(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル成長炉内の炭化珪素単結晶基板上に、珪素系及び炭素系の材料ガスと、ドーピング用ガスと、キャリアガスとを流して、熱CVD法により炭化珪素をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル炭化珪素単結晶ウェハを製造する方法において、
前記炭化珪素単結晶基板のオフ角度を4°以下とし、
前記炭化珪素単結晶基板の直径を4インチ（100mm）以上とし、
前記材料ガス中の炭素と珪素の原子数比（C/Si比）を1.2以上1.8以下とし、
前記熱CVD法での成長温度を1580℃以上1680℃以下とし、
前記エピタキシャル成長の成長条件をエピタキシャル成長時の成長炉内圧力P（kPa）と得られるエピタキシャル層の成長速度R（μｍ/hr.）との積が45以上100以下（45≦P×R≦100）の範囲となるように、Pを6kPa以上12kPa以下、Rを7μm/hr.以上14μm/hr.以下に調整して、エピタキシャル膜のドーピング密度面内均一性（標準偏差/平均値（σ/mean））を10%以下として炭化珪素をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶ウェハの製造方法。
【請求項２】
前記エピタキシャル層の成長速度Rは、材料ガスの流量調整により制御される請求項１に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶ウェハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル炭化珪素単結晶ウェハの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（以下、SiC）は、耐熱性及び機械的強度に優れ、物理的、化学的に安定なことから、耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、高周波高耐圧電子デバイス等の基板としてエピタキシャルSiC単結晶ウェハの需要が高まっている。
【０００３】
エピタキシャルSiC単結晶ウェハ（以下、単にSiCウェハと言う場合がある）を用いて、電力デバイス、高周波デバイス等を作製する場合には、通常、SiC単結晶基板上に熱CVD法（熱化学蒸着法）と呼ばれる方法を用いてSiC薄膜をエピタキシャル成長させたり、イオン注入法により直接ドーパントを打ち込んだりするのが一般的であるが、後者の場合には、注入後に高温でのアニールが必要となるため、エピタキシャル成長による薄膜形成が多用されている。
【０００４】
エピタキシャルSiC単結晶膜（以下、単にエピタキシャル膜と言う場合がある）上にデバイスを形成する場合、設計通りのデバイスを安定して製造するためには、エピタキシャル膜の膜厚及びドーピング密度、なかでもドーピング密度のウェハ面内均一性が重要になる。特に近年、SiCウェハの大口径化が進むとともに、デバイスの面積も大きくなり、デバイス歩留まり向上のためには、ドーピング密度のウェハ面内均一性がより重要となっている。具体的には、現在の主流である4インチウェハ上のエピタキシャル膜のドーピング密度面内均一性は、標準偏差/平均値（σ/mean）で安定的に5〜10%にすることが必要である。
【０００５】
しかしながら、ドーピング密度は、エピタキシャル膜を成長させる材料ガス中の珪素原子数に対する炭素原子数の比（C/Si比）をはじめ、成長温度や成長圧力等が複雑に関係して決まるため、σ/meanを安定的に上記の値にすることは難しい。更に近年では、厚いエピタキシャル膜の需要が増加したため、珪素系及び炭素系の材料ガスの流量を多くするとともに成長炉内圧力を下げることによって高速エピタキシャル成長が行われるようになっているが（例えば非特許文献1参照）、高速成長下において高いドーピング密度のウェハ面内均一性を達成することはより困難である。加えて、厚いエピタキシャル膜の場合、高耐圧デバイスに応用されることなどから、ドーピング密度は一般的に低い値が求められ、ドーピング密度の偏析をなくしてウェハ面内均一性を維持したり、ウェハ面内均一性を向上させるための技術開発は一層重要な課題となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Applied Physics Express 1 (2008) 015001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
今後デバイスへの応用が期待されるSiCウェハであるが、高速エピタキシャル成長の場合や一般的な成長速度の場合も含めて、エピタキシャル膜のドーピング密度の面内均一性をσ/meanで安定的に5〜10%にすることは従来の技術では困難であり、面内均一性の劣ったSiCウェハも使用せざるを得ないことによるデバイス特性の劣化、歩留まりの低下等が問題となっている。
