JP2013014469A - Sic epitaxial substrate and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SiCエピタキシャル基板およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a SiC epitaxial substrate and a manufacturing method thereof.
SiC(シリコンカーバイド)は、Si(シリコン)よりも優れた材料物性値を有しており、例えば、絶縁破壊電界や飽和電子移動度や熱伝導度に優れている。SiCを用いれば、高耐圧で低損失、高温動作可能な半導体デバイス(例えば、トランジスタやダイオード)を製造することが可能である。このため、EV(電気自動車)やHEV(ハイブリッドカー)などの車載用、あるいは、産業機器用インバーターに搭載するためのパワー半導体デバイスとしての利用が注目されている。SiCは、3C−SiC、4H−SiC、6H−SiCなど様々な結晶構造を有するが、デバイス作製には、材料物性値に優れる4H−SiCが主に用いられている。 SiC (silicon carbide) has material properties superior to those of Si (silicon), and is excellent in, for example, a dielectric breakdown electric field, saturated electron mobility, and thermal conductivity. If SiC is used, it is possible to manufacture a semiconductor device (for example, a transistor or a diode) capable of operating at high voltage, low loss, and high temperature. For this reason, the use as a power semiconductor device for mounting on an inverter for an in-vehicle or industrial equipment such as EV (electric vehicle) or HEV (hybrid car) has been attracting attention. SiC has various crystal structures such as 3C—SiC, 4H—SiC, and 6H—SiC, but 4H—SiC having excellent material properties is mainly used for device fabrication.
SiCのエピタキシャル成長には、一般的に熱CVD法が用いられている。熱CVD法とは、CVD装置の反応容器内にSiC基板を設置し、反応容器内を例えば約1600℃に加熱しながら、キャリアガスやドーピングガスとともに原料ガスを基板上へ供給することによって、基板上にSiCエピタキシャル層を成長させる方法である。原料ガスとしては、Si系ガス(例えばモノシラン)およびC系ガス(例えばプロパン)が用いられる。また、ドーピングガスとしては窒素ガスやトリメチルアルミニウムガスが用いられ、キャリアガスとしては水素ガスが用いられることが多い。 For the epitaxial growth of SiC, a thermal CVD method is generally used. In the thermal CVD method, a SiC substrate is set in a reaction vessel of a CVD apparatus, and the substrate is heated by heating the inside of the reaction vessel to, for example, about 1600 ° C. and supplying a source gas along with a carrier gas and a doping gas onto the substrate. This is a method of growing a SiC epitaxial layer on the top. As the source gas, Si-based gas (for example, monosilane) and C-based gas (for example, propane) are used. Further, nitrogen gas or trimethylaluminum gas is often used as the doping gas, and hydrogen gas is often used as the carrier gas.
SiCエピタキシャル層を成長させるためのSiC基板には、SiC単結晶の(0001)面から数度傾けてスライスされた表面を有するオフ角基板が使用されている。オフ角を設けることで、エピタキシャル成長工程において、基板表面に原子ステップ(原子面の段差)が多く形成されるため、ステップフロー成長が促進されやすくなる。これにより、2次元核成長を抑制することができるので、安定した結晶構造を持つ、結晶欠陥の少ないエピタキシャル層が得られる。 As the SiC substrate for growing the SiC epitaxial layer, an off-angle substrate having a surface sliced at an angle of several degrees from the (0001) plane of the SiC single crystal is used. By providing the off-angle, a large number of atomic steps (steps on the atomic plane) are formed on the substrate surface in the epitaxial growth process, so that step flow growth is facilitated. Thereby, since two-dimensional nucleus growth can be suppressed, an epitaxial layer having a stable crystal structure and few crystal defects can be obtained.
オフ角については、従来は8°のオフ角が主流であったが、近年では4°のオフ角が主流となってきている。基板の口径拡大に伴い、スライス加工でのインゴットロスを低減するためである。 Regarding the off-angle, the off-angle of 8 ° has been the mainstream in the past, but the off-angle of 4 ° has become mainstream in recent years. This is because the ingot loss in the slicing process is reduced as the diameter of the substrate increases.
ただし、8°以下(特に4°以下)のオフ角を持つ低オフ角のSiC基板上にSiCエピタキシャル層を成長させる場合、ステップフロー成長においてテラス幅が広く形成されるため、2次元核成長が生じやすい。2次元核成長が生じると、エピタキシャル層の最表面には、三角形状のエピタキシャル欠陥(以後、三角欠陥と略す)が発生しやすい。 However, when a SiC epitaxial layer is grown on a low off-angle SiC substrate having an off angle of 8 ° or less (particularly 4 ° or less), the terrace width is wide in step flow growth, so that two-dimensional nuclear growth is performed. Prone to occur. When two-dimensional nucleus growth occurs, triangular epitaxial defects (hereinafter abbreviated as triangular defects) are likely to occur on the outermost surface of the epitaxial layer.
図13は、SiCエピタキシャル基板表面に発生した三角欠陥の金属顕微鏡像を示す。金属―絶縁物―半導体 電界効果トランジスタ(Metal−Insulator−Semiconductor Field Effect Transistor:以下、MISFETと略称する)やダイオードなどのデバイスにおいて、三角欠陥はデバイスのリーク電流を増大させたり、フォトリソグラフィ工程におけるパターン崩れを引き起こしたりする。このため、三角欠陥が原因でデバイスの歩留りが低下する。 FIG. 13 shows a metallographic microscope image of triangular defects generated on the surface of the SiC epitaxial substrate. In a device such as a metal-insulator-semiconductor field effect transistor (hereinafter abbreviated as MISFET) or a diode, a triangular defect increases a leakage current of the device, or a pattern in a photolithography process. Cause collapse. For this reason, the yield of devices decreases due to triangular defects.
三角欠陥の発生は、高温でエピタキシャル成長を行うことによって抑制することが可能である。成長時の温度が高い場合、基板に到達した吸着分子の表面マイグレーションが促進されることによって2次元核成長が抑制される。ただし、高温でエピタキシャル成長を行うと、三角欠陥は低減できるが、過剰なエネルギーのために原子ステップ同士が重なりあってしまう現象が起こり、ステップバンチングと呼ばれる表面荒れが発生しやすく、エピタキシャル層の表面粗さを損ねてしまう。 The generation of triangular defects can be suppressed by performing epitaxial growth at a high temperature. When the temperature at the time of growth is high, two-dimensional nucleus growth is suppressed by promoting surface migration of adsorbed molecules that have reached the substrate. However, if epitaxial growth is performed at a high temperature, triangular defects can be reduced, but the phenomenon that atomic steps overlap due to excessive energy occurs, and surface roughness called step bunching is likely to occur, resulting in surface roughness of the epitaxial layer. It detracts from it.
図14は、SiCエピタキシャル基板表面に生じたステップバンチングのAFM(原子間力顕微鏡)像を示す。ステップバンチングは、SiC基板を用いてMISFETを作製した場合に、熱酸化膜等のゲート絶縁膜の耐圧不良を発生させる要因となる。 FIG. 14 shows an AFM (atomic force microscope) image of step bunching generated on the surface of the SiC epitaxial substrate. Step bunching is a factor that causes a breakdown voltage failure of a gate insulating film such as a thermal oxide film when a MISFET is manufactured using a SiC substrate.
以上に説明したように、三角欠陥とステップバンチングとはトレードオフの関係を有している。すなわち、高温でエピタキシャル成長を行うと、三角欠陥が抑制される代わりにステップバンチングが発生しやすい。一方、低温でエピタキシャル成長を行うと、ステップバンチングの発生は防止できるが、三角欠陥が生じやすい。従って、三角欠陥とステップバンチングとの両方を一度に抑制することが困難であった。 As described above, the triangular defect and step bunching have a trade-off relationship. That is, when epitaxial growth is performed at a high temperature, step bunching tends to occur instead of suppressing triangular defects. On the other hand, when epitaxial growth is performed at a low temperature, generation of step bunching can be prevented, but triangular defects are likely to occur. Therefore, it has been difficult to suppress both triangular defects and step bunching at once.
