JP2012020889A - METHOD FOR PRODUCING SiC SEMICONDUCTOR THIN FILM AND DEVICE FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SiC半導体薄膜の作製方法および作製装置に関し、詳しくは、準安定溶媒エピタキシャル法を用いたSiC半導体薄膜の作製方法および作製装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for manufacturing a SiC semiconductor thin film, and more particularly to a method and apparatus for manufacturing a SiC semiconductor thin film using a metastable solvent epitaxial method.
近年の電気機器の高効率化に対する厳しいユーザの要求の下、半導体デバイスにおいても一層の電気特性、耐圧特性等を有する半導体材料の開発が進められている。特に、炭化珪素(SiC)は珪素(Si)に比べてバンドギャップが大きいことから、次世代のパワーデバイスへの応用を目指して盛んに開発がなされている。 Under strict user demands for higher efficiency of electrical equipment in recent years, development of semiconductor materials having further electrical characteristics, withstand voltage characteristics, and the like has been promoted in semiconductor devices. In particular, since silicon carbide (SiC) has a larger band gap than silicon (Si), it has been actively developed for application to next-generation power devices.
このようなSiC半導体デバイスを作製するためには、単結晶SiCからなるSiC半導体薄膜を作製する必要があり、緻密な温度制御を行うことなく、品質の高いSiC半導体薄膜を作製することができるSiC半導体薄膜の作製方法として、準安定溶媒エピタキシャル法(以下、「MSE法」とも言う)(Metastable Solvent Epitaxy)が提案されている(例えば、特許文献1)。 In order to produce such a SiC semiconductor device, it is necessary to produce a SiC semiconductor thin film made of single-crystal SiC, and SiC capable of producing a high-quality SiC semiconductor thin film without performing precise temperature control. As a method for manufacturing a semiconductor thin film, a metastable solvent epitaxial method (hereinafter also referred to as “MSE method”) (Metalable Solvent Epitaxy) has been proposed (for example, Patent Document 1).
このMSE法によるSiC半導体薄膜(単結晶SiC)の作製につき、図6を用いて説明する。図6は、従来のMSE法における一工程、具体的には、成膜材料の準備工程を模式的に示す図であり、(a)は平面図、(b)は縦断面図である。 The production of a SiC semiconductor thin film (single crystal SiC) by this MSE method will be described with reference to FIG. 6A and 6B are diagrams schematically showing one step in the conventional MSE method, specifically, a step of preparing a film forming material, where FIG. 6A is a plan view and FIG. 6B is a longitudinal sectional view.
先ず、図6に示すように、反応炉(図示せず)内に設けられた基板設置治具50の上に、順に、炭素原子供給基板40、Si板20、単結晶SiC基板10を積み重ねる。このとき、Si板20と炭素原子供給基板40の間に、複数の上部スペーサ30を周方向に適宜配置して、加熱時に生成されるSi融液が溜まる空間を設けておく。なお、上部スペーサ30の厚みは、Si融液に対流を発生させないように、Si板20の厚みに比べ薄く設定されている。
First, as shown in FIG. 6, a carbon
次に、Arガスあるいは真空雰囲気下、加熱手段(図示せず)を用いて、反応炉内の温度をSi融点(約1400℃)よりも高い所定の温度(SiC成長温度)まで昇温する。途中、炉内温度がSi融点を超えると、Si板20が溶融してSi融液となる。
Next, the temperature in the reactor is raised to a predetermined temperature (SiC growth temperature) higher than the Si melting point (about 1400 ° C.) using a heating means (not shown) in an Ar gas or a vacuum atmosphere. In the middle, when the furnace temperature exceeds the Si melting point, the
Si融液は上部スペーサ30により設けられた空間に、Si融液層を形成し、炭素原子供給基板40からSi融液層中に拡散した炭素と化合してSiCが形成される。形成されたSiCは、その後、単結晶SiC基板10の表面でエピタキシャル成長して、SiC半導体薄膜が作製される。
The Si melt forms a Si melt layer in the space provided by the
SiCエピタキシャル膜に微量の不純物が混入されることによりキャリアが形成され、n型あるいはp型のSiC半導体薄膜となる。例えば、不純物が窒素(N)の場合にはn型SiC半導体が、アルミニウム(Al)や硼素(B)の場合にはp型SiC半導体となる。このため、SiCエピタキシャル膜中のキャリア濃度は、炭素原子供給基板に含まれるこれら不純物(N、B、Al)の濃度に依存する。 When a small amount of impurities are mixed into the SiC epitaxial film, carriers are formed, and an n-type or p-type SiC semiconductor thin film is obtained. For example, when the impurity is nitrogen (N), the n-type SiC semiconductor is a p-type SiC semiconductor when the impurity is aluminum (Al) or boron (B). For this reason, the carrier concentration in the SiC epitaxial film depends on the concentration of these impurities (N, B, Al) contained in the carbon atom supply substrate.
