JP2015146416A - 炭化珪素基板用支持部材、炭化珪素成長装置用部材、および炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化珪素エピタキシャル層の成長時に、炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保つとともに、炭化珪素基板への不純物の取り込みを抑えることを可能にするための部材、および、その部材を用いた炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法を提供する。
【解決手段】基板指示部材２１は、炭化珪素基板（ベース基板１）が載せられるための基板搭載面２１ａと、基板搭載面２１ａと反対側に位置して、基板支持部材２１を炭化珪素成長装置の内部に設置するための設置面２１ｂとを有する。ベース基板１の第１の主面１Ａに、エピタキシャル成長によって炭化珪素層が形成される。基板支持部材２１の少なくとも基板搭載面２１ａは、炭化珪素層のエピタキシャル成長が実行される温度において固相を維持する材料の表面である。
【選択図】図５

Description

本発明は、炭化珪素基板用支持部材、炭化珪素成長装置用部材、および炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法に関する。

炭化珪素のような化合物半導体を基板上にエピタキシャル成長させる際には、高温下で処理用ガス（原料ガス等）を反応させてエピタキシャル成長を行う必要がある。

従来、炭化珪素のエピタキシャル成長に用いられるエピタキシャル成長装置において、成長室を構成する発熱体あるいはサセプタといった部材には、誘導加熱可能でかつ耐熱性が高い材料が用いられている。

たとえば炭素材料（たとえばグラファイト）が、発熱体あるいはサセプタといった部材に用いられる。炭素材料の表面は、たとえば炭化珪素膜でコーティングされる。コーティング膜は、サセプタ基材からのカーボン粉の脱落を抑制するとともに、加熱による微量の不純物元素の表面拡散を抑制する機能を果たす。たとえば特開２００６−２８６２５号公報（特許文献１）は、炭素基材の表面が膜によってコーティングされたサセプタを開示する。このコーティング膜は、キャリアガスに対するエッチング耐性の高い膜であり、たとえば熱分解炭素膜である。

特開２００６−２８６２５号公報

炭化珪素のエピタキシャル成長の際には、炭化珪素基板よりもサセプタのほうが温度が高くなる。従来のエピタキシャル成長装置において、炭化珪素基板は、サセプタに接触した状態でサセプタに置かれていた。

サセプタのコーティング材が炭化珪素の膜である場合、炭化珪素膜のエピタキシャル成長時に、コーティング材から炭化珪素が昇華して、その昇華した炭化珪素が炭化珪素基板の裏面において再結晶化する可能性がある。このために、炭化珪素基板の裏面の粗さが大きくなることが起こり得る。炭化珪素基板の裏面の粗さが大きくなると、炭化珪素半導体装置の製造工程において、たとえば炭化珪素基板の吸着（チャック）の不良が発生するといった課題が発生しうる。

このような課題を解決するために、コーティング材の材料を炭化珪素以外の材料に変更することが考えられる。しかしながら、コーティング材から炭化珪素半導体基板に取り込まれる窒素原子の濃度（バックグラウンド濃度）が増える可能性がある。

本発明の目的は、炭化珪素エピタキシャル層の成長時に、炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保つとともに、炭化珪素基板への不純物の取り込みを抑えることを可能にするための部材、および、その部材を用いた炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法を提供することである。

本発明の一態様に係る炭化珪素基板用支持部材は、炭化珪素成長装置の内部で炭化珪素層のエピタキシャル成長が行なわれる炭化珪素基板を支持するための炭化珪素基板用支持部材である。炭化珪素基板用支持部材は、炭化珪素基板が載せられるための基板搭載面と、基板搭載面と反対側に位置して、炭化珪素基板用支持部材を炭化珪素成長装置の内部に設置するための設置面とを有する。炭化珪素基板用支持部材の少なくとも基板搭載面は、炭化珪素層のエピタキシャル成長が実行される温度において固相を維持する材料の表面である。

上記によれば、炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させる際に、炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保ちつつ、炭化珪素基板への不純物の取り込みを抑えることができる。

本発明の実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る炭化珪素成長装置を説明するための断面図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態に係る炭化珪素成長装置において、サセプタ周辺の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る炭化珪素成長装置において、サセプタ周辺の構成を示す平面図である。 ベース基板が反っている場合の課題を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る基板支持部材２１の他の形状を示した断面図である。 本発明の実施の形態に係る基板支持部材２１のさらに他の形状を示した断面図である。 本発明の実施の形態に係る基板支持部材２１の別の構成例を示した図である。 本発明の実施の形態に係る基板支持部材２１のさらに別の構成例を示した図である。 本発明の実施の形態に係る基板支持部材２１のさらに別の構成例を示した図である。

[本発明の実施形態の説明]
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。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。

最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
（１）本発明の一態様に係る炭化珪素基板用支持部材は、炭化珪素成長装置（１００）の内部で炭化珪素層（２）のエピタキシャル成長が行なわれる炭化珪素基板（１）を支持するための炭化珪素基板用支持部材である。炭化珪素基板用支持部材（２１）は、炭化珪素基板（１）が載せられるための基板搭載面（２１ａ）と、基板搭載面（２１ａ）と反対側に位置して、炭化珪素基板用支持部材（２１）を炭化珪素成長装置（１００）の内部に設置するための設置面（２１ｂ）とを有する。炭化珪素基板用支持部材（２１）の少なくとも基板搭載面（２１ａ）は、炭化珪素層のエピタキシャル成長が実行される温度において固相を維持する材料の表面である。

上記構成によれば、炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させる際に、炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保ちつつ、炭化珪素基板への不純物の取り込みを抑えることができる。

炭化珪素基板の周囲の部材（たとえばサセプタ）が炭化珪素を含む場合、その部材に含まれる窒素の濃度を低減できる。これにより、炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させる際に、炭化珪素基板の周囲の部材から、炭化珪素基板に取り込まれる窒素の濃度（バックグラウンドの窒素の濃度）を低減することができる。

