JP5353037B2 - 炭化珪素ウェーハ - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素ウェーハ、特に立方晶炭化珪素エピタキシャルウェーハに関し、ショットキー特性の有利な向上を図ろうとするものである。

近年、電力および通信などの分野で用いられる半導体材料としては、低損失、高速制御および高温動作等に対する要求がますます強くなってきている。
最近の進展を見ると、微細加工による改善では越えられない材料限界に近づいており、更なる特性向上を目指してワイドバンドギャップを有する炭化珪素（ＳｉＣ）の開発が進められている。
ＳｉＣは、ｐ，ｎ両伝導型の制御が可能で、絶縁破壊電界がシリコン（Ｓｉ）よりも一桁高く、飽和ドリフト速度や熱伝導度が高いという特徴を持つので、既存の半導体ＳｉやＧａＡｓでは実現できない大容量で低損失なパワーデバイスが製造可能な材料として期待されている。

ＳｉＣには、組成が同一で原子の積層の仕方により結晶構造が異なる、いわゆる多形が存在する。ＳｉＣの多形の種類は、３Ｃ，４Ｈ等で表記される。大文字の「Ｃ」「Ｈ」は結晶系を表し、それぞれ立方晶（Cubic）、六方晶（Hexagonal）を意味する。また、「Ｃ」「Ｈ」の前の数字は、繰り返し周期を示している。例えば、３Ｃ−ＳｉＣの単位積層面の積層の周期は３（ＡＢＣＡＢＣ・・・）であり、４Ｈ−ＳｉＣは４（ＡＢＣＢＡＢＣＢ・・・）である。

立方晶のＳｉＣは2000℃以上の高温における安定相、すなわち高温多形ではなく、通常、Ｓｉ基板上への1000℃前後でのエピタキシャル成長により作製される。立方晶のＳｉＣには、六方晶のＳｉＣに発生するマイクロパイプという欠陥の問題が無く、また基板の大口径化が図り易い、という利点がある。
しかしながら、立方晶のＳｉＣを用いてショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を作製した場合、結晶欠陥に起因するエピタキシャル層表面の起伏等により良好な特性が得にくいという問題があった。
従来の報告においては、エピタキシャル層のドーパント濃度を５×10¹⁵atoms/cm³、エピタキシャル膜厚を10μm程度に設定した場合、逆方向耐圧がNi電極の場合に200〜240Ｖ、Au電極の場合に140〜180Ｖという値が示されている（非特許文献１参照）。
「Y.Ishida et al. Mater.Sci.Forum, 338-342(2000), 1235.」

しかしながら、他の多形、例えば４Ｈ−ＳｉＣでは、より大きな逆方向耐圧を示すＳＢＤが開発されている（非特許文献２参照）。
従って、３Ｃ−ＳｉＣをＳＢＤとして実用に供するためには、４Ｈ−ＳｉＣに匹敵するまたはそれ以上の大きな逆方向耐圧が必要である。
「松波弘之編著、半導体ＳｉＣ技術と応用 P.177〜185」

本発明は、上記の実状に鑑み開発されたもので、ＳＢＤに適用した場合に、従来に比して大きな逆方向耐圧が得られる、すなわち優れたショットキー特性を有する立方晶炭化珪素ウェーハを提供することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の問題を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に述べる知見を得た。
すなわち、３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャルウェーハの逆方向耐圧を増大させるには、
(1) エピタキシャル膜のドーパント濃度および及び膜厚を適正な範囲に制御する、
(2) エピタキシャル膜の表面粗さを低減する、
ことが重要であることを見出した。
本発明は上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．立方晶炭化珪素基板の表面に、立方晶炭化珪素のエピタキシャル膜を成長させた炭化珪素ウェーハであって、エピタキシャル膜に含まれるドーパント濃度が３×10¹⁵atoms/cm³以下、エピタキシャル膜の厚みが30μm 以上で、かつエピタキシャル膜の表面粗さが10μm四方の領域における算術平均粗さ（Ra）で３ｎm以下であることを特徴とする立方晶炭化珪素ウェーハ。

