JP2003264154A - 半導体膜の成長方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 不純物濃度プロファイルの急峻性や表面の平
坦性を有する半導体膜の成長方法及びこれを利用した半
導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 チャンバー１内で、サセプタ４の上に基
板３を設置し、基板３を高温に加熱する。流量計１０，
１１を介設した原料ガス供給管７，希釈ガス供給管９か
ら原料ガスと希釈ガスとをチャンバー１内に供給する一
方、パルスバルブ２０を介設した添加ガス供給管１２と
ガス導入管１３から、パルスバルブ２０の開閉に応じて
ドーピングガスを供給して、基板３上にドープ層をエピ
タキシャル成長させる。そのとき、パルスバルブ２０を
介してガスボンベの減圧器の二次側のドーピングガスを
基板３の表面上にパルス状に直接供給することで、基板
３からドープ層に遷移する領域における不純物濃度プロ
ファイルが急峻になり、ドープ層の表面が平坦化され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスを用いて基板
上に半導体膜を成長させたものを利用した半導体装置の
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高周波特性，発光特性，耐圧特性
などの特殊な機能をもった半導体デバイスを実現するた
めの新しい半導体材料又は半絶縁性材料の開発が活発に
行なわれている。例えば、炭化珪素（シリコンカーバイ
ド、ＳｉＣ）は珪素（Ｓｉ）に比べて高硬度で薬品にも
犯されにくく、バンドギャップが大きい半導体であるこ
とから、次世代のパワーデバイスや高周波デバイス、高
温動作デバイス等へ応用されることが期待される半導体
材料である。ところが、炭化珪素は、立方晶系の結晶構
造を有する３Ｃ−ＳｉＣや、六方晶系の結晶構造を有す
る６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ等があり、同じ結晶構造
を有するものでも結晶方位が異なる結晶粒だけでなく、
これらの各種の結晶構造を有する結晶粒が混在した多結
晶構造になりやすい。

【０００３】そこで、このような多結晶構造の形成を回
避して、結晶性の良好な炭化珪素の単結晶膜を成長させ
る方法として、例えば特開昭６２−３６８１３号に記載
された方法が知られている。

【０００４】図１６は、従来の炭化珪素の縦型結晶成長
装置の概略的な構造を示す図である。同図に示すよう
に、従来の結晶成長装置は、チャンバー１００の中に、
基板１０２を載置するためのカーボン製サセプタ１０１
と、サセプタ１０１を支持するための支持軸１１４と、
チャンバー１００の石英管１１５と、石英管１１５の外
側に巻き付けられ、サセプタ１０１を高周波電流により
誘導加熱するためのコイル１０３とを備えている。石英
管１１５は、冷却水を流せるように構成されている。ま
た、チャンバー１００に供給する各種ガスのボンベ等を
配置したガス供給システム１０７と、チャンバー１００
から各種ガスを排出するための真空ポンプ等を配置した
ガス排出システム１１１とが設けられている。ガス供給
システム１０７とチャンバー１００とは、原料ガスを供
給するための原料ガス供給管１０４と、水素等の希釈ガ
スを供給するための希釈ガス供給管１０５と、ドーピン
グガス等の添加ガスを供給するための添加ガス導入管１
０６とによって接続されており、原料ガス供給管１０４
と希釈ガス供給管１０５とは、途中で合流してチャンバ
ー１００に接続されている。そして、原料ガス供給管１
０４及び希釈ガス供給管１０５の合流前の部位には、そ
れぞれガス流量を調整するための流量計１０８，１０９
が介設され、添加ガス導入管１０６にもガス流量を調整
するための流量計１１０が介設されている。また、ガス
排出システム１１１とチャンバー１００との間には排気
管１１２によって接続され、排気管１１２には排出され
るガスの流量を調節するための流量計１１３が介設され
ている。

【０００５】ここで、基板１０２がシリコン基板又は炭
化珪素によって構成され、その上に炭化珪素の単結晶膜
をエピタキシャル成長させる場合を例にとって、ＣＶＤ
法による単結晶膜の形成手順を説明する。

【０００６】基板としてシリコン基板を用い、シリコン
基板の上に炭化珪素の単結晶膜を形成する場合、チャン
バー１００の上部より炭化水素ガス（例えばプロパンガ
ス）及び水素を導入して、チャンバー１００内の圧力を
大気圧または大気圧以下に調整する。そして、コイル１
０３に高周波電力を印加して基板１０２を加熱し、基板
１０２の表面温度を１２００℃程度にすることによって
基板１０２の表面に炭化処理を施し、極薄の炭化珪素膜
を成長させる。その後、炭化水素ガスの供給量を減らし
て珪素を含むガス（例えばシランガス）を導入すると、
基板１０２の表面に立方晶系の炭化珪素膜が成長する。

【０００７】基板１０２として炭化珪素からなる基板
（ＳｉＣ基板）を用いる場合、しばしば（０００１）面
（Ｃ面）から［ 1 1 -2 0 ］方向に数度オフした面（い
わゆる（０００１）オフ面）を主面とする基板が用いら
れる。（０００１）ジャスト面上には３Ｃ−ＳｉＣ双晶
が成長するが、（０００１）オフ面を用いると６Ｈ−Ｓ
ｉＣ単結晶が成長することから、一般的に、（０００
１）オフ面を主面とするＳｉＣ基板が用いられるのであ
る。その場合には、チャンバー内の温度を１５００℃以
上とすることにより、炭化処理を施すことなく基板１０
２上に炭化珪素膜（ＳｉＣ膜）が成長する。また、炭化
珪素膜にドーパントを導入する場合には、チャンバー１
００の上部に、添加ガス導入管１０６からドーピングガ
ス（ｎ型ドープ層の場合には、例えば窒素）を導入す
る。その際、ドーパント濃度を所望の濃度に調整するた
めに、流量計１１０によってドーパントガスの流量が制
御される。そして、炭化珪素膜の結晶成長が終了した
後、各供給管１０４，１０５，１０６からの各種ガスの
供給を止めて、コイル１０３への高周波電力の印加を停
止して加熱を終了し、基板１０２を冷却する。

【０００８】また、炭化珪素の結晶成長装置として、チ
ャンバー１００の石英管１１５の軸を水平位置になるよ
うに設置した横型の装置もある。その場合にも、主要部
材の構造は図１６に示す縦型の結晶成長装置と同様であ
るが、各種のガスを一方の側部から供給する点が異な
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のＣＶＤによる結晶膜の形成方法においては、以下の
ような不具合があった。

【００１０】第１に、上記従来の方法で形成された炭化
珪素などの半絶縁性基板を用いて例えばＭＥＳＦＥＴを
形成した場合、必ずしも期待した高周波特性やデバイス
動作が得られないという不具合があった。例えば、従来
の方法で形成されたＧａＡｓのエピタキシャル成長膜を
用いて作成したＭＥＳＦＥＴにおいては、高周波化に伴
いゲート長を短くするにしたがって、相互コンダクタン
スが悪化するという不具合があった。その原因は、イオ
ン注入等によって高濃度の不純物がドープされた下地の
アンドープ層からチャネル層となる高濃度ドープ層への
遷移領域におけるドーパント濃度のプロファイルがなだ
らかな結果、チャネル層から下地層への漏れ電流が増大
することにあると考えられている。そこで、下地層に逆
導電型のドーパントを注入して、チャネル層のドーパン
ト濃度のプロファイルを急峻にして、漏れ電流を低減す
ることにより、相互コンダクタンスの低下をくい止めよ
うとする試みも行なわれている。

【００１１】このような不純物濃度のプロファイルの急
峻性が得られないことによる不具合は、ＳｉＣ結晶膜に
おいても顕著に現れている。また、ＳｉＣやＧａＡｓ以
外の材料からなる結晶膜においても同様の不具合が生じ
ていることがわかった。

【００１２】第２に、（０００１）オフ面を主面とする
ＳｉＣ基板の上にＳｉＣ結晶膜をホモエピタキシャル成
長させると、しばしば大きな段差が形成されることがあ
った。図６（ａ）は、従来の方法で形成されたＳｉＣ結
晶膜の表面を示す図である。同図においては、段差の大
きさを示すために、ＳｉＣ基板によく現れるマイクロパ
イプの近辺における表面状態が示されている。同図に示
されるように、ＳｉＣ結晶膜の表面には、幅が数１００
ｎｍで高さ数１０ｎｍの多くの段差が形成されており、
表面の平坦性がよくないことがわかる。このような段差
は、特にＣ面等の最密面からわずかにオフした面を主面
とする基板上に、ホモエピタキシャル成長又はヘテロエ
ピタキシャル成長した結晶膜において特に顕著にみられ
ることがわかった。

