JP4107564B2 - 単結晶炭化ケイ素の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶炭化ケイ素の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶炭化ケイ素の製造方法として、例えば、The Institute of Physics Conference Series No. 142 Chapter 1 Page 49、Materials Science Forum Vols. 338-342 Page 125に示すように、昇華法および化学的気相成長法いずれも、単結晶炭化ケイ素バルクから切り出した結晶を、表面に加工を施すことなく、種結晶あるいはエピタキシャル層形成用基板として用いるものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる表面に加工を施していない、種結晶あるいはエピタキシャル層形成用基板には様々な結晶欠陥が存在する。なかでも、いわゆるマイクロパイプ若しくはナノパイプと呼ばれる、空洞を中心部分にもつ螺旋転位は、単結晶炭化ケイ素からなる半導体装置の性能、特に逆バイアス電圧印加時の性能を大きく低下させる原因となる。
即ち、種結晶あるいはエピタキシャル層形成用基板に存在する螺旋転位が、製造された単結晶炭化ケイ素内にそのまま引き継がれ、空洞が形成されるという問題点が存在する。
そこで本発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、結晶成長に伴う螺旋転位近傍のステップの密度を低減し、螺旋転位に起因する空洞のない単結晶炭化ケイ素を製造する方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る単結晶炭化ケイ素の製造方法は、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を製造する際に、製造に用いる単結晶炭化ケイ素の種結晶あるいは基板の表面に対して、螺旋転位の現れている小領域を台状に加工すること、あるいは螺旋転位の近傍に溝を形成することにより、段差を形成し、螺旋転位が現れている部分の単結晶炭化ケイ素表面におけるステップ密度を低減し、大きな螺旋転位の小さな螺旋転位群への分解を促進し、空洞を閉塞させことを特徴とする。
【０００７】
すなわち、本発明の第１の態様にかかる製造方法は、
（ｉ）螺旋転位の中心部分の空洞を表面に有し、オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板を用意し、
（ｉｉ）前記空洞を含み、Ｈ＞Ｄｔａｎαを有する台状構造による段差（式中、Ｈは台状構造を形成する段差の深さを表し、Ｄは空洞の端から台状構造の端までの距離を表し、αはオフ角度を表す）を前記基板表面に形成し、
（ｉｉｉ）台状構造を形成した基板表面に、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を堆積させ単結晶炭化ケイ素膜を製造する単結晶炭化ケイ素の製造方法である。
【０００８】
また、本発明の第２の態様にかかる製造方法は、
（ｉ）螺旋転位の中心部分の空洞を表面に有し、オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板を用意し、
（ｉｉ）前記基板表面の前記空洞の位置から見て、ステップが成長する方向と逆の方向に、Ｈ＞Ｄｔａｎαを有する溝による段差（式中、Ｈは溝を形成する段差の深さを表し、Ｄは空洞の端から溝の端までの距離を表し、αはオフ角度を表す）を前記基板表面に形成し、
（ｉｉｉ）溝を形成した基板表面に、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を堆積させ単結晶炭化ケイ素膜を製造する単結晶炭化ケイ素の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態に共通する、基材、堆積方法等について説明する。
【００１０】
（単結晶炭化ケイ素）
本発明において単結晶炭化ケイ素は、ダイオード等に有用な、六方晶系で６層で一周期となる結晶構造を有する６Ｈ形ＳｉＣ単結晶、六方晶系で４層で一周期となる結晶構造を有する４Ｈ形ＳｉＣ単結晶等を包含するがこれらに限定されるものではない。
【００１１】
（基材）
本発明において基材は、ＳｉＣ単結晶のバルクから所定寸法に切り出された種結晶又は基板であり、オフ角度をもって切り出すことができる。
オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基材とは、（０００１）面からずらした面を有する基材のことをいう。この角度は、好ましくは３．５〜８°の範囲である。
【００１２】
（空洞）
螺旋転位の中心部分の空洞とは、単結晶炭化ケイ素の結晶構造中に存在する螺旋転位に起因する空洞、いわゆるマイクロパイプあるいはナノパイプのことをいう。かかる空洞が基材から単結晶炭化ケイ素に引き継がれ、半導体装置の性能を低下させるのは前述の通りである。
【００１３】
（エピタキシャル成長法）
基材表面に単結晶炭化ケイ素を堆積させるにはエピタキシャル成長法が採られるが、これには昇華法、化学的気相成長法、液相成長法、固相成長法等があるが、生産性の高さ、制御の容易性等から昇華法や化学的気相成長法が好ましい。
昇華法は、例えば、グラファイトのルツボにＳｉＣの多結晶粉末を入れ、約２１００乃至２４００℃に加熱昇華させ種結晶上に堆積させることにより行なうことができる。
化学的気相成長法は、例えば、ＳｉとＣの水素化物若しくは塩化物又は有機金属のガスを基板上に導入し熱分解させることにより行なうことが出来る。具体的には、ＳｉＨ４とプロパンを約０．２気圧、約１５００℃で熱分解する方法等が挙げられる。
【００１４】
（ステップフロー成長）
以下に、ステップフロー成長の機構について説明する。
単結晶炭化ケイ素の製造中、基板あるいは種結晶の表面にはステップが形成されており、表面に達した原料種はステップに取り込まれ、テラスの上をステップが移動する形で単結晶が形成される、いわゆるステップフロー成長が行われている。そして、これらステップの間には、たとえばJournal of Crystal Growth Vol. 226 Page 254に述べられているように、大きな斥力が働いていると考えられ、ステップの高さ、間隔は定常状態ではあまり変化しない。
【００１５】
ここで問題としている螺旋転位は＜0001＞方向に構成原子のずれ、つまりバーガースベクトルをもち、通常、＜0001＞方向は単結晶の作製表面に対して垂直であるため、空洞は製造中の堆積表面に現れることになる。バーガースベクトルが大きい場合、螺旋転位の中心には空洞が形成され、単結晶炭化ケイ素の製造中はその中心から螺旋状に拡がるステップが形成されている。このため、螺旋転位の近傍では、表面の＜0001＞方向からの微傾斜によるステップと螺旋転位に起因するステップが重なって存在しており、ステップの密度は大きな値となっている。
【００１６】
結晶中の空洞は歪みによるエネルギーをもつため、この歪みエネルギーとステップ間の斥力によるエネルギーのバランスによりバーガースベクトルの大きさ、つまり空洞の半径および転位芯の数が決定されるというモデルが考えられており、定性的には現象をよく説明している。螺旋転位の中心に形成される空洞の半径は、螺旋転位のバーガースベクトルの大きさに依存し、バーガースベクトルが小さい場合、空洞は形成されない。結晶の製造中、バーガースベクトルの和は保存されるため、空洞を形成する大きなバーガースベクトルの螺旋転位を小さなバーガースベクトルをもつ螺旋転位に分解できれば空洞を閉塞することが可能である。前述のように螺旋転位のバーガースベクトルの大きさは、空洞の歪みによるエネルギーと転位芯群および微傾斜に起因するステップ間の斥力によるエネルギーのバランスにより決定されるため、ステップの密度を減らすことができれば、より小さなバーガースベクトルに分解することが安定な状態となり、つまり空洞を閉塞することが可能となる。
