(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
＜０００１＞面からの傾斜角が５度よりも小さな炭化珪素バルク基板を還元性ガス雰囲気中で第１の温度Ｔ１および処理時間ｔの条件でアニールする第１の工程と、
前記還元性ガス雰囲気中で基板温度を低下する第２の工程と、
前記第１の工程でのアニール温度Ｔ１よりも７５℃以上低い第２の温度Ｔ２で少なくともシリコン原子を含むガスと炭素原子を含むガスとを供給してエピタキシャル成長する第３の工程と、
を備え、
前記第１の工程において、Ｔ１×ｔが０〜７７６２２３Ｋ・ｓの範囲内であり、Ｔ１が１５２５℃以上かつｔが１０秒以上であり、かつ、前記第１の工程でアニール効果の発現する最も低いアニール温度をオフセット温度Ｔｏとした場合に、（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔが０〜２１０００Ｋ・ｓの範囲内であり、前記オフセット温度Ｔｏは１５２５℃である炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項２】
エピタキシャル成長をＣＶＤ法によって行うことを特徴とする請求項１記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項３】
前記シリコン原子を含むガスはモノシランガスであり、
前記炭素原子を含むガスはプロパンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項４】
前記還元性ガスが水素からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項５】
前記炭化珪素バルク基板は４Ｈ−ＳｉＣからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項６】
前記第１の工程の処理時間ｔが１０秒以上１８０秒以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項７】
前記（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔが５００〜１３５００Ｋ・ｓの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項８】
前記第３の工程において形成されたエピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度は、２×１０１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項９】
前記第３の工程において供給する全ガス中に含まれる炭素原子数とシリコン原子数の比をＣ／Ｓｉ比とし、前記Ｃ／Ｓｉ比が、０．４５以上、かつ、１．４未満であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１０】
前記Ｃ／Ｓｉ比が、１．１７以上、かつ、１．４未満であることを特徴とする請求項９記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１１】
前記第２の温度Ｔ２は、１３２５℃以上、かつ、１５００℃未満であることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の製造方法によって作製された炭化珪素エピタキシャルウエハ。
【請求項１３】
＜０００１＞面からの傾斜角が５度よりも小さな炭化珪素バルク基板を還元性ガス雰囲気中で第１の温度Ｔ１および処理時間ｔの条件でアニールする第１の工程と、
前記還元性ガス雰囲気中で前記炭化珪素バルク基板の温度を前記第１の温度Ｔ１よりも低い第３の温度Ｔ３まで低下させる第２の工程と、
前記還元性ガスの供給を停止する第３の工程と、
前記炭化珪素バルク基板の温度を前記第３の温度Ｔ３よりも低い温度に低下させる第４の工程と、
を備え、
前記第１の工程において、Ｔ１×ｔが０〜７７６２２３Ｋ・ｓの範囲内であり、Ｔ１が１５２５℃以上かつｔが１０秒以上であり、かつ、前記第１の工程でアニール効果の発現する最も低いアニール温度をオフセット温度Ｔｏとした場合に、（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔが０〜２１０００Ｋ・ｓの範囲内であり、前記オフセット温度Ｔｏは１５２５℃であり、
前記第３の温度Ｔ３は９００℃以下であるエピタキシャル成長用炭化珪素バルク基板の製造方法。
【請求項１４】
前記第１の温度Ｔ１は１５５０℃以上であることを特徴とする請求項１３記載のエピタキシャル成長用炭化珪素バルク基板の製造方法。
【請求項１５】
前記還元性ガスは水素からなることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のエピタキシャル成長用炭化珪素バルク基板の製造方法。
【請求項１６】
前記炭化珪素バルク基板は４Ｈ−ＳｉＣからなることを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用炭化珪素バルク基板の製造方法。
【請求項１７】
前記処理時間ｔは１０秒以上１８０秒以下であることを特徴とする請求項１３ないし１６のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用炭化珪素バルク基板の製造方法。
【請求項１８】
前記（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔが５００〜１３５００Ｋ・ｓの範囲内であることを特徴とする請求項１３ないし１７のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用炭化珪素バルク基板の製造方法。
【請求項１９】
前記炭化珪素バルク基板を、大気圧、かつ、３０℃以下で、６０分以上保持する第５の工程を備えたことを特徴とする請求項１３ないし１８のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用炭化珪素バルク基板の製造方法。
【請求項２０】
請求項１３ないし１９のいずれか１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成長用炭化珪素バルク基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭化珪素パワーデバイス等に用いられる炭化珪素エピタキシャルウエハ及びその製造方法、エピタキシャル成長用炭化珪素バルク基板及びその製造方法並びに炭化珪素バルク基板を熱処理するための熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（以下「ＳｉＣ」という）は、珪素（以下「Ｓｉ」という）に比べてバンドギャップが大きく、また絶縁破壊電界強度、飽和電子速度および熱伝導度などの物性値が優れており、半導体パワーデバイス材料として優れた性質を有する。特に、このＳｉＣを用いたパワーデバイスでは電力損失の大幅な低減・小型化等が可能となり、電源電力変換時の省エネルギー化が実現できるため、電気自動車の高性能化、太陽電池システム等の高機能化等、低炭素社会実現の上で、キーデバイスとなる可能性を有している。【０００３】
ＳｉＣパワーデバイスを製造するに当たっては、予め熱ＣＶＤ法（熱化学気相堆積法）等によりＳｉＣバルク基板上に半導体デバイスの活性領域をエピタキシャル成長することが必須である。ここで活性領域とは、結晶中におけるドーピング密度及び膜厚が精密に制御された上で作りこまれている成長方向軸を含む断面領域を指す。バルク基板に加えて、このようなエピタキシャル成長層が必要とされる理由は、デバイスの設計仕様によりドーピング濃度及び膜厚がほぼ規定されるからであり、また、通常、バルク基板のドーピング濃度よりも一層の高精度の制御性が求められるためである。【０００４】
ＳｉＣバルク基板上へエピタキシャル成長層を形成したウエハを、以下、エピタキシャルウエハと称する。ＳｉＣデバイスはエピタキシャルウエハに対して様々な加工を施して作製されるため、一枚のエピタキシャルウエハから所望の特性を有するデバイスが作製される個数の割合、つまり、いわゆる素子歩留りは、エピタキシャル成長層の電気的特性の均一性に強く依存している。即ち、エピタキシャルウエハ面内において他の領域に比べて絶縁破壊電界が小さい、或いは、一定の電圧を印加した際に相対的に大きな電流が流れるような局所的な領域が存在すれば、当該領域を含むデバイスの特性は例えば耐電圧特性が劣ってしまい、相対的に小さな印加電圧においても、いわゆるリーク電流が流れる不具合が生じる。言い換えれば、素子歩留りを第一義的に規定する要素はエピタキシャルウエハの結晶学的な均一性である。かかる均一性を阻害する要因として、エピタキシャル成長時の不具合に起因する、いわゆる種々の電流リーク欠陥の存在が知られている。【０００５】
上述の結晶欠陥に共通する特徴は、結晶における原子配列の周期性が結晶成長方向に沿って局所的に不完全となっている点である。ＳｉＣのエピタキシャル成長によって生じる欠陥として、その表面形状の特徴から、キャロット欠陥、三角欠陥等と呼称される電流リーク欠陥が知られている。【０００６】
これらの欠陥の発生を抑制する方法として、例えば、特許文献１には欠陥の発生を抑止するためのエピタキシャル成長層を、バルク基板と活性層との間に、典型的な成長温度として１５００℃未満で成長する方法が挙げられている。【０００７】
また、例えば特許文献２には、温度１４００℃、圧力３０Ｔｏｒｒ（４．０ｋＰａ）の条件下において４０分間水素エッチングし、さらに、温度を１５０℃高温化して、かつ４２Ｔｏｒｒ（５．６ｋＰａ）と相対的に高圧化してエピタキシャル成長することにより、基底面転位密度が平均値で２０／ｃｍ２となるエピタキシャルウエハが得られる実施例が挙げられている。【０００８】
ＳｉＣ結晶には良く知られているようにポリタイプと呼ばれる特有の周期性が存在する。即ち、化学量論比的組成はＳｉとＣとで一対一であり、かつ、結晶格子が六方最密充填構造であっても、本構造におけるｃ軸に沿って原子配列に別種の周期性が存在する。この原子スケールでの周期及び結晶格子の対称性によって、ＳｉＣの物性は規定される。現在デバイス応用の観点から最も注目を集めているのは、４Ｈ−ＳｉＣと呼ばれるタイプである。４Ｈ−ＳｉＣを用いたパワーデバイスでは、主に原材料費を低減するという観点から、＜０００１＞面から＜１１−２０＞方向に５度程度よりも小さな角度で傾斜させ、かつ、Ｓｉ原子がＣ原子に比べて、より安定に配置し得る面を表面とするエピタキシャルウエハを用いるのが主流である。【０００９】
このようなエピタキシャルウエハでは、通常、その表面に数ナノメートルの高低差を有する凹凸が＜１−１００＞方向に平行な形で出現する。かかる表面形状の凹凸はステップバンチングと呼ばれる。ステップバンチングが存在する場合、エピタキシャル成長層の表面近傍に電界等によって誘起される電気的キャリアは、表面に平行な面内でステップバンチングに対して平行ではない向きに移動する場合、直接的な電位障壁となる。即ち、移動度、従って、電気伝導率が低下し、デバイス特性が悪化する。このため、ステップバンチングが存在する場合、電気伝導度のウエハ面内一様性が低下する不具合が生じる。よって、ステップバンチングが存在する場合、エピタキシャル成長層表面近傍にキャリアを誘起するＭＯＳ型等のデバイスでは、その具体的構造の設計段階及び製造段階での自由度が著しく制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２８４２９８
【特許文献２】特開２００５−３１１３４８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１の手法では、本質的にデバイス特性とは無関係であり活性層とは明確に異なる欠陥抑止層を、活性層とは異なる成長条件で別途形成する必要がある。これは、原料ガスの利用効率、エピタキシャルウエハの作製時間等の観点からは著しく不利であり、生産性を低下させる不具合が生じる。さらに、デバイスの電気的特性はエピタキシャル成長層の電気的特性によって本質的に規定されるため、かかる欠陥抑止層の導入によってデバイス構造上の制約条件が加わる結果、デバイス設計における自由度が低減するという問題も発生する。【００１２】
一方、特許文献２の手法ではこのような抑止層は不要であるが、事実上４０分以上に亘って水素エッチングを行い、さらに成長時には実質的に圧力及び温度を共に上昇しなければならない。これは、エピタキシャルウエハの製造上の時間的効率、即ちコストの観点で不利であり、また、装置状態を大きく変化しなければならないという装置上の問題、特に装置の排気系に対する負荷が大きいという問題がある。なお、特許文献２には基底面転位に関する記載はあるものの、素子歩留りを本質的に規定するキャロット欠陥及び三角欠陥等の電流リーク欠陥については一切言及されていない。【００１３】
また、４Ｈ−ＳｉＣタイプのＳｉＣバルク基板において表面が＜０００１＞面から＜１１−２０＞方向に５度程度よりも小さな角度で傾斜することによってＳｉ原子がＣ原子に比べてより安定に配置されるような場合には、エピタキシャル成長するとステップバンチングと呼ばれる凹凸が形成される傾向が強いので、かかるステップバンチングがデバイス特性へ及ぼす影響を回避するため、デバイス構造等が極端に制限されるという重大な問題があった。【００１４】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、原料ガスの利用効率を低減すること無くエピタキシャルウエハの作製時間を短縮して良好な生産性を確保した上で、ＳｉＣデバイスにおいて電流リーク源となるエピタキシャル成長後の欠陥密度が著しく低い、つまり、高い素子歩留りが得られ、しかも、良好な電気的特性を得る上で重要な要素である平坦性に優れたＳｉＣエピタキシャルウエハを提供するものである。【００１５】
また、本発明は、原料ガスの利用効率を低下させるような工程や長時間の処理を要し生産性を低下させるような工程等の特殊な前処理工程を行うことなしにＳｉＣバルク基板上に活性層のエピタキシャル成長を行っても、ＳｉＣデバイスにおいて電流リーク源となるエピタキシャル成長後の欠陥密度が低い、つまり、高い素子歩留りが得られるＳｉＣエピタキシャルウエハを得ることができるエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板を提供するものである。【００１６】
また、本発明は、長時間の処理を要し生産性を低下させるような工程等の特殊な前処理工程を行うことなしにＳｉＣバルク基板上に活性層のエピタキシャル成長を行っても、ＳｉＣデバイスにおいて電流リーク源となるエピタキシャル成長後の欠陥密度が低い、つまり、高い素子歩留りが得られるＳｉＣエピタキシャルウエハを得ることができるエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板を得るための熱処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るＳｉＣエピタキシャルウエハの製造方法は、＜０００１＞面から傾斜角が５度よりも小さな炭化珪素バルク基板を還元性ガス雰囲気中で第１の温度Ｔ１および処理時間ｔの条件でアニールする第１の工程と、上記還元性ガス雰囲気中で基板温度を低下する第２の工程と、上記第１の工程でのアニール温度Ｔ１よりも７５℃以上低い第２の温度Ｔ２で少なくともシリコン原子を含むガスと炭素原子を含むガスとを供給してエピタキシャル成長する第３の工程と、を備え、上記第１の工程において、Ｔ１×ｔが０〜７７６２２３Ｋ・ｓの範囲内であり、Ｔ１が１５２５℃以上かつｔが１０秒以上であり、かつ、上記第１の工程でアニール効果の発現する最も低いアニール温度をオフセット温度Ｔｏとした場合に、（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔが０〜２１０００Ｋ・ｓの範囲内であり、オフセット温度Ｔｏは１５２５℃であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係るエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板の製造方法は、＜０００１＞面からの傾斜角が５度よりも小さな炭化珪素バルク基板を還元性ガス雰囲気中で第１の温度Ｔ１および処理時間ｔの条件でアニールする第１の工程と、還元性ガス雰囲気中で炭化珪素バルク基板の温度を第１の温度Ｔ１よりも低い第３の温度Ｔ３まで低下させる第２の工程と、還元性ガスの供給を停止する第３の工程と、炭化珪素バルク基板の温度を前記第３の温度Ｔ３よりも低い温度に低下させる第４の工程と、を備え、第１の工程において、Ｔ１×ｔが０〜７７６２２３Ｋ・ｓの範囲内であり、Ｔ１が１５２５℃以上かつｔが１０秒以上であり、かつ、第１の工程でアニール効果の発現する最も低いアニール温度をオフセット温度Ｔｏとした場合に、（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔが０〜２１０００Ｋ・ｓの範囲内であり、オフセット温度Ｔｏは１５２５℃であり、第３の温度Ｔ３は９００℃以下であるものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るＳｉＣエピタキシャルウエハの製造方法によれば、原料ガス等の利用効率を低減することなく、ＳｉＣエピタキシャルウエハの作製時間を短縮して良好な生産性を確保した上で、ＳｉＣデバイスにおいて電流リーク源となるエピタキシャル成長後の欠陥密度が著しく低く、かつ、優れたデバイス特性を得る上で重要なウエハ表面の平坦性が極めて良好なＳｉＣエピタキシャルウエハを簡便に作製できる。【００２１】
