(57)【要約】【課題】コールドウォール方式を用いた場合におけるサセプタ周囲の温度に差がある場合でも膜厚分布のバラツキを低減してホモエピタキシャル成長をする。【解決手段】気相化学成長法（ＣＶＤ）を用いて、コールドウォール方式にて炭化ケイ素（ＳｉＣ）をホモエピタキシャル成長させる方法において、結晶成長速度を２μｍ／時以上で成長させ、前記結晶成長膜厚の平均からのずれは、成長面のいずれの領域においても、−１０％〜＋１０％の範囲内であることを特徴とするＣＶＤエピタキシャル成長方法。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＶＤを用いて、コールドウォール方式にてＳｉＣをホモエピタキシャル成長させる方法において、結晶成長速度を２μｍ／時以上で成長させることを特徴とする、ＣＶＤエピタキシャル成長方法。
【請求項２】
結晶成長膜厚の平均からのずれは、成長面のいずれの領域においても、−１０％〜＋１０％の範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載のＣＶＤエピタキシャル成長方法。
【請求項３】
（０００１）面から（１１−２０）面方向に３°〜５°の範囲内のオフ角を有する６Ｈ−ＳｉＣ基板面上において、１４００℃〜１８００℃の範囲内の基板温度で結晶成長させることを特徴とする、請求項１または２に記載のＣＶＤエピタキシャル成長方法。
【請求項４】
（０００１）面から（１１−２０）面方向に７°〜９°の範囲内のオフ角を有する４Ｈ−ＳｉＣ基板面上において、１４００℃〜１８００℃の範囲内の基板温度で結晶成長させることを特徴とする、請求項１または２に記載のＣＶＤエピタキシャル成長方法。
【請求項５】
ドーパントとして窒素ガスを用い、該窒素ガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、１×１０−７ｍｏｌ／ｃｍ３〜１×１０−１２ｍｏｌ／ｃｍ３の範囲内として結晶成長を行なうことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のＣＶＤエピタキシャル成長方法。
【請求項６】
ドーパントとしてジボランガスを用い、該ジボランガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、１×１０−１１ｍｏｌ／ｃｍ３〜１×１０−１６ｍｏｌ／ｃｍ３の範囲内として結晶成長を行なうことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のＣＶＤエピタキシャル成長方法。
【請求項７】
原料ガス中に存在するケイ素原子に対する炭素原子の比が１〜６の範囲内であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のＣＶＤエピタキシャル成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いて炭化ケイ素をエピタキシャル成長させる方法に関し、より詳細には、コールドウォール方式を用いる場合においても、成長膜厚の変動を低減することができるＣＶＤエピタキシャル成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のパワー半導体素子の著しい性能向上に伴い、パワーエレクトロニクス技術の適用範囲が大きく拡大している。直流送電システムや周波数変換所、高速電力制御装置などの開発が所望される電力分野においては、パワーエレクトロニクス技術を用いた電力変換容量はますます増加すると考えられ、パワーエレクトロニクスにおいて心臓部となり得るパワー半導体素子の一層の高効率化、高電圧化、および大容量化が求められている。
【０００３】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、シリコン単結晶に比べて、優れた絶縁破壊電界強度および熱伝導率を有するとともに、比較的大きな電子移動度を有するので、Ｓｉ系の半導体素子に比べて性能向上を可能とする半導体材料として期待されている。また、ＳｉＣは、熱的および化学的にも安定であり、耐放射線性にも優れており、また、多数のポリタイプが存在し、それらの中には可視領域での発光を可能にするものもあるという点で、非常に注目されている材料である。
【０００４】
ＳｉＣは、不純物の熱拡散が困難であり、イオン注入技術も十分に確立されていないので、キャリア濃度制御方法としては、エピタキシャル成長中にドーパントを添加する気相ドーピングが有効である。かかる気相ドーピングの手法としては、一般的に気相化学蒸着法（ＣＶＤ）が用いられている。ＣＶＤ法は、不純物濃度やｐｎ接合界面などの制御が可能であり、また、大型基板にも利用できる点で有用である。
