CN105008598B - 碳化硅半导体装置的制造方法以及碳化硅半导体装置 - Google Patents
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Abstract
在反应炉内同时导入含有硅的气体、含有碳的气体以及含有氯的气体(步骤S5)。接下来，在步骤S5导入的由多种气体构成的混合气体环境中，通过卤化物CVD法在4H‑SiC基板的表面使SiC外延膜生长(步骤S6)。在步骤S6中，首先，以第一生长速度使SiC外延膜生长为厚度为2μm。第一生长速度是从3μm/h的初期生长速度到75μm/h的高生长速度为止以固定的比例连续地增加。并且，在SiC外延膜的厚度变为作为产品所必需的预定厚度为止，以75μm/h以上的第二生长速度使SiC外延膜生长。如此，能够提高在含有卤素化合物的气体环境中生长的碳化硅半导体膜的结晶性。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硅半导体装置的制造方法以及碳化硅半导体装置。
背景技术
作为半导体材料，已知有碳化硅的四层周期六方晶体(4H-SiC)等的化合物半导体。作为半导体材料，在使用4H-SiC制作功率半导体装置时，通过在由4H-SiC构成的半导体基板(以下称为4H-SiC基板)上使4H-SiC单结晶膜(以下称为SiC外延膜)外延生长来制作SiC单结晶基板。到目前为止，作为外延生长方法，已知有化学气相沉积(CVD：ChemicalVapor Deposition)法。
具体来说，通过化学气相沉积法而层积了SiC外延膜的SiC单结晶基板，是通过在载气中热分解流入到反应炉(燃烧室)内的原料气体，模仿4H-SiC基板的晶格而使硅(Si)原子连续地堆积而制作的。一般来说，使用硅烷(SiH4)气体以及二甲基甲烷(C3H8)气体作为原料气体，使用氢(H2)气作为载气。并且，适当添加了氮(N2)气和/或三甲基铝(TMA)气体作为掺杂气体。
一般来说，外延膜的生长速度为数μm/h左右，不能使其进行高速生长。因此，要生长制作高耐压设备所需要的厚度为100μm以上的外延膜，需要花费很长时间，在工业生产中要求对外延生长速度进行高速化。作为使外延膜高速生长的方法，已知有使用卤素化合物的卤化物CVD法。该卤化物CVD法通过向反应炉内同时导入作为原料气体的硅烷气体和二甲基甲烷气体，以及作为添加气体的氯化氢(HCl)等的含氯(Cl)气体来使SiC外延膜生长，从而能够进行100μm/h左右的高速生长(例如参考下述非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：S.Leone及其他5位，Growth of smooth 4H-SiC epilayers on4°off-axis substrates with chloride-based CVD at very high growth rate，Materials Research Bulletin，(荷兰)，Elsevier Ltd.，2011年，第46卷，第8号，p.1272-1275。
发明内容
技术问题
然而，发明人通过反复的专心研究的结果发现通过卤化物CVD法生长的SiC外延膜的结晶性比通过未使用卤素化合物的通常的CVD法生长的SiC外延膜的结晶性还差。
本发明为了解决上述现有技术的问题点，其目的在于提供一种在含有卤素化合物的气体环境中，能够提高生长的碳化硅半导体膜的结晶性的碳化硅半导体装置的制造方法以及碳化硅半导体装置。
技术方案
