JP2012121749A - SiC SEMICONDUCTOR SELF-SUPPORTING SUBSTRATE AND SiC SEMICONDUCTOR ELECTRONIC DEVICE - Google Patents
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Abstract
【課題】SiC半導体自立基板上に形成される電子デバイスの耐電圧、オン抵抗、素子寿命等のばらつきを抑えて歩留まりを向上させることが可能なSiC半導体自立基板及びSiC半導体電子デバイスを提供する。
【解決手段】SiC半導体自立基板を構成するSiC半導体結晶3は六方晶系であり、SiC半導体結晶3の格子定数のばらつきを、SiC半導体自立基板の主面内のa軸方向の格子定数の標準偏差をa軸方向の格子定数の平均値で除した値とするとき、格子定数のばらつきが±55ppm以下である。
【選択図】図3An SiC semiconductor free-standing substrate and an SiC semiconductor electronic device capable of improving the yield by suppressing variations in withstand voltage, on-resistance, element lifetime, and the like of an electronic device formed on the SiC semiconductor free-standing substrate.
An SiC semiconductor crystal 3 constituting a SiC semiconductor free-standing substrate is a hexagonal system, and variations in the lattice constant of the SiC semiconductor crystal 3 are represented by a standard lattice constant in the a-axis direction in the main surface of the SiC semiconductor free-standing substrate. When the deviation is a value obtained by dividing the deviation by the average value of the lattice constant in the a-axis direction, the dispersion of the lattice constant is ± 55 ppm or less.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、SiC半導体自立基板及びSiC半導体電子デバイスに関する。 The present invention relates to a SiC semiconductor free-standing substrate and a SiC semiconductor electronic device.
炭化珪素(SiC)は、耐熱性に優れ、機械的強度が高く、放射線に強い等の物理的・化学的性質を備えることから、耐環境性半導体材料として注目されている。また近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイスや高耐圧の高周波電子デバイス等を形成する基板としてSiC半導体自立基板の需要が高まっている。 Silicon carbide (SiC) is attracting attention as an environmentally resistant semiconductor material because it has excellent heat resistance, high mechanical strength, and physical and chemical properties such as resistance to radiation. In recent years, a demand for a SiC semiconductor free-standing substrate is increasing as a substrate for forming a short wavelength optical device from blue to ultraviolet, a high-voltage high-frequency electronic device, and the like.
例えば特許文献1には、高品質のSiC単結晶を備えるSiC単結晶基板を得る方法として、成長面に幅が0.7mm以上2mm未満の溝を有するSiC単結晶育成用種結晶を用い、昇華再結晶法により、種結晶上にSiC単結晶を成長させ、貫通転位密度を1×104cm−2以下に低減したSiC単結晶インゴットの成長方法が開示されている。
For example, in
しかしながら、SiC半導体自立基板の貫通転位密度を低減しただけでは解決できない新たな課題があることがわかった。すなわち、本発明者の更なる研究によれば、上記のようなSiC半導体自立基板を用いて電子デバイスを形成し、実装して複数の素子を形成すると、これらの中に、耐電圧、オン抵抗、素子寿命等が極端に劣る素子が含まれており、素子間で大きなばらつきが生じてしまうことがわかった。耐電圧、オン抵抗、素子寿命等が設計値に対して大きくばらつくと、歩留まりの低下を招くおそれがある。 However, it has been found that there is a new problem that cannot be solved only by reducing the threading dislocation density of the SiC semiconductor free-standing substrate. That is, according to further research by the present inventors, when an electronic device is formed using the SiC semiconductor free-standing substrate as described above, and a plurality of elements are formed by mounting, the withstand voltage and the on-resistance are included in these. It has been found that elements with extremely inferior element life and the like are included, and large variations occur between elements. If the withstand voltage, on-resistance, element lifetime, etc. vary greatly from the design value, the yield may be reduced.
そこで本発明の目的は、SiC半導体自立基板を用いて形成される電子デバイスの耐電圧、オン抵抗、素子寿命等のばらつきを抑えて歩留まりを向上させることが可能なSiC半導体自立基板及びSiC半導体電子デバイスを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a SiC semiconductor free-standing substrate and a SiC semiconductor electronic capable of improving the yield by suppressing variations in withstand voltage, on-resistance, element lifetime, etc. of an electronic device formed using the SiC semiconductor free-standing substrate. To provide a device.
本発明の第1の態様によれば、SiC半導体結晶からなるSiC半導体自立基板であって、前記SiC半導体結晶は六方晶系であり、前記SiC半導体結晶の格子定数のばらつきを、前記SiC半導体自立基板の主面内のa軸方向の格子定数の標準偏差を前記a軸方向の格子定数の平均値で除した値とするとき、前記格子定数のばらつきが±55ppm以下であるSiC半導体自立基板が提供される。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a SiC semiconductor free-standing substrate made of a SiC semiconductor crystal, wherein the SiC semiconductor crystal is a hexagonal system, and variation in lattice constant of the SiC semiconductor crystal is determined by the SiC semiconductor free-standing substrate. When the standard deviation of the lattice constant in the a-axis direction in the main surface of the substrate is divided by the average value of the lattice constant in the a-axis direction, an SiC semiconductor free-standing substrate having a variation in the lattice constant of ± 55 ppm or less is obtained. Provided.
本発明の第2の態様によれば、前記格子定数のばらつきは、前記SiC半導体自立基板の最外周から半径方向に2mm内側までの領域を除いた主面内でのばらつきである第1の態様に記載のSiC半導体自立基板が提供される。 According to the second aspect of the present invention, the variation in the lattice constant is a variation in a main surface excluding a region from the outermost periphery of the SiC semiconductor free-standing substrate to the inner side by 2 mm in the radial direction. The SiC semiconductor self-supporting substrate described in 1. is provided.
本発明の第3の態様によれば、前記SiC半導体結晶には、前記SiC半導体結晶の導電性を制御する不純物が添加されている第1又は第2の態様に記載のSiC半導体自立基板が提供される。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the SiC semiconductor free-standing substrate according to the first or second aspect, wherein the SiC semiconductor crystal is doped with an impurity that controls conductivity of the SiC semiconductor crystal. Is done.
本発明の第4の態様によれば、第1から第3の態様のいずれかに記載のSiC半導体自
立基板上に形成された電子デバイス用エピタキシャル層を備えるSiC半導体電子デバイスが提供される。
According to the 4th aspect of this invention, a SiC semiconductor electronic device provided with the epitaxial layer for electronic devices formed on the SiC semiconductor self-supporting substrate in any one of the 1st to 3rd aspects is provided.
本発明によれば、SiC半導体自立基板を用いて形成される電子デバイスの耐電圧、オン抵抗、素子寿命等のばらつきを抑えて歩留まりを向上させることが可能なSiC半導体自立基板及びSiC半導体電子デバイスが提供される。 According to the present invention, a SiC semiconductor free-standing substrate and a SiC semiconductor electronic device capable of improving the yield by suppressing variations in withstand voltage, on-resistance, element lifetime, and the like of an electronic device formed using the SiC semiconductor free-standing substrate. Is provided.
