JP5556112B2 - Cubic silicon carbide semiconductor substrate - Google Patents
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Description
本発明は、立方晶炭化珪素半導体基板等に関するものである。 The present invention relates to a cubic silicon carbide semiconductor substrate and the like.
ワイドバンドギャップ半導体である炭化珪素（ＳｉＣ）は、従来のシリコン（Ｓｉ）と比べて２倍以上のバンドギャップを有しており、高耐圧デバイス用の材料として注目されている。このＳｉＣは結晶形成温度がＳｉと比べて高温であるため液相からの引上げ法による単結晶インゴットの形成が困難であり、昇華法による単結晶インゴットの形成がなされている。しかしながら、昇華法においては大口径で結晶欠陥の少ないＳｉＣ基板を形成することが非常に難しい。このため、現在市販化されているＳｉＣ基板の口径は３〜４インチであり、その価格も非常に高価になっている。 Silicon carbide (SiC), which is a wide band gap semiconductor, has a band gap more than twice that of conventional silicon (Si), and has attracted attention as a material for high voltage devices. Since SiC has a crystal formation temperature higher than that of Si, it is difficult to form a single crystal ingot by a pulling method from a liquid phase, and a single crystal ingot is formed by a sublimation method. However, in the sublimation method, it is very difficult to form a SiC substrate having a large diameter and few crystal defects. For this reason, the diameter of the SiC substrate currently marketed is 3-4 inches, and the price is also very expensive.
ＳｉＣの種類には、その結晶構造によって、立方晶（３Ｃ‐ＳｉＣ）や六方晶（４Ｈ‐ＳｉＣ、６Ｈ‐ＳｉＣ）のＳｉＣがある。この中でも立方晶の結晶構造を有するＳｉＣ（３Ｃ‐ＳｉＣ）は比較的に低温で形成可能であり、Ｓｉ基板上に直接エピタキシャル成長を行うことができる。そこで、ＳｉＣ基板の大口径化の手段としてＳｉ基板の上面に３Ｃ‐ＳｉＣを結晶成長させるヘテロエピタキシャル技術が検討されている。ところが、Ｓｉ、３Ｃ‐ＳｉＣの格子定数はそれぞれ０．５４３ｎｍ、０．４３６ｎｍと約２０％の差があるため、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜を得ることが難しい。このような格子定数の差を緩和する目的で、Ｓｉと３Ｃ‐ＳｉＣとの間にバッファー層を設ける技術が各種検討されている。 Examples of SiC include cubic (3C-SiC) and hexagonal (4H-SiC, 6H-SiC) SiC depending on the crystal structure. Among these, SiC (3C-SiC) having a cubic crystal structure can be formed at a relatively low temperature, and can be directly epitaxially grown on the Si substrate. Therefore, a heteroepitaxial technique for crystal growth of 3C-SiC on the upper surface of the Si substrate has been studied as means for increasing the diameter of the SiC substrate. However, since the lattice constants of Si and 3C-SiC are about 20% different from 0.543 nm and 0.436 nm, respectively, it is difficult to obtain a high quality epitaxial film with few crystal defects. Various techniques for providing a buffer layer between Si and 3C-SiC have been studied for the purpose of reducing such a difference in lattice constant.
例えば、特許文献１では、Ｓｉ基板上に３Ｃ‐ＳｉＣをエピタキシャル成長させる際に、ＢＰ（リン化ホウ素）をバッファー層として用いている。ＢＰの格子定数は０．４５４ｎｍであるため３Ｃ‐ＳｉＣの０．４３６ｎｍに近い。
また、特許文献２では、Ｓｉ基板上に３Ｃ‐ＳｉＣをエピタキシャル成長させる際に、ＺｒＯ２（二酸化ジルコニウム）を主成分とする酸化物薄膜をバッファー層として用いている。ＺｒＯ２の格子定数は０．５１５ｎｍであるためＳｉの０．５４３ｎｍに近い。
このように特許文献１及び２では、格子定数がＳｉの０．５４３ｎｍと３Ｃ‐ＳｉＣの０．４３６ｎｍとの間にある材料をバッファー層として用いることで、Ｓｉと３Ｃ‐ＳｉＣとの間の格子不整合による結晶欠陥を抑制している。
For example, in Patent Document 1, BP (boron phosphide) is used as a buffer layer when 3C-SiC is epitaxially grown on a Si substrate. Since the lattice constant of BP is 0.454 nm, it is close to 0.436 nm of 3C-SiC.
In Patent Document 2, when 3C-SiC is epitaxially grown on a Si substrate, an oxide thin film containing ZrO 2 (zirconium dioxide) as a main component is used as a buffer layer. Since the lattice constant of ZrO 2 is 0.515 nm, it is close to 0.543 nm of Si.
As described above, in Patent Documents 1 and 2, a material having a lattice constant between 0.543 nm of Si and 0.436 nm of 3C-SiC is used as a buffer layer, whereby a lattice between Si and 3C-SiC is used. Crystal defects due to mismatch are suppressed.
