(57)【要約】【課題】  コストを抑えて高品質の炭化珪素の半導体基板をエピタキシャル成長することができるエピタキシャル成長装置を提供する。【解決手段】  エピタキシャル成長装置は、基板２上に炭化珪素からなる半導体膜２ａをエピタキシャル成長する反応容器３と、上面と下面を有し、上面側に基板２を収納する窪み１１が設けられ、窪み１１の底面から下面に測った窪み１１の中央部側の厚さが、窪み１１の端部側の厚さより大きいトレー１と、反応容器３の内側に設けられ、トレー１を熱的に接するように搭載してトレー１を加熱する支持板７と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に炭化珪素からなる半導体膜をエピタキシャル成長する反応容器と、
上面と下面を有し、前記上面側に前記基板を収納する窪みが設けられ、前記窪みの底面から前記下面に測った前記窪みの中央部側の厚さが、前記窪みの端部側の厚さより大きいトレーと、
前記反応容器の内側に設けられ、前記トレーを熱的に接するように搭載して前記トレーを加熱する支持板と、
を備えるエピタキシャル成長装置。
【請求項２】
前記窪みは、前記厚さの分布を実現するように、前記中央部で前記基板の底面と部分的に接触する凸部を有することを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル成長装置。
【請求項３】
前記トレーは、前記厚さの分布を実現するように、前記下面側に凹部が設けら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成長装置。
【請求項４】
前記トレーは、炭素からなることを特徴とする請求項２又は３に記載のエピタキシャル成長装置。
【請求項５】
前記トレーの表面に設けられた炭化物のコーティング層を更に備えることを特徴とする請求項４に記載のエピタキシャル成長装置。
【請求項６】
上面側に窪みが設けられ、前記窪みの底面から下面に測った前記窪みの中央部側の厚さが、前記窪みの端部側の厚さより大きいトレーを用意するステップと、
基板を前記トレーの窪みに収納するステップと、
前記トレーを反応容器の内側に導入して、支持板の上に搭載するステップと、
前記支持板及び前記トレーを介して加熱して前記基板を昇温し、前記基板上に炭化珪素からなる半導体膜をエピタキシャル成長するステップと、
を含むことを特徴とするエピタキシャル成長方法。
【請求項７】
上面側に窪みが設けられ、前記窪みの底面から下面に測った前記窪みの中央部側の厚さが、前記窪みの端部側の厚さより大きいトレーを用意する工程と、
基板を前記トレーの窪みに収納する工程と、
前記トレーを反応容器の内側に導入して、支持板の上に搭載する工程と、
前記支持板及び前記トレーを介して加熱して前記基板を昇温し、前記基板上に炭化珪素からなる半導体膜をエピタキシャル成長して第１の半導体領域を形成する工程と、
前記第１の半導体領域の上部に、不純物元素を導入して第２の半導体領域を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル成長装置、このエピタキシャル成長装置によるエピタキシャル成長方法及びこのエピタキシャル成長装置を用いた半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）のパワー半導体素子を製造する場合、４Ｈ−ＳｉＣの半導体基板上に４Ｈ−ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる方法が行われることがある。
このとき半導体素子の特性を高め、歩留まりよく製造するためには、４Ｈ−ＳｉＣ膜の基板面内の膜厚分布の制御、不純物元素の濃度分布の制御、結晶欠陥の抑制、転位の抑制、基板の反りの抑制等が必要になる。しかし、これらすべての項目が良好なエピタキシャル基板の製造は、困難な場合が多い。特に、エピタキシャル成長のための加熱処理の際、４Ｈ−ＳｉＣ基板の温度分布にムラがあると、これらの項目について問題が生じる。
【０００３】
この温度分布のムラを改善する方法として、エピタキシャル成長装置であるＣＶＤ装置のサセプタの一部に断熱材を配置し、この断熱材を用いることにより、サセプタ上に半導体基板を配置した状態で半導体基板に伝わる熱の一部を断熱させて温度分布を改善し、エピタキシャル成長する方法が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００４】
しかし特許文献１に記載された発明においては、サセプタ本体とは異なる種類の断熱材料を別途用意する必要があるため、費用が嵩むという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４‐１４４８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記した問題に着目して為されたものであって、コストを抑えて高品質の炭化珪素の半導体基板をエピタキシャル成長することができるエピタキシャル成長装置、エピタキシャル成長方法及びこのエピタキシャル成長装置を用いた半導体素子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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係るエピタキシャル成長装置のある態様は、基板上に炭化珪素からなる半導体膜をエピタキシャル成長する反応容器と、上面と下面を有し、上面側に基板を収納する窪みが設けられ、窪みの底面から下面に測った窪みの中央部側の厚さが、窪みの端部側の厚さより大きいトレーと、反応容器の内側に設けられ、トレーを熱的に接するように搭載してトレーを加熱する支持板と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
