JP2014187113A - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ｐ型不純物とｎ型不純物の共ドープを容易にできる気相成長装置を提供する。
【解決手段】実施形態の気相成長装置は、反応室と、反応室にＳｉ（シリコン）のソースガスを供給する第１のガス供給路と、反応室にＣ（炭素）のソースガスを供給する第２のガス供給路と、反応室にｎ型不純物のソースガスを供給する第３のガス供給路と、反応室にｐ型不純物のソースガスを供給する第４のガス供給路と、ｎ型不純物とｐ型不純物のソースガスの量を所定の割合に制御し反応室に導入する制御部と、を備える。そして、ｐ型不純物を元素Ａ、ｎ型不純物を元素Ｄとする場合に、元素Ａと元素Ｄとの組み合わせが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）、Ｂ（ボロン）とＰ（リン）の少なくとも一方の組み合わせである。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、気相成長装置および気相成長方法に関する。
次世代のパワー半導体デバイス用の材料としてＳｉＣ（炭化珪素）が期待されている。ＳｉＣはＳｉ（シリコン）と比較して、バンドギャップが３倍、破壊電界強度が約１０倍、および熱伝導率が約３倍と優れた物性を有する。この特性を活用すれば低損失かつ高温動作可能なパワー半導体デバイスを実現することができる。
ＳｉＣは、例えば、枚葉式のＣＶＤ法により、ウェハ上にエピタキシャル成長により形成される。また、例えば、高温ＣＶＤ法により、種結晶上にエピタキシャル成長により形成される。
もっとも、従来の気相成長装置では、ｐ型不純物とｎ型不純物の両方を同時にドープする共ドープが困難であった。
特開２０１２−３１０１４号公報 特開２００９−１６７０４７号公報
本発明が解決しようとする課題は、ｐ型不純物とｎ型不純物の共ドープを容易にできる気相成長装置および気相成長方法を提供することにある。
実施形態の気相成長装置は、反応室と、反応室にＳｉ（シリコン）のソースガスを供給する第１のガス供給路と、反応室にＣ（炭素）のソースガスを供給する第２のガス供給路と、反応室にｎ型不純物のソースガスを供給する第３のガス供給路と、反応室にｐ型不純物のソースガスを供給する第４のガス供給路と、ｎ型不純物とｐ型不純物のソースガスの量を所定の割合に制御し反応室に導入する制御部と、を備える。そして、ｐ型不純物を元素Ａ、ｎ型不純物を元素Ｄとする場合に、元素Ａと元素Ｄとの組み合わせが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）、Ｂ（ボロン）とＰ（リン）の少なくとも一方の組み合わせである。
第１の実施形態の気相成長装置の模式断面図である。 共ドープの作用を説明する図である。 共ドープの作用を説明する図である。 共ドープの作用を説明する図である。 共ドープの作用を説明する図である。 共ドープの作用を説明する図である。 ｎ型ＳｉＣの場合のＡｌとＮの濃度とシート抵抗の関係を示す図である。 ｐ型ＳｉＣの場合のＮとＡｌの濃度とシート抵抗の関係を示す図である。 第３の実施形態の半導体装置を示す模式断面図である。 第４の実施形態の気相成長装置の模式断面図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
また、以下の説明において、ｎ＋、ｎ、ｎ−および、ｐ＋、ｐ、ｐ−の表記は、各導電型における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわちｎ＋はｎよりもｎ型の不純物濃度が相対的に高く、ｎ−はｎよりもｎ型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、ｐ＋はｐよりもｐ型の不純物濃度が相対的に高く、ｐ−はｐよりもｐ型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。なお、ｎ＋型、ｎ−型を単にｎ型、ｐ＋型、ｐ−型を単にｐ型と記載する場合もある。
（第１の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、ＳｉＣ成長用の装置である。そして、反応室と、反応室にＳｉ（シリコン）のソースガスを供給する第１のガス供給路と、反応室にＣ（炭素）のソースガスを供給する第２のガス供給路と、反応室にｎ型不純物のソースガスを供給する第３のガス供給路と、反応室にｐ型不純物のソースガスを供給する第４のガス供給路と、ｎ型不純物とｐ型不純物のソースガスの量（流量）を所定の割合に制御し反応室に導入する制御部と、を備える。ここで、ｐ型不純物を元素Ａ、ｎ型不純物を元素Ｄとする場合に、元素Ａと元素Ｄとの組み合わせが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）、Ｂ（ボロン）とＰ（リン）の少なくとも一方の組み合わせである。以下、元素ＡがＡｌ（アルミニウム）、元素ＤがＮ（窒素）である場合を例に説明する。
図１は、本実施形態の気相成長装置の模式断面図である。本実施形態の気相成長装置は、枚葉型のエピタキシャル成長装置である。
図１に示すように、本実施形態のエピタキシャル成長装置１００は、例えばステンレス製で円筒状中空体の反応室１０を備えている。そして、この反応室１０上部に配置され、反応室１０内に、ソースガス等のプロセスガスを供給するガス供給部１２を備えている。
また、反応室１０内のガス供給部１２下方に設けられ、半導体ウェハ（基板）Ｗを載置可能な支持部１４を備えている。支持部１４は、例えば、中心部に開口部が設けられる環状ホルダー、または、半導体ウェハＷ裏面のほぼ全面に接する構造のサセプタである。
また、支持部１４をその上面に配置し回転する回転体ユニット１６を、支持部１４下方に備えている。また、支持部１４に載置されたウェハＷを輻射熱により加熱する加熱部１８としてヒーターを、支持部１４下方に備えている。
ここで、回転体ユニット１６は、その回転軸２０が、下方に位置する回転駆動機構２２に接続される。そして、回転駆動機構２２により、半導体ウェハＷをその中心を回転中心として、例えば、３００ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍの高速回転させることが可能となっている。
また、円筒状の回転軸２０は中空の回転体ユニット１６内を排気するための真空ポンプ（図示せず）に接続される。真空ポンプの吸引により、半導体ウェハＷが支持部１４に真空吸着する構成になっていてもよい。なお、回転軸２０は、反応室１０の底部に真空シール部材を介して回転自在に設けられている。
そして、加熱部１８は、回転軸２０の内部に貫通する支持軸２４に固定される支持台２６上に固定して設けられる。この支持台２６には半導体ウェハＷを環状ホルダー１４から脱着させるための、例えば突き上げピン（図示せず）が設けられている。
さらに、半導体ウェハＷ表面等でソースガスが反応した後の反応生成物および反応室１０の残留ガスを反応室１０外部に排出するガス排出部２８を、反応室１０底部に備える。なお、ガス排出部２８は真空ポンプ（図示せず）に接続してある。
そして、本実施形態のエピタキシャル成長装置１００は、反応室１０にＳｉ（シリコン）のソースガスを供給する第１のガス供給路３１と、反応室１０にＣ（炭素）のソースガスを供給する第２のガス供給路３２と、反応室１０にＮ（窒素）のソースガスを供給する第３のガス供給路３３と、反応室にＡｌ（アルミニウム）のソースガスを供給する第４のガス供給路３４を備える。
第１のガス供給路３１は第１のガス供給源４１に、第２のガス供給路３２は第２のガス供給源４２に、第３のガス供給路３３は第３のガス供給源４３に、第４のガス供給路３４は第４のガス供給源４４に、接続されている。第１ないし第４のガス供給源は４１〜４４は、例えば、それぞれのソースガスが充填されたガスボンベである。
Ｓｉ（シリコン）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとするモノシラン（ＳｉＨ４）である。また、Ｃ（炭素）のソースガスは、例えば、水素ガスをキャリアガスとするプロパン（Ｃ３Ｈ８）である。また、Ｎ（窒素）のソースガスは、例えば、窒素ガス（Ｎ２）である。そして、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）でバブリングされ、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとするトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）である。
さらに、本実施形態の気相成長装置１００は第１のガス供給源４１に接続されＳｉ（シリコン）のソースガスの流量を調整するマスフローコントローラ５１と、第２のガス供給源４２に接続されＣ（炭素）のソースガスの流量を調整するマスフローコントローラ５２と、第３のガス供給源４３に接続されＮ（窒素）のソースガスの流量を調整するマスフローコントローラ（第１の調節部）５３と、第４のガス供給源４４に接続されＡｌ（アルミニウム）のソースガスの流量を調整するマスフローコントローラ（第２の調節部）５４を備える。
そして、第１の調節部５３と第２の調節部５４に流量を指定する制御信号を与える制御信号生成部６０を備える。第１の調節部５３と第２の調節部５４と、制御信号生成部６０が、ＮのソースガスとＡｌのソースガスとの流量を所望の流量となるよう調整する制御部を構成する。
制御信号生成部６０は、例えば、成膜されるＳｉＣ中のＮとＡｌの濃度比を実現するＮのソースガスとＡｌのソースガスの流量を演算する機能を備えたコンピュータである。例えば、制御信号生成部６０に、外部入力装置から入力される実現すべきＳｉＣ中のＮとＡｌの濃度比を基に、ＮのソースガスとＡｌのソースガスに要求される流量を演算して制御信号を生成する。
