JP5152887B2 - Surface modification method for single crystal silicon carbide substrate, method for forming single crystal silicon carbide thin film, ion implantation annealing method, single crystal silicon carbide substrate, single crystal silicon carbide semiconductor substrate - Google Patents
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Description
本発明は、主要には、単結晶炭化ケイ素(SiC)基板の表面を改質する方法に関する。 The present invention primarily relates to a method for modifying the surface of a single crystal silicon carbide (SiC) substrate.
炭化ケイ素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度に優れ、放射線にも強く、不純物の添加によって電子や正孔の価電子制御も容易にできるとともに、広い禁制帯幅(6H型の単結晶SiCで約3.0eV、4H型の単結晶SiCで3.3eV)を有するという特徴を備えている。従って、ケイ素(Si)やガリウムヒ素(GaAs)などの既存の半導体材料では実現できない高温、高周波、耐電圧・耐環境性を実現することが可能であるとされ、次世代のパワーデバイス、高周波デバイス用半導体の材料として期待が高まっている。 Silicon carbide (SiC) has excellent heat resistance and mechanical strength, is resistant to radiation, can easily control the valence electrons of electrons and holes by adding impurities, and has a wide band gap (6H-type single crystal SiC). About 3.0 eV and 3.3 eV for 4H type single crystal SiC. Therefore, it is said that it is possible to realize high temperature, high frequency, withstand voltage / environment resistance that cannot be realized with existing semiconductor materials such as silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs). Expectation is growing as a semiconductor material.
この単結晶SiC基板から半導体デバイスを製造する方法に関し、当該単結晶SiC基板の表面を平坦化して表面改質を行う方法として、シラン(SiH4)による化学エッチングを行う方法が従来から一般に知られている。
しかし、上記従来技術シランによる化学エッチングは、単結晶SiC基板の表面のうち炭素面(C面)のエッチングを行うことしかできず、ケイ素面(Si面)のエッチングは不可能である。従って、半導体製造等のスループットの向上が阻害されるばかりでなく、単結晶SiC基板の向きを管理しなければならないので、表面改質時の単結晶SiC基板の取回しが不便である。また、シランを用いる方法では、近年高まっている環境負荷低減のニーズに応えることは困難が伴う。 However, the chemical etching using the above-mentioned conventional silane can only etch the carbon surface (C surface) of the surface of the single crystal SiC substrate, and cannot etch the silicon surface (Si surface). Accordingly, not only the improvement in throughput of semiconductor manufacturing or the like is hindered, but also the orientation of the single crystal SiC substrate has to be managed, so that it is inconvenient to handle the single crystal SiC substrate during surface modification. In addition, in the method using silane, it is difficult to meet the recently increasing needs for environmental load.
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、単結晶SiC基板のC面のみならずSi面の平坦化を行うことが可能で、かつ環境への負荷も小さい単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its main object is to flatten not only the C surface of a single crystal SiC substrate but also the Si surface, and the load on the environment is small. An object of the present invention is to provide a surface modification method for a single crystal silicon carbide substrate.
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。 The problems to be solved by the present invention are as described above. Next, means for solving the problems and the effects thereof will be described.
本発明の第1の観点によれば、以下のような単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法が提供される。即ち、単結晶炭化ケイ素基板の表面の平坦化工程としての機械的及び化学的研磨(CMP)を必要とせずに単結晶炭化ケイ素バルクインゴットより直接切り出した単結晶炭化ケイ素ウエファーの基板表面欠陥の除去を行うと共に切削加工により失われた表面ステップ形状モフォロジーを形成させる単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法であり、前記単結晶炭化ケイ素基板の結晶構造が4H−SiC及び6H−SiCのいずれかであって、表面改質される基板表面が(0001)Si面又は(000−1)C面であり、タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるように上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、単結晶炭化ケイ素基板表面を分子レベルの精度で熱エッチングして、機械的切削加工により発生した表面損傷の基板表面欠陥を除去するとともに、基板表面全体にステップ高さが0.5nm以下の表面ステップ形状モフォロジーを形成して、基板表面の算術平均粗さを1.0nm以下とすることを特徴とする単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法。
なお、表面改質される基板表面が(0001)Si面又は(000−1)C面であるとは、基板表面の結晶方位が、(0001)Si面又は(000−1)C面のジャスト面である場合と、(0001)Si面又は(000−1)C面にオフ角をつけた面である場合を含む。
According to the first aspect of the present invention, the following surface modification method for a single crystal silicon carbide substrate is provided. That is, removal of substrate surface defects of a single crystal silicon carbide wafer cut directly from a single crystal silicon carbide bulk ingot without requiring mechanical and chemical polishing (CMP) as a planarization process of the surface of the single crystal silicon carbide substrate. And a surface modification method of a single crystal silicon carbide substrate that forms a surface step shape morphology lost by cutting, wherein the crystal structure of the single crystal silicon carbide substrate is either 4H-SiC or 6H-SiC. The container surface to be surface-modified is a (0001) Si surface or a (000-1) C surface, and is made of tantalum metal and the upper and lower sides are fitted so that the tantalum carbide layer is exposed to the internal space. The single crystal silicon carbide substrate is housed in the container, the internal pressure of the storage container is higher than the external pressure, and the saturated vapor of silicon In includes a heat treatment step at a temperature of 1500 ° C. or higher 2300 ° C. or less while maintaining the vacuum of the lower including a heat treatment step of uniformly heating the container, the single crystal silicon carbide substrate surface at the molecular level precision by thermal etching to remove the substrate surface defects of the surface damage caused by mechanical cutting, step height on the entire substrate surface to form the following surface stepped shape morphology 0.5 nm, the arithmetic mean of the substrate surface A surface modification method for a single crystal silicon carbide substrate, characterized in that the roughness is 1.0 nm or less.
The substrate surface to be surface-modified is a (0001) Si plane or a (000-1) C plane. The crystal orientation of the substrate surface is just a (0001) Si plane or a (000-1) C plane. It includes the case of a plane and the case of a plane with an off angle on the (0001) Si plane or the (000-1) C plane.
本発明の第2の観点によれば、以下のような単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法が提供される。即ち、単結晶炭化ケイ素基板の表面の平坦化工程で機械的及び化学的研磨により生ずる基板表面欠陥の除去を行うと共に研磨加工により失われた表面ステップ形状モフォロジーを形成させる単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法であり、前記単結晶炭化ケイ素基板の結晶構造が4H−SiC及び6H−SiCのいずれかであって、表面改質される基板表面が(0001)Si面又は(000−1)C面であり、タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるように上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、単結晶炭化ケイ素基板表面を分子レベルの精度で熱エッチングして、機械的及び化学的研磨により発生した表面損傷の基板表面欠陥を除去するとともに、基板表面全体にステップの高さが0.5nm以下の表面ステップ形状モフォロジーを形成して、基板表面の算術平均粗さを1.0nm以下とすることを特徴とする単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法。
According to the second aspect of the present invention, the following surface modification method for a single crystal silicon carbide substrate is provided. That is, the surface of the single crystal silicon carbide substrate that removes substrate surface defects caused by mechanical and chemical polishing in the planarization process of the surface of the single crystal silicon carbide substrate and forms the surface step shape morphology lost by the polishing process. In the modification method, the crystal structure of the single crystal silicon carbide substrate is either 4H—SiC or 6H—SiC, and the substrate surface to be surface modified is a (0001) Si plane or (000-1) C The single crystal silicon carbide substrate is housed in a housing container that is made of tantalum metal and is vertically fitted so that the tantalum carbide layer is exposed to the internal space, and the internal pressure of the storage container is set to be higher than the external pressure. Heating that uniformly heats the storage container at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower while maintaining a high vacuum under a saturated vapor pressure of silicon It includes a heat treatment step including management process, a single crystal silicon carbide substrate surface is thermally etched at the molecular level of accuracy, to remove the substrate surface defects of the surface damage caused by mechanical and chemical polishing, the substrate surface A surface modification method for a single crystal silicon carbide substrate, wherein a surface step shape morphology having a step height of 0.5 nm or less is formed as a whole, and the arithmetic average roughness of the substrate surface is 1.0 nm or less. .
これにより、単結晶炭化ケイ素基板のC面のみならずSi面を平坦化できるので、柔軟性に優れた表面改質方法を提供できる。更に、加熱処理によって表面改質を行うため(熱エッチング)、上記の化学エッチング等に比べて環境への負荷を良好に低減することができる。また、加熱処理工程において他の不純物が容器内や単結晶炭化ケイ素基板中に侵入することを防止でき、品質の良好な単結晶炭化ケイ素基板を得ることができる。
また、加熱処理によって、単結晶炭化ケイ素基板の表面の不純物を原子レベルで除去してクリーニングできる。
Thereby, since not only the C surface of the single crystal silicon carbide substrate but also the Si surface can be planarized, a surface modification method having excellent flexibility can be provided. Furthermore, since surface modification is performed by heat treatment (thermal etching), the burden on the environment can be reduced well compared to the above-described chemical etching and the like. Further, in the heat treatment step, other impurities can be prevented from entering the container or the single crystal silicon carbide substrate, and a single crystal silicon carbide substrate with good quality can be obtained.
Further, impurities on the surface of the single crystal silicon carbide substrate can be removed and cleaned at the atomic level by heat treatment.
本発明の第3の観点によれば、以下のような単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法が提供される。即ち、前記の表面改質方法で改質された前記単結晶炭化ケイ素基板上に、気相法のエピタキシャル成長法で基板のマイクロパイプ欠陥を閉塞修復する単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法であり、タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備える上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板に対向して多結晶炭化ケイ素基板を近接設置させて前記単結晶炭化ケイ素基板と前記多結晶炭化ケイ素基板との隙間にケイ素分子の気相雰囲気を介在させた複合体を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、単結晶炭化ケイ素基板表面のマイクロパイプ欠陥を気相エピタキシャル成長した単結晶炭化ケイ素薄膜で閉塞修復することを特徴とする単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法。
According to the 3rd viewpoint of this invention, the formation method of the following single crystal silicon carbide thin films is provided. That is, a method for forming a single crystal silicon carbide thin film on the single crystal silicon carbide substrate modified by the surface modification method by clogging and repairing micropipe defects of the substrate by vapor phase epitaxial growth. The single crystal silicon carbide substrate is placed close to a single crystal silicon carbide substrate facing a single crystal silicon carbide substrate in a storage container made of metal and having a tantalum carbide layer exposed to the internal space. A composite in which a gas phase atmosphere of silicon molecules is interposed in a gap between the substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate is stored, and the internal pressure of the storage container is set to a vacuum higher than the external pressure and under the saturated vapor pressure of silicon. A heat treatment step including a heat treatment step of uniformly heat-treating the storage container at a temperature of 1500 ° C. to 2300 ° C. Method of forming a single crystal silicon carbide thin film, characterized in that the crystal closing the micropipe defects of the silicon carbide substrate surface single crystal silicon carbide thin film vapor phase epitaxy repair.
これにより、上記の加熱処理工程だけでは除去することが困難なマイクロパイプを、単結晶炭化ケイ素の気相エピタキシャル成長によって埋めることができ、更に良好な表面品質の単結晶炭化ケイ素基板を提供できる。 Thereby, the micropipe that is difficult to remove only by the heat treatment step can be filled by vapor phase epitaxial growth of single crystal silicon carbide, and a single crystal silicon carbide substrate with better surface quality can be provided.
本発明の第4の観点によれば、以下のような単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法が提供される。即ち、前記の表面改質方法で改質された前記単結晶炭化ケイ素基板上に、液相法のエピタキシャル成長法で基板のマイクロパイプ欠陥を閉塞修復する単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法であり、タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備える上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板に対向して多結晶炭化ケイ素基板を近接設置させて前記単結晶炭化ケイ素基板と前記多結晶炭化ケイ素基板との隙間にケイ素分子の液相融液を介在させた複合体を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、単結晶炭化ケイ素基板表面のマイクロパイプ欠陥を液相エピタキシャル成長した単結晶炭化ケイ素薄膜で閉塞修復することを特徴とする単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法。
According to the 4th viewpoint of this invention, the formation method of the following single crystal silicon carbide thin films is provided. That is, a method of forming a single crystal silicon carbide thin film on the single crystal silicon carbide substrate modified by the surface modification method by clogging and repairing micropipe defects of the substrate by a liquid phase epitaxial growth method, The single crystal silicon carbide substrate is placed close to a single crystal silicon carbide substrate facing a single crystal silicon carbide substrate in a storage container made of metal and having a tantalum carbide layer exposed to the internal space. A composite in which a liquid melt of silicon molecules is interposed in a gap between the substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate, and the internal pressure of the storage container is higher than the external pressure and a vacuum under a saturated vapor pressure of silicon. A heat treatment step including a heat treatment step for uniformly heat-treating the storage container at a temperature of 1500 ° C. to 2300 ° C. Method of forming a single crystal silicon carbide thin film, characterized by a micropipe defects of the silicon carbide substrate surface a liquid phase epitaxial growth was closed repair of single crystal silicon carbide thin film.
これにより、上記の加熱処理工程だけでは除去することが困難なマイクロパイプを、単結晶炭化ケイ素の液相エピタキシャル成長によって埋めることができ、更に良好な表面品質の単結晶炭化ケイ素基板を提供できる。 Thereby, the micropipe that is difficult to remove only by the heat treatment step can be filled by liquid phase epitaxial growth of single crystal silicon carbide, and a single crystal silicon carbide substrate with better surface quality can be provided.
