JP2014189422A - 単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶欠陥を低減することができる単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板及びその製造方法を得る。
【解決手段】平坦性を有する４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板１を準備する。４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板１上に凹部２を有する単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３をエピタキシャル成長させる。単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３の膜厚をＸ［μｍ］とすると、凹部２の直径Ｙ［μｍ］は０．２×Ｘ［μｍ］以上、２×Ｘ［μｍ］以下であり、かつ凹部２の深さＺ［ｎｍ］は０．９５×Ｘ［μｍ］＋０．５［ｎｍ］以上、１０×Ｘ［μｍ］以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、結晶欠陥を低減することができる単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板及びその製造方法に関する。

近年、バンドギャップ、絶縁破壊電界強度、飽和ドリフト速度、熱伝導度がシリコンに比べて相対的に大きい炭化珪素（以下ＳｉＣと記す）が、主に電力制御用パワーデバイス材料として注目されている。このＳｉＣを用いたパワーデバイスは、電力損失の大幅な低減、小型化などが可能であり、電源電力変換時の省エネルギ化が実現できるため、電気自動車の高性能化、太陽電池システム等の高機能化等、低炭素社会実現の上でキーデバイスとなる。

ＳｉＣパワーデバイスの仕様によりドーピング密度及び膜厚がほぼ既定され、通常、バルク単結晶基板より高い精度が求められる。そこで、４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板上に予め半導体デバイスの活性領域が熱ＣＶＤ法（熱化学気相堆積法）等によりエピタキシャル成長される。ここでいう活性領域とは、結晶中におけるドーピング密度及び膜厚が精密に制御された領域のことである。

４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板には、ｃ軸方向に伝播するらせん転位、刃状転位、ｃ軸と垂直方向に伝播する転位（基底面転位）が内在している。これらの転位は、基板上に成長させたエピタキシャル膜に伝播する。更にエピタキシャル成長時に新たな転位ループや積層欠陥が導入される。これらの結晶欠陥は、このＳｉＣ基板を用いたデバイスの耐電圧特性、信頼性、歩留りを低下させ、実用化の弊害となる場合がある。

なお、単結晶３Ｃ−ＳｉＣ基板の製造方法として、平坦面に表面ピットが点在する表面状態となるように単結晶３Ｃ−ＳｉＣ層を形成することで、結晶欠陥を低減する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２２５４２１号公報

立方晶である３Ｃ−ＳｉＣと六方晶である４Ｈ−ＳｉＣは、結晶構造、即ち原子配列が異なるため、成長条件が大きく異なる。例えば３Ｃ−ＳｉＣの成長温度は１０００〜１１００℃であるのに対し、４Ｈ−ＳｉＣの成長温度は１６００〜１８００℃と非常に高温になる。従って、単結晶３Ｃ−ＳｉＣ基板の結晶欠陥を低減する方法は単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板には適用できず、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板において結晶欠陥を低減する方法は知られていなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は結晶欠陥を低減することができる単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板及びその製造方法を得るものである。

本発明に係る単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法は、平坦性を有する４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板を準備する工程と、前記４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板上に凹部を有する第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程とを備え、前記第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層の膜厚をＸ［μｍ］とすると、前記凹部の直径Ｙ［μｍ］は０．２×Ｘ［μｍ］以上、２×Ｘ［μｍ］以下であり、かつ前記凹部の深さＺ［ｎｍ］は０．９５×Ｘ［μｍ］＋０．５［ｎｍ］以上、１０×Ｘ［μｍ］以下である。

本発明により、結晶欠陥を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法を示す断面図である。 単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層の成長表面に形成された凹部を光学顕微鏡で観察した顕微鏡写真像である。 凹部の直径とエピタキシャル膜の膜厚の関係を示す図である。 凹部の深さとエピタキシャル膜の膜厚の関係を示す図である。 単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層の表面の凹部の密度と欠陥密度の関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法を示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法について説明する。図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係る単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法を示す断面図である。

まず、図１に示すように、主面となる（０００１）面（Ｃ面）に対して＜１１−２０＞方向へ４度のオフ角を有する４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板１を準備する。ここで、オフ角は４度に限ったものではなく、２度〜１０度の範囲内であればよい。

具体的には、４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板１に対し、機械研磨、及び酸性又はアルカリ性を呈する薬液を用いた化学機械研磨により平坦化処理を行う。さらに、アセトンを用いて超音波洗浄を施し有機物を除去する。次に、４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板１に対していわゆるＲＣＡ洗浄を行う。即ち、７５℃（±５℃）に加熱したアンモニア水と過酸化水素水の混合液（１：９）に１０分間浸した後に、７５℃（±５℃）に加熱した塩酸と過酸化水素水（１：９）に浸す。さらに、体積比率で５％程度のフッ酸を含む水溶液に浸し、更に純水により置換処理を施すことにより、４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板１に対する表面洗浄を行う。

