(57)【要約】  ｃ面またはｃ面を０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜させた面を主面とするＳｉＣ単結晶ウェハと、前記ＳｉＣ単結晶ウェハの前記主面上に形成されたＳｉＣエピタキシャル膜とを含むエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板であって、  前記ＳｉＣエピタキシャル膜に形成される貫通刃状転位列の転位列密度が１０本/ｃｍ２以下であることを特徴とするエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
2009035095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃ面またはｃ面を０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜させた面を主面とするＳｉＣ単結晶ウェハと、前記ＳｉＣ単結晶ウェハの前記主面上に形成されたＳｉＣエピタキシャル膜とを含むエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板であって、
前記ＳｉＣエピタキシャル膜に形成される貫通刃状転位列の転位列密度が１０本/ｃｍ２以下であることを特徴とするエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項２】
前記ＳｉＣ単結晶ウェハの主面が、ｃ面に対して＜１１−２０＞方向に０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項３】
前記貫通刃状転位列が、前記ＳｉＣ単結晶ウェハと前記ＳｉＣエピタキシャル膜との界面付近における基底面転位の伸張に起因するものであることを特徴とする請求項1に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項４】
貫通刃状転位列の長さが１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項５】
前記ＳｉＣ単結晶ウェハにおける前記ｃ面の結晶湾曲が前記主面に向けて凸状とされていることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項６】
前記ＳｉＣ単結晶ウェハにおける前記ｃ面の結晶湾曲の曲率半径が、前記主面に対して連続的かつ一様に凸となる値を有し、その曲率半径値が１０ｍ以上１０００ｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項５に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項７】
ＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて、前記ＳｉＣ単結晶ウェハが凸状に湾曲されていることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項８】
ＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向いた前記ＳｉＣ単結晶ウェハの湾曲が、連続的かつ一様に凸の形状を有し、その湾曲の値が前記ＳｉＣ単結晶ウェハの直径７６ｍｍ当たり０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項７に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項９】
前記ＳｉＣ単結晶ウェハがキャリア濃度の特異領域とそれ以外の領域を有し、特異領域とそれ以外の領域のキャリア濃度の絶対値の差が５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項１０】
前記ＳｉＣエピタキシャル膜と前記ＳｉＣ単結晶ウェハとの間に、バッファ領域が形成されており、前記バッファ領域は、バッファ領域に含まれるキャリア濃度が前記ＳｉＣ単結晶ウェハ側に向けて徐々に増加するように構成され、前記キャリア濃度の変化率が深さ方向０．５μｍ当たり８０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項１１】
前記ＳｉＣ単結晶ウェハの厚みが３５０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項１２】
前記基底面転位に対する前記貫通刃状転位列の割合が５０％以下であることを特徴とする請求項３に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
【請求項１３】
請求項１に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
ＳｉＣ単結晶ウェハの前記主面上に、ＳｉＣエピタキシャル膜がエピタキシャル成長した、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法であって、
ｃ面を主面とする、またはｃ面が０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜する面を主面とするＳｉＣ単結晶ウェハを用意する工程と、
エピタキシャル成長時のＳｉＣ単結晶ウェハの温度分布を、ウェハ中央部からウェハ外周部に向かって正の温度分布を有するように調整しつつ、エピタキシャル成長時のウェハ中央部とウェハ外周部の温度差を０．１℃以上１００℃以下に調整して、ＳｉＣ単結晶ウェハの主面上に、ＳｉＣエピタキシャル膜をエピタキシャル成長させる工程と、貫通刃状転位列の転位列密度が１０本／ｃｍ２以下であるエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を得る工程と、を含む。
【請求項１５】
前記ＳｉＣ単結晶ウェハの主面が、ｃ面に対して＜１１−２０＞方向に０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜していることを特徴とする請求項１４に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項１６】
エピタキシャル成長時のキャリアガスとして水素を用い、前記水素流量が７５ｓｌｍ以下であることを特徴とする請求項１４に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項１７】
エピタキシャル成長時の温度が１６００℃以上であり、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長速度が５μｍ／ｈ以上であり、エピタキシャル成長時の圧力が３００Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とする請求項１４に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項１８】
前記ｃ面の結晶湾曲が前記主面に向けて凸状であるＳｉＣ単結晶ウェハを用いることを特徴とする請求項１４に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項１９】
前記ＳｉＣ単結晶ウェハにおける前記ｃ面の結晶湾曲の曲率半径が、前記主面に対して連続的かつ一様に凸となる値を有し、その曲率半径値が１０ｍ以上１０００ｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１８に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項２０】
ＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凸状に湾曲されているＳｉＣ単結晶ウェハを用いることを特徴とする請求項１４に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項２１】
ＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向かう前記ＳｉＣ単結晶ウェハの湾曲が、連続的かつ一様に凸の形状を有し、その湾曲の大きさの値が前記ＳｉＣ単結晶ウェハの直径７６ｍｍ当たり０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項２０に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項２２】
前記ＳｉＣ単結晶ウェハとして、キャリア濃度の特異領域とそれ以外の領域のキャリア濃度の絶対値の差が５０％以下であるＳｉＣ単結晶ウェハを用いることを特徴とする請求項１４に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項２３】
前記ＳｉＣエピタキシャル膜を形成する前に前記ＳｉＣ単結晶ウェハ上にバッファ領域を形成する工程を備え、
前記バッファ領域は、当該バッファ領域に含まれるキャリア濃度が前記ＳｉＣ単結晶ウェハ側に向けて徐々に増加するように構成され、前記キャリア濃度の変化率が深さ方向０．５μｍ当たり８０％以下とすることを特徴とする請求項１４に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項２４】
前記ＳｉＣ単結晶ウェハの厚みが３５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１４に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項２５】
前記基底面転位に対する前記貫通刃状転位列の割合が５０％以下であることを特徴とする請求項１４に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項２６】
前記ＳｉＣエピタキシャル膜を形成する際に、プラネタリ型の結晶成長装置を用いることを特徴とする請求項１４に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項２７】
請求項１４に記載の製造方法によって製造されたエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板、及びエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法に関するものである。
本願は、日本に２００７年９月１２日に出願された特願２００７−２３６６６１号及び２００８年８月２０日に出願された特願２００８−２１１７５７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に対してバンドギャップが大きな半導体であり、パワーデバイス、高周波デバイス、及び高温動作デバイス等への応用が期待されている。
ＳｉＣとしては多くのポリタイプが存在するが、実用的なＳｉＣ電子デバイスを作製する為に使用されているポリタイプは４Ｈ−ＳｉＣである。ＳｉＣ電子デバイスの製造に用いる基板としては、通常、昇華法等で作製したバルク結晶から加工したＳｉＣ単結晶ウェハを用い、この上にＳｉＣ半導体デバイスの活性領域となるＳｉＣエピタキシャル成長膜を形成する。【０００３】
