特開 2023-62502 半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023062502

(43)【公開日】2023-05-08

(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/36 20060101AFI20230426BHJP

   C30B 1/06 20060101ALI20230426BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20230426BHJP

   H01L 21/203 20060101ALI20230426BHJP

【ＦＩ】

C30B29/36 A

C30B1/06

H01L21/20

H01L21/203 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021172512

(22)【出願日】2021-10-21

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐沢 洋幸

(72)【発明者】

【氏名】加藤 智久

【テーマコード（参考）】

4G077

5F103

5F152

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077BE08

4G077CA05

4G077CA09

4G077ED04

4G077ED06

4G077EG16

4G077EG19

5F103AA01

5F103BB60

5F103DD17

5F103GG01

5F103HH03

5F103KK10

5F103NN01

5F103PP02

5F103RR08

5F152LL02

5F152LM04

5F152MM18

5F152NN05

5F152NN27

5F152NQ02

(57)【要約】

【課題】エピタキシャル膜を、低コストで形成する半導体装置の製造方法を実現する。
【解決手段】単結晶の半導体で主面となる第１面を有する種結晶１０３、および、種結晶１０３と同じ材料組成を持つ単結晶の半導体で主面となる第２面を有する原料結晶１０５、を準備し、第１面と第２面とを接触させて配置する工程と、その工程の後、種結晶１０３側よりも原料結晶１０５側の温度が高くなる温度勾配を設けて種結晶１０３および原料結晶１０５を加熱することで、原料結晶１０５が接する種結晶１０３の第１面の上に、エピタキシャル膜を形成する工程とを有する、半導体装置の製造方法を用いる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ａ）単結晶の半導体で主面となる第１面を有する種結晶、および、前記種結晶と同じ材料組成を持つ単結晶の半導体で主面となる第２面を有する原料結晶、を準備し、前記第１面と前記第２面とを接触させて配置する工程、
（ｂ）前記（ａ）工程の後、前記種結晶側よりも前記原料結晶側の温度が高くなる温度勾配を設けて前記種結晶および前記原料結晶を加熱することで、前記原料結晶が接する前記種結晶の前記第１面の上に、エピタキシャル膜を形成する工程、
を有する、半導体装置の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記種結晶の前記第１面の面積は、前記原料結晶の前記第２面の面積よりも大きく、
前記（ｂ）工程では、前記種結晶の前記第１面上で前記原料結晶の前記第２面と接触する領域に選択的に前記エピタキシャル膜を形成する、半導体装置の製造方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記原料結晶は、前記第２面に露出する第１ｐ型領域と第１ｎ型領域とを有し、前記エピタキシャル膜は、前記第１ｐ型領域と前記第１ｎ型領域とのそれぞれに対応する第２ｐ型領域および第２ｎ型領域とを有している、半導体装置の製造方法。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記種結晶および前記原料結晶は炭化珪素である、半導体装置の製造方法。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記種結晶の前記第１面および前記原料結晶の前記第２面は、鏡面加工されている、半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置の製造方法であって、特に単結晶の成長工程を有するものに関する。

【背景技術】

【0002】

現在ＳｉＣバルク単結晶の成長方法としては、昇華法（ＰＶＴ：Physical Vaper Transport）および溶液法などが知られており、商用的には昇華法が採用されている。一方、ＳｉＣ基板へのエピタキシャル結晶成長法としては、シランまたは炭化水素などのガス原料を用いたＣＶＤ法が主流である。

【0003】

特許文献１には、ＳｉＣ基板へのエピタキシャル結晶成長法として超近接昇華成長法が記載されている。これは、種となる単結晶ＳｉＣ基板（例えば４Ｈ－ＳｉＣ）に対向させて、原料となる高純度ＳｉＣ焼結体からなる原料を近接又は密接させて配置（例えば０～０．６ｍｍ以下）し、１６００～２１００度に加熱して、種となる単結晶ＳｉＣ基板の表面にエピタキシャル成長で単結晶ＳｉＣ薄膜を成長する結晶成長方法である。

【0004】

特許文献２には、種結晶となるα－ＳｉＣ単結晶基板（６Ｈ－ＳｉＣまたは４Ｈ－ＳｉＣ）上に、９９％以上の高純度ＳｉＣ焼結体からなる原料をその一部の接触を含めて重ね合わせ配置した状態で、α－ＳｉＣ単結晶基板側が低温に保たれるような温度差を持たせて熱処理することが記載されている。この工程により、α－ＳｉＣ単結晶基板に接する焼結体部分を低温に保たれるα－ＳｉＣ単結晶基板上で再結晶させて、α－ＳｉＣ単結晶基板の結晶軸と同方位に配向された単結晶を一体に成長させる。

