(57)【要約】【課題】  基板を回転せずに、不純物濃度の均一性を達成することができる、ＣＶＤエピタキシャル成長方法を提供すること。【解決手段】  本発明のＣＶＤエピタキシャル成長方法によれば、ＳｉＣのＣＶＤエピタキシャル成長方法において、基板の上流側におけるガス温度と基板の下流側におけるガス温度との差が０〜２００℃の範囲内であることを特徴とする。また、基板上に存在するガスの中心温度と基板温度との差が２００℃以下であり、かつ、該ガスの中心温度が１３００℃以上であることが好ましい。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣのＣＶＤエピタキシャル成長方法において、基板の上流側におけるガス温度と基板の下流側におけるガス温度との差が０〜２００℃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。
【請求項２】
基板上に存在するガスの中心温度と基板温度との差が２００℃以下であり、かつ、該ガスの中心温度が１３００℃以上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】
前記ガスの温度は、基板に到達するまでに加熱されることによって達成されることを特徴とする、請求項２に記載のＣＶＤエピタキシャル成長方法。
【請求項４】
基板温度を１４００〜１９００℃の範囲内にすることを特徴とする、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５】
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によって製造された結晶成長膜を有する基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣのＣＶＤエピタキシャル成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、耐放熱性にも優れており、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、一般的に化学気相堆積法（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】
従来、このようなＳｉＣの結晶成長では、コールドウォール型のＣＶＤが用いられてきたが、近年、下記特許文献１および２に記載されるような、高速成長が可能なホットウォール型のＣＶＤ炉も用いられている。しかしながら、炉内のガス温度の最適化がなされておらず、特に不純物のドーピングに関して、良好な均一性が得られにくい問題点があった。そこで、良好な均一性を得るために、基板が回転する機構を用いてＳｉＣのエピタキシャル成長を行なう手法も用いられている。たとえば、下記非特許文献１には、機械的基板回転機構を備えたホットウォール型反応炉を開示している。これにより、不純物ドーピングにおいて、均一なＳｉＣエピタキシャル層を達成している。
【０００６】
また、下記特許文献１には、ＡｌＮまたはＧａＮなどの広い電子的帯域ギャップおよび高い結合エネルギーを有する材料を、ＣＶＤ法によりガス相から沈積するに際し、基板が回転する機構を備えた装置を用いていることが開示されている。
【０００７】
しかしながら、上記３つの文献に開示されるように、エピタキシャル成長を行なう際に、成長膜厚や不純物濃度の均一性を達成するために、基板を回転させることにより、運転費用などの諸経費がかかり、結果としてエピタキシャル成長の総コストが非常に高くなってしまう。また、このような基板回転機構を用いることにより、装置の動作安定のため、メンテナンスが必要となる。
【特許文献１】特表２００３−５０７３１９号公報
【特許文献２】特開平５−００１３８０号公報
【非特許文献１】Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｒｕｍ  Ｖｏｌｓ．３８９−３９３（２００２）ｐｐ．１８７−１９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、基板を回転せずに、不純物ドーピングの均一性を達成することができる、ＣＶＤエピタキシャル成長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】
本発明のＣＶＤエピタキシャル成長方法は、ＳｉＣのＣＶＤエピタキシャル成長方法において、基板の上流側におけるガス温度と基板の下流側におけるガス温度との差が０〜２００℃の範囲内であることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、基板上に存在するガスの中心温度と基板温度との差が２００℃以下であり、かつ、該ガスの中心温度が１３００℃以上である。また、前記ガスの温度は、基板に到達するまでに加熱されることによって達成されることが好ましい。さらに、成長温度を１４００〜１７００℃の範囲内にすることが好ましい。
