(57)【要約】  炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、複数の炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに設置する工程と、基板ホルダを炭化珪素単結晶基板の主面に対し垂直方向を軸に回転させて、炭素を含むガス、珪素を含むガス、窒素ガス及びアンモニアガスを供給することにより複数の炭化珪素単結晶基板の上に同時に炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程と、を有する。窒素ガスの流量に対するアンモニアガスの流量は、０．００８９以下である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに設置する工程と、
前記基板ホルダを前記炭化珪素単結晶基板の主面に対し垂直方向を軸に回転させて、炭素を含むガス、珪素を含むガス、窒素ガス及びアンモニアガスを供給することにより前記複数の炭化珪素単結晶基板の上に同時に炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程と、を有し、
前記窒素ガスの流量に対する前記アンモニアガスの流量は、０．００８９以下である炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項２】
複数の炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに設置する工程と、
前記基板ホルダを前記炭化珪素単結晶基板の主面に対し垂直方向を軸に回転させるとともに、各々の前記炭化珪素単結晶基板を前記炭化珪素単結晶基板の主面に対し垂直方向を軸に回転させて、炭素を含むガス、珪素を含むガス及びアンモニアガスを供給することにより前記複数の炭化珪素単結晶基板の上に同時に炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程と、を有する炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項３】
前記炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程において、窒素ガスも供給され、
前記窒素ガスの流量に対する前記アンモニアガスの流量は、０．００８９以下である請求項２に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項４】
炭素を含むガス、珪素を含むガス、窒素ガス及びアンモニアガスを供給することにより前記炭化珪素単結晶基板の上に炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程と、を有し、
前記窒素ガスの流量に対する前記アンモニアガスの流量は、０．００８９以下である炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項５】
前記炭素を含むガスはプロパンであって、
前記珪素を含むガスはシランである請求項１から４のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項６】
前記炭化珪素単結晶基板の直径は、１００ｍｍ以上である請求項１から５のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項７】
前記炭化珪素エピタキシャル層は、ＣＶＤ法による成膜により形成される請求項１から６のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法に関する。【０００２】
本出願は、2016年10月28日出願の日本出願2016-212201号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
【背景技術】
【０００３】
炭化珪素エピタキシャル基板は、炭化珪素単結晶基板を準備し、この炭化珪素単結晶基板の上に、不純物元素がドープされた炭化珪素エピタキシャル層をエピタキシャル成長により成膜することにより作製される（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１７０８９１号公報
【発明の概要】
【０００５】
本開示の一観点による炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、複数の炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに設置する工程と、基板ホルダを炭化珪素単結晶基板の主面に対し垂直方向を軸に回転させて、炭素を含むガス、珪素を含むガス、窒素ガス及びアンモニアガスを供給することにより複数の炭化珪素単結晶基板の上に同時に炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程と、を有する。窒素ガスの流量に対するアンモニアガスの流量は、０．００８９以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、炭化珪素エピタキシャル基板を模式的に示す部分断面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法に用いられる成膜装置の構成の一例を示す模式的な断面図である。
【図３】図３は、第１の実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法に用いられる成膜装置のチャンバの内部を示す模式的な上面図である。
