JP5556112B2 - 立方晶炭化珪素半導体基板 - Google Patents

Description

本発明は、立方晶炭化珪素半導体基板等に関するものである。

ワイドバンドギャップ半導体である炭化珪素（ＳｉＣ）は、従来のシリコン（Ｓｉ）と比べて２倍以上のバンドギャップを有しており、高耐圧デバイス用の材料として注目されている。このＳｉＣは結晶形成温度がＳｉと比べて高温であるため液相からの引上げ法による単結晶インゴットの形成が困難であり、昇華法による単結晶インゴットの形成がなされている。しかしながら、昇華法においては大口径で結晶欠陥の少ないＳｉＣ基板を形成することが非常に難しい。このため、現在市販化されているＳｉＣ基板の口径は３〜４インチであり、その価格も非常に高価になっている。

ＳｉＣの種類には、その結晶構造によって、立方晶（３Ｃ‐ＳｉＣ）や六方晶（４Ｈ‐ＳｉＣ、６Ｈ‐ＳｉＣ）のＳｉＣがある。この中でも立方晶の結晶構造を有するＳｉＣ（３Ｃ‐ＳｉＣ）は比較的に低温で形成可能であり、Ｓｉ基板上に直接エピタキシャル成長を行うことができる。そこで、ＳｉＣ基板の大口径化の手段としてＳｉ基板の上面に３Ｃ‐ＳｉＣを結晶成長させるヘテロエピタキシャル技術が検討されている。ところが、Ｓｉ、３Ｃ‐ＳｉＣの格子定数はそれぞれ０．５４３ｎｍ、０．４３６ｎｍと約２０％の差があるため、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜を得ることが難しい。このような格子定数の差を緩和する目的で、Ｓｉと３Ｃ‐ＳｉＣとの間にバッファー層を設ける技術が各種検討されている。

例えば、特許文献１では、Ｓｉ基板上に３Ｃ‐ＳｉＣをエピタキシャル成長させる際に、ＢＰ（リン化ホウ素）をバッファー層として用いている。ＢＰの格子定数は０．４５４ｎｍであるため３Ｃ‐ＳｉＣの０．４３６ｎｍに近い。
また、特許文献２では、Ｓｉ基板上に３Ｃ‐ＳｉＣをエピタキシャル成長させる際に、ＺｒＯ_２（二酸化ジルコニウム）を主成分とする酸化物薄膜をバッファー層として用いている。ＺｒＯ_２の格子定数は０．５１５ｎｍであるためＳｉの０．５４３ｎｍに近い。
このように特許文献１及び２では、格子定数がＳｉの０．５４３ｎｍと３Ｃ‐ＳｉＣの０．４３６ｎｍとの間にある材料をバッファー層として用いることで、Ｓｉと３Ｃ‐ＳｉＣとの間の格子不整合による結晶欠陥を抑制している。

一方、特許文献３では、六方晶の結晶構造を有するＳｉＣ基板上に窒化物半導体を結晶成長させた窒化物半導体素子において、ＳｉＣ基板の成長面として無極性のＭ面（１０−１０）を用い、Ｓｉ基板のｍ軸と窒化物半導体のｍ軸との間にオフ角を生じさせた状態で窒化物半導体が形成されている。これにより、自発分極やピエゾ分極によるキャリア空乏化を低減させ、駆動電圧を安定化させるとともに、窒化物半導体の成膜の平坦性を向上させている。

特開２００３−８１６９５号公報 特開平８−１０９０９９号公報 特開２００７−３２４４２１号公報

しかしながら、特許文献１及び２では、Ｓｉと３Ｃ‐ＳｉＣとの間の格子定数の差が完全に解消されないため、Ｓｉと３Ｃ‐ＳｉＣとの間の格子不整合による結晶欠陥を抑制するにも限界がある。一方、特許文献３は、六方晶のＳｉＣ基板上に窒化物半導体を結晶成長させる構造に限定された技術であり、他の結晶構造や材料の組み合わせには適用できない。また、Ｓｉ基板上面に３Ｃ‐ＳｉＣをエピタキシャル成長させる技術については何も記載されていない。

