JP7518325B2 - ＳｉＣ基板の製造方法及びその製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、下地基板層が薄いＳｉＣ基板の製造方法及びその製造装置に関するものである。
従来、ＳｉＣ半導体デバイスのオン抵抗低減等を目的として、ＳｉＣ基板を薄化する技術開発が行われている。
例えば、特許文献１には、「インゴットから切り出された後のＳｉＣウエハに対して、Ｓｉ蒸気圧下で加熱することで表面をエッチングするＳｉ蒸気圧エッチングを行うことで、厚みを１００μｍ以下まで小さくする薄化工程を含むことを特徴とする薄型のＳｉＣウエハの製造方法」の技術が記載されている。
特開２０１７－１０５６９７号公報
特許文献１によれば、ＳｉＣウエハの表面をエッチングすることで薄型のＳｉＣウエハを得ることができる。一方で、ＳｉＣウエハを薄化する場合には、ＳｉＣウエハの強度が低下するため、ＳｉＣウエハの変形や破損の原因となってしまうという問題があった。
本発明は、変形や破損を抑制しつつ下地基板層が薄いＳｉＣ基板を製造可能なＳｉＣ基板の製造方法及びその製造装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様のＳｉＣ基板の製造装置は、ＳｉＣ下地基板を収容可能で、加熱によりＳｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧を内部空間に発生させる本体容器と、
前記本体容器を収容し、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧を内部空間に発生させるとともに温度勾配が形成されるように加熱する加熱炉と、を備え、
前記本体容器は、前記ＳｉＣ下地基板の片面に成長層を形成する成長空間と、前記ＳｉＣ下地基板の他の片面をエッチングするエッチング空間と、を有する。
このように、本体容器は、ＳｉＣ下地基板の片面に成長層を形成する成長空間と、他の片面をエッチングするエッチング空間と、の両方を有することにより、被処理物であるＳｉＣ下地基板の変形や破損を抑制しながら下地基板層が薄いＳｉＣ基板を製造することができる。
この態様において、前記成長空間は、前記ＳｉＣ下地基板が前記温度勾配の低温側に配置された状態で、前記温度勾配の高温側に配置される前記本体容器の一部と、前記ＳｉＣ下地基板とを相対させることで形成される。
このように、ＳｉＣ下地基板と本体容器と相対させて成長空間を形成することにより、水平方向の温度分布を均一に保持可能な環境で成長させることができる。これにより、熱応力歪み等が少ない成長層を形成することができる。
この態様において、前記エッチング空間は、前記ＳｉＣ下地基板が前記温度勾配の低温側に配置された状態で、前記温度勾配の高温側に配置される前記本体容器の一部と、前記ＳｉＣ下地基板とを相対させることで形成される。
このように、ＳｉＣ下地基板と本体容器と相対させてエッチング空間を形成することにより、機械加工を用いずにＳｉＣ下地基板をエッチングすることができる。その結果、加工ダメージにより形成される加工変質層を形成することなく下地基板層を薄くすることができる。
この態様において、前記本体容器は、前記ＳｉＣ下地基板と前記本体容器の間に設けられる基板保持具を有する。
このように、ＳｉＣ下地基板と本体容器との間に基板保持具を設けることにより、容易に成長空間とエッチング空間を形成することができる。
この態様において、前記加熱炉は、前記本体容器内にドーパントガスを供給可能なドーパントガス供給手段を有する。
このように、ドーパントガスを供給可能に構成されていることにより、成長層のドーピング濃度を制御することができる。
この態様において、前記本体容器は、多結晶ＳｉＣを含む材料で構成される。
このように、本体容器が多結晶ＳｉＣを含む材料で構成されることにより、加熱炉によって本体容器を加熱した際に、本体容器内にＳｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧を発生させることができる。
この態様において、前記加熱炉は、前記本体容器を収容可能な高融点容器と、この高融点容器内にＳｉ蒸気を供給可能なＳｉ蒸気供給源と、を有する。
このように、加熱炉が高融点容器とＳｉ蒸気供給源を有することにより、本体容器を、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧環境下で加熱することができる。これにより、本体容器内のＳｉ元素を含む気相種の低下を抑制することができる。
また、本発明はＳｉＣ基板の製造方法にも関する。すなわち、本発明の一態様のＳｉＣ基板の製造方法は、ＳｉＣ下地基板の片面に成長層を形成する成長工程と、前記ＳｉＣ下地基板の他の片面をエッチングするエッチング工程と、を同時に行う。
このように、ＳｉＣ下地基板の片面に成長層を形成しつつ、他の片面をエッチングすることにより、被処理物であるＳｉＣ下地基板の変形や破損を抑制しながら下地基板層が薄いＳｉＣ基板を製造することができる。
この態様において、前記成長工程及びエッチング工程は、Ｓｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧を内部空間に発生させる本体容器の内部にＳｉＣ下地基板を収容し、前記本体容器を、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧の環境下で温度勾配が形成されるように加熱する。
