專(zhuān)利名稱(chēng)：外延碳化硅單晶基板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外延碳化硅(SiC)單晶基板及其制造方法。
背景技術(shù)：
碳化硅(SiC)由于耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異，物理、化學(xué)上穩(wěn)定而作為耐環(huán)境性半導(dǎo)體材料受到關(guān)注。另外，近年來(lái)，作為高頻高耐壓電子器件等的基板，SiC單晶基板的需求不斷提高。在使用SiC單晶基板制作電力器件、高頻器件等的情況下，通常，一般在基板上使用被稱(chēng)為熱CVD法(熱化學(xué)蒸鍍法)的方法使SiC薄膜外延生長(zhǎng)，或者采用離子注入法直接注入摻雜物，在后者的情況下，在注入后需要在高溫下進(jìn)行退火，因此通過(guò)外延生長(zhǎng)進(jìn)行的薄膜形成多被采用。近年來(lái)，隨著SiC器件技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于SiC外延基板也開(kāi)始需求更加高品質(zhì)且大口徑的基板。外延生長(zhǎng)所使用的SiC基板，從外延生長(zhǎng)的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性方面出發(fā)使用了帶有偏離角度(偏斜角度、傾斜角度；Off angle)的基板，通常為8°。這樣的SiC基板，通過(guò)從表面為(0001)面的SiC錠帶有所希望的角度進(jìn)行切取而制成，偏離角度越大，從1個(gè)錠得到的基板的數(shù)量越少，另外，隨著錠的大口徑化，長(zhǎng)尺寸化變得困難。因此，為了效率良好地制造大口徑SiC基板，必須減小偏離角度，現(xiàn)在關(guān)于具有3英寸(75mm)以上的口徑的SiC 基板，具有6°或其以下的偏離角度的基板是主流，正在進(jìn)行使用了該基板的外延生長(zhǎng)的研但是，隨著偏離角度變小，存在于基板上的臺(tái)階的數(shù)量減少，因此在外延生長(zhǎng)時(shí)難以引起階流(step-flow)生長(zhǎng)，其結(jié)果，臺(tái)階(st印)彼此集合，產(chǎn)生所謂的臺(tái)階束 (step-bunching)0因此，作為抑制臺(tái)階束的產(chǎn)生的方法，在非專(zhuān)利文獻(xiàn)1中，曾報(bào)告了在進(jìn)行外延生長(zhǎng)時(shí)降低材料氣體(原料氣體)中所含有的碳和硅的原子數(shù)比(C/Si比)的方法。另外， 在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中，通過(guò)將生長(zhǎng)初期的C/Si比降低到0. 5 1. 0，可以抑制以螺位錯(cuò)為起點(diǎn)的螺旋生長(zhǎng)的發(fā)生，提高被周?chē)拇罅康碾A流覆蓋的概率，減少外延缺陷。但是，如果降低C/Si比，則殘留氮容易被納入外延膜中，其作為施主起作用，因此提高膜的純度變得困難，不適合于實(shí)用。另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中曾公開(kāi)了 為了得到晶體缺陷密度低、結(jié)晶性好的外延薄膜，在添加了氯化氫氣體的氣氛中使外延層生長(zhǎng)。這是通過(guò)由添加了的氯化氫引起的蝕刻作用(基板表面的清潔化)，簡(jiǎn)單地使外延薄膜降低晶體缺陷密度而使結(jié)晶性良好的方案。 具體地講，在偏離角度為8°的SiC基板上，在含有3 30毫升/分的HC1、0. 3毫升/分的SiH4的氣體的條件(如果按Cl/Si比計(jì)，則為10 100)下，即，在生長(zhǎng)中使Cl/Si比增多到100這樣的氯化氫的比例，促進(jìn)蝕刻作用的條件下，進(jìn)行外延生長(zhǎng)。另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)3 中曾公開(kāi)了 在采用熱CVD法進(jìn)行的外延生長(zhǎng)的情況下，有部分地形成立方晶(3C結(jié)構(gòu))的 SiC這樣的問(wèn)題，為了解決上述問(wèn)題，與硅的氫化氣體、烴氣體和載氣一起同時(shí)地供給HCl氣體，可以使用以比以往小的傾斜角度傾斜(偏離角度小)的傾斜基板，使SiC外延層生長(zhǎng)。