一方、炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させる際に、炭化珪素を含む部材から、炭化珪素が昇華して炭化珪素基板の裏面に付着する可能性がある。炭化珪素基板を支持部材に載せることにより、炭化珪素基板の裏面は、支持部材の基板搭載面によって塞がれる。これにより炭化珪素基板の周囲の部材から昇華した炭化珪素が炭化珪素基板の裏面に再付着することを防ぐことができる。したがって、炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保つことができる。

さらに、支持部材の基板搭載面は、炭化珪素層のエピタキシャル成長が実行される温度において、固相を維持する材料の表面である。したがって、炭化珪素層のエピタキシャル成長時に、支持部材の基板搭載面を含む部分の材料が、溶融あるいは昇華によって炭化珪素基板の裏面に付着することを防ぐことができる。これによって炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保つことができる。

（２）好ましくは、上記材料は、サファイアである。
上記構成によれば、炭化珪素層のエピタキシャル成長が実行される温度において、基板搭載面を含む部分が固相を維持することができる。

（３）好ましくは、上記材料は、ダイヤモンドである。
上記構成によれば、炭化珪素層のエピタキシャル成長が実行される温度において、基板搭載面を含む部分が固相を維持することができる。

（４）好ましくは、上記材料は、炭素材料である。
上記構成によれば、炭化珪素層のエピタキシャル成長が実行される温度において、基板搭載面を含む部分が固相を維持することができる。また、炭化珪素基板用支持部材の加工を容易にすることができる。また、炭化珪素基板用支持部材を安価に実現できる。上記の炭素材料は、たとえばグラファイトである。

（５）好ましくは、炭化珪素基板用支持部材（２１）は、炭化珪素基板（１）を支持するための支持面（４１ａ）を有する母材（４１）と、支持面（４１ａ）を覆うように配置されたコート部（４２）とを含み、基板搭載面（２１ａ）は、コート部（４２）の表面である。

上記構成によれば、母材とコート部とに異なる材料を用いて支持部材を構成することができる。したがって最適な材料の組合わせによって、支持部材を構成することができる。

（６）好ましくは、炭化珪素基板用支持部材（２１）の少なくとも前記固相を維持する材料の窒素濃度が１０ｐｐｍ以下である。

上記構成によれば、炭化珪素エピタキシャル層における窒素のバックグラウンド濃度を１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下とすることができる。

（７）好ましくは、炭化珪素基板用支持部材（２１）は、平板の形状を有する。
上記構成によれば、支持部材は、炭化珪素基板を安定的に支持することができる。

（８）好ましくは、基板搭載面（２１ａ）は、曲面である。
上記構成によれば、炭化珪素基板が反っている場合にも、炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保つことができる。炭化珪素基板が反っている場合、支持部材の基板搭載面と炭化珪素基板の裏面との間に隙間が生じ得る。この隙間が大きいと、炭化珪素基板の周囲で昇華した炭化珪素が、その隙間から、炭化珪素基板の裏面に付着する可能性が高くなる。基板搭載面が曲面であることにより、炭化珪素基板が反っている場合に基板搭載面と炭化珪素基板の裏面との間の隙間を小さくすることができる。したがって、炭化珪素基板の周囲で昇華して、炭化珪素基板の裏面に付着する炭化珪素の量を減らすことができる。この結果、炭化珪素基板が反っている場合にも、炭化珪素層のエピタキシャル成長の後に、炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保つことができる。

（９）好ましくは、基板搭載面（２１ａ）と設置面（２１ｂ）との間の距離は、基板搭載面（２１ａ）の端部から基板搭載面（２１ａ）の中央部に向かうに従って小さくなる。

上記構成によれば、炭化珪素基板の裏面が、炭化珪素基板の表側から炭化珪素基板の裏面に向かう向きに凸となるように炭化珪素基板が反っている場合に、基板搭載面と炭化珪素基板の裏面との間の隙間を小さくすることができる。

（１０）好ましくは、基板搭載面（２１ａ）と設置面（２１ｂ）との間の距離は、基板搭載面（２１ａ）の端部から基板搭載面（２１ａ）の中央部に向かうに従って大きくなる。

上記構成によれば、炭化珪素基板の裏面が炭化珪素基板の表側の面に向かって凸となるように炭化珪素基板が反っている場合に、基板搭載面と炭化珪素基板の裏面との間の隙間を小さくすることができる。

（１１）好ましくは、炭化珪素基板用支持部材（２１）は、基板搭載面（２１ａ）および設置面（２１ｂ）を有する本体部（３１）と、基板搭載面（２１ａ）を囲むように配置される外周部（３２）とを含む。

上記構成によれば、炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保つことができる。たとえば炭化珪素基板が湾曲している場合には、上述のように、炭化珪素基板の裏面と支持部材の搭載面との間に隙間が生じやすい。炭化珪素基板の周囲で昇華した炭化珪素が炭化珪素基板の周囲から炭化珪素基板の裏面に付着することを外周部によって抑えることができる。したがって炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保つことができる。

（１２）好ましくは、本体部（３１）と外周部（３２）とは一体的に形成されている。
上記構成によれば、単一の材料によって支持部材を形成することができる。たとえば支持部材に含まれる窒素濃度を管理することが容易になる。

（１３）好ましくは、本体部（３１）と外周部（３２）とは互いに分離可能に形成されている。

上記構成によれば、本体部および外周部の作製が容易になる。この結果、支持部材を容易に形成することができる。

（１４）本発明の他の態様に係る炭化珪素成長装置用部材は、炭化珪素成長装置（１００）の内部で炭化珪素基板（１）の表面に炭化珪素層（２）をエピタキシャル成長させるために用いられる炭化珪素成長装置用部材である。炭化珪素成長装置用部材は、上記の炭化珪素基板用支持部材（２１）と、炭化珪素基板用支持部材（２１）を収容するための空間が形成された収容部（１１）とを備える。収容部（１１）は、炭化珪素基板用支持部材（２１）を支持するための支持面（１１ｃ）と、支持面（１１ｃ）を覆う炭化珪素膜（１２ｂ）とを含む。

