JP2018067736A - 炭化珪素半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製品の信頼性を向上させることができる炭化珪素半導体装置及びその製造方法を得る。【解決手段】化学機械研磨により平坦化処理が施された炭化珪素単結晶基板１の表面を還元性ガス雰囲気中でガスエッチングする。次に、ガスエッチング後に炭化珪素単結晶基板１の表面上に炭化珪素膜６をエピタキシャル成長させる。炭化珪素膜６の三角欠陥密度は０．１／ｃｍ２以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、炭化珪素単結晶基板の表面をガスエッチングした後にエピタキシャル成長層を形成する炭化珪素半導体装置及びその製造方法に関する。

近年、シリコンに比べてバンドギャップ、絶縁破壊電界強度、飽和ドリフト速度、熱伝導度が何れも相対的に大きい炭化珪素（ＳｉＣ）が、主に電力制御用パワーデバイス材料として注目されている。事実、この炭化珪素を用いたパワーデバイス（炭化珪素半導体装置）は、電力損失の大幅な低減、小型化などが可能であり、電源電力変換時の省エネルギ化が実現できることから、電気自動車の高性能化、太陽電池システム等の高機能化等、低炭素社会実現の上でキーデバイスとなっている。

炭化珪素半導体装置を製造する場合、炭化珪素単結晶基板（ＳｉＣバルク単結晶基板）上に、炭化珪素半導体装置の活性領域となる炭化珪素膜を予め熱ＣＶＤ法（熱化学気相堆積法）等によりエピタキシャル成長させることが多い。ここで、活性領域とは、結晶中におけるドーピング密度及び膜厚が精密に制御された成長方向軸を含む断面領域である。炭化珪素単結晶基板に加え、このような炭化珪素膜が必要とされる理由は、デバイスの仕様により、ドーピング密度及び膜厚がほぼ既定され、通常、その精度としてバルク単結晶基板のそれらより高いものが求められるためである。

炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長させたウエハを、以下、エピタキシャルウエハと称する。炭化珪素半導体装置はエピタキシャルウエハに対して様々な加工を施して製造される。このため、一枚のエピタキシャルウエハから所望の特性を有するデバイスが作製される個数の割合である素子歩留りは、エピタキシャル成長層の電気的特性の均一性に強く依存している。エピタキシャルウエハ面内において他の領域に比べて絶縁破壊電界が小さい、又は、一定の電圧を印加した際に相対的に大きな電流が流れるような局所的な領域が存在すると、当該領域を含むデバイスの特性、例えば耐電圧特性が劣ってしまう。従って、相対的に小さな印加電圧においても、いわゆるリーク電流が流れる不具合が生じる。言い換えれば、素子歩留りを第一義的に規定する要素はエピタキシャルウエハの結晶学的な均一性である。この均一性を阻害する要因として、エピタキシャル成長時の不具合に起因する、いわゆる種々の電流リーク欠陥の存在が知られている。

上述の結晶欠陥に共通する特徴は、結晶における原子配列の周期性が結晶成長方向に沿って局所的に不完全となっていることである。炭化珪素のエピタキシャル成長によって生じる欠陥として、その表面形状の特徴から、キャロット欠陥、三角欠陥等と呼称される電流リーク欠陥が知られている。その中で三角欠陥の発生要因としては、基板表面に残存する研磨傷や、異種のポリタイプの結晶核などの他に、基板表面に付着されたＳｉＣ塵が起点となっていることがある。このＳｉＣ塵は、炭化珪素単結晶基板の製造時に付着されたもの、即ちＳｉＣバルク単結晶成長後に炭化珪素単結晶基板として研削、研磨工程等を経て加工される間に付着されたものと、炭化珪素単結晶基板上に熱ＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる際に反応炉内部に堆積された炭化珪素膜から脱離されたものなどがある。

なお、炭化珪素単結晶基板を水素エッチングして基板表面を平坦化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、平均粗さ０．２ｎｍ以下の平坦性を有する炭化珪素単結晶基板を準備した場合には、このような平坦化を行うことは想定されていなかった。

