JP4313000B2

JP4313000B2 - ３Ｃ−ＳｉＣ半導体の製造方法

Info

Publication number: JP4313000B2
Application number: JP2002192877A
Authority: JP
Inventors: 芳久阿部; 俊一鈴木; 秀夫中西
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: JP2004039766A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｓｉに比べて半導体機能として優れた性能を持つ３Ｃ−ＳｉＣ半導体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）半導体又はＧａＮ半導体は、主にＳｉ基板上にＳｉＣ又はＧａＮをエピタキシャル成長させることにより製造される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
基板となるＳｉと、そこに成長させるＳｉＣとの間には、格子不整合がある。
そのために、ミスフイット転位による結晶欠陥が多数発生し、デバイス作成時の問題となっている。
【０００４】
格子定数の違いによる結晶欠陥を抑制するために、Ｓｉ基板の表面を炭化水素ガスで炭化し、これをバッファー層としてＳｉＣを成長させる方法が知られている。この従来の方法によると、基板中のＳｉ原子が炭化処理により基板表面に持ち去られ、その結果、Ｓｉ基板中に空孔が生じ、Ｓｉ基板が荒れてしまう現象が見られる。
【０００５】
エピタキシャル成長においては、基板の結晶性を成膜層が受け継ぐ。そのため、良質な結晶を得る上で、基板の荒れは避けるべきである。
【０００６】
本発明の目的は、そのような基板の荒れを回避できる３Ｃ−ＳｉＣ半導体の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決手段を例示すると、Ｓｉ基板上に、第１の原料ガスとしてモノメチルシランを用い、５００〜９００℃の温度でかつ０．１〜１μｍ／ｈの速度でＳｉＣバッファー層をエピタキシャル成長させ、次に、第２の原料ガスとしてＳｉＨ _４ガスとＣ _３Ｈ _８ガスを用い、１０００〜１３００℃の温度でかつ１〜１５μｍ／ｈの速度でＳｉＣバッファー層の上にＳｉＣの単結晶の本体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする３Ｃ−ＳｉＣ半導体の製造方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、Ｓｉ基板の荒れをもたらさない適当な物質としてＳｉＣの有機金属原料を選択して、それによりエピタキシャル成長膜を形成し、かつ、それをバッファー層と本体層からなる多層（２層以上）の構造として形成したものである。
【０００９】
まず、ＳｉＣ半導体の製造方法について述べる。
【００１０】
ＳｉＣ成膜に使用される有機金属原料の代表的なものとして、モノメチルシラン（ＣＨ_３ＳｉＨ_３）が挙げられる。モノメチルシランには、すでにＳｉ−Ｃの結合がある。そのため、モノメチルシランは、ＳｉＣを成膜するには都合のよい原材料である。
【００１１】
通常、Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣのヘテロエピタキシャル成長を行う場合、事前に基板を炭化処理する必要がある。これはＳｉとＳｉＣの格子不整合を緩和させるためである。
【００１２】
しかしながら、モノメチルシランを原材料にした場合は、１０００℃以下の比較的低い温度で、Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣをヘテロエピタキシャル成長させることが可能である。ただし、１０００℃以下であっても、９００℃よりも高い温度でヘテロエピタキシャル成長をさせると、多結晶化する傾向がある。また、比較的低温での成長であると、成長速度が遅くなりがちである。通例、成長速度は１μｍ／ｈである。これでは、生産効率が悪い。
【００１３】
また、３Ｃ−ＳｉＣの成長には、Ｓｉ源として、ＳｉＨ_４やＳｉＨ_２Ｃｌ_２などが使用され、Ｃ源として、Ｃ_２Ｈ_２やＣ_３Ｈ_８などが使用される。成長温度は１０００℃以上で、成長速度は１μｍ／ｈ以上である。そして、Ｃリッチな状態で成長させることにより単結晶を得る。Ｓｉリッチの場合は、多結晶化することがある。
【００１４】
モノメチルシランは、ＳｉとＣが１：１で存在しているので、成長速度を大きくするために成長温度を上昇させることは、単結晶を得る上で不利である。
【００１５】
そこで、モノメチルシランを原材料にして９００℃以下の比較的低温でＳｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ層を１μｍ以下程度の厚みに設けて、まずバッファー層を形成する。その後、ＳｉＨ_４もしくはＳｉＨ_２Ｃｌ_２とＣ_３Ｈ_８もしくはＣ_２Ｈ_２を用いて、１０００℃以上で比較的高速に３Ｃ−ＳｉＣ結晶を成長させて、本体層を形成する。このようにして、生産効率をあげることが好ましい。
