JP5865796B2

JP5865796B2 - エピタキシャル成長装置および炭化珪素エピタキシャルウエハ製造方法

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Publication number: JP5865796B2
Application number: JP2012158262A
Authority: JP
Inventors: 信之冨田; 陽一郎三谷; 貴規田中; 直之川畑; 丈晴黒岩
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2032-07-17
Also published as: JP2014019596A

Description

本発明は、炭化珪素パワーデバイス等に用いられるエピタキシャルウエハを作製するエピタキシャル成長装置および炭化珪素エピタキシャルウエハ製造方法に関する。

ＳｉＣ（炭化珪素）は、Ｓｉ（珪素）と比較してバンドギャップが大きく、また絶縁破壊電界強度、飽和電子速度、および熱伝導度などの物性値が優れており、半導体パワーデバイスの材料として優れた性質を有する。特に、ＳｉＣを用いたパワーデバイス（以下、ＳｉＣパワーデバイスとも称する）は、電力損失の大幅な低減やデバイスの小型化等が可能となり、電源電力変換時の省エネルギー化が実現できるため、電気自動車の高性能化、あるいは太陽電池システム等の高機能化等、低炭素社会を実現する上でキーデバイスとなる可能性を有している。

ＳｉＣパワーデバイスを製造する際には、予め熱化学気相堆積（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によりＳｉＣバルク基板上に半導体デバイスの活性領域をエピタキシャル成長させておくことが必須である。ここで、活性領域とは、結晶中におけるドーピング密度および膜厚が精密に制御されて形成された成長方向軸を含む断面領域を示す。なお、以下では、エピタキシャル成長によって形成された活性領域をエピタキシャル成長層とも称する。ＳｉＣバルク基板上にエピタキシャル成長層が必要とされる理由は、デバイスの設計仕様によってドーピング濃度および膜厚がほぼ規定されるからであり、また、通常はＳｉＣバルク基板のドーピング濃度よりも高精度の制御性が求められるためである。

ＳｉＣバルク基板上にエピタキシャル成長層を形成したウエハのことを、以下ではエピタキシャルウエハとも称する。ＳｉＣパワーデバイスはエピタキシャルウエハに対して様々な加工を施して作製されるため、一枚のウエハから所望の特性を有するデバイスが作製される個数の割合（いわゆる素子歩留り）は、エピタキシャル成長層の電気的特性の均一性に強く依存している。すなわち、エピタキシャルウエハ面内において他の領域に比べて絶縁破壊電界が小さい領域、あるいは、一定の電圧を印加した際に相対的に大きな電流が流れるような局所的な領域が存在すれば、当該領域を含むデバイスの特性は例えば耐電圧特性が劣ってしまい、相対的に小さな電圧が印加された場合でも、いわゆるリーク電流が流れるという不具合が生じる。言い換えれば、素子歩留りを第一義的に規定する要素はエピタキシャルウエハの結晶学的な均一性である。当該均一性を阻害する要因としては、エピタキシャル成長時の不具合に起因する、いわゆる種々の電流リーク欠陥の存在が知られている。

上述の結晶欠陥に共通する特徴は、結晶における原子配列の周期性が結晶成長方向に沿って局所的に不完全となっている点である。ＳｉＣのエピタキシャル成長によって生じる欠陥として、その表面形状の特徴から、キャロット欠陥、三角欠陥、ダウンフォール欠陥等と呼称される電流リーク欠陥が知られている。

上記の欠陥の発生を抑制する方法として、従来では、例えば、４度オフＳｉＣ基板に対し、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理後、１５００℃で２０分間エッチングを行った後、基板温度を１６００℃、Ｃ／Ｓｉ＝１．０の条件でエピタキシャル成長した場合、三角欠陥を伴うダウンフォール欠陥が２．８個／ｃｍ^２であるのに対し、成長温度のみを１６５０℃に高温化することによって、上記の欠陥密度を０．６個／ｃｍ^２に低減する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

またエピタキシャル装置の代表的部材であるサセプタに対して、４００℃以上の温度で、ＣｌＦ_３（三フッ化塩素）ガスによりクリーニングするという手法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

国際公開第２０１１／０７４４５３号特開２０１２−０２８３８５号公報

特許文献１では、ダウンフォール欠陥を伴う三角欠陥について記載されているが、実際には、三角欠陥を伴わない孤立ダウンフォール欠陥もエピタキシャルウエハに存在する。当該孤立ダウンフォール欠陥も、上述の電流リーク欠陥となることが知られている。しかし、特許文献１では、孤立ダウンフォール欠陥のような三角欠陥を伴わないダウンフォール欠陥の低減方法について開示されてない。

上記の孤立ダウンフォール欠陥は、エピタキシャル成長装置内等において形成されるエピタキシャル成長に寄与しないＳｉＣの粒子（以下、ＳｉＣ粒子とも称する）が、エピタキシャル成長の開始直前やエピタキシャル成長中に、ＳｉＣ基板あるいはエピタキシャル成長表面に付着することによって発生することが知られている。

ＳｉＣには、多種のポリタイプが存在する。エピタキシャル成長において、基板と同一のポリタイプが成長可能となる最も重要な要素は、基板にオフ角が設けられ、当該オフ角によって結晶格子のｃ軸に関する原子配列の周期情報が、基板およびエピタキシャル成長表面に顕わになっていることである。このような表面にＳｉＣ粒子が付着すると、付着した近傍の領域において上記の周期情報が失われ、ポリタイプの異なる積層欠陥等が形成される。あるいは、上記の領域に付着する材料ガスの実効的供給量が低下する結果、エピタキシャル成長後、成長膜厚が周囲に比べて著しく低下する。これがダウンフォールと呼ばれる電流リーク欠陥の実態である。

