JP2008205296A - Silicon carbide semiconductor element and its manufacturing method - Google Patents

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邦方 高橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve element characteristics by reducing step bunching of a surface of an SiC epitaxial layer formed on an SiC substrate. <P>SOLUTION: A silicon carbide semiconductor element has a 4H-SiC substrate 1 and the SiC epitaxial layer 3 formed on a surface of a 4H-SiC substrate 1, which has an OFF angle of 3° to 5°, at least a partial surface of the SiC epitaxial layer 3 having a surface roughness of ≤1 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、炭化珪素を用いた半導体素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device using silicon carbide and a method for manufacturing the same.

炭化珪素(シリコンカーバイド:SiC)は、珪素(Si)に比べてバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界強度が高いことなどから、次世代の低損失パワー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。炭化珪素は、立方晶系の3C−SiCや六方晶系の4H−SiC、6H−SiC等の多くのポリタイプを有する。この中で、実用的な炭化珪素半導体素子を作製するために一般的に使用されているポリタイプは4H−SiCである。4H−SiCを用いた炭化珪素半導体素子としては、例えばMOSFET、MESFET、ショットキーダイオードなどが挙げられる。   Silicon carbide (silicon carbide: SiC) is a semiconductor that is expected to be applied to the next generation of low-loss power devices because it has a larger band gap and higher dielectric breakdown field strength than silicon (Si). Material. Silicon carbide has many polytypes such as cubic 3C—SiC, hexagonal 4H—SiC, and 6H—SiC. Among these, 4H-SiC is a polytype generally used for producing a practical silicon carbide semiconductor element. Examples of silicon carbide semiconductor elements using 4H—SiC include MOSFETs, MESFETs, and Schottky diodes.

4H−SiCでは、他の六方晶系のポリタイプ(6H−SiC)に比べて、 [0001]方向に対する電子の移動度が大きいので、(0001)面を主面として用いると、縦方向に電流が流れやすくなる。そのため、4H−SiCは、特に縦型構造のパワーデバイスに広く使用されている。   4H-SiC has a higher electron mobility in the [0001] direction than other hexagonal polytypes (6H-SiC), so when the (0001) plane is used as the main surface, Becomes easier to flow. Therefore, 4H—SiC is widely used especially for power devices having a vertical structure.

上述したような炭化珪素半導体素子は、一般的に、c軸に対し垂直な(0001)面にほぼ一致する面を主面とする4H−SiC基板を用いて作製される。4H−SiC基板として、(0001)面より数度のオフ角だけ傾けてステップ密度を増大させた表面(ステップ構造表面)を有するオフアングル基板を用いると、4H−SiC基板の表面に、ステップフローを利用してSiCをエピタキシャル成長させることができ(ステップフロー成長)、良好な結晶品質のSiCエピタキシャル層を形成できる。得られたSiCエピタキシャル層は、炭化珪素半導体素子の活性領域として機能する。例えばMOSFETでは、SiCエピタキシャル層に、導電型やキャリア濃度が制御されたp型ウェル領域やn+ソース領域などの不純物ドープ層が形成される。 A silicon carbide semiconductor element as described above is generally manufactured using a 4H—SiC substrate whose main surface is a surface substantially coinciding with the (0001) plane perpendicular to the c-axis. As the 4H-SiC substrate, when an off-angle substrate having a surface (step structure surface) whose step density is increased by inclining by an off angle of several degrees from the (0001) plane, a step flow is formed on the surface of the 4H-SiC substrate. SiC can be epitaxially grown (step flow growth), and a SiC epitaxial layer with good crystal quality can be formed. The obtained SiC epitaxial layer functions as an active region of the silicon carbide semiconductor element. For example, in a MOSFET, an impurity doped layer such as a p-type well region or an n + source region whose conductivity type and carrier concentration are controlled is formed in a SiC epitaxial layer.

このような炭化珪素半導体素子では、上述したステップフロー成長に起因して、SiCエピタキシャル層の表面にステップバンチングが形成されるという問題がある。ステップバンチングは、素子特性を低下させる要因となる。   Such a silicon carbide semiconductor device has a problem that step bunching is formed on the surface of the SiC epitaxial layer due to the above-described step flow growth. Step bunching is a factor that degrades element characteristics.

以下、図面を参照しながら、SiCのステップフロー成長のメカニズム、および、ステップフロー成長によって形成されたエピタキシャル層表面にステップバンチングが形成されるメカニズムを詳しく説明する。   Hereinafter, the mechanism of SiC step flow growth and the mechanism by which step bunching is formed on the surface of the epitaxial layer formed by step flow growth will be described in detail with reference to the drawings.

図9は、4H−SiC基板(以下、単に「SiC基板」という)の表面にSiCエピタキシャル層をステップフロー成長させるメカニズムを説明するための模式的な拡大断面図である。   FIG. 9 is a schematic enlarged cross-sectional view for explaining a mechanism of step flow growth of a SiC epitaxial layer on the surface of a 4H—SiC substrate (hereinafter simply referred to as “SiC substrate”).

図9に示すように、オフ角θを有するSiC基板40は、表面に原子レベルのステップ(以下、「原子ステップ」と呼ぶ)41を有している。原子ステップ41のテラス部分41tは、(0001)面から構成されている。また、原子ステップ41の高さは、例えば0.25nmである。   As shown in FIG. 9, SiC substrate 40 having off angle θ has atomic level steps (hereinafter referred to as “atomic steps”) 41 on the surface. The terrace portion 41t of the atomic step 41 is composed of the (0001) plane. Further, the height of the atomic step 41 is, for example, 0.25 nm.

このSiC基板40の表面に原料ガスを供給すると、原子ステップ41の横方向成長によるステップフロー50を利用して炭化珪素のエピタキシャル成長は開始される。図示するように、成長中のSiCエピタキシャル層42の表面には、ステップフロー成長に起因する階段状のステップ43が存在する。原料ガスに含まれるSi、Cなどの反応種は、理想的には各ステップ43の段差部分に吸着し、横方向の成長が進行する。   When a source gas is supplied to the surface of SiC substrate 40, epitaxial growth of silicon carbide is started using step flow 50 by lateral growth of atomic step 41. As shown in the figure, stepped steps 43 resulting from step flow growth exist on the surface of the growing SiC epitaxial layer 42. The reactive species such as Si and C contained in the source gas are ideally adsorbed on the stepped portion of each step 43 and the lateral growth proceeds.

しかしながら、この反応種がステップ43のテラス上に吸着されると、ステップフロー成長が阻害される結果、ステップ43が重なり合って極めて大きいステップ(ステップバンチング)を生じてしまう。   However, if this reactive species is adsorbed on the terrace of step 43, step flow growth is inhibited, resulting in overlapping of step 43, resulting in a very large step (step bunching).

図10(a)〜(c)は、ステップフロー成長中のSiCエピタキシャル層42の表面にステップバンチングが形成されるメカニズムを説明するための模式的な断面拡大図である。   FIGS. 10A to 10C are schematic enlarged cross-sectional views for explaining the mechanism by which step bunching is formed on the surface of the SiC epitaxial layer 42 during step flow growth.

図10(a)に示すように、ステップフロー成長中、C、Siなどの反応種60は、SiCエピタキシャル層42の表面のステップ43の段差43dに優先的に吸着するが、一部の反応種61a、61bは、ステップ43のテラス43tに吸着する。   As shown in FIG. 10A, during step flow growth, reactive species 60 such as C and Si are preferentially adsorbed on the step 43d of step 43 on the surface of the SiC epitaxial layer 42, but some reactive species. 61 a and 61 b are adsorbed on the terrace 43 t of step 43.

図10(b)に示すように、反応種60がステップ43の段差43dに順次吸着すると、炭化珪素を横方向に成長させることができる。一方、テラス43tに吸着した反応種61a、61bは、そのような横方向成長を阻害するおそれがある。例えば、反応種61aを核とした成長(二次元核成長)が進行したり、横方向の成長が反応種61bによって制止されてしまう。   As shown in FIG. 10B, when the reactive species 60 are sequentially adsorbed on the step 43d of step 43, silicon carbide can be grown in the lateral direction. On the other hand, the reactive species 61a and 61b adsorbed on the terrace 43t may inhibit such lateral growth. For example, growth using the reactive species 61a as a nucleus (two-dimensional nuclear growth) proceeds or lateral growth is inhibited by the reactive species 61b.

この結果、図10(c)に示すように、SiCエピタキシャル層42の表面のうち反応種61a、61bによってステップフロー成長が阻害された部分には、極めて大きなステップ、すなわち、ステップバンチング62が生じる。   As a result, as shown in FIG. 10C, an extremely large step, that is, step bunching 62 occurs in the portion of the surface of the SiC epitaxial layer 42 where the step flow growth is inhibited by the reactive species 61a and 61b.

ここで、SiC基板40のオフ角について説明する。従来、4H−SiC基板40のオフ角θは、(0001)面を基準面として[11−20]方向に8°であったが、基板の直径が3インチへと大口径化したことに伴って、4°が主流になってきている。オフ角θを小さくすると、昇華法によって作製したSiCバルク結晶から取り出せる基板の枚数を増やすことができるので、特に大口径の基板を取り出す場合に、SiC材料を効率よく利用できるからである。   Here, the off angle of the SiC substrate 40 will be described. Conventionally, the off-angle θ of the 4H—SiC substrate 40 is 8 ° in the [11-20] direction with the (0001) plane as a reference plane, but the diameter of the substrate has been increased to 3 inches. 4 ° is becoming mainstream. This is because if the off-angle θ is reduced, the number of substrates that can be taken out from the SiC bulk crystal produced by the sublimation method can be increased, so that the SiC material can be used efficiently particularly when taking out a large-diameter substrate.

しかしながら、SiC基板40のオフ角θが小さくなると、図10(c)に示すようなステップバンチング62のサイズ(テラス幅やステップの高さ)が増大してしまう。   However, when the off-angle θ of the SiC substrate 40 decreases, the size of the step bunching 62 (terrace width and step height) as shown in FIG. 10C increases.

図11(a)および(b)は、それぞれ、4°のオフ角を有するSiC基板および8°のオフ角を有するSiC基板の表面形状を示す模式的な拡大断面図である。4°のオフ角を有するSiC基板40aでは、原子ステップ41のテラス41tの幅Aは約14nmであり、8°のオフ角を有するSiC基板40bでは、原子ステップ41のテラス41tの幅Bは約7nmである。従って、4°のオフ角を有するSiC基板40の原子ステップ41のテラス41tの幅Aは、8°のオフ角を有するSiC基板40の原子ステップ41のテラス41tの幅Bよりも2倍大きくなる。   FIGS. 11A and 11B are schematic enlarged cross-sectional views showing the surface shapes of a SiC substrate having an off angle of 4 ° and an SiC substrate having an off angle of 8 °, respectively. In the SiC substrate 40a having an off angle of 4 °, the width A of the terrace 41t of the atomic step 41 is about 14 nm, and in the SiC substrate 40b having an off angle of 8 °, the width B of the terrace 41t of the atomic step 41 is about 7 nm. Therefore, the width A of the terrace 41t of the atomic step 41 of the SiC substrate 40 having an off angle of 4 ° is twice as large as the width B of the terrace 41t of the atomic step 41 of the SiC substrate 40 having an off angle of 8 °. .

原子ステップ41のテラス幅が大きくなると、図10を参照しながら説明したように、テラス41tの上に反応種が吸着して炭化珪素のステップフロー成長が阻害される可能性が高くなる。従って、4°のオフ角を有するSiC基板40aを用いると、8°のオフ角を有するSiC基板40bよりもステップバンチングが生じやすい。   When the terrace width of the atomic step 41 is increased, as described with reference to FIG. 10, there is a high possibility that the reactive species are adsorbed on the terrace 41t and the step flow growth of silicon carbide is hindered. Therefore, when the SiC substrate 40a having an off angle of 4 ° is used, step bunching is more likely to occur than the SiC substrate 40b having an off angle of 8 °.

よって、オフ角の小さいSiC基板を用いて、MOSFETやショットキーダイオードなどの炭化珪素半導体素子を形成すると、ステップバンチングによる素子特性の低下がより重大な問題となる。   Therefore, when a silicon carbide semiconductor element such as a MOSFET or a Schottky diode is formed using a SiC substrate having a small off angle, deterioration of element characteristics due to step bunching becomes a more serious problem.

MOSFETでは、SiCエピタキシャル層の表面に酸化膜が形成され、さらにその上にゲート電極が設けられて、MOS界面を形成している。このMOS界面に、上記のようなステップバンチングが存在すると、キャリアがMOS界面を移動する際にステップバンチングによって散乱しやすく、また、界面準位密度が高くなるために、チャネル移動度が小さくなり、その結果、MOSFETの電力損失が増大してしまう。   In the MOSFET, an oxide film is formed on the surface of the SiC epitaxial layer, and further a gate electrode is provided thereon to form a MOS interface. If step bunching as described above is present at this MOS interface, carriers are likely to be scattered by step bunching when moving through the MOS interface, and the interface state density is increased, resulting in a decrease in channel mobility. As a result, the power loss of the MOSFET increases.

また、ショットキーダイオードでは、SiCエピタキシャル層とその表面に設けられたショットキー電極との間にステップバンチングが存在すると、ステップバンチングの先端部分に電界集中が発生し、ショットキーダイオードの耐圧が低下するおそれがある。   Further, in a Schottky diode, if step bunching exists between the SiC epitaxial layer and the Schottky electrode provided on the surface thereof, electric field concentration occurs at the tip portion of the step bunching, and the breakdown voltage of the Schottky diode decreases. There is a fear.

