碳化硅衬底及其制造方法以及使用碳化硅衬底的半导体元件技术

在衬底１的碳化硅晶体生长表面１ａ中，一边保持硅原子２相对于碳原子处于过剩状态，一边利用ＭＢＥ法等使碳化硅薄膜进行外延生长。由此，可在低温下以良好的再现性形成结晶性良好的碳化硅衬底。即使在１３００℃以下的低温下也能进行该生长，可形成高浓度掺杂膜.选择生长膜.在六方晶体上的立方晶体碳化硅的生长膜。此外，在六方晶体上使立方晶体碳化硅实现结晶化时，进而使用向（数１）方向倾斜的偏移切割衬底对于防止孪晶的发生是有效的。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有六方晶体或立方晶体的晶体结构的碳化硅衬底、或层叠了具有这些互不相同的晶体系列的晶体层的碳化硅衬底、这些碳化硅衬底的同质外延生长或异质外延生长的制造方法以及使用这些碳化硅衬底的半导体元件。
技术介绍
碳化硅晶体由于其带隙宽、饱和电子速度大、热传导率高等，具有作为半导体材料的较为理想的特性，故近年来引人注目，目前在市场上能买到并正在使用6H或4H六方晶体碳化硅的单晶衬底。此外，特别是由于关于预期能利用于高速、高输出功率的半导体元件的六方晶体碳化硅，目前还难以生长能作为衬底使用的大型的单晶，故正在使用在硅的单晶衬底上以异质外延方式生长的薄膜等。上述那样的碳化硅晶体，例如将硅烷及丙烷等混合气体作为原料、将氢作为运载气体、利用超过1300℃的温度、通常约1500℃的高温的常压CVD法等来形成。但是，碳化硅晶体的详细的生长机理还没有搞清楚，故在工业上还没有充分地完成掌握了原料气体的供给量与衬底温度的关系并对其进行控制、以良好的再现性来外延生长碳化硅薄膜的技术。因此，具体地说，现有的碳化硅衬底的制造技术存在以下那样的各种问题。首先，由于在碳化硅的晶体生长中需要上述那样的高温，故难以进行被掩蔽的选择区域中的晶体生长，或进行高浓度的氮掺杂。即，由于没有能充分地耐受上述那样的高温的掩蔽材料，故难以进行图形刻蚀，使其只在预定的区域中进行晶体生长，特别是因为难以对碳化硅进行有选择的刻蚀，故难以形成所希望的半导体元件及半导体电路。此外，如果在上述那样的高温下进行氮掺杂，则容易产生晶体生长膜的皱裂等，例如难以进行5×1018个/cm3以上的程度的高浓度掺杂。此外，由于在高温下的晶体生长中所供给的原料气体的分解及在衬底表面上的附着、再蒸镀等机理是复杂的，故更加难以掌握原料气体的供给量与衬底温度的关系并对其进行控制、以良好的再现性来外延生长碳化硅薄膜等。再有，T.Kimoto等在J.Applied Physics Vol.73，No.2 1993(pp.726-732)中提出了通过使用具有对于{0001}面的下述(式4)方向的偏移切割(offcut)面的碳化晶体衬底以台阶流(stepflow)方式生长晶体等在较低的温度下形成6H六方晶体碳化硅晶体的技术，但即使在该情况下也需要加热到约1200℃。(数4) 其次，以外延方式生长结晶性良好的六方晶体碳化硅或立方晶体碳化硅的单晶薄膜是困难的。特别是，如果在硅衬底上形成立方晶体碳化硅晶体，则晶格失配很大，难以得到良好的结晶性。此外，即使例如在6H六方晶体碳化硅晶体上形成等情况下，往往生长包含因孪晶(twin)的发生而引起的的双定位边界(double positioning boundary)的立方晶体碳化硅晶体。再有，本申请的专利技术者在日本国特开平7-172997号公报中提出了通过使碳化硅晶体的生长表面中的硅原子相对于碳原子处于过剩状态来形成具有(001)面的立方晶体碳化硅薄膜或通过使碳原子相对于硅原子处于过剩状态来形成具有(111)面的立方晶体碳化硅薄膜或具有(0001)面的六方晶体碳化硅薄膜的方法。但即使在该情况下，虽然可得到比较良好的结晶性，但要可靠地或大幅度地抑制孪晶的发生等也是困难的。再有，不能在碳化硅衬底上通过良好的界面以异质外延方式生长与该碳化硅衬底的晶体系列不同的晶体系列的碳化硅晶体。即，例如在六方晶体碳化硅衬底上以台阶流方式生长碳化硅晶体时，由于被形成的碳化硅晶体被限于上述衬底的晶体结构，还是容易成为六方晶体碳化硅，故以异质外延方式生长立方晶体碳化硅等是困难的。