JP6117522B2

JP6117522B2 - エピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法

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Publication number: JP6117522B2
Application number: JP2012252887A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　渉; 伊藤　　渉; 崇藍郷; 泰三星野; 昭義立川; 宏朗平松; 福田　正直; 正直福田; 原　大介; 大介原; 隆史佐々木
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: JP2014103188A

Description

この発明は、エピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法に関し、詳しくは、複数の炭化珪素単結晶基板を互いに隙間を空けて積層する方向に配列する縦型配列構造の基板処理装置を用いて、エピタキシャル炭化珪素ウエハを製造する方法に関するものである。

炭化珪素（以下、SiCと表記する場合がある）は、耐熱性及び機械的強度に優れ、物理的、化学的に安定なことから、耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、高周波高耐圧電子デバイス等の基板としてエピタキシャルＳｉＣウエハの需要が高まっている。

ＳｉＣ単結晶基板（以下、単にSiC基板と呼ぶ場合がある）を用いて、電力デバイスや高周波デバイス等を作製する場合には、通常、ＳｉＣ基板上に熱ＣＶＤ法（熱化学蒸着法）によってＳｉＣ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させたエピタキシャルＳｉＣウエハを得るようにする。ＳｉＣ基板上にさらにＳｉＣのエピタキシャル成長膜を形成する理由は、ドーピング元素によるドーピング密度が制御された層を使ってデバイスを作り込むためである。従って、ドーピング密度制御が不十分であると、デバイス特性が安定しないという問題が引き起こされる。

熱ＣＶＤ法以外では、イオン注入法によりＳｉＣ基板に直接ドーピング元素を打ち込むことで、ドーピング密度が制御されたＳｉＣウエハを形成する方法もある。しかしながら、この場合には、注入後にＳｉＣウエハを高温でアニールする必要があることから、現在では、専らエピタキシャル成長によるエピタキシャルＳｉＣウエハの作製が多用されている。

この熱ＣＶＤ法を利用する際には、一般に、成長室内のホルダー上にＳｉＣ基板を載せて、ホルダーを回転させながら、ＳｉＣ基板の直上に、例えば珪素源のシランガスやクロロシランガス等と炭素源の炭化水素ガス等とを混合した原料ガスを、水素等のキャリアガスと共に供給してＳｉＣ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる方法が採用されている（例えば非特許文献１参照）。このとき、窒素（N₂）等のドーピングガスは、通常、原料ガスに混合されて供給される。そして、このようにＳｉＣ基板をホルダーに載置する基板処理装置をここでは横型配列構造と呼ぶ。また、同じ横型配列構造でも、より大きなホルダーを使って複数のＳｉＣ基板を横に並べて搭載し、各ＳｉＣ基板を回転（自転）させると共にホルダーを回転（公転）させて、一度の処理で複数枚のエピタキシャルＳｉＣウエハを得ることも可能である。このようにホルダー上に複数のＳｉＣ基板を並べる基板処理装置をここではプラネタリ構造と呼ぶ。

このプラネタリ構造の場合には、ＳｉＣ基板の自転と公転を組み合わせることで、複数のＳｉＣ基板に対して同等のエピタキシャル成長環境を作り出すことが可能なため、ひとつのＳｉＣ基板の基板面内のみならず、複数のＳｉＣ基板の基板間での膜厚やドーピング密度のばらつきを抑えることができて、生産性の観点から有利であるとされる。しかしながら、ホルダーの大きさで搭載可能なＳｉＣ基板の枚数が決まるため、ＳｉＣ基板の口径が大きくなるにつれてその数は減少してしまう。特に、大口径化を図っているＳｉＣ基板においては、エピタキシャルＳｉＣウエハの生産性についても同時に検討しなければならない。

エピタキシャルＳｉＣウエハの生産性を向上させる手段のひとつに、成長室内でホルダーを縦方向に並べて、複数のＳｉＣ基板を互いに隙間を空けて積層する方向に配列させる縦型配列構造の基板処理装置が挙げられる。これによれば、ＳｉＣ基板の口径が大きくなっても然程装置上の制約は受けず、縦方向に配列するＳｉＣ基板の数を増やすことで生産性良くエピタキシャルＳｉＣウエハを製造することを可能にする。

ところが、このような縦型配列構造の基板処理装置では、横型配列構造の場合とは異なる制御が求められる。例えば、成長室の温度が縦方向に揃っていないと、ＳｉＣ基板を配置した場所によって得られるエピタキシャル成長膜の膜厚が変わってしまったり、ドーピング密度にばらつきが生じてしまう。また、成長室内を縦方向に配列された各ＳｉＣ基板にそれぞれ均一にエピタキシャル成長膜を成長させるためには、成長室内を縦方向に沿う配管を通じて珪素源と炭素源を含んだ原料ガスを導入し、ＳｉＣ基板間の各隙間に対応する位置にガス吹出し口を設けてＳｉＣ基板の表面に原料ガスを供給するが、横型配列構造の場合のように珪素源のガスと炭素源のガスとを混合して供給すると、ＳｉＣの熱ＣＶＤ法における高温環境下において配管内でこれらのガスが反応してしまい、吹き出し口を塞いでしまったり、配管内にＳｉＣが堆積してしまうことがある。