<知見>
まず、本発明の実施形態の説明に先立ち、本発明者が得た知見について説明する。
<Knowledge>
First, prior to the description of the embodiment of the present invention, the knowledge obtained by the present inventor will be described.
本発明者によれば、高品質のSiC半導体自立基板を得るためにSiC半導体結晶中の貫通転位密度を低減させても、高性能の電子デバイスを得るのに充分ではない。すなわち、本発明者が、貫通転位密度を低減させたSiC半導体結晶を備えるSiC半導体自立基板を用いて電子デバイスを形成し、得られた複数の素子の耐電圧、オン抵抗、素子寿命等の特性を調べたところ、各素子が得られた基板面内の位置に応じて素子間に顕著な特性のばらつきがみられ、これら複数の素子の中には極端に特性の劣るものが含まれていた。このような特性のばらつきは、歩留まり低下に繋がるおそれがある。 According to the present inventors, even if the threading dislocation density in the SiC semiconductor crystal is reduced in order to obtain a high-quality SiC semiconductor free-standing substrate, it is not sufficient to obtain a high-performance electronic device. That is, the inventor forms an electronic device using a SiC semiconductor free-standing substrate including a SiC semiconductor crystal with reduced threading dislocation density, and characteristics such as withstand voltage, on-resistance, and element lifetime of the obtained plurality of elements As a result, there was a remarkable variation in characteristics between elements depending on the position in the substrate surface where each element was obtained, and some of these elements were extremely inferior in characteristics. . Such variation in characteristics may lead to a decrease in yield.
そこで、本発明者はさらに研究を進め、上記基板面内での素子の特性のばらつきが、電子デバイス製造工程中における電子デバイス用エピタキシャル層の成長過程で新たに発生した転位のためであること、また、このような転位が、SiC半導体自立基板面内の格子定数のばらつきに起因していることを突き止めた。本発明者の考察によれば、SiC半導体自立基板面内の格子定数のばらつきは、SiC半導体結晶の形成時に以下のメカニズムによって発生する。 Therefore, the present inventor has further researched, the variation in the characteristics of the element in the substrate surface is due to dislocations newly generated in the growth process of the epitaxial layer for electronic devices during the electronic device manufacturing process, It was also found that such dislocations were caused by variations in lattice constants in the SiC semiconductor free-standing substrate surface. According to the inventor's consideration, the dispersion of the lattice constant in the surface of the SiC semiconductor free-standing substrate is generated by the following mechanism when the SiC semiconductor crystal is formed.
SiC半導体自立基板を構成するSiC半導体結晶は、一般的に、SiCの{0001}面基板を種結晶として用い、昇華再結晶法により形成される。すなわち、上記SiC種基板をるつぼ内に配置し、同じくるつぼ内に配置したSiC原料粉末を加熱昇華させ、昇華ガスをSiC種基板に付着させることで、SiC種基板上にSiC半導体結晶を成長させる。このとき、SiC半導体結晶の導電性を制御するため、SiC半導体結晶中に不純物を添加しながら成長させていく。SiC半導体結晶中の導電性は、SiC半導体結晶構造中の珪素(Si)原子又は炭素(C)原子の位置を不純物元素によって置換させることで制御することができる。 The SiC semiconductor crystal constituting the SiC semiconductor free-standing substrate is generally formed by a sublimation recrystallization method using a SiC {0001} plane substrate as a seed crystal. That is, the SiC seed substrate is placed in a crucible, SiC raw material powder also placed in the crucible is heated and sublimated, and a sublimation gas is attached to the SiC seed substrate to grow a SiC semiconductor crystal on the SiC seed substrate. . At this time, in order to control the conductivity of the SiC semiconductor crystal, the SiC semiconductor crystal is grown while adding impurities. The conductivity in the SiC semiconductor crystal can be controlled by substituting the position of the silicon (Si) atom or carbon (C) atom in the SiC semiconductor crystal structure with an impurity element.
上記のSiC種基板上にSiC半導体結晶が成長する様子を、図6に示す。SiC種基
板52は、例えばオフ角度の付いていない{0001}面基板である。図6(a)に示すように、SiC種基板52表面は、凹凸面51を有している。凹凸面51の上面(テーブル面)51cはc面((0001)面)であり、本来の結晶成長面である。凹凸面51の核側面(ファセット面)51fは、結晶成長方向であるc軸([0001]軸)に対して傾角を持った面であり、例えば(11−22)面、(1−102)面、(11−23)面、(11−25)面等である。
FIG. 6 shows how a SiC semiconductor crystal grows on the SiC seed substrate. The
図6(b)に示すように、SiC種基板52上にSiC半導体結晶63を成長させる際、上記のような凹凸面51はあたかも二次元核形成による島状核のように作用し、上面51cの結晶成長速度よりも核側面51fの結晶成長速度が遅くなる。このため、SiC半導体結晶63中の核側面領域61fでの不純物の取り込みが比較的多くなり、SiC半導体結晶63中の上面領域61cよりも不純物濃度が上がってしまう。
As shown in FIG. 6B, when the
SiC半導体結晶63の成長がさらに進むにつれ、核側面51f上に形成されるSiC半導体結晶63の成長面の傾斜がなだらかになって不純物濃度は減少していくが、図6(c)に示すように、例えば核側面51fの形成する凹部が埋まってSiC半導体結晶63の表面が略平坦になる頃にまで不純物濃度の偏りの影響が続き、SiC半導体結晶63の厚さ方向に伸びる不純物濃度の高い核側面領域61f,62f,63fと、不純物濃度が低くて略一定の上面領域61c,62c,63cと、が混在した状態でSiC半導体結晶63が形成されてしまう。核側面領域61f,62f,63fでは、高濃度の不純物の影響により、結晶格子の歪みが他の領域より大きくなっている。なお、図6において、断面に散点状に付した点の濃淡によって、不純物濃度の高低を表している。
As the growth of the
このような不純物濃度の高い核側面領域61f,62f,63fは、SiC半導体結晶63の表面若しくは表面近傍にまで達し、SiC半導体結晶63の表面若しくは表面近傍に不純物濃度の異なる領域が表れて、SiC半導体自立基板の面内の格子定数のばらつきが発生する原因となっていると考えられる。
Such
本発明者は、上記課題を解決すべく、さらに鋭意研究を重ねた。その結果、格子定数のばらつきを所定値以下に抑えることで、耐電圧、オン抵抗、素子寿命等のばらつきを低減することができるとの知見を得た。また、SiC種基板に所定の平滑化加工を施すと、凹凸面に起因する格子定数のばらつきを低減することができるとの知見を得るに至った。本発明は、発明者が見出した上記知見に基づくものである。 The present inventor has further studied earnestly to solve the above problems. As a result, it has been found that variations in withstand voltage, on-resistance, element lifetime, and the like can be reduced by suppressing the variation in lattice constant to a predetermined value or less. In addition, when a predetermined smoothing process is performed on the SiC seed substrate, it has been found that the variation in lattice constant due to the uneven surface can be reduced. The present invention is based on the above findings found by the inventors.
