JP5802632B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。

半導体材料として炭化珪素の四層周期六方晶（４Ｈ−ＳｉＣ）などの化合物半導体が公知である。半導体材料として４Ｈ−ＳｉＣを用いてパワー半導体装置を作製するにあたって、４Ｈ−ＳｉＣからなる半導体基板（以下、４Ｈ−ＳｉＣ基板とする）上に４Ｈ−ＳｉＣ単結晶膜（以下、ＳｉＣエピタキシャル膜とする）をエピタキシャル成長させてＳｉＣ単結晶基板を作製する。従来、エピタキシャル成長方法として、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が公知である（例えば、下記特許文献１参照）。

具体的には、化学気相成長法によるエピタキシャル成長は、反応容器（チャンバー）内に流した原料ガスをキャリアガス中で熱分解し、４Ｈ−ＳｉＣ基板の結晶格子に倣ってシリコン（Ｓｉ）原子を連続的に堆積させることにより、４Ｈ−ＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル膜を成長させる。一般的に、原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスおよびジメチルメタン（Ｃ₃Ｈ₈）ガスが用いられ、キャリアガスとして水素（Ｈ₂）ガスが用いられる。また、ドーピングガスとして窒素（Ｎ₂）ガスやトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスが適宜添加される。

特表２００９−５０８７９９号公報

しかしながら、従来のエピタキシャル成長法では、成長速度が数μｍ／ｈ程度と低速であり、あまり高速にエピタキシャル膜を成長させることができない。例えば１０ｋＶ以上の高耐圧を実現するＳｉＣ半導体装置を作製するには、４Ｈ−ＳｉＣ基板上に少なくとも１００μｍ程度の厚さで４Ｈ−ＳｉＣ単結晶膜を成長させる必要がある。このため、例えば半導体装置の製造ラインにおける歩留まりが低いなど、工業的に大きな問題がある。

また、発明者らの鋭意研究により、従来のエピタキシャル成長法で成長させたＳｉＣエピタキシャル膜中には不純物として硫黄（Ｓ）や塩素（Ｃｌ）が取り込まれる場合があることが新たに判明した。ＳｉＣエピタキシャル膜中に取り込まれた上記不純物は、欠陥となりＳｉＣエピタキシャル膜の結晶品質を劣化させたり、キャリアライフタイムを短くする原因となる。このため、半導体装置を作製するために最適なＳｉＣエピタキシャル膜を成長させることが難しいという問題がある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、炭化珪素半導体膜を高速成長させることができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。また、この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、結晶品質の高い炭化珪素半導体膜を成長させることができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、原料ガスとして珪素を含むガスおよび炭素を含むガスを用い、前記原料ガスに塩素を含むガスおよびフッ素を含むガスを添加し、キャリアガスとして水素ガスを用いて、炭化珪素半導体基板上に炭化珪素半導体膜を成長させる工程を含み、前記珪素を含むガス中の珪素原子の数に対して塩素原子の数の比が２．０以上５．０以下となる範囲内で前記塩素を含むガスを添加し、前記キャリアガス中の水素原子の数に対してフッ素原子の数の比が０．１以上０．２未満となる範囲内で前記フッ素を含むガスを添加することを特徴とする。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記炭化珪素半導体膜中に残る硫黄の含有量は０．０２ｐｐｍ以下であることを特徴とする。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記炭化珪素半導体膜中に残る塩素の含有量は０．１ｐｐｍ以下であることを特徴とする。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記塩素を含むガスは、塩化水素ガスまたは塩素ガスであることを特徴とする。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記フッ素を含むガスは、四フッ化炭素ガスであることを特徴とする。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、化学気相成長により単結晶からなる前記炭化珪素半導体膜を成長させることを特徴とする。

上述した発明によれば、塩素を含むガスを原料ガスに添加することで、炭化珪素半導体膜の成長に寄与する原料ガスの導入量を増大させることができる。これにより、塩素を含むガスを添加しない従来の炭化珪素半導体装置の製造方法に比べて、炭化珪素半導体膜の成長速度を２０倍程度高速化することができる。