そこで、珪素源を含んだ珪素材料ガスと炭素源を含んだ炭素材料ガスとを個別のガス導入管によりそれぞれ成長室内に導入する縦型配列構造の基板処理装置が提案されており（例えば特許文献１、２参照）、この縦型配列構造の基板処理装置を使えば、多数枚のＳｉＣ基板に対して均一な膜厚でＳｉＣのエピタキシャル成長膜を成膜することが可能になる。しかしながら、このような基板処理装置を使っても、得られるエピタキシャルＳｉＣウエハは、ＳｉＣ基板を配置した場所によってそのＳｉＣ単結晶薄膜のドーピング密度にばらつきがあったり、同一エピタキシャルＳｉＣウエハにおいてＳｉＣ単結晶薄膜の面内でのドーピング密度にばらつきが生じてしまうことがある。

特開2010-283336号公報（段落0030、図3）特開2011-3885号公報（段落0091、図13）

Materials Science Forum Vols.45-648(2010),pp77-82

今後様々な分野で需要が増すことが予想されるＳｉＣについて、量産性の点で有利と考えられる縦型配列構造を備えた基板処理装置を使ってエピタキシャルＳｉＣウエハを製造する場合、上述したように、エピタキシャルＳｉＣウエハ間でのドーピング密度のばらつきや、同一エピタキシャルＳｉＣウエハ内でのドーピング密度のばらつきを抑えることが難しく、これらはデバイス特性が安定しないといった根本的な問題を引き起こしてしまうおそれがある。

そこで、本発明の目的は、生産性に優れながら、ドーピング密度のばらつきを抑えてＳｉＣ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることができるエピタキシャルＳｉＣウエハの製造方法を提供することにある。

本発明者らは上記のような課題を解決するために鋭意検討を行ったところ、縦型配列構造の基板処理装置を用いた場合のＳｉＣ単結晶薄膜におけるドーピング密度のばらつきは、ひとつに、ドーパントとして混合する窒素が高温環境下で他のガスと反応を起こして活性化することが原因であることを突き止めた。このため、成長室内の配管の上流側に比べて下流側に配置されたエピタキシャルＳｉＣウエハの方がＳｉＣ単結晶薄膜におけるドーピング密度が相対的に高くなってしまう。

また、上記したエピタキシャルＳｉＣウエハ間でのドーピング密度のばらつきを抑えようとすると、今度は同一エピタキシャルＳｉＣウエハでのＳｉＣ単結晶薄膜においてドーピング密度を面内で均一にするのが困難になるという別の問題が生じてしまう。この理由について、本発明者らは更なる検討を重ねた結果、窒素にキャリアガスとして希ガスを混ぜて嵩上げしたドーピングガスを用いることで、驚くべきことに、ウエハ間でのドーピング密度のばらつきと共に、同一ウエハ内でのドーピング密度のばらつきを解消できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）複数の炭化珪素単結晶基板を成長室内で互いに隙間を空けて積層する方向に配列させる縦型配列構造の基板処理装置を用いて、それぞれの炭化珪素単結晶基板の表面に炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法であって、
炭化珪素単結晶薄膜を形成するのに用いる珪素源を含んだ珪素材料ガス、炭素源を含んだ炭素材料ガス、及び窒素を含んだドーピングガスは、成長室内を縦方向に沿って配置される珪素材料ガス導入管、炭素材料ガス導入管、及びドーピングガス導入管を通じてそれぞれ個別に成長室内に導入されると共に、これらのガス導入管が炭化珪素単結晶基板間の各隙間に対応する位置にそれぞれガス吹出し口を有しており、
各炭化珪素単結晶基板の表面にそれぞれ珪素材料ガス、炭素材料ガス、及びドーピングガスを供給して熱ＣＶＤ法により炭化珪素単結晶薄膜を形成する際に、前記ドーピングガスは、キャリアガスとして希ガスを混合して供給することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
（２）前記珪素材料ガス又は炭素材料ガスのうちのガス流量が少ない方を基準にして、該基準ガス流量の１０％以上に相当する流量となるように希ガスを混合したドーピングガスを成長室内に導入する（１）に記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
（３）前記珪素材料ガスは、珪素源がＳｉＨ₄、ＳｉＨ₃Ｃｌ、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＳｉＨＣｌ₃、及びＳｉＣｌ₄からなる群から選ばれた１種又は２種以上の珪素源ガスであって、かつ、キャリアガスとして希ガスが混合されたものであり、前記炭素材料ガスは、炭素源が炭素数５以下の炭化水素からなる炭素源ガスであって、かつ、キャリアガスとして水素ガスが混合されたものである（１）又は（２）に記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
（４）前記珪素材料ガス中の珪素原子数に対する前記炭素材料ガス中の炭素原子数の比（C/Si）を０．５以上１．５以下にして炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる（１）〜（３）のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
（５）前記成長室内の温度を１４５０℃以上１７００℃以下にして炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる（１）〜（４）のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。

本発明によれば、エピタキシャルＳｉＣウエハを生産性良く製造することができる。しかも、同時に複数得られるエピタキシャルＳｉＣウエハの相対的なドーピング密度のばらつきを抑えることができると共に、それぞれのエピタキシャルＳｉＣウエハにおいてその面内のドーピング密度のばらつきも抑えられる。そのため、本発明によって得られたエピタキシャルＳｉＣウエハは、デバイス特性の安定化に資するウエハとして供することができる。

