JP7464806B2 - SiC半導体基板及びその製造方法及びその製造装置 - Google Patents
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Description
このように、原料供給空間は、Si蒸気圧空間を介して排気(真空引き)されることにより、原料供給空間内のSiC-Si平衡蒸気圧環境を長時間維持することができる。
このような原子数比Si/Cで、Si原子供給源及びC原子供給源を配置することにより、原料供給空間内に容易にSiC-Si平衡蒸気圧環境を形成することができる。
このような、温度領域で成長させることにより、高速にSiC基板を成長させることができる。
このように、1ユニットセル高さのステップが配列していることにより、エピタキシャル成長時にステップバンチング起因の欠陥が発生する問題や、MOSFET等におけるステップ-テラス構造に起因した問題等の解決に寄与し、結果として動作性能および信頼性を向上させることができる。
このように、原料供給空間はSi蒸気圧空間を介して排気(真空引き)されることにより、原料供給空間内を成長に好ましい原子数比Si/Cを長時間維持することができる。
このような構成とすることにより、原料供給空間内にSiC-Si平衡蒸気圧環境を形成することができる。
このような温度勾配が設けられていることにより、SiC基板にSi原子とC原子を輸送することができ、成長速度を向上させることができる。
このように、原料供給空間を本加熱室から予備加熱室へ移動可能な構成とすることにより、SiC基板を急速に昇温及び降温させることが可能である。
以下、本発明の一実施形態であるSiC半導体基板の製造方法について詳細に説明する。
SiC基板10としては、何れのポリタイプのものも用いることができる。SiC半導体デバイスの基板としては昇華法等で作製したバルク結晶から加工したSiC基板10を用いる。
本発明の実施形態に係る成長工程は、SiC-Si平衡蒸気圧環境下で成長させることにより、MSBが形成されたSiC基板10上にMSBが形成されていない成長層11を成長させることができる(図1参照)。
なお、原料に多結晶SiCを用いる場合には、多結晶SiC(原料)と単結晶SiC(SiC基板10)の蒸気圧差(化学ポテンシャル差)を成長駆動力とすることができる。
一方、距離Lが20mm以下である場合には、原料と基板との距離が近くなり、原料ガスの輸送が効率良く行われ、成長速度が増大する。
一方、Si蒸気圧環境のSi蒸気圧空間S2を介して原料容器20内を排気する場合には、原料供給空間S1からSi原子が排気されることを抑制して、原料供給空間S1内の原子数比Si/Cを保つことができる。
この浸炭容器30は、Si蒸気圧空間S2内に原料容器20を収容可能な形態であればよく、例えば、上容器31と、この上容器31に嵌合可能な下容器32と、を備えている。この浸炭容器30は、原料容器20と同様に、上容器31と下容器32の嵌合部には、微小な間隙33が形成されており、この間隙33から排気(真空引き)される。
なお、C原子を取り込み、Si蒸気圧空間S2にSi蒸気圧環境を形成可能であれば、浸炭容器30として採用することができる。
2) 2C(s)+Si(v)→SiC2(v)
3) C(s)+2Si(v)→Si2C(v)
4) Si(v)+SiC2(v)→2SiC(s)
5) Si2C(v)→Si(v)+SiC(s)
2)及び3)の説明:Si原子(Si(v))が脱離することで残存したC(C(s))は、原料供給空間S1内のSi蒸気(Si(v))と反応することで、Si2C又はSiC2等となって原料供給空間S1内に昇華する。
4)及び5)の説明:昇華したSi2C又はSiC2等が、温度勾配(及び化学ポテンシャル差)によってSiC基板10のテラス13に到達・拡散し、ステップ12に到達することで下地のSiC基板10の多型を引き継いで成長する(ステップフロー成長)。
言い換えれば、本明細書における「SiC-Si蒸気圧環境」とは、SiC(固体)とSi(液相)とが気相を介して相平衡状態となっているときの蒸気圧の環境を指す。
