(57)【要約】      （修正有）【課題】縦型装置を用いる場合のように、塩化珪素系材料ガスと炭化水素系材料ガスとをそれぞれ個別に導入するエピタキシャル成長において、炭化珪素単結晶薄膜の表面欠陥等が少なく高品質なエピタキシャル炭化珪素ウエハを得ることができる方法を提供する。【解決手段】塩化珪素系材料ガスと炭化水素系材料ガスとをそれぞれ個別に供給しながら、炭化珪素単結晶基板上にＣＶＤ法で炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル炭化珪素ウエハを製造する方法であり、塩化珪素系材料ガスを炭化珪素単結晶基板上に供給した後に、炭化水素系材料ガスの供給を開始して炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる。【選択図】図２
2014058411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩化珪素系材料ガスと炭化水素系材料ガスとをそれぞれ個別に供給しながら、炭化珪素単結晶基板上にＣＶＤ法で炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル炭化珪素ウエハを製造する方法であり、塩化珪素系材料ガスを炭化珪素単結晶基板上に供給した後に、炭化水素系材料ガスの供給を開始して炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
【請求項２】
複数の炭化珪素単結晶基板を成長室内で互いに隙間を空けて積層する方向に配列させる縦型配列構造の基板処理装置を用いて、塩化珪素系材料ガスと炭化水素系材料ガスとをそれぞれ個別に供給しながら、炭化珪素単結晶基板上にＣＶＤ法で炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル炭化珪素ウエハを製造する方法であり、
塩化珪素系材料ガスを炭化珪素単結晶基板上に供給した後に、炭化水素系材料ガスの供給を開始して炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
【請求項３】
前記炭化水素系材料ガスをキャリアガスと共に供給する請求項１又は２に記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
【請求項４】
前記塩化珪素系材料ガスをキャリアガスと共に供給する請求項１〜３のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
【請求項５】
前記炭化水素系材料ガスと共に流すキャリアガスが水素である請求項３に記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
【請求項６】
前記塩化珪素系材料ガスと共に流すキャリアガスがアルゴンである請求項４に記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
【請求項７】
前記塩化珪素系材料ガスを供給してから炭化水素系材料ガスの供給を開始するまでの待ち時間を１秒以上１２０秒以下にする請求項１〜６のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
【請求項８】
前記塩化珪素系材料ガスを炭化水素系材料ガスより先に炭化珪素単結晶基板上に到達させることを、これらの材料ガスを個別に供給する材料ガス供給管に付された材料ガスバルブを開けるタイミング差で行うようにする請求項１〜７のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
【請求項９】
前記炭化珪素単結晶基板のオフ角度が４°以下である請求項１〜８のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル炭化珪素(SiC)ウエハの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素(以下、SiCと表記する)は、耐熱性及び機械的強度に優れ、物理的、化学的に安定なことから、耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、高周波高耐圧電子デバイス等の基板としてエピタキシャルＳｉＣウエハの需要が高まっている。
【０００３】
ＳｉＣ単結晶基板（以下、単にSiC基板という場合がある）を用いて、電力デバイス、高周波デバイス等を作製する場合には、通常、SiC基板上に熱ＣＶＤ法(熱化学蒸着法)と呼ばれる方法を用いてＳｉＣ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させたり、イオン注入法により直接ドーパントを打ち込んだりしてデバイス用ＳｉＣウエハを製造するのが一般的であるが、後者の場合には、注入後に高温でのアニールが必要となるため、エピタキシャル成長による薄膜形成が多用されている。
【０００４】