<本発明の一実施形態>
以下に、本発明の一実施形態に係るSiC半導体自立基板について説明する。ここで自立基板とは、自らの形状を保持できるだけでなく、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板をいう。
<One Embodiment of the Present Invention>
A SiC semiconductor free-standing substrate according to an embodiment of the present invention will be described below. Here, the self-supporting substrate means a substrate that not only can hold its own shape but also has a strength that does not cause inconvenience in handling.
(1)SiC半導体自立基板
一実施形態に係るSiC半導体自立基板は、不純物を含む六方晶系のSiC半導体結晶から構成される直径2インチの自立基板であって、SiC半導体電子デバイスを形成する主面を備えている。SiC半導体電子デバイスを形成する主面は、例えばSi(0001)面である。この場合、反対側の主面はC(000−1)面である。SiC半導体電子デバイスを形成する主面側の基板面内の格子定数のばらつきは、所定の範囲内、例えば±55ppm以下、好ましくは±25ppm以下、より好ましくは±15ppm以下となっているのがよい。係る格子定数のばらつきは、具体的にはa軸方向の格子定数のばらつき、つまり、a軸長のばらつきである。
(1) SiC semiconductor free-standing substrate An SiC semiconductor free-standing substrate according to an embodiment is a free-standing substrate having a diameter of 2 inches composed of a hexagonal SiC semiconductor crystal containing impurities, and forms a SiC semiconductor electronic device. It has a surface. The main surface on which the SiC semiconductor electronic device is formed is, for example, a Si (0001) surface. In this case, the main surface on the opposite side is the C (000-1) plane. The variation of the lattice constant in the substrate surface on the main surface side forming the SiC semiconductor electronic device should be within a predetermined range, for example, ± 55 ppm or less, preferably ± 25 ppm or less, more preferably ± 15 ppm or less. . The variation of the lattice constant is specifically the variation of the lattice constant in the a-axis direction, that is, the variation of the a-axis length.
a軸長は、X線回折による測定データから算出することができる。X線回折の測定デー
タの取得にあたっては、実際に電子デバイスが形成される基板面内の領域、例えばSiC半導体自立基板の最外周から半径方向に2mm内側までの領域を除いた基板面内の複数個所で測定を行う。上記格子定数のばらつきは、基板面内における複数の測定データから算出されるa軸方向の格子定数の標準偏差を平均値で除した値である。以下に、a軸長の算出方法及び測定データの取得方法について詳述する。
The a-axis length can be calculated from measurement data obtained by X-ray diffraction. In obtaining the measurement data of X-ray diffraction, a plurality of areas in the substrate surface excluding a region in the substrate surface where the electronic device is actually formed, for example, a region from the outermost periphery of the SiC semiconductor free-standing substrate to the inner side by 2 mm in the radial direction. Measure at the location. The dispersion of the lattice constant is a value obtained by dividing the standard deviation of the lattice constant in the a-axis direction calculated from a plurality of measurement data in the substrate surface by the average value. Below, the calculation method of a-axis length and the acquisition method of measurement data are explained in full detail.
SiC半導体結晶が備える六方晶系の結晶格子のa軸長は、X線回折により得られるSiC(0006)の面間隔d0006と、SiC(20−24)の面間隔d20−24との測定結果から、次式(1)及び(2)により算出される。式(1)はc軸長を算出する式であり、式(2)はc軸長からa軸長を算出する式である。
c=6×d0006 …(1)
The a-axis length of the hexagonal crystal lattice included in the SiC semiconductor crystal is measured by the interplanar spacing d 0006 of SiC (0006) obtained by X-ray diffraction and the interplanar spacing d 20-24 of SiC (20-24). From the results, the following formulas (1) and (2) are used. Expression (1) is an expression for calculating the c-axis length, and Expression (2) is an expression for calculating the a-axis length from the c-axis length.
c = 6 × d 0006 (1)
格子定数の測定に、SiC(0006)とSiC(20−24)とを用いたのは、より誤差の少ない測定が可能だからである。 The reason why SiC (0006) and SiC (20-24) are used for the measurement of the lattice constant is that measurement with less error is possible.
上記のSiC(0006)の面間隔d0006及びSiC(20−24)の面間隔d20−24は、例えばスペクトリス株式会社製のX’Pert MRDを用いたX線回折により測定することができる。X線管球の陽極材を銅(Cu)とし、加速電圧を45kV、フィラメントに流す電流を40mAとすることが好ましい。X線管球の先の光学系は、1/2°のダイバージェンススリット、X線ミラー、Ge(220)2結晶モノクロメータ、横幅0.2mm×縦幅0.2mmのクロススリットコリメータの順に配置して構成することができる。また、例えば直径が2インチのSiC半導体自立基板を測定する場合、基板の直径方向に1mm間隔で測定し、格子定数の基板面内の分布が得られるように測定することが好ましい。ここで最外周から2mm内側までの領域は評価対象外とすることが望ましい。 Interplanar spacing d 20-24 of the aforementioned SiC (0006) plane spacing d 0006 and SiC of (20-24) can be measured, for example, by X-ray diffraction using X'Pert MRD manufactured by Spectris Co., Ltd.. The anode material of the X-ray tube is preferably copper (Cu), the acceleration voltage is preferably 45 kV, and the current passed through the filament is preferably 40 mA. The optical system at the tip of the X-ray tube is arranged in the order of a 1/2 ° divergence slit, an X-ray mirror, a Ge (220) 2 crystal monochromator, and a cross slit collimator having a width of 0.2 mm × length of 0.2 mm. Can be configured. Further, for example, when measuring a SiC semiconductor free-standing substrate having a diameter of 2 inches, it is preferable to measure at a 1 mm interval in the diameter direction of the substrate so as to obtain a distribution of lattice constants in the substrate surface. Here, it is desirable that the region from the outermost periphery to the inner side by 2 mm is not evaluated.
(2)SiC半導体自立基板の製造方法
次に、一実施形態に係るSiC半導体自立基板の製造方法について、以下に説明する。本実施形態においては、直径2インチのSiC種基板の表面に光触媒反応による平滑化加工を施し、SiC種基板の平滑化された面上にSiC半導体結晶を成長させてSiC半導体自立基板を形成する。
(2) Manufacturing method of SiC semiconductor free-standing substrate Next, the manufacturing method of the SiC semiconductor free-standing substrate concerning one embodiment is explained below. In this embodiment, the surface of a SiC seed substrate having a diameter of 2 inches is subjected to a smoothing process by photocatalytic reaction, and a SiC semiconductor crystal is grown on the smoothed surface of the SiC seed substrate to form a SiC semiconductor free-standing substrate. .
(SiC種基板の平滑化加工)
まずは、本実施形態に係るSiC種基板の光触媒反応型化学的加工法による平滑化加工について、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係るSiC半導体自立基板の製造に用いられるSiC種基板に対して平滑化を行う平滑化加工装置を示す概略構成図である。
(Smoothing processing of SiC seed substrate)
First, the smoothing process by the photocatalytic reaction type chemical processing method of the SiC seed substrate according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a smoothing processing apparatus that performs smoothing on a SiC seed substrate used for manufacturing a SiC semiconductor free-standing substrate according to the present embodiment.