SiC-Si平衡蒸気圧環境は、例えば、原子数比Si/Cが1を超える準閉鎖空間が熱処理されることで形成される。具体的には、化学量論比1:1を満たすSiC製の原料容器20内に、化学量論比1:1を満たすSiC基板10と、Si蒸気供給源(Si基板やSiペレット等)と、を配置した場合には、原料容器20内の原子数比Si/Cは1を超える。
なお、本明細書における「準閉鎖空間」とは、容器内の真空引きは可能であるが、容器内に発生した蒸気の少なくとも一部を閉じ込め可能な空間のことをいう。この準閉鎖空間は、原料容器20内や浸炭容器30内に形成することができる。
言い換えれば、本明細書における「SiC-C平衡蒸気圧環境」とは、SiC(固相)とC(固相)とが気相を介して相平衡状態となっているときの蒸気圧の環境を指す。
SiC-C平衡蒸気圧環境は、例えば、原子数比Si/Cが1以下である準閉鎖空間が熱処理されることで形成される。具体的には、化学量論比1:1を満たすSiC製の原料容器20内に、化学量論比1:1を満たすSiC基板10を配置した場合には、原料容器20内の原子数比Si/Cは1となる。また、C蒸気供給源(Cペレット等)を配置して原子数比Si/Cを1以下としても良い。
また、P原料i-P基板iは、原料ガスが過飽和な状態となって、SiCとして析出した成長量であり、原料ガスとしてはSiC,Si2C,SiC2が想定される。
以下、SiC-Si平衡蒸気圧環境を形成する原料供給空間S1の配置について詳細に説明する。
なお、Si原子供給源としてSi基板24を示したが、Si原子を供給して原料供給空間S1内の原子数比Si/Cを上昇させる材料であれば当然に採用することができる。
図3(a)は、SiC製の原料容器20内に、SiC基板10のみを配置した形態を示している。
図2及び図3の形態においては、Si原子供給源及びC原子供給源から加熱温度に応じたSi原子とC原子の平衡蒸気圧が発生し、原料供給空間S1内を満たす。
本手法における成長量は、好ましくは5~15μmであり、より好ましくは8~10μmである。
本手法における成長時間は、所望の成長量となるよう任意の時間に設定することができる。例えば、成長速度が10nm/minの時に、成長量を10μmとしたい場合には、成長時間は100分間成長させればよい。
本手法における真空度(本加熱室41)は、10-5~10Paであり、より好ましくは10-3~1Paである。
本手法においては、成長中に不活性ガスを導入することも可能である。この不活性ガスは、Ar等を選択することができ、この不活性ガスを10-5~10000Paの範囲で導入することによって、高温真空炉40(本加熱室41)の真空度を調整することができる。
本発明の一実施形態のSiC半導体基板は、1ユニットセル高さのステップ12が配列した成長層11を備えることを特徴とする。4H-SiC(0001)面側に成長させた成長層11の表面は、図5に示すように、<11-20>方向に沿って100μm以上の範囲にわたって、MSBは形成されておらず、1nm(1ユニットセル)高さのステップ12が、14nmのテラス13幅で配列している。なお、このステップ高さやテラス幅は、原子間力顕微鏡(AFM)や特開2015-179082号公報に記載の走査型電子顕微鏡(SEM)像コントラストを評価する手法により確認することができる。
また、成長層11を耐圧層とする場合には、MOSFETにおいてステップ-テラス構造に起因した問題が発生することがなく、結果として動作性能および信頼性を向上させることができる。すなわち、好ましい酸化絶縁膜形成に寄与することができる。
以下、本発明に係るSiC半導体基板の製造装置について、図4を参照して詳細に説明する。この実施形態に係る製造装置は、Si蒸気圧空間S2を有する浸炭容器30と、原料供給空間S1を有する原料容器20と、原料供給空間S1を加熱可能な高温真空炉40備える。なお、同実施形態において、先のSiC半導体基板及びその製造方法と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。
