(57)【要約】      （修正有）【課題】炭化珪素単結晶基板上に高品質で欠陥の少ない炭化珪素単結晶薄膜を有するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板及びその製造方法を提供する。【解決手段】炭化珪素単結晶基板１上にエピタキシャル欠陥の発生を抑えるための炭化珪素単結晶薄膜２を成長させ、さらに該炭化珪素単結晶薄膜２の上に、デバイスが形成される層である炭化珪素単結晶薄膜３を成長させることによりエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を製造する。【選択図】図３
2007284298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素単結晶基板上に形成され、欠陥の発生を抑止する炭化珪素単結晶薄膜の少なくとも1つの抑止層と、前記抑止層の上に形成された炭化珪素単結晶薄膜の活性層とを有することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
【請求項２】
前記炭化珪素単結晶基板のオフ角度が１°よりも大きい請求項1記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
【請求項３】
前記炭化珪素薄膜の抑止層の厚さが1μm以下である請求項1記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
【請求項４】
前記炭化珪素薄膜の活性層の厚さが50μm以下である請求項1記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
【請求項５】
炭化珪素単結晶基板上に、欠陥の発生を抑止する炭化珪素単結晶薄膜の少なくとも1つの抑止層をエピタキシャル成長させた後、前記抑止層上の炭化珪素単結晶薄膜の活性層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単結晶基板の製造方法。
【請求項６】
前記抑止層及び活性層のエピタキシャル成長は、熱化学蒸着法(CVD法)を用いて行なう請求項5記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
【請求項７】
前記炭化珪素単結晶基板のオフ角度が１°よりも大きい請求項5又は6に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
【請求項８】
前記抑止層をエピタキシャル成長する際の成長温度が1500℃未満である請求項5又は6に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
【請求項９】
前記抑止層をエピタキシャル成長する際の成長速度が毎時1μm以下である請求項5又は6に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
【請求項１０】
前記活性層をエピタキシャル成長する際の成長温度が1500℃以上である請求項5又は6に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
【請求項１１】
前記活性層をエピタキシャル成長する際の成長速度が毎時3μm以上である請求項5又は6に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
【請求項１２】
請求項1〜4のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を用いてなるデバイス。
【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)単結晶基板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素(SiC)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SiC単結晶基板の需要が高まっている。
【０００３】
SiC単結晶基板を用いて、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、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−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】
SiC単結晶基板上にエピタキシャル成長を行った場合に観察される典型的な欠陥(エピタキシャル欠陥)の顕微鏡写真を図1(a)〜(c)に示す。SiC単結晶基板は、(0001)面(Si面)である。図1(a)は、基板に存在するマイクロパイプ欠陥を引き継いだもので、近年の研究進展により、マイクロパイプが10個/cm2以下の基板が比較的容易に得られるようになっていることから、マイクロパイプに起因するエピタキシャル欠陥は大きな問題ではなくなりつつある。図1(b)、(c)に示す欠陥は、エピタキシャル層上にのみ見られる欠陥であり、特に、図1(b)はキャロット欠陥、図1(c)はコメット欠陥と呼ばれることが多く、これらがデバイスの電極下に存在すると、耐圧が低下する等の特性劣化を引き起こすことが知られている(非特許文献1)。これらの欠陥の密度は通常50〜100個/cm2程度であるが、近年のデバイスの高出力化に伴い、デバイス電極面積も1〜2mm角以上と大きくなっている。したがって、電極の下には、1個ないしそれ以上の欠陥が存在することになり、デバイスの特性を劣化させ、歩留りを低下させている。
【０００５】