本発明の一態様は、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が形成された立方晶炭化珪素半導体基板を提供するものである。

上記の課題を解決するため、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板は、シリコン基板と、前記シリコン基板の上に立方晶炭化珪素がエピタキシャル成長して形成された立方晶炭化珪素エピタキシャル膜と、を含み、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜は、前記シリコン基板においてミラー指数（１００）で表される結晶面である第１の面の上に形成され、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜は、前記シリコン基板を熱処理することによりエピタキシャル成長に必要なシリコン原料が前記シリコン基板から供給されることにより形成され、前記シリコン基板においてミラー指数[１００]で表される第１の軸に対して、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜においてミラー指数[１００]で表される第２の軸が、前記シリコン基板においてミラー指数[０１１]で表される第１の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０１−１]で表される第２の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１−１]で現される第３の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１１]で表される第４の方向、のうちいずれか１つの方向に１．５度から６．５度傾いた状態で形成されていることを特徴とする。
上記の課題を解決するため、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板は、シリコン基板と、前記シリコン基板の上に立方晶炭化珪素がエピタキシャル成長して形成された立方晶炭化珪素エピタキシャル膜と、を含み、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜は、前記シリコン基板においてミラー指数（１００）で表される結晶面である第１の面の上に形成され、前記シリコン基板においてミラー指数[１００]で表される第１の軸に対して、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜においてミラー指数[１００]で表される第２の軸が、前記シリコン基板においてミラー指数[０１１]で表される第１の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０１−１]で表される第２の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１−１]で現される第３の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１１]で表される第４の方向、のうちいずれか１つの方向に所定の角度傾いた状態で形成されていることを特徴とする。

本願発明者は、鋭意研究の結果、シリコン基板における第１の軸に対してエピタキシャル膜における第２の軸がミラー指数[１００]で表される方向と等価な４つの方向のうちいずれか１つの方向に所定の角度傾いた状態で、シリコン基板の結晶面（第１の面）にエピタキシャル膜を形成することができることを見出した。そして、この立方晶炭化珪素半導体基板（第１の軸と第２の軸とが所定の角度傾いている構造）と従来の立方晶炭化珪素半導体基板（第１の軸と第２の軸とが一致している構造）とを断面透過電子像（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて比較したところ、従来のものよりも結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が得られることがわかった。したがって、この構成によれば、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が形成された立方晶炭化珪素半導体基板が提供できる。

また、本発明においては、前記所定の角度の範囲が、１．５度から６．５度であることが望ましい。
本願発明者は、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板（第１の軸と第２の軸とが所定の角度傾いている構造）においてシリコン基板とエピタキシャル膜の界面付近を電子線回折像を用いて観測したところ、所定の角度の範囲が１．５度から６．５度であることを見出した。したがって、所定の角度の範囲が１．５度から６．５度であることにより、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が形成された立方晶炭化珪素半導体基板が提供できる。

本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の概略構成を示す模式図である。 立方晶炭化珪素半導体基板の断面透過電子線画像である。 図２におけるシリコン基板とエピタキシャル膜の界面付近の拡大図である。 図２におけるシリコン基板とエピタキシャル膜の界面付近の電子線回折像である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。

図１は、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の概略構成を示す模式図である。図１（ａ）は立方晶炭化珪素半導体基板の概略構成断面図、図１（ｂ）は立方晶炭化珪素半導体基板の概略構成斜視図である。ここで、図１（ｂ）に示すミラー指数では、負の成分を持つ方向は数字の上にバーをつけているが、本明細書中においては便宜上数字と並列に記載する（例えば[０１−１]）。図１に示すように、立方晶炭化珪素半導体基板１は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の上面に立方晶炭化珪素（３Ｃ‐ＳｉＣ）がエピタキシャル成長して形成された立方晶炭化珪素エピタキシャル膜１２（以下、単にエピタキシャル膜１２と略記する。）と、を具備して構成されている。