また、本発明に係るエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板の製造方法よれば、例えば原料ガス等の利用効率を低下させたり生産性を低下させたりするような特殊な前処理工程を行うことなしにエピタキシャル成長を行ってもＳｉＣデバイスにおいて電流リーク源となるエピタキシャル成長後の欠陥密度が低いＳｉＣエピタキシャルウエハを得ることができるエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板を簡便に作製できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＳｉＣエピタキシャルウエハの製造手順を示す工程フロー図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるウェット薬液処理後のＳｉＣバルク基板の表面に対する暗視野条件下での光学顕微鏡像である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるウェット薬液処理後のＳｉＣバルク基板の表面に存在するＳｉＣ塵の走査型電子顕微鏡像である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるウェット薬液処理後のＳｉＣバルク基板の表面に存在するＳｉＣ塵のエネルギー分散型Ｘ線分析スペクトルである。
【図５】本発明の実施の形態１における図２と同じ領域をエピタキシャル成長後に観察した明視野条件下でのノマルスキー微分干渉光学顕微鏡像である。
【図６】本発明の実施の形態１におけるＳｉＣエピタキシャルウエハの基板温度の時間変化及びガスフローである。
【図７】本発明の実施の形態１における結晶成長温度１５５０℃でエピタキシャル成長したウエハ表面の１０μｍ角正方領域に対する原子間力顕微鏡像である。
【図８】本発明の実施の形態１における結晶成長温度１５２５℃でエピタキシャル成長したウエハ表面の１０μｍ角正方領域に対する原子間力顕微鏡像である。
【図９】本発明の実施の形態１における結晶成長温度１５００℃でエピタキシャル成長したウエハ表面の１０μｍ角正方領域に対する原子間力顕微鏡像である。
【図１０】本発明の実施の形態１における結晶成長温度１４７５℃でエピタキシャル成長したウエハ表面の１０μｍ角正方領域に対する原子間力顕微鏡像である。
【図１１】本発明の実施の形態１における結晶成長温度１４５０℃でエピタキシャル成長したウエハ表面の１０μｍ角正方領域に対する原子間力顕微鏡像である。
【図１２】本発明の実施の形態２におけるエピ欠陥密度と標準化温度×時間の関係を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態３におけるエピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度のＣ／Ｓｉ比依存性を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態４におけるエピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度の結晶成長温度Ｔ２依存性を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施の形態５におけるエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板の製造手順を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の実施の形態５におけるウェット薬液洗浄工程後のＳｉＣバルク基板の表面に対する暗視野条件下での光学顕微鏡像である。
【図１７】本発明の実施の形態５におけるウェット薬液洗浄工程後のＳｉＣバルク基板の表面に存在するＳｉＣ塵の走査型電子顕微鏡像である。
【図１８】本発明の実施の形態５における図１７中の正方形で囲まれた領域に対してエネルギー分散型Ｘ線分析を行った結果を示すスペクトルである。
【図１９】本発明の実施の形態５における図１６と同じ領域をエピタキシャル成長後に観察した明視野条件下でのノマルスキー微分干渉光学顕微鏡像である。
【図２０】本発明の実施の形態５におけるＳｉＣバルク基板の温度の時間変化及びガスシーケンスを示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態５におけるアニール処理後にエピタキシャル成長を行う実験に用いたＳｉＣバルク基板の温度の時間変化及びガスシーケンスを示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態５におけるＳｉＣエピタキシャルウエハの１０μｍ角正方領域に対する原子間力顕微鏡像である。
【図２３】本発明の実施の形態６におけるエピタキシャル欠陥の密度と標準化温度×時間の関係を示す図である。
【図２４】本発明の実施の形態７におけるアニール処理後にエピタキシャル成長を行う実験に用いたＳｉＣバルク基板の温度の時間変化及びガスシーケンスを示す図である。
【図２５】本発明の実施の形態８における熱処理装置を示す側面断面図である。
【図２６】本発明の実施の形態８における熱処理装置を示す上面図である。
【図２７】本発明の実施の形態８における基板ホルダおよび段差軽減部材を示す上面図である。
【図２８】本発明の実施の形態８における基板ホルダを示す断面図である。
【図２９】本発明の実施の形態８における基板ホルダでＳｉＣバルク基板を支持した様子を示す断面図である。
【図３０】本発明の実施の形態８における基板ホルダを示す斜視図である。
【図３１】本発明の実施の形態８におけるエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板の製造手順を示すフローチャートである。
【図３２】本発明の実施の形態８におけるウェット薬液洗浄工程後のＳｉＣバルク基板の表面に対する暗視野条件下での光学顕微鏡像である。
【図３３】本発明の実施の形態８におけるウェット薬液洗浄工程後のＳｉＣバルク基板の表面に存在するＳｉＣ塵の走査型電子顕微鏡像である。
【図３４】本発明の実施の形態８における図３３中の正方形で囲まれた領域に対してエネルギー分散型Ｘ線分析を行った結果を示すスペクトルである。
【図３５】本発明の実施の形態８における図３２と同じ領域をエピタキシャル成長後に観察した明視野条件下でのノマルスキー微分干渉光学顕微鏡像である。
【図３６】本発明の実施の形態８におけるＳｉＣバルク基板の熱処理時の温度プロファイルおよびガスシーケンスを示す図である。
【図３７】本発明の実施の形態９における熱処理装置を示す側面断面図である。
【図３８】本発明の実施の形態９における図３７のＡ−Ａ断面図である。
【図３９】本発明の実施の形態９における図３７のＢ−Ｂ断面図である。
【図４０】本発明の実施の形態９における基板ホルダでＳｉＣバルク基板を支持した様子を示す断面図である。
【図４１】本発明の実施の形態９における基板ホルダを示す斜視図である。
【図４２】本発明の実施の形態１０における基板ホルダを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるＳｉＣエピタキシャルウエハの製造手順を示す工程フロー図である。
【００２５】
本発明で使用するＳｉＣバルク基板は、４Ｈ−ＳｉＣタイプで、＜０００１＞面から＜１１−２０＞方向に５度程度よりも小さな角度で傾けた仕様の基板である。なお、傾斜方向は＜１１−２０＞方向に厳密に限定されるものではなく、他の方向に傾斜した仕様の基板でも良い。
【００２６】
まず、ＳｉＣバルク基板を、予め機械研磨及び、酸性又はアルカリ性を呈する薬液を用いて化学機械研磨により平坦化処理(ＣＰＭ処理)する。平坦化処理後のＳｉＣバルク基板をアセトン等を用いて超音波洗浄を施して、表面に付着した有機物を除去する。次に、硫酸と過酸化水素水とを体積比率で５：１に混合して、約１３０℃（±５℃）に加熱した混合溶液中に、ＳｉＣバルク基板を浸漬することにより、主に金属付着物を除去する。さらに、王水により残留金属付着物を除去する。
【００２７】
次に、このＳｉＣバルク基板に対して、いわゆるＲＣＡ洗浄を行う。即ち、７５℃（±５℃）に加熱したアンモニア水と過酸化水素水の混合溶液（１：９）中に１０分間浸した後、７５℃（±５℃）に加熱した塩酸と過酸化水素水の混合溶液（１：９）に浸す。さらに、体積比率で５％程度のフッ酸を含む水溶液に浸した後、純水により置換処理を施して、ＳｉＣバルク基板に対する表面洗浄を行う。しかしながら、上述の一連のウェット薬液洗浄によっても、ＳｉＣバルク基板表面は他の例えばシリコン等の半導体材料のようには清浄とはならない。これは、ＳｉＣ結晶における原子間力が従来の半導体の原子間力に比べて著しく強いため、ＳｉＣバルク基板表面を均一に溶解する薬液が未だ見出されていないからである。
【００２８】
図２は、上記処理後のＳｉＣバルク基板の表面を暗視野条件の下で、光学顕微鏡観察を行った結果である。後述するが、図２において実線で囲まれた領域では、エピタキシャル成長後、三角欠陥が確認され、一方、破線で囲まれた領域ではキャロット欠陥が観測された。破線で囲まれた領域では比較的強い発光が見られ、実線で囲まれた領域内、あるいは領域外の近傍で、比較的弱い発光が見られる。なお、実線矢印で示した直線形状はＳｉＣバルク基板裏面の研磨傷に起因するものであり、また、極めて強い発光領域は裏面の凹凸を反映したものである。なお、詳細に観察すればより小さな点状の発光が確認されるものの、これらの部位は後の結果に影響を及ぼさない。このような観察法は表面状態に敏感であるため、かかる観察からＳｉＣバルク基板表面に何らかの微小な粒が付着していることが分かる。
【００２９】
上記処理後のＳｉＣバルク基板を走査型電子顕微鏡によってさらに評価した結果を図３に示す。図３から明らかな通り、上記微小発光領域に存在する異物は鋭角状を呈しており、その大きさは少なくともマイクロメートルスケールであることが判別できる。図３中の正方形で囲まれた領域に対して、エネルギー分散型Ｘ線分光により得られたスペクトルを図４に示す。図４の縦軸はスペクトル強度、横軸はエネルギーを表している。図から分かるように、炭素及びシリコンからのピークが強く、これらの相対強度から判断すると、この付着物は化学量論比が一対一のＳｉＣからなることが分かった。即ち、上述の種々の洗浄を行ったにもかかわらず、ＳｉＣバルク基板表面には未だにＳｉＣ塵が付着していることが判明した。
【００３０】
図２で示したような、予め、ＳｉＣバルク基板に対する暗視野条件下で表面観察を行った領域上に、１４７５℃でエピタキシャル成長を行った後の微分干渉光学顕微鏡像を図５に示す。以下、本発明に至る過程で得られた実験結果における各処理温度を詳細に記述するが、かかる処理温度の表示値は、ＣＶＤ装置における測定方法に強く依存する。そこで、本発明における温度の測定は原則としてパイロメーターでの測定値に統一している。ちなみに、他の測定方法で温度を測定した場合は、パイロメーターで同時に測定した値とのオフセット値を計算して調整すれば良い。
【００３１】
図５から明らかな通り、図２において破線で囲まれた領域の近傍にはキャロット欠陥が、実線で囲まれた領域の近傍には三角欠陥といった電流リーク欠陥が形成されている事実を本発明の発明者らが初めて見出した。なお、図２における比較的弱い発光が見られた位置と図３において三角型欠陥が見られた位置とが必ずしも完全に対応せず、１００μｍオーダでずれている箇所が複数見られるが、これは、後述するような過程によって、実質的に移動することを明確に示すものである。
【００３２】
また、このような欠陥が存在する領域をパワーデバイスが含む場合、高電界印加時にリーク電流が生じることが一般に知られている。即ち、かかる欠陥の存在は、素子歩留りを大幅に低下させる直接的要因となる。したがって、これらの欠陥を除去しなければ、均一性が良好でパワーデバイス作製に好適なエピタキシャル成長層は到底得られない。
【００３３】
このような各種欠陥の要因となるＳｉＣ塵を除去するために、本発明の発明者らが様々な実験を試行錯誤しつつ繰り返し行った結果、以下に詳述する一連の工程が最も効率的にＳｉＣ塵を除去し得て、しかも、平坦性が極めて良好なエピタキシャル表面が得られるという新たな知見を得た。以下に、本発明の特徴であるＳｉＣ塵除去の工程を説明する。
【００３４】
まず、例えばＳｉＣ膜によってコーティングされたグラファイト製の基板ホルダ上にＳｉＣバルク基板を載置して、ＣＶＤ装置の反応炉内に設置する。反応炉内に残存する意図しない分子あるいは原子状の不純物のエピタキシャル成長層への混入を抑制するため、反応炉内を約１×１０−７ｋＰａ程度にまで真空引きを行う。
【００３５】
次に、図６に示すような温度プロファイル及びガスシーケンスにて、ＳｉＣエピタキシャルウエハ、つまり、ＳｉＣバルク基板上にエピタキシャル成長層が形成されたウエハの作製を行う。
【００３６】
最初に、反応炉内に還元性ガスとして、例えば水素ガスを導入する。ちなみに、本実施の形態では、水素ガスはキャリアガスを兼ねている。還元性ガスが導入され、基板表面に還元性ガス種が接する設定下で、真空度が例えば２５ｋＰａ程度に一定に保持されるように、反応炉の圧力を制御する。なお、本実施の形態では上記圧力下での実験例を詳述するが、一般に、反応炉の構造・形状の相違等によって、各ＣＶＤ装置で好適な圧力は変化し得るものであり、かかる相違を加味すると、１ｋＰａから７０ｋＰａの範囲内での減圧雰囲気とするのが好適である。これは、１ｋＰａよりも圧力が低いと、後述の還元性ガスによる置換反応効率が低下し、また、７０ｋＰａよりも高いとＳｉＣバルク基板に対するエッチングが支配的となって、得られるエピタキシャル成長層の表面の平坦性が悪化するからである。
【００３７】
次に、高周波誘導電流によって主に基板ホルダを加熱することにより、ＳｉＣバルク基板を所定の処理温度Ｔ１まで加熱する。一般に、ＳｉＣバルク基板からの炭素原子の優先的脱離を抑制するために、結晶成長を開始する温度よりも１００℃程度低い温度に基板温度が到達した段階で炭素を含むガス、例えばプロパンの反応炉への供給を開始する。しかしながら、このような炭素原子を含むガスを先行して供給すると、上記傾斜角が５度程度以下のＳｉＣバルク基板表面では原子の表面再構成が顕著に発生して、炭素を含むガスの先行供給時間が長くなる程、ステップバンチングの顕在化、即ち、ＳｉＣバルク基板表面の凹凸が増加する傾向があることが分かった。即ち、成長開始時までプロパンの供給を行わないことが平坦性を確保する上で重要である点を本発明の発明者らは見出したのである。
【００３８】
基板温度を上昇させて、例えば１５５０℃以上の相対的に高い温度Ｔ１で還元性ガス雰囲気にて所定の時間保持する。かかる高温でのアニール処理はキャロット欠陥及び三角欠陥等の電流リーク欠陥を低減すると同時に、平坦性の優れたエピタキシャルウエハを得る上で必須である。後述するように、ステップバンチングが存在せず、かつ、平坦なエピタキシャル成長面を得るには１４７５℃程度という比較的低温でエピタキシャル成長を行う必要があるが、上述のような高温アニール処理を実施しない場合、キャロット欠陥及び三角欠陥等の電流リーク欠陥密度が少なくとも１０個／ｃｍ２以上の高密度で発生するからである。
【００３９】
上述の通り、キャロット欠陥及び三角欠陥の主な発生原因は、ＳｉＣバルク基板に付着したＳｉＣ塵によるものであるから、ＳｉＣバルク基板自体にダメージを与えないようにＳｉＣ塵を選択的に除去するには、ＳｉＣバルク基板上に化学的に吸着しているＳｉＣ塵を、還元性ガス雰囲気下でアニールする処理が極めて効果的である。
【００４０】
即ち、このＳｉＣ塵は上述の薬液処理の最後に使われるフッ酸溶液中で、ＳｉＣバルク基板上に付着したものと推察される。フッ酸処理は、本来はＳｉＣ表面の酸化膜を除去するためのものである。従って、フッ酸溶液中では、ＳｉＣバルク基板と付着したＳｉＣ塵とは両者とも酸化膜は形成されない。ＳｉＣバルク基板をフッ酸溶液中から大気中に曝すと、直ちに、両者の表面に対する酸化が開始される。ＳｉＣ塵の形状から判断してＳｉＣ塵表面は原子レベルでは平坦ではないため、ＳｉＣ塵とＳｉＣバルク基板とは薄い酸化膜を介して付着しているものと推察される。従って、ＳｉＣバルク基板にダメージを与えないようにしつつ、ＳｉＣ塵を選択的に基板表面から除去するには、還元性ガス中でのアニール処理により、両者の酸化膜を除去した上で、還元性ガスに含まれる例えば水素原子によって、両者の表面を水素置換することで表面を安定化する処理が極めて有効である。かかる処理によって、両者の表面は互いに水素終端され、両者間に電気化学的な斥力が生じる上、ガス流自体によってＳｉＣ塵がＳｉＣバルク基板表面領域からガスの下流側へ移動され得るからである。この結果、ＳｉＣバルク基板表面に付着していたＳｉＣ塵はＳｉＣバルク基板に何らダメージを与えることなく除去される。
【００４１】
本発明の発明者らが様々な条件下で実験を繰り返した結果、上述の水素置換が効率的に生じるアニール温度は、１５２５℃以上であることが判明した。即ち、１５２５℃がアニール効果が効果的に発現する最も低いアニール温度であると言える。表１に、アニール温度（Ｔ１）を１５２５℃から１６００℃まで２５℃ずつ変化させ、また、アニール処理時間を１０秒、１８０秒、４２０秒でそれぞれ処理した場合について、光学顕微鏡による表面観察にて観測・計数して算出したキャロット欠陥及び三角欠陥密度の総和を示す。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