鉴于以上的各点，本专利技术的目的在于提供这样一种碳化硅衬底的制造方法，该方法能在较低温度下外延生长具有良好的结晶性的碳化硅，此外，也能容易地进行被掩蔽的选择区域中的晶体生长或进行高浓度的氮掺杂，再有，能进行异质外延生长，以便通过良好的界面层叠互不相同的晶体系列的碳化硅，本专利技术的目的还在于提供用该制造方法形成的碳化硅衬底以及使用这样的碳化硅衬底能进行高速工作的半导体元件。专利技术的公开本专利技术者发现了通过将碳化硅晶体的生长表面上的碳与硅的存在比控制成硅原子相对于碳原子处于过剩状态，即使保持在较低的温度下也能以良好的再现性得到平滑的表面，能得到结晶性良好的高性能外延薄膜，根据该发现完成了本专利技术。即，如附图说明图1中所示，在衬底1的碳化硅晶体生长表面1a中，以Si-Si键3与衬底1结合的过剩的硅原子2在碳化硅晶体生长表面1a上容易活跃地扩散。这是因为，Si-Si键3与碳原子的C－Si键或C-C键相比是弱的结合。因此，如果如以上所述那样在硅原子处于过剩的状态下供给碳原子，则硅原子容易在适当的晶格位置上与衬底1和碳原子结合，因而，即使在较低的温度下，也能容易地得到均匀性、平坦性优良的良好的结晶性。再有，本专利技术者如上述那样在特开平7-172997号公报中提出了在具有(001)面的立方晶体碳化硅中以过剩的方式供给硅原子，在具有(0001)面的六方晶体碳化硅中以过剩的方式供给碳原子的技术，但新发现了即使在(0001)面等的情况下，通过少量地以过剩方式供给硅原子，也可利用上述那样的机理得到更良好的结晶性，完成了本申请专利技术。此外，如以上所述，如果对晶体生长表面进行偏移切割，使得自预定的结晶面的晶向起偏离0.05°以上至10°以下，则可生长结晶性更好的晶体。这是因为，通过偏移切割，如图2那样在晶体生长表面上形成平台4和台阶边缘5，引起台阶边缘5在平台4上生长的台阶流(stepflow)生长6。上述硅原子的容易扩散这一点，促进了台阶流生长6，即使在低温下也能进行外延生长。在此，如果自晶向起偏离不到0.05°进行偏移切割，则平台宽度过分变宽，为了进行台阶流生长需要长距离的表面扩散，在良好的薄膜生长方面需要长的时间或高温。另一方面，如果自晶向起偏离10°以上进行偏移切割，则台阶边缘的密度过分变高，发生来自台阶边缘的生长2次核等，容易引起膜皱裂。关于偏移切割的方向，在生长的碳化硅晶体是六方晶体的情况下，由于是向下述的(数1)的方向或下述的(数5)的方向倾斜的偏移切割面，故能得到为了进行良好的台阶流生长最佳的平台和台阶边缘。即，在(数5)的方向的情况下，如图3(a)中所示，虽然晶体生长前的台阶边缘5是上述的(数1)的方向，但台阶流生长6的台阶边缘相对于偏移切割的倾斜方向的(数5)的方向成为构成120°角度的2个(数5)的方向，一边形成锯齿状的台阶边缘，一边进行台阶流生长。在此，由于台阶流生长6的生长部6a、6b在六方晶体的情况下是相同的晶体，故可得到良好的结晶性。但是，在该情况下，随着晶体生长的进行，多个生长台阶重叠的台阶聚集效应(bunching)变得显著，有时生长膜表面的凹凸变大。本专利技术者发现了，为了降低这样的生长膜表面的凹凸，使用向上述的(数1)方向倾斜的偏移切割面是有效的。在该情况下，在仍能得到良好的结晶性的同时，难以引起上述的台阶聚集效应，可形成生长表面的平坦性高的碳化硅衬底。这样的碳化硅衬底例如在需要微细加工的情况下是有效的。(数1)<1100> (数5)<1120> 另一方面，如果在立方晶体生长的情况下使用向上述的(数5)方向倾斜的偏移切割面，则生长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硅衬底的制造方法，该方法是将碳原子和硅原子供给碳化硅衬底的表面上来使碳化硅晶体生长的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于： 上述碳化硅晶体的生长开始前的上述碳化硅衬底的表面是从六方晶体碳化硅晶体的｛０００１｝面和立方晶体碳化硅晶体的｛１１１｝面中选出的自某一个面起倾斜了０．０５°以上和１０°以下的偏移切割面， 同时，控制上述硅原子和上述碳原子的供给量，使得在上述碳化硅衬底的表面上硅原子相对于碳原子处于过剩状态。

