JPH10509943A - 炭化ケイ素のエピタキシー成長における、およびその結果形成される炭化ケイ素構造におけるマイクロパイプの形成を減少させる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マイクロパイプ欠陥をほぼ除去した炭化ケイ素のエピタキシャル層を製造する方法が開示されている。この方法は、ケイ素中に炭化ケイ素を溶融した溶融物と、この溶融物中の炭化ケイ素の溶解度を上げる元素とから液相エピタキシーにより炭化ケイ素基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を成長させるものである。前記元素の原子濃度は、溶融物中のケイ素の原子濃度より、はるかに高い。前記基板から前記エピタキシャル層に伝播するマイクロパイプ欠陥は、この基板のマイクロパイプ欠陥がエピタキシャル層ではほぼ複製されずエピタキシャル層のマイクロパイプ欠陥の数がかなり減少する厚みになるまで、適当な条件下で前記エピタキシャル層を成長させ続けることにより、ふさぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】 炭化ケイ素のエピタキシー成長における、およびその結果形成される 炭化ケイ素構造におけるマイクロパイプの形成を減少させる方法 発明の分野 本発明は、結晶の欠陥が最小になる方式による、半導体材料のエピタキシー成 長に関し、こうした半導体材料から形成されるデバイスの性能を向上させるもの である。具体的には、本発明は、液相エピタキシー（ＬＰＥ）により、欠陥の少 ない炭化ケイ素のエピタキシャル層を成長させる方法に関する。 発明の背景 炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、多くの適用分野、なかでも高い電力レベルが要求さ れる適用分野に用いられる固体デバイスを製造するための理想的な半導体である 。航空機、航空・宇宙電子機器、タービンエンジン、主に宇宙工学の電力システ ムならびに他の多くの分野では、電圧低下が比較的低い、大電流を処理できるス イッチと増幅器が必要である。炭化ケイ素の基礎的な特性は、こうした適用分野 用のデバイス性能の改良に貢献する。たとえば、炭化ケイ素の降伏電界を測定す ると、ドーピングの範囲に応じて、ケイ素（Ｓｉ）の降伏電界の８倍ないし１０ 倍の値である、センチメートル当り２×１０⁶ないし４×１０⁶ボルトの範囲とな る。したがって、炭化ケイ素から製造される電力デバイスは直流および交流の大 電圧を支えることができる。こうした高電圧での動作が実現すると、こうしたデ バイスは大電力レベルにおける増幅やスイッチングが可能になる。 さらに、バンド・ギャップが比較的広いので、炭化ケイ素デバイスは少なくと も約５００℃までの温度で作用が可能である。 過去１０年で、炭化ケイ素の成長と加工処理および炭化ケイ素ベースのデバイ ス分野で大いなる進展があった。たとえば、１９８４年には、ＳｉＣの青色発光 ダイオードは極めて限られた量でしか利用できなかった（１度に１つまたは２つ 、コストも極めて高く、当時の値段で１ダイオード当り約７５ドル）。それに対 して、本願の出願時には、本発明の譲受者、Cree Research，Inc．は、毎年数百 万個を極めて安価、すなわち、１９９４年時の値段で１ダイオード当り約１０セ ントで、青色発光ダイオードを市場に供給している。 しかし、高い評価や研究ならびに理論面および設計面での業績にも関らず、炭 化ケイ素から形成された高電力デバイスはいまだ、同程度には市場に現れておら ず、市場に剌激を与えてもいない。高電力デバイス用の炭化ケイ素のさらに広い 使用を現在妨げている主要な制限要因は、炭化ケイ素基板の比較的高い欠陥密度 、特に、「マイクロパイプ」(micropipe)とよばれる型の欠陥の密度が高いこと である。半導体分野で通常の技術をもつ者にはよく理解されていることであるが 、半導体の結晶の品質はしばしば、その半導体から製造されるデバイスの品質に 深刻な影響を及ぼす。さらに、低電圧ではほとんど又は全く問題にならないので 、低電力デバイスでは看過され補償可能な欠陥でも、高電力レベルで作用するデ バイスでは、壊滅的な障害を含む深刻な問題を引き起こし得る。 デバイスの基板と活性領域との両方に同じ半導体材料を使用するのが望ましく 有益であることは当業者にはよく理解されていることである。この点で、ＳｉＣ デバイスにＳｉＣ基板を使用するのが特に有益なのは他の文献で詳細に論じられ ているので、本明細書では繰り返さない。