この態様において、前記成長工程は、前記温度勾配の低温側に配置された前記ＳｉＣ下地基板と、前記温度勾配の高温側に配置された前記本体容器の一部と、を相対させて成長層を形成する。
この態様において、前記エッチング工程は、前記温度勾配の高温側に配置された前記ＳｉＣ下地基板と、前記温度勾配の低温側に配置された前記本体容器の一部と、を相対させてエッチングする。
この態様において、前記成長工程は、前記成長層のドーピング濃度を前記ＳｉＣ下地基板のドーピング濃度と同じにする。
このように、成長層のドーピング濃度をＳｉＣ下地基板と同じドーピング濃度とする場合には、伝導度を変えることなく下地基板層とは異なる成長層を形成することができる。例えば、下地基板層よりも熱応力歪を低減した成長層、基底面転位を低減した成長層、マクロステップバンチングの形成を抑制した成長層を形成することができる。
この態様において、前記成長工程は、前記成長層のドーピング濃度を前記ＳｉＣ下地基板のドーピング濃度よりも低くする。
このように、成長層のドーピング濃度をＳｉＣ下地基板よりも低いドーピング濃度とする場合には、成長層をデバイスの耐圧層とすることができるため、下地基板層を薄化して、ＳｉＣ半導体デバイスのオン抵抗低減に寄与することができる。
この態様において、前記成長工程は、前記成長層のドーピング濃度を前記ＳｉＣ下地基板のドーピング濃度よりも高くする。
このように、成長層のドーピング濃度をＳｉＣ下地基板よりも高いドーピング濃度とする場合には、ＳｉＣ基板を高ドープ基板とすることができ、ＳｉＣ半導体デバイスのオン抵抗低減に寄与することができる。
この態様において、前記エッチング工程及び前記成長工程は、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧の環境を介して排気される空間に前記ＳｉＣ基板を配置して加熱する工程である。
開示した技術によれば、変形や破損を抑制しつつ下地基板層が薄いＳｉＣ基板を製造可能なＳｉＣ基板の製造方法及びその製造装置を提供することができる。
他の課題、特徴及び利点は、図面及び特許請求の範囲とともに取り上げられる際に、以下に記載される発明を実施するための形態を読むことにより明らかになるであろう。
一実施の形態のＳｉＣ基板の製造装置の概略図である。 一実施の形態のＳｉＣ基板の製造装置で成長及びエッチングするＳｉＣ基板の説明図である。 一実施の形態のＳｉＣ基板の製造装置の説明図である。 一実施の形態のＳｉＣ基板の製造方法の成長工程の説明図である。 一実施の形態のＳｉＣ基板の製造方法のエッチング工程の説明図である。 一実施の形態のＳｉＣ基板の製造方法で成長及びエッチングしたＳｉＣ基板の断面ＳＥＭ像である。 一実施の形態のＳｉＣ基板の製造方法で成長及びエッチングしたＳｉＣ基板の断面ＳＥＭ像である。
以下、本発明を、図面に示した好ましい一実施形態について、図１～図７を用いて詳細に説明する。本発明の技術的範囲は、添付図面に示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、適宜変更が可能である。
［ＳｉＣ基板の製造装置］
以下、本発明の一実施形態であるＳｉＣ基板の製造装置について詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るＳｉＣ基板の製造装置は、ＳｉＣ下地基板１０を収容可能で、加熱によりＳｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧を内部空間に発生させる本体容器２０と、前記本体容器２０を収容し、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧を内部空間に発生させるとともに温度勾配が形成されるように加熱する加熱炉３０と、を備える。
また、本体容器２０は、ＳｉＣ下地基板１０の片面に成長層１１を形成する成長空間Ｓ１と、ＳｉＣ下地基板１０の他の片面をエッチングするエッチング空間Ｓ２と、を有する。
このようなＳｉＣ基板の製造装置を用いることで、図２に示すように、ＳｉＣ下地基板１０の片面に成長層１１を形成することと、他の片面をエッチングすることを同時に行うことができる。これにより、被処理物であるＳｉＣ下地基板１０の変形や破損を抑制しつつ下地基板層１２が薄いＳｉＣ基板を製造することができる。
＜ＳｉＣ下地基板１０＞
ＳｉＣ下地基板１０としては、昇華法等で作製したインゴットから円盤状にスライスしたＳｉＣウエハや、単結晶ＳｉＣを薄板状に加工したＳｉＣ基板を例示することができる。なお、単結晶ＳｉＣの結晶多型としては、何れのポリタイプのものも採用することができる。
本明細書中の説明においては、ＳｉＣ下地基板１０の半導体素子を作る面（具体的にはエピ層を堆積する面）を主面１０１といい、この主面１０１に相対する面を裏面１０２という。また、主面１０１及び裏面１０２を合わせて表面といい、主面１０１と裏面１０２を貫通する方向を表裏方向という。
なお、主面としては、（０００１）面や（０００－１）面から数度（例えば、０．４～８°）のオフ角を設けた表面を例示することができる（なお、本明細書では、ミラー指数の表記において、“－”はその直後の指数につくバーを意味する）。
