JP5943509B2 - 炭化珪素基板への成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素基板上への成膜方法に関し、特に、導電型の炭化珪素膜をエピタキシャル成長させる方法に関する。

炭化珪素（以下、「ＳｉＣ」という）を材料に用いた半導体は、シリコン（以下、「Ｓｉ」という）の次世代の半導体素子として期待されている。ＳｉＣ半導体は、従来のＳｉを材料に用いた半導体素子と比較して、オン状態における素子の抵抗を数百分の１に低減できること、及び、２００℃以上のより高温の環境下で使用可能なこと等、様々な利点がある。これは、ＳｉＣのバンドギャップがＳｉに対して３倍程度大きく、絶縁破壊電界強度がＳｉより１桁近く大きいという材料自体の特性によるものである。

ＳｉＣを用いたデバイスとしては、現在までに、ショットキーバリアダイオード、プレーナー型縦型ＭＯＳＦＥＴが製品化されている。このようなＳｉＣデバイスは、通常４Ｈ−ＳｉＣ基板上に成膜されたエピタキシャルＳｉＣ膜から構成されており、半導体デバイスとしての機能を付与するために、前記エピタキシャルＳｉＣ膜に、さらに種々のデバイス構造が作りこまれるので、成膜されるエピタキシャルＳｉＣ膜の性質、特に膜面内のドーピング濃度の均一性は、最終的な半導体デバイスの特性および良品率を向上させるための重要な要件である。

ＳｉＣ基板へのエピタキシャル成長プロセスでは、キャリアガスである水素と、Ｓｉ系原料ガス（例えばモノシランやジクロロシランなど）、Ｃ系原料ガス（例えばプロパンやメタンなど）、及びドーパント（ｎ型の場合は窒素やリン、ｐ型の場合はアルミニウムやボロンなど）の原料ガス（窒素、ホスフィン、トリメチルアルミニウム、ジボランなど）を、石英管と断熱材とグラファイト発熱体からなる反応炉内に流し、ドライポンプで６ｋＰａ〜１２ｋＰａの減圧雰気に制御し、反応炉外周に巻かれた高周波加熱コイルでグラファイト発熱体を１５５０〜１７５０℃に誘導加熱し、そこからの熱輻射および伝熱で、基板と基板を支持するサセプタを加熱し、熱ＣＶＤ法によって基板上にエピタキシャル薄膜を成長させる。

ＳｉＣ基板へのエピタキシャル成長の場合、ドーピング濃度分布は炉内の温度分布に大きく影響されることが知られており（非特許献１）、また、ドーパント取り込み量の温度依存性は、成長面方位、ドーパントの種類および成長条件（Ｃ／Ｓｉ比）により異なることも知られている（非特許文献２）が、こうしたエピタキシャル膜のドーピング濃度分布は、デバイスの逆方向耐圧、特性オン抵抗といった特性バラツキの原因になり、その均一性改善は常に求められている。

J. Nishio,M. Hasegawa, K Kojima, T. Ohno, Y. Ishida, T.Takahashi, T. Suzuki, T. Tanaka, K. Arai, Journal of Crystal Growth 258 (2003)113-122 K. Kojima, S. Kuroda, H. Okumura,K. Arai. Microelectronic Engineering 83 (2006) 79-81

そこでドーピング濃度分布の均一改善のために、炉内の温度分布を均一にすることが考えられるが、炉内の温度分布は装置固有であり、容易に変えることはできず、ウェハ面内にはドーパント取り込み量の温度依存性に対応したドーピング濃度分布ができていた。
これに対し、炉内の温度分布の与える影響を軽減するために、ウェハをトレーに乗せて炉内で回転させる方法が提案されている。しかしながら、この方式を用いても回転トレーの内部で温度分布が生じるため、ウェハが大口径化するに伴い、温度分布の影響が避けられなくなる。
また、成長条件（Ｃ／Ｓｉ比）を調整して若干の改善はできるが、表面粗さ、表面欠陥密度や膜厚分布などの他の膜特性に影響を与えるために、実用困難なことが多い。

本発明は、こうした現状を鑑みてなされたものであって、前述のＳｉＣエピタキシャル成長プロセスにおいて、ドーピング濃度分布の均一性を改善する方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、主たるドーパント（以下、「第１ドーパント」という。）のほかに、これとは取り込まれる原子位置が異なるドーパント（以下、「第２ドーパント」という。）を適量ドープすることにより、第１ドーパントの濃度分布を第２ドーパントの濃度分布で補償して、ドーピング濃度を均一化することができるという知見を得た。

