JP2015078094A - ＳｉＣ層の形成方法、３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル基板の製造方法、および３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル基板 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶軸が揃った下地炭化層をＳｉ基板上に形成する。
【解決手段】ＳｉＣ層の形成方法は、炭素源ガスからＳｉ基板への炭素の取り込み量が飽和する第１圧力以下であり、前記炭素源ガスによる前記Ｓｉ基板の炭化反応の平衡蒸気圧より低く、かつ前記炭化反応によって形成される炭化層に多孔質欠陥が生じない圧力より高い第２圧力以上の圧力の前記炭素源ガスを用いて前記Ｓｉ基板の表面を炭化する工程を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル層を成長する技術に関する。

ＳｉＣはＳｉと比べて２倍以上のバンドギャップを有するワイドギャップ半導体であり、例えば高耐圧デバイス用の材料として期待されている。ＳｉＣは多くの結晶多形を有し、代表的なものとして六方晶系の４Ｈ−または６Ｈ−ＳｉＣ、および立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣが知られている。これらは電気的特性が異なるため、それぞれ異なる用途が期待されている。

ＳｉＣは融点の高い材料であり、単結晶の基板を作製することが難しい。そのため、ＳｉＣデバイスの作製には、Ｓｉ基板上へのＳｉＣのヘテロエピタキシャル成長が検討されている。しかし、Ｓｉ基板上にヘテロエピタキシャル成長を行うときの成長温度は１３５０℃前後と非常に高温であり、シリコンの融点（１４２０℃）に近い温度である。したがって、Ｓｉ基板を成長温度まで昇温すると、基板表面からＳｉが昇華してしまい、正常にエピタキシャル成長をすることができない。この対策として、Ｓｉ基板表面を炭化させて昇華を防ぐ技術が知られている。炭化処理したＳｉ基板上には、ＳｉＣをエピタキシャル成長することができる。

Ｓｉと３Ｃ−ＳｉＣとの格子定数の差および熱膨張係数の差により、ＳｉＣ／Ｓｉ界面に大きな内部応力が発生してしまう。炭化処理によりＳｉ基板上に形成されるＳｉＣ層（以下「下地炭化層」という）は、この内部応力を緩和するため、下地炭化層に多数の結晶欠陥を形成する。この結晶欠陥は上に成長する３Ｃ−ＳｉＣ層の結晶性に影響を与える。しかし、３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル層を厚膜化することで、結晶欠陥同士が打ち消しあい消滅する機構が働き、エピタキシャル層の表面部に近い部分に結晶性が改善することも知られている。一方で、内部応力を緩和するために、結晶軸をＳｉ基板から僅かにずらして成長することも確認されている。この結晶軸のずれは、単一の方向を向いているのではなく、結晶方位に対し幾つかの方向に傾いている。この結晶軸が傾いた下地炭化層の上に３Ｃ−ＳｉＣ層をエピタキシャル成長すると、結晶軸が異なる結晶粒を含んだ層として成長してしまい、均質な単結晶エピタキシャル層を成長することが困難である。

特許文献１は、六方晶系のＳｉＣ基板上への窒化物半導体の結晶成長において、非極性面であるＭ面（１０−１０）を露出させたＳｉＣ基板上に窒化物半導体結晶を成長させ、ＳｉＣ基板のｍ軸方向と窒化物半導体結晶のｍ軸方向とがオフ角を生じるように形成し、平坦な窒化物半導体層を形成する方法を開示している。

特開２００７−３２４４２１号公報

特許文献１の技術は、六方晶系結晶および、ＳｉＣ基板上の窒化物半導体に限定された方法であり、他の結晶系、および材料の組み合わせには全く適用が出来なかった。また、結晶の対称性から結晶軸が傾く等価な方向が複数存在する場合、結晶軸の傾く方向を制御することは非常に困難であった。

これに対し本発明は、結晶軸が揃った下地炭化層をＳｉ基板上に形成する技術を提供する。

本発明は、炭素源ガスからＳｉ基板への炭素の取り込み量が飽和する第１圧力以下であり、前記炭素源ガスによる前記Ｓｉ基板の炭化反応の平衡蒸気圧より低く、かつ前記炭化反応によって形成される炭化層に多孔質欠陥が生じない圧力より高い第２圧力以上の圧力の前記炭素源ガスを用いて前記Ｓｉ基板の表面を炭化する工程を有するＳｉＣ層の形成方法を提供する。
この方法によれば、結晶軸が揃った下地炭化層をＳｉ基板上に形成することができる。

