JP2019014628A - 炭化ケイ素膜付き基板の製造方法、炭化ケイ素膜付き基板および炭化ケイ素単結晶基板 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶欠陥の少ない炭化ケイ素成長層を形成可能な炭化ケイ素膜付き基板、かかる炭化ケイ素膜付き基板を製造可能な炭化ケイ素膜付き基板の製造方法、および、高品質な炭化ケイ素成長層を備える炭化ケイ素単結晶基板を提供すること。
【解決手段】炭化ケイ素の単結晶成長に用いられる炭化ケイ素膜付き基板を製造する方法であって、シリコン基板と、前記シリコン基板の一方の面側に設けられている炭化ケイ素下地膜と、を有する下地膜付きシリコン基板を用意する第１の工程と、前記下地膜付きシリコン基板に対し、等方性エッチング可能なガス雰囲気中でエッチング処理し、炭化ケイ素膜付き基板を得る第２の工程と、を有することを特徴とする炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化ケイ素膜付き基板の製造方法、炭化ケイ素膜付き基板および炭化ケイ素単結晶基板に関するものである。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、Ｓｉに比べ２倍以上のバンドギャップ（２．３６〜３．２３ｅＶ）を有するワイドバンドギャップ半導体であり、高耐圧デバイス用材料として注目されている。

ところが、ＳｉＣは、Ｓｉとは異なり、結晶化温度が高温であるため、Ｓｉ基板と同様の液相からの引上げ法による単結晶インゴット作成が困難である。そのため、昇華法によりＳｉＣの単結晶インゴットを形成する方法が提案されているが、かかる昇華法においては、大口径で結晶欠陥の少ない基板を形成することが非常に難しい。一方、ＳｉＣ結晶の中でも立方晶ＳｉＣ（３Ｃ−ＳｉＣ）は、比較的低温で形成可能であるため、基板上にエピタキシャル成長を行う方法が提案されている。

このエピタキシャル成長を用いたＳｉＣ基板の製造方法の１つとして、気相中において、Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣを成長させるヘテロエピタキシャル技術が検討されている。
しかしながら、このようなヘテロエピタキシャル技術では、単結晶シリコンと３Ｃ−ＳｉＣとの間で格子定数に差があるため、成長させた３Ｃ−ＳｉＣ成長層には内部応力が発生する。このような内部応力は、結晶欠陥の原因となり、３Ｃ−ＳｉＣ成長層の品質低下を招く。

そこで、特許文献１には、シリコン基板とエピタキシャル膜（３Ｃ−ＳｉＣ成長層）との間に炭化層を設けた炭化ケイ素半導体基板が開示されている。このような炭化ケイ素半導体基板では、炭化層によって格子定数の不整合を緩和することができるため、エピタキシャル膜における転移欠陥の発生が抑制される。

特開２０１４−２３７５８１号公報

しかしながら、炭化層を設けた場合でも、前述した格子定数の差やシリコン基板と３Ｃ−ＳｉＣ成長層との熱膨張率の差を十分に緩和できない場合があり、この場合、３Ｃ−ＳｉＣ成長層に含まれる結晶欠陥を十分に抑制することは難しい。

本発明の目的は、結晶欠陥の少ない炭化ケイ素成長層を形成可能な炭化ケイ素膜付き基板、かかる炭化ケイ素膜付き基板を製造可能な炭化ケイ素膜付き基板の製造方法、および、高品質な炭化ケイ素成長層を備える炭化ケイ素単結晶基板を提供することにある。

上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、炭化ケイ素の単結晶成長に用いられる炭化ケイ素膜付き基板を製造する方法であって、
シリコン基板と、前記シリコン基板の一方の面側に設けられている炭化ケイ素下地膜と、を有する下地膜付きシリコン基板を用意する第１の工程と、
前記下地膜付きシリコン基板に対し、等方性エッチング可能なガス雰囲気中でエッチング処理し、炭化ケイ素膜付き基板を得る第２の工程と、
を有することを特徴とする。

これにより、シリコン基板と炭化ケイ素下地膜との間に空孔が形成され、炭化ケイ素下地膜上に成長させる炭化ケイ素成長層における内部応力を抑制することができるので、結晶欠陥の少ない炭化ケイ素成長層を形成可能な炭化ケイ素膜付き基板が得られる。

本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、前記第１の工程は、構成原子として炭素原子を含むガス雰囲気中で前記シリコン基板を加熱する工程を含むことが好ましい。

これにより、シリコン基板の一部が炭化ケイ素に転化することで炭化ケイ素下地膜が形成されるため、シリコン基板と炭化ケイ素下地膜の格子不整合を緩和することができ、炭化ケイ素膜付き基板上に成長させる単結晶に格子定数差を影響させ難い炭化ケイ素下地膜を形成することができる。

本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、前記シリコン基板を加熱する温度は、８００℃以上１４００℃以下であることが好ましい。
これにより、適度な厚さで高品質な炭化ケイ素下地膜を形成することができる。

本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、前記第１の工程は、前記シリコン基板と前記炭化ケイ素下地膜との界面において、前記シリコン基板に空孔が形成されるまで前記加熱を継続することが好ましい。
これにより、空孔を効率よく形成することができる。