上述の通り、上記の欠陥はＳｉＣ粒子により誘発されるものである。ＳｉＣ粒子は、エピタキシャル成長装置内に設置された基板表面に対向する表面に原料ガスの一部が供給されることによって形成される。通常、基板表面に対向する表面（以下、対向面とも称する）には、多結晶ＳｉＣがコーティングされている。コーティングされているＳｉＣはポリタイプも均一ではなく、微視的な配列も乱雑であるため、対向面上ではエピタキシャル成長が生じない。従って、基板表面上にエピタキシャル成長を継続的に行うと、対向面上に付着したＳｉＣは粒子形状を呈する様になる。また、同時に、ＳｉＣ粒子はナノメータースケールからマイクロメータースケールへと巨大化し、質量も増加する。付着したＳｉＣ粒子の接触面積に応じて決まる付着力に対し、ＳｉＣ粒子の重力、またはエピタキシャル成長装置内部のガス流が付着したＳｉＣ粒子に働く力が上回ると、ＳｉＣ粒子は対向面から脱離し、基板あるいはエピタキシャル表面に落下する。すなわち、エピタキシャル成長装置内におけるエピタキシャル成長の膜厚増大に伴い、ダウンフォール欠陥も増加する。ダウンフォール欠陥は素子歩留りを低下する原因となるため、装置内部に付着したＳｉＣ粒子を例えば機械的に除去するメンテナンスが必要となるが、当該メンテナンスはエピタキシャル成長装置の時間的稼働率を低減する主要素となる。

上記より、ＳｉＣ粒子の形成は、エピタキシャルウエハの素子歩留りおよびエピタキシャル成長装置の稼働率の低下を引き起こし、生産性の低下およびＳｉＣ素子コストの増加という問題を引き起こす。

また、特許文献２は、エッチングガスを活用することによってメンテナンスを効率化するものである。しかし、特許文献２では、メンテナンスによってＳｉＣ粒子の除去は可能であるが、ＳｉＣ粒子の付着そのものを防止することはできず、ダウンフォール欠陥を低密度化することが困難である。また、メンテナンスの頻度を抑制することも極めて困難である。さらに、クリーニングガスを構成する例えばフッ素が、エピタキシャル成長層に混入する可能性は否定できない。フッ素はＳｉＣにおいて深い準位を形成するものと考えられ、エピタキシャル成長層の電気的特性を低減する。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、ダウンフォール欠陥を低減して生産性を向上させることが可能なエピタキシャル成長装置および炭化珪素エピタキシャルウエハ製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明によるエピタキシャル成長装置は、＜０００１＞面に対して傾斜角が５度よりも小さい表面を有する炭化珪素バルク基板上に炭化珪素をエピタキシャル成長させて炭化珪素エピタキシャルウエハを作製するエピタキシャル成長装置であって、エピタキシャル成長時に用いる材料ガスの流路と、流路に面して設けられ、加熱領域を有する所定の部材とを備え、部材の少なくとも流路に露出する部分は、炭化珪素バルク基板と同一のポリタイプを有する単結晶炭化珪素を含んで形成されることを特徴とする。

本発明によると、＜０００１＞面に対して傾斜角が５度よりも小さい表面を有する炭化珪素バルク基板上に炭化珪素をエピタキシャル成長させて炭化珪素エピタキシャルウエハを作製するエピタキシャル成長装置であって、エピタキシャル成長時に用いる材料ガスの流路と、流路に面して設けられ、加熱領域を有する所定の部材とを備え、部材の少なくとも流路に露出する部分は、炭化珪素バルク基板と同一のポリタイプを有する単結晶炭化珪素を含んで形成されるため、ダウンフォール欠陥を低減して生産性を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態によるＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置の構成の一例を示す断面図である。本発明の実施の形態によるＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置の構成の一例を示す上面図である。本発明の実施の形態による基板ホルダおよび段差軽減部材の構成の一例を示す上面図である。本発明の実施の形態による基板ホルダの構成の一例を示す断面図である。本発明の実施の形態による基板ホルダの構成の一例を示す斜視図である。本発明の実施の形態による基板ホルダでＳｉＣバルク基板を支持した様子の一例を示す断面図である。本発明の実施の形態による基板ホルダの構成の一例を示す斜視図である。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。

＜実施の形態＞
まず、本発明の実施の形態によるＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置１の構成について説明する。

図１は、本実施の形態によるＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置１（エピタキシャル成長装置）の構成の一例を示す側面の断面図である。

図１に示すように、ＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置１は、後述のＳｉＣバルク基板３７（炭化珪素バルク基板）上にＳｉＣをエピタキシャル成長させてエピタキシャルウエハ（炭化珪素エピタキシャルウエハ）を作製するための成長室２を備えている。成長室２の側面には、エピタキシャル成長時に用いる材料ガスおよびキャリアガスを成長室２内に導入するためのガス導入部である導入ノズル３が接続されている。また、成長室２の上面には、成長室２外に材料ガスおよびキャリアガスを排出するためのガス排出部である排出ノズル４が接続されている。

キャリアガス供給源６から供給されるキャリアガスは、キャリアガス純化器７でキャリアガスに混入されている不純物ガス成分を除去した後、ガス混合制御系８を経て、導入ノズル３から成長室２内に導入される。また、材料ガス供給源５から供給される材料ガスは、キャリアガス供給源６から供給されるキャリアガスとガス混合制御系８で混合され、導入ノズル３から成長室２内に導入される。

