JPH0952796A - ＳｉＣ結晶成長方法およびＳｉＣ半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】α−ＳｉＣ結晶基板のカーボン面（Ｃ面）上
に、球状物と円形凹部とを発生させずにエピタキシャル
成長させ、その基板を用いて電気的特性の優れた半導体
素子を製作する。 【解決手段】α−ＳｉＣ基板をＳｉＣコートしたグラフ
ァイトサセプタの上に載せ、水素ガス１ＳＬＭ塩化水素
ガス３ｓｃｃｍの混合ガスを流し、１３００℃に昇温
し、α−ＳｉＣ基板をエッチングし、その後８００℃に
降温し水素ガス３ＳＬＭと塩化水素ガス１０ｓｃｃｍの
混合ガスを流し、その後１５００℃に昇温し、エピタキ
シャル成長用ガスである水素ガス３ＳＬＭ、ＳｉＨ
₄ （シラン）ガス０．３ｓｃｃｍ、Ｃ₃ Ｈ₈ （プロパ
ン）ガスの混合ガスを所定の時間流し、その後水素ガス
３ＳＬＭ、塩化水素ガス１０ｓｃｃｍの混合ガスを流し
て室温まで冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、α−ＳｉＣ基板
の表面に平滑されたカーボン面をエピタキシャル成長で
形成するＳｉＣ結晶成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、Ｓｉ（シリコン）を用いたパワー
デバイスは高周波大電力の制御を目的として開発が行わ
れ、各種の構造的工夫により高性能化が進められてき
た。しかし、これも限界に近づきつつあり、より高性能
化を図るためには、新しい材料のデバイスへの適用が必
要である。また、パワーデバイスは高温や放射線などの
悪環境下における動作を要求されることも多いが、Ｓｉ
やＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などの既存の半導体材料に
おいては、実現できていない。以上の要求に対して、Ｓ
ｉＣ（炭化ケイ素）は不純物添加により、電子や正孔の
価電子制御が容易にできる上、広い禁制帯幅（６Ｈ−Ｓ
ｉＣ：２．９３ｅＶ、４Ｈ−ＳｉＣ：３．２６ｅＶ（３
００Ｋ））を持つため、大容量、高周波、そして高温動
作が可能な次世代のパワーデバイス用材料として期待さ
れている。具体的には、Ｓｉより約１桁高い絶縁破壊電
界は高耐圧デバイスへの適用、約２倍の電子の飽和ドリ
フト速度は高周波大電力制御に、Ｓｉの３倍である熱伝
導率などである。しかし、これらの優れた特徴があるに
もかかわらず、結晶成長が困難であるため、その開発は
遅々として進んでいなかった。ところが、ここ数年の結
晶成長技術の進歩により、現在６Ｈ−ＳｉＣの直径３０
ｍｍφのウエハが市販されるようになった。また、エピ
タキシャル成長においては、６Ｈ−ＳｉＣおよび４Ｈ−
ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ（シリコン）面（以降Ｓｉ面と
いう）に、わずかに傾斜（オフ角度）をつけた基板上に
成長することによって、従来、基板温度が１８００℃程
度でなければ得られなかった高品質のエピタキシャル層
が、低温（１５００℃）で得られるようになった。これ
より、高耐圧ｐｎダイオード、ショットキーダイオー
ド、青色ＬＥＤ、そして高温動作ＦＥＴの試作など、デ
バイス開発が急速に進められている。ただし、α−Ｓｉ
Ｃ（６方晶）である６Ｈ−ＳｉＣおよび４Ｈ−ＳｉＣ
（０００１）Ｃ（カーボン）面（以降Ｃ面という）オフ
基板上においては、表面モフォロジーが良好なエピタキ
シャル膜成長ができていないため、Ｓｉ面は同様なデバ
イスの成果は得られていないのが現状である。しかしな
がら、Ｃ面はＳｉ面と比較して酸化膜成長が約８倍程度
速く、表面平滑性（表面モフォロジー）の良好なエピタ
キシャル膜の成長が可能であればＳｉ面と比較してプロ
セスにおけるメリットは大きい。尚、面や方位を表す４
桁の数字で上部にーが付く場合もあるが、ここでは省略
した。