光触媒反応型化学的加工法は、ラジカル捕捉剤が添加された水溶液中で光触媒活性を有する薄膜を被処理基板の表面に対向配置し、前記薄膜に光を照射して前記薄膜上で酸化力を有する活性種を生成し、前記活性種と前記表面の原子とを化学反応させ、前記表面を溶
出可能な化合物へと変化させて除去することにより、前記表面を平滑化する方法である。
In the photocatalytic reaction type chemical processing method, a thin film having photocatalytic activity in an aqueous solution to which a radical scavenger is added is disposed opposite to the surface of a substrate to be processed, and the thin film is irradiated with light to oxidize the thin film. In this method, the active species are generated, the active species are chemically reacted with atoms on the surface, and the surface is converted into an eluting compound and removed, thereby smoothing the surface.
図1に示す平滑化加工装置は、水溶液10を収容する容器11と、光触媒薄膜としての二酸化チタン(TiO2)薄膜5が形成された光触媒膜支持体としての石英(SiO2)基板6と、TiO2薄膜5が形成された面とは反対側の面から石英基板6を透過してTiO2薄膜5に紫外線UVを照射する紫外線照射手段(図示せず)とを備えている。水溶液10には、例えば溶存酸素量の高い水(H2O)に、ラジカル捕捉剤としてのメタノール(CH3OH)を所定量添加したものを用いることができる。TiO2薄膜5は、例えばアルゴン(Ar)ガス雰囲気下で、所定圧力、所定温度に保った石英基板6に対し、マグネトロンスパッタ法により、TiO2焼成体をターゲットとするスパッタを行い形成する。
A smoothing processing apparatus shown in FIG. 1 includes a
上記の平滑化加工装置により平滑化加工を施す被処理基板としては、例えばSi(0001)面を主面1とするSiC種基板2を用いる。SiC種基板2の主面1には、例えば機械的に鏡面研磨処理が施されてはいるが、主面1は例えば図6に示す凹凸面51と同様の凹凸部を有している。
As a to-be-processed substrate which performs a smoothing process by said smoothing apparatus, the SiC seed | species board |
水溶液10中でTiO2薄膜5をSiC種基板2の主面1に接触させ、TiO2薄膜5に石英基板6側から紫外線UVを照射する。このとき、TiO2薄膜5の表面では紫外線UVの照射により水酸ラジカル(ヒドロキシラジカル:OH*)が生成し、生成した水酸ラジカルがSiC種基板2の主面1のSi原子と主に反応し、酸化珪素(SiO2)を形成する。反応後、例えばフッ化水素(HF)の水溶液(フッ化水素酸)により、SiC種基板2の主面1から、光触媒反応で形成されたSiO2を除去する。
The TiO 2
SiC種結晶2の主面1が有する凹凸部において、活性種が優先的に凸部に吸着し、表面原子と反応してSiO2を形成していく。このように、反応が進むにつれて主面1は平滑化され、図2に示すようなステップsとテラスtとからなるステップテラス構造が主面1に形成される。このとき、メタノールの添加量(濃度)を調整することにより、TiO2薄膜5の表面から活性種が拡散可能な距離を制御することができ、SiC種基板2を所定の平滑度、つまり所定のステップ高さとテラス幅を有するように平滑化することができる。
In uneven portion having the
以上により、本実施形態に係るSiC種基板2の平滑化加工を終了する。
Thus, the smoothing process of the
(SiC半導体結晶の形成)
次に、平滑化加工を施したSiC種基板2の主面1(被加工面)上での、昇華再結晶法によるSiC半導体結晶の形成について、図3を用いて説明する。図3は、本実施形態に係るSiC半導体自立基板の製造に用いられるSiC半導体結晶製造装置の概略図である。
(Formation of SiC semiconductor crystal)
Next, formation of the SiC semiconductor crystal by the sublimation recrystallization method on the main surface 1 (surface to be processed) of the
図3に示すSiC半導体結晶製造装置は、真空容器20と、真空容器20内に配設され、断熱材23により囲われた高純度黒鉛製るつぼ21と、真空容器20を介して高純度黒鉛製るつぼ21内に雰囲気ガスを導入するガス導入管28と、高純度黒鉛製るつぼ21内に導入されたガスを排気する真空排気装置26と、を備えている。真空容器20の外壁には、誘導加熱により高純度黒鉛製るつぼ21内を加熱するワークコイル27が配設されている。高純度黒鉛製るつぼ21の上部には蓋体22が設けられ、蓋体22の下面、すなわち高純度黒鉛製るつぼ21内に向いた面には、平滑化加工の施されたSiC種基板2が主面1(被加工面)を下にして取りつけられている。SiC種基板2の主面1と対向する高純度黒鉛製るつぼ21の底部には、SiC原料粉末4が充填されている。
The SiC semiconductor crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 3 includes a
本実施形態では、上記のSiC半導体結晶製造装置にて、SiC種基板2上にSiC半導体結晶3を形成する。すなわち、高純度黒鉛製るつぼ21内を真空排気装置26により真空排気し、ワークコイル27に電流を流して誘導加熱によりるつぼ21内を予備加熱して、SiC原料粉末4を所定温度とする。次に、雰囲気ガスとして、例えば高純度のArガスを高純度黒鉛製るつぼ21内に導入し、高純度黒鉛製るつぼ21内を所定圧力に保ったまま、さらに処理温度となるまで昇温する。その後、所定時間、高純度黒鉛製るつぼ21内を同温度に保つ。これにより、SiC原料粉末4が昇華され、発生したSiCの昇華ガスが平滑化加工を施したSiC種基板2の主面1に付着して、SiC半導体結晶3が成長していく。
In the present embodiment, the SiC semiconductor crystal 3 is formed on the
このとき、SiC半導体結晶3の導電性を制御するため、Arガス中に不純物元素を含むガスを添加したり、或いはSiC原料粉末4中に予め不純物を混合したりして、SiC半導体結晶3中に不純物をドーピングしながら成長させる。SiC半導体結晶3のキャリア型は不純物元素の種類によって決まり、さらに不純物濃度を制御することにより、SiC半導体結晶3の導電性を制御することができる。例えば、キャリア型をn型とする場合は窒素(N)等を不純物元素としてドーピングすることができ、p型とする場合はホウ素(B)やアルミニウム(Al)等をドーピングすることができる。これらの不純物は置換型不純物として作用する。 At this time, in order to control the conductivity of the SiC semiconductor crystal 3, a gas containing an impurity element is added to the Ar gas, or impurities are mixed in advance in the SiC raw material powder 4, so that the SiC semiconductor crystal 3 The substrate is grown while doping impurities. The carrier type of SiC semiconductor crystal 3 is determined by the type of impurity element, and the conductivity of SiC semiconductor crystal 3 can be controlled by controlling the impurity concentration. For example, when the carrier type is n-type, nitrogen (N) or the like can be doped as an impurity element, and when it is p-type, boron (B), aluminum (Al), or the like can be doped. These impurities act as substitutional impurities.