なお、制御部は、第１の調節部５３と第２の調節部５４自身が、上記制御信号生成部６０の機能を備える構成とすることも可能である。
本実施形態の気相成長装置１００によれば、ｎ型不純物であるＮ（窒素）のソースガスとｐ型不純物であるＡｌ（アルミニウム）のソースガスとを同時に供給してＳｉＣを成膜することが可能となる。したがって、ｎ型不純物であるＮ（窒素）とｐ型不純物であるＡｌ（アルミニウム）が共ドープされたエピタキシャルＳｉＣ膜を成膜することが可能となる。
さらに、ＮのソースガスとＡｌのソースガスとの流量を調整する制御部によって、ＮのソースガスとＡｌのソースガスとの流量を所望の流量に制御することが可能となる。したがって、成長するＳｉＣ中のＡｌの濃度とＮの濃度の比を所望の比率に制御することが可能である。
このように、ｎ型不純物であるＮ（窒素）とｐ型不純物であるＡｌ（アルミニウム）が所定の比率で共ドープされることにより、低抵抗なＳｉＣが実現される。
特に、制御部が、成長するＳｉＣ中のＡｌの濃度のＮの濃度に対する比が０．４０より大きく０．９５より小さく、または、成長するＳｉＣ中のＮの濃度のＡｌの濃度に対する比が０．３３より大きく１．０より小さくなるようＡｌのソースガスとＮのソースガスとの流量を調整する構成となっていることが望ましい。
以下、本実施形態の気相成長装置により製造可能なｎ型不純物とｐ型不純物が共ドープされた低抵抗ＳｉＣについて詳述する。
発明者らによる検討の結果、ＳｉＣに対し、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）のＡｌと、ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）のＮとを共ドープすることにより、ＡｌとＮのペアリングをおこさせることができることがわかった。このペアリング状態では、キャリアが補償され、キャリアがゼロの状態になる。
図２および図３は、共ドープの作用を説明する図である。図２がｎ型ＳｉＣの場合、図３がｐ型ＳｉＣの場合である。発明者らが行なった第一原理計算によれば、ＳｉＣ中で、ＡｌはＳｉ（シリコン）サイトに、ＮはＣ（炭素）サイトに、ＡｌとＮが隣接するように入ることで、より系として安定化することが明らかになった。
すなわち、図２および図３に示すように、ＡｌとＮとが未結合でばらばらになっている状態に比べ、ＡｌとＮが結合し、Ａｌ−Ｎペア構造を形成することで、エネルギー的に２．９ｅＶ安定になる。Ａｌ量とＮ量とが一致した場合には、両者の全てがペア構造になった状態が最も安定である。
ここで、第一原理計算は、超ソフト擬ポテンシャルを用いた計算である。超ソフト擬ポテンシャルは、バンダービルトらによって開発された、擬ポテンシャルの一種である。例えば、格子定数は、１％以下の誤差で実験値を実現できる高い精度を備える。不純物（ドーパント）を導入して、構造緩和を行い、安定状態の全エネルギーを計算する。系の全エネルギーを、変化の前後で比較することで、いずれの構造が安定状態か、否かを判定する。安定状態では、バンドギャップ中で不純物の準位が、どのエネルギー位置にあるかを示すことが出来る。
図２に示すように、ＮがＡｌよりも多く存在する場合、すなわち、ｎ型ＳｉＣの場合、余分にあるＮが、Ａｌ−Ｎペア構造の近傍のＣサイトに入り、Ｎ−Ａｌ−Ｎの３量体となることで更に系が安定化することが明らかになった。第一原理計算からは、３量体となることで、ペア構造とＮとが別々に存在する場合に比べ、系が０．３ｅＶ安定になる。
同様に、図３に示すように、ＡｌがＮよりも多く存在する場合、すなわちｐ型ＳｉＣの場合、余分にあるＡｌが、Ａｌ−Ｎペア構造の近傍のＳｉサイトに入り、Ａｌ−Ｎ−Ａｌの３量体となることで更に安定化することが明らかになった。第一原理計算からは、３量体となることで、Ａｌ−Ｎペア構造とＡｌとが別々に存在する場合に比べ、系が０．４ｅＶ安定になる。
次に、ＡｌとＮ以外のドーパントの組み合せについて、考察する。Ｂ（ボロン）とＮ（窒素）の場合について計算を行った場合を例に、計算結果を説明する。
ＢはＳｉサイトに、ＮはＣサイトに入る。第一原理計算によると、Ｂ−Ｎ−Ｂ、あるいは、Ｎ−Ｂ−Ｎという３量体構造は形成できないことがわかった。つまり、Ｂ−Ｎのペア構造は形成されるが、近傍にＢやＮが来ると系のエネルギーが高くなる。したがって、余分なＢやＮは、ペア構造から離れた位置に独立に存在する方が、系がエネルギー的に安定であった。
第一原理計算によると、余分なＢが３量体を形成すると、Ｂ−ＮペアとＢが独立に存在する場合に比べて、系のエネルギーが０．５ｅＶ高かった。また、余分なＮが３量体を形成すると、Ｂ−ＮペアとＮが独立に存在する場合に比べて、系のエネルギーが０．３ｅＶ高かった。このため、いずれの場合も、３量体が出来ると系がエネルギー的に不安定になる。
図４は、共ドープの作用を説明する図である。図４では、各元素の共有結合半径を示す。図の右手上方に向かうほど共有結合半径が小さくなり、左手下方に向かうほど共有結合半径が大きくなる。
ＢとＮの場合に、３量体が出来ると不安定になることは、共有結合半径の大きさにより理解できる。Ｂの共有結合半径はＳｉの共有結合半径より小さく、かつ、Ｎの共有結合半径はＣの共有結合半径より小さい。このため、ＢがＳｉサイトに、ＮがＣサイトに入ると、歪が溜まり３量体が形成できない。
ドーパントとなるｐ型不純物とｎ型不純物の組み合わせとして、「共有結合半径がＳｉより大きな元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）」と「共有結合半径がＣより小さい元素（Ｎ）」の組み合わせ、あるいは、その逆の、「共有結合半径がＣより大きな元素（Ｂ）」と「共有結合半径がＳｉより小さい元素（Ｐ）」の組み合わせの場合以外は、３量体が形成出来ないことが判明した。
Ｂ、Ｐの共有結合半径はＳｉの共有結合半径とＣの共有結合半径の中間にあることから、Ｂ、およびＰは、Ｓｉサイト、Ｃサイトのどちらにも入りえる。しかし、他の不純物（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓ）は、基本的に片方のサイトに偏る。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｓはＳｉサイトに入り、ＮはＣサイトに入ると考えて良い。
さらに、両不純物が共にＳｉサイト、あるいは共にＣサイトに入る場合は、考える必要がない。それは、ｐ型不純物とｎ型不純物が最近接に来ないと歪が緩和し難いためである。よって、ｐ型不純物を元素Ａ、ｎ型不純物を元素Ｄとする場合に、元素Ａと元素Ｄとの組み合わせ（元素Ａと元素Ｄ）が、（ＡｌとＮ）、（ＧａとＮ）、（ＩｎとＮ）、（ＢとＰ）という４つの組み合わせ以外では、３量体を形成することは困難である。
このペア構造、あるいは３量体構造は、原子間に相互作用が無ければ形成できない。第一原理計算による４Ｈ−ＳｉＣ構造中の不純物準位（ドーパント準位）は、ｃ軸方向にユニットセルが１０個程度あると、相互作用が見えなくなり、不純物準位が平らな状態となる。すなわち、分散が十分に抑制され、１０ｍｅＶオーダー程度になる。
つまり、不純物間の距離が１０ｎｍ以上では相互作用が殆どないと考えられる。よって、不純物同士の相互作用があるためには、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であることが望ましい。
この値は、ＳｉＣ材料が既に形成されている場合に、イオン注入などによって局所的な不純物の分布を形成する場合に望まれる不純物濃度の下限となる。
なお、半導体ＳｉＣに、共ドープによる効果が発現されるためには、ｎ型不純物濃度とｐ型不純物濃度の比率を特定の範囲の比率にする必要がある。後に記述する製造方法において、イオン打ち込みによって導入するｎ型、ｐ型のそれぞれの不純物の比率を上記特定の範囲の比率になるように、初めから導入することが重要である。相互作用が届く範囲が１０ｎｍ未満と小さいが、その範囲にあれば、互いの引力により３量体が形成可能となる。しかも、引力が働くので、不純物の活性化アニールの温度が、共ドープしない場合の１７００℃―１９００℃から、１５００℃−１８００℃に低温化できると考えられる。
ただし、この３量体形成に望ましい不純物濃度は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによる気相からの結晶成長などでは、低減させることが可能である。これは、原料を表面にてフローさせることが出来るため、不純物同士の相互作用が低濃度でも生じやすくなるためである。
気相成長では、三量体を形成可能な不純物濃度の領域が、１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下と、イオン注入に比較して拡大する。気相成長ではＳｉＣの不純物濃度を、例えば、１×１０１６ｃｍ−３程度と薄くすることも、例えば、１×１０２１ｃｍ−３程度と濃くすることも可能である。特に、濃度の薄い領域は、イオン注入による形成が困難である。したがって、特に濃度の薄い領域では、気相成長による不純物領域の形成が有効である。さらに、気相成長では、共ドープされた、例えば、５ｎｍ程度の極薄膜を形成することも可能である。
また、気相成長では不純物の濃度の濃い領域で、結晶中の欠陥が生じにくいという利点もある。すなわち、イオン注入では、導入する不純物量が大きくなるにつれ結晶中の欠陥量が増大し、熱処理等による回復も困難となる。気相成長では成長中に３量体が形成され、不純物導入による欠陥も生じにくい。この観点から、例えば、不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上、さらには１×１０２０ｃｍ−３以上の領域で、気相成長による不純物領域の形成が有効である。
このように、気相成長では、イオン注入では得られない効果がある。もっとも、イオン注入では、局所的に共ドープされた不純物領域を形成することが可能である。また、低コストで共ドープされた不純物領域を形成することが可能である。よって、必要性に応じて、気相成長とイオン注入とを使い分ければ良い。