【００１３】本発明の目的は、上記従来の２つの不具合
がいずれも従来のガスの供給方法ではエピタキシャル成
長中の薄膜の表面状態を原子レベルで制御できない点に
原因していたことを解明し、エピタキシャル成長中の薄
膜の表面状態を原子レベルで制御する手段を講ずること
により、平坦な表面を有する結晶膜、あるいは、急峻な
ドーパントの濃度分布を有するドープ結晶膜を成長する
ための方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体膜の成長
方法は、基板の単結晶領域上に半導体膜をエピタキシャ
ル成長させる方法であって、上記基板をチャンバー内に
設置するステップ（ａ）と、上記ステップ（ａ）の後
で、上記チャンバー内に、上記半導体膜を構成する元素
を含む原料ガスを供給するとともに、上記半導体膜を構
成する元素の原子又は分子の移動の抑制機能を有する原
子を含むガスである添加ガスをパルスバルブを通して複
数回パルス状に供給することにより上記半導体膜を形成
するステップ（ｂ）とを含んでいる。

【００１５】この方法により、エピタキシャル成長中の
半導体膜の表面において、添加ガス原子が原料ガス中の
原子やそれらが結合して形成された分子の移動を抑制す
る機能を有しているので、添加ガスが原料ガスの原子や
分子が均一に堆積されていき、ドープ半導体膜，ノンド
ープ半導体膜のいずれにおいても、最終的に平坦性が良
好な半導体膜が形成されることになる。すなわち、エピ
タキシャル成長中の半導体膜の表面状態を原子レベルで
制御することにより、上述のような不具合の解消が可能
になる。

【００１６】上記ステップ（ｂ）では、上記添加ガスを
パルス状に供給する期間よりも、パルス状に添加ガスを
供給していない期間の方を長くすることにより、添加ガ
スの供給過剰に起因する原子や分子の移動抑制機能の低
下を回避することができる。

【００１７】上記基板を、（０００１）面を傾けさせた
（０００１）オフ面を主面とするＳｉＣ基板とすること
により、バンドギャップの広いＳｉＣ単結晶膜を形成す
る際に一般的に用いられる（０００１）オフ基板を利用
することで発生しやすいＳｉＣ単結晶膜表面の段差をほ
とんど生じることがなく、平坦な表面を得ることができ
る。

【００１８】上記ステップ（ｂ）では、上記添加ガスを
パルス状に供給する期間を１０００μsec未満とするこ
とが好ましい。

【００１９】上記ステップ（ｂ）では、上記添加ガスと
して、窒素，リン，Ａｌ，ホウ素，ネオン，アルゴン，
クリプトン，キセノン，フッ素，塩素及び臭素のうちか
ら選ばれる少なくとも１つの原子を含むガスを用いるこ
とが好ましい。

【００２０】本発明の半導体装置の製造方法は、ドーパ
ントを含むＳｉＣ単結晶膜を活性領域とする半導体装置
の製造方法であって、ＳｉＣ基板をチャンバー内に設置
するステップ（ａ）と、上記ステップ（ａ）の後で、上
記チャンバー内に、ＳｉＣを構成する元素を含む原料ガ
スを供給するとともに、ドーパントガスをパルスバルブ
を介して複数回パルス状に供給することにより上記Ｓｉ
Ｃ単結晶膜をエピタキシャル成長させるステップ（ｂ）
とを含んでいる。

【００２１】これにより、基板とＳｉＣ単結晶膜との遷
移領域におけるドーパント濃度のプロファイルが急峻な
構造が得られる。したがって、ＳｉＣ単結晶膜から基板
への漏れ電流の小さい，ピンチオフ特性が良好で相互コ
ンダクタンスの大きい高周波デバイスとして機能する半
導体装置が得られる。

【００２２】上記ＳｉＣ基板は、（０００１）面を傾け
させた（０００１）オフ面を主面とするＳｉＣ基板であ
ることが好ましい。

【００２３】上記ステップ（ｂ）では、上記ドーパント
ガスをパルス状に供給する期間を１０００μsec未満と
することが好ましい。

【００２４】上記ステップ（ｂ）では、上記ドーパント
ガスとして、窒素原子，リン原子，Ａｌ原子及びホウ素
原子のうちから選ばれる原子を含むガスを用いることが
好ましい。

【００２５】上記ステップ（ｂ）の後に、上記ＳｉＣ単
結晶膜の上に、上記ＳｉＣ単結晶膜とショットキー接触
するゲート電極を形成する工程（ｃ）と、上記ＳｉＣ単
結晶膜の上記ゲート電極の両側に位置する領域の上に、
上記ＳｉＣ単結晶膜とオーミック接触するソース電極及
びドレイン電極を形成する工程（ｄ）とをさらに含み、
ＭＥＳＦＥＴを形成することにより、ＳｉＣ単結晶膜か
ら基板への漏れ電流の小さい，ピンチオフ特性が良好で
相互コンダクタンスの大きい高周波デバイスとして機能
する半導体装置が得られる。

【００２６】上記ステップ（ｂ）の後に、上記ＳｉＣ単
結晶膜の上に、上記ＳｉＣ単結晶膜とショットキー接触
するゲート電極を形成する工程（ｃ）をさらに含み、シ
ョットキーダイオードを形成することができる。

【００２７】上記ステップ（ｂ）の後に、上記ＳｉＣ単
結晶膜の上に、上記ＳｉＣ単結晶膜中のドーパントとは
逆導電型のドーパントを含むＳｉＣ層を形成する工程
（ｃ）をさらに含み、ｐｎダイオードを形成することが
できる。

【００２８】上記ステップ（ｂ）の後に、上記ＳｉＣ単
結晶膜を活性領域とするＭＯＳＦＥＴを形成する工程を
さらに含むことができる。

【００２９】上記ステップ（ａ）の後で上記ステップ
（ｂ）の前に、上記チャンバー内に、ＳｉＣを構成する
元素を含む原料ガスを供給することにより、ＳｉＣ基板
上にアンドープ半導体層を形成し、上記工程（ｂ）で
は、上記アンドープ半導体層の上に上記ＳｉＣ単結晶膜
を形成することが好ましい。

【００３０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の各実施形態にお
いて用いられる薄膜形成用の結晶成長装置の構造を概略
的に示す図である。

【００３１】同図に示すように、この縦型結晶成長装置
は、チャンバー１の中に、基板３を載置するためのカー
ボン製サセプタ４と、サセプタ４を支持するための支持
軸５と、チャンバー１の石英管２と、石英管２の外側に
巻き付けられ、サセプタ４を高周波電流により誘導加熱
するためのコイル６とを備えている。石英管２は、二重
石英管などからなり冷却水を流せるように構成されてい
る。また、チャンバー１に供給する各種ガスのボンベ等
を配置したガス供給システム８と、チャンバー１から各
種ガスを排出するための真空ポンプ等を配置したガス排
出システム１５とが設けられている。ガス供給システム
８とチャンバー１とは、原料ガスを供給するための原料
ガス供給管７と、水素等の希釈ガスを供給するための希
釈ガス供給管９と、不活性ガスやドーピングガスなどの
添加ガスを供給するための添加ガス供給管１２とによっ
て接続されており、原料ガス供給管７と希釈ガス供給管
９とは、途中で合流してチャンバー１に接続されてい
る。そして、原料ガス供給管７及び希釈ガス供給管９の
合流前の部位には、それぞれガス流量を調整するための
流量計１０，１１が介設されている。また、ガス排出シ
ステム１５とチャンバー１とは排気管１４によって接続
され、排気管１４には、排出されるガスの流量によって
チャンバー１内の圧力を調節するための圧力調整バルブ
１６が介設されている。

【００３２】ここで、この結晶成長装置の特徴は、添加
ガス供給管１２にパルスバルブ２０が介設されているこ
とと、チャンバー１内には添加ガス供給管１２の先端か
ら直径が約２ｃｍのガス導入管１３が延び、このガス導
入管１３の先端が基板３の上面よりも約５ｃｍ上方に位
置する部位で開口していることである。