このとき、SiC半導体結晶3を成長させるSiC種基板2の主面1は、ステップテラス構造を有している。したがって、SiC半導体結晶3の成長過程は、ステップフロー成長となる。つまり、図2に示したテラスtにおける二次元核の発生頻度が少なく、ステップs端での成長が支配的となる。これにより、SiC種基板2と略同一の良質な結晶構造を有し、不純物濃度のばらつきの少ないSiC半導体結晶3を形成することができる。
At this time, the
SiC半導体結晶3を所定時間成長させた後、SiC半導体結晶3の形成を終了する。以上により、SiC半導体結晶3のインゴットが得られる。こうして得られたインゴットを、SiC半導体結晶3の成長方向(c軸方向)に対して垂直に所定の厚さでスライスして基板を切出し、基板表面に鏡面研磨等を施して、SiC半導体電子デバイスを形成するSi面(主面)を備えるSiC半導体自立基板を製造する。 After the SiC semiconductor crystal 3 is grown for a predetermined time, the formation of the SiC semiconductor crystal 3 is finished. Thus, an ingot of SiC semiconductor crystal 3 is obtained. The ingot thus obtained is sliced at a predetermined thickness perpendicular to the growth direction (c-axis direction) of the SiC semiconductor crystal 3, the substrate is cut out, the surface of the substrate is subjected to mirror polishing or the like, and the SiC semiconductor electronic device A SiC semiconductor free-standing substrate having a Si surface (main surface) that forms the substrate is manufactured.
(3)SiC半導体電子デバイスの製造方法
続いて、一実施形態に係るSiC半導体電子デバイスの製造方法について、以下に説明する。本実施形態においては、先に製造したSiC半導体自立基板上に電子デバイス用エピタキシャル層としてのSiC層を形成してSiC半導体電子デバイスを製造する。
(3) Manufacturing method of SiC semiconductor electronic device Subsequently, the manufacturing method of the SiC semiconductor electronic device which concerns on one Embodiment is demonstrated below. In the present embodiment, an SiC semiconductor electronic device is manufactured by forming an SiC layer as an epitaxial layer for an electronic device on the previously manufactured SiC semiconductor free-standing substrate.
図4に、本実施形態に係るSiC半導体電子デバイスを例示する。本実施形態に係るSiC半導体電子デバイスは、例えばショットキーバリアダイオードとして構成されており、SiC半導体自立基板がチップ状にダイシングされたSiC半導体結晶基板33と、SiC半導体結晶基板33の表面のSi面上に形成された電子デバイス用エピタキシャル層としてのSiC層34と、SiC層34上に形成されエッチング等により成形されたショットキー電極32と、SiC半導体結晶基板33の裏面のC面に形成されたオーミック電極31と、を備えている。
FIG. 4 illustrates a SiC semiconductor electronic device according to this embodiment. The SiC semiconductor electronic device according to the present embodiment is configured as, for example, a Schottky barrier diode, and includes a SiC
(SiC層の形成)
SiC層34は、例えばエピタキシャル成長法により、SiC半導体自立基板上に形成される。エピタキシャル成長の手法は、液相であっても気相であってもよい。本実施形態では、気相のエピタキシャル成長法、つまり、CVD(Chemical Vapor Deposition:化
学気相成長)法により、SiC層34を形成する場合について説明する。CVD法は、SiCのエピタキシャル成長において一般的な手法のひとつであり、成長速度が比較的大き
く、エピタキシャル層の層厚等、各種特性の制御性や再現性に優れる。
(Formation of SiC layer)
The
本実施形態に係るCVD装置は、例えばホットウォール型CVD装置として構成され、石英等により構成される反応炉と、反応炉内に設けられ、基板を載置するグラファイト製のサセプタと、キャリアガスとしての水素(H2)ガス、C原料ガスとしてのプロパン(C3H8)ガス、Si原料ガスとしてのモノシラン(SiH4)ガス、ドーパントガスとしての窒素(N2)ガスをそれぞれ反応炉内に供給するキャリアガス供給系と、C原料ガス供給系と、Si原料ガス供給系と、ドーパントガス供給系と、反応炉内に供給されたガスを排気するドライポンプと、を備えている。サセプタ近傍の反応炉外壁には、誘導加熱によりサセプタを加熱する高周波誘導加熱装置が配設されている(いずれも図示せず)。 The CVD apparatus according to the present embodiment is configured as a hot wall type CVD apparatus, for example, a reaction furnace composed of quartz or the like, a graphite susceptor that is provided in the reaction furnace and on which a substrate is placed, and a carrier gas Hydrogen (H 2 ) gas, propane (C 3 H 8 ) gas as C source gas, monosilane (SiH 4 ) gas as Si source gas, and nitrogen (N 2 ) gas as dopant gas in the reactor A carrier gas supply system to be supplied, a C source gas supply system, an Si source gas supply system, a dopant gas supply system, and a dry pump for exhausting the gas supplied into the reaction furnace are provided. A high-frequency induction heating device for heating the susceptor by induction heating is disposed on the outer wall of the reaction furnace near the susceptor (none of which is shown).
SiC層34は、上記のCVD装置を用いて、以下により形成される。すなわち、反応炉内のサセプタ上に、Si面を上にしてSiC半導体自立基板を載置し、ドライポンプにより反応炉内を例えば3×10−5Pa以下の真空度になるまで減圧する。続いて、キャリアガス供給系よりH2ガスを所定の流量で供給し、反応炉内を所定圧力とするとともに、高周波誘導加熱装置にてサセプタの加熱を開始する。サセプタが所定温度となったら、H2ガスの供給を継続したまま所定時間保持して予備加熱を行い、その後、更にサセプタの温度を処理温度まで上昇させる。次に、サセプタを処理温度に維持したまま、C3H8ガスを反応炉内に供給する。次いで、SiH4ガス及びN2ガスを反応炉内に供給する。C3H8ガスとSiH4ガスとのそれぞれの流量は、形成するSiC層34のC/Si比が所望の値となるよう制御する。各ガスの供給を所定時間維持し、所定膜厚のSiC層34を形成する。
The
所定時間が経過し、所定膜厚のSiC層34が得られたら、SiH4ガス及びN2ガスの供給を停止し、続いてC3H8ガスの供給を停止する。次に、高周波誘導加熱装置による誘導加熱を停止し、H2ガスの気流中でサセプタを冷却する。サセプタが充分に冷却されたら、H2ガスの供給を停止して、反応炉内を真空排気し、SiC層34が形成されたSiC半導体自立基板を処理炉内から取り出す。
When the
(電極の形成)
次に、SiC半導体自立基板(後のSiC半導体結晶基板33)の両面に電極を形成し、SiC層34をデバイス形成用のドリフト層として、例えばショットキーバリアダイオードとして構成されるSiC半導体電子デバイスを形成する。すなわち、SiC半導体自立基板のC面(SiC層34の形成面と反対側の面)に、例えばニッケル(Ni)を真空蒸着し、接触抵抗の低減のため例えば800℃で熱処理を行って、オーミック電極31を形成する。また、SiC半導体自立基板のSi面側のSiC層34上に、例えばチタン(Ti)を真空蒸着し、エッチング等により成形して、例えば電極サイズが200μmのショットキー電極32を形成する。
(Formation of electrodes)
Next, electrodes are formed on both surfaces of the SiC semiconductor free-standing substrate (later SiC semiconductor crystal substrate 33), and the
その後、SiC層34及び電極31,32が形成されたSiC半導体自立基板を所定サイズのチップ状にダイシングし、ショットキーバリアダイオードとして構成されるSiC半導体電子デバイスを得る。
Thereafter, the SiC semiconductor free-standing substrate on which the
(4)一実施形態に係る効果
一実施形態によれば、以下に示すひとつまたは複数の効果を奏する。
(4) Effects According to One Embodiment According to one embodiment, one or a plurality of effects described below are exhibited.