上記構成によれば、炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させる際に、炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保ちつつ、炭化珪素基板への不純物の取り込みを抑えることができる。

（１５）本発明の他の実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、炭化珪素基板（１）を準備する工程と、上記（１４）に記載の炭化珪素成長装置用部材に炭化珪素基板（１）を設置する工程と、炭化珪素成長装置（１００）の内部において、炭化珪素成長装置用部材に設置された炭化珪素基板（１）に、炭化珪素エピタキシャル層（２）を形成するための原料ガスを供給し、かつ、炭化珪素基板（１）の温度をエピタキシャル成長温度まで加熱することにより、炭化珪素基板（１）の表面（１Ａ）に炭化珪素層（２）をエピタキシャル成長させる工程とを備える。

上記構成によれば、炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させる際に、炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保ちつつ、炭化珪素基板への不純物の取り込みを抑えることができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明の実施の形態の詳細について説明する。本明細書中の結晶学的記載においては、集合面を｛｝でそれぞれ示している。また結晶学上の指数が負であることは、通常、”−”（バー）をその指数の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では、結晶学上の指数が負である場合には、その数字の前に負の符号が付されている。

図１を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１０は、ベース基板１と、炭化珪素エピタキシャル層２とを備える。炭化珪素エピタキシャル層２は、ベース基板１の第１の主面１Ａ上に配置される。

ベース基板１は、単結晶炭化珪素からなる。ベース基板１を構成する炭化珪素は、たとえば六方晶の結晶構造を有している。好ましくは、結晶多形（ポリタイプ）は４Ｈ−ＳｉＣである。ベース基板１の導電型はｎ型であり、たとえば窒素（Ｎ）などのｎ型不純物を含む。ベース基板１の不純物濃度は、たとえば１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3以下程度である。

ベース基板１の外径は、たとえば約１００ｍｍ、あるいはそれ以上であってもよい。ベース基板１の厚みは、たとえば２００μｍ以上７００μｍ以下程度である。

ベース基板１は、第１の主面１Ａと、第２の主面１Ｂとを有する。第１の主面１Ａは、たとえば｛０００１｝面であってもよい。あるいは、第１の主面１Ａは、｛０００１｝面に対するオフ角が１０°以下である面でもよい。第２の主面１Ｂは、第１の主面１Ａと反対側に位置する面である。ベース基板１の第２の主面１Ｂを、本明細書では「裏面」とも称する。

第２の主面１Ｂの表面粗さ（Ｒａ）の値は小さいほど好ましい。１つの実施形態では、第２の主面１Ｂの表面粗さは、０．６ｎｍ以下であり、０．４ｎｍ以下が好ましく、０．２ｎｍ以下がより好ましい。第２の主面１Ｂの表面粗さ（Ｒａ）は、たとえば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定することができる。

炭化珪素エピタキシャル層２は、炭化珪素からなる層である。炭化珪素エピタキシャル層２は、ベース基板１の第１の主面１Ａ上にエピタキシャル成長により形成される。

炭化珪素エピタキシャル層２は、第３の主面２Ａを有している。第３の主面２Ａの表面粗さ（Ｒａ）の値は小さいほど好ましい。１つの実施形態では、第３の主面２Ａの表面粗さ（Ｒａ）は、０．６ｎｍ以下であり、０．４ｎｍ以下が好ましく、０．２ｎｍ以下がより好ましい。第３の主面２Ａの表面粗さ（Ｒａ）は、たとえば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定することができる。第３の主面２Ａでは、ステップバンチング、および三角欠陥の形成が抑制されるように、Ｃ／Ｓｉ比、あるいは成長温度などの成長条件が調整されている。

炭化珪素エピタキシャル層２の導電型はｎ型である。炭化珪素エピタキシャル層２は、たとえば窒素（Ｎ）などのｎ型不純物を含む。炭化珪素エピタキシャル層２の不純物濃度は、ベース基板１の不純物濃度よりも低くてもよい。炭化珪素エピタキシャル層２の不純物濃度（窒素濃度）は、たとえば意図的にドーピングしない場合に１．０×１０¹⁵ｃｍ^-３以下であり、意図的にドーピングした場合に２×１０^１６ｃｍ^-３以下である。窒素を意図的にドーピングしない場合の炭化珪素エピタキシャル層２の窒素濃度を、本明細書では「バックグラウンド濃度」と定義する。

炭化珪素エピタキシャル層２中の窒素濃度の第３の主面２Ａを含む表面層における面内均一性（σ／Ａｖｅ．）は、１５％以下であり、好ましくは１０％以下であり、より好ましくは５％以下である。ここで、面内均一性は、径方向において所定間隔（たとえば９点の測定点）で測定した窒素濃度の標準偏差（σ）と平均値（Ａｖｅ．）とで表わされる。つまり、炭化珪素エピタキシャル層２の窒素濃度は、極めて低く、かつ面内均一性が高い。炭化珪素エピタキシャル層２の膜厚は、たとえば５μｍ以上１５０μｍ以下程度である。

次に、図２を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１０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エピタキシャル基板１０の製造方法は、ベース基板１を準備する工程（Ｓ１１）と、炭化珪素成長装置用部材にベース基板１（炭化珪素基板）を設置する工程（Ｓ１２）と、ベース基板１上に炭化珪素エピタキシャル層２を形成する工程（Ｓ１３）とを備える。後に詳細に説明するように、本発明の実施の形態に係る炭化珪素成長装置用部材は、基板支持部材２１およびサセプタ１１（図３および図４を参照）を備えている。また、炭化珪素エピタキシャル層２を形成する工程（Ｓ１３）では、炭化珪素成長装置１００（図３参照）の内部において、炭化珪素成長装置用部材に設置されたベース基板１に対して、炭化珪素エピタキシャル層２を形成するために用いられる原料ガスを供給し、かつ、ベース基板１をエピタキシャル成長温度にまで加熱する。