そして、不純物濃度の面内分布のバラツキが充分に抑制されたSiCエピタキシャル膜を作製することにより、SiC半導体デバイスを歩留りよく得ることができる。 Then, by producing a SiC epitaxial film in which variation in the in-plane distribution of impurity concentration is sufficiently suppressed, a SiC semiconductor device can be obtained with high yield.
このため、従来のMSE法においては、不純物の面内分布のバラツキが±5%程度のカーボン原料を炭素原子供給基板として使用し、SiCエピタキシャル膜のキャリア濃度の面内分布のバラツキを抑制することが図られた。 For this reason, in the conventional MSE method, a carbon raw material with a variation in the in-plane distribution of impurities of about ± 5% is used as the carbon atom supply substrate, and the variation in the in-plane distribution of the carrier concentration of the SiC epitaxial film is suppressed. Was planned.
しかしながら、このように不純物の面内分布のバラツキが±5%程度のカーボン原料を炭素原子供給基板として用いた場合であっても、実際に得られたSiCエピタキシャル膜においては、キャリア濃度面内分布のバラツキが±30〜50%程度と、遙かに大きな面内分布のバラツキを示していた。しかも、キャリア濃度は、SiCエピタキシャル膜の外周部で高く中央部で低くなっていた。 However, even in the case where a carbon raw material having an in-plane variation of impurities of about ± 5% is used as the carbon atom supply substrate, the carrier concentration in-plane distribution is actually obtained in the obtained SiC epitaxial film. Variation of about ± 30 to 50%, indicating a much larger variation in in-plane distribution. Moreover, the carrier concentration is high at the outer peripheral portion of the SiC epitaxial film and low at the central portion.
このように、従来のMSE法からは、キャリア濃度の面内分布のバラツキが充分に抑制されたSiCエピタキシャル膜を作製することが困難であり、安定した電気的特性のSiC半導体デバイスを歩留りよく得ることが困難であった。 Thus, it is difficult to produce a SiC epitaxial film in which variation in the in-plane distribution of carrier concentration is sufficiently suppressed from the conventional MSE method, and a SiC semiconductor device having stable electrical characteristics can be obtained with a high yield. It was difficult.
そこで、本発明は、MSE法を用いて、キャリア濃度の面内分布のバラツキが充分に抑制されたSiCエピタキシャル膜を作製することができ、安定した電気的特性のSiC半導体デバイスを歩留りよく得ることができるSiC半導体薄膜の作製方法および作製装置を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention can produce an SiC epitaxial film in which the variation in the in-plane distribution of the carrier concentration is sufficiently suppressed by using the MSE method, and can obtain a SiC semiconductor device having stable electrical characteristics with high yield. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for manufacturing an SiC semiconductor thin film that can be manufactured.
本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す請求項の発明により上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。以下、各請求項の発明について説明する。 As a result of intensive studies, the present inventor has found that the above-mentioned problems can be solved by the inventions of the following claims, and has completed the present invention. Hereinafter, the invention of each claim will be described.
請求項1に記載の発明は、
準安定溶媒エピタキシャル法により、SiC半導体薄膜を作製するSiC半導体薄膜の作製方法であって、
基板設置治具上に、複数の底面スペーサを所定の間隔を設けて配置し、
前記底面スペーサ上に、炭素原子供給基板、複数の上部スペーサ、Si板および単結晶SiC種基板を、順に積み重ね、
その後、Siの融点よりも高い所定の温度まで昇温して、前記単結晶SiC種基板上に、単結晶SiC膜をエピタキシャル成長させて、SiC半導体薄膜を作製する
ことを特徴とするSiC半導体薄膜の作製方法である。
The invention described in
A method for producing a SiC semiconductor thin film by producing a SiC semiconductor thin film by a metastable solvent epitaxial method,
On the substrate installation jig, a plurality of bottom surface spacers are arranged at predetermined intervals,
On the bottom spacer, a carbon atom supply substrate, a plurality of upper spacers, a Si plate and a single crystal SiC seed substrate are sequentially stacked,
Thereafter, the temperature is raised to a predetermined temperature higher than the melting point of Si, and a single crystal SiC film is epitaxially grown on the single crystal SiC seed substrate to produce a SiC semiconductor thin film. This is a manufacturing method.
前記したように、従来のMSE法においては、不純物の面内分布のバラツキが小さな炭素原子供給基板を使用しているにも拘わらず、得られたSiCエピタキシャル膜におけるキャリア濃度の面内分布のバラツキが大きかった。 As described above, in the conventional MSE method, the variation in the in-plane distribution of the carrier concentration in the obtained SiC epitaxial film is used despite the use of the carbon atom supply substrate in which the in-plane distribution of impurities is small. Was big.