一方、特許文献３では、六方晶の結晶構造を有するＳｉＣ基板上に窒化物半導体を結晶成長させた窒化物半導体素子において、ＳｉＣ基板の成長面として無極性のＭ面（１０−１０）を用い、Ｓｉ基板のｍ軸と窒化物半導体のｍ軸との間にオフ角を生じさせた状態で窒化物半導体が形成されている。これにより、自発分極やピエゾ分極によるキャリア空乏化を低減させ、駆動電圧を安定化させるとともに、窒化物半導体の成膜の平坦性を向上させている。 On the other hand, in Patent Document 3, a non-polar M-plane (10-10) is used as a growth surface of a SiC substrate in a nitride semiconductor element obtained by crystal growth of a nitride semiconductor on a SiC substrate having a hexagonal crystal structure. The nitride semiconductor is formed in a state where an off angle is generated between the m-axis of the Si substrate and the m-axis of the nitride semiconductor. This reduces carrier depletion due to spontaneous polarization or piezoelectric polarization, stabilizes the drive voltage, and improves the flatness of the nitride semiconductor film.
しかしながら、特許文献１及び２では、Ｓｉと３Ｃ‐ＳｉＣとの間の格子定数の差が完全に解消されないため、Ｓｉと３Ｃ‐ＳｉＣとの間の格子不整合による結晶欠陥を抑制するにも限界がある。一方、特許文献３は、六方晶のＳｉＣ基板上に窒化物半導体を結晶成長させる構造に限定された技術であり、他の結晶構造や材料の組み合わせには適用できない。また、Ｓｉ基板上面に３Ｃ‐ＳｉＣをエピタキシャル成長させる技術については何も記載されていない。 However, in Patent Documents 1 and 2, since the difference in lattice constant between Si and 3C-SiC is not completely eliminated, there is a limit in suppressing crystal defects due to lattice mismatch between Si and 3C-SiC. There is. On the other hand, Patent Document 3 is a technique limited to a structure in which a nitride semiconductor is grown on a hexagonal SiC substrate, and cannot be applied to other crystal structures or combinations of materials. Further, nothing is described about a technique for epitaxially growing 3C-SiC on the upper surface of the Si substrate.
本発明の一態様は、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が形成された立方晶炭化珪素半導体基板を提供するものである。 One embodiment of the present invention provides a cubic silicon carbide semiconductor substrate on which a high-quality epitaxial film with few crystal defects is formed.
上記の課題を解決するため、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板は、シリコン基板と、前記シリコン基板の上に立方晶炭化珪素がエピタキシャル成長して形成された立方晶炭化珪素エピタキシャル膜と、を含み、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜は、前記シリコン基板においてミラー指数（１００）で表される結晶面である第１の面の上に形成され、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜は、前記シリコン基板を熱処理することによりエピタキシャル成長に必要なシリコン原料が前記シリコン基板から供給されることにより形成され、前記シリコン基板においてミラー指数[１００]で表される第１の軸に対して、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜においてミラー指数[１００]で表される第２の軸が、前記シリコン基板においてミラー指数[０１１]で表される第１の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０１−１]で表される第２の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１−１]で現される第３の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１１]で表される第４の方向、のうちいずれか１つの方向に１．５度から６．５度傾いた状態で形成されていることを特徴とする。
上記の課題を解決するため、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板は、シリコン基板と、前記シリコン基板の上に立方晶炭化珪素がエピタキシャル成長して形成された立方晶炭化珪素エピタキシャル膜と、を含み、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜は、前記シリコン基板においてミラー指数（１００）で表される結晶面である第１の面の上に形成され、前記シリコン基板においてミラー指数[１００]で表される第１の軸に対して、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜においてミラー指数[１００]で表される第２の軸が、前記シリコン基板においてミラー指数[０１１]で表される第１の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０１−１]で表される第２の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１−１]で現される第３の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１１]で表される第４の方向、のうちいずれか１つの方向に所定の角度傾いた状態で形成されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a cubic silicon carbide semiconductor substrate of the present invention includes a silicon substrate and a cubic silicon carbide epitaxial film formed by epitaxially growing cubic silicon carbide on the silicon substrate. The cubic silicon carbide epitaxial film is formed on a first surface which is a crystal plane represented by a Miller index (100) in the silicon substrate, and the cubic silicon carbide epitaxial film is formed on the silicon substrate. A silicon raw material necessary for epitaxial growth is supplied from the silicon substrate by heat treatment, and the cubic silicon carbide epitaxial is formed with respect to a first axis represented by a Miller index [100] in the silicon substrate. The second axis represented by the Miller index [100] in the film is the mirror finger on the silicon substrate. A first direction represented by the number [011], a second direction represented by the Miller index [01-1] on the silicon substrate, and a Miller index [0-1-1] on the silicon substrate. It is formed in a state inclined from 1.5 degrees to 6.5 degrees in any one of the third direction and the fourth direction represented by the Miller index [0-11] in the silicon substrate. It is characterized by that.