本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、前記炭素原子を含むガスは、炭化水素ガスを含むことが好ましい。
これにより、空孔をより適正かつ効率よく形成することができる。

本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、前記等方性エッチング可能なガスは、水素または塩素を含むことが好ましい。

これにより、より等方的にエッチングが進行するため、結晶面によらず等方的に拡大した空孔が得られる。

本発明の炭化ケイ素膜付き基板は、シリコン基板と、
前記シリコン基板上に積層され、炭化ケイ素を含む炭化ケイ素下地膜と、
を有し、
前記シリコン基板と前記炭化ケイ素下地膜との接触面積が、前記炭化ケイ素下地膜の面積の１０％以上９０％以下であることを特徴とする。

これにより、シリコン基板と炭化ケイ素下地膜との密着力を確保しつつ、成長させる炭化ケイ素成長層における内部応力の緩和を図ることができる。したがって、結晶欠陥の少ない炭化ケイ素成長層を形成可能な炭化ケイ素膜付き基板が得られる。

本発明の炭化ケイ素膜付き基板は、前記シリコン基板側に形成され、前記シリコン基板と前記炭化ケイ素下地膜との界面に開口する空孔を有し、
前記シリコン基板の厚さ方向に沿って前記空孔が切断されたときの断面形状は、曲線を含んでいることが好ましい。

これにより、空孔を起点にクラック等が入り難くなるため、シリコン基板の品質低下を抑制することができる。

本発明の炭化ケイ素単結晶基板は、本発明の炭化ケイ素膜付き基板と、
前記炭化ケイ素下地膜上に成膜されている炭化ケイ素成長層と、
を有することを特徴とする。

これにより、炭化ケイ素単結晶基板は、結晶欠陥が少なく高品質な炭化ケイ素成長層を有しているため、特性が良好なパワーデバイスを製造可能な半導体基板となり得る。

本発明の炭化ケイ素膜付き基板の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の炭化ケイ素単結晶基板の実施形態を示す縦断面図である。 図１に示す炭化ケイ素膜付き基板を炭化ケイ素下地膜側から見た様子を模式的に示す平面図の一例である。 本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法の実施形態、および、炭化ケイ素単結晶基板を製造する方法を説明するための図である。 本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法の実施形態、および、炭化ケイ素単結晶基板を製造する方法を説明するための図である。 本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法の実施形態、および、炭化ケイ素単結晶基板を製造する方法を説明するための図である。 本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法の実施形態、および、炭化ケイ素単結晶基板を製造する方法を説明するための図である。 本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法の実施形態、および、炭化ケイ素単結晶基板を製造する方法を説明するための図である。 実施例１で得られた炭化ケイ素膜付き基板の炭化ケイ素下地膜の表面についての光学顕微鏡による観察像である。 実施例１で得られた炭化ケイ素膜付き基板の断面についての電子顕微鏡による観察像である。

以下、本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法、炭化ケイ素膜付き基板および炭化ケイ素単結晶基板を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明では、説明の便宜上、図１および図２中の上方を「上」、下方を「下」という。

（炭化ケイ素膜付き基板）
まず、本実施形態に係る炭化ケイ素膜付き基板について説明する。

図１は、本発明の炭化ケイ素膜付き基板の実施形態を示す縦断面図である。
図１に示す炭化ケイ素膜付き基板１は、Ｓｉ基板２（シリコン基板）と、Ｓｉ基板２上に積層されたＳｉＣ下地膜３（炭化ケイ素下地膜）と、を有している。このような炭化ケイ素膜付き基板１では、ＳｉＣ下地膜３を下地として立方晶炭化ケイ素をエピタキシャル成長（単結晶成長）させることができる。

Ｓｉ基板２は、例えば、ＣＺ法（チョコラルスキー法）により引き上げられたシリコン単結晶インゴットをスライスし、研磨することによって得られる。このＳｉ基板２は、いかなる面方位を有する基板であってもよいが、例えば、その主面がＳｉ（１００）面、または、Ｓｉ（１００）面の結晶軸が数度傾くようにオフセットされた面になっている基板を用いてもよい。

なお、本実施形態では、Ｓｉ基板２がシリコン結晶基板である場合について説明しているが、Ｓｉ基板２はこれに限定されず、例えば、石英、サファイア、多結晶ＳｉＣ等の基板上に結晶シリコン膜を成膜した複合基板であってもよい。

また、シリコン結晶基板や結晶シリコン膜は、その全体が単結晶であることが好ましいが、多結晶であってもよい。

Ｓｉ基板２の厚さは、Ｓｉ基板２がＳｉＣ下地膜３を支持し得る程度の機械的強度を有するように適宜設定されるが、一例として、１００μｍ以上２ｍｍ以下程度が好ましい。

ＳｉＣ下地膜３は、Ｓｉ基板２の上面に積層されている。このＳｉＣ下地膜３は、シリコン結晶基板の表面に炭化処理を施して形成された炭化膜であってもよく、シリコン結晶基板の表面にＳｉＣを成膜して得られたものであってもよい。

