JP5014117B2 - 積層欠陥核生成部位を低減する逐次的リソグラフィ方法および積層欠陥核生成部位を低減した構造 - Google Patents

積層欠陥核生成部位を低減する逐次的リソグラフィ方法および積層欠陥核生成部位を低減した構造 Download PDF

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Description

本発明は、半導体材料およびデバイスならびにその作製方法に関し、より詳細には、単結晶半導体材料を成長させる方法、それによって形成される材料およびその中に形成されるデバイスに関する。
本出願は、2004年3月18日付け出願の「Lithographic Method to Reduce Stacking Fault Nucleation Sites and Reduce V Drift in Bipolar Devices and Structures Having Reduced Stacking Fault Nucleation Sites」という名称の米国特許仮出願第60/554123号明細書の利益と優先権を主張するものであり、その開示を、その全文が本明細書に記載されているかのように参照により本明細書に組み入れる。
本発明は、米国政府契約番号N00014−02−C−0302の下に創出された。米国政府は、本発明における支払済みライセンスを有するとともに、限定的状況において、Defense Advanced Research Projects Agency (“DARPA”)が授与した契約番号N00014−02−C−0302の条項により規定される妥当な条件で他者にライセンスを与えることを特許権所有者に対して要求する権利を有する。
本発明は、パワーエレクトロニクスデバイスなどの電子デバイスに使用される半導体材料を作製する方法に関する。特に、本発明のいくつかの実施形態は、炭化ケイ素内の結晶欠陥を低減することのできるプロセス、ならびに結果として得られる構造およびデバイスに関する。本発明は、同時係属であり同一出願人による特許出願である特許文献1および2に開示された主題に関係しており、この両者の内容は、本明細書に完全に記載されているかのように参照によりその全文を本明細書に組み入れてある。
炭化ケイ素
炭化ケイ素(SiC)は、最近の20年間において、シリコンおよびガリウム砒素の両方よりも多くの利点をもたらすことのできる適当な半導体材料の候補として登場した。炭化ケイ素は特に、広いバンドギャップ、高い破壊電界、高い熱伝導度、高い飽和電子ドリフト速度を有するとともに、物理的に極めて頑強(robust)である。炭化ケイ素は、融点が極めて高く、世界中で知られた最も硬い材料の1つである。
しかしながら、その物理的特性ゆえに、炭化ケイ素は作製が比較的困難な場合もある。炭化ケイ素は多くのポリタイプ(polytype)として成長する可能性があるので、大きな単結晶に成長することが難しい場合がある。炭化ケイ素を成長させるために使用される高い温度によっても、不純物レベル(ドーピングを含む)の制御が比較的困難となり、同様に、薄膜(例えば、エピタキシャル層)の作製において困難を生じることもある。その硬さゆえに、半導体ウエハをスライスおよび研磨する従来の工程も、炭化ケイ素についてはより困難となることがある。同様に、それは化学的侵食に対して耐性があるため、従来の方法でエッチングすることが困難な場合がある。
さらに、炭化ケイ素は150を超えるポリタイプを形成する可能性があり、それらの多くは、比較的小さい熱力学的差異で隔てられている。結果として、炭化ケイ素で単結晶の基板および高品質なエピタキシャル層(「エピ層(epilayer)」)を成長させることは、従来から困難な課題であり、現在でも困難なことがある。
しかしながら、本発明の譲受人によりなされたものを含めて、この特定の分野における大量の研究および発見に基づいて、炭化ケイ素の成長およびその有用なデバイスへの加工において数多くの進歩があった。したがって、現在では、III族窒化物などの他の有用な半導体のための基板として炭化ケイ素を組み込んだ市販デバイスが入手可能であり、青色および緑色の発光ダイオードが作製される。また、マイクロ波および無線周波数(RF)の高電力・高電圧用途、および/またはその他の用途の市販の炭化ケイ素ベースのデバイスが入手可能である。
炭化ケイ素技術の成功によってある種のSiCベースのデバイスの利用可能性が増大したことによって、それらのデバイスの特定の側面がより明白となってきた。特に、バイポーラパワーデバイスなどのある種の炭化ケイ素ベースのバイポーラデバイスの順方向電圧(V)は、ある種のデバイスの動作中に顕著に増大する場合があることが観測されている。この増大は、一般に、「Vドリフト」と呼ばれる。半導体デバイスにおけるそのような機能上の問題は、多くの理由により、それらのデバイスが形成されている材料の結晶構造上の欠陥から生じる可能性がしばしばある。これらの欠陥の例について以下で考察する。
基板上に薄いエピタキシャル膜などの半導体材料の層を形成するために、堆積システムおよび方法が一般的に使用されている。例えば、化学気相蒸着(CVD)反応器システムおよびプロセスを使用して、基板上に炭化ケイ素(SiC)などの半導体材料の層を形成することができる。CVDプロセスは、エピタキシャル層など、制御された特性、厚さ、および/または配置を有する層を形成するのに特に有効である。一般に、CVDなどの堆積システムにおいて、基板が、サセプタ(susceptor)に入れられて反応チャンバ内に配置され、基板上に堆積させようとする試薬または反応物質を含む1種または複数のプロセスガスが、基板に隣接するチャンバ中に導入される。プロセスガスは、均一な、または制御された濃度の試薬または反応物質を基板に提供するために、反応チャンバを通過して流してもよい。
炭化ケイ素の結晶構造
CVD反応器などの堆積システムを使用して、2H、4H、6H、15R、3Cなどの所定のポリタイプを有する単結晶炭化ケイ素基板上に、炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成することができる。「ポリタイプ」という用語は、結晶構造中の原子の層の順序および配置を意味する。したがって、炭化ケイ素の異なるポリタイプは化学量論的には同一であるが、それらは異なる結晶構造を有し、その結果として、バンドギャップ、キャリヤ移動度および破壊電界強度などの材料特性において異なる可能性がある。文字H、RおよびCは、ポリタイプの一般的な結晶構造、すなわち、六方晶、菱面体および立方体をそれぞれ指す。ポリタイプ表記内の数字は、層配置の反復周期を意味する。したがって、4H結晶は、結晶内の原子の配置が、4つの二重層(bi−layer)毎に反復される六方晶構造を有する。
図1は、仮想的結晶の六方単位格子を示す。単位格子60は、一対の対向する六角形面61A、61Bを含む。この六角形面は、c軸に垂直であり、このc軸は、六方晶における方向を表記するためのミラー・ブラヴェ(Miller−Bravais)指数系によって定義される、<0001>方向に沿って延びている。したがって、この六角形面は、c面(c−face)と呼ばれることがあり、これは結晶のc平面(c−plane)または底面を画定する。c平面に垂直な平面は、柱面(prismatic plane)と呼ばれる。
炭化ケイ素は、半導体性能およびデバイスにとって潜在的に有利な多くの物理的および電子的特徴を有する。これらには、広いバンドギャップ、高い熱伝導度、高い飽和電子ドリフト速度、高い電子移動度、優れた機械的強度、および耐放射性(radiation hardeness)などがある。しかしながら、炭化ケイ素膜内の結晶欠陥の存在は、その欠陥の種類、場所、および密度に応じて、その膜内に作製される電子デバイスの性能を制限する可能性がある。したがって、相当な量の研究において、炭化ケイ素膜内の欠陥の低減が注目されてきた。マイクロパイプ(micropipe)などのある種の欠陥は、デバイスの性能を大幅に制限し、デバイスの動作を阻止さえすることが知られている。その他の欠陥、例えば貫通転位(threading dislocation)などは、個々にはデバイス動作に破局的であるとは考えられておらず、したがって、それらは、エピタキシャル膜で通常見られる密度においてはデバイス性能に大きく影響を与えないだろう。
高電圧ブロック能力(high voltage blocking capability)が望まれる用途(例えば、パワースイッチング用途)には、炭化ケイ素膜は、通常「オフアクシス(off−axis)」で成長される。すなわち、基板結晶が、垂直(normal)結晶軸(c軸)に対してわずかに傾斜した角度で、スライシングされる。4Hまたは6Hなどの六方晶ポリタイプを例に取ると、この切断の傾斜角は、図2に示す標準的な結晶学的方向の1つ、すなわち(六方単位格子の点に向う)
Figure 0005014117
方向または(六方単位格子の平坦な側面の中心に向かう)
Figure 0005014117
方向、あるいは異なる方向に沿わせることができる。オフアクシススライシングの結果として、作製された基板の面はプラトーとステップの周期的な配置で特徴づけることができる。例えば、本明細書に完全に記載されているかのようにその開示が本明細書に参照により組み入れてある、特許文献3を参照されたい。
したがって、エピタキシャル層が基板上で成長されるとき、堆積された原子は、結晶層のステップの露出した縁部にある原子と結合し、これによって、そのステップはいわゆるステップ・フロー方式で横方向に成長する。ステップ・フロー成長は、図3に示してある。各層またはステップは、結晶が最初にオフアクシスに切断された方向(図3に示す場合では
