JP2008222509A - METHOD FOR PRODUCING SINGLE CRYSTAL SUBSTRATE WITH SiC EPITAXIAL FILM - Google Patents
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Description
本発明は、SiCエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造方法に関するもので、より詳細には、CVD(化学的気相成長)法を用いて、SiC単結晶基板上へのSiCエピタキシャル膜をエピタキシャル成長させるSiCエピタキシャル膜付き基板の製造技術に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a single crystal substrate with an SiC epitaxial film, and more specifically, SiC by epitaxially growing an SiC epitaxial film on an SiC single crystal substrate using a CVD (chemical vapor deposition) method. The present invention relates to a manufacturing technique of a substrate with an epitaxial film.
SiC単結晶基板上にSiCエピタキシャル膜を成膜する際には、従来はCMP(化学的機械研磨)と水素エッチングによってSiC単結晶基板の表面処理を行った後、CVDによりSiCエピタキシャル膜を成膜していた。このように成膜の前にSiC単結晶基板の表面処理を行うことにより、SiCエピタキシャル膜中のBPD(基底面転位)を減少させて結晶品質の良いSiCエピタキシャル膜を得ていた(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来の方法においては、SiC単結晶基板とSiCエピタキシャル膜との界面の状態に起因して発生するBPDを減少させることはできるが、SiCエピタキシャル膜の成膜中に発生する結晶欠陥を減少させることができない。従って、成膜後の結晶品質は満足できるものではなかった。 However, in the conventional method, BPD generated due to the state of the interface between the SiC single crystal substrate and the SiC epitaxial film can be reduced, but the crystal defects generated during the deposition of the SiC epitaxial film are reduced. I can't let you. Therefore, the crystal quality after film formation was not satisfactory.
本発明は、前記従来技術の課題を解決するもので、SiCエピタキシャル膜の成膜中に発生する結晶欠陥を減少させ、成膜後の結晶品質に優れたSiCエピタキシャル膜付き単結晶基板を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and provides a single crystal substrate with an SiC epitaxial film that reduces crystal defects generated during the film formation of an SiC epitaxial film and is excellent in crystal quality after film formation. For the purpose.
従来の課題を解決するために、本発明のSiCエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造方法は、オフ角を有するSiC単結晶基板が設置されている反応容器内に珪化水素ガスおよび炭化水素ガスを水素と共に導入しながら第1の温度で且つ第1の圧力で加熱することによりSiCエピタキシャル膜を成膜する第1の工程と、第2の温度で前記SiCエピタキシャル膜の表面粗さRaが1nm以上になるまで加熱を行う第2の工程と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the conventional problems, a method for producing a single crystal substrate with an SiC epitaxial film according to the present invention includes hydrogen silicide gas and hydrocarbon gas in a reaction vessel in which an SiC single crystal substrate having an off angle is installed. A first step of forming a SiC epitaxial film by heating at a first temperature and a first pressure while being introduced together with the surface roughness Ra of the SiC epitaxial film at 1 nm or more at a second temperature. And a second step of heating until.
さらに、本発明のSiCエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造方法は、オフ角を有するSiC単結晶基板が設置されている反応容器内に珪化水素ガスおよび炭化水素ガスを水素と共に導入しながら第1の温度で且つ第1の圧力で加熱することによりSiCエピタキシャル膜を成膜する第1の工程と、第2の温度で且つ前記第1の圧力以下で前記SiCエピタキシャル膜の表面粗さRaが1nm以上になるまで加熱を行う第2の工程と、を含むことを特徴とする。 Furthermore, the method for producing a single crystal substrate with an SiC epitaxial film according to the present invention includes a first method while introducing hydrogen silicide gas and hydrocarbon gas together with hydrogen into a reaction vessel in which an SiC single crystal substrate having an off angle is installed. A first step of forming a SiC epitaxial film by heating at a temperature and a first pressure; and a surface roughness Ra of the SiC epitaxial film at a second temperature and below the first pressure is 1 nm or more And a second step of heating until.
