JP3525150B2 - 炭化けい素半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子を形成
する炭化けい素基板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高周波、大電力の制御を目的として、シ
リコン（以下Ｓｉと記す）を用いた電力用半導体素子
（以下パワーデバイスと称する）では、各種の工夫によ
り高性能化が進められている。しかし、パワーデバイス
は高温や放射線等の存在下で使用されることもあり、そ
のような条件下ではＳｉのパワーデバイスは使用できな
いことがある。

【０００３】また、Ｓｉのパワーデバイスより更に高性
能のものを求める声に対して、新しい材料の適用が検討
されている。本提案でとりあげる炭化けい素（以下Ｓｉ
Ｃと記す）は広い禁制帯幅（４Ｈ−ＳｉＣで３．２６ｅ
Ｖ、６Ｈ−ＳｉＣで３．０２ｅＶ）をもつため、高温で
の電気伝導度の制御性や耐放射線性に優れ、またＳｉよ
り約１桁高い絶縁破壊電圧をもつため、高耐圧素子への
適用が可能である。さらに、ＳｉＣはＳｉの約２倍の電
子飽和ドリフト速度をもつので、高周波大電力制御にも
適する。

【０００４】しかし、ＳｉＣの優れた物性をパワーデバ
イスに応用するためには、Ｓｉのプロセス技術並みに洗
練された要素技術が必要となる。すなわち、ＳｉＣ基板
の表面を鏡面に仕上げた後、ＳｉＣ薄膜をエピタキシャ
ル成長させたり、その過程でドナーやアクセプターをド
ーピングしたり、金属膜や酸化膜を形成する等の工程条
件の最適化が必要である。

【０００５】エピタキシャル成長における課題は、その
後作製する素子の特性が満足なものとなるように、意図
したキャリア密度をもち、かつ結晶性のよい薄膜を得る
ことである。Ｓｉのエピタキシャル成長においては、成
長前の下地板（以下基板と呼ぶ）に塩酸（以下ＨＣｌと
記す）ガスエッチングをおこない、基板表面を平坦かつ
清浄にしている。そしてこのように表面を制御して作製
したショットキーダイオードの特性は表面処理しないも
のに比べ向上する。

【０００６】これに対し、ＳｉＣ上のエピタキシャル成
長においては、基板の表面処理としては水素（Ｈ₂ ）中
加熱が最も一般的である。［例えば、C.Hallin, A.S.Ba
kin,F.Owman, P.Maertensson, O.Kordina, and E.Janze
n,"Silicon Carbide and Related Materials" Inst. of
Phys. Conf. Ser., no.142, 1996, pp.613-616参照］
ＨＣｌによるエッチングも低濃度領域で試みられては
いるが、エッチピットを生じるとして一般的にはなって
いなかった。［例えば、A.A.Burk,Jr., L.B.Rowland,
J. Crystal Growth, vol.167, pp.586-595,(1996)参
照］

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｈ₂ 中加熱に
よるエッチングでは、表面にシリコンの液滴を生じるな
どの問題があった。［前記A.A.Burk,Jr., L.B.Rowlanの
文献参照］ このような状況に鑑み本発明の目的は、素子特性の観点
からエピタキシャル成長前の処理として最適のエッチン
グ方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述のようにＳｉＣ技術
においてはエピタキシャル成長前のＨＣｌエッチング
は、エッチピットを生じるとして一般的にはなっていな
かった。発明者はエピタキシャル成長する直前におこな
う基板の熱気相エッチングの条件、すなわちＨＣｌガス
をＨ₂ またはアルゴン（Ａｒ）で希釈するときの体積比
および温度について実験をおこなった結果、むしろ高濃
度の領域で、ＨＣｌエッチングが有効であることを見い
だした。