近年、ＳｉＣ基板及びエピタキシャル成長層の高品質化が進んでおり、それに伴いＳｉＣデバイスの開発も加速され、一部のデバイスでは商品化も始まっている。デバイスコスト低減のためには、デバイス歩留まりを上げると共にエピタキシャル基板の製造コスト削減も重要であり、それには１回で多数枚のＳｉＣ基板上にエピタキシャル成長が可能であるような技術開発が必須である。現在、量産型のＳｉＣエピタキシャル成長装置としては、横型の成長装置、すなわち材料ガスを予め反応炉（ホットウォール部）の前で混合しておき、それをホットウォール内で横方向に流して成長するものが一般的である（非特許文献１参照）。しかしながら横型成長装置の場合、扱えるＳｉＣ基板の枚数を増やすためには必然的に横方向（平面方向）に装置を拡張することになるが、装置の設置面積の増大、ホットウォール部拡大に伴うガス流や温度の均一性確保の困難さ、あるいはＳｉＣ基板を載せるサセプタの大型化に伴うハンドリングの困難さ等のため、その拡張性には制約が生じてくる。
【０００５】
一方、最近では、縦型のＳｉＣエピタキシャル成長装置が開発されており（特許文献１参照）、この場合はＳｉＣ基板を上下方向に並べるため、基板の枚数増加に対する制約は比較的小さくなり、量産化に有利である。すなわち、成長室（成長炉）内でホルダーを縦方向に並べて、複数のＳｉＣ基板を互いに隙間を空けて積層する方向に配列させる縦型配列構造の基板処理装置（以下、単に縦型装置という場合がある）によれば、ＳｉＣ基板の口径が大きくなっても然程装置上の制約は受けず、縦方向に配列するＳｉＣ基板の数を増やすことで生産性良くエピタキシャルＳｉＣウエハを製造することが可能になる。
【０００６】
ところが、縦型装置の場合には、次のような材料ガスの導入に関する別の問題が発生する。成長室内を縦方向に配列された各ＳｉＣ基板にそれぞれ均一に炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるには、成長室内を縦方向に沿う配管を通じて珪素源と炭素源を含んだ材料ガスを導入し、ＳｉＣ基板間の各隙間に対応する位置にガス吹出し口を設けてＳｉＣ基板の表面に材料ガスを供給する必要があるが、成長室内の配管自体がエピタキシャル成長温度（1500〜1600℃程度）に晒されるため、横型成長装置の場合のように珪素源のガスと炭素源のガスとを混合して供給すると配管内でこれらのガスが反応してしまい、ＳｉＣが吹き出し口を塞いでしまったり、配管内にＳｉＣが堆積してしまうことがある。
【０００７】
そのため、縦型装置を使用する場合、材料ガスは珪素系と炭化水素系とでそれぞれ独立させて個別に導入する必要があるが、予め材料ガスを混合する場合と比べて、ガス組成の制御等が難しくなる。具体的には、珪素系と炭素系とを含んだ材料ガスを成長室内に導入するためには、一般にキャリアガス（主として水素が用いられる）が必要であるが、縦型装置を使用する場合のように珪素系と炭化水素系とをそれぞれ個別に導入する際に、水素のようなキャリアガスは珪素系の材料ガスと同伴させることはできない。これは、珪素系材料ガス（特に塩化珪素系材料ガス）とキャリアガスが配管（ノズル）内に共存すると、反応して珪素あるいはその化合物等が生成され、これらが吹出し口閉塞の原因やエピタキシャル欠陥をもたらすパーティクルの原因になるからである。従って、炭化水素系材料ガスはキャリアガスと共に供給され、他方の珪素系材料ガスは、単独あるいは少量のアルゴン等の不活性ガスと共にそれぞれ別の配管から供給しなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2012-19081号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】O. Kordina, C. Hallin, A. Henry, J. P. Bergman, I. Ivanov, A. Ellison, N. T. Son and E. Janzen, phys. stat. sol. (b) 202, 321 (1997)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、珪素系材料ガスと炭化水素系材料ガスとを個別に供給する際、珪素系、炭化水素系の材料ガスバルブを同時に開けたとしても、一般に、大量のキャリアガスと混合される炭化水素系材料ガスの方が（材料ガスの流量が50〜100cc/分程度であるのに対し、キャリアガスの流量は100〜200L/分程度）、キャリアガスを含まないあるいは少量の不活性ガスのみで導入される珪素系材料ガスよりもＳｉＣ基板上に速く到達することになる。すなわち、炭化水素系材料ガスでは、分子が小さくて軽い水素をキャリアガスとして使用できるため、炭化水素系材料ガスの拡散速度は大きく、またキャリアガス自体の流量も大きいことから、ＳｉＣ基板へ到達しやすい。これに対して、水素と反応するおそれがある珪素系材料ガスでは、アルゴン等の不活性ガス（希ガス）を使用せざるを得ないが、珪素系材料ガスの導入速度を上げるために不活性ガスの割合を増やすと、キャリアガス（水素）に占める不活性ガスの割合が高くなるため、材料ガスがＳｉＣ基板に到達しにくくなり、成長速度が下がってしまう。従って不活性ガスの流量を必要以上に増やすことはできず、炭化水素系材料ガスに比べ、ＳｉＣ基板への到達は遅くなる。