为了解决上述课题，达成本发明的目的，本发明的碳化硅半导体装置的制造方法是通过使用由包含硅的气体、包含碳的气体以及包含氯的气体构成的混合气体环境而进行的化学气相沉积法，在碳化硅半导体基板上生长碳化硅外延膜的碳化硅半导体装置的制造方法，具有以下特征。首先，到上述碳化硅外延膜的厚度成为第一预定厚度为止，进行使第一生长速度以固定的比例增加的同时使上述碳化硅外延膜生长的第一生长工序。接下来，在上述第一生长工序之后，到上述碳化硅外延膜的厚度变为比上述第一预定厚度厚的第二预定厚度为止，进行使上述碳化硅外延膜以上述第一生长工序结束时刻的上述第一生长速度以上的第二生长速度生长的第二生长工序。
另外，本发明的碳化硅半导体装置的制造方法在上述发明中具有以下特征，将上述第一预定厚度设置为2μm以上7.2μm以下，将上述第二生长速度设置为75μm/时以上。
另外，本发明的碳化硅半导体装置的制造方法在上述发明中具有以下特征，在上述第一生长工序中，使上述第一生长速度以12μm/时以下的幅度增加。
另外，本发明的碳化硅半导体装置的制造方法在上述发明中具有以下特征，上述第二生长工序后的上述碳化硅外延膜的通过X线衍射法所测量的(0002)晶面的X射线摇摆曲线的半幅值为上述碳化硅半导体基板的通过X线衍射法所测量的(0002)晶面的X射线摇摆曲线的半幅值以下。
另外，本发明的碳化硅半导体装置的制造方法在上述发明中具有以下特征，上述第二生长工序后的上述碳化硅外延膜的通过X线衍射法所测量的(0002)晶面的X射线摇摆曲线的半幅值为0.008°以下。
另外，本发明的碳化硅半导体装置的制造方法在上述发明中具有以下特征，上述碳化硅半导体基板是(0001)晶面相对于结晶轴倾斜约4°的四层周期六方晶体基板。
另外，为了解决上述课题，达成本发明的目的，本发明的碳化硅半导体装置具有以下特征。在碳化硅半导体基板上设置有碳化硅外延膜，该碳化硅外延膜通过使用由包含硅的气体、包含碳的气体以及包含氯的气体构成的混合气体环境进行的化学气相沉积法而生长。上述碳化硅外延膜的通过X线衍射法所测量的(0002)晶面的X射线摇摆曲线的半幅值为上述碳化硅半导体基板的通过X线衍射法所测量的(0002)晶面的X射线摇摆曲线的半幅值以下。
另外，本发明的碳化硅半导体装置在上述发明中具有以下特征，上述碳化硅外延膜通过X线衍射法所测量的(0002)晶面的X射线摇摆曲线的半幅值为0.008°以下。
另外，本发明的碳化硅半导体装置在上述发明中具有以下特征，上述碳化硅半导体基板是(0001)晶面相对于结晶轴倾斜约4°的四层周期六方晶体基板。
发明效果
根据本发明的碳化硅半导体装置的制造方法以及碳化硅半导体装置，通过使用含有卤素化合物的气体环境的化学气相沉积法，能够起到快速生长碳化硅半导体膜，且使碳化硅半导体膜具有与碳化硅基板的结晶性几乎相同程度的高结晶性的效果。
附图说明
图1A是表示实施方式的碳化硅半导体装置的制造方法的概要的流程图。
图1B是表示实施方式的碳化硅半导体装置在制造过程中的状态的剖面图。
图2是表示SiC外延膜的生长速度和X射线摇摆曲线半幅值之间的关系的特性图。
图3是表示SiC外延膜的初期生长速度的增加比例和X射线摇摆曲线半幅值之间的关系的特性图。
图4是表示4°倾斜基板的X射线摇摆曲线特性图。
图5是表示在实施例的半导体装置中的SiC外延膜的X射线摇摆曲线的特性图。
符号的说明
1 4H-SiC基板
2 SiC外延膜
3 导入至反应炉内的气体
10 SiC单结晶基板
具体实施方式
以下参考附图，对本发明的碳化硅半导体装置的制造方法以及碳化硅半导体装置优选的实施方式进行详细说明。在本说明书以及附图中，前缀有n或p的层和区域，分别表示电子或空穴为多数载流子。并且，标记于n或p的+和-分别表示杂质浓度比未标记+和-的层和区域的杂质浓度高和低。应予说明，在以下的实施方式的说明以及附图中，对同样的结构标记相同的符号，并省略重复说明。
(实施方式)