本発明のSiCエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造方法によれば、SiCエピタキシャル膜の成膜後に加熱処理を行うことによってSiCエピタキシャル膜の成膜中に発生した結晶欠陥を減少させることができる。 According to the method for manufacturing a single crystal substrate with an SiC epitaxial film of the present invention, the crystal defects generated during the film formation of the SiC epitaxial film can be reduced by performing the heat treatment after the film formation of the SiC epitaxial film.
以下に、本発明のSiCエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
(実施の形態1)
本発明における実施の形態1について説明する。図1は、本発明の工程フローの概略図を示したものである。図1に示すように、本発明のSiCエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造方法は、オフカットされたSiC単結晶基板1上にSiCエピタキシャル膜2を成膜する成膜工程(図1a)と、SiCエピタキシャル膜2を加熱することでSiCエピタキシャル膜2の表面にステップバンチング3を発生させて結晶欠陥を減少させる加熱工程(図1b)とからなる。また、デバイスを作製するために、このSiCエピタキシャル膜2の表面に発生させたステップバンチング3をCMP等により除去する平坦化工程(図1c)を追加しても良い。
Hereinafter, embodiments of a method for producing a single crystal substrate with an SiC epitaxial film according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows a schematic diagram of the process flow of the present invention. As shown in FIG. 1, the method for manufacturing a single crystal substrate with an SiC epitaxial film of the present invention includes a film forming step (FIG. 1 a) for forming an SiC
各工程のより詳細な説明を、以下に記載する。図1aは、オフカットされたSiC単結晶基板1上にSiCエピタキシャル膜2を成膜する成膜工程である。SiC単結晶基板1は、(0001)結晶面あるいは(000−1)結晶面から約1〜9度の範囲でオフカットされたものを使用する。このSiC単結晶基板1をCVD装置の反応容器(リアクタ)内に設置する。SiCエピタキシャル膜2を成膜する条件としては、反応容器内にシランガスとプロパンガスをキャリアガスである水素と共に導入し、反応容器を1400〜1700℃の範囲で、圧力は10〜1000mbarの範囲で保つことによって、SiC単結晶基板1上にSiCエピタキシャル膜2を成膜する。また、シランガスおよびプロパンガスの流量は前記水素の流量の100〜10000分の1の流量とするのが好ましい。この条件で成膜されるSiCエピタキシャル膜2の表面粗さRaは1.0nm未満であり、SiCエピタキシャル膜2の成膜中に新たな転位など致命的な欠陥が誘発されることを防止することができる。
A more detailed description of each step is described below. FIG. 1 a shows a film forming process of forming an SiC
図1bは、SiCエピタキシャル膜2を加熱することでSiCエピタキシャル膜2の表面に表面粗さRaが1nm以上のステップバンチングを発生させてSiCエピタキシャル膜2中の欠陥を修復して結晶品質を改善させる加熱工程である。この加熱条件としては、1600〜2000℃の範囲が好ましい。上限を2000℃とした理由としてはSiCが昇華し始める温度であるためである。また、ステップバンチング3をより効果的に発生させるためには、成膜時の圧力よりも減圧状態にすることで原子を表面拡散しやすくすることができるため、より効果的にステップバンチング3を発生することが可能である。また、成膜時の圧力よりも減圧状態にすることでより加熱温度を下げることが可能となる。また、加熱時のガス雰囲気は、成膜工程でキャリアガスとして使用する水素をそのまま流し続けて水素雰囲気中で加熱しても良いが、またアルゴンやヘリウムといった不活性ガス雰囲気中で加熱しても良い。不活性雰囲気中であれば、SiCエピタキシャル膜2がガスエッチングされて膜厚が減少してしまうことを防止することができる。
In FIG. 1b, by heating the SiC
