JPH04214099A - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

炭化珪素単結晶の製造方法

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JPH04214099A
JPH04214099A JP6057591A JP6057591A JPH04214099A JP H04214099 A JPH04214099 A JP H04214099A JP 6057591 A JP6057591 A JP 6057591A JP 6057591 A JP6057591 A JP 6057591A JP H04214099 A JPH04214099 A JP H04214099A
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勝紀 古川
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は炭化珪素単結晶の製造方
法に関する。さらに詳しくは,本発明は,珪素単結晶基
板上に逆位相境界が存在せずかつ積層欠陥が少なく表面
平坦性に優れた炭化珪素単結晶を成長させ得る炭化珪素
単結晶の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】炭化珪素は広い禁制帯幅(2.2〜3.
3eV)を有する半導体材料である。また,熱的,化学
的,および機械的に極めて安定であり,放射線損傷にも
強いという優れた特徴を持っている。他方,珪素のよう
な従来の半導体材料を用いた素子は,特に高温,高出力
駆動,放射線照射などの苛酷な条件下では使用が困難で
ある。したがって,炭化珪素を用いた半導体素子は,こ
のような苛酷な条件下でも使用し得る半導体素子として
広範な分野での応用が期待されている。
【0003】しかしながら,大きい面積を有する高品質
の炭化珪素単結晶を,生産性を考慮した工業的規模で安
定に供給し得る結晶成長技術は,いまだ確立されていな
い。それゆえ,炭化珪素は,上述のような多くの利点お
よび可能性を有する半導体材料であるにもかかわらず,
その実用化が阻まれている。
【0004】従来,研究室規模では,例えば昇華再結晶
法(レーリー法)で炭化珪素単結晶を成長させるか,あ
るいはこの方法で得られた炭化珪素単結晶を基板として
,その上に化学気相成長法(CVD法)または液相エピ
タキシャル成長法(LPE法)で炭化珪素単結晶層をエ
ピタキシャル成長させることによって,半導体素子の試
作が可能なサイズの炭化珪素単結晶を得ていた。
【0005】しかしながら,これらの方法では,得られ
た単結晶の面積が小さく,その寸法および形状を高精度
に制御することは困難である。また,炭化珪素が有する
結晶多形および不純物濃度の制御も容易ではない。
【0006】これらの問題点を解決するために,本発明
者らは,安価で入手の容易な珪素単結晶からなる基板上
に炭化珪素単結晶を気相成長させる方法を提案した(特
願昭58−76842号)。また,珪素単結晶基板の表
面を炭化水素ガス雰囲気下で加熱して炭化することによ
って,炭化珪素の薄膜を形成し,次いでその上に炭化珪
素単結晶層を成長させる気相成長法も開発されている。 これらの方法は,単結晶基板上に異種の単結晶層を成長
させることからヘテロエピタキシャル成長法と呼ばれて
いる。
【0007】一般に,ヘテロエピタキシャル成長法では
,成長層と基板単結晶との間に,格子定数,熱膨張係数
,および化学結合などの差があるので,成長層に結晶欠
陥(特に,積層欠陥)が発生しやすい。
【0008】例えば,珪素単結晶と炭化珪素単結晶との
間には,約20%に及ぶ格子定数の相違があるので,珪
素単結晶からなる基板上に成長させた炭化珪素単結晶層
には,{111}面上に積層欠陥が多数分布している。 このような積層欠陥は珪素単結晶基板と炭化珪素単結晶
層との界面上の1点を頂点とする正八面体の面に沿って
伸びている。それゆえ,炭化珪素単結晶の成長層表面に
は,正八面体の切り口に対応する形状の欠陥パターンが
現れる。例えば,Si(100)基板を用いた場合には
,欠陥パターンの形状は各辺が<011>方向に平行な
正方形となる。これらの積層欠陥は,得られた炭化珪素
単結晶の電気的特性に悪影響を及ぼすので,炭化珪素単
結晶を各種電気材料として応用する上で大きな問題点と
なる。
【0009】また,Si(100)基板上に炭化珪素炭
結晶を成長させた場合,得られた炭化珪素単結晶中には
,逆位相境界と呼ばれる欠陥が存在する。このような欠
陥が存在すると,基板上の所望の位置に素子を形成する
ことが困難となる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところが,上記いずれ
の方法を用いても,これらの欠陥が低減された炭化珪素
単結晶を再現性よく得ることはできない。
【0011】最近,成長面方位が[100]方向から<
011>方向に(例えば,[011]方向または[01
−1]方向のいずれか一方に)傾斜した珪素単結晶基板
上に炭化珪素単結晶を成長させることにより,逆位相境
界を除去することができると報告されている(K.Sh
ibaharaら,Appl.Phys.Lett.,
50(1987)1888;H.S.Kongら,J.