【図４】図４は、炭化珪素エピタキシャル基板の炭化珪素エピタキシャル層のキャリア濃度の測定の説明図である。
【図５】図５は、窒素ガスを供給して成膜された炭化珪素エピタキシャル層の測定位置と炭化珪素エピタキシャル層のキャリア濃度との関係図である。
【図６】図６は、アンモニアガスを供給して成膜された炭化珪素エピタキシャル層の測定位置と炭化珪素エピタキシャル層のキャリア濃度との関係図である。
【図７】図７は、窒素ガスとアンモニアガスの混合ガスを供給して成膜された炭化珪素エピタキシャル層の測定位置と炭化珪素エピタキシャル層のキャリア濃度との関係図である。
【図８】図８は、Ｎ系ガス比率と炭化珪素エピタキシャル層のキャリア濃度の濃度分布の幅との関係図である。
【図９】図９は、供給される窒素ガスまたはアンモニアガスと炭化珪素エピタキシャル層のキャリア濃度との関係図である。
【図１０】図１０は、第１の実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、第１の実施形態における成膜装置内における温度制御とガス流量制御の一例を示すタイミングチャートである。
【図１２】図１２は、炭化珪素単結晶基板を公転及び自転させて窒素ガスとアンモニアガスの混合ガスを供給して成膜された炭化珪素エピタキシャル層の測定位置と炭化珪素エピタキシャル層のキャリア濃度との関係図である。
【図１３】図１３は、第２の実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法に用いられる成膜装置の内部を示す模式的な上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
［本開示が解決しようとする課題］
炭化珪素エピタキシャル基板では、炭化珪素エピタキシャル層の膜厚が基板の全面において均一であることのみならず、ドープされている不純物元素の濃度分布が均一であることが求められている。不純物元素の濃度分布がばらつくと、この炭化珪素エピタキシャル基板を用いて製造される半導体装置の特性、例えば、オン抵抗がばらつき、特性が不均一になるため好ましくないからである。
【０００８】
よって、炭化珪素エピタキシャル層の全面において、ドープされている不純物元素の濃度分布が均一となる炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法が求められている。
【０００９】
本開示は、炭化珪素エピタキシャル層にドープされる不純物の濃度分布の面内均一性を向上させることが可能な炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法を提供することを目的の１つとする。
【００１０】
本開示の技術を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１１】
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。また本明細書の結晶学的記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示している。ここで結晶学上の指数が負であることは、通常、数字の上に”−”（バー）を付すことによって表現されるが、本明細書では数字の前に負の符号を付すことによって結晶学上の負の指数を表現している。
【００１２】
〔１〕  本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、複数の炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに設置する工程と、前記基板ホルダを前記炭化珪素単結晶基板の主面に対し垂直方向を軸に回転させて、炭素を含むガス、珪素を含むガス、窒素ガス及びアンモニアガスを供給することにより前記複数の炭化珪素単結晶基板の上に同時に炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程と、を有し、前記窒素ガスの流量に対する前記アンモニアガスの流量は、０．００８９以下である。
【００１３】
本願発明者は、炭化珪素単結晶基板の上に、炭化珪素エピタキシャル層を成膜する際に、供給される窒素ガスとアンモニアガスでは、炭化珪素エピタキシャル層におけるキャリア濃度の濃度分布に差が生じることを見出した。具体的には、後述するように、複数の炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに載置し、基板ホルダを回転（公転）させた場合に、供給される窒素ガスとアンモニアガスでは、キャリア濃度の濃度分布に差が生じることを見出した。更に検討を行ったところ、窒素ガスとアンモニアガスの双方を供給した場合であって、窒素ガスの流量に対するアンモニアガスの流量を０．００８９以下にすることにより、キャリア濃度の濃度分布の均一性が向上することを見出した。
【００１４】
従って、複数の炭化珪素単結晶基板を公転させて、窒素ガスの流量に対するアンモニアガスの流量を０．００８９以下となるように供給して、炭化珪素エピタキシャル層を成膜することにより、キャリア濃度の濃度分布の均一性を向上させることができる。
【００１５】
〔２〕  本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、複数の炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに設置する工程と、前記基板ホルダを前記炭化珪素単結晶基板の主面に対し垂直方向を軸に回転させるとともに、各々の前記炭化珪素単結晶基板を前記炭化珪素単結晶基板の主面に対し垂直方向を軸に回転させて、炭素を含むガス、珪素を含むガス及びアンモニアガスを供給することにより前記複数の炭化珪素単結晶基板の上に同時に炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程と、を有する。