【００１１】
本発明はまた、上記に記載のＣＶＤエピタキシャル成長方法によって製造された結晶成長膜を有する基板を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のＣＶＤエピタキシャル成長方法によれば、基板回転機構などを用いずに、均一な不純物ドーピングを得ることができるので、ＳｉＣの結晶成長にかかるコストを低減でき、ひいてはこれを用いた製品のコストも低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
上記特許文献１および非特許文献１において、エピタキシャル成長における不純物濃度を均一にするために基板を回転させることが必要であることは、次の理由による。すなわち、ガス流の方向に従って、基板上において上流側および下流側を決定した場合に、当該基板の上流側におけるガス温度と下流側におけるガス温度との温度差が大きいため、これら両者のガス分解状態が異なり、エピタキシャル結晶成長の際の条件が異なっているためである。その結果、結晶成長した膜厚中における不純物濃度に差異が生じ、得られる半導体素子の性能劣化につながる。
【００１４】
上記理由は、本発明者らによって始めて見出された事実であり、本発明者らは、この事実について考慮して、回転機構を用いないＣＶＤエピタキシャル成長方法を鋭意検討した結果、本発明を達成するに至ったものである。ここで、ＣＶＤとは、気相化学蒸着法のことをいう。また、本発明において、上流側とは、基板上をガスが流れる際に、ガスが流れる方向からみて基板中心から近位側のことをいい、下流側とは、遠位側のことをいう。具体的には、図１における装置の結晶成長炉においては、ガスが左から右に流れるので、基板の中心から左側を上流側、基板の中心から右側を下流側ということになる。
【００１５】
本発明のＣＶＤエピタキシャル成長方法は、ＣＶＤを用いて、ＳｉＣをエピタキシャル成長するに際し、基板の上流側におけるガス温度と基板の下流側におけるガス温度との差を０〜２００℃の範囲内にすることを特徴とする。これにより、上流側および下流側におけるガスの分解状態が略均一となり、エピタキシャル結晶成長条件が上流側および下流側において略同様になることで、基板の上流側および下流側における結晶成長膜中の不純物濃度の変動を低減することができる。ここで、上記ガスの分解状態とは、材料ガスから発生した活性種のことである。また、成長条件とは、Ｃ源となる活性種とＳｉ源となる活性種の比率であるＣ／Ｓｉ比の条件をいう。
【００１６】
本発明において、基板の上流側にあるガス温度と、基板の下流側にあるガス温度との差が、０〜２００℃の範囲内に設定した理由は次のとおりである。つまり、この差が２００℃を超えると、材料ガスから発生した活性種が上下流で大きく異なり、不純物の取込みを決めるＣ／Ｓｉ比が大きく変わり、不純物濃度の均一性が低下するため問題である。より好ましくは、０〜１５０℃、さらに好ましくは、０〜１００℃の範囲内であり、最も好ましくはこれらの温度差が無い場合である。
【００１７】
上述した温度範囲に設定した理由を理解することを容易にするために、基板の上流側と下流側とのガスの温度差と、原料ガス中の不純物濃度分布との関係を図６に示す。図６において、横軸は温度差を示し、縦軸は不純物濃度分布について標準偏差を平均値で割ったものを百分率で示すものである。なお、図６は、複数点測定した結果に基づき回帰したものである。図６から明らかなように、温度差と不純物濃度分布とは一次の比例関係があるので、温度差の増大とともに不純物濃度分布も増大する。本発明においては不純物濃度分布を±５％以下にすることが好ましいので、上流側および下流側におけるガスの温度差を２００℃以下にすることが好ましい。不純物濃度分布が±５％を超えると、当該結晶成長基板を用いて半導体装置を製造するときの歩留りが非常に悪くなるからである。
【００１８】
ここで、本発明のＣＶＤエピタキシャル成長に使用可能な装置を図示して、本発明をより詳細に説明するが、この装置に限定されることを意味せず、本発明を容易に理解するために、使用可能な装置の一例を挙げたにすぎないことに留意されたい。
【００１９】
図１は、本発明において使用可能なＣＶＤ結晶成長装置の概略図である。図１において、当該ＣＶＤ結晶成長装置は、キャリアガス、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。なお、図１中のボンベ１に含まれるガスは、これに限定されず、結晶成長させる材料により、適宜選択して変更することができる。