In order to solve the above problems, a cubic silicon carbide semiconductor substrate of the present invention includes a silicon substrate and a cubic silicon carbide epitaxial film formed by epitaxially growing cubic silicon carbide on the silicon substrate. The cubic silicon carbide epitaxial film is formed on a first surface which is a crystal plane represented by a Miller index (100) in the silicon substrate, and represented by a Miller index [100] in the silicon substrate. A second axis represented by a Miller index [100] in the cubic silicon carbide epitaxial film with respect to a first axis is a first direction represented by a Miller index [011] in the silicon substrate, A second direction represented by a Miller index [01-1] on the silicon substrate, a third direction represented by a Miller index [0-1-1] on the silicon substrate, The silicon substrate is formed in a state inclined at a predetermined angle in any one of the fourth directions represented by the Miller index [0-11].
本願発明者は、鋭意研究の結果、シリコン基板における第１の軸に対してエピタキシャル膜における第２の軸がミラー指数[１００]で表される方向と等価な４つの方向のうちいずれか１つの方向に所定の角度傾いた状態で、シリコン基板の結晶面（第１の面）にエピタキシャル膜を形成することができることを見出した。そして、この立方晶炭化珪素半導体基板（第１の軸と第２の軸とが所定の角度傾いている構造）と従来の立方晶炭化珪素半導体基板（第１の軸と第２の軸とが一致している構造）とを断面透過電子像（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて比較したところ、従来のものよりも結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が得られることがわかった。したがって、この構成によれば、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が形成された立方晶炭化珪素半導体基板が提供できる。 As a result of earnest research, the inventor of the present application has found that any one of the four directions equivalent to the direction in which the second axis of the epitaxial film is represented by the Miller index [100] with respect to the first axis of the silicon substrate. It has been found that an epitaxial film can be formed on the crystal plane (first surface) of the silicon substrate in a state inclined at a predetermined angle in the direction. The cubic silicon carbide semiconductor substrate (the structure in which the first axis and the second axis are inclined at a predetermined angle) and the conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate (the first axis and the second axis) Comparison with a matching transmission electron image (TEM: Transmission Electron Microscopy) revealed that a high-quality epitaxial film with fewer crystal defects than the conventional one can be obtained. Therefore, according to this configuration, a cubic silicon carbide semiconductor substrate on which a high-quality epitaxial film with few crystal defects is formed can be provided.
また、本発明においては、前記所定の角度の範囲が、１．５度から６．５度であることが望ましい。
本願発明者は、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板（第１の軸と第２の軸とが所定の角度傾いている構造）においてシリコン基板とエピタキシャル膜の界面付近を電子線回折像を用いて観測したところ、所定の角度の範囲が１．５度から６．５度であることを見出した。したがって、所定の角度の範囲が１．５度から６．５度であることにより、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が形成された立方晶炭化珪素半導体基板が提供できる。
In the present invention, it is desirable that the range of the predetermined angle is 1.5 degrees to 6.5 degrees.
The inventor of the present application provides an electron diffraction image of the vicinity of the interface between the silicon substrate and the epitaxial film in the cubic silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention (a structure in which the first axis and the second axis are inclined at a predetermined angle). As a result of observation, it was found that the range of the predetermined angle was 1.5 to 6.5 degrees. Therefore, when the range of the predetermined angle is 1.5 degrees to 6.5 degrees, a cubic silicon carbide semiconductor substrate on which a high quality epitaxial film with few crystal defects is formed can be provided.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment shows one aspect of the present invention, and does not limit the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the technical idea of the present invention. Moreover, in the following drawings, in order to make each structure easy to understand, an actual structure and a scale, a number, and the like in each structure are different.
図１は、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の概略構成を示す模式図である。図１（ａ）は立方晶炭化珪素半導体基板の概略構成断面図、図１（ｂ）は立方晶炭化珪素半導体基板の概略構成斜視図である。ここで、図１（ｂ）に示すミラー指数では、負の成分を持つ方向は数字の上にバーをつけているが、本明細書中においては便宜上数字と並列に記載する（例えば[０１−１]）。図１に示すように、立方晶炭化珪素半導体基板１は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の上面に立方晶炭化珪素（３Ｃ‐ＳｉＣ）がエピタキシャル成長して形成された立方晶炭化珪素エピタキシャル膜１２（以下、単にエピタキシャル膜１２と略記する。）と、を具備して構成されている。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a cubic silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention. FIG. 1A is a schematic sectional view of a cubic silicon carbide semiconductor substrate, and FIG. 1B is a schematic perspective view of the cubic silicon carbide semiconductor substrate. Here, in the Miller index shown in FIG. 1B, the direction having a negative component has a bar on the number. However, in this specification, it is written in parallel with the number for convenience (for example, [01- 1]). As shown in FIG. 1, a cubic silicon carbide semiconductor substrate 1 includes a silicon substrate 11 and a cubic silicon carbide epitaxial film 12 formed by epitaxially growing cubic silicon carbide (3C—SiC) on the upper surface of the silicon substrate 11. (Hereinafter simply abbreviated as epitaxial film 12).
