JP7392526B2

JP7392526B2 - 炭化ケイ素単結晶基板の製造方法

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Publication number: JP7392526B2
Application number: JP2020040901A
Authority: JP
Inventors: 英一郎西村
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2023-12-06
Anticipated expiration: 2040-03-10
Also published as: JP2021143081A

Description

本発明は、炭化ケイ素単結晶基板の製造方法に関する。

炭化ケイ素は、ケイ素と炭素で構成される、化合物半導体材料である。炭化ケイ素は、絶縁破壊電界強度がケイ素の１０倍で、バンドギャップがケイ素の３倍であり、半導体材料として優れている。さらに、デバイスの作製に必要なｐ型、ｎ型の制御が広い範囲で可能であることなどから、ケイ素の限界を超えるパワーデバイス用材料として期待されている。

しかしながら、炭化ケイ素半導体は、従来広く普及しているケイ素半導体と比較して、大面積の炭化ケイ素単結晶基板を得ることが難しく、製造工程も複雑である。これらの理由から、炭化ケイ素半導体は、ケイ素半導体と比較して大量生産が難しく、高価であった。炭化ケイ素半導体のコストが高額であることが、炭化ケイ素半導体の普及を妨げる一因となっていた。

これまでにも、炭化ケイ素半導体のコストを下げるために、様々な工夫が行われてきた。例えば、特許文献１には、炭化ケイ素基板の製造方法であって、少なくとも、マイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以下の炭化ケイ素単結晶基板と炭化ケイ素多結晶基板を準備し、前記炭化ケイ素単結晶基板と前記炭化ケイ素多結晶基板とを貼り合わせる工程を行い、その後、単結晶基板を薄膜化する工程を行い、多結晶基板上に単結晶層を形成した基板を製造することが記載されている。

更に、特許文献１には、単結晶基板と多結晶基板とを貼り合わせる工程の前に、単結晶基板に水素イオン注入を行って水素イオン注入層を形成する工程を行い、単結晶基板と多結晶基板とを貼り合わせる工程の後、単結晶基板を薄膜化する工程の前に、３５０℃以下の温度で熱処理を行い、単結晶基板を薄膜化する工程を、水素イオン注入層にて機械的に剥離する工程とする炭化ケイ素基板の製造方法が記載されている。

このような方法により、１つの炭化ケイ素単結晶インゴットからより多くの炭化ケイ素貼り合わせ基板が得られるようになった。

特開２００９－１１７５３３号公報

特許文献１の方法で製造される炭化ケイ素貼り合わせ基板には、炭化ケイ素単結晶と炭化ケイ素多結晶が使用される。炭化ケイ素貼り合わせ基板用の炭化ケイ素単結晶は、昇華法や、昇華法により得られた炭化ケイ素単結晶基板の上に化学的気相蒸着法（ＣＶＤ法）により炭化ケイ素単結晶をエピタキシャル成長させることにより製造することができる。

また、昇華法により製造された炭化ケイ素単結晶基板よりも、エピタキシャル成長により製造された炭化ケイ素単結晶基板の方が、炭化ケイ素デバイスを作製した場合にデバイスにおけるキラー欠陥となる基底面転移（ＢＰＤ：ＢａｓａｌＰｌａｎｅＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が少ないことから、品質的に優れていると考えられている。

しかしながら、コスト面を考慮すると、昇華法で製造した炭化ケイ素単結晶の成膜用基板に炭化ケイ素単結晶をエピタキシャル成長させて厚く成膜することが好ましいが、厚く成膜すると得られた炭化ケイ素単結晶基板が反ってしまうことがある。炭化ケイ素単結晶基板に反りが発生することで、例えば、炭化ケイ素多結晶基板と貼り合わせるために搬送する場合において、炭化ケイ素単結晶基板を、吸盤等を用いて吸引して真空吸着することができずに、炭化ケイ素単結晶基板を搬送できない等の不具合が発生して、製造歩留まりを低下させる要因となっていた。