【００２０】
結晶成長炉３は、コイル８に高周波電波を流すことによって、サセプタ６が誘導加熱される。また、断熱および保温のために、断熱材７が石英管５とサセプタ６との間に挿入されている。基板７は、サセプタ６上に設置される。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。
【００２１】
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。
結晶成長炉３の拡大該略図を図２に示す。図２において、ガス流の上流側におけるサセプタ間の幅と、下流側におけるサセプタ間の幅とが異なる。具体的には、下流側におけるサセプタ間の幅を上流側と比べて若干狭くして、上側のサセプタを水平方向から若干傾斜させている。これにより、等間隔の場合と比較して、膜厚分布の均一性が向上する。
【００２２】
本発明において、上述したように、ＳｉＣのエピタキシャル成長における原料ガスとして、該ガス１ｍｏｌ中にＳｉをＸｍｏｌ含むガスを用いることができる。ただし、ｘは、１〜２であり、具体的には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６およびＳｉＨ２Ｃｌ２などが挙げられる。また、当該１ｍｏｌ中にＳｉをＸｍｏｌ含むガスの分圧は、３３．３３／ｘ（Ｐａ）以上とすることが好ましい。３３．３３／ｘ（Ｐａ）未満であると、Ｓｉクラスタが発生しにくいという理由で、膜厚の均一性が確保できないという問題が生じるからである。本発明において、１ｍｏｌ中にＳｉをＸｍｏｌ含むガスの分圧は、結晶成長炉内の雰囲気圧力×（１ｍｏｌ中にＳｉをＸｍｏｌ含むガスの流量／原料ガスの流量）で規定される。
【００２３】
上記１ｍｏｌ中にＳｉをＸｍｏｌ含むガスの分圧は、たとえば、図１の装置を用いた場合、原料ガスを含むボンベ１から結晶成長炉３へ流れるガス流量を、マスフローコントローラ２により制御することによって調節することができる。
【００２４】
また、本発明において、ドーピングのためのガスとしては、たとえば、ｐ型ドーピングのためには、Ｂ２Ｈ６およびＴＭＡなどを用いることができる。また、ｎ型ドーピングを行なうためには、Ｎ２およびＰＨ３などを用いることができる。
【００２５】
本発明において、使用可能な基板としては、ＳｉＣ基板およびＳｉ基板などが挙げられ、特に、ＳｉＣ基板が好ましい。また、本発明においては、エピタキシャル成長の際には、ステップ成長が良質な結晶成長膜を得られる点で好ましいが、双晶による結晶成長でもよい。これらのステップ成長などによるエピタキシャル成長は当該分野で公知の方法により行なうことができる。
【００２６】
本発明において、ＳｉＣのエピタキシャル成長のキャリアガスとしては、当該分野で公知のものを挙げることができるが、具体的にはＨ２などを用いることができる。
【００２７】
また本発明において、ガス（原料ガス、ドーピングガスおよびキャリアガスを含む）の中心温度と、基板温度との差が２００℃以下であり、かつ、当該ガスの中心温度が１３００℃以上であることが好ましい。基板温度と比較して２００℃より大きいと、Ｓｉクラスタが発生しにくいと理由で、上流側で反応速度が大きいＳｉ種が発生および消費され、下流でこれらが不足するという問題が生じる。また、ガスの中心温度が１３００℃未満であると、Ｓｉクラスタが発生しにくいという理由で、上流側で反応速度が大きいＳｉ種が発生および消費され、下流でこれらが不足するという問題が生じるからである。
【００２８】
ここで、ガスの中心とは、基板の上に形成されたクラスタにおける中心付近をいう。当該クラスタは、原料ガスの分圧を上記の範囲に設定することで形成することができる。本発明においては、当該ガスの中心付近の温度ならびに基板の上流側および下流側の温度をシミュレーション解析により測定することができる。当該シミュレーション解析の手段は次のとおりである。まず、ガスが通過する部分を３次元図形としてコンピュータ入力する。次に、当該３次元図形をメッシュ（微小体積）に分割する。その後、ガス通路の壁面の温度、雰囲気圧力、ガス流量（キャリアガスである水素）、ガスの物性値などの条件を入力する。次いで、ソフトのアルゴリズムにしたがって温度分布を計算するものである。本発明においては、上記ソフトとしては、ＣＤ−ａｄａｐｃｏＪＡＰＡＮ社製ＳＴＡＲＴ−ＬＴを用いる。
【００２９】
本発明において、上述のガスは、結晶成長炉内のサセプタを加熱機構により高周波加熱することによって加熱することができる。また、本発明においては、ガス流の上流側におけるサセプタ間の幅と、下流側におけるサセプタ間の幅とに差異を持たせて、上側のサセプタを水平方向から若干傾斜させることが好ましい。このときの傾斜角度は、水平方向から、約０〜１０度程度、好ましくは、約０〜５度程度である。このように上側のサセプタを傾斜させることで、等間隔の場合と比較して、膜厚分布の均一性が向上する。
