JPS62155512A - Epitaxial growth of beta-si - Google Patents

Epitaxial growth of beta-si

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JPS62155512A
JPS62155512A JP29807185A JP29807185A JPS62155512A JP S62155512 A JPS62155512 A JP S62155512A JP 29807185 A JP29807185 A JP 29807185A JP 29807185 A JP29807185 A JP 29807185A JP S62155512 A JPS62155512 A JP S62155512A
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Abstract

PURPOSE:To enable growth of beta-Si at a low temperature of 1,000 deg.C without using a buffer layer by employing the mixing gas of trichlor-silane, lower hydrocarbon and hydrogen and growing beta-SiC in the vapor phase on an silicon 111 substrate displaced in the specific direction under the specific conditions of decompression. CONSTITUTION:A reaction furnace such as an induction heating type reaction furnace is used as a growth device, an exhaust system is connected to the reaction furnace, and the mixing gas of trichlor-silane (SiHCl3), propane (C3H8) and hydrogen (H2) is introduced from a gas introducing port. Pressure in the furnace is controlled under the specific condition of decompression of 1,000Pa or less such as 200Pa. A substrate having a 111 crystal face and displaced at 1-6 deg. in the specific direction <2-1-1> direction is employed as an silicon- wafer used. When the silicon substrate is heated at approximately 1,000 deg.C and grown in the vapor phase by said device, beta-SiC can be grown at speed of approximately 250-450Angstrom /min. Lower hydrocarbon gas, such as methane (CH4), acetylene (C2H2), etc. can be employed besides said substance as hydrocarbon.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 炭化けい素(SiC)は耐熱特性、耐放射線特性等の優
れた材料である。然し、半導体材料とじては、基板上に
エピタキシャル成長が可能なることが必須の条件である
が、開発が充分には進んでいない。本発明ではシリコン
基板上にβ−SiC結晶を従来法より低温で成長を可能
とせる方法を説明する。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] Silicon carbide (SiC) is a material with excellent heat resistance properties, radiation resistance properties, etc. However, although it is an essential condition for semiconductor materials to be able to epitaxially grow on a substrate, development has not progressed sufficiently. The present invention describes a method that enables the growth of β-SiC crystals on a silicon substrate at a lower temperature than conventional methods.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は、シリコン基板上にβ−5iCを成長させる方
法に関する。
The present invention relates to a method of growing β-5iC on a silicon substrate.

現在、半導体材料としてはシリコンが主流を占めている
が、シリコンの特性を補う半導体材料の一つとしてSi
Cがある。
Currently, silicon occupies the mainstream as a semiconductor material, but silicon is one of the semiconductor materials that complements the characteristics of silicon.
There is C.

SiCには立方晶系、六方晶系、斜方晶系の結晶構造が
存在する。その中で一般的なものは、積層の繰り返し周
期が、3層の3C−SiC(β−SiC)と、繰り返し
周期が6層の6H−SiC(α−SiC)である。
SiC has cubic, hexagonal, and orthorhombic crystal structures. Among these, the most common ones are 3C-SiC (β-SiC), which has a repeating cycle of three layers, and 6H-SiC (α-SiC), which has a repeating cycle of six layers.

シリコンの半導体としての特性保持温度は300℃以下
であるのに対し、SiCのそれは500〜600℃であ
る。
The temperature at which silicon retains its characteristics as a semiconductor is 300°C or lower, while that of SiC is 500 to 600°C.

エネルギー・ギャップ値は、シリコンが1.1eVに対
しβ−SiCは2.2〜2,4 eV、α−SiCは3
、OeV  と大きい。
The energy gap value is 1.1 eV for silicon, 2.2 to 2.4 eV for β-SiC, and 3 for α-SiC.
, OeV.

然し、これを利用するには、SiCとしての大きい基板
を得ることが必要であることから、基板上にエピタキシ
ャル成長を可能とする技術の開発を必要とする。
However, in order to utilize this, it is necessary to obtain a large SiC substrate, which requires the development of a technology that enables epitaxial growth on the substrate.