これに対して、特許文献1には、三角欠陥およびステップバンチングの両方を抑制するエピタキシャル成長方法が記載されている。特許文献1によれば、成長温度を1600℃から1650℃の間の温度に設定し、且つ、材料ガス中に含まれる炭素と珪素の原子数比(C/Si比)を0.5以上1.0未満に設定する条件で初期のエピタキシャル成長を行うことによって、品質の向上したSiCエピタキシャル層が得られる。
On the other hand,
しかしながら、特許文献1の実施例には、三角欠陥密度および表面粗さRa(算術平均粗さ)が、それぞれ、約2個/cm2および約2nm程度発生することが記載されている。これでは、三角欠陥およびステップバンチングの両方をデバイス量産可能なレベルまで低減できているとは言い難い。
However, the example of
例えば、数十アンペア級のパワーデバイスのチップサイズは5mm角程度であり、デバイスの歩留りを90%程度確保するには、三角欠陥密度は0.5個/cm2以下であることが好ましく、且つ、ステップバンチングを発生させない目安として表面粗さRaは0.2nm以下であることが好ましい。 For example, the chip size of a power device of several tens of amperes is about 5 mm square, and in order to secure the device yield of about 90%, the triangular defect density is preferably 0.5 pieces / cm 2 or less, and In order to prevent step bunching from occurring, the surface roughness Ra is preferably 0.2 nm or less.
さらに、特許文献1に記載の製造方法では、比較的高い温度でエピタキシャル成長させているので、CVD装置の反応容器を構成するパーツからの不可避的なガス(パーツに吸着していた窒素分子や酸素分子、あるいは、パーツを構成する金属を含むガスであり、デガス、アウトガスとも呼ばれる)が増加する。その結果、エピタキシャル層に意図的でなく取り込まれる不純物が多くなり、デバイスの信頼性を損なわせるという懸念もある。
Furthermore, in the manufacturing method described in
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、8°以下(特に4°以下)の低オフ角のSiC基板上において、エピタキシャル層表面の三角欠陥およびステップバンチングの発生を抑制する、SiCエピタキシャル基板の製造方法およびその方法によって得られるSiCエピタキシャル基板を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and suppresses the occurrence of triangular defects and step bunching on the surface of the epitaxial layer on a SiC substrate having a low off-angle of 8 ° or less (particularly 4 ° or less). It is providing the manufacturing method of an epitaxial substrate, and the SiC epitaxial substrate obtained by the method.
本発明のSiCエピタキシャル基板の製造方法は、(0001)面から8°以下のオフ角を持つ主面を有するSiC基板を用意するステップと、前記SiC基板の前記主面上に、SiおよびCを含む原料ガスを供給しながら、第1の温度で第1のエピタキシャル層を成長させるステップと、前記第1のエピタキシャル層の上に、SiおよびCを含む原料ガスを供給しながら、前記第1の温度よりも低い第2の温度で第2のエピタキシャル層を成長させるステップとを包含する。 The method for producing an SiC epitaxial substrate of the present invention includes a step of preparing a SiC substrate having a main surface having an off angle of 8 ° or less from the (0001) plane, and Si and C on the main surface of the SiC substrate. A step of growing a first epitaxial layer at a first temperature while supplying a source gas containing the first gas, and a source gas containing Si and C on the first epitaxial layer while supplying the first epitaxial layer. Growing a second epitaxial layer at a second temperature lower than the temperature.
ある実施形態において、前記第1の温度は、1600℃以上1650℃以下である。 In one embodiment, the first temperature is 1600 ° C. or higher and 1650 ° C. or lower.
ある実施形態において、前記第2の温度は、1500℃以上前記第1の温度未満である。 In one embodiment, the second temperature is 1500 ° C. or higher and lower than the first temperature.
ある実施形態において、前記SiC基板の前記主面は、(0001)面から4°以下のオフ角を有する。 In one embodiment, the main surface of the SiC substrate has an off angle of 4 ° or less from a (0001) plane.
ある実施形態において、前記第1の温度で成長させるステップは、前記第1の温度を第1の時間だけ保持するステップを含み、前記第2の温度で成長させるステップは、前記第2の温度を第2の時間だけ保持するステップを含み、前記第1の時間よりも前記第2の時間の方が長い。 In one embodiment, the step of growing at the first temperature includes maintaining the first temperature for a first time, and the step of growing at the second temperature comprises increasing the second temperature. Holding the second time only, the second time being longer than the first time.
ある実施形態において、上記のSiCエピタキシャル基板の製造方法は、前記第1の温度で成長させるステップと、前記第2の温度で成長させるステップとの間に、前記第1の温度から前記第2の温度へと温度を低下させるステップをさらに包含し、前記温度を低下させるステップにおいて、前記原料ガスは前記SiC基板上に供給されない。 In one embodiment, the above-described SiC epitaxial substrate manufacturing method includes the step of growing at the first temperature and the step of growing at the second temperature from the first temperature to the second temperature. The method further includes the step of reducing the temperature to a temperature, and in the step of reducing the temperature, the source gas is not supplied onto the SiC substrate.
ある実施形態において、前記第1の温度で成長させるステップは、第1のドーピングガスを供給するステップを含み、前記第2の温度で成長させるステップは、第2のドーピングガスを供給するステップを含み、前記第1のドーピングガスの流量が、前記第2のドーピングガスの流量よりも大きい。 In one embodiment, the step of growing at the first temperature includes supplying a first doping gas, and the step of growing at the second temperature includes supplying a second doping gas. The flow rate of the first doping gas is greater than the flow rate of the second doping gas.
本発明のSiCエピタキシャル基板は、主面が(0001)面から8°以下のオフ角を有するSiC基板と、前記SiC基板の前記主面上に設けられ、第1の温度でエピタキシャル成長させることによって形成された第1のエピタキシャル層と、前記第1のエピタキシャル層上に設けられ、前記第1の温度よりも低い第2の温度でエピタキシャル成長させることによって形成された第2のエピタキシャル層とを備える。 The SiC epitaxial substrate of the present invention is formed by epitaxial growth at a first temperature provided on the main surface of the SiC substrate having a main surface having an off angle of 8 ° or less from the (0001) plane, and the SiC substrate. And a second epitaxial layer provided on the first epitaxial layer and formed by epitaxial growth at a second temperature lower than the first temperature.
ある実施形態において、前記SiC基板の前記主面は、(0001)面から4°以下のオフ角を有する。 In one embodiment, the main surface of the SiC substrate has an off angle of 4 ° or less from a (0001) plane.
ある実施形態において、前記第2のエピタキシャル層の表面において、三角欠陥密度が0.5個/cm2以下であり、且つ、前記第2のエピタキシャル層の表面粗さRaが0.2nm以下である。 In one embodiment, on the surface of the second epitaxial layer, the triangular defect density is 0.5 / cm 2 or less, and the surface roughness Ra of the second epitaxial layer is 0.2 nm or less. .
ある実施形態において、前記第1のエピタキシャル層と前記第2のエピタキシャル層とは、意図的ではなくドープされた同元素の不純物を含んでおり、前記第2のエピタキシャル層に意図的ではなくドープされた不純物の濃度が、前記第1のエピタキシャル層に意図的ではなくドープされた不純物の濃度よりも低い。 In one embodiment, the first epitaxial layer and the second epitaxial layer include unintentionally doped impurities of the same element, and the second epitaxial layer is unintentionally doped. The concentration of impurities is lower than the concentration of impurities that are unintentionally doped in the first epitaxial layer.