また本発明に係るエピタキシャル成長方法のある態様は、上面側に窪みが設けられ、窪みの底面から下面に測った窪みの中央部側の厚さが、窪みの端部側の厚さより大きいトレーを用意するステップと、基板をトレーの窪みに収納するステップと、トレーを反応容器の内側に導入して、支持板の上に搭載するステップと、支持板及びトレーを介して加熱して基板を昇温し、基板上に炭化珪素からなる半導体膜をエピタキシャル成長するステップと、を含むことを要旨とする。
【０００９】
また本発明に係る半導体素子の製造方法のある態様は、上面側に窪みが設けられ、窪みの底面から下面に測った窪みの中央部側の厚さが、窪みの端部側の厚さより大きいトレーを用意する工程と、基板をトレーの窪みに収納する工程と、トレーを反応容器の内側に導入して、支持板の上に搭載する工程と、支持板及びトレーを介して加熱して基板を昇温し、基板上に炭化珪素からなる半導体膜をエピタキシャル成長して第１の半導体領域を形成する工程と、第１の半導体領域の上部に、不純物元素を導入して第２の半導体領域を形成する工程と、を含むことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
従って本発明に係るエピタキシャル成長装置、エピタキシャル成長方法及び半導体素子の製造方法によれば、コストを抑えて高品質の炭化珪素の半導体基板をエピタキシャル成長することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長装置の構成の概略を模式的に説明する、断面図を含むブロック図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線方向から見た断面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の実施例１に係るトレーの上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＢ−Ｂ線方向から見た断面図であり、図３（ｃ）は、実施例１に係るトレーの下面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長方法を説明するフローチャートである。
【図５】図５（ａ）は、本発明の実施例２に係るトレーの上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＣ−Ｃ線方向から見た断面図であり、図５（ｃ）は、実施例２に係るトレーの下面図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の実施例３に係るトレーの上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＤ−Ｄ線方向から見た断面図であり、図６（ｃ）は、実施例３に係るトレーの下面図である。
【図７】図７（ａ）は、比較例に係るトレーの上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）中のＥ−Ｅ線断面図であり、図７（ｃ）は、比較例に係るトレーの下面図である。
【図８】本発明の実施例及び比較例に係るそれぞれのトレーを用いてＳｉＣ膜を水素エッチングしたときの、基板面内のエッチング量の分布状態を説明するグラフ図である。
【図９】本発明の実施例及び比較例に係るそれぞれのトレーを用いてＳｉＣの単結晶層をエピタキシャル成長したときの膜厚の分布状態を説明する図である。
【図１０】本発明の実施例及び比較例に係るそれぞれのトレーを用いてＳｉＣの単結晶層をエピタキシャル成長したときの膜の基板面内における応力の発生分布状態を説明するグラフ図である。
【図１１】図１１（ａ）は、比較例に係るトレーを用いてＳｉＣの単結晶層をエピタキシャル成長したときの膜の界面転位の状態を観察した画像を示す図であり、図１１（ｂ）は、実施例１に係るトレーを用いてＳｉＣの単結晶層をエピタキシャル成長したときの膜の界面転位の状態を観察した画像を示す図であり、図１１（ｃ）は、実施例２に係るトレーを用いてＳｉＣの単結晶層をエピタキシャル成長したときの膜の界面転位の状態を観察した画像を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を、プロセスに従って図１２（ａ）→図１２（ｂ）→図１２（ｃ）→図１２（ｄ）の順に説明する工程断面図である。
【図１３】本発明の他の形態に係るトレーの構成の概略を模式的に説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１３】
また、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。また本明細書及び添付図面においては、ｎ又はｐを冠した領域や層では、それぞれ電子又は正孔が多数キャリアであることを意味する。またｎやｐに付す＋や−は、＋及び−が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。
【００１４】
（エピタキシャル成長装置）
本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長装置は、図１に示すように、基板２を加熱して、基板２上に炭化珪素（ＳｉＣ）からなる半導体膜２ａをエピタキシャル成長する反応容器３と、この反応容器３の内側に設けられた支持板７と、この支持板７の上に基板２を載せて配置される皿状のトレー１と、を備える。