Figure 0005014117
方向)に成長する。
結晶学的欠陥
最も基本的なレベルにおいて、構造上の結晶学的欠陥は、4つのカテゴリーに分類することができる。これらのカテゴリーは、点欠陥、線欠陥、面欠陥および3次元欠陥である。点欠陥には空孔があり、線欠陥には転位があり、面欠陥には積層欠陥があり、また3次元欠陥にはポリタイプの包含(inclusion)がある。
転位とは、結晶中で多数の単位格子にわたって延びる、一種の構造的欠陥である。転位についてのより明確な説明では、転位は、らせん(screw)転位と刃状(edge)転位に分類される。当業者には認識されているように、現実の結晶において原子から原子(またはイオンからイオン)へと続き、それ自体に戻る対称形の経路は、バーガース(Burgers)回路と呼ばれている。その構造を類型化する格子中における同経路がそれ自体に戻らず、それによって始点と終点とが同一の原子上にない場合には、バーガース回路は1つまたは複数の転位を包含する。格子において閉回路を完成するベクトルは、バーガースベクトルと呼ばれ、転位の大きさおよび方向を示す。
バーガースベクトルが、転位の位置を特定する線と平行である場合には、その欠陥は、らせん転位と呼ばれる。反対に、バーガースベクトルが、転位と垂直である場合には、それは刃状転位と呼ばれる。刃状転位の最も簡単な形態は、一枚の余分のカードがトランプの一組(deck)に途中まで差し込まれているのに似た形で、2つの正常な平面間に織り込まれた(interwoven)原子またはイオンの不完全な平面である。
らせん転位は、必ずしも不利益ではなく、実際に、結晶の成長にとって有益である場合がある。例えば、炭化ケイ素結晶の名目上(0001)面を向いた成長表面における、1C貫通らせん転位(1C threading screw dislocation)は、1原子または数原子の高さである再生端部(regenerating edge)を提供する。この端部においては、結晶の連続成長が比較的容易である。しかしながら、転位は、結晶内で塑性流動を比較的に容易に起させる。転位は、選好的にすべり面に沿って移動する。転位は、結晶中を比較的容易に移動するが、その理由は、すべり面における移動に必要なことは、構造要素のわずかな変位だけであるからである。言い換えると、すべり面は、結晶がそれによって再構成されることができる、低エネルギー中間状態を提供する。
炭化ケイ素内の欠陥
炭化ケイ素パワーデバイスにおいては、そのような比較的低エネルギーの中間状態が利用可能なことは、転位の運動を駆動するのに必要となるであろう比較的少量のエネルギーがデバイスの動作により提供されるので、欠陥が成長し続けることを助長する。
市販品質のSiCウエハおよびエピ層は、通常、らせん転位および刃状転位の両方を含む。これらの転位は、結晶内部でのそれらの配列によってさらに分類することができる。c軸に沿って伝播する転位は、貫通転位と呼ばれ、c平面中にある転位は、底面(basal plane)転位と呼ばれる。一般に、SiCにおいて、底面転位が以下に記述するメカニズムによって部分転位に優先的に分解できることがエネルギー的に好ましい。
Figure 0005014117
上記の分解反応は、底面転位の2つのショックレー(Shockley)部分転位への分解を説明する。上記の分解中に生成される線欠陥は、積層欠陥の境界を定めることになる。実際に、部分転位は、一般に、積層欠陥が自由表面に到達しない限り、積層欠陥の全外周を覆う(bind)。この積層欠陥は、一般に、バイポーラデバイスにおいて電気的に活性であり、順方向動作中に、電子−空孔プラズマ(electron−hole plasma)の濃度が、積層欠陥の近傍において減少することがある。プラズマ濃度が減少すると、デバイスの順方向電圧が増大することがある。問題をさらに潜在的に複雑にするのは、再結合により促進される転位すべり(dislocation glide)によって、積層欠陥が、デバイスの順方向動作中に拡張し続ける可能性があることである。この挙動は、機能特性が動作中に予測不能に変化する可能性のあるデバイスをもたらす可能性があるので、デバイスの利用に対する大きな障害となりうる。
言い換えると、炭化ケイ素バイポーラデバイスを介して電流を流すと、結晶内に先在する欠陥のために、結晶構造内での変化が開始または伝播しやすい(あるいはその両方である)。上述のように、多くのSiCポリタイプが熱力学的に密に近接しており、固体相転移の可能性が非常に高い。積層欠陥がデバイスの活性領域のかなりの部分に影響を与える場合には、それらの欠陥は、多くの用途において要求または要望されるように精密におよび/または効率的に動作することを妨害する可能性がある望ましくない形で、順方向電圧を増大させる傾向がある。
ある慣習では、転位密度は、材料1立方センチメートル当りの、センチメートルで表した転位の長さによって記述され、したがって転位密度単位は、平方センチメートル当り(cm−2)ということになる。別の慣習(そして本明細書において使用する態様)においては、SiCエピ層成長のための4H−SiC基板のオフアクシスの方向付け、および転位を検出するのに使用される一般的エッチング技法によって、(やはりcm−2の単位の)エッチピット密度を使用してSiC内の転位密度を記述することがより便宜になる。したがって、当業者は、cm/cmで表わされる所与の転位密度について、ピット数/cmで表わした場合、代表的な転位の配置および基板のオフアクシス角に応じて非常に異なる転位ピット密度を得る可能性があることを理解するであろう。それゆえ、2つの数字は、同一の正味の単位(cm−2)を有することになるが、それらは必ずしも同一の実際転位密度を示すものではない。明瞭性と整合性のために、本出願においては転位密度は、ケイ素面が作製され(0001)面から8°オフアクシスの基板(silicon face prepared,8°off−axis(0001)oriented substrate)、のエッチングされたエピ表面上に描かれた(delineated)固有ピットの密度(density of specific pits)として記述する。
現在、市販されている4H−SiC基板は、本明細書で使用する慣習でcm当りほぼ1E3から1E5(約10〜10)本の転位を有することがある。これには、貫通らせん状転位および貫通刃状転位ならびに底面転位が含まれる。おそらくは、すべての種類の転位がデバイス性能に影響を与える可能性があるが、特に底面転位は、Vドリフトを発生させる可能性のある積層欠陥の有力な核生成部位であると言われている。
そしてまた、基板内の欠陥は、そのような基板上に成長したエピタキシャル層内に複製されることが多く、したがって、基板結晶の品質が、結果として得られるデバイスの品質と性能に対して非常に重要な因子となる。
従来式の基板作製およびエピ層成長の実施方法は、底面転位の密度を、基板内での1E3〜1E4cm−2から、エピ層内での約400cm−2まで、かなり効率的に低減することが可能である。この転位密度の低減は、基板作製およびエピ層成長操作の両方における変更を通じて達成することができる。
米国特許出願第10/046346号明細書(米国特許出願公開第2003-0080842 Al明細書) 米国特許出願第10/605312号明細書 米国特許第4912064号明細書 米国特許第4865685号明細書 米国特許第4981551号明細書 米国特許出願第10/046346号明細書 米国特許公開第2003/0079689号明細書 米国特許出願第10/414787号明細書 米国特許出願第09/756548号明細書 米国特許出願第10/117858号明細書 米国特許第4912063号明細書 米国特許第5679153号明細書 米国特許第6297522号明細書 米国特許第6034001号明細書 米国特許第5571374号明細書 米国特許第5227034号明細書
したがって、SiCベースのバイポーラおよび他のデバイスの構造および動作を引き続き改良するために、下にある基板およびそれらの結晶構造を引き続き改良することが望ましい。
本発明のいくつかの実施形態によれば、エピタキシャル炭化ケイ素層は、所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた炭化ケイ素基板の表面に、複数の第1の形態(feature)を形成することによって作製することができる。複数の第1の形態は、所定の結晶学的方向に非平行(すなわち、斜めまたは直角)に方向付けられた、少なくとも1つの側壁を備える。次いで、第1のエピタキシャル炭化ケイ素層が、複数の第1の形態を備える炭化ケイ素基板の表面上で成長させられる。次いで、複数の第2の形態が、第1のエピタキシャル層の表面内に形成される。この複数の第2の形態は、所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた、少なくとも1つの側壁を備える。次いで、第2のエピタキシャル炭化ケイ素層が、複数の第2の形態を備える第1のエピタキシャル層の表面上で成長させられる。第1および第2の形態は、同一のものにしても、少なくとも部分的に異なるものにしてもよい。
いくつかの実施形態においては、第1および/または第2の形態は、炭化ケイ素表面をマスキングして、次いで露出されている表面をエッチングすることによって形成される。いくつかの実施形態においては、エッチングは、ドライエッチングによって実施される。ドライエッチングは、NFおよび/またはSFなどのエッチングガスエッチングを使用して実施される。いくつかの実施形態において、NFが使用される。いくつかの実施形態において、所定の結晶学的方向は
