JP2011100890A - ＳｉＣ結晶成長層の製造方法およびバイポーラ型半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】層厚さが厚くてもＳｉＣ結晶中にある炭素空孔を低減できるＳｉＣ結晶成長層の製造方法を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ結晶成長層としてのドリフト層２３を成長させる工程内に、シリコン原料ガスであるシランと炭素原料ガスであるプロパンのうちのプロパンのみを結晶成長表面に供給する第２の期間を設けている。このことで、結晶成長表面の炭素の過飽和度を上げ、成長途中の表面に過剰な格子間炭素を発生させる。これにより、成長後のＳｉＣ結晶成長層としてのドリフト層２３の表面から離れている比較的深い箇所での炭素空孔を減少させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＳｉＣ結晶成長層の炭素空孔を低減できるＳｉＣ結晶成長層の製造方法およびオン電圧を低減できるＳｉＣバイポーラ型半導体素子に関する。

例えば、ＳｉＣで３０ｋＶ級の半導体素子を作製する場合、ドリフト層の厚さを３００μｍ以上にする必要がある。このような厚いドリフト層を有するＳｉＣ半導体素子では、オン電圧を４Ｖ以下にするためには、１５μ秒以上のキャリアライフタイムが必要となる。すなわち、高耐圧半導体素子では、そのオン電圧を十分に下げるためにキャリアライフタイムを十分に長くする必要がある。

しかし、上記厚いドリフト層を有するＳｉＣ半導体素子では、実使用時と同じようなキャリアの注入が多い状態で測定されたキャリアライフタイムは３μ秒程度と短くなっている。

このようなキャリアライフタイムの低下は、特許文献１(特開２００８‐０５３６６７号公報)では、ＳｉＣ結晶中にある炭素空孔が原因であることが記載されている。この特許文献１では、ＳｉＣ結晶成長終了後に、ＳｉＣ結晶に炭素イオンを注入することで格子間炭素原子をＳｉＣ結晶の表面に導入し、加熱により、上記格子間炭素原子を拡散させ、ＳｉＣ結晶の炭素空孔を減少させて、ライフタイムを向上させる方法が開示されている。

しかし、上記方法では、ＳｉＣ結晶からなるドリフト層が厚いと、ＳｉＣ結晶の表面から導入した炭素原子をドリフト層全体に均一に拡散させることができない。このため、ドリフト層内の表面から離れている比較的深い箇所では炭素空孔を減少させることができなくなり、キャリアライフタイムが改善できなくなり、オン電圧を十分に下げることができないという問題がある。

特開２００８−０５３６６７号公報

そこで、この発明の課題は、層厚さが厚くてもＳｉＣ結晶中にある炭素空孔を低減できるＳｉＣ結晶成長層の製造方法およびオン電圧を十分に下げることができるＳｉＣバイポーラ型半導体素子を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法は、シリコン原料ガスと炭素原料ガスとを結晶成長表面に供給してＳｉＣ結晶成長層を成長させている途中に、上記結晶成長表面へのシリコン原料ガスの供給を中断するが上記結晶成長表面への上記炭素原料ガスの供給を継続する期間を設けることを特徴としている。

この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法によれば、ＳｉＣ結晶成長層を成長させる期間内に、シリコン原料ガスと炭素原料ガスのうちの炭素原料ガスのみを結晶成長表面に供給する期間を設けることで、結晶成長表面の炭素の過飽和度を上げ、成長途中の表面の過剰な炭素が格子間炭素となり、結晶中に拡散する。これにより、成長後のＳｉＣ結晶成長層の表面から離れている比較的深い箇所での炭素空孔を減少させることができる。よって、この発明によれば、キャリアライフタイムが長くオン電圧が低いＳｉＣ半導体素子のドリフト層を構成するＳｉＣ結晶成長層を作製できる。

また、一実施形態のＳｉＣ結晶成長層の製造方法では、上記ＳｉＣ結晶成長層を成長させている途中に、上記結晶成長表面へのシリコン原料ガスの供給を中断するが上記結晶成長表面への上記炭素原料ガスの供給を継続する期間を複数設ける。

この実施形態によれば、ＳｉＣ結晶成長層を成長させている期間内に、シリコン原料ガスと炭素原料ガスのうちの炭素原料ガスのみを結晶成長表面に供給する期間を複数回設けることとなる。これにより、成長途中に表面に過剰な炭素を複数回発生させ、格子間炭素を結晶中の深さの異なる複数箇所に拡散させるので、厚いＳｉＣ結晶成長層の比較的深い箇所から比較的浅い箇所までの範囲に亘って炭素空孔を減少させることができる。よって、この実施形態によれば、キャリアライフタイムが長くオン電圧が低くて高耐圧のＳｉＣ半導体素子の厚いドリフト層を構成するＳｉＣ結晶成長層を作製できる。

また、一実施形態のバイポーラ型半導体素子は、上記ＳｉＣ結晶成長層の製造方法によって作製されたＳｉＣ結晶成長層をドリフト層として備えている。したがって、この実施形態によれば、キャリアライフタイムが長いＳｉＣ結晶成長層をドリフト層としたオン電圧が低いＳｉＣバイポーラ型半導体素子を実現できる。

この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法によれば、成長後のＳｉＣ結晶成長層の表面から離れている比較的深い箇所での炭素空孔を減少させることができる。よって、この発明によれば、キャリアライフタイムが長くオン電圧が低いＳｉＣバイポーラ型半導体素子のドリフト層となるＳｉＣ結晶成長層を作製できる。