【０００８】
本発明は、このような状況を鑑みてなされてものであり、ドーピング密度のウェハ面内均一性に優れた高品質エピタキシャル膜を有するSiCウェハの安定的な製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、エピタキシャル成長時に成長炉内圧力と成長速度の積の値がある範囲内になるように調整することで、ドーピング密度のウェハ面内均一性に優れた高品質エピタキシャル膜を備えたSiCウェハが得られるようになることを見出し、完成したものである。
【００１０】
即ち、本発明は、
(1)  エピタキシャル成長炉内の炭化珪素単結晶基板上に、炭素と珪素の原子数比（C/Si比）が1.0以上2.0以下である珪素系及び炭素系の材料ガスと、ドーピング用ガスと、キャリアガスとを流して、1550℃以上1700℃以下の成長温度で熱CVD法により炭化珪素をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル炭化珪素単結晶ウェハを製造する方法において、前記エピタキシャル成長の成長条件をエピタキシャル成長時の成長炉内圧力P（kPa）と得られるエピタキシャル層の成長速度R（μｍ/hr.）との積が45以上100以下（45≦P×R≦100）の範囲となるように調整して、炭化珪素をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶ウェハの製造方法、
(2)  前記エピタキシャル層の成長速度Rは、材料ガスの流量調整により制御される(1)に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶ウェハの製造方法、
(3)  前記炭化珪素単結晶基板のオフ角度が4°以下である(1)又は(2)に記載のエピタキシャル炭化珪素ウェハの製造方法、
(4)  前記炭化珪素単結晶基板の直径が4インチ（100mm）以上である(1)〜(3)のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素ウェハの製造方法、
である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、SiC単結晶基板上にエピタキシャル膜を形成したSiCウェハにおいて、高速エピタキシャル成長の場合も含めて、ドーピング密度のSiCウェハの面内均一性に優れた高品質SiCウェハを提供することが可能である。
【００１２】
また、本発明の製造方法は、CVD法であるため、装置構成が簡単で制御性にも優れ、再現性、安定性の高いエピタキシャル膜が得られる。
【００１３】
更に、本発明で得られたSiCウェハを用いたデバイスは、ドーピング密度のウェハ面内均一性に優れた高品質エピタキシャル膜上に形成されるため、その特性及び歩留りが向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、従来のエピタキシャル成長を行う際の典型的な成長シーケンスを示す図である。
【図２】図２は、本発明の一例によりエピタキシャル成長を行う際の成長シーケンスを示す図である。
【図３】図３は、エピタキシャル成長時の成長炉内圧力をP(kPa)とし、エピタキシャル層の成長速度をR(μｍ/hr.)とした時の、P×Rの値とエピタキシャル膜のドーピング密度の面内均一性の関係を示す一例の図である。
【図４】図４は、4インチ基板におけるドーピング密度の面内均一性を評価する際に用いた測定点を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、熱CVDによりSiC単結晶基板上にSiC薄膜をエピタキシャル成長させる際の成長炉内圧力と成長速度との積の値がある範囲内になるように調整することで、ドーピング密度のウェハ面内均一性に優れた高品質エピタキシャル膜を備えたSiCウェハが得られるようになることを見出し、完成したものである。通常、エピタキシャル成長の成長速度を上げたい時は材料ガスの濃度を高めるが、気相中での核形成が生じやすくなり、エピタキシャル膜の品質を劣化させるため、同時に成長圧力を下げている。すなわち、成長炉内の圧力を下げる時は、SiC薄膜の高速成長を行う時である。ここで、本発明者らは、試験的に成長炉内の圧力を下げても材料ガスの濃度を変えずに、通常成長速度でエピタキシャル成長を行った。このように成長したエピタキシャル膜と、成長圧力を下げて材料ガスの濃度を高めた高速成長のエピタキシャル膜とのドーピング密度の面内分布を比較評価した。その結果、以下に示すように、成長炉内圧力と成長速度との積がドーピング密度の面内均一性に関連することを見出した。なお、成長速度は成長時間と成長後のエピタキシャル膜厚を測定することによって算出したものであり、上記核形成が発生するまでは材料ガスの濃度（流量）に比例する（つまり、核形成が起きるとSiドロップレットが生じ、原料のSiがそこで消費されてしまい、成長に寄与しなくなるため成長速度は低下する）。