この高温真空炉40は、本加熱室41と、予備加熱室42と、浸炭容器30を予備加熱室42から本加熱室41へ移動可能な移動手段43(移動台)と、を備えている。本加熱室41は、SiC基板10を1000℃以上2300℃以下の温度に加熱することができる。予備加熱室42は、SiC基板10を本加熱室41で加熱する前に予備加熱を行うための空間である。
これにより、SiC基板10を加熱し、1000℃以上2300℃以下の温度まで昇温させることができる。なお、ヒータ47としては、例えば、抵抗加熱式のヒータ又は高周波誘導加熱式のヒータを用いることができる。
なお、この予備加熱室42には、本加熱室41のようなヒータ47は設けられておらず、本加熱室41の余熱により昇温される。例えば、本加熱室41が2000℃の場合、予備加熱室42は1000℃程度まで昇温し、浸炭容器30等の脱ガス処理を行えるよう構成されている。
また、図5においては、本加熱室41の下方に予備加熱室42を配置しているが、これに限られず、任意の方向に設置することができる。
なお、この温度勾配は、移動手段43の設計を変更することで任意の方向に設けることができ、例えば、移動手段43に吊り下げ式等を採用した場合には、熱が上方向に逃げるため、温度勾配は、浸炭容器30の天面方向に(下から上に)向かって温度が下がるように僅かな温度勾配が設けられることとなる。
このように、SiC基板10を成長させる原料供給空間S1は、Si蒸気圧空間S2を介して排気(真空引き)されることで、原料供給空間S1内のSi原子が排気されることを抑制して、原料供給空間S1内の原子数比Si/Cを成長に適した比率に保つことができる。
さらに、SiC-Si平衡蒸気圧環境下でSiC基板10を成長させることにより、SiC基板10表面にMSBが形成されることを抑制することができる。この時、SiC基板10に「格子乱れ層」が存在する場合においても、MSBが形成されることを抑制することができる。
<実施例1>
(配置工程)
以下の条件で、SiC基板10を原料供給空間S1及びSi蒸気圧空間S2内に配置した(図2(a)参照)。
[SiC基板10]
多型:4H-SiC
オフ方向及びオフ角:<11-20>方向4°オフ
成長面:(0001)面
基板サイズ:横幅10mm×縦幅10mm×厚み0.3mm
格子乱れ層:5μm
なお、格子乱れ層の深さはSEM-EBSDにて確認した。TEM及びμXRDで確認しても良い。
原料容器20材料:多結晶SiC
原料容器20サイズ:直径60mm×高さ4mm
Si基板24:横幅10mm×縦幅10mm×厚み0.2mm
このようにSi基板24を原料容器20内に配置することにより、原料供給空間S1内の原子数比Si/Cが、1を超えるように設定されている(SiC-Si平衡蒸気圧環境)。
浸炭容器30のタンタルシリサイド層:TaSi2又はTa5Si3
浸炭容器30のタンタルカーバイド層:TaC又はTa2C
浸炭容器30のタンタル層:Ta
浸炭容器30サイズ:直径160mm×高さ60mm
上記条件で配置したSiC基板10を、以下の条件で成長させた。
昇温レート:10℃/min
加熱温度:1800℃
加熱時間:60min
成長速度:68nm/min
本加熱室真空度:10-5Pa
降温レート:1000℃/min
この実施例1のSiC基板10表面には、MSBは形成されておらず、1.0nm(フルユニットセル)のステップ12が、14nmのテラス13幅で規則正しく配列している。なお、ステップ12高さは、AFMにより測定した。
また、この実施例1のようにステップ12高さが抑制可能な成長環境は、加熱温度と成長速度の関係からSiC-Si平衡蒸気圧環境であることがわかっている(図7参照)。
(配置工程)
以下の条件で、SiC基板10を原料供給空間S1及びSi蒸気圧空間S2内に配置した(図3(a)参照)。
[SiC基板10]
実施例1と同様のSiC基板10を用いた。
[原料供給空間S1]
実施例1と同様の原料容器20を用いた。Si基板24は配置せず、原料容器20内にはSiC基板10のみを配置した。その結果、原料供給空間S1内の原子数比Si/Cが1以下となるよう設定されている(SiC-C平衡蒸気圧環境)。
[Si蒸気圧空間S2]
