(57)【要約】【課題】表面性状が良好な炭化珪素半導体基板の製造方法を提供する。【解決手段】炭化珪素基板１を準備する工程（Ｓ１０）と、炭化珪素基板１上に、原料ガスを用いて炭化珪素半導体層２を形成する工程（Ｓ２０）とを備える。炭化珪素半導体層２を形成する工程（Ｓ２０）では、原料ガス中の珪素原子数に対する炭素原子数の比Ｃ／Ｓｉが１．０以上１．２以下であり、成長温度は１５００℃以上１７００℃以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素基板を準備する工程と、
前記炭化珪素基板上に、原料ガスを用いて炭化珪素半導体層を形成する工程とを備え、
前記炭化珪素半導体層を形成する工程では、前記原料ガス中の珪素原子数に対する炭素原子数の比Ｃ／Ｓｉが１．０以上１．２以下であり、成長温度は１５００℃以上１７００℃以下である、炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記炭化珪素半導体層を形成する工程では、前記原料ガス中の珪素原子数に対する炭素原子数の比Ｃ／Ｓｉが１．１０以上１．２０以下であり、成長温度は１５５０℃以上１７００℃以下である、請求項１に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記原料ガスは、モノシラン、ジクロロシラン、およびトリクロロシランからなる群から選択される１種と、プロパンとを含む、請求項１または２に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素半導体基板の製造方法に関し、特に表面の平坦性が良く、欠陥の少ない炭化珪素半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の高耐圧化、低損失化などを可能とするため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素（ＳｉＣ）の採用が進められている。炭化珪素は、従来より半導体装置を構成する材料として広く用いられている珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体である。そのため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素を採用することにより、半導体装置の高耐圧化、オン抵抗の低減などを達成することができる。また、炭化珪素を材料として採用した半導体装置は、珪素を材料として採用した半導体装置に比べて、高温環境下で使用された場合の特性の低下が小さいという利点も有している。
【０００３】
炭化珪素は、不純物の拡散係数がきわめて低いため、熱拡散処理によって不純物のドーピングを行うことは困難である。炭化珪素材料に活性領域を形成する方法として、エピタキシャル成長層にイオン注入する方法や、ドーパントガスによる不純物添加を伴ったエピタキシャル成長方法が存在する（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
一般に、炭化珪素基板上において、ｎ型のエピタキシャル層を成長させる場合には、ドーパントガスとして窒素（Ｎ2）ガスが用いられる。このときの成長温度は、一般に１４００℃以上１７００℃以下程度である。
【０００５】
このとき、エピタキシャル成長時に使用する原料ガスの珪素（Ｓｉ）原子の原子数に対する炭素（Ｃ）原子の原子数の比（Ｃ／Ｓｉ比）と、得られるエピタキシャル基板の表面粗さとには、相関関係があることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２８０５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
具体的には、Ｃ／Ｓｉ比が高い場合にはエピタキシャル基板の表面が粗くなり、たとえば、Ｃ／Ｓｉ比が１．９の場合には、表面粗さＲｍｓは２．４ｎｍ程度と大きくなる。
【０００８】
一方で、Ｃ／Ｓｉ比が低い場合には、エピタキシャル基板の表面にＳｉのドロップレットが発生してしまうことが知られている。
