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JP4070305B2 - Method for forming silicon carbide crystal film - Google Patents

Method for forming silicon carbide crystal film Download PDF

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JP4070305B2
JP4070305B2 JP17719398A JP17719398A JP4070305B2 JP 4070305 B2 JP4070305 B2 JP 4070305B2 JP 17719398 A JP17719398 A JP 17719398A JP 17719398 A JP17719398 A JP 17719398A JP 4070305 B2 JP4070305 B2 JP 4070305B2
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silicon
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンカーバイド(SiC:炭化シリコン)結晶を形成する方法に係り、特に大口径の結晶を形成することができる方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ワイドギャップ半導体であるシリコンカーバイドは、耐環境用デバイス用やパワーデバイス用の半導体材料として注目されている。しかし、シリコンカーバイドの単結晶の形成は非常に困難であり、特に大口径の結晶を形成することは難しかった。
【0003】
図5に従来のシリコンカーバイド単結晶の成長装置を示す。図において1は高周波コイル、2は石英管、3は黒鉛るつぼ、4はシリコンカーバイド粉末、5はシリコンカーバイド単結晶からなる種結晶、6は成長したシリコンカーバイド結晶である。
【0004】
成長に当たっては、シリコンカーバイド粉末4を入れるとともに種結晶5を上部に配置した黒鉛るつぼ3を石英管2内に入れて、高周波コイル1による高周波誘導加熱で石英管2内を加熱する。石英管2内は、予め高真空とした後、アルゴンガスと置換し、成長に適した圧力に設定しておく。
【0005】
一例として、黒鉛るつぼ3のシリコンカーバイド粉末4側を2100℃から2400℃とし、種結晶5側がこれより低くなるように温度勾配を付け、石英管2内のトータル圧力を数Torrから数十Torrに保つと、昇華したシリコンカーバイド粉末4が種結晶5上に析出し、0.5〜1.5 mm/hの成長速度でシリコンカーバイドの単結晶6が得られる。これが、いわゆる昇華法と呼ばれる方法である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の昇華法では、種結晶面上に成長する単結晶6の大きさは、種結晶5よりわずかに大きくなる程度で、結晶口径が拡大しないという問題点があった。一方、種結晶5も昇華法等で形成された単結晶を使用するため、大口径の種結晶を得ることができず、この点からも得られる単結晶の大口径化を図ることができないという問題点があった。
【0007】
本発明は上記問題点を解消し、大口径の結晶を製造し得るようにしたシリコンカーバイド結晶膜の形成方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1にかかる発明は、基板上に、炭素と置換可能な金属元素とシリコンとの化合物を含む第1の膜を形成する第1工程と、該化合物を構成する前記金属元素を炭素と置換反応させ、シリコンカーバイド結晶を形成する第2工程と、前記基板上に、該シリコンカーバイド結晶を露出させる第3工程と、露出した該シリコンカーバイド結晶を種結晶として、シリコンカーバイド結晶膜を成長させる第4工程と、を含むことを特徴とする
請求項2にかかる発明は、基板上に、シリコンと置換可能な金属元素と炭素との化合物を含む第2の膜を形成する第5工程と、該化合物を構成する前記金属元素をシリコンと置換反応させ、シリコンカーバイド結晶を形成する第6工程と、前記基板上に、該シリコンカーバイド結晶を露出させる第7工程と、露出した該シリコンカーバイド結晶を種結晶として、シリコンカーバイド結晶膜を成長させる第8工程と、を含むことを特徴とする。
請求項3にかかる発明は、基板上に、シリコンと置換可能な金属元素の薄膜を形成する第9工程と、該薄膜に炭素を供給して炭素との化合物を含む第3の膜を形成する第10工程と、該化合物を構成する前記金属元素をシリコンと置換反応させ、シリコンカーバイド結晶を形成する第11工程と、前記第10、第11工程を交互に複数回繰り返し前記シリコンカーバイド結晶の膜厚を増大させる第12工程と、前記基板上に、前記シリコンカーバイド結晶を露出させる第13工程と、を含むことを特徴とする。
請求項4にかかる発明は、請求項1に記載の形成方法において、前記第1の膜を、シリコン基板の上面に前記金属元素の薄膜を形成し、又は所定の基板の上面に前記金属元素の薄膜と前記シリコンの薄膜を所定の順序で形成し、その後に加熱処理して形成することを特徴とする。
請求項5にかかる発明は、請求項1に記載の形成方法において、前記第1の膜を、前記金属元素と前記シリコンの固溶体をターゲットとするスパッタ法により形成することを特徴とする。
請求項6にかかる発明は、請求項2に記載の形成方法において、前記第2の膜を、黒鉛基板の上面に前記金属元素の薄膜を形成してから加熱処理し、又は所定の基板の上面に前記金属元素の薄膜を形成した後に加熱しながら炭素を供給して形成することを特徴とする。
請求項7にかかる発明は、請求項2に記載の形成方法において、前記第2の膜を、前記金属元素と前記炭素の固溶体をターゲットとするスパッタ法により形成することを特徴とする。
請求項8にかかる発明は、請求項1乃至7のいずれか1つに記載の形成方法において、前記金属元素が、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、又はタングステンのいずれかであることを特徴とする。
請求項9にかかる発明は、請求項3に記載の形成方法において、前記第10、第11および第12の工程に代えて、基板上に所定の温度条件下でシリコンと炭素を同時に供給してシリコンカーバイド結晶を形成する第14工程を使用することを特徴とする。
請求項10にかかる発明は、請求項3に記載の形成方法において、前記第10、第11および第12の工程に代えて、基板上に所定の温度条件下で有機シリコン化合物を供給してシリコンカーバイド結晶を形成する第15工程を使用し、且つ前記金属元素として請求項8に記載のいずれかの金属元素、金、又はアルミニウムを使用することを特徴とする。
請求項11にかかる発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の形成方法において、前記シリコンカーバイド結晶を露出させる前記工程が、残留した前記膜、又は金属元素を、エッチングにより除去する処理、又は酸により洗浄除去する処理であることを特徴とする。
請求項12にかかる発明は、請求項1乃至2のいずれか1つに記載の形成方法において、前記シリコンカーバイド結晶を露出させる前記工程が、表面に析出している前記金属元素上にシリコン膜を形成し加熱して該シリコン膜内に前記金属元素を固溶させ、その後に該シリコン膜を除去する処理であることを特徴とする。
請求項13にかかる発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の形成方法において、前記膜を形成する前記工程が、前記シリコンカーバイド結晶に対してN型又はP型となる不純物を固溶させる工程を含むことを特徴とする。
