JP6748572B2 - ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハ及びその製造方法に関する。
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きい。また炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて熱伝導率が３倍程度高い。そのため炭化珪素（ＳｉＣ）は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
ＳｉＣを用いてデバイスを作製するためには、電気的特性を制御するドーパントを加える必要がある。ｎ型ドーパントとして窒素やリン、ｐ型ドーパントとしてアルミニウムやボロン等が知られている。これらのドーパントをエピタキシャル膜中に高濃度にドープし、エピタキシャル膜を低抵抗化する試みが進められている。
ｎ型ドーパントがドープされたｎ型ＳｉＣエピタキシャル膜は、多くの検討が進められている。これに対し、ｐ型ドーパントがドープされたｐ型ＳｉＣエピタキシャル膜については十分な検討が進められておらず、実験室レベルでの報告がされている程度である。
例えば、非特許文献１及び非特許文献２には、原料ガスとしてシランとプロパン、ドーパントガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて、ｐ型ＳｉＣエピタキシャル膜を作製できることが記載されている。
アルミニウムを用いて高濃度にドーピングすることは難しい。特許文献１には、アルミニウムを用いて高ドーピングするために、窒素を同時にドーピングする共ドーピングの手法が用いられている。
また一方、ＳｉＣエピタキシャル成長では、微小なパーティクルに起因した三角欠陥の発生が問題になり、低減が求められる。ＳｉＣエピタキシャル成長では、成長速度を大きくするためにＳｉ原料ガスの供給量を挙げると、Ｓｉ凝集に起因した欠陥が発生しやすい。それを防ぐために、Ｃｌを含むガスが利用することが一般的に行われる。
非特許文献３には、高品質なエピタキシャル膜を得るために、分子中にＣｌを含むＣｌ系ガスを用いる方法が記載されている。Ｃｌを含むガスとしては、ＨＣｌの様なＳｉを含まないガスの他、クロロシランの様なＳｉを含むガスも使用される。
Marcin Zielinski et al., Mat. Sci. Forum Vol.858, pp 137-142.
N. Nordell and A. Schoner. Journal of Electronic Materials, Vol26, No.3, 1997, p187-192.
Henrik Pedersen et al., Chem. Rev. 2012, 112, 2434-2453.
近年のＳｉＣデバイスの開発において低抵抗のエピタキシャル膜を得るために、高濃度にドーピングされたｐ型エピタキシャルウェハが求められている。しかしながら、特許文献１の様な共ドーピングの方法では、移動度に影響を与えるｎ型不純物が高濃度に含まれてしまい、一般的ではない。
また、Ａｌを高濃度にドーピングする場合、Ａｌを含むドーピングガスの流量を増加させる必要がある。その場合に、高品質なエピタキシャル膜を作製するために用いられるＣｌ系ガスを、Ａｌを含むｐ型のドーパントガスと共に使用すると、揮発性の高い塩化アルミニウムが生成してＡｌとＣｌが消費されてしまう。その結果エピタキシャル膜へのＡｌの取込効率が低下し、大量のドーパントガスを供給すると、欠陥が増加し、エピタキシャル膜が非鏡面化してしまうという問題がある。その為、濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上である高ドーピングｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造にＣｌ系ガスを用いることは困難であった。
また、非特許文献１及び非特許文献２は実験室レベルでの検討であり、実際の生産現場に適用するためにはよりドーパント濃度の面内均一性を高める必要がある。つまり、高濃度で、ドーパント濃度の面内均一性の高いｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法が求められている。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、欠陥が少なく高品質であり、１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度でドーピング濃度の面内均一性が高いｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハ及びその製造方法を得ることを目的とする。
本発明者らは、鋭意検討の結果、エピタキシャル膜が非鏡面化してしまうのは、大量のドーパントガスを投入することで、ドーパントガス中に含まれるＣ元素を無視できなくなり、成膜に実効的に寄与する実効的なＣ／Ｓｉ比が高くなっていることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法は、Ａｌのドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法であって、原料ガスにおけるＣ元素とＳｉ元素との比率である投入原料Ｃ／Ｓｉ比を設定する工程と、前記原料ガスと、分子内にＣｌを含むＣｌ系ガスと、分子内にＡｌとＣとを含むドーパントガスと、が存在する成膜雰囲気下で基板上にｐ型のＳｉＣエピタキシャル膜を成膜する工程と、を有し、前記投入原料Ｃ／Ｓｉ比は、前記ドーパントガスに含まれるＣ元素を含む成膜雰囲気におけるＣ元素とＳｉ元素の比率である全ガスＣ／Ｓｉ比を基に設定し、前記投入原料Ｃ／Ｓｉ比と前記全ガスＣ／Ｓｉ比とが異なり、前記投入原料Ｃ／Ｓｉ比が０．８以下である。
