炭化ケイ素単結晶基板
【課題】優れた特性の炭化ケイ素半導体素子を作製することが可能な、ステップテラス構造を持った炭化ケイ素単結晶基板を提供する。
【解決手段】炭化ケイ素単結晶の（０００１）面に対して傾いた主面を有する炭化ケイ素単結晶基板であって、前記主面はステップｓとテラスｔとのステップテラス構造を有し、前記ステップテラス構造における前記ステップｓの平均高さｈが０.２５ｎｍ以上３ｎｍ
以下であり、前記主面の（０００１）面に対する傾斜角をθとするとき、前記主面内のいずれかの場所において、前記ステップｓに沿う方向に対して垂直な方向に、前記ステップｓと前記テラスｔとが連続する１０対の前記ステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のうち９０％以上が、Ｗ０＝ｈ／ｔａｎθで求まる平均テラス幅Ｗ０との相対誤差が１０％以内にある。
【解決手段】炭化ケイ素単結晶の（０００１）面に対して傾いた主面を有する炭化ケイ素単結晶基板であって、前記主面はステップｓとテラスｔとのステップテラス構造を有し、前記ステップテラス構造における前記ステップｓの平均高さｈが０.２５ｎｍ以上３ｎｍ
以下であり、前記主面の（０００１）面に対する傾斜角をθとするとき、前記主面内のいずれかの場所において、前記ステップｓに沿う方向に対して垂直な方向に、前記ステップｓと前記テラスｔとが連続する１０対の前記ステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のうち９０％以上が、Ｗ０＝ｈ／ｔａｎθで求まる平均テラス幅Ｗ０との相対誤差が１０％以内にある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化ケイ素単結晶基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、耐熱性及び機械的強度に優れ、放射線にも強く、絶縁破壊電界強度が高いことに加え、広い禁制帯幅を有するという特徴を備えている。従って、ケイ素（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの既存の半導体材料では実現できない高温、高周波、耐電圧・耐環境性を実現することが可能であるとされ、次世代のパワーデバイス、高周波デバイス用半導体の材料として期待が高まっている。ＳｉＣは、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣや六方晶系の４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ等の多くのポリタイプ（多形）を有する。この中で、実用的な炭化ケイ素半導体素子を作製するために一般的に使用されているポリタイプは４Ｈ−ＳｉＣである。
【０００３】
４Ｈ−ＳｉＣでは、他の六方晶系のポリタイプ、例えば６Ｈ−ＳｉＣと比較して、［０００１］方向に対する電子の移動度が大きいので、（０００１）面を主面として用いると、縦方向への電流が流れ易い。そのため、４Ｈ−ＳｉＣは、特に縦型構造のパワーデバイスに広く使用されている。４Ｈ−ＳｉＣを用いたＳｉＣ半導体素子としては、例えば金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）などが挙げられる。
【０００４】
上述したようなＳｉＣ半導体素子は、一般的に、ｃ軸に対し垂直な（０００１）面にほぼ一致する面を主面とする４Ｈ−ＳｉＣ基板上にホモエピタキシャル成長して得られるＳｉＣエピタキシャル層上に作り込まれる。ＳｉＣエピタキシャル層は、ＳｉＣ半導体素子の活性領域として機能し、エピタキシャル層の厚さやキャリア濃度などにより素子特性が決まる。
【０００５】
傾きのないジャスト（０００１）面が露出している４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いてエピタキシャル成長を行うと、４Ｈ以外の積層構造の異なるポリタイプが混入し、低品質の結晶しか得られない。そこで、４Ｈ−ＳｉＣ基板を（０００１）面より数度だけ傾けて（この角度をオフ角度という）、ステップ密度を増大させた表面、すなわちステップテラス構造表面を有するオフアングル基板を用いて、４Ｈ−ＳｉＣ基板の表面上に積層構造の履歴を露出させ、この履歴を利用してステップフロー成長により良好な結晶品質のＳｉＣエピタキシャル層を形成することが考えられている。しかしながら、入手可能な市販の基板表面には明確なステップテラス構造は存在せず、ユーザーがエピタキシャル成長前にステップテラス構造を形成する処理を独自に行うことが試みられているのが現状である。
【０００６】
ここで、上述したステップフロー成長に際して、ＳｉＣエピタキシャル層の表面にステップバンチングが形成されるという問題がある。ステップバンチングとは次のような現象のことである。例えば、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面から［１１−２０］方向に８度程度傾けた下地基板表面上に成長したエピタキシャル層で、各原子層が横方向に成長していくため、各原子層の端にある成長ステップが、ある条件下において統合されて、表面の凹凸が激しくなる現象である。ステップバンチングは、絶縁破壊やリーク電流などを引き起こす要因となり、素子特性を低下させる。
【０００７】
ステップバンチングによる素子特性の低下を抑制するために、特許文献１あるいは特許文献２には、ＳｉＣエピタキシャル成長層の表面を、化学的あるいは機械的に研磨することによって、その表面粗さを低減する方法が開示されている。
【０００８】
一方、ＳｉＣ基板の表面を平滑化し、平滑化されたＳｉＣ基板表面にエピタキシャル層を成長させることによって、エピタキシャル層の表面荒れを抑制することも提案されている。例えば、特許文献３は、水素ガスとプロパンガスの混合ガスによるエッチングによりＳｉＣ基板表面を平滑化する方法を開示しており、特許文献４は、減圧下高温加熱によってＳｉＣ基板表面を改質する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１６６３２９号公報
【特許文献２】特開２００８−６８３９０号公報
【特許文献３】特許第４２３８３５７号公報
【特許文献４】特開２００８−１６６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１あるいは特許文献２の方法によると、エピタキシャル層の表面が平坦化されても、研磨によってエピタキシャル層の表面がダメージを受けたり、エピタキシャル層の表面に新たな凹凸が発生してステップテラス構造を破壊してしまうおそれがある。そのため、このようなエピタキシャル層を用いてＳｉＣ半導体素子を作製しても、所望の素子特性を得ることが困難である。
【００１１】
また、特許文献３に開示された方法では、基板表面を平滑化する作用がある一方で水素ガスによる基板表面の過度のエッチングが進行してしまうおそれがある。従って、オフ角度の小さいＳｉＣ基板を用いた場合、その表面に形成されたエピタキシャル層の表面粗さを十分に低減し、ステップテラス構造を実現することは困難である。特許文献４に開示された方法では、ＳｉとＣの吸着と脱着のバランスが充分に取れず、基板表面の凹凸を完全に取り除くことはできない。その結果、その表面に形成されたエピタキシャル層の表面粗さを十分に低減し、ステップテラス構造を実現することは困難である。
【００１２】
ところで、ステップバンチングは、オフ角度の付いたオフアングル基板表面におけるステップフロー成長が阻害されることで発生する。すなわち、テラス部分に吸着した反応種が核となり、二次元核を形成し成長することによりテラス方向成長が抑制され、またステップ付近に吸着した反応種はステップに取り込まれることにより全体としてステップフロー成長が阻害され、表面の凹凸が激しくなる。このことから基板表面のステップテラス構造のテラス部分が大きくなるに連れて、テラス上に反応種が吸着してステップフロー成長が阻害される可能性が高くなる。従って、より低いオフ角度を持つＳｉＣ基板や、基板表面のテラス幅が揃っていない、すなわち表面粗さが大きいＳｉＣ基板においてステップバンチングが発生し易い。
【００１３】
従って、オフ角度の小さいＳｉＣ基板或いはテラス幅の揃っていない表面粗さの大きいＳｉＣ基板を用いて、エピタキシャル層を形成して作製したＭＯＳＦＥＴやＳＢＤなどのＳｉＣ半導体素子では、ステップバンチングによる素子特性の低下がより重大な問題となる。
【００１４】
また、エピタキシャル層にステップバンチングが発生しておらず、平坦性の良いエピタキシャル基板を用いてＳｉＣ素子を作製した場合においても、ステップテラス構造の不揃い部分が存在すると、その部分が起点となり素子の低下を引き起こす。
【００１５】
本発明の目的は、優れた特性の炭化ケイ素半導体素子を作製することが可能な、ステッ
プテラス構造を持った炭化ケイ素単結晶基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１の態様は、炭化ケイ素単結晶の（０００１）面に対して傾いた主面を有する平滑化処理された炭化ケイ素単結晶基板であって、前記主面はステップとテラスとのステップテラス構造を有し、前記ステップテラス構造における前記ステップの平均高さｈが０.２５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、前記主面の（０００１）面に対する傾斜角をθとす
るとき、前記主面内のいずれかの場所において、前記ステップに沿う方向に対して垂直な方向に、前記ステップと前記テラスとが連続する１０対の前記ステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のうち９０％以上が、Ｗ０＝ｈ／ｔａｎθで求まる平均テラス幅Ｗ０との相対誤差が１０％以内にある炭化ケイ素単結晶基板である。
【００１７】
本発明の第２の態様は、第１の態様の炭化ケイ素単結晶基板が、炭化ケイ素単結晶からなる下地基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル膜を有するものであり、前記主面は、前記エピタキシャル膜の主面である。
【００１８】
本発明の第３の態様は、第１の態様の炭化ケイ素単結晶基板が、炭化ケイ素単結晶からなる下地基板からなるものであり、前記主面は、前記下地基板の主面である。
【００１９】
本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかの炭化ケイ素単結晶基板おいて、前記主面の（０００１）面に対する傾斜角θが０.１度以上５度以下であり、前記主面の
（０００１）面に対する傾斜方向が＜１１−２０＞方向である。
【００２０】
本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかの炭化ケイ素単結晶基板において、前記炭化ケイ素単結晶基板の結晶構造が、４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、優れた特性の炭化ケイ素半導体素子を作製することが可能な、所定のステップテラス構造を有する炭化ケイ素単結晶基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の炭化ケイ素単結晶基板になされる光触媒反応による平滑化加工の概念を説明するもので、処理液中で光触媒薄膜に生成させた活性種がＳｉＣ単結晶基板の表面に作用した状態を示す図である。
【図２】本発明の炭化ケイ素単結晶基板になされる光触媒反応による平滑化加工の概念を説明するもので、活性種が光触媒薄膜から一定の距離まで拡散しＳｉＣ単結晶基板の表面と作用している状態を示す図である。
【図３】本発明の炭化ケイ素単結晶基板になされる光触媒反応による平滑化加工の概念を説明するもので、活性種によってＳｉＣ単結晶基板の表面が平滑加工された状態を示す図である。