本明細書中の説明において、片面とは、主面１０１若しくは裏面１０２のことをいい、他の片面とは、片面に相対する面のことをいう。また、成長層１１とは、処理前のＳｉＣ下地基板１０上に形成された層のことをいい、下地基板層１２とは、処理前のＳｉＣ下地基板１０が残存している層のことをいう。
なお、ＳｉＣ下地基板１０の大きさとしては、数センチ角のチップサイズから、６インチウエハや８インチウエハを例示することができる。
＜本体容器２０＞
本体容器２０は、ＳｉＣ下地基板１０を収容可能であり、加熱処理時にＳｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧を内部空間に発生させる構成であれば良い。例えば、本体容器２０は、多結晶ＳｉＣを含む材料で構成されている。本実施形態では、本体容器２０の全体が多結晶ＳｉＣで構成されている。このような材料で構成された本体容器２０を加熱することで、Ｓｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧を発生させることができる。
すなわち、加熱処理された本体容器２０内の環境は、Ｓｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の混合系の蒸気圧環境となることが望ましい。このＳｉ元素を含む気相種としては、Ｓｉ，Ｓｉ２，Ｓｉ３，Ｓｉ２Ｃ，ＳｉＣ２，ＳｉＣが例示できる。また、Ｃ元素を含む気相種としては、Ｓｉ２Ｃ，ＳｉＣ２，ＳｉＣ，Ｃが例示できる。すなわち、ＳｉＣ系ガスが本体容器２０内に存在している状態となる。
また、本体容器２０のドーパント及びドーピング濃度は、形成したい成長層１１のドーパント及びドーピング濃度に合わせて選択することができる。ドーパントとしては、Ｎを例示することができる。
また、本体容器２０の加熱処理時に、内部空間にＳｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧を発生させる構成であれば、その構造を採用することができる。例えば、内面の一部に多結晶ＳｉＣが露出した構成や、本体容器２０内に別途多結晶ＳｉＣを配置する構成等を示すことができる。
本体容器２０は、図３に示すように、互いに嵌合可能な上容器２１と下容器２２とを備える嵌合容器である。上容器２１と下容器２２の嵌合部には、微小な間隙２３が形成されており、この間隙２３から本体容器２０内の排気（真空引き）が可能なよう構成されている。
本体容器２０は、ＳｉＣ下地基板１０の片面に成長層１１を形成する成長空間Ｓ１と、ＳｉＣ下地基板１０の他の片面をエッチングするエッチング空間Ｓ２と、を有する。
成長空間Ｓ１は、前記ＳｉＣ下地基板１０が温度勾配の低温側に配置された状態で、温度勾配の高温側に配置された前記本体容器２０の一部と、ＳｉＣ下地基板１０とを相対させること形成される。すなわち、加熱炉３０に設けられる温度勾配により、少なくとも本体容器２０の一部（例えば、上容器２１の天面）がＳｉＣ下地基板１０よりも高温となることで、成長空間Ｓ１が形成されている。
成長空間Ｓ１は、ＳｉＣ下地基板１０と本体容器２０の間に設けられた温度差を駆動力として、本体容器２０のＳｉ原子及びＣ原子をＳｉＣ下地基板１０表面に輸送する空間である。
例えば、ＳｉＣ下地基板１０の主面１０１（又は、裏面１０２）の温度と、この主面１０１に相対する上容器２１の天面の温度を比較した際に、主面１０１側の温度が低く、上容器２１の天面側の温度が高くなるようＳｉＣ下地基板１０を配置する（図４参照）。このように、主面１０１と上容器２１の天面との間に温度差を設けた空間（成長空間Ｓ１）を形成することで、温度差を駆動力として、上容器２１の天面のＳｉ原子及びＣ原子をＳｉＣ下地基板１０の主面１０１に輸送することができる。
エッチング空間Ｓ２は、ＳｉＣ下地基板１０が温度勾配の高温側に配置された状態で、温度勾配の低温側に配置される本体容器２０の一部と、ＳｉＣ下地基板１０とを相対させること形成される。すなわち、加熱炉３０に設けられる温度勾配により、少なくとも本体容器２０の一部（例えば、下容器２２の底面）がＳｉＣ下地基板１０よりも低温となることで、エッチング空間Ｓ２が形成されている。
エッチング空間Ｓ２は、ＳｉＣ下地基板１０と本体容器２０の間に設けられた温度差を駆動力として、ＳｉＣ下地基板１０表面のＳｉ原子及びＣ原子を本体容器２０に輸送する空間である。
例えば、ＳｉＣ下地基板１０の裏面１０２（又は、主面１０１）の温度と、この裏面１０２に相対する下容器２２の底面の温度を比較した際に、裏面１０２側の温度が高く、下容器２２の底面側の温度が低くなるようＳｉＣ下地基板１０を配置する（図５参照）。このように、裏面１０２と下容器２２の底面との間に温度差を設けた空間（エッチング空間Ｓ２）を形成することで、温度差を駆動力として、裏面１０２のＳｉ原子及びＣ原子を下容器２２の底面に輸送することができる。
本体容器２０は、ＳｉＣ下地基板１０と本体容器２０との間に設けられる基板保持具２４を有している。
本実施形態に係る加熱炉３０は、本体容器２０の上容器２１から下容器２２に向かって温度が下がるよう温度勾配を形成するよう加熱する構成となっている。そのため、ＳｉＣ下地基板１０を保持可能な基板保持具２４を、ＳｉＣ下地基板１０と下容器２２の間に設けることにより、ＳｉＣ下地基板１０と上容器２１の間に成長空間Ｓ１を、ＳｉＣ下地基板１０と下容器２２の間にエッチング空間Ｓ２をそれぞれ形成することができる。