請求項14にかかる発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の形成方法において、前記シリコンカーバイド結晶が、6H又は4Hの結晶構造であることを特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】
[第1の実施の形態]
図1はシリコンカーバイド結晶膜の形成方法の第1の実施の形態の工程説明図である。まず、シリコンの単結晶基板あるいは表面にエピタキシャル成長膜を形成したシリコン基板11を用意する(図1の(a))。そして、このシリコン基板11の表面を十分に清浄化し、欠陥を少なくするための必要な処理を施した後、表面に鉄からなる金属薄膜12を真空蒸着法、あるいはスパッタ法等のPVD(Physical Vapor Deposition)又はCVD(Chemical Vapor Deposition)により、積層形成する(図1の(b))。
【0024】
次に、シリコン基板11と金属薄膜12の界面でシリコンと鉄が反応し、両者の化合物が形成される条件(例えば1200℃程度)で加熱処理を行う。ここで、金属薄膜12のすべての鉄がシリコンと反応する必要はなく、少なくとも界面でシリコンと鉄の化合物の固溶体層13が形成されればよい(図1の(c))。
【0025】
次に、未反応の鉄を含む金属薄膜12をエッチングで除去し、シリコン基板11の上面に形成された固溶体層13を露出させる(図1の(d))。
【0026】
次に、露出する固溶体層13上に、炭素を含むガス(メタン、ブタン等)の熱分解あるいはプラズマ分解により生成した炭素原子を供給しながら加熱処理(例えば、1150℃程度のCVD法)を行と、固溶体層13の一部を構成する鉄が雰囲気中から供給される炭素と置換反応を起こし、シリコンカーバイド結晶14が形成されてくる(図1の(e))。ここで、シリコンカーバイド結晶14は、必ずしも基板11の全面に形成させる必要はない。
【0027】
次に、炭素と反応しなかった固溶体層13及び炭化シリコン結晶14の生成によって析出してきた鉄を除去することにより、シリコンカーバイド結晶14を露出させる(図1の(f))。この除去処理は、固溶体層13については通常のエッチング液を使用することができる。また鉄については酸により除去することが可能である。さらにこの鉄の除去については、鉄が析出している表面全体にシリコン膜を形成し、加熱処理することによってシリコン膜内に鉄を固溶させ、その後シリコン膜を除去する方法によって除去することもできる。
【0028】
次に、シリコン基板11上に露出するシリコンカーバイド結晶14を種結晶として、ブタン等の炭化水素とシラン系ガスを水素で希釈して導入しながら、加熱処理(CVD法)を行う。その結果、シリコン基板11表面全体に、シリコンカーバイド単結晶膜15がエピタキシャル成長する(図1の(g))。
【0029】
以上から、この実施の形態によれば、シリコン基板11の上面の全面にシリコンカーバイド結晶膜15が形成されるので、その基板11の大きさに応じた大口径のシリコンカーバイド単結晶膜15を簡単に形成することができる。
【0030】
前記したシリコンカーバイド単結晶膜15の形成条件は、種結晶の結晶構造によって異なるが、六方稠密充填構造である6H(六方晶系)型単結晶{0001}面が主に形成される条件で種結晶であるシリコンカーバイド結晶14を成長させ、その後、シリコンカーバイド単結晶膜15を形成することで、6H型の単結晶を確率高く形成することが可能となる。また、例えば、シリコンカーバイドの成長条件のうち、過飽和度を制御することで4H型結晶が成長する確率が高くなるという報告もあり、成長条件を適宜設定することで、所望の結晶構造をもつシリコンカーバイド単結晶膜15を得ることができる。
【0031】
特に、6H型、4H型の単結晶は、結晶欠陥が少なく、膜厚方向に比べて基板に平行な方向の成長速度が速いため、基板上を被覆するシリコンカーバイド単結晶膜15を容易に得ることができるという利点がある。また、6H型、4H型単結晶にデバイス、例えばショットキー障壁ダイオードを形成した場合、ブレイクダウン電圧がシリコンによる場合の約10倍大きく、パワーデバイスとして高い能力を有していることが確認されており、6H型、4H型の単結晶を得ることは利点が大きい。
【0032】
なお、成長するシリコンカーバイド単結晶膜15中に鉄が残留し不具合が生じる場合は、鉄の金属薄膜12の成膜(図1の(b))の後に、P型あるいはN型の不純物(リン、砒素、硼素等)をその金属薄膜2に固溶させておいて図1の(c)以降の処理を行うと、所望の導電型のシリコンカーバイド単結晶膜が得られ、かつ残留する鉄の濃度をP型又はN型の不純物濃度に比べて3桁以上小さくすることができ、その悪影響を緩和させることができる。
【0033】
以上、金属薄膜12を構成する元素として鉄を例にとり説明したが、鉄にかぎられず、炭素元素と置換可能な元素であればよい。例えば、チタン、クロム、モリブデン、マンガン、コバルト、ニッケル、又はタングステンのいずれであっても、上記説明した鉄と同様に炭素元素と置換反応し、シリコンカーバイド単結晶膜を得ることができる。
【0034】
また、鉄とシリコンの固溶体層13の形成は、鉄とシリコンが固溶しているターゲットを用いて、スパッタ法によって形成しても良い。これによれば、金属薄膜12の形成工程(図1の(b))や固溶体層13の形成工程(図1の(c))を省略でき、しかもシリコン以外の基板を使用することができる。
【0035】
[第2の実施の形態]
図2はシリコンカーバイド結晶膜の形成方法の第2の実施の形態の工程説明図である。本実施の形態では、結晶構造、格子定数、熱膨張係数がシリコンカーバイドのものと近い値を示す窒化アルミニウム(AlN)又は酸化アルミニウム(Al2O3)を基板21として用意する(図2の(a))。そして、この基板21の表面にシリコン薄膜22をPVD又はCVDにより、200オングストローム程度又はそれより若干少なく積層形成し(図2の(b))、続けて鉄からなる金属薄膜23を同様な手法により積層形成する(図2の(c))。
【0036】
次に、シリコン薄膜22と金属薄膜23の界面でシリコンと鉄が反応し、両者の化合物が形成される条件(例えば1200℃程度)で、加熱処理を行う。ここでも、金属薄膜23のすべての鉄がシリコンと反応する必要はなく、少なくとも界面でシリコンと鉄の化合物の固溶体層24が形成されればよいが、図2の(d)には全部が固溶体層24になっている場合を表した。
【0037】
次に、未反応の鉄を含む金属薄膜23が残っている場合はこれをエッチング処理等で除去して固溶体層24を露出させた後に、その上面に、炭素を含むガス(メタン、ブタン等)の熱分解あるいはプラズマ分解により生成した炭素原子を供給しながら1150℃程度の加熱処理(CVD法)を行と、固溶体層24を構成する鉄が雰囲気中から供給される炭素と置換反応を起こし、シリコンカーバイド結晶25が形成されてくる(図2の(e))。このとき、シリコンカーバイド結晶25は、基板の窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムの結晶構造を反映し、六方晶系の結晶で成長する。ここでも、シリコンカーバイド結晶25は、必ずしも基板21の全面に形成させる必要はない。
【0038】
次に、炭素と反応しなかった固溶体層24とシリコンカーバイド結晶25の生成によって析出してきた鉄を除去し、シリコンカーバイド結晶25を露出させる(図2の(f))。このとき、固溶体層24や鉄の除去は、図1で説明した手法と同じ手法を使用する。
【0039】
次に、基板21上に露出するシリコンカーバイド結晶25を種結晶として、ブタン等の炭化水素とシラン系ガスを水素で希釈して導入しながら、加熱処理を行う(CVD法)と、基板21表面全体に、シリコンカーバイド単結晶膜26がエピタキシャル成長する(図2の(g))。