【０００３】図５は従来のＳｉＣエピタキシャル成長の
工程ダイヤグラム図を示す。工程はエッチング工程１、
降温工程２、エピタキシャル成長工程３および冷却工程
４から構成されている。ＳｉＣ基板をＳｉＣがコーティ
ングされたグラファイトサセプタ（グラファイトの台）
上に置き、１３００℃で５分間加熱し、水素ガスと塩化
水素ガスの混合ガスを流しエッチングし、表面の極く薄
い酸化膜や研磨でできた加工歪み層を除去する。つぎに
塩化水素ガスを止め、エピタキシャル成長時のキャリア
ガスである水素ガスの雰囲気で８００℃で５分間保持
し、残留塩化水素ガスを反応させ消滅させる。つぎに水
素ガスを流したままＳｉＣ基板の温度を１５００℃に昇
温し、エピタキシャル成長させるための原料ガスである
水素ガスで希釈されたシランガスと同じく水素ガスで希
釈されたプロパンガスの混合ガスを水素ガスに加えて流
し、ＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させる。所定の厚
みにエピタキシャル成長させた後、原料ガスを停止さ
せ、水素ガス中でしばらく１５００℃に保持し、残留の
原料ガスを反応させ、消滅させた後、降温し、エピタキ
シャル成長の全工程が終了する。このエピタキシャル成
長法は熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）法と言われ、またＳｉＣ基板の加熱
はＳｉＣコートのグラファイトサセプタ上にＳｉＣ基板
を載せ高周波加熱で行っている。このようにエピタキシ
ャル成長させたＣ面（カーボン面）が露出したα−Ｓｉ
Ｃ基板は酸化膜の成長がＳｉ面より８倍程度速く、半導
体素子の製造工程の短縮化が図れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図６は従来方法でエピ
タキシャル成長させたときのＳｉＣ基板表面の結晶の構
造の光学顕微鏡写で、同図（ａ）はフッ硝酸液に浸漬す
る前の顕微鏡写真、同図（ｂ）は浸漬後の顕微鏡写真を
示す。同図（ａ）のエピタキシャル成長させたＳｉＣ結
晶基板では多数の球状物５とクレータ状の円形凹部６が
形成されている。この基板のＣ面を＜１１２０＞方向に
３．５°傾けて研磨し、フッ硝酸液中に１２時間浸漬し
た後の写真が同図（ｂ）で、浸漬前の写真と比較すると
球状物５はフッ硝酸でエッチングされ、除去されている
が、エピタキシャル成長膜で被覆されている円形凹部６
は浸漬前後で形状の変化はなかった。

【０００５】この球状物５と円形凹部６が発生するメカ
ニズムを解明するためにつぎの実験を行った。図７から
図１２はエピタキシャル成長温度を変えた場合のＳｉＣ
基板表面の結晶の構造のの光学顕微鏡写真で、図７は１
２００℃、図８は１２５０℃、図９は１３００℃、図１
０は１４００℃、図１１は１５００℃、図１２は１５５
０℃の各写真を示す。 １２５０℃〜１３００℃では針
状析出物７が発生し、１４００℃以上では球状の凝集物
（以下球状物６という）が発生し、昇温と共にこの球状
物６の個数が増加する。また球状物６のまわりに、写真
では分かりにくいが拡大すると図６のようなクレータ状
の円形凹部６も発生している。球状物５は、Ｃ面の膜の
成長時に発生した凝集物と推定され、Ｓｉ面の膜の成長
時と比較して発生しやすい。また球状物５はフッ硝酸等
に溶解することから、円形凹部６はこの球状物５が水素
ガスでエッチングされ、球状物５が除去されてできたも
のと推定される。前記の実験から次のようなメカニズム
が推定される。従来のエピタキシャル成長過程において
は、１３００℃のエッチング工程１の後の８００℃に降
温する降温工程２の１３００℃から１２００℃の温度範
囲でグラファイトサセプタと水素ガスとが反応してでき
た反応物がＳｉＣ基板表面に凝縮物を形成する。次の１
５００℃に昇温する過程の１２００℃から１５００℃の
温度範囲でも同様にＳｉＣ基板表面に凝縮物を形成す
る。この状態でエピタキシャル成長工程３に入り、この
凝集物上には結晶成長せず、そのまま残り、また冷却工
程４の１５００℃から１２００℃の温度範囲でも新たな
凝集物が追加形成され、エピタキシャル成長終了後に、
球状物５としてＳｉＣ基板に付着した状態で残留する。
またこの球状物５はエピタキシャル成長工程３で流され
る水素ガスでエッチングされ、一部は円形凹部６を形成
する。この円形凹部６上にエピタキシャル成長膜が形成
されても、円形凹部６の形状は維持され、エピタキシャ
ル成長後まで前記の球状物５とともにクレータ状の円形
凹部６も残るものと推定される。