【図４】本発明の炭化ケイ素単結晶基板になされる平滑化加工の原理を説明するもので、光触媒反応の酸化・還元過程を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例に係る炭化ケイ素単結晶基板に対して平滑化を行った平滑化加工装置を示す概略構成図である。
【図６】本発明の実施例に係る炭化ケイ素単結晶基板の表面ステップ高さを評価測定した点を示す図である。
【図７】本発明の一実施例及び比較例の炭化ケイ素単結晶基板におけるステップテラス構造を概念的に示す図である。
【図８】本発明の一実施例及び比較例の炭化ケイ素単結晶基板を用いて作製したＳＢＤのＩ−Ｖ測定結果の一例を示す図である。
【図９】本発明の一実施例及び比較例の炭化ケイ素単結晶基板の基板表面のＡＦＭ像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明に係る炭化ケイ素単結晶基板の実施形態を説明する。
【００２４】
本発明の実施形態に係る炭化ケイ素単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶の（０００１）面に対して傾いた主面を有する平滑化処理された炭化ケイ素単結晶基板であって、前記主面はステップとテラスとのステップテラス構造を有し、前記ステップテラス構造における前記ステップの平均高さｈが０.２５ｎｍ以上３ｎｍ以下である。更に、前記主面の（００
０１）面に対する傾斜角（オフ角）をθとするとき、前記主面内のいずれかの場所において、前記ステップに沿う方向に対して垂直な方向に、前記ステップと前記テラスとが連続する１０対の前記ステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のうち９０％以上が、Ｗ０＝ｈ／ｔａｎθで求まる平均テラス幅Ｗ０との相対誤差が１０％以内にある、テラス幅（ステップの間隔）の揃ったステップテラス構造を有する。上記の平滑化処理には、後述する光触媒反応を用いた平滑化処理が好適である。
【００２５】
上記ステップ及びテラスにより規定されるステップテラス構造を有する炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶基板を用いると、当該ＳｉＣ単結晶基板上に、ステップバンチングによる表面荒れの少ないステップテラス構造を持った高品質なエピタキシャル膜を形成することができる。したがって、本実施形態のＳｉＣ単結晶基板を用いて作製されるＳｉＣ半導体素子は、優れた素子特性および高い信頼性を備える。
上記の０.２５ｎｍは炭化ケイ素（ＳｉＣ）の１分子層（シングルバイレイヤー）に相
当する。また、ステップの平均高さｈが３ｎｍ以下の炭化ケイ素単結晶基板とすることで、特性の優れた炭化ケイ素半導体素子を作製することができる。また、テラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のうち９０％以上が、平均テラス幅Ｗ０との相対誤差が１０％以内にあるというテラス幅のばらつき条件を満足することで、特性の優れた炭化ケイ素半導体素子を作製することができるばかりでなく、素子特性のばらつきの発生を抑えることができる。
【００２６】
上記ＳｉＣ単結晶基板には、バルクのＳｉＣ単結晶基板の主面（表面）が平滑化処理されたＳｉＣ単結晶基板のみならず、バルクのＳｉＣ単結晶基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル膜を有し、前記エピタキシャル膜の主面が平滑化処理されたＳｉＣ単結晶基板（エピタキシャル膜付きＳｉＣ単結晶基板）、および平滑化処理されたバルクのＳｉＣ単結晶基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル膜を有する炭化ケイ素単結晶基板（エピタキシャル膜付きＳｉＣ単結晶基板）も含まれる。
【００２７】
また、上記ＳｉＣ単結晶基板おいて、前記主面の（０００１）面に対する傾斜角θが０.１度以上５度以下であり、前記主面の（０００１）面に対する傾斜方向が＜１１−２０
＞方向であるのが好ましい。この場合、ステップテラス構造は、Ｓｉ面の（０００１）面からなるテラスと、Ｓｉ−Ｃの１分子層（シングルバイレイヤー）ないし複数分子層（多重バイレイヤー）の段差（高さ）を持つ｛１１−２０｝面からなるステップとが連続した構造となる。
本実施形態のＳｉＣ単結晶基板は、テラス幅の揃ったテップテラス構造を有するので、傾斜角θが０.１度以上５度以下のオフ角度の小さいＳｉＣ単結晶基板でも、ステップフ
ロー成長により、ステップバンチングの少ない平坦で高品質のエピタキシャル層を形成できる。従って、素子特性の優れたＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＳＢＤなどのＳｉＣ半導体素子が作製可能となる。
【００２８】
また、上記ＳｉＣ単結晶基板において、ＳｉＣ単結晶基板の結晶構造は、４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣであるのが好ましい。
【００２９】
テラス幅の揃ったテップテラス構造を有する表面平坦性に優れた本実施形態のＳｉＣ単結晶基板は、光触媒反応を用いた平滑化処理により実現することができる。次に、光触媒反応を用いた平滑化処理（平滑化加工）について説明する。
【００３０】
光触媒反応を用いた平滑化処理（平滑化加工）は、ラジカル捕捉剤が添加された処理水中で光触媒活性を有する薄膜をＳｉＣ単結晶基板の主面に対向配置し、前記薄膜に光を照射して前記薄膜上で酸化力を有する活性種を生成し、前記活性種と前記主面の原子とを化学反応させ、前記主面を溶出可能な化合物へと変化させて除去することにより、前記主面を平滑化する方法である。
すなわち、より具体的には、ラジカル捕捉剤が添加された処理水中で平滑な光触媒薄膜をＳｉＣ単結晶基板の主面に対向配置（接触あるいは極接近（近接）して配置）し、前記光触媒薄膜に紫外線を照射して前記光触媒薄膜上で酸化力を有する活性種（ヒドロキシルラジカル）を生成し、前記活性種により前記主面を酸化し、酸化により形成された酸化膜を処理溶液（フッ酸など）で除去して、ＳｉＣ単結晶基板の主面を平滑化する炭化ケイ素単結晶基板の製造方法である。
【００３１】
上記光触媒反応を用いた平滑化処理を更に具体的に説明する。
先ず、ＳｉＣ単結晶基板の主面に対する、光触媒反応を用いた平滑化加工について図１〜図３を用いて説明する。図１に示すように、水溶液１０中において、光触媒機能を有する平滑な表面を有する光触媒薄膜１と、ＳｉＣ単結晶基板２の主面（表面）２ａとを接触若しくは極接近した状態で対向配置する。この実施形態では、光触媒薄膜１は紫外線ＵＶを透過する材料からなる光触媒膜支持体（光触媒膜支持基板）６の表面に形成されており、光触媒膜支持体６の光触媒薄膜１が形成された面とは反対側の面から紫外線ＵＶが照射され、光触媒膜支持体６を透過した紫外線ＵＶが光触媒薄膜１に照射されるようになっている。光触媒薄膜１は光触媒機能を有する材料であれば良いが、化学的安定性、環境への影響、コストなどを考慮すると二酸化チタン（ＴｉＯ２）が望ましく、さらにＴｉＯ２の結晶構造がアナターゼであることが好ましいが、ルチルでも、あるいはそれら混晶であってもよい。
【００３２】
図１に示すように、水溶液１０中で光触媒薄膜１をＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａに接触、若しくは極接近させると、光触媒薄膜１の表面で紫外線ＵＶの照射により生成した活性種３とＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａの表面原子４とが反応して化合物５を生成する。ここで、極接近とは、およそ１０μｍ以下程度に近接させることであり、これは水溶液１０中に生成した活性種がＳｉＣ単結晶基板２の主面（被加工面）２ａに到達可能な距離の範囲以内ということになる。化合物５は、除去するために調製された処理溶液（フッ酸など）によりＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａから除去される。
【００３３】
このとき、水溶液１０中に活性種（ラジカル）３を補足するラジカル捕捉剤を添加する。水溶液１０中にラジカル捕捉剤の添加量を調整することにより、図２に示すように、光触媒薄膜１の表面から活性種３が拡散可能な距離ｄを制御でき、ＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａを所望の表面粗さにコントロールすることができる。これは、ＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａの凹凸が大きければ、活性種３が光触媒薄膜１から離れた主面２ａの凹部に到達するまでにラジカル捕捉剤により失活し、主面２ａの凹部が光触媒反応によって除去されなくなるためである。従って、光触媒薄膜１との距離が近いＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａ側（凸部側）から順次加工されていき、図３に示すように主面２ａの平滑化が進む。
【００３４】
ＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａが乱れていると、すなわちステップバンチングやキンクが存在していると、紫外線ＵＶの照射により生成した活性種３が、主面２ａの反応活性なそれらの位置へ優先的に吸着し、表面原子４と反応して化合物５を生成していく。このよ
うにして反応が進むにつれて、主面２ａのステップ面及びステップ間隔が一様に揃っていき、ステップテラス構造が形成されていく。
【００３５】
上記光触媒反応を用いた加工法によれば、機械的加工法や化学的加工法、或いは化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）などとは異なり、原理的に研磨痕及びダメージがなく、しかも原子レベルで基板表面を平滑化することが可能であり、この方法を用いた基板表面平滑化工程が入ることにより、エピタキシャル成長後におけるエピタキシャル薄膜表面にステップバンチングによる表面荒れの少ないステップテラス構造が形成されるのである。
【００３６】
更に、光触媒反応を用いた加工法を詳しく説明する。
まず、光触媒表面での活性種の生成についてＴｉＯ２を例にして説明する。ＴｉＯ２にバンドギャップエネルギー以上（４００ｎｍ以下）の光（紫外線ＵＶ）を照射すると、価電子帯に存在する電子（ｅ−）は伝導帯へと励起され、正孔（ｈ＋）および励起電子の対が生成する（図４参照）。
【００３７】
正孔（ｈ＋）は下記に示す反応に従い、水（Ｈ２Ｏ）の電離によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）から電子（ｅ−）を引き抜き、水酸ラジカル（ヒドロキシルラジカル：・ＯＨ）を生成する（図４参照）。
Ｈ２Ｏ → Ｈ＋ ＋ＯＨ−
ｈ＋ ＋ＯＨ− → ・ＯＨ
【００３８】
生成したヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）は非常に酸化力が強く、化学的に安定な材料であるＳｉＣとも反応するため、ＳｉＣ表面を加工することが可能となる。
【００３９】
一方、励起された電子（ｅ−）は、特別な酸化され易い物質（犠牲剤）が添加されていない限り、下記に示す反応に従い処理溶液中に溶解している酸素ガス（溶存酸素）に移動し酸素を還元する（図４参照）。
Ｏ２ ＋ｅ− → Ｏ２−
ここで、溶存酸素の代わりに処理水中に犠牲剤を添加し、反応効率を向上させることも可能である。
【００４０】
次に、ＳｉＣの加工に至る反応を説明する。光照射により生成した活性種（ヒドロキシルラジカル）は非常に酸化力が強く、化学的に安定な材料であるＳｉＣとも反応するため、その表面を加工することが可能である。ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）は下記の反応に従ってＳｉＣ表面を酸化すると推測される。