シリコン基板１１は、例えば、ＣＺ法（チョクラルスキー法）により引上げられたシリコン単結晶インゴットをスライス、研磨して形成されている。このシリコン基板１１の上面はミラー指数（１００）で表される結晶面である第１の面１１ａを成している。また、第１の面１１ａの結晶軸が数度傾いたオフセット基板を用いてもよい。なお、本実施形態では、シリコン基板１１としてシリコン単結晶基板を用いるがこれに限らない。例えば、ガラス、石英、サファイア、ステンレスからなる基板上に単結晶シリコン膜を形成したものでもよい。本願明細書において、シリコン単結晶基板、また例えば、ガラス、石英、サファイア、ステンレスからなる基板上に単結晶シリコン膜を形成したものをシリコン基板という。 The silicon substrate 11 is formed, for example, by slicing and polishing a silicon single crystal ingot pulled by the CZ method (Czochralski method). The upper surface of the silicon substrate 11 forms a first surface 11a which is a crystal plane represented by a Miller index (100). Alternatively, an offset substrate in which the crystal axis of the first surface 11a is inclined by several degrees may be used. In this embodiment, a silicon single crystal substrate is used as the silicon substrate 11, but the present invention is not limited to this. For example, a single crystal silicon film may be formed on a substrate made of glass, quartz, sapphire, and stainless steel. In the present specification, a silicon single crystal substrate, or a substrate in which a single crystal silicon film is formed on a substrate made of glass, quartz, sapphire, stainless steel, for example, is referred to as a silicon substrate.
エピタキシャル膜１２は、シリコン基板１１の結晶面である第１の面１１ａの上に形成されている。エピタキシャル膜１２は、立方晶炭化珪素（３Ｃ‐ＳｉＣ）がエピタキシャル成長して形成された半導体膜である。３Ｃ‐ＳｉＣは、バンドギャップ値が２．２ｅＶ以上と広く、熱伝導率や絶縁破壊電界が高いため、パワーデバイス用のワイドバンドギャップ半導体として好適である。 The epitaxial film 12 is formed on the first surface 11 a that is the crystal plane of the silicon substrate 11. The epitaxial film 12 is a semiconductor film formed by epitaxially growing cubic silicon carbide (3C—SiC). 3C-SiC is suitable as a wide band gap semiconductor for power devices because it has a wide band gap value of 2.2 eV or more, and has a high thermal conductivity and dielectric breakdown electric field.
このエピタキシャル膜１２は、シリコン基板１１においてミラー指数[１００]で表される第１の軸Ｌ１に対して、エピタキシャル膜１２においてミラー指数[１００]で表される第２の軸Ｌ２が、シリコン基板１１においてミラー指数[０１１]で表される第１の方向、シリコン基板１１においてミラー指数[０１−１]で表される第２の方向、シリコン基板１１においてミラー指数[０−１−１]で表される第３の方向、シリコン基板１１においてミラー指数[０−１１]で表される第４の方向、のうちいずれか１つの方向に所定の角度Θ傾いた状態で形成されている。本実施形態では、エピタキシャル膜１２は、第１の軸Ｌ１に対して第２の軸Ｌ２が第１の方向に所定の角度Θ傾いた状態で形成されている。なお、エピタキシャル膜１２は、第１の軸Ｌ１に対して第２の軸Ｌ２が第２の方向あるいは第３の方向、第４の方向に所定の角度Θ傾いた状態で形成されていてもよい。また、所定の角度Θは１．５度以上、６．５度以下の範囲になっている。 The epitaxial film 12 has a second axis L2 represented by the Miller index [100] in the epitaxial film 12 relative to the first axis L1 represented by the Miller index [100] in the silicon substrate 11. 11 in the first direction represented by the Miller index [011], in the second direction represented by the Miller index [01-1] in the silicon substrate 11, and in the Miller index [0-1-1] in the silicon substrate 11. It is formed in a state inclined at a predetermined angle Θ in any one of the third direction represented by the third direction represented by the mirror index [0-11] in the silicon substrate 11. In the present embodiment, the epitaxial film 12 is formed in a state where the second axis L2 is inclined at a predetermined angle Θ in the first direction with respect to the first axis L1. The epitaxial film 12 may be formed in a state where the second axis L2 is inclined at a predetermined angle Θ in the second direction, the third direction, or the fourth direction with respect to the first axis L1. . Further, the predetermined angle Θ is in the range of 1.5 degrees or more and 6.5 degrees or less.
