JP4916479B2

JP4916479B2 - 炭化珪素エピタキシャル用基板の製造方法

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Publication number: JP4916479B2
Application number: JP2008126357A
Authority: JP
Inventors: 広明斎藤; 章憲関; 由加里谷; 柴田　　典義
Original assignee: Japan Fine Ceramics Center; Toyota Motor Corp
Current assignee: Japan Fine Ceramics Center; Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2028-05-13
Also published as: JP2009274899A

Description

この発明は、炭化珪素エピタキシャル用基板の製造方法に関し、さらに詳しくはカーボンの供給を抑えた反応室内条件下に、特定組成のガスを用いて炭化珪素基板表面を加熱処理してＳｉドロップレットが抑制され平滑な表面を有する炭化珪素エピタキシャル用基板の製造方法に関する。

近年、エレクトロニクス分野における低損失化や小型化の実現に向けて、従来のシリコン半導体素子に比べて高い電気変換効率および高い熱伝導率などによって大幅な性能向上が期待できる炭化珪素単結晶半導体素子がパワー半導体デバイス材料として有望視されている。この炭化珪素単結晶半導体素子は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置などの製膜装置を用いて半導体基板上へのエピタキシャル薄膜の形成によって得られる。
この製膜装置によれば、サセプタおよび断熱材を備えた反応室に原料ガスであるＳｉ原料ガスおよびＣ原料ガスをキャリアガスとともに供給して炭化珪素基板に炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル結晶成長させることができる。

しかし、一般的な製膜装置にグラファイトサセプタやグラファイト断熱材などを備えた反応室内条件下にエピタキシャル成長させると、この製膜装置を起源とするハイドロカーボン・不純物の発生があり、その発生量や種類の制御が難しく、炭化珪素単結晶のエピタキシャル成長条件の精密な制御が困難である。
このため、サセプタとして炭化珪素を用いるかサセプタ表面を炭化珪素でコートした炭化珪素コートグラファイトを用いるなどのカーボンの供給を抑えた反応室内条件下で炭化珪素基板上に炭化珪素単結晶をエピタキシャル成長させる技術が検討されている。

一方、炭化珪素基板のスライス技術や研磨技術がシリコン基板（シリコンウェハー）の技術に比べて未だ十分でないため、炭化珪素基板には研磨によるダメージ層やスクラッチと呼ばれる傷が全面に発生する。最終的なデバイス性能の多くは炭化珪素基板上に成長させたエピタキシャル薄膜の膜質に左右され、エピタキシャル薄膜は下地層の影響を受けることから、高品質のエピタキシャル薄膜を得るためには、エピタキシャル成長前に炭化珪素基板表面のダメージ層を除去して平坦かつ清浄な表面を得ることが必要となる。
このため、炭化珪素基板へのエピタキシャル成長の前処理として、炭化珪素基板の水素雰囲気によるエッチング処理が提案された（特許文献１〜４）。

特開２００１−０７７０３０号公報特開２００２−２５５６９２号公報特開２００５−２７７２２９号公報特開２００５−３１１３４８号公報

上記の特許文献１には、炭化珪素基板を反応炉に配置し、炭化珪素基板を加熱して水素ガス又は水素とアルゴンとの混合ガスを導入し、雰囲気圧力を７６０Ｔｏｒｒ（１気圧）より小さい減圧にして炭化珪素基板表面をエッチングする工程を含む炭化珪素半導体装置の製造方法が記載されている。

上記の特許文献２には、炭化珪素単結晶ウェハーを１５５０℃以上の温度で水素ガス又は塩化水素ガス流通雰囲気中で前処理を行った後に、該ウェハー上に炭化珪素薄膜をエピタキシャル成長する炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法が記載されている。そして、具体例として、水素ガスのみ又は水素ガスと塩化水素ガスとの混合ガスによりグラファイトサセプタを用いて前記温度および雰囲気で前処理を行った後エピタキシャル成長により炭化珪素エピタキシャル基板を得た例が示されている。

