JP4850960B2 - エピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、化学気相堆積法によって、炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長させて成膜するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、及びこの方法によって得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板に関する。
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。
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、基板上に化学気相堆積法（ＣＶＤ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。
従来、SiC単結晶基板には、マイクロパイプと呼ばれる中空の欠陥が存在し、これがエピタキシャル膜にも引き継がれ、デバイスの特性および信頼性を劣化させるものとなっていた。しかし近年、SiC単結晶基板の作製技術の発展に伴い、マイクロパイプ密度はほぼゼロになっており、他の欠陥がデバイスに及ぼす影響が研究されるようになっている。その中でも、基底面転位は、SiCの結晶中で、通常２つの部分転位に分解し、その間に積層欠陥を伴っていることが知られており（非特許文献１参照）、それがデバイス内部に存在したときには、バイポーラデバイスやショットキーバリアダイオード等の信頼性に悪影響を与えるため（非特許文献２参照）、その低減が試みられている。
図１に、SiC単結晶基板上にエピタキシャル成長を行った場合について、SiC単結晶基板に含まれる基底面転位の振舞いを模式的に示す。エピタキシャル成長を行うと、基板内の基底面転位は、約９５％以上が刃状転位に変換する。これは、図１（ａ）に示すように、基板内の基底面転位１は、そのままエピタキシャル膜に引き継がれて基底面転位２となるよりも、刃状転位３に変換して転位の長さが短くなった方が、転位のエネルギーが小さくなり安定するためである。図１（ｂ）は、基板のオフ角度がより大きくなった場合を示し、図１（ｃ）は基板のオフ角度がより小さくなった場合を示すが、エピタキシャル膜に引き継がれる基底面転位２と刃状転位３との長さの関係に着目すると、図１（ｃ）の方が刃状転位３に変換した後に転位の長さが短くなる割合が大きく、エネルギー的により安定化する。そのため、基板のオフ角度が小さい方が、刃状転位に変換される割合は高くなり、また、基板のオフ角度が小さくなるにつれて、基板の表面に現れる基底面転位自体の密度が減少することから、エピタキシャル膜中に形成される基底面転位も減少する。
よって、エピタキシャル膜中の基底面転位を減らし、かつ、SiCインゴットからの基板の収率を上げるという観点から、基板のオフ角度は、従来の８°から、現在では４°ないしそれ以下のものが主に使用されている。一例として、４°オフ基板を用いた場合について、刃状転位に変換されずに、基底面転位としてエピタキシャル膜に引き継がれる転位の密度は、１００〜２００個／ｃｍ2程度である。ところが、デバイスの面積が大きくなると、この程度の基底面転位でも、それによって引き起こされる積層欠陥がデバイス内部に存在する確率が上がり、デバイス特性や歩留まりを落とす要因になりかねない。
一方で、基板のオフ角度がより小さくなると、基板上に存在するステップの数が減少するため、エピタキシャル成長時に所謂ステップ−フロー（step-flow）成長が起こり難くなってしまう。その結果、三角形欠陥等の別の欠陥が増加し、それによるデバイス特性の劣化や歩留まりの低下が問題になる。そのため、基板からエピタキシャル膜中へ引き継がれる基底面転位を低減するために、オフ角度の小さい基板の使用を試みても、現状の技術では４°オフ程度の基板を用いるのが限界である。
そこで、基板からエピタキシャル膜中へ引き継がれる基底面転位を低減するために、これまで種々の方法が検討されている。例えば、平滑な表面を持つSiC単結晶基板に対し、成長させるエピタキシャル膜の表面粗さとその成長速度との関係を所定の条件式に基づき管理しながらエピタキシャル膜を成長させる方法（特許文献１参照）、SiC単結晶基板上に異なるドナー濃度を有した２種類のバッファー層を予め成長させておき、このバッファー層を介してエピタキシャル膜を成長させる方法（特許文献２参照）、エピタキシャル膜を成長させる結晶成長工程の途中で、原料ガスの供給を５〜３０分間程度止めて、引き続きの成長段階で、基底面転位を刃状転位に変換させる方法（特許文献３参照）、SiC単結晶基板上に異なる窒素濃度を有して基底面転位密度を抑制する抑制層を複数設け、その上にSiC単結晶薄膜からなる活性層を形成する方法（特許文献４参照）、エピタキシャル膜の成長に先立ち、SiC単結晶基板の表面に所定の凹凸を形成して物理的な壁を設けておき、エピタキシャル膜の成長中に基底面転位をこの壁に衝突させて刃状転位に変換させるようにした方法（特許文献５参照）等が報告されている。なお、特許文献６には、途中で基板の温度を５０〜１００℃低くすることが記載されているが、この操作は、結晶成長工程の途中で材料ガスの導入を中止し、エピタキシャル成長を一旦中断する際に行うものである。
