JP2015042602A - Method of producing silicon carbide semiconductor substrate and method of producing silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素半導体基板の製造方法および炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に、ステップバンチングの発生を効果的に抑制可能な炭化珪素半導体基板の製造方法および炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device capable of effectively suppressing the occurrence of step bunching. .
近年、半導体装置の高耐圧化、低損失化などを可能とするため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素の採用が進められている。炭化珪素は、半導体装置を構成する材料として広く用いられている珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体である。そのため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素を採用することにより、半導体装置の高耐圧化、オン抵抗の低減などを達成することができる。また、炭化珪素を材料として採用した半導体装置は、珪素を材料として採用した半導体装置に比べて、高温環境下で使用された場合の特性の低下が小さいという利点も有している。 In recent years, in order to enable a semiconductor device to have a high breakdown voltage and low loss, silicon carbide has been adopted as a material constituting the semiconductor device. Silicon carbide is a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon widely used as a material constituting a semiconductor device. Therefore, by adopting silicon carbide as a material constituting the semiconductor device, it is possible to achieve a high breakdown voltage and a low on-resistance of the semiconductor device. In addition, a semiconductor device that employs silicon carbide as a material has an advantage that a decrease in characteristics when used in a high temperature environment is small as compared with a semiconductor device that employs silicon as a material.
たとえば、特開２００９−２５６１３８号公報（特許文献１）には、炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素をエピタキシャル成長させる方法が記載されている。具体的には、材料ガスに含まれる炭素と珪素の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）を０．５以上１．０未満として炭化珪素エピタキシャル層を形成することが記載されている。 For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-256138 (Patent Document 1) describes a method of epitaxially growing silicon carbide on a silicon carbide single crystal substrate. Specifically, it is described that the silicon carbide epitaxial layer is formed by setting the atomic ratio (C / Si ratio) of carbon and silicon contained in the material gas to 0.5 or more and less than 1.0.
また、特開２０１１−１２１８４７号公報（特許文献２）には、０．４°〜５°のオフ角で傾斜させた４Ｈ炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を形成する方法が記載されている。具体的には、炭化珪素のエピタキシャル成長に必要とされる量の炭素と珪素の原子数比Ｃ／Ｓｉが０．７〜１．２になるように珪素含有ガスおよび炭素含有ガスを供給して、１６００℃より高く１８００℃以下の温度で炭化珪素膜を成長させることが記載されている。 Japanese Patent Laying-Open No. 2011-121847 (Patent Document 2) describes a method of forming a silicon carbide epitaxial layer on a 4H silicon carbide substrate inclined at an off angle of 0.4 ° to 5 °. . Specifically, the silicon-containing gas and the carbon-containing gas are supplied so that the atomic ratio C / Si of carbon and silicon in an amount required for epitaxial growth of silicon carbide is 0.7 to 1.2. It describes that a silicon carbide film is grown at a temperature higher than 1600 ° C. and lower than 1800 ° C.
しかしながら、特開２００９−２５６１３８号公報および特開２０１１−１２１８４７号公報に記載の方法で炭化珪素をエピタキシャル成長させる場合において、ステップバンチングの発生を十分に抑制することができない場合があった。 However, when silicon carbide is epitaxially grown by the methods described in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2009-256138 and 2011-121847, step bunching may not be sufficiently suppressed.
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ステップバンチングの発生を効果的に抑制可能な炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a silicon carbide semiconductor substrate and a silicon carbide semiconductor device capable of effectively suppressing the occurrence of step bunching. .
本発明に係る炭化珪素半導体基板の製造方法は以下の工程を備えている。主面を有する炭化珪素基板が準備される。炭化珪素基板の主面上に、原料ガスを用いて炭化珪素エピタキシャル層が形成される。炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程において、原料ガスに含まれる炭素の原子数を原料ガスに含まれる珪素の原子数で除した比をｘとし、炭化珪素エピタキシャル層の成長温度をｙ（℃）としたとき、ｘとｙは、−２５０ｘ＋１８３０≦ｙ≦−５００ｘ＋２１５０かつ１≦ｘ≦１．２との関係を満たす。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention includes the following steps. A silicon carbide substrate having a main surface is prepared. A silicon carbide epitaxial layer is formed on the main surface of the silicon carbide substrate using a source gas. In the step of forming the silicon carbide epitaxial layer, the ratio obtained by dividing the number of carbon atoms contained in the source gas by the number of silicon atoms contained in the source gas is x, and the growth temperature of the silicon carbide epitaxial layer is y (° C.). Then, x and y satisfy the relationship of −250x + 1830 ≦ y ≦ −500x + 2150 and 1 ≦ x ≦ 1.2.
本発明によれば、ステップバンチングの発生を効果的に抑制可能な炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the silicon carbide semiconductor substrate and silicon carbide semiconductor device which can suppress generation | occurrence | production of step bunching effectively can be provided.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
はじめに、本発明の実施の形態の概要について説明する。
発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得て本発明を見出した。まず、炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程において、炭素原料の供給が過剰になると、炭化珪素エピタキシャル層の表面にステップバンチングが発生しやすくなる。発明者は、炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程において、原料ガスに含まれる炭素の原子数を原料ガスに含まれる珪素の原子数で除した比ｘ（以降、Ｃ／Ｓｉ比ともいう）を低減し、かつ当該Ｃ／Ｓｉ比に応じた炭化珪素エピタキシャル層の成長温度を用いることにより、ステップバンチングの発生を効果的に抑制することが可能であることを見出した。
First, an outline of an embodiment of the present invention will be described.
As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventor has obtained the following knowledge and found the present invention. First, in the process of forming the silicon carbide epitaxial layer, if the supply of the carbon raw material is excessive, step bunching is likely to occur on the surface of the silicon carbide epitaxial layer. The inventor reduced the ratio x (hereinafter also referred to as C / Si ratio) obtained by dividing the number of carbon atoms contained in the source gas by the number of silicon atoms contained in the source gas in the step of forming the silicon carbide epitaxial layer. In addition, it has been found that generation of step bunching can be effectively suppressed by using the growth temperature of the silicon carbide epitaxial layer according to the C / Si ratio.
具体的には、炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程において、Ｃ／Ｓｉ比をｘとし、炭化珪素エピタキシャル層の成長温度をｙ（℃）としたとき、ｘとｙは、−２５０ｘ＋１８３０≦ｙ≦−５００ｘ＋２１５０かつ１≦ｘ≦１．２との関係を満たすように原料ガスＧに含まれる炭素含有ガスおよび珪素含有ガスの流量が調整される。当該Ｃ／Ｓｉ比と当該成長温度を上記の範囲に調整することにより、炭素の二次元核成長が抑制されてステップフロー成長となり、炭化珪素エピタキシャル層の表面においてステップバンチングの発生が抑制されると推測される。 Specifically, in the step of forming the silicon carbide epitaxial layer, when the C / Si ratio is x and the growth temperature of the silicon carbide epitaxial layer is y (° C.), x and y are −250x + 1830 ≦ y ≦ −. The flow rates of the carbon-containing gas and the silicon-containing gas contained in the source gas G are adjusted so as to satisfy the relationship of 500x + 2150 and 1 ≦ x ≦ 1.2. By adjusting the C / Si ratio and the growth temperature within the above ranges, the two-dimensional carbon growth of the carbon is suppressed to be step flow growth, and the occurrence of step bunching is suppressed on the surface of the silicon carbide epitaxial layer. Guessed.