これに対し、ステップバンチングによる素子特性の低下を抑制するために、特許文献1には、炭化珪素エピタキシャル成長層の表面を、機械的または化学的に研磨することによって、その表面粗さを低減する方法が記載されている。   On the other hand, in order to suppress deterioration of device characteristics due to step bunching, Patent Document 1 discloses a method of reducing the surface roughness of a silicon carbide epitaxial growth layer by mechanically or chemically polishing the surface. Is described.

また、特許文献2は、MISFETを製造する方法において、活性化アニール後、SiCエピタキシャル層の表面にSiCをさらにエピタキシャル成長させることにより、より平坦な表面を有するチャネル層を形成することを提案している。特許文献2の実施形態では、8°のオフ角を有するSiC基板を用いて、表面粗さが1nm以下のチャネル層を有するMISFETを製造する方法が記載されている。   Further, Patent Document 2 proposes to form a channel layer having a flatter surface by further epitaxially growing SiC on the surface of the SiC epitaxial layer after activation annealing in the method of manufacturing the MISFET. . In the embodiment of Patent Document 2, a method of manufacturing a MISFET having a channel layer with a surface roughness of 1 nm or less using a SiC substrate having an off angle of 8 ° is described.

一方、SiC基板の表面を平滑化し、平滑化されたSiC基板表面にエピタキシャル層を成長させることによって、エピタキシャル層の表面荒れを抑制することも提案されている。例えば、特許文献3は、水素エッチングによりSiC基板表面を平滑化する方法を開示しており、特許文献4は、真空高温加熱によってSiC基板表面を改良する方法を開示している。
特開2005−260218号公報 特開2005−39257号公報 特開2005−277229号公報 特開2005−97040号公報
On the other hand, it has also been proposed to suppress the surface roughness of the epitaxial layer by smoothing the surface of the SiC substrate and growing the epitaxial layer on the smoothed SiC substrate surface. For example, Patent Document 3 discloses a method of smoothing the SiC substrate surface by hydrogen etching, and Patent Document 4 discloses a method of improving the SiC substrate surface by vacuum high-temperature heating.
JP-A-2005-260218 JP 2005-39257 A JP 2005-277229 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-97040

特許文献1の方法によると、エピタキシャル成長層の表面が平坦化されても、研磨によってエピタキシャル成長層の表面がダメージを受けたり、研磨傷によりエピタキシャル成長層の表面に新たな凸凹が発生してしまうおそれがある。そのため、このようなエピタキシャル成長層を用いて炭化珪素半導体素子を作製しても、所望の素子特性を得ることが困難である。   According to the method of Patent Document 1, even if the surface of the epitaxial growth layer is flattened, the surface of the epitaxial growth layer may be damaged by polishing, or new unevenness may occur on the surface of the epitaxial growth layer due to polishing scratches. . Therefore, even if a silicon carbide semiconductor element is manufactured using such an epitaxial growth layer, it is difficult to obtain desired element characteristics.

また、特許文献2〜4に開示された方法では、図10を参照しながら説明したようなメカニズムで発生するステップバンチングを低減することができない。従って、特に、オフ角の小さいSiC基板を用いた場合、その表面に形成されたエピタキシャル層の表面粗さを十分に低減することは困難である。なお、特許文献3には、オフ角の小さいSiC基板に対して水素エッチング処理を行う実施形態も記載されているが、その基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さの具体的な値についての記載はない。   Further, the methods disclosed in Patent Documents 2 to 4 cannot reduce step bunching generated by the mechanism described with reference to FIG. Therefore, particularly when a SiC substrate having a small off angle is used, it is difficult to sufficiently reduce the surface roughness of the epitaxial layer formed on the surface. Although Patent Document 3 also describes an embodiment in which a hydrogen etching process is performed on a SiC substrate having a small off angle, a specific value of the surface roughness of an epitaxial layer formed on the substrate is described. There is no description.

本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、SiC基板を用いた炭化珪素半導体素子において、SiC基板上に形成されたSiCエピタキシャル層表面のステップバンチングを低減して素子特性を向上させることにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to reduce step bunching on the surface of the SiC epitaxial layer formed on the SiC substrate in the silicon carbide semiconductor element using the SiC substrate. It is to improve device characteristics.

本発明の炭化珪素半導体素子は、4H−SiC基板と、前記4H−SiC基板の表面に形成されたSiCエピタキシャル層とを備え、前記4H−SiC基板は3°より大きく5°以下のオフ角を有しており、前記SiCエピタキシャル層の少なくとも一部の表面は、1nm以下の表面粗さを有している。   The silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a 4H—SiC substrate and a SiC epitaxial layer formed on the surface of the 4H—SiC substrate, and the 4H—SiC substrate has an off angle of greater than 3 ° and less than or equal to 5 °. And at least part of the surface of the SiC epitaxial layer has a surface roughness of 1 nm or less.

前記SiCエピタキシャル層の前記少なくとも一部の表面は機械的または化学的研磨による研磨痕を有していないことが好ましい。   It is preferable that the at least part of the surface of the SiC epitaxial layer does not have a polishing mark by mechanical or chemical polishing.

ある好ましい実施形態において、前記SiCエピタキシャル層の前記少なくとも一部の表面は複数の微小なステップを有し、各ステップは(0001)面から構成される面を含んでおり、各ステップの高さは1nm以下である。   In a preferred embodiment, the at least part of the surface of the SiC epitaxial layer has a plurality of micro steps, and each step includes a plane composed of (0001) planes, and the height of each step is 1 nm or less.

ある好ましい実施形態において、前記SiCエピタキシャル層の表面に接する電極をさらに備え、前記電極と前記SiCエピタキシャル層との界面の少なくとも一部はショットキー障壁を形成している。   In a preferred embodiment, the semiconductor device further includes an electrode in contact with the surface of the SiC epitaxial layer, and at least a part of an interface between the electrode and the SiC epitaxial layer forms a Schottky barrier.

前記電極に接する前記SiCエピタキシャル層の表面の表面粗さは1nm以下であることが好ましい。   The surface roughness of the SiC epitaxial layer in contact with the electrode is preferably 1 nm or less.

ある好ましい実施形態において、前記SiCエピタキシャル層の表面に接するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、前記SiCエピタキシャル層の一部に電気的に接続されたソース電極と、前記4H−SiC基板の前記表面に対向する面に設けられたドレイン電極とをさらに備える。   In a preferred embodiment, a gate insulating film in contact with the surface of the SiC epitaxial layer, a gate electrode provided on the gate insulating film, a source electrode electrically connected to a part of the SiC epitaxial layer, And a drain electrode provided on a surface facing the surface of the 4H-SiC substrate.

前記ゲート酸化膜に接する前記SiCエピタキシャル層の表面の表面粗さは1nm以下である。   The surface roughness of the surface of the SiC epitaxial layer in contact with the gate oxide film is 1 nm or less.

本発明のエピ付きウエハは、ウエハ状の4H−SiC基板と、前記4H−SiC基板の表面に形成されたSiCエピタキシャル層とを備え、前記4H−SiC基板は3°より大きく5°以下のオフ角を有しており、前記SiCエピタキシャル層の表面粗さは1nm以下である。   An epi-attached wafer of the present invention comprises a wafer-like 4H—SiC substrate and a SiC epitaxial layer formed on the surface of the 4H—SiC substrate, and the 4H—SiC substrate is larger than 3 ° and less than 5 ° in off-state. The SiC epitaxial layer has a corner and has a surface roughness of 1 nm or less.

前記SiCエピタキシャル層の表面は機械的または化学的研磨による研磨痕を有していないことが好ましい。   It is preferable that the surface of the SiC epitaxial layer does not have a polishing mark by mechanical or chemical polishing.

ある好ましい実施形態において、前記SiCエピタキシャル層の表面は複数の微小なステップを有し、各ステップは(0001)面から構成される面を含んでおり、ステップの高さは1nm以下である。   In a preferred embodiment, the surface of the SiC epitaxial layer has a plurality of micro steps, each step including a plane composed of (0001) planes, and the step height is 1 nm or less.

本発明の炭化珪素半導体素子の製造方法は、(a)表面にSiCエピタキシャル層が形成されたSiCバルク基板を用意する工程と、(b)前記SiCエピタキシャル層が形成されたSiCバルク基板を水素を含む雰囲気中で加熱することにより、前記SiCエピタキシャル層の表面粗さを低減する工程とを包含する。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention includes (a) a step of preparing an SiC bulk substrate having an SiC epitaxial layer formed on a surface thereof, and (b) hydrogenation of the SiC bulk substrate having the SiC epitaxial layer formed thereon. A step of reducing the surface roughness of the SiC epitaxial layer by heating in an atmosphere containing the same.

前記SiCバルク基板は4H−SiC基板であってもよい。   The SiC bulk substrate may be a 4H-SiC substrate.

前記SiCバルク基板は3°より大きく5°以下のオフ角を有していてもよい。   The SiC bulk substrate may have an off-angle greater than 3 ° and less than or equal to 5 °.

ある好ましい実施形態において、前記工程(b)を1kPa以上10kPa以下の圧力で行う。   In a preferred embodiment, the step (b) is performed at a pressure of 1 kPa to 10 kPa.

ある好ましい実施形態において、前記工程(b)は、前記SiCバルク基板を1200℃以上1500℃以下の温度に加熱する工程を含む。   In a preferred embodiment, the step (b) includes a step of heating the SiC bulk substrate to a temperature of 1200 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower.

前記工程(b)を、水素および希ガスを含む雰囲気中で行ってもよい。   The step (b) may be performed in an atmosphere containing hydrogen and a rare gas.

前記工程(a)は、前記SiCエピタキシャル層を前記SiCバルク基板の表面に成長させる工程(a1)を含み、前記工程(a1)と前記工程(b)とを同一のチャンバー内で行うことが好ましい。   The step (a) includes a step (a1) of growing the SiC epitaxial layer on the surface of the SiC bulk substrate, and the step (a1) and the step (b) are preferably performed in the same chamber. .

ある好ましい実施形態において、前記工程(b)の後に、前記SiCエピタキシャル層に不純物イオンを注入する工程と、前記SiCエピタキシャル層の表面に炭素からなるキャップ層を設ける工程と、前記キャップ層が設けられた前記SiCエピタキシャル層に対して、活性化アニールを行い、前記SiCエピタキシャル層に注入された前記不純物イオンを活性化させる工程とをさらに含む。   In a preferred embodiment, after the step (b), a step of implanting impurity ions into the SiC epitaxial layer, a step of providing a cap layer made of carbon on the surface of the SiC epitaxial layer, and the cap layer are provided. And a step of performing activation annealing on the SiC epitaxial layer to activate the impurity ions implanted into the SiC epitaxial layer.

ある好ましい実施形態において、前記工程(a)と前記工程(b)との間に、前記SiCエピタキシャル層に不純物イオンを注入する工程をさらに含み、前記工程(b)は、前記SiCエピタキシャル層の表面粗さを低減するとともに、前記SiCエピタキシャル層に注入された前記不純物イオンを活性化させる工程である。   In a preferred embodiment, the method further includes a step of implanting impurity ions into the SiC epitaxial layer between the step (a) and the step (b), wherein the step (b) includes a surface of the SiC epitaxial layer. This is a step of reducing the roughness and activating the impurity ions implanted into the SiC epitaxial layer.

本発明のエピ付きウエハの製造方法は、(a)表面にSiCエピタキシャル層が形成されたウエハ状のSiCバルク基板を用意する工程と、(b)前記SiCエピタキシャル層が形成されたSiCバルク基板を水素を含む雰囲気中で加熱することにより、前記SiCエピタキシャル層の表面粗さを低減する工程とを包含する。   The method for manufacturing an epitaxial wafer according to the present invention includes: (a) a step of preparing a wafer-like SiC bulk substrate having a SiC epitaxial layer formed on the surface; and (b) a SiC bulk substrate having the SiC epitaxial layer formed thereon. A step of reducing the surface roughness of the SiC epitaxial layer by heating in an atmosphere containing hydrogen.

本発明によると、4H−SiC基板を用いた炭化珪素半導体素子において、4H−SiC基板のオフ角を抑えることによって生産性を高めつつ、SiCエピタキシャル層表面に生じるステップバンチングによる素子特性の低下を抑制できる。   According to the present invention, in a silicon carbide semiconductor device using a 4H—SiC substrate, the productivity is improved by suppressing the off-angle of the 4H—SiC substrate, and the deterioration of device characteristics due to step bunching occurring on the surface of the SiC epitaxial layer is suppressed it can.

また、本発明の炭化珪素半導体素子の製造方法によると、SiCエピタキシャル層の表面にダメージを与えることなく、また、製造プロセスを複雑にすることなく、SiCエピタキシャル層の表面粗さを低減できるので、信頼性が高く、素子特性に優れた炭化珪素半導体素子を提供できる。   Moreover, according to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element of the present invention, the surface roughness of the SiC epitaxial layer can be reduced without damaging the surface of the SiC epitaxial layer and without complicating the manufacturing process. A silicon carbide semiconductor element having high reliability and excellent element characteristics can be provided.

