JP5573725B2 - 立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法に関するものである。

ワイドバンドギャップ半導体である炭化珪素（ＳｉＣ）は、従来のシリコン（Ｓｉ）と比べて２倍以上のバンドギャップを有しており、高耐圧デバイス用の材料として注目されている。このＳｉＣは結晶形成温度がＳｉと比べて高温であるため液相からの引上げ法による単結晶インゴットの形成が困難であり、昇華法による単結晶インゴットの形成がなされている。しかしながら、昇華法においては大口径で結晶欠陥の少ないＳｉＣ基板を形成することが非常に難しい。このため、現在市販化されているＳｉＣ基板の口径は３〜４インチであり、その価格も非常に高価になっている。

ＳｉＣの種類には、その結晶構造によって、立方晶（３Ｃ‐ＳｉＣ）や六方晶（４Ｈ‐ＳｉＣ、６Ｈ‐ＳｉＣ）のＳｉＣがある。この中でも立方晶の結晶構造を有するＳｉＣ（３Ｃ‐ＳｉＣ）は比較的に低温で形成可能であり、Ｓｉ基板上に直接エピタキシャル成長を行うことができる。そこで、ＳｉＣ基板の大口径化の手段としてＳｉ基板の上面に３Ｃ‐ＳｉＣを結晶成長させるヘテロエピタキシャル技術が検討されている。ところが、Ｓｉ、３Ｃ‐ＳｉＣの格子定数はそれぞれ０．５４３ｎｍ、０．４３６ｎｍと約２０％の差があるため、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜を得ることが難しい。

さらに、Ｓｉ基板の上面に３Ｃ‐ＳｉＣ層を形成するときの処理温度が高いため、Ｓｉ基板からＳｉが昇華し、Ｓｉ基板の表面の平坦性が悪くなることがある。また、Ｓｉ基板表面からのＳｉの昇華が激しくなると、３Ｃ−ＳｉＣ層の成長が阻害されることもある。

このような問題を解決するための技術が検討されており、例えば、非特許文献１では、Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ層を形成する前に炭素原料ガスを流しながら熱処理を行い、Ｓｉ基板の表面を炭化処理することにより、Ｓｉ基板表面からのＳｉの昇華を抑えてＳｉ基板上への３Ｃ−ＳｉＣ層の形成を可能にしている。

G.Ferro,et al.,”Atomic force microscopy growth modeling of SiC bufferlayers on Si(100) and quality optimization”,J.Appl.Phys.80(8),p.4691,(1996)

しかしながら、Ｓｉ基板の表面を炭化処理してＳｉ基板上へ３Ｃ−ＳｉＣ層を形成した場合においても、３Ｃ−ＳｉＣ層に結晶欠陥、ピンホール等が生じることを完全に抑えることは困難である。３Ｃ−ＳｉＣ層に結晶欠陥、ピンホール等が生じると、この欠陥部分によりＳｉ基板表面からＳｉが昇華してＳｉ基板に空孔が形成され、３Ｃ‐ＳｉＣ層に結晶欠陥が生じることがある。

本発明の一態様は、結晶欠陥の少ない高品質な３Ｃ−ＳｉＣ層を形成することが可能な立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法を提供するものである。

上記の課題を解決するため、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法は、炭素原料ガスを導入し、シリコン基板の温度を第１の温度範囲の温度にして、前記シリコン基板の表面に炭化層を形成することと、前記炭素原料ガスの導入を止めて前記シリコン基板の温度を、前記第１の温度範囲の温度よりも低い第２の温度範囲の温度に下降させることと、前記シリコン基板の温度が前記第２の温度範囲の温度となったところで、シリコン原料ガスを導入し、前記シリコン基板と前記炭化層との間の界面に形成された空孔にシリコンをエピタキシャル成長させて前記空孔を埋めることと、前記シリコン原料ガスの導入を止め、前記炭素原料ガスを導入しつつ前記シリコン基板の温度を、前記第２の温度範囲の温度よりも高い第３の温度範囲の温度に上昇させることと、前記シリコン基板の温度が前記第３の温度範囲の温度となったところで、前記シリコン原料ガス及び前記炭素原料ガスを導入し、前記炭化層上に立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることと、を有することを特徴とする。

