JP4853364B2

JP4853364B2 - ＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の成長方法

Info

Publication number: JP4853364B2
Application number: JP2007103838A
Authority: JP
Inventors: 広明斎藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2027-04-11
Also published as: JP2008260650A

Description

本発明は、ＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の成長方法に関する。

近年、地球温暖化問題への対応としてＣＯ₂の排出削減が強く求められており、種々の分野で省エネルギー化が取り上げられている。このため、電気エネルギーの高効率利用が重要な課題となっており、電気の制御や変換を行うパワーデバイスの一層の高性能化が要求されている。自動車の分野においても、ハイブリッド自動車や電気自動車など、電気モーターを使用する省エネ車の性能向上には、それらに搭載されるパワーデバイス、すなわち、インバータの性能向上が不可欠である。現行のインバータはシリコン（Ｓｉ）系パワーデバイスによって構成されている。しかしながら、そのデバイス性能は、Ｓｉの材料物性値からくる性能限界のために、さらなる高効率化が困難な状況にある。そこで、代替材料としてＳｉよりも材料物性値の優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）が注目されている。

ＳｉＣは、バンドギャップがＳｉの約３倍、絶縁破壊電界強度がＳｉの約１０倍など優れた物性を有する半導体であり、これをパワーデバイスに応用することができれば、Ｓｉパワーデバイスよりも低電力損失のデバイスを実現することができる。また、ＳｉＣパワーデバイスは、Ｓｉパワーデバイスと比べて電力損失が小さいだけでなく、より高温・高速での動作が可能である。それゆえ、ＳｉＣパワーデバイスを用いることでインバータ等の電力変換器において高効率化及び小型化を達成することが可能である。

ＳｉＣは、数多くの結晶多形（ポリタイプ）が存在することで知られている。中でも、六方晶系のＳｉＣ（例えば、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣなど）がパワーデバイスに適しているとされ、そのエピタキシャル成長技術について多くの研究が行われている。ＳｉＣのエピタキシャル膜は基板となるＳｉＣ単結晶上に化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いて一般的に作製されるが、高性能なデバイスの実現には、このエピタキシャル膜が高品質であることが極めて重要である。しかしながら、このようなＳｉＣのエピタキシャル成長においては、異形ポリタイプの混入や、表面欠陥の発生など種々の問題がある。また、ＳｉＣのエピタキシャル成長は、Ｓｉの場合と比べて膜の成長速度が遅く、さらには、成長膜における残留不純物密度の低減や平坦性の向上など、ＳｉＣを用いたデバイスの実現には多くの課題がある。

特許文献１では、０度以上１度未満のオフ角を有するＳｉＣ基板の（０００−１）Ｃ面において、その表面層を化学反応により０．１μｍ以上除去した後、その上にＳｉＣ層をエピタキシャル成長させることが記載され、また、このような方法により、ＳｉＣの｛０００１｝面において、低オフ角面又はオフなし面への表面欠陥密度の低いホモエピタキシャル成長が可能であると記載されている。

特許文献２では、表面が（０００１）基底面に対して０．１度より大きいが１度未満の角度で傾斜しているＳｉＣ基板の表面上に１μｍまでの厚さを有する境界層を形成し、その上にＳｉＣ基板と同じポリタイプのＳｉＣホモエピタキシャル層を作製することが記載されている。また、特許文献２では、このような境界層を設けることにより、１度未満のオフ角を有するＳｉＣ基板上に非常に低い欠陥密度でＳｉＣポリタイプの層をホモエピタキシャル成長させることができると記載されている。
特開２００５−２８６０３８号公報特開２００６−０２８０１６号公報

特許文献１では、ＳｉＣ基板の（０００−１）Ｃ面上にＳｉＣの薄膜をエピタキシャル成長させている。しかしながら、特許文献１の方法では、ＳｉＣのエピタキシャル成長に際し、ＳｉＣ基板における（０００−１）Ｃ面の表面層を化学反応によって０．１μｍ以上除去する必要があり、工程が複雑である。