上記の特許文献３には、炭化珪素基板の平滑化における水素エッチング時に原料ガスを添加する炭化珪素平滑化基板の作製方法が記載されている。そして、原料ガスとしてシランが記載され、サセプタの種類については記載がない。

上記の特許文献４には、炭化珪素基板の表面を水素エッチングで処理した後に、この処理面から炭化珪素をエピタキシャル成長させてエピタキシャル層を形成するバイポーラ型半導体装置の製造方法が記載されているが、サセプタの種類については記載がない。

このように、公知文献に記載されている炭化珪素エピタキシャル用基板の製造方法は、いずれもグラファイトサセプタを用いるなどカーボンの供給を前提とする反応室内条件下あるいはカーボンの供給を抑えることが不明な反応室内条件下での水素エッチングによるエピタキシャル成長の前処理によるものであり、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下で加熱処理して平滑な表面を有する炭化珪素エピタキシャル用基板の製造方法は知られていない。
従って、この発明の目的は、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下でのエピタキシャル成長用基板として好適な炭化珪素エピタキシャル用基板の製造方法を提供することである。

この発明者らは、前記の目的を達成することを目的として鋭意検討した結果、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下に水素ガスを供給して炭化珪素基板を高温加熱処理すると基板表面がＳｉ過剰となりＳｉドロップレットが生じ、エピタキシャル成長用基板として好ましくないことを見出し、さらに検討を行った結果、この発明を完成した。
この発明は、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下、炭化珪素基板をアルゴン雰囲気下にてエピタキシャル成長温度まで昇温させて基板表面をアルゴン処理し、エピタキシャル成長温度に到達した段階で昇温のための加熱およびアルゴンガス供給を停止した後、さらに、水素ガスを供給して基板表面をエッチングする炭化珪素エピタキシャル用基板の製造方法に関する。
また、この発明は、前記の製造方法によって得られた炭化珪素エピタキシャル用基板の表面に、引き続いてキャリアガス、Ｓｉ原料ガスおよびＣ原料ガスを供給して炭化珪素単結晶をエピタキシャル成長させる成長方法に関する。

この発明によれば、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下でのエピタキシャル成長用基板として好適な、Ｓｉドロップレットが抑制されて平滑な表面を有する炭化珪素エピタキシャル用基板を得ることができる。

この発明における好適な態様を次に示す。
１）昇温のための加熱およびアルゴンガス供給を停止した後、さらに、水素ガスを供給して基板表面をエッチングする前記の製造方法。
２）カーボンの供給を抑えた反応室内条件が、サセプタを炭化珪素又は炭化珪素コートグラファイトによって構成することである前記の製造方法。
３）カーボンの供給を抑えた反応室内条件が、断熱材を炭化珪素又は炭化珪素コートグラファイトによって構成することである前記の製造方法。
４）水素ガスを５〜６０分間供給して基板表面をエッチングする前記の製造方法。

以下、この発明を図面を参照して説明する。図１は、この発明の製造方法に用いる製膜装置の１実施態様の概略図であり、図２はこの発明の１実施態様における加熱温度の時間変化および供給ガスの時間変化を示すグラフであり、図３はこの発明の他の１実施態様における加熱温度の時間変化および供給ガスの時間変化を示すグラフである。
図１において、製膜装置は、反応室１内に例えば炭化珪素又は炭化珪素コートグラファイトで構成したサセプタ２および例えば炭化珪素又は炭化珪素コートグラファイトで構成した断熱材３を備え、サセプタ２上の炭化珪素基板４に薄膜を形成するためのチャンバー、例えば、石英製チャンバーからなり、反応室１外に装置内加熱装置５、例えば、高周波電源と、装置内加熱温度測定用の熱電対温度計６と、アルゴンガスおよび他のガス、例えば水素キャリアガス、原料ガスの供給配管（図示せず）、排気管（図示せず）および形成された薄膜を取り出す薄膜取り出し装置（図示せず）を備えている。なお、図１の円形図（右側にある図）は反応室内の横断面図である。

