JP2014120721A - 炭化珪素基板の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反りが抑制された炭化珪素基板を製造することが可能な炭化珪素基板の製造方法および製造装置を提供する。
【解決手段】炭化珪素基板の製造方法は、炭化珪素からなるベース基板１０を準備する工程と、ベース基板１０をサセプタ６上に接触して配置する工程と、ベース基板１０においてサセプタ６と接触する側とは反対側の表面上にエピタキシャル成長膜を形成する工程とを備えている。サセプタ６においてベース基板１０と接触する支持面には、複数の凹凸部が分散して形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素基板の製造方法および製造装置に関するものであり、より特定的には、反りが抑制された炭化珪素基板を製造することが可能な炭化珪素基板の製造方法および製造装置に関するものである。

近年、半導体装置の高耐圧化、低損失化などを可能とするため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素の採用が進められている。炭化珪素は、従来より半導体装置を構成する材料として広く用いられている珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体である。そのため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素を採用することにより、半導体装置の高耐圧化、オン抵抗の低減などを達成することができる。また、炭化珪素を材料として採用した半導体装置は、珪素を材料として採用した半導体装置に比べて、高温環境下で使用された場合の特性の低下が小さいという利点も有している。

このような半導体装置に用いられる炭化珪素基板は、たとえば炭化珪素からなるベース基板上にエピタキシャル成長膜を形成することにより製造される。また、より高品質な半導体装置を高効率に製造するという観点からは、炭化珪素基板の厚みのばらつきや反りなどを抑制することが必要となる。たとえば特開２００９−１１１２９６号公報（以下、特許文献１という）では、厚みのばらつきが抑制された半導体（シリコン）ウェーハを製造することが可能なエピタキシャル膜形成装置が開示されている。

特開２００９−１１１２９６号公報

特許文献１において開示されているエピタキシャル膜形成装置では、ウェーハの厚みのばらつきを抑制することが可能である一方、基板の反りを抑制することが困難であるという問題がある。そのため、高品質な半導体装置を高効率に製造するという観点から、反りが抑制された炭化珪素基板を製造することが可能な製造装置や製造方法が必要となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、反りが抑制された炭化珪素基板を製造することが可能な炭化珪素基板の製造方法および製造装置を提供することである。

本発明に従った炭化珪素基板の製造方法は、炭化珪素からなるベース基板を準備する工程と、ベース基板をサセプタ上に接触して配置する工程と、ベース基板においてサセプタと接触する側とは反対側の表面上にエピタキシャル成長膜を形成する工程とを備えている。サセプタにおいてベース基板と接触する支持面には、複数の凹凸部が分散して形成されている。

本発明者は、ベース基板上にエピタキシャル成長膜を形成して炭化珪素基板を製造する際、その炭化珪素基板に反りが発生する原因について詳細な検討を行った。その結果、ベース基板においてエピタキシャル成長膜を形成する側の表（おもて）面とその反対側の裏面との間に大きな温度差が生じており（裏面の温度＞表面の温度）、これに起因して当該表面と裏面とにおけるベース基板の熱伸縮量にも差が生じ、その結果炭化珪素基板の反りが増大していることを見出し、本発明に想到した。

本発明に従った炭化珪素基板の製造方法では、複数の凹凸部が分散して形成されたサセプタの支持面上にベース基板が配置され、当該ベース基板上にエピタキシャル成長膜を形成することにより炭化珪素基板が製造される。そのため、凹凸部が分散して形成されていない支持面（たとえば平坦面）上にベース基板が配置される場合に比べて、ベース基板とサセプタとの接触面積をより低減することができる。これにより、たとえばサセプタを介してベース基板が加熱される場合、ベース基板においてサセプタに接触する側の裏面が表（おもて）面に対して過剰に加熱されることが抑制され、当該表面と裏面との温度差をより低減することができる。その結果、ベース基板の表面と裏面とにおける熱伸縮量の差も小さくなり、これに起因した炭化珪素基板の反りの発生を抑制することができる。したがって、ベース基板が反った状態でエピタキシャル成長膜が形成されることを抑制することができるため、本発明に従った炭化珪素基板の製造方法によれば、反りが抑制された炭化珪素基板を製造することができる。

上記炭化珪素基板の製造方法において、支持面には、複数の上記凹凸部が全面にわたり形成されていてもよい。これにより、ベース基板とサセプタとの接触面積をさらに低減することができる。その結果、ベース基板における表面と裏面との温度差がさらに低減され、炭化珪素基板の反りをより効果的に抑制することができる。