特許文献２では、境界層の成長速度が３μｍ／ｈ未満と規定されており、その成長速度が遅い。また、このような境界層は、最終的に得られるデバイスの性能において果たす役割がなく、非効率的である。

また、特許文献１及び２のいずれも、ＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の成長方法において、成長基板にオフ角を設けずに表面欠陥の発生を完全に抑制することができることを記載していない。

そこで、本発明は、異形ポリタイプの混入がなく、また、表面欠陥が少ないか又は全くなく、さらには残留不純物密度のより少ないＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜を、特には成長基板にオフ角を設けずに高速で成長させる方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は下記にある。
（１）六方晶系ＳｉＣ単結晶基板の（０００１）Ｓｉ面に、炭素原子とケイ素原子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）が０．２５以上０．５以下の原料ガスを導入することにより、前記基板と同じポリタイプのＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させ、前記エピタキシャル成長が前記六方晶系ＳｉＣ単結晶基板にオフ角を設けないでかつ２０ｋＰａ以下の減圧下で行われ、前記エピタキシャル成長の前又はその後に、水素とプロパンからなる混合ガスを一定時間流すことを特徴とする、ＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の成長方法。

本発明の方法によれば、異形ポリタイプの混入がなく、また、表面欠陥が少ないか又は全くなく、さらには残留不純物密度のより少ないＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜を従来のものと比べて高速で成長させることが可能である。また、本発明の方法では、エピタキシャル成長の基板となるＳｉＣ単結晶にオフ角を設ける必要がないので、オフ角を設けるために基板をカットする必要もない。したがって、製造コストの面からも材料の損失がなく経済的である。

本発明のＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の成長方法は、六方晶系ＳｉＣ単結晶基板の（０００１）Ｓｉ面に、炭素原子とケイ素原子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）が０．２０以上０．７５未満の原料ガスを導入することにより、前記基板と同じポリタイプのＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させることを特徴としている。

本発明によれば、六方晶系ＳｉＣの単結晶基板としては、例えば、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ―ＳｉＣ等の単結晶基板を使用することができる。本発明の方法においては、パワーデバイスに適した４Ｈ−ＳｉＣの単結晶基板を使用することが特に好ましい。

以下、本明細書において別段の断りがない限り、「ＳｉＣ」とは六方晶系のＳｉＣを意味するものである。

本発明においては、ＳｉＣ単結晶基板の（０００１）Ｓｉ面を利用してＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長が実施される。ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長では、（０００１）Ｓｉ面のほか、（０００−１）Ｃ面上に化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いてエピタキシャル成長したＳｉＣ薄膜も知られる。しかしながら、（０００−１）Ｃ面上にエピタキシャル成長したＳｉＣ薄膜は、（０００１）Ｓｉ面上にエピタキシャル成長したものと比べて薄膜中の窒素等の残留不純物密度が一般に１〜３桁程度高くなることが知られている。したがって、例えば、１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下の残留不純物密度が要求される１ｋＶ耐圧素子など、高耐圧素子の用途においては、ＳｉＣ単結晶基板の（０００−１）Ｃ面上にエピタキシャル成長させたものを適用することは困難である。それゆえ、ＳｉＣ単結晶基板の（０００１）Ｓｉ面上にエピタキシャル成長させることが好ましい。

本発明によれば、ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長においては、炭素原子とケイ素原子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）が０．２０以上０．７５未満、特には０．２５以上０．５以下の原料ガスが導入される。

ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長では、ケイ素源としてシラン（ＳｉＨ₄）が、そして炭素源としてエチレン（Ｃ₂Ｈ₄）やプロパン（Ｃ₃Ｈ₈）等の炭化水素が一般に用いられる。従来、ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長は、これら原料ガス中の炭素原子とケイ素原子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）が１．０よりも高い、いわゆるカーボンリッチの条件下で行われてきた。しかしながら、このようなカーボンリッチの条件下では、エピタキシャル成長層において結晶欠陥（以下、エピ欠陥ともいう）が発生し、さらには表面の荒れなども生じやすい。本発明によれば、原料ガス中の炭素原子とケイ素原子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）を０．２０以上０．７５未満とすることで、表面欠陥の少ない良質なエピタキシャル薄膜を得ることができ、特にはＣ／Ｓｉ比を０．２５以上０．５以下とすることで表面欠陥が全くなく、さらには従来のものと比べて高速の膜成長を達成することが可能である。

