JP6269854B2 - 炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法 - Google Patents

炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法 Download PDF

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Description

この発明は、炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法に関する。
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(C38)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、4H−SiC基板上に、高耐圧のデバイスを作製する際に必要な100μm以上の厚さのSiCエピタキシャル膜を成膜すると、SiCエピタキシャル膜の応力が増大し、基板が反るという問題が発生しやすい。基板が反ると、デバイス作製プロセスで使用する各種プロセス装置に基板を挿入する際に、チャック(固定)で不具合が生じたり、フォトプロセスでは反りの為、回路パターン精度に狂いが生じたり、最悪の場合、プロセス流動中に基板が割れるなどの大きな問題が発生している。
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、反りの少ないエピタキシャル膜付き基板を製造することができる炭化珪素エピタキシャル膜の成長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、目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法は、以下の特徴を有する。反応容器内に珪素を含むガス、炭素を含むガス及び塩素を含むガスを含む原料ガスを導入し、前記反応容器内の炭化珪素基板上に単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を、化学気相成長法により成長させるにあたり、前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の成長開始から終了までの間に、前記反応容器内へ前記原料ガスを導入してエピタキシャル成長を行う工程と、前記原料ガスのうち、珪素を含むガス及び炭素を含むガスの前記反応容器内への供給を停止し、炉内温度を保持したまま、水素のみ、または水素及び塩化水素を含むガス雰囲気中で処理する工程と、を交互に行い、応力値が±7.8MPa以内になるように、前記炭化珪素基板の珪素面に前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を成長させる。
この発明によれば、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の応力値が±7.8MPa以内であるため、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜付き炭化珪素基板の反りが低減される。
また、この発明にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法は、上述した発明において、前記応力値は、ラマン分光装置により前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の断面を、前記炭化珪素基板と前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜との界面から前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の表面まで線分析した場合のピークシフト値を換算した値であり、前記ピークシフト値は、±0.03cm-1以内であることを特徴とする。
この発明によれば、ピークシフト値が±0.03cm-1以内であるため、ピークシフト値から換算して求めた応力値が±7.8MPa以内となるので、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜付き炭化珪素基板の反りが低減される。
この発明によれば、引張応力も圧縮応力もほとんど発生していない単結晶炭化珪素エピタキシャル膜が得られるため、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜付き炭化珪素基板の反りが低減される。
また、この発明にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法は、上述した発明において、前記反応容器内へ前記原料ガスを導入してエピタキシャル成長を行う工程では、前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を1回当たり4μm以下の厚さに成長させることを特徴とする。