ＳｉＣ単結晶ウェハには、貫通螺旋転位（Threading  Screw  Dislocation：TSD）や貫通刃状転位（Threading  Edge  Dislocation：TED）、あるいは基底面転位（Basal  Plane  Dislocation：BPD）と呼ばれる結晶欠陥が一般に内在しており、これらの結晶欠陥によってデバイス特性が劣化する場合がある。これらの転位は基本的にはＳｉＣ単結晶ウエハからＳｉＣエピタキシャル膜に伝播する。なお、貫通螺旋転位とは、主に、ｃ軸方向に伝播するバーガーズベクトル（Burgers Vector）が nc[0001] である転位である。また、貫通刃状転位とは、主に、ｃ軸方向に伝播するバーガーズベクトルが a/3<11-20> である転位である。更に、基底面転位とは、ｃ面に存在するバーガーズベクトルが a/3<11-20> である転位である。【０００４】
一方、ＳｉＣエピタキシャル膜内には、ミスフィット転位と呼ばれる転位も発生することが知られている（非特許文献１、２参照）。このミスフィット転位は、ＳｉＣエピタキシャル膜中へと伝播する基底面転位のうちの一つであり、ＳｉＣ単結晶ウェハとＳｉＣエピタキシャル膜との界面付近においてＳｉＣ単結晶ウェハのオフカット方向と直行する方向（オフカット方向が＜１１−２０＞である場合には、＜１−１００＞方向）に伸張が行われたものである。ミスフィット転位は、前記界面付近のストレスを緩和するために伸張がなされたものとされている。【０００５】
更に、ＳｉＣエピタキシャル膜には、ＳｉＣ単結晶ウェハから伝播した貫通刃状転位だけではなく、貫通刃状転位列が形成されることがある。具体的には、エピタキシャル成長時に新たに発生した２個の貫通刃状転位がペアになり、オフカット方向が＜１１−２０＞である場合には、この２個の転位のペアが＜１−１００＞方向に列状に並んで連続し、貫通刃状転位列を形成することがある。貫通刃状転位列が発生する結果、エピタキシャル膜の方が単結晶ウェハよりも転位密度が高くなり、エピタキシャル成長において結晶性を悪くしてしまうことがある。この貫通刃状転位のペアは、その底部において基底面転位によってハーフループ状につながっている。このハーフループの存在は、非特許文献３において存在が示唆されていたが、その発生原因が不明であったため、貫通刃状転位列を有効に低減する手段が不明であった。【０００６】
なお、前述の基底面転位は、スイッチングデバイスにおいて信頼性を低下させることが知られており、低減することが望まれていた。また、貫通刃状転位列は、エピタキシャル膜中に新たに発生した刃状転位であり、エピタキシャル膜とＳｉＣ単結晶ウェハとの転位密度の比較をするとこの貫通刃状転位列の為にエピタキシャル膜の方が転位密度が高くなってしまう為、エピタキシャル膜の高品質化の点において、その低減が望まれている。
【非特許文献１】Ｘ．Ｚｈａｎｇ、Ｓ．Ｈａ、Ｙ．Ｈａｎｌｕｍｎｙａｎｇ、Ｃ．Ｈ．Ｃｈｏｕ、Ｖ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ、Ｍ．Ｓｋｏｗｒｏｎｓｋｉ、Ｊ．Ｊ．Ｓｕｍａｋｅｒｉｓ、Ｍ．Ｊ．Ｐａｉｓｌｅｙ ａｎｄ Ｍ．Ｊ．Ｏ’Ｌｏｕｇｈｌｉｎ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． １０１ （２００７） ０５３５１７
【非特許文献２】Ｈ．Ｊａｃｏｂｓｏｎ、Ｊ．Ｐ．Ｂｅｒｇｍａｎ、Ｃ．Ｈａｌｌｉｎ、Ｅ．Ｊａｎｚｅｎ、Ｔ．Ｔｕｏｍｉ  ａｎｄ  Ｈ．Ｌｅｎｄｅｎｍａｎｎ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９５（２００４）１４８５
【非特許文献３】Ｓ． Ｈａ ｅｔ ａｌ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ２６２ （２００４） ｐ．１３０−１３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ＳｉＣエピタキシャル膜における貫通刃状転位列を低減したエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板、及びエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題について本発明者らが鋭意研究を重ねたところ、貫通刃状転位列の発生がミスフィット転位と直接的な関係があることを見出し、これに基づいて貫通刃状転位列を低減する方法を見出した。本発明は以下の構成を採用することによって、貫通刃状転位列の低減を可能にするものである。【０００９】
［１］  ｃ面またはｃ面を０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜させた面を主面とするＳｉＣ単結晶ウェハと、前記ＳｉＣ単結晶ウェハの前記主面上に形成されたＳｉＣエピタキシャル膜とを含むエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板であって、前記ＳｉＣエピタキシャル膜に形成される貫通刃状転位列の転位列密度が１０本/ｃｍ２以下であることを特徴とするエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［２］  前記ＳｉＣ単結晶ウェハの主面が、ｃ面に対して＜１１−２０＞方向に０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜していることを特徴とする［１］に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［３］  前記貫通刃状転位列が、前記ＳｉＣ単結晶ウェハと前記ＳｉＣエピタキシャル膜との界面付近における基底面転位の伸張に起因するものであることを特徴とする［１］または［２］に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［４］  貫通刃状転位列の長さが１ｍｍ以下であることを特徴とする［１］乃至［３］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［５］  前記ＳｉＣ単結晶ウェハにおける前記ｃ面の結晶湾曲が前記主面に向けて凸状とされていることを特徴とする［１］乃至［４］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［６］  前記ＳｉＣ単結晶ウェハにおける前記ｃ面の結晶湾曲の曲率半径が、前記主面に対して連続的かつ一様に凸の値を有し、その曲率半径値が１０ｍ以上１０００ｍ以下の範囲にあることを特徴とする［５］に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［７］  ＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて、前記ＳｉＣ単結晶ウェハが凸状に湾曲されていることを特徴とする［１］乃至［４］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［８］  ＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向いた前記ＳｉＣ単結晶ウェハの湾曲が、連続的かつ一様に凸の形状を有し、その湾曲（反り）の値が前記ＳｉＣ単結晶ウェハの直径７６ｍｍ当たり０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲にあることを特徴とする［７］に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［９］  前記ＳｉＣ単結晶ウェハがキャリア濃度の特異領域とそれ以外の領域を有し、特異領域とそれ以外の領域のキャリア濃度の絶対値の差が５０％以下であることを特徴とする［１］乃至［４］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［１０］  前記ＳｉＣエピタキシャル膜と前記ＳｉＣ単結晶ウェハとの間にバッファ領域が形成されており、前記バッファ領域は、当該バッファ領域に含まれるキャリア濃度が前記ＳｉＣ単結晶ウェハ側に向けて徐々に増加するように構成され、前記キャリア濃度の変化率が深さ方向０．５μｍ当たり８０％以下であることを特徴とする［１］乃至［４］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［１１］  前記ＳｉＣ単結晶ウェハの厚みが３５０ｍｍ以上であることを特徴とする［１］乃至［１０］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［１２］  前記基底面転位に対する前記貫通刃状転位列の割合が５０％以下であることを特徴とする［１］乃至［１１］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板。
［１３］  ［１］〜［１２］のいずれか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を備えたことを特徴とする半導体装置。
［１４］  ＳｉＣ単結晶ウェハの前記主面上に、ＳｉＣエピタキシャル膜がエピタキシャル成長した、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法であって、
ｃ面を主面とする、またはｃ面が０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜する面を主面とする、ＳｉＣ単結晶ウェハを用意する工程と、
エピタキシャル成長時のＳｉＣ単結晶ウェハの温度分布を、ウェハ中央部からウェハ外周部に向かって正の温度分布を有するように調整しつつ、エピタキシャル成長時のウェハ中央部とウェハ外周部の温度差を０．１℃以上１００℃以下に調整して、ＳｉＣ単結晶ウェハの主面上に、ＳｉＣエピタキシャル膜をエピタキシャル成長させる工程と、
貫通刃状転位列の転位列密度が１０本／ｃｍ２以下である、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を得る工程と、を含む。