【００１６】
以下、本発明を具体的に説明する。
先ず、SiC単結晶基板上へのエピタキシャル成長について述べる。本発明で好適にエピタキシャル成長に用いる装置は、横型のCVD装置である。CVD法は、装置構成が簡単であり、ガスのon/offで成長を制御できるため、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。
【００１７】
図１には、従来のエピタキシャル膜成長を行う際の典型的な成長シーケンスの一例を、ガスの導入タイミングと併せて示している。先ず、成長炉にSiC単結晶基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを導入して圧力を5k〜20kPaに調整する。その後、圧力を一定に保ちながら水素ガス流量と成長炉の温度を上げ、エピタキシャル成長温度である1550〜1700℃に達した後、毎分100〜200Lの水素ガス中でSiC単結晶基板の表面のエッチングを行う（10分程度）。エッチング終了後、材料ガスであるSiH4及びC3H8と、ドーピングガスであるN2を導入してエピタキシャル成長を開始する。SiH4流量は毎分100〜150cm3、C3H8流量は毎分50〜70cm3であり（材料ガス中のSi原子数に対するC原子数の比（C/Si比）は1〜2程度）、エピタキシャル成長速度は毎時〜10μmである。N2の流量は必要とされるドーピング密度によって決まるが、一般には1分間あたり10〜50cm3であり、ドーピング密度の値は1E15cm-3〜1E16cm-3である。一定時間エピタキシャル成長し、所望の膜厚が得られた時点でSiH4とC3H8の導入を止め、水素ガスのみ流した状態で温度を下げる。温度が常温まで下がった後、水素ガスの導入を止め、成長室内を真空排気し、不活性ガスを成長室に導入して、成長室を大気圧に戻してから、エピタキシャルSiCウェハを取り出す。
【００１８】
次に、本発明における成長シーケンスの一例を図２で説明する。SiC単結晶基板をセットし、SiC単結晶基板の表面のエッチングを行うまでは、図１と同様である。エッチング終了後、成長炉内圧力がP(kPa)になるように調整し（図２では圧力を下げた場合を示している）、材料ガスであるSiH4とC3H8の流量についてエピタキシャル層の成長速度がR(μｍ/hr.)となるように調整して、下記式（１）
45≦P×R≦100      （１）
の関係を満たすようにする。図２に示されているように、SiH4とC3H8の流量調整（必要があればN2も）は、例えばこれらのガスを成長炉内部に流さずにベントラインに排出しながら行う。調整終了後、材料ガスとN2を成長炉内に導入してエピタキシャル成長を開始する。その後の手順は図１と同様である。
【００１９】
上記式（１）を満たすようにして成長条件を調整するにあたり、成長炉内圧力Pについては、図１で示したような一般的なエピタキシャル成長で採用される5kPa以上20kPa以下の範囲で調整するのがよく、また、成長速度Rについては、5μm/hr.以上20μm/hr.以下の範囲で調整するのがよい。先の図２の例ではエッチング終了後に成長炉内の圧力を下げて、SiC単結晶基板に供給する材料ガスの流量を減らしているが、勿論、圧力Pを上げたりそのまま維持したり、或いは、材料ガスの流量を上げたりそのまま維持したりして（図2の例ではSiH4及びC3H8の流量を上記の範囲内で調整するのがよい）、式（１）を満たすようにすることもできる。また、成長速度Rを制御するにあたり、成長温度を調整するようにしてもよい。なお、珪素系の材料ガスや炭素系の材料ガスについては上記の例以外にも、例えば、炭素系材料ガスとして他の炭化水素ガスを用いたり、珪素系材料ガスとして他のシラン系ガスを用いることができる。また、ドーピング用ガスやキャリアガスについても同様に他の公知のものを用いることができる。
【００２０】
図３にはエピタキシャル成長時のP×Rに対するσ/meanで表したドーピング密度の面内均一性の関係を示す。図３から明らかなように、P×Rが大きくなるとσ/meanが小さくなり、すなわち面内均一性が向上していることが分かる。これは以下のように考えられる。なお、このドーピング密度の面内均一性の評価は、後述する実施例のとおりにして行った。
【００２１】