Mater.Res.3(3),May/Jun  1
988)。
【0012】しかし,成長面方位が[100]方向から
<011>方向に傾斜した珪素単結晶基板を用いた場合
には,逆位相境界を除去することはできるが,積層欠陥
を低減することはできない。それゆえ,現在のところ,
逆位相境界が存在しないだけでなく,積層欠陥も低減さ
れた炭化珪素単結晶を工業的規模で安定に供給し得る製
造方法が必要とされている。
【0013】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
であり,その目的とするところは,逆位相境界が存在せ
ずかつ積層欠陥が少ない表面平坦性に優れた炭化珪素単
結晶を再現性よく製造し得る方法を提供することにある
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明による炭化珪素単
結晶の製造方法では,珪素単結晶基板上に炭化珪素単結
晶を成長させる際に,成長面方位が所定方向に所定角度
で傾斜した(いわゆる,オフアングルを有する)珪素単
結晶基板が用いられ,そのことにより上記目的が達成さ
れる。この珪素単結晶基板の成長面方位(すなわち,基
板面に垂直な方向)は,珪素単結晶の[100]方向か
らオフ方向へ傾斜しており,その[011]方向から[
01−1]方向へ測った偏向角θは5〜40度であり,
かつ[100]方向からオフ方向へ測った傾斜角φは1
〜7度である。図1は,このような基板の成長面を部分
的に拡大した斜視模式図である。この図に示すように,
成長面方位Aが[100]方向からオフ方向Bへ傾斜し
た珪素単結晶基板の成長面には,オフ方向Bに沿って原
子レベルの表面ステップが存在する。なお,成長面方位
Aは,[011]方向から[01−1]方向へ測った偏
向角θと,[100]方向からオフ方向Bへ測った傾斜
角φとを用いて一意的に表される。
【0015】本発明においては,珪素単結晶基板の成長
面方位Aの偏向角θは5〜40度に設定され,かつ傾斜
角φは1〜7度に設定される。そして,このような基板
を用いることによって,逆位相境界に関する問題が発生
せず,積層欠陥の少なく表面平坦性に優れた炭化珪素単
結晶が得られる。さらに,このような結晶性に優れた炭
化珪素単結晶を用いることによって,逆位相境界および
積層欠陥に起因する電気的特性の劣化が抑制され,素子
特性の向上した炭化珪素半導体素子が得られる。
【0016】しかし,成長面方位が傾斜した珪素単結晶
基板を用いた場合には,上述したように,成長面に原子
レベルの表面ステップが現れるので,成長した炭化珪素
単結晶表面には,この表面ステップに対応した凹凸が発
生することがある。このような凹凸の発生は,成長した
炭化珪素単結晶上に素子を形成する際に,素子形成のた
めに形成されるpn接合またはショットキー接合などの
特性を低下させ,また素子の微細化を困難にする。この
ため,成長面方位が傾斜した珪素単結晶基板を用いれば
,成長する炭化珪素単結晶表面の逆位相境界および積層
欠陥の発生が低減されるにもかかわらず,この炭化珪素
単結晶上に形成される素子の特性は充分に改善されない
ことがある。
【0017】一般に,炭化珪素の単結晶は,Si→C→
Siの順に結合が形成されていく。Si−Si結合また
はC−C結合が形成されると,この部位のSi二量体ま
たはC二量体は不純物としてふるまい,この部位におけ
る成長速度を減少させる。これが,炭化珪素単結晶の成
長面に凹凸を発生させる原因と考えられる。このような
不純物は,特に,基板の成長面上に現れた原子レベルの
表面ステップのエッジ部分に発生しやすい。
【0018】このような問題点を解決するために,本発
明の製造方法では,例えば,CVD法により,炭化珪素
単結晶を成長させる際に,原料ガスに塩化水素ガスが添
加される。この塩素水素ガスが,上記のSi二量体およ