ここで、第１の方向、第２の方向、第３の方向、第４の方向はそれぞれシリコン基板１１における第１の軸Ｌ１に垂直な方向であり、第１の軸Ｌ１を回転対称軸としたときに４回回転対称となる方向である。つまり、これら第１の方向、第２の方向、第３の方向、第４の４つの方向は互いに等価な方向となっている。 Here, the first direction, the second direction, the third direction, and the fourth direction are directions perpendicular to the first axis L1 in the silicon substrate 11, respectively, and the first axis L1 is a rotationally symmetric axis. This is the direction in which the rotational symmetry is four times. That is, the first direction, the second direction, the third direction, and the fourth four directions are equivalent to each other.
本願発明者は、鋭意研究の結果、シリコン基板１１の第１の面１１ａにエピタキシャル膜１２を所定の製造条件で成膜することで、シリコン基板１１における第１の軸Ｌ１に対してエピタキシャル膜１２における第２の軸Ｌ２が上述した４つの方向のうちいずれか１つの方向に所定の角度Θ傾いた状態で、エピタキシャル膜１２を形成することができることを見出した。そして、このように製造された立方晶炭化珪素半導体基板１（第１の軸と第２の軸とが所定の角度傾いている構造）と従来の立方晶炭化珪素半導体基板（第１の軸と第２の軸とが一致している構造）との断面透過電子像（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を比較したところ、従来のものよりも結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜１２が得られることが確認できた。以下、本願発明者が行った実験により得られた本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板１と従来の立方晶炭化珪素半導体基板との断面透過電子像の比較結果について、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板１の製造方法、従来の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法を含めて説明する。 As a result of earnest research, the inventor of the present application forms the epitaxial film 12 on the first surface 11a of the silicon substrate 11 under predetermined manufacturing conditions, so that the epitaxial film 12 with respect to the first axis L1 in the silicon substrate 11 is formed. It has been found that the epitaxial film 12 can be formed in a state where the second axis L2 is inclined at a predetermined angle Θ in any one of the four directions described above. Then, the cubic silicon carbide semiconductor substrate 1 manufactured in this way (structure in which the first axis and the second axis are inclined at a predetermined angle) and the conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate (first axis and When a cross-sectional transmission electron image (TEM) is compared with a structure in which the second axis coincides, a high-quality epitaxial film 12 with fewer crystal defects than the conventional one can be obtained. It could be confirmed. Hereinafter, the comparison results of the cross-sectional transmission electron images of the cubic silicon carbide semiconductor substrate 1 according to the present invention and the conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate obtained by the experiment conducted by the inventors of the present application will be described. A method for manufacturing silicon carbide semiconductor substrate 1 and a method for manufacturing a conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate will be described.
図２は、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板と従来の立方晶炭化珪素半導体基板との断面透過電子像を示す図である。図２（ａ）は本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の断面透過電子像である。図２（ｂ）は従来の立方晶炭化珪素半導体基板の断面透過電子像である。 FIG. 2 is a diagram showing cross-sectional transmission electron images of a cubic silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention and a conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate. FIG. 2A is a cross-sectional transmission electron image of the cubic silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention. FIG. 2B is a cross-sectional transmission electron image of a conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate.
図２に示すように、従来の立方晶炭化珪素半導体基板（図２（ｂ）参照）では、エピタキシャル膜（ＳｉＣ）に積層欠陥が無数に形成され、エピタキシャル膜全体に欠陥が発生していることがわかる。これに対し、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板（図２（ａ）参照）では、エピタキシャル膜（ＳｉＣ）に積層欠陥が数本形成されているものの、その他の部分では欠陥が発生しておらず結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が形成されていることがわかる。 As shown in FIG. 2, in the conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate (see FIG. 2B), an infinite number of stacking faults are formed in the epitaxial film (SiC), and defects are generated in the entire epitaxial film. I understand. In contrast, in the cubic silicon carbide semiconductor substrate of the present invention (see FIG. 2 (a)), although several stacking faults are formed in the epitaxial film (SiC), defects are not generated in other portions. It can be seen that a high-quality epitaxial film with few crystal defects is formed.
ここで、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。先ず、シリコン基板を真空チャンバーに収容し、真空雰囲気下、処理温度７５０℃、処理時間５ｍｉｎの条件で熱処理する。この熱処理により、シリコン基板表面は清浄化され、シリコン基板表面に付着した不純物は除去される。次に、シリコン基板の温度を６００℃まで降温する。そして、エピタキシャル膜の原料ガスであるプロパンガスを真空チャンバー内に３０ｓｃｃｍ導入し、シリコン基板の温度を１０００℃まで上昇させて３ｈｏｕｒ維持する。このとき、エピタキシャル成長に必要なシリコン原料はシリコン基板から供給される。これにより、シリコン基板における第１の軸に対してエピタキシャル膜における第２の軸が上述した４つの方向のうちいずれか１つの方向に所定の角度傾いた状態で、エピタキシャル膜が形成された立方晶炭化珪素半導体基板を得ることができる。 Here, the manufacturing method of the cubic silicon carbide semiconductor substrate which concerns on this invention is demonstrated. First, the silicon substrate is housed in a vacuum chamber and heat-treated in a vacuum atmosphere under conditions of a processing temperature of 750 ° C. and a processing time of 5 minutes. By this heat treatment, the surface of the silicon substrate is cleaned, and impurities attached to the surface of the silicon substrate are removed. Next, the temperature of the silicon substrate is lowered to 600 ° C. Then, propane gas, which is a raw material gas for the epitaxial film, is introduced into the vacuum chamber at 30 sccm, and the temperature of the silicon substrate is raised to 1000 ° C. and maintained for 3 hours. At this time, the silicon raw material necessary for epitaxial growth is supplied from the silicon substrate. Thereby, the cubic crystal in which the epitaxial film is formed in a state where the second axis in the epitaxial film is inclined at a predetermined angle in any one of the four directions described above with respect to the first axis in the silicon substrate. A silicon carbide semiconductor substrate can be obtained.
