JP4786223B2 - エピタキシャル炭化珪素単結晶基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャル炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶基板及びその製造方法に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、耐熱性及び機械的強度に優れ、物理的、化学的に安定なことから、耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、高周波高耐圧電子デバイス等の基板としてＳｉＣ単結晶基板の需要が高まっている。

ＳｉＣ単結晶基板を用いて、電力デバイス、高周波デバイス等を作製する場合には、通常、基板上に熱ＣＶＤ法（熱化学蒸着法）と呼ばれる方法を用いてＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させたり、イオン注入法により直接ドーパントを打ち込んだりするのが一般的であるが、後者の場合には、注入後に高温でのアニールが必要となるため、エピタキシャル成長による薄膜形成が多用されている。

ＳｉＣには、ｃ軸方向に反転位置関係にある（０００１）面（Ｓｉ面）と（０００−１）面（Ｃ面）が存在し、結晶学的には極性面と呼ばれる。エピタキシャル成長を行う場合、通常はＳｉ面が用いられているが、これはｓｉｔｅ−ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ技術と言われる、原料ガスにおけるＣとＳｉの原子数の比（Ｃ／Ｓｉ比）を上げることによって、エピタキシャル膜中のｎ型残留不純物密度を下げることがＣ面に比べて容易にでき、また、ＭＯＳ界面におけるキャリア移動度もＳｉ面の方が大きいためである。しかし、近年、減圧下で成長することによりＣ面でもｓｉｔｅ−ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ技術が適用でき、ある程度Ｓｉ面に匹敵するレベルにまで膜中のｎ型残留不純物密度を低減できる可能性のあることが明らかになってきており、さらに、アニール方法の改善でＭＯＳ界面の品質も向上することが報告されている（非特許文献１）。

さらに、Ｃ面は、酸化速度がＳｉ面に比べ約１桁大きいため、ＭＯＳ構造の作製においては有利であり、加えて、エピタキシャル成長面の平坦性にも優れていることから、上記近年の特性改善と相まってＣ面上のエピタキシャル成長層のデバイス応用への関心が高まっている。

Ｋｏｊｉｍａらは、４Ｈ−ＳｉＣのＣ面上で減圧下におけるエピタキシャル成長の条件を変化させた場合の成長膜の表面モホロジーについて報告している（非特許文献２、３）。それによると、欠陥のない平坦な表面を得るためには、成長温度が１６００℃、原料ガス（ＳｉＨ_４とＣ_３Ｈ_８）におけるＣ／Ｓｉ比は１．５以下であることが必要としているが、膜中のｎ型残留不純物密度は、Ｃ／Ｓｉ比が１．５以下の時、２×１０^１５ｃｍ^−３以上の値を示しており、デバイス応用に必要な１×１０^１５ｃｍ^−３以下が達成されていない。また、Ｃ／Ｓｉ比が３．０の時には０．７〜１×１０^１５ ｃｍ^−３となっているが、この場合にはｈｉｌｌｏｃｋ(ヒロック)と呼ばれるエピタキシャル欠陥が多数発生し、平坦な表面が得られていない。即ち、現状技術では、Ｃ面上のエピタキシャル成長において、ｓｉｔｅ−ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ効果を利用してＣ／Ｓｉ比を上げ、低いｎ型残留不純物密度を得ようとすると、表面モホロジーが悪化し、逆に、表面モホロジーを改善するためには、Ｃ／Ｓｉ比を下げなければならないため、膜中のｎ型残留不純物密度が増加するという、相反する状況が発生し、良好な表面モホロジーと低いｎ型残留不純物密度を両立させることが困難である。一方、膜中のｎ型残留不純物密度を下げるための他の方法として、ｓｉｔｅ−ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ効果を利用する以外に、成長温度を下げて、成長炉からの不純物がエピタキシャル膜中に取り込まれないようにすることも有効である。即ち、成長温度を下げることができれば、良好な表面モホロジーが得られるとされるＣ／Ｓｉ比が１．５程度でも、１×１０^１５ｃｍ^−３以下のｎ型残留不純物密度が得られると考えられ、両立が期待できる。しかし、成長温度の低下は、エピタキシャル成長のために必要なエネルギーを低減することになるため、正常な成長が阻害され高品質のエピタキシャル膜を得ることは困難である。

したがって、今後デバイスへの応用が期待されるＣ面上へのエピタキシャル成長であるが、現状技術では、欠陥のない平坦な成長面と低いｎ型残留不純物密度を同時に得ることは困難である。これらを両立させるためには、成長温度を下げることが有効であるが、エピタキシャル成長そのものが阻害されるため、デバイス作成に必要な高品質エピタキシャル膜を得ることは難しかった。
Ｋ． Ｆｕｋｕｄａ他 Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ， Ｖｏｌｓ．４３３−４３６ （２００３） ｐｐ．５６７−５７０ Ｋ． Ｋｏｊｉｍａ他 Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ， Ｖｏｌｓ．４５７−４６０ （２００４） ｐｐ．２０９−２１２ Ｋ． Ｋｏｊｉｍａ他 Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．４２ （２００３） ｐｐ．Ｌ６３７−Ｌ６３９