【００３３】サセプタ４には、高温に加熱された時に脱
ガスが起こらないように厚みが約１００μｍのＳｉＣ膜
がコーティングされている。ただし、このＳｉＣ膜の厚
みは脱ガスの発生を防止できる厚みよりも厚ければいく
らでもよい。

【００３４】ガス供給システム８から原料ガス供給管７
を通って供給される原料ガスと、希釈ガス供給管９を通
って供給される希釈ガスとは合流した後、チャンバー１
の上部からチャンバー１内に導入される。そのとき、原
料ガス及び希釈ガスの流量は、各流量計１０，１１によ
って調整される。

【００３５】一方、添加ガス供給管１２を経て供給され
るドーピングガスや不活性ガスなどの添加ガスは、パル
スバルブ２０の周期的な開閉に応じてパルス状に基板３
の表面に供給される。このパルスバルブ２０が開いてい
る期間（パルス幅）及び閉じている期間（パルスとパル
スの間隔）は任意に設定することができ、例えばパルス
バルブ２０が開いている期間が１００μｓ、閉じている
期間が４ｍｓの場合には、１秒間におよそ２４０回の開
閉が繰り返されることになる。ガス導入管１３の先端と
基板３との距離は接近している方が好ましいが、接近し
すぎると狭い範囲にしかガスをパルス状で供給する効果
が発揮できないので５ｃｍ程度の間隔をもっていること
が好ましい。

【００３６】そして、原料ガス，希釈ガス及び添加ガス
は、排気管１４を通ってガス排気システム１５により外
部に排気される。

【００３７】（第１の実施形態）第１の実施形態とし
て、図１に示す結晶成長装置を用い、図１中の基板３と
して（０００１）面（Ｃ面）にオフ角度が設けられた主
面を有する六方晶系の単結晶炭化珪素基板（６Ｈ−Ｓｉ
Ｃ基板）を用い、この基板３の上に六方晶炭化珪素（Ｓ
ｉＣ）からなるｎ型ドープ層をホモエピタキシャル成長
させる方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、
本実施形態の半導体膜の成長方法を示す断面図である。

【００３８】図２（ａ）に示すように、基板３（６Ｈ−
ＳｉＣ基板）の主面は、（０００１）面（Ｃ面）から
［ 1 1 -2 0 ］方向に３．５°傾いた面（（０００１）
オフ面）であり、かつ、表面にＳｉ原子が並ぶｎ型Ｓｉ
面である。基板３の直径は２５ｍｍである。６Ｈ−Ｓｉ
Ｃ基板の表面には、若干のマイクロパイプが存在するこ
とが多く、本実施形態で用いた６Ｈ−ＳｉＣ基板である
基板３の主面にもマイクロパイプが観測された。まず、
流量５（ｌ／ｍｉｎ）の酸素によってバブリングされた
水蒸気雰囲気中で、基板３を１１００℃で３時間ほど熱
酸化し、表面に厚みが約４０ｎｍの熱酸化膜を形成した
後、バッファード弗酸（弗酸：フッ化アンモニウム水溶
液＝１：７）により、その熱酸化膜を除去する。サセプ
タ４に表面の熱酸化膜が除去された基板３を設置し、チ
ャンバー１を１０^-6Ｐａ程度（≒１０^-8Torr）の真空度
になるまで減圧する。

【００３９】次に、ガス供給システム８から、希釈ガス
として流量２（ｌ／ｍｉｎ）の水素ガスと流量１（ｌ／
ｍｉｎ）のアルゴンガスとを供給し、チャンバー１内の
圧力を０．０９３３ＭＰａ（７００Torr）とする。チャ
ンバー１内の圧力は圧力調整バルブ１６の開度により制
御されている。この流量を維持しながら、誘導加熱装置
を用いて、コイル６に、２０．０ｋＨｚ、２０ｋＷの高
周波電力を印加して、サセプタ４を加熱する。基板３の
温度は、一定温度である約１６００℃に制御した。水素
ガス及びアルゴンガスの流量は上述の一定値に保持しな
がら、原料ガスとして流量が２（ｍｌ／ｍｉｎ）のプロ
パンガスと、流量が３（ｍｌ／ｍｉｎ）のシランガスと
をチャンバー１内に導入する。原料ガスは流量５０（ｍ
ｌ／ｍｉｎ）の水素ガスで希釈されている。そして、プ
ロパンガスとシランガスを誘導加熱されたサセプタ４上
の基板３（６Ｈ−ＳｉＣ基板）に供給することにより、
図２（ｂ）に示すように、基板３の（０００１）オフ面
である主面の上に、アンドープの６Ｈ−ＳｉＣ単結晶か
らなるアンドープ層２２をエピタキシャル成長させる。

【００４０】引き続いて、チャンバー１内で、原料ガス
及び希釈ガスを供給しながら、ｎ型ドーピングガスであ
る窒素を添加ガスとして加えることにより、図２（ｃ）
に示すように、アンドープ層２２の上にｎ型ドープ層２
３を形成する。このとき、原料ガス及び希釈ガスを供給
しながら、パルスバルブ２０を繰り返し開閉することに
よって、ドーピングガスである窒素を添加ガスとして、
導入管１３からチャンバー１内の基板３の直上に導入す
ることができる。

【００４１】図３は、このときのパルスバルブ２０の開
閉によるガス供給量の時間変化を示す図である。パルス
バルブ２０が開いたときには、流量計に比べてガスの流
れに対する抵抗が小さいので、ドーピングガス（窒素）
を貯蔵しているガスボンベ（図示しないがガス供給シス
テム８内に配置されている）の減圧器の二次側の圧力を
ほとんど低下させることなく、ほとんど直接的に多量の
ガスを供給できる。一方、パルスバルブが閉じたときに
は、ドーピングガスの供給が停止される。本実施形態に
おいては、パルスバルブ２０が開いている期間（パルス
幅）を１１０μｓ、パルスバルブ２０が閉じている期間
（パルスとパルスの間隔）を４ｍｓとしている。そし
て、パルスバルブ２０の開閉を繰り返してドーピングガ
スを供給しながらｎ型ドープ層２３を形成することによ
り、以下のような効果が得られることが確認されてい
る。

【００４２】図４は、本実施形態において形成されたｎ
型ドープ層２３，アンドープ層２２及び基板３に亘る深
さ方向のドーパント濃度分布を示す図である。つまり、
ｎ型ドープ層を形成する際のパルスバルブ２０が開いて
いる期間（パルス幅）を１１０μｓ、閉じている期間
（パルスとパルスとの間隔）を４ｍｓとしている。同図
の濃度プロファイルは、二次イオン質量分析装置（ＳＩ
ＭＳ）用いて測定した結果得られたものである。同図に
おいて、横軸は基板の最上面からの深さ（μｍ）を表
し、縦軸はドーパントである窒素の濃度(atoms・ｃ
ｍ^-3）を表している。

【００４３】図５は、文献（Materials Science and En
gineering B61-62(1999)121-154 ）に記載されているＳ
ｉＣ層中の窒素の濃度プロファイルを示す図である。同
図において、横軸は基板表面からの深さ（μｍ）を表
し、縦軸は窒素の濃度(atoms・ｃｍ^-3）を表している。
ここでは、流量計を閉じた状態から大きく開くことによ
り急峻な窒素の濃度プロファイルを得ようとしている。
このとき、窒素の流量は０．１５（ｍｌ／ｍｉｎ）であ
る。

【００４４】ここで、図４と図５とを比較すると、本発
明の方法によるアンドープ層からｎ型ドープ層に遷移す
る領域の窒素の濃度勾配が７×１０¹⁸（atoms・ｃ
ｍ^-3）／０．０３（μｍ）＝２．３×１０¹⁷（atoms・
ｃｍ^-3）／ｎｍであるのに対し、上記文献における遷移
部分の窒素の濃度勾配は４×１０¹⁸（atoms・ｃｍ^-3）
／０．２３（μｍ）＝１．７×１０¹⁶（atoms・ｃ
ｍ^-3）／ｎｍであって、本実施形態の方法により、流量
計を閉じた状態から開くことによる窒素の導入方法に比
べて、１桁ほどドーピングガスの濃度勾配を大きくする
ことができる。これは、従来の方法（上記文献の方法）
の場合、ドーピングガスである窒素ガスを流量計を通し
て供給する際に、添加してから窒素ガスが結晶表面に到
達してドープするまでに時間差が生じたために、ドープ
層の深さ方向に対して濃度分布の傾斜ができてしまった
ためと考えられる。これに対して、本発明の方法で形成
したｎ型ドープ層２３においては、ガスボンベの減圧器
の二次側の窒素ガスを直接供給していることから、ドー
ピングガスの添加を開始した時点で極めて短時間に高濃
度のドーパント原子を供給できるために、遷移領域での
ドーパント濃度の分布が急峻になったものと思われる。

