JP5865777B2

JP5865777B2 - 炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法

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Publication number: JP5865777B2
Application number: JP2012112101A
Authority: JP
Inventors: 貴規田中; 陽一郎三谷; 直之川畑; 信之冨田; 丈晴黒岩
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: JP2013239606A

Description

本発明は、パワーデバイスなどに用いられる炭化珪素（ＳｉＣ）エピタキシャルウェハの製造方法に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、珪素（Ｓｉ）に比べて、バンドギャップが広く、また絶縁破壊電界強度、飽和電子速度および熱伝導度などの物性値が優れているなど、半導体パワーデバイスの材料として優れた性質を有する。このようなＳｉＣを用いたパワーデバイス（以下「ＳｉＣパワーデバイス」という場合がある）では、電力損失の大幅な低減および小型化などが可能となるので、電源電力変換時の省エネルギー化を実現することができる。したがって、ＳｉＣパワーデバイスは、電気自動車の高性能化、太陽電池システムの高機能化など、低炭素社会を実現する上で、キーデバイスとなる可能性を有している。

ＳｉＣパワーデバイスを作製するにあたっては、予め、熱化学気相堆積（Chemical Vapor Deposition；略称：ＣＶＤ）法などによって、ＳｉＣバルク基板上に、半導体デバイスの活性領域としてエピタキシャル成長層を形成することが必須である。ここで、活性領域とは、結晶中におけるドーピング密度および層厚が精密に制御された上で作り込まれている成長方向軸を含む断面領域をいう。以下の説明では、ＳｉＣバルク基板上にエピタキシャル成長層を形成したものを、「エピタキシャルウェハ」、または単に「ウェハ」という。

バルク基板に加えて、エピタキシャル成長層が必要とされる理由としては、デバイスの設計仕様によって、活性領域のドーピング密度および層厚がほぼ既定されること、および、活性領域のドーピング密度および層厚には、バルク基板のドーピング密度および層厚よりも高精度の制御性が求められることが挙げられる。

ＳｉＣデバイスは、エピタキシャルウェハに対して様々な加工を施して作製される。したがって、一枚のウェハから、所望の特性を有するデバイスが作製される個数は、エピタキシャル成長層の電気的特性の均一性に強く依存している。

具体的に述べると、エピタキシャルウェハ面内において、他の領域に比べて絶縁破壊電界が小さいか、または一定の電界を印加したときに、相対的に大きな電流が流れるような局所的な領域が存在すれば、その領域を含むデバイスの特性は、たとえば耐電圧特性が劣ってしまい、相対的に小さな印加電圧によって、いわゆるリーク電流が流れる。

換言すれば、デバイスの歩留りを第一義的に既定する要素は、エピタキシャルウェハの結晶学的な均一性である。この均一性を阻害する要因として、エピタキシャル成長のときの不具合に起因する、いわゆる種々の電流リーク欠陥の存在が知られている。ここで、電流リーク欠陥とは、電流リークの原因となる結晶欠陥をいう。

結晶欠陥に共通する特徴は、結晶における原子配列の周期性が結晶成長方向に沿って局所的に不完全となっている点である。ＳｉＣのエピタキシャル成長によって生じる結晶欠陥としては、その表面形状の特徴から、キャロット欠陥、三角欠陥などと呼称される電流リーク欠陥が知られている。

また、エピタキシャル成長にかかるランニングコストの低減も産業上の観点から重要となる。ランニングコストの低減には、エピタキシャル成長時間の低減の寄与が大きい。換言すると、エピタキシャル成長速度の向上がランニングコストの低減に直結する。

したがって、電流リーク欠陥の少ないエピタキシャルウェハを、比較的短時間で製造することが求められる。このようにしてエピタキシャルウェハを製造することによって、生産性を向上させ、産業上非常に有利となる。

エピタキシャルウェハの製造方法は、たとえば特許文献１および特許文献２に開示されている。特許文献１には、＜０００１＞面から０．８°傾斜した面方位を有するオフ角が０．８°のＳｉＣ基板上に、同じポリタイプのＳｉＣホモエピタキシャル層を作製する方法が開示されている。特許文献１には、ＳｉＣホモエピタキシャル層をＳｉＣ基板上に成長させるステップと、１μｍまでの厚さを有する境界層を３μｍ／ｈ未満の平均成長速度で成長させることによって、ホモエピタキシャル成長を開始するステップとを含む成長方法が開示されている。