Figure 0005014117
方向である。
いくつかの実施形態において、複数の第1および/または第2の形態は、所定の結晶学的方向に直角の方向に延びる複数のトレンチを備える。他の実施形態においては、トレンチは、所定の結晶学的方向に対して斜めに延びる。斜め方向および直角方向のトレンチを設けてもよい。他の実施形態において、複数の第1および/または第2の形態は、六角形ピットの周期的繰り返しパターンなどの複数のピットを備える。トレンチなどの第1および第2の形態は、互いに位置をずらせて(offset)もよい。
いくつかの実施形態において、第1のエピタキシャル炭化ケイ素層は、第1のエピタキシャル炭化ケイ素層が炭化ケイ素基板よりも低い底面転位密度を有するように、炭化ケイ素基板の表面上に成長させられる。さらに、本発明の他の実施形態においては、第2のエピタキシャル炭化ケイ素層は、第1のエピタキシャル炭化ケイ素層よりも低い底面転位密度を有する。
本発明のいくつかの実施形態による炭化ケイ素半導体構造は、所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられ、その表面内に複数の第1の形態を備える炭化ケイ素基板を備える。複数の第1の形態は、所定の結晶学的方向に非平行(すなわち、斜めおよび/または直角)に方向付けられた、少なくとも1つの側壁を備える。また、第1のエピタキシャル炭化ケイ素層が、複数の第1の形態を備える炭化ケイ素基板の表面上に設けられている。第2の形態が、炭化ケイ素基板に対して遠方側の、第1のエピタキシャル層の表面内に設けられ、第2のエピタキシャル炭化ケイ素層が、第1のエピタキシャル層の表面上に設けられている。
所定の結晶学的方向は、
Figure 0005014117
方向とすることができる。第1および/または第2の形態は、トレンチおよび/または凹部(depression)を備えることができ、かつ/または上述のように位置をずらせることができる。やはり上述したように、第1のエピタキシャル炭化ケイ素層は、炭化ケイ素基板よりも低い底面転位密度を有し、第2のエピタキシャル炭化ケイ素層は、第1のエピタキシャル炭化ケイ素層よりも低い底面転位密度を有することができる。
本発明の他の実施形態では、所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた炭化ケイ素基板の表面内の、複数の第1の形態の少なくとも1つの側壁からエピタキシャル成長させてエピタキシャル炭化ケイ素層を形成することによって、エピタキシャル炭化ケイ素層を作製し、この少なくとも1つの側壁は、所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられている。複数の第2の形態の少なくとも1つの側壁が、第1のエピタキシャル層の表面内にエピタキシャル成長される。この形態は、上述のように、トレンチおよび/または凹部とすることができる。
さらに、本発明の他の実施形態による方法および構造では、炭化ケイ素以外の単結晶基板を使用して、2つ以上のエピタキシャル層をその上に作製してもよい。
本発明の実施形態が示されている添付の図面を参照して、本発明を以下により詳細に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態に具現化することが可能であり、本明細書に示す実施形態に限定されると解釈すべきではない。そうではなく、これらの実施形態は、本開示を綿密で完全なものとし、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるために提示するものである。図面においては、層および領域の大きさおよび相対的大きさが、明瞭性のために誇張してある場合がある。要素または層が、別の要素または層の「上に」あると言及されるとき、要素または層は、他の要素または層の上に直接あるか、または要素または層が介在することがあることが理解されるだろう。対照的に、要素が、別の要素または層の「上に直接」あると言及されるときには、介在する要素または層は存在しない。類似の番号は、全体通して類似の要素を指す。本明細書において使用されるとき、「および/または」という用語は、関連する列挙項目の1つまたは複数の任意の組合せのすべてを含む。
本明細書において使用する用語は、特定の実施形態を記述するためだけのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書に使用するとき、単数形「a」、「an」および「the」は、文脈がそうではないことを明確に示さない限り、複数形も含むことが意図されている。さらに、本明細書で使用するとき、「含む」、「備える」という用語は、述べられた形態、整数(integer)、ステップ、動作、要素、および/または構成要素の存在を明示するが、1つまたは複数の他の形態、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および/またはそれらの群の存在または追加を除外しないことが理解されるだろう。したがって、例えば、2つの層の成長が本明細書に記載されているとしても、本発明の実施形態によって、3つ以上の層を成長させることが可能である。
第1、第2などの用語が本明細書において様々な要素、構成要素、領域、層および/または区分を記述するのに使用されることがあるが、これらの要素、構成要素、領域、層および/または区分は、これらの用語で限定されるべきでないことが理解されるだろう。これらの用語は、1つの要素、構成要素、領域、層または区分を、別の領域、層または区分と区別するためだけに使用される。したがって、以下に考察する第1の要素、構成要素、領域、層または区分は、本発明の教示から逸脱することなく、第2の要素、構成要素、領域、層または区分と名づけることができる。
さらに、「下方(lower)」または「底部(bottom)」および「上方(upper)」または「頂部(top)」などの相対的用語を、本明細書においては、図に示されているような1つの要素の別の要素に対する関係を記述するのに使用することがある。相対的用語は、図に表わされた方向付けに加えて、デバイスの異なる方向付けを包含することが意図されていることが理解されるだろう。例えば、図中のデバイスを反転した場合、他の要素の「下方」側にあると記述された要素は、他の要素の「上方」側に位置付けされることになる。したがって、例示的用語「下方」は、図の特定の方向付けに応じて「下方」および「上方」の両方の方向付けを包含することができる。同様に、1つの図中のデバイスが反転されると、他の要素の「下に(below,beneath)」あると記述された要素は、他の要素の「上に(above)」位置付けされることになる。したがって、例示的用語「下に」は、上下の方向付けの両方を包含することができる。
本明細書においては、本発明の実施形態を、本発明の理想化した実施形態の略図である断面図および/または他の図を参照して説明する。したがって、例えば、製造技法および/または公差の結果として、図示された形状からの変動が予期されるべきである。したがって、本発明の実施形態は、本明細書に示す領域の特定の形状に限定されるものと解釈すべきではなく、例えば、製造から生じる形状の偏りを含む。例えば、多角形として図示されている成長または堆積された領域は、通常、第1の領域から異なる組成の第2の領域への不連続な変化ではなく、別の領域との縁部において、丸い又は曲線状の形態および/または濃度の勾配を有する。したがって、図に示す領域は、本質的に概略的なものであり、それらの形状は、デバイスの領域の正確な形状を図示することを意図するものではなく、また本発明の範囲を限定することを意図するものでもない。
本発明のいくつかの実施形態によれば、第1の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた炭化ケイ素基板上にエピタキシャル炭化ケイ素層を作製する方法は、第1の基板表面を、パターン形成されたエッチングマスクでマスキングすること、第1の基板表面をエッチングして複数の形態を形成することであって、それぞれの形態が第1の結晶学的方向に対して斜めまたは直角の角度で方向付けられた側壁を備えること、および前記エッチングされた第1の表面上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を成長させることを含むことができる。基板は、例えば
Figure 0005014117
方向などの第1の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられている。部分的にマスキングされた基板は、NFおよび/またはSFを使用する反応性イオンエッチングなどのドライエッチングプロセスを使用してエッチングすることができる。
いくつかの実施形態において、複数の形態は、第1の結晶学的方向に対して斜めまたは直角の方向に延びる複数のトレンチを備える。その他の実施形態においては、複数の形態は、六角形の凹部の周期的繰り返しパターンを備える。
いくつかの実施形態において、基板が側壁を備える複数の形態によってパターン形成され、第1のエピタキシャル層が第1の欠陥密度で成長される。次いで、第1のエピタキシャル層が側壁を有する複数の形態によりパターン形成され、第2のエピタキシャル層が第1の欠陥密度よりも小さい第2の欠陥密度で成長される。
本発明のいくつかの実施形態による半導体構造は、第1の表面と、この第1の表面上に形成された炭化ケイ素のエピタキシャル層とを有するオフアクシス炭化ケイ素基板を備えることができる。この基板の第1の表面は、複数の形態を備え、各形態は、オフアクシス結晶学的方向に対して直角または斜めの側壁を有する。エピタキシャル層は、基板と比較して低い底面転位密度を有する。