本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］ＳｉＣ基板上に導電型のＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる方法において、
主たるドーパントである第１のドーパントを含む反応ガスを流しつつ、該第１のドーパントとは取込まれる原子位置が異なる第２のドーパントを、そのエピタキシャル膜中への取込量が、第１のドーパントの膜中への取込量と同量未満になるように流すことにより、ドーピング濃度分布を均一化することを特徴とするエピタキシャルＳｉＣ膜の成膜方法。
［２］前記第１のドーパントと前記第２のドーパントの組み合わせが、窒素とアルミニウム、窒素とリン、ボロンとアルミニウム、或いはボロンとリン、の組み合わせから選択されることを特徴とする［１］に記載のエピタキシャルＳｉＣ膜の成膜方法。
［３］前記第１ドーパントの取込量が、２.０×１０¹⁵ｃｍ^-3以上、５.０×１０¹⁶ｃｍ^-3未満である［１］又は［２］に記載のエピタキシャルＳｉＣ膜の成膜方法。
方法。
［４］［１］〜［３］のいずれかに記載の方法を用いて作成した炭化珪素半導体装置。

本発明によれば、エピタキシャルＳｉＣ膜中のドーピング濃度を均一にし、それを用いて作成したデバイスの特性オン抵抗や逆方向耐圧等の特性ばらつきを抑え、歩留まりを向上させることができる。

第１ドーパントと第２ドーパントが異なる導電型の場合の、濃度分布とドーピング濃度分布を表す図。 第１ドーパントと第２ドーパントが同じ導電型の場合の、濃度分布とドーピング濃度分布を表す図。 横型ホットウォール成膜装置の加熱部の概略構成を示す断面図

本発明では、主たる第１ドーパントのほかに、これとは取り込まれる原子位置が異なる第２ドーパントを適量ドープすることにより、第１ドーパントの濃度分布を第２ドーパントの濃度分布で補償して、ドーピング濃度を均一化することを特徴とするものである。

従来の成膜では、主たる導電型のドーパント（上記の場合は第１ドーパント）以外のドーパント（上記の場合は第２ドーパント）は、濃度制御する上での外乱要因とみなされ、できる限り減らす取り組みがなされてきた。
しかし本発明では、第２ドーパントも制御して、一定量ドープすることで、濃度分布の均一性を向上させることが特徴である。

本発明の方法において、上記の第１ドーパントと第２ドーパントとは、ＳｉＣに取りこまれる原子位置が異なることが重要である。すなわち、ＳｉＣにおいては、例えば、ｎ型のドーパントである窒素とｐ型のドーパントであるアルミニウムでは、原子半径の違いから、窒素が炭素サイトを置換し、アルミニウムがシリコンサイトを置換するが、ｎ型のドーパントである窒素とｐ型のドーパントであるボロンとでは、いずれも炭素原子を置換することが知られている。本発明において、同じ原子位置を置換するドーパント同士の場合、原子位置の取り合いを起こし、独立に制御することができなくなってしまう。
本発明において、第１ドーパントと第２ドーパントの具体的な組み合わせは、「窒素とアルミニウム」、「窒素とリン」、「ボロンとアルミニウム」、または「ボロンとリン」である。

本発明において、第１ドーパントと第２ドーパントの選択には、両ドーパントの取り込み量の温度依存性を調べて決める必要がある。
すなわち、第１ドーパント１と第２ドーパント２が異なる導電型の場合は、図１に示すように、両者の温度依存性が同じ傾向で、かつ第２ドーパントの温度依存性が、第１ドーパントよりも大きいことが必要である。また、第１ドーパントと第２ドーパントが同じ導電型の場合は、図２に示すように、第１ドーパントと第２ドーパントの取り込み量の温度依存性が逆の傾向であることが必要である。
なお、図１、２において、横軸は、後述する図３の装置において、回転する円形トレー上に均等間隔で配置した４枚のうちの１つの基板（ウェハ）の中心（０）からの位置（ｍｍ）を表しており、＋は、円形トレーの外周側の位置であることを意味し、−は、円形トレーの中心側の位置であることを意味している。

上記の各ドーパントの温度依存性は、用いる装置、成膜条件など種々の条件下でそれぞれ異なるので、所望の導電型を有すＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させるにあたっては、事前に種々の条件下における各ドーパントの温度依存性を調べておくことが必要である。
本発明者らが調べた結果、Ｃ面基板上へのエピタキシャル成長を１６００〜１７００℃、６〜１０ｋＰａ、Ｃ／Ｓｉ比（Ｓｉ系原料ガスとＣ系原料ガスの流量比）１.０〜１.５の範囲においては、アルミニウムの温度依存性が小さく、窒素の温度依存性が大きいことが分かった。
そこで、成長中にアルミニウムをドープする際に、窒素を同時にドープした結果、後述する実施例に示すとおり、ｐ型のドーピング濃度の均一性が大幅に改善した。なお、図３は用いた装置の概略構成を示す断面図であるが、該装置については実施例に記載する。
この際、窒素の取込量は、アルミニウムの取込量未満でなければならない。またＣ面は元来、窒素を取込易いため、制御できる窒素取込量としては２.０×１０¹⁵ｃｍ^-3以上が望ましい。さらにまた、窒素取込量５.０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上になると、不純物散乱による移動度の低下が懸念されるため、望ましくない。

