JPH11162850A - Silicon carbide substrate and its production, and semiconductor element using the same - Google Patents

Silicon carbide substrate and its production, and semiconductor element using the same

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JPH11162850A
JPH11162850A JP24189998A JP24189998A JPH11162850A JP H11162850 A JPH11162850 A JP H11162850A JP 24189998 A JP24189998 A JP 24189998A JP 24189998 A JP24189998 A JP 24189998A JP H11162850 A JPH11162850 A JP H11162850A
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JP
Japan
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silicon carbide
crystal
substrate
carbide crystal
carbide substrate
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Application number
JP24189998A
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Japanese (ja)
Inventor
Makoto Kitahata
真 北畠
Masao Uchida
正雄 内田
Kunimasa Takahashi
邦方 高橋
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain excellent reproducibility of a smoothed surface even in a substrate kept at a low temperature by controlling the existence ratio of carbon to silicon on the growth surface of silicon carbide crystal so that silicon atoms may exceed carbon atoms. SOLUTION: The surface of a silicon carbide substrate 1 before the start of growth of silicon carbide crystal is made to have an off-cut surface tilting 0.05 deg. or more and 10 deg. or less from either of the (0001) plane of a hexagonal system silicon carbide and (111) plane of a cubic system silicon carbide crystal. The silicon carbide substrate 1 and silicon atom 2 are combined with an Si-Si bond 3 on such a growth surface 1a of silicon carbide crystal, and the quantity of supply of silicon atom 2 and carbon atom is controlled so that the silicon atom 2 exceeds the carbon atom in quantity. Thus, a silicon carbide thin film having an excellent crystal structure can be grown epitaxially at a low temperature.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、六方晶や立方晶の
結晶構造を有する炭化珪素基板、また、これらの互いに
異なる結晶系を有する結晶層が積層された炭化珪素基
板、およびこれらの炭化珪素基板のホモエピタキシャル
成長またはヘテロエピタキシャル成長による製造方法、
並びにこれらの炭化珪素基板を用いた半導体素子に関す
るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon carbide substrate having a hexagonal or cubic crystal structure, a silicon carbide substrate in which crystal layers having different crystal systems are laminated, and silicon carbide thereof. A production method by homoepitaxial growth or heteroepitaxial growth of a substrate,
And a semiconductor device using these silicon carbide substrates.

【0002】[0002]

【従来の技術】炭化珪素結晶は、バンドギャップが広い
ことや、飽和電子速度が大きいこと、熱伝導度が大きい
ことなど、半導体材料として好ましい特性を有している
ことから近年注目されており、6Hまたは4H六方晶炭
化珪素の単結晶基板が市販され、使用されている。ま
た、特に高速、高出力な半導体素子への利用が期待され
ている立方晶炭化珪素は、基板として使用可能な大型の
単結晶を成長させることが難しいため、珪素の単結晶基
板上にヘテロエピタキシャル成長させた薄膜等が用いら
れている。
2. Description of the Related Art Silicon carbide crystals have attracted attention in recent years because of their favorable characteristics as semiconductor materials, such as a wide band gap, a high saturation electron velocity, and a high thermal conductivity. Single crystal substrates of 6H or 4H hexagonal silicon carbide are commercially available and used. In addition, cubic silicon carbide, which is expected to be used particularly for high-speed, high-power semiconductor devices, is difficult to grow a large single crystal usable as a substrate. A thin film or the like is used.

【0003】上記のような炭化珪素結晶は、例えばシラ
ンやプロパン等の混合ガスを原料とし、水素をキャリア
ガスとして、1300℃を越える温度、通常は1500
℃程度の高温の常圧CVD法などにより形成されてい
る。
[0003] The above-mentioned silicon carbide crystal is prepared by using a mixed gas such as silane or propane as a raw material and using hydrogen as a carrier gas at a temperature exceeding 1300 ° C, usually 1500 ° C.
It is formed by a normal pressure CVD method at a high temperature of about ℃.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、炭化珪
素結晶の詳細な成長機構は明らかになっておらず、原料
ガスの供給量と基板温度との関係等を把握して制御し、
再現性よく炭化珪素薄膜をエピタキシャル成長させる技
術は、工業的にはまだ十分に完成されていない。このた
め、従来の炭化珪素基板の製造技術は、具体的に以下の
ような種々の問題点を有している。
However, the detailed growth mechanism of the silicon carbide crystal has not been clarified, and the relationship between the supply amount of the source gas and the substrate temperature is grasped and controlled.
A technique for epitaxially growing a silicon carbide thin film with good reproducibility has not been sufficiently completed industrially. Therefore, the conventional technology for manufacturing a silicon carbide substrate has various problems as follows.

【0005】まず、炭化珪素の結晶成長に上記のような
高温を要するために、マスキングによる選択的な領域で
の結晶成長をさせたり、高濃度の窒素ドーピングを行っ
たりすることが困難である。すなわち、上記のような高
温に十分耐え得るマスク材料がないために、パターニン
グして所定の領域だけに結晶成長させることが困難であ
り、特に炭化珪素は選択的エッチングが難しいことか
ら、所望の半導体素子や半導体回路を形成することが困
難なものとなっている。また、上記のような高温の下で
窒素ドープを行うと、結晶成長膜の荒れ等が生じやす
く、例えば5×10 18個/cm3以上程度の高濃度のド
ーピングが困難である。また、高温での結晶成長におい
ては、供給原料ガスの分解や基板表面での付着、再蒸発
等の機構が複雑であるため、例えば原料ガスの供給量と
基板温度との関係等を把握して制御し、再現性よく炭化
珪素薄膜をエピタキシャル成長させることなどが一層困
難なものとなっている。なお、T.Kimotoらによる J.App
lied Physics Vol. 73, No.2 1993(pp.726-732)に
は、{0001}面の前記(数4)方向のオフカット面
を有する炭化結晶基板を用いて結晶をステップフロー成
長させることなどによって比較的低温で6H六方晶炭化
珪素結晶を形成する技術が提案されているが、この場合
でも1200℃程度まで加熱する必要がある。
First, the above-described crystal growth of silicon carbide is performed as described above.
Due to the high temperature required, selective areas by masking
Crystal growth or high-concentration nitrogen doping
Or it is difficult. That is, the high
Because there is no mask material that can withstand temperature,
It is difficult to grow the crystal only in a predetermined area
Is silicon carbide particularly difficult to selectively etch?
It is difficult to form a desired semiconductor element or semiconductor circuit.
It has become difficult. Also, under high temperature as above
When nitrogen doping is performed, the crystal growth film is likely to be rough.
For example, 5 × 10 18Pieces / cmThreeHigh concentration of
Is difficult to group. In addition, the odor of crystal growth at high temperatures
Of feed gas, adhesion on substrate surface, re-evaporation
Mechanism is complicated, for example,
Grasping and controlling the relationship with the substrate temperature, etc., and carbonizing with good reproducibility
More difficult to grow silicon thin film epitaxially
It has become difficult. J.App by T.Kimoto et al.
lied Physics Vol. 73, No.2 1993 (pp.726-732)
Is the off-cut surface of the {0001} surface in the (Formula 4) direction
Flow formation using a carbonized crystal substrate with
6H hexagonal carbonization at relatively low temperature by lengthening
A technique for forming a silicon crystal has been proposed.
However, it is necessary to heat to about 1200 ° C.

【0006】次に、結晶性の良好な六方晶炭化珪素や立
方晶炭化珪素の単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる
ことが困難である。特に、立方晶炭化珪素結晶を珪素基
板上に形成すると、格子不整合が大きく、良好な結晶性
を得ることが困難である。また、例えば6H六方晶炭化
珪素結晶上に形成する場合などでも、ツウィンの発生に
起因するダブルポジショニングバウンダリを含む立方晶
炭化珪素結晶が成長しがちである。なお、本願発明者ら
は、特開平7−172997号公報にて、炭化珪素結晶
の成長表面における珪素原子が炭素原子に対して過剰に
なるようにすることにより、(001)面を有する立方
晶炭化珪素薄膜を形成する方法、および炭素原子が珪素
原子に対して過剰になるようにすることにより、(11
1)面を有する立方晶炭化珪素薄膜、または(000
1)面を有する六方晶炭化珪素薄膜を形成する方法を提
案している。しかし、この場合でも、比較的良好な結晶
性は得られるものの、ツウィンの発生等を確実に、また
は大幅に抑制することは困難であった。
Next, it is difficult to epitaxially grow a single crystal thin film of hexagonal silicon carbide or cubic silicon carbide having good crystallinity. In particular, when a cubic silicon carbide crystal is formed on a silicon substrate, lattice mismatch is large, and it is difficult to obtain good crystallinity. Also, for example, even when formed on a 6H hexagonal silicon carbide crystal, a cubic silicon carbide crystal including a double positioning boundary due to the occurrence of twin tends to grow. The inventors of the present application disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-172997 that a silicon atom on a growth surface of a silicon carbide crystal was made to be excessive with respect to a carbon atom so that a cubic crystal having a (001) plane was obtained. The method of forming the silicon carbide thin film, and the method in which carbon atoms are made excessive with respect to silicon
1) a cubic silicon carbide thin film having a plane, or (000)
1) A method for forming a hexagonal silicon carbide thin film having a plane has been proposed. However, even in this case, although relatively good crystallinity can be obtained, it has been difficult to surely or largely suppress the occurrence of twins and the like.

【0007】さらに、炭化珪素基板上に、その炭化珪素
基板の結晶系とは異なる結晶系の炭化珪素結晶を良好な
界面を介してヘテロエピタキシャル成長させることはで
きなかった。すなわち、例えば六方晶炭化珪素基板上に
炭化珪素結晶をステップフロー成長させる場合、形成さ
れる炭化珪素結晶は上記基板の結晶構造に拘束されて、
やはり六方晶炭化珪素となりやすいので、立方晶炭化珪
素などをヘテロエピタキシャル成長させることが困難で
ある。
Furthermore, a silicon carbide crystal having a crystal system different from that of the silicon carbide substrate cannot be heteroepitaxially grown on the silicon carbide substrate through a favorable interface. That is, for example, when a silicon carbide crystal is grown in a step flow on a hexagonal silicon carbide substrate, the formed silicon carbide crystal is restricted by the crystal structure of the substrate,
Since it is likely to be hexagonal silicon carbide, it is difficult to heteroepitaxially grow cubic silicon carbide or the like.

【0008】本発明は、上記の点に鑑み、比較的低い温
度で、良好な結晶性を有する炭化珪素をエピタキシャル
成長させることができ、また、マスキングによる選択的
な領域での結晶成長や高濃度の窒素ドーピングを容易に
行うこともでき、さらに、互いに異なる結晶系の炭化珪
素を良好な界面を介して積層されるようにヘテロエピタ
キシャル成長させることができる炭化珪素基板の製造方
法、およびその製造方法により形成された炭化珪素基
板、並びにそのような炭化珪素基板を用いた高速動作が
可能な半導体素子の提供を目的としている。
In view of the above, the present invention can epitaxially grow silicon carbide having good crystallinity at a relatively low temperature, and can selectively grow a crystal in a selective region by masking or a high concentration silicon carbide. A method of manufacturing a silicon carbide substrate that can easily perform nitrogen doping and that can be heteroepitaxially grown so that silicon carbides of different crystal systems are stacked through a good interface, and formed by the manufacturing method. It is an object of the present invention to provide a silicon carbide substrate that has been made, and a semiconductor element that can operate at high speed using such a silicon carbide substrate.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、炭化珪素
結晶の成長表面での炭素と珪素の存在比を珪素原子が炭
素原子に対して過剰になるように制御することにより、
比較的低温に保たれた基板でも平滑表面が再現性良く得
られ、良結晶性の高性能エピタキシャル薄膜が得られる
ことを発見し、この発見に基づき、本発明を完成させた
ものである。
Means for Solving the Problems The present inventors control the abundance ratio of carbon and silicon on the growth surface of a silicon carbide crystal so that silicon atoms become excessive with respect to carbon atoms.
The present inventors have discovered that a smooth surface can be obtained with good reproducibility even on a substrate kept at a relatively low temperature, and that a high-performance epitaxial thin film having good crystallinity can be obtained. Based on this discovery, the present invention has been completed.

【0010】すなわち、図1に示すように、基板1の炭
化珪素結晶成長表面1aにおいて、Si−Siボンド3
で基板1と結合している過剰な珪素原子2は、炭化珪素
結晶成長表面1a上で活発に拡散しやすい。これは、S
i−Siボンド3が、炭素原子のC−SiまたはC−C
ボンドに比べて弱い結合であることによる。それゆえ、
上記のように珪素原子が過剰な状態で炭素原子が供給さ
れると、珪素原子が適正な格子位置で基板1および炭素
原子と結合しやすく、したがって、比較的低温下におい
ても、一様性、平坦性に優れた良好な結晶性が容易に得
られる。なお、本発明者らは、前記のように特開平7−
172997号公報にて、(001)面を有する立方晶
炭化珪素においては珪素原子を過剰に供給し、(000
1)面を有する六方晶炭化珪素等においては炭素原子を
過剰に供給する技術を提案しているが、(0001)面
等の場合においても、わずかに珪素原子を過剰に供給す
ることによって、上記のようなメカニズムでより良好な
結晶性が得られることを新たに見出し、本願発明を完成
させた。
That is, as shown in FIG. 1, a Si—Si bond 3 is formed on a silicon carbide crystal growth surface 1 a of a substrate 1.
Excessive silicon atoms 2 bonded to substrate 1 tend to diffuse actively on silicon carbide crystal growth surface 1a. This is S
i-Si bond 3 is a carbon atom of C-Si or C-C
This is because the bond is weaker than the bond. therefore,
When carbon atoms are supplied in a state where silicon atoms are excessive as described above, silicon atoms are easily bonded to the substrate 1 and carbon atoms at appropriate lattice positions, and therefore, even at a relatively low temperature, uniformity, Good crystallinity with excellent flatness can be easily obtained. Note that the present inventors have disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open
According to 172997, in a cubic silicon carbide having a (001) plane, an excessive supply of silicon atoms
1) A technique for supplying an excessive amount of carbon atoms in hexagonal silicon carbide or the like having a plane is proposed. It has been newly found that better crystallinity can be obtained by such a mechanism, and the present invention has been completed.

【0011】また、前述のように、結晶成長表面が、所
定の結晶面が結晶方位から0.05°以上10°以下ず
れるようにオフカットされていると、さらに良結晶性の
結晶が成長する。これは、オフカットすることにより、
図2のように結晶成長表面にテラス4とステップエッジ
5が形成され、ステップエッジ5がテラス4上を成長す
るステップフロー成長6が起こるためである。前記珪素
原子の容易な拡散は、ステップフロー成長6を促進し、
低温下においてもエピタキシャル成長を可能とする。こ
こで、上記オフカットを結晶方位から0.05°未満と
するとテラス幅が広くなりすぎてステップフロー成長の
ために長距離の表面拡散を必要とし、良好な薄膜の成長
に長時間または高温を要することとなる。一方、オフカ
ットが結晶方位から10°を越えるようにすると、ステ
ップエッジの密度が高くなりすぎて、ステップエッジか
らの成長2次核の発生等が生じて膜荒れを起こしやすく
なる。
As described above, if the crystal growth surface is off-cut so that the predetermined crystal plane is shifted from the crystal orientation by 0.05 ° or more and 10 ° or less, a crystal having better crystallinity grows. . This is done by off-cut
This is because a terrace 4 and a step edge 5 are formed on the crystal growth surface as shown in FIG. 2, and a step flow growth 6 in which the step edge 5 grows on the terrace 4 occurs. The easy diffusion of the silicon atoms promotes step flow growth 6,
It enables epitaxial growth even at low temperatures. Here, when the above-mentioned off-cut is set to less than 0.05 ° from the crystal orientation, the terrace width becomes too wide, and a long-distance surface diffusion is required for step flow growth. It will be necessary. On the other hand, if the off-cut exceeds 10 ° from the crystal orientation, the density of the step edge becomes too high, and secondary nuclei of growth are generated from the step edge, and the film is likely to be roughened.

【0012】オフカットの方向に関しては、成長する炭
化珪素結晶が六方晶である場合には、前記(数1)方
向、または下記(数5)方向に傾いたオフカット面であ
ることにより、良好なステップフロー成長のために最適
なテラスとステップエッジを得ることができる。すなわ
ち、下記(数5)方向の場合には、図3(a)に示すよ
うに、結晶成長前のステップエッジ5は前記(数1)方
向であるが、ステップフロー成長6のステップエッジ
は、オフカットの傾斜方向の(数5)方向に対して12
0°の角度をなす2つの(数5)方向となり、ギザギザ
の鋸刃状ステップエッジが形成されつつ、ステップフロ
ー成長が行われる。ここで、ステップフロー成長6の成
長部6a,6bは、六方晶の場合には同一の結晶である
ため、良好な結晶性が得られる。ただし、この場合に
は、結晶成長が進むにつれて、成長ステップが複数個重
なるステップバンチングが顕著となって、成長膜表面の
凹凸が大きくなることがある。このような成長膜表面の
凹凸を低減するためには、前記(数1)方向に傾いたオ
フカット面を用いることが有効であることを本発明者ら
は見出した。この場合には、やはり良好な結晶性が得ら
れるとともに、上記ステップバンチングが起こりにくく
なり、成長表面の平坦性が高い炭化珪素基板を形成する
ことができる。このような炭化珪素基板は、例えば微細
加工を必要とするような場合に有効である。
Regarding the off-cut direction, when the growing silicon carbide crystal is a hexagonal crystal, the off-cut surface is inclined in the (Formula 1) direction or the following (Formula 5) direction. An optimum terrace and step edge can be obtained for a proper step flow growth. That is, in the case of the following (Equation 5), as shown in FIG. 3A, the step edge 5 before crystal growth is in the (Equation 1) direction, but the step edge of the step flow growth 6 is 12 with respect to the (Equation 5) direction of the off-cut inclination direction
There are two (Equation 5) directions forming an angle of 0 °, and step flow growth is performed while forming a jagged saw-toothed step edge. Here, since the growth portions 6a and 6b of the step flow growth 6 are the same crystal in the case of hexagonal crystal, good crystallinity can be obtained. However, in this case, as the crystal growth progresses, step bunching in which a plurality of growth steps overlap becomes remarkable, and the unevenness of the growth film surface may become large. The present inventors have found that it is effective to use an off-cut surface inclined in the (Equation 1) direction in order to reduce such irregularities on the surface of the grown film. In this case, good crystallinity can be obtained, and the above-described step bunching hardly occurs, so that a silicon carbide substrate having high growth surface flatness can be formed. Such a silicon carbide substrate is effective, for example, when fine processing is required.