特開２００８−４８８８号公報 特開２００９−２９５７２８号公報 特開２００８−１１５０３４号公報 特開２００８−７４６６１号公報 特開２００８−３１１５４１号公報 特開平８−１１５８７８号公報
X.J.Ning et al.: Journal of American Ceramics Soc.Vol.80(1997) p.1645. H. Fujiwara et al.:Applied Physics Letters Vol.87(2005) 051912
上述したように、ＣＶＤ法で、炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長させる上では、適切なステップ−フロー成長を伴いながら、如何にエピタキシャル膜に基底面転位を引き継がせないようにするかが、大きな課題である。ところが、これまでに数多くの検討がなされていることからも分るとおり、未だこの課題が十分に解決されているとは言い難く、現在、主流になりつつある４°オフ基板であっても、エピタキシャル膜中に残存する基底面転位が原因となって発生する積層欠陥により、デバイス特性の劣化や歩留まりの低下を避けるのは難しい。
本発明は、上記問題を鑑み、炭化珪素単結晶基板に含まれる基底面転位が、エピタキシャル成長させる炭化珪素膜に引き継がれることを抑制して、高品質のエピタキシャル膜を成膜することができるエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法を提供することを目的とする。
また、基底面転位が低減された炭化珪素膜を備えたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を提供することを目的とする。
本発明者等は、エピタキシャル成長させる炭化珪素膜に引き継がれる基底面転位を効果的に減らす手段について鋭意検討した結果、エピタキシャル成長によって基板の表面に付着した原子のマイグレーション状態に変化を与えるような熱ストレスをかけて、その後、炭化珪素膜をエピタキシャル成長させることで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下のような構成とするものである。
（１）化学気相堆積法によって、炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長させて成膜するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法であって、該基板上に該炭化珪素膜をエピタキシャル成長させる結晶成長工程において、エピタキシャル成長の主たる時間を占める結晶成長主工程での成長温度Ｔ1に対し、低い設定温度Ｔ0と高い設定温度Ｔ2との間で、成長温度を上下に変化させる温度切り替え操作を伴う結晶成長副工程を含む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である。
（２）前記結晶成長副工程が、結晶成長工程の前半側に含まれることを特徴とする（１）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である。
（３）前記結晶成長副工程が、エピタキシャル成長を開始した直後の結晶成長初期段階に含まれることを特徴とする（１）又は（２）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である。
（４）前記温度切り替え操作が、設定温度をＴ0からＴ2に切り替えるＴ0−Ｔ2切り替え動作を１回以上含むと共に、設定温度をＴ2からＴ0に切り替えるＴ2−Ｔ0切り替え動作を１回以上含むことを特徴とする（１）〜（３）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の製造方法である。
（５）前記温度切り替え操作の温度範囲が、１５００℃以上１７００℃以下の範囲内で行われる（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の製造方法である。
（６）前記結晶成長副工程で成長させる炭化珪素膜の膜厚が０．２μｍ以上１．０μｍ以下である（１）〜（５）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の製造方法である。
（７）前記結晶成長副工程の長さが、５分以上１０分以下である（１）〜（６）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の製造方法である。
（８）前記炭化珪素単結晶基板のオフ角度が２°以上６°以下である（１）〜（７）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の製造方法である。
本発明によれば、炭化珪素単結晶基板からエピタキシャル成長させる炭化珪素膜に引き継がれる基底面転位を効果的に減らすことができる。そのため、高品質の炭化珪素膜を備えたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を製造することができる。また、得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板は種々の電子デバイスに適用することが可能であり、しかも、デバイス特性や歩留まり等を向上させることができる。