【００１５】
トレー１は、上面と下面を有するが、上面側に基板２を収納する窪み１１を備える。トレー１は、基板２の中央部に接触する領域の窪み１１の底面から下面に測った厚さが、基板２の端部における厚さより大きくなる厚さの分布を有する。すなわち窪み１１の基板２に接触する領域の面内方向における厚さが、熱の流れの分布を考慮して設計され、中央部が端部より大きい。支持板７は、トレー１を熱的に接するように搭載して、自己の内部で発生した熱を基板２側に流してトレー１を加熱し、昇温させる。
【００１６】
またエピタキシャル成長装置は、図１に示すように、支持板７を下方から支持して回転させる回転軸９と、支持板７の下方に設けられ支持板７及びトレー１を高周波誘導加熱する高周波誘導コイル（ヒータコイル）５と、この高周波誘導コイル５に接続された高周波電源６と、を備える。
【００１７】
またエピタキシャル成長装置は、反応容器３に接続され、基板２の上に半導体膜２ａをエピタキシャル成長して成膜するための原料ガス、キャリアガス及びドーピングガス等をそれぞれ蓄える原料ガス源２１、キャリアガス源２２及びドーピングガス源２３を備える。
またエピタキシャル成長装置は、反応容器３に接続され反応容器３内を真空状態にする、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ或いはクライオポンプ等で構成される真空ポンプ２０を備える。
【００１８】
基板２としては、「エピタキシャル成長」の定義上、成膜するＳｉＣ膜と同一の結晶格子上にホモエピタキシャル成長するＳｉＣ基板が好ましいが、シリコン（Ｓｉ）基板や窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を基板２として用いるヘテロエピタキシャル成長であっても構わない。更に基板２としては、サファイア基板等の絶縁性基板を用いたレオタキシャル（ｒｈｅｏｔａｘｉａｌ）成長等の場合についても広義のエピタキシャル成長として含み得るものである。
以下の説明では、具体的な例としてパワー半導体素子用の基板材料として期待されているｎ＋型の４Ｈ−ＳｉＣ基板を基板２として用いる場合について説明する。
【００１９】
反応容器（反応炉）３は、石英管等で構成される。反応容器３の内側には、基板２としての４Ｈ−ＳｉＣ基板が、支持板７上にトレー１を介して、ＳｉＣのＳｉ面又はＣ面を所定の角度（オフ角）で傾斜させた状態で載置されている。オフ角は例えば８°程度に設定できるが、８°に限定されず適宜変更されてよい。
【００２０】
原料ガス源２１、キャリアガス源２２及びドーピングガス源２３は、成膜に用いられるガスの供給源としての模式的な場合である。実際のエピタキシャル成長装置の構造は、図１に例示したものとは異なる場合があり、例えば、用いられる複数のガスの種類数に応じて、恒温槽等の種々の補助器具が設けられる。また、複数のガスを供給するそれぞれのガス源に対応して、ガス導入バルブが複数個設けられる。またそれぞれのガス源と反応容器３との間には、対応する配管群がそれぞれ設けられ、複数の配管系を構成している。
【００２１】
支持板（サセプタ）７は、ＳｉＣや炭化タンタル（ＴａＣ）等の結晶によりコーティングされた炭素（Ｃ）等からなる。サセプタ７は、高周波誘導加熱により発熱してトレー１を介して基板２を加熱する。サセプタ７の下側には、断熱板等の付加的な部材が設けられてもよい。
【００２２】
支持板７をなすサセプタ７の下面（裏面）には、回転軸９の軸中心と同心で、回転軸９の一方の端面が固定して取り付けられている。回転軸９の他端は、図示を省略する回転駆動装置に取り付けられており、回転軸９が軸中心に回転することに連動してサセプタ７も回転（自転）する。
【００２３】
高周波誘導コイル５にはいずれも図示を省略するが、遮蔽板及びこの遮蔽板を冷却する冷却水を内側に通す冷却管が設けられる。以下、高周波誘導コイル５を「ＲＦコイル５」と称して説明する。
ＲＦコイル５は、図２の断面図に示すように、一端が回転軸９の外側の周面近傍に配置され、この一端を始点として、回転軸９の軸中心をらせん中心とした、基板２の主面に平行な水平面内で外側に広がる渦巻き状をなす。渦巻きの終点であるＲＦコイル５の他端は、渦巻きの始点位置と略同一直線上に配置されている。
【００２４】
ＲＦコイル５の渦巻きは、上面から見て、中央の回転軸９及び回転軸９の周囲の一部の領域を除くリング状の領域に設けられている。本発明の実施の形態ではサセプタ７が、回転軸９の上方に主として配置されている。図１に示したような配置では、サセプタ７の中央に円形状の低ＲＦ入力領域Ｌが、この低ＲＦ入力領域Ｌの周囲で、ＲＦコイル５の上方に位置する、端部のリング状の部分に高ＲＦ入力領域Ｈが、熱的な区分として２区分に定義される。すなわち低ＲＦ入力領域Ｌは、回転軸９によってＲＦコイル５からの伝導熱の熱量が高ＲＦ入力領域Ｈより少なく、温度が上がり難い。
【００２５】
そしてサセプタ７の低ＲＦ入力領域Ｌ及び高ＲＦ入力領域Ｈを反映する２次加熱、及びトレー１を１次加熱するＲＦエネルギーの分布によって、トレー１の中央部は低熱エネルギー領域となり、トレー１の低熱エネルギー領域の周辺部は高熱エネルギー領域となる。従って、図１に示したような回転軸９が存在する構造では、トレー１の中央部は温度が上がり難い領域となる。
【００２６】
（トレーの構造）