基板保持具２４は、ＳｉＣ下地基板１０の少なくとも一部を本体容器２０の中空に保持可能な構成であればよい。例えば、１点支持や３点支持、外周縁を支持する構成や一部を挟持する構成等、慣用の支持手段であれば当然に採用することができる。この基板保持具２４の材料としては、ＳｉＣ材料や高融点金属材料を採用することができる。
＜加熱炉３０＞
加熱炉３０は、図１に示すように、被処理物（ＳｉＣ下地基板１０等）を１０００℃以上２３００℃以下の温度に加熱することが可能な本加熱室３１と、被処理物を５００℃以上の温度に予備加熱可能な予備加熱室３２と、本体容器２０を収容可能な高融点容器４０と、この高融点容器４０を予備加熱室３２から本加熱室３１へ移動可能な移動手段３３（移動台）と、を備えている。
本加熱室３１は、平面断面視で正六角形に形成されており、その内側に高融点容器４０が配置される。
本加熱室３１の内部には、加熱ヒータ３４（メッシュヒーター）が備えられている。また、本加熱室３１の側壁や天井には多層熱反射金属板が固定されている（図示せず。）。この多層熱反射金属板は、加熱ヒータ３４の熱を本加熱室３１の略中央部に向けて反射させるように構成されている。
これにより、本加熱室３１内において、被処理物が収容される高融点容器４０を取り囲むように加熱ヒータ３４が配置され、更にその外側に多層熱反射金属板が配置されることで、１０００℃以上２３００℃以下の温度まで昇温させることができる。
なお、加熱ヒータ３４としては、例えば、抵抗加熱式のヒータや高周波誘導加熱式のヒータを用いることができる。
また、加熱ヒータ３４は、高融点容器４０内に温度勾配を形成可能な構成を採用しても良い。例えば、加熱ヒータ３４は、上側（若しくは下側）に多くのヒータが配置されるよう構成しても良い。また、加熱ヒータ３４は、上側（若しくは下側）に向かうにつれて幅が大きくなるように構成しても良い。あるいは、加熱ヒータ３４は、上側（若しくは下側）に向かうにつれて供給される電力を大きくすることが可能なよう構成しても良い。
また、本加熱室３１には、本加熱室３１内の排気を行う真空形成用バルブ３５と、本加熱室３１内に不活性ガスを導入する不活性ガス注入用バルブ３６と、本加熱室３１内の真空度を測定する真空計３７と、が接続されている。
真空形成用バルブ３５は、本加熱室３１内を排気して真空引きする真空引ポンプと接続されている（図示せず。）。この真空形成用バルブ３５及び真空引きポンプにより、本加熱室３１内の真空度は、例えば、１０Ｐａ以下、より好ましくは１Ｐａ以下、さらに好ましくは１０－３Ｐａ以下に調整することができる。この真空引きポンプとしては、ターボ分子ポンプを例示することができる。
不活性ガス注入用バルブ３６は、不活性ガス供給源と接続されている（図示せず。）。この不活性ガス注入用バルブ３６及び不活性ガス供給源により、本加熱室３１内に不活性ガスを１０－５～１００００Ｐａの範囲で導入することができる。この不活性ガスとしては、ＡｒやＨｅ、Ｎ２等を選択することができる。
また、不活性ガス注入用バルブ３６は、本体容器２０内にドーパントガスを供給可能なドーパントガス供給手段である。すなわち、不活性ガスにドーパントガス（例えば、Ｎ２等）を選択することにより、成長層１１にドーパントをドープしてドーピング濃度を高めることができる。
予備加熱室３２は、本加熱室３１と接続されており、移動手段３３により高融点容器４０を移動可能に構成されている。なお、本実施形態の予備加熱室３２には、本加熱室３１の加熱ヒータ３４の余熱により昇温可能なよう構成されている。例えば、本加熱室３１を２０００℃まで昇温した場合には、予備加熱室３２は１０００℃程度まで昇温され、被処理物（ＳｉＣ下地基板１０や本体容器２０、高融点容器４０等）の脱ガス処理を行うことができる。
移動手段３３は、高融点容器４０を載置して、本加熱室３１と予備加熱室３２を移動可能に構成されている。この移動手段３３による本加熱室３１と予備加熱室３２間の搬送は、最短１分程で完了するため、１～１０００℃／ｍｉｎでの昇温・降温を実現することができる。
このように急速昇温及び急速降温が行えるため、従来の装置では困難であった、昇温中及び降温中の低温成長履歴を持たない表面形状を観察することが可能である。
また、図１においては、本加熱室３１の下方に予備加熱室３２を配置しているが、これに限られず、何れの方向に配置しても良い。
また、本実施形態に係る移動手段３３は、高融点容器４０を載置する移動台である。この移動台と高融点容器４０の接触部から、微小な熱を逃がしている。これにより、高融点容器４０内に温度勾配を形成することができる。
本実施形態の加熱炉３０では、高融点容器４０の底部が移動台と接触しているため、高融点容器４０の上容器４１から下容器４２に向かって温度が下がるように温度勾配が設けられる。
なお、この温度勾配の方向は、移動台と高融点容器４０の接触部の位置を変更することで、任意の方向に設定することができる。例えば、移動台に吊り下げ式等を採用して、接触部を高融点容器４０の天井に設ける場合には、熱が上方向に逃げる。そのため温度勾配は、高融点容器４０の上容器４１から下容器４２に向かって温度が上がるように温度勾配が設けられることとなる。なお、この温度勾配は、ＳｉＣ下地基板１０の表裏方向に沿って形成されていることが望ましい。
また、上述したように、加熱ヒータ３４の構成により、温度勾配を形成してもよい。
＜高融点容器４０＞