よって、本発明は、炭化ケイ素単結晶成膜用基板に炭化ケイ素単結晶膜をエピタキシャル成長させて得られる炭化ケイ素単結晶基板において、炭化ケイ素単結晶基板の反りの発生を抑制することができる、炭化ケイ素単結晶基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法は、化学的気相蒸着法によって、ドーパントを有する炭化ケイ素単結晶成膜用基板の表面に炭化ケイ素単結晶膜をエピタキシャル成長させて炭化ケイ素単結晶基板を得る、炭化ケイ素単結晶基板の製造方法において、前記炭化ケイ素単結晶成膜用基板を設置した成膜室内に、原料ガスおよびドーパントガスを含む混合ガスを供給して、前記炭化ケイ素単結晶膜を成膜する、成膜工程を含み、前記成膜工程において、前記混合ガスの供給比率を調整することにより、前記炭化ケイ素単結晶成膜用基板が有するドーパントの含有量の－５０％～＋５０％のドーパントの含有量を有する前記炭化ケイ素単結晶膜を成膜するものである。

本発明の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法において、前記成膜工程において、さらに、前記混合ガスの供給量、前記成膜室内の圧力、成膜温度のうちの少なくとも一つを調整することにより、前記炭化ケイ素単結晶膜のドーパントの含有量を調整してもよい。

本発明の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法において、前記成膜工程が、前記炭化ケイ素単結晶成膜用基板を回転させながら前記炭化ケイ素単結晶膜の成膜を行うものであり、さらに、前記炭化ケイ素単結晶成膜用基板の回転数を調整することにより、前記炭化ケイ素単結晶膜のドーパントの含有量を調整してもよい。

本発明の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法において、前記ドーパントガスが、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、窒素、リン、バナジウムからなる群から選ばれる１つ以上を含んでいてもよい。

本発明の炭化ケイ素単結晶基板の製造法補において、前記ドーパントガスが窒素ガスであり、前記混合ガスが、ケイ素系ガス、炭素系ガス、水素ガス、塩素系ガス、および、前記窒素ガスを含み、前記ケイ素系ガスのケイ素原子、前記炭素系ガスの炭素原子、前記水素ガスの水素原子、前記塩素系ガスの塩素原子、前記窒素ガスの窒素原子の原子数の比率がＳｉ：Ｃ：Ｈ：Ｃｌ：Ｎ＝０．２３：０．３３：１９４．７２：２．１０：１．０～２．９６の範囲内であってもよい。

本発明の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法において、前記成膜工程における、成膜温度が１０００℃～１８００℃であってもよい。

本発明の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法であれば、炭化ケイ素単結晶成膜用基板に炭化ケイ素単結晶膜をエピタキシャル成長させて得られる炭化ケイ素単結晶基板において、エピタキシャル成長させた炭化ケイ素単結晶膜のドーパント含有量を成膜用基板のドーパント含有量の－５０％～＋５０％とすることにより、炭化ケイ素単結晶基板の反りの発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態にかかる炭化ケイ素単結晶基板の製造方法において、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）により炭化ケイ素多結晶膜を成膜する成膜装置の一例を模式的に示す、側面断面図である。本発明の一実施形態にかかる炭化ケイ素単結晶基板の製造方法における、炭化ケイ素単結晶成長用基板、炭化ケイ素単結晶膜、炭化ケイ素単結晶基板を模式的に示す、側面断面図である。図１に示した成膜装置の変形例におけるサセプタを示す、平面図である。

本発明の一実施形態にかかる炭化ケイ素単結晶基板の製造方法について、図１、図２を参照して説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

本実施形態の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法は、化学的気相蒸着法によって、ドーパントを有する炭化ケイ素単結晶成膜用基板の表面に炭化ケイ素単結晶膜をエピタキシャル成長させて炭化ケイ素単結晶基板を得る、炭化ケイ素単結晶基板の製造方法に適用することができる。

本実施形態の炭化ケイ素単結晶基板５００の製造方法は、炭化ケイ素単結晶成膜用基板を設置した成膜室内に、原料ガスおよびドーパントガスを含む混合ガスを供給して、炭化ケイ素単結晶膜を成膜する、成膜工程を含むものである。

図１は、本発明の一実施形態にかかる炭化ケイ素単結晶基板５００の製造方法において、化学的気相成長法により炭化ケイ素多結晶膜を成膜する成膜装置の一例である成膜装置１０００を模式的に示す断面図である。図２は、本発明の一実施形態にかかる炭化ケイ素単結晶基板５００の製造方法において、各工程における炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００、炭化ケイ素単結晶膜２００、炭化ケイ素単結晶基板５００を模式的に示す、側面断面図である。図２（Ａ）は炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００を示す図であり、図２（Ｂ）は成膜工程により得られた炭化ケイ素単結晶基板５００を示す図である。