本発明の第5の観点によれば、以下のような単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法が提供される。即ち、前記の単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法で前記マイクロパイプ欠陥を閉塞修復した単結晶炭化ケイ素薄膜の表面を平坦化し表面ステップ形状モフォロジーを形成させる単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法であり、タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるように上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、単結晶炭化ケイ素薄膜表面を分子レベルの精度で熱エッチングして、前記単結晶炭化ケイ素薄膜表面にステップの高さが0.5nm以下の表面ステップ形状モフォロジーを形成して、単結晶炭化ケイ素基板薄膜の算術平均粗さを1.0nm以下とすることを特徴とする単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法。
According to the fifth aspect of the present invention, the following surface modification method for a single crystal silicon carbide substrate is provided. That is, a surface modification method for a single crystal silicon carbide substrate in which the surface of the single crystal silicon carbide thin film obtained by clogging and repairing the micropipe defect by the method for forming a single crystal silicon carbide thin film is planarized to form a surface step shape morphology. The single crystal silicon carbide substrate is housed in a storage container made of tantalum metal and fitted vertically so that the tantalum carbide layer is exposed to the internal space, and the internal pressure of the storage container is higher than the external pressure and silicon. A heat treatment step including a heat treatment step for uniformly heat-treating the storage container at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower while maintaining a vacuum under the saturated vapor pressure of the single crystal silicon carbide thin film surface. and thermally etched with an accuracy of the single crystal to the height of the step the silicon carbide thin film surface following 0.5nm surface stearate Forming a flop shape morphology, surface modification method of the monocrystalline silicon carbide substrate, characterized in that the arithmetic mean roughness of the single crystal silicon carbide substrate film or less 1.0 nm.
これにより、単結晶炭化ケイ素の気相エピタキシャル成長又は液相エピタキシャル成長によってマイクロパイプを埋めた後で、再度、加熱処理により平坦化を行うことで、更に良好な表面品質の単結晶炭化ケイ素基板を提供できる。 Thus, after filling the micropipe by vapor phase epitaxial growth or liquid phase epitaxial growth of monocrystalline silicon carbide, again, by performing flattening by heat treatment, it can provide a further single crystal silicon carbide substrate of good surface quality .
本発明の第6の観点によれば、以下のようなイオン注入アニール方法が提供される。即ち、前記の単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法で前記マイクロパイプ欠陥を閉塞修復した単結晶炭化ケイ素薄膜の表面に、p型又はn型半導体のドーピングイオンを注入し活性化熱アニールするイオン注入アニール方法であり、タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備える上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1600℃以上2100℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、p型又はn型半導体のドーピングイオンを活性化熱アニールすると同時にドーピングイオンが注入された前記単結晶炭化ケイ素薄膜表面を分子レベルの精度で熱エッチングして、ドーピングイオンが注入された単結晶炭化ケイ素半導体基板の表面にステップの高さが0.5nm以下の表面ステップ形状モフォロジーを均一に形成して、基板の算術平均粗さを1.0nm以下とすることを特徴とするイオン注入アニール方法。
According to the sixth aspect of the present invention, the following ion implantation annealing method is provided. That is, ion implantation annealing in which p-type or n-type semiconductor doping ions are implanted into the surface of the single crystal silicon carbide thin film in which the micropipe defects have been closed and repaired by the method for forming a single crystal silicon carbide thin film, and activation thermal annealing is performed. The method comprises: storing the single crystal silicon carbide substrate in a storage container made of tantalum metal and having a tantalum carbide layer exposed to the internal space; and the internal pressure of the storage container being external pressure A heat treatment step including a heat treatment step of uniformly heat-treating the storage container at a temperature of 1600 ° C. or higher and 2100 ° C. or lower in a state of being maintained at a vacuum higher than the saturated vapor pressure of silicon. The single crystal silicon carbide thin film doped with doping ions at the same time as the activation annealing of the doping ions of the type semiconductor Surface is thermally etched at the molecular level precision, the height of the step on the surface of the monocrystalline silicon carbide semiconductor substrate doping ions are implanted uniformly form the following surface stepped shape morphology 0.5 nm, the substrate An ion implantation annealing method, wherein the arithmetic average roughness is 1.0 nm or less.
前記の単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法においては、以下のようにすることが好ましい。即ち、前記熱処理工程は、前記加熱処理工程の前において、前記単結晶炭化ケイ素基板を収納した前記収納容器を800℃以上の温度で加熱する予備加熱工程をさらに備えており、前記加熱処理工程は、予め減圧下で1500℃以上2300℃以下の温度に調整された本加熱室で行われるものとし、前記加熱処理工程は、前記予備加熱工程を行う予備加熱室から前記本加熱室へ前記収納容器を移動することにより行われる。 In the surface modification method for the single crystal silicon carbide substrate, the following is preferable. That is, the heat treatment step further includes a preheating step of heating the storage container storing the single crystal silicon carbide substrate at a temperature of 800 ° C. or more before the heat treatment step, The main heating chamber is preliminarily adjusted to a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower under reduced pressure, and the heat treatment step is performed from the preheating chamber that performs the preheating step to the main heating chamber. Is done by moving.
前記の単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法においては、以下のようにすることが好ましい。即ち、前記熱処理工程は、前記加熱処理工程の前において、前記単結晶炭化ケイ素基板を収納した前記収納容器を800℃以上の温度で加熱する予備加熱工程をさらに備えており、前記加熱処理工程は、予め減圧下で1500℃以上2300℃以下の温度に調整された本加熱室で行われるものとし、前記加熱処理工程は、前記予備加熱工程を行う予備加熱室から前記本加熱室へ前記収納容器を移動することにより行われる。 In the method of forming the single crystal silicon carbide thin film, the following is preferable. That is, the heat treatment step further includes a preheating step of heating the storage container storing the single crystal silicon carbide substrate at a temperature of 800 ° C. or more before the heat treatment step, The main heating chamber is preliminarily adjusted to a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower under reduced pressure, and the heat treatment step is performed from the preheating chamber that performs the preheating step to the main heating chamber. Is done by moving.
前記のイオン注入アニール方法においては、以下のようにすることが好ましい。即ち、前記熱処理工程は、前記加熱処理工程の前において、前記単結晶炭化ケイ素基板を収納した前記収納容器を800℃以上の温度で加熱する予備加熱工程をさらに備えており、前記加熱処理工程は、予め減圧下で1600℃以上2100℃以下の温度に調整された本加熱室で行われるものとし、前記加熱処理工程は、前記予備加熱工程を行う予備加熱室から前記本加熱室へ前記収納容器を移動することにより行われる。 In the above ion implantation annealing method, the following is preferable. That is, the heat treatment step further includes a preheating step of heating the storage container storing the single crystal silicon carbide substrate at a temperature of 800 ° C. or more before the heat treatment step, The main heating chamber is preliminarily adjusted to a temperature of 1600 ° C. or higher and 2100 ° C. or lower under reduced pressure, and the heat treatment step is performed from the preheating chamber performing the preheating step to the main heating chamber. Is done by moving.
このように、事前の予備加熱工程を行うこと、及び予備加熱室から本加熱室への容器の移動により加熱処理工程を行うことで、本加熱室での加熱を急速かつスムーズに行うことができる。 Thus, heating in the main heating chamber can be performed quickly and smoothly by performing the preliminary heating step in advance and performing the heat treatment step by moving the container from the preheating chamber to the main heating chamber. .
前記の単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法においては、以下のようにすることが好ましい。即ち、前記加熱処理工程は、前記収納容器の外部圧力が10-4Pa以下の減圧下で行われる。 In the surface modification method for the single crystal silicon carbide substrate, the following is preferable. That is, the heat treatment step is performed under a reduced pressure where the external pressure of the storage container is 10 −4 Pa or less.
前記の単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法においては、以下のようにすることが好ましい。即ち、前記加熱処理工程は、前記収納容器の外部圧力が10-4Pa以下の減圧下で行われる。 In the method of forming the single crystal silicon carbide thin film, the following is preferable. That is, the heat treatment step is performed under a reduced pressure where the external pressure of the storage container is 10 −4 Pa or less.
前記のイオン注入アニール方法においては、以下のようにすることが好ましい。即ち、前記加熱処理工程は、前記収納容器の外部圧力が10-4Pa以下の減圧下で行われる。 In the above ion implantation annealing method, the following is preferable. That is, the heat treatment step is performed under a reduced pressure where the external pressure of the storage container is 10 −4 Pa or less.
これにより、加熱処理工程において他の不純物が容器内や単結晶炭化ケイ素基板中に侵入することを防止でき、品質の良好な単結晶炭化ケイ素基板を得ることができる。 Thereby, it can prevent that another impurity penetrate | invades in a container or a single crystal silicon carbide substrate in a heat treatment process, and can obtain a single crystal silicon carbide substrate with good quality.
本発明の第7の観点によれば、以下のような単結晶炭化ケイ素基板が提供される。即ち、前記の表面改質方法によって表面が改質された単結晶炭化ケイ素基板。 According to the seventh aspect of the present invention, the following single crystal silicon carbide substrate is provided. That is, a single crystal silicon carbide substrate whose surface is modified by the surface modification method described above.
本発明の第8の観点によれば、以下のような単結晶炭化ケイ素半導体基板が提供される。即ち、前記のイオン注入アニール方法によって表面が改質された単結晶炭化ケイ素半導体基板。 According to the eighth aspect of the present invention, the following single crystal silicon carbide semiconductor substrate is provided. That is, a single crystal silicon carbide semiconductor substrate whose surface is modified by the ion implantation annealing method.
これらにより、良好な平坦度を実現でき、例えば発光ダイオードや各種半導体ダイオード、電子デバイス等として好適な単結晶炭化ケイ素基板を提供できる。 Thus, good flatness can be realized, and for example, a single crystal silicon carbide substrate suitable as a light emitting diode, various semiconductor diodes, an electronic device, or the like can be provided.
前記の単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法においては、以下のようにすることが好ましい。即ち、前記加熱処理工程は、前記単結晶炭化ケイ素基板とそれに対向して近接設置させた前記多結晶炭化ケイ素基板との間にスペーサで隙間を設けた状態でケイ素分子の液相融液を介在させ前記スペーサの厚みより液相エピタキシャル成長した単結晶炭化ケイ素薄膜が薄くなる様に制御して成長を終了して加熱を停止するものであり、前記熱処理工程は、前記加熱処理工程の後において、前記単結晶炭化ケイ素基板と前記多結晶炭化ケイ素基板の複合体を前記収納容器内に収納せずに直接真空加熱する工程をさらに備えている。これにより、前記単結晶炭化ケイ素基板と前記多結晶炭化ケイ素基板との間のケイ素を真空中に蒸発気化させることで隙間が出来るので前記単結晶炭化ケイ素基板と前記多結晶炭化ケイ素基板が冷却後剥離が容易となる。 In the method of forming the single crystal silicon carbide thin film, the following is preferable. That is, in the heat treatment step, a liquid-phase melt of silicon molecules is interposed in a state where a gap is provided by a spacer between the single-crystal silicon carbide substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate placed close to the single-crystal silicon carbide substrate. The single crystal silicon carbide thin film grown by liquid phase epitaxy is controlled to be thinner than the thickness of the spacer so that the growth is terminated and heating is stopped, and the heat treatment step is performed after the heat treatment step, The method further includes the step of directly heating the composite of the single crystal silicon carbide substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate without storing the composite in the storage container. Thereby, a gap is formed by evaporating and vaporizing silicon between the single crystal silicon carbide substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate in a vacuum, so that the single crystal silicon carbide substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate are cooled. Peeling is easy.
前記のイオン注入アニール方法においては、p型又はn型半導体のドーピングイオンは、アルミニウム、ボロン、又はリンを少なくとも含むことが好ましい。
In the ion implantation annealing process, doping ions of p-type or n-type semiconductors, aluminum, boron, or phosphorus at least containing Mukoto are preferred.
前記の単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法においては、以下のようにすることが好ましい。即ち、前記単結晶炭化ケイ素基板において表面改質される表面の結晶方位が、ジャスト面又はオフ角を持つ。 In the surface modification method for the single crystal silicon carbide substrate , the following is preferable. That is, the crystal orientation of the surface to be surface-modified in the single crystal silicon carbide substrate has a just plane or an off angle.
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法の一実施形態を説明する。まず、本実施形態の表面改質方法を行うのに好適な熱処理装置としての加熱炉の一例を、図1の模式断面図を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a surface modification method for a single crystal silicon carbide substrate according to the present invention will be described with reference to the drawings. First, an example of a heating furnace as a heat treatment apparatus suitable for performing the surface modification method of the present embodiment will be described with reference to the schematic cross-sectional view of FIG.
図1において、加熱炉1は、本加熱室2と、予備加熱室3と、この予備加熱室3から前記本加熱室2に続く部分にある前室4とを主要部分として構成されている。この構成で、単結晶SiC基板15等が収納された収納容器16が予備加熱室3から前室4、本加熱室2へと順次移動することで、単結晶SiC基板15を短時間で所定の温度(1500℃〜2300℃、好ましくは1700℃〜1900℃、例えば約1800℃)で加熱できるようになっている。 In FIG. 1, the heating furnace 1 is mainly composed of a main heating chamber 2, a preheating chamber 3, and a front chamber 4 in a portion following the preheating chamber 3 to the main heating chamber 2. With this configuration, the storage container 16 in which the single crystal SiC substrate 15 and the like are stored sequentially moves from the preheating chamber 3 to the front chamber 4 and the main heating chamber 2, so that the single crystal SiC substrate 15 can be fixed in a short time. It can be heated at a temperature (1500 ° C. to 2300 ° C., preferably 1700 ° C. to 1900 ° C., for example, about 1800 ° C.).