ＳｉＣ＋ ４・ＯＨ ＋ Ｏ２ → ＳｉＯ２ ＋ＣＯ２ ＋２Ｈ２Ｏ
ＳｉＣ表面の酸化反応後、引き続きフッ化水素酸でＳｉＣ基板表面を処理することにより下記の反応により酸化層が除去され、ヒドロキシラジカルにより酸化された部分が優先的に加工されていくものと推測する。
ＳｉＯ２ ＋６ＨＦ → Ｈ２ＳｉＦ６ ＋ ２Ｈ２Ｏ
【００４１】
上記光触媒反応を用いた基板表面平滑化工程を有するＳｉＣ単結晶基板及びＳｉＣエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造方法は、ＳｉＣ単結晶基板及びその基板上に形成したＳｉＣエピタキシャル膜表面の凹凸を効果的に減少させ、ステップテラス構造を持つＳｉＣ単結晶基板及びＳｉＣエピタキシャル膜付き単結晶基板を製造することができる。特に、ＳｉＣエピタキシャル膜表面のステップバンチングの減少に効果的であることから、エピタキシャル膜表面近傍の表面状態や結晶品質が重要なＭＯＳＦＥＴ、ＭＩＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ショットキーダイオード等のデバイス用途として有用である。
【実施例】
【００４２】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００４３】
（実施例１）
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を、図５に示す平滑化加工装置を用いて、４Ｈ−ＳｉＣ基板のＳｉ面の平滑化加工を行った。加工対象である４Ｈ−ＳｉＣ基板のＳｉ面表面は、機械的に鏡面研磨処理が施されていた。平滑化前のＳｉＣ基板の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、図７（ａ）のような不揃いのテラスｔとステップｓからなり、テラス幅の揃ったステップテラス構造は認められなかった。
【００４４】
平滑化加工装置は、図５に示すように、水溶液１０を収容する容器１１と、光触媒薄膜１が形成された光触媒膜支持体６と、光触媒薄膜１が形成された面とは反対側の面から光触媒膜支持体６を透過して光触媒薄膜１に紫外線ＵＶを照射する紫外線照射手段（図示せず）とを備えている。本実施例においては、光触媒薄膜１としてＴｉＯ２薄膜、光触媒膜支持体６として石英基板を用いた。ＴｉＯ２薄膜はＡｒガス１００％雰囲気下、プラズマ出力３００Ｗ、石英基板温度３００℃、全圧３Ｐａ、成膜時間２４分という条件でマグネトロンスパッタ法により作製した。ターゲットにはＴｉＯ２焼成体を使用した。水溶液１０には、溶存酸素量の高い水（Ｈ２Ｏ）を用い、ラジカル捕捉剤としてメタノールを１０ｖｏｌ％添加した。
【００４５】
水溶液１０中でＴｉＯ２薄膜１をＳｉＣ基板２の主面（表面）２ａに接触させ、ＴｉＯ２薄膜１に石英基板６側から紫外線（ＵＶ）を照射した。このとき、ＴｉＯ２薄膜１の表面では紫外線照射により水酸ラジカル（ヒドロキシラジカル）が生成し、生成した水酸ラジカルがＳｉＣ基板２の主面２ａのＳｉ原子及びＣ原子と反応し、ＳｉＯ２を形成する。反応後、２５％フッ化水素酸水溶液により、光触媒反応で形成されたＳｉＣ基板２の主面２ａのＳｉＯ２を除去した。この平滑化処理後のＳｉＣ基板２に対し、その中心及び中心から上下左右にそれぞれ２５ｍｍ離れた合計５点の位置の表面（図６参照）を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは０.
３１ｎｍ程度であった。また、平滑化処理後のＳｉＣ基板２の中心部における断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表１に示す通りであった。本実施例のオフ角４度のＳｉＣ基板２の平均テラス幅Ｗ０は、Ｗ０＝ｈ／ｔａｎθ＝０.３１／ｔａｎ４°＝４.４ｎｍであり、表１に示すように、測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のすべてが、平均テラス幅Ｗ０との相対誤差１０％以内にあった。平滑化処理後におけるＳｉＣ基板２の表面状態の概念図を図７（ｂ）に示す。図中、ｈ１、ｈ２はステップｓの高さである。
【００４６】
【表１】
【００４７】
前記平滑化処理工程により基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶基板を用いてＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）を作製し、その電気特性を調べるために、Ｉ−Ｖ測定を行った。ＳｉＣ基板の炭素面（裏面）にオーミック電極としてＮｉを真空蒸着し、接触抵抗を低減するために８００℃で熱処理を行った。ショットキー電極はＳｉ面（表面）にＴ
ｉを真空蒸着することにより作製した。このＳＢＤと比較するために、前記平滑化処理工程を行わず、ステップテラス構造を持たないＳｉＣ基板を用いて同様の手順でＳＢＤを作製し、Ｉ−Ｖ測定を行った。測定の結果、図８に示すように、前記平滑化処理を行ったＳｉＣ基板を用いて作製したＳＢＤにおけるリーク電流は、前記平滑化処理を経ないＳｉＣ基板を用いて作製したＳＢＤに比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高かった。このことから、前記平滑化処理により基板表面を平滑・改質したＳｉＣ基板を用いることで素子特性が向上することが確認された。
【００４８】
（実施例２）
次に、前記平滑化工程後のＳｉＣ基板上にエピタキシャル薄膜を形成し、エピタキシャル薄膜の表面の評価を行った。
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を実施例１と同様に平滑化し、エピタキシャル成長用下地基板とした。ＳｉＣ単結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル層を堆積できれば、液相でも気相でもその方法は特に問わないが、エピタキシャル成長させる方法としては化学気相成長（ＣＶＤ）法が好適である。ＣＶＤ法は、ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長において最も一般的な手法であり、成長速度も比較的大きく、エピタキシャル膜の制御性、再現性に優れた成長方法である。
【００４９】
前記基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶からなる下地基板をホットウォール型ＣＶＤ装置の反応炉内のサセプタに設置し、反応炉を３×１０−５Ｐａ以下の真空度になるまで減圧した。所定の真空度に達した後、ガス供給系よりキャリアガスとして水素を２０ｓｌｍの流量で供給して反応炉の圧力を１３.３ｋＰａとした。水素ガスの流量を維持した状
態で高周波誘導加熱装置を用いてサセプタの加熱を開始した。
【００５０】
サセプタが１４００℃に達したところで、水素気流中、この温度で５分間保持した。５分経過後、再びサセプタの温度を上げ、１５００℃に達したところで、この温度を保持し、Ｃの原料であるプロパンガスを２.４ｓｃｃｍの流量で反応炉に供給した。ついで、Ｓ
ｉの原料であるモノシランガス及びドーパント原料である窒素ガスをそれぞれ６.０ｓｃ
ｃｍ及び１.０ｓｃｃｍの流量で反応炉に供給し、Ｃ／Ｓｉ比を１.２とした。この状態で６０分保持することにより、約１０μｍの厚さのドリフト層（エピタキシャル層）を形成した。
【００５１】
ドリフト層を形成した後、モノシランガス及び窒素ガスの供給を止め、引き続いてプロパンガスの供給を止めた。ついで、高周波加熱も止め、水素気流中で冷却した。サセプタの温度が十分下がった後、水素の供給を止め、反応炉内を排気し、ドリフト層を有するＳｉＣ基板を取り出した。このときのエピタキシャル層の不純物濃度は５×１０１５ｃｍ−３であった。
【００５２】
取り出したＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板の表面には、ステップバンチングがほとんど存在していなかった。この基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは０.３８ｎｍ程度であった。この基板の中心部における断面を透過電子
顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表２に示す通りであり、オフ角４度の基板の平均テラス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝５.４ｎｍに対し、測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は９０％が相対誤差１０
％以内であった。
【００５３】
【表２】
【００５４】
前記平滑化処理により得られたＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるために、Ｉ−Ｖ測定を行った。測定の結果、実施例１と同様に前記平滑化処理を行った基板を用いたエピタキシャル薄膜上に作製したＳＢＤ素子におけるリーク電流は、前記平滑化処理を経ない基板を用いたエピタキシャル薄膜上に作製したＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高く、ばらつきも少なかった。このことから、前記平滑化処理工程により基板表面を平滑・改質した基板を下地基板として用いることで、表面が平滑化された高品質なエピタキシャル薄膜が得られること、また、そのエピタキシャル薄膜上に作製した素子では電気的特性が向上することが確認された。
【００５５】
（実施例３）
次に、前記平滑化処理を行わないＳｉＣ基板を用いて、実施例２と同様の手順でエピタキシャル薄膜を形成し、エピタキシャル薄膜の表面に前記平滑化処理を行い、平滑化処理後のエピタキシャル薄膜の表面を評価した。
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を平滑化しないまま、実施例２と同様にＣＶＤ装置に設置し、ＣＶＤ法によりエピタキシャル薄膜を形成した。取り出したＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板の表面には所々ステップバンチングが存在し、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により任意の５点を測定したところ、二乗平均粗さＲＭＳが０.５〜２.５ｎｍであった。このときのエピタキシャル膜の不純物濃度は５×１０１５ｃｍ−３であった。また、そのＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、図７（ａ）と同様な表面状態になっており、テラス幅の揃ったステップテラス構造は認められなかった。
【００５６】
次に、前記ＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板表面に、実施例１と同様の光触媒反応による平滑化処理工程を適用し、その表面の平滑・改質を行った。実施例３の平滑化処理においては、水溶液にラジカル捕捉剤としてメタノールを２０ｖｏｌ％添加した。表面平滑化処理後のＳｉＣエピタキシャル薄膜付き基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは０.３５ｎｍ程度であった。このＳｉＣエピタキシャル薄膜
付き基板の中心部における断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表３に示す通りであり、オフ角４度のＳｉＣエピタキシャル薄膜付き基板の平均テラス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝５.