上記炭化珪素基板の製造方法において、上記凹凸部は、支持面に形成された穴部を含んでいてもよい。また、上記凹凸部は、支持面に形成された突起部を含んでいてもよい。また、上記凹凸部は、支持面に沿って延びるように形成された溝部を含んでいてもよい。このようにすることにより、ベース基板とサセプタとの接触面積を低減させるために、支持面に上記凹凸部を形成することがより容易になる。

本発明に従った炭化珪素基板の製造装置は、炭化珪素からなるベース基板を接触して配置するためのサセプタと、ベース基板上にエピタキシャル成長膜を形成するためにベース基板を加熱する加熱部とを備えている。サセプタにおいてベース基板と接触する支持面には、複数の凹凸部が分散して形成されている。

本発明に従った炭化珪素基板の製造装置では、ベース基板が配置されるサセプタの支持面において、複数の凹凸部が分散して形成されている。そのため、支持面に凹凸部が分散して形成されていない場合（たとえば平坦面である場合）に比べて、ベース基板とサセプタとの接触面積をより低減することができる。これにより、たとえばサセプタを介してベース基板が加熱される場合、ベース基板においてサセプタに接触する側の裏面が表（おもて）面に対して過剰に加熱されることが抑制され、当該表面と裏面との温度差をより低減することができる。その結果、ベース基板の表面と裏面とにおける熱伸縮量の差も小さくなり、これに起因した炭化珪素基板の反りの発生を抑制することができる。したがって、ベース基板が反った状態でエピタキシャル成長膜が形成されることを抑制することができるため、本発明に従った炭化珪素基板の製造装置によれば、反りが抑制された炭化珪素基板を製造することができる。

上記炭化珪素基板の製造装置において、支持面には、複数の上記凹凸部が全面にわたり形成されていてもよい。これにより、ベース基板とサセプタとの接触面積をさらに低減することができる。その結果、ベース基板における表面と裏面との温度差がさらに低減され、炭化珪素基板の反りをより効果的に抑制することができる。

上記炭化珪素基板の製造装置において、上記凹凸部は、支持面に形成された穴部を含んでいてもよい。また、上記凹凸部は、支持面に形成された突起部を含んでいてもよい。また、上記凹凸部は、支持面に沿って延びるように形成された溝部を含んでいてもよい。このようにすることにより、ベース基板とサセプタとの接触面積を低減させるために、支持面に上記凹凸部を形成することがより容易になる。

以上の説明から明らかなように、本発明に従った炭化珪素基板の製造方法および製造装置によれば、反りが抑制された炭化珪素基板を製造することができる。

炭化珪素基板の製造装置の構成を示す概略断面図である。 炭化珪素基板の製造装置の構成を拡大して示す概略断面図である。 炭化珪素基板の製造装置の構成を拡大して示す概略上面図である。 炭化珪素基板の製造装置の構成を拡大して示す概略上面図である。 炭化珪素基板の製造装置の構成を拡大して示す概略断面図である。 炭化珪素基板の製造装置の構成を拡大して示す概略断面図である。 炭化珪素基板の製造装置の構成を拡大して示す概略断面図である。 炭化珪素基板の製造方法を概略的に示すフローチャートである。 炭化珪素基板の製造方法を説明するための概略図である。 炭化珪素基板の製造方法を説明するための概略図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

まず、本発明の一実施の形態に係る炭化珪素基板の製造装置の構成について説明する。図１および図２を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造装置であるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置１は、炭化珪素からなるベース基板１０上にエピタキシャル成長膜を形成して炭化珪素基板を製造するための装置である。ＣＶＤ装置１は、石英管２と、加熱部としてのＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）コイル３と、断熱材４と、発熱体５と、サセプタ６とを主に備えている。

図１を参照して、石英管２は、円筒形状を有し、ベース基板１０上にエピタキシャル成長膜を形成するための反応室２ａが内部に形成されている。石英管２は、一方の開口部（図中左側）からエピタキシャル成長のための反応ガスが反応室２ａ内に供給され、他方の開口部（図中右側）から当該反応ガスが排出されるように構成されている（図１中矢印）。

断熱材４は、反応室２ａと石英管２の外部とを断熱するための部材であって、石英管２の内周面２ｂに沿うように配置されている。断熱材４は、たとえばカーボン製である。

発熱体５は、ベース基板１０および反応室２ａ内に供給された反応ガスを加熱するための部材であって、断熱材４の内周面４ａに沿うように配置されている。すなわち、石英管２、断熱材４および発熱体５は、石英管２の径方向（中心から外周部に向かう方向）において、発熱体５、断熱材４、石英管２の順に配置されている。発熱体５は、ＲＦコイル３を用いた誘導加熱により加熱可能な導電性材料からなっており、たとえばカーボンからなっている。発熱体５の一方の端部には、軸方向に突出する突出部５ｂが形成されている。また、図２を参照して、発熱体５の内周面５ａを含む部分には、サセプタ６を配置するための凹部５ｃが形成されている。