この発明は、例えば図１に一例を示す製膜装置を用いたカーボンの供給を抑えた反応室内条件下、炭化珪素基板をアルゴン雰囲気下にてエピタキシャル成長温度まで昇温させて基板表面をアルゴン処理し、エピタキシャル成長温度に到達した段階で昇温のための加熱およびアルゴンガス供給を停止する炭化珪素エピタキシャル用基板の製造方法に関するものであり、先ずカーボンの供給を抑えた反応室内条件下に炭化珪素基板をアルゴン雰囲気下にてエピタキシャル成長温度まで昇温させることが必要である。
前記のカーボンの供給を抑えた反応室内条件としては、好適にはサセプタを炭化珪素又は炭化珪素コートグラファイトで構成すること、又は断熱材を炭化珪素又は炭化珪素コートグラファイトで構成することが挙げられる。特に、サセプタを炭化珪素又は炭化珪素コートグラファイトで構成することと断熱材を炭化珪素又は炭化珪素コートグラファイトで構成することを組み合わせることが好ましい。

そして、前記のカーボンの供給を抑えた反応室内条件下に炭化珪素基板をアルゴン雰囲気下にてエピタキシャル成長温度まで昇温させるために、図２に示すように、昇温の最初からアルゴンガスを供給する。また、前記の昇温とは、エピタキシャル成長温度に到達するまでの温度範囲内で熱電対温度計が示す温度が上昇している状態を示す。昇温の条件については特に制限はなく、図２に示すように一定の昇温速度で温度上昇させてもよく又は、温度上昇−温度保持−温度上昇等の段階的な昇温を繰り返しても良い。

この発明の方法において、アルゴンガスは、好適には１０〜５０００ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄｃｃ／ｍｉｎの略号、０℃で規格化したｃｃｍを表示する。）、特に５０〜２５００ｓｃｃｍの供給速度で供給することが好ましい。また、圧力は、１ｔｏｒｒ〜２ａｔｍ、特に２ｔｏｒｒ〜１ａｔｍ、その中でも２〜１００ｔｏｒｒであることが好ましい。
また、この発明の好適な態様として、昇温のための加熱およびアルゴンガス供給を停止し、さらに、水素ガスを供給して炭化珪素エピタキシャル用基板表面をエッチングすることが好ましい。

この発明においては、前記のカーボンの供給を抑えた反応室内条件下で昇温中にアルゴンガスを供給することが必要であり、昇温中にエッチングガスとしての水素ガスを供給したのでは炭化珪素基板表面にシリコンドロップレットが生じる。この水素ガスによるＳｉドロップレットの発生は水素ガス単独でも水素ガスとアルゴンガスとの混合ガスでも水素ガスが存在する限り避けられない。
この昇温中での水素ガス供給によるＳｉドロップレット生成の要因として、水素雰囲気下に炭化珪素基板を加熱することによって炭化珪素基板表面で下記の反応が起こることによると考えられる。

炭化珪素＋２Ｈ_２→Ｓｉ（ｓ）＋ＣＨ_４（ｇ）＋０．７２ｅＶ（１）
この炭化珪素基板表面に発生したＳｉ（ｓ）がドロップレットとして表面に残ると考えられる。
このＳｉ（ｓ）は加熱により次式に従って蒸発すると考えられる。
Ｓｉ（ｓ）→Ｓｉ（ｇ）＋４．４ｅＶ（２）
この反応によるＳｉの蒸発は、活性化エネルギーの関係から低温域では遅く、高温域では早い。また、飽和蒸気圧の関係から、蒸発速度は圧力の平方根分の１に比例するため温度や圧力によって炭化珪素基板表面に残るＳｉ量が異なり、結局水素ガス雰囲気では炭化珪素基板表面にＳｉがドロップレットとして残ることは避けられない。