另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)4曾公開(kāi)了外延生長(zhǎng)前的SiC基板，使用Cl2氣和/或HCl氣體蝕刻SiC基板的表面以達(dá)到平滑。另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)5中曾公開(kāi)了 在采用1200°C左右的低溫度的CVD法的情況下，發(fā)生在氣相中形成硅粒子這樣的問(wèn)題，為了解決上述問(wèn)題，通過(guò)添加HCl氣體來(lái)發(fā)揮作用以使反應(yīng)穩(wěn)定，在氣相中不形成硅粒子。另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)6中，為了促進(jìn)低溫CVD法中的原料氣體的反應(yīng)，在900°C以下的低溫區(qū)域也形成SiC晶膜，而在原料氣體中混合了 HCl氣體。 另外，由于是低溫CVD法，所以能夠在基板溫度為1400°C以下的溫度下進(jìn)行鏡面生長(zhǎng)。此外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)7中，為了使碳化硅單晶膜的表面平坦，對(duì)原料氣體添加了 HCl氣體，制作了表面粗糙度約為5nm的膜。該表面粗糙度通過(guò)采用基板溫度為1350°C的CVD法，且相對(duì)于硅烷(SiH4)O. 2CCM的流量，HCl氣體為3CCM的流量(Cl/Si比為15)而得到。因此，今后在器件上的應(yīng)用受到期待的SiC外延生長(zhǎng)基板，如果隨著基板的大口徑化，變?yōu)槭褂闷x角度小的基板，則在現(xiàn)有技術(shù)中，變成在殘留了臺(tái)階束的外延膜上制作器件。本發(fā)明者們?cè)谄x角度小的基板上制作器件并進(jìn)行了詳細(xì)的研究，結(jié)果弄清了以下那樣的情況。在這樣的外延膜的表面產(chǎn)生多個(gè)凹凸，容易引起在器件電極下的電解集中。特別是考慮到向肖特基勢(shì)壘二極管、MOS晶體管等的應(yīng)用的情況下，該電解集中作為柵漏電流變得顯著，使器件特性劣化。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)2008-74664號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2 日本特開(kāi)2000-001398號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)3 日本特開(kāi)2006-321696號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)4 日本特開(kāi)2006-261563號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)5 日本特開(kāi)昭49-37040號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)6 日本特開(kāi)平2-157196號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)7 日本特開(kāi)平4-214099號(hào)公報(bào)非專(zhuān)利文獻(xiàn) 1 :S. Nakamura et al.，Jpn. J. Appl. Phys, Vol. 42，p. L846 (2003)

發(fā)明內(nèi)容
如上述那樣，在現(xiàn)有技術(shù)中得到的偏離角度小的SiC基板、即6°以下的偏離角度的SiC基板中，得不到抑制了臺(tái)階束的發(fā)生的高品質(zhì)外延膜，存在器件特性和器件成品率不充分這樣的問(wèn)題已變得明顯。另外，關(guān)于在SiC基板上使外延膜生長(zhǎng)的方法，已知如上述的專(zhuān)利文獻(xiàn)所記載的方法。但是，專(zhuān)利文獻(xiàn)2和3并沒(méi)有公開(kāi)在6°以下的偏離角度的SiC基板上進(jìn)行外延生長(zhǎng)的情況下，抑制臺(tái)階束的發(fā)生的內(nèi)容。