JP2018108916A - 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基底面転位密度を低減可能な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】炭化珪素エピタキシャル基板２００の製造方法は、直径が１５０ｍｍ以上、炭化珪素のポリタイプが４Ｈ、且つオフ角が０°を超え４°以下である複数の炭化珪素単結晶基板２１０を、鉛直方向から見たときに重ならないように基板ホルダ１２０に載せることを含む。この製造方法は、基板ホルダ１２０に載せられている各炭化珪素単結晶基板２１０の第１主面２１１の上に炭化珪素エピタキシャル層２２０を成膜することを含む。この製造方法は、炭化珪素単結晶基板２１０の第２主面２１２を基板ホルダ１２０の対向面１２４に載せるとき、第２主面２１２の中央部２１４は対向面１２４に接すると共に、第２主面２１２の外周端２１６は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられることを含む。
【選択図】図７

Description

本発明は、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法に関するものである。

特許文献１には、炭化珪素単結晶基板上に、熱ＣＶＤ法によって炭化珪素単結晶薄膜を形成するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法が開示されている。この製造方法は、異なる窒素濃度を有して基底面転位密度を抑制する複数の抑制層を基板上に形成した後、該抑制層上に炭化珪素単結晶薄膜の活性層を形成するものである。

特開２００８−７４６６１号公報

炭化珪素エピタキシャル層の基底面転位密度を低減可能な炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法が求められている。

本開示の目的は、炭化珪素エピタキシャル層の基底面転位密度を低減可能な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。

本開示の一観点によれば、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、直径が１５０ｍｍ以上、炭化珪素のポリタイプが４Ｈ、且つオフ角が０°を超え４°以下であって第１主面および前記第１主面に対向する第２主面を有する複数の炭化珪素単結晶基板を、鉛直方向から見たときに重ならないように一の基板ホルダに載せることを含む。また、この製造方法は、一の前記基板ホルダに載せられている複数の前記炭化珪素単結晶基板の前記第１主面の上に炭化珪素エピタキシャル層を成膜することを含む。さらに、この製造方法は、少なくとも一の前記炭化珪素単結晶基板の前記第２主面を前記基板ホルダにおける前記第２主面と対向する対向面に載せるとき、前記第２主面の中央部は前記対向面に接すると共に、前記第２主面の外周端は全周にわたって前記対向面との間に隙間が設けられることを含む。

本開示の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法によれば、炭化珪素エピタキシャル層の基底面転位密度を低減することができる。

図１は、一実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板を模式的に示す部分断面図である。 図２は、一実施形態における炭化珪素単結晶基板を示す平面図である。 図３は、一実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法に用いられる成膜装置の構成の一例を示す模式的な断面図である。 図４は、一実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法に用いられる成膜装置のチャンバの内部を示す模式的な上面図である。 図５は、一実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法の概略を示すフローチャートである。 図６は、一実施形態における成膜装置内における温度制御とガス流量制御の一例を示すタイミングチャートである。 図７は、一実施形態における炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに載せている状態を示す断面図である。 図８は、第１変形例における炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに載せている状態を示す断面図である。 図９は、第２変形例における炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに載せている状態を示す断面図である。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一のまたは対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。また本明細書の結晶学的記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示している。ここで結晶学上の指数が負であることは、通常、数字の上に"−"（バー）を付すことによって表現されるが、本明細書では数字の前に負の符号を付すことによって結晶学上の負の指数を表現している。

〔１〕 本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、直径が１５０ｍｍ以上、炭化珪素のポリタイプが４Ｈ、且つオフ角が０°を超え４°以下であって第１主面および前記第１主面に対向する第２主面を有する複数の炭化珪素単結晶基板を、鉛直方向から見たときに重ならないように一の基板ホルダに載せ、一の前記基板ホルダに載せられている複数の前記炭化珪素単結晶基板の前記第１主面の上に炭化珪素エピタキシャル層を成膜し、少なくとも一の前記炭化珪素単結晶基板の前記第２主面を前記基板ホルダにおける前記第２主面と対向する対向面に載せるとき、前記第２主面の中央部は前記対向面に接すると共に、前記第２主面の外周端は全周にわたって前記対向面との間に隙間が設けられる。

本願発明者は、炭化珪素単結晶基板の基底面転位の一部が刃状貫通転位に変換されずにそのまま炭化珪素エピタキシャル層に引き継がれる理由を検討した。基底面転位とは、炭化珪素単結晶の基底面である｛０００１｝面に存在する転位のことである。基底面転位は、｛０００１｝面に平行に存在する。一方、刃状貫通転位は、｛０００１｝に対し垂直に伸びる。基底面転位は、刃状貫通転位に変換可能である。刃状貫通転位は、基底面転位に比べて、デバイスに与える悪影響が少ない。