β−SiCのエピタキシャル成長の技術開発が徐々には
進んでいるが、尚問題が多く残されている。
Although the technical development of epitaxial growth of β-SiC is gradually progressing, many problems still remain.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

SiCを成長させるのには昇華法、スパッタ法、イオン
注入法、分子線エピタキシャル法、溶融法等の方法があ
るが、大面積での成長は容易でない。
There are methods for growing SiC, such as sublimation, sputtering, ion implantation, molecular beam epitaxial method, and melting, but it is not easy to grow over a large area.

他の方法にCVD法がある。以下CVD法によるβ−S
iCのエピタキシャル成長について説明する。
Another method is the CVD method. β-S by CVD method below
Epitaxial growth of iC will be explained.

シリコン基板上にSiCを成長させるに当たり、シリコ
ンの格子定数は5.430人であり、一方SiCの格子
定数は4.358人と約20%の差異がある。そのため
、シリコン基板上に直接SiCの結晶成長は出来ない。
When growing SiC on a silicon substrate, the lattice constant of silicon is 5.430 N, while the lattice constant of SiC is 4.358 N, which is about a 20% difference. Therefore, it is not possible to directly grow SiC crystals on a silicon substrate.

従って、エピタキシャル成長に当たっては、通常シリコ
ン基板の表面に薄いバッファ層を形成する。例えば、常
圧でH2ガスをキャリヤガスとしてプロパンガス(C3
H8)を添加して、1300〜1400℃に加熱するこ
とによりシリコンの表面に薄い炭化層を形成する。
Therefore, during epitaxial growth, a thin buffer layer is usually formed on the surface of the silicon substrate. For example, propane gas (C3
H8) is added and heated to 1300 to 1400°C to form a thin carbonized layer on the surface of the silicon.

その後、温度を数10度低下させて、モノシラン(Si
H4)を加えてβ−SiCの結晶成長を行う。
After that, the temperature was lowered several tens of degrees and monosilane (Si
H4) is added to perform β-SiC crystal growth.

上記の成長方法で、約200〜400人/minのβ−
SiCの成長速度を得ることが出来る。
With the above growth method, approximately 200 to 400 β-
The growth rate of SiC can be obtained.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

上記に述べた、従来の技術によるCVD法では成長温度
が極めて高い。
In the conventional CVD method described above, the growth temperature is extremely high.

全ての半導体プロセスにおいて、基板温度を出来る限り
低く抑えることが望ましい。
In all semiconductor processes, it is desirable to keep substrate temperatures as low as possible.

また、エピタキシャル成長が、直接シリコン基板上に可
能となれば、工程が簡易化されて好都合である。
Furthermore, if epitaxial growth could be performed directly on a silicon substrate, the process would be simplified and convenient.

更に、実用的に4あるいは5インチ程度のシリコン・ウ
ェハー上に歩留り良く成長させることが必要となる。
Furthermore, it is practically necessary to grow it with a good yield on a silicon wafer of about 4 or 5 inches.

β−SiCの膜質で、高密度の結晶欠陥、表面欠陥を除
去する課題も残されている。
There remains the problem of removing high-density crystal defects and surface defects in the film quality of β-SiC.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記問題点は、トリクロール・シランと低位炭化水素と
水素の混合ガスを用い、1000 P a以下の減圧条
件にて、<211>方向に1〜66ずれたシリコン(1
11)基板上にβ−Si Cを気相成長させることより
なる本発明の成長方法によって解決される。
The above problem can be solved by using a mixed gas of trichlorosilane, lower hydrocarbons, and hydrogen under reduced pressure conditions of 1000 Pa or less.
11) Solved by the growth method of the present invention, which consists of vapor phase growth of β-Si C on a substrate.

前記低位炭化水素としては、メタン、プロパン、アセチ
レンの何れかのガスを用いることが可能で、プロパン・
ガスのとき成長温度は約1000℃で、アセチレン・ガ
スを用いることにより更に100℃程度の低温化が可能
である。
As the lower hydrocarbon, any of methane, propane, and acetylene gases can be used, and propane and acetylene gases can be used.
When using gas, the growth temperature is about 1000°C, and by using acetylene gas, it is possible to lower the temperature further by about 100°C.