［１５］  前記ＳｉＣ単結晶ウェハの主面が、ｃ面に対して＜１１−２０＞方向に０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜していることを特徴とする［１４］に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［１６］  エピタキシャル成長時のキャリアガスとして水素を用い、前記水素流量が７５ｓｌｍ以下であることを特徴とする［１４］または［１５］に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［１７］  エピタキシャル成長時の温度が１６００℃以上であり、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長速度が５μｍ／ｈ以上であり、エピタキシャル成長時の圧力が３００Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とする［１４］乃至［１６］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［１８］  前記ｃ面の結晶湾曲が前記主面に向けて凸状であるＳｉＣ単結晶ウェハを用いることを特徴とする［１４］乃至［１７］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［１９］  前記ＳｉＣ単結晶ウェハにおける前記ｃ面の結晶湾曲の曲率半径が、前記主面に対して連続的かつ一様に凸となる値を有し、その曲率半径値が１０ｍ以上１０００ｍ以下の範囲にあることを特徴とする［１８］に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［２０］  ＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凸状に湾曲されているＳｉＣ単結晶ウェハを用いることを特徴とする［１４］乃至［１７］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［２１］  ＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向かう前記ＳｉＣ単結晶ウェハの湾曲が、連続的かつ一様に凸の形状を有し、その湾曲（反り）の大きさの値が前記ＳｉＣ単結晶ウェハの直径７６ｍｍ当たり０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲にあることを特徴とする［２０］に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［２２］  前記ＳｉＣ単結晶ウェハとして、キャリア濃度の特異領域とそれ以外の領域のキャリア濃度の絶対値の差が５０％以下であるＳｉＣ単結晶ウェハを用いることを特徴とする［１４］乃至［１７］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［２３］  前記ＳｉＣエピタキシャル膜を形成する前に前記ＳｉＣ単結晶ウェハ上にバッファ領域を形成する工程を備え、前記バッファ領域は、当該バッファ領域に含まれるキャリア濃度が前記ＳｉＣ単結晶ウェハ側に向けて徐々に増加するように構成され、前記キャリア濃度の変化率が深さ方向０．５μｍ当たり８０％以下とすることを特徴とする［１４］乃至［１７］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［２４］  前記ＳｉＣ単結晶ウェハの厚みが３５０μｍ以上であることを特徴とする［１４］乃至［２３］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［２５］  前記基底面転位に対する前記貫通刃状転位列の割合が５０％以下であることを特徴とする［１４］乃至［２４］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［２６］  前記ＳｉＣエピタキシャル膜を形成する際に、プラネタリ型の結晶成長装置を用いることを特徴とする［１４］乃至［２５］の何れか一項に記載のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
［２７］  ［１４］乃至［２６］のいずれか一項に記載の製造方法によって製造されたエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
なお上記[１]のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板、及び上記[１３] に開示される[１]のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を備えた半導体装置、及び、記[１４] に開示されるエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板は、本発明の第１の態様、第２の態様、及び第３の態様である。なお、その他の[２]〜[１２]、及び[１５]〜[２７]は本願の好ましい例を示したものであり、本発明をこれらのみに限定するものではない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板におけるＳｉＣエピタキシャル膜の貫通刃状転位列の発生を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施形態において使用されるエピタキシャル成長装置を示す断面模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態であるエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を構成するＳｉＣ単結晶ウェハの断面模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態であるエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を構成するＳｉＣ単結晶ウェハの斜視模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態であるエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の断面模式図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態であるエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の斜視模式図である。
【図６】図６は、貫通刃状転位列の発生メカニズムを説明する断面模式図である。
【図７】図７は、貫通刃状転位列の発生メカニズムを説明する断面模式図である。
【図８】図８は、貫通刃状転位列の発生メカニズムを説明する断面模式図である。
【図９】図９は、貫通刃状転位列の発生メカニズムを説明する断面模式図である。
【図１０】図１０は、貫通刃状転位列の発生メカニズムを説明する平面模式図である。
【図１１】図１１は、実施例１のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の貫通刃状転位列の転位列本数を頻度とする、貫通刃状転位列の長さのヒストグラムである。
【図１２】図１２は、比較例１のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の貫通刃状転位列の転位列本数を頻度とする、貫通刃状転位列の長さのヒストグラムである。
【図１３】図１３は、実験例１のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板におけるＳｉＣ単結晶ウェハの厚みと転位列の密度との関係を示すグラフである。
【図１４】図１４は、実験例２のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板におけるＳｉＣ単結晶ウェハの反り量と転位列の密度との関係を示すグラフである。
【図１５】図１５は、実験例３のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の反射Ｘ線トポグラフ写真である。
【図１６】図１６は、実験例３のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板のＫＯＨエッチング後の光学顕微鏡写真である。
【図１７】図１７は、図１６の拡大写真である。
【図１８】図１８は、実験例４のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の反射Ｘ線トポグラフ写真である。
【図１９】図１９は、実験例４のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板のキャリア濃度分布を示す図である。
【図２０】図２０は、実験例５のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の反射Ｘ線トポグラフ写真である。
【符号の説明】
【００１２】
１    ＳｉＣ単結晶ウェハ
２    ＳｉＣエピタキシャル膜
１１  貫通刃状転位列
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。しかしながら本発明はこれら例のみに限定されるものではない。特に記載の無い限り、数、位置、材料などを必要に応じて選択してよいものである。【００１４】
本実施形態のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板は、ＳｉＣ単結晶ウェハと、ＳｉＣ単結晶ウェハの主面上に形成されたＳｉＣエピタキシャル膜とを含んで構成されている。
従来のＳｉＣエピタキシャル膜には一般に貫通刃状転位列が発生していたが、本実施形態のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板においては、この転位列密度が１０本/ｃｍ２以下である。転位列密度が１０本/ｃｍ２以下であれば、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板上にデバイスを形成した場合にデバイスの劣化を低減できる。なお転位列密度は、大電流デバイスでも用いるために０本以上０．５本/ｃｍ２以下であることがより好ましく、さらには貫通刃状転位密度がゼロであることが最も望ましい。【００１５】
貫通刃状転位列は、一対の貫通刃状転位が基底面転位によってハーフループ状に繋がれたものである。この貫通刃状転位列は、ＳｉＣエピタキシャル膜の表面を溶融ＫＯＨによってエッチング処理し、エッチング後のＳｉＣエピタキシャル膜の表面を光学顕微鏡によって観察したときに、一対の貫通刃状転位によるピットが線状に連なった状態で観察される。本実施形態のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板では、このようにして観察される一組の貫通刃状転位列の長さが１ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、０ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であり、０ｍｍ以上０．０１ｍｍ以下であればさらに好ましい。１ｍｍ以下であることにより、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板上にデバイスを形成した場合にデバイスの歩留まり劣化を低減できる。【００１６】
この貫通刃状転位列は、ＳｉＣ単結晶ウェハとＳｉＣエピタキシャル膜との界面付近における基底面転位の伸張に起因するものである。すなわち、ＳｉＣ単結晶ウェハに内在する基底面転位がＳｉＣエピタキシャル膜に伝搬し、その伝搬した基底面転位の一部が、ＳｉＣ単結晶ウェハとＳｉＣエピタキシャル膜との界面付近において伸張するミスフィット転位となる。そしてこのミスフィット転位が、前記界面付近のストレスを緩和するように伸張し、エピタキシャル膜の成長面近傍においてミスフィット転位の先端が貫通刃状転位に転換され、この貫通刃状転位が最終的に貫通刃状転位列となる。従って、貫通刃状転位列を低減するには、以下の（I）〜（III）の少なくとも何れか、好ましくは全てを行う事が有効である。
（I）ＳｉＣエピタキシャル膜の前記界面付近のストレスを低減することでミスフィット転位の伸張を抑制する。
（II）ミフフィット転位の原因である基底面転位の、ＳｉＣ単結晶ウエハからＳｉＣエピタキシャル膜への伝播を抑制する。
（III）ＳｉＣエピタキシャル膜の成長条件を最適化することでミスフィット転位から貫通刃状転位への転換を抑制する。【００１７】
（I）で記載されたような、前記界面付近のストレスを低減するためには、ＳｉＣエピタキシャル膜の基材となるＳｉＣ単結晶ウェハを最適化すればよい。すなわち、本実施形態においては、以下の構成のＳｉＣ単結晶ウェハを用いることが好ましい。【００１８】