Ｃ／Ｓｉ比が０．７５又はそれよりも大きくなると、エピタキシャル成長結晶において双晶や多結晶が発生したり、デバイスキラーとなる表面欠陥が発生したりすることがあり、さらには結晶表面にステップバンチング（ステップの粗密化）が発生する場合もある。このような膜は半導体デバイスにおいて使用することができないために好ましくない。また、Ｃ／Ｓｉ比が０．２０よりも小さくなると、ＳｉＣの単結晶を成長させるための炭素源が少なくなるのでＳｉＣの単結晶がほとんど成長しないか、又はＳｉＣのエピタキシャル成長よりもキャリアガスとして成長プロセスに含まれる水素ガス等によるＳｉＣ単結晶基板のエッチングが優位となり、エピタキシャル成長の条件としては好ましくない。

本発明によれば、ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長は、ＳｉＣ単結晶基板の微傾斜面上で、特にはＳｉＣ単結晶基板にオフ角を設けないで実施することができる。

ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長は、一般的に、ＳｉＣ単結晶基板に数度のオフ角を導入すること、例えば、ＳｉＣ単結晶基板に当該基板の（０００１）面を基準面として＜１１−２０＞方向に４°又は８°のオフ角を導入することによって実施される。これよりもオフ角を小さくするか又はオフ角を設けないでＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長を実施すると、エピタキシャル成長時に種々のポリタイプの結晶が形成したり、ステップバンチングによって表面の平坦性が失われたりする場合がある。したがって、従来のＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長では、オフ角を設けることで基板表面のステップ密度を増大させ、ステップの横方向へのステップフロー成長によりＳｉＣ単結晶を成長させている。このようにすることで、ステップから原子配置の周期の情報が与えられ、基板と同じポリタイプの単結晶を成長させることができるからである。

本発明によれば、上記のように、原料ガス中のＣ／Ｓｉ比をシリコンリッチ、すなわち、０．２０以上０．７５未満、特には０．２５以上０．５以下とすることで、従来よりも小さいオフ角で、特にはオフ角を設けないでも、異形ポリタイプの混入がなく、表面欠陥が少ないか又は全くない良質なＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜を成長させることができる。したがって、オフ角を設けるために基板をカットする量が従来に比べて少なく又は基板をカットする必要がないので、製造コストの面からも材料の損失が少なく経済的である。

本発明においては、ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長は、一般的に０°以上４°以下のオフ角を有するＳｉＣ単結晶基板上で実施することができる。

本発明の他の態様によれば、ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長は、２０ｋＰａ以下の減圧下で実施される。

エピタキシャル成長の成長圧力を下げることによって、エピタキシャル膜の残留不純物密度を下げることができる。通常、膜の電気特性を制御するために、ドーパントと呼ばれる不純物がエピタキシャル成長時に導入される場合がある。ＳｉＣ半導体の場合、ｎ型ドーパントガスとしてＮ₂、ｐ型ドーパントガスとしてＡｌ（ＣＨ₃）₃などが用いられる。しかしながら、特に原料ガス中のＣ／Ｓｉ比が高いと、ドーパントガスとして窒素源をエピタキシャル成長時に導入しない場合においても、得られる膜の窒素不純物密度が高くなる傾向がある。パワーデバイスとしてＳｉＣを使用する場合、このような不純物密度はできる限り低く抑えることが好ましい。

本発明においては、エピタキシャル成長時の成長圧力を２０ｋＰａ以下、特には１１ｋＰａ以下とすることで、デバイスとして制御が可能な残留不純物密度（一般的には５×１０^-15ｃｍ^-3以下）を達成することが可能である。しかしながら、圧力を下げすぎると、エピタキシャル成長面にステップバンチングなどによる表面荒れが発生しやすくなることや、そのような超低圧下に圧力を制御するのに大容量の排気装置が必要となるため好ましくない。したがって、本発明においては成長圧力の下限は１ｋＰａ以上とすることが好ましい。

