JPWO2016075957A1 - 炭化珪素エピタキシャル基板 - Google Patents

Abstract

炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、炭化珪素単結晶基板を準備する工程（Ｓ１０１）と、該炭化珪素単結晶基板を成膜装置のチャンバ内に配置し、該チャンバ内を減圧する工程（Ｓ１０２）と、該チャンバ内の温度を第１の温度まで昇温する工程（Ｓ１０３）と、水素ガスを該チャンバ内に導入して、該チャンバ内の圧力を調整する工程（Ｓ１０４）と、炭化水素ガスを該チャンバ内に導入する工程（Ｓ１０５）と、調整された該チャンバ内の該圧力および該水素ガスの流量を維持し、かつ該炭化水素ガスを導入した状態で、該チャンバ内の該温度を第２の温度まで昇温して、該第２の温度で所定の時間保持する基板改質工程（Ｓ１０６）と、該第２の温度を維持した状態で、該チャンバ内にシランガスを導入することにより、該炭化珪素単結晶基板上にエピタキシャル層を成長させる工程（Ｓ１０７）と、を備える。

Description

本開示は、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法および炭化珪素エピタキシャル基板に関する。

特開２０１３−３４００７号公報（特許文献１）には、０．４°〜５°のオフ角で傾斜させた炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル層を成長させたＳｉＣエピタキシャルウエハであって、短いステップバンチングがないことを特徴とするＳｉＣエピタキシャルウエハが記載されている。

特開２０１３−３４００７号公報

平面形状が台形状である欠陥（以下「台形状欠陥」と記す）が低減された炭化珪素エピタキシャル基板の提供を目的とする。

本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、炭化珪素単結晶基板を準備する工程と、該炭化珪素単結晶基板を成膜装置のチャンバ内に配置し、該チャンバ内を減圧する工程と、該チャンバ内の温度を第１の温度まで昇温する工程と、水素ガスを該チャンバ内に導入して、該チャンバ内の圧力を調整する工程と、炭化水素ガスを該チャンバ内に導入する工程と、調整された該チャンバ内の該圧力および該水素ガスの流量を維持し、かつ該炭化水素ガスを導入した状態で、該チャンバ内の該温度を第２の温度まで昇温して、該第２の温度で所定の時間保持する基板改質工程と、該第２の温度を維持した状態で、該チャンバ内にシランガスを導入することにより、該炭化珪素単結晶基板上にエピタキシャル層を成長させる工程と、を備える。

本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板は、１°以上８°以下のオフ角を有する炭化珪素単結晶基板と、該炭化珪素単結晶基板上に形成されたエピタキシャル層と、を備える。エピタキシャル層の表面において、台形状の窪みである、台形状欠陥の欠陥密度が１個／ｃｍ²以下である。台形状欠陥は、平面視において＜１１−２０＞方向と交差する上底部および下底部を含む。上底部の幅は、０．１μｍ以上１００μｍ以下である。下底部の幅は、５０μｍ以上５０００μｍ以下である。上底部は、突起部を含む。下底部は、複数のステップバンチングを含む。

上記によれば、台形状欠陥の欠陥密度が低減された炭化珪素エピタキシャル基板が提供される。

本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の構成の一例を示す模式的な部分断面図である。 台形状欠陥の一例を示す模式的な平面図である。 成膜装置の構成の一例を示す模式的な側面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線における模式的な断面図である。 本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法の概略を示すフローチャートである。 成膜装置内における温度制御とガス流量制御の一例を示すタイミングチャートである。 図６のタイミングチャートの第１の変形例を示す部分的なタイミングチャートである。 図６のタイミングチャートの第２の変形例を示す部分的なタイミングチャートである。 台形状欠陥の他の例を示す模式的な平面図である。 図９のＸ−Ｘ線における模式的な断面図である。 図９のＸＩ−ＸＩ線における模式的な断面図である。 図９の領域Ａの拡大図である。

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。また本明細書の結晶学的記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示している。ここで結晶学上の指数が負であることは、通常、数字の上に”−”（バー）を付すことによって表現されるが、本明細書では数字の前に負の符号を付すことによって結晶学上の負の指数を表現している。また「平面視」とは、エピタキシャル層の表面をその法線方向から見た視野を示すものとする。

〔１〕本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、炭化珪素単結晶基板を準備する工程と、該炭化珪素単結晶基板を成膜装置のチャンバ内に配置し、該チャンバ内を減圧する工程と、該チャンバ内の温度を第１の温度まで昇温する工程と、水素ガスを該チャンバ内に導入して、該チャンバ内の圧力を調整する工程と、炭化水素ガスを該チャンバ内に導入する工程と、調整された該チャンバ内の該圧力および該水素ガスの流量を維持し、かつ該炭化水素ガスを導入した状態で、該チャンバ内の該温度を第２の温度まで昇温して、該第２の温度で所定の時間保持する基板改質工程と、該第２の温度を維持した状態で、該チャンバ内にシランガスを導入することにより、該炭化珪素単結晶基板上にエピタキシャル層を成長させる工程と、を備える。

本発明者の研究によれば、台形状欠陥は、炭化珪素単結晶基板とエピタキシャル層との成長界面の近傍に起点を有する場合があり、エピタキシャル層の成長に伴って、当該起点からエピタキシャル層の表面まで延びていく。従来、エピタキシャル成長の直前には、炭化珪素単結晶基板の主面に対して、水素ガスによるエッチングを施すことが一般的となっている。これは、主面を清浄化して欠陥の生成を抑制するとの思想に基づくものである。しかし本発明者は、この水素ガスによるエッチングでは、前述した台形状欠陥の起点の発生を十分には抑制できていないと考え、これに代わる処理条件の研究を重ね、上記の製造方法を完成させるに至った。