２．前記立方晶炭化珪素ウェーハにおいて、その表面が、酸化処理後、フッ化水素酸による表面酸化膜の除去処理を施したものであることを特徴とする上記１記載の立方晶炭化珪素ウェーハ。

３．前記立方晶炭化珪素ウェーハにおいて、エピタキシャル膜に含まれるドーパントが窒素であることを特徴とする上記１または２記載の立方晶炭化珪素ウェーハ。

本発明によれば、立方晶ＳｉＣを用いてショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を作製した場合に、逆方向耐圧を従来に比べて格段に向上させることができる。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明において、エピタキシャル膜に導入するドーパントの濃度を３×10¹⁵atoms/cm³以下としたのは、ドーパントの濃度が３×10¹⁵atoms/cm³を超えると空乏層幅が十分に大きくならないため、本発明の立方晶ＳｉＣを用いたデバイスにおいて期待される600Ｖ以上の逆方向耐圧が得難いからである。但し、ドーパントの濃度があまりに低いとエピタキシャルプロセスにおいてドーパントとなるような、例えば窒素の混入を防ぐことが難しいという不利が生じるので、ドーパントの濃度の下限は１×10¹⁴atoms/cm³程度とすることが好ましい。なお、ドーパントとしては、窒素等が有利に適合する。

また、エピタキシャル膜の厚みを30μm 以上としたのは、この膜厚が30μm に満たないとドーパントの濃度を３×10¹⁵atoms/cm³以下にして拡げようとした空乏層が、その幅に対して小さなエピタキシャル膜厚により空乏層の拡がりが制限されるため、やはり立方晶ＳｉＣを用いたデバイスにおいて600Ｖ以上の逆方向耐圧が得難くなるからである。但し、エピタキシャル膜厚があまりに大きくなるとエピタキシャルプロセスが長時間にわたるためにコストが増大するという弊害が生じるので、エピタキシャル膜厚は150μm以下程度とすることが好ましい。

さらに、表面粗さを10μm四方の領域における算術平均粗さ（Ra）で３ｎm以下とした理由は次のとおりである。
エピタキシャル膜の表面凹凸が大きいと、ＳＢＤに適用した場合に、この表面凹凸に起因して電界集中が生じ、逆方向耐圧の低下を招く。
従って、本発明では、積層欠陥や双晶、｛１１１｝面等のファセットに起因して顕在するエピタキシャル膜表面の凹凸を出来る限り除去して平滑な面とし、これにより電界集中を避け、逆方向耐圧の大きなショットキー接合を実現する必要がある。
そのために、本発明では、エピタキシャル膜の表面粗さについては10μm四方の領域における算術平均粗さ（Ra）で３ｎm以下に制限した。
なお、エピタキシャル膜表面を平滑化する処理としては、機械研磨もしくは化学機械研磨処理がとりわけ有利に適合する。

また、機械研磨もしくは化学機械研磨により表面を平滑化したエピタキシャル膜に、さらに酸化処理を行って表面に酸化膜を形成した後、フッ化水素酸により表面の酸化膜を除去することは、機械研磨もしくは化学機械研磨で導入され、残存するおそれのある加工歪を除去するために有用である。かような加工歪は逆方向耐圧を低下させる原因となる。

次に、本発明の立方晶炭化珪素エピタキシャルウェーハの好適製造方法について説明する。
本発明の立方晶炭化珪素エピタキシャル膜を成長させる際に使用する被成長基板については、特に限定されないが、例えば、＜１１０＞方向に２〜４°程度のオフ角度を設けた｛１００｝単結晶シリコン基板上や、さらに起伏パターンを付与した｛１００｝単結晶シリコン基板上に、立方晶炭化珪素をヘテロエピタキシャル成長させたものを用いることができる。起伏パターンとしては、例えば一方位に平行に伸びる複数の起伏パターンを挙げることができる。このように、被成長基板の表面にオフ角度を設けることにより、被成長基板に発生するＡＰＢ（Anti-Phase Boundary（反位相境界））という欠陥密度の低減を容易にすることが可能である 。