図１（ａ）は、炭化珪素単結晶基板に含まれる基底面転位がエピタキシャル膜に引き継がれる際の様子を示す模式図であり、（ｂ）は基板のオフ角が大きい場合のふるまいを表し、（ｃ）はオフ角が小さい場合のふるまいを示す。 図２は、本発明の製造方法に使用される成長シーケンスの例を示す。 図３は、本発明の実施例１で使用した成長シーケンスを示す。 図４は、実施例１で得られた炭化珪素膜をＫＯＨエッチングして表れたエッチピットを示す光学顕微鏡写真である。 図５は、従来の方法で使用される成長シーケンスの例を示す。
はじめに、従来の方法による炭化珪素膜のエピタキシャル成長に用いられる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図５に示す。先ず、成長炉に炭化珪素単結晶基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、例えば、水素ガスを導入して、圧力を１×１０4〜３×１０4Pa程度に調整する。次いで、圧力を一定に保ちながら成長炉の温度を上げて、成長温度Ｔ1である１５５０℃〜１６５０℃に達したところで、材料ガス（原料ガス）であるＳｉＨ4とＣ2Ｈ4を導入し、エピタキシャル成長を開始する。一般に、ＳｉＨ4の流量は毎分４０〜５０ｃｍ3であり、Ｃ2Ｈ4の流量は毎分３０〜４０ｃｍ3である。炭化珪素膜の成長速度としては、毎時６〜７μｍに調整される。この成長速度は、一般にデバイス等に利用されるエピタキシャル膜の膜厚が１０μｍ程度であるため、これを目安に生産性を考慮して決定されたものである。所定の時間エピタキシャル成長させた後、所望の膜厚が得られた時点でＳｉＨ4とＣ2Ｈ4の導入を止め、水素ガスのみ流した状態で成長炉の温度を下げる。温度が常温まで下がった後、水素ガスの導入を止め、成長炉内を真空排気し、更に、不活性ガスを導入して、成長炉を大気圧に戻してから、エピタキシャル成長を行った基板を取り出すようにする。
従来の方法では、図５に示したような結晶成長工程により炭化珪素膜をエピタキシャル成長させているが、本発明では、炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長させる結晶成長工程の途中で、成長温度を上下に切り替える温度切り替え操作を行うようにする。通常、炭化珪素単結晶基板（単に「SiC基板」という場合もある）に含まれる基底面転位は、一旦、エピタキシャル成長した炭化珪素膜（単に「エピタキシャル膜」という場合もある）に引き継がれると、成長を終了させるまでこれが受け継がれて、最終的にエピタキシャル膜の表面に基底面転位が現れるようになる。そこで、本発明では、結晶成長工程の途中で、結晶成長を続けながら、成長温度を上下に変化させる温度切り替え操作を行うことで、SiC基板に付着した原子（Ｓｉ原子、Ｃ原子）のマイグレーション状態に影響を及ぼすような熱ストレスを与えて、SiC基板から引き継がれた基底面転位を刃状転位に変換させ、エピタキシャル膜中に引き継がれる基底面転位を低減する。
なお、上記特許文献１の図９に示されるように、炭化珪素膜をエピタキシャル成長させる結晶成長工程に先駆けて、水素ガス等で基板をエッチングするエッチング工程の温度と、結晶成長工程での成長温度との間に差を設けることは知られているが、本発明はこのような技術とは異なるものである。また、特許文献６では、結晶成長工程の途中で材料ガスの導入を中止し、エピタキシャル成長を一旦中断する際に、基板の温度を５０〜１００℃低くさせているが、前記は熱ストレスを与えるものではなく、本発明はこのような技術とは異なるものである。
上述の温度切り替え操作は、結晶成長工程のなかでもエピタキシャル成長の主たる時間を占める結晶成長主工程での成長温度Ｔ1よりも低い設定温度Ｔ0と、成長温度Ｔ1よりも高い設定温度Ｔ2との間で、温度を上下に切り替えるようにして行う。このうち、成長温度Ｔ1について、例えば熱化学蒸着法（熱ＣＶＤ法）では、１５５０℃以上１６５０℃以下の成長温度で炭化珪素膜をエピタキシャル成長させるのが一般的であることから、本発明の方法を熱ＣＶＤ法で行う場合には、結晶成長主工程での成長温度Ｔ1は、１５５０℃以上１６５０℃以下、好ましくは１５８０℃以上１６２０℃以下の範囲内で設定するのが好適である。
一般的に、炭化珪素膜のエピタキシャル成長では、熱ＣＶＤ法が採用されており、例えば横型のＣＶＤ装置は装置構成が比較的簡単であり、しかも、材料ガス等のオン−オフ制御で膜の成長を調整することができ、再現性にも優れた方法である。本発明の方法は、好適には熱ＣＶＤ法を用いるのが良く、以下では、熱ＣＶＤ法を採用した場合を例に説明するが、例えばプラズマＣＶＤ等の他の方法でも本発明の適用は可能である。