一方、従来の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。先ず、シリコン基板を真空チャンバーに収容し、真空雰囲気下、処理温度７５０℃、処理時間５ｍｉｎの条件で熱処理する。この熱処理により、シリコン基板表面は清浄化され、シリコン基板表面に付着した不純物は除去される。次に、シリコン基板の温度を６００℃まで降温する。そして、エピタキシャル膜の原料ガスであるモノメチルシランガスを真空チャンバー内に２ｓｃｃｍ導入し、シリコン基板の温度を１０５０℃まで上昇させて５ｈｏｕｒ維持する。これにより、シリコン基板における第１の軸とエピタキシャル膜における第２の軸とが一致した状態で、エピタキシャル膜が形成された立方晶炭化珪素半導体基板を得ることができる。 Meanwhile, a conventional method for manufacturing a cubic silicon carbide semiconductor substrate will be described. First, the silicon substrate is housed in a vacuum chamber and heat-treated in a vacuum atmosphere under conditions of a processing temperature of 750 ° C. and a processing time of 5 minutes. By this heat treatment, the surface of the silicon substrate is cleaned, and impurities attached to the surface of the silicon substrate are removed. Next, the temperature of the silicon substrate is lowered to 600 ° C. Then, 2 sccm of monomethylsilane gas, which is a raw material gas for the epitaxial film, is introduced into the vacuum chamber, and the temperature of the silicon substrate is raised to 1050 ° C. and maintained for 5 hours. Thereby, the cubic silicon carbide semiconductor substrate in which the epitaxial film is formed in a state where the first axis in the silicon substrate and the second axis in the epitaxial film coincide with each other can be obtained.
図３は、図２のシリコン基板とエピタキシャル膜の界面付近の拡大図（要部拡大図）である。図３（ａ）は本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の断面透過電子像の要部拡大図である。図３（ｂ）は従来の立方晶炭化珪素半導体基板の断面透過電子像の要部拡大図である。図３（ａ）において、Ｓｉ（１１１）はシリコン基板においてミラー指数（１１１）で表される面、ＳｉＣ（１１１）はエピタキシャル膜においてミラー指数（１１１）で表される面、を示している。 FIG. 3 is an enlarged view (main part enlarged view) of the vicinity of the interface between the silicon substrate and the epitaxial film of FIG. FIG. 3A is an enlarged view of a main part of a cross-sectional transmission electron image of a cubic silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention. FIG. 3B is an enlarged view of a main part of a cross-sectional transmission electron image of a conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate. In FIG. 3A, Si (111) indicates a plane represented by the Miller index (111) in the silicon substrate, and SiC (111) indicates a plane represented by the Miller index (111) in the epitaxial film.
図３に示すように、従来の立方晶炭化珪素半導体基板（図３（ｂ）参照）では、エピタキシャル膜（ＳｉＣ）に積層欠陥が高密度に形成されていることがわかる。これに対し、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板（図３（ａ）参照）では、エピタキシャル膜（ＳｉＣ）に全く積層欠陥が形成されておらず結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が形成されていることがわかる。また、Ｓｉ（１１１）とＳｉＣ（１１１）とが所定の角度傾いていることが確認される。 As shown in FIG. 3, in the conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate (see FIG. 3B), it can be seen that stacking faults are formed in the epitaxial film (SiC) at a high density. On the other hand, in the cubic silicon carbide semiconductor substrate of the present invention (see FIG. 3A), no epitaxial defects (SiC) are formed on the epitaxial film (SiC), and a high-quality epitaxial film with few crystal defects is formed. You can see that It is also confirmed that Si (111) and SiC (111) are inclined at a predetermined angle.
図４は、図２におけるシリコン基板とエピタキシャル膜の界面付近（要部）の電子線回折像である。図４（ａ）は本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の要部電子線回折像である。図４（ｂ）は従来の立方晶炭化珪素半導体基板の要部電子線回折像である。 FIG. 4 is an electron diffraction image of the vicinity (main part) of the interface between the silicon substrate and the epitaxial film in FIG. FIG. 4A is an electron diffraction pattern of the main part of the cubic silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention. FIG. 4B is an electron beam diffraction image of a main part of a conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate.