たとえば、米国特許第４９１２０６３ 号、同第４９１２０６４号および第４８６６００５号を参照のこと。 様々な欠陥の中でも、ピンホールとも呼ばれるマイクロパイプは、ほとんどす べての種類のデバイスで致命的となる。マイクロパイプとは、成長方向に沿って 存在する数ミクロンから０．１ミリメートルもの大きさにわたる直径の、菅状の 空隙のことである。炭化ケイ素のウェーハには通常、マイクロパイプを含んでい ない領域もあるが、炭化ケイ素ウェーハにおけるマイクロパイプの平均密度は、 極端に高い場合を除いたとしても、基板の表面の所与の領域に現れる数を測定す ると約１００ないし４００／ｃｍ²の間であり、１０００／ｃｍ²もの高さになる こともある。一例として、Barrettその他による「大型ＳｉＣ単一結晶の成長(Gr owth of Large SiC Sing1e Crystals)」、Journal of Crystal Growth, 128(199 3)，pp．358-362を参照のこと。 本願発明者は理論に束縛されることを望んではいないが、様々なメカニズムで マイクロパイプは形成されるようである。こうしたメカニズムの中には、超らせ ん転位(superscrew dislocation)を核(core)に形成させるものもあるし、こうし た転位に無関係のものもある。他の主要な型の線欠陥は、基底面に主に現れる混 合転位である。こうした転位の主要な源となるのは、超らせん転位に伴う高歪み 部分(large strain fields)と考えられている。 基板に現れるマイクロパイプ、ピット、混入物、転位、積層欠陥などの欠陥は 、通常、その基板上に成長するエピタキシャル構造を伝播して、特定の電力レベ ルでデバイスの劣化を引き起こす。さらに、理論的な説明が将来なされるであろ うが、マイクロパイプの形成のメカニズムはいまだ完全に明らかになったわけで はないので、こうしたメカニズムを抑制する方法は現状では満足できるものとは 言えない。 基底面以外の炭化ケイ素の基板面上にエピタキシャル層を成長させることで上 記の問題を解決しようとした研究者もいる。成功した場合もあるが、基底面に垂 直なウェーハ面に成長したｐｎ接合部の電界強度は、基底面にほぼ平行に成長し た接合部の電界強度の半分より小さくなる。 したがって、炭化ケイ素は電力デバイスに多大な可能性を提供するものではあ るが、炭化ケイ素の構造の結晶上の特性がこうした高電力レベルを支えられるよ うになるまでは、こうしたデバイスは市場で利用できるようにはならない。 発明の目的と要約 したがって、本発明の目的は、マイクロパイプ欠陥が実質的に減少した、炭化 ケイ素のエピタキシャル層を提供することにある。 本発明は、種晶添加昇華技術を用いて炭化ケイ素のバルク単結晶を成長させる ことによりマイクロパイプ欠陥をかなり減少させるかまたは無くした炭化ケイ素 エピタキシャル層を製造し、基板から第一のエピタキシャル層の成長部分に伝播 するマイクロパイプ欠陥をふさぐほどの厚みになるまで、液相エピタキシー技術 を用いて、基板上に炭化ケイ素の第一のエピタキシャル層を形成し、その後、化 学蒸着（ＣＶＤ）により第一のエピタキシャル層上に炭化ケイ素の第二のエピタ キシャル層を形成する方法によって上記の目的を達成する。 他の態様においては、本発明は、ケイ素中に炭化ケイ素を溶融した溶融物(mel t)と、その溶融物中の炭化ケイ素の溶解度(solubility)を高める元素（その元素 の原子濃度はケイ素の原子濃度をはるかに上回っている）とから液相エピタキシ ーにより、炭化ケイ素基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を成長させ、基板 に現れたマイクロパイプ欠陥がエピタキシャル層でほぼ複製されなくなる厚さに なるまでエピタキシャル層を成長させ続けることで、基板からエピタキシャル層 に伝播したマイクロパイプ欠陥をふさぐ方法から構成される。 さらに他の態様では、本発明は、バルク単結晶炭化ケイ素基板と、その基板の 表面上の炭化ケイ素エピタキシャル層とを備えた炭化ケイ素構造体から構成され 、このエピタキシャル層は、ｘ線ロッキングカーブにおける２５アーク秒以下の 半値幅により特徴づけられる。 さらに他の態様では、本発明は、表面上のマイクロパイプ密度が平方センチメ ートル当り５０ないし４００であるバルク単結晶炭化ケイ素基板から形成される 炭化ケイ素構造と、上記炭化ケイ素基板の表面上の、マイクロパイプ密度が平方 センチメートル当り０ないし５０である炭化ケイ素エピタキシャル層とから構成 される。 