JP2023069926A - 気相成長方法及び気相成長装置 - Google Patents

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真宝 岩崎
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Abstract

【課題】炭化珪素層の中の結晶欠陥密度を低減させる気相成長方法を提供する。【解決手段】気相成長方法は、炭化珪素基板５０の上に、第１のガス条件で第１のプロセスガスを供給し、第１のドーピング濃度を有する第１の炭化珪素層５２を、第１の成長速度で形成し、第１の炭化珪素層を形成した後に、第２のガス条件で第２のプロセスガスを供給し、第２のドーピング濃度を有する第２の炭化珪素層５６を、第１の成長速度より大きい第２の成長速度で形成し、第２の炭化珪素層を形成した後に、第３のガス条件で第３のプロセスガスを供給し、第１のドーピング濃度及び第２のドーピング濃度よりも低い第３のドーピング濃度を有する第３の炭化珪素層６０を、第２の成長速度より大きい第３の成長速度で形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスを供給して膜を形成する気相成長方法装置及び気相成長装置に関する。
高品質な半導体膜を形成する方法として、ウェハ等の基板に気相成長により単結晶膜を成長させるエピタキシャル成長技術がある。エピタキシャル成長技術を用いる気相成長装置では、常圧又は減圧に保持された反応室内の基板保持部にウェハを載置する。
そして、このウェハを加熱しながら、半導体膜の原料となるソースガス等のプロセスガスを、例えば、反応室上部から反応室内のウェハ表面に供給する。ウェハ表面ではソースガスの熱分解と化学反応が生じ、ウェハ表面にエピタキシャル単結晶膜が形成される。
炭化珪素層を基板上にエピタキシャル成長技術を用いて形成する際に、炭化珪素層に結晶欠陥が生成される。炭化珪素層に結晶欠陥が存在すると、例えば、炭化珪素層上に形成される半導体デバイスの信頼性が低下し問題となる。したがって、炭化珪素層の中の結晶欠陥密度を低減させることが望まれる。
Ｓ．Ｉｚｕｍｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｓｔｒｕｃｔｕａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎ－ｇｒｏｗｎ ｓｔａｃｋｉｎｇ ｆａｕｌｔｓ ｉｎ ４Ｈ－ＳｉＣ ｅｐｉｌａｙｅｒｓ"，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８６（２００５）２０２１０８． Ｔ．Ｈｏｒｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｆａｓｔ ｈｏｍｏｅｐｉｔａｘｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ４Ｈ－ＳｉＣ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｂａｓａｌ－ｐｌａｎｅ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｒａｐ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｈｏｔ－ｗａｌｌ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ"，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ，３０６（２００７）２９７．
本発明が解決しようとする課題は、炭化珪素層の中の結晶欠陥密度を低減させることができる気相成長方法を提供することにある。
本発明の一態様の気相成長方法は、反応室の中に第１のガス条件でキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給し、炭化珪素基板の上に、第１のドーピング濃度を有する第１の炭化珪素層を第１の成長速度で形成し、前記第１の炭化珪素層を形成した後に、前記反応室の中に第２のガス条件でキャリアガスを含む第２のプロセスガスを供給し、第２のドーピング濃度を有する第２の炭化珪素層を、前記第１の成長速度より大きい第２の成長速度で形成し、前記第２の炭化珪素層を形成した後に、前記反応室の中に第３のガス条件でキャリアガスを含む第３のプロセスガスを供給し、前記第１のドーピング濃度及び前記第２のドーピング濃度よりも低い第３のドーピング濃度を有する第３の炭化珪素層を、前記第２の成長速度より大きい第３の成長速度で形成する。
上記態様の気相成長方法において、前記第２の炭化珪素層の厚さは第１の炭化珪素層の厚さより厚く、前記第３の炭化珪素層の厚さは前記第２の炭化珪素層の厚さよりも厚い、ことが好ましい。
上記態様の気相成長方法において、前記第１の炭化珪素層を形成した後、前記第１のガス条件から前記第２のガス条件に切り替える第１の遷移時間の間に、第１の遷移層を形成し、前記第２の炭化珪素層を形成した後、前記第２のガス条件から前記第３のガス条件に切り替える第２の遷移時間の間に、第２の遷移層を形成し、前記第１の遷移層を形成する際の前記キャリアガスの前記反応室の中の平均滞在時間は、前記第１の遷移時間よりも短く、前記第２の遷移層を形成する際の前記キャリアガスの前記反応室の中の平均滞在時間は、前記第２の遷移時間よりも短い、ことが好ましい。
上記態様の気相成長方法において、前記第２のプロセスガスにおける炭素／シリコン原子比は、前記第１のプロセスガスにおける炭素／シリコン原子比よりも小さく、前記第３のプロセスガスにおける炭素／シリコン原子比は、前記第２のプロセスガスにおける炭素／シリコン原子比よりも大きい、ことが好ましい。
本発明の一態様の気相成長装置は、反応室と、前記反応室にキャリアガスを供給するキャリアガス供給管と、前記反応室にシリコン（Ｓｉ）を含む第１のソースガスを供給する第１のソースガス供給管と、前記反応室に炭素（Ｃ）を含む第２のソースガスを供給する第２のソースガス供給管と、前記キャリアガス供給管に設けられ、前記反応室に供給される前記キャリアガスの流量を制御する第１のマスフローコントローラと、前記第１のソースガス供給管に設けられ、前記反応室に供給される前記第１のソースガスの流量を制御する第２のマスフローコントローラと、前記第２のソースガス供給管に設けられ、前記反応室に供給される前記第２のソースガスの流量を制御する第３のマスフローコントローラと、前記反応室の中の圧力を調整する圧力調整バルブと、前記反応室に供給する前記第１のソースガス及び前記第２のソースガスの少なくともいずれか一方のソースガスの流量を遷移時間で切り替える際に、前記キャリアガスの前記反応室の中の平均滞在時間が、前記遷移時間よりも短くなるように、前記第１のマスフローコントローラ、前記第２のマスフローコントローラ、前記第３のマスフローコントローラ、及び前記圧力調整バルブを制御する制御部と、を備える。
本発明によれば、炭化珪素層の中の結晶欠陥密度を低減させることができる気相成長方法を提供することが可能となる。
実施形態の気相成長装置の模式図。 実施形態の気相成長方法により形成される炭化珪素層の一例の模式断面図。 実施形態の気相成長方法の説明図。 実施形態の気相成長方法の説明図。 第１の比較例の気相成長方法で形成される炭化珪素層の模式断面図。 第２の比較例の気相成長方法で形成される炭化珪素層の模式断面図。 実施形態の気相成長方法の作用及び効果の説明図。 実施形態の気相成長装置の第１の変形例の模式図。 実施形態の気相成長装置の第２の変形例の模式図。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本明細書中、同一又は類似の部材について、同一の符号を付す場合がある。
本明細書中、気相成長装置が膜の形成が可能に設置された状態での重力方向を「下」と定義し、その逆方向を「上」と定義する。したがって、「下部」とは、基準に対し重力方向の位置、「下方」とは基準に対し重力方向を意味する。そして、「上部」とは、基準に対し重力方向と逆方向の位置、「上方」とは基準に対し重力方向と逆方向を意味する。また、「縦方向」とは重力方向である。
