JPH01286997A - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は珪素基板上に積層欠陥が低減された炭化珪素単
結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法に関する。

（従来の技術） 炭化珪素は広い禁制帯幅（２，２〜３．３ｅＶ）を有す
る半導体材料である。また、熱的、化学的、および機械
的に極めて安定であり、放射線損傷にも強いという優れ
た特徴を持っている。珪素のような従来の半導体材料を
用いた素子は、特に高温、高出力駆動、放射線照射など
の苛酷な条件下では使用が困難である。従って、炭化珪
素を用いた半導体素子は、このような苛酷な条件下でも
使用し得る半導体素子として広範な分野での応用が期待
されている。

しかしながら、大きな面積を有し、かつ高品質の炭化珪
素単結晶を、生産性を考慮した工業的規模で安定に供給
し得る結晶成長技術は確立されていない。それゆえ、炭
化珪素は、上述のような多くの利点および可能性を有す
る半導体材料であるにもかかわらず、その実用化が■ま
れでいる。

従来、研究室規模では２例えば昇華再結晶法（レーリー
法）で炭化珪素単結晶を成長させたり。

該方法で得られた炭化珪素単結晶を基板として。

その上に気相成長法（ＣＶＤ法）や液相エピタキシャル
成長法（ＬＰＥ法）で炭化珪素単結晶層をエピタキシャ
ル成長させることにより、半導体素子の試作が可能なサ
イズの炭化珪素単結晶を得ている。しかしながら、これ
らの方法では、得られた単結晶の面積が小さ（、その寸
法や形状を高精度に制御することは困難である。また、
炭化珪素が有する結晶多形および不純物濃度の制御も容
易ではない。

これらの問題点を解決するために２本発明者らは、安価
で入手の容易な珪素単結晶基板上に炭化珪素単結晶を気
相成長させる方法を提案した（特願昭５８−７６８４２
号）。また、珪素単結晶基板の表面を炭化水素ガス雰囲
気下で加熱して炭化することにより、該表面に炭化珪素
の薄膜を形成し１次いで該薄膜上に炭化珪素単結晶層を
成長させる気相成長法も開発されている。これらの方法
は、単結晶基板上に異種単結晶層を成長させることから
へテロエピタキシャル成長法と呼ばれている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、一般に、ヘテロエピタキシャル成長法で
は、成長層と基板単結晶との間に格子定数、熱膨張係数
、および化学結合の差があるので。

成長層に結晶欠陥、特に積層欠陥が発生しやすい。

珪素単結晶と炭化珪素単結晶との間には約２０％の格子
定数の相違がある。それゆえ、珪素基板上に成長させた
炭化珪素単結晶中には、（１１１）面上の積層欠陥が多
数存在する。これら積層欠陥は。

得られた炭化珪素単結晶の電気的特性に悪影響を及ぼし
、炭化珪素単結晶を各種電気材料として応用する上で大
きな問題点となる。上記いずれの方法を用いても、積層
欠陥が低減された炭化珪素単結晶を再現性よく得ること
は困難である。従って。

このような結晶性に優れた炭化珪素単結晶を工業的規模
で安定に供給し得る製造方法が必要とされている。

本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、その
目的とするところは、積層欠陥が低減された炭化珪素単
結晶を再現性よく製造し得る炭化珪素単結晶の製造方法
を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、珪素基板上に積層欠陥が低減された炭化珪素
単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって
、該基板上に炭化珪素単結晶の成長領域を設ける工程と
、該成長領域に炭化珪素単結晶をその厚さが該基板の成
長面方位に固有な厚さと同一またはそれ以上になるよう
に成長させて。