【0040】
なお、成長するシリコンカーバイド単結晶膜25中に鉄が残留し不具合が生じる場合の対策処理、或いは鉄以外の金属を使用できる点は、図1で説明した場合と同じである。また、この実施の形態では、金属薄膜23とシリコン薄膜22の積層順序は、逆であっても良い。更に、基板21上に形成する鉄とシリコンの固溶体層24は、鉄とシリコンが固溶しているターゲットを用いて、スパッタ法によって形成しても良い。
【0041】
[第3の実施の形態]
図3はシリコンカーバイド結晶膜の形成方法の第3の実施の形態の工程説明図である。ここでは、黒鉛基板31を用意する(図3の(a))。そして、この黒鉛基板31の表面を十分に清浄化し、欠陥を少なくするための必要な処理を施した後、表面に鉄からなる金属薄膜32をPVD又はCVDにより、500オングスストローム程度又はそれより若干少なく積層形成する(図3の(b))。
【0042】
次に、黒鉛基板31と金属薄膜32の界面で黒鉛と鉄が反応し、両者の化合物が形成される条件(例えば1500℃程度)で加熱処理を行う。ここで、金属薄膜32のすべての鉄が黒鉛と反応する必要はなく、少なくとも界面で黒鉛と鉄の化合物の固溶体層33が形成されればよいが、図3の(c)には全部が固溶体層33になった場合を表した。
【0043】
次に、未反応の鉄を含む金属薄膜32が残っている場合はこれをエッチング除去して黒鉛基板31の上面に形成された固溶体層33を露出させて、シリコンを含むガス(シラン等)の熱分解あるいはプラズマ分解により生成したシリコン原子を供給しながら加熱処理(例えば1500℃でのCVD法)を行うと、固溶体層33を構成する鉄が雰囲気中から供給されるシリコンと置換反応を起こし、シリコンカーバイド結晶34が形成されてくる(図1の(d))。ここで、シリコンカーバイド結晶34は、必ずしも基板31の全面に形成させる必要はない。
【0044】
次に、シリコンと反応しなかった固溶体層33と炭化シリコン結晶34の生成によって析出してきた鉄を除去し、シリコンカーバイド結晶34を露出させる(図3の(e))。このとき、固溶体層33や鉄の除去は、図1で説明した手法と同様な手法による。
【0045】
次に、黒鉛基板31上に露出するシリコンカーバイド結晶34を種結晶として、ブタン等の炭化水素とシラン系ガスを水素で希釈して導入しながら、加熱処理(CVD法)を行うと、黒鉛基板31の表面全体に、シリコンカーバイド単結晶膜35がエピタキシャル成長する(図3の(f))。
【0046】
なお、成長するシリコンカーバイド単結晶膜35中に鉄が残留し不具合が生じる場合の対策処理、或いは鉄以外の金属を使用できる点は、図1で説明した場合と同じである。また、鉄と黒鉛の固溶体層33の形成は、基板に第2の実施の形態と同様に窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムを使用し、その上面に金属薄膜32を形成し、その後に炭素を供給して加熱処理し固溶体層33を形成してもよく、又は鉄と黒鉛が固溶しているターゲットを用いて、スパッタ法によって形成しても良い。
【0047】
[第4の実施の形態]
図4はシリコンカーバイド結晶膜の形成方法の第4の実施の形態の工程説明図である。本実施の形態では図2に示した第2の実施の形態と同様に、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムを基板41として用意する(図4の(a))。そして、この基板41の表面に鉄の金属薄膜42をPVD又はCVDにより、500オングストローム程度又はそれより若干少なく積層形成する(図4の(b))。
【0048】
次に、基板41を1000℃程度に加熱しながら、メタン又はブタンを供給する(CVD法)と、鉄と炭素の固溶体層43が形成される(図4の(c))。
【0049】
次に、基板温度を保持したまま、メタン又はブタンの供給を止め、代えてシランを供給すると、固溶体層43を構成する鉄がシリコンと置換反応を起こし、シリコンカーバイド薄膜44が形成されてくる(図4の(d))。このとき、シリコンカーバイド薄膜44は、基板の窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムの結晶構造を反映し、六方晶系の結晶で成長する。
【0050】
以上の図4の(c)の工程と図4の(d)の工程を交互に複数回繰り返すことにより、シリコンカーバイド薄膜44の膜厚が大きくなり、所望の膜厚を得ることができる(図4の(e))。
【0051】
最後に、最表面に現れた鉄をエッチング除去することにより、エピタキシャル成長したシリコンカーバイド薄膜44が表面に現れる。
【0052】
なお、上記では、メタンやブタンとシランを交互に供給する代わりに、シリコンを含むガスと炭素を含むガスを同時に供給しても、また有機シリコン化合物(例えば、ジメチルシラン等)の供給によりシリコンと炭素を同時に供給しても、同様にシリコンカーバイド薄膜44を得ることができる。
【0053】
また、成長するシリコンカーバイド薄膜44中に鉄が残留し不具合が生じる場合の対策処理、あるいは鉄以外の金属を使用できる点は、図1で説明した場合と同じである。また、前記した有機シリコン化合物を供給してシリコンカーバイド薄膜44を形成する場合は、使用できる金属元素として、図1の場合に説明した種々の元素に加えて、金又はアルミニウムを使用することができる。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、使用した基板の大きさに応じて、シリコンカーバイド単結晶膜を得ることができ、容易に大口径化を図ることができる。また、通常の半導体装置の製造工程に従うため、制御性が良く、歩留まり良く、低コストでシリコンカーバイド単結晶を得ることができるという利点がある。更に、得られたシリコンカーバイド単結晶膜は、結晶欠陥が少なく、デバイスを形成した場合、パワーデバイスとして高い能力を有しているという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態の工程図である。
【図2】 本発明の第2の実施の形態の工程図である。
【図3】 本発明の第3の実施の形態の工程図である。
【図4】 本発明の第4の実施の形態の工程図である。
【図5】 従来のシリコンカーバイドの形成方法の説明図である。
【符号の説明】
1:高周波コイル、2:石英管、3:黒鉛るつぼ、4:シリコンカーバイド粉末、5:種結晶、6:シリコンカーバイド結晶、
11:シリコン基板、12:金属薄膜、13:シリコンと金属の固溶体層、14:シリコンカーバイド結晶(種結晶)、15:シリコンカーバイド結晶膜、
21:窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムの基板、22:シリコン薄膜、23:金属薄膜、24:シリコンと金属の固溶体層、25:シリコンカーバイド結晶(種結晶)、26:シリコンカーバイド結晶膜、
31:黒鉛基板、32:金属薄膜、33:金属と黒鉛の固溶体層、34:シリコンカーバイド結晶(種結晶)、35:シリコンカーバイド結晶膜、
41:窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムの基板、42:金属薄膜、43:炭素と金属の固溶体層、44:シリコンカーバイド結晶膜。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a silicon carbide (SiC) crystal, and more particularly to a method capable of forming a large-diameter crystal.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide, which is a wide gap semiconductor, has attracted attention as a semiconductor material for environmental devices and power devices. However, it is very difficult to form a silicon carbide single crystal, and it is particularly difficult to form a large-diameter crystal.
[0003]
FIG. 5 shows a conventional silicon carbide single crystal growth apparatus. In the figure, 1 is a high-frequency coil, 2 is a quartz tube, 3 is a graphite crucible, 4 is silicon carbide powder, 5 is a seed crystal made of a silicon carbide single crystal, and 6 is a grown silicon carbide crystal.
[0004]
In the growth, a graphite crucible 3 having silicon carbide powder 4 and a seed crystal 5 placed thereon is placed in the quartz tube 2, and the inside of the quartz tube 2 is heated by high frequency induction heating by the high frequency coil 1. The inside of the quartz tube 2 is preliminarily set to a high vacuum and then replaced with argon gas, and set to a pressure suitable for growth.
[0005]
As an example, the temperature of the silicon carbide powder 4 side of the graphite crucible 3 is set to 2100 ° C. to 2400 ° C., a temperature gradient is applied so that the seed crystal 5 side is lower than this, and the total pressure in the quartz tube 2 is reduced from several Torr to several tens of Torr. When kept, the sublimated silicon carbide powder 4 is deposited on the seed crystal 5, and a silicon carbide single crystal 6 is obtained at a growth rate of 0.5 to 1.5 mm / h. This is a so-called sublimation method.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional sublimation method has a problem that the size of the single crystal 6 grown on the seed crystal plane is slightly larger than that of the seed crystal 5 and the crystal diameter does not increase. On the other hand, since the seed crystal 5 is a single crystal formed by a sublimation method or the like, it is impossible to obtain a large-diameter seed crystal, and it is impossible to increase the diameter of the single crystal obtained from this point. There was a problem.
[0007]
An object of the present invention is to provide a method for forming a silicon carbide crystal film that solves the above problems and is capable of producing a large-diameter crystal.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Substitution according invention in claim 1, on a substrate, a first step of forming a first film containing a compound of the replaceable metal element and silicon and carbon, the metal element constituting the compound with carbon A second step of reacting to form a silicon carbide crystal; a third step of exposing the silicon carbide crystal on the substrate; and a first step of growing a silicon carbide crystal film using the exposed silicon carbide crystal as a seed crystal. 4 and step, characterized in that it comprises a.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a fifth step of forming a second film containing a compound of carbon and a metal element replaceable with silicon on the substrate, and replacing the metal element constituting the compound with silicon. A sixth step of reacting to form a silicon carbide crystal; a seventh step of exposing the silicon carbide crystal on the substrate; and a step of growing a silicon carbide crystal film using the exposed silicon carbide crystal as a seed crystal. And 8 steps.
