JP7127283B2 - Silicon carbide semiconductor substrate and method for manufacturing silicon carbide semiconductor substrate - Google Patents
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Description
この発明は、炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor substrate and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate.
従来、単結晶SiC(炭化珪素)基板の上に単結晶SiCをエピタキシャル成長(以下、エピタキシャルをエピと略する場合がある。)させた単結晶SiCエピ基板は、1kV級の高耐圧ショットキーダイオードや高耐圧MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)用途として研究開発が進められ、実用化に至った。 Conventionally, a single crystal SiC epitaxial substrate obtained by epitaxially growing a single crystal SiC (hereinafter, epitaxial may be abbreviated as epitaxial) on a single crystal SiC (silicon carbide) substrate has been used as a 1 kV class high voltage Schottky diode, Research and development has progressed as a high voltage MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: insulated gate field effect transistor) application, and it has been put to practical use.
しかしながら、10kV超級の超高耐圧・低損失デバイスを実現するためには、単結晶炭化珪素半導体基板の上に、キャリア濃度が1×1014/cm3~1×1015/cm3の低濃度の単結晶SiCをエピタキシャル成長させた単結晶SiCエピ基板を作製(製造)する必要がある。以下、単結晶炭化珪素半導体基板の上に、エピタキシャル成長させた単結晶SiC基板をエピ基板と略する場合がある。また、低濃度のエピ層をドリフト層と称する場合がある。 However, in order to realize an ultra-high withstand voltage and low loss device of over 10 kV, a low carrier concentration of 1×10 14 /cm 3 to 1×10 15 /cm 3 is required on a single crystal silicon carbide semiconductor substrate. It is necessary to prepare (manufacture) a single crystal SiC epitaxial substrate by epitaxially growing single crystal SiC. Hereinafter, a single-crystal SiC substrate epitaxially grown on a single-crystal silicon carbide semiconductor substrate may be abbreviated as an epi-substrate. A low-concentration epitaxial layer may also be referred to as a drift layer.
低濃度のエピ基板として、1×1014/cm3~1×1017/cm3程度の低窒素(N)濃度のエピ層を形成する技術がある(例えば、下記特許文献1参照)。また、1×1014/cm3以上1×1016/cm3以下の不純物濃度を有するエピタキシャル層をエピタキシャル成長により形成する技術がある(例えば、下記特許文献2参照)。
As a low-concentration epitaxial substrate, there is a technique for forming an epitaxial layer with a low nitrogen (N) concentration of about 1×10 14 /cm 3 to 1×10 17 /cm 3 (see, for example,
しかしながら、従来技術では、設定したキャリア濃度より低くドリフト層が形成され、設定したキャリア濃度のドリフト層が形成されないことがある。例えば、キャリア濃度4×1014/cm3を設定して、ドリフト層を成膜しても、ドリフト層のキャリア濃度のCV(Capacitance-Voltage)測定値が1×1014/cm3前後になる場合がある。これにより、このエピ基板を用いて、例えばドリフト層を設定膜厚135μmとして、耐圧10kV級のSBD(Schottky Barrier Diode)を作製した場合、オン抵抗特性が悪化することがある。 However, in the prior art, the drift layer may be formed with a lower carrier concentration than the set carrier concentration, and the drift layer with the set carrier concentration may not be formed. For example, even if the drift layer is formed with a carrier concentration of 4×10 14 /cm 3 , the CV (Capacitance-Voltage) measurement value of the carrier concentration of the drift layer is around 1×10 14 /cm 3 . Sometimes. As a result, if this epitaxial substrate is used to fabricate an SBD (Schottky Barrier Diode) with a withstand voltage of 10 kV class, for example, with a set film thickness of 135 μm for the drift layer, the on-resistance characteristic may deteriorate.
これは、ドリフト層のキャリア濃度の設定値が非常に低いため、単結晶SiCをエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長装置内で、ドリフト層の不純物と異なる導電型の不純物がドリフト層に入り込むことによる影響を無視できなくなり、目的とするキャリア濃度より低く、ドリフト層が成膜されるためである。 This is because the set value of the carrier concentration of the drift layer is very low, so the influence of impurities of a conductivity type different from that of the drift layer entering the drift layer in an epitaxial growth apparatus for epitaxial growth of single crystal SiC cannot be ignored. , the drift layer is formed with a lower carrier concentration than the target.