図1(b)、(c)に示すような欠陥は、SiC単結晶基板上に存在する研磨キズ、微小な凹凸等の欠陥により、通常のエピタキシャル成長が妨げられたために生じるものであり、その発生頻度は成長方法に依存することが多い。一般的に、エピタキシャル成長には、横形のCVD装置が用いられることが多い。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。図2に、成長を行う際の典型的な成長シーケンスを、ガスの導入タイミングと併せて示す。まず、成長炉に基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを導入して圧力を1×104〜3×104 Pa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、1400℃程度で10〜30分間、水素中あるいは塩化水素を導入して塩化水素中での基板のエッチングを行う。これは、研磨等に伴う基板表面の変質層を取り除き、清浄な表面を出すためのものである。その後、温度を成長温度である1500〜1600℃に上げ、原料ガスであるSiH4とC3H8を導入して成長を開始する。SiH4流量は毎分4〜5cm3、C3H8流量は毎分1〜3cm3であり、成長速度は毎時5〜6μm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SiH4とC3H8の導入を止め、水素ガスのみ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、基板を取り出す。
【０００６】
しかしながら、上記のような方法でエピタキシャル成長を行った場合、水素あるいは塩化水素中での基板エッチングの後には、依然として基板上に微小な凹凸や荒れが存在するため、原料ガスが導入された時に、その微小な凹凸や荒れを核として成長が開始される。その結果、正常なエピタキシャル成長が行われなくなり、図1(b)、(c)に示したようなエピタキシャル欠陥が発生し、このようなエピタキシャル膜を用いたデバイスは、その特性や歩留りが低下することになる。
【０００７】
したがって、今後デバイスへの応用が期待されるSiCエピタキシャル成長基板であるが、現状技術では、デバイスの特性や歩留りを劣化させない程度にまでエピタキシャル欠陥の数を減少させることは困難である。一方、SiCには、(0001)面(Si面)に対しc軸方向に反転位置関係にある(000-1)面(C面)が存在し、C面を用いると、上記のようなエピタキシャル欠陥の少ない良好な表面モホロジーが得られることが知られている。しかし、C面を用いた場合には、Si面に比べて、エピタキシャル成長層内の残留不純物密度を下げることが難しく、そのため、このようなエピタキシャル成長基板を用いた場合には、デバイスのリーク電流が大きくなる等の別の問題が発生し、実用化の弊害となる。
また、特許文献1には、エピタキシャル欠陥の数を減少させる方法が記載されているが、これはSiCのオフ角度が1°未満である、所謂on-axis基板に対するものである。この場合、エピタキシャル欠陥の発生原因は、on-axis基板であるが故の表面ステップ数の少なさによる、表面テラス上での核形成であり(非特許文献2)、成長速度を下げ、表面に吸着した原子あるいは分子をステップに到達し易くすることで、連続したステップフロー成長を行わせ、エピタキシャル欠陥の数を減少させようとしたものである。
しかし、特許文献1の手法は、通常のオフ角度を持つ基板上の、微小な凹凸や荒れを原因としたエピタキシャル欠陥には、on-axis基板上の欠陥とはその生成メカニズムが異なるため、適用困難である。
【特許文献１】特開2006-28016号公報
【非特許文献１】K. Kimoto, et al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.46, No.3, (1999) pp.471-477
【非特許文献２】K. Kimoto, et al., phys. stat. sol. (b), Vol.202, (1997) pp.247-262
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記エピタキシャル成長において、エピタキシャル欠陥の少ない高品質エピタキシャル膜を有するエピタキシャルSiC単結晶基板、及びそ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】
【０００９】
本発明は、エピタキシャル成長を開始する際の成長速度あるいは成長温度とエピタキシャル欠陥との関係に注目することにより、上記課題を解決できることを見出し、完成したものである。即ち、本発明は、
(1)  炭化珪素単結晶基板上に形成され、欠陥の発生を抑止する炭化珪素単結晶薄膜の少なくとも1つの抑止層と、前記抑止層の上に形成された炭化珪素単結晶薄膜の活性層とを有することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板、
(2)  前記炭化珪素単結晶基板のオフ角度が１°よりも大きい(1)記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板、
(3)  前記炭化珪素薄膜の抑止層の厚さが1μm以下である(1)記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板、
(4)  前記炭化珪素薄膜の活性層の厚さが50μm以下である(1)記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板、
(5)  炭化珪素単結晶基板上に、欠陥の発生を抑止する炭化珪素単結晶薄膜の少なくとも1つの抑止層をエピタキシャル成長させた後、前記抑止層上の炭化珪素単結晶薄膜の活性層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単結晶基板の製造方法、
(6)  前記抑止層及び活性層のエピタキシャル成長は、熱化学蒸着法(CVD法)を用いて行なう(5)記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、
(7)  前記炭化珪素単結晶基板のオフ角度が１°よりも大きい(5)又は(6)に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、
(8)  前記抑止層をエピタキシャル成長する際の成長温度が1500℃未満である(5)又は(6)に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、
(9)  前記抑止層をエピタキシャル成長する際の成長速度が毎時1μm以下である(5)又は(6)に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、
