TW202314035A - 異質磊晶晶圓的製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明是一種異質磊晶晶圓的製造方法，在矽單晶基板上異質磊晶生長3C-SiC單晶膜，其中，該製造方法使用低壓CVD裝置，並包含以下步驟：第一步驟，利用氫烘烤去除前述矽單晶基板的表面的自然氧化膜；第二步驟，一邊對前述低壓CVD裝置內供給包含碳和矽之來源氣體，一邊以壓力為13332Pa以下、溫度為300℃以上且950℃以下的條件在前述矽單晶基板上形成SiC的核；及，第三步驟，以壓力為13332Pa以下、溫度為800℃以上且低於1200℃的條件生長SiC單晶，來形成前述3C-SiC單晶膜。藉此，提供一種異質磊晶晶圓的製造方法，其能夠在矽單晶基板上有效率地異質磊晶生長優質的3C-SiC單晶膜。
Description
本發明有關一種異質磊晶晶圓的製造方法，在矽單晶基板上異質磊晶生長3C-SiC單晶膜。
碳化矽(SiC)是一種材料，與矽(Si)的帶隙1.1eV相比，具有2.2～3.3eV之寬廣的帶隙，因而具有較高的介電破壞強度，並且導熱率亦較大，因此被期待作為功率元件和高頻用元件等各種半導體元件用的半導體材料。
又，作為氮化鎵(GaN)生長的平台的利用(例如專利文獻1和非專利文獻1)亦正在進展，另一方面，SiC晶圓以小口徑為主流，作為面向功率元件或高頻元件而被要求大口徑化，若能夠在大口徑基板上形成優質的3C-SiC單晶膜，則除了能夠利用3C-SiC單晶膜本身以外，還能夠製作大口徑且具有優質的GaN層之異質磊晶晶圓。
因此，作為此大口徑化的方法，已研究與元件製程的整合性良好的矽基板上的磊晶生長(例如專利文獻1及2)。
這些專利文獻中揭示：能夠在矽基板上生長3C-SiC單晶膜；以及，若選擇反應器的種類，則3C-SiC單晶膜能夠生長在如直徑300mm基板般的大口徑基板。
這些專利文獻中的3C-SiC單晶膜的形成的特徵在於，將包含碳源前驅物之氣體和包含矽源前驅物之氣體的2種原料氣體與載體氣體一起導入反應器內，結合高溫處理(～1200℃)或高溫處理與電漿處理來分解這些原料氣體，從而進行生長。
當以這樣的方式同時流入2種原料氣體來進行成膜時，因各氣體種類的熱穩定性或擴散係數的不同而非常難以控制這些氣體來生長優質的3C-SiC單晶膜，存在能夠使用的製程條件的範圍縮小之問題(不會發生磊晶生長，需要在分解後的原料氣體不會在氣相中進行反應而汙染反應器之製程條件下實行等)。又，由於需要高溫處理，因此存在與既有製程的親和性變低(如果以直徑為300mm的方式進行大口徑化，則存在滑移耐性等問題，因此較理想是盡可能在低溫進行成膜)之問題。又，如果所使用的原料氣體種類變多，則會產生裝置和配套設備的成本提高或安全上的問題(尤其是作為矽源的氣體通常反應性較高)，因此所使用的原料氣體種類較少為佳。
作為矽基板上的3C-SiC單晶膜的生長例，專利文獻3揭示了使用面方位(110)的矽單晶基板作為矽單晶基板，以更縮小矽與SiC的晶格不匹配。雖然從晶格不匹配方面來看是有利的，但是當考慮到異質磊晶晶圓的製造時，限定面方位並不理想。又，雖然專利文獻3同時揭示了形成包含氫之3C-SiC單晶層，但是可想像在磊晶生長序列中的升溫過程中氫容易散失，希望並非取決於氫量的條件。
又，雖然專利文獻4中提及矽單晶基板的斜角(off angle)，但其是藉由丙烷來進行的碳化及隨後的丙烷＋矽烷氣體的生長，原料氣體種類還是變多，不利於磊晶生長。
又，專利文獻5公開了一種方法，其使用單甲基矽烷作為原料氣體，來在面方位為(111)且直徑小於8吋(200mm)的矽單晶基板上生長3C-SiC單晶層，但是此時的成膜條件是在矽單晶基板的溫度達到1050～1100℃的成膜條件後，在5～12小時之間、腔室內的壓力為2×10
－ 4～3×10
－ 4Torr(0.02～0.03Pa)的條件下實行，由於在壓力極低的條件下實行了3C-SiC單晶層的形成，因而存在形成速度較慢之問題。
[先前技術文獻]
(專利文獻)
專利文獻1：日本特表2018-522412號公報
專利文獻2：日本特開2021-020819號公報
專利文獻3：日本特開2006-253617號公報
專利文獻4：日本特開2008-184361號公報
專利文獻5：日本特開2017-039622號公報
(非專利文獻)
非專利文獻1：Japanese Journal of Applied Physics 53, 05FL09 (2014)
[發明所欲解決的問題]