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、トレー１は、上面から見た平面形状が略円形状の板状であり、例えばＣからなる。トレー１は、図３（ａ）の上面図及び図３（ｂ）の断面図に示すように、上面の中央に、基板２の直径と略同じ径の窪み（ザグリ）１１が、深さを不均一にするように形成されている。以降の実施例のトレー１の平面形状は円形であるが、横型ＣＶＤ装置を用いる場合等は正方形の板状であってもよい。
【００２７】
窪み１１の底面は、図３（ｂ）に示すように、トレー１の下面側に対して上方に部分的に突出する凸部を構成するような曲面をなしている。すなわち窪み１１の底面は、端部の深さｄ２が最も深く、左右方向において端部から中心に向かうに従って、徐々に高くせり上がるように上側に突出し、中心の深さｄ１が最も低くなるように設計されている。
窪み１１の中心の深さｄ１は、基板２が例えば３インチ（約７７ｍｍ）のウェハの場合、０．４ｍｍ〜３ｍｍ程度に構成できる。
【００２８】
図３（ｃ）の下面図に示すように、トレー１のサセプタ７に接触する下面は平坦（フラット）な形状であり、特に加工は施されていない。図３に示したトレー１の場合、窪み１１の底面は、中央の領域が端部の領域よりも上側に突出して厚くなる凸部として構成され、窪み１１に基板２を載置した際、中央領域では基板２と部分的に接触すると共に、端部領域では基板２とトレー１の間に隙間が生じるように構成されている。
【００２９】
そのため端部領域では次第に、基板２と接触しないように距離が増大し、高ＲＦ入力領域Ｈ及び高熱エネルギー領域からの伝導熱や輻射熱は抑制される。一方、中央領域では、基板２との接触領域が十分に確保されているので、低ＲＦ入力領域Ｌ及び低熱エネルギー領域からの伝導熱が確実に基板２に熱が流入する。トレー１の窪み１１の中央領域と基板２との接触面積と、接触している曲面の曲率半径とは、端部領域との温度差（基板２に平行な水平面内の温度分布）を考慮して設定される。
【００３０】
このようにトレー１は、基板２を載置する窪み１１の形状を、基板２の面内方向に沿った水平方向に沿って特徴的に変化させることにより、全体としての基板２への熱の流れ（熱流）の不均衡を抑制し、基板２の面内温度分布を任意に制御してエピタキシャル成長させ、４Ｈ−ＳｉＣ膜の膜厚分布の改善を狙うものである。
【００３１】
（エピタキシャル成長方法）
次に、図１に示したエピタキシャル成長装置を用いて、化学的気相成長（ＣＶＤ）法により、エピタキシャル基板を製造する方法を、図４のフローチャートを用いて例示的に説明する。
【００３２】
まず図４中のステップＳ１において、底面とトレー１の下面との間に、端部側における厚さより中央部側が大きい厚さが構成される窪み１１が形成されたトレー１を用意する。そしてこのトレー１の窪み１１に、４Ｈ−ＳｉＣの基板２を収納する。
次にステップＳ２において、図１に示したエピタキシャル成長装置の反応容器３の内側に導入し、サセプタ７上で基板２を収納したトレー１を、所定の場所に配置（セット）されるように搭載して、位置を固定する。
【００３３】
次に、図１に示した原料ガス源２１に、原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）ガス及びプロパン（Ｃ３Ｈ８）ガスを用意する。ＳｉＨ４の代わりに四酸化珪素（ＳｉＣｌ４）やジシラン（ＳｉＨ６）やトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ３）等でもよく、Ｃ３Ｈ８の代わりにメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）等でも構わない。
またキャリアガス源２２に、キャリアガスとして水素（Ｈ２）ガスを用意すると共に、ドーピングガス源２３に、不純物元素をドーピングするためのガスとして窒素（Ｎ２）ガスやトリメチルアルミニウム（Ｃ６Ｈ１８Ａｌ２，ＴＭＡ）等を用意する。
【００３４】
次に、図４中のステップＳ３において、エピタキシャル成長装置の反応容器３の内部に、原料ガス、キャリアガス及びドーピングガスをそれぞれ適宜添加する。
次に、図４中のステップＳ４において、ＲＦコイル５によりサセプタ７を加熱し、このサセプタ７からの伝導及び輻射を主とする２次加熱を利用してサセプタ７上のトレー１を加熱し、トレー１を介して基板２を加熱し、基板２の上に４Ｈ−ＳｉＣ膜となる半導体膜２ａをエピタキシャル成長する。基板２の上面に４Ｈ−ＳｉＣ膜を所望の膜厚で形成すれば、膜厚分布を制御したエピタキシャル基板を製造できる。
【００３５】
本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長装置によれば、トレー１の表面（上面）、裏面（下面）、又は表裏両面に加工を加えることにより、トレー１の表面側から裏面側に測った中央の板厚を厚くし、半径方向の外側に向かって板厚を薄くしていくことで、トレー１と基板２との距離を半径方向に沿って変化させる。これにより、基板２に対するトレー１を介したＲＦコイル５からの熱のかかり方、すなわち熱の流れの分布及びＲＦパワーの分布を半径方向に沿って変化させ、ＳｉＣ基板の温度分布を制御する。
【００３６】
その結果、ＣＶＤにおける、基板２上の原料ガスの堆積量、及びキャリアガスであるＨ２によるエッチング量をコントロールし、膜厚が均一化するように膜厚分布を制御する。具体的には、基板２が高温の部分では膜厚が従来に比し薄くなるように、また低温の部分では膜厚が従来に比し厚くなるようにエピタキシャル成長させ、高温の部分と、低温の部分に依存したエピタキシャル成長膜の膜厚の分布が抑制される。
【００３７】