【００４５】また、図４に示すｎ型ドープ層２３におけ
る窒素濃度の変動は、図５に示す窒素ドープ層における
窒素濃度の変動に比べて小さいことから、窒素ドープの
均一性も向上していることがわかる。

【００４６】これらの結果より、ガスボンベの減圧器の
二次側のドーピングガスをパルスバルブを介して周期的
に直接供給することによって、従来の方法とは異なり、
均一でしかもアンドープ層から遷移する領域で極めて急
峻な濃度分布をもつドープ層を形成しうることが示され
た。

【００４７】また、本発明の方法によって、オフセット
されたＣ面を主面とするＳｉＣ基板の上にＳｉＣ層をエ
ピタキシャル成長させる際の段差の形成を解消して、平
坦な表面を有するＳｉＣ層を形成することができる。そ
の点について、以下に説明する。

【００４８】図６（ａ），（ｂ）は、流量計を介在させ
た供給管から原料ガス，希釈ガス及びドーピングガスを
供給する従来の方法によって形成されたＳｉＣ層の表面
と、ドーピングガスは流量計を介在させることなくパル
スバルブのみを介在させた供給管から供給する本発明の
第１の実施形態の方法によって形成されたＳｉＣ層の表
面とをそれぞれ示す顕微鏡写真図である。この顕微鏡写
真は、レーザー顕微鏡により観察した表面状態を示して
いる。なお、図６（ａ），（ｂ）には、平坦性や段差の
幅等を理解しやすくするために、ＳｉＣ基板にもともと
存在していたマイクロパイプが観測されている箇所を示
している。

【００４９】ここで、パルスバルブを用いずに上記従来
の方法で形成したｎ型ドープ層をもつエピタキシャル膜
の表面には、上述のように、ステップ高さ数１０ｎｍ
（約１００原子層）、テラス幅数１００ｎｍの段差が形
成されている（図６（ａ）参照）。一方、本発明の方法
で形成したエピタキシャル膜の表面には、段差は全く見
られず、非常に平坦であることが分かる（図６（ｂ）参
照）。

【００５０】従来より、ＳｉＣ基板上へのＳｉＣ単結晶
層をホモエピタキシャル成長させる場合、（０００１）
オフ面を用いる方法が採用されていることは上述の通り
である。この方法によると、基板表面のステップ密度が
増大するので、ステップフローが誘起される結果、低温
でも基板の積層順序を引き継いで６Ｈ−ＳｉＣ単結晶層
がホモエピタキシャル成長すると説明されており、この
方法はステップ制御エピタキシーやオフアクシス法など
と呼ばれている。ところが、本発明者達の実験による
と、図６（ａ）に示すように、表面に多くの段差が形成
されやすいことが判明した。その原因はまだ解明されて
いるわけではないが、本発明者達の見解では、Ｓｉ原
子，Ｃ原子がＳｉＣ基板の表面に付着した際に、あるい
はＳｉ原子とＣ原子とが結合してＳｉＣ分子が形成され
た後に、そのとき存在している部位よりもエネルギー的
に有利な部位に移動（マイグレーション）することで、
（０００１）オフ面に存在する多くの段差のうちの特定
の段差部にＳｉＣ層が優先的に成長することによるもの
と考えられる。

【００５１】一方、本実施形態の方法では、パルスバル
ブを開いたときに、瞬時に多量のドーパント原子がＳｉ
Ｃ基板の表面に供給されるので、ドーパント原子（Ｎ原
子）がＳｉ原子，Ｃ原子又はＳｉＣ分子の移動を妨害す
る結果、アンドープ層２２及びｎ型ドープ層２３がほぼ
均一に下地の表面上に堆積せざるを得ず、その結果、下
地である（０００１）オフ面にほぼ忠実に６Ｈ−ＳｉＣ
エピタキシャル層が順次形成され、最終的に平坦な表面
が得られるものと考えられる。

【００５２】本発明者達の実験によると、ＳｉＣ層のエ
ピタキシャル成長時にＳｉ原子，Ｃ原子，ＳｉＣ分子な
どの移動を妨害する作用効果は、Ｓｉ原子，Ｃ原子等の
移動の抵抗となりうる十分な質量を有する原子を含むガ
スを添加ガスとしてパルス状に供給することによって得
られることがわかっている。

【００５３】すなわち、添加ガスとして、例えば、ｎ型
ドーパントとしての窒素（Ｎ）原子を含むガス，リン
（Ｐ）原子を含むガス（フォスフィン）や、ｐ型ドーパ
ントとしてのアルミニウム（Ａｌ）原子を含むガス（Ｔ
ＭＡなど），ホウ素（Ｂ）原子を含むガス（ジボランな
ど）や、不活性ガス（Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅなど）、
ハロゲン元素（Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒなど）の原子などを含む
ガスをＳｉＣ層のエピタキシャル成長中にパルス状に供
給することにより、平坦な表面を有するＳｉＣ単結晶層
を形成することができる。ただし、これらの原子が、Ｓ
ｉＣ単結晶層を用いて形成されるデバイスの動作に悪影
響を及ぼさないことが好ましい。特に、添加ガスがドー
パント原子を含むガスである場合には、すでに説明した
ように、急峻な濃度プロファイルを得ることができる。

【００５４】また、原料ガス，希釈ガスなどをパルス状
に供給することによっても、互いに他の原子の移動を抑
制しあう結果、エピタキシャル層の平坦性を改善する作
用効果を期待することができる。

【００５５】なお、アンドープ層２２を形成する際に
も、添加ガス供給管１２から例えばフッ素ガスなどの原
子，分子の移動を妨害する機能を有する原子のガスをパ
ルス状に供給することが好ましい。その場合、エピタキ
シャル成長時におけるＳｉ原子，Ｃ原子，ＳｉＣ分子等
の移動をフッ素等の原子が妨げる効果が得られ、平坦な
表面を有するアンドープ層２２が形成される。したがっ
て、アンドープ層２２とｎ型ドープ層２３との境界の平
坦性が要求される場合には、この方法により、著効を発
揮することができる。

【００５６】ただし、アンドープ層２２に段差があって
も、ｎ型ドープ層２３を形成する際にドーパントガス等
をパルス状に供給することにより、最終的に段差が解消
されてｎ型ドープ層２３の表面はほぼ平坦になることが
確認されている。

【００５７】また、本実施形態においては、（０００
１）オフ面を主面とするＳｉＣ基板上に単結晶膜をエピ
タキシャル成長させる場合について説明したが、このよ
うないわゆるオフ面だけでなく、例えば（００１）面を
主面とする汎用のＳｉ基板に本発明を適用しても、より
平坦性が向上するという利点がある。すなわち、本発明
のＣＶＤ法によると、エピタキシャル成長させようとす
る結晶層の構成元素とは別に、これらの構成元素のエピ
タキシャル成長面上での移動を妨害する機能を有する原
子をパルス状に供給することにより、平坦性を向上させ
ることができる。したがって、本発明の方法は、ＳｉＣ
基板上へのエピタキシャル成長だけでなく、Ｓｉ，Ｇａ
Ａｓ，ＳｉＧｅ，ＳｉＧｅＣ，ＧａＮ基板等の上にエピ
タキシャル成長を行なわせる方法全般に適用することが
できる。