また、本明細書中、「プロセスガス」とは、基板上への成膜のために用いられるガスの総称であり、例えば、キャリアガス、ソースガス、ドーパントガス、アシストガス、及び、それらの混合ガスを含む概念とする。キャリアガスは、反応室に導入されたのちにガスの主流を形成し、ソースガス、ドーパントガス、アシストガスなどのガスを、反応室内でウェハ上まで輸送するガスとして用いることがある。また、キャリアガスは、反応室に導入する前のガス供給管を接続することにより、ソースガス、ドーパントガス、アシストガスなどのガスと混合させて、反応室まで輸送するガスとしても用いることがある。
実施形態の気相成長方法は、反応室の中に第１のガス条件でキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給し、炭化珪素基板の上に、第１のドーピング濃度を有する第１の炭化珪素層を第１の成長速度で形成し、第１の炭化珪素層を形成した後に、反応室の中に第２のガス条件でキャリアガスを含む第２のプロセスガスを供給し、第２のドーピング濃度を有する第２の炭化珪素層を、第１の成長速度より大きい第２の成長速度で形成し、第２の炭化珪素層を形成した後に、反応室の中に第３のガス条件でキャリアガスを含む第３のプロセスガスを供給し、第１のドーピング濃度及び第２のドーピング濃度よりも低い第３のドーピング濃度を有する第３の炭化珪素層を、第２の成長速度より大きい第３の成長速度で形成する。
また、実施形態の気相成長装置は、反応室と、反応室にキャリアガスを供給するキャリアガス供給管と、反応室にシリコン（Ｓｉ）を含む第１のソースガスを供給する第１のソースガス供給管と、反応室に炭素（Ｃ）を含む第２のソースガスを供給する第２のソースガス供給管と、キャリアガス供給管に設けられ、反応室に供給されるキャリアガスの流量を制御する第１のマスフローコントローラと、第１のソースガス供給管に設けられ、反応室に供給される第１のソースガスの流量を制御する第２のマスフローコントローラと、第２のソースガス供給管に設けられ、反応室に供給される第２のソースガスの流量を制御する第３のマスフローコントローラと、反応室の中の圧力を調整する圧力調整バルブと、反応室に供給する第１のソースガス及び第２のソースガスの少なくともいずれか一方のソースガスの流量を遷移時間で切り替える際に、キャリアガスの反応室の中の平均滞在時間が、遷移時間よりも短くなるように、第１のマスフローコントローラ、第２のマスフローコントローラ、第３のマスフローコントローラ、及び圧力調整バルブを制御する制御部と、を備える。
図１は、実施形態の気相成長装置の模式図である。実施形態の気相成長装置１００は、例えば、単結晶の炭化珪素基板の上に単結晶の炭化珪素層をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長装置である。
実施形態の気相成長装置１００は、反応室１０、サセプタ１２、ヒータ１４、キャリアガス供給管１５、第１のソースガス供給管１６、第２のソースガス供給管１７、ドーパントガス供給管１８、アシストガス供給管１９、第１のマスフローコントローラ２５、第２のマスフローコントローラ２６、第３のマスフローコントローラ２７、第４のマスフローコントローラ２８、第５のマスフローコントローラ２９、排気配管３０、圧力調整バルブ３１、排気ポンプ３２、及び制御部３４を備える。制御部３４は、プロセス条件記憶部３４ａ、平均滞在時間演算部３４ｂ、遷移時間決定部３４ｃ、流量指令部３４ｄ、及びバルブ開度指令部３４ｅを含む。
反応室１０は、例えば、ステンレス製である。反応室１０は、例えば、円筒形状の壁を有する。反応室１０内でウェハＷの表面に炭化珪素層が形成される。ウェハＷは基板の一例である
サセプタ１２は、反応室１０の内部に設けられる。サセプタ１２は、ウェハＷを保持する機能を有する。サセプタ１２には、中心部に開口部が設けられていても構わない。
ヒータ１４は、反応室１０の内部に設けられる。ヒータ１４は、サセプタ１２の下方に設けられる。ヒータ１４は、ウェハＷを加熱する機能を有する。また、反応室１０の内部には、反応室１０の側面に平行に配置した不図示のヒータが備えられても良い。反応室１０の側面に平行に配置した不図示のヒータは、その内側に配置される不図示のホットウォールを介して、ウェハを加熱することができる。
キャリアガス供給管１５は反応室１０に接続される。キャリアガス供給管１５は、反応室１０に複数接続されてもよい。キャリアガス供給管１５は反応室１０にキャリアガスを供給する。キャリアガスは、例えば、水素ガス、アルゴンガス、又はヘリウムガスである。キャリアガスは、キャリアガス単独で反応室１０に導入させても良く、ソースガス、ドーパントガス、アシストガスなどのガスと混合させて、反応室１０に導入させても良い。
第１のソースガス供給管１６は反応室１０に接続される。第１のソースガス供給管１６は、キャリアガス供給管１５に接続することで、キャリアガス供給管１５を介して反応室１０に接続してもよい。第１のソースガス供給管１６は、反応室１０にシリコン（Ｓｉ）を含む第１のソースガスを供給する。第１のソースガスは、炭化珪素層を形成する原料となる。第１のソースガスは、例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスである。
第２のソースガス供給管１７は反応室１０に接続される。第２のソースガス供給管１７は、キャリアガス供給管１５に接続することで、キャリアガス供給管１５を介して反応室１０に接続してもよい。第２のソースガス供給管１７は、反応室１０に炭素（Ｃ）を含む第２のソースガスを供給する。第２のソースガスは、炭化珪素層を形成する原料となる。第２のソースガスは、例えば、プロパン（Ｃ３Ｈ８）ガスである。
ドーパントガス供給管１８は反応室１０に接続される。ドーパントガス供給管１８は、キャリアガス供給管１５に接続することで、キャリアガス供給管１５を介して反応室１０に接続してもよい。ドーパントガス供給管１８は、反応室１０にドーパントガスを供給する。ドーパントガスは、炭化珪素層のドーパントとなるｎ型不純物又はｐ型不純物を含む。ｎ型不純物は、例えば、窒素（Ｎ）である。ｐ型不純物は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又はボロン（Ｂ）である。ｎ型不純物のドーパントガスは、例えば、窒素ガスである。ｐ型不純物のドーパントガスは、例えば、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）ガス、又は、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスである。
アシストガス供給管１９は、反応室１０に接続される。アシストガス供給管１９は、キャリアガス供給管１５に接続することで、キャリアガス供給管１５を介して反応室１０に接続してもよい。アシストガス供給管１９は、反応室１０にアシストガスを供給する。アシストガスは、例えば、シリコン（Ｓｉ）のクラスタ化を抑制する。アシストガスは、例えば、塩化水素（ＨＣｌ）ガスである。
第１のマスフローコントローラ２５は、キャリアガス供給管１５に設けられる。反応室１０に、複数のキャリアガス供給管１５が接続される場合は、それぞれのキャリアガス供給管１５に、第１のマスフローコントローラ２５を設けても良い。第１のマスフローコントローラ２５は、反応室１０に供給されるキャリアガスの流量をモニタし、キャリアガスの流量を制御する機能を有する。キャリアガスは、例えば、水素ガス、アルゴンガス、又はヘリウムガスである。
第２のマスフローコントローラ２６は、第１のソースガス供給管１６に設けられる。第２のマスフローコントローラ２６は、反応室１０に供給される第１のソースガスの流量をモニタし、第１のソースガスの流量を制御する機能を有する。第１のソースガスは、例えば、モノシランガスである。
第３のマスフローコントローラ２７は、第２のソースガス供給管１７に設けられる。第３のマスフローコントローラ２７は、反応室１０に供給される第２のソースガスの流量をモニタし、第２のソースガスの流量を制御する機能を有する。第２のソースガスは、例えば、プロパンガスである。
