JP3628079B2

JP3628079B2 - Silicon carbide thin film manufacturing method, silicon carbide thin film, and laminated substrate

Info

Publication number: JP3628079B2
Application number: JP22967995A
Authority: JP
Inventors: 邦明八木; 英明三ツ井; 弘幸長澤; 洋一山口
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2015-08-11
Also published as: JPH0952798A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上に形成された欠陥が少なく結晶性に優れた炭化珪素単結晶層の製造方法に関し、特に半導体基板および結晶成長用基板として利用できる炭化珪素薄膜および炭化珪素薄膜積層基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素は広い禁制帯幅と優れた化学的安定性と耐環境性を有する半導体材料である。そのため、炭化珪素は、シリコンを中心とした従来の半導体では適用が困難であった高電圧、高温、または放射線照射下での使用に期待が持たれている。炭化珪素を製造するためには、昇華法や気相成長法が用いられている。昇華法では、成長温度の制限から低温型結晶（β−ＳｉＣ）を作製することが困難であり、直径３インチ（約７６ｍｍ）以上の大面積で均質な炭化珪素基板を得ることはできない状況にある。気相成長法では、シリコンの原料ガスと炭素の原料ガスを一緒に基板上に供給することにより、基板表面に炭化珪素を析出させている（たとえば、Ｊ．Ａ．Ｐｏｗｅｌｌｅｔａｌ．，ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサエテイー（Ｊ．Ｅｌｅｃｅｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．）１３４，（１９８７）１５５８）。さらに、これらのガスを交互に反応炉内へ供給することにより、均一性の高い単結晶炭化珪素が作製できる（たとえば、特開平２−２６２３２４号公報参照）。炭化珪素を気相成長させる下地基板は、昇華法により作製させた炭化珪素、炭化チタン、そしてシリコンが用いられている。特にシリコンに関しては、チョクラルスキ一法（ＣＺ法）で作製されたシリコン基板が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の気相成長法により、例えばチョクラルスキー法で作製したシリコンを基板として成膜される炭化珪素膜は、下地シリコン基板中の欠陥を受け継いで、炭化珪素結晶内に欠陥が誘発されたり、結晶表面上にヒロック（ｈｉｌｌｏｃｋ）が生じるという問題がある。これらの欠陥およびヒロック分布は、シリコン基板に存在する酸素により引き起こされる積層欠陥（ＯｘｙｇｅｎｉｎｄｕｃｅｄＳｔａｃｋｉｎｇＦａｕｌｔ；ＯＳＦ）の分布と同じ傾向を有する。つまり、炭化珪素結晶内の欠陥およびヒロックの多くは、ＯＳＦにより引き起こされている。チョクラルスキー法で作製したシリコンでは、酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であるときに面内に通常５００個／ｃｍ^２程度のＯＳＦが存在している。したがって、チョクラルスキー法で作製したシリコンを用いて、欠陥およびヒロックの無い炭化珪素薄膜を作製することは極めて困難になる。
一般に、半導体結晶中の欠陥は、キャリアを散乱するため、その易動度を低下させる。すなわち、この様な欠陥およびヒロックの存在する炭化珪素膜を用いて半導体デバイスを作製した場合には、キャリア易動度が低いことから目的の諸特性を達成することができないという問題がある。
単結晶炭化珪素はまた、例えば、窒化ガリウムやダイヤモンドなどの炭化珪素と格子定数の近い単結晶のエピタキシャル成長用基板としても使用される。しかし、表面に欠陥を有する単結晶炭化珪素膜上に異種単結晶をエピタキシャル成長させた場合、炭化珪素膜のもつ欠陥およびヒロックがエピタキシャル成長の際に引き継がれ、異種エピタキシャル成長膜の結晶性を悪化させてしまうという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、これらの欠点を解消し、結晶性が良く表面モホロジーの優れた炭化珪素薄膜を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の炭化珪素薄膜製造方法は、上記の欠点を解消するため、欠陥を誘発させる酸素の濃度が低く１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるシリコン基板を準備し、そのシリコン基板上に炭化珪素膜を成膜することを特徴とする。