例として、設定濃度4×1014/cm3、設定膜厚135μmのn型ドリフト層を成膜したエピ基板を用いてSBD(ショットキーバリアダイオード)を試作したところ、良品のエピ基板はRonA(オン抵抗)が室温で約0.11Ω/cm2だったのに対して、不良品のエピ基板では約1.2Ωcm2程度と10倍も高くなった。図5は、ショットキーバリアダイオードの電流電圧特性を示すグラフである。図5に示すように、良品では、順方向電圧Vfを増加させ、閾値電圧を超えると順方向電流Ifが急激に増加するが、不良品では、オン抵抗が高いため、閾値電圧を超えても順方向電流Ifの増加が緩やかである。オン抵抗が高くなった原因を調査するため、SIMS分析(Secondary Ion Mass Spectrometry:二次イオン質量分析)を検討したところ、不良品のエピ基板のドリフト層の窒素濃度は4~6×1014/cm3であったが、ホウ素(B)の濃度も2~4×1014/cm3ほど観測された。このため、ホウ素によるカウンタードーピングで、ドリフト層の実効キャリア濃度が低下して、SBDのオン抵抗特性が低下したと考えられた。 As an example, when an SBD (Schottky barrier diode) was fabricated using an epitaxial substrate on which an n-type drift layer with a set concentration of 4×10 14 /cm 3 and a set film thickness of 135 μm was formed, the good epitaxial substrate was RonA ( On-resistance) was about 0.11 Ω/cm 2 at room temperature, while the defective epitaxial substrate had about 1.2 Ωcm 2 , ten times higher. FIG. 5 is a graph showing current-voltage characteristics of a Schottky barrier diode. As shown in FIG. 5, in a non-defective product, the forward voltage Vf is increased, and when the threshold voltage is exceeded, the forward current If sharply increases. The forward current If increases slowly. SIMS analysis (Secondary Ion Mass Spectrometry) was conducted to investigate the cause of the increase in on-resistance. cm 3 , and the concentration of boron (B) was also observed to be 2 to 4×10 14 /cm 3 . For this reason, it was considered that counterdoping with boron lowered the effective carrier concentration of the drift layer, thereby lowering the on-resistance characteristics of the SBD.
ここで、ドリフト層中に、ホウ素が混入した原因は以下のことが考えられる。図6は、単結晶SiC用のエピタキシャル成長装置の構造を示す断面図である。エピタキシャル成長装置6では、矢印で示される方向に、原料ガス、キャリアガスおよびドーパントガスを、ガス導入口66からガス排出口67へ水平方向に導入移動させる。ガスは、主に半導体基板65の表面側へ供給され、図示しないIH(Induction Heating)コイル等の加熱装置により、サセプタ61が加熱され、半導体基板65上にドリフト層が形成される。半導体基板としては単結晶4H-SiC(四層周期六方晶の炭化珪素)基板や、単結晶6H-SiC(六層周期六方晶の炭化珪素)基板を用いる。また、エピタキシャル成長装置6は、周囲を黒鉛部材が含まれる断熱材64で囲まれている。
Here, the reason why boron is mixed in the drift layer is considered as follows. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of an epitaxial growth apparatus for single crystal SiC. In the
サセプタ61の素材には、高純度カーボン材63が用いられており、表面は多結晶SiCコート層62で覆われている。ただし、高純度カーボン材63の純度にも限界があり、不純物として微量のホウ素等が含まれている場合がある。このため、新品のサセプタ61の使用開始直後は、エピ成長時に加熱すると、例えば、矢印68が示すようにp型ドーパントとして寄与するホウ素が微量に発生し、エピタキシャル成長装置6内に拡散してしまう。ドリフト層の設定濃度が5×1015/cm3以上くらいなら、1×1014/cm3台の微量のホウ素混入は無視できるが、ドリフト層の設定濃度が1×1015/cm3以下になると、ホウ素混入が無視できないレベルとなり、n型の窒素の中にp型のホウ素が混入されるため、目的とするキャリア濃度より低いキャリア濃度のドリフト層が形成される。
A high-
この発明は、キャリア濃度が低いドリフト層を有する炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor substrate having a drift layer with a low carrier concentration and a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor substrate.
