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JP2615406B2 - Method for manufacturing silicon substrate having silicon carbide buried layer - Google Patents

Method for manufacturing silicon substrate having silicon carbide buried layer

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Publication number
JP2615406B2
JP2615406B2 JP5189256A JP18925693A JP2615406B2 JP 2615406 B2 JP2615406 B2 JP 2615406B2 JP 5189256 A JP5189256 A JP 5189256A JP 18925693 A JP18925693 A JP 18925693A JP 2615406 B2 JP2615406 B2 JP 2615406B2
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JP
Japan
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silicon carbide
silicon
silicon substrate
substrate
layer
Prior art date
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JP5189256A
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Japanese (ja)
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昭義 茶谷原
兼栄 藤井
裕治 堀野
正人 木内
淳 木野村
Original Assignee
工業技術院長
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Publication date
Application filed by 工業技術院長 filed Critical 工業技術院長
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】本発明は、炭化珪素埋め込み層を有するシ
リコン基板の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for manufacturing a silicon substrate having a silicon carbide buried layer.

【0002】[0002]

【従来技術とその課題】炭化珪素は、エネルギーバンド
ギャップが3Cで2.4eV、6Hで3.0eVと大き
く、しかも熱伝導性が高いため、高温動作可能な大電力
用半導体素子、発光素子材料等として利用されている。
この場合、シリコン基板中にできるだけ分厚い炭化珪素
層を形成させることができれば、各種分野における利用
価値をより一層高めることができる。
2. Description of the Related Art Silicon carbide has a large energy band gap of 2.4 eV at 3 C and 3.0 eV at 6 H, and has high thermal conductivity. It is used as such.
In this case, if a silicon carbide layer as thick as possible can be formed in the silicon substrate, the utility value in various fields can be further enhanced.

【0003】炭化珪素の単結晶バルクを形成する方法と
して昇華法、液相法等があり、これらの方法により形成
させた単結晶バルクをスライスし、研磨することによっ
て炭化珪素基板が製造される。
[0003] As a method of forming a single crystal bulk of silicon carbide, there are a sublimation method, a liquid phase method, and the like. A silicon carbide substrate is manufactured by slicing and polishing the single crystal bulk formed by these methods.

【0004】しかしながら、上記の単結晶バルクの炭化
珪素合成方法では、大きな単結晶を合成することが困難
である。また、炭化珪素は多くの結晶多形をもち、その
形によって性質も大きく異なるので目的に応じた結晶形
とする必要があるが、上記合成方法ではその制御が極め
て困難である。
However, it is difficult to synthesize a large single crystal by the above-described single crystal bulk silicon carbide synthesis method. In addition, silicon carbide has many crystal polymorphs, and the properties thereof vary greatly depending on the shape. Therefore, it is necessary to make the crystal form suitable for the purpose, but it is extremely difficult to control the above-mentioned synthesis method.

【0005】一方、炭化珪素薄膜を形成する方法として
は、化学蒸着、スパッタ蒸着、イオン注入等の方法が知
られており、例えば860℃に加熱されたシリコン基板
に180keV、135keV及び90keVのエネル
ギーをもつ炭素イオンを注入し、シリコン基板に炭化珪
素薄膜を形成した例がある。
[0005] On the other hand, as a method of forming a silicon carbide thin film, methods such as chemical vapor deposition, sputter vapor deposition, and ion implantation are known. There is an example in which carbon ions are implanted to form a silicon carbide thin film on a silicon substrate.

