JPS609659B2

JPS609659B2 - 炭化珪素基板の製造方法

Info

Publication number: JPS609659B2
Application number: JP53075005A
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: JPS553632A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は炭化珪素（ＳＩＣ）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×ｙｐｅ・多形と
称される）が存在し、結晶構造により２．４乃至３．３
エレクトロンボルト（ｅＶ）の広い禁制帯幅を有する。

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〈、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
ための再現性ある結晶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、黒鉛柑渦中でＳＩＣ粉末を２２０００
０〜２６００ｑｏで昇華させ、さらに再結晶させてＳＩ
Ｃ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鉛柑禍で溶融して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、多くの結晶後が結晶成長初期
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×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、アチヱ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Ｓ
ｉを用いた珪素異質基板上に、ヘナロェピタキシヤル技
術により＊形ＳＩＣ（立方晶形に層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ヱピタキシャル成長法としては【
１ー珪素原料としてＳｉＨ４、ＳＩＣ１４、（Ｃは）３
ＳＩＣＬ（ＣＨ３）ぶｉＣ１２、また炭素原料としてＣ
Ｃ１４、炭化水素ガス（Ｃ２比、Ｃ２日６、ＣＨ４、Ｃ
３＆等）、キャリアガスとして水素、アルゴン等を用い
て、Ｓｉ基板温度を１２００００〜１４００つ０に設定
し、気相成長技術（ＣＶＤ技術）により、＄形ＳＩＣ単
結晶薄膜を得る方法、｛２｝Ｓｉ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
ｑｏ〜１４００ｑｏ程度の温度で拡散させ、Ｓｉ基板表
面をＳＩＣに変換させて＊形ＳＩＣ単結晶薄膜を得る方
法、‘３｝Ｓｉ蒸気を直流又は交流グ。‐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Ｓｉ
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〜ｌｏＡｍ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紅形ＳＩＣ界面近傍に多くのミ
スフィツト転位が発生し、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Ｓｊ基板とＳＩＣ結晶
の熱膨張係数の差により成長温度（例えば１１００乃至
１２００ｑ０）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松形Ｓ亘Ｃ（エネ
ルギーギャップＥｇは〜２．唯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〜３．０彼Ｖ）山日（Ｅｇは３．２６Ｖ
）、留日（Ｅｇは〜２。鉄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１６００℃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（父形ＳＩ
Ｃ／Ｓｉ構造）等はＳｉの融点が１４１０℃であるので
Ｑ形ＳＩＣへナロェピタキシヤル成長用基板として採用
することはできなくなる。珪素と炭化珪素の熱膨張率差
は大きく異なる値を有するため、成長温度から室温まで
降温すると、基板に歪が蓄積される以外に基板に反りが
生じ、はなはだしい場合にはＳＩＣ結晶層に割れが発生
するような事態も起こり得る。

上記に於いて、目的とする対象物は炭化珪素だけであっ
て、珪素基板は必要に応じて後工程で研磨され、又は化
学的にエッチングされて最終的には除去されてしまうも
のであり、また、除去されない場合でも電子材料の機械
部分としては利用されず単なる支持部村として使用され
るにとどまるものである。従って珪素基板は炭化珪素成
長時には良質な単結晶である必要があるが、一旦炭化珪
素が成長した後は、単結晶を保つ必要はない。発明者ら
はこの点に着目し、炭化珪素成長後一旦珪素の融点を越
える温度範囲まで昇温してから降溢する方法を創案した
。この方法によれば珪素は一旦熔融されるので、再び融
点以下の温度に降温されたとき、多結晶の珪素として小
さな粒径に分離され、結晶化していく。従って室温まで
降溢された時熱膨張率の差による歪は珪素多結晶粒界に
於いて吸収され、炭化珪素に与える応力は単結晶時と比
較して大幅に軽減される。なお、炭化珪素成長工程に於
いて、珪素基板の側面が雰囲気に十分接触するように設
定しておけば珪素基板の側面にも炭化珪素が析出する。