また、上述した発明によれば、塩素を含むガスおよびフッ素を含むガスを原料ガスに添加することで、塩素およびフッ素と炭化珪素半導体膜中の不純物である硫黄などとが反応し、塩化物系およびフッ化物系の気体として炭化珪素半導体膜の外部へ排出することができる。このため、炭化珪素半導体膜中に残っている不純物（硫黄や塩素）や炭化珪素半導体基板に含まれる不純物が炭化珪素半導体膜に取り込まれることを防ぐことができる。これにより、炭化珪素半導体膜中に残る不純物を低減することができる。したがって、従来よりも非常に不純物の少ない炭化珪素半導体膜を成長させることができる。

また、上述した発明によれば、珪素を含むガス、炭素を含むガス、塩素を含むガスおよびフッ素を含むガスを適切な混合比で導入することにより、炭化珪素半導体膜の成長中に、珪素、炭素、および炭化珪素半導体膜をドーピングするためのｎ型やｐ型の元素以外の不純物を炭化珪素半導体膜中に残りにくくすることができる。したがって、炭化珪素半導体膜を高速成長させることができるとともに、炭化珪素半導体膜中に残る炭化珪素半導体膜の特性を劣化させる原因となる不純物を低減することができる。

本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、炭化珪素半導体膜を高速成長させることができるという効果を奏する。また、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、結晶品質の高い炭化珪素半導体膜を成長させることができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。 実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の原料ガス導入量とエピタキシャル膜の成長速度との関係について示す特性図である。 実施例１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法により成長させたエピタキシャル膜の成分を示す図表である。 実施例２にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法により成長させたエピタキシャル膜の成分を示す図表である。 実施の形態２にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法のガス導入量とエピタキシャル膜の成長速度との関係について示す特性図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について、半導体材料として炭化珪素の四層周期六方晶（４Ｈ−ＳｉＣ）を用いた半導体装置を作製（製造）する場合を例に説明する。図１−１は、実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図１−２は、実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、４Ｈ−ＳｉＣからなる基板（４Ｈ−ＳｉＣ基板）１を用意し、一般的な有機洗浄法やＲＣＡ洗浄法により洗浄する（ステップＳ１）。

次に、化学気相成長（ＣＶＤ）法による４Ｈ−ＳｉＣ単結晶膜（以下、ＳｉＣエピタキシャル膜（炭化珪素半導体膜）とする）２を成長させるための反応炉（チャンバー、不図示）内に、４Ｈ−ＳｉＣ基板１を挿入する（ステップＳ２）。次に、反応炉内を例えば１×１０^-3Ｐａ以下の真空度になるまで真空排気する。次に、反応炉内に一般的な精製器で精製した水素（Ｈ₂）ガスを２０Ｌ／分の流量で１０分間導入し、反応炉内をＨ₂雰囲気下とする（ステップＳ３）。

次に、Ｈ₂ガスによる化学的なエッチングにより、４Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面を清浄化する（ステップＳ４）。具体的には、Ｈ₂ガスを２０Ｌ／分で導入したまま、例えば高周波誘導により反応炉を加熱する。そして、反応炉内を１６００℃にまで上昇させ、この温度で１０分間保持することにより４Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面を清浄化する。反応炉内の温度は、例えば放射温度計で計測する。

次に、ステップＳ３で導入したＨ₂ガスを２０Ｌ／分の流量でキャリアガスとして導入した状態で、原料ガス、原料ガスへ添加するガス（以下、添加ガスとする）およびドーピングガスを反応炉内に導入する（ステップＳ５）。図１−２では、原料ガス、添加ガス、ドーピングガスおよびキャリアガスをまとめて矢印３で示す。原料ガス、添加ガス、ドーピングガスおよびキャリアガスについての説明は、後述する。