實(shí)際上，本發(fā)明者們研究了這些文獻(xiàn)所公開(kāi)的條件后，在6°以下的偏離角度的SiC基板中，得不到抑制了臺(tái)階束的發(fā)生的高品質(zhì)外延膜， 器件特性和器件成品率不充分。另外，同樣地研究了與專(zhuān)利文獻(xiàn)5 7同樣的條件，但在基板溫度低、6°以下的偏離角度的SiC基板中，得不到抑制了臺(tái)階束的發(fā)生的高品質(zhì)外延膜、即得不到具有變?yōu)閬喖{米水平以下的表面粗糙度那樣的平坦的表面的外延膜，器件特性和器件成品率不充分。本發(fā)明的目的是提供具有在使用了上述偏離角度為6°及其以下的基板的外延生長(zhǎng)中抑制了臺(tái)階束的發(fā)生的高品質(zhì)外延膜的外延單晶基板及其制造方法。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)通過(guò)在外延生長(zhǎng)時(shí)在流通的材料氣體(原料氣體)中在特定的條件下添加氯化氫氣體可以解決上述課題，從而完成了本發(fā)明。此外，采用上述方法抑制了臺(tái)階束的發(fā)生的結(jié)果，變得可以制作使用了偏離角度為6°以下的SiC基板的外延SiC單晶基板， 使用該外延SiC單晶基板詳細(xì)地研究了器件特性和器件成品率。在使用了偏離角度為6° 以下的SiC基板的外延SiC單晶基板中，得不到碳化硅單晶薄膜表面的表面粗糙度(Ra值) 為0. 5nm以下的薄膜，所以在該表面粗糙度水平下的器件特性和器件成品率未知，但是本發(fā)明者們使用由上述方法制作的外延SiC單晶基板進(jìn)行了研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)了 如果碳化硅單晶薄膜表面的表面粗糙度(Ra值)為0. 5nm以下，則器件特性和器件成品率顯著地提高。S卩，本發(fā)明的要旨如下。(1) 一種外延碳化硅單晶基板，是在偏離角度為6°以下的碳化硅單晶基板上形成了碳化硅單晶薄膜的外延碳化硅單晶基板，其特征在于，上述碳化硅單晶薄膜表面的表面粗糙度(Ra值)為0. 5nm以下。(2) 一種外延碳化硅單晶基板的制造方法，其特征在于，在偏離角度為6°以下的碳化硅單晶基板上，采用熱化學(xué)蒸鍍法使碳化硅單晶薄膜外延生長(zhǎng)時(shí)，在流通含有碳和硅的原料氣體的同時(shí)，流通氯化氫氣體，氯化氫氣體中的氯原子數(shù)相對(duì)于原料氣體中的硅原子數(shù)的比(Cl/Si比)大于1. 0且小于20. 0。(3)根據(jù)上述(2)所述的外延碳化硅單晶基板的制造方法，其特征在于，上述碳化硅單晶薄膜外延生長(zhǎng)時(shí)的原料氣體中所含有的碳和硅的原子數(shù)比(C/Si比)為1.5以下。根據(jù)本發(fā)明，即使基板的偏離角度為6°及其以下，也能夠抑制臺(tái)階束的發(fā)生，可以提供具有表面粗糙度Ra值小的高品質(zhì)外延膜的SiC單晶基板。另外，本發(fā)明的制造方法是熱CVD法，因此裝置構(gòu)成容易且控制性也優(yōu)異，可得到均勻性、再現(xiàn)性高的外延膜。此外，使用了本發(fā)明的外延SiC單晶基板的器件，形成于表面粗糙度Ra值小的平坦性?xún)?yōu)異的高品質(zhì)外延膜上，因此其特性和成品率提高。


圖1表示本發(fā)明的一例的SiC外延膜的生長(zhǎng)順序。圖2表示根據(jù)本發(fā)明的一例生長(zhǎng)的SiC外延膜的表面狀態(tài)的光學(xué)顯微鏡像。圖3表示根據(jù)本發(fā)明的一例生長(zhǎng)的SiC外延膜的表面AFM像。圖4表示形成于根據(jù)本發(fā)明的一例生長(zhǎng)的SiC外延膜上的肖特基勢(shì)壘二極管的正向特性。圖5表示根據(jù)本發(fā)明的另一例生長(zhǎng)的SiC外延膜的表面狀態(tài)的光學(xué)顯微鏡像。圖6表示基于現(xiàn)有技術(shù)的SiC外延膜的生長(zhǎng)順序。圖7表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)生長(zhǎng)的SiC外延膜的表面狀態(tài)的光學(xué)顯微鏡像。圖8表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)生長(zhǎng)的SiC外延膜的表面AFM像。