図１は、縦型配列構造を有する基板処理装置の概要を説明する説明図である。図２は、基板処理装置の成長室内において縦型に配列されたＳｉＣ基板と各ガス導入管の様子を説明する説明図である。図３は、縦型配列構造を有する基板処理装置を使って本発明に係る実施例１で得られたウエハ間でのドーピング密度のばらつきを示すグラフである。図４は、比較例１で得られたウエハ間でのドーピング密度のばらつきを示すグラフである。図５は、比較例２で得られたウエハ間でのドーピング密度のばらつきを示すグラフである。図６は、エピタキシャルＳｉＣウエハの面内でのドーピング密度のばらつきを評価する際に測定した測定点の位置関係を示す模式図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
図１には、縦型配列構造を有する基板処理装置の概要を説明する説明図が示されており、図２には、その成長室内において互いに隙間を空けて縦型に配列されたＳｉＣ基板に対して、珪素材料ガス、炭素材料ガス、及びドーピングガスをそれぞれ個別のガス導入管を通じて供給し、熱ＣＶＤ法によりＳｉＣ単結晶薄膜を形成する様子を説明する説明図が示されている。

この基板処理装置１は、複数のＳｉＣ基板を互いに隙間を設けて積層する方向に配列することができる縦型配列構造を備えており、外周を誘導加熱ヒーター等の加熱手段７により取り囲まれた成長室２内には、ＳｉＣ基板を１枚ずつ配置することができる基板ホルダー３が複数配設されている。この基板ホルダー３は、それぞれに備え付けられたＳｉＣ基板自体を水平方向に回転させる基板回転手段（図示外）を有しており、ＳｉＣ基板の表面に成長させるエピタキシャル膜の面内での膜厚のばらつきを抑えることができるようになっている。また、成長室２を黒鉛等で形成することで、誘導加熱ヒーターによって成長室自体が発熱体となる。

また、成長室２内には、基板ホルダー３に配置されたＳｉＣ基板の外周方向からガスを供給することができるように、珪素材料ガス導入管４、炭素材料ガス導入管５、及びドーピングガス導入管６が成長室２の縦方向に沿って配置されている。これらのガス導入管４,５,６は、図２に示したように、各基板ホルダー３（図２では記載を省略している）に配置されたＳｉＣ基板１０の表面にＳｉＣ単結晶薄膜を成長させることができるように、ＳｉＣ基板１０の間に形成される各隙間に対応する位置にそれぞれガス吹出し口4a,5a,6aを有しており、各ＳｉＣ基板１０の表面に対して平行ないし略平行に珪素材料ガス、炭素材料ガス、及びドーピングガスが吹出されるようになっている。更に、これらの加熱手段７及び成長室２は断熱効果を備えた容器（筐体）８に収容され、また、成長室内に供給された各ガスは、真空ポンプ９を介して容器外に排出される。

なお、ここで言う「縦型」とは、ＳｉＣ基板１０を積層させる（重ね合わせる）方向に配列させることを意味するものであり、その場合の成長室の長手方向を「縦方向」と呼ぶ。図１、２の例のように、ＳｉＣ基板１０を鉛直方向に積層させる場合を含むのは勿論、例えば、ＳｉＣ基板１０を水平方向に積層させて横長の成長室を形成する場合も本発明に含まれるものとする。図２では、珪素材料ガス導入管４、炭素材料ガス導入管５、及びドーピングガス導入管６を１本ずつ備えた例を示すが、ＳｉＣ基板１０の外周にそれぞれを複数本配置するようにしてもよい。また、ＳｉＣ単結晶薄膜を成長させる前などに行うＳｉＣ基板のエッチングに関しては、水素やＨＣｌ等のエッチングガスを成長室内に導入する際に窒素を含んだドーピングガスと混合されないようにすればよく、珪素材料ガス導入管４や炭素材料ガス導入管５を利用してもよく、エッチングガスを導入するエッチングガス導入管を別途設けるようにしてもよい。更には、ＳｉＣ基板１０の成長面を上向きにしてＳｉＣ単結晶薄膜を成長させてもよく、成長面を下向きにしてＳｉＣ単結晶薄膜を成長させてもよい。図２のようにＳｉＣ基板を鉛直方向に積層させる場合には、異物の落下やそれに起因する欠陥発生を抑えるには、成長面を下向きにするのが有利である。