ある実施形態において、前記第1のエピタキシャル層の厚さは、0.01μm以上2μm以下である。 In one embodiment, the thickness of the first epitaxial layer is not less than 0.01 μm and not more than 2 μm.
ある実施形態において、前記第1のエピタキシャル層のキャリア濃度が、1×1017/cm3以上1×1020/cm3以下である。 In one embodiment, the carrier concentration of the first epitaxial layer is 1 × 10 17 / cm 3 or more and 1 × 10 20 / cm 3 or less.
ある実施形態において、前記第2のエピタキシャル層のキャリア濃度が、5×1015/cm3以上2×1016/cm3以下である。 In one embodiment, the carrier concentration of the second epitaxial layer is 5 × 10 15 / cm 3 or more and 2 × 10 16 / cm 3 or less.
本発明のSiCエピタキシャル基板の製造方法によれば、エピタキシャル成長シーケンスが、高温で第1のエピタキシャル層を成長させる第1のステップと、第1のステップよりも低温でエピタキシャル層を成長させる第2のステップとを含む。これにより、三角欠陥とステップバンチングの両方を低減したSiCエピタキシャル基板が得られる。 According to the method for manufacturing a SiC epitaxial substrate of the present invention, the epitaxial growth sequence includes a first step of growing the first epitaxial layer at a high temperature and a second step of growing the epitaxial layer at a lower temperature than the first step. Including. Thereby, an SiC epitaxial substrate in which both triangular defects and step bunching are reduced is obtained.
さらには、比較的低温でエピタキシャル層を成長させることが可能であるため、CVD装置内において不可避的に発生する不純物ガスによるエピタキシャル層への不純物の取り込みを抑制することができ、高純度のエピタキシャル層を得ることができる。 Furthermore, since it is possible to grow the epitaxial layer at a relatively low temperature, it is possible to suppress the incorporation of impurities into the epitaxial layer by the impurity gas inevitably generated in the CVD apparatus, and the high purity epitaxial layer Can be obtained.
まず、本発明の概要を説明する。従来から、エピタキシャル層を高温で成長させることで三角欠陥の発生を抑制できることが知られていたが、従来の方法では基板を高温に保持したままエピタキシャル成長が行われていた(図10参照)。三角欠陥の発生を抑制するためには、2次元核成長を抑制することが可能な温度条件を維持したまま成長させることが好ましいと考えられていたからである。 First, the outline of the present invention will be described. Conventionally, it has been known that the growth of an epitaxial layer at a high temperature can suppress the occurrence of triangular defects, but in the conventional method, the epitaxial growth is performed while the substrate is kept at a high temperature (see FIG. 10). This is because, in order to suppress the occurrence of triangular defects, it has been considered that it is preferable to grow while maintaining a temperature condition capable of suppressing two-dimensional nucleus growth.
しかし、本発明者が実験を行ったところ次のことが分かった。すなわち、エピタキシャル成長の初期の段階で比較的高温(例えば、1600℃以上)でエピタキシャル成長を行えば、エピタキシャル層における初期段階に成長した層(初期成長層)の表面に、結晶構造の欠陥が少ない面を形成することができる。この場合には、初期成長層の上に、より低温(例えば、1600℃未満)でエピタキシャル層を成長させたときにも三角欠陥は発生しにくい。 However, the present inventors conducted experiments and found the following. That is, if epitaxial growth is performed at a relatively high temperature (for example, 1600 ° C. or higher) in the initial stage of epitaxial growth, a surface with few crystal structure defects is formed on the surface of the epitaxial layer grown in the initial stage (initial growth layer). Can be formed. In this case, triangular defects are less likely to occur when an epitaxial layer is grown on the initial growth layer at a lower temperature (for example, less than 1600 ° C.).
以下、図1(a)〜(c)を参照しながら、SiC基板のエピタキシャル成長中に発生する三角欠陥の分析結果を説明する。本発明者らは、三角欠陥が発生したSiCエピタキシャル基板を、断面TEM(透過電子顕微鏡)を用いて観察した。図1(a)〜(c)は、この断面TEM像を示す。図1(a)はSiC基板11とエピタキシャル層12とを全体的に示し、図1(b)は図1(a)の点線で囲む領域の部分拡大図であり、図1(c)は図1(b)の点線で囲む領域の部分拡大図である。 Hereinafter, the analysis result of the triangular defect generated during the epitaxial growth of the SiC substrate will be described with reference to FIGS. The present inventors have observed the SiC epitaxial substrate in which the triangular defect has occurred using a cross-sectional TEM (transmission electron microscope). 1A to 1C show this cross-sectional TEM image. 1A shows the SiC substrate 11 and the epitaxial layer 12 as a whole, FIG. 1B is a partially enlarged view of a region surrounded by a dotted line in FIG. 1A, and FIG. It is the elements on larger scale of the area | region enclosed with the dotted line of 1 (b).
観察の結果、発生した三角欠陥のほぼ直下に位置するようにして、SiC基板11とSiCエピタキシャル層12との界面付近に、3C−SiC積層欠陥が発生していることがわかった。また、3C−SiC積層欠陥上には、4H−SiC層が積層されていることがわかった。このことから、3C−SiC積層欠陥は、エピタキシャル成長初期に発生しやすく、この3C−SiC積層欠陥がエピタキシャル層表面における三角欠陥の発生に大きく寄与することが判明した。 As a result of observation, it was found that 3C—SiC stacking faults occurred near the interface between the SiC substrate 11 and the SiC epitaxial layer 12 so as to be located almost immediately below the generated triangular defects. It was also found that a 4H—SiC layer was laminated on the 3C—SiC stacking fault. From this, it was found that 3C—SiC stacking faults are likely to occur at the initial stage of epitaxial growth, and that this 3C—SiC stacking fault contributes greatly to the generation of triangular defects on the surface of the epitaxial layer.
3C−SiC積層欠陥が成長初期に発生しやすい理由としては、エピタキシャル層を成長させる前のSiC基板の表面には、研磨傷やピットによる凹凸や、異物および不純物などが付着している場合が多いことが挙げられる。基板表面上に凹凸や異物などが存在すると、原料ガスから基板表面に吸着された分子の表面マイグレーションが阻害され、吸着原子がトラップされることで2次元核成長が生じやすくなる。その結果、例えば1600°未満の比較的低温で成長させた場合には、低温で安定な異種ポリタイプである3C−SiC積層欠陥が発生し、成長したエピタキシャル層の表面に三角欠陥が発生するものと考えられる。 The reason why 3C-SiC stacking faults are likely to occur in the early stage of growth is that the surface of the SiC substrate before the growth of the epitaxial layer is often attached with irregularities due to polishing scratches or pits, foreign matter, impurities, and the like. Can be mentioned. If unevenness or foreign matter exists on the substrate surface, surface migration of molecules adsorbed from the source gas to the substrate surface is inhibited, and adsorbed atoms are trapped, so that two-dimensional nucleus growth is likely to occur. As a result, for example, when grown at a relatively low temperature of less than 1600 °, 3C-SiC stacking faults, which are different polytypes stable at low temperatures, occur, and triangular defects occur on the surface of the grown epitaxial layer it is conceivable that.
また、本発明者の実験によれば、初期成長層において3C−SiC積層欠陥がひとたび発生すると、その後、より高温でのエピタキシャル成長を行ったとしても、エピタキシャル層の表面から三角欠陥を消滅させることが困難であることがわかった。これは、初期成長層の表面形状(表面モホロジー)の影響を受けながら、エピタキシャル層が成長するからであると考えられる。したがって、三角欠陥の発生を防止するためには、エピタキシャル成長の初期の段階で高温でのエピタキシャル成長を行うことが望ましい。 Further, according to the experiments of the present inventors, once a 3C-SiC stacking fault occurs in the initial growth layer, the triangular defect can be eliminated from the surface of the epitaxial layer even if epitaxial growth at a higher temperature is performed thereafter. It turned out to be difficult. This is presumably because the epitaxial layer grows while being affected by the surface shape (surface morphology) of the initial growth layer. Therefore, in order to prevent the occurrence of triangular defects, it is desirable to perform epitaxial growth at a high temperature at an early stage of epitaxial growth.