［成膜工程］
次に、本実施形態の炭化ケイ素単結晶基板５００の製造方法における、成膜工程について説明する。

成膜工程は、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の成膜対象面１００ａに、エピタキシャル成長により、炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜する工程である。この工程により、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００に、炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜することができる。

また、成膜工程において、後述するように、混合ガスの供給比率を調整することにより、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００が有するドーパントの含有量の－５０％～＋５０％のドーパントの含有量を有する炭化ケイ素単結晶膜２００が成膜される。

また、成膜工程において、さらに、混合ガスの供給量、成膜室１０２０（後述）内の圧力、成膜温度のうちの少なくとも一つを調整することにより、炭化ケイ素単結晶膜２００のドーパントの含有量を調整してもよい。

また、本実施形態の炭化ケイ素単結晶基板５００の製造方法においては、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００を回転させながら炭化ケイ素単結晶膜２００の成膜を行ってもよい。また、炭化ケイ素単結晶膜２００のドーパント含有量を調整するために、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の回転数を調整してもよい。

ここで、ドーパントの含有量を制御するためのパラメータである、混合ガスの供給比率について、ドーパントを供給するためのドーパントガスの比率が高くなるほど、成膜した炭化ケイ素単結晶膜２００におけるドーパント含有量が高くなる傾向にある。また、混合ガスの供給量、成膜室１０２０内の圧力、成膜温度、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の回転数は、炭化ケイ素単結晶膜２００の成膜速度に影響する。

炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００（図２（Ａ））としては、例えば、昇華法等により作成した炭化ケイ素のバルク単結晶から加工して得た、４Ｈ－ＳｉＣ単結晶ウエハを用いることができる。また、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の形状としては、例えば円形の平行平板状とすることができる。また、厚さ５μｍ～１００μｍ程度の炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜させる場合、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の厚さは、２５０μｍ～７５０μｍ程度とすることができる。

また、本実施形態において、サセプタ１０９０（後述）上に炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００を設置して、サセプタ１０９０を回転させながら、炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜させる場合には、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の成膜対象面は片面（成膜対象面１００ａ）とする。

図１は、本実施形態の炭化ケイ素単結晶基板５００の製造方法において用いることができる成膜装置の一例である、成膜装置１０００を示す図である。なお、以下の説明は成膜手順の一例であり、問題のない範囲で、成膜装置の構成や、温度、圧力、ガス雰囲気等の各条件や、手順等を変更してもよい。

成膜装置１０００は、化学的気相成長法により、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００に炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜させることができる。図１に示すように、成膜装置１０００は、成膜装置１０００の外装となる筐体１０１０と、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００に炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜させる成膜室１０２０と、成膜室１０２０より排出された原料ガスやキャリアガスを後述のガス排出口１０４０へ導入する排出ガス導入室１０５０と、排出ガス導入室１０５０を覆うボックス１０６０と、ボックス１０６０の外部より成膜室１０２０内を加温する、カーボン製のヒーター１０７０と、成膜室１０２０の上部に設けられ、成膜室１０２０に原料ガスやキャリアガスを導入するガス導入口１０３０と、原料ガス等を成膜装置外に排出するガス排出口１０４０と、サセプタ１０９０を回転可能に支持する支柱１０８０と、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００を載置するサセプタ１０９０を有する。

支柱１０８０は、サセプタ１０９０を保持する不図示の保持機構と、成膜のときにサセプタ１０９０を回転させる不図示の回転機構と、を有する。また、サセプタ１０９０は、平板上に形成された、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の載置部１０９１と、載置部１０９１の外周縁から立設した壁部１０９２と、を有する。サセプタ１０９０が壁部１０９２を有することにより、サセプタ１０９０が回転したときに炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００が遠心力により外部へ飛び出ようとしても、抑制することができる。

まず、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００を、サセプタ１０９０の載置部１０９１に載置する（図１）。次に、減圧状態にして、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気下で、成膜の反応温度まで、ヒーター１０７０により炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００を加熱する。あらかじめ設定した成膜の反応温度（１０００℃～１８００℃程度）まで達したら、不活性ガスの供給を止めて、成膜室１０２０内を数ｋＰａ～数百ｋＰａ程度として、成膜室１０２０内に炭化ケイ素単結晶膜２００の成分を含む原料ガスやキャリアガス等の混合ガスを供給する。このとき、サセプタ１０９０を図１の矢印Ａ方向に回転させながら、炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜させる。

なお、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の回転数は、４インチφサイズや６インチφサイズの炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００を用いる場合、０ｒｐｍ～１０００ｒｐｍ程度とすることができる。