加熱工程におけて欠陥が減少するメカニズムとしては、SiCエピタキシャル膜2に多数存在する原子空孔4や格子間原子5を熱エネルギーによって移動させることで原子空孔4と格子間原子5とを再結合させたり転位に吸収させたりすることで消滅させることができる。さらに、オフ角を有するSiC単結晶基板1を使用した場合においては、最適な加熱処理を行うことによってSiCエピタキシャル膜2の表面に数〜数十nm程度のステップバンチング3を形成させることが可能であり、SiCエピタキシャル膜2の表面近傍の点欠陥はおろか、SiCエピタキシャル膜2の表面近傍で発生した転位6についても修復することが可能である。つまり、ステップバンチング3の発生過程においてSiCエピタキシャル膜2の表面近傍の原子が非常に盛んに表面拡散(マイグレーション)して結晶構造を再配列化していくことからエピ表面近傍の点欠陥や転位6がより効果的に消滅していくものと推測される。以上のことから、この加熱工程においては、SiCエピタキシャル膜2の表面にステップバンチング3を発生させることによりが、結晶品質を効果的に改善させる上で重要である。
As a mechanism for reducing defects in the heating process, the
また、成膜工程と加熱工程は、CVD装置を用いて連続的に実施することが好ましい。連続的に実施することによる効果として、別途アニール装置で加熱処理を行う必要がないため生産性を向上することができる。さらには、昇温過程や降温過程といった急激な熱ストレスが加わる処理が一度で済むために単結晶基板の反りや割れなどといったリスクも軽減することができる。さらには、装置間での基板移動がないため不純物付着を防止することができる。 Further, it is preferable that the film forming process and the heating process are continuously performed using a CVD apparatus. As an effect of continuous implementation, productivity can be improved because there is no need to perform a heat treatment with a separate annealing apparatus. Furthermore, since the process of applying a rapid thermal stress such as a temperature rising process or a temperature falling process is only required once, the risk of warping or cracking of the single crystal substrate can be reduced. Furthermore, since there is no movement of the substrate between apparatuses, it is possible to prevent the adhesion of impurities.
図1cは、SiCエピタキシャル膜2の表面に発生させたステップバンチング3をCMP(化学的機械研磨)により除去する平坦化工程である。CMPによる研磨量は数十nm程度で良い。この工程はデバイスを製造する場合において、SiCエピタキシャル膜2のステップバンチング3がデバイス特性に悪影響を与える場合において適宜実施すればよい。具体的にはMOSFETを製造する場合においては、ステップバンチング3が存在するとベース下のキャリアの移動を阻害しデバイス特性に悪影響を及ぼすことがある。平坦化処理の方法として、CMP以外にも水素雰囲気中のガスエッチングや水素と塩素の混合ガスなどによるガスエッチング処理を用いても良い。
FIG. 1 c shows a planarization process in which the step bunching 3 generated on the surface of the SiC
以下、本発明のSiCエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造法を用いたSiCエピタキシャル膜の成膜方法を具体的に説明する。本実施の形態では、SiCエピタキシャル膜2の成膜工程と加熱工程とをCVD装置を用いて連続的に実施し、次いでCMPによりステップバンチングの平坦化処理を行った。
Hereinafter, a method for forming an SiC epitaxial film using the method for producing a single crystal substrate with an SiC epitaxial film according to the present invention will be specifically described. In the present embodiment, the step of forming the SiC
図2はCVD装置のエピタキシャル成長レシピを示したグラフである。X軸を時間とし、Y軸をCVD装置のリアクタの温度および圧力で表したグラフである。また、ガス導入タイミングについてもグラフ下に示してある。使用した基板として、8度オフ(0001)4H−SiC単結晶基板を使用した。 FIG. 2 is a graph showing an epitaxial growth recipe of the CVD apparatus. It is a graph in which the X-axis is time and the Y-axis is the temperature and pressure of the reactor of the CVD apparatus. The gas introduction timing is also shown below the graph. As the substrate used, an 8-degree off (0001) 4H—SiC single crystal substrate was used.