０ｎｍに対し、測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は９０％が相対誤差１０％以内であった。
【００５７】
【表３】
【００５８】
前記平滑化処理工程により得られたＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後の基板を用いたＳＢＤ素子におけるリーク電流は、平滑化工程を経ない基板を用いたＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高かった。このことから、前記平滑化工程によりエピタキシャル薄膜表面を平滑・改質したＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板を用いることで、ＳｉＣ半導体素子の電気的特性が向上することが確認された。
【００５９】
（実施例４）
３インチの［１１−２０］方向に０.１度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を実施例
１と同様に平滑化処理を行った。なお、平滑化前の４Ｈ−ＳｉＣ基板の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、図７（ａ）と同様な表面状態になっており、テラス幅の揃ったステップテラス構造はなかった。
実施例４の平滑化処理においては、水溶液にラジカル捕捉剤としてメタノールを２０ｖｏｌ％添加した。平滑化処理後、このＳｉＣ基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは０.２９ｎｍ程度であった。また、基板の中心部における連続す
る１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表４に示す通りで、オフ角０.１度のＳｉＣ基板の平均テラス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝１６６ｎｍに対し、測定された
テラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は９０％が相対誤差１０％以内であった。図９に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により得られた、平滑化処理前後におけるＳｉＣ基板の表面状態のＡＦＭ像を示す。平滑化処理前のＳｉＣ基板の表面には、図９（ａ）に示すようにステップテラス構造が認められなかったが、平滑化処理後のＳｉＣ基板の表面には、図９（ｂ）に示すようにテラス幅が揃ったステップテラス構造が確認された。
【００６０】
【表４】
【００６１】
平滑化工程により基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後の基板を用いたＳＢＤ素子におけるリーク電流は、平滑化工程を経ない基板を用いたＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高かった。このことから、オフ角度が小さいＳｉＣ単結晶基板の場合においても、平滑化工程により基板表面を平滑
・改質したＳｉＣ基板を用いることで素子特性が向上することが確認された。
【００６２】
（実施例５）
次に、２インチの［１１−２０］方向に３.５度オフ角度の付いた６Ｈ−ＳｉＣ基板を
実施例１と同様に平滑化し、実施例２と同様の手順により、この基板をエピタキシャル成長用下地基板とし、この基板上にエピタキシャル薄膜を形成し、エピタキシャル薄膜の表面の評価を行った。なお、平滑化前のＳｉＣ基板の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、図７（ａ）と同様な表面状態になっており、テラス幅の揃ったステップテラス構造は認められなかった。
平滑化処理においては、水溶液にラジカル捕捉剤としてメタノールを１０ｖｏｌ％添加した。得られたエピタキシャル層の厚さは約１０μｍ、不純物濃度は５×１０１５ｃｍ−３であった。
【００６３】
得られたＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板の表面にはステップバンチングがほとんど存在していなかった。このＳｉＣエピタキシャル薄膜付き基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは０.３９ｎｍ程度であった。このＳｉＣエピ
タキシャル薄膜付き基板の中心部における断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表５に示す通りであり、オフ角３.５度のＳｉＣエピタキシャル薄膜付き基板の平均テラス幅Ｗ
０の値、Ｗ０＝６.４ｎｍに対して測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は９０％が相対誤差
１０％以内であった。
【００６４】
【表５】
【００６５】
前記平滑化工程により得られたＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後の基板を用いたエピタキシャル薄膜上に作製したＳＢＤ素子におけるリーク電流は、平滑化工程を経ない基板を用いたエピタキシャル薄膜上に作製したＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高かった。このことから、結晶構造が６Ｈ−ＳｉＣの場合においても、平滑化工程により基板表面を平滑・改質した基板を用いることで素子特性が向上することが確認された。
【００６６】
（実施例６）
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を実施例１と同様に平滑化処理を行った。このときラジカル補足剤としてメタノールを５ｖｏｌ％添加した。平滑化処理後、このＳｉＣ基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは１.５６ｎｍ程度であった。また、このＳｉＣ基板の中心部における断面を
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表６に示す通りであり、オフ角４度、ステップ平均高さｈ＝１.５６ｎｍであるＳｉＣ基板の平均テラス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝２２.３ｎｍに対し、
測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のすべてが相対誤差１０％以内であった。
【００６７】
【表６】
【００６８】
平滑化工程により基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後の基板を用いたＳＢＤ素子におけるリーク電流は、平滑化工程を経ない基板を用いたＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高いことが確認された。
【００６９】
（実施例７）
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を実施例１と同様に平滑化処理を行った。このときラジカル補足剤としてメタノールを１ｖｏｌ％添加した。平滑化処理後、このＳｉＣ基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは２.８７ｎｍ程度であった。また、このＳｉＣ基板の中心部における断面を
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表７に示す通りであり、オフ角４度、ステップ平均高さｈ＝２.８７ｎｍであるＳｉＣ基板の平均テラス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝４１.０ｎｍに対し、測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０の９０％が相対誤差１０％以内であった。
【００７０】
【表７】
【００７１】
平滑化工程により基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後の基板を用いたＳＢＤ素子におけるリーク電流は、平滑化工程を経ない基板を用いたＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高いことが確認された。
【００７２】
（比較例）
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を実施例１と同様に平滑化処理を行った。このときラジカル補足剤としてメタノールを１ｖｏｌ％添加し、平滑化処理時間を実施例１の１／２とした。平滑化処理後、このＳｉＣ基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは３.１６ｎｍ程度であった。また
、このＳｉＣ基板の中心部における断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したとこ
ろ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表８に示す通りであり、オフ角４度、ステップ平均高さｈ＝３.１６ｎｍであるＳｉＣ基板の平均テラ
ス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝４５.２ｎｍに対し、測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０の３０％が
相対誤差１０％以内であった。
【００７３】
【表８】
【００７４】
この比較例の平滑化工程によって基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後のＳｉＣ基板を用いたＳＢＤ素子ではリーク電流が大きく、また、逆方向電圧における耐圧にばらつきがあり、総体的に耐圧は低い傾向にあった。このことから、平滑化工程が十分ではなくステップテラス構造にばらつきがあると、素子特性の向上は小さいことが確認された。
【符号の説明】
【００７５】
１ 光触媒薄膜（ＴｉＯ２薄膜）
２ ＳｉＣ単結晶基板
３ 活性種
４ 表面原子
５ 化合物
６ 光触媒薄膜支持体（石英基板）
１０ 水溶液
ｓ ステップ
ｔ テラス
Ｗ１〜Ｗ１０ テラス幅
ＵＶ 紫外線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化ケイ素単結晶基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、耐熱性及び機械的強度に優れ、放射線にも強く、絶縁破壊電界強度が高いことに加え、広い禁制帯幅を有するという特徴を備えている。従って、ケイ素（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの既存の半導体材料では実現できない高温、高周波、耐電圧・耐環境性を実現することが可能であるとされ、次世代のパワーデバイス、高周波デバイス用半導体の材料として期待が高まっている。ＳｉＣは、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣや六方晶系の４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ等の多くのポリタイプ（多形）を有する。この中で、実用的な炭化ケイ素半導体素子を作製するために一般的に使用されているポリタイプは４Ｈ−ＳｉＣである。
