JP3659564B2 - 半導体結晶の製造方法およびこれを利用する製造装置 - Google Patents
半導体結晶の製造方法およびこれを利用する製造装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳｉＣなどの半導体の単結晶膜を得る半導体結晶の製造方法およびこれを利用する製造装置に関する。更に詳述すると、本発明は単結晶基板の加熱手法を改良した半導体結晶の製造方法およびこれを利用する製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の単結晶成長装置１００としては、例えば図１３に示すいわゆる横型低温壁誘導加熱式結晶成長装置のように、半導体の単結晶から成る単結晶基板１０１と、この単結晶基板１０１を支持する基板支持台（以下、サセプタと呼ぶ）１０２と、単結晶基板１０１およびサセプタ１０２の周囲に反応ガス１０３を供給するための供給管１０４と、サセプタ１０２を誘導加熱する誘導コイル１０５とを備えたものがある。図中矢印は反応ガス１０３の流通方向を示す。
【０００３】
この単結晶成長装置１００では供給管１０４は水平で、その周囲に誘導コイル１０５が巻かれている。サセプタ１０２は板状で、上面１０２ａを反応ガス１０３の上流側に僅かに傾けて設置されている。サセプタ１０２の上面１０２ａには単結晶基板１０１が載置される。そして、サセプタ１０２を誘導加熱して単結晶基板１０１を１５００℃程度に加熱すると共に反応ガス１０３を供給することにより、単結晶基板１０１の表面に反応ガス１０３の成分元素あるいは化合物を連続して析出成長させ単結晶薄膜を成膜するようにしている。
【０００４】
また、図１４に示す単結晶成長装置１００は、いわゆる横型高温壁誘導加熱式結晶成長装置である。この単結晶成長装置１００では、サセプタ１０２は筒状で反応ガス１０３の流れ方向に平行に設置される。サセプタ１０２の内周部の底面１０２ｂ上には単結晶基板１０１が載置される。さらに、この単結晶成長装置１００の供給管１０４を鉛直方向に配置したいわゆる縦型高温壁誘導加熱式結晶成長装置もある（図示せず）。
【０００５】
そして、図１５に示す単結晶成長装置１００は、いわゆる縦型低温壁誘導加熱式結晶成長装置である。この単結晶成長装置１００では、供給管１０４は鉛直方向に配置されており、反応ガス１０３が上方から下方に向けて流されている。誘導コイル１０５は、支持ブロック１０６に覆われて供給管１０４の内部に配置され、反応ガス１０３から遮蔽された状態でサセプタ１０２を誘導加熱するように設けられている。サセプタ１０２は板状で、反応ガス１０３の流れ方向に直交するように支持ブロック１０６上に載置されている。サセプタ１０２の上面１０２ａには単結晶基板１０１が載置される。
【０００６】
これらの単結晶成長装置１００によっても、サセプタ１０２を誘導加熱して単結晶基板１０１を加熱すると共に反応ガス１０３を供給することにより、単結晶基板１０１の表面に単結晶薄膜を成膜することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した単結晶成長装置１００では、サセプタ１０２に高周波誘導を与える構造が採られているため、サセプタ１０２が装置内で最も高温（例えば１５００℃以上）に成ってしまう。このため、高温時にサセプタ１０２の表面が反応ガス１０３あるいはキャリヤガスによりエッチングされることがある。このサセプタ表面のエッチングは、サセプタ１０２からの不純物放出の要因となって形成された単結晶膜の純度を下げてしまうことがある。
【０００８】
また、表面にコーティング膜を施したサセプタ１０２を使用する場合には、エッチング作用が生ずることによりコーティング膜の寿命を短縮させる要因になってしまう。このサセプタ１０２の表面のエッチング作用はサセプタ１０２の温度が高くなるにつれて顕著になるので、特に高温（１５００℃以上）かつ長時間の反応が必要となる膜厚の厚いＳｉＣ単結晶膜の製造を阻害する。
【０００９】
さらに、単結晶基板１０１は高温のサセプタ１０２からの伝熱により加熱されるので、温度上昇に伴って単結晶基板１０１とサセプタ１０２との温度差が大きくなる傾向がある。この単結晶基板１０１とサセプタ１０２との温度差は、サセプタ１０２のコーティング膜の寿命を短縮させる要因になることがある。すなわち、例えばグラファイト製の本体の表面に多結晶ＳｉＣをコーティングしたサセプタ１０２を使用する場合には、サセプタ１０２の表面の多結晶ＳｉＣが気相結晶成長（本明細書中では、エピタキシャル成長の場合を意味する）中に昇華して単結晶基板１０１の裏面に堆積することがある。これにより、単結晶基板１０１の背面部のサセプタ１０２のコーティングが剥離してグラファイト面が露出してしまう。しかも、気相結晶成長後に単結晶基板１０１の裏面をポリッシングしなければならず、作業工程が増えてしまう。
【００１０】
これに加え、特に減圧下（例えば１．３３３×１０ ４ Ｐａ以下）では伝熱量が低下するため、単結晶基板１０１とサセプタ１０２との温度差が大きくなる傾向が顕著になる。このため、減圧下での単結晶基板１０１の加熱が困難になってしまう。
【００１１】
これに対し、サセプタ１０２が装置内で最も高温になることを防止するために、図１６に示すいわゆる縦型低温壁輻射加熱式結晶成長装置のように、供給管１０４の外部に設けた赤外線ランプ１０７の輻射加熱により単結晶基板１０１を加熱することが考えられる。しかし、単結晶基板１０１をＳｉＣ結晶成長に必要な高温（１５００℃）に保持するためには非常に大出力の赤外線ランプを開発しなければならない。このため、このような大出力の赤外線ランプを得ることが困難であるので、ＳｉＣの単結晶成長には通常使用されない。
【００１２】
一方、現在市販されている板状のＳｉＣ単結晶は、結晶中の結晶欠陥や残留応力に起因した結晶湾曲を含んでいる。市販のＳｉＣ単結晶を単結晶基板１０１として単結晶成長装置１００により結晶成長を行うときには、ＳｉＣ単結晶の結晶湾曲は結晶成長時の結晶欠陥の発生要因の一つとなってしまう。
【００１３】
そこで、本発明は、サセプタ表面のエッチング作用による不純物放出やコーティング膜の劣化を防止すると共に単結晶基板の結晶湾曲を改善する半導体結晶の製造方法およびこれを利用する製造装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の半導体結晶の製造方法は、誘導加熱手段により固体輻射部材のみを誘導加熱して、前記固体輻射部材に対し間隔をあけて設置される単結晶基板及び該単結晶基板を支持する基板支持手段を前記固体輻射部材からの固体輻射熱のみで加熱することによって、前記固体輻射部材の温度よりも前記単結晶基板並びに前記基板支持手段の温度が低くかつ単結晶基板の温度が単結晶基板の背面の基板支持手段の表面の温度よりも高くなる温度勾配を設定し、前記単結晶基板の表面に反応ガスを供給し、前記単結晶基板の表面並びに基板支持手段の表面で前記反応ガスの成分元素あるいは化合物を連続的に析出させ単結晶膜を製造するようにしている。また、請求項３記載の発明は、反応ガスを流す供給管の外に配置されている誘導加熱手段と、前記供給管内に配置され前記誘導加熱手段により誘導加熱される固体輻射部材と、該固体輻射部材の内側に前記固体輻射部材に対し間隔をあけて配置されその表面に前記固体輻射部材に対し間隔をあけて単結晶基板を支持する基板支持手段を備え、前記誘導加熱手段により前記固体輻射部材のみを誘導加熱して、前記固体輻射部材からの固体輻射熱のみで前記基板支持手段及びこれに支持される前記単結晶基板を加熱することによって、前記固体輻射部材の温度よりも前記単結晶基板並びに前記基板支持手段の温度が低くかつ単結晶基板の温度が単結晶基板の背面の基板支持手段の表面の温度よりも高くなる温度勾配を設定し、前記単結晶基板の表面並びに前記基板支持手段の表面で前記反応ガスの成分元素あるいは化合物を連続的に析出させ単結晶膜を製造するものである。
【００１５】
したがって、固体輻射部材が誘導加熱されることによって単結晶基板および基板支持手段が固体輻射部材に非接触で固体輻射加熱されると共に、単結晶基板と基板支持手段の温度を固体輻射部材の温度よりも低い状態にすることができる。この状態で、反応ガスを装置内に導入すると、単結晶基板と基板支持手段の温度が固体輻射部材の温度よりも低いために単結晶基板の表面ならびにサセプタの表面で反応ガスの成分元素あるいは化合物が連続的に析出する。このため、単結晶基板に用いた結晶が気相結晶成長するとともに、基板支持手段の表面に新たな多結晶膜が形成されることになる。よって、結晶成長時に基板支持手段の表面はエッチングされなくなり、当該表面のエッチング作用に起因する基板支持手段からの不純物放出や基板支持手段の表面のコーティング膜の寿命低下が防止され、長時間の高品質結晶成長が実現される。
【００１６】
また、単結晶基板は固体輻射部材からの輻射によって加熱されるため、固体輻射部材とは非接触な状態で単結晶基板の高温均一加熱が実現される。輻射加熱であることから、減圧下（１．３３３×１０ ４ Ｐａ以下）においても１５００℃以上の単結晶基板の加熱が容易であるとともに、単結晶基板と基板支持手段の間も密着する必要がないため単結晶基板と基板支持手段の接触面積を低減することができる。これにより、固体輻射部材と非接触な状態での単結晶基板の均一加熱ならびに結晶成長時の単結晶基板と基板支持手段との接触面積の低減の両者が実現される。さらに、この配置においては単結晶基板の温度を基板支持手段の温度よりも高くすることが可能となり、結晶成長中に単結晶基板の基板支持手段側表面に不要な堆積が発生しない。この状態で、単結晶基板を高温加熱および結晶成長することで、単結晶基板の残留応力を小さくして結晶湾曲の改善が可能となり、結晶性の高い高品質なＳｉＣ単結晶を提供できるようになる。
【００１７】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体結晶の製造方法において、単結晶基板は基板支持手段によって鉛直に支持されているようにしている。さらに、請求項４記載の発明は、請求項３記載の半導体結晶の製造装置において、単結晶基板は基板支持手段によって鉛直に支持されているようにしている。
【００１８】