それゆえ上記の製造方法は、炭化珪素単結晶基板上にエピタキシャル層を成長させる工程の前に、基板改質工程を備えている。当該基板改質工程は、特定の条件下で炭化珪素単結晶基板を炭化水素ガスに接触させるものである。すなわち基板改質工程では、成膜装置のチャンバ内に水素ガスを導入して圧力を調整するとともに、炭化水素ガスを導入し、さらに水素ガスの流量ならびにチャンバ内の圧力を維持した状態で成長温度（第２の温度）まで昇温することにより、炭化珪素単結晶基板の主面が改質される。この製造方法によれば、エピタキシャル層の表面における台形状欠陥の欠陥密度を、たとえば１個／ｃｍ²以下に制御することが可能である。

〔２〕炭化水素ガスは、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガスおよびアセチレンガスからなる群より選択される１種以上を含むことが好ましい。これらの炭化水素ガスの単体ガスおよび混合ガスにおいて、大きな改質効果が期待できるからである。

〔３〕導入する工程における炭化水素ガスの流量は、５ｓｃｃｍ以上３０ｓｃｃｍ以下が好ましい。ここで流量の単位「ｓｃｃｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）」は、標準状態（０℃、１０１．３ｋＰａ）における「ｍＬ／ｍｉｎ」を示している。

〔４〕調整する工程における水素ガスの流量は、５０ｓｌｍ以上２００ｓｌｍ以下が好ましい。ここで流量の単位「ｓｌｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）」は、上記標準状態における「Ｌ／ｍｉｎ」を示している。

〔５〕第１の温度は、１３００℃以上１５００℃未満であり、第２の温度は、１５００℃以上１７００℃以下であることが好ましい。

〔６〕基板改質工程におけるチャンバ内の圧力は、５ｋＰａ以上４０ｋＰａ以下（５０ｍｂａｒ以上４００ｍｂａｒ以下）が好ましい。

〔７〕本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、炭化珪素単結晶基板を準備する工程と、該炭化珪素単結晶基板を成膜装置のチャンバ内に配置し、該チャンバ内を減圧する工程と、該チャンバ内の温度を１３００℃以上１５００℃未満である第１の温度まで昇温する工程と、５０ｓｌｍ以上２００ｓｌｍ以下の流量の水素ガスを該チャンバ内に導入して、該チャンバ内の圧力を５ｋＰａ以上４０ｋＰａ以下に調整する工程と、５ｓｃｃｍ以上３０ｓｃｃｍ以下の流量のプロパンガスを該チャンバ内に導入する工程と、調整された該チャンバ内の該圧力および該水素ガスの該流量を維持し、かつ該プロパンガスを導入した状態で、該チャンバ内の該温度を１５００℃以上１７００℃以下である第２の温度まで昇温して、該第２の温度で所定の時間保持する基板改質工程と、該第２の温度を維持した状態で、該チャンバ内にシランガスを導入することにより、該炭化珪素単結晶基板上にエピタキシャル層を成長させる工程と、を備える。

この製造方法によれば台形状欠陥を低減することができる。
本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板は、１°以上８°以下のオフ角を有する炭化珪素単結晶基板と、該炭化珪素単結晶基板上に形成されたエピタキシャル層と、を備える。エピタキシャル層の表面において、台形状欠陥の欠陥密度が１個／ｃｍ²以下である。台形状欠陥は、平面視において＜１１−２０＞方向と交差する上底および下底を含む。上底の幅は、０．１μｍ以上１００μｍ以下であり、下底の幅は、５０μｍ以上５０００μｍ以下である。

たとえば上記〔１〕〜〔７〕の製造方法を用いて、台形状欠陥の欠陥密度を１個／ｃｍ²以下に制御することにより、炭化珪素エピタキシャル基板を用いて製造された半導体装置において、酸化膜の信頼性を高めることができる。

ここで「台形状欠陥の欠陥密度」は、ノマルスキータイプの光学顕微鏡（たとえば製品名「ＭＸ−５１」、オリンパス社製）を用いて、５０倍〜４００倍の倍率で、エピタキシャル層の表面を全面分析し、検出された台形状欠陥の個数をエピタキシャル層の表面の面積で除することにより算出することができる。なおここでいう全面には、通常、半導体装置に利用されない領域は含まれないものとする。ここで半導体装置に利用されない領域とは、たとえば基板のエッジから３ｍｍの領域である。

〔８〕また別の観点から見ると、上記の炭化珪素エピタキシャル基板は次の構成を備える。すなわち炭化珪素エピタキシャル基板は、１°以上８°以下のオフ角を有する炭化珪素単結晶基板と、該炭化珪素単結晶基板上に形成されたエピタキシャル層と、を備える。エピタキシャル層の表面において、台形状の窪みである、台形状欠陥の欠陥密度が１個／ｃｍ²以下である。台形状欠陥は、平面視において＜１１−２０＞方向と交差する上底部および下底部を含む。上底部の幅は、０．１μｍ以上１００μｍ以下である。下底部の幅は、５０μｍ以上５０００μｍ以下である。上底部は、突起部を含む。下底部は、複数のステップバンチングを含む。

