JP4070353B2

JP4070353B2 - シリコンカーバイドのエピタキシャル成長方法

Info

Publication number: JP4070353B2
Application number: JP11576699A
Authority: JP
Inventors: 学新井; 親夫木村
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2019-04-23
Also published as: JP2000302599A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンカーバイド（SiC）基板上にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル成長方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンカーバイドは、シリコンに比べて３倍もの熱伝導率を持ち、約２倍もの飽和電子ドリフト速度を持ち、さらに六方晶の６Ｈ−SiCでは禁制帯幅が2.93eVもの大きな値に達するところから、絶縁破壊電圧はシリコンに比べて１０倍程度も高く、動作可能な温度は500℃もの高温に達し、しかもその導電型をｐ型にもｎ型にも制御できることから、高温動作デバイス、大電力デバイス、耐放射線デバイス等のように厳しい環境下で動作させる素材として期待されてきた。
【０００３】
図３に従来のシリコンカーバイド単結晶品の成長装置の概念図を示す。ここでは、高純度のカーボン坩堝１１内にシリコンカーバイド粉末１２を入れて、シリコンカーバイドの種結晶１３をそのカーボン坩堝１１の上部に配置する。そして、このカーボン坩堝１１を石英管１４内に入れて、高周波誘導コイル１５を使用した高周波誘導加熱により、カーボン坩堝１１を渦電流加熱する。なお、石英管１４内は、予め高真空状態とした後、内部をアルゴン（Ar）ガスと置換して、成長に適した圧力に設定しておく。
【０００４】
具体的な一例として、カーボン坩堝１１内のシリコンカーバイド粉末１２側を２１００〜２４００℃の温度、シリコンカーバイド種結晶１３の側をこれより低い温度となるように、カーボン坩堝１１の加熱に温度勾配をつけ、石英管１４内のトータル圧力を数〜数１０Torrに保つと、シリコンカーバイド粉末１２から昇華したシリコンカーバイドが種結晶１３上に析出し、0.5〜1.5 mm/hの成長速度でシリコンカーバイド単結晶１６が得られる。これはいわゆる昇華法と呼ばれる製造方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この昇華法では２１００〜２４００℃という高い結晶成長温度が必要であり、結晶成長装置の作製や温度の制御が困難であるという問題があった。また、この昇華法で作製した結晶からはマイクロパイプと呼ばれる結晶欠陥を消滅させることが困難であった。
【０００６】
本発明の課題は、昇華法による場合よりも成長温度が低くて済み、またその成長速度が速いシリコンカーバイドのエピタキシャル成長方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための第１の発明は、カーボン坩堝の底部にシリコンカーバイド単結晶基板を配置しその上に単結晶又は多結晶のシリコンを充填した後に加熱して前記カーボン坩堝の内部にシリコン溶液を作成し、該溶液内に形成されたシリコンカーバイドを前記シリコンカーバイド単結晶基板上に液相成長させるエピタキシャル成長方法であって、前記カーボン坩堝の上部から内部に、前記溶液に接触し又は浸るように予め多孔質カーボンを挿入し配置しておくよう構成した。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記溶液の温度を、シリコン溶液にカーボンが飽和溶解する第１の温度と、前記溶液中の過飽和のカーボンとシリコンからなるシリコンカーバイドが析出する前記第１の温度よりも低い第２の温度との間で交互に変化させるよう構成した。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、前記第１の温度を１５１０〜１９００℃とし、前記第２の温度を前記第１の温度より少なくとも１０℃以上低く且つ１５００℃以上とした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態の製造方法の説明図である。本実施形態では、高純度（99.9995％）のカーボン坩堝１の底面に４Ｈのシリコンカーバイド単結晶基板２を設置し、内部に高純度（99.999％）の単結晶又は多結晶のシリコン３を充填する。また、カーボン坩堝１の内部に、高純度カーボン重り４を載せた多孔質カーボン５（気孔率３０〜４０％）を上部から挿入する。そして、このカーボン坩堝１を、高周波誘導コイル６を外側に備えた石英管７の内部でその高周波誘導コイル６の中央部に位置するように配置する。