本発明では、ステップバンチングが形成された炭化珪素エピタキシャル層の表面に対して、水素雰囲気中でアニールを行う。これによって、炭化珪素エピタキシャル層の表面粗さが低減されるので、ステップバンチングに起因する素子特性の低下を抑えることができる。   In the present invention, the surface of the silicon carbide epitaxial layer on which step bunching is formed is annealed in a hydrogen atmosphere. Thereby, since the surface roughness of the silicon carbide epitaxial layer is reduced, it is possible to suppress deterioration in element characteristics due to step bunching.

本明細書では、炭化珪素エピタキシャル層の表面粗さを低減するために水素雰囲気中で行うアニールを「水素アニール」と呼び、炭化珪素エピタキシャル層に注入された不純物イオンを活性化するための活性化アニールや、炭化珪素エピタキシャル層およびその表面に形成された導電層の間にオーミックコンタクトを形成するためのアニールと区別する。   In this specification, annealing performed in a hydrogen atmosphere in order to reduce the surface roughness of the silicon carbide epitaxial layer is referred to as “hydrogen annealing” and activation for activating impurity ions implanted into the silicon carbide epitaxial layer. It is distinguished from annealing and annealing for forming an ohmic contact between the silicon carbide epitaxial layer and the conductive layer formed on the surface thereof.

(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による第1の実施形態を説明する。ここでは、4°のオフ角を有する4H−SiC基板の表面にSiCエピタキシャル層を成長させ、続いて、SiCエピタキシャル層の表面を平坦化するための水素アニールを行う方法を説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, a method will be described in which a SiC epitaxial layer is grown on the surface of a 4H—SiC substrate having an off angle of 4 °, and then hydrogen annealing is performed to planarize the surface of the SiC epitaxial layer.

本実施形態では、SiCエピタキシャル層の形成とSiCエピタキシャル層に対する水素アニールとを同一の加熱炉を用いて行う。図1を参照しながら、本実施形態で用いる加熱炉の構造を説明する。   In the present embodiment, the formation of the SiC epitaxial layer and the hydrogen annealing for the SiC epitaxial layer are performed using the same heating furnace. The structure of the heating furnace used in this embodiment will be described with reference to FIG.

図1に示す加熱炉200は、反応炉150と、反応炉150を加熱するためのコイル154とを備えている。コイル154は、反応炉150の周りに設けられており、高周波誘導加熱により反応炉150を加熱する。反応炉150の内部には、支持軸153によって支持されたチャンバー163が設けられている。チャンバー163は周囲を断熱材162で覆われている。チャンバー163の内部にはカーボン製のサセプタ152が配置されている。炭化珪素基板などの試料151は、このサセプタ152によってチャンバー163に固定される。チャンバー163は、ガス排気系159およびガス供給系158とそれぞれ接続されている。ガス排気系159は、排気ガス用配管160と圧力調整バルブ161とを備え、必要に応じてチャンバー163のガスを排気する。ガス供給系158は、アルゴンガス155、炭化珪素のエピタキシャル成長に用いる原料ガス156、酸素ガス157などを必要に応じてチャンバー163に供給する。   A heating furnace 200 shown in FIG. 1 includes a reaction furnace 150 and a coil 154 for heating the reaction furnace 150. The coil 154 is provided around the reaction furnace 150 and heats the reaction furnace 150 by high frequency induction heating. A chamber 163 supported by a support shaft 153 is provided inside the reaction furnace 150. The chamber 163 is covered with a heat insulating material 162. A susceptor 152 made of carbon is disposed inside the chamber 163. A sample 151 such as a silicon carbide substrate is fixed to the chamber 163 by the susceptor 152. The chamber 163 is connected to a gas exhaust system 159 and a gas supply system 158, respectively. The gas exhaust system 159 includes an exhaust gas pipe 160 and a pressure adjustment valve 161, and exhausts the gas in the chamber 163 as necessary. The gas supply system 158 supplies an argon gas 155, a source gas 156 used for epitaxial growth of silicon carbide, an oxygen gas 157, and the like to the chamber 163 as necessary.

次いで、図2(a)〜(d)を参照しながら、本実施形態におけるSiCエピタキシャル層の形成方法を説明する。   Next, a method for forming the SiC epitaxial layer in the present embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、図2(a)に示すように、SiC基板1の表面にSiCエピタキシャル層3を成長させる。SiC基板1として、例えば[11−20](112バー0)方向に4°のオフ角度を有するウエハ状の4H−SiC基板(直径:例えば2インチ)を用いる。   First, as shown in FIG. 2A, a SiC epitaxial layer 3 is grown on the surface of the SiC substrate 1. For example, a wafer-like 4H—SiC substrate (diameter: 2 inches, for example) having an off angle of 4 ° in the [11-20] (112 bar 0) direction is used as the SiC substrate 1.

SiCエピタキシャル層3の具体的な成長方法を説明する。SiCエピタキシャル層3の形成は、図1に示す加熱炉200を用いて行う。まず、図1に示す加熱炉200のチャンバー163にSiC基板1を設置する。その後、誘導加熱用のコイル154に20.0kHz、20kWの高周波電力を印加して、誘導加熱によって基板1を例えば1600℃まで加熱する。ガス供給系158を用いて、炭化珪素の原料ガス156をキャリアガスとともにチャンバー163に供給し、CVD法によって、基板1の上にSiCエピタキシャル層(厚さ:例えば10μm)3をエピタキシャル成長させる。原料ガス156として、例えばモノシラン(SiH4)およびプロパン(C38)を用いる。キャリアガスは例えば水素である。 A specific method for growing the SiC epitaxial layer 3 will be described. The SiC epitaxial layer 3 is formed using a heating furnace 200 shown in FIG. First, SiC substrate 1 is installed in chamber 163 of heating furnace 200 shown in FIG. Thereafter, a high frequency power of 20.0 kHz and 20 kW is applied to the induction heating coil 154 to heat the substrate 1 to, for example, 1600 ° C. by induction heating. Using a gas supply system 158, a silicon carbide source gas 156 is supplied to a chamber 163 together with a carrier gas, and a SiC epitaxial layer (thickness: 10 μm, for example) 3 is epitaxially grown on the substrate 1 by a CVD method. As the source gas 156, for example, monosilane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) are used. The carrier gas is, for example, hydrogen.

このようにして成長させたSiCエピタキシャル層3の表面には、(0001)面と略平行な面2tをテラスとするステップバンチング2が発生する。図10および図11を参照しながら説明したように、本実施形態ではオフ角θの小さい(θ=4°)SiC基板1を用いているため、従来のオフ角が8°のSiC基板よりもステップバンチングが生じやすい。また、ステップバンチング2の高さHは、例えば10nm以上である。なお、ステップバンチング2の高さHは、基板表面の包絡面の法線方向に沿った、ステップバンチング2の頂点と底点とのレベル差を指すものとする。   On the surface of the SiC epitaxial layer 3 grown in this way, step bunching 2 is generated with a plane 2t substantially parallel to the (0001) plane as a terrace. As described with reference to FIGS. 10 and 11, in this embodiment, the SiC substrate 1 having a small off angle θ (θ = 4 °) is used, so that it is more than the conventional SiC substrate having an off angle of 8 °. Step bunching is likely to occur. Further, the height H of the step bunching 2 is, for example, 10 nm or more. The height H of the step bunching 2 indicates the level difference between the top and bottom of the step bunching 2 along the normal direction of the envelope surface of the substrate surface.

図3は、SiCエピタキシャル層3の表面に発生したステップバンチング2を説明するための模式的な拡大断面図である。図3において、面21は、SiC基板1の表面の包絡面に平行な平面を表し、その法線は<0001>より<11−20>方向に4°(オフ角θ)傾いている。ステップバンチング2は、主に(0001)面から構成されるテラス2tと、段差2dとを有している。   FIG. 3 is a schematic enlarged cross-sectional view for explaining step bunching 2 generated on the surface of SiC epitaxial layer 3. In FIG. 3, a surface 21 represents a plane parallel to the envelope surface of the surface of the SiC substrate 1, and its normal is inclined by 4 ° (off angle θ) in the <11-20> direction from <0001>. The step bunching 2 has a terrace 2t mainly composed of a (0001) plane and a step 2d.

次に、図2(b)に示すように、SiCエピタキシャル層3が形成されたSiC基板1に対して、減圧下の水素雰囲気中でアニール(水素アニール)を行う。これにより、雰囲気中の水素原子5とSiCエピタキシャル層3の炭素及び珪素とを反応させ、反応によって生成されたSiH4やCH4などの反応生成物7を、SiCエピタキシャル層3の表面から除去することができる。このようにして、SiCエピタキシャル層3の表面が水素原子5によってエッチングされる。 Next, as shown in FIG. 2B, the SiC substrate 1 on which the SiC epitaxial layer 3 is formed is annealed (hydrogen annealing) in a hydrogen atmosphere under reduced pressure. As a result, the hydrogen atoms 5 in the atmosphere react with the carbon and silicon of the SiC epitaxial layer 3, and the reaction products 7 such as SiH 4 and CH 4 generated by the reaction are removed from the surface of the SiC epitaxial layer 3. be able to. In this way, the surface of the SiC epitaxial layer 3 is etched by the hydrogen atoms 5.

以下に、水素アニールの方法および条件を具体的に説明する。水素アニールは、SiCエピタキシャル層3が形成されたSiC基板1を、加熱炉200のチャンバー163に設置したままの状態で行う。まず、SiC基板1の温度を1500℃まで低下させ、チャンバー163の内部の圧力を10kPa以下まで低下させる。続いて、ガス供給系158を用いて水素ガスをチャンバー163に導入する。このとき、チャンバー163の内部の圧力やSiC基板1の温度などの条件を調整することにより、上述した水素原子5とSiCエピタキシャル層3の珪素および炭素との反応を、ステップバンチング2の端部(「キンク」と呼ばれる)9で選択的に生じさせることができる。この際、水素はテラス上を移動(マイグレーション)して下部のキンクで反応するために、ステップバンチングの長いテラスで選択的に水素のエッチング反応が進行する。従って、水素原子5によるSiCエピタキシャル層3のエッチングが進むにつれて、図2(c)に示すように、ステップバンチング2の広いテラス2tが狭くなり、結果的に、ステップバンチングの高さHを減少させることができる。   Hereinafter, the method and conditions for hydrogen annealing will be described in detail. The hydrogen annealing is performed in a state where the SiC substrate 1 on which the SiC epitaxial layer 3 is formed is installed in the chamber 163 of the heating furnace 200. First, the temperature of the SiC substrate 1 is lowered to 1500 ° C., and the pressure inside the chamber 163 is lowered to 10 kPa or less. Subsequently, hydrogen gas is introduced into the chamber 163 using the gas supply system 158. At this time, by adjusting conditions such as the pressure inside the chamber 163 and the temperature of the SiC substrate 1, the reaction between the hydrogen atom 5 and the silicon and carbon of the SiC epitaxial layer 3 is performed at the end of the step bunching 2 ( 9) (referred to as “kinks”). At this time, since the hydrogen moves (migrate) on the terrace and reacts with the lower kink, the hydrogen etching reaction proceeds selectively on the terrace with a long step bunching. Accordingly, as etching of the SiC epitaxial layer 3 by the hydrogen atoms 5 proceeds, as shown in FIG. 2C, the wide terrace 2t of the step bunching 2 becomes narrow, and as a result, the height H of the step bunching is reduced. be able to.

ここで、水素アニールの好ましい条件を説明する。   Here, preferable conditions for hydrogen annealing will be described.

チャンバー163の内部の圧力は1kPa以上10kPa以下であることが好ましく、より好ましくは、3kPa以上7kPa以下である。1kPa未満の圧力下でアニールを行うと、水素原子5によるSiCエピタキシャル層3のエッチング反応に加えて、圧力の低下による昇華反応も進行するために、SiCエピタキシャル層3のエッチングレートが約1桁以上も高くなり、SiCエピタキシャル層3の厚さが減少してしまう場合がある。一方、10kPaよりも高い圧力下でアニールを行うと、チャンバー163の内部における水素原子5の密度が増加するため、ステップバンチング2の形状を維持したままエッチング反応が進行してしまい、ステップバンチング2の高さHを効果的に減少できないおそれがある。   The pressure inside the chamber 163 is preferably 1 kPa to 10 kPa, more preferably 3 kPa to 7 kPa. When annealing is performed under a pressure of less than 1 kPa, in addition to the etching reaction of the SiC epitaxial layer 3 by the hydrogen atoms 5, a sublimation reaction due to a decrease in pressure also proceeds, so the etching rate of the SiC epitaxial layer 3 is about one digit or more And the thickness of the SiC epitaxial layer 3 may decrease. On the other hand, when annealing is performed under a pressure higher than 10 kPa, the density of the hydrogen atoms 5 in the chamber 163 increases, so that the etching reaction proceeds while the shape of the step bunching 2 is maintained. There is a possibility that the height H cannot be effectively reduced.