また温度分布のムラを極力抑えることで、基板２の端部に発生する引張応力を緩和し、基板２全体の応力を低減することで、基板２の反りを改善する。その結果、基板２の端部に集中的に発生する界面転位やスリップライン（スリップ転位）等の発生密度を低減させることができる。
【００３８】
また本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長方法によれば、サセプタ７と異なる材料である断熱材をサセプタ７と基板２の間に埋め込んで温度制御をする必要がなく、単一の材料でトレー１を作成できるため、コストを抑え、容易に加工することができ、熱絶縁材料の選定が不要である。
【００３９】
（トレーの他の形態）
また本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長装置に用いるトレーは、図３に示したもの以外でもよく、図５及び図６に示したような形状に構成することもできる。
例えば、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、上面から見た平面形状が略円形状の板状であり、基板２を載せる側となる表面の中央に、基板２の直径と略同じ径の窪み１１ａが形成されたトレー１ａであってもよい。図５（ａ）の上面図及び図５（ｂ）の断面図に示すように、トレー１ａの窪み１１ａは、その平面形状が略円形であり、窪み１１ａの底面は全面が平坦である。窪み１１ａの中心の深さｄ１ａは、図３に示したトレー１の場合と同様に、０．４ｍｍ〜３ｍｍ程度に構成できる。
【００４０】
またトレー１ａの裏面側には、図５（ｃ）の下面図に示すように、中心から外側に半径ｒまでの領域に円形状の平坦部１２ａが設けられている。トレー１ａの中央領域となる平坦部１２ａとサセプタ７との接触面積は、端部領域との温度差（基板２に平行な水平面内の温度分布）を考慮して設定される。
また平坦部１２ａの外周位置となる半径ｒの位置から、上側に位置する窪み１１ａの側面すなわち基板２の端部直下の位置までの領域に、図５（ｂ）中で中心から外側に向かって断面形状が張り出すように構成された凹部１３ａが設けられている。
【００４１】
すなわちトレー１ａの裏面の凹部１３ａは、図５（ｃ）に示すように裏面側を正面から見てリング状に表れ、平坦部１２ａから外側に向かうに従って、表面側に向かって深くなるように斜めに抉られて形成されている。
また凹部１３ａは、図５（ｂ）中のトレー１ａの中心線に対して左右対称的に配置された２個の直角三角形状の断面を示し、この直角三角形の高さは凹部１３ａの外周位置で最大高さｈａをなす。また凹部１３ａの外周位置の、半径ｒに沿って測った中心からの長さは、半径ｒの３．８倍〜４．２倍程度に構成できる。凹部１３ａは、トレー１ａとサセプタ７との間に隙間を形成する。また凹部１３ａの外周位置から、裏面の円の外周までの領域は平坦に構成されている。
【００４２】
すなわち図５に示したトレー１ａは、上面側の窪み１１ａの形状及び下面側の形状が、図３に示したトレー１ａと異なる。上面側に設けられた窪み１１ａ及び下面側に設けられた凹部１３ａは、例えばＳｉＣやＴａＣ等の結晶からなる母材に切削加工等を施すことにより形成できる。切削は、上面、続いて下面と一面ずつ逐次的に行ってもよいし、或いは、上面と下面の両方に対して同時に行ってもよい。トレー１ａの他の構造については図３に示したトレー１と等価であるため、重複説明を省略する。
【００４３】
図５に示したトレー１ａの場合、凹部１３ａの位置が高熱エネルギー領域に対応し、凹部１３ａの上側の窪み１１ａの端部領域への高熱エネルギー領域におけるサセプタ７からの伝導熱は抑制される。一方、平坦部１２ａの位置が低熱エネルギー領域に対応し、平坦部１２ａの上側の窪み１１ａの中央領域に対してはサセプタ７との接触領域が十分に確保されているので、低熱エネルギー領域におけるサセプタ７からの熱の流れであっても確実に基板２を加熱できる。
【００４４】
また例えば、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、上面を上から見た形状が略円形状であり、基板２を載せる側となる上面の中央に、基板２の直径と略同じ径で底面が上に凸部となる窪み１１ｂが形成されたトレー１ｂであってもよい。
【００４５】
図６（ａ）の上面図及び図６（ｂ）の断面図に示すように、この窪み１１ｂの底面の中央が突出した凸部を有する形状であるので、図３（ｂ）に示した窪み１１と同様に、窪み１１ｂの端部の深さｄ２ｂが最も深く、左右方向において端部から中心に向かうに従って、徐々に高くせり上がるように上側に突出し、中心の深さｄ１ａが最も浅くなるように構成されている。
【００４６】
窪み１１ａの中心の深さｄ１ｂは、図３に示したトレー１の場合と同様に、０．４ｍｍ〜３ｍｍ程度に構成できる。またトレー１ｂの窪み１１ｂの中央領域と基板２との接触面積も、端部領域との温度差（基板２に平行な水平面内の温度分布）を考慮して設定される。
【００４７】
またトレー１ｂの下面側には、図６（ｃ）の下面図に示すように、中心から外側に半径ｒまでの領域に円形状の平坦部１２ｂが設けられている。トレー１ａの中央領域となる平坦部１２ａとサセプタ７との接触面積は、端部領域との温度差（基板２に平行な水平面内の温度分布）を考慮して設定される。また下面の平坦部１２ｂの外周位置の外側には、平坦部１２ｂと同心で、平坦部１２ｂの表面と平行な底面を有するリング状の凹部１３ｂが設けられている。
【００４８】
トレー１ｂの下面の凹部１３ｂは、図６（ｂ）に示すようにトレー１ｂの中心線に対して左右対称的に配置された２個の、上底が下底より短い等脚台形状の断面のＵ溝であり、この台形の高さｈｂは凹部１３ｂの最大高さをなす。