また、成膜工程において成膜される炭化ケイ素単結晶膜２００のドーパント含有量を調節するために、成膜室１０２０内の圧力は、数ｋＰａ～数百ｋＰａ程度とすることができ、また、成膜室１０２０内の温度は、１０００℃～１８００℃とすることができる。

原料ガスとしては、炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜させることができれば、特に限定されず、一般的に炭化ケイ素単結晶膜２００の成膜に使用されるＳｉ系原料ガス、Ｃ系原料ガスを用いることができる。

例えば、ケイ素（Ｓｉ）系原料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ_４）を用いることができるほか、モノクロロシラン（ＳｉＨ_３Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）等のエッチング作用があるＣｌを含む塩素系Ｓｉ原料含有ガス（クロライド系原料）を用いることができる。また、例えば、上記のシランガスを用いる場合、ＨＣｌを併せて供給してもよい。

炭素（Ｃ）系原料ガスとしては、例えば、メタン（ＣＨ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）等の炭化水素を用いることができる。上記のほか、トリクロロメチルシラン（ＣＨ_３Ｃｌ_３Ｓｉ）、トリクロロフェニルシラン（Ｃ_６Ｈ_５Ｃｌ_３Ｓｉ）、ジクロロメチルシラン（ＣＨ_４Ｃｌ_２Ｓｉ）、ジクロロジメチルシラン（（ＣＨ_３）_２ＳｉＣｌ_２）、クロロトリメチルシラン（（ＣＨ_３）_３ＳｉＣｌ）等のＳｉとＣとを両方含むガスも、原料ガスとして用いることができる。

キャリアガスとしては、成膜を阻害することなく、原料ガスを基板へ展開することができれば、一般的に使用されるキャリアガスを用いることができる。例えば、熱伝導率に優れ、炭化ケイ素に対してエッチング作用がある水素（Ｈ_２）を用いることができる。

また、炭化ケイ素単結晶膜２００の導電型を制御するために、不純物ドーピングガスを同時に供給する。例えば、導電型をｎ型とする場合にはＮ_２、ｐ型とする場合にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用いることができる。

ドーパントガスとしては、窒素、アルミニウムに限定されず、例えば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、窒素、リン、バナジウムからなる群から選ばれる１つ以上を含むガスとすることができる。

また、ドーパントガスとしては、ドーパントがホウ素の場合には三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、ドーパントがガリウムの場合にはトリメチルガリウム(ＴＭＡＬ)、トリエチルガリウム(ＴＥＧａ)、ドーパントがリンの場合にはホスフィン（ＰＨ_３）、ドーパントがバナジウムの場合にはバナジウムテトラクロライド（ＶＣｌ_４）を用いることができる。ドーパントが窒素の場合には、ドーパントガスとして、窒素ガスの他にアンモニア（ＮＨ_３）を用いることができる。

また、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００におけるドーパント含有量は特に限定されず、ドーパント含有量は所望の電気抵抗値等から適宜設定することができる。ドーパントとして窒素を用いる場合には、例えば、ドーパント含有量が６×１０^１８ｃｍ^－３～１０×１０^１８ｃｍ^－３程度の炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００を用いることができる。

なお、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００が有するドーパントと、炭化ケイ素単結晶膜２００が有するドーパントは、同じでもよいし、異なっていてもよい。

炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００のドーパントと炭化ケイ素単結晶膜２００のドーパントとが異なる場合、両者のドーパントが、置換する原子が同じである、すなわち、ケイ素（Ｓｉ）または炭素（Ｃ）のどちらか同じ原子と置き換わるドーパントであることが好ましい。

さらに、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００と炭化ケイ素単結晶膜２００とにおいて別のドーパントを用いると、炭化ケイ素単結晶基板５００における反りの挙動が異なる可能性があることから、安定した製造管理の観点から、反りの挙動を予測しやすい、同じドーパントを用いることがより好ましい。

炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜させる際には、上記のガスを適宜混合して供給する。また、所望の炭化ケイ素単結晶膜２００の性状に応じて、成膜の途中でガスの混合割合、供給量等の条件を変更してもよい。また、炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜させる場合には、成膜対象である炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の結晶と同一方位の単結晶を成長させるために、１回の成膜で所望の膜厚になるまで膜を形成させるのではなく、複数回の成膜を行って、所望の膜厚を得てもよい。

