(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素単結晶にて構成され、水素を含む炭化珪素基板（１）と、
前記炭化珪素基板の上に形成され、水素を含むエピタキシャル膜（２）と、を有し、
前記炭化珪素基板の水素濃度に対する前記エピタキシャル膜の水素濃度の濃度比が０．２〜５とされ、前記炭化珪素基板の水素濃度が２×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３である半導体基板。
【請求項２】
前記炭化珪素基板の水素濃度に対する前記エピタキシャル膜の水素濃度の濃度比が０．５〜２とされている請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
Ｓｉ含有ガスとＣ含有ガスから炭化珪素を合成するガス成長法にて、水素をキャリアガスとして用いることで水素を含有する炭化珪素単結晶を形成し、該炭化珪素単結晶をスライスすることで炭化珪素基板（１）を製造することと、
前記炭化珪素基板の上に、水素をキャリアガスとして用いることで水素を含むエピタキシャル膜（２）を形成することと、を含み、
前記炭化珪素基板を製造することおよび前記エピタキシャル膜を形成することにおいては、前記炭化珪素基板の水素濃度に対する前記エピタキシャル膜の水素濃度の濃度比を０．２〜５とし、
前記炭化珪素基板を製造することにおいては、前記炭化珪素基板の水素濃度を２×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３とする半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記炭化珪素基板を製造することおよび前記エピタキシャル膜を形成することにおいては、前記炭化珪素基板の水素濃度に対する前記エピタキシャル膜の水素濃度の濃度比を０．５〜２とする請求項３に記載の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（以下、ＳｉＣという）にて構成されたＳｉＣ基板の上にＳｉＣにて構成されたエピタキシャル膜が形成されてなる半導体基板およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＳｉＣにて構成される半導体基板として、ＳｉＣ基板の上にＳｉＣにて構成されたエピタキシャル膜が形成されたものがある。ＳｉＣにて構成される半導体基板は、ＳｉＣ半導体デバイスとして、例えばｐｎダイオードやバイポーラトランジスタの形成に用いられる。
【０００３】
このような半導体基板は、アルゴン雰囲気下で昇華法によって結晶成長させたＳｉＣ基板を用いて、水素をキャリアとしたＣＶＤ（chemical vapor depositionの略）法により、ＳｉＣ基板の表面にエピタキシャル膜を成長させることによって形成される。
【０００４】
また、ＳｉＣ基板の成長を昇華法にて行う場合に、昇華法の成長チャンバー内に水素を導入することによって成長結晶中への窒素の取り込みを防止すれば、超高純度のＳｉＣ単結晶を得ることが可能となり、半絶縁性の結晶を作成することもできる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４８９１７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳｉＣ基板の上にＳｉＣにて構成されたエピタキシャル膜を構成する場合、ＳｉＣ半導体デバイスにおけるキャリアライフタイムが結晶中の水素濃度に依存することから、エピタキシャル膜を成長させる際にキャリアとして水素を用いることで水素が導入され、エピタキシャル膜中のキャリアライフタイムが長くなる。
【０００７】
しかしながら、水素濃度レベルの低いＳｉＣ基板の上にエピタキシャル膜を構成する場合、図３に示すように、水素濃度レベルの高いエピタキシャル膜側から水素濃度レベルの低いＳｉＣ基板側へ水素が拡散してしまう。このため、ＳｉＣ基板とエピタキシャル膜との界面において、エピタキシャル膜中の水素濃度が低下し、それに起因してキャリアライフタイムが短くなって、電気抵抗が大きくなるなど、ＳｉＣ半導体デバイスの特性を悪化させるという問題がある。
