JP2004091228A

JP2004091228A - Method of forming silicon carbide thin film and heat treatment method

Info

Publication number: JP2004091228A
Application number: JP2002251975A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Fujisawa; 藤澤　広幸; Shunsuke Izumi; 和泉　俊介; Takeshi Tawara; 俵　武志; Katsunori Ueno; 上野　勝典; Mutsuhisa Hiraoka; 平岡　睦久
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP4100669B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of selectively crystal-growing a silicon carbide thin film on a silicon carbide substrate. <P>SOLUTION: A silicon carbide crystal substrate (2) of the upper side on which the silicon carbide thin film is formed and a silicon carbide substrate (3) of the lower side are brought into contact with each other substrate surface, arranged in a crucible (1) and heat treated to form the silicon carbide thin film on the silicon carbide substrate (2) of another side using the silicon carbide crystal substrate (3) of one side as a raw material. Further, projecting and recessed parts are previously formed on the substrate (3) of the lower side to be provided with a part which is brought into contact with the upper side substrate (2) and a part which is not brought into contact with the upper side substrate (2) and the silicon carbide thin film is selectively crystal-grown only on the part which is brought into contact with upper side substrate (2) or a impurity source is previously provided and a thin film into which the impurity is introduced is formed on the upper side substrate (2). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素薄膜の形成方法および熱処理方法に関し、より詳細には、炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を選択的に結晶成長させるための薄膜形成方法、および、炭化珪素半導体中の不純物を所望の濃度で分布させるための熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンに代わる次世代半導体材料の１つとして炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されている。炭化珪素は、シリコンに比較して、バンドギャップと飽和ドリフトが大きく、熱伝導度が高く、絶縁破壊電界強度も１桁大きいなど、物性面で優れ、高温センサ、高周波デバイス、パワーデバイスなどの半導体装置の材料として期待されている。
【０００３】
炭化珪素半導体デバイスの製造には、炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を所望の領域に結晶成長させる技術、および、炭化珪素半導体中の不純物を所望の濃度で分布させる技術の開発が不可欠である。
【０００４】
このうち、炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を所望の領域に結晶成長させる技術に関しては、例えば、炭化珪素結晶基板上の薄膜中に第１の導電型または第２の導電型をもつ不純物領域を部分的に形成するための炭化珪素結晶基板の作製方法として、Ｒ．Ｃ．Ｇｌａｓｓらによる報告がある（ｐｈｙｓ．　ｓｔａｔ．　ｓｏｌ．（ｂ），２０２，１４９（１９９７））。
【０００５】
また、化学的気相成長により炭化珪素薄膜を基板全面に堆積させ、この薄膜を部分的にエッチングして不純物領域を形成する方法も提案されており、反応性イオンエッチング法を用いた例としては、Ｐ．Ｈ．Ｙｉｈらによる報告がある（ｐｈｙｓ．　ｓｔａｔ．　ｓｏｌ．（ｂ），２０２，６０５（１９９７））。
【０００６】
さらに、特開平１１−１６８４０号公報には、基板上に予めＳｉＯ_２マスクを形成しておき、このマスク領域以外の部分にｐ型炭化珪素薄膜を選択的に成長させるという発明が開示されている。
【０００７】
また、炭化珪素半導体中の不純物を所望の濃度で分布させる方法に関しては、炭化珪素結晶中での不純物の拡散係数が小さく拡散により炭化珪素結晶に不純物領域を選択的に形成することは困難であることから、炭化珪素結晶基板上に形成した薄膜中に不純物領域を形成するに際してイオン注入法によりイオンを結晶中に注入しその後高温熱処理を施すことで注入イオンを活性化するという方法を用いるのが一般的であり（例えば、Ｔ．Ｔｒｏｆｆｅｒら、ｐｈｙｓ．　ｓｔａｔ．　ｓｏｌ．（ａ），１６２，２７７（１９９７））、この方法では、ｐ型不純物としてのアルミやボロン、ｎ型不純物としての窒素などの元素をイオン打ち込みし、１７００℃程度の温度で熱処理することで活性化させる。
【０００８】
図５は、従来の熱処理方法を説明するための図で、不純物注入領域５５を有する炭化珪素エピタキシャル層５４が炭化珪素基板５３上に形成された炭化珪素ウエハ５６を、不純物注入領域５５が上向きになるように炭化珪素製の坩堝５１の中に配置し、坩堝蓋５２を閉じた状態でアニール炉中で１７００℃程度の加熱を行うことで不純物を活性化させている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エッチング法やＳｉＯ_２マスクを用いた選択成長法では、エッチングやパターニングのためのフォトプロセスが必要となり、製造プロセスが煩雑になるという問題がある。
【００１０】
一方、特開２０００−１３９９号公報には、種結晶となるα―ＳｉＣ単結晶基板上に結晶成長原料を部分的に接触させ、α―ＳｉＣ単結晶基板を下側、原料を上側として「重ね合わせ配置」し、基板を低温側として原料との間に温度差をもたせ、この状態でＳｉＣ飽和蒸気圧の不活性ガス雰囲気中で２０００〜２３００℃で熱処理することで単結晶を成長させる方法が記載されているものの、選択成長方法についての開示はなされていない。
【００１１】