【００５８】ただし、（０００１）オフ面と同等の方法
として、例えばＳｉ基板の（１１１）面を２〜４°傾け
た（１１１）オフ面上にＳｉ単結晶層をエピタキシャル
成長させる方法が知られている。Ｓｉ結晶における（１
１１）面は、六方晶における（０００１）面と等価であ
り、最密面である。一般的に用いられる（００１）面は
（１１１）面に対して大きく傾いているので、（００
１）面にはステップが密に存在していて、均一なエピタ
キシャル成長が生じる。それに対し、最密面がジャスト
面である場合には、ステップがほとんどないことから異
常成長が生じやすいといわれ、これを回避すべく、（１
１１）オフ面を主面とする基板が用いられる。その場合
にも、エピタキシャル成長条件によっては、エピタキシ
ャル成長層の表面に図６（ａ）に示すようなめだった段
差が現れることがあるが、本発明の方法により、大きな
段差がほとんどない平坦な表面を有するエピタキシャル
層が得られる。すなわち、本発明の方法は、最密面を傾
けたオフ面を主面とする基板を用いて、エピタキシャル
成長を行なわせる方法に適用することにより、著効を発
揮することができる。

【００５９】なお、パルスバルブが開いている期間（パ
ルス幅）が長すぎると不具合を招くこともある。図７
は、パルスバルブが開いている期間（パルス幅）を１０
００μｓにしたときのｎ型ドープ層の表面状態を示す顕
微鏡写真図である。同図に示すように、あまりに多量の
ドーピングガスを一度に供給すると、ｎ型ドープ層（エ
ピタキシャル層）の表面が荒れてしまうという不具合を
招くことがある。

【００６０】次に、図８は、本実施形態におけるパルス
バルブの開く期間であるオン期間（パルス幅）を変化さ
せたときのｎ型ドープ層のピークキャリア濃度（atoms
・ｃｍ^-3）と、キャリア移動度（ｃｍ² ／Ｖｓ）との変
化を示す図である。このとき、ガス供給システム８内に
おけるガスボンベの減圧器の二次側圧力は７８４００Ｐ
ａ（０．８ｋｇｆ／ｃｍ² ）で一定とした。そして、パ
ルスバルブ２０が開いているオン期間を変化させ、パル
スバルブ２０が閉じているオフ期間を一定の４ｍｓとし
ている。

【００６１】同図に示すように、ｎ型ドープ層のピーク
キャリア濃度はパルスバルブ２０が開いているオン期間
を変化させることにより制御可能であることが分かる。
また、この結果から、オフ期間を変化させても、ピーク
キャリア濃度を調整しうることがわかる。特に、オフ期
間（パルスとパルスとの間隔）を一定とした場合、パル
スバルブのオン期間（パルス幅）を９５μｓと１１０μ
ｓとの間で変化させるだけで、ピークキャリア濃度を５
×１０¹⁶（atoms ・ｃｍ^-3）から約１×１０¹⁹（atoms
・ｃｍ^-3）まで大きく変化させることができる点が特徴
的である。

【００６２】図９は、本実施形態におけるパルスバルブ
の制御方法の変形例を示す図である。同図に示すよう
に、この変形例においては、パルスバルブを開いている
オン期間とオン期間との間（パルスとパルスの間）にお
けるドーピングガス等の添加ガスの供給を全く停止させ
るのではなく、絶えず少しだけのドーピングガスを供給
してもよい。この具体的な方法としては、例えば添加ガ
スとしての窒素ガスをキャリアガスとして供給する方法
がある。このとき、パルスバルブを開いているオン期間
とオン期間との間（パルスとパルスの間）における添加
ガスの供給量はパルス高さの１０％以下にすることが好
ましい。

【００６３】なお、本実施形態においては窒素を用いて
ｎ型のドープ層を形成したが、ｎ型の伝導性を示すドー
パントとして他の元素を含むドーピングガスを用いても
差し支えない。

【００６４】また、本実施形態においてはｎ型のドープ
層を形成したが、ｐ型の伝導性を示すドーピングガスを
用いれば、下地層から遷移する領域で極めて急峻な濃度
分布をもつｐ型のドープ層が形成されることはいうまで
もない。

【００６５】また、本実施形態においてはアンドープ層
の上にｎ型ドープ層を形成したが、アンドープ層は、必
ずしも必要ではない。さらに、ｐ型ドープ層上もしくは
従来の方法で形成したｎ型ドープ層の上に、パルス状に
ドーパントガスを供給しながらｎ型ドープ層を形成して
もよい。

【００６６】また、本実施形態においては、炭化珪素基
板（ＳｉＣ基板）の上へのドープ層のエピタキシャル成
長を行なわせる方法について述べたが、本発明の薄膜成
長方法をＳｉＣ以外のＳｉ，ＧａＡｓ，ＳｉＧｅ，Ｓｉ
ＧｅＣ，ＧａＮなど他の基板上へのドープト層のエピタ
キシャル成長に適用してもよく、その場合にも、基板，
アンドープ層などからドープ層に遷移する領域で極めて
急峻な濃度分布をもつドープ層を形成することができ
る。

【００６７】また、本実施形態においては、基材上の薄
膜成長方法として誘導加熱を用いたＣＶＤ方法について
述べたが、ガスを用いて基材上に薄膜を成長させるので
あればプラズマＣＶＤ法，光照射ＣＶＤ法，電子照射Ｃ
ＶＤ法のいずれかの作用によって上記基材上に薄膜を成
長する場合にも本発明の薄膜成長方法が有効であること
はいうまでもない。

【００６８】（第２の実施形態）次に、第２の実施形態
として、第１の実施形態の薄膜成長方法によってドープ
層を形成したＳｉＣ基板を用いたＭＥＳＦＥＴについて
説明する。

【００６９】図１０は、本実施形態において形成したＭ
ＥＳＦＥＴの断面図である。同図に示すように、本実施
形態のＭＥＳＦＥＴは、（０００１）オフ面を主面とす
る６Ｈ−ＳｉＣ基板である基板３と、基板３上にエピタ
キシャル成長したＳｉＣ単結晶からなるアンドープ層２
２と、アンドープ層２２の上に窒素をパルス状にドープ
しながらエピタキシャル成長したＳｉＣ単結晶からなる
ｎ型ドープ層２３と、ｎ型ドープ層２３の上に形成され
たゲート電極２６と、ｎ型ドープ層２３の上で、ゲート
電極２６の両側に位置する部位に設けられたソース電極
２７及びドレイン電極２８とを備えている。そして、ｎ
型ドープ層２３はチャネル層として機能する。

【００７０】本実施形態のＭＥＳＦＥＴの形成は、以下
の手順による。第１の実施形態に記述したように、図１
に示すガス供給システム８より流量が２（ｌ／ｍｉｎ）
の水素ガスと、流量が１（ｌ／ｍｉｎ）のアルゴンガス
とを供給して、誘導加熱によりサセプタ４を加熱する。
その後、流量が２（ｍｌ／ｍｉｎ）のプロパンガスと、
流量が３（ｍｌ／ｍｉｎ）のシランガスとを供給して、
基板３の上にアンドープの６Ｈ−ＳｉＣ単結晶からなる
アンドープ層２２を形成する。このとき、添加ガス供給
管１２からフッ素ガスをパルス状に供給することによ
り、エピタキシャル成長時におけるＳｉ原子，Ｃ原子，
ＳｉＣ分子等の移動をフッ素原子が妨げる効果が得ら
れ、平坦な表面を有するアンドープ層２２が形成され
る。

【００７１】引き続きドーピングガスとして窒素を用い
て、ｎ型ドープ層をアンドープ層上に形成した。このｎ
型ドープ層はＭＥＳＦＥＴのチャネル層となる。原料ガ
ス及び希釈ガスを各供給管７，９から供給しながら、添
加ガス供給管１２のパルスバルブ２０を繰り返し開閉さ
せることによってドーピングを開始した。ガス供給シス
テム８中のガスボンベの減圧器の二次側圧力は７８４０
０Ｐａ（０．８ｋｇｆ／ｃｍ² ）で一定とした。パルス
バルブ２０の開いている期間（パルス幅）を１００μ
ｓ、閉じている期間（パルスとパルスの間隔）を４ｍｓ
とすることによって、キャリア密度が４×１０¹⁷atoms
・ｃｍ^-3のｎ型ドープ層２３を形成した。ｎ型ドープ層
２３の厚みは、パルスバルブ２０を開閉する期間を調節
することにより約２００ｎｍとしている。