具體實(shí)施例方式對(duì)于本發(fā)明的具體內(nèi)容進(jìn)行敘述。首先，對(duì)于在SiC單晶基板上的外延生長(zhǎng)進(jìn)行敘述。本發(fā)明中優(yōu)選地用于外延生長(zhǎng)的裝置是臥式的熱CVD裝置。熱CVD法由于裝置構(gòu)成簡(jiǎn)單，可以通過(guò)氣體的開(kāi)關(guān)(on/off)來(lái)控制生長(zhǎng)，因此是外延膜的控制性、再現(xiàn)性?xún)?yōu)異的生長(zhǎng)方法。圖6將以往的進(jìn)行外延膜生長(zhǎng)時(shí)的典型的生長(zhǎng)順序和氣體的導(dǎo)入定時(shí)一并表示。 首先，在生長(zhǎng)爐中安置基板，將生長(zhǎng)爐內(nèi)進(jìn)行真空排氣后，導(dǎo)入氫氣將壓力調(diào)整到1XIO4 3X IO4Pa0其后，一邊將壓力保持為一定一邊提高生長(zhǎng)爐的溫度，在1400°C左右進(jìn)行10 30分鐘的、在氫氣中或者導(dǎo)入氯化氫而在氯化氫中的基板的蝕刻。這是用于除去伴隨研磨等的基板表面的變質(zhì)層、露出清潔的表面的工序。上述基板的蝕刻工序?yàn)榱嗽谔蓟鑶尉さ纳L(zhǎng)前使基板表面清潔而優(yōu)選，但是即使沒(méi)有該工序也可獲得本發(fā)明的效果。例如，若為已經(jīng)具有清潔的表面的基板，則也可以沒(méi)有基板的蝕刻工序。其后，將溫度提高到作為生長(zhǎng)溫度的1500 1600°C或1500 1650°C，導(dǎo)入作為材料氣體(原料氣體)的SiH4和C2H4 以開(kāi)始生長(zhǎng)(即，為在1500°C以上生長(zhǎng)這樣的熱CVD法)。SiH4流量是每分鐘40 50cm3、 C2H4流量是每分鐘20 40cm3或30 40cm3，生長(zhǎng)速度是每小時(shí)6 7 μ m。因?yàn)橥ǔＫ玫耐庋訉拥哪ず駷镮Oym左右，所以該生長(zhǎng)速度是考慮生產(chǎn)率來(lái)決定的。在生長(zhǎng)一定時(shí)間、得到了所希望的膜厚的時(shí)刻停止SiH4和C2H4的導(dǎo)入，在僅流通氫氣的狀態(tài)下降低溫度。溫度降低到常溫后，停止氫氣的導(dǎo)入，將生長(zhǎng)室內(nèi)進(jìn)行真空排氣，并將惰性氣體導(dǎo)入生長(zhǎng)室，使生長(zhǎng)室回復(fù)到大氣壓，其后取出基板。接著，利用圖6的生長(zhǎng)順序說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容。安置SiC單晶基板，直到在氫或氯化氫中的蝕刻為止與圖6相同。其后，上升到1500 1600°C或者1500 1650°C的生長(zhǎng)溫度，流通作為材料氣體的SiH4和C2H4來(lái)開(kāi)始生長(zhǎng)，但此時(shí)同時(shí)地也導(dǎo)入HCl氣體。優(yōu)選SiH4 流量是每分鐘40 50cm3，C2H4流量是每分鐘20 40cm3或者30 40cm3，HCl的流量是每分鐘40 IOOOcm3左右，以使得氣體中的Si和Cl的原子數(shù)之比(Cl/Si比)成為1. 0 20.0。生長(zhǎng)速度與不流通HCl氣體的情況大致相同，在得到了所希望的膜厚的時(shí)刻停止SiH4 和C2H4以及HCl的導(dǎo)入。其后的步驟與不流通HCl氣體的情況相同。這樣通過(guò)同時(shí)地流通原料氣體和HCl氣體，即使是在具有6°及其以下這樣的小的偏離角的基板上也可得到抑制了表面的臺(tái)階束的發(fā)生的良好外延膜。這可如以下那樣地考慮。作為阻礙在生長(zhǎng)表面的臺(tái)階流的一個(gè)原因，認(rèn)為因SiH4 的分解而產(chǎn)生的Si原子在氣相中結(jié)合，其成為核而形成Si微滴(droplet)，附著到基板上。 或者，過(guò)量的Si原子在生長(zhǎng)表面凝聚的可能性也不能否定。特別是認(rèn)為隨著基板的偏離角度變小，臺(tái)階平臺(tái)(terrace)的寬度變大，上述的現(xiàn)象變得顯著起來(lái)。認(rèn)為這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)導(dǎo)入HCl氣體，HCl分解而產(chǎn)生的Cl在氣相中取得Si-Cl的形式，由此獲得抑制Si彼此的結(jié)合、或者使在生長(zhǎng)表面的過(guò)量Si以SiHxCly的形式再蒸發(fā)等的效果，其結(jié)果，階流生長(zhǎng)即使在具有小的偏離角的基板上也持續(xù)。