【０００５】
ステップ制御エピタキシーは、ＳｉＣ基板表面に数度のオフ角を意図的に導入して基板表面の原子的ステップ密度を増大させ、ステップの横方向への成長によるステップフローによって結晶成長を行なう技術である。かかる技術は、多数のポリタイプを有するＳｉＣにおいて、ステップから原子配置の周期の情報が与えられるために、基板と同一のポリタイプの単結晶が成長する点で好ましい。また、従来のＣＶＤ法によるＳｉＣ単結晶の成長に比べて、成長の際の温度を低くすることができ、さらにデバイスに適用するのに十分な品質をも得られる点で好ましい。
【０００６】
下記非特許文献１には、（０００１）面から傾斜させられた所定のオフ角を有するＳｉＣ基板面上に、ステップ制御エピタキシーを用いてコールドウォール方式にてＳｉＣをホモエピタキシャル成長させた技術が開示されている。図４は、当該非特許文献１において使用するＣＶＤ結晶成長装置の概略図である。図４において、当該ＣＶＤ結晶成長装置は、原料ガスおよびドーパントガスなどを含むボンベ１と、当該ボンベ１から供給されたガスの流量をコントロールするマスフローコントローラー２と、マスフローコントローラー２によって制御されたガスが送り出されることにより、ＣＶＤ結晶成長反応を行なう結晶成長炉３と、排気ガス清浄システム４とを含む。
【０００７】
結晶成長炉３は、矢印Ｘの方向に水が流されることにより壁５が冷却されるコールドウォール方式であり、結晶成長炉３内には、サセプタ６上に基板７が設置される。また、壁５は、加熱装置８が取り付けられている。また、ボンベ１のうち水素ガスを含有するボンベには、水素ガス精製機９が取り付けられており、当該水素ガス精製機９により供給される水素ガスは精製されるものである。
【０００８】
当該ＣＶＤ結晶成長装置において、ボンベ１から供給されたガスは、マスフローコントローラー２によりその流量が制御されて結晶成長炉３に送り込まれ、当該結晶成長炉３において、ＣＶＤエピタキシャル成長が行なわれる。結晶成長炉３を通過したガスは、排気ガス清浄システム４を介して矢印Ｙの方向に放出される。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｐｈｙｓ．  ｓｔａｔ．  ｓｏｌ．  （ｂ）  ２０２，  ２４７頁  （１９９７）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記非特許文献１のＣＶＤ結晶成長装置において、成膜室の壁５が冷却されるコールドウォール方式では、サセプタ６の温度が周囲で低下してしまうので、基板７の中心と端部とに温度差が生じてしまい、その結果、成長膜厚の変動に高低差が生じてしまう。よって、半導体デバイスとして使用する場合の特性バラツキの原因となり得る。
【００１１】
本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、ＣＶＤエピタキシャル成長方法において、コールドウォール方式を用いた場合におけるサセプタ周囲の温度に差がある場合でも膜厚分布のバラツキを低減してホモエピタキシャル成長をすることができる方法を提供することを目的とする。また、本発明は、ホモエピタキシャル成長された膜における、不純物濃度分布のバラツキを低減させる方法をも提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＣＶＤを用いて、コールドウォール方式にて炭化ケイ素（ＳｉＣ）をホモエピタキシャル成長させる方法において、結晶成長速度を２μｍ／時以上で成長させることを特徴とするＣＶＤエピタキシャル成長方法を提供する。
【００１３】
本発明に従えば、コールドウォール方式を用いるＣＶＤエピタキシャル成長方法において生じ得る、サセプタ周辺の温度低下がある場合においても、膜厚のバラツキを減少することができる。
【００１４】
好ましくは、結晶成長膜厚の平均からのずれは、成長面のいずれの領域においても、−１０％〜＋１０％の範囲内である。これにより、良好な半導体材料を得ることができる。
【００１５】
好ましくは、（０００１）面から（１１−２０）面方向に３°〜５°の範囲内のオフ角を有する６Ｈ−ＳｉＣ基板面上、または、（０００１）面から（１１−２０）面方向に７°〜９°の範囲内のオフ角を有する４Ｈ−ＳｉＣ基板面上において、１４００℃〜１８００℃の範囲内の基板温度で結晶成長させる。これにより、ステップ制御によるエピタキシャル成長を促進することができる。
【００１６】