びC二量体の形成を低減させ,その結果,成長した炭化
珪素単結晶の表面における凹凸の発生を防止する。
【0019】なお,成長面方位が傾斜していない珪素単
結晶基板を用いた場合には,低温で成長させた炭化珪素
単結晶の結晶性を向上させるために,および選択成長さ
せるために,原料ガスに塩化水素ガスを添加することが
提案されている(Y.Ohshitaら,J.Appl
.Phys.,66(9),1  November1
989)。しかし,成長面方位が傾斜した珪素単結晶基
板上への炭化珪素単結晶の成長時に発生する上記のよう
な問題点を解消し得ることは示唆されていない。
【0020】本発明の製造方法に用いられる珪素原料ガ
スの例としては,シラン(SiH4),ジクロロシラン
(SiH2Cl2),トリクロロシラン(SiHCl3
),四塩化珪素(SiCl4),トリメチルクロロシラ
ン((CH3)3SiCl),ジメチルジクロロシラン
((CH3)2SiCl2),ジシラン(Si2H6)
などが挙げられる。また,炭素原料ガスの例としては,
メタン(CH4),エタン(C2H6),プロパン(C
3H8),アセチレン(C2H2)などが挙げられる。 なお,これら原料ガスは,水素,アルゴンなどのキャリ
アガスと共に気相成長装置の反応管中に導入される。キ
ャリアガスに対する原料ガスの流量比は約0.005〜
0.05%であり,塩化水素ガスを添加する場合,キャ
リアガスに対する塩化水素ガスの流量比は約0.03%
〜0.2%である。
【0021】
【実施例】以下に,本発明の実施例について説明する。
【0022】(実施例1)本実施例では,まず,図1に
示すように,成長面方位Aが[100]方向からオフ方
向Bへ傾斜した(すなわち,オフアングルを有する)珪
素単結晶基板を用意した。成長面方位Aの偏向角θにつ
いては,10,20,30,および40度(さらに,比
較のために,0および45度)に設定した。また,傾斜
角φについては,1,2,3,5,および7度(さらに
,比較のために,0および9度)に設定した。つまり,
これらの偏向角θおよび傾斜角φをそれぞれ組み合わせ
た42通りの基板を用いた。
【0023】図2は本発明の製造方法に用いられる気相
成長装置の一例である。ここで,この気相成長装置につ
いて簡単に説明する。水冷式石英反応管1の内部に,炭
化珪素で被覆された黒鉛製試料台2が黒鉛製支持棒3に
より設置されている。試料台2は水平に設置してもよく
,適当に傾斜させてもよい。反応管1の外周囲にはワー
クコイル4が巻回され,高周波電流を流すことにより試
料台2を所望の温度に加熱することができる。反応管1
の片側には,ガス流入口となる枝管5が設けられ,石英
反応管1の外側の石英管内には枝管6,7を介して冷却
水が供給される。反応管1の他端は,ステンレス鋼製の
フランジ8で閉塞され,かつフランジ8の周縁部に配設
された止め板9,ボルト10,ナット11,O−リング
12によりシールされている。フランジ8の中央にはガ
スの出口になる枝管13が設けられている。
【0024】このような気相成長装置を用いて,上記の
様々な珪素単結晶基板上に,炭化珪素単結晶を以下のよ
うにして成長させた。
【0025】まず,試料台2の上に,珪素単結晶基板1
5を載置した。そして,炭素原料ガスとしてアセチレン
(C2H2)を0.9SCCMの流量で,およびキャリ
アガスとして水素(H2)を3SLMの流量で,枝管5
から反応管1の内部へ流しながら,ワークコイル4に高
周波電流を流して試料台2を加熱し,珪素単結晶基板1
5を1,350℃に加熱した。この温度で2分間保持す
ることにより,珪素単結晶基板15の表面を炭化させて
,ごく薄い炭化珪素単結晶膜を形成した。
【0026】次いで,珪素原料ガスを炭素原料ガスおよ
びキャリアガスと共に反応管1内へ供給することによっ
て,炭化珪素単結晶の薄膜が形成された珪素単結晶基板