【0005】

非特許文献１には、種となる単結晶３Ｃ－ＳｉＣ基板に対向させて、原料となる単結晶または多結晶のＳｉＣウェハを０．５～１ｍｍの間隔で配置し、１６００～１８００度に加熱して、温度勾配が低い側の種となる単結晶３Ｃ－ＳｉＣ基板の表面にエピタキシャル成長で単結晶３Ｃ－ＳｉＣ薄膜を成長する結晶成長方法（Sublimation epitaxy）が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１６－３３９３９７号公報

【特許文献2】特開２０００－１３９９号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】F. La Via et al., Materials Science in Semiconductor Processing, 78, (2018), pp.57-68

【非特許文献2】Yuchen Shi et al., "A comparative study of high-quality C-face and Si-face 3C-SiC(111) grown on off-oriented 4H-SiC substrates"，J. Phys. D: Appl. Phys. 52, (2019), 345103

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

半導体結晶基板は様々な導電型／濃度の結晶が、基板上に３次元的に配置され構成されている。半導体装置の製造工程では、様々な結晶が層状に種基板全面に成長された基板を出発物として、所望の３次元的配置となるようリソグラフィー、エッチング、不純物拡散などのプロセスを用いてトップダウン的に形成することが考えられる。このように、多くの装置を使用して多段階プロセスにより半導体装置の製造を行う場合、製造コストが高いという問題がある。

【0009】

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

【0011】

一実施の形態である半導体装置の製造方法は、単結晶の半導体で主面となる第１面を有する種結晶、および、種結晶と同じ材料組成を持つ単結晶の半導体で主面となる第２面を有する原料結晶、を準備し、第１面と第２面とを接触させて配置する工程と、その工程の後、種結晶側よりも原料結晶側の温度が高くなる温度勾配を設けて種結晶および原料結晶を加熱することで、原料結晶が接する種結晶の第１面の上に、エピタキシャル膜を形成する工程と、を有するものである。

【発明の効果】

【0012】

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

【0013】

本発明によれば、半導体装置の製造コストを抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施の形態１である半導体装置の製造工程を示す概略図である。

【図2】図１に続く半導体装置の製造方法を示す概略図である。

【図3】表面が未処理の種結晶を用いて成長させたエピタキシャル膜のＸ線回折ロッキングカーブを示すグラフである。

【図4】表面がエッチング処理済みの種結晶を用いて成長させたエピタキシャル膜のＸ線回折ロッキングカーブを示すグラフである。

【図5】エピタキシャル膜の成長レートの温度依存性を示すグラフである。

【図6】本発明の実施の形態２である半導体装置の製造工程を示す斜視図である。

【図7】本発明の実施の形態２の変形例１である半導体装置の製造工程を示す概略図である。

【図8】本発明の実施の形態３である半導体装置の製造工程を示す概略図である。

【図9】本発明の実施の形態３である半導体装置の製造方法を説明する概略図である。

【図10】図９に続く半導体装置の製造方法を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。また、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図または斜視図などであってもハッチングを付す場合がある。さらに、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、断面図においてハッチングを省略する場合がある。

【0016】

（実施の形態１）
本発明者らは、昇華法とは異なるエピタキシャル成長法として、原料を表面平滑な単結晶とし、これを種結晶の表面に接触するように配置した状態で昇温することでエピタキシャル成長を行うエピタキシャル成長法を検討した。以下に説明する実施例により、発明者らは、当該エピタキシャル成長法を用いることで、欠陥の少ない結晶を成長させられることを見出した。本実施の形態は、２つの単結晶を接触させた後、両結晶面に温度差を持たせつつ昇温させることにより、低温側の接触面に高品質な単結晶をエピタキシャル成長させるものである。

【0017】

すなわち、本実施の形態の半導体装置の製造方法は、単結晶の半導体基板の１つの主面に、半導体基板と同じ材料組成を持つ単結晶の原料半導体の１つの面を接触させて配置する工程と、半導体基板側よりも原料半導体側の温度が高くなる温度勾配を設けて半導体基板および原料半導体を加熱することで、原料半導体が接する半導体基板の主面の上に、エピタキシャル膜を形成する工程、とを有するものである。

【0018】

＜実施例＞
以下に実施例について図を用いて説明する。図１は、本実施例においてエピタキシャル成長に用いる成膜装置である。

【0019】

図１に示すように、成長装置は、成長室１１０を有している。成長室１１０の周囲にはＲＦコイルによる原料加熱機構１０２が配置されている。図１では原料加熱機構１０２の上下断面のみを図示している。成長室１１０内には、断熱機構１１４と、断熱機構１１４の上面に接して配置された多結晶ＳｉＣサセプター１１３と、多結晶ＳｉＣサセプター１１３の上面に接して配置された原料結晶１０５と、原料結晶１０５を挟むように原料結晶１０５の横に配置された仕切り部材１０６とが配置されている。原料結晶１０５は、上側の主面と、当該主面の反対側の裏面とを有している。

