JP2011515325A - 低角度で軸を離れた炭化ケイ素基板上でのエピタキシャル成長、及び、それによって作られた半導体素子 - Google Patents

Abstract

単結晶ＳｉＣ基板上のＳｉＣ層をエピタキシャル成長させるための方法が記載される。この方法は、チャンバ内において単結晶ＳｉＣ基板を少なくとも１４００℃の第１温度まで加熱する工程と、キャリアガス、シリコン含有ガス、及び、炭素含有ガスをチャンバに取り入れる工程と、及び、ＳｉＣ基板の表面上のＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程とを備える。ＳｉＣ基板は少なくとも３０℃／分の速度で第１温度まで加熱される。ＳｉＣ基板の表面は、基板材料の底面に対して１°から３°の角度で傾斜している。
【選択図】なし

Description

本明細書で用いられる分野の表題は、組織的な目的のためにすぎず、いかなる方法でも本明細書に記載の主たる内容を限定するものとしてみなされるべきではない。

本出願は、単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板上のＳｉＣ層をエピタキシャル成長させるための方法、及び、そのような方法を用いて作った半導体素子に一般的に関する。

炭化ケイ素は、高温、高出力、高放射線、及び／又は、高周波を含む、応用される優れた半導体材料へとＳｉＣを変える特性を有する。この卓越した性能に貢献する特性は、その大きなバンドギャップ、優れた物理的安定性、高熱伝導性、高絶縁破壊電界（high electric breakdown field）、及び、高飽和電子ドリフト速度である。ＳｉＣから製造された半導体素子は、６００℃以上の温度で操作可能である。

ＳｉＣは、ポリタイプと呼ばれる多くの異なる結晶構造体中に生じる。ＳｉＣのポリタイプは、ＳｉとＣの原子の二重層を積み重ねることによって形成される。各二重層は、Ａ，Ｂ、及び、Ｃと表される、３つの位置の１つに配されることが可能である。積層配列が、特定のポリタイプを決定する。３Ｃ又はβ−ＳｉＣとして知られる１つの立方晶ポリタイプ（cubic polytype）がある。これは、三層の反復配列ＡＢＣを有する。他のポリタイプはすべて、α−ＳｉＣとして知られており、六方晶構造又は菱面体構造のいずれかを有する。六方晶４Ｈ−ＳｉＣのポリタイプは、四層の反復配列ＡＢＣＢを有する。六方晶６Ｈ−ＳｉＣのポリタイプは、六層の反復配列ＡＢＣＡＣＢを有する。α−ＳｉＣのポリタイプに関して、（０００１）の平面は、底面として知られており、この面は、結晶のＣ−軸方向に垂直である。

ＳｉＣのエピタキシャル成長は、以下の文献、特許文献１、及び、非特許文献８及び非特許文献１０に開示されている。α−ＳｉＣのホモエピタキシャル成長は、軸を離れた基板の表面上（すなわち、その基板の底面に対する角度である表面）で行われた。例えば、特許文献２、特許文献３、及び、特許文献４は、非ゼロの軸外角度を有する６Ｈ−ＳｉＣ基板上のＳｉＣ膜のホモエピタキシャル成長について開示している。非ゼロの軸外角度を有する基板の表面上のＳｉＣのエピタキシャル成長を開示している他の文献は、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６、非特許文献７、非特許文献９、及び、非特許文献１１を含む。しかしながら、軸を離れた基板を用いることは、結晶成長の方向に対して（すなわち、ｃ方向）軸から外れて単結晶ブールを切断する必要があるため、無駄になってしまう。ウエハー径が大きくなるにつれて、これは、非常に多くの量の高額な単結晶ブールの廃棄物をもたらしかねない。