本実施形態によれば、SiC半導体自立基板が備えるSiC半導体結晶3は六方晶系の結晶格子を備え、結晶格子の格子定数のばらつきを、SiC半導体自立基板の面内のa軸方向の格子定数の標準偏差を平均値で除した値とするとき、格子定数のばらつきが±55ppm以下である。これによって、SiC半導体自立基板を用いて電子デバイスを形成し
た場合、格子定数のばらつきに起因する、耐電圧、オン抵抗、素子寿命等のばらつきを抑えて電子デバイスの歩留まりを向上させることが可能となる。
According to the present embodiment, the SiC semiconductor crystal 3 included in the SiC semiconductor free-standing substrate has a hexagonal crystal lattice, and the variation in the lattice constant of the crystal lattice is determined by the lattice constant in the a-axis direction in the plane of the SiC semiconductor free-standing substrate. When the standard deviation is divided by the average value, the variation in lattice constant is ± 55 ppm or less. As a result, when an electronic device is formed using a SiC semiconductor free-standing substrate, it is possible to improve the yield of the electronic device by suppressing variations in withstand voltage, on-resistance, element life, etc. due to variations in lattice constant. Become.
また、本実施形態によれば、SiC半導体電子デバイスは、格子定数のばらつきを±55ppm以下としたSiC半導体自立基板上に形成されたSiC層34を備える。これによって、SiC層34の成長過程での転位の発生を抑制することができ、良質なSiC層34を形成することができる。また、このSiC層34を備えるSiC半導体デバイスの歩留まりを向上させることが可能となる。
In addition, according to the present embodiment, the SiC semiconductor electronic device includes the
また、本実施形態によれば、SiC半導体結晶3を成長させるSiC種基板2の主面1に、光触媒反応型化学的加工法による平滑化加工を施す。これによって、SiC種基板2の主面1がステップテラス構造となり、この主面1上に、ステップフロー成長によりSiC半導体結晶3を成長させることができ、SiC半導体結晶3中の不純物濃度のばらつきを抑制して、格子定数のばらつきを±55ppm以下に抑えることができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、SiC種基板2の光触媒反応型化学的加工法による平滑化加工を、所定の添加量に調整されたメタノール水溶液中で行う。これによって、SiC種基板2のステップ高さとテラス幅を所定値に制御することができ、所望のSiC半導体結晶3を形成することができる。
Moreover, according to this embodiment, the smoothing process by the photocatalytic reaction type chemical processing method of the SiC seed | species board |
<その他の実施形態>
以上、本発明の実施の形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
<Other embodiments>
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It can change variously in the range which does not deviate from the summary.
例えば、上述の実施形態においては、格子定数のばらつきを所定範囲内としたSiC半導体自立基板の主面はSi(0001)面であったが、C(000−1)面、或いはその他の低指数面等でもよく、更には、主面はSi(0001)面等に対して所定方向に所定のオフ角度で傾斜させた傾斜面であってもよい。 For example, in the above-described embodiment, the main surface of the SiC semiconductor free-standing substrate whose lattice constant variation is within a predetermined range is the Si (0001) plane, but the C (000-1) plane or other low index Further, the main surface may be an inclined surface inclined at a predetermined off angle in a predetermined direction with respect to the Si (0001) surface or the like.
また、上述の実施形態においては、SiC種基板2上に結晶成長させたSiC半導体結晶3の部分をスライス等してSiC半導体自立基板としたが、SiC種基板を含む形、つまり、SiC種基板とその上に成長させたSiC半導体結晶とでSiC半導体自立基板が構成されていてもよい。
In the above-described embodiment, the SiC semiconductor crystal 3 grown on the
また、上述の実施形態においては、SiC半導体自立基板に導電性を付与する不純物(ドーパント)を添加したが、意図的には不純物を添加しないSiC半導体自立基板であってもよい。 In the above-described embodiment, an impurity (dopant) that imparts conductivity is added to the SiC semiconductor free-standing substrate. However, an SiC semiconductor free-standing substrate that does not intentionally add impurities may be used.
また、上述の実施形態においては、SiC半導体電子デバイスとして、SiC半導体自立基板を用いてショットキーバリアダイオードを形成したが、これに限らず、例えばMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor:金属酸化物半導体電
界効果トランジスタ)や、MISFET(Metal-Insulator-Semiconductor FET:金属絶
縁物半導体FET)、MESFET(Metal- Semiconductor FET:金属半導体FET)等にも本発明を適用することができ、パワー用途の半導体電子デバイスに有用である。
In the above-described embodiment, a Schottky barrier diode is formed using a SiC semiconductor free-standing substrate as the SiC semiconductor electronic device. However, the present invention is not limited to this. For example, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor: metal The present invention can be applied to oxide semiconductor field effect transistors (MISFETs), MISFETs (Metal-Insulator-Semiconductor FETs), MESFETs (Metal-Semiconductor FETs), and power applications. This is useful for semiconductor electronic devices.
また、上述の実施形態においては、SiC半導体結晶製造装置によりSiC半導体結晶を製造する際、雰囲気ガスとしてArガスを用いることとしたが、雰囲気ガスはこれに限らず、例えばヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、キセノン(Xe)ガス等の不活性ガスを用いることも可能である。 Further, in the above-described embodiment, Ar gas is used as the atmospheric gas when the SiC semiconductor crystal is manufactured by the SiC semiconductor crystal manufacturing apparatus. However, the atmospheric gas is not limited to this, for example, helium (He) gas, It is also possible to use an inert gas such as neon (Ne) gas or xenon (Xe) gas.
また、上述の実施形態においては、電子デバイス用エピタキシャル層を形成する際、C原料ガスとしてC3H8ガスを用いることとしたが、C原料ガスはこれに限らず、例えばエタン(C2H4)ガス等の他の炭化水素系のガスを用いることも可能である。また、Si原料ガスとして、SiH4ガス以外にも、ジシラン(Si2H6)ガス、トリシラン(Si3H8)ガスのような水素化珪素系のガスや塩化珪素系のガス等を用いることも可能である。 In the above-described embodiment, when forming the epitaxial layer for an electronic device, C 3 H 8 gas is used as the C source gas. However, the C source gas is not limited to this, for example, ethane (C 2 H 4 ) It is also possible to use other hydrocarbon gases such as gas. In addition to SiH 4 gas, silicon hydride gas such as disilane (Si 2 H 6 ) gas, trisilane (Si 3 H 8 ) gas, silicon chloride gas, or the like is used as the Si source gas. Is also possible.