シリコン基板の表面に炭化層を形成した後、炭化層に結晶欠陥、ピンホール等の欠陥部分が形成されることがある。すると、この欠陥部分によりシリコン基板表面からシリコンが昇華してシリコン基板に空孔が形成される場合がある。
本発明の方法によれば、シリコン基板に形成された空孔にシリコンをエピタキシャル成長させることによって空孔を埋めることができる。また、空孔を埋めるときのシリコン基板の温度を炭化層を形成するときのシリコン基板の温度よりも下げているので、シリコン基板に形成された空孔にシリコンを埋めるときにシリコン基板の空孔からシリコンが昇華することを抑制することができる。よって、シリコン基板の空孔にシリコンをより確実に埋めることができる。次いで、炭素原料ガスを導入しているので、シリコン基板の温度を上昇させているときにシリコン基板の空孔からシリコンが昇華することを抑制することができる。最後に、炭化層上に立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることによって炭化層に形成された欠陥部分を埋めることができる。よって、結晶欠陥の少ない高品質な立方晶炭化珪素層を形成することができる。
なお、シリコンと炭化層との格子定数が異なるため、炭化層の表面にはシリコン膜が形成されない。つまり、シリコン基板の空孔に対して選択的にシリコンが形成される。同様に、残存したシリコン基板の空孔には立方晶炭化珪素膜が形成されることはない。

また、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法は、前記シリコン原料ガス及び前記炭素原料ガスの導入を止めて前記シリコン基板の温度を、前記第３の温度範囲の温度よりも低い第４の温度範囲の温度に下降させることを有し、前記立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることの後に、前記第４の温度範囲の温度に下降させることと、前記空孔を埋めることと、前記第３の温度範囲の温度に上昇させることと、前記立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることとを順に行うサイクルを１回以上繰り返し行ってもよい。

この方法によれば、シリコン基板に形成された空孔にシリコンをエピタキシャル成長させることによって空孔を埋めることと炭化層上に立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることとが複数回繰り返されるので、より確実に結晶欠陥の少ない高品質な立方晶炭化珪素層を形成することができる。

また、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法は、前記第４の温度範囲が７００℃以上９００℃以下の範囲であってもよい。

このような温度範囲であればより確実に結晶欠陥の少ない高品質な立方晶炭化珪素層を形成することができる。

また、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法は、前記第３の温度範囲の温度に上昇させることにおいて導入する前記炭素原料ガスの流量を、前記立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることにおいて導入する前記炭素原料ガスの流量よりも小さくしてもよい。

この方法によれば、立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることにおいて炭素原料ガスの無駄を少なくして空孔からシリコンが昇華することを抑制することができる。
また、炭素原料ガスが炭化層上に立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させる原料ガスとなるとともに空孔からシリコンが昇華することを抑制するガスとして機能する。このため、原料ガスとは別に、空孔からシリコンが昇華することを抑制するガスを導入する必要がないので、製造効率の向上を図ることができる

また、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法は、前記第１の温度範囲が９５０℃以上１４００℃以下の範囲であり、前記第２の温度範囲が７００℃以上９００℃以下の範囲であり、前記第３の温度範囲が９５０℃以上１４００℃以下の範囲であってもよい。

このような温度範囲であればより確実に結晶欠陥の少ない高品質な立方晶炭化珪素層を形成することができる。

また、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法は、前記炭化層を形成することの前に、真空雰囲気の下で、前記炭素原料ガス及び前記シリコン原料ガスを導入せずに前記シリコン基板を加熱し、前記シリコン基板の表面に形成された酸化膜を除去してもよい。

この方法によれば、シリコン基板の表面に炭化層を形成する前にシリコン基板表面の酸化膜（自然酸化膜など）のクリーニングが行われるので、欠陥部分の少ない炭化層が形成され易くなる。よって、高品質な立方晶炭化珪素層を形成することが容易となる。