【０００３】
４Ｈ−ＳｉＣでは、他の六方晶系のポリタイプ、例えば６Ｈ−ＳｉＣと比較して、［０００１］方向に対する電子の移動度が大きいので、（０００１）面を主面として用いると、縦方向への電流が流れ易い。そのため、４Ｈ−ＳｉＣは、特に縦型構造のパワーデバイスに広く使用されている。４Ｈ−ＳｉＣを用いたＳｉＣ半導体素子としては、例えば金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）などが挙げられる。
【０００４】
上述したようなＳｉＣ半導体素子は、一般的に、ｃ軸に対し垂直な（０００１）面にほぼ一致する面を主面とする４Ｈ−ＳｉＣ基板上にホモエピタキシャル成長して得られるＳｉＣエピタキシャル層上に作り込まれる。ＳｉＣエピタキシャル層は、ＳｉＣ半導体素子の活性領域として機能し、エピタキシャル層の厚さやキャリア濃度などにより素子特性が決まる。
【０００５】
傾きのないジャスト（０００１）面が露出している４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いてエピタキシャル成長を行うと、４Ｈ以外の積層構造の異なるポリタイプが混入し、低品質の結晶しか得られない。そこで、４Ｈ−ＳｉＣ基板を（０００１）面より数度だけ傾けて（この角度をオフ角度という）、ステップ密度を増大させた表面、すなわちステップテラス構造表面を有するオフアングル基板を用いて、４Ｈ−ＳｉＣ基板の表面上に積層構造の履歴を露出させ、この履歴を利用してステップフロー成長により良好な結晶品質のＳｉＣエピタキシャル層を形成することが考えられている。しかしながら、入手可能な市販の基板表面には明確なステップテラス構造は存在せず、ユーザーがエピタキシャル成長前にステップテラス構造を形成する処理を独自に行うことが試みられているのが現状である。
【０００６】
ここで、上述したステップフロー成長に際して、ＳｉＣエピタキシャル層の表面にステップバンチングが形成されるという問題がある。ステップバンチングとは次のような現象のことである。例えば、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面から［１１−２０］方向に８度程度傾けた下地基板表面上に成長したエピタキシャル層で、各原子層が横方向に成長していくため、各原子層の端にある成長ステップが、ある条件下において統合されて、表面の凹凸が激しくなる現象である。ステップバンチングは、絶縁破壊やリーク電流などを引き起こす要因となり、素子特性を低下させる。
【０００７】
ステップバンチングによる素子特性の低下を抑制するために、特許文献１あるいは特許文献２には、ＳｉＣエピタキシャル成長層の表面を、化学的あるいは機械的に研磨することによって、その表面粗さを低減する方法が開示されている。
【０００８】
一方、ＳｉＣ基板の表面を平滑化し、平滑化されたＳｉＣ基板表面にエピタキシャル層を成長させることによって、エピタキシャル層の表面荒れを抑制することも提案されている。例えば、特許文献３は、水素ガスとプロパンガスの混合ガスによるエッチングによりＳｉＣ基板表面を平滑化する方法を開示しており、特許文献４は、減圧下高温加熱によってＳｉＣ基板表面を改質する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１６６３２９号公報
【特許文献２】特開２００８−６８３９０号公報
【特許文献３】特許第４２３８３５７号公報
【特許文献４】特開２００８−１６６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１あるいは特許文献２の方法によると、エピタキシャル層の表面が平坦化されても、研磨によってエピタキシャル層の表面がダメージを受けたり、エピタキシャル層の表面に新たな凹凸が発生してステップテラス構造を破壊してしまうおそれがある。そのため、このようなエピタキシャル層を用いてＳｉＣ半導体素子を作製しても、所望の素子特性を得ることが困難である。
【００１１】
また、特許文献３に開示された方法では、基板表面を平滑化する作用がある一方で水素ガスによる基板表面の過度のエッチングが進行してしまうおそれがある。従って、オフ角度の小さいＳｉＣ基板を用いた場合、その表面に形成されたエピタキシャル層の表面粗さを十分に低減し、ステップテラス構造を実現することは困難である。特許文献４に開示された方法では、ＳｉとＣの吸着と脱着のバランスが充分に取れず、基板表面の凹凸を完全に取り除くことはできない。その結果、その表面に形成されたエピタキシャル層の表面粗さを十分に低減し、ステップテラス構造を実現することは困難である。
【００１２】
ところで、ステップバンチングは、オフ角度の付いたオフアングル基板表面におけるステップフロー成長が阻害されることで発生する。すなわち、テラス部分に吸着した反応種が核となり、二次元核を形成し成長することによりテラス方向成長が抑制され、またステップ付近に吸着した反応種はステップに取り込まれることにより全体としてステップフロー成長が阻害され、表面の凹凸が激しくなる。このことから基板表面のステップテラス構造のテラス部分が大きくなるに連れて、テラス上に反応種が吸着してステップフロー成長が阻害される可能性が高くなる。従って、より低いオフ角度を持つＳｉＣ基板や、基板表面のテラス幅が揃っていない、すなわち表面粗さが大きいＳｉＣ基板においてステップバンチングが発生し易い。
【００１３】
従って、オフ角度の小さいＳｉＣ基板或いはテラス幅の揃っていない表面粗さの大きいＳｉＣ基板を用いて、エピタキシャル層を形成して作製したＭＯＳＦＥＴやＳＢＤなどのＳｉＣ半導体素子では、ステップバンチングによる素子特性の低下がより重大な問題となる。
【００１４】
また、エピタキシャル層にステップバンチングが発生しておらず、平坦性の良いエピタキシャル基板を用いてＳｉＣ素子を作製した場合においても、ステップテラス構造の不揃い部分が存在すると、その部分が起点となり素子の低下を引き起こす。
【００１５】
本発明の目的は、優れた特性の炭化ケイ素半導体素子を作製することが可能な、ステッ
プテラス構造を持った炭化ケイ素単結晶基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１の態様は、炭化ケイ素単結晶の（０００１）面に対して傾いた主面を有する平滑化処理された炭化ケイ素単結晶基板であって、前記主面はステップとテラスとのステップテラス構造を有し、前記ステップテラス構造における前記ステップの平均高さｈが０.２５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、前記主面の（０００１）面に対する傾斜角をθとす
るとき、前記主面内のいずれかの場所において、前記ステップに沿う方向に対して垂直な方向に、前記ステップと前記テラスとが連続する１０対の前記ステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のうち９０％以上が、Ｗ０＝ｈ／ｔａｎθで求まる平均テラス幅Ｗ０との相対誤差が１０％以内にある炭化ケイ素単結晶基板である。
【００１７】
本発明の第２の態様は、第１の態様の炭化ケイ素単結晶基板が、炭化ケイ素単結晶からなる下地基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル膜を有するものであり、前記主面は、前記エピタキシャル膜の主面である。
【００１８】
本発明の第３の態様は、第１の態様の炭化ケイ素単結晶基板が、炭化ケイ素単結晶からなる下地基板からなるものであり、前記主面は、前記下地基板の主面である。
【００１９】
本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかの炭化ケイ素単結晶基板おいて、前記主面の（０００１）面に対する傾斜角θが０.１度以上５度以下であり、前記主面の
（０００１）面に対する傾斜方向が＜１１−２０＞方向である。
【００２０】
本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかの炭化ケイ素単結晶基板において、前記炭化ケイ素単結晶基板の結晶構造が、４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、優れた特性の炭化ケイ素半導体素子を作製することが可能な、所定のステップテラス構造を有する炭化ケイ素単結晶基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の炭化ケイ素単結晶基板になされる光触媒反応による平滑化加工の概念を説明するもので、処理液中で光触媒薄膜に生成させた活性種がＳｉＣ単結晶基板の表面に作用した状態を示す図である。
【図２】本発明の炭化ケイ素単結晶基板になされる光触媒反応による平滑化加工の概念を説明するもので、活性種が光触媒薄膜から一定の距離まで拡散しＳｉＣ単結晶基板の表面と作用している状態を示す図である。
【図３】本発明の炭化ケイ素単結晶基板になされる光触媒反応による平滑化加工の概念を説明するもので、活性種によってＳｉＣ単結晶基板の表面が平滑加工された状態を示す図である。
【図４】本発明の炭化ケイ素単結晶基板になされる平滑化加工の原理を説明するもので、光触媒反応の酸化・還元過程を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例に係る炭化ケイ素単結晶基板に対して平滑化を行った平滑化加工装置を示す概略構成図である。
【図６】本発明の実施例に係る炭化ケイ素単結晶基板の表面ステップ高さを評価測定した点を示す図である。
【図７】本発明の一実施例及び比較例の炭化ケイ素単結晶基板におけるステップテラス構造を概念的に示す図である。
【図８】本発明の一実施例及び比較例の炭化ケイ素単結晶基板を用いて作製したＳＢＤのＩ−Ｖ測定結果の一例を示す図である。
【図９】本発明の一実施例及び比較例の炭化ケイ素単結晶基板の基板表面のＡＦＭ像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明に係る炭化ケイ素単結晶基板の実施形態を説明する。
【００２４】
本発明の実施形態に係る炭化ケイ素単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶の（０００１）面に対して傾いた主面を有する平滑化処理された炭化ケイ素単結晶基板であって、前記主面はステップとテラスとのステップテラス構造を有し、前記ステップテラス構造における前記ステップの平均高さｈが０.２５ｎｍ以上３ｎｍ以下である。更に、前記主面の（００