シリコン基板１１は、例えば、ＣＺ法（チョクラルスキー法）により引上げられたシリコン単結晶インゴットをスライス、研磨して形成されている。このシリコン基板１１の上面はミラー指数（１００）で表される結晶面である第１の面１１ａを成している。また、第１の面１１ａの結晶軸が数度傾いたオフセット基板を用いてもよい。なお、本実施形態では、シリコン基板１１としてシリコン単結晶基板を用いるがこれに限らない。例えば、ガラス、石英、サファイア、ステンレスからなる基板上に単結晶シリコン膜を形成したものでもよい。本願明細書において、シリコン単結晶基板、また例えば、ガラス、石英、サファイア、ステンレスからなる基板上に単結晶シリコン膜を形成したものをシリコン基板という。

エピタキシャル膜１２は、シリコン基板１１の結晶面である第１の面１１ａの上に形成されている。エピタキシャル膜１２は、立方晶炭化珪素（３Ｃ‐ＳｉＣ）がエピタキシャル成長して形成された半導体膜である。３Ｃ‐ＳｉＣは、バンドギャップ値が２．２ｅＶ以上と広く、熱伝導率や絶縁破壊電界が高いため、パワーデバイス用のワイドバンドギャップ半導体として好適である。

このエピタキシャル膜１２は、シリコン基板１１においてミラー指数[１００]で表される第１の軸Ｌ１に対して、エピタキシャル膜１２においてミラー指数[１００]で表される第２の軸Ｌ２が、シリコン基板１１においてミラー指数[０１１]で表される第１の方向、シリコン基板１１においてミラー指数[０１−１]で表される第２の方向、シリコン基板１１においてミラー指数[０−１−１]で表される第３の方向、シリコン基板１１においてミラー指数[０−１１]で表される第４の方向、のうちいずれか１つの方向に所定の角度Θ傾いた状態で形成されている。本実施形態では、エピタキシャル膜１２は、第１の軸Ｌ１に対して第２の軸Ｌ２が第１の方向に所定の角度Θ傾いた状態で形成されている。なお、エピタキシャル膜１２は、第１の軸Ｌ１に対して第２の軸Ｌ２が第２の方向あるいは第３の方向、第４の方向に所定の角度Θ傾いた状態で形成されていてもよい。また、所定の角度Θは１．５度以上、６．５度以下の範囲になっている。

ここで、第１の方向、第２の方向、第３の方向、第４の方向はそれぞれシリコン基板１１における第１の軸Ｌ１に垂直な方向であり、第１の軸Ｌ１を回転対称軸としたときに４回回転対称となる方向である。つまり、これら第１の方向、第２の方向、第３の方向、第４の４つの方向は互いに等価な方向となっている。

本願発明者は、鋭意研究の結果、シリコン基板１１の第１の面１１ａにエピタキシャル膜１２を所定の製造条件で成膜することで、シリコン基板１１における第１の軸Ｌ１に対してエピタキシャル膜１２における第２の軸Ｌ２が上述した４つの方向のうちいずれか１つの方向に所定の角度Θ傾いた状態で、エピタキシャル膜１２を形成することができることを見出した。そして、このように製造された立方晶炭化珪素半導体基板１（第１の軸と第２の軸とが所定の角度傾いている構造）と従来の立方晶炭化珪素半導体基板（第１の軸と第２の軸とが一致している構造）との断面透過電子像（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を比較したところ、従来のものよりも結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜１２が得られることが確認できた。以下、本願発明者が行った実験により得られた本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板１と従来の立方晶炭化珪素半導体基板との断面透過電子像の比較結果について、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板１の製造方法、従来の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法を含めて説明する。

図２は、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板と従来の立方晶炭化珪素半導体基板との断面透過電子像を示す図である。図２（ａ）は本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の断面透過電子像である。図２（ｂ）は従来の立方晶炭化珪素半導体基板の断面透過電子像である。

図２に示すように、従来の立方晶炭化珪素半導体基板（図２（ｂ）参照）では、エピタキシャル膜（ＳｉＣ）に積層欠陥が無数に形成され、エピタキシャル膜全体に欠陥が発生していることがわかる。これに対し、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板（図２（ａ）参照）では、エピタキシャル膜（ＳｉＣ）に積層欠陥が数本形成されているものの、その他の部分では欠陥が発生しておらず結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が形成されていることがわかる。