炭化珪素単結晶基板の基底面転位の大部分（例えば９０％以上）は、炭化珪素エピタキシャル層に引き継がれずに、刃状貫通転位に変換される。基底面転位がそのまま引き継がれる場合よりも、転位の伸びる方向の長さが短くなり、転位によって炭化珪素エピタキシャル層に蓄えられる弾性ひずみエネルギーが減少するためと考えられる。一方で、炭化珪素単結晶基板の基底面転位の一部は、刃状貫通転位に変換されずに、炭化珪素エピタキシャル層に引き継がれる。

本願発明者は、一部の基底面転位が刃状貫通転位に変換されないのはその変換を妨げる応力が存在しているためと推定した。特に炭化珪素単結晶基板の直径が１５０ｍｍ以上である場合、基板ホルダの温度ムラによって大きな応力が生じ、基底面転位から刃状貫通転位への変換効率が低下すると考えられる。

本開示の一態様によれば、前記炭化珪素単結晶基板の前記第２主面を前記基板ホルダにおける前記第２主面と対向する対向面に載せるとき、前記第２主面の中央部は前記対向面に接すると共に、前記第２主面の外周端は全周にわたって前記対向面との間に隙間が設けられる。これにより、詳しくは後述するが、基板ホルダの温度ムラの炭化珪素単結晶基板への伝達を抑制でき、炭化珪素エピタキシャル層の基底面転位密度を低減できる。

〔２〕 前記対向面は、平坦である。

〔３〕 前記対向面は、高低差を有し、最も高い部分を、前記対向面に載せられている前記炭化珪素単結晶基板の前記第２主面の中央部に有する。

〔４〕 前記高低差を有する前記対向面は、当該対向面に載せられている前記炭化珪素単結晶基板の前記第２主面の径方向外側から径方向内側に向かうほど段階的に高くなる。

〔５〕 前記高低差を有する前記対向面は、当該対向面に載せられている前記炭化珪素単結晶基板の前記第２主面の径方向外側から径方向内側に向かうほど連続的に高くなる。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す）について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

〔炭化珪素エピタキシャル基板〕
以下、本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板２００について図１および図２に基づいて説明する。図１は、本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板２００の構造の一例を示す断面図である。図２は、本実施形態における炭化珪素単結晶基板を示す平面図である。

炭化珪素エピタキシャル基板２００は、所定の結晶面からオフ角θだけ傾斜した第１主面２１１を有する炭化珪素単結晶基板２１０と、炭化珪素単結晶基板２１０の第１主面２１１上に形成された炭化珪素エピタキシャル層２２０と、を備える。所定の結晶面は、（０００１）面または（０００−１）面が好ましい。

炭化珪素単結晶基板２１０は、たとえばポリタイプ４Ｈの六方晶炭化珪素からなる。炭化珪素単結晶基板２１０は、たとば窒素（Ｎ）等の不純物元素を含んでおり、炭化珪素単結晶基板２１０の導電型はｎ型である。炭化珪素単結晶基板２１０に含まれる窒素（Ｎ）等の不純物の濃度は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下である。炭化珪素単結晶基板２１０は、第１主面２１１と、第１主面２１１に対向する第２主面２１２と、第１主面２１１および第２主面２１２をつなぐ側面２１３（図７〜図９参照）とを有する。尚、側面２１３と第１主面２１１との境界部には面取面が形成されてもよい。同様に、側面２１３と第２主面２１２との境界部には面取面が形成されてもよい。

炭化珪素エピタキシャル層２２０は、炭化珪素単結晶基板２１０の第１主面２１１に接して形成されている。炭化珪素エピタキシャル層２２０の厚さは、例えば、５μｍ以上４０μｍ以下である。炭化珪素エピタキシャル層２２０は、例えば、窒素（Ｎ）等の不純物元素を含んでおり、炭化珪素エピタキシャル層２２０の導電型はｎ型である。炭化珪素エピタキシャル層２２０のキャリア濃度である不純物濃度は、炭化珪素単結晶基板２１０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２２０の不純物濃度は、例えば、１×１０^１４ｃｍ^−３以上１×１０^１６ｃｍ^−３以下である。

〔成膜装置〕
次に、本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板を製造するための成膜装置について図３及び図４に基づき説明する。図３は、本実施形態に用いられる成膜装置の構成の一例を示す模式的な断面図であり、図４は、この成膜装置のチャンバの内部を上方から見た上面図である。