本発明は、上記Ｃ面上へのエピタキシャル成長において、欠陥のない平坦な成長面を持ち、かつ、残留不純物が低減された高品質エピタキシャル膜を有するＳｉＣ単結晶基板、及びその製造方法を提供するものである。

本発明は、エピタキシャル成長前の基板表面の平坦度と成長条件との関係に注目することにより、上記課題を解決できることを見出し、完成したものである。即ち、本発明は、
（１） 表面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下である炭化珪素単結晶基板の（０００−１）面上に、三角形状欠陥とピット状欠陥の合計の表面欠陥密度が５０個／ｃｍ^２以下の炭化珪素単結晶薄膜を有することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板、
（２） 前記炭化珪素単結晶薄膜のｎ型残留不純物濃度が１×１０^１５ｃｍ^−３以下である（１）記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板、
（３） 前記炭化珪素単結晶薄膜の表面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以下である（１）記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板、
（４） 前記炭化珪素単結晶薄膜の膜厚が５０μｍ以下である（１）記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板、
（５） 表面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下である炭化珪素単結晶基板の（０００−１）面に炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、
（６） 前記エピタキシャル成長が、熱化学蒸着法（ＣＶＤ法）を用いる（５）記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、
（７） 前記エピタキシャル成長の成長温度が１５００℃以下である（５）又は（６）に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、
（８） （１）〜（４）のいずれか一つに記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を用いてなるデバイス、
である。

本発明によれば、Ｃ面上へのエピタキシャル成長をしたＳｉＣ単結晶基板であっても、欠陥のない平坦な成長面を持ち、ｎ型残留不純物が低減された高品質エピタキシャル膜を有するＳｉＣ単結晶基板を提供することが可能である。

また、本発明の製造方法は、１５００℃以下の成長温度でＣＶＤを行うものであるが、エピタキシャル成長としては比較的低い温度で成長を行うため、装置に与える熱ダメージが低減され、装置自体の信頼性が向上する。加えて、ＣＶＤ法であるため、装置構成が容易で制御性にも優れ、均一性、再現性の高いエピタキシャル膜が得られる。

さらに、本発明のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を用いたデバイスは、欠陥のない平坦な成長面を持ち、ｎ型残留不純物が低減された高品質エピタキシャル膜上に形成されるため、その特性及び歩留りが向上する。

本発明は、Ｃ面上へのエピタキシャル成長に関するものである。従来、Ｃ面上のエピタキシャル膜は、Ｓｉ面上の膜に比べて、膜中のｎ型残留不純物密度を下げることが難しく、また、ＭＯＳ界面におけるキャリア移動度もＳｉ面上の膜に比べて劣っていた。しかし、近年の研究により、Ｃ面でもｓｉｔｅ−ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ技術が適用できて、ある程度Ｓｉ面に匹敵するレベルにまで膜中のｎ型残留不純物密度を低減できる可能性のあることが明らかになってきており、さらに、アニ−ル方法の改善でＭＯＳ界面の品質も向上することが報告されるようになった。また、Ｃ面は、酸化速度がＳｉ面に比べ約１桁大きいため、ＭＯＳ構造の作製においては有利であり、加えて、エピタキシャル成長面の平坦性にも優れていることから、上記近年の特性改善と相まってＣ面上のエピタキシャル成長層のデバイス応用への関心が高まっている。そこで、本発明では、Ｃ面上へのエピタキシャル成長において、成長前の基板表面の平坦度と成長条件との関係に注目し、基板表面の平坦度を上げることで、成長温度を下げても欠陥が少なく、かつ、ｎ型残留不純物密度が低減された高品質エピタキシャル膜（炭化珪素単結晶薄膜）が得られることを示したものである。

本発明の具体的な内容について述べる。まず、ＳｉＣ基板の作成方法については、ＳｉＣ単結晶のインゴットを作製した後、それをスライスしてウェハ状の基板に切り出し、所定の厚さまで粗削りを行い、その後、研磨工程に入り、基板の両面を平坦かつ鏡面に仕上げて基板とする。通常は、この研磨工程において、使用するダイヤモンド砥粒の粒径を徐々に小さくし、最終的には平均粒径が１μｍのダイヤモンド砥粒を使用するが、本発明においては、平均粒径が０．５μｍあるいは０．２５μｍの砥粒を最終研磨に使用し、研磨面のキズ等を減らし、平坦度を上げてからエピタキシャル成長を行うことを試みた。これは、特に成長温度を下げた場合、成長前の基板表面のキズや細かい凹凸がエピタキシャル成長を阻害し、その部分が核となって欠陥が形成され、成長後の表面状態を劣化させると考えたためである。