【0013】[0013]

【数5】 (Equation 5)

【0014】一方、立方晶が成長する場合に前記(数
5)方向に傾いたオフカット面を用いると、成長部6
a,6bが鏡像の関係にある結晶となり、ダブルポジシ
ョニングバウンダリが形成されることになる。このダブ
ルポジショニングバウンダリは、結晶成長を続けても減
少はみられない。そこで、本発明者らは種々考察した結
果、図3(b)に示すように、前記(数1)方向に傾い
たオフカット面を用いることにより、立方晶が成長する
場合でも上記のようなツウィンバウンダリを生じること
なく結晶成長させ得ることを見出した。この場合には、
結晶成長の前後共に前記(数5)方向の直線状のステッ
プエッジ5が形成され、ステップフロー成長6の成長部
6d〜6fは同一の結晶となり、単相の良好な結晶性が
得られる。具体的には、例えば1mm四方以上の実質的
に無欠陥である結晶表面部分を含む立方晶炭化珪素を得
ることが可能となる。なお、上記オフカット方向の効果
は、オフカット方向の前記(数1) 方向の成分の大き
さが前記(数5)方向の成分の大きさに対して大きけれ
ば有効であり、(数1)方向から多少ずれていても有効
であった。
On the other hand, when a cubic crystal is grown, if an off-cut surface inclined in the (Equation 5) direction is used, the growth portion 6
The crystals a and 6b are mirror images of each other, and a double positioning boundary is formed. The double positioning boundary does not decrease even if the crystal growth is continued. Therefore, as a result of various studies, the present inventors have found that, as shown in FIG. 3 (b), by using an off-cut surface inclined in the (Equation 1) direction, even when a cubic crystal grows, It has been found that crystals can be grown without generating twin boundaries. In this case,
A linear step edge 5 in the above (Formula 5) direction is formed before and after the crystal growth, and the growth portions 6d to 6f of the step flow growth 6 become the same crystal, and a good single-phase crystallinity is obtained. Specifically, for example, cubic silicon carbide including a substantially defect-free crystal surface portion of 1 mm square or more can be obtained. The effect in the off-cut direction is effective if the magnitude of the component in the (Equation 1) direction in the off-cut direction is greater than the magnitude of the component in the (Equation 5) direction. It was effective even if it deviated slightly from the direction.

【0015】また、珪素原子を適度な過剰状態に保つた
めには、結晶成長表面の表面再配列構造を指標として用
いることが好ましい。具体的には、例えば六方晶の(0
001)面(Si面)上に六方晶を結晶化させる場合、
表面構造が、ほぼ1×1表面構造とほぼ√3×√3表面
再配列構造との間になるように、珪素原子と炭素原子の
供給量を制御することにより、良好な結晶成長をさせる
ことができる。また、同様に、六方晶の(0001)面
(Si面)または立方晶の(111)面(Si面)上に
立方晶を結晶成長させる場合、六方晶の前記(数2)面
(C面)上に六方晶を結晶化させる場合、および六方晶
の前記(数2)面(C面)または立方晶の前記(数3)
面(C面)上に立方晶を結晶化させる場合には、ほぼ1
×1とほぼ3×3との間になるように制御することが好
ましい。
In order to keep the silicon atoms in an appropriate excess state, it is preferable to use the surface rearrangement structure of the crystal growth surface as an index. Specifically, for example, a hexagonal (0
When crystallizing a hexagonal crystal on the (001) plane (Si plane),
Good crystal growth by controlling the supply of silicon and carbon atoms so that the surface structure is between approximately 1 × 1 surface structure and approximately √3 × √3 surface rearrangement structure Can be. Similarly, when a cubic crystal is grown on a hexagonal (0001) plane (Si plane) or a cubic (111) plane (Si plane), the hexagonal (Formula 2) plane (C plane) ) When a hexagonal crystal is crystallized thereon, and when the (Formula 2) plane (C plane) of the hexagonal crystal or the (Formula 3)
When crystallizing a cubic crystal on the plane (C plane), almost 1
It is preferable to control so as to be between × 1 and approximately 3 × 3.

【0016】すなわち、上記のような表面再配列構造の
状態になるようにすれば、炭化珪素結晶成長表面を活発
に拡散する珪素原子を供給することができ、また、珪素
結晶粒の析出も抑制することができる。なお、必ずしも
上記範囲にわたって変化するように制御しなくても、こ
れらの間であればよく、例えば六方晶の(0001)面
(Si面)上に立方晶を結晶成長させる場合に√3×√
3と3×3との間になるように制御したり、これらの間
のほぼ一定の表面再配列構造の状態になるように制御す
るなどしてもよい。さらに、必ずしも表面再配列構造を
検出しながら供給量の制御をしなくても、あらかじめ表
面再配列構造を検出して、珪素原子と炭素原子の供給量
や供給パターンを決定し、製造段階においては上記のよ
うな検出をすることなく結晶成長させるようにしてもよ
い。
That is, when the surface is rearranged as described above, it is possible to supply silicon atoms that actively diffuse on the silicon carbide crystal growth surface, and to suppress the precipitation of silicon crystal grains. can do. It should be noted that it is not always necessary to control so as to change over the above range, but it is only necessary to be between them. For example, when growing a cubic crystal on a hexagonal (0001) plane (Si plane), {3 ×}
Control may be performed so as to be between 3 and 3 × 3, or control may be performed such that a substantially constant surface rearrangement structure between them is obtained. Furthermore, without necessarily controlling the supply amount while detecting the surface rearrangement structure, the surface rearrangement structure is detected in advance, and the supply amounts and supply patterns of silicon atoms and carbon atoms are determined. The crystal may be grown without performing the above detection.

【0017】また、炭化珪素結晶成長表面に過剰に存在
する珪素原子が、5原子層分以下になるようにすること
が、炭化珪素結晶成長表面での珪素結晶粒の析出による
成長薄膜の結晶性・平坦性の悪化を容易に防止できる点
で好ましい。
In addition, it is preferable that the number of silicon atoms excessively present on the silicon carbide crystal growth surface is reduced to 5 atomic layers or less, because the crystallinity of the grown thin film by precipitation of silicon crystal grains on the silicon carbide crystal growth surface is reduced. -It is preferable because deterioration of flatness can be easily prevented.

【0018】また、珪素原子と炭素原子の供給は、何れ
か一方または双方を間欠的に行うことにより、珪素原子
が過剰な状態に保ちやすくなる。特に、珪素原子と炭素
原子とを炭化珪素結晶成長表面に交互に供給すると、ダ
イナミックに表面状態を変化させることが可能となっ
て、珪素過剰状態の制御がより容易となる。また、珪素
原子を連続的に供給する一方、炭素原子を間欠的に供給
するようにしてもよい。この場合には、珪素過剰の状態
を長く保つことが容易になるため、さらに良結晶性の炭
化珪素薄膜を得ることができる。さらに、珪素原子だけ
の供給を、ほぼ√3×√3、または3×3の表面再配列
構造になるまで行い、炭素原子の供給を、ほぼ1×1の
表面構造になるまで行うようにしても、過剰な珪素原子
数を最適に保つことが容易にできる。
Further, by supplying one or both of the silicon atoms and the carbon atoms intermittently, it becomes easy to keep the silicon atoms in an excessive state. In particular, when silicon atoms and carbon atoms are alternately supplied to the silicon carbide crystal growth surface, the surface state can be dynamically changed, and the control of the silicon excess state becomes easier. In addition, while silicon atoms are supplied continuously, carbon atoms may be supplied intermittently. In this case, it is easy to maintain the silicon excess state for a long time, so that a silicon carbide thin film having better crystallinity can be obtained. Further, supply of only silicon atoms is performed until a surface rearrangement structure of approximately √3 × √3 or 3 × 3 is obtained, and supply of carbon atoms is performed until a surface structure of approximately 1 × 1 is obtained. Also, it is easy to keep the excess number of silicon atoms optimal.

【0019】また、炭化珪素結晶成長表面の温度は、6
00℃以上1300℃以下にすることが好ましい。上記
温度を600℃未満とすると、珪素原子の拡散が十分で
はなくなり、前述の効果を得にくくなる。一方、成長表
面の温度が1300℃を越えるようにすると、従来の高
温のDVD法と同様、後述する炭化珪素薄膜の選択成長
や窒素の高濃度ドーピングに適さなくなる。なお、13
00℃を越える温度であっても、前記のように良好な結
晶性の炭化珪素結晶を形成し得る効果は、同様に得られ
る。
The temperature of the silicon carbide crystal growth surface is 6
It is preferable that the temperature is not lower than 00 ° C and not higher than 1300 ° C. When the temperature is lower than 600 ° C., diffusion of silicon atoms is not sufficient, and it is difficult to obtain the above-described effects. On the other hand, if the temperature of the growth surface exceeds 1300 ° C., it is not suitable for selective growth of a silicon carbide thin film and high-concentration doping of nitrogen, which will be described later, as in the conventional high-temperature DVD method. Note that 13
Even at a temperature exceeding 00 ° C., the effect of forming a silicon carbide crystal having good crystallinity as described above is obtained similarly.

【0020】窒素のドーピングは、炭化珪素結晶成長表
面に、窒素源としてアンモニア等の反応性窒素含有ガス
を供給することにより、炭化珪素薄膜に窒素をドーピン
グすることができる。すなわち、前記のように比較的低
い温度で炭化珪素の結晶成長をさせることができるの
で、高い濃度の窒素を置換位置に含む結晶性の良好な炭
化珪素薄膜を得ることが容易にでき、具体的には、5×
1018個/cm3以上、さらには1019〜5×1019
/cm3以上の窒素原子を含む炭化珪素薄膜も得ること
も可能である。
In the doping with nitrogen, a silicon carbide thin film can be doped with nitrogen by supplying a reactive nitrogen-containing gas such as ammonia as a nitrogen source to the silicon carbide crystal growth surface. In other words, since silicon carbide can be grown at a relatively low temperature as described above, a silicon carbide thin film having good crystallinity containing a high concentration of nitrogen at the substitution position can be easily obtained. Has 5x
It is also possible to obtain a silicon carbide thin film containing nitrogen atoms of 10 18 atoms / cm 3 or more, and more preferably 10 19 to 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more.

【0021】また、前記温度範囲での結晶成長において
は、低温領域における成膜であることから、前記成長表
面の一部に例えば酸化珪素薄膜等によってマスキングさ
れた領域を設定し、この領域以外の部分において炭化珪
素薄膜を成長させることができる。従来の高温成膜では
マスキング材料として用い得る材料がなく選択成長を行
うことができなかったが、この好ましい例によれば、選
択エッチングが難しい炭化珪素に、素子形成のためのパ
ターニングを施すことが可能となる。
In the crystal growth in the above temperature range, since a film is formed in a low temperature region, a region masked by, for example, a silicon oxide thin film is set on a part of the growth surface, and a region other than this region is set. A silicon carbide thin film can be grown in the portion. In the conventional high-temperature film formation, there was no material that could be used as a masking material and selective growth could not be performed. However, according to this preferred example, patterning for element formation is performed on silicon carbide that is difficult to selectively etch. It becomes possible.

【0022】また、炭化珪素結晶の成長に先立って、結
晶成長表面が√3×√3表面再配列構造になるように結
晶成長表面を清浄化することにより、結晶性に優れた炭
化珪素薄膜を成長させることができる。上記清浄化は、
具体的には、例えば水素雰囲気または真空中において8
00℃以上1300℃以下にまで加熱することにより行
うことが好ましい。清浄化の温度を800℃未満とする
と、酸化膜等の表面不純物が残存して清浄化が不十分と
なる一方、1300℃を越える温度とすると、成長表面
近傍から珪素原子が蒸発して表面の炭素化が進行する虞
があるからである。
Further, prior to the growth of the silicon carbide crystal, the crystal growth surface is cleaned so that the crystal growth surface has a √3 × 表面 3 surface rearrangement structure, thereby forming a silicon carbide thin film having excellent crystallinity. Can grow. The above cleaning is
Specifically, for example, in a hydrogen atmosphere or vacuum
The heating is preferably performed by heating to a temperature of from 00 ° C to 1300 ° C. If the cleaning temperature is lower than 800 ° C., surface impurities such as an oxide film remain and the cleaning becomes insufficient. On the other hand, if the cleaning temperature is higher than 1300 ° C., silicon atoms evaporate from the vicinity of the growth surface and the surface becomes less clean. This is because carbonization may proceed.

【0023】次に、互いに結晶系の異なる炭化珪素結晶
の積層について説明する。この積層は、基板温度の設定
により、基板とは異なる結晶系の炭化珪素結晶を成長さ
せる方法と、互いに異なる結晶系の炭化珪素結晶が形成
された領域を有するオフカット基板を用いてステップフ
ロー成長させる方法とにより行うことができる。
Next, the lamination of silicon carbide crystals having different crystal systems will be described. This lamination is performed by step flow growth using a method of growing a silicon carbide crystal having a different crystal system from the substrate by setting the substrate temperature, and using an off-cut substrate having regions where silicon carbide crystals of different crystal systems are formed. The method can be performed by the following method.

【0024】上記基板温度の設定による方法は、基板温
度を変化させることにより、成長する炭化珪素の結晶系
を制御できることを発見したことに基づくものである。
すなわち、オフカット基板を用いて結晶成長させる際
に、基板表面の温度を完全なステップフロー成長が起こ
る最低温度のほんの少し下に設定すると、その基板温度
において安定な結晶系が基板表面のステップの影響を弱
く受けつつ成長することを利用するものである。つま
り、テラス上に供給された珪素原子または炭素原子は、
テラス上を表面拡散してステップに達する前にテラス上
で凝集して微結晶を作る。この微結晶は、ステップの影
響を受けずに、基板表面温度で決まる最も安定な結晶系
のものになる。この微結晶は成長するが、安定な大きな
結晶となる以前にステップと遭遇してステップの影響を
幾分受けつつ更に成長して、安定な大きな結晶となる。
このため、完全なステップフロー成長のように、基板の
結晶系を完全に反映しては成長しないことになる。
The method of setting the substrate temperature is based on the finding that the crystal system of silicon carbide to be grown can be controlled by changing the substrate temperature.
In other words, when growing a crystal using an off-cut substrate, if the temperature of the substrate surface is set to just below the minimum temperature at which complete step flow growth occurs, a stable crystal system at that substrate temperature will become a step on the substrate surface. It takes advantage of growing while being weakly affected. In other words, the silicon or carbon atoms supplied on the terrace are
Before the surface diffuses on the terrace and reaches the step, it aggregates on the terrace to form microcrystals. The microcrystal becomes the most stable crystal system determined by the substrate surface temperature without being affected by the step. The microcrystal grows, but encounters a step before becoming a stable large crystal and further grows with some influence of the step to become a stable large crystal.
Therefore, unlike the complete step flow growth, the growth does not completely reflect the crystal system of the substrate.

【0025】そこで、例えば、6H六方晶炭化珪素{0
001}面の4°のオフカット基板において、900℃
の基板表面温度に保って上記のような成長をさせると、
3C立方晶炭化珪素薄膜が成長する。この場合、前記の
ように、オフカット方向がほぼ六方晶の前記(数1)方
向に傾いていると、ツウィンを含まない良結晶性の3C
立方晶炭化珪素薄膜が得られた。この方向が、上記ステ
ップフロー成長のための最適なテラスとステップエッジ
を与える。また、例えば、4H六方晶炭化珪素{000
1}面の1°オフカット基板において、1500℃の基
板表面温度に保って成長させると、6H六方晶炭化珪素
薄膜が成長する。このように六方晶の炭化珪素を結晶成
長させる場合には、オフカットの傾斜方向は前記(数
5)方向でもよい。ここで、基板温度が上昇すれば、よ
り表面拡散が起こるため、異なる結晶系の炭化珪素を成
長させるためには、ステップ幅をより広く(オフカット
角度をより小さく)する必要がある。また、前記のよう
な珪素原子の過剰状態での結晶成長を行わせる場合に
は、炭化珪素結晶成長表面の温度は、600℃以上18
00℃以下であると、良結晶性の薄膜が得られた。60
0℃以下では、Si−Siボンドで基板と結合している
珪素原子であっても表面拡散が不十分となり、良好な結
晶成長が行われない。1800℃以上の温度では、成長
表面からの炭化珪素の昇華も顕著となり、成長条件の制
御が困難である。本発明の範囲の低温下での成長により
初めて、良結晶性の基板と結晶系の異なる炭化珪素の成
長が可能となる。
Therefore, for example, 6H hexagonal silicon carbide {0
900 ° C on 4 ° off-cut substrate with 001 ° plane
When the growth as described above is maintained at the substrate surface temperature of
A 3C cubic silicon carbide thin film grows. In this case, as described above, if the off-cut direction is inclined in the above-mentioned (Equation 1) direction of a substantially hexagonal crystal, the 3C
A cubic silicon carbide thin film was obtained. This direction provides an optimal terrace and step edge for the step flow growth. Further, for example, 4H hexagonal silicon carbide $ 000
When the substrate is grown at a substrate surface temperature of 1500 ° C. on a 1 ° off cut substrate of 1 ° plane, a 6H hexagonal silicon carbide thin film grows. When crystal growth of hexagonal silicon carbide is performed in this way, the inclination direction of the off-cut may be the (Equation 5) direction. Here, if the substrate temperature rises, the surface diffusion occurs more. Therefore, in order to grow silicon carbide of a different crystal system, it is necessary to increase the step width (decrease the off-cut angle). In the case where crystal growth is performed in an excessive state of silicon atoms as described above, the temperature of the silicon carbide crystal growth surface is set to 600 ° C. or higher and 18 ° C. or higher.
When the temperature was not higher than 00 ° C., a thin film having good crystallinity was obtained. 60
If the temperature is 0 ° C. or lower, even if silicon atoms are bonded to the substrate by Si—Si bonds, surface diffusion becomes insufficient, and good crystal growth is not performed. At a temperature of 1800 ° C. or higher, sublimation of silicon carbide from the growth surface becomes remarkable, and it is difficult to control the growth conditions. For the first time, growth at a low temperature within the range of the present invention enables growth of a silicon carbide having a different crystal system from a substrate having a good crystallinity.