ここに、単結晶シリコンからなる基板上に起伏パターンを形成するには、例えば研磨加工を用いることができ、研磨加工における砥粒径の大きさや加工圧力を変化させることで、起伏形状の幅や深さを制御することが可能である。
ついで、上記のシリコン基板を、水素にプロパンやエチレンあるいはアセチレンを加えた雰囲気中で、1050〜1300℃の温度まで昇温することにより炭化する。このようにして得られた炭化後の基板上に、エピタキシャル成長を連続して行う成長工程により、炭化珪素膜（３Ｃ−ＳｉＣ）を製造する。この製造工程では、水素をキャリアガスとして、シラン（ＳｉＨ₄）やジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）あるいはトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）をＳｉソースガスとして、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）やエチレン（Ｃ₂Ｈ₄）あるいはアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）をＣソースガスとして、1050〜1415℃の間でヘテロエピタキシャル成長させることが好ましい。
このようにして得られた立方晶炭化珪素へテロエピタキシャル基板から、Si基板をエッチング等で除去することにより、本発明で用いる被成長基板が得られる。

本発明では、上記のようにして作製した被成長基板である立方晶炭化珪素基板上に、立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長させる場合において、エピタキシャル膜のドーパント濃度が３×10¹⁵atoms/cm³以下、またエピタキシャル膜の厚みが30μm 以上になるように成長させることが重要である。
本発明におけるエピタキシャル成長工程は、エピタキシャル成長装置のチャンバ内に、ソースガスとキャリアガスとを所定の流量で供給し、エピタキシャル成長させることによって行なわれる。例えば、シラン（ＳｉＨ₄）やジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）あるいはトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）をＳｉソースガスとして、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）やエチレン（Ｃ₂Ｈ₄）あるいはアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）をＣソースガスとして、水素をキャリアガスとして用いることができる。

また、エピタキシャル成長を行う際の基板温度は1500〜1800℃程度とすることが好ましい。というのは、基板温度が1500℃より低いと成長速度が小さくなり30μm 以上の膜厚を成長させるのに長時間を要し、一方1800℃よりも高いと、ＳｉＣの高温多形である六方晶系ＳｉＣの混在が生じやすく、好ましくないからである。

さらに、エピタキシャル成長後の表面には、積層欠陥、双晶、｛１１１｝面等のファセットに起因して凹凸が顕在する。この凹凸は、ショットキーバリアダイオードにおける電界集中を招き、逆方向耐圧低下の原因になる。そこで、本発明では、エピタキシャル膜の表面粗さを10μm四方の領域における算術平均粗さ（Ra）で３ｎm以下まで低減するのである。
表面研磨方法は、特に限定されないが、ダイヤモンド砥粒による機械研磨や、あるいはそのあと、コロイダルシリカを用いた化学機械研磨を行う方法がとりわけ有利に適合する。

なお、上記したような機械研磨あるいは化学機械研磨の後において、多少の加工歪が残留することがある。かような加工歪は、逆方向耐圧低下の原因になるおそれがあるので、除去することが望ましい。
このような加工歪の除去方法としては、エピタキシャル膜表面に酸化処理を行った後、フッ化水素酸により表面の酸化膜を除去する方法が好適である。

かくして、立方晶炭化珪素基板の表面に、ドーパント濃度が３×10¹⁵atoms/cm³以下、膜厚が30μm 以上で、膜の表面粗さが10μm四方の領域における算術平均粗さ（Ra）で３ｎm以下のエピタキシャル膜を形成することができる。