図２を参照して、サセプタ６は、支持面６ａにおいてエピタキシャル成長膜を形成する対象であるベース基板１０を接触して配置するための部材である。サセプタ６は、たとえばカーボンからなり、その表面は炭化珪素（ＳｉＣ）やタンタルカーバイド（ＴａＣ）などによりコーティングされている。サセプタ６は、発熱体５の凹部５ｃ内に配置されている。

図２および図３を参照して、サセプタ６においてベース基板１０の裏面１０ｂと接触する支持面６ａには、複数の凹凸部６ｄが分散して形成されている。より具体的には、支持面６ａには、当該支持面６ａに沿って延びるように形成された溝部６ｂと平坦部６ｃとを含む凹凸部６ｄが全面にわたり形成されている。

図３を参照して、複数の溝部６ｂの各々は、一方向に延びるように形成されていてもよいし、図３に示すように互いに交差（たとえば直交）するように形成されていてもよい。また、複数の溝部６ｂの各々は、支持面６ａの一方の端部から他方の端部にまで到達するように直線状に形成されている。これにより、ベース基板１０を支持面６ａ上に配置する場合に、ベース基板１０下に溝部６ｂを位置させることが容易になる。また、一方向に延びる複数の溝部６ｂの各々は、互いに等間隔に形成されていてもよい。これにより、ベース基板１０を支持面６ａにおいて安定に保持することが容易になる。なお、溝部６ｂの数、幅、深さ、形状などは特に限定されるものではなく、適宜選択することが可能である。たとえば、溝部６ｂは、図２に示すように断面形状が矩形であってもよいし、他の形状（たとえば断面形状がＶ字形状）であってもよい。

図１および図２を参照して、ＲＦコイル３は、ベース基板１０の表（おもて）面１０ａ上にエピタキシャル成長膜を形成するためにベース基板１０を加熱するための部材であって、石英管２の外周面２ｃに巻き付けられるように配置されている。ＲＦコイル３は、高周波誘導加熱により石英管２の内部に配置された発熱体５を加熱する。より具体的には、電源（図示しない）からＲＦコイル３に高周波電流を供給することによりＲＦコイル３の周囲に変化する磁力線が発生し、当該磁力線の変化によりカーボン製の発熱体５に渦電流が流れる。そして、渦電流が流れることにより抵抗熱が発生し、発熱体５が加熱される。これにより、サセプタ６上に配置されたベース基板１０、および反応室２ａ内に供給された反応ガスが加熱され、ベース基板１０上にエピタキシャル成長膜を形成することができる。

以上のように、本実施の形態に係るＣＶＤ装置１は、炭化珪素からなるベース基板１０を接触して配置するためのサセプタ６と、ベース基板１０上にエピタキシャル成長膜を形成するためにベース基板１０を加熱するＲＦコイル３とを備えている。そして、サセプタ６においてベース基板１０と接触する支持面６ａには、溝部６ｂを含む複数の凹凸部６ｄが分散して形成されている。

本実施の形態に係るＣＶＤ装置１では、ベース基板１０が配置されるサセプタ６の支持面６ａにおいて、複数の凹凸部６ｄが分散して形成されている。そのため、たとえば支持面が平坦面である場合など、支持面に凹凸部が分散して形成されていない場合に比べて、ベース基板１０とサセプタ６との接触面積をより低減することができる。これにより、サセプタ６を介してベース基板１０が加熱される際、ベース基板１０においてサセプタ６に接触する側の裏面１０ｂが表（おもて）面１０ａに対して過剰に加熱されることが抑制され、表面１０ａと裏面１０ｂとの温度差をより低減することができる。その結果、ベース基板１０の表面１０ａと裏面１０ｂとにおける熱伸縮量の差も小さくなり、これに起因した炭化珪素基板の反りの発生を抑制することができる。したがって、ベース基板１０が反った状態でエピタキシャル成長膜が形成されることを抑制することができるため、本実施の形態に係るＣＶＤ装置１によれば、反りが抑制された炭化珪素基板を製造することができる。