上記の混合ガスの供給比率は、ドーパントの含有量を調節するために、例えば、ドーパントガスが窒素ガスであり、混合ガスとして、ケイ素系ガス、炭素系ガス、水素ガス、塩素系ガス、窒素ガスを供給する場合には、ケイ素系ガスのケイ素原子、炭素系ガスの炭素原子、水素ガスの水素原子、塩素系ガスの塩素原子、窒素ガスの窒素原子の原子数の比率がＳｉ：Ｃ：Ｈ：Ｃｌ：Ｎ＝０．２３：０．３３：１９４．７２：２．１０：１．０～０．２３：０．３３：１９４．７２：２．１０：２．９６の範囲内とすることができる。

すなわち、ケイ素系ガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）ガス、炭素系ガスとしてプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）ガス、水素（Ｈ_２）ガス、塩素系ガスとして塩化水素（ＨＣｌ）ガス、ドーパントガスとして窒素（Ｎ_２）ガスを含む混合ガスを供給する場合には、ＳｉＨ_４：Ｃ_３Ｈ_８：Ｈ_２：ＨＣｌ：Ｎ_２＝０．２３：０．１１：９７．３６：２．１０：０．５０～０．２３：０．１１：９７．３６：２．１０：１．４８とすることができる。

また、混合ガスの供給量は、成膜室１０２０内に供給するガスの合計で１ｓｌｍ～５００ｓｌｍ程度とすることができる。なお、ガス流量の単位「ｓｌｍ」は、ｓｔａｎｄａｒｄｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、すなわち、標準状態（０℃、１気圧）に換算した１分間当たりの流量（Ｌ）を示す。

炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の表面や気相での化学反応により、加熱した炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００に炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜させることができる。以上の成膜工程により、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００に炭化ケイ素単結晶膜２００が成膜した炭化ケイ素単結晶基板５００（図２（Ｂ））が得られる。

［その他の工程］
本実施形態の炭化ケイ素単結晶基板５００の製造方法は、前述したように、以下の工程を含むことができる。例えば、設置した炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００を加熱する工程、化学蒸着前の炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００に、成膜を阻害するような何らかの反応が生じないよう、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００を設置した成膜室１０２０内を不活性雰囲気下とするべく、アルゴン等の不活性ガスを流通させる工程等が挙げられる。

また、炭化ケイ素単結晶膜２００を成膜して得られた炭化ケイ素単結晶基板５００には、図２（Ｂ）に示すように、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の成膜対象面１００ａだけではなく、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００の側面に沿って、炭化ケイ素膜が成膜していることがある。よって、成膜工程後に、外周部分を研削加工や研磨加工して炭化ケイ素単結晶基板５００の直径寸法を調整してもよい。また、炭化ケイ素単結晶基板５００の反りをなくしたり、所望の厚さにしたりするために、必要に応じて、研削加工や研磨加工を行ってもよい。

［従来の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法との比較］
従来の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法においては、得られた炭化ケイ素単結晶基板が反ってしまうことがあり、炭化ケイ素多結晶基板との貼り合わせ基板を製造する場合に、真空吸着することができずに、炭化ケイ素単結晶基板を搬送することができない等の不具合が発生して、製造歩留まりを低下させる要因となっていた。

そこで、上記課題を解決すべく、本発明者等が鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、炭化ケイ素単結晶成膜用基板に、化学的気相蒸着法によって炭化ケイ素単結晶膜をエピタキシャル成長させる成膜工程において、炭化ケイ素単結晶成膜用基板におけるドーパントの含有量の－５０％～＋５０％のドーパントの含有量を有する炭化ケイ素単結晶膜を得ることにより、得られた炭化ケイ素単結晶基板において反りの発生が抑制されることを見出すに至った。また、混合ガスの供給比率を調整することにより、成膜される炭化ケイ素単結晶膜におけるドーパント含有量を調節することができることを見出した。

また、混合ガスの供給量、成膜室内の圧力、成膜室内の温度、炭化ケイ素単結晶成膜用基板の回転数が炭化ケイ素単結晶膜の成長速度に影響することから、炭化池素単結晶膜におけるドーパント含有量に影響することを見出した。

すなわち、炭化ケイ素単結晶成膜用基板と成膜した炭化ケイ素単結晶膜との間に応力差がある場合、反りが発生する。この応力差は、大部分が炭化ケイ素単結晶成膜用基板と炭化ケイ素単結晶膜におけるドーパント含有量の差が一因であると考えられる。