また、水素アニールの際のSiC基板1の温度は1200℃以上1500℃以下に設定されることが好ましく、より好ましくは、1300℃以上1400℃以下である。SiC基板1の温度が1200℃未満では、水素分子の熱解離反応が進行せず、チャンバー163の内部の水素原子5の密度が約1桁以上低下するため、SiCエピタキシャル層3の表面を効率良く平坦化できない場合がある。一方、SiC基板1の温度が1500℃より高いと、水素原子5の密度が高くなりすぎて、ステップバンチング2の形状を維持したままエッチング反応が進行してしまい、ステップバンチング2の高さHを効果的に減少できないおそれがある。また、SiCエピタキシャル層3のエッチングレートが約1桁以上高くなるために、SiCエピタキシャル層3の厚さが減少してしまう可能性もある。   Further, the temperature of SiC substrate 1 during the hydrogen annealing is preferably set to 1200 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower, and more preferably 1300 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower. When the temperature of the SiC substrate 1 is lower than 1200 ° C., the thermal dissociation reaction of hydrogen molecules does not proceed, and the density of the hydrogen atoms 5 inside the chamber 163 decreases by about one digit or more, so that the surface of the SiC epitaxial layer 3 can be efficiently formed. It may not be possible to flatten. On the other hand, if the temperature of the SiC substrate 1 is higher than 1500 ° C., the density of the hydrogen atoms 5 becomes too high, and the etching reaction proceeds while maintaining the shape of the step bunching 2, and the height H of the step bunching 2 is increased. There is a risk that it cannot be effectively reduced. Moreover, since the etching rate of SiC epitaxial layer 3 is increased by about one digit or more, there is a possibility that the thickness of SiC epitaxial layer 3 is reduced.

アニールを行う時間は、特に限定しないが、例えば5分以上60分以下に設定される。60分より長くなると、SiCエピタキシャル層3が薄くなり、素子の耐圧を低下させるおそれがある。一方、5分より短いと、ステップバンチング2の高さHを十分に小さくできない場合がある。   The annealing time is not particularly limited, but is set to, for example, 5 minutes or more and 60 minutes or less. If the time is longer than 60 minutes, the SiC epitaxial layer 3 becomes thin, and the breakdown voltage of the device may be reduced. On the other hand, if it is shorter than 5 minutes, the height H of the step bunching 2 may not be sufficiently reduced.

上記アニールを行うことにより、図2(d)に示すように、SiCエピタキシャル層3の表面の平坦性を飛躍的に改善することができる。   By performing the annealing, the flatness of the surface of the SiC epitaxial layer 3 can be drastically improved as shown in FIG.

得られたSiCエピタキシャル層3の表面は、図示するように、SiC基板1の表面構造に起因する微小なステップ(ステップの高さH:例えば1nm以下)を有しており、各ステップのテラスは(0001)面から構成されている。なお、ここでいう「(0001)面から構成される」とは、主に(0001)面から構成され、(0001)面と略平行であればよく、例えば面内に原子レベルの微小な段差を有していても構わない。   As shown in the figure, the surface of the obtained SiC epitaxial layer 3 has minute steps (step height H: for example, 1 nm or less) due to the surface structure of the SiC substrate 1. It consists of (0001) plane. Here, “consisting of (0001) plane” is mainly composed of (0001) plane and substantially parallel to (0001) plane. For example, a minute step at atomic level in the plane You may have.

前述した特許文献1の方法では、化学的または機械的な研磨によってSiCエピタキシャル層の表面を平坦化しており、平坦化された後の表面には、素子特性の低下を要因となり得る研磨痕を有している。これに対し、本実施形態の方法によると、平坦化された後のSiCエピタキシャル層3の表面は、そのような研磨痕を有していないだけでなく、同一の結晶面((0001)面)をテラスとするステップから構成されているので、信頼性が高く、かつ素子特性に優れた炭化珪素半導体素子を提供できる。   In the method of Patent Document 1 described above, the surface of the SiC epitaxial layer is flattened by chemical or mechanical polishing, and the flattened surface has polishing marks that may cause deterioration in device characteristics. is doing. On the other hand, according to the method of the present embodiment, the surface of the planarized SiC epitaxial layer 3 does not have such a polishing mark, but also has the same crystal plane ((0001) plane). Therefore, it is possible to provide a silicon carbide semiconductor element having high reliability and excellent element characteristics.

また、オフ角の小さい(3°より大きく5°以下)4H−SiC基板を用いる場合には、前述した特許文献2〜4に開示された方法のように、エピタキシャル成長を行う際の下地表面を改質したり、活性化アニールによるダメージを防止するだけでは、エピタキシャル層の表面粗さを1nm以下まで低減することはできない。オフ角の小さいSiC基板表面にエピタキシャル層を形成すると、ステップのテラスに反応種が吸着する可能性が高くなり、極めて大きなステップバンチングが形成されるからである。これに対し、本実施形態の方法によると、SiCエピタキシャル層を形成した後、その表面に対して、水素原子によるエッチングを行うため、エッチング条件(水素アニールの条件)を選択することによって、SiCエピタキシャル層の表面粗さを1nm以下に抑えることができる。   Further, when a 4H—SiC substrate having a small off angle (greater than 3 ° and less than 5 °) is used, the underlying surface for epitaxial growth is modified as in the methods disclosed in Patent Documents 2 to 4 described above. However, the surface roughness of the epitaxial layer cannot be reduced to 1 nm or less simply by preventing the damage caused by the activation annealing. This is because when the epitaxial layer is formed on the surface of the SiC substrate having a small off angle, the possibility that the reactive species are adsorbed on the terrace of the step increases, and a very large step bunching is formed. On the other hand, according to the method of the present embodiment, after the SiC epitaxial layer is formed, the surface is etched with hydrogen atoms. Therefore, the SiC epitaxial layer is selected by selecting the etching conditions (hydrogen annealing conditions). The surface roughness of the layer can be suppressed to 1 nm or less.

なお、本実施形態のSiCエピタキシャル層3を用いて炭化珪素半導体素子を形成する場合には、炭化珪素半導体素子におけるSiCエピタキシャル層の少なくとも一部が、上記のような平坦化された表面であればよく、SiCエピタキシャル層の表面に部分的に表面粗さの大きい領域が存在していてもよい。例えば、ショットキーダイオードを形成する場合には、SiCエピタキシャル層のうちショットキー電極と接する部分が水素アニールによって平坦化されていれば、表面凹凸による素子特性の低下を抑制できる。   In addition, when forming a silicon carbide semiconductor element using the SiC epitaxial layer 3 of this embodiment, if at least a part of the SiC epitaxial layer in the silicon carbide semiconductor element is a planarized surface as described above, In addition, a region having a large surface roughness may partially exist on the surface of the SiC epitaxial layer. For example, when forming a Schottky diode, if the portion of the SiC epitaxial layer that is in contact with the Schottky electrode is planarized by hydrogen annealing, it is possible to suppress deterioration in device characteristics due to surface irregularities.

次に、本実施形態におけるSiCエピタキシャル層の表面モフォロジーを調べたので、その方法および結果について説明する。   Next, since the surface morphology of the SiC epitaxial layer in this embodiment was investigated, the method and result are demonstrated.

まず、図2(a)〜(d)を参照しながら説明した方法を用いて、SiC基板の表面にSiCエピタキシャル層を形成した後、水素アニールを行うことにより、実施例のエピ付き基板を作製した。また、SiCエピタキシャル層に対する水素アニールを行わないこと以外は、実施例のエピ付き基板と同様の方法で、比較例のエピ付き基板を作製した。   First, using the method described with reference to FIGS. 2A to 2D, an SiC epitaxial layer is formed on the surface of the SiC substrate, and then hydrogen annealing is performed to manufacture an epitaxial substrate according to the example. did. Further, an epitaxial substrate with a comparative example was produced in the same manner as the epitaxial substrate with the example except that hydrogen annealing was not performed on the SiC epitaxial layer.

得られた実施例および比較例のエピ付き基板におけるSiCエピタキシャル層の表面モフォロジーを、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて解析した。   The surface morphology of the SiC epitaxial layer in the obtained substrates with epi of Examples and Comparative Examples was analyzed using an atomic force microscope (AFM).

図4(a)および(b)は、実施例のエピ付き基板のAFM測定結果を示す図であり、(a)はSiCエピタキシャル層の表面のプロファイル、(b)はSiCエピタキシャル層の表面のAFM像である。同様に、図5(a)および(b)は、比較例のエピ付き基板のAFM測定結果を示す図であり、(a)はSiCエピタキシャル層の表面のプロファイル、(b)はSiCエピタキシャル層の表面のAFM像である。なお、図4(b)および図5(b)は、SiC基板の表面に略垂直で、かつ、SiC基板のステップ方向に略垂直な断面におけるSiCエピタキシャル層の表面のプロファイルを表している。   4A and 4B are diagrams showing the AFM measurement results of the epitaxial substrate according to the example, where FIG. 4A is a profile of the surface of the SiC epitaxial layer, and FIG. 4B is an AFM of the surface of the SiC epitaxial layer. It is a statue. Similarly, FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the AFM measurement results of the epitaxial substrate of the comparative example, where FIG. 5A is the profile of the surface of the SiC epitaxial layer, and FIG. 5B is the SiC epitaxial layer. It is an AFM image of the surface. FIG. 4B and FIG. 5B show the profile of the surface of the SiC epitaxial layer in a cross section substantially perpendicular to the surface of the SiC substrate and substantially perpendicular to the step direction of the SiC substrate.

図4からわかるように、実施例におけるSiCエピタキシャル層は極めて平坦であり、その表面粗さは約1nmであった。一方、図5からわかるように、比較例におけるSiCエピタキシャル層の表面には、階段形状の表面凹凸(ステップバンチング)が存在し、その表面粗さは10nm以上であった。従って、図2(b)および(c)を参照しながら説明した水素アニールを行うことによって、SiCエピタキシャル層の表面の平坦性を大幅に向上できることが確認された。   As can be seen from FIG. 4, the SiC epitaxial layer in the example was extremely flat, and its surface roughness was about 1 nm. On the other hand, as can be seen from FIG. 5, stepped surface irregularities (step bunching) existed on the surface of the SiC epitaxial layer in the comparative example, and the surface roughness was 10 nm or more. Therefore, it was confirmed that the planarity of the surface of the SiC epitaxial layer can be significantly improved by performing the hydrogen annealing described with reference to FIGS. 2B and 2C.

本明細書において、「表面粗さ」は、JISB0601−1994で規格される10点平均粗さで定義される。表面粗さの測定は、TEM、SEMなどによる断面観察により、基準長さを1μmとして行う。ただし、ステップバンチングのように、より広範囲に評価した方が全体の表面荒れを表現できる場合は、基準長さを10μmにまで拡大してもよい。このように基準長さを変えて複数測定したときに、その測定結果の最大値を表面粗さとする。また、ステップバンチングを有する表面の表面粗さを測定する場合には、ステップ高さHを評価するために、基板表面に略垂直かつステップ方向に略垂直な面を断面に選ぶことが好ましい。特定方向に配列されたステップを有していない表面の表面粗さを測定する場合には、基板表面に略垂直な任意の断面を選定してもよい。なお、表面粗さを測定しようとする領域が、上記基準長さよりも小さい場合には、その領域において測定可能な最大の長さを基準として測定を行う。また、可能であれば、本実施形態で行ったように、AFMを用いて測定対象とする表面の凸凹を直接評価してもよい。   In this specification, the “surface roughness” is defined by the 10-point average roughness specified in JIS B0601-1994. The surface roughness is measured by observing a cross section with a TEM, SEM or the like with a reference length of 1 μm. However, the reference length may be increased to 10 μm when the overall surface roughness can be expressed by a wider evaluation as in step bunching. In this way, when a plurality of measurements are performed while changing the reference length, the maximum value of the measurement results is defined as the surface roughness. Further, when measuring the surface roughness of the surface having step bunching, in order to evaluate the step height H, it is preferable to select a plane substantially perpendicular to the substrate surface and substantially perpendicular to the step direction as the cross section. When measuring the surface roughness of a surface that does not have steps arranged in a specific direction, an arbitrary cross section substantially perpendicular to the substrate surface may be selected. In addition, when the area | region which measures surface roughness is smaller than the said reference length, it measures on the basis of the maximum length measurable in the area | region. Further, if possible, the surface unevenness to be measured may be directly evaluated using the AFM as in the present embodiment.

なお、本実施形態では、4°のオフ角を有する4H−SiC基板を使用したが、代わりに、3°以上5°以下の他のオフ角を有する4H−SiC基板を使用しても、本実施形態と同様な作用効果を得ることができる。   In the present embodiment, a 4H—SiC substrate having an off angle of 4 ° is used. Alternatively, a 4H—SiC substrate having another off angle of 3 ° or more and 5 ° or less may be used. The same effect as the embodiment can be obtained.

なお、前記範囲以下のオフ角がついた基板を用いた場合でも、本発明の方法によりエピタキシャル層表面を平坦化することができるが、アニール処理温度や処理時間が最適でない場合には、基板上面に凹凸が残ることがある。   Even when a substrate with an off-angle less than the above range is used, the surface of the epitaxial layer can be planarized by the method of the present invention. Unevenness may remain on the surface.

なお、実施形態では、水素アニールを行う際に、水素ガスをチャンバー163に供給したが、代わりに、希ガスと水素との混合ガスを用いてもよい。水素を希ガスで希釈してチャンバー163に供給する場合、希釈の割合を調整することにより、水素アニールによるSiCエピタキシャル層3のエッチング速度を制御することができる。   In the embodiment, when hydrogen annealing is performed, hydrogen gas is supplied to the chamber 163, but a mixed gas of a rare gas and hydrogen may be used instead. When hydrogen is diluted with a rare gas and supplied to the chamber 163, the etching rate of the SiC epitaxial layer 3 by hydrogen annealing can be controlled by adjusting the dilution ratio.