【０００９】上記課題解決のため本発明は、半導体素子
用の炭化けい素基板の製造方法にお坩堝いて、エピタキ
シャル成長前の炭化けい素下地板の表面を、体積比で６
〜１５％に希釈した塩酸ガス雰囲気中で１３００〜１５
００℃に加熱、気相エッチングし、エピタキシャル層を
成長するものとする。そのようにすれば、基板表面の清
浄化およびエッチングがおこなわれ、例えば、キャリア
移動度などエピタキシャル層の結晶性および膜質が向上
する。

【００１０】希釈ガスとしては、Ｈ₂ またはＡｒが使用
できた。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明のためにおこなった実
験および実施例について説明する。 ［実験１］まず、ＨＣｌ濃度について実験をおこなっ
た。エピタキシャル成長前のサブストレート（以下基板
と呼ぶ）としては鏡面研磨された４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を
用い、（０００１）Ｓｉ面から〈１、１、−２、０〉方
向に８度傾けて研磨した面を使用した。

【００１２】先ず、基板をダイサーにより５ｍｍ角のチ
ップに切り分け、有機溶剤と酸による洗浄をした後、エ
ッチングするＳｉ面を上にして、基板をＳｉＣで被覆し
た黒鉛のサセプタに載せる。基板を載せたサセプタを石
英反応管内に挿入し、１Ｐａ以下の真空にひく。次に気
相エッチングをおこなう。気相エッチングは、Ｈ₂ にＨ
Ｃｌガスを毎分１０〜１５０ｍＬの流量で混ぜた混合ガ
スを流しながら１４００℃で５分間加熱した。サセプタ
の加熱法は高周波誘導加熱である。

【００１３】続いて化学気相成長法でＳｉＣ薄膜を成長
する。Ｈ₂ ガス、モノシランガス（ＳｉＨ₄ ）、プロパ
ンガス（Ｃ₃ Ｈ₈ ）をそれぞれ毎分３Ｌ、０．３ｍＬ、
０．２５ｍＬの流量比率で混合したものを反応管内に導
入する。この状態で１５５０℃で２時間加熱した。する
と基板上に４Ｈ型ＳｉＣエピタキシャル層が成長する。

【００１４】成長した膜の転位密度を評価するために、
水酸化カリウム（ＫＯＨ）によるエッチングをおこなっ
た。このエッチングは、Ｎｉ坩堝内で４００℃に加熱し
たＫＯＨに試料を３０秒間浸漬する方法を用いた。欠陥
密度の計数はＳＥＭ観察によった。エピタキシャル層の
キャリア密度は５×１０¹⁵ｃｍ^-3であった。図２に、エ
ピタキシャル層成長前のエッチング条件（ＨＣｌ濃度）
とＳｉＣエピタキシャル層中のエッチピット密度の関係
を示す。この図からＨＣｌ濃度（すなわち体積比）が増
すにつれて、エッチピット密度が減少し、特に１０％を
越えるとエッチピット密度の減少が顕著になることが分
る。実験をおこなったうちの最高濃度である１５％にお
いて、もっとも低いエッチピット密度を示した。

【００１５】エッチピットは、エピタキシャル層中の線
状欠陥である転位の位置にできるのであり、結晶性の良
否を反映している。従って、図から、成長するエピタキ
シャル層の結晶性は、エッチング時のＨＣｌ濃度が高い
程改善され、３％以上、更に望ましくは６％以上とする
のが良いと結論づけられる。 ［実験２］次に、エッチング条件とＳｉＣエピタキシャ
ル層中の移動度の関係を調べた。

【００１６】その実験方法を以下に述べる。ＳｉＣをエ
ピタキシャル成長した試料の作製方法は実施例１と同じ
とした。エピタキシャル層の移動度の評価法としては、
vander Pauw 法を用いた。すなわち、試料のエピタキ
シャル層上の四隅に、金属マスクを使ったスパッタ法に
よりニッケル（Ｎｉ）電極を形成する。電極の直径は２
００μｍ、厚さは４００ｎｍである。この後、整流性を
除きオーミックな接触とするためアルゴン（Ａｒ）雰囲
気中で１０５０℃、５分間のアニールをおこなう。

