JP4628189B2 - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子等の電子材料として利用できる低欠陥密度もしくは結晶格子歪みの少ない炭化珪素単結晶を製造可能とする炭化珪素単結晶の製造方法に関する。

炭化珪素単結晶の成長法としては、従来から、昇華法によるバルク成長と、基板上へのエピタキシャル成長による薄膜形成とが知られている。昇華法によるバルク成長では、高温相の結晶多形である六方晶（６Ｈ、４Ｈ等）炭化珪素単結晶の成長が可能であり、かつ、炭化珪素自体の単結晶基板の作製が可能である。しかしながら、結晶内に導入される欠陥（特にマイクロパイプ）が極めて多く、かつ、基板面積の拡大が困難であった。

これに対し、単結晶基板上へのエピタキシャル成長方法を用いると、不純物添加の制御性向上や基板面積の拡大、そして昇華法で問題となっていたマイクロパイプの低減が実現される。しかしながら、エピタキシャル成長法では、しばしば基板材料と炭化珪素の格子定数の違いによる積層欠陥密度の増大が問題となっていた。特に、被成長基板として一般に用いられている珪素は、炭化珪素との格子不整合が大きいことから、炭化珪素単結晶成長層内における双晶（Ｔｗｉｎ）や反位相領域境界面（ＡＰＢ：ａｎｔｉ ｐｈａｓｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ）の発生が著しく、これらが半導体デバイスを作成した際のリーク電流等の原因の一つとなり炭化珪素の電子素子としての特性を損なわせてきた。

効果的に反位相領域境界面を低減する方法として、Ｋ．Ｓｈｉｂａｈａｒａらにより、（００１）珪素単結晶の表面法線軸を〈００１〉方向から〈１１０〉方向に僅かに傾けた（オフ角を導入した）珪素単結晶基板上への成長法が提案された（非特許文献１参照）。

図５に、オフ角を導入した基板（以下、「オフ基板」と記す。）５０の一例を模式的に示す。図５中、符号５０はオフ基板、５１は原子レベルのステップ（段差部）である。また、図５において、紙面は（−１１０）面に対応し、原子レベルのステップ５１は、紙面に直交する方向、すなわち〈１１０〉方向に配向している。基板に微傾斜をつけることで、原子レベルのステップが一方向に等間隔で導入されるため、気相成長法ではステップフローによるエピタキシャル成長がもたらされ、導入されたステップに垂直な方向（ステップを横切る方向）への面欠陥の伝搬を抑制する効果がある。このため、炭化珪素単結晶層の膜厚増加に対して、膜中に含まれる二種類の反位相領域の内、導入されたステップに平行な方向へ拡大する反位相領域が、直交する方向へ拡大する半位相領域に比べて優先的に拡大するため、反位相領域境界面を効果的に低減することができる。

しかしながら、当該オフ基板を用いる方法には、以下に示すような問題点がある。図６に、珪素単結晶から成るオフ基板上に炭化珪素単結晶層を一定の膜厚に形成した場合について、反位相境界面の存在状態を模式的に示す。図６における結晶方位は、図５と同様である。図６中、符号６１は炭化珪素膜、６２及び６３は反位相領域境界面、６４は半位相領域境界面会合点、θはオフ角度、φはＳｉ（００１）と反位相領域境界面のなす角（５４．７°）を示している。

図６に示したように、珪素基板表面のテラス（平坦部）にて発生した反位相領域境界面６３は反位相境界面会合点６４で消滅するが、珪素基板の単原子ステップにて発生した反位相領域境界面６２は会合相手がいないため消滅しない。すなわち、オフ基板を用いる方法は、炭化珪素と珪素基板界面のステップ密度を増加させることになり、不本意な反位相領域境界面６１および双晶帯の生成を引き起こしてしまい、反位相領域境界面の完全解消には至らないという問題があった。

そこで、このような炭化珪素単結晶内の反位相領域境界面、あるいは双晶帯（以下、これ等を総称して「面欠陥」と記す。）を低減する方法として、本出願人は、珪素基板表面に一方向に平行して延在する起伏を具備する基板上に炭化珪素単結晶層をエピタキシャル成長させることで、炭化珪素単結晶層内に伝搬する面欠陥を低減する技術を提案した（特許文献１及び特許文献２参照）。

すなわち、起伏加工が施された珪素単結晶基板の表面の微視的形態は、図５に示したようなオフ斜面が互いに対向するような形態となる。係る基板上に炭化珪素単結晶層が堆積された場合、互いに対向するオフ斜面に形成された珪素単結晶基板表面の単原子ステップに端を発する反位相領域境界面は、膜厚の増加と共に、互いに対向するように伝播し、最終的には会合消滅する。
アプライド フィジクス レター５０巻、１９８７年、１８８８頁 特開２０００−１７８７４０号公報 特開２００３−６８６５５号公報

しかし、本願発明者の研究によれば、この方法で炭化珪素単結晶層を形成した場合、炭化珪素単結晶層中の反位相領域境界面密度は炭化珪素単結晶層の膜厚の増加と共に減少するが、完全に反位相領域を消滅せしめるまでには至らないことが判明してきた。図７に起伏が形成された珪素単結晶基板上に堆積された炭化珪素単結晶層の表面における反位相領域の存在状態を模式的に示す。図７中、符号７１は反位相領域境界面、７２及び７３は堆積された炭化珪素単結晶層であり、両者における珪素と炭素の積層位相は、半周期分だけ異なる。また、図７において、起伏延在方向は[−１１０]方向で、紙面は（１１０）面に対応する。

図７に模式的に示したように、形成された炭化珪素単結晶層表面に着目すると、起伏延在方向と直交する方向（[１１０]方向）については、前述した会合消滅機構により、反位相領域はほぼ消失しているが、起伏延在方向と平行な方向（[−１１０]方向）については、反位相領域が残存する。以下、この点を詳細に説明する。