したがって、単結晶基板をフリースタンディングに近い状態で立たせることができるので、従来の横型結晶成長装置のように基板支持手段の上に単結晶基板を置く場合に比べて単結晶基板と基板支持手段の接触面積を低減することができる。しかも、水平な単結晶基板の端部のみを保持して基板支持手段から離して支持する場合に比べると、単結晶基板の自重による撓みを抑制することができる。これにより、単結晶基板の残留応力を小さくして結晶湾曲の改善が可能となり、結晶性の高い高品質なＳｉＣ単結晶を提供できるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、半導体結晶の製造装置をＳｉＣの単結晶を製造するものとしている。
【００２０】
本発明の半導体結晶の製造装置１は、図１に示すように、誘導加熱手段２と、該誘導加熱手段２により誘導加熱される固体輻射部材３と、該固体輻射部材３により加熱される単結晶基板４とを備えている。そして、単結晶基板４を加熱してその表面５に反応ガス６を供給することによって、表面５に反応ガス６の成分元素あるいは化合物を連続して析出成長させ単結晶膜を製造する。
【００２１】
そして、この製造装置１は、固体輻射部材３に対し間隔をあけて設置される基板支持手段（以下、サセプタという）７を備えている。サセプタ７及びこれに支持される単結晶基板４は、固体輻射部材３に対し間隔をあけて配置されている。このため、サセプタ７及び単結晶基板４は、固体輻射部材３からの固体輻射熱によって加熱される。ここで、誘導加熱手段２によって与えられる高周波誘導によっては固体輻射部材３のみが誘導加熱されるので、固体輻射部材３が装置１内で最も高温になりサセプタ７は固体輻射部材３よりも低温になる。これにより、サセプタ７の表面８でのエッチング作用を抑えてサセプタ７からの不純物放出やサセプタ７のコーティング膜の劣化を防止することができるので、高温かつ長時間の結晶成長を図ることができ高品質の結晶を得ることができる。
【００２２】
製造装置１は、反応ガス６を流通させる供給管９を備えている。供給管９の内側にはサセプタ７および固体輻射部材３が収容されて、いずれも互いに非接触にして治具（図示せず）等で支持されている。
【００２３】
供給管９としては、誘導加熱手段２により誘導加熱されないように例えば石英製の縦型水冷２重管を採用している。キャリヤガス１０ならびに反応ガス６は、図中矢印で示すように供給管９の下部より導入して上部より排出するようにしている。このため、高温時に単結晶基板４およびサセプタ７付近でガス６，１０が熱せられて上昇方向に向かう自然対流が発生しても、ガス６，１０の流れと自然対流の主方向とが一致するので、円滑なガス流を維持することができる。供給管９に流通するガス系は、キャリヤガス１０として水素（および必要に応じてヘリウム）、反応ガス６としてモノシランおよびプロパンを使用している。
【００２４】
また、供給管９の周囲には誘導加熱手段２が設けられている。本実施形態では誘導加熱手段２は供給管９の周囲に巻かれた誘導コイルとしている。この誘導加熱手段２に例えば発振周波数３０ｋＨｚ、最大出力５０ｋＷの高周波発振を与えて固体輻射部材３を誘導加熱する。
【００２５】
固体輻射部材３はコーティングの無いグラファイト製で、供給管９に平行に配置された例えば円筒形状としている。この固体輻射部材３の内側にサセプタ７が治具によって非接触に設置されている。固体輻射部材３の周囲にはカーボン断熱材が設置されている。これにより、固体輻射部材３を約１８００℃以上に加熱することができる。ところで、固体輻射部材３の表面は高温加熱時に昇華またはエッチングされる。そして、固体輻射部材３にはコーティングを施していないことから不純物種の拡散が考えられる。しかし、この製造装置１では、固体輻射部材３から単結晶基板４に向けて拡散する不純物種に対し、ガス流が垂直に作用して不純物種を押し流してしまうので、不純物種の単結晶基板４への付着を抑制することができる。
【００２６】
本実施形態では固体輻射部材３にはコーティングを施していないが、これには限られずグラファイト製の固体輻射部材３にＳｉＣコーティングを施すようにしても良い。この場合、ＳｉＣのコーティングによりグラファイト材からの不純物放出を防止することができるので、不純物種の単結晶基板４への悪影響をさらに抑制することができるようになる。また、固体輻射部材３にコーティングを施したとしても、固体輻射部材３とサセプタ７および単結晶基板４が分離しており互いに接触しない構造であるため、固体輻射部材３へのサセプタ７や単結晶基板４の接触によるＳｉＣコート膜の損傷を防止できる。
【００２７】
サセプタ７は従来のように誘導加熱されるものではないので、形状の自由度を大きくすることができる。本実施形態では、サセプタ７は楔形に形成されており、尖端をガス流の上流側に向けて配置されている。サセプタ７の２つの傾斜した表面８にそれぞれ単結晶基板４を設置する。このため、単結晶基板４は成長面をガス流の上流側に斜めに向けてサセプタ７に支持される。これにより、反応ガス６の成分が単結晶基板４の成長面に吹き付けられるので、結晶成長を促進することができる。
【００２８】
具体的には図２に示すように、サセプタ７の傾斜面８には縦方向に沿った保持溝２３が形成されている。この保持溝２３の両側部には、保持溝２３の中心側に突出したフランジ部２４が形成されている。さらに、保持溝２３の下端部には単結晶基板４を下方から支持する支持部２５が形成されている。そして、単結晶基板４は保持溝２３に上側から挿入されると単結晶基板４の両側部がフランジ部２４に引っ掛かって支持されると共に単結晶基板４の下端部が支持部２５により支持されてサセプタ７に保持される。ここで、保持溝２３の深さおよびフランジ部２４の厚さは、保持溝２３に支持された単結晶基板４の裏面がサセプタ７から離れているようにする。これにより、単結晶基板４のサセプタ７への接触部位を両側部と下端部とに抑えて接触面積の低減を図ることができる。本実施形態ではサセプタ７の表面８に保持溝２３を形成してその両端部のフランジ部２４により単結晶基板４の両側部を支持しているが、これには限られず図３に示すようにサセプタ７の表面８に単結晶基板４の両側部を支持する爪部２６を形成するようにしても良い。この場合も、単結晶基板４のサセプタ７への接触部位を両側部と下端部とに抑えて接触面積の低減を図ることができる。
【００２９】
サセプタ７に支持可能な単結晶基板４の大きさは、例えば直径２インチにしている。本実施形態ではサセプタ７を楔形に形成しているが、これには限られず板状や直方体状などの他の形状であっても良い。
【００３０】
ここで、サセプタ７は、単結晶基板４の表面５が斜め下方を向くように単結晶基板４の両端を保持している。このため、加熱中に単結晶基板４は鉛直なフリースタンディングに近い状態になるので、従来の横型結晶成長装置のように水平なサセプタの上に単結晶基板４を置く場合に比べて単結晶基板４とサセプタ７の接触面積を低減することができる。しかも、単結晶基板４が比較的大きなものであるときは、水平な単結晶基板４の両端部のみを保持してサセプタ７から離して両持ち支持する場合に比べて、単結晶基板４の自重による撓みを抑制することができる。これにより、単結晶基板４の残留応力を小さくして結晶湾曲の改善が可能となり、結晶性の高い高品質なＳｉＣ単結晶を提供できるようになる。
【００３１】
また、サセプタ７はＳｉＣコートされたグラファイト製としている。ＳｉＣのコーティングによりグラファイト材からの不純物放出を防止することができるので、高純度の結晶膜を得ることができる。この製造装置１では、固体輻射部材３内に配置されるサセプタ７の温度は、固体輻射部材３よりも低い温度となるため、結晶成長中にサセプタ７の表面８に多結晶ＳｉＣが析出される。このため、結晶成長時にサセプタ７の表面８がエッチングされなくなるので、従来の結晶成長装置で高温かつ長時間の結晶成長を行ったときにサセプタ７の表面８でエッチング作用が生ずる問題を解消することができる。さらに、単結晶基板４の温度はその背面のサセプタ７の表面８より高い温度となるため、気相結晶成長中に単結晶基板４の裏面にサセプタ７上の多結晶ＳｉＣが付着されなくなるという利点を有している。
【００３２】
単結晶基板４としては、市販のＳｉＣ単結晶を使用している。市販のＳｉＣ単結晶は結晶中の結晶欠陥や残留応力に起因した結晶湾曲を含んでいるのが通常であるが、本製造装置１では単結晶基板４が固体輻射部材３に接触していないので、単結晶基板４とサセプタ７との接触面積を減少することができる。このため、加熱時および結晶成長時での単結晶基板４の残留応力を小さくすることができるので、単結晶の結晶湾曲を抑えて結晶性の高い単結晶を得ることができる。
【００３３】
上述した製造装置１を用いてＳｉＣの単結晶を製造する方法を以下に説明する。
【００３４】
供給管９の内部を減圧すると共にキャリヤガス１０および反応ガス６を流通させる。そして、誘導加熱手段２により高周波発振を行って、固体輻射部材３を誘導加熱する。固体輻射部材３は輻射して単結晶基板４を加熱する。これにより、単結晶基板４とサセプタ７の温度が固体輻射部材３の温度よりも低いために単結晶基板４の表面５ならびにサセプタ７の表面８で反応ガス６の成分元素あるいは化合物が連続的に析出する。このため、単結晶基板４に用いたＳｉＣ結晶が成長するとともに、サセプタ７の表面８に新たな多結晶ＳｉＣ膜が形成されることになる。
【００３５】
そして、単結晶基板４は固体輻射部材３からの輻射によって加熱されるため、固体輻射部材３とは非接触な状態で単結晶基板４の高温均一加熱が実現される。輻射加熱であることから、減圧下（１．３３３×１０ ４ Ｐａ以下）においても１５００℃以上の単結晶基板４の加熱が容易であるとともに、単結晶基板４とサセプタ７の間も密着する必要がないため単結晶基板４とサセプタ７の接触面積を低減することができる。これにより、固体輻射部材３と非接触な状態での単結晶基板４の均一加熱ならびに結晶成長時の単結晶基板４とサセプタ７との接触面積の低減の両者が実現される。さらに、この配置においては単結晶基板４の温度をサセプタ７の温度よりも高くすることが可能となり、結晶成長中に単結晶基板４のサセプタ７側の面（即ち裏面）に不要な堆積が発生しない。この状態で、単結晶基板４を高温加熱および結晶成長することで、単結晶基板４の結晶湾曲の改善が可能となり、結晶性の高い高品質なＳｉＣ単結晶が提供できるようになる。
【００３６】
さらに、このようにして得られたＳｉＣ結晶膜は、例えば高電圧ＳｉＣ半導体素子として利用することができる。