【００３０】
本発明において、ＳｉＣの結晶成長温度を１４００℃〜１９００℃の範囲内に設定してエピタキシャル成長を行なうことが好ましい。１４００℃未満であると、成長温度が低いという理由で結晶性が低下するという問題が生じる。一方、１９００℃を超えると、Ｓｉクラスタの分解速度が大きくなるという理由で、上流側でＳｉ種が発生および消費され、下流側でこれらが不足するので、ＳｉＣからのＳｉの脱離がはげしくなり、成長速度が得られない。
【００３１】
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。
【実施例】
【００３２】
図２のような、ガス流の上流側および下流側におけるサセプタ間の幅に差異があるサセプタ内に、ＳｉＣ基板を設置した。このときの位置は、図３に示すとおりである。図３（Ａ）は、ＳｉＣ基板をサセプタ内に設置した際の位置を示す概略断面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）中の線Ｙ−Ｙ’に沿って切断したときにの概略断面図である。
【００３３】
次いで、基板温度を１５５０℃に設定し、キャリアガスであるＨ２ガスおよびＳｉＨ４を９３３２５．６Ｐａの圧力で、Ｈ２およびＳｉＨ４の比率を変えずに、図４に示すグラフに記載のとおりに流した。ここで図４におけるカッコ内の％σ（標準偏差）／ｍ（平均値）、つまり面内均一性の度合いを意味する。結果は図４のとおりである。図４は、Ｈ２およびＳｉＨ４の流量比率を一定に保ちつつ、流量を変化させたときの、基板上の位置に対する結晶成長膜厚中における不純物濃度を、グラフを用いて表わした図である。
【００３４】
図４からわかるように、Ｈ２の流量が２．５ｓｌｍの場合は、基板の上流側および下流側における不純物濃度にほとんど差がない。そして、図５の（Ａ）に示されるように、このときの基板の上流側および下流側におけるガスの温度の差異は、２００℃以下であることがわかる。一方、Ｈ２の流量が５．０、６．７および７．５ｓｌｍの場合は、基板上の各位置における結晶成長膜中の不純物濃度に変動がある。そして、図５の（Ｂ）に示されるように、たとえば、Ｈ２の流量が６．７ｓｌｍの場合には、基板上のガスの上流側および下流側における温度の差異が２００℃を超えていることがわかる。
【００３５】
したがって、基板の上流側および下流側のガスの温度差を０〜２００℃の範囲内にすることで、基板の上流側および下流側の位置における不純物濃度の変動を低減することができ、略均一な濃度を達成することができる。ここで、図５は、基板上のガス温度分布について、シミュレーションを行なった結果を表わす図であり、（Ａ）は、Ｈ２の流量が２．５ｓｌｍの場合であり、（Ｂ）は、Ｈ２の流量が６．７ｓｌｍの場合である。
【００３６】
また、このシミュレーションを行なった条件は次のとおりである：圧力９３３２５．６Ｐａ、壁面温度１５５０℃。
【００３７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明において使用可能なＣＶＤ結晶成長装置の概略図である。
【図２】図１における結晶成長炉の拡大該略図である。
【図３】（Ａ）は、ＳｉＣ基板をサセプタ内に設置した際の位置を示す概略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）中の線Ｙ−Ｙ’に沿って切断したときにの概略断面図である。
【図４】Ｈ２およびＳｉＨ４の流量比率を一定に保ちつつ、流量を変化させたときの、基板上の位置に対する結晶成長膜厚中における不純物濃度を、グラフを用いて表わした図である。
【図５】基板上のガス温度分布について、シミュレーションを行なった結果を表わす図であって、（Ａ）は水素流量を２．５ｓｌｍにしたときの図であり、（Ｂ）は水素流量を６．７ｓｌｍにしたときの図である。
【図６】基板の上流側と下流側との温度差と、原料ガス中の不純物濃度分布との関係を、グラフを用いて表わす図である。
【符号の説明】
【００３９】
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  石英管、６  サセプタ、７  基板、８  コイル、９  水素ガス精製機、１０  断熱材。
【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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【図６】
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