この発明によれば、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜に生じる引張応力または圧縮応力が小さくなるため、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜付き炭化珪素基板の反りが低減される。
また、この発明にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法は、上述した発明において、前記原料ガスのうち、珪素を含むガス及び炭素を含むガスの前記反応容器内への供給を停止する時間は、30秒以上であることを特徴とする。
この発明によれば、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜に生じる引張応力または圧縮応力が小さくなるため、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜付き炭化珪素基板の反りが低減される。珪素を含むガス及び炭素を含むガスの供給停止時間が30秒よりも短いと、炭化珪素エピタキシャル膜を連続で成長させた状態に近くなるため、単結晶炭化珪素エピタキシャル膜に生じる引張応力または圧縮応力が小さくならない。
本発明にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法によれば、反りの少ない単結晶炭化珪素エピタキシャル膜付き炭化珪素基板を製造することができる。
図1Aは、実施の形態にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法の一例を示す工程図である。 図1Bは、実施の形態にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長途中の状態を模式的に示す断面図である。 図2は、実施例1のラマン線シフト量の測定結果を示す特性図である。 図3は、実施例2〜5のラマン線シフト量の測定結果を示す図表である。 図4は、実施例6〜9のラマン線シフト量の測定結果を示す図表である。 図5は、実施例10のラマン線シフト量の測定結果を示す特性図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
(実施の形態)
図1Aは、実施の形態にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法の一例を示す工程図である。図1Bは、実施の形態にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長途中の状態を模式的に示す断面図である。まず、炭化珪素基板1を用意し、一般的な有機洗浄やRCA洗浄法で炭化珪素基板1をよく洗浄する。炭化珪素基板1の一例として、炭化珪素の四層周期六方晶、Si面、4°オフ基板が挙げられる。なお、炭化珪素基板1は、他のオフ角の基板であってもよい。
次いで、図1Aに示すように、炭化珪素エピタキシャル膜2を成長させるCVD炉内に炭化珪素基板1を搬入し、サセプタ上に炭化珪素基板1をセットする(ステップS1)。次いで、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(ステップS2)。
次いで、炉内に、精製器で精製したH2ガスを例えば20L/分の流量で例えば15分間流し、炉内をH2ガスで置換する(ステップS3)。しかる後、炉内にH2ガスを例えば20L/分の流量で導入したまま、例えば高周波誘導により炉を加熱して、炉内を所望の温度、例えば1600℃まで昇温させる(ステップS4)。その際、放射温度計を用いて炉内の温度を計測することによって、炉内の温度を制御することができる。
炉内の温度が例えば1600℃になったら、その状態で10分間保持し、炭化珪素基板1の表面をH2エッチングする(ステップS5)。それによって、炭化珪素基板1の表面がエピタキシャル成長に適した表面になる。その後、炉内の温度を、エピタキシャル成長を行う温度、例えば1630℃に調整する(ステップS6)。
次いで、炉内にSiH4(例えばH2希釈50%)、C38(例えばH2希釈20%)、HCl(例えば100%)、及びドーピングガスを導入して炭化珪素基板1上に炭化珪素エピタキシャル膜2を成長させる(ステップS7)。その際、SiとCとの元素比(C/Si比)が例えば1.3となるように、SiH4/H2及びC38/H2のガス量を調節してもよい。また、SiとClとの元素比(Cl/Si比)が例えば3.0となるように、SiH4/H2及びHClのガス量を調節してもよい。
ガス流量の一例を挙げると、SiH4/H2ガスは200sccm、C38/H2ガスは166sccm、HClガスは300sccmであってもよい。ドーピングガスは、例えばN2ガスであり、キャリア濃度が例えば5×1015/cm3となるように、N2ガスの流量を調整してもよい。
SiH4は、珪素を含むガスの一例である。C38は、炭素を含むガスの一例である。HClは、塩素を含むガスの一例である。図1Bには、珪素を含むガス、炭素を含むガスおよびドーピングガスなど炉内に供給されるガスをまとめて矢印3で示す。