キャリアガス流量が一定の場合、成長圧力が小さいと成長炉内でのガス流速が増大するため、材料ガスおよびN2がSiC単結晶基板上に留まる時間が短くなる。エピタキシャル膜へのドーピングはN2が分解して生成された窒素原子がSiCのC位置を置換する事によって行われるが、これにはある程度の時間が必要であり、SiC単結晶基板上に留まる時間が短くなると、前記置換のために必要な反応が十分に行われないまま排気されることになり、結果としてSiCウェハ面内でのドーピングが不均一になると考えられる。
【００２２】
この時に材料ガスの流量を増やし、成長速度を上げると、窒素原子と反応するSiおよびC原子の数が増加するため、窒素原子がSiC単結晶基板上に留まる時間が短くても置換反応が確実に行われ、均一性が向上する。一方、成長圧力が上がるとガス流速が下がり、置換反応のための時間は十分にあると考えられるが、SiC単結晶基板の表面に到達する窒素原子および表面を動く窒素原子の動きが遅くなる。その状態で材料ガスの流量を増やして成長速度を上げると、窒素原子が置換サイトに到達する前に窒素原子を含まないSiCが成長する部分が多くできてしまい、ドーピング密度の均一性が悪化すると考えられる。すなわち、ドーピング密度の良好な面内均一性を得るためには、ガス流速が大きい（成長圧力が低い）時には成長速度を高く、ガス流速が小さい（成長圧力が高い）時には成長速度を低くする必要があり、上記の関係式（１）を満たせばσ/meanが10%以下になることを見出したのが本発明に繋がっている。
【００２３】
図３から、P×Rが45(kPa・μｍ/hr.)以上であればドーピング密度のσ/meanを安定的に10％以下にできることが分かるが、上限について実験的に確認することは困難である。これは、PあるいはRを大きくすると、成長が不安定になり鏡面状のエピタキシャル膜が得られなくなるためであるが、現在一般的に利用されているRとPの最大値から考えて、P×Rは実質的に100(kPa・μｍ/hr.)以下であるのがよいと考えられる。先にも述べているが、成長炉内圧力Pの好ましい範囲は6kPa以上12kPa以下であり、成長速度Rに関しては7μm/hr.以上14μm/hr.以下である。また、エピタキシャル層を成長させる際の材料ガス中のC/Si比は、小さすぎると残留不純物密度が増加するためドーピング密度のウェハ面内均一性が劣化する。一方で、C/Si比が大きすぎるとキラー欠陥が多発し、これはデバイス特性とドーピング密度のウェハ面内均一性の両方に悪影響を与える。従って、C/Si比は1.0以上2.0以下、より好適には1.2以上1.8以下である。更に、エピタキシャル層を成長させる際の成長温度は、低すぎるとキラー欠陥が増え、高すぎるとこれもドーピング密度のウェハ面内均一性に悪影響を与えるエピタキシャル層表面荒れが生じるため、1550℃以上1700℃以下、より好適には1580℃以上1680℃以下である。なお、図３で示される傾向は、上記C/Si比や成長温度の範囲内では殆ど変化しない。
【００２４】
本発明は、SiCウェハにおけるエピタキシャル膜について、ドーピング密度の良好な面内均一性を安定的に得るためのものであるが、ここまでの説明から分かるように、ドーピングに寄与する窒素原子のSiC単結晶基板上での動きを成長圧力（ガス流速）というパラメータで制御しながら成長速度を設定することが１つのポイントとなっている。従って、本発明は、ガスの動きを制御すべき領域が広い程、その作用はより有効になり、SiC単結晶基板の口径が4インチ（100mm）以上でより重要になり、更には、現在製造報告が出されているいわゆる口径150mm基板や口径200mm基板のような大口径SiC単結晶基板において好適である。また、SiC単結晶基板の表面でのステップ密度が少なくなると、表面に吸着したガスは基板上の長い距離を動いて反応する必要が生じるため、同様に本発明の有効性は高まる。すなわち、(0001)面に対して＜11-20＞方向へ傾けた角度であるSiC単結晶基板のオフ角度が小さい程、その効果は大きい。しかし、オフ角度が小さすぎると成長そのものが困難となるため、SiC単結晶基板のオフ角については0.5°以上であるのがよく、また、その上限はSiC単結晶基板の現在の主流である4°以下が好ましい。
【００２５】
このようにして製造したSiCウェハ上に好適に形成されるデバイスは、例えば、ショットキーバリアダイオード、PINダイオード、MOSダイオード、MOSトランジスタ等に用いることができ、特に好適には電力制御用に用いられるデバイスである。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明はこれらの内容に制限されるものではない。
【００２７】
(実施例1)