排出ノズル４には排気ポンプ９が接続されており、排気ポンプ９によって成長室２内を真空引きすることができるようになっている。成長室２外に排出された材料ガスおよびキャリアガスは、ガス除害装置１０によって処理される。

次に、成長室２について説明する。

成長室２は、少なくともその外周部分が、例えば石英を含む材料などのような耐熱性材料で形成されていることが好ましい。成長室２内には、材料ガスおよびキャリアガスが導入ノズル３から排出ノズル４に向かって流れるガスの流路２０が設けられている。

成長室２の中央付近の外周面上には、成長室２を挟んで互いに対向するように、加熱装置である誘導加熱コイル２７，２８がそれぞれ設置されている。なお、誘導加熱コイル２７，２８自体が高温になるとその近傍領域が高温化してしまうため、当該高温化を防止するために誘導加熱コイル２７，２８に冷却水用チューブを設けて水冷することが好ましい。また、冷却水用チューブに限らず、誘導加熱コイル２７，２８の近傍領域の高温化を防止する構成であればよい。

誘導加熱コイル２７と誘導加熱コイル２８との間に位置する成長室２内には、上部サセプタ２１と下部サセプタ２３とが流路２０を挟んで互いに対向するように設置されている。すなわち、上部サセプタ２１（所定の部材）は、流路２０に面して設けられ、加熱領域を有している。

上部サセプタ２１と誘導加熱コイル２７との間には、断熱材２５が設置されている。また、下部サセプタ２３と誘導加熱コイル２８との間には、断熱材２６が設置されている。

下部サセプタ２３の流路２０側には、後述のＳｉＣバルク基板３７を支持（載置）するための基板支持具である基板ホルダ２４が設置されている。すなわち、基板ホルダ２４（所定の部材）は、流路２０に面して設けられ、加熱領域を有している。

成長室２内において、基板ホルダ２４はその表面全体が流路２０に接するように（流路２０に面して）設置されているが、このように基板ホルダ２４を設置すると、流路２０において成長室２の内壁と基板ホルダ２４とによって機械的段差が形成される。当該機械的段差を軽減するために、流路２０をキャリアガスおよび材料ガスが流れる方向に対して、基板ホルダ２４よりも上流側および下流側のそれぞれに隣接して段差軽減部材２９（第１の段差軽減部材）が設置されている。

また、上部サセプタ２１も流路２０に接するように（流路２０に面して）設置されており、流路２０において成長室２の内壁と上部サセプタ２１とによって機械的段差が形成される。当該機械的段差を軽減するために、流路２０をキャリアガスおよび材料ガスが流れる方向に対して、上部サセプタ２１よりも上流側および下流側のそれぞれに隣接して段差軽減部材３０（第２の段差軽減部材）が設置されている。

流路２０における基板ホルダ２４よりも下流側の成長室２の側面には、取り出しドア３１が開閉自在に設置されており、基板ホルダ２４の出し入れができるようになっている。取り出しドア３１にはＯリングなどが備えられており、取り出しドア３１を閉じて排気ポンプで成長室２内を真空引きしたときにおける成長室２内の気密性が保てるようになっている。なお、基板ホルダ２４の出し入れは大気圧で行うため、取り出しドア３１にリークバルブを装着しておいてもよい。

また、取り出しドア３１には、基板ホルダ２４あるいはその近傍領域の温度を測定するために、例えばパイロメーターのような測温装置３２が設置されている。例えば、パイロメーターを測温装置３２として用いる場合には、取り出しドア３１に、パイロメーターに用いる波長に対して透過率が高い部材で形成されたビューポートを設けておく。

次に、上部サセプタ２１について説明する。

上部サセプタ２１は、流路２０を挟んでＳｉＣバルク基板３７を載置する基板ホルダ２４と対向する側に設けられている。上部サセプタ２１の流路２０側は、単結晶ＳｉＣ２２の薄膜が形成されている。当該単結晶ＳｉＣ２２が形成される領域は、通常１４００℃以上の高温となるが、上述の通り、従来の多結晶ＳｉＣコーティングを上部サセプタ２１に施した場合は、多結晶ＳｉＣコーティング上にＳｉＣ粒子が付着し、付着したＳｉＣ粒子がダウンフォール欠陥の原因となる。従って、本実施の形態のように、単結晶ＳｉＣ２２を上部サセプタ２１に密着して形成することによって、単結晶ＳｉＣ２２上においてＳｉＣ粒子の形成を防止してエピタキシャル成長がなされるようにすることが最も有効である。なお、単結晶ＳｉＣ２２は、単結晶ＳｉＣ基板を加工しこれらを機械的に組み合わせて形成すればよい。また、単結晶ＳｉＣ２２もそのオフ角がＳｉＣバルク基板３７と同程度でもよいが、オフ角が小さくなるとステップバンチングと呼ばれる凹凸がエピタキシャル成長膜厚の増加に伴い顕著となって現れるため、ステップバンチングを抑制するために、オフ角は例えば４度以上としてもよい。

また、単結晶ＳｉＣ２２が形成される領域の温度は必ずしも均一ではないため、エピタキシャルウエハと同一のポリタイプではなく、材料ガスが供給される状態において、エピタキシャル成長が優位に生じるか、あるいは、エッチングが優位に生じるかのいずれかの特性を有する単結晶ＳｉＣを用いてもよい。