【００３７】
次に、上述した製造装置１を利用する気相結晶成長装置１１の一例を図４に示す。この気相結晶成長装置１１は、製造装置１と、供給管９にガス６，１０を供給するガス供給部１２と、供給管９の内部を減圧する減圧部１３と、サセプタ７上の単結晶基板４を交換する交換部１４とを備えている。
【００３８】
ガス供給部１２は、流通させるガス６，１０の流量を設定するマスフローメータ１５と、キャリヤガス１０の水素ガスを精製するパラジウム透過器１６とを備えている。
【００３９】
減圧部１３は、ドライポンプ１７とターボ分子ポンプ１８とを備えたオイルフリーシステムとされている。この減圧部１３の作動により、キャリヤガス１０の導入前の供給管９内の気圧を６．６６６×１０ −６ Ｐａ以下にすることができる。また、キャリヤガス１０の導入時における供給管９内の気圧は、バラトロンとバタフライバルブおよび差動バルブの組み合わせにより、水素流量１０リットル／ｍｉｎにおいて３．３３３×１０ ３ 〜１．０１３×１０ ５ Ｐａの範囲で自動調整可能にできる。ここで、従来の結晶成長装置では、特に減圧下で単結晶基板４とサセプタ７間の伝熱量が低下し、単結晶基板４とサセプタ７との温度差が大きくなって単結晶基板の加熱が困難になってしまう。しかし、本実施形態の気相結晶成長装置１１によれば、サセプタ７及び単結晶基板４が輻射加熱されることから、減圧下でも単結晶基板４を容易に高温化を容することができる。
【００４０】
交換部１４は、供給管９の上部に配置された交換チャンバ１９と、交換チャンバ１９に連結されたロードロック室２０と、ロードロック室２０に連結されたグローブボックス２１とを備えている。グローブボックス２１は、アルゴンガスによりパージしておく。そして、単結晶基板４を設置したサセプタ７は、固体輻射部材３と交換チャンバ１９とロードロック室２０との内部を移動可能とされる。さらに、グローブボックス２１の内部でサセプタ７上の単結晶基板４を外部から交換することができる。
【００４１】
上述した気相結晶成長装置１１によりＳｉＣ単結晶を製造するときは、グローブボックス２１でサセプタ７に単結晶基板４を設置して、サセプタ７および単結晶基板４をロードロック室２０と交換チャンバ１９を通過させて固体輻射部材３内に設置する。そして、減圧部１３を作動させて供給管９の内部を減圧する。また、ガス供給部１２を作動させて供給管９内に反応ガス６およびキャリヤガス１０を流通させる。さらに、誘導加熱手段２に高周波発振を与えて固体輻射部材３を１５００℃程度に誘導加熱する。これにより、固体輻射部材３が単結晶基板４を輻射加熱して、単結晶基板４の表面５にＳｉＣ単結晶が製造される。
【００４２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、円筒形状の固体輻射部材３の内部にサセプタ７および単結晶基板４を設置しているが、これには限られず各筒状や板状や直方体状の固体輻射部材３の近傍にサセプタ７および単結晶基板４を設置するようにしても良い。この場合も固体輻射部材３が単結晶基板４を輻射加熱することができるので、サセプタ７にエッチング作用を起こさせることを防止して高温かつ長時間の結晶成長を図ることができ高品質の結晶を得ることができる。
【００４３】
また、本実施形態ではガス６，１０を下方から上方に向けて流しているが、これには限られず上方から下方に向けて流しても良い。このときは、単結晶基板４を上向きに支持するようにして成長面がガス流の上流側を向くようにすることが好ましい。この場合も、固体輻射部材３が単結晶基板４を輻射加熱することができるので、サセプタ７にエッチング作用を起こさせることを防止できる。
【００４４】
さらに、本実施形態では製造装置１を供給管９を鉛直方向に配置した縦型にしているが、これには限られず供給管９を水平に配置した横型にしても良い。このとき、例えば楔形のサセプタ７の２つの斜面８を鉛直にして尖端をガス流の上流側に向けることにより（この状態を平面図で表すと図１と同様に成る）、単結晶基板４の成長面をガス流に当てることができる。
【００４５】
そして、本実施形態では単結晶基板４を鉛直に配置しているが、これには限られずサセプタ７上に水平に若しくは傾斜させて置くようにしても良い。これは、単結晶基板４の成長面をガス流に向ける観点から、鉛直方向に配置された供給管９の上方からガス６，１０を流すときや、水平に配置された供給管９を利用するときに有効である。
【００４６】
また、本実施形態では半導体結晶としてＳｉＣを製造しているが、これには限られずＳｉなどの他の半導体結晶を製造するようにしても良い。この場合も結晶成長時にサセプタ７がエッチング作用を起こすことを防止できる。
【００４７】
【実施例】
図４に示す気相結晶成長装置１１を使用してＳｉＣ単結晶を製造した。本実施例においては、固体輻射部材３にはＳｉＣコーティングされていないグラファイト材を使用した。サセプタ７ならびに固体輻射部材３内でサセプタ７を支えるための治具にもグラファイト材を用い、予備成長実験によりそれらの表面の大部分に多結晶ＳｉＣ膜を形成した。
【００４８】
結晶成長は、１５００〜１６００℃の条件範囲で行った。単結晶基板４としては、市販の直径３５ｍｍの８°ｏｆｆ４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板を１／４にカットしたものを使用した。サセプタ７の上面２２の温度を供給管９の上部に設置した石英窓を通じてパイロメータにより測定した。このパイロメータにより測定された温度を成長温度として設定した。よって、以下に示す成長温度は全てサセプタ７の上面２２の測定温度である。
【００４９】
キャリヤガス１０の流量は１０リットル／ｍｉｎとし、成長時の製造装置１の内圧は３．９９９×１０ ３ 〜１．０１３×１０ ５ Ｐａの範囲で調節した。キャリヤガス１０には水素を使用した。気相結晶成長前の単結晶基板４前処理として、水素エッチングを成長温度にて3０〜6０分間行った。
【００５０】
なお、気相結晶成長層の膜厚の評価は、単結晶基板４を角度研磨し、その後にＫＯＨ処理を施すことで気相結晶成長層と単結晶基板４の界面部分を光学顕微鏡によって観察すること、あるいはＳＥＭ観察により行った。
【００５１】
（１）温度測定
固体輻射部材３とサセプタ７との温度測定の結果、固体輻射部材３の温度はサセプタ７の温度より高く、固体輻射部材３とサセプタ７間の温度差は減圧になるほど小さくなった。このため、サセプタ７の加熱が主に輻射によって行われていることが確認された。よって、サセプタ７が固体輻射部材３よりも低温になることから、サセプタ７の表面でのエッチング作用を抑えることができるので、サセプタ７からの不純物放出やコーティング膜の劣化を防止することができる。
【００５２】
（２）ガス流測定
減圧下において、供給管９の下から上へ向かう時間的に定常なガス流が実現され、安定な結晶成長が確認された。このガス流は、モノシラン流量を高く設定した場合に供給管９の上部に設置された石英窓から目視されるIrradiant layer（Ｓｉクラスタに起因すると考えられる縦方向に流れる白色の煙状の層）により確認した。よって、定常なガス流の実現により高品質の結晶膜を得ることができる。
【００５３】
（３）成膜速度測定
成長温度を１５００℃、プロパン流量を５〜１０ｃｃ／ｍｉｎとし、３．９９９×１０ ３ Ｐａならびに９．９９９×１０ ３ Ｐａの減圧下におけるモノシラン流量と成膜速度の関係を求めた。その結果を図５に示す。同図に示すように、いずれの圧力下でも５〜９μｍ／ｈの成膜速度が得られた。
【００５４】
図５に示すモノシラン流量範囲（１５〜３０ｃｃ／ｍｉｎ）では成膜速度は飽和していないにも拘わらず、典型的な常圧気相成長法における成膜速度（３〜５μｍ／ｈ）よりも約２倍程大きい成膜速度が得られた。すなわち、本製造方法によれば、結晶成長速度を速くできることが確認された。
【００５５】
成膜速度を増加できた理由としては、本実施例でのモノシラン分圧（モノシラン３０ｃｃ／ｍｉｎかつ３．９９９×１０ ３ Ｐａの条件下で１．１９９×１０ ２ Ｐａ）が減圧下にも拘わらず従来の常圧成長装置での一般的なモノシラン分圧（モノシラン０．５ｃｃ／ｍｉｎかつ１．０１３×１０ ５ Ｐａの条件下で５．０６６×１０ ０ Ｐａ）よりも高く設定されていることと、減圧下における拡散定数の増加の両方が考えられる。また、一般に減圧下においては拡散速度が増加し停滞層の効果が小さくなるので、３．９９９×１０ ３ Ｐａ〜９．９９９×１０ ３ Ｐａでの減圧雰囲気における拡散速度の増加が本実施例での成膜速度の増加の一因であると考えられる。
【００５６】
（４）Ｘ線回折波形測定
４Ｈ−ＳｉＣの気相結晶成長膜を１５００℃において成長させた。成膜速度は８．７μｍ／ｈであった。このときの（０００４）回折に対するＸ線ω／２θロッキングカーブを図６に示す。同図に示すようにω−２θスキャンにおけるＸ線回折波形は単一ピークとなっており、３Ｃ−ＳｉＣが膜中に含まれていないことが確認された。よって、単一結晶形のＳｉＣ結晶膜を製造することができる。
【００５７】
（５）残留キャリヤ濃度測定
ノンドープにおける気相結晶成長膜中の残留キャリヤ濃度をＣ−Ｖ測定により求めた。その結果を図７に示す。同図中、異なるサンプル毎に別個の記号○、□、●、×を付した。成長膜は残留キャリヤ濃度１×１０１５ｃｍ−３前後のｐ型を示した。一方、耐電圧数ｋＶ以上のＳｉＣ素子には残留キャリヤ濃度として１×１０１５ｃｍ−３前後が要求されており、本実施例での成長膜がこれに相当する。なお、各サンプル毎に結果が若干異なったのは、各サンプルごとの誤差であると考えられる。よって、本発明の製造装置１によれば、グラファイト部材を高温部に使用しているにも拘わらず比較的低い残留キャリヤ濃度の成長膜を得て実用的な耐電圧のＳｉＣ素子を製造可能である。
【００５８】
（６）結晶性評価（通常分解能）
気相結晶成長前後におけるＸ線ロッキングカーブ（ωスキャン、（０００４）回折）の多点測定を行った。試料面におけるＸ線のビームサイズは約１×２．５ｍｍとした。また、気相結晶成長膜の成長後の膜厚は約２５μｍであった。気相結晶成長前における測定結果を図８（Ａ）に、気相結晶成長後における測定結果を図８（Ｂ）に示す。
【００５９】