米国特許第７，２４７，５１３号 米国特許第４，９１２，０６４号 米国特許第５，０１１，５４９号 米国特許第５，２４８，３８５号 La Via et al., "Very high growth rate epitaxy processes with chlorine addition", Materials Science Forum VoIs. 556-557 (2007), pp. 157-160. La Via et al., "Epitaxial layers grown with HCl addition: A comparison with the standard process", Materials Science Forum VoIs. 527-529 (2006), pp. 163-166. Crippa et al., "New achievements on CVD based methods for Sic epitaxial growth", Materials Science Forum VoIs. 483-485 (2005), pp. 67-72. Wan et al., "Scaling of chlorosilane SiC CVD to multi-wafer epitaxy system", Materials Science Forum VoIs. 556-557 (2007), pp. 145-148. Myers et al., "Increased rate in a SiC CVD reactor using HCl as a growth additive", Materials Science Forum VoIs. 483-485 (2005), pp. 73-76. Nakamura et al., "Surface mechanisms in homoepitaxial growth on α−SiC {0001} -vicinal faces", Materials Science Forum VoIs. 457-460 (2004), pp. 163-168. Saitoh et al., "4H-SiC epitaxial growth on SiC substrates with various off- angles", Materials Science Forum VoIs. 483-485 (2005), pp. 89-92. Hassan et al., "4H-SiC epitaxial layers grown on on-axis Si-face substrates", Materials Science Forum VoIs. 556-557 (2007), pp. 53-56. Hallin et al., "Homoepitaxial growth on 4H-SiC substrates by chemical vapor deposition", Materials Research Symposium Proceedings, vol. 911 (2006), 0911-B09- 05. Hallin et al.. "Homoepitaxial on-axis growth of 4H- and 6H-SiC by CVD", Materials Science Forum VoIs. 457-460 (2004), pp. 193-196. Koshka et al., "Epitaxial growth of 4H-SiC at low temperatures using CH3CI carbon gas precursor: Growth rate, surface morphology, and influence of gas phase nucleation", Journal of Crystal Growth Vol. 294 (2) (2006), pp. 260-267.

したがって、費用効率が良く、低欠陥密度を有するＳｉＣ層を生成する基板上のＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる改善方法が依然として必要とされている。

チャンバ内において単結晶ＳｉＣ基板を第１温度まで加熱する工程と、キャリアガス、シリコン含有ガス、及び、炭素含有ガスをチャンバに取り入れる工程と、及び、第１温度でＳｉＣ基板の表面上のＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程とを備える方法が提供され、第１温度は少なくとも１４００℃であり、ＳｉＣ基板は少なくとも３０℃／分の速度で第１温度まで加熱され、及び、ＳｉＣ基板の表面は、基板材料の底面に対して１°から３°の角度で傾斜している。

チャンバ内において少なくとも１４００℃の第１温度まで単結晶ＳｉＣ基板を加熱する工程と、キャリアガス、シリコン含有ガス、及び、炭素含有ガスをチャンバに取り入れる工程と、及び、ＳｉＣ基板の表面上のＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程とを備える方法がさらに提供され、ＳｉＣ基板の表面は、基板材料の底面に対して１°から３°の角度で傾斜しており、キャリアガス、シリコン含有ガス、及び、炭素含有ガスは、それぞれ、エピタキシャル成長の間、一定の流速でチャンバに取り入れられ、及び、ガスの各々の一定の流速は、任意のガスをチャンバに取り入れる１０分以内に確立される。

この方法は、ＳｉＣ基板上で成長したＳｉＣ層上で１以上の追加的なＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程をさらに備える。

上記で説明された方法で作られた半導体素子が同様に提供される。

本発明の教示のこのような特徴及び他の特徴は、本明細書で説明される。

当業者は、以下に記載された図が単なる例示目的であることを理解されたい。図はいかなる形でも、本発明の範囲を限定するように意図されたものではない。

底面から２°軸を離れて切断されたＳｉＣ基板の交差偏光画像である。 底面から２°軸を離れて切断されたＳｉＣ基板の交差偏光画像である。 底面から２°軸を離れて切断されたＳｉＣ基板の交差偏光画像である。 底面から２°軸を離れて切断されたＳｉＣ基板の交差偏光画像である。 底面から２°軸を離れて切断されたＳｉＣ基板の交差偏光画像である。 底面から２°軸を離れて切断されたＳｉＣ基板の交差偏光画像である。 底面から２°軸を離れて切断されたＳｉＣ基板上において、様々な工程条件下でエピタキシャル成長したＳｉＣ層の光学顕微鏡画像である。 底面から２°軸を離れて切断されたＳｉＣ基板上において、様々な工程条件下でエピタキシャル成長したＳｉＣ層の光学顕微鏡画像である。 底面から２°軸を離れて切断されたＳｉＣ基板上において、様々な工程条件下でエピタキシャル成長したＳｉＣ層の光学顕微鏡画像である。 底面から２°軸を離れて切断されたＳｉＣ基板上において、様々な工程条件下でエピタキシャル成長したＳｉＣ層の光学顕微鏡画像である。