次に、導入ノズル３について説明する。

図２は、本実施の形態によるＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置１の構成の一例を示す上面図であり、図１に示すＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置１を上面から見た図である。なお、図２では、材料ガス供給源５、キャリアガス供給源６、キャリアガス純化器７、ガス混合制御系８、排出ノズル４、排気ポンプ９およびガス除害装置１０を省略して示している。

導入ノズル３の形状は、導入ノズル３を通って成長室２内に導入されたキャリアガスに乱流が発生することを抑制するために、急峻な角度や直線状の形状をできる限り有さないことが好ましい。具体的には、図２に示すように、導入ノズル３の形状を、少なくとも１つの変曲点を有する曲線で形成することにより、キャリアガス及び材料ガスに乱流が発生することを抑制することができる。

次に、段差軽減部材２９および段差軽減部材３０について説明する。

図３は、本実施の形態による基板ホルダ２４および段差軽減部材２９を示す上面図である。段差軽減部材２９は、処理対象物であるＳｉＣバルク基板３７（図６参照）の電気伝導性にできるだけ影響を与えにくい物質で形成することが好ましい。例えば、アルミニウムや窒素のような、ＳｉＣバルク基板３７の電気伝導性に影響を与える物質をできるだけ含まないものを用いることが好ましい。さらに、段差軽減部材２９は高温になることが想定されるため、断熱性材料で形成することが好ましい。なお、段差軽減部材２９の本体部分を断熱性材料で形成し、本体部分の表面上にＳｉＣバルク基板３７の電気伝導性に影響を与えにくい、例えばＳｉＣ、ＴａＣ、あるいはグラファイト（炭素）の層をコーティングして形成してもよい。また、上記では段差軽減部材２９について説明したが、段差軽減部材３０についても同様の材料で形成することが好ましい。

図１および図３に示すように、段差軽減部材２９は板状の部材であり、図１の紙面垂直方向（すなわち、図３の縦方向）の幅が基板ホルダ２４の幅とほぼ同じであって、流路２０において成長室２の内壁と基板ホルダ２４とによって形成される機械的段差をできるだけ軽減するような厚さに形成される。従って、基板ホルダ２４の流路２０と接する面と、段差軽減部材２９の流路２０と接する面とは、ほぼ同一の平面上に存在するようになる。すなわち、段差軽減部材２９（第１の段差軽減部材）の表面と基板ホルダ２４の表面とは面一となる。

また、基板ホルダ２４と段差軽減部材２９とは、できるだけ相互の間に間隔が生じないように接触して配置することが好ましい。すなわち、段差軽減部材２９を設置することによって、流路２０における機械的段差ができるだけ生じないようにすることが好ましい。このようにすることによって、成長室２内に導入されたガスに乱流が発生することを抑制することができる。

また、基板ホルダ２４と段差軽減部材２９とは機械的に連結されていることが取り扱いの観点から好ましい。基板ホルダ２４と段差軽減部材２９とが機械的に連結されている場合は、図３に示すように、基板ホルダ２４の流路２０の下流側に設置された段差軽減部材２９に取り出し用部品３３を設けておくとよい。取り出し用部品３３は、具体的には、例えば貫通孔や突起状部材であって、機械的に連結された基板ホルダ２４と段差軽減部材２９とを取り出しドア３１から出し入れする際に使用することにより取り扱い効率が向上する。なお、図３では取り出し用部品３３を２つ設けた例を示しているが、これに限ることはなく、少なくとも１つ以上設けるようにすればよい。

また、上部サセプタ２１に隣接して設置される段差軽減部材３０も、段差軽減部材２９と同様に板状の部材であり、図１の紙面垂直方向の幅が上部サセプタ２１の幅とほぼ同じであって、流路２０における成長室２の内壁と上部サセプタ２１とによって形成される機械的段差をできるだけ軽減するような厚さに形成される。従って、上部サセプタ２１の流路２０と接する面と、段差軽減部材３０の流路２０と接する面とは、ほぼ同一の平面上に存在するようになる。すなわち、段差軽減部材３０の表面と上部サセプタ２１の表面とは面一となる。

また、上部サセプタ２１と段差軽減部材３０とは、できるだけ相互の間に間隔が生じないように接触して配置することが好ましい。すなわち、段差軽減部材３０を設置することによって、流路２０における機械的段差ができるだけ生じないようにすることが好ましい。このようにすることによって、成長室２内に導入されたガスに乱流が発生することを抑制することができる。

次に、基板ホルダ２４について説明する。

図４は、本実施の形態による基板ホルダ２４の一例を示す断面図である。また、図５は、図４に示す基板ホルダ２４の斜視図である。また、図６は、基板ホルダ２４でＳｉＣバルク基板３７を支持した様子を示す断面図である。

基板ホルダ２４は、１５００℃程度以上の熱処理に耐え得ることが好ましい。また、処理対象物であるＳｉＣバルク基板３７の電気伝導性にできるだけ影響を与えにくい物質で形成することが好ましく、例えばアルミニウムや窒素のような、ＳｉＣバルク基板３７の電気伝導性に影響を与える物質をできるだけ含まないことが好ましい。また、ＳｉＣバルク基板３７を効率的に加熱するために、誘導加熱コイル２７の作用によって基板ホルダ２４自体に誘導電流を流して基板ホルダ２４を直接加熱できるようにすることが好ましい。