次に、４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板１をＣＶＤ装置に導入する。約１×１０^−７ｋＰａ程度にまで真空引きを行う。その後、１４００℃〜１７００℃程度まで加熱し、還元性ガス雰囲気中でのアニール工程を実施する。次に、図２に示すように、原料ガスを供給して、４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板１上に、直径２〜２０μｍ、最深部の深さ１０〜１００ｎｍの凹部２を有する単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３をエピタキシャル成長させる。原料ガスには、例えば、Ｓｉ原子の供給源としてシランガス（ＳｉＨ_４）を用い、Ｃ原子の供給源としてプロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）を用い、Ｎ型ドーピングとして窒素ガスを用いる。ここでは、ＳｉＨ_４ガスを５００ｓｃｃｍ、Ｃ_３Ｈ_８ガスを２００ｓｃｃｍの流量で供給を行い、膜厚１０μｍの単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３を成膜する。また、基板界面ではキャリア濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３となり、活性領域ではキャリア濃度が８×１０^１５／ｃｍ^３となるようにＮ型ドーピングとして窒素ガスを供給した。その後、原料ガスの供給を停止し、室温まで降温させる。

ここで、発明者は、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３を形成する際に、成長炉内の圧力と温度を適切に設定することで、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３の成長表面に非常に微小な凹部２が形成されることを発見した。図３は、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層の成長表面に形成された凹部を光学顕微鏡で観察した顕微鏡写真像である。光学顕微鏡により凹部２の密度を算出したところ、その密度は約６００個／ｃｍ^２であった。この凹部２の表面形状を原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope）により測定したところ、形は非対称な楕円錐型であり、直径２〜２０μｍ、最深部の深さ１０〜１００ｎｍであった。さらに詳細な実験を繰り返した結果、凹部の大きさは成膜されるエピタキシャル膜の膜厚によって異なっており、膜が厚い方が凹部の直径や深さも大きくなることが分かった。図４は凹部の直径とエピタキシャル膜の膜厚の関係を示す図である。図５は凹部の深さとエピタキシャル膜の膜厚の関係を示す図である。実験の結果、エピタキシャル膜の膜厚をＸ［μｍ］とすると、凹部の直径Ｙ［μｍ］は０．２×Ｘ［μｍ］以上、２×Ｘ［μｍ］以下であり、かつ凹部の深さＺ［ｎｍ］は０．９５×Ｘ［μｍ］＋０．５［ｎｍ］以上、１０×Ｘ［μｍ］以下であることが分かった。

図６は、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層の表面の凹部の密度と欠陥密度の関係を示す図である。欠陥密度はフォトルミネッセンストポグラフィー法（ＰＬ−ＴＯＰＯ法）により観測した。ここでは、欠陥密度をＰＬ−ＴＯＰＯ法で観察される発光異常領域と定義する。一般的な成長条件を用いて単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層を成膜させた従来の基板の場合、光学顕微鏡では凹部はほとんど観察されず、その密度は１０個／ｃｍ^２より少ない。この場合の欠陥密度は６０個／ｃｍ^２以上となる。デバイス電極の面積が１〜２ｍｍ角以上と大きいものもあり、従来の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いると電極下に１個以上の欠陥が存在することになり、デバイスの耐電圧特性等が劣化する。

一方、凹部２の密度を１０個／ｃｍ^２以上とした本実施の形態に係る単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の場合には、欠陥密度は２個／ｃｍ^２と大幅に低減できる。凹部２の密度を１５００個／ｃｍ^２とした場合には欠陥密度は１個／ｃｍ^２と非常に低密度となった。

以上説明したように、本実施の形態では、直径Ｙ［μｍ］が０．２×Ｘ［μｍ］以上、２×Ｘ［μｍ］以下であり、かつ深さＺ［ｎｍ］が０．９５×Ｘ［μｍ］＋０．５［ｎｍ］以上、１０×Ｘ［μｍ］以下である凹部を有する単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３をエピタキシャル成長させる。これにより、結晶欠陥を低減することができる。さらに、この高品質な単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いたデバイスの耐電圧特性、信頼性、歩留りを向上させることができる。

なお、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３を形成する際に、必要に応じてＰ型ドーピング用にＡｌ、Ｂ、Ｂｅを含む有機金属材料を供給してもよい。また、成長の高速化を図るため、塩素を含むガスを併用してもよい。また、原料ガス流量を変えることで単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３の成長速度を変えることができ、成長速度が１μｍ／ｈであっても、１０μｍ／ｈであっても同様の効果があることを確認した。