【0020】

原料加熱機構１０２には、ＲＦコイルによる誘導加熱を用いたが、抵抗加熱または赤外線ランプ加熱などを用いてもよい。

【0021】

成長室１１０内には、ガス１０９を供給することが可能である。ガス１０９は、例えば、エピタキシャル膜の成長を促進する昇華促進ガス（例えばＨ_２（水素）またはＨＣｌ（塩酸））または冷却ガス（例えばＡｒ（アルゴン））などを含む。仕切り部材１０６は、ガス１０９に対して耐性を有し、原料結晶１０５から離間するように配置されている。また、成長室１１０は、内部の気体を外部に排気する排気機構１１１を備えている。

【0022】

原料結晶１０５上には、原料結晶１０５の主面（上面）に接するように、種結晶１０３を配置する。すなわち、成長室１１０内にて、４Ｈ－ＳｉＣの単結晶からなる原料結晶１０５と、４Ｈ－ＳｉＣの単結晶からなる種結晶１０３とを、それぞれのＳｉ極性面同士を対向させて接触させる。このように、原料結晶１０５と種結晶１０３とは、互いに同じ材料組成を持つ。以下では、原料結晶１０５と種結晶１０３との接触面を単に接触面と呼ぶ場合がある。

【0023】

なお、図１では原料結晶１０５よりも、種結晶１０３の接触面積が小さい態様を例示しているが、両者の面積関係に制限はない。実施の形態２等で後述するように原料結晶よりも、種結晶の接触面積が大きくてもよい。また、両者が同じ大きさであってもよく、例えば同じ大きさの市販の単結晶基板（ウェハ）を直接使用することでもできる。また原料結晶１０５はその形状等に応じて原料結晶基板、原料半導体、原料半導体基板または板状の結晶片などのように呼ぶこともできる。同様に種結晶１０３も、種結晶基板、種半導体、種半導体基板、被成長結晶、被成長基板または板状の結晶片などのように呼ぶこともできる。また原料結晶、種結晶に、単結晶ウェハの上にエピタキシャル層が形成されているエピタキシャルウェハを用いてもよい。

【0024】

エピタキシャル成長を行う工程では、まず、成長室１１０を減圧後、昇華促進ガスであるＨ₂（水素）を成長室１１０内に４０ＳＬＭの流量で導入し、成長室１１０内を２００ｍｂａｒの圧力に保った。次に、原料加熱機構１０２により、多結晶ＳｉＣサセプター１１３を、原料結晶１０５が１６００度となるよう加熱し、６０分間その状態を保持した。つまり、原料結晶１０５を構成する材料が昇華する温度で加熱を行う。このとき、多結晶ＳｉＣサセプター１１３により原料結晶１０５が過熱されるが、それよりも高い温度で種結晶１０３を過熱する機構は存在しないため、温度勾配により、種結晶１０３は原料結晶１０５よりも低温となる。

【0025】

これにより、図２に示すように、原料結晶１０５と種結晶１０３との間に、４μｍの厚さを有するＳｉＣ単結晶であるエピタキシャル膜１１２をエピタキシャル成長した。エピタキシャル膜１１２は種結晶１０３の表面（接触面）上に成長したものであり、種結晶１０３に対し固定されている。これに対し、エピタキシャル膜１１２は原料結晶１０５の主面から容易に離すことができる。

【0026】

具体的な結晶成長の実験は、以下の表１に示す結晶成長１～３の３通りの条件で行った。

【0027】

【表1】

【0028】

ここで、原料結晶１０５は、（０００１）面（Ｓｉ面）から４°オフした面に主面を持つ市販の４Ｈ－炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶ウェハ（厚さ約４００μｍ）から切りだした板状の結晶片を用いた。また、種結晶１０３は、（０００１）面（Ｓｉ面）から０．０７°または１．０°オフした面に主面を持つ市販の４Ｈ－炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶ウェハ（厚さ約４００μｍ）から切り出した板状の結晶片を用いた。原料結晶１０５および種結晶１０３の主面は鏡面加工されており、その表面粗さは、ＲＭＳ粗度で０．０１～２ｎｍ程度である。結晶成長中は原料結晶１０５および種結晶１０３のそれぞれの鏡面加工された主面同士を対向させて接触させた。原料結晶１０５は導電型をｎ型とするための窒素不純物を１×１０^１９ｃｍ^－３程度の濃度で含み、種結晶１０３は窒素を含まない半絶縁（ＳＩ）型である。ここで原料結晶１０５のオフ角は４°を用いたがこれには限定されず、０°～１０°あるいはこれを超えるオフ角であってもよい。