該炭化珪素単結晶の積層欠陥を低減させる工程とを包含
し、そのことにより上記目的が達成される。

珪素基板上に成長させた炭化珪素単結晶には。

（１１１）面上の積層欠陥が多数分布している。このよ
うな積層欠陥は１例えば５ｔ（１１１）基板を用いた場
合、該基板上に形成された炭化珪素単結晶の成長層表面
に、正三角形の欠陥パターンとして現れる。この欠陥パ
ターンは、以下のように積層欠陥が集合した正四面体の
成長層表面における断面に相当する。この正四面体は、
第２図に示すように２点Ｏを原点とする成長層表面の（
１１１）面を底面とし、基板上に頂点Ｘを持ち、そして
各面が（１１１）面からなる構造を有する。これは積層
欠陥正四面体と呼ばれている。側面をなす（１１１）面
は基板面と７０°３２゛をなしている。

積層欠陥は上記正四面体の面に沿って伸びているため、
成長層の層厚が増すにつれて該成長層の表面に現れる欠
陥パターンは大きくなる。それゆえ、他の領域から伸び
て（る積層欠陥の影響がなければ２層厚の増加と共に積
層欠陥の存在しない領域が拡大する。珪素基板上におけ
る炭化珪素単結晶の成長領域を所定の大きさに限定すれ
ば、他の領域からの積層欠陥が成長層へ侵入することを
防止し得る。従って、この成長領域に炭化珪素単結晶を
ある厚さ以上に成長させれば、炭化珪素単結晶の成長層
表面から積層欠陥を排除することができる。成長層のこ
のような厚さは基板の成長面方位に依存しており、ここ
では基板の成長面方位に固有な厚さと呼ぶことにする。

成長層の層厚がこの厚さ以上になれば、それ以後、積層
欠陥は該成長層の表面には現れない。

一般に、基板の成長面方位に固有な厚さは、使用した基
板の成長面方位と、炭化珪素単結晶の成長領域の代表的
な寸法とによって決まる。成長領域の形状は、使用する
基板の成長面方位に従って適宜に選択される。成長領域
の代表的な寸法は。

該成長領域の形状によって定められる。例えば。

Ｓｔ　（１００）基板を用いた場合には、炭化珪素単結
晶の成長層表面には自然面である（１００）面が現れや
すいため、成長領域の形状として典型的に正方形が選ば
れる。この場合、成長領域の代表的な寸法は該正方形の
一辺の長さである。あるいは、成長領域の形状として１
円形を用いることもできる。

この場合には、該円の直径が成長領域の代表的な寸法で
ある。−船釣には、成長領域の形状は２円形、または三
角形を含む多角形とされる。そして。

基板の成長面方位に固有な厚さは、該成長面方位と該成
長領域の代表的な寸法との関数として表すことができる
。

炭化珪素単結晶の成長層から積層欠陥が排除される原理
を第１図を参照して説明する。まず、珪素基板Ａ上に成
長領域Ｂが設けられる。珪素基板Ａの成長面は（１００
）面であるとする。次いで、該成長領域Ｂに炭化珪素単
結晶の成長層Ｃが形成される。この場合、積層欠陥は、
基板上に頂点Ｘを有し、該頂点Ｘのまわりの（１１１）
面を側面とする正四角錐を形成する。第１図の積層欠陥
Ｅ１．　Ｆ２は、この正四角錐の側面に対応しており、
成長層Ｃの層厚が小さい場合、該成長層Ｃの表面には正
方形の欠陥パターンとして現れる。側面をなす（１工１
）面は基板面と５４°４４“をなしている。

上述したように、成長層Ｃの表面Ｄ１には自然面として
（１００）面が現れやすい。それゆえ、該表面Ｄ１の面
方位は（１００）である。従って、成長層表面Ｄ１から
積層欠陥をすべて排除するためには、成長領域Ｂの両端
部から伸びてくる別の積層欠陥Ｆｌ。

Ｆ２を排除すれば充分である。これは、第２図から明ら
かなように、成長層Ｃの層厚を成長領域Ｂの代表的な寸
法ｄのＪ「（＃　ｔａｎ　（５４°４４°））倍とする
ことにより達成される。この場合、基板Ａの成長面方位
に固有な厚さはＪｄである。成長層Ｃの層厚がこの値を
越えれば、それ以後、該成長層表面から積層欠陥はすべ
て排除される。