【００１１】
その結果、エピタキシャル成長開始時の基板上では、材料ガス中の珪素原子数に対する炭素原子数の比(C/Si比)が高くなり、ステップフロー成長が起こりにくくなって、ステップバンチングやエピタキシャル欠陥が増加しやすくなる。これは、材料ガスを予め混合でき、このような基板上への材料ガス到達に時間差が生じない横型タイプの装置に比べて大きな欠点となり得る。
【００１２】
したがって、今後デバイスへの応用が期待されるエピタキシャルＳｉＣウエハであるが、現状の縦型装置を用いた場合は、ステップバンチングやエピタキシャル欠陥等で表面状態が悪化するため、デバイスへの応用が困難となり、その結果装置の量産性が活かせず、製造コスト低減に繋がらないという問題があった。
【００１３】
本発明は、縦型装置を用いる場合のように、塩化珪素系材料ガスと炭化水素系材料ガスとをそれぞれ個別に導入するエピタキシャル成長において、エピタキシャル欠陥を従来よりも低減して高品質なエピタキシャル膜を得ることができるエピタキシャルＳｉＣウエハの製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、塩化珪素系材料ガスを炭化水素系材料ガスよりも早いタイミングでＳｉＣ基板上に供給することによって、エピタキシャル成長開始時のＣ／Ｓｉ比の上昇を抑え、上記課題を解決できることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１５】
即ち、本発明は、
(1) 塩化珪素系材料ガスと炭化水素系材料ガスとをそれぞれ個別に供給しながら、炭化珪素単結晶基板上にＣＶＤ法で炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル炭化珪素ウエハを製造する方法であり、塩化珪素系材料ガスを炭化珪素単結晶基板上に供給した後に、炭化水素系材料ガスの供給を開始して炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法、
(2) 複数の炭化珪素単結晶基板を成長室内で互いに隙間を空けて積層する方向に配列させる縦型配列構造の基板処理装置を用いて、塩化珪素系材料ガスと炭化水素系材料ガスとをそれぞれ個別に供給しながら、炭化珪素単結晶基板上にＣＶＤ法で炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル炭化珪素ウエハを製造する方法であり、
塩化珪素系材料ガスを炭化珪素単結晶基板上に供給した後に、炭化水素系材料ガスの供給を開始して炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法、
(3) 前記炭化水素系材料ガスをキャリアガスと共に供給する(1)又は(2)に記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法、
(4) 前記塩化珪素系材料ガスをキャリアガスと共に供給する(1)〜(3)のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法、
(5) 前記炭化水素系材料ガスと共に流すキャリアガスが水素である(3)に記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法、
(6) 前記塩化珪素系材料ガスと共に流すキャリアガスがアルゴンである(4)に記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法、
(7) 前記塩化珪素系材料ガスを供給してから炭化水素系材料ガスの供給を開始するまでの待ち時間を1秒以上１２０秒以下にする(1)〜(6)のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法、
(8) 前記塩化珪素系材料ガスを炭化水素系材料ガスより先に炭化珪素単結晶基板上に到達させることを、これらの材料ガスを個別に供給する材料ガス供給管に付された材料ガスバルブを開けるタイミング差で行うようにする(1)〜(7)のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法、
(9) 前記炭化珪素単結晶基板のオフ角度が４°以下である(1)〜(8)のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法、
である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、縦型装置を用いる場合のように、塩化珪素系材料ガスと炭化水素系材料ガスとをそれぞれ個別に導入してＳｉＣ基板にＳｉＣ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる際に、エピタキシャル欠陥を従来よりも低減した高品質エピタキシャル膜を有するエピタキシャルＳｉＣウエハを製造することができる。また、本発明で利用するのはＣＶＤ法であるため、装置構成が容易で制御性にも優れ、均一性、再現性の高いエピタキシャル膜が得られる。さらに、本発明のエピタキシャルＳｉＣウエハを用いたデバイスは、エピタキシャル欠陥を低減した高品質エピタキシャル膜上に形成されるため、その特性及び歩留りが向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】縦型ＣＶＤ装置を用いて、従来のエピタキシャル成長を行なう際の典型的な成長シーケンスを示す図。
