JP2008094700A - 炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特性の優れた半導体素子を製造するための高品質炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素単結晶基板上にエピタキシャル薄膜を有する炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハであって、エピタキシャル薄膜が炭化珪素単結晶基板上に形成された第1のエピタキシャル薄膜とこの第1のエピタキシャル薄膜内に形成された第2のエピタキシャル薄膜とを有する炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ及びその製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ及びその製造方法に係わり、特に、高性能の電子デバイスを製造するのに好適な炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ及びその製造方法に関するものである。

炭化珪素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度に優れ、放射線に強い等の物理的、化学的性質から耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス、高周波・高耐圧電子デバイス等の基板ウェハとしてSiC単結晶ウェハの需要が高まっている。しかしながら、大面積を有する高品質のSiC単結晶基板を、工業的規模で安定に供給し得る結晶成長技術は、未だ確立されていない。それゆえ、SiCは、上述のような多くの利点及び可能性を有する半導体材料にもかかわらず、その実用化が阻まれていた。

従来、研究室程度の規模では、例えば、昇華再結晶法(レーリー法)でSiC単結晶を成長させ、半導体素子の作製が可能なサイズのSiC単結晶を得ていた。しかしながら、この方法では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法及び形状を高精度に制御することは困難である。また、SiCが有する結晶多形及び不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。一方、化学気相成長法(CVD法)を用いて珪素(Si)等の異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより立方晶のSiC単結晶を成長させることも行われている。この方法では、大面積の単結晶は得られるが、基板との格子不整合が約20%あることにより、積層欠陥等の結晶欠陥が入り易く、高品質のSiC単結晶を得ることは難しい。

これらの問題点を解決するために、SiC単結晶を種結晶として用いて昇華再結晶を行う改良型のレーリー法が提案され(非特許文献1)、多くの研究機関で実施されている。この方法では、種結晶を用いているため結晶の核形成過程を制御することができ、また、不活性ガスにより雰囲気圧力を100Pa〜15kPa程度に制御することにより結晶の成長速度等を再現性良くコントロールできる。

現在、上記の改良レーリー法で作製したSiC単結晶から口径2インチ(50.8mm)乃至3インチ(76.2mm)のSiC単結晶基板が切り出され、エピタキシャル成長、デバイス作製に供されている。例えば、SiC単結晶基板をパワーデバイス等の電子デバイスに適用しようとする場合には、通常、上記SiC単結晶基板上に、同じポリタイプを有するSiC単結晶薄膜をエピタキシャル成長させたSiC単結晶エピタキシャルウェハが用いられている。これは、パワーデバイス作製のためには、不純物濃度の高い(抵抗率の小さな)SiC単結晶層(基板)と不純物濃度の低い(抵抗率の高い)SiC単結晶層(エピタキシャル層)の2層構造にする必要があるためである。エピタキシャル層の作製には、通常、[0001]面から4°〜8°程度オフセットしたSiC単結晶基板が用いられ、CVD法等により、高純度なエピタキシャル薄膜が得られている。

現在、上記のSiC単結晶エピタキシャルウェハを用いて、SiCパワーデバイスの試作が精力的に進められているが、現状市販されているSiC単結晶エピタキシャルウェハには、結晶c軸方向にウェハを貫通する貫通転位欠陥や[0001]面内に存在する基底面転位欠陥が10³〜10⁵cm^-2程度存在しており、高性能のパワーデバイス製造を妨げている。SiC単結晶エピタキシャルウェハ中のこれら貫通転位や基底面転位は、その殆どがSiC単結晶基板中に存在していたものがエピタキシャル成長の際にエピタキシャル薄膜に引き継がれたものである。

ところで、c軸方向にほぼ平行に伝播する貫通転位は、[0001]面に垂直な面を種結晶として用いて、<0001>c軸方向と垂直方向にSiC単結晶を成長させることにより、完全に防止できることが、非特許文献2に開示されている。

また、特許文献1には、N回(Nは、N≧3の自然数)の成長工程を有し、n=1である第1成長工程においては、[1-100]面からオフセット角±20°以下の面、又は、[11-20]面からオフセット角±20°以下の面を第1成長面とした第1種結晶を用いて、上記第1成長面に直交する方向にSiC単結晶を成長させ第1成長結晶を作製し、n=2、3、…、(N-1)回目(N≧3の自然数)である中間成長工程においては、第(n-1)成長面より45〜90°傾き、且つ、[0001]面より60〜90°傾いた面を第n成長面とした第n種結晶を第(n-1)成長結晶より作製し、この第n種結晶の第n成長面に直交する方向に第n成長結晶を作製し、n=Nである最終成長工程においては、第(N-1)成長結晶の｛0001｝面よりオフセット角度±20°以下の面を最終成長面とした最終種結晶を第(N-1)成長結晶より作製し、この最終種結晶の最終成長面に直交する方向にバルク状のSiC単結晶を作製することにより、貫通転位及び基底面転位が非常に少ない高品質なSiC単結晶基板の製造方法が記載されている。
特開2003-119097号公報 Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, Vol.52 (1981) pp.146-150 J. Takahashi et al., Journal of Crystal Growth, Vol.167 (1996) pp.596-606

