(57)【要約】エピタキシャル面を保存しながらエピ層のＢＰＤが排除されるパルスドラピッドサーマルアニーリングプロセスを用いることによって炭化ケイ素エピ層から存在する基底面転位（ＢＰＤ）を除去するための方法である。この高温高圧の方法は、表面を保護するためにカーボンキャップを有する炭化ケイ素エピタキシャル層を用いる。これらのキャップされたエピ層は、複数の急速加熱冷却サイクルを受ける。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長後の炭化ケイ素エピタキシャル層中の基底面転位を除去する方法であって、
炭化ケイ素エピ層をカーボンキャップでキャップすることであって、キャッピング中に存在する酸素の量がいかなる測定可能限界も下回る、キャップすることと、
このキャップされた炭化ケイ素エピ層をエンクロージャ中に配置することと、
０．４１〜０．７６ＭＰａの範囲内で圧力をかけることと、
前記キャップされた炭化ケイ素エピ層を前記エンクロージャから取り出さずに複数の加熱冷却サイクルでアニーリングすることであって、各加熱冷却サイクルが、前記炭化ケイ素エピ層を１８００℃を上回る温度に数秒間急速加熱すること及び前記サンプルを１５５０℃を下回る温度に数秒間急速冷却することを含む、アニーリングすることと、
前記アニーリング中に前記エンクロージャ内に存在するすべての酸素がいかなる測定可能限界も下回ることを確実にすることと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記複数の加熱冷却サイクルの終了時に、前記キャップされた炭化ケイ素エピ層が１７５０℃と１８７５℃の間の温度に少なくとも５分間加熱されている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アニーリング後に前記キャップされた炭化ケイ素エピ層が３．１ｎｍ以下のＲＭＳ粗さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
炭化ケイ素エピ層をカーボンキャップでキャップすることであって、キャッピング中に存在する酸素の量がいかなる測定可能限界も下回る、キャップすることと、
このキャップされた炭化ケイ素エピ層をエンクロージャ中に配置することと、
０．４１〜０．７６ＭＰａの範囲内で圧力をかけることと、
前記キャップされた炭化ケイ素エピ層を前記エンクロージャから取り出さずに複数の加熱冷却サイクルでアニーリングすることであって、各加熱冷却サイクルが、前記炭化ケイ素エピ層を１８００℃を上回る温度に数秒間急速加熱すること及び前記サンプルを１５５０℃を下回る温度に数秒間急速冷却することを含む、アニーリングすることと、
前記アニーリング中に前記エンクロージャ内に存在するすべての酸素がいかなる測定可能限界も下回ることを確実にすることと、
を含む方法によって作製される、炭化ケイ素基板材料。
【請求項５】
前記複数の加熱冷却サイクルの終了時に、前記キャップされた炭化ケイ素エピ層が１７５０℃と１８７５℃の間の温度に少なくとも５分間加熱されている、請求項４に記載の炭化ケイ素基板材料。
【請求項６】
アニーリング後に前記キャップされた炭化ケイ素エピ層が３．１ｎｍ以下のＲＭＳ粗さを有する、請求項４に記載の炭化ケイ素基板材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）エピタキシャル成長層の基底面転位の除去に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
４Ｈ−炭化ケイ素（ＳｉＣ）エピ層で製作されたハイパワーデバイスは、基底面転位（ＢＰＤ）により誘起される積層欠陥（ＳＦ）によって引き起こされる順電圧降下に悩まされることが知られている。（Ｊ．Ｐ．Ｂｅｒｇｍａｎ他、Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ  ３５３、２９９（２００１）及びＲ．Ｅ．Ｓｔａｈｌｂｕｓｈ他、Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ  ３８９、４２７（２００２））。過去１０年間で、エピ成長中に基板のＢＰＤを有害度の低い貫通刃状転位（ＴＥＤ）に転換することによって９０％を超えるＢＰＤを除去することにいくつかの試みが成功している。（Ｓ．Ｈａ他、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９２、１７５５０４（２００４）及びＲ．Ｌ．Ｍｙｅｒｓ−Ｗａｒｄ他、Ｍａｔ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ  ６１５〜６１７、１０５（２００９））。しかしながら、エピ層の多くの領域のＢＰＤは依然として＞１００ｃｍ−２であり、これはデバイスの歩留まり及び信頼性に悪影響を及ぼす。
