(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素基板を用意する工程と、
前記炭化珪素基板の表面に珪素層を成膜する工程と、
高温、減圧下で前記炭化珪素基板の表面から前記珪素層を除去し、前記炭化珪素基板の表面を清浄化する工程と、
前記清浄化された炭化珪素基板表面に、炭化珪素層あるいは窒化ガリウム層のいずれか一方をエピタキシャル成長させる工程とを備えることを特徴とする炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記炭化珪素基板の表面を清浄化する工程では、前記清浄化された炭化珪素基板表面の構造が１×１構造となるように成膜することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記珪素層を除去する工程は、５００〜１１００℃の温度範囲で行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭化珪素基板の製造方法。
【請求項４】
前記珪素層を除去する工程は、前記炭化珪素基板の表面に酸素ガスを供給する工程を含んでいることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記炭化珪素基板表面への前記酸素ガスの曝露量は、１〜１０2Ｐａ・ｓの範囲内であることを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記炭化珪素基板表面への前記酸素ガスの曝露量は、１０Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記酸素ガスを供給する工程は、真空度を１×１０-2〜１×１０-6Ｐａで行うことを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項８】
前記酸素ガスを供給する工程は、真空度を１×１０-2Ｐａで行うことを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項９】
炭化珪素基板を用意する工程と、
高温、減圧下で、前記炭化珪素基板の表面に珪素蒸気を供給し、前記炭化珪素基板の表面を清浄化する工程と、
前記清浄化された炭化珪素基板表面に、炭化珪素層あるいは窒化ガリウム層のいずれか一方をエピタキシャル成長させる工程とを備えることを特徴とする炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
前記珪素蒸気を供給する工程では、酸素ガスが供給されることを特徴とする請求項９に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
減圧下にて炭化珪素基板の表面に酸素ガスを供給し、前記炭化珪素基板の表面に形成されている表面層を前記酸素により除去し、前記炭化珪素基板の表面を清浄化する工程と、
前記清浄化された炭化珪素基板表面に炭化珪素膜あるいは窒化ガリウム膜のいずれか一方をエピタキシャル成長させる工程とを備えることを特徴とする炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
前記減圧下にて炭化珪素基板の表面に酸素ガスを供給し、前記炭化珪素基板の表面に形成されている表面層を前記酸素ガスにより除去する工程の前に、前記炭化珪素基板の表面に珪素層を成膜する工程を備え、
前記表面層を前記酸素ガスにより除去する工程では、前記珪素層を前記酸素ガスにより除去し、前記炭化珪素基板の表面に形成されている表面層を前記酸素ガスにより除去することを特徴とする請求項１１に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
前記酸素を供給する工程の前に、前記炭化珪素の表面に形成した前記珪素層を部分的に蒸発させる工程を備えることを特徴とする請求項１２に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
前記清浄化された炭化珪素基板表面の構造は、１×１構造、３×３構造、２√３×２√３構造あるいは√３×√３構造のいずれか１つであることを特徴とする１ないし１３のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項１５】
前記炭化珪素基板は、オフ角が０°より大きいものであることを特徴とする請求項１ないし１４に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項１６】