先に述べた非特許文献2及び特許文献1に記載されている方法では、単結晶の成長方向がc軸方向([0001]面の垂直方向)から大きく傾いた方向(傾角:60°以上)となっているために、大口径の[0001]面ウェハを得ようとした場合には、ほぼその口径に相当する長さまで結晶を成長させることが必要となる。そのため、結晶成長に要する時間が長時間化し、結晶製造の生産性が低下する。さらに、SiC単結晶成長においては、原料や坩堝の経時変化等により、最適成長条件を長時間に亘って維持するのは一般に難しい。その結果、長尺結晶の高品質化は困難なものとなる。したがって、非特許文献2及び特許文献1に記載されている方法では、結晶成長の長時間化に伴って、結晶成長の歩留まりが低下し、SiC単結晶基板及びそれを用いた作製されたSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造コストが著しく増加してしまっていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、貫通転位及び基底面転位の少ない良質の大口径[0001]面SiC単結晶エピタキシャルウェハ、及びこのSiC単結晶エピタキシャルウェハを再現性良く低コストで製造し得る方法を提供するものである。

本発明は、
(1) SiC単結晶基板上にエピタキシャル薄膜を有するSiC単結晶エピタキシャルウェハであって、該エピタキシャル薄膜が前記炭化珪素単結晶基板上に形成された第1のエピタキシャル薄膜とこの第1のエピタキシャル薄膜内に形成された第2のエピタキシャル薄膜とを有することを特徴とするSiC単結晶エピタキシャルウェハ、

(2) 前記SiC単結晶基板の[0001]面からのオフセット方向が[11-20]方向である(1)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(3) 前記SiC単結晶基板の[0001]面からのオフセット方向が[1-100]方向である(1)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(4) 前記SiC単結晶基板の[0001]面からのオフセット角度が1°以上12°以下である(1)〜(3)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(5) 前記第1のエピタキシャル薄膜の厚みが0.1μm以上1000μm以下である(1)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(6) 前記第1のエピタキシャル薄膜がSiC薄膜である(1)又は(5)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(7) 前記第2のエピタキシャル薄膜は、前記第1のエピタキシャル薄膜に形成された複数の溝部を埋めてなる(1)〜(6)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(8) 前記溝部の側壁が、[0001]面から60°以上120°以下の傾角を有する面である(7)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(9) 前記溝部の幅が0.1μm以上500μm以下である(7)又は(8)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(10) 前記溝部の深さを溝部の幅で除した溝部のアスペクト比が0.1以上10以下である(7)〜(9)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(11) 前記溝部の形成方向とSiC単結晶基板のオフセット方向との間のなす角度が-15°以上15°以下である(7)〜(10)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(12) 前記第2のエピタキシャル薄膜の転位密度が1×10³cm^-2以下である(1)、(7)〜(11)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(13) 前記第2のエピタキシャル薄膜の転位密度が1×10²cm^-2以下である(1)、(7)〜(11)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(14) 前記第2のエピタキシャル薄膜がSiC薄膜である(1)、(7)〜(13)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(15) 前記第2のエピタキシャル薄膜形成後にエピタキシャル薄膜表面を研磨してなるエピタキシャルウェハである(1)〜(14)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、
(16) 前記SiC単結晶エピタキシャルウェハの口径が50mm以上300mm以下である(1)〜(15)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ、

(17) (1)〜(16)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハ上に、絶縁膜、金属膜を順次形成してなることを特徴とする金属-絶縁膜-半導体素子、

(18) SiC単結晶基板上に第1のエピタキシャル薄膜を形成した後に、該第1のエピタキシャル薄膜に複数の溝部を形成し、該溝部の内部に第2のエピタキシャル薄膜を形成することを特徴とするSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、

(19) 前記SiC単結晶基板の[0001]面からのオフセット方向が[11-20]方向である(18)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、
(20) 前記SiC単結晶基板の[0001]面からのオフセット方向が[1-100]方向である(18)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、
(21) 前記SiC単結晶基板の[0001]面からのオフセット角度が1°以上12°以下である(18)〜(20)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、
(22) 前記第1のエピタキシャル薄膜の厚みが0.1μm以上1000μm以下である(18)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、
(23) 前記第1のエピタキシャル薄膜がSiC薄膜である(18)又は(22)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、
(24) 前記溝部の側壁が、[0001]面から60°以上120°以下の傾角を有する面である(18)〜(21)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、
(25) 前記溝部の幅が0.1μm以上500μm以下である(18)又は(24)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、
(26) 前記溝部の深さを溝部の幅で除した溝部のアスペクト比が0.1以上10以下である(18)、(24)又は(25)に記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、
(27) 前記溝部の形成方向とSiC単結晶基板のオフセット方向との間のなす角度が-15°以上15°以下である(24)〜(26)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、
(28) 前記第2のエピタキシャル薄膜がSiC薄膜である(18)、(24)〜(27)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、
(29) 前記第2のエピタキシャル薄膜形成後にエピタキシャル薄膜の表面を研磨する(18)〜(27)のいずれかに記載のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法、