また、特開２０００−３４１９７号公報には、α―ＳｉＣ単結晶基板とβ−ＳｉＣ多結晶基板とを両者の対向面が僅かに隙間を有するように平行配置させた状態で、α―ＳｉＣ単結晶基板が低温側となるように温度勾配をもたせ、この状態でＳｉＣ飽和蒸気圧の不活性ガス雰囲気中で熱処理し、Ｓｉ原子およびＣ原子を上述の微小隙間内に昇華・拡散させて単結晶を成長させるという発明が開示されているものの、選択成長方法については何ら開示がなされていない。
【００１２】
さらに、Ｔａｎａｋａらによって炭化珪素基板を２枚重ね合わせる方法が提案されているが（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｒｕｍ　Ｖｏｌ．３８９−３９３（２００２），ｐ．８０３）、この方法は、イオン注入後の活性化熱処理のために行う方法であり、この方法を実施した際の結晶表面のエッチング状態や膜の堆積状態についての知見は得られていない。
【００１３】
また、従来の不純物活性化熱処理方法では、高温熱処理中にウエハ表面が荒れてしまうという問題に加え、ボロン等の比較的軽い元素が熱処理中にウエハ表面から外方拡散してしまい、熱処理後の不純物濃度がイオン注入時の濃度よりも減少してして設計値どおりの不純物分布を得ることが困難であるという問題がある。
【００１４】
図６は、ボロンを２３０ｋｅＶのエネルギでイオン注入した後の注入直後のボロン濃度分布と、１７００℃３０分の熱処理を施した後のボロン濃度分布を２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）で分析した結果を示す図で、この例では、約３０％ものボロンが結晶外へと外報拡散していることが確認できる。
【００１５】
このうち、「表面荒れ」問題については、高温熱処理時に炭化珪素ウエハ上にダミーの炭化珪素ウエハを載せるという方法が提案されている（Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　ＩＣＳＣＲＭ２００１，ｐｐ．４４２−４４３（２００１））ものの、「外方拡散」問題については有効な解決策は提案されていない。
【００１６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、イオン注入やＳｉＯ_２マスク形成やエッチングといった複雑なプロセスを必要とすることなく炭化珪素基板上に簡便に炭化珪素薄膜を選択的に結晶成長させるための方法、および、イオン注入後の不純物の外方拡散を抑制して設計値どおりの不純物分布を実現する熱処理方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、炭化珪素薄膜の形成方法であって、第１の炭化珪素結晶基板上に予め炭化珪素薄膜を成長させ、当該炭化珪素薄膜を第２の炭化珪素結晶基板表面に接触させた状態で炭化珪素坩堝内に配置し、前記第１の炭化珪素結晶基板が低温側、前記第２の炭化珪素結晶基板が高温側となるように温度勾配を設け、前記第２の炭化珪素結晶基板を炭化珪素の昇華温度以上に加熱し、当該第２の炭化珪素結晶基板側から昇華した炭化珪素を前記第１の炭化珪素結晶基板上の炭化珪素薄膜上に再結晶化させて成長させることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の炭化珪素薄膜の形成方法において、前記第２の炭化珪素結晶基板は凹凸をもった表面形状を有し、前記炭化珪素薄膜と前記第２の炭化珪素結晶基板とは当該凸領域でのみ接触し、当該接触領域にのみ炭化珪素薄膜を選択的に成長させることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の炭化珪素薄膜の形成方法において、前記第２の炭化珪素結晶基板は、炭化珪素単結晶基板、炭化珪素多結晶基板、または、炭化珪素薄膜付基板の何れかであることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の炭化珪素薄膜の形成方法において、前記炭化珪素坩堝内に所望の不純物源を設け、当該不純物源を加熱することにより、前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の炭化珪素薄膜の形成方法において、前記炭化珪素坩堝に予め所望の不純物を含有させ、当該炭化珪素坩堝を加熱することにより、前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の炭化珪素薄膜の形成方法において、前記第２の炭化珪素結晶基板中に予め所望の不純物を含有させ、前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする。
【００２３】
さらに、請求項７に記載の発明は、不純物活性化のための熱処理方法であって、第１および第２の２枚の炭化珪素結晶基板上に、同一条件下でイオン注入された不純物注入領域を形成し、当該不純物注入領域同士が互いに一致するように接触させて炭化珪素坩堝内に配置し、前記第１および第２の炭化珪素結晶基板の不純物注入領域間に温度勾配が生じない加熱条件下で、前記不純物領域の活性化温度以上の温度で熱処理を施すことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
［炭化珪素薄膜の形成方法］
（実施例１）
図１は、本発明の炭化珪素薄膜の形成方法を説明するための概念図で、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は断面図である。この炭化珪素薄膜の形成方法では、炭化珪素薄膜付の２枚の炭化珪素結晶基板（２、３）同士を互いの炭化珪素薄膜面が接するように向かい合わせた状態で坩堝（１）内に配置させて熱処理し、一方の炭化珪素結晶基板を原料として他方の炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を形成させる。
【００２５】
図中、１は多結晶炭化珪素からなる蓋付坩堝、２は上側の炭化珪素基板、３は下側の炭化珪素基板であり、これらの炭化珪素基板は、ドーパント濃度５．９×１０^１５ｃｍ^−３、厚み１０μｍのｎ型炭化珪素エピタキシャル層を成長させたｎ型４Ｈ−ＳｉＣ基板である。
【００２６】
なお、ここに示した例では、本発明の薄膜形成方法で得られる炭化珪素薄膜の平坦性を確認する目的で、２枚の基板（２、３）を意図的にずらして配置させており、図中のＴＣとＴＵおよびＢＣとＢＵは、各々、上側の炭化珪素基板の重なり部分と非重なり部分、および、下側の炭化珪素基板の重なり部分と非重なり部分を示している。
【００２７】
この配置で坩堝１ごと熱処理炉にいれてタングステンヒータにより加熱を行い、Ａｒガス雰囲気中１７００℃で３０分間の熱処理を施した。熱処理後の基板（２、３）を観察すると、上述のＴＣとＴＵとの境界領域、および、ＢＣとＢＵとの境界領域には共に段差が認められ、上側基板（２）では、ＴＣ部がＴＵ部に比較して１００ｎｍ程度高くなっている一方、下側基板（３）では、ＢＣ部がＢＵ部に比較して１００ｎｍ程度低くなっていた。すなわち、上述の熱処理過程において、下側基板（３）から昇華した炭化珪素が上側基板（２）のＴＣ部に堆積して結晶成長が進行していることが明らかとなった。
【００２８】
これは、熱処理中は、下側基板（３）は坩堝（１）からの熱伝導と放射熱で加熱されるのに対して、上側基板（２）は放射熱のみで加熱されることとなるため、上側基板（２）の温度は下側基板（３）の温度に比べて低くなり、下側基板（３）のＢＣ部から昇華した炭化珪素が原料となり上側基板（２）のＴＣ部に炭化珪素として堆積することによるものと解釈される。
【００２９】
表１は、これらの基板の熱処理前後での表面平坦性の程度（Ｒａ）を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した結果である。
【００３０】
【表１】