【0026】一方、前記互いに異なる結晶系の炭化珪素
結晶が形成された領域を有するオフカット基板(前処理
基板)を用いる方法は、ステップフロー成長方向の上流
側に位置するステップから結晶成長する炭化珪素結晶
が、下流側のテラス上を進行しながら結晶成長すること
を利用するものである。すなわち、あらかじめ、基板上
に互いに異なる結晶系の炭化珪素結晶を形成し、これを
用いて完全なステップフロー成長をさせると、上流側の
領域に形成された結晶系の炭化珪素結晶が、下流側の領
域に形成された結晶系の炭化珪素結晶上を進行して結晶
成長し、積層されることになる。この場合、互いに異な
る結晶系の炭化珪素結晶同士の界面が非常に良好に保た
れて成長が進む。
On the other hand, the method of using an off-cut substrate (pre-treatment substrate) having a region in which silicon carbide crystals of different crystal systems are formed is characterized in that the carbon carbide crystal grows from the step located on the upstream side in the step flow growth direction. This utilizes the fact that a silicon crystal grows while proceeding on a terrace on the downstream side. In other words, different silicon carbide crystals of different crystal systems are formed on the substrate in advance, and complete step flow growth is performed using the silicon carbide crystals. Then, the crystal proceeds and grows on the crystalline silicon carbide crystal formed in the region, and is stacked. In this case, the growth proceeds while the interface between silicon carbide crystals of different crystal systems is maintained very well.

【0027】上記のような前処理基板の形成は、前記珪
素原子を過剰状態にし、低温下で酸化珪素薄膜などをマ
スクとして、基板表面の一部の領域に選択的に基板と異
なる結晶系の炭化珪素結晶を結晶成長させることにより
容易に行うことができる。また、上記のような選択成長
を用いなくても、結晶面が表面に対して傾いている炭化
珪素の基板表面に基板の結晶系と異なる結晶系を有する
炭化珪素結晶を成長させ、その後に上記成長させた炭化
珪素を部分的に残してエッチングで取り除き、基板面を
露出させることによっても同様の前処理基板を形成する
ことができる。
In the formation of the pre-processed substrate as described above, the silicon atoms are made to be in an excessive state, and a silicon oxide thin film or the like is used as a mask at a low temperature to selectively form a crystal system different from the substrate in a part of the substrate surface. It can be easily performed by growing silicon carbide crystal. Even without using the selective growth as described above, a silicon carbide crystal having a crystal system different from the crystal system of the substrate is grown on the silicon carbide substrate whose crystal plane is inclined with respect to the surface. A similar pre-processed substrate can also be formed by removing the grown silicon carbide by etching while partially leaving the substrate surface exposed.

【0028】上記の方法によれば、良好な界面で接して
いる炭化珪素薄膜を成長させて積層することができると
ともに、種々の組み合わせの積層構造や、サンドイッチ
構造、また、さらに多層の積層構造などを容易に形成す
ることができる。
According to the above method, a silicon carbide thin film in contact with a good interface can be grown and laminated, and various combinations of a laminated structure, a sandwich structure, and a multi-layer laminated structure can be obtained. Can be easily formed.

【0029】具体的には、例えば、まず6H,4H等の
六方晶炭化珪素の{0001}面が表面に対して傾いて
いる基板表面の少なくとも一部に3Cの立方晶炭化珪素
を選択成長させた前処理基板を形成する。この前処理基
板を通常のCVD成長によりステップフロー成長させる
と、6H,4H等の六方晶炭化珪素の{0001}面上
に3Cの立方晶炭化珪素の{111}面が積層された積
層構造、または3Cの立方晶炭化珪素の{111}面上
に6H,4H等の六方晶炭化珪素の{0001}面が積
層された積層構造を形成することができる。
Specifically, for example, first, 3C cubic silicon carbide is selectively grown on at least a part of the substrate surface where the {0001} plane of hexagonal silicon carbide such as 6H and 4H is inclined with respect to the surface. A pre-processed substrate is formed. When the pre-processed substrate is subjected to step flow growth by ordinary CVD growth, a {111} plane of 3C cubic silicon carbide is stacked on a {0001} plane of hexagonal silicon carbide such as 6H or 4H, Alternatively, a stacked structure in which {0001} planes of hexagonal silicon carbide such as 6H and 4H are stacked on {111} planes of 3C cubic silicon carbide can be formed.

【0030】また、例えば前処理基板形成時の基板温度
を少し高くすることにより、4H六方晶炭化珪素の{0
001}面が表面に対して傾いている基板表面の少なく
とも一部に6Hの六方晶炭化珪素を選択成長させ、この
前処理基板を、通常のステップフロー成長させると、6
H六方晶炭化珪素の{0001}面上に4H六方晶炭化
珪素の{0001}面が積層された積層構造、または4
H六方晶炭化珪素の{0001}面上に6H六方晶炭化
珪素の{0001}面が積層された積層構造を形成する
ことができる。
Further, for example, by slightly increasing the substrate temperature at the time of forming the pre-processed substrate, it is possible to reduce the {0}
6H hexagonal silicon carbide is selectively grown on at least a part of the substrate surface where the 001 ° plane is inclined with respect to the surface.
A laminated structure in which the {0001} plane of 4H hexagonal silicon carbide is laminated on the {0001} plane of H hexagonal silicon carbide, or
It is possible to form a stacked structure in which the {0001} plane of 6H hexagonal silicon carbide is stacked on the {0001} plane of H hexagonal silicon carbide.

【0031】また、さらに、前処理基板における異なる
結晶系の領域のパターンに応じて、例えば4H,6H等
の六方晶炭化珪素の結晶によって挟まれた3Cの立方晶
炭化珪素の結晶を含むようにしたり、4Hの六方晶炭化
珪素の結晶によって挟まれた6Hの六方晶炭化珪素の結
晶を含むようにしたりすることもできる。より詳しく
は、前処理によって例えば6H六方晶基板の中央部分に
基板と結晶系の異なる3C立方晶炭化珪素のステップを
形成すると、ステップフロー成長後には、3C立方晶/
6H六方晶の積層界面と6H六方晶/3C立方晶の積層
界面が形成され、成長とともに欠陥などを含まない状態
で良好な界面が形成される。この場合、炭化珪素の成長
はステップエッジにおいて進み、ステップエッジの結晶
系が成長する炭化珪素の結晶系を決める。すなわち、テ
ラス表面における原子配列は、表面層のみしか成長する
成長層の結晶に影響を与えないため、六方晶や立方晶等
の結晶系の違いに対して実質的に影響を及ぼさない。こ
のため、前記前処理基板に対してステップフロー成長を
続ければ続けるほど異なる結晶系の炭化珪素の界面及び
炭化珪素そのものの結晶性は向上する。
Further, according to the pattern of the region of the different crystal system in the pre-processed substrate, for example, the cubic silicon carbide crystal of 3C sandwiched between the crystals of hexagonal silicon carbide such as 4H and 6H is included. Alternatively, it may include a 6H hexagonal silicon carbide crystal sandwiched between 4H hexagonal silicon carbide crystals. More specifically, for example, when a step of 3C cubic silicon carbide having a different crystal system from that of the substrate is formed in a central portion of a 6H hexagonal substrate by pretreatment, for example, 3C cubic /
A 6H hexagonal lamination interface and a 6H hexagonal / 3C cubic lamination interface are formed, and a good interface is formed with no defects or the like during growth. In this case, the growth of silicon carbide proceeds at the step edge, and the crystal system at the step edge determines the crystal system of silicon carbide to grow. That is, since the atomic arrangement on the terrace surface does not affect the crystal of the growth layer that grows only on the surface layer, it does not substantially affect the difference in the crystal system such as hexagonal or cubic. Therefore, as the step flow growth of the pre-processed substrate is continued, the interface between different crystalline silicon carbides and the crystallinity of the silicon carbide itself are improved.

【0032】また、前記選択成長を用いなくとも、結晶
面が表面に対して傾いている炭化珪素、例えば6H六方
晶の基板表面全面に基板の結晶系と異なる結晶系を有す
る3C立方晶炭化珪素を上記と同様に成長させ、その後
に上記成長させた3C立方晶炭化珪素を部分的に残して
エッチングで取り除いて、6H六方晶が再び露出した部
分と3C立方晶が残っている部分を含む前処理基板を形
成し、上記前処理基板をステップフロー成長させても、
上記異なる結晶系を有する炭化珪素の積層構造を含む炭
化珪素基板を形成できた。
Also, without using the selective growth, silicon carbide whose crystal plane is inclined with respect to the surface, for example, 3C cubic silicon carbide having a crystal system different from the crystal system of the substrate over the entire surface of a 6H hexagonal substrate Is removed in the same manner as described above, and thereafter, the grown 3C cubic silicon carbide is partially removed and etched away to leave a portion where the 6H hexagonal crystal is exposed again and a portion where the 3C cubic crystal remains. Even if a processing substrate is formed and the pre-processing substrate is grown in a step flow,
A silicon carbide substrate including a stacked structure of silicon carbide having different crystal systems was formed.

【0033】また、本発明の炭化珪素基板は、前述のよ
うな製造方法により製造される良結晶性の炭化珪素基板
であり、以下に記載の特徴を具備し得るものである。す
なわち、本発明の炭化珪素基板は、例えば、炭化珪素の
成長表面に存在する成長ステップのエッジが六方晶炭化
珪素の前記ステップエッジ(数4)および立方晶炭化珪
素の[110]ステップエッジから選ばれるステップエ
ッジにより構成されるという特徴を具備し得る。また、
例えば、5×1018個/cm3以上、さらには1019
5×1019個/cm3以上の窒素原子を置換位置に含む
という特徴を具備し得る。また、例えば、六方晶炭化珪
素の基板の表面に形成された炭化珪素基板であって、1
mm四方以上の無欠陥結晶表面部分を含む立方晶炭化珪
素単結晶から成るという特徴を具備し得る。また、例え
ば、炭化珪素基板の一部に選択的にエピタキシャル成長
させた基板であるという特徴を具備し得る。本発明の炭
化珪素基板は、このような特徴を具備することにより、
炭化珪素の優れた熱伝導率、絶縁破壊耐圧、大きいバン
ドギャップ等を活用した半導体素子用基板として利用価
値の高いものとなる。
The silicon carbide substrate of the present invention is a silicon carbide substrate of good crystallinity manufactured by the above-described manufacturing method, and can have the following features. That is, in the silicon carbide substrate of the present invention, for example, the edge of the growth step existing on the growth surface of silicon carbide is selected from the step edge (Formula 4) of hexagonal silicon carbide and the [110] step edge of cubic silicon carbide. Can be provided. Also,
For example, 5 × 10 18 pieces / cm 3 or more, and further, 10 19 to
It may have a feature that 5 × 10 19 / cm 3 or more nitrogen atoms are included in the substitution position. Also, for example, a silicon carbide substrate formed on the surface of a hexagonal silicon carbide substrate,
It can be characterized by being made of a cubic silicon carbide single crystal including a defect-free crystal surface portion of mm square or more. In addition, for example, the substrate may be characterized by being a substrate selectively epitaxially grown on a part of a silicon carbide substrate. The silicon carbide substrate of the present invention has such features,
It becomes highly useful as a substrate for a semiconductor element utilizing the excellent thermal conductivity, dielectric breakdown voltage, large band gap, and the like of silicon carbide.

【0034】また、前記のように、互いに結晶系が異な
り結晶性の良好な単層の炭化珪素結晶が結晶構造の急峻
な界面を介して積層された炭化珪素基板によって半導体
素子を形成すれば、高速な動作が可能な半導体素子を得
ることができる。すなわち、結晶構造が異なる異種の炭
化珪素結晶が清浄なヘテロ界面で接している場合に、上
記ヘテロ界面における伝導帯のエネルギーの低い方に電
導電子が注入されて2次元電子ガスが形成されるため、
この2次元電子ガスの高いキャリア移動度を利用して、
HFET等の高速な電子素子を形成することができる。
Further, as described above, if a semiconductor element is formed by a silicon carbide substrate in which single-layer silicon carbide crystals having different crystal systems and good crystallinity are stacked via a steep interface of the crystal structure, A semiconductor element which can operate at high speed can be obtained. That is, when different types of silicon carbide crystals having different crystal structures are in contact with each other at a clean hetero interface, a two-dimensional electron gas is formed by injecting an electron into the lower conduction band energy at the hetero interface. ,
Utilizing the high carrier mobility of this two-dimensional electron gas,
High-speed electronic devices such as HFETs can be formed.

【0035】より具体的には、例えば、バンドギャップ
が2.86eVと広い6H六方晶炭化珪素と、バンドギ
ャップが2.3eVと狭い3C立方晶炭化珪素の積層構
造を用いてHFETを形成すると、ドーピング濃度が高
く設定された6H六方晶炭化珪素から、ドーピング濃度
が低く設定された3C立方晶炭化珪素のチャネル層にキ
ャリアが注入されて、6H/3C界面に2次元電子ガス
が形成される。この2次元電子ガスは高いキャリア移動
度を示すため、高速な動作をさせることができる。
More specifically, for example, when an HFET is formed using a laminated structure of 6H hexagonal silicon carbide having a wide band gap of 2.86 eV and 3C cubic silicon carbide having a narrow band gap of 2.3 eV, Carriers are injected into the channel layer of 3C cubic silicon carbide having a low doping concentration from 6H hexagonal silicon carbide having a high doping concentration, and a two-dimensional electron gas is formed at the 6H / 3C interface. Since the two-dimensional electron gas exhibits high carrier mobility, high-speed operation can be performed.

【0036】上記のような2次元電子ガスは、結晶構造
とバンドギャップの異なる炭化珪素の界面であれば、6
H/3C界面に限らず、4H/3C界面や4H/6H界
面などでも形成される。これらの異なる結晶系の炭化珪
素同士のヘテロ界面は、炭化珪素バイレイヤーの積層の
仕方が異なるだけで、炭化珪素バイレイヤーの構造や組
成は変化していないので、原理的に格子不整合などが非
常に小さい。それゆえ、他のガリウムヒ素(GaAs)
等の混晶系の界面に比べて良好なヘテロ界面となり得る
ため、より特性の良好な半導体素子を形成することがで
きる。
The two-dimensional electron gas as described above can be used at an interface between silicon carbide having different crystal structures and band gaps.
It is formed not only at the H / 3C interface but also at the 4H / 3C interface, 4H / 6H interface, and the like. At the heterointerface between these different crystalline silicon carbides, only the way of stacking the silicon carbide bilayer is different, and the structure and composition of the silicon carbide bilayer are not changed. Very small. Therefore, other gallium arsenide (GaAs)
And the like, it is possible to form a hetero-interface which is better than that of a mixed crystal based interface, and thus a semiconductor element having better characteristics can be formed.

【0037】[0037]

【発明の実施の形態】(実施の形態1)本発明の実施の
形態1として、六方晶炭化珪素の珪素面(Si面)上に
六方晶炭化珪素を結晶成長させる例を説明する。
(Embodiment 1) As Embodiment 1 of the present invention, an example in which hexagonal silicon carbide is grown on a silicon surface (Si surface) of hexagonal silicon carbide will be described.

【0038】まず、(0001)面(Si面)の前記
(数5)方向に3.5°のオフカット面を有する6Hの
六方晶炭化珪素の単結晶基板を分子線エピタキシ(MB
E)装置に導入し、バックグラウンドプレッシャを10
-9Torr以下にして、上記基板を1100℃に加熱し
た。これにより、基板は清浄化され、高エネルギ反射電
子線回折(RHEED)によれば、図4に示すような√
3×√3の表面再配列構造であることが確認された。
First, a 6H hexagonal silicon carbide single crystal substrate having a 3.5 ° off-cut plane in the (Equation 5) direction of the (0001) plane (Si plane) was prepared by molecular beam epitaxy (MB).
E) Introduce into the device and set the background pressure to 10
The substrate was heated to 1100 ° C. at -9 Torr or less. Thereby, the substrate is cleaned, and according to high energy reflected electron diffraction (RHEED), √ as shown in FIG.
It was confirmed that the surface had a 3 × √3 surface rearrangement structure.