【００７２】続いて、真空蒸着法により、ｎ型ドープ層
２３の上にニッケル（Ｎｉ）を蒸着し、ソース電極２７
と、ドレイン電極２８とを形成した。そして、ソース電
極２７及びドレイン電極２８と、ｎ型ドープ層２３との
オーミックコンタクトをそれぞれとるために、１０００
℃で３分間アニールを行った。続いて、ｎ型ドープ層２
３の上に金（Ａｕ）を蒸着してゲート電極２６を形成
し、このゲート電極２６をｎ型ドープ層２３にショット
キーコンタクトさせた。なお、ｎ型ドープ層２３のうち
ソース電極２７とドレイン電極２８とコンタクトする領
域のみにｎ型不純物をイオン注入するなどにより、コン
タクト抵抗やシート抵抗をより小さくすることもでき
る。

【００７３】図１１は、本実施形態のＭＥＳＦＥＴにお
けるドレイン電流とゲート電圧との関係であるＩ−Ｖ特
性を示す図である。同図において、横軸はドレイン電圧
Ｖｄ（Ｖ）を表し、縦軸はドレイン電流Ｉｄ（Ａ）を表
し、ゲート電圧Ｖｇをパラメータとしている。このと
き、上述のように、ＭＥＳＦＥＴのチャネル層（ｎ型ド
ープ層）の厚みは約２００ｎｍで、チャネル層における
キャリア密度は４×１０ ¹⁷atoms ・ｃｍ^-3で、ゲート長
は約０．５μｍである。図１１に示すように、絶対値が
−４Ｖ以上の負のゲート電圧において、空乏層がピンチ
オフしてチャネルが閉じることによりドレイン電流Ｉｄ
がほぼ「０」になっていることから、ピンチオフ特性が
良好であることがわかる。

【００７４】すなわち、本実施形態のＭＥＳＦＥＴにお
いては、図４に示すように、チャネル層であるｎ型ドー
プ層２３と下地層であるアンドープ層２２からの遷移領
域におけるｎ型ドーパントである窒素の濃度プロファイ
ルが急峻であることから、ゲート電極２６及びドレイン
電極２８に電圧が印加されてチャネル層に空乏層が広が
っていったときに、急峻な濃度プロファイルがあること
で、ほぼ完全にチャネル層が空乏層によって閉じられる
ことになる。それに対し、図５に示すようなＳｉＣ基板
のドープ層においては遷移領域におけるドーパントの濃
度プロファイルがなだらかなので、空乏層が遷移領域に
達した後チャネル層がほぼ完全に閉じられる時期が明確
でないことになる。

【００７５】したがって、本発明のパルスドーピングを
利用して形成されたＭＥＳＦＥＴにおいては、アンドー
プ層２２とｎ型ドープ層２３との遷移領域におけるドー
パント（窒素Ｎ）の濃度プロファイルが急峻であること
から、チャネル層（ｎ型ドープ層２３）から下地層（ア
ンドープ層２２）への漏れ電流が低減し、低消費電流特
性が得られるとともに、ＭＥＳＦＥＴの相互コンダクタ
ンスの向上が期待することができる。また、ピンチオフ
特性も良好であるので、低電圧駆動が可能になる。

【００７６】加えて、本実施形態においては、アンドー
プ層２２をエピタキシャル成長させるときにはフッ素
を、ｎ型ドープ層２３をエピタキシャル成長させるとき
には窒素をパルスバルブ２０の開閉によって供給してい
るので、アンドープ層２２とｎ型ドープ層２３との境界
領域が平坦になるので、ピンチオフ特性がより向上する
という利点がある。

【００７７】これらの結果から、上記パルスバルブ２０
を用いてＳｉＣ結晶のｎ型チャネル層を形成することに
よって、低消費電流，低電圧駆動，高利得という特長を
もったＭＥＳＦＥＴを形成することが可能となることが
示された。

【００７８】なお、本実施の形態においてはｎ型のドー
プ層をチャネル層としてＭＥＳＦＥＴを作成したが、ｎ
型もしくはｐ型のドープ層を形成してショットキーダイ
オードを、ｎ型及びｐ型のドープ層を形成してｐｎダイ
オードを作成するのにも有効である。

【００７９】また、本実施の形態においてはＭＥＳＦＥ
Ｔを作成したが、ｎ型及びｐ型のドープ層を形成してＭ
ＯＳＦＥＴを作成するのにも有効である。

【００８０】（第３の実施形態）次に、パルスバルブの
パルス幅の調整によってドーパントの濃度を制御する方
法に関する第３の実施形態について説明する。

【００８１】図１２は、本実施形態の半導体装置を示す
断面図である。同図に示すように、本実施形態の半導体
装置は、（０００１）オフ面を主面とする６Ｈ−ＳｉＣ
基板である基板３と、基板３上にドーパント（窒素）を
パルス状にドープしながらエピタキシャル成長したＳｉ
Ｃ単結晶からなる高濃度ドープ層３１と、高濃度ドープ
層３１の上にドーパント（窒素）をパルス状にドープし
ながらエピタキシャル成長したＳｉＣ単結晶からなる低
濃度型ドープ層３２とを備えている。図１２に示す構造
は、各種デバイスの活性領域に応用することができる。

【００８２】以下、本実施形態の半導体装置の製造方法
について説明する。図１３（ａ），（ｂ）は、それぞれ
本実施形態の半導体装置中の高濃度ドープ層，低濃度ド
ープ層を形成する際のパルスバルブの開閉制御方法を示
す図である。

【００８３】ここで、本実施形態の半導体装置の製造方
法の特徴は、高濃度ドープ層３１を形成するときには、
図１３（ａ）に示すように、図１に示すパルスバルブ２
０が開いている期間を短くつまりパルス幅を広くし、低
濃度ドープ層３２を形成するときには、図１３（ｂ）に
示すように、パルスバルブ２０が開いている期間を短く
するつまりパルス幅を狭くすることにある。図８に示す
ように、パルスバルブ２０が開いている期間を変化させ
ることで、ドーパントの濃度を調整することができるの
で、基板３の上に、所望のドーパント濃度を有するドー
プ層を極めて容易に形成することができる。

【００８４】本実施形態によると、図１２に示す構造を
利用して、その後第２の実施形態と同様の処理を行なう
ことにより、下方に高濃度ドープ層３１からなるチャネ
ル層を有し、上方に実効的なショットキー障壁の高い低
濃度ドープ層３２を有する高耐圧のＭＥＳＦＥＴを得る
ことができる。ただし、低濃度ドープ層３２のうちソー
ス電極及びドレイン電極の下方に位置する領域は、イオ
ン注入などによって高濃度ドープ層にしておくことが好
ましい。

【００８５】また、図１２に示す構造を利用して、その
後ＭＩＳＦＥＴを形成することにより、レトログレード
ウエルを有するパンチスルーストッパー機能などの大き
い高耐圧用ＭＩＳＦＥＴなどを形成することも可能であ
る。

【００８６】また、上記高濃度ドープ層３１と低濃度ド
ープ層３２とは、互いに逆の導電型のドーパントを含む
ものであってもよい。

【００８７】（第４の実施形態）次に、Ｓｉ基板上にＳ
ｉＧｅＣ膜をヘテロエピタキシャル成長させる場合の原
料ガスの濃度調整に関する第４の実施形態について説明
する。

【００８８】図１４は、本実施形態のＳｉ／ＳｉＧｅＣ
ヘテロデバイスの活性領域となる部分の構造を示す断面
図である。同図に示すように、（００１）面を主面とす
るＳｉ基板である基板３４の上に、基板３４に対してホ
モエピタキシャル成長したＳｉバッファ層３５と、Ｓｉ
バッファ層３５に対してヘテロエピタキシャル成長した
Ｓｉ_1-x-y Ｇｅ_y Ｃ_x 層３６とが順次堆積されている。

【００８９】以下、本実施形態のＳｉ／ＳｉＧｅＣヘテ
ロデバイスの製造方法について説明する。

【００９０】本実施形態においては、８インチのＳｉ基
板からなる基板３４を用いた。そして、本実施形態にお
いても、図１に示すチャンバー１とほぼ同じ構造のチャ
ンバーを用いるが、本実施形態においては、各々パルス
バルブが介設されたガス供給管から原料ガスを供給する
ように構成されたチャンバーを用いる点が、上述の各実
施形態とは異なる。本実施形態では、Ｓｉ用の原料ガス
であるＳｉ₂ Ｈ₆ を供給するための第１原料ガス供給管
と、Ｇｅ用の原料ガスであるＧｅＨ₄ を供給するための
第２原料ガス供給管と、Ｃの原料ガスであるＳｉＨ₃ Ｃ
Ｈ₃ を供給するための第３原料ガス供給管とが設けられ
ている。そして、チャンバー内において、第１〜第３原
料ガス供給管の先端から基板３４の上面付近まで延びる
ガス導入管（図１に示すガス導入管１３と同等のもの）
がそれぞれ設けられている。また、希釈ガスである水素
ガスを供給するための希釈ガス供給管には流量調整機能
を有する流量計が介設されており、希釈ガス供給管は、
上記原料ガスのガス供給管とは別にチャンバーに接続さ
れている。