【００３１】
ＴＵ、ＢＣ、ＢＵの各領域の表面は熱処理中の炭化珪素の昇華により大きく荒れているのに対し、熱処理中に結晶成長が進行した上側基板のＴＣ部の平坦度は熱処理前と同等の平坦度を維持しており、極めて平坦な炭化珪素薄膜が得られていることが分る。
【００３２】
（実施例２）
ドーパント濃度５．９×１０^１５ｃｍ^−３、厚み１０μｍのｎ型炭化珪素エピタキシャル層を成長させたｎ型４Ｈ−ＳｉＣ基板を２枚用い、アルミ不純物を１０^１６ｃｍ^−３混入させた坩堝中に配置し、実施例１と同様の熱処理を実行して薄膜形成を行なった。段差計による評価により、基板の重なり部分に約１００ｎｍの炭化珪素薄膜が形成されていることが確認された。
【００３３】
図２は、このようにして得られた上側基板の重なり部分（ＴＣ）の薄膜を、ＳＩＭＳを用いてＡｌ不純物の深さ方向での分布を評価した結果を説明するための図である。
【００３４】
この図に示すように、ＴＣ部でのアルミ濃度は１０^１８ｃｍ^−３で深さは１００ｎｍであり、その他の部分（ＴＵ、ＢＣ、ＢＵ）からはアルミ不純物は検出されなかった。このことから、アルミ不純物を含む炭化珪素薄膜が、下側基板と接触した部分にのみ選択的に形成されたことが確認できる。
【００３５】
なお、本実施例では炭化珪素坩堝自身に不純物を予め含有させることとしているが、炭化珪素坩堝内に所望の不純物源を設けることとしてもよいことは言うまでもない。
【００３６】
（実施例３）
ドーパント濃度５．９×１０^１５ｃｍ^−３、厚み１０μｍのｎ型炭化珪素エピタキシャル層を成長させたｎ型４Ｈ−ＳｉＣ基板を上側基板とし、アルミ不純物濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、厚み１μｍのｎ型炭化珪素エピタキシャル層を成長させたｎ型４Ｈ−ＳｉＣ基板を下側基板として重ね合わせた状態で実施例１と同様の熱処理を行い、得られた薄膜のアルミ不純物分布の様子をＳＩＭＳにより評価した。
【００３７】
その結果は、図２に示したものとほぼ同様であり、アルミ濃度１０^１８ｃｍ^−３で厚み１００ｎｍの炭化珪素薄膜の形成が確認された。
【００３８】
なお、所望により、下側基板にもアルミ不純物を添加させておくこととしてもよい。
【００３９】
（実施例４）
下側の基板に、機械的研磨または物理的化学的エッチングにより、予め１μｍ以上の凹凸を形成させ、上側の基板に接触する部分と接触しない部分とを設けて重ね合わせ配置し、実施例１と同様の熱処理を実施して薄膜形成を行なった。この場合、炭化珪素薄膜同士は凸領域でのみ接触することとなる。
【００４０】
炭化珪素薄膜の形成は、下側基板に接触していた上側基板領域にのみ認められ、この部分に炭化珪素薄膜が選択的に形成されたことが確認された。
【００４１】
なお、下側基板表面の凹凸の程度に特に制限はなく、選択成長させたい領域に応じて設定が可能であるが、凹凸レベルが０．１μｍ以下の場合には凹部での上側基板との間隔が狭くなりすぎてこの凹部においても薄膜成長が進行しやすくなるため、０．１μｍ以上の凹凸をもたせることが好ましく、微細パターンの形成を特別に要しない場合には、１００μｍ以上とすることがより好ましい。
【００４２】
また、熱処理温度を変化させて同様の薄膜形成を実施した結果、１７００〜２０００℃の熱処理温度範囲で上記と同様に選択的な薄膜形成が確認された。なお、熱処理温度が２０００℃を越える場合には、基板間の非接触部分にも結晶成長が進行して選択性が低下し、１７００℃を下回る温度では充分な結晶成長速度が得られないことも確認された。従って、本発明の炭化珪素薄膜の形成方法においては、１７００〜２０００℃の熱処理温度が好ましい。
【００４３】
なお、これまでの実施例では、下側基板を薄膜を形成させた単結晶基板であるものとして説明したが、多結晶基板でもよく、更には、その表面に薄膜を有しないベアの基板であってもよい。
【００４４】
［不純物活性化熱処理方法］
（実施例５）
図３は、本発明の不純物活性化のための第１の熱処理方法を説明するための図で、ここに示した例では、ｎ^＋型炭化珪素基板３３の上にｎ⁻型炭化珪素エピタキシャル層３４を成長させ、不純物注入領域３５を有する第１の炭化珪素ウエハ３８と、上記不純物注入領域３５に注入した不純物と同じ不純物を同濃度に注入した不純物注入領域３６を有する第２の炭化珪素ウエハ３７を用意し、これらの不純物注入領域３５、３６同士の位置を合わせて接触させ、炭化珪素製の坩堝３１内に配置し、この状態で炭化珪素製の坩堝蓋３２を閉めて密閉し、第１および第２の炭化珪素ウエハ（３８、３７）の不純物注入領域（３５、３６）間に温度勾配が生じない加熱条件下で、Ａｒ雰囲気中で、不純物活性化温度以上の１７００℃３０分の高温熱処理を行う。
【００４５】
なお、ここで、第１および第２の炭化珪素ウエハ（３８、３７）の不純物注入領域（３５、３６）間に温度勾配が生じない加熱条件とするのは、これらの領域間に温度勾配が生じると、一方の領域から他方の領域への物質移動が生じ易くなり、所望の不純物分布が得られなくなるためである。このように不純物注入領域間に温度勾配が生じないようにするためには、図３に示すように、坩堝蓋側の炭化珪素ウエハを坩堝蓋に接触させ、坩堝の底に接触している下側の炭化珪素ウエハと同様の加熱環境とすることが有効である。
【００４６】
図５に示した従来のウエハ配置とすれば、不純物注入領域５５から炭化珪素ウエハ５６の外部に向けて不純物が外方拡散して不純物濃度が低下するのに対し、図３に示す本発明のウエハ配置では、同一元素をどう濃度で注入された不純物注入領域３５、３６同士が互いに接触しているために、各々のウエハの外部への不純物濃度勾配が緩やかとなって不純物が外方拡散し難くなり、その結果、高温熱処理中での不純物の現象が抑制されることとなる。
【００４７】
なお、本実施例では、熱処理温度が１７００℃の場合について説明したが、１６００〜１８００℃の温度範囲で同様の効果が認められた。
【００４８】
また、不純物注入領域が複数ある場合には、図４に示すように、対応する各不純物注入領域同士（３５と３６、３５´と３６´）を位置合わせして接触させるように配置させればよい。
【００４９】
不純物注入領域同士を位置合わせせずに配置して熱処理を行うと、不純物注入領域から、その領域に接触している不純物非注入領域へと不純物が拡散して表面を汚染させる結果となることはいうまでもない。
【００５０】
なお、本発明の熱処理方法においては、２つのウエハの不純物注入領域同士が接触していることが必要なのであって、その他の領域は必ずしも接触している必要はない。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の薄膜形成方法によれば、炭化珪素薄膜付の一方の炭化珪素結晶基板を上側とし、他方の炭化珪素結晶基板を下側として、これらの基板面同士を接触させた状態で坩堝内に配置させて熱処理し、後者の炭化珪素結晶基板を原料として前者の炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を形成させるようにした。また、下側の基板（原料）に予め凹凸を形成し、上の基板（成長基板）に接触する部分と接触しない部分とを設けることにより、接触した部分にのみ炭化珪素薄膜を選択的に成長させたり、予め不純物源を設置することにより上の基板に不純物を導入した薄膜を形成するようにした。
【００５２】
このような構成とすることにより、炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を選択的に結晶成長させるための方法を提供することが可能となる。
【００５３】
また、本発明の不純物活性化のための熱処理方法によれば、２枚のウエハの、同一の不純物を同濃度で注入された不純物注入領域同士を接触させるように配置して熱処理を実行することとしたので、不純物の外方拡散が抑制されてイオン注入後の不純物濃度の減少を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭化珪素薄膜の形成方法を説明するための概念図である。
【図２】本発明の炭化珪素薄膜の形成方法により得られた薄膜を、２次イオン質量分析装置を用いてＡｌ不純物分布評価した結果を説明するための図である。
【図３】本発明の不純物活性化のための第１の熱処理方法を説明するための図である。
【図４】本発明の不純物活性化のための第２の熱処理方法を説明するための図である。
【図５】従来の不純物活性化熱処理方法を説明するための図である。
【図６】従来の不純物活性化熱処理前後でのボロン濃度分布のＳＩＭＳ分析結果を説明するための図である。
【符号の説明】
１　多結晶炭化珪素からなる蓋付坩堝
２　上側の炭化珪素基板
３　下側の炭化珪素基板
ＴＣ　上側の炭化珪素基板の重なり部分
ＴＵ　上側の炭素基板の非重なり部分
ＢＣ　下側の炭化珪素基板の重なり部分
ＢＵ　下側の炭化珪素基板の非重なり部分
３１、５１　坩堝
３２、５２　坩堝蓋
３３　ｎ^＋型炭化珪素基板
３４　ｎ⁻型炭化珪素エピタキシャル層
３５、３６、３５´、３６´、５５　不純物注入領域
３６　不純物領域
３７　第２の炭化珪素ウエハ
３８　第１の炭化珪素ウエハ
５３　炭化珪素基板
５４　炭化珪素エピタキシャル層
５６　炭化珪素ウエハ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a silicon carbide thin film and a heat treatment method, and more particularly, to a method for forming a thin film for selectively growing a silicon carbide thin film on a silicon carbide substrate, and a method for removing impurities in a silicon carbide semiconductor. The present invention relates to a heat treatment method for distributing at a desired concentration.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide (SiC) has attracted attention as one of the next-generation semiconductor materials replacing silicon. Silicon carbide has superior physical properties, such as higher band gap and saturation drift, higher thermal conductivity, and an order of magnitude higher dielectric breakdown electric field strength than silicon, and semiconductors such as high-temperature sensors, high-frequency devices, and power devices. It is expected as a material for equipment.
[0003]
In manufacturing a silicon carbide semiconductor device, it is essential to develop a technique for growing a silicon carbide thin film on a silicon carbide substrate in a desired region and a technique for distributing impurities in a silicon carbide semiconductor at a desired concentration.
[0004]
Among them, with respect to a technique for growing a silicon carbide thin film on a silicon carbide substrate in a desired region, for example, an impurity region having a first conductivity type or a second conductivity type is formed in a thin film on a silicon carbide crystal substrate. As a method for manufacturing a silicon carbide crystal substrate for partial formation, R.S. C. There is a report by Glass et al. (Phys. Stat. Sol. (B), 202, 149 (1997)).
[0005]
Further, a method of depositing a silicon carbide thin film on the entire surface of a substrate by chemical vapor deposition and partially etching the thin film to form an impurity region has also been proposed. An example using a reactive ion etching method is as follows. , P. H. Yih et al. (Phys. Stat. Sol. (B), 202, 605 (1997)).