（２）上記態様にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法において、前記全ガスＣ／Ｓｉ比が１．０以上であってもよい。
（３）上記態様にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法において、前記分子内にＣｌを含むＣｌ系ガスがＨＣｌを含んでもよい。
（４）上記態様にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法において、前記原料ガスの内、Ｓｉ系原料ガスが分子内にＣｌを含んでもよい。
（５）上記態様にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法において、前記分子内にＡｌとＣを含むドーパントガスがトリメチルアルミニウムであってもよい。
（６）上記態様にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法において、前記成膜雰囲気におけるＣ元素の１０％以上が前記ドーパントガスに由来する構成でもよい。
（７）上記態様にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法において、前記原料ガスがＣ元素を含まない構成でもよい。
（８）第２の態様にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハは、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であり、ドーピング濃度の面内均一性が２５％以下である。
（９）上記態様にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの直径が６インチ以上であってもよい。
（１０）上記態様にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの直径が６インチ未満であり、ドーピング濃度の面内均一性が１０％以下であってもよい。
（１１）上記態様にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法において、三角欠陥密度が０．１ｃｍ−２以下であってもよい。
上記態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法によれば、高濃度でドーピング濃度の面内均一性が高いｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハを得ることができる。
また上記態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハは低抵抗であり、面内均一性が高いため、様々なデバイスを均質に多数作製できる。
以下の説明において例示される条件、物質等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
（ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法）
本実施形態にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法は、Ａｌのドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法である。このｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法は、原料ガスにおけるＣ元素とＳｉ元素との比率である投入原料Ｃ／Ｓｉ比を設定する工程と、原料ガスと、分子内にＣｌを含むＣｌ系ガスと、分子内にＡｌとＣとを含むドーパントガスと、が存在する雰囲気下で基板上にｐ型のＳｉＣエピタキシャル膜を成膜する工程を有する。
本実施形態にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法は、Ａｌのドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法である。このｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法は、原料ガスにおけるＣ元素とＳｉ元素との比率である投入原料Ｃ／Ｓｉ比を設定する工程と、原料ガスと、分子内にＣｌを含むＣｌ系ガスと、分子内にＡｌとＣとを含むドーパントガスと、が存在する雰囲気下で基板上にｐ型のＳｉＣエピタキシャル膜を成膜する工程を有する。
まず本明細書における用語の定義について説明する。