第４のマスフローコントローラ２８は、ドーパントガス供給管１８に設けられる。第４のマスフローコントローラ２８は、反応室１０に供給されるドーパントガスの流量をモニタし、ドーパントガスの流量を制御する機能を有する。ドーパントガスは、例えば、窒素ガスである。
第５のマスフローコントローラ２９は、アシストガス供給管１９に設けられる。第５のマスフローコントローラ２９は、反応室１０に供給されるアシストガスの流量をモニタし、アシストガスの流量を制御する機能を有する。アシストガスは、例えば、塩化水素ガスである。
排気配管３０は、反応室１０に接続される。排気配管３０は、反応室１０からプロセスガスを排出する機能を有する。
圧力調整バルブ３１は、反応室１０から排出されるプロセスガスの流量を制御することで、反応室１０の中の圧力を、所望の圧力に調整する機能を有する。圧力調整バルブ３１は、例えば、スロットルバルブ又はバタフライバルブである。
排気ポンプ３２は、反応室１０からガスを排出する機能を有する。排気ポンプ３２は、例えば、真空ポンプである。
制御部３４は、気相成長装置１００の動作を制御する。制御部３４は、例えば、第１のマスフローコントローラ２５、第２のマスフローコントローラ２６、第３のマスフローコントローラ２７、第４のマスフローコントローラ２８、第５のマスフローコントローラ２９、圧力調整バルブ３１、及び排気ポンプ３２の動作を制御する。
制御部３４は、例えば、制御回路である。制御部３４は、例えば、電子回路である。制御部３４は、例えば、ハードウェア及びソフトウェアを含む。
制御部３４は、プロセス条件記憶部３４ａ、平均滞在時間演算部３４ｂ、遷移時間決定部３４ｃ、流量指令部３４ｄ、及びバルブ開度指令部３４ｅを含む。
プロセス条件記憶部３４ａは、例えば、ウェハＷの上に炭化珪素層を形成する際のプロセス条件を記憶する機能を有する。プロセス条件は、例えば、炭化珪素層を形成する際の各プロセスステップのガス条件、ウェハ温度、反応室圧力、又は継続時間である。ガス条件は、例えば、ガス種又はガス流量である。プロセス条件記憶部３４ａは、例えば、反応室容積を記憶する。
プロセス条件記憶部３４ａは、例えば、メモリデバイスである。プロセス条件記憶部３４ａは、例えば、半導体メモリである。
平均滞在時間演算部３４ｂは、キャリアガスの反応室１０内での平均滞在時間ｔｘを演算する機能を有する。キャリアガスの反応室１０内での平均滞在時間ｔｘとは、キャリアガスが反応室１０の中に供給されてから、キャリアガスが反応室１０の外に排出されるまでの平均時間を意味する。平均滞在時間ｔｘは、例えば、下記式で表される。なお、近似的にキャリアガス流量を排気流量としてもよく、以下の記載についても同様である。また、下記式における反応室容積とは、反応室１０の壁面で囲われた空間の容積から、反応室内に配置する各種部品によって占められる容積を差し引いたものであり、以下の記載についても同様である。
ｔｘ＝反応室圧力［Ｐａ］×反応室容積［ｍ３］／キャリアガス流量［Ｐａ・ｍ３／ｓ］
平均滞在時間演算部３４ｂは、例えば、プロセス条件記憶部３４ａに記憶されたキャリアガス流量、反応室圧力、及び反応室容積から平均滞在時間ｔｘを算出する。
平均滞在時間演算部３４ｂは、例えば、平均滞在時間演算回路である。平均滞在時間演算部３４ｂは、例えば、電子回路である。平均滞在時間演算部３４ｂは、例えば、ハードウェア及びソフトウェアを含む。
遷移時間決定部３４ｃは、例えば、炭化珪素層を形成する際に、あるプロセスステップから次のプロセスステップに遷移するまでに要する遷移時間ｔを決定する機能を有する。遷移時間決定部３４ｃは、例えば、反応室１０に供給するソースガスの流量を遷移時間ｔで切り変える際に、遷移時間ｔの長さを決定する機能を有する。遷移時間ｔは、例えば、ソースガスの流量の変更開始から変更終了までに要する時間である。
遷移時間決定部３４ｃは、例えば、キャリアガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘが、遷移時間ｔよりも短くなるように、遷移時間ｔを決定する。遷移時間決定部３４ｃは、平均滞在時間演算部３４ｂで算出されたキャリアガスの平均滞在時間ｔｘに基づき、遷移時間ｔを決定する。
流量指令部３４ｄは、例えば、第１のマスフローコントローラ２５、第２のマスフローコントローラ２６、第３のマスフローコントローラ２７、第４のマスフローコントローラ２８、及び第５のマスフローコントローラ２９にガス流量を指令する機能を有する。
流量指令部３４ｄは、例えば、流量指令回路である。流量指令部３４ｄは、例えば、電子回路である。流量指令部３４ｄは、例えば、ハードウェア及びソフトウェアを含む。
バルブ開度指令部３４ｅは、例えば、反応室圧力がプロセス条件記憶部３４ａに記憶された圧力に保たれるように、圧力調整バルブ３１に所定の開度を指令する機能を有する。
バルブ開度指令部３４ｅは、例えば、バルブ開度指令回路である。バルブ開度指令部３４ｅは、例えば、電子回路である。バルブ開度指令部３４ｅは、例えば、ハードウェア及びソフトウェアを含む。
制御部３４は、例えば、反応室１０に供給する第１のソースガス及び第２のソースガスの少なくともいずれか一方のソースガスの流量を遷移時間ｔで切り替える際に、下記式で表されるキャリアガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘが、遷移時間ｔよりも短くなるように、第１のマスフローコントローラ２５、第２のマスフローコントローラ２６、第３のマスフローコントローラ２７、及び圧力調整バルブ３１を制御する。
ｔｘ＝反応室圧力［Ｐａ］×反応室容積［ｍ３］／キャリアガス流量［Ｐａ・ｍ３／ｓ］
図２は、実施形態の気相成長方法により形成される炭化珪素層の一例の模式断面図である。実施形態の気相成長方法により形成される炭化珪素層は、炭化珪素基板５０の上に形成される。炭化珪素基板５０は基板の一例である。
実施形態の気相成長方法により形成される炭化珪素層は、第１のバッファ層５２、第１の遷移層５４、第２のバッファ層５６、第２の遷移層５８、及びドリフト層６０を含む。
炭化珪素基板５０（基板）、第１のバッファ層５２（第１の炭化珪素層）、第１の遷移層５４、第２のバッファ層５６（第２の炭化珪素層）、第２の遷移層５８、及びドリフト層６０（第３の炭化珪素層）は、単結晶の４Ｈ－ＳｉＣ炭化珪素である。炭化珪素基板５０、第１のバッファ層５２、第１の遷移層５４、第２のバッファ層５６、第２の遷移層５８、及びドリフト層６０は、ドーパントとしてｎ型不純物である窒素（Ｎ）を含む。
炭化珪素基板５０は、基板の一例である。第１のバッファ層５２は、第１の炭化珪素層の一例である。第２のバッファ層５６は、第２の炭化珪素層の一例である。ドリフト層６０は、第３の炭化珪素層の一例である。
炭化珪素基板５０の窒素濃度は、例えば、１Ｅ１８／ｃｍ３以上２Ｅ１９／ｃｍ３以下である。炭化珪素基板５０の厚さは、例えば、３００μｍ以上５００μｍ以下である。
第１のバッファ層５２は、炭化珪素基板５０の上に設けられる。第１のバッファ層５２は、例えば、ドリフト層６０の結晶性を向上させる機能を有する。
第１のバッファ層５２の窒素濃度は、例えば、１Ｅ１７／ｃｍ３以上２Ｅ１９／ｃｍ３以下である。第１のバッファ層５２の窒素濃度は、例えば、炭化珪素基板５０の窒素濃度よりも低い。第１のバッファ層５２の厚さは、例えば、０．０５μｍ以上０．５０μｍ以下である。
第１の遷移層５４は、第１のバッファ層５２の上に設けられる。第１の遷移層５４は、第１のバッファ層５２と第２のバッファ層５６との間に設けられる。
第１の遷移層５４の窒素濃度は、例えば、１Ｅ１７／ｃｍ３以上２Ｅ１９／ｃｍ３以下である。第１の遷移層５４の厚さは、例えば、０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下である。
第２のバッファ層５６は、第１の遷移層５４の上に設けられる。第２のバッファ層５６は、例えば、ドリフト層６０の結晶性を向上させる機能を有する。