また、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法は、前記炭素原料ガスがネオペンタンガスであってもよい。

ネオペンタンは、炭素原料ガスの中でも低温度で（例えば４００℃程度から）熱分解を起こし、ＣＨ_３ラジカルを放出することが知られている。このような低温で炭化層を形成したり立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させたりすることにより、シリコン基板の空孔からシリコンが昇華することを抑制することができる。

また、本発明の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法は、前記空孔を埋めることにおいて、前記第２の温度範囲の温度は、前記空孔にシリコンがエピタキシャル成長する成長量が前記空孔からシリコンが昇華する昇華量よりも大きくなる温度であってもよい。

この方法によれば、シリコン基板に形成された空孔にシリコンを埋めるときに、空孔からシリコンが昇華する昇華量よりも多い量のシリコンを空孔にエピタキシャル成長させることができる。よって、シリコン基板の空孔にシリコンをより確実に埋めることができる。

本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の概略構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法を示す過程図である。 同、立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法を示す過程図である。 同、立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法の説明図である。 同、立方晶炭化珪素半導体基板の表面状態を示す走査型電子顕微鏡像である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係る立方晶炭化珪素半導体基板の概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、立方晶炭化珪素半導体基板１は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の一面１１ａを炭化処理して形成された炭化層１２と、炭化層１２の一面１２ａに立方晶炭化珪素（３Ｃ‐ＳｉＣ）がエピタキシャル成長して形成された立方晶炭化珪素エピタキシャル膜１３（以下、単にエピタキシャル膜１３と略記する。）と、を具備して構成されている。

シリコン基板１１は、例えば、ＣＺ法（チョクラルスキー法）により引上げられたシリコン単結晶インゴットをスライス、研磨して形成されている。このシリコン基板１１の上面はミラー指数（１００）で表される結晶面である第１の面１１ａを成している。また、第１の面１１ａの結晶軸が数度傾いたオフセット基板を用いてもよい。

なお、本実施形態では、シリコン基板１１としてシリコン単結晶基板を用いるがこれに限らない。例えば、石英、サファイア、ステンレスからなる基板上に単結晶シリコン膜を形成したものでもよい。本願明細書において、シリコン単結晶基板、また例えば、石英、サファイア、ステンレスからなる基板上に単結晶シリコン膜を形成したものをシリコン基板という。

また、シリコン基板１１の上面はミラー指数（１００）で表される結晶面をなすものとされるが、（１００）面以外にも、（１００）面に対して５４．７３度傾斜した（１１１）面であってもよい。このような単結晶シリコンの格子定数は０．５４３ｎｍである。

エピタキシャル膜１３は、炭化層１２の一面１２ａに形成されている。エピタキシャル膜１３は、立方晶炭化珪素（３Ｃ‐ＳｉＣ）がエピタキシャル成長して形成された半導体膜である。３Ｃ‐ＳｉＣは、バンドギャップ値が２．２ｅＶ以上と広く、熱伝導率や絶縁破壊電界が高いため、パワーデバイス用のワイドバンドギャップ半導体として好適である。このような３Ｃ−ＳｉＣからなるエピタキシャル膜１３の格子定数は０．４３６ｎｍである。

炭化層１２は、シリコン基板１１とエピタキシャル膜１３との間に形成されている。炭化層１２は、炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）の単結晶層または多結晶層である。炭化層１２は、シリコン基板１１の一面１１ａを炭化処理することにより、エピタキシャル膜１３を形成する際のシリコン基板１１表面からのシリコンの昇華を抑制し、かつ、シリコン基板１１（より詳しくはシリコン基板１１を構成する単結晶シリコン膜）とエピタキシャル膜１３との格子不整合を緩和し、エピタキシャル膜１３に転移欠陥が生じるのを抑制する機能を有するものである。炭化層１２の厚みは、少なくとも１原子層分の厚みで形成されていればよく、例えば２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚みとされている。

次に、この立方晶炭化珪素半導体基板１の製造方法について説明する。
図２は、本実施形態に係る立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法を示す過程図である。
図３は、本実施形態に係る立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法の説明図である。図３において、横軸は時間、右側の縦軸はシリコン基板１１に加える熱処理の温度（シリコン基板１１の温度）、左側の縦軸は導入するガスの流量を示している。なお、以下の説明においては、シリコン基板１１の温度を単に「基板温度」ということがある。

先ず、シリコン基板１１を用意し、このシリコン基板１１を熱処理炉のチャンバー（図示略）に収容する（図２（ａ）参照）。次に、チャンバー内を真空雰囲気にして、炭素原料ガス及びシリコン原料ガスを導入せずに（原料ガスを導入せずに）、シリコン基板１１を、基板温度を概ね７５０℃、処理時間５分の条件で熱処理し、シリコン基板１１の表面１１ａの自然酸化膜等のクリーニングを行う（図３参照）。ここで、概ね７５０℃とは、基板温度の設定誤差を含む温度範囲の温度であり、例えば７４０℃以上７６０℃以下の範囲である。なお、クリーニングの工程は省略してもよい。

次に、シリコン基板１１の温度を６００℃まで下降する。そして、シリコン基板１１の温度が安定した後、炭化層１２の原料ガス（炭素原料ガス）をチャンバー内に１ｓｃｃｍ導入し、そのままシリコン基板１１の温度を第１の温度範囲の温度まで上昇させて５分間維持する（図３参照）。

なお、第１の温度範囲は９５０℃以上１４００℃以下の範囲である。本実施形態では、一例として第１の温度範囲の温度を１０００℃としている。

炭素原料ガスとしては、炭化水素系ガスが好ましく、例えば、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ_４Ｈ_１０）、イソブタン（ｉ−Ｃ_４Ｈ_１０）、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ_５Ｈ_１２）等が好適に用いられる。これらは、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
本実施形態では、炭素原料ガスとしてネオペンタンを用いる。

これにより、シリコン基板１１の一面１１ａに炭化層１２を形成する（第１の工程、図２（ｂ）参照）。

ところで、シリコン基板１１の表面を炭化処理して炭化層１２を形成した場合、この炭化層１２に結晶欠陥、ピンホール等の欠陥部分１２ｈが生じることがある（図２（ｂ）参照）。炭化層１２に欠陥部分１２ｈが生じると、この欠陥部分１２ｈによりシリコン基板１１表面からシリコンが昇華してシリコン基板１１に空孔１１ｈが形成されることがある（図２（ｃ）参照）。
この状態で炭化層１２の一面１２ａに３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させると、形成されたエピタキシャル膜に結晶欠陥や異常粒成長等の欠陥部分が生じるといった問題があった。

そこで、本発明においては、シリコン基板１１に形成された空孔１１ｈにシリコンをエピタキシャル成長させて空孔１１ｈを埋める工程（第３の工程）を有する立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法を採用している。以下、本工程の詳細について説明する。

シリコン基板１１の一面１１ａに炭化層１２を形成した後に、炭素原料ガスの導入を止めて基板温度を処理時間２分程度で第２の温度範囲の温度まで下げる（第２の工程）。

なお、第２の温度範囲は７００℃以上９００℃以下の範囲である。本実施形態では、一例として第２の温度範囲の温度を９００℃としている。

基板温度が９００℃になったところで、シリコン原料ガスをチャンバー内に２０ｓｃｃｍ導入し、そのまま３分間維持して、シリコン基板１１と炭化層１２との間の界面に形成された空孔１１ｈにシリコンをエピタキシャル成長させて空孔１１ｈを埋める（第３の工程、図２（ｄ）参照）。