【００１６】
また、炭化珪素単結晶基板を自転かつ公転させて、アンモニアガス、または、窒素ガスとアンモニアガスの混合ガスを供給し、炭化珪素エピタキシャル層を成膜することにより、キャリア濃度の濃度分布の均一性を更に向上させることができることを見出した。
【００１７】
従って、複数の炭化珪素単結晶基板を自転かつ公転させて、アンモニアガス、または、窒素ガスとアンモニアガスの混合ガスを供給し、炭化珪素エピタキシャル層を成膜することにより、キャリア濃度の濃度分布の均一性を向上させることができる。
【００１８】
〔３〕  前記炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程において、窒素ガスも供給され、前記窒素ガスの流量に対する前記アンモニアガスの流量は、０．００８９以下である。
【００１９】
〔４〕  本開示の一態様に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、炭素を含むガス、珪素を含むガス、窒素ガス及びアンモニアガスを供給することにより前記炭化珪素単結晶基板の上に炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程と、を有し、前記窒素ガスの流量に対する前記アンモニアガスの流量は、０．００８９以下である。
【００２０】
〔５〕  前記炭素を含むガスはプロパンであって、前記珪素を含むガスはシランである。
【００２１】
〔６〕  炭化珪素単結晶基板の直径は、１００ｍｍ以上である。
【００２２】
〔７〕  前記炭化珪素エピタキシャル層は、ＣＶＤ法による成膜により形成される。
【００２３】
［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す）について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
【００２４】
〔第１の実施形態〕
〔炭化珪素エピタキシャル基板〕
以下、本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板１００について説明する。
【００２５】
図１は、本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板１００の構造の一例を示す断面図である。本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板１００は、所定の結晶面からオフ角θだけ傾斜した主面１０Ａを有する炭化珪素単結晶基板１０と、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０Ａ上に形成された炭化珪素エピタキシャル層１１と、を備える。所定の結晶面は、（０００１）面または（０００−１）面が好ましい。
【００２６】
炭化珪素単結晶基板１０は、たとえばポリタイプ４Ｈの六方晶炭化珪素からなる。炭化珪素単結晶基板１０は、たとえば窒素（Ｎ）等の不純物元素を含んでおり、炭化珪素単結晶基板１０の導電型はｎ型である。炭化珪素単結晶基板１０に含まれる窒素（Ｎ）等の不純物の濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００２７】
炭化珪素エピタキシャル層１１は、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０Ａに接して形成されている。炭化珪素エピタキシャル層１１の厚さは、例えば、５μｍ以上４０μｍ以下であり、炭化珪素エピタキシャル層１１の上面が表面１１Ａとなる。炭化珪素エピタキシャル層１１は、例えば、窒素（Ｎ）等の不純物元素を含んでおり、炭化珪素エピタキシャル層１１の導電型はｎ型である。炭化珪素エピタキシャル層１１のキャリア濃度である不純物濃度は、炭化珪素単結晶基板１０の不純物濃度よりも低くてもよい。炭化珪素エピタキシャル層１１の不純物濃度は、例えば、１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下である。
【００２８】
〔成膜装置〕
次に、本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板を製造するための成膜装置について図２及び図３に基づき説明する。図２は、本実施形態に用いられる成膜装置の構成の一例を示す模式的な断面図であり、図３は、この成膜装置のチャンバの内部を上面より見た上面図である。図２及び図３に示される成膜装置１は、横型ホットウォールＣＶＤ（chemical vapor deposition）装置である。図２に示されるように、成膜装置１は、発熱体６と、断熱材５と、石英管４と、誘導加熱コイル３とを備えている。発熱体６は、たとえばカーボン製である。図２に示されるように成膜装置１には、一体に形成された角筒形状の発熱体６が設けられており、角筒形状の発熱体６の内部には、２つの平坦部が互いに対向するように形成されており、２つの平坦部に取り囲まれた空間が、チャンバ１Ａとなっている。チャンバ１Ａは、「ガスフローチャネル」とも呼ばれる。図３に示されるように、チャンバ１Ａ内の回転サセプタ８の上には、複数、例えば、３枚の炭化珪素単結晶基板１０を載置可能な基板ホルダ７が設置されている。
【００２９】