このようなＳｉＣ下地膜３を成膜することにより、シリコンの格子定数と炭化ケイ素の格子定数との違いから生じる結晶欠損を緩和することができる。すなわち、シリコン基板と、エピタキシャル成長させるＳｉＣ成長層との間にＳｉＣ下地膜３のような緩衝層を設けることにより、ＳｉＣ下地膜３を設けない場合に比べてエピタキシャル成長させるＳｉＣ成長層の結晶欠陥を抑制することができる。その結果、炭化ケイ素膜付き基板１にエピタキシャル成長させたＳｉＣ成長層は、品質の高いものとなる。

ＳｉＣ下地膜３の結晶構造は、特に限定されないが、例えば、立方晶ＳｉＣ（３Ｃ−ＳｉＣ）とされる。なお、３Ｃ−ＳｉＣ以外の結晶、例えば、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣであってもよい。

また、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との界面は、視覚上あるいは成分の濃度上、明確であっても不明確であってもよい。

また、ＳｉＣ下地膜３の厚さは、特に限定されないが、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるのが好ましく、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であるのがより好ましく、４ｎｍ以上４０ｎｍ以下であるのがさらに好ましい。ＳｉＣ下地膜３の厚さを前記範囲内に設定することにより、その後の製造工程において、内部応力を緩和するために形成する空孔の密度を適切に制御することが可能となり、また、上面の平坦性が低下し難いＳｉＣ下地膜３を得ることができる。

すなわち、ＳｉＣ下地膜３の厚さが前記下限値を下回ると、ＳｉＣ下地膜３によるＳｉ基板２の被覆が不十分となり、その後の製造工程において空孔の発生量を制御できなくなるおそれがある。一方、ＳｉＣ下地膜３の厚さが前記上限値を上回ると、ＳｉＣ下地膜３の成膜条件によっては、ＳｉＣ下地膜３の上面の平坦性が低下し、その上に成長させるＳｉＣ成長層の品質を低下させるおそれがある。

なお、ＳｉＣ下地膜３の厚さは、例えば、エリプソメトリ法等の光学的手法を用いた測定法により計測する方法、あるいは、炭化ケイ素膜付き基板１の断面を電子顕微鏡や光学顕微鏡等で観察し、観察像上においてＳｉＣ下地膜３の厚さを計測する方法等によって求められる。

また、ＳｉＣ下地膜３は、その全体が単結晶であることが好ましいが、必ずしもそれに限定されず、多結晶であってもよい。

（炭化ケイ素単結晶基板）
次に、本実施形態に係る炭化ケイ素単結晶基板について説明する。
図２は、本発明の炭化ケイ素単結晶基板の実施形態を示す縦断面図である。

図２に示す炭化ケイ素単結晶基板１０は、前述した炭化ケイ素膜付き基板１の上に、ＳｉＣ下地膜３を下地層として立方晶炭化ケイ素層をエピタキシャル成長させてなるものである。すなわち、図２に示す炭化ケイ素単結晶基板１０は、炭化ケイ素膜付き基板１と、炭化ケイ素膜付き基板１のＳｉＣ下地膜３上に積層されたＳｉＣ成長層４（炭化ケイ素成長層）と、を有している。このような炭化ケイ素単結晶基板１０は、結晶欠陥が少なく高品質なＳｉＣ成長層４を有するため、半導体デバイスを形成する単結晶基板として好適である。

本実施形態に係るＳｉＣ成長層４は、立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）で構成された半導体層である。立方晶炭化ケイ素は、バンドギャップ値が２．３６ｅＶ以上と広く、熱伝導率や絶縁破壊電界が高いため、例えばパワーデバイス用のワイドバンドギャップ半導体として好適に用いられる。

具体的には、昇圧コンバーター用のトランジスターやダイオード等が挙げられる。より具体的には、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）、絶縁ゲート型バイポーラー・トランジスター（ＩＧＢＴ）、ショットキーバリアーダイオード（ＳＢＤ）等が挙げられる。

なお、ＳｉＣ成長層４は、３Ｃ−ＳｉＣで構成された半導体層に限定されず、例えば、４Ｈ−ＳｉＣや６Ｈ−ＳｉＣで構成された半導体層であってもよい。

ここで、図１に示す炭化ケイ素膜付き基板１は、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との界面に開口し、Ｓｉ基板２側に形成された空孔５を含んでいる。この空孔５は、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との接触面積を減少させる。これにより、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との界面付近の剛直性が低下（緩和）する。一方、剛直性が高すぎると、格子定数の差や熱膨張率の差に起因した内部応力が緩和されず、ＳｉＣ成長層４における結晶欠陥の発生に結び付きやすい。したがって、このようにして剛直性を低下させることにより、内部応力が緩和されやすくなり、ＳｉＣ成長層４に発生する結晶欠陥を抑制することができる。その結果、ＳｉＣ成長層４を結晶欠陥の少ない高品質な単結晶層にすることができる。

また、図１に示す炭化ケイ素膜付き基板１は、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３とを有しているが、それらの接触面積は、空孔５が存在することによってＳｉＣ下地膜３の面積よりも必然的に小さくなる。具体的には、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との接触面積は、ＳｉＣ下地膜３の面積の１０％以上９０％以下であるのが好ましく、２０％以上８０％以下であるのがより好ましく、３０％以上７０％以下であるのがさらに好ましい。接触面積の割合を前記範囲内に設定することにより、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との密着力を確保しつつ、ＳｉＣ成長層４における内部応力の抑制を図ることができる。