この加熱炉1では、図1に示すように、本加熱室2と前室4との接続部分、及び、前室4と予備加熱室3との接続部分が、それぞれ連通部を有して仕切られている。このため、上記の各室2・3・4は予め所定の圧力下に制御することが可能である。また必要な場合には、各室毎にゲートバルブ7を設けることによって、各室2・3・4毎に圧力調整を行うようにすることもできる。これによって、単結晶SiC基板15等を収納した収納容器16の移動時において、外気に触れることなく、所定圧力下の炉内を適宜の移動手段(図略)によって移動させることができ、不純物の混入を抑制することができる。 In this heating furnace 1, as shown in FIG. 1, the connecting portion between the main heating chamber 2 and the front chamber 4 and the connecting portion between the front chamber 4 and the preheating chamber 3 each have a communication portion and are partitioned. It has been. For this reason, each of the chambers 2, 3, and 4 can be controlled in advance under a predetermined pressure. If necessary, the pressure can be adjusted for each of the chambers 2, 3, and 4 by providing a gate valve 7 for each chamber. As a result, when the storage container 16 storing the single crystal SiC substrate 15 or the like is moved, the inside of the furnace under a predetermined pressure can be moved by an appropriate moving means (not shown) without touching the outside air. Mixing can be suppressed.
予備加熱室3には、加熱手段としてのハロゲンランプ6が設けられており、この構成により、約10-2Pa以下の減圧下で所定の範囲の温度(例えば、約800℃〜1000℃の範囲内)に急速に加熱することができる。また前述したように、予備加熱室3と前室4との接続部分にはゲートバルブ7が設けられて、予備加熱室3及び前室4の圧力制御を容易なものにしている。 The preheating chamber 3 is provided with a halogen lamp 6 as a heating means. With this configuration, a temperature within a predetermined range (for example, a range of about 800 ° C. to 1000 ° C.) under a reduced pressure of about 10 −2 Pa or less. Inner) can be heated rapidly. As described above, the gate valve 7 is provided at the connecting portion between the preheating chamber 3 and the front chamber 4 to facilitate the pressure control of the preheating chamber 3 and the front chamber 4.
単結晶SiC基板15等が収納された収納容器16は、この予備加熱室3で、テーブル8に載置された状態で約800℃以上に予め加熱される。その後、予備加熱室3と前室4との圧力調整が行われ、調整完了後、前室4に設けられている昇降式のサセプタ9に載置されるように移動する。 The storage container 16 in which the single crystal SiC substrate 15 or the like is stored is preheated to about 800 ° C. or higher in the state of being placed on the table 8 in the preheating chamber 3. Thereafter, pressure adjustment between the preheating chamber 3 and the front chamber 4 is performed, and after the adjustment is completed, the preheating chamber 3 and the front chamber 4 are moved so as to be placed on a liftable susceptor 9 provided in the front chamber 4.
前室4に移動した収納容器16は、一部図示している昇降式の移動手段10によって、サセプタ9とともに前室4から本加熱室2へ移動する。本加熱室2は、図示しない真空ポンプによって予め約10-4Paの減圧下に調整され、また、加熱ヒータ11によって所望の温度(例えば、1800℃)となるように温度調節されている。 The storage container 16 moved to the front chamber 4 is moved from the front chamber 4 to the main heating chamber 2 together with the susceptor 9 by a lifting / lowering moving means 10 partially shown. The main heating chamber 2 is preliminarily adjusted under a reduced pressure of about 10 −4 Pa by a vacuum pump (not shown), and the temperature is adjusted to a desired temperature (for example, 1800 ° C.) by the heater 11.
なお、前記本加熱室2の圧力環境は、約10-4Pa以下の真空とするのが好ましいが、例えば約10-2Pa以下の真空としても良い。また、例えば約10-2Pa以下の真空、好ましくは約10-4Pa以下の真空にした後に、若干の不活性ガスが導入された希薄ガス雰囲気下であっても良い。 The pressure environment of the main heating chamber 2 is preferably a vacuum of about 10 −4 Pa or less, but may be a vacuum of about 10 −2 Pa or less, for example. Further, for example, after a vacuum of about 10 −2 Pa or less, preferably about 10 −4 Pa or less, a rare gas atmosphere into which some inert gas is introduced may be used.
上記本加熱室2の状態をこのように設定しておき、収納容器16を前室4から本加熱室2内へ前記移動手段10によって高速で移動させることによって、収納容器16を前記の所望の温度に急速に短時間で加熱することができる。 The state of the main heating chamber 2 is set in this way, and the storage container 16 is moved from the front chamber 4 into the main heating chamber 2 by the moving means 10 at a high speed, whereby the storage container 16 is moved to the desired chamber. It can be heated rapidly to the temperature in a short time.
本加熱室2内には、加熱ヒータ11の周囲に反射鏡12が設置されており、加熱ヒータ11からの熱を反射して、当該加熱ヒータ11の内部に位置する単結晶SiC基板15側に熱が集中するようにしている。この反射鏡12は、金メッキしたW、Ta、Mo等の高融点金属や、WC、TaC、MoC等の高耐熱炭化物で形成されていることが好ましい。また、本加熱室2には窓17が設けられており、本加熱室2の外部に設置された赤外線放射温度計18によって本加熱室2の内部温度を計測できるようになっている。 In the main heating chamber 2, a reflecting mirror 12 is installed around the heater 11, and reflects the heat from the heater 11 to the single crystal SiC substrate 15 side located inside the heater 11. The heat is concentrated. The reflecting mirror 12 is preferably formed of gold-plated refractory metal such as W, Ta or Mo, or high heat resistant carbide such as WC, TaC or MoC. Further, a window 17 is provided in the main heating chamber 2, and the internal temperature of the main heating chamber 2 can be measured by an infrared radiation thermometer 18 installed outside the main heating chamber 2.
また、移動手段10と本加熱室2との嵌合部25は、移動手段10に設けられている凸状の段付き部21と、本加熱室2に形成されている凹状の段付き部22とで構成されている。また、本加熱室2の密閉のために、移動手段10の段付き部21の各段部には図略のシール部材(例えば、Oリング)が設けられている。 The fitting portion 25 between the moving means 10 and the main heating chamber 2 includes a convex stepped portion 21 provided in the moving means 10 and a concave stepped portion 22 formed in the main heating chamber 2. It consists of and. Further, in order to seal the heating chamber 2, an unillustrated seal member (for example, an O-ring) is provided at each step portion of the stepped portion 21 of the moving means 10.
本加熱室2内の加熱ヒータ11の内側には、汚染物除去機構29が設けられている。この汚染物除去機構29は、熱処理中に単結晶SiC基板15等から収納容器16の外に排出される不純物を、加熱ヒータ11と接触しないように除去する。これによって、加熱ヒータ11が上記不純物と反応し劣化することを防止できる。なお、この汚染物除去機構29は、単結晶SiC基板15等から排出する不純物を吸着するものであれば、特に限定されるものではない。 A contaminant removal mechanism 29 is provided inside the heater 11 in the main heating chamber 2. The contaminant removal mechanism 29 removes impurities discharged out of the storage container 16 from the single crystal SiC substrate 15 or the like during the heat treatment so as not to come into contact with the heater 11. Thereby, it is possible to prevent the heater 11 from reacting with the impurities and deteriorating. The contaminant removal mechanism 29 is not particularly limited as long as it can adsorb impurities discharged from the single crystal SiC substrate 15 or the like.
加熱ヒータ11は、W又はTa等の金属製の抵抗加熱ヒータであり、前記サセプタ9側に設置されたベースヒータ11aと、本加熱室2側に設けられた上部ヒータ11bとで構成されている。前記移動手段10によって収納容器16がベースヒータ11aとともに本加熱室2側へ上昇移動すると、収納容器16が加熱ヒータ11によって取り囲まれる形となる。このような加熱ヒータ11のレイアウトにより、前述の反射鏡12ともあいまって、加熱領域の温度分布を高精度で均一になるよう制御することができる。この結果、収納容器16を均一に加熱でき、内部の単結晶SiC基板15の表面改質のバラツキやムラを低減できる。なお、本加熱室2の加熱方式としては、抵抗加熱ヒータに限定せず、例えば高周波誘導加熱式のものを採用することができる。 The heater 11 is a resistance heater made of metal such as W or Ta, and includes a base heater 11a installed on the susceptor 9 side and an upper heater 11b provided on the main heating chamber 2 side. . When the storage container 16 moves upward together with the base heater 11 a to the main heating chamber 2 by the moving means 10, the storage container 16 is surrounded by the heater 11. With such a layout of the heater 11, it is possible to control the temperature distribution in the heating region to be uniform with high accuracy in combination with the reflector 12 described above. As a result, the storage container 16 can be heated uniformly, and variations and unevenness in the surface modification of the internal single crystal SiC substrate 15 can be reduced. Note that the heating method of the main heating chamber 2 is not limited to the resistance heater, and for example, a high frequency induction heating type can be adopted.
次に、図2等を参照しつつ、収納容器16及びその内部に配置される単結晶SiC基板15等について説明する。図2は収納容器の上容器と下容器とを取り外した状態の斜視図である。図3は熱処理前の収納容器の様子を示す模式断面図である。 Next, the storage container 16 and the single crystal SiC substrate 15 disposed inside the storage container 16 will be described with reference to FIG. 2 and the like. FIG. 2 is a perspective view of the storage container with the upper and lower containers removed. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the state of the storage container before the heat treatment.
前述の収納容器16は、図2や図3に示すような上容器16aと下容器16bとを嵌め合わせることにより構成されている。収納容器16の形状は図示されるようにほぼ六面体状とされているが、これは一例であって、例えば円筒状に構成されていても良い。 The aforementioned storage container 16 is configured by fitting an upper container 16a and a lower container 16b as shown in FIGS. The shape of the storage container 16 is substantially hexahedral as shown in the figure, but this is an example, and it may be configured in a cylindrical shape, for example.
この収納容器16としては、タンタル金属から構成されており、図3に示すようにその表面全体を炭化タンタル層31で覆った構成になっている。この炭化タンタル層31のうち、上容器16a及び下容器16bの内面を覆う部分は、収納容器16の内部空間に露出している。 The storage container 16 is made of tantalum metal, and the entire surface thereof is covered with a tantalum carbide layer 31 as shown in FIG. A portion of the tantalum carbide layer 31 that covers the inner surfaces of the upper container 16 a and the lower container 16 b is exposed in the internal space of the storage container 16.
そして、この内部空間に、処理対象としての単結晶SiC基板15と、Si供給源としてのシリコンペレット14が配置されている。単結晶SiC基板15は、表面の平坦化工程としての機械的及び化学的研磨(CMP)を必要とせずに単結晶炭化ケイ素バルクインゴットより直接切り出したものでもよいし、表面の平坦化工程としての機械的及び化学的研磨(CMP)が行われたものでもよい。単結晶SiC基板15の結晶構造としては、本実施形態では4H−SiCを使用しているが、6H−SiCを用いても良い。また、単結晶SiC基板15の表面結晶方位がジャスト面又はオフ角を有していても良い。 In this internal space, a single crystal SiC substrate 15 as a processing target and a silicon pellet 14 as a Si supply source are arranged. Single crystal SiC substrate 15 may be one cut directly from a single crystal silicon carbide bulk ingot without requiring mechanical and chemical polishing as a flattening process of the surface (CM P), as a process of planarizing the surface May have been subjected to mechanical and chemical polishing ( CMP ). As the crystal structure of the single crystal SiC substrate 15, 4H—SiC is used in the present embodiment, but 6H—SiC may be used. Further, the surface crystal orientation of single crystal SiC substrate 15 may have a just plane or an off angle.
この単結晶SiC基板15は、上面がSi面(例えば(0001)面、符号15Si)、下面がC面(例えば(000−1)面、符号15C)となるように配置されている。Si面及びC面は、鏡面に研磨加工するとともに、その表面に付着した油類、酸化膜、金属等を洗浄等によって除去しておく。 The single crystal SiC substrate 15 is arranged such that the upper surface is a Si surface (for example, (0001) plane, reference numeral 15Si) and the lower surface is a C plane (for example, (000-1) plane, reference numeral 15C). The Si surface and C surface are polished to a mirror surface, and oils, oxide films, metals, etc. adhering to the surface are removed by washing or the like.
単結晶SiC基板15と下容器16bの内底面との間にはスペーサ13が介在され、単結晶SiC基板15の下方には適宜の隙間が形成されている。従って、単結晶SiC基板15の上面(符号15Siで示すSi面)及び下面(符号15Cで示すC面)の双方が、収納容器16の内部空間に対し十分に露出した構成になっている。 A spacer 13 is interposed between the single crystal SiC substrate 15 and the inner bottom surface of the lower container 16 b, and an appropriate gap is formed below the single crystal SiC substrate 15. Therefore, both the upper surface (Si surface indicated by reference numeral 15Si) and the lower surface (C surface indicated by reference numeral 15C) of the single crystal SiC substrate 15 are sufficiently exposed to the internal space of the storage container 16.
なお、上容器16aと下容器16bとを図3に示すように嵌め合わせたときの嵌合部分の遊びは、約2mm以下であることが好ましい。これによって、実質的な密閉状態が実現され、前記本加熱室2での加熱処理工程において収納容器16内のSi圧力を高めて外部圧力(本加熱室2内の圧力)よりも高い圧力とし、不純物がこの嵌合部分を通じて収納容器16内に侵入するのを防止することができる。 In addition, it is preferable that the play of a fitting part when the upper container 16a and the lower container 16b are fitted together as shown in FIG. 3 is about 2 mm or less. Thereby, a substantially sealed state is realized, and in the heat treatment process in the main heating chamber 2, the Si pressure in the storage container 16 is increased to a pressure higher than the external pressure (pressure in the main heating chamber 2). Impurities can be prevented from entering the storage container 16 through the fitting portion.