前記炭化珪素基板は、オフ角が０．１°以上であることを特徴とする請求項１５に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれか１つに記載された炭化珪素半導体基板の製造方法によって製造された炭化珪素半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素基板の表面に炭化珪素等をエピタキシャル成長させる炭化珪素半導体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素のＣ軸表面は活性度が小さいため、エピタキシャル成長の成長速度が小さい。このため、炭化珪素基板の表面に炭化珪素薄膜を実用的な速度でエピタキシャル成長させるためには、オフ角がついた炭化珪素基板を用いて表面の活性度を上げる必要がある。従って、１°以上のオフ角を有する炭化珪素基板を用いる必要があり、通常８°程度のオフ角を有する炭化珪素基板が用いられる。図８は、炭化珪素基板のオフ角と結晶方向を概略的に示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようなオフ角を有する炭化珪素基板では、図８に示すように基板表面にステップＳが形成される。このため、オフ角の大きな炭化珪素基板を用いてＭＯＳ−ＦＥＴ等を作成した場合には、オフ角に起因するステップＳで電子が散乱されてしまい、電子の移動度が低下するという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記点に鑑み、炭化珪素基板の表面に炭化珪素等をエピタキシャル成長させる炭化珪素半導体基板の製造方法において、オフ角の小さい炭化珪素基板でもエピタキシャル成長を良好に行うことができるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、炭化珪素基板を用意する工程と、炭化珪素基板の表面に珪素層を成膜する工程と、高温、減圧下で炭化珪素基板の表面から珪素層を除去し、炭化珪素基板の表面を清浄化する工程と、清浄化された炭化珪素基板表面に、炭化珪素層あるいは窒化ガリウム層のいずれか一方をエピタキシャル成長させる工程とを備えることを特徴としている。
【０００６】
このように、表面を清浄化した炭化珪素基板の表面にエピタキシャル成長させることで、オフ角の小さい炭化珪素基板を用いた場合でも基板表面の活性度を上げることができ、実用的な速度でエピタキシャル成長を行うことができる。これにより、炭化珪素半導体基板の電子移動度の低下を抑制することができる。
【０００７】
具体的には、請求項２に記載の発明のように、炭化珪素基板の表面を清浄化する工程では、炭化珪素基板上に形成した珪素層を除去することで１×１構造を形成することにより、炭化珪素基板の清浄面を得ることができる。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明のように、珪素層を除去する工程は、５００〜１１００℃の温度範囲で行うことができる。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明では、珪素層を除去する工程は、炭化珪素基板の表面に酸素ガスを供給する工程を含んでいることを特徴としている。これにより、炭化珪素基板表面の珪素、炭素等を酸素ガスと反応させ、ＳｉＯ、ＣＯ、ＣＯ2として除去することができる。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明のように、炭化珪素基板表面への酸素ガスの曝露量を１〜１０2Ｐａ・ｓの範囲内とし、好ましくは請求項６に記載の発明のように１０Ｐａ・ｓとすることができる。
【００１１】
また、請求項７に記載の発明のように、酸素ガスを供給する工程は、真空度を１×１０-2〜１×１０-6Ｐａで行うことができ、好ましくは請求項８に記載の発明のように、真空度を１×１０-2Ｐａで行うことができる。
【００１２】
また、請求項９に記載の発明では、炭化珪素基板を用意する工程と、高温、減圧下で、炭化珪素基板の表面に珪素蒸気を供給し、炭化珪素基板の表面を清浄化する工程と、清浄化された炭化珪素基板表面に、炭化珪素層あるいは窒化ガリウム層のいずれか一方をエピタキシャル成長させる工程とを備えることを特徴としている。
【００１３】