(実施形態2)
以下、図面を参照しながら、本発明による実施形態の炭化珪素ショットキーダイオードの製造方法を説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, a method for manufacturing a silicon carbide Schottky diode according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、図6(a)に示すように、SiC基板31に形成されたSiCエピタキシャル層33を形成する。SiC基板31としては、例えば、主面が(0001)から[11−20](112バー0)方向に4°のオフ角度がついた4H−SiC基板を用いる。このSiC基板31の導電型はn型で、キャリア濃度は1×1018cm-3である。SiCエピタキシャル層33の形成は、図1に示す加熱炉200を用いてCVD法で行うことができる。ここでは、SiC基板31の主面(シリコン面)上にn型の不純物がドープされたSiCエピタキシャル層(厚さ:10μm)33を成長させる。SiCエピタキシャル層33の形成に用いる原料ガスおよびキャリアガスは、図2(a)を参照しながら前述したガスと同じである。ただし、本実施形態では、原料ガスに一定流量のドーピングガス(N2)を混入する。SiCエピタキシャル層33のキャリア濃度は、ドーピングガスの流量によって制御され、ここでは約5×1015cm-3である。また、SiCエピタキシャル層33の表面には、図示するように、ステップフローを利用したエピタキシャル成長に起因するステップバンチング35が形成されている。 First, as shown in FIG. 6A, an SiC epitaxial layer 33 formed on the SiC substrate 31 is formed. As the SiC substrate 31, for example, a 4H—SiC substrate having a main surface with an off angle of 4 ° from (0001) to [11-20] (112 bar 0) direction is used. The conductivity type of this SiC substrate 31 is n-type, and the carrier concentration is 1 × 10 18 cm −3 . The SiC epitaxial layer 33 can be formed by a CVD method using the heating furnace 200 shown in FIG. Here, an SiC epitaxial layer (thickness: 10 μm) 33 doped with n-type impurities is grown on the main surface (silicon surface) of the SiC substrate 31. The source gas and carrier gas used for forming the SiC epitaxial layer 33 are the same as those described above with reference to FIG. However, in the present embodiment, a doping gas (N 2 ) having a constant flow rate is mixed into the source gas. The carrier concentration of the SiC epitaxial layer 33 is controlled by the flow rate of the doping gas, and is about 5 × 10 15 cm −3 here. Further, as shown in the figure, a step bunching 35 resulting from epitaxial growth using a step flow is formed on the surface of the SiC epitaxial layer 33.

次に、図6(b)に示すように、SiCエピタキシャル層33が形成されたSiC基板31に対して、減圧下の水素雰囲気中でアニール(水素アニール)を行う。水素アニールは、エピタキシャル成長を行った加熱炉と同一の炉を用いて行うことができる。エピタキシャル成長後、SiC基板31を加熱炉内のチャンバーに設置したままの状態で水素アニールを行うことが好ましい。アニールの温度や圧力などの条件は、図2(b)を参照しながら前述した条件と同様である。これにより、雰囲気中の水素原子は、SiCエピタキシャル層33のステップバンチング35のキンクに位置する炭素及び珪素と選択的に反応し、得られた反応生成物37がSiCエピタキシャル層33の表面から除去される。このようにして、SiCエピタキシャル層33の表面が平坦化される。   Next, as shown in FIG. 6B, the SiC substrate 31 on which the SiC epitaxial layer 33 is formed is annealed (hydrogen annealing) in a hydrogen atmosphere under reduced pressure. The hydrogen annealing can be performed using the same furnace as that used for the epitaxial growth. After epitaxial growth, it is preferable to perform hydrogen annealing in a state where the SiC substrate 31 is installed in a chamber in a heating furnace. Conditions such as annealing temperature and pressure are the same as those described above with reference to FIG. Thereby, hydrogen atoms in the atmosphere selectively react with carbon and silicon located in the kink of the step bunching 35 of the SiC epitaxial layer 33, and the obtained reaction product 37 is removed from the surface of the SiC epitaxial layer 33. The In this way, the surface of the SiC epitaxial layer 33 is planarized.

この後、図6(c)に示すように、真空蒸着装置を用いてSiC基板31の裏面(カーボン面)にオーミック電極38を設け、また、SiCエピタキシャル層33の表面にショットキー電極39を設ける。ショットキー電極39とSiCエピタキシャル層33との界面の少なくとも一部にはショットキー障壁が形成されている。オーミック電極38は、SiC基板31の裏面にニッケル(Ni)を蒸着した後、オーミックコンタクトを得るためのアニールを100°の温度で3分間行うことによって形成される。ショットキー電極39は、SiCエピタキシャル層33の表面にNiを蒸着した後、パターニングを行うことによって形成される。このようにして、本実施形態のショットキーダイオードを得る。   Thereafter, as shown in FIG. 6C, an ohmic electrode 38 is provided on the back surface (carbon surface) of the SiC substrate 31 and a Schottky electrode 39 is provided on the surface of the SiC epitaxial layer 33 using a vacuum deposition apparatus. . A Schottky barrier is formed at least at a part of the interface between the Schottky electrode 39 and the SiC epitaxial layer 33. The ohmic electrode 38 is formed by depositing nickel (Ni) on the back surface of the SiC substrate 31 and then performing annealing for obtaining an ohmic contact at a temperature of 100 ° for 3 minutes. Schottky electrode 39 is formed by depositing Ni on the surface of SiC epitaxial layer 33 and then patterning. In this way, the Schottky diode of this embodiment is obtained.

次に、本実施形態のショットキーダイオードの電流電圧特性を調べたので、その方法おおよび結果を説明する。   Next, since the current-voltage characteristics of the Schottky diode of this embodiment were examined, the method and result will be described.

上記方法により実施例のショットキーダイオードを作製し、また、比較のために、図6(b)に示す水素アニールを行わないこと以外は上記方法と同様の方法および条件で比較例のショットキーダイオードを作製した。   The Schottky diode of the example was manufactured by the above method, and for comparison, the Schottky diode of the comparative example was subjected to the same method and conditions as the above method except that hydrogen annealing shown in FIG. 6B was not performed. Was made.

まず、実施例および比較例のショットキーダイオードにおけるSiCエピタキシャル層の表面モフォロジーを、実施形態1と同様の方法を用いてAFMで解析した。その結果、SiCエピタキシャル層の表面粗さ(ステップ高さ)は1nm以下であり、比較例におけるSiCエピタキシャル層の表面粗さは10nm以上であった。   First, the surface morphology of the SiC epitaxial layer in the Schottky diodes of Examples and Comparative Examples was analyzed by AFM using the same method as in the first embodiment. As a result, the surface roughness (step height) of the SiC epitaxial layer was 1 nm or less, and the surface roughness of the SiC epitaxial layer in the comparative example was 10 nm or more.

次いで、実施例および比較例のショットキーダイオードに逆バイアス電圧を印加して、絶縁破壊を起こす電圧(逆耐圧)を測定したところ、比較例のショットキーダイオードでは、逆耐圧が500Vであったのに対し、実施例のショットキーダイオードでは600V以上であった。よって、実施例のショットキーダイオードでは、比較例のショットキーダイオードよりも耐圧特性が1.2倍高いことがわかった。   Next, a reverse bias voltage was applied to the Schottky diodes of the example and the comparative example, and a voltage (reverse breakdown voltage) causing dielectric breakdown was measured. The reverse breakdown voltage of the comparative example Schottky diode was 500V. On the other hand, it was 600 V or more in the Schottky diode of the example. Therefore, it was found that the breakdown voltage characteristic of the Schottky diode of the example was 1.2 times higher than that of the Schottky diode of the comparative example.

実施例のショットキーダイオードの耐圧が向上した理由は、ステップバンチングに起因するリーク電流が減少したためと考えられる。すなわち、本実施例のショットキーダイオードでは、SiCエピタキシャル層33の表面が平坦化されているので、電界集中が生じにくくなり、耐圧が高められたと考えられる。   The reason why the breakdown voltage of the Schottky diode of the example is improved is considered to be that the leakage current due to step bunching is reduced. That is, in the Schottky diode of this example, the surface of the SiC epitaxial layer 33 is flattened, so that electric field concentration is less likely to occur and the breakdown voltage is increased.

従来のショットキーダイオードは、その周辺部に耐圧を確保するためのガードリング構造を形成する必要があったが、実施例のショットキーダイオードは、上記のように高い耐圧を有するので、そのようなガードリング構造を形成しなくても、高耐圧(例えば600V)を示すことがわかった。   The conventional Schottky diode had to be formed with a guard ring structure for securing a breakdown voltage at the periphery thereof, but the Schottky diode of the example has a high breakdown voltage as described above. It was found that a high breakdown voltage (for example, 600 V) was exhibited without forming a guard ring structure.

本実施形態では、ショットキーダイオードを作製したが、同様の方法を用いて、SiC基板31の表面にSiCエピタキシャル層33を形成した後、SiCエピタキシャル層33にp型およびn型のドープ層を形成することにより、pnダイオードを作製することもできる。   In the present embodiment, a Schottky diode is manufactured, but a SiC epitaxial layer 33 is formed on the surface of the SiC substrate 31 using a similar method, and then p-type and n-type doped layers are formed in the SiC epitaxial layer 33. By doing so, a pn diode can also be manufactured.

なお、本実施形態のショットキーダイオードは、SiCエピタキシャル層33の表面全体が略平坦でなくてもよいが、SiCエピタキシャル層33の表面のうちショットキー電極と接する部分の表面粗さが1nm以下であることが好ましく、これにより、上記のような高い素子特性を得ることができる。   In the Schottky diode of this embodiment, the entire surface of the SiC epitaxial layer 33 may not be substantially flat, but the surface roughness of the portion of the surface of the SiC epitaxial layer 33 in contact with the Schottky electrode is 1 nm or less. It is preferable that the high device characteristics as described above can be obtained.

(実施形態3)
以下、図面を参照しながら、本発明による実施形態の炭化珪素MOSFETの製造方法を説明する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, a method for manufacturing a silicon carbide MOSFET according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、図7(a)に示すように、SiC基板101に形成されたSiCエピタキシャル層102を形成する。SiC基板101として、実施形態1で用いたSiC基板31と同様の4H−SiC基板を用いる。また、SiCエピタキシャル層102は、実施形態1におけるSiCエピタキシャル層33と同様の構成(厚さ、キャリア濃度など)を有し、同様の方法および条件で形成される。SiCエピタキシャル層102の表面には、図示するように、ステップバンチング103が形成されている。   First, as shown in FIG. 7A, the SiC epitaxial layer 102 formed on the SiC substrate 101 is formed. As the SiC substrate 101, a 4H—SiC substrate similar to the SiC substrate 31 used in the first embodiment is used. The SiC epitaxial layer 102 has the same configuration (thickness, carrier concentration, etc.) as the SiC epitaxial layer 33 in the first embodiment, and is formed by the same method and conditions. Step bunching 103 is formed on the surface of SiC epitaxial layer 102 as shown in the figure.

次に、図7(b)に示すように、SiCエピタキシャル層102が形成されたSiC基板101に対して、減圧下の水素雰囲気中でアニールを行う。アニールの温度や圧力などの条件は、図2(b)を参照しながら前述した条件と同様である。これにより、雰囲気中の水素原子は、SiCエピタキシャル層102のステップバンチング103のキンクに位置する炭素及び珪素と選択的に反応し、得られた反応生成物104がSiCエピタキシャル層102の表面から除去される。このようにして、SiCエピタキシャル層102の表面が平坦化される。   Next, as shown in FIG. 7B, the SiC substrate 101 on which the SiC epitaxial layer 102 is formed is annealed in a hydrogen atmosphere under reduced pressure. Conditions such as annealing temperature and pressure are the same as those described above with reference to FIG. As a result, hydrogen atoms in the atmosphere selectively react with carbon and silicon located in the kink of the step bunching 103 of the SiC epitaxial layer 102, and the obtained reaction product 104 is removed from the surface of the SiC epitaxial layer 102. The In this way, the surface of SiC epitaxial layer 102 is planarized.

この後、図7(c)に示すように、SiCエピタキシャル層102の選択された領域に、ウェル領域となる第1の不純物イオン注入層(厚さ:例えば0.5μm〜1μm)105’を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 7C, a first impurity ion implantation layer (thickness: for example, 0.5 μm to 1 μm) 105 ′ to be a well region is formed in a selected region of the SiC epitaxial layer 102. To do.

具体的には、まずSiCエピタキシャル層102の表面に例えばシリコン酸化膜(SiO2)からなる注入マスク106を形成する。注入マスク106は、SiCエピタキシャル層102のうちウェル領域となる領域を既定する開口部を有している。注入マスク106の形状は、フォトリソグラフィおよびエッチングによって任意に形成され得る。注入マスク106の厚さは、その材料や注入条件によって決定されるが、注入飛程よりも充分に大きく設定することが好ましい。次いで、注入マスク106の上方から、SiCエピタキシャル層102にp型の不純物イオン(Alイオン)を注入する。Alイオンの注入は、加速電圧を変えて多段階で行う。イオン注入後、注入マスク106を取り除く。これにより、SiCエピタキシャル層102のうち不純物イオンが注入された領域に第1の不純物イオン注入層105’が形成され、不純物イオンが注入されずに残った領域はn型ドリフト領域107となる。 Specifically, first, an implantation mask 106 made of, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ) is formed on the surface of the SiC epitaxial layer 102. Implant mask 106 has an opening that defines a region to be a well region in SiC epitaxial layer 102. The shape of the implantation mask 106 can be arbitrarily formed by photolithography and etching. The thickness of the implantation mask 106 is determined by its material and implantation conditions, but is preferably set sufficiently larger than the implantation range. Next, p-type impurity ions (Al ions) are implanted into the SiC epitaxial layer 102 from above the implantation mask 106. Al ion implantation is performed in multiple stages by changing the acceleration voltage. After the ion implantation, the implantation mask 106 is removed. As a result, a first impurity ion implantation layer 105 ′ is formed in a region of the SiC epitaxial layer 102 where impurity ions are implanted, and a region remaining without being implanted with impurity ions becomes an n-type drift region 107.

