JPH02180797A - 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く、その寸
法や形状を高情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
ヘ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、　　（１１１１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、積層欠陥のない炭化珪
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、積層欠陥のない炭化珪素単結晶を
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、該基
板上に炭化珪素単結晶をその厚さＴが９次の式（１）を
満足するように成長させる工程を包含し、そのことによ
り上記目的が達成される。

Ｔ〉Δｔ　−１ｏｇ　（、ＪｒΔｔ、、／Ｇ）　／ｌｏ
ｇ　ｃｘ　　（１）二こで、Δｔは炭化珪素単結晶の臨
界層厚、Ｇは積層欠陥を排除すべき所定領域の代表的な
寸法。

およびαは炭化珪素単結晶が厚さΔｔだけ成長するごと
にその成長層表面から積層欠陥が排除される割合を表す
。

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、炭化珪素単結晶を
ある厚さ以上に成長させれば、成長層表面の所定領域か
ら積層欠陥を排除することができる。本発明者らは、成
長層のこのような厚さＴが上記の式（１）で与えられる
ことを半経験的に見い出した。成長層の層厚がこの厚さ
以上になれば、それ以後、積層欠陥は該領域には現れな
い。

ここで、第１図に示す１次元のモデル系を用いて上記の
式（１）を説明する。珪素基板への成長面は（１００）
面であるとする。該基板Ａ上に炭化珪素単結晶の成長層
Ｂ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ＥｌおよびＦ
２．　ＦｌおよびＦ２は、それぞれ正四角錐の側面に対
応しており、成長層Ｂの層厚が小さい場合、該成長層Ｂ
の表面には正方形の欠陥パターンとして現れる。上記正
四角錐の側面をなす（１１１）面は基板面と５４°４４
゛をなしている。

珪素基板Ａと炭化珪素の成長層Ｂとの界面には長さＬ当
たりＮｏ個の積層欠陥が存在すると仮定する。第１図か
ら明らかなように、成長層Ｂの層厚が。

Δｔ　＝Ｌ／　（Ｘ／ＴＮ、） になると、隣接する積層欠陥Ｅｌ、　Ｆｌが成長層表面
上の点Ｙで衝突する。この層厚Δｔを臨界層厚と呼ぶ。

同じ厚さだけ成長を繰り返すと、さらに隣の積層欠陥と
衝突する。そして、成長が進むにつれて、これらの積層
欠陥は次第に成長層Ｂの周辺部へ移動し、やがて成長層
表面から排除される。

この場合、積層欠陥は成長層の層厚がΔＬだけ増加する
ごとに割合αで減少するものとする。成長層の層厚がＴ
に達した時２表面Ｃには長さＬ当たりαＴ／４ＬＮ、個
の積層欠陥が存在する。従って、積層欠陥を排除すべき
所定領域りの代表的な寸法Ｇは次式を満足しなければな
らない。

式（２）および（３）からＬとＮｏを消失することによ
り火成式が得られる。

Ｔ〉Δｔ　−１ｏｇ　Ｃ√２Δｔ／Ｇ）　／ｌｏｇ　ａ
　　（１）この式は、珪素基板Ａ上に炭化珪素単結晶を
。

その厚さＴがこの式を満足するように成長させれば１代
表的な寸法がＧの所定領域から積層欠陥を排除し得るこ
とを示している。本発明者らは１式（１）中の臨界層厚
ΔＬと、積層欠陥が減少する割合αとを実験的に求め、
Δｔ　＝　０．１８０±０．０２μｍ。

α＝　０．９８４±０．０１という値を得た。例えば、
所定領域の代表的な寸法がＧ＝２５μＩである場合、Δ
ｔおよびαの中間値を用いると、すなわちΔｔ　＝０．
１８０［μ、１およびα＝０．９８４とすると、成長層
の層厚は約５０μｍまたはそれ以上であればよい。この
ように、後に作成する素子の寸法に応じて、所定領域の
代表的な寸法Ｇを選択し、上記の式（１）の右辺に代入
することにより、珪素基板上に成長させるべき炭化珪素
単結晶の層厚の最小値が得られる。

成長層Ｂの層厚がこの最小値を越えれば、それ以後、該
成長層表面の所定領域から積層欠陥はすべて排除される
。

積層欠陥を排除すべき所定領域の代表的な寸法は、該所
定領域の形状によって定められる。例えば、　Ｓｉ　（
１００）基板を用いた場合には、炭化珪素単結晶の成長
表面には自然面である（１００）面が現れやす・いため
、所定領域の形状として典型的に正方形が選ばれる。こ
の場合、所定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、所定領域の形状として１円形を用
いることもできる。

この場合には、該円の直径が所定領域の代表的な寸法で
ある。−船釣には、所定領域の形状は１円形または三角
形を含む多角形とされる。

なお、ここでは、　５ｉ（１００）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。上記の式（１）と同様の関係式に基づい
て無欠陥の炭化珪素単結晶を成長させることができる。