【００１７】
（段差）
本発明は、表面に現れている螺旋転位の近傍に台状構造や溝による段差を形成し、その表面に結晶を形成し、螺旋転位近傍のステップ密度を減らし、螺旋転位を分解し空洞を閉塞することを特徴とする。例えば、図５に示すように、＜0001＞方向から微傾斜をもつ基材５１について、螺旋転位による空洞５３の近傍に溝５２を形成し、気相成長を行う。
単結晶炭化ケイ素はステップフロー成長するため、ステップを掃き出す形で単結晶の形成が進み、図６に示すように、短時間の結晶５４の形成の後、螺旋転位による空洞５３の近傍には微傾斜によるステップが存在しない状態が実現される。この状態では螺旋転位近傍のステップ密度は非常に小さな値となっており、螺旋転位は分解し易くなっている。さらに結晶の形成を続けると、螺旋転位の上にも結晶が形成され、その際、螺旋転位はより小さな螺旋転位群に分解し、空洞は閉塞され、高品質の単結晶炭化ケイ素が形成されることになる。
段差は、少なくともステップが成長する方向と逆の方向に設けてあれば充分であるが、特にオフ角度を与えてないあるいはステップの成長方向が明らかでない種結晶が基材である場合には、空洞を囲む段差とするのが良い。
【００１８】
実施の形態１．
本発明の第１の形態は、図１に示すように、昇華法による単結晶炭化ケイ素の製造に用いる種結晶の形態の基材１の表面の空洞３をともなう螺旋転位の周囲に、反応性イオンエッチング法などを用いてリング状の溝２（溝の幅０．５〜２μｍ）を形成し、空洞３を含む円柱状の台状構造を形成したものである。図１（ａ）は平面図で、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
昇華法の場合、種結晶の切り出し方、昇華法の条件（温度、雰囲気圧力、原料分圧など）により、結晶成長中に表面に形成されるステップ高さ、テラス幅は変動する。
図７において、ステップの高さをＸ、テラス幅をＹ、空洞７３の端から台状構造の端までの距離をＤ、溝７２の深さをＨとする。
空洞７３の端から台状構造の端までの距離Ｄは、これを大きくするとステップが掃き出されたテラス上に成長核が形成されるので、１００μｍ以下が好ましく、０．１〜１０μｍがさらに好ましい。
ステップの高さＸは、通常、１〜１００ｎｍ程度である。
台状構造を形成する溝の深さＨは、Ｄ、Ｘ及びＹにより決定され、
Ｈ＞ＤＸ／Ｙとなる必要がある。溝の深さＨは０．５〜２μｍ程度が好ましい。
また、形成する結晶の厚さをＴとすると、欠陥の上に結晶を十分に堆積させるため、Ｈ＜＜Ｔであることが必要である。
台状構造は、基材の主面の上方からみた場合、空洞７３を囲む、円形（図１）若しくは矩形の形状であることが好ましい。空洞７３は必ずしも円形、矩形の中心である必要はない。円の直径は２〜４μｍ、矩形の一辺は２〜４μｍであることが好ましい。
この種結晶の表面に炭化ケイ素を堆積させると、螺旋転位近傍におけるステップの密度が小さい状態が実現し、螺旋転位が分解して、空洞が閉塞される。
【００１９】
図８は、種結晶の形態である基材８１の表面に存在する複数の空洞８３の周囲に、複数のリング状の溝８２（溝の幅約１μｍ）により、空洞８３を含む円柱状の台状構造を形成した形態を示す。図８（ａ）は、この基材８１の平面図であり、図８（ｂ）は、そのＤ−Ｄ断面図である。この基材８１の上に、昇華法を用いて単結晶炭化ケイ素を堆積させる。
図９（ａ）は前記基材８１に単結晶炭化ケイ素を堆積させてバルク８とした図であり、図９（ｂ）はこのようにして得た単結晶炭化ケイ素バルク８を切断することにより単結晶炭化ケイ素ウエハ９を切り出した図である。
ここに示した種結晶を用いて堆積させた単結晶炭化ケイ素バルクは、螺旋転位にともなう空洞を含まない高い品質のものであり、得られた単結晶炭化ケイ素ウエハは半導体装置の製造などに適したものである。
【００２０】
実施例１．
本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法によれば、先ず任意の方法により単結晶炭化ケイ素からなる基材１である種結晶を用意し、この種結晶の表面を顕微鏡で観察して螺旋転位に起因する空洞３を検出する。
【００２１】
次に、図１に示すように、空洞３の周囲を空洞３から離れて囲むほぼ円形の溝２を形成することにより円形の台形状による段差２ｃを形成する。溝２は周知の適当な方法により形成すればよいが、図示の例では反応性イオンエッチングを用いる。段差２ｃは、先に述べたように、空洞３から結晶ステップの成長方向と逆の方向に離れた位置にだけ設ければ充分であるが、この例の場合は基材１として種結晶を用いていてステップの成長方向が不確かであるので、空洞３を全周に亘って囲む溝２を形成してある。円形の台形状の半径は１μｍ（即ち空洞３から段差２ｃまでの距離は約１μｍ）、溝２の開口部の幅は１μｍ、深さは０．５μｍである。図示の溝２の断面形は矩形であるが、Ｕ字形、Ｖ字形等、任意であり、段差２ｃの種結晶表面に対する角度も直角である必要はなく、ステップが掃き出されるような僅かな角度があればよい。
【００２２】
次に、このように段差２ｃを形成した基材１の表面上に、改良レイリー法により炭化ケイ素を堆積させると、供給源からの炭化ケイ素分子がステップ上に降着してマイグレートし、やがて段差２ｃから溝２内に落下する。このため、段差２ｃよりもステップの成長方向で下流側では、ステップが掃き出されてステップが現れず、ステップ密度が小さい状態が実現できる。このため螺旋転位が分解して空洞が分岐させられて閉塞する。閉塞した空洞は複数本の転位線として残るものと考えられている。このようにして得られた単結晶炭化ケイ素は空洞の無い高品質のものであり、単結晶炭化ケイ素バルクとして有用である。
【００２３】
実施の形態２．
本発明の第２の実施形態は、図２に示すように、化学的気相成長法による単結晶炭化ケイ素の製造に用いる、＜11-20＞方向に傾斜をもたせた（0001）単結晶炭化ケイ素基板の形態の基材２１の表面の、空洞２３をともなう螺旋転位の周囲に、矩形の溝２２を形成し、空洞２３を含む台状構造を形成したものである。図２（ａ）は平面図で、図２（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板に、化学的気相成長法で堆積させる場合において、オフ角度をαとすると、台状構造を形成する溝の深さＨは、Ｈ＞Ｄｔａｎαであることが必要である。
空洞の端から台状構造の端までの距離Ｄは、昇華法と同様に、１００μｍ以下が好ましく、０．１〜１０μｍがさらに好ましい。また、昇華法と同様に、Ｈ＜＜Ｔであることが必要である。溝の深さＨは０．５〜２μｍであることが好ましい。
台状構造は、基材２１の主面の上方からみた場合、空洞を囲む、円形若しくは矩形（図２（ａ））の形状であることが好ましい。空洞２３は必ずしも円形、矩形の中心である必要はない。矩形の一辺は２〜４μｍ、円の直径は２〜４μｍであることが好ましい。
この単結晶炭化ケイ素基板の表面に炭化ケイ素を堆積させると、螺旋転位近傍におけるステップの密度が小さい状態が実現し、螺旋転位が分解して、空洞が閉塞される。
【００２４】
実施例２．
本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法の別の実施例によれば、先ず任意の方法により単結晶炭化ケイ素からなる基材である８°のオフ角度を持つ基板２１を用意し、この基板２１の表面を顕微鏡で観察して螺旋転位に起因する空洞２３を検出する。