【００１２】
以上のようにセッティングしてから、石英管７の内部を真空排気の後にアルゴンガスで置換し、所定の圧力（760 Torr）に到達したところで、高周波誘導コイル６に所定周波数の高周波電流を通電する。
【００１３】
この結果、カーボン坩堝１、カーボン重り４、多孔質カーボン５が高周波渦電流により加熱され、その温度がシリコンの融点である１４２０℃を超えると、カーボン坩堝１内は単結晶又は多結晶のシリコン５が溶融したシリコン溶液で満たされる。
【００１４】
カーボン坩堝１の温度を更に上昇させて、約１６１０〜１８００℃に保つと、カーボン坩堝１の内壁からカーボン（Ｃ）がシリコン溶液中に溶解していき、ついにはカーボンが飽和溶解する。
【００１５】
また、カーボン重り４を載せた多孔質カーボン５もシリコン溶液に浸漬するため、この多孔質カーボン５からもカーボンが溶出する。多孔質カーボン５は、その表面積が板状カーボンに比べて１００〜１０００倍と大きくなっているので、シリコン溶液との接触面積が大きくなり、シリコン溶液にカーボンが溶出して飽和するまでの時間が短くなる。
【００１６】
そして、このカーボンを飽和溶解したシリコン溶液を、前記温度で所定時間保持し、その後約１６００℃に下げて所定時間保持すると、シリコンカーバイド単結晶基板２上にシリコンカーバイドのエピタキシャル膜８が成長する。更に、この温度の上げ下げの操作を繰り返すと、そのエピタキシャル膜８が順次成長していく。
【００１７】
図２にこの温度の上げ下げのタイムチャートを示す。約１６１０〜１８００℃でカーボンを飽和溶解したシリコン溶液をその温度のままで約１時間保持し、次に約１６００℃まで降温させシリコン溶液の全体をその温度で保持する。すると、シリコン溶液中で過飽和になったカーボンと溶液中のシリコンとが反応してシリコンカーバイドが形成され、溶質として溶液中に析出する。
【００１８】
シリコン溶液内に析出したシリコンカーバイドは、その比重が3.21 g/cm³（最新化合物ハンドブックサイエンスフォーラム，p.32）とシリコン溶液中のシリコンの比重2.34 g/cm³（新版物理便利帳共立出版，p.32）よりも大きいため、カーボン坩堝１の底部に設置されたシリコンカーバイド単結晶基板２に向けて沈降して到達し、エピタキシャル膜８として消費される。そして、およそ１時間ほど１６００℃に保持する間に、２〜７μｍ程度のエピタキシャル膜８が成長する。
【００１９】
この液相によるエピタキシャル膜の成長は、反応の励起エネルギーとして同じ熱を使う熱ＣＶＤによる成長速度よりも２倍以上も速く、高速成長が行われる。特に、シリコン溶液に浸漬している多孔質カーボン５の量や気孔率を大きくすることで、カーボンの供給量が増して飽和溶液に到達するまでの時間が更に短縮されるので、１６１０〜１８００℃で保持する時間を短くでき、エピタキシャル膜の成長速度をより高速化ができる。
【００２０】
また、この成長時にオフアングル０度のシリコンカーバイド単結晶基板２を用いた場合は、シリコン面にエピタキシャル成長するときは、核の発生密度が多くなるものの、膜平行方向の成長速度が膜垂直方向の成長速度に比べて大きくなるため、平坦な表面を得ることができる。
【００２１】
次に、再度カーボン坩堝１の温度を約１６１０〜１８００℃に昇温すると、そのカーボン坩堝１や多孔質カーボン５からカーボンが再度溶出して、シリコン溶液中に飽和溶解する。よって、この昇温と前記した降温のサイクルを例えば図２に示したようにほぼ１時間ピッチで繰り返すことで、エピタキシャル膜８の膜厚を増加させることができる。このときは、シリコンカーバイド単結晶基板２の直上はシリコンカーバイドで飽和しているため溶解せず、それより上方に配置されている多孔質カーボン５やカーボン坩堝１の内壁のみが溶解する。