実施例1と同様の浸炭容器30を用いた。
上記条件で配置したSiC基板10を、実施例1と同様の条件で成長させた。
この比較例1のSiC基板10表面には、ステップ端がジグザグ形状のMSBが形成されており、高さ3nmのステップ12が、平均42nmのテラス13幅で配列している。なお、ステップ12高さは、AFMにより測定した。
また、この比較例1のようにMSBが形成される成長環境は、加熱温度と成長速度の関係からSiC-C平衡蒸気圧環境であることがわかっている(図7参照)。
一方で、SiC基板10をSiC-C平衡蒸気圧環境下で成長させた図7の×印箇所の条件においては、MSBが形成されていることがわかる。
11 成長層
12 ステップ
13 テラス
20 原料容器
24 Si基板
25 C原子吸蔵部材
30 浸炭容器
40 高温真空炉
41 本加熱室
42 予備加熱室
43 移動手段
S1 原料供給空間
S2 Si蒸気圧空間
MSB マクロステップバンチング
Claims (13)
- SiC基板をSiC-Si平衡蒸気圧環境下で成長させる成長工程を含み、
前記成長工程は、Si蒸気圧空間を介して排気される原料供給空間に前記SiC基板を配置して成長させる、SiC半導体基板の製造方法。 - 前記成長工程は、前記原料供給空間内の原子数比Si/Cが1を超えるよう、Si原子供給源及びC原子供給源を配置して成長させる、請求項1に記載のSiC半導体基板の製造方法。
- SiC基板をSiC-Si平衡蒸気圧環境下で成長させる成長工程を含み、
前記成長工程は、SiC製の容器内に、前記SiC基板及びSi蒸気供給源を配置して成長させる、SiC半導体基板の製造方法。 - 前記成長工程は、1600℃以上の温度で行う、請求項1~3の何れかに記載のSiC半導体基板の製造方法。
- SiC基板にSi原子及びC原子を供給して成長させる原料供給空間を有するSiC製の原料容器と、
前記原料供給空間を加熱可能な高温真空炉と、を備え、
前記原料供給空間は、Si原子供給源と、C原子供給源と、を有し、
前記Si原子供給源及び前記C原子供給源は、前記原料供給空間内の原子数比Si/Cが1を超えるよう配置され、前記Si原子供給源として、前記SiC製の容器内に配置されるSi蒸気供給源を含み、
前記原料供給空間は、準閉鎖空間である、SiC半導体基板の製造装置。 - 前記原料供給空間内には、前記SiC基板に向かって温度が下がるような温度勾配が設けられている、請求項5に記載のSiC半導体基板の製造装置。
- さらに、前記SiC半導体基板の製造装置は、Si蒸気圧環境が形成されるSi蒸気圧空間を備え、
前記原料供給空間は、前記Si蒸気圧環境を介して排気される、請求項5又は6に記載のSiC半導体基板の製造装置。 - 前記Si蒸気圧空間を有する浸炭容器と、を備える、請求項7に記載のSiC半導体基板の製造装置。
- 前記高温真空炉は、前記原料供給空間を加熱可能な本加熱室と、
前記本加熱室に接続する予備加熱室と、
前記原料供給空間を移動させる移動手段と、を有し、
前記移動手段は、前記本加熱室と前記予備加熱室の間を移動可能に構成されている、請求項5~8の何れかに記載のSiC半導体基板の製造装置。 - SiC基板をSiC-Si平衡蒸気圧環境下で成長させる成長工程を含み、
前記成長工程は、Si蒸気圧空間を介して排気される原料供給空間に前記SiC基板を配置して成長させる、SiC半導体基板の表面に1ユニットセル高さのステップを配列させる方法。 - SiC基板をSiC-Si平衡蒸気圧環境下で成長させる成長工程を含み、
前記成長工程は、SiC製の容器内に、前記SiC基板及びSi蒸気供給源を配置して成長させる、SiC半導体基板の表面に1ユニットセル高さのステップを配列させる方法。 - 前記成長工程は、原料供給空間内の原子数比Si/Cが1を超えるよう、Si原子供給源及びC原子供給源を配置して成長させる、請求項10又は請求項11に記載の方法。
- 請求項1~4の何れかに記載の製造方法により製造されたSiC半導体基板。
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