JP2014189436A - 炭化珪素エピタキシャルウエハ、同ウエハの製造方法、及び同ウエハの製造装置、並びに炭化珪素半導体素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】α型の結晶構造を有し、(0001)Si面を0°よりも大きく5°未満傾斜させた炭化珪素基板上にエピタキシャル成長層が配される炭化珪素エピタキシャルウエハであって、前記炭化珪素基板の基板表面における基底面転位に起因するジャイアントステップバンチングに基づく前記エピタキシャル成長層の表面欠陥密度が、20個/cm2以下であり、炭化珪素エピタキシャルウエハの製造は、炭化珪素基板表面に対し、エッチングガスを導入する水素エッチング工程と、原料ガスを導入して前記基板表面上にエピタキシャル成長層を形成するエピタキシャル成長層形成工程とを含み、前記水素エッチング工程は、前記基板表面に対するエッチング深さを1nm以下とするエッチング条件で実施される。
【選択図】図8(a)
Description
一方、炭化珪素(SiC)は、Siに比べて絶縁破壊電界強度が約10倍、禁制帯幅と熱伝導率が約3倍という優れた物性を持っており、パワー半導体素子の更なる性能向上が期待でき、これを用いたSiC半導体の早急な普及が求められている。
SiC基板には、通常、SiCインゴットから切り出す際に、(0001)Si面から所定のオフ角が付けられる。切り出されたSiC基板は、研磨等で表面加工された後、基板表面上にエピタキシャル成長層が形成されたエピタキシャルウエハの状態で使用される。
ここで、エピタキシャルウエハの表面に荒れている箇所が存在すると、その上に作製される半導体構造の性能が低下し、信頼性が低下する。特に、酸化膜の信頼性の低下は、顕著であり、MOSFETなどの信頼性向上には、エピタキシャルウエハの表面平坦性の向上が不可欠である。
こうした、低オフ角のSiC基板の平坦性を局所的に劣化させるBPD起因のGSBの発生を抑制することができれば、より平坦性の良好なSiCエピタキシャルウエハを提供することができ、延いては、信頼性の高いSiC半導体素子を提供することができる。
<1> α型の結晶構造を有し、(0001)Si面を0°よりも大きく5°未満傾斜させた炭化珪素基板上にエピタキシャル成長層が配される炭化珪素エピタキシャルウエハであって、前記炭化珪素基板の基板表面における基底面転位に起因するジャイアントステップバンチングに基づく前記エピタキシャル成長層の表面欠陥密度が、20個/cm2以下であることを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウエハ。
<2> 少なくとも、α型の結晶構造を有し、(0001)Si面を0°よりも大きく5°未満傾斜させた炭化珪素基板の基板表面に対し、水素ガスを含むエッチングガスを導入して水素エッチングする水素エッチング工程と、原料ガスを導入して前記水素エッチング後の前記基板表面上にエピタキシャル成長層を形成するエピタキシャル成長層形成工程と、を含む炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法であって、前記水素エッチング工程が、前記基板表面に対するエッチング深さを1nm以下とするエッチング条件で実施されることを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
<3> 水素エッチング工程におけるエッチング深さが、水素流量を制御して調整される前記<2>に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
<4> 水素エッチング工程におけるエッチングガスの導入停止と略同時に、エピタキシャル成長層形成工程における原料ガスの導入を開始するか、又は、前記エッチングガスの導入を継続した状態で、前記エッチングガスで不足するエピタキシャル成長層の形成に必要なガスを前記原料ガスとして追加導入して、前記水素エッチング工程及び前記エピタキシャル成長層形成工程を連続的に実施する前記<2>から<3>のいずれかに記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
<5> エッチングガス及び原料ガスにシランガスを含む前記<2>から<4>のいずれかに記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
<6> (0001)Si面を<11−20>方向へ0°よりも大きく5°未満傾斜させた炭化珪素基板を用いる前記<2>から<5>のいずれかに記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
<7> 前記<1>に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハを製造する炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置であって、排出弁を介して炉内の圧力を調整可能とするガス排出口、前記炉内の温度を昇温可能とする加熱部、一の導入弁を介して前記炉内にエッチングガスを導入可能とするエッチングガス導入口、他の導入弁を介して前記炉内に原料ガスを導入可能とする原料ガス導入口、及び前記炉内に前記炭化珪素基板を設置する設置部を有する反応炉と、前記エッチングガス導入口に接続されるエッチングガス導入管と、前記原料ガス導入口に接続される原料ガス導入管と、を有することを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置。
