JP2004253751A - Method of cvd epitaxial growth - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of homoepitaxial growth capable of reducing the dispersion in the film-thickness distribution even in a case where the temperature differs between the circumferential area and the center of the susceptor, when a cold-wall method is used. <P>SOLUTION: In the method of homoepitaxial growth of silicon carbide (SiC) using a cold-wall CVD technique, the growth is carried out at a crystal-growth rate of 2 μm/hour or higher. The divergence from the average of the grown crystal thickness is within the range of -10% to +10% at every portion of the growth plane. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相化学蒸着法(CVD)を用いて炭化ケイ素をエピタキシャル成長させる方法に関し、より詳細には、コールドウォール方式を用いる場合においても、成長膜厚の変動を低減することができるCVDエピタキシャル成長方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年のパワー半導体素子の著しい性能向上に伴い、パワーエレクトロニクス技術の適用範囲が大きく拡大している。直流送電システムや周波数変換所、高速電力制御装置などの開発が所望される電力分野においては、パワーエレクトロニクス技術を用いた電力変換容量はますます増加すると考えられ、パワーエレクトロニクスにおいて心臓部となり得るパワー半導体素子の一層の高効率化、高電圧化、および大容量化が求められている。
【0003】
炭化ケイ素(SiC)は、シリコン単結晶に比べて、優れた絶縁破壊電界強度および熱伝導率を有するとともに、比較的大きな電子移動度を有するので、Si系の半導体素子に比べて性能向上を可能とする半導体材料として期待されている。また、SiCは、熱的および化学的にも安定であり、耐放射線性にも優れており、また、多数のポリタイプが存在し、それらの中には可視領域での発光を可能にするものもあるという点で、非常に注目されている材料である。
【0004】
SiCは、不純物の熱拡散が困難であり、イオン注入技術も十分に確立されていないので、キャリア濃度制御方法としては、エピタキシャル成長中にドーパントを添加する気相ドーピングが有効である。かかる気相ドーピングの手法としては、一般的に気相化学蒸着法(CVD)が用いられている。CVD法は、不純物濃度やpn接合界面などの制御が可能であり、また、大型基板にも利用できる点で有用である。
【0005】
ステップ制御エピタキシーは、SiC基板表面に数度のオフ角を意図的に導入して基板表面の原子的ステップ密度を増大させ、ステップの横方向への成長によるステップフローによって結晶成長を行なう技術である。かかる技術は、多数のポリタイプを有するSiCにおいて、ステップから原子配置の周期の情報が与えられるために、基板と同一のポリタイプの単結晶が成長する点で好ましい。また、従来のCVD法によるSiC単結晶の成長に比べて、成長の際の温度を低くすることができ、さらにデバイスに適用するのに十分な品質をも得られる点で好ましい。
【0006】
下記非特許文献1には、(0001)面から傾斜させられた所定のオフ角を有するSiC基板面上に、ステップ制御エピタキシーを用いてコールドウォール方式にてSiCをホモエピタキシャル成長させた技術が開示されている。図4は、当該非特許文献1において使用するCVD結晶成長装置の概略図である。図4において、当該CVD結晶成長装置は、原料ガスおよびドーパントガスなどを含むボンベ1と、当該ボンベ1から供給されたガスの流量をコントロールするマスフローコントローラー2と、マスフローコントローラー2によって制御されたガスが送り出されることにより、CVD結晶成長反応を行なう結晶成長炉3と、排気ガス清浄システム4とを含む。
【0007】
結晶成長炉3は、矢印Xの方向に水が流されることにより壁5が冷却されるコールドウォール方式であり、結晶成長炉3内には、サセプタ6上に基板7が設置される。また、壁5は、加熱装置8が取り付けられている。また、ボンベ1のうち水素ガスを含有するボンベには、水素ガス精製機9が取り付けられており、当該水素ガス精製機9により供給される水素ガスは精製されるものである。
【0008】
当該CVD結晶成長装置において、ボンベ1から供給されたガスは、マスフローコントローラー2によりその流量が制御されて結晶成長炉3に送り込まれ、当該結晶成長炉3において、CVDエピタキシャル成長が行なわれる。結晶成長炉3を通過したガスは、排気ガス清浄システム4を介して矢印Yの方向に放出される。
【0009】
【非特許文献1】
Phys. stat. sol. (b) 202, 247頁 (1997)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記非特許文献1のCVD結晶成長装置において、成膜室の壁5が冷却されるコールドウォール方式では、サセプタ6の温度が周囲で低下してしまうので、基板7の中心と端部とに温度差が生じてしまい、その結果、成長膜厚の変動に高低差が生じてしまう。よって、半導体デバイスとして使用する場合の特性バラツキの原因となり得る。
【0011】