本發明是為了解決上述問題而完成，其目的在於提供一種異質磊晶晶圓的製造方法，其能夠在矽單晶基板上有效率地異質磊晶生長優質的3C-SiC單晶膜。
[解決問題的技術手段]
為了達成上述目的，本發明提供一種異質磊晶晶圓的製造方法，在矽單晶基板上異質磊晶生長3C-SiC單晶膜，該製造方法的特徵在於，使用低壓CVD裝置，並包含以下步驟：
第一步驟，利用氫烘烤去除前述矽單晶基板的表面的自然氧化膜；
第二步驟，一邊對前述低壓CVD裝置內供給包含碳和矽之來源氣體，一邊以壓力為13332Pa以下、溫度為300℃以上且950℃以下的條件在前述矽單晶基板上形成SiC的核；及，
第三步驟，以壓力為13332Pa以下、溫度為800℃以上且低於1200℃的條件生長SiC單晶，來形成前述3C-SiC單晶膜。
藉由以這樣的方式利用第一步驟去除矽單晶基板表面的自然氧化膜，能夠利用第二步驟進行SiC的核形成。
又，藉由將第二步驟的容易進行SiC的核形成的壓力和溫度條件與第三步驟的容易生長SiC單晶的壓力和溫度條件加以組合，能夠有效率地製造目標的具有優質的3C-SiC單晶膜厚之異質磊晶晶圓。
又，藉由將壓力設為13332Pa(100Torr)以下，能夠防止反應活性物種在氣相中與原料氣體反應等、二次或進一步高次的反應發生，因而能夠確實進行異質磊晶生長。藉此，能夠防止3C-SiC多晶化。
此時，能夠使用單甲基矽烷或三甲基矽烷作為前述來源氣體。
若是這樣的原料氣體，則能夠以單一氣體供給Si與C的兩方，因而亦不需要利用包含碳源前驅物之氣體使碳原子附著於矽單晶基板表面來實行核形成之步驟，該步驟被稱為3C-SiC單晶膜生長前的碳化處理，能夠在非常簡單的條件下進行3C-SiC單晶膜的形成。
又，與一開始利用包含碳源前驅物之氣體使碳原子附著於矽單晶基板表面來進行核形成後再以包含碳源前驅物之氣體和包含矽源前驅物之氣體形成3C-SiC單晶膜之方法相比，較容易控制氣相中的反應活性物種，能夠更進一步確實地進行異質磊晶生長，在3C-SiC單晶的生長不會停止的情形下更容易進行厚膜的3C-SiC單晶膜的形成。
又，能夠在溫度為1000℃以上且1200℃以下的條件下實行前述第一步驟。
藉由設為這樣的溫度條件，能夠更有效率地去除矽單晶基板表面的自然氧化膜，並且能夠防止滑移差排的發生。
又，能夠藉由在壓力為1333Pa以下的條件下實行前述第三步驟，來在前述3C-SiC單晶膜正下方形成空位(vacancy)。
藉由以這樣的方式將第三步驟中的壓力設為1333Pa(10Torr)以下，能夠一邊生長3C-SiC單晶膜，一邊在此3C-SiC單晶膜的正下方的矽層(矽單晶基板)形成空位。藉由存在此空位，不僅能夠緩和3C-SiC與矽的晶格不匹配，還能夠緩和整個磊晶層的應力，因而能夠更確實地形成一種3C-SiC單晶膜，該3C-SiC單晶膜即使是厚膜的3C-SiC單晶膜，仍無晶體缺陷。
又，能夠使壓力和溫度之中的一者以上高於前述第二步驟的條件，來實行前述第三步驟。
雖然亦能夠在與第二步驟的條件相同的條件下實行第三步驟的條件，但是若以上述方式進行，則在第三步驟中能夠使3C-SiC單晶膜的生長速度更快，因而即使在形成厚膜的3C-SiC單晶膜的情況下，亦能夠有效率地實行。
此時，能夠在溫度為1000℃以上且低於1200℃的條件下實行前述第三步驟。
若是此生長條件，則能夠將異質磊晶生長設為供給氣體的輸送限速，且不受到矽單晶基板的面方位的限制。又，亦不需要形成包含氫之層，能夠更確實地生長3C-SiC單晶膜。進一步，例如在直徑300mm這樣的大直徑的矽單晶的基板上能夠更容易形成3C-SiC單晶膜。
又，能夠在前述第三步驟中提高壓力和溫度之中的1種以上。
若是此方法，則亦能夠於第三步驟的初期階段先在例如壓力為1333Pa(10Torr)以下的條件下於3C-SiC單晶膜的正下方形成空位，再提高壓力來加快成膜速度。同樣，藉由從中途將溫度設為更高溫，亦能夠加快成膜速度。
此時，能夠藉由在溫度從300℃以上且950℃以下的範圍逐漸升溫至1000℃以上且低於1200℃的範圍之條件下實行前述第二步驟、前述第三步驟，從而連續地實行前述SiC的核形成、及該SiC的核形成之後的前述3C-SiC單晶膜的形成。
若以這樣的方式進行，則能夠將異質磊晶生長設為供給氣體的輸送限速，且能夠不受到矽單晶基板的面方位的限制，或者能夠消除包含氫的必要性。又，在大直徑的矽單晶基板上的3C-SiC單晶膜的形成變得更容易。
而且，能夠以0.5℃/sec以上且2℃/sec以下的升溫速度實行前述升溫。