（１）実施の形態に係る炭化珪素半導体基板の製造方法は以下の工程を備えている。主面１Ａを有する炭化珪素基板１が準備される。炭化珪素基板１の主面１Ａ上に、原料ガスＧを用いて炭化珪素エピタキシャル層５が形成される。炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程において、原料ガスＧに含まれる炭素の原子数を原料ガスＧに含まれる珪素の原子数で除した比をｘとし、炭化珪素エピタキシャル層の成長温度をｙ（℃）としたとき、ｘとｙは、−２５０ｘ＋１８３０≦ｙ≦−５００ｘ＋２１５０かつ１≦ｘ≦１．２との関係を満たす。これにより、炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａにステップバンチングが発生することを効果的に抑制することができ、表面３Ａの表面粗さを低減することができる。また炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａにおけるキャリア濃度の均一性を向上することができる。 (1) A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to an embodiment includes the following steps. Silicon carbide substrate 1 having main surface 1A is prepared. Silicon carbide epitaxial layer 5 is formed on main surface 1 </ b> A of silicon carbide substrate 1 using source gas G. In the step of forming the silicon carbide epitaxial layer, the ratio obtained by dividing the number of carbon atoms contained in the source gas G by the number of silicon atoms contained in the source gas G is x, and the growth temperature of the silicon carbide epitaxial layer is y (° C. ), X and y satisfy the relationship of −250x + 1830 ≦ y ≦ −500x + 2150 and 1 ≦ x ≦ 1.2. Thereby, generation of step bunching on surface 3A of silicon carbide semiconductor substrate 10 can be effectively suppressed, and the surface roughness of surface 3A can be reduced. Further, the uniformity of the carrier concentration on surface 3A of silicon carbide semiconductor substrate 10 can be improved.
（２）上記（１）に係る炭化珪素半導体基板の製造方法において好ましくは、炭化珪素エピタキシャル層５の成膜速度は、７．５μｍ／時間以上９．５μｍ／時間以下である。炭化珪素エピタキシャル層５の成膜速度を７．５μｍ／時間以上９．５μｍ／時間以下とすることにより、炭化珪素エピタキシャル層５の表面３Ａにおける結晶性を維持することが出来る。 (2) Preferably in the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor substrate which concerns on said (1), the film-forming speed | rate of silicon carbide epitaxial layer 5 is 7.5 micrometers / hour or more and 9.5 micrometers / hour or less. By setting the film formation rate of silicon carbide epitaxial layer 5 to 7.5 μm / hour or more and 9.5 μm / hour or less, the crystallinity on surface 3A of silicon carbide epitaxial layer 5 can be maintained.
（３）上記（１）または（２）に係る炭化珪素半導体基板の製造方法において好ましくは、原料ガスＧはアンモニアガスを含む。これにより、窒素原子が炭化珪素エピタキシャル層に導入されるため、ｎ型の導電型を有する炭化珪素エピタキシャル層を形成することができる。 (3) Preferably in the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor substrate which concerns on said (1) or (2), source gas G contains ammonia gas. Thereby, since nitrogen atoms are introduced into the silicon carbide epitaxial layer, a silicon carbide epitaxial layer having an n-type conductivity can be formed.
（４）上記（３）に係る炭化珪素半導体基板の製造方法において好ましくは、炭化珪素エピタキシャル層５を形成する工程は、窒素ガスおよびアンモニアガスを含む原料ガスを用いてバッファ層２を形成する工程と、窒素ガスの供給を停止した後、アンモニアガスを用いてバッファ層２上にドリフト層３を形成する工程とを含む。これにより、バッファ層２およびドリフト層３を有する炭化珪素半導体基板１０を製造することができる。 (4) Preferably in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to (3) above, the step of forming silicon carbide epitaxial layer 5 includes the step of forming buffer layer 2 using a source gas containing nitrogen gas and ammonia gas. And a step of forming the drift layer 3 on the buffer layer 2 using ammonia gas after stopping the supply of nitrogen gas. Thereby, silicon carbide semiconductor substrate 10 having buffer layer 2 and drift layer 3 can be manufactured.
（５）上記（１）〜（４）のいずれかに係る炭化珪素半導体基板の製造方法において好ましくは、炭化珪素エピタキシャル層５の表面３Ａの二乗平均面粗さは０．３ｎｍ以下である。これにより、表面荒れが抑制された炭化珪素半導体基板１０を製造することができる。 (5) Preferably in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to any one of (1) to (4) above, the root mean square surface roughness of surface 3A of silicon carbide epitaxial layer 5 is 0.3 nm or less. Thereby, silicon carbide semiconductor substrate 10 in which surface roughness is suppressed can be manufactured.
（６）実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は以下の工程を備えている。炭化珪素半導体基板が準備される。炭化珪素半導体基板が加工される。炭化珪素半導体基板を準備する工程では、上記（１）に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法により炭化珪素半導体基板が製造される。これにより、ステップバンチングの発生を効果的に抑制することが可能である炭化珪素半導体装置を製造することができる。 (6) A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the embodiment includes the following steps. A silicon carbide semiconductor substrate is prepared. A silicon carbide semiconductor substrate is processed. In the step of preparing the silicon carbide semiconductor substrate, the silicon carbide semiconductor substrate is manufactured by the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate described in (1) above. Thereby, the silicon carbide semiconductor device which can suppress generation | occurrence | production of step bunching effectively can be manufactured.
次に、本発明の実施の形態についてより詳細に説明する。
まず、本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板の製造方法により製造された炭化珪素半導体基板１０の構成について説明する。図１を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板１０は、炭化珪素基板１と、炭化珪素エピタキシャル層５とを主に有する。炭化珪素エピタキシャル層５は、バッファ層２と、ドリフト層３とを主に含む。
Next, embodiments of the present invention will be described in more detail.
First, the configuration of silicon carbide semiconductor substrate 10 manufactured by the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present embodiment will be described. Referring to FIG. 1, silicon carbide semiconductor substrate 10 according to the present embodiment mainly includes a silicon carbide substrate 1 and a silicon carbide epitaxial layer 5. Silicon carbide epitaxial layer 5 mainly includes buffer layer 2 and drift layer 3.
炭化珪素基板１は、たとえば単結晶炭化珪素からなる。単結晶炭化珪素は、たとえばポリタイプ４Ｈの六方晶の結晶構造を有している。炭化珪素基板１は第１の主面１Ａと、第１の主面１Ａと反対側の第２の主面１Ｂとを有している。 Silicon carbide substrate 1 is made of, for example, single crystal silicon carbide. Single crystal silicon carbide has, for example, a polytype 4H hexagonal crystal structure. Silicon carbide substrate 1 has first main surface 1A and second main surface 1B opposite to first main surface 1A.
バッファ層２は、炭化珪素基板１の第１の主面１Ａ上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層である。バッファ層２の導電型は、たとえばｎ型（第１導電型）である。バッファ層２の厚みは、たとえば０．５μｍである。バッファ層２に含まれるたとえば窒素などの不純物の濃度は、たとえば１×１０18ｃｍ-3程度である。バッファ層２は、炭化珪素基板１の第１の主面１Ａに接する主面２Ｂと反対側の主面２Ａを含んでいる。 Buffer layer 2 is a silicon carbide epitaxial layer provided on first main surface 1 </ b> A of silicon carbide substrate 1. The conductivity type of the buffer layer 2 is, for example, n-type (first conductivity type). The thickness of the buffer layer 2 is, for example, 0.5 μm. The concentration of impurities such as nitrogen contained in the buffer layer 2 is, for example, about 1 × 10 18 cm −3 . Buffer layer 2 includes a main surface 2A opposite to main surface 2B in contact with first main surface 1A of silicon carbide substrate 1.