なお、接触面積の割合が前記下限値を下回ると、接触面積の割合が小さくなりすぎるため、ＳｉＣ下地膜３やＳｉＣ成長層４の膜厚等によっては、ＳｉＣ下地膜３が剥離しやすくなるおそれがある。一方、接触面積の割合が前記上限値を上回ると、接触面積の割合が大きくなりすぎるため、ＳｉＣ下地膜３やＳｉＣ成長層４の膜厚等によっては、ＳｉＣ成長層４に発生する内部応力を十分に抑制することができないおそれがある。

なお、この接触面積は、ＳｉＣ下地膜３が可視光に対して無色透明なため、炭化ケイ素膜付き基板１をＳｉＣ下地膜３側から観察することで確認可能である。

図３は、図１に示す炭化ケイ素膜付き基板１をＳｉＣ下地膜３側から見た様子を模式的に示す平面図の一例である。なお、ＳｉＣ下地膜３は、一般的に可視光に対して透明であるため、図３では、ＳｉＣ下地膜３越しにＳｉ基板２が見えている様子を図示している。

図３に示す例では、平面視形状が円形をなす空孔５が分布している。そして、隣り合う空孔５のうちの一部は、互いに結合しているものもある。このように空孔５が位置している領域は、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３とが離間している領域である。なお、空孔５の形状は、図示のものに限定されず、例えば全ての空孔５が独立していてもよい。

一方、空孔５以外の領域は、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３とが接触している領域（以下、「接触領域６」という。）である。したがって、前述した接触面積の割合を算出するにあたっては、下記式に基づいて算出される。
（接触面積の割合）＝（接触領域６の全面積）／｛（接触領域６の全面積）＋（空孔５の全面積）｝×１００

また、空孔５の面積や接触領域６の面積を算出するにあたっては、炭化ケイ素膜付き基板１を光学顕微鏡等で拡大観察し、観察像上において面積を求めるようにすればよい。なお、その場合、観察像の一辺の長さは３０μｍ以上であるのが好ましい。

また、図２には、空孔５の縦断面形状が図示されている。図２に示すように、空孔５は、Ｓｉ基板２の厚さ方向に沿って切断されたときの断面形状が曲線を含んでいることが好ましい。すなわち、空孔５の底面や側面は丸みを帯びた曲面になっている。このような形状であれば、ＳｉＣ成長層４の製造過程等において、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との界面に応力が集中しても、その応力が緩和され、空孔５を起点にクラック等が発生することを抑制することができる。

このとき、空孔５の断面形状に含まれる曲線の最小半径は、特に限定されないものの、一例として０．１μｍ以上１０μｍ以下であるのが好ましく、０．５μｍ以上５μｍ以下であるのがより好ましい。曲線の最小半径を前記範囲内に設定することにより、前述したクラック等の抑制を図りつつ、空孔５が必要以上に大きくなってしまい、空孔５と接触領域６との分散が不均等になることを避けることができる。

なお、このような曲線の最小半径は、空孔５の断面を電子顕微鏡で観察し、その観察像上において１０個以上の空孔５を無作為に選択するとともに、その空孔５に含まれる曲線の最小半径の平均値として求められる。

また、空孔５の断面形状は、図示された曲線を含む形状に限定されず、例えば直線のみで構成された形状であってもよい。

また、空孔５の深さは、特に限定されないが、０．１μｍ以上１０μｍ以下であるのが好ましく、０．３μｍ以上５μｍ以下であるのがより好ましい。空孔５の深さを前記範囲内に設定することにより、空孔５がクラック等の起点になり難くなる。このため、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との界面に応力が集中しても、その応力がＳｉ基板２のクラック等を招く確率を低下させることができる。

なお、空孔５の深さが前記下限値を下回ってもよいが、空孔５の形成が難しくなるおそれがある。一方、空孔５の深さが前記上限値を上回ると、空孔５がクラック等の起点になりやすくなるおそれがある。

このような空孔５の深さは、空孔５の断面を電子顕微鏡で観察し、その観察像上において１０個以上の空孔５を無作為に選択するとともに、その空孔５の深さの平均値として求められる。

また、空孔５の密度は、特に限定されないが、１．０×１０^６個／ｃｍ^２以上１．０×１０^１０個／ｃｍ^２以下であるのが好ましい。空孔５の密度を前記範囲内に設定することにより、ＳｉＣ成長層４における結晶欠陥の発生を抑えつつ、ＳｉＣ下地膜３の欠損を抑制することができる。

すなわち、空孔５の密度が前記下限値を下回ると、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との界面における応力の緩和が不十分になるため、ＳｉＣ成長層４において結晶欠陥を十分抑制できないおそれがある。一方、空孔５の密度が前記上限値を上回ると、空孔５同士が連結する確率が特に高くなるため、ＳｉＣ下地膜３が欠損し、ＳｉＣ下地膜３の機能が損なわれるおそれがある。