若是這樣的升溫速度，則能夠更確實地實行溫度控制。又，能夠實行均勻的SiC的核形成，而且異質磊晶生長時能夠有效地防止缺陷的發生。
又，亦能夠在前述所形成的3C-SiC單晶膜的表面進一步生長GaN來形成GaN層，或者亦能夠在前述所形成的3C-SiC單晶膜的表面進一步生長Si來形成Si層。
以上述方式生長的3C-SiC單晶膜的表面平坦，因而能夠在該3C-SiC單晶膜的表面進一步異質磊晶生長GaN層或Si層。
[發明的功效]
根據本發明的異質磊晶晶圓的製造方法，能夠提供一種異質磊晶晶圓，該異質磊晶晶圓是藉由簡易的製程來有效率地在矽單晶基板上直接形成優質的3C-SiC單晶層而得。進一步，能夠提供一種異質磊晶晶圓的製造方法，其在3C-SiC單晶膜上進一步直接形成GaN層或Si層。
以下，參照圖式來說明本發明的實施形態，但本發明不限定於此。
如前所述，尋求一種能夠在矽單晶基板上形成3C-SiC單晶膜之異質磊晶晶圓的製造方法。因此，本發明人專心進行研究，結果發現使用低壓CVD裝置，除了實行用以去除矽單晶基板表面的自然氧化膜之氫烘烤(第一步驟)以外，還一邊供給來源氣體(包含碳和矽)，一邊針對壓力/溫度將容易進行SiC的核形成的規定的條件[壓力：13332Pa以下，溫度：300℃以上且950℃以下](第二步驟)與容易生長SiC單晶的規定的條件[壓力：13332Pa以下、溫度：800℃以上且低於1200℃](第三步驟)加以組合來實行，藉此能夠有效率地形成一種高品質的3C-SiC單晶膜，從而完成本發明。
以下，列舉各步驟的各種具體例來進行說明。
(第一實施形態)
第1圖示出第一實施形態的生長序列的一例。依序實行氫烘烤(以下亦稱為H
2退火)的第一步驟、SiC的核形成步驟的第二步驟、SiC單晶的生長步驟(3C-SiC單晶膜的形成步驟)的第三步驟。以下，說明各步驟。
＜第一步驟＞
首先，在低壓CVD裝置(以下亦稱為RP-CVD裝置)中配置矽單晶基板，導入氫氣，利用H
2退火去除表面的自然氧化膜。如果有氧化膜殘留，則無法在矽單晶基板上進行SiC的核形成。此時的H
2退火，例如較佳是設為溫度為1000℃以上且1200℃以下的條件。藉由將溫度設為1000℃以上，能夠防止用以防止自然氧化膜的殘留的處理時間變成長時間，而較有效率。又，若設為1200℃以下，則能夠有效防止因高溫導致的滑移差排的發生。但是，此時的H
2退火的壓力或時間只要能夠去除自然氧化膜即可，並無特別限制。
在第1圖所示的例子中，以1080℃實行H
2退火1分鐘。又，氫氣的導入能夠在此第一步驟後繼續實行，亦能夠在第二、第三步驟繼續實行(載體氣體)。
＜第二步驟＞
繼而，將矽單晶基板設定為規定的壓力和溫度，將作為SiC的原料氣體的包含碳和矽之來源氣體導入RP-CVD裝置內，來實行SiC的核形成。作為來源氣體，例如能夠導入單甲基矽烷或三甲基矽烷(TMS)。比使用複數種的氣體的情況更簡單，控制亦變容易，能夠更確實地進行3C-SiC單晶膜的形成。再者，與Si相比，C的原子較小且容易汽化，因此考慮到原料效率，三甲基矽烷更進一步容易進行條件設定。
這樣的來源氣體的導入是在此第二步驟和接下來的第三步驟實行。
又，此SiC的核形成只要壓力為13332Pa(100Torr)以下，溫度為300℃以上且950℃以下，則能夠在矽單晶基板的表面實行。
在SiC的核形成步驟中，在比950℃更高溫的條件下，矽單晶基板與原料氣體的反應會進展，變得無法在矽單晶基板表面進行SiC的核形成。又，在溫度低於300℃的情況下，溫度過低而無法有效率地實行SiC的核形成。
再者，此處一併考量以下說明的第三步驟，如果第三步驟時溫度低於800℃，則SiC的異質磊晶生長不會進展。因此，例如，從第二步驟的時候開始，能夠將其SiC的核形成的溫度設定為：較佳是800℃以上且950℃以下，更佳是850℃以上且900℃以下。藉由以這樣的方式將第二步驟的溫度設為800℃以上且950℃以下，能夠使SiC的核形成步驟(第二步驟)和之後的3C-SiC單晶膜形成也就是第三步驟中需要設定的溫度範圍重疊，尤其能夠在相同溫度條件下實行該等第二步驟、第三步驟。
又，由於將壓力設為13332Pa(100Torr)以下，因而能夠防止反應活性物種在氣相中與原料氣體反應等、二次或進一步高次的反應發生，因此較有效率。壓力的下限值並無特別限定，例如能夠設為133Pa(1Torr)。再者，關於壓力，亦與溫度同樣，能夠在第二、第三步驟中設為相同條件。
在第1圖所示的例子中，此第二步驟和接下來的第三步驟是相同條件，設為相同壓力、相同保持溫度(900℃)。
＜第三步驟＞