【００９１】以下、図１５（ａ），（ｂ）を参照しなが
ら、本実施形態のＳｉＧｅＣデバイスの製造工程につい
て説明する。図１５（ａ），（ｂ）は、本実施形態の半
導体装置の製造方法における各パルスバルブの開閉制御
方法を示す図である。ここで、本実施形態においては、
パルスバルブの開いている期間（パルス幅）と閉じてい
る期間（パルスとパルスの間隔）との和を全て４ｍｓで
一定としている。

【００９２】まず、図１に示すようなサセプタに基板３
４を設置し、チャンバーを１０^-6Ｐａ程度（約１０^-8To
rr）の真空度になるまで減圧する。次に、ガス供給シス
テムより希釈ガスとして流量が５０（ｍｌ／ｍｉｎ）の
水素ガスを供給し、チャンバー内の圧力を０．１３Ｐａ
（１×１０^-3Torr）とする。チャンバー内の圧力は、図
１に示すような排気管の圧力調整バルブの開度により制
御されている。この流量を維持しながら、誘導加熱装置
を用いて、コイルに、２０．０ｋＨｚ，２０ｋＷの高周
波電力を印加して、サセプタを加熱する。基板３４の温
度は一定温度である約６００℃に制御する。

【００９３】次に、水素ガスの流量は上述の一定値に保
持しながら、第１原料ガス供給管のパルスバルブのみを
開くことにより、原料ガスとしてＳｉ₂ Ｈ₆ をチャンバ
ー内に供給する。

【００９４】このとき、図１５（ａ）に示すように、Ｓ
ｉ₂ Ｈ₆ を供給するための第１原料ガス供給管のパルス
バルブが開いている期間（パルス幅）を１００μｓと
し、ＧｅＨ₄ を供給するための第２原料ガス供給管と、
ＳｉＨ₃ ＣＨ₃ を供給するための第３原料ガス供給管は
閉じられている。これにより、基板３４の上に厚みが約
１０ｎｍのＳｉバッファ層３５をホモエピタキシャル成
長させる。

【００９５】次に、水素ガスの流量を上述の一定値に保
持した状態で、第１原料ガス供給管，第２原料ガス供給
管及び第３原料ガス供給管の各パルスバルブを開閉制御
することにより、チャンバー内に原料ガスとしてＳｉ₂
Ｈ₆ ，ＧｅＨ₄ 及びＳｉＨ₃ＣＨ₃ をそれぞれ供給する
ことにより、Ｓｉバッファ層３５の上に、厚みが約２０
０ｎｍのＳｉ_1-x-y Ｇｅ_y Ｃ_x 層３６をヘテロエピタキ
シャル成長させる。

【００９６】このとき、図１５（ｂ）に示すように、Ｓ
ｉ₂ Ｈ₆ を供給する第１原料ガス供給管のパルスバルブ
が開いている期間（パルス幅）を７０μｓとし、ＧｅＨ
₄ を供給する第２原料ガス供給管のパルスバルブが開い
ている期間（パルス幅）を２０μｓとし、ＳｉＨ₃ ＣＨ
₃ を供給する第３原料ガス供給管のパルスバルブが開い
ている期間（パルス幅）を１０μｓとする。また、各パ
ルスバルブが開いている時期を互いにオーバーラップさ
せないようにずらせて、Ｓｉ₂ Ｈ₆ ，ＧｅＨ₄，ＳｉＨ₃
ＣＨ₃ を交互に供給する。これにより、Ｇｅの組成比
ｙが約０．２（約２０％）で、Ｃの組成比が約０．０１
（約１％）のＳｉ_1-x-y Ｇｅ_y Ｃ_x 膜をエピタキシャル
成長させる。

【００９７】本実施形態においても、原料ガス供給管に
パルスバルブを介設し、このパルスバルブが開いている
期間（パルス幅）と、パルスバルブが閉じている期間
（パルスとパルスとの間隔）とを適宜調整することによ
り、上記第１の実施形態と同様に、Ｓｉバッファ層３５
からＳｉ_1-x-y Ｇｅ_y Ｃ_x 層３６に遷移する領域でＧｅ
及びＣの含有比が急峻に変化するようなプロファイルを
有するＳｉ_1-x-y Ｇｅ_yＣ_x 層を形成することができ
る。

【００９８】そして、図１４に示す構造を形成した後、
ゲート絶縁膜，ソース・ドレイン領域，ゲート電極など
を形成することにより、Ｓｉ_1-x-y Ｇｅ_y Ｃ_x 層とＳｉ
バッファ層との境界に形成される急峻なヘテロ障壁を利
用した動作速度の速いヘテロＭＩＳＦＥＴなどを得るこ
とができる。

【００９９】また、本実施形態においても、原料ガスを
パルス状に供給することにより、第１の実施形態と同様
に、平坦な表面を有するＳｉ_1-x-y Ｇｅ_y Ｃ_x 層が得ら
れる。ただし、（００１）面を主面とするＳｉ基板を用
いているので、本実施形態を用いなくても、図６（ａ）
に示すほどの目立った段差が形成されるわけではない
が、従来の方法に比べると面荒れ等の小さい平坦な表面
が得られる。なお、（１１１）オフ面を主面とするＳｉ
基板を用いる場合には、本実施形態を応用することによ
り、図６（ａ）に示すような大きな段差を生じることな
く、平坦性の良好なＳｉ_1-x-y Ｇｅ_y Ｃ_x 層が得られる
ことになる。

【０１００】また、本実施形態においては、第１〜第３
原料ガス供給管のすべてにパルスバルブを介設したが、
例えば、第１，第２原料ガス供給管にはパルスバルブを
介設せずに流量計による流量調節を行なって、第３原料
ガス供給管のみにパルスバルブを介設して、Ｃ用の原料
ガスであるＳｉＨ₃ ＣＨ₃ のみをパルス状に供給しても
よい。

【０１０１】また、本実施形態においてはＳｉＧｅＣ層
のエピタキシャル成長について述べたが、本発明の薄膜
成長方法はＳｉＧｅＣ層以外のＳｉＧｅ層や、ＧａＡｓ
層、ＧａＮ層などのヘテロエピタキシャル成長にも適用
することができ、それらの場合にも、組成の遷移領域で
極めて急峻な組成プロファイルを有する単結晶膜を成長
させることができる。

【０１０２】

【発明の効果】本発明の半導体膜の成長方法によると、
半導体膜を構成する元素を含む原料ガスを供給するとと
もに、半導体膜を構成する元素の原子又は分子の移動の
抑制機能を有する原子を含むガスである添加ガスをパル
スバルブを通して複数回パルス状に供給するようにした
ので、単結晶膜表面の平坦化を図ることができる。

【０１０３】また、本発明の半導体装置の製造方法によ
ると、ＳｉＣを構成する元素を含む原料ガスを供給する
とともに、ドーパントガスをパルスバルブを介して複数
回パルス状に供給することによりＳｉＣ単結晶膜をエピ
タキシャル成長させるようにしたので、高周波特性の優
れたＭＥＳＦＥＴなどを形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の各実施形態において用いられる薄膜形
成用の結晶成長装置の構造を概略的に示す図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態の薄膜成長
方法を示す断面図である。

【図３】第１の実施形態におけるパルスバルブの開閉に
よるガス供給量の時間変化を示す図である。

【図４】第１の実施形態において形成されたｎ型ドープ
層，アンドープ層及び基板に亘る深さ方向のドーパント
濃度分布を示す図である。

【図５】文献に記載されている従来のＳｉＣ層中の窒素
の濃度プロファイルを示す図である。

【図６】（ａ），（ｂ）は、従来の方法によって形成さ
れたＳｉＣ層の表面と、第１の実施形態の方法によって
形成されたＳｉＣ層の表面とをそれぞれ示す顕微鏡写真
図である。