アニール温度Ｔ１を１５２５℃とした場合、アニール処理時間４２０秒で本欠陥密度は３．１個／ｃｍ２となり、上記アニール工程を行わない場合に対して、１／３以下に低減した。アニール温度Ｔ１を１５５０℃とした場合、アニール処理時間１８０秒以上でこれらの欠陥密度が３個／ｃｍ２以下となった。また、アニール温度Ｔ１を１５７５℃とした場合、アニール処理時間が１８０秒で０．７個／ｃｍ２という結果となった。アニール温度Ｔ１を１６００℃とした場合、アニール処理時間１０秒では０．８３個／ｃｍ２、１８０秒では２．６個／ｃｍ２という良好な結果が得られたものの、４２０秒では３０個／ｃｍ２以上と急激に悪化した。
【００４４】
アニール温度Ｔ１の高温化に伴い、比較的短時間でこのような欠陥の低密度化が実現するのは、化学反応が高温で加速するという一般的な知見と一致する。但し、アニール温度Ｔ１が１６００℃では、アニール処理時間４２０秒で三角欠陥が高密度化した。これは、ＳｉＣ塵の脱離に加え、還元性ガスによるＳｉＣバルク基板表面へのエッチングが支配的となったためと思われる。つまり、還元性ガスによるＳｉＣバルク基板のエッチングが過剰となり、Ｓｉドロプレットが形成されること、あるいはＳｉＣ塵自体もＳｉＣバルク基板上で一部融解してＳｉＣバルク基板と一体化すること等を通じて、ＣＭＰ加工で得られた、優れた平坦性が局所的に悪化する結果、これらが新たな異常成長核となるからである。
【００４５】
従って、作業時間の的効率の観点からは、アニール温度Ｔ１は１５５０℃以上が好ましく、さらに好ましくは１５７５℃以上が良い。アニール温度Ｔ１が１５５０℃ではアニール処理時間ｔは４２０秒以上が良い。アニール温度Ｔ１が１５７５℃では、アニール処理時間ｔは４２０秒以下、さらに好ましくは１８０秒とするのが良い。アニール温度Ｔ１が１６００℃ではアニール処理時間ｔは１８０秒未満で１０秒程度のアニール時間が好ましい。一連の実験結果が示すように、アニール温度Ｔ１を高温化するに伴い、アニール時間ｔは短縮する傾向にある。なお、ここでは、アニール処理時間ｔ内においてアニール温度Ｔ１を一定とした場合について述べたが、本工程を短時間化するため、アニール温度Ｔ１に対して、一定ではなく、時間的変化を与えても良い。この場合、ピーク温度が上述のアニール温度Ｔ１に対応する。
【００４６】
次に還元性ガス雰囲気中で、同一圧力を保持しつつ基板温度を降温する。当該降温工程に要する時間は本発明に関する一連の実験に用いたＣＶＤ装置では約５分であった。なお、降温時間はＣＶＤ装置の特に冷却系構造に依存する。降温工程に要する時間は可能な限り短い方が好ましい。即ち、ＳｉＣバルク基板導入段階で基板表面に付着したＳｉＣ塵に対しては上記還元性ガスによる脱離工程により除去可能であるのに対して、降温工程に要する時間が長い場合、ＣＶＤ装置内部に付着・残存するＳｉＣ塵等が上述の高温アニール処理工程によって清浄化されたＳｉＣバルク基板表面に新たに付着するといった不具合が生じ、付着したＳｉＣ塵等が次工程であるエピタキシャル成長段階における異常成長核となって、新たな電流リーク欠陥を形成するからである。
【００４７】
特に問題となるのは、ＳｉＣバルク基板に対して還元性ガス或いは原料ガス等が流入する方向（いわゆる上流側）及び、ＳｉＣバルク基板と対向する上面の加熱領域を構成している部材、例えば基板ホルダ及びサセプタなどの表面に付着したＳｉＣ粉塵による付着である。かかるＳｉＣ粉塵は、ＳｉＣバルク基板上へのＳｉＣのエピタキシャル成長時に、上記部材の表面に同時に形成され、ＳｉＣバルク基板に付着することによって発生する。従って、ＳｉＣ粉塵の形成自体を抑制するのは極めて困難である。また、エピタキシャル成長を行う度に、これらの部材を全て交換することは製造コストの観点から不利である。従って、エピタキシャルウエハの製造を繰り返し行うに伴いＣＶＤ装置中で加熱される部材に付着するＳｉＣ粉塵が上記高温アニール処理工程によって一旦は清浄化されたＳｉＣバルク基板表面に付着するので、エピタキシャル成長後、キャロット欠陥及び三角欠陥等の電流リーク欠陥となる不具合を低減する上で、かかる降温工程は短時間の方がより好適である。
【００４８】
上述の還元性ガス雰囲気中での高温アニール処理工程及び基板温度の降温工程の後、所定の結晶成長温度Ｔ２に到達してから、原料ガスの供給の開始によって、エピタキシャル成長が開始される。なお、ここでは、降温工程完了後に材料ガスを供給する事例を示したが、全体の処理時間を短縮するため、降温過程中に原料ガスの供給を開始しても良い。
【００４９】
上述の原料ガスの流量は、反応炉の構造あるいは圧力によって好適な量が決まるものであり、また成長速度によって大きく変化するものであるため、一律に規定はできないものの、本発明に用いたＣＶＤ装置では、少なくとも、シリコン原子を含むガスとして例えば水素で９０％希釈されたシランを９０ｓｃｃｍ、炭素原子を含むガスとして例えばプロパンを２．４ｓｃｃｍの流量で同時に供給し始めるシーケンスによって、エピタキシャル成長を行った。
【００５０】
また、必要に応じてＮ型ドーピング用のＮ２ガスを同時に供給しても良く、Ｐ型ドーピング用にＡｌ、Ｂ、Ｂｅを含む有機金属材料を供給しても良い。さらに、成長速度の高速化を図るためＨＣｌガスを併用しても良く、あるいは、シリコン原子を含むガスとしてシランを用いても良い。
【００５１】
また、ＳｉＣ塵の脱離が効率的に生じる結晶成長温度Ｔ２、例えば１５５０℃にてエピタキシャル成長を行った場合、主にシリコン原子の基板表面でのマイグレーションが過大となり、例えば５度程度の傾斜角を有するＳｉＣバルク基板上への成長では、＜１１−２０＞方向に沿って、マイクロメートルオーダー以上の程度でほぼ周期的な凹凸が形成される。
【００５２】
図７は１５５０℃の結晶成長温度Ｔ２でエピタキシャル成長したウエハ表面の１０μｍ角正方領域に対する原子間力顕微鏡像である。この高低差は４H−ＳｉＣにおけるｃ軸方向の基本単位構造である１ｎｍよりも数倍程度大きい約６ｎｍであり、原子レベルで平坦な表面を得ることはできなかった。かかる凹凸形状は上述の通り、ステップバンチングと称されるものである。
【００５３】
かかるステップバンチングを抑制して原子スケールでほぼ平坦なエピタキシャル成長表面を得るため、結晶成長温度Ｔ２を種々変化して実験を繰り返した。結晶成長温度Ｔ２を１５２５℃、１５００℃、１４７５℃、１４５０℃と変化し、膜厚６μｍのエピタキシャル成長を行ったウエハに対して、１０μｍの正方領域について原子間力顕微鏡による評価を行った結果を、図８、図９、図１０、図１１に各々示す。その結果、結晶成長温度Ｔ２を１４７５℃以下、つまりアニール温度Ｔ１より７５℃以下とした場合に、エピタキシャル成長層の表面が顕著に平坦化することが判明した。即ち、図１０に示す通り、ステップバンチングは観察されなかった。さらに、結晶成長温度Ｔ２を低下させて、１４５０℃とした場合、図１１に示す通り、平坦性が顕著に改善し、Ｒａ＝０．２ｎｍ以下と極めて平坦性が良好なエピタキシャル成長層が得られた。
【００５４】
即ち、結晶成長温度Ｔ２をアニール処理温度Ｔ１より低くすることにより、良好なエピタキシャル成長層表面が得られた。また、結晶成長温度Ｔ２をアニール処理温度Ｔ１より７５℃以上低くすると、極めて平坦性が良好なエピタキシャル成長層が得られることが判明した。
【００５５】
実施の形態２．
実施の形態１ではＳｉＣバルク基板の表面状態のアニール温度依存性について詳述した。一般に、アニール処理においては、アニール温度Ｔ１と処理時間ｔが重要なファクターとなる。即ち、ウエハに対するアニール処理の効果は、かかる２つのパラメータを同時に考慮しなければならない。一般に、より高いアニール温度Ｔ１で長時間処理するほど、熱処理の度合いが大きいと言える。つまり、アニール温度Ｔ１とアニール時間ｔの積、Ｔ１×ｔが熱処理の度合いを直接的に表している。また、前述の通り、表１の実験結果もアニール温度Ｔ１によって最適な処理時間ｔは変化することを示唆している。即ち、原則として、アニール温度Ｔ１が高温になるほど、処理時間ｔは短い方が欠陥密度は低減する傾向にある。
【００５６】
処理時間ｔについては単に処理時間自体を適用すれば良いが、アニール温度Ｔ１については、実際のアニール温度をそのまま適用するよりも、アニール効果が発現するような温度をオフセット温度Ｔoとして標準化温度を導入する方がより適切である。つまり、（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔが熱処理の度合いを表すと考える。ちなみに単位はＫ・ｓとなる。
【００５７】
図１２に、表１の各アニール温度Ｔ１、処理時間ｔに対して標準化温度×時間、即ち、（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔを計算して横軸とし、各条件における欠陥密度を縦軸とした結果を示す。なお、オフセット温度Ｔｏはアニール効果の発現する最も低いアニール温度である１５２５℃とした。
【００５８】
図１２から分かるように、（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔが０〜２１０００Ｋ・ｓの範囲で３．３個／ｃｍ２以下という実用レベルの欠陥密度のウエハが得られている。５００〜１３５００Ｋ・ｓの範囲では、２．６個／ｃｍ２以下とさらに好適な結果となる。
【００５９】
かかるパラメータを導入して好適な範囲を見出せば、すべての処理条件について網羅的に実験しなくても、上述の表１程度の実験値からアニール温度Ｔ１を変えた場合の好適な処理時間ｔ、あるいは一定の処理時間ｔにしたい場合の好適なアニール温度Ｔ１が直ちに見出せるという効果がある。
【００６０】
実施の形態３.
実施の形態１、実施の形態２ではエピタキシャルウエハの表面状態のアニール温度依存性、欠陥密度のアニール温度Ｔ１およびアニール時間ｔの依存性について詳述した。つまり、欠陥密度が低く、表面平坦性が良好な、高品質なエピタキシャル成長層を得るための手法について説明した。
【００６１】
一方、実際のデバイスにおいては、エピタキシャルウエハが高品質である指標には、上述した欠陥密度と表面平坦性に加え、エピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度が小さいことが重要となる。
【００６２】
ここで、「Ｎ型残留不純物」とは、エピタキシャル成長時に、エピタキシャル成長層中に意図せずして含まれてしまうＮ型の不純物のことを指している。Ｎ型残留不純物は、例えば、ＣＶＤ装置内部に残存している空気中の窒素や、ＣＶＤ装置内部に配置された断熱材などから排出されるガスなどに起因する。
【００６３】
Ｎ型残留不純物濃度が高いと、エピタキシャル成長層中に意図して不純物をドーピングする際に、ドーピングする不純物濃度の制御が困難になるという問題がある。例えば、エピタキシャル成長層中に、意図してＮ型の不純物を１０１７ｃｍ−３台以下にドーピングしたいときに、Ｎ型残留不純物濃度が１０１６ｃｍ−３台である場合、エピタキシャル成長層へのドーピング濃度を制御することは困難である。
【００６４】
つまり、エピタキシャルウエハが高品質であるためには、低欠陥密度、かつ表面平坦性が良好で、しかも、Ｎ型残留不純物濃度が例えば２×１０１６ｃｍ−３以下、と低いものが、デバイス用のエピタキシャルウエハとして好適であるといえる。そのため、本発明者らは、上述したエピタキシャル成長及びその表面状態の原子スケールでの評価、欠陥密度の計数に加え、エピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度の評価を繰り返し行った。
【００６５】
Ｎ型残留不純物濃度を評価するために、例えばＣＶＤ装置内に窒素を供給するなどのエピタキシャル成長層中へ意図して不純物ドーピングするような行為を行わずにエピタキシャル成長を行った。意図したドーピングを行っていないため、形成されたエピタキシャル成長層に含まれるＮ型の不純物は全て残留不純物である。よって、このようにして形成されたエピタキシャル成長層のＮ型の不純物濃度を評価することによって、Ｎ型残留不純物濃度を評価することができる。
【００６６】
Ｎ型残留不純物濃度の評価は、いわゆるＣ−Ｖ測定によって行った。Ｃ−Ｖ測定とは、エピタキシャルウエハに電圧を印加して、電気容量を測定することにより、エピタキシャルウエハ中の不純物濃度を評価することができる手法である。
【００６７】
上述の手法によりＮ型残留不純物濃度を評価する実験を繰り返し行った結果、＜０００１＞面からのオフ角が５度よりも小さいＳｉＣバルク基板の場合、エピタキシャル成長に関わる主な実験パラメータのうち、特に、エピタキシャル成長時に供給する全原料ガス中の炭素原子とシリコン（珪素）原子との原子数比（以下「Ｃ／Ｓｉ比」または「Ｃ／Ｓｉ」という）を精密に制御することが、エピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度を制御するために重要であることがわかった。以下でこの実験結果について詳細に説明する。
【００６８】
エピタキシャルウエハを製造する工程の流れは、上述した実施の形態１と同様である。つまり、まず、ＳｉＣバルク基板に対して、ＣＭＰ処理工程、ウェット薬液洗浄工程を行った後、ＳｉＣバルク基板をＣＶＤ装置の反応炉内へ導入する。そして、還元性ガス雰囲気中でのアニール温度Ｔ１、アニール時間ｔにおける高温アニール処理工程を行い、基板温度の降温工程の後、所定の結晶成長温度Ｔ２に到達してから、原料ガスの供給の開始によって、エピタキシャル成長を開始する。ここでは、アニール温度Ｔ１は１５７５℃、アニール時間ｔは１８０秒、結晶成長温度Ｔ２は１４５０℃とし、エピタキシャル成長層の厚さは６μｍとした。
【００６９】
次に、低温エピタキシャル成長工程における原料ガスの供給条件について説明する。水素で９０％希釈されたシラン（即ち、水素：シラン＝９：１の混合ガス）の流量は９０ｓｃｃｍで一定とした。一方、プロパンのガス流量は、１．８ｓｃｃｍ（Ｃ／Ｓｉ＝０．６）、２．４ｓｃｃｍ（Ｃ／Ｓｉ＝０．８）、３．０ｓｃｃｍ（Ｃ／Ｓｉ＝１．０）、３．６ｓｃｃｍ（Ｃ／Ｓｉ＝１．２）、４．２ｓｃｃｍ（Ｃ／Ｓｉ＝１．４）として、それぞれエピタキシャル成長を行った。ここで、シランガス流量を一定としているため、プロパンガス流量の変化によってＣ／Ｓｉ比は変化する。尚、ここで「シラン」は、いわゆる「モノシラン」を使用した。
【００７０】
上述の条件でプロパンガス流量を変化させて、即ち、Ｃ／Ｓｉ比を変化させてエピタキシャル成長を行って得られたエピタキシャルウエハは全て、エピタキシャル成長層表面の欠陥密度が０．７個／ｃｍ２以下であった。また、それぞれのエピタキシャルウエハのエピタキシャル成長層の表面を原子間力顕微鏡で観察したところ、全てのエピタキシャルウエハにステップバンチングは存在しなかった。これにより、全てのエピタキシャルウエハについて、欠陥密度が極めて低いことと、エピタキシャル成長層の表面平坦性が良好であることが確認できた。
【００７１】
次に、Ｃ−Ｖ測定により、上述のエピタキシャルウエハのエピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度を調べた結果について説明する。図１３は、上述の実験におけるエピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度のＣ／Ｓｉ比依存性を示すグラフである。図１３に示すように、Ｃ／Ｓｉ比を０．４５以上とすれば、Ｎ型残留不純物濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下となり、電気的特性上の高品質化が実現できることが分かる。さらに、Ｃ／Ｓｉ比を１．１７以上にすれば、Ｎ型残留不純物濃度を１×１０１４ｃｍ−３以下とすることができる。
【００７２】
一方で、さらにＣ／Ｓｉ比を上昇させ、Ｃ／Ｓｉ＝１．４としてエピタキシャル成長層を形成した場合においては、Ｃ−Ｖ測定に用いた装置の測定限界に達したため、測定が不可能であった。
【００７３】
従って、好ましくは、Ｃ／Ｓｉ比を０．４５以上かつ１．４未満、さらに好ましくは、Ｃ／Ｓｉ比を１．１７以上かつ１．４未満とすれば、Ｎ型残留不純物濃度の低い高品質なエピタキシャル成長層を得ることができる。尚、この実験では測定は不可能であったが、Ｃ／Ｓｉ比を１．４以上とするとＮ型残留不純物濃度がさらに低くなる可能性がある。
【００７４】
本発明の実施の形態３では、以上のように、エピタキシャル成長時に供給する全ガス中に含まれる炭素原子数とシリコン原子数の比、即ち、Ｃ／Ｓｉ比を０．４５以上、かつ、１．４未満としたことにより、エピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下とすることができる。これは、例えば、エピタキシャル成長層中に、意図してＮ型の不純物を１０１７ｃｍ−３台以下にドーピングしたいときに特に有効である。
【００７５】
また、本発明の実施の形態３では、Ｃ／Ｓｉ比を１．１７以上、かつ、１．４未満としたことにより、エピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度を１×１０１４ｃｍ−３以下とすることができる。これは、例えば、高耐圧デバイス用に、エピタキシャル成長層中に、意図してＮ型の不純物を１０１５ｃｍ−３台以下にドーピングしたいときに特に有効である。
【００７６】
実施の形態４.