そして、温度切り替え操作は、好ましくは１５００℃以上１７００℃以下の範囲内で行うようにするのが良い。すなわち、低温側の設定温度Ｔ0が１５００℃より低くなると、SiC基板上の炭化珪素膜の結晶性が劣化したり、成長速度が小さくなるなど、SiC基板上に形成されるエピタキシャル膜の品質が低下するおそれがある。一方、高温側の設定温度Ｔ2が１７００℃より高くなると、SiC基板表面に付着した原子が再蒸発するなど、やはり、得られるエピタキシャル膜の品質が低下するおそれがある。SiC基板の表面に付着した原子に熱ストレスを与える上であっても、結晶成長工程におけるエピタキシャル膜の成長速度をほぼ一定に保つために、温度切り替え操作は上記範囲内で行うのが好適である。このうち、設定温度Ｔ0については、好ましくは１５００℃以上１５５０℃以下、より好ましくは１５００℃以上１５２０℃以下であるのが良く、設定温度Ｔ2については、好ましくは１６５０℃以上１７００℃以下、より好ましくは１６８０℃以上１７００℃以下であるのが良い。
上記温度切り替え操作について、図２に示した成長シーケンスの例を用いながら説明すると、先ず、成長炉にSiC基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、例えば、水素ガスを導入して圧力を１×１０4Pa〜３×１０4Pa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ていき、成長温度Ｔ1に達したところで、ケイ素源、及び炭素源となる材料ガス（図２はSiH4ガスとC2H4ガスを用いた例である）を導入して成長を開始する。しばらく成長温度Ｔ1を維持したまま、材料ガスを流して炭化珪素膜をエピタキシャル成長させたところで、材料ガスを流した状態のままで、成長温度Ｔ1より低い温度である設定温度Ｔ0まで成長炉の温度を下げ、次いで、成長温度Ｔ1より高い温度である設定温度Ｔ2まで成長炉の温度を上げ、更に、設定温度Ｔ2から設定温度Ｔ0まで温度を下げて、その後、成長温度Ｔ1まで成長炉の温度を戻すような温度切り替え操作を伴う結晶成長副工程（II）を含めるようにする。以降は、成長温度Ｔ1で維持し、結晶成長副工程（II）よりも長い時間を占める結晶成長主工程（Ｉ）により、炭化珪素膜のエピタキシャル成長を行う。所望の膜厚の炭化珪素膜をエピタキシャル成長させた後は材料ガスの導入を止めて、すなわち結晶成長工程を終了させて、例えば水素ガスのみ流した状態で温度を下げる。
本発明における温度切り替え操作では、エピタキシャル成長によってSiC基板に付着した原子のマイグレーションを変化させるような熱ストレスをかけるため、この間に成長した炭化珪素膜は、窒素のドーピング密度が、成長温度Ｔ1における値に対して数分の１から数倍程度変化する可能性がある。そのため、デバイスに適用した際にデバイス動作に影響を与えないようにする観点から、好ましくは、温度切り替え操作を伴う結晶成長副工程は、結晶成長工程の前半側に含まれるようにするのが良く、より好ましくは、エピタキシャル成長を開始した直後の結晶成長初期段階に結晶成長副工程が含まれるようにして、温度切り替え操作を伴う結晶成長副工程で成長した炭化珪素膜が、できるだけSiC基板の近傍に位置するようにするのが良い。なお、用途によって、基底面転位が低減されていれば十分であるような場合には、結晶成長工程の後半側に結晶成長副工程が含まれるようにしても何ら差し支えない。
また、温度切り替え操作は、図２に示した例のように、設定温度をＴ0からＴ2に切り替えるＴ0−Ｔ2切り替え動作を少なくとも１回は含むようにすると共に、設定温度をＴ2からＴ0に切り替えるＴ2−Ｔ0切り替え動作を少なくとも１回は含むようにするのが好ましい。より好ましい温度切り替え操作は、Ｔ0−Ｔ2切り替え動作を２回以上含むと共に、Ｔ2−Ｔ0切り替え動作を２回以上含むものである。温度切り替え操作では、設定温度Ｔ0及び設定温度Ｔ2において、それぞれ所定の時間その温度を保持するようにしてもよいが、エピタキシャル膜の品質を低下させないようにするために、できるだけ保持時間を取らないようにして、温度を切り替えるようにするのが望ましい。また、設定温度Ｔ0とＴ2との間で切り替えに要する時間については、用いる成長炉の加熱手段の能力によっても異なるが、昇温の場合、降温の場合共に、１００℃／分〜１５０℃／分程度の速度で切り替えるようにすることで、エピタキシャル膜の品質を低下させることなく、本発明の効果を得ることができる。なお、図２の例では、温度切り替え操作の最初に設定温度Ｔ0まで成長温度を下げているが、最初に設定温度Ｔ2まで成長温度を上げる温度切り替え操作でも良いことは勿論である。また、材料ガスの種類についても特に制限されず、モノシランとエチレンのほかに、ケイ素源ガスとして、ジシラン、ジクロルシラン、トリクロルシラン等を用いてもよく、炭素源ガスとして、プロパン、メタン、エタン、アセチレン等を用いてもよく、更には、キャリアガス等の種類についても特に制限されない。
本発明の方法において、結晶成長副工程の長さは、SiC基板から引き継がれた基底面転位の向きを変換させることができる時間であれば良く、好ましくは５分以上１０分以下、より好ましくは８分以上１０分以下であるのが良い。結晶成長副工程の長さが５分以上であれば、転位の向きを確実に変換させることができ、反対に１０分より長くなると、先に説明したように、結晶成長副工程で成長させた炭化珪素膜のドーピング密度と結晶成長主工程で成長させた炭化珪素膜のドーピング密度の差が大きくなりすぎて、デバイスに適用した場合に影響が及ぶ場合がある。なお、本発明で言う結晶成長主工程とは、結晶成長工程のなかで、上記結晶成長副工程よりも長い時間を占めるものを意味する。