１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の極低酸素濃度で実質的にＯＳＦが無いシリコン基板は、フローティングゾーン法（ＦＺ法）あるいは磁界下チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）で作製することができる。また、極低酸素濃度は、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法または化学気相堆積（ＣＶＤ）法によってエピタキシャル成長されたシリコン層によっても達成される。
炭化珪素層は、原料ガスとして、少なくとも一種類のシラン系化合物と炭化水素を反応炉内へ供給し気相成長法によって作製することができる。また、原料ガスとして、少なくとも一種類のシラン系化合物と炭化水素を反応炉内へ交互に供給し、当該シリコン表面上にエピタキシャル成長させて、単結晶炭化珪素層を形成することもできる。また、原料として有機珪素化合物を反応炉内へ供給し気相成長法によって作製することも可能である。
炭化珪素層は、結晶性を有することが好ましく、さらに結晶構造が立方晶であると炭化珪素薄膜の高度な利用が可能になる。
また、このようにして得られた炭化珪素薄膜を異種単結晶のエピタキシャル成長用基板としても使用した場合には、結晶性の良好な異種エピタキシャル成長膜を得ることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の炭化珪素薄膜製造方法は、炭化珪素結晶内の欠陥およびヒロックの多くがシリコン基板に存在する酸素により引き起こされる積層欠陥（ＯＳＦ）を原因とすることに着目して、欠陥およびヒロックの分布が実質上無視しうる水準に対応する酸素濃度を有するシリコン基板を作製し、この基板の上に炭化珪素薄膜を積層するようにしたものである。発明者等の研究によると、実用に耐える優れた特性を有する炭化珪素薄膜を形成するためには、シリコン基板の酸素濃度は１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。
酸素濃度がこの水準に収まるシリコン基板を生成するためには、フローティングゾーン法（ＦＺ法）もしくは磁界下チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）が適当である。また、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法および化学気相堆積（ＣＶＤ）法によってエピタキシャル成長されたシリコン層によっても得ることができる。
また、上記のような低い酸素濃度を有するシリコン基板上に炭化珪素層を積層させる方法として、基板を反応炉内に据えて原料ガスを供給して基板上に炭化珪素をエピタキシャル成長させる気相成長法を採用した。炭化珪素の原料としてシラン系化合物と炭化水素を用いてもよいし、有機珪素化合物を用いてもよい。特に、シラン系化合物と炭化水素を減圧下の反応炉内へ交互に供給し、シリコン基板表面上にエピタキシャル成長させて得られる単結晶炭化珪素薄膜は、特に結晶性が良く表面モホロジーがよい。
なお、炭化珪素層が結晶性を有し、結晶構造が立方晶であると炭化珪素薄膜の高度な利用が可能になる。
本発明の方法で作製された炭化珪素薄膜は、炭化珪素結晶内の欠陥およびヒロックが極く少なく、電気特性や機械特性に優れ、色々な用途に適しているが、また、窒化ガリウムやダイヤモンドなど異種単結晶のエピタキシャル成長用基板としても使用することができる。
以下、実施例に基づいて本発明の炭化珪素薄膜および炭化珪素薄膜積層基板の製造方法について詳細に説明する。
【０００６】
【実施例１】
本発明による炭化珪素膜の成膜方法を示す。図１（ａ）ないし（ｃ）は、本発明による成膜方法を工程順に示す縦断面図である。３インチの直径を有する単結晶シリコンウエハーを反応炉内に設置し、アセチレンと水素雰囲気中で１０２０℃まで加熱した。シリコンウエハーはＦＺ法で作製されたものであり、基板の酸素濃度は１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。ここで、シリコンを基板として炭化珪素の成膜を行う場合、炭化珪素とシリコン基板の界面に生じる結晶格子の不整合により、成膜した炭化珪素の結晶性や、結晶表面のモホロジーが悪化するという問題がある。そのため、シリコン基板上に炭化珪素を成膜する場合には、シリコン基板の表面を炭化水素ガスなど炭素含有雰囲気中で炭化し、１００Å程度の極薄の炭化珪素層を形成させる必要がある（小野他、電子通信学会信学技報、ＳＳＤ８０，（１９８０）１２５）。本発明では、第１図（ｂ）に示すように、あらかじめアセチレンと水素供給のもとでシリコン基板を１０２０℃で６０分間保つことでシリコン基板表面を炭化した。このときの表面炭化の条件を表１に示した。
【０００７】
【表１】