15上に炭化珪素単結晶を成長させた。珪素原料ガスと
してはジシラン(Si2H6)を用い,炭素原料ガスと
してはアセチレン(C2H2)を用いた。それぞれの流
量は0.9SCCMであった。キャリアガスとしては水
素(H2)を用い,その流量は3SLMであった。なお
,基板の加熱温度は1,350℃であった。このような
条件下で,2時間にわたって成長を行うことにより,厚
さ15μmの炭化珪素単結晶が得られた。
【0027】このようにして得られた炭化珪素単結晶を
電子顕微鏡で観察することによって,逆位相境界および
積層欠陥の存在について調べた。成長面方位Aの偏向角
θが0,10,20,30,または40度であり,かつ
傾斜角φが2度または7度であるような様々な珪素単結
晶基板を用いた場合の結果を図3に示す。この図におい
て,白丸(○)および白三角(△)は,それぞれ傾斜角
φが2度および7度の場合の積層欠陥の密度に関する評
価値を表し,黒丸(●)および黒三角(▲)は,それぞ
れ傾斜角φが2度および7度の場合の単位面積あたりの
全積層欠陥の長さに関する評価値を表す。
【0028】図3から明らかなように,傾斜角φが2度
または7度のいずれの場合にも,積層欠陥の密度は,成
長面方位Aの偏向角θが大きくなるにつれて,著しく減
少した。また,単位面積あたりの全積層欠陥の長さにつ
いても,同様に,成長面方位Aの偏向角θが大きくなる
につれて,大きく減少した。このような傾向は,他の傾
斜角φの場合についても得られた。
【0029】全般的な傾向として,成長面方位Aの傾斜
角φが1〜7度であり,かつ偏向角θが5〜40度の場
合には,逆位相境界が発生せず,また積層欠陥が非常に
減少し,図3に示すような良好な結果が得られた。
【0030】これに対し,比較のために行った偏向角θ
が0度の場合には,積層欠陥の密度が大きく,しかも長
い積層欠陥が多く存在していた。また,偏向角θが45
度の場合は非常に特異的であり,多くの逆位相境界が発
生するので,積層欠陥の密度の評価を行うことはできな
かった。
【0031】他方,成長面方位Aの傾斜角φが7度を上
まわると,成長した炭化珪素単結晶の表面平坦性が低下
した。逆に,傾斜角φが1度を下まわると,例えば0度
の場合(すなわち,Si(100)基板の場合)には,
多くの逆位相境界が発生し,得られた炭化珪素単結晶の
電気的特性が低下した。
【0032】このように,成長面方位Aの偏向角θが5
〜40度であり,かつ傾斜角φが1〜7度であるような
珪素単結晶基板を用いれば,逆位相境界が存在せずかつ
積層欠陥が少ない良好な表面平坦性を有する炭化珪素単
結晶が得られる。
【0033】(実施例2)本実施例では,原料ガスに塩
化水素ガスを添加することにより,逆位相境界および積
層欠陥が低減されると共に,さらに表面平坦性に優れた
炭化珪素単結晶を成長させた。
【0034】まず,図1に示すように,成長面方位Aが
[100]方向からオフ方向Bへ傾斜した(すなわち,
オフアングルを有する)珪素単結晶基板を用意した。成
長面方位Aの偏向角θは,26.5度に設定した。また
,傾斜角φは,4.5度に設定した。これらの角度は,
[100]方向から[011]方向および[0−11]
方向の両方向に,それぞれ2度および4度傾斜させた場
合に相当する。
【0035】次いで,図2に示す気相成長装置を用いて
,上記珪素単結晶基板上に,炭化珪素単結晶を以下のよ
うにして成長させた。
【0036】まず,試料台2の上に,珪素単結晶基板1
5を載置した。そして,炭素原料ガスとしてプロパン(
C3H8)を0.2SCCMの流量で,およびキャリア
ガスとして水素(H2)を3SLMの流量で,枝管5か
ら反応管1の内部へ流しながら,ワークコイル4に高周
波電流を流して試料台2を加熱し,珪素単結晶基板15
を1,350℃に加熱した。この温度で2分間保持する