続いて、図7(d)に示すように、SiCエピタキシャル層102のうちソース領域となる領域にn型の不純物イオン(窒素イオン)を注入することによって第2の不純物イオン注入層(厚さ:例えば0.3μm〜0.5μm)108’を形成し、また、SiCエピタキシャル層102のうちコンタクト領域となる領域にp型の不純物イオン(Alイオン)を注入することによって第3の不純物イオン注入層109’(厚さ:例えば0.3μm〜0.5μm)を形成する。これらの注入層の形成は、上述した第1の不純物イオン注入層105’を形成する方法と同様の方法で行うことができる。   Subsequently, as shown in FIG. 7D, the second impurity ion implanted layer (thickness: thickness) is implanted by implanting n-type impurity ions (nitrogen ions) into the region to be the source region of the SiC epitaxial layer 102. For example, a third impurity ion implantation layer is formed by implanting p-type impurity ions (Al ions) into a region to be a contact region in the SiC epitaxial layer 102. 109 ′ (thickness: 0.3 μm to 0.5 μm, for example) is formed. These implantation layers can be formed by a method similar to the method for forming the first impurity ion implantation layer 105 'described above.

この後、図7(e)に示すように、SiCエピタキシャル層102の表面に、表面保護膜(以下、「キャップ層」と呼ぶ)として、カーボン膜110を形成する。続いて、第1、第2および第3の不純物イオン注入層105’、108’、109’に対して活性化アニールを行い、それぞれ、p型ウェル領域105、ソース領域108およびコンタクト領域109を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 7E, a carbon film 110 is formed on the surface of the SiC epitaxial layer 102 as a surface protective film (hereinafter referred to as “cap layer”). Subsequently, activation annealing is performed on the first, second, and third impurity ion implantation layers 105 ′, 108 ′, and 109 ′ to form the p-type well region 105, the source region 108, and the contact region 109, respectively. To do.

カーボン膜110は、図1に示す加熱炉200を用いて、SiCエピタキシャル層102の表面をグラファイト化させることによって形成できる。具体的には、まず、図1に示す加熱炉200のチャンバー163にSiCエピタキシャル層102が形成されたSiC基板101を設置する。次いで、チャンバーの真空度を約10-4Paとし、基板温度が1400℃となるようにSiC基板101を加熱する。加熱時間は60分間とする。これにより、SiCエピタキシャル層102の表面からSiが昇華して(グラファイト化)、厚さが約200nmのカーボン膜110が得られる。 Carbon film 110 can be formed by graphitizing the surface of SiC epitaxial layer 102 using heating furnace 200 shown in FIG. Specifically, first, SiC substrate 101 on which SiC epitaxial layer 102 is formed is placed in chamber 163 of heating furnace 200 shown in FIG. Next, the SiC substrate 101 is heated so that the degree of vacuum of the chamber is about 10 −4 Pa and the substrate temperature is 1400 ° C. The heating time is 60 minutes. Thereby, Si is sublimated from the surface of the SiC epitaxial layer 102 (graphitization), and the carbon film 110 having a thickness of about 200 nm is obtained.

カーボン膜110を形成した後、SiC基板101を図1に示す加熱炉200のチャンバー163に設置したまま、活性化アニールを行うことが好ましい。活性化アニールは、例えば、アルゴンガス雰囲気中、基板温度を1750℃となるように加熱し、30分間行った。活性化アニール時のチャンバー163の内部の圧力は91kPaで一定とした。得られたp型ウェル領域105のキャリア濃度は1×1017cm-3、n型のソース領域108のキャリア濃度は1×1019cm-3、p型のコンタクト領域109のキャリア濃度は1×1020cm-3である。 After forming the carbon film 110, activation annealing is preferably performed while the SiC substrate 101 is placed in the chamber 163 of the heating furnace 200 shown in FIG. The activation annealing was performed, for example, in an argon gas atmosphere by heating the substrate temperature to 1750 ° C. for 30 minutes. The pressure inside the chamber 163 during the activation annealing was fixed at 91 kPa. The carrier concentration of the obtained p-type well region 105 is 1 × 10 17 cm −3 , the carrier concentration of the n-type source region 108 is 1 × 10 19 cm −3 , and the carrier concentration of the p-type contact region 109 is 1 × 10 20 cm −3 .

活性化アニールを行った後、カーボン膜110をSiCエピタキシャル層102の表面から除去する。例えば、加熱炉200のチャンバー163にSiC基板101を設置したままの状態で、カーボン膜110を熱酸化することにより除去することが好ましい。   After the activation annealing, the carbon film 110 is removed from the surface of the SiC epitaxial layer 102. For example, it is preferable to remove the carbon film 110 by thermally oxidizing the SiC substrate 101 in the chamber 163 of the heating furnace 200.

続いて、図7(f)に示すように、ゲート絶縁膜111、ソース電極112、ゲート電極113およびドレイン電極114を形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 7F, a gate insulating film 111, a source electrode 112, a gate electrode 113, and a drain electrode 114 are formed.

ゲート絶縁膜111は、SiCエピタキシャル層102の表面を1100°の温度で熱酸化することによって形成される。ゲート絶縁膜111の厚さは例えば30nmである。   Gate insulating film 111 is formed by thermally oxidizing the surface of SiC epitaxial layer 102 at a temperature of 1100 °. The thickness of the gate insulating film 111 is, for example, 30 nm.

ソース電極112およびドレイン電極114は次のようにして形成できる。まず、電子ビーム(EB)蒸着装置を用いてソース領域108およびコンタクト領域109と接するようにNi膜を堆積させる。また、SiC基板101の裏面にもNi膜を堆積させる。続いて、加熱炉を用いて、これらのNi膜を1000℃の温度で加熱する。これにより、ソース領域108およびコンタクト領域109にオーミック接合されたソース電極112、および、SiC基板101の裏面にオーミック接合されたドレイン電極114がそれぞれ形成される。   The source electrode 112 and the drain electrode 114 can be formed as follows. First, a Ni film is deposited so as to be in contact with the source region 108 and the contact region 109 using an electron beam (EB) vapor deposition apparatus. A Ni film is also deposited on the back surface of the SiC substrate 101. Subsequently, these Ni films are heated at a temperature of 1000 ° C. using a heating furnace. Thus, source electrode 112 that is ohmic-bonded to source region 108 and contact region 109 and drain electrode 114 that is ohmic-bonded to the back surface of SiC substrate 101 are formed.

また、ゲート電極113は、ゲート絶縁膜111の上にアルミニウムを蒸着することにより形成される。このようにして、MOSFETを得る。   The gate electrode 113 is formed by evaporating aluminum on the gate insulating film 111. In this way, a MOSFET is obtained.

上記方法によって得られたMOSFETでは、SiCエピタキシャル層102の表面凹凸が従来よりも大幅に低減されているので、チャネル移動度を高めることができ、オン抵抗を小さくできる。また、平坦化されたSiCエピタキシャル層102の表面を熱酸化することによって、厚さのばらつきの小さいゲート酸化膜を形成できるので、ゲート絶縁膜の厚さばらつきによる素子特性の低下(MOSFETの耐圧の低下、歩留まりの低下など)を抑制できる。   In the MOSFET obtained by the above method, the surface unevenness of the SiC epitaxial layer 102 is significantly reduced as compared with the conventional case, so that the channel mobility can be increased and the on-resistance can be reduced. Also, by thermally oxidizing the surface of the planarized SiC epitaxial layer 102, a gate oxide film having a small variation in thickness can be formed, so that the device characteristics deteriorate due to the variation in the thickness of the gate insulating film (the breakdown voltage of the MOSFET). Decrease, yield decrease, etc.).

上記方法による利点をより詳しく説明する。従来のMOSFETの製造方法では、SiCエピタキシャル層102の表面にステップバンチングが形成されている状態で、SiCエピタキシャル層102に注入された不純物イオンを活性化するための活性化アニールを行う。このとき、SiCエピタキシャル層の原子(Si、C)が昇華して、複数のバンチングステップが重なって、バンチングステップよりも大きなステップ(マクロステップ)が形成される。従って、活性化アニールによって、SiCエピタキシャル層の表面粗さが例えば10nm以上まで増大してしまう。   The advantages of the above method will be described in more detail. In a conventional MOSFET manufacturing method, activation annealing for activating impurity ions implanted into the SiC epitaxial layer 102 is performed in a state where step bunching is formed on the surface of the SiC epitaxial layer 102. At this time, atoms (Si, C) in the SiC epitaxial layer are sublimated, and a plurality of bunching steps are overlapped to form a step (macro step) larger than the bunching step. Therefore, the activation annealing increases the surface roughness of the SiC epitaxial layer to, for example, 10 nm or more.

これに対し、上記方法では、活性化アニールを行う前に、水素アニールによってSiCエピタキシャル層102のステップバンチング103が低減されている。さらに、SiCエピタキシャル層102の表面にカーボン膜(キャップ層)が形成された状態で活性化アニールを行うので、水素アニールによって平坦化されたSiCエピタキシャル層102の表面を保持しつつ、活性化アニールを行うことができる。従って、SiCエピタキシャル層102の表面のステップバンチング103のみでなく、活性化アニールによる表面荒れも抑制できるので、SiCエピタキシャル層102の表面凹凸に起因する素子特性の劣化を大幅に改善できる。   In contrast, in the above method, the step bunching 103 of the SiC epitaxial layer 102 is reduced by hydrogen annealing before the activation annealing. Further, since the activation annealing is performed with the carbon film (cap layer) formed on the surface of the SiC epitaxial layer 102, the activation annealing is performed while maintaining the surface of the SiC epitaxial layer 102 flattened by hydrogen annealing. It can be carried out. Accordingly, not only the step bunching 103 on the surface of the SiC epitaxial layer 102 but also the surface roughness due to the activation annealing can be suppressed, so that the deterioration of element characteristics due to the surface irregularities of the SiC epitaxial layer 102 can be greatly improved.

なお、表面保護用のカーボン膜110の形成は、水素アニールを行った後、不純物イオン層105’、108’、109’を形成する前に行ってもよい。また、上記方法では、SiCエピタキシャル層102のグラファイト化を利用してカーボン膜110を形成しているが、代わりに、公知の堆積方法によって例えばDLC膜などのカーボン膜を形成してもよい。   The carbon film 110 for surface protection may be formed after the hydrogen annealing and before forming the impurity ion layers 105 ', 108', and 109 '. In the above method, the carbon film 110 is formed by utilizing graphitization of the SiC epitaxial layer 102. Alternatively, for example, a carbon film such as a DLC film may be formed by a known deposition method.

本実施形態におけるSiCエピタキシャル層102の表面モフォロジーを、実施形態1と同様の方法によりAFMで解析したところ、SiCエピタキシャル層102の表面粗さ(ステップ高さ)は1nm以下であることが確認できた。なお、本実施形態では、活性化アニールの前に、SiCエピタキシャル層102の表面にカーボン膜110を形成し、その状態で活性化アニールを行ったため、活性化アニール後のSiCエピタキシャル層102の表面粗さは、水素アニールによって平坦化された後の表面粗さ(1nm以下)と略同じであった。   When the surface morphology of the SiC epitaxial layer 102 in this embodiment was analyzed by AFM by the same method as in Embodiment 1, it was confirmed that the surface roughness (step height) of the SiC epitaxial layer 102 was 1 nm or less. . In this embodiment, since the carbon film 110 is formed on the surface of the SiC epitaxial layer 102 before the activation annealing and the activation annealing is performed in this state, the surface roughness of the SiC epitaxial layer 102 after the activation annealing is performed. The surface roughness was substantially the same as the surface roughness (1 nm or less) after planarization by hydrogen annealing.

次に、本実施形態のMOSFETの電流電圧特性を調べたので、その方法および結果を説明する。   Next, since the current-voltage characteristics of the MOSFET of this embodiment were examined, the method and result will be described.

まず、上記方法を用いて実施例のMOSFETを作製した。また、比較のために、図7(b)に示す水素アニールを行わないこと以外は、実施例のMOSFETの作製方法と同様の方法および条件で比較例のMOSFETを作製した。比較例における活性化アニール前および活性化アニール後のSiCエピタキシャル層の表面粗さは、いずれも約10nmであった。   First, the MOSFET of the example was manufactured using the above method. For comparison, a comparative MOSFET was fabricated using the same method and conditions as the MOSFET fabrication method of Example except that hydrogen annealing shown in FIG. 7B was not performed. The surface roughness of the SiC epitaxial layer before activation annealing and after activation annealing in the comparative example was both about 10 nm.

実施例および比較例のMOSFETの電流電圧特性を測定したところ、実施例のMOSFETのドレイン電流は、比較例のMOSFETのドレイン電流よりも2倍以上大きいことがわかった。これは、以下の理由によるものと考えられる。   When the current-voltage characteristics of the MOSFET of the example and the comparative example were measured, it was found that the drain current of the MOSFET of the example was twice or more larger than the drain current of the MOSFET of the comparative example. This is considered to be due to the following reasons.