【００２５】
次に、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、空洞２３の周囲を空洞２３から離れて囲むほぼ正方形の溝２２を形成することにより正方形の台形状による段差２２ｃを形成する。溝２２は周知の適当な方法により形成すればよいが、図示の例では反応性イオンエッチングを用いる。段差２２ｃは、先に述べたように、空洞２３から結晶ステップの成長方向と逆の方向に離れた位置にだけ設ければ充分であるが、この例の場合は基材２１としてステップの成長方向が不確かである場合を想定して、空洞２３を全周に亘って囲む溝２２を形成してある。正方形の台形状の一辺の長さは３μｍ（空洞２３から段差２２ｃまでの最小距離は約１．５μｍ）、溝２の開口部の幅は１μｍ、深さは０．５μｍである。図示の溝２２の断面形は矩形であるが、Ｕ字形、Ｖ字形等、任意であり、段差２ｃの種結晶表面に対する角度も直角である必要はなく、僅かな角度があればよい。
【００２６】
次に、このように段差２２ｃを形成した基材２１の表面上に、化学的気相成長法により炭化ケイ素を堆積させると、供給源からの炭化ケイ素分子がステップ上に降着してミグレイトし、やがて段差２２ｃから溝２２内に落下する。このため、段差２２ｃよりもステップの成長方向で下流側では、ステップが掃き出されてステップが現れず、ステップ密度が小さい状態が実現できる。このため螺旋転位が分解して空洞が分岐させられて閉塞する。閉塞した空洞は複数本の線として残るものと考えられている。このようにして得られた単結晶炭化ケイ素は空洞の無い高品質のものであり、単結晶炭化ケイ素膜として有用である。
【００２７】
実施の形態３．
本発明の第３の実施形態は、図３に示すように、化学的気相成長法による単結晶炭化ケイ素の製造に用いる、＜11-20＞方向に傾斜をもたせた（0001）単結晶炭化ケイ素基板の形態の基材３１の表面に、空洞３３から見て、ステップが成長する方向と逆の側に、０．５〜２μｍ離れた位置に、溝を形成したものである。図３（ａ）は平面図で、図３（ｂ）はそのＣ−Ｃ断面図である。
溝の位置は、空洞３３から見て、ステップが成長する方向と逆の側に形成することが好ましい。空洞３３の端から溝の端までの距離は、１００μｍ以下であることが好ましく、０．１〜１０μｍであることがさらに好ましい。この場合、溝の向きは、基材表面の面内において、空洞３３の位置から見て＜１１−２０＞方向に垂直な方向を基準として−３０°〜＋３０°の範囲であることが好ましい。溝の幅は５００μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．１〜１０μｍである。溝の長さは１０００μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは１〜５０μｍである。
この単結晶炭化ケイ素基板の表面に炭化ケイ素を堆積させると、螺旋転位近傍におけるステップの密度が小さい状態が実現し、螺旋転位が分解して、空洞が閉塞される。なお、この溝の形状は、螺旋転位部分のステップが掃き出される大きさであれば任意の形状とすることができる。
【００２８】
実施例３．
本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法の更に別の実施例によれば、先ず任意の方法により単結晶炭化ケイ素からなる基材である８°のオフ角度を持つ基板３１を用意し、この基板３１の表面を顕微鏡で観察して螺旋転位に起因する空洞３３を検出する。
【００２９】
次に、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、基板３１の表面上の空洞３３の近傍で、空洞３３の位置から見てステップが成長する方向と逆の方向の位置に、棒状の溝３２による段差３２ｃを形成する。溝３２は周知の適当な方法により形成すればよいが、図示の例では反応性イオンエッチングを用いる。段差３２ｃと空洞３３との間の距離は約１μｍであり、ステップの成長方向に平行で空洞３３を通る線が溝３２の長さ方向の中心を通るようにしてある。溝３２の長さは３μｍ、溝３２の開口部の幅は１μｍ、深さは０．５μｍである。図示の溝３２の断面形は矩形であるが、Ｕ字形、Ｖ字形等、任意であり、段差３２ｃの種結晶表面に対する角度も直角である必要はなく、僅かな角度があればよい。
【００３０】
次に、このように段差３２ｃを形成した基材３１の表面上に、化学的気相成長法により炭化ケイ素を堆積させると、供給源からの炭化ケイ素分子がステップ上に降着してマイグレートし、やがて段差３２ｃから溝３２内に落下する。このため、段差３２ｃよりもステップの成長方向で下流側では、ステップが掃き出されてステップが現れず、ステップ密度が小さい状態が実現できる。このため螺旋転位が分解して空洞が分岐させられて閉塞する。閉塞した空洞は複数本の線として残るものと考えられている。このようにして得られた単結晶炭化ケイ素は空洞の無い高品質のものであり、単結晶炭化ケイ素膜として有用である。
【００３１】
本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法により得られた単結晶炭化ケイ素を用いると優れた性能の半導体装置を得ることができる。このような半導体装置の例として、ショットキーバリアダイオード、ＭＯＳ電界効果トランジスタ、ｐｎ接合ダイオード、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ＭＩＳ電界効果トランジスタ等が挙げられる。
それらの具体例としては、上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極及びショットキー電極を含むショットキーバリアダイオードがあり、より具体的には、上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、その表面に接触してショットキー接合を形成するショットキー電極、他の表面にオーミックな接触をするオーミック電極を含むショットキーバリアダイオードが挙げられる。
また、その他の例としては、上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極、ＭＯＳチャンネル及びｐｎ接合を含むＭＯＳ電界効果トランジスタ；上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極及びｐｎ接合を含むｐｎ接合ダイオード；上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極及びｐｎｐ或いはｎｐｎ接合を含むバイポーラトランジスタ；上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極及びｐｎｐｎ接合を含むサイリスタ；上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極、ＭＯＳチャンネル及びｐｎ接合を含む絶縁ゲートバイポーラトランジスタ；上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極、ＭＩＳチャンネル及びｐｎ接合を含むＭＩＳ電界効果トランジスタ等が挙げられる。
【００３２】
図４に、ショットキーバリアダイオードの概略断面図を示した。本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法を用いて製造した単結晶炭化ケイ素を用いた半導体装置は、単結晶炭化ケイ素の基材４１と、この基材４１の図で上側の表面４１ａ上にエピタキシャル成長法により形成された単結晶炭化ケイ素４と、単結晶炭化ケイ素４の表面を囲んで単結晶炭化ケイ素４上に設けられた環状のガードリング６と、ガードリング６の内側の単結晶炭化ケイ素４の表面に接触してこれを覆い、また外周部でガードリング６にも接触したショットキー電極５と、基材４１の図で下面４１ｂに設けられたオーミック電極７とを備えている。先に詳述した通り、単結晶炭化ケイ素の基材４１には螺旋転位による空洞４３が形成されていることがある。図示の基材４１には２本の空洞４３ａおよび４３ｂが発生していて、いずれも基材４１を貫通して延びていて基材４１の表面４１ａに現れている。