又，作為第三步驟的3C-SiC單晶膜形成步驟，是在壓力為13332Pa(100Torr)以下、溫度為800℃以上且低於1200℃的條件下實行。藉由這樣的條件，能夠有效率地生長SiC單晶來形成3C-SiC單晶膜。
再者，如果生長壓力大於13332Pa，則所形成的3C-SiC會多晶化。另一方面，本發明由於在此第三步驟中將壓力設為13332Pa(100Torr)以下，因而如前所述，能夠在氣相中抑制二次或進一步高次的反應，能夠確實且有效率地形成3C-SiC單晶膜。而且，能夠設為：較佳是1333Pa(10Torr)以下，更佳是133Pa(1Torr)以下；在這些條件下能夠在3C-SiC單晶膜正下方形成空位，能夠獲得緩和整個異質磊晶層的應力之效果。壓力的下限值並無特別限定，例如能夠設為13.3Pa(0.1Torr)。
又，關於溫度，若低於800℃，則如前所述，SiC單晶的生長不會進展；若是1200℃以上，則可能發生滑移差排。因此，如上所述，設為800℃以上且低於1200℃。
在第1圖所示的例子中，如前所述，第二、第三步驟是相同條件，連續地實行SiC的核形成和3C-SiC單晶膜的形成。
此時的膜厚取決於壓力和溫度，因而能夠根據以成為目標的膜厚的方式所設定的壓力和溫度條件，來適當設定成膜時間。
此時，3C-SiC單晶膜的膜厚，例如能夠形成2nm左右的薄膜至數μm的厚膜。
再者，第1圖所示的在二維生長模式下的層狀生長是指逐層(layer by layer)的磊晶生長。
如果在以這樣的方式生長的3C-SiC單晶膜上生長GaN，則能夠獲得一種具有高品質的GaN層之異質磊晶晶圓。
此時的GaN生長是藉由使用了三甲基鎵和三甲基銨這類的有機金屬材料的有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)來實行成膜，成長3μm 左右的GaN。
進一步，如果在以這樣的方式生長的3C-SiC單晶膜上生長Si，則能夠獲得一種具有高品質的Si磊晶層之基板。若是本結構，則例如在絕緣閘雙極電晶體(IGBT)這類的功率元件的情況下，此3C-SiC單晶膜能夠成為IGBT中的耐壓保持層。矽的擊穿電場強度(breakdown field strength)為0.3MV/cm，另一方面，3C-SiC的擊穿電場強度為3MV/cm，3C-SiC大10倍。亦即，能夠用以往的矽IGBT的耐壓保持層的厚度的1/10獲得同等的性能。當然此時，不需要僅以3C-SiC單晶膜形成耐壓保持層，SiC與Si之組合就足夠了。在以這樣的方式生長為規定的厚度的SiC上生長Si磊晶層。以往的SiC元件是使用SiC來形成閘極絕緣膜，可靠性存在問題，但是本結構是生長矽，並使用此矽來生長閘極絕緣膜，因此能夠確保與以往的矽IGBT相同的閘極可靠性。又，此時的矽層的厚度只要比所需的閘極結構更厚即可，能夠任意設定。
(第二實施形態)
第2圖示出第二實施形態的生長序列的一例。
＜第一步驟：H
2退火＞
首先，將矽單晶基板配置於RP-CVD裝置中，利用H
2退火去除表面的自然氧化膜。能夠與第一實施形態同樣地實行。
＜第二步驟：SiC的核形成步驟＞
繼而，作為SiC的核形成步驟，將矽單晶基板設定為300℃以上且950℃以下的溫度，較佳是設定為800℃以上且950℃以下的溫度，更佳是設定為850℃以上且900℃以下的溫度，導入單甲基矽烷或三甲基矽烷作為SiC的原料氣體。核形成時間例如能夠設為5分鐘。
＜第三步驟：3C-SiC單晶膜的形成步驟＞
繼而，作為3C-SiC單晶膜的形成步驟，將矽單晶基板溫度加熱至1000℃以上且小於1200℃的溫度，並且導入單甲基矽烷或三甲基矽烷作為SiC的原料氣體。
在此作為3C-SiC單晶膜的形成步驟的第三步驟中，藉由比SiC的核形成步驟的第二步驟更提高壓力和溫度之中的一者以上，來使高速生長容易進行(步驟彼此之間的變更)。又，藉由在第三步驟中提高壓力和溫度之中的一者以上，亦能夠使高速生長容易進行(步驟中的變更)。亦能夠僅實行上述步驟彼此之間的變更和步驟中的變更之中的一者，亦能夠實行兩者。
而且，能夠將第三步驟中的溫度設為1000℃以上且低於1200℃。此時，能夠將異質磊晶生長設為供給氣體的輸送限速。不會受到矽單晶基板的面方位的限制，並且，亦變得容易對應直徑為300mm這樣的大直徑的矽單晶基板。
第2圖是僅實行步驟彼此之間的變更之例子，保持在900℃來實行第二步驟，第三步驟是保持在1190℃來實行(例如在第二步驟、第三步驟中壓力相同)。但是，不限定於此，例如，亦能夠保持在900℃來實行第二步驟，暫時停止三甲基矽烷的導入後，作為第三步驟，重新開始三甲基矽烷的導入，在900℃、或比900℃更高溫且比1190℃更低溫的條件下保持規定時間後，升溫至1190℃，然後加以保持。