また、結晶成長副工程で成長させる炭化珪素膜は、基底面転位の向きの変換がなされる程度の膜厚であれば良く、好ましくは０．２μｍ以上１．０μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以上１．０μｍ以下であるのが良い。この膜厚が０．２μｍ以上であれば、SiC基板から引き継がれた基底面転位を効果的に刃状転位に変換させることができ、反対に、この膜厚が１．０μｍよりも厚くなると、上記同様、結晶成長主工程で成長させた炭化珪素膜におけるドーピング密度との差が大きい部位が多くなり、エピタキシャル膜の品質を低下させるおそれがある。
本発明におけるエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法では、成長温度以外の成膜条件である圧力条件、材料ガス濃度等については、公知の方法で採用されている条件を適用することができる。また、使用する炭化珪素単結晶基板については、現在のデバイス作製の実情や、ステップ−フロー成長の発現を考慮すると、オフ角度が２°以上６°以下のものを用いるのが好適である。
また、本発明の方法によって成膜する炭化珪素膜の膜厚は、特に制限されないが、現在のデバイス特性として要求される耐圧や、生産性等を考慮すると、５μｍ以上５０μｍ以下が好適である。そして、本発明によれば、SiC基板から引き継がれる基底面転位を効果的に変換し、炭化珪素膜中に含まれる基底面転位を減少させることができるため、成膜した炭化珪素膜の基底面転位密度は２０個／ｃｍ2以下、好適には１０個／ｃｍ2以下のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を得ることができる。そのため、本発明によって得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板は、種々の電子デバイスの作製に適用可能であり、なかでも、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トランジスタ等のような、電力制御用に使用されるパワーデバイスの作製に好適である。
ところで、本発明者等が見出した別の知見によると、ステップ−フロー成長の際、炭化珪素が堆積するエピタキシャル成長条件にて原子ステップの前進を促進させ、成膜段階の途中で、あえて圧力条件又は原料ガスの濃度条件のいずれか一方又は両方を、炭化珪素が堆積する条件から外して、炭化珪素が分解・再蒸発する条件にすることで、テラス上に形成された２次元核を分解させることができることを確認した。
そこで、本発明における結晶成長主工程においては、２．０×１０4Ｐａ以上３．０×１０4Ｐａ以下の範囲内で設定した高圧条件にして行う炭化珪素膜のエピタキシャル成長と、０Ｐａ超１．０×１０4Ｐａ以下の範囲内で設定した低圧条件にして行う炭化珪素膜のエピタキシャル成長とを交互に繰り返すようにするのが好ましい。このような圧力条件の繰り返しにより、高圧条件下では、炭化珪素の取り込みによる原子ステップの前進が促進され、低圧条件下では、２次元核の分解・再蒸発が促進されて、結果的に、異種ポリタイプの混入やステップバンチングを引き起こす２次元核を除去しながら、高品質の炭化珪素膜をエピタキシャル成長させることができる。
また、同様の観点から、結晶成長主工程においては、材料ガスに含まれる炭素と珪素の原子数比（C/Si）が１．０以上１．５以下の範囲となるように設定した高C/Si条件にして行う炭化珪素膜のエピタキシャル成長と、上記原子数比（C/Si）が０．５以上１．０未満の範囲となるように設定した低C/Si条件にして行う炭化珪素膜のエピタキシャル成長とを交互に繰り返すようにするのが好ましい。
このように、結晶成長主工程において、圧力条件や原料ガス濃度条件の変化を繰り返しながら成長させることで、ステップ−フロー成長を阻害する２次元核の問題を解消することができる。そして、本発明における結晶成長副工程において基底面転位を減少させて、結晶成長主工程において２次元核を分解しながらエピタキシャル成長を行えば、例えばオフ角が２°よりも小さなSiC基板であっても、極めて高品質の炭化珪素膜を成膜することが可能になる。
以下、実施例等に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例の内容に制限されない。
（実施例１）
３インチ（76mm）ウェーハ用の炭化珪素単結晶インゴットから、厚さ約４００μｍ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とを実施して、４Ｈ型のポリタイプを有し、かつ、<0001>ｃ軸に対して［11-20］方向に４°のオフ角を備えた炭化珪素単結晶基板を準備した。この炭化珪素単結晶基板（SiC基板）のＳｉ面に、以下のようにして熱ＣＶＤ法により炭化珪素膜をエピタキシャル成長させた。
先ず、上記で準備したSiC基板を成長炉に入れ、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを毎分１５０L導入しながら、圧力を１．０×１０4Paに調整した。その後、図３に示したように、圧力を一定に保ちながら成長炉内の温度を１６００℃（Ｔ1）まで上げ、材料ガスであるＳｉＨ4を毎分４０ｃｍ3の流量で流すと共に、Ｃ2Ｈ4を毎分２２ｃｍ3の流量で流して、エピタキシャル成長を開始した。そして、この実施例１では、エピタキシャル成長を開始した直後に、ＳｉＨ4とＣ2Ｈ4をそれぞれ上記流量で維持して流した状態で、次のようにして温度切り替え操作を行った。