特許文献２には、マイクロパイプを閉塞するために、たとえば、原料ガス中のＣ／Ｓｉ比を０．４とし、成長速度を７μｍ／ｈとして、層厚が７μｍのバッファ層を成膜した後、Ｃ／Ｓｉ比を０．８とし、成長速度を１５μｍ／ｈとして、ＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させるＳｉＣ結晶の製造方法が開示されている。

特開２００６−０２８０１６号公報特表２００３−０７８７０２号公報

特許文献１に開示される技術では、ＳｉＣ基板上に活性領域をエピタキシャル成長させる前に、バッファ層として機能する境界層を３μｍ／ｈ未満の平均成長速度で成長させることによって、ウェハの、より広い範囲におけるホモエピタキシャル成長の実現を図っている。

しかし、特許文献１に開示される方法は、オフ角が０．８°以下と極めて小さいＳｉＣ基板上のエピタキシャル成長で行われたものである。このオフ角が０．８°以下のＳｉＣ基板上へのエピタキシャル成長と、パワーデバイスに用いられているオフ角が４°などのＳｉＣ基板上で行われているステップフロー成長とでは、成長機構が異なる。また、特許文献１に開示される方法では、エピタキシャル成長速度が低いので、高い生産性を得ることが本質的に不可能である。

また、特許文献２に開示される技術では、バッファ層を７μｍ／ｈの成長速度で成長させた後、活性領域となるＳｉＣ結晶を１５μｍ／ｈの成長速度で成長させている。この成長速度の変化は、反応炉に導入する原料ガス流量比であるＣ／Ｓｉ比を０．４から０．８に倍増させたことによって結果的に得られたものである。特許文献２に開示される技術では、成長速度がエピタキシャル成長に与える本質的な影響については、未解明のままである。

また特許文献２に開示される技術では、オフ角（以下「傾斜角」という場合がある）が８°のＳｉＣ基板が用いられている。このような傾斜角が８°程度のバルク基板上へのエピタキシャル成長に関する技術を、４Ｈ−ＳｉＣ結晶から成り、基板の表面が＜０００１＞面から＜１１−２０＞方向に５°程度よりも小さい角度で傾斜したバルク基板に適用すると、ステップバンチングと呼ばれる凹凸が形成される傾向が強い。したがって、ステップバンチングがデバイス特性へ及ぼす影響を回避するために、デバイス構造などが制限されるという問題が生じる。

このように、エピタキシャル成長速度が基板品質に与える影響は、未だ解明されておらず、電流リーク欠陥の少ない炭化珪素エピタキシャルウェハを比較的短時間で製造する方法が求められている。

本発明の目的は、電流リーク欠陥の少ない炭化珪素エピタキシャルウェハを比較的短時間で製造することができる炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法を提供することである。

本発明の炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法は、炭化珪素基板上に、炭化珪素がエピタキシャル成長した第１エピタキシャル成長層および第２エピタキシャル成長層が順次設けられた炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法であって、前記エピタキシャル成長の速度を、予め定める第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１として、前記炭化珪素基板上に前記炭化珪素をエピタキシャル成長させることによって、前記第１エピタキシャル成長層を形成する第１エピタキシャル成長工程と、前記エピタキシャル成長の速度を、前記第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１から、前記第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１よりも高い第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２に変化させる速度変化工程と、前記第１エピタキシャル成長層上に、前記第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２で前記炭化珪素をエピタキシャル成長させることによって、前記第２エピタキシャル成長層を形成する第２エピタキシャル成長工程とを備え、前記第１エピタキシャル成長工程と前記速度変化工程と前記第２エピタキシャル成長工程とでは、前記炭化珪素の成長温度が同じであり、前記速度変化工程では、前記炭化珪素のエピタキシャル成長の速度が変化する間に前記エピタキシャル成長によって形成される層である速度変化層の層厚が３０ｎｍ未満になるように、前記炭化珪素のエピタキシャル成長の速度を変化させることを特徴とする。