【技术特征摘要】
JP 1997-8-27 230770/97(1)一种碳化硅衬底的制造方法，该方法是将碳原子和硅原子供给碳化硅衬底的表面上来使碳化硅晶体生长的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于上述碳化硅晶体的生长开始前的上述碳化硅衬底的表面是从六方晶体碳化硅晶体的{0001}面和立方晶体碳化硅晶体的{111}面中选出的自某一个面起倾斜了0.05°以上和10°以下的偏移切割面，同时，控制上述硅原子和上述碳原子的供给量，使得在上述碳化硅衬底的表面上硅原子相对于碳原子处于过剩状态。(2)如权利要求1中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于上述生长的碳化硅晶体是六方晶体碳化硅晶体，同时，上述碳化硅晶体的生长开始前的上述碳化硅衬底的表面是从六方晶体碳化硅晶体的{0001}面起向下述(数1)方向倾斜的偏移切割面，(数1)<1100>(3)如权利要求1中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于上述生长的碳化硅晶体是立方晶体碳化硅晶体，同时，上述碳化硅晶体的生长开始前的上述碳化硅衬底的表面是从自六方晶体碳化硅晶体的{0001}面起大致向上述(数1)方向倾斜的偏移切割面和自立方晶体碳化硅晶体的{111}面起大致向<112>方向倾斜的偏移切割面中选出的某一个面。(4)如权利要求1中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于上述碳化硅晶体的生长开始前的上述碳化硅衬底的表面是六方晶体碳化硅晶体的(0001)面，上述生长的碳化硅晶体是六方晶体碳化硅晶体，同时，进行上述硅原子和上述碳原子的供给量的控制，使得上述碳化硅衬底的表面结构在大致1×1表面结构与大致表面再排列结构之间。(5)如权利要求1中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于上述碳化硅晶体的生长开始前的上述碳化硅衬底的表面是从六方晶体碳化硅晶体的(0001)面和立方晶体碳化硅晶体的(111)面中选出的某一个面，上述生长的碳化硅晶体是立方晶体碳化硅晶体，同时，进行上述硅原子和上述碳原子的供给量的控制，使得上述碳化硅衬底的表面结构在大致1×1表面结构与大致3×3表面再排列结构之间。(6)如权利要求1中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于上述碳化硅晶体的生长开始前的上述碳化硅衬底的表面是六方晶体碳化硅晶体的下述(数2)面，上述生长的碳化硅晶体是六方晶体碳化硅晶体，同时，进行上述硅原子和上述碳原子的供给量的控制，使得上述碳化硅衬底的表面结构在大致1×1表面结构与大致3×3表面再排列结构之间，(数2)(0001)(7)如权利要求1中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于上述碳化硅晶体的生长开始前的上述碳化硅衬底的表面是从六方晶体碳化硅晶体的上述(数2)面和立方晶体碳化硅的下述(数3)面中选出的某一个面，上述生长的碳化硅晶体是立方晶体碳化硅晶体，同时，进行上述硅原子和上述碳原子的供给量的控制，使得上述碳化硅衬底的表面结构在大致1×1表面结构与大致3×3表面再排列结构之间，(数3)(111)。(8)如权利要求1中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于进行上述硅原子和上述碳原子的供给量的控制，使得在上述碳化硅衬底的表面上存在的、在上述表面上以硅-硅键结合的过剩的硅原子的数目为上述碳化硅晶体中的5原子层以下。(9)如权利要求1中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于间歇地供给被供给到上述碳化硅衬底的表面上的上述硅原子和上述碳原子中的至少某一方。(10)如权利要求9中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于连续地供给上述硅原子，另一方面，间歇地供给上述碳原子。