この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法の第１実施形態によって作製したＳｉＣ結晶成長層をドリフト層として備えたＳｉＣ ｐｉｎダイオードの断面を示す断面図である。 この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法の第２実施形態によって作製したＳｉＣ結晶成長層をドリフト層として備えたｎｐｎバイポーラトランジスタの断面を示す断面図である。 この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法の第３実施形態によって作製したＳｉＣ結晶成長層をドリフト層として備えたバイポーラ半導体素子であるＩＧＢＴの断面を示す断面図である。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

(第１の実施の形態)
図１に、この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法の第１実施形態によって作製したＳｉＣ結晶成長層をドリフト層２３として備えたＳｉＣ ｐｉｎダイオード２０の断面を示す。このＳｉＣ ｐｉｎダイオード２０は、第１の導電型としてのｎ型の４Ｈ型ＳｉＣで作製した基板２１の上に、以下に説明する半導体層が形成されている。なお、４Ｈ型の「Ｈ」は六方晶を表し、４Ｈ型の「４」は原子積層が４層周期となる結晶構造を表している。

上記ｎ型の４Ｈ型ＳｉＣ基板２１上に、順次、不純物濃度が５×１０^１５ｃｍ^−３のｎ型４Ｈ−ＳｉＣ、ｐ型(第２の導電型)４Ｈ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させて、上記エピタキシャルｐｉｎダイオード２０が作製されている。

図１に示すｎ型の４Ｈ型ＳｉＣ基板２１は、改良レーリー法によって成長させたインゴットをオフ角θを８度にしてスライスし、鏡面研磨することによって作製した。ホール効果測定法によって求めたＳｉＣ基板２１のキャリヤ密度は８×１０^１８ｃｍ^−３、厚さは４００μｍである。

カソードとなる基板２１のＣ面(カーボン面)に、ＣＶＤ法によって窒素ドープｎ型ＳｉＣ層(ｎ型成長層)とアルミニウムドープｐ型ＳｉＣ層(ｐ型成長層)を順次エピタキシャル成長で形成する。上記窒素ドープｎ型ＳｉＣ層であるｎ型成長層が、図１に示すｎ型のバッファ層２２とｎ型のドリフト層２３となる。バッファ層２２はドナー密度７×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚は１０μｍである。なお、バッファ層２２は必ずしも必要ではなくこれを形成しない場合もある。一方、ドリフト層２３はドナー密度約５×１０^１５ｃｍ^−３、膜厚は３００μｍである。

一方、上記アルミニウムドープｐ型ＳｉＣ層であるｐ型成長層が、アノードとなるｐ型接合層２４とｐ＋型コンタクト層２５となる。このｐ型接合層２４はアクセプタ密度５×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚は１．５μｍである。また、ｐ＋型コンタクト層２５はアクセプタ密度約１×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚は０．５μｍである。

上述の如く、このｐｉｎダイオード２０は、上記ＳｉＣ基板２１の上にｎ型バッファ層２２、ｎ型ドリフト層２３、ｐ型接合層２４およびｐ＋型コンタクト層２５を順次形成したものであるが、作製時の処理条件を以下により詳しく説明する。

先ず、このｐｉｎダイオード２０は、材料ガスとして、シラン(ＳｉＨ_４)およびプロパン(Ｃ_３Ｈ_８)を用いる。ドーパントガスとして窒素(Ｎ_２)およびトリメチルアルミニウム(Ａｌ(ＣＨ_３)_３) を用いる。また、キャリアガスとして水素(Ｈ_２)を用いる。各ガスの流量は、ｓｃｃｍ(standard cc per minute)または、ｓｌｍ(standard liter minute)で表す。圧力は、ｋＰａ(ｋilo pascal)で表す。また、以下の説明において、各ガスの名称の後に付したかっこ内の数値は流量を表す。また、基板２１の温度は１５５０℃に保たれており、処理チャンバー内の圧力は５．６ｋＰａに保たれている。

ＳｉＣ基板２１のＣ面にｎ型ＳｉＣ成長層であるバッファ層２２を形成する工程では、シリコン原料ガスとしてのシラン(３０ｓｃｃｍ)、炭素原料ガスとしてのプロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(３０ｓｃｃｍ)およびキャリアガスとしての水素(１０ｓｌｍ)を供給する。この工程の処理時間は４０分である。

次に、ｎ型ＳｉＣ成長層であるドリフト層２３の形成工程では、先ず、第１の期間で、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(０．２ｓｃｃｍ)およびキャリアガスとしての水素(１０ｓｌｍ)を２００分間供給し、次に第２の期間で、シリコン原料ガスとしてのシランの供給を停止すると共に炭素原料ガスとしてのプロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(０．２ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を５分間だけ供給する。次に、第３の期間で、上記シランの供給だけでなく上記プロパンの供給も停止してＨＣｌ(塩化水素)ガスを３０ｓｃｃｍで５分間流す。

そして、この第１の期間と第２の期間と第３の期間とからなる１つのサイクルを５サイクルだけ繰り返す。次に、第４の期間で、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(０．２ｓｃｃｍ)およびキャリアガスとしての水素(１０ｓｌｍ)を２００分間供給する。これにより、膜厚３００μｍのｎ型ＳｉＣ成長層であるドリフト層２３を形成する。