このように、炭化珪素基板の表面に珪素蒸気を供給して珪素雰囲気にすることで、珪素層を成膜した場合と同様に炭化珪素基板の表面を清浄化することができる。すなわち、Ｓｉの方がＣよりも飽和蒸気圧が高く、Ｃ原子に比べてＳｉ原子が蒸発しやすいため、Ｓｉ蒸気を供給しておくことでＳｉの炭化珪素表面からの蒸発を防止できる。
【００１４】
また、請求項１０に記載の発明では、珪素蒸気を供給する工程では、酸素ガスが供給されることを特徴としている。これにより、炭化珪素基板表面の珪素、炭素等を酸素ガスと反応させ、ＳｉＯ、ＣＯ、ＣＯ2として除去することができる。
【００１５】
また、請求項１１に記載の発明では、減圧下にて炭化珪素基板の表面に酸素ガスを供給し、炭化珪素基板の表面に形成されている表面層を酸素により除去し、炭化珪素基板の表面を清浄化する工程と、清浄化された炭化珪素基板表面に炭化珪素膜あるいは窒化ガリウム膜のいずれか一方をエピタキシャル成長させる工程とを備えることを特徴としている。
【００１６】
これにより、珪素層を成膜、あるいは珪素蒸気を供給する工程を省略することができる。なお、本請求項でいう表面層とは、自然酸化膜等の汚染層を示している。
【００１７】
また、請求項１２に記載の発明のように、減圧下にて炭化珪素基板の表面に酸素ガスを供給し、前記炭化珪素基板の表面に形成されている表面層を前記酸素により除去する工程の前に、炭化珪素基板の表面に珪素層を成膜する工程を行い、表面層を酸素ガスにより除去する工程では、珪素層を酸素ガスにより除去し、炭化珪素基板の表面に形成されている表面層を酸素ガスにより除去することで、炭化珪素表面のＳｉ原子がＣ原子よりも蒸発してしまうことを防ぐことができる。すなわち、Ｓｉの方がＣよりも飽和蒸気圧が高く、Ｃ原子に比べてＳｉ原子が蒸発しやすいため、Ｓｉ層を形成しておくことでＳｉの炭化珪素表面からの蒸発を防止できる。
【００１８】
また、請求項１３に記載の発明のように、酸素を供給する工程の前に、炭化珪素の表面に形成した珪素層を部分的に蒸発させて除去してもよい。
【００１９】
また、請求項１４に記載の発明のように、清浄化された炭化珪素基板表面の構造は、１×１構造、３×３構造、２√３×２√３構造あるいは√３×√３構造のいずれか１つとすることができる。
【００２０】
また、請求項１５に記載の発明のように、炭化珪素基板は、オフ角が０°より大きいもの、好ましくは、請求項１６に記載の発明のように、オフ角が０．１°以上のものを用いることができる。
【００２１】
また、請求項１７に記載の発明では、請求項１ないし１６のいずれか１つに記載された炭化珪素半導体基板の製造方法によって製造された炭化珪素半導体基板であることを特徴としている。
【００２２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、ＳｉＣ基板の表面にＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させる工程を示している。
〔図１（ａ）に示す工程〕
まず、（０００１）面を有するＳｉＣ基板１を用意する。ＳｉＣ基板１は、全てがＳｉＣで構成された基板でなくてもよく、下地が他の材質で表面付近がＳｉＣで構成されたものでもよい。また、ＳｉＣ基板１の結晶構造は、６Ｈ、４Ｈ、３Ｃもしくは１５Ｒのいずれで構成されていてもよい。さらに、ＳｉＣ基板１の結晶表面はＳｉ面、Ｃ面のいずれでもよい。
【００２４】
図２は、本実施形態の炭化珪素基板１のオフ角と結晶方向を概略的に示している。ＳｉＣ基板１のオフ角は、エピタキシャル成長を行うためには０°より大きい必要があり、０．１°以上であることが好ましい。また、ＳｉＣ基板１を用いてＭＯＳ−ＦＥＴ等を作成したときの電子移動度を考慮すると、ＳｉＣ基板１のオフ角はなるべく小さい方がよく、８°以下であることが好ましい。本実施形態では、オフ角が０．５°のＳｉＣ基板１を用いている。
【００２５】
このＳｉＣ基板１の表面に前処理として、アセトンによる超音波洗浄、４９％ＨＦ処理、流水洗浄を施し、ＳｉＣ基板１表面から有機物や酸化膜等の異物を除去する。また、ＳｉＣ基板１表面をＲＣＡ洗浄により洗浄してもよい。
〔図１（ｂ）に示す工程〕
次に、Ｓｉ層成膜工程を行う。ＳｉＣ基板１を超高真空チャンバ内に収容する。そして、超高真空チャンバ内の雰囲気圧力を１×１０-8Ｐａ程度として、ＳｉＣ基板１の表面にＳｉ蒸着を行う。これにより、ＳｉＣ基板１の表面にＳｉ層２を約５ｎｍの厚さで成膜する。
〔図１（ｃ）に示す工程〕