对于实施方式的碳化硅半导体装置的制造方法，以使用碳化硅的四层周期六方晶体(4H-SiC)作为半导体材料而制作(制造)碳化硅半导体装置的情况为例进行说明。图1A是表示实施方式的碳化硅半导体装置的制造方法的概要的流程图。图1B是表示实施方式的碳化硅半导体装置在制造过程中的状态的剖面图。首先，准备由4H-SiC构成的基板(4H-SiC基板)1，通过一般的有机洗净法和/或RCA洗净法进行洗净(步骤S1)。4H-SiC基板1例如可以使用以(0001)晶面(即Si面)相对于结晶轴倾斜例如约4°的(有倾斜角)面为主面的碳化硅体基板(bulk substrate)。
接下来，在用于通过化学气相沉积(CVD)法生长4H-SiC单结晶膜(以下称为SiC外延膜(碳化硅半导体膜))2的反应炉(燃烧室，未图示)内，插入4H-SiC基板1(步骤S2)。接下来，进行真空排气直到反应炉内的真空度变为例如1×10-3Pa以下。接下来，向反应炉内以例如20L/分钟的流量导入用一般精制器精制的氢(H2)气，导入15分钟，将反应炉内的真空环境置换为氢气环境(步骤S3)。接下来，通过由氢气进行化学蚀刻，从而清洁4H-SiC基板1的表面(步骤S4)。
具体来说，步骤S4中的对4H-SiC基板1的表面的清洁，通过以下方式进行。首先，在向反应炉内以20L/分钟导入了氢气的状态下，通过例如高频感应对反应炉内进行加热。并且，在使反应炉内的温度上升至例如1600℃之后，使反应炉内的温度保持在该温度10分钟左右。通过这样保持反应炉内的温度，4H-SiC基板1的表面被氢气进行干式蚀刻。由此，4H-SiC基板1的表面被清洁，成为适宜使外延膜生长的状态。反应炉内的温度例如可以通过放射温度计来进行测量和控制。
接下来，为了使4H-SiC基板1的温度成为使SiC外延膜2生长的预定的生长温度，调整反应炉内的温度。接下来，在将步骤S3导入的氢气作为载气而导入的状态下，进一步向反应炉内同时导入作为原料气体的含硅(Si)的气体以及含碳(C)的气体，作为添加气体的含有氯(Cl)的气体和作为掺杂气体的例如氮(N2)气(步骤S5)。在图1B中，将原料气体、添加气体、掺杂气体以及载气的流向概括表示为箭头3。
接下来，在由步骤S5导入的原料气体、添加气体、掺杂气体以及载气构成的混合气体环境中，通过卤化物CVD法，在4H-SiC基板1的主面上(表面)使SiC外延膜2生长(步骤S6)。在步骤S6中，首先，在SiC外延膜2的第一预定厚度变为例如2.0μm～7.2μm左右为止(从生长开始(经过0分钟后)到经过t1秒时为止)，以固定的比例使生长开始时的低速的初期生长速度(第一生长速度)增加，并且使SiC外延膜2生长(以下称为第一生长期)。之后，在SiC外延膜2的厚度变为作为产品所需的第二预定厚度为止(从开始生长到经过t2秒时(t1<t2))，以第一生长期结束时刻的第一生长速度以上的第二生长速度生长SiC外延膜2(以下称为第二生长期)。如此通过使SiC外延膜2生长，制作SiC外延膜2在4H-SiC基板1上层积而成的SiC单结晶基板10(步骤S7)。并且，通过在该SiC单结晶基板10形成预定的元件结构(未图示)(步骤S8)，从而完成碳化硅半导体装置。
在上述的步骤S6中，使SiC外延膜2生长的反应炉内的条件如下所述。含有硅的气体例如为硅烷(SiH4)气体，具体来说，例如可以为用氢气稀释50％的硅烷(以下称为SiH4/H2)气体。含有碳的气体例如可以为二甲基甲烷(C3H8)气体，具体来说，例如可以为用氢气稀释20％的二甲基甲烷(以下称为C3H8/H2)气体。含有氯的气体例如可以为浓度为100％的氯化氢(HCl)气体。
在反应炉内的混合气体环境中，可以对含有硅的气体和含有碳的气体的流量进行调整，以使相对于硅原子数的碳原子数的比(＝C/Si，以下称为C/Si比)例如为1.3。进一步，可以对含有硅的气体和含有氯的气体的流量进行调整，以使相对于硅原子数的氯原子数的比(＝Cl/Si，以下称为Cl/Si比)例如为3.0。也可以使SiC外延膜2在生长温度为例如1630℃左右，生长例如20分钟左右。