本実施形態に係るＳｉＣ単結晶ウェハは、ｃ面を主面とするか、またはｃ面を０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜させた面を主面とする単結晶ウェハであり、具体的には４Ｈ−ＳｉＣ型の単結晶ウェハである。主面がｃ面に対して傾斜しているものを使用する場合には、主面が、ｃ面に対して＜１１−２０＞方向に０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜していることが好ましい。なお、ＳｉＣ単結晶ウェハの主面とは、ＳｉＣエピタキシャル膜を積層する面をいう。また、ｃ面とは、４Ｈ−ＳｉＣ結晶の（０００１）面をいう。更に、本明細書における結晶の方位を表すミラー指数の表記については、たとえば＜１１−２０＞方向と表記した場合の前記「−２」は、本来は「２」の上に上線を付記することを意味するものである。【００１９】
ＳｉＣ単結晶ウェハは、ＳｉＣ結晶のｃ面（（０００１）面）を主面とするか、またはｃ面を０度超１０度未満の傾斜角度で傾斜させた面を主面とすることで、ＳｉＣ単結晶ウェハと同一タイプの４Ｈ−ＳｉＣ結晶からなるＳｉＣエピタキシャル膜をＳｉＣ単結晶ウェハ上に成長できる。【００２０】
また、ＳｉＣ単結晶ウェハは、ｃ面の結晶湾曲がウェハの主面に向けて連続的かつ一様に凸状とされていることが好ましい。ｃ面の結晶湾曲が連続的かつ一様に凸状とは、ｃ面の結晶湾曲に角張ったところが無く滑らかな状態であって、部分的に凹状になっているところがＳｉＣ単結晶ウェハ内にないことを意味する。ｃ面の結晶湾曲の曲率半径は、１０ｍ以上１０００ｍ以下の範囲であることが好ましく、は１０ｍ以上３００ｍ以下である事がより好ましい。ｃ面の結晶湾曲が主面に向けて凸状であることにより、ＳｉＣエピタキシャル膜に引っ張り応力が生じて膨張性ストレスが顕著となる一方で圧縮性ストレスが緩和され、これにより貫通刃状転位列の転位列密度を低減することが可能になる。ここで、結晶湾曲の曲率半径が１０ｍより小さい場合にはＳｉＣエピタキシャル膜に加わる膨張性ストレスが大きくなりすぎて密度が増大する恐れが高まり、ｃ面の結晶湾曲の曲率半径が１０００ｍより大きい場合には結晶湾曲が実質的にゼロとなって結晶湾曲を連続的かつ一様に凸状とすることが困難となる。【００２１】
また、ＳｉＣ単結晶ウェハは、主面に向けて、すなわちＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて、連続的かつ一様に凸状に反っている（湾曲されている）ことが好ましい。ウエハが主面に向けて、すなわちＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて、連続的かつ一様に凸状に反っているとは、ウエハの結晶湾曲に角張ったところが無く滑らかな状態であって、部分的に凹状になっているところがないことを意味する。ＳｉＣ単結晶ウェハの湾曲の大きさ（反り）は、ＳｉＣ単結晶ウェハの直径７６ｍｍ当たり、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲にあることが好ましい。より好ましくは５μｍ以上１０μｍ以下である。ＳｉＣ単結晶ウェハがＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凸状に反っていることにより、ＳｉＣエピタキシャル膜に引っ張り応力が生じて膨張性ストレスが顕著となる一方で圧縮性ストレスが緩和され、これにより貫通刃状転位列の転位列密度を低減することが可能になる。
上記反りを計測して定量化する方法はいくつかあるが、本明細書においてはＷａｒｐの値を用いる。Ｗａｒｐとは、ウエハをチャックしないフリーな状態で計測を行い、焦平面を基準面として、その面から上下方向のズレの最大値の合計として定義される。Ｗａｒｐは、ウエハの反りの定量化の場合に一般的に用いられる指標の一つである。ウエハ形状が一様に上に凸であるなどの単純な形状の場合には、Ｗａｒｐの計測値は一般的な定義での反りの値に対応しており、よって一致するものとして考えて良い。本文中において、形状をさす場合には“反り”を用い説明し、また実施例において特に定量化の方法を明示する必要がある場合には“Ｗａｒｐ”を用いることにする。ここで、そりがＳｉＣ単結晶ウェハの直径７６ｍｍ当たり０．１μｍより小さい場合にはそりが実質的にゼロとなってそりを連続的かつ一様に凸状とすることが困難となり、そりがＳｉＣ単結晶ウェハの直径７６ｍｍ当たり１０μｍより大きい場合にはＳｉＣエピタキシャル膜に加わる膨張性ストレスが大きくなりすぎて貫通刃状転位列の転位列密度が増大する恐れが高まる。【００２２】
なお、本発明ではウエハの反りの大きさを好ましくは、単結晶ウェハの直径７６ｍｍ当たり０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲である、と規定している。しかしながら、この規定は、本発明に係るＳｉＣ単結晶ウェハの直径を７６ｍｍ（３インチ）のみに限定するものではない。本発明においてはその他の直径の単結晶ウエハであっても好ましく使用でき、好ましい反りの範囲も、ウエハの直径に対応させて変更して良い。例えば、直径２インチのウエハであれば、反り量の範囲は０．０６７μｍ〜６．７μｍとなり、直径３インチのウエハであれば、反り量の範囲は０．１μｍ〜１０μｍとなり、直径４インチのウエハであれば、反り量の範囲は０．１３μｍ〜１３．３μｍとなる。このように本発明では、反り量を直径との関係を規定できるものである。【００２３】
本発明において、ＳｉＣ単結晶ウェハとしては、ｃ面が湾曲しているもの、または、ＳｉＣ単結晶ウェハ自体が主面に向けてすなわちＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凸状に反っているもの、のいずれか一方を満たすものを用いればよい。また、ｃ面が湾曲し、かつＳｉＣ単結晶ウェハ自体が凸状に反っているものを用いてもよい。【００２４】
更に、本実施形態のＳｉＣ単結晶ウエハには、電気抵抗を制御するために窒素等のドーパントが好ましく添加されている。ドーパントの濃度（キャリア濃度）は、例えば、１×１０１５〜１×１０１9ｃｍ−３程度の範囲が好ましく、１×１０１５ｃｍ−３〜１×１０１7ｃｍ−３の範囲がより好ましい。【００２５】
また、ＳｉＣ単結晶ウエハのドーパント濃度は、ウエハの主面の面内において一定の濃度であることが好ましいが、ＳｉＣ単結晶ウエハの製造過程においてドーパント濃度に分布が生じる場合がある。例えば、主面上のある領域におけるドーパント濃度が、主面上のその他の領域におけるドーパント濃度よりも高くなる場合がある。本実施形態では、ドーパント濃度が高くなる領域を「キャリア濃度の特異領域」と呼び、その他の領域を「それ以外の領域」とよぶ。この特異領域は例えば、主面上に島状に現れる。本実施形態のＳｉＣ単結晶ウエハは、特異領域のドーパント濃度と、それ以外の領域のドーパント濃度との絶対値の差が、５０％以下になるものを用いることが好ましい。言い換えると、特異領域のドーパント濃度をａ（ｃｍ−３）とし、それ以外の領域のドーパント濃度をｂ（ｃｍ−３）とした場合に、ｂ／ａが０．５以上１以下の範囲であることが好ましい。特異領域とそれ以外の領域とのドーパント濃度の差が５０％を超えると（ｂ／ａが０．５未満になると）、貫通刃状転位列の転位列密度が増大するので好ましくない。【００２６】
以下、特異領域とそれ以外の領域とのドーパント濃度の差を５０％以下に限定する理由を説明する。
ＳｉＣ単結晶には、ドーパント濃度が増加するに従ってＳｉＣ結晶の格子定数が減少する性質がある。従って、キャリア濃度の特異領域におけるＳｉＣの格子定数は、それ以外の領域の格子定数に比べて小さくなる。また、ＳｉＣエピタキシャル膜の格子定数は本来、ドーパント濃度によって決まるが、実際にはエピタキシャル成長の下地となるＳｉＣ単結晶ウエハの格子定数にも影響される。
ここで、キャリア濃度の特異領域上にＳｉＣエピタキシャル膜がエピタキシャル成長すると、このＳｉＣエピタキシャル膜は、特異領域のＳｉＣ単結晶の格子定数に合うように成長するため、この部分の主面内上に形成されるＳｉＣエピタキシャル膜の格子定数は本来のエピタキシャル膜の格子定数よりも小さくなる。
一方、それ以外の領域上に形成されるＳｉＣエピタキシャル膜は、それ以外の領域のＳｉＣ単結晶の格子定数に合うように成長するため、特異領域上のエピタキシャル膜よりも、この部分の主面内上に形成されるＳｉＣエピタキシャル膜の格子定数は大きくなる。
このように、特異領域が存在することによって、ＳｉＣエピタキシャル膜の主面内に、格子定数が大きい部分と小さい部分が生じる。主面内の格子定数が小さな部分では、エピタキシャル膜に圧縮応力が印加された状態になっている。このため、特異領域では、貫通刃状転位列の転位列密度が増大しやすくなる。【００２７】
本発明者らは、主面における特異領域の面積比よりも、特異領域とそれ以外の領域とのドーパント濃度の差を５０％以下にすることが、貫通刃状転位列の転位列密度を低減する際に有効であることを見出した。ドーパント濃度差を５０％以下にすることで、貫通刃状転位列の転位列密度を１０本/ｃｍ２以下にすることがより容易になる。
なお、ドーパント濃度の差を５０％以下にする場合は、併せて、ＳｉＣ単結晶ウエハにおけるｃ面の結晶湾曲をウエハの主面に向けて凸状とするか、あるいはＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けてＳｉＣ単結晶ウェハが凸状に湾曲されていることがより好ましい。【００２８】
更に、ＳｉＣ単結晶ウェハの厚みは、３５０μｍ以上であることが好ましい。より好ましくは３５０μｍ以上６００μｍ以下である。厚みが３５０μｍ以上であれば、エピタキシャル成長時における熱分布に起因するＳｉＣ単結晶ウェハの反りの増大が十分に抑制される。よって、ＳｉＣエピタキシャル膜に加わるストレスが小さくなり、これによりエピタキシャル膜におけるミスフィット転位の数を少なくすることができ、貫通刃状転位列の転位列密度を低減することが可能になる。ここで、ＳｉＣ単結晶ウェハの厚みが３５０μｍより小さい場合には、エピタキシャル成長時における熱分布の不均一性に起因するＳｉＣ単結晶ウェハの反りが大きくなってしまい、ＳｉＣエピタキシャル膜に加わるストレスが大きくなる。これによりエピタキシャル膜におけるミスフィット転位の数が増えることで貫通刃状転位列の転位列密度が増大する可能性が高まる。【００２９】
本実施形態では、ＳｉＣエピタキシャル膜の厚みや、ＳｉＣエピタキシャル膜に窒素等のドーパントを導入する場合のドーパント濃度（キャリア濃度）は、特に制限されず必要に応じて選択してよい。ＳｉＣエピタキシャル厚みは１〜１００μｍ程度であることが好ましく、さらに好ましくは６〜１０μｍ程度である。またＳｉＣエピタキシャル膜のドーパント濃度は、例えば１×１０１５〜１×１０１９ｃｍ−３程度の範囲として、ＳｉＣ単結晶ウェハのドーパント濃度より低くすることが、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板に形成するデバイスの耐圧を向上できる点で好ましい。より好ましいドーパント濃度は、０．５×１０１6ｃｍ−３以上１×１０１7ｃｍ−３未満の範囲である。【００３０】
また、ＳｉＣエピタキシャル膜のＳｉＣ単結晶ウェハと接する側には、バッファ領域を設けることが好ましい。このバッファ領域は、ＳｉＣエピタキシャル膜とＳｉＣ単結晶ウェハとのドーパント濃度差を緩和するものであり、当該バッファ領域に含まれるドーパンド濃度（キャリア濃度）がＳｉＣ単結晶ウェハ側に向けて徐々に増大するように構成される。バッファ領域の厚さは０．１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上３μｍ以下であることがより好ましい。このバッファ領域は、ＳｉＣ単結晶ウェハと接していることが好ましい。【００３１】