好ましくは、ドーパントとして窒素ガスを用い、該窒素ガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、１×１０−７ｍｏｌ／ｃｍ３〜１×１０−１２ｍｏｌ／ｃｍ３の範囲内として結晶成長を行なう。また、ドーパントとしてジボランガスを用い、該ジボランガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、１×１０−１１ｍｏｌ／ｃｍ３〜１×１０−１６ｍｏｌ／ｃｍ３の範囲内として結晶成長を行なうことが好ましい。これにより、結晶成長膜の不純物濃度のバラツキを低減することができる。
【００１７】
また、好ましくは、原料ガス中に存在するケイ素原子に対する炭素原子の比が１〜６の範囲内である。これにより、膜厚のバラツキを低減でき、さらに不純物濃度を均一にすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、ＣＶＤ（気相化学蒸着法）を用いて、コールドウォール方式にて炭化ケイ素をホモエピタキシャル成長させる方法において、結晶成長速度を２μｍ／時以上で成長させることを特徴とするＣＶＤエピタキシャル成長方法を提供するものである。２μｍ／時未満であると、基板の中心付近において、成長速度と比較して無視できない程度に成長種がクラウン運動により移動し、基板端が厚くなる。これによって膜厚のバラツキが生じてしまうという不具合が生じるからである。
【００１９】
本発明において、結晶成長速度を求めるために、形成された結晶膜を破壊しない非破壊的方法として、結晶成長前後の質量差から求める質量換算や、特定の結晶欠陥の長さ、また、エピタキシャル成長層最表面で反射した光と、エピタキシャル成長層と基板との界面で反射した光との干渉現象を利用する光学的手法などを用いることができる。当該光学的手法では、波長および膜厚に応じてエピタキシャル成長層と基板との界面の光が、エピタキシャル成長層表面で反射した光に対して位相差を生じるため、反射光の強弱を測定することにより求めることができる。また、破壊的方法としては、形成されたエピタキシャル成長層を破壊してＳＩＭＳ分析する手法などがある。
【００２０】
本発明においては、結晶成長速度を２μｍ／時以上にすることにより、結晶成長膜厚が、成長面のいずれの領域においても、該結晶成長膜厚の平均からのずれを、−１０％〜＋１０％の範囲内にすることができ、成長膜厚の高低差を低減することができる。
【００２１】
ここで、成長膜厚の平均からのずれは、膜厚の平均値と基板上の各場所における膜厚とを比較することにより決定することができる。当該膜厚の平均値は、結晶成長前後の質量差から求めることができ、当該基板上の各場所における膜厚は、ＳＩＭＳ、Ｃ−ＶおよびＦＴＩＲなど用いて測定することができる。
【００２２】
本発明のＣＶＤエピタキシャル成長方法は、コールドウォール方式にて結晶成長させたときの膜厚に関する不具合を解決できるものである。コールドウォール方式を用いてＣＶＤエピタキシャル成長を行なう場合、サセプタ周囲温度は、基板中心温度と比較して温度が低下し、これにより当該サセプタ上に設置された基板の温度も基板中心温度と比較すると低下している。このような基板上における温度分布の格差により、結晶成長した膜厚変動にも大きな高低差が生じてしまう。
【００２３】
この膜厚の高低差は、結晶成長種のクラウン運動によると考えられている。すなわち、基板上の温度に高低差があると、成長種は温度の高い部分から低い部分へクラウン運動により移動すると考えられている。したがって、膜厚の成長速度が遅ければ遅いほど、成長種がクラウン運動をすることができる時間は長くなり、膜厚の高低差も大きくなることになる。
【００２４】
本発明者らは、結晶成長速度を２μｍ／時以上とすることにより、クラウン運動可能な時間を抑えることで、形成された膜厚の高低差を低減することができることを見出した。すなわち、上記非特許文献１に記載された方法では、形成された膜厚には、成長膜厚の平均から−９０％〜＋１４％の範囲のずれが生じていたが、本発明のＣＶＤエピタキシャル成長法を用いると、成長膜厚の平均からのずれが−１０％〜＋１０％までに低減することができたものである。
【００２５】
なお、一般に、結晶成長速度と原料ガスの流量とには相関がある。本発明において、結晶成長速度は、図５に示されるように、ＳｉＨ４の流速と比例して増加するが、一定以上のＳｉＨ４の流速においては飽和することにより、結晶成長速度は一定になる。ここで、図５は、本発明において、結晶成長温度１５００℃での、結晶成長速度とＳｉＨ４流速との関係を表わすグラフである（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２００１第１８４項）。