【０００６】この球状物５と円形凹部６が存在すると、
エピタキシャル成長膜がこれらの箇所で欠落したり、ま
た膜厚が不均一になったりする。そのため、半導体素子
を製作した場合に、電界の集中による耐圧の低下や特性
のばらつきを招くという不具合が生じる。この発明の目
的は、前記の課題を解決し、α−ＳｉＣ結晶基板のＣ面
上に球状物と円形凹部とが生じないＳｉＣ結晶成長方法
とその基板を用いたＳｉＣ半導体装置を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、α−ＳｉＣ結晶基板（以下ＳｉＣ基板と略す）のカ
ーボン面（Ｃ面という）を平滑となるように結晶成長さ
せるために、ＳｉＣ基板を第一の温度で水素を含むガス
でエッチングする第一工程と、第一の温度より高い第二
の温度でシリコンと炭素を含むガスでＳｉＣをＳｉＣ基
板にエピタキシャル成長させる第二工程と、エピタキシ
ャル成長したＳｉＣ基板を冷却する第三工程と、を含む
工程にするとよい。

【０００８】この第一工程と第二工程の間に、第一の温
度より低い第三の温度で、水素を含むガスでエッチング
する第四工程を追加すると効果的である。この水素を含
むガスが、水素と塩化水素との混合ガスであるとよい。
また第三工程において、水素と塩化水素との混合ガスの
雰囲気中で冷却すると効果的である。さらに、本発明の
方法でエピタキシャル成長させ、平滑されたカーボン面
を露出させたＳｉＣ基板に、半導体素子を形成すること
ができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は第一実施例のエピタキシャ
ル成長の工程ダイアグラム図を示す。工程はエッチング
工程１、降温工程２、エピタキシャル成長工程３および
冷却工程４から構成されている。α−ＳｉＣ基板をＳｉ
Ｃコートしたグラファイトサセプタの上に載せ、エッチ
ングガスである水素ガス１ＳＬＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ
Ｌｉｔｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ：流量の単位）、
塩化水素ガス３ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｕｂｉ
ｃ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ：流
量の単位）の混合ガスを室温で２分間流し、高周波加熱
で２分間で１３００℃に昇温し、混合ガスを流したまま
５分間α−ＳｉＣ基板をエッチングし、その後８００℃
に降温し水素ガス３ＳＬＭと塩化水素ガス１０ｓｃｃｍ
の混合ガスを５分間流し、前工程で発生した球状物を塩
化水素ガスで除去し、その後１５００℃に昇温し、エピ
タキシャル成長用の原料ガスである水素ガス３ＳＬＭ、
ＳｉＨ₄ （シラン）ガス０．３ｓｃｃｍ、Ｃ₃ Ｈ₈ （プ
ロパン）ガスの混合ガスをエピタキシャル成長膜厚に応
じた時間流し、その後混合ガスを止め、水素ガス３ＳＬ
Ｍ、塩化水素ガス１０ｓｃｃｍの混合ガスを流しながら
２分間、１５００℃のまま保持し、エピタキシャル成長
用ガスが反応して完全になくなった後、水素ガス３ＳＬ
Ｍ、塩化水素ガス１０ｓｃｃｍの混合ガスを流して、前
工程で発生した球状物５を塩化水素ガスで除去しながら
室温まで冷却する。このようにすることで図６で見られ
た球状物５と円形凹部６の発生が抑えられ、その結果、
エピタキシャル成長面の微分干渉光学顕微鏡による観察
でも凹凸は認められず、表面は極めて平滑（平坦で且つ
滑らかな状態）となっている。

