JPS609658B2

JPS609658B2 - 炭化珪素基板の製造方法

Info

Publication number: JPS609658B2
Application number: JP53075003A
Authority: JP
Inventors: 年紀猪奥; 武桜井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1978-06-20
Filing date: 1978-06-20
Publication date: 1985-03-12
Also published as: JPS553631A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は炭化珪素（ＳＩＣ）の大面積基板を製造する方
法に関するものである。

炭化珪素には多くの結晶構造（ｐｏｌ〆ｙｐｅ・多形と
称される）が存在し、結晶構造により２．亀乃至３．３
エレクトロンボルト（ｅＶ）の禁制帯幅を有する。

また炭化珪素は、熱的、化学的、機械的に極めて安定で
、放射線損傷にも強く、またワイドギャップ半導体とし
てはめずらしく、ｐ型、ｎ型共安定に存在する材料であ
る。従って高温動作素子、大電力用素子、高信頼性半導
体素子、耐放射線素子等の半導体材料として有望である
。又従来の半導体材料を用いた素子では困難な環境下で
も使用可能となり、半導体デバイスの応用範囲を著しく
拡大し得る材料である。その他、そのエネルギーギャッ
プの値から考察するに可視短波長と近紫外光間の光電変
換素子材料としても興味ある半導体材料である。さらに
他のワイドギャップ半導体が一般に重金属をその主成分
に含有し、このために公害と資源の問題を伴なうのに対
して、炭化珪素はこれらの両問題から解放されている点
からも電子材料として有望視されるものである。このよ
うに多くの利点、可能性を有する材料であるにもかかわ
らず実用化が阻まれているのは、生産性を考慮した工業
的規模での量産に必要となる高品質の大面積基板を得る
ための再現性のある結晶成長技術が確立されていないと
ころにその原因がある。従来、研究室規模でＳＩＣ基板
を得る方法としては、黒鉛柑禍中でＳＩＣ粉末を２２０
０ｏ○〜２６００ｏｏで昇華させ、さらに再結晶させて
ＳＩＣ基板を得るいわゆる昇華再結晶法（レーリー法と
称される）、珪素又は珪素に鉄、コバルト、白金等の不
純物を混入した混合物を黒金６柑渦で溶融してＳＩＣ基
板を得るいわゆる溶液法、研磨材料を工業的に得るため
に一般に用いられているアチェソン法により偶発的に得
られるＳＩＣ基板を用いる方法等がある。

しかしながら上記昇華再結晶法、溶液法では多数の再結
晶を得ることはできるが、多くの結晶核が結晶成長初期
に発生する為に大型のＳＩＣ基板を得ることが困難であ
り、又幾種類かの結晶構造（ｐｏｌれｙｐｅ）のＳＩＣ
が混在し、単一結晶構造で大型のＳＩＣ単結晶をより再
現性よく得る方法としては不完全なものである。又、ア
チェソン法により偶発的に得られるＳＩＣ基板は半導体
材料として使用するには純度及び結晶性の点で問題があ
り、又比較的大型のものが得られても偶発的に得られる
ものであり、ＳＩＣ基板を工業的に得る方法としては適
当でない。一方、近年の半導体技術の向上に伴ない「比
較的良質で大型の単結晶基板として入手できるＳｉを用
いた珪素異質基板上に、へ７ロェピタキシャル技術によ
り３Ｃ形ＳＩＣ（立方晶形に属する結晶構造を有するも
ので、そのエネルギーギャップは〜２．傘Ｖ）単結晶薄
膜が得られるようになった。