【０００３】
ＢＰＤ除去に関する先行するレポートがＭａｈａｄｉｋらによって発表されており、本明細書で提示される技術よりもＳｉＣ表面を保存するのにあまり効果的ではなかった従来のアニーリングプロセスが詳述されている。（Ｎ．Ａ．Ｍａｈａｄｉｋ他、Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｒｕｍ  Ｖｏｌｓ．７７８〜７８０、３２４〜３２７頁（２０１４））。
【０００４】
複数の加熱冷却サイクルの使用が、窒化ガリウム（ＧａＮ）に注入されたＭｇイオンの電気的活性化及びこの注入ステップ中に導入される欠陥の除去に関して以前に報告されている。（Ｔ．Ｊ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ他、Ｅｌｅｃｔ．Ｌｅｔｔ．５０、１９７（２０１４）、Ｂ．Ｎ．Ｆｅｉｇｅｌｓｏｎ他、Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、ｖｏｌ．３５０、ｎｏ．１、２１〜２６頁（２０１２）、及びＢ．Ｎ．Ｆｅｉｇｅｌｓｏｎ他、米国特許第８，５１８，８０８号（２０１３））。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、表面モフォロジを保存しながら、炭化ケイ素（ＳｉＣ）エピタキシャル成長層に既に存在する基底面転位を除去する手段を提供する。この方法は、超高純度不活性雰囲気中にて高い周囲圧下で高温アニーリングプロセスを用い、エピタキシャル成長ＳｉＣ層上で表面保護コーティングを使用してその中に存在する基底面転位を除去する。先行する方法とは異なり、高温アニールが非常に高温のパルスで行われ、広い面積にわたって材料の表面を保存しながら欠陥の排除をもたらす。
【０００６】
本発明の主題は、単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板材料及び任意の典型的な方法によって成長したエピ層である。本発明は、ＳｉＣ半導体のサンプル表面を保存しながら欠陥を除去する手段を提供する。
【０００７】
発明された方法は、大気圧を上回るガス圧下で高温アニーリングプロセスを用い、表面保護コーティングを使用してＳｉＣサンプルの基底面転位（ＢＰＤ）を排除する。より詳細には、高温アニーリングプロセスは、高温の短い持続時間の個々のサイクルで温度プロフィールがパルス化されるプロセスである。さらにより詳細には、高温アニーリングプロセスは、エンクロージャからサンプルを取り出さずに材料に複数の短い（ラピッド）加熱冷却サイクルを行うプロセスである。
【０００８】
本発明は、表面モフォロジを保存しながら、成長後のＳｉＣエピタキシャル層からＢＰＤを除去するのに用いることができる。これは、高電力密度及び高電圧のＳｉＣデバイスを実現するのに重要である。
【０００９】
本発明は、ＳｉＣの点欠陥を変換し、ＳｉＣの光学特性及び電気特性を変化させるのに用いることができる。
【００１０】
本発明は、表面を保存しながら、より高伝導度のｎ型半導体領域及びｐ型半導体領域を形成するためにＳｉＣのｎ型インプラント及びｐ型インプラントをアニールするのに用いることができる。
【００１１】
本発明は、ｐ型ＳｉＣ層とｎ型ＳｉＣ層の両方においてキャリア寿命を改善するためにＳｉＣに対し高温処理を行うのに用いることができる。
【００１２】
表面が保護コーティングを有さない実施形態では、本発明は、ＳｉＮｘ又はグラフェンなどのＳｉ含有化合物又はＣ含有化合物を成長させるのに用いることができる。
【００１３】
本発明は多くの利点を有する。これは、良好な表面モフォロジを維持しながら、結果的にＳｉＣ材料中のＢＰＤの除去をもたらす。以前に報告された方法に比べて、本発明は、表面からのシリコン昇華なしにＳｉＣ材料のより高温の（１８７５℃までの、しかしより高い温度が可能である）アニーリングを用い、これは表面劣化を防ぐ。このより高温のアニーリングを用いて、ＳｉＣ格子中に注入される化学種の活性化／組み込みを改善し得る。