（炭化ケイ素単結晶基板の製造方法）
次に、図２に示す炭化ケイ素単結晶基板１０を製造する方法について説明する。なお、この方法では、本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法の実施形態を併せて説明する。

図４〜８は、それぞれ、本発明の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法の実施形態、および、炭化ケイ素単結晶基板１０を製造する方法を説明するための図である。

本実施形態に係る炭化ケイ素膜付き基板１の製造方法は、Ｓｉ基板２（シリコン基板）と、Ｓｉ基板２の上面側（一方の面側）に設けられているＳｉＣ下地膜３（炭化ケイ素下地膜）と、を有する下地膜付きシリコン基板１１を用意する工程（第１の工程）と、下地膜付きシリコン基板１１に対し、等方性エッチング可能なガス雰囲気中でエッチング処理し、炭化ケイ素膜付き基板１を得る工程（第２の工程）と、を有する。

また、炭化ケイ素単結晶基板１０の製造方法は、炭化ケイ素膜付き基板１上にＳｉＣ成長層４（炭化ケイ素成長層）を形成し、炭化ケイ素単結晶基板１０を得る工程をさらに有する。

以下、各工程について順次説明する。
［１］まず、図４に示すＳｉ基板２を用意する。なお、Ｓｉ基板２には、必要に応じて、エッチング等を利用した清浄化処理が施されていてもよい。この清浄化処理では、まず、Ｓｉ基板２を熱処理炉のチャンバー内に収納し、チャンバー内を減圧する。次に、Ｓｉ基板２を例えば７５０℃程度に加熱することで、Ｓｉ基板２表面の自然酸化膜等を除去する。

次いで、図５に示すように、Ｓｉ基板２の上面にＳｉＣ下地膜３を形成する。これにより、下地膜付きシリコン基板１１が得られる。

ＳｉＣ下地膜３の形成方法は、特に限定されず、例えばＣＶＤ法、蒸着法、スパッタリング法のような気相成膜法等によってＳｉ基板２上に成膜する方法であってもよいが、好ましくはＳｉ基板２の上面を炭化させる炭化処理が用いられる。炭化処理は、構成原子として炭素原子を含むガス雰囲気中でＳｉ基板２を加熱することにより行われる。このような炭化処理によれば、Ｓｉ基板２の一部を炭化ケイ素に転化させるため、他の方法と比較して結晶性や表面の平坦性が高く、また、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３の格子不整合を緩和することができ、格子定数の差をＳｉＣ成長層４側に影響させ難いＳｉＣ下地膜３を形成することができる。

構成原子として炭素原子を含むガス（以下、「炭素系ガス」ともいう。）としては、例えば、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）の他、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ_４Ｈ_１０）、イソブタン（ｉ−Ｃ_４Ｈ_１０）、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ_５Ｈ_１２）のような炭化水素ガス、炭化フッ素ガス等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。また、処理ガスには、必要に応じて、キャリアガス等の任意のガスが混合されていてもよい。

キャリアガスとしては、例えば、水素、窒素、ヘリウム、アルゴン等が挙げられる。キャリアガスが用いられる場合、処理ガス中の炭素系ガスの濃度は、炭化処理の速度等に応じて適宜設定されるものの、一例として０．１体積％以上３０体積％以下であるのが好ましく、０．３体積％以上５体積％以下であるのがより好ましい。

炭化処理におけるＳｉ基板２の加熱温度は、８００℃以上１４００℃以下であるのが好ましく、９００℃以上１１００℃以下であるのがより好ましい。また、炭化処理におけるＳｉ基板２の加熱時間は、前記加熱温度に曝される時間が０．５分以上であるのが好ましく、１分以上１２０分以下であるのがより好ましく、３分以上９０分以下であるのがさらに好ましい。

加熱条件を前記範囲内に設定することにより、炭化ケイ素への転化速度が最適化されるため、高品質なＳｉＣ下地膜３を形成することができる。また、前述したような適度な厚さのＳｉＣ下地膜３を形成することができる。

なお、加熱温度が前記下限値を下回ると、炭化が不十分になり、ＳｉＣ下地膜３の結晶品質が低下するおそれがある。一方、加熱温度が前記上限値を上回ると、Ｓｉ基板２からＳｉが昇華し、ＳｉＣ下地膜３の結晶品質を低下させるおそれがある。

また、炭化処理は、常圧雰囲気、加圧雰囲気および減圧雰囲気のいずれで行われてもよいが、好ましくはＳｉ基板２を納めた処理室内を排気しつつ、処理ガスを導入した状態で行うようにすればよい。一例として、処理ガス中の炭素系ガスの導入量は、１０ｓｃｃｍ
以上１００ｓｃｃｍ以下とされる。

なお、炭化処理を行う雰囲気の圧力は、大気圧未満であるのが好ましく、１．０×１０^−３Ｐａ以上１．０×１０^−１Ｐａ以下であるのがより好ましい。これにより、処理雰囲気を適度な減圧状態にすることができるので、後述する工程において、空孔を効率よく形成することができる。