本発明の炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法によれば、第１エピタキシャル成長工程と速度変化工程と第２エピタキシャル成長工程とでは、炭化珪素の成長温度が同じであり、速度変化工程では、速度変化層の層厚が３０ｎｍ未満になるように、炭化珪素のエピタキシャル成長の速度が変化される。これによって、電流リーク欠陥の発生を抑制するとともに、第２エピタキシャル成長層の成長速度である第２エピタキシャル成長速度を比較的高くすることができる。したがって、電流リーク欠陥の少ない炭化珪素エピタキシャルウェハを比較的短時間で製造することができる。

本発明の実施の一形態である炭化珪素（ＳｉＣ）エピタキシャルウェハの製造方法によって製造されるＳｉＣエピタキシャルウェハ１の構成を示す断面図である。本発明の実施の一形態によるＳｉＣエピタキシャル成長過程における成長速度の時間変化を模式的に示すグラフである。第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１と、電流リーク欠陥密度との関係を示すグラフである。

図１は、本発明の実施の一形態である炭化珪素（ＳｉＣ）エピタキシャルウェハの製造方法によって製造されるＳｉＣエピタキシャルウェハ１の構成を示す断面図である。本実施の形態で製造されるＳｉＣエピタキシャルウェハ１は、炭化珪素（ＳｉＣ）基板１１と、この炭化珪素基板１１上に形成された第１エピタキシャル成長層１２と、この第１エピタキシャル成長層１２上に形成された第２エピタキシャル成長層１３とを含んで構成される。

すなわち、ＳｉＣエピタキシャルウェハ１では、ＳｉＣ基板１１上に、第１エピタキシャル成長層１２および第２エピタキシャル成長層１３が順次設けられている。第１エピタキシャル成長層１２および第２エピタキシャル成長層１３は、炭化珪素（ＳｉＣ）がエピタキシャル成長した層である。

本実施の形態では、ＳｉＣ基板１１は、ｎ型の低抵抗のＳｉＣ基板である。第１エピタキシャル成長層１２および第２エピタキシャル成長層１３は、ＳｉＣ基板１１と同じ導電型であり、具体的には、ｎ型である。

ＳｉＣ基板１１は、（０００１）面からオフ角を有するＳｉＣ基板である。ここで、「オフ角」とは、基準面である（０００１）面に対するＳｉＣ成長面の傾斜角度である。すなわち、ＳｉＣ基板１１は、基準面である（０００１）面からオフ角の分傾斜したＳｉＣ成長面を有する。本実施の形態では、ＳｉＣ基板１１は、オフ角が５°よりも小さい４Ｈ−ＳｉＣ型の結晶構造を有するＳｉＣ基板である。以下の説明では、４Ｈ−ＳｉＣ型の結晶構造を有するＳｉＣ基板を、「４Ｈ−ＳｉＣ基板」という場合がある。オフ角は、たとえば４°である。

本実施の形態のＳｉＣエピタキシャルウェハ１の製造方法は、第１エピタキシャル成長工程と、速度変化工程と、第２エピタキシャル成長工程とを備える。第１エピタキシャル成長工程では、ＳｉＣのエピタキシャル成長の速度（以下「エピタキシャル成長速度」、または単に「成長速度」という場合がある）を、予め定める第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１として、ＳｉＣ基板１１上にＳｉＣをエピタキシャル成長させることによって、第１エピタキシャル成長層１２を形成する。

第２エピタキシャル成長工程では、第１エピタキシャル成長層１２上に、第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１よりも高い第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２でＳｉＣをエピタキシャル成長させることによって、第２エピタキシャル成長層１３を形成する。このように本実施の形態では、第１エピタキシャル成長層１２の成長速度である第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１は、第２エピタキシャル成長層１３の成長速度である第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２に比べて、低くなっている。

本実施の形態では、速度変化工程において、ＳｉＣのエピタキシャル成長速度を、第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１から、第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２に変化させる。このとき、ＳｉＣのエピタキシャル成長速度が変化する間にエピタキシャル成長によって形成される層である速度変化層の層厚が３０ｎｍ未満になるように、ＳｉＣのエピタキシャル成長速度を変化させる。

速度変化層は、第１エピタキシャル成長層１２と第２エピタキシャル成長層１３との境界部分に形成される。速度変化層の層厚は、第１エピタキシャル成長層１２および第２エピタキシャル成長層１３の層厚に比べて、極めて小さいので、図１では図示を省略している。