<8> 前記<1>に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハを有する炭化珪素半導体素子。
本発明の炭化珪素エピタキシャルウエハは、α型の結晶構造を有し、(0001)Si面を0°よりも大きく5°未満傾斜させた炭化珪素基板上にエピタキシャル成長層が配される炭化珪素エピタキシャルウエハであって、前記炭化珪素基板の基板表面における基底面転位(以下、「BPD」と略す)に起因するジャイアントステップバンチング(以下、「GSB」と略す)に基づく前記エピタキシャル成長層の表面欠陥密度が、20個/cm2以下であることを特徴とする。
該図1に示すように、前記GSBは、前記基板表面上に突出して形成される、高さHが5nm以上であり、長さLが1mm以下の突出した表面欠陥である。前記炭化珪素エピタキシャルウエハの製造に際し、前記水素エッチング以外の処理を原因とする他のステップバンチングが発生することがあるが、こうしたステップバンチングは、前記GSBに含まない。前記他のステップバンチングは、高さHが5nm未満の形状であるか又は長さLが1mmを超える形状である。
前記GSBの存在は、この上に形成される前記エピタキシャル成長層に略同形状の突出した表面欠陥を与える。
また、前記GSBが前記BPD起因であるか否かの測定としては、X線トポグラフにより結晶構造を確認して行うことができる。
本発明の前記炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法は、少なくとも、水素エッチング工程と、エピタキシャル成長層形成工程と、を含み、必要に応じて、他の工程を含む。
前記水素エッチング工程は、α型の結晶構造を有し、(0001)Si面を0°よりも大きく5°未満傾斜させた炭化珪素基板の基板表面に対し、水素ガスを含むエッチングガスを導入して水素エッチングする工程であり、前記基板表面に対するエッチング深さを1nm以下とするエッチング条件で実施されることを技術の核とする。
また、前記炭化珪素基板としては、特に制限はないが、(0001)Si面を<11−20>方向へ0°よりも大きく5°未満傾斜させた炭化珪素基板が好ましい。即ち、このような炭化珪素基板は、最も一般的に開発、市販されている基板であり、容易に入手することができることから、前記炭化珪素エピタキシャルウエハの製造に用い易いという利点を有する。
更に、前記傾斜、即ち、オフ角としては、0°よりも大きく5°未満であれば、特に制限はないが、2°未満であることが好ましい。このようなオフ角を有する炭化珪素基板を用いることで、炭化珪素半導体素子の製造コストを低減させることができる。
なお、前記炭化珪素基板としては、公知の方法に準じて形成してもよく、市販品から入手して用いてもよい。
前記シランガスを含む場合、前記他のステップバンチングによる前記炭化珪素基板の表面の荒れを抑えることができるとともに、前記水素エッチングのエッチング量を減少させることができる。
また、前記シランガスの流量としては、0sccmより大きく5sccm以下が好ましい。前記シランガスの流量が5sccmを超えると前記炭化珪素基板上にピットが大量に発生することがある。なお、単位、1sccmは、1.69×10−3Pa・m3/sに該当する。
なお、前記シランガスを用いる場合、前記水素ガスと前記シランガスとは、混合した状態で導入してもよいが、それぞれを逐次的に導入してもよい。例えば、前記水素ガスを先行して導入開始し、前記シランガスを後行して導入開始することもできる。
前記エッチング条件を満たすように、前記水素エッチングを行うためには、前記エッチングガスの流量、圧力、温度の諸条件を適宜調整する必要があるが、中でも、安全性、簡便性の観点から、前記エッチングガスの流量を制御して前記エッチング条件を満たすようにすることが好ましい。一方、圧力、温度を制御する場合、前記水素エッチング工程後、前記エピタキシャル成長層形成工程に移行する際、瞬時に前記エピタキシャル成長層形成工程におけるエピタキシャル成長層形成の圧力、温度条件に調整することが困難である。したがって、前記エピタキシャル成長層形成工程における圧力、温度に応じて、前記水素エッチング工程の圧力、温度を調整しておき、前記水素エッチング工程−前記エピタキシャル成長層形成工程間の移行時は、使用ガスの流量を制御することが好ましい。
前記エピタキシャル成長層形成工程は、原料ガスを導入して前記水素エッチング後の前記基板表面上にエピタキシャル成長層を形成する工程である。
また、前記シランガスの流量としては、2sccm〜100sccmが好ましい。前記流量が2sccm未満であると成長速度が遅いため効率的な製造が困難になることがあり、100sccmを超えるとシリコンの析出による前記エピタキシャル成長層の品質が低下することがある。
また、前記プロパンガスの流量としては、2sccm〜100sccmが好ましい。前記流量が2sccm未満であると成長速度が遅いため効率的な製造が困難になることがあり、100sccmを超えるとステップ制御エピタキシーでの前記エピタキシャル成長層の形成が困難になることがある。