本発明の上記および他の目的、利点および特徴ならびに実施方式は、好適な模 範的な実施形態を示す添付図面に関連して本発明の以下に示す詳細な記載から一 層容易に明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明により形成されたエピタキシャル層の表面の光学顕微鏡写真で ある。 図２は、図１のエピタキシャル層が成長した基板の光学顕微鏡写真であり、比 較すると、図１に示された表面には再出現していないが、基板には多数の欠陥が 示されている。 図３は、本発明によるエピタキシャル層の表面を示す、図１と同様の、別の光 学顕微鏡写真である。 図４は、図２に対応する、別の顕微鏡写真で、図３のエピタキシャル層が成長 した基板が写されている。 図５は、本発明による、炭化ケイ素基板とその上のエピタキシャル層との断面 のＸ線回折顕微法写真である。 図６は、本発明の方法で有益な液相エピタキシー（ＬＰＥ）成長システムの概 略図である。 好ましい実施形態の詳細な説明 第１の実施形態では、本発明は、種晶添加昇華技術を使用して炭化ケイ素のバ ルク結晶を最初に成長させることによってマイクロパイプ欠陥がほぼみあたらな い炭化ケイ素の複数のエピタキシャル層を製造する方法から構成されている。こ こで使用されている種晶添加昇華技術とは、「Ｌｅｌｙ」技術、或は「Ａｃｈｅ ｓｏｎ」技術と一般に呼ばれている技術とは異なる昇華技術である。当業者には 一般に周知のことであるが、Ｌｅｌｙ技術とは、通常はグラファイト製の炉の中 の炭化ケイ素紛から、炭化ケイ素の非種晶添加昇華型の成長をさせるものである 。 Ａｃｈｅｓｏｎ技術とは一般に、コークス、グラファイト、シリカなどの適切 な複数種の粉材料を適切な分子結合論的混合割合で炉に満たし、押し固められた 固形混合物を、該固められた混合物中に炭化ケイ素結晶が形成されるまで十分に 加熱するものである。特許文献の例としては、１９９３年１１月２３日付けのTa kenakaその他による米国特許第５２６５１１８号や１９８３年１２月６日付けの Kuriakoseによる米国特許第４４１９３３６号がある。しかし、こうした特許文 献は、より最近のＡｃｈｅｓｏｎ技術を単に例示しているに過ぎない。 これらとは対照的に、本発明では、本発明の譲受者に譲渡された、Carterその 他による米国特許第４８６６００５号に記載された技術を用いてバルク単結晶を 成長させる。その特許発明の内容（またはそれとほぼ類似のもの）はすべて引用 により本明細書の一部を成している。この技術は、エピタキシー成長用のウェー ハや、理論上だけの、または実験上だけのものを除いた実用上のデバイスのため に必要な他の先駆物質(precursors)を作るのに有益な望ましいポリタイプの炭化 ケイ素の高品質のバルク単結晶（直径１インチ以上の結晶）を成長させる方法で は現在もっとも成功したものだと判明している。 しかし、Carterの技術によって形成された結晶は、従来技術により形成された ものより概してはるかに高品質ではあるが、こうした結晶は依然としてマイクロ パイプ欠陥を生じやすいことが判明している。前述のように、こうした欠陥は、 電力の低いデバイスではほとんどまたは全く問題を生じないが、より高い電力、 電流および電圧レベルでは深刻な問題を引き起こす。 さらに、過去１０年来ますます成功の度合いを高めてきた化学蒸着による成長 （たとえば、Davisその他による米国特許第４９１２０６３号と第４９１２０６ ４号を参照）は、種晶添加昇華により成長した炭化ケイ素のバルク結晶に発生し たマイクロパイプ欠陥を忠実に複製するものだということが分かってきた。 したがって、第２の段階では、本発明は、第一のエピタキシャル層の溶融成長 (melt growth)においてマイクロパイプ欠陥の複製がかなり減少するように、ま たはできれば完全に除去されるように、基板から第一のエピタキシャル層の成長 部分に伝播したマイクロパイプ欠陥をふさぐほど十分に厚くなるまで、前述の適 切な成長条件下で液相エピタキシー技術を用いて、基板上に炭化ケイ素の第一の エピタキシャル層を形成することから構成される。液相エピタキシーの一般的原 理は当然、結晶成長技術者には周知であり、特定の仕事に必要な特定の条件は、 適度の実験を行うことにより本技術の通常の技能をもつものには決定可能である 。炭化ケイ素に有益な例示的な特定の背景技術は、たとえば、Dmitrievその他に よる「液相エピタキシーにより成長させられた炭化ケイ素とＳｉＣ−ＡｌＮ固溶 体との間に形成されるＰ−Ｎ構造(Silicon Carbide and SiC-AlN Solid-Solutio n P-N Structures Grown by Liquid-Phase Epitaxy)」Physica B．