ｉ）先ず、エピタキシャル成長を開始したと同時に成長炉内の温度を下げ始め、１分間かけて１５００℃（Ｔ0）まで温度を下げた。
ii）次に、炉内の温度が１５００℃に達した時点で、直ちに炉内の温度を上げ始め、２分間かけて１７００℃（Ｔ2）まで上げた〔Ｔ0−Ｔ2切り替え動作〕。
iii）次に、炉内の温度が１７００℃に達した時点で、直ちに炉内の温度を下げ始め、２分間かけて１５００℃（Ｔ0）まで下げた〔Ｔ2−Ｔ0切り替え動作〕。
iv）更に、炉内の温度が１５００℃に達した時点で、直ちに炉内の温度を上げ始め、１分間かけて１６００℃（Ｔ1）まで上げた。
次いで、ＳｉＨ4とＣ2Ｈ4の流量を維持したまま、炉内の温度を１６００℃で保持して更に９０分間のエピタキシャル成長を行った。その後、ＳｉＨ4とＣ2Ｈ4の導入を止め、水素ガスのみ流した状態で炉内の温度を下げた。温度が常温まで下がった後、水素ガスの導入を止め、成長炉内を真空排気し、更に、不活性ガスを導入して成長炉内を大気圧に戻してから、得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を取り出した。
この実施例１に係る炭化珪素膜のエピタキシャル成長では、温度切り替え操作を伴う結晶成長副工程と、その後の結晶成長主工程とを合わせて、膜厚１０μｍの炭化珪素膜が形成され、結晶成長工程全体での炭化珪素膜の成長速度は７μｍ／時間程度であった。そして、計算による見積もりでは、結晶成長副工程で成長した炭化珪素膜の膜厚は０．５μｍ程度である。
上記で得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板について、成長させた炭化珪素膜を溶融ＫＯＨでエッチングし、エッチピットが表れた炭化珪素膜の表面の光学顕微鏡写真を図４に示す。この図４の写真では、矢印で示したＡがらせん転位によるエッチピットであり、Ｂが刃状転位によるエッチピットであり、Ｃが基底面転位によるエッチピットである。そして、このような溶融ＫＯＨによるエッチングにより、得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の炭化珪素膜について、ウェーハ面内でエッチピットの評価を行ったところ、基底面転位密度の平均は１５個／ｃｍ2であり、刃状転位密度の平均は５０００〜１００００個／ｃｍ2であった。
また、この実施例１の方法により得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板のエピタキシャル膜を用いて、ショットキーバリアダイオード（直径2mm）を形成し、合計１００個のダイオードについてその順方向特性を評価したところ、電流の立ち上がり時の直線性はいずれも良好であり、ダイオードの性能を示すｎ値の平均が１．０１であって、ほぼ理想的な特性が得られていることが分かった。
（実施例２）
実施例１と同じに準備した炭化珪素単結晶基板を用い、このSiC基板のＳｉ面にエピタキシャル成長を実施した。エピタキシャル成長を開始するまでの準備は、実施例１と同様にした。また、エピタキシャル成長を開始した直後にＳｉＨ4とＣ2Ｈ4の流量を維持したまま、実施例１と同様にして、温度切り替え動作をｉ）、ii）、iii）の順に行った。そして、実施例２では、上記iii）の動作後に炉内の温度が１５００℃に達した時点で、再度、実施例１で行ったii）の動作を続け、炉内の温度を１７００℃（Ｔ2）まで上げて、更にiii）の動作を行い、最後にiv）の動作を行った。つまり、この実施例２では、Ｔ0−Ｔ2切り替え動作とＴ2−Ｔ0切り替え動作が、それぞれ２回含まれるようにして、温度切り替え操作を行った。
次いで、ＳｉＨ4とＣ2Ｈ4の流量を維持したまま、炉内の温度を１６００℃で保持して更に９０分間のエピタキシャル成長を行い、結晶成長工程終了後、実施例１と同じ手順でエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を取り出した。この実施例２に係る炭化珪素膜のエピタキシャル成長では、温度切り替え操作を伴う結晶成長副工程と、その後の結晶成長主工程とを合わせて、膜厚１０．５μｍの炭化珪素膜が形成され、結晶成長工程全体での炭化珪素膜の成長速度は７μｍ／時間程度であった。そして、計算による見積もりでは、結晶成長副工程で成長した炭化珪素膜の膜厚は１μｍ程度である。
得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板について、実施例１と同様にしてエッチピットによる転位密度の評価を行ったところ、基底面転位密度の平均は１２個／ｃｍ2であった。また、この実施例２の方法により得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板のエピタキシャル膜を用いて、実施例１と同様にショットキーバリアダイオードを形成し、合計１００個のダイオードについてその逆方向の耐圧を評価したところ、ダイオードの耐圧（中央値）は３００Ｖであった。
（実施例３）