実際にエピタキシャル成長に用いた装置は、横形のＣＶＤ装置である。ＣＶＤ法は装置構成が簡単であり、ガスのｏｎ／ｏｆｆで成長を制御できるため、エピタキシャル膜の制御性、再現性に優れた成長方法である。成長条件としては、原料ガスであるＳｉＨ_４とＣ_３Ｈ_８について、ＳｉＨ_４流量は毎分２〜３ｃｍ^３、Ｃ_３Ｈ_８流量は毎分０．５〜３ｃｍ^３である。これらの流量は、良好な表面状態を保ちつつ、適当な成長速度（毎時３〜４μｍ）が得られると言う観点から決められた。成長温度は、従来技術との関連から、デバイス応用に必要なｎ型残留不純物密度を得るためには１５００℃以下が必要と判断したが、成長温度を下げ過ぎるとエピタキシャル成長が行われなくなることから、下限は１４００℃とすることが好ましい。また、成長時の圧力は１×１０^４〜３×１０^４Ｐａ、さらに、原料ガスと共に流す水素のキャリアガスの流量は、毎分１０〜２０Ｌである。このような条件の下、最終研磨に使用するダイヤモンド砥粒の平均粒径を０．５μｍあるいは０．２５μｍと従来よりも小さくして平坦度を上げたＣ面を用いて、エピタキシャル成長を行ったところ、１５００℃という、従来よりも低い成長温度でも、高品質なエピタキシャル膜を得ることができた。エピタキシャル膜の品質を評価する指標としては、欠陥密度、ｎ型残留不純物密度、及び表面粗さ等がある。Ｃ面上のエピタキシャル欠陥としては、通常ｈｉｌｌｏｃｋ(ヒロック)と呼ばれる三角形状の欠陥、あるいはピット状の窪みが観察されるが、デバイス応用からはその密度は５０個／ｃｍ^２以下である。また、ｎ型残留不純物密度は、通常デバイス応用で用いられるドーピング密度の下限が５×１０^１５ｃｍ^−３程度であることから、その値以下、例えば１×１０^１５ｃｍ^−３以下が望ましい。エピタキシャル膜の表面粗さは、デバイスを微細化した際に、パターン欠陥を起こさないために重要であるが、通常１０μｍ×１０μｍの領域内で表面粗さＲａが１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下であることが求められている。エピタキシャル膜のＲａは、成長前の基板表面のＲａに比べ、同等あるいは小さくなることが一般的であるが、それを考慮すると成長前の基板表面のＲａは１ｎｍ以下に抑えておくことが必要であり、１５００℃と言う比較的低い成長温度でエピタキシャル成長が行われるためにも、Ｒａが１ｎｍ以下の平坦度の高い基板を用いることは必須と判断した。また、エピタキシャル膜の膜厚は、デバイスの耐圧等を考慮した場合、５０μｍ以下が望ましい。

（実施例１）
２インチ（５０ｍｍ）ウェハ用ＳｉＣ単結晶インゴットから、約４００μｍの厚さでスライスし、粗削りを行った後、平均粒径が１μｍのダイヤモンド砥粒による通常研磨を実施した、４Ｈ型のポリタイプを有するＣ面に、平均粒径が０．２５μｍのダイヤモンド砥粒を用いて最終研磨を行った。表面ＡＦＭ像の観察から、研磨後の基板表面のＲａ値は０．３５ｎｍであった。その後、表面の研磨ダメージ層を除去するためにリアクティブイオンエッチングを行った後、エピタキシャル成長を実施した。具体的なエピタキシャル成長条件の例としては、原料ガスであるＳｉＨ_４とＣ_３Ｈ_８について、ＳｉＨ_４流量：毎分２ｃｍ^３、Ｃ_３Ｈ_８流量：毎分１ｃｍ^３であり、Ｃ／Ｓｉ比は１．５である。また、成長温度：１５００℃、成長時の圧力：１．６×１０^４Ｐａ、さらに、水素キャリアガスの流量：毎分１６Ｌである。得られたエピタキシャル膜の膜厚は約３．５μｍであった。