〔９〕炭化珪素単結晶基板の主面は、｛０００１｝面からオフ角だけ傾斜した面であることが好ましい。炭化珪素単結晶基板の主面が、（０００１）面または（０００−１）面から１°以上８°以下傾斜した面であることにより、異種ポリタイプの混在が少ないエピタキシャル層とすることができる。

〔１０〕炭化珪素単結晶基板の口径は、１００ｍｍ以上が好ましい。半導体装置の製造コスト削減に資する可能性があるためである。

〔１１〕エピタキシャル層の厚さは、５μｍ以上３０μｍ以下であってもよい。
本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板は、｛０００１｝面から１°以上８°以下傾斜した主面を有し、かつ口径が１００ｍｍ以上である炭化珪素単結晶基板と、該炭化珪素単結晶基板上に形成され、厚さが５μｍ以上３０μｍ以下であるエピタキシャル層と、を備える。エピタキシャル層の表面において、台形状欠陥の欠陥密度が１個／ｃｍ²以下である。台形状欠陥は、平面視において＜１１−２０＞方向と交差する上底および下底を含む。上底の幅は、０．１μｍ以上１００μｍ以下であり、下底の幅は、５０μｍ以上５０００μｍ以下である。

〔１２〕また別の観点から見ると、上記の炭化珪素エピタキシャル基板は次の構成を備える。すなわち炭化珪素エピタキシャル基板は、｛０００１｝面から１°以上８°以下傾斜した主面を有し、かつ口径が１００ｍｍ以上である炭化珪素単結晶基板と、該炭化珪素単結晶基板上に形成され、厚さが５μｍ以上３０μｍ以下であるエピタキシャル層と、を備える。エピタキシャル層の表面において、台形状の窪みである、台形状欠陥の欠陥密度が１個／ｃｍ²以下である。台形状欠陥は、平面視において＜１１−２０＞方向と交差する上底部および下底部を含む。上底部の幅は、０．１μｍ以上１００μｍ以下である。下底部の幅は、５０μｍ以上５０００μｍ以下である。上底部は、突起部を含む。下底部は、複数のステップバンチングを含む。

本開示の炭化珪素エピタキシャル基板を用いて製造された半導体装置では、酸化膜の信頼性が向上することが期待される。

[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す）について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

〔炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法〕
図５は、本実施形態の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法の概略を示すフローチャートである。図５に示されるように、当該製造方法は、準備工程（Ｓ１０１）、減圧工程（Ｓ１０２）、昇温工程（Ｓ１０３）、水素ガス導入工程（Ｓ１０４）、炭化水素ガス導入工程（Ｓ１０５）、基板改質工程（Ｓ１０６）およびエピタキシャル成長工程（Ｓ１０７）を備える。

本実施形態では、エピタキシャル成長工程（Ｓ１０７）の前に、基板改質工程（Ｓ１０６）が行われる。これにより炭化珪素単結晶基板１０において台形状欠陥２０の起点２３が低減される。その結果、エピタキシャル層１１の表面１１Ａにおける台形状欠陥２０の欠陥密度が低減される。以下、各工程について説明する。

〔準備工程（Ｓ１０１）〕
準備工程（Ｓ１０１）では、図１に示される炭化珪素単結晶基板１０が準備される。炭化珪素単結晶基板１０は、たとえば炭化珪素単結晶からなるインゴットをスライスすることにより準備される。スライスには、たとえばワイヤーソーが使用される。炭化珪素のポリタイプは４Ｈが望ましい。電子移動度、絶縁破壊電界強度等において他のポリタイプよりも優れているからである。炭化珪素単結晶基板１０の口径は、好ましくは１００ｍｍ以上（たとえば４インチ以上）であり、より好ましくは１５０ｍｍ以上（たとえば６インチ以上）である。口径が大きい程、半導体装置の製造コスト削減に資する可能性がある。

炭化珪素単結晶基板１０は、後にエピタキシャル層１１を成長させることとなる主面１０Ａを有する。炭化珪素単結晶基板１０は、１°以上８°以下のオフ角θを有する。すなわち主面１０Ａは、所定の結晶面から１°以上８°以下のオフ角θだけ傾斜した面である。炭化珪素単結晶基板１０にオフ角θを導入しておくことにより、ＣＶＤ法によってエピタキシャル層１１を成長させる際、主面１０Ａに表出した原子ステップからの横方向成長、いわゆる「ステップフロー成長」が誘起される。これにより炭化珪素単結晶基板１０のポリタイプを引き継いだ形で単結晶が成長し、異種ポリタイプの混入が抑制される。ここで所定の結晶面は、（０００１）面または（０００−１）面が好ましい。すなわち所定の結晶面は、｛０００１｝面が好ましい。オフ角を設ける方向は、＜１１−２０＞方向が望ましい。オフ角θは、より好ましくは２°以上７°以下であり、特に好ましくは３°以上６°以下であり、最も好ましくは３°以上５°以下である。こうした範囲にオフ角を設定することにより、異種ポリタイプの抑制と成長速度とのバランスが保たれるからである。