【００１７】図３に、エピタキシャル層成長前のエッチ
ング条件とＳｉＣエピタキシャル層中の移動度との関係
を示す。図において、ＨＣｌ濃度の増大とともに、移動
度が急速に向上し、１０％を越えると飽和していること
が見られる。すなわち、移動度の観点から、エピタキシ
ャル層成長前処理のＨＣｌ濃度は高い方が良く、３％以
上、更に望ましくは６％以上とするのが良いと結論づけ
られる。これは、エピタキシャル成長前に、表面の清浄
化およびエッチングが十分に行われたためである。ま
た、シリコン半導体において見られる金属不純物のゲッ
タリング作用もあるかもしれない。

【００１８】［実施例］エッチング条件のデバイス特性
への直接的な影響を調べる目的で、ショットキーダイオ
ードを作製した。以下に実験方法を述べる。用いた基板
とその清浄法、基板のエッチング法とエピタキシャル成
長法は実験１と同じである。ショットキーダイオードは
以下に説明するような方法により作製した。

【００１９】まず、ＳｉＣ基板の裏面にＮｉをスパッタ
し、Ａｒ雰囲気中、１０５０℃、５分間のアニールによ
りバックコンタクトを形成した。次にＳｉＣエピタキシ
ャル層の表面上にメタルマスクを介してＡｕをスパッタ
し、ショットキー電極とした。ショットキー電極の直径
は２００μｍである。このようにして作製したショット
キーダイオードの特性（ショットキー障壁高さ、耐圧）
とエッチング条件との関係を調べた。ショットキー障壁
高さと耐圧は電流−電圧（ＩＶ）曲線より求めた。図１
は、両特性のＨＣｌ濃度依存性を示す特性図である。

【００２０】ＨＣｌ濃度が３％を越えると障壁高さ、耐
圧がともに増大している。さらに障壁高さは１５％まで
徐々に増大している。また、耐圧はＨＣｌ濃度が５％で
５２０Ｖ程度に達しその後飽和している。１０％のとき
の値は素子の設計値とほぼ一致する。以上の結果からＨ
Ｃｌ濃度を３％以上、のぞましくは６％以上とすること
によって、ＳｉＣ半導体薄膜の結晶性および、半導体素
子の特性を向上させることができる。

【００２１】また、実験および実施例では１４００℃の
エッチング条件における結果のみを記したが、１３００
から１５００℃の範囲において同様の結果が得られた。
また成長面についても上記４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）
Ｓｉ面だけでなく、４Ｈ−ＳｉＣのＣ面、或いは６Ｈ−
ＳｉＣのＳｉ面、Ｃ面またはこれらの面を微小角度で傾
斜した面にも適用できる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｓ
ｉＣ半導体基板のエピタキシャル成長前の表面を、体積
比で６〜１５％に希釈した塩酸ガス雰囲気中で１３００
〜１５００℃に加熱し、気相エッチングすることによっ
て、成長するエピタキシャル層の結晶性を改善し、Ｓｉ
Ｃ半導体素子の特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＨＣｌ濃度とショットキーダイオード特性（障
壁高さと耐圧）の関係を示す特性図

【図２】ＨＣｌ濃度とエッチピット密度の関係を示す特
性図

【図３】ＨＣｌ濃度と薄膜の移動度の関係を示す特性図

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体素子用の炭化けい素基板の製造方法
   において、エピタキシャル成長前の炭化けい素下地板の
   表面を、体積比で６〜１５％に希釈した塩酸ガス雰囲気
   中で１３００〜１５００℃に加熱、気相エッチングし、
   エピタキシャル層を成長することを特徴とする炭化けい
   素半導体基板の製造方法。
2. 【請求項２】希釈ガスが水素またはアルゴンであること
   を特徴とする請求項１に記載の炭化けい素半導体基板の
   製造方法。