【０００８】
上記した特許文献１のように、ＳｉＣ基板の成長を昇華法にて行う場合において、成長チャンバー内に水素を導入すれば、ＳｉＣ基板中に水素が導入され得る。ところが、水素濃度の差によってエピタキシャル膜からＳｉＣ基板側への水素の拡散が起こるため、単にＳｉＣ基板中に水素が導入されただけでは水素の拡散を抑制できない。よって、上記問題が発生する。
【０００９】
本発明は上記点に鑑みて、ＳｉＣにて構成されたエピタキシャル膜からＳｉＣ基板側への水素の拡散を抑制でき、ＳｉＣ半導体デバイスの特性の向上を図ることが可能な半導体基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の半導体基板は、ＳｉＣ単結晶にて構成され、水素を含むＳｉＣ基板（１）と、ＳｉＣ基板の上に形成され、水素を含むエピタキシャル膜（２）と、を有し、ＳｉＣ基板の水素濃度に対するエピタキシャル膜の水素濃度の濃度比が０．２〜５とされ、炭化珪素基板の水素濃度が２×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３とされている。
【００１１】
このように、ＳｉＣ基板およびエピタキシャル膜を有する半導体基板において、ＳｉＣ基板の水素濃度に対するエピタキシャル膜の水素濃度の濃度比が０．２〜５となるようにしている。これにより、エピタキシャル膜とＳｉＣ基板との界面における水素の拡散を抑制でき、エピタキシャル膜の水素濃度の低下が抑制できる半導体基板とすることが可能となる。したがって、半導体基板を用いて形成されるＳｉＣ半導体デバイス、例えばバイポーラデバイスの特性の向上を図ることが可能となる。
【００１２】
請求項３に記載の半導体基板の製造方法は、Ｓｉ含有ガスとＣ含有ガスから炭化珪素を合成するガス成長法にて、水素をキャリアガスとして用いることで水素を含有する炭化珪素単結晶を形成し、該炭化珪素単結晶をスライスすることで炭化珪素基板（１）を製造することと、炭化珪素基板の上に、水素をキャリアガスとして用いることで水素を含むエピタキシャル膜（２）を形成することと、を含み、炭化珪素基板を製造することおよびエピタキシャル膜を形成することにおいては、炭化珪素基板の水素濃度に対するエピタキシャル膜の水素濃度の濃度比を０．２〜５とし、炭化珪素基板を製造することにおいては、前記炭化珪素基板の水素濃度を２×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３とする。
【００１３】
このように、ガス成長法を用いてＳｉＣ基板を製造するためのＳｉＣインゴットを形成すると、昇華法を用いる場合と比較して、水素濃度を高くしやすくなる。このため、ガス成長法を用いてＳｉＣ基板を形成すると、ＳｉＣ基板の水素濃度に対するエピタキシャル膜の水素濃度の濃度比を０．２〜５に設定し易く、好適である。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体基板の断面図である。
【図２】ＳＩＭＳ測定（Secondary Ion Mass Spectrometryの略）によってＳｉＣ基板およびエピタキシャル膜の水素濃度分布を調べた結果を示す図である。
【図３】ＳｉＣ基板上にエピタキシャル膜を構成する場合の水素の拡散を調べた結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１７】
（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態にかかる半導体基板は、ＳｉＣ基板１の上にＳｉＣにて構成されるエピタキシャル膜２を成長させたものである。
【００１８】