According to a third aspect of the invention, a ninth step of forming a thin film of a metal element replaceable with silicon is formed on a substrate, and a third film containing a compound with carbon is formed by supplying carbon to the thin film. A tenth step, an eleventh step in which the metal element constituting the compound is substituted with silicon to form a silicon carbide crystal, and the silicon carbide crystal film is alternately repeated a plurality of times in the tenth and eleventh steps. A twelfth step of increasing the thickness; and a thirteenth step of exposing the silicon carbide crystal on the substrate.
According to a fourth aspect of the present invention, in the formation method according to the first aspect, the first film is formed by forming a thin film of the metal element on the upper surface of a silicon substrate, or the metal element is formed on the upper surface of a predetermined substrate. The thin film and the silicon thin film are formed in a predetermined order, and then heat-treated.
According to a fifth aspect of the present invention, in the forming method according to the first aspect, the first film is formed by a sputtering method using a solid solution of the metal element and the silicon as a target.
The invention according to claim 6 is the formation method according to claim 2, wherein the second film is heat-treated after forming the metal element thin film on the upper surface of the graphite substrate, or the upper surface of the predetermined substrate. And forming a thin film of the metal element by supplying carbon while heating.
The invention according to claim 7 is the formation method according to claim 2, wherein the second film is formed by sputtering using the solid solution of the metal element and the carbon as a target.
The invention according to claim 8 is the formation method according to any one of claims 1 to 7, wherein the metal element is any one of titanium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, molybdenum, or tungsten. It is characterized by being.
According to a ninth aspect of the present invention, in the forming method according to the third aspect, instead of the tenth, eleventh and twelfth steps, silicon and carbon are simultaneously supplied onto the substrate under a predetermined temperature condition. The fourteenth step of forming a silicon carbide crystal is used.
According to a tenth aspect of the present invention, in the formation method according to the third aspect, instead of the tenth, eleventh and twelfth steps, an organic silicon compound is supplied onto a substrate under a predetermined temperature condition to form silicon. A fifteenth step of forming a carbide crystal is used, and the metal element according to claim 8, gold, or aluminum is used as the metal element.
The invention according to claim 11 is the forming method according to any one of claims 1 to 3, wherein the step of exposing the silicon carbide crystal removes the remaining film or metal element by etching. It is characterized by being a treatment or a treatment of washing and removing with an acid.
According to a twelfth aspect of the present invention, in the formation method according to any one of the first to second aspects, the step of exposing the silicon carbide crystal includes forming a silicon film on the metal element deposited on the surface. It is characterized in that it is a process of forming and heating to dissolve the metal element in the silicon film and then removing the silicon film.
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the forming method according to any one of the first to third aspects, the step of forming the film includes impurities that are N-type or P-type with respect to the silicon carbide crystal. It includes a step of solid solution.
The invention according to claim 14 is the formation method according to any one of claims 1 to 3, wherein the silicon carbide crystal has a crystal structure of 6H or 4H.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
FIG. 1 is a process explanatory diagram of a first embodiment of a method for forming a silicon carbide crystal film. First, a silicon single crystal substrate or a silicon substrate 11 having an epitaxial growth film formed on the surface thereof is prepared ((a) of FIG. 1). Then, after the surface of the silicon substrate 11 is sufficiently cleaned and necessary processing is performed to reduce defects, a metal thin film 12 made of iron is applied to the surface by a PVD (Physical Vapor) such as vacuum deposition or sputtering. A stacked layer is formed by Deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition) ((b) of FIG. 1).
[0024]
Next, heat treatment is performed under conditions (for example, about 1200 ° C.) in which silicon and iron react at the interface between the silicon substrate 11 and the metal thin film 12 to form a compound of both. Here, it is not necessary for all iron of the metal thin film 12 to react with silicon, and a solid solution layer 13 of a compound of silicon and iron may be formed at least at the interface ((c) of FIG. 1).
[0025]
Next, the metal thin film 12 containing unreacted iron is removed by etching to expose the solid solution layer 13 formed on the upper surface of the silicon substrate 11 ((d) in FIG. 1).
[0026]
Next, a heat treatment (for example, a CVD method at about 1150 ° C.) is performed on the exposed solid solution layer 13 while supplying carbon atoms generated by thermal decomposition or plasma decomposition of a gas containing carbon (methane, butane, etc.). Then, iron constituting a part of the solid solution layer 13 undergoes a substitution reaction with carbon supplied from the atmosphere, and a silicon carbide crystal 14 is formed ((e) of FIG. 1). Here, the silicon carbide crystal 14 is not necessarily formed on the entire surface of the substrate 11.
[0027]
Next, the silicon carbide crystal 14 is exposed by removing the iron precipitated by the formation of the solid solution layer 13 and the silicon carbide crystal 14 that have not reacted with carbon ((f) in FIG. 1). For this removal treatment, a normal etching solution can be used for the solid solution layer 13. Iron can be removed with an acid. Further, the removal of iron may be performed by forming a silicon film on the entire surface where the iron is deposited, heating the solid solution in the silicon film by heat treatment, and then removing the silicon film. it can.
[0028]
Next, the silicon carbide crystal 14 exposed on the silicon substrate 11 is used as a seed crystal, and heat treatment (CVD method) is performed while introducing a hydrocarbon such as butane and a silane-based gas diluted with hydrogen. As a result, the silicon carbide single crystal film 15 is epitaxially grown on the entire surface of the silicon substrate 11 ((g) in FIG. 1).
[0029]
As described above, according to this embodiment, since the silicon carbide crystal film 15 is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 11, the silicon carbide single crystal film 15 having a large diameter corresponding to the size of the substrate 11 can be easily obtained. Can be formed.
[0030]
The formation conditions of the above-described silicon carbide single crystal film 15 vary depending on the crystal structure of the seed crystal, but the seed is formed under the condition that a 6H (hexagonal crystal) type single crystal {0001} plane having a hexagonal close-packed structure is mainly formed. By growing the silicon carbide crystal 14 which is a crystal and then forming the silicon carbide single crystal film 15, it is possible to form a 6H type single crystal with high probability. In addition, for example, there is a report that the probability that a 4H-type crystal grows by controlling the degree of supersaturation among the growth conditions of silicon carbide. By appropriately setting the growth conditions, silicon having a desired crystal structure is reported. A carbide single crystal film 15 can be obtained.