比較例のMOSFETは、SiCエピタキシャル層の表面粗さが大きいため、表面近傍におけるキャリアの移動度が低く、ドレイン電流が流れにくい。これに対し、実施例のMOSFETでは、SiCエピタキシャル層の表面粗さが1nm以下と小さいので、SiCエピタキシャルにおけるチャネル層が形成される領域(ゲート電極の下にあるp型ウェル領域の表面層)のキャリアの移動度の低下が抑えられる。従って、より高い電流密度のドレイン電流をチャネル層に流すことができる。   In the MOSFET of the comparative example, since the surface roughness of the SiC epitaxial layer is large, the carrier mobility in the vicinity of the surface is low, and the drain current hardly flows. On the other hand, in the MOSFET of the embodiment, since the surface roughness of the SiC epitaxial layer is as small as 1 nm or less, the region where the channel layer is formed in the SiC epitaxial layer (the surface layer of the p-type well region under the gate electrode) Reduction in carrier mobility can be suppressed. Therefore, a drain current having a higher current density can be passed through the channel layer.

続いて、実施例および比較例のMOSFETのしきい値電圧を測定したところ、比較例のMOSFETのしきい値は2〜10Vの範囲でばらついているが、本実施例のMOSFETのしきい値は3〜3.5Vと安定していることが確認できた。これは、以下の理由によるものと考えられる。   Subsequently, when the threshold voltages of the MOSFETs of the example and the comparative example were measured, the threshold values of the MOSFETs of the comparative example varied in the range of 2 to 10 V. It was confirmed that the voltage was stable at 3 to 3.5V. This is considered to be due to the following reasons.

比較例のMOSFETでは、MOS界面において、SiCエピタキシャル層表面が荒れているために、しきい値電圧にばらつきが生じる。これに対し、実施例のMOSFETでは、MOS界面において、SiCエピタキシャル層の表面が平坦化されており、かつ、(0001)のファセット面から構成されているため、厚さの均一なチャネル層が形成され、安定したしきい値が得られる。   In the MOSFET of the comparative example, since the surface of the SiC epitaxial layer is rough at the MOS interface, the threshold voltage varies. On the other hand, in the MOSFET of the embodiment, the surface of the SiC epitaxial layer is flattened at the MOS interface and the facet surface of (0001) is formed, so that a channel layer having a uniform thickness is formed. And a stable threshold is obtained.

以上の測定結果から明らかなように、水素アニールによって表面特性が改善されたSiCエピタキシャル層(表面粗さ:1nm以下)102を用いてMOSFETを作製すると、MOS界面でキャリアの散乱が生じることを防止でき、かつ、界面準位密度を低減できる。従って、チャネル移動度を高めることができ、電流密度の高いドレイン電流を流すことができる。また、SiCエピタキシャル層の表面凹凸に起因する電気特性のばらつきを小さく抑えることができるので、信頼性を向上できる。   As is apparent from the above measurement results, when a MOSFET is manufactured using the SiC epitaxial layer (surface roughness: 1 nm or less) 102 whose surface characteristics are improved by hydrogen annealing, carrier scattering is prevented from occurring at the MOS interface. And the interface state density can be reduced. Accordingly, channel mobility can be increased and a drain current having a high current density can be supplied. Moreover, since the variation in the electrical characteristics due to the surface unevenness of the SiC epitaxial layer can be suppressed, the reliability can be improved.

なお、本実施形態のMOSFETでは、SiCエピタキシャル層102の表面全体の表面粗さが1nm以下に低減されているが、SiCエピタキシャル層102の表面のうち少なくともゲート絶縁膜111に接する部分の表面粗さが1nm以下に低減されていれば、上述した効果が得られる。   In the MOSFET of the present embodiment, the surface roughness of the entire surface of the SiC epitaxial layer 102 is reduced to 1 nm or less. However, the surface roughness of at least a portion of the surface of the SiC epitaxial layer 102 that is in contact with the gate insulating film 111. If the thickness is reduced to 1 nm or less, the above-described effects can be obtained.

本実施形態のMOSFETの製造方法は、図7(a)〜(f)を参照しながら前述した方法に限定されない。例えば、SiCエピタキシャル層102に不純物イオンの注入を行う前に、SiCエピタキシャル層102に対する水素アニールを行ってその表面を平坦化しているが、不純物イオン層105’、108’、109’を形成した後に、水素アニールを行うこともできる。このとき、SiCエピタキシャル層102の表面を平坦化するための水素アニールと、不純物イオン層105’、108’、109’に対する活性化アニールとを同一の加熱炉を用いて、同一のプロセスで行うと有利である。   The method for manufacturing the MOSFET of the present embodiment is not limited to the method described above with reference to FIGS. For example, before the impurity ions are implanted into the SiC epitaxial layer 102, hydrogen annealing is performed on the SiC epitaxial layer 102 to planarize the surface, but after the impurity ion layers 105 ′, 108 ′, and 109 ′ are formed. Hydrogen annealing can also be performed. At this time, hydrogen annealing for planarizing the surface of the SiC epitaxial layer 102 and activation annealing for the impurity ion layers 105 ′, 108 ′, and 109 ′ are performed in the same process using the same heating furnace. It is advantageous.

以下、図8(a)〜(c)を参照しながら、水素アニールと活性化アニールとを同時に行う場合のMOSFETの製造方法の一例を説明する。簡単のため、図7(a)〜(f)と同様の構成要素には同じ参照符号を付けて、説明を省略する。   Hereinafter, an example of a MOSFET manufacturing method in the case where hydrogen annealing and activation annealing are performed simultaneously will be described with reference to FIGS. For simplicity, the same components as those in FIGS. 7A to 7F are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

まず、図8(a)に示すように、SiC基板101の上に、SiCエピタキシャル層102を形成する。SiCエピタキシャル層102の表面には、ステップバンチング103が形成されている。   First, as shown in FIG. 8A, a SiC epitaxial layer 102 is formed on a SiC substrate 101. Step bunching 103 is formed on the surface of SiC epitaxial layer 102.

次いで、図8(b)に示すように、SiCエピタキシャル層102に第1、第2および第3の不純物イオン層105’、108’、109’を形成する。これらの不純物イオン層の形成方法は、図7(c)および(d)を参照しながら前述した方法と同様である。ただし、SiCエピタキシャル層102の表面形状(ステップバンチング103)に起因して、不純物イオン層105’、108’、109’の下面に凹凸が生じる場合がある。   Next, as shown in FIG. 8B, first, second and third impurity ion layers 105 ′, 108 ′ and 109 ′ are formed in the SiC epitaxial layer 102. The method for forming these impurity ion layers is the same as that described above with reference to FIGS. 7C and 7D. However, due to the surface shape of the SiC epitaxial layer 102 (step bunching 103), irregularities may occur on the lower surfaces of the impurity ion layers 105 ', 108', and 109 '.

この後、図8(c)に示すように、不純物イオン層105’、108’、109’の不純物イオンを活性化させるとともに、SiCエピタキシャル層102の表面を平坦化させるためのアニールを行う。   Thereafter, as shown in FIG. 8C, the impurity ions in the impurity ion layers 105 ′, 108 ′, and 109 ′ are activated, and annealing for flattening the surface of the SiC epitaxial layer 102 is performed.

具体的には、図1に示す加熱炉200のチャンバー163に不純物イオン層105’、108’、109’が形成されたSiC基板101を設置し、チャンバー163の内部の圧力を10kPa以下に保ちつつ、チャンバー163に水素ガスを供給しながら、基板温度が1500℃になるように加熱する。これにより、不純物イオンを活性化させると同時に、SiCエピタキシャル層102の表面が水素原子によってエッチングされてステップバンチング103が低減されるだけでなく、活性化アニールに起因するSiCエピタキシャル層102の表面荒れも抑制できる。   Specifically, SiC substrate 101 on which impurity ion layers 105 ′, 108 ′, and 109 ′ are formed is installed in chamber 163 of heating furnace 200 shown in FIG. 1, and the pressure inside chamber 163 is kept at 10 kPa or less. While the hydrogen gas is supplied to the chamber 163, heating is performed so that the substrate temperature becomes 1500 ° C. As a result, the impurity ions are activated, and at the same time, the surface of the SiC epitaxial layer 102 is etched by hydrogen atoms to reduce the step bunching 103, and the surface roughness of the SiC epitaxial layer 102 due to the activation annealing is also reduced. Can be suppressed.

この後、図示しないが、図7(f)を参照しながら前述したように、ゲート絶縁膜111、ソース電極112、ゲート電極113およびドレイン電極114を形成し、MOSFETを得る。   Thereafter, although not shown, the gate insulating film 111, the source electrode 112, the gate electrode 113, and the drain electrode 114 are formed as described above with reference to FIG.

図8に示す方法によると、表面保護用のカーボン膜を形成することなく、より簡便なプロセスで、SiCエピタキシャル層102の表面凹凸が大幅に低減されたMOSFETを製造できる。   According to the method shown in FIG. 8, a MOSFET in which the surface unevenness of the SiC epitaxial layer 102 is significantly reduced can be manufactured by a simpler process without forming a carbon film for surface protection.

本実施形態では反転型のMOSFETについて説明したが、蓄積型のMOSFETに本発明を適用しても同様の効果が得られる。また、MOSFETに限らず、基板表面でショットキー障壁を有するMESFETなどの炭化珪素半導体素子にも本発明を適用でき、本実施形態で説明した効果と同様の効果が得られる。   Although the inversion type MOSFET has been described in the present embodiment, the same effect can be obtained even if the present invention is applied to a storage type MOSFET. Further, the present invention can be applied not only to MOSFETs but also to silicon carbide semiconductor elements such as MESFETs having a Schottky barrier on the substrate surface, and the same effects as those described in the present embodiment can be obtained.

また、上述した実施形態では、何れも4H−SiC基板のシリコン面にSiCをエピタキシャル成長させているが、カーボン面に成長させてもよい。ただし、シリコン面にエピタキシャル成長させると、カーボン面にエピタキシャル成長させる場合よりもエピタキシャル層の表面粗さが大きくなるため、水素アニールを行うことによるメリットが特に大きい。   In the above-described embodiments, SiC is epitaxially grown on the silicon surface of the 4H—SiC substrate, but may be grown on the carbon surface. However, when epitaxial growth is performed on the silicon surface, the surface roughness of the epitaxial layer becomes larger than when epitaxial growth is performed on the carbon surface, so that the merit of performing hydrogen annealing is particularly great.

本発明は、オフ角を有するSiC基板を用いた炭化珪素半導体素子に広く適用できる。上述した実施形態では、オフ角が4°の4H−SiC基板を用いているが、本発明で用いるSiC基板のオフ角はこれに限定されない。例えば0°より大きく10°以下のオフ角を有するSiC基板の表面に形成されたエピタキシャル層に対して水素アニールを行って平坦化してもよい。なお、上述したように、オフ角が3°より大きく5°以下であれば、エピタキシャル層の表面凹凸をより効果的に低減できるので有利である。   The present invention can be widely applied to silicon carbide semiconductor elements using an SiC substrate having an off angle. In the embodiment described above, a 4H—SiC substrate having an off angle of 4 ° is used, but the off angle of the SiC substrate used in the present invention is not limited to this. For example, the epitaxial layer formed on the surface of the SiC substrate having an off angle of greater than 0 ° and less than or equal to 10 ° may be planarized by performing hydrogen annealing. As described above, if the off angle is larger than 3 ° and not larger than 5 °, it is advantageous because the surface irregularities of the epitaxial layer can be more effectively reduced.

さらに、SiC基板のポリタイプも4H−SiCに限定されず、他のポリタイプ(例えば6H−SiC)であってもよいが、4H−SiC基板を用いた炭化珪素半導体素子に本発明を適用すると、特に有利である。4H−SiC基板表面では、6H−SiC基板表面よりもテラス幅が長く、ステップ高さの大きいステップバンチングが形成されやすいため、本発明の水素アニールを適用してステップバンチングを低減することによって、素子特性を大幅に向上できるからである。   Furthermore, the polytype of the SiC substrate is not limited to 4H—SiC, and may be other polytypes (for example, 6H—SiC). However, when the present invention is applied to a silicon carbide semiconductor element using a 4H—SiC substrate. Are particularly advantageous. On the surface of the 4H-SiC substrate, step bunching having a larger terrace width and a larger step height is easier to form than the surface of the 6H-SiC substrate. Therefore, by applying the hydrogen annealing of the present invention to reduce the step bunching, the device This is because the characteristics can be greatly improved.

本発明によると、製造プロセスを複雑にすることなく、炭化珪素エピタキシャル層の表面粗さを低減できる。従って、電気的特性に優れた信頼性の高い炭化珪素半導体素子を提供できる。   According to the present invention, the surface roughness of the silicon carbide epitaxial layer can be reduced without complicating the manufacturing process. Therefore, a highly reliable silicon carbide semiconductor element having excellent electrical characteristics can be provided.

本発明は、エピ付きSiCウエハや、MOSFET、MESFET、ショットキーダイオードなどを含む種々の炭化珪素半導体素子に広く適用できる。本発明の炭化珪素半導体素子は、家電製品や自動車、電力輸送・変換装置、産業用機器などの各種電力・電気機器に使用可能な低損失パワーデバイスに用いられ得る。   The present invention can be widely applied to various silicon carbide semiconductor elements including SiC wafers with epi, MOSFETs, MESFETs, Schottky diodes, and the like. The silicon carbide semiconductor element of the present invention can be used in low-loss power devices that can be used in various electric power / electric equipment such as home appliances, automobiles, electric power transportation / conversion devices, and industrial equipment.