シリコン原料ガスとしては、塩化ケイ素系ガスやシラン系ガスが好ましい。
例えば、塩化ケイ素系ガスとしては、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、ヘキサクロロジシラン（Ｓｉ_２Ｃｌ_６）等が好適に用いられる。これらは、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
また、シラン系ガスとしては、シラン（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、モノメチルシラン（ＳｉＨ_３（ＣＨ_３））、ジメチルシラン（ＳｉＨ_２（ＣＨ_３）_２）、トリメチルシラン（ＳｉＨ（ＣＨ_３）_３）等が好適に用いられる。これらは、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
本実施形態では、シリコン原料ガスとしてジクロロシランを用いる。

これにより、シリコン基板１１の空孔１１ｈを起点にシリコンがエピタキシャル成長し、複数の空孔１１ｈのうち一部は埋め戻されて消失し、残りの一部は小さくなる（図２（ｄ）参照）。

第３の工程においては、シリコン基板１１の空孔１１ｈにシリコンがエピタキシャル成長する成長量が空孔１１ｈからシリコンが昇華する昇華量よりも大きくなるよう、第２の温度範囲の温度（７００℃以上９００℃以下の範囲の温度）を設定することが好ましい。

なお、第３の工程において、炭化層１２の一面１２ａにはシリコン膜は形成されない。これは、シリコンと炭化層との格子定数が異なるためである。つまり、第３の工程においては、シリコン基板１１の空孔１１ｈにのみ選択的にシリコンが形成される。

次に、シリコン原料ガスの導入を止め、炭素原料ガスをチャンバー内に１ｓｃｃｍ導入しつつ基板温度を処理時間１分程度で第３の温度範囲の温度まで上昇させる（第４の工程）。

なお、第３の温度範囲は９５０℃以上１４００℃以下の範囲である。本実施形態では、一例として第３の温度範囲の温度を１０００℃としている。

次に、基板温度が１０００℃になったところで、シリコン原料ガス及び炭素原料ガスを導入し、そのまま５分間維持して、炭化層１２の一面１２ａに３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させる（第５の工程、図２（ｅ）参照）。第５の工程において、シリコン原料ガスの流量は２０ｓｃｃｍであり、炭素原料ガスの流量は５ｓｃｃｍである。

第５の工程においては、炭素原料ガスに加えてシリコン原料ガスを導入し、かつ、導入する炭素原料ガスの流量を第４の工程における炭素原料ガスの流量よりも大きくすることが好ましい。つまり、第４の工程におけるチャンバー内に導入する炭素原料ガスの流量は１ｓｃｃｍであったが、第５の工程においてはチャンバー内に導入する炭素原料ガスの流量を５ｓｃｃｍに変更している。

これにより、炭化層１２の一面１２ａにエピタキシャル膜１３が形成されるとともに、炭化層１２の欠陥部分１２ｈのうち一部は埋め戻されて消失し、残りの一部は小さくなる（図２（ｅ）参照）。

なお、第５の工程において、シリコン基板１１に残存した空孔１１ｈにはエピタキシャル膜１３は形成されない。これは、シリコンと炭化層との格子定数が異なるためである。つまり、第５の工程においては、炭化層１２の一面１２ａに対して選択的にエピタキシャル膜１３が形成される。

以上の工程により、本実施形態の立方晶炭化珪素半導体基板１を製造することができる。

本実施形態の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法によれば、第３の工程においてシリコン基板１１に形成された空孔１１ｈにシリコンをエピタキシャル成長させることによって空孔１１ｈを埋めることができる。また、第３の工程における基板温度を第１の工程における基板温度よりも下げているので、シリコン基板１１に形成された空孔１１ｈにシリコンを埋めるときにシリコン基板１１の空孔１１ｈからシリコンが昇華することを抑制することができる。よって、シリコン基板１１の空孔１１ｈにシリコンをより確実に埋めることができる。次いで、第４の工程において炭素原料ガスを導入しているので、基板温度を上昇させているときにシリコン基板１１の空孔１１ｈからシリコンが昇華することを抑制することができる。最後に、第５の工程において炭化層１２上に立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることによって炭化層１２に形成された欠陥部分１２ｈを埋めることができる。よって、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜１３を形成することができる。