上述の実施の形態３では、供給する原料ガスのＣ／Ｓｉ比を変化させてエピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度を低減する手法について説明した。一方、Ｎ型残留不純物濃度は、エピタキシャル成長時の結晶成長温度Ｔ２にも依存するため、本発明の実施の形態４では、結晶成長温度Ｔ２を変化させてエピタキシャル成長層を形成し、Ｎ型残留不純物濃度を調べた実験結果について説明する。
【００７７】
エピタキシャルウエハを製造する工程の流れは、上述した実施の形態１および実施の形態３と同様である。つまり、まず、ＳｉＣバルク基板に対して、ＣＭＰ処理工程、ウェット薬液洗浄工程を行った後、ＳｉＣバルク基板をＣＶＤ装置の反応炉内へ導入する。そして、還元性ガス雰囲気中でのアニール温度Ｔ１、アニール時間ｔにおける高温アニール処理工程を行い、基板温度の降温工程の後、所定の結晶成長温度Ｔ２に到達してから、原料ガスの供給の開始によって、エピタキシャル成長を開始する。ここでは、アニール温度Ｔ１は１５７５℃、アニール時間ｔは１８０秒とした。
【００７８】
次に、低温エピタキシャル成長工程における条件について説明する。水素で９０％希釈されたシラン（即ち、水素：シラン＝９：１の混合ガス）の流量を９０ｓｃｃｍ、プロパンのガス流量を２．４ｓｃｃｍ、即ち、Ｃ／Ｓｉ比を０．８とした。そして、結晶成長温度Ｔ２を１４５０℃、１４６３℃、１４７５℃として、それぞれエピタキシャル成長を行った。
【００７９】
次に、Ｃ−Ｖ測定により、上述のエピタキシャルウエハのエピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度を調べた結果について説明する。図１４は、上述の実験におけるエピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度の結晶成長温度Ｔ２依存性を示すグラフである。図１４に示すように、結晶成長温度Ｔ２を１３２５℃以上とすれば、Ｎ型残留不純物濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下となることが分かる。
【００８０】
一方で、さらに結晶成長温度Ｔ２を上昇させ、１５００℃以上とすると、エピタキシャル成長層表面にステップバンチングが顕在化してしまった。
【００８１】
よって、結晶成長温度Ｔ２を１３２５℃以上、かつ、１５００℃未満とすることにより、低い欠陥密度と良好な表面平坦性を有し、さらに、低いＮ型残留不純物濃度を有するエピタキシャル成長層を得ることができる。
【００８２】
従って、上述の実施の形態１〜３と本実施の形態４から、バルク基板に対し、還元性ガス雰囲気中でのアニール温度Ｔ１、アニール時間ｔにおける高温アニール処理工程、基板温度の降温工程の後、所定の結晶成長温度Ｔ２に到達してから、エピタキシャル成長を開始し、エピタキシャル成長時に供給する原料ガスのＣ／Ｓｉ比を０．７２以上１．４未満、かつ、結晶成長温度Ｔ２を１３２５℃以上１５００℃未満とすることにより、低い欠陥密度と良好な表面平坦性を有し、さらに、低いＮ型残留不純物濃度を有するエピタキシャル成長層を得ることができることが分かった。
【００８３】
この発明の実施の形態４では、以上のように、結晶成長温度Ｔ２を１３２５℃以上、かつ、１５００℃未満としたことにより、エピタキシャル成長層中のＮ型残留不純物濃度を２×１０１６ｃｍ−３以下とすることができる。これは、例えば、エピタキシャル成長層中に、意図してＮ型の不純物を１０１７ｃｍ−３台以下にドーピングしたいときに特に有効である。
【００８４】
尚、必要に応じて、エピタキシャル成長の際に、Ｃ／Ｓｉ比、結晶成長温度Ｔ２、あるいは成長速度等、実験パラメータを適切に組み合わせてもよく、その場合は、Ｎ型残留不純物濃度がより低いエピタキシャル成長層を得ることができる。
【００８５】
実施の形態５．
まず、本発明の実施の形態５におけるエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板の製造方法について説明する。図１５は、本発明の実施の形態５におけるエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板の製造手順を示すフローチャートである。
【００８６】
尚、ＳｉＣ結晶にはポリタイプと呼ばれる特有の周期性が存在する。即ち、化学量論比的組成はＳｉとＣとで一対一であり、かつ、結晶格子が六方最密充填構造であっても、本構造におけるｃ軸に沿って原子配列に別種の周期性が存在し、この原子スケールでの周期及び結晶格子の対称性によって、ＳｉＣの物性は規定される。現在デバイス応用の観点から最も注目を集めているのは、４Ｈ−ＳｉＣと呼ばれるタイプである。４Ｈ−ＳｉＣを用いたパワーデバイスでは、主に原材料費を低減するという観点から、＜０００１＞面から＜１１−２０＞方向に５度程度よりも小さな角度で傾斜させ、かつ、Ｓｉ原子がＣ原子に比べてより安定に配置し得る面を表面とするエピタキシャルウエハを用いるのが主流である。
【００８７】
よって、ここでは、４Ｈ−ＳｉＣタイプで、＜０００１＞面から＜１１−２０＞方向に５度程度よりも小さな角度で傾けた仕様のＳｉＣバルク基板を製造し使用する。しかし、傾斜方向は＜１１−２０＞方向に厳密に限定されるものではなく、他の方向に傾斜した仕様としても良い。
【００８８】
まず、坩堝内に種結晶と原料とを対向配置し、原料側が相対的に高温となるように両者を加熱し、昇華法により種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させ、４Ｈ−ＳｉＣからなるＳｉＣインゴットを製造する（Ｓ１）。次に、ＳｉＣインゴットの外周を研削加工することにより、ＳｉＣインゴットの形状を円筒状に整える（Ｓ２）。ここで、基板の面方位を既定するためのいわゆるオリエンテーションフラット等の加工を施しておく。次に、ワイヤーソーやワイヤー放電加工などにより、ＳｉＣインゴットを平板状に切り出す（Ｓ３）。次に、平板状に切り出したＳｉＣバルク基板の表面及び裏面を研削及び機械研磨などにより平坦化する（Ｓ４）。ここで、基板の割れを防止するためにベベリング加工を外周に施しておく。
【００８９】
以上の工程によって製造されたＳｉＣバルク基板の表面には機械研磨に伴う傷などが存在し、これが起点となってエピタキシャル成長時に欠陥が形成されるため、以上の工程のみでは良好なＳｉＣエピタキシャルウエハを得るには不十分である。
【００９０】
次に、ＳｉＣバルク基板を、機械研磨及び酸性又はアルカリ性を呈する薬液を用いて化学機械研磨(ＣＭＰ)により平坦化処理する（Ｓ５）。そして、ＣＭＰ処理後のＳｉＣバルク基板をアセトン等を用いて超音波洗浄を施し、表面に付着した有機物を除去する。さらに、硫酸と過酸化水素水とを体積比率で５：１に混合し約１３０℃（±５℃）に加熱した混合溶液中に、ＳｉＣバルク基板を浸漬することにより、主に金属付着物を除去する。そして、王水により残留金属付着物を除去する。
【００９１】
次に、このＳｉＣバルク基板に対して、ＲＣＡ洗浄と呼ばれるウェット薬液洗浄を行う（Ｓ６）。即ち、７５℃（±５℃）に加熱したアンモニア水と過酸化水素水の混合溶液（１：９）中に１０分間浸した後、７５℃（±５℃）に加熱した塩酸と過酸化水素水の混合溶液（１：９）に浸す。さらに、体積比率で５％程度のフッ酸を含む水溶液に浸した後、純水により置換処理を施して、ＳｉＣバルク基板に対する表面洗浄を行う。しかしながら、上述の一連のウェット薬液洗浄によっても、ＳｉＣバルク基板表面は他の例えばシリコン等の半導体材料のようには清浄とはならない。これは、ＳｉＣ結晶における原子間力が従来の半導体の原子間力に比べて著しく強いため、ＳｉＣバルク基板表面を均一に溶解する薬液が未だ見出されていないからである。
【００９２】
図１６は、本発明の実施の形態５におけるウェット薬液洗浄工程後のＳｉＣバルク基板の表面に対する暗視野条件下での光学顕微鏡像である。後述するが、図１６において実線で囲まれた領域では、エピタキシャル成長後、三角欠陥が確認され、一方、破線で囲まれた領域ではキャロット欠陥が観測された。破線で囲まれた領域では比較的強い発光が見られ、実線で囲まれた領域内、あるいは領域外の近傍で、比較的弱い発光が見られる。尚、極めて強い発光領域は裏面の凹凸を反映したものである。また、詳細に観察すればより小さな点状の発光が確認されるものの、これらの部位は後の結果に影響を及ぼさない。このような観察法は表面状態に敏感であるため、かかる観察からＳｉＣバルク基板表面に何らかの微小な粒が付着していることが分かる。
【００９３】
図１７は、本発明の実施の形態５におけるウェット薬液洗浄工程後のＳｉＣバルク基板の表面に存在するＳｉＣ塵の走査型電子顕微鏡像である。図１７から明らかな通り、上記微小発光領域に存在する異物は鋭角状を呈しており、その大きさは少なくともマイクロメートルスケールであることが判別できる。
【００９４】
図１８は、本発明の実施の形態５における図１７中の正方形で囲まれた領域に対してエネルギー分散型Ｘ線分析を行った結果を示すスペクトルである。図１８において、縦軸はスペクトル強度、横軸はエネルギーを表している。図１８中、炭素及びシリコンからのピークが強く、これらの相対強度から判断すると、この付着物は化学量論比が一対一のＳｉＣからなることが分かった。即ち、上述の種々の洗浄を行ったにもかかわらず、ＳｉＣバルク基板表面には未だにＳｉＣ塵が付着していることが判明した。
【００９５】
図１９は、本発明の実施の形態５における図１６と同じ領域をエピタキシャル成長後に観察した明視野条件下でのノマルスキー微分干渉光学顕微鏡像である。ここで、エピタキシャル成長はＳｉＣバルク基板の温度を１４７５℃として行った。以下、本発明に至る過程で得られた実験結果における各処理温度を詳細に記述するが、かかる処理温度の表示値は測定方法に強く依存する。そこで、本発明における温度の測定は原則としてパイロメーターでの測定値に統一している。ちなみに、他の測定方法で温度を測定した場合は、パイロメーターで同時に測定した値とのオフセット値を計算して調整すれば良い。
【００９６】
図１９から明らかな通り、図１６において破線で囲まれた領域の近傍にはキャロット欠陥が、実線で囲まれた領域の近傍には三角欠陥といった電流リーク欠陥が形成されている事実を本発明の発明者らが初めて見出した。なお、図１６における比較的弱い発光が見られた位置と図１９において三角欠陥が見られた位置とが必ずしも完全に対応せず、１００μｍオーダでずれている箇所が複数見られるが、これは、後述するような過程によって、実質的に移動することを明確に示すものである。
【００９７】
また、このような欠陥が存在する領域をパワーデバイスが含む場合、高電界印加時にリーク電流が生じることが一般に知られている。即ち、かかる欠陥の存在は、素子歩留りを大幅に低下させる直接的要因となる。したがって、これらの欠陥を除去しなければ、均一性が良好でパワーデバイス作製に好適なエピタキシャル成長層は到底得られない。
【００９８】
このような各種欠陥の要因となるＳｉＣ塵を除去するために、本発明の発明者らが様々な実験を試行錯誤しつつ繰り返し行った結果、以下に詳述する一連の工程が最も効率的にＳｉＣ塵を除去し得るという新たな知見を得た。以下に、本発明の特徴であるＳｉＣ塵除去の工程を説明する。
【００９９】
まず、例えばＳｉＣ膜によってコーティングされたグラファイト製の基板ホルダ上にＳｉＣバルク基板を載置して、反応炉内に設置する（Ｓ７）。そして、反応炉内に残存する意図しない分子あるいは原子状の不純物が悪影響を与えることを抑制するために、反応炉内を約１×１０−７ｋＰａ程度にまで真空引きを行う。
【０１００】
図２０は、本発明の実施の形態５におけるＳｉＣバルク基板の温度の時間変化及びガスシーケンスを示す図である。図２０において、縦軸は温度、横軸は時刻を表している。次に、図２０に示すような温度プロファイル及びガスシーケンスにて、ＳｉＣバルク基板を処理する。
【０１０１】
まず、反応炉内に還元性ガスとして、例えば水素ガスを導入する。但し、還元性ガスは水素ガスに限ることはない。還元性ガスが導入され、基板表面に還元性ガス種が接する設定下で、真空度が例えば２５ｋＰａ程度で一定に保持されるように、反応炉の圧力を制御する。尚、本発明の実施の形態１では上記圧力下での実験例を詳述するが、一般に、反応炉の構造・形状の相違等により、反応炉毎に好適な圧力は変化し得るものであり、かかる相違を加味すると、１ｋＰａから７０ｋＰａの範囲内での減圧雰囲気とするのが好適である。これは、１ｋＰａよりも圧力が低いと、後述の還元性ガスによる置換反応効率が低下し、また、７０ｋＰａよりも高いとバルク基板に対するエッチングが支配的となって、その後、このＳｉＣバルク基板上への成長により得られるエピタキシャル成長層の表面の平坦性が悪化するからである。
【０１０２】
そして、高周波誘導電流によって主に基板ホルダを加熱することにより、ＳｉＣバルク基板を所定の処理温度Ｔ１まで加熱する。温度Ｔ１を例えば１５５０℃以上の相対的に高い温度に設定し、還元性ガス雰囲気にて処理時間ｔの間保持する（Ｓ８）。
【０１０３】
次に、還元性ガス雰囲気中で、同一圧力を保持しつつＳｉＣバルク基板の温度を降温する。ここで、還元性ガスのコストの観点から、ＳｉＣバルク基板の温度が室温に到達する前に還元性ガスの供給を停止する事が有利である。よって、ＳｉＣバルク基板の温度を温度Ｔ１よりも低い所定の温度Ｔ３まで降温した時点で（Ｓ９）、還元性ガスの供給を停止し（Ｓ１０）、その後さらにＳｉＣバルク基板の温度を温度Ｔ３よりも低い室温まで降温する（Ｓ１１）。以上により、エピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板が完成する。
【０１０４】
このような高温アニール処理を実施しない場合、エピタキシャル成長を行うと、キャロット欠陥及び三角欠陥等の電流リーク欠陥密度が少なくとも１０個／ｃｍ２以上の高密度で発生することが分かっている。
【０１０５】
上述の通り、キャロット欠陥及び三角欠陥の主な発生原因は、ＳｉＣバルク基板に付着したＳｉＣ塵によるものであるから、ＳｉＣバルク基板自体にダメージを与えないようにＳｉＣ塵を選択的に除去するには、ＳｉＣバルク基板上に化学的に吸着しているＳｉＣ塵を、還元性ガス雰囲気下でアニールする処理が極めて効果的である。
【０１０６】
即ち、このＳｉＣ塵は上述の薬液処理の最後に使われるフッ酸溶液中で、ＳｉＣバルク基板上に付着したものと推察される。フッ酸処理は、本来はＳｉＣ表面の酸化膜を除去するためのものである。従って、フッ酸溶液中では、ＳｉＣバルク基板と付着したＳｉＣ塵とは両者とも酸化膜は形成されない。ＳｉＣバルク基板をフッ酸溶液中から大気中に曝すと、直ちに、両者の表面に対する酸化が開始される。ＳｉＣ塵の形状から判断してＳｉＣ塵表面は原子レベルでは平坦ではないため、ＳｉＣ塵とＳｉＣバルク基板とは薄い酸化膜を介して付着しているものと推察される。従って、ＳｉＣバルク基板にダメージを与えないようにしつつ、ＳｉＣ塵を選択的に基板表面から除去するには、還元性ガス中でのアニール処理により、両者の酸化膜を除去した上で、還元性ガスに含まれる例えば水素原子によって、両者の表面を水素置換することで表面を安定化する処理が極めて有効である。かかる処理によって、両者の表面は互いに水素終端され、両者間に電気化学的な斥力が生じる上、ガス流自体によってＳｉＣ塵がＳｉＣバルク基板表面からガスの下流側へ移動され得るからである。この結果、ＳｉＣバルク基板表面に付着していたＳｉＣ塵はＳｉＣバルク基板に何らダメージを与えることなく除去される。
【０１０７】