本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、CVDエピタキシャル成長方法において、コールドウォール方式を用いた場合におけるサセプタ周囲の温度に差がある場合でも膜厚分布のバラツキを低減してホモエピタキシャル成長をすることができる方法を提供することを目的とする。また、本発明は、ホモエピタキシャル成長された膜における、不純物濃度分布のバラツキを低減させる方法をも提供する。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、CVDを用いて、コールドウォール方式にて炭化ケイ素(SiC)をホモエピタキシャル成長させる方法において、結晶成長速度を2μm/時以上で成長させることを特徴とするCVDエピタキシャル成長方法を提供する。
【0013】
本発明に従えば、コールドウォール方式を用いるCVDエピタキシャル成長方法において生じ得る、サセプタ周辺の温度低下がある場合においても、膜厚のバラツキを減少することができる。
【0014】
好ましくは、結晶成長膜厚の平均からのずれは、成長面のいずれの領域においても、−10%〜+10%の範囲内である。これにより、良好な半導体材料を得ることができる。
【0015】
好ましくは、(0001)面から(11−20)面方向に3°〜5°の範囲内のオフ角を有する6H−SiC基板面上、または、(0001)面から(11−20)面方向に7°〜9°の範囲内のオフ角を有する4H−SiC基板面上において、1400℃〜1800℃の範囲内の基板温度で結晶成長させる。これにより、ステップ制御によるエピタキシャル成長を促進することができる。
【0016】
好ましくは、ドーパントとして窒素ガスを用い、該窒素ガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、1×10−7mol/cm〜1×10−12mol/cmの範囲内として結晶成長を行なう。また、ドーパントとしてジボランガスを用い、該ジボランガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、1×10−11mol/cm〜1×10−16mol/cmの範囲内として結晶成長を行なうことが好ましい。これにより、結晶成長膜の不純物濃度のバラツキを低減することができる。
【0017】
また、好ましくは、原料ガス中に存在するケイ素原子に対する炭素原子の比が1〜6の範囲内である。これにより、膜厚のバラツキを低減でき、さらに不純物濃度を均一にすることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明は、CVD(気相化学蒸着法)を用いて、コールドウォール方式にて炭化ケイ素をホモエピタキシャル成長させる方法において、結晶成長速度を2μm/時以上で成長させることを特徴とするCVDエピタキシャル成長方法を提供するものである。2μm/時未満であると、基板の中心付近において、成長速度と比較して無視できない程度に成長種がクラウン運動により移動し、基板端が厚くなる。これによって膜厚のバラツキが生じてしまうという不具合が生じるからである。
【0019】
本発明において、結晶成長速度を求めるために、形成された結晶膜を破壊しない非破壊的方法として、結晶成長前後の質量差から求める質量換算や、特定の結晶欠陥の長さ、また、エピタキシャル成長層最表面で反射した光と、エピタキシャル成長層と基板との界面で反射した光との干渉現象を利用する光学的手法などを用いることができる。当該光学的手法では、波長および膜厚に応じてエピタキシャル成長層と基板との界面の光が、エピタキシャル成長層表面で反射した光に対して位相差を生じるため、反射光の強弱を測定することにより求めることができる。また、破壊的方法としては、形成されたエピタキシャル成長層を破壊してSIMS分析する手法などがある。
【0020】
本発明においては、結晶成長速度を2μm/時以上にすることにより、結晶成長膜厚が、成長面のいずれの領域においても、該結晶成長膜厚の平均からのずれを、−10%〜+10%の範囲内にすることができ、成長膜厚の高低差を低減することができる。
【0021】
ここで、成長膜厚の平均からのずれは、膜厚の平均値と基板上の各場所における膜厚とを比較することにより決定することができる。当該膜厚の平均値は、結晶成長前後の質量差から求めることができ、当該基板上の各場所における膜厚は、SIMS、C−VおよびFTIRなど用いて測定することができる。
【0022】
本発明のCVDエピタキシャル成長方法は、コールドウォール方式にて結晶成長させたときの膜厚に関する不具合を解決できるものである。コールドウォール方式を用いてCVDエピタキシャル成長を行なう場合、サセプタ周囲温度は、基板中心温度と比較して温度が低下し、これにより当該サセプタ上に設置された基板の温度も基板中心温度と比較すると低下している。このような基板上における温度分布の格差により、結晶成長した膜厚変動にも大きな高低差が生じてしまう。
【0023】
この膜厚の高低差は、結晶成長種のクラウン運動によると考えられている。すなわち、基板上の温度に高低差があると、成長種は温度の高い部分から低い部分へクラウン運動により移動すると考えられている。したがって、膜厚の成長速度が遅ければ遅いほど、成長種がクラウン運動をすることができる時間は長くなり、膜厚の高低差も大きくなることになる。
【0024】
本発明者らは、結晶成長速度を2μm/時以上とすることにより、クラウン運動可能な時間を抑えることで、形成された膜厚の高低差を低減することができることを見出した。すなわち、上記非特許文献1に記載された方法では、形成された膜厚には、成長膜厚の平均から−90%〜+14%の範囲のずれが生じていたが、本発明のCVDエピタキシャル成長法を用いると、成長膜厚の平均からのずれが−10%〜+10%までに低減することができたものである。
【0025】
なお、一般に、結晶成長速度と原料ガスの流量とには相関がある。本発明において、結晶成長速度は、図5に示されるように、SiHの流速と比例して増加するが、一定以上のSiHの流速においては飽和することにより、結晶成長速度は一定になる。ここで、図5は、本発明において、結晶成長温度1500℃での、結晶成長速度とSiH流速との関係を表わすグラフである(Silicon Carbide and Related Materials 2001第184項)。
【0026】
本発明において、SiC基板の(0001)面から(11−20)面方向に3°〜5°の範囲内のオフ角を有する6H−SiC基板面を用いることが好ましい。また、(0001)面から(11−20)面方向に7°〜9°の範囲内のオフ角を有する4H−SiC基板面を用いることが好ましい。
【0027】