断熱材５は、発熱体６の外周部を取り囲むように配置されている。チャンバ１Ａは、断熱材５によって成膜装置１の外部から断熱されている。石英管４は、断熱材５の外周部を取り囲むように配置されている。誘導加熱コイル３は、石英管４の外周部に沿って巻回されている。成膜装置１では、誘導加熱コイル３に交流電流を供給することにより、発熱体６が誘導加熱され、チャンバ１Ａ内の温度が制御できるようになっている。このとき断熱材５により断熱されるため、石英管４は殆ど加熱されない。
【００３０】
図２に示される成膜装置１では、破線矢印Ａに示す方向より、チャンバ１Ａ内が排気される。また、炭化珪素エピタキシャル層１１を成膜する際には、破線矢印Ｂに示す方向より、原料ガスとなる炭素成分を含むガス、珪素成分を含むガス、アンモニア（ＮＨ3）ガス、窒素（Ｎ2）ガス及びキャリアガスとして水素（Ｈ2）ガスを供給する。本実施形態では、炭素成分を含むガスにはプロパン（Ｃ3Ｈ8）ガス等が用いられ、珪素成分を含むガスにはシラン（ＳｉＨ4）ガス等が用いられる。
【００３１】
炭化珪素エピタキシャル層１１を成膜する際には、回転サセプタ８を回転させることにより、基板ホルダ７の回転軸７Ａを中心に破線矢印Ｃに示される方向に回転させる。これにより、基板ホルダ７に載置されている炭化珪素単結晶基板１０を公転させることができる。尚、本実施形態においては、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０Ａに対し垂直方向を軸に回転サセプタ８を回転させることにより基板ホルダ７を回転させる。この回転サセプタ８の回転数は、例えば、１０ＲＰＭ以上１００ＲＰＭ以下である。従って、この成膜装置１では、複数、例えば、３枚の炭化珪素単結晶基板１０に、同時に炭化珪素エピタキシャル層１１を成膜することが可能である。尚、基板ホルダ７の回転は、例えば、ガスフロー方式により行われる。
【００３２】
〔不純物元素を含むガス〕
炭化珪素エピタキシャル基板における炭化珪素エピタキシャル層１１に、不純物元素をドープするために用いられる不純物元素を含むガスについて説明する。炭化珪素エピタキシャル層１１をｎ型にするためには窒素（Ｎ）がドープされるが、窒素（Ｎ）をドープするためのガスとしては、アンモニアと窒素が挙げられる。そこで、本願発明者は、図２に示す成膜装置において、基板ホルダ７に６インチの炭化珪素単結晶基板１０を３枚載置して、回転軸７Ａを中心に基板ホルダ７を回転させながら、炭化珪素エピタキシャル層１１を成膜する実験を行った。各々の炭化珪素単結晶基板１０は、オリエンテーション・フラット(orientation flat)（以降、オリフラまたはＯＦ等と記載する場合がある）が、基板ホルダ７の外周側になるように設置されている。
【００３３】
炭化珪素エピタキシャル層１１は、チャンバ１Ａ内の温度が１６４０℃において、プロパンガスを６３ｓｃｃｍ、シランガスを１４０ｓｃｃｍ、不純物元素をドープするためのガスを供給して成膜を行うことにより形成した。
【００３４】
不純物元素をドープするための不純物元素を含むガスとして、窒素ガスを供給して成膜した試料ＳＥ１、アンモニアガスを供給して成膜した試料ＳＥ２を作製し、これらのキャリア濃度の濃度分布を調べた。キャリア濃度の濃度分布は、Four Dimensions, Inc.製の水銀ＣＶ装置、CVmap 92Aを用いて行った。エピタキシャル層の空乏層容量Ｃの電圧依存性を測定するための印加電圧は０〜−５Ｖ程度印加して測定を行った。
【００３５】
キャリア濃度の濃度分布は、図４に示されるように、炭化珪素エピタキシャル基板の中心と、１点鎖線Ｆ１−Ｆ２、Ｐ１−Ｐ２、Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２に示す方向における各々１０点の位置、計４１点の位置のキャリア濃度を測定した結果である。１点鎖線Ｆ１−Ｆ２は、オリフラ（ＯＦ）の中心とオリフラ（ＯＦ）の中心に対向する位置とを結ぶ線であって、炭化珪素エピタキシャル基板の中心を通る線である。１点鎖線Ｐ１−Ｐ２は、炭化珪素エピタキシャル基板の中心において、１点鎖線Ｆ１−Ｆ２に直交する線である。１点鎖線Ａ１−Ａ２は、炭化珪素エピタキシャル基板の中心において、１点鎖線Ｆ１−Ｆ２及び１点鎖線Ｐ１−Ｐ２となす角が、ともに４５°となる線である。１点鎖線Ｂ１−Ｂ２は、炭化珪素エピタキシャル基板の中心において、１点鎖線Ａ１−Ａ２に直交する線である。
【００３６】
図５は、不純物元素をドープするためのガスとして窒素ガスを１１ｓｃｃｍ供給して成膜した試料ＳＥ１におけるキャリア濃度の濃度分布を示すものである。図５に示されるように、窒素ガスを供給して成膜した場合には、炭化珪素エピタキシャル層におけるキャリア濃度は、中心部分が低くなり、周辺部分が高くなる傾向にある。この結果、試料ＳＥ１におけるキャリア濃度の濃度分布の幅は約２２％であった。尚、キャリア濃度の濃度分布の幅は、測定した４１点の位置におけるキャリア濃度の最大値、キャリア濃度の最小値、キャリア濃度の平均値より、下記の数１に示す式により算出している。
【００３７】
【数１】
2018078944.tif 000003
図６は、不純物元素をドープするためのガスとしてアンモニアガスを０．０６５ｓｃｃｍ供給して成膜した試料ＳＥ２におけるキャリア濃度の濃度分布を示すものである。図６に示されるように、アンモニアガスを供給して成膜した場合には、炭化珪素エピタキシャル層におけるキャリア濃度は、オリフラ（ＯＦ）の側が高くなり、オリフラ（ＯＦ）とは反対側が比較的低くなる傾向にある。この結果、試料ＳＥ２におけるキャリア濃度の濃度分布の幅は、約２６％であった。
【００３８】
ところで、図５と図６とを比べると、窒素ガスを供給した場合のキャリア濃度の濃度分布と、アンモニアガスを供給した場合のキャリア濃度の濃度分布は異なる分布を示している。そこで、発明者は、窒素ガスとアンモニアガスとを混合し、この混合したガスの窒素ガスとアンモニアガスとの混合比率を調整すれば、より一層キャリア濃度の濃度分布を均一にすることができることに想到した。