気相からの結晶成長時において、３量体形成を形成する場合、ｐ型およびｎ型の不純物濃度は１×１０１５ｃｍ−３以上であることが望ましい。さらに、３量体形成を容易にする観点からは、不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上あることがより望ましい。
次に不純物濃度の上限であるが、３量体を形成した場合には、３量体を形成しない場合の固溶限を超えることも可能である。３量体を作ると、結晶中の歪が緩和され不純物が固溶されやすくなるためである。
３量体を形成しない場合の不純物の固溶限は、Ｎの場合は１０１９ｃｍ−３オーダー、Ａｌの場合でも１０２１ｃｍ−３オーダーである。他の不純物は、およそ１０２１ｃｍ−３オーダー程度である。
不純物が一種類の場合、不純物の大きさが小さい側、あるいは大きい側に偏る。このため、歪が蓄積されて、不純物が格子点に入り難くなり、活性化できないためである。特にイオン注入では欠陥を多く形成するので、余計に固溶限が低くなる。
しかし、３量体を形成すれば、Ａｌ、Ｎのどちらも１０２２ｃｍ−３オーダー程度まで、導入が可能となる。（ＡｌとＮ）、（ＧａとＮ）、（ＩｎとＮ）、（ＢとＰ）という４つの組み合わせにおいて、３量体を形成することで、歪を緩和することが出来るため、固溶限の拡大が可能となる。その結果、１０２２ｃｍ−３オーダーまで不純物の固溶限の拡張が可能である。
不純物がＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐである場合は、１×１０２０ｃｍ−３以上、特に、６×１０２０ｃｍ−３以上では、歪が多く、欠陥が多量に入っている状態となる。その結果、シート抵抗または比抵抗は非常に大きな値となる。
しかし、ｐ型不純物とｎ型不純物との共ドープによれば、このような不純物濃度の高い領域でも、欠陥が抑制できる。
不純物がＮである場合は、さらに固溶限が一桁小さく２×１０１９ｃｍ−３程度である。第一原理計算によれば、不活性な格子間Ｎの欠陥が発生するためと考えられる。
Ｎ濃度の上限が、１０１９ｃｍ−３オーダーだったものが、３量体を形成することにより、１０２２ｃｍ−３オーダーに大幅に拡大する。従来、高濃度にドープされたｎ型領域を形成する場合、窒素を使うことが出来ず、例えばＰを１０２０ｃｍ−３程度、イオン注入することにより形成している。しかし、本実施形態を用いれば、例えば、Ｎを２×１０２０ｃｍ−３、Ａｌを１×１０２０ｃｍ−３導入するというように、窒素を用いて高濃度にドープされたｎ型領域を形成できる。つまり、従来は窒素を使うこと自体が困難だったが、それが可能になる。
以上、ｐ型不純物とｎ型不純物を両方とも導入し、かつ、共有結合半径の組み合わせを適切に選ぶことにより、上記の３量体を形成することが可能となる。そして、構造が安定化して、歪を低減することが出来る。
その結果、（１）各不純物が格子点に入りやすくなる。（２）プロセスの低温化が可能となる。少なくとも１００℃程度の低温化は期待できる。（３）活性化可能な不純物量（上限の拡大）が増加する。（４）３量体、あるいはペア構造のような安定構造が出来る。この構造でエントロピーを稼ぎ、結晶欠陥量が低減する。（５）３量体が安定なので、ｐ型不純物とｎ型不純物を結ぶボンドの周りに回転することが難しくなり、構造が固定化する。したがって、通電破壊耐性が大幅にアップする。例えば、ｐｎジャンクションのｐ型不純物領域、ｎ型不純物領域の少なくとも一部に３量体構造を導入すれば、通電破壊が抑制され、高抵抗化が避けられる。その結果、電流を一定量だけ流すときに必要な印加電圧（Ｖｆ）が増加してしまう劣化現象（Ｖｆ劣化）を抑制可能となる。
以上、ｐ型不純物のＡｌとｎ型不純物のＮを共ドープすることにより、ＡｌとＮのペアリングをおこさせることが出来ることを示した。さらに、この際、アクセプタ準位およびドナー準位を、ともに浅く出来ることが、第一原理計算により明らかになっている。
図５、図６は、共ドープの作用の説明図である。図５はｎ型ＳｉＣの場合、図６はｐ型ＳｉＣの場合である。白丸は準位が電子で埋まっていない空の準位、黒丸は準位が電子で埋まっている状態を示す。
ドナー準位が浅くなる理由は、図５に示すように、アクセプタであるＡｌの伝導帯の内側にある空の準位と、Ｎのドナー準位とが相互作用したことにより、ドナー準位が引き上げられたためである。同様に、アクセプタ準位が浅くなる理由は、図６に示すように、ドナーであるＮの価電子帯の内側にある電子が埋った準位と、Ａｌのアクセプタ準位とが相互作用したことにより、アクセプタ準位が引き下げられたためである。
一般に、ｎ型不純物のＮやＰ（リン）は４２ｍｅＶ〜９５ｍｅＶの深いドナー準位を形成する。ｐ型不純物のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎは１６０ｍｅＶ〜３００ｍｅＶの非常に深いアクセプタ準位を形成する。それに対し、３量体を形成すると、ｎ型不純物では３５ｍｅＶ以下のドナー準位を形成し、ｐ型不純物では、１００ｍｅＶ以下のアクセプタ準位を形成することが可能となる。
３量体が完全に形成された最良の状態では、ｎ型のＮやＰでは、およそ２０ｍｅＶ程度となり、ｐ型のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎでは４０ｍｅＶ程度となる。このように浅い準位を形成するので、活性化した不純物の多くがキャリア（自由電子、自由正孔）となる。したがって、バルク抵抗が共ドープを行わない場合に比べ、桁違いに低抵抗化する。
ｎ型ＳｉＣの場合、キャリア発生に寄与するドナー準位が４０ｍｅＶ以下となることで、共ドープしない場合と比較して、抵抗が低減する。また、３５ｍｅＶ以下となることで抵抗が約一桁、２０ｍｅＶ以下とすることにより抵抗が約二桁低減する。但し、歪緩和効果、ドープ上限拡大効果なども含む。
ｐ型ＳｉＣの場合、キャリア発生に寄与するアクセプタ準位が１５０ｍｅＶ以下となることで、共ドープしない場合と比較して、抵抗が低減する。また、１００ｍｅＶ以下となることで抵抗が約一桁、４０ｍｅＶ以下とすることにより抵抗が約二桁低減する。但し、歪緩和効果、ドープ上限拡大効果なども含む。
Ａｌ濃度とＮ濃度とが一致した場合（Ｎ：Ａｌ＝１：１）には、浅い準位はあっても、キャリアが無いため、絶縁体になってしまう。Ａｌ濃度とＮ濃度の差分だけキャリアが存在することになる。低抵抗の半導体になるには、濃度差が必要となる。
Ｎ濃度がＡｌ濃度よりも多い場合（Ｎ濃度＞Ａｌ濃度）、相互作用によりＡｌ−Ｎペアが出来た余りのＮもまた、Ａｌ−Ｎペアの近傍のＣを置換することで安定化する。このため、浅いドナー準位が形成される。また、歪も緩和するので、３量体を形成しない場合よりもＮの濃度を増やすことが出来る。
図７は、ｎ型ＳｉＣの場合のＡｌとＮの濃度とシート抵抗の関係を示す図である。Ｎ濃度は、２×１０２０ｃｍ−３としている。単体でＮを導入した場合は、１×１０１９ｃｍ−３以上いれても、シート抵抗は低減できない。その値がおよそ３００Ω／□である。
Ｎ濃度：Ａｌ濃度が１：１から２：１になるまでは、歪が入らずに３量体ができ、浅いドナー準位に入っているキャリア電子数が増加する。したがって、シート抵抗が急激に低下する。
そして、２：１に達したとき、最大量のキャリアが使えるので、最もシート抵抗が低い状態となる。シート抵抗は、図７に示すように、１．５Ω／□程度まで低減できる。ｎ型ＳｉＣへのコンタクト抵抗も、Ｎ濃度：Ａｌ濃度＝２：１になるようにし、Ｎ濃度とＡｌ濃度の差分を１０２０ｃｍ−３から１０２２ｃｍ−３と増やすことで、１０−５Ωｃｍ３程度から、１０−７Ωｃｍ３程度まで低減可能である。
さらに、２：１よりＮ濃度の割合が上がると、Ｎ濃度：Ａｌ濃度＝２：１より過剰なＮにより、元の深いドナー準位が形成されることになる。そして、このドナー準位がキャリア電子を受け取ることになり、３量体によって形成された浅いドナー準位が空となってしまう。Ｎ濃度：Ａｌ濃度＝２：１よりずれた分のＮは、単体で導入された場合に近いので、歪の緩和が困難である。したがって、図７に示すように、シート抵抗が急激に増加していくことになる。
図７では、ｎ型不純物のＮ（窒素）を、Ａｌを共ドープしない場合に固溶限近傍まで入れた場合のシート抵抗（この場合は約３００Ω／□）を比較対象とし、Ｎ濃度：Ａｌ濃度＝２：１からずらした場合にどのようにシート抵抗の値が変化するかを示している。
３量体構造が出来たＡｌ濃度／Ｎ濃度＝０．５を中心に考えることにする。Ａｌ濃度／Ｎ濃度を０．４７以上、０．６０（８×１０１９ｃｍ−３以上のキャリアが１００％自由キャリアとなる）以下とした場合、つまり、ｎ型不純物に対し、ｐ型不純物を４７％〜６０％入れた場合、Ａｌを共ドープしない場合のシート抵抗に比較して２桁落ちのシート抵抗となり、非常に有効である。０．５未満では、浅い準位が減少し、かつ、歪が入るので、自由キャリア数が減り、０．４７程度で、８×１０１９ｃｍ−３相当のキャリアとなる。
そこから幅を両側に広げて、Ａｌ濃度／Ｎ濃度を０．４５以上、０．７５（５×１０１９ｃｍ−３以上のキャリアが１００％自由キャリアとなる）以下とした場合、すなわち、ＡｌをＮに対し４５％〜７５％入れた場合、２桁落ちからその３倍程度の大きさとなる。０．５未満では、浅い準位が減少し、かつ、歪が入るので、自由キャリア数が減り、０．４５程度で、５×１０１９ｃｍ−３相当のキャリアとなる。さらに幅を両側に広げて、Ａｌ濃度／Ｎ濃度を０．４０より大きく０．９５（１×１０１９ｃｍ−３以上のキャリアが１００％自由キャリアとなる）より小さくした場合、すなわち、ＡｌをＮに対し４０％〜９５％入れた場合、１桁落ちのシート抵抗となる。０．５未満では、浅い準位が減少し、かつ、歪が入るので、自由キャリア数が減り、０．４０程度で、１×１０１９ｃｍ−３相当のキャリアとなる。