ＳｉＣ単結晶ウエハのドーパント濃度は、ＳｉＣエピタキシャル膜のドーパント濃度よりも高い。このため、ＳｉＣ単結晶ウエハとＳｉＣエピタキシャル膜との界面において応力集中が起きやすく、界面転位が出来やすい状況にある。そこで、ＳｉＣエピタキシャル膜のＳｉＣ単結晶ウェハと接する側にバッファ領域を形成することによって、ＳｉＣエピタキシャル膜とＳｉＣ単結晶ウェハとの界面における応力集中を緩和させ、これにより界面転位の発生を防止して貫通刃状転位列の転位列密度を低減できる。【００３２】
また、バッファ領域におけるキャリア濃度の変化率は、エピタキシャル膜からＳｉＣ単結晶ウエハに向かう方向に沿って、０．５μｍの深さ当たり８０％以下であることが好ましい。(キャリア濃度の変化率は、キャリア濃度が上記の方向に変化する場合、キャリア濃度が高い部分の濃度値を基準にし、変化量の値の割合を、比率で表すとする）変化率が８０％を超えると、ドーパント濃度の変化幅が大きくなり過ぎて、エピタキシャル膜中における応力が増大し、貫通刃状転位列の転位列密度が増大しやすくなるので好ましくない。【００３３】
バッファ領域は、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長過程において、ドーパント濃度を徐々に減少させるように制御することで、ＳｉＣエピタキシャル膜と一体となって形成できる。バッファ領域の厚みは、ＳｉＣ単結晶ウエハ、及びＳｉＣエピタキシャル膜の各ドーパント濃度に合わせて適宜設定すればよい。【００３４】
次に、本実施形態のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法について説明する。
まず、上記のＳｉＣ単結晶ウェハを用意する。ＳｉＣ単結晶ウェハの主面は、ＲＣＡ洗浄等によって予め前処理しておくことが好ましい。【００３５】
次に、ＳｉＣ単結晶ウェハをエピタキシャル成長装置に導入する。ＳｉＣエピタキシャル成長に用いる装置はいくつかの方式が提案されており、成長条件が制御できれば特に限定されず必要に応じて選択してよい。本実施形態では、量産性に優れたプラネタリ型のエピタキシャル成長装置を用いる。プラネタリ型のエピタキシャル成長装置は、中央部からガス供給を行う形式の成長装置である。このプラネタリ型エピタキシャル成長装置では、ガスの供給口を中心にして複数のウエハを水平に配置する。そして、ガス供給口を中心にして全てのウェハを公転させるとともに、ウェハ中心を軸にしてウェハ自体を自転させる、水平自公転型のエピタキシャル成長装置である。また、この成長装置としては、ＳｉＣ単結晶ウェハに対向する部分も過熱するホットウオール型を用いることが好ましい。【００３６】
図１に、エピタキシャル成長装置の一例を示す。図１に示すエピタキシャル成長装置１０１は、黒鉛からなる円盤状のプラネタリ１０２と、黒鉛からなる円盤状のシーリング１０３と、プラネタリ１０２とシーリング１０３との間に設けられた反応室１０４と、シーリング１０３の中央部を貫通して反応室１０４内にガスを供給するガス供給部１０５と、プラネタリ１０２及びシーリング１０３をそれぞれ加熱する高周波コイル１０６、１０７とから概略構成されている。【００３７】
プラネタリ１０２の下面中央部には、公転用回転軸１０２ａが取り付けられ、また上面周辺部には、上面中央部を囲むように複数のＳｉＣ単結晶ウェハの設置部１０２ｂ（サセプタ）が設けられている。各設置部１０２ｂには、図示しない自転用回転軸が取り付けられている。また、公転用回転軸１０２ａは、ガス供給部１０５の直下に配置されている。
上記構成によって、ガス供給部１０５を中心軸にしてＳｉＣ単結晶ウェハをプラネタリ１０２によって公転させるとともに、ＳｉＣ単結晶ウェハの中心を軸にしてＳｉＣ単結晶ウェハ自体を設置部１０２ｂによって自転させるようになっている。【００３８】
このような成長装置においては、中心部に配置されたガス供給部１０５より冷たいガスが導入されることや、プラネタリ１０２の中心部には誘導加熱が加わりづらいことから、一般的に、中心部に近づくにつれてプラネタリ１０２の温度が低下しやすい。この影響を受けて、自転する各サセプタ１０２ｂの外周部、すなわちサセプタ１０２ｂ上に設置されるＳｉＣ単結晶ウエハの外周部の温度が低下する傾向がある。このため、一般的なプラネタリ型のエピタキシャル成長装置おいては、設置されるＳｉＣ単結晶ウエハが、ウエハ中央部で温度が最も高く、ウエハ外周部にいくにつれて温度が低下する温度勾配を有することになる。このＳｉＣ単結晶ウエハの温度勾配は、エピタキシャル成長過程においてＳｉＣ単結晶ウエハの中央部に圧縮性のストレスを生じさせる。【００３９】
このＳｉＣ単結晶ウエハの温度勾配は、導入するガスの流量や、誘導加熱コイルの位置の変更などによって変化する。本実施形態では、ウエハ中央部で温度が最も低く、ウエハ外周部にいくにつれて温度が高くなる温度勾配を有するように、導入するガスの流量や、誘導加熱コイルの位置を調整することが望ましい。【００４０】
次に、ＳｉＣ単結晶ウェハの主面上にＳｉＣエピタキシャル膜を成長させる。
ＳｉＣ単結晶ウェハを図１のエピタキシャル成長装置に設置した後、ガス供給部から原料ガスをキャリアガスとともに供給する。原料ガス、キャリアガス及びドーパントガスなどは、必要に応じて選択してよい。例えば、原料ガスとしては、ＳｉＨ４とＣ３Ｈ８の混合ガスを使用し、キャリアガスとしては水素を使用できる。また、ドーパントガスとして窒素を導入してもよい。また、原料ガスにおけるＣ／Ｓｉモル比は、０．３〜３程度にすれば好ましい。また、キャリアガスとして水素を用いた場合の水素流量は７５ｓｌｍ以下とすることが好ましく、５０ｓｌｍ以上７５ｓｌｍ以下とすることがより好ましい。
また、成長条件は必要に応じて設定して良い。ＳｉＣエピタキシャル膜の成長速度を５μｍ／ｈ以上とし、成長温度を１５５０℃以上、好ましくは１６００℃以上とし、ＳｉＣエピタキシャル膜を成長する際の雰囲気圧力を３００Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましい。ＳｉＣエピタキシャル膜の成長速度を５μｍ／ｈ〜２０μｍ／ｈの範囲とし、成長温度を１６００℃〜１６５０℃の範囲とし、エピタキシャル膜を成長する際の雰囲気圧力を５０Ｔｏｒｒ〜３００Ｔｏｒｒの範囲とすることがより好ましい。
このような成長条件でＳｉＣエピタキシャル膜を成長させることで、ミスフィット転位から貫通刃状転位への転換を抑制することができ、貫通刃状転位列の転位列密度を１０本／ｃｍ２以下にすることがより容易になる。【００４１】
また、エピタキシャル成長時のＳｉＣ単結晶ウェハの温度分布を、ウェハ中央部からウェハ外周部まで連続的に一様に正の温度分布とする、すなわちウエハ中央部から外周部に向けて温度を徐々に上昇させる、とともに、ウェハ中央部とウェハ外周部の温度差を０．１℃以上１００℃以下の範囲にすることが好ましい。ＳｉＣ単結晶ウェハの温度分布を上記のように制御することで、ＳｉＣエピタキシャル膜のウェハ中央部において膨張性のストレスが発生する。特に、ＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凸状に反ったＳｉＣ単結晶ウェハを用いた場合には、ＳｉＣエピタキシャル膜における膨張性のストレスが更に強まる。これにより、ミスフィット転位から貫通刃状転位への転換を抑制することができる。
ここで、ウェハ中央部とウェハ外周部の温度差が０．１℃より低い場合には、温度勾配が実質的にゼロとなって温度分布を連続的かつ一様に正とすることが困難となり、ウェハ中央部とウェハ外周部の温度差が１００℃より高い場合には、温度分布が大きくなりすぎて欠陥密度が増大する恐れが高まる。【００４２】
上記の製造条件によってＳｉＣエピタキシャル膜を成長させることによって、ＳｉＣエピタキシャル膜中のミスフィット転位を含む基底面転位に対する貫通刃状転位列の割合が５０％以下となり、貫通刃状転位列の密度を低減させることがより容易になる。【００４３】
以下、本実施形態の作用効果について、貫通刃状転位列の発生メカニズムを中心に説明する。【００４４】
「貫通刃状転位列の発生メカニズム」
貫通刃状転位列の発生メカニズムについて、４Ｈ−ＳｉＣからなるＳｉＣ単結晶ウェハの主面上に４Ｈ−ＳｉＣからなるＳｉＣエピタキシャル膜を形成する場合を例にして説明する。図２及び図３に示すＳｉＣ単結晶ウェハ１（以下、ウェハと表記する場合がある）は、主面１ａが、図中一点鎖線で示すｃ面（（０００１）面）に対して＜１１−２０＞方向に０度以上１０度未満の傾斜角度で傾斜している、ＳｉＣ単結晶ウェハである。なお図における傾斜角度は分かりやすく記載されたものであり、実際の傾斜角度とは異なっていても良いものとする。【００４５】
次に図４及び図５に示すように、ＳｉＣ単結晶ウェハ１にＳｉＣエピタキシャル膜２（以下、エピタキシャル膜と表記する場合がある）を形成する。エピタキシャル膜２におけるＳｉＣ結晶のｃ面は、図中二点鎖線に示すように、ウェハ１のｃ面と平行に形成される。
このとき、図５に示すように、エピタキシャル膜２には主に、（ａ）〜（ｃ）の３種類の基底面転位が発生する。すなわち、図５の符号（ａ）に示されるような、ウェハ１とエピタキシャル膜２との界面（以下、epi/sub界面という）において、ウェハ１に内在する基底面転位（BPD（以下u-BPDと表記する））がエピタキシャル膜２中に基底面転位（BPD（以下、epi-BPDと表記する））として伝播するものがある。また、図５の符号（ｂ）に示すように、ＳｉＣ単結晶ウェハ１中の貫通刃状転位（TED（（以下、u-TEDと表記する））がepi/sub界面付近で基底面転位に転換されてＳｉＣエピタキシャル膜２中に基底面転位（epi-BPD）として伝播するものがある。更に、図５の符号（ｃ）に示すように、epi/sub界面付近あるいはepi/sub界面付近以外のエピタキシャル膜中において、新たに基底面転位（epi-BPD）が生成され、ＳｉＣエピタキシャル膜２中にBPDとして伝播するものがある。これらのＳｉＣエピタキシャル膜２中の基底面転位の一部は、エピタキシャル成長中に貫通刃状転位に転換されて、それ以降は貫通刃状転位として伝播するものもある。【００４６】
エピタキシャル膜２には、エピタキシャル成長する際にウェハ１との間でストレスが発生するが、そのストレスがある臨界値より大きい場合には、図５の符号（ｄ）に示すように、エピタキシャル膜中の基底面転位epi-BPDは、epi/sub界面付近におけるストレスを緩和するために、エピタキシャル成長中に、epi/sub界面付近においてオフカット方向と直行する方向に伸張する。このオフカット方向と直行する方向に伸張したepi-BPDをミスフィット転位（以下、MFDと表記する）という。
このとき、ミスフィット転位の先端部であるepi-BPDの先端が、エピタキシャル膜２の成長表面２ａに現れる。この先端は、epi/sub界面付近でのミスフィット転位の伸張に引きずられて、オフカット方向と直行する方向に先端位置が移動する。例えば、＜１１−２０＞方向にオフカットしたＳｉＣ単結晶ウェハを使用する際には、epi/sub界面付近でのミスフィット転位MFDの伸張方向、ならびにミスフィット転位MFDの先端におけるエピタキシャル膜表面での移動方向は、ともに＜１−１００＞方向となる。【００４７】