另一方面，作為在偏離角度小的SiC基板上進(jìn)行外延生長(zhǎng)時(shí)，使用HCl的方法，有如上述那樣在專(zhuān)利文獻(xiàn)2和3中提出的方法。但是，專(zhuān)利文獻(xiàn)2的方法的情況下，目的是通過(guò)基板表面的清潔化來(lái)提高外延膜的品質(zhì)(減少蝕坑密度)。在其實(shí)施例中，是使用了 8°的偏離角度的基板的情況，并不是關(guān)于在具有6°及其以下的偏離角度的基板上進(jìn)行外延生長(zhǎng)時(shí)的防止臺(tái)階束發(fā)生的情況。另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)3的方法的情況下，雖然也包含在具有 6°以下的偏離角的基板上外延生長(zhǎng)的情況，但是作為添加HCl的效果，舉出了通過(guò)HCl的蝕刻來(lái)強(qiáng)制性地在基板表面形成臺(tái)階，通過(guò)增加臺(tái)階來(lái)防止在表面的3C-SiC的產(chǎn)生。因此，與利用HCl分解而產(chǎn)生的Cl和Si的反應(yīng)使表面粗糙度Ra為0. 5nm以下的本發(fā)明基本上不同。S卩，在本發(fā)明中，在外延生長(zhǎng)中與其原料氣體一起導(dǎo)入HCl氣體，如上述那樣，在本發(fā)明中并不是利用HCl的蝕刻作用，而是利用在氣相中取得Si-Cl的形式，抑制Si彼此的結(jié)合這樣的作用，所以外延膜的生長(zhǎng)速度與不導(dǎo)入HCl的情況大致同樣地足夠大。具體地講，是幾乎不引起蝕刻作用那樣的HCl導(dǎo)入量少的條件(Cl/Si比為1. 0 20. 0的范圍)。 在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，如上述那樣，是偏離角度為8°的SiC基板，如果以Cl/Si比計(jì)則是以10 100的范圍在生長(zhǎng)中導(dǎo)入HC1。但是，由于包含在生長(zhǎng)中大量地導(dǎo)入Cl/Si比超過(guò)20這樣的HCl的條件，所以得不到本發(fā)明的上述效果。為了得到本發(fā)明的效果，重要的是使生長(zhǎng)中導(dǎo)入的HCl的量以Cl/Si比計(jì)不超過(guò)20. 0。根據(jù)本發(fā)明，即使在具有6°及其以下這樣的小偏離角度(即，0° 6°的偏離角度)的基板上，也變得可得到抑制了表面的臺(tái)階束的發(fā)生的良好的外延膜，對(duì)于生長(zhǎng)的外延層的厚度，考慮到通常所形成的器件的耐電壓、外延膜的生產(chǎn)率等的情況下，優(yōu)選為 5μπι 50μπι。另外，從外延膜的易生長(zhǎng)度方面來(lái)看，優(yōu)選具有偏離角度超過(guò)0°的偏離角度的基板。此外，對(duì)于基板的偏離角度，如果為1°以下，則存在于表面的臺(tái)階的數(shù)量變少， 難以體現(xiàn)本發(fā)明的效果，因此優(yōu)選是大于1°且為6°以下。另外，生長(zhǎng)時(shí)的氣體中所含有的Cl/Si比，如果小于1. 0則不體現(xiàn)添加了 HCl氣體的效果，如果大于20. 0則會(huì)進(jìn)行由HCl 氣體引起的蝕刻，因此優(yōu)選為1. 0 20. 0的范圍，更加優(yōu)選為4. 0 10. 0的范圍。進(jìn)一步優(yōu)選的Cl/Si比為4. 0以上且低于10. 0。此外，材料氣體中的C/Si比，為了促進(jìn)階流生長(zhǎng)而優(yōu)選為1. 5以下，但是如果小于 1.0則因所謂的位競(jìng)爭(zhēng)(Site competition)效應(yīng)，殘留氮的混入變大，外延膜的純度降低， 因此更加優(yōu)選為1. 0 1. 5的范圍。另外，在本發(fā)明中，偏離角度為6°以下的SiC基板，是直徑為2英寸以上(直徑 50mm以上)的尺寸的基板時(shí)，可更加顯著地得到本發(fā)明的效果。SiC基板小的情況下(例如直徑低于2英寸(直徑低于50mm)時(shí))，熱CVD法中的基板的加熱容易在整個(gè)基板表面均勻地進(jìn)行，其結(jié)果，難以引起臺(tái)階束的發(fā)生。