并且，SiC外延膜2的第一、第二生长速度的具体控制方法例如为如下所述。在第一生长期(第一生长工序)中，使SiC外延膜2的第一生长速度从例如约3μm/h(微米每小时)的低的初期生长速度(第一生长工序开始时的第一生长速度)变为例如约75μm/h的高的生长速度(第一生长工序结束时刻的第一生长速度)为止，以固定比例连续增加。优选第一生长速度每一次增加的幅度(以下称为初期生长速度的增加比例)例如约12μm/h以下。具体来说，例如，将生长开始时的初期生长速度设为3μm/h，使第一生长速度每次以12μm/h的幅度增加(初期生长速度的增加比例＝12μm/h)，以使SiC外延膜2的厚度变为2μm时刻的第一生长速度为75μm/h。在这种情况下，通过从生长开始每36秒使第一生长速度增加12μm/h，在SiC外延膜2的厚度变为2μm时的第一生长期结束时的第一生长速度变为75μm/h。也就是说，以3μm/h的初期生长速度开始SiC外延膜2的外延生长，之后，以在36秒之后为15μm/h，在72秒之后为27μm/h…在(36×n)秒之后为(12×n+3)μm/h的方式，使第一生长速度增加(n＝1～6)。由此，第一生长速度最终成为75μm/h，从SiC外延膜2的生长开始到第1生长期间结束为止所需要的时间t1为216秒。在第二生长期(第二生长工序)中，可以使SiC外延膜2的第二生长速度为例如约75μm/h以上的高生长速度。通过这样控制第一、第二生长速度，从而能够使在4H-SiC基板1上生长的SiC外延膜2的结晶性达到与4H-SiC基板1的结晶性相同的程度。
接下来，根据上述实施方式的半导体装置的制造方法，对生长的SiC外延膜的结晶性进行说明。首先，针对SiC外延膜的生长速度和结晶性的关系进行说明。图2是表示SiC外延膜的生长速度和X射线摇摆曲线半幅值之间的关系的特性图。作为验证用的试验样品，在以(0001)晶面相对于结晶轴倾斜约4°的面为主面的4H-SiC基板(以下称为4°倾斜基板)上，通过卤化物CVD法，制作了从生长开始时以固定的生长速度使SiC外延膜高速生长的试验样品(以下称为实施例1)。使SiC外延膜生长时的反应炉内的气体流量为SiH4/H2气体为200sccm、C3H8/H2气体为166sccm、HCl气体为300sccm。并且，作为掺杂气体对N2气体进行流量调整而导入，以使运载浓度为5×1015/cm3。针对实施例1，制作SiC外延膜的生长速度不同的多个试验样品，对生长速度和结晶性的关系进行验证。
具体来说，对于実施例1的各试验样品，使用X射线衍射(XRD：X-Ray Diffraction)装置测量SiC外延膜的(0002)晶面的X射线摇摆曲线(XRC：X-ray Rocking Curve)的半幅值(以下仅称为X射线摇摆曲线的FWHM)，并评价了SiC外延膜的结晶性(与基板主面垂直的方向的结晶面间隔)。其结果如图2所示。在图2中，X射线摇摆曲线的FWHM＝0.008°是4°倾斜基板的X射线摇摆曲线的FWHM，是未设置SiC外延膜情况下评价4°倾斜基板的结晶性的值。根据图2所示的结果，已确定在使用卤化物CVD法在4°倾斜基板的主面上使SiC外延膜生长的情况下，在生长速度慢时，SiC外延膜的结晶性差，而生长速度越快，SiC外延膜的结晶性提高，SiC外延膜的结晶性能够接近4°倾斜基板的结晶性。
例如，已确定在使SiC外延膜的生长速度为90μm/h时的SiC外延膜的X射线摇摆曲线的FWHM为0.0082°，获得接近4°倾斜基板的结晶性的结晶性。但是，在该SiC外延膜，与4°倾斜基板相比，X射线摇摆曲线的FWHM仅变宽了0.0002°，结晶性低劣。其理由如下，已知在使用卤化物CVD法的外延生长中，通过添加氯化氢(HCL)气体，原料气体硅烷(SiH4)气体变为三氯氢硅(SiHCL3)气体等，能够抑制硅(Si)的凝集。但是，在增加原料气体的供給量，以90μm/h以上的高生长速度进行外延生长的情况下，已确定硅进行凝集并在反应炉内产生颗粒。如此，越使SiC外延膜高速地生长，反应炉的污染程度越严重，SiC外延膜的结晶性恶化。进而出现反应炉的维护周期变短，生产性降低的新的问题。