第２のバッファ層５６の窒素濃度は、例えば、１Ｅ１７／ｃｍ３以上２Ｅ１９／ｃｍ３以下である。第２のバッファ層５６の窒素濃度は、例えば、炭化珪素基板５０の窒素濃度よりも低い。第２のバッファ層５６の厚さは、例えば、０．５μｍ以上５μｍ以下である。
第２の遷移層５８は、第２のバッファ層５６の上に設けられる。第２の遷移層５８は、第２のバッファ層５６とドリフト層６０との間に設けられる。
第２の遷移層５８の窒素濃度は、例えば、１Ｅ１３／ｃｍ３以上２Ｅ１９／ｃｍ３以下である。第２の遷移層５８の厚さは、例えば、０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下である。
ドリフト層６０は、第２の遷移層５８の上に設けられる。ドリフト層６０の中、又は、ドリフト層６０の上に、半導体デバイスが形成される。
ドリフト層６０の窒素濃度は、第１のバッファ層５２及び第２のバッファ層５６の窒素濃度よりも低い。ドリフト層６０の窒素濃度は、例えば、１Ｅ１３／ｃｍ３以上２Ｅ１６／ｃｍ３以下である。ドリフト層６０の厚さは、例えば、５μｍ以上５００μｍ以下である。
次に、実施形態の気相成長方法の一例について説明する。実施形態の気相成長方法は、図１に示す気相成長装置１００を用いる。
以下、炭化珪素基板５０の表面に、窒素がｎ型不純物としてドーピングされた単結晶の４Ｈ－ＳｉＣ炭化珪素層を形成する場合を例に説明する。また、以下、炭化珪素層を形成する際のキャリアガスが水素ガス、第１のソースガスがモノシランガス、第２のソースガスがプロパンガス、ドーパントガスが窒素ガス、アシストガスが塩化水素ガスである場合を例に説明する。
図３、図４（ａ）、及び図４（ｂ）は、実施形態の気相成長方法の説明図である。図３は、炭化珪素層を形成する際の、炭化珪素層の成長速度の時間変化を示す図である。図４（ａ）は、炭化珪素層を形成する際の、プロセスガスのガス流量の時間変化を示す図である。図４（ｂ）は、炭化珪素層を形成する際の、プロセスガス中の炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）の時間変化を示す図である。
実施形態の気相成長方法は、第１のバッファ層５２を形成する第１のプロセスステップ、第１の遷移層５４を形成する第２のプロセスステップ、第２のバッファ層５６を形成する第３のプロセスステップ、第２の遷移層５８を形成する第４のプロセスステップ、及びドリフト層６０を形成する第５のプロセスステップを備える。第１のプロセスステップ、第２のプロセスステップ、第３のプロセスステップ、第４のプロセスステップ、及び第５のプロセスステップは、同一の反応室１０内で基板を反応室１０外に出すことなく連続して行われる。
最初に、ウェハＷを載置したサセプタ１２を、反応室１０の中に搬入する。ウェハＷは、炭化珪素基板５０である。ウェハＷは、基板の一例である。
炭化珪素基板５０の窒素濃度は、例えば、１Ｅ１８／ｃｍ３以上２Ｅ１９／ｃｍ３以下である。
次に、ヒータ１４を用いてウェハＷを加熱する。ウェハＷの温度は、例えば、１５５０℃以上１７５０℃以下である。
第１のプロセスステップにおいて、ウェハＷの上に、第１のバッファ層５２を形成する。第１のバッファ層５２は、第１の窒素濃度を有する。第１のバッファ層５２は、反応室１０の中に第１のガス条件でキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給して形成される。第１のバッファ層５２は、第１の成長速度で形成される。第１のバッファ層５２は、時間ｔ０と時間ｔ１との間に形成される。
第１の窒素濃度は、例えば、１Ｅ１７／ｃｍ３以上２Ｅ１９／ｃｍ３以下である。
第１のガス条件は、例えば、第１のプロセスステップにおいて、反応室１０の中に供給されるプロセスガスの種類、及び、各プロセスガスの流量である。
第１のプロセスステップにおいて、反応室１０の中に、第１のプロセスガスとして、所定の流量の水素ガス、モノシランガス、プロパンガス、窒素ガス、及び塩化水素ガスを供給する。
第１の成長速度は、例えば、１μｍ／ｈ以上１０μｍ／ｈ以下である。第１の成長速度は、例えば、プロセスガス中のシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）に依存する。第１の成長速度は、例えば、プロセスガス中のモノシランガスの流量と水素ガスの流量の比に依存する。第１のプロセスステップにおけるシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）は、例えば、５．２８Ｅ－５以上４．６５Ｅ－４以下である。
第１のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）は、例えば、０．５以上３．５以下である。第１のガス条件における塩素／シリコン原子比（Ｃｌ／Ｓｉ）は、例えば、１以上３０以下である。
第１のバッファ層５２の厚さは、例えば、０．０５μｍ以上０．５０μｍ以下である。
第２のプロセスステップにおいて、第１のバッファ層５２の上に、第１の遷移層５４を形成する。第１の遷移層５４は、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間に形成される。時刻ｔ２と時刻ｔ１との差分が、第１の遷移時間ｔａである。
第１の遷移層５４の厚さは、例えば、第１のバッファ層５２の厚さよりも薄い。
第３のプロセスステップにおいて、第１の遷移層５４の上に、第２のバッファ層５６を形成する。第２のバッファ層５６は、第２の窒素濃度を有する。第２のバッファ層５６は、反応室１０の中に第２のガス条件でキャリアガスを含む第２のプロセスガスを供給して形成される。第２のバッファ層５６は、第２の成長速度で形成される。第２のバッファ層５６は、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間に形成される。
第２の窒素濃度は、例えば、１Ｅ１７／ｃｍ３以上２Ｅ１９／ｃｍ３以下である。
第２のガス条件は、例えば、第３のプロセスステップにおいて、反応室１０の中に供給されるプロセスガスの種類、及び、各プロセスガスの流量である。
第３のプロセスステップにおいて、反応室１０の中に、プロセスガスとして、所定の流量の水素ガス、モノシランガス、プロパンガス、窒素ガス、及び塩化水素ガスを供給する。
図３に示すように、第２の成長速度は、第１の成長速度より大きい。第２の成長速度は、例えば、４０μｍ／ｈ以上１００μｍ／ｈ以下である。第２の成長速度は、例えば、プロセスガス中のシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）に依存する。第２の成長速度は、例えば、プロセスガス中のモノシランガスの流量と水素ガスの流量の比に依存する。第３のプロセスステップにおけるシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）は、例えば、５．２８Ｅ－４以上４．６５Ｅ－３以下である。
図４（ａ）に示すように、第２のガス条件におけるモノシランガスの流量は、第１のガス条件におけるモノシランガスの流量よりも大きい。また、第２のガス条件におけるシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）は、第１のガス条件におけるシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）よりも大きい。第２のガス条件におけるシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）が、第１のガス条件におけるシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）よりも大きくなることで、第２の成長速度は、第１の成長速度より大きくなりやすい。なお、第２のガス条件における水素ガスの流量は、例えば、第１のガス条件における水素ガスの流量と等しい。また、第２のガス条件における水素ガスの流量は、例えば、第１のガス条件における水素ガスの流量に対して０．９０から１．１０倍の範囲で調整されてもよい。