【００３３】
本発明によれば、基材４１の表面４１ａに現れた空洞４３ａおよび４３ｂのそれぞれの近傍に於いて、基材４１の表面４１ａで少なくとも結晶ステップの成長方向とは逆方向の位置に段差を形成する溝４２ａおよび４２ｂが形成される。これらの溝４２ａおよび４２ｂは先に本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法において説明した溝である。従って、図１乃至図３に示す実施形態の溝を含む様々な段差のうちから、適当なものを選択して使用できる。図４に示す例では、基材１がオフ角度を持つものであるので、段差は、図３に示すのと同様の比較的短い溝による段差であってもよく、空洞４３ａに対して結晶のステップの成長方向とは逆方向近傍の位置（図４で空洞４３ａの左）に溝４２ａが設けられていて、空洞４３ｂに対して結晶のステップの成長方向とは逆方向近傍の位置（図４で空洞４３ｂの左）に溝４２ａが設けられている。
【００３４】
このように、本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法による単結晶炭化ケイ素を用いた半導体装置に於いては、単結晶炭化ケイ素４をエピタキシャル成長させた基材４１の表面４１ａ上に、空洞４３ａおよび４３ｂがあり、その近傍に段差を形成するための溝４２ａおよび４２ｂが設けられている。このため、先に詳述した通り、この表面４１ａ上にエピタキシャル成長法により形成される単結晶炭化ケイ素４には、基材４１の表面４１ａに現れている空洞４３ａおよび４３ｂが受け継がれることなく、単結晶炭化ケイ素４内で消滅している。従って、半導体装置の性能を改善することができ、特にダイオード、絶縁ゲートトランジスタ、絶縁ゲート両極性トランジスタ等のパワーデバイスのドリフト層に用いた場合に、性能を大きく向上させることができ効果的である。
【００３７】
本発明の第１の態様にかかる製造方法によれば、螺旋転位の中心部分の空洞を表面に有し、オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板を用意し、基板の表面に存在する空洞を含み、Ｈ＞Ｄｔａｎαを有する台状構造による段差（式中、Ｈは台状構造を形成する段差の深さを表し、Ｄは空洞の端から台状構造の端までの距離を表し、αはオフ角度を表す）を基板表面に形成し、台状構造を形成した基板の表面に、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を堆積させるので、台状構造によりステップが掃き出されながら結晶の形成が進む。そのため、単結晶炭化ケイ素表面におけるステップ密度が低減され、大きな螺旋転位が小さな螺旋転位群へ分解され、空洞を閉塞させることができ、高品質の単結晶炭化ケイ素膜を製造することができる。また、台状構造の形状、オフ角度、空洞と台状構造との位置関係を調整することにより、より効率的に単結晶炭化ケイ素の堆積が可能となる。
【００３８】
本発明の第２の態様にかかる製造方法によれば、螺旋転位の中心部分の空洞を表面に有し、オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板を用意し、基板の表面に存在する空洞の位置から見て、ステップが成長する方向と逆の側に、Ｈ＞Ｄｔａｎαを有する溝による段差（式中、Ｈは溝を形成する段差の深さを表し、Ｄは空洞の端から溝の端までの距離を表し、αはオフ角度を表す）を基板表面に形成し、溝を形成した基板の表面に、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を堆積させるので、溝によりステップが掃き出されながら結晶の形成が進む。そのため単結晶炭化ケイ素表面におけるステップ密度が低減され、大きな螺旋転位が小さな螺旋転位群へ分解され、空洞を閉塞させることができ、効率的に、高品質の単結晶炭化ケイ素膜を製造することができる。また基板の加工も比較的容易で、溝の形状、オフ角度、空洞と溝との位置関係を調整することにより、より効率的に単結晶炭化ケイ素の堆積が可能となる。
【００３９】
以上のように本発明によれば、高品質の単結晶炭化ケイ素を製造することができ、本発明による炭化ケイ素半導体を用いてパワーデバイスを作製すれば、性能を大きく向上させることができる。
本発明により製造された単結晶炭化ケイ素は、炭化ケイ素半導体による、ダイオード、絶縁ゲートトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタなど、パワーデバイスのドリフト層に用いた場合、特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１で示した種結晶の概略図である。（ａ）は、平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】 実施の形態２で示した基板の概略図である。（ａ）は、平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】 実施の形態３で示した基板の概略図である。（ａ）は、平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図４】 本発明により製造された単結晶炭化ケイ素を備えたショットキーバリアダイオードの断面図である。
【図５】 空洞の近傍に溝を形成した、微傾斜（0001）単結晶炭化ケイ素基板の断面図である。
【図６】 空洞の近傍に溝を形成した、微傾斜（0001）単結晶炭化ケイ素基板の表面に、単結晶炭化ケイ素を堆積させた単結晶炭化ケイ素膜の断面図である。
【図７】 空洞と台状構造との位置関係を示した概略図である。
【図８】 単結晶炭化ケイ素の製造に用いる複数の空洞を有する種結晶の概略図である。（ａ）は、平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
【図９】 図８の種結晶から単結晶炭化ケイ素ウエハを製造する工程を示す図である。（ａ）は、種結晶上に単結晶炭化ケイ素バルクを堆積させた図である。（ｂ）は、単結晶炭化ケイ素バルクを切断することにより単結晶炭化ケイ素ウエハを切り出すことを示す図である。
【符号の説明】
１，２１，３１，４１，５１，７１，８１ 単結晶炭化ケイ素の基材、２，２２，３２，５２，７２，８２ 溝、２ｃ，２２ｃ，３２ｃ 段差、３，２３，３３，５３，７３，８３ 空洞、４，５４ 堆積された単結晶炭化ケイ素、５ ショットキー電極、６ ガードリング、７ オーミック電極、８ 堆積させた単結晶炭化ケイ素バルク、９ 炭化ケイ素ウエハ、Ｘ ステップの高さ、Ｙ テラス幅、Ｄ 空洞の端から台状構造の端までの距離、Ｈ 溝の深さ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶炭化ケイ素の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶炭化ケイ素の製造方法として、例えば、The Institute of Physics Conference Series No. 142 Chapter 1 Page 49、Materials Science Forum Vols. 338-342 Page 125に示すように、昇華法および化学的気相成長法いずれも、単結晶炭化ケイ素バルクから切り出した結晶を、表面に加工を施すことなく、種結晶あるいはエピタキシャル層形成用基板として用いるものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる表面に加工を施していない、種結晶あるいはエピタキシャル層形成用基板には様々な結晶欠陥が存在する。なかでも、いわゆるマイクロパイプ若しくはナノパイプと呼ばれる、空洞を中心部分にもつ螺旋転位は、単結晶炭化ケイ素からなる半導体装置の性能、特に逆バイアス電圧印加時の性能を大きく低下させる原因となる。
