JPH02180796A - 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のない炭化珪素単結晶を
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。他方、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、いまだ確立されていない。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
化が阻まれている。

従来、研究室規模では１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（ＣＶＯ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ビタキシャ
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く、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１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９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
ヘテロエピタキシャル成長法と呼ばれている。

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
。また５炭化珪素単結晶には逆位相境界と呼ばれる欠陥
が存在し、基板上の所望の位置に素子を形成する際に大
きな問題点となる。上記いずれの方法を用いても、これ
らの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。

（発明が解決しようとする課題） 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
うな積層欠陥は珪素基板と炭化珪素単結晶との界面上の
１点を頂点とする正八面体の面に沿って伸びており、該
基板上に形成された炭化珪素単結晶の成長層表面には、
正八面体の切り口に対応する形状の欠陥パターンが現れ
る。例えば、　Ｓｉ　（１００）基板を用いた場合、欠
陥パターンは正方形となる。

積層欠陥は上記正八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
てく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（特願昭６３
−１１５０８０号）。

しかしながら、　５ｉ（１００）基板上に成長領域を設
けて炭化珪素単結晶を成長させた場合、得られた炭化珪
素単結晶中には逆位相境界が存在することが多い、従っ
て、このような珪素基板上の所望の位置に半導体素子を
形成するのは困難であり９歩留まりが低下する。

これに対し、成長面方位が［１００］方向から傾斜した
珪素基板に炭化珪素単結晶を成長させた場合には、上述
のような問題はなく、基板上の所望の位置に半導体素子
を形成することができる。しかしながら、得られた炭化
珪素単結晶の寸法は。

基板の成長面方位の傾斜方向に小さくなる。例えば１円
形の成長領域で得られる炭化珪素単結晶の表面形状は、
該傾斜方向に狭く、かつ該傾斜方向に垂直な方向に長く
伸びた長方形となる。従って。

所望の寸法の炭化珪素単結晶を得るためには、基板の成
長面方位の傾斜方向における成長領域の寸法を予め所望
の寸法より大きく設定して成長を行わなければならない
。これは次のような理由によるものであると考えられる
。成長面方位が［１００］方向から傾斜した珪素基板に
は、傾斜方向に原子レベルのステップが存在し、エツチ
ングにより該基板に段差を設けた場合、この原子ステッ
プが成長領域の周辺部および側面に現れる。このような
成長領域に炭化珪素単結晶を成長させると、上記の傾斜
方向には（１１１１面が成長するのに対し、該傾斜方向
に垂直な方向には（１１１）面が成長しにくくなる。従
って、得られた炭化珪素単結晶の成長層表面の寸法は、
基板の成長面方位の傾斜方向に小さくなる。

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、逆位相境界に関する問題が発生せ
ず、積層欠陥のない所望の寸法の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のない炭化珪素単結晶
を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、成長
面方位が［１００１方向から［０１１］方向および［０
１１］方向へ傾斜した珪素基板上に。

所望の寸法の成長領域を設ける工程と、該成長領域に炭
化珪素単結晶を所定の厚さに成長させて。

該炭化珪素単結晶の積層欠陥を排除する工程とを包含し
、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の炭化珪素単結晶の製造方法においては。

成長面方位が［１００］方向から［０１１］方向および
［０１１］方向へ傾斜した珪素基板、いわゆるオフアン
グル基板が用いられる。成長面方位の傾斜角度は、これ
らの両方向に対し、それぞれ０．１〜１０’の範囲内で
あることが好ましい。このような基板を用いることによ
り、逆位相境界に関する問題が発生せず、基板上の所望
の位置に所望の寸法の半導体素子を形成することができ
る。

炭化珪素単結晶の成長領域の形状は、後に作成する半導
体素子の形状や寸法等に応じて適宜に選択される。一般
に、　Ｓｉ　（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。そこで、成長面方位が［１００］方向から
れずかに傾斜した基板を用いる本発明の場合においても
、成長領域の形状として典型的には正方形が選ばれる。

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。−船釣には、成長領域の形状は１円形、または
三角形を含む多角形とされる。