185(1993)pp ．440-452に詳述されている。その内容の全体は引用により本明細書の一部を成 している。 最終的な段階として、デバイス形成用の電子活性領域を形成するために、本方 法の最後の工程は、化学蒸着により炭化ケイ素の第一のエピタキシャル層の上に 炭化ケイ素の第二のエピタキシャル層を形成する工程である。 本発明の発明者は、本発明に関する特定の理論に拘束されるのを望まないが、 ＣＶＤによる成長のに比してＬＰＥによる成長の厚みと速度の方が、ＣＶＤによ る成長におけるよりもＬＰＥによる成長において更に迅速かつ完全にマイクロパ イプをふさぐという仮説を立てている。 好ましい実施形態では、バルク単結晶は６Ｈポリタイプのもので、第一のエピ タキシャル層も同様に６Ｈポリタイプのものである。他の好ましい実施形態では 、バルク単結晶は４Ｈポリタイプで、エピタキシャル層も同様に４Ｈポリタイプ である。 本発明の１実施形態では、第一のエピタキシャル層を形成する工程は、第１の 導電性(first conductivity type)の第１の層を形成する工程であり、第二のエ ピタキシャル層を形成する工程は、第１層の反対の導電性の第２の層を形成する 工程であり、従って、第一の、および第二のエピタキシャル層の間にｐｎ接合が 形成される。本明細書中では、反対の導電性とは、ｐ型導電性に対してはｎ型導 電性を言い、ｎ型導電性に対してはｐ型導電性を言う。同じ導電性とは、ｐ型に 対してはｐ型を、ｎ型に対してはｎ型を言う。 他の実施形態の方法は、同じ導電性の第一の、および第二のエピタキシャル層 を形成する工程と、前記第一と第二の層とは反対の導電性を有する第三のエピタ キシャル層を第二のエピタキシャル層上に形成して、第二と第三のエピタキシャ ル層の間にｐｎ接合を形成する工程とから構成される。 他の実施形態では、液相エピタキシーによる炭化ケイ素の溶液成長(solutiong rowth） は、溶融物中の炭化ケイ素の溶融性を高める他の元素の存在により首尾 よく促進されることが本発明により判明している。この実施形態は、マイクロパ イプ欠陥をかなり減少させるか、または完全に除去した複数のエピタキシャル層 を作成する方法であり、ケイ素に炭化ケイ素を溶融した溶融物とその溶融物中の 炭化ケイ素の溶解度を高める元素とから、液相エピタキシーにより炭化ケイ素基 板上に炭化ケイ素のエピタキシャル層を成長させる方法から構成される。前記元 素の原子濃度はケイ素のそれよりもはるかに高い。この方法は、基板中のマイク ロパイプ欠陥がエピタキシャル層においてほぼ複製されなくなり、したがってエ ピタキシャル層の欠陥の数が減少する厚さになるまでエピタキシャル層の成長を 継続することによって、基板からエピタキシャル層に伝播したマイクロパイプ欠 陥をふさぐ工程をさらに含む。 好ましい実施形態において、溶融物中の前記追加元素はゲルマニウムであり、 エピタキシャル層はケイ素とゲルマニウムの溶融物中で成長することになる。具 体的には、前記溶融物中のゲルマニウムの原子濃度は、７０ないし９０パーセン トであり、約７５ないし８０パーセントが最適である。 機能面からみると、他の元素（ゲルマニウムが好ましい）の量は、適切な成長 率を導くのに十分であるが溶融物中で結晶が自然に発生するケイ素の量よりは少 ない、ケイ素の原子濃度として記述できる。溶解度向上元素（好ましくはゲルマ ニウム）は、前記溶融物中の炭化ケイ素の成長を最適化するのに十分であるが成 長中のエピタキシャル層の表面をグラファイト化し得る量よりは小さい原子濃度 で、溶融物中に存在すべきである。こうした結晶成長技術に習熟した人には周知 のことであるが、グラファイトは、エピタキシー成長の容器(susceptor)として よく使用されている。溶融物中にケイ素が多すぎる場合は、炭化ケイ素の形成中 にグラファイトの容器をエッチングするが、ゲルマニウムなどの第三の元素のパ ーセントが高すぎても、エピタキシャル層の表面にグラファイトの成長（グラフ ァイト化）を誘導してしまう。 後述の実験の項に詳述するように、炭化ケイ素の基板上にエピタキシャル層を 成長させる工程においては、約１６００℃ないし１８００℃の溶解温度で上記層 を成長させるのが好ましい。前にも述べたが、ＬＰＥによりエピタキシャル層に 生成できる追加厚みは、マイクロパイプ欠陥をふさぐのに有益である。したがっ て、好ましい方法は、約４０ないし７０ミクロンの厚み（約５０ないし６０ミク ロンが最適である）までエピタキシャル層を成長させることである。ただし、２ ０ミクロン程度の厚みでも十分な場合もある。 