この明細書を解明するために、本明細書での「又は（or）」の使用は、他に記載されていない限り、又は、「及び／又は（and/or）」の使用が明らかに不適切でない限り、「及び／又は（and/or）」を意味する。本明細書での「１つの（a）」との使用は、他に記載されていない限り、又は、「１以上（one or more）」の使用が明らかに不適切でない限り、「１以上（one or more）」を意味する。「備える（comprise）、（comprises）、（comprising）」、「含む（include）、（includes）、及び、（including）」は、どちらを使っても変わりはなく、なんら限定するものではない。さらに、１以上の実施形態の記載が「備える（comprising）」という用語を用いる場合、幾つかの特定の例において、実施形態又は複数の実施形態が「本質的には〜からなる（consisting essentially of）」、及び／又は、「〜からなる（consisting of）」との言葉を用いることによって代替的に記載可能であることを当業者は理解するであろう。幾つかの実施形態においては、本教示内容が使用可能である限り、工程の順序、又は、特定の行為を行う順序は重要ではないことを理解されたい。さらに、幾つかの実施形態において、２以上の工程又は行為は同時に実行可能である。

チャンバ内において少なくとも１４００℃の温度まで（例えば、１５７０℃乃至１５７５℃）単結晶ＳｉＣ基板を加熱する工程と、キャリアガス、シリコン含有ガス、及び、炭素含有ガスをチャンバに取り入れる工程と、及び、ＳｉＣ基板の表面上のＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程とを備える方法が提供される。ＳｉＣ基板は、少なくとも３０℃／分の速度で少なくとも１４００℃の温度まで加熱される。ＳｉＣ基板の表面は、基板材料の底面に対して１°から３°の角度で傾斜している。

幾つかの実施形態によって、キャリアガス、シリコン含有ガス、及び、炭素含有ガスは、それぞれ、エピタキシャル成長の間、ほぼ一定の流速で（例えば、わずか＋／−５％しか変わらない流速で）チャンバに取り入れられ、これらのガスの各々のほぼ一定の流速は、キャリアガス、シリコン含有ガス、又は、炭素含有ガスのいずれかをチャンバに取り入れる１０分以内（例えば、６分）に確立される。

幾つかの実施形態によって、キャリアガスはＨ_２、シリコン含有ガスはＳｉＨ_４、及び、炭素含有ガスは、Ｃ_３Ｈ_８であってもよい。

エピタキシャル成長の間のガスのチャンバへの流速は、所望の特徴をもたらすように選択可能である。幾つかの実施形態によって、Ｈ_２ガスは、流速５０−７５ｓｌｍでチャンバに取り入れられることが可能であり、ＳｉＨ_４ガスは、流速３０−４０ｓｃｃｍでチャンバに取り入れられることが可能であり、及び、Ｃ_３Ｈ_８は、流速１５−２０ｓｃｃｍでチャンバに取り入れられることが可能である。幾つかの実施形態によって、シリコン含有ガス、及び、炭素含有ガスは、エピタキシャル成長の間、チャンバ内における炭素のシリコンに対する原子比率が、１．４対１．６となるように、チャンバに取り入れられることが可能である。

幾つかの実施形態によって、ＨＣｌガスは、エピタキシャル成長の間、チャンバ内に取り入れられることが可能である。

幾つかの実施形態によって、エピタキシャル成長の間のチャンバ内の圧力は、９０乃至１１０ｍｂａｒであってもよい。

幾つかの実施形態によって、ＳｉＣ基板の表面は、基板材料の（０００１）面（すなわち、底面）に対して１°から３°の角度で傾斜可能である。例えば、ＳｉＣ基板の表面は、基板材料の（０００１）面に対して［１１２０］の方向の１つに対して１°から３°の角度で傾斜可能である。

幾つかの実施形態によって、基板は、４Ｈ ＳｉＣ基板であってもよい。

幾つかの実施形態によって、基板及びエピタキシャル成長層の総欠陥数は、４０ｃｍ^−２未満（＜４０ｃｍ^−２）とすることは可能である。幾つかの実施形態によって、光学プロフィロメータ（an optical profilometer）で測定されるエピタキシャル成長層の平均的な表面粗度は、１５オングストローム以下であり得る。

幾つかの実施形態によって、この方法は、基板上でエピタキシャル成長したＳｉＣ層上において１以上のさらなるＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程を備える。