上記ドリフト層２３の形成工程は、この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法の第１実施形態をなす。この第１実施形態によれば、ＳｉＣ結晶成長層としてのドリフト層２３を成長させている工程内に、シリコン原料ガスであるシランと炭素原料ガスであるプロパンのうちのプロパンのみを結晶成長表面に供給する第２の期間を設けている。このことで、結晶成長表面の炭素の過飽和度を上げ、成長途中の表面に過剰な炭素を発生させて格子間炭素として結晶中に拡散させる。これにより、成長後のＳｉＣ結晶成長層としてのドリフト層２３の表面から離れている比較的深い箇所での炭素空孔を減少させることができる。

また、この第１実施形態によれば、ＳｉＣ結晶成長層としてのドリフト層２３を成長させる期間内に、シランとプロパンのうちのプロパンのみを結晶成長表面に供給する第２の期間を５回設けている。これにより、ドリフト層２３の成長途中に表面に過剰な炭素を５回発生させて格子間炭素として結晶中の深さの異なる５箇所に拡散させるので、膜厚３００μｍの厚いドリフト層２３の比較的深い箇所から比較的浅い箇所までの範囲に亘って炭素空孔を減少させることができる。よって、この実施形態によれば、膜厚３００μｍの厚いドリフト層２３のキャリアライフタイムを十分長くにすることができ、オン電圧が低くて３０ｋＶ級の高耐圧のＳｉＣ ｐｉｎダイオードを実現可能になる。例えば、実使用時と同じようなキャリアの注入が多い状態で測定されたキャリアライフタイムを１５μ秒以上にすることができると共に、室温における順方向電流密度１００Ａ／ｃｍ^２でのオン電圧を４Ｖ以下にできた。

なお、上記ドリフト層２３の形成工程では、上記第１の期間と第２の期間と第３の期間とからなる１つのサイクルを５サイクルだけ繰り返したが、この繰り返し回数は６サイクル以上でもよく、４サイクル以下でもよい。

次に、Ｐ型接合層２４の形成工程では、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、トリメチルアルミニウム(１５ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を供給する。この工程の処理時間は６分である。また、ｐ＋型コンタクト層２５の形成工程では、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、トリメチルアルミニウム(３０ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を供給する。この工程の処理時間は２分である。

上記の各形成工程の処理により、このｐｉｎダイオード用のＳｉＣエピタキシャルウェーハを作製できる。なお、上述のようなエピタキシャル成長の後、基板２１の全ての部分をＣＭＰ(化学的機械的研磨)にて除去してもよい。

次に、上記ＳｉＣエピタキシャルウェーハに、次に説明する加工を施すことによって、図１に示すｐｉｎダイオード２０を作製できる。

まず、反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)によりＳｉＣエピタキシャルウエーハの両端部を除去してメサ構造に加工する。このＲＩＥにおけるエッチングガスとしては、ＣＦ_４(４弗化炭素)とＯ_２を用いて、プラズマ処理装置により、圧力５Ｐａ、高周波電力２６０Ｗの条件で深さ約２．５μｍまでエッチングした。また、このときのマスク材料として、ＣＶＤによって堆積したＳｉＯ_２膜(厚さ１０μｍ)を用いた。

次に、エッチングにより形成したメサ底部での電界集中を緩和するために、メサ底部に幅２５０μｍ、深さ０．７μｍのｐ型ＪＴＥ(ジャンクション・ターミネーション・エクステンション)２６を設けた。このｐ型ＪＴＥ２６は、Ａｌイオン注入により形成した。このＡｌイオン注入のエネルギーは３０〜４５０ｋｅＶの間で６段階に変え、トータルドーズ量は１．２×１０^１３ｃｍ^−２である。また、このｐ型ＪＴＥ２６の形成時には、ＪＴＥ２６の注入層がボックスプロファイルとなるように設計した。イオン注入は全て室温で行い、イオン注入のマスクには、グラファイト(厚さ５μｍ)を用いた。注入イオンの活性化のための熱処理をアルゴンガス雰囲気中で１７００℃、３分の条件で行った。アニールの後、温度１２００℃、３時間のウェット酸化により保護膜としての熱酸化膜２７を形成した。なお、図１において、３０は、絶縁保護膜(もしくは酸化膜)である。

次に、基板２１の下面に、Ｎｉ(厚さ３５０ｎｍ)を形成しカソード電極２８とする。Ｐ＋型コンタクト層２５上に、Ｔｉ(チタン：厚さ３５０ｎｍ)とＡｌ(アルミニウム：厚さ１００ｎｍ)の膜をそれぞれを蒸着し、アノード電極２９とする。アノード電極２９は、Ｔｉ層２９ａとＡｌ層２９ｂから構成されている。最後に、１０００℃で２０分間の熱処理を行って、カソード電極２８およびアノード電極２９をそれぞれオーミック電極にする。ｐｎ接合のサイズは直径が２．６ｍｍφでありほぼ円形である。なお、このｐｉｎダイオード２０ではアルミニウムイオン注入によってｐ型ＪＴＥ２６を形成したが、ボロン(Ｂ)のイオン注入を用いた場合でも同様の効果がある。

このｐｉｎダイオード２０の耐電圧は３０ｋＶであり、オン電圧(室温,順方向電流密度１００Ａ/ｃｍ^２)は４．０Ｖ以下であった。

また、このｐｉｎダイオード２０は、室温における順方向電流密度１００Ａ／ｃｍ^２での通電開始直後と１時間通電後の順方向電圧差ΔＶｆは、０．１Ｖ以下でほとんど差がなく、１時間の通電後もほとんど劣化していなかった。