次に、第１のＳｉ層除去工程を行う。上記圧力条件のまま、超高真空チャンバ内を５００〜１１００℃、好ましくは１０００℃に昇温させる。これにより、ＳｉＣ基板１上に形成されたＳｉ層２のうちの大部分のＳｉが蒸発し、ＳｉＣ基板１上にはＳｉが２〜３原子層残る。
【００２６】
このＳｉＣ基板１の表面についてＲＨＥＥＤ（反射高速電子線回折）図形を観察すると、図３に示すようにメインスポットの間にサブスポットが確認される３×３構造、すなわち周期的に並んだＳｉ−Ｃ結合の３倍の周期でＳｉが結合した構造となる。なお、ＲＨＥＥＤロッキング曲線を用いて推定した３×３構造の断面構成は、図４のように表される。
〔図１（ｄ）に示す工程〕
次に、第２のＳｉ層除去工程を行う。上記温度条件のまま、雰囲気圧力を１×１０-2〜１×１０-6Ｐａ程度、好ましくは１×１０-2Ｐａとし、超高真空チャンバ内に酸素ガスを供給する。このとき、ＳｉＣ基板１の表面への酸素の暴露量が１０〜１０2Ｐａ・ｓ程度、好ましくは１０Ｐａ・ｓとなるようにする。なお、このとき超高真空チャンバ内の温度が低温になるとＳｉＣ基板１の表面上にシリコン酸化膜（図中に点線で示す）が形成されるので、上記温度設定のままとしている。
【００２７】
これにより、３×３構造を構成しているＳｉやＳｉＣ基板１中のＳｉ及びＣが酸素ガス中のＯ（酸素）と反応し、ＳｉＯ、ＣＯ、ＣＯ2となって除去される。これにより、ＳｉＣ基板１の表面は、Ｓｉ及びＣ原子のみが周期的に並んだ１×１構造となる。
【００２８】
このＳｉＣ基板１の表面についてＲＨＥＥＤ（反射高速電子線回折）図形を観察すると、図５に示すように、メインスポットのみが確認されサブスポットが確認されない鮮明な１×１構造のＲＨＥＥＤ図形が観察される。これは表面に形成されていた３×３構造が酸素ガスによって除去されたことを示している。なお、図５中に示した点線部分は、サブスポットのみが確認された部分であり、今回はこの部分に何も確認されなかったことを参考的に記載したものである。
【００２９】
本実施形態のように、減圧して高真空とした状態で酸素ガスを導入することにより、酸化膜としての蒸気圧が高まり、５００℃を超える辺りからＳｉＣ表面に酸化膜が堆積せず、飽和蒸気圧を満たすように蒸発する。これにより、ＳｉＣ表面には酸素と反応した物質が堆積せず、ＳｉＣ表面が清浄化される。
【００３０】
そして、上述のように１０００℃まで高温とすることにより、飽和蒸気圧をより高めることができ、ＳｉＣ表面に反応した物質、具体的には酸化物が残らないように、酸化物の蒸発を確実にすることができる。以上のようにして、大気中のカーボン等で汚染されていないＳｉＣ基板１の清浄表面を得ることができる。
【００３１】
図６は、本工程により清浄化した基板表面のＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）スペクトルにおいてＣ１ｓを測定した結果を示している。図６中実線が基板表面のＸＰＳスペクトルを示し、破線はそれぞれスペクトル中のＳｉＣ成分、グラファイト成分を示している。
【００３２】
図６に示すように、２７４〜２９４ｅＶの範囲のＸＰＳスペクトル中で、グラファイトに由来する２８４〜２８５ｅＶにピークを持つスペクトルの面積割合は、２０％以下となっている。このように、本工程で清浄化されたＳｉＣ基板１表面からは、カーボン汚染層が効果的に除去されている。
〔図１（ｅ）に示す工程〕
次に、エピタキシャル成長工程を行う。上記工程で清浄化されたＳｉＣ基板１の表面に、ＳｉＣ薄膜層（エピ膜）３をエピタキシャル成長させる。具体的には、炭素供給ガスとしてプロパン、Ｓｉ供給ガスとしてシランを用い、これらを化学反応させる化学気相成長法（ＣＶＤ）により、ＳｉＣ薄膜層（エピ膜）３をエピタキシャル成長させる。ＣＶＤの条件として、例えば、基板温度を１６００℃、圧力を２００〜５００ｋＰａとし、シランを１〜１０ミリリットル／分で供給し、プロパンを１〜１０ミリリットル／分で供給することができる。
【００３３】
上記工程で表面清浄化を行って得られたＳｉＣ基板１表面は、カーボン含有汚染層が除去され活性度が高くなっている。このため、従来より小さいオフ角のＳｉＣ基板１を用いた場合でも、実用的な速度でエピタキシャル成長させることができる。
【００３４】
以上の工程により製造されたＳｉＣ半導体基板は、図２に示すようなオフ角が小さいＳｉＣ基板を用いることができるため、オフ角に起因して基板表面に形成されるステップＳが少なくなる。従って、ステップＳにより電子が散乱され、電子の移動度が低下することを抑制することができる。
【００３５】