０１）面に対する傾斜角（オフ角）をθとするとき、前記主面内のいずれかの場所において、前記ステップに沿う方向に対して垂直な方向に、前記ステップと前記テラスとが連続する１０対の前記ステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のうち９０％以上が、Ｗ０＝ｈ／ｔａｎθで求まる平均テラス幅Ｗ０との相対誤差が１０％以内にある、テラス幅（ステップの間隔）の揃ったステップテラス構造を有する。上記の平滑化処理には、後述する光触媒反応を用いた平滑化処理が好適である。
【００２５】
上記ステップ及びテラスにより規定されるステップテラス構造を有する炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶基板を用いると、当該ＳｉＣ単結晶基板上に、ステップバンチングによる表面荒れの少ないステップテラス構造を持った高品質なエピタキシャル膜を形成することができる。したがって、本実施形態のＳｉＣ単結晶基板を用いて作製されるＳｉＣ半導体素子は、優れた素子特性および高い信頼性を備える。
上記の０.２５ｎｍは炭化ケイ素（ＳｉＣ）の１分子層（シングルバイレイヤー）に相
当する。また、ステップの平均高さｈが３ｎｍ以下の炭化ケイ素単結晶基板とすることで、特性の優れた炭化ケイ素半導体素子を作製することができる。また、テラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のうち９０％以上が、平均テラス幅Ｗ０との相対誤差が１０％以内にあるというテラス幅のばらつき条件を満足することで、特性の優れた炭化ケイ素半導体素子を作製することができるばかりでなく、素子特性のばらつきの発生を抑えることができる。
【００２６】
上記ＳｉＣ単結晶基板には、バルクのＳｉＣ単結晶基板の主面（表面）が平滑化処理されたＳｉＣ単結晶基板のみならず、バルクのＳｉＣ単結晶基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル膜を有し、前記エピタキシャル膜の主面が平滑化処理されたＳｉＣ単結晶基板（エピタキシャル膜付きＳｉＣ単結晶基板）、および平滑化処理されたバルクのＳｉＣ単結晶基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル膜を有する炭化ケイ素単結晶基板（エピタキシャル膜付きＳｉＣ単結晶基板）も含まれる。
【００２７】
また、上記ＳｉＣ単結晶基板おいて、前記主面の（０００１）面に対する傾斜角θが０.１度以上５度以下であり、前記主面の（０００１）面に対する傾斜方向が＜１１−２０
＞方向であるのが好ましい。この場合、ステップテラス構造は、Ｓｉ面の（０００１）面からなるテラスと、Ｓｉ−Ｃの１分子層（シングルバイレイヤー）ないし複数分子層（多重バイレイヤー）の段差（高さ）を持つ｛１１−２０｝面からなるステップとが連続した構造となる。
本実施形態のＳｉＣ単結晶基板は、テラス幅の揃ったテップテラス構造を有するので、傾斜角θが０.１度以上５度以下のオフ角度の小さいＳｉＣ単結晶基板でも、ステップフ
ロー成長により、ステップバンチングの少ない平坦で高品質のエピタキシャル層を形成できる。従って、素子特性の優れたＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＳＢＤなどのＳｉＣ半導体素子が作製可能となる。
【００２８】
また、上記ＳｉＣ単結晶基板において、ＳｉＣ単結晶基板の結晶構造は、４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣであるのが好ましい。
【００２９】
テラス幅の揃ったテップテラス構造を有する表面平坦性に優れた本実施形態のＳｉＣ単結晶基板は、光触媒反応を用いた平滑化処理により実現することができる。次に、光触媒反応を用いた平滑化処理（平滑化加工）について説明する。
【００３０】
光触媒反応を用いた平滑化処理（平滑化加工）は、ラジカル捕捉剤が添加された処理水中で光触媒活性を有する薄膜をＳｉＣ単結晶基板の主面に対向配置し、前記薄膜に光を照射して前記薄膜上で酸化力を有する活性種を生成し、前記活性種と前記主面の原子とを化学反応させ、前記主面を溶出可能な化合物へと変化させて除去することにより、前記主面を平滑化する方法である。
すなわち、より具体的には、ラジカル捕捉剤が添加された処理水中で平滑な光触媒薄膜をＳｉＣ単結晶基板の主面に対向配置（接触あるいは極接近（近接）して配置）し、前記光触媒薄膜に紫外線を照射して前記光触媒薄膜上で酸化力を有する活性種（ヒドロキシルラジカル）を生成し、前記活性種により前記主面を酸化し、酸化により形成された酸化膜を処理溶液（フッ酸など）で除去して、ＳｉＣ単結晶基板の主面を平滑化する炭化ケイ素単結晶基板の製造方法である。
【００３１】
上記光触媒反応を用いた平滑化処理を更に具体的に説明する。
先ず、ＳｉＣ単結晶基板の主面に対する、光触媒反応を用いた平滑化加工について図１〜図３を用いて説明する。図１に示すように、水溶液１０中において、光触媒機能を有する平滑な表面を有する光触媒薄膜１と、ＳｉＣ単結晶基板２の主面（表面）２ａとを接触若しくは極接近した状態で対向配置する。この実施形態では、光触媒薄膜１は紫外線ＵＶを透過する材料からなる光触媒膜支持体（光触媒膜支持基板）６の表面に形成されており、光触媒膜支持体６の光触媒薄膜１が形成された面とは反対側の面から紫外線ＵＶが照射され、光触媒膜支持体６を透過した紫外線ＵＶが光触媒薄膜１に照射されるようになっている。光触媒薄膜１は光触媒機能を有する材料であれば良いが、化学的安定性、環境への影響、コストなどを考慮すると二酸化チタン（ＴｉＯ２）が望ましく、さらにＴｉＯ２の結晶構造がアナターゼであることが好ましいが、ルチルでも、あるいはそれら混晶であってもよい。
【００３２】
図１に示すように、水溶液１０中で光触媒薄膜１をＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａに接触、若しくは極接近させると、光触媒薄膜１の表面で紫外線ＵＶの照射により生成した活性種３とＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａの表面原子４とが反応して化合物５を生成する。ここで、極接近とは、およそ１０μｍ以下程度に近接させることであり、これは水溶液１０中に生成した活性種がＳｉＣ単結晶基板２の主面（被加工面）２ａに到達可能な距離の範囲以内ということになる。化合物５は、除去するために調製された処理溶液（フッ酸など）によりＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａから除去される。
【００３３】
このとき、水溶液１０中に活性種（ラジカル）３を補足するラジカル捕捉剤を添加する。水溶液１０中にラジカル捕捉剤の添加量を調整することにより、図２に示すように、光触媒薄膜１の表面から活性種３が拡散可能な距離ｄを制御でき、ＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａを所望の表面粗さにコントロールすることができる。これは、ＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａの凹凸が大きければ、活性種３が光触媒薄膜１から離れた主面２ａの凹部に到達するまでにラジカル捕捉剤により失活し、主面２ａの凹部が光触媒反応によって除去されなくなるためである。従って、光触媒薄膜１との距離が近いＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａ側（凸部側）から順次加工されていき、図３に示すように主面２ａの平滑化が進む。
【００３４】
ＳｉＣ単結晶基板２の主面２ａが乱れていると、すなわちステップバンチングやキンクが存在していると、紫外線ＵＶの照射により生成した活性種３が、主面２ａの反応活性なそれらの位置へ優先的に吸着し、表面原子４と反応して化合物５を生成していく。このよ
うにして反応が進むにつれて、主面２ａのステップ面及びステップ間隔が一様に揃っていき、ステップテラス構造が形成されていく。
【００３５】
上記光触媒反応を用いた加工法によれば、機械的加工法や化学的加工法、或いは化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）などとは異なり、原理的に研磨痕及びダメージがなく、しかも原子レベルで基板表面を平滑化することが可能であり、この方法を用いた基板表面平滑化工程が入ることにより、エピタキシャル成長後におけるエピタキシャル薄膜表面にステップバンチングによる表面荒れの少ないステップテラス構造が形成されるのである。
【００３６】
更に、光触媒反応を用いた加工法を詳しく説明する。
まず、光触媒表面での活性種の生成についてＴｉＯ２を例にして説明する。ＴｉＯ２にバンドギャップエネルギー以上（４００ｎｍ以下）の光（紫外線ＵＶ）を照射すると、価電子帯に存在する電子（ｅ−）は伝導帯へと励起され、正孔（ｈ＋）および励起電子の対が生成する（図４参照）。
【００３７】
正孔（ｈ＋）は下記に示す反応に従い、水（Ｈ２Ｏ）の電離によって生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）から電子（ｅ−）を引き抜き、水酸ラジカル（ヒドロキシルラジカル：・ＯＨ）を生成する（図４参照）。
Ｈ２Ｏ → Ｈ＋ ＋ＯＨ−
ｈ＋ ＋ＯＨ− → ・ＯＨ
【００３８】
生成したヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）は非常に酸化力が強く、化学的に安定な材料であるＳｉＣとも反応するため、ＳｉＣ表面を加工することが可能となる。
【００３９】
一方、励起された電子（ｅ−）は、特別な酸化され易い物質（犠牲剤）が添加されていない限り、下記に示す反応に従い処理溶液中に溶解している酸素ガス（溶存酸素）に移動し酸素を還元する（図４参照）。
Ｏ２ ＋ｅ− → Ｏ２−
ここで、溶存酸素の代わりに処理水中に犠牲剤を添加し、反応効率を向上させることも可能である。
【００４０】
次に、ＳｉＣの加工に至る反応を説明する。光照射により生成した活性種（ヒドロキシルラジカル）は非常に酸化力が強く、化学的に安定な材料であるＳｉＣとも反応するため、その表面を加工することが可能である。ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）は下記の反応に従ってＳｉＣ表面を酸化すると推測される。
ＳｉＣ＋ ４・ＯＨ ＋ Ｏ２ → ＳｉＯ２ ＋ＣＯ２ ＋２Ｈ２Ｏ
ＳｉＣ表面の酸化反応後、引き続きフッ化水素酸でＳｉＣ基板表面を処理することにより下記の反応により酸化層が除去され、ヒドロキシラジカルにより酸化された部分が優先的に加工されていくものと推測する。
ＳｉＯ２ ＋６ＨＦ → Ｈ２ＳｉＦ６ ＋ ２Ｈ２Ｏ
【００４１】