一方、上記実施形態におけるドリフト層２３の形成工程で、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(０．２ｓｃｃｍ)およびキャリアガスとしての水素(１０ｓｌｍ)を連続的に１２００分間供給して膜厚３００μｍのｎ型ＳｉＣドリフト層を形成した以外は、上述と同様の製造工程で比較例としてのｐｉｎダイオードを作製した。

この比較例のｐｉｎダイオードでは、耐電圧は３０ｋＶであり、オン電圧(室温,順方向電流密度１００Ａ/ｃｍ^２)は２０Ｖであった。また、この比較例のｐｉｎダイオードでは、室温における順方向電流密度１００Ａ／ｃｍ^２での通電開始直後と１時間通電後の順方向電圧差ΔＶｆは、０．１Ｖであった。

以上のように、本実施形態のＳｉＣ結晶成長層の製造方法によれば、高耐圧のための厚いドリフト層２３のキャリアライフタイムを十分に長くでき、オン電圧が低くて高耐圧のＳｉＣ ｐｉｎダイオードを実現できる。

尚、上記実施形態では、ドリフト層２３の厚さを３００μｍとしたが、ドリフト層２３の厚さを３００μｍ以上としてもよい。

(第２の実施の形態)
次に、図２に、この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法の第２実施形態によって作製したＳｉＣ結晶成長層をドリフト層５３として備えたｎｐｎバイポーラトランジスタ５０の断面を示す。このｎｐｎバイポーラトランジスタ５０は、ｎ型の４Ｈ型ＳｉＣの基板５１を採用している。この基板５１は、面方位が（０００−１）カーボン面２から８度のオフ角θの面を持つ。このｎ型の４Ｈ型ＳｉＣの基板上に、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣの順番で連続的にエピタキシャル成長させることで作製されている。

ｎ型の４Ｈ型ＳｉＣの基板５１は、改良レーリー法によって成長したインゴットをオフ角θが８度となるようにスライスし、鏡面研磨することによって作製した。コレクタとなる基板５１はｎ型であり、ホール効果測定法によって測定したキャリヤ密度は８×１０^１８ｃｍ^−３、厚さは４００μｍである。この基板５１のＣ面(カーボン面)の上に、ＣＶＤ法によって窒素ドープｎ型ＳｉＣ層のバッファ層５２とドリフト層５３を成膜する。

このドリフト層５３の上にアルミドープｐ型ＳｉＣのｐ型成長層５４、および窒素ドープｎ型ＳｉＣ層のｎ型成長層５５を順番にエピタキシャル成長法で成膜した。バッファ層５２とドリフト層５３がｎ型コレクタ層になる。バッファ層５２はドナー密度７×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚は１０μｍである。

一方、上記ドリフト層５３はドナー密度約５×１０^１５ｃｍ^−３、膜厚は３００μｍである。また、ｐ型ベース層となるｐ型成長層５４はアクセプタ密度２×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚は１μｍである。また、ｎ型成長層５５はドナー密度約７×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚は０．７５μｍである。

次に、上記ｎｐｎバイポーラトランジスタ５０の製造工程を説明する。

ｎ型の４Ｈ型ＳｉＣの基板５１は、改良レーリー法によって成長したインゴットをオフ角θが８度となるようにスライスし、鏡面研磨することによって作製した。コレクタとなる基板５１はｎ型であり、ホール効果測定法によって測定したキャリヤ密度は８×１０^１８ｃｍ^−３、厚さは４００μｍである。この基板５１のＣ面の上に、ＣＶＤ法によって窒素ドープｎ型ＳｉＣ層のバッファ層５２とドリフト層５３を成膜する。

まず、材料ガスとして、シラン(ＳｉＨ_４)およびプロパン(Ｃ_３Ｈ_８)を用いる。ドーパントガスとして窒素(Ｎ_２)およびトリメチルアルミニウム{Ａｌ(ＣＨ_３)_３}を用いる。また、キャリアガスとして水素(Ｈ_２)を用いる。各ガスの流量は、ｓｃｃｍ(standard cc per minute)または、ｓｌｍ(standard liter minute)で表す。また、圧力は、ｋＰａ(ｋilo pascal)で表す。そして、以下の説明において、各ガスの名称の後に付したかっこ内の数値は流量を表す。ＳｉＣ基板５１の温度は１５５０℃に保たれており、処理チャンバー内の圧力は５．６ｋＰａに保たれている。

ＳｉＣ基板５１にｎ型ＳｉＣ層であるバッファ層５２を形成する工程では、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(３０ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を供給する。この工程の処理時間は４０分である。

また、ｎ型ＳｉＣ層であるドリフト層５３を形成する工程では、先ず、第１の期間で、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(０．２ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を２００分間供給し、次に第２の期間で、シリコン原料ガスとしてのシランの供給を停止すると共に炭素原料ガスとしてのプロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(０．２ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を５分間だけ供給する。次に、第３の期間で、上記シランの供給だけでなく上記プロパンの供給も停止してＨＣｌ(塩化水素)ガスを３０ｓｃｃｍで５分間流す。

そして、この第１の期間と第２の期間と第３の期間とからなる１つのサイクルを５サイクルだけ繰り返す。次に、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(０．２ｓｃｃｍ)およびキャリアガスとしての水素(１０ｓｌｍ)を２００分間供給する。これにより、膜厚３００μｍのｎ型ＳｉＣ成長層であるドリフト層５３を形成する。このドリフト層５３の形成工程の処理時間は、(２００分＋５分＋５分)×５＋２００分)＝１２５０分である。