本発明者は、キャリア濃度は不純物に依存するため、この従来のMSE法における大きなバラツキは炭素原子供給基板以外の影響も受けていると推測し、鋭意検討した。その結果、炭素原子供給基板、上部スペーサ、Si板および単結晶SiC種基板を載置した基板設置治具に含まれている不純物が、SiCエピタキシャル膜の外周部に混入して、この大きなバラツキを発生させていることが分かった。 Since the carrier concentration depends on impurities, the present inventor presumed that the large variation in the conventional MSE method was influenced by other than the carbon atom supply substrate, and intensively studied. As a result, impurities contained in the substrate installation jig on which the carbon atom supply substrate, the upper spacer, the Si plate, and the single crystal SiC seed substrate are placed enter the outer periphery of the SiC epitaxial film, and this large variation is caused. I found that it was generated.
この理由を図7を用いて説明する。図7は、MSE法における一工程、具体的には高温時Siが溶融したときのSi成長工程を模式的に示す図であり、(a)は平面図、(b)は縦断面図である。 The reason for this will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram schematically showing one step in the MSE method, specifically, a Si growth step when Si is melted at a high temperature, where (a) is a plan view and (b) is a longitudinal sectional view. .
従来のMSE法においては、前記したように、上部スペーサ30の厚みは、Si板20の厚みに比べ、薄く設定されている。このため、成長過程において、図7に示すように、Si融液は、Si融液層20aを形成すると共に、余剰のSi融液Aが外部に溢れて、炭素原子供給基板40の外周面を伝って流れ落ち、基板設置治具50上にSi融液溜まり70を形成する。
In the conventional MSE method, as described above, the thickness of the
一方、基板設置治具としては、高温雰囲気で融解、昇華、変形しないこと、Si蒸気と反応しないこと、SiCの形成に影響するような不純物を高濃度で含まないこと、加工が容易なこと等を考慮して、従来から、高純度化処理されたカーボン加工品が用いられている。しかし、このように高純度化処理されたカーボン加工品であっても、SiCの電気特性に影響を及ぼす不純物が含まれており、その濃度は、通常、炭素原子供給基板の不純物濃度よりも高い。 On the other hand, as a substrate installation jig, it does not melt, sublimate, or deform in a high temperature atmosphere, does not react with Si vapor, does not contain impurities that affect the formation of SiC, and is easy to process. In consideration of the above, carbon processed products that have been subjected to high-purity treatment have been conventionally used. However, even a carbon processed product that has been purified in this way contains impurities that affect the electrical characteristics of SiC, and its concentration is usually higher than the impurity concentration of the carbon atom supply substrate. .
このため、高温時、基板設置治具に含有される不純物が、基板設置治具に接している余剰のSi融液Aや炭素原子供給基板に向けて拡散する。余剰のSi融液A内に拡散された不純物は、さらに、Si融液層にまで拡散して行く。 For this reason, at a high temperature, impurities contained in the substrate installation jig diffuse toward the surplus Si melt A and the carbon atom supply substrate in contact with the substrate installation jig. Impurities diffused into the surplus Si melt A further diffuse into the Si melt layer.
そして、Si融液層の厚みは300μm以下と非常に薄いため、Si融液層には温度分布が殆ど存在せず、Si融液の対流が起きにくい。このため、Si融液層まで移動してきた不純物はSi融液層の中央部まで入り込むことができず、単結晶SiC種基板に形成された単結晶SiCエピタキシャル膜の外周部だけに拡散していく。その結果、得られた単結晶SiCエピタキシャル膜における不純物の濃度は、外周部で高く中央部で低くなり、面内分布のバラツキを大きくさせている。 And since the thickness of the Si melt layer is as very thin as 300 μm or less, there is almost no temperature distribution in the Si melt layer, and convection of the Si melt hardly occurs. For this reason, the impurities that have moved to the Si melt layer cannot enter the center of the Si melt layer and diffuse only to the outer peripheral portion of the single crystal SiC epitaxial film formed on the single crystal SiC seed substrate. . As a result, the impurity concentration in the obtained single crystal SiC epitaxial film is high at the outer peripheral portion and low at the central portion, thereby increasing the variation in in-plane distribution.
これに対して、本請求項の発明においては、基板設置治具と炭素原子供給基板との間に、複数の底面スペーサを所定の間隔を設けて加熱を行い、SiCのエピタキシャル成長を図っている。 On the other hand, in the present invention, SiC is epitaxially grown by heating a plurality of bottom surface spacers at a predetermined interval between the substrate setting jig and the carbon atom supply substrate.