電子線回折像では、観測範囲内で欠陥の無い単結晶の場合、それぞれの結晶面に関係した輝点（スポット）が観測される。スポットの中心（０００）からの距離は、結晶面間隔の逆数に比例し、中心（０００）からの方向は結晶面方向を示している。本図はシリコン基板とエピタキシャル膜の界面付近を観測しているため、シリコン基板におけるスポットとエピタキシャル膜におけるスポットとが重なって観測されている。図４において、Ｓｉ｛１１１｝はシリコン基板においてミラー指数{１１１}で表される面に関係したスポット、ＳｉＣ｛１１１｝はエピタキシャル膜においてミラー指数{１１１}で表される面に関係したスポット、を示している。 In the electron diffraction pattern, in the case of a single crystal having no defect within the observation range, bright spots (spots) related to each crystal plane are observed. The distance from the center (000) of the spot is proportional to the reciprocal of the crystal plane spacing, and the direction from the center (000) indicates the crystal plane direction. In this figure, since the vicinity of the interface between the silicon substrate and the epitaxial film is observed, the spot on the silicon substrate and the spot on the epitaxial film overlap each other. In FIG. 4, Si {111} is a spot related to the plane represented by the Miller index {111} in the silicon substrate, SiC {111} is a spot related to the plane represented by the Miller index {111} in the epitaxial film, Is shown.
図４に示すように、従来の立方晶炭化珪素半導体基板（図４（ｂ）参照）では、Ｓｉ｛１１１｝とＳｉＣ{１１１}とが中心（０００）から同一方向に観測されている。すなわち、シリコン基板における第１の軸とエピタキシャル膜における第２の軸とが一致した状態で、エピタキシャル膜が形成されていることがわかる。 As shown in FIG. 4, in a conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate (see FIG. 4B), Si {111} and SiC {111} are observed in the same direction from the center (000). That is, it can be seen that the epitaxial film is formed in a state where the first axis of the silicon substrate and the second axis of the epitaxial film coincide.
これに対し、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板（図４（ａ）参照）では、Ｓｉ｛１１１｝とＳｉＣ{１１１}とが中心（０００）から所定の角度ずれて観測されている。この所定の角度は、中心（０００）とＳｉ｛１１１｝とを通る実線と、中心（０００）とＳｉＣ{１１１}とを通る実線との成す角度から求められ、４度である。また、Ｓｉ｛１１１｝とＳｉＣ{１１１}とは幅（スポット径）を有しており、この幅は本発明における所定の角度の範囲を示している。この所定の角度の範囲は、所定の角度に対して、中心（０００）とＳｉ｛１１１｝とを通る破線と、中心（０００）とＳｉＣ{１１１}とを通る破線との成す角度を足し合わせることで求められ、４±２．５度（１．５度以上、６．５度以下）である。 On the other hand, in the cubic silicon carbide semiconductor substrate of the present invention (see FIG. 4A), Si {111} and SiC {111} are observed with a predetermined angle deviation from the center (000). This predetermined angle is 4 degrees obtained from an angle formed by a solid line passing through the center (000) and Si {111} and a solid line passing through the center (000) and SiC {111}. Further, Si {111} and SiC {111} have a width (spot diameter), and this width indicates a predetermined angle range in the present invention. The predetermined angle range is the sum of the angle formed by the broken line passing through the center (000) and Si {111} and the broken line passing through the center (000) and SiC {111} with respect to the predetermined angle. It is 4 ± 2.5 degrees (1.5 degrees or more and 6.5 degrees or less).
本発明の立方晶炭化珪素半導体基板１によれば、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜１２が形成された立方晶炭化珪素半導体基板１が提供できる。本願発明者は、鋭意研究の結果、シリコン基板１１における第１の軸Ｌ１に対してエピタキシャル膜１２における第２の軸Ｌ２がミラー指数[１００]で表される方向と等価な４つの方向のうちいずれか１つの方向に所定の角度Θ傾いた状態で、シリコン基板１１の結晶面である第１の面１１ａにエピタキシャル膜１２を形成することができることを見出した。そして、この立方晶炭化珪素半導体基板１（第１の軸と第２の軸とが所定の角度傾いている構造）と従来の立方晶炭化珪素半導体基板（第１の軸と第２の軸とが一致している構造）とを断面透過電子像（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて比較したところ、従来のものよりも結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が得られることがわかった。 According to the cubic silicon carbide semiconductor substrate 1 of the present invention, a cubic silicon carbide semiconductor substrate 1 on which a high-quality epitaxial film 12 with few crystal defects is formed can be provided. As a result of earnest research, the inventor of the present application, among the four directions equivalent to the direction in which the second axis L2 in the epitaxial film 12 is represented by the Miller index [100] with respect to the first axis L1 in the silicon substrate 11. It has been found that the epitaxial film 12 can be formed on the first surface 11a, which is the crystal plane of the silicon substrate 11, in a state inclined by a predetermined angle Θ in any one direction. The cubic silicon carbide semiconductor substrate 1 (the structure in which the first axis and the second axis are inclined at a predetermined angle) and the conventional cubic silicon carbide semiconductor substrate (the first axis and the second axis) Are compared with each other using a transmission electron microscope (TEM), it was found that a high-quality epitaxial film with fewer crystal defects than the conventional one can be obtained.