ここで、炭化ケイ素の結晶構造において、ドーパントはＣ（炭素）サイトに置換して固溶する。ドーパントが窒素の場合、炭素よりも共有結合半径が小さいため、ドープ量（ドーパントの含有量）が多くなるほど格子定数が大きくなる。そのため、炭化ケイ素単結晶成膜用基板に比べて、炭化ケイ素単結晶膜の方が、ドープ量が大きい場合、炭化ケイ素単結晶膜の方が縮むことになるので、炭化ケイ素単結晶膜から凹状の反りが生じる。一方、炭化ケイ素単結晶成膜用基板に比べて、炭化ケイ素単結晶膜の方が、ドープ量が少ない場合、炭化ケイ素単結晶膜の方が広がることになるので、炭化ケイ素単結晶膜側に凸状の反りが生じる。

本実施形態の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法であれば、炭化ケイ素単結晶成膜用基板に炭化ケイ素単結晶膜をエピタキシャル成長させて得られる炭化ケイ素単結晶基板において、炭化ケイ素単結晶基板の反りの発生を抑制することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の工程等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。なお、以下の変形例において、前述した実施形態と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。

前述した実施形態においては、図１に示すように、成膜装置１０００にサセプタ１０９０を１つ設けたものについて例示したが、成膜装置１０００にサセプタを複数設けてもよい。サセプタを複数設ける場合、例えば、図３に示すように、複数個のサセプタ１０９０を設置（図３では４つ）できるステージ１１００を用いてもよい。

図３に示すステージ１１００は、４つのサセプタ設置部１１１０と、サセプタ設置部１１１０に設置したサセプタ１０９０を矢印Ｄ方向に回転させる不図示のサセプタ回転機構と、を有する。サセプタ１０９０には、炭化ケイ素単結晶成膜用基板１００を載置する。また、ステージ１１００は、成膜装置１０００の支柱１０８０により支持されて、ステージ１１００が矢印Ｅ方向に回転するように構成されている。

すなわち、サセプタ１０９０とステージ１１００は逆の方向に回転して自転公転することにより、炭化ケイ素膜の膜厚がより均一になる。また、ステージ１１００に複数のサセプタ１０９０を設置できることにより、一度に複数の炭化ケイ素単結晶基板５００を得ることができる。なお、図３の矢印Ｄ、矢印Ｅで示したサセプタ１０９０とステージ１１００の回転の方向や、サセプタ１０９０とステージ１１００の回転数は適宜設定することができる。

また、前述した実施形態においては、サセプタ１０９０を回転させて炭化ケイ素単結晶膜２００を成長させる方法について例示したが、炭化ケイ素単結晶膜２００の成長時にサセプタ１０９０を回転させてもよいし、回転させなくてもよい。サセプタ１０９０を回転させることにより、炭化ケイ素単結晶膜２００の膜厚が均一性、ドーパント含有量の均一性の観点から、炭化ケイ素単結晶膜２００の成長時にサセプタ１０９０を回転させることが好ましい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法等は、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質等を限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質等の限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

以下、本発明の実施例および比較例によって、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されることはない。

本実施例においては、前述した実施形態の成膜装置１０００を用いて炭化ケイ素単結晶基板を製造した。また、本実施例においては、ドーパントとして窒素を用いた。

［実施例１］
（炭化ケイ素単結晶基板の製造）
本実施例においては、ドーパントとして窒素を用いた。炭化ケイ素単結晶をエピタキシャル成長させるための、炭化ケイ素単結晶成膜用基板として、昇華法で作製した６インチφサイズ、３５０μｍ厚の、ドーパントである窒素の単位体積当たりの含有量が６×１０^１８ｃｍ^-３の４Ｈ－ＳｉＣ単結晶ウエハ型を用いた。

次に、成膜室内を排気ポンプにより真空引きを行った後、Ａｒガスを供給しながら成膜室内の温度を１６５０℃まで昇温させて炭化ケイ素単結晶成膜用基板を加熱した。

１６５０℃まで昇温後、Ａｒガスの供給を停止して、原料ガス等のガスを供給した。原料ガスとしてケイ素系ガスのシランガス（ＳｉＨ_４）、炭素系ガスのプロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）、パージガスとして水素ガス（Ｈ_２）、塩化水素ガス（ＨＣｌ）、不純物ドーピングガスとして窒素ガス（Ｎ_２）を用いた。