次に各工程について詳細に説明する。まず、第１の主面１Ａおよび第２の主面１Ｂを有し、単結晶炭化珪素からなるベース基板１を準備する（工程（Ｓ１１））。１つの実施形態では、ベース基板１の外径は約１００ｍｍである。１００ｍｍの外径を有するベース基板１は、任意の方法で準備すればよい。ベース基板１の外径は５インチあるいはそれ以上（たとえば１５０ｍｍなど）であってもよい。ここで１インチは約２５．４ｍｍである。

次に、炭化珪素成長装置用部材にベース基板１を設置する（工程（Ｓ１２））。本実施の形態に係る炭化珪素成長装置１００は、一例として、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置である。

炭化珪素成長装置用部材は、炭化珪素成長装置１００の内部に固定された部材でもよく、炭化珪素成長装置１００にローディングおよびアンローディングが可能な部材であってもよい。したがって、炭化珪素成長装置用部材にベース基板１を設置する工程は、炭化珪素成長装置１００の内部および炭化珪素成長装置１００の外部のいずれで実行されてもよい。

図３および図４を参照して、炭化珪素成長装置（ＣＶＤ装置）１００において、ベース基板１は基板支持部材２１に載置される。さらにベース基板１とともに基板支持部材２１がサセプタ１１に設置される。サセプタ１１は、基板支持部材２１を収容する収容部に相当する。基板支持部材２１は、本発明の実施の形態に係る「炭化珪素基板用支持部材」に相当する。

サセプタ１１は、その周囲を発熱体１２、断熱材１３、石英管１４、および誘導加熱用コイル１５によって囲まれている。具体的には、サセプタ１１は、たとえば発熱体１２に形成された凹部内に配置されている。サセプタ１１は、発熱体１２に配置された状態で自転可能に設けられる。発熱体１２は半円筒状の中空構造であって、円孤に沿った曲面と平坦面とを有している。炭化珪素成長装置１００において、２つの発熱体１２は平坦面を対向させるように配置されている。これにより発熱体１２の平坦面に囲まれた反応室が形成されている。上記凹部は、反応室を形成する発熱体１２の一方の平坦面上に設けられている。

断熱材１３は、発熱体１２の外周囲を囲うように配置されている。石英管１４は、断熱材１３の外周側を囲うように配置されている。誘導加熱用コイル１５は、複数のコイル部材を含み、たとえば、石英管１４の外周側を巻回するように設けられている。誘導加熱用コイル１５に高周波電流を流すと、電磁誘導作用により、発熱体１２は誘導加熱される。これにより、ベース基板１およびベース基板１に供給される原料ガス等を所定の温度に加熱することができる。

図５は、本発明の実施の形態に係る炭化珪素成長装置において、サセプタ周辺の構成を示す断面図である。図５を参照して、基板支持部材２１は、ベース基板１が載せられる基板搭載面２１ａと、設置面２１ｂとを有する。設置面２１ｂは、基板搭載面２１ａの反対側に位置する。設置面２１ｂは、基板支持部材２１を、炭化珪素成長装置１００の内部に設置するための面である。

１つの実施形態では、基板支持部材２１は、平板形状を有する。言い換えると、基板搭載面２１ａおよび設置面２１ｂの両方は、巨視的に平面である。基板支持部材２１が平板形状を有することにより、基板支持部材２１をサセプタ１１において安定的に設置することができるだけでなく、ベース基板１を安定的に支持することもできる。ただし後に具体的に説明するように、ベース基板１が反りを有する場合に対応して、基板搭載面２１ａが巨視的に曲面であってもよい。

また、基板支持部材２１の外径は、ベース基板１の外径と略同じ大きさであってもよく、ベース基板１の外径よりも大きくてもよい。さらに、基板支持部材２１の厚みは、１００μｍ以上、２ｍｍ以下が好ましく、３００μｍ以上、１ｍｍ以下がより好ましく、４００μｍ以上、７００μｍ以下がさらに好ましい。基板支持部材２１の厚みを上記の範囲内に設定することにより、基板支持部材２１のハンドリングが容易であり、かつ、昇温および降温による基板支持部材２１の形状変化を生じにくくすることができる。一例では基板支持部材２１の厚みは、６５０μｍである。

サセプタ１１および発熱体１２は、高い耐熱性を有する導電性部材であって、窒素濃度の極めて低い部材で構成されている。具体的には、サセプタ１１は、図６に示すように、サセプタ母材１１ａと、サセプタ母材１１ａを覆うサセプタコート部１１ｂとを有する。また、発熱体１２は、発熱体母材１２ａと、発熱体母材１２ａを覆う発熱体コート部１２ｂとを有する。

サセプタ母材１１ａおよび発熱体母材１２ａは、たとえば炭素材料で構成されている。サセプタ母材１１ａおよび発熱体母材１２ａを構成する炭素材料は、窒素濃度が１０ｐｐｍ以下であり、好ましくは、５ｐｐｍ以下である。

サセプタ母材１１ａは、基板支持部材２１を支持するための支持面１１ｃを有する。少なくともサセプタ母材１１ａの支持面１１ｃがサセプタコート部１１ｂで覆われている。したがって、基板支持部材２１の設置面がサセプタコート部１１ｂに接触する。しかし図５に示されるように、サセプタ母材１１ａの表面全体がサセプタコート部１１ｂで覆われてもよい。

サセプタコート部１１ｂおよび発熱体コート部１２ｂは、炭化珪素（ＳｉＣ）で構成されている。サセプタコート部１１ｂおよび発熱体コート部１２ｂを構成するＳｉＣの窒素濃度は、１０ｐｐｍ以下であり、好ましくは、５ｐｐｍ以下である。これらのコート部を炭化タンタル（ＴａＣ）で構成した場合には、窒素濃度をより低減することが難しい。このため本発明の実施の形態では、ＳｉＣからなるコート部を採用する。