上記光触媒反応を用いた基板表面平滑化工程を有するＳｉＣ単結晶基板及びＳｉＣエピタキシャル膜付き単結晶基板の製造方法は、ＳｉＣ単結晶基板及びその基板上に形成したＳｉＣエピタキシャル膜表面の凹凸を効果的に減少させ、ステップテラス構造を持つＳｉＣ単結晶基板及びＳｉＣエピタキシャル膜付き単結晶基板を製造することができる。特に、ＳｉＣエピタキシャル膜表面のステップバンチングの減少に効果的であることから、エピタキシャル膜表面近傍の表面状態や結晶品質が重要なＭＯＳＦＥＴ、ＭＩＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ショットキーダイオード等のデバイス用途として有用である。
【実施例】
【００４２】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００４３】
（実施例１）
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を、図５に示す平滑化加工装置を用いて、４Ｈ−ＳｉＣ基板のＳｉ面の平滑化加工を行った。加工対象である４Ｈ−ＳｉＣ基板のＳｉ面表面は、機械的に鏡面研磨処理が施されていた。平滑化前のＳｉＣ基板の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、図７（ａ）のような不揃いのテラスｔとステップｓからなり、テラス幅の揃ったステップテラス構造は認められなかった。
【００４４】
平滑化加工装置は、図５に示すように、水溶液１０を収容する容器１１と、光触媒薄膜１が形成された光触媒膜支持体６と、光触媒薄膜１が形成された面とは反対側の面から光触媒膜支持体６を透過して光触媒薄膜１に紫外線ＵＶを照射する紫外線照射手段（図示せず）とを備えている。本実施例においては、光触媒薄膜１としてＴｉＯ２薄膜、光触媒膜支持体６として石英基板を用いた。ＴｉＯ２薄膜はＡｒガス１００％雰囲気下、プラズマ出力３００Ｗ、石英基板温度３００℃、全圧３Ｐａ、成膜時間２４分という条件でマグネトロンスパッタ法により作製した。ターゲットにはＴｉＯ２焼成体を使用した。水溶液１０には、溶存酸素量の高い水（Ｈ２Ｏ）を用い、ラジカル捕捉剤としてメタノールを１０ｖｏｌ％添加した。
【００４５】
水溶液１０中でＴｉＯ２薄膜１をＳｉＣ基板２の主面（表面）２ａに接触させ、ＴｉＯ２薄膜１に石英基板６側から紫外線（ＵＶ）を照射した。このとき、ＴｉＯ２薄膜１の表面では紫外線照射により水酸ラジカル（ヒドロキシラジカル）が生成し、生成した水酸ラジカルがＳｉＣ基板２の主面２ａのＳｉ原子及びＣ原子と反応し、ＳｉＯ２を形成する。反応後、２５％フッ化水素酸水溶液により、光触媒反応で形成されたＳｉＣ基板２の主面２ａのＳｉＯ２を除去した。この平滑化処理後のＳｉＣ基板２に対し、その中心及び中心から上下左右にそれぞれ２５ｍｍ離れた合計５点の位置の表面（図６参照）を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは０.
３１ｎｍ程度であった。また、平滑化処理後のＳｉＣ基板２の中心部における断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表１に示す通りであった。本実施例のオフ角４度のＳｉＣ基板２の平均テラス幅Ｗ０は、Ｗ０＝ｈ／ｔａｎθ＝０.３１／ｔａｎ４°＝４.４ｎｍであり、表１に示すように、測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のすべてが、平均テラス幅Ｗ０との相対誤差１０％以内にあった。平滑化処理後におけるＳｉＣ基板２の表面状態の概念図を図７（ｂ）に示す。図中、ｈ１、ｈ２はステップｓの高さである。
【００４６】
【表１】
【００４７】
前記平滑化処理工程により基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶基板を用いてＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）を作製し、その電気特性を調べるために、Ｉ−Ｖ測定を行った。ＳｉＣ基板の炭素面（裏面）にオーミック電極としてＮｉを真空蒸着し、接触抵抗を低減するために８００℃で熱処理を行った。ショットキー電極はＳｉ面（表面）にＴ
ｉを真空蒸着することにより作製した。このＳＢＤと比較するために、前記平滑化処理工程を行わず、ステップテラス構造を持たないＳｉＣ基板を用いて同様の手順でＳＢＤを作製し、Ｉ−Ｖ測定を行った。測定の結果、図８に示すように、前記平滑化処理を行ったＳｉＣ基板を用いて作製したＳＢＤにおけるリーク電流は、前記平滑化処理を経ないＳｉＣ基板を用いて作製したＳＢＤに比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高かった。このことから、前記平滑化処理により基板表面を平滑・改質したＳｉＣ基板を用いることで素子特性が向上することが確認された。
【００４８】
（実施例２）
次に、前記平滑化工程後のＳｉＣ基板上にエピタキシャル薄膜を形成し、エピタキシャル薄膜の表面の評価を行った。
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を実施例１と同様に平滑化し、エピタキシャル成長用下地基板とした。ＳｉＣ単結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル層を堆積できれば、液相でも気相でもその方法は特に問わないが、エピタキシャル成長させる方法としては化学気相成長（ＣＶＤ）法が好適である。ＣＶＤ法は、ＳｉＣ単結晶エピタキシャル成長において最も一般的な手法であり、成長速度も比較的大きく、エピタキシャル膜の制御性、再現性に優れた成長方法である。
【００４９】
前記基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶からなる下地基板をホットウォール型ＣＶＤ装置の反応炉内のサセプタに設置し、反応炉を３×１０−５Ｐａ以下の真空度になるまで減圧した。所定の真空度に達した後、ガス供給系よりキャリアガスとして水素を２０ｓｌｍの流量で供給して反応炉の圧力を１３.３ｋＰａとした。水素ガスの流量を維持した状
態で高周波誘導加熱装置を用いてサセプタの加熱を開始した。
【００５０】
サセプタが１４００℃に達したところで、水素気流中、この温度で５分間保持した。５分経過後、再びサセプタの温度を上げ、１５００℃に達したところで、この温度を保持し、Ｃの原料であるプロパンガスを２.４ｓｃｃｍの流量で反応炉に供給した。ついで、Ｓ
ｉの原料であるモノシランガス及びドーパント原料である窒素ガスをそれぞれ６.０ｓｃ
ｃｍ及び１.０ｓｃｃｍの流量で反応炉に供給し、Ｃ／Ｓｉ比を１.２とした。この状態で６０分保持することにより、約１０μｍの厚さのドリフト層（エピタキシャル層）を形成した。
【００５１】
ドリフト層を形成した後、モノシランガス及び窒素ガスの供給を止め、引き続いてプロパンガスの供給を止めた。ついで、高周波加熱も止め、水素気流中で冷却した。サセプタの温度が十分下がった後、水素の供給を止め、反応炉内を排気し、ドリフト層を有するＳｉＣ基板を取り出した。このときのエピタキシャル層の不純物濃度は５×１０１５ｃｍ−３であった。
【００５２】
取り出したＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板の表面には、ステップバンチングがほとんど存在していなかった。この基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは０.３８ｎｍ程度であった。この基板の中心部における断面を透過電子
顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表２に示す通りであり、オフ角４度の基板の平均テラス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝５.４ｎｍに対し、測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は９０％が相対誤差１０
％以内であった。
【００５３】
【表２】
【００５４】
前記平滑化処理により得られたＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるために、Ｉ−Ｖ測定を行った。測定の結果、実施例１と同様に前記平滑化処理を行った基板を用いたエピタキシャル薄膜上に作製したＳＢＤ素子におけるリーク電流は、前記平滑化処理を経ない基板を用いたエピタキシャル薄膜上に作製したＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高く、ばらつきも少なかった。このことから、前記平滑化処理工程により基板表面を平滑・改質した基板を下地基板として用いることで、表面が平滑化された高品質なエピタキシャル薄膜が得られること、また、そのエピタキシャル薄膜上に作製した素子では電気的特性が向上することが確認された。
【００５５】
（実施例３）
次に、前記平滑化処理を行わないＳｉＣ基板を用いて、実施例２と同様の手順でエピタキシャル薄膜を形成し、エピタキシャル薄膜の表面に前記平滑化処理を行い、平滑化処理後のエピタキシャル薄膜の表面を評価した。
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を平滑化しないまま、実施例２と同様にＣＶＤ装置に設置し、ＣＶＤ法によりエピタキシャル薄膜を形成した。取り出したＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板の表面には所々ステップバンチングが存在し、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により任意の５点を測定したところ、二乗平均粗さＲＭＳが０.５〜２.５ｎｍであった。このときのエピタキシャル膜の不純物濃度は５×１０１５ｃｍ−３であった。また、そのＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、図７（ａ）と同様な表面状態になっており、テラス幅の揃ったステップテラス構造は認められなかった。
【００５６】
次に、前記ＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板表面に、実施例１と同様の光触媒反応による平滑化処理工程を適用し、その表面の平滑・改質を行った。実施例３の平滑化処理においては、水溶液にラジカル捕捉剤としてメタノールを２０ｖｏｌ％添加した。表面平滑化処理後のＳｉＣエピタキシャル薄膜付き基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは０.３５ｎｍ程度であった。このＳｉＣエピタキシャル薄膜
付き基板の中心部における断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表３に示す通りであり、オフ角４度のＳｉＣエピタキシャル薄膜付き基板の平均テラス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝５.