図８は、起伏加工が施された珪素単結晶基板を示す模式図である。図８中、符号８１は珪素単結晶基板、８２は起伏斜面の一部の領域である。起伏延在方向は[１−１０]に平行な方向である。起伏の周期は、０．０１μｍから１ｍｍ程度であればよく、特に０．１μｍから１０μｍの範囲が好適とされている、起伏の振幅は、１ｎｍから５０μｍ程度であればよく、特に１０から１００ｎｍの範囲が好適とされている。また、起伏斜面の角度は、０．１°から５４．７°、すなわち立方晶における（００１）面と（１１１）面との成す角度よりも小さければよく、特に１°から６°の範囲が好適とされている。

図９は炭化珪素膜がステップフロー成長する過程を模式的に示したものであり、図８中に示した起伏斜面の一部の領域８２を拡大した図に相当する。図９中、符号９１は単原子ステップ、９２は珪素単結晶表面のテラス、９３はステップの稜、９４は炭化珪素である。

仮に、単原子ステップ９１、及びテラス９２が理想的、かつ完全に連続して珪素単結晶基板８１の表面に形成され、さらに炭化珪素膜が理想的、かつ完全に連続して珪素単結晶基板８１の表面に形成され、さらに炭化珪素膜が理想的、かつ完全なステップフロー成長をなす場合、テラス部に成長する炭化珪素膜の積層周期は同一であり、一のテラスに着目した場合、起伏延在方向に対して同位相となる。斯かる場合には、炭化珪素膜中の反位相領域境界面は、ステップの稜９３に端を発する境界面のみであり、かつそれ等は炭化珪素膜厚の増加と共に（−1−1１）面に平行な方向に伝播することとなる。

一方、図９中には図示していない起伏の他の対向する斜面についても状況は同様であり、この場合、反位相領域境界面は、炭化珪素膜厚の増加と共に｛１１１｝面に平行に伝播する。図１０に、一定の膜厚の炭化珪素膜が形成された場合の反位相領域境界面の状態を模式的に示す。図１０中、符号１０１，１０２は炭化珪素単結晶層、１０３，１０５は（１１１）面に平行に伝播する反位相領域境界面、１０４，１０６は（−１−１１）面に平行に伝播する反位相領域境界面である。

なお、炭化珪素単結晶層１０１と１０２においては、炭素と珪素の積層周期の位相が互いに半周期分だけ異なる。図１０に示したように、互いに対向する起伏斜面に形成された単原子ステップの稜に端を発する反位相領域境界面、１０４、１０６及び１０３、１０５は、炭化珪素単結晶層の膜厚の増加と共に互いに接近し、反位相領域境界面、１０４と１０３は、炭化珪素単結晶層の当該膜厚において、既に会合消滅している。また、反位相領域境界面、１０６と１０５も炭化珪素単結晶層を更に堆積させることにより会合消滅する。従って、前述したような理想状態においては、ある一定の膜厚以上に堆積された炭化珪素単結晶層表面には、反位相領域は存在しないことになる。

しかし、前述したような理想的、かつ完全な単原子ステップ等を、３〜８インチ径の珪素単結晶基板表面上に形成することは、非常に困難であり、量産性等を考慮するとほぼ不可能に近い。また、機械的な研削加工等によって起伏を形成した場合には、その延在方向での連続性に欠き、途中で寸断されたような形態となる。斯かる状況においては、３〜８インチ径の珪素単結晶基板表面上の全領域で、図９に示したような炭化珪素の成長は起こり得ず、起伏延在方向についても積層周期の乱れを生じ、反位相領域が形成されることとなる。

この場合、反位相領域境界面は、炭化珪素単結晶層の膜厚の増加と共に、{１−１１}面、あるいは{−１１１}面に平行に伝播し、結果として、炭化珪素単結晶層の表面には、図７に示したような反位相領域が形成されることとなる。斯かる炭化珪素単結晶を半導体素子に適用した場合には、リーク電流が大きい等の問題が生じることとなる。

本発明は、上述の背景のものとでなされたものであり、反位相領域境界面をはじめとする面欠陥の更なる低減を図り、面欠陥密度が充分低く、かつ半導体素子への適用が可能な炭化珪素単結晶を製造可能にする炭化珪素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するための手段として、第１の手段は、
単結晶基板の表面に、炭化珪素単結晶層をホモエピタキシャル若しくはヘテロエピタキシャル成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、
前記単結晶基板表面には、この基板表面にほぼ平行な一方向に延在する複数の起伏が形成されており、かつ、この起伏は、前記単結晶基板の厚さ方向にうねっており、かつ、この起伏は炭化珪素単結晶のエピタキシャル成長に伴って伝播する反位相領域境界面及び/又は双晶帯から成る面欠陥が互いに会合するように設けられたものであることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法である。
第２の手段は、
前記起伏の延在方向に対してほぼ直交する方向の起伏周期及び起伏振幅と、前記起伏のうねり周期及びうねり振幅との関係が、前記単結晶基板に炭化珪素単結晶をホモエピタキシャル若しくはヘテロエピタキシャル成長させる際に、該炭化珪素単結晶層の表面における起伏延在方向の双晶帯及び／又は反位相領域境界面の単位面積当たりの個数が、前記炭化珪素単結晶層の膜厚増加に対して飽和する傾向を示した後に、前記炭化珪素単結晶層のさらなる膜圧増加につれて、起伏延在方向に略直交する方向の双晶帯及び／又は反位相領域境界面の単位面積当たりの個数が減少するような関係であることを特徴とする第１の手段にかかる炭化珪素単結晶の製造方法である。
第３の手段は、
前記起伏の延在方向に対して、ほぼ直交する方向の起伏周期及び起伏振幅と、前記起伏のうねり周期及びうねり振幅との関係が、前記単結晶基板に前記炭化珪素単結晶をホモエピタキシャル若しくはヘテロエピタキシャル成長させる際に、前記炭化珪素単結晶層の表面における反位相領域が、前記起伏延在方向にほぼ直交する方向に対して延びる縞状となるような状態を経た後、前記炭化珪素単結晶層の表面における反位相領域の占有率、及び／又は双晶帯の占有率が、前記炭化珪素単結晶層の膜厚の増加と共に減少する関係であることを特徴とする第１の手段にかかる炭化珪素単結晶の製造方法である。
第４の手段は、
前記起伏のうねり周期が、前記起伏の延在方向に対してほぼ直交する方向の起伏周期の１００〜７００倍で、かつうねり周期をうねり振幅で除した値が６０〜７００であることを特徴とする第１の手段にかかる炭化珪素単結晶の製造方法である。
第５の手段は、
前記起伏のうねり周期が、０．２〜０．７ｍｍの範囲にあることを特徴とする第４の手段にかかる炭化珪素単結晶の製造方法である。
第６の手段は、
前記単結晶基板が、珪素単結晶であることを特徴とする第１〜第５のいずれかの手段にかかる炭化珪素単結晶の製造方法である。