本発明では、先の述べたように、珪素材料ガス、炭素材料ガス、及びドーピングガスをそれぞれ個別のガス導入管４,５,６を通じてＳｉＣ基板に供給する。特に、これまで一般に不活性ガスとして知られている窒素を含んだドーピングガスは、熱ＣＶＤ法によるＳｉＣ単結晶薄膜のエピタキシャル成長温度において他のガスと反応して活性化することを新たに知見したことから、専用のドーピングガス導入管６を通じて縦型に配列された各ＳｉＣ基板に対して供給する。すなわち、従来の熱ＣＶＤ法では、窒素をドーパントとして使用する際には、原料ガスに混合して供給されるのが一般的である。ところが、縦型配列構造の基板処理装置のように成長室内を縦方向に沿って配置された配管内を移動する場合、その間に窒素が高温に晒されて他のガスと反応し、特に、珪素源として用いるクロロシランガス由来の塩素やキャリアガスの水素と反応して窒素が活性化され、配管内での共存時間がより長くなる下流側の方でそのドープ量が増加してしまうと考えられる。そこで、珪素材料ガス、炭素材料ガス、及びドーピングガスをそれぞれ個別のガス導入管４,５,６を通じてＳｉＣ基板に供給することで、ドーピングガス吹出し口6aから吹出されるまでは窒素の活性化が起こらず、また、珪素材料ガス、及び炭素材料ガスを含めて、ガス導入管４,５,６の上流側の吹出し口4a,5a,6aから供給される各ガスの共存時間と、ガス導入管４,５,６の下流側の吹出し口4a,5a,6aから供給される各ガスの共存時間とが同じになり、上流側で得られるエピタキシャルＳｉＣウエハのドーピング密度と、下流側で得られるエピタキシャルＳｉＣウエハのドーピング密度とを揃えることができる。

ここで、珪素材料ガスについて、その窒素源としては熱ＣＶＤ法によるＳｉＣのエピタキシャル成長に用いられるものであれば特に制限はなく、シランガスやクロロシランガス等を用いることができ、例えば、ＳｉＨ₄、ＳｉＨ₃Ｃｌ、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＳｉＨＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄等の珪素源ガスが挙げられ、これらの１種又は２種以上を混合したものを好適に用いることができる。モノシラン（SiH₄）の２量体であるジシラン（Si₂H₆）など、上記に例示したガスの各２量体も使用可能であるが、それらは気相中で凝集を起こし、塊としてＳｉＣ基板の表面に付着する確率が若干高くなるため、望ましくは単量体を使用するのがよい。また、珪素材料ガスのキャリアガスとしては、アルゴンやヘリウム等の希ガスを用いるのが好適である。仮に水素を用いると、例えばＳｉＣｌ₄と水素を共存させて供給した場合にＳｉＣｌ₄の分解が生じてしまい、設計通りの成長が得られないことがある。

また、炭素材料ガスについては、珪素材料ガスの場合と同様に公知のものを用いることができ、一般的には炭化水素ガスが使用される。なかでも常温付近でガス状態であってハンドリングする上で好都合であることから、炭素数が５以下の飽和炭化水素、又は、炭素数が５以下の不飽和炭化水素からなる炭素源ガスであるのがよく、これらの１種又は２種以上を混合したものを好適に用いることができる。これら以外にも芳香族炭化水素なども使用可能ではあるが、一般に分解速度が遅く、カーボンの凝集体を作りやすいので注意が必要である。また、炭素材料ガスのキャリアガスとしては、ガス同士の反応を抑えることができることから、好適には水素を用いるのがよい。

珪素材料ガス及び炭素材料ガスは、いずれも上記のようなキャリアガスによって希釈されるのが一般的であるが、ＳｉＣ単結晶薄膜の成長速度は、珪素源ガスや炭素源ガスの濃度に比例する。すなわち、成長速度を高めるためにはそれらのガス濃度を高くすればよいが、ある程度の濃度になってしまうとドロップレット（付着物）が発生したり、面荒れの原因となってエピタキシャル膜の品質が低下してしまう。

そのため、ＳｉＣ単結晶薄膜の成長速度を１．０μｍ／時間以上７０μｍ／時間以下にするのが好適であり、その際の珪素材料ガスについては、上記で好適な例として挙げた珪素源ガスの濃度が１体積％以上１０体積％以下になるようにするのがよく、好ましくは２体積％以上４体積％以下であるのがよい。一方の炭素材料ガスについては、好適な例として挙げた炭素源ガスの濃度が０．０１体積％以上１体積％以下になるようにするのがよく、好ましくは０．０２体積％以上０．０６体積％以下であるのがよい。なお、この濃度範囲はＣ₃Ｈ₈の場合を例示したものであり、他の炭素源ガスを用いる場合にはカーボン（C）の量で等量となるように変更すればよい。例えばメタン（CH₄）ではこの濃度範囲の上限値及び下限値をそれぞれ３倍にすればよい。

また、成長室内に導入する珪素材料ガス中の珪素原子数に対する炭素材料ガス中の炭素原子数の比（C/Si）については、０．５以上１．５以下の範囲にしてＳｉＣ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるのがよく、好ましくは０．７以上１．３以下の範囲であるのがよい。Ｃ／Ｓｉ比が上記範囲であれば比較的成長速度を大きくすることができて生産性の向上に繋がる上に、良質なエピタキシャル膜が得られるようになる。Ｃ／Ｓｉ比が０．５未満であると未反応のＳｉが金属状態で膜に付着（ドロップレット）して欠陥発生の原因となる。逆に、１．５を超えるとバンチングと呼ばれる表面段差が発生し、デバイスを作製する上で悪影響を与えることがある。加えて、Ｃ／Ｓｉ比が上記範囲を外れると、ドーピング密度にも影響が出るおそれがある。例えば、Ｃ／Ｓｉ比が０．５未満になるとドーピングが高い効率で起きるため、反応場に不可避的に含まれる残留窒素によって所望のドーピング量を超えてしまうことがある。逆に１．５を超えるとドーピングの効率が落ちてしまうため、高いドーピング密度を目指して大量の窒素を供給しても狙いとするドーピング密度に到達しない場合がある。ちなみに、より大量の窒素を導入すると、膜質そのものへの影響（膜厚のばらつき、成長速度など）が出てしまうおそれがある。