本発明の他の実施形態は、第1の表面と、この第1の表面上に形成された炭化ケイ素の第1のエピタキシャル層とを有するオフアクシス炭化ケイ素基板を備える。この基板の表面は複数の形態を備え、各形態はオフアクシス結晶学的方向に直角または斜めの側壁を有する。第1のエピタキシャル層は、基板と比較して、低い底面転位密度を有する。第1のエピタキシャル層は複数の形態をさらに備え、各形態はオフアクシス結晶学的方向に直角または斜めの側壁を有する。第1のエピタキシャル層の上に第2のエピタキシャル層が成長される。第2のエピタキシャル層は、第1のエピタキシャル層と比較して、低い底面転位密度を有する。
本発明のいくつかの実施形態は、炭化ケイ素ベースのバイポーラデバイスにおいて積層欠陥核生成部位密度を低減する方法および/または順方向電圧(V)ドリフトを低減する方法、ならびに積層欠陥核生成部位として機能することのできる底面転位の密度を低減した炭化ケイ素構造を提供することができる。
いくつかの実施形態は、ドライエッチング、そしていくつかの実施形態ではNFおよび/またはSFの化学作用を使用した反応性イオンエッチング(RIE)などのエッチングを炭化ケイ素基板のマスキングされた表面上で実施して、エピタキシャル成長がそこから進行することのできる側壁を有する複数の構造を形成することを含む。例示的であって限定的ではないが、炭化ケイ素のドライエッチングのための技法が特許文献4および5に記載されており、その内容のすべてを参照により本明細書に組み入れる。本明細書において説明するエッチングを実施するための他の技法および化学作用は、当該技術分野において一般に広く認識されており、本発明の実施形態を説明する目的以外では、本明細書において詳細には説明しない。
用語「基板」は、本明細においては、バルク単結晶(通常ブール(boule)から切り出される)、および、1つまたは複数のエピタキシャル層を含むことができるが基本的には(必ずしも排他的ではないが)その上に形成されるデバイスのための物理的および電子的サポートの役割を果たす、ウエハなどのデバイス先駆(precursor)構造の両方を含むのに十分に広い意味で使用する。
同様に、用語「ドライエッチング」および「ウェットエッチング」は、反応性イオンもしくはプラズマエッチング(「ドライ」)または溶融塩もしくは他の溶液中でのエッチング(「ウェット」)を意味して使用することが多い。
必ずしもそうではないが一般的に基板はn型であり、これはn型基板が炭化ケイ素ベースのデバイスにおいて多くの利点をもたらすことができるためであり、cm当り約1E18〜1E19(1×1018〜1×1019)キャリヤの活性キャリヤ濃度を有することができる。基板と比較して、エピタキシャル層のキャリヤ濃度は、その目的の観点から選択(または説明)することができる。「導電性」層は、通常、1E18〜1E19cm−3のキャリヤ濃度を有する。「ブロッキング」層は、通常、1E16cm−3未満のキャリヤ濃度を有することができる。「活性」層は、最終デバイスの構造または目的に応じて、これらのパラメータの間のキャリヤ濃度を有することができる。したがって、n、n+およびn−などの用語を、基板およびエピ層の両方を記述するのに使用することができるが、そのような用語は、限定的ではなく説明的な意味で考えるべきである。
デバイスがその上に形成される炭化ケイ素基板は、通常、炭化ケイ素ブールから炭化ケイ素基板ウエハをソーイングするステップ、およびその後に基板ウエハ上で非選択的エッチングを実行するステップによって、より大きな結晶(または「ブール」)から取り出すことができる。ほとんどの状況においては、ソーイングされた基板ウエハは、本発明のいくつかの実施形態による第1のパターン形成されたエッチングを実施する前に、ラッピング、研磨、エッチング(通常はRIE)、および(酸または溶媒による)洗浄が行われる。「ラッピングされた」という用語は、その典型的な意味、すなわち逆回転する(counter−rotating)ラップ盤と研磨剤(例えば、ダイアモンド)スラリーとを使用してウエハ表面を平坦化するステップを記述するのに使用される。ラッピングは、ウエハ表面を平行にするのを助け、鋸模様などの機械的欠陥を低減することができる。同様に、研磨、エッチングおよび洗浄のステップは、本発明のステップの前に、従来方式の別の方法で実行することもできる。
本発明のいくつかの実施形態は、エピ層内の底面転位の密度を有利に低減することができる。このような底面転位密度の低減は、先に組み入れた特許文献6において考察されている、活性デバイス領域を基板および表面欠陥と隔離するために特定された手段と組み合わせることができ、SiCバイポーラデバイスを得るのに使用してもよい。
本発明のいくつかの実施形態を実施することのできる堆積システム101を、図4の平面図に図式的に示してある。堆積システム101は、サセプタアセンブリ100、貫通路180Aを画定する石英(quartz)管180、電磁周波数(EMF)発生器182(例えば、電源および管180を包囲するRFコイルを備える)、およびプロセスガスサプライ160を備える、水平、ホットウォール型、流入式(flow through)、CVDシステムとすることができる。石英管180に加えて又はその代わりに、絶縁カバーをサセプタアセンブリ100のまわりに設けてもよい。堆積システム101は、基板120(図5)上に層または膜を形成するのに使用することができる。図5には単一の基板120だけを示してあるが、システム101は、複数の基板120上に膜を同時に形成するように適合させることができる。
基板120は、堆積させようとする層の材料と同一または異なる材料によって形成されたウエハまたは他の構造とすることができる。基板120は、例えば、2H−、4H−または6H−SiCで形成することができる。膜をその上に堆積させる基板表面は、基礎となる基板とするか、または基礎となる基板上に重ねられた第1の若しくはその次の層とすることができる。例えば、堆積膜を支えるための基板120の表面は、堆積システム101または代替装置を使用して先に堆積させた層としてもよい。当業者であれば本開示に照らして理解するように、本発明の実施形態は、本明細書に具体的に言及した半導体材料以外のものについて有利に利用することができる。
一般的に、プロセスガスサプライ160は、以下に考察するように、プロセスガスをサセプタアセンブリ100中に供給してそこを通過させる。EMF発生器182は、サセプタアセンブリ100を誘導加熱して、サセプタアセンブリ100内に堆積反応が起こるホットゾーンをもたらす。プロセスガスは、継続してサセプタアセンブリ100を通過して、排出ガスとしてそこから出るが、この排出ガスは、プロセスガスの残留成分に加えて、例えば反応副生成物を含むことがある。本発明の実施形態は、ホットウォールCVDシステム以外の形式の堆積システムを使用することもできる。本発明のシステムおよび方法に対する他の修正は、本明細書の説明を読めば当業者には明白となるであろう。
プロセスガスは、試薬、反応物質、化学種(species)、キャリヤなどの1種または複数の成分を含んでもよい。基板上にSiC層を形成することが望ましい場合、プロセスガスは、精製水素ガス(H)などのキャリヤガスと共に、シラン(SiH)およびプロパン(C)などの前駆体ガスを備えることができる。プロセスガスサプライ160は、必要に応じて流量制御装置および/または計量装置を有する、1つまたは複数のガス加圧容器から供給することができる。
例示的な従来型サセプタ100を図5に示してある。サセプタ100は、例えば図4に示したようなホットウォール、および/またはCVD反応器を通過する流れの中で使用することができる。サセプタ100は、頂部サセプタ部材100Aおよび底部サセプタ部材100Bを有する。また、サセプタ100は、反応チャンバ107を画定する頂部ライナ103および底部ライナ105を有する。半導体ウエハなどの基板120を、反応チャンバ107内に配置し、例えば、(回転することができる)プラター154の内部表面上に設置することができる。プロセスガスPは、一端で反応チャンバ107に導入され、基板120を過ぎて反応チャンバ107を通過して、最終的に、反対端で反応チャンバ107から排出される。本明細書において使用する場合、プロセスガスという用語は、1種または複数種のガスを意味する。図5に示すような反応チャンバ107内の矢印で示すように、プロセスガスが反応チャンバ107を通過するときに、プロセスガスの一部分が、意図されるように基板120と接触して、それによって基板120上に試薬または反応物質を堆積して、その上に層を形成する。いくつかのシステムにおいて、反応チャンバ107は、長さを約0.1〜1mの間、幅を約0.05〜0.5mの間、そして高さを約1〜10cmの間にすることができる。しかしながら、反応チャンバ107は、これらの寸法に限定されるものではない。サセプタ部材としては、高品質グラファイトを挙げることができる。サセプタの設計を含むCVD堆積システムの例が、特許文献7および8に記載されており、両者のすべては参照により本明細書に組み入れてある。
ある特定の実施形態においては、サセプタ部材100A、100Bは、EMF発生器182によってその中に生成される渦電流に応じて熱を生成するのに好適な材料で形成されており、そのような材料および誘導加熱設備は当業者には周知である。これらの部材は、グラファイト、より好ましくは高純度グラファイトで形成することができる。