【図２】縦型ＣＶＤ装置を用いて、本発明の一方法によりエピタキシャル成長を行なう際の成長シーケンスを示す図。
【図３】縦型ＣＶＤ装置を用いて、本発明の一方法によりエピタキシャル成長を行った膜の表面状態を示す光学顕微鏡写真。
【図４】縦型配列構造を有する基板処理装置の概要を説明する図。
【図５】基板処理装置の成長室内において縦型に配列されたＳｉＣ基板と各ガス供給管の様子を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の具体的な内容について述べる。
先ず、ＳｉＣ基板上へのエピタキシャル成長について述べる。
本発明で好適にエピタキシャル成長に用いる装置は、ＣＶＤ装置である。ＣＶＤ法は、装置構成が簡単であり、ガスのon/offで成長を制御できるため、エピタキシャル膜の制御性、再現性に優れた成長方法である。なお、ＣＶＤ法以外にも、分子線エピタキシー法（MBE法）、液層エピタキシー法（LPE法）等によってエピタキシャル成長を行なうこともできる。
【００１９】
図４には、縦型配列構造を有する基板処理装置（縦型ＣＶＤ装置）の概要を説明する説明図が示されており、図５には、その成長室内において互いに隙間を空けて縦型に配列されたＳｉＣ基板に対して、Ｓｉ系の材料ガス、Ｃ系の材料ガス、及びドーピングガスをそれぞれ個別のガス供給管を通じて供給し、熱ＣＶＤ法によりＳｉＣ単結晶薄膜を形成する様子を説明する説明図が示されている。
【００２０】
この基板処理装置１は、複数のＳｉＣ基板を互いに隙間を設けて積層する方向に配列することができる縦型配列構造を備えており、外周を誘導加熱ヒーター等の加熱手段７により取り囲まれた成長室２内には、ＳｉＣ基板を１枚ずつ配置することができる基板ホルダー３が複数配設されている。この基板ホルダー３は、それぞれに備え付けられたＳｉＣ基板自体を水平方向に回転させる基板回転手段（図示外）を有しており、ＳｉＣ基板の表面に成長させるエピタキシャル膜の面内での膜厚のばらつきを抑えることができるようになっている。また、成長室２を黒鉛等で形成することで、誘導加熱ヒーターによって成長室自体が発熱体となる。
【００２１】
また、成長室２内には、基板ホルダー３に配置されたＳｉＣ基板の外周方向からガスを供給することができるように、Ｓｉ系材料ガス供給管４、Ｃ系材料ガス供給管５、及びドーピングガス供給管６が成長室２の縦方向に沿って配置されている。これらのガス供給管４,５,６は、図５に示したように、各基板ホルダー３（図５では記載を省略している）に配置されたＳｉＣ基板１０の表面にＳｉＣ単結晶薄膜を成長させることができるように、ＳｉＣ基板１０の間に形成される各隙間に対応する位置にそれぞれガス吹出し口4a,5a,6aを有しており、各ＳｉＣ基板１０の表面に対して平行ないし略平行にＳｉ系材料ガス、Ｃ系材料ガス、及びドーピングガスが吹出されるようになっている。更に、これらの加熱手段７及び成長室２は断熱効果を備えた容器（筐体）８に収容され、また、成長室内に供給された各ガスは、真空ポンプ９を介して容器外に排出される。
【００２２】
なお、ここで言う「縦型」とは、ＳｉＣ基板１０を積層させる（重ね合わせる）方向に配列させることを意味するものであり、その場合の成長室の長手方向を「縦方向」と呼ぶ。図４、図５の例のように、ＳｉＣ基板１０を鉛直方向に積層させる場合を含むのは勿論、例えば、ＳｉＣ基板１０を水平方向に積層させて横長の成長室を形成する場合も本発明に含まれるものとする。図４では、Ｓｉ系材料ガス供給管４、Ｃ系材料ガス供給管５、及びドーピングガス供給管６を１本ずつ備えた例を示すが、ＳｉＣ基板１０の外周にそれぞれを複数本配置するようにしてもよい。また、ＳｉＣ単結晶薄膜を成長させる前などに行うＳｉＣ基板のエッチングに関しては、水素やＨＣｌ等のエッチングガスを成長室内に導入する際に窒素を含んだドーピングガスと混合されないようにすればよく、Ｓｉ系材料ガス供給管４やＣ系材料ガス供給管５を利用してもよく、エッチングガスを導入するエッチングガス供給管を別途設けるようにしてもよい。更には、ＳｉＣ基板１０の成長面を上向きにしてＳｉＣ単結晶薄膜を成長させてもよく、成長面を下向きにしてＳｉＣ単結晶薄膜を成長させてもよい。図４のようにＳｉＣ基板を鉛直方向に積層させる場合には、異物の落下やそれに起因する欠陥発生を抑えるには、成長面を下向きにするのが有利である。
【００２３】
縦型ＣＶＤ装置でエピタキシャル膜成長を行なう際の従来の成長方法を図１の成長シーケンスで説明する。