ことにより,珪素単結晶基板15の表面を炭化させて,
ごく薄い炭化珪素単結晶膜を形成した。
【0037】次いで,珪素原料ガスを炭素原料ガスおよ
びキャリアガス,それにさらに塩化水素ガスと共に反応
管1内へ供給することによって,炭化珪素単結晶の薄膜
が形成された珪素単結晶基板15上に炭化珪素単結晶を
成長させた。珪素原料ガスとしてはシラン(SiH4)
を用い,炭素原料ガスとしてはプロパン(C3H8)を
用いた。それぞれの流量は0.2SCCMであった。塩
化水素ガスの流量は,3SCCMであった。キャリアガ
スとしては水素(H2)を用い,その流量は3SLMで
あった。なお,基板の加熱温度は1,350℃であった
。 このような条件下で,2時間にわたって成長を行うこと
により,厚さ5μmの炭化珪素単結晶が得られた。
【0038】このようにして得られた炭化珪素単結晶の
表面は平坦であり,その表面粗度は約5nmであった。 これに対して,塩化水素ガスを添加しないこと以外は上
記実施例と同様にして調製された炭化珪素単結晶の表面
は,その表面粗度が約100nmであった。また,電子
顕微鏡による欠陥評価により,逆位相境界がなく,積層
欠陥のない,炭化珪素単結晶が得られていることがわか
った。
【0039】なお,塩化水素ガスの添加効果は,以下の
ように考えられる。図4に示すような原子レベルの表面
ステップを有する珪素単結晶基板上に炭化珪素単結晶を
成長させると,(100)面を有する各ステップ上に,
<011>方向(例えば,[011]方向および[01
−1]方向)に積層欠陥XおよびYが発生する。この積
層欠陥XおよびYは各ステップのエッジ部分で分断され
て短い欠陥になる。積層欠陥XおよびYが短いので,こ
れら欠陥が有するエネルギーが大きくなって不安定にな
り,成長が進むにつれて,やがて積層欠陥は消滅する。 このようにして,逆位相境界だけでなく,積層欠陥もな
い炭化珪素単結晶が得られる。
【0040】さらに,塩化水素ガスを添加しない場合に
は,珪素単結晶基板へのSiとCとの付着確率が異なり
,Siの方が多く付着するので,各ステップで成長速度
が異なり,表面ステップに対応した凹凸が発生する。 しかし,塩化水素ガスを原料ガスに添加することにより
,Siの付着により形成されるSi−Si二量体の発生
が防止され,成長層表面の凹凸が低減される。このよう
にして,表面平坦性に優れた炭化珪素単結晶が得られる
【0041】次に,上で得られた炭化珪素単結晶を用い
て,ショットキーダイオードを作製した。そのショット
キー接合の電気的特性を図5の実線で示す。なお,図中
の点線は,塩化水素ガスを原料ガスに添加しないで得ら
れた炭化珪素単結晶を用いたショットキーダイオードに
関する特性を示す。この図から明らかなように,塩化水
素ガスを原料ガスに添加することにより,逆方向のリー
ク電流が著しく減少したショットキーダイオードが得ら
れる。これは,塩化水素ガスの添加が,逆位相境界およ
び積層欠陥の低減だけでなく,表面平坦性の向上に著し
い寄与を果たしていることを示している。
【0042】さらに,塩化水素ガスの添加効果の流量依
存性を調べるために,様々な塩化水素ガス流量を用いて
,炭化珪素単結晶を成長させ,その表面に発生した積層
欠陥密度を測定した。なお,基板としては,成長面方位
Aの偏向角θが30度および傾斜角φが3度の珪素単結
晶基板を用いた。また,炭素原料ガスおよび珪素原料ガ
スの流量はそれぞれ0.9SCCMであり,キャリアガ
スの流量は3SLMであった。その結果を図6に示す。 この図から明らかなように,所定範囲内の流量の塩化水
素ガスを原料ガスに添加することにより,積層欠陥密度
が著しく低下する。典型的には,表面平坦性の向上を考
慮して,塩化水素ガスの流量は,キャリアガスの流量が
3SLMの場合に,1〜7SCCMの範囲内である。こ
の流量は,キャリアガスの流量に対する割合で,約0.