但し、還元性ガスの供給を停止する温度Ｔ３が高すぎるとＳｉＣバルク基板の表面原子が還元性ガスに含まれる例えば水素原子以外のもので終端されるか、あるいは表面ダングリングボンドの形成に伴い酸化層が形成される。このような事を回避する事を鑑みれば、還元性ガスの供給を停止するときのＳｉＣバルク基板の温度Ｔ３は、９００℃以下であることが好ましく、さらに好ましくは３００℃以下が良い。３００℃以下が好ましいのは、ＳｉＣバルク基板の表面原子が還元性ガスに含まれる例えば水素原子で終端される効果を徹底化するのみならず、効率的に基板製造を行うため、基板温度の低下速度を高め、短時間で効率的な降温を実現できるからである。
【０１０８】
尚、降温工程に要する時間は短い方が好ましい。降温工程に要する時間が長い場合、反応炉内部に付着・残存しているＳｉＣ塵等が上述のアニール処理工程によって清浄化されたＳｉＣバルク基板の表面に新たに付着し、エピタキシャル成長時における異常成長核となって電流リーク欠陥を形成することがあるからである。
【０１０９】
本発明の発明者らが様々な条件下で実験を繰り返した結果、上述の水素置換が効率的に生じるアニール温度は、１５２５℃以上であることが判明した。即ち、１５２５℃がアニール効果が効果的に発現する最も低いアニール温度であると言える。以下に、温度Ｔ１を変化させてアニール処理をしたエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板にエピタキシャル成長を行い、キャロット欠陥及び三角欠陥の密度を調べた実験結果について説明する。
【０１１０】
図２１は、本発明の実施の形態５におけるアニール処理後にエピタキシャル成長を行う実験に用いたＳｉＣバルク基板の温度の時間変化及びガスシーケンスを示す図である。上述の説明ではアニール処理工程の後に室温までＳｉＣバルク基板の温度を降温するとしたが、アニール処理工程の後に一度室温まで降温してからエピタキシャル成長を行う温度まで加熱してエピタキシャル成長を行っても、室温まで降温することなくエピタキシャル成長を行う温度に設定してエピタキシャル成長を行っても、結果には影響しない。よって、ここでは、時間短縮のため、図２１に示すようにアニール処理後に室温まで降温することなくエピタキシャル成長を行う温度に設定してエピタキシャル成長を行った。
【０１１１】
インゴット製造工程からアニール処理工程までは上述と同様である。アニール処理工程後、還元性ガスの供給を停止することなく、ＳｉＣバルク基板の温度をエピタキシャル成長する温度Ｔ２にまで降温して、その後シラン（ＳｉＨ４）やプロパン（Ｃ３Ｈ８）といった原料ガスの供給を開始する。原料ガスの供給開始によってエピタキシャル成長が開始される。ＳｉＣバルク基板の温度は、エピタキシャル成長中は温度Ｔ２で一定に保持されている。尚、ここでは、ＳｉＣバルク基板の温度がエピタキシャル成長を行う温度Ｔ２にまで下がってから原料ガスを供給する場合を示したが、全体の処理時間を短縮するため、ＳｉＣバルク基板の温度がＴ２に達する前に原料ガスの供給を開始しても良い。
【０１１２】
所定の厚さのエピタキシャル成長層が形成された後、原料ガスの供給を停止する。そして、ＳｉＣバルク基板上にエピタキシャル成長層が形成されたＳｉＣエピタキシャルウエハの温度を室温まで降温し、還元性ガスの供給を停止する。還元性ガスの供給は、上述の温度Ｔ３に達した時点で停止してもよい。
【０１１３】
尚、上述のように、アニール処理工程はＳｉＣエピタキシャル成長用のＣＶＤ装置内で行う事も可能であるが、ＣＶＤ装置内部に付着・残存するＳｉＣ塵等が、高温アニール処理によって清浄化されたＳｉＣバルク基板の表面に新たに付着し、エピタキシャル成長段階における異常成長核となって、新たな電流リーク欠陥を形成するという問題が生じることがある。
【０１１４】
特に問題となるのは、ＳｉＣバルク基板に対し、還元性ガスあるいは原料ガス等が流入する方向及び、ＳｉＣバルク基板と対向する上面の加熱領域を構成している部材、例えば基板ホルダ及びサセプタなどの表面に付着したＳｉＣ塵である。かかるＳｉＣ塵は、ＳｉＣバルク基板上へのＳｉＣのエピタキシャル成長時に、上記部材の表面に同時に形成され、付着することによって発生する。従って、ＳｉＣ塵の形成自体を抑制するのは極めて困難である。また、エピタキシャル成長を行う度に、これらの部材を全て交換することは製造コストの観点から不利である。従って、エピタキシャルウエハの製造を繰り返し行うに従い、ＣＶＤ装置中で加熱される部材に付着するＳｉＣ塵が、アニール処理工程によって一旦は清浄化されたＳｉＣバルク基板表面に付着するので、アニール処理工程と、エピタキシャル成長工程とは異なる装置で行う事が望ましい。
【０１１５】
ここで、図２１に示す温度プロファイル及びガスシーケンスにおいて、アニール処理を行う温度Ｔ１を１５２５℃から１６００℃まで２５℃ずつ変化させ、また、アニール処理時間ｔを１０秒、１８０秒、４２０秒でそれぞれ処理した場合について、光学顕微鏡による表面観察にて観測・計数して算出したキャロット欠陥及び三角欠陥密度の総和を表２に示す。他の条件としては、エピタキシャル成長を行った温度Ｔ２は１４７５℃、原料ガスの流量は、水素で９０％希釈されたシランが９０ｓｃｃｍ、プロパンが２．４ｓｃｃｍであり、エピタキシャル成長層の厚さは６μｍであった。
【０１１６】
【表２】
0005598542.tif 000003
【０１１７】
アニール温度Ｔ１を１５２５℃とした場合、アニール処理時間ｔが４２０秒で欠陥密度は３．１個／ｃｍ２となり、上記アニール工程を行わない場合に対して３分の１以下に低減された。アニール温度Ｔ１を１５５０℃とした場合、アニール処理時間ｔが１８０秒以上でこれらの欠陥密度が３個／ｃｍ２以下となった。また、アニール温度Ｔ１を１５７５℃とした場合、アニール処理時間ｔが１８０秒で０．７個／ｃｍ２という結果となった。アニール温度Ｔ１を１６００℃とした場合、アニール処理時間ｔが１０秒では０．８３個／ｃｍ２、１８０秒では２．６個／ｃｍ２という良好な結果が得られたものの、４２０秒では３０個／ｃｍ２以上と急激に悪化した。
【０１１８】
アニール温度Ｔ１の高温化に伴い、比較的短時間でこのような欠陥の低密度化が実現するのは、化学反応が高温で加速するという一般的な知見と一致する。但し、アニール温度Ｔ１が１６００℃では、アニール処理時間４２０秒で三角欠陥が高密度化した。これは、ＳｉＣ塵の脱離に加え、還元性ガスによるＳｉＣバルク基板表面へのエッチングが支配的となったためと思われる。つまり、還元性ガスによるＳｉＣバルク基板のエッチングが過剰となり、Ｓｉドロプレットが形成されること、あるいはＳｉＣ塵自体もＳｉＣバルク基板上で一部融解してＳｉＣバルク基板と一体化すること等を通じて、ＣＭＰ加工で得られた、優れた平坦性が局所的に悪化する結果、これらが新たな異常成長核となるからである。
【０１１９】
従って、作業時間効率の観点からは、アニール温度Ｔ１は１５５０℃以上が好ましく、さらに好ましくは１５７５℃以上が良い。アニール温度Ｔ１が１５５０℃ではアニール処理時間ｔは４２０秒以上が良い。アニール温度Ｔ１が１５７５℃では、アニール処理時間ｔは４２０秒以下、さらに好ましくは１８０秒とするのが良い。アニール温度Ｔ１が１６００℃ではアニール処理時間ｔは１８０秒未満で１０秒程度が好ましい。一連の実験結果が示すように、アニール温度Ｔ１を高温化するに伴い、アニール処理時間ｔは短縮する傾向にある。尚、ここでは、アニール処理時間ｔ内においてアニール温度Ｔ１を一定とした場合について述べたが、本工程を短時間化するため、アニール温度Ｔ１に対して、一定ではなく、時間的変化を与えても良い。この場合、ピーク温度が上述のアニール温度Ｔ１に対応する。
【０１２０】
次に、上述の図２１に示す温度プロファイル及びガスシーケンスを経て得られたＳｉＣエピタキシャルウエハの表面の平坦性を調べた結果について説明する。図２２は、本発明の実施の形態５におけるＳｉＣエピタキシャルウエハの１０μｍ角正方領域に対する原子間力顕微鏡像である。ここで観測を行ったＳｉＣエピタキシャルウエハは、アニール温度Ｔ１が１５５０℃、処理時間ｔが４２０秒のものである。
【０１２１】
４Ｈ−ＳｉＣタイプのＳｉＣバルク基板において表面が＜０００１＞面から＜１１−２０＞方向に５度程度よりも小さな角度で傾斜することによってＳｉ原子がＣ原子に比べてより安定に配置されるような場合には、エピタキシャル成長すると、＜１１−２０＞方向に沿って、ステップバンチングと呼ばれるマイクロメートルオーダー以上のほぼ周期的な凹凸が形成される傾向が強い。ステップバンチングが存在する場合、エピタキシャル成長層の表面近傍に電界等によって誘起される電気的キャリアは、表面に平行な面内でステップバンチングに対して平行ではない向きに移動する場合、直接的な電位障壁となる。即ち、移動度、従って、電気伝導率が低下し、デバイス特性が悪化する。このため、ステップバンチングが存在する場合、電気伝導度のエピタキシャルウエハ面内一様性が低下する不具合が生じる。よって、ステップバンチングが存在する場合、エピタキシャル成長層表面近傍にキャリアを誘起するＭＯＳ型等のデバイスでは、その具体的構造の設計段階及び製造段階での自由度が著しく制限される。
【０１２２】
本発明の実施の形態５におけるアニール処理工程を経たエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板上にエピタキシャル成長を行った場合は、図２２に示すように、マイクロメートルオーダーの周期的な凹凸は見られず、ステップバンチングの無い平坦性が良好なエピタキシャル成長層が得られたことが分かる。
【０１２３】
本発明の実施の形態５では、以上のようにしたことにより、ＳｉＣバルク基板上に付着したＳｉＣ塵などの異物が除去され、その後、何らの処理を要さず、エピタキシャル成長時に形成される欠陥密度が著しく低く、高品質なエピタキシャル成長層を製造可能な、清浄な表面を有するＳｉＣバルク基板を得る事ができるという効果がある。さらに、エピタキシャル成長時にステップバンチングが形成されることを抑制でき、平坦性が良好なエピタキシャル成長層を形成することができる。
【０１２４】
実施の形態６．
上述した本発明の実施の形態５では、ＳｉＣバルク基板の表面状態のアニール温度依存性について詳述した。一般に、アニール処理においては、アニール温度Ｔ１と処理時間ｔが重要なファクターとなる。即ち、ＳｉＣバルク基板に対するアニール処理の効果は、かかる２つのパラメータを同時に考慮しなければならない。一般に、より高いアニール温度Ｔ１で長時間処理するほど、熱処理の度合いが大きいと言える。つまり、アニール温度Ｔ１とアニール時間ｔの積、Ｔ１×ｔが熱処理の度合いを直接的に表している。また、上述の通り、表２の実験結果もアニール温度Ｔ１によって最適な処理時間ｔは変化していくことを示唆している。即ち、原則として、アニール温度Ｔ１が高温になるほど、処理時間ｔは短い方が欠陥密度は低減する傾向にある。
【０１２５】
処理時間ｔについては単に処理時間自体を適用すれば良いが、アニール温度Ｔ１については、実際のアニール温度Ｔ１をそのまま適用するよりも、アニール効果が発現するような温度をオフセット温度Ｔoとして標準化温度（Ｔ１−Ｔｏ）を導入する方がより適切である。つまり、（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔが熱処理の度合いを表すと考える。ちなみに単位はＫ・ｓとなる。
【０１２６】
図２３は、本発明の実施の形態６におけるエピタキシャル欠陥（エピ欠陥）の密度と標準化温度×時間の関係を示す図である。図２３においては、表２に示した各アニール温度Ｔ１、処理時間ｔに対して標準化温度×時間、即ち、（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔを計算して横軸とし、各条件における欠陥密度を縦軸としている。尚、オフセット温度Ｔｏはアニール効果の発現する最も低いアニール温度である１５２５℃とした。
【０１２７】
図２３から分かるように、（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔが０〜２１０００の範囲で３．３個／ｃｍ２以下という実用レベルの欠陥密度のウエハが得られている。５００〜１３５００の範囲では、２．６個／ｃｍ２以下とさらに好適な結果となる。
【０１２８】
本発明の実施の形態６では、以上のようなパラメータを導入したことにより、好適な範囲を見出せば、すべての処理条件について網羅的に実験しなくても、上述の表２程度の実験値からアニール温度Ｔ１を変えた場合の好適な処理時間ｔ、あるいは一定の処理時間ｔにしたい場合の好適なアニール温度Ｔ１が直ちに見出せるという効果がある。
【０１２９】
実施の形態７．
本発明の実施の形態５及び６では、時間短縮のため、図２１に示すようにアニール処理後に室温まで降温することなく、エピタキシャル成長を行う結晶成長温度Ｔ２に設定してエピタキシャル成長を行った実験結果について説明した。それに対し、本発明の実施の形態７では、アニール処理後にＳｉＣバルク基板の温度を室温まで降温した後にエピタキシャル成長を行った実験結果について説明する。
【０１３０】
図２４は、本発明の実施の形態７におけるアニール処理後にエピタキシャル成長を行う実験に用いたＳｉＣバルク基板の温度の時間変化及びガスシーケンスを示す図である。インゴット製造工程（Ｓ１）から、温度を温度Ｔ３よりも低い室温まで降温する工程（Ｓ１１）までは、本発明の実施の形態５及び６と同様である。
【０１３１】
ここで、具体的なアニール条件としては、アニール温度Ｔ１を１５７５℃、アニール処理時間ｔを１８０秒とした。アニール効果が発現する温度Ｔｏが１５２５℃であるため、このとき、（Ｔ１−Ｔｏ）×ｔ＝９０００である。
【０１３２】
図２４に示すように、アニール処理後は、温度Ｔ３＝１００℃までＳｉＣバルク基板の温度を降温した時点で、還元性ガスである水素ガスの供給を停止した。そして、一旦、装置内を大気圧に戻し、ＳｉＣバルク基板を大気中に曝して降温した。さらに、ＳｉＣバルク基板を、室温、具体的には３０℃以下、ここでは約２５℃で６０分間保持した。
【０１３３】
ＳｉＣバルク基板を室温で６０分間保持した後、再び基板温度を結晶成長温度Ｔ２まで昇温し、エピタキシャル成長を行った。具体的なエピタキシャル成長の条件としては、本発明の実施の形態５及び６と同様であり、結晶成長温度Ｔ２は１４７５℃、原料ガスの流量は、水素で９０％希釈されたシラン（即ち、水素：シラン＝９：１の混合ガス）が９０ｓｃｃｍ、プロパンが２．４ｓｃｃｍであり、エピタキシャル成長層の厚さは６μｍとした。
【０１３４】
その後、実施の形態５及び６と同様の手法にてエピタキシャルウエハの表面の欠陥、即ち、エピ欠陥の密度を評価した結果、欠陥密度は０．７個／ｃｍ２であった。これは、実施の形態５と同等の結果である。
【０１３５】
また、アニール温度Ｔ１を１５５０℃、アニール処理時間ｔを１０秒とし、他の条件は上述の方法と同じとしてエピタキシャルウエハを製造し、エピ欠陥の密度を評価すると、欠陥密度は０．３３個／ｃｍ２であった。
【０１３６】
以上から、図２４に示すようにＳｉＣバルク基板をアニール処理後に一旦、大気圧に戻して大気中に曝して室温まで基板温度を降温した後に、再度昇温してエピタキシャル成長を行っても、低い欠陥密度と良好な表面平坦性を有するエピタキシャルウエハが得られることがさらに明確となった。これは即ち、ＳｉＣバルク基板をアニール処理後に一旦大気中に曝して室温まで基板温度を降温する保持工程を経ても、その後、何らの処理を要さず、エピタキシャル成長時に形成される欠陥密度が著しく低く、平坦性が良好な、高品質なエピタキシャル成長層を製造可能な、清浄な表面を有するＳｉＣバルク基板を得る事ができるということをさらに明確に示している。
【０１３７】
実施の形態８．
まず、本発明の実施の形態８における熱処理装置１ａの構成を説明する。図２５は、本発明の実施の形態８における熱処理装置１ａを示す側面断面図である。
【０１３８】