ドリフト層３は、バッファ層２の主面２Ａ上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層である。ドリフト層３の導電型は、たとえばｎ型である。ドリフト層３の厚みは、たとえば１０μｍである。ドリフト層３に含まれるたとえば窒素などの不純物の濃度は、たとえば７×１０15ｃｍ-3程度である。ドリフト層３は、バッファ層２と接する主面３Ｂと反対側の主面３Ａを含み、当該主面３Ａが、炭化珪素半導体基板１０の表面となる。 Drift layer 3 is a silicon carbide epitaxial layer provided on main surface 2 </ b> A of buffer layer 2. The conductivity type of drift layer 3 is n-type, for example. The thickness of drift layer 3 is, for example, 10 μm. The concentration of impurities such as nitrogen contained in the drift layer 3 is, for example, about 7 × 10 15 cm −3 . Drift layer 3 includes a main surface 3 </ b> A opposite to main surface 3 </ b> B in contact with buffer layer 2, and main surface 3 </ b> A serves as a surface of silicon carbide semiconductor substrate 10.
炭化珪素エピタキシャル層５のドリフト層３の主面３Ａにおける二乗平均面粗さはたとえば０．３ｎｍであり、好ましくは０．３ｎｍ以下である。また炭化珪素エピタキシャル層５のドリフト層３の主面３Ａにおける、キャリア濃度の面内均一性は、１２％以下であり、好ましくは１０％以下であり、より好ましくは７％以下である。ここで、キャリア濃度の面内均一性とは、ドリフト層３の主面３Ａにおけるキャリア濃度の標準偏差をキャリア濃度の平均値で除した値の百分率表示である。 The root mean square roughness of main surface 3A of drift layer 3 of silicon carbide epitaxial layer 5 is, for example, 0.3 nm, and preferably 0.3 nm or less. In-plane uniformity of carrier concentration in main surface 3A of drift layer 3 of silicon carbide epitaxial layer 5 is 12% or less, preferably 10% or less, more preferably 7% or less. Here, the in-plane uniformity of the carrier concentration is a percentage display of a value obtained by dividing the standard deviation of the carrier concentration in the main surface 3A of the drift layer 3 by the average value of the carrier concentration.
次に、本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板の製造方法に用いられる製造装置の一例としてのＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置１００の構成について説明する。 Next, the configuration of a CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus 100 as an example of a manufacturing apparatus used in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present embodiment will be described.
図３を参照して、本実施の形態に係るＣＶＤ装置１００は、誘導加熱用コイル１２と、石英管１３と、断熱材１４と、発熱体１５と、配管１６とを主に有している。誘導加熱用コイル１２は、石英管１３を取り囲むように配置されており、石英管１３は、断熱材１４を取り囲むように配置されている。発熱体１５は断熱材１４に取り込むように配置されている。発熱体１５は中空構造であって、発熱体１５の内部に反応室が形成されている。反応室には、炭化珪素基板１を保持可能な基板ホルダ１１が配置される。反応室に連接して配管１６が配置されており、配管１６は、反応室に対して炭化珪素の原料ガスＧを供給可能に構成されている。 Referring to FIG. 3, CVD apparatus 100 according to the present embodiment mainly includes induction heating coil 12, quartz tube 13, heat insulating material 14, heating element 15, and pipe 16. . The induction heating coil 12 is disposed so as to surround the quartz tube 13, and the quartz tube 13 is disposed so as to surround the heat insulating material 14. The heating element 15 is arranged so as to be taken into the heat insulating material 14. The heating element 15 has a hollow structure, and a reaction chamber is formed inside the heating element 15. A substrate holder 11 capable of holding the silicon carbide substrate 1 is disposed in the reaction chamber. A pipe 16 is arranged so as to be connected to the reaction chamber, and the pipe 16 is configured to be able to supply a raw material gas G of silicon carbide to the reaction chamber.
誘導加熱用コイル１２は、複数のコイル部材を含み、たとえば、石英管１３の外周側を巻回するように設けられている。誘導加熱用コイル１２に高周波電流を流すと、電磁誘導作用により、発熱体１５は誘導加熱可能に構成されている。発熱体１５が加熱されることにより、炭化珪素基板１および炭化珪素基板１に供給される原料ガス等が所定の温度に加熱される。 The induction heating coil 12 includes a plurality of coil members and is provided, for example, so as to wind the outer peripheral side of the quartz tube 13. When a high-frequency current is passed through the induction heating coil 12, the heating element 15 is configured to be capable of induction heating by electromagnetic induction. By heating heating element 15, silicon carbide substrate 1 and the raw material gas supplied to silicon carbide substrate 1 are heated to a predetermined temperature.
次に、本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。
図２を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板の製造方法は、炭化珪素基板を準備する工程（Ｓ１１）と、第１の炭化珪素半導体層を形成する工程（Ｓ１２）と、第２の炭化珪素半導体層を形成する工程（Ｓ１３）とを有する。
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor substrate according to the present embodiment will be described.
Referring to FIG. 2, the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor substrate according to the present embodiment includes a step of preparing a silicon carbide substrate (S11), a step of forming a first silicon carbide semiconductor layer (S12), Forming a second silicon carbide semiconductor layer (S13).
まず、炭化珪素基板を準備する工程（Ｓ１１）が実施される。具体的には、たとえば昇華再結晶法によりポリタイプ４Ｈの六方晶炭化珪素からなる炭化珪素基板１が準備される。炭化珪素基板１はたとえば略円板形状を有しており、厚みはたとえば３５０μｍ程度である。炭化珪素基板１は、第１の主面１Ａと、第１の主面１Ａと反対の第２の主面２Ａとを有する。 First, a step (S11) of preparing a silicon carbide substrate is performed. Specifically, silicon carbide substrate 1 made of polytype 4H hexagonal silicon carbide is prepared by, for example, sublimation recrystallization. Silicon carbide substrate 1 has a substantially disk shape, for example, and has a thickness of, for example, about 350 μm. Silicon carbide substrate 1 has first main surface 1A and second main surface 2A opposite to first main surface 1A.
次に、第１の炭化珪素半導体層を形成する工程（Ｓ１２）が実施される。具体的には、炭化珪素基板１の第１の主面１Ａ上にバッファ層２が形成される。ＣＶＤ装置１００内に設けられた基板ホルダ１１に、炭化珪素基板１が配置される。炭化珪素基板１は、第１の主面１Ａが反応室に露出し、第２の主面１Ｂが基板ホルダ１１に保持されるように配置される。次に、ＣＶＤ装置１００の反応室内に炭化珪素の原料ガスおよびキャリアガスが供給される。具体的には、配管１６を介して、水素を含むキャリアガスと、モノシラン（ＳｉＨ4）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、窒素（Ｎ2）およびアンモニア（ＮＨ3）などを含む原料ガスＧが反応室に導入される。上記ガスの各々は、炭化珪素基板１の主面１Ａ上に供給される時点で十分に熱分解されているように反応室内に導入される。また、上記ガスの各々は、ＣＶＤ装置１００の反応室内に導入される前に混合されていてもよいし、ＣＶＤ装置１００の反応室内で混合されてもよい。 Next, a step (S12) of forming a first silicon carbide semiconductor layer is performed. Specifically, buffer layer 2 is formed on first main surface 1A of silicon carbide substrate 1. Silicon carbide substrate 1 is arranged on substrate holder 11 provided in CVD apparatus 100. Silicon carbide substrate 1 is arranged such that first main surface 1 </ b> A is exposed to the reaction chamber and second main surface 1 </ b> B is held by substrate holder 11. Next, a silicon carbide source gas and a carrier gas are supplied into the reaction chamber of CVD apparatus 100. Specifically, a carrier gas containing hydrogen and a source gas G containing monosilane (SiH 4 ), propane (C 3 H 8 ), nitrogen (N 2 ), ammonia (NH 3 ), and the like are connected via a pipe 16. Introduced into the reaction chamber. Each of the gases is introduced into the reaction chamber so as to be sufficiently thermally decomposed when supplied onto main surface 1A of silicon carbide substrate 1. Each of the gases may be mixed before being introduced into the reaction chamber of the CVD apparatus 100 or may be mixed in the reaction chamber of the CVD apparatus 100.