【００１６】
図１において、（Ａ）は、本発明による３Ｃ−ＳｉＣ半導体の製造手順の一例を示し、（Ｂ）は、比較例によるＧａＮ半導体の製造手順の一例を示している。図１の（Ａ）（Ｂ）のいずれにおいても、基板１、バッファー層２及び本体層３の厚みは、それぞれ０．７ｍｍ、５００ｎｍ及び５μｍであるが、図示の便宜のために、図１に示されている基板１、バッファー層２及び本体層３の相対的な厚みは正確になっていない。
【００１７】
図１の（Ａ）の最下段に示す３Ｃ−ＳｉＣ半導体と、図１の（Ｂ）の最下段に示すＧａＮ半導体は、いずれも、Ｓｉ基板１の上にエピタキシャル成長膜が形成されており、このエピタキシャル成長膜は、３Ｃ−ＳｉＣ又はＧａＮからなるバッファー層２と本体層３の多層構造になっている。Ｓｉ基板１を炭化処理していないので、基板１に空孔が生じておらず、荒れがない。そのため、荒れのない基板１の良好な結晶性をバッファー層２がうまく受け継いでいる。さらに、本体層３も、バッファー層２の良好な結晶性を受け継いでいる。
【００１８】
バッファー層２は、比較的低温かつ低速でエピタキシャル成長させた成膜であり、その構造上の特長は、格子定数が異なるＳｉ上に直接成長しているためにアモルファスをふくんだ歪んだものである。
【００１９】
本体層３は、比較的高温かつ高速でエピタキシャル成長させた成膜であり、その構造上の特長は、上記バッファー層表面がすでに格子緩和された状態であるため、歪のないものとなっていることである。
【００２０】
このように、Ｓｉ基板１と３Ｃ−ＳｉＣの本体層３との間にバッファー層２を介在させると、基板１になるＳｉと、そこに成長させる本体層３との間の格子不整合や格子定数の違いによる結晶欠陥が、バッファー層２のバッファー作用によって有効に抑制される。
【００２１】
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
【００２２】
３Ｃ−ＳｉＣ半導体の製造例について説明する。
【００２３】
（１）基板Ｓｉ（１００）を水素雰囲気中で１０００℃以上の温度で加熱することにより基板表面の自然酸化膜を除去する。
【００２４】
（２）第１の原料ガスとしてモノメチルシランを反応管に流し、基板上にバッファー層として３Ｃ−ＳｉＣ層を５００〜９００℃程度の温度と成長速度０．１−１μｍ／ｈで５００ｎｍ程度以下の厚みで成長させて、バッファー層を形成する。
【００２５】
（３）バッファー層の成長終了時に、第１の原料ガスの供給を止め、１０００〜１３００℃まで昇温する。
【００２６】
（４）１０００〜１３００℃の成長温度になったら、第２の原料ガスとしてＳｉＨ_４ガスとＣ_３Ｈ_８ガスの供給を開始し、１〜１５μｍ／ｈ程度の速度で必要な膜厚まで３Ｃ−ＳｉＣ層の結晶成長を行って、本体層を形成する。
【００２７】
次は、ＧａＮ半導体の比較例について説明する。
【００２８】
（１）基板Ｓｉ（１００）を水素雰囲気中で１０００℃以上の温度で加熱することにより基板表面の自然酸化膜を除去する。
【００２９】
（２）第１の原料ガスとしてジエチルガリウムアジドを反応管に流し、基板上にバッファー層としてＧａＮ層を３００〜７００℃程度の温度と成長速度０．１−１μｍ／ｈで５００ｎｍ程度以下の厚みで成長させて、バッファー層を形成する。
【００３０】
（３）そのバッファー層の成長終了時に、第１の原料ガスの供給を止め、１０００〜１３００℃まで昇温する。
【００３１】
（４）１０００〜１３００℃の成長温度になったら、第２の原料ガスとしてトリメチルガリウムとアンモニアもしくはモノメチルヒドラジンの供給を開始し、１〜１５μｍ／ｈ程度の速度で必要な膜厚までＧａＮ層の結晶成長を行って、本体層を形成する。
【００３２】
【発明の効果】
本発明による３Ｃ−ＳｉＣ半導体は、基板の荒れを回避できるとともに、低温バッファー層なしでエピタキシャル成長膜の本体層を直接成長させたものに比べ、格子欠陥によるミスフイット転位が抑制される。そのため、高品質な結晶が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）と（Ｂ）は、それぞれ、本発明の好適な１つの方法により製造される３Ｃ−ＳｉＣ半導体と、比較例によるＧａＮ半導体のＳｉ基板、バッファー層及び本体層の製造手順を拡大して示す縦断面図。Ｓｉ基板、バッファー層及び本体層の厚みの相対関係は正確ではない。
【符号の説明】
１基板
２バッファー層
３本体層

Claims

Ｓｉ基板上に、第１の原料ガスとしてモノメチルシランを用い、５００〜９００℃の温度でかつ０．１〜１μｍ／ｈの速度でＳｉＣバッファー層をエピタキシャル成長させ、次に、第２の原料ガスとしてＳｉＨ _４ガスとＣ _３Ｈ _８ガスを用い、１０００〜１３００℃の温度でかつ１〜１５μｍ／ｈの速度でＳｉＣバッファー層の上にＳｉＣの単結晶の本体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする３Ｃ−ＳｉＣ半導体の製造方法。