上述の手段によれば、単結晶基板上に面欠陥密度が充分低く、かつ半導体素子に適用可能な炭化珪素単結晶を製造することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、具体例として、被成膜基板が珪素単結晶であって、面欠陥が反位相境界面の場合を主に説明する。
図１は本発明の実施の形態にかかる炭化珪素単結晶の製造方法に用いる珪素単結晶基板を示す図、図２は図１に示される珪素単結晶基板上に一定膜厚の炭化珪素単結晶層を成膜した場合の炭化珪素単結晶層表面の反位相領域を示す図、図３は図２に示したＡＡ’線とＢＢ’線に沿った断面を示す図、図４は本発明の実施の形態にかかる炭化珪素の製造方法に用いる珪素単結晶基板における原子レベルのステップの状態を示す図である。以下、これらの図面を参照にしながら本発明の実施の形態にかかる炭化珪素単結晶の製造法を説明する。

本発明の実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法は、炭化珪素単結晶層の被成膜単結晶基板表面に、２次元的起伏構造を形成することにより、被成膜単結晶基板のほぼ全面にわたって面欠陥が少ない炭化珪素単結晶層を得る方法である。この実施の形態では、（１−１１）面と（−１１１）面に平行に伝播する２種類の反位相領域境界面を効率的に会合消滅させることによって上記反位相領域を消失せしめるものである。すなわち、２次元的な起伏構造を珪素単結晶基板表面に設けることにより、これ等異なる方向に伝播する反位相領域境界面を効率的に会合消滅せしめんとするものである。

図１において、符号１は珪素単結晶、２は起伏の稜線である。図に示したように、一方向に伸びる起伏であって基板厚さ方向(基板表面の法線方向)にうねっている起伏、すなわち、２次元的な起伏構造においては、起伏の稜線が、従来の１次元的な起伏構造(「うねり」のない起伏構造)とは異なり、珪素単結晶基板１の厚さ方向（＝表面の平均面の法線方向）に対してうねった構成となっている。このような２次元的な起伏構造は、起伏周期と起伏振幅に加え、うねり周期とうねり振幅によって特定される。これらの周期、振幅は、起伏形状あるいはうねり形状が、単純な正弦波形状の場合には単一の値となるが、一般的な形状の場合にはＦｏｕｒｉｅｒ級数で表現されるため、単一の値とはならない。

図１には、一例として起伏、うねり、共に正弦波形状の場合を示してある。この場合、起伏の周期、及び振幅は、前述した従来の１次元的な起伏構造の場合と同様、０．０１μｍから１ｍｍ程度であればよく、特に０．１μｍから１０μｍの範囲が好適である。また、起伏の振幅は、１ｎｍから５０μｍ程度であればよく、特に１０ｎｍから１００ｎｍの範囲が好適である。うねりの周期、及び振幅は、後述するように、共に、起伏の周期、及び振幅に較べて大きい方が好ましい。図１には、うねりの周期、振幅共に、起伏の周期、振幅に比べて大きい場合が示されている。

図２は図１に示した２次元的な起伏構造を有する珪素単結晶基板上に、一定膜厚の炭化珪素単結晶層を成膜した場合の炭化珪素単結晶層表面の反位相領域を模式的に示したものである。図２に示したように、反位相領域の存在状態は、外観的には上述の図７に示した状態とほぼ同様である。しかし、以下に説明するように、炭化珪素単結晶層内部の反位相領域境界面の状態は異なる。

図３は、図２に示したＡＡ’線とＢＢ’線に沿った断面を模式的に示した図である。図中、３１及び３２は炭化珪素単結晶層内部の反位相領域境界面であり、３１は炭化珪素単結晶層の膜厚の増加につれ（１−１１）面に平行に伝播する境界面で、３２は（−１１１）面に平行に伝播する境界面である。ＡＡ’断面に示したように、起伏延在方向と直交する断面においては、（１１１）面と（−１−１１）面の各々に平行に伝播する反位相領域境界面はほぼ全て会合消滅し、炭化珪素膜表面近傍においては、反位相領域は消失している。

一方、ＢＢ’断面に示したように、起伏の延在方向の断面については、（１−１１）面と（−１１１）面の各々に平行に伝播する反位相領境界面３２、及び３３は、未だ会合消滅を完了していないため、炭化珪素膜表面において反位相領域が発現する。このようにＡＡ’断面とＢＢ’断面で異なる原因は、うねり周期と振幅が、共に、起伏周期と振幅に比べて大きいことにある。しかしながら、”うねり”の存在により、（１−１１）面と（−１１１）面の各々に平行に伝播する反位相領域境界面の数はほぼ同等であることから、これ等反位相領域境界面は、更に炭化珪素膜を堆積させることにより会合消滅する。従って、ある一定の膜厚以上において、反位相領域を含まない炭化珪素単結晶膜を得ることができる。