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基板は、次の特徴を有する。炭化珪素半導体基板は、キャリア濃度が、1×1014/cm3以上5×1014
/cm3以下であり、前記不純物の内、導電型を決定する不純物と異なる導電型の不純物成分の各々、または合計の濃度が、1×1014/cm3未満であるエピタキシャル層を備える。結晶構造が4H-SiCで、前記エピタキシャル層を備える主面は、(0001)Si面である。耐圧が10kV以上の炭化珪素半導体装置のための炭化珪素半導体基板である。このエピタキシャル層の設定膜厚は任意とする。
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention has the following features. The silicon carbide semiconductor substrate has a carrier concentration of 1×10 14 /cm 3 or more and 5 ×10 14 /cm 3 or less, and among the impurities, each impurity component having a conductivity type different from the impurity that determines the conductivity type. or with epitaxial layers having a total concentration of less than 1×10 14 /cm 3 . The crystal structure is 4H—SiC, and the principal plane provided with the epitaxial layer is the (0001) Si plane. A silicon carbide semiconductor substrate for a silicon carbide semiconductor device having a breakdown voltage of 10 kV or higher. The set film thickness of this epitaxial layer is arbitrary.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板は、上述した発明において、前記導電型を決定する不純物は、n型ドリフト層である場合は窒素であり、前記導電型を決定する不純物と異なる導電型の不純物成分はホウ素、ないしアルミニウム、ないしホウ素とアルミニウムの両方であることを特徴とする。オフ角度は、0°以上10°以下であり、直径は25mm以上200mm以下であることを特徴とする。このエピタキシャル層の設定膜厚は任意とする。
Further, in the silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention, in the invention described above, the impurity that determines the conductivity type is nitrogen in the case of the n-type drift layer, and the impurity that determines the conductivity type has a conductivity type different from that of the impurity that determines the conductivity type. The impurity component is characterized by being boron, or aluminum, or both boron and aluminum. The off angle is 0° or more and 10° or less, and the diameter is 25 mm or more and 200 mm or less. The set film thickness of this epitaxial layer is arbitrary.
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基板の製造方法は、次の特徴を有する。炭化珪素半導体基板の製造方法は、まず、エピタキシャル成長装置内に、水素を含むガスを供給して、前記エピタキシャル成長装置内を所定時間、加熱する。次に、前記エピタキシャル成長装置内に、単結晶炭化珪素基板を搬入し、原料ガスとキャリアガスと導電型を決定する不純物を含むドーパントガスを供給して前記単結晶炭化珪素基板上に第1エピタキシャル層を形成する第1の条件出し成膜を行う第1成膜工程を行う。次に、前記第1成膜工程後、前記第1エピタキシャル層の不純物の濃度、及び膜厚を計測する第1計測工程を行う。次に、前記第1計測工程後、前記ドーパントガスを供給して、前記第1エピタキシャル層上に第2エピタキシャル層を形成する第2の条件出し成膜を行う第2成膜工程を行う。次に、前記第2成膜工程後、前記第2エピタキシャル層の不純物の濃度、及び膜厚を計測する第2計測工程を行う。次に、前記第1計測工程と前記第2計測工程での計測結果から前記不純物の流量と前記第1エピタキシャル層の不純物の濃度および前記第2エピタキシャル層の不純物の濃度との関係を算出し、前記ドーパントガスの流量を決定する決定工程を行う。次に、前記決定工程後、前記ドーパントガスを供給して、前記第2エピタキシャル層上に第3エピタキシャル層を形成する第3の条件出し成膜を行う第3成膜工程を行う。次に、前記第3成膜工程後、前記第3エピタキシャル層の膜厚と前記不純物の取り込み依存関係を算出し、前記ドーパントガスの流量を調節する調節工程を行う。次に、前記調節工程で調節された流量で前記ドーパントガスを供給して前記第3エピタキシャル層上に単結晶炭化珪素の膜をエピタキシャル成長により形成する。
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention has the following features. In a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate, first, a gas containing hydrogen is supplied into an epitaxial growth apparatus, and the inside of the epitaxial growth apparatus is heated for a predetermined time. Next, a single-crystal silicon carbide substrate is loaded into the epitaxial growth apparatus, and a source gas, a carrier gas, and a dopant gas containing impurities that determine a conductivity type are supplied to form a first epitaxial layer on the single-crystal silicon carbide substrate. A first film forming step is performed to form a first conditional film forming. Next, after the first film formation step, a first measurement step of measuring the impurity concentration and the film thickness of the first epitaxial layer is performed. Next, after the first measurement step, a second film formation step is performed in which the dopant gas is supplied to form a second epitaxial layer on the first epitaxial layer. After the second film formation step, a second measurement step is performed to measure the impurity concentration and film