【００２２】
以上のようにしてカーボン坩堝１内においてエピタキシャル膜８が成長した基板２は、シリコン溶液を排出し冷却した後にカーボン坩堝１から取り出して、基板２やエピタキシャル膜８に付着しているシリコンを所定のエッチング液を使用してエッチング除去する。
【００２３】
なお、以上では多孔質カーボン５をカーボン重り４によりシリコン溶液中に浸漬させるようにしたが、カーボン坩堝１の内壁にこの多孔質カーボンを予めコーティングしておいても、その多孔質カーボンからのカーボンの溶出が多量に行われ、上記説明した場合と同様に、シリコン溶液に飽和するまでの時間を短縮できる。
【００２４】
また、エピタキシャル膜８の導電型を制御する場合、例えばｎ型の結晶に成長させるときは単結晶又は多結晶のシリコン３にｎ型用の不純物、たとえば窒化シリコンを添加しておくか、成長雰囲気ガス中に窒素ガスを添加しておけばよい。ｐ型の結晶に成長させるときは単結晶又は多結晶のシリコン３にｐ型用の不純物、たとえばアルミニウムを添加しておけば良い。
【００２５】
また、前記説明では、温度昇降サイクルの高温側の温度（第１の温度）を１６１０℃〜１８００℃の範囲としたが、１５１０℃〜１９００℃の範囲まで可能である。しかし、約１９００℃を上回る温度にすると、シリコンカーバイドが析出するときの温度が高すぎて形成される膜の平坦性が悪くなる。また、同サイクルの低温側の温度（第２の温度）は１６１０℃としたが、高温側の温度よりも少なくとも１０℃以上低ければよい。しかし、約１５００℃を下回る温度にすると、カーボンがほとんどシリコンに溶解しなくなり膜形成時間がかなり長くなるので好ましくない。
【００２６】
【発明の効果】
以上から本発明の製造方法によれば、カーボン供給源として多孔質カーボンを使用してシリコン溶液とカーボンとの接触面積を増大させるようにしているので、シリコンに対するカーボンの過飽和溶液の生成時間が短くなりエピタキシャル膜の成長を熱ＣＶＤ法よる場合よりも短時間で実現でき、成長速度を高速化できる。
【００２７】
また、シリコンとカーボンを反応させてシリコンカーバイドを析出させ成長させるので、シリコンカーバイド自体を加熱昇華させる昇華法よりも低温でそれを成長させることが可能となる。
【００２８】
また、溶液の温度を低下することでシリコンカーバイドが析出し、シリコンとの比重差によりシリコンカーバイドが基板側に輸送されるので、その基板上の種結晶と格子整合した単結晶シリコンカーバイド膜を高品質で成長さることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施形態のシリコンカーバイド膜成長装置の概念図である。
【図２】図１の膜成長装置の温度制御のタイムチャートである。
【図３】従来のシリコンカーバイド膜成長装置の概念図である。
【符号の説明】
１：カーボン坩堝
２：シリコンカーバイド単結晶基板
３：単結晶又は多結晶のシリコン
４：カーボン重り
５：多孔質カーボン
６：高周波誘導コイル
７：石英管
８：エピタキシャル膜
１１：カーボン坩堝
１２：シリコンカーバイド粉末
１３：シリコンカーバイド種結晶
１４：石英管
１５：高周波誘導コイル
１６：シリコンカーバイド単結晶

Claims

カーボン坩堝の底部にシリコンカーバイド単結晶基板を配置しその上に単結晶又は多結晶のシリコンを充填した後に加熱して前記カーボン坩堝の内部にシリコン溶液を作成し、該溶液内に形成されたシリコンカーバイドを前記シリコンカーバイド単結晶基板上に液相成長させるエピタキシャル成長方法であって、
前記カーボン坩堝の上部から内部に、前記溶液に接触し又は浸るように予め多孔質カーボンを挿入し配置しておくことを特徴とするシリコンカーバイドのエピタキシャル成長方法。
前記溶液の温度を、シリコン溶液にカーボンが飽和溶解する第１の温度と、前記溶液中の過飽和のカーボンとシリコンからなるシリコンカーバイドが析出する前記第１の温度よりも低い第２の温度との間で交互に変化させることを特徴とする請求項１に記載のシリコンカーバイドのエピタキシャル成長方法。
前記第１の温度を１５１０〜１９００℃とし、前記第２の温度を前記第１の温度より少なくとも１０℃以上低く且つ１５００℃以上としたことを特徴とする請求項２に記載のシリコンカーバイドのエピタキシャル成長方法。