「原料ガス」とは、ＳｉＣエピタキシャル膜を成膜する際の原料となるガスである。一般に、分子内にＳｉを含むＳｉ系原料ガスと、分子内にＣを含むＣ系原料ガスに分けられる。本実施形態では、原料ガスは少なくともＳｉ系原料ガスを含めばよく、Ｃ系原料ガスを含まない場合もある。通常のドーピングを行うエピタキシャル成長では、ドーパントとして用いる元素の量は、ＳｉやＣの量よりも著しく少ないため、原料ガスには、エピタキシャル膜へのドープを意図して供給されたガスであるドーパントガスを含まない。本明細書でも、原料ガスにはＡｌのドープを意図して供給されるドーパントは含まないものとして区別される。すなわちＣ系原料ガスは分子にＡｌを含まない。
「原料ガス」とは、ＳｉＣエピタキシャル膜を成膜する際の原料となるガスである。一般に、分子内にＳｉを含むＳｉ系原料ガスと、分子内にＣを含むＣ系原料ガスに分けられる。本実施形態では、原料ガスは少なくともＳｉ系原料ガスを含めばよく、Ｃ系原料ガスを含まない場合もある。通常のドーピングを行うエピタキシャル成長では、ドーパントとして用いる元素の量は、ＳｉやＣの量よりも著しく少ないため、原料ガスには、エピタキシャル膜へのドープを意図して供給されたガスであるドーパントガスを含まない。本明細書でも、原料ガスにはＡｌのドープを意図して供給されるドーパントは含まないものとして区別される。すなわちＣ系原料ガスは分子にＡｌを含まない。
Ｓｉ系原料ガスは公知のものを用いることができ、例えばシラン（ＳｉＨ４）が挙げられる。この他、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）などのエッチング作用があるＣｌを含む塩素系Ｓｉ原料含有ガス（クロライド系原料）を用いることもできる。Ｃ系原料ガスとしては、例えばプロパン（Ｃ３Ｈ８）等を用いることができる。
次いで「Ｃｌ系ガス」とは、ガスを構成する分子の構成元素としてＣｌが含まれるガスである。例えば、塩化水素（ＨＣｌ）、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４等が該当する。ここで、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４は、上記のＳｉ系原料ガスでもある。これらのガスのように、「Ｃｌ系ガス」であり、「Ｓｉ系原料ガス」であるという場合もある。
また「ドーパントガス」とは、ガスを構成する分子の構成元素としてＡｌとＣとを含むガスである。例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）に代表されるアルキルアルミニウム、シクロアルミニウム等が挙げられる。Ａｌを単体でドープすることが難しいため、Ａｌを構成元素として有するガスがドーパントガスとして用いられる。ドーパントガスは、原則としてエピタキシャル膜へのＡｌのドープを意図して供給されたガスである。
この他に、これらのガスを反応炉内に搬送するためのキャリアガスがある。キャリアガスには、不活性な水素が用いられる。雰囲気あるいは成膜雰囲気は、成長炉内の気体の状態という意味で用いるため水素ガスを含む状態を指すが、水素はエピタキシャル成長の反応には直接影響を与えないので、反応炉内に存在するが今後特には言及しない。
上述のように一つのガスが複数のガスの用途を兼ね備える場合があるため、「原料ガスと、分子内にＣｌを含むＣｌ系ガスと、分子内にＡｌとＣとを含むドーパントガスと、が存在する雰囲気」とは、以下のような組合せが考えられる。
一つは、それぞれのガスが機能を区別してそれぞれ雰囲気中に存在する場合である。例えば、雰囲気中に、原料ガスとしてＳｉＨ４（Ｓｉ系原料ガス）及びＣ３Ｈ８（Ｃ系原料ガス）、Ｃｌ系ガスとしてＨＣｌ、ドーパントガスとしてＴＭＡが存在する場合が挙げられる。
またＳｉ系原料ガスがＣｌ系ガスを兼ね備える場合もある。例えば、原料ガスとしてＳｉＨＣｌ３（Ｓｉ系原料ガス、Ｃｌ系ガス）及びＣ３Ｈ８（Ｃ系原料ガス）、ドーパントガスとしてＴＭＡを用いる場合がある。ＳｉＨＣｌ３が、Ｓｉ系原料ガス及びＣｌ系ガスとして機能している。
また、Ｃｌ系ガスとしてＳｉ系原料ガスを兼ねるガスとＳｉを含まないＣｌ系ガスを同時に用いる場合もある。例えば、原料ガスとしてＳｉＨＣｌ３（Ｓｉ系原料ガス、Ｃｌ系ガス）及びＣ３Ｈ８（Ｃ系原料ガス）、その他Ｃｌ系ガスとしてＨＣｌ、ドーパントガスとしてＴＭＡを用いる場合がある。ＳｉＨＣｌ３は、Ｓｉ系原料ガス及びＣｌ系ガスとして機能している。
また原料ガスがＣ系原料ガスを含まない場合もある。例えば、原料ガスとしてＳｉＨ４（Ｓｉ系原料ガス）、Ｃｌ系ガスとしてＨＣｌ、ドーパントガスとしてＴＭＡが存在する場合が挙げられる。
さらに、原料ガスがＣ系原料ガスを含まず、Ｓｉ系原料ガスがＣｌ系ガスを兼ね備える場合もある。例えば、原料ガスとしてＳｉＨＣｌ３（Ｓｉ系原料ガス、Ｃｌ系ガス）、ドーパントガスとしてＴＭＡを用いる場合がある。
このような雰囲気は、基板が内部に載置された反応炉内の反応空間にこれらのガスを供給して得られる。これらのガスは、それぞれ別の配管から反応炉内に供給することもできるし、一つの配管からまとめて供給することもできる。配管内での反応を避けるためには、それぞれ別々に供給することが好ましい。
それぞれのガスの供給比率はＳｉＣエピタキシャル膜の成膜状態、物性等に大きな影響を及ぼす。そのため、事前にそれぞれのガスの供給量を設定し、成膜雰囲気を制御する。
ＳｉＣエピタキシャル膜は、基板上でＣ元素とＳｉ元素とが反応して得られる。そのため、Ｃ元素とＳｉ元素との比であるＣ／Ｓｉ比は特に重要なパラメータである。