混合ガスの供給比率は、ＳｉＨ_４：Ｃ_３Ｈ_８：Ｈ_２：ＨＣｌ：Ｎ_２＝０．２３：０．１１：９７．３６：２．１０：１．０２とした。混合ガスの供給量は、合計で１８０ｓｌｍ、６０分間供給し、基板を６００ｒｐｍで回転させながら、炭化ケイ素単結晶成膜用基板の成膜対象面に炭化ケイ素単結晶膜をエピタキシャル成長させた。成膜工程における成膜室内の圧力は２５ｋＰａであった。以上により、炭化ケイ素単結晶基板を得た。

（炭化ケイ素単結晶基板の評価）
製造した炭化ケイ素単結晶基板について、炭化ケイ素単結晶膜のドーパント含有量、炭化ケイ素単結晶膜の膜厚、および、炭化ケイ素単結晶基板の反り量を評価した。

エピタキシャル成長させた炭化ケイ素単結晶膜のドーパント含有量（窒素含有量）を二次イオン質量分析装置（以下、Ｄ－ＳＩＭＳと記載することがある。）を用いて測定した。炭化ケイ素単結晶膜中の窒素含有量を測定した結果、６×１０^１８ｃｍ^－３であり、炭化ケイ素単結晶成膜用基板のドーパント含有量と同等であった。

また、炭化ケイ素単結晶膜の膜厚を測定したところ、エピタキシャル成長させた炭化ケイ素単結晶膜の平均膜厚は５０μｍで、面内ばらつきは３％以下であり、均質かつ低欠陥、高品質で、半導体材料として問題のない炭化ケイ素単結晶膜を得ることができた。

また、炭化ケイ素単結晶膜を成膜して得られた炭化ケイ素単結晶基板を、平坦度測定器を用いて基板の中央面の基準面からのズレの最大値と最小値の差を反り量として評価した。反り量が±１００μｍ以内であれば、炭化ケイ素多結晶基板との貼り合わせ工程において、搬送エラーや基準面の取得不能等の問題が生じる可能性がなく、反り量の基準を満たすと判断した。なお、ここで反り量がプラスの値の場合は、炭化ケイ素単結晶膜側が凹んだ凹状の反りがあることを示し、反り量がマイナスの値の場合は、炭化ケイ素単結晶膜側が突出した凸状の反りがあることを示すものとする。

反り量を評価した結果、実施例１の炭化ケイ素単結晶基板の反り量は５０μｍであり、貼り合わせ工程の時に問題のない程度の反り量であった。

［実施例２～実施例４、比較例１～比較例３］
実施例２～実施例４、比較例１～比較例３として、表１に示すように、混合ガスの供給比率を種々変更したこと以外は実施例１と同様にして炭化ケイ素単結晶基板を製造した。

実施例１～実施例４、比較例１～比較例３の炭化ケイ素単結晶基板について、成膜工程における混合ガスの供給比率、供給した混合ガスにおける原子比を表１に示した。なお、原子比は、シランガスのケイ素原子、プロパンガスの炭素原子、水素ガスの水素原子、塩素系ガスの塩素原子、窒素ガスの窒素原子の原子数の比率を示した。

また、製造した炭化ケイ素単結晶基板について、実施例１と同様に、炭化ケイ素単結晶膜のドーパント含有量、炭化ケイ素単結晶膜の膜厚、および、炭化ケイ素単結晶基板の反り量を評価した。

表２には、炭化ケイ素単結晶基板の評価結果について、窒素含有量、炭化ケイ素単結晶成膜用基板を基準（０）とした炭化ケイ素単結晶膜の窒素含有率、炭化ケイ素単結晶基板の反り量示した。炭化ケイ素単結晶成膜用基板を基準（０）とした炭化ケイ素単結晶膜の窒素含有率は、炭化ケイ素単結晶膜のドーパント含有量が炭化ケイ素単結晶成膜用基板のドーパント含有量に比べてどの程度多いかまたは少ないかを算出した値を示した。すなわち、炭化ケイ素単結晶成膜用基板の窒素含有量を基準（０）としたときの炭化ケイ素単結晶膜における窒素含有率（（炭化ケイ素単結晶膜の窒素含有量－炭化ケイ素単結晶成膜用基板の窒素含有量）／炭化ケイ素単結晶成膜用基板の窒素含有量×１００（％））を算出した。

（評価結果）
得られた炭化ケイ素単結晶基板において、実施例、比較例の炭化ケイ素単結晶基板はともに、炭化ケイ素単結晶膜の平均膜厚は５０μｍであり、面内ばらつきは３％以下であった。