次に、本発明に係る２次元的な起伏構造において、うねりの周期と振幅が、共に起伏のそれ等と同程度の場合について、図４を用いて説明する。図４は、２次元的な起伏加工が施された珪素単結晶基板における原子レベルのステップの状態を示す模式図である。図４中、符号４１、４２、４３、及び４４は珪素単結晶基板表面のテラス（平坦部）、４１１、４１２、４２１、４２２、４３１、４３２、４４１、及び４４２はステップ（段差部）の稜線である。

以下、上記珪素単結晶基板上に、炭化珪素単結晶層をステップフロー成長させた場合について説明する。各ステップの稜線に端を発した反位相境界領域は、（１１１）面に結晶学的に等価な方向に伝播する。この場合、会合消滅しないで、最も遅くまで残存する反位相領域境界面は、４１１、４１２、４２１、４２２、４３１、４３２、４４１、及び４４２の各稜線に端を発する反位相領域境界面である。これ等の反位相領域境界面は、更に炭化珪素単結晶層の成長を続けることにより、稜線４１１に端を発した反位相領域境界面は、稜線４２１に端を発した反位相領域境界面と、また稜線４１２に端を発した反位相領域境界面は、稜線４４２に端を発した反位相領域境界面と、各々会合消滅する。他の稜線４２２、４３２、４３１、４４１に端を発する反位相領域境界面についても同様である。全ての反位相領域境界面が会合消滅した後は、それ以上の膜厚において得られる炭化珪素単結晶層中には、反位相領域は含まれない。

以上、説明したように、被成膜基板である珪素単結晶基板表面に、理想的な原子レベルのステップ、あるいはテラスが形成され、かつ炭化珪素膜のステップフロー成長が行われれば、起伏とうねりの周期及び振幅が同程度であっても反位相領域境界の会合消滅により、反位相領域を消滅せしめることが可能である。しかし、現実には、斯かる理想的な状態を実現することは非常に難しい。すなわち、起伏とうねりの周期及び振幅が同程度の場合は、うねりの周期と振幅が起伏の周期と振幅に比べて大きい場合と比較して、起伏加工によって、珪素単結晶基板表面には、より多く原子レベルのステップが導入される。これ等ステップは、反位相領域境界面の発生原因となるため、可能な限りその個数は少ない方が好ましく、この意味でうねり周期と振幅は起伏周期と振幅に比べて大きい方が好ましい。

また、実際に得られる炭化珪素単結晶層においては、反位相領域境界面と共に面欠陥として双晶帯が存在する。双晶帯の場合も、反位相領域境界面と同様、起伏あるいはうねり加工を施すことによって導入された原子レベルのステップを、その発生源として炭化珪素単結晶層の成長と共に｛１１１｝面に平行に伝播するが、以下に説明するように、双晶帯の場合には、会合して消滅する場合は希であり、会合後いずれか一方の双晶帯が残存し、｛１１１｝面に平行な方向に伝播し続けることになる。従って、この場合にも２次元的起伏加工によって導入される原子レベルのステップの個数を、可能な限り少なくすることが肝要であり、この意味でもうねり周期と振幅は起伏周期と振幅に比べて大きい方が好ましい。

図１１は起伏あるいはうねり加工が施された珪素単結晶基板上に炭化珪素膜を成膜した場合の状態を模式的に示す図である。図中、符号１１１は炭化珪素膜、１１２は（１１１）面に平行に伝播する双晶帯、１１３は（−１−１１）面に平行に伝播する双晶帯、１１４及び１１５は原子レベルのステップである。図１１に示したように、双晶帯の場合には会合して消滅する場合は希であり、会合後いずれか一方の双晶帯が残存し、以後の炭化珪素膜の成長と共に（−１−１１）面、あるいは（１１１）面のいずれかの面に平行な方向に伝播し続けることになる。この両方向の内、どちらに伝播するかは、珪素単結晶基板８１の表面に導入されたステップ９２の状態、及び炭化珪素膜の成長状況に依存する。

いずれにしても、起伏あるいはうねりの１周期当たりについて、山から谷へ向かう方向のステップ１１４の個数が、谷から山へ向かう方向のステップ１１５の個数と同一である場合、すなわちこの意味において理想的な場合には、炭化珪素膜１１１の膜厚が、一定の値以上に達したとき、起伏あるいはうねりの１周期当たりに残存する双晶帯の個数は１個となる。

しかし、起伏あるいはうねりを形成する加工方法にも依存するが、基板全体にわたる巨視的観点においては、山から谷へ向かう方向のステップの個数が、谷から山へ向かう方向のステップの個数と統計的に同等であっても、微視的観点から個々の起伏、あるいはうねりに着目した場合に、前述した両ステップの個数が同一となる理想状態を実現することは容易ではない。斯かる場合には、１周期当たりに残存する双晶帯の個数は１個よりも大きくなる。従って、双晶帯の個数低減の点からも、導入される原子レベルのステップの数は少ない方が好ましい。

後述の実施例にて詳細に説明するが、起伏周期及び振幅とうねり周期及び振幅との関係が、面欠陥の発現に及ぼす影響について、発明者等が系統的に検討した結果、両者間に以下の関係がある場合に、最も効果的に面欠陥を低減できることが明らかとなった。すなわち、起伏周期、振幅共に、うねり周期、振幅に比べて小さい場合であって、両者が、炭化珪素単結晶層を成膜した際、その表面における反位相領域の分布が、起伏延在方向と略直交する方向に伸びた縞状構造を経た後、全面にわたって反位相領域が消失するような関係に立つ場合、最も効果的に面欠陥を低減できる。

ここに、縞状構造とは、理想的には、図２若しくは図７に示したような状態を意味するが、必ずしも起伏延在方向と略直交する方向に、反位相領域が完全に連続している必要はなく、一の反位相領域が起伏延在方向に比べて、その直交方向に伸びた形態であれば足りる。斯かる起伏周期及び振幅とうねり周期及び振幅との関係は、反位相領域境界面及び／又は双晶帯の単位面積当たりの個数に着目すると、以下のように表現することも可能である。