ここで、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。先ず、シリコン基板を真空チャンバーに収容し、真空雰囲気下、処理温度７５０℃、処理時間５ｍｉｎの条件で熱処理する。この熱処理により、シリコン基板表面は清浄化され、シリコン基板表面に付着した不純物は除去される。次に、シリコン基板の温度を６００℃まで降温する。そして、エピタキシャル膜の原料ガスであるプロパンガスを真空チャンバー内に３０ｓｃｃｍ導入し、シリコン基板の温度を１０００℃まで上昇させて３ｈｏｕｒ維持する。このとき、エピタキシャル成長に必要なシリコン原料はシリコン基板から供給される。これにより、シリコン基板における第１の軸に対してエピタキシャル膜における第２の軸が上述した４つの方向のうちいずれか１つの方向に所定の角度傾いた状態で、エピタキシャル膜が形成された立方晶炭化珪素半導体基板を得ることができる。

一方、従来の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。先ず、シリコン基板を真空チャンバーに収容し、真空雰囲気下、処理温度７５０℃、処理時間５ｍｉｎの条件で熱処理する。この熱処理により、シリコン基板表面は清浄化され、シリコン基板表面に付着した不純物は除去される。次に、シリコン基板の温度を６００℃まで降温する。そして、エピタキシャル膜の原料ガスであるモノメチルシランガスを真空チャンバー内に２ｓｃｃｍ導入し、シリコン基板の温度を１０５０℃まで上昇させて５ｈｏｕｒ維持する。これにより、シリコン基板における第１の軸とエピタキシャル膜における第２の軸とが一致した状態で、エピタキシャル膜が形成された立方晶炭化珪素半導体基板を得ることができる。

図３は、図２のシリコン基板とエピタキシャル膜の界面付近の拡大図（要部拡大図）である。図３（ａ）は本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の断面透過電子像の要部拡大図である。図３（ｂ）は従来の立方晶炭化珪素半導体基板の断面透過電子像の要部拡大図である。図３（ａ）において、Ｓｉ（１１１）はシリコン基板においてミラー指数（１１１）で表される面、ＳｉＣ（１１１）はエピタキシャル膜においてミラー指数（１１１）で表される面、を示している。

図３に示すように、従来の立方晶炭化珪素半導体基板（図３（ｂ）参照）では、エピタキシャル膜（ＳｉＣ）に積層欠陥が高密度に形成されていることがわかる。これに対し、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板（図３（ａ）参照）では、エピタキシャル膜（ＳｉＣ）に全く積層欠陥が形成されておらず結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が形成されていることがわかる。また、Ｓｉ（１１１）とＳｉＣ（１１１）とが所定の角度傾いていることが確認される。

図４は、図２におけるシリコン基板とエピタキシャル膜の界面付近（要部）の電子線回折像である。図４（ａ）は本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の要部電子線回折像である。図４（ｂ）は従来の立方晶炭化珪素半導体基板の要部電子線回折像である。

電子線回折像では、観測範囲内で欠陥の無い単結晶の場合、それぞれの結晶面に関係した輝点（スポット）が観測される。スポットの中心（０００）からの距離は、結晶面間隔の逆数に比例し、中心（０００）からの方向は結晶面方向を示している。本図はシリコン基板とエピタキシャル膜の界面付近を観測しているため、シリコン基板におけるスポットとエピタキシャル膜におけるスポットとが重なって観測されている。図４において、Ｓｉ｛１１１｝はシリコン基板においてミラー指数{１１１}で表される面に関係したスポット、ＳｉＣ｛１１１｝はエピタキシャル膜においてミラー指数{１１１}で表される面に関係したスポット、を示している。

図４に示すように、従来の立方晶炭化珪素半導体基板（図４（ｂ）参照）では、Ｓｉ｛１１１｝とＳｉＣ{１１１}とが中心（０００）から同一方向に観測されている。すなわち、シリコン基板における第１の軸とエピタキシャル膜における第２の軸とが一致した状態で、エピタキシャル膜が形成されていることがわかる。