4インチ(100mm)ウェハ用SiC単結晶インゴットから、約400μmの厚さでスライスした後、粗削りとダイヤモンド砥粒による通常研磨および化学機械研磨（CMP）を実施した、4H型のポリタイプを有するSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。このSiC単結晶基板のオフ角度〔(0001)面に対して＜11-20＞方向へ傾けた角度〕は4°である。成長の手順としては、エピタキシャル成長炉に上記SiC単結晶基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを導入しながら圧力を7.3kPaに調整した。その後、圧力を一定に保ちながら水素ガスの流量と成長炉の温度を上げ、最終的に水素ガスは毎分150L、温度は1635℃にして水素ガス中でSiC単結晶基板のエッチングを10分行った。エッチング後、成長炉の温度、圧力は1635℃、7.3kPaで変えず、SiH4流量を毎分140cm3、C3H8流量を毎分63cm3、ドーピング用N2流量を毎分13cm3にして成長を開始し（C/Si比は1.35）、エピタキシャル層の厚さが10μmになるまで成長した。成長速度は10.9(μm/hr.)であり、P×Rは79.3(kPa・μm/hr.)であった。成長後SiH4、C3H8およびN2の導入を止め、水素ガスのみ流した状態で温度を下げた。温度が常温まで下がった後、水素ガスの導入を止め、成長室内を真空排気し、不活性ガスを成長室に導入して、成長室を大気圧に戻してから、得られたSiCウェハを取り出した。
【００２８】
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜のドーピング密度の面内分布を測定した。測定はHgプローブを用いたCV法によって行い、図4に示すように、得られたSiCウェハについて、同心円状のパターンで合計25点測定した。その結果、測定した25点から求めたσ/mean（標準偏差/平均値）は4.7％と良好であった。
【００２９】
(実施例2〜11)
実施例1と同様にスライス、粗削り、通常研磨、CMPを行った、4H型のポリタイプを有するSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。成長前エッチングから成長終了までの手順と成長膜厚は実施例1と同様であるが、基板のオフ角、口径、成長時のSiH4、C3H8、N2流量、C/Si比、成長圧力を表1のように変化させた。得られたSiCウェハについて、実施例1と同様にしてエピタキシャル膜のドーピング密度の面内分布を測定した。成長後に確認した成長速度とそこから算出したP×R値、ドーピング密度のσ/meanを表1にあわせて示している。表1より、σ/meanは全て10％以下に入っており良好であった。なお、6インチ基板を評価する時は、図4におけるrを14mm、28mm、42mm、56mm、70mmとして、全測定点数は41点である。
【００３０】
【表１】
0006628581.tif 000002
【００３１】
(比較例1〜6)
実施例1と同様にスライス、粗削り、通常研磨、CMPを行った、4H型のポリタイプを有するSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。成長前エッチングから成長終了までの手順と成長膜厚は実施例1と同様であるが、基板のオフ角、口径、成長時のSiH4、C3H8、N2流量、C/Si比、成長圧力を表2のように変化させた。得られたSiCウェハについて、実施例1と同様にしてエピタキシャル膜のドーピング密度の面内分布を測定した。その結果、比較例1、2については、P×R値が小さすぎるためσ/meanが10％より大きくなっていることが分かる。比較例3ではC/Si比が小さいため残留不純物の影響を受けて、P×R値が45以上であるがσ/meanが大きくなっており、比較例4ではC/Si比が大きいためキラー欠陥が多数発生し、σ/meanが大きくなっている。更に比較例5では成長温度が低すぎてキラー欠陥が多数発生したため、比較例6では成長温度が高すぎて表面荒れが生じたため、P×R値は条件を満たすもののσ/meanが大きくなっている。比較例7では、P×R値が大きすぎ、すなわち高い成長圧力の下で高い成長速度を設定したために、原料のSiH4が二次元核を形成し、Siドロップレットが発生して鏡面状のエピタキシャル膜が得られず、ドーピングも正常に行われなかった結果σ/meanが大きくなっている。
【００３２】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００３３】
この発明によれば、 SiC単結晶基板上へのエピタキシャル成長において、ドーピング密度の面内均一性に優れた高品質エピタキシャル膜を有するSiCウェハを作成することが可能である。そのため、このようなSiCウェハ上に電子デバイスを形成すればデバイスの特性及び歩留まりが向上することが期待できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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