本実施形態に係る加熱炉３０内のＳｉ元素を含む気相種の蒸気圧環境は、高融点容器４０及びＳｉ蒸気供給源４４を用いて形成している。例えば、本体容器２０の周囲にＳｉ元素を含む気相種の蒸気圧の環境を形成可能な方法であれば、本発明のＳｉＣ基板の製造装置に採用することができる。
高融点容器４０は、高融点材料を含んで構成されている。例えば、汎用耐熱部材であるＣ、高融点金属であるＷ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｔａ，Ｍｏ、炭化物であるＴａ９Ｃ８，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＮｂＣ，ＺｒＣ，Ｔａ２Ｃ，ＴｉＣ，ＷＣ，ＭｏＣ、窒化物であるＨｆＮ，ＴａＮ，ＢＮ，Ｔａ２Ｎ，ＺｒＮ，ＴｉＮ、ホウ化物であるＨｆＢ２，ＴａＢ２，ＺｒＢ２，ＮＢ２，ＴｉＢ２，多結晶ＳｉＣ等を例示することができる。
この高融点容器４０は、本体容器２０と同様に、互いに嵌合可能な上容器４１と下容器４２とを備える嵌合容器であり、本体容器２０を収容可能に構成されている。上容器４１と下容器４２の嵌合部には、微小な間隙４３が形成されており、この間隙４３から高融点容器４０内の排気（真空引き）が可能なよう構成されている。
高融点容器４０は、高融点容器４０内にＳｉ元素を含む気相種の蒸気圧を供給可能なＳｉ蒸気供給源４４を有している。Ｓｉ蒸気供給源４４は、加熱処理時にＳｉ蒸気を高融点容器４０内に発生させる構成であれば良く、例えば、固体のＳｉ（単結晶Ｓｉ片やＳｉ粉末等のＳｉペレット）やＳｉ化合物を例示することができる。
本実施形態に係るＳｉＣ基板の製造装置においては、高融点容器４０の材料としてＴａＣを採用し、Ｓｉ蒸気供給源４４としてタンタルシリサイドを採用している。すなわち、図３に示すように、高融点容器４０の内側にタンタルシリサイド層が形成されており、加熱処理時にタンタルシリサイド層からＳｉ蒸気が容器内に供給されることにより、Ｓｉ蒸気圧環境が形成されるように構成されている。
この他にも、加熱処理時に高融点容器４０内にＳｉ元素を含む気相種の蒸気圧が形成される構成であれば採用することができる。
本発明に係るＳｉＣ基板の製造装置によれば、ＳｉＣ下地基板１０を熱処理する本体容器２０は、ＳｉＣ下地基板１０の片面に成長層１１を形成する成長空間Ｓ１と、ＳｉＣ下地基板１０の他の片面をエッチングするエッチング空間Ｓ２と、を有する構成となっている。
このような構成により、これにより、ＳｉＣ下地基板１０の成長とエッチングを同時に行うことができ、ＳｉＣ下地基板１０の変形や破損を抑制しつつ下地基板層１２が薄いＳｉＣ基板を製造することができる。
また、本実施形態に係るＳｉＣ基板の製造装置によれば、ＳｉＣ下地基板１０を収容可能で、Ｓｉ元素を含む気相種及びＣ原子を含む蒸気圧を内部空間に発生させる本体容器２０と、本体容器２０を収容し、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧を内部空間に発生させるとともに温度勾配が形成されるように加熱する加熱炉３０と、を備える。
このような構成により、ＳｉＣ下地基板１０と本体容器２０の間に近熱平衡状態を形成可能であり、かつ、本体容器２０内にＳｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧（Ｓｉ，Ｓｉ２、Ｓｉ３，Ｓｉ２Ｃ，ＳｉＣ２，ＳｉＣの少なくとも何れかを含む気相種の分圧）環境が形成可能となる。
このような環境において、加熱炉３０の温度勾配を駆動力として質量の輸送が起こり、結果としてＳｉＣ下地基板１０の成長とエッチングが同時に進行する。これにより、ＳｉＣ下地基板１０の変形や破損を抑制しつつ下地基板層１２が薄いＳｉＣ基板を製造することができる。
また、本実施形態に係るＳｉＣ基板の製造装置によれば、本体容器２０を、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧環境（Ｓｉ蒸気圧環境）下で加熱することにより、本体容器２０内からＳｉ元素を含む気相種が排気されることを抑制することができる。すなわち、本体容器２０内のＳｉ元素を含む気相種の蒸気圧と、本体容器２０外のＳｉ元素を含む気相種の蒸気圧とをバランスさせることにより、本体容器２０内の環境を維持することができる。
言い換えれば、本体容器２０はＳｉ元素を含む気相種の蒸気圧環境（例えばＳｉ蒸気圧環境）が形成される高融点容器４０内に配置されている。このように、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧環境（例えばＳｉ蒸気圧環境）を介して本体容器２０内が排気（真空引き）されることで、成長空間Ｓ１及びエッチング空間Ｓ２内からＳｉ原子が減少することを抑制することができる。これにより、成長空間Ｓ１及びエッチング空間Ｓ２内を成長及びエッチングに好ましい原子数比Ｓｉ／Ｃを長時間維持することができる。
また、本実施形態に係るＳｉＣ基板の製造装置によれば、成長空間Ｓ１は、ＳｉＣ下地基板１０が温度勾配の低温側に配置された状態で、温度勾配の高温側に配置される本体容器２０の一部と、ＳｉＣ下地基板１０とを相対させることで形成されている。
このように、ＳｉＣ下地基板１０と本体容器２０と相対させて成長空間Ｓ１を形成することにより、水平方向の温度分布を均一に保持可能な環境で成長させることができる。これにより、熱応力歪み等が少ない成長層１１を形成することができる。