(10)  前記活性層をエピタキシャル成長する際の成長温度が1500℃以上である(4)又は(5)に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、
(11)  前記活性層をエピタキシャル成長する際の成長速度が毎時3μm以上である(4)又は(5)に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、
(12)  (1)〜(4)のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を用いてなるデバイス、
である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、Si面上へのエピタキシャル成長をしたSiC単結晶基板であっても、エピタキシャル欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜（抑止層及び活性層）を有するエピタキシャルSiC単結晶基板を提供することが可能である。
【００１１】
また、本発明の製造方法は、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（抑止層及び活性層）が得られる。
【００１２】
さらに、本発明のエピタキシャルSiC単結晶基板を用いたデバイスは、エピタキシャル欠陥の少ない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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の具体的な内容について述べる。
まず、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、横形の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。成長シーケンスとしては、SiC基板をセットし、水素あるいは塩化水素中でのエッチングまでは、図2と同様である。
【００１４】
その後、1500〜1600℃の成長温度に上げ、原料ガスであるSiH4とC3H8を流すが、その時のSiH4及びC3H8の流量を小さくし、成長速度を下げて、成長を開始する。前記基板の微小な凹凸や荒れ等の欠陥が存在する部分は、導入したガスの分子あるいは原子のトラップとなり易く、そこが核となってさらにトラップが進むことにより、正常なエピタキシャル成長が妨げられ、図1のようなエピタキシャル欠陥が発生すると考えられる。そこで、上記のように、通常よりも成長速度を下げ、ガスの導入速度を落とすことによって、例え、導入したガスの分子あるいは原子がトラップされたとしても、次の物質が来るまでに、トラップされた分子や原子は再び基板上の他の場所に動くことができるため、核にはなり難く、したがって、エピタキシャル欠陥が減ると期待される。
【００１５】
さらに、導入された原料ガスが完全に分解しない状態で基板上に到達し、それが上記欠陥にトラップされて大きな核となる場合も考えられるが、ガスの導入速度を落とすことで、完全に分解される割合が増え、核形成が抑制される効果も考えられる。ここまでの説明より、成長速度を下げる効果は、上記基板欠陥における原料ガス分子あるいは原子の凝集を避けることにある。前述の特許文献1における成長速度低下は、on-axis基板を用いた場合の連続したステップフロー成長のためのものであり、本発明における、より一般的な8°あるいは4°のオフ角度を持つoff-axis基板を用いた場合とはその効果が異なることが理解できる。また、本発明の効果により、トラップとならなかった上記欠陥は、その上に通常のエピタキシャル成長が行われるため、次第にその凹凸や荒れが小さくなり、最終的にはトラップとしての作用は失われると考えられる。
【００１６】
このような考察の基、成長速度を制御している因子である、SiH4とC3H8の流量に関し、成長開始時（抑止層形成開始時）のSiH4流量を毎分0.5〜1cm3、C3H8流量を毎分0.3〜0.5 cm3にし、成長速度を毎時0.5〜1μmと、通常の1/5〜1/10の値にして成長を開始したところ、エピタキシャル欠陥を低減させることができた。なお、初期成長速度は、基板に付着した物質の再蒸発の方が支配的になる程度にまで小さくすると、エピタキシャル成長が行われ難くなるため、毎時0.5〜1μmが好ましい。
【００１７】
次に、成長温度とエピタキシャル欠陥との関係を、水素あるいは塩化水素中でのエッチングまでは図2と同様で、その後、原料ガスの流量は従来通りのまま、成長温度を通常の1500〜1600℃から下げて成長を開始した場合について述べる。温度を下げると、SiC基板上に存在する前記欠陥にトラップされた原料ガス分子あるいは原子が、再配列するだけのエネルギーを得ることができず、そのままトラップされた状態になったり、原料ガス自体も完全に分解され難くなるため、より大きな核となったりすることが予想される。しかし、一方で、基板表面を動くことが少なくなれば、トラップそのものに出会う確率も下がるため、トラップされていた原料ガス分子あるいは原子が、核にまで成長することなく時間の経過と共に分解され、エピタキシャル欠陥とはならないことも考えられる。
このような考察から、発明者らは、成長初期温度の最適化によってエピタキシャル欠陥が低減できると考え、実験を行った。その結果、成長初期の温度（抑止層を成長させる際の成長温度）を1500℃未満、さらには1400℃以上1500℃未満で成長するのが、エピタキシャル欠陥を低減するのに最適であることを見出した。
【００１８】
本発明により、成長初期の成長速度あるいは成長温度を下げて、エピタキシャル欠陥の発生を従来よりも低減させることが可能になったが、そのために成長初期に形成する層(抑止層)の厚さは、1μm以下で十分であり、さらには0.5μm〜1μmの間が好ましい。抑止層の膜厚が1μmを超えると、成長速度が低い場合には、抑止層が厚過ぎることで生産性が下がり、また、成長温度が低い場合には、抑止層の厚さを増加させることで雰囲気からの不純物の取り込みが多くなり、残留不純物が増加して膜の品質に影響を与えるためである。また、基板のトラップの影響を受けなくするために、抑止層は0.5μm以上の膜厚とすることが望ましい。
【００１９】