同図から明らかなように、気相結晶成長後には各測定点でのロッキングカーブ半値幅が縮小され回折強度が増大したと共に、測定点の移動に伴うピーク位置のシフト（結晶の湾曲度）が改善された。図８の測定結果より結晶湾曲の曲率半径を算出すると、気相結晶成長前の基板の［１−１００］方向の湾曲度は１８ｍであったのに対して、気相結晶成長後には［１−１００］方向の曲率半径は６２１ｍ、［１１−２０］方向の曲率半径は３０４ｍと大きく改善された。
【００６０】
また、単結晶基板４の裏面で測定された湾曲度は、気相結晶成長面で測定された湾曲度とほぼ一致した。このため、気相結晶成長に付随して単結晶基板４全体の湾曲が改善されることが判った。よって、結晶性の高い高品質の結晶膜を得ることができる。
【００６１】
これらの気相結晶成長に伴う湾曲度の減少は、従来の横型結晶成長装置においては確認されないことから、本発明の製造装置１に特有な効果と考えられる。本発明の製造装置１においては、従来の横型結晶成長装置のようにサセプタ７の上に単結晶基板４を置くのではなく、サセプタ７のフランジ部２４に単結晶基板４を立てかける方式になっており、加熱中に単結晶基板４はフリースタンディングに近い状態にされている。また、前述のように、単結晶基板４の方がサセプタ７よりも高い温度となっており、気相結晶成長中における単結晶基板４裏面への多結晶ＳｉＣの堆積の問題がない。このような、加熱中における単結晶基板４の設置方法や周辺温度分布の違いが湾曲度の改善の一因となっていると考えられる。
【００６２】
（７）結晶性評価（高分解能）
（６）と同一試料について、気相結晶成長後（膜厚２５μｍ）のロッキングカーブ（ωスキャン、（０００４）回折）の高分解能測定を行った。その結果を図９に示す。
【００６３】
結晶成長前の単結晶基板４がシングルピークを示した部位において、気相結晶成長後に極めて細いロッキングカーブ半値幅が得られた。同試料において得られた成長後のロッキングカーブ半値幅の最小値は［１−１００］方向で５．２arcsec、［１１−２０］方向で８．５arcsecである。［１−１００］方向のロッキングカーブ半値幅が［１１−２０］方向の値よりも小さくなっていることは、前述のように［１−１００］方向の結晶湾曲度が［１１−２０］方向の結晶湾曲度よりも良好に改善されたことに対応している。これまでに報告された最小のロッキングカーブ半値幅（ωスキャン）は６Ｈ−ＳｉＣレーリー結晶で７．０arcsec、６Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜で８．７arcsecであり、気相結晶成長後の４Ｈ−ＳｉＣに対して得られた半値幅は極めて良好な値であるといえる。このことから、本発明の製造装置１により、結晶性の高いＳｉＣ単結晶が得られたことがわかる。結晶成長に伴う単結晶基板４の湾曲度の改善が、成長後の気相結晶成長膜において極めて良好なロッキングカーブ半値幅（ωスキャン）が得られた大きな要因となっていると考えられる。
【００６４】
（８）表面評価
６．６μｍ／ｈの成膜速度にて膜厚７３μｍの４Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜を成長させた。この成長膜のノマルスキー顕微鏡像を図１０に示す。同図に示すように、気相結晶成長膜表面にはステップハンチングやサブミクロン径の点状の表面欠陥（数１０個ｃｍ−２）が見られるものの従来のような三角形状の表面欠陥は全く観察されず、比較的速い成膜速度にて厚い膜を成長したにも拘わらず良好な表面モフォロジーを得ることができた。
【００６５】
このため、高電圧ＳｉＣ素子には膜厚が数１０μｍ以上の厚い単結晶膜が必要となり速い成膜速度で均一な膜厚分布や良好な表面モフォロジーが要求されるが、本発明の製造装置１によればこれを実現することができることが判る。
【００６６】
（９）膜厚の評価
気相結晶成長膜の単結晶基板４内の膜厚分布を測定した。ガス流と直交する方向の測定結果を図１１（Ａ）に、ガス流と平行な方向の測定結果を図１１（Ｂ）に示す。いずれの場合も単結晶基板４の端部で膜厚が低下しているものの、中央付近ではフラットな膜厚分布が得られていることが確認された。また、成膜速度が６．６μｍ／ｈで膜厚が７３μｍまで成長したときでも膜厚が低下する部位は端部より数ｍｍの範囲内に抑えられているので、大口径基板に対しては相対的に影響が小さくなると考えられる。よって、単結晶基板４の広い範囲で均一な膜厚の単結晶膜を得ることができる。
【００６７】
（１０）ダイオード特性評価
ｐ型の４Ｈ−ＳｉＣ基板上に７３μｍの気相結晶成長膜（ノンドープｐ型）を成長させてショットキーダイオードを形成した。成長速度は６．６μｍ／ｈであった。ショットキー電極材料にはＮｉを用いメタルマスクを用いて蒸着を行った。電極径は０．５ｍｍにした。このショットキーダイオードの逆方向特性を測定した。測定時には試料をフロリナート液に浸した。測定結果を図１２に示す。
【００６８】
耐圧構造を全く採っていないにも拘わらず、耐電圧は２０００Ｖを超えた。測定器の測定限界により、２０００Ｖ以上の電圧印加は行っておらず、ブレークダウン電圧は確認されなかった。２０００Ｖ印加時の逆方向漏れ電流は約２．５μＡ（１．３ｍＡ／ｃｍ２）に抑制された。このことから、本製造装置１により得られた気相結晶成長膜は、比較的速い成膜速度で得られたにも拘わらず、耐電圧や漏れ電流に致命的な影響を及ぼすような結晶欠陥や不純物の含有が抑制された良好な単結晶であるといえる。
【００６９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載の半導体結晶の製造方法および請求項３記載の半導体結晶の製造装置によれば、基板支持手段及び単結晶基板が固体輻射部材に非接触で輻射加熱されると共に、固体輻射部材のみが誘導加熱されるので、結晶成長時における基板支持手段の表面のエッチングを防止して、当該表面のエッチング作用に起因する基板支持手段からの不純物放出や基板支持手段表面のコーティング膜の寿命低下を防止することができる。これにより、長時間の高品質結晶成長が実現されるので、膜厚の厚い高純度な高品質の単結晶を得ることができる。この単結晶を利用することにより、高電圧半導体素子を製作することができるようになる。
【００７０】
また、固体輻射部材と非接触な状態での単結晶基板の均一加熱と、結晶成長時の単結晶基板および基板支持手段の接触面積の低減と、単結晶基板の基板支持手段側表面に不要な堆積が発生しないこととにより、単結晶基板の残留応力を小さくして結晶湾曲の改善が可能となる。このため、結晶湾曲度が非常に小さく結晶性の高い高品質な単結晶を得ることができる。
【００７１】
さらに、単結晶基板を輻射加熱することから、減圧下においても１５００℃以上に容易に加熱することができる。
【００７２】
また、請求項２記載の半導体結晶の製造方法および請求項４記載の半導体結晶の製造装置によれば、単結晶基板をフリースタンディングに近い状態で立たせることができるので、単結晶基板と基板支持手段の接触面積を低減することができると共に、水平な単結晶基板の端部のみを保持して基板支持手段から離して支持する場合に比べて単結晶基板の自重による撓みを抑制することができる。これにより、単結晶基板の残留応力を小さくして結晶湾曲の改善が可能となり、結晶性の高い高品質なＳｉＣ単結晶を提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体結晶の製造装置を示す中央縦断面側面図である。
【図２】サセプタを示す斜視図である。
【図３】サセプタの他の実施形態を示す平面図である。
【図４】半導体結晶の製造装置を搭載した気相結晶成長装置を示す概略の側面図である。
【図５】成長温度１５００℃におけるモノシラン流量に対する成膜速度の関係を示す図である。
【図６】４Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜の（０００４）回折に対するＸ線ω／２θスキャン測定結果を示す図である。
【図７】Ｃ−Ｖ測定より求めた残留キャリヤ濃度を示す図である。
【図８】Ｘ線ロッキングカーブの多点測定結果を示す図であり、（Ａ）は気相結晶成長前、（Ｂ）は気相結晶成長後である。
【図９】４Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜の高分解能Ｘ線ロッキングカーブを示す図である。
【図１０】４Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜のノマルスキー顕微鏡像を示す顕微鏡写真である。
【図１１】４Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜の膜厚分布を示す図であり、（Ａ）はガス流と直交する方向、（Ｂ）はガス流と平行な方向の分布である。
【図１２】気相結晶成長膜を用いたショットキーダイオードのＩ−Ｖ特性を示す図であり、（Ａ）は逆方向特性、（Ｂ）は順方向特性である。
【図１３】従来の横型低温壁誘導加熱式結晶成長装置の主要部を示す中央縦断面側面図である。
【図１４】従来の横型高温壁誘導加熱式結晶成長装置の主要部を示す中央縦断面側面図である。
【図１５】従来の縦型低温壁誘導加熱式結晶成長装置の主要部を示す中央縦断面側面図である。
【図１６】従来の縦型低温壁輻射加熱式結晶成長装置の主要部を示す中央縦断面側面図である。
【符号の説明】
１ 半導体結晶の製造装置
２ 誘導加熱手段
３ 固体輻射部材
４ 単結晶基板
５ 単結晶基板の表面
６ 反応ガス
７ サセプタ（基板支持手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳｉＣなどの半導体の単結晶膜を得る半導体結晶の製造方法およびこれを利用する製造装置に関する。更に詳述すると、本発明は単結晶基板の加熱手法を改良した半導体結晶の製造方法およびこれを利用する製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の単結晶成長装置１００としては、例えば図１３に示すいわゆる横型低温壁誘導加熱式結晶成長装置のように、半導体の単結晶から成る単結晶基板１０１と、この単結晶基板１０１を支持する基板支持台（以下、サセプタと呼ぶ）１０２と、単結晶基板１０１およびサセプタ１０２の周囲に反応ガス１０３を供給するための供給管１０４と、サセプタ１０２を誘導加熱する誘導コイル１０５とを備えたものがある。図中矢印は反応ガス１０３の流通方向を示す。