【0029】

＜結晶成長１＞
種結晶１０３のオフ角が０．０７°のものを使用した場合、成長したエピタキシャル膜１１２の結晶の多型は３Ｃだった。ここで、図３に、本実施例で形成するエピタキシャル膜１１２のＸ線回折ロッキングカーブのグラフを示す。当該グラフの縦軸は、基板の最表面をＸ線回折法により結晶性を評価するために用いられる検出器で検出したＸ線のカウント数、つまり強度を示す。また、当該グラフの横軸は、結晶の軸の揺らぎの角度を示す。なお、ここでは、エピタキシャル成長の前に種結晶１０３に対しエッチング処理などを行っていない。図３に示すように、（１１１）からのＸ線回折ロッキングカーブの半値幅ａは１５ｓ（秒）だった。これは、バルク単結晶を成長するための昇華法単結晶成長装置で４Ｈ－ＳｉＣ基板の表面に３Ｃ－ＳｉＣエピタキシャル膜を成長した場合に得られる一般的な値である７０～１４０ｓ（非特許文献２参照）と比べてとても低い数値であり、本実施例により成長した結晶の欠陥が少ないことを示すものである。

【0030】

ここで、回転選択性の評価をすると、回転選択性の比は１：１であり回転選択性が観察されず、３Ｃ－ＳｉＣで発生し易いと言われている双晶が顕著に発生していることが分かった。回転選択性の評価は、Ｘ線回折法におけるファイスキャンのピーク強度比から見積もる。回折面は３Ｃ－ＳｉＣ結晶の（１１３）面である。この面は平面内で３回回転対称であり、この面のファイスキャンを行うと１２０度間隔に３本の回折ピークが現れる。双晶は２つの３Ｃ－ＳｉＣ結晶が面内で６０度回転して成長したものであるため、双晶が存在すると６０度間隔に６本のピークが現れる。１セットの１２０度間隔の３本のシグナルカウント合計ともう１セットの３本のカウント合計との比をもって回転選択性とする。比が１の場合は回転選択性なし、有意に１ではないと判断される場合選択性あり、である。回転選択性なしということは、双晶が顕著に発生していることを意味する。

【0031】

また、エピタキシャル膜１１２は３Ｃ－ＳｉＣに窒素がドーピングされた際に特徴的な黄色をしていた。

【0032】

＜結晶成長２＞
結晶成長２においても成長したエピタキシャル膜１１２の結晶の多型は３Ｃだった。結晶成長２における成長前の種結晶１０３の成長面へのエッチング処理は、プロパンガス１ｓｃｃｍと水素ガス４０ＳＬＭとの混合ガスを１５分間流すことにより行った。図４に結晶成長２の、エピタキシャル膜１１２のＸ線回折ロッキングカーブのグラフを示す。図４に示すように、（１１１）からのＸ線回折ロッキングカーブの半値幅ｂは２６ｓだった。こちらも、昇華法でエピタキシャル膜を成長した場合に得られる一般的な値である７０～１４０ｓ（非特許文献２）と比べてとても低い数値であり、本実施例により成長した結晶の欠陥が少ないことを示すものである。

【0033】

さらに双晶の発生を確認するためＸ線回析法によるファイスキャン測定をしたところ、回転選択性は１０：１になっており、双晶の発生を抑えられている。すなわち、種結晶１０３に対しエッチング処理を行うことで、双晶の発生を抑え、高品質なエピタキシャル膜を成膜することができる。

【0034】

なお、ここでいう双晶とは、３Ｃ－ＳｉＣに顕著な現象であり、面内で６０度回転した２つの方位の結晶が接触して混在することを意味する。別の表現をすれば、ＡＢＣＡＢＣ・・・とＡＣＢＡＣＢ・・・の積層体とが接触して混在することを意味する。それらの２つの結晶の境界では、結晶欠陥が形成され易い。したがって、双晶の発生を抑えることで、結晶欠陥の少ない高品質なエピタキシャル膜を成膜することができる。