ここで本明細書において「Ｃ／Ｓｉ比」は二つの意味があり、それぞれを明確に使い分けて表現する。一つは、ＳｉＣエピタキシャル膜を成膜する成膜雰囲気におけるＣ元素とＳｉ元素の比率であり、これを「全ガスＣ／Ｓｉ比」という。もう一つは、供給する原料ガスにおけるＣ元素とＳｉ元素の比率であり、これを「投入原料Ｃ／Ｓｉ比」という。
一般に投入原料Ｃ／Ｓｉ比と全ガスＣ／Ｓｉ比とは一致する。また、このような場合の全ガスＣ／Ｓｉが実効的なＣ／Ｓｉ比を示すものとして用いられている。そのため、ＳｉＣの分野においては、Ｓｉ系原料ガスとＣ系原料ガスの供給比すなわち投入原料Ｃ／Ｓｉ比を、Ｃ／Ｓｉ比として扱っていることが多い。
例えば、エピタキシャル膜に１×１０１８ｃｍ−３未満の低濃度のアルミニウムをドープする場合は、ドーパントガスは成膜雰囲気中に存在するガスの主な要素の一つではなく、原料ガスと比較して十分無視できる程度の量しか供給されていない。そのため、ドーパントガス中に存在するＣ元素は、Ｃ系原料ガス中に存在するＣ元素と比較すると誤差の範囲である。つまり、投入原料Ｃ／Ｓｉ比と全ガスＣ／Ｓｉ比とはほぼ一致していると言える。
これに対し、本実施形態にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法では、アルミニウムを１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度にドープし、かつ、成膜雰囲気中にＣｌ元素とＡｌ元素が共存する。Ｃｌ元素とＡｌ元素とが反応すると、塩化アルミニウムが生成される。塩化アルミニウムは揮発性が高く、塩化アルミニウムが生成するとエピタキシャル膜中へのアルミニウムの取込効率が低下する。
そのため、アルミニウムが高濃度にドープされたエピタキシャル膜を得るためには、ドーパントガスの供給量として一般に想定されている量を大幅に超えるドーパントガスを供給する必要がある。例えば、ドーパントガスが全Ｃ系原料ガスの１０％以上を占める程度に供給する必要がある。
ドーパントガスの供給量が多くなると、低濃度ドープでは無視できていたドーパントガス中のＣ元素が無視できなくなる。すなわち、投入原料Ｃ／Ｓｉ比と全ガスＣ／Ｓｉ比とが一致しなくなる。つまり、投入原料Ｃ／Ｓｉ比を制御しても、全ガスＣ／Ｓｉ比が高くなり、多数の欠陥がエピタキシャル膜に発生する。エピタキシャル膜に多数の欠陥が発生すると、エピタキシャル膜が非鏡面化する。このことは、Ｃｌ元素とＡｌ元素が共存する雰囲気下で高濃度のアルミニウムをドープする際に初めて直面する課題である。
そのため本実施形態にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法において投入原料Ｃ／Ｓｉ比は、全ガスＣ／Ｓｉ比を基に設定する。このとき全ガスＣ／Ｓｉ比におけるＣ元素はドーパントガス中のＣ元素を含むため、投入原料Ｃ／Ｓｉ比と全ガスＣ／Ｓｉ比とは異なる。
ＳｉＣはシリコンと炭素が１対１で結合して得られるため、全ガスＣ／Ｓｉ比を１．０近傍に設定することが一般的である。しかしながら、ドーパントガス由来のＣ元素は、Ｃ系原料ガス由来のＣ元素より取り込まれ難い。
ドーパントガス由来のＣ元素の相対取り込み効率（原料ガス由来のＣ元素の取り込み効率に対する比率）αは、全ガスＣ／Ｓｉ比、投入原料Ｃ／Ｓｉ比及びＳｉＣエピタキシャル膜の成膜反応過程を考慮して算出できる。具体的には、以下の一般式（１）から求められる。
｛（ドーパントガス由来のＣ）×α｝／Ｓｉ＝（全ガスＣ／Ｓｉ比）−（投入原料Ｃ／Ｓｉ比）・・・（１）
｛（ドーパントガス由来のＣ）×α｝／Ｓｉ＝（全ガスＣ／Ｓｉ比）−（投入原料Ｃ／Ｓｉ比）・・・（１）
一般式（１）は、原料ガス由来のＣ元素の取り込み効率に対するドーパントガス由来のＣ元素の取り込み効率の実効的な比率をαとしたものである。
ＳｉＣの化学組成はＳｉ元素とＣ元素は１対１で結合する。そのため、一般に、雰囲気ガス中のＣ／Ｓｉ比も１近傍の一定範囲内に制御することが望ましい。この範囲を超えた場合、成長表面のＣとＳｉの比率が一方に偏るため、正常なエピタキシャル成長とはならず、白濁などの表面異常を生じ、それに伴う欠陥も発生しやすい。
実験の結果、ドーパントガス由来のＣ元素の相対取り込み効率αは、１．０よりも小さく、０．７程度であることがわかった。そのため、全ガスＣ／Ｓｉ比を設定する際にはこの相対取り込み効率を考慮することが好ましい。そして求められた実効Ｃ／Ｓｉ比を基に、投入原料Ｃ／Ｓｉ比を設定することが好ましい。
通常の成長の様に投入原料Ｃ／Ｓｉ比を実効的なＣ／Ｓｉ比とみなして条件を設定すると、ＴＭＡ由来のＣ元素の分が加わり、Ｃ／Ｓｉ比が適切な値より大きくなってしまう。また、ＴＭＡ由来のＣ元素の分を考慮して条件をする場合、ＴＭＡ由来のＣ元素の取り込み効率の実効的な比率αを、Ｃ系原料と同じ１．０として仮定してしまうとＣ／Ｓｉ比が適切な値より大きくなる。
すなわち、αを１として投入原料Ｃ／Ｓｉ比を設定すると、投入原料Ｃ／Ｓｉ比を下げ過ぎてしまい、実効的なＣ／Ｓｉ比が適切なＣ／Ｓｉ比よりも下がってしまう。Ｃ／Ｓｉ比が下がるとエピタキシャル膜中へのＡｌの取込効率は低下し、高濃度p層を成膜するのは困難になる。そこで、下記のような実験を行い、実効Ｃ／Ｓｉ比が近い条件同士を比較することで、真のαの値を求めた。
ＳｉＣのエピタキシャル成長において、平坦な鏡面を得るためには、実効的なＣ／Ｓｉ比が一定の範囲内にあることが好ましいことが知られている。特に、実効的なＣ／Ｓｉ比が高い場合には、表面が白濁し、上限値近傍の場合は局所的に白濁が生じる。この現象を利用して、鏡面が得られる実効的なＣ／Ｓｉ比の上限近傍で実験を行い、プロパンを基準としたときのドーパントによるＣ元素の相対取込効率αを推定した。