(30) (18)〜(29)のいずれかに記載の製造方法で得られたSiC単結晶エピタキシャルウェハ上に、絶縁膜、金属膜を順次形成することを特徴とする金属-絶縁膜-半導体素子の製造方法、
である。

本発明によれば、改良型レーリー法により作製したSiC単結晶基板上にほぼ無転位のエピタキシャル薄膜を形成可能である。このような高品質のSiC単結晶エピタキシャルウェハを用いれば、電気的特性の優れた高周波・高耐圧電子デバイス、光学的特性の優れた青色発光素子等を製作することができる。

本発明のSiC単結晶エピタキシャルウェハの製造方法では、SiC単結晶基板上に第1のエピタキシャル薄膜を形成すると共にこの第1のエピタキシャル薄膜内に第2のエピタキシャル薄膜を成長させることにより、貫通転位及び基底面転位が低減された大口径の[0001]面エピタキシャルウェハを得ることができる。

まず、[0001]面からオフセット角度を有したSiC単結晶基板上にエピタキシャル成長を行った場合に、基板中に存在する貫通転位及び基底面転位がどのようにエピタキシャル薄膜中に引き継がれるかについて述べる。結晶c軸方向に貫通している貫通転位は、エピタキシャル成長の際に、ほぼそのままc軸方向に貫通する貫通転位としてエピタキシャル薄膜中に引き継がれる。一方、基板中に存在する基底面転位は、その約10%がそのまま基底面転位としてエピタキシャル薄膜に引き継がれるが、残りの約90%はエピタキシャル成長の際に、結晶c軸方向に伸びる貫通転位にその形態を変える。また、基板からエピタキシャル層にそのまま引き継がれた基底面転位は、エピタキシャル層内で特徴的な配置を取ることが知られている。これらの基底面転位は、エピタキシャル成長の際にステップフロー成長方向に配列し(ステップフロー成長はオフセット方向に平行に起こる)、結果としてその転位線方向がエピタキシャル成長層内でオフセット方向に平行となる。

図1を用いて、本発明の効果を説明する。先ず、本発明では、図1に示したように、SiC単結晶基板上に成長させた第1のエピタキシャル薄膜の結晶成長面に、例えば矩形の溝部を有することを特徴とする。但し、結晶成長面の溝部の形態は、以下に述べる効果を発現するものであれば、図1に示された矩形に限定されるものではなく、例えば、図2に示されたような形状からなる溝部であっても同様な効果が期待できる。

図1に示したような矩形の溝部を備えた第1のエピタキシャル薄膜上に更にエピタキシャル成長を行った場合、結晶成長の大部分はc軸にほぼ垂直方向、即ち溝部の内側壁の垂直方向に進行することになる。これは、[0001]面に比べ、[0001]面に垂直な面の方が、結晶成長に寄与する原子の付着確率が高いためである。したがって、エピタキシャル成長が進行していくに従って、溝部の内部(内側)は、c軸にほぼ垂直に成長したSiC単結晶によって埋められることになる(第2のエピタキシャル薄膜の形成)。この際、非特許文献2に示されているように、この部分においては、c軸方向に伝播する貫通転位の引き継ぎ及び新たな発生は完全に抑制される。

一方、基底面転位については、先に述べたように、最初に成長させた第1のエピタキシャル薄膜には、基板から伝播した基底面転位(基板中に存在していたものの約10%)が、下地であるSiC単結晶基板のオフセット方向とほぼ平行に配列して存在している。溝部の形成方向が基板のオフセット方向に対してある程度大きな角度を有している場合には、配列している基底面転位の内、溝部の内側壁に交差している基底面転位が、溝部の内部へのエピタキシャル成長に際して、溝部の内部へと引き継がれることになるが、溝部の形成方向を基板のオフセット方向と平行とした場合には、溝部の内側壁と基底面転位の伸展方向が平行となるため、溝部の内部への結晶成長の際に、基底面転位は成長部位に殆ど引き継がれない。

以上述べたように、第1のエピタキシャル薄膜を施した結晶成長面に特定形状の溝部を有する場合、溝部の形成方向を基板のオフセット方向と平行とすることによって、貫通転位のみならず、基底面転位も、溝部の内部に成長した第2のエピタキシャル薄膜では低減することが可能であり、結果として、溝部の内部にエピタキシャル成長したSiC単結晶の結晶性を著しく改善できる。