【0035】

また、結晶成長２でもエピタキシャル膜１１２は、３Ｃ－ＳｉＣに窒素がドーピングされた際に特徴的な黄色をしていた。

【0036】

＜結晶成長３＞
また、オフ角が１．０°の種結晶１０３を使用した場合、成長したエピタキシャル膜１１２の結晶の膜厚はオフ角が０．０７°の場合と同じく４μｍだったが、当該結晶の多型は４Ｈだった。ここで結晶成長１および２で見られたような双晶の発生は観察されなかった。これはエピタキシャル膜１１２の多型が４Ｈであるためで、一般に４Ｈでは３Ｃに見られるような双晶の発生は起こらないためである。エピタキシャル膜１１２は４Ｈ－ＳｉＣに窒素がドーピングされた際に特徴的な緑色をしていた。

【0037】

以上の結晶成長１～３の結果から以下のような知見が得られた。

【0038】

すなわち、種結晶１０３のオフ角を変えることにより、成長するエピタキシャル膜の多型を制御できる。つまり、４Ｈ－ＳｉＣからなる種結晶１０３上に、４Ｈ－ＳｉＣからなるエピタキシャル膜１１２を成長させるホモエピタキシャル成長を行うことができ、３Ｃ－ＳｉＣまたは６Ｈ－ＳｉＣなどからなるエピタキシャル膜１１２を成長させるヘテロエピタキシャル成長を行うこともできる。種結晶のオフ角を０～０．３度にすると３Ｃ－ＳｉＣの選択性が高まり、その角度以上では４Ｈ－ＳｉＣの選択性が高まる．
一般的に、３Ｃ結晶はノンドープの場合は無色透明でＮ（窒素）をドープすると黄色になり、４Ｈ結晶はノンドープの場合には無色透明でＮ（窒素）をドープすると緑色になることが知られている。今回成長したものは３Ｃ結晶が黄色、４Ｈ結晶が緑色だったため、それぞれＮ（窒素）がドープされていることが確認できた。これは、原料結晶１０５に含まれる窒素がエピタキシャル膜中に取り込まれたことを示す。すなわち、原料結晶１０５のドーパント濃度を変えることにより、エピタキシャル膜の導電型および不純物濃度を制御できる。言い換えれば、成長するエピタキシャル膜１１２の導電型および不純物濃度は、原料結晶の導電型および不純物濃度から転写された状態となる。

【0039】

図５に、エピタキシャル膜の成長レートと温度との関係をグラフに示す。図５の縦軸は、エピタキシャル膜の成長レートであり、横軸は原料結晶の温度Ｔｇ（具体的には、原料結晶を搭載したサセプターの表面温度）である。その他の成長条件は前述した結晶成長１と同じである。図５に示すように、原料結晶の温度が高いほど、成長レートは大きくなる。したがって、エピタキシャル膜の成長レートは、温度により制御可能である。

【0040】

本発明者らは、本実施例において、エピタキシャル成長は、図１に示す種結晶１０３と原料結晶１０５との接触面の種結晶１０３側だけで起こったことを確認した。結晶成長１と同じ条件で、種結晶１０３と原料結晶１０５とを対向させたまま、上下を反転させ前述と同じ操作を行ったところ、原料結晶１０５の接触面だけに４Ｈ－ＳｉＣの成長が起こった。つまり、図１の種結晶１０３と原料結晶１０５との相互の位置を換えたところ、種結晶１０３に比べて誘導加熱される多結晶ＳｉＣサセプター１１３側から遠い位置に配置された原料結晶１０５の表面においてエピタキシャル膜が成長した。このことから、エピタキシャル成長は２つの基板同士の接触面のうち低温側の面で起こることが分かる。図１に示す構造では、多結晶ＳｉＣサセプター１１３、断熱機構１１４、ガス１０９の位置関係から、多結晶ＳｉＣサセプター１１３側の原料結晶１０５の温度が種結晶１０３よりも常に高いため、エピタキシャル膜１１２は種結晶１０３の表面に成長した。

【0041】

＜本実施の形態の効果＞
非特許文献２のバルク単結晶のための昇華法で４Ｈ－ＳｉＣ基板表面に成長した３Ｃ－ＳｉＣに比べＸ線回折ロッキングカーブの半値幅を減少させることができた。すなわち、原料の結晶表面と種結晶の表面とを接触させた状態で昇温することで３Ｃ－ＳｉＣエピタキシャル成長を行えば、欠陥の少ない高品質な結晶（エピタキシャル膜）を形成できる。つまり、半導体装置の性能を向上できる。

【0042】

３Ｃ－ＳｉＣエピタキシャル膜の成長においては、種結晶の成長面の前処理（エッチング処理）をして上述の結晶成長法を採用することで、双晶の発生度を抑制することができる。

【0043】

本実施の形態において、エピタキシャル成長は、２つの結晶同士の接触する領域のみで起こる。このため、接触部位を選択することにより、エピタキシャル結晶を部分的かつ位置を選択して成長させることができる。このことについては、実施の形態２において図６を用いて後述する。

