JP4937685B2

JP4937685B2 - エピタキシャル炭化珪素単結晶基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP4937685B2
Application number: JP2006255569A
Authority: JP
Inventors: 充澤村; 崇藍郷; 昇大谷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: JP2008074661A

Description

本発明は、エピタキシャル炭化珪素（SiC）単結晶基板及びその製造方法に関するものである。

炭化珪素（SiC）は優れた半導体特性を有しており、従来材であるシリコン（Si）やガリウム砒素（GaAs）等と比較して、特に耐熱性及び機械的強度等が格段に優れること等から、パワーデバイス等の各種半導体デバイス用ウェハ材料として注目されている。SiC単結晶ウェハを用いたデバイスとして、ショットキーバリアダイオード等が既に商品化されており、また他にも、MOSFETに代表される低損失パワーデバイス用の基板材料として試作に供されている。

SiC単結晶基板を用いて、パワーデバイス等を作製する場合には、通常、熱ＣＶＤ法（熱化学蒸着法）と呼ばれる方法を用いて基板上にSiC薄膜をエピタキシャル成長させたり、イオン注入法により直接ドーパントを打ち込んだりするのが一般的であるが、後者の場合には、注入後に高温でのアニ−ルが必要となるため、エピタキシャル成長による薄膜形成が多用されている。

このようなエピタキシャル成長による薄膜形成では、SiC単結晶基板から引き継いだ結晶欠陥（マイクロパイプ、螺旋貫通転位、刃状貫通転位、及び基底面転位）が生じることが知られている。この内、マイクロパイプについては、近年の研究進展により、密度１０個/cm²以下の基板が比較的容易に得られるようになっていることから、大きな問題ではなくなりつつある。一方、基底面転位は、刃状転位等の他の転位に比べてデバイス特性や信頼性に大きな影響を与えるとされており、期待されたデバイス特性（例えば、高耐電圧）が得られない等の問題があるとされている。また、基底面転位について、(0001)面（Si面）から数度傾斜した基板（オフ角付き基板）では、エピタキシャル層付き基板を溶融ＫＯＨに浸漬することで、エピタキシャル層面上に基底面転位に対応する貝殻上の特徴的なエッチピット（図１参照）を確認することができる。このエッチピットの大きさは溶融ＫＯＨの温度や時間等で変化し得る。

基底面転位は、基板からエピタキシャル成長時に、特徴的な振る舞いをすることが知られている。基板として(0001)面（Si面）から数度傾斜した基板（オフ角付き基板）を例に挙げると、基板中の基底面転位は、エピタキシャル層に基底面転位として引き継がれる場合もあるが、かなりの割合は刃状貫通転位としてエピタキシャル層に引き継がれる。その割合は約9割程度とされているが、それでも基底面転位はエピタキシャル層へ密度のオーダーとして１０³〜１０⁴cm^-2台程度引き継がれてしまう。

これまでに基底面転位の低減策の報告として、特許文献1では、エピタキシャル成長界面でC/Si比を大きくする方法が挙げられているが、C/Si比を変化することでエピタキシャル層の表面にエピタキシャル欠陥等が生じ、表面モフォロジーを損ねる可能性があった。このように、今後デバイスへの応用が期待されるSiCエピタキシャル成長基板であるが、現状技術では、デバイスの特性や信頼性、引いては歩留りを劣化させない程度にまで基底面転位密度を減少させることは困難であり、実用化の弊害となっていた。
特開2006-120897号公報

本発明は、炭化珪素単結晶基板上に基底面転位密度の少ない炭化珪素単結晶薄膜を有するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板及びその製造方法を提供するものである。

本発明は、基底面転位又は刃状貫通転位の少ない炭化珪素単結晶薄膜を有する

(1) 炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素単結晶薄膜を有するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板であって、前記炭化珪素単結晶薄膜が、異なる窒素濃度を有して基底面転位密度を抑制する複数の層からなる抑制層と、前記抑制層の上に形成された活性層とを有し、前記抑制層における各層の窒素濃度が、前記炭化珪素単結晶基板側から活性層側へと階段状に順に、直前の層における窒素密度の５０%以上６７%以下の範囲内へと低減することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板、

(2) 前記炭化珪素単結晶基板が、(0001)面（Si面）もしくは(000-1)面（C面）に対して０．１度以上１０度以下の範囲で傾斜したエピタキシャル成長面を有する(1)記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板、