【０００９】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、表面性状が良好な炭化珪素半導体基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の炭化珪素半導体基板の製造方法は、炭化珪素基板を準備する工程と、炭化珪素基板上に、原料ガスを用いて炭化珪素半導体層を形成する工程とを備え、炭化珪素半導体層を形成する工程では、原料ガス中の珪素原子数に対する炭素原子数の比Ｃ／Ｓｉが１．０５以上１．２５以下であり、成長温度は１５００℃以上１７００℃以下である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、表面性状が良好な炭化珪素半導体基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態の炭化珪素半導体基板の断面図である。
【図２】本実施の形態の炭化珪素半導体基板の製造方法のフローチャートである。
【図３】本実施の形態の炭化珪素半導体基板の製造法に用いる気相エピタキシャル成長装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について、説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１４】
本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板の製造方法は、炭化珪素基板上に、不純物濃度の異なる複数の炭化珪素エピタキシャル層を積層させ、炭化珪素半導体基板を製造する方法である。まず、図１を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板１０について、説明する。本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板１０は、炭化珪素基板１と、炭化珪素基板１上に形成された炭化珪素半導体層２とを備える。
【００１５】
炭化珪素基板１は、たとえば単結晶炭化珪素からなる。単結晶炭化珪素は、たとえば六方晶の結晶構造を有している。炭化珪素基板１は主表面１Ａを含んでいる。
【００１６】
炭化珪素半導体層２は、炭化珪素基板１の主表面１Ａ上に形成されている。炭化珪素半導体層２は導電型が、たとえばｎ型である。炭化珪素半導体層２の厚みは、たとえば、１２μｍである。炭化珪素半導体層２におけるｎ型の不純物濃度は、たとえば、７．０×１０15ｃｍ−3程度である。炭化珪素半導体層２は主表面２Ａを含み、当該主表面２Ａが、炭化珪素半導体基板１０の主表面となる。
【００１７】
次に、図１および２を参照して、上記の炭化珪素半導体基板を製造するための、本実施の形態の炭化珪素半導体基板の製造方法を説明する。本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板の製造方法は、炭化珪素基板を準備する工程（Ｓ１０）と、炭化珪素基板上に、原料ガスを用いて炭化珪素半導体層を形成する工程（Ｓ２０）とを備える。
【００１８】
まず、工程（Ｓ１０）では、炭化珪素基板１を準備する。炭化珪素基板１は、単結晶炭化珪素からなる。炭化珪素基板１は、たとえば、厚みが３５０μｍの円板形状である。
【００１９】
次に、工程（Ｓ２０）では、先の工程（Ｓ１０）で準備した炭化珪素基板１上に、気相エピタキシャル成長装置を用いて炭化珪素半導体層２を形成する。図３を参照して、本実施の形態では、気相エピタキシャル成長装置として、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）装置１００を用いる。ＣＶＤ装置１００において、基板ホルダ１１は、その周囲を誘導加熱用コイル１２と、石英管１３と、断熱材１４と、発熱体１５とによって囲まれている。具体的には、発熱体１５は中空構造であって、内部に反応室を形成している。基板ホルダ１１は、発熱体１５の内部に設けられ、たとえば、炭化珪素基板１を載置したときにその主表面１Ａが反応室表面と同一平面となるように形成されている。断熱材１４は、発熱体１５の外周囲を囲うように配置されている。石英管１３は、断熱材１４の外周側を囲うように配置されている。誘導加熱用コイル１２は、複数のコイル部材を含み、たとえば、石英管１３の外周側を巻回するように設けられている。誘導加熱用コイル１２を高周波コイルとしてこれに高周波電流を流すと、電磁誘導作用により、発熱体１５は誘導加熱される。これにより、炭化珪素基板１および炭化珪素基板１に供給される原料ガス等を所定の温度に加熱することができる。