【０００３】
この単結晶成長装置１００では供給管１０４は水平で、その周囲に誘導コイル１０５が巻かれている。サセプタ１０２は板状で、上面１０２ａを反応ガス１０３の上流側に僅かに傾けて設置されている。サセプタ１０２の上面１０２ａには単結晶基板１０１が載置される。そして、サセプタ１０２を誘導加熱して単結晶基板１０１を１５００℃程度に加熱すると共に反応ガス１０３を供給することにより、単結晶基板１０１の表面に反応ガス１０３の成分元素あるいは化合物を連続して析出成長させ単結晶薄膜を成膜するようにしている。
【０００４】
また、図１４に示す単結晶成長装置１００は、いわゆる横型高温壁誘導加熱式結晶成長装置である。この単結晶成長装置１００では、サセプタ１０２は筒状で反応ガス１０３の流れ方向に平行に設置される。サセプタ１０２の内周部の底面１０２ｂ上には単結晶基板１０１が載置される。さらに、この単結晶成長装置１００の供給管１０４を鉛直方向に配置したいわゆる縦型高温壁誘導加熱式結晶成長装置もある（図示せず）。
【０００５】
そして、図１５に示す単結晶成長装置１００は、いわゆる縦型低温壁誘導加熱式結晶成長装置である。この単結晶成長装置１００では、供給管１０４は鉛直方向に配置されており、反応ガス１０３が上方から下方に向けて流されている。誘導コイル１０５は、支持ブロック１０６に覆われて供給管１０４の内部に配置され、反応ガス１０３から遮蔽された状態でサセプタ１０２を誘導加熱するように設けられている。サセプタ１０２は板状で、反応ガス１０３の流れ方向に直交するように支持ブロック１０６上に載置されている。サセプタ１０２の上面１０２ａには単結晶基板１０１が載置される。
【０００６】
これらの単結晶成長装置１００によっても、サセプタ１０２を誘導加熱して単結晶基板１０１を加熱すると共に反応ガス１０３を供給することにより、単結晶基板１０１の表面に単結晶薄膜を成膜することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した単結晶成長装置１００では、サセプタ１０２に高周波誘導を与える構造が採られているため、サセプタ１０２が装置内で最も高温（例えば１５００℃以上）に成ってしまう。このため、高温時にサセプタ１０２の表面が反応ガス１０３あるいはキャリヤガスによりエッチングされることがある。このサセプタ表面のエッチングは、サセプタ１０２からの不純物放出の要因となって形成された単結晶膜の純度を下げてしまうことがある。
【０００８】
また、表面にコーティング膜を施したサセプタ１０２を使用する場合には、エッチング作用が生ずることによりコーティング膜の寿命を短縮させる要因になってしまう。このサセプタ１０２の表面のエッチング作用はサセプタ１０２の温度が高くなるにつれて顕著になるので、特に高温（１５００℃以上）かつ長時間の反応が必要となる膜厚の厚いＳｉＣ単結晶膜の製造を阻害する。
【０００９】
さらに、単結晶基板１０１は高温のサセプタ１０２からの伝熱により加熱されるので、温度上昇に伴って単結晶基板１０１とサセプタ１０２との温度差が大きくなる傾向がある。この単結晶基板１０１とサセプタ１０２との温度差は、サセプタ１０２のコーティング膜の寿命を短縮させる要因になることがある。すなわち、例えばグラファイト製の本体の表面に多結晶ＳｉＣをコーティングしたサセプタ１０２を使用する場合には、サセプタ１０２の表面の多結晶ＳｉＣが気相結晶成長（本明細書中では、エピタキシャル成長の場合を意味する）中に昇華して単結晶基板１０１の裏面に堆積することがある。これにより、単結晶基板１０１の背面部のサセプタ１０２のコーティングが剥離してグラファイト面が露出してしまう。しかも、気相結晶成長後に単結晶基板１０１の裏面をポリッシングしなければならず、作業工程が増えてしまう。
【００１０】
これに加え、特に減圧下（例えば１．３３３×１０ ４ Ｐａ以下）では伝熱量が低下するため、単結晶基板１０１とサセプタ１０２との温度差が大きくなる傾向が顕著になる。このため、減圧下での単結晶基板１０１の加熱が困難になってしまう。
【００１１】
これに対し、サセプタ１０２が装置内で最も高温になることを防止するために、図１６に示すいわゆる縦型低温壁輻射加熱式結晶成長装置のように、供給管１０４の外部に設けた赤外線ランプ１０７の輻射加熱により単結晶基板１０１を加熱することが考えられる。しかし、単結晶基板１０１をＳｉＣ結晶成長に必要な高温（１５００℃）に保持するためには非常に大出力の赤外線ランプを開発しなければならない。このため、このような大出力の赤外線ランプを得ることが困難であるので、ＳｉＣの単結晶成長には通常使用されない。
【００１２】
一方、現在市販されている板状のＳｉＣ単結晶は、結晶中の結晶欠陥や残留応力に起因した結晶湾曲を含んでいる。市販のＳｉＣ単結晶を単結晶基板１０１として単結晶成長装置１００により結晶成長を行うときには、ＳｉＣ単結晶の結晶湾曲は結晶成長時の結晶欠陥の発生要因の一つとなってしまう。
【００１３】
そこで、本発明は、サセプタ表面のエッチング作用による不純物放出やコーティング膜の劣化を防止すると共に単結晶基板の結晶湾曲を改善する半導体結晶の製造方法およびこれを利用する製造装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の半導体結晶の製造方法は、誘導加熱手段により固体輻射部材のみを誘導加熱して、前記固体輻射部材に対し間隔をあけて設置される単結晶基板及び該単結晶基板を支持する基板支持手段を前記固体輻射部材からの固体輻射熱のみで加熱することによって、前記固体輻射部材の温度よりも前記単結晶基板並びに前記基板支持手段の温度が低くかつ単結晶基板の温度が単結晶基板の背面の基板支持手段の表面の温度よりも高くなる温度勾配を設定し、前記単結晶基板の表面に反応ガスを供給し、前記単結晶基板の表面並びに基板支持手段の表面で前記反応ガスの成分元素あるいは化合物を連続的に析出させ単結晶膜を製造するようにしている。また、請求項３記載の発明は、反応ガスを流す供給管の外に配置されている誘導加熱手段と、前記供給管内に配置され前記誘導加熱手段により誘導加熱される固体輻射部材と、該固体輻射部材の内側に前記固体輻射部材に対し間隔をあけて配置されその表面に前記固体輻射部材に対し間隔をあけて単結晶基板を支持する基板支持手段を備え、前記誘導加熱手段により前記固体輻射部材のみを誘導加熱して、前記固体輻射部材からの固体輻射熱のみで前記基板支持手段及びこれに支持される前記単結晶基板を加熱することによって、前記固体輻射部材の温度よりも前記単結晶基板並びに前記基板支持手段の温度が低くかつ単結晶基板の温度が単結晶基板の背面の基板支持手段の表面の温度よりも高くなる温度勾配を設定し、前記単結晶基板の表面並びに前記基板支持手段の表面で前記反応ガスの成分元素あるいは化合物を連続的に析出させ単結晶膜を製造するものである。
【００１５】
したがって、固体輻射部材が誘導加熱されることによって単結晶基板および基板支持手段が固体輻射部材に非接触で固体輻射加熱されると共に、単結晶基板と基板支持手段の温度を固体輻射部材の温度よりも低い状態にすることができる。この状態で、反応ガスを装置内に導入すると、単結晶基板と基板支持手段の温度が固体輻射部材の温度よりも低いために単結晶基板の表面ならびにサセプタの表面で反応ガスの成分元素あるいは化合物が連続的に析出する。このため、単結晶基板に用いた結晶が気相結晶成長するとともに、基板支持手段の表面に新たな多結晶膜が形成されることになる。よって、結晶成長時に基板支持手段の表面はエッチングされなくなり、当該表面のエッチング作用に起因する基板支持手段からの不純物放出や基板支持手段の表面のコーティング膜の寿命低下が防止され、長時間の高品質結晶成長が実現される。
【００１６】
また、単結晶基板は固体輻射部材からの輻射によって加熱されるため、固体輻射部材とは非接触な状態で単結晶基板の高温均一加熱が実現される。輻射加熱であることから、減圧下（１．３３３×１０ ４ Ｐａ以下）においても１５００℃以上の単結晶基板の加熱が容易であるとともに、単結晶基板と基板支持手段の間も密着する必要がないため単結晶基板と基板支持手段の接触面積を低減することができる。これにより、固体輻射部材と非接触な状態での単結晶基板の均一加熱ならびに結晶成長時の単結晶基板と基板支持手段との接触面積の低減の両者が実現される。さらに、この配置においては単結晶基板の温度を基板支持手段の温度よりも高くすることが可能となり、結晶成長中に単結晶基板の基板支持手段側表面に不要な堆積が発生しない。この状態で、単結晶基板を高温加熱および結晶成長することで、単結晶基板の残留応力を小さくして結晶湾曲の改善が可能となり、結晶性の高い高品質なＳｉＣ単結晶を提供できるようになる。
【００１７】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体結晶の製造方法において、単結晶基板は基板支持手段によって鉛直に支持されているようにしている。さらに、請求項４記載の発明は、請求項３記載の半導体結晶の製造装置において、単結晶基板は基板支持手段によって鉛直に支持されているようにしている。
【００１８】
したがって、単結晶基板をフリースタンディングに近い状態で立たせることができるので、従来の横型結晶成長装置のように基板支持手段の上に単結晶基板を置く場合に比べて単結晶基板と基板支持手段の接触面積を低減することができる。しかも、水平な単結晶基板の端部のみを保持して基板支持手段から離して支持する場合に比べると、単結晶基板の自重による撓みを抑制することができる。これにより、単結晶基板の残留応力を小さくして結晶湾曲の改善が可能となり、結晶性の高い高品質なＳｉＣ単結晶を提供できるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、半導体結晶の製造装置をＳｉＣの単結晶を製造するものとしている。
【００２０】
本発明の半導体結晶の製造装置１は、図１に示すように、誘導加熱手段２と、該誘導加熱手段２により誘導加熱される固体輻射部材３と、該固体輻射部材３により加熱される単結晶基板４とを備えている。そして、単結晶基板４を加熱してその表面５に反応ガス６を供給することによって、表面５に反応ガス６の成分元素あるいは化合物を連続して析出成長させ単結晶膜を製造する。