したがって、前記水素エッチング工程における前記エッチングガスの導入停止と略同時に、前記エピタキシャル成長層形成工程における原料ガスの導入を開始するか、又は、前記エッチングガスの導入を継続した状態で、前記エッチングガスで不足するエピタキシャル成長層の形成に必要なガスを前記原料ガスとして追加導入することとして、前記水素エッチング工程及び前記エピタキシャル成長層形成工程を連続的に実施し、これら工程間の移行を瞬時に行うことが好ましい。なお、後者の実施方法において、例えば、前記エッチングガスとして、前記水素ガス、前記シランガスを用い、前記原料ガスとして前記水素ガス、前記シランガス、前記プロパンガスを用いる場合、前記エッチングガスで不足するガス成分である前記プロパンガスを追加導入し、前記エッチングガスで導入する前記水素、前記シランガスの流量に前記原料ガスとしての不足量があれば、これら不足量を追加導入すればよい。また、前記移行は、ガス導入経路を前記エッチングガス用の導入経路と前記原料ガス用の導入経路の2系統に分けることで、瞬時に行うことができる。
前記その他の工程としては、本発明の効果を損なわない限り、特に制限はなく、目的に応じて、公知の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造に際し、実施される各種製造工程から適宜選択することができる。
以上に説明した前記炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法は、以下に説明する本発明の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置により、好適に実施することができる。
本発明の前記炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置は、少なくとも、排出弁を介して炉内の圧力を調整可能とするガス排出口、前記炉内の温度を昇温可能とする加熱部、一の導入弁を介して前記炉内にエッチングガスを導入可能とするエッチングガス導入口、他の導入弁を介して前記炉内に原料ガスを導入可能とする原料ガス導入口、及び前記炉内に前記炭化珪素基板を設置する設置部を有する反応炉と、前記エッチングガス導入口に接続されるエッチングガス導入管と、前記原料ガス導入口に接続される原料ガス導入管と、を有し、必要に応じて、その他の構成を有する。
また、前記その他の構成としては、特に制限はなく、目的に応じて、公知の気相化学成長装置に用いられる構成を適宜選択することができる。
前記炭化珪素半導体素子は、少なくとも、本発明の前記炭化珪素エピタキシャルウエハを有し、目的とする半導体素子の素子構造に応じて、その他の構造を有する。
α型の結晶構造を有する炭化珪素基板として代表的な4Hの結晶構造を有する炭化珪素基板を用意した。この炭化珪素基板は、(0001)Si面を<11−20>方向へ0.9°傾斜させた基板表面を有している。
この炭化珪素基板を、図2に示す炭化珪素エピタキシャルウエハ製造装置1における反応炉2内に設置して、以下のように実施例1に係る炭化珪素エピタキシャルウエハを製造した。なお、図2は、炭化珪素エピタキシャルウエハ製造装置1の概略構成を示す説明図である。
エッチングガス導入管3Aから反応炉2内に水素ガスを30slmの流量で導入した状態で、反応炉2内の圧力を10kPaに保持し、前記加熱部(ここでは、高周波誘導加熱部)による加熱により、前記炭化珪素基板を1,500℃まで加熱した。次いで、エピタキシャル成長層形成用原料ガスでもあるシランを3.5sccmの流量で導入した状態で、前記炭化珪素基板を1,660℃まで加熱し、この状態での水素エッチングを1分間行った。
次いで、エッチングガス導入管3Aから反応炉2へのガス導入を止めると同時に、原料ガス導入管3Bから反応炉2に対して、水素を100slm、シランを50sccm、プロパンを12sccmの各流量で導入し、前記炭化珪素基板の基板表面上にエピタキシャル成長層を厚み10μmで形成した。
以上により、実施例1に係る炭化珪素エピタキシャルウエハを製造した。
また、実施例1の水素エッチング工程において、水素流量を30slmから100slmに変更したこと以外は同様にして、比較例1に係る炭化珪素エピタキシャルウエハを製造した。
実施例1の水素エッチング工程と同じ条件で、水素エッチング工程を実施して、観察用基板を作製した。
実施例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した観察用基板と、比較例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した比較用観察用基板に対し、これらの基板表面を共焦点顕微鏡で撮影し、GSB密度の観察を行った。
図3に、実施例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した観察用基板の基板表面を撮影した共焦点顕微鏡像を示し、図4に、実施例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した観察用基板の基板表面を撮影した共焦点顕微鏡像から観察されるGSBの長さ分布を示す。
また、図5に、比較例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した比較用観察用基板の基板表面を撮影した共焦点顕微鏡像を示し、図6に、比較例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した比較用観察用基板の基板表面を撮影した共焦点顕微鏡像から観察されるGSBの長さ分布を示す。