図３及び図４に示される成膜装置１００は、横型ホットウォールＣＶＤ（chemical vapor deposition）装置である。図３に示されるように、成膜装置１００は、発熱体１１０と、断熱材１０８と、石英管１０６と、誘導加熱コイル１０４とを備えている。発熱体１１０は、たとえばカーボン製である。図３に示されるように成膜装置１００には、一体に形成された角筒形状の発熱体１１０が設けられており、角筒形状の発熱体１１０の内部には、２つの平坦部が互いに対向するように形成されており、２つの平坦部に取り囲まれた空間が、チャンバ１０２となっている。チャンバ１０２は、「ガスフローチャネル」とも呼ばれる。図４に示されるように、チャンバ１０２内の回転サセプタ１３０の上には、複数、例えば、３枚の炭化珪素単結晶基板２１０が載せられた基板ホルダ１２０が設置されている。

断熱材１０８は、発熱体１１０の外周部を取り囲むように配置されている。チャンバ１０２は、断熱材１０８によって成膜装置１００の外部から断熱されている。石英管１０６は、断熱材１０８の外周部を取り囲むように配置されている。誘導加熱コイル１０４は、石英管１０６の外周部に沿って巻回されている。成膜装置１００では、誘導加熱コイル１０４に交流電流を供給することにより、発熱体１１０が誘導加熱され、チャンバ１０２内の温度が制御できるようになっている。このとき断熱材１０８により断熱されるため、石英管１０６は殆ど加熱されない。

図３に示される成膜装置１００では、破線矢印１４１に示す方向より、チャンバ１０２内が排気される。また、炭化珪素エピタキシャル層２２０を成膜する際には、破線矢印１４２に示す方向より、炭素を含む炭素原料ガス、珪素を含む珪素原料ガス、窒素などの不純物元素を含む不純物原料ガス、及びキャリアガスとして水素（Ｈ_２）ガスを供給する。本実施形態では、炭素原料ガスにはプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）ガス等が用いられ、珪素原料ガスにはシラン（ＳｉＨ_４）ガス等が用いられ、不純物原料ガスにはアンモニア（ＮＨ_３）ガスおよび窒素（Ｎ_２）ガス等が用いられる。

炭化珪素エピタキシャル層２２０を成膜する際には、回転サセプタ１３０を回転させることにより、基板ホルダ１２０の回転軸１２１を中心に破線矢印１４３に示される方向に回転させる。これにより、基板ホルダ１２０に載せられている炭化珪素単結晶基板２１０を公転させることができる。尚、本実施形態においては、炭化珪素単結晶基板２１０の第１主面２１１に対し垂直方向を軸に回転サセプタ１３０を回転させることにより基板ホルダ１２０を回転させる。この回転サセプタ１３０の回転数は、例えば、１０ＲＰＭ以上１００ＲＰＭ以下である。従って、この成膜装置１００では、複数、例えば、３枚の炭化珪素単結晶基板２１０に、同時に炭化珪素エピタキシャル層２２０を成膜することが可能である。尚、基板ホルダ１２０の回転は、例えば、ガスフロー方式により行われる。

〔炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法〕
次に、本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法について、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法の概略を示すフローチャートである。

図５に示されるように、本実施形態の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、準備工程（Ｓ１０１）、載置工程（Ｓ１０２）、水素ガス供給工程（Ｓ１０３）、減圧工程（Ｓ１０４）、昇温工程（Ｓ１０５）、及びエピタキシャル成長工程（Ｓ１０６）を備える。以下、各工程について説明する。

準備工程（Ｓ１０１）では、炭化珪素単結晶基板２１０を準備する。炭化珪素単結晶基板２１０は、たとえば炭化珪素単結晶からなるインゴットをスライスすることにより作製される。スライスには、たとえばワイヤーソーが使用される。スライスの後には、研磨が行われてもよい。

炭化珪素単結晶基板２１０の炭化珪素のポリタイプは、４Ｈである。電子移動度、絶縁破壊電界強度等において他のポリタイプよりも優れているからである。炭化珪素単結晶基板２１０の直径は、１５０ｍｍ以上（たとえば６インチ以上）である。炭化珪素単結晶基板２１０の直径が大きい程、半導体装置の製造コスト削減に有利である。炭化珪素単結晶基板２１０のオフ角θは、０°よりも大きく４°以下である。炭化珪素単結晶基板２１０にオフ角θを導入しておくことにより、ＣＶＤ法によって炭化珪素エピタキシャル層２２０を成長させる際、第１主面２１１に表出した原子ステップからの横方向成長、いわゆる「ステップフロー成長」が誘起される。これにより炭化珪素単結晶基板２１０のポリタイプを引き継いだ形で単結晶が成長し、異種ポリタイプの混入が抑制される。ここで、オフ角θとは、炭化珪素単結晶基板２１０の炭化珪素エピタキシャル層２２０を成長させる第１主面２１１の、所定の結晶面に対する傾斜角のことである。所定の結晶面は、（０００１）面または（０００−１）面が好ましい。即ち、所定の結晶面は、｛０００１｝面が好ましい。オフ角θを設ける方向は、例えば＜１１−２０＞方向である。