被成長基板として、２インチのｎ型（１００）の立方晶炭化珪素基板を用いた。基板のドーパントとしては窒素を用い、その濃度は３×10¹⁸atoms/cm³である。この基板上に、Ｓｉソースガスとしてシラン（ＳｉＨ₄）を８sccm、Ｃソースガスとしてプロパン（Ｃ₃Ｈ₈）を４sccm、キャリアガスとして水素ガスを用いて、ｎ型立方晶炭化珪素のエピタキシャル成長を行った。ドーパントガスとしては窒素ガスを用い、種々のドーパント濃度と厚みをもつエピタキシャル膜を成膜した。ついで、６μm から0.5μm までのダイヤモンドスラリーを用いてエピタキシャル膜の表面を機械研磨した後、コロイダルシリカを含むスラリーを用いて化学機械研磨を行った。
その後、酸素雰囲気中にて1150℃，90分間の熱処理を行い、エピタキシャル膜の表面を酸化した後、フッ化水素酸を用いて酸化膜を除去した。
また、ショットキー電極として表面に200μm 径のＡｕ電極を、一方裏面にはＡｌを堆積させることでオーミック電極を形成し、逆バイアス電圧を印加して電流値の測定を行い、逆方向耐圧を評価した。
表１に、エピタキシャル膜の膜厚、ドーパント濃度および逆方向耐圧について調査した結果を示す。また、表中「表面粗さ」とはAFM（原子間力顕微鏡）を用い、10μm四方の領域で評価した算術平均粗さ（Ra）である。なお、表１中、No.19は、酸化処理−フッ化水素酸による表面酸化膜の除去処理を行わなかった例、またNo.20は、化学機械研磨処理および（酸化処理−フッ化水素酸による表面酸化膜の除去処理）の両者を行わなかった例である。

同表に示したとおり、No.１〜７（比較例）のように、ドーパント濃度を１×10¹⁷atoms/cm³から５×10¹⁵atoms/cm³まで低下させ、かつエピタキシャル膜厚を30μmまで増大させても、逆方向耐圧は500Ｖ程度で頭打ちになることがわかる。また、No.８〜９（比較例）のように、ドーパント濃度を３×10¹⁵atoms/cm³まで低下させても、エピタキシャル膜厚が30μm に満たない場合には、やはり良好な逆方向耐圧は得られない。
これに対し、No.10〜11，14〜18（発明例）に示すように、ドーパント濃度を３×10¹⁵atoms/cm³以下に低下させ、かつエピタキシャ ル膜厚を30μm以上に増大させた場合には、760Ｖ以上の逆方向耐圧を得ることができた。とくに、No.15〜18に示すように、ドーパント濃度を１×10¹⁵atoms/cm³まで低下させ、かつエピタキシャル膜厚を40μm 以上に増大させた場合には、1200Ｖを超える逆方向耐圧を得ることができた。さらに、No.16〜18のように、エピタキシャル膜厚を50μm 以上にした場合には、1500Ｖを超える極めて高い逆方向耐圧を得ることができた。
なお、No.12〜13（比較例）に示すように、ドーパント濃度が１×10¹⁵atoms/cm³と低くても、エピタキシャル膜厚が30μm に満たない場合には、626Ｖ程度の逆方向耐圧しか得られなかった。

また、No.19（比較例）に示したように、化学機械研磨処理を施しても、その後に酸化処理−フッ化水素酸による表面酸化膜の除去処理を行わなわない場合には、540Ｖ程度の逆方向耐圧しか得られていない。
さらに、No.20（比較例）に示したとおり、（酸化処理−フッ化水素酸による表面酸化膜の除去処理）のみならず、化学機械研磨処理を施さなかった場合には、150Ｖ程度の逆方向耐圧しか得られなかった。

Claims (3)

1. 立方晶炭化珪素基板の表面に、立方晶炭化珪素のエピタキシャル膜を成長させた炭化珪素ウェーハであって、エピタキシャル膜に含まれるドーパント濃度が３×10¹⁵atoms/cm³以下、エピタキシャル膜の厚みが30μm 以上で、かつエピタキシャル膜の表面粗さが10μm四方の領域における算術平均粗さ（Ra）で３ｎm以下であることを特徴とする立方晶炭化珪素ウェーハ。
2. 前記立方晶炭化珪素ウェーハにおいて、その表面が、酸化処理後、フッ化水素酸による表面酸化膜の除去処理を施したものであることを特徴とする請求項１記載の立方晶炭化珪素ウェーハ。
3. 前記立方晶炭化珪素ウェーハにおいて、エピタキシャル膜に含まれるドーパントが窒素であることを特徴とする請求項１または２記載の立方晶炭化珪素ウェーハ。