[0006]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-16840 discloses an invention in which an SiO ₂ mask is formed in advance on a substrate, and a p-type silicon carbide thin film is selectively grown in a portion other than the mask region. .
[0007]
Further, with respect to a method for distributing impurities in a silicon carbide semiconductor at a desired concentration, it is difficult to selectively form an impurity region in silicon carbide crystal by diffusion because the diffusion coefficient of the impurity in the silicon carbide crystal is small. Therefore, when forming an impurity region in a thin film formed on a silicon carbide crystal substrate, it is necessary to use a method in which ions are implanted into a crystal by an ion implantation method and then a high-temperature heat treatment is performed to activate the implanted ions. This method is common (for example, T. Troffe et al., Phys. Stat. Sol. (A), 162, 277 (1997)), and in this method, aluminum or boron as a p-type impurity, nitrogen as an n-type impurity, or the like is used. Is ion-implanted and heat-treated at a temperature of about 1700 ° C. for activation.
[0008]
FIG. 5 is a view for explaining a conventional heat treatment method, in which a silicon carbide wafer 56 in which a silicon carbide epitaxial layer 54 having an impurity implantation region 55 is formed on a silicon carbide substrate 53 is placed with the impurity implantation region 55 facing upward. Thus, the impurities are activated by placing them in a crucible 51 made of silicon carbide and heating at about 1700 ° C. in an annealing furnace with the crucible lid 52 closed.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the etching method or the selective growth method using a SiO ₂ mask requires a photo process for etching and patterning, and has a problem that the manufacturing process becomes complicated.
[0010]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-1399 discloses that a crystal growth raw material is partially contacted on an α-SiC single crystal substrate serving as a seed crystal, and the α-SiC single crystal substrate is on the lower side and the raw material is on the upper side. A method of growing a single crystal by performing a heat treatment at 2000 to 2300 ° C. in an inert gas atmosphere having a saturated vapor pressure of SiC in this state with a temperature difference between the raw material and the substrate at a low temperature side. Although described, there is no disclosure of a selective growth method.
[0011]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-34197 discloses an α-SiC single crystal substrate in which an α-SiC single crystal substrate and a β-SiC polycrystal substrate are arranged in parallel so that their opposing surfaces have a slight gap. A temperature gradient is provided so that the crystal substrate is on the low temperature side, and a heat treatment is performed in this state in an inert gas atmosphere having a saturated vapor pressure of SiC to sublimate and diffuse Si atoms and C atoms into the minute gaps described above to form a single crystal. Although there is disclosed an invention that grows, there is no disclosure of a selective growth method.
[0012]
Further, Tanaka et al. Have proposed a method of superposing two silicon carbide substrates (Materials Science Forum Vol. 389-393 (2002), p. 803). However, no knowledge has been obtained on the etching state of the crystal surface or the deposition state of the film when this method is performed.
[0013]
Further, in the conventional impurity activation heat treatment method, in addition to the problem that the wafer surface is roughened during the high-temperature heat treatment, a relatively light element such as boron diffuses outward from the wafer surface during the heat treatment. There is a problem that the impurity concentration is lower than that at the time of ion implantation, and it is difficult to obtain an impurity distribution as designed.
[0014]
FIG. 6 shows the results of analyzing a boron concentration distribution immediately after implantation of boron at an energy of 230 keV and a boron concentration distribution after heat treatment at 1700 ° C. for 30 minutes using a secondary ion mass spectrometer (SIMS). In the figure showing the results, in this example, it can be confirmed that about 30% of boron is diffused outside the crystal.
[0015]
Among them, with respect to the problem of “surface roughness”, a method of mounting a dummy silicon carbide wafer on a silicon carbide wafer during high-temperature heat treatment has been proposed (H. Tanaka, Technical Digest of ICSCRM 2001, pp. 442-443 (2001)). )) However, no effective solution has been proposed for the "outward diffusion" problem.
[0016]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to easily perform carbonization on a silicon carbide substrate without requiring complicated processes such as ion implantation, SiO ₂ mask formation and etching. An object of the present invention is to provide a method for selectively growing a crystal of a silicon thin film and a heat treatment method for realizing an impurity distribution as designed by suppressing outward diffusion of impurities after ion implantation.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the present invention provides a method for forming a silicon carbide thin film, comprising: growing a silicon carbide thin film on a first silicon carbide crystal substrate in advance; The silicon carbide thin film is placed in a silicon carbide crucible in a state of being in contact with the surface of the second silicon carbide crystal substrate, and the first silicon carbide crystal substrate is on the low temperature side, and the second silicon carbide crystal substrate is on the high temperature side. The second silicon carbide crystal substrate is heated to a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of silicon carbide, and the silicon carbide sublimated from the second silicon carbide crystal substrate side is converted into the first silicon carbide crystal. It is characterized in that it is recrystallized and grown on a silicon carbide thin film on a substrate.