側面の炭化珪素は珪素熔融時に珪素融液が流出しないよ
うにすることを目的とするものであり、単結晶である必
要はない。従って基板上面に良質の単結晶炭化珪素が成
長するように原料ガス量、温度等のパラメ−夕−を設定
すれば足りる。このとき側面の炭化珪素は多結晶化する
だけでなく膜厚が上面の半分又はそれ以下の値となり、
従って膜厚が薄い場合は珪素の融点より余り高く昇温す
ると側面から破れ出すので融点より高くなり過ぎないよ
うに温度制御する必要がある。また珪素基板は一且熔融
した後再び固化するので、基板が試料台と固着してしま
う倶れがある。本発明では試料台として黒鉛材を用いた
り、表面に炭化珪素を被覆したりするなどの方法により
表面材質が炭素を含む物質で形成されるように配慮して
おく。このようにすれば炭化珪素気相成長工程中に於い
て、高温のために珪素基板の裏面の数１００Ａ乃至数〃
のが炭化され炭化珪素となる。これにより珪素熔融時の
珪素融液を保持するので、基板が試料台に固着すること
はない。本発明は以上の技術的手段を基調とする新規有
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。

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内に黒鉛製支持棒４により
支持された炭化珪素被覆黒鉛製試料台６を置き反応管２
の外胴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○ーリングでシールさ
れている。フランジ１０上にはガスの出口となる継手１
２及び支柱台１４が設けられている。支柱台１４に石英
製の支柱１６が保持され、支柱１６に上記支持棒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
、、廃ガス処理装置に連結されている。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が戦層されている。珪素基板は片面ラ
ップ、片面ポリッシュしたものをポリッシュ面を上面に
して戦層する。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上に載遣された珪素基板
２８の上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１１００乃至１２０び０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
ｊＱＣ１２）、シラン（Ｓｉ比）などが、また炭素原料
とては四塩化炭素（ＣＣ１４）やプロパン（Ｃ３＆）、
メタン（ＣＨ４）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〆／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分間の成長で珪素基板２８上面
に約２〜３仏肌の父形炭化珪素成長層３０を得た。

また珪素基板２８の側面上には約ｌＡｗ厚の炭化珪素多
結晶層３１が析出する。（第２図Ｂ参照）この工程に於
いて、珪素基板２８の裏面には約１０００Ａ厚の炭化珪
素多結晶層２９が形成されている。

試料台６の炭化珪素被覆層は結晶粒座数仏の乃至数１０
仏仇の多結晶層であり、珪素基板２８の裏面もラップに
より粗面化されているからこの間には多くのすきまが存
在し、この工程により裏面の炭化珪素多結晶層２９と試
料台の被覆層が固着してしまうことは実際上皆無である
。‘ｃーワークコィル８に流す高周波出力を増して試
料台６の温度を１４１０乃至１４４０ｏｏに昇温し、珪
素基板２８を熔融する。

珪素融液２８′は裏面、上面及び側面を炭化珪素層２９
，３０，３１で覆われているので、外部に流出すること
はない。持続時間は特に必要なく短かくしてよいが温度
を安定化するため、１乃至２分間保持した。（第２図Ｃ
参照）‘ｄ｝温度を降溢して珪素を固化し多結晶層２
９として再結晶させる。

このとき融液近くを徐冷するより、１３５０ｑｏ以下ま
で速やかに降溢した方が結晶粒の核発生頻度が高く、従
って珪素２８″の結晶粒径がより４・さく総粒界面積が
より大きくなり炭化珪素との間に発生する歪を逃がす上
で有利である。（第２図Ｄ参照）室温まで降溢した後反
応管２から取り出し、得られた珪素多結晶を内部に包含
する炭化珪素結晶体をェピタキシャル成長用基板として
炭化珪素を成長させると良質の炭化珪素ェピタキシャル
成長層が得られる。以上詳説した如く、本発明によれば
「炭化珪素のホモェピタキシャル成長用基板が簡単な操
作で得られ、またこの基板は支持部材としての珪素を内
部に包含するため、材質的に強固であり、異質材料によ
る接合間での歪等が問題視されないため実用上非常に有
効である。

【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
である。第２図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは本発明の１実施例を説明する製
造工程図である。２８……珪素基板、２８′……珪素融
液「２９，３１・・・・・・多結晶炭化珪素層Ｌ３
０…・・・炭化珪素成長層。策′図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

１少なくとも載置面が炭素を含む物質より成る試料台
の前記載置面上に珪素基板を配し、該珪素基板の上面及
び側面に炭化珪素成長層を気相成長させる工程と、珪
素の融点以上であって、前記炭化珪素成長層が破壊され
ない範囲の温度に昇温し、前記珪素基板を熔融した後降
温操作を介して前記珪素基板を凝固せしめる工程と、を
具備して成り、前記炭化珪素成長層内に珪素の多結晶体
を内包せしめることを特徴とする炭化珪素基板の製造方
法。