再者，第2圖是在比第一實施形態(900℃)更高溫(1190℃)實行生長，即使在這樣的條件下亦能夠進行異質磊晶生長，被認為是提高溫度時流入了H
2，由該H
2導致的效果，或是因在生長過程中中途(也就是從第二步驟轉移至第三步驟時)改變溫度，導致生長模式改變，由此導致的效果等。如第2圖所示，第2圖的序列亦由核形成成為二維生長。
又，尤其在SiC的核形成步驟和3C-SiC單晶膜的形成步驟的初期階段，將壓力設為1333Pa(10Torr)以下、較佳是133Pa(1Torr)以下來在3C-SiC單晶膜正下方形成空位後，將壓力變更成大於1333Pa(10Torr)的條件，藉此能夠兼顧整個異質磊晶層的應力的緩和及有效率的3C-SiC單晶膜的形成。
而且，如果在以這樣的方式生長的3C-SiC單晶膜上生長GaN或Si，則能夠獲得一種具有高品質的GaN磊晶層或Si磊晶層之基板。
(第三實施形態)
第3圖示出第三實施形態的生長序列的一例。
＜第一步驟＞
首先，將矽單晶基板配置於RP-CVD裝置中，在與第一實施形態同樣的條件下實行H
2退火，去除表面的自然氧化膜。
＜第二步驟、第三步驟＞
繼而，為了在矽單晶基板表面連續地實行SiC的核形成及隨後的3C-SiC單晶膜的形成，一面導入單甲基矽烷或三甲基矽烷作為原料氣體，一面從300℃以上且950℃以下的範圍的溫度逐漸升溫至1000℃以上且低於1200℃的範圍的溫度。如此一來，能夠以逐漸升溫的過程連續地實行第二步驟和第三步驟。
升溫速度例如較佳是設為0.5℃/sec以上且2℃/sec以下。若是此水準的升溫速度，則並非過快的升溫速度，因此能夠有效地防止設定溫度和實際溫度產生背離，能夠適當地實行溫度控制。又，由於並非過慢的升溫速度，因此能夠抑制：SiC的核形成溫度帶的通過時間變長而變得容易發生不均勻的核形成、或異質磊晶生長過程中容易發生缺陷形成。
此時，升溫至預先設定在1000℃以上且低於1200℃的範圍內的規定的溫度後，可在此時停止生長，亦可於保持在該溫度的狀態下繼續生長直到成為規定的膜厚。或者，即使達到1000℃以上但未達到上述規定的溫度，若在升溫的途中達到規定的膜厚，則亦可在此時停止生長。藉由一面改變溫度一面進行生長，來一面連續地改變生長模式(由核形成改變成二維生長)一面進行生長，藉此能夠使成膜速度逐漸高速化。
在第3圖中，以1℃/sec的升溫速度從300℃升溫至1130℃，並直接在1130℃保持規定時間。
又，尤其在SiC的核形成步驟和3C-SiC單晶膜的形成步驟的初期階段，將壓力設為1333Pa(10Torr)以下、較佳是133Pa(1Torr)以下來在3C-SiC單晶膜正下方形成空位後，將壓力變更成大於1333Pa(10Torr)的條件，藉此能夠兼顧整個異質磊晶層的應力的緩和及有效率的3C-SiC單晶膜的形成。
而且，如果在以這樣的方式生長的3C-SiC單晶膜上生長GaN或Si，則能夠獲得一種具有高品質的GaN磊晶層或Si磊晶層之基板。
[實施例]
以下，示出本發明的實施例及比較例來更具體說明本發明，但是本發明不限定於這些例子。
(實施例1)
準備直徑為300mm、面方位(111)、摻硼之高電阻矽單晶基板，將晶圓配置於RP-CVD裝置的反應爐內的承載盤上，在1080℃實行1分鐘的H
2退火(第一步驟)。
繼而，將生長溫度設為900℃，將生長壓力設為133Pa、6666Pa、13332Pa(1Torr、50Torr、100Torr)來導入三甲基矽烷氣體，實行SiC的核形成步驟(第二步驟)和3C-SiC單晶膜的生長(第三步驟)。實行5分鐘的生長，結果膜厚分別為13nm、18nm、31nm。
然後，利用面內(In Plane)配置來確認X射線繞射(XRD)光譜，結果如第4圖的XRD分析結果的圖表所示，在任一生長壓力條件下都能夠確認到與Si(220)平行的3C-SiC(220)的峰，確認到單晶的3C-SiC膜生長。
又，將生長壓力為133Pa(1Torr)時的TEM剖面影像示於第5圖。其結果，確認到在3C-SiC單晶層的正下方形成有空位。
(實施例2)
準備直徑為300mm、面方位(111)、摻硼之高電阻矽單晶基板，將晶圓配置於RP-CVD裝置的反應爐內的承載盤上，在1080℃實行1分鐘的H
2退火(第一步驟)。
繼而，作為第二步驟(SiC的核形成步驟)，在900℃的生長溫度，導入三甲基矽烷氣體5分鐘。