【００３９】
このため、不純物元素をドープするためのガスとして窒素ガスとアンモニアガスの混合ガスを供給して成膜した試料ＳＥ３を作製し、試料ＳＥ１及び試料ＳＥ２と同様の方法によりキャリア濃度の濃度分布を調べた。
【００４０】
図７は、窒素ガスを７．８ｓｃｃｍとアンモニアガスを０．０２２ｓｃｃｍ供給して成膜した試料ＳＥ３におけるキャリア濃度の濃度分布を示すものである。図７に示されるように、窒素ガスとアンモニアガスとの混合ガスを供給して成膜した場合には、炭化珪素エピタキシャル層におけるキャリア濃度の濃度分布は、試料ＳＥ１や試料ＳＥ２に比べて均一となり、試料ＳＥ３における濃度分布の幅は２０％以下であった。
【００４１】
以上の実験結果に基づき、窒素ガスとアンモニアガスの供給比率であるＮ系ガス比率とキャリア濃度の濃度分布の幅との関係を算出した。この結果を図８に示す。尚、図８におけるＮ系ガス比率とは、窒素ガスとアンモニアガスの供給比率のパラメータであり、Ｎ系ガス比率をｘとした場合には、チャンバ１Ａ内には、窒素ガスが１１×（１−ｘ）ｓｃｃｍ、アンモニアガスが０．０６５×ｘｓｃｃｍ供給される。従って、Ｎ系ガス比率ｘが０の場合には窒素ガスのみが１１ｓｃｃｍ供給され、Ｎ系ガス比率ｘが１の場合にはアンモニアガスのみが０．０６５ｓｃｃｍ供給される。
【００４２】
図８より、窒素ガスとアンモニアガスとの混合ガスを窒素ガスとアンモニアガスとの混合比率を調整して供給することにより、キャリア濃度の濃度分布の幅を小さくすることができる。具体的には、Ｎ系ガス比率ｘが０．２の場合に最もキャリア濃度の濃度分布の幅が小さくなり、約１８％となる。また、Ｎ系ガス比率ｘが０．６以下の場合には、窒素ガスのみを１１ｓｃｃｍ供給した場合よりも、キャリア濃度の濃度分布の幅を小さくすることができる。更には、Ｎ系ガス比率ｘが０．０９以上０．４４以下の場合には、キャリア濃度の濃度分布の幅を２０％以下にすることができる。
【００４３】
Ｎ系ガス比率ｘが０．６の場合は、窒素ガスの流量が４．４ｓｃｃｍであり、アンモニアガスの流量が０．０３９ｓｃｃｍであり、窒素ガスの流量に対するアンモニアガスの流量の比率は、０．００８９となる。よって、窒素ガスの流量に対するアンモニアガスの流量の比率（（アンモニアガスの流量）／（窒素ガスの流量））は、０を超え、０．００８９以下が好ましい。言い換えると、アンモニアガスを、窒素ガスに対して０より大きく０．０８９以下の流量比で供給することが好ましい。
【００４４】
また、Ｎ系ガス比率ｘが０．０９の場合は、窒素ガスの流量が１０．０１ｓｃｃｍであり、アンモニアガスの流量が０．００５８５ｓｃｃｍであり、窒素ガスの流量に対するアンモニアガスの流量の比率は、０．０００５８となる。また、Ｎ系ガス比率ｘが０．４４の場合は、窒素ガスの流量が６．１６ｓｃｃｍであり、アンモニアガスの流量が０．０２８６ｓｃｃｍであり、窒素ガスの流量に対するアンモニアガスの流量の比率は、０．００４６４となる。よって、窒素ガスの流量に対するアンモニアガスの流量の比率（（アンモニアガスの流量）／（窒素ガスの流量））は、０．０００５８以上、０．００４６４以下がより好ましい。即ち、アンモニアガスを、窒素ガスに対して０．０００５８以上０．００４６４以下の流量比で供給することがより好ましい。
【００４５】
図９は、アンモニアガスまたは窒素ガスの流量と炭化珪素エピタキシャル層にドープされるキャリア濃度の平均値との関係を示す。アンモニアガス及び窒素ガスは、ともに供給するガスの流量とドープされるキャリア濃度とは比例しており、供給するガス流量を変化させることにより、炭化珪素エピタキシャル層にドープされるキャリア濃度を制御することができる。従って、窒素ガスの流量に対するアンモニアガスの流量の比率を上記の比率に保ったまま、窒素ガスの流量とアンモニアガスの流量を変化させれば、キャリア濃度分布の均一性を維持したまま、ドープされるキャリア濃度を変化させることも可能である。
【００４６】
尚、炭化珪素単結晶基板１０の上に成膜される炭化珪素エピタキシャル層１１におけるキャリア濃度の分布は、炭化珪素単結晶基板１０が大きくなると均一性が低下する傾向にある。このため、本実施形態は、炭化珪素単結晶基板１０の直径が１００ｍｍ以上、更には、１５０ｍｍ以上の場合に適用した場合に、顕著な効果を得ることができる。
【００４７】
〔炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法〕
次に、本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法について説明する。
【００４８】
図１０は、本実施形態の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法の概略を示すフローチャートである。図１０に示されるように、本実施形態の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、準備工程（Ｓ１０１）、水素ガス供給工程（Ｓ１０２）、減圧工程（Ｓ１０３）、昇温工程（Ｓ１０４）、及びエピタキシャル成長工程（Ｓ１０５）を備える。以下、各工程について説明する。
【００４９】
準備工程（Ｓ１０１）では、炭化珪素単結晶基板１０を準備する。炭化珪素単結晶基板１０は、たとえば炭化珪素単結晶からなるインゴットをスライスすることにより作製される。スライスには、たとえばワイヤーソーが使用される。炭化珪素のポリタイプは４Ｈが好ましい。電子移動度、絶縁破壊電界強度等において他のポリタイプよりも優れているからである。炭化珪素単結晶基板１０の径は、好ましくは１５０ｍｍ以上（たとえば６インチ以上）である。径が大きい程、半導体装置の製造コスト削減に有利である。