Ｓｉ　（ｎｉｌ）基板（ここで、ｎは２以上の整数）を
用いた場合、成長層表面Ｄ２の面方位は（ｎｉｌ）とな
る。積層欠陥Ｆｌ、　Ｆ２は、やはり（１１１）面上に
沿って伸びている。第１図に示すように、積層欠陥Ｆ１
は積層欠陥Ｆ２よりも表面Ｄ２とのなす角度が大きい。

それゆえ、限られた成長領域で炭化珪素単結晶の成長を
行うと、積層欠陥Ｆ１の方が成長層表面０２に現れやす
い。これに対し、積層欠陥Ｆ２は容易に成長層Ｃから排
除される。この場合、成長層表面Ｄ２に現れる欠陥パタ
ーンは台形である。該台形の上辺は積層欠陥Ｆｌに、下
辺は積層欠陥Ｆ２にそれぞれ対応している。そして、該
台形のこれらの辺は［０１１］軸に平行である。従って
、成長領域の形状を多角形とし、その−辺を［０１１］
方向に一致させれば、該方向に長（伸びた形状の成長領
域に無欠陥の炭化珪素単結晶を成長させることができる
。ここでは、　５ｉ（ｎｉｌ）基板を用いた場合につい
て説明したが、一般に、使用した基板の成長面方位によ
り定まる特定方向に長く伸びた成長領域に無欠陥の炭化
珪素単結晶を成長させることができる。

本発明の製造方法は、上述の原理に基づき１例えば次の
ように実施される。

まず、珪素基板の成長面方位を選択し、それに適する成
長領域の形状を決定する。基板としては。

例えばＳｉ　（１００）基板、　５ｉ（ｎｉｌ）基板（
ただし、ｎは１以上の整数）、またはこれらのオフアン
グル基板を用いることができる。成長領域の形状は上述
のとおりである。また、成長領域の代表的な寸法は０．
１〜１００μｍ程度の範囲とするのが好ましい。

成長領域の代表的な寸法は微細加工の方法により精細化
が可能である。しかし、その大きさは、後に作成される
半導体素子の寸法等に応じて適宜に決定される。

次いで、基板上に炭化珪素単結晶の成長領域を設ける。

この際、成長領域以外の領域からの積層欠陥を排除する
ために１例えば、成長領域と隣接する成長領域との間に
段差を設けるか、あるいは成長領域を離散的に配置する
ことにより、成長領域の大きさを限定する。成長領域は
珪素基板上に直接設けてもよいが、珪素基板上に形成し
た炭化珪素単結晶膜上に設けてもよい、以下、特に断ら
ない限り、基板とは珪素基板または珪素基板上に形成さ
れた炭化珪素単結晶膜を意味するものとする、なお、珪
素基板のエツチングによるダメージに伴う影響を低減化
するためには、エツチング後の珪素基板上に珪素単結晶
膜を形成させることが有効である。

成長領域間に段差を設ける方法としては、プラズマエツ
チング、反応性イオンエツチング、化学エツチングなど
がある。成長領域の寸法が精細化すると、無欠陥になる
成長層の層厚が小さくなる。

それゆえ、基板に段差構造を設ける場合には９段差の大
きさを小さくすることができる。また３段差構造の谷間
の成長領域においても、積層欠陥を低減化することがで
きる。従って、引き続き成長を行えば、基板面全体にお
いて無欠陥の炭化珪素単結晶が得られる。この結果、得
られた無欠陥の炭化珪素単結晶を基板として、電気的特
性に優れた半導体素子を該基板上に自由に形成させ得る
。

成長領域を離散的に配置させるには１例えば次のような
方法がある。基板に電子ビームまたはイオンビームを照
射し、照射領域の結晶性を低下させることにより、非照
射の成長領域と照射領域とを結晶性の相違によって分離
する。あるいは、基板を珪素の酸化物や窒化物などの単
結晶でない膜で被覆した後、成長領域だけを開口する。