ＡｌをＮに対し５０％以上入れた側の方が特性がよいのは、歪が十分に緩和するためである。１つのＡｌに対し２つのＮがクラスター化して３量体が形成された状態が５０％の状態である。５０％未満の場合、３量体が出来た状態に加え、更に余分なＮが存在することになる。つまり、３量体になれないＮがあるので、その分だけ歪が溜まることになる。３量体になれないＮは、単体で入ったのも同然であり、直ぐに歪の限界に達してしまう。こうして、Ａｌの量が５０％を割った場合は、歪が急激に発生して、格子欠陥が増加することになる。このため、歪が緩和できる５０％以上の場合に比較して、５０％未満の方が、シート抵抗が急激に悪化する。
なお、Ａｌ濃度／Ｎ濃度＝０．９９５で、キャリア数が共ドープしない場合とほぼ同等になる。２×１０２０ｃｍ−３の０．５％分の１×１０１８ｃｍ−３以上のキャリアが１００％自由キャリアとなるので、従来の窒素ドープのシート抵抗が実現可能となる。このため、シート抵抗が共ドープしない場合と、およそ一致することになる。また、Ａｌ濃度／Ｎ濃度＝０．３３、すなわち、Ｎ濃度：Ａｌ濃度＝３：１の場合、キャリア電子がすべて、３量体によって形成される浅いドナー準位ではなく、余剰のＮで形成される深いドナー準位に受け取られことになる。このため、シート抵抗が共ドープしない場合と、およそ一致することになる。したがって、共ドープにより抵抗が低減するのは、Ａｌ濃度／Ｎ濃度を０．３３より大きく０．９９５より小さくした場合、すなわち、ＡｌをＮに対し３３％〜９９．５％入れた場合となる。誤差も考えると、３３％より大きく、１００％未満と考えればよい。
Ａｌ濃度がＮ濃度よりも多い場合（Ａｌ濃度＞Ｎ濃度）、相互作用によりＡｌ−Ｎペアが出来た余りのＡｌもまた、Ａｌ−Ｎペアの近傍のＳｉを置換することで安定化する。このため、浅いアクセプタ準位が形成される。また、歪も緩和するので、３量体を形成しない場合よりもＡｌの濃度を増やすことが出来る。この場合も、Ｎ濃度＞Ａｌ濃度の場合と同様に考えればよい。
図８は、ｐ型ＳｉＣの場合のＮとＡｌの濃度とシート抵抗の関係を示す図である。Ａｌ濃度は、２×１０２０ｃｍ−３としている。
Ａｌ濃度：Ｎ濃度が１：１から２：１になるまでは、歪が入らずに３量体ができ、浅いアクセプタ準位に入っているキャリア正孔数が増加する。したがって、シート抵抗が低下する。
そして、２：１に達したとき、最大量のキャリアが使えるので、最もシート抵抗が低い状態となる。シート抵抗としては、図８に示すように、４０Ω／□程度まで低減できる。ｐ型ＳｉＣへのコンタクト抵抗も、Ａｌ濃度：Ｎ濃度＝２：１になるようにし、Ａｌ濃度とＮ濃度の差分を１０２０ｃｍ−３から１０２２ｃｍ−３と増やすことで１０−５Ωｃｍ３程度から、１０−７Ωｃｍ３程度まで低減可能である。
さらに、２：１よりＡｌ濃度の割合が上がると、Ａｌ濃度：Ｎ濃度＝２：１より過剰なＡｌにより、元の深いアクセプタ準位が形成されることになる。そして、このアクセプタ準位がキャリア正孔を受け取ることになり、３量体によって形成された浅いアクセプタ準位が電子で埋まってしまう。Ａｌ濃度：Ｎ濃度＝２：１よりずれた分のＡｌは、単体で導入された場合に近いので、歪の緩和が困難である。したがって、図８に示すように、シート抵抗が急激に増加していくことになる。
図８では、ｐ型不純物のＡｌ（アルミニウム）を、Ｎを共ドープしない場合に固溶限近傍まで入れた場合のシート抵抗（この場合は約１０ＫΩ／□）を比較対象とし、Ａｌ濃度：Ｎ濃度＝２：１からずらした場合にどのようにシート抵抗の値が変化するかを示している。
３量体構造が出来たＮ濃度／Ａｌ濃度＝０．５を中心に考えることにする。Ｎ濃度／Ａｌ濃度を０．４７以上、０．６０（８×１０１９ｃｍ−３以上のキャリアが１００％自由キャリアとなる）以下とした場合、つまり、ｐ型不純物に対し、ｎ型不純物を４７％〜６０％入れた場合、Ｎを共ドープしない場合のシート抵抗に比較して２桁落ちのシート抵抗となり、非常に有効である。０．５未満では、浅い準位が減少し、かつ、歪が入るので、自由キャリア数が減り、０．４７程度で、８×１０１９ｃｍ−３相当のキャリアとなる。
そこから幅を両側に広げて、Ｎ濃度／Ａｌ濃度を０．４５以上、０．７５（５×１０１９ｃｍ−３以上のキャリアが１００％自由キャリアとなる）以下とした場合、すなわち、ＮをＡｌに対し４５％〜７５％入れた場合、２桁落ちからその３倍程度の大きさとなる。０．５未満では、浅い準位が減少し、かつ、歪が入るので、自由キャリア数が減り、０．４５程度で、５×１０１９ｃｍ−３相当のキャリアとなる。さらに幅を広げて、Ｎ濃度／Ａｌ濃度を０．４０より大きく０．９５（１×１０１９ｃｍ−３以上のキャリアが１００％自由キャリアとなる）より小さくした場合、すなわち、ＮをＡｌに対し４０％〜９５％入れた場合、１桁落ちのシート抵抗となる。０．５未満では、浅い準位が減少し、かつ、歪が入るので、自由キャリア数が減り、０．４０程度で、１×１０１９ｃｍ−３相当のキャリアとなる。
ＮをＡｌに対して５０％以上入れた側の方が特性がよいのは、歪が緩和するためである。それに対し、Ｎが５０％未満の場合、１つのＮに対し２つのＡｌがクラスター化して３量体が形成された状態が５０％の状態であり、そこに更にＡｌが存在することになる。つまり、３量体になれないＡｌがあるので、その分だけ歪が溜まることになる。こうして、５０％を割った場合は、歪が急激に発生して、格子欠陥が増加することになる。このため、歪が緩和できる５０％以上の場合に比較して、５０％未満の場合の方が、シート抵抗が急激に悪化する。
なお、Ｎ濃度／Ａｌ濃度＝０．９９５で、キャリア数が共ドープしない場合とほぼ同等になる。２×１０２０ｃｍ−３の０．５％分の１×１０１８ｃｍ−３以上のキャリアが１００％自由キャリアとなるので、従来のＡｌドープのシート抵抗が実現可能となる。このため、シート抵抗が共ドープしない場合と、およそ一致することになる。また、Ｎ濃度／Ａｌ濃度＝０．３３、すなわちＡｌ濃度：Ｎ濃度＝３：１の場合、キャリア正孔がすべて、３量体によって形成される浅いアクセプタ準位ではなく、余剰のＡｌで形成される深いアクセプタ準位に受け取られことになる。このため、シート抵抗が共ドープしない場合と、およそ一致することになる。したがって、共ドープの抵抗低減効果が得られるのは、Ｎ濃度／Ａｌ濃度を０．３３より大きく０．９９５より小さくした場合、すなわち、ＮをＡｌに対し３３％〜９９．５％入れた場合となる。誤差も考えると、３３％より大きく、１００％未満と考えればよい。
共ドープしない場合には、１×１０１８ｃｍ−３以下の低濃度の不純物を使った低抵抗ＳｉＣ半導体材料は存在し難い。しかし、共ドープによれば、３量体を形成することで、浅い準位が形成され、キャリア数が増加する。したがって、少量の不純物でも低抵抗化が可能である。
以上のように、ｐ型不純物とｎ型不純物を適切な割合で共ドープすることにより、少なくとも２つの顕著な効果が得られることになる。
第一に、歪が緩和して、歪の少ないＳｉＣを形成可能である。共ドープしない場合に比べて、歪が少なくなり、欠陥が少なく、多くの不純物を導入することが可能になる。すなわち、不純物の固溶限を高くすることができる。したがって、シート抵抗が低減し、比抵抗が低減し、コンタクト抵抗が低減する。イオン注入法であれ、エピタキシャル成長法であれ、欠陥が少なくなるので、不純物の高ドーズ化が可能となる。
第二に、浅い準位を形成することが可能となる。共ドープしない場合と比較して、少ない不純物を用いるだけで、低抵抗な材料を作成することが可能になる。あるいは、同じ不純物量の場合に、桁違いに小さいシート抵抗が得られることになる。エピタキシャル成長にて形成可能な低ドーズの領域を考えた時、共ドープを用いない場合、高抵抗になってしまう。しかし、共ドープを使えば、低抵抗なＳｉＣを形成することが可能となる。これにより、より低オン抵抗のＳｉＣ半導体装置を製造することも可能となる。
次に、本実施形態の気相成長装置を用いた気相成長方法について図１を参照しつつ、説明する。まず、ｎ型ＳｉＣの成長方法について説明する。
本実施形態のｎ型ＳｉＣの気相成長方法は、反応室内で、基板または種結晶に、Ｓｉ（シリコン）のソースガス、Ｃ（炭素）のソースガス、ｎ型不純物のソースガス、および、ｐ型不純物のソースガスを同時に供給してｎ型ＳｉＣを成長させる。ｐ型不純物を元素Ａ、ｎ型不純物を元素Ｄとする場合に、元素Ａと元素Ｄとの組み合わせが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）、Ｂ（ボロン）とＰ（リン）の少なくとも一方の組み合わせであり、成長するｎ型ＳｉＣ中の組み合わせを構成する元素Ａの濃度の元素Ｄの濃度に対する比が０．４０より大きく０．９５より小さくなるようｐ型不純物のソースガスとｎ型不純物のソースガスの量（流量）を制御する。
また、本実施形態の気相成長方法で成膜されるｎ型ＳｉＣの元素Ｄの濃度は、例えば、１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の範囲である。
例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）の第１の組み合わせの場合、元素Ａが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）から選ばれる１種の元素であってもかまわない。また、Ａｌ（元素Ａ１）とＧａ（元素Ａ２）等の２種の元素、あるいは、Ａｌ（元素Ａ１）、Ｇａ（元素Ａ２）、Ｉｎ（元素Ａ３）の３種の元素で構成されていてもかまわない。複数の元素の場合、２種または３種の元素をあわせて組み合わせを構成する元素Ａと考え、上記元素Ａの濃度の元素Ｄの濃度に対する比、元素Ｄの濃度の条件が充足されれば良い。
また、第１の組み合わせと第２の組み合わせの両者が共存することも可能である。しかし、上記元素Ａの濃度の元素Ｄの濃度に対する比、元素Ｄの濃度の条件は、すくなくとも、第１の組み合わせ、第２の組み合わせのいずれか一方を構成する元素で充足されなければならない。いいかえれば、第１の組み合わせと第２の組み合わせは、個別に元素比、元素濃度を満たさなければならない。これは、第１の組み合わせの不純物と第２の組み合わせの不純物の間では、後に詳述する３量体が形成されないためである。