thickness of the second epitaxial layer. Next, calculating the relationship between the impurity flow rate and the impurity concentration of the first epitaxial layer and the impurity concentration of the second epitaxial layer from the measurement results of the first measurement step and the second measurement step, A determination step of determining the flow rate of the dopant gas is performed. Next, after the determining step, a third film forming step is performed to supply the dopant gas and form a third epitaxial layer on the second epitaxial layer by setting a third condition. Next, after the third film formation step, an adjusting step of calculating the film thickness of the third epitaxial layer and the dopant incorporation dependence relationship and adjusting the flow rate of the dopant gas is performed. Next, the dopant gas is supplied at the flow rate adjusted in the adjusting step to form a single-crystal silicon carbide film on the third epitaxial layer by epitaxial growth.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法は、上述した発明において、前記所定時間、加熱する工程は、前記エピタキシャル成長装置内を少なくとも温度1600℃以上、ガス圧力1000Pa以上、10分以上、好ましくは温度1725℃、ガス圧力2500Paで3.5時間加熱することを特徴とする。なお、水素ガス流量については、ガス圧力を制御できる範囲内にて任意の流量とする。 Further, in the method of manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention, in the above-described invention, the step of heating for the predetermined time preferably includes heating the inside of the epitaxial growth apparatus to a temperature of at least 1600° C., a gas pressure of 1000 Pa or more, and for 10 minutes or more. is characterized by heating at a temperature of 1725° C. and a gas pressure of 2500 Pa for 3.5 hours. Note that the hydrogen gas flow rate is set arbitrarily within the range in which the gas pressure can be controlled.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法は、上述した発明において、前記導電型を決定する不純物は窒素であることを特徴とする。また、上述した発明において、エピタキシャル成長を行う単結晶炭化珪素基板の主面は、(0001)Si面が良い。また、上述した発明においてエピタキシャル成長を行う炭化珪素半導体基板のオフ角度は、0度以上10度以下の範囲内なら、何度でも良い。また、上述した発明において製造されるエピ基板の直径は、25mm以上200mm以下の範囲内なら何mmでも良い。 Moreover, in the method of manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention, in the invention described above, the impurity that determines the conductivity type is nitrogen. In the invention described above, the main surface of the single-crystal silicon carbide substrate on which epitaxial growth is performed is preferably the (0001) Si plane. Further, the off-angle of the silicon carbide semiconductor substrate on which epitaxial growth is performed in the invention described above may be any number within the range of 0 degrees or more and 10 degrees or less. Moreover, the diameter of the epitaxial substrate manufactured in the above-described invention may be any mm within the range of 25 mm or more and 200 mm or less.
上述した発明によれば、n-型エピタキシャル層のキャリア濃度が、1×1014/cm3以上1×1015/cm3以下である。このため、この炭化珪素半導体基板のn-型エピタキシャル層の設定膜厚を適切な値とすることにより、高耐圧、例えば、10kV級以上の炭化珪素半導体装置が実現できる。また、n-型エピタキシャル層のキャリア濃度が、1×1014/cm3以上5×1014/cm3以下とした上で、n-型エピタキシャル層の設定膜厚を適切な値とすることで、より高耐圧、例えば、13kV級以上、ないし20kV級以上の炭化珪素半導体装置が実現できる。 According to the invention described above, the n − -type epitaxial layer has a carrier concentration of 1×10 14 /cm 3 or more and 1×10 15 /cm 3 or less. Therefore, by setting the film thickness of the n − -type epitaxial layer of this silicon carbide semiconductor substrate to an appropriate value, a silicon carbide semiconductor device having a high breakdown voltage, for example, 10 kV class or higher can be realized. Further, the carrier concentration of the n − -type epitaxial layer is set to 1×10 14 /cm 3 or more and 5×10 14 /cm 3 or less, and the set film thickness of the n − -type epitaxial layer is set to an appropriate value. , a silicon carbide semiconductor device with a higher withstand voltage, for example, a 13 kV class or higher or a 20 kV class or higher can be realized.