【００５０】
炭化珪素単結晶基板１０は、後にエピタキシャル層１１を成長させることとなる主面１０Ａを有する。炭化珪素単結晶基板１０は、０°を超え８°以下のオフ角θを有する。即ち、主面１０Ａは、所定の結晶面から０°を超え８°以下のオフ角θだけ傾斜した面である。炭化珪素単結晶基板１０にオフ角θを導入しておくことにより、ＣＶＤ法によってエピタキシャル層１１を成長させる際、主面１０Ａに表出した原子ステップからの横方向成長、いわゆる「ステップフロー成長」が誘起される。これにより炭化珪素単結晶基板１０のポリタイプを引き継いだ形で単結晶が成長し、異種ポリタイプの混入が抑制される。ここで所定の結晶面は、（０００１）面または（０００−１）面が好ましい。即ち、所定の結晶面は、｛０００１｝面が好ましい。オフ角を設ける方向は、＜１１−２０＞方向である。この後、準備工程（Ｓ１０１）以降の工程は、成膜装置内で行われる。
【００５１】
図１１は、成膜装置内で行われるチャンバ１Ａ内の温度及びガス流量の制御を示すタイミングチャートである。水素ガス供給工程（Ｓ１０２）では、図２及び図３に示されるように、複数の炭化珪素単結晶基板１０を成膜装置１のチャンバ１Ａ内に設置し、チャンバ１Ａ内に水素（Ｈ2）ガスを所定流量で供給する。具体的には、複数、例えば、３枚の炭化珪素単結晶基板１０を基板ホルダ７の上に載置し、３枚の炭化珪素単結晶基板１０が載置された基板ホルダ７をチャンバ１Ａ内の回転サセプタ８の上に設置する。即ち、複数の炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに設置する工程を実施する。この後、時点ｔ２よりチャンバ１Ａ内に水素（Ｈ2）ガスを所定流量（例えば図１１では１３５ｓｌｍ）で供給する。回転サセプタ８はグラファイトにＳｉＣコーティングが施されたものを用いてもよく、ＳｉＣから構成されるものを用いてもよい。
【００５２】
次に、減圧工程（Ｓ１０３）では、チャンバ１Ａ内を減圧する。減圧工程（Ｓ１０３）では、チャンバ１Ａ内の圧力が目標値に達する時点ｔ２までチャンバ１Ａ内を減圧する。減圧工程（Ｓ１０３）における圧力の目標値は、たとえば１×１０−３Ｐａ〜１×１０−６Ｐａ程度である。
【００５３】
昇温工程（Ｓ１０４）では、成膜装置１のチャンバ１Ａ内の温度を第１の温度Ｔ１まで加熱し、更に、第２の温度Ｔ２に到達するまで加熱する。尚、チャンバ１Ａ内の温度が第１の温度Ｔ１に達した時点ｔ３より時点ｔ４まで、第１の温度Ｔ１に保ったまま、１０分間、チャンバ１Ａ内に水素（Ｈ2）ガスを流量１３５ｓｌｍで供給する。この際、チャンバ１Ａ内の圧力は、例えば、１０ｋＰａとなるように調整する。この後、更に、水素ガスを供給し続けたまま、成膜装置１のチャンバ１Ａ内の温度が第２の温度Ｔ２に到達するまで加熱する。尚、本実施形態では、第１の温度Ｔ１は、例えば、１６２０℃である。また、基板ホルダ７の回転（公転）は、複数の炭化珪素単結晶基板１０を成膜装置１のチャンバ１Ａ内に設置した後、エピタキシャル成長工程（Ｓ１０５）の前に行ってもよい。
【００５４】
第２の温度Ｔ２は、１５００℃以上１７５０℃以下が好ましい。第２の温度Ｔ２が１５００℃を下回ると、後のエピタキシャル成長工程（Ｓ１０５）で単結晶を均一に成長させることが困難な場合があり、また成長速度が低下する場合もある。また第２の温度Ｔ２が１７５０℃を超えると、水素ガスによるエッチング作用が強くなり、かえって成長速度が低下する場合もあり得る。第２の温度Ｔ２は、より好ましくは１５２０℃以上１６８０℃以下であり、特に好ましくは１５５０℃以上１６５０℃以下である。本実施形態においては、１６４０℃である。
【００５５】
成膜装置１のチャンバ１Ａ内の温度が第２の温度Ｔ２に到達した時点ｔ５より、エピタキシャル成長工程（Ｓ１０５）を行う。
【００５６】
エピタキシャル成長工程（Ｓ１０５）では、成膜装置１のチャンバ１Ａ内に、水素ガスとともに、炭化水素ガス、シラン（ＳｉＨ4）ガス、窒素ガス及びアンモニアガスを供給する。これにより、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０Ａ上に水素ガス、炭化水素ガス、シラン（ＳｉＨ4）ガス、窒素ガス及びアンモニアガスが供給される。エピタキシャル成長工程（Ｓ１０５）におけるチャンバ１Ａ内の所定の圧力は、例えば、６ｋＰａである。これにより、ＣＶＤ法により炭化珪素単結晶基板１０の主面１０Ａ上にｎ型となる不純物元素がドープされたエピタキシャル層１１を成長させることができる。なお、エピタキシャル成長工程は、基板ホルダ７を回転（公転）させながら行うことが好ましい。これにより、複数の炭化珪素単結晶基板１０を回転（公転）させながら、複数の炭化珪素単結晶基板１０に均一にガスを供給し、複数の炭化珪素単結晶基板１０の主面１０Ａ上に均一にエピタキシャル層を成長させることができる。但し、基板ホルダ７を回転させることは必須ではなく、必要に応じて行うようにしてよい。
【００５７】
炭化水素ガスとしては、メタン（ＣＨ4）ガス、エタン（Ｃ2Ｈ6）ガス、プロパン（Ｃ3Ｈ8）ガス、ブタン（Ｃ4Ｈ10）ガス及びアセチレン（Ｃ2Ｈ2）ガス等を用いることができる。これらの炭化水素ガスは１種単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。即ち、炭化水素ガスは、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガス及びアセチレンガスからなる群より選択される１種以上を含むことが好ましい。本実施形態においては、例えば、炭化水素ガスとしてプロパンガスを６３ｓｃｃｍ供給する。
【００５８】