また９本発明の製造方法において、上記の成長領域の寸
法は、後に形成する半導体素子の寸法を考慮して、所望
の寸法と同程度に設定することができる。

成長領域上に成長させるべき炭化珪素単結晶の所定の層
厚は、該成長領域の寸法の関数として表すことができる
。あるいは、成長領域の寸法と成長層の層厚との間にみ
られるスケール則は、以下の実施例で述べるような実験
値を基にして経験的に求めることもできる。一般に、成
長層表面の寸法は２層厚が増大するにつれて減少する。

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、成長面方位が［１００］方向から［０１１１方向
および［０１１］方向へ傾斜した珪素基板を用意する。

そして、成長領域の形状および寸法を決定する。成長領
域の形状は後に作成される半導体素子の形状や寸法等に
応じて適宜に決定される。また、成長領域の寸法は、所
望の寸法とほぼ同一に設定される。

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３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１段差の大
きさを小さくすることができる。また５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。

なお、基板上に設けられた成長領域の周辺部に原子ステ
ップを設ける方法としては、熱アニールによる方法や化
学エツチングによる方法を用いることができる。

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、積層欠陥のない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１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１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、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
目０．ナツ）　１１゜０−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
基板の表面を極く薄い炭化珪素単結晶膜に変えてもよい
、これは第１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、　ＣＨ４，ＣｚＨｈ、　Ｃ，Ｈ
ａ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．ｏｃｃ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８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ｌ内へ
供給する。珪素原料ガスとしては、　Ｓｉ）！４．５ｉ
Ｃ１ａ、　５ｉＨ２Ｃ１ｚ、　（ＣＨｉ）、５ｉＣ１゜
（ＣＨｚｌｚＳｉＣＬｇ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、成長面方位が［１００Ｆ方
向から［０１１１方向および［０１１］方向へ傾斜した
珪素基板を用い、該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を成長させるため、逆位相境
界に関する問題がなく、該領域の炭化珪素単結晶から積
層欠陥が排除される。このようにして得られた炭化珪素
単結晶は１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ーツ
チングするとさらに良好な結果が得られる。

（実施例） 以下に本発明の実施例について述べる。

本実施例では、成長層表面の形状が２０μｍ×２０μｍ
の正方形であるような炭化珪素単結晶を作成する場合に
ついて説明する。

基板としては、第２図ａに示すような、成長面方位が［
１００１方向から［０１１］方向へ２°傾斜しかつ［０
１１］方向へ２°傾斜した珪素基板１５を用いた。該基
板１５上に、直径２０μｍの円形の成長領域１６を、電
子ビームを用いて所定の間隔で描いた。

そして１反応性イオンエツチングにより、成長領域１６
と、それ以外の領域との間に１μｌの段差を設けた（第
２図ｂ）。このようにして設けられた成長領域１６の周
辺部１７には、第２図Ｃに示すように、　　［０１１］
方向および［ＯＴｌ］方向に沿って原子ステップが現れ
ている。

次いで、成長領域１６の設けられた珪素基板１５の表面
を、第１図に示された気相装置を用いて、上述のように
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３１とした。基板の加熱湯度はｌ　、　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．
５　ｃｃの流量で供給した。基板１５の加熱温度は１，
３００’Ｃであった。上記の成長領域１６に、２０μｍ
×２０μｍの表面積を有する無欠陥の炭化珪素単結晶を
形成するには、約２５μｍの層厚が必要であり、成長時
間は８時間を要した。

得られた炭化珪素単結晶を用いてゲート長３μ鋼の相補
性ＭＯＳを作成したところ、優れた電気的特性を示した
。

（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、積層欠陥のない所望の寸法の炭化珪
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、積層欠陥のない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、珪素基板上の所望の位置に所望の寸法の半導体素子
を形成し得るため、それを使用した大規模集積回路など
を工業的規模で歩留まりよく生産することが可能となる
。

４、　′　　の　　　な普゛日 第１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、第２図ａは本発明の一実
施例に供される円形の成長領域が設けられた珪素基板の
上部平面図、第２図すは該成長領域の部分拡大断面図お
よび上部平面図、第２図Ｃは第２図すに示された斜線部
分の拡大斜視図である。

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、 成長面方位が［１００］方向から［０１１］方向および
   ［０１１］方向へ傾斜した珪素基板上に、所望の寸法の
   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所定の厚さに成長させる
   工程と、 を包含する炭化珪素単結晶の製造方法。