【００２０】
まず、ＣＶＤ装置１００内に設けられた基板ホルダ１１に、炭化珪素基板１を配置する。次に、ＣＶＤ装置１００内に配管１６を介して、水素（Ｈ２）を含むキャリアガスと、モノシラン（ＳｉＨ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）およびアンモニア（ＮＨ3）などを含む原料ガスとを導入する。このとき、いずれのガスも、炭化珪素基板１の主表面１Ａ上に供給される時点で十分に熱分解されているように反応室内に導入される。また、各ガスは、ＣＶＤ装置１００の反応室内に導入する前に混合されていてもよいし、ＣＶＤ装置１００の反応室内で混合されてもよい。
【００２１】
基板ホルダ１１上に配置された炭化珪素基板１が、加熱されながら、上記キャリアガスおよび原料ガスの供給を受けることにより、主表面１Ａ上に窒素（Ｎ）原子がドープされたエピタキシャル成長膜である炭化珪素半導体層２が形成される。具体的には、成長温度１５００℃以上１７００℃以下、圧力８×１０３Ｐａ以上１２×１０3Ｐａ以下の条件下で炭化珪素半導体層２を形成する。このとき、ＮＨ3ガスの流量を調整することにより、炭化珪素半導体層２におけるｎ型の不純物濃度を１×１０18ｃｍ−3程度とする。また、炭化珪素半導体層２の厚みは１０μｍ程度とする。
【００２２】
本工程（Ｓ２０）において、原料ガス中の珪素原子数に対する炭素原子数の比Ｃ／Ｓｉは１．０以上１．２以下であり、成長温度は１５００℃以上１７００℃以下である。これは、Ｃ／Ｓｉ比が１．０より低い場合には、Ｎを活性種としてエピタキシャル層中に十分に添加することができる一方で、炭化珪素半導体層２の主表面２Ａ上の三角欠陥数が増加するためである。
【００２３】
また、Ｃ／Ｓｉ比が１．３以上の原料ガスを用いた場合には、形成される炭化珪素半導体層２の主表面２Ａの表面の粗さが大きくなるためである。また、Ｈ原子の原子数に対するＳｉ原子の原子数の比（Ｓｉ／Ｈ比）は、０．０００２以上０．０００６以下である。水素分子の分子数に対するアンモニア分子の分子数の比（ＮＨ3／Ｈ2比）は２．０×１０−8以上１．０×１０−6以下である。
【００２４】
本実施の形態の炭化珪素半導体基板の製造方法において、特に重要であるのは、工程（Ｓ２０）で用いる原料ガスのＣ／Ｓｉ比である。本発明者らは、Ｃ／Ｓｉ比が１．０以上１．９以下の範囲内において、三角欠陥密度および表面粗さについてＣ／Ｓｉ比との相関関係を求めた。その結果、得られる炭化珪素半導体層上の三角欠陥密度と表面粗さとは、Ｃ／Ｓｉ比に対して異なる傾向を有していることが分かった。具体的には、三角欠陥密度は、Ｃ／Ｓｉ比が高い原料ガスを用いることにより低減できることが分かった。一方で、表面粗さは、Ｃ／Ｓｉ比が高い原料ガスを用いた場合よりもＣ／Ｓｉ比が低い原料ガスを用いた場合の方がよりで低減できることが分かった。さらに、Ｃ／Ｓｉ比が１．０５以上１．２５以下程度の原料ガスを用いることにより、三角欠陥密度および表面粗さのそれぞれを実用上問題の無いレベルにできることが分かった。すなわち、表面モフォロジが良好であって、かつ三角欠陥が少ない炭化珪素半導体層２を作製することができることが分かった。
【００２５】
以上のように、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、工程（Ｓ２０）においてＣ／Ｓｉ比が１．０５以上の原料ガスを用いることにより、主表面の平坦性が高く、三角欠陥が少ない炭化珪素半導体基板を得ることができる。また、三角欠陥密度を低減することができることにより、欠陥全体の総数が少ない炭化珪素半導体基板を得ることができる。