本発明者らは、以上の分析および推察に基づいて、エピタキシャル層の全てを高温で成長させるのではなく、成長初期のみを高温でエピタキシャル成長させ、成長初期以降は、より低い温度でエピタキシャル成長を行うことを考え、発明を完成させるに至った。 Based on the above analysis and inference, the inventors do not grow all the epitaxial layers at a high temperature, but epitaxially grow only at the initial stage of growth at a high temperature, and perform epitaxial growth at a lower temperature after the initial stage of growth. And came to complete the invention.
このようにすれば、2次元核成長が比較的生じやすい8°以下(特に、4°以下)のオフ角を有するSiC基板においても、三角欠陥の発生を抑制しながら、より低温(例えば、1600℃未満)でのエピタキシャル成長を適切に行うことが可能である。また、成長初期以外のエピタキシャル成長を低温で行うことで、ステップバンチングの発生を抑制できるので、エピ層の表面粗さの悪化を防止することができる。また、成長初期以外は低温でエピタキシャル成長を行うので、反応容器内において意図的でなく発生した不純物ガスがエピタキシャル層に不純物として取り込まれることを抑制することができる。したがって、低オフ角基板を用いる場合にも、エピタキシャル層の品質を向上させることができ、高品位のデバイス(MISFETなど)を作製することが可能になる。 In this way, even in a SiC substrate having an off angle of 8 ° or less (particularly 4 ° or less), in which two-dimensional nucleus growth is relatively likely to occur, the generation of triangular defects is suppressed and the temperature is lowered (for example, 1600). It is possible to appropriately perform epitaxial growth at a temperature of less than ° C. In addition, by performing epitaxial growth other than the initial stage of growth at a low temperature, generation of step bunching can be suppressed, so that deterioration of the surface roughness of the epi layer can be prevented. In addition, since epitaxial growth is performed at a low temperature except for the initial stage of growth, it is possible to prevent the impurity gas generated unintentionally in the reaction vessel from being taken into the epitaxial layer as an impurity. Therefore, even when a low off-angle substrate is used, the quality of the epitaxial layer can be improved, and a high-quality device (such as a MISFET) can be manufactured.
図2は、本発明の実施の形態の製造方法によって作製されるSiCエピタキシャル基板の構造を示す。SiC基板21の主面上には、高温で成長させる第1のエピタキシャル層(高温成長層または初期成長層)22と、より低温で成長させる第2のエピタキシャル層(低温成長層)23とが積層されている。
FIG. 2 shows a structure of a SiC epitaxial substrate manufactured by the manufacturing method according to the embodiment of the present invention. On the main surface of
以下、本発明のSiCエピタキシャル基板の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a method for producing a SiC epitaxial substrate of the present invention will be described in detail.
まず、図3を参照しながら、SiCエピタキシャル成長に使用するCVD装置10を説明する。CVD装置10は、反応容器1を備えており、反応容器1内には基板6を保持するサセプタ4が収容されている。CVD装置10はまた、原料ガス、ドーピングガスおよびキャリアガスを反応容器1内に供給するガス供給ライン2と、反応容器1からガスを排気するガス排気ライン3とを備えている。原料ガスには、Si系ガスとC系ガスとを含むガスが用いられる。Si系ガスとしては、モノシランガス(SiH4)、四塩化シリコンガス(SiCl4)等が挙げられる。C系ガスとしては、プロパンガス(C3H8)、アセチレンガス(C2H2)等が挙げられる。また、n型のドーピングガスには、窒素やアンモニアガス、フォスフィン(PH3)などが用いられ、p型のドーピングガスには、トリメチルアルミニウムやジボラン(B2H6)などが用いられる。キャリアガスには水素ガス、アルゴンガスなどが用いられる。
First, the
CVD装置10は、さらに、原料ガスを十分に熱分解できる温度にまで加熱することができるヒーター8と、ヒーター8を制御して反応容器1内の温度を調節する温度制御装置(図示せず)とを備えている。また、サセプタ4に保持された基板6の温度を測定するために用いられる温度測定装置41、51を備えている。サセプタ4は、サセプタ4に取り付けられた回転機構9により回転させることができる。ヒーター8としては、例えば、サセプタ4と、サセプタ4に対向して配置された天板5とを加熱するように配置された高周波誘導コイルが好適に用いられる。この場合、基板6の温度は、高周波誘導コイルに流す電流の大きさを制御することで調節可能である。なお、本実施形態で用いるCVD装置は、上記に説明した形態に限定されない。SiCエピタキシャル層の形成に適した種々のCVD装置を利用することができる。
The
(実施の形態)
次に、本実施の形態によるSiCエピタキシャル成長方法を説明する。本実施の形態では、原料ガスとしてモノシランガス(SiH4)とプロパンガス(C3H8)とを用い、n型ドーパントガスとして窒素を用い、キャリアガスとして水素を用いる。また、SiC基板としては、その主面が、(0001)面から4°のオフ角を有する4H−SiC基板を用い、(0001)Si面上にSiCエピタキシャル層を成長させる。
(Embodiment)
Next, the SiC epitaxial growth method according to the present embodiment will be described. In this embodiment, monosilane gas (SiH 4 ) and propane gas (C 3 H 8 ) are used as source gases, nitrogen is used as an n-type dopant gas, and hydrogen is used as a carrier gas. Further, as the SiC substrate, a 4H—SiC substrate whose main surface has an off angle of 4 ° from the (0001) plane is used, and a SiC epitaxial layer is grown on the (0001) Si surface.
図4は、本発明の実施の形態におけるエピタキシャル成長シーケンスを示すグラフであり、この成長シーケンスによって図2に示した構成を有するSiCエピタキシャル基板が作製される。グラフにおいて、横軸は、経過時間を表わし、縦軸は、CVD装置10(図3参照)内に収容されたSiC基板6の温度を表す。また、ガス導入タイミングについてもグラフ下に示している。
FIG. 4 is a graph showing an epitaxial growth sequence according to the embodiment of the present invention, and an SiC epitaxial substrate having the configuration shown in FIG. 2 is produced by this growth sequence. In the graph, the horizontal axis represents the elapsed time, and the vertical axis represents the temperature of the
図4から分かるように、本実施の形態におけるエピタキシャル成長シーケンスは、反応容器1およびSiC基板6を加熱する昇温のステップ31と、比較的高温(第1の温度)T1でSiCエピタキシャル層を成長させる第1のエピタキシャル成長(高温成長)のステップ32と、高温から低温に温度を切り替える温度切替えのステップ33と、比較的低温(第2の温度)T2でSiCエピタキシャル層を成長させる第2のエピタキシャル成長(低温成長)のステップ34と、SiC基板6の温度を降下する降温のステップ35とを含んでいる。
As can be seen from FIG. 4, in the epitaxial growth sequence in the present embodiment, the SiC epitaxial layer is grown at a
まず、昇温のステップ31を説明する。このステップ31は、反応容器1内にSiC基板6を設置した後、サセプタ4およびSiC基板6をエピタキシャル成長に適した成長温度まで昇温していくステップである。昇温時はキャリアガスである水素を流しながら一定圧力に減圧して昇温をする。このようにすれば、昇温時に基板の表面を軽度に水素エッチングすることが可能である。また、昇温時から水素を流しておくことで、次のエピタキシャル成長のステップ32でガスの流れを乱さないようにできる。なお、図中には示していないが、所定の温度(例えば、1400℃〜1500℃)に達した後、温度の安定化やSiC基板表面の水素エッチングのために、数秒間から数分間だけ一定温度で保持してもよい。
First, the
次に、第1のエピタキシャル成長(高温成長)のステップ32を説明する。このステップ32は、三角欠陥を抑制するために、高温T1でエピタキシャル成長を行うステップである。ヒーター8の温度を制御し、比較的高温の状態でモノシランガス(SiH4)およびプロパンガス(C3H8)をSiC基板6上に流すことで、SiC基板6上に第1のエピタキシャル層(高温成長層)を成長させる。
Next, step 32 of the first epitaxial growth (high temperature growth) will be described. This
ここで、高温成長ステップ32において成長温度をどのような範囲に設定するかについて説明する。図5は、成長温度(SiC基板6の温度)と、成長したSiCエピタキシャル層の表面に発現する三角欠陥の密度との関係を示すグラフである。なお、図5は、エピタキシャル成長中の基板温度を一定に保持するという条件で、エピタキシャル層を約10μmの厚さまで成長させたときのデータを示している。また、三角欠陥密度の評価は金属顕微鏡を用いて行っている。図5に示す5つのデータの成長温度は、それぞれ、1550℃、1575℃、1600℃、1625℃、および1650℃である。
Here, the range in which the growth temperature is set in the high
グラフから分かるように、三角欠陥の発生は、成長温度を1600℃以上に設定することで大きく減少する。したがって、三角欠陥を抑制するためには、高温成長時の成長温度T1を1600℃以上に設定することが好ましく、1625℃以上に設定することがより好ましい。また、三角欠陥の発生が、0.5個/cm2以下となるように高温成長温度T1を選択することが好ましい。 As can be seen from the graph, the occurrence of triangular defects is greatly reduced by setting the growth temperature to 1600 ° C. or higher. Therefore, in order to suppress triangular defects, the growth temperature T1 during high temperature growth is preferably set to 1600 ° C. or higher, and more preferably set to 1625 ° C. or higher. Moreover, it is preferable to select the high temperature growth temperature T1 so that the occurrence of triangular defects is 0.5 pieces / cm 2 or less.