即ち、種結晶あるいはエピタキシャル層形成用基板に存在する螺旋転位が、製造された単結晶炭化ケイ素内にそのまま引き継がれ、空洞が形成されるという問題点が存在する。
そこで本発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、結晶成長に伴う螺旋転位近傍のステップの密度を低減し、螺旋転位に起因する空洞のない単結晶炭化ケイ素を製造する方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る単結晶炭化ケイ素の製造方法は、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を製造する際に、製造に用いる単結晶炭化ケイ素の種結晶あるいは基板の表面に対して、螺旋転位の現れている小領域を台状に加工すること、あるいは螺旋転位の近傍に溝を形成することにより、段差を形成し、螺旋転位が現れている部分の単結晶炭化ケイ素表面におけるステップ密度を低減し、大きな螺旋転位の小さな螺旋転位群への分解を促進し、空洞を閉塞させことを特徴とする。
【０００７】
すなわち、本発明の第１の態様にかかる製造方法は、
（ｉ）螺旋転位の中心部分の空洞を表面に有し、オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板を用意し、
（ｉｉ）前記空洞を含み、Ｈ＞Ｄｔａｎαを有する台状構造による段差（式中、Ｈは台状構造を形成する段差の深さを表し、Ｄは空洞の端から台状構造の端までの距離を表し、αはオフ角度を表す）を前記基板表面に形成し、
（ｉｉｉ）台状構造を形成した基板表面に、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を堆積させ単結晶炭化ケイ素膜を製造する単結晶炭化ケイ素の製造方法である。
【０００８】
また、本発明の第２の態様にかかる製造方法は、
（ｉ）螺旋転位の中心部分の空洞を表面に有し、オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板を用意し、
（ｉｉ）前記基板表面の前記空洞の位置から見て、ステップが成長する方向と逆の方向に、Ｈ＞Ｄｔａｎαを有する溝による段差（式中、Ｈは溝を形成する段差の深さを表し、Ｄは空洞の端から溝の端までの距離を表し、αはオフ角度を表す）を前記基板表面に形成し、
（ｉｉｉ）溝を形成した基板表面に、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を堆積させ単結晶炭化ケイ素膜を製造する単結晶炭化ケイ素の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態に共通する、基材、堆積方法等について説明する。
【００１０】
（単結晶炭化ケイ素）
本発明において単結晶炭化ケイ素は、ダイオード等に有用な、六方晶系で６層で一周期となる結晶構造を有する６Ｈ形ＳｉＣ単結晶、六方晶系で４層で一周期となる結晶構造を有する４Ｈ形ＳｉＣ単結晶等を包含するがこれらに限定されるものではない。
【００１１】
（基材）
本発明において基材は、ＳｉＣ単結晶のバルクから所定寸法に切り出された種結晶又は基板であり、オフ角度をもって切り出すことができる。
オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基材とは、（０００１）面からずらした面を有する基材のことをいう。この角度は、好ましくは３．５〜８°の範囲である。
【００１２】
（空洞）
螺旋転位の中心部分の空洞とは、単結晶炭化ケイ素の結晶構造中に存在する螺旋転位に起因する空洞、いわゆるマイクロパイプあるいはナノパイプのことをいう。かかる空洞が基材から単結晶炭化ケイ素に引き継がれ、半導体装置の性能を低下させるのは前述の通りである。
【００１３】
（エピタキシャル成長法）
基材表面に単結晶炭化ケイ素を堆積させるにはエピタキシャル成長法が採られるが、これには昇華法、化学的気相成長法、液相成長法、固相成長法等があるが、生産性の高さ、制御の容易性等から昇華法や化学的気相成長法が好ましい。
昇華法は、例えば、グラファイトのルツボにＳｉＣの多結晶粉末を入れ、約２１００乃至２４００℃に加熱昇華させ種結晶上に堆積させることにより行なうことができる。
化学的気相成長法は、例えば、ＳｉとＣの水素化物若しくは塩化物又は有機金属のガスを基板上に導入し熱分解させることにより行なうことが出来る。具体的には、ＳｉＨ４とプロパンを約０．２気圧、約１５００℃で熱分解する方法等が挙げられる。
【００１４】
（ステップフロー成長）
以下に、ステップフロー成長の機構について説明する。
単結晶炭化ケイ素の製造中、基板あるいは種結晶の表面にはステップが形成されており、表面に達した原料種はステップに取り込まれ、テラスの上をステップが移動する形で単結晶が形成される、いわゆるステップフロー成長が行われている。そして、これらステップの間には、たとえばJournal of Crystal Growth Vol. 226 Page 254に述べられているように、大きな斥力が働いていると考えられ、ステップの高さ、間隔は定常状態ではあまり変化しない。
【００１５】
ここで問題としている螺旋転位は＜0001＞方向に構成原子のずれ、つまりバーガースベクトルをもち、通常、＜0001＞方向は単結晶の作製表面に対して垂直であるため、空洞は製造中の堆積表面に現れることになる。バーガースベクトルが大きい場合、螺旋転位の中心には空洞が形成され、単結晶炭化ケイ素の製造中はその中心から螺旋状に拡がるステップが形成されている。このため、螺旋転位の近傍では、表面の＜0001＞方向からの微傾斜によるステップと螺旋転位に起因するステップが重なって存在しており、ステップの密度は大きな値となっている。
【００１６】
結晶中の空洞は歪みによるエネルギーをもつため、この歪みエネルギーとステップ間の斥力によるエネルギーのバランスによりバーガースベクトルの大きさ、つまり空洞の半径および転位芯の数が決定されるというモデルが考えられており、定性的には現象をよく説明している。螺旋転位の中心に形成される空洞の半径は、螺旋転位のバーガースベクトルの大きさに依存し、バーガースベクトルが小さい場合、空洞は形成されない。結晶の製造中、バーガースベクトルの和は保存されるため、空洞を形成する大きなバーガースベクトルの螺旋転位を小さなバーガースベクトルをもつ螺旋転位に分解できれば空洞を閉塞することが可能である。前述のように螺旋転位のバーガースベクトルの大きさは、空洞の歪みによるエネルギーと転位芯群および微傾斜に起因するステップ間の斥力によるエネルギーのバランスにより決定されるため、ステップの密度を減らすことができれば、より小さなバーガースベクトルに分解することが安定な状態となり、つまり空洞を閉塞することが可能となる。
【００１７】
（段差）
本発明は、表面に現れている螺旋転位の近傍に台状構造や溝による段差を形成し、その表面に結晶を形成し、螺旋転位近傍のステップ密度を減らし、螺旋転位を分解し空洞を閉塞することを特徴とする。例えば、図５に示すように、＜0001＞方向から微傾斜をもつ基材５１について、螺旋転位による空洞５３の近傍に溝５２を形成し、気相成長を行う。