また、本実施形態に係るＳｉＣ基板の製造装置によれば、本体容器２０は多結晶ＳｉＣで構成されている。このような構成とすることにより、加熱炉３０を用いて本体容器２０を加熱した際に、本体容器２０内にＳｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧のみを発生させることができる。
［ＳｉＣ基板の製造方法］
以下、本発明の一実施形態であるＳｉＣ基板の製造方法について詳細に説明する。
本実施形態に係るＳｉＣ基板の製造方法は、図２に示すように、ＳｉＣ下地基板１０の片面に成長層１１を形成する成長工程と、前記ＳｉＣ下地基板１０の他の片面をエッチングするエッチング工程と、を同時に行う。
なお、同実施形態において、先のＳｉＣ基板の製造装置と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。
なお、ＳｉＣ下地基板１０の片面に成長層１１を形成する成長工程と、前記ＳｉＣ下地基板１０の他の片面をエッチングするエッチング工程と、を同時に可能な手法であれば採用することができる。例えば、ＳｉＣ下地基板１０の片面に成長ガスを供給し、ＳｉＣ下地基板１０の他の片面にエッチングガスを供給することで、成長及びエッチングを同時に行う手法（ＣＶＤ法等）を採用しても良い。
本実施形態に係る成長工程及びエッチング工程は、Ｓｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧を内部空間に発生させる本体容器２０の内部にＳｉＣ下地基板１０を収容し、この本体容器２０を、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧の環境下で温度勾配が形成されるように加熱する。
以下、本実施形態に係るＳｉＣ基板の製造方法の成長工程及びエッチング工程について、詳細に説明する。
＜成長工程＞
本実施形態に係る成長工程は、温度勾配の低温側に配置されたＳｉＣ下地基板１０と、温度勾配の高温側に配置された本体容器２０の一部と、を相対させて成長層１１を形成している。
図４は、成長機構の概要を示す説明図である。ＳｉＣ下地基板１０を配置した本体容器２０を、１４００℃以上２３００℃以下の温度範囲で加熱することで、以下１）～５）の反応が成長空間Ｓ１内で持続的に行われ、結果として成長層１１の成長が進行すると考えられる。
１） Ｐｏｌｙ-ＳｉＣ（ｓ）→Ｓｉ（ｖ）＋Ｃ（s）
２） ２Ｃ（ｓ）＋Ｓｉ（ｖ）→ＳｉＣ２（ｖ）
３） Ｃ（ｓ）＋２Ｓｉ（ｖ）→Ｓｉ２Ｃ（ｖ）
４） Ｓｉ（ｖ）＋ＳｉＣ２（ｖ）→２ＳｉＣ（ｓ）
５） Ｓｉ２Ｃ（ｖ）→Ｓｉ（ｖ）＋ＳｉＣ（ｓ）
１）の説明:本体容器２０（Ｐｏｌｙ-ＳｉＣ（ｓ））が加熱されることで、熱分解によってＳｉＣからＳｉ原子（Ｓｉ（ｖ））が脱離する。
２）及び３）の説明:Ｓｉ原子（Ｓｉ（ｖ））が脱離することでＳｉＣ下地基板１０表面に残存したＣ（Ｃ（ｓ））は、本体容器２０内のＳｉ蒸気（Ｓｉ（ｖ））と反応することで、Ｓｉ２Ｃ又はＳｉＣ２等となって本体容器２０内に昇華する。
４）及び５）の説明:昇華したＳｉ２Ｃ又はＳｉＣ２等が、温度勾配によってＳｉＣ下地基板１０のテラスに到達・拡散し、ステップに到達することで下地基板層１２の多型を引き継いで成長層１１が成長する（ステップフロー成長）。
すなわち、成長工程は、本体容器２０内からＳｉ原子を熱昇華させるＳｉ原子昇華工程と、本体容器２０内の表面に残存したＣ原子を本体容器２０内のＳｉ原子と結合させることで昇華させるＣ原子昇華工程と、を有する。
具体的には、ＳｉＣ下地基板１０の片面（主面１０１又は裏面１０２）と、この片面よりも温度が高い本体容器２０の天面と、を相対させて配置し、この間に成長空間Ｓ１を形成することにより、成長層１１を成長させることができる。
言い換えれば、成長工程は、ＳｉＣ下地基板１０と本体容器２０の一部とを相対させて配置し、本体容器２０の一部が高温側、ＳｉＣ下地基板１０が低温側となるよう温度勾配をつけて加熱している。この温度勾配により、本体容器２０からＳｉＣ下地基板１０にＳｉ元素及びＣ元素を輸送して、ＳｉＣ下地基板１０に成長層１１を成長させる。
また、成長工程は、ドーパントガス供給手段（不活性ガス注入用バルブ３６）を用いて、本体容器２０内にドーパントガスを供給することにより、成長層１１のドーピング濃度を調整することができる。
すなわち、ドーパントガスを供給しない場合には、本体容器２０のドーピング濃度を引きついで成長層１１が形成される。一方で、ドーパントガスを供給することで成長層１１中のドーピング濃度を高めることができ、これにより、所望のドーピング濃度を有する成長層１１を形成することができる。
＜エッチング工程＞
本実施形態に係るエッチング工程は、温度勾配の高温側に配置されたＳｉＣ下地基板１０と、温度勾配の低温側に配置された本体容器２０の一部と、を相対させることでエッチングしている。
図５は、エッチング機構の概要を示す説明図である。ＳｉＣ下地基板１０を配置した本体容器２０を、１４００℃以上２３００℃以下の温度範囲で加熱することで、以下１）～５）の反応がエッチング空間Ｓ２内で持続的に行われ、結果として下地基板層１２のエッチングが進行すると考えられる。
１） ＳｉＣ（ｓ）→Ｓｉ（ｖ）＋Ｃ（ｓ）
２） ２Ｃ（ｓ）＋Ｓｉ（ｖ）→ＳｉＣ２（ｖ）
３） Ｃ（ｓ）＋２Ｓｉ（ｖ）→Ｓｉ２Ｃ（ｖ）
４） Ｓｉ（ｖ）＋ＳｉＣ２（ｖ）→２ＳｉＣ（ｓ）
５） Ｓｉ２Ｃ（ｖ）→Ｓｉ（ｖ）＋ＳｉＣ（ｓ）