【0006】ところが、上記従来のイオン注入法では、
エネルギーが低い等の理由により、炭化珪素層は極く表
面部分(0〜0.5μm程度)に限られ、多量にイオン
注入することができない。しかも、注入領域を増やすと
大面積に炭化珪素を形成できる反面、アモルファス状の
炭化珪素が形成され、これを熱処理しても単結晶化でき
ないので多結晶体のままで存在することとなる。
However, in the above conventional ion implantation method,
For reasons such as low energy, the silicon carbide layer is limited to a very surface portion (about 0 to 0.5 μm) and cannot be ion-implanted in large quantities. Moreover, when the implantation region is increased, silicon carbide can be formed over a large area, but amorphous silicon carbide is formed, and cannot be single-crystallized by heat treatment, so that it remains in a polycrystalline state.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、単結晶シリ
コンと同じ結晶方位をもつ単結晶炭化珪素層を、シリコ
ン基板の表面から一定の深さにできるだけ分厚く形成さ
せることを主な目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is to form a single-crystal silicon carbide layer having the same crystal orientation as single-crystal silicon as thick as possible at a certain depth from the surface of a silicon substrate. .

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記従来技
術の問題点に鑑み、鋭意研究を重ねたところ、イオン注
入法において、一定のエネルギーをもつ炭素イオンを特
定温度に保持されたシリコン基板に注入する場合には、
その表面は単結晶シリコン層を保持したままで、表面か
ら一定の深さに単結晶状態の炭化珪素層を中間層として
形成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
Means for Solving the Problems The present inventor has made extensive studies in view of the above-mentioned problems of the prior art. As a result, in the ion implantation method, carbon ions having a constant energy were converted to silicon ions kept at a specific temperature. When injecting into the substrate,
The present inventors have found that a silicon carbide layer in a single crystal state can be formed as an intermediate layer at a certain depth from the surface while holding the single crystal silicon layer on the surface, and have completed the present invention.

【0009】すなわち、本発明は、下記の炭化珪素埋め
込み層を有するシリコン基板の製造方法を提供するもの
である。 1.シリコン基板に炭素イオンを注入することにより炭
化珪素層を形成させる方法において、800〜1300
℃に加熱・保持した単結晶シリコン基板に対し200k
eV以上のエネルギーを与えた炭素イオンを注入するこ
とを特徴とする炭化珪素埋め込み層を有するシリコン基
板の製造方法。
That is, the present invention provides a method for manufacturing a silicon substrate having the following silicon carbide buried layer. 1. In a method of forming a silicon carbide layer by implanting carbon ions into a silicon substrate, 800 to 1300
200k for single crystal silicon substrate heated and held at ℃
A method for manufacturing a silicon substrate having a silicon carbide buried layer, wherein carbon ions having energy of eV or more are implanted.

【0010】以下、本発明について詳細に説明する。Hereinafter, the present invention will be described in detail.

【0011】本発明方法により製造されるシリコン基板
は、その表面に単結晶シリコン層を有し、この単結晶シ
リコン層の下に基板と同じ結晶方位をもつ単結晶炭化珪
素層を有する。
The silicon substrate manufactured by the method of the present invention has a single-crystal silicon layer on the surface thereof, and a single-crystal silicon carbide layer having the same crystal orientation as the substrate under the single-crystal silicon layer.

【0012】その製造方法を以下に示す。まず、本発明
で使用できるシリコン基板は、公知の製造方法で作製さ
れた基板を使用することができる。
The manufacturing method will be described below. First, as a silicon substrate that can be used in the present invention, a substrate manufactured by a known manufacturing method can be used.