この様子を図1および図2を用いて、詳しく説明する。図1は、本発明に係るMSE法における一工程、具体的には、成膜材料の準備工程を模式的に示す図であり、(a)は平面図、(b)は縦断面図である。また、図2は、本発明に係るMSE法における一工程、具体的には、高温時Siが溶融したときのSiC成長工程を模式的に示す図であり、(a)は平面図、(b)は縦断面図である。 This will be described in detail with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is a diagram schematically showing one step in the MSE method according to the present invention, specifically, a step of preparing a film forming material, where (a) is a plan view and (b) is a longitudinal sectional view. . FIG. 2 is a diagram schematically showing one step in the MSE method according to the present invention, specifically, a SiC growth step when Si is melted at a high temperature, (a) is a plan view, (b) ) Is a longitudinal sectional view.
図1に示すように、本発明においては、基板設置治具5上に、複数の底面スペーサ6、炭素原子供給基板4、複数の上部スペーサ3、Si板2および単結晶SiC種基板1が、順に積み重ねられている。底面スペーサ6を介在させることにより、基板設置治具5と炭素原子供給基板4との間に空間が設けられる。またこれらの複数の底面スペーサは所定の間隔を設けて配置されており、図1の場合は4つのスペーサ6が90度毎に配置されている。
As shown in FIG. 1, in the present invention, a plurality of
この状態で、Siの融点よりも高い所定の温度まで昇温させるが、炉内温度がSiの融点を超えると、Si板2が溶融してSi融液となり、図2に示すように、上部スペーサ30により設けられた空間に、Si融液層2aが形成されると共に、余剰のSi融液Aが外部に溢れ出る。
In this state, the temperature is raised to a predetermined temperature higher than the melting point of Si. When the furnace temperature exceeds the melting point of Si, the Si plate 2 is melted to become a Si melt, and as shown in FIG. In the space provided by the
溢れ出た余剰のSi融液Aは、炭素原子供給基板の外周面全体を伝って流れ落ちる従来のMSE法の場合と異なり、新たに設けられた底面スペーサ6を伝って流れ落ちる。また、基板設置治具5上に形成されたSi融液溜まり7を介して、基板設置治具から不純物がSi融液層2aにまで拡散して行く経路は、所定の間隔を設けて配置された複数の底面スペーサ6を伝っていく経路に限定され、基板設置治具5からSi融液層2aへの不純物の拡散が抑制される。
Unlike the case of the conventional MSE method that flows down along the entire outer peripheral surface of the carbon atom supply substrate, the overflowing excess Si melt A flows down through the newly provided
また、底面スペーサ6を設けることにより、基板設置治具5とSi融液層2aとの間隔が従来のMSE法の場合よりも広くなるため、基板設置治具5からSi融液層2aまで拡散される不純物の量が抑制され、さらに溢れ出た余剰のSi融液Aで対流が発生して、不純物の拡散がさらに抑制される。
Moreover, since the space | interval of the board | substrate installation jig |
このように、本発明によれば、基板設置治具からSi融液層への不純物の拡散が充分に抑制されるため、SiCエピタキシャル膜の外周部で不純物の濃度が高くなることを抑制することができる。この結果、不純物濃度の面内分布のバラツキが充分に抑制されたSiCエピタキシャル膜を作製することができ、安定した電気的特性のSiC半導体デバイスを歩留りよく得ることができる。 Thus, according to the present invention, since the diffusion of impurities from the substrate installation jig to the Si melt layer is sufficiently suppressed, it is possible to suppress an increase in the concentration of impurities at the outer peripheral portion of the SiC epitaxial film. Can do. As a result, a SiC epitaxial film in which variation in the in-plane distribution of the impurity concentration is sufficiently suppressed can be manufactured, and a SiC semiconductor device having stable electrical characteristics can be obtained with a high yield.
請求項2に記載の発明は、
前記基板設置治具が、多結晶SiC製または高純度カーボン製であることを特徴とする請求項1に記載のSiC半導体薄膜の作製方法である。
The invention described in claim 2
The method for producing a SiC semiconductor thin film according to
多結晶SiC製や高純度カーボン製の基板設置治具は、高温雰囲気で融解、昇華、変形せず、またSi蒸気と反応せず、さらに、SiCの形成に影響する不純物が高濃度に含まれていないため、基板設置治具として好ましい。 The substrate installation jig made of polycrystalline SiC or high-purity carbon does not melt, sublimate or deform in a high-temperature atmosphere, does not react with Si vapor, and contains a high concentration of impurities that affect the formation of SiC. Therefore, it is preferable as a substrate installation jig.