【０００８】
エリプソメトリを用いてシリコン基板表面の炭化膜厚を測定したところ８０Åであることが確認された。炭化層を形成した後、引き続き第１図（ｃ）に示すように、基板温度１０２０℃の状態でシリコンの原料ガスと炭素の原料ガスを交互に反応炉内へと供給することで炭化珪素の成膜を実施した。シリコンの原料ガスとしては、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を使用したが、ＳｉＨ_４、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３などを用いても差し支えない。炭素の原料ガスとしてアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）を使用したが、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８などを用いることもできる。また、シリコンと炭素、別々の原料ガスを使用せず、（ＣＨ_３）_３ＳｉＣｌ、（ＣＨ_３）_４Ｓｉなどシリコンと炭素を共に含有する成分を気化させたガスのみで成膜することも可能である。
本発明では、成膜した炭化珪素膜の膜厚は２μｍである。この成長条件の詳細は表２に示した。
【０００９】
【表２】

【００１０】
図２は本発明に基づく成膜方法を用いて成膜した炭化珪素膜表面のＳＥＭ像である。このＳＥＭ像から、炭化珪素膜表面が平滑であることが分かった。図３は本発明に基づく成膜方法を用いて成膜した炭化珪素膜表面のＳＴＭ像である。炭化珪素膜表面のＪＩＳＢ０６０１に基づく中心線平均あらさ（Ｒａ）は３．７ｎｍであった。以上のことから、本発明の製造方法による炭化珪素膜には、成長を行ったシリコン基板にＯＳＦがないためＯＳＦにより引き起こされる欠陥が存在しないことがわかった。炭化珪素膜の結晶性を調べるために、Ｘ線回折測定を実施した。観測されたピークは、立方晶炭化珪素（２００）面によるもののみである。この立方晶炭化珪素（２００）面ピークの半値幅は０．２２５度であった。得られた炭化珪素薄膜の易動度をホール測定法を用いて測定すると、１８０ｃｍ^２／（Ｖ・ｓｅｃ）であった。
【００１１】
【実施例２】
ＭＣＺ法で作製した単結晶シリコン基板上への炭化珪素の成膜を実施した。その結果、実施例１で作製した単結晶炭化珪素とほぼ同程度の特性が得られた。
【００１２】
【比較例１】
従来法として、ＣＺ法で作製した単結晶シリコン基板上への炭化珪素の成膜を実施した。成膜条件の詳細は表２と同じである。ＣＺ法で作製したシリコン基板の酸素濃度は２×ｌ０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。
図４はＣＺ基板上へ成膜した炭化珪素膜表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。ＳＥＭ像から、この方法で成膜した炭化珪素膜表面には明らかに島状のヒロックが存在していることが確認される。
図５はＣＺ基板上へ成膜した炭化珪素膜表面の走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の像である。ＳＴＭ像から炭化珪素膜表面には島状のヒロックが存在していることが分かり、表面の中心線平均あらさは２１．２ｎｍであった。Ｘ線回折測定から得られた立方晶炭化珪素（２００）面ピークの半値幅は０．３２７度であった。炭化珪素薄膜の易動度は５ｃｍ^２／（Ｖ・ｓｅｃ）であった。
実施例１と比較例の結果を表３に示す。表３から、本発明により作製した炭化珪素薄膜は従来法で作製した炭化珪素薄膜に対して極めて結晶性、表面モホロジーそして電気的特性に優れていることが分かる。
【００１３】
【表３】