以下、元素ＡがＡｌ（アルミニウム）、元素ＤがＮ（窒素）である場合を例に説明する。
まず、反応室１０内の支持部１４に半導体ウェハＷを載置する。半導体ウェハＷは、例えば、ｎ型不純物としてＰ（リン）またはＮ（窒素）を不純物濃度５×１０１８ｃｍ−３程度含み、例えば、厚さ３００μｍであり、４Ｈ−ＳｉＣの低抵抗のｎ型のＳｉＣ基板である。
ここで、例えば、反応室１０のウェハ出入口のゲートバルブ（図示せず）を開きハンドリングアームにより、ロードロック室内の半導体ウェハＷを反応室１０内に搬送する。そして、半導体ウェハＷは例えば突き上げピン（図示せず）を介して支持部１４に載置され、ハンドリングアームはロードロック室に戻され、ゲートバルブは閉じられる。
そして、図示しない真空ポンプを作動して反応室１０内のガスをガス排出部２８から排気して所定の真空度にする。ここで、支持部１４に載置した半導体ウェハＷは、加熱部１８により所定温度に予備加熱している。さらに、加熱部１８の加熱出力を上げて半導体ウェハＷをＳｉＣのエピタキシャル成長温度に昇温させる。成長温度は、例えば、１６００℃〜１７５０℃である。
そして、上記真空ポンプによる排気を続行すると共に、回転体ユニット１６を所要の速度で回転させる。そして、第１ないし第４のガス供給源４１〜４４から供給され、マスフローコントローラ５１〜５２で流量を調整されたＳｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスを混合して、ガス供給部１２から噴出する。なお、ソースガスは、例えば、それぞれ異なるノズルから反応室内に噴出され、反応室で混合してもかまわない。
Ｓｉ（シリコン）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとするモノシラン（ＳｉＨ４）である。また、Ｃ（炭素）のソースガスは、例えば、水素ガスをキャリアガスとするプロパン（Ｃ３Ｈ８）である。また、Ｎ（窒素）のソースガスは、例えば、水素ガスで希釈された窒素ガス（Ｎ２）である。そして、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）でバブリングされ、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとするトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）である。
ソースガスを供給する際、制御信号生成部６０で、成長するＳｉＣ中のＡｌの濃度のＮの濃度に対する比（Ａｌ濃度／Ｎ濃度）が０．４０より大きく０．９５より小さくなるよう流量が規定された制御信号が生成される。
ガス供給部１２から、噴出されたＳｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスの混合ガスは、半導体ウェハＷ上に整流状態で供給される。これにより、半導体ウェハＷ表面に、ｎ型ＳｉＣの単結晶膜がエピタキシャル成長により形成される。
そして、エピタキシャル成長終了時には、ガス供給部１２からのソースガスの噴出を停止し、半導体ウェハＷ上へのソースガスの供給が遮断され、単結晶膜の成長が終了される。
成膜後は、半導体ウェハＷの降温を始める。ここでは、例えば、回転体ユニット１６の回転を停止させ、単結晶膜が形成された半導体ウェハＷを支持部１２に載置したままにして、加熱部１６の加熱出力を初期値に戻し、予備加熱の温度、例えば６００℃以下に低下するよう調整する。
次に、半導体ウェハＷが所定の温度に安定した後、例えば突き上げピンにより半導体ウェハＷを支持部１４から脱着させる。そして、再びゲートバルブを開いてハンドリングアームを挿入し、その上に半導体ウェハＷを載せる。そして、半導体ウェハＷを載せたハンドリングアームをロードロック室に戻す。
以上のようにして、一回の半導体ウェハＷに対する成膜が終了し、例えば、引き続いて他の半導体ウェハＷに対する成膜を上述したのと同一のプロセスシーケンスに従って行うことも可能である。
本実施形態の気相成長方法で成膜されるｎ型ＳｉＣのＮ（窒素）濃度は、例えば、１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の範囲である。本実施形態の気相成長方法によれば、ＮとＡｌが所定の割合で共ドープされる。これにより、Ｎの固溶限が上がり、かつ、ドナー準位が浅くなり、低抵抗なｎ型ＳｉＣが実現される。さらに、欠陥の発生が抑制され高品質なｎ型ＳｉＣが実現される。
本実施形態では、ｎ型ＳｉＣの成長を気相から行っている。気相中での拡散は固相中に比べると遥かに大きいため、ＮとＡｌの相互作用が固相中よりも生じやすい。したがって、ＳｉＣ中での３量体形成が生じやすい。よって、共ドープによる効果の発現が促進される。
特に、本実施形態は、イオン注入での共ドープでは３量体が形成しにくいＮの濃度が比較的低い範囲、すなわち、Ｎの濃度が１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下の範囲でも、共ドープの効果の発現を促進することが出来る。
特に、Ｎの濃度が１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下の低濃度の範囲では、ドナー準位が浅くできることで、ドナー準位が深い共ドープを行わない場合と比較して、ＳｉＣとしての耐圧を維持した状態で低抵抗化を実現することが可能となる。したがって、本実施形態では、例えば、縦型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や縦型ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のドリフト層への応用に適したＳｉＣ膜が成膜可能である。
なお、より低抵抗なｎ型ＳｉＣを形成する観点から、成長するｎ型ＳｉＣ中のＡｌの濃度のＮの濃度に対する比が０．４５以上０．７５以下となるようＡｌのソースガスとＮのソースガスとの流量を調整することが望ましい。さらに、Ａｌの濃度のＮの濃度に対する比が０．４７以上０．６０以下となるようＡｌのソースガスとＮのソースガスとの流量を調整することが望ましい。
次に、ｐ型ＳｉＣの成長方法について説明する。
本実施形態のｐ型ＳｉＣの気相成長方法は、反応室内で、基板または種結晶に、Ｓｉ（シリコン）のソースガス、Ｃ（炭素）のソースガス、ｎ型不純物のソースガス、および、ｐ型不純物のソースガスを同時に供給してｐ型ＳｉＣを成長させる。ｐ型不純物を元素Ａ、ｎ型不純物を元素Ｄとする場合に、元素Ａと元素Ｄとの組み合わせが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）、Ｂ（ボロン）とＰ（リン）の少なくとも一方の組み合わせであり、成長するｐ型ＳｉＣ中の組み合わせを構成する元素Ｄの濃度の元素Ａの濃度に対する比が０．３３より大きく１．０より小さくなるようｐ型不純物のソースガスとｎ型不純物のソースガスの量（流量）を制御する。
また、本実施形態の気相成長方法で成膜されるｐ型ＳｉＣの元素Ａの濃度は、例えば、１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の範囲である。
例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）の第１の組み合わせの場合、元素Ａが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）から選ばれる１種の元素であってもかまわない。また、Ａｌ（元素Ａ１）とＧａ（元素Ａ２）等の２種の元素、あるいは、Ａｌ（元素Ａ１）、Ｇａ（元素Ａ２）、Ｉｎ（元素Ａ３）の３種の元素で構成されていてもかまわない。複数の元素の場合、２種または３種の元素をあわせて組み合わせを構成する元素Ａと考え、上記元素Ｄの濃度の元素Ａの濃度に対する比、元素Ａの濃度の条件が充足されれば良い。
また、第１の組み合わせと第２の組み合わせの両者が共存することも可能である。しかし、上記元素Ｄの濃度の元素Ａの濃度に対する比、元素Ａの濃度の条件は、すくなくとも、第１の組み合わせ、第２の組み合わせのいずれか一方を構成する元素で充足されなければならない。いいかえれば、第１の組み合わせと第２の組み合わせは、個別に元素比、元素濃度を満たさなければならない。これは、第１の組み合わせの不純物と第２の組み合わせの不純物の間では、３量体が形成されないためである。
以下、元素ＡがＡｌ（アルミニウム）、元素ＤがＮ（窒素）である場合を例に説明する。
ｐ型ＳｉＣの気相成長方法は、ｎ型ＳｉＣの気相成長方法に対して、Ｎ（窒素）のソースガス、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスの流量が異なる点で、相違する。ｎ型ＳｉＣの気相成長方法と重複する点については記述を省略する。
ソースガスを供給する際、制御信号生成部６０で、成長するｐ型ＳｉＣ中のＮの濃度のＡｌの濃度に対する比（Ｎ濃度／Ａｌ濃度）が０．３３より大きく１．０より小さくなるよう流量が規定された制御信号が生成される。
ｐ型ＳｉＣの気相成長では、ガス供給部１２から、噴出されたＳｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスの混合ガスは、半導体ウェハＷ上に整流状態で供給される。これにより、半導体ウェハＷ表面に、ｐ型ＳｉＣの単結晶膜がエピタキシャル成長により形成される。
本実施形態の気相成長方法で成膜されるｐ型ＳｉＣのＡｌ（アルミニウム）濃度は、例えば、１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下の範囲である。本実施形態の気相成長方法によれば、ＮとＡｌが所定の割合で共ドープされる。これにより、Ａｌの固溶限が上がり、かつ、アクセプタ準位が浅くなり、低抵抗なｐ型ＳｉＣが実現される。さらに、欠陥の発生が抑制され高品質なｐ型ＳｉＣが実現される。