先ず、ＳｉＣ基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスとアルゴンガスの混合ガスを導入して圧力を５×１０3〜１×１０4Ｐａ程度に調整する。その後、圧力を一定に保ちながら成長炉の温度を上げ、１５５０℃程度に達した後に数分間保持し、ＳｉＣ基板表面のエッチング処理を行う。エッチング処理後、アルゴンガスを止め、水素ガスの流量を増やしながら圧力を１×１０3Ｐａ程度に下げ、ガス流量および圧力が安定した時点でＳｉ系の材料ガスとＣ系の材料ガス、及びドーピングガスを同時に導入してエピタキシャル成長を開始する。
【００２４】
Ｓｉ系の材料ガスとしては、横型装置の場合にはシランが多用されるが、縦型装置の場合には、前述したように成長温度とほぼ等しい温度になる配管を通過するため、シランでは分解してＳｉドロップレットやＳｉ化合物等が発生し、配管（ノズル）の閉塞やパーティクル生成の原因となる。そこで、ジクロルシラン、トリクロルシラン、テトラクロルシラン等の塩化珪素系材料ガスが好適に用いられる。また、Ｓｉ系の材料ガスは単独で流すことができるが、アルゴン等のキャリアガスと共に流すこともできる。一方のＣ系の材料ガスとしては、エチレン、プロパン等の炭化水素系材料ガスが用いられ、これらのガスは通常水素のキャリアガスと共に、Ｓｉ系の材料ガスとは別の配管を通じて供給される。
【００２５】
また、ドーピングガスとして、ｎ型の場合は主として窒素が用いられるが、これは独立した別の配管を通じて供給してもよく、Ｓｉ系あるいはＣ系材料ガスと混合して供給することも可能である。成長速度は毎時３〜５μｍ程度である。この成長速度は、通常利用されるエピタキシャル層の膜厚が１０μｍ程度であるため、生産性を考慮して決定されたものである。一定時間成長し、所望の膜厚が得られた時点で、Ｓｉ系の材料ガスとＣ系の材料ガス、及びドーピングガスの導入を止め、水素ガスのみ少量流した状態で温度を下げる。温度が常温まで下がった後、水素ガスの導入を止め、成長室内を真空排気し、不活性ガスを成長室に導入して、成長室を大気圧に戻してから、エピタキシャルＳｉＣウエハを取り出す。
【００２６】
次に、縦型ＣＶＤ装置でエピタキシャル膜成長を行なう際の本発明の成長方法を図２の成長シーケンスで説明する。
先ず、ＳｉＣ基板をセットし、成長開始直前までは従来方法と同じである。従来方法では、Ｓｉ系の材料ガスとＣ系の材料ガス、及びドーピングガスを同時に導入しているが、本発明ではＳｉ系の材料ガスである塩化珪素系材料ガスを先に導入し、その後、Ｃ系の材料ガスである炭化水素系材料ガス及びドーピングガスを導入して成長を開始する。それ以降のプロセスについては従来方法と同様にすることができる。このように、成長開始時に塩化珪素系材料ガスを先に導入することによって、従来の場合に比べＳｉＣ基板の表面状態が改善する。
【００２７】
具体的には、炭化水素系材料ガスの供給に先立って、塩化珪素系材料ガスをはじめに導入することで、成長初期のＣ／Ｓｉ比が低く抑えられて、ステップフロー成長が促進され、ステップバンチングや三角形欠陥、キャロット/コメット欠陥等の発生を防ぐことができ、平坦性に優れたエピタキシャル膜が得られるようになる。従来方法では、成長開始時に塩化珪素系材料ガスと炭化水素系材料ガスとを同時に供給していたが、上述したように、炭化水素系材料ガスは流量が大きい水素のキャリアガスと共に供給されるため、塩化珪素系材料ガスを同時に流しても、流量の小さい塩化珪素系材料ガスより先に炭化水素系材料ガスがＳｉＣ基板表面に到達する。その結果、成長初期ではＣ／Ｓｉ比が上がり、ステップフロー成長が阻害されて、表面欠陥が増えてしまう。そこで、本発明のように塩化珪素系材料ガスを先に導入することで、成長初期のＣ／Ｓｉ比を低くすることができ、表面欠陥やステップバンチングを抑えることが可能になる。
【００２８】
塩化珪素系材料ガスを炭化水素系材料ガスより先にＳｉＣ基板上に到達させる手段について特に制限はないが、例えば、これらの材料ガスを個別に供給する材料ガス供給管に付された材料ガスバルブを開けるタイミング差で行うことができる。また、好ましくは、塩化珪素系材料ガスを供給してから炭化水素系材料ガスの供給を開始するまでの待ち時間（タイムラグ）を１秒以上１２０秒以下、より好ましくは５秒以上６０秒以下にするのがよい。一般的な成長速度は１０〜２０Å/秒程度であるため、この待ち時間が少なくとも１秒あればＳｉＣの数原子層以上に相当する分のSi原子を先に供給することができるため、単結晶薄膜のエピタキシャル成長において、成長開始時のエピタキシャル欠陥の発生を効果的に防ぐことができる。反対に待ち時間が１２０秒を超えるとキャリアガスである水素によるＳｉＣ基板のエッチングで表面荒れが生じてしまうおそれがある。
【００２９】
本発明により、ＳｉＣ基板上に成長させるエピタキシャル膜について、表面欠陥の少ないＳｉＣ単結晶薄膜が得られるようになる。特に、４°乃至それ以下のオフ角を持ったＳｉＣ基板を用いてエピタキシャルＳｉＣウエハを得るのにも好適である。そして、本発明は、縦型ＣＶＤ装置を用いる場合の問題点、すなわち、材料ガスの供給部がＳｉＣ基板とほぼ同じ温度であるため、材料ガスをＳｉ系、Ｃ系でそれぞれ独立して導入する必要があることから、キャリアガスと共に供給されるＣ系の材料ガスの方がＳｉＣ基板上に速く到達することで表面欠陥が増加する、という不具合を解決するものである。従って、予め材料ガスを混合できる通常の横型ＣＶＤの場合には問題とはならず、見落とされていた点であり、今まで検討が殆どなされていなかった縦型ＣＶＤ装置によるエピタキシャル成長技術の開発の中で初めて見出された知見である。本発明は、今後の量産化を考えた場合に有望な縦型装置を用いて成長したエピタキシャル膜の表面状態の改善には有効な技術である。
