(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化けい素半導体基板上に炭化けい素エピタキシャル層を成長させる炭化けい素半導体基板の製造方法において、
水素、モノシラン、プロパンに塩化水素ガスを添加した雰囲気中でエピタキシャル層を成長する炭化けい素半導体基板の製造方法であって、
炭化けい素半導体基板が、４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣのいずれかであり、
塩化水素の添加量が体積比で０．１〜１％であり、
さらに、エピタキシャル成長時の温度が１４５０℃〜１５５０℃である、
ことを特徴とする炭化けい素半導体基板の製造方法。
【請求項２】
塩化水素の添加量を体積比で０．２〜０．６％とすることを特徴とする請求項１記載の炭化けい素半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を形成する炭化けい素半導体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
高周波、大電力の制御を目的として、シリコン（以下Ｓｉと記す）を用いた電力用半導体素子（以下パワーデバイスと称する）では、各種の工夫により高性能化が進められている。しかし、パワーデバイスは高温や放射線等の存在下で使用されることもあり、そのような条件下ではＳｉのパワーデバイスは使用できないことがある。
【０００３】
また、Ｓｉのパワーデバイスより更に高性能のものを求める声に対して、新しい材料の適用が検討されている。本発明でとりあげる炭化けい素（以下ＳｉＣと記す）は広い禁制帯幅（４Ｈ−ＳｉＣで３．２６ｅＶ、６Ｈ−ＳｉＣで３．０２ｅＶ）をもつため、高温での電気伝導度の制御性や耐放射線性に優れ、またＳｉより約１桁高い絶縁破壊電圧をもつため、高耐圧素子への適用が可能である。さらに、ＳｉＣはＳｉの約２倍の電子飽和ドリフト速度をもつので、高周波大電力制御にも適する。
【０００４】
しかし、ＳｉＣの優れた物性をパワーデバイスに応用するためには、Ｓｉのプロセス技術並みに洗練された要素技術が必要となる。すなわち、ＳｉＣ基板の表面を鏡面に仕上げた後、ＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させ、或いはドナーやアクセプターをドーピングしたり、金属膜や酸化膜を形成する等の工程条件の最適化が必要である。
【０００５】
エピタキシャル成長においては、意図したキャリア密度をもち、かつ結晶性のよい薄膜を得ることが重要である。従来、ＳｉＣのエピタキシャル成長は、モノシラン、プロパンを反応ガスとして、約１５００℃でおこなわれていた。
従来、Ｓｉのエピタキシャル成長においては、原料ガスに塩素を含むシランガス（例えばＳｉＣｌ4 ）を用いることは知られていた。これに対し、ＳｉＣ上のエピタキシャル成長においては、立方晶の３Ｃ−ＳｉＣを成膜する原料ガスとしてＳｉＣｌ2 Ｈ2 等を用いた報告［例えば、E.niemann et al. Inst. Phys. Conf. Ser. No.142, pp.165-168  参照］や、シリコン半導体基板上への３Ｃ−ＳｉＣのヘテロエピタキシャル成長のために塩素を含む炭化水素（例えばＣＨ3Ｃｌ）を用いる出願［特開平４−１２４８１５号］があるだけで、六方晶の４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣの薄膜成長についてはそのような例もなく、塩化水素を添加することは知られていなかった。
【０００６】
また、六方晶の４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣの薄膜成長に関して、薄膜成長前の基板の表面処理に塩化水素を用いた例がある［例えば、A.A.Burk,Jr., L.B.Rowland, J. Crystal Growth, vol.167, pp.586-595,(1996)参照］。この処理により成長層表面のモホロジーが制御できるとされている。また同様の基板処理により基板／成長層界面のアルミの意図しないドーピングを抑制できることが報告されている［A.A.Burk,Jr., L.B.Rowland, Appl.Phys.Lett, vol.68, pp.382-384 1996. ］。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
優れた特性のＳｉＣ半導体素子とするためには、ＳｉＣ薄膜のエピタキシャル成長においても、一層良質のエピタキシャル層すなわち、意図したキャリア密度をもち、かつ結晶欠陥密度が低く結晶性のよい薄膜を得ることが課題である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者はエピタキシャル成長時に塩化水素を添加する実験をおこなった結果、塩化水素添加が有効であることを見いだした。
上記課題解決のため本発明は、炭化けい素半導体基板上に炭化けい素エピタキシャル層を成長させる炭化けい素半導体基板の製造方法において、水素、モノシラン、プロパンに塩化水素ガスを添加した雰囲気中でエピタキシャル層を成長する炭化けい素半導体基板の製造方法であって、
炭化けい素半導体基板が、４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣのいずれかであり、
塩化水素の添加量が体積比で０．１〜１％であり、
さらに、エピタキシャル成長時の温度が１４５０℃〜１５５０℃であるものとする。
【０００９】
そのようにすれば、基板表面の清浄化がおこなわれ、結晶欠陥であるエッチピット密度が減少し、例えば、キャリア移動度などエピタキシャル層の膜質が向上する。
特に、塩化水素の添加量を体積比で０．１〜０．８％、更に望ましくは０．２〜０．６％とするのがよい。