また、本実施の形態に係るＣＶＤ装置１において、サセプタ６の支持面６ａには、複数の凹凸部６ｄが全面にわたり形成されていてもよい。ここで、「全面にわたり形成される」とは、支持面６ａにおいて局所的に凹凸部６ｄが形成された状態ではなく、図３に示すように支持面６ａにおいて均一に凹凸部６ｄが形成された状態を意味する。これにより、ベース基板１０とサセプタ６との接触面積をさらに低減することができる。その結果、ベース基板１０における表面１０ａと裏面１０ｂとの温度差がさらに低減され、炭化珪素基板の反りをより効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態に係るＣＶＤ装置１において、支持面６ａに形成される凹凸部６ｄは溝部６ｂを含むものであってもよいが、本発明の炭化珪素基板の製造装置はこれに限定されるものではない。すなわち、図４を参照して、サセプタ６の支持面６ａには、穴部６ｅと平坦部６ｃとを含む凹凸部６ｄが全面にわたり形成されていてもよい。また、図５を参照して、サセプタ６の支持面６ａには、突起部６ｆと平坦部６ｃとを含む凹凸部６ｄが全面にわたり形成されていてもよい。このように、溝部６ｂに代えて穴部６ｅや突起部６ｆを支持面６ａに形成した場合でも、同様にベース基板１０とサセプタ６との接触面積を低減することができる。その結果、ベース基板１０の表面１０ａと裏面１０ｂとにおける温度差が低減され、これに起因した炭化珪素基板の反りを抑制することができる。なお、穴部６ｅおよび突起部６ｆの数、形状あるいは大きさなどは特に限定されるものではなく、適宜選択することが可能である。たとえば、穴部６ｅおよび突起部６ｆの平面形状は、図４および図５に示すように円形状であってもよいが、他の任意の形状（たとえば多角形状や楕円など）であってもよい。

図６を参照して、ＣＶＤ装置１は、ベース基板１０の端部を押さえるための重り７をさらに備えていてもよい。重り７は、ベース基板１０の外周に沿った形状を有し、たとえば円環状の形状を有している。このように、重り７を用いてベース基板１０の端部を上方から押さえることにより、基板の反りをより効果的に抑制することができる。

図７を参照して、重り７は、ベース基板１０の表面１０ａに対して９０°未満の角度を成す斜面７ａ，７ｂを有していてもよい。これにより、石英管２の反応室２ａ内（図１参照）に供給された反応ガスは、重り７の斜面７ａ，７ｂに沿って滑らかに表面１０ａ上を流れることができる（図７中矢印）。その結果、重り７をベース基板１０に配置することによりエピタキシャル成長のための反応ガスの流れが乱れることを抑制することができる。

次に、本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法について説明する。本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法は、上記本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造装置としてのＣＶＤ装置１を用いて実施される。図８を参照して、まず、工程（Ｓ１０）として、ベース基板準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図９を参照して、たとえば４Ｈ型の六方晶炭化珪素からなるインゴット（図示しない）をスライスすることにより、炭化珪素からなり、表（おもて）面１０ａおよび裏面１０ｂを有するベース基板１０が準備される。

次に、工程（Ｓ２０）として、ベース基板配置工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図１および図２を参照して、上記工程（Ｓ１０）において準備されたベース基板１０が、ＣＶＤ装置１のサセプタ６の支持面６ａ上に接触するように配置される。ここで、図１および図２に示すように、サセプタ６の支持面６ａには溝部６ｂと、平坦部６ｃとを含む凹凸部６ｄが分散して形成されている。そのため、ベース基板１０は、裏面１０ｂの全面が支持面６ａに接触することなく（すなわち、ベース基板１０とサセプタ６との間に隙間が形成された状態で）支持面６ａ上に配置される。

次に、工程（Ｓ３０）として、エピタキシャル成長膜形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図１を参照して、まず、ＲＦコイル３に高周波電流を供給することにより発熱体５が加熱される。これにより、反応室２ａおよび反応室２ａ内に配置されたベース基板１０が所定の温度にまで加熱される。次に、石英管２の一方の開口部から反応室２ａ内に反応ガスが供給される。反応ガスは、水素（Ｈ_２）などのキャリアガス、シラン（ＳｉＨ_４）およびプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）などの原料ガス、および窒素（Ｎ_２）などのドーパントガスを含んでいる。次に、反応室２ａ内に供給された反応ガスが加熱されることにより、反応ガス中に含まれるシラン、プロパンおよび窒素が熱分解される。この結果、図１０に示すようにベース基板１０の表面１０ａ上に窒素がドープされたエピタキシャル成長膜１１が形成される。このようにして上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ３０）が実施されることにより、ベース基板１０とエピタキシャル成長膜１１とを有する炭化珪素基板２０が製造され、本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法が完了する。