【００１４】
本発明のこれらの及び他の特徴及び利点、並びに本発明自体は、以下の詳細な説明、付属の請求項、及び添付図を参照することでより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】パルスドラピッドサーマルアニーリング技術の温度プロフィールを示す。
【図２】従来のアニーリングを用いる表面モフォロジを本発明のパルスドラピッドサーマルアニーリングを用いる表面モフォロジとを比較する。図２ａは、１７５０℃よりも上での従来のアニーリングが５．７ｎｍのＲＭＳ粗さをもたらすことを示す。図２ｂは、パルスドラピッドサーマルアニーリングが３．１ｎｍのＲＭＳ粗さをもたらすことを示す。
【図３】パルスドラピッドサーマルアニーリングプロセスの前及び後のサンプルの紫外フォトルミネセンス（ＵＶＰＬ）画像を示す。図３ａは、〜１０００ｃｍ−２のＢＰＤ密度を示すａｓ−ｇｒｏｗｎサンプルの典型的なＵＶＰＬ画像を示す。短い水平な白いラインがＢＰＤである。図３ｂは、ＢＰＤを有さない、１８７５℃で５分間のパルスドラピッドサーマルアニーリング後のＵＶＰＬサンプルを示す。長いスクラッチラインは、サンプルの識別のための背面上のスクライブマークである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、エピタキシャル表面を保存しながら、エピ層のＢＰＤが除去されるパルスドラピッドサーマルアニーリングプロセスを用いることによってエピ層から存在するＢＰＤを除去する技術を提供する。この高温高圧の方法は、表面を保護するためにカーボンキャップを有する炭化ケイ素エピタキシャル層を用いる。これらのキャップされたエピ層は、複数の急速加熱冷却サイクルを受ける。
【００１７】
本発明の方法は、以下のように簡潔に説明できる。第１の炭化ケイ素エピ層が、表面を保護するためにカーボンでキャップされる。カーボンキャップ以外の、窒化ホウ素を含む材料を同様に用いることができる。ＡｌＮキャッピング層が不活性アニーリング雰囲気中の微量の酸素を吸収し微量の酸素からＧａＮ表面を保護できる、Ｆｅｉｇｅｌｓｏｎらによって説明されるＭＲＴＡプロセスとは異なり、本明細書で説明される方法は、プロセス中のありとあらゆる微量の酸素のほぼ完全な除去に依拠する。次いで、キャップされた炭化ケイ素エピ層がエンクロージャ内に配置され、超高純度化された窒素の高圧（ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ）がかけられる。次いで、キャップされたエピ層が、それらをサイクル間でエンクロージャから取り出すことなく複数の加熱冷却サイクルでアニールされる。アニーリングプロセス中に酸素は存在しないはずである。各加熱冷却サイクルは、エピ層を１７５０℃を上回る温度、より好ましくは１８００℃を上回る温度、さらにより好ましくは１８７５℃まで又はそれを超える温度に数秒間加熱すること、及びエピ層を１５５０℃を下回る温度に数秒間急速冷却することを含む。好ましい実施形態では、複数の加熱冷却サイクルの終了時に、キャップされた炭化ケイ素エピ層は１７５０と１８７５℃の間の温度に少なくとも５分間加熱されている。
【００１８】
本発明では、市販の４°オフカット、１５μｍ、ｎ型６×ｌ０１５ｃｍ−３の４Ｈ−ＳｉＣエピ層を使用した。次いで、サンプルを、以下のプロセスを用いてカーボンキャップした。サンプルを、１：１：５の比のＨ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏからなるピラニア溶液で洗浄し、その後、溶媒洗浄（ＳＣ−１）プロセスを行った。次いで、ＡＺ４６２０フォトレジストを、５０００ｒｐｍの回転数を用いて１分間塗布した。次いで、サンプルをアニーリングチャンバの中に導入し超高純度窒素下に保って微量の酸素を排除し高品質のカーボンキャッピング層を得た。次いで、サンプルを、高品質のカーボンキャップを形成するために超高純度窒素雰囲気中で１１００℃の温度に３０分間加熱した。この後に高温高圧アニーリングプロセスを行った。
【００１９】