〔成膜装置〕
準備工程（Ｓ１０１）以降の工程は、成膜装置内で行われる。そこで先ず成膜装置の構成を説明する。図３は、成膜装置の構成の一例を示す模式的な側面図である。また図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線における模式的な断面図である。図３および図４に示される成膜装置１は、横型ホットウォールＣＶＤ装置である。図３に示されるように、成膜装置１は、発熱体６と、断熱材５と、石英管４と、誘導加熱コイル３とを備えている。発熱体６は、たとえばカーボン製である。図４に示されるように成膜装置１において、発熱体６は２つ設けられており、各発熱体６は、曲面部６Ａおよび平坦部６Ｂを含む半円筒状の中空構造を有している。２つの平坦部６Ｂは、互いに対向するように配置されており、２つの平坦部６Ｂに取り囲まれた空間が、炭化珪素単結晶基板１０が配置されるチャンバ１Ａとなっている。チャンバ１Ａは、「ガスフローチャネル」とも呼ばれる。

断熱材５は、発熱体６の外周部を取り囲むように配置されている。チャンバ１Ａは、断熱材５によって成膜装置１の外部から断熱されている。石英管４は、断熱材５の外周部を取り囲むように配置されている。誘導加熱コイル３は、石英管４の外周部に沿って巻回されている。成膜装置１では、誘導加熱コイル３に交流電流を供給することにより、発熱体６が誘導加熱され、チャンバ１Ａ内の温度が制御できるようになっている。このとき断熱材５の作用により、石英管４は殆ど加熱されない。

〔減圧工程（Ｓ１０２）〕
減圧工程（Ｓ１０２）では、図３および図４に示されるように炭化珪素単結晶基板１０が成膜装置１のチャンバ１Ａ内に配置され、チャンバ１Ａ内が減圧される。炭化珪素単結晶基板１０は、チャンバ１Ａ内において図示しないサセプタ上に載せられる。サセプタにはＳｉＣコーティング等が施されていてもよい。

図６は、減圧工程（Ｓ１０２）以降のチャンバ１Ａ内の温度およびガス流量の制御を示すタイミングチャートである。図６において減圧工程（Ｓ１０２）は、チャンバ１Ａ内に炭化珪素単結晶基板１０を配置した時点ｔ１から、チャンバ１Ａ内の減圧を開始する時点ｔ２を過ぎて、チャンバ１Ａ内の圧力が目標値（圧力Ｐ１）に達する時点ｔ３までに相当する。圧力Ｐ１は、たとえば１×１０^-6Ｐａ程度である。

〔昇温工程（Ｓ１０３）〕
昇温工程（Ｓ１０３）では、成膜装置１のチャンバ１Ａ内の温度が第１の温度Ｔ１まで加熱される。図６に示されるように、時点ｔ３からチャンバ１Ａ内の昇温が開始され、時点ｔ６においてチャンバ１Ａ内の温度が第１の温度Ｔ１に達する。第１の温度Ｔ１までの昇温は一段階としてもよいし、たとえば昇温途中に所定の温度Ｔ０を保持する時間（図６中の時点ｔ４から時点ｔ５の間）を設ける等して、段階的に昇温してもよい。温度Ｔ０での保持時間は、たとえば１０分程度である。

第１の温度Ｔ１は、好ましくは１３００℃以上１５００℃未満である。第１の温度Ｔ１が１３００℃未満であると、後の基板改質工程（Ｓ１０６）において、炭化珪素単結晶基板１０が１３００℃未満の温度で、水素ガスおよび炭化水素ガスと接触することとなり、台形状欠陥以外の欠陥の生成が促進される場合もあり得る。他方、第１の温度Ｔ１が１５００℃以上になると、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との温度差が小さくなり、改質効果が低減する場合もある。第１の温度Ｔ１は、より好ましくは１３２０℃以上１４８０℃以下であり、特に好ましくは１３５０℃以上１４５０℃以下である。また後述する第２の温度Ｔ２との関係では、第１の温度Ｔ１は、第２の温度Ｔ２よりも１００℃〜２００℃程度低い温度であることが望ましい。昇温時間（時点ｔ３から時点ｔ６までの時間）は、たとえば３０分〜２時間程度である。

〔水素ガス導入工程（Ｓ１０４）〕
図６に示されるように、チャンバ１Ａ内の温度が第１の温度Ｔ１に達した時点ｔ６から、チャンバ１Ａ内に水素（Ｈ₂）ガスが導入され、チャンバ１Ａ内の圧力が圧力Ｐ２に調整される。

水素ガス導入工程（Ｓ１０４）において、チャンバ１Ａ内の圧力Ｐ２は、好ましくは５ｋＰａ以上４０ｋＰａ以下に調整される。かかる範囲の圧力において、大きな改質効果が期待できるからである。水素ガス導入工程（Ｓ１０４）におけるチャンバ１Ａ内の圧力Ｐ２は、より好ましくは５ｋＰａ以上１５ｋＰａ以下（５０ｍｂａｒ以上１５０ｍｂａｒ以下）に調整され、特に好ましくは７．５ｋＰａ以上１２．５ｋＰａ以下（７５ｍｂａｒ以上１２５ｍｂａｒ以下）に調整される。

水素ガスの流量（図６中のＦ_H）は、５０ｓｌｍ以上２００ｓｌｍ以下が好ましい。水素ガスの流量が５０ｓｌｍを下回ると、全ガス流量のうち炭化水素ガスの流量の占める割合が過多となり、台形状欠陥以外の欠陥の生成を促進する場合もあり得る。他方、水素ガスの流量が２００ｓｌｍを超えると、全ガス流量のうち炭化水素ガスの占める割合が過少となり、改質効果が低減することもあり得る。水素ガスの流量は、より好ましくは７５ｓｌｍ以上１７５ｓｌｍ以下であり、特に好ましくは１００ｓｌｍ以上１５０ｓｌｍ以下である。