一方、窒素の導入量については、デバイスの種類やそれに求められる特性等によりＳｉＣ単結晶薄膜の窒素濃度は様々である。また、ＳｉＣ基板上に形成するＳｉＣ単結晶薄膜自体の目的（例えば、デバイス層として作用させる場合や基底面転位等の欠陥発生を抑制する抑止層として作用させる場合など）によっても窒素濃度は変化する。これらを勘案すると、ＳｉＣ単結晶薄膜中の窒素（N）濃度（ドーピング密度）は一般に５×１０¹⁵ｃｍ^-3以上５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の範囲に含まれる。そして、このドーピング密度に相当する窒素をそのままドーピングガス導入管６を成長室内に導入すると、特に低い窒素濃度とする場合にはドーピングガス吹出し口6aから吹出された窒素ガスは珪素材料ガスや炭素材料ガスの流速に負けて、ＳｉＣ基板上で有らぬ方向に流れてしまい、珪素材料ガスや炭素材料ガスに対するドーパントの混ざり具合が不均一になってしまう。そこで本発明においては、窒素ガスにキャリアガスとして希ガスを混合し、いわば嵩上げしたドーピングガスを供給するようにする。

好適には、成長室内に導入される珪素材料ガス又は炭素材料ガスのうちのガス流量が少ない方を基準にして、この基準ガス流量（最少ガス流量）の１０％以上、より好ましくは２０％以上、更に好ましくは３０％以上に相当する流量となるようにして、希ガスを混合したドーピングガスを成長室内に導入するのがよい。ドーピングガスがこの流量割合を満たすようにすることで、同一エピタキシャルＳｉＣウエハでのＳｉＣ単結晶薄膜においてドーピング密度の面内均一性をより確実に実現できる。そして、ドーピングガスに混合するキャリアガスがアルゴンやヘリウム等の希ガスであれば、上記のような高温環境下で窒素が他のガスと反応を起こして活性化するようなおそれもない。

また、本発明においては、ＳｉＣ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる際の成長温度は１４５０℃以上１７００℃以下の範囲にするのがよい。一般に、１４５０℃より低い温度ではＳｉＣはエピタキシャル成長せず、反対に１７００℃より高い温度ではＳｉＣの昇華速度が成長速度を上回ることになるため、結果的にその場合も実質的なエピタキシャル成長が行われない。要するに、ＳｉＣがエピタキシャル成長する温度領域にある限り、本発明の方法はいずれの温度であっても有効である。また、成長圧力については、成長温度と同様、ＳｉＣ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる際の一般的な条件をそのまま採用することができ、８００Ｐａ以上１０，０００Ｐａ以下の範囲であるのがよい。

本発明のエピタキシャルＳｉＣウエハの製造方法は、複数のＳｉＣ基板の表面にそれぞれＳｉＣ単結晶薄膜を成長させるものであり、そのＳｉＣ基板の枚数については特に制限はないが、数枚といった２〜３枚のＳｉＣ基板から２０枚〜３０枚といった数十枚乃至はそれ以上の数のＳｉＣ基板まで、同時にＳｉＣ単結晶薄膜を成長させることができる。そして、各ＳｉＣ基板の表面に成長させるＳｉＣ単結晶薄膜の膜厚については、エピタキシャルＳｉＣウエハ上に作り込むデバイスの種類やその仕様等によって適宜設定することができて特に制限はないが、一般的には５μｍ以上１００μｍ以下程度の範囲である。

また、ＳｉＣ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる際には、水素ガスや塩化水素ガス等のエッチングガスを用いてＳｉＣ基板をエッチングするようにしてもよい。その一例として、例えば、成長室内を真空排気した後、エッチングガスを導入して圧力を６×１０³〜１×１０⁴Ｐａ程度に調整する。その後、圧力を一定に保ちながら成長室内の温度を上げて、成長温度である１４５０〜１７００℃に達した後、圧力をエピタキシャル成長条件（例えば1000〜2000Pa程度）まで低くして所定時間保持し、成長前のＳｉＣ基板の表面をエッチングする。このとき圧力はエッチング効率に大きな影響を持ち、低圧であるほどエッチングが進行する。このエッチングの程度は、その後のエピタキシャル成長に影響を与えることから、最適なエッチング量を設定するのがよい。一般的には、圧力条件は６００Ｐａ以上３０００Ｐａ以下、望ましくは８００Ｐａ以上１６００Ｐａ以下であるのがよい。また、保持時間（エッチング時間）は３０秒以上３０分以下、望ましくは１分以上５分以下であるのがよい。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の内容に制限されるものではない。

（実施例１）
４インチ（100mm）基板用の炭化珪素（SiC）単結晶インゴットから、約４００μｍの厚さでスライスし、粗削りとダイヤモンド砥粒による通常研磨を実施した４Ｈ型のポリタイプを有するＳｉＣ単結晶基板を複数用意し、それぞれのＳｉ面を成長面として、以下のようにして熱ＣＶＤ法によりＳｉＣ単結晶薄膜のエピタキシャル成長を実施した。なお、これらのＳｉＣ単結晶基板のオフ角はいずれも４°である。