プラター154その他を、底部部材100Bと基板120の間に設置して、基板120を支持してもよい。いくつかの実施形態によれば、プラター154は、適当な機構(図示せず)によって回転するように駆動してもよい。例えば、そのシステムには、特許文献9および/または特許文献10に記載されているようなガス駆動回転システムを含めてもよく、これらの開示のすべてを参照により本明細書に組み入れる。代替的に、プラター154は静止させてもよい。プラター154は、1つまたは複数の基板120を保持するように適合させてもよい。プラター154は、SiC被覆グラファイト、固体SiCおよび/または固定SiC合金などの好適な材料のうちの任意のもので形成することができる。プラター154を省略して、基板が、サセプタ部材100B、ライナ105、またはその他適当な支持体の上に支持されるようにしてもよい。
使用に際しては、プロセスガスサプライ160は、プロセスガスPの流れを、取入開口102を介して反応チャンバ107に供給する。プロセスガスPは、概して、流れ方向Rに流れる。図に示すように、プロセスガスの一部およびその中の試薬は、基板120と接触して、基板120の露出された表面上に所望の層(例えば、エピ層)を形成する。
前述の堆積システム101および方法は、水平、ホットウォール、CVD、流入式堆積プロセスに関係して説明したが、本発明の様々な態様は、他の形式の堆積システムおよびプロセスに使用することができる。特定の実施形態を、「頂部」、「底部」などを参照して説明したが、他の方向付けおよび構成も本発明に従って利用することができる。例えば、この堆積システムおよび方法は、コールドウォールおよび/または非水平流入式システムおよびプロセスとしてもよい。この堆積システムおよびプロセスは、CVDシステムまたはプロセスではなく、気相エピタキシ(VPE)、液相エピタキシ(LPE)、またはプラズマCVD(PECVD)堆積システムおよびプロセスとしてもよい。
次に図6を参照すると、1つまたは複数のエピタキシャル層がその上に成長される単結晶炭化ケイ素基板ウエハ10は、一般的に円形の外周を有する。1対のフラット(flat)が、ウエハ中にフライス加工(milling)されて、ウエハの方向付けを支援する。特に、ウエハ10は、一次フラット12および2次フラット14を備える。ウエハの表面16は、一般に、ウエハが
Figure 0005014117
方向に向かってオフアクシス角αで切断されていることを除いて、炭化ケイ素結晶のc面に対応する。このオフアクシス角αは、いくつかの実施形態において約8°である。1次フラット12は、
Figure 0005014117
方向に沿って延びるのに対して、2次フラット14は、
Figure 0005014117
方向に沿って方向付けられている。
いくつかの実施形態においては、エピタキシャル成長の前に、ウエハ10の表面16はマスキングおよびエッチングされて、所定のパターンがその中に形成される。SiO、Si、インジウム錫酸化物(ITO)および/または他の従来のマスキング材料をからなる従来のマスクを使用することができる。これらのマスクは、従来の技法を使用して、作製およびパターン形成することができる。エッチングプロセスは、上述のように反応性イオンエッチングを含むことができる。他の実施形態においては、マスクレスエッチングおよび/または選択的成長技法を使用して、基板内に複数の形態を形成することができる。さらに他の実施形態においては、レーザーパターニングを使用して、基板内に複数の形態を形成することができる。このパターンは、複数の形態を備え、これらの形態は、ステップ・フローエピタキシャル成長が生じる結晶学的方向に対して斜めまたは直角(すなわち、非平行)に方向付けられた少なくとも1つの側壁を備える。図示した実施形態においては、ウエハ10は、
Figure 0005014117
方向に向かってオフアクシスに切断されており、したがって、エピタキシャル成長は、
Figure 0005014117
方向に生じる。したがって、図示した実施形態においては、ウエハは、
Figure 0005014117
結晶学的方向に斜めまたは直角に方向付けられた少なくとも1つの側壁を備える複数の形態を備える。
例示的なエッチングパターンを図7Aに示してあり、これは、エッチング後のウエハ10の表面の一部分25の拡大図の理想化した概略図である。そこに図示されている「ように、ウエハ10の表面16は、そこにエッチングされた、複数の周期的に繰り返される六角形ピット20を備える。それぞれのピットは、6つの側壁22に包囲されている。図7Aに示す実施形態を含むいくつかの実施形態において、少なくとも1つのピット20が、またいくつかの実施形態においてはそれぞれのピット20が、その側壁の2つがエピタキシャル成長の起こる結晶学的方向(この場合には、
Figure 0005014117
方向)にほぼ平行に延びるのと同時に、残りの4つの側面がエピタキシャル成長が起こる結晶学的方向に対して斜めになるように方向付けられている。他の実施形態においては、少なくとも1つのピット20が、その側壁の2つがエピタキシャル成長の起こる結晶学的方向にほぼ直角に延びると同時に、残りの4つの側面がエピタキシャル成長の起こる結晶学的方向に対して斜めになるように方向付けられている。
六角形ピット20を、図7Bに詳細に示してある。ピット20は、対向する側壁の対22a、22b、22cを備える。このピット20は、対向する頂点の間を六角形の中心を通過して延びる主軸24と、対向する側面の間を六角形の中心を通過して延びる副軸26とによってさらに特徴づけられる。
いくつかの実施形態において、六角形ピット20の深さを約0.1〜約1μm、主軸を約5〜約30μmとすることができる。特定の実施形態において、ピット20の深さを0.5μmとし、その主軸は約10μmにすることができる。いくつかの実施形態においては、ピット20は、主軸と深さとの比が約20:1である。側壁22の幅は、約0.25〜5μmとすることができる。特定の実施形態においては、側壁の幅を約4μmにすることができる。
図8A〜8Cは例示的構造を示す。図8Aは、周期的六角形ピット構造を備える、本発明のいくつかの実施形態によってパターン形成された炭化ケイ素ウエハの表面の干渉法により導出したトポグラフィ表現である。図8Bは、線分B−Bに沿った深さプロファイルであり、図8Cは線分C−Cに沿った深さプロファイルである。図8A〜8Cに示した構造は、主軸が約9.73μm、深さが約0.5μm、および側壁幅が約4μmである。
本発明の範囲から逸脱することなく、その他の寸法を選択することもできる。例えば、上述の例示的寸法は、約8°のオフアクシス角αを仮定しており、これは現在の理解と能力に基づいて選択されたものである。異なるオフアクシス角を使用する場合には、他の寸法を使用して、欠陥低減の程度を増大または最大化することができる。
本発明の他の実施形態においては、六角形に加えて、その他の形態形状を使用することもできる。これらの形態としては、例えば、線、ヘリングボーン(herringbone)パターン、または他の多角形が挙げられる。図9Aは、メサストライプ(mesa stripe)34によって離隔された一連のトレンチ32が、例えば反応性イオンエッチングによって形成された基板30の一部を示している。トレンチ32は、ステップ・フローエピタキシャル成長が起こる結晶学的方向、この場合には
Figure 0005014117
方向に対して直角に延びる、対向する側壁32A、32Bを備える。いくつかの実施形態においては、側壁は、ステップ・フローエピタキシャル成長が起こる結晶学的方向に対して斜めに配列されている。
図9Bは、他の実施形態によるトレンチ32およびメサ34を示している基板30の側面図である。いくつかの実施形態において、トレンチ32の幅は約10〜約40μmとすることができる。特定の実施形態においては、トレンチ32の深さを約0.5μm、幅を約18μmとすることができる。いくつかの実施形態においては、トレンチ32の幅と深さとの比は約36:1とすることができる。メサ34の幅は約0.25〜5μmとすることができる。特定の実施形態においては、メサ34の幅は約3μmとすることができる。図9Bの側面図には、マスク36も示してある。
側壁32A、32Bは、図9Bに示すようにトレンチ32のフロア32Cに対して垂直とすることができ、または図9Cに示すようにフロア32Cに対して角度をつけることもできる。さらに、側壁32A、32Bは、図のように直線とするか、または曲線部分を備えていてもよい。同様に、六角形または他の多角形などの他の形態形状に関して、形態の側壁は、基板に対して垂直にするかまたは角度をつけることができ、加えて直線または曲線の部分を備えることができる。例えば、このような構造は、図9Cに示すように側壁32A、32Bがトレンチフロア32Cに対して角度がつくようにエッチングすることができる。この場合には、メサ34の頂部34Aは、その基部(base)よりも幅が狭い。いくつかの実施形態においては、リソグラフィおよび/または他の技法に応じて、メサの幅は約0〜約5μmにすることができる。
ウエハをエッチングし、上述のように表面形態をその中に形成して、任意選択でマスクを除去した後に、ウエハは、上述の反応器100のようなエピタキシャル成長反応器中に配置され、炭化ケイ素の1つまたは複数のエピタキシャル層がウエハ上に成長される。上述のように、オフアクシスウエハ上での炭化ケイ素のエピタキシャル成長は、そのオフアクシス切断の方向にステップ・フロー式で進行することができる。正確なメカニズムは完全には理解されていないが、現在の理解では、基板結晶内を伝播するいくつかの底面転位は、表面形態のエッチングされた側壁において遮られるか、または異なる型の転位に変換されて、底面転位としてエピタキシャル層中に伝播することが防止または抑制される。一部の底面転位が、エピタキシャル層中に底面転位として伝播するのを防止されるので、それらの転位は、電気的に活性な積層欠陥を形成することのできる、ショックレー部分転位によって囲まれた積層欠陥に分解され難くなる。