まず、エピタキシャル成長における成長速度の影響について述べる。パワーデバイスに用いられているオフ角が４°の４Ｈ−ＳｉＣ基板上へのエピタキシャル成長において、成長速度がエピタキシャル成長層中の電流リーク欠陥の密度（以下「電流リーク欠陥密度」という）に与える影響は明らかになっていない。そこで、本願発明者は、鋭意研究を重ねた結果、成長速度とエピタキシャル成長層中の電流リーク欠陥密度とが、密接に関係していることを見出した。

具体的には、［実験１］として、以下の実験条件で、ＳｉＣ基板１１上に、ＳｉＣをエピタキシャル成長させてエピタキシャル成長層を形成する実験を行い、成長速度とエピタキシャル成長層中の電流リーク欠陥密度との関係を求めた。

ＳｉＣの成長温度は１５２０℃とした。ＳｉＣの原料ガスとしては、珪素（Ｓｉ）原子を供給するためのＳｉ原子供給ガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）ガスを用い、炭素（Ｃ）原子を供給するためのＣ原子供給ガスとしてプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）ガスを用いた。原料ガスの流量比である、ＳｉＨ_４ガスの流量に対するＣ_３Ｈ_８ガスの流量の比率（以下「Ｃ／Ｓｉ比」という場合がある）を０．８に固定したまま、原料ガスの流量を増加させることによって、成長速度を高速化した。

その結果、成長速度を４．９μｍ／ｈから１３．２μｍ／ｈに増加させることによって、電流リーク欠陥密度が０．３個／ｃｍ^２から３．７個／ｃｍ^２に増加した。これは、成長速度の高速化が、ＳｉＣエピタキシャルウェハの品質に悪影響を与えていることを示している。また、電流リーク欠陥の起点を調査したところ、ＳｉＣ基板１１とエピタキシャル成長層との界面で、欠陥が発生していることが明らかになった。

ＳｉＣ基板１１には、電流リーク欠陥の原因となる微小な結晶欠陥（以下「微小結晶欠陥」という場合がある）が多く存在しており、その微小結晶欠陥を起点に、電流リーク欠陥が発生する。したがって、本実験１での結果は、エピタキシャル成長を高速化することによって、エピタキシャル成長層の結晶品質が悪化し、ＳｉＣ基板１１に存在する微小結晶欠陥を起点に、容易に電流リーク欠陥が発生するようになったことを示していると考えられる。

本実施の形態では、電流リーク欠陥を低減するために、図１に示すように、ＳｉＣ基板１１と、活性領域である第２エピタキシャル成長層１３との間に、バッファ層の役割を果たす第１エピタキシャル成長層１２を設けている。第１エピタキシャル成長層１２を設けることによって、ＳｉＣ基板１１中に存在して電流リーク欠陥を発生させる原因となる微小結晶欠陥が、第２エピタキシャル成長層１３に及ぼす影響を軽減することができる。これによって、第２エピタキシャル成長層１３中の結晶欠陥を低減することができる。

また本実施の形態では、第１エピタキシャル成長層１２のドーピング濃度を、ＳｉＣ基板１１のドーピング濃度よりも低く、活性領域である第２エピタキシャル成長層１３のドーピング濃度よりも高くしている。これによって、ドーピング濃度の違いによるＳｉＣ結晶の格子定数差を緩和し、電流リーク欠陥の発生を更に抑制することができる。ここで、「ドーピング濃度」とは、各層または基板に添加される不純物であるドーパントの濃度のことであり、本実施の形態では、ｎ型不純物、たとえば窒素原子の濃度のことである。

図２は、本発明の実施の一形態によるＳｉＣエピタキシャル成長過程における成長速度の時間変化を模式的に示すグラフである。図２において、横軸は時間（ｈ）を示し、縦軸は成長速度（μｍ／ｈ）を示す。図２では、第１エピタキシャル成長工程を参照符号「２１」で示し、速度変化工程を参照符号「２２」で示し、第２エピタキシャル成長工程を参照符号「２３」で示す。