当該基板を用いることで、ステップフローによるホモエピタキシャル成長が可能となるからである。ステップフローにより結晶成長することにより、ステップからの原子配置の周期の情報が与えられるために、基板と同一のポリタイプの単結晶が成長する。したがって、多数のポリタイプを有するSiCにおいては基板と同一のタイプの結晶成長が行なわれる点で好ましい。また、オフ角を導入しない場合と比較して、成長の際の温度を低温にすることができる点で好ましい。しかし、本発明においては、上記基板に限定されず、ステップフローによる結晶成長が可能であれば、上記オフ角度の範囲に限定されるわけではない。また、本発明においては、ステップフローによる結晶成長に限定されず、オフ角度を導入しないジャスト基板を用いて、双晶による結晶成長を行なってもよい。
【0028】
本発明において、形成されたエピタキシャル成長膜のドーパント濃度のバラツキを低減させるために、ドーパントとして窒素ガスを用いる場合は、当該窒素ガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、1×10−7mol/cm〜1×10−12mol/cmの範囲内として結晶成長行なうことが好ましい。1×10−12mol/cm未満では、バックグラウンドの窒素濃度と同程度という理由で制御性が失われるからであり、また、1×10−7を超えると、窒素が結晶内に多量にとりこまれて、結晶性が低下するからである。好ましくは、10−8〜10−11mol/cmの範囲内として、より好ましくは、10−9〜10−10mol/cmの範囲内として結晶成長することがよい。
【0029】
また、本発明において、ドーパントとしてジボランガスを用いる場合は、当該ジボランガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、1×10−11mol/cm〜1×10−16mol/cmの範囲内として結晶成長行なうことが好ましい。1×10−16mol/cm未満では、バックグラウンドのボロン濃度と同程度という理由で制御性が失われるからであり、また、1×10−11を超えると、ボロンが多量にとりこまれて結晶性が低下するからである。好ましくは、1×10−11mol/cm〜1×10−14mol/cmの範囲内として、より好ましくは、1×10−11mol/cm〜1×10−12mol/cmの範囲内として結晶成長することがよい。
【0030】
本発明において、形成された結晶における不純物濃度のバラツキは、C−VやSIMSで結晶成長面内の複数箇所を測定することによって確認することができる。
【0031】
また、本発明において、原料ガス中に存在するケイ素原子に対する炭素原子の比(C/Si)が1〜6の範囲内であることが好ましい。C/Siが1未満の場合は、結晶成長速度が低下してしまうため好ましくない。また、C/Siが6を超えると、結晶性低下のため好ましくない。より好ましくは、C/Siが2〜4である。
【0032】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0033】
【実施例】
(実施例1)
本発明のCVDエピタキシャル成長を行なうための手順を以下に説明する。まず、成長を行なう前に、水素ガス雰囲気中で、温度を1500℃として10分間サセプタを加熱し、ベーキングを行なった。ここで、本実施例において用いる水素ガスは、銀パラジウム合金膜を利用した水素純化装置を通して純化した水素ガスである。次いで、昇華法によって作製した、(0001)面から(11−20)面方向に8°のオフ角を有する4H−SiCウェハをサセプタにセットし、当該サセプタをサセプタホルダとともに成長炉内に入れ、真空排気を行なった。
【0034】
その後、排気を止めて水素ガスを導入し、大気圧にした。このときの温度プロファイルとガス導入量との関係を図1に示す。図1において、横軸は時間であり、縦軸は温度である。本実施例においては、水素ガス中で1300℃に達した後、その温度で塩化水素ガスを10分間流した。また、水素ガスおよび塩化水素ガスの流量の例としては、それぞれ1mL/分および0.03mL/分である。
【0035】
10分経過後、1500℃まで昇温して、塩化水素ガスを止め、エピタキシャル成長を開始した。エピタキシャル成長の際に用いた原料ガスは、SiH(1.0%H希釈)およびC(1.0%H希釈)であり、当該原料ガスの流量をそれぞれ50sccmおよび33sccmとした。また、水素ガスを3slmの流量で流した。このときの結晶成長速度は、3μm/時であった。
【0036】
(実施例2)
上記実施例1において、n型のドーピングを行なうために、ドーピング材料としての窒素ガス(水素中0.5%)をさらに6sccmの流量で流した。このとき、窒素ガスについての、結晶成長炉内の単位体積あたりの濃度は、4.3×10−10mol/cmであった。このときの結晶成長速度は、3μm/時であった。結晶成長面内の複数箇所をSIMSで測定したところ、不純物濃度のバラツキはほとんどなかった。
【0037】
(実施例3)
実施例1において、p型のドーピングを行なうために、ドーピング材料としてのジボランガス(水素中5ppm)を40sccmの流量でさらに添加した。また、実施例3においては、Cの流量を66sccmとした。このとき、ジボランガスについての、結晶成長炉内の単位体積あたりの濃度は、2.8×10−12mol/cmであった。このときの結晶成長速度は、2.5μm/時であった。結晶成長面内の複数箇所をSIMSで測定したところ、不純物濃度のバラツキはほとんどなかった。
【0038】
上記実施例1〜3において、SiC基板上に結晶成長されたエピタキシャル膜の膜厚分布を、SIMSを用いて分析した結果を図2に示す。表面の成長膜厚の平均からのずれは、基板面のいずれの領域おいても、−10%〜+10%の範囲内にあり、良好な表面モホロジーであることがわかる。
【0039】
(比較例1)
SiHの流量を15sccmにし、Cの流量を10sccmにした以外は、すべて上記実施例1と同じ手順を用いてエピタキシャル成長をした。このときの結晶成長速度は、1.2μm/時であった。
【0040】
(比較例2)
窒素ガス(水素中100ppm)を用い、当該窒素ガスの流速を、100sccmにした以外は、すべて上記実施例2と同じ手順を用いてCVDエピタキシャル成長を行なった。このとき、窒素ガスについての、結晶成長炉内の単位体積あたりの濃度は、1.4×10−10mol/cmであった。このときの結晶成長速度は、1.2μm/時であった。
【0041】
(比較例3)