【0013】次いで、上記シリコン基板を800〜13
00℃に加熱・保持する。1300℃を超える場合に
は、結晶多形6Hになるおそれがあるので好ましくな
い。また、加熱・保持は真空中で行なうことが望まし
い。次いで、加熱されたシリコン基板に炭素イオンの注
入を行なうことにより、炭化珪素層を形成させる。炭素
イオンは、200keV以上のエネルギーを与えて加速
する。このように高エネルギー状態の炭素イオンを用い
るので、シリコン基板表面のスパッタによるエッチング
を回避できる結果、基板シリコンと同じ濃度までの多量
の炭素イオンを注入することが可能となる。この場合、
加速させるエネルギーの上限は、所望の炭化珪素埋め込
み層の深さ及び厚さによって適宜調整すれば良いが、通
常は1GeV程度で良い。炭素イオンを加速させるため
の装置としては公知の加速器を用いることができ、例え
ばタンデム型加速器、高周波四重極型加速器、サイクロ
トロン等が挙げられる。イオン注入における上記以外の
操作方法及び条件は、通常のイオン注入法による方法に
従えば良い。
Next, the silicon substrate is coated with 800 to 13
Heat and hold at 00 ° C. If the temperature is higher than 1300 ° C., the polymorph 6H may not be obtained, which is not preferable. It is desirable that heating and holding be performed in a vacuum. Next, a silicon carbide layer is formed by implanting carbon ions into the heated silicon substrate. Carbon ions are accelerated by giving energy of 200 keV or more. Since carbon ions in a high energy state are used, etching of the silicon substrate surface by sputtering can be avoided. As a result, a large amount of carbon ions up to the same concentration as the substrate silicon can be implanted. in this case,
The upper limit of the energy to be accelerated may be appropriately adjusted depending on the desired depth and thickness of the silicon carbide buried layer, but is usually about 1 GeV. As a device for accelerating carbon ions, a known accelerator can be used, and examples thereof include a tandem accelerator, a high-frequency quadrupole accelerator, and a cyclotron. Other operation methods and conditions in the ion implantation may be in accordance with a normal ion implantation method.

【0014】このようにして、高温基板中に炭素イオン
を注入することにより、表面層はもとのシリコン単結晶
状態を保持したまま、当該シリコン基板と同じ結晶方位
をもった単結晶構造をもつ層を一定の深さに形成させる
ことができる。
By implanting carbon ions into the high-temperature substrate in this manner, the surface layer has a single crystal structure having the same crystal orientation as the silicon substrate while maintaining the original silicon single crystal state. The layer can be formed to a certain depth.

【0015】[0015]

【発明の効果】本発明の製造方法によれば、シリコン基
板表面はスパッタによるエッチングが起こらず、即ち表
面層はもとのシリコン単結晶状態を保ったまま、シリコ
ン単結晶と同じ結晶方位をもつ単結晶からなる炭化珪素
埋め込み層を中間層として有するシリコン基板を得るこ
とができる。しかも、炭素イオンに与えるエネルギーの
調整によって、炭化珪素埋め込み層の深さ及び厚さを自
由に制御することも可能である。
According to the manufacturing method of the present invention, the silicon substrate surface is not etched by sputtering, that is, the surface layer has the same crystal orientation as the silicon single crystal while maintaining the original silicon single crystal state. A silicon substrate having a silicon carbide buried layer made of a single crystal as an intermediate layer can be obtained. Moreover, the depth and thickness of the silicon carbide buried layer can be freely controlled by adjusting the energy applied to the carbon ions.

【0016】従って、この様な特異な構造を備えた本発
明によるシリコン基板は、特に各種の電子素材材料など
の用途に有用である。例えば、SiC−Siヘテロ接合
を有する電子素子を作成する場合には、表面部がシリコ
ン単結晶層となっているので、従来の半導体プロセスを
そのまま適用することができる。また、炭化珪素層上に
酸化膜(SiO)を形成する場合には、従来は熱酸化
法により炭化珪素を直接酸化していたのに対し、本発明
方法で得られた基板では、表面層をそのまま酸化するだ
けで良く、より低温でかつ高速で酸化膜を形成すること
が可能である。
Accordingly, the silicon substrate according to the present invention having such a unique structure is particularly useful for various electronic materials. For example, when an electronic device having a SiC-Si heterojunction is manufactured, a conventional semiconductor process can be applied as it is because the surface is a silicon single crystal layer. When an oxide film (SiO 2 ) is formed on a silicon carbide layer, silicon carbide is conventionally directly oxidized by a thermal oxidation method. On the other hand, in a substrate obtained by the method of the present invention, a surface layer is formed. Need only be oxidized as it is, and an oxide film can be formed at a lower temperature and at a higher speed.

【0017】[0017]

【実施例】以下に実施例および比較例を示し、本発明の
特徴とするところをより一層明確にする。
EXAMPLES Examples and comparative examples are shown below to further clarify the features of the present invention.