第一の実施形態のように、上記方法は、化学蒸着により第一のエピタキシャル 層上に炭化ケイ素の、他のエピタキシャル層を形成する工程をさらに含むことも できる。第一の実施形態のように、第二のエピタキシャル層は、第一のエピタキ シャル層とは反対の導電性(conductivity)のものとして形成される〔炭化ケイ素 のための通常のドープ剤はｎ型用には窒素（Ｎ）をｐ型用にはアルミニウム（Ａ ｌ）を含む〕。または、両方のエピタキシャル層を同じ導電性のものとして形成 し、第三の導電性の層を形成して、極めて多くの半導体デバイスに有益な接合構 造を提供することもできる。 他の態様において、本発明は、電子工学的電力デバイスに特に有益な高品質の 炭化ケイ素構造を構成する。この構造の最適なものは、バルク単結晶炭化ケイ素 基板であり、該炭化ケイ素基板の表面上の、炭化ケイ素のエピタキシャル層は、 Ｘ線ロッキングカーブにおいて２５アーク秒以下の半値幅を示していることを特 徴とする。結晶構造の測定と評価に習熟した人には周知のことだが、Ｘ線ロッキ ングカーブは、所与の結晶のＸ線回折ピーク幅(width of x-ray diffraction pe ak)を表している。ピーク幅が広くなるほど、結晶の質が低いことを示し易い。 というのは、広いピーク幅は、結晶に照射されたＸ線の回折の散乱が高いことを 示しているからである。逆に、Ｘ線ロッキングカーブの幅が狭くなるほど、結晶 の質が高く良好であることを示している。というのは、ロッキングカーブの幅が 狭くなるほど、単一の入射波長しか回折しない完全な結晶という理想的な状況（ 実際には到達不可能）に近づいているからである。 上記の構造をさらに説明すると、本発明の価値をさらに理解できる。というの は、この基板は、約１００アーク秒以下の半値幅のＸ線ロッキングカーブを示せ るからである。基板とエピタキシャル層の間でＸ線ロッキングカーブの低下がみ られるが、それは本発明の利点を示すものである。前述の実施形態の方法のよう に、基板とエピタキシャル層とはどちらも６Ｈポリタイプまたはどちらも４Ｈポ リタイプのものである。さらに、当該エピタキシャル層の好ましい厚みは、約２ ５ないし７５ミクロンであり、最適の厚みは約４０ないし７０ミクロンである。 本発明の方法による技術を使用すると、形成可能な炭化ケイ素構造では、エピ タキシャル層はほぼ円形となり、その直径は少なくとも１インチ（２インチまた はそれ以上の可能性もあるが）であるが、依然として、狭いＸ線ロッキングカー ブにより示される例外的な結晶品質を示している。 前述のすべての実施形態におけるように、この構造は、第一のエピタキシャル 層とは反対の導電性の第二のエピタキシャル層を、両方のエピタキシャル層がｐ ｎ接合を形成するようにさらに含むことができる。 さらに他の実施形態では、本発明は、電子工学的電力デバイスに特に使用され る高品質の炭化ケイ素構造を構成できる。この構造は、表面上に１平方センチ当 り約５０ないし４００のマイクロパイプ密度を有するバルク単結晶炭化ケイ素基 板と、表面上に１平方センチ当り約０ないし５０に減少させられたマイクロパイ プ密度を有する、前記基板の表面上に形成された炭化ケイ素のエピタキシャル層 とを含むものである。 前述の実施形態のように、基板とエピタキシャル層とはどちらも６Ｈまたはど ちらも４Ｈポリタイプであり、好ましい厚みは、約４０ないし７０ミクロンであ り、基板とエピタキシャル層とは、少なくとも約１インチの直径に形成され、そ の上に適切な接合を形成する複数のエピタキシャル層が配置される。 本発明の他の利点がさらに図示されている。図１は、本発明により成長させら れたエピタキシャル層の表面の特徴を示す光学顕微鏡写真と添付概略図である。 図１の概略図部分の矢印はエピタキシャル層の表面から始まり、顕微鏡写真がと られた点を示している。これと比較すると、図２においては、矢印は基板の顕微 鏡写真がとられた点を示しているが、その上部、下部中央、下部左側部分の、大 きなマイクロパイプ欠陥を含む多数の欠陥が示されている。図２にこうした欠陥 が示され、図１ではそうした欠陥がなくなっていることは、本発明の利点を示し ている。 図３及び図４は、図１及び図２と同じ関係にある。図４に示されるものでは、 基板に大きな欠陥がかなり見当たるが、図３に示されるものでは表面が改善され 、図４に見えるマイクロパイプが表面からなくなっている。 図５は、矢印の先から始って本発明によるＬＰＥにより成長したエピタキシャ ル層を備えた炭化ケイ素基板の断面Ｘ線回折顕微法写真である。