珪素基板上へのへテロェピタキシャル成長法としては、
ｍ珪素原料としてＳｉ比、ＳＩＣ１４「（Ｃ比）３ＳＩ
Ｃ，、（ＣＨ３）ぶｉＣ，２、また炭素原料としてＣＣ
１４、炭化水素ガス（Ｃ２日２、Ｃ２日６、ＣＨ４、Ｃ
３日８等）、キャリテガスとして水素、アルゴン等を用
いて、Ｓｉ基板温度を１２００ｑｏ〜１４００ｑｏに設
定し、気相成長技術（ＣＶＤ技術）により、父形ＳＩＣ
単結晶薄膜を得る方法「【２６ｉ基板表面にグラフアィ
ト〜炭化水素の熱分解により生ずるカーボンを１２００
午０〜１４００午０程度の温度で拡散させ、Ｓｉ基板表
面をＳＩＣに変換させて父形ＳＩＣ単結晶薄膜を得る方
法、‘３’Ｓｉ蒸気を直流又は交流グロー放電により活
性化されたアルゴン、炭化水素ガス中を通過させてＳｊ
基板上にＳＩＣ単結晶薄膜を蒸着させる方法（蒸着法）
等がある。しかしながら上記｛１｝、｛２｝「‘３’等
のＳｉ異質基板上へのへテロェピタキシャル技術により
得られた＊形ＳＩＣ薄膜単結晶の厚さは１〜１０山肌程
度の薄いものであり「又一般にはその結晶の完全性に於
いても良好なものとはいい難い。この理由は、Ｓｉ基板
とぶ形ＳＩＣ結晶の格子定数の差が大きい為に特にＳＩ
Ｃ基板とェピタキシャル＊形ＳＩＣ界面近傍に多くのミ
スフィット転位が発生し、その影響がェピタキシャル層
内部にまで及んでいること及びＳｉ基板とＳＩＣ結晶の
熱膨張係数の差により成長温度から室温に冷却する過程
でＳＩＣェピタキシャル層中に歪が蓄積されるためと考
えられる。又仮にこのような方法で大面積かつ良質の＊
形ＳＩＣ（エネルギーギャップＥｇは〜２．傘Ｖ）が得
られたとしても更にエネルギーギャップの大きい結晶構
造のＳＩＣ、例えば細（Ｅｇは〜３．０２Ｖ）、４日（
Ｅｇは〜３．２６Ｖ）、知日（Ｅｇは〜２．段Ｖ）等の
Ｑ形ＳＩＣをェピタキシャル成長法で得ようとすると、
その成長温度は一般には１６００００以上の高温となり
、Ｓｉ基板及び前述したＳｉ基板上へＳＩＣ薄膜を成長
させた基板（＊形ＳＩＣ／Ｓｉ構造）等はＳｉの融点が
１４１０ｑ０であるのでＱ形ＳＩＣへ７ｏェピタキシャ
ル成長用基板として採用することはできなくなる。しか
しながらＳｉ基板上へのへテロェピタキシャル成長によ
る父形単結晶薄膜成長が可能であるという事実はヱピタ
キシャル成長法により大面積のＳＩＣが得られる可能性
を示唆するものである。