また、本願発明者は、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板１（第１の軸と第２の軸とが所定の角度傾いている構造）においてシリコン基板１１とエピタキシャル膜１２の界面付近を電子線回折像を用いて観測したところ、所定の角度が１．５度以上、６．５度以下であることを見出した。 In addition, the inventor of the present application forms the vicinity of the interface between the silicon substrate 11 and the epitaxial film 12 in the cubic silicon carbide semiconductor substrate 1 according to the present invention (a structure in which the first axis and the second axis are inclined at a predetermined angle). As a result of observation using an electron beam diffraction image, it was found that the predetermined angle was 1.5 degrees or more and 6.5 degrees or less.
なお、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板においては、エピタキシャル膜１２がミラー指数[１００]で表される第２の軸Ｌ２を中心に回転した状態で形成されていてもよい。つまり、上述したシリコン基板１１における４つの方向（第１の方向、第２の方向、第３の方向、第４の方向）に対して、エピタキシャル膜１２における４つの方向（エピタキシャル膜１２においてミラー指数[０１１]で表される第５の方向、エピタキシャル膜１２においてミラー指数[０１−１]で表される第６の方向、エピタキシャル膜１２においてミラー指数[０−１−１]で現される第７の方向、エピタキシャル膜１２においてミラー指数[０−１１]で表される第８の方向）がずれた状態で形成されていてもよい。 In the cubic silicon carbide semiconductor substrate of the present invention, epitaxial film 12 may be formed in a state of being rotated about second axis L2 represented by Miller index [100]. That is, the four directions in the epitaxial film 12 (the Miller index in the epitaxial film 12) with respect to the four directions (the first direction, the second direction, the third direction, and the fourth direction) in the silicon substrate 11 described above. The fifth direction represented by [011], the sixth direction represented by the Miller index [01-1] in the epitaxial film 12, and the fifth direction represented by the Miller index [0-1-1] in the epitaxial film 12. 7 and the eighth direction represented by the Miller index [0-11] in the epitaxial film 12 may be shifted.
このような構成においても、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜１２が形成された立方晶炭化珪素半導体基板１が提供できる。 Even in such a configuration, the cubic silicon carbide semiconductor substrate 1 on which the high-quality epitaxial film 12 with few crystal defects is formed can be provided.
１…立方晶炭化珪素半導体基板、１１…シリコン基板、１１ａ…第１の面、１２…エピタキシャル膜（立方晶炭化珪素エピタキシャル膜）、Ｌ１…第１の軸、Ｌ２…第２の軸、Θ…所定の角度 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cubic silicon carbide semiconductor substrate, 11 ... Silicon substrate, 11a ... 1st surface, 12 ... Epitaxial film (cubic silicon carbide epitaxial film), L1 ... 1st axis | shaft, L2 ... 2nd axis | shaft, Θ ... Predetermined angle
Claims (1)
前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜は、前記シリコン基板においてミラー指数（１００）で表される結晶面である第１の面の上に形成され、
前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜は、前記シリコン基板を熱処理することによりエピタキシャル成長に必要なシリコン原料が前記シリコン基板から供給されることにより形成され、
前記シリコン基板においてミラー指数[１００]で表される第１の軸に対して、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜においてミラー指数[１００]で表される第２の軸が、前記シリコン基板においてミラー指数[０１１]で表される第１の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０１−１]で表される第２の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１−１]で現される第３の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１１]で表される第４の方向、のうちいずれか１つの方向に１．５度から６．５度傾いた状態で形成されていることを特徴とする立方晶炭化珪素半導体基板。 A silicon substrate, and a cubic silicon carbide epitaxial film formed by epitaxially growing cubic silicon carbide on the silicon substrate,
The cubic silicon carbide epitaxial film is formed on a first surface which is a crystal plane represented by a Miller index (100) in the silicon substrate,
The cubic silicon carbide epitaxial film is formed by supplying a silicon raw material necessary for epitaxial growth from the silicon substrate by heat-treating the silicon substrate,
The second axis represented by the Miller index [100] in the cubic silicon carbide epitaxial film is different from the first axis represented by the Miller index [100] in the silicon substrate. The first direction represented by [011], the second direction represented by the Miller index [01-1] on the silicon substrate, and the second direction represented by the Miller index [0-1-1] on the silicon substrate. 3 and the fourth direction represented by the Miller index [0-11] on the silicon substrate, and is inclined at 1.5 to 6.5 degrees in any one direction. A cubic silicon carbide semiconductor substrate characterized by the above.
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