【００３０】
このようにして成長されたエピタキシャルＳｉＣウェハ上に好適に形成されるデバイスとしては、例えば、ショットキーバリアダイオード、ＰＩＮダイオード、ＭＯＳダイオード、ＭＯＳトランジスタ等、特に電力制御用に用いられるデバイスが挙げられる。
【実施例】
【００３１】
(実施例１)
４インチ(100mm)ウェハ用ＳｉＣ単結晶インゴットから、約４００μｍの厚さでスライスし、粗削りとダイヤモンド砥粒による通常研磨後ＣＭＰによる仕上げ研磨を実施した、４Ｈ型のポリタイプを有するＳｉＣ基板のＳｉ面に、図４に示したような縦型ＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長を実施した。ＳｉＣ基板のオフ角は４°である。エピタキシャル成長の手順としては、成長炉（成長室）にＳｉＣ基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを毎分０．７５Ｌ、アルゴンガスを毎分１５Ｌ導入しながら圧力を８×１０3Ｐａに調整した。その後、圧力を一定に保ちながら成長炉の温度を１５５０℃まで上げ、５分間のエッチング処理を行った。
【００３２】
エッチング処理終了後、アルゴンガスの導入を止め、水素ガスの流量を増やしながら、成長圧力が１．０×１０3Ｐａとなるように調整し、水素ガスの流量が毎分２００Ｌになって安定した時点で、各材料ガス供給管に付された材料ガスバルブを開けるタイミング差を設けてテトラクロロシラン(SiCl4)を毎分３００ｃｍ3で最初に５秒導入し、その後ＳｉＣｌ4の流量は変えずにそのまま流したまま、Ｃ3Ｈ8を毎分１００ｃｍ3、さらにドーピングガスであるＮ2を流して１２０分間のエピタキシャル成長を行い、ＳｉＣ単結晶薄膜を約１０μｍ成長させた。この時、ＳｉＣｌ4はアルゴンガス（毎分15L）と共にＳｉ系材料ガス供給管４を通じて導入され、また、Ｃ3Ｈ8はキャリアガスである水素ガス（毎分200L）と共にＣ系材料ガス供給管５を通じて導入し、更に、Ｎ2はＳｉ系材料ガス供給管４と共にドーピングガス供給管６の２本を用い、全体で毎分３０ccを導入した。また、結晶成長中の成長温度は１５５０℃で一定にして行った。
【００３３】
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜の光学顕微鏡写真を図３に示す。図３より、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜が得られていることが分かり、三角形欠陥や、キャロット/コメット等のエピタキシャル欠陥の密度は、１ヶ/cm2であった。また、このエピタキシャル膜表面をＡＦＭで評価したところ、表面粗さのＲａ値は０．２５ｎｍと平坦性に優れていた。
【００３４】
(実施例２)
実施例１と同様にスライス、粗削り、通常研磨および仕上げ研磨を行った、４Ｈ型のポリタイプを有する４インチ(100mm)のＳｉＣ基板のＳｉ面に、縦型ＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長を実施した。ＳｉＣ基板のオフ角は４°である。水素ガスの流量が毎分２００Ｌになって安定するまでの手順は、実施例１と同様であるが、水素ガスの流量が安定した後、ＳｉＣｌ4を毎分３００ｃｍ3で最初に３０秒導入し、その後ＳｉＣｌ4の流量は変えずにＣ3Ｈ8を毎分１００ｃｍ3、さらにドーピングガスであるＮ2を流して実施例１と同様にして１２０分間のエピタキシャル成長を行い、ＳｉＣ単結晶薄膜を約１０μｍ成長させた。この時、ＳｉＣｌ4はアルゴンガス（毎分15L）と共にＳｉ系材料ガス供給管４を通じて導入し、また、Ｃ3Ｈ8はキャリアガスである水素ガス（毎分200L）と共にＣ系材料ガス供給管５を通じて導入し、更に、Ｎ2はＳｉ系材料ガス供給管４と共にドーピングガス供給管６の２本を用い、全体で毎分３０ccを導入した。なお、結晶成長中の成長温度は１５５０℃で一定にして行った。
【００３５】
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜について、実施例１と同様にして評価したところ、エピタキシャル欠陥密度が０．８ヶ/cm2であり、Ｒａ値も０．２２ｎｍであって、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であった。
【００３６】
(実施例３)