３インチ（76mm）ウェーハ用の炭化珪素単結晶インゴットから、厚さ約４００μｍ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とを実施して、４Ｈ型のポリタイプを有し、かつ、<0001>ｃ軸に対して［11-20］方向に２°のオフ角を備えた炭化珪素単結晶基板を準備した。
この炭化珪素単結晶基板を用いた以外は実施例１と同様にして、エピタキシャル炭化珪素単結晶基板を得た。この実施例３に係る炭化珪素膜のエピタキシャル成長では、温度切り替え操作を伴う結晶成長副工程と、その後の結晶成長主工程とを合わせて、膜厚１０μｍの炭化珪素膜が形成され、結晶成長工程全体での炭化珪素膜の成長速度は７μｍ／時間程度であった。そして、計算による見積もりでは、結晶成長副工程で成長した炭化珪素膜の膜厚は０．５μｍ程度である。
上記で得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板について、実施例１と同様にしてエッチピットによる転位密度の評価を行ったところ、基底面転位密度の平均は１０個／ｃｍ2であった。
（実施例４）
３インチ（76mm）ウェーハ用の炭化珪素単結晶インゴットから、厚さ約４００μｍ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とを実施して、４Ｈ型のポリタイプを有し、かつ、<0001>ｃ軸に対して［11-20］方向に６°のオフ角を備えた炭化珪素単結晶基板を準備した。
この炭化珪素単結晶基板を用いた以外は実施例１と同様にして、エピタキシャル炭化珪素単結晶基板を得た。この実施例４に係る炭化珪素膜のエピタキシャル成長では、温度切り替え操作を伴う結晶成長副工程と、その後の結晶成長主工程とを合わせて、膜厚１０μｍの炭化珪素膜が形成され、結晶成長工程全体での炭化珪素膜の成長速度は７μｍ／時間程度であった。そして、計算による見積もりでは、結晶成長副工程で成長した炭化珪素膜の膜厚は０．５μｍ程度である。
上記で得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板について、実施例１と同様にしてエッチピットによる転位密度の評価を行ったところ、基底面転位密度の平均は２０個／ｃｍ2であった。
（実施例５）
実施例１と同じに準備した炭化珪素単結晶基板を用い、このSiC基板のＳｉ面にエピタキシャル成長を実施した。エピタキシャル成長を開始するまでの準備は、実施例１と同様にした。また、エピタキシャル成長を開始した直後にＳｉＨ4とＣ2Ｈ4の流量を維持したまま、次のようにして温度切り替え操作を行った。
ｉ'）先ず、エピタキシャル成長を開始したと同時に成長炉内の温度を上げ始め、１分間かけて１７００℃（Ｔ2）まで温度を上げた。
iii）次に、炉内の温度が１７００℃に達した時点で、直ちに炉内の温度を下げ始め、２分間かけて１５００℃（Ｔ0）まで下げた〔Ｔ2−Ｔ0切り替え動作〕。
ii）次に、炉内の温度が１５００℃に達した時点で、直ちに炉内の温度を上げ始め、２分間かけて１７００℃（Ｔ2）まで上げた〔Ｔ0−Ｔ2切り替え動作〕。
iv’）更に、炉内の温度が１７００℃に達した時点で、直ちに炉内の温度を下げ始め、１分間かけて１６００℃（Ｔ1）まで下げた。
次いで、ＳｉＨ4とＣ2Ｈ4の流量を維持したまま、炉内の温度を１６００℃で保持して更に９０分間のエピタキシャル成長を行い、結晶成長工程終了後、実施例１と同じ手順でエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を取り出した。この実施例５に係る炭化珪素膜のエピタキシャル成長では、温度切り替え操作を伴う結晶成長副工程と、その後の結晶成長主工程とを合わせて、膜厚１０μｍの炭化珪素膜が形成され、結晶成長工程全体での炭化珪素膜の成長速度は７μｍ／時間程度であった。そして、計算による見積もりでは、結晶成長副工程で成長した炭化珪素膜の膜厚は０．５μｍ程度である。
上記で得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板について、実施例１と同様にしてエッチピットによる転位密度の評価を行ったところ、基底面転位密度の平均は１６個／ｃｍ2であった。
（比較例１）
実施例１と同じに準備した炭化珪素単結晶基板を用い、このSiC基板のＳｉ面にエピタキシャル成長を実施した。エピタキシャル成長を開始するまでの準備は、実施例１と同様にした。
そして、エピタキシャル成長を開始してからは、成長温度１６００℃を変化させずに維持して９０分間のエピタキシャル成長を行い、結晶成長工程終了後は、実施例１と同じ手順でエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を取り出した。この比較例１では、膜厚１０μｍの炭化珪素膜が形成され、炭化珪素膜の成長速度は７μｍ／時間程度であった。
得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板について、実施例１と同様にしてエッチピットによる転位密度の評価を行ったところ、基底面転位密度の平均は９５個／ｃｍ2であった。また、実施例１と同様に、ショットキーバリアダイオードを形成して、合計１００個のダイオードについてその順方向特性を評価したところ、ダイオードの性能を示すｎ値の平均は１．１０であり、実施例１と比べて結果は劣っていた。更に、合計１００個のダイオードについてその逆方向の耐圧を評価したところ、ダイオードの耐圧（中央値）は２８０Ｖであり、実施例２と比べて結果は劣っていた。