エピタキシャル成長には、図１、図２に示したような縦型配列構造を有する基板処理装置１を使用した。ここで、成長室２は黒鉛製坩堝から形成されており、その外側を誘導加熱ヒーター７が取り囲んだ状態で容器（筐体）８に収容されている。この成長室２内には合計２０個の基板ホルダー３が成長室の縦方向に等間隔の隙間をおいて重ねられるようにして備え付けられており、各ＳｉＣ基板ホルダー３には、それぞれＳｉＣ単結晶基板１０の成長面（Si面）が鉛直方向下向きになるようにして配置される。また、成長室２内には、縦方向に沿って合計６本のカーボン製ガス導入管（内径10mm×長さ500mm）が配設されており、基板ホルダー３に配置されたＳｉＣ基板１０の外周に沿って順にｉ）炭素材料ガス導入管５、ii）珪素材料ガス導入管４、iii）炭素材料ガス導入管５、iv）ドーピングガス導入管６、ｖ）珪素材料ガス導入管４、vi）炭素材料ガス導入管５として使用した。これらの各ガス導入管４,５,６には、ＳｉＣ基板１０間に形成される各隙間に対応する位置にそれぞれ約φ１〜３．５ｍｍ程度のガス吹出し口4a,5a,6aを備えている。そして、成長室２の下方にはガス排出管（図示外）が設けられており、成長室２内に供給された各ガスは、このガス排出管に接続された真空ポンプ９を通じて容器外に排出される。

上記の基板処理装置１を使用してＳｉＣ単結晶薄膜を成長させるにあたり、先ず、真空ポンプ９によって成長室２内を真空排気した後、炭素材料ガス導入管５を使って水素ガスを毎分２００ｃｍ³導入しながら圧力を８０００Ｐａに調整した。その後、圧力を一定に保ちながら、成長室２の温度を１５５０℃まで上げた。しかる後、導入水素ガスを毎分２５０リットルまで増加させると同時に真空排気を行い、成長室２内の圧力を１０００Ｐａとした。その状態を３分間保持した後、ＳｉＣｌ₄ガスを珪素源とし、かつ、キャリアガスとしてアルゴンを混合した珪素材料ガスをii）及びｖ）の珪素材料ガス導入管４を通じて導入し、また、Ｃ₃Ｈ₈ガスを炭素源とし、かつ、キャリアガスとして水素ガスを混合した炭素材料ガスをｉ）、iii）及びvi）の炭素材料ガス導入管５を通じて導入し、更に、窒素ガスにアルゴン（キャリアガス）を混合したドーピングガスをiv）のドーピングガス導入管６を通じて導入して、エピタキシャル成長を開始した。

ここで、珪素材料ガスはＳｉＣｌ₄ガスの濃度が２体積％となるようにし（SiCl₄流量：300cm³/min）、２本の珪素材料ガス導入管４を通じて成長室２内に供給される珪素材料ガスの合計流量は毎分１５,０００ｃｍ³であった。また、炭素材料ガスはＣ₃Ｈ₈ガスの濃度が０．０４体積％となるようにし（C₃H₈流量：90cm³/min）、３本の炭素材料ガス導入管５を通じて成長室２内に供給される炭素材料ガスの合計流量は毎分２２５,０００ｃｍ³であった。更に、ドーピングガスは窒素（N₂）ガスの濃度が１体積％となるようにし、１本のドーピングガス導入管６を通じて成長室２内に供給されるドーピングガスの流量は毎分２,０００ｃｍ³であった。そして、エピタキシャル成長時間は２時間とし、その間の各ガスの供給量や成長室内の温度及び圧力は一定に保持した。なお、この実施例１のエピタキシャル成長におけるＣ／Ｓｉ比は０．９である。

エピタキシャル成長終了後、得られた全２０枚のエピタキシャルＳｉＣウエハについて、それぞれ成長したＳｉＣ単結晶薄膜の膜厚をＦＴ−ＩＲ方式の専用膜厚計により測定したところ、膜厚の平均値は１０．５μｍであった。また、成長室内で最下段に位置する基板ホルダー３をスロット１（slot 1）とし、最上段に位置する基板ホルダー３をスロット２０（slot 20）として（つまり、ガス導入管の上流側から下流側に向けて基板ホルダー３を連番のスロット番号で特定して）、次のようにしてウエハ間におけるＳｉＣ単結晶薄膜のドーピング密度のばらつきを評価すると共に、同一ウエハ内でのＳｉＣ単結晶薄膜におけるドーピング密度の面内ばらつきを評価した。

先ず、得られた全てのエピタキシャルＳｉＣウエハについて、ＣＶ測定器（水銀プローブC-V測定装置：フォーディメンジョン社製CVmap92A）を使ってそれぞれのＳｉＣ単結晶薄膜におけるドーピング密度を測定した。スロット番号とそれに対応するエピタキシャルＳｉＣウエハでのドーピング密度（/cm³）の関係を図３に示す。この図３のグラフから分かるように、スロット番号による基板ホルダー３の位置によらずに、均一なドーピング密度が得られていることが確認された。