【００４９】
また凹部１３ｂの底面のＵ溝リングの外周は、凹部１３ｂの上側に位置する窪み１１ｂの側面すなわち基板２の端部直下の位置に配置されている。凹部１３ｂの底面のリングの外周位置の、半径ｒに沿って測った中心からの長さは、半径ｒの３．８倍〜４．２倍程度に構成できる。凹部１３ｂは、トレー１ｂとサセプタ７との間に隙間を形成する。また凹部１３ｂの外周位置から、下面の円の外周までの領域は平坦に構成されている。
【００５０】
すなわち図６に示したトレー１ｂは、上面側の窪み１１ｂの形状は図３に示したトレー１と基本的には同じであり、基板２との接触面積を考慮して構成されている。また下面側の形状は、図３に示したトレー１及び図５に示したトレー１ａと異なるが、図５に示したトレー１ａの場合と同様にサセプタ７との接触面積を考慮して構成されている。トレー１ｂの他の構造についてはトレー１又はトレー１ａと等価であるため、重複説明を省略する。
【００５１】
図６に示したトレー１ｂの場合、凹部１３ｂの位置が高熱エネルギー領域に対応し、凹部１３ｂの上側の窪み１１ｂの端部領域では、基板２への高熱エネルギー領域からの熱の流れは抑制される。一方、平坦部１２ｂの位置が低熱エネルギー領域に対応し、平坦部１２ｂの上側の窪み１１ｂの中央領域に対してはサセプタ７との接触領域が十分に確保されているので、低熱エネルギー領域からの熱の流れであっても確実に基板２を加熱できる。
【実施例】
【００５２】
次に、図３に示したトレー１を用いた場合のエピタキシャル成長方法を「実施例１」とし、図５に示したトレー１ａを用いた場合を「実施例２」とし、図６に示したトレー１ｂを用いた場合を「実施例３」として本発明を説明する。
まず実施例１〜３に係るそれぞれのトレーの各部の値を説明する。「実施例１」に係るトレー１は、図３に示した窪み１１の中心の深さｄ１は約４００μｍ、窪み１１の基板２の端部に対応する外周の位置の深さｄ２は約４３０μｍである。
【００５３】
また「実施例２」に係るトレー１ａは、図５に示した窪み１１ｂの中心の深さｄ１ｂは約４００μｍである。また平坦部１２ａの半径ｒは約１０ｍｍである。また凹部１３ｂの断面の直角三角形の最大高さｈａは約２ｍｍである。また凹部１３ｂの基板２の端部直下の位置は、中心からの長さ（半径）が約３８．５ｍｍである。
【００５４】
また「実施例３」に係るトレー１ｂは、図６に示した窪み１１ｂの中心の深さｄ１ｂは約４００μｍ、窪み１１ｂの基板２の端部に対応する外周の位置の深さｄ２ｂは約４５０μｍである。また平坦部１２ｂの半径ｒは約１０ｍｍである。また凹部１３ｂの断面の台形の最大高さｈｂは約１．５ｍｍである。また凹部１３ｂの基板２の端部直下の位置は、中心からの長さ（半径）が約３８．５ｍｍである。
【００５５】
次に、実施例１〜３に係るエピタキシャル成長方法を具体的に説明する。まず直径が３インチ（約７７ｍｍ）で、板厚は３５０〜４００μｍ程度のウェハを基板２として、実施例１〜３のそれぞれに対して用意した。この基板２は、Ｓｉ面を８°オフさせた４Ｈ−ＳｉＣの基板２であり、公知の有機洗浄法やＲＣＡ洗浄法等でよく洗浄した。そして洗浄した基板２を、実施例１〜３のそれぞれのトレー１，１ａ，１ｂの窪み１１，１１ａ，１１ｂの中に配置して固定した。
【００５６】
次に、トレー１，１ａ，１ｂに搭載されたそれぞれの基板２を、エピタキシャル成長を行う成長室となる反応容器３に連なる搬送室の中に、トレー１，１ａ，１ｂごと配置した。
【００５７】
次に、反応容器３の内部を予備排気した後、トレー１，１ａ，１ｂを搬送室から反応容器３内に搬送して導入し、反応容器３の内部を２×１０-６Ｐａ程度以下の真空度になるまで真空排気する。この真空排気中に、搬送されたトレー１，１ａ，１ｂを反応容器３内のサセプタ７上に配置した。
【００５８】
次に、精製器で精製したＨ２ガスを、３０リットル／分（０．０３ｍ３／分）程度の流量で反応容器３内に導入し、反応容器３内の雰囲気をＨ２ガスで置換した。このときのＨ２圧力は約２０Ｔｏｒｒ（約２．６７ｋＰａ）に設定した。
雰囲気を置換した後、同様にＨ２ガスを、３０リットル／分（０．０３ｍ３／分）程度の流量で反応容器３内に導入した状態を維持しつつ、高周波誘導により基板２を下面から加熱した。
【００５９】
加熱は、まず高周波電源６の出力を０Ｗから徐々に上げてゆき、１５５０℃程度から１６５０℃程度の間で設定した温度に到達させた。プロセス中の温度は、反応容器３に設けられた放射温度計で基板２の面をモニターして把握した。
そして炉内温度が設定温度に到達した後、設定温度で炉内温度を約５分間保持した。この保持により、ＳｉＣ基板の表面をＨ２エッチングして清浄な面にした。
【００６０】
その後、原料ガスであるＳｉＨ４、Ｃ３Ｈ８及び塩酸（ＨＣｌ）を、下記の（１）及び（２）の成長条件を同時に満たすように、ＳｉＨ４ガスを１２０ｓｃｃｍ（約０．２Ｐａ・ｍ３／ｓ）、Ｃ３Ｈ８ガスを４４ｓｃｃｍ（約７．４×１０−２Ｐａ・ｍ３／ｓ）、ＨＣｌガスを３６０ｓｃｃｍ（約０．６１Ｐａ・ｍ３／ｓ）で、それぞれの導入量を調節して反応容器３内に導入した。
（１）ＳｉＨ４とＣ３Ｈ８の濃度比（Ｃ/Ｓｉ比）：１．１
（２）ＳｉＨ４とＨＣｌの濃度比（Ｃｌ/Ｓｉ比）：３．０
【００６１】
またドーピングガスであるＮ２を、キャリア濃度が３×１０１５／ｃｍ３となるように流量を調整して導入した。また同時に、炉内の成長温度は約１６３０℃に設定した。４Ｈ−ＳｉＣ膜の膜厚の成長速度は、一般的には数μｍ／時間（ｈ）程度であるが、本実施例の場合、約１１５μｍ／ｈの高速成長速度で、約１８分、半導体膜２ａをエピタキシャル成長させた。