炭化ケイ素単結晶成膜用基板の窒素含有量を基準（０）としたときの炭化ケイ素単結晶膜における窒素含有率について、実施例１～４においては、－５０％～＋５０％であり、比較例１～３においては－６０％～＋８３％であった。

また、炭化ケイ素単結晶基板の反り量について、実施例１～４においては、反り量が－９０μｍ～＋９３μｍであり、反り量が小さかった。また、実施例１～実施例４においては、炭化ケイ素単結晶基板を搬送するための真空吸着や加工のための基準面の取得等の工程に不具合は生じなかった。一方、比較例１～比較例３により得られた炭化ケイ素単結晶基板においては、反り量が－１０１μｍ～＋１２０μｍであり、反り量が大きかった。また、比較例１～比較例３においては、炭化ケイ素単結晶基板を搬送するための真空吸着や加工のための基準面の取得等の工程に不具合が生じた。

本発明の例示的態様である実施例１～実施例４において、成膜工程における混合ガスの供給比率を調整することにより、炭化ケイ素単結晶膜のドーパント濃度を制御することができること、また、炭化ケイ素単結晶膜において、ドーパントの含有量を炭化ケイ素単結晶成膜用基板のドーパント含有量の－５０％～＋５０％とすることにより、反り量の小さい炭化ケイ素単結晶基板が得られることが示された。

また、このようにして得られた炭化ケイ素単結晶基板は、搬送するための真空吸着や加工のための基準面の取得の際等の不具合を抑制して生産性を向上させることにより、生産コストを抑えることができる。なお、本実施例においては、ドーパントを窒素としたが、他のドーパントを用いることにより、得られる炭化ケイ素単結晶基板における反り量の発生を抑制することができる。

１００炭化ケイ素単結晶成膜用基板
２００炭化ケイ素単結晶膜
５００炭化ケイ素単結晶基板

Claims

化学的気相蒸着法によって、ドーパントを有する炭化ケイ素単結晶成膜用基板の表面に炭化ケイ素単結晶膜をエピタキシャル成長させて炭化ケイ素単結晶基板を得る、炭化ケイ素単結晶基板の製造方法において、
前記炭化ケイ素単結晶成膜用基板は、厚さが２５０μｍ～７５０μｍであり、４インチφサイズまたは６インチφサイズの４Ｈ-ＳｉＣ単結晶ウエハであり、
前記炭化ケイ素単結晶成膜用基板を設置した成膜室内に、原料ガスおよびドーパントガスを含む混合ガスを供給して、前記炭化ケイ素単結晶膜を成膜する、成膜工程を含み、
前記ドーパントガスが窒素ガスであり、
前記混合ガスが、ケイ素系ガス、炭素系ガス、水素ガス、塩素系ガス、および、前記窒素ガスを含み、
前記ケイ素系ガスのケイ素原子、前記炭素系ガスの炭素原子、前記水素ガスの水素原子、前記塩素系ガスの塩素原子、前記窒素ガスの窒素原子の原子数の比率がＳｉ：Ｃ：Ｈ：Ｃｌ：Ｎ＝０．２３：０．３３：１９４．７２：２．１０：１．０～２．９６の範囲内であり、
前記成膜工程において、前記混合ガスの供給比率を調整することにより、前記炭化ケイ素単結晶成膜用基板が有するドーパントの含有量の－５０％～＋５０％のドーパントの含有量を有する前記炭化ケイ素単結晶膜を成膜して、反り量が±１００μｍ以内の炭化ケイ素単結晶基板を得る、炭化ケイ素単結晶基板の製造方法。
前記成膜工程において、さらに、前記混合ガスの供給量、前記成膜室内の圧力、成膜温度のうちの少なくとも一つを調整することにより、前記炭化ケイ素単結晶膜のドーパントの含有量を調整する、請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法。
前記成膜工程が、前記炭化ケイ素単結晶成膜用基板を回転させながら前記炭化ケイ素単結晶膜の成膜を行うものであり、
さらに、前記炭化ケイ素単結晶成膜用基板の回転数を調整することにより、前記炭化ケイ素単結晶膜のドーパントの含有量を調整する、請求項１または２に記載の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法。
前記成膜工程における、成膜温度が１０００℃～１８００℃である、請求項１～３のいずれか１項に記載の炭化ケイ素単結晶基板の製造方法。