ここで、ＳｉＣ下地膜３の形成に用いられた処理ガスは熱分解により水素原子を発生させる。この水素原子はＳｉＣ下地膜３を透過してＳｉ基板２の表面をエッチングする。

この際、水素原子はＳｉＣ下地膜３に不可避的に含まれる欠損部位（ピンホール）を介して透過するため、Ｓｉ基板２に形成されるエッチング痕は、図６に示すように、ＳｉＣ下地膜３に不可避的に含まれる欠損部位（ピンホール）に対応して分散された位置に形成される。なお、Ｓｉ基板２の種類にもよるが、このようなエッチングでは、形成されるエッチング痕の内面がＳｉ｛１１１｝面になるようにエッチングが進みやすい。これは、Ｓｉ｛１１１｝面のエッチングレートが相対的に低いことに起因する。その結果、エッチング痕で構成される空孔５１の断面形状は、図６に示すように、略三角形となることが多い。

なお、空孔５１の平面視形状は、略四角形になることが多い。したがって、空孔５１は略四角錐状をなす。すなわち、図６に示す下地膜付きシリコン基板１１は、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との界面に開口した、いわゆる逆ピラミッド状の空孔５１を含む。

したがって、本工程では、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との界面において、Ｓｉ基板２に空孔５１が形成されるまで、前述した炭化ケイ素ガス雰囲気中でのＳｉ基板２の加熱を継続することが好ましい。これにより、後述する空孔５のエッチング処理において形成される空孔５の起点となる空孔５１を適正かつ効率よく形成することができる。そして、後述するエッチング処理では、効率よく空孔５を形成することができる。

なお、この観点からすれば、炭化処理において用いられる炭素系ガスは、特に炭化水素ガスを含むことが好ましい。このような炭化水素ガスは、熱分解によって多くの水素原子を発生させるため、上述したような原理でＳｉ基板２の表面をより適正かつ効率よくエッチングし、空孔５を形成することができる。

また、上述したような空孔５１の大きさや深さ、密度は、ＳｉＣ下地膜３を形成するときの条件によって調整可能である。例えば、前述したＳｉ基板２の加熱温度で維持する時間を延ばすことにより、空孔５１の大きさや深さを拡大したり、密度を増加させたりすることができる。また、空孔５１の大きさや深さ、密度は、後述する空孔５の大きさや深さ、密度にも影響を及ぼす。そして、さらには、空孔５の面積や接触領域６の面積にも影響を及ぼす。したがって、形成しようとする空孔５の条件に応じて、適宜空孔５１の形成条件を設定するようにすればよい。

［２］次に、下地膜付きシリコン基板１１に対し、エッチングガス雰囲気中で等方性エッチング処理を行い、炭化ケイ素膜付き基板１（図７参照）を得る。

エッチング処理は、例えば、下地膜付きシリコン基板１１を熱処理炉のチャンバー内に収納し、エッチングガス雰囲気下で加熱することによって行われる。

エッチングガスとしては、例えば、水素または塩素を含むガスが挙げられる。このようなエッチングガス雰囲気下でエッチング処理を施すことにより、前述した工程で形成した空孔５１がさらに拡大するようにエッチングが進行する。

この際、前述したＳｉＣ下地膜３を形成する際に副次的に進行する異方性エッチングとは異なり、等方的なエッチングがなされることで、空孔５１は等方的に拡大し、加工面は曲面を含む面になる傾向が強くなる。

以上のようにして、前述した空孔５が形成される。このような空孔５は、その曲面を含む形状からクラック等の起点になり難いため、比較的多数設けることが可能になる。このため、Ｓｉ基板２とＳｉＣ下地膜３との界面の剛直性を低下させやすく、ＳｉＣ下地膜３における内部応力（残留応力）を緩和することができる。その結果、炭化ケイ素膜付き基板１に成長させるＳｉＣ成長層４を、結晶欠陥の少ない、高品質な単結晶層とすることができる。

等方性エッチングガスとしては、例えば、水素（Ｈ_２）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）のような水素原子を含むが塩素原子を含まないもの、塩素（Ｃｌ_２）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）のような塩素原子を含むが水素原子を含まないもの、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）のような水素原子と塩素原子の双方を含むもの等が挙げられる。なお、等方性エッチングガスは、これらのガスのうち２種以上を含むガスであってもよく、これらのガスと他のガスとの混合ガスであってもよい。

エッチング処理における下地膜付きシリコン基板１１の加熱温度は、８００℃以上１４００℃以下であるのが好ましく、９００℃以上１１００℃以下であるのがより好ましい。また、エッチング処理における下地膜付きシリコン基板１１の加熱時間は、前記加熱温度に曝される時間が０．５分以上であるのが好ましく、１分以上６０分以下であるのがより好ましく、３分以上３０分以下であるのがさらに好ましい。

加熱条件を前記範囲内に設定することにより、前述したような大きさや深さ、密度の空孔５を形成することができる。また、下地膜付きシリコン基板１１の変質、劣化等を抑制することができる。

また、エッチング処理は、常圧雰囲気、加圧雰囲気および減圧雰囲気のいずれで行われてもよいが、減圧雰囲気で行われるのが好ましい。このときの雰囲気の圧力は、大気圧未満とされ、１．０×１０^−３Ｐａ以上１．０×１０^−１Ｐａ以下とされる。これにより、空孔５の大きさや深さ、密度等を前述したような範囲に調整することができる。