上記で説明した方法によって作られる半導体素子が同様に提供される。

（実験）
エピ研磨（epi ready）して用意されたＳｉ−面を有する、底面からほぼ２°軸を離れて切断された３インチ、３５０μｍの１０の４Ｈ ＳｉＣ基板が用いられた。エピタキシャル成長は、このような基板上で行われた。

これらの実験で用いられた基板は、以下の特性を有していた。

基板は、ノマルスキーのコントラストを用いる光学顕微鏡下で検査され、その結果の要旨が以下の表に示されている。

交差偏光画像が撮影された。基板ウエハー１乃至６の交差偏光画像は、図１Ａ乃至１Ｆのそれぞれで示される。

６ラン（Run）が、ほぼ２°軸を離れて切断された３インチの基板上においてリアクターによって行われた。初回のランは、４°軸から離れた基板上でＳｉＣをエピタキシャル成長させるために用いらるとともにＨｃｌガスを含む、標準的な条件を使用した。第２ランから第４ランは、エピ層の表面モルホロジーへの工程パラメータの作用を調べるために、わずかに修正された工程条件を用いた。第５−第６ランは、第１乃至第４ランから最も優れた工程条件の一つ（すなわち、第２ラン）を選択し、加熱手順と初回の成長手順を修正した。

各々のランについて工程の詳細は、以下の表に示される。

上記表において、「sccm」は、「標準的な分毎の立方センチメートル」を意味し、「slm」は、「標準的な分毎の立方リットル」を意味する。第５ランに関して、低前駆体流（低成長速度）の初回成長は、長時間に拡大された（すなわち、１０分間と比較して２７分間）。第６ランに関して、加熱時間は、６０分から４２分に減少され、低前駆体流の初回成長（すなわち、安定した工程の流れが確立される前）は、５分間だった。

表面粗度及び欠陥数情報が、以下の表に示される。

典型的な顕微鏡画像が、図２Ａ乃至Ｄで提供される。図２Ａは、第２ランのエピウエハーの画像である。図２Ｂは、第４ランからのエピウエハーの画像である。図２Ｃは、第６ランからのエピウエハーの画像である。図２Ｄは、第５ランからのエピウエハーの画像である。

同じ加熱手順及び初回成長手順を用いるラン（第１乃至第４ラン）に関して、最も優れた表面が、わずかに低い温度で獲得された。しかしながら、温度が過剰に下げられると、下方に軸から離れた基板であるために、大部分の三角欠陥が現れる可能性が高い。

第５及び第６ランは、迅速な加熱と、初回成長から安定した成長条件への高速変化が、欠陥数だけでなく、表面粗度を改善するということを示している。第５ランは、長時間の工程の始まりに超低成長を示した。第６ランは、さらに高速な加熱を示すとともに、初回成長が短時間であったことを示した。第５ランは、第６ランよりもさらに多くの欠陥数と表面粗度値を示した。

理論によって制約を受けることは好ましくないが、安定した成長の前の望ましくないエッチングを抑制することが好ましいと思われる。

上記実験結果は、以下のように要約可能である。

軸から２°離れた基板上で成長したエピタキシャル層は、より高く（すなわち、４°）軸から離れた基板上で成長したエピタキシャル層よりも、粗く、多くの三角欠陥を示す。研究用リアクターにおける標準的な工程条件を用いて、光学計測機器（Ｚｙｇｏ）は、１１．７オングストロームから２３．４オングストロームへと増加した表面粗度Ｒａを測定するとともに、軸から２°離れた基板に対してウエハー毎に５以下から４０以上に増加した三角数を測定した。

わずかに低い温度が表面粗度を１８オングストロームに改善するように思われるが、三角欠陥数は顕著なほどには変化しなかった。しかしながら、さらに温度を下げると、三角数が増加する結果となることが予測可能である。

加熱及び初回成長手順は、同様に、表面粗度と欠陥数にも影響を与える。高速な加熱と、初回成長から安定した成長への迅速な変化を伴う手順を用いることで、表面粗度は１３オングストロームにまで改善し、欠陥数も同様に減少した。

低下した表面粗度及び高三角欠陥数は、低角度基板上のエピタキシャル成長から予測される。２°のエピタキシャル材料上の総欠陥数（すなわち、エピタキシャル及び基板双方の欠陥）は、１５から３５ｃｍ^−２の幅で変動した。