（比較実験１）
４インチのＳｉＣ単結晶基板を準備した。準備したＳｉＣ単結晶基板は、４Ｈ型のポリタイプであり、主面は（０００１）Ｓｉ面で４°のオフ角を有する。次いで、ＳｉＣ単結晶基板を成長炉内に導入し、成長炉によって囲まれる成膜雰囲気中にガスを投入、成長温度１６００℃で成長を行った。
４インチのＳｉＣ単結晶基板を準備した。準備したＳｉＣ単結晶基板は、４Ｈ型のポリタイプであり、主面は（０００１）Ｓｉ面で４°のオフ角を有する。次いで、ＳｉＣ単結晶基板を成長炉内に導入し、成長炉によって囲まれる成膜雰囲気中にガスを投入、成長温度１６００℃で成長を行った。
ガスは、Ｓｉ系原料ガスとしてＴＣＳ（トリクロロシラン）、Ｃ系原料ガスとしてプロパン、ドーパントガスとしてＴＭＡ、Ｃｌ系ガスとして塩化水素を用いた。
投入原料Ｃ／Ｓｉ比は０．６とし、ＨＣｌ／ＴＣＳ比は６とした。ＴＭＡを全Ｃ系ガスの５０％以上投入し、高濃度p型ＳｉＣをエピタキシャル成長させた。結果、４インチのウェハ外周部２ｃｍの領域で一部白濁した。この時、プロパンを基準としたときのドーパントによるＣの相対取込効率αを1と仮定する全ガスＣ／Ｓｉ比は２．２５であった。
投入原料Ｃ／Ｓｉ比は０．６とし、ＨＣｌ／ＴＣＳ比は６とした。ＴＭＡを全Ｃ系ガスの５０％以上投入し、高濃度p型ＳｉＣをエピタキシャル成長させた。結果、４インチのウェハ外周部２ｃｍの領域で一部白濁した。この時、プロパンを基準としたときのドーパントによるＣの相対取込効率αを1と仮定する全ガスＣ／Ｓｉ比は２．２５であった。
（比較実験２）
Ｃ／Ｓｉ比を変更した。投入原料Ｃ／Ｓｉ比のみを０．５とした。それ以外は比較実験１と同様に行った。結果、４インチのウェハ全面で鏡面が得られた。この時、全ガスＣ／Ｓｉ比は２．１６であった。
Ｃ／Ｓｉ比を変更した。投入原料Ｃ／Ｓｉ比のみを０．５とした。それ以外は比較実験１と同様に行った。結果、４インチのウェハ全面で鏡面が得られた。この時、全ガスＣ／Ｓｉ比は２．１６であった。
（比較実験３）
さらに、Ｃ／Ｓｉ比を変更した。投入原料Ｃ／Ｓｉ比を０．８とした。それ以外は比較実験１と同様に行った。この時、全ガスＣ／Ｓｉ比が１．９６となるようにＴＭＡ投入量を変えた。結果、４インチのウェハの最外周部数ｍｍの領域が非鏡面化した。
さらに、Ｃ／Ｓｉ比を変更した。投入原料Ｃ／Ｓｉ比を０．８とした。それ以外は比較実験１と同様に行った。この時、全ガスＣ／Ｓｉ比が１．９６となるようにＴＭＡ投入量を変えた。結果、４インチのウェハの最外周部数ｍｍの領域が非鏡面化した。
これらの実験では、表面状態の比較からの実効的なＣ／Ｓｉ比はほぼ同じであると考えられる。これらのウェハは概ね鏡面であり、ごく一部だけが非鏡面化し始めている。これらよりも実効的なＣ／Ｓｉ比を大きくした場合は、ウェハ全面で非鏡面化してゆく。したがって、これらは鏡面が得られる上限と考えられる。今回の実験と同様の条件で鏡面がえられる実効的なＣ／Ｓｉは１．７程度である。この結果から、相対取込効率αを求めると、０．７程度になることが分かった。以上より、プロパンを基準とした時、全Ｃ系原料ガスのうちドーパントガス起因のＣ成分の約７割がＳｉＣのＣ成分として取り込まれると考えられる。
投入原料Ｃ／Ｓｉ比は０．８以下であることが好ましく、０．５以下であることがより好ましく、０．４以下であることがさらに好ましい。特に６インチ以上の大型ウェハ上にエピタキシャル膜を成膜する場合は、より多くのドーパントガスを供給する必要があるため、投入原料Ｃ／Ｓｉ比を０．４以下とすることが好ましい。
上述のように、本実施形態にかかるｐ型エピタキシャルウェハの製造方法は、原料ガスと、分子内にＣｌを含むＣｌ系ガスと、分子内にＡｌとＣとを含むドーパントガスと、が存在する成膜雰囲気下で行われている。そのため、ドーパントであるアルミニウムを高濃度かつ基板の面内方向に均一にドープすることができる。
また全ガスＣ／Ｓｉ比は、ドーパントガス由来のＣ元素を無視せず、考慮して設定している。さらに全ガスＣ／Ｓｉ比は、実際にドーパントガス由来のＣ元素のエピタキシャル膜への取り込み効率を考慮している。そのため、成膜雰囲気中におけるＣ元素が過剰になることが避けられ、高品質なｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハが得られる。
またドーパントガス由来のＣ元素を考慮するため、投入原料Ｃ／Ｓｉ比は１．０より低い０．８以下に設定される。その場合全ガスＣ／Ｓｉ比を１〜２．１とすることが望ましい。鏡面のエピタキシャル表面を得ることができる。
この相対取り込み効率を考慮して全ガスＣ／Ｓｉ比を設定する際、成膜雰囲気におけるＣ元素のうちドーパントガスに由来するＣ元素の割合が大きくなる。これはドーピングの絶対値や表面状態などにより設定される。例えば、１×１０１８ｃｍ−３の場合は、成膜雰囲気におけるＣ元素のうちドーパントガスに由来するＣ元素の割合を１０％程度にすればよく、５×１０１8ｃｍ−３の場合は成膜雰囲気におけるＣ元素のうちドーパントガスに由来するＣ元素の割合を５０％程度にすればよく、１×１０１９ｃｍ−３の場合は成膜雰囲気におけるＣ元素のうちドーパントガスに由来するＣ元素の割合を８０％程度にすればよい。