また、成長温度の上限温度は1650℃以下とすることが好ましい。成長温度が1650℃を超えると、短時間であってもエピタキシャル層の表面に大きなステップバンチングを発生させる可能性が高まるからである。また、第1のエピタキシャル層(高温成長層)の膜厚は、0.01μm以上2μm以下であることが好ましい。第1のエピタキシャル層を厚く成長しすぎると、高温での成長時間が長くなることで、ステップバンチングが発生してしまうからである。ただし、ごく短い時間であれば、より高温(例えば1700℃以上)にまで加熱されてもよい。 The upper limit temperature of the growth temperature is preferably 1650 ° C. or lower. This is because if the growth temperature exceeds 1650 ° C., the possibility of generating large step bunching on the surface of the epitaxial layer increases even for a short time. The film thickness of the first epitaxial layer (high temperature growth layer) is preferably 0.01 μm or more and 2 μm or less. This is because if the first epitaxial layer is grown too thick, step bunching occurs due to a long growth time at a high temperature. However, it may be heated to a higher temperature (for example, 1700 ° C. or higher) for a very short time.
この高温成長ステップ32において、第1のエピタキシャル層(高温成長層)にはSiC基板と同じ導電型の不純物をドープしても良い。その場合、エピタキシャル層のキャリア濃度が1×1017/cm2から1×1020/cm2になるように、ドーピングガス(例えば窒素)の流量を調整して供給することが好ましい。これにより、初期の成長層として、高濃度の不純物を含むエピタキシャル層を形成することができる。このようにして形成された高不純物濃度エピタキシャル層は、例えば、MISFETを作製したときのバッファ層102a(図12参照)として好適に利用される。
In the high
次に、温度切替えのステップ33を説明する。このステップ33は、第1のエピタキシャル層(高温成長層)の成長温度T1から低温成長層の成長温度T2へと基板温度を低下させるステップである。図示するように、温度切替えのステップ33において、モノシランガス(SiH4)およびプロパンガス(C3H8)を継続して流すことにより、エピタキシャル成長を継続して行っても良い。
Next, step 33 of temperature switching will be described. This
また、図6に示す成長シーケンスのように、モノシランガスおよびプロパンガスの供給を一旦止めて、エピタキシャル成長を一時的に停止しても良い。温度切替えのステップ53においてモノシランガスおよびプロパンガスの供給を止めることにより、この後に行われる低温成長ステップ34が開始される前に、高温成長ステップ32で発生した不可避的な不純物ガス(反応容器1のパーツからのガス)を排気することができる。これにより、低温成長層への意図しない不純物の混入を抑制することが可能である。
Further, as in the growth sequence shown in FIG. 6, the supply of monosilane gas and propane gas may be temporarily stopped to temporarily stop the epitaxial growth. By stopping the supply of monosilane gas and propane gas in the
なお、図6に示す成長シーケンスは、温度切替えステップ53において原料ガスの供給を停止することを除いて、図4に示すステップと同様のステップから構成されているので、同じ参照符号を付すとともに説明を省略する。
The growth sequence shown in FIG. 6 is composed of the same steps as those shown in FIG. 4 except that the supply of the source gas is stopped in the
次に、再び図4を参照して、第2のエピタキシャル成長(低温成長)のステップ34を説明する。低温成長ステップ34では、高温成長ステップ32における成長温度T1よりも低い成長温度T2にSiC基板6の温度を設定した状態で、モノシランガスおよびプロパンガスをSiC基板6上に流すことによって、第1のエピタキシャル層の上に第2のエピタキシャル層(低温成長層)を成長させる。低温成長ステップ34において、より低い温度T2でエピタキシャル成長を行うので、ステップバンチングの発生を抑制することができる。また、低温成長ステップ34では、高温成長ステップ32で形成した高温成長層よりも厚いエピタキシャル層を形成するため、高温成長ステップ32よりも長い時間エピタキシャル成長を行う。
Next, referring to FIG. 4 again, step 34 of the second epitaxial growth (low temperature growth) will be described. In the low
ここで、低温成長ステップ34において成長温度T2をどのような範囲に設定するかについて説明する。図7は、成長温度(SiC基板温度)と、SiCエピタキシャル基板の表面粗さRaとの関係を示すグラフである。なお、図7は、エピタキシャル成長中の温度を一定に保持するという条件で、エピタキシャル層を約10μmの厚さまで成長させたときのデータを示している。また、表面粗さRaの評価はAFMを用いて行っている。図7に示す5つのデータの成長温度は、それぞれ、1550℃、1575℃、1600℃、1625℃、および1650℃である。
Here, the range in which the growth temperature T2 is set in the low
グラフから分かるように、表面粗さRaは、成長温度を1600℃以下に設定したときに大きく減少する。したがって、ステップバンチングを抑制するためには、低温成長時の成長温度T2を1600℃以下に設定することが好ましく、1575℃以下に設定することがより好ましい。また、表面粗さRaが0.2nm以下となるように、低温成長温度T2を選択することが好ましい。 As can be seen from the graph, the surface roughness Ra greatly decreases when the growth temperature is set to 1600 ° C. or lower. Therefore, in order to suppress step bunching, it is preferable to set the growth temperature T2 during low temperature growth to 1600 ° C. or lower, and more preferably to 1575 ° C. or lower. Further, it is preferable to select the low temperature growth temperature T2 so that the surface roughness Ra is 0.2 nm or less.
ただし、温度が低すぎると、エピタキシャル層の成長速度が低下しすぎるため好ましくない。また、1500℃未満の低温で成長させたとしても、形成されたエピタキシャル層の表面粗さRaをさらに改善することは難しい。このため、低温成長時の成長温度T2は1500℃以上に設定することが好ましい。 However, if the temperature is too low, the growth rate of the epitaxial layer is too low, which is not preferable. Further, even when grown at a low temperature of less than 1500 ° C., it is difficult to further improve the surface roughness Ra of the formed epitaxial layer. For this reason, it is preferable to set the growth temperature T2 during low-temperature growth to 1500 ° C. or higher.