【0044】

また、種結晶の成長面のオフ角を制御することにより、エピタキシャル結晶の多型を制御することができる。

【0045】

さらに、高温側の結晶が含む不純物は、エピタキシャル結晶に接触面を介して取り込まれる。そのため、導電型、不純物濃度、多型の異なる様々なエピタキシャル結晶を３次元的に成長し配置することができる。したがって、昇華法を用いてエピタキシャル成長を行い、かつ、成膜とパターニングを繰り返して半導体層からなる３次元的なパターンを形成する場合に比べ、少ないプロセスで低コストに半導体装置を製造できる。

【0046】

（実施の形態２）
本実施の形態において、エピタキシャル成長は、２つの結晶同士の接触する領域のみで起こる。このため、図６に示すように、接触部位を選択することにより、エピタキシャル結晶を部分的かつ位置を選択して成長させることができる。本発明者らは、この実施の形態の概念を「エピスタンプ」と命名した。すなわち、種結晶主面の任意の場所にスタンプを押すように原料結晶の材料を転写することができる。図６には、図１と異なり種結晶３ａを下側に配置し、その上方から原料結晶５ｐまたは５ｎを種結晶３ａの主面に接触させた状態でエピタキシャル成長を行った場合における、製造工程中の半導体装置の斜視図を示す。ここで行うエピタキシャル成長工程では、上側の原料結晶５ｐ、５ｎを、下側の種結晶３ａよりも高い温度に加熱してエピタキシャル膜１２ｐ、１２ｎを形成する。

【0047】

原料結晶５ｐはｐ型の導電型を有し、支持体１７ｐの下面に保持されている。支持体１７ｎ、１７ｐは、後述する実施の形態３でも説明するように、それぞれ種結晶３ａの主面のＸ－Ｙ平面に対して移動でき、さらに接近と離間を垂直方向（Ｚ方向）で可能とする図示されない移動機構（アクチュエータ）に接続されている。原料結晶５ｎはｎ型の導電型を有し、支持体１７ｎの下面に保持されている。種結晶３ａの主面の面積は、原料結晶５ｐ、５ｎのそれぞれの下面の面積よりも大きい。支持体１７ｐまたは１７ｎを移動させることで、種結晶３ａの主面の所望の位置に所望の導電型および所望の不純物濃度を有するエピタキシャル膜１２ｐまたは１２ｎを形成可能である。エピタキシャル膜１２ｐ、１２ｎは、平面視において、互いに隣接させて形成することも、互いに重ねて形成することも可能である。すなわち、種結晶３ａの主面のうち、原料結晶５ｐまたは５ｎの下面と接する領域上に選択的にエピタキシャル膜１２ｐまたは１２ｎを形成できる。

【0048】

＜変形例１＞
以下のようにして、原料基板の表面の溝構造を、種結晶に転写することも可能である。

【0049】

すなわち、図７に示すように、半導体ウェハである種結晶３ｂと、種結晶３ｂと同じ直径を有する半導体ウェハである原料基板５ｂとを用意し、原料基板５ｂの主面全面に、当該主面に沿う第１方向に複数並ぶ溝を有する溝構造を形成する。その後、種結晶３ｂの主面に原料基板５ｂの主面を接触させた状態で、上述したエピタキシャル成長工程を行うことにより、種結晶３ｂの主面上に当該溝構造を転写できる。つまり、種結晶３ｂの主面上に、当該主面に沿う第１方向に延在するエピタキシャル膜１２ｂを、平面視で第１方向に直交する第２方向に複数並ぶ構造を形成できる。

【0050】

（実施の形態３）
以下では、図１および図２を用いて説明した工程とは異なり、種結晶を下側に配置し、その上方から原料結晶を種結晶の主面に接触させた状態でエピタキシャル成長を行う場合について説明する。また、ここでは、種結晶の主面に沿う方向においてｎ型層とｐ型層とが繰り返し配置された構造を有する原料結晶を用いる場合について説明する。

【0051】

本実施の形態の半導体装置の製造方法は、原料半導体は、その１つの面に露出するｐ型領域とｎ型領域とを有し、製造されるエピタキシャル膜は、それらの第１ｐ型領域および第１ｎ型領域に対応する第２ｐ型領域および第２ｎ型領域を有するものである。つまり、第２ｐ型領域および第２ｎ型領域が、その配置、平面視における形状、導電型および不純物濃度が、第１ｐ型領域および第１ｎ型領域のそれぞれに対応するものである。