図２５において、熱処理装置１ａは、ＳｉＣバルク基板を熱処理するための処理室２を備えている。処理室２の側面には、処理室２内に還元性ガスを導入するための還元性ガス導入部である導入ノズル３が接続され、処理室２の上面には、処理室２外へ還元性ガスを排出するための還元性ガス排出部である排出ノズル６が接続されている。還元性ガス供給源７から供給される還元性ガスは、混入不純物ガス成分を除去するための還元性ガス純化器８を通り、バルブ１１を経て、導入ノズル３から処理室２内へと導入される。排出ノズル６には排気ポンプ１２が接続され、処理室２内を真空引きできるようになっている。処理室２外に排出された還元性ガスは還元性ガス除害装置１３によって処理される。
【０１３９】
次に、処理室２について説明する。処理室２は、少なくともその外周領域が、例えば石英を含む材料などのような耐熱性材料で形成されていることが好ましい。処理室２内には、還元性ガスが導入ノズル３から排出ノズル６へと流れる還元性ガスの流路１６が形成されている。
【０１４０】
処理室２の中央付近の外面には、処理室２を挟んで互いに対向するように、加熱装置である誘導加熱コイル１７および誘導加熱コイル１８がそれぞれ設置される。誘導加熱コイル１７および誘導加熱コイル１８自体が高温になると近傍領域が高温化してしまうため、これを防止するために誘導加熱コイル１７および誘導加熱コイル１８は冷却水用チューブを有するものであることが好ましい。誘導加熱コイル１７と誘導加熱コイル１８との間に位置する処理室２内には、上部サセプタ２１と下部サセプタ２２とが互いに対向するように設置される。上部サセプタ２１と誘導加熱コイル１７との間、下部サセプタ２２と誘導加熱コイル１８との間には、断熱材２３が設置される。また、下部サセプタ２２上にはＳｉＣバルク基板を支持するための基板支持具である基板ホルダ２６ａが設置される。
【０１４１】
ここで、基板ホルダ２６ａは還元性ガスの流路１６に接するように設置されるが、このように基板ホルダ２６ａを設置すると、還元性ガスの流路１６において処理室２の内壁と基板ホルダ２６ａとによって機械的段差が形成される。この機械的段差を軽減するために、還元性ガスの流れる方向に対して基板ホルダ２６ａよりも上流側および下流側にそれぞれ隣接して段差軽減部材２７が設置される。また、上部サセプタ２１も還元性ガスの流路１６に接するように設置されており、還元性ガスの流路１６において処理室２の内壁と上部サセプタ２１とによって機械的段差が形成されるため、還元性ガスの流れる方向に対して上部サセプタ２１よりも上流側および下流側にそれぞれ隣接して段差軽減部材２８が設置される。
【０１４２】
還元性ガスの流れる方向に対して基板ホルダ２６ａよりも下流側の処理室２の側面には、取り出しドア３１が開閉自在に設置され、基板ホルダ２６ａの出し入れができるようになっている。取り出しドア３１にはＯリングなどが具備されることによって、処理室２内の気密性が保てるようになっている。尚、基板ホルダ２６ａの出し入れは、大気圧で行うため、取り出しドア３１にリークバルブを装着しておいてもよい。
【０１４３】
また、取り出しドア３１には、基板ホルダ２６ａあるいはその近傍領域の温度を測定するための例えばパイロメーターのような測温装置３２が設置される。測温装置３２としてパイロメーターを用いる場合、取り出しドア３１に、パイロメーターに用いる波長に対して透過率が高い部材で形成されたビューポートを設けておく。
【０１４４】
次に、導入ノズル３について説明する。図２６は、本発明の実施の形態８における熱処理装置１ａを示す上面図である。ただし、図２６では、バルブ１１、還元性ガス純化器８、還元性ガス供給源７、排出ノズル６、排気ポンプ１２および還元性ガス除害装置１３を省略して示している。導入ノズル３の形状は、導入ノズル３を通って処理室２内に導入された還元性ガスに乱流が発生することを抑制するために、急峻な角度や直線状の形状をできる限り有さないことが好ましい。具体的には、図２６に示すように、導入ノズル３の形状を、少なくとも１つの変曲点を有する曲線で形成することにより、還元性ガスに乱流が発生することを抑制することができる。
【０１４５】
次に、段差軽減部材２７および段差軽減部材２８について説明する。図２７は、本発明の実施の形態８における基板ホルダ２６ａおよび段差軽減部材２７を示す上面図である。段差軽減部材２７は、処理対象物であるＳｉＣバルク基板の電気伝導性にできるだけ影響を与えにくい物質で形成することが好ましい。例えばアルミニウムや窒素のようなＳｉＣバルク基板の電気伝導性に影響を与える物質をできるだけ含まないものを用いることが好ましい。さらに、高温になることが予測されるため、断熱性材料で形成することが好ましい。また、断熱性材料で本体部分を形成し、本体部分の表面に、ＳｉＣバルク基板の電気伝導性に影響を与えにくい例えばＳｉＣ、ＴａＣまたはグラファイト（炭素）の層をコーティングして段差軽減部材２７を形成してもよい。また、段差軽減部材２８についても同様である。
【０１４６】
図２５および図２７に示すように、段差軽減部材２７は板状の部材である。そして、図２５における紙面垂直方向つまり図２７における縦方向の幅が基板ホルダ２６ａの幅とほぼ同じであって、還元性ガスの流路１６において処理室２の内壁と基板ホルダ２６ａとによって形成される機械的段差をできるだけ軽減するような厚さに形成される。つまり、基板ホルダ２６ａの還元性ガスの流路１６と接する面と、段差軽減部材２７の還元性ガスの流路１６と接する面とは、ほぼ同一の平面上に存在するようになる。さらに、基板ホルダ２６ａと段差軽減部材２７とは、できるだけ相互の間に間隔が空かないように接触して配置されることが好ましい。即ち、段差軽減部材２７を設置することによって、還元性ガスの流路１６において機械的段差ができるだけ無くなるようにすることが好ましい。こうすることにより、処理室２内に導入された還元性ガスに乱流が発生することを抑制することができる。
【０１４７】
また、基板ホルダ２６ａと段差軽減部材２７とは機械的に連結されていることが取り扱いの観点から好ましい。これらが機械的に連結されている場合、図２７に示すように、段差軽減部材２７のうち、還元性ガスの流れる方向に対して下流側のものに取り出し用部品３３を設けておくとよい。取り出し用部品３３は、具体的には例えば貫通孔や突起状部材であって、機械的に連結された基板ホルダ２６ａと段差軽減部材２７とを取り出しドア３１から出し入れする際に使用することにより、取り扱い効率が向上する。尚、図２７では取り出し用部品３３を２つ設けた例を示したが、これに限ることはなく、少なくとも１つ以上設けてあればよい。
【０１４８】
上部サセプタ２１に隣接して設置される段差軽減部材２８も、段差軽減部材２７と同様に板状の部材である。そして、図２５における紙面垂直方向の幅が上部サセプタ２１の幅とほぼ同じであって、還元性ガスの流路１６において処理室２の内壁と上部サセプタ２１とによって形成される機械的段差をできるだけ軽減するような厚さに形成される。つまり、上部サセプタ２１の還元性ガスの流路１６と接する面と、段差軽減部材２８の還元性ガスの流路１６と接する面とは、ほぼ同一の平面上に存在するようになる。さらに、上部サセプタ２１と段差軽減部材２８とは、できるだけ相互の間に間隔が空かないように接触して配置されることが好ましい。即ち、段差軽減部材２８を設置することによって、還元性ガスの流路１６において機械的段差ができるだけ無くなるようにすることが好ましい。こうすることにより、処理室２内に導入された還元性ガスに乱流が発生することを抑制することができる。
【０１４９】
次に、基板ホルダ２６ａについて説明する。図２８は、本発明の実施の形態８における基板ホルダ２６ａを示す断面図である。図２９は、本発明の実施の形態８における基板ホルダ２６ａでＳｉＣバルク基板３６を支持した様子を示す断面図である。図３０は、本発明の実施の形態８における基板ホルダ２６ａを示す斜視図である。
【０１５０】
基板ホルダ２６ａは、還元性ガスによる影響が比較的軽微で、１５００℃程度以上の熱処理に耐え得ることが好ましい。また、処理対象物であるＳｉＣバルク基板３６の電気伝導性にできるだけ影響を与えにくい物質で形成することが好ましく、例えばアルミニウムや窒素のようなＳｉＣバルク基板３６の電気伝導性に影響を与える物質をできるだけ含まないことが好ましい。さらに、ＳｉＣバルク基板３６を効率的に加熱するために、誘導加熱コイル１７の作用によって基板ホルダ２６ａ自体に誘導電流が流れて基板ホルダ２６ａを直接加熱できることが好ましい。これらを考慮すると、基板ホルダ２６ａは、例えばＳｉＣ、ＴａＣまたはグラファイト（炭素）で形成されることが好ましい。そして、基板ホルダ２６ａの本体部分を高純度のグラファイト（炭素）で形成し、本体部分の表面にＳｉＣまたはＴａＣの層をコーティングして基板ホルダ２６ａを形成することがより好ましい。また、本体部分を例えば金属などで形成し、本体部分の表面にＳｉＣ、ＴａＣまたはグラファイト（炭素）の層をコーティングして基板ホルダ２６ａを形成してもよい。
【０１５１】
図２８に示すように、基板ホルダ２６ａは、ＳｉＣバルク基板３６を支持するための領域である凹部３７を複数有している。１つの凹部３７に対して１枚のＳｉＣバルク基板３６を載置でき、複数の凹部３７を有することにより複数のＳｉＣバルク基板３６を載置できるようになっている。
【０１５２】
図２９に示すように、凹部３７は、凹部３７内にＳｉＣバルク基板３６が嵌まるように形成されている。処理室２内に導入された還元性ガスに乱流が発生することを抑制するため、凹部３７の深さは、凹部３７内に載置されたＳｉＣバルク基板３６と基板ホルダ２６ａとの間に機械的段差ができるだけ生じないように設定することが好ましい。ＳｉＣバルク基板３６の厚さと凹部３７の深さとの差は、±５００μｍ以下とするのが好ましく、±１００μｍ以下とするのがより好ましい。凹部３７内には、ＳｉＣバルク基板３６が、エピタキシャル成長用の面が上方を向くように載置され、このＳｉＣバルク基板３６のエピタキシャル成長用の面が還元性ガスの流路１６と接することとなる。
【０１５３】
還元性ガスに乱流が発生することを抑制する観点からは、凹部３７は、ＳｉＣバルク基板３６の外形とほぼ同じ形状を有し、ＳｉＣバルク基板３６の外周と凹部３７との間にできるだけ間隙が生じないようにすることが好ましい。ただし、ＳｉＣバルク基板３６と基板ホルダ２６ａとの熱膨張係数の差や、ＳｉＣバルク基板３６を凹部３７に配置したり凹部３７から取り出したりする作業の効率を考慮すると、ＳｉＣバルク基板３６の外周と凹部３７との間には５００μｍ程度の間隙があることが好ましい。
【０１５４】
また、ＳｉＣバルク基板３６は、その表裏の研磨状態の相違によって同心円状に反っている場合が多い。凹部３７の底面３８が平坦に形成されている場合、ＳｉＣバルク基板３６の反りによって、凹部３７の底面３８とＳｉＣバルク基板３６との間に間隙が生じる。ＳｉＣバルク基板３６の反りによって生じる間隙の大きさは、ＳｉＣバルク基板３６の口径が大きくなるほど増大する。ＳｉＣバルク基板３６を均一に加熱するためには、凹部３７の底面３８とＳｉＣバルク基板３６との間に生じる間隙ができるだけ小さい方が好ましい。よって、凹部３７の底面３８の形状は、ＳｉＣバルク基板３６の反りに合わせて湾曲していることが好ましい。具体的には、凹部３７の底面３８の断面形状が、凹部３７の底面３８の中心からの距離に対して２次以上の関数で表される曲線で形成されることが好ましい。
【０１５５】
図３０に示すように、基板ホルダ２６ａの凹部３７は２次元面心格子状に並んでおり、基板ホルダ２６ａは、還元性ガスの流れる方向とほぼ平行な平面上で複数のＳｉＣバルク基板３６を支持できるようになっている。また、基板ホルダ２６ａは、凹部３７が形成する２次元面心格子の一辺が還元性ガスの流れる方向とほぼ平行となるように処理室２内に設置される。よって、基板ホルダ２６ａは、格子の一辺が還元性ガスの流れる方向とほぼ平行となる２次元面心格子状に複数のＳｉＣバルク基板３６が並ぶように処理室２内で複数のＳｉＣバルク基板３６を支持できるようになっている。尚、図３０では、簡単のため、凹部３７の形状が円であるように示したが、実際には、ＳｉＣバルク基板３６は、通常、オリエンテーションフラットやインデックスフラットといった直線領域を有するため、凹部３７の形状も直線領域を有し、ＳｉＣバルク基板３６の外形とほぼ相似形とすることが好ましい。
【０１５６】
次に、本発明の実施の形態８における熱処理装置１ａを用いてＳｉＣバルク基板３６を熱処理しエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板を製造する方法および熱処理装置１ａの動作について説明する。
【０１５７】
図３１は、本発明の実施の形態８におけるエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板の製造手順を示すフローチャートである。
【０１５８】
まず、ＳｉＣバルク基板３６を製造する工程について説明する。尚、ＳｉＣ結晶にはポリタイプと呼ばれる特有の周期性が存在する。即ち、化学量論比的組成はＳｉとＣとで一対一であり、かつ、結晶格子が六方最密充填構造であっても、本構造におけるｃ軸に沿って原子配列に別種の周期性が存在し、この原子スケールでの周期および結晶格子の対称性によって、ＳｉＣの物性は規定される。現在デバイス応用の観点から最も注目を集めているのは、４Ｈ−ＳｉＣと呼ばれるタイプである。４Ｈ−ＳｉＣを用いたパワーデバイスでは、主に原材料費を低減するという観点から、＜０００１＞面から＜１１−２０＞方向に５度程度よりも小さな角度で傾斜させ、かつ、Ｓｉ原子がＣ原子に比べてより安定に配置し得る面を表面とするエピタキシャルウエハを用いるのが主流である。
【０１５９】
よって、ここでは、４Ｈ−ＳｉＣタイプで、＜０００１＞面から＜１１−２０＞方向に５度程度よりも小さな角度で傾けた仕様のＳｉＣバルク基板を製造し使用する。しかし、傾斜方向は＜１１−２０＞方向に厳密に限定されるものではなく、他の方向に傾斜した仕様としても良い。また、ポリタイプについても、４Ｈに限ることもなく、例えば６Ｈや３Ｃ等の他のポリタイプでもよい。
【０１６０】
まず、坩堝内に種結晶と原料とを対向配置し、原料側が相対的に高温となるように両者を加熱し、昇華法により種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させ、４Ｈ−ＳｉＣからなるＳｉＣインゴットを製造する（Ｓ１）。次に、ＳｉＣインゴットの外周を研削加工することにより、ＳｉＣインゴットの形状を円筒状に整える（Ｓ２）。ここで、基板の面方位を既定するためのオリエンテーションフラット等の加工を施しておく。次に、ワイヤーソーやワイヤー放電加工などにより、ＳｉＣインゴットを平板状に切り出す（Ｓ３）。次に、平板状に切り出したＳｉＣバルク基板の表面および裏面を研削および機械研磨などにより平坦化する（Ｓ４）。ここで、基板の割れを防止するためにベベリング加工を外周に施しておく。
【０１６１】
以上の工程によって製造されたＳｉＣバルク基板の表面には機械研磨に伴う傷などが存在し、これが起点となってエピタキシャル成長時に欠陥が形成されるため、以上の工程のみでは良好なエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板を得るには不十分である。
【０１６２】
次に、ＳｉＣバルク基板を、機械研磨および酸性又はアルカリ性を呈する薬液を用いて化学機械研磨(ＣＭＰ)により平坦化処理する（Ｓ５）。そして、ＣＭＰ処理後のＳｉＣバルク基板をアセトン等を用いて超音波洗浄を施し、表面に付着した有機物を除去する。さらに、硫酸と過酸化水素水とを体積比率で５：１に混合し約１３０℃（±５℃）に加熱した混合溶液中に、ＳｉＣバルク基板を浸漬することにより、主に金属付着物を除去する。そして、王水により残留金属付着物を除去する。
【０１６３】