因而，即使以本發(fā)明的條件導(dǎo)入HC1，有時(shí)也不能發(fā)揮抑制臺(tái)階束發(fā)生的效果。但是，即使是小的SiC基板，如果加熱法為不均勻，則變得容易引起臺(tái)階束的發(fā)生，所以顯著地得到本發(fā)明的效果。另一方面，如果SiC基板變大，達(dá)到直徑2英寸(直徑50mm)以上， 則難以均勻地加熱基板表面整體(難以保持為均勻的溫度)，所以晶體生長(zhǎng)的速度會(huì)因位置而不同，其結(jié)果，變得容易發(fā)生臺(tái)階束。因此，對(duì)于這樣的容易發(fā)生臺(tái)階束的大的SiC基板而言，通過(guò)以本發(fā)明的條件導(dǎo)入HCl可以充分發(fā)揮抑制臺(tái)階束的發(fā)生這樣的效果。然后，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在SiC單晶基板使外延膜生長(zhǎng)時(shí)存在規(guī)定的流量的HCl氣體，可以得到表面粗糙度(Ra值)為0.5nm以下這樣的高品質(zhì)的SiC單晶薄膜。另外，表面粗糙度Ra是基于JIS B0601 :2001標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)平均粗糙度。在本發(fā)明的制造方法中若設(shè)為更加合適的條件，則可以容易地得到表面粗糙度(Ra值)為0.4nm以下的進(jìn)一步高品質(zhì)的 SiC單晶薄膜。此外，根據(jù)本發(fā)明，制作具有包含表面粗糙度(Ra值)為0. 5nm以下在內(nèi)的表面粗糙度不同的各種的外延膜的SiC單晶基板，并調(diào)查了各自的器件特性和器件成品率。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)如下述的實(shí)施例所示，如果SiC單晶薄膜表面的表面粗糙度(Ra值)為0. 5nm以下，優(yōu)選為0. 4nm以下，則器件特性和器件成品率顯著地提高。在這樣地生長(zhǎng)了的外延基板上合適地形成的器件是肖特基勢(shì)壘二極管、PIN 二極管、MOS 二極管、MOS晶體管等的特別是在電力控制用途中使用的器件。實(shí)施例(實(shí)施例1)在從2英寸(50mm)晶片用SiC單晶錠以約400 μ m的厚度切片，并實(shí)施了粗削和利用金剛石磨粒進(jìn)行的通常研磨的具有4H型的多型的SiC單晶基板的Si面上，實(shí)施了外延生長(zhǎng)?；宓钠x角為4°。作為生長(zhǎng)的步驟，在生長(zhǎng)爐中安置基板，并將生長(zhǎng)爐內(nèi)進(jìn)行真空排氣后，一邊導(dǎo)入150L/分鐘的氫氣一邊將壓力調(diào)整到1.0X104Pa。其后，一邊將壓力保持為一定一邊提高生長(zhǎng)爐的溫度，到達(dá)1550°C后，流入IOOOcm3/分鐘的氯化氫，進(jìn)行20 分鐘的基板的蝕刻。蝕刻后，將溫度升高到1600°C，使SiH4流量為40cm3/分鐘、C2H4流量為 22cm3/ 分鐘(C/Si = 1.1)、HCl 流量為 200cm3/ 分鐘(Cl/Si = 5. 0)來(lái)生長(zhǎng)出 10 μ m 的外延層。此時(shí)的生長(zhǎng)速度為7 μ m/小時(shí)左右。將這樣進(jìn)行了外延生長(zhǎng)的膜的表面的光學(xué)顯微鏡照片示于圖3，并且將表面AFM 像示于圖3。從圖2可知，表面變?yōu)殓R面，沒(méi)有產(chǎn)生臺(tái)階束。另外，從圖3可知，表面粗糙度 Ra值為0.21nm，這與8°傾斜基板上的外延生長(zhǎng)膜的值大致等同。將使用這樣的外延膜形成了肖特基勢(shì)壘二極管(直徑200 μ m)時(shí)的二極管的正向特性示于圖4。從圖4可知，電流的上升時(shí)的線(xiàn)性良好，表示二極管的性能的η值為1.01，得到大體上理想的特性。另外，與上述同樣地，在相同的基板上進(jìn)一步制作100個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管，并進(jìn)行了相同的評(píng)價(jià)后，全部沒(méi)有不良而顯示出同樣的特性。(實(shí)施例2)在與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行了切片、粗削、通常研磨的具有4Η型的多型的2英寸 (50mm)的SiC單晶基板的Si面上，實(shí)施了外延生長(zhǎng)?