以上のように、本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法は、炭化珪素からなるベース基板１０を準備する工程（Ｓ１０）と、ベース基板１０をＣＶＤ装置１のサセプタ６上に接触して配置する工程（Ｓ２０）と、ベース基板１０においてサセプタ６と接触する側とは反対側の表面１０ａ上にエピタキシャル成長膜１１を形成する工程（Ｓ３０）とを備えている。そして、サセプタ６においてベース基板１０と接触する支持面６ａには、溝部６ｂを含む複数の凹凸部６ｄが分散して形成されている。

本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法では、複数の凹凸部６ｄが分散して形成されたサセプタ６の支持面６ａ上にベース基板１０が配置され、当該ベース基板１０上にエピタキシャル成長膜１１を形成することにより炭化珪素基板２０が製造される。そのため、凹凸部が分散して形成されていない支持面（たとえば平坦面）上にベース基板が配置される場合に比べて、ベース基板１０とサセプタ６との接触面積をより低減することができる。これにより、サセプタ６を介してベース基板１０が加熱される場合、ベース基板１０においてサセプタ６に接触する側の裏面１０ｂが表（おもて）面１０ａに対して過剰に加熱されることが抑制され、表面１０ａと裏面１０ｂとの温度差をより低減することができる。その結果、ベース基板１０の表面１０ａと裏面１０ｂとにおける熱伸縮量の差も小さくなり、これに起因した炭化珪素基板２０の反りの発生を抑制することができる。したがって、ベース基板１０が反った状態でエピタキシャル成長膜１１が形成されることを抑制することができるため、本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法によれば、反りが抑制された炭化珪素基板２０を製造することができる。

なお、上記凹凸部は、溝部６ｂ、穴部６ｅまたは突起部６ｆを含む形状を有するものに限定されず、たとえば研磨加工や機械加工などによりランダムな形状を含むものであってもよい。また、上記凹凸部は、溝部６ｂ、穴部６ｅおよび突起部６ｆのうちから選択される少なくとも二種を組み合わせた形状を有していてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の炭化珪素基板の製造方法および製造装置は、反りが抑制された炭化珪素基板を製造することが要求される炭化珪素基板の製造方法および製造装置において、特に有利に適用され得る。

１ ＣＶＤ装置、２ 石英管、２ａ 反応室、２ｂ，４ａ，５ａ 内周面、２ｃ 外周面、３ コイル、４ 断熱材、５ 発熱体、５ｂ 突出部、５ｃ 凹部、６ サセプタ、６ａ 支持面、６ｂ 溝部、６ｃ 平坦部、６ｄ 凹凸部、６ｅ 穴部、６ｆ 突起部、７ 重り、１０ ベース基板、１０ａ 表面、１０ｂ 裏面、１１ エピタキシャル成長膜、２０ 炭化珪素基板。

Claims (10)

1. 炭化珪素からなるベース基板を準備する工程と、
   前記ベース基板をサセプタ上に接触して配置する工程と、
   前記ベース基板において前記サセプタと接触する側とは反対側の表面上にエピタキシャル成長膜を形成する工程とを備え、
   前記サセプタにおいて前記ベース基板と接触する支持面には、複数の凹凸部が分散して形成されている、炭化珪素基板の製造方法。
2. 前記支持面には、複数の前記凹凸部が全面にわたり形成されている、請求項１に記載の炭化珪素基板の製造方法。
3. 前記凹凸部は、前記支持面に形成された穴部を含む、請求項１または２に記載の炭化珪素基板の製造方法。
4. 前記凹凸部は、前記支持面に形成された突起部を含む、請求項１または２に記載の炭化珪素基板の製造方法。
5. 前記凹凸部は、前記支持面に沿って延びるように形成された溝部を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
6. 炭化珪素からなるベース基板を接触して配置するためのサセプタと、
   前記ベース基板上にエピタキシャル成長膜を形成するために前記ベース基板を加熱する加熱部とを備え、
   前記サセプタにおいて前記ベース基板と接触する支持面には、複数の凹凸部が分散して形成されている、炭化珪素基板の製造装置。
7. 前記支持面には、複数の前記凹凸部が全面にわたり形成されている、請求項６に記載の炭化珪素基板の製造装置。
8. 前記凹凸部は、前記支持面に形成された穴部を含む、請求項６または７に記載の炭化珪素基板の製造装置。
9. 前記凹凸部は、前記支持面に形成された突起部を含む、請求項６または７に記載の炭化珪素基板の製造装置。
10. 前記凹凸部は、前記支持面に沿って延びるように形成された溝部を含む、請求項６〜９のいずれか１項に記載の炭化珪素基板の製造装置。

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