【００１０】
０．２〜０．６％の濃度範囲においては、一層効果が顕著になる。
炭化けい素半導体基板が、４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣであるものとする。
４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣは、広い禁制帯幅を有する高温用半導体素子等に適する結晶であり、実施例に示したように塩化水素ガスの添加により、結晶性の改善が見られた。
【００１１】
炭化けい素半導体基板の表面は（０００１）Ｓｉ面、（０００−１）炭素面またはそれらの面から数度のオフセット角を持つ面であるものとする。
そのような結晶面は、平滑な面が得られ、エピタキシャル成長に適する面である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明のためにおこなった実験および実施例について説明する。
［実験１］
エピタキシャル成長前の炭化けい素半導体基板（以下基板と呼ぶ）としては鏡面研磨された４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を用い、（０００１）Ｓｉ面から〈１、１、−２、０〉方向に８度傾けて研磨した面を使用した。
【００１３】
先ず、基板をダイサーにより５ｍｍ角のチップに切り分け、有機溶剤と酸による洗浄をした後、エッチングするＳｉ面を上にして、基板をＳｉＣで被覆した黒鉛のサセプタに載せる。基板を載せたサセプタを石英反応管内に挿入し、１Ｐａ以下の真空にひく。
次に気相エッチングをおこなう。気相エッチングは、水素と塩化水素をそれぞれ毎分１Ｌ、１０ｍＬの流量で混ぜた混合ガスを流しながら１３５０℃で５分間加熱した。サセプタの加熱法は高周波誘導加熱である。
【００１４】
続いてＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長する。水素（Ｈ2 ）、モノシラン（ＳｉＨ4 ）、プロパン（Ｃ3 Ｈ8 ）、塩化水素（ＨＣｌ）をそれぞれ毎分３Ｌ、０．３ｍＬ、０．２５ｍＬ、３〜３０ｍＬの流量比率で混合したものを反応管内に導入した。この状態で１５００℃で２時間加熱した。すると基板上に４Ｈ型のＳｉＣ薄膜がエピタキシャル成長する。薄膜のキャリア密度は５×１０15ｃｍ-3であった。
【００１５】
成長した膜の転位密度を評価するために、水酸化カリウム（ＫＯＨ）によるエッチングをおこなった。このエッチングは、ニッケル（Ｎｉ）坩堝内で４００℃に加熱した水酸化カリウムに試料を３０秒間浸漬する方法を用いた。欠陥密度の計数はＳＥＭ観察によった。
図１は、エピタキシャル成長時の塩化水素濃度［ＨＣｌ／（Ｈ2 ＋ＳｉＨ4 ＋Ｃ3 Ｈ8 ＋ＨＣｌ）］とＳｉＣ薄膜中のエッチピット密度との関係を示す特性図である。この図から塩化水素濃度が０．１から０．８％でエッチピット密度が減少し、特に０．２から０．６％のとき、顕著に減少し塩化水素を添加しない場合より約一桁低減できることがわかる。
【００１６】
エッチピットは、エピタキシャル層中の線状欠陥である転位の位置にできるのであり、結晶性の良否を反映するともに、電気的にはキャリアのトラップになるとされている。
図２は、発明者らが実験したエッチピット密度とキャリアの移動度との関係を示す特性図である。エッチピット密度が多いほど、移動度が急速に低下している。これから、エッチピット密度を一桁減らせば、移動度をほぼ２倍にできることがわかる。なお、移動度の評価法としては、van der Pauw  法を用いた。すなわち、試料のエピタキシャル層上の四隅に、金属マスクを使ったスパッタ法によりニッケル（Ｎｉ）電極を形成する。電極の直径は２００μｍ、厚さは４００ｎｍである。この後、整流性を除きオーミックな接触とするためアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で１０５０℃、５分間のアニールをおこなった。
【００１７】
従って、図１、２から、成長するエピタキシャル層の結晶性は、塩化水素濃度が０．１〜０．８％、更に望ましくは０．２〜０．６％含まれるとき改善されるので、そのような条件でエピタキシャル成長をおこなうのが良いと結論づけられる。
これは、エピタキシャル成長時に、表面の清浄化およびエッチングが十分に行われるためと考えられる。また、シリコン半導体において見られる金属不純物のゲッタリング作用もあるかもしれない。
【００１８】
上記実施例では１５００℃のエッチング条件における結果のみを記したが、１４５０から１５５０℃の範囲において同様の実験をおこない、１４５０℃では塩化水素濃度を０．５〜１％、１５５０℃では濃度を０．１〜０．３％とするとよいことがわかった。  また成長面についても４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）Ｓｉ面だけでなく、４Ｈ−ＳｉＣの（０００−１）Ｃ面や６Ｈ−ＳｉＣのＳｉ、Ｃ面、またはそれらの面から微小角度で傾斜した面にも適用できる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＳｉＣ半導体基板のエピタキシャル成長時に、体積比で０．１〜１．０％の塩化水素を添加し、１４５０〜１５５０℃で成長することによって、成長するエピタキシャル層の結晶性を改善し、ＳｉＣ半導体素子の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  エピタキシャル成長時ＨＣｌ濃度とエッチピット密度の関係を示す特性図
【図２】  エッチピット密度と移動度との関係を示す特性図
【図１】
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【図２】
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