実施例１と同様にスライス、粗削り、通常研磨および仕上げ研磨を行った、４Ｈ型のポリタイプを有する４インチ(100mm)のＳｉＣ基板のＳｉ面に、縦型ＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長を実施した。ＳｉＣ基板のオフ角は４°である。水素ガスの流量が毎分２００Ｌになって安定するまでの手順は、実施例１と同様であるが、水素ガスの流量が安定した後、ＳｉＣｌ4を毎分２００ｃｍ3で最初に２０秒導入し、その後ＳｉＣｌ4の流量を毎分３００ｃｍ3にすると同時にＣ3Ｈ8を毎分１００ｃｍ3、さらにドーピングガスであるＮ2を流して実施例１と同様にして１２０分間のエピタキシャル成長を行い、ＳｉＣ単結晶薄膜を約１０μｍ成長させた。この時、ＳｉＣｌ4はアルゴンガス（毎分15L）と共にＳｉ系材料ガス供給管４を通じて導入し、また、Ｃ3Ｈ8はキャリアガスである水素ガス（毎分200L）と共にＣ系材料ガス供給管５を通じて導入し、更に、Ｎ2はＳｉ系材料ガス供給管４と共にドーピングガス供給管６の２本を用い、全体で毎分３０ccを導入した。なお、結晶成長中の成長温度は１５５０℃で一定にして行った。
【００３７】
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜について、実施例１と同様にして評価したところ、エピタキシャル欠陥密度が１．１ヶ/cm2であり、Ｒａ値も０．２４ｎｍであって、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であった。
【００３８】
(実施例４)
実施例１と同様にスライス、粗削り、通常研磨および仕上げ研磨を行った、４Ｈ型のポリタイプを有する４インチ(100mm)のＳｉＣ基板のＳｉ面に、縦型ＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長を実施した。ＳｉＣ基板のオフ角は４°である。水素ガスの流量が毎分２００Ｌになって安定するまでの手順は、実施例１と同様であるが、水素ガスの流量が安定した後、トリクロロシラン(SiHCl3)を毎分３００ｃｍ3で最初に５秒導入し、その後ＳｉＨＣｌ3の流量は変えずにＣ3Ｈ8を毎分１００ｃｍ3、さらにドーピングガスであるＮ2を流して実施例１と同様にして１２０分間のエピタキシャル成長を行い、ＳｉＣ単結晶薄膜を約１０μｍ成長させた。この時、ＳｉＨＣｌ3はアルゴンガス（毎分15L）と共にＳｉ系材料ガス供給管４を通じて導入し、また、Ｃ3Ｈ8はキャリアガスである水素ガス（毎分200L）と共にＣ系材料ガス供給管５を通じて導入し、更に、Ｎ2はＳｉ系材料ガス供給管４と共にドーピングガス供給管６の２本を用い、全体で毎分３０ccを導入した。なお、結晶成長中の成長温度は１５５０℃で一定にして行った。
【００３９】
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜について、実施例１と同様にして評価したところ、エピタキシャル欠陥密度が１．５ヶ/cm2であり、Ｒａ値も０．２７ｎｍであって、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であった。
【００４０】
(実施例５)
実施例１と同様にスライス、粗削り、通常研磨および仕上げ研磨を行った、４Ｈ型のポリタイプを有する４インチ(100mm)のＳｉＣ基板のＳｉ面に、縦型ＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長を実施した。ＳｉＣ基板のオフ角は４°である。水素ガスの流量が毎分２００Ｌになって安定するまでの手順は、実施例１と同様であるが、水素ガスの流量が安定した後、ジクロロシラン(SiH2Cl2)を毎分３００ｃｍ3で最初に５秒導入し、その後ＳｉＨ2Ｃｌ2の流量は変えずにＣ3Ｈ8を毎分１００ｃｍ3、さらにドーピングガスであるＮ2を流して実施例１と同様にして１２０分間のエピタキシャル成長を行い、ＳｉＣ単結晶薄膜を約１０μｍ成長させた。この時、ＳｉＨ2Ｃｌ2はアルゴンガス（毎分15L）と共にＳｉ系材料ガス供給管４を通じて導入し、また、Ｃ3Ｈ8はキャリアガスである水素ガス（毎分200L）と共にＣ系材料ガス供給管５を通じて導入し、更に、Ｎ2はＳｉ系材料ガス供給管４と共にドーピングガス供給管６の２本を用い、全体で毎分３０ccを導入した。なお、結晶成長中の成長温度は１５５０℃で一定にして行った。
【００４１】
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜について、実施例１と同様にして評価したところ、エピタキシャル欠陥密度が１．８ヶ/cm2であり、Ｒａ値も０．２９ｎｍであって、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であった。
【００４２】
(実施例６)
実施例１と同様にスライス、粗削り、通常研磨および仕上げ研磨を行った、４Ｈ型のポリタイプを有する４インチ(100mm)のＳｉＣ基板のＳｉ面に、縦型ＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長を実施した。ＳｉＣ基板のオフ角が２°である以外は、実施例１と同様のプロセスを用いた。このようにしてエピタキシャル成長を行った膜は、エピタキシャル欠陥密度が２．２ヶ/cm2であり、Ｒａ値も０．３２ｎｍであって、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であった。