図3及び図5に示すように、実施例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した観察用基板においては、GSBがほとんど確認されないのに対し、比較例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した比較用観察用基板においては、GSBが多数確認される。
また、図4及び図6に示すように、比較例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した比較用観察用基板に存在するGSBの長さよりも、実施例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した観察用基板に存在するGSBの長さの方が短くなっている。
また、前記GSB密度の観察を行った結果、実施例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した観察用基板のGSB密度は、16個/cm2であり、比較例1の水素エッチング工程の条件に基づいて作製した比較用観察用基板のGSB密度は、約200個/cm2であった。
また、図7に実施例1に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの水素エッチング工程の条件に基づいて作製した観察用基板の基板表面におけるGSBを撮影したAFM像及びその断面プロファイルを示す。なお、図7中の上側がAFM像を示し、下側がAFM像に対応する位置での前記基板表面の部分的な断面プロファイルを示す。該図7では、GSBの突出した形状を確認することができる。
前記炭化珪素基板の正確なエッチング深さを直接的に測定することは、該エッチング深さが極めて浅いことから困難である。ここでは、前記炭化珪素基板と同じ結晶構造を有する前記エピタキシャル成長層に対するエッチング速度が、前記炭化珪素基板に対するエッチング速度と同じであることを利用して、次のようにエッチング深さを測定した。
即ち、先ず、実施例1に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの厚みをフーリエ変換赤外分光光度計(FT−IR)を用いて測定した。
次いで、実施例1に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの前記エピタキシャル成長層に対して、エッチング時間以外は、実施例1における水素エッチングと同じ条件で水素エッチングを行った。ここで、前記水素エッチング時間は、前記エピタキシャル成長層の厚みの変化を大きくし、測定誤差を少なくする観点から、60分間とした。
次いで、前記水素エッチング後の実施例1に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの厚みを前記FT−IRを用いて測定し、前記水素エッチング前後における実施例1に係る炭化珪素エピタキシャルウエハの厚みの差を算出した。
そして、前記算出された厚みの差である、総エッチング深さをもとに、実施例1におけるエッチング時間で換算した前記エッチング深さを算出した。即ち、実施例1におけるエッチング時間は、1分間であるので、前記総エッチング深さの1/60を実施例1における前記エッチング深さとして算出した。
また、比較例1に係る炭化珪素エピタキシャルウエハについても、同様に、前記エッチング深さを算出した。
実施例1の水素エッチング工程における水素流量、シラン導入後の基板加熱温度、及び圧力を下記表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2及び比較例2,3に係る炭化珪素エピタキシャルウエハを製造した。
また、実施例1と同様にして測定した、エッチング深さ及びGSB密度を下記表1に併せて示す。
一方、エッチング深さが1nmを超える条件で、水素エッチング工程を実施した場合、BPD起因のGSB密度が20個/cm2を大きく超える数値を示した。
これらの結果から、BPD起因のGSB密度を20個/cm2以下に抑えるためには、エッチング深さを1nm以下とする必要があることが確認される。また、エッチング深さを1nm以下に抑えるためには、水素エッチング工程における水素流量、基板加熱温度、圧力の各条件を適宜調整すればよい。
図9に示すMOSキャパシタの素子構造を有する実施例3に係る炭化珪素半導体素子を製造した。該図9は、MOSキャパシタの素子構造の概略構成を示す断面図である。ここで、符号11は、炭化珪素エピタキシャルウエハを示し、符号12は、炭化珪素基板を示し、符号13は、エピタキシャル成長層を示し、符号14は、二酸化珪素層を示し、符号15A,15Bは、上部電極を示し、符号16は、下部電極を示す。
先ず、炭化珪素エピタキシャルウエハ11として、実施例1における製造条件に準じて製造された、BPD起因のGSBに基づくエピタキシャル成長層の表面欠陥密度が16個/cm2である炭化珪素エピタキシャルウエハを用意した。
この炭化珪素エピタキシャルウエハ11のエピタキシャル成長層13の表面を1,200℃・O2雰囲気で熱酸化により酸化させて、二酸化珪素層14とした。なお、この時の二酸化珪素14の厚みは、50nmとした。
また、二酸化珪素層14上に蒸着法により、Alの上部電極15A,15Bを形成した。
また、炭化珪素エピタキシャルウエハ11の炭化珪素基板12側の面上に蒸着法により、Alの下部電極16を形成した。
これにより、MOSキャパシタの素子構造を有する実施例3に係る炭化珪素半導体素子を製造した。