［３］次に、炭化ケイ素膜付き基板１上にＳｉＣ成長層４を形成し、炭化ケイ素単結晶基板１０を得る。

ＳｉＣ成長層４は、例えば、炭化ケイ素膜付き基板１を熱処理炉のチャンバー内に収納し、原料ガス雰囲気下で加熱されることによって炭化ケイ素膜付き基板１上にエピタキシャル成長する。

原料ガスとしては、炭素を含むガスとケイ素を含むガスとを所定の割合にて混合してなる混合ガス、炭素とケイ素とを所定の割合で含む炭素およびケイ素を含むガス、炭素を含むガスとケイ素を含むガスと炭素およびケイ素を含むガスとを所定の割合にて混合してなる複数種混合ガスが挙げられる。

このうち、炭素を含むガスとしては、例えば、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）の他、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ_４Ｈ_１０）、イソブタン（ｉ−Ｃ_４Ｈ_１０）、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ_５Ｈ_１２）等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

また、ケイ素を含むガスとしては、例えば、モノシラン（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、トリシラン（Ｓｉ_３Ｈ_８）、テトラシラン（Ｓｉ_４Ｈ_１０）、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、ヘキサクロロジシラン（Ｓｉ_２Ｃｌ_６）等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

さらに、炭素およびケイ素を含むガスとしては、メチルシラン（ＳｉＨ_３ＣＨ_３）、ジメチルシラン（ＳｉＨ_２（ＣＨ_３）_２）、トリメチルシラン（ＳｉＨ（ＣＨ_３）_３）等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

また、エピタキシャル成長における加熱温度、すなわち、エピタキシャル成長時の炭化ケイ素膜付き基板１の温度は、６００℃以上１４００℃以下であるのが好ましく、８００℃以上１３５０℃以下であるのがより好ましく、９５０℃以上１１００℃以下であるのがさらに好ましい。なお、エピタキシャル成長における加熱時間は、ＳｉＣ成長層４の目的とする厚さに応じて適宜設定される。

また、エピタキシャル成長におけるチャンバー内の圧力は、特に限定されないが、１×１０^−４Ｐａ以上大気圧（１００ｋＰａ）未満であるのが好ましく、１×１０^−３Ｐａ以上１０ｋＰａ以下であるのがより好ましい。

以上のようにして炭化ケイ素膜付き基板１上にＳｉＣ成長層４をエピタキシャル成長させることにより、高品質なＳｉＣ成長層４を有する炭化ケイ素単結晶基板１０（図８参照）を効率よく得ることができる。

以上、本発明に係る炭化ケイ素膜付き基板の製造方法、炭化ケイ素膜付き基板および炭化ケイ素単結晶基板を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、本発明に係る炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、上述した実施形態に任意の工程が追加されたものであってもよい。
また、本発明に係る炭化ケイ素膜付き基板および炭化ケイ素単結晶基板は、上述した実施形態に任意の要素が追加されたものであってもよい。

次に、本発明の具体的実施例について説明する。
１．炭化ケイ素単結晶基板の製造
（実施例１）
＜１＞まず、Ｓｉ基板としてシリコンウエハーを用意した。そして、表面をフッ酸等で洗浄した。

次に、シリコンウエハーの表面に炭化処理を施した。これにより、シリコンウエハーの表面にＳｉＣ下地膜を形成し、下地膜付きシリコン基板を得た。なお、炭化処理の処理条件は以下の通りである。

（炭化処理の処理条件）
・加熱温度 ：１０００℃
・加熱時間 ：６０分
・処理圧力 ：５×１０^−２Ｐａ
・加熱雰囲気：炭素系ガス雰囲気

＜２＞次に、下地膜付きシリコン基板に対し、等方性エッチングガス雰囲気下でエッチング処理を施した。このエッチング処理により、シリコンウエハーとＳｉＣ下地膜との界面に空孔を形成し、炭化ケイ素膜付き基板を得た。なお、エッチング処理の処理条件は、以下の通りである。

（エッチング処理の処理条件）
・加熱温度 ：１０００℃
・加熱時間 ：２０分
・処理圧力 ：１×１０^−２Ｐａ
・加熱雰囲気：水素・塩素混合ガス

＜３＞次に、炭化ケイ素膜付き基板に対し、原料ガス雰囲気下で加熱するエピタキシャル成長処理を施した。このエピタキシャル成長処理により、炭化ケイ素膜付き基板上に炭化ケイ素成長層を形成し、炭化ケイ素単結晶基板を得た。なお、エピタキシャル成長処理の処理条件は、以下の通りである。

（エピタキシャル成長処理の処理条件）
・加熱温度 ：９５０℃
・加熱時間 ：６０分
・処理圧力 ：１×１０^−３Ｐａ
・加熱雰囲気：炭素・ケイ素混合ガス

（実施例２〜６）
エッチング処理における処理条件を表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして炭化ケイ素単結晶基板を得た。