特に、基板ホルダ２４の表面は、ＳｉＣバルク基板３７とほぼ同一の温度となり、材料ガスにも曝されている。従って、上述の上部サセプタ２１と同様に、基板ホルダ２４の表面にＳｉＣ粒子が付着し、エピタキシャル成長が繰り返し行われることによって、ＳｉＣ粒子のサイズが増加する。基板ホルダ２４上に付着したＳｉＣ粒子は、上部サセプタ２１の場合とは異なり、重力の影響は受けない。しかし、流路２０におけるガスの流れにより、力学的な力が加わるため、ＳｉＣ粒子のサイズの増加に伴ってＳｉＣ粒が基板ホルダ２４から脱離する。ＳｉＣ粒子が脱離した結果、ＳｉＣバルク基板３７上にＳｉＣ粒子が付着し、このことが実効的にダウンフォール欠陥の原因となる。このような事態を考慮すると、基板ホルダ２４の表面は、単結晶ＳｉＣ基板で形成されていることが好ましい。従って、基板ホルダ２４の本体部分を高純度のグラファイト（炭素）で形成し、本体部分の少なくともガス流（流路２０）と接する面にはエピタキシャル成長膜と同一のポリタイプを有する単結晶ＳｉＣ３４を密着して形成することが、ダウンフォール欠陥の原因となるＳｉＣ粒子の形成を防止する観点から重要である。すなわち、基板ホルダ２４の少なくとも流路２０に露出する部分は、ＳｉＣバルク基板３７と同一のポリタイプを有する単結晶ＳｉＣ３４を含んで形成されている。

図５に示すように、基板ホルダ２４は、ＳｉＣバルク基板３７を支持（載置）するための領域である凹部３５を複数有している。１つの凹部３５に対して１枚のＳｉＣバルク基板３７を載置することができ、複数の凹部３５を有することにより複数のＳｉＣバルク基板３７を載置できるようになっている。すなわち、基板ホルダ２４に形成された凹部３５と同数のＳｉＣバルク基板３７を載置することができる。また、ＳｉＣバルク基板３７の凹部３５は、基板ホルダ２４上で格子の一辺がガスの流れる方向とほぼ平行となる２次元面心格子状に配置されている。

図６に示すように、基板ホルダ２４の凹部３５は、凹部３５内にＳｉＣバルク基板３７が嵌まるように凹形状で形成されている。成長室２内に導入されたキャリアガスおよび材料ガスに乱流が発生することを抑制するために、凹部３５の深さは、凹部３５内に載置されたＳｉＣバルク基板３７の表面と、基板ホルダ２４の表面との間に機械的段差ができるだけ生じないように設定することが好ましい。ＳｉＣバルク基板３７の厚さと凹部３５の深さとの差は、±５００μｍ以下とすることが好ましく、±１００μｍ以下とすることがより好ましい。凹部３５内には、ＳｉＣバルク基板３７が、エピタキシャル成長用の面が上方（流路２０側）を向くように載置され、ＳｉＣバルク基板３７のエピタキシャル成長用の面が流路２０と接することになる。

流路２０におけるキャリアガスおよび材料ガスに乱流が発生することを抑制する観点から、凹部３５は、ＳｉＣバルク基板３７の外形とほぼ同じ形状を有し、ＳｉＣバルク基板３７の外周と凹部３５との間にできるだけ間隙が生じないようにすることが好ましい。ただし、ＳｉＣバルク基板３７と基板ホルダ２４との熱膨張係数の差や、ＳｉＣバルク基板３７を凹部３５に配置したり取り出したりする作業の効率を考慮すると、ＳｉＣバルク基板３７の外周と凹部３５との間には５００μｍ程度の間隙があることが好ましい。

また、ＳｉＣバルク基板３７は、表裏の研磨状態の相違によって同心円状に反っている場合が多い。凹部３５の底面３６が平坦に形成されている場合は、ＳｉＣバルク基板３７の反りによって、凹部３５の底面３６とＳｉＣバルク基板３７との間に間隙が生じる。ＳｉＣバルク基板３７の反りによって生じる間隙の大きさは、ＳｉＣバルク基板３７の口径が大きくなるほど増大する。ＳｉＣバルク基板３７を均一に加熱するためには、凹部３５の底面３６とＳｉＣバルク基板３７との間に生じる間隙ができるだけ小さい方が好ましい。従って、凹部３５の底面３６の形状は、ＳｉＣバルク基板３７の反りに合わせて湾曲していることが好ましい。具体的には、凹部３５の底面３６の断面形状が、底面３６の中心からの距離に対して２次以上の関数で表される曲線で形成されることが好ましい。

特に、基板ホルダ２４の凹部３５または底面３６は、ＳｉＣバルク基板３７と部分的に接触し、原料ガスおよびキャリアガスがこれらの面に回りこむ。従って、凹部３５および底面３６もＳｉＣ単結晶で形成されていることが好ましい。底面３６とＳｉＣバルク基板３７の裏面とは部分的に接触するため、エピタキシャル成長膜厚が大きい場合は、底面３６とＳｉＣバルク基板３７の裏面とが結合する可能性がある。このような結合を防止するためには、底面３６（基板ホルダ２４のＳｉＣバルク基板３７を載置する面）あるいはＳｉＣバルク基板３７の裏面を梨地加工しておくことが好ましい。

次に、本実施の形態によるＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置１を用いてＳｉＣバルク基板３７上にエピタキシャル成長層を形成したエピタキシャルウエハを製造する方法、およびＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置１の動作について説明する。