続いて、ベース基板１の第１の主面１Ａ上に炭化珪素エピタキシャル層２を形成する（工程（Ｓ１３））。具体的には、炭化珪素成長装置（ＣＶＤ装置）１００において、ベース基板１に対して炭化珪素エピタキシャル層２を形成するために用いられる原料ガスを供給し、かつ、ベース基板１をエピタキシャル成長温度にまで加熱することにより、ベース基板１の第１の主面１Ａ上に炭化珪素エピタキシャル層２を形成する。

図４を再び参照して、原料ガスは、配管１６を介してＣＶＤ装置１００内に導入される。原料ガスは、モノシラン（ＳｉＨ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、窒素（Ｎ_２）、およびアンモニア（ＮＨ₃）などを含む。このとき、いずれのガスも、ベース基板１の第１の主面１Ａ上に供給される時点で十分に熱分解されているように反応室内に導入される。さらに、原料ガスに加えて、水素（Ｈ_２）を含むキャリアガスも導入される。

ベース基板１上に供給する前にアンモニアガスを予備加熱することにより、アンモニアガスを予め熱分解させておくことが好ましい。アンモニアガスは予備加熱されることにより、確実に熱分解された状態でベース基板１に供給される。これにより、炭化珪素エピタキシャル層２を形成する工程において、ベース基板１の第１の主面１Ａ、あるいは、成長中の炭化珪素エピタキシャル層２の表面において、窒素活性種の分布を均一にすることができる。その結果、炭化珪素エピタキシャル層２にドーピングされる窒素の濃度分布の均一性を上げることができる。

ベース基板１は、加熱されながら上記キャリアガスおよび原料ガスの供給を受ける。これにより、ベース基板１の第１の主面１Ａ上に、窒素（Ｎ）原子がドープされた炭化珪素エピタキシャル層２が形成される。具体的には、成長温度１５００℃以上１７５０℃以下、圧力１×１０³Ｐａ以上３×１０⁴Ｐａ以下の条件下で炭化珪素エピタキシャル層２を形成する。炭化珪素エピタキシャル層２の形成に用いられる原料ガスの流量は、Ｓｉ原子の原子数に対するＣ原子の原子数の比（Ｃ／Ｓｉ比）が適切な範囲を有するように調整される。さらに、ＮＨ₃ガスの流量を調整することにより、炭化珪素エピタキシャル層２におけるｎ型の不純物濃度が調整される。

１つの実施形態では、炭化珪素エピタキシャル層２におけるｎ型の不純物濃度が１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上２×１０¹⁶ｃｍ^-3以下程度となるようにＮＨ₃ガスの流量が調整される。また、炭化珪素エピタキシャル層２の厚みは１５μｍ程度とする。

図６は、本発明の実施の形態に係る炭化珪素成長装置において、サセプタ周辺の構成を示す平面図である。炭化珪素エピタキシャル層２を形成する工程（Ｓ１３）において、サセプタ１１は、図６に示されるように、たとえば矢印Ｒで示される方向に回転する。サセプタ１１の回転により、サセプタ１１に設置された基板支持部材２１、および基板支持部材２１に支持されたベース基板１が回転する。この結果、炭化珪素エピタキシャル層２の厚みの面内均一性を高めることができる。

ベース基板１の外周側の領域は、ベース基板１の内側の領域（中央部の領域）よりも、サセプタ１１あるいは発熱体１２といった部材の近くに位置する。さらに、ベース基板１における外周側の領域は、原料ガスの流通方向Ｇ１の上流側に位置する。したがって、炭化珪素成長装置１００を構成する部材から放出される窒素は、炭化珪素エピタキシャル基板１０の外周側の領域により多く取り込まれる。この結果、炭化珪素エピタキシャル基板１０の外周側の領域の窒素濃度が炭化珪素エピタキシャル基板１０の内側の領域に比べて高くなりやすい。このような傾向は、炭化珪素エピタキシャル基板１０において、窒素濃度の面内均一性の悪化をもたらす。

このような窒素濃度の面内均一性の悪化は、低い不純物濃度のエピタキシャル層を形成する場合に特に顕著となりやすい。また、ベース基板１の外径が大きくなるほど、炭化珪素エピタキシャル基板１０における窒素濃度の面内均一性が悪化しやすい。

本実施の形態に係る炭化珪素成長装置用部材を構成するサセプタ１１および基板支持部材２１の各々の窒素濃度は１０ｐｐｍ以下である。さらに発熱体１２の窒素濃度も１０ｐｐｍ以下である。サセプタ１１から放出される窒素ガスＧ２、発熱体１２から放出される窒素ガスＧ３、および基板支持部材２１から放出される窒素ガスの各々の量は、炭化珪素エピタキシャル基板１０において問題にならない程度にまで十分に低減されている。したがって、炭化珪素エピタキシャル層における窒素のバックグラウンド濃度を１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下とすることができる。

図５に戻り、窒素ガスＧ２ａは、サセプタ母材１１ａから放出される窒素ガスである。窒素ガスＧ２ｂは、サセプタコート部１１ｂから放出される窒素ガスである。窒素ガスＧ３ａは、発熱体母材１２ａから放出される窒素ガスである。窒素ガスＧ３ｂは、発熱体コート部１２ｂから放出される窒素ガスである。窒素ガスＧ４ａは、基板支持部材２１から放出される窒素ガスである。これらの窒素ガスの量は十分に低減されている。

このため炭化珪素エピタキシャル層２を形成する工程（Ｓ１３）において、窒素のバックグラウンド濃度が低減された条件下で炭化珪素エピタキシャル層２を形成することができる。その結果、炭化珪素エピタキシャル層２の表面性状を良好とすることができるエピタキシャル成長条件であっても、窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層２を形成することができる。したがって本発明の実施の形態によれば、良好な表面性状を有し、かつ、窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層２を備える炭化珪素エピタキシャル基板１０を製造することができる。