【００２１】
そして、この製造装置１は、固体輻射部材３に対し間隔をあけて設置される基板支持手段（以下、サセプタという）７を備えている。サセプタ７及びこれに支持される単結晶基板４は、固体輻射部材３に対し間隔をあけて配置されている。このため、サセプタ７及び単結晶基板４は、固体輻射部材３からの固体輻射熱によって加熱される。ここで、誘導加熱手段２によって与えられる高周波誘導によっては固体輻射部材３のみが誘導加熱されるので、固体輻射部材３が装置１内で最も高温になりサセプタ７は固体輻射部材３よりも低温になる。これにより、サセプタ７の表面８でのエッチング作用を抑えてサセプタ７からの不純物放出やサセプタ７のコーティング膜の劣化を防止することができるので、高温かつ長時間の結晶成長を図ることができ高品質の結晶を得ることができる。
【００２２】
製造装置１は、反応ガス６を流通させる供給管９を備えている。供給管９の内側にはサセプタ７および固体輻射部材３が収容されて、いずれも互いに非接触にして治具（図示せず）等で支持されている。
【００２３】
供給管９としては、誘導加熱手段２により誘導加熱されないように例えば石英製の縦型水冷２重管を採用している。キャリヤガス１０ならびに反応ガス６は、図中矢印で示すように供給管９の下部より導入して上部より排出するようにしている。このため、高温時に単結晶基板４およびサセプタ７付近でガス６，１０が熱せられて上昇方向に向かう自然対流が発生しても、ガス６，１０の流れと自然対流の主方向とが一致するので、円滑なガス流を維持することができる。供給管９に流通するガス系は、キャリヤガス１０として水素（および必要に応じてヘリウム）、反応ガス６としてモノシランおよびプロパンを使用している。
【００２４】
また、供給管９の周囲には誘導加熱手段２が設けられている。本実施形態では誘導加熱手段２は供給管９の周囲に巻かれた誘導コイルとしている。この誘導加熱手段２に例えば発振周波数３０ｋＨｚ、最大出力５０ｋＷの高周波発振を与えて固体輻射部材３を誘導加熱する。
【００２５】
固体輻射部材３はコーティングの無いグラファイト製で、供給管９に平行に配置された例えば円筒形状としている。この固体輻射部材３の内側にサセプタ７が治具によって非接触に設置されている。固体輻射部材３の周囲にはカーボン断熱材が設置されている。これにより、固体輻射部材３を約１８００℃以上に加熱することができる。ところで、固体輻射部材３の表面は高温加熱時に昇華またはエッチングされる。そして、固体輻射部材３にはコーティングを施していないことから不純物種の拡散が考えられる。しかし、この製造装置１では、固体輻射部材３から単結晶基板４に向けて拡散する不純物種に対し、ガス流が垂直に作用して不純物種を押し流してしまうので、不純物種の単結晶基板４への付着を抑制することができる。
【００２６】
本実施形態では固体輻射部材３にはコーティングを施していないが、これには限られずグラファイト製の固体輻射部材３にＳｉＣコーティングを施すようにしても良い。この場合、ＳｉＣのコーティングによりグラファイト材からの不純物放出を防止することができるので、不純物種の単結晶基板４への悪影響をさらに抑制することができるようになる。また、固体輻射部材３にコーティングを施したとしても、固体輻射部材３とサセプタ７および単結晶基板４が分離しており互いに接触しない構造であるため、固体輻射部材３へのサセプタ７や単結晶基板４の接触によるＳｉＣコート膜の損傷を防止できる。
【００２７】
サセプタ７は従来のように誘導加熱されるものではないので、形状の自由度を大きくすることができる。本実施形態では、サセプタ７は楔形に形成されており、尖端をガス流の上流側に向けて配置されている。サセプタ７の２つの傾斜した表面８にそれぞれ単結晶基板４を設置する。このため、単結晶基板４は成長面をガス流の上流側に斜めに向けてサセプタ７に支持される。これにより、反応ガス６の成分が単結晶基板４の成長面に吹き付けられるので、結晶成長を促進することができる。
【００２８】
具体的には図２に示すように、サセプタ７の傾斜面８には縦方向に沿った保持溝２３が形成されている。この保持溝２３の両側部には、保持溝２３の中心側に突出したフランジ部２４が形成されている。さらに、保持溝２３の下端部には単結晶基板４を下方から支持する支持部２５が形成されている。そして、単結晶基板４は保持溝２３に上側から挿入されると単結晶基板４の両側部がフランジ部２４に引っ掛かって支持されると共に単結晶基板４の下端部が支持部２５により支持されてサセプタ７に保持される。ここで、保持溝２３の深さおよびフランジ部２４の厚さは、保持溝２３に支持された単結晶基板４の裏面がサセプタ７から離れているようにする。これにより、単結晶基板４のサセプタ７への接触部位を両側部と下端部とに抑えて接触面積の低減を図ることができる。本実施形態ではサセプタ７の表面８に保持溝２３を形成してその両端部のフランジ部２４により単結晶基板４の両側部を支持しているが、これには限られず図３に示すようにサセプタ７の表面８に単結晶基板４の両側部を支持する爪部２６を形成するようにしても良い。この場合も、単結晶基板４のサセプタ７への接触部位を両側部と下端部とに抑えて接触面積の低減を図ることができる。
【００２９】
サセプタ７に支持可能な単結晶基板４の大きさは、例えば直径２インチにしている。本実施形態ではサセプタ７を楔形に形成しているが、これには限られず板状や直方体状などの他の形状であっても良い。
【００３０】
ここで、サセプタ７は、単結晶基板４の表面５が斜め下方を向くように単結晶基板４の両端を保持している。このため、加熱中に単結晶基板４は鉛直なフリースタンディングに近い状態になるので、従来の横型結晶成長装置のように水平なサセプタの上に単結晶基板４を置く場合に比べて単結晶基板４とサセプタ７の接触面積を低減することができる。しかも、単結晶基板４が比較的大きなものであるときは、水平な単結晶基板４の両端部のみを保持してサセプタ７から離して両持ち支持する場合に比べて、単結晶基板４の自重による撓みを抑制することができる。これにより、単結晶基板４の残留応力を小さくして結晶湾曲の改善が可能となり、結晶性の高い高品質なＳｉＣ単結晶を提供できるようになる。
【００３１】
また、サセプタ７はＳｉＣコートされたグラファイト製としている。ＳｉＣのコーティングによりグラファイト材からの不純物放出を防止することができるので、高純度の結晶膜を得ることができる。この製造装置１では、固体輻射部材３内に配置されるサセプタ７の温度は、固体輻射部材３よりも低い温度となるため、結晶成長中にサセプタ７の表面８に多結晶ＳｉＣが析出される。このため、結晶成長時にサセプタ７の表面８がエッチングされなくなるので、従来の結晶成長装置で高温かつ長時間の結晶成長を行ったときにサセプタ７の表面８でエッチング作用が生ずる問題を解消することができる。さらに、単結晶基板４の温度はその背面のサセプタ７の表面８より高い温度となるため、気相結晶成長中に単結晶基板４の裏面にサセプタ７上の多結晶ＳｉＣが付着されなくなるという利点を有している。
【００３２】
単結晶基板４としては、市販のＳｉＣ単結晶を使用している。市販のＳｉＣ単結晶は結晶中の結晶欠陥や残留応力に起因した結晶湾曲を含んでいるのが通常であるが、本製造装置１では単結晶基板４が固体輻射部材３に接触していないので、単結晶基板４とサセプタ７との接触面積を減少することができる。このため、加熱時および結晶成長時での単結晶基板４の残留応力を小さくすることができるので、単結晶の結晶湾曲を抑えて結晶性の高い単結晶を得ることができる。
【００３３】
上述した製造装置１を用いてＳｉＣの単結晶を製造する方法を以下に説明する。
【００３４】
供給管９の内部を減圧すると共にキャリヤガス１０および反応ガス６を流通させる。そして、誘導加熱手段２により高周波発振を行って、固体輻射部材３を誘導加熱する。固体輻射部材３は輻射して単結晶基板４を加熱する。これにより、単結晶基板４とサセプタ７の温度が固体輻射部材３の温度よりも低いために単結晶基板４の表面５ならびにサセプタ７の表面８で反応ガス６の成分元素あるいは化合物が連続的に析出する。このため、単結晶基板４に用いたＳｉＣ結晶が成長するとともに、サセプタ７の表面８に新たな多結晶ＳｉＣ膜が形成されることになる。
【００３５】
そして、単結晶基板４は固体輻射部材３からの輻射によって加熱されるため、固体輻射部材３とは非接触な状態で単結晶基板４の高温均一加熱が実現される。輻射加熱であることから、減圧下（１．３３３×１０ ４ Ｐａ以下）においても１５００℃以上の単結晶基板４の加熱が容易であるとともに、単結晶基板４とサセプタ７の間も密着する必要がないため単結晶基板４とサセプタ７の接触面積を低減することができる。これにより、固体輻射部材３と非接触な状態での単結晶基板４の均一加熱ならびに結晶成長時の単結晶基板４とサセプタ７との接触面積の低減の両者が実現される。さらに、この配置においては単結晶基板４の温度をサセプタ７の温度よりも高くすることが可能となり、結晶成長中に単結晶基板４のサセプタ７側の面（即ち裏面）に不要な堆積が発生しない。この状態で、単結晶基板４を高温加熱および結晶成長することで、単結晶基板４の結晶湾曲の改善が可能となり、結晶性の高い高品質なＳｉＣ単結晶が提供できるようになる。
【００３６】
さらに、このようにして得られたＳｉＣ結晶膜は、例えば高電圧ＳｉＣ半導体素子として利用することができる。
【００３７】
次に、上述した製造装置１を利用する気相結晶成長装置１１の一例を図４に示す。この気相結晶成長装置１１は、製造装置１と、供給管９にガス６，１０を供給するガス供給部１２と、供給管９の内部を減圧する減圧部１３と、サセプタ７上の単結晶基板４を交換する交換部１４とを備えている。
【００３８】
ガス供給部１２は、流通させるガス６，１０の流量を設定するマスフローメータ１５と、キャリヤガス１０の水素ガスを精製するパラジウム透過器１６とを備えている。
【００３９】