ＳｉＣ結晶には、ポリタイプと呼ばれる特有の周期性が存在する。すなわち、化学量論比的組成はＳｉとＣとで１対１であり、かつ、結晶格子が六方最密充填構造であっても、本構造におけるｃ軸に沿って原子配列に別種の周期性が存在し、この原子スケールでの周期および結晶格子の対称性によってＳｉＣの物性が規定される。現在、デバイス応用の観点から最も注目を集めているのは、４Ｈ−ＳｉＣと呼ばれるポリタイプである。４Ｈ−ＳｉＣを用いたパワーデバイスでは、主に原材料費を低減するという観点から、＜０００１＞面から＜１１−２０＞方向に傾斜角が５度程度よりも小さな角度で傾斜させ、かつ、Ｓｉ原子がＣ原子と比較してより安定的に配置し得る面を表面とするエピタキシャルウエハを用いることが主流である。従って、以下では、ポリタイプが４Ｈ−ＳｉＣであり、かつ、＜０００１＞面から＜１１−２０＞方向に傾斜角が５度程度よりも小さな角度で傾けた仕様のＳｉＣバルク基板３７を使用する場合について述べる。なお、上記の傾斜方向は＜１１−２０＞方向に厳密に限定されるものではなく、他の方向に傾斜した仕様としてもよい。また、ポリタイプは、４Ｈに限定されるものではなく、例えば６Ｈや３Ｃ等の他のポリタイプでもよい。

まず、ＳｉＣバルク基板３７を、機械研磨および酸性またはアルカリ性を呈する薬液を用いて化学機械研磨(ＣＭＰ)により平坦化処理（ＣＭＰ処理）する。ＣＭＰ処理後、ＳｉＣバルク基板３７に対してアセトン等を用いて超音波洗浄を施し、表面に付着した有機物を除去する。有機物を除去した後、硫酸と過酸化水素水とを体積比率で５：１に混合し約１３０℃（±５℃）に加熱した混合溶液中にＳｉＣバルク基板を浸漬することにより、主に金属付着物を除去する。その後、王水によりＳｉＣバルク基板の残留金属付着物を除去する。

次に、ＳｉＣバルク基板３７に対して、ＲＣＡ洗浄と呼ばれるウェット薬液洗浄を行う。具体的には、ＳｉＣバルク基板３７を、７５℃（±５℃）に加熱したアンモニア水と過酸化水素水との混合溶液（１：９）中に１０分間浸した後、７５℃（±５℃）に加熱した塩酸と過酸化水素水との混合溶液（１：９）に浸す。その後、ＳｉＣバルク基板３７を、体積比率で５％程度のフッ酸を含む水溶液に浸した後、純水により置換処理を施して、ＳｉＣバルク基板３７に対する表面洗浄を行う。

上記の工程によって、ＳｉＣバルク基板３７のエピタキシャル成長前処理が完了する。

次に、ＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置１の取り出しドア３１を開け、段差軽減部材２９と機械的に連結された基板ホルダ２４を成長室２外に取り出す。そして、基板ホルダ２４の凹部３５に、ＳｉＣバルク基板３７をエピタキシャル成長用の面が上方を向くようにそれぞれ設置する。その後、ＳｉＣバルク基板３７が設置された基板ホルダ２４を段差軽減部材２９とともに成長室２内の所定の位置に導入する（図１参照）。これにより、ＳｉＣバルク基板３７のエピタキシャル成長用の面が流路２０に接することになる。そして、成長室２内に残存する意図しない分子あるいは原子状の不純物がＳｉＣバルク基板３７に悪影響を与えることを抑制するために、排気ポンプ９によって成長室２内を約１×１０^−７ｋＰａ程度にまで真空引きする。

次に、成長室２内にキャリアガスとして、例えば水素ガスを導入する。キャリアガス供給源６から供給されるガスは、キャリアガス純化器７にて混入不純物ガスを除去された後、ガス混合制御系８を経て、導入ノズル３から成長室２内に導入される。成長室２内に導入されたキャリアガスは、流路２０を通過して排出ノズル４から成長室２外に排出される。排出されたガスは、ガス除害装置１０によって除害処理される。

キャリアガスが成長室２内に導入されると、ＳｉＣバルク基板３７のエピタキシャル成長用の面にキャリアガスが接する設定下で、成長室２内の真空度が例えば２５ｋＰａ程度で一定に保持されるように圧力を制御する。

その後、誘導加熱コイル２８に対して通電することによって下部サセプタ２３および基板ホルダ２４を加熱し、ＳｉＣバルク基板３７を所定の処理温度、例えば１５５０℃に高温化する。高温化後、ＳｉＣバルク基板３７の温度を処理時間１８０秒間で保持し、高温アニール処理を行う。これにより、キャリアガスとして水素ガスを用いる場合は、ＳｉＣバルク基板３７の表面に付着したウェット処理で除去できないＳｉＣ塵が、水素ガスが有する還元性によって水素置換され、結果的に除去される。

次にキャリアガスである水素ガス雰囲気中で、同一圧力を保持しつつ、ＳｉＣバルク基板３７の温度を降温する。上述の水素ガス雰囲気中における高温アニール処理工程、およびＳｉＣバルク基板３７の温度の降温工程の後、所定の結晶成長温度、例えば１４５０℃に到達した後、材料ガスの供給を行うことによって、エピタキシャル成長が開始される。