また、シランガスの流量は特に限定されないが、炭化水素ガスに含まれる炭素（Ｃ）の原子数と、シランガスに含まれる珪素（Ｓｉ）の原子数との比（Ｃ／Ｓｉ）が０．５以上２．０以下となるように、シランガスの流量を調整することが好ましい。化学量論比の適切なＳｉＣをエピタキシャル成長させるためである。本実施形態においては、例えば、シランガスを１４０ｓｃｃｍ供給する。この場合には、Ｃ／Ｓｉは１．３５となる。
【００５９】
また、エピタキシャル成長工程（Ｓ１０５）において供給される窒素ガスの流量は、４．４ｓｃｃｍ以上１１ｓｃｃｍ未満、より好ましくは、６．１６ｓｃｃｍ以上１０．０１ｓｃｃｍ以下である。また、供給されるアンモニアガスの流量は、０を超え、０．０３９ｓｃｃｍ以下、より好ましくは、０．００５８５ｓｃｃｍ以上０．０２８６ｓｃｃｍ以下である。本実施形態では、供給される窒素ガスの流量は７．８ｓｃｃｍであり、アンモニアガスの流量は０．０２２ｓｃｃｍである。エピタキシャル成長工程（Ｓ１０５）は、目標とするエピタキシャル層１１の厚さに合わせて時点ｔ６まで行われる。本実施形態においては、エピタキシャル成長工程（Ｓ１０５）は約１５０分行われ、これにより、膜厚が３０μｍ、キャリア濃度が３×１０１５ｃｍ−３の炭化珪素エピタキシャル層１１が形成される。
【００６０】
エピタキシャル成長工程（Ｓ１０５）の終了後は、炭化珪素エピタキシャル層が成膜されている炭化珪素エピタキシャル基板を冷却する。冷却は成膜装置１の誘導加熱コイル３による加熱を停止することにより行い、チャンバ１Ａ内の温度が６００℃になる時点ｔ７までは水素ガスを供給し、時点ｔ７以降は水素ガスの供給を停止する。この後、形成された炭化珪素エピタキシャル基板を取り出すことが可能な温度となる時点ｔ８まで冷却した後、チャンバ１Ａ内を大気開放して、チャンバ１Ａ内を大気圧に戻し、チャンバ１Ａ内より炭化珪素エピタキシャル基板１００を取り出す。
【００６１】
以上の工程により、本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板１００を製造することができる。
【００６２】
〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態は、炭化珪素単結晶基板１０の上に炭化珪素エピタキシャル層１１を成膜する際、アンモニアガスを含むガスを供給して、炭化珪素単結晶基板１０を自転かつ公転させるものである。即ち、本実施形態は、複数の炭化珪素単結晶基板１０を自転かつ公転させ、アンモニアガス、または、窒素ガスとアンモニアガスとの混合ガスを供給して、炭化珪素エピタキシャル層１１を成膜することにより炭化珪素エピタキシャル基板を製造する製造方法である。尚、本実施形態においては、公転では、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０Ａに対し垂直方向を軸に回転サセプタ８を回転させることにより基板ホルダ１０７を回転させる。また、自転では、炭化珪素単結晶基板１０の中心において、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０Ａに対し垂直方向を軸に回転サセプタ８を回転させることにより基板ホルダ１０７を回転させる。
【００６３】
図６及び図７に示される結果に基づくならば、公転に加え、更に炭化珪素単結晶基板１０を回転（自転）させると、濃度分布の幅が小さくなるものと考えられる。即ち、アンモニアガス、または、アンモニアガスと窒素ガスの混合ガスを供給しながら、炭化珪素単結晶基板１０を自転かつ公転させると、濃度分布の幅が更に小さくなるものと推察される。図１２は、図７に示される結果に基づき、自転かつ公転させた場合の炭化珪素エピタキシャル層におけるキャリア濃度の濃度分布を計算により算出したものである。この場合におけるキャリア濃度の濃度分布の幅は、約３．４％になる。
【００６４】
より詳細に説明すると、図５に示されるように、窒素ガスを供給した場合では、キャリア濃度の濃度分布は中心部分が低く、周辺部分が高くなるため、炭化珪素単結晶基板１０を自転かつ公転させても、この傾向はあまり変わらない。従って、窒素ガスを供給した場合では、炭化珪素単結晶基板１０を自転かつ公転させても、キャリア濃度の濃度分布の幅はあまり小さくはならない。これに対し、図６に示されるように、アンモニアガスを供給した場合では、キャリア濃度の濃度分布は中心部分が略均一であり、周辺部分では高くなるところと、低くなるところが存在している。このため、炭化珪素単結晶基板１０を自転かつ公転させることにより、周辺部分において、キャリア濃度の高くなるところと、低くなるところが平均化され、キャリア濃度の濃度分布の幅を大幅に小さくすることが可能であると考えられる。
【００６５】
この傾向は、図７に示す窒素ガスとアンモニアガスとの混合ガスを供給した場合においても同様であり、窒素ガスとアンモニアガスとの混合比率を調整することにより、更に均一性を向上させることが可能であると考えられる。具体的には、第１の実施形態より、窒素ガスの流量に対するアンモニアガスの流量の比率（（アンモニアガスの流量）／（窒素ガスの流量））は、０を超え、０．００８９以下が好ましく、更には、０．０００５８以上、０．００４６４以下がより好ましい。
【００６６】