[0031]
In particular, since the 6H type and 4H type single crystals have few crystal defects and the growth rate in the direction parallel to the substrate is faster than the film thickness direction, the silicon carbide single crystal film 15 covering the substrate can be easily obtained. There is an advantage that you can. In addition, when a device such as a Schottky barrier diode is formed on a 6H-type or 4H-type single crystal, it is confirmed that the breakdown voltage is about 10 times larger than that of silicon, and that it has high capability as a power device. Therefore, obtaining a 6H-type or 4H-type single crystal has a great advantage.
[0032]
In the case where iron remains in the growing silicon carbide single crystal film 15 and a defect occurs, a P-type or N-type impurity (phosphorus) is formed after the formation of the iron metal thin film 12 (FIG. 1B). , Arsenic, boron, etc.) are dissolved in the metal thin film 2 and the process after (c) in FIG. 1 is performed, a silicon carbide single crystal film of a desired conductivity type is obtained, and the remaining iron The concentration can be reduced by three orders of magnitude or more compared to the P-type or N-type impurity concentration, and the adverse effect can be mitigated.
[0033]
As described above, iron has been described as an example of the element constituting the metal thin film 12, but it is not limited to iron, and any element that can be substituted with a carbon element may be used. For example, any of titanium, chromium, molybdenum, manganese, cobalt, nickel, or tungsten can be substituted with a carbon element in the same manner as iron described above to obtain a silicon carbide single crystal film.
[0034]
The solid solution layer 13 of iron and silicon may be formed by sputtering using a target in which iron and silicon are in solid solution. According to this, the process of forming the metal thin film 12 (FIG. 1B) and the process of forming the solid solution layer 13 (FIG. 1C) can be omitted, and a substrate other than silicon can be used.
[0035]
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a process explanatory diagram of a second embodiment of a method for forming a silicon carbide crystal film. In this embodiment, aluminum nitride (AlN) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having a crystal structure, lattice constant, and thermal expansion coefficient close to those of silicon carbide is prepared as the substrate 21 ((( a)). Then, a silicon thin film 22 is formed on the surface of the substrate 21 by PVD or CVD to a thickness of about 200 angstroms or slightly less (FIG. 2 (b)). Lamination is performed ((c) of FIG. 2).
[0036]
Next, heat treatment is performed under conditions (for example, about 1200 ° C.) in which silicon and iron react at the interface between the silicon thin film 22 and the metal thin film 23 to form a compound of both. Again, it is not necessary for all the iron of the metal thin film 23 to react with silicon, and it is sufficient that a solid solution layer 24 of a compound of silicon and iron is formed at least at the interface, but all of the solid solution is shown in FIG. The case where it is the layer 24 is shown.
[0037]
Next, if a metal thin film 23 containing unreacted iron remains, this is removed by etching or the like to expose the solid solution layer 24, and then a gas containing carbon (methane, butane, etc.) is formed on the upper surface thereof. Heat treatment (CVD method) at about 1150 ° C. while supplying carbon atoms generated by thermal decomposition or plasma decomposition, and the iron constituting the solid solution layer 24 undergoes a substitution reaction with the carbon supplied from the atmosphere, A silicon carbide crystal 25 is formed ((e) of FIG. 2). At this time, the silicon carbide crystal 25 reflects the crystal structure of the aluminum nitride or aluminum oxide of the substrate and grows as a hexagonal crystal. Again, the silicon carbide crystal 25 is not necessarily formed on the entire surface of the substrate 21.
[0038]
Next, the iron precipitated by the formation of the solid solution layer 24 and the silicon carbide crystal 25 that did not react with carbon is removed to expose the silicon carbide crystal 25 ((f) in FIG. 2). At this time, the removal of the solid solution layer 24 and iron uses the same technique as that described in FIG.
[0039]
Next, using the silicon carbide crystal 25 exposed on the substrate 21 as a seed crystal, a heat treatment is performed while introducing a hydrocarbon such as butane and a silane-based gas diluted with hydrogen (CVD method). The silicon carbide single crystal film 26 is epitaxially grown on the whole ((g) of FIG. 2).
[0040]
It is to be noted that the countermeasure processing when iron remains in the growing silicon carbide single crystal film 25 or a defect can be used, or that a metal other than iron can be used is the same as described in FIG. In this embodiment, the stacking order of the metal thin film 23 and the silicon thin film 22 may be reversed. Furthermore, the solid solution layer 24 of iron and silicon formed on the substrate 21 may be formed by a sputtering method using a target in which iron and silicon are dissolved.
[0041]
[Third Embodiment]
FIG. 3 is a process explanatory diagram of a third embodiment of a method for forming a silicon carbide crystal film. Here, a graphite substrate 31 is prepared ((a) of FIG. 3). After the surface of the graphite substrate 31 is sufficiently cleaned and necessary treatments are performed to reduce defects, a metal thin film 32 made of iron is applied to the surface by PVD or CVD, about 500 angstroms or more. A few layers are formed (FIG. 3B).
[0042]
Next, heat treatment is performed under conditions (for example, about 1500 ° C.) in which graphite and iron react at the interface between the graphite substrate 31 and the metal thin film 32 to form a compound of both. Here, it is not necessary for all the iron of the metal thin film 32 to react with graphite, and it is sufficient that a solid solution layer 33 of a compound of graphite and iron is formed at least at the interface, but all of the solid solution is shown in FIG. The case where the layer 33 is formed is shown.
[0043]
Next, if a metal thin film 32 containing unreacted iron remains, this is removed by etching to expose the solid solution layer 33 formed on the upper surface of the graphite substrate 31, and a gas containing silicon (such as silane) is exposed. When heat treatment (for example, a CVD method at 1500 ° C.) is performed while supplying silicon atoms generated by thermal decomposition or plasma decomposition, iron constituting the solid solution layer 33 causes a substitution reaction with silicon supplied from the atmosphere, A silicon carbide crystal 34 is formed ((d) in FIG. 1). Here, the silicon carbide crystal 34 is not necessarily formed on the entire surface of the substrate 31.