成膜工程として、シラン(SiH4)およびプロパン(C3H8)を水素(H2)と共にリアクタに導入しながら、リアクタ温度を1650℃、リアクタ圧力を0.8barとし、SiCエピタキシャル膜2の成膜を1.5時間行った。また、この時のシラン、プロパン、水素の流量は、それぞれ25cc/min、20cc/min、50L/minであり、成長速度は約5μm/hrである。図4に、成膜工程直後のエピタキシャル膜表面のAFM(原子間力顕微鏡)の測定結果を示す。このAFMの測定結果より、5μm×5μmエリアの表面粗さRaは約0.3nmであった。
As a film forming process, while introducing silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) into the reactor together with hydrogen (H 2 ), the reactor temperature was set to 1650 ° C., the reactor pressure was set to 0.8 bar, and the
次に、このSiCエピタキシャル膜2にステップバンチング3を発生させる加熱工程として、シランとプロパンと水素の導入を停止し、アルゴンガスを50L/minの流量でリアクタに導入しながら、リアクタ温度を1700℃、リアクタ圧力を0.1barとして、加熱を1時間行った。図5に、加熱工程後のエピタキシャル膜の表面のAFMの測定結果を示す。5μm×5μmエリアの表面粗さRaは約4nmであり、大きなステップバンチングが発生させることができている。
Next, as a heating process for generating the step bunching 3 in the
続いて、CVD装置からこのSiCエピタキシャル膜2付き単結晶基板1を取出し、SiCエピタキシャル膜2表面のステップバンチング3をCMPにより平坦化させた。この時の研磨量は約50nmとした。図5に、CMP後のエピタキシャル膜の表面のAFMの測定結果を示す。5μm×5μmエリアの表面粗さRaは約0.1nmであった。また、CMPの以外の平坦化処理の方法として、図3に示すようにCVD装置での加熱工程に引き続いて、水素雰囲気中でのガスエッチングによる平坦化工程を連続的に行っても良い。
Subsequently, the
次に、SiCエピタキシャル膜2中の結晶欠陥の減少の効果を確認するため、MOSキャパシタを作製して絶縁破壊試験を行うことした。このMOSキャパシタの製造方法および構造としては、SiCエピタキシャル膜付き単結晶基板を酸素雰囲気中において約1100℃で加熱処理を行い、SiCエピタキシャル膜を酸化させることで表面に約50nmの熱酸化膜を形成した。さらに、この熱酸化膜上にAl電極を形成し、基板裏面にはNi電極を形成して、MOSキャパシタを作製した。なお、作製したMOSキャパシタの寸法(Al電極のサイズ)は1mm2である。
Next, in order to confirm the effect of reducing crystal defects in the
絶縁破壊試験の方法として、MOSキャパシタに一定のリーク電流密度J=100μAを印加し、MOSキャパシタが絶縁破壊されるまでの時間tを測定することにより、絶縁破壊電荷QbdをJ×tの計算により求めたることとした。なお、試験点数は12個とした。また、絶縁破壊箇所は熱酸化膜となる。 As a method of the dielectric breakdown test, a constant leakage current density J = 100 μA is applied to the MOS capacitor, and the time t until the MOS capacitor is broken down is measured, whereby the breakdown charge Qbd is calculated by J × t. I decided to ask for it. The number of test points was 12. Moreover, the dielectric breakdown part becomes a thermal oxide film.