図６に示すように、エピタキシャル成長中に、ミスフィット転位MFDの先端位置がオフカット方向（＜１１−２０＞）と直行する方向（＜１−１００＞方向）に移動している最中に、一部のミスフィット転位において、先端部である基底面転位（epi-BPD1と表記する）は、エピ成長表面部分において貫通刃状転位（TED（（以下、epi-TED1と表記する））に変換される。さらにこのepi-TED1に変換された部分によって、epi-BPD1の移動がピンニング（pinning）される。ピンニング後も、図７に示すように、ミスフィット転位MFDのepi/sub界面付近での伸張は継続するため、これに引きずられて、ミスフィット転位MFDとepi-TED1との間にあるepi-BPD1がＳｉＣエピタキシャル膜２中で弓状の形状となる。【００４８】
図８に示すように、弓状の形状となったepi-BPD1のエピタキシャル膜の成長表面２ａ近傍では、epi-BPD1と成長表面２ａとがほぼ並行になり、鏡像力によってさらにepi-BPD1が成長表面２ａに引きつけられる。このとき、epi-BPD1の先端はepi-TED1となって既にピンニングされている。成長表面２ａに引きつけられた弓状部分の延長部であるepi-BPD1は、図９に示されるように、エピタキシャル膜の成長表面２ａに現れて、そこで別の貫通刃状転位（TED（以下、epi-TED2という）へと変換される。
そしてepi-BPD1の弓状の延長部の先端部分の一部が成長面２ａに現れる際には、epi-BPD1の端部が表面において２個形成され、その後それぞれがepi-TED（epi-TED１のペアの片方及びepi-TED2のペアの片方）の表面における端部となる。このため、図１０に示すようにTEDは必ず２個ペアになって形成される。この後、エピタキシャル膜中で更に移動するepi-BPD1は、その先端に新たに形成された別のTEDにより再度ピンニングされ、以後これら現象が繰り返される。【００４９】
図６〜図１０において説明した現象が、ミスフィット転位のepi/sub界面付近での伸張が停止するまで、すなわちepi/sub界面付近のストレスが十分に緩和されるまで繰り返され、結果としてepi/sub界面付近に伸張するミスフィット転位と、エピタキシャル膜中に生じたTED列１１とが、形成される。【００５０】
このように、TED列の発生は、ミスフィット転位と直接的な関係がある。TED列は、その底面にBPDを有している。このため、BPDと同様にデバイスへの信頼性への悪影響がある。その発生メカニズムから明らかなように、1つのミスフィット転位から多数のTEDペアからなるTED列が発生する。つまり、TED列の発生はBPDの増殖を意味するので、TED列を低減することは重要である。【００５１】
上記メカニズムから、TED列を低減する方法としては、（１）epi/sub界面付近でオフカット方向と直行する方向に伸張するミスフィット転位の生成を防止する、及び（２）ミスフィット転位を伴いエピタキシャル膜２中を移動するepi-BPD（以下、epi-MFD/BPDと表記する）を貫通刃状転位に変換させずにミスフィット転位のままとして成長させる手段がある。これらの手段を用いることにより、TED列が少ない高品質のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を製造することが可能になる。以下に（１）の手段と（２）の手段について説明する。【００５２】
<上記（１）の手段について：ミスフィット転位の生成を防止する手段>
上述したように、ミスフィット転位はepi/sub界面付近におけるストレスを緩和するために伸張するので、ミスフィット転位の伸張を防止するには、前記界面付近におけるストレスを低減すればよい。この前記界面付近におけるストレスは、ウェハの結晶湾曲、ウェハ自体の反り、あるいはエピタキシャル成長時におけるウェハの温度分布などによって引き起こされる。【００５３】
ミスフィット転位を生成する起源となるストレスが、ウェハの結晶湾曲や反り、あるいはウェハの温度分布によって引き起こされていることについては、以下のように説明できる。
ウェハには、基底面転位u-BPDが基板表面において１０３個／ｃｍ２〜１０４個／ｃｍ２程度の密度で存在している。これらu-BPDの存在によって、ＳｉＣ単結晶ウェハの基底面であるｃ面（（０００１）面）が凹あるいは凸へと湾曲することになる。
このようなu-BPDを含むウェハの主面上に、ステップフローエピタキシャル成長を行うと、ウェハの主面に現れたu-BPDの多く（通常は９０％以上）が、結果としてエピタキシャル膜において貫通刃状転位TEDに変換される。この際、TEDの配置によってエピタキシャル膜の｛１−１００｝面が湾曲することとなる。【００５４】
すなわち、上記のように、ウェハでは、ウェハ中にu-BPDが存在することによって、ｃ面が凹あるいは凸の形状となっているのに対して、エピタキシャル膜では、エピタキシャル成長をする際にエピタキシャル膜中でepi-BPD1がepi-TEDに変換されることで、ｃ面の湾曲成分が消失し、これに代わってエピタキシャル膜中では｛１−１００｝面が凹あるいは凸の形状となる。従って、ｃ面が凹あるいは凸であるウェハの主面上に、ｃ面が平坦であり（１−１００）面が凹あるいは凸であるエピタキシャル膜が積層されることになり、その結果epi/sub界面付近にストレスが形成される。この前記界面付近におけるストレスの大きさは、ウェハ中のBPD密度やＳｉＣ単結晶ウェハのｃ面の結晶湾曲度などによって影響を受ける。【００５５】
このように、u-BPDの存在に起因する結晶湾曲を有するウェハに対してエピタキシャル成長を行う場合、エピタキシャル膜の膜厚の増加につれて、epi/sub界面付近にかかるストレスが増大する。そして、前記界面付近におけるストレスがある値以上を超えたとき、epi/sub界面付近にミスフィット転位が生成されることになる。【００５６】
なおウェハのｃ面（（０００１）面）は、ウェハ中にu-BPDが存在しない場合においても弾性的に湾曲する場合がある。このような弾性的な結晶湾曲は、ウェハの表面と裏面の表面状態（研磨など）の差や、ウェハ内の温度分布などによってもたらされる。この場合、ウェハの湾曲に合わせてエピタキシャル膜のｃ面（（０００１）面）も湾曲することとなり、エピタキシャル膜の膜厚が増加するにつれてエピタキシャル膜に加わるストレスが増大する。そして、エピタキシャル膜の膜厚が臨界膜厚に達した時点で、その臨界膜厚の部分においてミスフィット転位が生成されることとなる。このストレスの大きさは、ウェハの主面及び主面と反対側の面の表面状態の差や、ウェハ内の温度分布によって決定される。ウェハがエピタキシャル成長炉内でサセプタ上に設置され、サセプタに高周波誘導加熱が加えられた状態でウェハに向かってガスが流される場合には、サセプタの温度分布（ホットウォール型のエピタキシャル成長炉の場合にはシーリング温度分布も含まれる）や、ウェハの反り、及びガスの流量や圧力等に応じて、ウェハの面方向、及び断面垂直方向の温度分布が決定され、それぞれがエピタキシャル膜中に加わるストレスの大きさに影響する。【００５７】
実際の４Ｈ−ＳｉＣのエピタキシャル成長においては、ウェハ中のu-BPDがエピタキシャル膜内でTEDに変換されることに起因する界面性ストレスと、ＳｉＣ単結晶ウェハの弾性湾曲に起因するストレスとが混在していると考えられる。【００５８】
以上のことから、epi/sub界面付近においてオフカット方向と直行する方向へのミスフィット転位の伸張を引き起こすストレスを軽減するには、以下の（ｉ）〜（ｉｖ）を対策としてあげる事ができる。
(i)ＳｉＣ単結晶ウェハのu-BPD密度を低減するか、ＳｉＣ単結晶ウェハの結晶湾曲を低減する。
(ii)ＳｉＣ単結晶ウェハの反りを低減する。
(iii)エピタキシャル成長炉内でサセプタの温度分布を均一化する。
(iv)ガスの流量、圧力を調整して、ウェハの温度分布が最小になるようにする。【００５９】
上記(i)〜(iv)を全て実質的に達成することは、実際には困難であると思われた。本発明者らが鋭意研究を行ったところ、以下の点が明らかになってきた。
(A)ウェハの結晶湾曲が凹の部分ではミスフィット転位の生成が顕著であるが、凸の部分ではミスフィット転位が生成されないこと。
(B)ウェハの反りが凹の部分ではミスフィット転位の生成が顕著であるが、凸の部分ではミスフィット転位が生成されないこと。
(C)ウェハの温度分布がウェハ外周部で低下する場合にはウェハ中央部でミスフィット転位の生成が顕著であり、ウェハの温度分布がウェハ外周部で低下しない場合にはウェハ中央部でミスフィット転位が生成されないこと。【００６０】
判明した上記(A)は、以下のように説明される。
ウェハのｃ面の結晶湾曲が凹である場合には、ウェハ中のu-BPDがエピタキシャル成長時にエピタキシャル膜においてTEDに変換されることで、エピタキシャル膜には圧縮性ストレスが加わる。一方、ＳｉＣ単結晶ウェハのｃ面の結晶湾曲が凸である場合には、ウェハ中のU-BPDがエピタキシャル成長時にエピタキシャル膜においてTEDに変換されることで、エピタキシャル膜には膨張性ストレスが加わる。【００６１】
また、ウェハのｃ面の結晶湾曲が凹である場合には、エピタキシャル膜の膜厚増加につれてエピタキシャル膜の結晶格子が縮まるために、エピタキシャル膜にはさらに圧縮性ストレスが加わる。一方、ウェハのｃ面の結晶湾曲が凸である場合には、エピタキシャル膜の膜厚増加につれてエピタキシャル膜の結晶格子が拡大されるために、エピタキシャル膜には膨張性ストレスがさらに加わる。これらの場合、加えられたものが同じ絶対値を有するストレスであっても、エピタキシャル膜に圧縮性ストレスが加わる場合にはミスフィット転位の生成が顕著となり、エピタキシャル膜に膨張性ストレスが加わる場合にはミスフィット転位の生成が起こりにくい。すなわち、ＳｉＣ単結晶ウェハのｃ面の結晶湾曲をウェハの主面側に向けて凸にすることで、ミスフィット転位の伸張が防止されるとともに、ミスフィット転位の生成が発生起源であるTED列の発生も防止できる。【００６２】
次に、判明した上記(B)は、以下のように説明される。
主面を上側にしたときのウェハの反りが凹状になる場合には、エピタキシャル成長炉におけるウェハと加熱サセプタとの接触がウェハ中央部のみとなる。従って、エピタキシャル成長時においてウェハ中央部が余計に加熱されることとなる。このとき、ウェハ中央部からウェハ外周部にかけて負の温度勾配が生じ、すなわち外周部に向けて温度が下がり、その結果、ウェハ中央部には圧縮性のストレスが加わる。ウエハ面内で温度が高いところに圧縮性のストレスが、低いところに膨張性のストレスが加わることになるためである。ウェハの反りが凹であるので、ウェハの主面側では圧縮性ストレスが生じる。この場合、ウェハ外周部では温度勾配による膨張性のストレスと反りによる圧縮性のストレスとが相殺される。【００６３】
一方、ウェハの反りがＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて、すなわち主面側に向けて、凸状である場合には、ウェハと加熱サセプタの接触部はウェハ外周部となり、ウェハ外周部が余計に加熱されることとなる。このとき、ウェハ中央部からウェハ外周部にかけて正の温度勾配が生じ、すなわち外周部に向けて温度が上がり、その結果、ウェハ中央部では膨張性のストレスが加わる。ウェハの反りが凸であるので、ウェハの主面側のウェハ中央部では膨張性ストレスが生じる。この場合、ウェハ外周部では温度勾配による圧縮性のストレスと反りによる膨張性のストレスとが相殺される。