すなわち、起伏周期、振幅共に、うねり周期、振幅に比べて小さい場合であって、両者が、炭化珪素単結晶層を成膜した際、炭化珪素単結晶層表面における起伏延在方向の反位相領域境界面及び／又は双晶帯の単位面積当たりの個数が、膜厚増加に対して飽和する傾向を示した後に、更なる膜厚増加につれて、起伏延在方向に略直交する方向の反位相領域境界面及び／又は双晶帯の単位面積当たりの個数が減少するような関係に立つ場合、最も効果的に面欠陥を低減できる。

ここで、飽和する傾向とは、炭化珪素単結晶の膜厚と反位相領域境界面及び／又は双晶帯の単位面積当たりの個数との関係において、反位相領域境界面及び／又は双晶帯の単位面積当たりの個数の炭化珪素単結晶層の膜厚に対する微係数の絶対値が減少する傾向を示すことを意味し、必ずしも反位相領域境界面及び／又は双晶帯の単位面積当たりの個数が、炭化珪素膜厚に依存せず一定値をとることを意味するものではない。具体的には、うねり周期が起伏周期の１００〜７００倍であって、うねり周期をうねり振幅で除した値が６０〜７００の範囲にある場合にうねり加工による面欠陥の低減効果が顕在化し、更には、うねり周期が起伏周期の２００〜６５０倍であって、うねり周期をうねり振幅で除した値が８０〜６６５０の範囲にある場合に、その低減効果は顕著となる。

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。以下の説明では、まず従来の一次元的起伏を有する基板を用いた方法を比較例として説明し、次に、本発明の実施例を説明する。
(比較例)
直径８インチのＳｉ（００１）基板表面に、以下に示す機械的な研磨方法により、ほぼ〈１−１０〉方向に延在する起伏を形成した。起伏形成に際して用いた研磨剤、及び研磨クロスは、共に市販されているものであり、各々、約９μｍ径のダイヤモンドスラリー（エンギス社製ハイプレス）、及び研磨クロス（エンギスＭ４１４）である。研磨クロスにダイヤモンドスラリーを一様に浸透させ、パッド上にＳｉ（００１）基板を置き、０．２ｋｇ／ｃｍ^２の圧力をＳｉ（００１）基板全体に加えながら、〈１−１０〉方向に平行に研磨クロス上を約２０ｃｍ程度の距離を、一方向に約３００回往復させた。Ｓｉ（００１）基板表面には〈１−１０〉方向に平行な研磨傷（起伏）が、ほぼ無数に形成された。

研磨処理を施したＳｉ（００１）基板表面に研磨砥粒などが付着しているので、超音波洗浄機で洗浄し、その後、過酸化水素水＋硫酸混合溶液（１：１）、ＨＦ溶液にて洗浄した。洗浄後の基板表面には所望の起伏意外にも細かいスパイク上の凹凸や欠陥が数多く残存し、被成膜基板としては使用することはできない。そこで、洗浄後、起伏加工後の基板上に熱酸化膜を約１μｍ形成し、その後、形成した熱酸化膜を希フッ酸により除去した。この熱酸化膜の形成とエッチング除去の一連の工程を経ることにより、Ｓｉ（００１）基板表面が約２００ｎｍエッチングされ、その結果、細かい凹凸が除去されて非常に滑らかな波状の起伏を得ることができた。起伏延在方向に直交する方向の周期は１〜２μｍ、その振幅は３０〜５０ｎｍ、また起伏斜面の傾斜角は３〜５°であった。

起伏加工が施されたＳｉ（００１）基板上に炭化珪素単結晶層（以下、「３Ｃ−ＳｉＣ」と記す。）を気相成長法により形成した。３Ｃ−ＳｉＣの成長は、Ｓｉ（００１）基板表面の炭化工程と、原料ガスの交互供給による炭化珪素成長工程に分けられる。炭化工程では、アセチレン雰囲気中で基板を室温から１３００℃まで１２０分間かけて加熱した。炭化工程の後に、１３００℃にてジクロルシランとアセチレンとを交互に基板表面に暴露して、炭化珪素の成長を実施した。炭化工程の詳細条件を表１に、炭化珪素成長工程の詳細条件を表２にそれぞれ示す。

得られた３Ｃ−ＳｉＣの面欠陥の状態は、３Ｃ−ＳｉＣを５００℃の溶融ＫＯＨに５分間曝してエッチングした後、光学顕微鏡にて表面に発生したエッチピット列の単位面積当たりの個数を計測することにより評価した。３Ｃ−ＳｉＣの表面において、反位相領域境界面は線として、また双晶帯は帯として存在する。従って、前述した方法でエッチングした場合、反位相領域境界面、双晶帯、共に、それ等の存在部分は、エッチピット列として観察される。従ってエッチピット列の単位面積当たりの個数を計測することにより、３Ｃ−ＳｉＣに導入されている、反位相領域境界面と双晶密度から成る面欠陥を定量的に評価することができる。尤も、本方法のみでは、反位相領域境界面と双晶帯とを区別することはできないが、本発明の作用効果は、これ等両者の欠陥を共に減少せしめることにあり、この意味で本方法による評価手法は妥当なものである。

図１３に、起伏延在方向、すなわちＳｉ（００１）基板の〈１−１０〉方向に平行な方向及び起伏延在方向に直交する方向のエッチピット列密度及びその両者を加え合わせた合計の３Ｃ−ＳｉＣの膜厚依存性を示す。図中○、□、及び▲は実験的に得られた値であり、これ等の記号間の線は、各実験で得られた一連の値を結ぶ直線である。図に示したように、起伏延在方向に平行な方向のエッチピット列密度は、起伏下降の効果により、３Ｃ−ＳｉＣの膜厚の増加と共に急激に減少し、１００μｍ以上の膜厚においては１×１０^３個／ｃｍ^２以下となった。一方、起伏延在方向に直交する方向については、３Ｃ−ＳｉＣの膜厚の増加につれて若干の減少傾向は認められるものの、４００μｍの膜厚においても、エッチピット列密度は９×１０^５個／ｃｍ^３であり、高い値となっていた。