【００２６】
本発明において、ＳｉＣ基板の（０００１）面から（１１−２０）面方向に３°〜５°の範囲内のオフ角を有する６Ｈ−ＳｉＣ基板面を用いることが好ましい。また、（０００１）面から（１１−２０）面方向に７°〜９°の範囲内のオフ角を有する４Ｈ−ＳｉＣ基板面を用いることが好ましい。
【００２７】
当該基板を用いることで、ステップフローによるホモエピタキシャル成長が可能となるからである。ステップフローにより結晶成長することにより、ステップからの原子配置の周期の情報が与えられるために、基板と同一のポリタイプの単結晶が成長する。したがって、多数のポリタイプを有するＳｉＣにおいては基板と同一のタイプの結晶成長が行なわれる点で好ましい。また、オフ角を導入しない場合と比較して、成長の際の温度を低温にすることができる点で好ましい。しかし、本発明においては、上記基板に限定されず、ステップフローによる結晶成長が可能であれば、上記オフ角度の範囲に限定されるわけではない。また、本発明においては、ステップフローによる結晶成長に限定されず、オフ角度を導入しないジャスト基板を用いて、双晶による結晶成長を行なってもよい。
【００２８】
本発明において、形成されたエピタキシャル成長膜のドーパント濃度のバラツキを低減させるために、ドーパントとして窒素ガスを用いる場合は、当該窒素ガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、１×１０−７ｍｏｌ／ｃｍ３〜１×１０−１２ｍｏｌ／ｃｍ３の範囲内として結晶成長行なうことが好ましい。１×１０−１２ｍｏｌ／ｃｍ３未満では、バックグラウンドの窒素濃度と同程度という理由で制御性が失われるからであり、また、１×１０−７を超えると、窒素が結晶内に多量にとりこまれて、結晶性が低下するからである。好ましくは、１０−８〜１０−１１ｍｏｌ／ｃｍ３の範囲内として、より好ましくは、１０−９〜１０−１０ｍｏｌ／ｃｍ３の範囲内として結晶成長することがよい。
【００２９】
また、本発明において、ドーパントとしてジボランガスを用いる場合は、当該ジボランガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、１×１０−１１ｍｏｌ／ｃｍ３〜１×１０−１６ｍｏｌ／ｃｍ３の範囲内として結晶成長行なうことが好ましい。１×１０−１６ｍｏｌ／ｃｍ３未満では、バックグラウンドのボロン濃度と同程度という理由で制御性が失われるからであり、また、１×１０−１１を超えると、ボロンが多量にとりこまれて結晶性が低下するからである。好ましくは、１×１０−１１ｍｏｌ／ｃｍ３〜１×１０−１４ｍｏｌ／ｃｍ３の範囲内として、より好ましくは、１×１０−１１ｍｏｌ／ｃｍ３〜１×１０−１２ｍｏｌ／ｃｍ３の範囲内として結晶成長することがよい。
【００３０】
本発明において、形成された結晶における不純物濃度のバラツキは、Ｃ−ＶやＳＩＭＳで結晶成長面内の複数箇所を測定することによって確認することができる。
【００３１】
また、本発明において、原料ガス中に存在するケイ素原子に対する炭素原子の比（Ｃ／Ｓｉ）が１〜６の範囲内であることが好ましい。Ｃ／Ｓｉが１未満の場合は、結晶成長速度が低下してしまうため好ましくない。また、Ｃ／Ｓｉが６を超えると、結晶性低下のため好ましくない。より好ましくは、Ｃ／Ｓｉが２〜４である。
【００３２】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）
本発明のＣＶＤエピタキシャル成長を行なうための手順を以下に説明する。まず、成長を行なう前に、水素ガス雰囲気中で、温度を１５００℃として１０分間サセプタを加熱し、ベーキングを行なった。ここで、本実施例において用いる水素ガスは、銀パラジウム合金膜を利用した水素純化装置を通して純化した水素ガスである。次いで、昇華法によって作製した、（０００１）面から（１１−２０）面方向に８°のオフ角を有する４Ｈ−ＳｉＣウェハをサセプタにセットし、当該サセプタをサセプタホルダとともに成長炉内に入れ、真空排気を行なった。
【００３４】
その後、排気を止めて水素ガスを導入し、大気圧にした。このときの温度プロファイルとガス導入量との関係を図１に示す。図１において、横軸は時間であり、縦軸は温度である。本実施例においては、水素ガス中で１３００℃に達した後、その温度で塩化水素ガスを１０分間流した。また、水素ガスおよび塩化水素ガスの流量の例としては、それぞれ１ｍＬ／分および０．０３ｍＬ／分である。
【００３５】