前記炭素源ガスの圧力Ｐが、
であってもよい（ただし、Ｐｅは前記平衡蒸気圧である）。
この方法によれば、欠陥の少ない下地炭化層を形成することができる。

また、本発明は、炭素源ガスからＳｉ基板への炭素の取り込み量が飽和する第１圧力以下であり、前記炭素源ガスによる前記Ｓｉ基板の炭化反応の平衡蒸気圧より低く、かつ前記炭化反応によって形成される炭化層に多孔質欠陥が生じない圧力より高い第２圧力以上の圧力の前記炭素源ガスを用いて前記Ｓｉ基板の表面を炭化する工程と、前記炭化層が形成された前記Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程とを有する３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル基板の製造方法を提供する。
この方法によれば、結晶性の良好な３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル基板を得ることができる。

さらに、本発明は、上記の製造方法により製造された３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル基板を提供する。
この３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル基板によれば、より優れたデバイスを作製することができる。

３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル基板の製造方法を示すフローチャート。 炭化処理のシーケンス図の一例を示す。 炭化処理によるＳｉＣ層（下地炭化層）の成長機構を示す。 下地炭化層に発生したポーラス欠陥を示す。 下地炭化層の発生したピットを示す。 ほぼ欠陥が無い下地炭化層を示す。 実験例１の断面ＴＥＭ像を示す。 実験例２の断面ＴＥＭ像を示す。 実験例１の電子線回折像を示す。 実験例２の電子線回折像を示す。 実験例１および２における（１−１−１）回折点の強度分布を示す。 炭素源ガスの圧力が下地炭化層の結晶性に与える影響を例示する図。

１．結晶成長方法
図１は、一実施形態に係る３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル基板（エピタキシャルウエハ）の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態においては、Ｓｉ基板を用いて３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル層が形成される。Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル層を形成したものを、３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル基板という。

Ｓｉ基板は、例えば、ＣＺ（チョクラルスキー）法により成長されたＳｉ単結晶のインゴットを所定の厚さにスライスし、さらに研磨することにより得られる。基板１０としては、表面が（１００）面のものが用いられる。なお、基板１０として、表面が（１００）面から所定の角度（例えば４°）傾いた（オフセットした）基板、または表面が（１００）面以外の面方位（例えば（１１１）面）のものが用いられてもよい。さらに、基板１０は、Ｓｉインゴットからから切り出した基板に限定されない。基板１０は、石英、サファイア、ステンレス等、Ｓｉ以外の材料からなる基板上にＳｉエピタキシャル層（単結晶Ｓｉ膜）を形成したものであってもよい。本稿においてＳｉ基板とは、Ｓｉインゴットから切り出された基板およびＳｉ以外の材料からなる基板上にＳｉエピタキシャル層が形成されたもののいずれをも含む。

ステップＳ１において、Ｓｉ基板の炭化処理が行われる。すなわち、Ｓｉ基板上に下地炭化層が形成される。Ｓｉ基板の炭化処理には、例えば、コールドウォールタイプのＵＨＶ−ＣＶＤ（Ultra High Vacuum - Chemical Vapor Deposition）チャンバーが用いられる。ＵＨＶ−ＣＶＤのベース圧力は、例えば、２．０×１０^-7Ｐａである。Ｓｉ基板をＵＨＶ−ＣＶＤチャンバーに導入する前には、所定の前処理が行われる。この前処理は、例えば、Ｓｉ基板表面の自然酸化膜を除去する処理を含む。自然酸化膜は、例えば、１％ＤＨＦ溶液を用いたＳｉ基板の洗浄により除去される。

図２は、炭化処理のシーケンス図の一例を示す。下地炭化層の形成に先立ち、まず、基板のクリーニングが行われる。クリーニングは、Ｓｉ基板表面の自然酸化膜を除去するために行われる。クリーニングの条件は、例えば、７５０℃、５分である。クリーニング後、Ｓｉ基板を所定の待機温度（例えば６００℃）まで降温する。