因此，在使用卤化物CVD法的外延生长中，对能够将反应炉内的污染抑制在最小限度，且能够使结晶性高的SiC外延膜尽可能高速地生长的生长速度进行验证。作为验证用的试验样品，对从生长开始(经过0分钟后)到变为2μm的第一预定厚度为止的第一生长期的第一生长速度进行抑制，使其以固定的比例连续地增加，之后，在SiC外延膜的厚度变为作为产品所需的第二预定厚度为止的第二生长期中，制作了以高生长速度使SiC外延膜生长的试验样品(以下称为实施例2)。使在第一生长期生长的SiC外延膜的第一预定厚度为上述的例如约2.0μm～7.2μm的理由如下所述。在第一生长期生长的SiC外延膜的厚度越厚，以低生长速度使SiC外延膜生长的时间变长，产量变小。另一方面，当在第一生长期生长的SiC外延膜的厚度薄时，会使提高结晶性的效果变弱。实施例2的其他的外延生长条件与实施例1相同。
针对该实施例2，制作了在使SiC外延膜生长时的初期生长速度的增加比例不同的四个试验样品。实施例2的各试验样品在生长开始时的初期生长速度都是3μm/h，并以固定的比例连续地增加第一生长速度，以第一生长期结束时(SiC外延膜的厚度变为2μm时)使第一生长速度变为75μm/h，在第二生长期中使生长速度为75μm/h。具体来说，在第一个试验样品中，在第一生长期中使初期生长速度以每次6μm/h的幅度增加(即花费大约200秒(≈16.6秒×12)使初期生长速度增加)。第二个试验样品在第一生长期使初期生长速度以每次9μm/h的幅度增加(即花费大约209秒(≈26.1秒×8)使初期生长速度增加)。第三个试验样品在第一生长期使初期生长速度以每次12μm/h的幅度增加(即花费大约216秒(＝36秒×6)使初期生长速度增加)。第四个试验样品在第一生长期使初期生长速度以每次18μm/h的幅度增加(即花费大约240秒(＝60秒×4)使初期生长速度增加)。
对这些实施例2的四个试验样品测定了SiC外延膜的X射线摇摆曲线的FWHM，结果如图3所示。图3是表示SiC外延膜的初期生长速度的增加比例和X射线摇摆曲线半幅值之间的关系的特性图。根据图3所示的结果，已确定通过使初期生长速度的增加比例在12μm/h以下，即使使第二生长期的生长速度为75μm/h，也能够使SiC外延膜的X射线摇摆曲线的FWHM在0.008°以下，获得与4°倾斜基板几乎相同程度的结晶性。与之相对，已确定当初期生长速度的增加比例扩大到例如18μm/h时，SiC外延膜的X射线摇摆曲线的FWHM变宽，与4°倾斜基板相比结晶性恶化。因此，已确定通过使初期生长速度缓慢增加，即使之后使第二生长期的生长速度为75μm/h左右，与从生长开始以90μm/h的生长速度使SiC外延膜生长的情况相比，能够提高结晶性，并获得具有与4°倾斜基板几乎相同程度结晶性的SiC外延膜。
接下来，针对实施例3，在图5表示SiC外延膜的(0002)晶面的X射线摇摆曲线的测定结果。实施例3是通过使初期生长速度的增加比例为12μm/h，以75μm/h的第二生长速度进行20分钟的外延生长，直至使SiC外延膜生长至作为产品所需要的第二预定厚度的27μm为止。并且作为比较，在图4表示4°倾斜基板的(0002)晶面的X射线摇摆曲线的测定结果。图4是表示4°倾斜基板的X射线摇摆曲线特性图。图5是表示在实施例的半导体装置中的SiC外延膜的X射线摇摆曲线的特性图。实施例3的其他的外延生长条件与实施例2相同。通过图4、图5所示的结果，已确定实施例3以及4°倾斜基板都形成大致为同一形状的X射线摇摆曲线，按照上述实施方式的半导体装置的制造方法而生长的SiC外延膜，与4°倾斜基板相比具有不亚于4°倾斜基板的高的结晶性。并且，如图4、图5所示，作为基于高斯函数，分别将实施例3的SiC外延膜以及4°倾斜基板与测定的(0002)晶面的X射线摇摆曲线进行拟合的结果，已确定通过拟合算出的理论X射线摇摆曲线与测定结果基本为相同的形状。因此，已确定，通过如上述实施方式的半导体装置的制造方法所记载的那样，对初期生长速度、初期生长速度的增加比例、第一生长速度、第二生长速度进行适当地设定，尽管作为产品所需要的第二预定厚度的不同，也能够提高SiC外延膜的结晶性。