最初に形成する第1のエピタキシャル薄膜に形成する溝部の配置としては、SiC単結晶基板のオフセット方向と平行に配置するために、縞状が好ましいが、上記のような成長様式が実現できれば、他の配置でも構わない。また、溝部の配置の規則性(例えば、溝を等間隔に配置する等)も、上記のような成長様式が実現できれば、必ずしも必要ない。

溝部の形成方向と基板のオフセット方向と間のなす角度は、-15°以上15°以下、より好ましくは-5°以上5°以下が望ましい。溝部の形成方向と基板のオフセット方向と間のなす角度が-15°未満あるいは15°超になると、オフセット方向に整列した基底面転位の一部が、溝部の内側壁と交差するようになり、結果として溝部の内部への結晶成長において、結晶成長部位に基底面転位が引き継がれることになり好ましくない。

溝部の側壁の[0001]面からの傾角としては、60°以上120°以下、より好ましくは75°以上105°以下が望ましい。該傾角が60°未満又は120°超となった場合には、溝部の内部の結晶成長部位における、貫通転位の抑制効果が低減してしまい好ましくない。

SiC単結晶基板上に形成する第1のエピタキシャル薄膜の厚さとしては0.1μm以上1000μm以下、より好ましくは1μm以上100μm以下が望ましい。第1のエピタキシャル薄膜の厚さが0.1μm未満になると、エピタキシャル成長が基板全面で均一に起こらなくなり、本発明の効果が得られない。また、第1のエピタキシャル薄膜の厚さが1000μmを超えると、オフセット方向への均一なステップフロー成長が基板全面に亘って起こらなくなり、やはり好ましくない。

溝部の幅としては0.1μm以上500μm以下、より好ましくは1μm以上50μm以下、溝部のアスペクト比(溝の深さ÷溝の幅)としては0.1以上10以下、より好ましくは0.3以上3以下が望ましい。溝部の幅が0.1μm未満になった場合には、c軸に垂直方向への結晶成長が充分に行われず、非特許文献2に示されているような貫通転位の抑制効果が充分得られない。また、500μm以上の場合には、基板からの貫通転位の伝播は抑制できるものの、溝部の両側壁から成長した結晶の会合部(溝の中心部にできる)に新たな転位欠陥が発生し易くなり、転位欠陥低減の観点からは好ましくない。これは、溝幅が大きくなると、溝部の両側壁から成長してきた結晶部位(図1参照)が会合する際に、熱歪の影響により、格子面の不整合が起こり易くなるためである。

溝部のアスペクト比が0.1未満になると、c軸方向への結晶成長が支配的になってしまい、非特許文献2に記載されている効果が得られない。また、アスペクト比が10を超えると、溝部の上部でのみ結晶成長が起こり易くなり、結果として、溝部が上部で閉息し下部が空洞として残ってしまい、そこから欠陥が入り易くなる。

溝部の深さは溝部の幅とアスペクト比によって決定されるものであるが、溝が深くなり、エピタキシャル層を突き抜けて基板に到達した場合でも、本発明の効果は依然として期待できる。

SiC単結晶基板のオフセット方向としては、[11-20]あるいは[1-100]方向が望ましい。[11-20]方向あるいは[1-100]は、良質なエピタキシャル成長が行えるオフセット方向として知られているためである。また、[0001]面からオフセット方向への傾角としては1°以上12°以下、より好ましくは3°以上9°以下が望ましい。該傾角が1°未満の場合には、良質なエピタキシャル成長を行うことが困難になる。一方、該傾角が12°超となった場合には、ステップバンチング等により、やはりエピタキシャル膜の品質が劣化し易くなり好ましくない。

SiC単結晶の[0001]面には、極性の異なる(0001)Si面と(000-1)C面が存在するが、本発明の効果は、どちらの面極性を用いた場合にも利用可能である。

SiC単結晶基板上へのエピタキシャル薄膜の形成方法としては幾つかの方法が考えられる。まず最も一般的なものは、CVD法によるエピタキシャル成長である。CVD法では、原料をガスで供給し、この原料ガスを熱、プラズマ等により分解することにより薄膜を形成する。同じ気相からの成長では、昇華エピタキシー法も適用可能である。この方法では、基板近傍に置かれた固体原料(単結晶、多結晶、焼結体等)からの昇華ガスを原料として薄膜を成長させる。一方、液相からのエピタキシャル成長も広く行なわれている。原料を含有する液体に基板を浸漬し、原料を徐々に固化させることによりエピタキシャル成長を行う。この他、分子線エピタキシー法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、メッキ法等も適用可能と考えられ、原理的に本発明に記載されている転位の変換効果あるいは配向効果を呈するものであれば、どのような方法でも本発明に適用可能である。