１）の説明:ＳｉＣ下地基板１０（ＳｉＣ（ｓ））が加熱されることで、熱分解によってＳｉＣ下地基板１０表面からＳｉ原子（Ｓｉ（ｖ））が脱離する（Ｓｉ原子昇華工程）。
２）及び３）の説明:Ｓｉ原子（Ｓｉ（ｖ））が脱離することでＳｉＣ下地基板１０表面に残存したＣ（Ｃ（ｓ））は、本体容器２０内のＳｉ蒸気（Ｓｉ（ｖ））と反応することで、Ｓｉ２Ｃ又はＳｉＣ２等となって本体容器２０内に昇華する（Ｃ原子昇華工程）。
４）及び５）の説明:昇華したＳｉ２Ｃ又はＳｉＣ２等が、温度勾配によって本体容器２０内の底面（多結晶ＳｉＣ）に到達し成長する。
すなわち、エッチング工程は、ＳｉＣ下地基板１０の表面からＳｉ原子を熱昇華させるＳｉ原子昇華工程と、ＳｉＣ下地基板１０の表面に残存したＣ原子を本体容器２０内のＳｉ原子と結合させることで昇華させるＣ原子昇華工程と、を有する。
具体的には、ＳｉＣ下地基板１０の他の片面（裏面１０２又は主面１０１）と、この他の片面よりも温度が低い本体容器２０の底面と、を相対させて配置し、この間にエッチング空間Ｓ２を形成することにより、下地基板層１２をエッチングすることができる。
言い換えれば、エッチング工程は、ＳｉＣ下地基板１０と本体容器２０の一部とを相対させて配置し、本体容器２０の一部が低温側、ＳｉＣ下地基板１０が高温側となるよう温度勾配をつけて加熱している。この温度勾配により、ＳｉＣ下地基板１０から本体容器２０にＳｉ元素及びＣ元素を輸送して、ＳｉＣ下地基板１０をエッチングする。
本手法におけるエッチング温度は、好ましくは１４００～２３００℃の範囲で設定され、より好ましくは１６００～２０００℃の範囲で設定される。
本手法における成長速度及びエッチング速度は、上記温度領域によって制御することができ、０．００１～２μｍ／ｍｉｎの範囲で選択することが可能である。
本手法における成長時間及びエッチング時間は、所望の成長量及びエッチング量となるよう任意の時間に設定することができる。例えば、成長速度（エッチング速度）が１μｍ／ｍｉｎの時に、成長量（エッチング量）を１μｍとしたい場合には、成長量（エッチング時間）は１分間となる。
本手法における温度勾配は、成長空間Ｓ１及びエッチング空間Ｓ２において、０．１～５℃／ｍｍの範囲で設定される。
本手法においては、ドーパントガス（Ｎ２等）を供給することができ、本加熱室３１に１０－５～１００００Ｐａの範囲で導入することができる。
以下の方法で実施例１、実施例２のＳｉＣ基板を製造した。
＜実施例１＞
以下の条件で、ＳｉＣ下地基板１０を本体容器２０及び高融点容器４０に収容した（配置工程）。
［ＳｉＣ下地基板１０］
多型:４Ｈ－ＳｉＣ
基板サイズ:横幅１０ｍｍ×縦幅１０ｍｍ×厚み０．３ｍｍ
オフ方向及びオフ角:＜１１－２０＞方向４°オフ
成長面:（０００１）面
エッチング面:（０００－１）面
ドーパント:Ｎ
ドーピング濃度:３×１０１８ｃｍ－３
なお、ＳｉＣ下地基板１０のドーパント及びドーピング濃度は、ＲＡＭＡＮ分光により確認した。これらは二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等で確認することもできる。
［本体容器２０］
材料:多結晶ＳｉＣ
容器サイズ:直径６０ｍｍ×高さ４ｍｍ
基板保持具２４の材料:単結晶ＳｉＣ
ＳｉＣ下地基板１０と本体容器２０の底面との距離：２ｍｍ
ドーパント:Ｎ
ドーピング濃度:１×１０１７ｃｍ－３以下（ＲＡＭＡＮ分光検出限界以下）
［高融点容器４０］
材料:ＴａＣ
容器サイズ:直径１６０ｍｍ×高さ６０ｍｍ
Ｓｉ蒸気供給源４４（Ｓｉ化合物）:ＴａＳｉ２
［成長工程及びエッチング工程］
上記条件で配置したＳｉＣ下地基板１０を、以下の条件で加熱処理した。
加熱温度：１７００℃
加熱時間:３００ｍｉｎ
温度勾配:１℃／ｍｍ
成長速度:５ｎｍ／ｍｉｎ
エッチング速度:５ｎｍ／ｍｉｎ
本加熱室３１真空度:１０－５Ｐａ（ドーパントガス導入なし）
図６は、上記条件で成長及びエッチングした実施例１のＳｉＣ基板を断面から倍率×１００００で観察したＳＥＭ像である。
この実施例１の成長層１１厚みは１．５μｍであり、下地基板層１２のエッチング量は１．５μｍであった。
また、この実施例１の成長層１１のドーピング濃度は１×１０１７ｃｍ－３以下であり、下地基板層１２のドーピング濃度は３×１０１８ｃｍ－３であった。すなわち、成長層１１のドーピング濃度は、ＳｉＣ下地基板１０のドーピング濃度よりも低い。これは、図６に示すように、成長層１１が下地基板層１２よりもＳＥＭ像コントラストが明るいことからも確認することができる。
＜実施例２＞
以下の条件で、ＳｉＣ下地基板１０を本体容器２０及び高融点容器４０に収容した。
［ＳｉＣ下地基板１０］
実施例１と同様のＳｉＣ下地基板１０を用いた。
［本体容器２０］
実施例１と同様の本体容器２０を用いた。
［高融点容器４０］
実施例１と同様の高融点容器４０を用いた。
［成長工程及びエッチング工程］
上記条件で配置したＳｉＣ下地基板１０を、以下の条件で加熱処理した。
加熱温度：１８００℃
加熱時間:６０ｍｉｎ
温度勾配:１℃／ｍｍ
成長速度:５０ｎｍ／ｍｉｎ
エッチング速度:５０ｎｍ／ｍｉｎ
本加熱室３１真空度:１３Ｐａ（Ｎ２ガス導入）
図７は、上記条件で成長及びエッチングした実施例２のＳｉＣ基板を断面から倍率×１００００で観察したＳＥＭ像である。
この実施例２の成長層１１厚みは３μｍであり、下地基板層１２のエッチング量は３μｍであった。
