の水素化ガスとして、Si26、SiH4-xClx(X=1、2、3、4)、Si26-xClx(X=1、2、3、4、5、6)のいずれかを用い、炭化水素ガスとしてCH4、C26、C(CH34のいずれかを用いることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
In the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in any one of Claims 1-5,
Si 2 H 6 , SiH 4−x Cl x (X = 1, 2 , 3, 4), Si 2 H 6−x Cl x (X = 1, 2, 3, 4, 5) 6), and any one of CH 4 , C 2 H 6 , and C (CH 3 ) 4 is used as the hydrocarbon gas.
請求項1〜6のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法において、
成長速度を20μm/hour以下とすることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
In the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in any one of Claims 1-6,
A method for producing a silicon carbide single crystal, wherein the growth rate is 20 μm / hour or less.
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