準備工程（Ｓ１０１）では、炭化珪素単結晶基板２１０の基板ホルダ１２０に載せられる第２主面２１２の形状を測定してもよい。基板ホルダ１２０と炭化珪素単結晶基板２１０との接触状態を予め確認することができる。第２主面２１２の形状は、市販の検査装置などで測定される。市販の検査装置としては、例えば、Ｔｒｏｐｅｌ社製のＦｌａｔｍａｓｔｅｒ、Ｔｒｏｐｅｌ社製のＵｌｔｒａｓｏｒｔ、Ｎｉｄｅｋ社製のフラットネステスター、神津精機社製のＤｙｖｏｃｅなどが用いられる。

第２主面２１２の形状は、その形状に対する重力の影響を低減するために第２主面２１２を鉛直に立てると共に、反対側の第１主面２１１の中心点のみを吸着しながら、測定されてよい。第２主面２１２の形状は、３点基準面からの凹凸で表される。３点基準面とは、図２に示す３つの基準点２３１〜２３３を含む平面のことである。３つの基準点２３１〜２３３は、第２主面２１２の外周端から径方向内側に３ｍｍの位置に描かれる円弧２３４の上に設定され、１２０°間隔で設定される。そのうちのひとつの基準点２３１は、オリエンテーション・フラット２３５（以下、単に「オリフラ２３５」とも呼ぶ。）の中心点と第２主面２１２の中心点２３６とを通る直線２３７上に設定され、第２主面２１２の中心点２３６を基準としてオリフラ２３５の中心点とは反対側に設定される。直線２３７は、例えば、＜１１−２０＞方向に対し垂直とされ、＜１−１００＞方向に対し平行とされる。尚、オリフラ２３５の代わりに、ノッチが形成されていてもよい。この場合、直線２３７は、ノッチの中心点と第２主面２１２の中心点２３６とを通る。

載置工程（Ｓ１０２）では、準備工程（Ｓ１０１）において準備された複数（例えば三枚）の炭化珪素単結晶基板２１０を、鉛直方向から見たときに重ならないように一の基板ホルダ１２０に載せる。複数の炭化珪素単結晶基板２１０は、鉛直方向から見たときに間隔をおくように配され、例えば同一水平面上に間隔をおいて配されてよい。複数の炭化珪素単結晶基板が載せられている基板ホルダ１２０は、チャンバ１０２内の回転サセプタ１３０の上に設置される。載置工程（Ｓ１０２）の詳細については、後述する。

載置工程（Ｓ１０２）以降の工程は、成膜装置内で行われる。以下、載置工程（Ｓ１０２）以降の工程について、図６を参照して説明する。図６は、成膜装置内で行われるチャンバ１０２内の温度及びガス流量の制御を示すタイミングチャートである。

水素ガス供給工程（Ｓ１０３）では、チャンバ１０２内に水素（Ｈ_２）ガスを流量を供給する。この後、時点ｔ１よりチャンバ１０２内に水素（Ｈ_２）ガスを流量を供給する。回転サセプタ１３０はグラファイトにＳｉＣコーティングが施されたものを用いてもよく、ＳｉＣから構成されるものを用いてもよい。

次に、減圧工程（Ｓ１０４）では、チャンバ１０２内を減圧する。減圧工程（Ｓ１０４）では、チャンバ１０２内の圧力が目標値に達する時点ｔ２までチャンバ１０２内を減圧する。減圧工程（Ｓ１０４）における圧力の目標値は、たとえば１×１０^−３Ｐａ〜１×１０^−６Ｐａ程度である。

昇温工程（Ｓ１０５）では、成膜装置１００のチャンバ１０２内の温度を第１の温度Ｔ１まで加熱し、更に、第２の温度Ｔ２に到達するまで加熱する。尚、チャンバ１０２内の温度が第１の温度Ｔ１に達した時点ｔ３より時点ｔ４まで、第１の温度Ｔ１に保ったまま、１０分間、チャンバ１０２内に水素（Ｈ_２）ガスを流量を１３５ｓｌｍで供給する。この際、チャンバ１０２内の圧力は、例えば、１０ｋＰａとなるように調整する。この後、更に、水素ガスを供給し続けたまま、成膜装置１００のチャンバ１０２内の温度が第２の温度Ｔ２に到達するまで加熱する。尚、本実施形態では、第１の温度Ｔ１は、例えば、１６２０℃である。また、基板ホルダ１２０の回転（公転）は、複数の炭化珪素単結晶基板２１０を成膜装置１００のチャンバ１０２内に設置した後、エピタキシャル成長工程（Ｓ１０６）の前に行ってもよい。

