单晶4H-SiC衬底及其制造方法技术

本发明专利技术可得到能够减少晶体缺陷的单晶4H-SiC衬底及其制造方法。准备具有平坦性的4H-SiC体材料单晶衬底（1）。在4H-SiC体材料单晶衬底（1）上外延生长具有凹部（2）的单晶4H-SiC层（3）。单晶4H-SiC层（3）的膜厚为X[μm]时，凹部（2）的直径Y[μm]是0.2×X[μm]以上、2×X[μm]以下，且凹部（2）的深度Z[nm]是0.95×X[μm]+0.5[nm]以上、10×X[μm]以下。

【技术实现步骤摘要】
单晶4H-SiC衬底及其制造方法
本专利技术涉及能够减少晶体缺陷的单晶4H-SiC衬底及其制造方法。
技术介绍
近年，带隙、击穿电场强度、饱和漂移速度、热传导系数比硅相对更大的碳化硅（以下记为SiC）主要作为电力控制用的功率器件材料被注目。使用该SiC的功率器件能大幅降低电力损失并进行小型化等，能够实现电源电力变换时的节能化，因此成为电动车的高性能化、太阳能电池系统等的高功能性化等实现低碳社会的关键器件。根据SiC功率器件的规格掺杂浓度以及膜厚大致可既定，通常比体材料（bulk）单晶衬底要求更高的精度。因此，在4H-SiC体材料单晶衬底上预先通过热CVD法（热化学气相沉积法）等来外延生长半导体器件的有源区。这里所谓有源区是晶体中掺杂浓度以及膜厚被精密控制的区域。4H-SiC体材料单晶衬底中内含在c轴方向传播的螺旋位错、边缘位错以及在垂直于c轴方向传播的位错（基面位错）。这些位错传播入在衬底上生长的外延膜。还在外延生长时导入新的位错环、层叠缺陷。这些晶体缺陷有时使使用该SiC衬底的器件的耐电压特性、可靠性、产率下降，危害其实用化。另外，作为单晶3C-SiC衬底的制造方法，提出了通过形成成为在平坦面散布表面坑的表面状态的单晶3C-SiC层，来减少晶体缺陷的方法（例如，参照专利文献1）。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2011-225421号公报。
技术实现思路
专利技术要解决的问题因为是立方晶系的3C-SiC与是六方晶系的4H-SiC的晶体结构即原子排列不同，所以生长条件差异很大。例如，与3C-SiC的生长温度是1000~1100℃相对地，4H-SiC的生长温度是1600~1800℃的非常高的温度。因此，降低单晶3C-SiC衬底的晶体缺陷的方法不能适用于单晶4H-SiC衬底，在单晶4H-SiC衬底中减少晶体缺陷的方法并未已知。本专利技术为了解决上述问题而成，目的是得到能够减少晶体缺陷的单晶4H-SiC衬底及其制造方法。解决问题的方案本专利技术涉及的单晶4H-SiC衬底的制造方法包括：准备具有平坦性的4H-SiC体材料单晶衬底的工序；以及在所述4H-SiC体材料单晶衬底上外延生长具有凹部的第一单晶4H-SiC层的工序，所述第一单晶4H-SiC层的膜厚为X[μm]时，所述凹部的直径Y[μm]是0.2×X[μm]以上、2×X[μm]以下，且所述凹部的深度Z[nm]是0.95×X[μm]+0.5[nm]以上、10×X[μm]以下。专利技术的效果通过本专利技术能够减少晶体缺陷。附图说明图1是示出涉及本专利技术实施方式1的单晶4H-SiC衬底的制造方法的截面图；图2是示出涉及本专利技术实施方式1的单晶4H-SiC衬底的制造方法的截面图；图3是用光学显微镜观察在单晶4H-SiC层的生长表面形成的凹部的显微镜摄像；图4是示出凹部的直径和外延膜的膜厚的关系的图；图5是示出凹部的深度和外延膜的膜厚的关系的图；图6是示出单晶4H-SiC层的表面凹部的密度与缺陷密度的关系的图；图7是示出涉及本专利技术实施方式2的单晶4H-SiC衬底的制造方法的截面图。具体实施方式参照附图，对涉及本专利技术的实施方式的单晶4H-SiC衬底及其制造方法进行说明。有时对相同或者相对应的构成要素附上相同的符号，省略反复说明。实施方式1以下，关于涉及本专利技术的实施方式1的单晶4H-SiC衬底的制造方法进行说明。图1以及图2是示出涉及本专利技术实施方式1的单晶4H-SiC衬底的制造方法的截面图。首先，如图1所示，准备对于成为主面的（0001）面（C面）具有向着<11-20>方向的4度的取向差角的4H-SiC体材料单晶衬底1。这里，取向差角不限于4度，在2度~10度的范围内即可。具体地说，对于4H-SiC体材料单晶衬底1通过机械研磨以及使用呈酸性或碱性药液的化学机械研磨来进行平坦化处理。另外，使用丙酮施加超声波清洗来除去有机物。然后，对于4H-SiC体材料单晶衬底1进行所谓的RCA清洗。即，在加热到75℃（±5℃）的氨水和过氧化氢混合液（1：9）中浸泡10分钟之后，浸入加热到75℃（±5℃）的盐酸和过氧化氢溶液（1：9）。另外，浸入含体积比为5%左右的氢氟酸的水溶液，再用净水施加置换处理，由此进行对于4H-SiC体材料单晶衬底1的表面清洗。