図５および図６を参照して、基板ホルダ１１上に配置された炭化珪素基板１が加熱されながら、時間Ｔ１から時間Ｔ２にかけて窒素ガスおよびアンモニアガスを含む原料ガスＧが反応室に導入されることにより、炭化珪素基板１の第１の主面１Ａ上に不純物としての窒素が導入されたバッファ層２が形成される。窒素ガスの流量Ａ１はたとえば０．５〜３．０ｓｌｍ程度であり、アンモニアガスの流量Ｂ１はたとえば０．０１〜０．０５ｓｃｃｍ程度である。 Referring to FIGS. 5 and 6, source gas G containing nitrogen gas and ammonia gas is introduced into the reaction chamber from time T1 to time T2 while silicon carbide substrate 1 arranged on substrate holder 11 is heated. Thus, buffer layer 2 into which nitrogen as an impurity is introduced is formed on first main surface 1A of silicon carbide substrate 1. The flow rate A1 of nitrogen gas is, for example, about 0.5 to 3.0 slm, and the flow rate B1 of ammonia gas is, for example, about 0.01 to 0.05 sccm.
バッファ層２を形成する工程において、原料ガスＧに含まれる炭素の原子数を原料ガスＧに含まれる珪素の原子数で除した比（Ｃ／Ｓｉ比）をｘとし、炭化珪素エピタキシャル層であるバッファ層２の成長温度をｙ（℃）としたとき、ｘとｙは、−２５０ｘ＋１８３０≦ｙ≦−５００ｘ＋２１５０かつ１≦ｘ≦１．２との関係を満たすようにモノシランガスおよびプロパンガスを含む原料ガスＧが反応室に導入される。モノシランガスの流量はたとえば４６ｓｃｃｍ程度であり、プロパンガスの流量はたとえば１８．５ｓｃｃｍ程度である。バッファ層２の成長温度は、１５３０℃以上１６５０℃以下程度である。好ましくは、炭化珪素エピタキシャル層であるバッファ層２の成膜速度は、７．５μｍ／時間以上９．５μｍ／時間以下である。図４を参照して、バッファ層２におけるたとえば窒素などの不純物濃度Ｄ１は、１×１０18ｃｍ-3程度である。バッファ層２の厚みは、たとえば０．５μｍ程度である。 In the step of forming the buffer layer 2, x is a ratio (C / Si ratio) obtained by dividing the number of carbon atoms contained in the source gas G by the number of silicon atoms contained in the source gas G, which is a silicon carbide epitaxial layer. When the growth temperature of the buffer layer 2 is y (° C.), x and y are source gases containing monosilane gas and propane gas so as to satisfy the relationship of −250x + 1830 ≦ y ≦ −500x + 2150 and 1 ≦ x ≦ 1.2 G is introduced into the reaction chamber. The flow rate of monosilane gas is about 46 sccm, for example, and the flow rate of propane gas is about 18.5 sccm, for example. The growth temperature of the buffer layer 2 is about 1530 ° C. or higher and 1650 ° C. or lower. Preferably, the deposition rate of buffer layer 2 which is a silicon carbide epitaxial layer is 7.5 μm / hour or more and 9.5 μm / hour or less. Referring to FIG. 4, impurity concentration D1 such as nitrogen in buffer layer 2 is about 1 × 10 18 cm −3 . The thickness of the buffer layer 2 is, for example, about 0.5 μm.
次に、第２の炭化珪素半導体層を形成する工程（Ｓ１３）が実施される。具体的には、反応室内に配置された炭化珪素基板１およびバッファ層２が加熱されながら、キャリアガスおよび原料ガスが反応室に供給されることにより、バッファ層２上に窒素原子がドープされた炭化珪素エピタキシャル層であるドリフト層３が形成される。ＣＶＤ装置を用いて炭化珪素基板１の第１の主面１Ａ上にバッファ層２が形成された後、炭化珪素基板１を反応室から取り出すことなく、バッファ層２の第１の主面１Ａにドリフト層３が形成される。まず、反応室内に、Ｈ2を含むキャリアガスと、ＳｉＨ4、Ｃ3Ｈ8およびＮＨ3などを含む原料ガスとが導入される。上記ガスの各々は、炭化珪素基板１の主面１Ａ上に供給される時点で十分に熱分解されているように反応室内に導入される。 Next, a step (S13) of forming a second silicon carbide semiconductor layer is performed. Specifically, nitrogen atoms are doped on the buffer layer 2 by supplying the carrier gas and the source gas to the reaction chamber while the silicon carbide substrate 1 and the buffer layer 2 disposed in the reaction chamber are heated. Drift layer 3 which is a silicon carbide epitaxial layer is formed. After buffer layer 2 is formed on first main surface 1A of silicon carbide substrate 1 using a CVD apparatus, silicon carbide substrate 1 is not removed from the reaction chamber, and first main surface 1A of buffer layer 2 is applied to first main surface 1A. Drift layer 3 is formed. First, a carrier gas containing H 2 and a source gas containing SiH 4 , C 3 H 8 and NH 3 are introduced into the reaction chamber. Each of the gases is introduced into the reaction chamber so as to be sufficiently thermally decomposed when supplied onto main surface 1A of silicon carbide substrate 1.
図５および図６を参照して、時間Ｔ２から時間Ｔ３にかけてアンモニアガスを含むガスが反応室に導入されることにバッファ層２の第１の主面２Ａ上に不純物として窒素を含むドリフト層３が形成される。ドリフト層３を形成する工程におけるアンモニアガスの流量Ｂ１は、バッファ層２を形成する工程におけるアンモニアガスの流量Ｂ１とほぼ同じである。図５に示すように、バッファ層２を形成する工程の後、反応室に対する窒素ガスの供給を停止し、その後、ドリフト層３の形成が開始される。 Referring to FIGS. 5 and 6, the drift layer 3 containing nitrogen as an impurity on the first main surface 2 </ b> A of the buffer layer 2 when the gas containing ammonia gas is introduced into the reaction chamber from time T <b> 2 to time T <b> 3. Is formed. The ammonia gas flow rate B1 in the step of forming the drift layer 3 is substantially the same as the ammonia gas flow rate B1 in the step of forming the buffer layer 2. As shown in FIG. 5, after the step of forming the buffer layer 2, the supply of nitrogen gas to the reaction chamber is stopped, and then the formation of the drift layer 3 is started.
ドリフト層３を形成する工程において、原料ガスＧに含まれる炭素の原子数を原料ガスＧに含まれる珪素の原子数で除した比（Ｃ／Ｓｉ比）をｘとし、炭化珪素エピタキシャル層であるドリフト層３の成長温度をｙ（℃）としたとき、ｘとｙは、−２５０ｘ＋１８３０≦ｙ≦−５００ｘ＋２１５０かつ１≦ｘ≦１．２との関係を満たすようにモノシランガスおよびプロパンガスが反応室に導入される。 In the step of forming the drift layer 3, x is a ratio (C / Si ratio) obtained by dividing the number of carbon atoms contained in the source gas G by the number of silicon atoms contained in the source gas G, which is a silicon carbide epitaxial layer. When the growth temperature of the drift layer 3 is y (° C.), monosilane gas and propane gas are introduced into the reaction chamber so that x and y satisfy the relationship of −250x + 1830 ≦ y ≦ −500x + 2150 and 1 ≦ x ≦ 1.2. be introduced.