【００１４】
【実施例３】
酸素濃度の異なるシリコン基板上への炭化珪素の成膜を実施した。シリコン基板の酸素濃度は、４×ｌ０^１５〜２×ｌ０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。成長させた炭化珪素の膜厚は２μｍである。図６に、下地シリコン基板の酸素濃度と炭化珪素表面の中心線平均あらさを表わし、図７には基板の酸素濃度と炭化珪素の結晶性の関係を示した。この結果より、酸素濃度が５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のシリコンを下地基板として使用することで、結晶性、表面モホロジーの優れた単結晶炭化珪素を成長させることができることが分かった。
【００１５】
【実施例４】
本発明により作製した単結晶炭化珪素上への窒化ガリウムの成膜を実施した。成膜は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって行った。原料は、窒素源としてジメチルヒドラジンを使用し、ガリウム源としてトリメチルガリウムを使用した。成長温度は、６５０℃とした。成長させた窒化ガリウムの結晶性を調べるために、Ｘ線回折測定を実施したところ、立方晶窒化ガリウム（２００）面によるピークが観測された。これより、窒化ガリウムを本発明により作製した単結晶炭化珪素上にエピタキシャル成長させることができることがわかった。
【００１６】
【実施例５】
本発明で作製した炭化珪素薄膜積層基板を反応性イオンエッチングすることにより、図８に示すようなメサ型構造のへテロ接合ダイオードを作製した。ＳｉＣ層５とＳｉ単結晶１の接合部は、１ｍｍ平方とした。オーミック電極として、ＳｉＣ側にはＮｉ電極６を用い、Ｓｉ側にはＡｌ電極７を使用した。両者とも金属を蒸着することにより作製した。このようにして作製したへテロ接合ダイオードのＩ−Ｖ特性を室温で測定した。その結果、Ｉ−Ｖ特性に整流性が現われ、そのときの降伏電圧は約２００Ｖであった。
【００１７】
【比較例２】
従来法で作製した炭化珪素薄膜積層基板を反応性イオンエッチングすることにより、メサ型構造のへテロ接合ダイオードを作製した。ダイオードの作製条件は、実施例５と同様とした。このようにして作製したへテロ接合ダイオードのＩ−Ｖ特性を測定したところ降伏電圧は約５０Ｖであった。
実施例５と比較例２の結果より、本発明で作製した炭化珪素薄膜積層基板を使用した半導体素子は、従来法による炭化珪素薄膜を用いた半導体素子に対して電気的特性に優れていることが分かった。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、酸素濃度がｌ×ｌ０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のシリコン基板上へ炭化珪素膜の成膜を行うため、シリコン基板中に存在する酸素不純物に誘発される欠陥を低減させ、結晶性、表面モホロジーそして電気的特性が非常に優れた炭化珪素膜を作製することが可能である。また、この単結晶炭化珪素薄膜を使用した半導体素子は、優れた電気的特性を有する。
さらに、この方法で作製した単結晶炭化珪素は非常に優れた表面モホロジーを有するので、この単結晶炭化珪素を基板とし、異種材料を良好にへテロエピタキシャル成長させることも可能である。従って、本発明で作製した炭化珪素薄膜および該薄膜積層基板は半導体基板および結晶成長用基板として極めて好適に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による炭化珪素薄膜作製の工程順を示す縦断面図である。
【図２】本発明による炭化珪素薄膜表面のＳＥＭ写真である。
【図３】本発明による炭化珪素薄膜表面のＳＴＭ像である。
【図４】従来法により作製した炭化珪素薄膜表面のＳＥＭ写真である。
【図５】従来法により作製した炭化珪素薄膜表面のＳＴＭ像である。
【図６】シリコン基板の酸素濃度と中心線平均あらさとの関係を表わす図である。
【図７】シリコン基板の酸素濃度と立方晶炭化珪素（２００）面ピークの半値幅との関係を表わす図である。
【図８】メサ型構造のへテロ接合ダイオードを表わす図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２アセチレン
３表面炭化層
４ジクロルシラン
５炭化珪素層
６Ｎｉ電極
７Ａｌ電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide single crystal layer having few defects formed on a silicon substrate and excellent in crystallinity, and particularly to a silicon carbide thin film and a silicon carbide thin film laminated substrate that can be used as a semiconductor substrate and a substrate for crystal growth. It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide is a semiconductor material having a wide forbidden bandwidth, excellent chemical stability and environmental resistance. Therefore, silicon carbide is expected to be used under high voltage, high temperature, or radiation irradiation, which has been difficult to apply to conventional semiconductors centered on silicon. In order to manufacture silicon carbide, a sublimation method or a vapor phase growth method is used. In the sublimation method, it is difficult to produce a low-temperature crystal (β-SiC) due to the limitation of the growth temperature, and it is impossible to obtain a uniform silicon carbide substrate with a large area of 3 inches (about 76 mm) or more in diameter. is there. In the vapor deposition method, silicon carbide is deposited on the substrate surface by supplying a silicon source gas and a carbon source gas together onto the substrate (for example, J. A. Powell et al., Journal. Of Electrochemical Society (J. Eletrochem. Soc.) 134, (1987) 1558). Further, by supplying these gases alternately into the reaction furnace, single crystal silicon carbide with high uniformity can be produced (for example, see JP-A-2-262324). Silicon carbide, titanium carbide, and silicon produced by a sublimation method are used as a base substrate for vapor phase growth of silicon carbide. In particular, with respect to silicon, a silicon substrate manufactured by the Czochralski method (CZ method) is used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
For example, a silicon carbide film formed by using a conventional vapor phase epitaxy method using silicon produced by the Czochralski method as a substrate inherits defects in the underlying silicon substrate and induces defects in the silicon carbide crystal, There is a problem that hillocks occur on the crystal surface. These defect and hillock distributions have the same tendency as the distribution of Oxygen Induced Stacking Fault (OSF) caused by oxygen present in the silicon substrate. That is, many of the defects and hillocks in the silicon carbide crystal are caused by OSF. In silicon manufactured by the Czochralski method, when the oxygen concentration is 2 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ , there are usually about 500 OSF / cm ² in the plane. Therefore, it becomes extremely difficult to produce a silicon carbide thin film free from defects and hillocks using silicon produced by the Czochralski method.
In general, a defect in a semiconductor crystal scatters carriers, so that its mobility is lowered. That is, when a semiconductor device is manufactured using a silicon carbide film having such defects and hillocks, there is a problem that the target characteristics cannot be achieved because of low carrier mobility.
Single crystal silicon carbide is also used as a single crystal epitaxial growth substrate having a lattice constant close to that of silicon carbide such as gallium nitride or diamond. However, when a heterogeneous single crystal is epitaxially grown on a single crystal silicon carbide film having a defect on the surface, the defects and hillocks of the silicon carbide film are inherited during the epitaxial growth, thereby deteriorating the crystallinity of the heterogeneous epitaxial growth film. There is a problem.