次に、炭素源ガス（炭化元ガス）をＵＨＶ−ＣＶＤチャンバーに導入する。炭素源ガスとしては、炭化水素系ガス、例えば、メタン（ＣＨ₄）、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）、アセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）、エチレン（Ｃ₂Ｈ₄）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ₄Ｈ₁₀）、イソブタン（ｉ−Ｃ₄Ｈ₁₀）、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ₅Ｈ₁₂）等が用いられる。これらは単独で用いられてもよいし、２種以上が混合されてもよい。

炭素源ガスの導入後、Ｓｉ基板を所定の昇温速度（例えば１０℃／分）で、所定の炭化処理温度まで昇温する。炭化処理温度は、例えば９００〜１３５０℃の範囲である。Ｓｉ基板は、炭化処理温度において、所定の炭化処理時間保持される。炭化処理時間は、例えば、０〜３００分の範囲である。炭化処理時間が経過すると炭素源ガスの供給は止められ、Ｓｉ基板は待機温度まで降温される。なお、図２は、炭化処理温度が１０００℃、炭化処理時間が６０分の例を示している。図２のシーケンスはあくまで一例であり、炭化処理はこれに限定されない。

図３は、炭化処理によるＳｉＣ層（下地炭化層）の成長機構を示す図である。図中、横軸は炭素源ガスの圧力を、縦軸はＳｉＣ層の成長速度を示している。本願発明者らの研究により、Ｓｉ基板上のＳｉＣ層の形成（成長）には、主に２つの成長機構が関与していることが明らかになった。第１はエピタキシャル成長機構であり、第２は拡散律速による成長機構である。図中、実線はエピタキシャル成長機構による特性を示しており、破線は拡散律速による成長機構を示している。

炭素源ガスの圧力がより低い領域では、エピタキシャル成長機構によりＳｉＣ層が形成される。エピタキシャル成長機構は、エピタキシャル成長によりＳｉＣ層が形成される機構である。エピタキシャル成長機構において、成長速度は平衡蒸気圧Ｐｅにおいて最大となる。なお、平衡蒸気圧Ｐｅに関して、次式（１）が成立する。
ここで、Ｊ_inおよびＪ_outは、それぞれＳｉ基板表面における炭素源ガスの流入量および流出量を示している。ｍは炭素源ガスの質量を示している。Ｔは炭化処理温度［Ｋ］である。ｋはボルツマン定数である。

炭素源ガスの圧力Ｐが平衡蒸気圧Ｐｅよりも高くなると、下地炭化層の成長速度は低下する。炭素源ガスの圧力ＰがＰ＝Ｐｓとなると、エピタキシャル成長機構による成長速度はほぼゼロになる。ここで、圧力Ｐｓは、Ｃ^*が飽和する圧力である。なお、Ｃ^*は拡散種の濃度すなわち下地炭化層（Ｓｉ基板）に取り込まれる炭素の濃度を示している。

炭素源ガスの圧力Ｐが平衡蒸気圧Ｐｅよりも高い領域では、拡散律速による成長機構によりＳｉＣ層が形成される。拡散律速による成長機構において、ＳｉＣ層の成長速度は炭素源ガスの圧力ＰがＰ＜Ｐｓの範囲では比例的に増加し、Ｐ≧Ｐｓの範囲では飽和する。なお、以上の説明から明らかなように、炭素源ガスの圧力ＰがＰｅ＜Ｐ＜Ｐｓの範囲においては、エピタキシャル成長機構と拡散律速による成長機構とが並存している。

なお、炭化処理によるＳｉＣ層の形成においては、炭素源ガスの圧力等の条件に応じて下地炭化層とＳｉ基板の界面（ＳｉＣ／Ｓｉ界面）に欠陥が発生することが知られている。炭素源ガスの圧力ＰがＰ＜Ｐｅの範囲の一部においては多孔質欠陥（ポーラス欠陥）が発生する。炭素源ガスの圧力ＰがＰｅ＜Ｐ＜Ｐｓの範囲の一部においてはピット（ピンホール）が発生する。炭素源ガスの圧力ＰがＰ＞Ｐｓの範囲ではピットがほとんど発生しない。なお、図３は、Ｐ＜Ｐｅの範囲のすべてにおいて多孔質欠陥が発生することを意味するものではない。同様に、図３は、Ｐｅ＜Ｐ＜Ｐｓの範囲のすべてにおいてピットが発生することを意味するものではない。