エピタキシャル薄膜の成長方法は第1のエピタキシャル薄膜成長と第2のエピタキシャル薄膜成長において同じ手法を取る必要は必ずしもなく、両者において異なった成長方法あるいは堆積方法を用いても構わない。また、同じ成長方法を用いた場合でも、第1のエピタキシャル成長と第2のエピタキシャル成長で、成長温度、成長圧力、Si/C比等の成長条件を同一にする必要は全くない。それぞれの仕様に適した成長条件をそれぞれの工程で選択すればよい。特に、第2のエピタキシャル成長では、溝内部のエピタキシャル成長が優先的に起きるよう、成長条件を選択することが肝要である。さらに、基板の研磨状態によっては、エピタキシャル成長前に、基板表面の前処理が行う必要がある。1500℃程度の高温下、水素ガスや塩化水素ガス、あるいはその混合ガス等の雰囲気中、基板表面をエッチングすることにより、製造時に導入された基板表面の結晶欠陥、汚染物質等を取り除くことができる。

第1のエピタキシャル薄膜に溝部を作り付ける方法については、幾つかの方法がある。最も一般的に行われているのは、半導体プロセス等で用いられているリソグラフィー工程である。第1のエピタキシャル薄膜の結晶成長面に、樹脂レジストをパターニングし、その後、エッチング(例えば、反応性プラズマによるドライエッチング)により、レジストの開口部に溝部を形成する。レジストは、どのような形状にもパターニングできるので、任意の溝部の配置が可能である。溝部の形状は、エッチング条件を選択することにより制御可能である。また、レーザー加工や電気化学エッチング、さらにはSiC単結晶基板上へのSiC単結晶膜の選択エピタキシャル成長等によっても溝部は形成可能である。また、このような溝付け工程において、溝の側壁を始めとするウェハ表面に結晶欠陥や汚染等が導入されることがあるが、このような場合にも、第2のエピタキシャル成長前に、先に述べた高温水素エッチング、塩化水素エッチング等のエピタキシャル成長前処理を施すことによって、結晶欠陥、汚染等を取り除くことができる。

本発明のSiC単結晶エピタキシャルウェハは、溝の形状や第2のエピタキシャル薄膜の成長条件等に依存して、第2のエピタキシャル薄膜成長後、ウェハ表面に段差が生じることがある。エピタキシャルウェハ上に作製する素子によっては、この段差が素子製造の妨げになる。そこで、このような場合、エピタキシャル薄膜の表面を研磨することにより、段差を解消して平坦なエピタキシャルウェハ表面を得ることが行われる。研磨方法としては、エピタキシャルウェハ表面に機械的ダメージを残さぬように、メカノケミカル研磨等のダメージフリーの研磨方法あるいはエッチング方法を用いることが望ましい。研磨あるいはエッチング量は、段差が解消されるのであれば、可能な限り小さいことが望ましいが、実際には0.05〜500μmの範囲にあると思われる。これは、第1のエピタキシャル薄膜の厚さ範囲（0.1〜1000μm）の約半分に相当し、第2のエピタキシャル薄膜成長後に形成される段差の最大値に対応している。

本発明のSiC単結晶エピタキシャルウェハは、SiC半導体素子の製造に用いられる。エピタキシャルウェハの口径としては、50〜300mmが望ましい。本発明のSiC単結晶エピタキシャルウェハは、50mm以上300mm以下の口径を有しているので、このウェハを用いて各種デバイスを製造する際、工業的に確立されている従来の半導体(Si、GaAs等)基板用の製造ラインを使用することができ、量産に適している。また、このエピタキシャルウェハは溝部に成長したSiC単結晶の転位密度が1×10³cm^-2以下と低いため、特に、大電流、高出力のデバイス製造に適している。本発明のエピタキシャルウェハには、転位密度が低い領域と高い領域が混在しているが、本発明では転位密度の低い領域を意図した領域に作り付けることが可能である。したがって、半導体素子の動作を掌る活性領域の直下に、転位密度の低い領域を意図的に配置することが可能となり、例えば、優れた特性を有する(平均寿命の長い)金属-絶縁膜-半導体素子を高歩留りに製造できる。

また、本発明の第2のエピタキシャル成長は、第1のエピタキシャル薄膜内で場所を変えて、繰り返し行うことも可能である。第2のエピタキシャル成長を行う溝部の形成位置を、第1のエピタキシャル薄膜内において、オフセット方向と垂直方向に順次移動して行くことによって、ウェハ全面において低転位密度のSiC単結晶エピタキシャルウェハを得ることも可能である。

(実施例1)
以下に、本発明の実施例を述べる。
まず、改良レーリー法により予め製造しておいた4H型のSiC単結晶インゴットから、口径50.8mm、厚さ0.4mmの[0001]面SiC単結晶基板(基板のオフセット方向:[11-20]方向、オフセット角度:8°)を2枚用意した。一枚は、エピタキシャルウェハ製造用で、もう一枚は転位密度計測用である。用意したSiC単結晶基板を研磨した後、基板の貫通転位密度及び基底面転位密度を計測する目的で、上記SiC単結晶基板の内、一枚を約520℃の溶融KOHによりエッチングした。エッチングしたSiC単結晶基板の表面に現れたエッチピット(転位が表面と交差している箇所が選択的にエッチングされてピットが発生する)を観察・測定し、貫通転位、及び基底面転位に起因したエッチピット密度として、それぞれ1.6×10⁴cm^-2、2.1×10³cm^-2という値を得た。