(3) 炭化珪素単結晶基板上に、熱ＣＶＤ法(熱化学蒸着法)によって炭化珪素単結晶薄膜を形成するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法であって、異なる窒素濃度を有して基底面転位密度を抑制する複数の抑制層を前記基板上に形成した後、該抑制層上に炭化珪素単結晶薄膜の活性層を形成するに際し、前記抑制層における各層の窒素濃度を、前記炭化珪素単結晶基板側から活性層側へと階段状に順に、直前の層における窒素密度の５０%以上６７%以下の範囲内へと低減させることを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、

(4) 前記炭化珪素単結晶基板が、(0001)面（Si面）もしくは(000-1)面（C面）に対して０．１度以上１０度以下の範囲で傾斜したエピタキシャル成長面を有する(4)記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法、

(5) (1)又は(2)のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を用いてなるデバイス、
である。

本発明によれば、基底面転位の少ない良質なエピタキシャル膜を有するSiC単結晶基板を提供することが可能である。さらに、本発明のエピタキシャルSiC単結晶基板を用いたデバイスは、その特性及び歩留りが向上する。

発明者らは、SiC基板上へエピタキシャル成長において基底面転位の少ない良質なエピタキシャル炭化珪素単結晶薄膜を製造する方法を探索する中で、炭化珪素単結晶基板直上に形成するエピタキシャル炭化珪素単結晶薄膜の不純物濃度や構成と基底面転位密度との関係について鋭意検討を重ねた。その結果、抑制層としては、窒素不純物を有するエピタキシャル膜の厚みを単純に増すことによる効果は乏しく、その層数を増やすことで、基底面転位又は刃状貫通転位を抑制できることを見出すに至った。

抑制層での窒素濃度は、該抑制層の上に形成される活性層における不純物窒素濃度よりも1桁高い濃度とし、例えば、窒素濃度に伴い増加する抑制層中のキャリア密度で、５×１０¹⁶cm^-3以上２×１０¹⁹cm^-3以下の範囲となる窒素濃度が挙げられる。また、対象とするSiC基板のキャリア密度の範囲としては特に規定しないものの、例えば１×１０¹⁷cm^-3以上５×１０¹⁹cm^-3以下が挙げられる。

また、異なる窒素濃度を持つ複数の層で構成される抑制層とは、例えば、図２に示すように、SiC単結晶基板１と抑止層２と活性層３とを有するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板において、前記抑止層２のような炭化珪素単結晶薄膜の構成であり、この図２の場合の抑制層２は異なる窒素濃度を持つ３層の炭化珪素単結晶薄膜（すなわち、抑止層第一層21、抑止層第二層22、及び抑止層第三層23）で構成されている。

抑制層における各層の窒素濃度は、その濃度の違いによって各層間の界面に歪みが生じ、その濃度の違いの割合が大きいほど各層間の界面の歪みも増大すると考えられる。そのため、濃度の違いの割合が極端に大きく、また増減等を繰り返した場合に、その歪みにより各種の結晶欠陥等が誘発される懸念がある。そこで、炭化珪素単結晶基板側から活性層側へと順に階段状に低減させることで、抑制層の各層間の界面もしくは抑制層と活性層との界面に、新たな結晶転位を生じさせない適度な結晶歪みを生じさせることができ、これらの歪みにより基底面転位の成長の抑制や刃状貫通転位への変換を促進し、結果として、基底面転位の抑制に有効に作用するものと考えられる。また、このような適度な結晶歪みを生じさせる見地から、連続的な窒素濃度の変化よりも階段状に濃度変化させる方が、その界面に歪みを集中させることができ、結果として、基底面転位の抑制に有効に作用するものと考えられる。各層間の界面の歪みを生じさせるために、例えば、抑制層における各層の窒素濃度を、前記炭化珪素単結晶基板側から活性層側へと階段状に順に、直前の層における窒素密度の５０%以上６７%以下の範囲内へと低減させる方法が挙げられる。