図4(a)は、前記収納容器16の材料基板としてのタンタル金属とその表面を覆うタンタル層の形態の一例を示す結晶断面拡大図である。この図4(a)に示すようにタンタル金属Taの表面側(図中左側)に炭化タンタル層が形成されるが、第1層としてTa2C層が形成され、更にその表面に第2層としてTa4C3層が形成され、最外部の第3層にTaC層が形成されており、傾斜組成が実現されている。 FIG. 4A is an enlarged cross-sectional view of a crystal showing an example of a tantalum metal as a material substrate of the storage container 16 and a tantalum layer covering the surface thereof. As shown in FIG. 4A, a tantalum carbide layer is formed on the surface side (left side in the figure) of the tantalum metal Ta. A Ta2C layer is formed as a first layer, and a Ta4C3 layer is formed as a second layer on the surface. A layer is formed, and a TaC layer is formed on the outermost third layer, so that a gradient composition is realized.
図4(b)には、前記炭化タンタル層の第1層から第3層までの各々の炭素分子濃度分布の一例がグラフとして示される。なお、このグラフには、炭素分子が収納容器16の炭化タンタル層31の表面に吸着されて容器材料の内部に拡散・浸炭していく初期段階(実線)と、安定段階(破線)と、の2つの場合の濃度分布が示されている。また、このグラフは、上記の図4(a)の断面拡大図と位置関係をほぼ対応させて示している。 FIG. 4B shows an example of a carbon molecule concentration distribution from the first layer to the third layer of the tantalum carbide layer as a graph. In this graph, an initial stage (solid line) in which carbon molecules are adsorbed on the surface of the tantalum carbide layer 31 of the storage container 16 and diffused and carburized inside the container material, and a stable stage (broken line) The concentration distribution for the two cases is shown. Further, this graph shows the positional relationship substantially corresponding to the enlarged cross-sectional view of FIG.
このグラフの実線で示すように、炭化ケイ素蒸気が炭化タンタル層の表面に付着した状況で初期段階においては、炭化タンタル層の表面(TaC層の表面であって、深さがゼロの部分)で高温触媒反応が起こり炭化ケイ素蒸気が炭素分子とケイ素分子に分解され、炭素分子が選択的に炭化タンタル層に吸着されたが、炭化タンタル層の炭素分子の吸着濃度は炭素とタンタルの化学量論比1:1に相当する50%が限界であり、それ以上は炭素分子を吸着することはできない。しかしながら、収納容器を例えば1800℃の温度で真空度約10-4Paの減圧下に保持すると、炭素原子とタンタル分子が安定化合物にイコライズされて結合し、グラフの破線で示すように、Ta2C層・Ta4C3層・TaC層がそれぞれ平衡濃度となる(安定段階)。これに伴い、炭化タンタル層の表面(TaC層の表面)の炭素分子の濃度が50%から低下し、炭素分子を再び吸着できるようになる。 As shown by the solid line in this graph, in the initial stage with silicon carbide vapor adhering to the surface of the tantalum carbide layer, the surface of the tantalum carbide layer (the surface of the TaC layer, where the depth is zero) A high-temperature catalytic reaction occurred and silicon carbide vapor was decomposed into carbon molecules and silicon molecules, and the carbon molecules were selectively adsorbed on the tantalum carbide layer, but the adsorption concentration of carbon molecules in the tantalum carbide layer was the stoichiometry of carbon and tantalum. 50% corresponding to the ratio of 1: 1 is the limit, and no more can adsorb carbon molecules. However, if the storage container is held at a reduced pressure of about 10 −4 Pa at a temperature of 1800 ° C., for example, carbon atoms and tantalum molecules are equalized and bonded to the stable compound, and as shown by the broken line in the graph, the Ta 2 C layer・ Ta4C3 layer and TaC layer have equilibrium concentrations (stable stage). Along with this, the concentration of carbon molecules on the surface of the tantalum carbide layer (the surface of the TaC layer) decreases from 50%, and the carbon molecules can be adsorbed again.
このように、本実施形態の収納容器16は、真空下で高温処理を続ける限りにおいて、炭化タンタル層31の表面から連続的に炭素分子を吸着して取り込む機能を奏する。この意味で、本実施形態の収納容器16は炭素分子吸着イオンポンプ機能(イオンゲッター機能)を有するということができる。 Thus, the storage container 16 of the present embodiment has a function of continuously adsorbing and taking in carbon molecules from the surface of the tantalum carbide layer 31 as long as the high temperature treatment is continued under vacuum. In this sense, it can be said that the storage container 16 of this embodiment has a carbon molecule adsorption ion pump function (ion getter function).
上記本加熱室2及び予備加熱室3の温度制御の一例が図5にグラフとして示され、以下、この図5に沿って予備加熱工程及び加熱処理工程(熱エッチング工程)を説明する。即ち、上記の単結晶SiC基板15及びシリコンペレット14を収容した収納容器16を、予備加熱室3のハロゲンランプ6により、約10-2Pa以下の減圧下で所定の温度(例えば約800℃)に加熱する(予備加熱工程)。なお、これと並行して、本加熱室2では加熱ヒータ11によって所定の温度(例えば約1800℃)に加熱するとともに、約10-4Pa以下の減圧下となるように調整しておく。
An example of temperature control of the main heating chamber 2 and the preheating chamber 3 is shown as a graph in FIG. 5, and the preheating step and the heat treatment step (thermal etching step) will be described below with reference to FIG. That is, the storage container 16 containing the single crystal SiC substrate 15 and the silicon pellet 14 is subjected to a predetermined temperature (for example, about 800 ° C.) under a reduced pressure of about 10 −2 Pa or less by the halogen lamp 6 in the preheating chamber 3. (Preheating process). In parallel with this, the main heating chamber 2 is heated to a predetermined temperature (for example, about 1800 ° C.) by the heater 11 and adjusted to be under a reduced pressure of about 10 −4 Pa or less.
その後、予備加熱室3内の収納容器16を移動手段10等によって本加熱室2へ移動させ、1800℃に急速に加熱する(加熱処理工程)。すると、収納容器16内のシリコンペレット14は1450℃程度に到達した時点で溶融する。そして、上容器16aと下容器16bとの嵌合部分の遊びが約2mm以下に設定されていることともあいまって、収納容器16の内部空間はシリコン飽和蒸気圧下の真空に保たれる。 Thereafter, the storage container 16 in the preheating chamber 3 is moved to the main heating chamber 2 by the moving means 10 or the like and rapidly heated to 1800 ° C. (heat treatment step). Then, the silicon pellet 14 in the storage container 16 melts when it reaches about 1450 ° C. The inner space of the storage container 16 is kept in a vacuum under the silicon saturated vapor pressure, coupled with the fact that the play of the fitting portion between the upper container 16a and the lower container 16b is set to about 2 mm or less.
なお、本加熱室2は上述したように約10-4Pa以下の減圧下とされているため、他の不純物が収納容器16内や単結晶SiC基板15中に侵入することは防止されている。 Since the heating chamber 2 is under a reduced pressure of about 10 −4 Pa or less as described above, other impurities are prevented from entering the storage container 16 or the single crystal SiC substrate 15. .
上記のように収納容器16の内部空間をシリコン飽和蒸気圧下の真空に維持したまま、単結晶SiC基板15を1800℃程度に加熱処理すると、その表面(Si面及びC面)が分子レベルの平坦度となるように熱エッチングされ、分子レベルに滑らかな単結晶SiC基板15を得ることができる。即ち、処理前の単結晶SiC基板15の表面に形成されていた界面欠陥やウエハー研磨の研磨痕やキズ、表面荒れ等の表面欠陥を改良でき、極めて平坦な表面を有する単結晶SiC基板15が得られる。
When the single crystal SiC substrate 15 is heat-treated at about 1800 ° C. while maintaining the internal space of the storage container 16 in a vacuum under a silicon saturated vapor pressure as described above, the surface (Si surface and C surface) is flat at the molecular level. It is possible to obtain a single crystal SiC substrate 15 that is thermally etched to a degree and smooth to the molecular level. That is, interface defects formed on the surface of the single crystal SiC substrate 15 before processing, surface defects such as polishing marks, scratches, and surface roughness of wafer polishing can be improved, and the single crystal SiC substrate 15 having an extremely flat surface is obtained. can get.
なお、このような表面改質が実現される原理としては、以下の如くである。即ち、仮に単結晶SiC基板15を単純に加熱して熱エッチングした場合、SiCの蒸発は以下の基本的な反応を示す。
SiC → Si + C
SiC → Si + SiC2
SiC + Si → Si2C
図6に示す様に真空中での単結晶SiC基板表面上での分圧は温度1,600℃でSiが約1Pa、Si2Cが約10-1Pa、SiC2が約10-2Paであり、シリコンの分圧が1桁或いは2桁炭化シリコンより高い値を示す。
又別の見方で比較すると単結晶SiC基板表面上での分圧が1Paとなるそれぞれに必要な温度はSiが1,600℃で、Si2Cが1,800℃、SiC2が2,000℃であり、シリコンが低い温度で蒸発が開始され炭化シリコンの蒸発はシリコンより200℃〜400℃高い温度で蒸発が開始する。
この蒸発のタイムラグが生ずるため、単結晶SiC基板15の表面のシリコン分子が失われ、表面荒れの原因となっている。
The principle for realizing such surface modification is as follows. That is, if the single crystal SiC substrate 15 is simply heated and thermally etched, the evaporation of SiC exhibits the following basic reaction.
SiC → Si + C
SiC → Si + SiC 2
SiC + Si → Si 2 C
As shown in FIG. 6, the partial pressure on the surface of the single crystal SiC substrate in vacuum is about 1 Pa for Si, about 10 −1 Pa for Si 2 C, and about 10 −2 Pa for SiC 2 at a temperature of 1,600 ° C. And the silicon partial pressure is higher than that of one-digit or two-digit silicon carbide.
From another point of view, the temperatures required for the partial pressure on the surface of the single crystal SiC substrate to be 1 Pa are 1,600 ° C. for Si, 1,800 ° C. for Si 2 C, and 2,000 for SiC 2. The evaporation of silicon carbide starts at a low temperature, and evaporation of silicon carbide starts at a temperature 200 to 400 ° C. higher than that of silicon.
Since this evaporation time lag occurs, silicon molecules on the surface of the single crystal SiC substrate 15 are lost, which causes surface roughness.
一方、本実施形態の加熱処理工程では、前記収納容器16の内部に設置したシリコンペレット14からのシリコン蒸気の蒸発により、収納容器16の内部空間はシリコン飽和蒸気圧に保たれ、このために単結晶SiC基板15の表面からのシリコン分子の蒸発が抑制される。また、収納容器16の内部空間には炭化タンタル層31が露出しているため、単結晶SiC基板15から蒸発して収納容器16の内部空間に存在する炭化シリコン蒸気の中から、炭素分子だけが選択的に収納容器16の表面の炭化タンタル層31に取り込まれる。この現象は炭化タンタルが熱触媒の働きをして炭化シリコンをシリコン分子と炭素分子に分解して炭素分子だけを炭化タンタル層31を通してタンタル金属内部に拡散吸収される性状が確認された。この時シリコン分子は炭化タンタル層31とは全く反応を起こさないことも確認された。更に言えば、例えば1800℃に加熱されるとともに約10-4Pa以下の減圧下の環境置かれることにより、炭素分子は、収納容器16の炭化タンタル材料内部のタンタル金属に前述のように傾斜組成を形成する各層の安定相境界を跨ぎながら内部に取り込まれ、収納容器16の材料内部に加熱処理中は連続的に吸蔵されることになる。 On the other hand, in the heat treatment process of the present embodiment, the internal space of the storage container 16 is maintained at the silicon saturated vapor pressure by the evaporation of silicon vapor from the silicon pellets 14 installed inside the storage container 16. The evaporation of silicon molecules from the surface of the crystalline SiC substrate 15 is suppressed. Further, since the tantalum carbide layer 31 is exposed in the internal space of the storage container 16, only carbon molecules are evaporated from the silicon carbide vapor evaporated from the single crystal SiC substrate 15 and existing in the internal space of the storage container 16. It is selectively taken into the tantalum carbide layer 31 on the surface of the storage container 16. It has been confirmed that this phenomenon is that tantalum carbide acts as a thermal catalyst to decompose silicon carbide into silicon molecules and carbon molecules, and only the carbon molecules are diffused and absorbed through the tantalum carbide layer 31 into the tantalum metal. At this time, it was also confirmed that the silicon molecules did not react at all with the tantalum carbide layer 31. Furthermore, for example, by being heated to 1800 ° C. and placed in an environment under a reduced pressure of about 10 −4 Pa or less, the carbon molecules are inclined to the tantalum metal inside the tantalum carbide material of the storage container 16 as described above. Is taken in while straddling the stable phase boundary of each layer, and is continuously occluded in the material of the storage container 16 during the heat treatment.