ジボランガス(水素中5ppm)を用い、当該窒素ガスの流量を、100sccmにした以外は、すべて上記実施例3と同じ手順を用いてCVDエピタキシャル成長を行なった。このとき、ジボランガスについての、結晶成長炉内の単位体積あたりの濃度は、7.1×10−12mol/cmであった。このときの結晶成長速度は、1.2μm/時であった。
【0042】
上記比較例1〜3において、得られたエピタキシャル膜の膜厚分布を、SIMSを用いて分析した結果を図3に示す。表面の成長膜厚の平均からのずれは、−90%〜+14%と広範囲にわたり、膜厚のバラツキは大きい。
【0043】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0044】
【発明の効果】
本発明のCVDエピタキシャル成長方法によれば、コールドウォール方式を用いた場合においても、成長膜厚の平均からのずれを−10%〜+10%の範囲内にすることができ、表面のモホロジーを良好にすることができる。また、形成された結晶膜厚における不純物濃度のバラツキも良好である。
【図面の簡単な説明】
【図1】エピタキシャル成長の際の温度プロファイルとガス導入量との関係を示すグラフである。
【図2】本発明のCVDエピタキシャル成長方法を用いて形成された成長膜厚の表面を、SIMSを用いて分析した結果を示す概略図である。
【図3】従来のCVDエピタキシャル成長方法を用いて形成された成長膜厚の表面を、SIMSを用いて分析した結果を示す概略図である。
【図4】コールドウォール方式を用いた、CVDエピタキシャル成長を行なうための装置の概略図である。
【図5】結晶成長温度1500℃での、結晶成長速度とSiH流速との関係を表わすグラフである。
【符号の説明】
1 ボンベ、2 マスフローコントローラ、3 結晶成長炉、4 排気ガス清浄システム、5 壁、6 サセプタ、7 基板、8 加熱装置、9 水素ガス精製機。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for epitaxially growing silicon carbide using a vapor-phase chemical vapor deposition (CVD) method, and more particularly, to a CVD epitaxial growth method capable of reducing a variation in a grown film thickness even when a cold wall method is used. About the method.
[0002]
[Prior art]
With the remarkable improvement in performance of power semiconductor devices in recent years, the application range of power electronics technology has been greatly expanded. In the power field where development of DC power transmission systems, frequency converters, high-speed power controllers, etc. is desired, the power conversion capacity using power electronics technology is expected to increase more and more, and power semiconductors that can be the heart of power electronics There is a demand for higher efficiency, higher voltage, and higher capacity of the device.
[0003]
Silicon carbide (SiC) has better breakdown field strength and thermal conductivity than silicon single crystal and relatively high electron mobility, so it can improve performance compared to Si-based semiconductor devices. Is expected as a semiconductor material. In addition, SiC is thermally and chemically stable, has excellent radiation resistance, and has a large number of polytypes, some of which are capable of emitting light in the visible region. It is a material that has received a great deal of attention in that it also has
[0004]
Since the thermal diffusion of impurities is difficult for SiC and the ion implantation technique is not sufficiently established, vapor phase doping in which a dopant is added during epitaxial growth is effective as a carrier concentration control method. As a technique of such a vapor phase doping, a vapor phase chemical vapor deposition (CVD) is generally used. The CVD method is useful in that it can control the impurity concentration, the pn junction interface, and the like, and can be used for a large substrate.