〔炭化水素ガス導入工程（Ｓ１０５）〕
図６に示されるように時点ｔ６では、炭化水素ガス導入工程（Ｓ１０５）が水素ガス導入工程（Ｓ１０４）と並行して開始される。ただし、水素ガス導入工程（Ｓ１０４）と炭化水素ガス導入工程（Ｓ１０５）との開始タイミングは、必ずしも同時でなくてもよく、これらの開始タイミングは多少前後しても構わない。たとえば水素ガスによる圧力調整が完了した後に、炭化水素ガスの導入を開始してもよい。

炭化水素ガスとしては、メタン（ＣＨ₄）ガス、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）ガス、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）ガス、ブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）ガスおよびアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）ガス等を用いることができる。これらの炭化水素ガスは１種単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。すなわち炭化水素ガスは、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガスおよびアセチレンガスからなる群より選択される１種以上を含むことが好ましい。炭化水素ガス導入工程（Ｓ１０５）における炭化水素ガスの流量（図６中のＦ_C）は、５ｓｃｃｍ以上３０ｓｃｃｍ以下が好ましい。この範囲において大きな改質効果が期待できるからである。炭化水素ガスの流量は、より好ましくは１０ｓｃｃｍ以上２５ｓｃｃｍ以下であり、特に好ましくは１５ｓｃｃｍ以上２０ｓｃｃｍ以下である。

また炭化水素ガスの流量と水素ガスの流量との比（炭化水素ガスの流量÷水素ガスの流量）は、好ましくは２．５×１０^-5以上６．０×１０^-4以下であり、より好ましくは５．７×１０^-5以上３．３×１０^-4以下であり、特に好ましくは１．０×１０^-4以上２．０×１０^-4以下である。

〔基板改質工程（Ｓ１０６）〕
基板改質工程（Ｓ１０６）は、水素ガスの導入によりチャンバ１Ａ内の圧力が圧力Ｐ２に調整され、炭化水素ガスが導入された時点ｔ６から、チャンバ１Ａ内の温度を昇温することにより開始される。本発明者の研究によれば、成長温度である第２の温度Ｔ２よりもやや低い温度から、炭化珪素単結晶基板１０を炭化水素ガスと接触させることより、台形状欠陥の起点を低減できる。

図６に示されるように基板改質工程（Ｓ１０６）では、時点ｔ６から、チャンバ１Ａ内の温度が昇温され、時点ｔ７において第２の温度Ｔ２に達し、さらに時点ｔ８（本成長の直前）まで第２の温度Ｔ２で保持される。このとき炭化珪素単結晶基板１０の改質は、昇温が始まった段階（時点ｔ６）で始まっているものと考えられる。

基板改質工程（Ｓ１０６）での処理時間、すなわち時点ｔ６から時点ｔ８までの時間は１分を超えることが好ましい。改質効果を大きくするためである。時点ｔ６から時点ｔ８までの時間は、より好ましくは５分以上であり、特に好ましくは１０分以上であり、最も好ましくは１５分以上である。このとき時点ｔ６から時点ｔ７までの時間（昇温時間）は、好ましくは１０秒以上２分以下であり、より好ましくは２０秒以上１分３０秒以下であり、特に好ましくは３０秒以上１分以下である。また時点ｔ７から時点ｔ８までの時間（保持時間）は、好ましくは１分以上６０分以下であり、より好ましくは５分以上４０分以下であり、特に好ましくは１０分以上３０分以下である。

ここで第２の温度Ｔ２は、１５００℃以上１７００℃以下が好ましい。第２の温度Ｔ２が１５００℃を下回ると、後のエピタキシャル成長工程（Ｓ１０７）で単結晶を均一に成長させることが困難な場合があり、また成長速度が低下する場合もある。また第２の温度Ｔ２が１７００℃を超えると、水素ガスによるエッチング作用が強くなり、かえって成長速度が低下する場合もあり得る。第２の温度Ｔ２は、より好ましくは１５２０℃以上１６８０℃以下であり、特に好ましくは１５５０℃以上１６５０℃以下である。

基板改質工程（Ｓ１０６）では、水素ガスの流量およびチャンバ１Ａ内の圧力は一定に保持されるが、第１の温度Ｔ１から第２の温度Ｔ２までの昇温速度は、一定でなくてもよい。また炭化水素ガスの流量も一定でなくてもよい。

〔第１の変形例〕
図７は、基板改質工程（Ｓ１０６）における昇温方法の第１の変形例を示す部分的なタイミングチャートである。図７に示されるように、第１の温度Ｔ１から第２の温度Ｔ２までの昇温は、徐々に昇温速度を下げるようにして行われてもよい。たとえば、図７中の時点ｔ６〜時点ｔ７の間の各時点（時点ｔ６１等）で５０℃ずつ昇温しつつ、各時点の間隔は徐々に長くなるように昇温することができる。このとき炭化水素ガスの流量は、昇温速度の低下に合わせて、徐々に増大させてもよい。各時点間の時間（たとえば時点ｔ６１と時点ｔ６２との間の時間）は、たとえば１秒以上３０秒以下程度である。