最後に、降温のステップ35について説明する。このステップ35は、エピタキシャル成長を終了し、リアクタ(反応容器)およびSiC基板を冷却していくステップである。降温時はモノシランガスおよびプロパンガスの供給を止め、キャリアガスである水素ガスを流しながら降温する。以上のステップで、本実施の形態のエピタキシャル成長シーケンスが完了となる。
Finally, the
ただし、本発明に係るエピタキシャル成長シーケンスは上記の形態に限られるものではない。例えば、図8に示すように、高温成長ステップ52において、高温T1でエピタキシャル層を成長させた後、高温T1から温度が漸減するように、より低い温度での成長ステップ54を行っても良い。なお、本明細書においては、このように連続的に温度が減少するような成長ステップ54であっても、初期に行う高温成長ステップ52での成長温度よりも低い温度での成長を行う場合には、低温成長ステップと称する。なお、図8に示す昇温のステップ31および降温のステップ35については、図4に示すステップと同様のステップであるので、同じ参照符号を付すとともに説明を省略する。
However, the epitaxial growth sequence according to the present invention is not limited to the above-described form. For example, as shown in FIG. 8, after the epitaxial layer is grown at the high temperature T1 in the high
エピタキシャル成長の成長温度以外の成長条件については、表面粗さの観点から、成長圧力を50〜250mbarに設定することが好ましい。また、C/Si比は、0.8〜1.2に設定することが好ましく、0.9〜1.1に設定することがより好ましい。 As for growth conditions other than the growth temperature for epitaxial growth, it is preferable to set the growth pressure to 50 to 250 mbar from the viewpoint of surface roughness. Moreover, it is preferable to set C / Si ratio to 0.8-1.2, and it is more preferable to set to 0.9-1.1.
本発明の実施形態では、C/Si比を変化させずにエピタキシャル成長を行っている。このように、エピタキシャル層の成長中にC/Si比を一定に維持することで、成長するエピタキシャル層におけるキャリア濃度を調整することがより容易になり、設計通りのデバイスを作製しやすい。ただし、必要に応じて、高温成長時と低温成長時とでC/Si比を変化させても良い。 In the embodiment of the present invention, epitaxial growth is performed without changing the C / Si ratio. Thus, by maintaining the C / Si ratio constant during the growth of the epitaxial layer, it becomes easier to adjust the carrier concentration in the growing epitaxial layer, and it is easy to manufacture a device as designed. However, the C / Si ratio may be changed between high temperature growth and low temperature growth as necessary.
以下、本発明の実施例と比較例とを説明する。比較例1および比較例2では、下記に示すように従来の方法により成長温度を一定に保持したままエピタキシャル成長を行ってSiCエピタキシャル基板を作製した。また、実施例1および実施例2では、本発明の実施の形態の方法により成長温度を変化させてエピタキシャル成長を行ってSiCエピタキシャル基板を作製した。 Examples of the present invention and comparative examples will be described below. In Comparative Example 1 and Comparative Example 2, as shown below, a SiC epitaxial substrate was fabricated by performing epitaxial growth while keeping the growth temperature constant by a conventional method. Moreover, in Example 1 and Example 2, the SiC epitaxial substrate was produced by performing epitaxial growth by changing the growth temperature by the method of the embodiment of the present invention.
比較例1、2および実施例1、2のそれぞれについて、エピタキシャル層の表面に発生した三角欠陥の発生密度、エピタキシャル層表面の表面粗さRa、および、バックグラウンドキャリア濃度(残留キャリア濃度)を測定した。なお、ここでの成長温度とは、SiC基板の温度を意味している。また、三角欠陥密度の評価は金属顕微鏡を用いて行い、表面粗さRaの評価はAFMを用いて行っている。 For each of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2, the generation density of triangular defects generated on the surface of the epitaxial layer, the surface roughness Ra of the epitaxial layer surface, and the background carrier concentration (residual carrier concentration) were measured. did. The growth temperature here means the temperature of the SiC substrate. The triangular defect density is evaluated using a metal microscope, and the surface roughness Ra is evaluated using AFM.
ここで、バックグラウンドキャリア濃度とは、ドーピングガス(たとえば窒素やトリメチルアルミニウム)を供給しないときのSiCエピタキシャル膜のキャリア濃度のことを指す。バックグラウンドキャリア濃度は、水銀プローブCV法によって測定しており、エピタキシャル層の最表面から1μmの深さのキャリア濃度をバックグラウンドキャリア濃度としている。 Here, the background carrier concentration refers to the carrier concentration of the SiC epitaxial film when no doping gas (for example, nitrogen or trimethylaluminum) is supplied. The background carrier concentration is measured by the mercury probe CV method, and the carrier concentration at a depth of 1 μm from the outermost surface of the epitaxial layer is used as the background carrier concentration.
比較例1および2では、図9に示すように、SiC基板81上に単層のエピタキシャル層82を成長させている。ここで単層とはエピタキシャル層中で成長温度が一定であることを意味する。図10は、そのエピタキシャル成長シーケンスを示しており、昇温のステップ91と、エピタキシャル成長のステップ92と、降温のステップ93とから構成されており、エピタキシャル成長のステップ92において温度が一定に保持されている。
In Comparative Examples 1 and 2, a single epitaxial layer 82 is grown on a SiC substrate 81 as shown in FIG. Here, the single layer means that the growth temperature is constant in the epitaxial layer. FIG. 10 shows the epitaxial growth sequence, which includes a
(比較例1)
(0001)面から8°以下(ここでは4°)のオフ角を有する4H−SiC基板を用意した。CVD装置を用いて、このSiC基板の(0001)Si面上に、成長温度1625℃で10μmの厚さのエピタキシャル層を成長させた。その他の成長条件としては、成長圧力を200mbarとし、モノシランガスとプロパンガスと水素ガスの供給量をそれぞれ30sccm、10sccm、90slmとした。この時の成長速度はおよそ5μm/hである。
(Comparative Example 1)
A 4H—SiC substrate having an off angle of 8 ° or less (here, 4 °) from the (0001) plane was prepared. Using a CVD apparatus, an epitaxial layer having a thickness of 10 μm was grown on the (0001) Si surface of this SiC substrate at a growth temperature of 1625 ° C. As other growth conditions, the growth pressure was 200 mbar, and the supply amounts of monosilane gas, propane gas, and hydrogen gas were 30 sccm, 10 sccm, and 90 slm, respectively. The growth rate at this time is about 5 μm / h.
(比較例2)
(0001)面から8°以下(ここでは4°)のオフ角を有する4H−SiC基板を用意した。CVD装置を用いて、このSiC基板の(0001)Si面上に、成長温度1550℃で10μmの厚さのエピタキシャル層を成長させた。その他の成長条件としては、成長圧力を200mbarとし、モノシランガスとプロパンガスと水素ガスの供給量をそれぞれ30sccm、10sccm、90slmとした。この時の成長速度はおよそ5μm/hである。
(Comparative Example 2)
A 4H—SiC substrate having an off angle of 8 ° or less (here, 4 °) from the (0001) plane was prepared. Using a CVD apparatus, an epitaxial layer having a thickness of 10 μm was grown on the (0001) Si surface of the SiC substrate at a growth temperature of 1550 ° C. As other growth conditions, the growth pressure was 200 mbar, and the supply amounts of monosilane gas, propane gas, and hydrogen gas were 30 sccm, 10 sccm, and 90 slm, respectively. The growth rate at this time is about 5 μm / h.