減圧部１３は、ドライポンプ１７とターボ分子ポンプ１８とを備えたオイルフリーシステムとされている。この減圧部１３の作動により、キャリヤガス１０の導入前の供給管９内の気圧を６．６６６×１０ −６ Ｐａ以下にすることができる。また、キャリヤガス１０の導入時における供給管９内の気圧は、バラトロンとバタフライバルブおよび差動バルブの組み合わせにより、水素流量１０リットル／ｍｉｎにおいて３．３３３×１０ ３ 〜１．０１３×１０ ５ Ｐａの範囲で自動調整可能にできる。ここで、従来の結晶成長装置では、特に減圧下で単結晶基板４とサセプタ７間の伝熱量が低下し、単結晶基板４とサセプタ７との温度差が大きくなって単結晶基板の加熱が困難になってしまう。しかし、本実施形態の気相結晶成長装置１１によれば、サセプタ７及び単結晶基板４が輻射加熱されることから、減圧下でも単結晶基板４を容易に高温化を容することができる。
【００４０】
交換部１４は、供給管９の上部に配置された交換チャンバ１９と、交換チャンバ１９に連結されたロードロック室２０と、ロードロック室２０に連結されたグローブボックス２１とを備えている。グローブボックス２１は、アルゴンガスによりパージしておく。そして、単結晶基板４を設置したサセプタ７は、固体輻射部材３と交換チャンバ１９とロードロック室２０との内部を移動可能とされる。さらに、グローブボックス２１の内部でサセプタ７上の単結晶基板４を外部から交換することができる。
【００４１】
上述した気相結晶成長装置１１によりＳｉＣ単結晶を製造するときは、グローブボックス２１でサセプタ７に単結晶基板４を設置して、サセプタ７および単結晶基板４をロードロック室２０と交換チャンバ１９を通過させて固体輻射部材３内に設置する。そして、減圧部１３を作動させて供給管９の内部を減圧する。また、ガス供給部１２を作動させて供給管９内に反応ガス６およびキャリヤガス１０を流通させる。さらに、誘導加熱手段２に高周波発振を与えて固体輻射部材３を１５００℃程度に誘導加熱する。これにより、固体輻射部材３が単結晶基板４を輻射加熱して、単結晶基板４の表面５にＳｉＣ単結晶が製造される。
【００４２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、円筒形状の固体輻射部材３の内部にサセプタ７および単結晶基板４を設置しているが、これには限られず各筒状や板状や直方体状の固体輻射部材３の近傍にサセプタ７および単結晶基板４を設置するようにしても良い。この場合も固体輻射部材３が単結晶基板４を輻射加熱することができるので、サセプタ７にエッチング作用を起こさせることを防止して高温かつ長時間の結晶成長を図ることができ高品質の結晶を得ることができる。
【００４３】
また、本実施形態ではガス６，１０を下方から上方に向けて流しているが、これには限られず上方から下方に向けて流しても良い。このときは、単結晶基板４を上向きに支持するようにして成長面がガス流の上流側を向くようにすることが好ましい。この場合も、固体輻射部材３が単結晶基板４を輻射加熱することができるので、サセプタ７にエッチング作用を起こさせることを防止できる。
【００４４】
さらに、本実施形態では製造装置１を供給管９を鉛直方向に配置した縦型にしているが、これには限られず供給管９を水平に配置した横型にしても良い。このとき、例えば楔形のサセプタ７の２つの斜面８を鉛直にして尖端をガス流の上流側に向けることにより（この状態を平面図で表すと図１と同様に成る）、単結晶基板４の成長面をガス流に当てることができる。
【００４５】
そして、本実施形態では単結晶基板４を鉛直に配置しているが、これには限られずサセプタ７上に水平に若しくは傾斜させて置くようにしても良い。これは、単結晶基板４の成長面をガス流に向ける観点から、鉛直方向に配置された供給管９の上方からガス６，１０を流すときや、水平に配置された供給管９を利用するときに有効である。
【００４６】
また、本実施形態では半導体結晶としてＳｉＣを製造しているが、これには限られずＳｉなどの他の半導体結晶を製造するようにしても良い。この場合も結晶成長時にサセプタ７がエッチング作用を起こすことを防止できる。
【００４７】
【実施例】
図４に示す気相結晶成長装置１１を使用してＳｉＣ単結晶を製造した。本実施例においては、固体輻射部材３にはＳｉＣコーティングされていないグラファイト材を使用した。サセプタ７ならびに固体輻射部材３内でサセプタ７を支えるための治具にもグラファイト材を用い、予備成長実験によりそれらの表面の大部分に多結晶ＳｉＣ膜を形成した。
【００４８】
結晶成長は、１５００〜１６００℃の条件範囲で行った。単結晶基板４としては、市販の直径３５ｍｍの８°ｏｆｆ４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板を１／４にカットしたものを使用した。サセプタ７の上面２２の温度を供給管９の上部に設置した石英窓を通じてパイロメータにより測定した。このパイロメータにより測定された温度を成長温度として設定した。よって、以下に示す成長温度は全てサセプタ７の上面２２の測定温度である。
【００４９】
キャリヤガス１０の流量は１０リットル／ｍｉｎとし、成長時の製造装置１の内圧は３．９９９×１０ ３ 〜１．０１３×１０ ５ Ｐａの範囲で調節した。キャリヤガス１０には水素を使用した。気相結晶成長前の単結晶基板４前処理として、水素エッチングを成長温度にて3０〜6０分間行った。
【００５０】
なお、気相結晶成長層の膜厚の評価は、単結晶基板４を角度研磨し、その後にＫＯＨ処理を施すことで気相結晶成長層と単結晶基板４の界面部分を光学顕微鏡によって観察すること、あるいはＳＥＭ観察により行った。
【００５１】
（１）温度測定
固体輻射部材３とサセプタ７との温度測定の結果、固体輻射部材３の温度はサセプタ７の温度より高く、固体輻射部材３とサセプタ７間の温度差は減圧になるほど小さくなった。このため、サセプタ７の加熱が主に輻射によって行われていることが確認された。よって、サセプタ７が固体輻射部材３よりも低温になることから、サセプタ７の表面でのエッチング作用を抑えることができるので、サセプタ７からの不純物放出やコーティング膜の劣化を防止することができる。
【００５２】
（２）ガス流測定
減圧下において、供給管９の下から上へ向かう時間的に定常なガス流が実現され、安定な結晶成長が確認された。このガス流は、モノシラン流量を高く設定した場合に供給管９の上部に設置された石英窓から目視されるIrradiant layer（Ｓｉクラスタに起因すると考えられる縦方向に流れる白色の煙状の層）により確認した。よって、定常なガス流の実現により高品質の結晶膜を得ることができる。
【００５３】
（３）成膜速度測定
成長温度を１５００℃、プロパン流量を５〜１０ｃｃ／ｍｉｎとし、３．９９９×１０ ３ Ｐａならびに９．９９９×１０ ３ Ｐａの減圧下におけるモノシラン流量と成膜速度の関係を求めた。その結果を図５に示す。同図に示すように、いずれの圧力下でも５〜９μｍ／ｈの成膜速度が得られた。
【００５４】
図５に示すモノシラン流量範囲（１５〜３０ｃｃ／ｍｉｎ）では成膜速度は飽和していないにも拘わらず、典型的な常圧気相成長法における成膜速度（３〜５μｍ／ｈ）よりも約２倍程大きい成膜速度が得られた。すなわち、本製造方法によれば、結晶成長速度を速くできることが確認された。
【００５５】
成膜速度を増加できた理由としては、本実施例でのモノシラン分圧（モノシラン３０ｃｃ／ｍｉｎかつ３．９９９×１０ ３ Ｐａの条件下で１．１９９×１０ ２ Ｐａ）が減圧下にも拘わらず従来の常圧成長装置での一般的なモノシラン分圧（モノシラン０．５ｃｃ／ｍｉｎかつ１．０１３×１０ ５ Ｐａの条件下で５．０６６×１０ ０ Ｐａ）よりも高く設定されていることと、減圧下における拡散定数の増加の両方が考えられる。また、一般に減圧下においては拡散速度が増加し停滞層の効果が小さくなるので、３．９９９×１０ ３ Ｐａ〜９．９９９×１０ ３ Ｐａでの減圧雰囲気における拡散速度の増加が本実施例での成膜速度の増加の一因であると考えられる。
【００５６】
（４）Ｘ線回折波形測定
４Ｈ−ＳｉＣの気相結晶成長膜を１５００℃において成長させた。成膜速度は８．７μｍ／ｈであった。このときの（０００４）回折に対するＸ線ω／２θロッキングカーブを図６に示す。同図に示すようにω−２θスキャンにおけるＸ線回折波形は単一ピークとなっており、３Ｃ−ＳｉＣが膜中に含まれていないことが確認された。よって、単一結晶形のＳｉＣ結晶膜を製造することができる。
【００５７】
（５）残留キャリヤ濃度測定
ノンドープにおける気相結晶成長膜中の残留キャリヤ濃度をＣ−Ｖ測定により求めた。その結果を図７に示す。同図中、異なるサンプル毎に別個の記号○、□、●、×を付した。成長膜は残留キャリヤ濃度１×１０１５ｃｍ−３前後のｐ型を示した。一方、耐電圧数ｋＶ以上のＳｉＣ素子には残留キャリヤ濃度として１×１０１５ｃｍ−３前後が要求されており、本実施例での成長膜がこれに相当する。なお、各サンプル毎に結果が若干異なったのは、各サンプルごとの誤差であると考えられる。よって、本発明の製造装置１によれば、グラファイト部材を高温部に使用しているにも拘わらず比較的低い残留キャリヤ濃度の成長膜を得て実用的な耐電圧のＳｉＣ素子を製造可能である。
【００５８】
（６）結晶性評価（通常分解能）
気相結晶成長前後におけるＸ線ロッキングカーブ（ωスキャン、（０００４）回折）の多点測定を行った。試料面におけるＸ線のビームサイズは約１×２．５ｍｍとした。また、気相結晶成長膜の成長後の膜厚は約２５μｍであった。気相結晶成長前における測定結果を図８（Ａ）に、気相結晶成長後における測定結果を図８（Ｂ）に示す。
【００５９】
同図から明らかなように、気相結晶成長後には各測定点でのロッキングカーブ半値幅が縮小され回折強度が増大したと共に、測定点の移動に伴うピーク位置のシフト（結晶の湾曲度）が改善された。図８の測定結果より結晶湾曲の曲率半径を算出すると、気相結晶成長前の基板の［１−１００］方向の湾曲度は１８ｍであったのに対して、気相結晶成長後には［１−１００］方向の曲率半径は６２１ｍ、［１１−２０］方向の曲率半径は３０４ｍと大きく改善された。
【００６０】
また、単結晶基板４の裏面で測定された湾曲度は、気相結晶成長面で測定された湾曲度とほぼ一致した。このため、気相結晶成長に付随して単結晶基板４全体の湾曲が改善されることが判った。よって、結晶性の高い高品質の結晶膜を得ることができる。
【００６１】