また、この方法によれば、第１の温度範囲が９５０℃以上１４００℃以下の範囲であり、第２の温度範囲が７００℃以上９００℃以下の範囲であり、第３の温度範囲が９５０℃以上１４００℃以下の範囲である。このような温度範囲であればより確実に結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜１３を形成することができる。

また、この方法によれば、シリコン基板１１の上面１１ａに炭化層１２を形成する前にシリコン基板表面１１ａの酸化膜（自然酸化膜など）のクリーニングが行われるので、欠陥部分の少ない炭化層１２が形成され易くなる。よって、高品質なエピタキシャル膜１３を形成することが容易となる。

また、この方法によれば、第４の工程で導入する炭素原料ガスの流量を、第５の工程で導入する炭素原料ガスの流量よりも小さくしているので、第４の工程において炭素原料ガスの無駄を少なくして空孔１１ｈからシリコンが昇華することを抑制することができる。また、炭素原料ガスが炭化層１２上に３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させる原料ガスとなるとともに空孔１１ｈからシリコンが昇華することを抑制するガスとして機能する。このため、原料ガスとは別に、空孔１１ｈからシリコンが昇華することを抑制するガスを導入する必要がないので、製造効率の向上を図ることができる。

また、この方法によれば、第１の工程、第４の工程、及び第５の工程で導入する炭素原料ガスがネオペンタンガスである。ネオペンタンは、炭素原料ガスの中でも低温度で（例えば４００℃程度から）熱分解を起こし、ＣＨ_３ラジカルを放出することが知られている。このような低温で炭化層１２を形成したり３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させたりすることにより、シリコン基板１１の空孔１１ｈからシリコンが昇華することを抑制することができる。

また、この方法によれば、シリコン基板１１に形成された空孔１１ｈにシリコンを埋めるときに、空孔１１ｈからシリコンが昇華する昇華量よりも多い量のシリコンを空孔１１ｈにエピタキシャル成長させることができる。よって、第３の工程においてシリコン基板１１の空孔１１ｈにシリコンをより確実に埋めることができる。

なお、本実施形態では、第３の工程及び第５の工程で導入するシリコン原料ガスとしてジクロロシランを用い、第４の工程及び第５の工程で導入する炭素原料ガスとしてネオペンタンを用い、各工程で導入するシリコン原料ガス、炭素原料ガスとして同じ種類のガスを用いているが、これに限らない。例えば、第５の工程で導入するシリコン原料ガスとしてジクロロシラン以外のシリコン原料を用いたり、第５の工程で導入する炭素原料ガスとしてネオペンタン以外の炭素原料ガスを用いたりして、各工程で導入するシリコン原料ガス、炭素原料ガスとして異なる種類のガスを用いてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。なお、第２実施形態の説明にあたっては、第１実施形態と同様の構成、工程については同じ符号を付し、その説明を省略する。
図４は、本実施形態に係る立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法を示す過程図である。
図５は、本実施形態に係る立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法の説明図である。なお、図５において、横軸は時間、右側の縦軸はシリコン基板１１に加える熱処理の温度（基板温度）、左側の縦軸は導入するガスの流量を示している。

本実施形態の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法は、第５の工程の後に、シリコン原料ガス及び炭素原料ガスの導入を止めて基板温度を第４の温度範囲の温度まで下げる第６の工程を有し、第５の工程の後に、第６の工程と第３の工程と第４の工程と第５の工程とをこの順に行うサイクルを１回以上繰り返し行う方法である。

なお、第４の温度範囲は７００℃以上９００℃以下の範囲である。本実施形態では、一例として第４の温度範囲の温度を９００℃とする。

上述した第１実施形態の製造工程（第１の工程〜第５の工程）を経て製造された立方晶炭化珪素半導体基板においても、シリコン基板１１に空孔１１ｈが残存することがある（図２（ｅ）参照）。そこで、本実施形態では以下の工程を採用している。