図４（ａ）に示すように、第２のガス条件におけるプロパンガスの流量は、第１のガス条件におけるプロパンガスの流量よりも大きい。
第２のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）は、例えば、０．５以上２．０以下である。第２のガス条件における塩素／シリコン原子比（Ｃｌ／Ｓｉ）は、例えば、１以上３０以下である。
図４（ｂ）に示すように、例えば、第２のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）は、第１のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）よりも小さい。
第２のバッファ層５６の厚さは、例えば、０．５μｍ以上５μｍ以下である。
第２のプロセスステップにおいて、ガス条件を第１のガス条件から第２のガス条件に切り替える。第２のプロセスステップにおいて、第１の遷移時間ｔａの間に、ガス条件を第１のガス条件から第２のガス条件に切り替える。第１の遷移時間ｔａは、第１のガス条件の変更開始から、第２のガス条件への変更完了までに要する時間である。
図４（ａ）に示すように、第２のプロセスステップにおいて、例えば、モノシランガスの流量が大きくなる方向に変化する。また、図４（ａ）に示すように、第２のプロセスステップにおいて、例えば、プロパンガスの流量が大きくなる方向に変化する。第２のプロセスステップにおいて、例えば、水素ガスの流量は、第１のガス条件における水素ガスの流量と等しい。また、例えば、水素ガスの流量は、第１のガス条件における水素ガスの流量に対して０．９０倍から１．１０倍の範囲で調整されてもよい。
第１の遷移層５４を形成する第２のプロセスステップにおいて、水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、第１の遷移時間ｔａよりも短くなるようにする。水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、下記式で表される。
ｔｘ＝反応室圧力［Ｐａ］×反応室容積［ｍ３］／キャリアガス流量［Ｐａ・ｍ３／ｓ］
第２のプロセスステップにおいて、水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、例えば０．５秒以上１０秒以下である。
第４のプロセスステップにおいて、第２のバッファ層５６の上に、第２の遷移層５８を形成する。第２の遷移層５８は、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間に形成される。時刻ｔ３と時刻ｔ４との差分が、第２の遷移時間ｔｂである。
第２の遷移層５８の厚さは、例えば、第２のバッファ層５６の厚さよりも薄い。
第５のプロセスステップにおいて、第２の遷移層５８の上に、ドリフト層６０を形成する。ドリフト層６０は、第３の窒素濃度を有する。ドリフト層６０は、反応室１０の中に第３のガス条件でキャリアガスを含む第３のプロセスガスを供給して形成される。ドリフト層６０は、第３の成長速度で形成される。ドリフト層６０は、時刻ｔ４と時刻ｔ５との間に形成される。
第３の窒素濃度は、第１の窒素濃度及び第２の窒素濃度よりも低い。第３の窒素濃度は、例えば、１Ｅ１３／ｃｍ３以上２Ｅ１６／ｃｍ３以下である。
第３のガス条件は、例えば、第５のプロセスステップにおいて、反応室１０の中に供給されるプロセスガスの種類、及び、各プロセスガスの流量である。
第５のプロセスステップにおいて、反応室１０の中に、プロセスガスとして、所定の流量の水素ガス、モノシランガス、プロパンガス、窒素ガス、及び塩化水素ガスを供給する。
図３に示すように、第３の成長速度は、第２の成長速度より大きい。第３の成長速度は、例えば、４５μｍ／ｈ以上１００μｍ／ｈ以下である。第３の成長速度は、例えば、プロセスガス中のシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）に依存する。第３の成長速度は、例えば、プロセスガス中のモノシランガスの流量と水素ガスの流量の比に依存する。第５のプロセスステップにおけるシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）は、例えば、５．２８Ｅ－４以上４．６５Ｅ－３以下である。
図４（ａ）に示すように、第３のガス条件におけるモノシランガスの流量は、第２のガス条件におけるモノシランガスの流量と等しいことが好ましいが、第２のガス条件におけるモノシランガスの流量の０．９５倍から１．４０倍の範囲で調整されてもよい。また、例えば、第３のガス条件における水素ガスの流量は、第２のガス条件における水素ガスの流量と等しい。また、例えば、第３のガス条件における水素ガスの流量は、第２のガス条件における水素ガスの流量に対して０．９０から１．１０倍の範囲で調整されてもよい。
図４（ａ）に示すように、第３のガス条件におけるプロパンガスの流量は、第２のガス条件におけるプロパンガスの流量よりも大きい。
第３のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）は、例えば、０．５以上２．０以下である。第３のガス条件における塩素／シリコン原子比（Ｃｌ／Ｓｉ）は、例えば、１以上３０以下である。
図４（ｂ）に示すように、例えば、第３のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）は、第２のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）よりも大きい。例えば、第３のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）を、第２のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）よりも大きくすることで、第３の成長速度を第２の成長速度よりも大きくすることができる。
ドリフト層６０の厚さは、例えば、５μｍ以上５００μｍ以下である。
第４のプロセスステップにおいて、ガス条件を第２のガス条件から第３のガス条件に切り替える。第４のプロセスステップにおいて、第２の遷移時間ｔｂの間に、ガス条件を第２のガス条件から第３のガス条件に切り替える。第２の遷移時間ｔｂは、第２のガス条件の変更開始から、第３のガス条件への変更完了までに要する時間である。
図４（ａ）に示すように、第４のプロセスステップにおいて、例えば、プロパンの流量が大きくなる方向に変化する。
第２の遷移層５８を形成する第４のプロセスステップにおいて、水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、第２の遷移時間ｔｂよりも短くなるようにする。水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、下記式で表される。
ｔｘ＝反応室圧力［Ｐａ］×反応室容積［ｍ３］／キャリアガス流量［Ｐａ・ｍ３／ｓ］
第４のプロセスステップにおいて、水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、例えば０．５秒以上１０秒以下である。
以上の気相成長方法により、図２に示す炭化珪素層が形成される。
次に、実施形態の気相成長方法及び気相成長装置の作用及び効果について説明する。
炭化珪素層を基板上にエピタキシャル成長技術を用いて形成する際に、炭化珪素層に結晶欠陥（ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｆｆｅｃｔ）が生成される。結晶欠陥には、例えば、基底面転位（ｂａｓａｌ ｐｌａｎｅ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：ＢＰＤ）や積層欠陥（ｓｔａｃｋｉｎｇ ｆａｕｌｔ：ＳＦ）がある。炭化珪素層に結晶欠陥が存在すると、例えば、炭化珪素層上に形成される半導体デバイスの信頼性が低下し問題となる。したがって、炭化珪素層の中の結晶欠陥密度を低減させることが望まれる。