【0039】次に、基板の温度を1100℃に保った状
態で、1380℃に加熱されたk−cellから珪素原
子を供給するとともに、電子ビーム蒸着器から、8k
V、100mAのパワーで炭素原子を供給した。より詳
しくは、まず、1/3原子層分の珪素原子が供給される
ことにより、上記√3×√3の表面再配列構造がより鮮
明に観察された。すなわち、図4に示すように、1/3
原子層分の原子数の過剰な珪素原子がテラス上に堆積し
た状態となる。この状態で、基板の表面に上記珪素原子
と同数程度の炭素原子が供給されると、上記√3×√3
表面再配列構造を示すRHEED回折ストリークが弱ま
り、1×1パターンに近くなる。すなわち、上記テラス
上に堆積した珪素原子と、新たに供給された炭素原子と
が図2に示すようにステップエッジ5付近に集まって結
晶化し、六方晶炭化珪素のステップフロー成長6が生じ
るとともに、テラス4の表面は1×1パターンに近い表
面再配列構造となる。この場合、ステップフロー成長す
る長さは、2/3原子層分の原子数に相当する長さとな
る。具体的には、例えばステップの高さが2原子層(珪
素層と炭素層)分とすると、テラスの長さの1/3だ
け、ステップフロー成長が生じる。
Next, while keeping the temperature of the substrate at 1100 ° C., silicon atoms were supplied from k-cell heated to 1380 ° C., and 8 k
V, carbon atoms were supplied at a power of 100 mA. More specifically, first, by supplying silicon atoms for one-third atomic layer, the surface rearrangement structure of 原子 3 × √3 was more clearly observed. That is, as shown in FIG.
An excessive number of silicon atoms for the atomic layer is deposited on the terrace. In this state, when about the same number of carbon atoms as the silicon atoms are supplied to the surface of the substrate, the above-mentioned √3 × √3
The RHEED diffraction streak indicating the surface rearrangement structure is weakened and approaches a 1 × 1 pattern. That is, the silicon atoms deposited on the terrace and the newly supplied carbon atoms gather near the step edge 5 and crystallize as shown in FIG. 2, and a step flow growth 6 of hexagonal silicon carbide occurs, and The surface of the terrace 4 has a surface rearrangement structure close to a 1 × 1 pattern. In this case, the length of the step flow growth is a length corresponding to the number of atoms of the 3 atomic layer. Specifically, for example, assuming that the step height is equivalent to two atomic layers (a silicon layer and a carbon layer), step flow growth occurs by 1 / of the terrace length.

【0040】以下、上記珪素原子の供給と炭素原子の供
給とが繰り返されることにより、表面再配列構造が√3
×√3と1×1との間で変化しながら、平滑な表面を有
する良結晶性の六方晶炭化珪素エピタキシャル薄膜が形
成される。
Thereafter, the supply of silicon atoms and the supply of carbon atoms are repeated, so that the surface rearrangement structure becomes $ 3.
While changing between × √3 and 1 × 1, a highly crystalline hexagonal silicon carbide epitaxial thin film having a smooth surface is formed.

【0041】上記のようにして形成された炭化珪素薄膜
の成長表面をSEM写真によって観察したところ、図5
に模式的に示すように、互いに120°の角度で交差す
る前記(数4)方向のステップエッジ5が進行するよう
に結晶成長していることが確認された。
When the growth surface of the silicon carbide thin film formed as described above was observed by an SEM photograph, FIG.
As shown schematically, it was confirmed that the crystal was grown such that the step edges 5 in the (Formula 4) direction crossing each other at an angle of 120 ° proceeded.

【0042】上記のように、珪素原子がわずかに過剰に
なるように珪素原子と炭素原子を供給することによっ
て、比較的低い温度で良好な結晶構造の炭化珪素薄膜を
形成することができる。
As described above, by supplying silicon atoms and carbon atoms so that silicon atoms become slightly excessive, a silicon carbide thin film having a favorable crystal structure can be formed at a relatively low temperature.

【0043】なお、上記のように、元の炭化珪素基板と
して前記(数5)方向に傾いたオフカット面を用いる場
合には、結晶成長が進むにつれて、成長ステップが複数
個重なるステップバンチングが顕著となって成長膜表面
の凹凸が大きくなることがある。それゆえ、そのような
凹凸が問題となりやすい微細加工などに用いる場合に
は、前記(数1)方向に傾いたオフカット面を用いるこ
とが好ましい。この場合には、上記の場合と同様に比較
的低い温度で良好な結晶性が得られるうえ、ステップバ
ンチングが起こりにくくなり、成長表面の平坦性が向上
する。
As described above, when an off-cut surface inclined in the (Equation 5) direction is used as the original silicon carbide substrate, step bunching in which a plurality of growth steps overlap as crystal growth progresses is remarkable. As a result, irregularities on the surface of the grown film may be increased. Therefore, when such an unevenness is likely to be a problem in microfabrication or the like, it is preferable to use an off-cut surface inclined in the (Equation 1) direction. In this case, as in the above case, good crystallinity can be obtained at a relatively low temperature, step bunching is less likely to occur, and the flatness of the growth surface is improved.

【0044】また、元の炭化珪素基板として4Hの六方
晶炭化珪素基板を用いた場合でも、同様の結晶成長が行
われた。ここで、4Hの六方晶炭化珪素基板を用いる場
合には、基板の温度を比較的高い温度(例えばオフカッ
ト角度が1°の場合、1600℃)に保つと、元の炭化
珪素基板と同じ4Hの結晶構造が形成(ホモエピタキシ
ャル成長)される一方、より低い温度(例えばオフカッ
ト角度が1°の場合、1500℃)に保つと、元の炭化
珪素基板の結晶構造に係らず、6Hの結晶構造が形成
(ヘテロエピタキシャル成長)される。
Similar crystal growth was performed even when a 4H hexagonal silicon carbide substrate was used as the original silicon carbide substrate. Here, when a 4H hexagonal silicon carbide substrate is used, if the temperature of the substrate is maintained at a relatively high temperature (for example, 1600 ° C. when the off-cut angle is 1 °), the same 4H as the original silicon carbide substrate is obtained. While the crystal structure of (Homoepitaxial growth) is formed, if the temperature is kept lower (for example, 1500 ° C. when the off-cut angle is 1 °), the crystal structure of 6H is obtained regardless of the crystal structure of the original silicon carbide substrate. Is formed (heteroepitaxial growth).

【0045】また、基板の加熱温度は、上記のように、
形成する結晶構造等に応じて設定すればよいが、600
℃以上であれば、珪素原子の拡散程度が比較的大きいた
めに、結晶性の良好な結晶成長を容易に行わせることが
できる。一方、1300℃以下であれば、後述する実施
の形態4、5で示すような窒素の高密度ドーピングやマ
スキングによる選択的な領域の結晶成長を容易に行うこ
とができる。なお、1300℃を越える場合であって
も、前記のように良好な結晶性の炭化珪素結晶を形成し
得る効果は、同様に得られる。すなわち、従来と同様の
温度に加熱する場合には、より結晶性の良好な炭化珪素
結晶を形成することができ、従来と同様の結晶性を得る
ためには、従来よりも低い温度に設定することができ
る。
The heating temperature of the substrate is as described above.
What is necessary is just to set according to the crystal structure to be formed.
When the temperature is higher than or equal to ° C., the degree of diffusion of silicon atoms is relatively large, so that crystal growth with good crystallinity can be easily performed. On the other hand, when the temperature is 1300 ° C. or lower, selective region crystal growth by high-density nitrogen doping or masking as described in Embodiments 4 and 5 described later can be easily performed. Even when the temperature exceeds 1300 ° C., the effect of forming a silicon carbide crystal having good crystallinity as described above is obtained similarly. That is, when heating to the same temperature as the conventional one, a silicon carbide crystal having better crystallinity can be formed, and in order to obtain the same crystallinity as the conventional one, the temperature is set lower than the conventional one. be able to.

【0046】また、珪素原子と炭素原子の供給制御にお
いて、表面再配列構造が√3×√3になった後に、さら
に多量の珪素原子の供給を続け、過剰な炭素原子の数が
六方晶炭化珪素結晶におけるほぼ5原子層分の珪素原子
数を越えると、珪素の結晶粒(ドロップレット)が生じ
やすくなる。一方、1×1になった後に、さらに多量の
炭素原子の供給を続けると、拡散性の低い炭素原子がテ
ラス上に堆積しがちになる。これらのいずれの場合に
も、適切なステップフロー成長が妨げられることになる
が、珪素原子等の供給制御の応答性は必ずしもそれほど
高度である必要はなく、√3×√3や1×1の状態にな
っても、例えば数分程度の間に上記のような供給制御が
行われれば、適切なステップフロー成長をさせることが
できる。また、必ずしも表面再配列構造が√3×√3か
ら1×1にわたって変化するように制御しなくても、こ
れらの間であれば、一定の、またはある程度の範囲の表
面再配列構造になるように制御すればよい。
In the control of the supply of silicon atoms and carbon atoms, after the surface rearrangement structure becomes √3 × √3, supply of a larger amount of silicon atoms is continued, and the number of excess carbon atoms is reduced to hexagonal carbonization. If the number of silicon atoms exceeds approximately 5 atomic layers in the silicon crystal, crystal grains (droplets) of silicon are likely to be generated. On the other hand, if supply of a larger amount of carbon atoms is continued after 1 × 1, the carbon atoms having low diffusivity tend to deposit on the terrace. In any of these cases, appropriate step flow growth is hindered, but the responsiveness of supply control of silicon atoms or the like does not necessarily have to be so high, and √3 × √3 or 1 × 1 Even in the state, for example, if the above-described supply control is performed within several minutes, an appropriate step flow growth can be performed. Further, even if the surface rearrangement structure is not necessarily controlled to change from √3 × √3 to 1 × 1, the surface rearrangement structure may be constant or within a certain range as long as it is between these. Should be controlled.

【0047】また、珪素原子と炭素原子の供給は、上記
のように交互に行うものに限らず、いずれか一方を連続
的に供給し、他方を間欠的に供給するようにしてもい
い。この場合には、炭素原子の供給を間欠的に行う方
が、比較的制御が容易である。さらに、双方とも連続的
に供給するようにしても、珪素原子のわずかな過剰状態
が保たれるように制御すればよい。
Further, the supply of the silicon atoms and the carbon atoms is not limited to the above-mentioned alternate supply, and either one may be supplied continuously and the other may be supplied intermittently. In this case, the intermittent supply of carbon atoms is relatively easy to control. Further, even if both are supplied continuously, it is sufficient to control the silicon atoms so that a slight excess state is maintained.

【0048】また、高エネルギ反射電子線回折(RHE
ED)によって表面再配列構造を検出して珪素原子と炭
素原子の供給制御をする例を示したが、オージェ分析や
ESCA分析などによって直接基板表面の組成比を計測
し、珪素原子と炭素原子の存在比を制御するようにして
もよい。さらに、あらかじめ表面再配列構造を検出し
て、珪素原子と炭素原子の供給量や供給パターンを決定
し、製造段階においては上記のような検出をすることな
く結晶成長させるようにしてもよい。
In addition, high energy reflection electron beam diffraction (RHE)
Although the supply of silicon and carbon atoms is controlled by detecting the surface rearrangement structure by ED), the composition ratio of the substrate surface is directly measured by Auger analysis or ESCA analysis, etc. The abundance ratio may be controlled. Further, the surface rearrangement structure may be detected in advance, the supply amounts and supply patterns of silicon atoms and carbon atoms may be determined, and the crystal may be grown at the manufacturing stage without performing the above detection.

【0049】また、元の炭化珪素基板のオフカット角度
(チルト角)は、上記のように3.5°に限らず、0.
05°以上、10°以下程度であれば、ステップフロー
成長による良好な結晶化を容易に行わせることができ
る。
Further, the off-cut angle (tilt angle) of the original silicon carbide substrate is not limited to 3.5 ° as described above, but may be 0.5 °.
When it is about 05 ° or more and about 10 ° or less, favorable crystallization by step flow growth can be easily performed.

【0050】また、分子線エピタキシ(MBE)装置を
用いて結晶成長させる例を示したが、これに限らず、C
VD装置等を用いるようにしてもよい。
Although an example of crystal growth using a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus has been described, the invention is not limited to this.
A VD device or the like may be used.

【0051】また、珪素原子および炭素原子の供給源
も、上記のものに限らず、例えばシランやプロパン、ア
セチレン等のガスなど、他の供給源を用いてもよい。
The supply sources of silicon atoms and carbon atoms are not limited to those described above, and other supply sources such as a gas such as silane, propane, and acetylene may be used.

【0052】(実施の形態2)本発明の実施の形態2と
して、六方晶炭化珪素の炭素面(C面)上に六方晶炭化
珪素を結晶成長させる例を説明する。
(Embodiment 2) As Embodiment 2 of the present invention, an example in which hexagonal silicon carbide is grown on a carbon plane (C plane) of hexagonal silicon carbide will be described.

【0053】この実施の形態2においては、前記(数
2)面(C面)の前記(数5)方向に3.5°のオフカ
ット面を有する6Hまたは4Hの六方晶炭化珪素の単結
晶基板を用いる。この基板を実施の形態1と同様に分子
線エピタキシ装置に導入して清浄化した。なお、この場
合、一定の表面再配列構造は確認されなかった。これ
は、前記(数2)面(C面)の場合には、特に安定な清
浄な表面再配列構造がないためと考えられる。
In the second embodiment, a single crystal of 6H or 4H hexagonal silicon carbide having a 3.5 ° off-cut surface in the (Equation 5) direction of the (Equation 2) plane (C plane) A substrate is used. This substrate was introduced into a molecular beam epitaxy apparatus and cleaned as in the first embodiment. In this case, a certain surface rearrangement structure was not confirmed. This is presumably because the (Equation 2) plane (C plane) does not have a particularly stable and clean surface rearrangement structure.

【0054】次に、実施の形態1と同様に珪素および炭
素を順次供給すると、まず、基板の表面に17/9原子
層分の珪素原子が供給された時点で、図6に示すよう
に、3×3表面再配列構造の状態となる。また、上記珪
素原子と同数程度の炭素原子が供給されると、3×3表
面再配列構造を示すRHEED回折ストリークが弱まっ
て1×1パターンに近くなり、約4原子層分の原子数に
相当する六方晶炭化珪素のステップフロー成長が生じ
る。
Next, when silicon and carbon are sequentially supplied in the same manner as in the first embodiment, first, when silicon atoms for a 17/9 atomic layer are supplied to the surface of the substrate, as shown in FIG. A 3 × 3 surface rearrangement structure results. Also, when about the same number of carbon atoms as the above silicon atoms are supplied, the RHEED diffraction streak showing the 3 × 3 surface rearrangement structure is weakened and approaches a 1 × 1 pattern, which corresponds to the number of atoms of about 4 atomic layers. Flow growth of hexagonal silicon carbide occurs.

【0055】以下、上記珪素の供給と炭素の供給とを繰
り返すことにより、表面再配列構造が3×3と1×1と
の間で変化しながら、平滑な表面を有する良結晶性の六
方晶炭化珪素ホモエピタキシャル薄膜が得られた。
Hereinafter, by repeating the supply of silicon and the supply of carbon, the surface rearrangement structure changes between 3.times.3 and 1.times.1, and a highly crystalline hexagonal crystal having a smooth surface is obtained. A silicon carbide homoepitaxial thin film was obtained.

【0056】このように、六方晶炭化珪素のC面上に六
方晶炭化珪素を結晶成長させる場合には、前記実施の形
態1と珪素原子および炭素原子の供給制御は異なるが、
やはり、珪素原子がわずかに過剰になるように珪素原子
と炭素原子を供給することによって、比較的低い温度で
良好な結晶構造の炭化珪素薄膜を形成することができ
る。
As described above, when crystal growth of hexagonal silicon carbide is performed on the C-plane of hexagonal silicon carbide, supply control of silicon atoms and carbon atoms is different from that of the first embodiment.
By supplying silicon atoms and carbon atoms so that silicon atoms become slightly excessive, a silicon carbide thin film having a favorable crystal structure can be formed at a relatively low temperature.

【0057】なお、本実施の形態2においても、前記実
施の形態1で説明したような種々の変形が可能である。
In the second embodiment as well, various modifications as described in the first embodiment are possible.

【0058】(実施の形態3)本発明の実施の形態3と
して、六方晶炭化珪素の珪素面(Si面)上に立方晶炭
化珪素を結晶成長させる例を説明する。
(Embodiment 3) As Embodiment 3 of the present invention, an example in which cubic silicon carbide is grown on a silicon surface (Si surface) of hexagonal silicon carbide will be described.

【0059】この実施の形態3においては、(000
1)面(Si面)の前記(数1)方向に3.5°のオフ
カット面を有する6Hまたは4Hの炭化珪素の単結晶基
板を用いる。この基板を実施の形態1と同様に分子線エ
ピタキシ装置に導入して1100℃に加熱し、清浄化し
た。この場合には、高エネルギ反射電子線回折(RHE
ED)によって、実施の形態1と同様に√3×√3の表
面再配列構造(図4)であることが確認された。
In the third embodiment, (000
1) A single-crystal substrate of 6H or 4H silicon carbide having a 3.5 ° off-cut plane in the (Formula 1) direction of the plane (Si plane) is used. This substrate was introduced into a molecular beam epitaxy apparatus and heated to 1100 ° C. for cleaning in the same manner as in the first embodiment. In this case, high energy reflected electron diffraction (RHE)
ED), it was confirmed that the surface had a surface rearrangement structure of √3 × √3 (FIG. 4) as in the first embodiment.

【0060】次に、実施の形態1と、基板の温度、およ
び珪素と炭素の供給量が異なる点を除き、同様にして結
晶成長をさせる。すなわち、基板の温度を低下させて9
00℃に保った後、まず珪素を供給すると、実施の形態
1と同様に、1/3原子層分の珪素原子が供給されるこ
とにより、上記√3×√3の表面再配列構造がより鮮明
に観察されるが、さらに珪素の供給を続けると、図7に
示すように、16/9原子層分の原子数の過剰な珪素原
子がテラス上に堆積した3×3表面再配列構造の状態と
なる。また、上記珪素原子と同数程度の炭素原子が供給
されると、3×3表面再配列構造を示すRHEED回折
ストリークが弱まり、√3×√3パターンを経て、1×
1パターンに近くなり、約4原子層分の原子数に相当す
る立方晶炭化珪素(111)のステップフロー成長が生
じる。
Next, crystal growth is performed in the same manner as in the first embodiment except that the substrate temperature and the supply amounts of silicon and carbon are different. That is, by lowering the temperature of the substrate, 9
After maintaining the temperature at 00 ° C., when silicon is supplied first, silicon atoms of 1 / atomic layer are supplied as in the first embodiment, whereby the surface rearrangement structure of √3 × 構造 3 is more improved. Although it is clearly observed, when the supply of silicon is further continued, as shown in FIG. 7, a 3 × 3 surface rearrangement structure in which an excessive number of silicon atoms corresponding to a 16/9 atomic layer is deposited on the terraces. State. When about the same number of carbon atoms as the silicon atoms are supplied, the RHEED diffraction streak showing the 3 × 3 surface rearrangement structure is weakened, and the 1 × 3
Step pattern growth of cubic silicon carbide (111), which is close to one pattern and corresponds to the number of atoms of about 4 atomic layers, occurs.