請求項3に記載の発明は、
前記底面スペーサが、多結晶SiC製または高純度カーボン製であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のSiC半導体薄膜の作製方法である。
The invention according to claim 3
The method for producing a SiC semiconductor thin film according to
前記のように多結晶SiC製や高純度カーボン製のスペーサは、高温雰囲気で融解、昇華、変形せず、また、Si蒸気と反応せず、さらに、SiCの形成に影響するような不純物を高濃度で含まないため、底面スペーサとして好ましい。 As described above, the spacer made of polycrystalline SiC or high-purity carbon does not melt, sublimate or deform in a high-temperature atmosphere, does not react with Si vapor, and has a high impurity that affects the formation of SiC. Since it is not included in the concentration, it is preferable as a bottom spacer.
請求項4に記載の発明は、
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のSiC半導体薄膜の作製方法に用いられるSiC半導体薄膜の作製装置であって、
基板設置治具と、
前記基板設置治具の上に所定の間隔を設けて複数配置された、炭素原子供給基板載置用の底面スペーサとを備えていることを特徴とするSiC半導体薄膜の作製装置である。
The invention according to claim 4
An SiC semiconductor thin film manufacturing apparatus used in the method of manufacturing an SiC semiconductor thin film according to any one of
A board installation jig;
A SiC semiconductor thin film production apparatus comprising a plurality of carbon atom supply substrate placement bottom spacers arranged on the substrate installation jig at predetermined intervals.
本請求項の発明は、方法の発明である請求項1の発明を、装置の面より捉えたものであり、本装置を用いることにより、不純物濃度の面内分布のバラツキが小さなSiCエピタキシャル膜を提供することができ、安定した電気的特性のSiC半導体を歩留まりよく得ることができる。
The invention of this claim captures the invention of
本発明によれば、MSE法を用いて、不純物濃度の面内分布のバラツキが充分に抑制されたSiCエピタキシャル膜(SiC半導体薄膜)を作製することができ、安定した電気的特性のSiC半導体を歩留まりよく提供することができる。 According to the present invention, an SiC epitaxial film (SiC semiconductor thin film) in which variation in the in-plane distribution of impurity concentration is sufficiently suppressed can be manufactured by using the MSE method, and an SiC semiconductor having stable electrical characteristics can be produced. It can be provided with good yield.
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments.
(実施の形態)
本発明に係るSiC半導体薄膜(単結晶SiCエピタキシャル膜)の作製工程について、実施の形態に基づいて具体的に説明する。
(Embodiment)
A manufacturing process of the SiC semiconductor thin film (single crystal SiC epitaxial film) according to the present invention will be specifically described based on the embodiment.
(1)準備工程 (1) Preparation process
最初に、図1に示すように、基板設置治具5の上に、順に、複数の底面スペーサ6、炭素原子供給基板4、複数の上部スペーサ3、Si板2、単結晶SiC種基板1を積み重ねていき、その後、図示しない反応炉内に収納する。複数の上部スペーサは90度毎に4つ設けられている。
First, as shown in FIG. 1, a plurality of
単結晶SiC種基板1としては、別途作製されたバルク状の単結晶SiCを所定サイズに切り出したものが使用され、成長させたい面方位、例えば、[0001]面を炭素原子供給基板4に対向させるように配置される。
As the single crystal
Si板2は、シリコン原料であり、高温処理時、溶融して、単結晶SiC種基板1と炭素原子供給基板4との間、即ち、上部スペーサ3により形成される空間にSi融液層を形成する。厚みとしては、単結晶SiCのエピタキシャル成長の間、Si融液層を前記空間に形成しておく必要があるため、また、その間に予測されるSi融液の蒸発量を見込んで、上部スペーサ3の厚みに比べ、充分厚いものが好ましい。
The Si plate 2 is a silicon raw material that melts during high-temperature processing, and forms a Si melt layer in the space formed by the upper spacer 3 between the single crystal
上部スペーサ3は、前記した通り、高温処理時、単結晶SiC種基板1と炭素原子供給基板4との間の厚みを制御して、Si融液層を形成するために設けられ、炭素原子供給基板4上の周方向に等間隔で、3個以上配置され、図1においては、4個配置されている。厚みとしては20〜100μm程度が好ましい。
As described above, the upper spacer 3 is provided in order to form a Si melt layer by controlling the thickness between the single crystal
炭素原子供給基板4としては、前記した通り、不純物を含まないカーボン原料が好ましく、例えば、多結晶SiCや高純度カーボン等が用いられる。 As described above, the carbon atom supply substrate 4 is preferably a carbon raw material containing no impurities, such as polycrystalline SiC or high-purity carbon.