（比較例２）
実施例１と同じに準備した炭化珪素単結晶基板を用い、このSiC基板のＳｉ面にエピタキシャル成長を実施した。エピタキシャル成長を開始するまでの準備は、実施例１と同様にした。また、エピタキシャル成長を開始した直後にＳｉＨ4とＣ2Ｈ4の流量を維持したまま、実施例１と同様にして、温度切り替え動作をｉ）のみ行い、その後続いてiv）の動作を行った。そして、成長温度１６００℃を変化させずに維持して９０分間のエピタキシャル成長を行い、結晶成長工程終了後は、実施例１と同じ手順でエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を取り出した。この比較例１では、膜厚１０μｍの炭化珪素膜が形成され、炭化珪素膜の成長速度は７μｍ／時間程度であった。
得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板について、実施例１と同様にしてエッチピットによる転位密度の評価を行ったところ、基底面転位密度の平均は９０個／ｃｍ2であり、温度を１回だけ下げた場合には、基底面転位密度の低減効果が不十分であった。
（実施例６〜１４、比較例３〜４）
実施例１と同様にしながらオフ角度を変えた炭化珪素単結晶基板を用意し、このSiC基板のＳｉ面にエピタキシャル成長を実施した。エピタキシャル成長を開始するまでの準備は、成長炉内の設定温度Ｔ1を表１〜表３に示したとおりにした以外は実施例１と同じにし、また、表１〜表３に示した設定温度Ｔ0及びＴ2で、それぞれの温度切り替え操作を含むようにして、実施例６〜１４、及び比較例３〜４に係るエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を得た。ここで、表１〜表３に示した切り替え動作ｉ、ｉ’、ii、iii、iv及びiv’は上記で説明した内容に基づくが、その際の各設定温度Ｔ0、Ｔ1及びＴ2、並びに切換に要した時間は、それぞれ表１〜表３に示したとおりにした。また、例えば実施例６では、エピタキシャル成長を開始して２０分間は成長炉内の設定温度Ｔ1を維持して結晶成長を行い、その後、温度切り替え操作を伴う結晶成長副工程を経て、再び成長炉内の設定温度Ｔ1を維持して７０分間の結晶成長を行ったことを意味する。そして、得られたエピタキシャル炭化珪素単結晶基板について、それぞれ、実施例１と同様にしてエッチピットによる転位密度の評価を行った。結果を表１〜表３に示す。
１：SiC基板に含まれた基底面転位
２：エピタキシャル膜に引き継がれた基底面転位
３：刃状転位

Claims (8)

  1. 化学気相堆積法によって、炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長させて成膜するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法であって、
    該基板上に該炭化珪素膜をエピタキシャル成長させる結晶成長工程において、エピタキシャル成長の主たる時間を占める結晶成長主工程での成長温度Ｔ1に対し、低い設定温度Ｔ0と高い設定温度Ｔ2との間で、成長温度を上下に変化させる温度切り替え操作を伴う結晶成長副工程を含む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。
  2. 前記結晶成長副工程が、結晶成長工程の前半側に含まれることを特徴とする請求項１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。
  3. 前記結晶成長副工程が、エピタキシャル成長を開始した直後の結晶成長初期段階に含まれることを特徴とする請求項１又は２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。
  4. 前記温度切り替え操作が、設定温度をＴ0からＴ2に切り替えるＴ0−Ｔ2切り替え動作を１回以上含むと共に、設定温度をＴ2からＴ0に切り替えるＴ2−Ｔ0切り替え動作を１回以上含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
  5. 前記温度切り替え操作の温度範囲が、１５００℃以上１７００℃以下の範囲内で行われる請求項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の製造方法。
  6. 前記結晶成長副工程で成長させる炭化珪素膜の膜厚が０．２μｍ以上１．０μｍ以下である請求項１〜５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の製造方法。
  7. 前記結晶成長副工程の長さが、５分以上１０分以下である請求項１〜６のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
  8. 前記炭化珪素単結晶基板のオフ角度が２°以上６°以下である請求項１〜７のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
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