これらの場合、たとえ同じ絶対値のストレスであっても、エピタキシャル膜に圧縮性ストレスが加わる場合にはミスフィット転位の生成が顕著となり、エピタキシャル膜に膨張性ストレスが加わる場合にはミスフィット転位の生成が起こりにくい。すなわち、ウェハの反りをＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凸にすることで、ミスフィット転位の伸張が防止されるとともに、ミスフィット転位の生成が発生起源であるTED列の発生も防止できる。【００６４】
次に、判明した上記(C)は、以下のように説明される。
上記(A)及び(B)で述べたように、ウェハのｃ面の結晶湾曲が凸の場合やウェハの反りが凸である場合には、ミスフィット転位の生成は抑制される。一方で、ｃ面の結晶湾曲が凹の場合やウェハの反りが凹である場合には、ウェハ中央部においてエピタキシャル膜に圧縮性のストレスが生じ、その結果、ミスフィット転位が生成される可能性がある。上記で説明されたように、ウェハの温度がウェハ中央部から外周部にかけて正の温度分布を有する場合には、この温度勾配によってウェハ中央部に膨張性のストレスが加わる。このため、ウェハの温度がウェハ中央部から外周部にかけて正の温度分布を有するようにされる場合には、ｃ面の結晶湾曲が凹の場合やウェハの反りが凹である場合にも、そのウェハ中央部におけるエピタキシャル膜への圧縮性ストレスが相殺される。その結果として、ミスフィット転位の伸張が防止されるとともに、ミスフィット転位の生成が発生起源であるTED列の発生も防止できる。【００６５】
ウェハの温度勾配については、エピタキシャル成長炉におけるサセプタ自身の温度分布のほか、ウェハに向かって流れるガスの流量や圧力によって制御することができる。中央部からガス供給を行うプラネタリ型のエピタキシャル成長装置においては、そのガス流が自転するウェハの外周部側からウェハに到達するため、ウェハの外周部がガス流によって最初に冷やされる。このため、通常のプラネタリ型と同種のエピタキシャル成長装置のセッティングにおいては、ウェハの温度がウェハ中央部から外周部にかけて負の温度分布をとるようになる。
しかしながら、この温度勾配は、サセプタに加わる高周波誘導量の分布を適切に調整することで、ウェハの温度がウェハ中央部から外周部にかけて、正の温度分布をとるようにすることが可能である。【００６６】
以上のように、本発明によれば、ＳｉＣ単結晶ウェハの結晶湾曲、ＳｉＣ単結晶ウェハの反り、またはＳｉＣ単結晶ウェハの温度分布が実質的にゼロでなくとも、結晶湾曲の方向やソリの方向、及び温度分布の方向を制御することによって、エピタキシャル膜に加わるストレスの方向を制御でき、結果としてepi/sub界面付近でオフカット方向と直行する方向にミスフィット転位が伸張することを防止できる。【００６７】
<上記（２）の手段について：BPDをTEDに変換させずにBPDのままとして成長させる手段>
次に、上記（２）の手段について説明する。
TED列の生成メカニズムにおいて説明したように、epi-MFD/BPDの先端部がエピ成長表面においてepi-TEDに変換されることでTED列の生成が引き起こされる。
従って、エピタキシャル成長中に、epi-MFD/BPDの先端位置がオフカット方向と直行する方向に移動してミスフィット転位を生成しても、そのepi-MFD/BPDの先端部がepi-TEDに変換されなければエピタキシャル膜中にTED列は生成されない。エピタキシャル膜中でepi-MFD/BPDがepi-TEDに変換する割合は、エピタキシャル膜の成長速度、成長温度、及び雰囲気圧力などによって制御することができ、適正な成長条件ではその割合を５０％以下にすることができる。【００６８】
BPDをTEDになるべく変換さないための具体例を挙げれば、ウェハの主面上にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造において、エピタキシャル成長時のＳｉＣ単結晶ウェハの温度分布を、ウェハ中央部からウェハ外周部に沿って正の温度分布とするとともに、ウェハ中央部とウェハ外周部の温度差を０．１℃以上１００℃以下とした上で、エピタキシャル膜の成長速度を５μｍ／ｈ以上とし、成長温度を１６００℃以上とし、エピタキシャル膜を成長する際の雰囲気圧力を３００Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましい。
上記条件によれば、ミスフィット転位MFDから貫通刃状転位TEDへの転換を抑制でき、TED列を低減できる。
エピタキシャル膜の成長条件が上記の範囲から外れると、ミスフィット転位MFDから貫通刃状転位TEDへの転換を抑制できず、TED列の密度を低減できなくなる可能性がある。【００６９】
また、上述したように、各過程において、転位列の発生の要因としては、エピタキシャル膜に圧縮性ストレスが加わることが大きな要因となっている。本実施形態のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板では、所望の電気特性を得るために、ＳｉＣ単結晶ウェハやＳｉＣエピタキシャル膜に対してドーピングを行っている。通常行われるｎ型ドーピングでは、ドーパントとして窒素が用いられる。窒素は、母体であるＳｉＣ結晶中のＣと置換する形で結晶中に存在する。その為、窒素を高濃度にドーピングした場合は、ＳｉＣの格子定数は小さくなる方向に動く。そのため、ＳｉＣエピタキシャル膜とＳｉＣ単結晶ウエハとの界面において、ドーピングによるキャリア濃度差がある場合、一般には後述する理由からウエハに高濃度の窒素がドープされ、エピタキシャル膜側に圧縮応力（圧縮性ストレス）が加わることが想定される。転位列の発生原因となる圧縮応力は、ＳｉＣ単結晶ウエハの主面内に局所的に発生するものであり、いままで述べてきたように種々の要因がからむ複雑なものである。このようなドーピングに起因する応力の低減も、転位列低減の際、考慮すべき重要な手段の一つであると考えられる。【００７０】
ＳｉＣ単結晶ウエハでは、ウエハが成長した条件により、ウエハの主面内に、それ以外の部分とのキャリア濃度の差が生じる特異部分が発生することがあり、これはファセットとも呼ばれる。ドーパントとして窒素を用いる場合、この特異部分は、その周辺部分よりもキャリア濃度が高くなる。従って、その特異部分とその周辺部分との境界部分には、大きなキャリア濃度勾配が生じる。
このようなＳｉＣ単結晶ウエハにＳｉＣエピタキシャル膜を積層すると、特異部分の境界近傍で、ＳｉＣエピタキシャル膜とＳｉＣ単結晶ウエハの格子定数差に起因する複雑な応力が発生する。実際にこのような特異領域を持つＳｉＣ単結晶ウエハを使用してエピタキシャル成長を行った結果、周辺部に転位列が発生する可能性がより高いことを確認できている。
その為、特異領域とそれ以外の領域のキャリア濃度の差が５０％より大きい特異領域を持たないＳｉＣ単結晶ウエハを使用することが好ましい。【００７１】
一般に、ＳｉＣ単結晶ウエハは、電気抵抗を小さくするため高濃度の窒素がドープされ、一方、ＳｉＣエピタキシャル膜には、逆方向耐圧の設計上の要請から、低濃度の窒素がドープされる。その為、エピタキシャル層には圧縮応力が加わると考えられる。その様なキャリア濃度差による応力を緩和する為、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板においては、キャリア濃度変化を小さくする対策をとることが望ましい。特に、ＳｉＣエピタキシャル膜内で深さ方向の任意の位置における０．５μｍ当たりのキャリア濃度変化率が８０％以下となるバッファ領域を設けることが好ましい。【００７２】
本実施形態のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板及びその製造方法は、例えば、パワートランジスタ、インバータといった所謂パワーデバイスと呼ばれる分野の半導体装置並びに発光ダイオード等の半導体発光素子、及びそれらの製造方法に好適に用いられる。
【実施例】
【００７３】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
（実施例１）
４Ｈ型のＳｉＣ単結晶ウェハとして、ｃ面（（０００１）面）が＜１１−２０＞方向に８°傾斜したＳｉ面を主面とする、直径２インチ（５０ｍｍ）のウェハを用意した。このウェハの厚みは３５０μｍであり、ウェハ全体がＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凸状に反っているものを用いた。反り量はＷａｒｐの計測値で５μｍであった。
次に、ＳｉＣ単結晶ウェハに対して、前処理として有機溶剤洗浄及び酸及びアルカリ洗浄、及び十分な水洗を行った。【００７４】
ＳｉＣ単結晶ウェハへのエピタキシャル膜の成長は、高周波誘導加熱方式の横型ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置を使用して行った。ＳｉＣ単結晶ウェハがサセプタ上面に水平に配置され、対向するシーリングと共に加熱されるホットウォール方式の装置を用いた。
ＳｉＣ単結晶ウェハをサセプタ上に水平に配置した後、真空排気を行った後に水素ガスを導入して２００ｍｂａｒの減圧雰囲気に調整した。その後、１６２０℃まで昇温し、厚さ１０μｍのＳｉＣエピタキシャル膜の成長を行った。
キャリアガスとしては水素を使用し、原料ガスとしてはＳｉＨ４とＣ３Ｈ６との混合ガスを用い、ドーパントとしてＮ２を供給した。成長速度は５μｍ／ｈとし、キャリア濃度は１×１０１６ｃｍ−３とした。
このようにして、実施例１のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を製造した。【００７５】
実施例１のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板について、epi/sub界面付近の基底面転位(BPD)の伸張を起因とした貫通刃状転位列（TED列）の転位列密度を測定する為に、５１０℃の溶融ＫＯＨで５分間のエッチングを行い、その後、光学顕微鏡でエピタキシャル膜を観察することにより、貫通刃状転位列の長さと数を計数した。【００７６】
図１１に、貫通刃状転位列の転位列本数の発生数を頻度（縦軸）とし、貫通刃状転位列の長さを横軸にした、ヒストグラム及び度数分布表を示す。
図１１に示すように、貫通刃状転位列は、最大長さのものでも1ｍｍ以下であり、エピタキシャル膜における転位列密度は２．０本/cm２であった。【００７７】
（比較例１）
４Ｈ−ＳｉＣのＳｉＣ単結晶ウェハとして、ｃ面（（０００１）面）が＜１１−２０＞方向に８°傾斜したＳｉ面を主面とする、直径３インチ（７６ｍｍ）のウェハを用意した。このウェハの厚みは３５０μｍであり、ウェハ全体がＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凹状に反っているものを用いた。反り量はＷａｒｐの計測値で１５μｍであった。
このＳｉＣ単結晶ウェハを用いたこと以外は、上記実施例１と同様にしてエピタキシャル膜の形成を行うことにより、比較例１のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を製造した。【００７８】
比較例１のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板について、実施例１の場合と同様にして貫通刃状転位列の長さと数を計数した。【００７９】
図１２に、貫通刃状転位列の転位列本数の発生数を頻度（縦軸）とし、貫通刃状転位列の長さを横軸にした、ヒストグラム及び度数分布表を示す。
図１２に示すように、エピタキシャル膜における貫通刃状転位列の転位密度は２７．０本/ｃｍ２であった。また、貫通刃状転位列は、長さ1ｍｍ以上のものが多く発生した。【００８０】