０ｎｍに対し、測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は９０％が相対誤差１０％以内であった。
【００５７】
【表３】
【００５８】
前記平滑化処理工程により得られたＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後の基板を用いたＳＢＤ素子におけるリーク電流は、平滑化工程を経ない基板を用いたＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高かった。このことから、前記平滑化工程によりエピタキシャル薄膜表面を平滑・改質したＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板を用いることで、ＳｉＣ半導体素子の電気的特性が向上することが確認された。
【００５９】
（実施例４）
３インチの［１１−２０］方向に０.１度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を実施例
１と同様に平滑化処理を行った。なお、平滑化前の４Ｈ−ＳｉＣ基板の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、図７（ａ）と同様な表面状態になっており、テラス幅の揃ったステップテラス構造はなかった。
実施例４の平滑化処理においては、水溶液にラジカル捕捉剤としてメタノールを２０ｖｏｌ％添加した。平滑化処理後、このＳｉＣ基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは０.２９ｎｍ程度であった。また、基板の中心部における連続す
る１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表４に示す通りで、オフ角０.１度のＳｉＣ基板の平均テラス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝１６６ｎｍに対し、測定された
テラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は９０％が相対誤差１０％以内であった。図９に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により得られた、平滑化処理前後におけるＳｉＣ基板の表面状態のＡＦＭ像を示す。平滑化処理前のＳｉＣ基板の表面には、図９（ａ）に示すようにステップテラス構造が認められなかったが、平滑化処理後のＳｉＣ基板の表面には、図９（ｂ）に示すようにテラス幅が揃ったステップテラス構造が確認された。
【００６０】
【表４】
【００６１】
平滑化工程により基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後の基板を用いたＳＢＤ素子におけるリーク電流は、平滑化工程を経ない基板を用いたＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高かった。このことから、オフ角度が小さいＳｉＣ単結晶基板の場合においても、平滑化工程により基板表面を平滑
・改質したＳｉＣ基板を用いることで素子特性が向上することが確認された。
【００６２】
（実施例５）
次に、２インチの［１１−２０］方向に３.５度オフ角度の付いた６Ｈ−ＳｉＣ基板を
実施例１と同様に平滑化し、実施例２と同様の手順により、この基板をエピタキシャル成長用下地基板とし、この基板上にエピタキシャル薄膜を形成し、エピタキシャル薄膜の表面の評価を行った。なお、平滑化前のＳｉＣ基板の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、図７（ａ）と同様な表面状態になっており、テラス幅の揃ったステップテラス構造は認められなかった。
平滑化処理においては、水溶液にラジカル捕捉剤としてメタノールを１０ｖｏｌ％添加した。得られたエピタキシャル層の厚さは約１０μｍ、不純物濃度は５×１０１５ｃｍ−３であった。
【００６３】
得られたＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板の表面にはステップバンチングがほとんど存在していなかった。このＳｉＣエピタキシャル薄膜付き基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは０.３９ｎｍ程度であった。このＳｉＣエピ
タキシャル薄膜付き基板の中心部における断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表５に示す通りであり、オフ角３.５度のＳｉＣエピタキシャル薄膜付き基板の平均テラス幅Ｗ
０の値、Ｗ０＝６.４ｎｍに対して測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は９０％が相対誤差
１０％以内であった。
【００６４】
【表５】
【００６５】
前記平滑化工程により得られたＳｉＣエピタキシャル薄膜付き単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後の基板を用いたエピタキシャル薄膜上に作製したＳＢＤ素子におけるリーク電流は、平滑化工程を経ない基板を用いたエピタキシャル薄膜上に作製したＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高かった。このことから、結晶構造が６Ｈ−ＳｉＣの場合においても、平滑化工程により基板表面を平滑・改質した基板を用いることで素子特性が向上することが確認された。
【００６６】
（実施例６）
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を実施例１と同様に平滑化処理を行った。このときラジカル補足剤としてメタノールを５ｖｏｌ％添加した。平滑化処理後、このＳｉＣ基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは１.５６ｎｍ程度であった。また、このＳｉＣ基板の中心部における断面を
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表６に示す通りであり、オフ角４度、ステップ平均高さｈ＝１.５６ｎｍであるＳｉＣ基板の平均テラス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝２２.３ｎｍに対し、
測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のすべてが相対誤差１０％以内であった。
【００６７】
【表６】
【００６８】
平滑化工程により基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後の基板を用いたＳＢＤ素子におけるリーク電流は、平滑化工程を経ない基板を用いたＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高いことが確認された。
【００６９】
（実施例７）
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を実施例１と同様に平滑化処理を行った。このときラジカル補足剤としてメタノールを１ｖｏｌ％添加した。平滑化処理後、このＳｉＣ基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは２.８７ｎｍ程度であった。また、このＳｉＣ基板の中心部における断面を
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表７に示す通りであり、オフ角４度、ステップ平均高さｈ＝２.８７ｎｍであるＳｉＣ基板の平均テラス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝４１.０ｎｍに対し、測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０の９０％が相対誤差１０％以内であった。
【００７０】
【表７】
【００７１】
平滑化工程により基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後の基板を用いたＳＢＤ素子におけるリーク電流は、平滑化工程を経ない基板を用いたＳＢＤ素子に比べ少なく、また、逆方向電圧における耐圧も高いことが確認された。
【００７２】
（比較例）
３インチの［１１−２０］方向に４度オフ角度の付いた４Ｈ−ＳｉＣ基板を実施例１と同様に平滑化処理を行った。このときラジカル補足剤としてメタノールを１ｖｏｌ％添加し、平滑化処理時間を実施例１の１／２とした。平滑化処理後、このＳｉＣ基板の中心及び中心から上下左右それぞれ２５ｍｍ位置の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、この５点におけるステップの平均高さｈは３.１６ｎｍ程度であった。また
、このＳｉＣ基板の中心部における断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したとこ
ろ、連続する１０対のステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０は表８に示す通りであり、オフ角４度、ステップ平均高さｈ＝３.１６ｎｍであるＳｉＣ基板の平均テラ
ス幅Ｗ０の値、Ｗ０＝４５.２ｎｍに対し、測定されたテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０の３０％が
相対誤差１０％以内であった。
【００７３】
【表８】
【００７４】
この比較例の平滑化工程によって基板表面が平滑化されたＳｉＣ単結晶基板を用いて実施例１と同様にＳＢＤを作製し、その電気特性を調べるためにＩ−Ｖ測定を行った。測定の結果、平滑化工程後のＳｉＣ基板を用いたＳＢＤ素子ではリーク電流が大きく、また、逆方向電圧における耐圧にばらつきがあり、総体的に耐圧は低い傾向にあった。このことから、平滑化工程が十分ではなくステップテラス構造にばらつきがあると、素子特性の向上は小さいことが確認された。
【符号の説明】
【００７５】
１ 光触媒薄膜（ＴｉＯ２薄膜）
２ ＳｉＣ単結晶基板
３ 活性種
４ 表面原子
５ 化合物
６ 光触媒薄膜支持体（石英基板）
１０ 水溶液
ｓ ステップ
ｔ テラス
Ｗ１〜Ｗ１０ テラス幅
ＵＶ 紫外線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素単結晶の（０００１）面に対して傾いた主面を有する炭化ケイ素単結晶基板であって、
前記主面はステップとテラスとのステップテラス構造を有し、前記ステップテラス構造における前記ステップの平均高さｈが０.２５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、前記主面の（
０００１）面に対する傾斜角をθとするとき、前記主面内のいずれかの場所において、前記ステップに沿う方向に対して垂直な方向に、前記ステップと前記テラスとが連続する１０対の前記ステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のうち９０％以上が、Ｗ０＝ｈ／ｔａｎθで求まる平均テラス幅Ｗ０との相対誤差が１０％以内にある炭化ケイ素単結晶基板。
【請求項２】
請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶からなる下地基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル膜を有するものであり、前記主面は、前記エピタキシャル膜の主面である炭化ケイ素単結晶基板。
【請求項３】
請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶からなる下地基板からなるものであり、前記主面は、前記下地基板の主面である炭化ケイ素単結晶基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶基板において、前記主面の（０００１）面に対する傾斜角θが０.１度以上５度以下であり、前記主面の（０００１）面に対
する傾斜方向が＜１１−２０＞方向である炭化ケイ素単結晶基板。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶基板において、前記炭化ケイ素単結晶基板の結晶構造が、４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣである炭化ケイ素単結晶基板。
【請求項１】
炭化ケイ素単結晶の（０００１）面に対して傾いた主面を有する炭化ケイ素単結晶基板であって、
前記主面はステップとテラスとのステップテラス構造を有し、前記ステップテラス構造における前記ステップの平均高さｈが０.２５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、前記主面の（
０００１）面に対する傾斜角をθとするとき、前記主面内のいずれかの場所において、前記ステップに沿う方向に対して垂直な方向に、前記ステップと前記テラスとが連続する１０対の前記ステップテラス構造におけるテラス幅Ｗ１〜Ｗ１０のうち９０％以上が、Ｗ０＝ｈ／ｔａｎθで求まる平均テラス幅Ｗ０との相対誤差が１０％以内にある炭化ケイ素単結晶基板。
【請求項２】
請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶からなる下地基板上に炭化ケイ素のエピタキシャル膜を有するものであり、前記主面は、前記エピタキシャル膜の主面である炭化ケイ素単結晶基板。
【請求項３】
請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶からなる下地基板からなるものであり、前記主面は、前記下地基板の主面である炭化ケイ素単結晶基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶基板において、前記主面の（０００１）面に対する傾斜角θが０.１度以上５度以下であり、前記主面の（０００１）面に対
する傾斜方向が＜１１−２０＞方向である炭化ケイ素単結晶基板。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の炭化ケイ素単結晶基板において、前記炭化ケイ素単結晶基板の結晶構造が、４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣである炭化ケイ素単結晶基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２５８７２０（Ｐ２０１１−２５８７２０Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３１４２８（Ｐ２０１０−１３１４２８）
【出願日】平成２２年６月８日（２０１０．６．８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月８日（２０１０．６．８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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