炭化珪素を成長させる方法としては、気相成長法（ＣＶ
Ｄ法）、液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）。

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、積層欠陥のない所
望の大きさの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２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ｌ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．ボル
ト１０．ナツ目１１０−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１３
が設けられている。

珪素基板は、そのまま用いるか、あるいは必要に応じて
表面を極く薄い炭化珪素単結晶膜に変えてもよい。珪素
基板の表面に炭化珪素単結晶膜を形成するには、第２図
の気相成長装置を用いて次のように行う。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，Ｃ２Ｈ４，ＣＩＨＪ
Ｉ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１〜５２である。基板の加熱温度は約１　、２０
０〜１　、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、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ｌ内へ供給する。

珪素原料ガスとしては、　Ｓｉｌ’ｌａ＋　ｓｔｃ＋４
．　ＳｉＨ□Ｃ１□。

（ＣＨ３）　１ｓｉｃＩ、　　（Ｃ）１３）　２ＳｉＣ
１２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
単結晶層が所定の厚さ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、基板上に炭化珪素単結晶を
所定の厚さに成長させることにより、積層欠陥のない炭
化珪素単結晶が得られる。このような炭化珪素単結晶は
２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。積層欠陥が排除された所定領域の
炭化珪素単結晶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。複数の該所定領域
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） 以下に本発明の実施例について述べる。

１立炎上 本実施例では、ソースとドレインとの間の長さが２５μ
ｌ、　ゲート長が５μｍ、　そしてゲート幅が２５μｍ
の相補性ＭＯ３を作製するための炭化珪素単結晶を成長
させた。この相補性ＭＯ５のソースおよびドレイン中に
積層欠陥が存在しないようにするために、所定領域の代
表的な寸法は２５μｍとした。

この場合、炭化珪素単結晶は約５０μｍまたはそれ以上
の層厚まで成長させる必要がある。ただし２Δｔ＝０．
１８０　　［ａｍ　］　、　　ａ＝０．９８４として計
算した。

基板としては、　５ｉ（１００）　ＩＩｓ板を用いた。

まず。

珪素基板の表面を、第２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３！とした。基板の加熱温度は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．
５ｃｃの流量で供給した。基板の加熱温度はｌ　、　３
００°Ｃであった。炭化珪素単結晶の層厚が５０ｕｍと
なる成長時間は１６時間必要であった。

得られた炭化珪素単結晶を用いて上述のゲート長５μｍ
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。

実施斑１ 本実施例では、実施例１と同じサイズの相補性ＭＯＳを
作製するための炭化珪素単結晶を異なる方式で成長させ
た。所定領域の代表的な寸法は２５μｍであり、成長さ
せるべき炭化珪素単結晶の層厚は約５０μｍまたはそれ
以上である。

まず、成長時間を８時間とすること以外は実施例１と同
様にして１層厚が約２５μｍの炭化珪素単結晶を成長さ
せた。次いで、珪素基板をエツチングにより除去した。

そして、この炭化珪素単結晶を１　、５００±１００℃
まで加熱し、再び気相成長を行った。この際、モノシラ
ンガスおよびプロパンガスは、それぞれ毎分０．５ｃｃ
の流量で供給した。８時間にわたる気相成長により、炭
化珪素単結晶の層厚は最終的に７５μｍになった。

得られた炭化珪素単結晶を用いて上述のゲート長５μｍ
の相補性ＭＯ３を作成したところ、優れた電気的特性を
示した。なお、得られた炭化珪素単結晶は、必要に応じ
て珪素基板と接していた表面をエツチングすることによ
って薄＜シてもよい。

（発明の効果） 本発明によれば、このように、珪素基板上に積層欠陥の
ない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、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　　　な看゛Ｕ 第１図は炭化珪素単結晶の成長層から積層欠陥が排除さ
れる原理を説明するための概念図、第２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。

Ａ・・・珪素基板、Ｂ・・・炭化珪素単結晶の成長層。

Ｄ・・・積層欠陥を排除すべき所定領域、　Ｅｌ、　Ｆ
２．　Ｆｌ。

Ｆ２・・・積層欠陥。

以上 第１図

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をその厚さＴが次の式（１）
   を満足するように成長させる工程を包含する炭化珪素単
   結晶の製造方法： Ｔ＞Δｔ・ｌｏｇ（√２Δｔ／Ｇ）／ｌｏｇα（１）こ
   こで、Δｔは炭化珪素単結晶の臨界層厚、Ｇは積層欠陥
   を排除すべき所定領域の代表的な寸法、およびαは炭化
   珪素単結晶が厚さΔｔだけ成長するごとにその成長層表
   面から積層欠陥が排除される割合を表す。