そして成長終了後、降温中の雰囲気としてＨ２キャリアガスのみを用いて基板２を冷却し、基板２中心の膜厚が約３３μｍの膜厚の４Ｈ−ＳｉＣ膜が形成されたエピタキシャル基板を製造するという工程を、実施例１〜３の３パターン実施した。
【００６２】
（比較例）
一方、図７（ａ）〜（ｃ）に示すような比較例に係るトレー１ｚを用意した。比較例に係るトレー１ｚは、全体が、上面から見た平面形状が略円形状の板状であり、図７（ａ）の上面図に示すように、基板２を載せる側の表面の中央に、基板２の直径と略同じ径の窪み１１ｚが形成されている。
【００６３】
この窪み１１ｚは、図７（ｂ）の断面図に示すように、下面方向に向かって凸型をなしている。すなわち窪み１１ｚの底面は、左右方向において端部から中心に向かうに従って、徐々に深くなるように下側に突出し、中心部が最も浅くなるように構成されている。窪み１１ｚの中心の深さｄ１ｚは約４５０μｍ、窪み１１ｚの基板２の端部に対応する外周の位置の深さｄ２ｚは約４００μｍである。
【００６４】
図７（ｃ）の下面図に示すように、比較例に係るトレー１ｚの下面は平坦であり、特に加工は施されていない。
この比較例に係るトレー１ｚを用いて、上記した実施例１〜３で説明したエピタキシャル成長方法と同様の処理を行い、膜厚が約３３μｍの４Ｈ−ＳｉＣ膜が形成されたエピタキシャル基板を製造するパターンを実施した。
【００６５】
図８のグラフ図中に、実施例１〜３に係るトレー１，１ａ，１ｂ及び比較例に係るトレー１ｚからなる４種類のトレーを使って、４Ｈ−ＳｉＣ膜が形成されたエピタキシャル基板を、１６２０℃の反応容器３中に、Ｈ２ガスを３０リットル／分（０．０３ｍ３／分）で２０分間導入して水素エッチングしたときの、エッチング量の分布を算出した結果を示す。尚、算出は、エッチング前後の膜厚分布を、フーリエ変換型赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いてそれぞれ測定し、測定結果のエッチング前後の差を用いて行った。
【００６６】
エピタキシャル基板の、図８中の水素エッチング量が多い位置は、エピタキシャル成長中の実質的な温度が高いことが分かる。図８中に菱形（◇）状のプロットで軌跡を示す比較例に係るトレー１ｚの場合、ウェハ中心付近のエッチング量が少なく、ウェハ端部のエッチング量が多い。よってウェハ中心に比べ端部の温度が高くなっていることが分かる。
【００６７】
一方、図８中に正方形（□）状のプロットで軌跡を示す「実施例１」に係るトレー１の場合、三角形（△）状のプロットで軌跡を示す「実施例２」に係るトレー１ａの場合、及びバツ（×）印状のプロットで軌跡を示す「実施例３」に係るトレー１ｂの場合はいずれも、比較例の場合より、基板２の中心付近の水素エッチング量が増加し、端部のエッチング量が減少している。よって実施例１〜３の場合、基板２面内の温度差が解消される方向になっていることが分かる。
【００６８】
また図９の表に、比較例に係るトレー１ｚ及び実施例１〜３に係るトレー１，１ａ，１ｂを使用したときの、４Ｈ−ＳｉＣ膜の、基板２面内の各位置における膜厚と中心の膜厚との差の、中心の膜厚に対するそれぞれの比率の平均を表す膜厚分布（％）を示す。
【００６９】
比較例に係るトレー１ｚでは膜厚分布は６．５％であったが、実施例１〜３に係るトレー１，１ａ，１ｂを用いて成長させた場合、膜厚分布が比較例の場合の約半分の３．３％前後に改善された。比較例に係るトレー１ｚの場合、エピタキシャル成長中の基板２の中心付近の温度が低く、端部付近の温度が高かったので中心付近に比べ、端部付近がＳｉＣエピタキシャル膜のエッチング量が多くなり膜厚が薄くなるため分布が大きかった。一方、熱の流れの分布を改善した実施例１〜３に係るトレー１，１ａ，１ｂの場合、エッチング量の中心付近と端部付近との差が小さくなり、膜厚分布が改善されたことが分かる。
【００７０】
また図１０のグラフ図に、ラマン分光法により、それぞれの４Ｈ−ＳｉＣ膜の応力を評価した結果を示す。応力評価は、基板２の面内方向の一方の端部から反対側の他方の端部まで１ｍｍ間隔でライン分析して行った。図１０中には、４Ｈ−ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させた基板２の場合の測定結果から、４Ｈ−ＳｉＣ膜がエピタキシャル成長されていない基板２の場合の測定結果を引いた差が示されている。
【００７１】
図１０中でバツ（×）印状のプロットで軌跡を示す比較例に係るトレー１ｂの場合、基板２の端部に大きな引張応力が発生している。一方、図１０中で三角形（△）状のプロットで軌跡を示す「実施例１」に係るトレー１及び菱形（◇）状のプロットで軌跡を示す「実施例２」に係るトレー１ａを使用した場合、応力分布がほぼフラットになっている。温度分布が改善されたため、熱ひずみによって発生する応力が緩和されたことが分かる。
【００７２】
また図１１の撮影図に、比較例に係るトレー１ｂ、「実施例１」に係るトレー１及び「実施例２」に係るトレー１ｂを使用して成長させた、４Ｈ−ＳｉＣ膜を放射光トポグラフィによって界面転位の撮影をした写真を示す。図１１（ａ）は、比較例に係る４Ｈ−ＳｉＣ膜で、界面転移の発生が顕著に見られた基板２中心から半径３０ｍｍの位置を中心とする領域を撮影したものである。
【００７３】
また図１１（ｂ）は、「実施例１」に係る４Ｈ−ＳｉＣ膜の比較例で撮影した領域に対応する領域を、また図１１（ｃ）は、「実施例２」に係る４Ｈ−ＳｉＣ膜の比較例で撮影した領域に対応する領域を、それぞれ撮影したものである。
【００７４】