エピタキシャル成長後の表面の光学顕微鏡写真を図１に示す。成長面は鏡面であり、欠陥等も見られず、良好な成長面が得られていることが分かる。欠陥密度としては、三角形あるいはピット状の欠陥密度が３０個／ｃｍ^２以下であった。図２には、成長後の表面のＡＦＭ像を示す。図２からＲａ値は０．２１ｎｍであり、平坦性の高い表面となっている。また、このエピタキシャル膜表面に、Ｎｉ電極を形成して、Ｃ−Ｖ測定により残留不純物密度を求めたところ、ｎ型残留不純物密度の平均値は９．５×１０^１４ｃｍ^−３であり、デバイス応用に必要な値が得られていることが確かめられた。これらの結果より、エピタキシャル成長前の基板表面の平坦度を上げることで、成長温度を下げても欠陥密度の小さい成長面が得られ、かつ低いｎ型残留不純物密度も達成されていることが明らかになった。

（実施例２）
実施例１と同様にスライス、粗削り、通常研磨を行った、４Ｈ型のポリタイプを有する２インチ（５０ｍｍ）のＣ面ウェハに、粒径が０．５μｍのダイヤモンド研磨剤を用いて最終研磨を行い、エピタキシャル成長を実施した。研磨後の基板表面のＲａ値は０．４７ｎｍであり、リアクティブイオンエッチングやエピタキシャル成長の条件は実施例１と同様である。エピタキシャル膜の膜厚は約３．５μｍであり、成長面は鏡面で、三角形あるいはピット状の欠陥密度は５０個／ｃｍ^２以下であった。実施例１に比べ欠陥密度が増加しているのは、粒径の大きいダイヤモンド研磨剤を使ったため、研磨後の表面粗さが大きいことによるものであるが、この値でも通常市販されているＳｉ面上エピタキシャル基板と同等ないしそれ以下のレベルである。また、ｎ型残留不純物密度の平均値は９．５×１０^１４ｃｍ^−３であり、エピタキシャル膜のＲａは０．３０ｎｍであった。

（比較例）
比較例として、実施例１と同様のスライス、粗削り、平均粒径が１μｍのダイヤモンド砥粒を使用する通常研磨のみを行った、４Ｈ型のポリタイプを有する２インチ（５０ｍｍ）のＣ面ウェハに、エピタキシャル成長を実施した。研磨後の基板表面のＲａ値は１．５ｎｍであり、リアクティブイオンエッチングやエピタキシャル成長の条件は実施例１と同様である。エピタキシャル膜の膜厚は約３．５μｍである。成長後の表面の光学顕微鏡写真を図３に示す。図３より三角形あるいはピット状の欠陥の密度が５×１０^３個／ｃｍ^２以上発生しており、成長前の基板表面の平坦度が、成長後の状態に大きく影響していることが分かる。このエピタキシャル膜表面に、Ｎｉ電極を形成して、Ｃ−Ｖ測定により残留不純物密度を求めようとしたところ、欠陥によるリーク電流のため、評価は行えなかった。また、欠陥による凸凹が大き過ぎるため、ＡＦＭ測定も行えず、エピタキシャル膜のＲａを求めることはできなかった。

この発明によれば、Ｃ面上へのエピタキシャル成長において、欠陥のない平坦な成長面を持ち、かつ残留不純物が低減された高品質エピタキシャル膜を有するＳｉＣ単結晶基板を作成することが可能である。そのため、このような基板上に電子デバイスを形成すればデバイスの特性が向上することが期待できる。本実施例においては最終研磨にダイヤモンド研磨剤を用いた研磨面を使用しているが、コロイダルシリカ等を用いるメカノケミカル研磨による研磨面についても同様である。

本発明の一例によって４Ｈ−Ｃ面上に成長されたＳｉＣエピタキシャル膜の表面状態を示す光学顕微鏡像である。 図１で示したＳｉＣエピタキシャル膜の表面状態を示すＡＦＭ像である。 従来技術によって４Ｈ−Ｃ面上に成長されたＳｉＣエピタキシャル膜の表面状態を示す光学顕微鏡像である。

Claims (8)

1. 表面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下である炭化珪素単結晶基板の（０００−１）面上に、三角形状欠陥とピット状欠陥の合計の表面欠陥密度が５０個／ｃｍ^２以下の炭化珪素単結晶薄膜を有することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
2. 前記炭化珪素単結晶薄膜のｎ型残留不純物密度が１×１０^１５ｃｍ^−３以下である請求項１記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
3. 前記炭化珪素単結晶薄膜の表面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以下である請求項１記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
4. 前記炭化珪素単結晶薄膜の膜厚が５０μｍ以下である請求項１記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
5. 表面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下である炭化珪素単結晶基板の（０００−１）面に炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
6. 前記エピタキシャル成長が、熱化学蒸着法を用いる請求項５記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
7. 前記エピタキシャル成長の成長温度が１５００℃以下である請求項５又は６に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
8. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を用いてなるデバイス。