本実施形態では、ｐ型ＳｉＣの成長を気相から行っている。気相中での拡散は固相中に比べると遥かに大きいため、ＮとＡｌの相互作用が固相中よりも生じやすい、したがって、ＳｉＣ中での３量体形成が生じやすい。よって、共ドープによる効果の発現が促進される。
特に、本実施形態は、イオン注入での共ドープでは３量体が形成しにくいＡｌの濃度が比較的低い範囲、すなわち、Ａｌの濃度が１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲でも、共ドープの効果の発現を促進することが出来る。そして、イオン注入での共ドープでは、さらに３量体が形成しにくいＡｌの濃度が比較的より低い範囲、すなわち、Ａｌの濃度が１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下の範囲でも、共ドープの効果の発現を促進することが出来る。
特に、Ａｌの濃度が１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下の低濃度の範囲では、アクセプタ準位が浅くできることで、アクセプタ準位が深い共ドープを行わない場合と比較して、ＳｉＣとしての耐圧を維持した状態で低抵抗化を実現することが可能となる。
なお、より低抵抗なｐ型ＳｉＣを形成する観点から、成長するｐ型ＳｉＣ中のＮの濃度のＡｌの濃度に対する比が０．４０より大きく０．９５より小さくなるようＡｌのソースガスとＮのソースガスとの流量を調整することが望ましい。さらに、Ｎの濃度のＡｌの濃度に対する比が０．４５以上０．７５以下となるようＡｌのソースガスとＮのソースガスとの流量を調整することが望ましい。そして、Ｎの濃度のＡｌの濃度に対する比が０．４７以上０．６０以下となるようＡｌのソースガスとＮのソースガスとの流量を調整することが一層望ましい。
（第２の実施形態）
本実施形態のＳｉＣの気相成長方法は、ｎ型ＳｉＣ上にｐ型ＳｉＣ、または、ｐ型ＳｉＣ上にｎ型ＳｉＣを連続して形成する点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
本実施形態の気相成長方法は、例えば、図１に示すエピタキシャル成長装置１００によって行う。図１に示すエピタキシャル成長装置１００は、ｎ型不純物、例えば、Ｎ（窒素）のソースガス、ｐ型不純物、例えば、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスのいずれも反応室１０に供給可能となっている。したがって、同一の反応室１０内で、連続して、ｎ型、ｐ型両タイプのＳｉＣ膜を成長することが可能となる。
まず、ｎ型ＳｉＣ上にｐ型ＳｉＣを成膜する形態について説明する。まず、第１の実施形態で説明したｎ型ＳｉＣの成長方法により、反応室内１０に保持される半導体ウェハＷ（基板）に、Ｓｉ（シリコン）のソースガス、Ｃ（炭素）のソースガス、ｎ型不純物、例えばＮ（窒素）のソースガス、および、ｐ型不純物、例えばＡｌ（アルミニウム）のソースガスを同時に供給してｎ型ＳｉＣを成長させる。成長するｎ型ＳｉＣ中のｐ型不純物の濃度のｎ型不純物の濃度に対する比が０．４０より大きく０．９５より小さくなるようｐ型不純物のソースガスとｎ型不純物のソースガスとの流量を調整してｎ型ＳｉＣを成長させる。
そして、ｎ型ＳｉＣを成長させた後に、同一の反応室１０内で、ｎ型ＳｉＣ上に、ｐ型ＳｉＣを成長させる。この際、成長するｐ型ＳｉＣ中のｎ型不純物の濃度のｐ型不純物の濃度に対する比が０．３３より大きく１．０より小さくなるようｎ型不純物のソースガスとｐ型不純物のソースガスとの流量を調整してｐ型ＳｉＣを成長させる。
本実施形態によれば、同一反応室１０内で、ｎ型ＳｉＣ上にｐ型ＳｉＣを連続して成膜する。したがって、半導体ウェハＷを反応室１０から搬出、搬送するための降温工程が不要となる。よって、低抵抗なｎ型ＳｉＣとｐ型ＳｉＣの積層構造を、高いスループットで製造することが可能となる。
また、連続成膜のため、搬送中に付着する膜中のダスト等が低減され高品質なＳｉＣが製造可能となる。
次に、ｐ型ＳｉＣ上にｎ型ＳｉＣを成膜する形態について説明する。まず、第１の実施形態で説明したｐ型ＳｉＣの成長方法により、反応室１０内に保持される半導体ウェハＷ（基板）に、Ｓｉ（シリコン）のソースガス、Ｃ（炭素）のソースガス、ｎ型不純物、例えばＮ（窒素）のソースガス、および、ｐ型不純物、例えば、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスを同時に供給する。そして、成長するＳｉＣ中のｎ型不純物の濃度のｐ型不純物の濃度に対する比が０．３３より大きく１．０より小さくなるようＮのソースガスとＡｌのソースガスとの流量を調整してｐ型ＳｉＣを成長させる。
そして、ｐ型ＳｉＣを成長させた後に、同一の反応室内１０で、ｐ型ＳｉＣ上にｎ型ＳｉＣを成膜する。この際、成長するｎ型ＳｉＣ中のｐ型不純物の濃度のｎ型不純物の濃度に対する比が０．４０より大きく０．９５より小さくなるようｐ型不純物のソースガスとｎ型不純物ソースガスとの流量を調整してｎ型ＳｉＣを成長させる。
なお、ｐ型不純物を元素Ａ、ｎ型不純物を元素Ｄとする場合に、元素Ａと元素Ｄとの組み合わせが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）、Ｂ（ボロン）とＰ（リン）の少なくとも一方の組み合わせである点については、第１の実施の形態と同様である。
本実施形態によれば、同一反応室１０内で、ｐ型ＳｉＣ上にｎ型ＳｉＣを連続して成膜する。したがって、半導体ウェハＷを反応室１０から搬出、搬送するための降温工程が不要となる。よって、低抵抗なｐ型ＳｉＣとｎ型ＳｉＣの積層構造を、高いスループットで製造することが可能となる。
また、連続成膜のため、搬送中に付着する膜中のダスト等が低減され高品質なＳｉＣが製造可能となる。
（第３の実施形態）
本実施形態は、第１または第２の実施形態の気相成長方法を用いた半導体装置の製造方法である。第１および第２の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
以下、元素ＡがＡｌ（アルミニウム）、元素ＤがＮ（窒素）である場合を例に説明する。
図９は、本実施形態で製造される半導体装置の模式断面である。半導体装置２００は、メサ型のＰｉＮダイオードである。
このＰｉＮダイオード２００は、第１と第２の面を有するｎ+型ＳｉＣ基板（炭化珪素基板）８２を備えている。図９においては、第１の面とは図の上側の面であり、第２の面とは図の下側の面である。
ＳｉＣ基板８２は、不純物濃度５×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３程度の、例えば、Ｎ（窒素）をｎ型不純物として含む４Ｈ−ＳｉＣ基板（ｎ基板）である。第１の面は、例えば、（０００１）面に対し４度傾斜する面である。
このＳｉＣ基板８２の第１の面上には、Ｎの濃度１×１０１８〜５×１０１８ｃｍ−３程度のｎ型ＳｉＣ層（バッファ層）８４が形成されている。ｎ型ＳｉＣ層８４の膜厚は、例えば、０．５〜３μｍ程度である。
ｎ型ＳｉＣ層８４には、Ａｌ（アルミニウム）とＮ（窒素）が共ドープされている。Ａｌの濃度のＮの濃度に対する比が、０．４０より大きく０．９５より小さい
ｎ型ＳｉＣ層８４上には、Ｎの不純物濃度１×１０１５〜２×１０１６ｃｍ−３程度のｎ−型ＳｉＣ層８６が形成されている。ｎ−型ＳｉＣ層８６の膜厚は、例えば５〜５０μｍ程度である。
ｎ−型ＳｉＣ層８６の表面には、Ａｌの不純物濃度１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３程度のｐ型ＳｉＣ層８８を備えている。ｐ型ＳｉＣ層８８は、Ｎ（窒素）とＡｌ（アルミニウム）が共ドープされている。そして、Ｎの濃度のＡｌの濃度に対する比が、０．３３より大きく１．０より小さい。ｐ型ＳｉＣ層８８の膜厚は、例えば、０．５〜３μｍ程度である。
ｐ型ＳｉＣ層８８の表面には、Ａｌの不純物濃度１×１０１９〜１×１０２０ｃｍ−３程度のｐ＋型ＳｉＣ層９０を備えている。ｐ＋型ＳｉＣ層９０は、Ｎ（窒素）とＡｌ（アルミニウム）が共ドープされている。そして、Ｎの濃度のＡｌの濃度に対する比が、０．３３より大きく１．０より小さい。ｐ＋型ＳｉＣ層９０の膜厚は、例えば、０．２〜１μｍ程度である。
そして、ｐ＋型ＳｉＣ層９０と電気的に接続される導電性のアノード電極９４を備えている。アノード電極９４は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）のバリアメタル層９４ａと、バリアメタル層９４ａ上のＡｌのメタル層９４ｂとで構成される。
また、ｎ+型ＳｉＣ基板８２の第２の面側には、導電性のカソード電極９６が形成されている。カソード電極９６は、例えば、Ｎｉである。
次に、ＰｉＮダイオード２００の製造方法の一例について説明する。
まず、例えば、ｎ型の不純物濃度５×１０１８ｃｍ−３のｎ+型ＳｉＣ基板８２を準備する。
次に、例えば、図１に示すエピタキシャル成長装置１００を用いて、ｎ+型ＳｉＣ基板８２上に、例えば、膜厚１μｍのｎ型ＳｉＣ層８４を形成する。エピタキシャル成長温度は、例えば、１６３０℃である。
Ｓｉ（シリコン）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとする１０％希釈のモノシラン（ＳｉＨ４）である。また、Ｃ（炭素）のソースガスは、例えば、水素ガスをキャリアガスとする１０％希釈のプロパン（Ｃ３Ｈ８）である。また、Ｎ（窒素）のソースガスは、例えば、水素ガスで１０％に希釈された窒素ガス（Ｎ２）である。そして、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとするトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）である。トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）は、例えば、１５℃の恒温槽から水素ガス（Ｈ２）のバブリングで供給される。Ｃ／Ｓｉ比は、例えば、０．９とする。