モノシランガスの流量はたとえば４６ｓｃｃｍ程度であり、プロパンガスの流量はたとえば１８．５ｓｃｃｍ程度である。たとえば、ドリフト層３の成長温度は、１５３０℃以上１６５０℃以下程度である。好ましくは、炭化珪素エピタキシャル層であるドリフト層３の成膜速度は、７．５μｍ／時間以上９．５μｍ／時間以下である。また好ましくは、炭化珪素エピタキシャル層であるドリフト層５の表面３Ａの二乗平均面粗さは０．３ｎｍ以下である。図４を参照して、ＮＨ3ガスの流量を調整することにより、ドリフト層３における窒素などの不純物濃度Ｄ２を７×１０15ｃｍ-3程度とする。ドリフト層３における不純物濃度は、バッファ層２における不純物濃度よりも低い。ドリフト層３の厚みは１０μｍ以上１５μｍ以下程度である。以上により、炭化珪素基板１と、炭化珪素基板１上に形成された炭化珪素エピタキシャル層５とを有する炭化珪素半導体基板１０が製造される。 The flow rate of monosilane gas is about 46 sccm, for example, and the flow rate of propane gas is about 18.5 sccm, for example. For example, the growth temperature of the drift layer 3 is about 1530 ° C. or higher and 1650 ° C. or lower. Preferably, the deposition rate of drift layer 3 which is a silicon carbide epitaxial layer is 7.5 μm / hour or more and 9.5 μm / hour or less. Preferably, the root mean square roughness of surface 3A of drift layer 5 which is a silicon carbide epitaxial layer is 0.3 nm or less. Referring to FIG. 4, by adjusting the flow rate of NH 3 gas, impurity concentration D2 such as nitrogen in drift layer 3 is set to about 7 × 10 15 cm −3 . The impurity concentration in the drift layer 3 is lower than the impurity concentration in the buffer layer 2. The thickness of the drift layer 3 is about 10 μm to 15 μm. Thus, silicon carbide semiconductor substrate 10 having silicon carbide substrate 1 and silicon carbide epitaxial layer 5 formed on silicon carbide substrate 1 is manufactured.
また、本実施の形態の炭化珪素半導体基板の製造方法では、気相エピタキシャル成長装置の一例としてＣＶＤ装置を用いたが、炭化珪素エピタキシャル層を気相成長法により形成することができる任意の装置を用いることができる。 Further, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate of the present embodiment, a CVD apparatus is used as an example of a vapor phase epitaxial growth apparatus, but any apparatus that can form a silicon carbide epitaxial layer by a vapor phase growth method is used. be able to.
図７を参照して、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素半導体基板を準備する工程（Ｓ１０）と、炭化珪素半導体基板を加工する工程（Ｓ２０）とを有している。 With reference to FIG. 7, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment will be described. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present embodiment includes a step of preparing a silicon carbide semiconductor substrate (S10) and a step of processing the silicon carbide semiconductor substrate (S20).
まず、炭化珪素半導体基板を準備する工程（Ｓ１０）が実施される。具体的には、上述した炭化珪素半導体基板の製造方法により、炭化珪素基板１と、炭化珪素基板１の第１の主面１Ａ上に形成された炭化珪素エピタキシャル層５とを有する炭化珪素半導体基板１０が準備される。 First, a step (S10) of preparing a silicon carbide semiconductor substrate is performed. Specifically, a silicon carbide semiconductor substrate having silicon carbide substrate 1 and silicon carbide epitaxial layer 5 formed on first main surface 1A of silicon carbide substrate 1 by the above-described method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate. 10 is prepared.
次に、炭化珪素半導体基板を加工する工程（Ｓ２０）が実施される。具体的には、炭化珪素半導体基板１０を加工することにより、炭化珪素半導体装置が製造される。より具体的には、炭化珪素半導体基板１０に対して、イオン注入工程、トレンチ形成工程、絶縁層形成工程、電極形成工程等が実施される。以上により、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの炭化珪素半導体装置が製造される。 Next, a step (S20) of processing the silicon carbide semiconductor substrate is performed. Specifically, a silicon carbide semiconductor device is manufactured by processing silicon carbide semiconductor substrate 10. More specifically, an ion implantation process, a trench formation process, an insulating layer formation process, an electrode formation process, and the like are performed on silicon carbide semiconductor substrate 10. Thus, a silicon carbide semiconductor device such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is manufactured.
次に、本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板１０および炭化珪素半導体装置の製造方法の作用効果について説明する。 Next, functions and effects of silicon carbide semiconductor substrate 10 and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment will be described.
本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板１０の製造方法によれば、炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程において、原料ガスＧに含まれる炭素の原子数を原料ガスに含まれる珪素の原子数で除した比をｘとし、炭化珪素エピタキシャル層の成長温度をｙ（℃）としたとき、ｘとｙは、−２５０ｘ＋１８３０≦ｙ≦−５００ｘ＋２１５０かつ１≦ｘ≦１．２との関係を満たす。これにより、炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａにステップバンチングが発生することを効果的に抑制することができ、表面３Ａの表面粗さを低減することができる。また炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａにおけるキャリア濃度の均一性を向上することができる。 According to the method for manufacturing silicon carbide semiconductor substrate 10 according to the present embodiment, in the step of forming the silicon carbide epitaxial layer, the number of carbon atoms contained in source gas G is divided by the number of silicon atoms contained in source gas. X and y satisfy the relationship of −250x + 1830 ≦ y ≦ −500x + 2150 and 1 ≦ x ≦ 1.2, where x is the growth ratio and y (° C.) is the growth temperature of the silicon carbide epitaxial layer. Thereby, generation of step bunching on surface 3A of silicon carbide semiconductor substrate 10 can be effectively suppressed, and the surface roughness of surface 3A can be reduced. Further, the uniformity of the carrier concentration on surface 3A of silicon carbide semiconductor substrate 10 can be improved.
また本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板１０の製造方法によれば、炭化珪素エピタキシャル層５の成膜速度は、７．５μｍ／時間以上９．５μｍ／時間以下である。炭化珪素エピタキシャル層５の成膜速度を７．５μｍ／時間以上９．５μｍ／時間以下とすることにより、炭化珪素エピタキシャル層５の表面３Ａにおける結晶性を維持することができる。 Moreover, according to the method for manufacturing silicon carbide semiconductor substrate 10 in accordance with the present embodiment, the deposition rate of silicon carbide epitaxial layer 5 is not less than 7.5 μm / hour and not more than 9.5 μm / hour. By setting the deposition rate of silicon carbide epitaxial layer 5 to 7.5 μm / hour or more and 9.5 μm / hour or less, the crystallinity on surface 3A of silicon carbide epitaxial layer 5 can be maintained.
さらに本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板１０の製造方法によれば、原料ガスＧはアンモニアガスを含む。これにより、窒素原子が炭化珪素エピタキシャル層５に導入されるため、ｎ型の導電型を有する炭化珪素エピタキシャル層５を形成することができる。 Furthermore, according to the method for manufacturing silicon carbide semiconductor substrate 10 according to the present embodiment, source gas G contains ammonia gas. Thereby, since nitrogen atoms are introduced into silicon carbide epitaxial layer 5, silicon carbide epitaxial layer 5 having n-type conductivity can be formed.
さらに本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板１０の製造方法によれば、炭化珪素エピタキシャル層５を形成する工程は、窒素ガスおよびアンモニアガスを含む原料ガスを用いてバッファ層２を形成する工程と、窒素ガスの供給を停止した後、アンモニアガスを用いてバッファ層２上にドリフト層３を形成する工程とを含む。これにより、バッファ層２およびドリフト層３を有する炭化珪素半導体基板１０を製造することができる。 Furthermore, according to the method for manufacturing silicon carbide semiconductor substrate 10 according to the present embodiment, the step of forming silicon carbide epitaxial layer 5 includes the step of forming buffer layer 2 using a source gas containing nitrogen gas and ammonia gas. And the step of forming the drift layer 3 on the buffer layer 2 using ammonia gas after stopping the supply of nitrogen gas. Thereby, silicon carbide semiconductor substrate 10 having buffer layer 2 and drift layer 3 can be manufactured.
さらに本実施の形態に係る炭化珪素半導体基板１０の製造方法によれば、炭化珪素エピタキシャル層５の表面３Ａの二乗平均面粗さは０．３ｎｍ以下である。これにより、表面荒れが抑制された炭化珪素半導体基板１０を製造することができる。 Furthermore, according to the method for manufacturing silicon carbide semiconductor substrate 10 according to the present embodiment, the root mean square surface roughness of surface 3A of silicon carbide epitaxial layer 5 is 0.3 nm or less. Thereby, silicon carbide semiconductor substrate 10 in which surface roughness is suppressed can be manufactured.
本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、炭化珪素半導体基板１０が準備される。炭化珪素半導体基板１０が加工される。炭化珪素半導体基板１０を準備する工程では、上記炭化珪素半導体基板１０の製造方法により炭化珪素半導体基板１０が製造される。これにより、ステップバンチングの発生を効果的に抑制することが可能である炭化珪素半導体装置を製造することができる。 According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in accordance with the present embodiment, silicon carbide semiconductor substrate 10 is prepared. Silicon carbide semiconductor substrate 10 is processed. In the step of preparing silicon carbide semiconductor substrate 10, silicon carbide semiconductor substrate 10 is manufactured by the method for manufacturing silicon carbide semiconductor substrate 10. Thereby, the silicon carbide semiconductor device which can suppress generation | occurrence | production of step bunching effectively can be manufactured.
次に、本発明の実施例について説明する。
１．評価試料
（１）本発明例試料１（サンプル１）
サンプル１としての炭化珪素半導体基板を、上記実施の形態に記載の製造方法を用いて準備した。具体的には、ＣＶＤ装置を用いて炭化珪素基板１の第１の主面１Ａ上に炭化珪素エピタキシャル層５を成長させた。炭化珪素エピタキシャル層５の形成工程において、ＣＶＤ装置の反応室に対して、Ｈ2を含むキャリアガスと、ＳｉＨ4、Ｃ3Ｈ8およびＮＨ3を含む原料ガスとを、Ｃ／Ｓｉ比が１．０となる条件で導入した。炭化珪素エピタキシャル層５の成長温度を１６２０℃とした。
Next, examples of the present invention will be described.
1. Evaluation Sample (1) Invention Example Sample 1 (Sample 1)
A silicon carbide semiconductor substrate as sample 1 was prepared using the manufacturing method described in the above embodiment. Specifically, silicon carbide epitaxial layer 5 was grown on first main surface 1A of silicon carbide substrate 1 using a CVD apparatus. In the formation process of the silicon carbide epitaxial layer 5, a carrier gas containing H 2 and a source gas containing SiH 4 , C 3 H 8 and NH 3 have a C / Si ratio of 1 with respect to the reaction chamber of the CVD apparatus. It was introduced under the condition of 0.0. The growth temperature of silicon carbide epitaxial layer 5 was 1620 ° C.
（２）本発明例試料２（サンプル２）
サンプル２としての炭化珪素半導体基板を、以下の条件を除きサンプル１と同じ製造方法により準備した。具体的には、炭化珪素エピタキシャル層５の形成工程において、ＣＶＤ装置の反応室に対して、Ｈ2を含むキャリアガスと、ＳｉＨ4、Ｃ3Ｈ8およびＮＨ3を含む原料ガスとを、Ｃ／Ｓｉ比が１．１となる条件で導入した。炭化珪素エピタキシャル層５の成長温度を１６００℃とした。
(2) Invention Example Sample 2 (Sample 2)
A silicon carbide semiconductor substrate as Sample 2 was prepared by the same manufacturing method as Sample 1 except for the following conditions. Specifically, in the step of forming the silicon carbide epitaxial layer 5, a carrier gas containing H 2 and a source gas containing SiH 4 , C 3 H 8 and NH 3 are added to the reaction chamber of the CVD apparatus. / Si ratio was introduced under the condition of 1.1. The growth temperature of silicon carbide epitaxial layer 5 was 1600 ° C.
（３）本発明例試料３（サンプル３）
サンプル３としての炭化珪素半導体基板を、以下の条件を除きサンプル１と同じ製造方法により準備した。具体的には、炭化珪素エピタキシャル層５の形成工程において、ＣＶＤ装置の反応室に対して、Ｈ2を含むキャリアガスと、ＳｉＨ4、Ｃ3Ｈ8およびＮＨ3を含む原料ガスとを、Ｃ／Ｓｉ比が１．２となる条件で導入した。炭化珪素エピタキシャル層５の成長温度を１５３０℃とした。
(3) Invention Example Sample 3 (Sample 3)
A silicon carbide semiconductor substrate as Sample 3 was prepared by the same manufacturing method as Sample 1 except for the following conditions. Specifically, in the step of forming the silicon carbide epitaxial layer 5, a carrier gas containing H 2 and a source gas containing SiH 4 , C 3 H 8 and NH 3 are added to the reaction chamber of the CVD apparatus. / Si ratio was introduced under the condition of 1.2. The growth temperature of silicon carbide epitaxial layer 5 was set to 1530 ° C.
（４）本発明例試料４（サンプル４）
サンプル４としての炭化珪素半導体基板を、以下の条件を除きサンプル１と同じ製造方法により準備した。具体的には、炭化珪素エピタキシャル層５の形成工程において、ＣＶＤ装置の反応室に対して、Ｈ2を含むキャリアガスと、ＳｉＨ4、Ｃ3Ｈ8およびＮＨ3を含む原料ガスとを、Ｃ／Ｓｉ比が１．２となる条件で導入した。炭化珪素エピタキシャル層５の成長温度を１５４０℃とした。
(4) Inventive Sample 4 (Sample 4)
A silicon carbide semiconductor substrate as Sample 4 was prepared by the same manufacturing method as Sample 1 except for the following conditions. Specifically, in the step of forming the silicon carbide epitaxial layer 5, a carrier gas containing H 2 and a source gas containing SiH 4 , C 3 H 8 and NH 3 are added to the reaction chamber of the CVD apparatus. / Si ratio was introduced under the condition of 1.2. The growth temperature of silicon carbide epitaxial layer 5 was set to 1540 ° C.
（５）本発明例試料５（サンプル５）
サンプル５としての炭化珪素半導体基板を、以下の条件を除きサンプル１と同じ製造方法により準備した。具体的には、炭化珪素エピタキシャル層５の形成工程において、ＣＶＤ装置の反応室に対して、Ｈ2を含むキャリアガスと、ＳｉＨ4、Ｃ3Ｈ8およびＮＨ3を含む原料ガスとを、Ｃ／Ｓｉ比が１．２となる条件で導入した。炭化珪素エピタキシャル層５の成長温度を１５５０℃とした。
(5) Inventive Sample 5 (Sample 5)
A silicon carbide semiconductor substrate as Sample 5 was prepared by the same manufacturing method as Sample 1 except for the following conditions. Specifically, in the step of forming the silicon carbide epitaxial layer 5, a carrier gas containing H 2 and a source gas containing SiH 4 , C 3 H 8 and NH 3 are added to the reaction chamber of the CVD apparatus. / Si ratio was introduced under the condition of 1.2. The growth temperature of silicon carbide epitaxial layer 5 was set to 1550 ° C.