【図７】パルスバルブが開いている期間（パルス幅）を
過剰に長く設定したときのｎ型ドープ層の表面状態を示
す顕微鏡写真図である。

【図８】第１の実施形態におけるパルスバルブの開く期
間を変化させたときのｎ型ドープ層のピークキャリア濃
度とキャリア移動度との変化を示す図である。

【図９】第１の実施形態におけるパルスバルブの制御方
法の変形例を示す図である。

【図１０】第２の実施形態のＭＥＳＦＥＴの断面図であ
る。

【図１１】第２の実施形態のＭＥＳＦＥＴにおけるドレ
イン電流とゲート電圧との関係であるＩ−Ｖ特性を示す
図である。

【図１２】第３の実施形態の半導体装置を示す断面図で
ある。

【図１３】（ａ），（ｂ）は、それぞれ第３の実施形態
の半導体装置中の高濃度ドープ層，低濃度ドープ層を形
成する際のパルスバルブの開閉制御方法を示す図であ
る。

【図１４】第４の実施形態のＳｉ／ＳｉＧｅＣヘテロデ
バイスの活性領域となる部分の構造を示す断面図であ
る。

【図１５】（ａ），（ｂ）は、第４の実施形態の半導体
装置の製造方法における各パルスバルブの開閉制御方法
を示す図である。

【図１６】従来のＳｉＣの縦型結晶成長装置の概略的な
構造を示す図である。

【符号の説明】

１ パルスバルブ ２ チャンバー ３ 基板 ４ サセプタ ５ 支持軸 ６ コイル ７ 原料ガス供給管 ８ ガス供給システム ９ 希釈ガス供給管 １０ 流量計 １１ 流量計 １２ 添加ガス供給管 １３ ガス導入管 １４ 排気管 １５ ガス排気システム １６ 圧力調整用バルブ ２０ パルスバルブ ２２ アンドープ層 ２３ ｎ型ドープ層 ２６ ゲート電極 ２７ ソース電極 ２８ ドレイン電極 ３１ 高濃度ドープ層 ３２ 低濃度ドープ層 ３４ 基板 ３５ Ｓｉバッファ層 ３６ Ｓｉ_1-x-y Ｇｅ_y Ｃ_x 層

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 29/861 29/872 (72)発明者 内田 正雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 4M104 AA03 BB05 BB09 CC03 DD78 GG02 GG03 GG12 5F045 AA03 AB06 AC01 AC07 BB01 CA06 CA10 DB04 DP03 DQ10 EE19 EK03 5F102 FA01 FA03 GB01 GC01 GD01 GJ02 GL02 GR01 GT01 HC01 HC11 HC21 5F140 AA01 BA01 BA02 BA16 BA17 BA20 BB18 BC12

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の単結晶領域上に半導体膜をエピタ
   キシャル成長させる方法であって、 上記基板をチャンバー内に設置するステップ（ａ）と、 上記ステップ（ａ）の後で、上記チャンバー内に、上記
   半導体膜を構成する元素を含む原料ガスを供給するとと
   もに、上記半導体膜を構成する元素の原子又は分子の移
   動の抑制機能を有する原子を含むガスである添加ガスを
   パルスバルブを通して複数回パルス状に供給することに
   より上記半導体膜を形成するステップ（ｂ）とを含むこ
   とを特徴とする半導体膜の成長方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体膜の成長方法にお
   いて、 上記ステップ（ｂ）では、上記添加ガスをパルス状に供
   給する期間よりも、パルス状に添加ガスを供給していな
   い期間の方が長いことを特徴とする半導体膜の成長方
   法。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の半導体膜の成長方
   法において、 上記基板は、最密面を傾けたオフ面を主面とする基板で
   あることを特徴とする半導体膜の成長方法。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載
   の半導体膜の成長方法において、 上記基板は、（０００１）面を傾けさせた（０００１）
   オフ面を主面とするＳｉＣ基板であることを特徴とする
   半導体膜の成長方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載
   の半導体膜の成長方法において、 上記ステップ（ｂ）では、上記添加ガスをパルス状に供
   給する期間を１０００μsec未満とすることを特徴とす
   る半導体膜の成長方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載の半導体膜の成長方法にお
   いて、 上記ステップ（ｂ）では、上記添加ガスとして、窒素，
   リン，Ａｌ，ホウ素，ネオン，アルゴン，クリプトン，
   キセノン，フッ素，塩素及び臭素のうちから選ばれる少
   なくとも１つの原子を含むガスを用いることを特徴とす
   る半導体膜の成長方法。
7. 【請求項７】 ドーパントを含むＳｉＣ単結晶膜を活性
   領域とする半導体装置の製造方法であって、 ＳｉＣ基板をチャンバー内に設置するステップ（ａ）
   と、 上記ステップ（ａ）の後で、上記チャンバー内に、Ｓｉ
   Ｃを構成する元素を含む原料ガスを供給するとともに、
   ドーパントガスをパルスバルブを介して複数回パルス状
   に供給することにより上記ＳｉＣ単結晶膜をエピタキシ
   ャル成長させるステップ（ｂ）とを含むことを特徴とす
   る半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項７記載の半導体装置の製造方法に
   おいて、 上記ＳｉＣ基板は、（０００１）面を傾けさせた（００
   ０１）オフ面を主面とするＳｉＣ基板であることを特徴
   とする半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項７又は８記載の半導体装置の製造
   方法において、 上記ステップ（ｂ）では、上記ドーパントガスをパルス
   状に供給する期間を１０００μsec未満とすることを特
   徴とする半導体装置の製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項７〜９のうちいずれか１つに記
    載の半導体装置の製造方法において、 上記ステップ（ｂ）では、上記ドーパントガスとして、
    窒素原子，リン原子，Ａｌ原子及びホウ素原子のうちか
    ら選ばれる原子を含むガスを用いることを特徴とする半
    導体装置の製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項７〜１０のうちいずれか１つに
    記載の半導体装置の製造方法において、 上記ステップ（ｂ）の後に、 上記ＳｉＣ単結晶膜の上に、上記ＳｉＣ単結晶膜とショ
    ットキー接触するゲート電極を形成する工程（ｃ）と、 上記ＳｉＣ単結晶膜の上記ゲート電極の両側に位置する
    領域の上に、上記ＳｉＣ単結晶膜とオーミック接触する
    ソース電極及びドレイン電極を形成する工程（ｄ）とを
    さらに含み、 ＭＥＳＦＥＴを形成することを特徴とする半導体装置の
    製造方法。
12. 【請求項１２】 請求項７〜１０のうちいずれか１つに
    記載の半導体装置の製造方法において、 上記ステップ（ｂ）の後に、 上記ＳｉＣ単結晶膜の上に、上記ＳｉＣ単結晶膜とショ
    ットキー接触するゲート電極を形成する工程（ｃ）をさ
    らに含み、 ショットキーダイオードを形成することを特徴とする半
    導体装置の製造方法。
13. 【請求項１３】 請求項７〜１０のうちいずれか１つに
    記載の半導体装置の製造方法において、 上記ステップ（ｂ）の後に、 上記ＳｉＣ単結晶膜の上に、上記ＳｉＣ単結晶膜中のド
    ーパントとは逆導電型のドーパントを含むＳｉＣ層を形
    成する工程（ｃ）をさらに含み、 ｐｎダイオードを形成することを特徴とする半導体装置
    の製造方法。
14. 【請求項１４】 請求項７〜１０のうちいずれか１つに
    記載の半導体装置の製造方法において、 上記ステップ（ｂ）の後に、 上記ＳｉＣ単結晶膜を活性領域とするＭＯＳＦＥＴを形
    成する工程をさらに含むことを特徴とする半導体装置の
    製造方法。
15. 【請求項１５】 請求項１１〜１４のうちいずれか１つ
    に記載の半導体装置の製造方法において、 上記ステップ（ａ）の後で上記ステップ（ｂ）の前に、
    上記チャンバー内に、ＳｉＣを構成する元素を含む原料
    ガスを供給することにより、ＳｉＣ基板上にアンドープ
    半導体膜を形成し、 上記工程（ｂ）では、上記アンドープ半導体膜の上に上
    記ＳｉＣ単結晶膜を形成することを特徴とする半導体装
    置の製造方法。