また、n-型エピタキシャル層をエピタキシャル成長させる前に、エピタキシャル成長装置内を所定時間、加熱することで、エピタキシャル成長装置内のサセプタ等の部材を構成するカーボンに含まれるホウ素を事前に放出することができる。これにより、エピタキシャル成長の際にn-型エピタキシャル層に混入するホウ素の量を低減させ、p型の不純物成分の各々、または合計の濃度を、1×1014/cm3未満にすることができる。このため、例えばn-型エピタキシャル層を設定膜厚135μmとして、10kV級のSBD等のユニポーラデバイスを作製した場合、設定したキャリア濃度より低くなることを防ぐことができ、SBDに関してはオン抵抗特性が悪化することを防ぐことができる。 In addition, by heating the inside of the epitaxial growth apparatus for a predetermined time before epitaxially growing the n − -type epitaxial layer, the boron contained in the carbon constituting the members such as the susceptor in the epitaxial growth apparatus can be released in advance. As a result, the amount of boron mixed into the n − -type epitaxial layer during epitaxial growth can be reduced, and the concentration of each or the total of p-type impurity components can be less than 1×10 14 /cm 3 . For this reason, for example, when a unipolar device such as a 10 kV class SBD is manufactured with the n − -type epitaxial layer having a set thickness of 135 μm, it is possible to prevent the carrier concentration from becoming lower than the set value. You can prevent it from getting worse.
本発明にかかる炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法によれば、キャリア濃度が1×1014/cm3~1×1015/cm3の低濃度ドリフト層を有する炭化珪素半導体基板を提供できるという効果を奏する。 According to the silicon carbide semiconductor substrate and the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention, a silicon carbide semiconductor substrate having a low-concentration drift layer with a carrier concentration of 1×10 14 /cm 3 to 1×10 15 /cm 3 is manufactured. There is an effect that it can be provided.
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基板および炭化珪素半導体基板の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および-は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。+および-を含めたnやpの表記が同じ場合は近い濃度であることを示し濃度が同等とは限らない。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。また、本明細書では、ミラー指数の表記において、“-”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“-”を付けることで負の指数をあらわしている。 Preferred embodiments of a silicon carbide semiconductor substrate and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In this specification and the accompanying drawings, layers and regions prefixed with n or p mean that electrons or holes are majority carriers, respectively. Also, + and - attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region not attached, respectively. When the notations of n and p including + and - are the same, it indicates that the concentrations are close, and the concentrations are not necessarily the same. In the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same configurations are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. Also, in this specification, in the notation of the Miller index, "-" means a bar attached to the index immediately after it, and adding "-" before the index indicates a negative index.