また、本発明のような低いＣ／Ｓｉ比でのエピタキシャル成長では、ＳｉＣの単結晶エピタキシャル膜における面内不均一性や残留キャリア密度が高くなるという問題がある。本発明では、このような問題についても、成長圧力を十分減圧にすること及びキャリアガスとしての水素をＳｉＣの原料であるシランガスに比べて多量に流すことで改善することが可能である。

本発明においては、水素キャリアガス流量とシランガス流量の比（水素ガス／シランガス比）は、２５００以上、例えば、水素ガス流量が２５ｓｌｍの場合には、シランガス流量を１０ｓｃｃｍ以下とすることが好ましい。

本発明の他の態様によれば、ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長の前又はその後に、水素とプロパンからなる混合ガスを一定時間流すことが好ましい。

複数のＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜を同じ反応炉内で連続的に成長させる成長操作では、低Ｃ／Ｓｉ比、すなわち、シリコンリッチの条件下においてＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させると、反応炉内の冶具（例えば、サセプタや断熱材）の表面がシリコンの多結晶で覆われてしまう場合がある。したがって、そのままの状態で次のＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長を実施すると、Ｓｉで覆われた冶具の表面からＳｉが再脱離し、それによってシランガスとプロパンガスからなる原料ガスの混合比にズレが生じてしまう恐れがある。このため、ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長の前後に水素とプロパンからなる混合ガスを一定時間流すことが好ましい。このようにすることで、反応炉内の冶具に付着したＳｉの多結晶をプロパンガスによって炭化するか又は水素ガスによりエッチングして除去することができるので、反応炉内のエピタキシャル成長の条件を一定に整えることが可能である。

具体的には、Ｓｉの常圧（１０１ｋＰａ）での融点が１４１０℃であるため、１４５０℃以上の温度において常圧よりも低い圧力、例えば、５〜２０ｋＰａの圧力で水素とプロパンを一定時間、例えば、１〜３０分間程度流すことが好ましい。また、その際の流量は、一般的には水素が２０〜３０ｓｌｍ、プロパンが１〜５ｓｃｃｍ程度である。

本発明によれば、ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長は、化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いて実施される。ＣＶＤ法は、いわゆるホットウォールＣＶＤ装置などの装置を用いて、表面欠陥のない良質なＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜を得るのに十分な原料ガス流量、温度及び時間において実施することができる。例えば、原料ガス流量は、原料ガス中のＣ／Ｓｉ比が０．２０以上０．７５未満、特には０．２５〜０．５以下となる範囲において、一般的にシラン等のケイ素源を２〜１０ｓｃｃｍ、プロパン等の炭素源を０．２〜２ｓｃｃｍの量で流すことができる。また、エピタキシャル成長については、一般的に１４５０〜１６００℃の温度で３０分〜３時間実施することができる。

上記のとおり、本発明の方法によれば、異形ポリタイプの混入がなく、また、表面欠陥が少ないか又は全くなく、さらには残留不純物密度のより少ない良質なＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜が得られるので、本発明の方法は、例えば、電力変換器等において用いられる高性能パワーデバイスの作製において適用することができる。

なお、本明細書において（０００１）及び（０００−１）とは、いわゆる結晶面の面指数を表している。上記面指数において「−」記号は通常数字の上に付されるが、本明細書においては書類作成の便宜上のために数字の左側に付した。また、＜１１−２０＞は結晶内の方向を表し、「−」記号の取り扱いについては上記面指数の場合と同様である。

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

本実施例では、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ₄）及びプロパン（Ｃ₃Ｈ₈）並びにキャリアガスとして水素（Ｈ₂）を使用し、横型ホットウォールＣＶＤ装置によってＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜を成長させ、得られたＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の成長速度及び表面欠陥密度のＣ／Ｓｉ比依存性、並びに不純物密度の成長圧力依存性について調べた。