次に、ステップＳ５で導入した原料ガス、添加ガス、ドーピングガスおよびキャリアガスを用いて、化学気相成長（ＣＶＤ）法により４Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面にＳｉＣエピタキシャル膜２を成長させる。具体的には、反応炉内で４Ｈ−ＳｉＣ基板１を加熱し、原料ガスをキャリアガスで熱分解することによりＳｉＣエピタキシャル膜２を成長させる。これにより、４Ｈ−ＳｉＣ基板１上にＳｉＣエピタキシャル膜２が積層されてなるＳｉＣ単結晶基板１０が作製される（ステップＳ６）。その後、ＳｉＣ単結晶基板１０に所望の素子構造（不図示）を形成し（ステップＳ７）、ＳｉＣ半導体装置が完成する。

次に、ステップＳ５において反応炉内に導入する原料ガス、添加ガス、ドーピングガスおよびキャリアガスについて説明する。原料ガスとして、珪素（Ｓｉ）を含むガスおよび炭素（Ｃ）を含むガスを用いる。Ｓｉを含むガスは、例えばＨ₂で希釈したモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスであってもよい。Ｃを含むガスは、例えば、Ｈ₂で希釈したジメチルメタン（Ｃ₃Ｈ₈）ガスであってもよい。

添加ガスとして、塩素（Ｃｌ）を含むガスを用いる。すなわち、ステップＳ６では、ハロゲン化合物を用いたハライドＣＶＤ法によりエピタキシャル成長が行われる。Ｃｌを含むガスは、例えば高圧ガス容器（ボンベ）に充填された高純度（例えば純度１００％）の塩化水素（ＨＣｌ）ガスや、Ｃｌ₂ガスであってもよい。また、Ｃｌを含むガスは、Ｓｉを含むガス中のＳｉ原子の数に対してＣｌ原子の数の比が２．０以上５．０以下となる範囲内で導入するのが好ましい。その理由は後述する。Ｃｌを含むガスを原料ガスに添加することにより、原料ガスを大量に導入することができ、従来よりも高速なエピタキシャル成長を実現することができる。

さらに、添加ガスとして、フッ素（Ｆ）を含むガスを用いる。Ｆを含むガスは、例えば四フッ化炭素（ＣＦ₄）ガスであるのが好ましい。その理由は、ＣＦ₄ガスに含まれる元素が本発明の効果を奏するＦの他に、ＳｉＣエピタキシャル膜２の主成分であるＣのみであるため、ＣＦ₄ガスを添加することによる影響がＳｉＣエピタキシャル膜２に生じないからである。また、Ｆを含むガスは、キャリアガス中のＨ原子の数に対してＦ原子の数の比（Ｆ／Ｈ比）が０．１以上０．２未満となる範囲内で添加するのが好ましい。その理由は、後述する。ドーピングガスとして、例えば窒素（Ｎ₂）ガスやトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いてもよい。ドーピングガスは添加してもよいし、しなくてもよい。

また、添加ガスとしてＣｌを含むガスを原料ガスおよびＦを含むガスを用いることにより、添加ガス中のＣｌおよびＦとＳｉＣエピタキシャル膜２中の不純物であるＣｌや硫黄（Ｓ）などとが反応し、塩化物またはフッ化物の気体としてＳｉＣエピタキシャル膜２の外部へ排出させることができる。これにより、ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残る不純物を低減することができる。ＳｉＣエピタキシャル膜２中の不純物とは、原料ガス中のＳｉ、Ｃおよびドーピングガス中の成分以外の成分であり、ＳｉＣエピタキシャル膜２の特性を劣化させる原因となる成分である。

ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残るＣｌの含有量は０．１ｐｐｍ以下であるのが好ましい。その理由は、次のとおりである。添加ガスとしてＣｌを含むガスを用いることにより、上述したようにＳｉＣエピタキシャル膜２が高速成長されるとともに、Ｃｌを含むガス中のＣｌがＳｉＣエピタキシャル膜２中に不純物として多く取り込まれる可能性が高い。ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残るＣｌの含有量を０．１ｐｐｍ以下とすることにより、ＳｉＣエピタキシャル膜２の所望の成長速度を得ることができ、かつ、ＳｉＣエピタキシャル膜２の特性劣化を防止することができるからである。

ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残るＳの含有量は０．０２ｐｐｍ以下であるのが好ましい。その理由は、次のとおりである。ＳｉＣエピタキシャル膜２中のＳは、上述したようにＳｉＣエピタキシャル膜２の特性を劣化させる原因となる。このため、ＳｉＣエピタキシャル膜２中に不純物であるＳを残さないことが望ましい。ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残るＳの含有量を、例えばグロー放電質量分析（ＧＤＭＳ：Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置の測定限界値である例えば０．０２ｐｐｍ以下にすることにより、ＳｉＣエピタキシャル膜２の特性劣化を防止することができる。

ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残るＳの含有量を０．０２ｐｐｍ以下にするために、Ｆを含むガスは、キャリアガスであるＨ₂ガスのＨ原子の数に対するＦ原子の数の比（Ｆ／Ｈ比）が０．１以上となるように添加することが望ましい。Ｆ／Ｈ比が０．１よりも少ない場合、ＳｉＣエピタキシャル膜２中の不純物であるＳを十分に除去することができないからである。また、Ｆを含むガスは、Ｆ／Ｈ比が０．２未満となるように添加するのが望ましい。その理由は、Ｆ／Ｈ比が０．２以上である場合、ＳｉＣエピタキシャル膜２中に新たに不純物としてＦが増加してしまうからである。

次に、原料ガス導入量とＳｉＣエピタキシャル膜２の成長速度との関係について説明する。図２は、実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の原料ガス導入量とエピタキシャル膜の成長速度との関係について示す特性図である。Ｓｉを含むガスおよびＣを含むガスは、Ｓｉ原子の数に対するＣ原子の数の比（Ｃ／Ｓｉ比）が１．０となるようにガス導入量を調節するのが好ましい。また、Ｃｌを含むガスは、Ｓｉを含むガス中のＳｉ原子の数に対するＣｌ原子の数の比（Ｃｌ／Ｓｉ比）が例えば３．０となるようにガス導入量を調節するのが好ましい。

上記Ｃ／Ｓｉ比およびＣｌ／Ｓｉ比を満たすように各ガスの導入量を調節し、かつＳｉを含むガス、Ｃを含むガスおよびＣｌを含むガスのガス導入量の比を変えずに流量のみを増加させることにより、原料ガスの流量に比例してＳｉＣエピタキシャル膜２の成長速度を高速化させることができる。すなわち、Ｓｉを含むガス、Ｃを含むガスおよびＣｌを含むガスのガス導入量の比を変えずに流量のみを増加させることにより、キャリアガスであるＨ₂ガスの流量に対するＳｉを含むガスの流量の比（Ｓｉ／Ｈ₂比）が決定される。このため、図２に示すように、Ｓｉ／Ｈ₂比の増加に比例して、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長速度を高速化させることができる。

図２には、次の成膜条件で作製した実施例１におけるＳｉ／Ｈ₂比と成長速度との関係を示す。実施例１では、原料ガスとして、Ｈ₂で希釈したモノシラン（以下、ＳｉＨ₄／Ｈ₂とする）ガス、およびＨ₂で希釈したジメチルメタン（以下、Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂とする）ガスを用いた。添加ガスであるＣｌを含むガスとして、ＨＣｌガスを用いた。キャリアガスとして、Ｈ₂ガスを用いた。具体的には、実施例１の成膜条件は、次のとおりである。