第５の工程の後に、シリコン原料ガス及び炭素原料ガスの導入を止めて基板温度を９００℃まで下げる（第６の工程）。次いで、基板温度が９００℃となったところで、チャンバー内にシリコン原料ガスを導入し、シリコン基板１１に残存した空孔１１ｈにシリコンをエピタキシャルさせて残存した空孔１１ｈを埋める（第３の工程）。

これにより、シリコン基板１１に残存した空孔１１ｈにシリコンがエピタキシャル成長し、複数の残存した空孔１１ｈのうち一部は埋め戻されて消失し、残りの一部は小さくなる（図４（ａ）参照）。

次に、シリコン原料ガスの導入を止め、炭素原料ガスを導入しつつシリコン基板１１の温度を１０００℃まで上昇させる（第４の工程）。

シリコン基板１１の温度が１０００℃となったところで、シリコン原料ガス及び炭素原料ガスを導入し、炭化層１２上に３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させる（第５の工程）。

これにより、エピタキシャル膜１３が成長し、かつ、炭化層１２に残存した欠陥部分１２ｈのうち一部は埋め戻されて消失し、残りの一部は小さくなる（図４（ｂ）参照）。

また、第５の工程の後に、シリコン原料ガス及び炭素原料ガスの導入を止めて基板温度を第４の温度範囲の温度まで下げ、次いで、第３の工程、第４の工程、第５の工程を順に行うサイクルを１回だけ行って製造された立方晶炭化珪素半導体基板においても、シリコン基板１１に空孔１１ｈが残存することがある（図４（ｂ）参照）。この場合は、同様に以下の工程を繰り返して行ってもよい。

第５の工程の後に、シリコン原料ガス及び炭素原料ガスの導入を止めて基板温度を９００℃まで下げる。次いで、基板温度が９００℃となったところで、チャンバー内にシリコン原料ガスを導入し、シリコン基板１１に残存した空孔１１ｈにシリコンをエピタキシャルさせて残存した空孔１１ｈを埋める（第３の工程）。

これにより、シリコン基板１１に残存した空孔１１ｈにシリコンがエピタキシャル成長し、例えば、残存した空孔１１ｈの全てが埋め戻されて消失する（図４（ｃ）参照）。

次に、シリコン原料ガスの導入を止め、炭素原料ガスを導入しつつシリコン基板１１の温度を１０００℃まで上昇させる（第４の工程）。

シリコン基板１１の温度が１０００℃となったところで、シリコン原料ガス及び炭素原料ガスを導入し、炭化層１２上に３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させる（第５の工程）。

これにより、エピタキシャル膜１３が成長し、かつ、炭化層１２に残存した欠陥部分１２ｈの全てが埋め戻されて消失する（図４（ｄ）参照）。

つまり、本実施形態の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法は、炭化層１２上にエピタキシャル膜１３を形成した後に、下記の（１）〜（４）の工程を繰り返し行う。

（１）シリコン原料ガス及び炭素原料ガスの導入を止めてシリコン基板１１の温度を９００℃まで下げる工程。
（２）シリコン基板１１の温度が９００℃となったところで、チャンバー内にシリコン原料ガスを導入し、シリコン基板１１に残存した空孔１１ｈにシリコンをエピタキシャルさせて残存した空孔１１ｈを埋める工程。
（３）シリコン原料ガスの導入を止め、炭素原料ガスを導入しつつシリコン基板１１の温度を１０００℃まで上昇させる工程。
（４）シリコン基板１１の温度が１０００℃となったところで、シリコン原料ガス及び炭素原料ガスを導入し、炭化層１２上に３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させる工程。

上記の（１）〜（４）の工程を１サイクルとしたサイクル（以下、単にサイクルという場合がある）、複数回繰り返し行うことにより、本実施形態の立方晶炭化珪素半導体基板を製造することができる。