また、凹部２の密度は成長炉内の圧力と温度を適切に設定することで調整できることを見出した。ただし、その条件は一義的に決定されるものでは無く、ＣＶＤ装置の炉内構成、構造等により大きく依存すると考えられ、それぞれの場合において好適な条件が決まる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２に係る単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法について説明する。図７は、本発明の実施の形態２に係る単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法を示す断面図である。

まず、実施の形態１と同様に、成長表面に凹部２を有する単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３をエピタキシャル成長により膜厚３００ｎｍで形成する。なお、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３の膜厚は３００ｎｍに限らず、５０ｎｍ〜１０μｍの範囲であればよい。次に、図７に示すように、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３上に、凹部２を埋め込むように単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層４をエピタキシャル成長により膜厚１０μｍで形成する。

このとき、ＳｉＨ_４ガスを９００ｓｃｃｍ、Ｃ_３Ｈ_８ガスを３６０ｓｃｃｍの流量で供給し、Ｎ型ドーピングとしてキャリア濃度が８×１０^１５／ｃｍ^３となるように窒素ガスを供給する。その後、原料ガスの供給を停止し、室温まで降温させる。その他の構成及び製造工程は、実施の形態１と同様である。

ここで、成長温度等を適宜設定して、ステップフロー成長と呼ばれる成長モードが支配的な成長条件で単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層４を成長させれば、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３の凹部２を埋め込むことができる。

本実施の形態に係る単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の表面の凹部２の密度を光学顕微鏡により算出したところ、約１個／ｃｍ^２と非常に低密度であった。さらに、１０μｍ角正方領域を原子間力顕微鏡により評価したところ、ステップバンチングと呼ばれる異常成長の発生も無く、平均荒さ（Ｒａ）は０．３ｎｍ以下と非常に良好な結果であった。また、ＰＬ−ＴＯＰＯ法で観測した結果、欠陥密度は２個／ｃｍ^２と非常に低く、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３の成膜時に得られた低い欠陥密度を維持できていることを確認した。

本実施の形態では、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３の凹部２を埋め込むように単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層４を形成する。これにより、結晶欠陥を低減することができ、かつ単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の平坦性を向上させることもできる。

なお、実施の形態２のように単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層を２層構造とした場合にも、図６に示した凹部の密度と欠陥密度の関係が得られる。また、凹部が形成された単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３は、必ずしも４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板１と接する必要はなく、例えば単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層４の層間にあっても同様に結晶欠陥を低減することができる。従って、要求されるデバイスの仕様により、単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層３の層位置を自由に変更することができる。この結果、活性領域のキャリア濃度と膜厚を精密に制御しながら、同時に欠陥密度の制御も可能となる。

１ ４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板、２ 凹部、３ 単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層（第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層）、４ 単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層（第２の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層）

Claims (7)

1. 平坦性を有する４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板を準備する工程と、
   前記４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板上に凹部を有する第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程とを備え、
   前記第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層の膜厚をＸ［μｍ］とすると、前記凹部の直径Ｙ［μｍ］は０．２×Ｘ［μｍ］以上、２×Ｘ［μｍ］以下であり、かつ前記凹部の深さＺ［ｎｍ］は０．９５×Ｘ［μｍ］＋０．５［ｎｍ］以上、１０×Ｘ［μｍ］以下であることを特徴とする単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法。
2. 前記第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層を形成する際に、前記第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層の成長表面に前記凹部が形成されるように成長炉内の圧力と温度を設定することを特徴とする請求項１に記載の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法。
3. 前記第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層の表面の前記凹部の密度が１０個／ｃｍ^２より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法。
4. 前記第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層上に、前記凹部を埋め込むように第２の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程を更に備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板の製造方法。
5. ４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板と、
   前記４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成され、凹部を有する第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層とを備え、
   前記第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層の膜厚をＸ［μｍ］とすると、前記凹部の直径Ｙ［μｍ］は０．２×Ｘ［μｍ］以上、２×Ｘ［μｍ］以下であり、かつ前記凹部の深さＺ［ｎｍ］は０．９５×Ｘ［μｍ］＋０．５［ｎｍ］以上、１０×Ｘ［μｍ］以下であることを特徴とする単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板。
6. 前記第１の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層の表面の前記凹部の密度が１０個／ｃｍ^２より大きいことを特徴とする請求項５に記載の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板。
7. 前記４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板上に前記凹部を埋め込むようにエピタキシャル成長により形成された第２の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ層を更に備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板。

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