炭化珪素エピタキシャル膜2が、1回当たりに成長させる厚さまで成長したら、SiH4ガス及びC38ガスの炉内への供給を停止する。1回当たりのエピタキシャル成長で成長させる炭化珪素エピタキシャル膜2の厚さは、例えば4μm以下であるのが好ましい。
そして、炉内をH2ガス雰囲気、またはH2及びHClガス雰囲気にして、所定時間、保持する(ステップS8)。SiH4ガス及びC38ガスの供給を停止する時間は、例えば30秒以上であるのが好ましい。また、SiH4ガス及びC38ガスの供給を停止する時間は、例えば2分以下であるのが好ましい。
次いで、炉内に再びSiH4(例えばH2希釈50%)、C38(例えばH2希釈20%)、HCl(例えば100%)、及びドーピングガスを導入して炭化珪素基板1上に炭化珪素エピタキシャル膜2を成長させる(ステップS7)。そして、炭化珪素エピタキシャル膜2全体の厚さが所望の厚さになるまで、ステップS7〜ステップS8を繰り返す。
(実施例1)
実施の形態で説明した炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法に従って、3インチウエハーの炭化珪素基板1上に、約40μm/hの成長速度で約11.5μmの膜厚の炭化珪素エピタキシャル膜2を成長させた。ただし、図1に示すステップS8を行わずに、1回のステップS7のエピタキシャル成長において、約11.5μm厚の炭化珪素エピタキシャル膜2を連続して成長させた。
そして、エピタキシャル成長後のウエハーの中心部分を切り出し、断面を顕微ラマンで分析した。図2に、エピタキシャル膜の応力についてラマン分光法で断面を分析した結果を示す。
図2は、実施例1のラマン線シフト量の測定結果を示す特性図である。図2において、縦軸は、ラマン線シフト量Δν(単位:cm-1)、及びラマン線シフト量Δνを換算した応力(単位:MPa)であり、横軸は、測定位置(μm)である。ラマン線シフト量Δνと応力との間には、次の(1)式の関係がある。(1)式において、αは260という報告がある(H.Harima他 Jpn.J.Appl.Phys.36、5525(1997))。
σ[MPa]=α×Δν[cm-1] ・・・(1)
図2には、基板側からエピタキシャル膜の表面(深さ1μmの位置)までラマン線シフト量Δνを測定した結果が示されている。分析の波数精度は、±0.02cm-1である。図2において、白丸のプロットは、同じ場所の測定を2度行った結果であり、黒丸のプロット及びそれを繋いだ折れ線は、2度の測定の平均値を表している。
図2から明らかなように、基板内部では、ラマン線シフト量Δνは、波数精度の範囲内である約−0.02cm-1でほぼ一定になっている。エピタキシャル膜内部では、ラマン線シフト量Δνは、基板との界面付近からエピタキシャル膜の表面に向かって徐々にマイナス側にシフトしていき、表面に近くなるほど大きくなることがわかる。
ラマン線シフト量Δνがマイナス側にシフトしているのは、引張応力が発生していることを意味している。一方、圧縮応力が発生すると、ラマン線シフト量Δνはプラス側にシフトする。
エピタキシャル膜の表面から1μmの深さの位置では、ラマン線シフト量Δνが−0.09cm-1であるので、上記(1)式を用いて換算すると、約23.4MPaの引張応力が発生していることになる。このようにエピタキシャル膜の膜厚が厚くなると、エピタキシャル膜の表面に近くなるほど大きな応力が加わるため、高耐圧用の厚いエピタキシャル膜を成長させる場合、大きな応力がウエハーに加わることがわかる。
(実施例2)
実施の形態で説明した炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法に従って、炭化珪素基板1上に、40μm/hの成長速度で約12μmの膜厚の炭化珪素エピタキシャル膜2を成長させた。ただし、図1に示すステップS8を行わずに、ステップS7を1回だけ行って約12μm厚の炭化珪素エピタキシャル膜2を連続して成長させた。
(実施例3)
実施の形態で説明した炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法に従って、炭化珪素基板1上に、40μm/hの成長速度で約12μmの膜厚の炭化珪素エピタキシャル膜2を、6μmずつ2回に分けて成長させた。すなわち、ステップS6の後、ステップS7、ステップS8、ステップS7を行った。ステップS8では、1分間、SiH4ガス及びC38ガスの供給を停止して水素及び塩化水素雰囲気中で保持した。
(実施例4)
実施の形態で説明した炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法に従って、炭化珪素基板1上に、40μm/hの成長速度で約12μmの膜厚の炭化珪素エピタキシャル膜2を、4μmずつ3回に分けて成長させた。すなわち、ステップS6の後、ステップS7、ステップS8、ステップS7、ステップS8、ステップS7を行った。ステップS8では、1分間、SiH4ガス及びC38ガスの供給を停止して水素及び塩化水素雰囲気中で保持した。
(実施例5)