基板からエピタ キシャル層を通じて存在する一貫した様子は、本発明による、結晶成長の利点を 例示するものである。 図６は、本発明によるエピタキシャル層を形成するのに使用される、液相エピ タキシーによる成長セル(growth cell)の概略横断面図である。このセルは、グ ラファイトヒーター１０と、るつぼ１１と、ケイ素の溶融物１２（ゲルマニウム も混入するのが好ましい）と、上面で成長が起る炭化ケイ素ウェーハ１３とを備 えている。図６のセルは、溶融物１２の中に炭化ケイ素ウェーハ１３を浸して回 転させる回転保持部１４を用いる浸漬回転技術(dipping-rotating technique)と 供に使用するのが好ましい。図６のセルの使用については以下の項でさらに詳細 に説明される。 実験経過 ６Ｈと４Ｈポリタイプのホモエピタキシャル層(homoepitaxial layers)を、対 応する炭化ケイ素ウェーハである基板の上に成長させる。これらのウェーハは直 径３０ミリメートルで、たとえば、前述の、Carterほかの米国特許第４８６６０ ０５号に示された技術である昇華技術により成長させられる。ブールから切り取 られた後で、これらのウェーハは、機械的な処理により損傷された表面層を取り 除くために磨かれエッチングされる。 次に、液相エピタキシー成長の前に、これらのウェーハの結晶構造の欠陥が調 べられる。こうしたウェーハは、５００℃で５分間、溶融水酸化カリウム（ＫＯ Ｈ）における化学エッチングを受ける。表面に貫入するマイクロパイプ、ポリタ イプ、混入物、転位など、結晶のマクロ欠陥がエッチング処理により光学顕微鏡 検査で明瞭に見られる。さらに、エッチングされたウェーハにおけるマイクロパ イプの数が映像システムと計数システム(dizitizing system)により数えられる 。この計数システムは、ウェーハ上のマイクロパイプの位置を正確に決定する。 結晶の欠陥位置と密度とはＸ線回折顕微法写真によっても判定できる。Ｘ線回 折は、Ｘ線ロッキングカーブの全幅を測定することで結晶の品質を示すのに使用 される。次に、微分X線回折(differential x-ray diffractometry)により逆格子 点近傍(reciprocal lattice site)のＸ線分散強度分布(x-ray scattering inten sity distribution)の情報が得られる。銅Ｋ_α放射(copper K_α radiation)、お よび、モノクロメーターの役割を果たす（０００１）配向(orientation)をもつ 欠陥のない炭化ケイ素からなるＬｅｌｙ結晶を用いる二結晶Ｘ線分光器により、 θおよびθ−２θ走査(scans)によるロッキングカーブが記録される。 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）内に設置された微細陰極ルミネッセンス構成(mic rocathodoluminescence setup)も欠陥の特性を調べるのに使用される。この技術 は、炭化ケイ素にわずかに含まれる様々なポリタイプを調査し識別するのに極め て有用である。最後に、エピタキシー成長の前の、ウェーハ表面の処理品質はＲ ＨＥＥＤ（反射高速電子回折）により調べられる。 液相エピタキシー成長は、約１６００℃ないし１８００℃の温度範囲のケイ素 ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）溶融物中での溶融炭素(carbon solution)を用いて実 行される。この成長は、最高約２５００℃の温度が可能な加熱抵抗炉内で実行さ れ、エピタキシー成長中の温度はタングステン／ルテニウム（Ｗ／Ｒｅ）熱電対 により測定され監視される。 浸漬回転技術が成長のために利用される。炭化ケイ素のウェーハはグラファイ ト製の保持部に固定され、ケイ素およびゲルマニウム（Ｓｉ／Ｇｅ）の混合物を 約３０グラム収容しているグラファイト製るつぼと共に炉に装填される。装填後 には、成長室の空気を３０分間抜いて、酸素を取り除き、高純度のヘリウム（Ｈ ｅ）を充填する。充填されたるつぼはケイ素の融点（摂氏１４０３度）まで加熱 される。Ｓｉ／Ｇｅ混合物が溶融すると、炭化ケイ素ウェーハは下方に移動させ られて、溶融表面に比較的近づく。ウェーハを溶融物中に浸漬すると熱応力が発 生する場合があるので、ウェーハはこの接近（ただし浸漬していない）位置に１ ５分間保持されて熱応力を低下させられる。 次に、ウェーハは、溶融物中にゆっくりと浸漬される。溶融物は、次に、望ま しい成長温度まで上昇させられる。成長サイクル中には、該温度は一定に保たれ るので、るつぼ中の温度勾配に従って成長が行われる。