【００４３】
(実施例７)
実施例１と同様にスライス、粗削り、通常研磨および仕上げ研磨を行った、４Ｈ型のポリタイプを有する４インチ(100mm)のＳｉＣ基板のＳｉ面に、縦型ＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長を実施した。ＳｉＣ基板のオフ角が０．５°である以外は、実施例１と同様のプロセスを用いた。このようにしてエピタキシャル成長を行った膜は、エピタキシャル欠陥密度が２．８ヶ/cm2であり、Ｒａ値も０．３８ｎｍであって、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であった。
【００４４】
(比較例１)
実施例１と同様にスライス、粗削り、通常研磨および仕上げ研磨を行った、４Ｈ型のポリタイプを有する４インチ(100mm)のＳｉＣ基板のＳｉ面に、縦型ＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長を実施した。ＳｉＣ基板のオフ角は４°である。水素ガスの流量が毎分２００Ｌになって安定するまでの手順は実施例１と同様であり、また、ＳｉＣｌ4、Ｃ3Ｈ8、及びドーピングガスをそれぞれ個別のガス供給管を通じて導入する方法や、各材料ガスと共に流すキャリアガスの種類とその流量、並びに成長温度も実施例１と同様にしたが、ＳｉＣｌ4を毎分３００ｃｍ3、Ｃ3Ｈ8を毎分１００ｃｍ3、さらにドーピングガスであるＮ2をＳｉ系材料ガス供給管４と共にドーピングガス供給管６の２本を用い、全体で毎分３０ccにしてこれらを成長開始時に同時に成長炉内に導入し、１２０分間のエピタキシャル成長を行ってＳｉＣ単結晶薄膜を約１０μｍ成長させた。
【００４５】
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜について、実施例１と同様にして評価したところ、エピタキシャル欠陥密度が１２ヶ/cm2と実施例１に比べて増加し、Ｒａ値も１．０ｎｍと大きい値を示した。これは、ＳｉＣｌ4とＣ3Ｈ8を同じタイミングで供給したことにより、成長開始時にＣ3Ｈ8がＳｉＣｌ4よりも早くＳｉＣ基板上に到達し、Ｃ／Ｓｉ比が上昇したためと考えられる。
【００４６】
(比較例２)
実施例１と同様にスライス、粗削り、通常研磨および仕上げ研磨を行った、４Ｈ型のポリタイプを有する４インチ(100mm)のＳｉＣ基板のＳｉ面に、縦型ＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長を実施した。ＳｉＣ基板のオフ角は４°である。水素ガスの流量が毎分２００Ｌになって安定するまでの手順は実施例１と同様とし、また、Ｓｉ系の材料ガスとしてシラン（SiH4）を使用した以外は実施例１と同様にした。すなわち、水素ガスの流量が安定した後、シラン（SiH4）を毎分３００ｃｍ3で最初に５秒導入し、その後ＳｉＨ4の流量は変えずにＣ3Ｈ8を毎分１００ｃｍ3、さらにドーピングガスであるＮ2を流して実施例１と同様にして１２０分間のエピタキシャル成長を行い、ＳｉＣ単結晶薄膜を約１０μｍ成長させた。この時、ＳｉＨ4はアルゴンガス（毎分15L）と共にＳｉ系材料ガス供給管４を通じて導入し、また、Ｃ3Ｈ8はキャリアガスである水素ガス（毎分200L）と共にＣ系材料ガス供給管５を通じて導入し、更に、Ｎ2はＳｉ系材料ガス供給管４と共にドーピングガス供給管６の２本を用い、全体で毎分３０ccを導入した。なお、結晶成長中の成長温度は１５５０℃で一定にして行った。
【００４７】
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜について、実施例１と同様にして評価したところ、エピタキシャル欠陥密度が５５ヶ/cm2であり、Ｒａ値も２．５ｎｍと大きい値を示した。これは、Ｓｉ系材料ガス供給管の中でＳｉＨ4が分解し、それにより生成したＳｉドロップレットあるいはＳｉ化合物等の影響で表面状態が悪化したためと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
この発明によれば、好適には、縦型ＣＶＤ装置を用いたＳｉＣ単結晶基板上へのエピタキシャル成長において、エピタキシャル欠陥を低減した高品質エピタキシャル膜を有するエピタキシャルＳｉＣウエハを作成することが可能である。そのため、このようなエピタキシャルＳｉＣウエハ上に電子デバイスを形成すれば、デバイスの特性及び歩留まりが向上することが期待できる。
【符号の説明】
【００４９】
１：基板処理装置、２：成長室、３：基板ホルダー、４：Ｓｉ系材料ガス供給管、4a：Ｓｉ系材料ガス吹出し口、５：Ｃ系材料ガス供給管、5a：Ｃ系材料ガス吹出し口、６：ドーピングガス供給管、6a：ドーピングガス吹出し口、７：加熱手段、８：容器（筐体）、９：真空ポンプ、１０：炭化珪素単結晶基板。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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