サセプタコート部１１ｂは炭化珪素からなる膜である。炭化珪素エピタキシャル層２の成長時には、サセプタコート部１１ｂの温度が高くなりやすい。このため、炭化珪素エピタキシャル層２の成長時には、サセプタコート部１１ｂから炭化珪素が昇華する可能性がある。

サセプタ１１にベース基板１を直接に置いた場合、ベース基板１の第２の主面１Ｂがサセプタコート部１１ｂに接触する。したがって、サセプタコート部１１ｂから昇華した炭化珪素がベース基板１の第２の主面１Ｂに付着して再結晶化する可能性がある。

サセプタコート部１１ｂから昇華した炭化珪素がベース基板１の第２の主面１Ｂにおいて再結晶化することによって、第２の主面１Ｂの面平坦性が低下する（面粗さが大きくなる）。このために、第２の主面１Ｂに吸着装置（たとえば静電チャック）を接触させて炭化珪素エピタキシャル基板１０を保持する際に、吸着装置が炭化珪素エピタキシャル基板１０を十分に吸着できない（保持できない）という問題が生じうる。つまり、炭化珪素半導体装置の製造工程において、炭化珪素エピタキシャル基板１０の搬送が難しくなる。エピタキシャル成長後に炭化珪素エピタキシャル基板１０の裏面の面粗さが大きい場合、たとえば、炭化珪素半導体装置の製造工程の前に、炭化珪素エピタキシャル基板１０の裏面を、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等の方法によって平坦化する必要がある。しかしながら、製造コストの上昇等の課題が発生する。

本発明の実施の形態では、ベース基板１は、基板支持部材２１に載せられている。したがってベース基板１の第２の主面１Ｂ（裏面）は、基板支持部材２１によって塞がれている。これにより、サセプタコート部１１ｂから昇華した炭化珪素がベース基板１の第２の主面１Ｂにおいて再結晶化することを抑制できる。したがって、ベース基板１の第２の主面１Ｂの面平坦性を良好に保つことができる。

基板搭載面２１ａは、炭化珪素エピタキシャル層２の成長温度（エピタキシャル成長が実行される温度）において固相を維持する材料の表面である。上記材料が融点を有する場合、「炭化珪素エピタキシャル層２の成長温度において固相を維持する」とは、その融点が、エピタキシャル成長温度よりも高いことと同義である。一方、上記材料が昇華点を有する（融点を有さない）場合、「炭化珪素エピタキシャル層２の成長温度において固相を維持する」とは、炭化珪素エピタキシャル層２の成長時の圧力の下で実質的に昇華を起こさない程度に蒸気圧が低いことと同義である。

基板支持部材２１の基板搭載面２１ａは、ベース基板１の第２の主面１Ｂと対向している。基板搭載面２１ａが、炭化珪素エピタキシャル層２の成長温度（エピタキシャル成長が実行される温度）において固相を維持する材料の表面であることにより、炭化珪素エピタキシャル層２の成長時に、上記材料が、溶融あるいは昇華によって、ベース基板１の第２の主面１Ｂに付着し、再結晶化することを防ぐことができる。したがって、ベース基板１の第２の主面１Ｂの面平坦性を良好に保つことができる。

１つの実施形態では、基板支持部材２１の材料は、サファイアである。サファイアの融点は、２０３０℃程度である。本発明の実施の形態では、炭化珪素エピタキシャル層２の成長の際の温度は、１５００℃以上１７５０℃以下の範囲である。したがって、サファイアからなる基板支持部材２１は炭化珪素エピタキシャル層２の成長時に固相を維持することができる。

別の実施形態では、基板支持部材２１の材料は、ダイヤモンドである。ダイヤモンドの融点は、３５５０℃程度である。たとえば多結晶ダイヤモンドプレートにより、基板支持部材２１を実現することができる。さらに別の実施形態では、基板支持部材２１の材料は、炭素材料（たとえばグラファイト）である。基板支持部材２１に炭素材料を採用することによって、以下の利点を得ることができる。１つ目の利点は、高温でも安定であり、炭化珪素層のエピタキシャル成長が実行される温度において、基板搭載面を含む部分が固相を維持することができるという点である。２つ目の利点は、加工が容易であるという点である。３つ目の利点は、安価であるという点である。

サセプタ１１にベース基板１を直接置き、あるエピタキシャル成長条件で炭化珪素エピタキシャル層を形成した場合、第２の主面１Ｂの面粗さは、たとえば２０ｎｍ程度であった。一方、本実施の形態に係る基板支持部材２１を用いた場合には、同じエピタキシャル成長条件で炭化珪素エピタキシャル層２を形成しても、ベース基板１の第２の主面１Ｂ（裏面）の面粗さは、炭化珪素エピタキシャル層２を形成する前の面粗さと同じ程度（たとえば０．６ｎｍ以下）に保つことができる。したがって、本発明の実施の形態によれば、ベース基板の第２の主面１Ｂ（裏面）の平坦性を良好に保ちつつ、炭化珪素基板への不純物の取り込みを抑えることができる。

＜基板支持部材の他の実施形態＞
一般的に、炭化珪素基板（ウェハ）は、炭化珪素結晶のインゴットを、回転するブレード、あるいはワイヤソーによってスライスすることにより形成される。ブレードにかけられる張力あるいはブレードの回転軸の寸法精度といった種々の条件により、基板に湾曲（反り）が発生しうる。また、ワイヤソーを用いる場合にも、同様に基板に反りが発生しうる。さらに、炭化珪素エピタキシャル層の成長時においても、ベース基板１の第１の主面１Ａと第２の主面１Ｂとの間の温度差が大きくなると、ベース基板１が湾曲する可能性がある。