構成層数は特に規定しないものの、層数を増やすほど基底面転位の抑制が可能であるが、具体的には、下記に述べる各層の厚みと抑制層の総厚みの点で、２層以上２０層以下が挙げられ、通常、３〜５層程度で基底面転位密度で１桁程度低減が期待できる。また、異なる窒素濃度を持つ炭化珪素単結晶薄膜の層数を増やすことによって、抑制層の全体の厚みが増すことが考えられるが、各層の厚みを減らして、抑制層全体の厚みを低減することができる。各層の厚みは特には規定しないものの、０．０５μm以上１μm以下で効果が期待できる。０．０５μm未満では転位抑制効果が充分でなく、１μm超ではその効果が飽和すると共に膜厚が増大するため経済的ではなくなる。抑制層の全体の厚みは特に規定しないものの、下限は０．１μm、上限は抑制層の上に形成される活性層の厚みの１／５が挙げられる。

また、基底面転位は(0001)面（Si面）もしくは(000-1)面（C面）に平行に存在するため、(0001)面（Si面）もしくは(000-1)面（C面）に対して０．１度以上１０度以下の範囲で傾斜した炭化珪素単結晶基板では、基底面転位は表面とほぼ平行に近い形態で存在することになり、このような表面に平行に近い形で存在する転位線は、表面付近でその自己エネルギー減少させる点で、(0001)面（Si面）もしくは(000-1)面（C面）に垂直な方向の転位（刃状貫通転位）へと変換し易くなる。その結果、刃状貫通転位への変換が促進され、結果として基底面転位の密度低減により効果があると期待できる。

また、炭化珪素単結晶基板のポリタイプとしては、４Ｈポリタイプや６Ｈポリタイプ等が挙げられる。

活性層は、その厚み、窒素濃度等は各デバイスに求める特性を考慮して決めることができるが、例えば、厚みは例えば１μm以上２００μm以下、活性層は、キャリア密度で１×１０¹⁵cm^-3以上３×１０¹⁶cm^-3以下の範囲となる窒素濃度が挙げられる。好ましくは、活性層と抑制層との窒素濃度差は、デバイス上求められる活性層のキャリア濃度が、抑制層のキャリア濃度に対して半分以下に対応する窒素濃度とすることで、当該界面にも故意に歪みを集中して生じさせ、結果として、基底面転位の密度低減に、より効果があると期待できる。逆に、抑制層のキャリア濃度を連続して変化させた場合では抑制層内に歪みが分散してしまい、結果として、基底面転位の密度低減効果は十分には期待できない。

SiCのエピタキシャル成長には、主に熱ＣＶＤ装置が用いられる。熱ＣＶＤ法は、装置構成が簡単であり、ガスのon／offで成長を制御できるため、エピタキシャル膜の制御性、再現性に優れた成長方法である。熱ＣＶＤ装置を用いた本発明の作成方法の典型例を以下に示す。

まず、成長炉に基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを導入して圧力を１×１０⁴〜３×１０⁴Paに調整する。その後、温度を成長温度である１５００〜１６００℃に上げる。Si原料を含むガス（SiH₄やトリクロルシラン等）とＣ原料を含むガス（C₂H₄やC₃H₈等）を導入し、成長を開始する。成長初期にはＮ₂を含むガス（N₂ガスやH₂希釈N₂ガス等）を所望の高窒素濃度となるよう流量を調整し、所望厚さの高濃度窒素を含む層を複数積層し、抑制層を形成する。続けて、Ｎ₂を含むガスの流量を調整し、所望のキャリア濃度を持つ活性層を一定時間成長し、所望の膜厚が得られた時点でSi原料を含むガスとＣ原料を含むガス及びＮ₂を含むガスの導入を止め、水素ガスのみ流した状態で温度を下げる。温度が常温まで下がった後、水素ガスの導入を止め、成長室内を真空排気し、不活性ガスを成長室に導入して、成長室を大気圧に戻してから、基板を取り出す。

また、１５００〜１６００℃昇温後Si及びＣ原料を含むガスを導入する前に、水素ガスもしくは塩化水素を含む水素ガス気流中でエッチング処理することも可能である。このような方法でエピタキシャル成長を行うことで、基底面転位密度の少ない炭化珪素単結晶薄膜を有するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を得ることが出来る。

また、このようなエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の上に形成したデバイスは、基底面転位の密度低減されているため、各デバイス界面（pn接合部やショットキー・バリア界面）において電界集中の度合いが低減される等により、高耐圧化や高信頼性が容易に実現できる高品質の炭化珪素デバイスとなる。