また図２において、Ｔ_１は、第１エピタキシャル成長工程２１の所要時間である第１エピタキシャル成長時間を示す。Ｔ_２は、速度変化工程２２の所要時間である成長速度変化時間を示す。Ｔ_３は、第２エピタキシャル成長工程２３の所要時間である第２エピタキシャル成長時間を示す。Ｒ_１は、第１エピタキシャル成長層１２の成長速度である第１エピタキシャル成長速度を示す。Ｒ_２は、第２エピタキシャル層１３の成長速度である第２エピタキシャル成長速度を示す。

第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１は、２μｍ／ｈ以上５μｍ／ｈ以下に選ばれる。第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１が２μｍ／ｈ未満であると、エピタキシャル成長時間が増大し、生産性が悪化するので、産業上の観点から不利となる。第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１が５μｍ／ｈを超えると、第２エピタキシャル成長層１３の電流リーク欠陥が増大し、ＳｉＣエピタキシャルウェハ１から製造されるデバイス素子の歩留まりが低下するので、産業上の観点から不利となる。

したがって、電流リーク欠陥が比較的少ないＳｉＣエピタキシャルウェハ１を比較的短時間で得るためには、第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１が２μｍ／ｈ以上５μｍ／ｈ以下であることが好ましい。

第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２は、１０μｍ／ｈ以上に選ばれる。第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２が１０μｍ／ｈ未満であると、第２エピタキシャル成長層１３を形成するためのエピタキシャル成長時間である第２エピタキシャル成長時間Ｔ_２が比較的長くなる。これによって、第１エピタキシャル成長層１２の成長速度Ｒ_１が前述のように２μｍ／ｈ以上５μｍ／ｈ以下と比較的低速である場合に、エピタキシャル成長に要する時間の合計（Ｔ_１＋Ｔ_２＋Ｔ_３）である総エピタキシャル成長時間が増大する。したがって、産業上の観点からは不利となる。

第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２の上限は、生産性の観点からは、高い方が好ましいが、第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２が５０μｍ／ｈを超えると、第２エピタキシャル成長層１３に結晶欠陥が発生するおそれがある。したがって、第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２は、１０μｍ／ｈ以上５０μｍ／ｈ以下であることが好ましい。

また、第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１は、第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２に比べて、低い値に選ばれる。これによって、第１エピタキシャル成長層１２のドーピング濃度を、より少ないドーパントで、すなわち、より少ない流量のドーパントガスで、容易に第２エピタキシャル成長層１３のドーピング濃度よりも高くすることが可能となる。

このようにドーパントガスの流量を少なくできることによって、エピタキシャル成長装置内の意図しない部分にドーパント原子が吸着することを防ぎ、吸着したドーパント原子による、いわゆるメモリー効果を抑制することが可能となる。これによって、エピタキシャル成長装置を安定して運用することができる。

図３は、第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１と、電流リーク欠陥密度との関係を示すグラフである。図３では、［実験２］として、第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１を変えて、ＳｉＣ基板１１上に第１エピタキシャル成長層１２および第２エピタキシャル成長層１３を形成したときの結果を示す。第２エピタキシャル成長層１３は、すべて５μｍ／ｈの成長速度で８μｍ成長させた。また、本実験２では、第１エピタキシャル成長層１２のドーピング濃度は、第２エピタキシャル成長層１３のドーピング濃度よりも大きく、ＳｉＣ基板１１のドーピング濃度よりも小さくなるように調整した。第１エピタキシャル成長層１２の層厚は１μｍとした。第１エピタキシャル成長工程におけるＣ／Ｓｉ比は、０．６とし、第２エピタキシャル成長工程におけるＣ／Ｓｉ比は、１．０とした。本実験２では、原料ガスの流量およびＣ／Ｓｉ比を調整することによって、成長速度を調整した。

図３では、第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１が５μｍ／ｈである場合を参照符号「３３」で示し、第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１が２．５μｍ／ｈである場合を参照符号「３２」で示し、第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１が２．２μｍ／ｈである場合を参照符号「３１」で示す。

図３に示すように、第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１を５μｍ／ｈから２．５μｍ／ｈに低下させた場合、電流リーク欠陥密度は、２．１個／ｃｍ^２から１．１個／ｃｍ^２に減少している。また第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１を５μｍ／ｈから２．２μｍ／ｈに低下させた場合、電流リーク欠陥密度は、２．１個／ｃｍ^２から０．５個／ｃｍ^２に減少している。