【0061】ここで、前記実施の形態1、2のように六
方晶ではなく、立方晶が結晶成長するのは、基板の温度
が900℃に保たれているためである。このように比較
的低い温度では、テラス4の表面に堆積した珪素原子の
表面拡散程度が低く、炭素原子が供給されたときに、テ
ラス4上で、上記温度において比較的安定な立方晶の結
晶化が生じやすくなり、ステップエッジ5付近で結晶化
する完全なステップフロー成長が行われないために、上
記のように六方晶炭化珪素上に立方晶炭化珪素をヘテロ
エピタキシャル成長させることができる。
Here, the cubic crystal grows instead of the hexagonal crystal as in the first and second embodiments because the substrate temperature is kept at 900 ° C. At such a relatively low temperature, the degree of surface diffusion of silicon atoms deposited on the surface of the terrace 4 is low, and when carbon atoms are supplied, the cubic crystal which is relatively stable at the above temperature on the terrace 4 when the carbon atoms are supplied. Cubic silicon carbide can be heteroepitaxially grown on hexagonal silicon carbide as described above because complete step flow growth in which crystallization occurs near the step edge 5 is not performed.

【0062】以下、上記珪素の供給と炭素の供給とを繰
り返すことにより、表面再配列構造が3×3から、√3
×√3、1×1の間で変化しながら、平滑な表面を有す
る良結晶性の立方晶炭化珪素ヘテロエピタキシャル薄膜
が得られた。
Thereafter, by repeating the supply of silicon and the supply of carbon, the surface rearrangement structure is changed from 3 × 3 to √3
A good crystallinity cubic silicon carbide heteroepitaxial thin film having a smooth surface was obtained while changing between × 、 13 and 1 × 1.

【0063】上記のように、珪素原子がわずかに過剰に
なるように珪素原子と炭素原子を供給することによっ
て、比較的低い温度で炭化珪素を結晶化させ、立方晶炭
化珪素薄膜を形成することが容易にできる。特に、上記
のように(0001)面の前記(数1)方向のオフカッ
ト面を有する六方晶炭化珪素基板上に立方晶炭化珪素を
ステップフロー成長させることにより、ツウィンのない
単相の立方晶炭化珪素を結晶成長させることができる。
より具体的には、例えば20μmの厚さにまで立方晶炭
化珪素を成長させた場合、1mm四方以上の範囲にわた
って無欠陥単結晶表面を有するヘテロエピタキシャル薄
膜が得られた。
As described above, silicon carbide is supplied at a relatively low temperature by supplying silicon atoms and carbon atoms so that silicon atoms become slightly excessive, thereby forming a cubic silicon carbide thin film. Can be easily done. In particular, as described above, cubic silicon carbide is grown on a hexagonal silicon carbide substrate having the (0001) plane off-cut surface in the (Equation 1) direction by step flow to obtain a single-phase cubic crystal without twins. Silicon carbide can be crystal-grown.
More specifically, when cubic silicon carbide was grown to a thickness of, for example, 20 μm, a heteroepitaxial thin film having a defect-free single crystal surface over a range of 1 mm square or more was obtained.

【0064】なお、元の炭化珪素基板として6Hまたは
4Hのいずれの六方晶炭化珪素基板を用いた場合でも、
同様の結晶成長が行われた。また、前記(数2)面(C
面)の前記(数1)方向に3.5°等のオフカット面を
有する六方晶炭化珪素基板を用いてもよい。さらに、元
の炭化珪素基板として立方晶炭化珪素基板を用いてもよ
い。この場合には、上記六方晶炭化珪素における(00
01)面または前記(数2)面の(数1)方向のオフカ
ット面に相当する、(111)面(Si面)または前記
(数3)面(C面)の<112>方向のオフカット面を
有する立方晶炭化珪素基板を用いれば、同様に良好な結
晶構造の立方晶炭化珪素薄膜を形成することができる。
ここで、上記のように六方晶の前記(数2)面(C面)
や、立方晶の(111)面(Si面)または前記(数
3)面(C面)を用いて立方晶炭化珪素を結晶化させる
場合も、珪素原子および炭素原子の供給制御の指標とし
て、1×1〜3×3の表面再配列構造を適用することが
できる。また、前記(数5)方向または<110>方向
のオフカット面を有する六方晶または立方晶の炭化珪素
基板を用いる場合でも、形成される立方晶炭化珪素結晶
にツウィンが生じやすくはなるが、珪素原子を過剰に供
給することにより比較的低い温度で容易に結晶化させる
ことができるという効果は得られる。
Note that, regardless of whether a hexagonal silicon carbide substrate of 6H or 4H is used as the original silicon carbide substrate,
Similar crystal growth was performed. The (Equation 2) plane (C
A hexagonal silicon carbide substrate having an off-cut surface of 3.5 ° or the like in the (Formula 1) direction of the (surface) may be used. Further, a cubic silicon carbide substrate may be used as the original silicon carbide substrate. In this case, (00) in the above hexagonal silicon carbide
The (111) plane (Si plane) or the (112) plane (C plane) in the <112> direction, which corresponds to the off-cut plane in the (numerical 1) direction of the (01) plane or the (numerical 2) plane. If a cubic silicon carbide substrate having a cut surface is used, a cubic silicon carbide thin film having a similarly favorable crystal structure can be formed.
Here, as described above, the (Formula 2) plane (C plane) of the hexagonal crystal is used.
Also, when cubic silicon carbide is crystallized using the cubic (111) plane (Si plane) or the (Equation 3) plane (C plane), as an index for controlling the supply of silicon atoms and carbon atoms, A 1 × 1 × 3 × 3 surface rearrangement structure can be applied. Further, even when a hexagonal or cubic silicon carbide substrate having an off-cut surface in the (Equation 5) direction or the <110> direction is used, twins are likely to occur in the formed cubic silicon carbide crystal. By supplying an excessive amount of silicon atoms, the effect of easily crystallizing at a relatively low temperature can be obtained.

【0065】なお、本実施の形態3においても、上記の
他に、前記実施の形態1で説明したような種々の変形が
可能である。
In the third embodiment, in addition to the above, various modifications as described in the first embodiment are possible.

【0066】(実施の形態4)前記実施の形態1〜3と
同様にして六方晶または立方晶炭化珪素の結晶成長をさ
せる際に、2×10-8Torr程度の圧力でアンモニア
ガスを供給した。これにより、少なくとも5×1018
/cm-3、また、基板温度等の条件によっては、1019
個/cm-3以上や、さらに5×1019個/cm-3以上の
窒素を格子置換位置に含み、かつ膜荒れ等がなく良好な
結晶性を有する炭化結晶薄膜を形成することができた。
すなわち、珪素原子がわずかに過剰になるように珪素原
子と炭素原子を供給することによって、基板の温度を前
記のように低く保って結晶化させることができるため、
窒素原子を炭化珪素結晶の格子置換位置に効率よく導入
させて高密度ドーピングを行うことが容易にできる。
(Embodiment 4) When crystal growth of hexagonal or cubic silicon carbide is performed in the same manner as in Embodiments 1 to 3, ammonia gas is supplied at a pressure of about 2 × 10 −8 Torr. . As a result, at least 5 × 10 18 / cm −3 , and depending on conditions such as the substrate temperature, 10 19
/ Cm -3 or more, or 5 × 10 19 / cm -3 or more in the lattice substitution position, and a carbonized crystal thin film having good crystallinity without film roughness or the like could be formed. .
That is, by supplying silicon atoms and carbon atoms so that silicon atoms become slightly excessive, crystallization can be performed while keeping the substrate temperature low as described above.
High-density doping can be easily performed by efficiently introducing nitrogen atoms into the lattice substitution positions of the silicon carbide crystal.

【0067】(実施の形態5)炭化珪素の結晶成長に先
立って、図8に示すように、六方晶炭化珪素基板11の
表面に、開口部12aが形成された酸化珪素膜12から
成るマスクパターンを形成した。より具体的には、例え
ば500nmの厚さの酸化珪素膜12を例えば六方晶炭
化珪素基板11の表面にスパッタ蒸着し、バッファフッ
酸エッチングを用いたフォトリソグラフィによりパター
ニングして、開口部12aを形成した。
(Embodiment 5) Prior to silicon carbide crystal growth, as shown in FIG. 8, a mask pattern made of a silicon oxide film 12 having an opening 12a formed in the surface of hexagonal silicon carbide substrate 11, as shown in FIG. Was formed. More specifically, a silicon oxide film 12 having a thickness of, for example, 500 nm is sputter-deposited on, for example, the surface of a hexagonal silicon carbide substrate 11 and patterned by photolithography using buffered hydrofluoric acid etching to form an opening 12a. did.

【0068】上記六方晶炭化珪素基板11をCVD成長
室内に導入し、前記実施の形態1〜3で分子線エピタキ
シ装置を用いた場合と同様に、珪素原子がわずかに過剰
になるように珪素原子と炭素原子の供給制御をして、炭
化珪素結晶をエピタキシャル成長させた。これにより、
結晶性が良好で平坦な炭化珪素薄膜を、開口部12aの
領域だけに選択的に形成することができた。すなわち、
基板の温度を前記のように低く保つことができることに
より、酸化珪素膜12に損傷を与えることがないため、
基板の所望の領域だけに炭化珪素を結晶成長させること
が容易にできる。
The above-mentioned hexagonal silicon carbide substrate 11 is introduced into a CVD growth chamber, and as in the case of using the molecular beam epitaxy apparatus in the above-described first to third embodiments, silicon atoms are added so that silicon atoms become slightly excessive. And the supply of carbon atoms were controlled to epitaxially grow a silicon carbide crystal. This allows
A flat silicon carbide thin film with good crystallinity could be selectively formed only in the region of the opening 12a. That is,
Since the temperature of the substrate can be kept low as described above, the silicon oxide film 12 is not damaged.
Silicon carbide can be easily grown only in a desired region of the substrate.

【0069】なお、マスクパターンの材料は上記のよう
に酸化珪素膜に限るものではない。すなわち、基板温度
を低く保つことができるので、種々の公知のマスク材料
を用いることができる。
The material of the mask pattern is not limited to the silicon oxide film as described above. That is, since the substrate temperature can be kept low, various known mask materials can be used.

【0070】また、CVD装置を用いる場合に限らず、
実施の形態1〜3と同様に分子線エピタキシ装置を用い
る場合に上記のようなマスキングを行うようにしてもよ
い。
Further, the present invention is not limited to the case where a CVD apparatus is used.
Masking as described above may be performed when using a molecular beam epitaxy apparatus as in the first to third embodiments.

【0071】(実施の形態6)六方晶炭化珪素結晶と立
方晶炭化珪素結晶とが積層された炭化珪素基板を形成す
る例について説明する。この例では、六方晶炭化珪素結
晶層の間に、立方晶炭化珪素結晶層が介在した積層構造
が形成される。
(Embodiment 6) An example of forming a silicon carbide substrate in which hexagonal silicon carbide crystals and cubic silicon carbide crystals are stacked will be described. In this example, a stacked structure in which a cubic silicon carbide crystal layer is interposed between hexagonal silicon carbide crystal layers is formed.

【0072】まず、図9(a)に示すように、前記実施
の形態5と同様に、マスクパターンである酸化珪素膜1
2を用いて、{0001}面の前記(数1)方向に4°
のオフカット面31bを有する6Hまたは4Hの六方晶
炭化珪素結晶31上に、部分的に立方晶炭化珪素結晶3
2を形成する。次に、バッファーフッ酸処理により、図
9(b)に示すように、酸化珪素膜12を除去して前処
理基板33を形成する。
First, as shown in FIG. 9A, similar to the fifth embodiment, the silicon oxide film
2 in the (Equation 1) direction of the {0001} plane
Cubic silicon carbide crystal 3 on 6H or 4H hexagonal silicon carbide crystal 31 having off-cut surface 31b of
Form 2 Next, as shown in FIG. 9B, the silicon oxide film 12 is removed by a buffer hydrofluoric acid treatment to form a pre-processed substrate 33.

【0073】この前処理基板33をCVD成長室内に導
入し、通常のステップフロー成長を行わせる。より詳し
くは、例えば気圧が大気圧、基板温度は1600℃、キ
ャリアガスとしての水素を2slm、シランを1scc
m、プロパンを1sccmのCVD条件で結晶成長させ
る。
The pre-processed substrate 33 is introduced into a CVD growth chamber, and normal step flow growth is performed. More specifically, for example, the atmospheric pressure is atmospheric pressure, the substrate temperature is 1600 ° C., hydrogen as a carrier gas is 2 slm, and silane is 1 scc.
m and propane are grown under a CVD condition of 1 sccm.

【0074】これにより、図9(c)に示すように、例
えば1時間で3μm程度の膜厚の六方晶炭化珪素結晶3
4および立方晶炭化珪素結晶35がステップフロー成長
する。この場合、基板温度が比較的高いので、各ステッ
プエッジ31a,32aにおいて、それぞれ元の結晶構
造と同じ結晶構造のステップフロー成長が行われる。す
なわち、六方晶のステップエッジ31aからは六方晶炭
化珪素結晶34が成長し、立方晶のステップエッジ32
aからは立方晶炭化珪素結晶35が成長し、それぞれ斜
めの界面の方向に結晶化が進行する。したがって、六方
晶炭化珪素結晶34,34の間に立方晶炭化珪素結晶3
5が介在した積層構造が形成される。このようにして形
成された六方晶炭化珪素結晶34と立方晶炭化珪素結晶
35との界面は、欠陥を含まない完全な結晶性を有する
急峻な界面であることが確認された。
As a result, as shown in FIG. 9C, the hexagonal silicon carbide crystal 3 having a thickness of about 3 μm in one hour, for example, is obtained.
4 and cubic silicon carbide crystal 35 are grown in a step flow. In this case, since the substrate temperature is relatively high, step flow growth of the same crystal structure as the original crystal structure is performed at each of the step edges 31a and 32a. In other words, hexagonal silicon carbide crystal 34 grows from hexagonal step edge 31a, and cubic step edge 32a.
A cubic silicon carbide crystal 35 grows from a, and crystallization proceeds in the direction of the respective oblique interfaces. Therefore, cubic silicon carbide crystal 3 between hexagonal silicon carbide crystals 34, 34
5 is formed. It was confirmed that the interface between hexagonal silicon carbide crystal 34 and cubic silicon carbide crystal 35 formed in this manner was a steep interface having no defects and complete crystallinity.

【0075】上記のように、あらかじめ立方晶炭化珪素
結晶が形成された領域と六方晶炭化珪素結晶が形成され
た領域とを有するオフカット基板を用いてステップフロ
ー成長させることにより、立方晶炭化珪素結晶上に六方
晶炭化珪素結晶を形成したり、また六方晶炭化珪素結晶
上に立方晶炭化珪素結晶を形成したり、さらに、両者を
交互に形成したりすることが容易にできる。
As described above, cubic silicon carbide is grown by step flow growth using an off-cut substrate having a region in which cubic silicon carbide crystals are formed in advance and a region in which hexagonal silicon carbide crystals are formed. It is easy to form a hexagonal silicon carbide crystal on a crystal, to form a cubic silicon carbide crystal on a hexagonal silicon carbide crystal, and to alternately form both.

【0076】なお、上記前処理基板を形成するための元
の六方晶炭化珪素基板として、6Hまたは4Hのいずれ
の六方晶炭化珪素基板を用いた場合でも、同様に積層構
造を形成することができる。
It should be noted that even when a hexagonal silicon carbide substrate of 6H or 4H is used as the original hexagonal silicon carbide substrate for forming the pre-processed substrate, a laminated structure can be similarly formed. .

【0077】また、元の炭化珪素基板のオフカット角度
(チルト角)は、上記のように4°に限らず、0.05
°以上、10°以下程度であれば、ステップフロー成長
による上記のような積層構造を容易に形成することがで
きる。
The off-cut angle (tilt angle) of the original silicon carbide substrate is not limited to 4 ° as described above, but may be 0.05 °.
If the angle is not less than about 10 ° and not more than about 10 °, the above-described laminated structure can be easily formed by step flow growth.

【0078】また、前処理基板の形成や前処理基板のス
テップフロー成長は、分子線エピタキシ装置およびCV
D装置を用いるものに限らず、それぞれ、公知の種々の
結晶成長方法を適用することができる。
The formation of the pre-processed substrate and the step flow growth of the pre-processed substrate are performed by a molecular beam epitaxy apparatus and a CV
Not only the method using the D apparatus but also various known crystal growth methods can be applied.

【0079】さらに、前処理基板は、前記実施の形態5
と同様にして形成することによって、前記のようにツウ
ィンのない単相の立方晶炭化珪素結晶が形成された前処
理基板を形成することが容易にできるが、これに限ら
ず、基板上に互いに結晶系の異なる良好な結晶性の領域
が形成されたものであればよく、特に、600℃以上、
1800℃以下程度の基板温度で他の領域と結晶系の異
なる領域が形成された前処理基板を用いれば、界面の結
晶性が良好な積層構造を形成することが容易にできる。
Further, the pre-processed substrate is the same as that of the fifth embodiment.
By forming in the same manner as described above, it is easy to form a pre-processed substrate on which a single-phase cubic silicon carbide crystal without twins is formed as described above. However, the present invention is not limited to this. What is necessary is that a good crystallinity region having a different crystal system is formed.
By using a pre-processed substrate in which a region having a different crystal system from another region is formed at a substrate temperature of about 1800 ° C. or less, a laminated structure with good crystallinity at an interface can be easily formed.