これに対し、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板（図４（ａ）参照）では、Ｓｉ｛１１１｝とＳｉＣ{１１１}とが中心（０００）から所定の角度ずれて観測されている。この所定の角度は、中心（０００）とＳｉ｛１１１｝とを通る実線と、中心（０００）とＳｉＣ{１１１}とを通る実線との成す角度から求められ、４度である。また、Ｓｉ｛１１１｝とＳｉＣ{１１１}とは幅（スポット径）を有しており、この幅は本発明における所定の角度の範囲を示している。この所定の角度の範囲は、所定の角度に対して、中心（０００）とＳｉ｛１１１｝とを通る破線と、中心（０００）とＳｉＣ{１１１}とを通る破線との成す角度を足し合わせることで求められ、４±２．５度（１．５度以上、６．５度以下）である。

本発明の立方晶炭化珪素半導体基板１によれば、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜１２が形成された立方晶炭化珪素半導体基板１が提供できる。本願発明者は、鋭意研究の結果、シリコン基板１１における第１の軸Ｌ１に対してエピタキシャル膜１２における第２の軸Ｌ２がミラー指数[１００]で表される方向と等価な４つの方向のうちいずれか１つの方向に所定の角度Θ傾いた状態で、シリコン基板１１の結晶面である第１の面１１ａにエピタキシャル膜１２を形成することができることを見出した。そして、この立方晶炭化珪素半導体基板１（第１の軸と第２の軸とが所定の角度傾いている構造）と従来の立方晶炭化珪素半導体基板（第１の軸と第２の軸とが一致している構造）とを断面透過電子像（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて比較したところ、従来のものよりも結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜が得られることがわかった。

また、本願発明者は、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板１（第１の軸と第２の軸とが所定の角度傾いている構造）においてシリコン基板１１とエピタキシャル膜１２の界面付近を電子線回折像を用いて観測したところ、所定の角度が１．５度以上、６．５度以下であることを見出した。

なお、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板においては、エピタキシャル膜１２がミラー指数[１００]で表される第２の軸Ｌ２を中心に回転した状態で形成されていてもよい。つまり、上述したシリコン基板１１における４つの方向（第１の方向、第２の方向、第３の方向、第４の方向）に対して、エピタキシャル膜１２における４つの方向（エピタキシャル膜１２においてミラー指数[０１１]で表される第５の方向、エピタキシャル膜１２においてミラー指数[０１−１]で表される第６の方向、エピタキシャル膜１２においてミラー指数[０−１−１]で現される第７の方向、エピタキシャル膜１２においてミラー指数[０−１１]で表される第８の方向）がずれた状態で形成されていてもよい。

このような構成においても、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜１２が形成された立方晶炭化珪素半導体基板１が提供できる。

１…立方晶炭化珪素半導体基板、１１…シリコン基板、１１ａ…第１の面、１２…エピタキシャル膜（立方晶炭化珪素エピタキシャル膜）、Ｌ１…第１の軸、Ｌ２…第２の軸、Θ…所定の角度

Claims (1)

1. シリコン基板と、前記シリコン基板の上に立方晶炭化珪素がエピタキシャル成長して形成された立方晶炭化珪素エピタキシャル膜と、を含み、
   前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜は、前記シリコン基板においてミラー指数（１００）で表される結晶面である第１の面の上に形成され、
   前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜は、前記シリコン基板を熱処理することによりエピタキシャル成長に必要なシリコン原料が前記シリコン基板から供給されることにより形成され、
   前記シリコン基板においてミラー指数[１００]で表される第１の軸に対して、前記立方晶炭化珪素エピタキシャル膜においてミラー指数[１００]で表される第２の軸が、前記シリコン基板においてミラー指数[０１１]で表される第１の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０１−１]で表される第２の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１−１]で現される第３の方向、前記シリコン基板においてミラー指数[０−１１]で表される第４の方向、のうちいずれか１つの方向に１．５度から６．５度傾いた状態で形成されていることを特徴とする立方晶炭化珪素半導体基板。