上記ドリフト層５３の形成工程は、この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法の第２実施形態をなす。この第２実施形態によれば、ＳｉＣ結晶成長層としてのドリフト層５３を成長させている工程内に、シリコン原料ガスであるシランと炭素原料ガスであるプロパンのうちのプロパンのみを結晶成長表面に供給する第２の期間を設けている。このことで、結晶成長表面の炭素の過飽和度を上げ、成長途中の表面に過剰な炭素を発生させて格子間炭素として結晶中に拡散させる。これにより、成長後のＳｉＣ結晶成長層としてのドリフト層５３の表面から離れている比較的深い箇所での炭素空孔を減少させることができる。

また、この第２実施形態によれば、ＳｉＣ結晶成長層としてのドリフト層５３を成長させる期間中に、シランとプロパンのうちのプロパンのみを結晶成長表面に供給する第２の期間を５回設けている。これにより、ドリフト層５３の成長途中に表面に過剰な炭素を５回発生させて格子間炭素として結晶中の深さの異なる５箇所に拡散させるので、膜厚３００μｍの厚いドリフト層５３の比較的深い箇所から比較的浅い箇所までの範囲に亘って炭素空孔を減少させることができる。よって、この実施形態によれば、膜厚３００μｍの厚いドリフト層５３のキャリアライフタイムを十分長くすることができ、オン電圧が低くて高耐圧のＳｉＣ ｎｐｎバイポーラトランジスタを実現可能になる。

なお、上記ドリフト層５３の形成工程では、上記第１の期間と第２の期間と第３の期間とからなる１つのサイクルを５サイクルだけ繰り返したが、この繰り返し回数は６サイクル以上でもよく、４サイクル以下でもよい。

次に、ｐ型成長層５４の形成工程では、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、トリメチルアルミニウム(６ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を供給する。この工程の処理時間は４分である。また、ｎ型成長層５５の形成工程では、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(３０ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を供給する。この工程の処理時間は３分である。

上記の各工程の処理により、このｎｐｎバイポーラトランジスタ５０用のＳｉＣエピタキシャルウェーハを作製できる。なお、上述のようなエピタキシャル成長の後、基板５１の全ての部分をＣＭＰ(化学的機械的研磨)にて除去してもよい。

このｎｐｎバイポーラトランジスタ５０では、ドリフト層５３は、ドナー密度が約５×１０^１５ｃｍ^−３、膜厚は３００μｍである。

次に、上記ＳｉＣエピタキシャルウェーハに、次に説明する加工を施すことによって、図２に示すｎｐｎバイポーラトランジスタ５０を作製できる。

まず、反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)によりｎ型成長層５５を幅１０μｍ、深さ０．７５μｍ、ピッチ２３μｍでエッチングし、エミッタとなるｎ型成長層５５を残す。このＲＩＥのエッチングガスとしては、ＣＦ_４とＯ_２を用い、圧力は０．０５Ｔｏｒｒ、高周波電力２６０Ｗの条件でエッチングした。また、このときのマスク材料として、ＣＶＤによって堆積したＳｉＯ_２膜(厚さ１０μｍ)を用いた。

次に、ベース領域において素子分離を行うために、反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)によりメサ構造にする。このＲＩＥのエッチングガスにはＣＦ_４とＯ_２を用い、圧力は０．０５Ｔｏｒｒ、高周波電力２６０Ｗの条件で深さ約１μｍまでエッチングした。このときのマスク材料として、ＣＶＤによって堆積したＳｉＯ_２膜(厚さ１０μｍ)を用いた。

このｎｐｎバイポーラトランジスタ５０では、ベース端部での電界集中を緩和するためのガードリング５６と、ベースのコンタクト領域５７を同一プロセスのＡｌ(アルミニウム)イオン注入によって形成した。ベースのコンタクト領域５７は幅３μｍでエミッタとの間隔は５μｍであり、ｐ型ガードリング５６の幅は１５０μｍである。コンタクト領域５７,ｐ型ガードリング５６の深さは共に０．５μｍである。

ｐ型ガードリング５６、ベースのコンタクト領域５７を形成する時のＡｌイオン注入のエネルギーは４０〜５６０ｋｅＶであり、トータルドーズ量は１．０×１０^１３ｃｍ^−２である。このイオン注入のマスクとしては、ＣＶＤにより形成したＳｉＯ_２膜(厚さ５μｍ)を用いた。また、イオン注入はすべて室温で行い、注入イオン活性化のための熱処理はアルゴンガス雰囲気中の温度１６００℃、時間５分の条件で行った。

次に、アニールの後、温度１１５０℃で２時間のウェット酸化によって熱酸化膜を形成し、さらにＣＶＤによってＳｉＯ_２膜を堆積させ、合計２μｍの酸化膜５８を形成した。

次に、ＳｉＣ基板５１の下面にコレクタ電極５９Ｃを形成する。また、ベースのコンタクト領域５７にベース電極５９Ｂを形成する。また、エミッタ領域５５にＮｉを蒸着してエミッタ電極６９を形成する。次に、１０００℃、２０分間の熱処理を行ってそれぞれオーミック接合を形成した。最後に、ベース電極５９Ｂおよびエミッタ電極６９をＴｉ／Ａｕ電極７０で覆って各電極端子を形成した。接合部の大きさは３．２ｍｍ×３．２ｍｍである。なお、このｎｐｎバイポーラトランジスタ５０では、Ａｌイオン注入によってガードリング５６を形成したが、Ｂ(硼素)イオン注入を用いた場合でも同様の効果がある。