繼而，作為第三步驟(3C-SiC單晶膜形成步驟)，使生長溫度升溫至1190℃來導入三甲基矽烷氣體，實行3C-SiC單晶膜的生長。此時的生長壓力一律設為133Pa、6666Pa、13332Pa(1Torr、50Torr、100Torr)。實行1分鐘的生長，結果膜厚分別為30nm、39nm、45nm左右。
成膜後，利用In Plane配置來確認XRD光譜，結果如第6圖的XRD分析結果的圖表所示，在任一生長壓力條件下都能夠確認到與Si(220)平行的3C-SiC(220)的峰，確認到單晶的3C-SiC膜生長。
又，將生長壓力為133Pa(1Torr)時的TEM剖面影像示於第7圖。其結果，確認到在3C-SiC單晶層的正下方形成有空位。
(實施例3)
準備直徑為300mm、面方位(111)、摻硼之高電阻矽單晶基板，將晶圓配置於RP-CVD裝置的反應爐內的承載盤上，在1080℃實行1分鐘的H
2退火(第一步驟)。
繼而，使爐內溫度降溫至300℃後，一面以1℃/sec的升溫速率進行升溫至1130℃，一面導入三甲基矽烷氣體，來連續地實行SiC的核形成步驟(第二步驟)和隨後的3C-SiC單晶膜的形成步驟(第三步驟)。此時的生長壓力一律設為133Pa、6666Pa、13332Pa(1Torr、50Torr、1Torr。進一步到達1130℃後保持10分鐘(min)，實行3C-SiC單晶膜的生長，結果膜厚分別為100nm、115nm、120nm左右。
成膜後，利用In Plane配置來確認XRD光譜，結果如第8圖的XRD分析結果的圖表所示，在任一生長壓力條件下都能夠確認到與Si(220)平行的3C-SiC(220)的峰，確認到單晶的3C-SiC膜生長。
又，將生長壓力為133Pa(1Torr)時的TEM剖面影像示於第9圖。其結果，確認到在3C-SiC單晶層的正下方形成有空位。
(實施例4)
準備直徑為300mm、面方位(111)、摻硼之高電阻矽單晶基板，將晶圓配置於RP-CVD裝置的反應爐內的承載盤上，在1080℃實行1分鐘的H
2退火(第一步驟)。
繼而，將生長溫度設為900℃，將生長壓力設為13332Pa(100Torr)來導入三甲基矽烷氣體，實行SiC的核形成步驟(第二步驟)和3C-SiC單晶膜的生長(第三步驟)。此時，在第三步驟中，將最初的生長壓力設為133Pa(1Torr)，中途使其上升至13332Pa(100Torr)，實行5分鐘的生長，結果膜厚為89nm。
然後，利用In Plane配置來確認XRD光譜，結果能夠確認到與Si(220)平行的3C-SiC(220)的峰，確認到單晶的3C-SiC膜生長。又，根據此時的TEM剖面影像，確認到在3C-SiC單晶層的正下方形成有空位。
又，利用另一實驗調查在900℃改變壓力時的生長速率，結果133Pa(1Torr)時的生長速率為0.04nm/s，13332Pa(100Torr)時的生長速率為0.14nm/s，確認到藉由在途中使壓力上升能夠使膜厚比設為固定133Pa(1Torr)之條件更厚。
(比較例1)
除了將3C-SiC的生長壓力(第二步驟、第三步驟)設為19998Pa(150Torr)以外，在與實施例1相同的條件下實行3C-SiC單晶膜的形成。其結果，膜厚為20nm左右。
然後，利用In Plane配置來確認XRD光譜，結果確認到與Si(220)平行的3C-SiC(220)的峰、以及3C-SiC(111)的峰、3C-SiC(311)的峰，確認到多晶3C-SiC膜生長。
(比較例2)
除了將3C-SiC的生長壓力(第二步驟、第三步驟)一律設為19998Pa(150Torr)以外，在與實施例2相同的條件下實行3C-SiC單晶膜的形成。其結果，膜厚為50nm左右。
成膜後，利用In Plane配置來確認XRD光譜，結果確認到與Si(220)平行的3C-SiC(220)的峰、以及3C-SiC(111)的峰、3C-SiC(311)的峰，確認到多晶3C-SiC膜生長。
(比較例3)
除了將3C-SiC的生長壓力(第二步驟、第三步驟)一律設為19998Pa(150Torr)以外，在與實施例3相同的條件下實行3C-SiC單晶膜的形成。其結果，膜厚為130nm左右。
成膜後，利用In Plane配置來確認XRD光譜，結果確認到與Si(220)平行的3C-SiC(220)的峰、以及3C-SiC(111)的峰、3C-SiC(311)的峰，確認到多晶3C-SiC膜生長。
(實施例5)
繼而，將以實施例1的方法生長的3C-SiC基板配置於MO-CVD裝置中，在1100℃的生長溫度形成AlN緩衝層，在其上以1190℃生長GaN。