(11)如权利要求9中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于以互不相同的时序分别间歇地供给上述硅原子和上述碳原子，同时，只进行上述硅原子的供给，直到上述碳化硅衬底的表面再排列结构成为从大致表面再排列结构和3×3表面再排列结构中选出的某一个表面再排列结构，另一方面，进行上述碳原子的供给，直到上述碳化硅衬底的表面再排列结构成为大致1×1的表面结构。(12)如权利要求1中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于在将上述碳化硅衬底的表面的温度保持在600℃以上且1300℃以下的状态下，使上述碳化硅晶体生长。(13)如权利要求12中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于通过将含有反应性氮的气体供给到上述碳化硅衬底的表面上，对碳化硅晶体进行氮掺杂。(14)如权利要求12中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于用具有预定的掩蔽图形的掩蔽部件来覆盖上述碳化硅衬底，只在上述碳化硅衬底中的预定区域中使上述碳化硅晶体生长。(15)如权利要求14中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于上述掩蔽部件是氧化硅薄膜。(16)如权利要求1中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于上述碳化硅晶体的生长开始前的上述碳化硅衬底的表面是从六方晶体碳化硅晶体的(0001)面和立方晶体碳化硅晶体的{111}面中选出的某一个面，同时，在生长上述碳化硅晶体之前，对上述碳化硅衬底的表面进行清洁处理，使得上述碳化硅衬底的表面再排列结构大致为表面再排列结构。(17)如权利要求16中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于通过在从氢气氛中或真空中选出的某一个气氛中加热上述碳化硅衬底，使得上述碳化硅衬底的表面的温度在800℃以上且1300℃以下，来进行上述的清洁处理。(18)一种碳化硅衬底的制造方法，该制造方法是层叠了互不相同的晶体系列的碳化硅晶体的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于，包括形成前处理衬底的工序，上述前处理衬底是具有形成了第1碳化硅晶体的区域和形成了与上述第1碳化硅晶体不同的晶体系列的第2碳化硅晶体的区域的前处理衬底，上述第1碳化硅晶体和第2碳化硅晶体的晶体面相对于上述前处理衬底的表面倾斜；以及形成晶体系列互不相同的碳化硅晶体的层叠结构的工序，该层叠结构是通过分别以台阶流方式生长上述前处理衬底上的上述第1碳化硅晶体和上述第2碳化硅晶体，从上述第1碳化硅晶体和上述第2碳化硅晶体来生长的。(19)如权利要求18中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于形成上述前处理衬底的工序包括以台阶流方式在具有上述第1碳化硅晶体的原始碳化硅衬底上的预定区域中生长上述第2碳化硅晶体的工序。(20)如权利要求18中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于形成上述前处理衬底的工序包括以台阶流方式在具有上述第1碳化硅晶体的原始碳化硅衬底上生长上述第2碳化硅晶体的工序；以及除去上述第2碳化硅晶体中的预定区域的部分，使上述第1碳化硅晶体部分地露出的工序。(21)如权利要求18中所述的碳化硅衬底的制造方法，其特征在于上述第1碳化硅晶体是其{0001}面相对于上述前处理衬底的上述表面倾斜了的六方晶体碳化硅晶体，同时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：北真，内田正雄，高桥邦方，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]