ＳｉＣ基板１は、ｎ型不純物である窒素等もしくはｐ型不純物であるアルミニウム等がドーピングされることでｎ型ＳｉＣもしくはｐ型ＳｉＣとされている。また、ＳｉＣ基板１には水素がドーピングされており、例えば水素濃度が２×１０18〜５×１０19ｃｍ-3とされている。水素濃度については任意であるが、半導体基板を使用して形成するＳｉＣ半導体デバイスにおいて、所望のキャリアライフタイムを得るために必要な濃度に設定するのが好ましい。上記したように、水素濃度が少なくとも２×１０18〜５×１０19ｃｍ-3とされていれば、所望のキャリアライフタイムを得ることができる。
【００１９】
エピタキシャル膜２は、ＳｉＣ基板１の表面にＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させられた膜である。このエピタキシャル膜２も、例えばｎ型不純物である窒素等もしくはｐ型不純物であるアルミニウム等がドーピングされることでｎ型ＳｉＣもしくはｐ型ＳｉＣとされている。また、エピタキシャル膜２にも水素がドーピングされており、ＳｉＣ基板１の水素濃度に対するエピタキシャル膜２の水素濃度の濃度比が０．２〜５、好ましくは０．５〜２とされている。
【００２０】
ＳｉＣ基板１やエピタキシャル膜２の導電型については任意であり、形成するＳｉＣ半導体デバイスに応じて決められる。例えば、ＳｉＣ半導体デバイスとしてｐｎダイオードを形成する場合には、ＳｉＣ基板１をｎ型ＳｉＣで構成し、エピタキシャル膜２をｐ型ＳｉＣで構成する。
【００２１】
ＳｉＣ基板１の水素濃度とエピタキシャル膜２の水素濃度とに差があると、水素濃度が高い方側から低い方側への水素の拡散が発生し、特に１桁以上濃度が異なってくるとその拡散が顕著になることを確認している。この拡散を抑制できる範囲について検討を行ったところ、水素濃度の高い方に対して低い方の濃度が１／５の値となるまでは拡散抑制効果が得られ、それ以上になると拡散抑制効果が得られなくなるという結果が得られた。そして、ＳｉＣ基板１の水素濃度とエピタキシャル膜２の水素濃度が近いほど、水素の拡散を抑制することが可能となり、より好ましくは水素濃度の高い方に対して低い方の濃度が半分以上の値になると拡散抑制効果がより高くなるという結果が得られた。このため、上記したように、ＳｉＣ基板１の水素濃度に対するエピタキシャル膜２の水素濃度の濃度比が０．２〜５となるようにしており、好ましくは０．５〜２となるようにしている。
【００２２】
このように構成された半導体基板は、ＳｉＣ半導体デバイスの形成に用いられる。例えば、ＳｉＣ半導体デバイスとしてはｐｎダイオードなどのバイポーラ素子が挙げられる。
【００２３】
このようなｐｎダイオードにおいて、ＳｉＣ基板１の水素濃度に対するエピタキシャル膜２の水素濃度の濃度比が上記した値とされていることから、エピタキシャル膜２中の水素の拡散が抑制される。このため、キャリアライフタイムが短くなることを抑制でき、電気抵抗が大きくなることなどが抑制できる。したがって、ＳｉＣ半導体デバイスの特性悪化を抑制できる。同様の効果は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistorの略）等のバイポーラトランジスタにおいても期待できる。
【００２４】
続いて、上記のように構成される半導体基板の製造方法について説明する。
【００２５】
まず、ＳｉＣ基板１を製造する。具体的には、ガス成長法によってＳｉＣ基板１を形成するためのＳｉＣインゴットを形成し、ＳｉＣインゴットをスライスすることによってＳｉＣ基板１を製造する。
【００２６】
例えば、図示しないが、台座上に種結晶となるＳｉＣ単結晶基板を配置し、ＳｉＣ単結晶基板に対して例えばシラン（ＳｉＨ4）などのＳｉ含有ガスと例えばプロパン（Ｃ3Ｈ8）などのＣ含有ガスを含む混合ガスをＳｉＣ原料ガスとして供給する。また、ガス成長が行われる成長空間を２３００〜２５００℃程度に加熱する。これにより、ＳｉＣ単結晶基板の表面にＳｉＣ単結晶にて構成されるＳｉＣインゴットを成長させることができる。
【００２７】