然後，利用面外(Out of Plane)配置以XRD光譜測定GaN的搖擺曲線的半值寬，結果為640，可知與在未形成有3C-SiC磊晶層之矽單晶基板上以相同條件生長GaN時的半值寬為774相比，能夠生長同等或以上的膜質的GaN層。
(實施例6)
除了將第二步驟、第三步驟的生長溫度設為950℃以外，在與實施例1的生長壓力為13332Pa(100Torr)的情況相同的條件下實行3C-SiC單晶膜的形成。其結果，膜厚為33nm左右。
然後，利用In Plane配置來確認XRD光譜，結果能夠確認到與Si(220)平行的3C-SiC(220)的峰，確認到單晶的3C-SiC膜生長。
(實施例7)
除了將第二步驟、第三步驟的生長溫度分別設為300℃、800℃以外，在與實施例2的生長壓力為13332Pa(100Torr)的情況相同的條件下實行3C-SiC單晶膜的形成。其結果，膜厚為29nm左右。
然後，利用In Plane配置來確認XRD光譜，結果能夠確認到與Si(220)平行的3C-SiC(220)的峰，確認到單晶的3C-SiC膜生長。
(比較例4)
除了將第二步驟的生長溫度設為200℃或1000℃以外，在與實施例2相同的條件下實行3C-SiC單晶膜的形成。其結果，膜厚分別為2nm、4nm左右。
相較於實施例2，以這樣的方式所形成的膜厚極薄，效率明顯較差。此被認為原因在於，由於第二步驟的溫度過低或過高，無法充分實行SiC的核形成，因此在第三步驟中幾乎無法進行異質磊晶生長。
(比較例5)
除了將第三步驟的生長溫度設為700℃或1250℃以外，在與實施例2相同的條件下實行3C-SiC單晶膜的形成。其結果，膜厚分別為7nm、50nm左右。
如此一來，相較於實施例2，在700℃的情況下所形成的膜厚極薄，效率明顯較差。又，在1250℃的情況下發生了滑移差排。
再者，本發明並不限定於上述實施形態。上述實施形態為例示，任何具有實質上與本發明的申請專利範圍所記載的技術思想相同的構成且發揮相同功效者，皆包含在本發明的技術範圍內。
無
第1圖是示出第一實施形態的生長序列的一例之圖表。
第2圖是示出第二實施形態的生長序列的一例之圖表。
第3圖是示出第三實施形態的生長序列的一例之圖表。
第4圖是示出實施例1(第一實施形態)中生長的矽基碳化矽(SiC on Si)(111)的面內X射線繞射(In plane XRD)分析的結果之圖表。
第5圖是示出實施例1(第一實施形態)的以133Pa(1Torr)的壓力生長時的SiC on Si的穿透式電子顯微鏡(TEM)剖面影像之測定圖。
第6圖是示出實施例2(第二實施形態)中生長的SiC on Si(111)的In plane XRD分析的結果之圖表。
第7圖是示出實施例2(第二實施形態)的以133Pa(1Torr)的壓力生長時的SiC on Si的TEM剖面影像之測定圖。
第8圖是示出實施例3(第三實施形態)中生長的SiC on Si(111)的In plane XRD分析的結果之圖表。
第9圖是示出實施例3(第三實施形態) 的以133Pa(1Torr)的壓力生長時的SiC on Si的TEM剖面影像之圖表。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
Claims (21)
- 一種異質磊晶晶圓的製造方法，在矽單晶基板上異質磊晶生長3C-SiC單晶膜，該製造方法的特徵在於， 使用低壓CVD裝置，並包含以下步驟： 第一步驟，利用氫烘烤去除前述矽單晶基板的表面的自然氧化膜； 第二步驟，一邊對前述低壓CVD裝置內供給包含碳和矽之來源氣體，一邊以壓力為13332Pa以下、溫度為300℃以上且950℃以下的條件在前述矽單晶基板上形成SiC的核；及， 第三步驟，以壓力為13332Pa以下、溫度為800℃以上且低於1200℃的條件生長SiC單晶，來形成前述3C-SiC單晶膜。
- 如請求項1所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，使用單甲基矽烷或三甲基矽烷作為前述來源氣體。
- 如請求項1所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，在溫度為1000℃以上且1200℃以下的條件下實行前述第一步驟。
- 如請求項2所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，在溫度為1000℃以上且1200℃以下的條件下實行前述第一步驟。