【００１０】またＳｉＣ結晶にｎ形不純物を導入する方
法はエピタキシャル成長用の原料ガスに窒素ガスまたは
アンモニアガスを混合し、窒素原子を供給することで行
われる。一方、ｐ形不純物を導入する方法は、トリメチ
ルアルミニウム（ＴＭＡ）を分解しアルミニウム原子を
供給することで行われる。勿論、エピタキシャル成長面
には６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ１−ＳｉＣ（０００１）Ｓ
ｉ面に対して、数度の傾斜（オフ角度という）が付けら
れている。

【００１１】図２は第二実施例のエピタキシャル成長の
工程ダイアグラム図を示す。図１と異なる点は８００℃
の降温工程２が削除され、１２００℃から１５００℃に
直接昇温される点と、エッチングガスである水素ガスと
塩化水素ガスの流量が３ＳＬＭと１０ｓｃｃｍとなって
いる点である。尚、前記の各ガス流量、各温度および各
処理時間は一例であり、例えば、エッチング工程、降温
工程において、エッチングガスである水素ガスと塩化水
素ガスの流量は水素ガス：塩化水素ガス≒１０００：３
の比率で絶対量を可変してもよい。また各温度について
も±１００℃程度の幅で変えてもよく、各処理時間につ
いても多少変えても構わない。

【００１２】図３は第一実施例でエピタキシャル成長さ
せたＳｉＣ基板表面の結晶の構造の光学顕微鏡写真を示
す。従来法で観察された球状物および円形凹部は観察さ
れず、ＳｉＣ基板表面は平滑化されている。そのため写
真では全体が一様に黒一色になっている。また図には示
さないが第二実施例でも同様の結果が得られた。第三実
施例として、前記の方法でエピタキシャル成長させたＳ
ｉＣ基板にショットキーダイオードを形成させる。

【００１３】本発明法と従来法で形成したエピタキシャ
ル膜厚１０μｍ、キャリア密度５×１０¹⁵ｃｍ^-3のエピ
タキシャル膜を有するＳｉＣ基板にショットキーダイオ
ードを製作する工程を次に示す。 １．裏面に付いたエピタキシャル膜の研磨工程 ２．フッ硝酸による表面のエッチング工程 ３．アセトン、王水、フッ酸、水洗による両面の洗浄工
程 ４．オーミック電極としてＮｉの裏面蒸着工程 ５．真空中、１２５０℃でのＳｉＣとＮｉの合金工程 ６ 王水、フッ酸、水洗による両面の洗浄工程 ７ ショットキー接合形成のために、表面に直径２００
μｍのＡｕ電極の蒸着工程 従来法で製作したＳｉＣ基板に形成された球状物５は第
２項の工程で除去される。また本発明の方法で製作した
ＳｉＣ基板では球状物５は形成されないので第２項の工
程は省略できる。これは本発明の方法で製作したＳｉＣ
基板を使うと製造工程が削減されることを意味する。し
かしこの実験では条件を合わせる意味で第２項の工程を
入れて処理した。製作されたショットキーダイオードの
電流電圧特性を測定した結果、順方向特性は両試料とも
同様に良好であったが、逆方向特性に差が生じた。

【００１４】図４は従来法と本発明法によるショットキ
ーダイオードの逆方向特性の分布図で、同図（ａ）は従
来法の分布図、同図（ｂ）は本発明法の分布図を示す。
両試料とも各５０個の耐圧（ブレークダウン電圧）分布
を示した。円形凹部６が存在する従来法のＳｉＣ基板に
比べ、本発明法のＳｉＣ基板は耐圧が高く、且つばらつ
きも小さい。