また、条件によっては、投入原料Ｃ／Ｓｉ比を０、すなわちＣ系原料ガスを用いずに、ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハを作製することができる。
また、条件によっては、投入原料Ｃ／Ｓｉ比を０、すなわちＣ系原料ガスを用いずに、ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハを作製することができる。
原料ガスに対するＣｌ流量は、ドーピング濃度や表面状態を勘案して決めることができる。たとえばＣｌ／Ｓｉ比を７以上とすることができる。Ｃｌ濃度が高いと、欠陥の発生を抑制し良好なＳｉＣエピタキシャル表面が得られる。
（ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハ）
本実施形態にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハは、上述のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法により得られる。
本実施形態にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハは、上述のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法により得られる。
本実施形態にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハは、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であり、１×１０１９以上であることがより好ましい。ｐ型ドーパントが高濃度にドープされたＳｉＣエピタキシャルウェハは低抵抗であり、種々のデバイスへの汎用性が高い。
また本実施形態にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハは、ドーピング濃度の面内均一性が２５％以下であり、１０％以下であることがより好ましい。ここで、ドーピング濃度の面内均一性とは、ドーパント濃度の最大値とドーパント濃度の最小値との差分を面内方向のドーパント濃度の平均値で割り、１００を乗じたものである。
ドーピング濃度の面内均一性は、Ｃｌ系ガスを成膜雰囲気下に混合したことによる効果が大きいと考えられる。ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハのＡｌの取り込み効率は、エピタキシャル表面のＣ／Ｓｉ比に影響を受ける。これは、ＡｌがＳｉサイトに入るため、ＣリッチでＳｉの空孔が生じやすい方が、Ａｌが取り込まれやすいためである。実際にＣ／Ｓｉ比はＡｌドーピングの面内分布調整のための重要パラメータである。本実施形態では、高Ａｌドーピングの領域でＣ／Ｓｉ比を面内分布の均一化に最適な状態に調整する。特にＣｌ系ガスがＨＣｌを含むことにより、ＴＭＡの成長炉内での反応に影響を与えるＣｌの量を、Ｃ／Ｓｉ比とは独立に変えることができる。この点は、調整の自由度が高まり、均一化のために有利に働く。
１枚のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハからは複数のデバイスが作製される。そのため、ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハのドーピング濃度の面内均一性が高ければ、所定の範囲内の条件を満たすデバイスの歩留りが高まる。
またｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの直径は、４インチ以上であることが好ましく、６インチ以上であることがより好ましい。
６インチ以上であるということは重要であり、１枚のＳｉＣエピタキシャルウェハから作製することができるＳｉＣデバイスの取れ数を多くすることができ、ＳｉＣデバイスの低価格化を実現することができる。ＳｉＣデバイスは非常に性能が良い一方でＳｉデバイスと比較してコストが高い点が課題であるが、大型でドーピング濃度の面内均一性の高いｐ型ＳｉＣウェハは、ＳｉＣデバイスの製造コストの大幅な低減につながる。
一方で、ウェハの直径が大きくなれば大きくなるほど、ウェハの外周部分と中央部分とでの成膜条件を一定にすることが難しくなる。より大型でドーパント濃度の面内均一性の高いｐ型エピタキシャルウェハは、上述の製造方法で初めて得ることができる。ウェハの直径が６インチ未満であれば、ドーパント濃度の面内均一性は、１０％以下まで高めることができる。
また本実施形態にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハは、三角欠陥密度が０．１ｃｍ−２以下であることが好ましい。
三角欠陥は、光学顕微鏡により三角形状に見える欠陥を意味する。三角欠陥は、ステップフロー成長方向（＜１１−２０＞方向）に沿って上流から下流に三角形の頂点とその対辺（底辺）が並ぶような方向を向いて形成される欠陥である。三角欠陥は、多形の原因となり、正常なエピタキシャル層との電気特性の違いにより、デバイスに悪影響を及ぼす。