[0044]
Next, the iron precipitated by the formation of the solid solution layer 33 and the silicon carbide crystal 34 that did not react with silicon is removed to expose the silicon carbide crystal 34 ((e) in FIG. 3). At this time, the solid solution layer 33 and iron are removed by a method similar to the method described in FIG.
[0045]
Next, when the silicon carbide crystal 34 exposed on the graphite substrate 31 is used as a seed crystal and a hydrocarbon such as butane and a silane-based gas are diluted with hydrogen and introduced, a heat treatment (CVD method) is performed. A silicon carbide single crystal film 35 is epitaxially grown on the entire surface of 31 ((f) in FIG. 3).
[0046]
It is to be noted that the countermeasure processing when iron remains in the growing silicon carbide single crystal film 35 or a defect can be used, or that a metal other than iron can be used is the same as described in FIG. Further, the solid solution layer 33 of iron and graphite is formed by using aluminum nitride or aluminum oxide for the substrate as in the second embodiment, forming the metal thin film 32 on the upper surface, and then supplying carbon. The solid solution layer 33 may be formed by heat treatment, or may be formed by sputtering using a target in which iron and graphite are dissolved.
[0047]
[Fourth Embodiment]
FIG. 4 is a process explanatory diagram of a fourth embodiment of a method for forming a silicon carbide crystal film. In the present embodiment, as in the second embodiment shown in FIG. 2, aluminum nitride or aluminum oxide is prepared as the substrate 41 ((a) of FIG. 4). Then, an iron metal thin film 42 is laminated on the surface of the substrate 41 by PVD or CVD to a thickness of about 500 angstroms or slightly less (FIG. 4B).
[0048]
Next, when methane or butane is supplied while the substrate 41 is heated to about 1000 ° C. (CVD method), a solid solution layer 43 of iron and carbon is formed ((c) of FIG. 4).
[0049]
Next, when the supply of methane or butane is stopped while the substrate temperature is maintained, and silane is supplied instead, iron constituting the solid solution layer 43 undergoes a substitution reaction with silicon, and a silicon carbide thin film 44 is formed ( (D) of FIG. At this time, the silicon carbide thin film 44 grows with a hexagonal crystal reflecting the crystal structure of the aluminum nitride or aluminum oxide of the substrate.
[0050]
By repeating the process of FIG. 4C and the process of FIG. 4D a plurality of times alternately, the thickness of the silicon carbide thin film 44 is increased, and a desired film thickness can be obtained (FIG. 4). 4 (e)).
[0051]
Finally, the silicon carbide thin film 44 epitaxially grown appears on the surface by etching away the iron appearing on the outermost surface.
[0052]
In the above, instead of alternately supplying methane, butane, and silane, a gas containing silicon and a gas containing carbon may be supplied at the same time, or by supplying an organic silicon compound (for example, dimethylsilane). Even if carbon is supplied simultaneously, the silicon carbide thin film 44 can be obtained similarly.
[0053]
Further, the countermeasure processing in the case where iron remains in the growing silicon carbide thin film 44, or a metal other than iron can be used, is the same as the case described in FIG. When the silicon carbide thin film 44 is formed by supplying the organic silicon compound, gold or aluminum can be used as a usable metal element in addition to the various elements described in the case of FIG. .
[0054]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a silicon carbide single crystal film can be obtained according to the size of the substrate used, and the diameter can be easily increased. In addition, since a normal manufacturing process of a semiconductor device is followed, there is an advantage that a silicon carbide single crystal can be obtained with good controllability, good yield, and low cost. Furthermore, the obtained silicon carbide single crystal film has few crystal defects, and has an advantage of having a high capability as a power device when a device is formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process diagram of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process diagram of a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process diagram of a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a process diagram of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a conventional method for forming silicon carbide.
[Explanation of symbols]
1: high frequency coil, 2: quartz tube, 3: graphite crucible, 4: silicon carbide powder, 5: seed crystal, 6: silicon carbide crystal,
11: Silicon substrate, 12: Metal thin film, 13: Solid solution layer of silicon and metal, 14: Silicon carbide crystal (seed crystal), 15: Silicon carbide crystal film,
21: Aluminum nitride or aluminum oxide substrate, 22: Silicon thin film, 23: Metal thin film, 24: Solid solution layer of silicon and metal, 25: Silicon carbide crystal (seed crystal), 26: Silicon carbide crystal film,
31: Graphite substrate, 32: Metal thin film, 33: Solid solution layer of metal and graphite, 34: Silicon carbide crystal (seed crystal), 35: Silicon carbide crystal film,
41: aluminum nitride or aluminum oxide substrate, 42: metal thin film, 43: solid solution layer of carbon and metal, 44: silicon carbide crystal film.