〔第２の変形例〕
図８は、基板改質工程（Ｓ１０６）における昇温方法の第２の変形例を示す部分的なタイミングチャートである。図８に示されるように、第１の温度Ｔ１から第２の温度Ｔ２までの昇温は、ステップ状に行ってもよい。たとえば、図８中の時点ｔ６〜時点ｔ８の間の各時点（時点ｔ６１等）で５０℃ずつ昇温し、かつ昇温後に温度を一定として所定の時間保持することができる。またこのとき、各保持時間は徐々に長くしてもよい。さらに温度の上昇に合わせて、炭化水素ガスの流量を各時点でステップ状に増大させてもよい。各ステップでの保持時間は、たとえば１秒以上３０秒以下程度である。

〔エピタキシャル成長工程（Ｓ１０７）〕
エピタキシャル成長工程（Ｓ１０７）では、第２の温度Ｔ２を維持した状態で、既にチャンバ１Ａ内に導入されている水素ガス、炭化水素ガスに加えて、シラン（ＳｉＨ₄）ガスが導入される。これにより炭化珪素単結晶基板１０の主面１０Ａ上にエピタキシャル層１１を成長させることができる。

エピタキシャル成長工程（Ｓ１０７）において、シランガスの流量（図６中のＦ_s）は特に限定されないが、炭化水素ガスに含まれる炭素（Ｃ）の原子数と、シランガスに含まれる珪素（Ｓｉ）の原子数との比（Ｃ／Ｓｉ）が０．５以上２．０以下となるように、シランガスの流量を調整することが望ましい。化学量論比の適切なＳｉＣをエピタキシャル成長させるためである。

エピタキシャル成長工程（Ｓ１０７）では、ドーパントとして窒素（Ｎ₂）等を導入してもよい。このとき成長の初期段階（時点ｔ８から時点ｔ９の間）において、ドーパントの取り込み量が多い領域を形成してもよい。こうした領域は「バッファ層」とも呼ばれる。バッファ層におけるドーピング濃度は、たとえば１×１０^-18ｃｍ^-3程度である。バッファ層の厚さは、たとえば０．１〜１．０μｍ程度である。

エピタキシャル成長は、目標とするエピタキシャル層１１の厚さに合わせて時点ｔ１０まで続行される。成長終了後、時点ｔ１１にかけてチャンバ１Ａ内の温度が降温される。さらに時点ｔ１１以降、チャンバ１Ａ内が大気開放され、チャンバ１Ａ内が大気圧に戻される（時点ｔ１２）。こうして炭化珪素エピタキシャル基板１００が製造される。

〔炭化珪素エピタキシャル基板〕
以下、本実施形態の製造方法によって得られる炭化珪素エピタキシャル基板１００について説明する。

図１は、炭化珪素エピタキシャル基板１００の構成の一例を示す模式的な断面図である。図１に示されるように炭化珪素エピタキシャル基板１００は、所定の結晶面からオフ角θだけ傾斜した主面１０Ａを有する炭化珪素単結晶基板１０と、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０Ａ上に形成されたエピタキシャル層１１と、を備える。前述したように所定の結晶面は、（０００１）面または（０００−１）面が好ましい。

〔台形状欠陥〕
炭化珪素エピタキシャル基板１００では、エピタキシャル層１１の表面１１Ａにおける台形状欠陥２０の欠陥密度が１個／ｃｍ²以下である。半導体装置における酸化膜の信頼性を考慮すると、台形状欠陥２０の欠陥密度は低いほど望ましく、理想的には０（ゼロ）である。台形状欠陥２０の欠陥密度は、好ましくは０．５個／ｃｍ²以下であり、より好ましくは０．１個／ｃｍ²以下である。

図１に示されるように、台形状欠陥２０は、炭化珪素単結晶基板１０とエピタキシャル層１１との界面に起点２３を有しており、エピタキシャル層１１の表面１１Ａまで延びている。ただし台形状欠陥２０は、必ずしも起点２３を有しているとは限らない。すなわち本実施形態の台形状欠陥には、上底と下底とを含む限り、起点を有していないものも包含される。本発明者の研究では、起点が確認できない台形状欠陥の存在も確認されているからである。

図２は、台形状欠陥の平面形状を示す模式的な平面図である。図２に示されるように、台形状欠陥２０は、＜１１−２０＞方向と交差する上底２１および下底２２を含む。台形状欠陥２０において、上底２１の幅Ｗ１は０．１μｍ以上１００μｍ以下であり、下底２２の幅Ｗ２は５０μｍ以上５０００μｍ以下である。

エピタキシャル層１１の厚さＨは、５μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。こうした厚さのエピタキシャル層１１を備える炭化珪素エピタキシャル基板１００は、たとえば高耐圧ＭＯＳＦＥＴ用として特に有用である。

図９は、台形状欠陥の他の例を示す模式的な平面図である。台形状欠陥１２０は、エピタキシャル層１１の表面に形成された窪みであり、平面形状が台形状である。台形状欠陥１２０は、＜１１−２０＞方向と交差する上底部１２１および下底部１２２を含む。上底部１２１の幅Ｗ１は０．１μｍ以上１００μｍ以下であり、下底部１２２の幅Ｗ２は５０μｍ以上５０００μｍ以下である。