三角欠陥は、Ｃｌ系ガスを成膜雰囲気下に混合することで抑制される。Ｃｌ系ガスは、三角欠陥の起点となるＳｉドロップレット等の欠陥の発生を抑制する。本実施形態では、分子内にＣｌを含むＣｌ系ガスを、ドーパントガスと同時に使用する。これによりＡｌをドープしても高品質なエピタキシャル膜を得ることができる。換言すると、Ｃｌ系ガスを成膜雰囲気下に供給して初めて三角欠陥の少ないｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハが得られる。
上述のように、本実施形態にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハによれば、ドーパント濃度の面内均一性が高いため、ＳｉＣデバイスの歩留りを高めることができる。また低抵抗であるため、様々なＳｉＣデバイスに利用できる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
６インチのＳｉＣ単結晶基板を準備した。準備したＳｉＣ単結晶基板は、４Ｈ型のポリタイプであり、主面は４°のオフ角を有する。
６インチのＳｉＣ単結晶基板を準備した。準備したＳｉＣ単結晶基板は、４Ｈ型のポリタイプであり、主面は４°のオフ角を有する。
次いで、ＳｉＣ単結晶基板を成長炉内に導入し、成長炉によって囲まれる成膜雰囲気中にガスを投入した。ガスは、Ｓｉ系原料ガスとしてＴＣＳ、Ｃ系原料ガスとしてプロパン、ドーパントガスとしてＴＭＡ、Ｃｌ系ガスとして塩化水素を用いた。
投入原料Ｃ／Ｓｉ比は０．４とし、ＨＣｌ／ＴＣＳ比は６とした。また、ドーパントガスの供給量を変更しながらＳｉＣをエピタキシャル成長させ、ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハを得た。この時、全ガスＣ／Ｓｉ比は１．５１、１．７９、２．０６と変化させた。成膜雰囲気ガスにおけるＣ元素に対するドーパントガス由来のＣ元素の占める割合は、最終的に８０％であった。
（実施例２）
実施例２では、ＨＣｌの供給量を変更した点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同一とした。
実施例２では、ＨＣｌの供給量を変更した点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同一とした。
実施例２では、Ｓｉ系原料ガスとしてＴＣＳ、Ｃ系原料ガスとしてプロパン、ドーパントガスとしてＴＭＡ、Ｃｌ系ガスとして塩化水素を用いた。ＨＣｌ／ＴＣＳ比は４とした。
また、ドーパントガスの供給量を変更しながらＳｉＣをエピタキシャル成長させ、ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハを得た。この時、全ガスＣ／Ｓｉ比は１．５１、１．７９、２．０６と変化させた。成膜雰囲気ガスにおけるＣ元素に対するドーパントガス由来のＣ元素の占める割合は、最終的に８０％であった。
（実施例３）
実施例３では、Ｃ系原料ガスを用いなかった点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同一とした。
実施例３では、Ｃ系原料ガスを用いなかった点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同一とした。
実施例３では、Ｓｉ系原料ガスとしてＴＣＳ、ドーパントガスとしてＴＭＡ、Ｃｌ系ガスとして塩化水素を用いた。投入原料Ｃ／Ｓｉ比は０とし、またＨＣｌガスの投入量はＨＣｌ／ＴＣＳ比で６とした。
そしてドーパントガスの供給量を変更しながらＳｉＣをエピタキシャル成長させ、ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハを得た。この時、全ガスＣ／Ｓｉ比は １．４１、１．７６、２．１２と変化させた。成膜雰囲気ガスにおけるＣ元素に対するドーパントガス由来のＣ元素の占める割合は、１００％であった。
実施例１〜３で作製したｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハのアルミニウムのドーパント量を、積層面から厚み方向に向かって二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて測定した。その結果を図１に示す。縦軸は単位面積当たりのドーパント濃度であり、横軸はエピタキシャル膜の表面から厚み方向への深さを示す。
図１に示すように、ドーパントガスの供給量を変更するにつれて、アルミニウムのドーパント量が変化した。すなわち、適切にアルミニウムがエピタキシャル膜中に取り込まれていると言える。またエピタキシャル膜の最表面においては、１×１０１９ｃｍ−３の高濃度にアルミニウムをドーピングできた。
また図２は、ドーパントガスの投入量に対するエピタキシャル膜中のアルミニウム濃度の変化を示すグラフである。図２は、実施例１〜３を含み、Ａｌ濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上は本実施形態のもの、１×１０１８ｃｍ−３未満は低濃度ドープの通常の条件のものである。図２に示すようにドーパントガスの投入量を増やすと、アルミニウム濃度が高くなることが分かる。
また実施例１で作製したｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの表面のドーピング濃度の面内均一性も測定した。測定結果を図３に示す。図３の縦軸はアルミニウム濃度を示し、横軸はＳｉＣエピタキシャルウェハの中心からの距離を示す。
（実施例４）