その後、この評価基板と同一インゴットから切り出したもう一枚のSiC単結晶基板(転位密度はほぼ同等と考えられる)上に、SiC単結晶薄膜のエピタキシャル成長をCVD法により行った。エピタキシャル成長の条件は、成長温度1500℃、シラン(SiH₄)、プロパン(C₃H₈)、水素(H₂)の流量が、それぞれ5.0×10^-9m³/sec、3.3×10^-9m³/sec、5.0×10^-5m³/secであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は6時間で、膜厚としては約15μm成長した。

エピタキシャル成長後、上記基板のエピタキシャル成長面にレジストを塗布し、その後リソグラフィー工程によりパターニングした後、反応性イオンエッチングにより、矩形の溝(溝部)を、幅5μm、アスペクト比1、ピッチ(溝と溝の間隔)10μmで等間隔に作り付けた。エピタキシャル薄膜における溝部の配置は縞状とし、溝部の形成方向は、基板のオフセット方向([11-20]方向)と平行とした。

このようにして作製した溝部を備えた第1のエピタキシャル薄膜を有するSiC単結晶基板を再度、エピタキシャル成長炉内に入れ、2回目のエピタキシャル成長を行った。エピタキシャル成長の条件は、成長温度1500℃、シラン、プロパン、水素の流量が、それぞれ2.5×10^-9m³/sec、3.3×10^-9m³/sec、5.0×10^-5m³/secであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は約1.5時間であった。成長後に、得られたエピタキシャルウェハの表面を観察したところ、溝部の内側が2回目のエピタキシャル成長層で埋まっていることが確認できた。

こうして得られたSiC単結晶エピタキシャルウェハをラマン散乱により分析したところ、ウェハ全面で4H型のSiC単結晶層が成長できていることを確認できた。また、ノマルスキー光学顕微鏡により、得られたエピタキシャル薄膜の表面モフォロジーを観察したところ、ウェハ全面に亘って、ピット等の表面欠陥が少ない良好な表面モフォロジーを有するSiCエピタキシャル薄膜が成長されているのが分かった。

さらに、エピタキシャル薄膜中に存在する貫通転位と基底面転位密度を評価する目的で、作製したエピタキシャルウェハの表面を、溶融KOHでエッチングし、顕微鏡により貫通転位と基底面転位に対応するエッチピットの密度を調べたところ、溝部に相当する箇所においては、それぞれ30cm^-2、2.3cm^-2という値を得た。即ち、本発明のSiC単結晶エピタキシャルウェハでは、意図した箇所にほぼ無転位の単結晶層を形成できていることを確認できた。

最後に、このようにして作製したSiC単結晶エピタキシャルウェハを用いて、金属-酸化膜-SiC半導体(SiC MOS)素子を作製し、その信頼性評価[TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)試験]を行ったところ、試作した全ての素子において、1×10⁶時間以上の平均寿命が達成されているのが分かった。

(実施例2)
実施例1と同様に、改良レーリー法により予め製造しておいた4H型のSiC単結晶インゴットから、口径50.8mm、厚さ0.4mmの｛0001｝面SiC単結晶基板(基板のオフセット方向:[1-100]方向、オフセット角度:8°)を2枚用意した。一枚は、エピタキシャルウェハ製造用で、もう一枚は転位密度計測用である。用意したSiC単結晶基板を研磨した後、基板の貫通転位密度及び基底面転位密度を計測する目的で、上記SiC単結晶基板の内、一枚を約520℃の溶融KOHによりエッチングした。エッチングしたSiC単結晶基板の表面に現れたエッチピットを観察・測定し、貫通転位、及び基底面転位に起因したエッチピット密度として、それぞれ2.1×10⁴cm^-2、1.8×10³cm^-2という値を得た。

その後、この評価基板と同一インゴットから切り出したもう一枚のSiC単結晶基板(転位密度はほぼ同等と考えられる)上に、SiC単結晶薄膜のエピタキシャル成長をCVD法により行った。この際、エピタキシャル成長前に、塩化水素を2%含む塩化水素+水素混合ガスにより、1500℃の高温下、基板前処理エッチングを約10分間行った。エピタキシャル成長の条件は、成長温度1500℃、シラン(SiH₄)、プロパン(C₃H₈)、水素(H₂)の流量が、それぞれ5.0×10^-9m³/sec、3.3×10^-9m³/sec、5.0×10^-5m³/secであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は6時間で、膜厚としては約15μm成長した。