図５は、第１の比較例の気相成長方法で形成される炭化珪素層の模式断面図である。第１の比較例の気相成長方法は、第１のバッファ層５２とドリフト層６０との間に、第２のバッファ層５６を形成しない点で、実施形態の気相成長方法と異なる。すなわち、第１のバッファ層５２とドリフト層６０との間に、第１のバッファ層５２よりも成長速度の大きい第２のバッファ層５６を形成しない点で、実施形態の気相成長方法と異なる。なお、図５において、炭化珪素基板５０に存在する欠陥は、図示していない。
第１のバッファ層５２とドリフト層６０との間には、遷移層５９が形成される。
図５に示すように、第１の比較例の気相成長方法によれば、例えば、炭化珪素基板５０と第１のバッファ層５２との界面から積層欠陥ＳＦが形成されることを抑制しやすく、ドリフト層６０に延びる積層欠陥ＳＦの形成を抑制することができる。ドリフト層６０の中の積層欠陥ＳＦは、例えば、半導体デバイスのパイポーラ動作中に成長し、ドリフト層６０の電気抵抗を上昇させる。したがって、積層欠陥ＳＦは、半導体デバイスの信頼性を劣化させるため問題となる。
第１の比較例の気相成長方法によれば、ドリフト層６０に延びる積層欠陥ＳＦの生成を抑制することができる。したがって、エピタキシャル成長によって形成される積層欠陥ＳＦに起因する半導体デバイスの信頼性の劣化を抑制できる。
一方、第１の比較例の気相成長方法では、炭化珪素基板５０の内部から炭化珪素基板５０の表面に到達した基底面転位ＢＰＤが、第１のバッファ層５２に伝搬され、第１のバッファ層５２の表面まで到達しやすい。また、第１のバッファ層５２の表面に到達した基底面転位ＢＰＤは、ドリフト層６０の中の第１のバッファ層５２近傍まで伝搬されやすい。ドリフト層６０の中の第１のバッファ層５２近傍まで伝搬した基底面転位ＢＰＤは、例えば、ドリフト層６０の中で、貫通刃状転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：ＴＥＤ）に転換される。
このように、基底面転位ＢＰＤは、ドリフト層６０の中の第１のバッファ層５２近傍で貫通刃状転位ＴＥＤに変換されやすい。すなわち、ドリフト層６０の中の第１のバッファ層５２近傍までは、基底面転位ＢＰＤが存在していることになる。ドリフト層６０の中に基底面転位ＢＰＤが存在すると、例えば、半導体デバイスのパイポーラ動作中に基底面転位ＢＰＤが積層欠陥ＳＦに転換される。積層欠陥ＳＦは、例えば、ドリフト層６０の電気抵抗を上昇させる。したがって、半導体デバイスの信頼性が劣化し問題となる。
以上のように、第１の比較例の気相成長方法によれば、エピタキシャル成長によって形成されるドリフト層６０の中の積層欠陥ＳＦの密度を低減することができる。一方、第１の比較例の気相成長方法では、ドリフト層６０の中の第１のバッファ層５２近傍まで延びる基底面転位ＢＰＤの密度を低減することが困難である。したがって、第１の比較例の気相成長方法では、基底面転位ＢＰＤや、基底面転位ＢＰＤから転換されて形成される積層欠陥ＳＦに起因する半導体デバイスの信頼性の劣化が問題となる。
図６は、第２の比較例の気相成長方法で形成される炭化珪素層の模式断面図である。第２の比較例の気相成長方法は、炭化珪素基板５０と第２のバッファ層５６との間に、第１のバッファ層５２を形成しない点で、実施形態の気相成長方法と異なる。すなわち、炭化珪素基板５０と第２のバッファ層５６との間に、第２のバッファ層５６よりも成長速度の小さい第１のバッファ層５２を形成しない点で、実施形態の気相成長方法と異なる。なお、図６において、炭化珪素基板５０に存在する欠陥は、図示していない。
第２のバッファ層５６とドリフト層６０との間には、遷移層５９が形成される。
図６に示すように、第２の比較例の気相成長方法によれば、例えば、炭化珪素基板５０と第２のバッファ層５６との界面から延びる基底面転位ＢＰＤが、第２のバッファ層５６の中で貫通刃状転位ＴＥＤに転換されやすくなる。したがって、ドリフト層６０の中の基底面転位ＢＰＤの密度を低減することが可能となる。
なお、貫通刃状転位ＴＥＤが半導体デバイスの特性に与える影響は、例えば、基底面転位ＢＰＤや積層欠陥ＳＦと比較して軽微であることが知られている。
第２の比較例の気相成長方法によれば、ドリフト層６０の中の基底面転位ＢＰＤの密度を低減することができる。したがって、基底面転位ＢＰＤに起因する半導体デバイスの信頼性の劣化を抑制できる。
一方、図６に示すように、第２の比較例の気相成長方法では、炭化珪素基板５０と第２のバッファ層５６との界面から積層欠陥ＳＦが形成されやすく、ドリフト層６０に延びる積層欠陥ＳＦの形成を抑制することが困難である。したがって、積層欠陥ＳＦに起因する半導体デバイスの信頼性の劣化が問題となる。
以上のように、第２の比較例の気相成長方法によれば、エピタキシャル成長によって形成されるドリフト層６０の中の基底面転位ＢＰＤの密度を低減することができるため、基底面転位ＢＰＤに起因する半導体デバイスの特性の信頼性の劣化を抑制できる。一方、第２の比較例の気相成長方法では、ドリフト層６０に延びる積層欠陥ＳＦの密度を低減することが困難である。したがって、第２の比較例の気相成長方法では、積層欠陥ＳＦに起因する半導体デバイスの信頼性の劣化が問題となる。
図７は、実施形態の気相成長方法の作用及び効果の説明図である。図７は、実施形態の気相成長方法により形成される炭化珪素層の一例の模式断面図である。
実施形態の気相成長方法は、炭化珪素基板５０の上にドリフト層６０を形成する前に、第１の成長速度で第１のバッファ層５２を形成し、その後に、第１の成長速度よりも大きい第２の成長速度で第２のバッファ層５６を形成する。第１のバッファ層５２を形成することにより、炭化珪素基板５０と第１のバッファ層５２との界面から積層欠陥ＳＦが形成されることを抑制しやすく、ドリフト層６０の中に延びる積層欠陥ＳＦの密度を低減することができる。また、第２のバッファ層５６を形成することで、炭化珪素基板５０の内部から炭化珪素基板５０の表面に到達した基底面転位ＢＰＤが、第２のバッファ層５６の中で貫通刃状転位ＴＥＤに変換されやすくなり、ドリフト層６０の中の基底面転位ＢＰＤの密度を低減することができる。したがって、ドリフト層６０の中の積層欠陥ＳＦ及び基底面転位ＢＰＤの両方の密度を低減することができる。よって、実施形態の気相成長方法によれば、結晶欠陥に起因する半導体デバイスの信頼性の劣化を抑制できる。
第１のバッファ層５２を形成する際の第１の成長速度は、１μｍ／ｈ以上１０μｍ／ｈ以下であることが好ましく、２μｍ／ｈ以上８μｍ／ｈ以下であることがより好ましく、３μｍ／ｈ以上６μｍ／ｈ以下であることが更に好ましい。上記下限値を上回ることで、第１のバッファ層５２の形成時間が短くなり、炭化珪素層の生産性が向上する。また、上記上限値を下回ることで、ドリフト層６０の中の積層欠陥ＳＦの密度を更に低減できる。
第１のバッファ層５２を形成する際の第１の成長速度を１μｍ／ｈ以上１０μｍ／ｈ以下にする観点から、第１のバッファ層５２を形成する際のシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）は、５．２８Ｅ－５以上４．６５Ｅ－４以下であることが好ましい。
第２のバッファ層５６を形成する際の第２の成長速度は、４０μｍ／ｈ以上１００μｍ／ｈ以下であることが好ましく、４５μｍ／ｈ以上８０μｍ／ｈ以下であることがより好ましく、５０μｍ／ｈ以上６０μｍ／ｈ以下であることが更に好ましい。上記下限値を上回ることで、ドリフト層６０の中の基底面転位ＢＰＤの密度を更に低減できる。また、上記上限値を下回ることで、ドリフト層６０の結晶性や表面モホロジーが向上する。
第２のバッファ層５６を形成する際の第２の成長速度を４０μｍ／ｈ以上１００μｍ／ｈ以下にする観点から、第２のバッファ層５６を形成する際のシリコン／水素原子比（Ｓｉ／Ｈ）は、５．２８Ｅ－４以上４．６５Ｅ－３以下であることが好ましい。
第１のバッファ層５２の厚さは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。上記下限値を上回ることで、ドリフト層６０の中の積層欠陥ＳＦの密度を更に低減できる。また、上記上限値を下回ることで、第１のバッファ層５２の形成時間が短くなり、炭化珪素層の生産性が向上する。