こうして作製したｎｐｎバイポーラトランジスタ５０の耐圧は３０ｋＶである。オン抵抗は１０.０ｍΩｃｍ^２であり、最大電流増幅率は約１５であった。このｎｐｎバイポーラトランジスタ５０にベース電流０．６Ａ、コレクタ電流７Ａ(コレクタ電流密度１００Ａ／ｃｍ^２)を１時間通電し、通電前後の室温でのコレクタ特性をカーブトレーサで測定した。その結果、この実施形態のｎｐｎバイポーラトランジスタ５０では、通電開始直後と１時間通電後ともオン抵抗は１０.０ｍΩ/ｃｍ^２であり、順方向電圧の変化は殆んどなかった。上記ｎｐｎバイポーラトランジスタ５０の最大電流増幅率は通電開始直後と１時間通電後とでほとんど変化がなく約１５であった。

一方、上記実施形態におけるドリフト層５３の形成工程で、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(０．２ｓｃｃｍ)およびキャリアガスとしての水素(１０ｓｌｍ)を連続的に１２００分間供給して膜厚３００μｍのドリフト層を形成した以外は上述と同様の製造工程で比較例としてのｎｐｎトランジスタを作製した。この比較例のｎｐｎトランジスタでは、耐圧は３０ｋＶであり、オン抵抗は１００.０ｍΩｃｍ^２であり、最大電流増幅率は約２であった。また、この比較例のｎｐｎトランジスタに、ベース電流０．６Ａ、コレクタ電流７Ａ(コレクタ電流密度１００Ａ／ｃｍ^２)を１時間通電し、通電前後の室温でのコレクタ特性をカーブトレーサで測定した。その結果、この比較例のｎｐｎバイポーラトランジスタでは、通電開始直後ではオン抵抗が１００.０ｍΩｃｍ^２であったが、１時間通電後も１００.０ｍΩｃｍ^２であり変わらなかった。また、この比較例のｎｐｎバイポーラトランジスタの室温での最大電流増幅率は、通電初期は約２であったが、１時間通電後も約２であり変わらなかった。

これに対し、本実施形態のＳｉＣ結晶成長層の製造方法によれば、上述の如く、高耐圧のための厚いドリフト層５３のキャリアライフタイムを十分に長くでき、オン抵抗が低くて高耐圧のＳｉＣ ｎｐｎバイポーラトランジスタ５０を実現できる。また、本実施形態によるｎｐｎバイポーラトランジスタ５０は上記１時間の通電試験後でもほとんど順方向電圧劣化は生じていなかった。

（第３の実施の形態）
次に、図３に、この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法の第３実施形態によって作製したＳｉＣ結晶成長層をドリフト層７３として備えたバイポーラ半導体素子であるＩＧＢＴ(インシュレーテッド・ゲート・バイポーラトランジスタ)８０の断面を示す。

このＩＧＢＴ８０は、ｎ型の４Ｈ型ＳｉＣによる基板７１上に、膜厚の時間(ｈ)当たりの増加速度が１５μｍ／ｈで、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ層、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ層、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ層の順番で３つの層をエピタキシャル成長させ、以下に詳しく説明するようにして、ＩＧＢＴ８０を作製した。このＩＧＢＴ８０では、ｐ層とｎ層の主たる接合面(図において紙面に垂直な方向に広がる面)は、{０００１}面となっている。

次に、このＩＧＢＴ８０の作製方法を説明する。すなわち、面方位が、(０００−１)カーボン面から３．５度のオフ角θの面をもつｎ型の４Ｈ型ＳｉＣを用いた基板上に、１５μｍ／ｈの成膜速度で、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ層、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ層、ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ層を順次形成する。

上記ＳｉＣ基板７１は、改良レーリー法によって成長したインゴットを(０００−１)カーボン面から３．５度傾いた面でスライスし、鏡面研磨することによって作製した。コレクタとなる基板７１はｎ型で、厚さは４００μｍ、ホール効果測定法によって求めたキャリヤ密度は５×１０^１８ｃｍ^−３である。

このＳｉＣ基板７１上に、ＣＶＤ法によって、アルミニウムドープｐ型ＳｉＣ層、窒素ドープｎ型ＳｉＣ層、アルミニウムドープｐ型ＳｉＣ層の三層を連続的にエピタキシャル成長した。このｐ型ＳｉＣ層は、図３のバッファ層７２とドリフト層７３となる。このバッファ層７２はアクセプタ密度が１×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚は３μｍである。また、ドリフト層７３はアクセプタ密度が約５×１０^１５ｃｍ^−３、膜厚は３００μｍである。また、ドリフト層７３の上に形成されるｎ型成長層７４はドナー密度２×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚は２μｍである。このｎ型成長層７４の上に形成されるｐ型成長層７５はアクセプタ密度が約１×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚は０．７５μｍである。