単結晶炭化ケイ素はステップフロー成長するため、ステップを掃き出す形で単結晶の形成が進み、図６に示すように、短時間の結晶５４の形成の後、螺旋転位による空洞５３の近傍には微傾斜によるステップが存在しない状態が実現される。この状態では螺旋転位近傍のステップ密度は非常に小さな値となっており、螺旋転位は分解し易くなっている。さらに結晶の形成を続けると、螺旋転位の上にも結晶が形成され、その際、螺旋転位はより小さな螺旋転位群に分解し、空洞は閉塞され、高品質の単結晶炭化ケイ素が形成されることになる。
段差は、少なくともステップが成長する方向と逆の方向に設けてあれば充分であるが、特にオフ角度を与えてないあるいはステップの成長方向が明らかでない種結晶が基材である場合には、空洞を囲む段差とするのが良い。
【００１８】
実施の形態１．
本発明の第１の形態は、図１に示すように、昇華法による単結晶炭化ケイ素の製造に用いる種結晶の形態の基材１の表面の空洞３をともなう螺旋転位の周囲に、反応性イオンエッチング法などを用いてリング状の溝２（溝の幅０．５〜２μｍ）を形成し、空洞３を含む円柱状の台状構造を形成したものである。図１（ａ）は平面図で、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
昇華法の場合、種結晶の切り出し方、昇華法の条件（温度、雰囲気圧力、原料分圧など）により、結晶成長中に表面に形成されるステップ高さ、テラス幅は変動する。
図７において、ステップの高さをＸ、テラス幅をＹ、空洞７３の端から台状構造の端までの距離をＤ、溝７２の深さをＨとする。
空洞７３の端から台状構造の端までの距離Ｄは、これを大きくするとステップが掃き出されたテラス上に成長核が形成されるので、１００μｍ以下が好ましく、０．１〜１０μｍがさらに好ましい。
ステップの高さＸは、通常、１〜１００ｎｍ程度である。
台状構造を形成する溝の深さＨは、Ｄ、Ｘ及びＹにより決定され、
Ｈ＞ＤＸ／Ｙとなる必要がある。溝の深さＨは０．５〜２μｍ程度が好ましい。
また、形成する結晶の厚さをＴとすると、欠陥の上に結晶を十分に堆積させるため、Ｈ＜＜Ｔであることが必要である。
台状構造は、基材の主面の上方からみた場合、空洞７３を囲む、円形（図１）若しくは矩形の形状であることが好ましい。空洞７３は必ずしも円形、矩形の中心である必要はない。円の直径は２〜４μｍ、矩形の一辺は２〜４μｍであることが好ましい。
この種結晶の表面に炭化ケイ素を堆積させると、螺旋転位近傍におけるステップの密度が小さい状態が実現し、螺旋転位が分解して、空洞が閉塞される。
【００１９】
図８は、種結晶の形態である基材８１の表面に存在する複数の空洞８３の周囲に、複数のリング状の溝８２（溝の幅約１μｍ）により、空洞８３を含む円柱状の台状構造を形成した形態を示す。図８（ａ）は、この基材８１の平面図であり、図８（ｂ）は、そのＤ−Ｄ断面図である。この基材８１の上に、昇華法を用いて単結晶炭化ケイ素を堆積させる。
図９（ａ）は前記基材８１に単結晶炭化ケイ素を堆積させてバルク８とした図であり、図９（ｂ）はこのようにして得た単結晶炭化ケイ素バルク８を切断することにより単結晶炭化ケイ素ウエハ９を切り出した図である。
ここに示した種結晶を用いて堆積させた単結晶炭化ケイ素バルクは、螺旋転位にともなう空洞を含まない高い品質のものであり、得られた単結晶炭化ケイ素ウエハは半導体装置の製造などに適したものである。
【００２０】
実施例１．
本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法によれば、先ず任意の方法により単結晶炭化ケイ素からなる基材１である種結晶を用意し、この種結晶の表面を顕微鏡で観察して螺旋転位に起因する空洞３を検出する。
【００２１】
次に、図１に示すように、空洞３の周囲を空洞３から離れて囲むほぼ円形の溝２を形成することにより円形の台形状による段差２ｃを形成する。溝２は周知の適当な方法により形成すればよいが、図示の例では反応性イオンエッチングを用いる。段差２ｃは、先に述べたように、空洞３から結晶ステップの成長方向と逆の方向に離れた位置にだけ設ければ充分であるが、この例の場合は基材１として種結晶を用いていてステップの成長方向が不確かであるので、空洞３を全周に亘って囲む溝２を形成してある。円形の台形状の半径は１μｍ（即ち空洞３から段差２ｃまでの距離は約１μｍ）、溝２の開口部の幅は１μｍ、深さは０．５μｍである。図示の溝２の断面形は矩形であるが、Ｕ字形、Ｖ字形等、任意であり、段差２ｃの種結晶表面に対する角度も直角である必要はなく、ステップが掃き出されるような僅かな角度があればよい。
【００２２】
次に、このように段差２ｃを形成した基材１の表面上に、改良レイリー法により炭化ケイ素を堆積させると、供給源からの炭化ケイ素分子がステップ上に降着してマイグレートし、やがて段差２ｃから溝２内に落下する。このため、段差２ｃよりもステップの成長方向で下流側では、ステップが掃き出されてステップが現れず、ステップ密度が小さい状態が実現できる。このため螺旋転位が分解して空洞が分岐させられて閉塞する。閉塞した空洞は複数本の転位線として残るものと考えられている。このようにして得られた単結晶炭化ケイ素は空洞の無い高品質のものであり、単結晶炭化ケイ素バルクとして有用である。
【００２３】
実施の形態２．
本発明の第２の実施形態は、図２に示すように、化学的気相成長法による単結晶炭化ケイ素の製造に用いる、＜11-20＞方向に傾斜をもたせた（0001）単結晶炭化ケイ素基板の形態の基材２１の表面の、空洞２３をともなう螺旋転位の周囲に、矩形の溝２２を形成し、空洞２３を含む台状構造を形成したものである。図２（ａ）は平面図で、図２（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板に、化学的気相成長法で堆積させる場合において、オフ角度をαとすると、台状構造を形成する溝の深さＨは、Ｈ＞Ｄｔａｎαであることが必要である。
空洞の端から台状構造の端までの距離Ｄは、昇華法と同様に、１００μｍ以下が好ましく、０．１〜１０μｍがさらに好ましい。また、昇華法と同様に、Ｈ＜＜Ｔであることが必要である。溝の深さＨは０．５〜２μｍであることが好ましい。
台状構造は、基材２１の主面の上方からみた場合、空洞を囲む、円形若しくは矩形（図２（ａ））の形状であることが好ましい。空洞２３は必ずしも円形、矩形の中心である必要はない。矩形の一辺は２〜４μｍ、円の直径は２〜４μｍであることが好ましい。
この単結晶炭化ケイ素基板の表面に炭化ケイ素を堆積させると、螺旋転位近傍におけるステップの密度が小さい状態が実現し、螺旋転位が分解して、空洞が閉塞される。
【００２４】
実施例２．
本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法の別の実施例によれば、先ず任意の方法により単結晶炭化ケイ素からなる基材である８°のオフ角度を持つ基板２１を用意し、この基板２１の表面を顕微鏡で観察して螺旋転位に起因する空洞２３を検出する。
【００２５】
次に、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、空洞２３の周囲を空洞２３から離れて囲むほぼ正方形の溝２２を形成することにより正方形の台形状による段差２２ｃを形成する。溝２２は周知の適当な方法により形成すればよいが、図示の例では反応性イオンエッチングを用いる。段差２２ｃは、先に述べたように、空洞２３から結晶ステップの成長方向と逆の方向に離れた位置にだけ設ければ充分であるが、この例の場合は基材２１としてステップの成長方向が不確かである場合を想定して、空洞２３を全周に亘って囲む溝２２を形成してある。正方形の台形状の一辺の長さは３μｍ（空洞２３から段差２２ｃまでの最小距離は約１．５μｍ）、溝２の開口部の幅は１μｍ、深さは０．５μｍである。図示の溝２２の断面形は矩形であるが、Ｕ字形、Ｖ字形等、任意であり、段差２ｃの種結晶表面に対する角度も直角である必要はなく、僅かな角度があればよい。