The problem to be solved by the present invention is to eliminate these drawbacks and to provide a silicon carbide thin film having good crystallinity and excellent surface morphology.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to eliminate the above drawbacks, the silicon carbide thin film manufacturing method of the present invention prepares a silicon substrate having a low oxygen concentration that induces defects and having a concentration of 10 ¹⁶ atoms / cm ³ or less, and a silicon carbide film is formed on the silicon substrate. It is characterized by forming a film.
A silicon substrate substantially free of OSF at an extremely low oxygen concentration of 10 ¹⁶ atoms / cm ³ or less can be produced by a floating zone method (FZ method) or a magnetic field Czochralski method (MCZ method). Extremely low oxygen concentrations are also achieved by silicon layers epitaxially grown by molecular beam epitaxy (MBE) or chemical vapor deposition (CVD).
The silicon carbide layer can be produced by a vapor phase growth method by supplying at least one kind of silane compound and hydrocarbon as a source gas into the reaction furnace. Alternatively, a single crystal silicon carbide layer can be formed by alternately supplying at least one silane-based compound and hydrocarbon as a source gas into the reaction furnace and epitaxially growing on the silicon surface. It is also possible to produce an organic silicon compound as a raw material by a vapor phase growth method by supplying it into the reactor.
The silicon carbide layer preferably has crystallinity, and if the crystal structure is cubic, the silicon carbide thin film can be highly utilized.
When the silicon carbide thin film thus obtained is also used as a substrate for epitaxial growth of different single crystals, a different epitaxial growth film having good crystallinity can be obtained.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The silicon carbide thin film manufacturing method of the present invention focuses on the fact that most of the defects and hillocks in the silicon carbide crystal are caused by stacking faults (OSF) caused by oxygen present in the silicon substrate. A silicon substrate having an oxygen concentration corresponding to a level that can be substantially ignored is manufactured, and a silicon carbide thin film is laminated on the substrate. According to the inventors' research, the oxygen concentration of the silicon substrate is preferably 10 ¹⁶ atoms / cm ³ or less in order to form a silicon carbide thin film having excellent characteristics that can withstand practical use.
The floating zone method (FZ method) or the magnetic field Czochralski method (MCZ method) is suitable for producing a silicon substrate in which the oxygen concentration falls within this level. It can also be obtained by a silicon layer epitaxially grown by molecular beam epitaxy (MBE) and chemical vapor deposition (CVD).
Further, as a method of laminating a silicon carbide layer on a silicon substrate having a low oxygen concentration as described above, a vapor phase growth method in which silicon carbide is epitaxially grown on a substrate by placing the substrate in a reaction furnace and supplying a source gas. It was adopted. Silane compounds and hydrocarbons may be used as raw materials for silicon carbide, and organic silicon compounds may be used. In particular, a single crystal silicon carbide thin film obtained by alternately supplying silane compounds and hydrocarbons into a reactor under reduced pressure and epitaxially growing the silicon substrate surface has particularly good crystallinity and good surface morphology.
Note that when the silicon carbide layer has crystallinity and the crystal structure is cubic, the silicon carbide thin film can be highly utilized.
The silicon carbide thin film produced by the method of the present invention has few defects and hillocks in the silicon carbide crystal, is excellent in electrical characteristics and mechanical characteristics, and is suitable for various applications. In addition, gallium nitride, diamond, etc. It can also be used as a substrate for epitaxial growth of different single crystals.
Hereinafter, based on an Example, the manufacturing method of the silicon carbide thin film of this invention and a silicon carbide thin film multilayer substrate is demonstrated in detail.
[0006]
[Example 1]
1 shows a method for forming a silicon carbide film according to the present invention. 1A to 1C are longitudinal sectional views showing a film forming method according to the present invention in the order of steps. A single crystal silicon wafer having a diameter of 3 inches was placed in a reactor and heated to 1020 ° C. in an acetylene and hydrogen atmosphere. The silicon wafer is manufactured by the FZ method, and the oxygen concentration of the substrate is 1 × 10 ¹⁶ atoms / cm ³ . Here, when silicon carbide film formation is performed using silicon as a substrate, the crystallinity of the formed silicon carbide and the morphology of the crystal surface deteriorate due to the mismatch of the crystal lattice generated at the interface between the silicon carbide and the silicon substrate. There's a problem. Therefore, when silicon carbide is deposited on a silicon substrate, it is necessary to carbonize the surface of the silicon substrate in a carbon-containing atmosphere such as a hydrocarbon gas to form an extremely thin silicon carbide layer of about 100% (Ono). Others, IEICE Technical Report, SSD80, (1980) 125). In the present invention, as shown in FIG. 1 (b), the silicon substrate surface was carbonized by maintaining the silicon substrate at 1020 ° C. for 60 minutes in advance under the supply of acetylene and hydrogen. Table 1 shows the conditions for surface carbonization.
[0007]
[Table 1]