これに対して、この発明においては昇温中にアルゴンガスを供給し水素ガスを供給しないためＳｉドロップレットの発生を抑えた状態で高温に到達させることができ、活性化エネルギーの関係から、発生したＳｉはすぐに蒸発し炭化珪素基板表面に残らず、ハイドロカーボンなしで平坦な炭化珪素エピタキシャル用基板表面が得られると考えられる。また、この発明によれば、ハイドロカーボン供給下で起きる平坦化の悪化を抑えることが出来る。
さらに、昇温中のガスはアルゴンのみであるため、昇温過程における昇温条件、特に昇温速度が表面に及ぼす影響がほとんどない。このため、形状やタイプの異なる製膜装置（成長炉）を用いても、昇温中に水素ガスを供給する場合に比べて、再現性が得られやすいので好適である。

この発明においては、前記のアルゴン雰囲気下にてエピタキシャル成長温度に到達した段階で昇温のための加熱およびアルゴンガス供給を停止することによって、この発明における炭化珪素エピタキシャル用基板を得ることができる。
この発明においては、図３に示すようにエピタキシャル成長温度に到達した段階でアルゴンガス供給を停止した後、さらに、水素ガスを供給して炭化珪素エピタキシャル用基板表面をエッチングしてもよい。この場合エピタキシャル成長温度以上の温度であれば温度については特に制限はなく、前記の範囲で温度一定に保つか前記の範囲で降温させて基板表面を水素ガスでエッチングして炭化珪素エピタキシャル用基板を得てもよい。

前記のエピタキシャル成長温度としては、１５００℃以上〜２０００℃未満、特に１５００℃以上〜１８００℃、その中でも特に１５００〜１６５０℃の温度が好適である。
また、前記のアルゴンガスの供給を停止した後に引き続き水素ガスを供給して基板表面をエッチングする条件としては、１０〜５０００ｓｃｃｍ、特に５０〜２５００ｓｃｃｍ程度の水素ガス供給量、１５００℃以上〜２０００℃未満、特に１５００〜１８００℃程度、その中でも特に１５００〜１６５０℃の温度、５分間〜２時間、特に５〜６０分間の時間が好ましい。

この発明の方法により得られる炭化珪素エピタキシャル用基板は、基板表面に炭化珪素ドロップレットの発生が抑制され、表面の研磨ひずみ層が除去されてＳＲｑが好適には１ｎｍ以下、特に０．５ｎｍ以下、その中でも０．４ｎｍ以下の平坦面を有している。
前記の方法によって得られた炭化珪素エピタキシャル用基板の表面に、図４に示すように、引き続いてキャリアガス（例えば、水素ガス）およびＳｉ原料ガスおよびＣ原料ガスを供給して炭化珪素単結晶をエピタキシャル成長させることができる。
この発明の方法によれば、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下にエピタキシャル成長に好適な炭化珪素エピタキシャル用基板を製造することができ、基板自体が良好な特性を有しているとともにそのままの反応室内で炭化珪素単結晶のエピタキシャル成長を行うことによって、従来の製膜装置を起源とするハイドロカーボン・不純物の発生を抑制することができる。

前記の炭化珪素単結晶をエピタキシャル成長させる方法としては特に制限はなく、任意の方法を採用することが出来る。
例えば、エピタキシャル成長によって形成される薄膜は単一層であってもよく２種以上の多層であってもよい。また、炭化珪素のみからなる薄膜の場合、ｐ型およびｎ型の単結晶が相互に接合されて構成されてもよく、異種の結晶からなる薄膜が相互に接合されて構成されてもよい。
前記の炭化珪素をエピタキシャル成長させるためのＳｉ原料ガスとしては、ＳｉＨ_４やジクロルシランなどを挙げることができ、Ｃ原料ガスとしてメタン、プロパン、アセチレンなどを挙げることができる。

さらに、エピタキシャル成長させるときの反応室内の温度（例えば、サセプタの熱電対温度）は１０００℃以上２０００℃未満、特に１５００〜１８００℃の範囲内の温度であることが好ましく、１ｔｏｒｒ〜２ａｔｍの圧力、厚みによって異なるが５〜１０μｍの場合には通常１〜２時間の反応時間（素子１枚ごとの成長時間）でエピタキシャル成長を行うことが好ましい。
前記の各サセプタおよび断熱材のうちどれを組み合わせて使用するかによって、原料のＳｉ原料およびＣ原料の割合を変えることが好ましく、例えば、炭化珪素サセプタおよび炭化珪素断熱材を組み合わせて用いる場合、炭化珪素エピタキシャル結晶成長時の適切な原料供給比のＣ／Ｓｉは６である。