即ちＳｉ基板上に形成された３Ｃ形ＳＩＣ単結晶薄膜を
何らかの方法で異質基板から分離することが可能になれ
ば「このＳｊ基板から分離した３Ｃ形ＳＩＣ単結晶薄
膜を第１基板として新たに従来のヱピタキシャル成長法
によりも第１次基板より改善された＊形ＳＩＣ結晶を成
長させること及び１６００００以上の成長温度でＱ形Ｓ
ＩＣ結晶を成長させることが可能となる。この様なＳｉ
基板から分離したＳＩＣ薄膜基板へのェピタキシャル成
長はホモェピタキシャル成長となり、基板と成長層の格
子定数の相違「熱膨張係数の相違に基く問題は発生せず
、良好な結晶性のヱピタキシャル成長層が得られる。と
ころがこの点に関し従来に於いてはＳｉ基板上に形成さ
れた１〜ｉｏ山肌厚程度の＊形ＳＩＣ薄膜を破損するこ
とないこ分離する適当な製造技術が確立されていなかっ
たため、実際には上記第１次基板（父形ＳＩＣ薄膜）上
へェピタキシャル成長させて良質のむ形、或いはＱ形Ｓ
ＩＣ結晶を形成するところまで発展させた例はない。従
来Ｓｉ基板上に形成された＊形ＳＩＣ薄膜を剥離する方
法としては、Ｓｉ基板を弗酸と硝酸の混液でエッチング
除去する方法がとられていた。しかしＳｉ基板への父形
ＳＩＣの成長は１２００午０〜１４００℃程度の比較的
高温で行なわれ、又Ｓｉ基板とＳＩＣのェピタキシャル
成長層では熱膨張係数が異なるために成長温度から室温
に温度を下げる過程でＳｉ基板及びＳＩＣェピタキシャ
ル成長層に大きな歪が蓄えられる。そのためにＳｉ基板
をエッチングにより薄く加工していくとＳｊ基板及びェ
ピタキシャル成長層は湾曲していくことになり、ェピタ
キシヤル成長層にクラックが発生したり破損したりする
ことによりＳＩＣ薄膜として使用不能の結果となる。本
発明者は上記問題点に鑑み先に樽藤昭５２−６３５３３
号に於いて、Ｓｉ基板上に炭化珪素を気相成長させ、そ
の後Ｓｉ基板のみを熔融除去することにより残存する炭
化珪素を基板として、この基板上に炭化珪素成長層を得
る方法を開発し提唱している。

この方法を実施例について更に詳しく説明すると、グラ
フアィト製のサセプタ上にＳｉ基板を載直し、戦層面に
小孔を設けＳｉ基板上に炭化珪素を成長させたのち昇温
操作を介してＳｉ基板を熔融状態にするとともにこの小
孔より熔融したＳｉ基板を真空吸引しサセプタ上に残存
した炭化珪素を基板として炭化珪素成長層をェピタキシ
ャル成長させるものである。しかしながらこの方法に於
いてはサセプタ上に残存した炭化珪素面にグラフアイト
の珪素融液吸引性のため若干の凹凸現象が発生するとい
う問題点がある。本発明は上記方法に於けるＳｉ基板の
熔融除去工程に更に改良を施こすことにより、良質の炭
化珪素成長層を得ることのできる新規有用な炭化珪素基
板の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に於けるサセプタとしては、グラフアィトのよう
な珪素融液に対する吸引性を有する材質のものは使用せ
ず、珪素融液は吸収しないが珪素融液とよく濡れる特性
をもった材質を用いる。

また、珪素基板を熔融する温度は高すぎると珪素敵液が
凝集するので、珪素の融点である１４１０００から上限
値として１４６０００ぐらいの間の値に設定することが
望ましい。上記特性をもったサセプタを用いて１４１０
℃乃至１４６０℃で熔融すれば、蓮素融液は徐々にサセ
プタ上に広がり、炭化珪素薄膜下部から除去される。以
下、本発明を実施例に従って図面を参照しながら更に詳
細に説明する。

第１図に反応装置の一例を示す。

水袷式縦形二重石英反応管２内に黒鉛製支持榛４により
支持された珪化タンタル被覆タンタル製試料台６を置き
反応管２の外耳同部に巻回されたワークコイル８に高周
波電流を流して、この試料台６を誘導加熱する。反応管
２の下端はステンレス鋼製のフランジ１０と０−リング
でシールされている。フランジ１０上にはガスの出口と
なる継手１２及び支持台１４が設けられている。支持台
１４に石英製の支柱１６が保持され、支柱１６に上話支
持榛４が継ぎ足される。出口側の継手１２には排気用管
が接続され、排ガス処理装置と連結されている。反応管
２の上端側にはガス流入口となる枝管１８が設けられ、
搬送ガスが反応管２内へ供給される。試料台６上には下
地基板となる珪素基板２８が載遣されている。次に本実
施例の炭化珪素成長方法について第２図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
を参照しながら説明する。