【００２６】
次に、このように段差２２ｃを形成した基材２１の表面上に、化学的気相成長法により炭化ケイ素を堆積させると、供給源からの炭化ケイ素分子がステップ上に降着してミグレイトし、やがて段差２２ｃから溝２２内に落下する。このため、段差２２ｃよりもステップの成長方向で下流側では、ステップが掃き出されてステップが現れず、ステップ密度が小さい状態が実現できる。このため螺旋転位が分解して空洞が分岐させられて閉塞する。閉塞した空洞は複数本の線として残るものと考えられている。このようにして得られた単結晶炭化ケイ素は空洞の無い高品質のものであり、単結晶炭化ケイ素膜として有用である。
【００２７】
実施の形態３．
本発明の第３の実施形態は、図３に示すように、化学的気相成長法による単結晶炭化ケイ素の製造に用いる、＜11-20＞方向に傾斜をもたせた（0001）単結晶炭化ケイ素基板の形態の基材３１の表面に、空洞３３から見て、ステップが成長する方向と逆の側に、０．５〜２μｍ離れた位置に、溝を形成したものである。図３（ａ）は平面図で、図３（ｂ）はそのＣ−Ｃ断面図である。
溝の位置は、空洞３３から見て、ステップが成長する方向と逆の側に形成することが好ましい。空洞３３の端から溝の端までの距離は、１００μｍ以下であることが好ましく、０．１〜１０μｍであることがさらに好ましい。この場合、溝の向きは、基材表面の面内において、空洞３３の位置から見て＜１１−２０＞方向に垂直な方向を基準として−３０°〜＋３０°の範囲であることが好ましい。溝の幅は５００μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．１〜１０μｍである。溝の長さは１０００μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは１〜５０μｍである。
この単結晶炭化ケイ素基板の表面に炭化ケイ素を堆積させると、螺旋転位近傍におけるステップの密度が小さい状態が実現し、螺旋転位が分解して、空洞が閉塞される。なお、この溝の形状は、螺旋転位部分のステップが掃き出される大きさであれば任意の形状とすることができる。
【００２８】
実施例３．
本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法の更に別の実施例によれば、先ず任意の方法により単結晶炭化ケイ素からなる基材である８°のオフ角度を持つ基板３１を用意し、この基板３１の表面を顕微鏡で観察して螺旋転位に起因する空洞３３を検出する。
【００２９】
次に、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、基板３１の表面上の空洞３３の近傍で、空洞３３の位置から見てステップが成長する方向と逆の方向の位置に、棒状の溝３２による段差３２ｃを形成する。溝３２は周知の適当な方法により形成すればよいが、図示の例では反応性イオンエッチングを用いる。段差３２ｃと空洞３３との間の距離は約１μｍであり、ステップの成長方向に平行で空洞３３を通る線が溝３２の長さ方向の中心を通るようにしてある。溝３２の長さは３μｍ、溝３２の開口部の幅は１μｍ、深さは０．５μｍである。図示の溝３２の断面形は矩形であるが、Ｕ字形、Ｖ字形等、任意であり、段差３２ｃの種結晶表面に対する角度も直角である必要はなく、僅かな角度があればよい。
【００３０】
次に、このように段差３２ｃを形成した基材３１の表面上に、化学的気相成長法により炭化ケイ素を堆積させると、供給源からの炭化ケイ素分子がステップ上に降着してマイグレートし、やがて段差３２ｃから溝３２内に落下する。このため、段差３２ｃよりもステップの成長方向で下流側では、ステップが掃き出されてステップが現れず、ステップ密度が小さい状態が実現できる。このため螺旋転位が分解して空洞が分岐させられて閉塞する。閉塞した空洞は複数本の線として残るものと考えられている。このようにして得られた単結晶炭化ケイ素は空洞の無い高品質のものであり、単結晶炭化ケイ素膜として有用である。
【００３１】
本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法により得られた単結晶炭化ケイ素を用いると優れた性能の半導体装置を得ることができる。このような半導体装置の例として、ショットキーバリアダイオード、ＭＯＳ電界効果トランジスタ、ｐｎ接合ダイオード、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ＭＩＳ電界効果トランジスタ等が挙げられる。
それらの具体例としては、上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極及びショットキー電極を含むショットキーバリアダイオードがあり、より具体的には、上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、その表面に接触してショットキー接合を形成するショットキー電極、他の表面にオーミックな接触をするオーミック電極を含むショットキーバリアダイオードが挙げられる。
また、その他の例としては、上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極、ＭＯＳチャンネル及びｐｎ接合を含むＭＯＳ電界効果トランジスタ；上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極及びｐｎ接合を含むｐｎ接合ダイオード；上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極及びｐｎｐ或いはｎｐｎ接合を含むバイポーラトランジスタ；上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極及びｐｎｐｎ接合を含むサイリスタ；上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極、ＭＯＳチャンネル及びｐｎ接合を含む絶縁ゲートバイポーラトランジスタ；上記方法により得られた単結晶炭化ケイ素、電極、ＭＩＳチャンネル及びｐｎ接合を含むＭＩＳ電界効果トランジスタ等が挙げられる。
【００３２】
図４に、ショットキーバリアダイオードの概略断面図を示した。本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法を用いて製造した単結晶炭化ケイ素を用いた半導体装置は、単結晶炭化ケイ素の基材４１と、この基材４１の図で上側の表面４１ａ上にエピタキシャル成長法により形成された単結晶炭化ケイ素４と、単結晶炭化ケイ素４の表面を囲んで単結晶炭化ケイ素４上に設けられた環状のガードリング６と、ガードリング６の内側の単結晶炭化ケイ素４の表面に接触してこれを覆い、また外周部でガードリング６にも接触したショットキー電極５と、基材４１の図で下面４１ｂに設けられたオーミック電極７とを備えている。先に詳述した通り、単結晶炭化ケイ素の基材４１には螺旋転位による空洞４３が形成されていることがある。図示の基材４１には２本の空洞４３ａおよび４３ｂが発生していて、いずれも基材４１を貫通して延びていて基材４１の表面４１ａに現れている。
【００３３】