ａｓ−ｇｒｏｗｎサンプルを紫外フォトルミネセンス（ＵＶＰＬ）イメージングを用いて画像化し、これはエピタキシャル層中のＢＰＤを示す。キャリアをＡｒイオンレーザからの３３４ｎｍラインで励起し、画像を６００〜１０００ｎｍの発光範囲内で収集した。サンプルをカーボンキャップし、図１に示すように２０サイクルでアニールした。サンプルは、〜５分の合計時間にわたって１７５０〜１８７５℃のアニーリング温度にあった（図１）。アニーリングは、カスタム設計されたチャンバ内で誘導サンプル加熱および０．４１〜０．７６ＭＰａでの超高純度Ｎ２高圧にて行った。ベース温度は１５００℃付近に維持し、温度をそこから、所望の高温範囲で十分な時間を累積するためにラピッドサイクルで所望の温度に昇温及び降温した。Ｎ２の高圧とラピッドサイクルとの組み合わせは、カーボンキャップを保存しながら、したがって未処理の（ｐｒｉｓｔｉｎｅ）エピタキシャル面を維持しながら、従来の方法が可能にするよりも高温のアニーリングを可能にした。
【００２０】
アニーリングプロセス中の酸素の排除が、このプロセスの成功のために重要であった。すべてのガスプロセスラインを超高純度窒素で長時間パージした。超高純度窒素の複数回の充填によってチャンバ内のアニーリング雰囲気の最大の不活性が保証された。ＳｉＣサンプルはカーボンキャップ内に閉じ込められ、これはサンプル表面を酸素により誘起される分解からさらに保護した。
【００２１】
アニール後のサンプルもエピ層のＢＰＤを観察するために画像化した。ａｓ−ｇｒｏｗｎサンプルのＵＶＰＬ画像は、〜１０００ｃｍ−２の平均ＢＰＤ密度を示した。アニーリングの２つの目的は、エピタキシャル層中のＢＰＤを排除することと、エピタキシャル表面モフォロジを保存することであった。高温マイクロ波アニーリング並びに高圧Ｎ２下でのアニーリングを用いて同様のサンプルをアニールするための、いくつかの先行する試みが存在する。マイクロ波アニーリングでは、ＢＰＤは１７５０℃よりも上でのアニーリングによって排除された。しかしながら、表面モフォロジは劣っていた。図２は、１７５０℃よりも上での従来のアニーリングを用いる表面モフォロジ（図２ａ）を本発明のパルスドラピッドサーマルアニーリングを用いる表面モフォロジ（図２ｂ）と比較する。パルスドラピッドサーマルアニーリングは、従来のアニーリングに比べて表面モフォロジを約２分の１に改善した（５．７ｎｍに比べて３．１ｎｍのＲＭＳ粗さ）。
【００２２】
カーボンキャッピング技術は最適化されたが、大気圧条件で行われるマイクロ波アニーリングは、良好なサンプル表面を達成できなかった。高圧下でのアニーリングは表面を保存したが、キャップを損傷せずに１７５０℃を上回る温度に行くことはできなかった。完全なＢＰＤ排除のために、ずっと高い温度のアニールが必要とされた。したがって、パルスドラピッドサーマルアニーリングプロセスが採用され、結果的により高温のアニーリングをもたらし、かつカーボンキャップを保存した。
【００２３】
図３は、パルスドラピッドサーマルアニーリングプロセスの前（図３ａ）及び後（図３ｂ）のサンプルのＵＶＰＬ画像を示し、アニーリングプロセス中にいかなる顕著なピット又はいかなる新しいＢＰＤの生成も伴わない表面がもたらされたことを示す。このような欠陥は、同様の高温での従来のアニーリングを用いると通常は生じる。以前に存在したほとんどすべてのＢＰＤが、エピ層において消失した。エピ成長中に貫通刃状転位（ＴＥＤ）へとまだ転換されていなかったＢＰＤが、アニーリング中に表面付近でＴＥＤを形成することが提案される。次いで、すべてのＢＰＤの終わりでＴＥＤが柱面内ですべってＢＰＤを短くする。このすべりはより低エネルギーの基底面では起こらないので、このすべりに必要なエネルギーは、非常に高いアニーリング温度によって与えられる。このように、ＢＰＤセグメントがＴＥＤのすべりを伴いＴＥＤに転換し、したがってＢＰＤが短くなる。アニールされたサンプルのＵＶＰＬ画像はまた、元のＢＰＤが基板から伝播したドットを示し、これはＴＥＤを表す。
【００２４】
上記の説明は本発明の好ましい実施形態の説明である。本発明の精神及びより広い態様から逸脱することなく上記の教示に照らして種々の修正及び変形が可能である。したがって、特許請求される発明は、具体的に説明された以外に実施され得ることが理解されるべきである。例えば冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、又は「前記（ｓａｉｄ）」を用いる単数形の請求項の要素へのどの言及も、要素を単数形に限定すると解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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