エピタキシャル成長は、基板として新日本製鐵社製ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面ｏｎ−ａｘｉｓ基板をオフ角を設けずにそのまま使用し、１５００℃の温度で以って種々のＣ／Ｓｉ比及び成長圧力において６０分間実施した。エピタキシャル成長の際のＨ₂流量は２５ｓｌｍ、ＳｉＨ₄流量は１０ｓｃｃｍであり、Ｃ₃Ｈ₈の流量をＣ／Ｓｉ比に応じて変化させた。なお、ドーピングガスの導入は行わなかった。また、各試験において、エピタキシャル膜の成長直後に、Ｈ₂（２５ｓｌｍ）とＣ₃Ｈ₈（５ｓｃｃｍ）からなる混合ガス（温度１５００℃、圧力１１ｋＰａ）を１分間反応炉内に流し、その後、Ｃ₃Ｈ₈の供給のみを停止して降温した。試験結果を図１〜４に示す。

図１及び２は、原料ガスであるプロパンとシランのＣ／Ｓｉ比をそれぞれ０．５及び０．７５として成長圧力１１ｋＰａでエピタキシャル成長させた場合のＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の写真である。Ｃ／Ｓｉ比を０．５としてエピタキシャル成長させた場合には、図１に示すように、結晶の表面欠陥、すなわち、エピ欠陥は全く検出されず、平坦できれいなＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜を得ることができた。これに対し、Ｃ／Ｓｉ比を０．７５としてエピタキシャル成長させた場合には、図２に示すように、エピ欠陥を示す多数の筋を確認した。

図３は、エピタキシャル成長によって得られたＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の成長速度及び表面欠陥密度のＣ／Ｓｉ比依存性を示すグラフである。図３は、横軸に原料ガスのＣ／Ｓｉ比を示し、縦軸に膜の成長速度（μｍ／ｈ）を示している。図３から明らかなように、ＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の成長速度はＣ／Ｓｉ比の増加とともに上昇し、Ｃ／Ｓｉ比が０．７５以上でほぼ飽和した。また、Ｃ／Ｓｉ比が０．７５以上では、薄膜上に１０個／ｃｍ²以上の多数のエピ欠陥が検出されたが、それより低いＣ／Ｓｉ比ではエピ欠陥は検出されず、良質なＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜を得ることができた。特にＣ／Ｓｉ比が０．５のときには、０．６５μｍ／ｈの成長速度においてＳｉＣのエピタキシャル薄膜を得ることができた。しかしながら、Ｃ／Ｓｉ比が０．１の場合には、ＳｉＣのエピタキシャル薄膜は全く成長しなかった。

図４は、エピタキシャル成長によって得られたＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の不純物密度の成長圧力依存性を示すグラフである。図４は、横軸に成長圧力（ｋＰａ）を示し、縦軸に不純物密度（ｃｍ^-3）を示している。図４から明らかなように、ＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の不純物密度は成長圧力の増加とともに単調に増加した。図４の結果から、成長圧力を約２０ｋＰａ以下とすることで、ＳｉＣの単結晶エピタキシャル薄膜においてデバイスとして制御可能な５×１０^-15ｃｍ^-3以下の不純物密度を得ることができると考えられる。

原料ガスのＣ／Ｓｉ比を０．５とした場合のＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の写真である。原料ガスのＣ／Ｓｉ比を０．７５とした場合のＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の写真である。ＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の成長速度及び表面欠陥密度のＣ／Ｓｉ比依存性を示すグラフである。ＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の不純物密度の成長圧力依存性を示すグラフである。

Claims

六方晶系ＳｉＣ単結晶基板の（０００１）Ｓｉ面に、炭素原子とケイ素原子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）が０．２５以上０．５以下の原料ガスを導入することにより、前記基板と同じポリタイプのＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させ、前記エピタキシャル成長が前記六方晶系ＳｉＣ単結晶基板にオフ角を設けないでかつ２０ｋＰａ以下の減圧下で行われ、前記エピタキシャル成長の前又はその後に、水素とプロパンからなる混合ガスを一定時間流すことを特徴とする、ＳｉＣ単結晶エピタキシャル薄膜の成長方法。