底面スペーサ6の材質としては、多結晶SiCや高純度カーボン等が好ましく、炭素原子供給基板4の下面側の周方向に、等間隔で、3個以上配置され、図1においては、4個配置されている。なお、上部スペーサ3と同じ位置に配置されていることが好ましい。厚みとしては、高温処理時において、炭素原子供給基板4や基板設置治具5が変形しても、両者の間で部分的な接触が発生することがないように、800μm以上が好ましい。
The material of the
基板設置治具5の材質としては、不純物を含まないものが好ましく、高純度カーボン等が用いられる。厚みとしては、各成膜材料および底面スペーサ6を載置した状態で、高温処理時においても反り等の変形が発生しない厚みが好ましい。
The material for the
(2)単結晶SiC成長工程
以下、図2を用いて、単結晶SiC成長工程を説明する。2000〜100000PaのArガスあるいは真空雰囲気下、反応炉内を、10〜40℃/minの昇温速度で室温から1500〜1800℃まで昇温させる。Si融点(約1400℃)を超えた時点で、Si板が溶融してSi融液が形成される。Si融液は上部スペーサ3により設けられた空間に、Si融液層2aを形成すると共に、余剰のSi融液Aが炭素原子供給基板4の外周部から溢れる。
(2) Single-crystal SiC growth step Hereinafter, the single-crystal SiC growth step will be described with reference to FIG. The temperature in the reactor is increased from room temperature to 1500 to 1800 ° C. at a temperature increase rate of 10 to 40 ° C./min in an Ar gas of 2000 to 100000 Pa or in a vacuum atmosphere. When the Si melting point (about 1400 ° C.) is exceeded, the Si plate is melted to form a Si melt. The Si melt forms the
そして、1500〜1800℃の温度を3〜6時間保持することにより、単結晶SiC基板10の表面で単結晶SiCがエピタキシャル成長して、SiC半導体薄膜が作製される。
And by holding the temperature of 1500-1800 degreeC for 3 to 6 hours, single-crystal SiC grows epitaxially on the surface of the single-
その後、5℃/min以下の降温速度で1500〜1800℃から1400℃まで降温させ、さらに、10℃/min以下の降温速度で室温まで降温させた後、反応炉より取り出す。 Thereafter, the temperature is lowered from 1500 to 1800 ° C. to 1400 ° C. at a temperature lowering rate of 5 ° C./min or less, and further lowered to room temperature at a temperature lowering rate of 10 ° C./min or less, and then taken out from the reactor.
炭素原子供給基板4の外周部から溢れ出た余剰Si融液Aは、底面スペーサ6を伝って基板設置治具5に流れ落ち、Si融液溜まり7を形成する。このSi融液溜まり7を介して基板設置治具5からSi融液層2aに不純物が拡散するが、前記の通り、拡散して行く経路は、90度毎に設けられた底面スペーサ6に限られるため、不純物の拡散が抑制される。
The surplus Si melt A overflowing from the outer peripheral portion of the carbon atom supply substrate 4 flows down to the
この結果、単結晶SiCのエピタキシャル成長に際して、不純物の混入が抑制されて、キャリア濃度の面内分布のバラツキを抑制することができる。 As a result, during the epitaxial growth of single crystal SiC, the mixing of impurities can be suppressed, and variations in the in-plane distribution of carrier concentration can be suppressed.
(実施例)
実施例1と実施例2は、N濃度が異なる炭素原子供給基板を使用した実施例であり、基板設置治具の高純度カーボンのN濃度9.70E+17atms/cm3と比較して、実施例1では、それより低いN濃度5.80E+16atms/cm3の炭素原子供給基板を使用している。一方、実施例2では、前記基板設置治具より高いN濃度7.10E+18atms/cm3の炭素原子供給基板を使用している。
(Example)
Example 1 and Example 2 are examples using carbon atom supply substrates having different N concentrations. Compared with the high purity carbon N concentration 9.70E + 17 atms / cm 3 of the substrate setting jig, Example 1 Then, a carbon atom supply substrate having a lower N concentration of 5.80E + 16 atms / cm 3 is used. On the other hand, in Example 2, a carbon atom supply substrate having an N concentration of 7.10E + 18 atms / cm 3 higher than that of the substrate setting jig is used.
単結晶SiC種基板1としては、直径2インチの円板形状の4H単結晶SiC製ウエハを用いた。Si板2としては、直径2インチ、厚み280μmのSi板を用いた。また、炭素原子供給基板4としては、直径2インチ、厚み550μmの多結晶SiC基板を用いた。
As the single crystal
上部スペーサ3としては、平面サイズ3×6mm、厚み100μmの高純度カーボン製板材を用い、炭素原子供給基板4の外周部に45度の間隔で8個配置した。 As the upper spacer 3, a high-purity carbon plate material having a plane size of 3 × 6 mm and a thickness of 100 μm was used, and eight pieces were arranged on the outer periphery of the carbon atom supply substrate 4 at intervals of 45 degrees.