成長領域以外の領域は結晶性が低下しているため、該領
域に成長する炭化珪素は単結晶ではない。これに対し、
成長領域には炭化珪素単結晶が成長する。

従って、これら成長領域は離散的に配置されたことにな
る。

所定の大きさの成長領域が設けられた基板は。

次いで炭化珪素の成長が行われる。炭化珪素を成長させ
る方法としては、気相成長法（ＣＶＤ法）、液相エピタ
キシャル成長法（ＬＰＥ法）１分子線エピタキシャル成
長法（ＭＢＥ法）などがある。これらの方法のいずれを
用いても、上述の原理に基づいて炭化珪素の成長を行う
ことにより、積層欠陥が低減された炭化珪素単結晶を得
ることができる。

ここでは、気相成長法について説明する。第３図は本発
明の実施例で用いられる気相成長装置の一例である。二
重石英反応管１の内部に、炭化珪素で被覆された黒鉛製
試料台２が黒鉛製支持棒３により設置されている。試料
台２は水平に設置してもよく、適当に傾斜させてもよい
。反応管工の外周囲にはワークコイル４が巻回され、高
周波電流を流すことにより試料台２を所望の温度に加熱
することができる。反応管１の片側には、ガス流入口と
なる枝管５が設けられ２二重石英反応管１の外側の石英
管内には枝管６，７を介して冷却水が供給される。反応
管１の他端は、ステンレス鋼製のフランジ８で閉塞され
、かつフランジ８の周縁部に配設された止め板９．ポル
ト１０．ナツト１１゜Ｏ−リング１２によりシールされ
ている。フランジ８の中央にはガスの出口になる枝管１
３が設けられている。

成長領域を設けられた珪素基板は、必要に応じて該珪素
基板の表面を掻く薄い炭化珪素単結晶膜に変えてもよい
。これは第３図の気相成長装置を用いて次のように行わ
れる。まず、試料台２上に珪素単結晶基板１５を載置す
る。炭素原料ガスおよびキャリアガスを枝管５から反応
管１の内部へ流しながら、ワークコイル４に高周波電流
を流して試料台２を加熱し、珪素基板１５を所定温度に
加熱する。この温度を所定時間にわたって保持すること
により、珪素基板の表面が炭化されて炭化珪素単結晶膜
が形成される。

炭素原料ガスとしては、　ＣＨａ、ＣＺＨ＆、Ｃ３Ｌな
どが、そしてキャリアガスとしては、水素、アルゴンな
どが用いられる。単結晶膜の形成時間は、基板の加熱温
度と、炭素原料ガスおよびキャリアガスの流量とに依存
して変動する。通常、炭素原料ガスおよびキャリアガス
の流量は、それぞれ毎分０．１〜１　、０ｃｃおよび毎
分１〜５１である。基板の加熱温度は約１　、２００〜
１，４００°Ｃの範囲であり、単結晶膜は約１〜５分間
で形成される。

珪素基板、または炭化珪素単結晶膜が形成された珪素基
板に、所定の大きさの成長領域を設けた後、上記と同様
にして炭化珪素を成長させる。この際、珪素原料ガスを
、炭素原料ガスおよびキャリアガスと共に反応管１内へ
供給する。珪素原料ガスとしては、　ＳｉＨ４，５ｉＣ
１４，５ｉＨｚＣｈ＋　（ＣＨ３＞　５ｓｉｃ］＋（Ｃ
Ｈｆｆ）　ｚｓｉｃｌ□などが用いられる。通常、珪素
原料ガスの流量は、毎分０．１〜１．０ｃｃである。炭
素原料ガスおよびキャリアガスの種類および流量、なら
びに基板の加熱温度は上記と同様とすることができる。