図４Ａ〜Ｃは、下地炭化層の欠陥を例示する図である。図４Ａはポーラス欠陥を、図４Ｂはピットを、図４Ｃは欠陥が無い状態を、それぞれ示している。このような欠陥の低減の観点から、従来は、炭化処理における炭素源ガスは、高圧（例えば大気圧程度）で用いられていた。なお、図４Ａ〜Ｃにおいて、炭素源ガスとしてはＣ₂Ｈ₄を用いた。また、炭化処理温度は１０００℃であった。その他の条件は以下のとおりである。なお、いずれの例でも平衡蒸気圧は１．２×１０^-2Ｐａである。
図４Ａ
炭化処理時間：３０分
炭素源ガス圧力：２．６×１０^-3Ｐａ
図４Ｂ
炭化処理時間：５分
炭素源ガス圧力：７．８×１０^-3Ｐａ
図４Ｃ
炭化処理時間：５分
炭素源ガス圧力：７．８×１０^-2Ｐａ

これに対して本実施形態においては、比較的低圧、具体的には、圧力Ｐｓ（第１圧力の一例）以下の圧力の炭素源ガスを用いて炭化処理が行われる。また、炭素源ガスの圧力は、第２圧力以上であることが好ましい。第２圧力は、平衡蒸気圧Ｐｅより低く、かつ下地炭化層に多孔質欠陥が発生しない圧力より高い。下地炭化層に多孔質欠陥が発生しない圧力は、例えばＰｅ／３以上の圧力である。また、ピンホール欠陥の観点から、炭素源ガスの圧力Ｐは、２Ｐｅ以下であることが好ましい。すなわち、炭素源ガスの圧力Ｐは、次式（２）
の範囲にあることが好ましい。例えば図４Ａでは多孔質欠陥が発生しているが、このときの炭素源ガスの圧力は、Ｐｅ／３（＝４．０×１０^-3Ｐａ）よりも低く、式（２）の範囲から外れている。

再び図１を参照する。ステップＳ２において、３Ｃ−ＳｉＣ層のエピタキシャル成長が行われる。３Ｃ−ＳｉＣ層のエピタキシャル成長はどのような方法により行われてもよいが、例えばＣＶＤにより行われる。

炭素の原料ガスとしては、炭化水素系ガス、例えば、メタン（ＣＨ₄）、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）、アセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）、エチレン（Ｃ₂Ｈ₄）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ₄Ｈ₁₀）、イソブタン（ｉ−Ｃ₄Ｈ₁₀）、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ₅Ｈ₁₂）等が用いられる。これらは単独で用いられてもよいし、２種以上が混合されてもよい。なお、３Ｃ−ＳｉＣのエピタキシャル成長に用いられる炭素の原料ガスは、Ｓｉ基板の炭化処理に用いられる炭素源ガスと同じであってもよいし、異なっていてもよい。

シリコンの原料ガスとしては、シラン系ガス、例えば、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ₄）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）、ヘキサクロロジシラン（Ｓｉ₂Ｃｌ₆）、シラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、モノメチルシラン（ＳｉＨ₃（ＣＨ₃））、ジメチルシラン（ＳｉＨ₂（ＣＨ₃）₂）、トリメチルシラン（ＳｉＨ（ＣＨ₃）₃）等が用いられる。これらは単独で用いられてもよいし、２種以上が混合されてもよい。

成長温度は、例えば９５０〜１４００℃の範囲である。なお、３Ｃ−ＳｉＣ層をエピタキシャル成長する方法はＣＶＤによるものに限定されないＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）等の真空蒸着法を用いてエピタキシャル成長が行われてもよい。

２．実施例
ここでは、以下の条件で下地炭化層の形成を行った。
炭化処理温度：１０００℃
炭化処理時間：６０分
炭素源ガス：Ｃ₂Ｈ₄
炭素源ガス圧力：７．８×１０^-3Ｐａ（実験例１）
７．８×１０^-2Ｐａ（実験例２）
平衡蒸気圧Ｐｅ：１．２×１０^-2Ｐａ
Ｃ^*飽和圧力Ｐｓ：２．８×１０^-2Ｐａ