この際、エピタキシャル成長装置１００の制御部により、例えば、成長するｎ型ＳｉＣ層８４中のＡｌの濃度が１×１０１８ｃｍ−３、Ｎの濃度が２×１０１８ｃｍ−３（Ａｌ濃度／Ｎ濃度＝０．５）となるようＡｌのソースガスとＮのソースガスの流量を調整する。
次に、同一の反応室１０内で、ｎ型ＳｉＣ層８４上に、例えば、膜厚４０μｍのｎ−型ＳｉＣ層８６を形成する。形成条件は、ソースガスの流量以外はｎ型ＳｉＣ層８４の場合と同様である。
この際、制御部により、例えば、成長するｎ−型ＳｉＣ層８６中のＡｌの濃度が３×１０１５ｃｍ−３、Ｎの濃度が６×１０１５ｃｍ−３（Ａｌ濃度／Ｎ濃度＝０．５）となるようＡｌのソースガスとＮのソースガスとの流量を調整する。
次に、同一の反応室１０内で、ｎ−型ＳｉＣ層８６上に、例えば、膜厚１．５μｍのｐ型ＳｉＣ層８８を形成する。エピタキシャル成長温度は、例えば、１６３０℃である。
Ｓｉ（シリコン）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとする１０％希釈のモノシラン（ＳｉＨ４）である。また、Ｃ（炭素）のソースガスは、例えば、水素ガスをキャリアガスとする１０％希釈のプロパン（Ｃ３Ｈ８）である。また、Ｎ（窒素）のソースガスは、例えば、水素ガスで１０％に希釈された窒素ガス（Ｎ２）である。そして、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとするトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）である。トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）は、例えば、１５℃の恒温槽から水素ガス（Ｈ２）のバブリングで供給される。Ｃ／Ｓｉ比は、例えば、１．１とする。
この際、制御部により、例えば、成長するｐ型ＳｉＣ層８８のＮの濃度が１×１０１７ｃｍ−３、Ａｌの濃度が２×１０１７ｃｍ−３（Ｎ濃度／Ａｌ濃度＝０．５）となるようＡｌのソースガスとＮのソースガスとの流量を調整する。
次に、同一の反応室１０内で、ｐ型ＳｉＣ層８８上に、膜厚０．５μｍのｐ＋型ＳｉＣ層９０を形成する。形成条件は、ソースガスの流量以外はｐ型ＳｉＣ層８８の場合と同様である。
この際、制御部により、例えば、成長するｐ＋型ＳｉＣ層９０のＮの濃度が１×１０１９ｃｍ−３、Ａｌの濃度が２×１０１９ｃｍ−３（Ｎ濃度／Ａｌ濃度＝０．５）となるようＡｌのソースガスとＮのソースガスとの流量を調整する。
その後、公知のプロセスによりメサ構造を形成する。さらに、公知のプロセスによりアノード電極９４とカソード電極９６を形成して、ＰｉＮダイオード２００が完成する。
本実施形態によれば、共ドープのエピタキシャル成長により形成したエピタキシャルウェハを用いて、ＰｉＮダイオード２００が形成される。したがって、高性能、高耐圧のＰｉＮダイオード２００が実現される。
また、同一反応室１０内で、連続してｎ型とｐ型のエピタキシャル膜を成膜することで、ＰｉＮダイオード２００の製造時間を短縮することが可能である。例えば、工程時間が１時間半程度短縮される。
（第４の実施形態）
本実施形態の気相成長装置は、ＳｉＣ成長用の装置である。そして、反応室と、反応室にＳｉ（シリコン）のソースガスを供給する第１のガス供給路と、反応室にＣ（炭素）のソースガスを供給する第２のガス供給路と、反応室にｎ型不純物のソースガスを供給する第３のガス供給路と、反応室にｐ型不純物のソースガスを供給する第４のガス供給路と、ｎ型不純物とｐ型不純物のソースガスの量（流量）を所定の割合に制御し反応室に導入する制御部と、を備える。ここで、ｐ型不純物を元素Ａ、ｎ型不純物を元素Ｄとする場合に、元素Ａと元素Ｄとの組み合わせが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）、Ｂ（ボロン）とＰ（リン）の少なくとも一方の組み合わせである。
なお、ｎ型不純物とｐ型不純物が所定の割合で共ドープされたＳｉＣの効果等については、第１の実施形態と同様であるので、記述を省略する。また、以下、元素ＡがＡｌ（アルミニウム）、元素ＤがＮ（窒素）である場合を例に説明する。
図１０は、本実施形態の気相成長装置の模式断面図である。本実施形態の気相成長装置は、高温ＣＶＤ（ＨＴＣＶＤ）法を用いる気相成長装置である。本実施形態の気相成長装置は、種結晶からエピタキシャル成長によりｎ型またはｐ型のＳｉＣ単結晶を形成する。
図１０に示すように、本実施形態の気相成長装置３００は、例えば、石英ガラス製で、円筒状中空体の反応室１１０を備えている。そして、この反応室１１０下部に配置され、反応室１１０内に、プロセスガスを供給するガス供給部１１２を備えている。
また、反応室１１０内上部には、ＳｉＣの種結晶Ｓが回転可能に保持される構造となっている。また、反応室１１０の周囲には、種結晶Ｓおよびソースガスを輻射熱により加熱する加熱部１１４としてヒーターを備えている。
さらに、種結晶Ｓ上でソースガスが反応した後の反応生成物および反応室１１０の残留ガスを反応室１１０外部に排出するガス排出部１１６を、反応室１１０上部に備える。
そして、本実施形態の気相成長装置３００は、反応室１１０にＳｉ（シリコン）のソースガスを供給する第１のガス供給路３１と、反応室１１０にＣ（炭素）のソースガスを供給する第２のガス供給路３２と、反応室１０にＮ（窒素）のソースガスを供給する第３のガス供給路３３と、反応室にＡｌ（アルミニウム）のソースガスを供給する第４のガス供給路３４を備える。
第１のガス供給路３１は第１のガス供給源４１に、第２のガス供給路３２は第２のガス供給源４２に、第３のガス供給路３３は第３のガス供給源４３に、第４のガス供給路３４は第４のガス供給源４４に、接続されている。第１ないし第４のガス供給源は４１〜４４は、例えばそれぞれのソースガスが充填されたガスボンベである。
Ｓｉ（シリコン）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとするモノシラン（ＳｉＨ４）である。また、Ｃ（炭素）のソースガスは、例えば、水素ガスをキャリアガスとするプロパン（Ｃ３Ｈ８）である。また、Ｎ（窒素）のソースガスは、例えば、水素ガスで１０％に希釈された窒素ガス（Ｎ２）である。そして、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）でバブリングされ、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとするトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）である。
さらに、本実施形態の気相成長装置３００は第１のガス供給源４１に接続されＳｉ（シリコン）のソースガスの流量を調整するマスフローコントローラ５１と、第２のガス供給源４２に接続されＣ（炭素）のソースガスの流量を調整するマスフローコントローラ５２と、第３のガス供給源４３に接続されＮ（窒素）のソースガスの流量を調整するマスフローコントローラ（第１の調節部）５３と、第４のガス供給源４４に接続されＡｌ（アルミニウム）のソースガスの流量を調整するマスフローコントローラ（第２の調節部）５４を備える。
そして、第１の調節部５３と第２の調節部５４に流量を指定する制御信号を与える制御信号生成部６０を備える。第１の調節部５３と第２の調節部５４と、制御信号生成部６０が、ＮのソースガスとＡｌのソースガスとの流量比を所望の流量となるよう調整する制御部を構成する。
制御信号生成部６０は、例えば、成膜されるＳｉＣ中のＮとＡｌの濃度比を実現するＮのソースガスとＡｌのソースガスの流量を演算する機能を備えたコンピュータである。例えば、制御信号生成部６０に、外部入力装置から入力される実現すべきＳｉＣ中のＮとＡｌの濃度比を基に、ＮのソースガスとＡｌのソースガスに要求される流量を演算して制御信号を生成する。
次に、気相成長装置３００を用いたＳｉＣ単結晶の製造方法について説明する。まず、ｎ型ＳｉＣ単結晶の成長方法について説明する。
本実施形態のｎ型ＳｉＣの気相成長方法は、反応室１１０内に保持される種結晶に、Ｓｉ（シリコン）のソースガス、Ｃ（炭素）のソースガス、Ｎ（窒素）のソースガス、および、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスを同時に供給してＳｉＣを成長させる。成長するｎ型ＳｉＣ中のＡｌの濃度のＮの濃度に対する比が０．４０より大きく０．９５より小さくなるようＡｌのソースガスとＮのソースガスとの流量を調整してｎ型ＳｉＣを成長させる。
まず、反応室１１０内にＳｉＣ単結晶の種結晶Ｓを保持し、回転させる。そして、加熱部１１４の加熱出力を上げて種結晶Ｓを昇温させる。温度は、例えば、１９００℃〜２３００℃である。
そして、第１ないし第４のガス供給源４１〜４４から供給され、マスフローコントローラ５１〜５２で流量を調整されたＳｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスを混合して、ガス供給部１１２から噴出する。
Ｓｉ（シリコン）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとするモノシラン（ＳｉＨ４）である。また、Ｃ（炭素）のソースガスは、例えば、水素ガスをキャリアガスとするプロパン（Ｃ３Ｈ８）である。また、Ｎ（窒素）のソースガスは、例えば、窒素ガス（Ｎ２）である。そして、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスは、例えば、水素ガス（Ｈ２）でバブリングされ、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとするトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）である。