次に、このＳｉＣバルク基板に対して、ＲＣＡ洗浄と呼ばれるウェット薬液洗浄を行う（Ｓ６）。即ち、７５℃（±５℃）に加熱したアンモニア水と過酸化水素水の混合溶液（１：９）中に１０分間浸した後、７５℃（±５℃）に加熱した塩酸と過酸化水素水の混合溶液（１：９）に浸す。さらに、体積比率で５％程度のフッ酸を含む水溶液に浸した後、純水により置換処理を施して、ＳｉＣバルク基板に対する表面洗浄を行う。以上の工程により、熱処理装置１ａによって熱処理を行うＳｉＣバルク基板３６が完成する。
【０１６４】
上述の一連のウェット薬液洗浄によっても、ＳｉＣバルク基板３６表面は他の例えばシリコン等の半導体材料のようには清浄とはならない。これは、ＳｉＣ結晶における原子間力が従来の半導体の原子間力に比べて著しく強いため、ＳｉＣバルク基板３６表面を均一に溶解する薬液が未だ見出されていないからである。
【０１６５】
図３２は、本発明の実施の形態８におけるウェット薬液洗浄工程後のＳｉＣバルク基板３６の表面に対する暗視野条件下での光学顕微鏡像である。後述するが、図３２において実線で囲まれた領域では、エピタキシャル成長後、三角欠陥が確認され、一方、破線で囲まれた領域ではキャロット欠陥が観測された。破線で囲まれた領域では比較的強い発光が見られ、実線で囲まれた領域内、あるいは領域外の近傍で、比較的弱い発光が見られる。尚、極めて強い発光領域は裏面の凹凸を反映したものである。また、詳細に観察すればより小さな点状の発光が確認されるものの、これらの部位は後の結果に影響を及ぼさない。このような観察法は表面状態に敏感であるため、かかる観察からＳｉＣバルク基板３６表面に何らかの微小な粒が付着していることが分かる。
【０１６６】
図３３は、本発明の実施の形態８におけるウェット薬液洗浄工程後のＳｉＣバルク基板３６の表面に存在するＳｉＣ塵の走査型電子顕微鏡像である。図３３から明らかな通り、上記微小発光領域に存在する異物は鋭角状を呈しており、その大きさは少なくともマイクロメートルスケールであることが判別できる。
【０１６７】
図３４は、本発明の実施の形態８における図３３中の正方形で囲まれた領域に対してエネルギー分散型Ｘ線分析を行った結果を示すスペクトルである。図３４において、縦軸はスペクトル強度、横軸はエネルギーを表している。図３４中、炭素およびシリコンからのピークが強く、これらの相対強度から判断すると、この付着物は化学量論比が一対一のＳｉＣからなることが分かった。即ち、上述の種々の洗浄を行ったにもかかわらず、ＳｉＣバルク基板３６表面には未だにＳｉＣ塵が付着していることが判明した。
【０１６８】
図３５は、本発明の実施の形態８における図３２と同じ領域をエピタキシャル成長後に観察した明視野条件下でのノマルスキー微分干渉光学顕微鏡像である。ここで、エピタキシャル成長はＳｉＣバルク基板３６の温度を１４７５℃として行った。以下、本発明の実施の形態８における各処理温度を詳細に記述するが、かかる処理温度の表示値は測定方法に強く依存する。そこで、本発明における温度の測定は原則としてパイロメーターでの測定値に統一している。ちなみに、他の測定方法で温度を測定した場合は、パイロメーターで同時に測定した値とのオフセット値を計算して調整すれば良い。
【０１６９】
図３５から明らかな通り、図３２において破線で囲まれた領域の近傍にはキャロット欠陥が、実線で囲まれた領域の近傍には三角欠陥といった電流リーク欠陥が形成されている事実を本発明の発明者らが初めて見出した。
【０１７０】
また、このような欠陥が存在する領域をパワーデバイスが含む場合、高電界印加時にリーク電流が生じることが一般に知られている。即ち、かかる欠陥の存在は、素子歩留りを大幅に低下させる直接的要因となる。したがって、これらの欠陥を除去しなければ、均一性が良好でパワーデバイス作製に好適なエピタキシャル成長層は到底得られない。
【０１７１】
以下で、本発明の実施の形態８における熱処理装置１ａを用いてＳｉＣバルク基板３６を熱処理しＳｉＣ塵を除去する工程について説明する。
【０１７２】
まず、熱処理装置１ａの取り出しドア３１を開き、段差軽減部材２７と機械的に連結された基板ホルダ２６ａを処理室２外へ取り出す。そして、基板ホルダ２６ａの凹部３７にＳｉＣバルク基板３６をエピタキシャル成長用の面が上方を向くようにそれぞれ設置する。その後、ＳｉＣバルク基板３６が設置された基板ホルダ２６ａを段差軽減部材２７とともに処理室２内へ導入する（Ｓ７）。これにより、ＳｉＣバルク基板３６のエピタキシャル成長用の面が還元性ガスの流路１６に接することとなる。そして、処理室２内に残存する意図しない分子あるいは原子状の不純物が悪影響を与えることを抑制するために、排気ポンプ１２によって処理室２内を約１×１０−７ｋＰａ程度にまで真空引きする。
【０１７３】
図３６は、本発明の実施の形態８におけるＳｉＣバルク基板３６の熱処理時の温度プロファイルおよびガスシーケンスを示す図である。図３６において、縦軸は温度、横軸は時刻を表している。次に、図３６に示すような温度プロファイルおよびガスシーケンスにて、ＳｉＣバルク基板３６を熱処理する。
【０１７４】
まず、処理室２内に還元性ガスとして、例えば水素ガスを導入する。但し、還元性ガスは水素ガスに限ることはない。還元性ガス供給源７から供給される還元性ガスは、還元性ガス純化器８を通って混入不純物ガスを除去された後、バルブ１１および導入ノズル３を経て、処理室２内へ導入される。処理室２内に導入された還元性ガスは、還元性ガスの流路１６を通って排出ノズル６から処理室２外へ排出される。排出された還元性ガスは、還元性ガス除害装置１３によって除害処理される。
【０１７５】
還元性ガスが導入され、ＳｉＣバルク基板３６のエピタキシャル成長用の面に還元性ガスが接する設定下で、処理室２内の真空度が例えば２５ｋＰａ程度で一定に保持されるように圧力を制御する。尚、本発明の実施の形態８では上記圧力下での例を詳述するが、一般に、処理室２の構造・形状の相違等により、熱処理装置毎に好適な圧力は変化し得るものであり、かかる相違を加味すると、１ｋＰａから７０ｋＰａの範囲内での減圧雰囲気とするのが好適である。これは、１ｋＰａよりも圧力が低いと、後述の還元性ガスによる置換反応効率が低下し、また、７０ｋＰａよりも高いとＳｉＣバルク基板３６に対するエッチングが支配的となって、その後、このＳｉＣバルク基板３６上へのエピタキシャル成長により得られるエピタキシャル成長層の表面の平坦性が悪化するからである。
【０１７６】
そして、誘導加熱コイル１８へ通電することによって下部サセプタ２２および基板ホルダ２６ａを加熱し、ＳｉＣバルク基板３６を所定の処理温度Ｔ１まで加熱する。温度Ｔ１は例えば１５５０℃以上の温度とするのが好ましい。そして、還元性ガス雰囲気にて、ＳｉＣバルク基板３６の温度を処理時間ｔの間、温度Ｔ１で保持する（Ｓ８）。処理時間ｔは、例えば１０〜１８０秒で、処理温度Ｔ１によって適切な時間に設定することが好ましい。このとき、上部の誘導加熱コイル１７にも通電して上部サセプタ２１を加熱することにより、流路１６を流れる還元性ガスを加熱するとＳｉＣバルク基板３６の加熱効率が上がる。
【０１７７】
次に、還元性ガス雰囲気中で、同一圧力を保持しつつＳｉＣバルク基板３６の温度を降温する。ここで、還元性ガスの使用量を削減する観点から、ＳｉＣバルク基板３６の温度が室温に到達する前に還元性ガスの供給を停止する事が有利である。よって、ＳｉＣバルク基板３６の温度を温度Ｔ１よりも低い所定の温度Ｔ３まで降温した時点で（Ｓ９）、還元性ガスの供給を停止し（Ｓ１０）、その後さらにＳｉＣバルク基板３６の温度を温度Ｔ３よりも低い室温まで降温する（Ｓ１１）。以上により、熱処理が完了し、エピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板が完成する。
【０１７８】
このような熱処理を実施しない場合、エピタキシャル成長を行うと、キャロット欠陥および三角欠陥等の電流リーク欠陥密度が少なくとも１０個／ｃｍ２以上の高密度で発生することが分かっている。
【０１７９】
上述の通り、キャロット欠陥および三角欠陥の主な発生原因は、ＳｉＣバルク基板３６に付着したＳｉＣ塵によるものであるから、ＳｉＣバルク基板３６自体にダメージを与えないようにＳｉＣ塵を選択的に除去するには、ＳｉＣバルク基板３６上に化学的に吸着しているＳｉＣ塵を、還元性ガス雰囲気下で熱処理することが極めて効果的である。
【０１８０】
即ち、このＳｉＣ塵は上述の薬液処理の最後に使われるフッ酸溶液中で、ＳｉＣバルク基板３６上に付着したものと推察される。フッ酸処理は、本来はＳｉＣ表面の酸化膜を除去するためのものである。従って、フッ酸溶液中では、ＳｉＣバルク基板３６と付着したＳｉＣ塵とは両者とも酸化膜は形成されない。ＳｉＣバルク基板３６をフッ酸溶液中から大気中に曝すと、直ちに、両者の表面に対する酸化が開始される。ＳｉＣ塵の形状から判断してＳｉＣ塵表面は原子レベルでは平坦ではないため、ＳｉＣ塵とＳｉＣバルク基板３６とは薄い酸化膜を介して付着しているものと推察される。従って、ＳｉＣバルク基板３６にダメージを与えないようにしつつ、ＳｉＣ塵を選択的に基板表面から除去するには、還元性ガス中での熱処理により、両者の酸化膜を除去した上で、還元性ガスに含まれる例えば水素原子によって、両者の表面を水素置換することで表面を安定化する処理が極めて有効である。かかる処理によって、両者の表面は互いに水素終端され、両者間に電気化学的な斥力が生じる上、還元性ガスの流れ自体によってＳｉＣ塵がＳｉＣバルク基板３６表面から還元性ガスの流れる方向の下流側へ移動され得るからである。この結果、ＳｉＣバルク基板３６表面に付着していたＳｉＣ塵はＳｉＣバルク基板３６に何らダメージを与えることなく除去される。
【０１８１】
但し、還元性ガスの供給を停止する温度Ｔ３が高すぎるとＳｉＣバルク基板３６の表面原子が還元性ガスに含まれる例えば水素原子以外のもので終端されるか、あるいは表面ダングリングボンドの形成に伴い酸化層が形成される。このような事を回避する事を鑑みれば、還元性ガスの供給を停止するときのＳｉＣバルク基板３６の温度Ｔ３は、９００℃以下であることが好ましく、さらに好ましくは３００℃以下が良い。３００℃以下が好ましいのは、ＳｉＣバルク基板３６の表面原子が還元性ガスに含まれる例えば水素原子で終端される効果を徹底化するのみならず、効率的に基板製造を行うため、基板温度の低下速度を高め、短時間で効率的な降温を実現できるからである。
【０１８２】
尚、降温工程に要する時間は短い方が好ましい。降温工程に要する時間が長い場合、処理室２内に付着・残存しているＳｉＣ塵等が上述の熱処理工程によって清浄化されたエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板の表面に新たに付着し、エピタキシャル成長時における異常成長核となって電流リーク欠陥を形成することがあるからである。
【０１８３】
本発明の実施の形態８では、以上のような構成としたことにより、長時間の処理を要する等の生産性を低下させるような特殊な前処理工程を行うことなしにエピタキシャル成長を行ってもＳｉＣデバイスにおいて電流リーク源となるエピタキシャル成長後の欠陥密度が低いＳｉＣエピタキシャルウエハを得ることができるエピタキシャル成長用ＳｉＣバルク基板を簡便に作製できる熱処理装置１ａを得ることができるという効果がある。
【０１８４】
特に、基板ホルダ２６ａに隣接して段差軽減部材２７を設置したことにより、基板ホルダ２６ａの還元性ガスの流路１６と接する面と、段差軽減部材２７の還元性ガスの流路１６と接する面とが、ほぼ同一の平面上に存在するようにすることができる。つまり、還元性ガスの流路１６における機械的段差を軽減できるため、処理室２内に導入された還元性ガスの流れに乱流が発生することを抑制することができる。乱流が発生すると、ＳｉＣバルク基板３６上から一度離れたＳｉＣ塵が下流側に流されずに、再度ＳｉＣバルク基板３６上に付着することがある。乱流の発生を抑制することにより、ＳｉＣ塵の再付着を抑制することができるため、エピタキシャル成長後の欠陥密度が低いＳｉＣエピタキシャルウエハを得ることができる。
【０１８５】
また、上部サセプタ２１に隣接して段差軽減部材２８を設置したことにより、上部サセプタ２１の還元性ガスの流路１６と接する面と、段差軽減部材２８の還元性ガスの流路１６と接する面とが、ほぼ同一の平面上に存在するようにすることができる。つまり、還元性ガスの流路１６における機械的段差を軽減できるため、処理室２内に導入された還元性ガスに乱流が発生することを抑制することができる。これにより、エピタキシャル成長後の欠陥密度がより低いＳｉＣエピタキシャルウエハを得ることができる。
【０１８６】
基板ホルダ２６ａに複数の凹部３７が２次元面心格子状に並ぶように配置することによって、基板ホルダ２６ａが、還元性ガスの流れる方向とほぼ平行な平面上に複数のＳｉＣバルク基板３６が２次元面心格子状に並ぶように複数のＳｉＣバルク基板３６を支持することにより、基板ホルダ２６ａ上にＳｉＣバルク基板３６をより稠密に配置することができる。これにより、基板ホルダ２６ａ上で複数のＳｉＣバルク基板３６をより均一に加熱することができる。
【０１８７】
さらに、基板ホルダ２６ａ上で、格子の一辺が還元性ガスの流れる方向とほぼ平行となる２次元面心格子状にＳｉＣバルク基板３６を配置したことにより、還元性ガスが流れる方向とほぼ平行な方向で隣接するＳｉＣバルク基板３６同士の距離を縮めることなく、基板ホルダ２６ａ上にＳｉＣバルク基板３６をより稠密に配置することができる。還元性ガスが流れる方向とほぼ平行な方向で隣接するＳｉＣバルク基板３６同士の距離が短いと、ＳｉＣバルク基板３６上から離れたＳｉＣ塵が還元性ガスの流れに乗って移動し、還元性ガスが流れる方向とほぼ平行な方向で隣接する他のＳｉＣバルク基板３６上に再度付着することがある。しかし、本発明の実施の形態８では上述のようにしたことにより、ＳｉＣバルク基板３６上から離れたＳｉＣ塵が、還元性ガスが流れる方向とほぼ平行な方向で隣接する他のＳｉＣバルク基板３６上に再度付着することを抑制できる。
【０１８８】
また、基板ホルダ２６ａをＳｉＣ、ＴａＣまたはグラファイト（炭素）で形成した、または、基板ホルダ２６ａが表面にＳｉＣ、ＴａＣまたはグラファイト（炭素）の層を有するように形成したことにより、処理対象物であるＳｉＣバルク基板３６の電気伝導性に対して悪影響が及ぶことを抑制することができる。
【０１８９】
段差軽減部材２７や段差軽減部材２８についても同様であり、ＳｉＣ、ＴａＣまたはグラファイト（炭素）で形成した、または、基板ホルダ２６ａが表面にＳｉＣ、ＴａＣまたはグラファイト（炭素）の層を有するように形成したことにより、処理対象物であるＳｉＣバルク基板３６の電気伝導性に対して悪影響が及ぶことを抑制することができる。
【０１９０】
尚、本発明の実施の形態８では、段差軽減部材２７および段差軽減部材２８を還元性ガスの流れる方向に対して基板ホルダ２６ａの上流側と下流側の両方に配置した。しかし、基板ホルダ２６ａの下流側よりも上流側で還元性ガスの流れに乱流が発生した場合の方が、ＳｉＣバルク基板３６上から一度離れたＳｉＣ塵が再付着することへの影響が大きい。このため、基板ホルダ２６ａの上流側だけに段差軽減部材２７および段差軽減部材２８を配置しても一定の効果が得られる。また、上部サセプタ２１と隣接する段差軽減部材２８を配置せずに、基板ホルダ２６ａと隣接する段差軽減部材２７のみを配置しても一定の効果が得られる。
【０１９１】
また、図２５に示すように、段差軽減部材２７を処理室２の内壁と接触するように設置した。しかし、必ずしも処理室２の内壁と接触しなければならない訳ではなく、基板ホルダ２６ａの還元性ガスの流路１６と接する面と、段差軽減部材２７の還元性ガスの流路１６と接する面とが、ほぼ同一の平面上に存在するように設置されていればよい。段差軽減部材２８についても同様であり、上部サセプタ２１の還元性ガスの流路１６と接する面と、段差軽減部材２８の還元性ガスの流路１６と接する面とが、ほぼ同一の平面上に存在するように設置されていればよい。従って、段差軽減部材２７および段差軽減部材２８の厚さや形状等は適宜設定すればよく、また、板状の部材である必要もない。