図１０は、図９のＸ−Ｘ線における模式的な断面図である。図１０に示されるように、上底部１２１は、突起部１２１ａを含む。突起部１２１ａは、上底部１２１の略中央に位置していてもよい。上底部１２１において、突起部１２１ａは、突起部１２１ａ以外の部分に対して、５〜２０ｎｍ程度突起している。突起部１２１ａの高さは、白色干渉顕微鏡（たとえば製品名「ＢＷ−Ｄ５０７」、ニコン社製）によって測定できる。白色干渉顕微鏡の光源には、水銀ランプを用い、視野は２５０μｍ×２５０μｍとする。

図１１は、図９のＸＩ−ＸＩ線における模式的な断面図である。台形状欠陥１２０の内部、すなわち上底部１２１と下底部１２２との間の領域では、エピタキシャル層１１の表面が、炭化珪素単結晶基板１０に向かって僅かに後退している。

台形状欠陥１２０は、炭化珪素単結晶基板１０とエピタキシャル層１１との界面に起点１２３を有している。起点１２３は、突起部１２１ａと連結していてもよい。ただし突起部１２１ａは、貫通転位とは連結していない。

図１２は、図９の領域Ａの拡大図である。図１２に示されるように、下底部１２２は複数のステップバンチング１２２ｂを含む。「ステップバンチング」とは、複数の原子ステップが束をなし、１ｎｍ以上の段差となった線状欠陥を示す。ステップバンチングにおける段差の大きさは、たとえば１〜５ｎｍ程度でもよい。ステップバンチングにおける段差の大きさは、たとえばＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって測定できる。

下底部１２２に含まれるステップバンチングの個数は、たとえば２〜１００個程度でもよいし、２〜５０個程度でもよい。下底部１２２に含まれるステップバンチングの個数も、下底部１２２をＡＦＭで観察することにより、計数できる。

ＡＦＭには、たとえばＶｅｅｃｏ社製の「Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ３００」等を用いることができる。ＡＦＭのカンチレバー（探針）には、Ｂｒｕｋｅｒ社製の型式「ＮＣＨＶ−１０Ｖ」等が好適である。ＡＦＭの測定条件は次のように設定する。

ＡＦＭの測定モードはタッピングモードとし、タッピングモードでの測定領域は２０μｍ四方、測定深さは１．０μｍに設定する。タッピングモードでのサンプリングは、測定領域内での走査速度を１周期あたり５秒とし、１走査ラインあたりのデータ数は５１２ポイント、走査ライン数は５１２とする。カンチレバーの変位制御は、１５．５０ｎｍに設定する。

以下、実施例を用いて本実施形態をさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

以下のようにして試料１、試料２および試料３に係る炭化珪素エピタキシャル基板を製造し、台形状欠陥の欠陥密度を調査した。

〔試料１〜試料３の製造〕
（０００１）面から４°傾斜した主面１０Ａを有する炭化珪素単結晶基板１０を準備した。炭化珪素単結晶基板１０を成膜装置１のチャンバ１Ａ内に配置し、図６のタイミングチャートに従って、厚さ１５μｍのエピタキシャル層１１を成長させた。

試料１〜試料３の製造にあたり、図６に示される各パラメータは次のように設定した
チャンバ内の圧力Ｐ１：１×１０^-6Ｐａ
チャンバ内の圧力Ｐ２：１０ｋＰａ
水素ガスの流量Ｆ_H ：１２０ｓｌｍ
シランガスの流量Ｆ_S ：４６ｓｃｃｍ
炭化水素ガスの流量Ｆ_c：１７ｓｃｃｍ
炭化水素ガスの種類 ：プロパンガス
温度Ｔ０ ：１１００℃
第１の温度Ｔ１ ：１４００℃
第２の温度Ｔ２ ：１５９０℃。

試料１では、図６における時点ｔ１から時点ｔ８まではプロパンの流量を０とし、時点ｔ８から時点ｔ１０ではプロパンの流量をＦ_cとした。温度プロファイルについては図６のとおりとした。

すなわち試料１では、炭化水素ガスを導入した状態で成長温度（第２の温度Ｔ２）への昇温が行われておらず、基板改質工程（Ｓ１０６）は行われていない。試料１は、従来技術の如く、水素ガスによるエッチングのみが行われた例に相当する。

試料２では、図６中の時点ｔ６（すなわち成長温度への昇温過程）からプロパンガスを導入した。シランガスが導入される時点ｔ８と時点ｔ６との間の時間（基板改質工程の処理時間）は、５分間とした。

試料３では、図６中の時点ｔ６からプロパンガスを導入した。シランガスが導入される時点ｔ８と時点ｔ６との間の時間は、１５分間とした。

ノマルスキータイプの光学顕微鏡を用い、前述の方法に従って試料１〜試料３のエピタキシャル層における台形状欠陥の欠陥密度を測定した。結果を表１に示す。

表１より、基板改質工程を行った試料２および試料３では、基板改質工程を行っていない試料１に比し、台形状欠陥の欠陥密度が顕著に低減されていることが分かる。特に基板改質工程の処理時間を１５分間とした試料３では、台形状欠陥の存在が実質的に確認できない状態まで、その欠陥密度が低減されていた。