03%〜0.2%に相当する。
【0043】また,塩化水素ガスの添加が表面粗度に及
ぼす効果を調べるために,上記のようにして得られた炭
化珪素単結晶の表面粗度をプローブで測定した。塩化水
素ガスの流量が5SCCMの場合の結果を図7(A)に
示す。比較のために,塩化水素ガスを添加しない場合の
結果を図7(B)に示す。なお,表面粗度の基準は任意
である。これらの図から明らかなように,塩化水素ガス
を添加せずに得られた炭化珪素単結晶の表面には深さ約
0.1μmの溝が形成されているのに対し,塩化水素ガ
スを添加して得られた炭化珪素単結晶の表面は非常に平
坦であり,その表面粗度は著しく向上している。
【0044】
【発明の効果】本発明の製造方法によれば,珪素単結晶
基板上に逆位相境界および積層欠陥の少ない表面平坦性
に優れた炭化珪素単結晶を成長させ得る。しかも,この
ような炭化珪素単結晶が再現性よく得られるので,結晶
性に優れた炭化珪素単結晶を安定に供給し得る。得られ
た炭化珪素単結晶は,逆位相境界および積層欠陥が少な
いので,pn接合またはショットキー接合を形成した場
合に,その電気的特性を低下させることがない。また,
表面平坦性に優れているので,ホトリソグラフィなどを
用いて微細な素子を容易に形成し得る。したがって,電
気的特性に優れた炭化珪素単結晶を使用した半導体素子
(例えば,電界効果トランジスタ(FET),相補性モ
ス集積回路(C−MOS),および各種パワー素子など
)を工業的規模で歩留まりよく生産することが可能にな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法に用いられる珪素単結晶基板
の成長面に現れる原子レベルの表面ステップと,成長面
方位Aを規定する方向角θおよび傾斜角φとを示す模式
図である。
【図2】本発明の製造方法に用いられる気相成長装置の
一例を示す構成断面図である。
【図3】本発明の一実施例で調製された様々な炭化珪素
単結晶における積層欠陥の偏向角依存性を示すグラフ図
である。
【図4】成長面方位が傾斜した珪素単結晶基板の表面に
現れた原子レベルの表面ステップと,[011]方向お
よび[01−1]方向にそれぞれ発生した積層欠陥Xお
よびYとを示す斜視模式図である。
【図5】塩化水素ガスを添加する本発明の他の実施例で
調製された炭化珪素単結晶を用いたショットキーダイオ
ードの特性と,従来の製造方法で調製された炭化珪素単
結晶を用いたショットキーダイオードの特性とを示すグ
ラフ図である。
【図6】塩化水素ガスを添加する本発明の他の実施例に
おいて,塩化水素ガスの流量に対する,炭化珪素単結晶
表面の積層欠陥密度の依存性を示すグラフ図である。
【図7】(A)は塩化水素ガスを添加して得られた炭化
珪素単結晶の表面粗度を示すグラフ図であり,(B)は
塩化水素ガスを添加せずに得られた炭化珪素単結晶の表
面粗度を示すグラフ図である。
【符号の説明】
1  反応管 2  黒鉛製試料台 15  珪素単結晶基板

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  珪素単結晶基板上に炭化珪素単結晶を
    成長させる工程を包含する,炭化珪素単結晶の製造方法
    であって,基板の成長面方位が珪素単結晶の[100]
    方向からオフ方向へ傾斜しており,成長面方位の[01
    1]方向から[01−1]方向へ測った偏向角θが5〜
    40度であり,かつ[100]方向からオフ方向へ測っ
    た傾斜角φが1〜7度である,炭化珪素単結晶の製造方
    法。
  2. 【請求項2】  前記炭化珪素単結晶を,珪素原料ガス
    および炭素原料ガスを用いた化学気相成長法により成長
    させる際に,これら原料ガスに塩化水素ガスを添加する
    ,請求項1に記載の製造方法。
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