また今回調べたアルミニウム取り込みの温度依存性は、窒素よりも小さかったが、上記非特許文献１にはＣ／Ｓｉ比を０.６まで下げるとアルミニウムの方が取り込みの温度依存性が大きくなることが記載されている。そのような成膜条件の場合は、窒素をドーパント１、アルミニウムをドーパント２とすれば、本発明の方法を用いて、ｎ型のドーピング濃度分布を改善できる。
その場合もアルミニウムの取込量は、窒素の取込量未満でなければならない。また、アルミニウムの取込量としては、制御性の観点から、２.０×１０¹⁵ｃｍ^-3以上が望ましい。さらにまた、アルミニウム取込量５.０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上になると、不純物散乱による移動度の低下が懸念されるため、望ましくない。

なお、本発明の方法に用いる基板は、ＳｉＣ基板であれば、特に限定されず、例えば、４Ｈ−ＳｉＣ基板、６Ｈ−ＳｉＣ基板等が用いられる。また。エピタキシャル膜を成膜する面も、特に限定されず、Ｃ面（０００−１）であっても、Ｓｉ面（０００１）であっても良いことはいうまでもない。

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
本実施例では図３に示す装置を用いて実験をおこなった。
図３に示す装置は、ＳｉＣのエピタキシャル膜の成膜装置として一般的な横型ホットウォール成膜装置の加熱部の概略構成を示す断面図である。加熱部は、石英管と、その内側に断熱材（図示せず）を介して配置されたホットウォールからなる反応室、該反応室内に設置されたサセプタ、該サセプタに支持された基板（ウェハ）、及び石英管に巻かれた高周波加熱コイルから構成されている。本実施例に用いた装置では、ウェハを、円形トレー上に均等間隔で４枚配置して炉内で回転させている。
基板（ウェハ）上にＳｉＣエピタキシャル膜を成膜するための反応ガス（矢印）が、図示しない流入口から導入され加熱部に達すると、高周波加熱コイルにより誘導加熱されたホットウォールによって加熱され、反応室空間に置かれたサセプタに取り付けられるウェハ上で、熱ＣＶＤ法によってエピタキシャルＳｉＣ膜が成膜される。

この装置を用いて、Φ３インチの４Ｈ−ＳｉＣ基板のＣ面（０００−１）上に、成膜温度１７００℃、成膜圧力１０ｋＰａ、Ｃ／Ｓｉ比１．２（モノシランガス流量５０ｓｃｃｍ、プロパンガス流量２０ｓｃｃｍ）、水素ガス流量１００ｓｌｍの条件で、ｎ型のドーパントである窒素を単独でドープしたところ、トレーの中心から端部の方向に単調増加する濃度分布が得られ、σ／ｍｅａｎで６.４％であることが分かった。
また同様に、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用いてｐ型のドーパントであるアルミニウムを単独でドープしたところ、こちらもトレーの中心から端部の方向に単調増加する濃度分布が得られ、σ／ｍｅａｎで１２.６％であることが分かった。

そこで、同様の条件下で、ｐ型エピタキシャル膜を成長させる際、ｐ型の第1ドーパントとしてアルミニウムを取り込ませるため、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を０.０５ｓｃｃｍ流した。この際、同時にｎ型の第２ドーパントとして窒素を取りませるため、窒素ガスを０.０２ｓｃｃｍ流した。
トレーの中心から端部の方向のｐ型ドーピング濃度（Ｎａ−Ｎｄ）を調べたところ、σ／ｍｅａｎ（標準偏差／平均）で３.４％となり、アルミニウム単体の取込量分布よりも大幅に改善していることが分かった。

Claims (1)

1. ＳｉＣ基板上にｐ型のＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させる方法において、
   アルミニウムからなる主たるドーパントである第１のドーパントを含む反応ガスを、取込量が２．０×１０ ¹⁵ ｃｍ ^-3 以上、５．０×１０ ¹⁶ ｃｍ ^-3 未満となるように流しつつ、窒素からなる第２のドーパントを、そのエピタキシャル膜中への取込量が、前記第１のドーパントの膜中への取込量と同量未満になるように流すことを特徴とするエピタキシャルＳｉＣ膜の成膜方法。
   

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