次に、このＩＧＢＴ８０を作製するときの処理条件を説明する。

まず、材料ガスとして、シラン(ＳｉＨ_４)およびプロパン(Ｃ_３Ｈ_８)を用いる。また、ドーパントガスとして窒素(Ｎ_２)およびトリメチルアルミニウム｛Ａｌ(ＣＨ_３)_３｝を用いる。また、キャリアガスとして水素(Ｈ_２)を用いる。ここで、各ガスの流量は、ｓｃｃｍ(standard cc per minute)または、ｓｌｍ(standard liter minute)で表す。また、圧力は、ｋＰａ(ｋilo pascal)で表す。また、以下の説明において、各ガスの名称の後に付したかっこ内の数値は流量を表す。

基板７１の温度は１５５０℃に保たれており、処理チャンバー内の圧力は５．６ｋＰａに保たれている。ｎ型ＳｉＣ基板７１のＣ面上にｐ型ＳｉＣバッファ層７２を形成する工程では、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、トリメチルアルミニウム(３ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を供給する。この工程の処理時間は１２分である。

次に、ｐ型ＳｉＣドリフト層７３の形成工程では、先ず、第１の期間で、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、トリメチルアルミニウム(０．１５ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を２００分間供給し、次に第２の期間で、炭素原料ガスとしてのプロパンの供給を停止すると共にシリコン原料ガスとしてのシラン(３０ｓｃｃｍ)、トリメチルアルミニウム(０．１５ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を５分間だけ供給する。次に、第３の期間で、上記シランの供給だけでなく上記プロパンの供給も停止してＨＣｌ(塩化水素)ガスを３０ｓｃｃｍで５分間流す。そして、この第１の期間と第２の期間と第３の期間からなる１つのサイクルを５サイクルだけ繰り返す。

次に、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、トリメチルアルミニウム(０．１５ｓｃｃｍ)およびキャリアガスとしての水素(１０ｓｌｍ)を２００分間供給する。これにより、膜厚３００μｍのｐ型ＳｉＣ成長層であるドリフト層７３を形成する。このドリフト層７３の形成工程の処理時間は、(２００分＋５分＋５分)×５＋２００分)＝１２５０分である。

このドリフト層７３の形成工程は、この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法の第３実施形態をなす。この第３実施形態によれば、ＳｉＣ結晶成長層としてのドリフト層７３を成長させる工程内に、シリコン原料ガスであるシランと炭素原料ガスであるプロパンのうちのプロパンのみを結晶成長表面に供給する第２の期間を設けている。このことで、結晶成長表面の炭素の過飽和度を上げ、成長途中の表面に過剰な炭素を発生させて格子間炭素として結晶中に拡散させる。これにより、成長後のＳｉＣ結晶成長層としてのドリフト層７３の表面から離れている比較的深い箇所での炭素空孔を減少させることができる。

また、この第３実施形態によれば、ＳｉＣ結晶成長層としてのドリフト層７３を成長させている期間内に、シランとプロパンのうちのプロパンのみを結晶成長表面に供給する第２の期間を５回設けている。これにより、ドリフト層７３の成長途中に表面に過剰な炭素を５回発生させて格子間炭素として結晶中の深さの異なる５箇所に拡散させるので、膜厚３００μｍの厚いドリフト層７３の比較的深い箇所から比較的浅い箇所までの範囲に亘って炭素空孔を減少させることができる。よって、この実施形態によれば、膜厚３００μｍの厚いドリフト層７３のキャリアライフタイムを十分長くすることができ、オン電圧が低くて高耐圧のＳｉＣ ＩＧＢＴを実現可能になる。

なお、上記ドリフト層７３の形成工程では、上記第１の期間と第２の期間と第３の期間からなる１つのサイクルを５サイクルだけ繰り返したが、この繰り返し回数は６サイクル以上でもよく、４サイクル以下でもよい。

次に、ｎ型成長層７４の形成工程では、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、窒素(９ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を供給する。この工程の処理時間は８分である。また、ｐ型成長層７５の形成工程では、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、トリメチルアルミニウム(３０ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を供給する。この工程の処理時間は３分である。上記の各工程での処理により、このＩＧＢＴ８０用のＳｉＣエピタキシャルウェーハができる。

次に、上記ＳｉＣエピタキシャルウェーハに、次に説明する加工を施すことによって、図３に示すＩＧＢＴ８０を作製できる。なお、上述のようなエピタキシャル成長の後、基板７１の全ての部分をＣＭＰ(化学的機械的研磨)にて除去してもよい。

まず、フォトリソグラフ法を用いて、ｐ＋成長層７５の中央部をＲＩＥでエッチングして、孔７６ａを設け、窒素をイオン注入することにより、エミッタとなるコンタクト領域７６を形成する。次に、ゲート領域を形成するために、ＲＩＥによりｐ＋成長層７５とｎ＋成長層７４をエッチングして孔７８ａ(図３では２つ)をあける。次に、孔７８ａの壁面にＭＯＳ構造を形成するために、ＣＶＤによりＳｉＯ_２膜を堆積させ、絶縁膜７７を形成する。次に、基板７１のコレクタ領域にＮｉを蒸着してコレクタ端子７９Ｃとする。また、コンタクト領域７６にエミッタ電極７９を蒸着する。次に、熱処理を行って、それぞれオーミック接合を形成する。さらに、絶縁膜７７の上にＭｏ電極を形成しゲート電極７８とする。

こうして完成したＩＧＢＴ８０の耐電圧は、３０ｋＶ、オン抵抗は１５．０ｍΩｃｍ^２であり、コレクタ−エミッタ間電圧は−１５Ｖである。また、このＩＧＢＴ８０に、−４０Ｖのゲート電圧を印加し、コレクタ電流１．４Ａを１時間通電し、通電開始時と１時間通電後の室温でのコレクタ特性をカーブトレーサで測定した。このＩＧＢＴ８０では、通電直後と１時間通電後のコレクタ−エミッタ間電圧はともに−１５Ｖであり、変化がなく、従ってほとんど劣化していないことが判った。