昇華したＳｉＣがベース基板１の第２の主面１Ｂに付着するのを防ぐために、ベース基板１の第２の主面１Ｂは、基板支持部材２１の基板搭載面２１ａによって完全に塞がれていることが好ましい。しかしながら図７に示されるように、ベース基板１が第２の主面１Ｂ側に向かって凸となるように反っている場合、第２の主面１Ｂの端部が基板支持部材２１の基板搭載面２１ａから離れる。この場合、サセプタコート部１１ｂから昇華したＳｉＣが、第２の主面１Ｂの端部と基板支持部材２１の基板搭載面２１ａとの間の隙間に入り込み、第２の主面１Ｂに付着する可能性が考えられる。

したがって基板搭載面２１ａが曲面であってもよい。以下に具体的な実施の形態を説明する。

図８は、本発明の実施の形態に係る基板支持部材２１の他の形状を示した断面図である。図８を参照して、基板支持部材２１の中央部は窪んでいる。言い換えると、基板搭載面２１ａと設置面２１ｂとの間の距離ｄ１は、基板支持部材２１の端部から中央部に向かうに従って小さくなる。

ベース基板１の第２の主面１Ｂが、第１の主面１Ａから第２の主面１Ｂに向けて凸となるように湾曲している場合、図８に示された基板支持部材２１にベース基板１を載せることにより、ベース基板１の第２の主面１Ｂと基板支持部材２１との間の隙間を小さくすることができる。

図９は、本発明の実施の形態に係る基板支持部材２１のさらに他の形状を示した断面図である。図９を参照して、基板搭載面２１ａは、基板搭載面２１ａから設置面２１ｂへの向きとは反対の向きに凸となる曲面である。言い換えると、基板搭載面２１ａと設置面２１ｂとの間の距離ｄ２は、基板支持部材２１の端部から中央部に向かうに従って大きくなる。

図８に示された形状とは逆に、ベース基板１の第２の主面１Ｂが、第２の主面１Ｂから第１の主面１Ａに向けて凸となるように湾曲している場合、図９に示された基板支持部材２１にベース基板１を載せることにより、ベース基板１の第２の主面１Ｂと基板支持部材２１との間の隙間を小さくすることができる。

図８および図９に示されるように、基板搭載面２１ａが曲面であることにより、ベース基板１が反っている場合に基板搭載面２１ａとベース基板１の第２の主面１Ｂとの間の隙間を小さくすることができる。したがって、ベース基板１の周囲で昇華して、ベース基板１の裏面に付着する炭化珪素の量を減らすことができる。この結果、ベース基板１が反っている場合にも、炭化珪素エピタキシャル層２の成長の後に、炭化珪素基板の裏面の平坦性を良好に保つことができる。

なお、図８および図９は、基板搭載面２１ａの曲率と、ベース基板１の曲率とがほぼ同じ形態を示している。しかし、ベース基板１ごとに曲率は異なり得る。したがって基板搭載面２１ａの曲率と、ベース基板１の曲率とが一致していなくてもよい。この場合にも、ベース基板１の反り（第１の主面１Ａおよび第２の主面１Ｂのいずれに向けて凸であるか）に応じて、図８または図９に示す支持部材２１を選択する。これにより、ベース基板１の第２の主面１Ｂと基板支持部材２１との間の隙間を小さくすることができる。

図１０は、本発明の実施の形態に係る基板支持部材２１の別の構成例を示した図である。図１０を参照して、基板支持部材２１は、本体部３１と、外周部３２とを含む。

本体部３１は、基板搭載面２１ａおよび設置面２１ｂを有する。外周部３２は、基板搭載面２１ａを囲むように本体部３１の外側に配置される。

基板搭載面２１ａ上にベース基板１を載せた場合、外周部３２は、ベース基板１の外周を囲む。炭化珪素エピタキシャル層２の成長中において、サセプタコート部１１ｂからＳｉＣが昇華した場合に、昇華したＳｉＣがベース基板１の第２の主面１Ｂと基板支持部材２１との間の隙間を通じてベース基板１の第２の主面１Ｂに付着することを外周部３２によって抑えることができる。したがって、ベース基板１の第２の主面１Ｂの面平坦性を良好に保つことができる。

たとえば図７に示されるように、ベース基板１が湾曲している場合には、ベース基板１の第２の主面１Ｂと基板支持部材２１との間に隙間が生じやすい。外周部３２によって、昇華したＳｉＣがベース基板１の第２の主面１Ｂに付着することを防ぐ効果がより一層高められる。

１つの実施形態では、本体部３１は、図６に示される基板支持部材２１と同様に平板である。しかしながら、図８あるいは図９に示された基板支持部材２１を、図１０に示す本体部３１として適用してもよい。すなわち、図１０に示された構成において、基板搭載面２１ａが曲面であってもよい。

１つの実施形態では、本体部３１と外周部３２とは一体的に形成される。これにより、単一の材料によって基板支持部材２１を形成することができる。たとえば基板支持部材２１に含まれる窒素濃度を管理することが容易になる。したがって、たとえば、炭化珪素エピタキシャル基板の品質の管理に貢献できる。

一方、図１１に示されるように、本体部３１と外周部３２とは分離可能に形成されてもよい。外周部３２は、たとえば円環状に形成され、本体部３１に通される。このような構成によれば、本体部３１および外周部３２の作製が容易になる。この結果、基板支持部材２１を容易に形成することができる。

また、基板支持部材２１は単一の材料によって形成されるものと限定されない。図１２は、本発明の実施の形態に係る基板支持部材２１のさらに別の構成例を示した図である。図１２を参照して、基板支持部材２１は、母材４１と、コート部４２とを有する。