第２のバッファ層５６の厚さは、０．５μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。上記下限値を上回ることで、ドリフト層６０の中の基底面転位ＢＰＤの密度を更に低減できる。また、上記上限値を下回ることで、第２のバッファ層５６の形成時間が短くなり、炭化珪素層の生産性が向上する。
第２のバッファ層５６の厚さは、第１のバッファ層５２の厚さより厚いことが好ましい。言い換えれば、第１のバッファ層５２の厚さは、第２のバッファ層５６の厚さよりも薄いことが好ましい。成長速度が小さい第１のバッファ層５２の厚さを薄くすることで、第１のバッファ層５２の形成時間が短くなり、炭化珪素層の生産性が向上する。
第１の遷移層５４を形成する第２のプロセスステップにおいて、水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、第１の遷移時間ｔａよりも短いことが好ましい。水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、下記式で表される。
ｔｘ＝反応室圧力［Ｐａ］×反応室容積［ｍ３］／キャリアガス流量［Ｐａ・ｍ３／ｓ］
水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘを、第１の遷移時間ｔａよりも短くすることで、第１の遷移層５４の膜厚やドーピング濃度が制御しやすくなる。
第２の遷移層５８を形成する第４のプロセスステップにおいて、水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、第２の遷移時間ｔｂよりも短いことが好ましい。水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、下記式で表される。
ｔｘ＝反応室圧力［Ｐａ］×反応室容積［ｍ３］／キャリアガス流量［Ｐａ・ｍ３／ｓ］
水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘを、第２の遷移時間ｔｂよりも短くすることで、第２の遷移層５８の膜厚やドーピング濃度が制御しやすくなる。
水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、炭化珪素層のステップバンチングの形成を抑制する観点から、０．５秒以上１０秒以下であることが好ましい。また、水素ガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘは、第１の遷移層５４の厚さ、及び、第２の遷移層５８の厚さを薄くする観点から、１０秒以下であることが好ましい。
第２のバッファ層５６を形成する際の第２のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）は、第１のバッファ層５２を形成する際の第１のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）よりも小さいことが好ましい。言い換えれば、第１のバッファ層５２を形成する際の第１のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）は、第２のバッファ層５６を形成する際の第２のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）よりも大きいことが好ましい。
窒素がドーピングされた炭化珪素層を形成する際、プロセスガス中の炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）を大きくすることで炭化珪素層の中への窒素の導入を抑制することが可能となる。これは、プロセスガス中の炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）が大きいことで、炭化珪素の炭素サイトに窒素原子が入ることが抑制されるためである。このような現象は、ウェハ表面でのプロセスガス中の炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）が１を上回る条件で生じる。
ドリフト層６０を形成する際の第３のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）は、第２のバッファ層５６を形成する際の第２のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）よりも大きいことが好ましい。
ドリフト層６０を形成する際の第３のガス条件における炭素／シリコン原子比（Ｃ／Ｓｉ）を大きくすることで、ドリフト層６０の中の炭素空孔の密度を低減することができる。炭素空孔は、例えば、バイポーラの半導体デバイスを動作させる際に、少数キャリアのライフタイムキラーとして機能する。ドリフト層６０の中の炭素空孔の密度を低減することで、バイポーラの半導体デバイスの特性を向上させることができる。
実施形態の気相成長方法において、第１のバッファ層５２、第１の遷移層５４、第２のバッファ層５６、第２の遷移層５８、及びドリフト層６０を形成する際のプロセスガスが、アシストガスとして塩化水素（ＨＣｌ）ガスを含むことが好ましい。プロセスガスが、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを含むことで、シリコンドロップレットの生成や、炭化珪素層の表面モホロジーの悪化が抑制できる。シリコンドロップレットの生成や、炭化珪素層の表面モホロジーの悪化を抑制することで、例えば、炭化珪素層の中の結晶欠陥密度を低減することが可能となる。
第１のバッファ層５２、第１の遷移層５４、第２のバッファ層５６、第２の遷移層５８、及びドリフト層６０を形成する際のプロセスガスの中の、塩素／シリコン原子比（Ｃｌ／Ｓｉ）は、１以上３０以下であることが好ましい。塩素／シリコン原子比（Ｃｌ／Ｓｉ）が上記範囲を充足することで、シリコンドロップレットの生成や、炭化珪素層の表面モホロジーの悪化を更に抑制できる。
実施形態の気相成長装置１００は、反応室１０に供給する第１のソースガス及び第２のソースガスの少なくともいずれか一方のソースガスの流量を遷移時間ｔで切り替える際に、下記式で表されるキャリアガスの反応室１０の中の平均滞在時間ｔｘが、遷移時間ｔよりも短くなるように、第１のマスフローコントローラ２５、第２のマスフローコントローラ２６、第３のマスフローコントローラ２７、及び圧力調整バルブ３１を制御する制御部３４を備える。
ｔｘ＝反応室圧力［Ｐａ］×反応室容積［ｍ３］／キャリアガス流量［Ｐａ・ｍ３／ｓ］
実施形態の気相成長装置１００は、制御部３４を備えることで、遷移層の膜厚やドーピング濃度が制御しやすくなる。
以上、実施形態の気相成長方法によれば、炭化珪素層の中の結晶欠陥密度を低減させることができる。また、実施形態の気相成長装置によれば、炭化珪素層の均一性を向上させることができる。
図８は、実施形態の気相成長装置の第１の変形例の模式図である。第１の変形例の気相成長装置１１０は、実施形態の気相成長装置１００の他の構成例を示している。
気相成長装置１１０は、反応室１０、サセプタ１２、ヒータ１４、キャリアガス供給管１５、第１のソースガス供給管１６、第２のソースガス供給管１７、ドーパントガス供給管１８、アシストガス供給管１９、第１のマスフローコントローラ２５、第２のマスフローコントローラ２６、第３のマスフローコントローラ２７、第４のマスフローコントローラ２８、第５のマスフローコントローラ２９、排気配管３０、圧力調整バルブ３１、排気ポンプ３２、及び制御部３４を備える。
図８に示す気相成長装置１１０において、第１のソースガス供給管１６、第２のソースガス供給管１７、ドーパントガス供給管１８、アシストガス供給管１９は、キャリアガス供給管１５に接続されている。このように、キャリアガスは、ソースガス、ドーパントガス、アシストガスなどのガスと混合させて、反応室１０に導入させても良い。