また、上述の実施形態においては、直径2インチのSiC半導体自立基板の例について説明したが、SiC半導体自立基板の直径は2インチ以上とすることが好ましい。SiC半導体自立基板の直径は、製造時に用いる平滑化加工前のSiC種基板の直径に依存し、大口径のSiC種基板を用いることで、それに伴い大口径のSiC半導体自立基板を得ることができる。 In the above-described embodiment, the example of the SiC semiconductor free-standing substrate having a diameter of 2 inches has been described. However, the diameter of the SiC semiconductor free-standing substrate is preferably 2 inches or more. The diameter of the SiC semiconductor free-standing substrate depends on the diameter of the SiC seed substrate before smoothing used at the time of manufacture. By using a large-diameter SiC seed substrate, a large-diameter SiC semiconductor free-standing substrate can be obtained accordingly. .
次に、本発明に係る実施例について比較例とともに説明する。 Next, examples according to the present invention will be described together with comparative examples.
(1)ステップテラス構造の形状評価
まず、上述の実施形態に係るSiC種基板2の平滑化加工と同様、光触媒反応型化学的加工法を用いて、SiC種基板の主面に平滑化加工を施した。光触媒薄膜として用いたTiO2薄膜は、マグネトロンスパッタ法により、以下の条件にて形成した。
処理圧力(全圧):3Pa(Arガス100%雰囲気)
基板温度:300℃
プラズマ出力:300W
処理時間:24分
(1) Shape evaluation of step terrace structure First, similarly to the smoothing process of the
Processing pressure (total pressure): 3 Pa (Ar gas 100% atmosphere)
Substrate temperature: 300 ° C
Plasma output: 300W
Processing time: 24 minutes
SiC種基板には、オフ角度の付いていない2インチの4H−SiC基板を用いた。このSiC種基板に対して、メタノール濃度の異なる水溶液中でそれぞれ光触媒反応型化学的加工法による平滑化加工を行って、実施例に係るSiC種基板のサンプル1〜3を作成した。平滑化加工時の詳細条件を、以下に示す。
メタノール濃度
サンプル1: 1vol%
サンプル2:15vol%
サンプル3:40vol%
紫外線照射時間:2時間
SiO2除去:25% HF水溶液
As the SiC seed substrate, a 2 inch 4H—SiC substrate with no off-angle was used. The SiC seed substrate was smoothed by a photocatalytic reaction type chemical processing method in aqueous solutions having different methanol concentrations to prepare
Methanol concentration Sample 1: 1 vol%
Sample 2: 15 vol%
Sample 3: 40 vol%
UV irradiation time: 2 hours SiO 2 removal: 25% HF aqueous solution
上記実施例に係るSiC種基板のサンプル1〜3、及び比較例として平滑化加工を施さないSiC種基板を原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)により観察し
、ステップ高さとテラス幅とを測定した。図5に示すように、実施例に係る各サンプル及び比較例における測定箇所は、各基板面内の中心及び中心から上下左右それぞれ15mmの位置の、合計5箇所とした。上記実施例に係る各サンプルおよび比較例におけるステップ平均高さとテラス平均幅を以下に示す。
サンプル1(1vol%メタノール水溶液)
ステップ平均高さ:約26.3nm,テラス平均幅:≧35nm
サンプル2(15vol%メタノール水溶液)
ステップ平均高さ:約0.45nm,テラス平均幅:≧335nm
サンプル3(40vol%メタノール水溶液)
ステップ平均高さ:約0.29nm,テラス平均幅:≧1250nm
比較例(平滑化加工なし)
ステップ、テラスとも観察されず
Sample 1 (1 vol% methanol aqueous solution)
Step average height: about 26.3 nm, terrace average width: ≧ 35 nm
Sample 2 (15 vol% methanol aqueous solution)
Step average height: about 0.45 nm, terrace average width: ≧ 335 nm
Sample 3 (40 vol% methanol aqueous solution)
Step average height: about 0.29 nm, terrace average width: ≧ 1250 nm
Comparative example (without smoothing)
Neither step nor terrace is observed
実施例に係るSiC種基板のサンプル1〜3及び比較例の観察によって、平滑化加工前には認められなかったステップテラス構造が、平滑化加工により形成されていることがわかった。さらに、メタノールの濃度を高めるにつれて、ステップ高さが減少し、テラス幅が増加して、基板表面の平滑度が増していることがわかった。
The observation of the SiC
(2)格子定数のばらつき評価
次に、上述の実施形態と同様の手法により、実施例に係るSiC種基板のサンプル1〜3及び比較例に係るSiC種基板の主面(Si(0001)面)に、SiC半導体結晶を成長させた。SiC半導体結晶の成長条件は、以下のとおり、実施例に係るすべてのサンプル及び比較例で同一とした。
高純度黒鉛製るつぼ内圧力:15.0kPa
雰囲気ガス:高純度Arガス(純度99.9995%)
不純物:50%濃度の窒素(Arガス導入時にN2ガスを添加)
予備加熱温度:2000℃
処理温度:2350℃(処理時間:約16時間)
*高純度黒鉛製るつぼ内の温度勾配:10℃/cm)
(2) Evaluation of variation in lattice constant Next, by using the same method as the above-described embodiment,
High-purity graphite crucible pressure: 15.0 kPa
Atmospheric gas: High purity Ar gas (purity 99.9995%)
Impurity: Nitrogen at 50% concentration (N 2 gas is added when Ar gas is introduced)
Preheating temperature: 2000 ° C
Processing temperature: 2350 ° C. (processing time: about 16 hours)
* Temperature gradient in crucible made of high purity graphite: 10 ° C / cm)
このようにして得られた各SiC半導体結晶のインゴットを切出し、SiC半導体自立基板をそれぞれ形成した。 The SiC semiconductor crystal ingots thus obtained were cut out to form SiC semiconductor free-standing substrates.