また、スロット１６の基板ホルダー３で得られたエピタキシャルＳｉＣウエハについて、水銀プローブ法によりＳｉＣ単結晶薄膜のドーピング密度を測定した。測定は、図６に示したように、エピタキシャルＳｉＣウエハの円周を８等分する４本の直径とエピタキシャルＳｉＣウエハの中心点を中心にした３つの同心円（半径r=15mm、30mm、45mm）とが交わる点、及びエピタキシャルＳｉＣウエハの中心点の合計２５点で行い、それぞれの測定点での窒素（N）濃度（ドーピング密度）を求めた。結果を表１に示す。これらから得られた結果について、ウエハの面内ばらつき（標準偏差/平均値）を求めたところ、７％と良好な結果であることを確認した。

（実施例２〜１５）
表２に示したように、珪素源ガス及び炭素源ガスの種類とその濃度を変更すると共に、珪素材料ガス、炭素材料ガス、及びドーピングガスの流量、並びに成長温度を変える以外は実施例１と同様にして、縦型配列構造を有した基板処理装置１を用いてエピタキシャルＳｉＣウエハを製造した。

エピタキシャル成長終了後、最下段（スロット１）の基板ホルダー３で得られたエピタキシャルＳｉＣウエハと最上段（スロット２０）の基板ホルダー３で得られたエピタキシャルＳｉＣウエハとについて、それぞれ実施例１と同様にしてＳｉＣ単結晶薄膜のドーピング密度を測定した。そして、最上段（スロット２０）のドーピング密度が最下段（スロット１）のそれの何倍に相当するかを指標にし、１．１倍未満なら◎、１．１以上１．３倍未満なら○、１．３倍以上１．５倍未満なら△、１．５倍以上なら×として、ウエハ間のドーピング密度のばらつきを４段階で評価した。結果を表２に示す。

また、スロット１６の基板ホルダー３で得られたエピタキシャルＳｉＣウエハについて、実施例１と同様にして、合計２５の測定点で窒素（N）濃度（ドーピング密度）を測定し、標準偏差／平均値を指標にして、５％未満であれば◎、５％以上１０％未満であれば○、１０％以上２０％未満であれば△、２０％以上であれば×として、同一ウエハ内での面内のドーピング密度のばらつきを４段階で評価した。結果を表２に示す。

表２から分かるように、本発明によれば、ウエハ間におけるＳｉＣ単結晶薄膜のドーピング密度のばらつきと共に、同一ウエハ内でのＳｉＣ単結晶薄膜におけるドーピング密度の面内ばらつきが抑えられることが確認できる。

（比較例１）
実施例１〜１５で用いた基板処理装置１における６本のカーボン製ガス導入管のうち、ドーピングガスを専用で導入するiv）のドーピングガス導入管６は使用せずに、ｉ）、iii）及びvi）の炭素材料ガス導入管５を使って、窒素を混合した炭素材料ガスを成長室内に導入した。また、珪素材料ガスについては、ii）珪素材料ガス導入管４、及びｖ）珪素材料ガス導入管４を使って成長室内に導入した。

ここで、珪素材料ガスのキャリアガスにはアルゴンを使用し、ＳｉＣｌ₄ガスの濃度が２体積％となるようにして（SiCl₄流量：300cm³/min）、２本の珪素材料ガス導入管４を通じて成長室２内に供給される珪素材料ガスの合計流量は毎分１５,０００ｃｍ³とした。また、炭素材料ガスのキャリアガスには水素ガスを使用し、Ｃ₃Ｈ₈ガスの濃度が０．０４体積％となるようにして（C₃H₈流量：90cm³/min）、３本の炭素材料ガス導入管５を通じて成長室２内に供給される炭素材料ガスの合計流量は毎分２２５,０００ｃｍ³とした。更には、この炭素材料ガスに窒素を毎分４ｃｍ³の流量で混合するようにした。そして、成長温度１５５０℃にて２時間のエピタキシャル成長を行うようにし、これら以外は実施例１と同様にして、縦型配列構造を有した基板処理装置１を用いてエピタキシャルＳｉＣウエハを製造した。得られた全２０枚のエピタキシャルＳｉＣウエハでのＳｉＣ単結晶薄膜の平均膜厚は１０．６μｍであった。また、この比較例１のエピタキシャル成長におけるＣ／Ｓｉ比は０．９である。

得られた全てのエピタキシャルＳｉＣウエハについて、実施例１と同様にＣＶ測定器を使ってそれぞれのＳｉＣ単結晶薄膜におけるドーピング密度を測定した。スロット番号とそれに対応するエピタキシャルＳｉＣウエハでのドーピング密度（/cm³）の関係を図４に示す。この図４のグラフから分かるように、実施例１の場合（図３）に比べてドーピング密度のばらつきが多く、特にスロット番号が大きいものほどドーピング密度が相対的に高くなることが確認された。

（比較例２）
実施例１〜１５で用いた基板処理装置１における６本のカーボン製ガス導入管のうち、ドーピングガスを専用で導入するiv）のドーピングガス導入管６は使用せずに、ii）及びｖ）の珪素材料ガス導入管４を使って、窒素を混合した窒素材料ガス成長室内に導入した。また、炭素材料ガスについては、ｉ）、iii）及びvi）の炭素材料ガス導入管５を使って成長室内に導入した。