また、図８に示す気相成長装置１１０において、第１のソースガス供給管１６、第２のソースガス供給管１７、ドーパントガス供給管１８、アシストガス供給管１９は、キャリアガス供給管１５を介して、反応室１０に接続されている。このように、第１のソースガス供給管１６、第２のソースガス供給管１７、ドーパントガス供給管１８、アシストガス供給管１９は、キャリアガス供給管１５に接続することで、キャリアガス供給管１５を介して反応室１０に接続してもよい。
図９は、実施形態の気相成長装置の第２の変形例の模式図である。第２の変形例の気相成長装置１２０は、実施形態の気相成長装置１００の更に他の構成例を示している。
気相成長装置１２０は、反応室１０、サセプタ１２、ヒータ１４、キャリアガス供給管１５、第１のソースガス供給管１６、第２のソースガス供給管１７、ドーパントガス供給管１８、アシストガス供給管１９、第１のマスフローコントローラ２５、第２のマスフローコントローラ２６、第３のマスフローコントローラ２７、第４のマスフローコントローラ２８、第５のマスフローコントローラ２９、排気配管３０、圧力調整バルブ３１、排気ポンプ３２、及び制御部３４を備える。
図９に示す気相成長装置１２０において、キャリアガス供給管１５は複数備えられている。このように、キャリアガス供給管１５は、反応室１０に複数接続されてもよい。
図９に示す気相成長装置１２０において、第１のソースガス供給管１６、アシストガス供給管１９は、複数のキャリアガス供給管１５のうちの一つに接続されている。第２のソースガス供給管１７、ドーパントガス供給管１８は、複数のキャリアガス供給管１５のうちの他の一つに接続されている。複数のキャリアガス供給管１５のうちの更に他の一つは、第１のソースガス供給管１６、第２のソースガス供給管１７、ドーパントガス供給管１８、アシストガス供給管１９と接続されずに、反応室１０に接続されている。
このように、キャリアガスは、キャリアガス単独で反応室１０に導入させても良く、ソースガス、ドーパントガス、アシストガスなどのガスと混合させて、反応室１０に導入させても良い。図９に示す気相成長装置１２０において、複数のキャリアガス供給管１５は、それぞれ第１のマスフローコントローラ―２５を備えている。このように、反応室１０に、複数のキャリアガス供給管１５が接続される場合は、それぞれのキャリアガス供給管１５に、第１のマスフローコントローラ２５を設けても良い。
なお、実施形態の気相成長装置１００及びその変形例の気相成長装置は、制御部３４を備えることで、遷移層及び遷移層に近接する炭化珪素層の均一性を向上させることができる。制御部３４において、平均滞在時間ｔｘは容易に計算できることと、計算した平均滞在時間ｔｘから遷移時間ｔを容易に決定できることから、遷移時間決定部３４ｃは、必ずしも必要な構成ではない。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態及びその変形例について説明した。上記、実施形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施形態の構成要素を適宜組み合わせても構わない。
実施形態及びその変形例では、キャリアガス、ソースガス、ドーパントガス、及びアシストガスが、独立に反応室１０の中に供給される場合（図１）や、キャリアガス、ソースガス、ドーパントガス、及びアシストガスのいずれか２つ以上混合する場合（図９）、又は全てを混合して反応室１０の中に供給する場合（図８）などを例に説明したが、他の方式でも構わない。
実施形態及びその変形例では、炭化珪素層がドーパントとしてｎ型不純物を含む場合を例に説明したが、炭化珪素層がドーパントとしてｐ型不純物を含んでも構わない。
実施形態及びその変形例では、装置構成や製造方法等、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や製造方法等を適宜選択して用いることができる。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての気相成長方法、及び、気相成長装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等物の範囲によって定義されるものである。
１０ 反応室
１５ キャリアガス供給管
１６ 第１のソースガス供給管
１７ 第２のソースガス供給管
２５ 第１のマスフローコントローラ
２６ 第２のマスフローコントローラ
２７ 第３のマスフローコントローラ
３１ 圧力調整バルブ
３４ 制御部
５０ 炭化珪素基板（基板）
５２ 第１のバッファ層（第１の炭化珪素層）
５４ 第１の遷移層
５６ 第２のバッファ層（第２の炭化珪素層）
５８ 第２の遷移層
６０ ドリフト層（第３の炭化珪素層）
１００ 気相成長装置

Claims (5)

  1. 反応室の中に第１のガス条件でキャリアガスを含む第１のプロセスガスを供給し、炭化珪素基板の上に、第１のドーピング濃度を有する第１の炭化珪素層を第１の成長速度で形成し、
    前記第１の炭化珪素層を形成した後に、前記反応室の中に第２のガス条件でキャリアガスを含む第２のプロセスガスを供給し、第２のドーピング濃度を有する第２の炭化珪素層を、前記第１の成長速度より大きい第２の成長速度で形成し、
    前記第２の炭化珪素層を形成した後に、前記反応室の中に第３のガス条件でキャリアガスを含む第３のプロセスガスを供給し、前記第１のドーピング濃度及び前記第２のドーピング濃度よりも低い第３のドーピング濃度を有する第３の炭化珪素層を、前記第２の成長速度より大きい第３の成長速度で形成する気相成長方法。
  2. 前記第２の炭化珪素層の厚さは第１の炭化珪素層の厚さより厚く、前記第３の炭化珪素層の厚さは前記第２の炭化珪素層の厚さよりも厚い、請求項１記載の気相成長方法。
  3. 前記第１の炭化珪素層を形成した後、前記第１のガス条件から前記第２のガス条件に切り替える第１の遷移時間の間に、第１の遷移層を形成し、
    前記第２の炭化珪素層を形成した後、前記第２のガス条件から前記第３のガス条件に切り替える第２の遷移時間の間に、第２の遷移層を形成し、
    前記第１の遷移層を形成する際の前記キャリアガスの前記反応室の中の平均滞在時間は、前記第１の遷移時間よりも短く、
    前記第２の遷移層を形成する際の前記キャリアガスの前記反応室の中の平均滞在時間は、前記第２の遷移時間よりも短い、請求項１又は請求項２記載の気相成長方法。
  4. 前記第２のプロセスガスにおける炭素／シリコン原子比は、前記第１のプロセスガスにおける炭素／シリコン原子比よりも小さく、
    前記第３のプロセスガスにおける炭素／シリコン原子比は、前記第２のプロセスガスにおける炭素／シリコン原子比よりも大きい、請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の気相成長方法。
  5. 反応室と、
    前記反応室にキャリアガスを供給するキャリアガス供給管と、
    前記反応室にシリコン（Ｓｉ）を含む第１のソースガスを供給する第１のソースガス供給管と、
    前記反応室に炭素（Ｃ）を含む第２のソースガスを供給する第２のソースガス供給管と、
    前記キャリアガス供給管に設けられ、前記反応室に供給される前記キャリアガスの流量を制御する第１のマスフローコントローラと、
    前記第１のソースガス供給管に設けられ、前記反応室に供給される前記第１のソースガスの流量を制御する第２のマスフローコントローラと、
    前記第２のソースガス供給管に設けられ、前記反応室に供給される前記第２のソースガスの流量を制御する第３のマスフローコントローラと、
    前記反応室の中の圧力を調整する圧力調整バルブと、
    前記反応室に供給する前記第１のソースガス及び前記第２のソースガスの少なくともいずれか一方のソースガスの流量を遷移時間で切り替える際に、前記キャリアガスの前記反応室の中の平均滞在時間が、前記遷移時間よりも短くなるように、前記第１のマスフローコントローラ、前記第２のマスフローコントローラ、前記第３のマスフローコントローラ、及び前記圧力調整バルブを制御する制御部と、
    を備える気相成長装置。
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