；宓钠x角為4°。生長(zhǎng)步驟、溫度等與實(shí)施例1相同，氣體流量是=SiH4流量設(shè)為40cm3/分鐘，C2H4流量設(shè)為22cm3/分鐘 (C/Si = 1. 1)，HC1流量設(shè)為400cm3/分鐘(Cl/Si = 10. 0)，生長(zhǎng)出IOym的外延層。將生長(zhǎng)后的外延膜的光學(xué)顯微鏡照片示于圖5。從圖5可知，該條件的情況下也為不產(chǎn)生臺(tái)階束的良好的膜。另外，從AFM評(píng)價(jià)來(lái)看，表面粗糙度Ra值為0. 16nm。生長(zhǎng)后，與實(shí)施例1同樣地形成肖特基勢(shì)壘二極管，與在生長(zhǎng)中不添加HCl的采用以往的方法的4°傾斜基板上的外延膜上形成的肖特基勢(shì)壘二極管一起評(píng)價(jià)了反向的耐電壓。將各自的二極管評(píng)價(jià)了 100 個(gè)的結(jié)果是，本發(fā)明的外延膜上的二極管的耐電壓(中央值)為340V，基于現(xiàn)有方法的外延膜(表面粗糙度Ra值為2. 5nm)上的二極管的耐電壓(中央值)為320V，本發(fā)明的外延膜上的二極管顯示出優(yōu)異的特性。在本發(fā)明的外延膜上制作了的100個(gè)二極管全部沒(méi)有不良。在基于現(xiàn)有方法的外延膜上制作了的100個(gè)二極管之中產(chǎn)生了 5個(gè)不良品。
(實(shí)施例3)在與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行了切片、粗削、通常研磨的具有4H型的多型的2英寸 (50mm)的SiC單晶基板的Si面上，實(shí)施了外延生長(zhǎng)?；宓钠x角為4°。生長(zhǎng)步驟、溫度等與實(shí)施例1相同，但氣體流量是SH4流量設(shè)為40cm3/分鐘、C2H4流量設(shè)為^cm3/分鐘 (C/Si = 1.4), HCl流量設(shè)為200cm3/分鐘(Cl/Si = 5. 0)，生長(zhǎng)出IOym的外延層。生長(zhǎng)后的外延膜是沒(méi)有產(chǎn)生臺(tái)階束的良好的膜，表面粗糙度Ra值為0. 23nm。與實(shí)施例1同樣地形成肖特基勢(shì)壘二極管，求取η值為1.01，可知該情況也得到了大體上理想的特性。另外， 與上述同樣地，在相同基板上進(jìn)一步制作100個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管，進(jìn)行了相同的評(píng)價(jià)后， 全部沒(méi)有不良而顯示出同樣的特性。(實(shí)施例4)在與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行了切片、粗削、通常研磨的具有4Η型的多型的2英寸 (50mm)的SiC單晶基板的Si面上，實(shí)施了外延生長(zhǎng)?；宓钠x角為2°。生長(zhǎng)步驟、溫度等與實(shí)施例1相同，氣體流量是SH4流量設(shè)為40cm3/分鐘、C2H4流量設(shè)為20cm3/分鐘(C/ Si = 1.0), HCl流量設(shè)為400cm3/分鐘(Cl/Si = 10. 0)，生長(zhǎng)出IOym的外延層。生長(zhǎng)后的外延膜是沒(méi)有產(chǎn)生臺(tái)階束的良好的膜，表面粗糙度Ra值為0. 26nm0與實(shí)施例1同樣地形成了的肖特基勢(shì)壘二極管的η值為1. 02，可知該情況也得到了大體上理想的特性。另外，與上述同樣地，在相同基板上進(jìn)一步制作100個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管，進(jìn)行了相同的評(píng)價(jià)后，全部沒(méi)有不良而顯示出同樣的特性。(實(shí)施例5)在與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行了切片、粗削、通常研磨的具有4Η型的多型的2英寸 (50mm)的SiC單晶基板的Si面上，實(shí)施了外延生長(zhǎng)?；宓钠x角為6°。