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施形態および実施例ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 成膜装置、１Ａ チャンバ、３ 誘導加熱コイル、４ 石英管、５ 断熱材、６ 発熱体、６Ａ 曲面部、６Ｂ 平坦部、１０ 単結晶基板、１０Ａ 主面、１１ エピタキシャル層、１１Ａ 表面、２０，１２０ 台形状欠陥、２１ 上底、２２ 下底、２３，１２３ 起点、１００ 炭化珪素エピタキシャル基板、１２１ 上底部、１２１ａ 突起部、１２２ 下底部、１２２ｂ ステップバンチング、ｈ 高さ、Ａ 領域、Ｆ_C，Ｆ_H，Ｆ_S 流量、Ｈ 厚さ、Ｌ 間隔、Ｐ１，Ｐ２ 圧力、Ｔ０ 温度、Ｔ１ 第１の温度、Ｔ２ 第２の温度、Ｗ１，Ｗ２ 幅、ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ７，ｔ８，ｔ９，ｔ１０，ｔ１１，ｔ１２，ｔ６１，ｔ６２，ｔ６３，ｔ６４ 時点。

Claims (12)

1. 炭化珪素単結晶基板を準備する工程と、
   前記炭化珪素単結晶基板を成膜装置のチャンバ内に配置し、前記チャンバ内を減圧する工程と、
   前記チャンバ内の温度を第１の温度まで昇温する工程と、
   水素ガスを前記チャンバ内に導入して、前記チャンバ内の圧力を調整する工程と、
   炭化水素ガスを前記チャンバ内に導入する工程と、
   調整された前記チャンバ内の前記圧力および前記水素ガスの流量を維持し、かつ前記炭化水素ガスを導入した状態で、前記チャンバ内の前記温度を第２の温度まで昇温して、前記第２の温度で所定の時間保持する基板改質工程と、
   前記第２の温度を維持した状態で、前記チャンバ内にシランガスを導入することにより、前記炭化珪素単結晶基板上にエピタキシャル層を成長させる工程と、を備える、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
2. 前記炭化水素ガスは、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガスおよびアセチレンガスからなる群より選択される１種以上を含む、請求項１に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
3. 前記導入する工程における前記炭化水素ガスの前記流量は、５ｓｃｃｍ以上３０ｓｃｃｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
4. 前記調整する工程における前記水素ガスの前記流量は、５０ｓｌｍ以上２００ｓｌｍ以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
5. 前記第１の温度は、１３００℃以上１５００℃未満であり、
   前記第２の温度は、１５００℃以上１７００℃以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
6. 前記基板改質工程における前記チャンバ内の前記圧力は、５ｋＰａ以上４０ｋＰａ以下である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
7. 炭化珪素単結晶基板を準備する工程と、
   前記炭化珪素単結晶基板を成膜装置のチャンバ内に配置し、前記チャンバ内を減圧する工程と、
   前記チャンバ内の温度を１３００℃以上１５００℃未満である第１の温度まで昇温する工程と、
   ５０ｓｌｍ以上２００ｓｌｍ以下の流量の水素ガスを前記チャンバ内に導入して、前記チャンバ内の圧力を５ｋＰａ以上４０ｋＰａ以下に調整する工程と、
   ５ｓｃｃｍ以上３０ｓｃｃｍ以下の流量のプロパンガスを前記チャンバ内に導入する工程と、
   調整された前記チャンバ内の前記圧力および前記水素ガスの前記流量を維持し、かつ前記プロパンガスを導入した状態で、前記チャンバ内の前記温度を１５００℃以上１７００℃以下である第２の温度まで昇温して、前記第２の温度で所定の時間保持する基板改質工程と、
   前記第２の温度を維持した状態で、前記チャンバ内にシランガスを導入することにより、前記炭化珪素単結晶基板上にエピタキシャル層を成長させる工程と、を備える、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
8. １°以上８°以下のオフ角を有する炭化珪素単結晶基板と、
   前記炭化珪素単結晶基板上に形成されたエピタキシャル層と、を備え、
   前記エピタキシャル層の表面において、台形状の窪みである、台形状欠陥の欠陥密度が１個／ｃｍ²以下であり、
   前記台形状欠陥は、平面視において＜１１−２０＞方向と交差する上底部および下底部を含み、
   前記上底部の幅は、０．１μｍ以上１００μｍ以下であり、
   前記下底部の幅は、５０μｍ以上５０００μｍ以下であり、
   前記上底部は、突起部を含み、
   前記下底部は、複数のステップバンチングを含む、炭化珪素エピタキシャル基板。
9. 前記炭化珪素単結晶基板の主面は、｛０００１｝面から前記オフ角だけ傾斜した面である、請求項８に記載の炭化珪素エピタキシャル基板。
10. 前記炭化珪素単結晶基板の口径は、１００ｍｍ以上である、請求項８または請求項９に記載の炭化珪素エピタキシャル基板。
11. 前記エピタキシャル層の厚さは、５μｍ以上３０μｍ以下である、請求項８〜請求項１０のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板。
12. ｛０００１｝面から１°以上８°以下傾斜した主面を有し、かつ口径が１００ｍｍ以上である炭化珪素単結晶基板と、
    前記炭化珪素単結晶基板上に形成され、厚さが５μｍ以上３０μｍ以下であるエピタキシャル層と、を備え、
    前記エピタキシャル層の表面において、台形状の窪みである、台形状欠陥の欠陥密度が１個／ｃｍ²以下であり、
    前記台形状欠陥は、平面視において＜１１−２０＞方向と交差する上底部および下底部を含み、
    前記上底部の幅は、０．１μｍ以上１００μｍ以下であり、
    前記下底部の幅は、５０μｍ以上５０００μｍ以下であり、
    前記上底部は、突起部を含み、
    前記下底部は、複数のステップバンチングを含む、炭化珪素エピタキシャル基板。