成長時間は炭化珪素単結晶層が所望の層厚になるように
設定される。

得られた炭化珪素単結晶は、珪素基板と共に。

あるいは珪素基板を必要に応じてエツチングなどにより
除去した後に、半導体材料として用いられる。

本発明の製造方法によれば、基板上に設けられた所定の
大きさの成長領域に炭化珪素単結晶が成長するため、該
領域の炭化珪素単結晶は積層欠陥が低減される。このよ
うな炭化珪素単結晶は５例えば電界効果トランジスター
（ＦＥＴ）　、相補性ＭＯ３（Ｃ−ＭＯＳ）などの半導
体素子を作成するのに用いることができる。炭化珪素単
結晶の成長領域を半導体素子として使用し、他の領域は
主として給電のための領域とすることにより、電気的特
性に優れた半導体装置が製造される。超微細加工の方法
により超微細パターンの成長領域を設け、複数の該成長
領域にわたって１個の素子を形成した半導体装置を製造
することもできる。この場合、成長後に炭化珪素の表面
を研磨エツチングするとさらに良好な結果が得られる。

（実施例） 以下に本発明を実施例について述べる。

尖施炎土 基板としてＳｔ　（１００）基板を用いた。該基板上に
代表的な寸法が０．１μｍであるような成長領域を。

電子ビームを用いて０．１μｍの間隔で描いた。使用し
た珪素基板の成長面方位に固有の厚さは、約０．１４μ
ｍである。そこで２反応性イオンエツチングにより、互
いに隣接する成長領域間に０．１４μｍの段差を設けた
。

次いで、成長領域の設けられた珪素基板の表面を、第３
図に示された気相装置を用いて、上述ように極く薄い炭
化珪素単結晶膜に変えた。炭素原料ガスとしてプロパン
ガス、キャリアガスとして水素ガスを用い、流量はそれ
ぞれ毎分０．５ｃｃおよび毎分３ｉ！、とじた。基板の
加熱温度は１．３００°Ｃであった。

炭化珪素単結晶膜を形成した後、引き続き炭化珪素単結
晶の気相成長を行った。プロパンガスおよび水素ガスに
加えて、珪素原料ガスとしてモノシランガスを毎分０．
５ｃｃの流量で供給した。基板の加熱温度は１　、３０
０°Ｃであった。炭化珪素単結晶の層厚が０．１４μｍ
となる成長時間は３分間必要であった。得られた炭化珪
素単結晶を透過電子顕微鏡で観察したところ、成長層の
全面にわたって積層欠陥が低減していた。

上記と同様の条件下でさらに３０分間気相成長を行った
後、得られた炭化珪素単結晶を用いてゲート長３μｍの
相補性ＭＯ５を作成したところ、優れた電気的特性を示
した。

１隻皿主 基板としてＳｉ　（１００）基板を用いた。該基板上に
代表的な寸法が２０μｍであるような八角形または円形
の成長領域を、フォトリソグラフィにより形成した。成
長領域が八角形の場合１代表的な寸法は該八角形の対向
する二辺間の間隔である。そして２イオン注入法を用い
て、成長領域の周辺領域にＰ゛イオン注入することによ
り、これら周辺領域の結晶性を低下させた。注入条件と
しては。

加速電圧が１００ｋｅＶ、およびＰ゛イオン注入量がＩ
　Ｘ１０”ｃ＋＋＋−２であった。

このように成長領域が離散的に設けられた珪素基板に、
実施例１と同様にして炭化珪素単結晶を成長させた。こ
の場合、基板の成長面方位に固有な厚さは２８μｍであ
る。このような層厚の炭化珪素単結晶を得るための成長
時間は８時間が必要であった。

成長した炭化珪素を透過電子顕微鏡で観察したところ、
成長領域に成長した炭化珪素だけが単結晶であり２周辺
領域の炭化珪素は結晶性が低下していた。また、成長領
域における炭化珪素単結晶層の表面の積層欠陥は低減し
ており９周辺領域からの積層欠陥の侵入が起こらないこ
とがわかった。

尖育桝主 ＫＯＨ水溶液を用いた化学エツチングにより、互いに隣
接する成長領域間に１μｍの段差を設けたこと以外は、
実施例２と同様にして炭化珪素単結晶を成長させた。

得られた炭化珪素単結晶を透過電子顕微鏡で観察したと
ころ９成長層の全面にわたって積層欠陥が低減していた
。

１隻皿土 基板としてＳｉ　（１００）基板を用いた。プラズマを
用いた化学的気相成長法により、該基板上に０．５μｍ
の窒化珪素膜を形成した。次いで、実施例２と同様の成
長領域を、フォトリソグラフィにより形成した。そして
、化学エツチングにより、成長領域部分を開口し９周辺
領域との間に段差を設けた。