本発明による実施形態で使用する加熱炉の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the heating furnace used by embodiment by this invention. (a)〜(d)は、本発明による第1の実施形態のSiCエピタキシャル層の形成方法を説明するための工程断面図である。(A)-(d) is process sectional drawing for demonstrating the formation method of the SiC epitaxial layer of 1st Embodiment by this invention. SiCエピタキシャル層の表面に発生したステップバンチングを説明するための模式的な拡大断面図である。It is a typical expanded sectional view for demonstrating the step bunching which generate | occur | produced on the surface of the SiC epitaxial layer. (a)および(b)は、実施例のエピ付き基板のAFM測定結果を示す図であり、(a)はSiCエピタキシャル層の表面のプロファイル、(b)はSiCエピタキシャル層の表面のAFM像である。(A) And (b) is a figure which shows the AFM measurement result of the board | substrate with an epi of an Example, (a) is a profile of the surface of a SiC epitaxial layer, (b) is an AFM image of the surface of a SiC epitaxial layer. is there. 図5(a)および(b)は、比較例のエピ付き基板のAFM測定結果を示す図であり、(a)はSiCエピタキシャル層の表面のプロファイル、(b)はSiCエピタキシャル層の表面のAFM像である。FIGS. 5A and 5B are views showing the AFM measurement results of the substrate with epi of the comparative example, where FIG. 5A is the profile of the surface of the SiC epitaxial layer, and FIG. 5B is the AFM of the surface of the SiC epitaxial layer. It is a statue. (a)〜(c)は、本発明による第2の実施形態のショットキーダイオードを製造する方法を説明するための工程断面図である。(A)-(c) is process sectional drawing for demonstrating the method to manufacture the Schottky diode of 2nd Embodiment by this invention. (a)〜(f)は、本発明による第3の実施形態のMOSFETを製造する方法を説明するための工程断面図である。(A)-(f) is process sectional drawing for demonstrating the method to manufacture MOSFET of 3rd Embodiment by this invention. (a)〜(c)は、本発明による第3の実施形態のMOSFETを製造する他の方法を説明するための工程断面図である。(A)-(c) is process sectional drawing for demonstrating the other method of manufacturing MOSFET of 3rd Embodiment by this invention. SiCのステップフロー成長のメカニズムを説明するための模式的な断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the mechanism of the step flow growth of SiC. (a)〜(c)は、SiCエピタキシャル層の表面にステップバンチングが形成されるメカニズムを説明するための模式的な断面拡大図である。(A)-(c) is a typical cross-sectional enlarged view for demonstrating the mechanism in which step bunching is formed in the surface of a SiC epitaxial layer. (a)および(b)は、それぞれ、4°のオフ角を有するSiC基板および8°のオフ角を有するSiC基板の表面形状を示す模式的な拡大断面図である。(A) And (b) is a typical expanded sectional view which shows the surface shape of the SiC substrate which has an off angle of 4 degrees, and the SiC substrate which has an off angle of 8 degrees, respectively.

符号の説明Explanation of symbols

1、31、40、101 炭化珪素基板
41 炭化珪素基板表面の原子ステップ
2、35、62、103 ステップバンチング
2t ステップバンチングのテラス
2d ステップバンチングの段差
3、33、42、102 炭化珪素エピタキシャル層
5 水素原子
7、37,104 反応生成物
9 ステップバンチングのキンク
39 ショットキー電極
38 オーミック電極
105’、108’、109’ 不純物イオン注入層
105 p型ウェル領域
106 注入マスク
107 ドリフト領域
108 n型ソース領域
109 p型コンタクト領域
110 キャップ層(カーボン膜)
111 ゲート絶縁膜
112 ソース電極
114 ドレイン電極
113 ゲート電極
150 反応炉
151 試料
152 サセプタ
153 サセプタ支持軸
154 コイル
155 アルゴンガス
156 炭化珪素の原料ガス
157 酸素ガス
158 ガス供給系
159 ガス排気系
160 排気ガス用配管
161 圧力調整バルブ
162 断熱材
163 チャンバー
1, 31, 40, 101 Silicon carbide substrate 41 Atomic step 2, 35, 62, 103 on the surface of silicon carbide substrate Step bunching 2t Step bunching terrace 2d Step bunching step 3, 33, 42, 102 Silicon carbide epitaxial layer 5 Hydrogen Atomic 7, 37, 104 Reaction product 9 Step bunching kink 39 Schottky electrode 38 Ohmic electrode 105 ', 108', 109 'Impurity ion implantation layer 105 P-type well region 106 Implant mask 107 Drift region 108 N-type source region 109 p-type contact region 110 cap layer (carbon film)
111 Gate insulating film 112 Source electrode 114 Drain electrode 113 Gate electrode 150 Reactor 151 Sample 152 Susceptor 153 Susceptor support shaft 154 Coil 155 Argon gas 156 Silicon carbide source gas 157 Oxygen gas 158 Gas supply system 159 Gas exhaust system 160 For exhaust gas Piping 161 Pressure adjusting valve 162 Heat insulating material 163 Chamber

Claims (20)

4H−SiC基板と、
前記4H−SiC基板の表面に形成されたSiCエピタキシャル層と
を備え、
前記4H−SiC基板は3°より大きく5°以下のオフ角を有しており、
前記SiCエピタキシャル層の少なくとも一部の表面は、1nm以下の表面粗さを有している炭化珪素半導体素子。
A 4H-SiC substrate;
A SiC epitaxial layer formed on the surface of the 4H-SiC substrate,
The 4H—SiC substrate has an off angle greater than 3 ° and less than or equal to 5 °,
A silicon carbide semiconductor device, wherein at least a part of the surface of the SiC epitaxial layer has a surface roughness of 1 nm or less.
前記SiCエピタキシャル層の前記少なくとも一部の表面は、機械的または化学的研磨による研磨痕を有していない請求項1に記載の炭化珪素半導体素子。   2. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the at least part of the surface of the SiC epitaxial layer does not have a polishing mark by mechanical or chemical polishing. 前記SiCエピタキシャル層の前記少なくとも一部の表面は、複数の微小なステップを有し、各ステップは(0001)面から構成される面を含んでおり、各ステップの高さは1nm以下である請求項1または2に記載の炭化珪素半導体素子。   The at least part of the surface of the SiC epitaxial layer has a plurality of minute steps, and each step includes a plane composed of (0001) planes, and the height of each step is 1 nm or less. Item 3. The silicon carbide semiconductor device according to Item 1 or 2. 前記SiCエピタキシャル層の表面に接する電極をさらに備え、
前記電極と前記SiCエピタキシャル層との界面の少なくとも一部はショットキー障壁を形成している請求項1から3のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子。
An electrode in contact with the surface of the SiC epitaxial layer;
4. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein at least a part of an interface between the electrode and the SiC epitaxial layer forms a Schottky barrier. 5.
前記電極に接する前記SiCエピタキシャル層の表面の表面粗さは1nm以下である請求項4に記載の炭化珪素半導体素子。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 4, wherein the surface roughness of the surface of the SiC epitaxial layer in contact with the electrode is 1 nm or less. 前記SiCエピタキシャル層の表面に接するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、
前記SiCエピタキシャル層の一部に電気的に接続されたソース電極と、
前記4H−SiC基板の前記表面に対向する面に設けられたドレイン電極と
をさらに備えた請求項1から3のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子。
A gate insulating film in contact with the surface of the SiC epitaxial layer;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
A source electrode electrically connected to a portion of the SiC epitaxial layer;
The silicon carbide semiconductor element according to claim 1, further comprising a drain electrode provided on a surface facing the surface of the 4H—SiC substrate.
前記ゲート酸化膜に接する前記SiCエピタキシャル層の表面の表面粗さは1nm以下である請求項6に記載の炭化珪素半導体素子。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 6, wherein the surface roughness of the surface of the SiC epitaxial layer in contact with the gate oxide film is 1 nm or less. ウエハ状の4H−SiC基板と、
前記4H−SiC基板の表面に形成されたSiCエピタキシャル層と
を備え、
前記4H−SiC基板は3°より大きく5°以下のオフ角を有しており、
前記SiCエピタキシャル層の表面粗さは1nm以下であるエピ付きウエハ。
A wafer-like 4H-SiC substrate;
A SiC epitaxial layer formed on the surface of the 4H-SiC substrate,
The 4H—SiC substrate has an off angle greater than 3 ° and less than or equal to 5 °,
An epitaxial wafer with a surface roughness of the SiC epitaxial layer of 1 nm or less.
前記SiCエピタキシャル層の表面は機械的または化学的研磨による研磨痕を有していない請求項8に記載のエピ付きウエハ。   The wafer with an epitaxial structure according to claim 8, wherein a surface of the SiC epitaxial layer does not have a polishing mark by mechanical or chemical polishing. 前記SiCエピタキシャル層の表面は複数の微小なステップを有し、各ステップは(0001)面から構成される面を含んでおり、ステップの高さは1nm以下である請求項8または9に記載のエピ付きウエハ。   10. The surface of the SiC epitaxial layer has a plurality of minute steps, each step includes a plane composed of (0001) planes, and the step height is 1 nm or less. Epi wafer. (a)表面にSiCエピタキシャル層が形成されたSiCバルク基板を用意する工程と、
(b)前記SiCエピタキシャル層が形成されたSiCバルク基板を水素を含む雰囲気中で加熱することにより、前記SiCエピタキシャル層の表面粗さを低減する工程と
を包含する炭化珪素半導体素子の製造方法。
(A) preparing a SiC bulk substrate having a SiC epitaxial layer formed on the surface;
(B) A method of manufacturing a silicon carbide semiconductor element, comprising: heating a SiC bulk substrate on which the SiC epitaxial layer is formed in an atmosphere containing hydrogen to reduce the surface roughness of the SiC epitaxial layer.
前記SiCバルク基板は4H−SiC基板である請求項11に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 11, wherein the SiC bulk substrate is a 4H—SiC substrate. 前記SiCバルク基板は3°より大きく5°以下のオフ角を有する請求項11または12に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to claim 11, wherein the SiC bulk substrate has an off angle of greater than 3 ° and less than or equal to 5 °. 前記工程(b)を1kPa以上10kPa以下の圧力で行う請求項11から13のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to claim 11, wherein the step (b) is performed at a pressure of 1 kPa to 10 kPa. 前記工程(b)は、前記SiCバルク基板を1200℃以上1500℃以下の温度に加熱する工程を含む請求項11から14のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 11, wherein the step (b) includes a step of heating the SiC bulk substrate to a temperature of 1200 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. 前記工程(b)を、水素および希ガスを含む雰囲気中で行う請求項11から15のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 11, wherein the step (b) is performed in an atmosphere containing hydrogen and a rare gas. 前記工程(a)は、前記SiCエピタキシャル層を前記SiCバルク基板の表面に成長させる工程(a1)を含み、
前記工程(a1)と前記工程(b)とを同一のチャンバー内で行う請求項11から16のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
The step (a) includes a step (a1) of growing the SiC epitaxial layer on the surface of the SiC bulk substrate,
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to claim 11, wherein the step (a1) and the step (b) are performed in the same chamber.
前記工程(b)の後に、
前記SiCエピタキシャル層に不純物イオンを注入する工程と、
前記SiCエピタキシャル層の表面に炭素からなるキャップ層を設ける工程と、
前記キャップ層が設けられた前記SiCエピタキシャル層に対して、活性化アニールを行い、前記SiCエピタキシャル層に注入された前記不純物イオンを活性化させる工程と、
をさらに含む請求項11から17のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
After step (b)
Implanting impurity ions into the SiC epitaxial layer;
Providing a cap layer made of carbon on the surface of the SiC epitaxial layer;
Activating annealing the SiC epitaxial layer provided with the cap layer to activate the impurity ions implanted into the SiC epitaxial layer;
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to claim 11, further comprising:
前記工程(a)と前記工程(b)との間に、
前記SiCエピタキシャル層に不純物イオンを注入する工程
をさらに含み、
前記工程(b)は、前記SiCエピタキシャル層の表面粗さを低減するとともに、前記SiCエピタキシャル層に注入された前記不純物イオンを活性化させる工程である請求項11から16のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子。
Between the step (a) and the step (b),
Further comprising implanting impurity ions into the SiC epitaxial layer;
The carbonization according to any one of claims 11 to 16, wherein the step (b) is a step of reducing the surface roughness of the SiC epitaxial layer and activating the impurity ions implanted into the SiC epitaxial layer. Silicon semiconductor element.
(a)表面にSiCエピタキシャル層が形成されたウエハ状のSiCバルク基板を用意する工程と、
(b)前記SiCエピタキシャル層が形成されたSiCバルク基板を水素を含む雰囲気中で加熱することにより、前記SiCエピタキシャル層の表面粗さを低減する工程と
を包含するエピ付きウエハの製造方法。
(A) preparing a wafer-like SiC bulk substrate having a SiC epitaxial layer formed on the surface;
(B) A method of manufacturing a wafer with an epi including a step of reducing the surface roughness of the SiC epitaxial layer by heating the SiC bulk substrate on which the SiC epitaxial layer is formed in an atmosphere containing hydrogen.
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