（実施例１）
２インチ（50mm）ウェハ用SiC単結晶インゴットから、ｃ軸からオフ角度８度で約４００μmの厚さでスライスし、粗削りとダイヤモンド砥粒による通常研磨を実施し、４Ｈ型のポリタイプを有するSiC単結晶基板を得た。このSiC単結晶基板のオフ角度８度のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。

成長の手順としては、成長炉に基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを毎分１５０L導入しながら圧力を１×１０⁴Paに調整した。その後、圧力を一定に保ちながら成長炉の温度を１５５０℃まで上げ、SiH₄流量を毎分３２cm³、C₂H₄流量を毎分２１cm³、Ｎ₂ガスをキャリア濃度３×１０¹⁸cm^-3となる流量とし、まず、抑制層第一層を０．２μmまで成長させ、引き続き抑制層第二層、第三層を形成するために、SiH₄流量及びC₂H₄流量を変えずにＮ₂流量のみをキャリア濃度１．５×１０¹⁸cm^-3及び８×１０¹⁷cm^-3となる流量とし、同様に抑制層第二層及び第三層を０．２μmまで成長させ、抑制層を三層構成で約０．６μmまで成長させた。この抑制層を成長させた後、温度は変えず、SiH₄流量及びC₂H₄流量を変えずにＮ₂流量をキャリア濃度１×１０¹⁶cm^-3となる流量にして、活性層を約５μmまで成長させた。

エピタキシャル成長後、約５００℃に加熱溶融したＫＯＨに５分間浸漬し、エッチングを実施した。エッチングを実施したエピタキシャル層付き基板の表面を光学顕微鏡で観察し、その際に、後述の比較例との比較を目的に、基板内の相対位置を同一にして３箇所の測定を行った。その結果、基底面転位密度は１００〜７００個/cm²であることがわかった。後述する比較例と比較して、基底面転位密度は約１／８程度になっていた。また、該基板上に作製したMOSFETの耐圧は、後述する比較例の基板上に作成したものと比較して、約２倍程度に向上していた。

（実施例２）
実施例1と同様のインゴットからスライス、粗削り、通常研磨を行って、４Ｈ型のポリタイプを有する２インチ（50mm）のSiC単結晶基板を得た。このSiC単結晶基板のオフ角度８度のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。

成長の手順としては、成長炉に基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを毎分１５０L導入しながら圧力を１×１０⁴Paに調整した。その後圧力を一定に保ちながら成長炉の温度を１５５０℃まで上げ、SiH₄流量を毎分３２cm³、C₂H₄流量を毎分２１cm³、Ｎ₂ガスをキャリア濃度５×１０¹⁸cm^-3となる流量とし、まず、抑制層第一層を０．１μmまで成長させ、引き続き抑制層第二層〜第五層を形成するために、SiH₄流量及びC₂H₄流量を変えずにＮ₂流量のみをキャリア濃度３×１０¹⁸cm^-3、２×１０¹⁸cm^-3、１×１０¹⁸cm^-3及び６×１０¹⁷cm^-3となる流量とし、同様に抑制層第二層〜第五層をそれぞれ０．１μmまで成長させ、抑制層を五層構成で約０．５μmまで成長させた。この抑制層を成長させた後、温度は変えず、SiH₄流量及びC₂H₄流量を変えずにＮ₂流量をキャリア濃度１×１０¹⁶cm^-3となる流量にして、活性層を約５μmまで成長させた。

エピタキシャル成長後、約５００℃に加熱溶融したＫＯＨに５分間浸漬し、エッチングを実施した。エッチングを実施したエピタキシャル層付き基板の表面を光学顕微鏡で観察し、その際に、実施例１と同様に、基板内の相対位置を同一にして３箇所の測定を行った。その結果、基底面転位密度は１００〜４００個/cm²であることがわかった。後述する比較例と比較して、基底面転位密度は約１／１０程度になっていた。また、基板上に作製したMOSFETの耐圧は、後述する比較例の基板上に作成したものと比較して、約２倍程度に向上していた。

（比較例1）
実施例１と同様のインゴットからスライス、粗削り、通常研磨を行って、４Ｈ型のポリタイプを有する２インチ（50mm）のSiC単結晶基板を得た。このSiC単結晶基板のオフ角度８度のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。