【0052】

本実施の形態は、基板の層方向にｐ型層とｎ型層を繰り返し形成した基板を垂直に切断し、そのｐ型層とｎ型層が露出した切断面を原料結晶の一つの面として利用するものである。

【0053】

ここでは、まず、図８に示すように、半導体基板ＳＢ上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて、ｎ型領域（ｎ型層）ＮＲ１とｐ型領域（ｐ型層）ＰＲ１とを交互に繰り返し積層する。ｎ型領域ＮＲ１およびｐ型領域ＰＲ１のそれぞれの膜厚は、例えば５μｍである。続いて、ｎ型領域ＮＲ１およびｐ型領域ＰＲ１からなる積層膜を切り出して当該積層膜の表面を研磨することで、当該積層膜からなる原料結晶（原料単結晶）５を用意する。つまり、原料結晶５は、ｐｎ繰り返し構造を有する。なお、ここではｎ型領域ＮＲ１およびｐ型領域ＰＲ１のそれぞれをＣＶＤ法により成膜することについて説明したが、ｎ型領域とｐ型領域とからなる繰り返しの積層構造は、イオン注入法により形成してもよい。上記のようにして用意した原料結晶５を用いて、以下に説明する成膜装置を用いてエピタキシャル成長を行う。

【0054】

図９に示すように、本実の形態の成膜装置は、図１の装置と同様に成長室１０、サセプター１３、加熱機構（種結晶加熱機構）１４および仕切り部材６を有している。ここでは、サセプター１３上に種結晶３を配置している。種結晶３は、主面と、当該主面の反対側の裏面とを有している。成長室１０は、成長雰囲気と内部の圧力とを所望の値に保つものである。サセプター１３は、耐熱性を有し、例えばＳｉＣ（炭化珪素）、ＴａＣ（炭化タンタル）またはグラファイトにより構成されている。加熱機構１４は、ＲＦ（Radio Frequency、コイル）または抵抗加熱機構である。仕切り部材６は、高温耐性を有し、下記の昇華促進ガス９に対し耐性を有する。

【0055】

また、成長室１０内において、種結晶３の主面の上方には、当該主面に沿う方向（横方向、水平方向）および当該主面に対して垂直な方向（縦方向）に移動可能な支持体１７が配置されている。支持体１７は、３軸位置決め機構１と、３軸位置決め機構１の下面に固定された断熱セパレーター１５と、断熱セパレーター１５の下面に固定された原料加熱機構２とを有している。支持体１７の下面には、図８で用意した原料結晶５を、原料加熱機構２の下面に接するように保持している。３軸位置決め機構１は、原料結晶５を種結晶３の主面の所望の位置に接触させるために、支持体１７を移動させる機構である。原料結晶５の下面は、上述した切り出しおよび研磨の工程により平坦化されている。

【0056】

成長室１０内には、必要に応じて、冷却・シールガス７、シールガス８および昇華促進ガス９を供給可能である。また、成長室１０内には、冷却ガス１６を供給可能である。冷却・シールガス７は、不活性なガスであり、例えばＮ_２（窒素）またはＡｒ（アルゴン）が用いられる。シールガス８は、原料加熱機構２を腐食しないものであり、例えばＡｒ（アルゴン）が用いられる。昇華促進ガス９は、原料結晶５をエッチングする、またはエピタキシャル膜１２（図９参照）の成長を促進するものであり、例えばＨ_２（水素）またはＨＣｌ（塩酸）が用いられる。冷却ガス１６には、例えばＡｒ（アルゴン）が用いられる。また、成長室１１０は、内部の気体を外部に排気する排気機構１１を備えている。

【0057】

本実の形態では、あらかじめ種結晶３の主面が一部露出する開口部を除いて種結晶被覆体４で覆われた基板を準備する。種結晶被覆体４は、原料結晶５と接触していない種結晶３の表面が水素によりエッチングされることを防ぐ役割を有する。したがって、種結晶被覆体４は、成長部分以外の表面保護が必要ない場合には設けなくてもよい。この基板は、まず、種結晶３の主面に例えばＳｉＮ（窒化シリコン）からなる種結晶被覆体４を形成する。続いて、種結晶被覆体４に、フォトリソグラフィー技術およびエッチングで深さ２０μｍの開口部を形成して種結晶３の主面の一部を露出させる。

【0058】

次に、当該開口部が形成された種結晶３を成長室１０内にセットする。成長室１０内では、当該開口を通じ、当該開口の底部で露出する種結晶３の主面に原料結晶５を接触させる。成長室１０を減圧後、昇華促進ガス９を導入し、成長室１０を２００ｍｂａｒの圧力に保つ。