これらの気相結晶成長に伴う湾曲度の減少は、従来の横型結晶成長装置においては確認されないことから、本発明の製造装置１に特有な効果と考えられる。本発明の製造装置１においては、従来の横型結晶成長装置のようにサセプタ７の上に単結晶基板４を置くのではなく、サセプタ７のフランジ部２４に単結晶基板４を立てかける方式になっており、加熱中に単結晶基板４はフリースタンディングに近い状態にされている。また、前述のように、単結晶基板４の方がサセプタ７よりも高い温度となっており、気相結晶成長中における単結晶基板４裏面への多結晶ＳｉＣの堆積の問題がない。このような、加熱中における単結晶基板４の設置方法や周辺温度分布の違いが湾曲度の改善の一因となっていると考えられる。
【００６２】
（７）結晶性評価（高分解能）
（６）と同一試料について、気相結晶成長後（膜厚２５μｍ）のロッキングカーブ（ωスキャン、（０００４）回折）の高分解能測定を行った。その結果を図９に示す。
【００６３】
結晶成長前の単結晶基板４がシングルピークを示した部位において、気相結晶成長後に極めて細いロッキングカーブ半値幅が得られた。同試料において得られた成長後のロッキングカーブ半値幅の最小値は［１−１００］方向で５．２arcsec、［１１−２０］方向で８．５arcsecである。［１−１００］方向のロッキングカーブ半値幅が［１１−２０］方向の値よりも小さくなっていることは、前述のように［１−１００］方向の結晶湾曲度が［１１−２０］方向の結晶湾曲度よりも良好に改善されたことに対応している。これまでに報告された最小のロッキングカーブ半値幅（ωスキャン）は６Ｈ−ＳｉＣレーリー結晶で７．０arcsec、６Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜で８．７arcsecであり、気相結晶成長後の４Ｈ−ＳｉＣに対して得られた半値幅は極めて良好な値であるといえる。このことから、本発明の製造装置１により、結晶性の高いＳｉＣ単結晶が得られたことがわかる。結晶成長に伴う単結晶基板４の湾曲度の改善が、成長後の気相結晶成長膜において極めて良好なロッキングカーブ半値幅（ωスキャン）が得られた大きな要因となっていると考えられる。
【００６４】
（８）表面評価
６．６μｍ／ｈの成膜速度にて膜厚７３μｍの４Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜を成長させた。この成長膜のノマルスキー顕微鏡像を図１０に示す。同図に示すように、気相結晶成長膜表面にはステップハンチングやサブミクロン径の点状の表面欠陥（数１０個ｃｍ−２）が見られるものの従来のような三角形状の表面欠陥は全く観察されず、比較的速い成膜速度にて厚い膜を成長したにも拘わらず良好な表面モフォロジーを得ることができた。
【００６５】
このため、高電圧ＳｉＣ素子には膜厚が数１０μｍ以上の厚い単結晶膜が必要となり速い成膜速度で均一な膜厚分布や良好な表面モフォロジーが要求されるが、本発明の製造装置１によればこれを実現することができることが判る。
【００６６】
（９）膜厚の評価
気相結晶成長膜の単結晶基板４内の膜厚分布を測定した。ガス流と直交する方向の測定結果を図１１（Ａ）に、ガス流と平行な方向の測定結果を図１１（Ｂ）に示す。いずれの場合も単結晶基板４の端部で膜厚が低下しているものの、中央付近ではフラットな膜厚分布が得られていることが確認された。また、成膜速度が６．６μｍ／ｈで膜厚が７３μｍまで成長したときでも膜厚が低下する部位は端部より数ｍｍの範囲内に抑えられているので、大口径基板に対しては相対的に影響が小さくなると考えられる。よって、単結晶基板４の広い範囲で均一な膜厚の単結晶膜を得ることができる。
【００６７】
（１０）ダイオード特性評価
ｐ型の４Ｈ−ＳｉＣ基板上に７３μｍの気相結晶成長膜（ノンドープｐ型）を成長させてショットキーダイオードを形成した。成長速度は６．６μｍ／ｈであった。ショットキー電極材料にはＮｉを用いメタルマスクを用いて蒸着を行った。電極径は０．５ｍｍにした。このショットキーダイオードの逆方向特性を測定した。測定時には試料をフロリナート液に浸した。測定結果を図１２に示す。
【００６８】
耐圧構造を全く採っていないにも拘わらず、耐電圧は２０００Ｖを超えた。測定器の測定限界により、２０００Ｖ以上の電圧印加は行っておらず、ブレークダウン電圧は確認されなかった。２０００Ｖ印加時の逆方向漏れ電流は約２．５μＡ（１．３ｍＡ／ｃｍ２）に抑制された。このことから、本製造装置１により得られた気相結晶成長膜は、比較的速い成膜速度で得られたにも拘わらず、耐電圧や漏れ電流に致命的な影響を及ぼすような結晶欠陥や不純物の含有が抑制された良好な単結晶であるといえる。
【００６９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載の半導体結晶の製造方法および請求項３記載の半導体結晶の製造装置によれば、基板支持手段及び単結晶基板が固体輻射部材に非接触で輻射加熱されると共に、固体輻射部材のみが誘導加熱されるので、結晶成長時における基板支持手段の表面のエッチングを防止して、当該表面のエッチング作用に起因する基板支持手段からの不純物放出や基板支持手段表面のコーティング膜の寿命低下を防止することができる。これにより、長時間の高品質結晶成長が実現されるので、膜厚の厚い高純度な高品質の単結晶を得ることができる。この単結晶を利用することにより、高電圧半導体素子を製作することができるようになる。
【００７０】
また、固体輻射部材と非接触な状態での単結晶基板の均一加熱と、結晶成長時の単結晶基板および基板支持手段の接触面積の低減と、単結晶基板の基板支持手段側表面に不要な堆積が発生しないこととにより、単結晶基板の残留応力を小さくして結晶湾曲の改善が可能となる。このため、結晶湾曲度が非常に小さく結晶性の高い高品質な単結晶を得ることができる。
【００７１】
さらに、単結晶基板を輻射加熱することから、減圧下においても１５００℃以上に容易に加熱することができる。
【００７２】
また、請求項２記載の半導体結晶の製造方法および請求項４記載の半導体結晶の製造装置によれば、単結晶基板をフリースタンディングに近い状態で立たせることができるので、単結晶基板と基板支持手段の接触面積を低減することができると共に、水平な単結晶基板の端部のみを保持して基板支持手段から離して支持する場合に比べて単結晶基板の自重による撓みを抑制することができる。これにより、単結晶基板の残留応力を小さくして結晶湾曲の改善が可能となり、結晶性の高い高品質なＳｉＣ単結晶を提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体結晶の製造装置を示す中央縦断面側面図である。
【図２】サセプタを示す斜視図である。
【図３】サセプタの他の実施形態を示す平面図である。
【図４】半導体結晶の製造装置を搭載した気相結晶成長装置を示す概略の側面図である。
【図５】成長温度１５００℃におけるモノシラン流量に対する成膜速度の関係を示す図である。
【図６】４Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜の（０００４）回折に対するＸ線ω／２θスキャン測定結果を示す図である。
【図７】Ｃ−Ｖ測定より求めた残留キャリヤ濃度を示す図である。
【図８】Ｘ線ロッキングカーブの多点測定結果を示す図であり、（Ａ）は気相結晶成長前、（Ｂ）は気相結晶成長後である。
【図９】４Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜の高分解能Ｘ線ロッキングカーブを示す図である。
【図１０】４Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜のノマルスキー顕微鏡像を示す顕微鏡写真である。
【図１１】４Ｈ−ＳｉＣ気相結晶成長膜の膜厚分布を示す図であり、（Ａ）はガス流と直交する方向、（Ｂ）はガス流と平行な方向の分布である。
【図１２】気相結晶成長膜を用いたショットキーダイオードのＩ−Ｖ特性を示す図であり、（Ａ）は逆方向特性、（Ｂ）は順方向特性である。
【図１３】従来の横型低温壁誘導加熱式結晶成長装置の主要部を示す中央縦断面側面図である。
【図１４】従来の横型高温壁誘導加熱式結晶成長装置の主要部を示す中央縦断面側面図である。
【図１５】従来の縦型低温壁誘導加熱式結晶成長装置の主要部を示す中央縦断面側面図である。
【図１６】従来の縦型低温壁輻射加熱式結晶成長装置の主要部を示す中央縦断面側面図である。
【符号の説明】
１ 半導体結晶の製造装置
２ 誘導加熱手段
３ 固体輻射部材
４ 単結晶基板
５ 単結晶基板の表面
６ 反応ガス
７ サセプタ（基板支持手段）
Claims (4)
- 誘導加熱手段により固体輻射部材のみを誘導加熱して、前記固体輻射部材に対し間隔をあけて設置される単結晶基板及び該単結晶基板を支持する基板支持手段を前記固体輻射部材からの固体輻射熱のみで加熱することによって、前記固体輻射部材の温度よりも前記単結晶基板並びに前記基板支持手段の温度が低くかつ単結晶基板の温度が単結晶基板の背面の基板支持手段の表面の温度よりも高くなる温度勾配を設定し、前記単結晶基板の表面に反応ガスを供給し、前記単結晶基板の表面並びに基板支持手段の表面で前記反応ガスの成分元素あるいは化合物を連続的に析出させ単結晶膜を製造することを特徴とする半導体結晶の製造方法。
- 前記単結晶基板は、前記基板支持手段によって鉛直に支持されていることを特徴とする請求項１記載の半導体結晶の製造方法。
- 反応ガスを流す供給管の外に配置されている誘導加熱手段と、前記供給管内に配置され前記誘導加熱手段により誘導加熱される固体輻射部材と、該固体輻射部材の内側に前記固体輻射部材に対し間隔をあけて配置されその表面に前記固体輻射部材に対し間隔をあけて単結晶基板を支持する基板支持手段を備え、前記誘導加熱手段により前記固体輻射部材のみを誘導加熱して、前記固体輻射部材からの固体輻射熱のみで前記基板支持手段及びこれに支持される前記単結晶基板を加熱することによって、前記固体輻射部材の温度よりも前記単結晶基板並びに前記基板支持手段の温度が低くかつ単結晶基板の温度が単結晶基板の背面の基板支持手段の表面の温度よりも高くなる温度勾配を設定し、前記単結晶基板の表面並びに前記基板支持手段の表面で前記反応ガスの成分元素あるいは化合物を連続的に析出させ単結晶膜を製造するものである半導体結晶の製造装置。
- 前記単結晶基板は、前記基板支持手段によって鉛直に支持されていることを特徴とする請求項３記載の半導体結晶の製造装置。
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