成長の手順としては、成長炉に基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを毎分１５０L導入しながら圧力を１×１０⁴Paに調整した。その後、圧力を一定に保ちながら成長炉の温度を１５５０℃まで上げ、SiH₄流量を毎分３２cm³、C₂H₄流量を毎分２１cm³、Ｎ₂ガスをキャリア濃度５×１０¹⁸cm^-3となる流量とし、まず、抑制層一層を０．５μmまで成長させ、引き続きSiH₄流量及びC₂H₄流量を変えずにＮ₂ガスをキャリア濃度１×１０¹⁶cm^-3となる流量とし、活性層を約５μmまで成長させた。

エピタキシャル成長後、約５００℃に加熱溶融したＫＯＨに５分間浸漬し、エッチングを実施した。エッチングを実施したエピタキシャル層付き基板の表面を光学顕微鏡で観察し、その際に、実施例１と同様に、基板内の相対位置を同一にして３箇所の測定を行った。その結果、基底面転位密度は３０００〜５０００個/cm²と高い値になっていた。また、基板上に作製したMOSFETの耐圧は、ゲート絶縁膜の耐圧が約４００Vであった。

（比較例２）
実施例１と同様のインゴットからスライス、粗削り、通常研磨を行って、４Ｈ型のポリタイプを有する２インチ（50mm）のSiC単結晶基板を得た。このSiC単結晶基板のオフ角度８度のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。

成長の手順としては、成長炉に基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを毎分１５０L導入しながら圧力を１×１０⁴Paに調整した。その後、圧力を一定に保ちながら成長炉の温度を１５５０℃まで上げ、SiH₄流量を毎分３２cm³、C₂H₄流量を毎分２１cm³、Ｎ₂ガスをキャリア濃度１×１０¹⁶cm^-3となる流量とし、活性層を約５μmまで成長させた。

エピタキシャル成長後、約５００℃に加熱溶融したＫＯＨに５分間浸漬し、エッチングを実施した。エッチングを実施したエピタキシャル層付き基板の表面を光学顕微鏡で観察し、その際に、実施例１と同様に、基板内の相対位置を同一にして３箇所の測定を行った。その結果、基底面転位密度は４０００〜６０００個/cm²であることがわかった。実施例1、２と比較して、１桁近く高い値になっていた。また、基板上に作製したMOSFETの耐圧は、ゲート絶縁膜の耐圧が約３５０Vであった。

この発明によれば、SiC基板上へのエピタキシャル成長において、基底面転位密度の少ない炭化珪素単結晶薄膜を有するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を作成することが可能である。そのため、このような基板上に電子デバイスを形成すればデバイスの特性及び歩留まりが向上することが期待できる。

図１は、溶融ＫＯＨ浸漬後観察できる基底面転位に対応する貝殻上の特徴的なエッチピットを示す顕微鏡写真である。

図２は、本発明の抑制層の例（異なる窒素濃度をもつ３層の炭化珪素単結晶薄膜で構成されるケース）を示す断面説明図である。

符号の説明

１…SiC単結晶基板
２…抑止層
３…活性層
21…抑止層第一層
22…抑止層第二層
23…抑止層第三層

Claims

炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素単結晶薄膜を有するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板であって、前記炭化珪素単結晶薄膜が、異なる窒素濃度を有して基底面転位密度を抑制する複数の層からなる抑制層と、前記抑制層の上に形成された活性層とを有し、前記抑制層における各層の窒素濃度が、前記炭化珪素単結晶基板側から活性層側へと階段状に順に、直前の層における窒素密度の５０%以上６７%以下の範囲内へと低減することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
前記炭化珪素単結晶基板が、(0001)面（Si面）もしくは(000-1)面（C面）に対して０．１度以上１０度以下の範囲で傾斜したエピタキシャル成長面を有する請求項１に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
炭化珪素単結晶基板上に、熱ＣＶＤ法(熱化学蒸着法)によって炭化珪素単結晶薄膜を形成するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法であって、異なる窒素濃度を有して基底面転位密度を抑制する複数の抑制層を前記基板上に形成した後、該抑制層上に炭化珪素単結晶薄膜の活性層を形成するに際し、前記抑制層における各層の窒素濃度を、前記炭化珪素単結晶基板側から活性層側へと階段状に順に、直前の層における窒素密度の５０%以上６７%以下の範囲内へと低減させることを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
前記炭化珪素単結晶基板が(0001)面(Si面)もしくは(000-1)面(C面)に対して０．１度以上１０度以下の範囲で傾斜したエピタキシャル成長面を有する請求項３に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
請求項１又は２のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板を用いてなるデバイス。