パターン形成された基板からのエピタキシャル成長が、図10に示してある。基板30は、その表面上に複数のトレンチ32を備える。エピタキシャル層40が、基板の表面からステップ・フロー式に成長する。本発明のいくつかの実施形態によれば、トレンチ32の側壁32Aから核生成して成長する領域42は、メサ側壁から核生成して成長することのない領域44と比較して、底面欠陥密度を低くすることができる。特に、領域42は、底面欠陥密度を10分の1程度にすることができる。
図10に示すように、欠陥減少から利益を受けるエピタキシャル層40の割合は、形態の幾何学形状に依存する。特に側壁の高さ、幅および/または間隔がその割合に影響を与える。底面欠陥密度の大きな低減をもたらすために、最初のエピタキシャル層の成長の後に、第2の形態形成およびエピタキシャル層成長サイクルを実施することが望ましい。図11に示すように、基板30はその中にエッチングされたトレンチ32を備える。第1のエピタキシャル層40は基板30の上に成長され、第1のエピタキシャル層40は、底面欠陥密度を低減された領域42を備え、この領域は、底面欠陥密度の低減されていない可能性のある領域44と交互している。第1のエピタキシャル層40が所定の厚さまで成長された後に、基板は、再びマスキングおよびエッチングされて、側壁52Aを有するトレンチ52を形成し、トレンチ52は、いくつかの実施形態おいては領域44にかかる(span)側壁52Aを有している。トレンチ52は、トレンチ42と同じ寸法とするか、またはトレンチ52の少なくとも一部がトレンチ42の少なくとも一部と異なる寸法となるようにすることができる。次いで、エピタキシャル層50がその上に成長される。層50の底面転位密度は、層40の底面転位密度に対して、低減させることができる。図11に示す実施形態においては、トレンチ52が、基板30に形成されたトレンチ32の直上に形成されている。図12に示すように、エピタキシャル層40内に形成されたトレンチ52は、基板30に形成されたトレンチ32から位置をずらすことができる。図13は、下にあるメサ34から位置がずらされているメサ54を備える炭化ケイ素ウエハの表面の一部の写真である。
図14は、本発明の実施形態による、6角形にエッチングされた表面上に成長されたエピタキシャル層表面のノマルスキー(Nomarski)顕微鏡写真である。図15は、本発明の実施形態による、ラインエッチングされた表面上に成長したエピタキシャル層の表面のノマルスキー顕微鏡写真である。
第1および/または第2のエピタキシャル層を形成した後に、バイポーラデバイスなどの1つまたは複数の電子デバイスを、当業者には周知の技法を用いて、第1および/または第2のエピタキシャル炭化ケイ素層内に作製することができる。バイポーラデバイスなどの電子デバイスの作製は、当業者には周知であり、本明細書においてさらに説明する必要がない。これらのデバイスは、明瞭性のために図10〜12には示していない。さらに、形態形成およびエピタキシャル成長ステップを3回以上繰り返して実施することができることが理解されるだろう。
本明細書において参照する技法は、それぞれ当該技術においてよく認知かつ理解されており、必要以上の実験を行うことなく実施することができる。本明細書において開始構造(starting structure)として使用することのできる型の単結晶炭化ケイ素ウエハは、クリー社(Cree,Inc. 4600 Silicon Drive,Durham,North Carolina 27706)により市販されている。炭化ケイ素エピタキシャル層の成長は、特許文献11、特許文献3、特許文献12、13に記載のものなどの技法を用いて実施することができる。炭化ケイ素のドライエッチイングおよび電解腐食(electrolytic etching)は、特許文献14、15、16、5、4に記載されている。溶融(molten)水酸化カリウムをエッチャントとして使用して、半導体表面を識別して特徴づけることは、よく理解されており、ASTM標準として表わされたバージョンを含む(例えば、ASTM F1404.92)。基板ウエハの切断、機械研磨およびラッピングも、当該技術において完全に従来からあるものである。
図面および明細書において、本発明の代表的な実施形態を開示し、特定の用語を使用したが、それらは、限定の目的ではなく、一般的で記述的な意味のみで使用したものであり、本発明の範囲は添付の請求の範囲に記載されている。
六方晶の単位格子構造の概略図である。 標準的な結晶学的方向を示している六方晶単位格子の上面図である。 オフアクシス炭化ケイ素結晶の概略側面図である。 エピタキシャル堆積システムの概略図である。 図4の堆積システムの一部となることのできるサセプタアセンブリの断面図である。 本発明のいくつかの実施形態により処理された、SiCウエハの概略図である。 本発明のいくつかの実施形態により処理されたSiCウエハの表面の一部分の拡大図である。 本発明のいくつかの実施形態により処理されたSiCウエハの表面の一部分の拡大図である。 周期的六角形ピット構造を有する、本発明のいくつかの実施形態によりパターン形成された炭化ケイ素ウエハの表面の、干渉法により導出したトポグラフィ表現である。 図8Aの線分B−Bに沿った深さプロファイルである。 図8Aの線分C−Cに沿った深さプロファイルである。 周期的トレンチ構造を有する、本発明のいくつかの実施形態によってパターン形成された炭化ケイ素ウエハの表面の概略平面図である。 図9Aに示す構造の概略立面図である。 図9Aに示す構造の代替実施形態の概略立面図である。 本発明のいくつかの実施形態による構造の概略立面図である。 本発明のいくつかの実施形態による構造の概略立面図である。 本発明のいくつかの実施形態による構造の概略立面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるSiCエピタキシャル層の表面の顕微鏡写真である。 本発明のさらに別の実施形態によるSiCエピタキシャル層の表面の顕微鏡写真である。 本発明のさらに別の実施形態によるSiCエピタキシャル層の表面の顕微鏡写真である。

Claims (47)

  1. (0001)面から所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた炭化ケイ素基板の表面内に複数の第1の形態を形成するステップであって、前記複数の第1の形態は、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第1の側壁を備えるステップと、
    前記複数の第1の形態を備える前記炭化ケイ素基板の表面上に、前記少なくとも1つの第1の側壁の深さよりも大きい厚さまで第1のエピタキシャル炭化ケイ素層を成長させて、第1の平面外部表面を形成するステップと、
    前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の前記第1の平面外部表面内に複数の第2の形態を形成するステップであって、前記複数の第2の形態は、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第2の側壁を備えるステップと、
    前記複数の第2の形態を備える前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の前記第1の平面外部表面上に、前記少なくとも1つの第2の側壁の深さよりも大きい厚さまで第2のエピタキシャル炭化ケイ素層を成長させて、第2の平面外部表面を形成するステップと
    を含むことを特徴とするエピタキシャル炭化ケイ素層の作製方法。
  2. 前記複数の第1の形態を形成するステップは、
    前記(0001)面から所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた前記炭化ケイ素基板の表面をマスキングするステップと、
    前記マスキングによって露出される前記炭化ケイ素基板の表面をエッチングして、マスキングされた炭化ケイ素基板の表面内に前記複数の第1の形態を形成するエッチングステップと
    を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記エッチングステップは、マスキングされた前記炭化ケイ素基板の表面を、NFおよび/またはSFを使用してドライエッチングするステップを含むことを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 前記所定の結晶学的方向は、
    Figure 0005014117