（実施例１）
比較例で説明した方法と同様の方法で、Ｓｉ（００１）基板表面に〈１−１０〉方向に延在する起伏を形成した後、以下に示すステンシルマスクを用いたドライエッチング法によりうねり加工を施した。図１２に、ドライエッチング時のステンシルマスクと起伏との相対関係を模式的に示す。図１２中、符号１２１は起伏加工が施されたＳｉ（００１）基板、１２２は形成された起伏、１２３はステンシルマスク、１２４はステンシルマスクに形成された矩形の開口部である。図に示したように、矩形パターン１２４の長手方向が、起伏１２２の延在方向と直交するように、Ｓｉ（００１）基板１２１とステンシルマスク１２３は配置されている。ドライエッチング法として、ＣＦ_４と酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング法を採用した。エッチング条件は、表３に示したとおりである。
なお、エッチングに際しては、ステンシルマスク１２３とＳｉ（００１）基板１２１との間に０．１〜０．２ｍｍの隙間を設けた。

以上の方法により、うねり振幅が１μｍで、うねり周期が０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ及び１．２ｍｍと異なるＳｉ（００１）基板を作成した。異なるうねり周期をもつＳｉ（００１）基板の作成に際しては、開口部１２４の幅と周期が異なるステンシルマスク１２３を用い、うねり振幅はエッチング時間を調整することにより制御した。

表４及び図１４に、起伏及びうねり加工が施されたＳｉ（００１）基板上に、比較例と同様の条件で３Ｃ−ＳｉＣを４００μｍ厚に形成した場合のエッチピット列密度のうねり周期依存を示す。図１４は、表４に示された数値データをグラフ化したものであり、図中○記号は実験的に得られた値で、記号間の線はこれ等実験的に得られた値を結ぶ直線である。同表と同図に示したエッチピット列密度は、起伏延在方向に平行、及び直交する２方向のエッチピット列密度を加え合わせた合計の値である。なお、いずれの場合もうねり振幅は１μｍと一定で、起伏延在方向に直交する方向の周期、振幅、及び起伏斜面の傾斜角も、比較例と同様で、各々、１〜２μｍ、３０〜５０ｎｍ、及び３〜５°であった。

表４あるいは図１４に示したように、うねり周期が０．１〜１．２ｍｍの範囲内において、うねり加工を施すことにより、うねり加工を施していない比較例のエッチピット列密度の値、９×１０^５個／ｃｍ^２に比較して小さくなった。特に、うねり周期が０．２〜０．７ｍｍの範囲においては、エッチピット列密度の値が１×１０^５個／ｃｍ^２以下になっており、うねり加工による面欠陥密度の低減効果が顕在化していた。起伏延在方向に直交する方向の周期が１〜２μｍであること、及びうねり振幅が１μｍであることを考慮すると、うねり周期が起伏延在方向に直交する方向の周期１００〜７００倍、及びうねり周期をうねり振幅で除した値が２００〜７００の範囲内にある場合に面欠陥密度低減効果が顕在化していることが判る。

図１５及び図１６にうねり加工による面欠陥低減効果が顕著に認められた例として、うねり周期が０．４ｍｍの場合、及び顕著に認められなかった例としてうねり周期が０．１ｍｍの場合について、起伏延在方向に平行および直交する２方向のエッチピット列密度、並びにこれ等の合計値の３Ｃ−ＳｉＣ膜厚依存性を示す。うねり周期が０．４ｍｍの場合、起伏延在方向に平行な方向のエッチピット列密度は、３Ｃ−ＳｉＣ膜厚の増加と共に急激に減少し、同膜厚が１００μｍでその値は１×１０^３個／ｃｍ^２になり、１００μｍ以上の膜厚で飽和する傾向を示す。

これに対し、起伏延在方向に直交する方向のエッチピット列密度は、３Ｃ−ＳｉＣ膜厚が１００μｍに達するまでは、その値は４×１０^５個／ｃｍとほぼ一定であり、それ以上の膜厚、換言すると起伏延在方向に平行な方向のエッチピット列密度の値が飽和傾向を示し始める膜厚以上で減少し始め、膜厚が４００μｍで２×１０^４個／ｃｍ^２となった。このようなエッチピット列密度の３Ｃ−ＳｉＣ膜厚依存性は、起伏周期が０．２ｍｍ、０．６ｍｍの場合にも認められた。

一方、うねり周期が０．１ｍｍの場合、起伏延在方向に平行な方向のエッチピット列密度は、３Ｃ−ＳｉＣ膜厚の増加と共に減少し、同膜厚が２００μｍでその値は１×１０^３個／ｃｍ^２になり、２００μｍ以上の膜厚で飽和する傾向を示す。これに対し、起伏延在方向に直交する方向のエッチピット列密度は、３Ｃ−ＳｉＣ膜厚が４０μｍから徐々に減少し始めるが同膜厚が１００μｍでその現象傾向は飽和し、膜厚が４００μｍにおいてもその値は２．５×１０^５個／ｃｍ^２と高い値に留まった。同様のエッチピット列密度の３Ｃ−ＳｉＣ膜厚依存性は、うねり周期が０．８ｍｍと１．２ｍｍの場合にも認められた。

以上の結果により、起伏周期、振幅共に、うねり周期、振幅に比べて小さい場合であって、両者が、炭化珪素膜を成膜した際、起伏延在方向に平行方向のエッチピット列密度が、膜厚増加に対して飽和する傾向を示した後に、更なる膜厚増加につれて、起伏延在方向に略直交する方向のエッチピット列密度が減少するような関係に立つ場合、最も効果的に面欠陥を低減できることが認められた。