図9における炭化珪素エピタキシャルウエハ11として、BPD起因のGSBに基づくエピタキシャル成長層の表面欠陥密度が20個/cm2である炭化珪素エピタキシャルウエハに代えて、同密度が200個/cm2である炭化珪素エピタキシャルウエハを用いたこと以外は、実施例3と同様にして、比較例4に係る炭化珪素半導体素子を製造した。
実施例3及び比較例4に係る各炭化珪素半導体素子に対し、定電流ストレス試験による経時絶縁破壊評価を行った。
即ち、図9で示す上部電極15A,15B−下部電極16間に電界を印加して、電流密度が0.45mA/cm2のストレス電流を二酸化珪素層14が絶縁破壊するまで流し続け、二酸化珪素層14を通過するリーク電流から導出される電荷密度の総和が0.3C/cm2以下の段階で絶縁破壊を生じたものを不良品とし、0.3C/cm2を超えた段階で絶縁破壊を生じたものを良品とする評価を行った。
なお、この経時絶縁破壊評価に際し、実施例3及び比較例4に係る各炭化珪素半導体素子を、それぞれ50個ずつ製造し、評価に供した。
以上の経時絶縁破壊評価において、比較例4に係る炭化珪素半導体素子では、不良品の割合が約30%であるのに対し、実施例3に係る炭化珪素半導体素子では、不良品の割合が約10%に留まった。
また、実施例3及び比較例4と同様の手順で作製した二酸化珪素層を有するMOSFETを作製し、同様に継時絶縁破壊評価を行った。不良品割合について同様の結果が得られた。
この結果から、BPD起因のGSBに基づくエピタキシャル成長層の表面欠陥密度を低減させることにより、炭化珪素半導体素子、特に該エピタキシャル成長層上に酸化膜を有する炭化珪素半導体素子の信頼性を向上させることができる。
2 反応炉
3A エッチングガス導入管
3B 原料ガス導入管
11 炭化珪素エピタキシャルウエハ
12 炭化珪素基板
13 エピタキシャル成長層
14 二酸化珪素層
15A,15B 上部電極
16 下部電極
Claims (8)
- α型の結晶構造を有し、(0001)Si面を0°よりも大きく5°未満傾斜させた炭化珪素基板上にエピタキシャル成長層が配される炭化珪素エピタキシャルウエハであって、
前記炭化珪素基板の基板表面における基底面転位に起因するジャイアントステップバンチングに基づく前記エピタキシャル成長層の表面欠陥密度が、20個/cm2以下であることを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウエハ。 - 少なくとも、α型の結晶構造を有し、(0001)Si面を0°よりも大きく5°未満傾斜させた炭化珪素基板の基板表面に対し、水素ガスを含むエッチングガスを導入して水素エッチングする水素エッチング工程と、原料ガスを導入して前記水素エッチング後の前記基板表面上にエピタキシャル成長層を形成するエピタキシャル成長層形成工程と、を含む炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法であって、
前記水素エッチング工程が、前記基板表面に対するエッチング深さを1nm以下とするエッチング条件で実施されることを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。 - 水素エッチング工程におけるエッチング深さが、水素流量を制御して調整される請求項2に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
- 水素エッチング工程におけるエッチングガスの導入停止と略同時に、エピタキシャル成長層形成工程における原料ガスの導入を開始するか、又は、前記エッチングガスの導入を継続した状態で、前記エッチングガスで不足するエピタキシャル成長層の形成に必要なガスを前記原料ガスとして追加導入して、前記水素エッチング工程及び前記エピタキシャル成長層形成工程を連続的に実施する請求項2から3のいずれかに記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
- エッチングガス及び原料ガスにシランガスを含む請求項2から4のいずれかに記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
- (0001)Si面を<11−20>方向へ0°よりも大きく5°未満傾斜させた炭化珪素基板を用いる請求項2から5のいずれかに記載の炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
- 請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハを製造する炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置であって、
排出弁を介して炉内の圧力を調整可能とするガス排出口、前記炉内の温度を昇温可能とする加熱部、一の導入弁を介して前記炉内にエッチングガスを導入可能とするエッチングガス導入口、他の導入弁を介して前記炉内に原料ガスを導入可能とする原料ガス導入口、及び前記炉内に前記炭化珪素基板を設置する設置部を有する反応炉と、
前記エッチングガス導入口に接続されるエッチングガス導入管と、
前記原料ガス導入口に接続される原料ガス導入管と、を有することを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウエハの製造装置。 - 請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハを有する炭化珪素半導体素子。
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