[0005]
Step control epitaxy is a technique for intentionally introducing an off angle of several degrees to the surface of a SiC substrate to increase the atomic step density on the surface of the substrate, and performing crystal growth by a step flow based on lateral growth of steps. . Such a technique is preferable in that a single crystal of the same polytype as the substrate grows in SiC having a large number of polytypes, since information on the period of the atomic arrangement is given from the steps. Further, it is preferable in that the temperature during the growth can be lowered as compared with the growth of the SiC single crystal by the conventional CVD method, and the quality sufficient for application to the device can be obtained.
[0006]
Non-Patent Document 1 below discloses a technique in which SiC is homoepitaxially grown on a SiC substrate surface having a predetermined off angle inclined from a (0001) plane by a cold wall method using step control epitaxy. ing. FIG. 4 is a schematic diagram of a CVD crystal growth apparatus used in the above-mentioned Non-Patent Document 1. In FIG. 4, the CVD crystal growth apparatus includes a cylinder 1 containing a source gas and a dopant gas, a mass flow controller 2 for controlling a flow rate of a gas supplied from the cylinder 1, and a gas controlled by the mass flow controller 2. It includes a crystal growth furnace 3 that is sent out to perform a CVD crystal growth reaction, and an exhaust gas cleaning system 4.
[0007]
The crystal growth furnace 3 is of a cold wall type in which the wall 5 is cooled by flowing water in the direction of arrow X, and a substrate 7 is set on a susceptor 6 in the crystal growth furnace 3. The wall 5 is provided with a heating device 8. Further, a hydrogen gas purifier 9 is attached to a cylinder containing hydrogen gas in the cylinder 1, and the hydrogen gas supplied by the hydrogen gas purifier 9 is to be purified.
[0008]
In the CVD crystal growth apparatus, the gas supplied from the cylinder 1 is sent to the crystal growth furnace 3 at a controlled flow rate by the mass flow controller 2, and the CVD epitaxial growth is performed in the crystal growth furnace 3. The gas that has passed through the crystal growth furnace 3 is discharged through the exhaust gas cleaning system 4 in the direction of arrow Y.
[0009]
[Non-patent document 1]
Phys. stat. sol. (B) p. 202, 247 (1997)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the CVD crystal growth apparatus described in Non-Patent Document 1, in the cold wall method in which the wall 5 of the film forming chamber is cooled, the temperature of the susceptor 6 decreases at the periphery, so that the center and the end of the substrate 7 are Causes a temperature difference, and as a result, a variation in the thickness of the grown film causes a height difference. Therefore, when used as a semiconductor device, it may cause variations in characteristics.
[0011]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and reduces the variation in the film thickness distribution even when there is a difference in the temperature around the susceptor when using the cold wall method in the CVD epitaxial growth method. To provide a method capable of performing homoepitaxial growth. The present invention also provides a method for reducing variations in impurity concentration distribution in a homoepitaxially grown film.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a CVD epitaxial growth method in which a silicon carbide (SiC) is homoepitaxially grown by a cold wall method using CVD, wherein the crystal growth rate is 2 μm / hour or more.
[0013]
According to the present invention, even when there is a temperature drop around the susceptor, which can occur in the CVD epitaxial growth method using the cold wall method, the variation in the film thickness can be reduced.
[0014]
Preferably, the deviation of the crystal growth film thickness from the average is in the range of −10% to + 10% in any region of the growth surface. Thereby, a favorable semiconductor material can be obtained.
[0015]
Preferably, on a 6H-SiC substrate surface having an off angle within a range of 3 ° to 5 ° from a (0001) plane to a (11-20) plane, or from a (0001) plane to a (11-20) plane. On a 4H-SiC substrate surface having an off angle in the range of 7 ° to 9 °, a crystal is grown at a substrate temperature in the range of 1400 ° C to 1800 ° C. Thereby, epitaxial growth by step control can be promoted.
[0016]
Preferably, a nitrogen gas is used as a dopant, and the concentration of the nitrogen gas is set within a range of 1 × 10 −7 mol / cm 3 to 1 × 10 −12 mol / cm 3 per unit volume of the crystal growth reactor. Perform growth. Further, crystal growth is performed by using diborane gas as a dopant and setting the concentration of the diborane gas within a range of 1 × 10 −11 mol / cm 3 to 1 × 10 −16 mol / cm 3 per unit volume of the crystal growth reaction furnace. Is preferred. As a result, variations in the impurity concentration of the crystal growth film can be reduced.
[0017]
Preferably, the ratio of carbon atoms to silicon atoms present in the source gas is in the range of 1 to 6. As a result, variations in film thickness can be reduced, and the impurity concentration can be made uniform.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention provides a method for homoepitaxially growing silicon carbide by a cold wall method using CVD (gas phase chemical vapor deposition), wherein the method comprises growing the crystal at a crystal growth rate of 2 μm / hour or more. To provide. If it is less than 2 μm / hour, near the center of the substrate, the grown species move by the crown motion to a degree that cannot be ignored compared to the growth rate, and the substrate edge becomes thick. This causes a problem that the film thickness varies.