[0008]
When the carbonized film thickness on the silicon substrate surface was measured using ellipsometry, it was confirmed to be 80 mm. After the formation of the carbonized layer, as shown in FIG. 1 (c), the silicon source gas and the carbon source gas are alternately supplied into the reactor at a substrate temperature of 1020 ° C. Film formation was performed. Dichlorosilane (SiH ₂ Cl ₂ ) is used as the silicon source gas, but SiH ₄ , SiCl ₄ , SiHCl _3, etc. may be used. Although acetylene (C ₂ H ₂ ) was used as the carbon source gas, CH ₄ , C ₂ H ₆ , C ₃ H _8, etc. can also be used. It is also possible to form a film using only gas obtained by vaporizing components containing both silicon and carbon, such as (CH ₃ ) ₃ SiCl and (CH ₃ ) ₄ Si, without using separate source gases of silicon and carbon. It is.
In the present invention, the formed silicon carbide film has a thickness of 2 μm. Details of the growth conditions are shown in Table 2.
[0009]
[Table 2]

[0010]
FIG. 2 is an SEM image of the surface of the silicon carbide film formed using the film forming method according to the present invention. From this SEM image, it was found that the surface of the silicon carbide film was smooth. FIG. 3 is an STM image of the surface of the silicon carbide film formed using the film forming method according to the present invention. The center line average roughness (Ra) based on JISB0601 on the surface of the silicon carbide film was 3.7 nm. From the above, it was found that the silicon carbide film produced by the manufacturing method of the present invention does not have defects caused by OSF because the grown silicon substrate does not have OSF. In order to examine the crystallinity of the silicon carbide film, X-ray diffraction measurement was performed. The observed peak is only due to the cubic silicon carbide (200) plane. The full width at half maximum of the cubic silicon carbide (200) plane peak was 0.225 degrees. It was 180 cm < ² > / (V * sec) when the mobility of the obtained silicon carbide thin film was measured using the Hall measuring method.
[0011]
[Example 2]
Silicon carbide was formed on a single crystal silicon substrate manufactured by the MCZ method. As a result, almost the same characteristics as the single crystal silicon carbide produced in Example 1 were obtained.
[0012]
[Comparative Example 1]
As a conventional method, a silicon carbide film was formed on a single crystal silicon substrate manufactured by the CZ method. The details of the film forming conditions are the same as in Table 2. The oxygen concentration of the silicon substrate manufactured by the CZ method is 2 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ .
FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) image of the surface of the silicon carbide film formed on the CZ substrate. From the SEM image, it is confirmed that island-like hillocks are clearly present on the surface of the silicon carbide film formed by this method.
FIG. 5 is a scanning tunneling microscope (STM) image of the surface of the silicon carbide film formed on the CZ substrate. From the STM image, it was found that island-shaped hillocks existed on the surface of the silicon carbide film, and the centerline average roughness of the surface was 21.2 nm. The full width at half maximum of the cubic silicon carbide (200) plane peak obtained from the X-ray diffraction measurement was 0.327 degrees. The mobility of the silicon carbide thin film was 5 cm ² / (V · sec).
Table 3 shows the results of Example 1 and Comparative Example. From Table 3, it can be seen that the silicon carbide thin film produced according to the present invention is extremely excellent in crystallinity, surface morphology and electrical characteristics as compared with the silicon carbide thin film produced by the conventional method.
[0013]
[Table 3]