このように成長領域が離散的に設けられ２周辺領域との
間に段差を有する珪素基板に、実施例２と同様にして炭
化珪素単結晶を成長させた。

成長した炭化珪素を透過電子顕微鏡で観察したところ、
成長領域に成長した炭化珪素だけが単結晶であり１周辺
領域の炭化珪素は結晶性が低下していた。また、成長領
域における炭化珪素単結晶層の表面の積層欠陥は低減し
ており１周辺領域からの積層欠陥の侵入が起こらないこ
とがわかった。

裏施斑ｌ 基板としてＳｉ　（６１１）基板を用いた。この炭化珪
素単結晶の［０１１］軸に対し、平行方向に３０μｍ。

垂直方向に１０ａｍの矩形の成長領域を１反応性イオン
エツチングにより設けた。この場合、成長領域の代表的
な寸法は３０μｍである。

このように成長ＮＭｉが離散的に設けられた珪素基板に
、実施例１と同様にして、５０ｕｌｌの厚さの炭化珪素
単結晶を成長させた。

得られた炭化珪素単結晶の表面を熱酸化して５ｉ０２膜
を形成した後、イオン注入を行い２そしてフォトリソグ
ラフィにより開口して電極を形成することにより、成長
領域にＣ−ＭＯＳを作成した。炭化珪素の熱酸化は、　
１．１００°Ｃにて３時間行い、　０．０５μｍのＳｉ
−膜を得た。Ｎ型ＦＥＴのチャンネル、ならびにＰ型Ｆ
ＥＴのソースおよびドレインは、Ｂ゛イオン加速電圧１
００ｋｅＶおよび３０ｋｅＶで注入することにより作成
した。その後、　Ｎ型ＦＥＴのソースおよびドレインを
Ｐｏのイオン注入により形成した。

電極は適当なマスクパターンを用いて開口した状態でア
ルミニウム金属を蒸着した。

このようにして作成した各成長領域上のＣ−ＭＯＳを、
７／Ｌｚミニウム金属で順次接続することにより。

１１段のリングオシレータを構成した。このリングオシ
レータの発振周波数を測定したところ、　５．０ＭＨｚ
であった。従って、このＣ−ＭＯＳの伝搬遅延時間はＭ
ｌｏｎｓｅｃであり、上記の炭化珪素単結晶で作成され
た半導体素子が優れた電気的特性を示すことがわかった
。

（発明の効果） 本発明によれば、このように、珪素基板上に設けられた
多数の成長領域に、積層欠陥が低減された炭化珪素単結
晶を形成させ得る。このような炭化珪素単結晶を使用し
た半導体素子は優れた電気的特性を有している。さらに
、積層欠陥が低減された炭化珪素単結晶は再現性よく得
られるため。

結晶性に優れた炭化珪素単結晶を安定に供給し得ると共
に、それを使用した大規模集積回路を工業的規模で生産
することが可能となる。

４　′の　単なｉ″日 第１図は成長領域において炭化珪素単結晶の成長層から
積層欠陥が排除される原理を示す概念図。

第２図は炭化珪素単結晶の（１１１）面上の積層欠陥が
形成する正四面体を表す模式図、第３図は本発明の製造
方法において用いられる気相成長装置の一例を示す構成
断面図である。

ト・珪素基板、Ｂ・・・成長領域、Ｃ・・・炭化珪素単
結晶の成長層、　Ｅｌ、　Ｆ２．　Ｆｌ、　Ｆ２・・・
積層欠陥。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、珪素基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素
   単結晶の製造方法であって、 該基板上に炭化珪素単結晶の成長領域を設ける工程と、 該成長領域に炭化珪素単結晶をその厚さが該基板の成長
   面方位に固有な厚さと同一またはそれ以上になるように
   成長させる工程と、 を包含する炭化珪素単結晶の製造方法。