(実施の形態)
図1は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の構成を示す断面図である。図1に示すように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板は、n型炭化珪素基板(単結晶炭化珪素基板)1の第1主面(おもて面)、例えば(0001)面(Si面)に、n型バッファ層2が堆積されている。なお、n型バッファ層2は成膜しても良いし、しなくても良い。また、n型バッファ層2の膜厚は、n-型ドリフト層より薄くても良いし、厚くても良い。
(Embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a silicon carbide semiconductor substrate according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the silicon carbide semiconductor substrate according to the embodiment includes a first main surface (front surface) of an n-type silicon carbide substrate (single-crystal silicon carbide substrate) 1, for example, the (0001) plane (Si ), an n-
n型炭化珪素基板1は、炭化珪素単結晶基板である。n型バッファ層2は、例えばn型炭化珪素基板1より高濃度のバッファ層である。n型バッファ層2は、エピタキシャル成長により形成された膜である。n型バッファ層2のn型炭化珪素基板1と反対側の表面にn-型エピタキシャル層(エピタキシャル層)3が堆積されている。なお、n型バッファ層2は、n型炭化珪素基板1より低濃度でも良い。
N-type
n-型エピタキシャル層3は、n型炭化珪素基板1、及びn型バッファ層2よりも低い不純物濃度で、例えば低濃度n-型ドリフト層である。n-型エピタキシャル層3は、エピタキシャル成長により形成された層であり、キャリア濃度が、1×1014/cm3以上1×1015/cm3以下である。ここで、キャリア濃度とは、n-型エピタキシャル層3に含まれるn型の不純物、例えば窒素の濃度と、p型の不純物、例えばホウ素やアルミニウムの濃度とを加えた濃度のことである。また、n-型エピタキシャル層3中で、p型の不純物成分の各々、または合計の濃度は1×1014/cm3未満である。つまり、p型の不純物が複数種類含まれるとき、p型の不純物の合計の濃度が1×1014/cm3未満である。また、n-型エピタキシャル層3のキャリア濃度は、1×1014/cm3以上5×1014/cm3以下であることがより好ましい。キャリア濃度を1×1014/cm3以上5×1014/cm3以下とした上で、n-型エピタキシャル層の設定膜厚を適切な値にすることにより、より高耐圧、例えば、13kV級以上、ないし20kV級以上の炭化珪素半導体装置が実現できる。
The n − -type epitaxial layer 3 has an impurity concentration lower than that of the n-type
(実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法)
次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。図2は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の形成工程のフローチャートである。また、図3は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板におけるドーパント時のドーパントガスの流量とエピタキシャル層のキャリア濃度との対応関係を示すグラフである。図3において、縦軸は、炭化珪素半導体基板上に形成されたエピタキシャル層の窒素の濃度であり、単位は/cm3であり、横軸は、ドーパントガス内の窒素の流量であり、単位はsccm(standard cubic centimeter per minute)またはslm(standard liter per minute)である。
(Manufacturing method of silicon carbide semiconductor substrate according to embodiment)
Next, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to an embodiment will be described. FIG. 2 is a flow chart of forming steps of the silicon carbide semiconductor substrate according to the embodiment. Moreover, FIG. 3 is a graph showing the correspondence relationship between the flow rate of the dopant gas during doping and the carrier concentration of the epitaxial layer in the silicon carbide semiconductor substrate according to the embodiment. In FIG. 3 , the vertical axis is the concentration of nitrogen in the epitaxial layer formed on the silicon carbide semiconductor substrate in units of /cm 3 , and the horizontal axis is the flow rate of nitrogen in the dopant gas in units of sccm (standard cubic centimeter per minute) or slm (standard litter per minute).
実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法では、まず、エピタキシャル成長装置6のベーキングを行う(ステップS1)。エピタキシャル成長装置6内に、水素(H2)を含むガスを供給して、エピタキシャル成長装置6内を所定時間、加熱する。例えば、エピタキシャル成長装置6内に、水素を含むガスを供給して、エピタキシャル成長装置6内を少なくとも温度1600℃以上まで昇温して、圧力を1000Pa以上に制御して、サセプタ61を10分以上加熱する。好ましくは、エピタキシャル成長装置6内を1725℃まで昇温して、圧力を2500Paに制御して、サセプタ61を3.5時間加熱する。これにより、サセプタ61内の高純度カーボン材63および断熱材64に含まれるホウ素を放出することができ、エピ成長時に高純度カーボン材63および断熱材64からホウ素が放出することを防止できる。
In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the embodiment, first,
次に、窒素を添加した第1の条件出し成膜を行う(ステップS2)。例えば、炭化珪素半導体基板の温度を1580℃以上1725℃以下の範囲内での所望の設定温度にして、炭化珪素半導体基板の表面に、水素ガスをキャリアガスに用いて、シラン(SiH4)ガスとプロパン(C3H8)ガスとを同時に供給すると共に、窒素を含むドーパントガスを供給して、ガスの圧力を1000Pa以上20000Pa以下の範囲内での所望の圧力に制御して、例えば、設定膜厚10μmのエピタキシャル層を形成する。ここで、同時に供給とは、完全に同一時刻であることまでは要しないが、数秒から数十秒以内に原料ガスであるSiH4ガスとC3H8ガスが供給されることを意味する。第1の条件出し成膜後、形成されたエピタキシャル層の窒素の濃度、及び膜厚を計測する。第1の条件出し成膜におけるドーパントガスの窒素の流量、および、形成されたエピタキシャル層の窒素の濃度は、図3において点31にプロットされる。