Ｃ／Ｓｉ比が１．０となり、かつＣｌ／Ｓｉ比が３．０となるようにガス導入量を調整した。そして、キャリアガスであるＨ₂ガスを２０Ｌ／分の流量で流し、ＳｉＨ₄／Ｈ₂ガスの流量を２００ｓｃｃｍとし、Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂ガスの流量を１６６ｓｃｃｍとし、ＨＣｌガスの流量を３００ｓｃｃｍとした。ドーピングガスは添加していない。実施例１においては約１０２μｍ／ｈの成長速度が得られることが確認された。

実施例１において約１０２μｍ／ｈの成長速度が得られたときの原料ガスの流量は、Ｓｉ／Ｈ₂比が０．５である場合に相当する。Ｓｉ／Ｈ₂比が０．５よりも大きい場合、反応炉内が激しく汚れ、ＳｉＣエピタキシャル膜２にパーティクルが発生しやすくなる。このため、Ｓｉ／Ｈ₂比が０．５以下となるようにＳｉを含むガス、Ｃを含むガスおよびＣｌを含むガスの流量を決定するのが好ましい。

次に、実施例１について、グロー放電質量分析法によりＳｉＣエピタキシャル膜２の成分を分析した。図３は、実施例１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法により成長させたエピタキシャル膜の成分を示す図表である。図３に示すように、ＳｉＣエピタキシャル膜２には、主成分であるＳｉおよびＣがそれぞれ６０％および４０％の割合で含まれる。また、ＳｉＣエピタキシャル膜２には、主成分であるＳｉおよびＣの他に、不純物としてＳおよびＣｌが検出された。実施例１では、ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残るＣｌの含有量は０．０９８ｐｐｍであった。したがって、ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残るＣｌの含有量は、ＳｉＣエピタキシャル膜２の特性劣化を生じさせない０．１ｐｐｍ以下であることが確認された。

一方、ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残るＳの含有量は０．０３６ｐｐｍであった。このように、添加ガスとしてＣｌを含むガスのみを用いた場合、上述したように１００μｍ／ｈ以上の成長速度でＳｉＣエピタキシャル膜２を高速成長させることができるが、ＳｉＣエピタキシャル膜２内のＳの含有量が、ＳｉＣエピタキシャル膜２の特性劣化を生じさせない上限値である０．０２ｐｐｍよりも大きくなってしまう。したがって、ＳｉＣエピタキシャル膜２内のＳの含有量を低減するために、添加ガスとしてさらにＦを含むガスを用いることが好ましい。

図３において、Ｓｉ、Ｃ、ＳおよびＣｌ以外の成分は、ＧＤＭＳ装置の測定限界値以下（図３では、＜測定限界値と示す。図４においても同様）であり、検出されなかったことを示している。また、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）およびインジウム（Ｉｎ）については、ＧＤＭＳ分析装置内部から混入する可能性があるため、正確な測定値は得られない。また、セシウム（Ｃｓ）はＩｎと干渉し、金（Ａｕ）は酸化タンタルカチオン（ＴａＯ⁺）の干渉を受けるため、正確に測定できない。このため、Ｔａ、Ｎｂ、Ｉｎ、ＣｓおよびＡｕの数値は参考値として記載し、定量値についての記載は省略する。

次に、実施例１の成膜条件に追加して、添加ガスとしてＦを含むガスを用いた場合（以下、実施例２とする）の、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長速度を測定した。具体的には、実施例２では、キャリアとしてＨ₂ガスを２０Ｌ／分の流量で流し、原料ガスとしてＳｉＨ₄／Ｈ₂ガス、Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂ガスを用い、添加ガスとしてＨＣｌガスおよびＣＦ₄ガスを用いた。より具体的には、実施例２の成膜条件は、次のとおりである。

Ｃ／Ｓｉ比が１．０となるように、ＳｉＨ₄／Ｈ₂ガス、Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂ガスおよびＣＦ₄ガスの合計導入量を調節した。Ｃｌ／Ｓｉ比が３．０となるように、ＳｉＨ₄／Ｈ₂ガスおよびＨＣｌガスの合計導入量を調節した。ＳｉＨ₄／Ｈ₂ガスの流量を２００ｓｃｃｍとした。Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂ガスの流量を１５９ｓｃｃｍとした。ＨＣｌガスの流量を３００ｓｃｃｍとした。ＣＦ₄ガスの流量を２０ｓｃｃｍとした。また、Ｓｉ／Ｈ₂比を０．５とした。ドーピングガスは添加していない。