[0014]
[Example 3]
Silicon carbide was deposited on silicon substrates having different oxygen concentrations. The oxygen concentration of the silicon substrate is 4 × 10 ¹⁵ to 2 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ . The film thickness of the grown silicon carbide is 2 μm. FIG. 6 shows the oxygen concentration of the underlying silicon substrate and the centerline average roughness of the silicon carbide surface, and FIG. 7 shows the relationship between the oxygen concentration of the substrate and the crystallinity of silicon carbide. From this result, it was found that single crystal silicon carbide having excellent crystallinity and surface morphology can be grown by using silicon having an oxygen concentration of 5 × 10 ¹⁶ atoms / cm ³ or less as a base substrate.
[0015]
[Example 4]
A gallium nitride film was formed on single crystal silicon carbide produced according to the present invention. Film formation was performed by a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method. As raw materials, dimethylhydrazine was used as a nitrogen source, and trimethylgallium was used as a gallium source. The growth temperature was 650 ° C. In order to investigate the crystallinity of the grown gallium nitride, X-ray diffraction measurement was performed, and a peak due to cubic gallium nitride (200) plane was observed. From this, it was found that gallium nitride can be epitaxially grown on the single crystal silicon carbide produced according to the present invention.
[0016]
[Example 5]
By reactive ion etching of the silicon carbide thin film multilayer substrate produced in the present invention, a heterojunction diode having a mesa structure as shown in FIG. 8 was produced. The junction between SiC layer 5 and Si single crystal 1 was 1 mm square. As the ohmic electrode, a Ni electrode 6 was used on the SiC side, and an Al electrode 7 was used on the Si side. Both were prepared by evaporating metal. The IV characteristics of the thus formed heterojunction diode were measured at room temperature. As a result, rectification appeared in the IV characteristics, and the breakdown voltage at that time was about 200V.
[0017]
[Comparative Example 2]
A mesa structure heterojunction diode was fabricated by reactive ion etching of a silicon carbide thin film multilayer substrate fabricated by a conventional method. The diode fabrication conditions were the same as in Example 5. When the IV characteristic of the heterojunction diode thus fabricated was measured, the breakdown voltage was about 50V.
From the results of Example 5 and Comparative Example 2, the semiconductor element using the silicon carbide thin film multilayer substrate produced by the present invention has superior electrical characteristics compared to the semiconductor element using the silicon carbide thin film according to the conventional method. I understood.
[0018]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since a silicon carbide film is formed on a silicon substrate having an oxygen concentration of 1 × 10 ¹⁶ atoms / cm ³ or less, it is induced by oxygen impurities present in the silicon substrate. It is possible to produce a silicon carbide film with excellent crystallinity, surface morphology and electrical characteristics. A semiconductor element using this single crystal silicon carbide thin film has excellent electrical characteristics.
Furthermore, since single crystal silicon carbide produced by this method has a very excellent surface morphology, it is possible to favorably heteroepitaxially grow different materials using this single crystal silicon carbide as a substrate. Therefore, the silicon carbide thin film and the thin film laminated substrate produced in the present invention can be used very suitably as a semiconductor substrate and a crystal growth substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the order of steps for producing a silicon carbide thin film according to the present invention.
FIG. 2 is an SEM photograph of a silicon carbide thin film surface according to the present invention.
FIG. 3 is an STM image of the surface of the silicon carbide thin film according to the present invention.
FIG. 4 is an SEM photograph of the surface of a silicon carbide thin film produced by a conventional method.
FIG. 5 is an STM image of the surface of a silicon carbide thin film produced by a conventional method.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the oxygen concentration of a silicon substrate and the centerline average roughness.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an oxygen concentration of a silicon substrate and a half-value width of a cubic silicon carbide (200) plane peak.
FIG. 8 is a diagram showing a heterojunction diode having a mesa structure.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Acetylene 3 Surface carbide layer 4 Dichlorosilane 5 Silicon carbide layer 6 Ni electrode 7 Al electrode