（６）比較例試料１（サンプル６）
サンプル６としての炭化珪素半導体基板を、以下の条件を除きサンプル１と同じ製造方法により準備した。具体的には、炭化珪素エピタキシャル層５の形成工程において、ＣＶＤ装置の反応室に対して、Ｈ2を含むキャリアガスと、ＳｉＨ4、Ｃ3Ｈ8およびＮＨ3を含む原料ガスとを、Ｃ／Ｓｉ比が１．５となる条件で導入した。炭化珪素エピタキシャル層５の成長温度を１５８０℃とした。
(6) Comparative Sample 1 (Sample 6)
A silicon carbide semiconductor substrate as Sample 6 was prepared by the same manufacturing method as Sample 1 except for the following conditions. Specifically, in the step of forming the silicon carbide epitaxial layer 5, a carrier gas containing H 2 and a source gas containing SiH 4 , C 3 H 8 and NH 3 are added to the reaction chamber of the CVD apparatus. / Si ratio was introduced under the condition of 1.5. The growth temperature of silicon carbide epitaxial layer 5 was set to 1580 ° C.
（７）比較例試料２（サンプル７）
サンプル７としての炭化珪素半導体基板を、以下の条件を除きサンプル１と同じ製造方法により準備した。具体的には、炭化珪素エピタキシャル層５の形成工程において、ＣＶＤ装置の反応室に対して、Ｈ2を含むキャリアガスと、ＳｉＨ4、Ｃ3Ｈ8およびＮＨ3を含む原料ガスとを、Ｃ／Ｓｉ比が１．９となる条件で導入した。炭化珪素エピタキシャル層５の成長温度を１５８０℃とした。
(7) Comparative sample 2 (Sample 7)
A silicon carbide semiconductor substrate as Sample 7 was prepared by the same manufacturing method as Sample 1 except for the following conditions. Specifically, in the step of forming the silicon carbide epitaxial layer 5, a carrier gas containing H 2 and a source gas containing SiH 4 , C 3 H 8 and NH 3 are added to the reaction chamber of the CVD apparatus. / Si ratio was introduced under the condition of 1.9. The growth temperature of silicon carbide epitaxial layer 5 was set to 1580 ° C.
（８）比較例試料３（サンプル８）
サンプル８としての炭化珪素半導体基板を、以下の条件を除きサンプル１と同じ製造方法により準備した。具体的には、炭化珪素エピタキシャル層５の形成工程において、ＣＶＤ装置の反応室に対して、Ｈ2を含むキャリアガスと、ＳｉＨ4、Ｃ3Ｈ8およびＮＨ3を含む原料ガスとを、Ｃ／Ｓｉ比が１．２となる条件で導入した。炭化珪素エピタキシャル層５の成長温度を１５００℃とした。
(8) Comparative sample 3 (Sample 8)
A silicon carbide semiconductor substrate as Sample 8 was prepared by the same manufacturing method as Sample 1 except for the following conditions. Specifically, in the step of forming the silicon carbide epitaxial layer 5, a carrier gas containing H 2 and a source gas containing SiH 4 , C 3 H 8 and NH 3 are added to the reaction chamber of the CVD apparatus. / Si ratio was introduced under the condition of 1.2. The growth temperature of silicon carbide epitaxial layer 5 was set to 1500 ° C.
図８を参照して、本発明例に係るサンプル１〜５のＣ／Ｓｉ比（ｘ）および成長温度（ｙ：℃）は、ｙ＝−５００ｘ＋２１５０（式Ｅ１）以下であり、ｙ＝−２５０ｘ＋１８３０（式Ｅ２）以上である範囲にあって、かつｘが１以上１．２以下の範囲の値である。比較例に係るサンプル６および７のＣ／Ｓｉ比（ｘ）および成長温度（ｙ：℃）は、ｙ＝−５００ｘ＋２１５０（式Ｅ１）よりも大きい範囲にある。比較例に係るサンプル８のＣ／Ｓｉ比（ｘ）および成長温度（ｙ：℃）は、ｙ＝−２５０ｘ＋１８３０（式Ｅ２）より小さい範囲にある。 Referring to FIG. 8, the C / Si ratio (x) and the growth temperature (y: ° C.) of samples 1 to 5 according to the example of the present invention are y = −500x + 2150 (formula E1) or less, and y = −250x + 1830. (Expression E2) is in a range that is greater than or equal to, and x is a value in the range of 1 to 1.2. The C / Si ratio (x) and the growth temperature (y: ° C.) of samples 6 and 7 according to the comparative example are in a range larger than y = −500x + 2150 (formula E1). The C / Si ratio (x) and the growth temperature (y: ° C.) of the sample 8 according to the comparative example are in a range smaller than y = −250x + 1830 (formula E2).
２．実験
上記のようにして得られた８種類の炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａ状態をＡＦＭを用いて観察し、表面３Ａの二乗平均面粗さを測定した。表面観察の領域を１０μｍ×１０μｍとした。サンプル２（本発明例試料２）のＡＦＭ像を図１０に示し、サンプル６（比較例試料１）のＡＦＭ像を図９に示す。また、サンプル１〜サンプル５の炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａの各点におけるキャリア濃度を測定した。キャリア濃度は、炭化珪素半導体基板１０の第１の主面１０ａ内の一端から他端までの１３か所の位置において測定された。キャリア濃度の最大値と最小値の差の絶対値を平均値で除することによりキャリア濃度分布（キャリア濃度の均一性）が計算された。キャリア濃度の測定はＣＶ測定により行われた。
2. Experiment The surface 3A states of the eight types of silicon carbide semiconductor substrates 10 obtained as described above were observed using an AFM, and the root mean square roughness of the surface 3A was measured. The area for surface observation was 10 μm × 10 μm. FIG. 10 shows an AFM image of Sample 2 (Invention Sample 2), and FIG. 9 shows an AFM image of Sample 6 (Comparative Sample 1). Further, the carrier concentration at each point on the surface 3A of the silicon carbide semiconductor substrate 10 of Samples 1 to 5 was measured. The carrier concentration was measured at 13 positions from one end to the other end in first main surface 10a of silicon carbide semiconductor substrate 10. The carrier concentration distribution (carrier concentration uniformity) was calculated by dividing the absolute value of the difference between the maximum value and the minimum value of the carrier concentration by the average value. The carrier concentration was measured by CV measurement.