（実施例２）
次に、実施例１と同様の方法により、Ｓｉ（００１）基板表面に〈１−１０〉方向に延在する起伏を形成した後、うねり周期が０．４ｍｍと一定で、うねり振幅が０．２μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍと異なるＳｉ（００１）基板を作成した。うねり振幅は、エッチング時のエッチング時間を調整することにより制御した。

表５及び図１７に、起伏及びうねり加工が施されたＳｉ（００１）基板上に、比較例と同様の条件で３Ｃ−ＳｉＣを４００μｍ厚に形成した場合のエッチピット列密度のうねり振幅依存性を示す。図１７は、表５に示された数値データをグラフ化したものであり、図中○記号は実験的に用いられた値で、記号間の線はこれ等実験的に得られた値を結ぶ直線である。同表と同図に示したエッチピット列密度は、起伏延在方向に平行、及び直交する２方向のエッチピット列密度を加え合わせた合計の値である。なお、いずれの場合もうねり周期は０．４ｍｍと一定で、起伏延在方向に直交する方向の周期、振幅、及び起伏斜面の傾斜角も、比較例と同様で、各々、１〜２μｍ、３０〜５０μｍ、及び３〜５°であった。

表５あるいは図１７に示したように、うねり振幅が０．２〜１５μｍの範囲内において、うねり加工を施すことにより、うねり加工を施していない比較例のエッチピット列密度の値、９×１０^５個／ｃｍ^２に比較して小さくなった。特に、うねり振幅が１〜５μｍの範囲においては、エッチピット列密度の値が２〜４×１０^４個／ｃｍ^２以下になっており、うねり加工による面欠陥密度の低減効果が顕著に認められた。また、図１７に示した結果より、うねり振幅が０．７〜７μｍの範囲内において、エッチピット列密度の値が１×１０^５個／ｃｍ^２以下が得られていることが判る。起伏延在方向に直交する方向の周期が１〜２μｍであること、及びうねり周期が０．４ｍｍであることを考慮すると、うねり周期が起伏延在方向に直交する方向の周期の２００〜４００倍、及びうねり周期をうねり振幅で除した値が約６０〜約５７０の範囲内にある場合に、エッチピット列密度の値が１×１０^５個／ｃｍ^２以下が得られることが判る。

図１８及び図１９に、うねり加工による面欠陥低減効果が顕著に認められた例として、うねり振幅が５μｍの場合、及び顕著に認められなかった例としてうねり振幅が０．２μｍの場合について、起伏延在方向に平行および直交する２方向のエッチピット列密度、並びにこれ等の合計値の３Ｃ−ＳｉＣ膜厚依存性を示す。

うねり振幅が５μｍの場合、起伏延在方向に平行な方向のエッチピット列密度は、３Ｃ−ＳｉＣ膜厚の増加と共に急激に減少し、同膜厚が１００μｍでその値は１×１０^３個／ｃｍ^２になり、１００μｍ以上の膜厚で飽和する傾向を示す。是に対し、起伏延在方向に直交する方向のエッチピット列密度は、３Ｃ−ＳｉＣ膜厚が１００μｍに達するまでは、その値は８×１０^５個／ｃｍ^２とほぼ一定であり、それ以上の膜厚、換言すると起伏延在方向に平行なエッチピット列密度の値が飽和傾向を示し始める膜厚以上で減少し始め、膜厚が４００μｍで４×１０^４個／ｃｍ^２となった。このようなエッチピット列密度の３Ｃ−ＳｉＣ膜厚依存性は、うねり振幅が１μｍの場合（図１５に示した結果）と同様である。

一方、うねり振幅が０．２μｍの場合、起伏延在方向に平行な方向のエッチピット列密度は、３Ｃ−ＳｉＣ膜厚の増加と共に減少し、同膜厚が１００μｍでその値は１×１０^３個^／ｃｍ^２になり、それ以上の膜厚で飽和する傾向を示す。これに対し、起伏延上方向に直交する方向のエッチピット列密度は、３Ｃ−ＳｉＣ膜厚に対して殆ど依存性を示さず、その値は６×１０^５個／ｃｍ^２と高い値に留まった。同様のエッチピット列密度の３Ｃ−ＳｉＣ膜厚依存性は、起伏振幅が０．５μｍ、１０μｍ、及び１５μｍの場合にも認められた。

以上の結果より、本実施例においても、実施例１と同様、起伏周期、振幅共にうねり周期、振幅に比べて小さい場合であって、両者が、炭化珪素膜を成膜した際、起伏延上方向に平行方向のエッチピット列密度が、膜厚増加に対して飽和する傾向を示した後に、更なる膜厚増加につれて、起伏延在方向に略直交する方向のエッチピット列密度が減少するような関係に立つ場合、最も効果的に面欠陥を低減できることが認められた。

以上、実施例について説明したが、本実施例は本発明の実施態様の一例に過ぎない。よって本発明は、実施例に記載した条件、方法等に限定されるものではない。特に、炭化珪素単結晶層の被成膜基板として、珪素単結晶意外の単結晶を用いることも可能であり、起伏あるいはうねり加工方法についても同様で、本実施例に記載した方法に限定されず、他の方法を用いることも可能である。更に、うねり周期、振幅についても、本実施例のように一定の値である必要はなく、前述した一定の要件、すなわち、起伏周期及び振幅、とうねり周期及び振幅とが、
炭化珪素単結晶を成膜した際、炭化珪素単結晶層表面における起伏延材方向の半位相領域境界面及び/又は双晶帯の単位面積当たりの個数が、膜厚増加に対して飽和する傾向を示した後に、更なる膜厚増加につれて、起伏延在方向に略直交する方向の半位相領域境界面及び/又は双晶帯の単位面積当たりの個数が減少するような関係に立つ範囲内で、うねり周期、及び振幅の値が分布していても同様の効果が得られる。