また実施例４では、ＳｉＣ単結晶基板の大きさを４インチに変更した。その他の条件は実施例１と同様とした。実施例４で作製したｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハのドーピング濃度の面内均一性も測定した。測定結果を図３に示す。
また実施例４では、ＳｉＣ単結晶基板の大きさを４インチに変更した。その他の条件は実施例１と同様とした。実施例４で作製したｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハのドーピング濃度の面内均一性も測定した。測定結果を図３に示す。
図３に示すように、実施例１のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハのドーピング濃度の面内均一性が２０．５％であった。また実施例４のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハのドーピング濃度の面内均一性が７．７％であった。すなわち、ドーピング濃度の面内均一性の高いｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハが得られた。
さらに、図４に示すように、実施例１に示す６インチのｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの三角欠陥密度を測定した。実施例１に示す６インチのｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの三角欠陥密度は０．０６ｃｍ−２ であった。三角欠陥密度はデバイス作製時の歩留りに大きく影響する。本実施形態にかかるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法によれば、低欠陥なｐ型エピタキシャルウェハが得られ、デバイス収率を高くすることができる。そのため、デバイス製作時のコスト削減に大きく貢献できる。
Claims (11)
- Ａｌのドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であるｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法であって、
原料ガスにおけるＣ元素とＳｉ元素との比率である投入原料Ｃ／Ｓｉ比を設定する工程と、
前記原料ガスと、分子内にＣｌを含むＣｌ系ガスと、分子内にＡｌとＣとを含むドーパントガスと、が存在する成膜雰囲気下で基板上にｐ型のＳｉＣエピタキシャル膜を成膜する工程と、を有し、
前記投入原料Ｃ／Ｓｉ比は、前記ドーパントガスに含まれるＣ元素を含む成膜雰囲気におけるＣ元素とＳｉ元素の比率である全ガスＣ／Ｓｉ比を基に設定し、
前記投入原料Ｃ／Ｓｉ比と前記全ガスＣ／Ｓｉ比とが異なり、前記投入原料Ｃ／Ｓｉ比が０．８以下であり、
エピタキシャル表面が鏡面である、ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法。 - 前記全ガスＣ／Ｓｉ比が１．０以上である、請求項１に記載のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法。
- 前記分子内にＣｌを含むＣｌ系ガスがＨＣｌを含む、請求項１または２に記載のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法。
- 前記原料ガスの内、Ｓｉ系原料ガスが分子内にＣｌを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法。
- 前記分子内にＡｌとＣを含むドーパントガスがトリメチルアルミニウムである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法。
- 前記成膜雰囲気におけるＣ元素の１０％以上が前記ドーパントガスに由来する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法。
- 前記原料ガスがＣ元素を含まない、請求項６に記載のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法。
- ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であり、ドーピング濃度の面内均一性が２５％以下であり、
エピタキシャル表面が鏡面である、ｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハ。 - 直径が６インチ以上である、請求項８に記載のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハ。
- 直径が６インチ未満であり、ドーピング濃度の面内均一性が１０％以下である、請求項８に記載のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハ。
- 三角欠陥密度が０．１ｃｍ−２以下である、請求項８〜１０のいずれか一項に記載のｐ型ＳｉＣエピタキシャルウェハ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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