エピタキシャル成長後、上記基板のエピタキシャル成長面にレジストを塗布し、その後リソグラフィー工程によりパターニングした後、反応性イオンエッチングにより、矩形の溝(溝部)を、幅5μm、アスペクト比1、ピッチ(溝と溝の間隔)10μmで等間隔に作り付けた。エピタキシャル薄膜における溝部の配置は縞状とし、溝部の形成方向は、基板のオフセット方向([1-100]方向)と平行とした。

このようにして作製した溝部を備えた第1のエピタキシャル薄膜を有するSiC単結晶基板を再度、エピタキシャル成長炉内に入れ、2回目のエピタキシャル成長を行った。また、この際、第1回目のエピタキシャル成長時と同様に、塩化水素を2%含む塩化水素+水素混合ガスにより、1500℃の高温下、ウェハ前処理エッチングを約10分間行った。エピタキシャル成長の条件は、成長温度1530℃、シラン、プロパン、水素の流量が、それぞれ5.0×10^-9m³/sec、3.3×10^-9m³/sec、5.0×10^-5m³/secであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は約1.5時間であった。成長後に、得られたエピタキシャルウェハの表面を観察したところ、溝部の内側が2回目のエピタキシャル成長層で埋まっていることが確認できた。

また、溝部以外のところにもエピタキシャル薄膜が堆積したため、ウェハ表面に数μm程度の段差が観測された。そこで、本エピタキシャルウェハの表面を過酸化水素水等の酸化剤を添加したコロイダルシリカスラリーを用いてメカノケミカル研磨した。研磨による除去量は、約10μmであった。研磨後、ウェハ表面を観察したところ、段差は消え、平坦なエピタキシャルウェハ表面が得られているのが分かった。

こうして得られたSiC単結晶エピタキシャルウェハをラマン散乱により分析したところ、ウェハ全面で4H型のSiC単結晶層が成長できていることを確認できた。また、ノマルスキー光学顕微鏡により、得られたエピタキシャルウェハの表面モフォロジーを観察したところ、研磨等による傷が全く観測されないスムースな表面が形成されているのが分かった。

さらに、エピタキシャル薄膜中に存在する貫通転位と基底面転位密度を評価する目的で、作製したエピタキシャルウェハの表面を、溶融KOHでエッチングし、顕微鏡により貫通転位と基底面転位に対応するエッチピットの密度を調べたところ、溝部に相当する箇所においては、それぞれ35cm^-2、3.2cm^-2という値を得た。即ち、本発明のSiC単結晶エピタキシャルウェハでは、意図した箇所にほぼ無転位の単結晶層を形成できていることを確認できた。

最後に、このようにして作製したSiC単結晶エピタキシャルウェハを用いて、金属-酸化膜-SiC半導体(SiC MOS)素子を作製し、その信頼性評価[TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)試験]を行ったところ、試作した全ての素子において、1×10⁶時間以上の平均寿命が達成されているのが分かった。

(比較例)
本比較例では、第2のエピタキシャル薄膜成長を伴わない、通常のSiC単結晶エピタキシャルウェハの転位密度評価結果を示す。
まず、実施例と同様に、改良レーリー法により予め製造しておいた4H型のSiC単結晶インゴットから、口径50.8mm、厚さ0.4mmの[0001]面SiC単結晶基板(基板のオフセット方向:[11-20]方向、オフセット角度:8°)を2枚用意した。一枚は、エピタキシャルウェハ製造用で、もう一枚は転位密度計測用である。

用意したSiC単結晶基板を研磨した後、基板の貫通転位密度及び基底面転位密度を計測する目的で、上記SiC単結晶基板の内、一枚を約520℃の溶融KOHによりエッチングした。エッチングしたSiC単結晶基板の表面に現れたエッチピットを観察・測定し、貫通転位、及び基底面転位に起因したエッチピット密度として、それぞれ1. 9×10⁴cm^-2、2.0×10³cm^-2という値を得た。

その後、この評価基板と同一インゴットから切り出したもう一枚のSiC単結晶基板(転位密度はほぼ同等と考えられる)上に、SiC単結晶薄膜のエピタキシャル成長をCVD法により行った。エピタキシャル成長の条件は、成長温度1500℃、シラン(SiH₄)、プロパン(C₃H₈)、水素(H₂)の流量が、それぞれ5.0×10^-9m³/sec、3.3×10^-9m³/sec、5.0×10^-5m³/secであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は6時間で、膜厚としては約15μm成長した。

こうして得られたSiC単結晶エピタキシャルウェハをラマン散乱により分析したところ、ウェハ全面で4H型のSiC単結晶層が成長できていることを確認できた。また、ノマルスキー光学顕微鏡により、得られたエピタキシャル薄膜の表面モフォロジーを観察したところ、一部の領域でピット等の表面欠陥の集中部が見られたが、ほぼ全面に亘って良好な表面モフォロジーを有するSiCエピタキシャル薄膜が成長されているのが分かった。