‘ａ｝反応管２を排気して水素で置換し、公知の塩化
水素・水素混合ガスで試料台６上に戦遣された珪素基板
２８の表面をエッチング除去する（第２図Ａ参照）。‘
ｂ｝珪素基板２８の温度を珪素の融点以下の温度好ま
しくは１１００ｑｏ乃至１２００℃に設定し一般的な気
相成長法で炭化珪素を珪素基板２８上に成長させる。

搬送ガスにはアルゴン（Ａｒ）ヘリウム（Ｈｅ）などの
稀ガス又は水素ガス（日２）が用いられる。珪素原料と
しては、四塩化珪素（ＳＩＣ１４）、二塩化シラン（Ｓ
ｉＱＣ１２）、シラン（Ｓｉ比）などが、また炭素原料
としては四塩化炭素（ＣＣ１４）やプロパン（Ｃ３日８
）、メタン（ＣＭ）をはじめとする炭化水素が用いられ
る。

本実施例では流量１そ／分の水素ガスを搬送ガスとし、
四塩化珪素（ＳＩＣ１４）及びプロパン（Ｃ３は）を各
々の原料とした。濃度は原子比で四塩化珪素が１×１０
‐４乃至５×１０‐４、プロパンが１．５×１０‐４乃
至８×１０‐４である。

搬送ガスは枝管１８より反応管２内へ供給される。３０
分間の成長で約２〜３仏凧の３Ｃ形炭化珪素薄膜３０を
得た。

（第２図Ｂ参照）。｛ｃ’ワークコイル８に流す高周波
出力を増加して試料台６の温度をｉ４１０℃乃至１４６
０℃に昇温し、珪素基板２８を熔融する。熔融した珪素
融液２８′はゆっくり試料台６上に放射状に放散し、一
部は気相中に蒸発し、他は試料台６上に滞留する。炭化
珪素薄膜３０下の珪素融液２８′は外部方向に浸み出し
ていき、数山肌又はそれ以下になる。珪素融液２８′は
層厚が未だ厚いとき温度を１５００ｑｏ以上に上昇する
と中央に凝集するが数十仏の以下になれば昇温しても凝
集せず、炭化珪素薄膜３０を歪ませたり破損することが
ない。試料台６上面は完全に平坦であるよりも、数ム肌
又は数十ム机の凹凸を有する方が珪素融液の放散が速や
かである（第２図ｃ参照）。‘ｄ）温度を１７００ｏｏ
に昇塩し、水素搬送ガス中に四塩化珪素１×１０‐４乃
至５×１０‐４、プロパン６×１０‐５乃至３×１０‐
４（ともに容積比）を混入して炭化珪素薄膜３０上に更
に炭化珪素成長層３２を５０乃至数百ｒの成長させる（
第２図Ｄ参照）。

以上により良質の炭化珪素成長層を得ることができる。

本発明によれば製作工程が簡単でかつ制御性の良好な製
作方法で炭化珪素結晶層を得ることができ、量産形態に
適するため、生産性を著しく向上させることができる。
また珪素基板除去時に於いて、炭化珪素薄膜に発生する
歪みや割れ、破れを防止し、歩留りよく、次工程のため
の炭化珪素種結晶（基板）を試料台上に残し得るため、
炭化珪素基板の工業的規模での生産体制の確立に多大な
る貢献をすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に供する反応装置の要部構成断面
図である。第２図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは本発明の一実施例を説明する製
造工程図である。６…・・・試料台、２８・・・・・・
珪素基板、３０・・・・・・炭化珪素薄膜、３２・…・
・炭化珪素成長層。第／図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

１試料台上に載置された珪素基板上に炭化珪素薄膜を
気相成長させる工程と、珪素の融点以上で１４６０℃
程度以下の温度に加熱し、前記珪素基板を熔融させると
ともに前記試料台上に放散させる工程と、を具備して成
り、前記試料台上に残存した炭化珪素薄膜を炭化珪素の
結晶成長用基板とすることを特徴とする炭化珪素基板の
製造方法。