特開２００１−７７０３０号公報

これら三角欠陥が形成された炭化珪素膜を用いて製造した炭化珪素半導体装置は、耐電圧特性などのデバイス特性と歩留りが低下する。このため、製品の信頼性が低下するという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は製品の信頼性を向上させることができる炭化珪素半導体装置及びその製造方法を得るものである。

本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、化学機械研磨により平坦化処理が施された炭化珪素単結晶基板の表面を還元性ガス雰囲気中でガスエッチングする工程と、前記ガスエッチング後に前記炭化珪素単結晶基板の前記表面上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長させる工程とを備え、前記炭化珪素膜の三角欠陥密度は０．１／ｃｍ^２以下であることを特徴とする。

本発明では、化学機械研磨により平坦化処理が施された炭化珪素単結晶基板の表面を還元性ガス雰囲気中でガスエッチングした後に炭化珪素膜をエピタキシャル成長させ、炭化珪素膜の三角欠陥密度は０．１／ｃｍ^２以下である。このため、製品の信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための図である。 エッチングレートと設定温度をアレニウスプロットした図である。 エッチングレートと三角欠陥数密度の関係を示す図である。 ＳｉＣ塵を起点とした三角欠陥の例を示す図である。 ＳｉＣ塵を起点とした三角欠陥を模式的に示す上面図である。 ＳｉＣ塵を起点とした三角欠陥を模式的に示す断面図である。

図１及び図２は、本発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための図である。まず、平均粗さ０．２ｎｍ以下の平坦性を有する炭化珪素単結晶基板１を準備する。具体的には、まず、主面となる（０００１）面（Ｃ面）に対する＜１１−２０＞方向へのオフ角が４度の４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶基板に対し、機械研磨及び酸性又はアルカリ性を呈する薬液を用いた化学機械研磨により平坦化処理を行う。次に、アセトンを用いて超音波洗浄を施し有機物を除去する。次に、いわゆるＲＣＡ洗浄を行う。即ち、７５℃（±５℃）に加熱したアンモニア水と過酸化水素水の混合液（１：９）に１０分間浸し、次に、７５℃（±５℃）に加熱した塩酸と過酸化水素水（１：９）に浸す。更に、体積比率で５％程度のフッ酸を含む水溶液に浸し、更に純水により置換処理を施すことにより、基板に対する表面洗浄を行う。以上の工程により炭化珪素単結晶基板１が形成される。ここで平均粗さとは、炭化珪素単結晶基板１の表面を原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)により５μm×５μm四方の領域を測定し、算術平均粗さＲａを算出した値である。

なお、炭化珪素単結晶基板１のオフ角は４度に限ったものではなく、２度〜１０度程度の範囲内であり、化学機械研磨により平均粗さ０．２ｎｍ以下まで平坦化処理が施されたものであればよく、微分干渉顕微鏡による表面観察でスクラッチフリーであることがより好ましい。

図１は本実施形態におけるＣＶＤ装置の反応炉２の構成図である。反応炉２は横型のホットウォールタイプで、ＳｉＣコートされた高純度グラファイトからなるサセプタ上部３ａ、サセプタ下部３ｂ、及びサセプタステージ３ｃを備える。このサセプタステージ３ｃに炭化珪素単結晶基板１を設置する。次に、反応炉２内に還元性ガスとして例えば水素ガスを導入する。この水素ガスはキャリアガスを兼ねている。次に、反応炉２の真空度が例えば５ｋＰａ程度に一定に保持されるように圧力を制御する。次に、石英管４の周囲に巻回された誘導コイル５に交流電流を誘導し、誘導過熱によりサセプタ上部３ａ、サセプタ下部３ｂ、及びサセプタステージ３ｃを１６５０℃程度まで加熱し、還元性ガス雰囲気中でアニール工程を実施する。これにより、炭化珪素単結晶基板１の表面を還元性ガス雰囲気中でガスエッチングする。この際に還元性ガス雰囲気は水素ガスのみである。例えば基板表面のエッチングレートは１．０μｍ／ｈ、アニール時間は１５分である。