このように、電流リーク欠陥密度は、成長速度の低下と共に減少している。この結果から、第１エピタキシャル成長層１２の成長速度Ｒ_１を小さくすることによって、電流リーク欠陥を低減できることが明らかである。

この結果は、ＳｉＣ基板１１上に低速で第１エピタキシャル成長層１２を形成することによって、第２エピタキシャル成長層１３を高速で成長させたとしても低欠陥密度化が可能であることを示している。図３に示す実験２の結果では、電流リーク欠陥密度の値が、前述の図２に示す実験１の結果と異なっているが、これは、実験１および実験２に用いたＳｉＣ基板１１の品質に差があったことが原因であり、本発明の効果には関係が無いと推察される。

Ｃ／Ｓｉ比が小さい条件で結晶成長を行うことによって、いわゆるマイクロパイプなどのＳｉＣ基板１１に含まれる欠陥を閉塞することができる。したがって、本実施の形態では、第１エピタキシャル成長層１２を成長させるときにはＣ／Ｓｉ比を小さくし、第２エピタキシャル成長層１３を成長させるときには、Ｃ／Ｓｉ比を大きくしている。これによって、活性領域を構成する第２エピタキシャル成長層１３をエピタキシャル成長させる前に、ＳｉＣ基板１１に存在するマイクロパイプなどの欠陥の密度を低減することが、副次的に可能となる。

Ｃ／Ｓｉ比の適切な範囲は、エピタキシャル成長装置の構成、成長温度、圧力などの条件によって異なることから規定し難いが、実験２の結果によれば、Ｃ／Ｓｉ比の下限は約０．４である。Ｃ／Ｓｉ比が０．４よりも小さい場合、炭素原子が過少であることに起因すると考えられる異常成長核が、ＳｉＣ基板１１の表面に形成される。また、Ｃ／Ｓｉ比の上限は約１．５である。Ｃ／Ｓｉ比が１．５よりも大きい場合、ドーパントである窒素原子の炭素原子位置への配置確率が著しく低下して、キャリア濃度が低下し、窒素原子を供給するための窒素原子供給ガスの使用効率が悪化するので、生産性が低下する。したがって、本実施の形態では、Ｃ／Ｓｉ比を０．４以上１．５以下としている。

また、実験２では、第１エピタキシャル成長層１２の層厚を１μｍにしているが、第１エピタキシャル成長層１２の層厚が１００ｎｍ以上１μｍ以下であれば、実験２で得られた効果と同様の効果を得ることができる。第１エピタキシャル成長層１２の層厚が１００ｎｍ未満であると、第１エピタキシャル成長層１２のバッファ層としての効果が小さい。第１エピタキシャル成長層１２の層厚が１μｍを超えると、第１エピタキシャル成長層１２を形成するために必要な成長時間が比較的長時間になるので、産業上の観点から不利となる。したがって、第１エピタキシャル成長層１２の層厚は、１００ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

次に、第１エピタキシャル成長層１２および第２エピタキシャル成長層１３の成長速度、ならびに成長速度の切替え方法と、電流リーク欠陥密度との関係を調べるために、［実験３］として、以下の実験を行った。表１に実験３の結果を示す。本実験３では、第１エピタキシャル成長層１２および第２エピタキシャル成長層１３の成長速度、ならびに成長速度の切替え方法以外の条件は、実験２と同様とした。

比較例１として、第２エピタキシャル成長層１３のみを１２μｍ／ｈの成長速度で成長させた。その結果、電流リーク欠陥密度は０．７個／ｃｍ^２であった。また比較例２として、第１エピタキシャル成長層１２および第２エピタキシャル成長層１３をいずれも５μｍ／ｈの成長速度で成長させた。その結果、電流リーク欠陥密度は０．４個／ｃｍ^２であった。

また比較例３として、第１エピタキシャル成長層１３を５μｍ／ｈの成長速度で成長させた後、約２分間かけて成長速度を１２μｍ／ｈまで徐々に増加させ、その後、１２μｍ／ｈの成長速度で第２エピタキシャル成長層１３を形成した。すなわち、第１エピタキシャル成長層１２と第２エピタキシャル成長層１３との間に形成される速度変化層の形成時間を２分間とし、速度変化層の層厚を０．３μｍとした。その結果、電流リーク欠陥密度は１．２個／ｃｍ^２と大きくなった。