１０分経過後、１５００℃まで昇温して、塩化水素ガスを止め、エピタキシャル成長を開始した。エピタキシャル成長の際に用いた原料ガスは、ＳｉＨ４（１．０％Ｈ２希釈）およびＣ３Ｈ８（１．０％Ｈ２希釈）であり、当該原料ガスの流量をそれぞれ５０ｓｃｃｍおよび３３ｓｃｃｍとした。また、水素ガスを３ｓｌｍの流量で流した。このときの結晶成長速度は、３μｍ／時であった。
【００３６】
（実施例２）
上記実施例１において、ｎ型のドーピングを行なうために、ドーピング材料としての窒素ガス（水素中０．５％）をさらに６ｓｃｃｍの流量で流した。このとき、窒素ガスについての、結晶成長炉内の単位体積あたりの濃度は、４．３×１０−１０ｍｏｌ／ｃｍ３であった。このときの結晶成長速度は、３μｍ／時であった。結晶成長面内の複数箇所をＳＩＭＳで測定したところ、不純物濃度のバラツキはほとんどなかった。
【００３７】
（実施例３）
実施例１において、ｐ型のドーピングを行なうために、ドーピング材料としてのジボランガス（水素中５ｐｐｍ）を４０ｓｃｃｍの流量でさらに添加した。また、実施例３においては、Ｃ３Ｈ８の流量を６６ｓｃｃｍとした。このとき、ジボランガスについての、結晶成長炉内の単位体積あたりの濃度は、２．８×１０−１２ｍｏｌ／ｃｍ３であった。このときの結晶成長速度は、２．５μｍ／時であった。結晶成長面内の複数箇所をＳＩＭＳで測定したところ、不純物濃度のバラツキはほとんどなかった。
【００３８】
上記実施例１〜３において、ＳｉＣ基板上に結晶成長されたエピタキシャル膜の膜厚分布を、ＳＩＭＳを用いて分析した結果を図２に示す。表面の成長膜厚の平均からのずれは、基板面のいずれの領域おいても、−１０％〜＋１０％の範囲内にあり、良好な表面モホロジーであることがわかる。
【００３９】
（比較例１）
ＳｉＨ４の流量を１５ｓｃｃｍにし、Ｃ３Ｈ８の流量を１０ｓｃｃｍにした以外は、すべて上記実施例１と同じ手順を用いてエピタキシャル成長をした。このときの結晶成長速度は、１．２μｍ／時であった。
【００４０】
（比較例２）
窒素ガス（水素中１００ｐｐｍ）を用い、当該窒素ガスの流速を、１００ｓｃｃｍにした以外は、すべて上記実施例２と同じ手順を用いてＣＶＤエピタキシャル成長を行なった。このとき、窒素ガスについての、結晶成長炉内の単位体積あたりの濃度は、１．４×１０−１０ｍｏｌ／ｃｍ３であった。このときの結晶成長速度は、１．２μｍ／時であった。
【００４１】
（比較例３）
ジボランガス（水素中５ｐｐｍ）を用い、当該窒素ガスの流量を、１００ｓｃｃｍにした以外は、すべて上記実施例３と同じ手順を用いてＣＶＤエピタキシャル成長を行なった。このとき、ジボランガスについての、結晶成長炉内の単位体積あたりの濃度は、７．１×１０−１２ｍｏｌ／ｃｍ３であった。このときの結晶成長速度は、１．２μｍ／時であった。
【００４２】
上記比較例１〜３において、得られたエピタキシャル膜の膜厚分布を、ＳＩＭＳを用いて分析した結果を図３に示す。表面の成長膜厚の平均からのずれは、−９０％〜＋１４％と広範囲にわたり、膜厚のバラツキは大きい。
【００４３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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が含まれることが意図される。
【００４４】
【発明の効果】
本発明のＣＶＤエピタキシャル成長方法によれば、コールドウォール方式を用いた場合においても、成長膜厚の平均からのずれを−１０％〜＋１０％の範囲内にすることができ、表面のモホロジーを良好にすることができる。また、形成された結晶膜厚における不純物濃度のバラツキも良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】エピタキシャル成長の際の温度プロファイルとガス導入量との関係を示すグラフである。
【図２】本発明のＣＶＤエピタキシャル成長方法を用いて形成された成長膜厚の表面を、ＳＩＭＳを用いて分析した結果を示す概略図である。
【図３】従来のＣＶＤエピタキシャル成長方法を用いて形成された成長膜厚の表面を、ＳＩＭＳを用いて分析した結果を示す概略図である。
【図４】コールドウォール方式を用いた、ＣＶＤエピタキシャル成長を行なうための装置の概略図である。
【図５】結晶成長温度１５００℃での、結晶成長速度とＳｉＨ４流速との関係を表わすグラフである。
【符号の説明】
１  ボンベ、２  マスフローコントローラ、３  結晶成長炉、４  排気ガス清浄システム、５  壁、６  サセプタ、７  基板、８  加熱装置、９  水素ガス精製機。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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