底面スペーサ6としては、平面サイズ3×6mm、厚み800μm高純度カーボン製板材を用い、上部スペーサ3の位置に合わせて、8個配置した。
As the
70000Paの真空雰囲気下で、30℃/minの昇温速度で室温から1800℃まで昇温させた。この昇温により、Si融点(約1400℃)を超えた時点でSi融液層2aが形成された。
The temperature was raised from room temperature to 1800 ° C. at a heating rate of 30 ° C./min in a vacuum atmosphere of 70000 Pa. By this temperature increase, the
次に、真空雰囲気下で、1800℃の温度を6時間保持することにより、単結晶SiCをエピタキシャル形成させ、単結晶SiC種基板1の表面に厚み25〜40μmの単結晶SiCエピタキシャル膜を作製した。
Next, a single crystal SiC was epitaxially formed by maintaining a temperature of 1800 ° C. for 6 hours in a vacuum atmosphere, and a single crystal SiC epitaxial film having a thickness of 25 to 40 μm was formed on the surface of the single crystal
その後、5℃/minの降温速度で1800℃から1500℃まで降温した。 Thereafter, the temperature was decreased from 1800 ° C. to 1500 ° C. at a temperature decrease rate of 5 ° C./min.
さらに、1℃/minの降温速度で1500℃から1100℃まで降温させた後、10℃/minの降温速度で1100℃から600℃まで降温させ、その後、室温まで自然冷却させた後、反応炉から取り出し、実施例1、2の単結晶SiCエピタキシャル膜を得た。 Further, after the temperature was lowered from 1500 ° C. to 1100 ° C. at a temperature lowering rate of 1 ° C./min, the temperature was lowered from 1100 ° C. to 600 ° C. at a temperature lowering rate of 10 ° C./min, and then naturally cooled to room temperature. The single crystal SiC epitaxial film of Examples 1 and 2 was obtained.
(比較例)
底面スペーサを使用しない以外は、実施例と同じ条件の下で、SiC半導体薄膜の作製を行い、比較例の単結晶SiCエピタキシャル膜を得た。
(Comparative example)
A SiC semiconductor thin film was prepared under the same conditions as in the example except that the bottom spacer was not used, and a single crystal SiC epitaxial film of a comparative example was obtained.
(単結晶SiCエピタキシャル膜の評価)
実施例および比較例で得られた単結晶SiCエピタキシャル膜(SiC半導体薄膜)につき、キャリア濃度を測定した。キャリア濃度はN濃度とほぼ同等と考えられる。なお、測定は、図3に○で示す17箇所で行った。
(Evaluation of single crystal SiC epitaxial film)
The carrier concentration was measured for the single crystal SiC epitaxial films (SiC semiconductor thin films) obtained in the examples and comparative examples. The carrier concentration is considered to be almost equivalent to the N concentration. The measurement was performed at 17 points indicated by ◯ in FIG.
具体的には、C―V測定よりキャリア濃度を算出した。測定結果を、図4に示す。図4において、(a)は比較例における測定結果、(b)は実施例1における測定結果、(c)は実施例2における測定結果である。なお、各図において、横軸は、中心からの距離を示しており、縦軸は、キャリア濃度を示している。 Specifically, the carrier concentration was calculated from CV measurement. The measurement results are shown in FIG. In FIG. 4, (a) is the measurement result in the comparative example, (b) is the measurement result in Example 1, and (c) is the measurement result in Example 2. In each figure, the horizontal axis indicates the distance from the center, and the vertical axis indicates the carrier concentration.
また、表1に、それぞれの実施例における炭素原子供給基板のN濃度と、得られた単結晶SiCエピタキシャル膜のキャリア濃度の最大値、最小値、平均値、標準偏差およびバラツキを示す。 Table 1 shows the N concentration of the carbon atom supply substrate and the maximum value, minimum value, average value, standard deviation, and variation of the carrier concentration of the obtained single crystal SiC epitaxial film in each example.
そして、表1に基づき、図5に、それぞれの実施例および比較例でのカーボン原料中のN濃度と、得られた単結晶SiCエピタキシャル膜のキャリア濃度バラツキ幅、基板設置治具高純度カーボンのN濃度の関係を示した。 Based on Table 1, FIG. 5 shows the N concentration in the carbon raw material in each example and the comparative example, the carrier concentration variation width of the obtained single crystal SiC epitaxial film, the substrate installation jig high purity carbon The relationship of N concentration was shown.