次に、図２に示すように、反応炉２内に原料ガスを供給することにより炭化珪素単結晶基板１の表面上に膜厚１０μｍの炭化珪素膜６をエピタキシャル成長させる。例えば、Ｓｉ原子の供給源としてシランガス（ＳｉＨ_４）を流量５００ｓｃｃｍで供給し、Ｃ原子の供給源としてプロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）を流量２００ｓｃｃｍで供給する。Ｎ型ドーピングとして窒素ガスを用いる。また、Ｎ型ドーピングとして、基板界面でキャリア濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３となり、活性領域でキャリア濃度が８×１０^１５／ｃｍ^３となるように窒素ガスを供給した。

その後、原料ガスの供給を停止し、室温まで降温させる。このエピタキシャルウエハの三角欠陥の数を共焦点光学系走査型顕微鏡の表面検査装置（例えば、レーザーテック社製ＳＩＣＡ６Ｘ）を用いて計測すると、欠陥密度は０．０６／ｃｍ^２と極めて低密度であった。この基板上にデバイスを作製することで、高歩留りでかつ高品質な炭化珪素半導体装置を得ることができる。

ここで、本願の発明者は、炭化珪素膜６の成膜前に実施している還元性ガス雰囲気中でのアニール工程が三角欠陥の低減に重要であることを発見した。さらに、アニール工程中の基板表面のエッチングレートを適切に制御することにより、極めて低欠陥密度のエピタキシャルウエハを作製できることを見出した。基板表面のエッチングレートは主に基板表面温度と反応炉内の圧力によって制御され、以下の還元反応式に従いエッチングが進行される。
２ＳｉＣ＋Ｈ_２→２Ｓｉ＋Ｃ_２Ｈ_２ （式１）

エッチングレートは基板表面温度、つまり反応炉２内のサセプタ上部３ａ、サセプタ下部３ｂ、及びサセプタステージ３ｃの設定温度を高くすればアレニウスの式に従い指数関数的に高くなる。図３はエッチングレートと設定温度をアレニウスプロットした図である。反応炉２の設定温度を決めることでエッチングレートを適切に変化させることができる。また、エッチングレートは反応炉の圧力によっても変化し、圧力が下がれば昇華圧も低下するためエッチングが進行される。図３に示すように反応炉２内の圧力を変化させることでも、設定温度と同様にエッチングレートを変化させることができる。

上述のように還元性ガス雰囲気中でのアニール工程におけるＳｉＣ基板表面のエッチングレートを変化させたエピタキシャル成長実験を鋭意繰り返した結果、エッチングレートと三角欠陥数密度には特異な関係があることを見出した。図４はエッチングレートと三角欠陥数密度の関係を示す図である。図５は、ＳｉＣ塵を起点とした三角欠陥の例を示す図である。エッチングレートが０．５μｍ／ｈより低い場合、図５に示すようなＳｉＣ塵を起点とする三角欠陥が多数観察された。一方、エッチングレートを０．５μｍ／ｈ以上とすることで、三角欠陥密度は０．１／ｃｍ^２以下と極めて低密度となることが分かった。

図６と図７は、ＳｉＣ塵を起点とした三角欠陥を模式的に示す上面図と断面図である。三角欠陥は基板に付着していたＳｉＣ塵や、エピタキシャル成長前に基板表面に落下してきたＳｉＣ塵を起点として、ステップフロー成長とともに成長される。つまりＳｉＣ塵を三角形の頂点として相似形を保ち面積を大きくしながら成長されるため、成長初期に発生した三角欠陥ほどサイズが大きくなり、またエピタキシャル成長の厚みが厚いほどサイズは大きくなる。このような三角欠陥の発生を防ぐためには、エピタキシャル成長前にＳｉＣ塵を除去させることが必要不可欠となる。ここで、エッチングレートが低い場合には基板表面に付着したＳｉＣ塵をアニール工程中にエッチングにより除去できずに炭化珪素膜６が成膜され、エッチングレートを０．５μｍ／ｈ以上とすることで炭化珪素膜６が成膜される前に、ＳｉＣ塵を効果的に除去できたものと考えられる。