- 如請求項1所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，藉由在壓力為1333Pa以下的條件下實行前述第三步驟，來在前述3C-SiC單晶膜正下方形成空位。
- 如請求項2所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，藉由在壓力為1333Pa以下的條件下實行前述第三步驟，來在前述3C-SiC單晶膜正下方形成空位。
- 如請求項3所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，藉由在壓力為1333Pa以下的條件下實行前述第三步驟，來在前述3C-SiC單晶膜正下方形成空位。
- 如請求項4所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，藉由在壓力為1333Pa以下的條件下實行前述第三步驟，來在前述3C-SiC單晶膜正下方形成空位。
- 如請求項1～8中任一項所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，使壓力和溫度之中的一者以上高於前述第二步驟的條件，來實行前述第三步驟。
- 如請求項9所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，在溫度為1000℃以上且小於1200℃的條件下實行前述第三步驟。
- 如請求項1～8中任一項所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，在前述第三步驟中提高壓力和溫度之中的一者以上。
- 如請求項9所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，在前述第三步驟中提高壓力和溫度之中的一者以上。
- 如請求項10所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，在前述第三步驟中提高壓力和溫度之中的一者以上。
- 如請求項11所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，藉由在溫度從300℃以上且950℃以下的範圍逐漸升溫至1000℃以上且小於1200℃的範圍之條件下實行前述第二步驟、前述第三步驟，從而連續地實行前述SiC的核形成、及該SiC的核形成之後的前述3C-SiC單晶膜的形成。
- 如請求項12所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，藉由在溫度從300℃以上且950℃以下的範圍逐漸升溫至1000℃以上且小於1200℃的範圍之條件下實行前述第二步驟、前述第三步驟，從而連續地實行前述SiC的核形成、及該SiC的核形成之後的前述3C-SiC單晶膜的形成。
- 如請求項13所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，藉由在溫度從300℃以上且950℃以下的範圍逐漸升溫至1000℃以上且小於1200℃的範圍之條件下實行前述第二步驟、前述第三步驟，從而連續地實行前述SiC的核形成、及該SiC的核形成之後的前述3C-SiC單晶膜的形成。
- 如請求項14所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，以0.5℃/sec以上且2℃/sec以下的升溫速度實行前述升溫。
- 如請求項15所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，以0.5℃/sec以上且2℃/sec以下的升溫速度實行前述升溫。
- 如請求項16所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，以0.5℃/sec以上且2℃/sec以下的升溫速度實行前述升溫。
- 如請求項1～8中任一項所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，在前述所形成的3C-SiC單晶膜的表面進一步生長GaN來形成GaN層。
- 如請求項1～8中任一項所述之異質磊晶晶圓的製造方法，其中，在前述所形成的3C-SiC單晶膜的表面進一步生長Si來形成Si層。
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