(実施例1)
(0001)面から8°以下(ここでは4°)のオフ角を有する4H−SiC基板を用意した。CVD装置を用いて、このSiC基板の(0001)Si面上に、成長温度1625℃で0.5μmの厚さの第1のエピタキシャル層(高温成長層)を成長させ、さらにその上に成長温度1550℃で10μmの厚さの第2のエピタキシャル層(低温成長層)を成長させた。その他の成長条件としては、成長圧力を200mbarとし、モノシランガスとプロパンガスと水素ガスの供給量をそれぞれ30sccm、10sccm、90slmとした。この時の低温成長層の成長速度はおよそ5μm/hである。
Example 1
A 4H—SiC substrate having an off angle of 8 ° or less (here, 4 °) from the (0001) plane was prepared. A first epitaxial layer (high temperature growth layer) having a thickness of 0.5 μm is grown at a growth temperature of 1625 ° C. on the (0001) Si surface of this SiC substrate by using a CVD apparatus, and the growth temperature is further grown thereon. A second epitaxial layer (low temperature growth layer) having a thickness of 10 μm was grown at 1550 ° C. As other growth conditions, the growth pressure was 200 mbar, and the supply amounts of monosilane gas, propane gas, and hydrogen gas were 30 sccm, 10 sccm, and 90 slm, respectively. At this time, the growth rate of the low temperature growth layer is about 5 μm / h.
(実施例2)
(0001)面から8°以下(ここでは4°)のオフ角を有する4H−SiC基板を用意した。CVD装置を用いて、このSiC基板の(0001)Si面上に、成長温度1625℃で0.5μmの厚さの第1のエピタキシャル層(高温成長層)を成長させ、さらにその上に成長温度1500℃で10μmの厚さの第2のエピタキシャル層(低温成長層)を成長させた。その他の成長条件としては、成長圧力を200mbarとし、モノシランガスとプロパンガスと水素ガスの供給量をそれぞれ30sccm、10sccm、90slmとした。この時の成長速度はおよそ5μm/hであった。
(Example 2)
A 4H—SiC substrate having an off angle of 8 ° or less (here, 4 °) from the (0001) plane was prepared. A first epitaxial layer (high temperature growth layer) having a thickness of 0.5 μm is grown at a growth temperature of 1625 ° C. on the (0001) Si surface of this SiC substrate by using a CVD apparatus, and the growth temperature is further grown thereon. A second epitaxial layer (low temperature growth layer) having a thickness of 10 μm was grown at 1500 ° C. As other growth conditions, the growth pressure was 200 mbar, and the supply amounts of monosilane gas, propane gas, and hydrogen gas were 30 sccm, 10 sccm, and 90 slm, respectively. The growth rate at this time was about 5 μm / h.
下記表1に、比較例1、2および実施例1、2の測定結果を示す。 Table 1 below shows the measurement results of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2.
表1からわかるように、比較例1(成長温度:1625℃一定)では発生した三角欠陥の密度は良好であるが、表面粗さRaが大きい。また、比較例2(成長温度:1550℃一定)では表面粗さRaは良好であるが、三角欠陥密度が高い。つまり、三角欠陥密度と表面粗さRaとの間には、成長温度に関してトレードオフの関係があることがわかる。 As can be seen from Table 1, in Comparative Example 1 (growth temperature: constant 1625 ° C.), the density of the generated triangular defects is good, but the surface roughness Ra is large. In Comparative Example 2 (growth temperature: constant 1550 ° C.), the surface roughness Ra is good, but the triangular defect density is high. That is, it can be seen that there is a trade-off relationship with respect to the growth temperature between the triangular defect density and the surface roughness Ra.
一方、実施例1(成長温度:1625℃→1550℃)および実施例2(成長温度:1625℃→1500℃)では、三角欠陥密度と表面粗さRaとの両方が良好であることがわかる。このように、本発明の実施例によれば、三角欠陥密度を0.5個/cm2以下とし、且つ、表面粗さRaを0.2nm以下とすることができることがわかる。 On the other hand, in Example 1 (growth temperature: 1625 ° C. → 1550 ° C.) and Example 2 (growth temperature: 1625 ° C. → 1500 ° C.), it can be seen that both the triangular defect density and the surface roughness Ra are good. Thus, according to the Example of this invention, it turns out that a triangular defect density can be 0.5 piece / cm < 2 > or less, and surface roughness Ra can be 0.2 nm or less.
図11は、実施例2の条件で成長させたエピタキシャル層の最表面のAFM像を示す。図からわかるように、三角欠陥が抑制されているとともに、ステップバンチングが発生しておらず、良好なエピタキシャル層が得られた。 FIG. 11 shows an AFM image of the outermost surface of the epitaxial layer grown under the conditions of Example 2. As can be seen from the figure, triangular defects were suppressed and step bunching did not occur, and a good epitaxial layer was obtained.
また、表1からわかるように、成長温度を低く設定するほど、バックグラウンドキャリア濃度が低下するという結果が得られた。これは、低温での成長になることで、CVD装置のリアクタパーツから基板に到達する不可避的なガス(窒素など)が抑制されたためであると考えられる。また、窒素以外の金属不純物等のエピタキシャル層への取り込みも低減することができ、不純物濃度を低く抑えることができた。このようにして意図的でなくドープされた不純物としては、窒素や酸素が挙げられ、また、意図的でなくドープされた金属不純物としては、Al、Ti、Fe、Ni、Cr、V等が挙げられる。 Further, as can be seen from Table 1, the result was obtained that the background carrier concentration decreased as the growth temperature was set lower. This is considered to be because the inevitable gas (such as nitrogen) that reaches the substrate from the reactor part of the CVD apparatus is suppressed by the growth at a low temperature. In addition, the incorporation of metal impurities other than nitrogen into the epitaxial layer can be reduced, and the impurity concentration can be kept low. Unintentionally doped impurities in this way include nitrogen and oxygen, and unintentionally doped metal impurities include Al, Ti, Fe, Ni, Cr, V and the like. It is done.
本発明の実施形態に係るSiCエピタキシャル基板では、高温で成長させた第1のSiCエピタキシャル層の不純物濃度が高くなり、低温で成長させた第2のSiCエピタキシャル層の不純物濃度が低くなる傾向を有する。例えばMISFETなどの半導体デバイスを作製する場合、ゲート絶縁膜はSiCエピタキシャル基板の最表面に形成されるため、第2のSiCエピタキシャル層の不純物濃度が低いことが望ましい。また、MISFETのソースドレイン間の耐電圧やダイオードの逆方向耐電圧に関しても、空乏層が先に形成される第2のエピタキシャル層において不純物濃度が低いことが好ましい。したがって、本実施形態のように、低温成長により第2のエピタキシャル層の不純物濃度を抑制すれば、デバイスの高耐電圧化に有効である。 In the SiC epitaxial substrate according to the embodiment of the present invention, the impurity concentration of the first SiC epitaxial layer grown at a high temperature tends to be high, and the impurity concentration of the second SiC epitaxial layer grown at a low temperature tends to be low. . For example, when a semiconductor device such as a MISFET is manufactured, the gate insulating film is formed on the outermost surface of the SiC epitaxial substrate. Therefore, it is desirable that the impurity concentration of the second SiC epitaxial layer is low. Further, regarding the withstand voltage between the source and drain of the MISFET and the reverse withstand voltage of the diode, it is preferable that the impurity concentration is low in the second epitaxial layer in which the depletion layer is formed first. Therefore, if the impurity concentration of the second epitaxial layer is suppressed by low temperature growth as in this embodiment, it is effective for increasing the withstand voltage of the device.
以下、本発明の実施形態にかかるエピタキシャル基板の製造方法を用いて作製されたMISFETを説明する。 Hereinafter, a MISFET manufactured using the epitaxial substrate manufacturing method according to the embodiment of the present invention will be described.