[0018]
Further, according to a second aspect of the present invention, in the method for forming a silicon carbide thin film according to the first aspect, the second silicon carbide crystal substrate has a surface shape having irregularities, and The second silicon carbide crystal substrate is contacted only at the convex region, and a silicon carbide thin film is selectively grown only at the contact region.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, in the method of forming a silicon carbide thin film according to the first or second aspect, the second silicon carbide crystal substrate is a silicon carbide single crystal substrate, a silicon carbide polycrystal substrate, or Or a substrate with a silicon carbide thin film.
[0020]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method for forming a silicon carbide thin film according to any one of the first to third aspects, a desired impurity source is provided in the silicon carbide crucible, and the impurity source is heated. Thus, an impurity is doped into the silicon carbide thin film to be grown.
[0021]
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for forming a silicon carbide thin film according to any one of the first to third aspects, the silicon carbide crucible is made to contain a desired impurity in advance, and the silicon carbide crucible is heated. Thereby, an impurity is doped into the silicon carbide thin film to be grown.
[0022]
According to a sixth aspect of the present invention, in the method of forming a silicon carbide thin film according to any one of the first to third aspects, a desired impurity is contained in the second silicon carbide crystal substrate in advance, and the growth is performed. The silicon carbide thin film to be doped is doped with impurities.
[0023]
Further, the invention according to claim 7 is a heat treatment method for activating impurities, wherein an impurity-implanted region is ion-implanted under the same conditions on the first and second two silicon carbide crystal substrates. Are formed in a silicon carbide crucible such that the impurity-implanted regions are brought into contact with each other so as to coincide with each other, and heating conditions under which a temperature gradient does not occur between the impurity-implanted regions of the first and second silicon carbide crystal substrates. The heat treatment is performed at a temperature equal to or higher than the activation temperature of the impurity region.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Method of forming silicon carbide thin film]
(Example 1)
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining a method of forming a silicon carbide thin film according to the present invention. FIG. 1 (a) is a top view and FIG. 1 (b) is a cross-sectional view. In this method for forming a silicon carbide thin film, two silicon carbide crystal substrates (2, 3) with a silicon carbide thin film are arranged in a crucible (1) in a state where the two silicon carbide thin films face each other so as to be in contact with each other. Then, heat treatment is performed to form a silicon carbide thin film on one silicon carbide crystal substrate using the other silicon carbide crystal substrate as a raw material.
[0025]
In the figure, 1 is a crucible with a lid made of polycrystalline silicon carbide, 2 is an upper silicon carbide substrate, 3 is a lower silicon carbide substrate, and these silicon carbide substrates have a dopant concentration of 5.9 × 10 ¹⁵ cm. ^-3 , an n-type 4H-SiC substrate on which an n-type silicon carbide epitaxial layer having a thickness of 10 μm was grown.
[0026]
In the example shown here, the two substrates (2, 3) are intentionally shifted from each other in order to confirm the flatness of the silicon carbide thin film obtained by the thin film forming method of the present invention, In the figure, TC and TU and BC and BU respectively indicate an overlapping portion and a non-overlapping portion of the upper silicon carbide substrate and an overlapping portion and a non-overlapping portion of the lower silicon carbide substrate.
[0027]
In this arrangement, the crucible 1 was put into a heat treatment furnace and heated by a tungsten heater, and heat treatment was performed at 1700 ° C. for 30 minutes in an Ar gas atmosphere. When the substrates (2, 3) after the heat treatment are observed, steps are recognized in both the boundary region between TC and TU and the boundary region between BC and BU, and the TC portion is formed in the upper substrate (2). On the other hand, in the lower substrate (3), the BC part was lower by about 100 nm than the TU part, while it was higher by about 100 nm than the TU part. That is, in the above-described heat treatment process, it was clarified that silicon carbide sublimated from the lower substrate (3) was deposited on the TC portion of the upper substrate (2) and crystal growth was progressing.
[0028]
This means that during the heat treatment, the lower substrate (3) is heated by heat conduction and radiant heat from the crucible (1), while the upper substrate (2) is heated only by radiant heat. Therefore, the temperature of the upper substrate (2) is lower than the temperature of the lower substrate (3), and silicon carbide sublimated from the BC portion of the lower substrate (3) becomes a raw material to the TC portion of the upper substrate (2). This is interpreted as being due to deposition as silicon carbide.
[0029]
Table 1 shows the results of measurement of the degree of surface flatness (Ra) of these substrates before and after heat treatment with an atomic force microscope (AFM).
[0030]
[Table 1]