本実施形態では、電子移動度の尺度として、ＳｉＣ膜３のエピタキシャル成長後、熱酸化膜を形成し熱酸化膜の界面準位密度を測定した。酸化条件は、ウェット酸化を１０８０℃、３００分行い、エピ膜上に熱酸化膜を形成した。
【００３６】
図７は、熱酸化膜の界面準位密度を示している。図７中左側のグラフは、従来技術により４Ｈ−ＳｉＣ（オフ角８°）に清浄化を行わずエピ膜を成膜した場合における酸化膜の界面密度を示し、図７中右側のグラフは、本実施形態により４Ｈ−ＳｉＣ（オフ角０．５°）に清浄化を行ってエピ膜を成膜した場合における酸化膜の界面密度を示している。
【００３７】
図７に示すように、本実施形態では、従来技術に比較して熱酸化膜の界面密度が大幅に減少していることが分かる。このことは、電子移動度が向上していることを示す。この電子移動度の向上は、従来より小さなオフ角のＳｉＣ基板にエピタキシャル成長させることができたことと、ＳｉＣ基板の表面を清浄化して、カーボン汚染層を除去したことによると考えれられる。
【００３８】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では蒸着によってＳｉ層２の成膜を行っているが、その他の方法でもよい。また、超高真空チャンバを用いてＳｉの成膜やＳｉ層２の除去を行っているが、その他の装置を用いて同様のことを行っても良い。
【００３９】
また、チャンバ内に供給する酸素ガスは酸素ラジカルであってもよいし、１００％酸素ガスではなく、希ガスなどの他のガスを含んでいても良い。要は、高温かつ超高真空チャンバ内にてＳｉＣ表面に堆積物を生成しないガスであればよい。
【００４０】
また、上記実施形態ではＳｉＣ基板１の清浄化後の表面構造を１×１構造としたが、これに限らず、清浄化されたＳｉＣ基板１の表面構造を３×３構造、２√３×２√３構造や√３×√３構造としてもよい。上記実施形態においてＳｉ層形成後、図１（ｄ）で示した酸素ガスを供給する第２のＳｉ層除去工程を省略することで３×３構造の周期構造が得られる。このとき、図１（ｃ）で示した第１のＳｉ層除去工程で、温度条件をより高温とすることで、２√３×２√３構造や√３×√３構造の周期構造が得られる。
【００４１】
また、このような周期構造を形成する手法として、ＳｉＣ基板１上に成膜されたＳｉ層２を蒸発させる方法の他に、ＳｉＣ表面近傍にＳｉフラックス等でＳｉ蒸気を供給してＳｉリッチ雰囲気にした上で加熱しても良い。この場合には、ＳｉＣ基板１上にＳｉ層２は成膜されない。
【００４２】
また、酸素暴露前に、このような周期構造を作らずに直接Ｓｉ層表面を酸素に曝すようにしても良い。
【００４３】
また、ＳｉＣ表面にＳｉ層を形成せずに、直接ＳｉＣ表面を酸素暴露しても良いが、Ｓｉの蒸気圧の点から、Ｓｉを形成するようにした方が好ましい。
【００４４】
また、上記実施形態では、ＳｉＣ基板１の表面にＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させたが、これに限らず、ＳｉＣ層に代えて窒化ガリウム（ＧａＮ）層をエピタキシャル成長させてもよい。例えば、基板温度を１０００℃とし、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を５ミリリットル／分で供給し、ＮＨ3（アンモニア）を１リットル／分で供給し、キャリアガスとしてＮ2を３リットル／分で供給して、ＧａＮ層の形成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記実施形態におけるＳｉＣ半導体基板の製造工程を示す工程図である。
【図２】ＳｉＣ基板のオフ角と結晶方向を示す概略図である。
【図３】基板上にＳｉ層が形成されたＳｉＣ基板１の表面についてＲＨＥＥＤ図形を観察した結果（３×３構造）を示す図である。
【図４】ＲＨＥＥＤロッキング曲線を用いて推定した３×３構造の断面構成を示す図である。
【図５】基板上のＳｉ層が除去されたＳｉＣ基板１表面についてＲＨＥＥＤ図形を観察した結果（１×１構造）を示す図である。
【図６】ＳｉＣ基板１の清浄表面の組成をＸＰＳで分析した結果を示す図である。
【図７】エピ層に形成した酸化膜の界面準位密度を示す特性図である。
【図８】従来技術のＳｉＣ基板のオフ角と結晶方向を示す概略図である。
【符号の説明】
１…ＳｉＣ基板、２…Ｓｉ層、３…ＳｉＣ薄膜（エピ層）。
【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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