[0019]
In the present invention, in order to determine the crystal growth rate, as a non-destructive method that does not destroy the formed crystal film, such as mass conversion obtained from the mass difference before and after crystal growth, the length of a specific crystal defect, the epitaxial growth layer An optical method utilizing an interference phenomenon between light reflected at the outermost surface and light reflected at the interface between the epitaxial growth layer and the substrate can be used. In the optical method, the light at the interface between the epitaxial growth layer and the substrate generates a phase difference with respect to the light reflected on the surface of the epitaxial growth layer according to the wavelength and the film thickness, and thus is determined by measuring the intensity of the reflected light. be able to. Further, as a destructive method, there is a method of breaking down the formed epitaxial growth layer and performing SIMS analysis.
[0020]
In the present invention, by setting the crystal growth rate to 2 μm / hour or more, the deviation of the crystal growth film thickness from the average in any region of the growth surface is −10% to + 10%. %, And the difference in height of the grown film thickness can be reduced.
[0021]
Here, the deviation of the grown film thickness from the average can be determined by comparing the average value of the film thickness with the film thickness at each location on the substrate. The average value of the film thickness can be obtained from the mass difference before and after crystal growth, and the film thickness at each location on the substrate can be measured using SIMS, CV, FTIR, or the like.
[0022]
ADVANTAGE OF THE INVENTION The CVD epitaxial growth method of this invention can solve the defect regarding the film thickness when crystal-growing by the cold wall method. When performing the CVD epitaxial growth using the cold wall method, the ambient temperature of the susceptor is lower than the central temperature of the substrate, and the temperature of the substrate installed on the susceptor is also lower than the central temperature of the substrate. ing. Due to such a difference in the temperature distribution on the substrate, a large difference in the level of the thickness of the crystal grown also occurs.
[0023]
It is considered that this difference in the film thickness is due to the crown motion of the crystal growth species. That is, it is considered that if there is a difference in temperature on the substrate, the grown species moves from a high temperature portion to a low temperature portion by crown motion. Therefore, the slower the growth rate of the film thickness, the longer the time during which the grown species can perform the crown motion, and the greater the difference in film thickness.
[0024]
The present inventors have found that by setting the crystal growth rate to 2 μm / hour or more, the time during which crown movement is possible can be suppressed, and the height difference in the formed film thickness can be reduced. That is, in the method described in Non-Patent Document 1, the formed film has a deviation in the range of -90% to + 14% from the average of the grown film thickness. Is used, the deviation from the average of the grown film thickness can be reduced to -10% to + 10%.
[0025]
In general, there is a correlation between the crystal growth rate and the flow rate of the source gas. In the present invention, the crystal growth rate increases in proportion to the flow rate of SiH 4 as shown in FIG. 5, but saturates at a flow rate of SiH 4 that is equal to or higher than a certain value, so that the crystal growth rate becomes constant. . Here, FIG. 5 is a graph showing the relationship between the crystal growth rate and the SiH 4 flow rate at a crystal growth temperature of 1500 ° C. (Silicon Carbide and Related Materials 2001, Item 184).
[0026]
In the present invention, it is preferable to use a 6H-SiC substrate surface having an off angle within a range of 3 ° to 5 ° from the (0001) plane to the (11-20) plane direction of the SiC substrate. Further, it is preferable to use a 4H-SiC substrate surface having an off angle in the range of 7 ° to 9 ° from the (0001) plane to the (11-20) plane.
[0027]
This is because the use of the substrate enables homoepitaxial growth by a step flow. Since the crystal is grown by the step flow, information on the period of the atomic arrangement from the step is given, so that the same polytype single crystal as the substrate grows. Therefore, SiC having a large number of polytypes is preferable in that crystal growth of the same type as that of the substrate is performed. Further, it is preferable in that the temperature during growth can be lowered as compared with the case where no off-angle is introduced. However, the present invention is not limited to the above-described substrate, and is not limited to the range of the off-angle as long as crystal growth by a step flow is possible. In the present invention, the crystal growth is not limited to the crystal growth by the step flow, and the crystal growth by twinning may be performed using a just substrate that does not introduce an off-angle.
[0028]
In the present invention, when nitrogen gas is used as a dopant in order to reduce variation in the dopant concentration of the formed epitaxially grown film, the concentration of the nitrogen gas is set to 1 × 10 −7 per unit volume of the crystal growth reactor. It is preferable to carry out crystal growth within the range of mol / cm 3 to 1 × 10 −12 mol / cm 3 . If the concentration is less than 1 × 10 −12 mol / cm 3 , the controllability is lost because it is almost the same as the background nitrogen concentration. If it exceeds 1 × 10 −7 , a large amount of nitrogen is contained in the crystal. This is because the crystallinity is reduced by being incorporated. Preferably, the crystal is grown within the range of 10 −8 to 10 −11 mol / cm 3 , more preferably within the range of 10 −9 to 10 −10 mol / cm 3 .