母材４１は、たとえばグラファイトにより形成される。母材４１は、主面４１ａを有する。コート部４２は、主面４１ａを覆う。コート部４２の表面が、基板搭載面２１ａを規定する。１つの実施形態では、コート部４２は、ダイヤモンドの薄膜である。このように、母材４１とコート部４２とに異なる材料を用いても基板支持部材２１の母材を容易に作製することができる。たとえば母材４１とコート部４２とに最適な材料を採用して、それらの材料の組み合わせにより、支持部材２１を構成することができる。

なお、母材４１を構成する材料（たとえば炭素材料）の窒素濃度は、１０ｐｐｍ以下であり、好ましくは、５ｐｐｍ以下である。同じく、コート部４２を構成する材料の窒素濃度は、１０ｐｐｍ以下であり、好ましくは、５ｐｐｍ以下である。これにより、炭化珪素エピタキシャル層における窒素のバックグラウンド濃度を１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下とすることができる。

なお、主面４１ａは、平面でもよく、図８あるいは図９に示された曲面でもよい。また、コート部４２は、母材４１の表面全体を覆っていてもよい。図１０あるいは図１１に示されたように基板支持部材２１が本体部３１と外周部３２とに分離可能に構成される場合、コート部４２は、ベース基板１と対向する本体部３１の表面および外周部３２の表面に形成されてもよい。あるいは、コート部４２は、本体部３１の表面全体および外周部３２の表面全体を覆っていてもよい。

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。

本発明は、炭化珪素エピタキシャル層を含む炭化珪素半導体基板の製造に、特に有利に適用される。

１ ベース基板
１Ａ 第１の主面
１Ｂ 第２の主面
２ 炭化珪素エピタキシャル層
２Ａ 第３の主面
１０ 炭化珪素エピタキシャル基板
１１ サセプタ
１１ａ サセプタ母材
１１ｂ サセプタコート部
１１ｃ 支持面
１２ 発熱体
１２ａ 発熱体母材
１２ｂ 発熱体コート部
１３ 断熱材
１４ 石英管
１５ 誘導加熱用コイル
１６ 配管
２１ 基板支持部材
２１ａ 基板搭載面
２１ｂ 設置面
３１ 本体部
３２ 外周部
４１ 母材
４１ａ 主面
４２ コート部
１００ 炭化珪素成長装置
Ｇ１ 流通方向
Ｇ２，Ｇ２ａ，Ｇ２ｂ，Ｇ３，Ｇ３ｂ，Ｇ３ａ，Ｇ４ａ 窒素ガス
Ｒ 矢印
ｄ１，ｄ２ 距離

Claims (15)

1. 炭化珪素成長装置の内部で炭化珪素層のエピタキシャル成長が行なわれる炭化珪素基板を支持するための炭化珪素基板用支持部材であって、
   前記炭化珪素基板が載せられるための基板搭載面と、
   前記基板搭載面と反対側に位置して、前記炭化珪素基板用支持部材を前記炭化珪素成長装置の内部に設置するための設置面とを有し、
   前記炭化珪素基板用支持部材の少なくとも前記基板搭載面は、前記炭化珪素層のエピタキシャル成長が実行される温度において固相を維持する材料の表面である、炭化珪素基板用支持部材。
2. 前記材料は、サファイアである、請求項１に記載の炭化珪素基板用支持部材。
3. 前記材料は、ダイヤモンドである、請求項１に記載の炭化珪素基板用支持部材。
4. 前記材料は、炭素材料である、請求項１に記載の炭化珪素基板用支持部材。
5. 前記炭化珪素基板用支持部材は、
   前記炭化珪素基板を支持するための支持面を有する母材と、
   前記支持面を覆うように配置されたコート部とを含み、前記基板搭載面は、前記コート部の表面である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の炭化珪素基板用支持部材。
6. 前記炭化珪素基板用支持部材の少なくとも前記固相を維持する前記材料の窒素濃度が１０ｐｐｍ以下である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素基板用支持部材。
7. 前記炭化珪素基板用支持部材は、平板の形状を有する、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の炭化珪素基板用支持部材。
8. 前記基板搭載面は、曲面である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の炭化珪素基板用支持部材。
9. 前記基板搭載面と前記設置面との間の距離は、前記基板搭載面の端部から前記基板搭載面の中央部に向かうに従って小さくなる、請求項８に記載の炭化珪素基板用支持部材。
10. 前記基板搭載面と前記設置面との間の距離は、前記基板搭載面の端部から前記基板搭載面の中央部に向かうに従って大きくなる、請求項８に記載の炭化珪素基板用支持部材。
11. 前記炭化珪素基板用支持部材は、
    前記基板搭載面および前記設置面を有する本体部と、
    前記基板搭載面を囲むように配置される外周部とを含む、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の炭化珪素基板用支持部材。
12. 前記本体部と前記外周部とは一体的に形成されている、請求項１１に記載の炭化珪素基板用支持部材。
13. 前記本体部と前記外周部とは互いに分離可能に形成されている、請求項１１に記載の炭化珪素基板用支持部材。
14. 炭化珪素成長装置の内部で炭化珪素基板の表面に炭化珪素層をエピタキシャル成長させるために用いられる炭化珪素成長装置用部材であって、
    請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の炭化珪素基板用支持部材と、
    前記炭化珪素基板用支持部材を収容するための空間が形成された収容部とを備え、
    前記収容部は、
    前記炭化珪素基板用支持部材を支持するための支持面と、
    前記支持面を覆う炭化珪素膜とを含む、炭化珪素成長装置用部材。
15. 炭化珪素基板を準備する工程と、
    請求項１４に記載の炭化珪素成長装置用部材に前記炭化珪素基板を設置する工程と、
    前記炭化珪素成長装置の内部において、前記炭化珪素成長装置用部材に設置された前記炭化珪素基板に、炭化珪素エピタキシャル層を形成するための原料ガスを供給し、かつ、前記炭化珪素基板の温度をエピタキシャル成長温度まで加熱することにより、前記炭化珪素基板の表面に炭化珪素層をエピタキシャル成長させる工程とを備える、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。

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