第２の温度Ｔ２は、１５００℃以上１７５０℃以下が好ましい。第２の温度Ｔ２が１５００℃を下回ると、後のエピタキシャル成長工程（Ｓ１０６）で単結晶を均一に成長させることが困難な場合があり、また成長速度が低下する場合もある。また第２の温度Ｔ２が１７００℃を超えると、水素ガスによるエッチング作用が強くなり、かえって成長速度が低下する場合もあり得る。第２の温度Ｔ２は、より好ましくは１５２０℃以上１６８０℃以下であり、特に好ましくは１５５０℃以上１６５０℃以下である。本実施形態においては、１６４０℃である。

成膜装置１００のチャンバ１０２内の温度が第２の温度Ｔ２に到達した時点ｔ５より、エピタキシャル成長工程（Ｓ１０６）を行う。

エピタキシャル成長工程（Ｓ１０６）では、成膜装置１００のチャンバ１０２内に、水素ガスとともに、炭化水素ガス、シラン（ＳｉＨ_４）ガス、窒素ガス及びアンモニアガスを供給する。エピタキシャル成長工程（Ｓ１０６）におけるチャンバ１０２内の所定の圧力は、例えば、６ｋＰａである。これにより、ＣＶＤ法により炭化珪素単結晶基板２１０の第１主面２１１上にｎ型となる不純物元素がドープされた炭化珪素エピタキシャル層２２０を成長させることができる。

炭化水素ガスとしては、メタン（ＣＨ_４）ガス、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）ガス、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）ガス、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）ガス及びアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガス等を用いることができる。これらの炭化水素ガスは１種単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。即ち、炭化水素ガスは、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガス及びアセチレンガスからなる群より選択される１種以上を含むことが好ましい。本実施形態においては、例えば、炭化水素ガスとしてプロパンガスを６３ｓｃｃｍ供給する。

また、シランガスの流量は特に限定されないが、炭化水素ガスに含まれる炭素（Ｃ）の原子数と、シランガスに含まれる珪素（Ｓｉ）の原子数との比（Ｃ／Ｓｉ）が０．５以上２．０以下となるように、シランガスの流量を調整することが好ましい。化学量論比の適切なＳｉＣをエピタキシャル成長させるためである。本実施形態においては、例えば、シランガスを１４０ｓｃｃｍ供給する。この場合には、Ｃ／Ｓｉは１．３５となる。

エピタキシャル成長工程（Ｓ１０６）は、目標とする炭化珪素エピタキシャル層２２０の厚さに合わせて時点ｔ６まで行われる。本実施形態においては、エピタキシャル成長工程（Ｓ１０６）は約１５０分行われ、これにより、膜厚が３０μｍ、キャリア濃度が３×１０^１５ｃｍ^−３の炭化珪素エピタキシャル層２２０が形成される。

エピタキシャル成長工程（Ｓ１０６）の終了後は、炭化珪素エピタキシャル層２２０が成膜されている炭化珪素エピタキシャル基板２００を冷却する。冷却は成膜装置１００の誘導加熱コイル１０４による加熱を停止することにより行い、チャンバ１０２内の温度が６００℃になる時点ｔ７までは水素ガスを供給し、時点ｔ７以降は水素ガスの供給を停止する。この後、炭化珪素エピタキシャル基板２００を取り出すことが可能な温度となる時点ｔ８まで冷却した後、チャンバ１０２内を大気開放して、チャンバ１０２内を大気圧に戻し、チャンバ１０２内より炭化珪素エピタキシャル基板２００を取り出す。これにより、炭化珪素エピタキシャル基板２００を製造することができる。

〔載置工程の詳細〕
本願発明者は、炭化珪素単結晶基板２１０の基底面転位の一部が刃状貫通転位に変換されずにそのまま炭化珪素エピタキシャル層２２０に引き継がれる理由を検討した。基底面転位とは、炭化珪素単結晶の基底面である｛０００１｝面に存在する転位のことである。基底面転位は、｛０００１｝面に平行に存在する。一方、刃状貫通転位は、｛０００１｝に対し垂直に伸びる。基底面転位は、刃状貫通転位に変換可能である。刃状貫通転位は、基底面転位に比べて、デバイスに与える悪影響が少ない。

炭化珪素単結晶基板２１０の基底面転位の大部分（例えば９０％以上）は、炭化珪素エピタキシャル層２２０に引き継がれずに、刃状貫通転位に変換される。基底面転位がそのまま引き継がれる場合よりも、転位の伸びる方向の長さが短くなり、転位によって炭化珪素エピタキシャル層２２０に蓄えられる弾性ひずみエネルギーが減少するためと考えられる。一方で、炭化珪素単結晶基板２１０の基底面転位の一部は、刃状貫通転位に変換されずに、炭化珪素エピタキシャル層２２０に引き継がれる。