そこで、実施例として、第１エピタキシャル成長層１２を５μｍ／ｈの成長速度で成長した後、１０秒間以下、すなわち０．１７分間以下の時間で成長速度を切り替え、１２μｍ／ｈの成長速度で第２エピタキシャル成長層１３を形成した。その結果、電流リーク欠陥密度は０．４個／ｃｍ^２に減少した。

この結果から、速度変化層の層厚を、比較例３における値である０．３μｍよりも小さくする、すなわち３００ｎｍよりも小さくすることによって、不安定成長に起因する電流リーク欠陥の発生を抑制することが可能となることが明らかである。

これは、速度変化層では、原料ガスの供給が不安定になることに伴って、エピタキシャル成長が不安定状態で進行するので、前述のように速度変化層の層厚が数１００ｎｍと大きいと、電流リーク欠陥が発生しやすくなるためであると推察される。速度変化層に電流リーク欠陥が発生すると、第２エピタキシャル成長層１３に引き継がれるので、好ましくない。

そこで、本実施の形態では、実施例の結果に鑑み、速度変化層の層厚を、０．０３μｍ未満、すなわち３０ｎｍ未満としている。速度変化層の層厚は、可及的に小さくすることが好ましく、理想的には０ｎｍとすることが好ましい。

速度変化層の層厚は、第１エピタキシャル成長層１２の成長速度である第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１から第２エピタキシャル成長層１３の成長速度である第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２へと、成長速度を急峻に変化させることによって、前述のように３０ｎｍ未満にすることができる。

表１に示す実施例では、ＳｉＣのエピタキシャル成長速度の単位時間あたりの変化率である成長速度変化率ΔＲ｛＝（Ｒ_２−Ｒ_１）／Ｔ_２｝は、（１２−５）／（０．１７／６０）＝２４７０．５８…≒２５００μｍ／ｈ^２となっている。成長速度変化率ΔＲは、第１エピタキシャル成長層１２の成長速度である第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１（μｍ／ｈ）から、第２エピタキシャル成長層１３の成長速度である第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２（μｍ／ｈ）への成長速度変化の変化時間Ｔ_２（ｈ）に対する変化率に相当する。

実施例の結果から、成長速度変化率ΔＲを２５００μｍ／ｈ^２以上にすることによって、速度変化層の層厚を３０ｎｍ未満にできることが判る。

成長速度変化率ΔＲが２５００μｍ／ｈ^２未満であると、成長速度を変化させたときに、数１００ｎｍの層厚の速度変化層が形成されるので、前述のように速度変化層に電流リーク欠陥が発生し、第２エピタキシャル成長層１３に引き継がれてしまう。したがって、成長速度変化率ΔＲは、２５００μｍ／ｈ^２以上とすることが好ましい。

成長速度変化率ΔＲの上限は、電流リーク欠陥の発生を抑えるという観点からは、大きい方が好ましいが、５０００μｍ／ｈ^２を超える値にすることは、操作性の観点から困難である。したがって、成長速度変化率ΔＲは、２５００μｍ／ｈ^２以上５０００μｍ／ｈ^２以下であることが好ましい。

ＳｉＣの成長速度を、成長速度変化率Δが２５００μｍ／ｈ^２以上となるように急峻に変化させる方法としては、たとえば、原料ガスのマスフローコントローラーの設定値を、瞬間的に切り替え、原料ガスの流量を増加させる方法が挙げられる。これに限定されず、たとえば、原料ガスを供給するラインを、流量が比較的小さい小流量ラインから、流量が比較的大きい大流量ラインに切り替える方法などを用いてもよい。

以上に述べた本実施の形態では、第２エピタキシャル成長層１３を成長させるときに、原料ガスの供給量を増加させることによって、第２エピタキシャル成長層１３の成長速度を高めている。第２エピタキシャル成長層１３の成長速度を高める方法としては、原料ガスの供給量を増加させることに加えて、ハライド系ガスを原料ガスと同時に導入する方法を用いてもよい。