【0059】

次に、原料加熱機構２により、原料結晶５の温度を１６００度になるよう加熱し、加熱機構１４により、種結晶３の温度を１５５０度の温度になるよう加熱し、８０分間その状態を保持する。つまり、ここでは、上側の原料結晶５を、下側の種結晶３よりも高い温度に加熱し、その状態を維持する。

【0060】

これにより、図１０に示すように、原料結晶５と接触していた種結晶３の面（接触面）には、原料結晶５が有するｐｎ繰り返し構造に対応するｐｎ繰り返し構造を有するエピタキシャル膜（エピタキシャル結晶）１２が、エピタキシャル成長する。エピタキシャル膜１２は、例えば５０μｍの厚さを有する。続いて、種結晶被覆体４をＨＦ（フッ化水素）水溶液にてエッチングして除去することで、主面上の一部分にｐｎ繰り返し結晶が配置された結晶基板（種結晶３）を得ることができる。

【0061】

すなわち、種結晶被覆体４の主面上に形成されたエピタキシャル膜１２は、種結晶被覆体４の主面に沿う方向において繰り返し並ぶｎ型領域ＮＲ２およびｐ型領域ＰＲ２を有している。このようにして形成したエピタキシャル膜１２のｐｎ繰り返し構造は、例えば、スーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）のｐカラムおよびｎカラムとして用いることができる。

【0062】

＜本実施の形態の効果＞
本実施の形態の半導体装置の製造方法を用いず、基板の主面方向に並ぶｐｎ繰り返し構造を形成する場合には、次のような工程を要する。すなわち、まず、基板上にｎ型のエピタキシャル膜をＣＶＤ法などを用いてエピタキシャル成長させる。次に、フォトリソグラフィー技術によりストライプ状のマスクパターンを形成した後、当該マスクパターンをイオン注入阻止用のマスクとして用いてｐ型の不純物イオンをエピタキシャル膜にイオン注入することで、複数並ぶｐカラムを形成する。次に、半導体層が所望の厚みとなるまで活性化アニールを複数回繰り返し行い、これにより所望のｐｎ繰り返し構造を作製する。

【0063】

または、基板上にｎ型のエピタキシャル膜をＣＶＤ法などを用いてエピタキシャル成長させる。次に、フォトリソグラフィー技術によりストライプ状のマスクパターンを形成した後、当該マスクパターンをエッチング防止用のマスクとして用いて、エピタキシャル膜にストライプ状に複数の溝を形成する。次に、エピタキシャル成長法により、それらの溝のそれぞれを埋め込むｐ型のエピタキシャル膜（ｐカラム）を形成する。これにより所望のｐｎ繰り返し構造を作製する。

【0064】

上記ように、複数種類の工程を行って、ｐｎ繰り返し構造を作製する場合、半導体装置の製造コストが高いという問題がある。

【0065】

これに対し、本実施の形態の半導体装置の製造方法では、ｐｎ繰り返し構造を持つ原料結晶５を用意し、これを種結晶３の主面に接触させて加熱を行うことで、所望のｐｎ繰り返し構造を所望の厚さで作製できる。したがって、少ないプロセスで低コストに半導体装置を製造できる。

【0066】

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【0067】

例えば、各部の材質、導電型、および製造条件などは前述した実施の形態の記載に限定されるものではなく、各々多くの変形が可能であることはいうまでもない。ここで、説明の都合上、半導体基板および半導体膜の導電型を固定して説明したが、前述した実施の形態に記載した導電型には限定されない。

【0068】

上記の実施の形態では、炭化珪素（ＳｉＣ）を種結晶および原料結晶の例として説明したが、昇華現象により結晶成長可能な結晶であれば適用できる。そのような材料の主なものは、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化ガリウムなどである。

【符号の説明】

【0069】

１ ３軸位置決め機構
２、１０２ 原料加熱機構
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、１０３ 種結晶
４ 種結晶被覆体
５、５ｎ、５ｐ、１０５ 原料結晶
５ｂ、５ｃ 原料基板
６、１０６ 仕切り部材
７ 冷却・シールガス
８ シールガス
９ 昇華促進ガス
１０、１１０ 成長室
１１、１１１ 排気機構
１２、１２ｂ、１２ｃ、１２ｎ、１２ｐ、１１２ エピタキシャル膜
１３ サセプター
１４ 加熱機構
１５ 断熱セパレーター
１６ 冷却ガス
１７、１７ｎ、１７ｐ 支持体
１０２ 原料加熱機構
１０９ ガス
１１３ 多結晶ＳｉＣサセプター
１１４ 断熱機構
ＮＲ１、ＮＲ２ ｎ型領域
ＰＲ１、ＰＲ２ ｐ型領域
ＳＢ 半導体基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】