この発明の製造方法によって得られるＳｉドロップレットがなく平滑な表面を有する炭化珪素エピタキシャル用基板の表面に、前記の炭化珪素エピタキシャル成長によって炭化珪素エピタキシャル薄膜を形成することができる。

以下にこの発明の実施例を示すが、この発明は以下の実施例に限定されるものではない。
以下の各例において、炭化珪素エピタキシャル用基板の表面粗さを原子間力顕微鏡によって測定し、ＳＲｑ（粗さ曲面の自乗平均平方根粗さを示す）で表示する。

実施例１
図１に示す製膜装置（ＣＶＤ装置）を用いて、下記の工程で炭化珪素エピタキシャル用基板を製造し、評価した。
１）洗浄した炭化珪素基板を、炭化珪素サセプタおよび炭化珪素断熱材を備えたＣＶＤ装置の反応室に設置した。
２）アルゴンガス５００ｓｃｃｍを流しながら５ｔｏｒｒの圧力下で加熱を始める。
３）５０℃／分の一定の昇温速度で昇温させて基板表面をアルゴン処理し、エピタキシャル成長温度（１６５０℃）になったところで昇温のための加熱を停止して、炭化珪素エピタキシャル用基板を得た。

加熱を停止した後、降温して炭化珪素エピタキシャル用基板を取り出し、基板の表面形状をＡＦＭ（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、原子間力顕微鏡）を用いて評価した。実験結果をまとめて表１に示す。実施例１で得られた炭化珪素エピタキシャル用基板のＡＦＭによる表面形状写真を図５に示す。
また、得られた炭化珪素エピタキシャル用基板の表面粗さを測定した結果、鏡面でＳＲｑ＝０．５ｎｍの平坦面であった。

実施例２
加熱を停止した後、さらに、以下の工程に示すように水素ガスを供給して炭化珪素エピタキシャル用基板表面をエッチングする工程を加えた他は実施例１と同様に実施した。
１）洗浄した炭化珪素基板を、炭化珪素サセプタおよび炭化珪素断熱材を備えたＣＶＤ装置の反応室に設置した。
２）アルゴンガス５００ｓｃｃｍを流しながら５ｔｏｒｒの圧力下で加熱を始める。
３）５０℃／分の一定の昇温速度で昇温させて基板表面をアルゴン処理し、エピタキシャル温度（１６５０℃）になったところで昇温のための加熱を停止して、供給ガスをアルゴンから水素に切替えて３０分間保持して、炭化珪素エピタキシャル用基板を得た。

３０分間保持した後、降温して炭化珪素エピタキシャル用基板を取り出し、基板の表面形状をＡＦＭを用いて評価した。実験結果をまとめて表１に示す。実施例２で得られた炭化珪素エピタキシャル用基板のＡＦＭによる表面形状写真を図６に示す。
また、得られた炭化珪素エピタキシャル用基板の表面粗さを測定した結果、鏡面でＳＲｑ＝０．２ｎｍの平坦面であった。

比較例１
以下の工程に示すように、昇温中の供給ガスをアルゴンから水素に変えた他は実施例１と同様に実施した。
１）洗浄した炭化珪素基板を、炭化珪素サセプタおよび炭化珪素断熱材を備えた製膜装置の反応室に設置した。
２）水素ガス５００ｓｃｃｍを流しながら２ｔｏｒｒの圧力下で加熱を始める。
３）５０℃／分の一定の昇温速度で昇温し、エピタキシャル温度（１６５０℃）になったところで昇温のための加熱を停止して、炭化珪素エピタキシャル用基板を得た。