本発明によれば、基材４１の表面４１ａに現れた空洞４３ａおよび４３ｂのそれぞれの近傍に於いて、基材４１の表面４１ａで少なくとも結晶ステップの成長方向とは逆方向の位置に段差を形成する溝４２ａおよび４２ｂが形成される。これらの溝４２ａおよび４２ｂは先に本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法において説明した溝である。従って、図１乃至図３に示す実施形態の溝を含む様々な段差のうちから、適当なものを選択して使用できる。図４に示す例では、基材１がオフ角度を持つものであるので、段差は、図３に示すのと同様の比較的短い溝による段差であってもよく、空洞４３ａに対して結晶のステップの成長方向とは逆方向近傍の位置（図４で空洞４３ａの左）に溝４２ａが設けられていて、空洞４３ｂに対して結晶のステップの成長方向とは逆方向近傍の位置（図４で空洞４３ｂの左）に溝４２ａが設けられている。
【００３４】
このように、本発明の単結晶炭化ケイ素の製造方法による単結晶炭化ケイ素を用いた半導体装置に於いては、単結晶炭化ケイ素４をエピタキシャル成長させた基材４１の表面４１ａ上に、空洞４３ａおよび４３ｂがあり、その近傍に段差を形成するための溝４２ａおよび４２ｂが設けられている。このため、先に詳述した通り、この表面４１ａ上にエピタキシャル成長法により形成される単結晶炭化ケイ素４には、基材４１の表面４１ａに現れている空洞４３ａおよび４３ｂが受け継がれることなく、単結晶炭化ケイ素４内で消滅している。従って、半導体装置の性能を改善することができ、特にダイオード、絶縁ゲートトランジスタ、絶縁ゲート両極性トランジスタ等のパワーデバイスのドリフト層に用いた場合に、性能を大きく向上させることができ効果的である。
【００３７】
本発明の第１の態様にかかる製造方法によれば、螺旋転位の中心部分の空洞を表面に有し、オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板を用意し、基板の表面に存在する空洞を含み、Ｈ＞Ｄｔａｎαを有する台状構造による段差（式中、Ｈは台状構造を形成する段差の深さを表し、Ｄは空洞の端から台状構造の端までの距離を表し、αはオフ角度を表す）を基板表面に形成し、台状構造を形成した基板の表面に、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を堆積させるので、台状構造によりステップが掃き出されながら結晶の形成が進む。そのため、単結晶炭化ケイ素表面におけるステップ密度が低減され、大きな螺旋転位が小さな螺旋転位群へ分解され、空洞を閉塞させることができ、高品質の単結晶炭化ケイ素膜を製造することができる。また、台状構造の形状、オフ角度、空洞と台状構造との位置関係を調整することにより、より効率的に単結晶炭化ケイ素の堆積が可能となる。
【００３８】
本発明の第２の態様にかかる製造方法によれば、螺旋転位の中心部分の空洞を表面に有し、オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板を用意し、基板の表面に存在する空洞の位置から見て、ステップが成長する方向と逆の側に、Ｈ＞Ｄｔａｎαを有する溝による段差（式中、Ｈは溝を形成する段差の深さを表し、Ｄは空洞の端から溝の端までの距離を表し、αはオフ角度を表す）を基板表面に形成し、溝を形成した基板の表面に、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を堆積させるので、溝によりステップが掃き出されながら結晶の形成が進む。そのため単結晶炭化ケイ素表面におけるステップ密度が低減され、大きな螺旋転位が小さな螺旋転位群へ分解され、空洞を閉塞させることができ、効率的に、高品質の単結晶炭化ケイ素膜を製造することができる。また基板の加工も比較的容易で、溝の形状、オフ角度、空洞と溝との位置関係を調整することにより、より効率的に単結晶炭化ケイ素の堆積が可能となる。
【００３９】
以上のように本発明によれば、高品質の単結晶炭化ケイ素を製造することができ、本発明による炭化ケイ素半導体を用いてパワーデバイスを作製すれば、性能を大きく向上させることができる。
本発明により製造された単結晶炭化ケイ素は、炭化ケイ素半導体による、ダイオード、絶縁ゲートトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタなど、パワーデバイスのドリフト層に用いた場合、特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１で示した種結晶の概略図である。（ａ）は、平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】 実施の形態２で示した基板の概略図である。（ａ）は、平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】 実施の形態３で示した基板の概略図である。（ａ）は、平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図４】 本発明により製造された単結晶炭化ケイ素を備えたショットキーバリアダイオードの断面図である。
【図５】 空洞の近傍に溝を形成した、微傾斜（0001）単結晶炭化ケイ素基板の断面図である。
【図６】 空洞の近傍に溝を形成した、微傾斜（0001）単結晶炭化ケイ素基板の表面に、単結晶炭化ケイ素を堆積させた単結晶炭化ケイ素膜の断面図である。
【図７】 空洞と台状構造との位置関係を示した概略図である。
【図８】 単結晶炭化ケイ素の製造に用いる複数の空洞を有する種結晶の概略図である。（ａ）は、平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
【図９】 図８の種結晶から単結晶炭化ケイ素ウエハを製造する工程を示す図である。（ａ）は、種結晶上に単結晶炭化ケイ素バルクを堆積させた図である。（ｂ）は、単結晶炭化ケイ素バルクを切断することにより単結晶炭化ケイ素ウエハを切り出すことを示す図である。
【符号の説明】
１，２１，３１，４１，５１，７１，８１ 単結晶炭化ケイ素の基材、２，２２，３２，５２，７２，８２ 溝、２ｃ，２２ｃ，３２ｃ 段差、３，２３，３３，５３，７３，８３ 空洞、４，５４ 堆積された単結晶炭化ケイ素、５ ショットキー電極、６ ガードリング、７ オーミック電極、８ 堆積させた単結晶炭化ケイ素バルク、９ 炭化ケイ素ウエハ、Ｘ ステップの高さ、Ｙ テラス幅、Ｄ 空洞の端から台状構造の端までの距離、Ｈ 溝の深さ。
Claims (2)
- （ｉ）螺旋転位の中心部分の空洞を表面に有し、オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板を用意し、
（ｉｉ）前記空洞を含み、Ｈ＞Ｄｔａｎαを有する台状構造による段差（式中、Ｈは台状構造を形成する段差の深さを表し、Ｄは空洞の端から台状構造の端までの距離を表し、αはオフ角度を表す）を前記基板表面に形成し、
（ｉｉｉ）台状構造を形成した基板表面に、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を堆積させ単結晶炭化ケイ素膜を製造する単結晶炭化ケイ素の製造方法。 - （ｉ）螺旋転位の中心部分の空洞を表面に有し、オフ角度をもって切り出された単結晶炭化ケイ素の基板を用意し、
（ｉｉ）前記基板表面の前記空洞の位置から見て、ステップが成長する方向と逆の方向に、Ｈ＞Ｄｔａｎαを有する溝による段差（式中、Ｈは溝を形成する段差の深さを表し、Ｄは空洞の端から溝の端までの距離を表し、αはオフ角度を表す）を前記基板表面に形成し、
（ｉｉｉ）溝を形成した基板表面に、エピタキシャル成長法により単結晶炭化ケイ素を堆積させ単結晶炭化ケイ素膜を製造する単結晶炭化ケイ素の製造方法。
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