本願発明者は、一部の基底面転位が刃状貫通転位に変換されないのはその変換を妨げる応力が存在しているためと推定した。特に炭化珪素単結晶基板２１０の直径が１５０ｍｍ以上である場合、基板ホルダ１２０の温度ムラによって大きな応力が生じ、基底面転位から刃状貫通転位への変換効率が低下すると考えられる。

本開示の一態様によれば、炭化珪素単結晶基板２１０の第２主面２１２を基板ホルダ１２０の対向面１２４に載せるとき、第２主面２１２の中央部は対向面１２４に接すると共に、第２主面２１２の外周端は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられる。これにより、詳しくは後述するが、基板ホルダ１２０の温度ムラの炭化珪素単結晶基板２１０への伝達を抑制でき、炭化珪素エピタキシャル層２２０の基底面転位密度を低減できる。

次に、本実施形態における載置工程（Ｓ１０２）の詳細について、図２〜図４に加えて、図７を参照して説明する。図７は、本実施形態の炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに載せている状態を示す断面図である。図７において、実線は本実施形態における炭化珪素単結晶基板２１０の第２主面２１２が下に凸である状態を示し、二点鎖線は比較例における炭化珪素単結晶基板２１０の第２主面２１２が下に凹である状態を示す。また、図７において、炭化珪素単結晶基板２１０の反りを誇張して示す。

載置工程（Ｓ１０２）は、図４に示すように、鉛直方向から見たときに重ならないように複数の炭化珪素単結晶基板２１０を一の基板ホルダ１２０に載せる。基板ホルダ１２０は、図７に示すように、炭化珪素単結晶基板２１０を収容する収容部１２２を有する。収容部１２２は、基板ホルダ１２０の上面に凹状に形成され、炭化珪素単結晶基板２１０の下向きの第２主面２１２が載せられる上向きの対向面１２４と、対向面１２４に載せられている炭化珪素単結晶基板２１０の側面を取り囲む側壁面１２８とを含む。収容部１２２は、図４に示すように炭化珪素単結晶基板２１０毎に設けられ、基板ホルダ１２０の回転軸１２１の周りに複数設けられる。複数の収容部１２２は、回転軸１２１を中心に回転対称に配置されてよい。

図７に実線で示すように、少なくとも一の炭化珪素単結晶基板２１０の第２主面２１２を基板ホルダ１２０の対向面１２４に載せるとき、第２主面２１２の中央部２１４は対向面１２４に接すると共に、第２主面２１２の外周端２１６は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられる。第２主面２１２の中央部２１４とは、図２に示すように、第２主面２１２の中心点２３６から、第２主面２１２の半径ｒの１／２以内の範囲をいう。

図７に実線で示すように、例えば、対向面１２４は平坦であって、平坦な対向面１２４に載せられている第２主面２１２は下に凸のお椀状の曲面であってよい。第２主面２１２の中央部２１４は対向面１２４に接すると共に、第２主面２１２の外周端２１６は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられる。その隙間の大きさＧは、好ましくは２５μｍ以上である。隙間の大きさＧは、対向面１２４に載せられている第２主面２１２の３点基準面に直交する方向に計測する。

対向面１２４が平坦であると、対向面１２４の加工が容易であり、基板ホルダ１２０の製造が容易である。尚、平坦な対向面１２４に載せられている第２主面２１２は、下に凸のお椀状の曲面には限定されない。平坦な対向面１２４に載せられている第２主面２１２は、高低差を有し、最も低い部分２１８を、第２主面２１２の中央部２１４に有するものであればよい。中央部２１４は対向面１２４に接すると共に、外周端２１６は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられることができる。第２主面２１２の高低差は、第２主面２１２の３点基準面からの距離で表されてよい。

第２主面２１２の中央部２１４は対向面１２４に接すると共に、第２主面２１２の外周端２１６は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられる状態は、載置工程（Ｓ１０２）以降の工程、例えばエピタキシャル成長工程（Ｓ１０６）においても維持される。エピタキシャル成長工程（Ｓ１０６）において、チャンバ１０２（図３参照）内の温度はチャンバ１０２の中心に近いほど高温になりやすく、基板ホルダ１２０は径方向に温度分布を有する傾向にある。例えば、基板ホルダ１２０の径方向内側から径方向外側に向かうほど、基板ホルダ１２０の温度が低くなり、対向面１２４の温度が低くなる傾向にある。従って、対向面１２４の温度は、図７中右側から左側に向かうほど、低くなる傾向にある。

仮に、図７に二点鎖線で示すように、第２主面２１２の中央部は対向面１２４との間に隙間が設けられると共に、第２主面２１２の外周端は対向面１２４に接する場合、その接触位置が対向面１２４の高温地点と低温地点とにまたがる。そのため、対向面１２４の温度ムラがそのまま炭化珪素単結晶基板２１０に伝達されてしまう。