また、この実施例２の成長層１１のドーピング濃度は２×１０１９ｃｍ－３であり、下地基板層１２のドーピング濃度は３×１０１８ｃｍ－３であった。すなわち、成長層１１のドーピング濃度は、ＳｉＣ下地基板１０のドーピング濃度よりも高い。これは、図７に示すように、成長層１１が下地基板層１２よりもＳＥＭ像コントラストが暗いことからも確認することができる。
本発明に係るＳｉＣ基板の製造方法によれば、ＳｉＣ下地基板１０の片面に成長層１１を形成する成長工程と、ＳｉＣ下地基板１０の他の片面をエッチングするエッチング工程と、を同時に行う。これにより、ＳｉＣ下地基板１０の変形や破損を抑制しつつ下地基板層１２が薄いＳｉＣ基板を製造することができる。
また、本発明のＳｉＣ基板の製造方法によれば、成長層１１のドーピング濃度をＳｉＣ下地基板１０のドーピング濃度よりも低くすることができる。このように、成長層１１のドーピング濃度をＳｉＣ下地基板１０よりも低いドーピング濃度とする場合には、成長層１１をデバイスの耐圧層とすることができるため、下地基板層１２を薄化して、ＳｉＣ半導体デバイスのオン抵抗低減に寄与することができる。
また、本発明のＳｉＣ基板の製造方法によれば、成長層１１のドーピング濃度をＳｉＣ下地基板１０のドーピング濃度よりも高くすることができる。このように、成長層１１のドーピング濃度をＳｉＣ下地基板１０よりも高いドーピング濃度とする場合には、ＳｉＣ基板を高ドープ基板とすることができ、ＳｉＣ半導体デバイスのオン抵抗低減に寄与することができる。
１０ ＳｉＣ下地基板
１０１ 主面
１０２ 裏面
１１ 成長層
１２ 下地基板層
２０ 本体容器
２４ 基板保持具
３０ 加熱炉
４０ 高融点容器
４４ Ｓｉ蒸気供給源
Ｓ１ 成長空間
Ｓ２ エッチング空間

Claims (10)

  1. ＳｉＣ下地基板を収容可能である本体容器と、前記本体容器を収容する加熱炉と、を備え、
    前記本体容器は、加熱によりＳｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧を前記本体容器の内部空間に発生させ、
    前記加熱炉は、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧を前記加熱炉の内部空間に発生させるとともに温度勾配が形成されるように加熱し、
    前記本体容器は、前記ＳｉＣ下地基板の片面に成長層を形成する成長空間と、前記ＳｉＣ下地基板の他の片面をエッチングするエッチング空間と、を有し、
    前記成長空間は、前記ＳｉＣ下地基板が前記温度勾配の低温側に配置された状態で、前記温度勾配の高温側に配置される前記本体容器の一部と、前記ＳｉＣ下地基板とを相対させることで形成され、
    前記エッチング空間は、前記ＳｉＣ下地基板が前記温度勾配の高温側に配置された状態で、前記温度勾配の低温側に配置される前記本体容器の一部と、前記ＳｉＣ下地基板とを相対させることで形成される、ＳｉＣ基板の製造装置。
  2. 前記本体容器は、前記ＳｉＣ下地基板と前記本体容器の間に設けられる基板保持具を有する、請求項１に記載のＳｉＣ基板の製造装置。
  3. 前記加熱炉は、前記本体容器内にドーパントガスを供給可能なドーパントガス供給手段を有する、請求項１又は２に記載のＳｉＣ基板の製造装置。
  4. 前記本体容器は、多結晶ＳｉＣを含む材料で構成される、請求項１～３の何れかに記載のＳｉＣ基板の製造装置。
  5. 前記加熱炉は、前記本体容器を収容可能な高融点容器と、
    この高融点容器内にＳｉ蒸気を供給可能なＳｉ蒸気供給源と、を有する、請求項１～４の何れかに記載のＳｉＣ基板の製造装置。
  6. ＳｉＣ下地基板の片面に成長層を形成する成長工程と、前記ＳｉＣ下地基板の他の片面をエッチングするエッチング工程と、を同時に行い、
    前記成長工程及びエッチング工程は、Ｓｉ元素を含む気相種及びＣ元素を含む気相種の蒸気圧を内部空間に発生させる本体容器の内部にＳｉＣ下地基板を収容し、前記本体容器を、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧の環境下で温度勾配が形成されるように加熱し、
    前記成長工程は、前記温度勾配の低温側に配置された前記ＳｉＣ下地基板と、前記温度勾配の高温側に配置された前記本体容器の一部と、を相対させて成長層を形成し、
    前記エッチング工程は、前記温度勾配の高温側に配置された前記ＳｉＣ下地基板と、前記温度勾配の低温側に配置された前記本体容器の一部と、を相対させてエッチングする、ＳｉＣ基板の製造方法。
  7. 前記成長工程は、前記成長層のドーピング濃度を前記ＳｉＣ下地基板のドーピング濃度と同じにする、請求項６に記載のＳｉＣ基板の製造方法。
  8. 前記成長工程は、前記成長層のドーピング濃度を前記ＳｉＣ下地基板のドーピング濃度よりも低くする、請求項６に記載のＳｉＣ基板の製造方法。
  9. 前記成長工程は、前記成長層のドーピング濃度を前記ＳｉＣ下地基板のドーピング濃度よりも高くする、請求項６に記載のＳｉＣ基板の製造方法。
  10. 前記エッチング工程及び前記成長工程は、Ｓｉ元素を含む気相種の蒸気圧の環境を介して排気される空間に前記ＳｉＣ下地基板を配置して加熱する工程である、請求項６～９の何れかに記載のＳｉＣ基板の製造方法。

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