[0029]
Further, in the present invention, when diborane gas is used as a dopant, the concentration of the diborane gas is in the range of 1 × 10 −11 mol / cm 3 to 1 × 10 −16 mol / cm 3 per unit volume of the crystal growth reactor. It is preferable to perform crystal growth inside. If the concentration is less than 1 × 10 −16 mol / cm 3 , the controllability is lost because it is almost the same as the background boron concentration, and if it exceeds 1 × 10 −11 , a large amount of boron is incorporated. This is because crystallinity is reduced. Preferably, it is in the range of 1 × 10 −11 mol / cm 3 to 1 × 10 −14 mol / cm 3 , and more preferably, 1 × 10 −11 mol / cm 3 to 1 × 10 −12 mol / cm 3. It is preferable that the crystal grows within the range.
[0030]
In the present invention, the variation in the impurity concentration in the formed crystal can be confirmed by measuring a plurality of locations in the crystal growth plane by CV or SIMS.
[0031]
In the present invention, the ratio of carbon atoms to silicon atoms (C / Si) present in the source gas is preferably in the range of 1 to 6. When C / Si is less than 1, the crystal growth rate is undesirably reduced. Further, when C / Si exceeds 6, it is not preferable because crystallinity is reduced. More preferably, C / Si is 2-4.
[0032]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
[0033]
【Example】
(Example 1)
The procedure for performing the CVD epitaxial growth of the present invention will be described below. First, before growing, the susceptor was baked in a hydrogen gas atmosphere at a temperature of 1500 ° C. for 10 minutes. Here, the hydrogen gas used in this embodiment is hydrogen gas purified through a hydrogen purifier using a silver-palladium alloy film. Next, a 4H—SiC wafer having an off angle of 8 ° from the (0001) plane to the (11-20) plane, which is manufactured by a sublimation method, is set on a susceptor, and the susceptor is put into a growth furnace together with a susceptor holder. Evacuation was performed.
[0034]
Thereafter, the evacuation was stopped, and hydrogen gas was introduced to bring the pressure to atmospheric pressure. FIG. 1 shows the relationship between the temperature profile and the gas introduction amount at this time. In FIG. 1, the horizontal axis is time, and the vertical axis is temperature. In this example, after reaching 1300 ° C. in hydrogen gas, hydrogen chloride gas was flowed at that temperature for 10 minutes. Examples of the flow rates of the hydrogen gas and the hydrogen chloride gas are 1 mL / min and 0.03 mL / min, respectively.
[0035]
After 10 minutes, the temperature was raised to 1500 ° C., the hydrogen chloride gas was stopped, and epitaxial growth was started. The source gases used in the epitaxial growth were SiH 4 (1.0% H 2 dilution) and C 3 H 8 (1.0% H 2 dilution), and the flow rates of the source gases were 50 sccm and 33 sccm, respectively. . Further, hydrogen gas was flowed at a flow rate of 3 slm. At this time, the crystal growth rate was 3 μm / hour.
[0036]
(Example 2)
In Example 1, in order to perform n-type doping, nitrogen gas (0.5% in hydrogen) as a doping material was further supplied at a flow rate of 6 sccm. At this time, the concentration of nitrogen gas per unit volume in the crystal growth furnace was 4.3 × 10 −10 mol / cm 3 . At this time, the crystal growth rate was 3 μm / hour. SIMS measurements at a plurality of locations within the crystal growth plane showed that there was almost no variation in the impurity concentration.
[0037]
(Example 3)
In Example 1, in order to perform p-type doping, diborane gas (5 ppm in hydrogen) as a doping material was further added at a flow rate of 40 sccm. In Example 3, the flow rate of C 3 H 8 was set to 66 sccm. At this time, the concentration of diborane gas per unit volume in the crystal growth furnace was 2.8 × 10 −12 mol / cm 3 . At this time, the crystal growth rate was 2.5 μm / hour. SIMS measurements at a plurality of locations within the crystal growth plane showed that there was almost no variation in the impurity concentration.
[0038]
FIG. 2 shows the results of analyzing the film thickness distribution of the epitaxial film grown on the SiC substrate in the above Examples 1 to 3 using SIMS. The deviation from the average of the thickness of the grown film on the surface is in the range of −10% to + 10% in any region of the substrate surface, which indicates that the surface has good surface morphology.
[0039]
(Comparative Example 1)
Epitaxial growth was performed using the same procedure as in Example 1 except that the flow rate of SiH 4 was 15 sccm and the flow rate of C 3 H 8 was 10 sccm. The crystal growth rate at this time was 1.2 μm / hour.
[0040]
(Comparative Example 2)
CVD epitaxial growth was performed using the same procedure as in Example 2 except that nitrogen gas (100 ppm in hydrogen) was used and the flow rate of the nitrogen gas was 100 sccm. At this time, the concentration of nitrogen gas per unit volume in the crystal growth furnace was 1.4 × 10 −10 mol / cm 3 . The crystal growth rate at this time was 1.2 μm / hour.