[0031]
The surface of each of the TU, BC, and BU regions is largely roughened by the sublimation of silicon carbide during the heat treatment, whereas the flatness of the TC portion of the upper substrate where crystal growth has progressed during the heat treatment is the same as that before the heat treatment. It can be seen that an extremely flat silicon carbide thin film was obtained.
[0032]
(Example 2)
Two n-type 4H-SiC substrates on which an n-type silicon carbide epitaxial layer having a dopant concentration of 5.9 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ and a thickness of 10 μm were grown were placed in a crucible into which aluminum impurities were mixed at 10 ¹⁶ cm ^−3. The thin film was formed by arranging and performing the same heat treatment as in Example 1. Evaluation by a step gauge confirmed that a silicon carbide thin film of about 100 nm was formed in the overlapping portion of the substrates.
[0033]
FIG. 2 is a view for explaining the result of evaluating the distribution of Al impurities in the depth direction of the thin film at the overlapping portion (TC) of the upper substrate obtained by using SIMS.
[0034]
As shown in this figure, the aluminum concentration in the TC portion was 10 ¹⁸ cm ⁻³ and the depth was 100 nm, and no aluminum impurities were detected from the other portions (TU, BC, BU). From this, it can be confirmed that the silicon carbide thin film containing the aluminum impurity was selectively formed only in the portion in contact with the lower substrate.
[0035]
In this embodiment, the silicon carbide crucible itself contains impurities in advance, but it goes without saying that a desired impurity source may be provided in the silicon carbide crucible.
[0036]
(Example 3)
An n-type 4H-SiC substrate on which an n-type silicon carbide epitaxial layer having a dopant concentration of 5.9 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ and a thickness of 10 μm was grown was used as an upper substrate, and an aluminum impurity concentration of 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ and a thickness of 1 μm was used. The same heat treatment as in Example 1 was performed in a state where the n-type 4H-SiC substrate on which the n-type silicon carbide epitaxial layer was grown was stacked as a lower substrate, and the state of aluminum impurity distribution in the obtained thin film was evaluated by SIMS. did.
[0037]
The results are almost the same as those shown in FIG. 2, and it was confirmed that a silicon carbide thin film having a thickness of 100 nm and an aluminum concentration of 10 ¹⁸ cm ⁻³ was formed.
[0038]
If desired, the lower substrate may be doped with aluminum impurities.
[0039]
(Example 4)
On the lower substrate, irregularities of 1 μm or more are formed in advance by mechanical polishing or physical chemical etching, and a portion that is in contact with the upper substrate and a portion that is not in contact with the upper substrate are provided and arranged in a superposed manner. The same heat treatment was performed to form a thin film. In this case, the silicon carbide thin films come into contact only in the convex region.
[0040]
The formation of the silicon carbide thin film was observed only in the upper substrate region in contact with the lower substrate, and it was confirmed that the silicon carbide thin film was selectively formed in this portion.
[0041]
It should be noted that there is no particular limitation on the degree of the irregularities on the surface of the lower substrate, and it is possible to set according to the region to be selectively grown. Is too narrow, and the thin film growth easily proceeds in this concave portion. Therefore, it is preferable to provide irregularities of 0.1 μm or more, and when it is not particularly necessary to form a fine pattern, it is more preferable that the thickness be 100 μm or more. preferable.
[0042]
In addition, as a result of performing similar thin film formation while changing the heat treatment temperature, selective thin film formation was confirmed in the heat treatment temperature range of 1700 to 2000 ° C. in the same manner as described above. If the heat treatment temperature is higher than 2000 ° C., the crystal growth proceeds in the non-contact portion between the substrates and the selectivity is reduced. If the temperature is lower than 1700 ° C., a sufficient crystal growth rate may not be obtained. confirmed. Therefore, in the method for forming a silicon carbide thin film of the present invention, a heat treatment temperature of 1700 to 2000 ° C. is preferable.
[0043]
In the embodiments described above, the lower substrate is described as a single-crystal substrate on which a thin film is formed. However, a polycrystalline substrate may be used, and further, a bare substrate having no thin film on its surface may be used. You may.
[0044]
[Impurity activation heat treatment method]
(Example 5)
FIG. 3 is a diagram for explaining a first heat treatment method for activating impurities according to the present invention. In the example shown here, an n ⁻ -type silicon carbide epitaxial layer is formed on an n ⁺ -type silicon carbide substrate 33. 34, a first silicon carbide wafer 38 having an impurity implanted region 35 and a second silicon carbide wafer having an impurity implanted region 36 implanted at the same concentration as the impurity implanted into the impurity implanted region 35. 37, these impurity-implanted