図６は、本実施形態の製造方法で製造された立方晶炭化珪素半導体基板の表面状態を示す走査型電子顕微鏡像である。図６（ａ）は、第５の工程の後に、サイクルを５回行ったときの立方晶炭化珪素半導体基板の表面状態である。図６（ｂ）は、第５の工程の後に、サイクルを１０回行ったときの立方晶炭化珪素半導体基板の表面状態である。図６（ｃ）は、第５の工程の後に、サイクルを２０回行ったときの立方晶炭化珪素半導体基板の表面状態である。

図６（ａ）〜（ｃ）において、立方晶炭化珪素半導体基板の表面に示される黒い部分はエピタキシャル膜に形成された結晶欠陥やピンホール等の欠陥部分である。

図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、サイクル回数が増すに従って、エピタキシャル膜に形成される欠陥部分が徐々に小さくなり、欠陥部分が消失していくことが確認される。

本実施形態の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法によれば、シリコン基板１１に形成された空孔１１ｈにシリコンをエピタキシャル成長させることによって空孔１１ｈを埋める工程（第３の工程）と炭化層１２上に３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させる工程（第５の工程）とが複数回繰り返されるので、より確実に結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜１３を形成することができる。

また、この方法によれば、第４の温度範囲が７００℃以上９００℃以下の範囲である。このような温度範囲であればより確実に結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜１３を形成することができる。

１…立方晶炭化珪素半導体基板、１１…シリコン基板、１１ａ…シリコン基板の上面、１１ｈ…空孔、１２…炭化層

Claims (8)

1. 炭素原料ガスを導入し、シリコン基板の温度を第１の温度範囲の温度にして、前記シリコン基板の表面に炭化層を形成することと、
   前記炭素原料ガスの導入を止めて前記シリコン基板の温度を、前記第１の温度範囲の温度よりも低い第２の温度範囲の温度に下降させることと、
   前記シリコン基板の温度が前記第２の温度範囲の温度となったところで、シリコン原料ガスを導入し、前記シリコン基板と前記炭化層との間の界面に形成された空孔にシリコンをエピタキシャル成長させて前記空孔を埋めることと、
   前記シリコン原料ガスの導入を止め、前記炭素原料ガスを導入しつつ前記シリコン基板の温度を、前記第２の温度範囲の温度よりも高い第３の温度範囲の温度に上昇させることと、
   前記シリコン基板の温度が前記第３の温度範囲の温度となったところで、前記シリコン原料ガス及び前記炭素原料ガスを導入し、前記炭化層上に立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることと、
   を有することを特徴とする立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法。
2. 前記シリコン原料ガス及び前記炭素原料ガスの導入を止めて前記シリコン基板の温度を、前記第３の温度範囲の温度よりも低い第４の温度範囲の温度に下降させることを有し、
   前記立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることの後に、前記第４の温度範囲の温度に下降させることと、前記空孔を埋めることと、前記第３の温度範囲の温度に上昇させることと、前記立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることとを順に行うサイクルを１回以上繰り返し行うことを特徴とする請求項１に記載の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法。
3. 前記第４の温度範囲が７００℃以上９００℃以下の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法。
4. 前記第３の温度範囲の温度に上昇させることにおいて導入する前記炭素原料ガスの流量を、前記立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させることにおいて導入する前記炭素原料ガスの流量よりも小さくすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法。
5. 前記第１の温度範囲が９５０℃以上１４００℃以下の範囲であり、前記第２の温度範囲が７００℃以上９００℃以下の範囲であり、前記第３の温度範囲が９５０℃以上１４００℃以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法。
6. 前記炭化層を形成することの前に、真空雰囲気の下で、前記炭素原料ガス及び前記シリコン原料ガスを導入せずに前記シリコン基板を加熱し、前記シリコン基板の表面に形成された酸化膜を除去することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法。
7. 前記炭素原料ガスがネオペンタンガスであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法。
8. 前記空孔を埋めることにおいて、前記第２の温度範囲の温度は、前記空孔にシリコンがエピタキシャル成長する成長量が前記空孔からシリコンが昇華する昇華量よりも大きくなる温度であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の立方晶炭化珪素半導体基板の製造方法。