【0080】(実施の形態7)上記実施の形態6と同様
に、六方晶炭化珪素結晶と立方晶炭化珪素結晶とが積層
された炭化珪素基板を形成する他の例について説明す
る。この例では、立方晶炭化珪素結晶層の間に、六方晶
炭化珪素結晶層が介在した積層構造が形成される。
(Embodiment 7) Another example of forming a silicon carbide substrate in which a hexagonal silicon carbide crystal and a cubic silicon carbide crystal are stacked in the same manner as in the sixth embodiment will be described. In this example, a stacked structure in which a hexagonal silicon carbide crystal layer is interposed between cubic silicon carbide crystal layers is formed.

【0081】まず、前記実施の形態3と同様にして、図
10(a)に示すように、六方晶炭化珪素結晶41上の
全面にわたって、膜厚が例えば30nmの立方晶炭化珪
素結晶42を成長させる。
First, a cubic silicon carbide crystal 42 having a thickness of, for example, 30 nm is grown over the entire surface of hexagonal silicon carbide crystal 41 as shown in FIG. Let it.

【0082】次に、メタルマスクのマスクパターン43
を用いて、図10(b)に示すように立方晶炭化珪素結
晶42の所定の領域42aの部分だけに、30keVの
加速電圧で酸素イオンを1016cm-2程度のドーズ量で
イオン打ち込みし、さらに、1100℃の酸素雰囲気中
でウェット酸化を1時間行う。これにより、上記領域4
2aの部分の立方晶炭化珪素結晶42は完全な酸化膜と
なる。
Next, the mask pattern 43 of the metal mask
As shown in FIG. 10 (b), oxygen ions are implanted into only a predetermined region 42a of the cubic silicon carbide crystal 42 at an acceleration voltage of 30 keV and a dose of about 10 16 cm −2. Further, wet oxidation is performed for 1 hour in an oxygen atmosphere at 1100 ° C. Thereby, the area 4
The cubic silicon carbide crystal 42 in the portion 2a becomes a complete oxide film.

【0083】その後、バッファードフッ酸エッチング処
理を行うと、酸化膜となった領域42aの部分が除去さ
れ、図10(c)に示すように、立方晶炭化珪素結晶4
2の一部に六方晶炭化珪素結晶41が露出した前処理基
板44が形成される。
Thereafter, when a buffered hydrofluoric acid etching process is performed, the portion of the region 42a that has become the oxide film is removed, and as shown in FIG.
Pretreatment substrate 44 having hexagonal silicon carbide crystal 41 exposed in part of 2 is formed.

【0084】そこで、実施の形態6と同様に、上記前処
理基板44をCVD成長室内に導入して結晶成長させる
と、図10(d)に示すように、立方晶炭化珪素結晶4
6,46の間に六方晶炭化珪素結晶45が介在した積層
構造が形成される。
Therefore, as in the sixth embodiment, when the pre-processed substrate 44 is introduced into a CVD growth chamber to grow a crystal, as shown in FIG.
A stacked structure in which hexagonal silicon carbide crystal 45 is interposed between 6, 46 is formed.

【0085】(実施の形態8)4H六方晶炭化珪素結晶
層の間に、6H六方晶炭化珪素結晶層が介在した炭化珪
素基板を形成する例について説明する。
(Embodiment 8) An example in which a silicon carbide substrate having a 6H hexagonal silicon carbide crystal layer interposed between 4H hexagonal silicon carbide crystal layers will be described.

【0086】まず、(0001)面(Si面)の前記
(数1)方向に1°のオフカット面を有する4H六方炭
化珪素の単結晶基板を所定のマスクパターンの黒鉛板ま
たは黒鉛シートによりマスクしてCVD成長室内に導入
し、上記マスクパターンに対応する部分的な領域だけに
ステップフロー成長を行わせる。より詳しくは、例えば
気圧が大気圧、基板温度は1500℃、キャリアガスと
しての水素を2slm、シランを1sccm、プロパン
を1sccmのCVD条件で10分間結晶成長させ、4
H六方晶炭化珪素基板の表面における所定の領域に、
0.5μm程度の膜厚の6H六方晶炭化珪素薄膜を形成
して、前処理基板とする。この場合、基板は上記のよう
に4H炭化珪素であるが、基板温度が上記のように15
00℃に保たれ、また、テラス幅が比較的広い(オフカ
ット角度が1°である)ことによって6H炭化珪素結晶
が成長する。すなわち、上記のような基板温度等の場
合、テラスの表面における珪素原子および炭素原子の表
面拡散程度が不十分となり、ステップエッジ付近で結晶
化する完全なステップフロー成長が行われず、テラス上
で、上記温度において比較的安定な6H炭化珪素の結晶
化が生じやすくなり、ヘテロエピタキシャル成長するこ
とになる。
First, a single crystal substrate of 4H hexagonal silicon carbide having a 1 ° off-cut surface in the (Formula 1) direction of the (0001) plane (Si plane) is masked with a graphite plate or graphite sheet having a predetermined mask pattern. Then, it is introduced into a CVD growth chamber, and step flow growth is performed only in a partial region corresponding to the mask pattern. More specifically, for example, the pressure is set to atmospheric pressure, the substrate temperature is set to 1500 ° C., hydrogen is used as a carrier gas at 2 slm, silane is set at 1 sccm, and propane is grown at a CVD condition of 1 sccm for 10 minutes.
In a predetermined region on the surface of the H hexagonal silicon carbide substrate,
A 6H hexagonal silicon carbide thin film having a thickness of about 0.5 μm is formed to be a pre-processed substrate. In this case, the substrate is 4H silicon carbide as described above, but the substrate temperature is 15
The 6H silicon carbide crystal grows when the temperature is kept at 00 ° C. and the terrace width is relatively wide (off-cut angle is 1 °). That is, in the case of the substrate temperature or the like as described above, the degree of surface diffusion of silicon atoms and carbon atoms on the terrace surface becomes insufficient, and complete step flow growth for crystallization near the step edge is not performed. Crystallization of 6H silicon carbide, which is relatively stable at the above-mentioned temperature, is likely to occur, resulting in heteroepitaxial growth.

【0087】次に、上記前処理基板をCVD成長室内に
導入し、通常のステップフロー成長を行わせる。より詳
しくは、例えば気圧が大気圧、基板温度は1600℃、
キャリアガスとしての水素を2slm、シランを1sc
cm、プロパンを1sccmのCVD条件で結晶成長さ
せる。
Next, the pre-processed substrate is introduced into a CVD growth chamber, and normal step flow growth is performed. More specifically, for example, the atmospheric pressure is atmospheric pressure, the substrate temperature is 1600 ° C.,
2 slm of hydrogen as carrier gas and 1 sc of silane
cm and propane are grown under CVD conditions of 1 sccm.

【0088】これにより、例えば1時間で3μm程度の
膜厚の4Hおよび6Hの六方晶炭化珪素結晶がステップ
フロー成長する。この場合、基板温度が高いので、各ス
テップエッジにおいて、それぞれ元の結晶構造と同じ結
晶構造のステップフロー成長が行われる。すなわち、4
Hまたは6Hのステップエッジからは、それぞれ4Hま
たは6Hの六方晶炭化珪素結晶が成長し、それぞれ斜め
の界面の方向に結晶化が進行する。したがって、4H六
方晶炭化珪素結晶の間に6H六方晶炭化珪素結晶が介在
した積層構造が形成される。
Thus, for example, 4H and 6H hexagonal silicon carbide crystals having a thickness of about 3 μm are grown in a step flow in one hour, for example. In this case, since the substrate temperature is high, step flow growth of the same crystal structure as the original crystal structure is performed at each step edge. That is, 4
From the H or 6H step edge, 4H or 6H hexagonal silicon carbide crystals grow, respectively, and crystallization proceeds in the direction of the oblique interface. Therefore, a laminated structure in which 6H hexagonal silicon carbide crystals are interposed between 4H hexagonal silicon carbide crystals is formed.

【0089】なお、互いに異なる結晶系の炭化珪素結晶
層の積層は、上記実施の形態6〜8で示したものに限ら
ず、あらかじめ部分的に互いに異なる結晶系の炭化珪素
結晶領域が形成されたオフカット基板を用いてステップ
フロー成長させることにより、種々の結晶系の炭化珪素
結晶層を複数積層することが容易にできる。
The stacking of the silicon carbide crystal layers of different crystal systems is not limited to that described in the sixth to eighth embodiments, and silicon carbide crystal regions of different crystal systems are partially formed in advance. By performing step flow growth using an off-cut substrate, a plurality of silicon carbide crystal layers of various crystal systems can be easily stacked.

【0090】(実施の形態9)上記実施の形態8に示し
たCVD条件で、基板温度を1600℃、基板を、6H
六方晶炭化珪素結晶の{0001}面から前記(数1)
方向に3.5°傾いたオフカット面として5μmの膜厚
に結晶成長させると、ステップバンチングが殆ど起こら
ず、10nm以下の表面粗さが得られた。一方、同様の
条件で、オフカット方向を前記(数5)とした場合に
は、ステップバンチングにより、5μmの膜厚の成長後
に、表面粗さが数十nm以上の粗さを示した。なお、形
成された炭化珪素結晶の結晶性は、いずれも良好であっ
た。
(Embodiment 9) Under the CVD conditions shown in Embodiment 8, the substrate temperature is 1600 ° C., and the substrate is
From the {0001} plane of the hexagonal silicon carbide crystal,
When a crystal was grown to a thickness of 5 μm as an off-cut surface inclined by 3.5 ° in the direction, step bunching hardly occurred, and a surface roughness of 10 nm or less was obtained. On the other hand, when the off-cut direction was set to the above (Equation 5) under the same conditions, the surface roughness showed a roughness of several tens nm or more after the growth of a film thickness of 5 μm by step bunching. Note that the formed silicon carbide crystals had good crystallinity.

【0091】すなわち、例えば微細加工に用いる場合な
ど、ステップバンチングに起因する表面粗さの増大が問
題となる場合には、前記(数1)方向のオフカット方向
を用いることによって、その問題を解消することができ
る。
That is, when the increase in surface roughness due to step bunching poses a problem, for example, in the case of using for fine processing, the problem is solved by using the off-cut direction in the above (Formula 1) direction. can do.

【0092】なお、6Hの炭化珪素の場合に限らず、他
の結晶系の炭化珪素の場合でも、同様の効果は得られ
る。
The same effect can be obtained not only in the case of silicon carbide of 6H but also in the case of silicon carbide of another crystal system.

【0093】(実施の形態10)前記実施の形態6〜8
で示したような炭化珪素基板を用いた半導体素子の例を
説明する。
(Embodiment 10) Embodiments 6 to 8
An example of a semiconductor device using a silicon carbide substrate as shown in FIG.

【0094】この半導体素子は、図11に示すように、
半絶縁性の六方晶炭化珪素基板51上に、立方晶炭化珪
素層52が急峻なヘテロ界面を介して積層され、さら
に、立方晶炭化珪素層52の表面に、窒素(N)ドープ
されたドープ六方晶炭化珪素層53が積層されている。
上記のような層状構造は、前記実施の形態6〜8に示し
たような方法により形成されている。
As shown in FIG.
A cubic silicon carbide layer 52 is stacked on a semi-insulating hexagonal silicon carbide substrate 51 via a steep hetero interface, and the surface of the cubic silicon carbide layer 52 is doped with nitrogen (N). Hexagonal silicon carbide layer 53 is laminated.
The layered structure as described above is formed by the method described in the sixth to eighth embodiments.

【0095】上記ドープ六方晶炭化珪素層53の情報に
は、ソース電極54、ドレイン電極55、およびゲート
電極56が設けられている。ソース電極54およびドレ
イン電極55は、ニッケル(Ni)の蒸着およびフォト
リソグラフィによって形成され、アルゴン(Ar)によ
る1000℃で3分間の熱処理によりアロイ化してい
る。これらのソース電極54およびドレイン電極55
は、ドープ六方晶炭化珪素層53にオーミック接合され
ている。一方、ゲート電極は、金(Au)の蒸着および
フォトリソグラフィによって形成され、ドープ六方晶炭
化珪素層53にショットキー接合されている。
A source electrode 54, a drain electrode 55, and a gate electrode 56 are provided in the information of the doped hexagonal silicon carbide layer 53. The source electrode 54 and the drain electrode 55 are formed by vapor deposition of nickel (Ni) and photolithography, and are alloyed by heat treatment with argon (Ar) at 1000 ° C. for 3 minutes. These source electrode 54 and drain electrode 55
Is ohmic-joined to the doped hexagonal silicon carbide layer 53. On the other hand, the gate electrode is formed by vapor deposition of gold (Au) and photolithography, and is Schottky-bonded to the doped hexagonal silicon carbide layer 53.

【0096】上記立方晶炭化珪素層52とドープ六方晶
炭化珪素層53との界面に形成される、キャリアによる
2次元電子層57は、ソース電極54とドレイン電極5
5との間の電気伝導に影響を与える。すなわち、ゲート
電極56に印加されるバイアス電位に応じて、2次元電
子層57が制御され、ソース電極54、ドレイン電極5
5間の導通状態が変化して、高速なFETとして動作す
る。具体的には、1μmのゲート間隔の素子において、
10MHz以上の周波数でゲインが観測された。
The two-dimensional electron layer 57 formed of carriers at the interface between the cubic silicon carbide layer 52 and the doped hexagonal silicon carbide layer 53 is composed of a source electrode 54 and a drain electrode 5.
5 affects the electrical conduction. That is, the two-dimensional electron layer 57 is controlled in accordance with the bias potential applied to the gate electrode 56, and the source electrode 54, the drain electrode 5
The conduction state between 5 changes, and it operates as a high-speed FET. Specifically, in a device having a gate interval of 1 μm,
A gain was observed at a frequency of 10 MHz or more.

【0097】[0097]

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。
The present invention is embodied in the form described above and has the following effects.

【0098】すなわち、炭化珪素結晶をステップフロー
成長させる際に、珪素原子がわずかに過剰になるように
珪素原子と炭素原子を供給することによって、比較的低
い温度で良好な結晶構造の炭化珪素薄膜をエピタキシャ
ル成長させることができるとともに、マスキングによる
選択的な領域での結晶成長や高濃度の窒素ドーピングを
容易に行うこともできる。また、あらかじめ互いに異な
る結晶系の炭化珪素結晶が形成された領域を有するオフ
カット基板を用いてステップフロー成長させることによ
り、互いに異なる結晶系の炭化珪素結晶が積層された炭
化珪素基板を形成することが容易にできる。さらに、互
いに異なる結晶系の炭化珪素結晶が積層された炭化珪素
基板を用いて半導体素子を形成することにより、高速動
作が可能な半導体素子を得ることができるという効果を
奏する。
That is, when a silicon carbide crystal is grown in a step flow, silicon atoms and carbon atoms are supplied so that silicon atoms become slightly excessive, so that a silicon carbide thin film having a favorable crystal structure at a relatively low temperature. Can be epitaxially grown, and crystal growth in a selective region by masking and high-concentration nitrogen doping can be easily performed. In addition, by performing step flow growth using an off-cut substrate having regions in which mutually different silicon carbide crystals are formed in advance, a silicon carbide substrate in which silicon carbide crystals of different crystal systems are stacked is formed. Can be easily done. Further, by forming a semiconductor element using a silicon carbide substrate in which silicon carbide crystals of different crystal systems are stacked, a semiconductor element capable of high-speed operation can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の製造方法の一例を概念的に示す説明
図である。
FIG. 1 is an explanatory view conceptually showing an example of a manufacturing method of the present invention.

【図2】 本発明の製造方法の一例におけるオフカット
表面での炭化珪素結晶の成長を概念的に示す説明図であ
る。
FIG. 2 is an explanatory view conceptually showing growth of a silicon carbide crystal on an off-cut surface in an example of the manufacturing method of the present invention.

【図3】 本発明の製造方法の一例におけるオフカット
表面での炭化珪素結晶の成長を概念的に示す説明図であ
る。
FIG. 3 is an explanatory diagram conceptually showing growth of a silicon carbide crystal on an off-cut surface in an example of the manufacturing method of the present invention.

【図4】 六方晶炭化珪素(0001)面(Si面)の
√3×√3表面再配列状態を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory view showing a √3 × √3 surface rearrangement state of a hexagonal silicon carbide (0001) plane (Si plane).

【図5】 本発明の炭化珪素薄膜の表面の一例を示すS
EM写真を模式的に表した説明図である。
FIG. 5 shows an example of the surface of the silicon carbide thin film of the present invention.
It is explanatory drawing which represented the EM photograph typically.

【図6】 六方晶炭化珪素の前記(数2)面(C面)の
3×3表面再配列状態を示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory view showing a 3 × 3 surface rearrangement state of the (Formula 2) plane (C plane) of hexagonal silicon carbide.

【図7】 六方晶炭化珪素(0001)面(Si面)の
3×3表面再配列状態を示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a 3 × 3 surface rearrangement state of a hexagonal silicon carbide (0001) plane (Si plane).

【図8】 本発明の製造方法の一例における炭化珪素薄
膜の選択成長を示すための斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view showing selective growth of a silicon carbide thin film in an example of the manufacturing method of the present invention.

【図9】 実施の形態6の炭化珪素基板の製造工程を示
す説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the silicon carbide substrate according to the sixth embodiment.

【図10】 実施の形態7の炭化珪素基板の製造工程を
示す説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the silicon carbide substrate of the seventh embodiment.