regions

35, 36 are aligned and contacted with each other, placed in the silicon carbide crucible 31, and in this state, the silicon carbide crucible lid 32 is closed and sealed. Under a heating condition in which a temperature gradient does not occur between the impurity implanted regions (35, 36) of the first and second silicon carbide wafers (38, 37), in an Ar atmosphere, 1700 ° C. for 30 minutes or more, which is higher than the impurity activation temperature. High temperature heat Carry out the management.
[0045]
Here, the heating conditions under which a temperature gradient does not occur between the impurity-implanted regions (35, 36) of the first and second silicon carbide wafers (38, 37) are that a temperature gradient exists between these regions. If this occurs, mass transfer from one region to the other region is likely to occur, and a desired impurity distribution cannot be obtained. As shown in FIG. 3, in order to prevent a temperature gradient from occurring between the impurity-implanted regions, the silicon carbide wafer on the crucible lid side is brought into contact with the crucible lid, and the lower part is in contact with the bottom of the crucible. It is effective to make the heating environment similar to that of the silicon carbide wafer on the side.
[0046]
According to the conventional wafer arrangement shown in FIG. 5, impurities are diffused outward from impurity implantation region 55 to the outside of silicon carbide wafer 56 to lower the impurity concentration, whereas the impurity concentration of the present invention shown in FIG. In the wafer arrangement, the

impurity implantation regions

35 and 36 in which the same element is implanted at the same concentration are in contact with each other, so that the impurity concentration gradient to the outside of each wafer becomes gentle and impurities diffuse outward. As a result, the phenomenon of impurities during the high-temperature heat treatment is suppressed.
[0047]
In this example, the case where the heat treatment temperature was 1700 ° C. was described, but the same effect was observed in the temperature range of 1600 to 1800 ° C.
[0048]
In the case where there are a plurality of impurity-implanted regions, as shown in FIG. 4, the corresponding impurity-implanted regions (35 and 36, 35 'and 36') may be positioned and brought into contact with each other. Good.
[0049]
If the heat treatment is performed by disposing the impurity-implanted regions without being aligned with each other, the impurities may diffuse from the impurity-implanted regions to the impurity-non-implanted regions that are in contact with the regions, resulting in contamination of the surface. Needless to say.
[0050]
In the heat treatment method of the present invention, the impurity implantation regions of the two wafers need to be in contact with each other, and the other regions need not necessarily be in contact.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the thin film forming method of the present invention, one silicon carbide crystal substrate with a silicon carbide thin film is set to the upper side, and the other silicon carbide crystal substrate is set to the lower side, and these substrate surfaces are brought into contact with each other. In this state, the substrate was placed in a crucible and heat-treated to form a silicon carbide thin film on the former silicon carbide substrate using the latter silicon carbide crystal substrate as a raw material. Also, by forming in advance a concave and convex portion on the lower substrate (raw material) and providing a portion that contacts the upper substrate (growth substrate) and a portion that does not contact, a silicon carbide thin film is selectively grown only on the contact portion. Alternatively, a thin film in which an impurity is introduced is formed on the upper substrate by providing an impurity source in advance.
[0052]
With such a structure, it is possible to provide a method for selectively growing a silicon carbide thin film on a silicon carbide substrate.
[0053]
Further, according to the heat treatment method for activating impurities according to the present invention, the heat treatment is performed by arranging the two wafers so that the impurity implanted regions of the same concentration implanted with the same impurity are brought into contact with each other. Therefore, outward diffusion of impurities is suppressed, and it is possible to prevent a decrease in impurity concentration after ion implantation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram for describing a method for forming a silicon carbide thin film according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the results of Al impurity distribution evaluation of a thin film obtained by the method of forming a silicon carbide thin film of the present invention using a secondary ion mass spectrometer.
FIG. 3 is a view for explaining a first heat treatment method for activating impurities according to the present invention.
FIG. 4 is a view for explaining a second heat treatment method for activating impurities according to the present invention.
FIG. 5 is a view for explaining a conventional impurity activation heat treatment method.
FIG. 6 is a view for explaining a conventional SIMS analysis result of a boron concentration distribution before and after the impurity activation heat treatment.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 crucible with lid made of polycrystalline silicon carbide 2 upper silicon carbide substrate 3 lower silicon carbide substrate TC overlapping portion of upper silicon carbide substrate TU non-overlapping portion BC of upper carbon substrate overlapping of lower silicon carbide substrate Part