溶融物の表面の温度は、 るつぼの底における温度より約３０℃低く維持される。Ｓｉ／Ｇｅ溶融物は、グ ラファイトるつぼの壁から溶出した炭素で飽和状態になる。約１０ないし５０ミ クロンにエピタキシャル層の厚みを保つために、成長時間は、成長温度ならびに 溶融物の組成に応じて約３０分ないし２４０分（半時間ないし４時間）の範囲に 変化させられる。エピタキシー成長が完了すると、サンプルは取り出され、炉は 冷却される。溶融物の小滴がサンプルまたは基板保持部に残っている場合には、 フッ化水素酸と硝酸との混合物（ＨＦ−ＨＮＯ₃）中で化学エッチング(chemical etching)によって除去される。その後、サンプルは通常のＲＣＡ処理(RCA proce dure)で清浄化される。 成長の後で、これらのエピタキシャル層は、紫外線励起(ultraviolet excitat ion)による光学顕微鏡検査、角度研摩(angle lapping)、電子顕微鏡検査、およ びＲＨＥＥＤなど様々な技術を用いて調べられる。前記のエピタキシャル層が、 その後のエピタキシー成長用またはバルク成長用の種晶(seed)として利用される ことが予定されている場合、ＬＰＥ層の頂部に成長している材料の品質は、表面 の形態(surface morphology)と結晶構造とを評価することによって判定される。 成長した層の結晶構造も、Ｘ線回折顕微法写真やＸ線回折など、エピタキシー 成長の前に表面を調べるのに使用されたのと同じ技術により調べられる。Ｘ線回 折顕微法写真は、各層の欠陥の分布の、深さ方向の輪郭を求めるのに使用される 。ウェーハも、約５００℃で、溶融ＫＯＨで再びエッチングされ、表面映像はふ た たび、マイクロパイプや他の欠陥が減少した程度を判定するためにデジタル化さ れる。エピタキシャル層における欠陥の分布及び密度が、初期ウェーハにおける 欠陥の分布及び密度と比較される。 欠陥がウェーハから炭化ケイ素エピタキシャル層の中まで伝播する程度は、透 過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）により調べられる。平面と横断面とのＴＥＭ技術は どちらも基板とエピタキシャル層との境界における欠陥の分布を調査し、マイク ロパイプの形成と終了のメカニズムを研究するのに使用される。微細陰極ルミネ ッセンスとＴＥＭとは、マイクロパイプより上の結晶構造の品質を調査するのに 使用される。 先行試験結果によると、成長温度、成長率、層の厚さはすべて、ＬＰＥ成長中 に炭化ケイ素エピタキシャル層中のマイクロパイプ伝播を防ぐのに決定的である ことが判明している。 この図面と明細書では、本発明の代表的な、好ましい実施形態が開示されてお り、特定の用語が使用されているが、それらの用語は一般的かつ記述的な意味で しか使用されておらず、以下の請求の範囲に記されている本発明の範囲に制限を 加えるものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，Ｂ Ｙ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ， ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 イワンツォフ，ウラディーミル・エイ ロシア国、サンクト・ペテルブルグ、イワ ナ・チェルニック・ストリート 19、47 (72)発明者 カーター，カルヴィン・エイチ，ジュニア アメリカ合衆国、27516 ノース・キャロ ライナ、ケアリー、ノース・ドローブリッ ジ・レイン 114

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． マイクロパイプ欠陥をほぼ免れた炭化ケイ素エピタキシャル層の形成 方法であって、 種晶添加昇華技術を用いて炭化ケイ素のバルク結晶を成長させる工程と、 後記基板から後記第一のエピタキシャル層の成長部の中に伝播したマイクロ パイプ欠陥を、後記第一のエピタキシャル層の溶融成長においてマイクロパイプ 欠陥の複製をかなり減らすようにふさぐのに十分な厚みのものとなるまで、バル ク結晶から製造された基板の上に炭化ケイ素の、第一のエピタキシャル層を、液 相エピタキシー技術により形成する工程と、その後、 化学蒸着により炭化ケイ素の前記第一のエピタキシャル層の上に炭化ケイ素 の第二のエピタキシャル層を形成する工程と を有する、炭素ケイ素エピタキシャル層の形成方法。 ２． バルク単結晶を成長させる前記工程が、６Ｈまたは４Ｈポリタイプか らバルク単結晶を成長させる工程から成り、第一のエピタキシャル層を形成する 前記工程が、前記基板のと同じポリタイプの前記第一のエピタキシャル層を形成 する工程から成る請求項１記載のエピタキシー成長法。 ３． 第一のエピタキシャル層を形成する前記工程が、第１の導電性の前記 第一のエピタキシャル層を形成する工程から成り、第二のエピタキシャル層を形 成する前記工程が、前記第一のエピタキシャル層とは反対の導電性をもつ前記第 ２の層を形成して、前記第一の、第二のエピタキシャル層の間にｐｎ接合を形成 する工程から成る請求項１記載のエピタキシー成長法。 ４． 前記第一の、および第二のエピタキシャル層を形成する前記工程が、 第１の導電性の前記第一の、および第二のエピタキシャル層を形成する工程を有 し、前記第二のエピタキシャル層上に反対の導電性をもつ第三のエピタキシャル 層を形成することにより前記第二の、および第三のエピタキシャル層の間にｐｎ 接合を形成する工程をさらに有する請求項１記載のエピタキシー成長法。 ５． マイクロパイプ欠陥をほぼ免れた炭化ケイ素エピタキシャル層の形成 方法であって、 ケイ素中に炭化ケイ素を溶融した溶融物と前記溶融物中の炭化ケイ素の溶解 度を上げる元素とから液相エピタキシーにより炭化ケイ素基板上に炭化ケイ素の エピタキシャル層を成長させる工程を有し、前記溶融物における前記元素の原子 濃度がケイ素の原子濃度よりはるかに高いことと、さらに 前記基板にあるマイクロパイプ欠陥が前記エピタキシャル層で複製されるこ とがほぼなくなり、かつ、前記エピタキシャル層のマイクロパイプ欠陥の数がか なり減少する厚みになるまで前記エピタキシャル層を成長させ続けることによっ て、前記基板から前記エピタキシャル層に伝播したマイクロパイプ欠陥をふさぐ 工程を有することとを特徴とする、炭化ケイ素エピタキシャル層の形成方法。 ６． ケイ素と他の元素との溶融物中で前記エピタキシャル層を成長させる 前記工程が、ケイ素とゲルマニウムとの溶融物中で前記エピタキシャル層を成長 させる工程から成る請求項５記載の、エピタキシャル層の形成方法。 ７． 前記溶融物から前記エピタキシャル層を成長させる前記工程が、ゲル マニウムの原子濃度が約７０ないし９０パーセントである溶融物中で前記エピタ キシャル層を成長させる工程から成る請求項６記載の、エピタキシャル層の形成 方法。 ８． ケイ素と他の元素との溶融物中で前記エピタキシャル層を成長させる 前記工程が、 適切な成長率を導くのに十分であるが、前記溶融物中で結晶の自然発生を引 き起こすケイ素量より小さい原子濃度のケイ素と、 前記溶融物中の炭化ケイ素の成長を最適化するのに十分であるが、前記成長 中のエピタキシャル層の表面をグラファイト化し得る量よりは小さい原子濃度の 溶解度向上元素と を有する溶融物中で前記エピタキシャル層を成長させる工程から成る請求項 ５記載の、エピタキシャル層の形成方法。 ９． 炭化ケイ素基板上にエピタキシャル層を成長させる前記工程が、平方 センチメータ当り約５０ないし４００のマイクロパイプ密度により特徴付けられ る基板上に、前記層を成長させる工程から成る請求項５記載の、エピタキシャル 層の形成方法。 １０． マイクロパイプ欠陥をほぼ無くした炭化ケイ素エピタキシャル層の形 成方法であって、炭化ケイ素昇華成長技術によって、基板と請求項５の方法によ り形成されるエピタキシャル層とに種晶添加する工程から成る前記方法。 １１． バルク単結晶炭化ケイ素基板と、 前記炭化ケイ素基板の表面における炭化ケイ素エピタキシャル層とを有し、 特に電子工学的電力デバイスで使用される高品質の炭化ケイ素構造において 、 前記エピタキシャル層がＸ線ロッキングカーブにおいて２５アーク秒以下の 半値幅を示すことを特徴とする炭化ケイ素構造。 １２． 前記基板が、Ｘ線ロッキングカーブにおいて約１００アーク秒以下の 半値幅を有する請求項１１記載の炭化ケイ素構造。 １３． 前記基板が、６Ｈまたは４Ｈポリタイプのものであり、前記エピタキ シャル層が前記基板と同じポリタイプを有する請求項１１記載の炭化ケイ素構造 。 １４． 前記第一のエピタキシャル層とは反対の導電性の第二のエピタキシャ ル層を有し、前記両エピタキシャル層がｐｎ接合を形成する請求項１１記載の炭 化ケイ素構造。 １５． 電子工学的電力デバイスで特に使用される高品質の炭化ケイ素構造で あって、 表面に約５０ないし４００／ｃｍ2のマイクロパイプ密度を有するバルク単 結晶炭化ケイ素基板と、 前記炭化ケイ素基板の表面上の炭化ケイ素エピタキシャル層とを有し、前記 エピタキシャル層の表面が約０ないし５０／ｃｍ²のマイクロパイプ密度を有す る炭化ケイ素構造。