前述の明細書が、例示目的で提供された例を用いて、本発明の原則を教示する一方で、当業者は本開示内容を読むことで、形状及び詳細の様々な変更が本発明の正確な範囲から逸脱することなく行われることが可能であるということを理解するであろう。

Claims (20)

1. チャンバ内において少なくとも１４００℃の第１温度まで単結晶ＳｉＣ基板を加熱する工程と、
   キャリアガス、シリコン含有ガス、及び、炭素含有ガスを前記チャンバに取り入れる工程と、及び、
   前記ＳｉＣ基板の表面上のＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程とを備え、
   前記ＳｉＣ基板が少なくとも３０℃／分の速度で前記第１温度まで加熱され、
   前記ＳｉＣ基板の前記表面が、基板材料の底面に対して１°から３°の角度で傾斜していることを特徴とする方法。
2. 前記第１温度が１５７０℃から１５７５℃までであることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記キャリアガスがＨ_２であり、前記シリコン含有ガスがＳｉＨ_４であり、及び、前記炭素含有ガスがＣ_３Ｈ_８であることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記Ｈ_２ガスが流速５０−７５ｓｌｍで前記チャンバに取り入れられ、前記ＳｉＨ_４ガスが流速３０−４０ｓｃｃｍで前記チャンバに取り入れられ、及び、前記Ｃ_３Ｈ_８が、流速１５−２０ｓｃｃｍで前記チャンバに取り入れられることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. ＨＣｌガスが、エピタキシャル成長の間、前記チャンバ内に取り入れられることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. エピタキシャル成長の間の前記チャンバ内の圧力が、９０乃至１１０ｍｂａｒであることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記ＳｉＣ基板の前記表面が、前記基板材料の（０００１）面に対して、１°から３°の角度で傾斜することを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記基板が４Ｈ ＳｉＣ基板であることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記ＳｉＣ基板の前記表面が、前記基板材料の前記（０００１）面に対して、［１１２０］の方向の１つに対して１°から３°の角度で傾斜することを特徴とする請求項７記載の方法。
10. 前記シリコン含有ガス、及び、前記炭素含有ガスは、エピタキシャル成長の間、前記チャンバ内における炭素のシリコンに対する原子比率が、１．４対１．６となるように、前記チャンバに取り入れられることを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 前記基板及びエピタキシャル成長層の総欠陥数が、４０ｃｍ^−２未満（＜４０ｃｍ^−２）であることを特徴とする請求項１記載の方法。
12. 光学プロフィロメータで測定される前記エピタキシャル成長層の平均的な表面粗度が、１５オングストローム以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 前記ＳｉＣ基板上でエピタキシャル成長した前記ＳｉＣ層上において、１以上のさらなるＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 前記キャリアガス、前記シリコン含有ガス、及び、前記炭素含有ガスは、それぞれ、エピタキシャル成長の間、一定の流速で前記チャンバに取り入れられ、及び、前記ガスの各々の前記一定の流速は、任意のガスを前記チャンバに取り入れる１０分以内に確立されることを特徴とする請求項１記載の方法。
15. 前記一定の流速は、エピタキシャル成長の間、わずか５％しか変わらないことを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 前記ガスの各々の前記一定の流速は、前記ガスのいずれかを前記チャンバに取り入れる６分以内に確立されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
17. 請求項１記載の方法によって作られることを特徴とする半導体素子。
18. 請求項１３記載の方法によって作られることを特徴とする半導体素子。
19. チャンバ内において少なくとも１４００℃の第１温度まで単結晶ＳｉＣ基板を加熱する工程と、
    キャリアガス、シリコン含有ガス、及び、炭素含有ガスを前記チャンバに取り入れる工程と、及び、
    前記ＳｉＣ基板の表面上のＳｉＣ層をエピタキシャル成長させる工程とを備え、
    前記ＳｉＣ基板の前記表面が、基板材料の底面に対して１°から３°の角度で傾斜しており、
    前記キャリアガス、前記シリコン含有ガス、及び、前記炭素含有ガスは、それぞれ、エピタキシャル成長の間、一定の流速で前記チャンバに取り入れられ、及び、
    前記ガスの各々の前記一定の流速は、前記ガスのいずれかを前記チャンバに取り入れる１０分以内に確立されることを特徴とする方法。
20. 前記一定の流速は、エピタキシャル成長の間、わずか５％しか変わらないことを特徴とする請求項１８記載の方法。

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