【0018】実施例1 真空中、880℃に保ったシリコン単結晶基板に、タン
デム型加速器を用いて1.5MeVのエネルギーをもつ
炭素イオンを1.5×1018cm-2注入することによっ
て、本発明基板を得た。
EXAMPLE 1 Carbon ions having an energy of 1.5 MeV were implanted into a silicon single crystal substrate kept at 880 ° C. in a vacuum at 1.5 × 10 18 cm −2 using a tandem accelerator. The substrate of the present invention was obtained.

【0019】このようにして得た基板中における炭素の
深さ方向濃度分布をラザフォード後方散乱法を用いて測
定した結果を図1に示す。図1から明らかなように、炭
素は基板表面には存在せず、表面から一定の深さに炭化
珪素層を形成していることがわかる。
FIG. 1 shows the result of measuring the concentration distribution of carbon in the depth direction in the substrate obtained in this manner by using the Rutherford backscattering method. As is clear from FIG. 1, carbon does not exist on the substrate surface, but forms a silicon carbide layer at a certain depth from the surface.

【0020】また、X線回折分析によって上記炭化珪素
を分析した結果を図2及び図3に示す。この結果より、
立方晶の炭化珪素(3C型)のみが形成されていおり、
しかもシリコン基板(400)面と炭化珪素(200)
面の回折が起こる方位が一致していることからその結晶
方位が同じであることがわかる。
FIGS. 2 and 3 show the results of analyzing the silicon carbide by X-ray diffraction analysis. From this result,
Only cubic silicon carbide (3C type) is formed,
Moreover, the silicon substrate (400) surface and the silicon carbide (200)
Since the directions in which plane diffraction occurs coincide, it can be seen that the crystal orientations are the same.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明方法により得たシリコン基板中の埋め込
み炭化珪素層の状態を示すラザフォード後方散乱法によ
る炭素濃度分布を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a carbon concentration distribution by a Rutherford backscattering method showing a state of a buried silicon carbide layer in a silicon substrate obtained by a method of the present invention.

【図2】本発明方法により得たシリコン基板中のシリコ
ン(400)面からのX線回折の正極点極図形である。
FIG. 2 is a positive pole figure of X-ray diffraction from a silicon (400) plane in a silicon substrate obtained by the method of the present invention.

【図3】本発明方法により得たシリコン基板中の炭化珪
素(200)面からのX線回折の正極点極図形である。
FIG. 3 is a positive pole figure of X-ray diffraction from a silicon carbide (200) plane in a silicon substrate obtained by the method of the present invention.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】シリコン基板に炭素イオンを注入すること
により炭化珪素層を形成させる方法において、800〜
1300℃に加熱・保持した単結晶シリコン基板に対し
200keV以上のエネルギーを与えた炭素イオンを注
入することを特徴とする炭化珪素埋め込み層を有するシ
リコン基板の製造方法。
In a method for forming a silicon carbide layer by implanting carbon ions into a silicon substrate, the method comprises the steps of:
A method for manufacturing a silicon substrate having a silicon carbide buried layer, characterized by implanting carbon ions having an energy of 200 keV or more into a single crystal silicon substrate heated and held at 1300 ° C.
JP5189256A 1993-06-30 1993-06-30 Method for manufacturing silicon substrate having silicon carbide buried layer Expired - Lifetime JP2615406B2 (en)

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US6407014B1 (en) 1999-12-16 2002-06-18 Philips Electronics North America Corporation Method achieving higher inversion layer mobility in novel silicon carbide semiconductor devices
US6303508B1 (en) 1999-12-16 2001-10-16 Philips Electronics North America Corporation Superior silicon carbide integrated circuits and method of fabricating

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JPS63129623A (en) * 1986-11-20 1988-06-02 Seiko Epson Corp Ion beam exposure mask
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JPH03197385A (en) * 1989-12-26 1991-08-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd Preparation of substrate for depositing diamond thin film

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