生長(zhǎng)步驟、溫度等與實(shí)施例1相同，氣體流量是SiH4流量設(shè)為40cm3/分鐘，C2H4流量設(shè)為22cm3/分鐘(C/ Si = 1. 1)，HCl流量設(shè)為200cm3/分鐘(Cl/Si = 5.0)，生長(zhǎng)出10 μ m的外延層。生長(zhǎng)后的外延膜是沒(méi)有產(chǎn)生臺(tái)階束的良好的膜，表面粗糙度Ra值為0. 19nm。使用該外延膜和采用現(xiàn)有的方法形成了的6 °傾斜基板上的外延膜，與實(shí)施例2同樣地評(píng)價(jià)了 50個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管的反向耐電壓。結(jié)果，本發(fā)明的外延膜上的二極管的耐電壓(中央值)為350V，基于現(xiàn)有方法的外延膜(表面粗糙度Ra值為2nm)上的二極管的耐電壓(中央值)為330V，使用了本發(fā)明的外延膜上的二極管顯示出優(yōu)異的特性。在采用本發(fā)明的外延膜上制作了的100 個(gè)的二極管全部沒(méi)有不良。在采用現(xiàn)有方法的外延膜上制作了的100個(gè)的二極管之中產(chǎn)生了 5個(gè)不良品。(實(shí)施例6 17)在與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行了切片、粗削、通常研磨的具有4H型的多型的2英寸 (50mm)的SiC單晶基板的Si面上，實(shí)施了外延生長(zhǎng)。生長(zhǎng)步驟、溫度等與實(shí)施例1相同， 如表1那樣地改變基板的偏離角度、C/Si比、Cl/Si比，生長(zhǎng)出10 μ m的外延層。生長(zhǎng)后的外延膜是沒(méi)有產(chǎn)生臺(tái)階束的良好的膜，表1示出了生長(zhǎng)后的外延膜表面粗糙度Ra值和與實(shí)施例1同樣地形成了的肖特基勢(shì)壘二極管的η值?？芍猂a值全部為0.4nm以下，得到了平坦性?xún)?yōu)異的膜，另外，η值也在1.03以下，得到了大體上理想的二極管特性。另外，在實(shí)施例1 17中，生長(zhǎng)前采用氯化氫進(jìn)行了基板的蝕刻，但即使省略該過(guò)程，生長(zhǎng)后的Ra值也沒(méi)有看到變化。另外，實(shí)施例6是Ra值為0.4nm，η值為1. 03，但基板不帶有偏離角度，所以晶體生長(zhǎng)速度慢，與使用了帶有偏離角度的基板的情況下相比，成膜為ΙΟμπι的厚度花費(fèi)了較長(zhǎng)時(shí)間。
表 權(quán)利要求
1.一種外延碳化硅單晶基板，是在偏離角度為6°以下的碳化硅單晶基板上形成了碳化硅單晶薄膜的外延碳化硅單晶基板，其特征在于，所述碳化硅單晶薄膜表面的表面粗糙度即Ra值為0. 5nm以下。
2.—種外延碳化硅單晶基板的制造方法，其特征在于，在偏離角度為6°以下的碳化硅單晶基板上，采用熱化學(xué)蒸鍍法使碳化硅單晶薄膜外延生長(zhǎng)時(shí)，在流通含有碳和硅的材料氣體的同時(shí)，流通氯化氫氣體，氯化氫氣體中的氯原子數(shù)相對(duì)于材料氣體中的硅原子數(shù)之比即Cl/Si比大于1. 0且小于20. 0。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外延碳化硅單晶基板的制造方法，其特征在于，外延生長(zhǎng)所述碳化硅單晶薄膜時(shí)的材料氣體中所含有的碳和硅的原子數(shù)比即C/Si比為1. 5以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有在使用了偏離角度為6°及其以下的基板的外延生長(zhǎng)中抑制了臺(tái)階束的發(fā)生的高品質(zhì)外延膜的外延SiC單晶基板及其制造方法。本發(fā)明的外延碳化硅單晶基板，是在偏離角度為6°以下的碳化硅單晶基板上形成了碳化硅單晶薄膜的外延碳化硅單晶基板，其特征在于，所述碳化硅單晶薄膜表面的表面粗糙度(Ra值)為0.5nm以下。
文檔編號(hào)C30B25/20GK102301043SQ201080005900
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月30日
發(fā)明者中林正史, 星野泰三, 柘植弘志, 矢代弘克, 勝野正和, 藍(lán)鄉(xiāng)崇, 藤本辰雄 申請(qǐng)人:新日本制鐵株式會(huì)社