図５Ａは、実験例１の透過電子線像（断面ＴＥＭ像）を示す。実施例１の炭素源ガスの圧力は平衡蒸気圧Ｐｅより僅かに低い圧力である。下地炭化層に多孔質欠陥は発生しなかった。またこの透過電子線像から単結晶の３Ｃ−ＳｉＣがエピタキシャル成長していることがわかる。

図５Ｂは、実験例２の透過電子線像（断面ＴＥＭ像）を示す。実験例２の炭素源ガスの圧力はＣ^*の飽和圧力Ｐｓよりも高い圧力である。下地炭化層はエピタキシャル成長しておらず、結晶粒の集合体のような構造を有していることがわかる。

図６ＡおよびＢは、図５ＡおよびＢにおける電子線回折像を示す。図６ＡおよびＢは、それぞれ、実験例１および２の電子線回折像を示している。電子線回折像には、Ｓｉ基板からの回折点および下地炭化層からの回折点が現れている。例えば、図６Ａの領域Ａおよび図６Ｂの領域Ｂには、それぞれ、３Ｃ−ＳｉＣの（１−１−１）面による回折点が現れている。

図７は、実験例１および２における（１−１−１）回折点の強度分布を示している。図７の横軸は最大ピーク強度を中心とする位置を、縦軸は規格化したピーク強度を示している。中心付近のピークは、Ｓｉ基板と同じ結晶軸方向に成長したＳｉＣからの回折点を示している。中心からずれた位置に現れるピークは、結晶軸がずれた複数の結晶粒が存在することを示している。

実験例１と実験例２とを比較すると、実験例１の方が、より結晶軸がきれいに揃っていることがわかる。実験例２では、中心のピークに匹敵する別のピークが、中心の左右それぞれ現れている。すなわち、実験例２においては、結晶軸がずれた複数の結晶粒が存在していることが示されている。実験例２の下地炭化層の上に３Ｃ−ＳｉＣ層をエピタキシャル成長すると、エピタキシャル層の結晶軸が不揃いになる。一方、実験例１の下地炭化層の上に３Ｃ−ＳｉＣ層をエピタキシャル成長すると、結晶軸がより揃ったエピタキシャル層が形成される。すなわち、実験例２と比較して、より結晶性の良いエピタキシャル層を形成することができる。

図８は、炭素源ガスの圧力が下地炭化層の結晶性に与える影響を例示する図である。より具体的には、図８は、実験例１および実験例２と同じ炭素源ガス圧力条件で炭化処理時間は５分とし、エピタキシャル層の膜厚を変化させた試料の結晶性を示している。図８の横軸はエピタキシャル層の膜厚を、縦軸はＸ線回折におけるピークの半値幅（Full Width at Half Maximum、ＦＷＨＭ）を示している。半値幅が狭いほどピークが鋭く結晶性が良いことを示している。全体的に膜厚が増加すると結晶性が改善されていく傾向がある。いずれの膜厚においても、実験例１と同じ、炭素源ガスの圧力が平衡蒸気圧に近い条件の方が結晶性が良いことを示している。

Claims (4)

1. 炭素源ガスからＳｉ基板への炭素の取り込み量が飽和する第１圧力以下であり、前記炭素源ガスによる前記Ｓｉ基板の炭化反応の平衡蒸気圧より低く、かつ前記炭化反応によって形成される炭化層に多孔質欠陥が生じない圧力より高い第２圧力以上の圧力の前記炭素源ガスを用いて前記Ｓｉ基板の表面を炭化する工程
   を有するＳｉＣ層の形成方法。
2. 前記炭素源ガスの圧力Ｐが、
   である（ただし、Ｐｅは前記平衡蒸気圧である）ことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ層の形成方法。
3. 炭素源ガスからＳｉ基板への炭素の取り込み量が飽和する第１圧力以下であり、前記炭素源ガスによる前記Ｓｉ基板の炭化反応の平衡蒸気圧より低く、かつ前記炭化反応によって形成される炭化層に多孔質欠陥が生じない圧力より高い第２圧力以上の圧力の前記炭素源ガスを用いて前記Ｓｉ基板の表面を炭化する工程と、
   前記炭化層が形成された前記Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程と
   を有する３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル基板の製造方法。
4. 請求項３に記載の製造方法により製造された３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル基板。