また、キャリアガスであるＨ₂ガスの流量に対するＣＦ₄ガス中のＣ原子とＣ₃Ｈ₈ガス中のＣ原子とを合計したＣ原子の数の比（Ｃ／Ｈ₂比）を０．５とした。キャリアガスであるＨ₂ガスの流量に対するＣＦ₄ガスの流量の比を０．１とした。実施例２においては、約９８μｍ／ｈの成長速度が得られることが確認された。これにより、添加ガスとしてＣｌを含むガスおよびＦを含むガスを用いた実施例２においても、添加ガスとしてＣｌを含むガスのみを用いた実施例１とほぼ同様の成長速度が得られることが確認された。

次に、実施例２について、グロー放電質量分析法によりＳｉＣエピタキシャル膜２の成分を分析した。図４は、実施例２にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法により成長させたエピタキシャル膜の成分を示す図表である。図４に示すように、ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残るＳの含有量は、ＧＤＭＳ装置の測定限界値である０．０２ｐｐｍ以下となり、検出されなかった。その理由は、ＣＦ₄ガス中のＦがＳｉＣエピタキシャル膜２中のＳと反応し、ＳＦ₆などのガスとなりＳｉＣエピタキシャル膜２の外部へ排出されたからであると推測される。

また、ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残るＣｌの含有量は、０．０９１ｐｐｍであった。したがって、実施例２においても、ＳｉＣエピタキシャル膜２中に残るＣｌの含有量は、ＳｉＣエピタキシャル膜２の特性劣化を生じさせない０．１ｐｐｍ以下であり、実施例１とほぼ同様であることが確認された。したがって、原料ガスであるＳｉＨ₄ガス、Ｃ₃Ｈ₈ガスに、ＨＣｌガスおよびＣＦ₄ガスを同時に添加することにより、ＳｉＣエピタキシャル膜２の高速成長を実現し、ＳｉＣエピタキシャル膜２に残るＳやＣｌなどの不純物を低減することができることが確認された。

（実施の形態２）
実施の形態２にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法が実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法と異なる点は、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成膜条件として、添加ガスであるＣｌを含むガスの流量の好適な範囲を設定している点である。

Ｃｌを含むガスの流量を種々変更し、Ｃｌ／Ｓｉ比を２．０から６．０まで変化させた場合（以下、実施例３とする）の、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長速度を測定した。図５は、実施の形態２にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法のガス導入量とエピタキシャル膜の成長速度との関係について示す特性図である。実施例３の成膜条件は、次のとおりである。原料ガスとして、実施例１と同様に、ＳｉＨ₄／Ｈ₂ガスおよびＣ₃Ｈ₈／Ｈ₂ガスを用いた。添加ガスとして、ＨＣｌガスを用いた。ＳｉＨ₄／Ｈ₂ガスの流量を１５０ｓｃｃｍとした。

Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂ガスの流量を１２５ｓｃｃｍとした。そして、ＨＣｌガスの流量を１５０ｓｃｃｍから４５０ｓｃｃｍまで変化させて複数の実施例３を作製した。ＨＣｌガスの流量が１５０ｓｃｃｍのときにＣｌ／Ｓｉ比は２．０となり、ＨＣｌガスの流量が４５０ｓｃｃｍのときにＣｌ／Ｓｉ比は６．０となる。実施の形態２にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の原料ガスの流量、添加ガスの流量およびＣｌ／Ｓｉ比以外の構成は、実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法と同様である。