【０１９２】
また、本発明の実施の形態８では、誘導加熱コイル１７および誘導加熱コイル１８を処理室２の外面に設置したが、これに限ることはなく、処理室２の内部に設置してもよい。さらに、加熱装置として誘導加熱コイル１７および誘導加熱コイル１８を用いたが、これに限ることはない。しかし、誘導加熱コイルは広い範囲を均一に加熱することが可能であるため、多くのＳｉＣバルク基板３６を熱処理する場合は、誘導加熱コイルを用いることが好ましい。
【０１９３】
本発明の実施の形態８では、導入ノズル３を処理室２の側面に接続したが、接続箇所は側面に限ることはなく、例えば上面や下面など他の箇所でもよい。同様に、排出ノズル６についても、接続箇所は上面に限ることはない。
【０１９４】
さらに、導入ノズル３の個数も１個に限ることはなく、複数設けてもよい。例えば、微細なノズルを多数、密集させて設けると還元性ガスに乱流が発生することを抑制することができる。同様に、排出ノズル６についても複数設けてもよい。
【０１９５】
また、本発明の実施の形態８では、段差軽減部材２７および段差軽減部材２８を処理室２内に設置することにより還元性ガスの流路１６における機械的段差を軽減した。しかし、この段差軽減部材２７および段差軽減部材２８を処理室２の内壁の一部として処理室２の内壁と一体となるように形成してもよい。つまり、処理室２の内壁と、基板ホルダ２６ａの還元性ガスの流路１６と接する面や上部サセプタ２１の還元性ガスの流路１６と接する面とが、ほぼ同一の平面上に存在するように形成してもよい。
【０１９６】
実施の形態９．
図３７は、本発明の実施の形態９における熱処理装置１ｂを示す側面断面図である。図３７において、図２５と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態８とは、下部サセプタ２２上に基板ホルダ２６ａを設置する代わりに、上部サセプタ２１の下部に基板ホルダ２６ｂを設置した構成が相違している。
【０１９７】
これにともない、基板ホルダ２６ｂの還元性ガスの流路１６と接する面と、段差軽減部材２８の還元性ガスの流路１６と接する面とが、ほぼ同一の平面上に存在するようになっている。そして、下部サセプタ２２の還元性ガスの流路１６と接する面と、段差軽減部材２７の還元性ガスの流路１６と接する面とが、ほぼ同一の平面上に存在するようになっている。
【０１９８】
図３８は、本発明の実施の形態９における図３７のＡ−Ａ断面図である。図３８に示すように、基板ホルダ２６ｂは、側面サセプタ４１によって支持され、その下面が還元性ガスの流路１６と接するように配置される。上部サセプタ２１と基板ホルダ２６ｂとは接触している。尚、図３８において、導入ノズル３から処理室２内に導入された還元性ガスは、流路１６を紙面垂直方向に流れる。
【０１９９】
また、図３９は、本発明の実施の形態９における図３７のＢ−Ｂ断面図である。本発明の実施の形態８とは、排出ノズル６が、処理室２の上面ではなく、側面の互いに対向する２箇所に接続された構成が相違している。導入ノズル３から処理室２内に導入された還元性ガスは、流路１６を図３７における横方向、即ち図３８における紙面垂直方向に流れ、排出ノズル６から処理室２外へ排出される。排出ノズル６から排出された還元性ガスは、排気ポンプ１２を通って還元性ガス除害装置１３に入って除害処理される。
【０２００】
次に、基板ホルダ２６ｂについて説明する。図４０は、本発明の実施の形態９における基板ホルダ２６ｂでＳｉＣバルク基板３６を支持した様子を示す断面図である。図４１は、本発明の実施の形態９における基板ホルダ２６ｂを示す斜視図である。
【０２０１】
図４０に示すように、基板ホルダ２６ｂは、貫通穴４２を有し、この貫通穴４２の還元性ガスの流路１６と接する側、即ち図４０における下側にＳｉＣバルク基板３６を支持するための支持部４３を有している。貫通穴４２は、ＳｉＣバルク基板３６の外形と相似形でＳｉＣバルク基板３６の径よりも大きく形成されている。具体的には、ＳｉＣバルク基板３６の外周と貫通穴４２との間に５００μｍ程度の間隙が生じるような大きさであることが好ましい。支持部４３は、ＳｉＣバルク基板３６と相似形でＳｉＣバルク基板３６の径よりも小さく形成される。
【０２０２】
図４０における上側から貫通穴４２内にＳｉＣバルク基板３６を入れると、支持部４３によってＳｉＣバルク基板３６が支持される。貫通穴４２内には、ＳｉＣバルク基板３６が、エピタキシャル成長用の面が下方を向くように設置され、このＳｉＣバルク基板３６のエピタキシャル成長用の面が還元性ガスの流路１６と接することとなる。
【０２０３】
また、ＳｉＣバルク基板３６上には、加熱効率を上げるために、ＳｉＣバルク基板３６と上部サセプタ２１との間の間隙を埋めるように均熱板４６が設置される。均熱板４６は、基板ホルダ２６ｂと同じ材質で形成されることが好ましい。ＳｉＣバルク基板３６は、その表裏の研磨状態の相違によって同心円状に反っている場合が多いので、加熱効率を上げるために、均熱板４６の形状は、ＳｉＣバルク基板３６の反りに合わせて湾曲していることが好ましい。
【０２０４】
図４１に示すように、基板ホルダ２６ｂの貫通穴４２は２次元面心格子状に並んでおり、基板ホルダ２６ｂは、還元性ガスの流れる方向とほぼ平行な平面上で複数のＳｉＣバルク基板３６を支持できるようになっている。尚、図４１では、簡単のため、貫通穴４２の形状が円であるように示したが、実際には、ＳｉＣバルク基板３６は、通常、オリエンテーションフラット等の直線領域を有するため、貫通穴４２の形状も直線領域を有し、ＳｉＣバルク基板３６の外形とほぼ相似形とすることが好ましい。
【０２０５】
本発明の実施の形態９では、以上のように、基板ホルダ２６ｂが、ＳｉＣバルク基板３６のエピタキシャル成長用の面が下方を向き、かつ、ＳｉＣバルク基板３６のエピタキシャル成長用の面が還元性ガスの流路１６に接するようにＳｉＣバルク基板３６を支持するようにしたことにより、還元性ガス雰囲気での熱処理の効果によってＳｉＣバルク基板３６の表面から離れたＳｉＣ塵が重力によって下方へ落ちる。これにより、ＳｉＣバルク基板３６の表面から一度離れたＳｉＣ塵がＳｉＣバルク基板３６の表面に再付着することを抑制することができる。よって、エピタキシャル成長後の欠陥密度がより低いＳｉＣエピタキシャルウエハを得ることができる。
【０２０６】
尚、本発明の実施の形態９では、本発明の実施の形態８と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。
【０２０７】
実施の形態１０．
図４２は、本発明の実施の形態１０における基板支持具である基板ホルダ２６ｃを示す斜視図である。図４２において、図３０と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態８では、還元性ガスの流れる方向とほぼ平行な平面上で複数のＳｉＣバルク基板３６が２次元面心格子状に並ぶように基板ホルダ２６ａによって支持したのに対して、本発明の実施の形態１０では、基板ホルダ２６ｃが、互いにほぼ平行な複数の平面上に、それぞれＳｉＣバルク基板３６を支持した構成が相違している。
【０２０８】
図４２に示すように、基板ホルダ２６ｃは複数の基板トレイ４７を有し、これらの複数の基板トレイ４７は互いにほぼ平行となるようにトレイ支持棒４８で支持されている。そして、基板トレイ４７の中央付近には、基板ホルダ２６ａと同様に、ＳｉＣバルク基板３６を支持するための領域である凹部３７が形成されている。ここでは、１つの基板トレイ４７に対して１つずつ凹部３７が形成され、それぞれの基板トレイ４７に１枚ずつＳｉＣバルク基板３６を支持できるようになっている。上述の通り、基板トレイ４７は互いにほぼ平行となるように設置されているため、基板トレイ４７に支持されたＳｉＣバルク基板３６同士も互いにほぼ平行となる。基板トレイ４７同士の間隔は、作業性や装置のコンパクト化の観点から例えば１ｍｍ程度とすればよい。
【０２０９】
凹部３７は、本発明の実施の形態８における基板ホルダ２６ａの場合と同様であり、その深さは、凹部３７内に載置されたＳｉＣバルク基板３６と基板トレイ４７との間に機械的段差ができるだけ生じないように設定されることが好ましい。凹部３７内には、ＳｉＣバルク基板３６が、エピタキシャル成長用の面が上方を向くように載置され、このＳｉＣバルク基板３６のエピタキシャル成長用の面が還元性ガスの流路と接することとなる。
【０２１０】
尚、図４２では、簡単のため、凹部３７の形状が円であるように示したが、実際には、ＳｉＣバルク基板３６は、通常、オリエンテーションフラットやインデックスフラットといった直線領域を有するため、凹部３７の形状も直線領域を有し、ＳｉＣバルク基板３６の外形とほぼ相似形とすることが好ましい。また、図４２では、基板トレイ４７の形状が円状であるように示したが、円状には限らない。
【０２１１】
基板ホルダ２６ｃの材質は、本発明の実施の形態８における基板ホルダ２６ａと同様であり、例えば、基板ホルダ２６ｃの基板トレイ４７およびトレイ支持棒４８の本体部分を高純度のグラファイト（炭素）で形成し、この本体部分の表面にＳｉＣまたはＴａＣの層をコーティングして基板ホルダ２６ｃを形成することが好ましい。
【０２１２】
本発明の実施の形態１０では、上述の基板ホルダ２６ｃにＳｉＣバルク基板３６を設置し、熱処理装置の処理室２内に固定して熱処理を行う。ここでは、熱処理装置は、例えば、基板ホルダ２６ｃを覆う筒状の形状とすることが好ましい。そして、還元性ガスは、基板トレイ４７に載置されたＳｉＣバルク基板３６の表面へ充分な量が供給されるように流せばよい。例えば、図４２における左上方に導入ノズル２を設置し、右下方に排出ノズル６を設置すると、各ＳｉＣバルク基板３６の表面に沿って層流となって還元性ガスを流すことができる。
【０２１３】
一方、トレイ支持棒４８の近傍では、トレイ支持棒４８が還元性ガスの流れを妨げるため、他の領域よりも乱流が発生し易くなり、乱流が発生し易い領域の体積は、熱的な揺らぎや還元性ガス流量の揺らぎなどの影響により、熱処理中に時々刻々と変動する。熱処理によってＳｉＣバルク基板３６の表面から除去されたＳｉＣ塵が、トレイ支持棒４８の近傍で発生した乱流に取り込まれると、この乱流領域内に長時間留まり、熱処理完了後のＳｉＣバルク基板３６の表面に再度付着する可能性がある。
【０２１４】
しかし、乱流が発生する領域はトレイ支持棒４８の近傍に限られるため、トレイ支持棒４８から充分離れた箇所にＳｉＣバルク基板３６を設置すれば上述のようなＳｉＣ塵が再付着する可能性を小さくできる。トレイ支持棒４８から、つまり、基板トレイ４７の外周から例えば５ｍｍ程度内側へ離れた領域では、乱流はほとんど生じないため、トレイ支持棒４８の近傍で発生した乱流の影響によって、ＳｉＣバルク基板３６の表面から一度除去されたＳｉＣ塵がＳｉＣバルク基板３６の表面に再付着することを防ぐためには、基板トレイ４７の外周とＳｉＣバルク基板３６の外周との距離が５ｍｍよりも大きくなるようにすればよい。
【０２１５】
一方で、基板トレイ４７の外周とＳｉＣバルク基板３６の外周との距離を大きくし過ぎると、つまり、ＳｉＣバルク基板３６の大きさに対して基板トレイ４７を大きくし過ぎると、熱処理において加熱しなければならない体積が大きくなって加熱効率が悪くなる。加熱効率の観点からは、基板トレイ４７の外周とＳｉＣバルク基板３６の外周との距離は１００ｍｍより小さくなるようにすることが好ましい。
【０２１６】
また、トレイ支持棒４８の近傍での乱流の発生をさらに抑制するためには、熱処理中に、還元性ガスの流量を変動させ、乱流が発生する指標となるいわゆるレイノルズ数を実効的に変化させればよい。還元性ガスの流量の変動のさせ方としては、例えば不規則に変化させると効果的である。
【０２１７】
本発明の実施の形態１０では、以上のように、互いにほぼ平行な基板トレイ４７上に、即ち、互いにほぼ平行な平面上に、それぞれＳｉＣバルク基板３６を支持したことにより、処理室２内でＳｉＣバルク基板３６が積層されたように並ぶため、複数のＳｉＣバルク基板３６を同一の平面上に並べる場合と比較して、熱処理装置の小型化を図ることができる。
【０２１８】
基板トレイ４７の外周とＳｉＣバルク基板３６の外周との距離が、５ｍｍよりも大きく、１００ｍｍよりも小さくなるように設定したことにより、ＳｉＣバルク基板３６の表面から一度脱離したＳｉＣ塵が乱流の影響によって再度ＳｉＣバルク基板３６の表面に付着する可能性を低くすることができる。さらに、熱処理時の加熱効率の低下も抑制することができる。
【０２１９】
尚、本発明の実施の形態１０では、１つの基板トレイ４７に対して１枚のＳｉＣバルク基板３６を載置したが、１つの基板トレイ４７に対して複数のＳｉＣバルク基板３６を載置してもよい。
【０２２０】
また、本発明の実施の形態１０では、基板ホルダ２６ｃの基板トレイ４７とトレイ支持棒４８とを別の部材としたが、基板トレイ４７とトレイ支持棒４８とが一体となった１つの部材として基板ホルダ２６ｃを形成してもよい。また、別の部材として形成する場合でも、トレイ支持棒４８の形状は棒状に限ることはない。
【０２２１】
本発明の実施の形態１０では、複数の基板トレイ４７を鉛直方向に積層するように配置した、即ち、複数のＳｉＣバルク基板３６が鉛直方向に並ぶようにした。しかし、必ずしも複数のＳｉＣバルク基板３６を鉛直方向に並ぶようにする必要はなく、例えば図４２に示す基板ホルダ２６ｃを９０°回転させて配置し、ＳｉＣバルク基板３６の表面が、それぞれ、鉛直方向とほぼ平行となるようにしてもよい。このようにすれば、ＳｉＣバルク基板３６を載置する基板トレイ４７の数が多い場合、例えば１０枚以上である場合、基板ホルダ２６ｃおよび熱処理装置が長尺化するが、鉛直方向に積層する場合と比べて、基板ホルダ２６ｃおよび熱処理装置が機械的に安定する。従って、振動等が熱処理装置に及ぼす影響を軽減することができる。尚、この場合、基板トレイ４７上に載置したＳｉＣバルク基板３６が落ちないように固定することが好ましい。
【０２２２】
また、基板ホルダ２６ｃの形状も図４２に示す形状に限ることはなく、例えば、直方体にハーフパイプ状の凹型加工を施して、このハーフパイプ状の部分にＳｉＣバルク基板３６を差し込んで支持するような構成としてもよい。
【０２２３】
以上、本発明の実施の形態１〜１０を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。
【符号の説明】
【０２２４】
１ａ、１ｂ  熱処理装置
２  処理室
３  導入ノズル
６  排出ノズル
１６  還元性ガスの流路
１７  誘導加熱コイル
１８  誘導加熱コイル
２６ａ〜２６ｃ  基板ホルダ
２７  段差軽減部材
２８  段差軽減部材
３６  ＳｉＣバルク基板
４７  基板トレイ
４８  トレイ支持棒
【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】
0005598542.tif 000014
【図１２】
0005598542.tif 000015
【図１３】
0005598542.tif 000016
【図１４】
0005598542.tif 000017
【図１５】
0005598542.tif 000018
【図１６】
0005598542.tif 000019
【図１７】
0005598542.tif 000020
【図１８】
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【図１９】
0005598542.tif 000022
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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