以上，如说明那样，根据实施方式，通过在使生长开始时的低速的初期生长速度以固定比例增加使SiC外延膜生长到成为第一预定厚度为止之后，在SiC外延膜的厚度变为作为产品所需要的第二预定厚度之前，以在第一生长期的结束时刻的第一生长速度以上的第二生长速度使SiC外延膜生长，能够使SiC外延膜尽可能地高速生长，同时能够使SiC外延膜的结晶性提高至与4H-SiC基板的结晶性几乎相同的程度。SiC外延膜的结晶性提高是指能够认为SiC外延膜中的错位和/或缺陷的产生减少、杂质的混入等变少，成为作为SiC外延膜的优选的膜。如此，由于能够高速地使高品质的SiC外延膜生长，能够提高生产性，并提高产量。
以上的本发明并不限于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨范围内，能够进行各种变更。例如，在上述的实施方式中，将第一生长速度的最终到达速度设为75μm/h，但也可以为75μm/h以上，例如可以将速度提高为在SiC外延膜的X射线摇摆曲线的FWHM为0.0082°情况下的约90μm/h的高速。并且，上述实施方式为n型以及p型的任一导电型都同样成立。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的碳化硅半导体装置的制造方法以及碳化硅半导体装置是制作作为SiC半导体材料的晶体管和/或二极管等的情况，对制作使用在SiC基板上使SiC单结晶膜生长而成的SiC单结晶基板的半导体装置是有用的。
Claims (4)
1.一种碳化硅半导体装置的制造方法，其特征在于，所述碳化硅半导体装置的制造方法通过使用由包含硅的气体、包含碳的气体以及包含氯的气体构成的混合气体环境而进行的化学气相沉积法，在碳化硅半导体基板上生长碳化硅外延膜，并具备：
第一生长工序，到所述碳化硅外延膜的厚度成为第一预定厚度为止，使第一生长速度以固定的比例增加的同时使所述碳化硅外延膜生长；
第二生长工序，在所述第一生长工序之后，到所述碳化硅外延膜的厚度变为比所述第一预定厚度厚的第二预定厚度为止，使所述碳化硅外延膜以所述第一生长工序结束时刻的所述第一生长速度以上的第二生长速度生长，
将所述第一预定厚度设置为2μm以上7.2μm以下，
将所述第二生长速度设置为75μm/小时以上，
所述第一生长速度从3μm/小时增加至75μm/小时，
所述第一生长速度的增加比例为6μm/小时以上且12μm/小时以下。
2.根据权利要求1所述的碳化硅半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述第二生长工序后的所述碳化硅外延膜的通过X线衍射法所测量的(0002)晶面的X射线摇摆曲线的半幅值为所述碳化硅半导体基板的通过X线衍射法所测量的(0002)晶面的X射线摇摆曲线的半幅值以下。
3.根据权利要求2所述的碳化硅半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述第二生长工序后的所述碳化硅外延膜的通过X线衍射法所测量的(0002)晶面的X射线摇摆曲线的半幅值为0.008°以下。
4.根据权利要求1或2所述的碳化硅半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述碳化硅半导体基板是(0001)晶面相对于结晶轴倾斜4°的四层周期六方晶体基板。
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