ここで、炭素材料ガスのキャリアガスには水素ガスを使用し、Ｃ₃Ｈ₈ガスの濃度が０．０４体積％となるようにして（C₃H₈流量：90cm³/min）、３本の炭素材料ガス導入管５を通じて成長室２内に供給される炭素材料ガスの合計流量は毎分２２５,０００ｃｍ³とした。また、珪素材料ガスのキャリアガスにはアルゴンを使用し、ＳｉＣｌ₄ガスの濃度が２体積％となるようにして（SiCl₄流量：300cm³/min）、２本の珪素材料ガス導入管４を通じて成長室２内に供給される珪素材料ガスの合計流量は毎分１５,０００ｃｍ³とした。更には、この珪素材料ガスに窒素を毎分４ｃｍ³の流量で混合するようにした。そして、成長温度１５５０℃にて２時間のエピタキシャル成長を行うようにし、これら以外は実施例１と同様にして、縦型配列構造を有した基板処理装置１を用いてエピタキシャルＳｉＣウエハを製造した。得られた全２０枚のエピタキシャルＳｉＣウエハでのＳｉＣ単結晶薄膜の平均膜厚は１０．４μｍであった。また、この比較例１のエピタキシャル成長におけるＣ／Ｓｉ比は０．９である。

得られた全てのエピタキシャルＳｉＣウエハについて、実施例１と同様にＣＶ測定器を使ってそれぞれのＳｉＣ単結晶薄膜におけるドーピング密度を測定した。スロット番号とそれに対応するエピタキシャルＳｉＣウエハでのドーピング密度（/cm³）の関係を図５に示す。この図５のグラフから分かるように、実施例１の場合（図３）に比べてドーピング密度のばらつきが多く、特にスロット番号が大きいものほどドーピング密度が相対的に高くなることが確認された。

（比較例３）
アルゴンガスを混ぜることなく、窒素ガスを毎分２０ｃｍ³の流量でiv）のドーピングガス導入管６を通じて成長室内に導入するようにした以外は実施例１と同様にして、エピタキシャルＳｉＣウエハを製造した。得られた全２０枚のエピタキシャルＳｉＣウエハでのＳｉＣ単結晶薄膜の平均膜厚は１０．５μｍであった。また、この比較例１のエピタキシャル成長におけるＣ／Ｓｉ比は０．９である。

このうち、スロット１６の基板ホルダー３で得られたエピタキシャルＳｉＣウエハについて、実施例１と同様にして、合計２５の測定点で窒素（N）濃度（ドーピング密度）を測定したところ、標準偏差／平均値は２５％であり、面内でのドーピング密度のばらつきが極めて大きいことが分かった。

１：基板処理装置、２：成長室、３：基板ホルダー、４：珪素材料ガス導入管、4a：珪素材料ガス吹出し口、５：炭素材料ガス導入管、5a：炭素材料ガス吹出し口、６：ドーピングガス導入管、6a：ドーピングガス吹出し口、７：加熱手段、８：容器（筐体）、９：真空ポンプ、１０：炭化珪素単結晶基板。

Claims

複数の炭化珪素単結晶基板を成長室内で互いに隙間を空けて積層する方向に配列させる縦型配列構造の基板処理装置を用いて、それぞれの炭化珪素単結晶基板の表面に炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させるエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法であって、
炭化珪素単結晶薄膜を形成するのに用いる珪素源を含んだ珪素材料ガス、炭素源を含んだ炭素材料ガス、及び窒素を含んだドーピングガスは、成長室内を縦方向に沿って配置される珪素材料ガス導入管、炭素材料ガス導入管、及びドーピングガス導入管を通じてそれぞれ個別に成長室内に導入されると共に、これらのガス導入管が炭化珪素単結晶基板間の各隙間に対応する位置にそれぞれガス吹出し口を有しており、
各炭化珪素単結晶基板の表面にそれぞれ珪素材料ガス、炭素材料ガス、及びドーピングガスを供給して熱ＣＶＤ法により炭化珪素単結晶薄膜を形成する際に、前記ドーピングガスは、キャリアガスとして希ガスを混合して供給することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
前記珪素材料ガス又は炭素材料ガスのうちのガス流量が少ない方を基準にして、該基準ガス流量の１０％以上に相当する流量となるように希ガスを混合したドーピングガスを成長室内に導入する請求項１に記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
前記珪素材料ガスは、珪素源がＳｉＨ₄、ＳｉＨ₃Ｃｌ、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＳｉＨＣｌ₃、及びＳｉＣｌ₄からなる群から選ばれた１種又は２種以上の珪素源ガスであって、かつ、キャリアガスとして希ガスが混合されたものであり、前記炭素材料ガスは、炭素源が炭素数５以下の炭化水素からなる炭素源ガスであって、かつ、キャリアガスとして水素ガスが混合されたものである請求項１又は２に記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
前記珪素材料ガス中の珪素原子数に対する前記炭素材料ガス中の炭素原子数の比（C/Si）を０．５以上１．５以下にして炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる請求項１〜３のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。
前記成長室内の温度を１４５０℃以上１７００℃以下にして炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる請求項１〜４のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法。