一方、エッチングレートを２．２μｍ／ｈとした場合には、三角欠陥密度は０．６／ｃｍ^２と急増することが分かった。これは、エッチングレートが高すぎるとサセプタ上部３ａ、サセプタ下部３ｂ、及びサセプタステージ３ｃに堆積されている炭化珪素膜の脱離が促進され、特にサセプタ上部３ａから基板上にＳｉＣ塵が落下する量が増大するためと推察される。さらに、式１に示した通りＳｉ過剰脱離による基板表面でのＳｉドロップレットの形成により異常成長核が形成され三角欠陥の起点が増大しているものと推察される。また、エッチングレートが２．２μｍ／ｈと高い場合には、低欠陥密度が得られたエッチングレート１．０μｍ／ｈの条件と同じエッチング量になるようにエッチング時間を半分程度にしても、同様に三角欠陥密度は０．５／ｃｍ^２以上と高密度で発生することも実験により明らかとなった。これは単純に基板表面のエッチング量を制御しても、三角欠陥密度を低密度に抑えることができないことを示している。従って、ガスエッチングのエッチングレートを０．５μｍ／ｈ以上２．０μｍ／ｈ以下とする必要がある。

本実施の形態では、平均粗さ０．２ｎｍ以下の平坦性を有する炭化珪素単結晶基板１の表面を還元性ガス雰囲気中でエッチングレート０．５μｍ／ｈ以上２．０μｍ／ｈ以下でガスエッチングした後に、炭化珪素膜６をエピタキシャル成長させる。これにより、結晶欠陥の少ない高品質な炭化珪素膜６を得ることができる。従って、耐電圧特性などのデバイス特性と歩留りが向上するため、製品の信頼性を向上させることができる。

なお、炭化珪素膜６の成膜時に必要に応じてＰ型ドーピング用にＡｌ、Ｂ、Ｂｅを含む有機金属材料を供給してもよい。また、成長の高速化を図るため、塩素を含むガスを併用してもよい。また、原料ガス流量を適宜変えることで炭化珪素膜６の成長速度を変化させることが可能であり、成長速度が１μｍ／ｈであっても、１０μｍ／ｈであっても同様の効果がある。

また、本実施形態ではガスエッチングにおけるアニール時間を１５分としたが、アニール時間が１時間を越えるとスパイラルピットを起点としたステップバンチングが発生しやすくなる。スパイラルピットとは、炭化珪素単結晶基板１に存在している螺旋転位部分において、エッチングによってすり鉢状の凹部が形成されることである。アニール工程中に炭化珪素単結晶基板１の表面で原子の表面再構成が行われる過程でスパイラルピットを起点としてステップバンチングが発生する。このステップバンチングは炭化珪素膜６の成膜時にその形態を引きずるため、成膜後の基板表面の平坦性を悪化させることがある。このため、ガスエッチングの時間は１時間以内であることが好ましく、生産性も考慮すると３０分以内であることがより好ましい。ただし、最適なエッチングレートやアニール時間は反応炉２内の成膜状況により依存する。このため、その条件は一義的に決定されるものでは無く、ＣＶＤ装置の炉内構成、構造等にも依存すると考えられる。それぞれの場合において好適な条件が決まるものである。

１ 炭化珪素単結晶基板、２ 反応炉、３ａ サセプタ上部、３ｂ サセプタ下部、３ｃ サセプタステージ、４ 石英管、５ 誘導コイル、６ 炭化珪素膜

Claims (6)

1. 化学機械研磨により平坦化処理が施された炭化珪素単結晶基板の表面を還元性ガス雰囲気中でガスエッチングする工程と、
   前記ガスエッチング後に前記炭化珪素単結晶基板の前記表面上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長させる工程とを備え、
   前記炭化珪素膜の三角欠陥密度は０．１／ｃｍ^２以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. 前記炭化珪素単結晶基板の前記表面の平均粗さが０．２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
3. 前記還元性ガスは水素ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
4. 炭化珪素単結晶基板と、
   前記炭化珪素単結晶基板の表面に設けられた炭化珪素膜と、
   を備え、
   前記炭化珪素膜の三角欠陥密度は０．１／ｃｍ^２以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
5. 前記炭化珪素膜は、前記炭化珪素単結晶基板上に形成されたエピタキシャル成長膜であることを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素半導体装置。
6. 前記三角欠陥は前記炭化珪素単結晶基板の表面上から前記炭化珪素膜の表面まで形成
   されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の炭化珪素半導体装置。

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