加熱を停止後、降温して炭化珪素エピタキシャル用基板を取り出し、基板の表面形状をＡＦＭを用いて評価した。実験結果をまとめて表１に示す。比較例１で得られた炭化珪素エピタキシャル用基板のＡＦＭによる表面形状写真を図７に示す。
炭化珪素エピタキシャル用基板表面にはＳｉドロップレットの発生が確認された（図７の全面に点在する白い部分がＳｉドロップレットである。）。

比較例２
以下の工程に示すように、昇温中の供給ガスをアルゴンから水素に変えた他は実施例２と同様に実施した。
１）洗浄した炭化珪素基板を、炭化珪素サセプタおよび炭化珪素断熱材を備えた製膜装置の反応室に設置した。
２）水素ガス５００ｓｃｃｍを流しながら２ｔｏｒｒの圧力下で加熱を始める。
３）５０℃／分の一定の昇温速度で昇温し、エピタキシャル温度（１６５０℃）になったところで昇温のための加熱を停止し３０分間保持して、炭化珪素エピタキシャル用基板を得た。

３０分間保持した後、降温して炭化珪素エピタキシャル用基板を取り出し、基板の表面形状をＡＦＭを用いて評価した。実験結果をまとめて表１に示す。比較例２で得られた炭化珪素エピタキシャル用基板のＡＦＭによる表面形状写真を図８に示す。
基板周辺部にのみＳｉドロップレットの発生が確認された（図８の周辺部の白く見えるところがＳｉドロップレットの発生領域）。

図５（実施例１）および図６（実施例２）と図７（比較例１）および図８（比較例２）との比較、および表１から、この発明のカーボンの供給を抑えた反応室内条件下、炭化珪素基板をアルゴン雰囲気下にてエピタキシャル成長温度まで昇温させて基板表面をアルゴン処理し、エピタキシャル成長温度に到達した段階で昇温のための加熱およびアルゴンガス供給を停止することによって得られた炭化珪素エピタキシャル用基板は、基板表面にＳｉドロップレットの生成が抑制されて、平滑な表面を有しており、炭化珪素単結晶をエピタキシャル成長させる基板として好適であることが理解される。

図１は、この発明に用いるＣＶＤ装置の１実施態様の概略図である。図２は、この発明の１実施態様における加熱温度の時間変化およびガス供給の時間変化を示すグラフである。図３は、この発明の他の１実施態様における加熱温度の時間変化およびガス供給の時間変化を示すグラフである。図４は、この発明の他の１実施態様に引き続いてエピタキシャル成長を行う１例の温度変化およびガス供給の時間変化を示すグラフである。図５は、実施例１で得られた炭化珪素エピタキシャル用基板のＡＦＭによる表面形状写真である。図６は、実施例２で得られた炭化珪素エピタキシャル用基板のＡＦＭによる表面形状写真である。図７は、比較例１で得られた炭化珪素エピタキシャル用基板のＡＦＭによる表面形状写真である。図８は、比較例２で得られた炭化珪素エピタキシャル用基板のＡＦＭによる表面形状写真である。

符号の説明

１反応室
２サセプタ
３断熱材
４基板
５装置内加熱装置
６熱電対温度計
１０製膜装置

Claims

カーボンの供給を抑えた反応室内条件下、炭化珪素基板をアルゴン雰囲気下にてエピタキシャル成長温度まで昇温させて基板表面をアルゴン処理し、エピタキシャル成長温度に到達した段階で昇温のための加熱およびアルゴンガス供給を停止した後、さらに、水素ガスを供給して基板表面をエッチングする炭化珪素エピタキシャル用基板の製造方法。
カーボンの供給を抑えた反応室内条件が、サセプタを炭化珪素又は炭化珪素コートグラファイトによって構成することである請求項１に記載の製造方法。
カーボンの供給を抑えた反応室内条件が、断熱材を炭化珪素又は炭化珪素コートグラファイトによって構成することである請求項１又は２に記載の製造方法。
水素ガスを５〜６０分間供給して基板表面をエッチングする請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法によって得られた炭化珪素エピタキシャル用基板の表面に、引き続いてキャリアガス、Ｓｉ原料ガスおよびＣ原料ガスを供給して炭化珪素単結晶をエピタキシャル成長させる成長方法。