【図11】 実施の形態10の半導体素子の構成を示す
断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device of a tenth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 1a 炭化珪素結晶成長表面 2 珪素原子 3 ボンド 4 テラス 5 ステップエッジ 6 ステップフロー成長 6a,6b 成長部 6d〜6f 成長部 11 六方晶炭化珪素基板 12 酸化珪素膜 12a 開口部 31 六方晶炭化珪素結晶 31a ステップエッジ 31b オフカット面 32 立方晶炭化珪素結晶 32a ステップエッジ 33 前処理基板 34 六方晶炭化珪素結晶 35 立方晶炭化珪素結晶 41 六方晶炭化珪素結晶 42 立方晶炭化珪素結晶 42a 領域 43 マスクパターン 44 前処理基板 45 六方晶炭化珪素結晶 46 立方晶炭化珪素結晶 51 六方晶炭化珪素基板 52 立方晶炭化珪素層 53 ドープ六方晶炭化珪素層 54 ソース電極 55 ドレイン電極 56 ゲート電極 57 2次元電子層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 1a Silicon carbide crystal growth surface 2 Silicon atom 3 Bond 4 Terrace 5 Step edge 6 Step flow growth 6a, 6b Growth part 6d-6f Growth part 11 Hexagonal silicon carbide substrate 12 Silicon oxide film 12a Opening 31 Hexagonal silicon carbide Crystal 31a Step edge 31b Off-cut surface 32 Cubic silicon carbide crystal 32a Step edge 33 Pretreatment substrate 34 Hexagonal silicon carbide crystal 35 Cubic silicon carbide crystal 41 Hexagonal silicon carbide crystal 42 Cubic silicon carbide crystal 42a Area 43 Mask pattern 44 Pretreatment substrate 45 Hexagonal silicon carbide crystal 46 Cubic silicon carbide crystal 51 Hexagonal silicon carbide substrate 52 Cubic silicon carbide layer 53 Doped hexagonal silicon carbide layer 54 Source electrode 55 Drain electrode 56 Gate electrode 57 Two-dimensional electron layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C30B 25/18 C30B 25/18 25/20 25/20 29/36 29/36 H01L 21/205 H01L 21/205 29/16 29/16 29/778 29/80 H 21/338 29/812 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI C30B 25/18 C30B 25/18 25/20 25/20 29/36 29/36 H01L 21/205 H01L 21/205 29/16 29 / 16 29/778 29/80 H 21/338 29/812