【実施例】
【００２６】
次に、本発明の実施例について説明する。
１．評価試料
（ｉ）実施例試料１
まず、外径が３インチで厚みが３５０μｍの炭化珪素基板を準備した。
【００２７】
次に、ＣＶＤ装置を用いて、当該炭化珪素基板の主表面上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させ、不純物濃度が７．０×１０15ｃｍ−3の炭化珪素半導体層を厚さ１３μｍ形成した。このとき、ＣＶＤ装置の反応室には、Ｈ２を含むキャリアガスと、ＳｉＨ４、Ｃ３Ｈ８およびＮＨ3を含む原料ガスを、Ｃ／Ｓｉ比が１．１となる条件で導入した。Ｈ2の流量を１２０ｓｌｍ、ＳｉＨ４の流量は４６ｓｃｃｍ、Ｃ３Ｈ８の流量は２９ｓｃｃｍ、ＮＨ3の流量は５ｓｃｃｍとした。成長室内の圧力は１×１０4Ｐａとし、成長温度は１５８０℃とした。
【００２８】
（ｉｉ）実施例試料２
まず、外径が４インチで厚みが３５０μｍの炭化珪素基板を準備した。上記実施例試料１と基本的には同様の構成を有し、同様の条件で作製した。ただし、炭化珪素半導体層の形成に用いた原料ガスについてＣ／Ｓｉ比が１．０となる条件を用いた点で上記実施例試料１と異なる。
【００２９】
（ｉｉｉ）実施例試料３
まず、外径が６インチで厚みが３５０μｍの炭化珪素基板を準備した。上記実施例試料１と基本的には同様の構成を有し、同様の条件で作製した。ただし、炭化珪素半導体層の形成に用いた原料ガスについてＣ／Ｓｉ比が１．２となる条件を用いた点で上記実施例試料１と異なる。
【００３０】
（ｉｖ）比較例試料１
外径が３インチで厚みが３５０μｍの炭化珪素基板を準備した。上記実施例試料１と基本的には同様の構成を有し、同様の条件で炭化珪素半導体層を形成した。ただし、炭化珪素半導体層の形成に用いた原料ガスについてＣ／Ｓｉ比が０．８となる条件を用いた点で上記実施例試料１と異なる。
【００３１】
（ｖ）比較例試料２
外径が３インチで厚みが３５０μｍの炭化珪素基板を準備した。上記実施例試料１と基本的には同様の構成を有し、同様の条件で炭化珪素半導体層を形成した。ただし、炭化珪素半導体層の形成に用いた原料ガスについてＣ／Ｓｉ比が１．３となる条件を用いた点で上記実施例試料１と異なる。
【００３２】
（ｖｉ）比較例試料３
外径が４インチで厚みが３５０μｍの炭化珪素基板を準備した。上記実施例試料１と基本的には同様の構成を有し、同様の条件で炭化珪素半導体層を形成した。ただし、炭化珪素半導体層の形成に用いた原料ガスについてＣ／Ｓｉ比が１．５となる条件を用いた点で上記実施例試料と異なる。
【００３３】
（ｖｉｉ）比較例試料４
外径が３インチで厚みが３５０μｍの炭化珪素基板を準備した。上記実施例試料１と基本的には同様の構成を有し、同様の条件で作製した。ただし、炭化珪素半導体層の形成に用いた原料ガスについてＣ／Ｓｉ比が１．９となる条件を用いた点で上記実施例試料１と異なる。
【００３４】
このようにして、それぞれＣ／Ｓｉ比の異なる原料ガスを用いて作製した５種類の炭化珪素半導体基板を作製した。
【００３５】
２．実験
上記のようにして得られた５種類の炭化珪素半導体基板について、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製ＮａｎｏｓｃｏｐｅＩＩＩａ）を用いて、１０μｍ平方の測定領域に対して中心部の表面粗さＲｑを測定した。さらに、光学顕微鏡（オリンパス製ＭＸ５１）を用いて、それぞれの主表面上（外周端から２ｍｍの領域を除く）の三角欠陥の数を測定した。三角欠陥の密度は、測定した三角欠陥の数を炭化珪素半導体基板の主表面の面積で割ることにより算出した。
【００３６】
３．結果