[0041]
(Comparative Example 3)
CVD epitaxial growth was performed using the same procedure as in Example 3 except that diborane gas (5 ppm in hydrogen) was used and the flow rate of the nitrogen gas was 100 sccm. At this time, the concentration of diborane gas per unit volume in the crystal growth furnace was 7.1 × 10 −12 mol / cm 3 . At this time, the crystal growth rate was 1.2 μm / hour.
[0042]
FIG. 3 shows the results of analyzing the thickness distribution of the obtained epitaxial films in Comparative Examples 1 to 3 using SIMS. The deviation from the average of the thickness of the grown film on the surface is wide in the range of -90% to + 14%, and the variation of the film thickness is large.
[0043]
The embodiments and examples disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0044]
【The invention's effect】
According to the CVD epitaxial growth method of the present invention, even when the cold wall method is used, the deviation of the grown film thickness from the average can be in the range of -10% to + 10%, and the morphology of the surface can be improved. can do. Also, the variation in the impurity concentration in the formed crystal film thickness is good.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a relationship between a temperature profile and a gas introduction amount during epitaxial growth.
FIG. 2 is a schematic view showing the result of analyzing the surface of a grown film thickness formed by using the CVD epitaxial growth method of the present invention by using SIMS.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a result of analyzing, by using SIMS, a surface of a growth film thickness formed by using a conventional CVD epitaxial growth method.
FIG. 4 is a schematic view of an apparatus for performing CVD epitaxial growth using a cold wall method.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a crystal growth rate and a SiH 4 flow rate at a crystal growth temperature of 1500 ° C.
[Explanation of symbols]
1 cylinder, 2 mass flow controller, 3 crystal growth furnace, 4 exhaust gas cleaning system, 5 wall, 6 susceptor, 7 substrate, 8 heating device, 9 hydrogen gas purifier.

Claims (7)

CVDを用いて、コールドウォール方式にてSiCをホモエピタキシャル成長させる方法において、結晶成長速度を2μm/時以上で成長させることを特徴とする、CVDエピタキシャル成長方法。A method for growing SiC homoepitaxially by a cold wall method using CVD, wherein the crystal is grown at a crystal growth rate of 2 μm / hour or more. 結晶成長膜厚の平均からのずれは、成長面のいずれの領域においても、−10%〜+10%の範囲内であることを特徴とする、請求項1に記載のCVDエピタキシャル成長方法。2. The CVD epitaxial growth method according to claim 1, wherein the deviation of the crystal growth film thickness from the average is in the range of -10% to + 10% in any region of the growth surface. (0001)面から(11−20)面方向に3°〜5°の範囲内のオフ角を有する6H−SiC基板面上において、1400℃〜1800℃の範囲内の基板温度で結晶成長させることを特徴とする、請求項1または2に記載のCVDエピタキシャル成長方法。Crystal growth at a substrate temperature in the range of 1400 ° C. to 1800 ° C. on a 6H—SiC substrate surface having an off angle in the range of 3 ° to 5 ° from the (0001) plane to the (11-20) plane. The CVD epitaxial growth method according to claim 1, wherein: (0001)面から(11−20)面方向に7°〜9°の範囲内のオフ角を有する4H−SiC基板面上において、1400℃〜1800℃の範囲内の基板温度で結晶成長させることを特徴とする、請求項1または2に記載のCVDエピタキシャル成長方法。Crystal growth at a substrate temperature in a range of 1400 ° C. to 1800 ° C. on a 4H—SiC substrate surface having an off angle in a range of 7 ° to 9 ° from a (0001) plane to a (11-20) plane. The CVD epitaxial growth method according to claim 1, wherein: ドーパントとして窒素ガスを用い、該窒素ガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、1×10−7mol/cm〜1×10−12mol/cmの範囲内として結晶成長を行なうことを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のCVDエピタキシャル成長方法。Crystal growth is performed by using nitrogen gas as a dopant and setting the concentration of the nitrogen gas within a range of 1 × 10 −7 mol / cm 3 to 1 × 10 −12 mol / cm 3 per unit volume of the crystal growth reactor. The CVD epitaxial growth method according to any one of claims 1 to 4, wherein: ドーパントとしてジボランガスを用い、該ジボランガスの濃度を、結晶成長反応炉の単位体積あたり、1×10−11mol/cm〜1×10−16mol/cmの範囲内として結晶成長を行なうことを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のCVDエピタキシャル成長方法。Using a diborane gas as a dopant, and performing the crystal growth with the concentration of the diborane gas within a range of 1 × 10 −11 mol / cm 3 to 1 × 10 −16 mol / cm 3 per unit volume of the crystal growth reactor. The CVD epitaxial growth method according to claim 1, wherein: 原料ガス中に存在するケイ素原子に対する炭素原子の比が1〜6の範囲内であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載のCVDエピタキシャル成長方法。The CVD epitaxial growth method according to any one of claims 1 to 6, wherein the ratio of carbon atoms to silicon atoms present in the source gas is in the range of 1 to 6.
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