ハライド系ガスを原料ガスと同時に導入することによって、エピタキシャル成長を高速化させても、前述の本実施の形態による効果を得ることができる。たとえば、ＳｉＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８などの原料ガスに加え、塩化水素（ＨＣｌ）または塩化シラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）などのハライド系ガスを同時に供給し、エピタキシャル成長させてもよい。このように原料ガスにハライド系含有ガスを添加することによって、成長速度が高くなり、生産性が向上する。

また本実施の形態では、ＳｉＣ基板１１は、オフ角が５°よりも小さい４Ｈ−ＳｉＣ型の結晶構造を有する。本実施の形態のＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法は、このようにオフ角が５°よりも小さい４Ｈ−ＳｉＣ型の結晶構造を有するＳｉＣ基板１１にエピタキシャル成長層を形成する場合に特に有効である。

また本実施の形態では、ＳｉＣ基板１１、第１エピタキシャル成長層１２および第２エピタキシャル成長層１３の導電型を、ｎ型としているが、これに限定されず、ｐ型としてもよい。

以上に述べた本実施の形態は、本発明の例示であって、本発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変形または省略することが可能である。

１ＳｉＣエピタキシャルウェハ、１１ＳｉＣ基板、１２第１エピタキシャル成長層、１３第２エピタキシャル成長層。

Claims

炭化珪素基板上に、炭化珪素がエピタキシャル成長した第１エピタキシャル成長層および第２エピタキシャル成長層が順次設けられた炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法であって、
前記エピタキシャル成長の速度を、予め定める第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１として、前記炭化珪素基板上に前記炭化珪素をエピタキシャル成長させることによって、前記第１エピタキシャル成長層を形成する第１エピタキシャル成長工程と、
前記エピタキシャル成長の速度を、前記第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１から、前記第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１よりも高い第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２に変化させる速度変化工程と、
前記第１エピタキシャル成長層上に、前記第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２で前記炭化珪素をエピタキシャル成長させることによって、前記第２エピタキシャル成長層を形成する第２エピタキシャル成長工程とを備え、
前記第１エピタキシャル成長工程と前記速度変化工程と前記第２エピタキシャル成長工程とでは、前記炭化珪素の成長温度が同じであり、
前記速度変化工程では、前記炭化珪素のエピタキシャル成長の速度が変化する間に前記エピタキシャル成長によって形成される層である速度変化層の層厚が３０ｎｍ未満になるように、前記炭化珪素のエピタキシャル成長の速度を変化させることを特徴とする炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法。
前記速度変化工程では、前記エピタキシャル成長の速度の単位時間あたりの変化率である成長速度変化率ΔＲが２５００μｍ／ｈ^２以上になるように、前記エピタキシャル成長の速度を変化させることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法。
前記第１エピタキシャル成長速度Ｒ_１は、２μｍ／ｈ以上５μｍ／ｈ以下であり、
前記第２エピタキシャル成長速度Ｒ_２は、１０μｍ／ｈ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法。
前記第１エピタキシャル成長層および前記第２エピタキシャル成長層は、前記第１エピタキシャル成長層のドーピング濃度よりも前記第２エピタキシャル成長層のドーピング濃度が低くなるように形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法。
前記第１エピタキシャル成長工程および前記第２エピタキシャル成長工程では、
前記炭化珪素の原料ガスとして、珪素原子を供給するための珪素原子供給ガスと、炭素原子を供給するための炭素原子供給ガスとを含む原料ガスを反応室内に供給し、
前記珪素原子供給ガスの流量に対する前記炭素原子供給ガスの流量の比率である炭素（Ｃ）／珪素（Ｓｉ）比が、前記第１エピタキシャル工程よりも前記第２エピタキシャル成長工程の方が高くなるように、前記珪素原子供給ガスおよび前記炭素原子供給ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法。
前記第１エピタキシャル成長工程では、前記炭化珪素の原料ガスとして、珪素原子を供給するための珪素原子供給ガスと、炭素原子を供給するための炭素原子供給ガスとを含む原料ガスを反応室内に供給し、
前記第２エピタキシャル成長工程では、前記炭化珪素の原料ガスとして、前記珪素原子供給ガスと、前記炭素原子供給ガスと、ハライド系ガスとを含む原料ガスを供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法。
前記炭化珪素基板は、オフ角が５°よりも小さい４Ｈ−ＳｉＣ型の結晶構造を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の炭化珪素エピタキシャルウェハの製造方法。