そして、このＳｉＣインゴットの成長の際に、Ｓｉ含有ガスとＣ含有ガスのキャリアガスとして水素を導入し、ＳｉＣインゴット中に水素がドープされるようにしている。このときの水素のドープ量は、ＳｉＣ単結晶基板に供給されるガス雰囲気中における水素の分圧によって決まる。水素の分圧は、キャリアガスとして導入する水素の量などによって決まり、本実施形態のようにＳｉ含有ガスやＣ含有ガス中に水素元素が含まれている場合には、これらに含まれる水素の量とキャリアガスとして導入する水素の総量によって決まる。このため、導入する水素の量を調整し、エピタキシャル膜２中に導入されるライフタイム制御のために好適な水素濃度を加味した上で、ＳｉＣ基板１の水素濃度に対するエピタキシャル膜２の水素濃度の濃度比が上記値となるようにしている。
【００２８】
例えば、ガス成長法によってＳｉＣインゴットを製造する場合には、Ｓｉ：Ｈが１：１０程度となるようにすると、ＳｉＣ基板１の水素濃度に対するエピタキシャル膜２の水素濃度の濃度比が上記値に含まれるようにＳｉＣインゴット中の水素濃度を設定できる。実験により、このような比率で水素の導入量を調整したところ、ＳｉＣ基板１の水素濃度は１×１０19ｃｍ-3となった。したがって、ＳｉＣ原料ガスとなるＳｉ含有ガスやＣ含有ガスとしてシランやプロパンを用いる場合、ＳｉＣ原料ガス中に含まれる水素元素の量とキャリアガスとなる水素の導入量とを足した量が、上記比率に即した量となるように水素の導入量を決めればよい。
【００２９】
このようにして得られるＳｉＣインゴットをスライスすることでＳｉＣ基板１を製造した後、図示しない化学気相成長（以下、ＣＶＤ（chemical vapor depositionの略）という）装置内にＳｉＣ基板１を配置する。そして、ＣＶＤ装置を用いて、ＳｉＣ基板１の一面にＣＶＤ法にてエピタキシャル膜２を成長させる。ＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素を用いており、エピタキシャル膜２の成長中に水素がドーピングされる。具体的には、水素をキャリアガスとして、例えばシランなどのＳｉ含有ガスと例えばプロパンなどのＣ含有ガスとをＣＶＤ装置内に導入し、１５００〜１６００℃の温度でエピタキシャル膜２を成長させることができる。
【００３０】
このとき、キャリアガスとして導入する水素の導入量を調整し、ガス雰囲気中における水素の分圧を調整することで、エピタキシャル膜２中における水素濃度が上記値となるようにする。すなわち、ＳｉＣ基板１の水素濃度に対するエピタキシャル膜２の水素濃度の濃度比が０．２〜５となるようにしており、好ましくは０．５〜２となるようにしている。このようにエピタキシャル膜２の水素濃度を設定することで、ＳｉＣ基板１中からエピタキシャル膜２中へ、もしくは、その逆方向への水素の拡散を抑制できる。
【００３１】
実験により、ガス成長法によって水素濃度が１×１０19ｃｍ-3となるＳｉＣ基板１を製造した場合において、エピタキシャル膜２の水素濃度も１×１０19ｃｍ-3となるようにエピタキシャル膜２を形成した場合の水素濃度分布について調べた。また、参考として、昇華法によってＳｉＣ基板１を製造した場合において、そのＳｉＣ基板１の上にエピタキシャル膜２を形成した場合の水素濃度分布について調べた。昇華法は、黒鉛製坩堝内にＳｉＣ原料を配置すると共に台座上にＳｉＣ単結晶基板を配置し、２２００〜２４００℃で昇華させたＳｉＣ原料ガスをそれより数十〜数百℃低温としたＳｉＣ単結晶基板に供給してＳｉＣ単結晶インゴットを成長させる手法である。昇華法ではアルゴン（Ａｒ）雰囲気中においてＳｉＣ原料を加熱昇華させるため、ＳｉＣ単結晶インゴット中に水素が殆どドーピングされない。昇華法によって形成した場合、ＳｉＣ基板１の水素濃度は１×１０18ｃｍ-3未満となり、ライフタイム制御の為に水素がドーピングされるエピタキシャル膜２の水素濃度に対して１桁以上少ない濃度となる。
【００３２】
これらの実験を行った場合において、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometryの略）測定によってＳｉＣ基板１およびエピタキシャル膜２の水素濃度分布を調べた結果を図２に示す。
【００３３】