〔作用〕[Effect]

エピタキシャル成長は結晶の成長を行うべ−き基板の面
方位に大きく依存する。
Epitaxial growth largely depends on the plane orientation of the substrate on which crystal growth is to be performed.

通常シリコン半導体装置では(100)基板を用いるが
、実験の結果、本発明では<211>方向に1〜6°ず
れた(111)基板を用い、Siソースガスとしてトリ
クロール・シラン5iHC11を用いることにより、バ
ッファ層の形成を必要としないこと、それが1000℃
の低温で得られることが判明した。
Normally, a (100) substrate is used in silicon semiconductor devices, but as a result of experiments, the present invention uses a (111) substrate shifted by 1 to 6 degrees in the <211> direction, and uses trichlorosilane 5iHC11 as the Si source gas. Therefore, it is not necessary to form a buffer layer, which is 1000℃.
It was found that it can be obtained at low temperatures.

これは、従来のモノシラン・ガスは熱分解して気相中で
既に結晶核を形成するのに対し、トリクロール・シラン
・ガスは気相中では反応せず、基板表面でのみ反応が進
行することによるものと考えられる。
This is because conventional monosilane gas thermally decomposes and forms crystal nuclei in the gas phase, whereas trichlorosilane gas does not react in the gas phase and the reaction progresses only on the substrate surface. This is thought to be due to this.

〔実施例〕〔Example〕

本発明による一実施例を更に詳細説明する。成長装置と
しては誘導加熱型の反応炉を用い、SiCコートしたグ
ラファイトのサセプタ上にシリコンウェハーが搭載され
る。
An embodiment according to the present invention will be described in further detail. An induction heating reactor is used as the growth apparatus, and a silicon wafer is mounted on a graphite susceptor coated with SiC.

反応炉には排気系が接続され、またガス導入口よりトリ
クロール・シラン(SiHCb)、プロパン(C3H8
)、水素(H2)の混合ガスが導入される。炉中の圧力
は200 Paにコントロールされる。
An exhaust system is connected to the reactor, and trichlorosilane (SiHCb) and propane (C3H8
), a mixed gas of hydrogen (H2) is introduced. The pressure in the furnace is controlled at 200 Pa.

使用するシリコン・ウェハーは(111)結晶面で、且
つ<211>方向に1〜6″ずれた基板を使用する。通
常の(100)シリコン正基板を用いた場合の結果も比
較のためにデータとして説明する。これらの結晶面の関
係は第1図に模式的に示す。
The silicon wafer used is a substrate with a (111) crystal plane and a deviation of 1 to 6 inches in the <211> direction.Results using a normal (100) silicon positive substrate are also included for comparison. The relationship between these crystal planes is schematically shown in FIG.

上記の装置でシリコン基板を約1000℃に加熱して気
相成長させるとβ−SiCが250〜450人/min
の速度で成長可能である。
When a silicon substrate is heated to about 1000°C and vapor phase grown using the above equipment, β-SiC can be grown at 250 to 450 people/min.
can grow at a rate of

代表的な例として、上記β−SiCを、5i(111)
の46ずれた基板と5i(100)正基板上に成長させ
た時のX線回ロフギングカーブをそれぞれ第2図、第3
図に示す。
As a typical example, the above β-SiC is 5i(111)
The X-ray rotation curves when grown on a 46-shifted substrate and a 5i (100) positive substrate are shown in Figures 2 and 3, respectively.
As shown in the figure.

第2図では2θが35.6°付近に極めてシャープなβ
−SiC(111)ピークが認められる。その他に77
6付近に(222)ピークが認められる。
In Figure 2, there is an extremely sharp β when 2θ is around 35.6°.
-SiC(111) peak is observed. 77 others
A (222) peak is observed near 6.

またSi  (111)の小さいピークはシリコン基板
よりのピークである。
Moreover, the small peak of Si (111) is a peak from the silicon substrate.

第2図は少なくとも方位成長したβ−SiC層が形成さ
れていることを示す。
FIG. 2 shows that at least an azimuthally grown β-SiC layer is formed.