【００１５】

【発明の効果】この発明では、水素ガスを単独で流す工
程をなくし、水素ガスと塩化水素ガスとの混合ガスを使
用することで、ＳｉＣ基板に形成される球状物と円形凹
部の発生を防止し、平滑で良質なカーボン面（Ｃ面）を
得ることができる。このＳｉＣ基板を用いて半導体素子
を製作した場合、素子製造上必須となる酸化膜の形成が
Ｓｉ面と比べ８倍程度速くでき、工程の短縮化が図れ
る。また平滑で良質の表面が得られるため、ＳｉＣ基板
との界面状態が特性に大きな影響を及ぼすＭＯＳ型素子
やショットキーダイオードなどの半導体素子では、特性
を大幅に向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第一実施例のエピタキシャル成長の
工程ダイアグラム図

【図２】この発明の第二実施例のエピタキシャル成長の
工程ダイアグラム図

【図３】この発明の方法でエピタキシャル成長させたＳ
ｉＣ基板表面の結晶の構造の光学顕微鏡写真

【図４】従来法と本発明法によるショットキーダイオー
ドの逆方向特性の分布図で、（ａ）は従来法の分布図、
（ｂ）は本発明法の分布図

【図５】従来法のＳｉＣエピタキシャル成長の工程ダイ
ヤグラム図

【図６】従来法でエピタキシャル成長させたＳｉＣ基板
表面の結晶の構造の光学顕微鏡写真で、（ａ）はフッ硝
酸液に浸漬させる前の顕微鏡写真、（ｂ）は浸漬後の顕
微鏡写真

【図７】エピタキシャル成長温度が１２００℃場合のＳ
ｉＣ基板表面の結晶の構造の光学顕微鏡写真

【図８】エピタキシャル成長温度が１２５０℃場合のＳ
ｉＣ基板表面の結晶の構造の光学顕微鏡写真

【図９】エピタキシャル成長温度が１３００℃場合のＳ
ｉＣ基板表面の結晶の構造の光学顕微鏡写真

【図１０】エピタキシャル成長温度が１４００℃場合の
ＳｉＣ基板表面の結晶の構造の光学顕微鏡写真

【図１１】エピタキシャル成長温度が１５００℃場合の
ＳｉＣ基板表面の結晶の構造の光学顕微鏡写真

【図１２】エピタキシャル成長温度が１５５０℃場合の
ＳｉＣ基板表面の結晶の構造の光学顕微鏡写真

【符号の説明】

１ エッチング工程 ２ 降温工程 ３ エピタキシャル成長工程 ４ 冷却工程 ５ 球状物 ６ 円形凹部 ７ 針状析出物

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】α−ＳｉＣ結晶基板（以下ＳｉＣ基板と略
   す）のカーボン面（Ｃ面という）を平滑となるように結
   晶成長させるために、ＳｉＣ基板を第一の温度で水素を
   含むガスでエッチングする第一工程と、第一の温度より
   高い第二の温度でシリコンと炭素を含むガスでＳｉＣを
   ＳｉＣ基板にエピタキシャル成長させる第二工程と、エ
   ピタキシャル成長したＳｉＣ基板を冷却する第三工程
   と、を含むことを特徴とするＳｉＣ結晶成長方法。
2. 【請求項２】第一工程と第二工程の間に、第一の温度よ
   り低い第三の温度で、水素を含むガスでエッチングする
   第四工程を追加することを特徴とする請求項１記載のＳ
   ｉＣ結晶成長方法。
3. 【請求項３】水素を含むガスが、水素と塩化水素との混
   合ガスであることを特徴とする請求項１又は２記載のＳ
   ｉＣ結晶成長方法。
4. 【請求項４】第三工程において、水素と塩化水素との混
   合ガスの雰囲気中で冷却することを特徴とする請求項１
   記載のＳｉＣ結晶成長方法。
5. 【請求項５】請求項１ないし４のいずれかでエピタキシ
   ャル成長させ、平滑なカーボン面を露出させたＳｉＣ基
   板に、半導体素子を形成することを特徴とするＳｉＣ半
   導体装置。