この結果、収納容器16の内部空間は、単結晶SiC基板15の表面からシリコン蒸気の蒸発を抑制して、炭化シリコン蒸気のみが蒸発する雰囲気に保たれる。この結果、単結晶SiC基板15の表面から炭化シリコンのみが蒸発する。加えて、炭素分子は炭化タンタルの触媒作用でシリコン分子と分離され選択的に収納容器16の表面の炭化タンタル層31に取り込まれるので、収納容器16の内部空間はシリコン蒸気圧が常に高く保たれ自動的にシリコン飽和蒸気圧に保たれる。以上により、シリコン蒸発による荒れの生じない極めて平坦な表面を得ることができるのである。 As a result, the internal space of storage container 16 is kept in an atmosphere in which only silicon carbide vapor evaporates while suppressing evaporation of silicon vapor from the surface of single crystal SiC substrate 15. As a result, only silicon carbide evaporates from the surface of single crystal SiC substrate 15. In addition, since the carbon molecules are separated from the silicon molecules by the catalytic action of tantalum carbide and selectively taken into the tantalum carbide layer 31 on the surface of the storage container 16, the silicon vapor pressure is always kept high in the internal space of the storage container 16. It is automatically kept at the silicon saturated vapor pressure. As described above, it is possible to obtain an extremely flat surface that is free from roughening due to silicon evaporation.
なお、実際の加熱処理工程後の収納容器16を取り出してその内面(炭化タンタル層31の表面)を観察したところ、凝縮相のシリコンが一面に付着していることが認められた。この事実も上記の原理を裏付けるものと考えられる。 In addition, when the storage container 16 after an actual heat treatment process was taken out and the inner surface (the surface of the tantalum carbide layer 31) was observed, it was recognized that the silicon of the condensed phase adhered to the entire surface. This fact is also considered to support the above principle.
図7(a)は、表面機械研磨加工後の単結晶炭化ケイ素表面基底面欠陥(無数の機械切削キズ発生)のAFM拡大写真であり、図7(b)は、熱エッチング表面改質加工後の単結晶炭化ケイ素表面0.25nm高ステップの均一形成AFM写真である。図7(b)では、単結晶炭化ケイ素基板表面が分子レベルの精度で熱エッチングされることで、機械的切削加工により発生した表面損傷の基板表面欠陥が除去されるとともに切削加工工程で失われた結晶成長を促がす表面ステップ形状モフォロジーが全面に均一に形成されている。そのため、単結晶炭化ケイ素基板の表面平坦度がサブナノオ−ダ−の分子レベルに改質される。 FIG. 7 (a) is an AFM enlarged photograph of single crystal silicon carbide surface basal plane defects (innumerable mechanical cutting flaws) after surface mechanical polishing, and FIG. 7 (b) is after thermal etching surface modification processing. 1 is a uniform AFM photograph of a 0.25 nm high step of a single crystal silicon carbide surface. In FIG. 7 (b), that the single crystal silicon carbide substrate surface is thermally etched at the molecular level of accuracy, lost by cutting process with the substrate surface defects of the surface damage caused by mechanical cutting are removed the prompting the crystal growth is to surface steps form Moff O biology are uniformly formed on the entire surface. Therefore, the surface flatness of the single crystal silicon carbide substrate is modified to the sub-nanoorder molecular level.
そして、本実施形態の表面改質方法で注目すべきは、単結晶SiC基板15の表面のうち、C面(符号15C)のみならず、従来のSiH4での化学エッチングでは不可能であったSi面(符号15Si)も平坦化できることである。これにより、表面改質の柔軟性が高まってC面とSi面を同時に表面改質することも可能になり、極めて優れたスループットを得ることができる。また、Si面とC面を区別して取り扱う必要がなくなるので、単結晶SiC基板15のハンドリングが容易になる。 What should be noted in the surface modification method of this embodiment is not only the C-plane (reference numeral 15C) of the surface of the single crystal SiC substrate 15, but also Si that was impossible by conventional chemical etching with SiH4. The surface (reference numeral 15Si) can also be flattened. As a result, the flexibility of surface modification is increased, and it becomes possible to simultaneously modify the C surface and the Si surface, and an extremely excellent throughput can be obtained. In addition, since it is not necessary to distinguish between the Si plane and the C plane, handling of the single crystal SiC substrate 15 is facilitated.
図8(a)は、本加熱室2での加熱時間を15分で一定とし、加熱温度を1000℃から2000℃まで段階的に増大させた場合の単結晶SiC基板15のSi面を原子間力顕微鏡(AFM)で撮影した表面写真である。 FIG. 8A shows the Si surface of the single-crystal SiC substrate 15 between atoms when the heating time in the main heating chamber 2 is constant at 15 minutes and the heating temperature is increased stepwise from 1000 ° C. to 2000 ° C. It is the surface photograph image | photographed with the force microscope (AFM).
なお、単結晶SiC基板15としては4H−SiCのものを使用し、各写真は表面の10×10μmの範囲を撮影した。また、いくつかの条件については、得られた表面の算術平均粗さRaを測定し、結果を写真の右下に数値(単位はnm)で示した。これは後述する図8(b)、図9(a)、図9(b)においても同様である。
As the single crystal SiC substrate 15, a 4H-SiC substrate was used, and each photograph was taken in the range of 10 × 10 μm on the surface. Further, for some conditions, the arithmetic average roughness Ra of the obtained surface was measured, and the result was shown as a numerical value (unit: nm) at the lower right of the photograph. The same applies to FIGS. 8B, 9A, and 9B described later.
この図8(a)に示すように、1000℃や1200℃での処理では、表面に研磨キズがあることが認められ、表面の算術平均粗さも1.01〜1.17nmと大きな値を示している。一方、処理温度を1600℃以上に上げていくと、写真からは研磨キズが認められなくなり、表面の算術平均粗さも0.17〜0.62nmの良好な値(分子サイズレベルの超微細表面均一品質)を示すようになる。なお、2000℃より大きな温度での実験結果は図示していないが、2100℃の処理温度でも良好な結果が得られることが判っている。即ち、本加熱室2での処理温度は1500℃以上2300℃以下であることが好ましい。また、より良好な表面を得る観点からは、処理温度は1700℃以上2000℃以下であることが好ましい。 As shown in FIG. 8 (a), it is recognized that there are polishing scratches on the surface at 1000 ° C. and 1200 ° C., and the arithmetic average roughness of the surface also shows a large value of 1.01-1.17 nm. ing. On the other hand, when the processing temperature is raised to 1600 ° C. or higher, no scratches are observed in the photograph, and the arithmetic average roughness of the surface is also a good value of 0.17 to 0.62 nm (ultrafine surface uniformity at the molecular size level). Quality). Although experimental results at temperatures higher than 2000 ° C. are not shown, it has been found that good results can be obtained even at a processing temperature of 2100 ° C. That is, the processing temperature in the heating chamber 2 is preferably 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower. Further, from the viewpoint of obtaining a better surface, the treatment temperature is preferably 1700 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower.
図8(b)は、本加熱室2での加熱温度は1800℃で一定とし、加熱時間を3分から60分まで段階的に増大させていった場合の単結晶SiC基板15のSi面を原子間力顕微鏡(AFM)で撮影した表面写真である。この図8(b)で示すように、処理温度が1800℃である場合、処理温度が3分以上60分以内の範囲にあれば良好な表面粗さが得られることが判る。 FIG. 8B shows that the Si surface of the single crystal SiC substrate 15 is atomic when the heating temperature in the main heating chamber 2 is constant at 1800 ° C. and the heating time is increased stepwise from 3 minutes to 60 minutes. It is the surface photograph image | photographed with the atomic force microscope (AFM). As shown in FIG. 8B, when the processing temperature is 1800 ° C., it can be seen that good surface roughness can be obtained if the processing temperature is in the range of 3 minutes to 60 minutes.
図9(a)及び図9(b)は、図8(a)及び図8(b)の実験において単結晶SiC基板15のC面の様子を示したものである。この実験結果から、本加熱室2での処理温度を1500℃以上2300℃以下とすることで、C面についても良好な平坦度が得られることが判る。また、処理温度を1800℃の近傍とすれば、処理時間を3分から60分までの範囲で変化させても、良好な平坦度のC面が得られることが判る。 FIGS. 9A and 9B show the state of the C-plane of the single crystal SiC substrate 15 in the experiments of FIGS. 8A and 8B. From this experimental result, it can be seen that, by setting the processing temperature in the main heating chamber 2 to 1500 ° C. or more and 2300 ° C. or less, good flatness can be obtained also for the C plane. It can also be seen that if the processing temperature is in the vicinity of 1800 ° C., a C-plane with good flatness can be obtained even if the processing time is changed in the range of 3 minutes to 60 minutes.
図10(a)のAFM表面写真は、上述の熱エッチング処理を施した、結晶構造が4H−SiCの単結晶SiC基板のSi面を示す。同様に、図10(b)のAFM表面写真は、同様に熱エッチング処理を施した6H−SiC基板のSi面を示す。何れの写真においても、研磨キズ等が観察されない良好な表面が得られていることが判る。これらの写真に示すように、本実施形態の表面改質方法は、4H−SiC、6H−SiCの何れの結晶構造についても好適に適用することができる。
The AFM surface photograph of FIG. 10A shows the Si surface of a single-crystal SiC substrate having a crystal structure of 4H—SiC that has been subjected to the thermal etching process described above. Similarly, the AFM surface photograph of FIG. 10B shows the Si surface of the 6H—SiC substrate that has been similarly subjected to thermal etching. In any photograph, it can be seen that a good surface in which no polishing scratches are observed is obtained. As shown in these photographs, the surface modification method of this embodiment can be suitably applied to any crystal structure of 4H—SiC and 6H—SiC.
なお、図10(a)に示すように、4H−SiCの単結晶SiC基板のSi面のステップ構造において、各ステップは、紙面の左から右へと、所定の方向に延在するように形成されている。図10(b)に示すように、6H−SiCの単結晶SiC基板のSi面のステップ構造において、各ステップは、紙面の左下から右上へと、所定の方向に延在するように形成されている。何れの結晶構造の単結晶SiC基板においても、複数のステップは、上記の延在方向と交差する方向に規則的に並んでいる。 As shown in FIG. 10A, in the step structure of the Si surface of the 4H—SiC single crystal SiC substrate, each step is formed to extend in a predetermined direction from the left to the right of the page. Has been. As shown in FIG. 10B, in the step structure of the Si surface of the 6H—SiC single crystal SiC substrate, each step is formed so as to extend in a predetermined direction from the lower left to the upper right of the page. Yes. In any single crystal SiC substrate having any crystal structure, the plurality of steps are regularly arranged in a direction intersecting with the extending direction.
図11は、前述の方法によって表面改質が行われた単結晶4H−SiCのSi面、具体的には(0001)面のモフォロジーを示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。この図11に示すように、上記の表面改質が施された単結晶SiC基板15の表面には、非常に平坦なテラスとステップ構造を観察することができる。なお、上記ステップの高さは、SiC分子(SiCの1分子層の高さは0.25nm)の単位格子の半分の高さを基本とした整数倍の高さとなっており、約0.5nm以下のモフォロジー表面(超微細モフォロジー表面)が実現されている。 11, Si surface of the single crystal 4H-SiC which surface modification was performed by the method described above, in particular a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a Moff O biology of (0001) plane. As shown in FIG. 11, a very flat terrace and step structure can be observed on the surface of the single crystal SiC substrate 15 subjected to the above surface modification. Note that the height of the above step is an integral multiple of about 0.5 nm based on half the height of the unit cell of SiC molecules (the height of one molecular layer of SiC is 0.25 nm). the following Moff O biology surface (ultrafine Moff O biology surface) is realized.
ここで「テラス」とは、複数のステップの中で広い幅を有するステップをいう。図11の各写真の白抜き矢印で示すように、処理温度1500℃と1700℃との比較では、1500℃での処理時に形成されるテラス幅よりも、1700℃の処理時に形成されるテラス幅の方が大きいことが判る。 Here, “terrace” refers to a step having a wide width among a plurality of steps. As shown by the white arrow in each photograph in FIG. 11, in the comparison between the processing temperature of 1500 ° C. and 1700 ° C., the terrace width formed at the time of processing at 1700 ° C. is larger than the terrace width formed at the time of processing at 1500 ° C. It can be seen that is larger.
次に、気相エピタキシャル成長処理を説明する。即ち、上述の熱エッチング処理を行った単結晶SiC基板に対しては、当該基板を種結晶として、その表面に更に気相エピタキシャル成長させるように処理することもできる。
Next, the vapor phase epitaxial growth process will be described. That is, for the single crystal SiC substrate subjected to the above-described thermal etching treatment, the substrate can be used as a seed crystal and further processed by vapor phase epitaxial growth on the surface thereof.
この気相エピタキシャル成長処理について具体的に説明すると、図12に示すように、上記の熱エッチング処理を行った単結晶SiC基板15a・15bを、今度は多結晶SiC基板32と近接又は密接させつつ、収納容器16の内部に収納して配置する。この収納容器16は、上容器16aと下容器16bとを嵌合させた構成とし、その嵌合部分の遊びは約2mm以下に設定している。この収納容器16は、タンタル又はタンタルカーバイドで構成されていることが好ましい。また、収納容器16の形状としては、例えば六面体状、円筒状等とすることが考えられる。
The vapor phase epitaxial growth process will be described in detail. As shown in FIG. 12, the single crystal SiC substrates 15a and 15b subjected to the above thermal etching process are now brought close to or in close contact with the polycrystalline SiC substrate 32. The container 16 is housed and arranged inside the container 16. The storage container 16 has a configuration in which an upper container 16a and a lower container 16b are fitted to each other, and a play of the fitting portion is set to about 2 mm or less. The storage container 16 is preferably made of tantalum or tantalum carbide. Further, as the shape of the storage container 16, for example, it may be a hexahedral shape, a cylindrical shape, or the like.