これに対し、本実施形態によれば、図７に実線で示すように、第２主面２１２の中央部２１４は対向面１２４に接すると共に、第２主面２１２の外周端２１６は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられる。よって、第２主面２１２の対向面１２４に接する接触位置が対向面１２４の高温地点と低温地点との間の中間地点に限られ、対向面１２４の温度ムラの第２主面２１２への伝達を緩和できる。その結果、炭化珪素単結晶基板２１０の温度ムラを低減でき、熱応力の発生を抑制でき、炭化珪素エピタキシャル層２２０における基底面転位から刃状貫通転位への変換効率を向上できると考えられる。従って、第２主面２１２の中央部２１４は対向面１２４に接すると共に、第２主面２１２の外周端２１６は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられると、炭化珪素エピタキシャル層２２０の基底面転位密度を低減できる。

図７に実線で示すように、第２主面２１２の中央部２１４は対向面１２４に接すると共に、第２主面２１２の外周端２１６は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられるとき、側面２１３は全周にわたって側壁面１２８との間に隙間が設けられてもよい。側壁面１２８の温度ムラの側面２１３への伝達を防止でき、炭化珪素単結晶基板２１０の温度ムラをより低減できる。その結果、炭化珪素エピタキシャル層２２０の基底面転位密度をより低減できる。

尚、側面２１３は、周方向の一部で、収容部１２２の側壁面１２８に接してもよい。この接触は１点での点接触になるため、伝熱の面積が小さく、熱の移動速度が遅い。そのため、この接触による熱の移動は無視できるほど小さい。

図８は、変形例における炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに載せている状態を示す断面図である。上記実施形態の対向面１２４は平坦であるのに対し、本変形例の対向面１２４は高低差を有する点で、上記実施形態と本変形例とは相違する。以下、相違点について主に説明する。

本変形例の対向面１２４は、高低差を有し、最も高い部分である第１平坦部１２５を、対向面１２４に載せられている第２主面２１２の中央部２１４に有する。平面視で第１平坦部１２５と中央部２１４とが重なればよく、第１平坦部１２５は中央部２１４と同じ大きさでもよいし、中央部２１４よりも大きくても小さくてもよい。対向面１２４の高低差は、対向面１２４に載せられている第２主面２１２の３点基準面からの距離で表されてよい。尚、第２主面２１２の３点基準面の代わりに、基準となる水平面が用いられてもよい。

対向面１２４が高低差を有することで、第２主面２１２の形状に対する要求を緩和できる。第２主面２１２は、図８に示すように平坦でもよいし、図７に実線で示すように下に凸でもよい。いずれの場合でも、第２主面２１２の中央部２１４は対向面１２４に接すると共に、第２主面２１２の外周端２１６は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられることができる。よって、炭化珪素エピタキシャル層２２０の基底面転位密度を低減できる。尚、第２主面２１２は、図７に二点鎖線で示す第２主面２１２と同様に下に凹でもよい。この場合、対向面１２４の高低差が第２主面２１２の高低差よりも大きいと、第２主面２１２の中央部２１４は対向面１２４に接すると共に、第２主面２１２の外周端２１６は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられることができる。
第１平坦部１２５の周りには、第１平坦部１２５よりも低く第１平坦部１２５に対し平行な第２平坦部１２６がリング状に形成される。第１平坦部１２５と第２平坦部１２６との高低差Ｄは、１００μｍ以上が好ましく、一例としては３００μｍが挙げられる。第２平坦部１２６を底に有する溝の溝幅Ｗは、１０ｍｍ以上が好ましく、一例としては２０ｍｍが挙げられる。高低差Ｄおよび溝幅Ｗが上記数値範囲である図８に示す基板ホルダ１２０を用いた場合、図７に示す基板ホルダ１２０を用いた場合と比較して、炭化珪素エピタキシャル層２２０の基底面転位の密度が１／４〜１／２に低減した。この比較実験では、図８に示す基板ホルダ１２０を用いた場合、および図７に示す基板ホルダ１２０を用いた場合のいずれの場合においても、炭化珪素単結晶基板２１０として、第２主面２１２が図８に示すように平坦なものを用いた。

高低差を有する対向面１２４は、図８に示すように、対向面１２４に載せられている第２主面２１２の径方向外側から径方向内側に向かうほど段階的に高くなってよい。高低差を有する対向面１２４は、最も高い第１平坦部１２５と、第１平坦部１２５よりも低い第２平坦部１２６とを有する。第２平坦部１２６は第１平坦部１２５の周りに形成され、第２平坦部１２６と第１平坦部１２５との間には段差部が形成される。複数の平坦部と段差部とで対向面１２４が形成されるため、平坦部の代わりに曲面部が設けられる場合に比べ、対向面１２４の加工が比較的容易である。尚、対向面１２４は、第２平坦部１２６の周りに、第２平坦部１２６よりも低い第３の平坦部をさらに有してもよい。対向面１２４を形成する平坦部の数や段差部の数は特に限定されない。