    方向であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 前記複数の第1の形態を形成するステップは、前記(0001)面から所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた前記炭化ケイ素基板の表面内に、複数のトレンチを形成するステップであって、前記複数のトレンチは、前記所定の結晶学的方向に対して斜めおよび/または直角に延びるとともに、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第1の側壁を備えるステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 前記複数の第1の形態を形成するステップは、前記(0001)面から所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた前記炭化ケイ素基板の表面内に複数の凹部を形成するステップを含み、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第1の側壁を備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  7. 前記複数の凹部は、六角形ピットの周期的繰り返しパターンを備えることを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 前記複数の第2の形態を形成するステップは、
    前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の前記第1の平面外部表面をマスキングするステップと、
    前記マスキングによって露出される前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の前記第1の平面外部表面をエッチングして、マスキングされた前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層内に前記複数の第2の形態を形成するエッチングステップと
    を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  9. 前記エッチングステップは、マスキングされた前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層を、NFおよび/またはSFを使用してドライエッチングするステップを含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 前記複数の第2の形態を形成するステップは、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の第1の平面外部表面内に複数のトレンチを形成するステップであって、前記複数のトレンチは、前記所定の結晶学的方向に対して斜めおよび/または直角に延びるとともに、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第2の側壁を備えるステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  11. 前記複数の第2の形態を形成するステップは、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の前記第1の平面外部表面内に複数の凹部を形成するステップを含み、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第2の側壁を備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  12. 前記複数の凹部は、六角形ピットの周期的繰り返しパターンを備えることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
  13. 前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層を成長させるステップは、前記複数の第1の形態を備える前記炭化ケイ素基板の表面上に前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層を成長させて、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層が、前記炭化ケイ素基板よりも低い底面転位密度を有するようにするステップを含み、
    前記第2のエピタキシャル炭化ケイ素層を成長させるステップは、前記複数の第2の形態を備える前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の前記第1の平面外部表面上に前記第2のエピタキシャル炭化ケイ素層を成長させて、前記第2のエピタキシャル炭化ケイ素層が、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層よりも低い底面転位密度を有するようにするステップを含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  14. 前記第1および第2の形態は、互いに横方向に位置をずらされていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  15. 前記第2のエピタキシャル炭化ケイ素層内に半導体デバイスを形成するステップ
    をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  16. (0001)面から所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられ、複数の第1の形態を備える炭化ケイ素基板であって、前記複数の第1の形態は、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第1の側壁を備える炭化ケイ素基板と、
    前記複数の第1の形態を備える前記炭化ケイ素基板の表面上の第1のエピタキシャル炭化ケイ素層であって、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層は、前記少なくとも1つの第1の側壁の深さよりも厚く、かつ前記炭化ケイ素基板に対して遠方側の表面内に複数の第2の形態を備え、前記複数の第2の形態は、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第2の側壁を備える第1の炭化ケイ素層と、
    前記複数の第2の形態を備える前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の表面上にあり、前記少なくとも1つの第2の側壁の深さよりも厚い第2のエピタキシャル炭化ケイ素層と
    を備えることを特徴とする炭化ケイ素半導体構造。
  17. 前記所定の結晶学的方向は
    Figure 0005014117
    であることを特徴とする請求項16に記載の構造。
  18. 前記複数の第1の形態は、前記所定の結晶学的方向に対して斜めおよび/または直角に延びるとともに前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第1の側壁を備える複数のトレンチを備えることを特徴とする請求項16に記載の構造。
  19. 前記複数の第1の形態は、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第1の側壁を備える、複数の凹部を備えることを特徴とする請求項16に記載の構造。
  20. 前記複数の凹部は、六角形ピットの周期的繰り返しパターンを備えることを特徴とする請求項19に記載の構造。
  21. 前記複数の第2の形態は、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の表面内の複数のトレンチを備え、前記複数のトレンチは、前記所定の結晶学的方向に対して斜めおよび/または直角に延びるとともに、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第2の側壁を備えることを特徴とする請求項16に記載の構造。
  22. 前記複数の第2の形態は、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の表面内の複数の凹部を備え、前記複数の凹部は、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第2の側壁を備えることを特徴とする請求項16に記載の構造。
  23. 前記複数の凹部は、六角形ピットの周期的繰り返しパターンを備えることを特徴とする請求項22に記載の構造。
  24. 前記エピタキシャル炭化ケイ素層は、前記炭化ケイ素基板よりも低い底面転位密度を有することを特徴とする請求項16に記載の構造。
  25. 前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層は、前記炭化ケイ素基板よりも低い底面転位密度を有し、前記第2のエピタキシャル炭化ケイ素層は、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層よりも低い底面転位密度を有することを特徴とする請求項16に記載の構造。
  26. 前記第1および第2の形態は、互いに横方向に位置がずらされていることを特徴とする請求項16に記載の構造。
  27. 前記第2のエピタキシャル炭化ケイ素層の上の半導体デバイスをさらに備えることを特徴とする請求項16に記載の構造。
  28. (0001)面から所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた単結晶炭化ケイ素基板の表面内に、複数の第1の形態を形成するステップであって、前記複数の第1の形態は少なくとも1つの第1の側壁を備えるステップと、
    前記複数の形態を備える前記単結晶炭化ケイ素基板の表面上に、前記少なくとも1つの第1の側壁の深さよりも大きい厚さまで第1のエピタキシャル炭化ケイ素層を成長させて、第1の平面外部表面を形成するステップと、