一方、上記実施形態におけるドリフト層７３の形成工程で、シラン(３０ｓｃｃｍ)、プロパン(１２ｓｃｃｍ)、トリメチルアルミニウム(０．１５ｓｃｃｍ)および水素(１０ｓｌｍ)を連続的に１２００分間供給して膜厚３００μｍのドリフト層を形成した以外は上述と同様の製造工程で比較例としてのＩＧＢＴを作製した。この比較例のＩＧＢＴでは、耐電圧は、３０ｋＶ、オン抵抗は１００．０ｍΩｃｍ^２であり、コレクタ‐エミッタ間電圧は−４０Ｖである。また、この比較例のＩＧＢＴに、−４０Ｖのゲート電圧を印加し、コレクタ電流１．４Ａを１時間通電し、通電開始時と１時間通電後の室温でのコレクタ特性をカーブトレーサで測定した。この比較例のＩＧＢＴでは、通電直後のコレクタ−エミッタ電圧は−４０Ｖだったが、１時間通電後のコレクタ−エミッタ電圧も−４０Ｖと変わらなかった。

これに対し、本実施形態のＳｉＣ結晶成長層の製造方法によれば、上述の如く、高耐圧のための厚いドリフト層７３のキャリアライフタイムを十分に長くでき、オン抵抗が低くて高耐圧のＳｉＣ ＩＧＢＴ８０を実現できる。

尚、以上では、この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法の実施形態として、ＳｉＣ ｐｉｎダイオード、ｎｐｎバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴのドリフト層を作製する第１〜第３実施形態を説明したが、この発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、ＳＩＡＦＥＴ、ＳＩＪＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、ＭＣＴ(Mos Controlled Thyristor)、ＳｉＣＧＴ(ＳｉＣ Commutated Gate Thyristor)、ＥＳＴ(Emitter Switched Thyristor)、ＢＲＴ(Base Resistance Controlled Thyristor)などの各種の４Ｈ−ＳｉＣバイポーラ半導体素子のドリフト層の作製にも応用可能である。当然ながら、反対極性の素子(例えばｎｐｎトランジスタに対するｐｎｐトランジスタ)などの各種の４Ｈ−ＳｉＣバイポーラ素子にも変形応用可能であり、６Ｈ−ＳｉＣなどの多の結晶構造を用いたＳｉＣバイポーラ素子に適用できるものである。

この発明のＳｉＣ結晶成長層の製造方法は、高耐圧でオン電圧が低いＳｉＣ半導体素子のドリフト層をなすＳｉＣ結晶成長層を製造するのに適している。また、この発明のＳｉＣバイポーラ型半導体素子は、通電損失を抑制でき、大電流での使用が可能となるので、一例として、家電分野、産業分野、電気自動車などの車両分野、送電などの電力系統分野等において、例えばインバータなどの電力制御装置等に組み込まれて使用される電力制御装置に適用すると、信頼性を向上できる。

２０ ｐｉｎダイオード
２１ ｎ型ＳｉＣ基板
２２ ｎ型ＳｉＣバッファ層
２３ ｎ型ＳｉＣドリフト層
２４ ｎ型接合層
２５ ｐ＋型コンタクト層
２６ ｐ型ＪＴＥ
２７ 熱酸化膜
２８ カソード電極
２９ アノード電極
３０ 絶縁保護膜
５０ ｎｐｎバイポーラトランジスタ
５１ ｎ型ＳｉＣ基板(コレクタ層)
５２ ｎ型ＳｉＣバッファ層(コレクタ層)
５３ ｎ型ＳｉＣドリフト層(コレクタ層)
５４ ｐ型成長層(ベース層)
５５ ｎ型成長層(エミッタ層)
５６ ｐ型ガードリング
５７ コンタクト領域
５８ 酸化膜
５９Ｂ ベース電極
６９ エミッタ電極
７０ Ｔｉ／Ａｕ電極
７１ ｎ型ＳｉＣ基板
７２ ｐ型ＳｉＣバッファ層
７３ ｐ型ＳｉＣドリフト層
７４ ｎ型成長層
７５ ｐ型成長層
７６ コンタクト領域
７７ 絶縁膜
７８ ゲート電極
７９Ｃ コレクタ端子
８０ ＩＧＢＴ

Claims (3)

1. シリコン原料ガスと炭素原料ガスとを結晶成長表面に供給してＳｉＣ結晶成長層を成長させている途中に、上記結晶成長表面へのシリコン原料ガスの供給を中断するが上記結晶成長表面への上記炭素原料ガスの供給を継続する期間を設けることを特徴とするＳｉＣ結晶成長層の製造方法。
2. 請求項１に記載のＳｉＣ結晶成長層の製造方法において、
   上記ＳｉＣ結晶成長層を成長させている途中に、上記結晶成長表面へのシリコン原料ガスの供給を中断するが上記結晶成長表面への上記炭素原料ガスの供給を継続する期間を複数設けることを特徴とするＳｉＣ結晶成長層の製造方法。
3. 請求項１または２に記載のＳｉＣ結晶成長層の製造方法によって作製されたＳｉＣ結晶成長層をドリフト層として備えたバイポーラ型半導体素子。

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