また、高低差を有する対向面１２４は、図９に示すように、対向面１２４に載せられている第２主面２１２の径方向外側から径方向内側に向かうほど連続的に高くなってもよい。例えば、対向面１２４は、上に凸のドーム状の曲面部を有してよい。曲面部の代わりに平坦部が設けられる場合に比べ、対向面１２４の第２主面２１２との接触面積を小さくすることができる。尚、対向面１２４は、平坦部と曲面部の両方を含んでもよい。

以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上記実施形態は、炭化珪素単結晶基板２１０の上に炭化珪素エピタキシャル層２２０を成膜する際、炭化珪素単結晶基板２１０を公転させるものであるが、炭化珪素単結晶基板２１０を自転かつ公転させるものであってもよい。公転では、炭化珪素単結晶基板２１０の第１主面２１１に対し垂直方向を軸に回転サセプタ１３０を回転させることにより基板ホルダ１２０を回転させる。また、自転では、炭化珪素単結晶基板２１０の中心において、炭化珪素単結晶基板２１０の第１主面２１１に対し垂直方向を軸に回転サセプタ１３０を回転させることにより基板ホルダ１２０を回転させる。公転に加え、更に炭化珪素単結晶基板２１０を回転（自転）させると、炭化珪素単結晶基板２１０の温度ムラが小さくなるものと考えられる。

また、上記実施形態は、炭化珪素単結晶基板２１０の上に炭化珪素エピタキシャル層２２０を成膜する際、炭化珪素単結晶基板２１０を公転させるものであるが、炭化珪素単結晶基板２１０を公転させないものでもよい。公転の有無に関係なく、第２主面２１２の中央部２１４は対向面１２４に接すると共に、第２主面２１２の外周端２１６は全周にわたって対向面１２４との間に隙間が設けられると、炭化珪素単結晶基板２１０の温度ムラが小さくなるものと考えらえる。

上記実施形態では、基板ホルダ１２０の形状が、円盤状であるが、これには限定されず、例えば円錐状または円錐台状でもよい。この場合、円錐面に凹状の収容部１２２が形成され、対向面１２４は水平面に対し傾斜する。この場合、対向面１２４の高低差および第２主面２１２の高低差は、対向面１２４に載せられている第２主面２１２の３点基準面からの距離で表されてよい。

１００ 成膜装置
１０２ チャンバ
１０４ 誘導加熱コイル
１０６ 石英管
１０８ 断熱材
１１０ 発熱体
１２０ 基板ホルダ
１２１ 回転軸
１２２ 収容部
１２４ 対向面
１２５ 第１平坦部（最も高い部分）
１２６ 第２平坦部
１２８ 側壁面
１３０ 回転サセプタ
２００ 炭化珪素エピタキシャル基板
２１０ 炭化珪素単結晶基板
２１１ 第１主面
２１２ 第２主面
２１３ 側面
２１４ 中央部
２１６ 外周端
２１８ 最も低い部分
２２０ 炭化珪素エピタキシャル層

Claims (5)

1. 直径が１５０ｍｍ以上、炭化珪素のポリタイプが４Ｈ、且つオフ角が０°を超え４°以下であって第１主面および前記第１主面に対向する第２主面を有する複数の炭化珪素単結晶基板を、鉛直方向から見たときに重ならないように一の基板ホルダに載せ、
   一の前記基板ホルダに載せられている複数の前記炭化珪素単結晶基板の前記第１主面の上に炭化珪素エピタキシャル層を成膜し、
   少なくとも一の前記炭化珪素単結晶基板の前記第２主面を前記基板ホルダにおける前記第２主面と対向する対向面に載せるとき、前記第２主面の中央部は前記対向面に接すると共に、前記第２主面の外周端は全周にわたって前記対向面との間に隙間が設けられる、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
2. 前記対向面は、平坦である、請求項１に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
3. 前記対向面は、高低差を有し、最も高い部分を、前記対向面に載せられている前記炭化珪素単結晶基板の前記第２主面の中央部に有する、請求項１に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
4. 前記高低差を有する前記対向面は、当該対向面に載せられている前記炭化珪素単結晶基板の前記第２主面の径方向外側から径方向内側に向かうほど段階的に高くなる、請求項３に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
5. 前記高低差を有する前記対向面は、当該対向面に載せられている前記炭化珪素単結晶基板の前記第２主面の径方向外側から径方向内側に向かうほど連続的に高くなる、請求項３に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。

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