比較例に係るトレー１ｂを使用してエピタキシャル成長した場合、図１１（ａ）に示すように、界面転移が大量に発生している。一方、「実施例１」に係るトレー１及び「実施例２」に係るトレー１ｂを用いてエピタキシャル成長した場合、図１１（ｃ）に示すように、界面転移の発生がみられず、４Ｈ−ＳｉＣ膜の品質が大幅に向上していることがわかる。
【００７５】
以上のように実施例１〜３に係るトレー１，１ａ，１ｂを使用して４Ｈ−ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長すると、膜厚分布を改善でき、膜厚分布と膜の応力を低減できる。応力の発生を抑制した結果、基板２と４Ｈ−ＳｉＣ膜の界面に発生する転位を大幅に低減することができる。
【００７６】
（半導体素子の製造方法）
次に、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長方法を用いて、４Ｈ−ＳｉＣ膜を形成したエピタキシャル基板を用いた半導体素子の製造方法を、図１２を参照して説明する。
【００７７】
まず図１２（ａ）に示すように、ｎ＋型の４Ｈ−ＳｉＣの基板２を用意し、用意した基板２を、底面とトレー１の下面との間に、基板２の端部側における厚さより基板２の中央部側が大きい厚さを有する窪み１１に収納する。
次に上記したエピタキシャル成長方法を用いて、基板２の上にｎ−型の４Ｈ−ＳｉＣの半導体膜２ａをエピタキシャル成長し、図１２（ｂ）に示すように、第１の半導体領域をなす４Ｈ−ＳｉＣ膜を形成する。
【００７８】
次に図１２（ｃ）に示すように、第１の半導体領域の内部に、例えばアルミニウム（Ａｌ）等の不純物元素イオンを、イオン注入法により注入して、ｐ＋型の第２の半導体領域４を形成する。
次に図１２（ｄ）に示すように、第２の半導体領域４の上に、例えばニッケル（Ｎｉ）や、チタン（Ｔｉ）やＡｌの積層膜等のオーム性接触をするアノード電極膜１４を接合して形成する。また基板２の裏面には、例えばＮｉからなるカソード電極膜１２を形成する。その後、所定の真空アニールを施せば、本発明の実施の形態に係る半導体素子の製造方法が終了する。
【００７９】
尚、導入する不純物元素の種類や、それぞれの濃度、導入方法を適宜変化させて組み合わせることで、各種の半導体素子を製造することが可能である。例えば図１２中には、ｐｎ接合を有する半導体素子の場合を例示したが、これ以外にも例えば、ｎ−型の第１の半導体領域よりも高濃度のｎ＋型の第２の半導体領域をコンタクト領域として形成した半導体素子を製造することもできる。
【００８０】
本発明の実施の形態に係る半導体素子の製造方法によれば、エピタキシャル成長中の基板２の半径方向の温度分布を制御することで、膜厚分布の制御、欠陥転位の抑制、基板２の反り（応力）を低減したエピタキシャル基板を使用できるので、ＳＢＤ、ＭＯＳＦＥＴ、超接合ＭＯＳＦＥＴ（ＳＪＭＯＳ）、ＩＧＢＴ等の各種の半導体素子を、素子特性を向上させて製造することができる。
また基板２の反りが低減するので、半導体素子の製造過程における製造の精度が向上し、歩留まりも向上させることができる。
【００８１】
（その他の実施の形態）
本発明は上記の開示した実施の形態及び実施例によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。
【００８２】
例えば図１３の断面図に示すように、窪み１１の底面及び側面にＴａＣ又はＳｉＣのコーティング層１５を設けたトレー１を構成し、トレーと基板２の接触性を高めることができる。
また図３〜図６に例示したトレー１，１ａ，１ｂは、いずれも上面側から見た形状が円形となる板状の形状であったが、トレーの形状はこれに限定されず、例えば矩形等他の形状で底面が構成されてもよい。また１枚のトレーに１枚の基板２を載置するものに限定されず、２枚以上の複数の基板２が載置される寸法を有する形状であってもよい。
【００８３】
またエピタキシャル成長装置は、ＳｉＣの半導体膜２ａを必要な成長温度に昇温してエピタキシャル成長させることが出来る限り、高周波誘導加熱方式の成膜装置に限定されることはない。基板２の主面に平行な面内で、基板２の中央の領域に伝えられる伝導熱の熱量が端部より少なく、トレー１の下に位置するサセプタ７に偏った温度分布が生じるような構造であれば、赤外線ランプ加熱方式等の他の加熱方式を適用した成膜装置でもよい。
【００８４】
以上のとおり本発明は、上記に記載していない様々な実施の形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００８５】
１，１ａ，１ｃ，１ｚ  トレー
２    基板
２ａ  半導体膜（第１の半導体領域）
３    反応容器
４    第２の半導体領域
５    高周波誘導コイル（ＲＦコイル）
６    高周波電源
７    支持板（サセプタ）
９    回転軸
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｚ  窪み
１２  カソード電極膜
１２ａ，１２ｂ  平坦部
１３ａ，１３ｂ  凹部
１４  アノード電極膜
１５  コーティング層
２０  真空ポンプ
２１  原料ガス源
２２  キャリアガス源
２３  ドーピングガス源
ｄ１，ｄ１ａ，ｄ１ｂ，ｄ１ｚ  中心の深さ
ｄ２，ｄ２ｂ，ｄ２ｚ  端部の深さ
ｈａ，ｈｂ  端部の高さ
ｒ    半径
Ｈ    高ＲＦ入力領域
Ｌ    低ＲＦ入力領域
【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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