実施の形態で説明した炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法に従って、炭化珪素基板1上に、40μm/hの成長速度で約12μmの膜厚の炭化珪素エピタキシャル膜2を、2μmずつ6回に分けて成長させた。すなわち、ステップS6の後、ステップS7、ステップS8、ステップS7、ステップS8、ステップS7、ステップS8、ステップS7、ステップS8、ステップS7、ステップS8、ステップS7を行った。ステップS8では、1分間、SiH4ガス及びC38ガスの供給を停止して水素及び塩化水素雰囲気中で保持した。
実施例2〜5について、エピタキシャル成長後のウエハーの中心部分を切り出し、断面を顕微ラマンで分析した。図3は、実施例2〜5のラマン線シフト量の測定結果を示す図表である。図3において、ラマン線シフト量は、エピタキシャル膜の表面から1μmの深さでの測定結果である。図3に示すように、実施例2のラマン線シフト量は−0.09cm-1であり、実施例3のラマン線シフト量は−0.05cm-1であり、実施例4のラマン線シフト量は−0.03cm-1であり、実施例5のラマン線シフト量は−0.02cm-1であった。
1回あたりに成長させるエピタキシャル膜の厚さを4μm以下にすることによって、ラマン線シフト量を−0.03cm-1まで低減することができる。従って、引張応力を小さくすることができることがわかる。ここで、±0.02cm-1が、誤差を含んだ波数精度である。1回あたりに成長させるエピタキシャル膜を薄くすると、引張応力の低減効果が大きいが、所望の厚さのエピタキシャル膜を得るまでの総時間が長くなってしまうため、スループットの点では好ましくない。
従って、1回あたりに成長させるエピタキシャル膜の厚さは、ラマン線シフト量を−0.03cm-1以下に維持することが可能な最大の膜厚である4μm程度であるのが望ましい。
(実施例6)
実施の形態で説明した炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法に従って、炭化珪素基板1上に、40μm/hの成長速度で12μmの膜厚の炭化珪素エピタキシャル膜2を、4μmずつ3回に分けて成長させた。すなわち、ステップS6の後、ステップS7、ステップS8、ステップS7、ステップS8、ステップS7を行った。ステップS8では、15秒間、SiH4ガス及びC38ガスの供給を停止して水素及び塩化水素雰囲気中で保持した。
(実施例7)
実施例6と同様にして、炭化珪素基板1上に炭化珪素エピタキシャル膜2を、4μmずつ3回に分けて成長させた。ステップS8では、30秒間、SiH4ガス及びC38ガスの供給を停止して水素及び塩化水素雰囲気中で保持した。
(実施例8)
実施例6と同様にして、炭化珪素基板1上に炭化珪素エピタキシャル膜2を、4μmずつ3回に分けて成長させた。ステップS8では、1分間、SiH4ガス及びC38ガスの供給を停止して水素及び塩化水素雰囲気中で保持した。
(実施例9)
実施例6と同様にして、炭化珪素基板1上に炭化珪素エピタキシャル膜2を、4μmずつ3回に分けて成長させた。ステップS8では、2分間、SiH4ガス及びC38ガスの供給を停止して水素及び塩化水素雰囲気中で保持した。
実施例6〜9について、エピタキシャル成長後のウエハーの中心部分を切り出し、断面を顕微ラマンで分析した。図4は、実施例6〜9のラマン線シフト量の測定結果を示す図表である。図4において、ラマン線シフト量は、エピタキシャル膜の表面から1μmの深さでの測定結果である。図4に示すように、実施例6のラマン線シフト量は−0.07cm-1であり、実施例7のラマン線シフト量は−0.03cm-1であり、実施例8のラマン線シフト量は−0.02cm-1であり、実施例9のラマン線シフト量は−0.02cm-1であった。
ステップS8におけるSiH4ガス及びC38ガスの供給停止時間を30秒以上にすることによって、ラマン線シフト量を−0.03cm-1まで低減することができる。SiH4ガス及びC38ガスの供給停止時間が短いと、エピタキシャル膜を連続で成長させる場合の状態に近くなり、エピタキシャル膜の堆積が途中で途切れる効果が小さくなってしまう。
一方、SiH4ガス及びC38ガスの供給停止時間が長いと、エピタキシャル膜の堆積が途中で途切れる効果は大きく、ラマン線シフト量が−0.02cm-1まで小さくなる。しかし、所望の厚さのエピタキシャル膜を得るまでの総時間が長くなってしまうため、スループットの点では好ましくない。従って、SiH4ガス及びC38ガスの供給停止時間は、30秒から1分の間であるのが望ましい。
(実施例10)
実施の形態で説明した炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法に従って、ステップS7及びステップS8を複数回、繰り返して、3インチウエハーの炭化珪素基板1上に約23μmの膜厚の炭化珪素エピタキシャル膜2を成長させた。ステップS7では、約40μm/hの成長速度で1回当たり4μmの厚さの炭化珪素エピタキシャル膜2を成長させた。ステップS8では、毎回、SiH4ガス及びC38ガスの供給を1分間停止した。