材料ガスの流量は、反応炉の構造あるいは圧力によって好適な量が決まるものであり、またエピタキシャル成長速度によって大きく変化するため、一律に規定することはできないが、本実施の形態にて用いたＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置１（ＣＶＤ装置）では、少なくとも、シリコン原子を含むガスとして例えば水素で９０％希釈されたＳｉＨ_４（シラン）を９０ｓｃｃｍの流量で、また、炭素原子を含むガスとして例えばＣ_３Ｈ_８（プロパン）を２．４ｓｃｃｍの流量で同時に供給し始めるシーケンスによって、成長室２内の基板ホルダ２４に載置されたＳｉＣバルク基板３７上にエピタキシャル成長を行うことができる。

また、このとき必要に応じてＮ型ドーピング用のＮ_２（窒素）ガスを同時に供給してもよく、Ｐ型ドーピング用にアルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）を含む有機金属材料を供給してもよい。さらに、成長速度の高速化を図るためにＨＣｌガスを併用してもよく、あるいは、シリコン原子を含むガスとしてシランを用いてもよい。

所望のエピタキシャル成長膜厚が得られる時間が経過した後、キャリアガス以外のガスの供給を停止し、エピタキシャル成長を終了する。

次に、キャリアガス雰囲気中で、同一圧力を保持しつつ、ＳｉＣバルク基板３７を室温程度まで降温する。

上記の工程によって、ＳｉＣバルク基板３７上に炭化珪素をエピタキシャル成長させたエピタキシャルウエハ（炭化珪素エピタキシャルウエハ）が完成する。

以上のことから、本実施の形態によれば、上部サセプタ２１の表面を単結晶ＳｉＣ２２で形成したため、材料ガスによって上部サセプタ２１の表面でエピタキシャル成長が生じ、また、成長室２をＳｉＣ粒子が形成されないように構成しているため、ダウンフォール欠陥の発生を大幅に抑制したエピタキシャルウエハを作製することができる。また、基板ホルダ２４についても同様である。

なお、本実施の形態のように単結晶ＳｉＣ２２を構成しても、単結晶ＳｉＣ２２のサイズが十分に大きくない場合には、それらを機械的に加工して組み合わせる必要がある。その結果、単結晶ＳｉＣ２２間の僅かな隙間の石英部材等にＳｉＣ粒子が形成される可能性がある。従って、ＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置１内における乱流発生をできるだけ防止し、ＳｉＣ粒子がＳｉＣバルク基板３７に付着しないようにすることが重要である。

また、本実施の形態では、基板ホルダ２４に隣接して段差軽減部材２９を設置することにより、基板ホルダ２４のキャリアガスおよび材料ガスが流れる流路２０と接する面（基板ホルダ２４の流路２０に露出する面）と、段差軽減部材２９の流路２０と接する面（段差軽減部材２９の流路２０に露出する面）とが、ほぼ同一の平面（面一）上に存在するようにしている。従って、流路２０における機械的段差を軽減することができるため、成長室２内に導入されたガスの流れに乱流が発生することを抑制することができる。乱流が発生すると、ＳｉＣバルク基板３７上から離れたＳｉＣ粒子あるいはＳｉＣ塵が下流側に流されずに、再度ＳｉＣバルク基板３７上に付着することがある。乱流の発生を抑制することにより、ＳｉＣ塵の再付着を抑制することができるため、エピタキシャル成長後の欠陥密度が低いＳｉＣのエピタキシャルウエハを得ることができる。

また、上部サセプタ２１に隣接して段差軽減部材３０を設置したことにより、上部サセプタ２１の流路２０と接する面（上部サセプタ２１の流路に露出する面）と、段差軽減部材３０の流路２０と接する面（段差軽減部材３０の流路に露出する面）とが、ほぼ同一の平面（面一）上に存在するようにしている。従って、流路２０における機械的段差を軽減できるため、成長室２内に導入されたガスに乱流が発生することを抑制することができる。乱流の発生を抑制することにより、エピタキシャル成長後の欠陥密度がより低いＳｉＣのエピタキシャルウエハを得ることができる。

また、基板ホルダ２４上に複数の凹部３５が２次元面心格子状に並ぶように配置されており、基板ホルダ２４はガスの流れる方向とほぼ平行な平面上で複数のＳｉＣバルク基板３７を支持（載置）しているため、基板ホルダ２４上にＳｉＣバルク基板３７をより稠密に配置することができる。従って、基板ホルダ２４上で複数のＳｉＣバルク基板３７をより均一に加熱することができる。

また、基板ホルダ２４において、格子の一辺がガスの流れる方向とほぼ平行となる平面上に２次元面心格子状にＳｉＣバルク基板３７を配置することにより、ガスが流れる方向とほぼ平行な方向で隣接するＳｉＣバルク基板３７同士の距離を縮めることなく、基板ホルダ２４上にＳｉＣバルク基板３７をより稠密に配置することができる。ガスが流れる方向とほぼ平行な方向で隣接するＳｉＣバルク基板３７同士の距離が短いと、ＳｉＣバルク基板３７上から離れたＳｉＣ塵あるいはＳｉＣ粒子がガスの流れに乗って移動し、ガスが流れる方向とほぼ平行な方向で隣接する他のＳｉＣバルク基板３７上に再度付着することがある。しかし、本実施の形態では上述のようにすることにより、ＳｉＣバルク基板３７上から離れたＳｉＣ塵あるいはＳｉＣ粒子が、ガスが流れる方向とほぼ平行な方向で隣接する他のＳｉＣバルク基板３７上に再度付着することを抑制できる。