図５に示すように、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長速度は、Ｃｌ／Ｓｉ比が３．０以上となることで減少し、さらにＣｌ／Ｓｉ比が５．０以上となることで急激に低下することが確認された。また、Ｃｌ／Ｓｉ比が２．０以下である場合、ＳｉＣエピタキシャル膜２にパーティクルが発生し、反応炉内の汚れがさらに激しくなる。その理由は、Ｃｌ／Ｓｉ比が高いほど、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成膜による反応炉内の汚れを少なくすることができるからである。したがって、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長速度を維持し、かつ、ＳｉＣエピタキシャル膜２へのパーティクルの発生を抑えるためには、Ｃｌ／Ｓｉ比が２．０以上５．０以下であるのが好ましい。

以上、説明したように、各実施の形態によれば、Ｃｌを含むガスを原料ガスに添加することで、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長に寄与する原料ガスの導入量を増大させることができる。これにより、Ｃｌを含むガスを添加しない従来のＳｉＣ半導体装置の製造方法に比べて、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長速度を２０倍程度に高速化することができる。

また、各実施の形態によれば、Ｃｌを含むガスおよびＦを含むガスを原料ガスに添加することで、ＣｌおよびＦとＳｉＣエピタキシャル膜中の不純物であるＳなどとが反応し、塩化物系およびフッ化物系の気体としてＳｉＣエピタキシャル膜の外部へ排出することができる。このため、ＳｉＣエピタキシャル膜中に残っている不純物（ＳやＣｌ）や４Ｈ−ＳｉＣ基板に含まれる不純物がＳｉＣエピタキシャル膜に取り込まれることを防ぐことができる。これにより、ＳｉＣエピタキシャル膜中に残る不純物を低減することができる。したがって、従来よりも非常に不純物の少ないＳｉＣエピタキシャル膜を成長させることができる。

また、各実施の形態によれば、Ｓｉを含むガス、Ｃを含むガス、Ｃｌを含むガスおよびＦを含むガスを適切な混合比で導入することにより、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長中に、Ｓｉ、Ｃ、およびＳｉＣエピタキシャル膜をドーピングするためのｎ型やｐ型の元素以外の不純物をＳｉＣエピタキシャル膜中に残りにくくすることができる。したがって、ＳｉＣエピタキシャル膜を高速成長させるとともに、ＳｉＣエピタキシャル膜中に残るＳｉＣエピタキシャル膜の特性を劣化させる原因となる不純物を低減することができる。

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、本発明では、ＧＤＭＳ装置の測定限界値を例に説明しているが、例えば二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などの測定限界値により、ＳｉＣエピタキシャル膜中のＳの含有量の上限を設定してもよい。

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、ＳｉＣを半導体材料としてトランジスタやダイオード等を作製する場合であって、ＳｉＣ基板上にＳｉＣ単結晶膜を成膜してなるＳｉＣ単結晶基板を用いて作製された半導体装置に有用である。

１ ４Ｈ−ＳｉＣ基板
２ ＳｉＣエピタキシャル膜

Claims (6)

1. 原料ガスとして珪素を含むガスおよび炭素を含むガスを用い、前記原料ガスに塩素を含むガスおよびフッ素を含むガスを添加し、キャリアガスとして水素ガスを用いて、炭化珪素半導体基板上に炭化珪素半導体膜を成長させる工程を含み、
   前記珪素を含むガス中の珪素原子の数に対して塩素原子の数の比が２．０以上５．０以下となる範囲内で前記塩素を含むガスを添加し、
   前記キャリアガス中の水素原子の数に対してフッ素原子の数の比が０．１以上０．２未満となる範囲内で前記フッ素を含むガスを添加することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. 前記炭化珪素半導体膜中に残る硫黄の含有量は０．０２ｐｐｍ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. 前記炭化珪素半導体膜中に残る塩素の含有量は０．１ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
4. 前記塩素を含むガスは、塩化水素ガスまたは塩素ガスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
5. 前記フッ素を含むガスは、四フッ化炭素ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
6. 化学気相成長により単結晶からなる前記炭化珪素半導体膜を成長させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

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