以上の評価方法によりMOSキャパシタ絶縁破壊試験を実施し得られた絶縁破壊電荷Qbdの結果のワイブルプロットを図7に示した。X軸は絶縁破壊電荷Qbdであり、Y軸のFは累積故障率である。また、比較として、従来として加熱処理を行わないSiCエピタキシャル膜付きSiC基板を使用して作製したMOSキャパシタと、本発明のSiCエピタキシャル付きSiC単結晶基板を使用して作製したMOSキャパシタの比較を行った。この図7より、本発明のMOSキャパシタのQbdが従来のMOSキャパシタと比較して1桁程度大きいことがわかる。MOSキャパシタの熱酸化膜はエピタキシャル膜から変換されているものであるから、エピタキシャル膜の結晶欠陥は熱酸化膜中に取り込まれることとなる。よって、MOSキャパシタの絶縁破壊電荷が大きくなるということは、SiCエピタキシャル膜中の結晶欠陥が少ない低くなるというわけである。このことから、本発明のSiCエピタキシャル膜2中の結晶欠陥が大きく減少していることがわかる。
FIG. 7 shows a Weibull plot of the result of the dielectric breakdown charge Qbd obtained by conducting the MOS capacitor dielectric breakdown test by the above evaluation method. The X axis is the dielectric breakdown charge Qbd, and the Y axis F is the cumulative failure rate. As a comparison, a comparison was made between a MOS capacitor manufactured using a SiC substrate with an SiC epitaxial film that was not subjected to heat treatment and a MOS capacitor manufactured using an SiC single crystal substrate with an SiC epitaxial according to the present invention. It was. FIG. 7 shows that the Qbd of the MOS capacitor of the present invention is about one digit larger than that of the conventional MOS capacitor. Since the thermal oxide film of the MOS capacitor is converted from the epitaxial film, crystal defects of the epitaxial film are taken into the thermal oxide film. Therefore, an increase in the dielectric breakdown charge of the MOS capacitor means that the number of crystal defects in the SiC epitaxial film is reduced. This shows that crystal defects in the
本発明にかかるSiCエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造方法は、SiCエピタキシャル膜中の結晶欠陥を効果的に減少させ、結晶品質に優れたSiCエピタキシャル膜付き単結晶基板を製造することができる。特に、SiCエピタキシャル膜の表面近傍の結晶欠陥の減少により効果的であることから、エピタキシャル膜表面近傍の結晶品質が重要なMOSFET、MISFET、MESFET、ショットキーダイオード等のデバイス用途として有用である。 The method for producing a single crystal substrate with an SiC epitaxial film according to the present invention can effectively reduce crystal defects in the SiC epitaxial film and produce a single crystal substrate with an SiC epitaxial film having excellent crystal quality. In particular, since it is effective by reducing crystal defects near the surface of the SiC epitaxial film, it is useful for device applications such as MOSFETs, MISFETs, MESFETs, and Schottky diodes where crystal quality near the epitaxial film surface is important.
1 SiC単結晶基板
2 SiCエピタキシャル膜
3 ステップバンチング
4 原子空孔
5 格子間原子
6 転位
1 SiC
Claims (7)
第2の温度で前記SiCエピタキシャル膜の表面粗さRaが1nm以上になるまで加熱を行う第2の工程と、
を含むSiCエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造方法。 A SiC epitaxial film is formed by heating at a first temperature and a first pressure while introducing hydrogen silicide gas and hydrocarbon gas together with hydrogen into a reaction vessel in which a SiC single crystal substrate having an off-angle is installed. A first step of filming;
A second step of heating at a second temperature until the surface roughness Ra of the SiC epitaxial film becomes 1 nm or more;
Of manufacturing a single crystal substrate with a SiC epitaxial film.
第2の温度で且つ前記第1の圧力以下で前記SiCエピタキシャル膜の表面粗さRaが1nm以上になるまで加熱を行う第2の工程と、
を含むSiCエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造方法。 A SiC epitaxial film is formed by heating at a first temperature and a first pressure while introducing hydrogen silicide gas and hydrocarbon gas together with hydrogen into a reaction vessel in which a SiC single crystal substrate having an off-angle is installed. A first step of filming;
A second step of heating at a second temperature and not more than the first pressure until the surface roughness Ra of the SiC epitaxial film becomes 1 nm or more;
Of manufacturing a single crystal substrate with a SiC epitaxial film.
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