３．結果 3. result
図９を参照して、Ｃ／Ｓｉ比が１．５であり、かつ成膜温度が１５８０℃であるサンプル６に係る炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａ状態について説明する。図９に示すように、サンプル６の表面３Ａには、図９中において上下方向に伸長する複数のステップバンチングが観測された。図９のＡＦＭ像のサイズは１０μｍ×１０μｍである。つまり、ステップバンチングの長さは１０μｍ以上である。また幅１０μｍに２０本以上のステップバンチングが観測されており、ステップバンチングの発生密度は２本／μｍ以上であった。ステップバンチングの高さは、５ｎｍ程度であった。上記のように、ステップバンチング高さが５ｎｍ以上である表面状態を状態Ｂとする。表１に示すように、比較例に係るサンプル６〜サンプル８の炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａにおけるステップバンチングの高さは５ｎｍ以上であり、表面状態は状態Ｂであった。 With reference to FIG. 9, the state of surface 3 </ b> A of silicon carbide semiconductor substrate 10 according to sample 6 having a C / Si ratio of 1.5 and a film forming temperature of 1580 ° C. will be described. As shown in FIG. 9, a plurality of step bunchings extending in the vertical direction in FIG. 9 were observed on the surface 3A of the sample 6. The size of the AFM image in FIG. 9 is 10 μm × 10 μm. That is, the length of the step bunching is 10 μm or more. In addition, 20 or more step bunchings were observed in a width of 10 μm, and the generation density of step bunching was 2 / μm or more. The height of the step bunching was about 5 nm. As described above, a surface state in which the step bunching height is 5 nm or more is defined as state B. As shown in Table 1, the height of the step bunching on the surface 3A of the silicon carbide semiconductor substrate 10 of Samples 6 to 8 according to the comparative example was 5 nm or more, and the surface state was State B.
図１０を参照して、Ｃ／Ｓｉ比が１．１であり、かつ成膜温度が１６００℃であるサンプル２に係る炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａ状態について説明する。図１０に示すように、サンプル２の表面３Ａには、サンプル６で観測されたようなステップバンチングは観測されなかった。ステップバンチング高さが５ｎｍ以上であるようなステップバンチングが観測されない表面状態を状態Ａとする。表１に示すように、本発明例に係るサンプル１〜サンプル５の炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａにおけるステップバンチングの高さは２ｎｍ以下であり、表面状態は状態Ａであった。 With reference to FIG. 10, the state of surface 3 </ b> A of silicon carbide semiconductor substrate 10 according to sample 2 having a C / Si ratio of 1.1 and a film forming temperature of 1600 ° C. will be described. As shown in FIG. 10, the step bunching as observed in the sample 6 was not observed on the surface 3A of the sample 2. A surface state in which no step bunching is observed such that the step bunching height is 5 nm or more is defined as state A. As shown in Table 1, the height of the step bunching on the surface 3A of the silicon carbide semiconductor substrate 10 of Samples 1 to 5 according to the example of the present invention was 2 nm or less, and the surface state was State A.
表１に示すように、本発明例に係るサンプル１〜サンプル５の炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａの二乗平均面粗さは０．３ｎｍであった。一方、比較例に係るサンプル６、サンプル７およびサンプル８の炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａの二乗平均面粗さはそれぞれ１．１ｎｍ、０．８〜１．６ｎｍおよび１．２ｎｍであった。また、本発明例に係るサンプル１〜サンプル５の炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａにおけるキャリア濃度分布（キャリア濃度均一性）は、５％以上１２％以下であった。一方、比較例に係るサンプル６〜８の炭化珪素半導体基板１０の表面３Ａにおけるキャリア濃度分布（キャリア濃度均一性）は、３％以上１３％以下であった。 As shown in Table 1, the root mean square roughness of the surface 3A of the silicon carbide semiconductor substrate 10 of Samples 1 to 5 according to the example of the present invention was 0.3 nm. On the other hand, the root mean square roughness of surface 3A of silicon carbide semiconductor substrate 10 of Sample 6, Sample 7 and Sample 8 according to the comparative example was 1.1 nm, 0.8 to 1.6 nm and 1.2 nm, respectively. Moreover, the carrier concentration distribution (carrier concentration uniformity) on the surface 3A of the silicon carbide semiconductor substrate 10 of Samples 1 to 5 according to the inventive example was 5% or more and 12% or less. On the other hand, the carrier concentration distribution (carrier concentration uniformity) on surface 3A of silicon carbide semiconductor substrate 10 of samples 6 to 8 according to the comparative example was 3% or more and 13% or less.
以上より、炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程において、原料ガスに含まれる炭素の原子数を原料ガスに含まれる珪素の原子数で除した比をｘとし、炭化珪素エピタキシャル層の成長温度をｙ（℃）としたとき、ｘとｙは、−２５０ｘ＋１８３０≦ｙ≦−５００ｘ＋２１５０かつ１≦ｘ≦１．２を満たす条件で製造された炭化珪素半導体基板１０は、ステップバンチング高さが５ｎｍ以上であるようなステップバンチングを有しておらず、表面３Ａの二乗平均面粗さは０．３ｎｍ以下程度であり、かつ表面３Ａにおけるキャリア濃度分布が１２％以下となることが確認された。 From the above, in the step of forming the silicon carbide epitaxial layer, the ratio obtained by dividing the number of carbon atoms contained in the source gas by the number of silicon atoms contained in the source gas is x, and the growth temperature of the silicon carbide epitaxial layer is y ( X) and y) are such that the step bunching height of the silicon carbide semiconductor substrate 10 manufactured under the conditions satisfying −250x + 1830 ≦ y ≦ −500x + 2150 and 1 ≦ x ≦ 1.2 is 5 nm or more. It was confirmed that the root mean square surface roughness of the surface 3A was about 0.3 nm or less and the carrier concentration distribution on the surface 3A was 12% or less.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
１ 炭化珪素基板、１Ａ 主面（第１の主面）、１Ｂ 第２の主面、２ バッファ層、３ ドリフト層、３Ａ 表面、５ 炭化珪素エピタキシャル層、１０ 炭化珪素半導体基板、１１ 基板ホルダ、１２ 誘導加熱用コイル、１３ 石英管、１４ 断熱材、１５ 発熱体、１６ 配管、１００ ＣＶＤ装置、ｘ Ｃ／Ｓｉ比、Ｇ 原料ガス、ｙ 成長温度。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon carbide substrate, 1A main surface (1st main surface), 1B 2nd main surface, 2 Buffer layer, 3 Drift layer, 3A surface, 5 Silicon carbide epitaxial layer, 10 Silicon carbide semiconductor substrate, 11 Substrate holder, 12 induction heating coil, 13 quartz tube, 14 heat insulating material, 15 heating element, 16 piping, 100 CVD apparatus, x C / Si ratio, G source gas, y growth temperature.
Claims (6)
前記炭化珪素基板の前記主面上に、原料ガスを用いて炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程とを備え、
前記炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程において、前記原料ガスに含まれる炭素の原子数を前記原料ガスに含まれる珪素の原子数で除した比をｘとし、前記炭化珪素エピタキシャル層の成長温度をｙ（℃）としたとき、ｘとｙは、−２５０ｘ＋１８３０≦ｙ≦−５００ｘ＋２１５０かつ１≦ｘ≦１．２との関係を満たす、炭化珪素半導体基板の製造方法。 Preparing a silicon carbide substrate having a main surface;
Forming a silicon carbide epitaxial layer on the main surface of the silicon carbide substrate using a source gas,
In the step of forming the silicon carbide epitaxial layer, x is a ratio obtained by dividing the number of carbon atoms contained in the source gas by the number of silicon atoms contained in the source gas, and the growth temperature of the silicon carbide epitaxial layer is y. (.Degree. C.), x and y satisfy the relationship of −250x + 1830 ≦ y ≦ −500x + 2150 and 1 ≦ x ≦ 1.2.
前記炭化珪素半導体基板を加工する工程とを備え、
前記炭化珪素半導体基板を準備する工程では、請求項１に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法により前記炭化珪素半導体基板が製造される、炭化珪素半導体装置の製造方法。 Preparing a silicon carbide semiconductor substrate;
A step of processing the silicon carbide semiconductor substrate,
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, wherein the silicon carbide semiconductor substrate is manufactured by the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to claim 1 in the step of preparing the silicon carbide semiconductor substrate.
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