図１３は、本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法に用いられる成膜装置のチャンバの内部の上面図である。本実施形態における炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法では、載置された炭化珪素単結晶基板１０を自転させることのできる基板ホルダ１０７が用いられる。基板ホルダ１０７は、図２に示される基板ホルダ７に代えて、チャンバ１Ａ内に設置する。本実施形態では、回転サセプタ８を回転させることにより基板ホルダ１０７を基板ホルダ１０７の回転軸１０７Ａを中心に破線矢印Ｃに示す方向に回転させるとともに、炭化珪素単結晶基板１０を炭化珪素単結晶基板１０の中心１０Ｂを軸に破線矢印Ｄに示す方向に回転させる。本実施形態では、このように炭化珪素単結晶基板１０を自転かつ公転させた状態で、アンモニアガス、または、窒素ガスとアンモニアガスとの混合ガスを供給して、炭化珪素エピタキシャル層１１の成膜を行う。基板ホルダ１０７を回転させるための回転サセプタ８の回転（公転）及び炭化珪素単結晶基板１０の回転（自転）は、例えば、ガスフロー方式による。この場合における自転の回転数は、５０ＲＰＭ前後、または、５０ＲＰＭよりも低くてもよい。
【００６７】
尚、上記以外の内容については、第１の実施形態と同様である。
【００６８】
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００６９】
上記実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００７０】
（付記１）
複数の炭化珪素単結晶基板を準備する工程と、
前記炭化珪素単結晶基板の上に炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程と、
を備え、
前記炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程は、複数の前記炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに設置し、前記基板ホルダを前記炭化珪素単結晶基板の主面に対し垂直方向を軸に回転させて、複数の前記炭化珪素単結晶基板の上に同時に炭化珪素エピタキシャル層を成膜するものであって、
前記炭化珪素エピタキシャル層は、炭素を含むガス、珪素を含むガス、窒素ガス及びアンモニアガスを供給することにより形成されるものであって、
前記窒素ガスの流量に対する前記アンモニアガスの流量は、０．００８９以下である炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
【００７１】
（付記２）
複数の炭化珪素単結晶基板を準備する工程と、
前記炭化珪素単結晶基板の上に炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程と、
を備え、
前記炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程は、複数の前記炭化珪素単結晶基板を基板ホルダに設置し、前記基板ホルダを前記炭化珪素単結晶基板の主面に対し垂直方向を軸に回転させるとともに、各々の前記炭化珪素単結晶基板を前記炭化珪素単結晶基板の主面に対し垂直方向を軸に回転させて、複数の前記炭化珪素単結晶基板の上に同時に炭化珪素エピタキシャル層を成膜するものであって、
前記炭化珪素エピタキシャル層は、炭素を含むガス、珪素を含むガス及びアンモニアガスを供給することにより形成される炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
【００７２】
（付記３）
前記炭化珪素エピタキシャル層を成膜する際には、窒素ガスも供給するものであって、
前記窒素ガスの流量に対する前記アンモニアガスの流量は、０．００８９以下である付記２に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
【００７３】
（付記４）
炭化珪素単結晶基板を準備する工程と、
前記炭化珪素単結晶基板の上に炭化珪素エピタキシャル層を成膜する工程と、
を備え、
前記炭化珪素エピタキシャル層は、炭素を含むガス、珪素を含むガス、窒素ガス及びアンモニアガスを供給することにより形成されるものであって、
前記窒素ガスの流量に対する前記アンモニアガスの流量は、０．００８９以下である炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
【符号の説明】
【００７４】
１          成膜装置
１Ａ        チャンバ
３          誘導加熱コイル
４          石英管
５          断熱材
６          発熱体
６Ａ        曲面部
６Ｂ        平坦部
７          基板ホルダ
７Ａ        回転軸
１０        単結晶基板
１０Ａ      主面
１０Ｂ      中心
１１        エピタキシャル層
１１Ａ      表面
１００      炭化珪素エピタキシャル基板
１０７      基板ホルダ
１０７Ａ    回転軸
【図１】
2018078944.tif 000004
【図２】
2018078944.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018078944.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2018078944.tif 000013
【図１１】
2018078944.tif 000014
【図１２】
2018078944.tif 000015
【図１３】
2018078944.tif 000016
【国際調査報告】
2018078944.tif 000017
2018078944.tif 000018
2018078944.tif 000019
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