図12には、多結晶SiC基板32と単結晶SiC基板15a・15bを交互に配置した積層例が開示されている。一方の単結晶SiC基板15aは6H−SiCの結晶構造のものとし、他方の単結晶SiC基板15bは4H−SiCの結晶構造のものとしている。図12では2枚の単結晶SiC基板15a・15bを一度に処理する場合が示されているが、1枚の基板を単独で処理しても良いし、3枚以上の基板を一度に処理するように積層しても良い。 FIG. 12 discloses a stacked example in which the polycrystalline SiC substrate 32 and the single crystal SiC substrates 15a and 15b are alternately arranged. One single crystal SiC substrate 15a has a 6H—SiC crystal structure, and the other single crystal SiC substrate 15b has a 4H—SiC crystal structure. Although FIG. 12 shows a case where two single crystal SiC substrates 15a and 15b are processed at a time, one substrate may be processed alone, or three or more substrates are processed at a time. You may laminate | stack.
上記多結晶SiC基板32としては、例えば、CVD法で作製されたSi半導体製造工程でダミーウエハとして使用されるSiCから所望の大きさに切り出されたものを使用することができる。また、この多結晶SiC基板32としては、平均粒子径が1μm以上10μm以下で、粒子径が揃っているものが好ましい。更に、この多結晶SiC基板32の結晶構造としては、4H−SiC、6H−SiC、3C−SiCの何れも使用することができる。 As the polycrystalline SiC substrate 32, for example, a substrate cut out to a desired size from SiC used as a dummy wafer in a Si semiconductor manufacturing process manufactured by a CVD method can be used. The polycrystalline SiC substrate 32 preferably has an average particle diameter of 1 μm to 10 μm and a uniform particle diameter. Furthermore, as the crystal structure of the polycrystalline SiC substrate 32, any of 4H—SiC, 6H—SiC, and 3C—SiC can be used.
また、多結晶SiC基板32の単結晶SiC基板15a・15b側を向く表面は、予め鏡面に研磨加工するとともに、その表面に付着した油類、酸化膜、金属等を洗浄等によって除去しておく。 The surface of the polycrystalline SiC substrate 32 facing the single crystal SiC substrate 15a / 15b side is polished to a mirror surface in advance, and oils, oxide films, metals, etc. adhering to the surface are removed by washing or the like. .
各単結晶SiC基板15a・15bと上下の多結晶SiC基板32とは、互いに近接して配置されている。具体的には、各単結晶SiC基板15a・15bと上下の多結晶SiC基板32との間にはスペーサ13が介在され、このスペーサ13によって両基板の間には所定の隙間が形成されている。具体的には、上記隙間の大きさは0.6mm以内とすることが好ましく、0.3mm以内とすると更に好ましい。また、スペーサ13を省略し、隙間をゼロ(即ち、密接)としても良い。 The single crystal SiC substrates 15a and 15b and the upper and lower polycrystalline SiC substrates 32 are arranged close to each other. Specifically, spacers 13 are interposed between the single crystal SiC substrates 15a and 15b and the upper and lower polycrystalline SiC substrates 32, and a predetermined gap is formed between the substrates by the spacers 13. . Specifically, the size of the gap is preferably within 0.6 mm, and more preferably within 0.3 mm. Further, the spacer 13 may be omitted, and the gap may be zero (that is, close).
以上のように、内部に単結晶SiC基板15a・15bと多結晶SiC基板32とを積層した収納容器16を、加熱炉1の予備加熱室3にセットする。そして、この収納容器16を予備加熱室3で800℃以上に予備加熱するとともに、本加熱室2を、所定の温度(1500℃以上2300℃以下の温度とすることが好ましく、1700℃以上1900℃以下の温度とすることが更に好ましい)に昇温しておく。また、本加熱室2は、所定の減圧下(10-4Pa以下が好ましい)に調整される。 As described above, the storage container 16 in which the single crystal SiC substrates 15 a and 15 b and the polycrystalline SiC substrate 32 are stacked is set in the preheating chamber 3 of the heating furnace 1. The storage container 16 is preheated to 800 ° C. or higher in the preheating chamber 3, and the main heating chamber 2 is preferably set to a predetermined temperature (1500 ° C. to 2300 ° C., preferably 1700 ° C. to 1900 ° C. The temperature is preferably increased to the following temperature. Further, the main heating chamber 2 is adjusted to a predetermined reduced pressure (preferably 10 −4 Pa or less).
そして、予備加熱室3の収納容器16を本加熱室2へ移動させ、加熱ヒータ11で上記所定の温度に急速に加熱する。この昇温処理を行うことで、多結晶SiC基板32からSiC分子が昇華し、この昇華したSiC分子が前記単結晶SiC基板15a・15bの表面に気相エピタキシャル成長し、単結晶SiC薄膜を形成する。その後、スペーサ13及び多結晶SiC基板32を取り去ることで、処理後の単結晶SiC基板15a・15bを得る。 Then, the storage container 16 in the preheating chamber 3 is moved to the main heating chamber 2 and rapidly heated to the predetermined temperature by the heater 11. By performing the temperature raising process, SiC molecules are sublimated from the polycrystalline SiC substrate 32, and the sublimated SiC molecules are grown in a vapor phase on the surfaces of the single crystal SiC substrates 15a and 15b to form a single crystal SiC thin film. . Thereafter, the spacer 13 and the polycrystalline SiC substrate 32 are removed to obtain processed single crystal SiC substrates 15a and 15b.
なお、単結晶SiC基板15a・15bには熱エッチング処理の前の段階から多数のマイクロパイプが含まれており、このマイクロパイプは上記の熱エッチング処理で除去することは困難である。従って、熱エッチング処理後も、前記単結晶SiC基板15a・15bの表面にはマイクロパイプが開口していることになる。
Note that the single crystal SiC substrate 15a · 15b includes a number of micropipe from the previous stage of the thermal etching treatment, the micro-pipe is difficult to remove by thermal etching process described above. Therefore , even after the thermal etching process, micropipes are opened on the surfaces of the single crystal SiC substrates 15a and 15b.
しかしながら、図12(A)の状態で熱処理することにより、昇華SiC分子による気相エピタキシャル成長が行われて、上記マイクロパイプの開口を埋めるようにしながら単結晶SiC基板15a・15bの表面に単結晶SiC薄膜が形成される。即ち、図12(B)の単結晶SiC基板15a・15bの基板表面のマイクロパイプ欠陥(a)が単結晶SiC気相薄膜により修復されることになる(b)。図12(C)は、気相エピタキシャル成長がマイクロパイプの開口を埋める様子と熱処理温度条件の関係を示すグラフ図を示す。 However, by performing the heat treatment in the state of FIG. 12A, vapor phase epitaxial growth by sublimated SiC molecules is performed, and the single crystal SiC substrates 15a and 15b are formed on the surfaces of the single crystal SiC substrates while filling the openings of the micropipes. A thin film is formed. That is, the micropipe defect (a) on the substrate surfaces of the single crystal SiC substrates 15a and 15b in FIG. 12B is repaired by the single crystal SiC vapor thin film (b). FIG. 12C is a graph showing a relationship between the state of vapor phase epitaxial growth filling the opening of the micropipe and the heat treatment temperature condition.
この結果、表面改質された極めて平坦な表面を有するとともに、マイクロパイプ欠陥も少ない、高品質、高性能な単結晶SiC基板15a・15bを提供することができる。 As a result, it is possible to provide high-quality and high-performance single-crystal SiC substrates 15a and 15b that have an extremely flat surface that is surface-modified and have few micropipe defects.
次に、液相エピタキシャル成長処理を説明する。即ち、上述の気相エピタキシャル成長処理を行った単結晶SiC基板に対しては、その表面に更に液相エピタキシャル成長させるように処理することもできる。 Next, the liquid phase epitaxial growth process will be described. That is, the single crystal SiC substrate that has been subjected to the above-described vapor phase epitaxial growth treatment can be further subjected to liquid phase epitaxial growth on the surface thereof.
この液相エピタキシャル成長処理について具体的に説明すると、図13に示すように、上記の気相エピタキシャル成長処理を行った単結晶SiC基板15aを、2枚の多結晶SiC基板32・32の間で挟むようにし、収納容器16の内部に収納して配置する。なお、図13では6H−SiCの結晶構造の単結晶SiC基板15aの場合を説明するが、4H−SiCの結晶構造の単結晶SiC基板15bについても同様の液相エピタキシャル成長処理を行うことができる。 The liquid phase epitaxial growth process will be described in detail. As shown in FIG. 13, the single crystal SiC substrate 15a subjected to the vapor phase epitaxial growth process is sandwiched between two polycrystalline SiC substrates 32 and 32. And stored in the storage container 16. Note that FIG. 13 illustrates the case of the single crystal SiC substrate 15a having a 6H—SiC crystal structure, but the same liquid phase epitaxial growth process can be performed on the single crystal SiC substrate 15b having a 4H—SiC crystal structure.
以上のように、内部に単結晶SiC基板15aと多結晶SiC基板32とを積層した収納容器16を、加熱炉1の予備加熱室3にセットする。そして、この収納容器16を予備加熱室3で800℃以上に予備加熱するともに、本加熱室2を、所定の温度(1500℃以上2300℃以下の温度とすることが好ましく、1700℃以上1900℃以下の温度とすることが更に好ましい)に昇温しておく。また、本加熱室2は、所定の減圧下(10-4Pa以下が好ましい)に調整される。 As described above, the storage container 16 in which the single crystal SiC substrate 15 a and the polycrystalline SiC substrate 32 are stacked is set in the preheating chamber 3 of the heating furnace 1. The storage container 16 is preheated to 800 ° C. or higher in the preheating chamber 3 and the main heating chamber 2 is preferably set to a predetermined temperature (1500 ° C. to 2300 ° C., preferably 1700 ° C. to 1900 ° C. The temperature is preferably increased to the following temperature. Further, the main heating chamber 2 is adjusted to a predetermined reduced pressure (preferably 10 −4 Pa or less).
そして、予備加熱室3の収納容器16を本加熱室2へ移動させ、加熱ヒータ11で上記所定の温度に急速に加熱する。この昇温処理を行うことで、多結晶SiC基板32・32と単結晶SiC基板15aとの間に、極薄の金属Si融液19が形成される。上記のように多結晶SiC基板32・32と単結晶SiC基板15aとの間に極薄の金属Si融液19が介在されることにより、単結晶SiC基板15aの表面に単結晶SiCが液相エピタキシャル成長する。この液相エピタキシャル成長層の厚みは、熱処理時間を増減することで所望の厚みとなるように調整することができる。 Then, the storage container 16 in the preheating chamber 3 is moved to the main heating chamber 2 and rapidly heated to the predetermined temperature by the heater 11. By performing this temperature rising process, an extremely thin metal Si melt 19 is formed between the polycrystalline SiC substrates 32 and 32 and the single crystal SiC substrate 15a. As described above, the ultra-thin metal Si melt 19 is interposed between the polycrystalline SiC substrates 32 and 32 and the single crystal SiC substrate 15a, so that the single crystal SiC is in a liquid phase on the surface of the single crystal SiC substrate 15a. Epitaxial growth. The thickness of the liquid phase epitaxial growth layer can be adjusted to a desired thickness by increasing or decreasing the heat treatment time.
ここで、単結晶SiC基板15aと多結晶SiC基板32との間にスペーサを配置することもできる。つまり、図13(b)に示すように、支持基板41、単結晶SiC基板15a、少なくとも1つのスペーサ13、多結晶SiC基板32、Si基板42、重石43の順に下から上へと積層しつつ、収納容器16の内部に収納して配置する。支持基板41は多結晶SiC基板32と同様な基板によって形成されている。そして、単結晶SiC基板15aと多結晶SiC基板32との間には、熱処理時、スペーサ13の厚みに極薄金属Si融液層19が形成される。ここで、単結晶炭化ケイ素基板15aと多結晶SiC基板32との間にスペーサ13を介在することで金属SiC融液層19の厚みを制御することができる。 Here, a spacer may be disposed between the single crystal SiC substrate 15 a and the polycrystalline SiC substrate 32. That is, as shown in FIG. 13B, the supporting substrate 41, the single crystal SiC substrate 15a, at least one spacer 13, the polycrystalline SiC substrate 32, the Si substrate 42, and the weight 43 are stacked in this order from the bottom to the top. The container 16 is housed and arranged inside the container 16. Support substrate 41 is formed of a substrate similar to polycrystalline SiC substrate 32. An ultrathin metal Si melt layer 19 having a thickness of the spacer 13 is formed between the single crystal SiC substrate 15a and the polycrystalline SiC substrate 32 during the heat treatment. Here, the thickness of metal SiC melt layer 19 can be controlled by interposing spacer 13 between single crystal silicon carbide substrate 15 a and polycrystalline SiC substrate 32.
ここで、本加熱室2での昇温処理では、液相エピタキシャル成長した単結晶炭化ケイ素薄膜がスペーサ13の厚みより薄くなる様に制御して成長を終了して加熱を停止する。その後、単結晶炭化ケイ素基板15aと多結晶炭化ケイ素基板32の複合体を収納容器16内に収納せずに直接真空加熱する。これにより、単結晶炭化ケイ素基板15aと多結晶炭化ケイ素基板32との間のケイ素を真空中に蒸発気化させることで隙間が出来るので、単結晶炭化ケイ素基板15aと多結晶炭化ケイ素基板32が冷却後剥離が容易となる。 Here, in the temperature raising process in the main heating chamber 2, the growth is terminated by controlling the single-crystal silicon carbide thin film grown by liquid phase epitaxy to be thinner than the thickness of the spacer 13, and the heating is stopped. Thereafter, the composite of the single crystal silicon carbide substrate 15 a and the polycrystalline silicon carbide substrate 32 is directly vacuum heated without being stored in the storage container 16. Thereby, a gap is formed by evaporating and evaporating silicon between the single crystal silicon carbide substrate 15a and the polycrystalline silicon carbide substrate 32 in a vacuum, so that the single crystal silicon carbide substrate 15a and the polycrystalline silicon carbide substrate 32 are cooled. Post-peeling is easy.