そして、エピタキシャル成長後のウエハーの中心部分を切り出し、断面を顕微ラマンで分析した。図5に、エピタキシャル膜の応力についてラマン分光法で断面を分析した結果を示す。
図5は、実施例10のラマン線シフト量の測定結果を示す特性図である。図5において、縦軸は、ラマン線シフト量Δν(単位:cm-1)、及び上記(1)式を用いてラマン線シフト量Δνを換算した応力(単位:MPa)であり、横軸は、測定位置(μm)である。
図5には、基板側からエピタキシャル膜の表面(深さ1μmの位置)までラマン線シフト量Δνを測定した結果が示されている。分析の波数精度は、±0.02cm-1である。図5において、白丸のプロットは、同じ場所の測定を2度行った結果であり、黒丸のプロット及びそれを繋いだ折れ線は、2度の測定の平均値を表している。
図5から明らかなように、基板とエピタキシャル膜との界面からエピタキシャル膜の表面(深さ1μmの位置)まででは、ラマン線シフト量Δνは±0.02cm-1である。つまり、引張応力(Δνがマイナス側にシフト)も圧縮応力(Δνがプラス側にシフト)もほとんど発生していないエピタキシャル膜が得られたことがわかる。
以上説明したように、実施の形態にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法によれば、炭化珪素基板上に成長させた炭化珪素エピタキシャル膜に生じる引張応力または圧縮応力が小さくなるため、反りの少ない炭化珪素エピタキシャル膜付き炭化珪素基板を製造することができる。
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態及び各実施例中に記載した数値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、実施の形態及び各実施例中に記載した原料ガスは一例であり、その他の珪素を含むガス、その他の炭素を含むガス、またはその他の塩素を含むガスを用いることができる。
以上のように、本発明にかかる炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法は、炭化珪素を半導体材料としてトランジスタやダイオード等の素子を作製する場合に使用される炭化珪素基板上に炭化珪素の単結晶膜を成膜してなる炭化珪素単結晶基板に有用であり、特に、炭化珪素の単結晶膜の応力緩和による基板反り量の小さい炭化珪素単結晶基板の作製に適している。
1 炭化珪素基板
2 炭化珪素エピタキシャル膜
3 ガス

Claims (4)

  1. 反応容器内に珪素を含むガス、炭素を含むガス及び塩素を含むガスを含む原料ガスを導入し、前記反応容器内の炭化珪素基板上に単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を、化学気相成長法により成長させるにあたり、
    前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の成長開始から終了までの間に、
    前記反応容器内へ前記原料ガスを導入してエピタキシャル成長を行う工程と、
    前記原料ガスのうち、珪素を含むガス及び炭素を含むガスの前記反応容器内への供給を停止し、炉内温度を保持したまま、水素のみ、または水素及び塩化水素を含むガス雰囲気中で処理する工程と、
    を交互に行い、応力値が±7.8MPa以内になるように、前記炭化珪素基板の珪素面に前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を成長させることを特徴とする炭化珪素エピタキシャル膜の成長方法。
  2. 前記応力値は、ラマン分光装置により前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の断面を、前記炭化珪素基板と前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜との界面から前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜の表面まで線分析した場合のピークシフト値を換算した値であり、
    前記ピークシフト値は、±0.03cm-1以内であ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膜の成長方法。
  3. 前記反応容器内へ前記原料ガスを導入してエピタキシャル成長を行う工程では、前記単結晶炭化珪素エピタキシャル膜を1回当たり4μm以下の厚さに成長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膜の成長方法。
  4. 前記原料ガスのうち、珪素を含むガス及び炭素を含むガスの前記反応容器内への供給を停止する時間は、30秒以上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エピタキシャル膜の成長方法。
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