また、本実施の形態では、基板ホルダ２４の凹部３５が２次元面心格子状に並んで配置される場合について説明したが、エピタキシャル成長膜の膜厚およびドープ濃度の均一化を徹底するためには、基板ホルダ２４を図７に示すような円盤状の形状として、当該円盤の表面に凹部３５を加工して形成し、凹部３５にＳｉＣバルク基板３７を配置（載置）するようにしてもよい。また、少なくとも上記の円盤の中心を軸として回転可能なようにしてもよい。

また、本実施の形態では、図１に示すように、段差軽減部材２９を成長室２の内壁と接触するように設置しているが、必ずしも成長室２の内壁と接触して設置する必要はなく、基板ホルダ２４の流路２０と接する面と、段差軽減部材２９の流路２０と接する面とが、ほぼ同一の平面上に存在するように設置されていればよい。また、段差軽減部材３０についても同様に、上部サセプタ２１の流路２０と接する面と、段差軽減部材３０の流路２０と接する面とが、ほぼ同一の平面上に存在するように設置されていればよい。すなわち、段差軽減部材２９，３０の厚さや形状等は適宜設定すればよく、また、板状の部材である必要もない。

また、本実施の形態では、誘導加熱コイル２７，２８を成長室２の外面に設置したが、これに限るものではなく、成長室２の内部に設置してもよい。また、加熱装置として誘導加熱コイル２７，２８を用いたが、これに限るものではない。しかし、誘導加熱コイルは広い範囲を均一に加熱することが可能であるため、多くのＳｉＣバルク基板３７に対してエピタキシャル成長を行う場合は、誘導加熱コイルを用いることが好ましい。

また、本実施の形態では、導入ノズル３を成長室２の側面に接続したが、接続箇所は側面に限るものではなく、例えば、成長室２の上面や下面など他の箇所でもよい。また、排出ノズル４についても同様である。

また、導入ノズル３の個数は１個に限らず、複数個であってもよい。例えば、多数の微細なノズルを密集して設けることによって、ガスに乱流が発生することを抑制することができる。また、排出ノズル４についても同様である。

また、本実施の形態では、段差軽減部材２９，３０を成長室２内に設置することによって流路２０における機械的段差を軽減した。しかし、この段差軽減部材２９，３０を成長室２の内壁の一部として一体となるように形成してもよい。すなわち、成長室２の内壁と、基板ホルダ２４の流路２０と接する面と、上部サセプタ２１の流路２０と接する面とが、ほぼ同一の平面（面一）上となるように形成してもよい。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ＳｉＣエピタキシャルウエハ製造装置、２成長室、３導入ノズル、４排出ノズル、５材料ガス供給源、６キャリアガス供給源、７キャリアガス純化器、８ガス混合制御系、９排気ポンプ、１０ガス除害装置、２０流路、２１上部サセプタ、２２単結晶ＳｉＣ、２３下部サセプタ、２４基板ホルダ、２５，２６断熱材、２７，２８誘導加熱コイル、２９，３０段差軽減部材、３１取り出しドア、３２測温装置、３３取り出し用部材、３４単結晶ＳｉＣ、３５凹部、３６底面、３７ＳｉＣバルク基板。

Claims

＜０００１＞面に対して傾斜角が５度よりも小さい表面を有する炭化珪素バルク基板上に炭化珪素をエピタキシャル成長させて炭化珪素エピタキシャルウエハを作製するエピタキシャル成長装置であって、
前記エピタキシャル成長時に用いる材料ガスの流路と、
前記流路に面して設けられ、加熱領域を有する所定の部材と、
を備え、
前記部材の少なくとも前記流路に露出する部分は、前記炭化珪素バルク基板と同一のポリタイプを有する単結晶炭化珪素を含んで形成されることを特徴とする、エピタキシャル成長装置。
前記所定の部材は、前記炭化珪素バルク基板を載置する基板ホルダを含むことを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル成長装置。
前記所定の部材は、前記流路を挟んで前記炭化珪素バルク基板と対向する側に設けられたサセプタを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のエピタキシャル成長装置。
前記基板ホルダと、前記エピタキシャル成長装置の内壁との段差を軽減し、前記基板ホルダに対して前記流路の上流側および下流側に隣接して設けられた第１の段差軽減部材をさらに備え、
前記第１の段差軽減部材の表面と前記基板ホルダの表面とは面一であることを特徴とする、請求項２に記載のエピタキシャル成長装置。
前記サセプタと、前記エピタキシャル成長装置の内壁との段差を軽減し、前記サセプタに対して前記流路の上流側および下流側に隣接して設けられた第２の段差軽減部材をさらに備え、
前記第２の段差軽減部材の表面と前記サセプタの表面とは面一であることを特徴とする、請求項３に記載のエピタキシャル成長装置。
前記基板ホルダの前記炭化珪素バルク基板を載置する面は、梨地加工されていることを特徴とする、請求項２に記載のエピタキシャル成長装置。
前記炭化珪素バルク基板は、４Ｈ−ＳｉＣであることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載のエピタキシャル成長装置。
前記材料ガスは、シランガスおよびプロパンガスを含むことを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載のエピタキシャル成長装置。
請求項１ないし８のいずれかに記載のエピタキシャル成長装置を用いて炭化珪素エピタキシャルウエハを製造する方法であって、
（ａ）前記炭化珪素バルク基板を前記エピタキシャル成長装置内の前記所定の部材の位置に導入する工程と、
（ｂ）前記流路に前記材料ガスを供給し、前記炭化珪素バルク基板上に炭化珪素をエピタキシャル成長させる工程と、
を備える、炭化珪素エピタキシャルウエハ製造方法。