図14(a)は、熱エッチング表面改質加工後の単結晶炭化ケイ素表面AFM写真であり、図14(b)は、気相又は液相エピタキシャル成長工程後の単結晶炭化ケイ素表面AFM写真である。
14 (a) is a single crystal silicon carbide surface AFM photograph after thermal etching surface modification processing, FIG. 14 (b), is a single-crystal silicon carbide surface AFM photograph after gas phase or liquid phase epitaxial growth process .
また、上述の気相エピタキシャル成長処理及び液相エピタキシャル成長処理を行った単結晶SiC基板に対しては、その表面に更に熱エッチング処理を行うこともできる。熱エッチング処理の方法は、上述と同様である。
Further, with respect to the single crystal SiC substrate subjected to vapor-phase epitaxial growth process described above and a liquid phase epitaxial growth process, it may be performed thermally etching process further on the surface thereof. The thermal etching method is the same as described above.
次に、イオン注入アニール処理を説明する。即ち、上述の気相エピタキシャル成長処理及び液相エピタキシャル成長処理を行った単結晶SiC基板に対しては、その表面に更にp型又はn型半導体のドーピングイオンを注入し活性化熱アニールを行うこともできる。 Next, an ion implantation annealing process will be described. That is, for the single crystal SiC substrate subjected to the above-described vapor phase epitaxial growth process and liquid phase epitaxial growth process, p-type or n-type semiconductor doping ions may be further implanted on the surface to perform activation thermal annealing. .
先ず最初に、単結晶SiC基板の表面にp型又はn型半導体のドーピングイオンを注入し活性化熱アニールする方法について、図15を参照しながら概観する。図15において先ず、適宜のSiC基板15aに対し、CVD法、LPE法等を用いてSiC単結晶15bをエピタキシャル成長させ、単結晶SiC基板15とする(図15(a))。次に、基板表面のSiC単結晶15bに対し、適宜のイオン打込み装置を用いて、アルミニウム(Al)やボロン(B)等のドーパントを注入する(図15(b))。このイオン注入は、本実施形態では常温で行っている。更に、ポストアニール処理(熱アニール処理)により、SiC単結晶15bに打ち込んだイオンを電気的に活性化させ、イオンドープ層15cを形成させる(図15(c))。 First, a method of implanting p-type or n-type semiconductor doping ions into the surface of a single crystal SiC substrate and activating thermal annealing will be outlined with reference to FIG. In FIG. 15, first, an SiC single crystal 15b is epitaxially grown on an appropriate SiC substrate 15a using a CVD method, an LPE method, or the like to obtain a single crystal SiC substrate 15 (FIG. 15A). Next, a dopant such as aluminum (Al) or boron (B) is implanted into the SiC single crystal 15b on the substrate surface by using an appropriate ion implantation apparatus (FIG. 15B). In this embodiment, this ion implantation is performed at room temperature. Further, the ions implanted into the SiC single crystal 15b are electrically activated by post-annealing (thermal annealing) to form the ion-doped layer 15c (FIG. 15C).
図16には、アニール温度とイオンドープの電気的活性化率との関係の一例が示されている。この図16に示すように、アニール温度が1,500℃の場合は、2分間のアニール処理では活性化率は殆どゼロであり、アニール処理を30分間行った場合でも30%程度である。一方、高いアニール温度での処理では活性化率が大きく上昇する傾向がみられ、上記実施形態で示した1,800℃でのアニール処理では、30分間、2分間の何れのアニール処理でも、ほぼ100%の活性化率が得られることが判った。1,900℃でのアニール処理でも同様に、ほぼ100%の活性化率が得られた。 FIG. 16 shows an example of the relationship between the annealing temperature and the electrical activation rate of ion doping. As shown in FIG. 16, when the annealing temperature is 1500 ° C., the activation rate is almost zero in the annealing process for 2 minutes, and is about 30% even when the annealing process is performed for 30 minutes. On the other hand, the activation rate tends to increase greatly in the treatment at a high annealing temperature. In the annealing treatment at 1,800 ° C. shown in the above embodiment, the annealing treatment for about 30 minutes or 2 minutes is almost the same. It was found that an activation rate of 100% was obtained. Similarly, an annealing rate at 1,900 ° C. gave an activation rate of almost 100%.
その後、イオンドープ層15cが形成された単結晶SiC基板15を収納した収納容器16を、加熱炉1の予備加熱室3にセットする。この収納容器16を予備加熱室3で800℃以上に予備加熱するともに、本加熱室2を、所定の温度(1600℃以上2100℃以下の温度とすることが好ましく、1700℃以上1900℃以下の温度とすることが更に好ましい)に昇温しておく。また、本加熱室2は、所定の減圧下(10-4Pa以下が好ましい)に調整される。 Thereafter, the storage container 16 storing the single crystal SiC substrate 15 on which the ion doped layer 15 c is formed is set in the preheating chamber 3 of the heating furnace 1. The storage container 16 is preheated to 800 ° C. or more in the preheating chamber 3, and the main heating chamber 2 is preferably set to a predetermined temperature (1600 ° C. to 2100 ° C., preferably 1700 ° C. to 1900 ° C. The temperature is preferably increased to a temperature. Further, the main heating chamber 2 is adjusted to a predetermined reduced pressure (preferably 10 −4 Pa or less).
そして、予備加熱室3の収納容器16を本加熱室2へ移動させ、加熱ヒータ11で上記所定の温度に急速に加熱する。この昇温処理を行うことで、その表面が分子レベルの平坦度となるように熱エッチングされ、分子レベルに滑らかな単結晶SiC基板15を得ることができる。
Then, the storage container 16 in the preheating chamber 3 is moved to the main heating chamber 2 and rapidly heated to the predetermined temperature by the heater 11. By performing this temperature raising process, the surface is thermally etched so as to have a molecular level flatness, and a single crystal SiC substrate 15 smooth to the molecular level can be obtained.
図17(a)は、気相又は液相エピタキシャル成長後の単結晶炭化ケイ素薄膜表面に半導体イオンドープのイオン注入した後のAFM拡大写真であり、図17(b)は、上記単結晶炭化ケイ素薄膜表面に半導体イオンドープのイオン注入した後に熱アニ−ルして活性化した単結晶炭化ケイ素半導体薄膜表面のAFM拡大写真である。 17 (a) is an AFM enlarged photograph after ion implantation of a semiconductor ion doped single crystal silicon carbide thin film surface of the gas phase or liquid phase epitaxial after deposition, FIG. 17 (b), the single crystal silicon carbide thin film It is an AFM enlarged photograph of the surface of a single crystal silicon carbide semiconductor thin film activated by thermal annealing after ion implantation of semiconductor ion dope on the surface.
以上に本発明の好適な実施形態を示したが、上記は一例であって、例えば以下のように変更することができる。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the above is an example, and can be modified as follows, for example.
加熱処理工程に用いられる収納容器16は、その表面全体に炭化タンタル層31を露出させることのほか、収納容器16の内部空間にのみ露出させたり、収納容器16の内面の一部にのみ露出させるように構成しても良い。 In addition to exposing the tantalum carbide layer 31 on the entire surface of the storage container 16 used in the heat treatment process, the storage container 16 is exposed only in the internal space of the storage container 16 or only on a part of the inner surface of the storage container 16. You may comprise as follows.
加熱処理工程に用いられるSi供給源としては、シリコンペレット14のようなペレット状のものに限定されず、例えば粉末状のものを採用することができる。 The Si supply source used in the heat treatment step is not limited to a pellet-like material such as the silicon pellet 14, and for example, a powder-like material can be adopted.
単結晶SiC基板15の結晶構造としては、3C−SiCを用いてもよい。また、単結晶SiC基板15において気相エピタキシャル成長または液相エピタキシャル成長が行われる表面は、(111)Si面又は(−1−1−1)C面でもよい。 As the crystal structure of the single crystal SiC substrate 15, 3C—SiC may be used. Further, the surface on which vapor phase epitaxial growth or liquid phase epitaxial growth is performed in single crystal SiC substrate 15 may be a (111) Si plane or a (-1-1-1) C plane.
単結晶SiC基板15の熱エッチング処理後、上述の気相エピタキシャル成長工程のみを行い、液相エピタキシャル成長工程を省略しても良い。また、気相エピタキシャル成長工程を行わずに液相エピタキシャル成長工程のみを行うようにしても良い。しかしながら、上述のように気相エピタキシャル成長工程及び液相エピタキシャル成長工程の双方を行うようにすると、単結晶SiC基板のマイクロパイプを気相エピタキシャル成長で効率的に埋めることができるとともに、この気相エピタキシャル成長で形成された薄い単結晶SiC薄膜(通常は厚み30μm〜50μm程度)の上に液相エピタキシャル成長の厚い膜を容易に形成できる点で有利である。
After the thermal etching process of the single crystal SiC substrate 15 , only the above-described vapor phase epitaxial growth step may be performed, and the liquid phase epitaxial growth step may be omitted. Further, only the liquid phase epitaxial growth process may be performed without performing the vapor phase epitaxial growth process. However, if both the vapor phase epitaxial growth step and the liquid phase epitaxial growth step are performed as described above, the micropipe of the single crystal SiC substrate can be efficiently filled with the vapor phase epitaxial growth, and formed by the vapor phase epitaxial growth. It is advantageous in that a thick film of liquid phase epitaxial growth can be easily formed on the thin single crystal SiC thin film (usually about 30 μm to 50 μm in thickness).
1 加熱炉
2 本加熱室
3 予備加熱室
4 前室
5 表面にエピタキシャル単結晶SiC薄膜を成長させた単結晶SiC基板
5a 単結晶SiC種基板
5b 単結晶SiC種基板表面にエピタキシャル成長した単結晶SiC薄膜
13 スペーサ
14 シリコンペレット
15 単結晶SiC基板
15C 炭素面(C面)
15Si ケイ素面(Si面)
16 収納容器
19 金属Si融液
31 炭化タンタル層
32 多結晶SiC基板
41 支持基板
42 金属Si基板
43 重し
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heating furnace 2 Main heating chamber 3 Preheating chamber 4 Front chamber 5 Single crystal SiC substrate 5a which epitaxial single crystal SiC thin film was grown on the surface Single crystal SiC seed substrate 5b Single crystal SiC thin film epitaxially grown on the surface of single crystal SiC seed substrate 13 Spacer 14 Silicon pellet 15 Single crystal SiC substrate 15C Carbon surface (C surface)
15Si silicon surface (Si surface)
16 Storage container 19 Metal Si melt 31 Tantalum carbide layer 32 Polycrystalline SiC substrate 41 Support substrate 42 Metal Si substrate 43 Weight
Claims (17)
前記単結晶炭化ケイ素基板の結晶構造が4H−SiC及び6H−SiCのいずれかであって、表面改質される基板表面が(0001)Si面又は(000−1)C面であり、
タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるように上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、
単結晶炭化ケイ素基板表面を分子レベルの精度で熱エッチングして、機械的切削加工により発生した表面損傷の基板表面欠陥を除去するとともに、基板表面全体にステップ高さが0.5nm以下の表面ステップ形状モフォロジーを形成して、基板表面の算術平均粗さを1.0nm以下とすることを特徴とする単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法。 Removal of substrate surface defects of single crystal silicon carbide wafers cut directly from single crystal silicon carbide bulk ingots without the need for mechanical and chemical polishing (CMP) as a planarization process of the surface of the single crystal silicon carbide substrate And a surface modification method of a single crystal silicon carbide substrate that forms a surface step shape morphology lost by cutting,
The crystal structure of the single crystal silicon carbide substrate is either 4H—SiC or 6H—SiC, and the substrate surface to be surface-modified is a (0001) Si plane or a (000-1) C plane,
The single crystal silicon carbide substrate is housed in a storage container made of tantalum metal and fitted vertically so that the tantalum carbide layer is exposed to the internal space, and the internal pressure of the storage container is higher than the external pressure and is made of silicon. A heat treatment step including a heat treatment step of uniformly heat-treating the storage container at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower in a vacuum state under saturated vapor pressure;
A single crystal silicon carbide substrate surface is thermally etched with molecular level accuracy to remove substrate surface defects caused by mechanical cutting and surface steps with a step height of 0.5 nm or less over the entire substrate surface. A method for modifying a surface of a single crystal silicon carbide substrate, wherein a shape morphology is formed, and an arithmetic average roughness of the substrate surface is 1.0 nm or less.
前記単結晶炭化ケイ素基板の結晶構造が4H−SiC及び6H−SiCのいずれかであって、表面改質される基板表面が(0001)Si面又は(000−1)C面であり、
タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるように上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、
単結晶炭化ケイ素基板表面を分子レベルの精度で熱エッチングして、機械的及び化学的研磨により発生した表面損傷の基板表面欠陥を除去するとともに、基板表面全体にステップの高さが0.5nm以下の表面ステップ形状モフォロジーを形成して、基板表面の算術平均粗さを1.0nm以下とすることを特徴とする単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法。 Surface modification of single crystal silicon carbide substrate to remove substrate surface defects caused by mechanical and chemical polishing in the planarization process of the surface of single crystal silicon carbide substrate and to form surface step shape morphology lost by polishing process Is the way
The crystal structure of the single crystal silicon carbide substrate is either 4H—SiC or 6H—SiC, and the substrate surface to be surface-modified is a (0001) Si plane or a (000-1) C plane,
The single crystal silicon carbide substrate is housed in a storage container made of tantalum metal and fitted vertically so that the tantalum carbide layer is exposed to the internal space, and the internal pressure of the storage container is higher than the external pressure and is made of silicon. A heat treatment step including a heat treatment step of uniformly heat-treating the storage container at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower in a vacuum state under saturated vapor pressure;
A single crystal silicon carbide substrate surface is thermally etched with molecular level accuracy to remove substrate surface defects caused by mechanical and chemical polishing, and a step height of 0.5 nm or less on the entire substrate surface. A surface modification method for a single-crystal silicon carbide substrate, wherein the surface step shape morphology is formed so that the arithmetic average roughness of the substrate surface is 1.0 nm or less.
タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備える上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板に対向して多結晶炭化ケイ素基板を近接設置させて前記単結晶炭化ケイ素基板と前記多結晶炭化ケイ素基板との隙間にケイ素分子の気相雰囲気を介在させた複合体を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、
単結晶炭化ケイ素基板表面のマイクロパイプ欠陥を気相エピタキシャル成長した単結晶炭化ケイ素薄膜で閉塞修復することを特徴とする単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法。 3. Formation of a single-crystal silicon carbide thin film on the single-crystal silicon carbide substrate modified by the surface modification method according to claim 1 or 2 for clogging and repairing micropipe defects of the substrate by a vapor phase epitaxial growth method. Is the way
A polycrystalline silicon carbide substrate is placed close to the single crystal silicon carbide substrate in a storage container made of tantalum metal and having a tantalum carbide layer exposed so as to be exposed to the internal space, and opposed to the single crystal silicon carbide substrate. A composite in which a gas phase atmosphere of silicon molecules is interposed in a gap between the silicon substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate, and the internal pressure of the storage container is higher than the external pressure and a vacuum under the saturated vapor pressure of silicon. A heat treatment step including a heat treatment step of uniformly heat-treating the storage container at a temperature of 1500 ° C. to 2300 ° C.
A method for forming a single crystal silicon carbide thin film comprising repairing clogging of micropipe defects on the surface of a single crystal silicon carbide substrate with a single crystal silicon carbide thin film obtained by vapor phase epitaxial growth.
タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備える上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板に対向して多結晶炭化ケイ素基板を近接設置させて前記単結晶炭化ケイ素基板と前記多結晶炭化ケイ素基板との隙間にケイ素分子の液相融液を介在させた複合体を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、
単結晶炭化ケイ素基板表面のマイクロパイプ欠陥を液相エピタキシャル成長した単結晶炭化ケイ素薄膜で閉塞修復することを特徴とする単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法。 3. Formation of a single-crystal silicon carbide thin film on the single-crystal silicon carbide substrate modified by the surface modification method according to claim 1 or 2 for clogging and repairing micropipe defects of the substrate by a liquid phase epitaxial growth method. Is the way
A polycrystalline silicon carbide substrate is placed close to the single crystal silicon carbide substrate in a storage container made of tantalum metal and having a tantalum carbide layer exposed so as to be exposed to the internal space, and opposed to the single crystal silicon carbide substrate. A composite in which a liquid melt of silicon molecules is interposed in a gap between the silicon substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate, and the internal pressure of the storage container is higher than the external pressure and under the saturated vapor pressure of silicon. A heat treatment step including a heat treatment step of uniformly heat-treating the storage container at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower in a vacuum state;
A method for forming a single crystal silicon carbide thin film comprising repairing a micropipe defect on a surface of a single crystal silicon carbide substrate with a single crystal silicon carbide thin film grown by liquid phase epitaxial growth.
タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるように上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1500℃以上2300℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、
単結晶炭化ケイ素薄膜表面を分子レベルの精度で熱エッチングして、前記単結晶炭化ケイ素薄膜表面にステップの高さが0.5nm以下の表面ステップ形状モフォロジーを形成して、単結晶炭化ケイ素基板薄膜の算術平均粗さを1.0nm以下とすることを特徴とする単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法。 5. A surface modification of a single crystal silicon carbide substrate for flattening a surface of a single crystal silicon carbide thin film in which micropipe defects are closed and repaired by the method for forming a single crystal silicon carbide thin film according to claim 3 or 4 to form a surface step shape morphology. Quality method,
The single crystal silicon carbide substrate is housed in a storage container made of tantalum metal and fitted vertically so that the tantalum carbide layer is exposed to the internal space, and the internal pressure of the storage container is higher than the external pressure and is made of silicon. A heat treatment step including a heat treatment step of uniformly heat-treating the storage container at a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower in a vacuum state under saturated vapor pressure;
A single crystal silicon carbide substrate thin film is formed by thermally etching the surface of the single crystal silicon carbide thin film with molecular level accuracy to form a surface step shape morphology having a step height of 0.5 nm or less on the surface of the single crystal silicon carbide thin film. A method for modifying the surface of a single-crystal silicon carbide substrate, wherein the arithmetic average roughness is 1.0 nm or less.
タンタル金属からなるとともに炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備える上下が嵌合した収納容器に前記単結晶炭化ケイ素基板を収納するとともに、前記収納容器の内部圧力を外部圧力よりも高く且つシリコンの飽和蒸気圧下の真空に保った状態で1600℃以上2100℃以下の温度で前記収納容器を均一に加熱処理する加熱処理工程を含む熱処理工程を備えており、
p型又はn型半導体のドーピングイオンを活性化熱アニールすると同時にドーピングイオンが注入された前記単結晶炭化ケイ素薄膜表面を分子レベルの精度で熱エッチングして、ドーピングイオンが注入された単結晶炭化ケイ素半導体基板の表面にステップの高さが0.5nm以下の表面ステップ形状モフォロジーを均一に形成して、基板の算術平均粗さを1.0nm以下とすることを特徴とするイオン注入アニール方法。 Activation thermal annealing by implanting p-type or n-type semiconductor doping ions into the surface of the single crystal silicon carbide thin film whose micropipe defects have been closed and repaired by the method for forming a single crystal silicon carbide thin film according to claim 3 An ion implantation annealing method,
The single crystal silicon carbide substrate is housed in a storage container that is made of tantalum metal and has a tantalum carbide layer exposed to the internal space and fitted to the upper and lower sides, and the internal pressure of the storage container is higher than the external pressure and A heat treatment step including a heat treatment step of uniformly heat-treating the storage container at a temperature of 1600 ° C. or higher and 2100 ° C. or lower in a state where the vacuum is maintained under a silicon saturated vapor pressure;
and thermally etched with p-type or n-type semiconductor doping ion activation thermal annealing to simultaneously doping ions implanted the single crystal silicon carbide thin film surface of the molecular level of accuracy, a single crystal silicon carbide doping ions are implanted An ion implantation annealing method, wherein a surface step shape morphology having a step height of 0.5 nm or less is uniformly formed on a surface of a semiconductor substrate, and the arithmetic average roughness of the substrate is 1.0 nm or less.
前記熱処理工程は、前記加熱処理工程の前において、前記単結晶炭化ケイ素基板を収納した前記収納容器を800℃以上の温度で加熱する予備加熱工程をさらに備えており、
前記加熱処理工程は、予め減圧下で1500℃以上2300℃以下の温度に調整された本加熱室で行われるものとし、
前記加熱処理工程は、前記予備加熱工程を行う予備加熱室から前記本加熱室へ前記収納容器を移動することにより行われることを特徴とする単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法。 A method for surface modification of a single crystal silicon carbide substrate according to any one of claims 1, 2, and 5,
The heat treatment step further includes a preheating step of heating the storage container storing the single crystal silicon carbide substrate at a temperature of 800 ° C. or more before the heat treatment step,
The heat treatment step is performed in a main heating chamber adjusted to a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower in advance under reduced pressure;
The surface treatment method for a single crystal silicon carbide substrate, wherein the heat treatment step is performed by moving the storage container from a preheating chamber in which the preheating step is performed to the main heating chamber.
前記熱処理工程は、前記加熱処理工程の前において、前記単結晶炭化ケイ素基板を収納した前記収納容器を800℃以上の温度で加熱する予備加熱工程をさらに備えており、
前記加熱処理工程は、予め減圧下で1500℃以上2300℃以下の温度に調整された本加熱室で行われるものとし、
前記加熱処理工程は、前記予備加熱工程を行う予備加熱室から前記本加熱室へ前記収納容器を移動することにより行われることを特徴とする単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法。 A method for forming a single crystal silicon carbide thin film according to claim 3 or 4,
The heat treatment step further includes a preheating step of heating the storage container storing the single crystal silicon carbide substrate at a temperature of 800 ° C. or more before the heat treatment step,
The heat treatment step is performed in a main heating chamber adjusted to a temperature of 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower in advance under reduced pressure;
The method for forming a single crystal silicon carbide thin film, wherein the heat treatment step is performed by moving the storage container from a preheating chamber in which the preheating step is performed to the main heating chamber.
前記熱処理工程は、前記加熱処理工程の前において、前記単結晶炭化ケイ素基板を収納した前記収納容器を800℃以上の温度で加熱する予備加熱工程をさらに備えており、
前記加熱処理工程は、予め減圧下で1600℃以上2100℃以下の温度に調整された本加熱室で行われるものとし、
前記加熱処理工程は、前記予備加熱工程を行う予備加熱室から前記本加熱室へ前記収納容器を移動することにより行われることを特徴とするイオン注入アニール方法。 The ion implantation annealing method according to claim 6,
The heat treatment step further includes a preheating step of heating the storage container storing the single crystal silicon carbide substrate at a temperature of 800 ° C. or more before the heat treatment step,
The heat treatment step is performed in a main heating chamber adjusted in advance to a temperature of 1600 ° C. or higher and 2100 ° C. or lower under reduced pressure,
The ion implantation annealing method, wherein the heat treatment step is performed by moving the storage container from a preheating chamber in which the preheating step is performed to the main heating chamber.
前記加熱処理工程は、前記収納容器の外部圧力が10-4Pa以下の減圧下で行われることを特徴とする単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法。 A method for surface modification of a single crystal silicon carbide substrate according to any one of claims 1, 2, and 5,
The method for surface modification of a single crystal silicon carbide substrate, wherein the heat treatment step is performed under a reduced pressure of 10 −4 Pa or less of an external pressure of the storage container.
前記加熱処理工程は、前記収納容器の外部圧力が10-4Pa以下の減圧下で行われることを特徴とする単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法。 A method for forming a single crystal silicon carbide thin film according to claim 3 or 4,
The method for forming a single crystal silicon carbide thin film, wherein the heat treatment step is performed under a reduced pressure of 10 −4 Pa or less of an external pressure of the storage container.
前記加熱処理工程は、前記収納容器の外部圧力が10-4Pa以下の減圧下で行われることを特徴とするイオン注入アニール方法。 The ion implantation annealing method according to claim 6,
The ion implantation annealing method, wherein the heat treatment step is performed under a reduced pressure in which the external pressure of the storage container is 10 −4 Pa or less.
前記加熱処理工程は、前記単結晶炭化ケイ素基板とそれに対向して近接設置させた前記多結晶炭化ケイ素基板との間にスペーサで隙間を設けた状態でケイ素分子の液相融液を介在させ前記スペーサの厚みより液相エピタキシャル成長した単結晶炭化ケイ素薄膜が薄くなる様に制御して成長を終了して加熱を停止するものであり、
前記熱処理工程は、前記加熱処理工程の後において、前記単結晶炭化ケイ素基板と前記多結晶炭化ケイ素基板の複合体を前記収納容器内に収納せずに直接真空加熱する工程をさらに備えており、
前記単結晶炭化ケイ素基板と前記多結晶炭化ケイ素基板との間のケイ素を真空中に蒸発気化させることで隙間が出来るので前記単結晶炭化ケイ素基板と前記多結晶炭化ケイ素基板が冷却後剥離が容易となることを特徴とする単結晶炭化ケイ素薄膜の形成方法。 A method for forming a single crystal silicon carbide thin film according to claim 4,
The heat treatment step includes interposing a liquid phase melt of silicon molecules with a gap provided by a spacer between the single crystal silicon carbide substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate placed close to the single crystal silicon carbide substrate. The single crystal silicon carbide thin film grown by liquid phase epitaxy is thinner than the spacer thickness, and the growth is terminated and heating is stopped.
The heat treatment step further comprises a step of directly heating the composite of the single crystal silicon carbide substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate without vacuum in the storage container after the heat treatment step,
Evaporation of silicon between the single crystal silicon carbide substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate in a vacuum creates a gap, so that the single crystal silicon carbide substrate and the polycrystalline silicon carbide substrate can be easily separated after cooling. A method for forming a single crystal silicon carbide thin film, wherein:
p型又はn型半導体のドーピングイオンは、アルミニウム、ボロン、又はリンを少なくとも含むことを特徴とする単結晶炭化ケイ素半導体基板。 The ion implantation annealing method according to claim 6,
The single crystal silicon carbide semiconductor substrate, wherein the doping ions of the p-type or n-type semiconductor include at least aluminum, boron, or phosphorus.
前記単結晶炭化ケイ素基板において表面改質される表面の結晶方位が、ジャスト面又はオフ角を持つことを特徴とする単結晶炭化ケイ素基板の表面改質方法。
A method for surface modification of a single crystal silicon carbide substrate according to claim 1 or 2,
A surface modification method for a single crystal silicon carbide substrate, wherein a crystal orientation of a surface to be surface modified in the single crystal silicon carbide substrate has a just plane or an off angle.
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