（実施例７）
エッチング処理を省略する一方、炭化処理の処理時間を２４０分に延長した以外は、実施例１と同様にして炭化ケイ素単結晶基板を得た。

（比較例１、２）
エッチング処理における処理条件を表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして炭化ケイ素単結晶基板を得た。

２．炭化ケイ素膜付き基板の評価
各実施例および各比較例における炭化ケイ素単結晶基板の製造過程において、エピタキシャル成長処理の前の炭化ケイ素膜付き基板について、ＳｉＣ下地膜の表面を光学顕微鏡で観察した。

一例として実施例１で得られた炭化ケイ素膜付き基板のＳｉＣ下地膜の表面についての光学顕微鏡による観察像を図９に示す。

図９では、シリコンウエハーとＳｉＣ下地膜との界面に開口している空孔が淡色を呈しており、シリコンウエハーとＳｉＣ下地膜とが密着している領域が濃色を呈している。
そこで、図９に示すような観察像から、接触面積の割合を算出した。

次に、炭化ケイ素膜付き基板を厚さ方向に切断し、走査型電子顕微鏡で観察した。
一例として実施例１で得られた炭化ケイ素膜付き基板の断面についての電子顕微鏡による観察像を図１０に示す。

図１０では、左右に伸びる帯状の淡色領域がＳｉＣ下地膜に相当する。
そして、図１０では、シリコンウエハーとＳｉＣ下地膜との界面に開口する空孔が認められる。また、空孔の断面形状は、曲線を含んでいることが確認された。
以上、光学顕微鏡および電子顕微鏡による観察結果を表１に示す。

３．炭化ケイ素単結晶基板の評価
各実施例および各比較例で得られた炭化ケイ素単結晶基板について、結晶欠陥の密度を測定した。なお、結晶欠陥の密度は、炭化ケイ素基板の中心部の表面を透過型電子顕微鏡（TEM : Transmission Electron Microscope）で観察することにより測定した。

次いで、比較例１で得られた炭化ケイ素単結晶基板の結晶欠陥の密度を１としたとき、各実施例および各比較例で得られた炭化ケイ素単結晶基板の結晶欠陥の密度の相対値を算出した。そして、算出結果を以下の評価基準に照らして評価した。

＜結晶欠陥の密度の評価基準＞
◎：結晶欠陥の密度の相対値が０．５未満である
○：結晶欠陥の密度の相対値が０．５以上０．７５未満である
△：結晶欠陥の密度の相対値が０．７５以上１未満である
×：結晶欠陥の密度の相対値が１以上である
評価結果を表１に示す。

表１から明らかなように、各実施例で得られた炭化ケイ素単結晶基板は、結晶欠陥の少ない炭化ケイ素成長層を有していることが認められた。また、このような評価結果は、シリコンウエハーとＳｉＣ下地膜との界面に開口している空孔の面積等が影響していることが認められた。

１…炭化ケイ素膜付き基板、２…Ｓｉ基板、３…ＳｉＣ下地膜、４…ＳｉＣ成長層、５…空孔、６…接触領域、１０…炭化ケイ素単結晶基板、１１…下地膜付きシリコン基板、５１…空孔

Claims (9)

1. 炭化ケイ素の単結晶成長に用いられる炭化ケイ素膜付き基板を製造する方法であって、
   シリコン基板と、前記シリコン基板の一方の面側に設けられている炭化ケイ素下地膜と、を有する下地膜付きシリコン基板を用意する第１の工程と、
   前記下地膜付きシリコン基板に対し、等方性エッチング可能なガス雰囲気中でエッチング処理し、炭化ケイ素膜付き基板を得る第２の工程と、
   を有することを特徴とする炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
2. 前記第１の工程は、構成原子として炭素原子を含むガス雰囲気中で前記シリコン基板を加熱する工程を含む請求項１に記載の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
3. 前記シリコン基板を加熱する温度は、８００℃以上１４００℃以下である請求項２に記載の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
4. 前記第１の工程は、前記シリコン基板と前記炭化ケイ素下地膜との界面において、前記シリコン基板に空孔が形成されるまで前記加熱を継続する請求項２または３に記載の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
5. 前記炭素原子を含むガスは、炭化水素ガスを含む請求項２ないし４のいずれか１項に記載の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
6. 前記等方性エッチング可能なガスは、水素または塩素を含む請求項１ないし５のいずれか１項に記載の炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
7. シリコン基板と、
   前記シリコン基板上に積層され、炭化ケイ素を含む炭化ケイ素下地膜と、
   を有し、
   前記シリコン基板と前記炭化ケイ素下地膜との接触面積が、前記炭化ケイ素下地膜の面積の１０％以上９０％以下であることを特徴とする炭化ケイ素膜付き基板。
8. 前記シリコン基板側に形成され、前記シリコン基板と前記炭化ケイ素下地膜との界面に開口する空孔を有し、
   前記シリコン基板の厚さ方向に沿って前記空孔が切断されたときの断面形状は、曲線を含んでいる請求項７に記載の炭化ケイ素膜付き基板。
9. 請求項７または８に記載の炭化ケイ素膜付き基板と、
   前記炭化ケイ素下地膜上に成膜されている炭化ケイ素成長層と、
   を有することを特徴とする炭化ケイ素単結晶基板。

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