（実験例１）
貫通刃状転位列の転位列密度に対するＳｉＣ単結晶ウェハの厚みの影響を調べる目的で、厚さの異なる複数のウェハについて比較した。
４Ｈ−ＳｉＣのＳｉＣ単結晶ウェハとして、ｃ面（（０００１）面）が＜１１−２０＞方向に８°傾斜したＳｉ面を主面とする、直径３インチ（７６ｍｍ）、厚み２８０〜３７０μｍのウェハを用意した。ウェハは、ウェハ全体がＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凹状に反っているものを用いた。反り量はＷａｒｐの計測値で１５μｍであった。
上記のＳｉＣ単結晶ウェハを用いたこと以外は、上記実施例１と同様にしてエピタキシャル膜の形成を行うことにより、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を製造した。【００８１】
得られたエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板について、実施例１の場合と同様にして貫通刃状転位列の転位列密度を計測した。転位列の密度の測定は、ウェハの直径方向に沿ってウェハの中心を通る幅４ｍｍの帯状の領域を測定領域とした。
ウェハの厚みと、転位列の密度との関係を図１３に示す。
図１３に示すように、ウェハの厚みが約３５０μｍ以上では、転位列の密度が１０本／ｃｍ２以下になることがわかった。【００８２】
（実験例２）
貫通刃状転位列の転位列密度に対するＳｉＣ単結晶ウェハの反り量の影響を調べる目的で、反り量（Ｗａｒｐ）の異なる複数のウェハについて比較した。
４Ｈ−ＳｉＣのＳｉＣ単結晶ウェハとして、ｃ面（（０００１）面）が＜１１−２０＞方向に８°傾斜したＳｉ面を主面とする、直径３インチ（７６ｍｍ）、厚み３５０μｍのウェハを用意した。ウェハは、ウェハ全体がＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凸状に反っているものを用いた。ウェハの反り量はＷａｒｐの計測値で６〜２７μｍであった。
上記のＳｉＣ単結晶ウェハを用いたこと以外は、上記実施例１と同様にしてエピタキシャル膜の形成を行うことにより、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を製造した。【００８３】
得られたエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板について、実施例１の場合と同様にして貫通刃状転位列の転位列密度を計測した。転位列の密度の測定は、ウェハの直径方向に沿ってウェハの中心を通る幅４ｍｍの帯状の領域を測定領域とした。
ウェハの反り量と転位列密度の関係を図１４に示す。
図１４に示すように、ウェハの反り量が１０μｍ以下では、転位列の密度が１０本／ｃｍ２以下になることがわかった。【００８４】
（実験例３）
エピタキシャル成長工程において、貫通刃状転位に変換されるミスフィット転位の割合を調べる目的で、実験を行った。
４Ｈ−ＳｉＣのＳｉＣ単結晶ウェハとして、ｃ面（（０００１）面）が＜１１−２０＞方向に８°傾斜したＳｉ面を主面とする、直径３インチ（７６ｍｍ）のウェハを用意した。このウェハの厚みは３５０μｍであり、ＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凸状に反っているものを用いた。反り量はＷａｒｐの計測値で１５μｍであった。  このＳｉＣ単結晶ウェハを用いたこと以外は、上記実施例１と同様にしてエピタキシャル膜の形成を行うことにより、実験例３のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を製造した。【００８５】
エピタキシャル成長の終了後、ミスフィット転位の密度を調べる目的で、反射Ｘ線トポグラフの測定を行った。この測定の場合、貫通刃状転位に変換されたミスフィット転位、及び、貫通刃状転位に変換されなかったミスフィット転位の両方が、同じ線状の像として観察され、全てのミスフィット転位を観察することが可能である。
次に、実験例３のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を、実施例1と同様の方法でＫＯＨエッチングを施した。そして、実施例１と同様にして光学顕微鏡観察を行った。この測定により、貫通刃状転位に転換されたミスフィット転位だけを、転位列として観察することが可能である。
図１５に、エピタキシャル膜の中央付近の反射Ｘ線トポグラフの写真を示す。また、図１６に、同一位置のＫＯＨエッチング後の表面写真を示し、図１７には、図１６の拡大写真を示す。この図１７には、貫通刃状転位列が示されている。
図１５及び図１６に示す結果から、本実験例のエピタキシャル成長条件では、反射Ｘ線トポグラフ写真で観察される発生したミスフィット転位が６１本、ＫＯＨエッチング後表面写真に観察される貫通刃状転位列が１４本であった。すなわち、約２３％のミスフィット転位が、貫通刃状転位に転換され、転位列となっていた。ウェハ面内の様々な場所について、同様の評価を実施したところ、ミスフィット転位が貫通刃状転位列を伴う割合は、約１０〜３０％であることがわかった。また、ミスフィット転位の密度が高いほど、貫通刃状転位列密度も高いことも明らかになった。【００８６】
（実験例４）
ミスフィット転位のウェハ面内における分布を調べる目的で、実験を行った。
４Ｈ−ＳｉＣのＳｉＣ単結晶ウェハとして、ｃ面（（０００１）面）が＜１１−２０＞方向に８°傾斜したＳｉ面を主面とする、直径２インチ（５０ｍｍ）のウェハを用意した。このウェハの厚みは３５０μｍであり、ウェハ全体がＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凸状に反っているものを用いた。反り量はＷａｒｐの計測値で２５μｍであった。【００８７】
エピタキシャル成長前に、ＳｉＣ単結晶ウェハのキャリア濃度分布を測定した。使用したウェハの主面内にはキャリア濃度の高い領域があり、そのウェハ面内のキャリア濃度差が６０％であった。このようなＳｉＣ単結晶ウェハを用いたこと以外は、上記実験例１と同様にしてエピタキシャル膜の形成を行うことにより、実験例４のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を製造した。【００８８】
エピタキシャル成長の終了後、ミスフィット転位の密度を調べる目的で、反射Ｘ線トポグラフの測定を行った。この測定により、反射Ｘ線トポグラフ測定により、ミスフィット転位が存在する場合、その観察が可能である。
図１８に、エピタキシャルＳｉＣ単結晶基板のＳｉＣエピタキシャル膜全面の反射Ｘ線トポグラフの写真を示す。点線で囲った領域にはミスフィット転位の多くの発生が観察された。また、図１９に、ＳｉＣ単結晶ウェハの偏光透過像とキャリア濃度の測定結果を示す。ＳｉＣ単結晶ウェハでは、キャリア濃度の濃淡によって光の透過率が異なるため、色が異なって見える。図１９のウェハ透過像内において、濃い色の領域はキャリア濃度が高い特異領域である。図１８及び図１９に示す結果から、本実験例のエピタキシャル成長条件では、反射Ｘ線トポグラフ写真で観察される発生したミスフィット転位は、キャリア濃度の高い特異領域（キャリア濃度：９．８×１０１８ｃｍ−３）に集中していることがわかる。
この特異領域中のミスフィット転位本数は５０本/cm2であった。実験例３の結果より、これらのミスフィット転位の約１０〜３０％が貫通刃状転位を伴っていることが推定される。つまり、このウェハのキャリア濃度特異領域では、貫通刃状転位列が５〜１５本/cm2程度発生していると考えられる。【００８９】
一方、キャリア濃度特異領域がないウェハ、あるいはウェハ面内でのキャリア濃度差が１０％程度のウェハにおいては、ミスフィット転位が集中して発生する領域は無く、その密度は概ね０本/cm2である。このことから、ミスフィット転位によって引き起こされる貫通刃状転位列についても、その密度は概ね０本/cm2と言える。
これらの結果から、キャリア濃度特異領域とそれ以外の領域のキャリア濃度差が５０％以下の場合には、貫通刃状転位列の密度が１０本/cm2以下のウェハが形成できると予測できる。【００９０】
（実験例５）
成長方向の窒素濃度を変化させる度合いによるミスフィット転位の密度変化を調べる目的で、実験を行った。
４Ｈ−ＳｉＣのＳｉＣ単結晶ウェハとして、ｃ面（（０００１）面）が＜１１−２０＞方向に８°傾斜したＳｉ面を主面とする、直径３インチ（７６ｍｍ）のウェハを用意した。このウェハの厚みは２５０μｍであり、ウェハは、ウェハ全体がＳｉＣエピタキシャル膜と接する側に向けて凹状に反っているものを用いた。反り量はＷａｒｐの計測値で２０μｍであった。【００９１】
このＳｉＣ単結晶ウェハ上に、キャリア濃度が１×１０１8ｃｍ−３から１×１０１６ｃｍ−３まで変化し、かつ０．５μｍ当り８０％のキャリア濃度の変化率に抑えた第一層（ＳｉＣエピタキシャル膜のバッファ領域）を形成したのち、キャリア濃度１×１０１6ｃｍ−３の第二層（ＳｉＣエピタキシャル膜）を１０μｍ形成した。このようなバッファ領域を形成した以外は、上記実験例１と同様にしてエピタキシャル膜の形成を行うことにより、実験例５のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を製造した。【００９２】
エピタキシャル成長の終了後、実験例４の場合と同様にしてミスフィット転位の有無を確認した。図２０に示した反射Ｘ線トポグラフの写真から、ミスフィット転位が観察されていないことがわかる。このことから、ミスフィット転位によって引き起こされる貫通刃状転位列についても、その密度は概ね０本/cm2と言える。【００９３】
一方、ＳｉＣ単結晶ウェハ上に、直接キャリア濃度１×１０１6ｃｍ−３のＳｉＣエピタキシャル膜を１０μｍ形成したエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板においては、ミスフィット転位が発生していた。典型的な例としては、実験例３の図１５に示されるようなミスフィット転位が発生し、貫通刃状転位列が１０本/cm2以上引き起こされていた。この時、キャリア濃度は基板の１０１8ｃｍ−３台からＳｉＣエピタキシャル膜の１×１０１６ｃｍ−３までと急峻に変化しており、その変化率は１００％と言える。
これらの結果から、キャリア濃度の変化は出来るだけ緩やかにした方が好ましいことがわかる。ただし、緩やかにしすぎると膜厚が増えてしまうため、デバイス特性における抵抗値増加を招いてしまう。本実施例では、膜厚の増加を出来る限り抑制したキャリア濃度の変化率を検討し、０．５μｍ当り８０％及びそれより少なければミスフィット転位の発生を抑制できることを示した。これらのことから、このようなキャリア濃度変化層を設けることによって、貫通刃状転位列の密度が１０本/cm2以下のウェハが形成できると言える。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
ＳｉＣエピタキシャル膜における貫通刃状転位列を低減したエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板及びエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板の製造方法を提供する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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