第2図に比して、第3図ではβ−SiCの(111)、
(200)、(400)回折ピークが表れ、基板面方位
以外の結晶面の回折ピークを含んでいるから単結晶が成
長していないことが分かる。
Compared to FIG. 2, in FIG. 3, (111) of β-SiC,
Since (200) and (400) diffraction peaks appear and include diffraction peaks of crystal planes other than the substrate surface orientation, it can be seen that no single crystal has grown.

尚、エピタキシャル成長層の評価を高速反射電子線回折
像により比較してみたが、(111)4゜ずれた基板の
場合は、ストリーク状のスポットが観察され、このこと
がらβ−SiCは表面は極めて平坦なる様子が分かる。
In addition, we compared the evaluation of the epitaxial growth layer using high-speed reflection electron diffraction images, and found that streak-like spots were observed in the case of the (111) 4° shifted substrate, which indicates that the surface of β-SiC is extremely You can see how flat it is.

一方、(100)正基板の場合、リング状のスポット像
が観測されて、多結晶化していることが判明した。
On the other hand, in the case of a (100) positive substrate, a ring-shaped spot image was observed, indicating that it was polycrystalline.

以上の成長では炭化水素としてはプロパン・ガスを用い
て説明したが、炭化水素としてはこの他にもメタン(C
Ht)、アセチレン(Cz Hz )等の低位炭化水素
ガスを使用することが可能である。
In the above growth, propane gas was used as the hydrocarbon, but methane (C
It is possible to use lower hydrocarbon gases such as Ht), acetylene (Cz Hz), etc.

アセチレンを使用せる場合は、反応温度を更に約100
℃低下させることも可能である。
If acetylene is used, the reaction temperature should be further increased to approximately 100°C.
It is also possible to lower the temperature.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上に説明せるごとく、本発明のβ−5iCのエピタキ
シャル成長方法を適用することにより、バッファ層を用
いず1000℃の低温にてβ−SiCをSi基板上に成
長させることが出来る。
As explained above, by applying the β-5iC epitaxial growth method of the present invention, β-SiC can be grown on a Si substrate at a low temperature of 1000° C. without using a buffer layer.

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

第1図は本発明にかかわる結晶面を説明する模式図、 第2図は本発明の成長方法をによりβ−SiCを成長せ
しめた場合のX線回折像、 第3図は上記の条件で(100)シリコン基板面を使用
せる場合のX線回折像、 第 1 図 第2図
Fig. 1 is a schematic diagram illustrating the crystal planes related to the present invention, Fig. 2 is an X-ray diffraction image when β-SiC is grown using the growth method of the present invention, and Fig. 3 is a diagram showing ( 100) X-ray diffraction image when using silicon substrate surface, Fig. 1 Fig. 2

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)トリクロール・シランと低位炭化水素と水素の混
合ガスを用い、1000Pa以下の減圧条件にて<2@
1@@1@>方向に、1〜6°ずれたシリコン(111
)基板上にβ−SiCを気相成長させることを特徴とす
るβ−SiCのエピタキシャル成長方法。
(1) Using a mixed gas of trichlorosilane, lower hydrocarbons, and hydrogen, <2@ under reduced pressure conditions of 1000 Pa or less
Silicon (111
) A method for epitaxially growing β-SiC, which comprises growing β-SiC in a vapor phase on a substrate.
(2)前記低位炭化水素として、メタン、プロパン、ア
セチレンの何れかのガスを用いることを特徴とする特許
請求範囲第(1)項記載のβ−SiCのエピタキシャル
成長方法。
(2) The method for epitaxial growth of β-SiC according to claim (1), characterized in that the lower hydrocarbon is any one of methane, propane, and acetylene.
JP29807185A 1985-12-27 1985-12-27 β-Sic epitaxial growth method Expired - Lifetime JPH06101438B2 (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6325914A (en) * 1986-07-18 1988-02-03 Fujitsu Ltd Manufacture of semiconductor device
US4912064A (en) * 1987-10-26 1990-03-27 North Carolina State University Homoepitaxial growth of alpha-SiC thin films and semiconductor devices fabricated thereon
US5011549A (en) * 1987-10-26 1991-04-30 North Carolina State University Homoepitaxial growth of Alpha-SiC thin films and semiconductor devices fabricated thereon

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