Claims (14)

基板上に、炭素と置換可能な金属元素とシリコンとの化合物を含む第1の膜を形成する第1工程と、
該化合物を構成する前記金属元素を炭素と置換反応させ、シリコンカーバイド結晶を形成する第2工程と、
前記基板上に、該シリコンカーバイド結晶を露出させる第3工程と、
露出した該シリコンカーバイド結晶を種結晶として、シリコンカーバイド結晶膜を成長させる第4工程と、
を含むことを特徴とするシリコンカーバイド結晶膜の形成方法。
Forming a first film containing a compound of silicon and a metal element capable of substituting carbon on a substrate;
A second step in which the metal element constituting the compound is subjected to a substitution reaction with carbon to form a silicon carbide crystal;
A third step of exposing the silicon carbide crystal on the substrate;
A fourth step of growing a silicon carbide crystal film using the exposed silicon carbide crystal as a seed crystal;
A method for forming a silicon carbide crystal film, comprising:
基板上に、シリコンと置換可能な金属元素と炭素との化合物を含む第2の膜を形成する第5工程と、
該化合物を構成する前記金属元素をシリコンと置換反応させ、シリコンカーバイド結晶を形成する第6工程と、
前記基板上に、該シリコンカーバイド結晶を露出させる第7工程と、
露出した該シリコンカーバイド結晶を種結晶として、シリコンカーバイド結晶膜を成長させる第8工程と、
を含むことを特徴とするシリコンカーバイド結晶膜の形成方法。
A fifth step of forming a second film containing a compound of a metal element replaceable with silicon and carbon on the substrate;
A sixth step in which the metal element constituting the compound is substituted with silicon to form a silicon carbide crystal;
A seventh step of exposing the silicon carbide crystal on the substrate;
An eighth step of growing a silicon carbide crystal film using the exposed silicon carbide crystal as a seed crystal;
A method for forming a silicon carbide crystal film, comprising:
基板上に、シリコンと置換可能な金属元素の薄膜を形成する第9工程と、
該薄膜に炭素を供給して炭素との化合物を含む第3の膜を形成する第10工程と、
該化合物を構成する前記金属元素をシリコンと置換反応させ、シリコンカーバイド結晶を形成する第11工程と、
前記第10、第11工程を交互に複数回繰り返し前記シリコンカーバイド結晶の膜厚を増大させる第12工程と、
前記基板上に、前記シリコンカーバイド結晶を露出させる第13工程と、
を含むことを特徴とするシリコンカーバイド結晶膜の形成方法。
A ninth step of forming a thin film of a metal element replaceable with silicon on the substrate;
A tenth step of supplying carbon to the thin film to form a third film containing a compound with carbon;
An eleventh step of replacing the metal element constituting the compound with silicon to form a silicon carbide crystal;
A twelfth step in which the tenth and eleventh steps are alternately repeated a plurality of times to increase the thickness of the silicon carbide crystal;
A thirteenth step of exposing the silicon carbide crystal on the substrate;
A method for forming a silicon carbide crystal film, comprising:
前記第1の膜を、シリコン基板の上面に前記金属元素の薄膜を形成し、又は所定の基板の上面に前記金属元素の薄膜と前記シリコンの薄膜を所定の順序で形成し、その後に加熱処理して形成することを特徴とする請求項1に記載の形成方法。The first element is formed by forming the metal element thin film on the upper surface of the silicon substrate, or forming the metal element thin film and the silicon thin film in a predetermined order on the upper surface of the predetermined substrate, followed by heat treatment. The forming method according to claim 1, wherein the forming method is performed as follows. 前記第1の膜を、前記金属元素と前記シリコンの固溶体をターゲットとするスパッタ法により形成することを特徴とする請求項1に記載の形成方法。The formation method according to claim 1, wherein the first film is formed by a sputtering method using the solid solution of the metal element and the silicon as a target. 前記第2の膜を、黒鉛基板の上面に前記金属元素の薄膜を形成してから加熱処理し、又は所定の基板の上面に前記金属元素の薄膜を形成した後に加熱しながら炭素を供給して形成することを特徴とする請求項2に記載の形成方法。The second film is heat-treated after forming the metal element thin film on the upper surface of the graphite substrate, or carbon is supplied while heating after forming the metal element thin film on the upper surface of the predetermined substrate. The forming method according to claim 2, wherein the forming method is performed. 前記第2の膜を、前記金属元素と前記炭素の固溶体をターゲットとするスパッタ法により形成することを特徴とする請求項2に記載の形成方法。The formation method according to claim 2, wherein the second film is formed by sputtering using the solid solution of the metal element and the carbon as a target. 前記金属元素が、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、又はタングステンのいずれかであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1つに記載の形成方法。The metal element is titanium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, molybdenum, or forming method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that any one of tungsten. 前記第10、第11および第12の工程に代えて、基板上に所定の温度条件下でシリコンと炭素を同時に供給してシリコンカーバイド結晶を形成する第14工程を使用することを特徴とする請求項3に記載の形成方法。 The 14th step of forming silicon carbide crystals by simultaneously supplying silicon and carbon on a substrate under a predetermined temperature condition is used instead of the 10th, 11th and 12th steps. Item 4. The forming method according to Item 3. 前記第10、第11および第12の工程に代えて、基板上に所定の温度条件下で有機シリコン化合物を供給してシリコンカーバイド結晶を形成する第15工程を使用し、且つ前記金属元素として請求項8に記載のいずれかの金属元素、金、又はアルミニウムを使用することを特徴とする請求項3に記載の形成方法。 Instead of the tenth, eleventh and twelfth steps, the fifteenth step of supplying an organosilicon compound on a substrate under a predetermined temperature condition to form a silicon carbide crystal is used, and the metal element is claimed. The formation method according to claim 3, wherein any one of the metal elements according to item 8, gold, or aluminum is used. 前記シリコンカーバイド結晶を露出させる前記工程が、残留した前記膜、又は金属元素を、エッチングにより除去する処理、又は酸により洗浄除去する処理であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1つに記載の形成方法。 Said step of exposing the silicon carbide crystals, residual the membrane, or a metal element, the process of removing by etching, or any one of claims 1 to 3, wherein the processing der Rukoto removed by washing with an acid forming method according to one. 前記シリコンカーバイド結晶を露出させる前記工程が、表面に析出している前記金属元素上にシリコン膜を形成し加熱して該シリコン膜内に前記金属元素を固溶させ、その後に該シリコン膜を除去する処理であることを特徴とする請求項1乃至2のいずれか1つに記載の形成方法。The step of exposing the silicon carbide crystal forms a silicon film on the metal element deposited on the surface and heats to dissolve the metal element in the silicon film, and then removes the silicon film forming method according to any one of claims 1 to 2 as a processing der characterized Rukoto to. 前記膜を形成する前記工程が、前記シリコンカーバイド結晶に対してN型又はP型となる不純物を固溶させる工程を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の形成方法。4. The formation according to any one of claims 1 to 3, wherein the step of forming the film includes a step of dissolving an N-type or P-type impurity in the silicon carbide crystal. Method. 前記シリコンカーバイド結晶が、6H又は4Hの結晶構造であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の形成方法。Forming method according to any one of claims 1 to 3, wherein the silicon carbide crystal is a crystal structure of the 6H or 4H.
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