Claims

A method for producing a silicon carbide thin film, comprising preparing a silicon substrate having an oxygen concentration of 1 × 10 ¹⁶ atms / cm ³ or less and laminating silicon carbide on the silicon substrate.

2. The method for producing a silicon carbide thin film according to claim 1, wherein the silicon substrate is a single crystal silicon substrate produced by a floating zone method.

2. The method for producing a silicon carbide thin film according to claim 1, wherein the silicon substrate is a single crystal silicon substrate produced by a Czochralski method under a magnetic field.

2. The method for producing a silicon carbide thin film according to claim 1, wherein the silicon substrate is a single crystal silicon substrate produced by an epitaxial growth method.

5. The silicon carbide layer according to claim 1, wherein the silicon carbide layer is produced by vapor phase growth by supplying at least one silane compound and hydrocarbon as a source gas into a reaction furnace. A method for producing a silicon carbide thin film.

The silicon carbide layer is single-crystal silicon carbide epitaxially grown on a silicon surface by alternately supplying at least one silane-based compound and hydrocarbon into a reaction furnace as a source gas. Item 5. A method for producing a silicon carbide thin film according to any one of Items 1 to 4.

5. The method for producing a silicon carbide thin film according to claim 1, wherein the silicon carbide layer is manufactured by supplying an organosilicon compound as a raw material into a reaction furnace and using a vapor phase growth method.

The method for producing a silicon carbide thin film according to claim 1, wherein the silicon carbide layer has crystallinity.

The silicon carbide thin film manufacturing method according to claim 1, wherein the silicon carbide layer has a cubic crystal structure.

A silicon carbide thin film manufactured by the method for manufacturing a silicon carbide thin film according to claim 1.

A laminated substrate having the silicon carbide thin film according to claim 10.

A silicon carbide thin film multilayer substrate, wherein a silicon carbide single crystal layer is formed on a silicon substrate having an oxygen concentration of 1 × 10 ¹⁶ atoms / cm ³ or less.