この図に示すように、昇華法を用いて水素濃度が低いＳｉＣ基板１を製造した場合には、ＳｉＣ基板１とエピタキシャル膜２との境界位置において水素濃度が緩やかに変化していた。このことから、エピタキシャル膜２中の水素がＳｉＣ基板１中へ拡散していることが判る。このように、エピタキシャル膜２中における水素濃度が低下してしまうと、キャリアライフタイムが短くなり、電気抵抗が大きくなるなど、ＳｉＣ半導体デバイスの特性悪化が生じることとなる。
【００３４】
一方、ガス成長法を用いてＳｉＣ基板１の水素濃度をエピタキシャル膜２の水素濃度に近づけた場合には、ＳｉＣ基板１の水素濃度とエピタキシャル膜２の水素濃度の変化が見られなかった。このことから、ＳｉＣ基板１中からエピタキシャル膜２中へ、もしくは、その逆方向への水素の拡散を抑制できていることが判る。これにより、キャリアライフタイムが短くなることを抑制でき、電気抵抗が大きくなることなどが抑制できる。したがって、ＳｉＣ半導体デバイスの特性悪化を抑制できる。
【００３５】
図２の実験で製造した半導体基板、つまりＳｉＣ基板１の水素濃度に対するエピタキシャル膜２の水素濃度の濃度比が０．２〜５のものと、ＳｉＣ基板１の水素濃度がエピタキシャル膜２の水素濃度の１／１０未満のものを用いて、ｐｎダイオードを作成した。
【００３６】
その結果、後者の半導体基板に形成したｐｎダイオードにおいては、電気抵抗が大きい値となった。キャリアライフタイムがエピタキシャル膜２中における水素濃度に依存しているが、エピタキシャル膜２のうちのＳｉＣ基板１との界面側において水素濃度が低くなって、キャリアライフタイムが短くなったためと考えられる。
【００３７】
これに対して、前者の半導体基板に形成したｐｎダイオードおいては、後者の半導体基板に形成したｐｎダイオードと比較して、電気抵抗が小さな値となった。これは、エピタキシャル膜２の水素濃度の低下が生じていないために、キャリアライフタイムが短くなることが抑制されたためと考えられる。
【００３８】
以上説明したように、ＳｉＣ基板１およびエピタキシャル膜２を有する半導体基板において、ＳｉＣ基板１の水素濃度に対するエピタキシャル膜２の水素濃度の濃度比が０．２〜５、好ましくは０．５〜２となるようにしている。これにより、エピタキシャル膜２とＳｉＣ基板１との境界位置における水素の拡散を抑制でき、水素濃度の低下が抑制できる半導体基板とすることが可能となる。したがって、半導体基板を用いて形成されるＳｉＣ半導体デバイス、例えばｐｎダイオードなどのバイポーラデバイスの特性の向上を図ることが可能となる。
【００３９】
このような半導体基板の製造方法については任意であるが、上記したように、ガス成長法を用いてＳｉＣ基板１を製造するためのＳｉＣインゴットを形成すると、昇華法を用いる場合と比較して、水素濃度を高くしやすくなる。このため、ガス成長法を用いてＳｉＣ基板１を形成すると、ＳｉＣ基板１とエピタキシャル膜２の水素濃度比を上記した値に設定し易く、好適である。
【００４０】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００４１】
上記第１実施形態では、ＳｉＣ基板１を水素濃度が高くしやすいガス成長法によって製造する場合について説明したが、所望の水素濃度のＳｉＣ基板１を製造できれば他の方法であっても良い。
【００４２】
例えば、昇華法において、結晶成長の工程中に水素を導入するようにすれば、５×１０16ｃｍ-3以上の水素濃度となるＳｉＣ基板１を製造することもできる。このように製造されるＳｉＣ基板１を用いつつ、ＳｉＣ基板１の水素濃度に対するエピタキシャル膜２の水素濃度の濃度比が０．２〜５、好ましくは０．５〜２となるようにすれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。その場合にも、ＳｉＣ基板１に対してＮ型ドーパントとなる窒素やＰ型ドーパントとなるアルミニウムを含む原料を導入することで、ＳｉＣ基板１を所望の導電型にすることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  ＳｉＣ基板
２  エピタキシャル膜
【図１】
0006578994.tif 000002
【図２】
0006578994.tif 000003
【図３】
0006578994.tif 000004