BU Non-overlapping parts

31, 51 of the silicon carbide substrate below

crucible

32, 52 Crucible lid 33 n ⁺ type silicon carbide substrate 34 n ⁻ type silicon carbide epitaxial layers 35, 36, 35 ', 36', 55 Impurity implantation region 36 Impurity region 37 Second silicon carbide wafer 38 First silicon carbide wafer 53 Silicon carbide substrate 54 Silicon carbide epitaxial layer 56 Silicon carbide wafer

Claims

第１の炭化珪素結晶基板上に予め炭化珪素薄膜を成長させ、
当該炭化珪素薄膜を第２の炭化珪素結晶基板表面に接触させた状態で炭化珪素坩堝内に配置し、
前記第１の炭化珪素結晶基板が低温側、前記第２の炭化珪素結晶基板が高温側となるように温度勾配を設け、
前記第２の炭化珪素結晶基板を炭化珪素の昇華温度以上に加熱し、
当該第２の炭化珪素結晶基板側から昇華した炭化珪素を前記第１の炭化珪素結晶基板上の炭化珪素薄膜上に再結晶化させて成長させることを特徴とする炭化珪素薄膜の形成方法。Growing a silicon carbide thin film on the first silicon carbide crystal substrate in advance;
Placing the silicon carbide thin film in a silicon carbide crucible in a state of being in contact with the surface of the second silicon carbide crystal substrate;
Providing a temperature gradient such that the first silicon carbide crystal substrate is on the low temperature side and the second silicon carbide crystal substrate is on the high temperature side;
Heating the second silicon carbide crystal substrate above the sublimation temperature of silicon carbide;
A method for forming a silicon carbide thin film, characterized in that silicon carbide sublimated from the second silicon carbide crystal substrate side is recrystallized and grown on the silicon carbide thin film on the first silicon carbide crystal substrate.

前記第２の炭化珪素結晶基板は凹凸をもった表面形状を有し、
前記炭化珪素薄膜と前記第２の炭化珪素結晶基板とは当該凸領域でのみ接触し、
当該接触領域にのみ炭化珪素薄膜を選択的に成長させることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素薄膜の形成方法。The second silicon carbide crystal substrate has an uneven surface shape,
The silicon carbide thin film and the second silicon carbide crystal substrate are in contact only in the convex region,
The method for forming a silicon carbide thin film according to claim 1, wherein the silicon carbide thin film is selectively grown only in the contact region.

前記第２の炭化珪素結晶基板は、炭化珪素単結晶基板、炭化珪素多結晶基板、または、炭化珪素薄膜付基板の何れかであることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素薄膜の形成方法。3. The silicon carbide thin film according to claim 1, wherein the second silicon carbide crystal substrate is any one of a silicon carbide single crystal substrate, a silicon carbide polycrystal substrate, and a substrate with a silicon carbide thin film. Formation method.

前記炭化珪素坩堝内に所望の不純物源を設け、
当該不純物源を加熱することにより、前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の炭化珪素薄膜の形成方法。Providing a desired impurity source in the silicon carbide crucible,
The method for forming a silicon carbide thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein an impurity is doped into the silicon carbide thin film to be grown by heating the impurity source.

前記炭化珪素坩堝に予め所望の不純物を含有させ、
当該炭化珪素坩堝を加熱することにより、前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の炭化珪素薄膜の形成方法。The silicon carbide crucible contains a desired impurity in advance,
The method for forming a silicon carbide thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the silicon carbide thin film to be grown is doped with impurities by heating the silicon carbide crucible.

前記第２の炭化珪素結晶基板中に予め所望の不純物を含有させ、
前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の炭化珪素薄膜の形成方法。A desired impurity is previously contained in the second silicon carbide crystal substrate,
The method for forming a silicon carbide thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein an impurity is doped into the silicon carbide thin film to be grown.

第１および第２の２枚の炭化珪素結晶基板上に、同一条件下でイオン注入された不純物注入領域を形成し、
当該不純物注入領域同士が互いに一致するように接触させて炭化珪素坩堝内に配置し、
前記第１および第２の炭化珪素結晶基板の不純物注入領域間に温度勾配が生じない加熱条件下で、前記不純物領域の活性化温度以上の温度で熱処理を施すことを特徴とする不純物活性化のための熱処理方法。Forming impurity-implanted regions ion-implanted under the same conditions on the first and second two silicon carbide crystal substrates;
Placed in the silicon carbide crucible in such a manner that the impurity implanted regions are in contact with each other so as to match each other,
Performing a heat treatment at a temperature equal to or higher than an activation temperature of the impurity region under a heating condition in which a temperature gradient does not occur between the impurity implantation regions of the first and second silicon carbide crystal substrates. Heat treatment method.