実施例に係るサンプル1〜3及び比較例に係るSiC種基板から得られた各SiC半導体自立基板について、上述の実施形態と同様、X線回折により、SiC(0006)の面間隔d0006及びSiC(20−24)の面間隔d20−24の面内分布をそれぞれ測定し、a軸長のばらつきを算出した。結果を、以下に示す。
サンプル1(1vol%メタノール水溶液):±54.23ppm
サンプル2(15vol%メタノール水溶液):±23.75ppm
サンプル3(40vol%メタノール水溶液):±12.46ppm
比較例(平滑化加工なし):±65.63ppm
About each SiC semiconductor self-supporting substrate obtained from the
Sample 1 (1 vol% methanol aqueous solution): ± 54.23 ppm
Sample 2 (15 vol% methanol aqueous solution): ± 23.75 ppm
Sample 3 (40 vol% methanol aqueous solution): ± 12.46 ppm
Comparative example (without smoothing): ± 65.63 ppm
平滑化加工を施した実施例に係るSiC種基板のサンプル1〜3より得られたSiC半導体自立基板の格子定数のばらつき、より具体的にはa軸長のばらつきは、平滑化加工を施さない比較例に比べて低減されることがわかった。また、高濃度メタノール水溶液中で平滑化し、SiC種基板のSi面(平滑化加工の被処理面かつSiC半導体結晶の形成面)の平滑度が高かったサンプルを用いるほど、得られるSiC半導体自立基板の格子定数のばらつきが低減されることがわかった。
Variations in the lattice constants of SiC semiconductor free-standing substrates obtained from
(3)ショットキーバリアダイオードの良品率評価
実施例に係るSiC種基板のサンプル1〜3及び比較例に係るSiC種基板から得られた各SiC半導体自立基板上に、上述の実施形態と同様、エピタキシャル成長法により、SiC層を形成した。以下のとおり、SiC層の成長条件は、すべてのSiC半導体自立基板で同一とした。
高純度黒鉛製るつぼ内圧力:13.3kPa
キャリアガス:H2ガス 20slm
C原料ガス:C3H8ガス 2.4sccm
Si原料ガス:SiH4ガス 6.0sccm (C/Si比:1.2)
ドーパントガス:N2ガス 1.0sccm
(不純物濃度:1.1×1016cm−3)
予備加熱温度:1400℃(保持時間:5分)
処理温度:1500℃(処理時間:30分)
(3) Evaluation of non-defective product ratio of Schottky barrier diode On each SiC semiconductor free-standing substrate obtained from the SiC
High-purity graphite crucible pressure: 13.3 kPa
Carrier gas: H 2 gas 20 slm
C source gas: C 3 H 8 gas 2.4 sccm
Si source gas: SiH 4 gas 6.0 sccm (C / Si ratio: 1.2)
Dopant gas: N 2 gas 1.0 sccm
(Impurity concentration: 1.1 × 10 16 cm −3 )
Preheating temperature: 1400 ° C (holding time: 5 minutes)
Processing temperature: 1500 ° C (processing time: 30 minutes)
上記条件下で、層厚が6.0μmのSiC層を形成した。その後、上述の実施形態と同様の手法により、各電極を形成しダイシングして、ショットキーバリアダイオードをそれぞれ得た。 Under the above conditions, a SiC layer having a layer thickness of 6.0 μm was formed. Thereafter, each electrode was formed and diced by the same method as in the above-described embodiment to obtain a Schottky barrier diode.
このようにして得られたショットキーバリアダイオードそれぞれについて、電流・電圧測定(I−V測定)を行って、リーク電流値、逆方向電圧での耐圧とそのばらつき範囲を調査するとともに、ショットキーバリアダイオードの良・不良判定を行った。判定においては、各ショットキーバリアダイオードに200Vの逆方向電圧を印加したときに流れる電流値が1μA/cm2以下のものを良品とし、全品に対する良品率(%)を算出した。 For each of the Schottky barrier diodes thus obtained, current / voltage measurement (IV measurement) is performed to investigate the leakage current value, the breakdown voltage at the reverse voltage, and its variation range, and the Schottky barrier. The quality of the diode was judged. In the determination, a non-defective product having a current value of 1 μA / cm 2 or less when a reverse voltage of 200 V was applied to each Schottky barrier diode was determined as non-defective, and a non-defective product ratio (%) was calculated.
格子定数のばらつきが少ないSiC半導体自立基板を用いたショットキーバリアダイオードほど、リーク電流値が低く、耐圧が高かった。また、耐圧のばらつき範囲も狭く、良品率が高かった。以下の表に、上記耐圧のばらつき範囲(V)及び良品率(%)を、これまでに示してきた測定データとともに示す。 A Schottky barrier diode using a SiC semiconductor free-standing substrate with less variation in lattice constant had a lower leakage current value and a higher breakdown voltage. Moreover, the variation range of pressure resistance was narrow and the yield rate was high. The following table shows the variation range (V) of the withstand voltage and the non-defective product rate (%) together with the measurement data shown so far.
以上の結果から、SiC半導体自立基板の主面内の格子定数のばらつきを所定値以下とすることで、SiC半導体自立基板から得られるSiC半導体電子デバイスの特性のばらつきを低減できることがわかった。上述の評価結果から、格子定数のばらつきが±55ppmを超えた辺りから、ショットキーバリアダイオードの良品率が急激に落ち込んでいることがわかる。よって、格子定数のばらつきの許容範囲としては、実施例に係るサンプル1〜3それぞれの結果から、例えば±55ppm以下、好ましくは±25ppm以下、より好ましくは±15ppm以下である。
From the above results, it was found that the variation in the characteristics of the SiC semiconductor electronic device obtained from the SiC semiconductor free-standing substrate can be reduced by setting the variation in the lattice constant in the main surface of the SiC semiconductor free-standing substrate to a predetermined value or less. From the evaluation results described above, it can be seen that the non-defective product ratio of the Schottky barrier diode is drastically decreased when the variation in the lattice constant exceeds ± 55 ppm. Therefore, the allowable range of variation in lattice constant is, for example, ± 55 ppm or less, preferably ± 25 ppm or less, more preferably ± 15 ppm or less, from the results of
また、上記結果から、格子定数のばらつきを低減するには、光触媒反応型化学的加工法により、SiC種基板に平滑化加工を施すことが有効であることがわかった。さらに、平滑化加工を行う水溶液中のメタノール濃度を調整することで、SiC種基板の平滑度(ステップ高さ及びテラス幅)を制御することが可能であることがわかった。 From the above results, it was found that smoothing the SiC seed substrate by the photocatalytic reaction type chemical processing method is effective for reducing the variation of the lattice constant. Furthermore, it was found that the smoothness (step height and terrace width) of the SiC seed substrate can be controlled by adjusting the methanol concentration in the aqueous solution to be smoothed.
1 主面(Si面)
2 SiC種基板
3 SiC半導体結晶
31 オーミック電極
32 ショットキー電極
33 SiC半導体結晶基板
34 SiC層(電子デバイス用エピタキシャル層)
1 Main surface (Si surface)
2 SiC seed substrate 3
Claims (4)
前記SiC半導体結晶は六方晶系であり、
前記SiC半導体結晶の格子定数のばらつきを、前記SiC半導体自立基板の主面内のa軸方向の格子定数の標準偏差を前記a軸方向の格子定数の平均値で除した値とするとき、前記格子定数のばらつきが±55ppm以下である
ことを特徴とするSiC半導体自立基板。 A SiC semiconductor free-standing substrate made of a SiC semiconductor crystal,
The SiC semiconductor crystal is hexagonal,
When the variation of the lattice constant of the SiC semiconductor crystal is a value obtained by dividing the standard deviation of the lattice constant in the a-axis direction in the main surface of the SiC semiconductor free-standing substrate by the average value of the lattice constant in the a-axis direction, A SiC semiconductor free-standing substrate characterized in that variation in lattice constant is ± 55 ppm or less.
ことを特徴とする請求項1に記載のSiC半導体自立基板。 2. The SiC semiconductor free-standing substrate according to claim 1, wherein the variation in the lattice constant is a variation in a main surface excluding a region from the outermost periphery of the SiC semiconductor free-standing substrate to a radius of 2 mm inside. 3. .
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のSiC半導体自立基板。 The SiC semiconductor free-standing substrate according to claim 1, wherein an impurity that controls conductivity of the SiC semiconductor crystal is added to the SiC semiconductor crystal.
ことを特徴とするSiC半導体電子デバイス。
An SiC semiconductor electronic device comprising an epitaxial layer for an electronic device formed on the SiC semiconductor free-standing substrate according to claim 1.
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