図12は、本発明の実施形態にかかる縦型MISFET100の構成を示す断面図である。MISFET100は、複数のユニットセル(半導体素子)100Uを含んでおり、図にはユニットセル100Uが2個並列に配置された状態が示されている。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of the
MISFET100は、低抵抗のn型4H−SiC基板101を備え、SiC基板101の主面上にはSiCエピタキシャル層102が設けられている。SiCエピタキシャル層102は、基板101上に形成されたバッファ層102aと、バッファ層102a上に設けられたドリフト層102bとを含んでいる。バッファ層102aは、高濃度の不純物がドープされたn+領域であり、ドリフト層102bは、低濃度の不純物がドープされたn-領域である。
The
また、MISFET100は、SiCエピタキシャル層102上に形成されたチャネル層106と、チャネル層106上にゲート絶縁膜107を介して設けられたゲート電極108と、SiCエピタキシャル層102の表面に接するソース電極109と、SiC基板101の裏面上に設けられたドレイン電極110とを備えている。ソース電極109およびドレイン電極110のそれぞれには、上部配線電極112および裏面配線電極113がそれぞれ接続されている。ゲート電極108は、層間絶縁膜111によって覆われており、上部配線電極112とは絶縁されている。なお、ゲート絶縁膜107は、チャネル層106の表面を熱酸化することによって形成された熱酸化膜(SiO2膜)であってもよい。
The
SiCエピタキシャル層102の表面領域には、SiCエピタキシャル層102とは逆の導電型のp型ボディ領域103が設けられている。また、p型ボディ領域103の内部には、高濃度のn型不純物を含むn+型ソース領域104、および、ボディ領域103よりも高い濃度のp型不純物を含むp+型コンタクト領域105が形成されている。ボディ領域103、ソース領域104およびコンタクト領域105は、SiCエピタキシャル層102の所定の領域に不純物を注入する工程と、SiCエピタキシャル層102に注入された不純物を活性化させる高温熱処理を行う工程とによって形成される。
A p-
本実施形態において、SiC基板101には、例えば、不純物濃度1×1020cm-3の窒素がドーピングされている。このSiC基板101上に、上述の実施形態の方法(例えば、図4に示した成長シーケンス)に従って、SiCエピタキシャル層102を成長させる。まず、バッファ層102aを、例えば1625℃での高温成長によって形成する。このとき、n型ドーパントガスであるN2の流量を適切に調節することで、バッファ層102aのキャリア濃度は、例えば、1×1017/cm3以上1×1020/cm3以下に設定される。バッファ層102aの厚さは、例えば、0.1μm〜1.0μmである。
In the present embodiment, the
バッファ層102aを形成した後、低温(例えば、1600℃未満)でドリフト層102bを成長させる。ドリフト層102bの不純物濃度もバッファ層102aと同様にN2の流量を調整することにより制御される。ドリフト層102bのキャリア濃度は、例えば、5×1015/cm3以上2×1016/cm3以下に設定される。ドリフト層102bの厚さは、例えば、0.5μm〜10.0μmである。
After forming the
上記には、バッファ層102aを高温成長により形成し、ドリフト層102bを低温成長により形成する形態を説明したが、これに限られるものではない。バッファ層102aは、高温で成長させた初期成長層と、その後、より低温で成長させたエピタキシャル層の一部とを含んでいても良い。不純物ガスの流量を切り替えることで、成長温度に関わらず、任意の厚さで高不純物濃度のバッファ層と低不純物濃度のドリフト層とを設けることができる。
In the above description, the
このようにして作製されたMISFET100は、エピタキシャル層の表面に発生する三角欠陥が低減され、かつ、ステップバンチングによる表面荒れも抑制されているので、向上した素子特性を有する。
The
本発明は、トランジスタやダイオード等の半導体デバイス用途において好適に利用される。特に、EVやHEVなどの車載用、あるいは、産業機器用インバーターに搭載するためのパワー半導体デバイス用途において好適に利用される。 The present invention is suitably used in semiconductor device applications such as transistors and diodes. In particular, it is suitably used in power semiconductor device applications for mounting on in-vehicle inverters such as EVs and HEVs or inverters for industrial equipment.
21 SiC基板
22 第1のエピタキシャル層(高温成長層)
23 第2のエピタキシャル層(低温成長層)
31 昇温のステップ
32、52 第1のエピタキシャル成長(高温成長)のステップ
33、53 温度切替えのステップ
34、54 第2のエピタキシャル成長(低温成長)のステップ
35 降温のステップ
81 SiC基板
82 エピタキシャル層
91 昇温のステップ
92 エピタキシャル成長のステップ
93 降温のステップ
21
23 Second epitaxial layer (low temperature growth layer)
31 Step of raising
Claims (14)
前記SiC基板の前記主面上に、SiおよびCを含む原料ガスを供給しながら、第1の温度で第1のエピタキシャル層を成長させるステップと、
前記第1のエピタキシャル層の上に、SiおよびCを含む原料ガスを供給しながら、前記第1の温度よりも低い第2の温度で第2のエピタキシャル層を成長させるステップと
を含むSiCエピタキシャル基板の製造方法。 Providing a SiC substrate having a main surface with an off angle of 8 ° or less from the (0001) plane;
Growing a first epitaxial layer at a first temperature while supplying a source gas containing Si and C on the main surface of the SiC substrate;
Growing a second epitaxial layer at a second temperature lower than the first temperature while supplying a source gas containing Si and C on the first epitaxial layer. Manufacturing method.
前記第2の温度で成長させるステップは、前記第2の温度を第2の時間だけ保持するステップを含み、
前記第1の時間よりも前記第2の時間の方が長い請求項1から4のいずれかに記載の製造方法。 Growing at the first temperature comprises maintaining the first temperature for a first time;
Growing at the second temperature comprises maintaining the second temperature for a second time;
The manufacturing method according to claim 1, wherein the second time is longer than the first time.
前記温度を低下させるステップにおいて、前記原料ガスは前記SiC基板上に供給されない請求項1から5のいずれかに記載のSiCエピタキシャル基板の製造方法。 Further comprising lowering the temperature from the first temperature to the second temperature between the step of growing at the first temperature and the step of growing at the second temperature;
6. The method of manufacturing an SiC epitaxial substrate according to claim 1, wherein, in the step of reducing the temperature, the source gas is not supplied onto the SiC substrate. 7.
前記第2の温度で成長させるステップは、第2のドーピングガスを供給するステップを含み、
前記第1のドーピングガスの流量が、前記第2のドーピングガスの流量よりも大きい請求項1から6のいずれかに記載のSiCエピタキシャル基板の製造方法。 Growing at the first temperature includes supplying a first doping gas;
Growing at the second temperature includes supplying a second doping gas;
The method for manufacturing an SiC epitaxial substrate according to claim 1, wherein a flow rate of the first doping gas is larger than a flow rate of the second doping gas.
前記SiC基板の前記主面上に設けられ、第1の温度でエピタキシャル成長させることによって形成された第1のエピタキシャル層と、
前記第1のエピタキシャル層上に設けられ、前記第1の温度よりも低い第2の温度でエピタキシャル成長させることによって形成された第2のエピタキシャル層と
を備えるSiCエピタキシャル基板。 A SiC substrate having a main surface having an off angle of 8 ° or less from the (0001) plane;
A first epitaxial layer provided on the main surface of the SiC substrate and formed by epitaxial growth at a first temperature;
A SiC epitaxial substrate comprising: a second epitaxial layer provided on the first epitaxial layer and formed by epitaxial growth at a second temperature lower than the first temperature.
前記第2のエピタキシャル層に意図的ではなくドープされた不純物の濃度が、前記第1のエピタキシャル層に意図的ではなくドープされた不純物の濃度よりも低い請求項8から10のいずれかに記載のSiCエピタキシャル基板。 The first epitaxial layer and the second epitaxial layer contain impurities of the same element that are unintentionally doped,
11. The concentration of impurities unintentionally doped in the second epitaxial layer is lower than the concentration of impurities unintentionally doped in the first epitaxial layer. SiC epitaxial substrate.
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