測定結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１に示すように、Ｃ／Ｓｉ比を１．１として作製された実施例試料１の炭化珪素半導体基板の主表面の表面粗さは０．３０ｎｍと小さく、また、三角欠陥の密度は１．９個／ｃｍ２と低く、良好であった。また、Ｃ／Ｓｉ比を１．２として作製された実施例試料３の炭化珪素半導体基板の主表面の表面粗さは０．４５ｎｍと小さく、三角欠陥密度は０．３個／ｃｍ２と極めて低く、良好であった。Ｃ／Ｓｉ比を１．０として作製された実施例試料２の炭化珪素半導体基板の主表面の表面粗さは０．２４ｎｍと小さいものの、実施例試料１と比べて三角欠陥密度は３．０個／ｃｍ２と高かったが、許容される範囲内であった。一方、Ｃ／Ｓｉ比を０．８として作製された比較例試料１の炭化珪素半導体基板の主表面上の三角欠陥密度は２５．３個／ｃｍと高かった。なお、表面粗さは［※測定結果は記載不要でしたら削除します］。Ｃ／Ｓｉ比を１．３として作製された比較例試料２の炭化珪素半導体基板の主表面上の三角欠陥密度は１．８個／ｃｍと低いものの、表面粗さは２．６９ｎｍと大きかった。Ｃ／Ｓｉ比を１．５として作製された比較例試料３の炭化珪素半導体基板の主表面上の三角欠陥密度は１．５個／ｃｍと低いものの、表面粗さは２．５５ｎｍと大きかった。Ｃ／Ｓｉ比を１．９として作製された比較例試料４の炭化珪素半導体基板の主表面上の三角欠陥密度は０．３個／ｃｍと低いが、表面粗さは１．９２ｎｍと大きかった。
【００３９】
つまり、炭化珪素半導体基板の表面粗さは、Ｃ／Ｓｉ比を１．９程度とした場合には１．３以上１．５以下程度とした場合と比べて表面粗さが低減されていたが、Ｃ／Ｓｉ比を１．２以下程度とした場合には１．９程度とした場合と比べてさらに低減することができることが確認された。一方で、炭化珪素半導体基板の主表面における三角欠陥密度は、Ｃ／Ｓｉ比が大きくなるほど低下する傾向が確認された。
【００４０】
ここで、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。
【００４１】
本発明に従った炭化珪素半導体基板の製造方法は、炭化珪素基板１を準備する工程（Ｓ１０）と、炭化珪素基板１上に、原料ガスを用いて炭化珪素半導体層２を形成する工程（Ｓ２０）とを備える。炭化珪素半導体層２を形成する工程（Ｓ２０）では、原料ガス中の珪素原子数に対する炭素原子数の比Ｃ／Ｓｉが１．０以上１．２以下であり、成長温度は１５００℃以上１７００℃以下である。
【００４２】
このようにすれば、炭化珪素半導体基板１０の主表面２Ａの表面粗さを低減することができ、かつ、炭化珪素半導体基板１０の主表面２Ａ上の三角欠陥密度低減することができる。また、三角欠陥密度を低減することができることにより、欠陥全体の総数が少ない炭化珪素半導体基板を得ることができる。
【００４３】
上記炭化珪素半導体層を形成する工程では、原料ガス中の珪素原子数に対する炭素原子数の比Ｃ／Ｓｉが１．１以上１．２以下であり、成長温度は１５００℃以上１７００℃以下としてもよい。
【００４４】
これにより、炭化珪素半導体基板１０の主表面２Ａの表面粗さを低減することができ、かつ、炭化珪素半導体基板１０の主表面２Ａ上の三角欠陥密度低減することができる。
【００４５】
上記原料ガスは、プロパンと、モノシラン、ジクロロシラン、およびトリクロロシランからなる群から選択される１種とを含んでもよい。
【００４６】
このようにしても、原料ガスのＣ／Ｓｉ比を１．０以上１．２以下とすることにより、炭化珪素半導体基板１０の主表面２Ａの表面粗さを低減することができ、かつ、炭化珪素半導体基板１０の主表面２Ａ上の三角欠陥密度低減することができる。
【００４７】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の実施の形態および実施例を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の炭化珪素半導体基板の製造方法は、良好な表面モフォロジを有し、かつ欠陥の少ない炭化珪素半導体基板が要求される炭化珪素半導体基板の製造方法に、特に有利に適用される。
【符号の説明】
【００４９】
１  炭化珪素基板、１Ａ，２Ａ  主表面、２  炭化珪素半導体層、１０  炭化珪素半導体基板、１１  基板ホルダ、１２  誘導加熱用コイル、１３  石英管、１４  断熱材、１５  発熱体、１６  配管、１００  ＣＶＤ装置。
【図１】
2014232799.tif 000004
【図２】
2014232799.tif 000005
【図３】
2014232799.tif 000006