Claims (40)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】珪素原子と炭素原子とを炭化珪素基板の表
面に供給して炭化珪素結晶を成長させる炭化珪素基板の
製造方法であって、 上記炭化珪素結晶の成長開始前における上記炭化珪素基
板の表面が、六方晶炭化珪素結晶の{0001}面、お
よび立方晶炭化珪素結晶の{111}面から選ばれる何
れかの面から0.05°以上、かつ10°以下傾いたオ
フカット面であるとともに、 上記炭化珪素基板の表面において、珪素原子が、炭素原
子に対して過剰になるように、上記珪素原子および上記
炭素原子の供給量が制御されることを特徴とする炭化珪
素基板の製造方法。
1. A method of manufacturing a silicon carbide substrate, comprising: supplying silicon atoms and carbon atoms to a surface of a silicon carbide substrate to grow a silicon carbide crystal; Is an off-cut surface inclined at least 0.05 ° and at most 10 ° from any one of the {0001} plane of the hexagonal silicon carbide crystal and the {111} plane of the cubic silicon carbide crystal. In addition, on the surface of the silicon carbide substrate, the supply amounts of the silicon atoms and the carbon atoms are controlled so that the silicon atoms are excessive with respect to the carbon atoms. Method.
【請求項2】請求項1の炭化珪素基板の製造方法であっ
て、 上記成長させる炭化珪素結晶が、六方晶炭化珪素結晶で
あるとともに、 上記炭化珪素結晶の成長開始前における上記炭化珪素基
板の表面が、六方晶炭化珪素結晶の{0001}面から
ほぼ下記(数1)方向に傾いたオフカット面であること
を特徴とする炭化珪素基板の製造方法。 【数1】
2. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein said silicon carbide crystal to be grown is a hexagonal silicon carbide crystal, and said silicon carbide substrate is grown before said silicon carbide crystal starts growing. A method for manufacturing a silicon carbide substrate, characterized in that the surface is an off-cut surface inclined substantially in the following (formula 1) direction from the {0001} plane of the hexagonal silicon carbide crystal. (Equation 1)
【請求項3】請求項1の炭化珪素基板の製造方法であっ
て、 上記成長させる炭化珪素結晶が、立方晶炭化珪素結晶で
あるとともに、 上記炭化珪素結晶の成長開始前における上記炭化珪素基
板の表面が、六方晶炭化珪素結晶の{0001}面から
ほぼ前記(数1)方向に傾いたオフカット面、および立
方晶炭化珪素結晶の{111}面からほぼ<112>方
向に傾いたオフカット面から選ばれる何れかの面である
ことを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
3. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein said silicon carbide crystal to be grown is a cubic silicon carbide crystal, and said silicon carbide substrate is grown before said silicon carbide crystal starts growing. An off-cut surface whose surface is inclined from the {0001} plane of the hexagonal silicon carbide crystal substantially in the (Equation 1) direction, and an off-cut surface whose surface is inclined substantially in the <112> direction from the {111} plane of the cubic silicon carbide crystal A method for manufacturing a silicon carbide substrate, characterized in that the surface is any one selected from surfaces.
【請求項4】請求項1の炭化珪素基板の製造方法であっ
て、 上記炭化珪素結晶の成長開始前における上記炭化珪素基
板の表面が、六方晶炭化珪素結晶の(0001)面であ
り、 上記成長させる炭化珪素結晶が、六方晶炭化珪素結晶で
あるとともに、 上記珪素原子および上記炭素原子の供給量の制御が、上
記炭化珪素基板の表面構造がほぼ1×1表面構造とほぼ
√3×√3表面再配列構造との間になるように行われる
ことを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
4. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein the surface of the silicon carbide substrate before the start of the growth of the silicon carbide crystal is a (0001) plane of a hexagonal silicon carbide crystal, The silicon carbide crystal to be grown is a hexagonal silicon carbide crystal, and the supply of the silicon atoms and the carbon atoms is controlled by controlling the surface structure of the silicon carbide substrate to be approximately 1 × 1 surface structure and approximately {3 ×} A method for manufacturing a silicon carbide substrate, wherein the method is performed so as to be between three surface rearranged structures.
【請求項5】請求項1の炭化珪素基板の製造方法であっ
て、 上記炭化珪素結晶の成長開始前における上記炭化珪素基
板の表面が、六方晶炭化珪素結晶の(0001)面、お
よび立方晶炭化珪素結晶の(111)面から選ばれる何
れかの面であり、 上記成長させる炭化珪素結晶が、立方晶炭化珪素結晶で
あるとともに、 上記珪素原子および上記炭素原子の供給量の制御が、上
記炭化珪素基板の表面構造がほぼ1×1表面構造とほぼ
3×3表面再配列構造との間になるように行われること
を特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
5. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein a surface of said silicon carbide substrate before starting growth of said silicon carbide crystal has a (0001) plane of hexagonal silicon carbide crystal and a cubic crystal Any one of the (111) planes of the silicon carbide crystal, wherein the silicon carbide crystal to be grown is a cubic silicon carbide crystal, and the supply of the silicon atoms and the carbon atoms is controlled by A method for manufacturing a silicon carbide substrate, wherein the method is performed such that the surface structure of the silicon carbide substrate is between a substantially 1 × 1 surface structure and a substantially 3 × 3 surface rearrangement structure.
【請求項6】請求項1の炭化珪素基板の製造方法であっ
て、 上記炭化珪素結晶の成長開始前における上記炭化珪素基
板の表面が、六方晶炭化珪素結晶の下記(数2)面であ
り、 上記成長させる炭化珪素結晶が、六方晶炭化珪素結晶で
あるとともに、 上記珪素原子および上記炭素原子の供給量の制御が、上
記炭化珪素基板の表面構造がほぼ1×1表面構造とほぼ
3×3表面再配列構造との間になるように行われること
を特徴とする炭化珪素基板の製造方法。 【数2】
6. The method of manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein the surface of the silicon carbide substrate before the start of the growth of the silicon carbide crystal is the following (formula 2) plane of the hexagonal silicon carbide crystal. The silicon carbide crystal to be grown is a hexagonal silicon carbide crystal, and the control of the supply amounts of the silicon atoms and the carbon atoms is such that the surface structure of the silicon carbide substrate is approximately 1 × 1 and approximately 3 ×. A method for manufacturing a silicon carbide substrate, wherein the method is performed so as to be between three surface rearranged structures. (Equation 2)
【請求項7】請求項1の炭化珪素基板の製造方法であっ
て、 上記炭化珪素結晶の成長開始前における上記炭化珪素基
板の表面が、六方晶炭化珪素結晶の前記(数2)面、お
よび立方晶炭化珪素の下記(数3)面から選ばれるいず
れかの面であり、 上記成長させる炭化珪素結晶が、立方晶炭化珪素結晶で
あるとともに、 上記珪素原子および上記炭素原子の供給量の制御が、上
記炭化珪素基板の表面構造がほぼ1×1表面構造とほぼ
3×3表面再配列構造との間になるように行われること
を特徴とする炭化珪素基板の製造方法。 【数3】
7. The method of manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein a surface of said silicon carbide substrate before the start of growth of said silicon carbide crystal is formed of said hexagonal silicon carbide crystal, and Any one of the following (formula 3) planes of the cubic silicon carbide, wherein the silicon carbide crystal to be grown is a cubic silicon carbide crystal, and the supply amounts of the silicon atoms and the carbon atoms are controlled. Is performed such that the surface structure of the silicon carbide substrate is between a substantially 1 × 1 surface structure and a substantially 3 × 3 surface rearrangement structure. (Equation 3)
【請求項8】請求項1の炭化珪素基板の製造方法であっ
て、 上記珪素原子および上記炭素原子の供給量の制御が、上
記炭化珪素基板の表面に存在し、上記表面に珪素−珪素
結合によって結合している過剰の珪素原子の数が、上記
炭化珪素結晶における5原子層分以下になるように行わ
れることを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
8. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein the supply of the silicon atoms and the carbon atoms is controlled on a surface of the silicon carbide substrate, and a silicon-silicon bond is provided on the surface. The number of excess silicon atoms bonded by the method is less than or equal to 5 atomic layers in the silicon carbide crystal.
【請求項9】請求項1の炭化珪素基板の製造方法であっ
て、 上記炭化珪素基板の表面に供給される上記珪素原子と上
記炭素原子とのうち、少なくとも何れか一方が間欠的に
供給されることを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
9. The method of manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein at least one of the silicon atoms and the carbon atoms supplied to the surface of the silicon carbide substrate is intermittently supplied. A method for manufacturing a silicon carbide substrate.
【請求項10】請求項9の炭化珪素基板の製造方法であ
って、 上記珪素原子が連続的に供給される一方、上記炭素原子
が間欠的に供給されることを特徴とする炭化珪素基板の
製造方法。
10. The method of manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 9, wherein said silicon atoms are supplied continuously while said carbon atoms are supplied intermittently. Production method.
【請求項11】請求項9の炭化珪素基板の製造方法であ
って、 上記珪素原子と上記炭素原子とが、それぞれ、互いに異
なるタイミングで間欠的に供給されるとともに、 上記珪素原子だけの供給は、上記炭化珪素基板の表面再
配列構造が、ほぼ√3×√3表面再配列構造、および3
×3表面再配列構造から選ばれる何れかの表面再配列構
造になるまで行われる一方、 上記炭素原子の供給は、上記炭化珪素基板の表面再配列
構造が、ほぼ1×1表面構造になるまで行われることを
特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
11. The method of manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 9, wherein said silicon atoms and said carbon atoms are intermittently supplied at mutually different timings, and only said silicon atoms are supplied. The surface rearrangement structure of the silicon carbide substrate is substantially √3 × √3 surface rearrangement structure;
The carbon atoms are supplied until the surface rearrangement structure of the silicon carbide substrate becomes substantially a 1 × 1 surface structure, while the carbon atoms are supplied until any surface rearrangement structure selected from the × 3 surface rearrangement structure is obtained. A method for manufacturing a silicon carbide substrate, wherein the method is performed.
【請求項12】請求項1の炭化珪素基板の製造方法であ
って、 上記炭化珪素基板の表面の温度が、600℃以上、か
つ、1300℃以下に保たれた状態で、上記炭化珪素結
晶を成長させることを特徴とする炭化珪素基板の製造方
法。
12. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein said silicon carbide crystal is formed while maintaining a surface temperature of said silicon carbide substrate at 600 ° C. or more and 1300 ° C. or less. A method for manufacturing a silicon carbide substrate, comprising: growing a silicon carbide substrate.
【請求項13】請求項12の炭化珪素基板の製造方法で
あって、 上記炭化珪素基板の表面に反応性窒素含有ガスを供給す
ることにより、炭化珪素結晶に窒素をドーピングするこ
とを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
13. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 12, wherein the silicon carbide crystal is doped with nitrogen by supplying a reactive nitrogen-containing gas to the surface of the silicon carbide substrate. A method for manufacturing a silicon carbide substrate.
【請求項14】請求項12の炭化珪素基板の製造方法で
あって、 上記炭化珪素基板を所定のマスキングパターンを有する
マスキング部材によって覆い、上記炭化珪素基板におけ
る所定の領域だけに上記炭化珪素結晶を成長させること
を特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
14. The method of manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 12, wherein said silicon carbide substrate is covered with a masking member having a predetermined masking pattern, and said silicon carbide crystal is only covered in a predetermined region of said silicon carbide substrate. A method for manufacturing a silicon carbide substrate, comprising: growing a silicon carbide substrate.
【請求項15】請求項14の炭化珪素基板の製造方法で
あって、 上記マスキング部材が酸化珪素薄膜であることを特徴と
する炭化珪素基板の製造方法。
15. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 14, wherein said masking member is a silicon oxide thin film.
【請求項16】請求項1の炭化珪素基板の製造方法であ
って、 上記炭化珪素結晶の成長開始時における上記炭化珪素基
板の表面が、六方晶炭化珪素結晶の(0001)面、お
よび立方晶炭化珪素結晶の{111}面から選ばれる何
れかの面であるとともに、 上記炭化珪素結晶を成長させるのに先立って、上記炭化
珪素基板の表面再配列構造がほぼ√3×√3表面再配列
構造になるように上記炭化珪素基板の表面を清浄化する
ことを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
16. The method of manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 1, wherein the surface of said silicon carbide substrate at the start of growth of said silicon carbide crystal has a (0001) plane of hexagonal silicon carbide crystal and a cubic crystal Any one of the {111} planes of the silicon carbide crystal, and prior to growing the silicon carbide crystal, the surface rearrangement structure of the silicon carbide substrate is substantially {3 × {3 surface rearrangement} A method for manufacturing a silicon carbide substrate, comprising cleaning a surface of the silicon carbide substrate so as to have a structure.
【請求項17】請求項16の炭化珪素基板の製造方法で
あって、 水素雰囲気中、および真空中から選ばれる何れか中で、
上記炭化珪素基板の表面の温度が800℃以上、かつ、
1300℃以下になるように上記炭化珪素基板を加熱す
ることにより、上記清浄化を行うことを特徴とする炭化
珪素基板の製造方法。
17. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 16, wherein the silicon carbide substrate is selected from a group consisting of a hydrogen atmosphere and a vacuum.
The temperature of the surface of the silicon carbide substrate is 800 ° C. or higher, and
A method for manufacturing a silicon carbide substrate, wherein the cleaning is performed by heating the silicon carbide substrate to 1300 ° C. or lower.
【請求項18】互いに異なる結晶系の炭化珪素結晶が積
層された炭化珪素基板の製造方法であって、 第1の炭化珪素結晶が形成された領域と、上記第1の炭
化珪素結晶と異なる結晶系の第2の炭化珪素結晶が形成
された領域とを有する前処理基板であって、上記第1の
炭化珪素結晶および第2の炭化珪素結晶の結晶面が上記
前処理基板の表面に対して傾いた上記前処理基板を形成
する工程と、 上記前処理基板における上記第1の炭化珪素結晶、およ
び上記第2の炭化珪素結晶をそれぞれステップフロー成
長させることにより、上記第1の炭化珪素結晶、および
上記第2の炭化珪素結晶から成長した、互いに結晶系の
異なる炭化珪素結晶の積層構造を形成する工程とを有す
ることを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
18. A method for manufacturing a silicon carbide substrate in which silicon carbide crystals of different crystal systems are stacked, wherein a region where the first silicon carbide crystal is formed and a crystal different from the first silicon carbide crystal A pre-processed substrate having a region in which a second silicon carbide crystal is formed, wherein the crystal planes of the first silicon carbide crystal and the second silicon carbide crystal are aligned with respect to the surface of the pre-processed substrate. Forming the inclined pretreatment substrate; and performing step flow growth of the first silicon carbide crystal and the second silicon carbide crystal on the pretreatment substrate, thereby forming the first silicon carbide crystal, Forming a stacked structure of silicon carbide crystals having different crystal systems grown from the second silicon carbide crystal.
【請求項19】請求項18の炭化珪素基板の製造方法で
あって、 上記前処理基板を形成する工程は、 上記第1の炭化珪素結晶を有する原炭化珪素基板上にお
ける所定の領域に、上記第2の炭化珪素結晶をステップ
フロー成長させる工程を有することを特徴とする炭化珪
素基板の製造方法。
19. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 18, wherein the step of forming the pre-processed substrate is performed in a predetermined region on the original silicon carbide substrate having the first silicon carbide crystal. A method of manufacturing a silicon carbide substrate, comprising a step of growing a second silicon carbide crystal in a step flow.
【請求項20】請求項18の炭化珪素基板の製造方法で
あって、 上記前処理基板を形成する工程は、 上記第1の炭化珪素結晶を有する原炭化珪素基板上に、
上記第2の炭化珪素結晶をステップフロー成長させる工
程と、 上記第2の炭化珪素結晶における所定の領域の部分を除
去し、上記第1の炭化珪素結晶を部分的に露出させる工
程とを有することを特徴とする炭化珪素基板の製造方
法。
20. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 18, wherein the step of forming the pre-processed substrate comprises: forming a silicon carbide substrate on the original silicon carbide substrate having the first silicon carbide crystal;
A step of growing the second silicon carbide crystal in a step flow; and a step of removing a part of a predetermined region in the second silicon carbide crystal to partially expose the first silicon carbide crystal. A method for manufacturing a silicon carbide substrate, comprising:
【請求項21】請求項18の炭化珪素基板の製造方法で
あって、 上記第1の炭化珪素結晶は、その{0001}面が上記
前処理基板の上記表面に対して傾いた六方晶炭化珪素結
晶であるとともに、 上記第2の炭化珪素結晶は、上記第1の炭化珪素結晶に
おける所定の領域の部分がステップフロー成長して形成
された立方晶炭化珪素結晶であることを特徴とする炭化
珪素基板の製造方法。
21. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 18, wherein said first silicon carbide crystal has a {0001} plane inclined with respect to said surface of said pretreatment substrate. Silicon carbide, wherein the second silicon carbide crystal is a cubic silicon carbide crystal formed by performing step flow growth on a predetermined region of the first silicon carbide crystal. Substrate manufacturing method.
【請求項22】請求項18の炭化珪素基板の製造方法で
あって、 上記第1の炭化珪素結晶は、その{0001}面が上記
前処理基板の上記表面に対して傾いた4H六方晶炭化珪
素結晶であるとともに、 上記第2の炭化珪素結晶は、上記第1の炭化珪素結晶に
おける所定の領域の部分がステップフロー成長して形成
された6H六方晶炭化珪素結晶であることを特徴とする
炭化珪素基板の製造方法。
22. The method of manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 18, wherein said first silicon carbide crystal has a 4H hexagonal carbide having a {0001} plane inclined with respect to said surface of said pretreatment substrate. In addition to being a silicon crystal, the second silicon carbide crystal is a 6H hexagonal silicon carbide crystal formed by performing step flow growth on a predetermined region of the first silicon carbide crystal. A method for manufacturing a silicon carbide substrate.
【請求項23】請求項18の炭化珪素基板の製造方法で
あって、 上記第1の炭化珪素結晶の表面が、六方晶炭化珪素結晶
の{0001}面から0.05°以上、かつ10°以下
傾いたオフカット面であるとともに、 上記第2の炭化珪素結晶は、上記第1の炭化珪素結晶の
表面における所定の領域において、珪素原子が炭素原子
に対して過剰になるように、上記珪素原子および上記炭
素原子の供給量が制御されて形成された炭化珪素結晶で
あることを特徴とする炭化珪素基板の製造方法。
23. The method of manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 18, wherein a surface of said first silicon carbide crystal is at least 0.05 ° and at least 10 ° from a {0001} plane of a hexagonal silicon carbide crystal. The second silicon carbide crystal has a tilted off-cut surface, and the second silicon carbide crystal has a shape such that silicon atoms are excessive with respect to carbon atoms in a predetermined region on the surface of the first silicon carbide crystal. A method for manufacturing a silicon carbide substrate, comprising a silicon carbide crystal formed by controlling the supply of atoms and the carbon atoms.
【請求項24】請求項23の炭化珪素基板の製造方法で
あって、 上記第1の炭化珪素結晶の表面が、六方晶炭化珪素結晶
の{0001}面からほぼ前記(数1)方向に傾いたオ
フカット面であることを特徴とする炭化珪素基板の製造
方法。
24. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 23, wherein a surface of said first silicon carbide crystal is inclined substantially in said (Equation 1) direction from a {0001} plane of said hexagonal silicon carbide crystal. A method of manufacturing a silicon carbide substrate, wherein the silicon carbide substrate has an off-cut surface.
【請求項25】請求項23の炭化珪素基板の製造方法で
あって、 上記第1の炭化珪素結晶の表面の温度が、600℃以
上、かつ、1800℃以下に保たれた状態で、上記第2
の炭化珪素結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素
基板の製造方法。
25. The method for manufacturing a silicon carbide substrate according to claim 23, wherein the temperature of the surface of said first silicon carbide crystal is maintained at 600 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower. 2
A method for manufacturing a silicon carbide substrate, comprising: growing a silicon carbide crystal.
【請求項26】珪素原子と炭素原子とが炭化珪素基板の
表面に供給されて成長した炭化珪素結晶を有する炭化珪
素基板であって、 上記炭化珪素結晶の成長開始前における上記炭化珪素基
板の表面が、六方晶炭化珪素結晶の{0001}面、お
よび立方晶炭化珪素結晶の{111}面から選ばれる何
れかの面から0.05°以上、かつ10°以下傾いたオ
フカット面であるとともに、 上記炭化珪素結晶が、上記炭化珪素基板の表面におい
て、珪素原子が炭素原子に対して過剰になるように、上
記珪素原子および上記炭素原子の供給量が制御されて成
長した炭化珪素結晶であることを特徴とする炭化珪素基
板。
26. A silicon carbide substrate having a silicon carbide crystal grown by supplying silicon atoms and carbon atoms to the surface of the silicon carbide substrate, wherein the surface of the silicon carbide substrate before the start of the growth of the silicon carbide crystal Is an off-cut surface tilted by 0.05 ° or more and 10 ° or less from any one of the {0001} plane of the hexagonal silicon carbide crystal and the {111} plane of the cubic silicon carbide crystal. The silicon carbide crystal is a silicon carbide crystal grown by controlling the supply amounts of the silicon atoms and the carbon atoms such that silicon atoms are excessive with respect to carbon atoms on the surface of the silicon carbide substrate. A silicon carbide substrate, characterized in that:
【請求項27】請求項26の炭化珪素基板であって、 上記成長した炭化珪素結晶が、立方晶炭化珪素結晶であ
り、 上記炭化珪素結晶の成長開始前における上記炭化珪素基
板の表面が、六方晶炭化珪素結晶の{0001}面から
ほぼ前記(数1)方向に傾いたオフカット面であるとと
もに、 上記炭化珪素結晶が、1mm四方以上の範囲にわたって
無欠陥単結晶表面を有することを特徴とする炭化珪素基
板。
27. The silicon carbide substrate according to claim 26, wherein the grown silicon carbide crystal is a cubic silicon carbide crystal, and the surface of the silicon carbide substrate before the start of the growth of the silicon carbide crystal has a hexagonal shape. An off-cut surface inclined substantially in the (Formula 1) direction from the {0001} plane of the crystalline silicon carbide crystal, and the silicon carbide crystal has a defect-free single crystal surface over a range of 1 mm square or more. Silicon carbide substrate.
【請求項28】請求項26の炭化珪素基板であって、 上記炭化珪素結晶の成長時に、上記炭化珪素基板の表面
に反応性窒素含有ガスが供給されることにより、炭化珪
素結晶における格子置換位置に、5×1018個/cm3
以上の窒素を含むことを特徴とする炭化珪素基板。
28. The silicon carbide substrate according to claim 26, wherein a reactive nitrogen-containing gas is supplied to a surface of said silicon carbide substrate during the growth of said silicon carbide crystal, whereby a lattice substitution position in said silicon carbide crystal is provided. 5 × 10 18 pieces / cm 3
A silicon carbide substrate comprising the above nitrogen.
【請求項29】珪素原子と炭素原子とが炭化珪素基板の
表面に供給されて成長した炭化珪素結晶を有する炭化珪
素基板であって、 上記炭化珪素結晶が、上記炭化珪素結晶の成長前におけ
る上記炭化珪素基板の結晶系と異なる結晶系を有すると
ともに、上記炭化珪素基板における所定の選択的な領域
において結晶成長していることを特徴とする炭化珪素基
板。
29. A silicon carbide substrate having a silicon carbide crystal grown by supplying silicon atoms and carbon atoms to a surface of the silicon carbide substrate, wherein the silicon carbide crystal is formed before the growth of the silicon carbide crystal. A silicon carbide substrate having a crystal system different from the crystal system of the silicon carbide substrate, wherein the crystal is grown in a predetermined selective region on the silicon carbide substrate.
【請求項30】珪素原子と炭素原子とが炭化珪素基板の
表面に供給されてステップフロー成長した炭化珪素結晶
を有する炭化珪素基板であって、 上記炭化珪素結晶が、六方晶炭化珪素結晶、および立方
晶炭化珪素結晶から選ばれる何れかであるとともに、 上記炭化珪素結晶の表面に、六方晶炭化珪素結晶におけ
る下記(数4)方向のステップエッジ、および立方晶炭
化珪素結晶における[110]方向のステップエッジか
ら選ばれる何れかのステップエッジを有することを特徴
とする炭化珪素基板。 【数4】
30. A silicon carbide substrate having a silicon carbide crystal in which silicon atoms and carbon atoms are supplied to the surface of a silicon carbide substrate and grown in a step flow, wherein the silicon carbide crystal is a hexagonal silicon carbide crystal, and In addition to being selected from cubic silicon carbide crystals, the surface of the silicon carbide crystal has a step edge in the following (Formula 4) direction in the hexagonal silicon carbide crystal, and a [110] direction in the cubic silicon carbide crystal. A silicon carbide substrate having any one of step edges selected from step edges. (Equation 4)
【請求項31】珪素原子と炭素原子とが炭化珪素基板の
表面に供給されてステップフロー成長した炭化珪素結晶
を有する炭化珪素基板であって、 上記炭化珪素結晶が、六方晶炭化珪素結晶、および立方
晶炭化珪素結晶から選ばれる何れかであり、 上記炭化珪素結晶の成長開始前における上記炭化珪素結
晶の表面が、六方晶炭化珪素結晶の{0001}面から
前記(数1)方向に傾いたオフカット面、および立方晶
炭化珪素結晶の{111}面から<112>方向に傾い
たオフカット面から選ばれる何れかの面であるととも
に、 上記炭化珪素結晶の表面粗さが10nm以下であること
を特徴とする炭化珪素基板。
31. A silicon carbide substrate having a silicon carbide crystal in which silicon atoms and carbon atoms are supplied to the surface of a silicon carbide substrate and grown in a step flow, wherein the silicon carbide crystal is a hexagonal silicon carbide crystal; Any one of cubic silicon carbide crystals, wherein the surface of the silicon carbide crystal before the start of the growth of the silicon carbide crystal is inclined from the {0001} plane of the hexagonal silicon carbide crystal in the (Formula 1) direction. Any one of an off-cut surface and an off-cut surface inclined in the <112> direction from the {111} plane of the cubic silicon carbide crystal, and the silicon carbide crystal has a surface roughness of 10 nm or less. A silicon carbide substrate, characterized in that:
【請求項32】互いに異なる結晶系で、かつ、それぞれ
単相の第1の炭化珪素結晶と第2の炭化珪素結晶とを含
み、上記第1の炭化珪素結晶と上記第2の炭化珪素結晶
とが、結晶構造の急峻な界面を介して積層されているこ
とを特徴とする炭化珪素基板。
32. A single-phase first silicon carbide crystal and a second phase silicon carbide crystal each having a different crystal system and a single phase, wherein the first silicon carbide crystal and the second silicon carbide crystal Are stacked via a steep interface of the crystal structure.
【請求項33】請求項32の炭化珪素基板であって、 上記第1の炭化珪素結晶および第2の炭化珪素結晶は、
互いに異なる結晶系を有する炭化珪素結晶が形成された
領域を有する前処理基板における上記各領域の炭化珪素
結晶がそれぞれステップフロー成長することにより形成
されていることを特徴とする炭化珪素基板。
33. The silicon carbide substrate according to claim 32, wherein said first silicon carbide crystal and said second silicon carbide crystal are:
A silicon carbide substrate, wherein silicon carbide crystals in each of the above regions in a pretreatment substrate having regions in which silicon carbide crystals having different crystal systems are formed are formed by step flow growth.
【請求項34】請求項33の炭化珪素基板であって、 上記前処理基板は、六方晶炭化珪素結晶の{0001}
面から0.05°以上、かつ10°以下傾いたオフカッ
ト面を有する原炭化珪素基板と、上記原炭化珪素基板の
表面において、珪素原子が炭素原子に対して過剰になる
ように、上記珪素原子および上記炭素原子の供給量が制
御されて形成された炭化珪素結晶とによって、上記互い
に異なる結晶系を有する炭化珪素結晶の領域が形成され
たことを特徴とする炭化珪素基板。
34. The silicon carbide substrate according to claim 33, wherein said pre-processed substrate is a {0001} of hexagonal silicon carbide crystal.
An original silicon carbide substrate having an off-cut surface inclined at an angle of 0.05 ° or more and 10 ° or less from a surface, and the silicon substrate described above such that silicon atoms are excessive with respect to carbon atoms on the surface of the original silicon carbide substrate. A silicon carbide substrate, wherein regions of silicon carbide crystals having different crystal systems are formed by atoms and silicon carbide crystals formed by controlling the supply amount of carbon atoms.
【請求項35】請求項34の炭化珪素基板であって、 上記原炭化珪素基板の表面が、六方晶炭化珪素結晶の
{0001}面からほぼ前記(数1)方向に傾いたオフ
カット面であることを特徴とする炭化珪素基板。
35. The silicon carbide substrate according to claim 34, wherein a surface of said original silicon carbide substrate is an off-cut surface inclined substantially in said (Equation 1) direction from a {0001} plane of a hexagonal silicon carbide crystal. A silicon carbide substrate, comprising:
【請求項36】請求項32の炭化珪素基板であって、 上記第1の炭化珪素結晶、および上記第2の炭化珪素結
晶が、{0001}面を有する六方晶炭化珪素結晶、お
よび{111}面を有する立方晶炭化珪素結晶の何れか
一方と他方であるとともに、上記第1の炭化珪素結晶、
および上記第2の炭化珪素結晶の何れか一方の上記面上
に他方が積層されていることを特徴とする炭化珪素基
板。
36. The silicon carbide substrate according to claim 32, wherein said first silicon carbide crystal and said second silicon carbide crystal are a hexagonal silicon carbide crystal having a {0001} plane, and {111}. One of the cubic silicon carbide crystals having a surface and the other, and the first silicon carbide crystal,
And a silicon carbide substrate, wherein one of the second silicon carbide crystals is laminated on the other surface.
【請求項37】請求項32の炭化珪素基板であって、 上記第1の炭化珪素結晶、および上記第2の炭化珪素結
晶が、{0001}面を有する6H六方晶炭化珪素結
晶、および{0001}面を有する4H六方晶炭化珪素
結晶の何れか一方と他方であるとともに、上記第1の炭
化珪素結晶、および上記第2の炭化珪素結晶の何れか一
方の上記面上に他方が積層されていることを特徴とする
炭化珪素基板。
37. The silicon carbide substrate according to claim 32, wherein said first silicon carbide crystal and said second silicon carbide crystal are a 6H hexagonal silicon carbide crystal having a {0001} plane, and a {0001} One of the 4H hexagonal silicon carbide crystal having the} plane and the other, and the other is stacked on the surface of one of the first silicon carbide crystal and the second silicon carbide crystal. A silicon carbide substrate.
【請求項38】請求項32の炭化珪素基板であって、 2層の上記第1の炭化珪素結晶と、1層の上記第2の炭
化珪素結晶とを含み、 上記第1の炭化珪素結晶が{0001}面を有する六方
晶炭化珪素結晶である一方、上記第2の炭化珪素結晶が
{111}面を有する立方晶炭化珪素結晶であるととも
に、上記2層の第1の炭化珪素結晶と、上記1層の第2
の炭化珪素結晶とが、上記2層の第1の炭化珪素結晶の
間に上記1層の第2の炭化珪素結晶が位置するように積
層されていることを特徴とする炭化珪素基板。
38. The silicon carbide substrate according to claim 32, wherein said first silicon carbide crystal includes two layers of said first silicon carbide crystal and one layer of said second silicon carbide crystal. A hexagonal silicon carbide crystal having a {0001} plane, while the second silicon carbide crystal is a cubic silicon carbide crystal having a {111} plane, and the two-layer first silicon carbide crystal; The second of the above one layer
And a silicon carbide crystal are stacked such that the one layer of the second silicon carbide crystal is located between the two layers of the first silicon carbide crystal.
【請求項39】請求項32の炭化珪素基板であって、 2層の上記第1の炭化珪素結晶と、1層の上記第2の炭
化珪素結晶とを含み、 上記第1の炭化珪素結晶が{0001}面を有する4H
六方晶炭化珪素結晶である一方、上記第2の炭化珪素結
晶が{0001}面を有する6H六方晶炭化珪素結晶で
あるとともに、上記2層の第1の炭化珪素結晶と、上記
1層の第2の炭化珪素結晶とが、上記2層の第1の炭化
珪素結晶の間に上記1層の第2の炭化珪素結晶が位置す
るように積層されていることを特徴とする炭化珪素基
板。
39. The silicon carbide substrate according to claim 32, comprising two layers of said first silicon carbide crystal and one layer of said second silicon carbide crystal, wherein said first silicon carbide crystal is 4H with {0001} face
The second silicon carbide crystal is a 6H hexagonal silicon carbide crystal having a {0001} plane, while the second silicon carbide crystal is a hexagonal silicon carbide crystal. A silicon carbide substrate, wherein two silicon carbide crystals are stacked such that the one layer of second silicon carbide crystal is located between the two layers of first silicon carbide crystal.
【請求項40】互いに異なる結晶系で、かつ、それぞれ
単相の第1の炭化珪素結晶と第2の炭化珪素結晶とを含
み、上記第1の炭化珪素結晶と上記第2の炭化珪素結晶
とが、結晶構造の急峻な界面を介して積層された炭化珪
素基板を有することを特徴とする半導体素子。
40. The first silicon carbide crystal and the second silicon carbide crystal having different crystal systems from each other and each including a single-phase first silicon carbide crystal and a second silicon carbide crystal. Has a silicon carbide substrate stacked via a steep interface of a crystal structure.
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