この抑止層を成長させた後、成長温度を1500℃以上、好ましくは1500〜1600℃、また成長速度は、SiH4流量を毎分2〜3cm3、C3H8流量を毎分0.5〜1.5cm3に設定することで毎時3μm以上、好ましくはSiH4流量を毎分4〜5cm3、C3H8流量を毎分1〜3cm3に設定することで毎時5〜6μmにして、デバイスが形成される層(活性層)の成長を行う。成長したエピタキシャル基板の模式図を図3に示す。図3の1がSiC単結晶基板、2が抑止層、3が活性層である。この活性層の上にデバイスが形成されるが、活性層の厚さは、デバイスの耐圧、エピタキシャル膜の生産性等を考慮した場合、10μm 以上50μm以下が望ましい。また、基板のオフ角については、1°以下であると基板表面に存在するステップ数が少ないため、正常なエピタキシャル成長が行われ難く、また、10°を越えるとインゴットから基板を作製する際に、より斜めに切り出す必要があるため収率が下がる。したがって、1°より大きく10°以下が望ましいが、より好ましくは4°〜8°の間である。
【実施例】
【００２０】
(実施例1)
2インチ(50mm)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を実施した、4H型のポリタイプを有するSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。基板のオフ角は8°である。成長の手順としては、成長炉に基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを毎分16L導入しながら圧力を1.6×104 Pa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上げ、1400℃に到達した後、塩化水素を毎分10cm3流し、10分間基板のエッチングを行った。エッチング後、温度を1550℃まで上げ、SiH4流量を毎分1cm3、C3H8流量を毎分0.5cm3にして、抑止層を約0.5μm成長した。この時の成長速度は毎時1μmであった。抑止層を成長後、温度は変えず、SiH4流量を毎分4cm3、C3H8流量を毎分2cm3にして(成長速度は毎時5μm)、活性層を約10μm成長した。
【００２１】
エピタキシャル成長後の活性層表面の光学顕微鏡写真を図4に示す。成長面は鏡面であり、欠陥密度としては、三角形状あるいはキャロット、コメット欠陥の密度が20個/cm2以下と通常の1/3〜1/5程度になっていた。図5には、成長後の表面のAFM像を示す。図5からRa値は0.19nmであり、平坦性の高い良好な表面となっていることが分かる。
【００２２】
(実施例2)
実施例1と同様にスライス、粗削り、通常研磨を行った、4H型のポリタイプを有する2インチ(50mm)のSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。基板のオフ角は8°である。成長手順は、塩化水素のエッチングまでは、実施例1と同様である。エッチング後、温度を1450℃まで上げ、SiH4流量を毎分4cm3、C3H8流量を毎分2cm3にして、抑止層を約0.5μm成長した。このときの抑止層の成長速度は毎時3μmであった。抑止層を成長後、SiH4とC3H8の流量は変えず、温度を1550℃にして、活性層を10μm成長した。このときの活性層の成長速度は毎時5μmであった。成長面は鏡面で、エピタキシャル欠陥の密度は30個/cm2以下であり、表面のRaは0.25nmであった。
【００２３】
(比較例)
比較例として、実施例1と同様にスライス、粗削り、通常研磨を行った、4H型のポリタイプを有する2インチ(50mm)のSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。基板のオフ角は8°である。成長手順は、塩化水素のエッチングまでは、実施例1と同様である。エッチング後、温度を1550℃まで上げ、SiH4流量を毎分4cm3、C3H8流量を毎分2cm3にして、抑止層を成長させずに、活性層を約10μm成長した。成長後の表面には、図1(b)、(c)で示したようなエピタキシャル欠陥が発生し、その密度は約100個/cm2であり、抑止層がないとエピタキシャル欠陥の発生を抑えられないことが分かる。表面のRaはエピタキシャル欠陥が存在しない部分で0.37nmであり、欠陥が存在する部分では表面の凹凸が大き過ぎるため測定不能であった。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
この発明によれば、SiC基板上へのエピタキシャル成長において、欠陥の少ない高品質エピタキシャル膜を有するSiC単結晶基板を作成することが可能である。そのため、このような基板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。例えば、ショットキーバリアダイオードにおいては、表面の欠陥によって生じる凸凹が電解集中を誘起し、デバイスの耐圧を劣化させるが、表面の平坦度が上がることで、このような不良はなくなると考えられる。本実施例においては、材料ガスとしてSiH4及びC3H8を用いているが、Si源としてトリクロルシラン、C源としてC2H4等を用いた場合についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術によって成長されたSiCエピタキシャル膜上に存在する欠陥の状態を示す光学顕微鏡像。
【図２】従来技術によるSiCエピタキシャル膜の成長シーケンスを示す図。
【図３】本発明の一例によって成長されたエピタキシャルSiC基板の断面模式図。
【図４】本発明の一例によって成長されたSiCエピタキシャル膜の表面状態を示す光学顕微鏡像。
【図５】本発明の一例によって成長されたSiCエピタキシャル膜の表面状態を示すAFM像。
【符号の説明】
【００２６】
1  SiC単結晶基板
2  抑止層
3  活性層
【図１】
2007284298.tif 000003
【図２】
2007284298.tif 000004
【図３】
2007284298.tif 000005
【図４】
2007284298.tif 000006
【図５】
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