本発明は、半導体素子等の電子材料として利用できる低欠陥密度もしくは結晶格子歪みの少ない炭化珪素単結晶を製造する際等に利用できる。

本発明の実施の形態にかかる炭化珪素単結晶の製造方法に用いる珪素単結晶基板を示す図である。 図１に示される珪素単結晶基板上に一定膜厚の炭化珪素単結晶層を成膜した場合の炭化珪素単結晶層表面の反位相領域を示す図である。 図２に示したＡＡ’線とＢＢ’線に沿った断面を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる炭化珪素の製造方法に用いる珪素単結晶基板における原子レベルのステップの状態を示す図である。 オフ角を導入した基板の一例を示す模式図である。 珪素単結晶から成るオフ基板上に炭化珪素単結晶層を一定の膜厚に形成した場合の反位相境界面の存在状態を示す模式図である。 起伏が形成された珪素単結晶基板上に堆積された炭化珪素単結晶層の表面における反位相領域の存在状態を示す模式図である。 １次元的な起伏加工が施された珪素単結晶基板を示す模式図である。 炭化珪素膜がステップフロー成長する過程を示す模式図である。 一定の膜厚の炭化珪素膜が形成された場合の反位相領域境界面の状態を示す模式図である。 起伏あるいはうねり加工が施された珪素単結晶基板上に炭化珪素膜を成膜した場合の状態を示す模式図である。 ドライエッチング時のステンシルマスクと起伏との相対関係を示す模式図である。 エッチピット列密度の３Ｃ−ＳｉＣ膜厚依存性を示す図である。 エッチピット列密度のうねり周期依存性を示す図である。 エッチピット列密度の３Ｃ−ＳｉＣ膜厚依存性を示す図である。 エッチピット列密度の３Ｃ−ＳｉＣ膜厚依存性を示す図である。 エッチピット列密度のうねり周期依存性を示す図である。 エッチピット列密度の３Ｃ−ＳｉＣ膜厚依存性を示す図である。 エッチピット列密度の３Ｃ−ＳｉＣ膜厚依存性を示す図である。

符号の説明

１ 珪素単結晶
２ 起伏の稜線
３１ 炭化珪素単結晶層の膜厚の増加につれ{１−１１}面に平行に伝播する境界面
３２ 炭化珪素単結晶層の膜厚の増加につれ{−１１１}面に平行に伝播する境界面
４１、４２、４３、４４ 珪素単結晶基板表面のテラス
５０ オフ基板
５１ 原子レベルのステップ
６１ 炭化珪素膜
６２、６３ 反位相領域境界面
６４ 反位相領域境界面会合点
θ オフ角度
φ Ｓｉ（００１）面と反位相領域境界面のなす角
７１ 反位相領域境界面
７２、７３ 堆積された炭化珪素単結晶層
８１ 珪素単結晶基板
８２ 起伏斜面の一部の領域
９１ 単原子ステップ
９２ 珪素単結晶表面のテラス
９３ ステップの陵
９４ 炭化珪素
１０１、１０２ は炭化珪素単結晶層
１０３、１０５ {１１１}面に平行に伝播する反位相領域境界面
１０４、１０６ {-１−１１}面に平行に伝播する反位相領域境界面
１１１ 炭化珪素膜
１１２ {-１−１１}面に平行に伝播する双晶帯
１１３ {１１１}面に平行に伝播する双晶帯
１１４、１１５ 原子レベルのステップ
１２１ 起伏加工が施されたＳｉ（００１）基板
１２２ 形成された起伏
１２３ ステンシルマスク
１２４ ステンシルマスクに形成された矩形の開口部
４１１、４１２、４２１、４２２、４３１、４３２、４４１、４４２ ステップの陵線

Claims (6)

1. 単結晶基板の表面に、炭化珪素単結晶層をホモエピタキシャル若しくはヘテロエピタキシャル成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、
   前記単結晶基板表面には、この基板表面にほぼ平行な一方向に延在する複数の起伏が形成されており、かつ、この起伏は、前記単結晶基板の厚さ方向にうねっており、かつ、この起伏は炭化珪素単結晶のエピタキシャル成長に伴って伝播する反位相領域境界面及び/又は双晶帯から成る面欠陥が互いに会合するように設けられたものであることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
2. 前記起伏の延在方向に対してほぼ直交する方向の起伏周期及び起伏振幅と、前記起伏のうねり周期及びうねり振幅との関係が、前記単結晶基板に炭化珪素単結晶をホモエピタキシャル若しくはヘテロエピタキシャル成長させる際に、該炭化珪素単結晶層の表面における起伏延在方向の双晶帯及び／又は反位相領域境界面の単位面積当たりの個数が、前記炭化珪素単結晶層の膜厚増加に対して飽和する傾向を示した後に、前記炭化珪素単結晶層のさらなる膜厚増加につれて、起伏延在方向に略直交する方向の双晶帯及び／又は反位相領域境界面の単位面積当たりの個数が減少するような関係であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
3. 前記起伏の延在方向に対して、ほぼ直交する方向の起伏周期及び起伏振幅と、前記起伏のうねり周期及びうねり振幅との関係が、前記単結晶基板に前記炭化珪素単結晶をホモエピタキシャル若しくはヘテロエピタキシャル成長させる際に、前記炭化珪素単結晶層の表面における反位相領域が、前記起伏延在方向にほぼ直交する方向に対して延びる縞状となるような状態を経た後、前記炭化珪素単結晶層の表面における反位相領域の占有率、及び／又は双晶帯の占有率が、前記炭化珪素単結晶層の膜厚の増加と共に減少する関係であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
4. 前記起伏のうねり周期が、前記起伏の延在方向に対してほぼ直交する方向の起伏周期の１００〜７００倍で、かつうねり周期をうねり振幅で除した値が６０〜７００であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
5. 前記起伏のうねり周期が、０．２〜０．７ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項４記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
6. 前記単結晶基板が、珪素単結晶であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。