接着，将4H-SiC体材料单晶衬底1导入CVD装置。抽真空到大约1×10-7kPa左右。之后，加热到1400℃~1700℃左右，实施在还原性气体氛围中的退火工序。接着，如图2所示，供给原料气体，在4H-SiC体材料单晶衬底1上外延生长具有直径2~20μm、最深部的深度10~100nm的凹部2的单晶4H-SiC层3。原料气体例如：作为Si原子的供给源使用硅烷气体（SiH4）、作为C原子的供给源使用丙烷气体（C3H8）、作为N型掺杂使用氮气。这里SiH4气体以500sccm、C3H8气体以200sccm的流量进行供给，形成膜厚10μm的单晶4H-SiC层3。此外，以衬底界面处载流子浓度为1×1017/cm3，有源区中载流子浓度为8×1015/cm3的方式供给作为N型掺杂的氮气。之后，停止供给原料气体，降温到室温。这里，专利技术人发现在形成单晶4H-SiC层3时通过适当地设定生长炉内的压力和温度，可在单晶4H-SiC层3的生长表面形成非常微小的凹部2。图3是用光学显微镜观察在单晶4H-SiC层的生长表面形成的凹部的显微镜摄像。用光学显微镜算出凹部2的密度时，该密度约为600个/cm2。该凹部2的表面形状通过原子力显微镜（AtomicForceMicroscope）来测定，形状为非对称的椭圆锥型，直径为2~20μm，最深部的深度为10~100nm。进一步重复细节的实验的结果是，凹部的大小根据成膜的外延膜的膜厚而不同，已知膜厚时凹部的直径、深度也变大。图4是示出凹部的直径和外延膜的膜厚的关系的图。图5是示出凹部的深度和外延膜的膜厚的关系的图。实验的结果是，外延膜的膜厚为X[μm]时，凹部的直径Y[μm]为0.2×X[μm]以上、2×X[μm]以下，且凹部的深度Z[nm]是0.95×X[μm]+0.5[nm]以上、10×X[μm]以下。图6是示出单晶4H-SiC层的表面凹部的密度与缺陷密度的关系的图。缺陷密度通过光致发光形貌法（PL-TOPO法）来观测。这里，缺陷密度定义为用PL-TOPO法观察到的发光异常区域。使用一般的生长条件使单晶4H-SiC层成膜的现有的衬底的情况下，用光学显微镜几乎不能观察到凹部，其密度少于10个/cm2。该情况下的缺陷密度为60个/cm2以上。器件电极的面积也是1~2mm见方以上的较大的面积，使用现有的单晶4H-SiC衬底时电极下将存在一个以上的缺陷，器件的耐电压特性等变差。一方面，涉及凹部2的密度为10个/cm2以上的本实施方式的单晶4H-SiC衬底的情况下，缺陷密度能够大幅降低到2个/cm2。凹部2的密度为1500个/cm2的情况下缺陷密度为1个/cm2的非常低的密度。如以上说明的，本实施方式中，外延生长具有直径Y[μm]为0.2×X[μm]以上、2×X[μm]以下，且深度Z[nm]是0.95×X[μm]+0.5[nm]以上、10×X[μm]以下的凹部的单晶4H-SiC层3。由此，能够减少晶体缺陷。另外，能够提升使用该高品本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶4H‑SiC衬底的制造方法，其特征在于，包括：准备具有平坦性的4H‑SiC体材料单晶衬底的工序；以及在所述4H‑SiC体材料单晶衬底上外延生长具有凹部的第一单晶4H‑SiC层的工序，所述第一单晶4H‑SiC层的膜厚为X[μm]时，所述凹部的直径Y[μm]是0.2×X[μm]以上、2×X[μm]以下，且所述凹部的深度Z[nm]是0.95×X[μm]+0.5[nm]以上、10×X[μm]以下。

【技术特征摘要】
2013.03.26 JP 2013-0643651.一种单晶4H-SiC衬底的制造方法，其特征在于，包括：准备具有平坦性的4H-SiC体材料单晶衬底的工序；以及在所述4H-SiC体材料单晶衬底上外延生长具有凹部的第一单晶4H-SiC层的工序，所述第一单晶4H-SiC层的膜厚为X[μm]时，X是0.05～10，所述凹部的直径Y[μm]是0.2×X以上、2×X以下，且所述凹部的深度Z[μm]是(0.95×X+0.5)×10-3以上、10×X×10-3以下。2.根据权利要求1所述的单晶4H-SiC衬底的制造方法，其特征在于：形成所述第一单晶4H-SiC层时，以所述凹部在所述第一单晶4H-SiC层的生长表面形成的方式设定生长炉内的压力和温度。3.根据权利要求1或2所述的单晶4H-SiC衬底的制造方法，其特征在于：所述第一单晶4H-SiC层表面的所述凹部的密度为10个/cm2以上...

【专利技术属性】
技术研发人员：大野彰仁，川津善平，富田信之，田中贵规，三谷阳一郎，浜野健一，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP