JP2007182330A - 炭化ケイ素単結晶ウェハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 バルク炭化ケイ素単結晶の利用率の向上と素子特性の向上、さらに劈開性の向上を図ることができる炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法及びその製造方法により得られた炭化ケイ素単結晶ウェハを提供する。
【解決手段】 表面が表面粗さ２ｎｍ以下のホモエピタキシャル成長面で（０００１）ｃ面からのオフ角が０．４度以下であることを特徴とするα型（六方晶）炭化ケイ素単結晶ウェハ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子デバイス、光学デバイス等として特に好適な炭化ケイ素単結晶ウェハ並びに上記炭化ケイ素単結晶ウェハを効率よく製造し得る方法に関する。

炭化ケイ素は、ケイ素に比し、バンドギャップが大きく、絶縁破壊特性、耐熱性、耐放射線性等に優れることから、小型で高出力の半導体等の電子デバイス材料として、また、光学的特性に優れることから、光学デバイス材料として注目されてきている。かかる炭化ケイ素の結晶の中でも、炭化ケイ素単結晶は、炭化ケイ素多結晶に比し、ウェハ等のデバイスに応用した際にウェハ内特性の均一性等に特に優れるという利点がある。

炭化ケイ素単結晶ウェハを用いて発光デバイス、電子デバイスなどを作製する場合、通常ウェハに薄膜をエピタキシャル成長させる必要がある。例えばα型炭化ケイ素単結晶ウェハの（０００１）ｃ面上にα型炭化ケイ素をエピタキシャル成長させるには、１７００〜１８００℃以上の高温でＣＶＤ成長が行われている。これは１７００℃より低温で成長を行うと三角ピット欠陥の発生等により成長表面の平坦性が著しく損なわれるからである。しかし、１７００〜１８００℃以上で成長させた場合、ウェハを維持するサセプター等部材の消耗が激しく、また消耗した部材から発生する不純物により、エピタキシャル成長した膜の電気特性が低下する傾向がある。

一方、ウェハの（０００１）ｃ面に対し数度傾いた、いわゆるオフ角を有するウェハを用いると、１５００〜１６００℃でも欠陥のないエピタキシャル成長が可能になる。しかし、オフ角が大きいとバルク単結晶の利用率が低下する。特にウェハが大口径になるほどバルク単結晶の利用率低下が著しい。また、オフ角が大きいと基板の結晶欠陥、特に基底面転位のエピタキシャル成長層への伝播が増加し、成長結晶中の基底面転位密度が大きくなるため、素子特性の低下が問題となる。更にオフ角が大きいと作製された素子を劈開により分離することが困難になる。これはレーザーダイオード等劈開面そのものを利用する光学デバイスにおいては特に重要な問題である。

上記問題を解決する手段としていくつかの技術が提案されているが、バルク炭化ケイ素単結晶の利用率の向上と素子特性の向上の点で改善の余地が残されている（例えば、特許文献１参照。）。
米国特許４９１２０６４号

そのため、バルク炭化ケイ素単結晶の利用率の向上と素子特性の向上、さらに劈開性の向上を図ることができる炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法及びその製造方法により得られた炭化ケイ素単結晶ウェハが求められていた。

本発明は以下の記載事項に関する：
＜１＞ 表面が表面粗さ２ｎｍ以下で平坦なホモエピタキシャル成長面で（０００１）ｃ面からのオフ角が０．４度以下であるα型（六方晶）炭化ケイ素単結晶ウェハ。

＜２＞ α型（六方晶）炭化ケイ素単結晶から、上記炭化ケイ素単結晶の〈１１−２０〉方向からのずれが２．５度以内のオフ方向、（０００１）ｃ面から０．４度以下のオフ角でウェハを切り出す工程と、
上記ウェハを反応容器内に配置する工程と、
上記反応容器内にケイ素源ガスと炭素源ガスを供給する工程と、
上記ケイ素源ガスと上記炭素源ガスとを反応させて、上記ウェハ上にα型（六方晶）炭化ケイ素単結晶をエピタキシャル成長させる工程と、を備える炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法。

＜３＞ 上記炭化ケイ素単結晶から切り出された上記ウェハは、上記ウェハのオフ角が、０．１〜０．４度である上記＜２＞記載の炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法。

＜４＞ 上記炭化ケイ素単結晶から切り出したウェハ表面が加工損傷を含まないようにエピタキシャル成長前に表面処理を行う上記＜２＞または＜３＞に記載の炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法。

＜５＞ 上記炭素源ガス（Ｃ）と上記ケイ素源ガス（Ｓｉ）の供給比（Ｃ/Ｓｉ）は、１．５以下である上記＜２＞〜＜４＞のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法。

＜６＞ １５５０〜１７００℃において、上記炭素源ガスと上記ケイ素源ガスとを反応させる上記＜２＞〜＜５＞のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法。

本発明によれば、バルク炭化ケイ素単結晶の利用率の向上と素子特性の向上、及び劈開性の向上を図ることができる炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法及びその製造方法により得られた炭化ケイ素単結晶ウェハが得られる。

以下に実施の形態を挙げて本発明を説明する。尚、本発明は以下の実施の形態に限定されないことはいうまでもない。

本明細書において、「オフ方向」とは、図１中ｎで示されるウェハ表面の法線の〈０００１〉方向からの傾斜方向であり、ｎを（０００１）ｃ面に投影したベクトルの向きで示されるものである。図１においてｎのオフ方向は〈１１−２０〉方向に一致している。また、オフ方向が〈１１−２０〉方向からα又はα’度ずれた場合も図１中に示されている。「オフ角」とは、図１中βで示される〈０００１〉方向からのｎの傾斜角度をいう。

炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法の実施形態について説明する：
（イ） まず、バルク状のα型（六方晶）炭化ケイ素単結晶を用意する。

（ロ） 用意した炭化ケイ素単結晶から、〈１１−２０〉方向からのずれが２．５度以内のオフ方向、（０００１）ｃ面から０．１〜０．４度のオフ角でウェハを切り出す。オフ方向が〈１１−２０〉方向からのずれが２．５度を超えるとエピタキシャル成長面上に線状バンプが発生するからである。また、オフ角が０．１度未満になると炭化ケイ素のエピタキシャル成長表面に２ｎｍ以上の凹凸が多数発生して良好な素子の作製が困難となるからである。また、オフ角が０．４度を超えるとバルク結晶の利用率低下や素子特性の低下が無視できなくなるからである。次に、基板表面欠陥由来のエピタキシャル成長欠陥発生を防止するために、切り出したウェハに表面処理を行いウェハ表面の加工損傷を取り除く。表面処理方法としては、例えば化学的機械的研磨（ＣＭＰ）、水素エッチング等が挙げられる。

（ハ） 次に、上記ウェハを化学気相堆積（ＣＶＤ）装置内に配置する。化学気相堆積装置としては縦型もしくは横型のホットウォールＣＶＤ装置等が挙げられる。

（ニ） そして、反応容器内を反応温度まで加熱した後、ケイ素源ガスと炭素源ガスを供給する。ケイ素源ガスとしては、モノシラン、モノクロロシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン等が挙げられるが、反応性が高く腐食性副生成物が発生しない点でモノシランガスを用いることが好ましい。炭素源ガスとしては、アセチレン、エチレン、エタン、プロパン等が挙げられるが、炭素源として高効率である点でプロパンガスを用いることが好ましい。また、キャリアガスとしては水素（Ｈ_２）ガスを用いることが好ましい。炭素源ガス中の炭素（Ｃ）と、ケイ素源ガス中のケイ素（Ｓｉ）の供給比（Ｃ/Ｓｉ）は、１．５以下、好ましくは０．５〜１．４とする。Ｃ/Ｓｉが０．５未満となると気相中でケイ素が析出して良好なエピタキシャル成長が困難になり、１．４を超えると基板表面の僅かな結晶欠陥から目視できるマクロな三角ピット欠陥等が容易に発生するようになるからである。なお、成長初期に上記Ｃ／Ｓｉで成長を行い、その後上記Ｃ／Ｓｉと異なる条件で異なる層を引き続き成長する等が可能なことはいうまでもない。また、昇温や降温の途中に基板表面のエッチングを行ったり、あるいはエッチングを抑える目的で適当なガスを導入する等が好適に行われる。また、成長中に目的の電気特性が得られるように適量の不純物を含むガスを混入することも可能である。

（ホ） ケイ素源ガスと炭素源ガスとを反応させて、ウェハ上に炭化ケイ素単結晶をエピタキシャル成長させる。例として好ましくは、ウェハを回転させながら水素ガスを流し、圧力を０〜２００ｍｂａｒに保ったまま昇温する。基板のエッチングを抑える目的で、１３００〜１４００℃を超えたところで適量のプロパンガスを導入する。さらに、１５５０〜１７００℃まで昇温し、かかる温度に維持し、目的の成長速度等に好適な減圧状態で上記Ｃ／Ｓｉとなるシランガスとプロパンガスを導入して目的の膜厚が得られるのに必要な時間エピタキシャル成長を行う。
以上のようにして、炭化ケイ素単結晶ウェハが製造される。
（０００１）ｃ軸に垂直な基板を用いた炭化ケイ素単結晶のエピタキシャル成長では、ケイ素面を用いたエピタキシャル成長の方が一般に炭素面でのエピタキシャル成長よりも広い範囲で不純物量の制御が容易である。そのため、ケイ素面でのエピタキシャル成長膜の方が炭素面に比較してより広い範囲で電気特性の制御が可能である。一方、ケイ素面では一般的に炭素面に比較して表面ステップのバンチングが生じやすい。つまり、平坦なエピタキシャル成長面を得ることは一般に炭素面よりも困難とされている。しかしながら、本発明の実施形態にかかる製造方法によれば、ケイ素面及び炭素面のいずれかに依存せずに極めて平坦なエピタキシャル成長面を得ることができる。

（実施形態の変形例）
バルク結晶の利用率の向上と、基板欠陥の伝播を軽減する観点からは、オフ角を０．１〜０．４度で出来るだけ小さくしたウェハを炭化ケイ素単結晶から切り出すことが好ましい。また、ウェハ面内でオフ角が分布を持つ場合、炭化ケイ素単結晶から切り出したウェハの全面積の８０％以上でオフ角が０．１度以上となるように、炭化ケイ素単結晶からウェハを切り出すことが好ましい。具体的には、ウェハの全面で一定のオフ角とすることが困難な場合、ウェハの中心から周辺に向けて略同心円状にオフ角を０度から増加させ、オフ角が０．１度未満の面積をウェハ中心付近（２０％以下）の領域に限定するなどの工夫が可能である。

(炭化ケイ素単結晶ウェハ)
炭化ケイ素単結晶ウェハは、上記実施形態にかかる炭化ケイ素単結晶の製造方法により製造される。即ち、表面が表面粗さ２ｎｍ以下で平坦なホモエピタキシャル成長面で（０００１）ｃ面からのオフ角が０．４度以下であることを特徴とするα型（六方晶）炭化ケイ素単結晶ウェハが得られる。ノマルスキー（微分干渉）光学顕微鏡により炭化ケイ素単結晶ウェハの表面観察を行うと、オフ角が極めて小さいにも関わらず従来報告されているようなマクロな三角ピットや多型の混入等の表面欠陥は全く見られない。さらに上記炭化ケイ素単結晶ウェハは、オフ方向が〈１１−２０〉方向からのずれが２．５度以内、オフ角が（０００１）ｃ面から０．１〜０．４度の領域において、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による表面の凹凸（表面粗さ）が２ｎｍを超えず極めて平坦である。また、オフ方向が〈１１−２０〉方向からのずれが２．５度を超えた場合に発生するような線状あるいは点状のミクロンオーダーを越えるマクロな凹凸は一切見られない。さらに、基板からエピタキシャル成長結晶に引き継がれる基底面転位の数も１０／ｃｍ^２以下と極めて少ない。そのため、高品質な素子の製造が可能となる。なお、表面粗さについては光学的測定のように検出領域もしくは測定スポット径が大きいと粗さが平均化され小さく見積もられる。また測定領域が狭いほど一般的には粗さの最大値（最大高さ：Ｒｙ）は小さくなる。そこで、本明細書において「表面粗さ」とはＡＦＭにより５μｍ角以上の測定領域で求められたＲｙとし、Ｒｙが十分小さく上記のようなマクロな凹凸も見られない表面を平坦な面と定義する。

炭化ケイ素単結晶ウェハを用いた電子デバイスで期待されるものとしてＭＯＳ電界効果トランジスタが挙げられる。ＭＯＳ構造のゲート酸化膜（絶縁膜）は通常エピタキシャル成長膜を熱酸化することによりエピタキシャル成長膜表面に形成される。したがって、一定膜厚で耐圧が一定の酸化膜を作製するためには、酸化前のエピタキシャル成長膜表面は、この酸化膜厚のオーダーに比較して十分に平坦にすることが好ましい。上記ゲート酸化膜の厚みは２０〜６０ｎｍが一般的であることから、酸化膜厚の許容される変動幅が１０％とすると、エピタキシャル成長膜の表面粗さは２〜６ｎｍ程度以下であることが必要となる。この場合、本発明にかかる炭化ケイ素単結晶の表面粗さは上記の通り２ｎｍを超えることがない。そのため、本発明にかかる炭化ケイ素単結晶は電子デバイス、特にＭＯＳ電界効果トランジスタの製造に好適に用いられる。

（用途）
本発明の炭化ケイ素単結晶ウェハは、マクロな三角ピットや多型の混入がなく、表面が平坦で基底面転位も少なく極めて高品質である。そのため、耐高電圧、絶縁破壊特性、耐熱性、耐放射線性等に優れた、電子デバイス、特にパワーデバイスや発光ダイオード等に好適に用いられる。

以下に実施例及び比較例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明が以下の実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。

（実施例１）
ウェハ：ウェハとしては、基板全体でオフ角が０．２度、オフ方向が〈１１−２０〉方向からのずれが０．５度である６Ｈウェハ（直径５０．８ｍｍ）を用意し、用意したウェハのケイ素面表面を水素中１４００℃で３０分間、加熱エッチングしたものを用いた。
成長条件：ホットウォールＣＶＤ装置内に上記ウェハを配置した。そして、ウェハを回転させながら水素７０ｓｌｍを流し、圧力を１２０ｍｂａｒに保ったまま昇温した。１４００℃を超えたところでプロパンガス８ｓｃｃｍを導入した。さらに１６５０℃まで昇温し、１６５０℃を維持して、モノシランガス２０ｓｃｃｍを導入して１．５時間エピタキシャル成長を行った。原料ガスの供給比（Ｃ／Ｓｉ）は１．２であった。
結果：図２に示すように、ウェハ全面で線状バンプのない極めて平坦な表面のエピタキシャル膜が得られた。エピタキシャル層の膜厚は７．１μｍであった。

表面粗さを原子間力顕微鏡で測定した結果、５μｍ角範囲で、最大高さ（Ｒｙ）は１．４６０ｎｍであった。

（実施例２〜３）（比較例１〜３）
オフ方向が〈１１−２０〉方向からのずれが、それぞれ０．０度（実施例２）、２．５度（実施例３）、２．８度（比較例１）、７．１度（比較例２）、８．６度（比較例３）である６Ｈウェハを用いた他は実施例１と同様に実験を行った。オフ方向とウェハの表面粗さとの関係を図３に示す。

結果：オフ方向が〈１１−２０〉方向からのずれが２．５度以内の場合、図４に示すように線状バンプは発生しなかった。一方、オフ方向が〈１１−２０〉方向からのずれが２．５度を越えた場合、図５に示すようにウェハのほぼ全面に高さ５〜１０ｎｍ、幅１０〜４０μｍの線状バンプが発生し、表面凹凸がマクロに粗いエピタキシャル膜が得られた。以上の結果から、オフ方向の＜１１−２０＞からのずれを２．５度以内の範囲に設定することでオフ角が小さくても線状バンプのない極めて平坦な表面の炭化ケイ素単結晶が得られることが示された。

（実施例4）炭素面
ウェハ：ウェハとしては、基板全体でオフ角が０．２度、オフ方向が〈１１−２０〉方向からのずれが０．５度である６Ｈウェハ（直径５０．８ｍｍ）を用意し、用意したウェハの炭素面表面を鏡面研磨後、酸素中に１１００℃で５時間加熱した後に表面の生成した酸化膜をフッ酸で除去し、さらにシリカコロイドによりＣＭＰ研磨を８時間行ったものを用いた。

成長条件：ホットウォールＣＶＤ装置内に上記ウェハを配置した。そして、ウェハを回転させながら水素７０ｓｌｍを流し、圧力を１２０ｍｂａｒに保ったまま昇温した。１４００℃を超えたところでプロパンガス８ｓｃｃｍを導入した。さらに１６５０℃まで昇温し、１６５０℃を維持して、モノシランガス２０ｓｃｃｍを導入して１．５時間エピタキシャル成長を行った。原料ガスの供給比（Ｃ／Ｓｉ）は１．２であった。