ソースガスを供給する際、制御信号生成部６０で、成長するＳｉＣ中のＡｌの濃度のＮの濃度に対する比（Ａｌ濃度／Ｎ濃度）が、例えば、０．５になるよう流量が指定された制御信号が生成される。
ガス供給部１１２から、噴出されたＳｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ａｌ（アルミニウム）のソースガスの混合ガスは、種結晶Ｓ上に整流状態で供給される。これにより、種結晶Ｓ表面に、ｎ型ＳｉＣの単結晶がエピタキシャル成長により形成される。種結晶Ｓ上に成長したｎ型ＳｉＣの単結晶は、例えば、反応室１１０内で鉛直方向に伸長していく。
そして、エピタキシャル成長終了時には、ガス供給部１１２からのソースガスの噴出を停止し、種結晶Ｓ上へのソースガスの供給が遮断され、ＳｉＣ単結晶の成長が終了される。ＳｉＣ成膜後は、ＳｉＣ単結晶の降温を始める。
なお、ｐ型ＳｉＣ単結晶の成長方法については、ソースガスの流量以外はｎ型ＳｉＣ単結晶の成長と同様である。
成長するｐ型ＳｉＣ中のＮの濃度のＡｌの濃度に対する比が、０．３３より大きく０．９０より小さくなるようＮのソースガスとＡｌのソースガスとの流量を調整してｐ型ＳｉＣを成長させる。例えば、Ｎの濃度のＡｌの濃度に対する比が０．５になるようにする。
本実施形態の気相成長装置３００によれば、ｎ型不純物であるＮ（窒素）のソースガスとｐ型不純物であるＡｌ（アルミニウム）のソースガスとを同時に供給してＳｉＣを製造することが可能となる。したがって、ｎ型不純物であるＮ（窒素）とｐ型不純物であるＡｌ（アルミニウム）が共ドープされたＳｉＣ単結晶を製造することが可能となる。
さらに、ＮのソースガスとＡｌのソースガスとの流量比を調整する制御部によって、ＮのソースガスとＡｌのソースガスとの流量を所望の流量に制御することが可能となる。したがって、成長するＳｉＣ中のＡｌの濃度とＮの濃度の比を所望の比率に制御することが可能である。
このように、ｎ型不純物であるＮ（窒素）とｐ型不純物であるＡｌ（アルミニウム）が所定の比率で共ドープされることにより、低抵抗なＳｉＣが実現される。
特に、制御部が、成長するＳｉＣ中のＡｌの濃度のＮの濃度に対する比が０．４０より大きく０．９５より小さく、または、ＳｉＣ中のＮの濃度のＡｌの濃度に対する比が０．３３より大きく１．０より小さくなるようＡｌのソースガスとＮのソースガスとの流量を調整する構成となっていることが望ましい。
以上、実施形態では、ＳｉＣ（炭化珪素）の結晶構造として４Ｈ−ＳｉＣの場合を例に説明したが、本発明は６Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ等、その他の結晶構造のＳｉＣに適用することも可能である。
また、実施形態では、ｐ型不純物とｎ型不純物の組み合わせとして、Ａｌ（アルミニウム）とＮ（窒素）の組み合わせの場合を例に説明したが、この組み合わせに限らず、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）、Ｂ（ボロン）とＰ（リン）の組み合わせであれば、同様の効果を得ることが可能である。
また、実施形態では、ＳｉＣ上にＳｉＣを成長させるホモエピタキシャル成長を例に説明したが、ＳｉＣと異なる材質の基板上にＳｉＣを成長させるヘテロエピタキシャル成長に本発明を適用することも可能である。
また、実施形態では、気相成長装置として、枚葉型のエピタキシャル成長装置とＨＴＣＶＤ法装置を例に説明したが、例えば、プラネタリー方式等、その他の気相成長装置にも本発明を適用することが可能である。
また、第１および第４の実施形態の気相成長装置では、ＮおよびＡｌのガス供給路をそれぞれ１系統ずつとする場合を例に説明した。しかし、例えば、ガス供給路を２系統ずつ備える構成とすることも可能である。この場合、例えば、それぞれの系統のマスフローコントローラを、大流量用と小流量用とすることで、広い濃度範囲で精度の高い濃度制御を実現することが可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ 反応室
１２ ガス供給部
３１ 第１のガス供給路
３２ 第２のガス供給路
３３ 第３のガス供給路
３４ 第４のガス供給路
５３ 第１の調節部
５４ 第２の調節部
６０ 制御信号生成部
１００ 気相成長装置
１１０ 反応室
１１２ ガス供給部
３００ 気相成長装置

Claims (11)

  1. 反応室と、
    前記反応室にＳｉ（シリコン）のソースガスを供給する第１のガス供給路と、
    前記反応室にＣ（炭素）のソースガスを供給する第２のガス供給路と、
    前記反応室にｎ型不純物のソースガスを供給する第３のガス供給路と、
    前記反応室にｐ型不純物のソースガスを供給する第４のガス供給路と、
    前記ｎ型不純物と前記ｐ型不純物のソースガスの量を所定の割合に制御し反応室に導入する制御部と、を備え、
    前記ｐ型不純物を元素Ａ、前記ｎ型不純物を元素Ｄとする場合に、前記元素Ａと前記元素Ｄとの組み合わせが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）、Ｂ（ボロン）とＰ（リン）の少なくとも一方の組み合わせであることを特徴とする気相成長装置。
  2. 前記制御部が、成長するＳｉＣ中の、前記組み合わせを構成する前記元素Ａの濃度の前記元素Ｄの濃度に対する比が０．４０より大きく０．９５より小さく、または、成長するＳｉＣ中の、前記組み合わせを構成する前記元素Ｄの濃度の前記元素Ａの濃度に対する比が０．３３より大きく１．０より小さくなるよう前記ｐ型不純物のソースガスと前記ｎ型不純物のソースガスの量を制御することを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
  3. 前記制御部は、
    前記第３のガス供給路に接続される第１の調節部と、
    前記第４のガス供給路に接続される第２の調節部と、
    前記第１の調節部と前記第２の調節部に、ソースガスの量を指定する制御信号を与える制御信号生成部と、で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の気相成長装置。
  4. 基板または種結晶に、Ｓｉ（シリコン）のソースガス、Ｃ（炭素）のソースガス、ｎ型不純物のソースガス、および、ｐ型不純物のソースガスを供給してｎ型ＳｉＣを成長させる気相成長方法であって、
    前記ｐ型不純物を元素Ａ、前記ｎ型不純物を元素Ｄとする場合に、前記元素Ａと前記元素Ｄとの組み合わせが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）、Ｂ（ボロン）とＰ（リン）の少なくとも一方の組み合わせであり、
    成長する前記ｎ型ＳｉＣ中の前記組み合わせを構成する前記元素Ａの濃度の前記元素Ｄの濃度に対する比が０．４０より大きく０．９５より小さくなるよう前記ｐ型不純物のソースガスと前記ｎ型不純物のソースガスの量を制御することを特徴とする気相成長方法。
  5. 成長する前記ｎ型ＳｉＣ中の前記元素Ａの濃度の前記元素Ｄの濃度に対する比が０．４５以上０．７５以下となるよう前記ｐ型不純物のソースガスと前記ｎ型不純物のソースガスの量を制御することを特徴とする請求項４記載の気相成長方法。
  6. 前記元素Ｄの濃度が、１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項４または請求項５記載の気相成長方法。
  7. 前記ｎ型ＳｉＣを成長させた後に、同一の反応室内で、前記ｎ型ＳｉＣ上に、成長するｐ型ＳｉＣ中の、前記組み合わせを構成する前記元素Ｄの濃度の前記元素Ａの濃度に対する比が０．３３より大きく１．０より小さくなるよう前記ｐ型不純物のソースガスと前記ｎ型不純物のソースガスの量を制御してｐ型ＳｉＣを成長させることを特徴とする請求項４ないし請求項６いずれか一項記載の気相成長方法。
  8. 基板または種結晶に、Ｓｉ（シリコン）のソースガス、Ｃ（炭素）のソースガス、ｎ型不純物のソースガス、および、ｐ型不純物のソースガスを供給してｐ型ＳｉＣを成長させる気相成長方法であって、
    前記ｐ型不純物を元素Ａ、前記ｎ型不純物を元素Ｄとする場合に、前記元素Ａと前記元素Ｄとの組み合わせが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）とＮ（窒素）、Ｂ（ボロン）とＰ（リン）の少なくとも一方の組み合わせであり、
    成長する前記ｐ型ＳｉＣ中の前記組み合わせを構成する前記元素Ｄの濃度の前記元素Ａの濃度に対する比が０．３３より大きく１．０より小さくなるよう前記ｐ型不純物のソースガスと前記ｎ型不純物のソースガスの量を制御することを特徴とする気相成長方法。
  9. 成長する前記ｐ型ＳｉＣ中の前記元素Ｄの濃度の前記元素Ａの濃度に対する比が０．４５より大きく０．９５より小さくとなるよう前記ｐ型不純物のソースガスと前記ｎ型不純物のソースガスの量を制御することを特徴とする請求項８記載の気相成長方法。
  10. 前記元素Ａの濃度が、１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項８または請求項９記載の気相成長方法。
  11. 前記ｐ型ＳｉＣを成長させた後に、同一の反応室内で、前記ｐ型ＳｉＣ上に、成長するｎ型ＳｉＣ中の、前記組み合わせを構成する前記元素Ａの濃度の前記元素Ｄの濃度に対する比が０．４０より大きく０．９５より小さくなるよう前記ｐ型不純物のソースガスと前記ｎ型不純物のソースガスの量を制御してｎ型ＳｉＣを成長させることを特徴とする請求項８ないし請求項１０いずれか一項記載の気相成長方法。
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