本比較例では、上記エピタキシャル薄膜中に第2のエピタキシャル薄膜を成長することなしに、上記エピタキシャル薄膜中に存在する貫通転位と基底面転位密度を評価した。作製したエピタキシャルウェハの表面を、溶融KOHでエッチングし、顕微鏡により貫通転位と基底面転位に対応するエッチピットの密度を調べたところ、ほぼ全面に亘って、それぞれ2.1×10⁴cm^-2、1.8×10²cm^-2という値を得た。

最後に、このようにして作製したSiCエピタキシャルウェハを用いて、SiC MOS素子を作製し、そのTDDB試験を行ったところ、試作した殆どの素子において、1×10⁶時間を下回る平均寿命しか達成されていないのが分かった。

図1は、本発明の効果を説明するための説明図である。 図2は、本発明で用いられる溝の形状例を示す説明図である。

Claims (30)

1. 炭化珪素単結晶基板上にエピタキシャル薄膜を有する炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハであって、該エピタキシャル薄膜が前記炭化珪素単結晶基板上に形成された第1のエピタキシャル薄膜とこの第1のエピタキシャル薄膜内に形成された第2のエピタキシャル薄膜とを有することを特徴とする炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
2. 前記炭化珪素単結晶基板の[0001]面からのオフセット方向が[11-20]方向である請求項1に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
3. 前記炭化珪素単結晶基板の[0001]面からのオフセット方向が[1-100]方向である請求項1に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
4. 前記炭化珪素単結晶基板の[0001]面からのオフセット角度が1°以上12°以下である請求項1〜3のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
5. 前記第1のエピタキシャル薄膜の厚みが0.1μm以上1000μm以下である請求項1に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
6. 前記第1のエピタキシャル薄膜が炭化珪素薄膜である請求項1又は5に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
7. 前記第2のエピタキシャル薄膜は、前記第1のエピタキシャル薄膜に形成された複数の溝部を埋めてなる請求項1〜6のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
8. 前記溝部の側壁が、[0001]面から60°以上120°以下の傾角を有する面である請求項7に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
9. 前記溝部の幅が0.1μm以上500μm以下である請求項7又は8に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
10. 前記溝部の深さを溝部の幅で除した溝部のアスペクト比が0.1以上10以下である請求項7〜9のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
11. 前記溝部の形成方向と炭化珪素単結晶基板のオフセット方向との間のなす角度が-15°以上15°以下である請求項7〜10のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
12. 前記第2のエピタキシャル薄膜の転位密度が1×10³cm^-2以下である請求項1、7〜11のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
13. 前記第2のエピタキシャル薄膜の転位密度が1×10²cm^-2以下である請求項1、7〜11のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
14. 前記第2のエピタキシャル薄膜が炭化珪素薄膜である請求項1、7〜13のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
15. 前記第2のエピタキシャル薄膜形成後にエピタキシャル薄膜表面を研磨してなるエピタキシャルウェハである請求項1〜14のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
16. 前記炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの口径が50mm以上300mm以下である請求項1〜15のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ。
17. 請求項1〜16のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ上に絶縁膜、金属膜を順次形成してなることを特徴とする金属-絶縁膜-半導体素子。
18. 炭化珪素単結晶基板上に第1のエピタキシャル薄膜を形成した後に、該第1のエピタキシャル薄膜に複数の溝部を形成し、該溝部の内部に第2のエピタキシャル薄膜を形成することを特徴とする炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
19. 前記炭化珪素単結晶基板の[0001]面からのオフセット方向が[11-20]方向である請求項18に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
20. 前記炭化珪素単結晶基板の[0001]面からのオフセット方向が[1-100]方向である請求項18に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
21. 前記炭化珪素単結晶基板の[0001]面からのオフセット角度が1°以上12°以下である請求項18〜20のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
22. 前記第1のエピタキシャル薄膜の厚みが0.1μm以上1000μm以下である請求項18に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
23. 前記第1のエピタキシャル薄膜が炭化珪素薄膜である請求項18又は22に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
24. 前記溝部の側壁が、[0001]面から60°以上120°以下の傾角を有する面である請求項18〜21のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
25. 前記溝部の幅が0.1μm以上500μm以下である請求項18又は24に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
26. 前記溝部の深さを溝部の幅で除した溝部のアスペクト比が0.1以上10以下である請求項18、24又は25に記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
27. 前記溝部の形成方向と炭化珪素単結晶基板のオフセット方向との間のなす角度が-15°以上15°以下である請求項24〜26のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
28. 前記第2のエピタキシャル薄膜が炭化珪素薄膜である請求項18、24〜27のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
29. 前記第2のエピタキシャル薄膜形成後にエピタキシャル薄膜の表面を研磨する請求項18〜27のいずれかに記載の炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハの製造方法。
30. 請求項18〜29のいずれかに記載の製造方法で得られた炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハ上に、絶縁膜、金属膜を順次形成することを特徴とする金属-絶縁膜-半導体素子の製造方法。

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