結果：図６に示すように、ウェハ全面で線状バンプのない極めて平坦な表面のエピタキシャル膜が得られた。エピタキシャル層の膜厚は３．７μｍであった。

表面粗さを原子間力顕微鏡で測定した結果、５μｍ角範囲で、最大高さ（Ｒｙ）は０．８１２ｎｍであった。

（実施例５、６）（比較例４、５）
オフ方向が〈１１−２０〉方向からのずれが、それぞれ０．０度（実施例５）、２．０度（実施例６）、４．０度（比較例４）、６．０度（比較例５）である６Ｈウェハを用いた他は実施例４と同様に実験を行った。オフ方向の＜１１−２０＞からのずれとウェハの表面粗さとの関係を図７に示す。

結果：オフ方向が〈１１−２０〉方向からのずれが２．５度以内の場合、図8に示すように線状バンプは発生しなかった。一方、オフ方向が〈１１−２０〉方向からのずれが２．５度を越えた場合、図９に示すようにウェハのほぼ全面に高さ４〜８ｎｍ、幅１０〜３０μｍの線状バンプが発生し、表面凹凸がマクロに粗いエピタキシャル膜が得られた。以上の結果から、オフ方向の＜１１−２０＞からのずれを２．５度以内の範囲に設定することでオフ角が小さくても線状バンプのない極めて平坦な表面の炭化ケイ素単結晶が得られることが示された。

図１は、六方晶炭化ケイ素単結晶のオフ角とオフ方位を示すための概略図である。 図２は、実施例１にかかる炭化ケイ素単結晶ウェハ表面の微分干渉顕微鏡像を示す図である。 図３は、実施例２〜３と比較例１〜３にかかるオフ方向とウェハの表面粗さとの関係を示す図である。 図４は、実施例３にかかる炭化ケイ素単結晶ウェハ表面の微分干渉顕微鏡像を示す図である。 図５は、比較例１にかかる炭化ケイ素単結晶ウェハ表面の微分干渉顕微鏡像を示す図である。 図６は、実施例４にかかる炭化ケイ素単結晶ウェハ表面の微分干渉顕微鏡像を示す図である。 図7は、実施例５、６と比較例４、５にかかるオフ方向の＜１１−２０＞からのずれとウェハの表面粗さとの関係を示す図である。 図８は、実施例６にかかる炭化ケイ素単結晶ウェハ表面の微分干渉顕微鏡像を示す図である。 図９は、比較例４にかかる炭化ケイ素単結晶ウェハ表面の微分干渉顕微鏡像を示す図である。

Claims (6)

1. 表面が表面粗さ２ｎｍ以下で平坦なホモエピタキシャル成長面で（０００１）ｃ面からのオフ角が０．４度以下であることを特徴とするα型（六方晶）炭化ケイ素単結晶ウェハ。
2. α型（六方晶）炭化ケイ素単結晶から、前記炭化ケイ素単結晶の〈１１−２０〉方向からのずれが２．５度以内のオフ方向、（０００１）ｃ面から０．４度以下のオフ角でウェハを切り出す工程と、
   前記ウェハを反応容器内に配置する工程と、
   前記反応容器内にケイ素源ガスと炭素源ガスを供給する工程と、
   前記ケイ素源ガスと前記炭素源ガスとを反応させて、前記ウェハ上にα型（六方晶）炭化ケイ素単結晶をエピタキシャル成長させる工程と、を備えることを特徴とする炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法。
3. 前記炭化ケイ素単結晶から切り出された前記ウェハは、前記ウェハのオフ角が、０．１〜０．４度であることを特徴とする請求項２記載の炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法。
4. 前記炭化ケイ素単結晶から切り出したウェハ表面が加工損傷を含まないようにエピタキシャル成長前に表面処理を行うことを特徴とする請求項２または３に記載の炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法。
5. 前記炭素源ガス（Ｃ）と前記ケイ素源ガス（Ｓｉ）の供給比（Ｃ/Ｓｉ）は、１．５以下であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法。
6. １５５０〜１７００℃において、前記炭素源ガスと前記ケイ素源ガスとを反応させることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の炭化ケイ素単結晶ウェハの製造方法。