    前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の前記第1の平面外部表面内に、複数の第2の形態を形成するステップであって、前記複数の第2の形態は少なくとも1つの第2の側壁を備えるステップと、
    前記複数の第2の形態を備える前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の前記第1の平面外部表面上に、前記少なくとも1つの第2の側壁の深さよりも大きい厚さまで第2のエピタキシャル炭化ケイ素層を成長させて、第2の平面外部表面を形成するステップと
    を含むことを特徴とするエピタキシャル炭化ケイ素単結晶層を作製する方法。
  29. 前記複数の第1の形態を形成するステップは、
    前記(0001)面から所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた前記単結晶炭化ケイ素基板の表面をマスキングするステップと、
    マスキングされた前記単結晶炭化ケイ素基板の表面をエッチングして、マスキングされた単結晶炭化ケイ素基板の表面内に前記複数の第1の形態を形成するエッチングステップと
    を含むことを特徴とする請求項28に記載の方法。
  30. 前記複数の第2の形態を形成するステップは、
    前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の前記第1の平面外部表面をマスキングするステップと、
    マスキングされた前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の前記第1の平面外部表面をエッチングして、マスキングされた第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の表面内に前記複数の第2の形態を形成するステップと
    を含むことを特徴とする請求項28に記載の方法。
  31. 前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層を成長させるステップは、前記複数の第1の形態を備える前記単結晶炭化ケイ素基板の表面上に、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層を成長させて、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層が、前記単結晶炭化ケイ素基板よりも低い底面転位密度を有するようにするステップを含み、
    前記第2のエピタキシャル炭化ケイ素層を成長させるステップは、前記複数の第2の形態を備える前記第1の層の前記第1の平面外部表面上に、前記第2の炭化物層を成長させて、前記第2のエピタキシャル炭化ケイ素層が、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層よりも低い底面転位密度を有するようにするステップを含む
    ことを特徴とする請求項28に記載の方法。
  32. 前記第1および第2の形態は、互いに横方向に位置をずらされていることを特徴とする請求項28に記載の方法。
  33. (0001)面から所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられ、表面内に複数の第1の形態を備える単結晶炭化ケイ素基板であって、前記複数の第1の形態は、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第1の側壁を備える単結晶炭化ケイ素基板と、
    前記複数の第1の形態を備える前記単結晶炭化ケイ素基板の表面上の第1のエピタキシャル炭化ケイ素層であって、前記少なくとも1つの第1の側壁の深さよりも厚く、かつ前記単結晶炭化ケイ素基板に対して遠方側の表面内に複数の第2の形態を備え、前記複数の第2の形態は、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第2の側壁を備える第1のエピタキシャル炭化ケイ素層と、
    前記複数の第2の形態を備える前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の表面上にあり、前記少なくとも1つの第2の側壁の深さよりも厚い第2のエピタキシャル炭化ケイ素層と
    を備えることを特徴とする半導体構造。
  34. 前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層は、前記単結晶炭化ケイ素基板よりも低い底面転位密度を有することを特徴とする請求項3に記載の構造。
  35. 前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層は、前記単結晶炭化ケイ素基板よりも低い底面転位密度を有し、前記第2のエピタキシャル炭化ケイ素層は、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層よりも低い底面転位密度を有することを特徴とする請求項3に記載の構造。
  36. 前記第1および第2の形態は、互いに横方向に位置をずらされていることを特徴とする請求項3に記載の構造。
  37. (0001)面から所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた炭化ケイ素基板の表面内の複数の第1の形態の少なくとも1つの第1の側壁から、前記少なくとも1つの第1の側壁の深さよりも大きい厚さまでエピタキシャル成長させて、第1のエピタキシャル炭化ケイ素層を形成するステップであって、前記少なくとも1つの第1の側壁は前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられているステップと、
    前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の表面内の複数の第2の形態の少なくとも1つの第2の側壁から、前記少なくとも1つの第2の側壁の深さよりも大きい厚さまでエピタキシャル成長させて、第2のエピタキシャル炭化ケイ素層を形成するステップであって、前記少なくとも1つの第2の側壁は、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられているステップと
    を含むことを特徴とするエピタキシャル炭化ケイ素層を作製する方法。
  38. 前記所定の結晶学的方向は、
    Figure 0005014117
    方向であることを特徴とする請求項3に記載の方法。
  39. 前記複数の第1の形態は、前記(0001)面から所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた前記炭化ケイ素基板の表面内の複数のトレンチを備え、前記複数のトレンチは、前記所定の結晶学的方向に対して直角に延びるとともに、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第1の側壁を備えることを特徴とする請求項3に記載の方法。
  40. 前記複数の第1の形態は、前記(0001)面から所定の結晶学的方向に向かってオフアクシスに方向付けられた前記炭化ケイ素基板の表面内の複数の凹部を備え、前記複数の凹部は、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第1の側壁を備えることを特徴とする請求項3に記載の方法。
  41. 前記複数の凹部は、六角形ピットの周期的繰り返しパターンを備えることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  42. 前記複数の第2の形態は、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の表面内の複数のトレンチを含備え、前記複数のトレンチは、前記所定の結晶学的方向に対して直角に延びるとともに、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第2の側壁を備えることを特徴とする請求項3に記載の方法。
  43. 前記複数の第2の形態は、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層の表面内の複数の凹部を備え、前記複数の凹部は、前記所定の結晶学的方向に対して非平行に方向付けられた少なくとも1つの第2の側壁を備えることを特徴とする請求項3に記載の方法。
  44. 前記複数の凹部は、六角形ピットの周期的繰り返しパターンを備えることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  45. 前記エピタキシャル炭化ケイ素層は、前記炭化ケイ素基板よりも低い底面転位密度を有することを特徴とする請求項3に記載の方法。
  46. 前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層は、前記炭化ケイ素基板よりも低い底面転位密度を有し、
    前記第2のエピタキシャル炭化ケイ素層は、前記第1のエピタキシャル炭化ケイ素層よりも低い底面転位密度を有する
    ことを特徴とする請求項3に記載の方法。
  47. 前記第1および第2の形態は、互いに横方向に位置をずらされていることを特徴とする請求項3に記載の方法。
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