図4(a)に示すように、比較例の場合には、基板面内に於いて、a軸直径、m軸直径、いずれの方向においても、キャリア濃度測定値に大きなバラツキが見られる。これに対して、図4(b)、(c)に示すように、実施例1、2の場合には、測定値に大きなバラツキが見られず、キャリア濃度の面内分布のバラツキが充分に抑制されていることが分かる。 As shown in FIG. 4A, in the case of the comparative example, there is a large variation in the carrier concentration measurement values in both the a-axis diameter and the m-axis diameter in the substrate surface. On the other hand, as shown in FIGS. 4B and 4C, in the case of Examples 1 and 2, there is no large variation in the measured value, and there is a sufficient variation in the in-plane distribution of the carrier concentration. It turns out that it is suppressed.
そして、表1から分かるように、実施例1、2の場合、単結晶SiCエピタキシャル膜のキャリア濃度のバラツキは、それぞれ±10.6%および±8.9%であり、比較例における±33.8%に比べ、大幅に改善されていることが分かる。 As can be seen from Table 1, in the case of Examples 1 and 2, the carrier concentration variation of the single crystal SiC epitaxial film is ± 10.6% and ± 8.9%, respectively, and ± 33. It can be seen that this is a significant improvement compared to 8%.
また、図5より、比較例、実施例1の単結晶SiCエピタキシャル膜のキャリア濃度は、炭素原子供給基板のN濃度より高くなっている。逆に、実施例2の単結晶SiCエピタキシャル膜のキャリア濃度は、炭素原子供給基板のN濃度より低くなっている。基板設置治具高純度カーボンのN濃度は、比較例、実施例1と実施例2の炭素原子供給基板のN濃度の間にある。このことより、単結晶SiCエピタキシャル膜のキャリア濃度は、基板設置治具高純度カーボン中のN濃度にも影響を受けていることが分かる。よって、底面スペーサの設置により、基板設置治具高純度カーボンのN濃度の影響が抑制できる有効性を示すことができる。 Further, from FIG. 5, the carrier concentration of the single crystal SiC epitaxial film of the comparative example and Example 1 is higher than the N concentration of the carbon atom supply substrate. Conversely, the carrier concentration of the single crystal SiC epitaxial film of Example 2 is lower than the N concentration of the carbon atom supply substrate. The N concentration of the substrate setting jig high-purity carbon is between the N concentrations of the carbon atom supply substrates of the comparative example, Example 1 and Example 2. This shows that the carrier concentration of the single crystal SiC epitaxial film is also affected by the N concentration in the high-purity carbon of the substrate setting jig. Therefore, the effectiveness which can suppress the influence of N density | concentration of a substrate installation jig | tool high purity carbon can be shown by installation of a bottom surface spacer.
以上より、底面スペーサを配置することによる効果を確認することができた。 From the above, it was possible to confirm the effect of arranging the bottom spacer.
なお、本発明を実施の形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。 Although the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments. Various modifications can be made to the above-described embodiment within the same and equivalent scope as the present invention.
1、10 単結晶SiC基板
2、20 Si板
2a、20a Si融液層
3、30 上部スペーサ
4、40 炭素原子供給基板
5、50 基板設置治具
6 底面スペーサ
7、70 Si融液溜まり
A 余剰のSi融液
1, 10 Single
Claims (4)
基板設置治具上に、複数の底面スペーサを所定の間隔を設けて配置し、
前記底面スペーサ上に、炭素原子供給基板、複数の上部スペーサ、Si板および単結晶SiC種基板を、順に積み重ね、
その後、Siの融点よりも高い所定の温度まで昇温して、前記単結晶SiC種基板上に、単結晶SiC膜をエピタキシャル成長させて、SiC半導体薄膜を作製する
ことを特徴とするSiC半導体薄膜の作製方法。 A method for producing a SiC semiconductor thin film by producing a SiC semiconductor thin film by a metastable solvent epitaxial method,
On the substrate installation jig, a plurality of bottom surface spacers are arranged at predetermined intervals,
On the bottom spacer, a carbon atom supply substrate, a plurality of upper spacers, a Si plate and a single crystal SiC seed substrate are sequentially stacked,
Thereafter, the temperature is raised to a predetermined temperature higher than the melting point of Si, and a single crystal SiC film is epitaxially grown on the single crystal SiC seed substrate to produce a SiC semiconductor thin film. Manufacturing method.
基板設置治具と、
前記基板設置治具の上に所定の間隔を設けて複数配置された、炭素原子供給基板載置用の底面スペーサとを備えていることを特徴とするSiC半導体薄膜の作製装置。 An SiC semiconductor thin film manufacturing apparatus used in the method of manufacturing an SiC semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 3,
A board installation jig;
A SiC semiconductor thin film manufacturing apparatus comprising: a plurality of carbon atom supply substrate mounting bottom surface spacers arranged on the substrate installation jig at predetermined intervals.
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