Next, a first conditional film formation to which nitrogen is added is performed (step S2). For example, the temperature of the silicon carbide semiconductor substrate is set to a desired set temperature within the range of 1580° C. or more and 1725° C. or less, and a silane (SiH 4 ) gas is applied to the surface of the silicon carbide semiconductor substrate using hydrogen gas as a carrier gas. and propane (C 3 H 8 ) gas are supplied at the same time, and a dopant gas containing nitrogen is supplied, and the pressure of the gas is controlled to a desired pressure within the range of 1000 Pa or more and 20000 Pa or less. An epitaxial layer having a thickness of 10 μm is formed. Here, "simultaneous supply" means that the SiH 4 gas and the C 3 H 8 gas, which are source gases, are supplied within several seconds to several tens of seconds, although it does not have to be completely at the same time. After the first conditional film formation, the nitrogen concentration and film thickness of the formed epitaxial layer are measured. The nitrogen flow rate of the dopant gas in the first conditioned deposition and the nitrogen concentration of the formed epitaxial layer are plotted at
次に、窒素を添加した第2の条件出し成膜を行う(ステップS3)。例えば、炭化珪素半導体基板の温度を1580℃以上1725℃以下の範囲内での所望の設定温度にして、炭化珪素半導体基板の表面に、H2ガスをキャリアガスに用いて、原料ガスであるSiH4ガスとC3H8ガスとを同時に供給すると共に、窒素を含むドーパントガスを供給して、ガスの圧力を1000Pa以上20000Pa以下の範囲内での所望の圧力に制御して、例えば、設定膜厚6μmのエピタキシャル層を形成する。第2の条件出し成膜後、形成されたエピタキシャル層の窒素の濃度、及び膜厚を計測する。第2の条件出し成膜におけるドーパントガスの窒素の流量、および、形成されたエピタキシャル層の窒素の濃度は、図3において点32にプロットされる。
Next, a second conditional film formation to which nitrogen is added is performed (step S3). For example, the temperature of the silicon carbide semiconductor substrate is set to a desired set temperature within the range of 1580° C. or higher and 1725° C. or lower, and H 2 gas is used as a carrier gas to coat the surface of the silicon carbide semiconductor substrate. 4 gas and C 3 H 8 gas are simultaneously supplied, and a dopant gas containing nitrogen is supplied, and the pressure of the gas is controlled to a desired pressure within the range of 1000 Pa or more and 20000 Pa or less, for example, a set film An epitaxial layer with a thickness of 6 μm is formed. After the second conditional film formation, the nitrogen concentration and film thickness of the formed epitaxial layer are measured. The nitrogen flow rate of the dopant gas in the second conditioned deposition and the nitrogen concentration of the formed epitaxial layer are plotted at
次に、添加した窒素の流量とエピタキシャル層の窒素の濃度との関係を算出する(ステップS4)。例えば、第1の条件出し成膜の結果の点と第2の条件出し成膜の結果の点を直線で結ぶことにより、添加した窒素の流量とエピタキシャル層の窒素の濃度との関係を算出する。図3において、点31と点32を結んだ直線33が、添加した窒素の流量とエピタキシャル層の窒素の濃度との関係を示している。
Next, the relationship between the flow rate of added nitrogen and the concentration of nitrogen in the epitaxial layer is calculated (step S4). For example, the relationship between the flow rate of added nitrogen and the concentration of nitrogen in the epitaxial layer is calculated by connecting the points resulting from the film formation under the first conditions and the points resulting from the film formation under the second conditions with a straight line. . In FIG. 3, a
次に、窒素を添加した第3の条件出し成膜を行う(ステップS5)。ステップS4で算出した直線33から、点34の濃度dtのエピタキシャル層を形成する場合、ドーパントガス内の窒素の流量をn2にすればよいことが分かる。そのため、例えば、炭化珪素半導体基板の温度を1580℃以上1725℃以下の範囲内での所望の設定温度にして、炭化珪素半導体基板の表面に、H2ガスをキャリアガスに用いて、原料ガスであるSiH4ガスとC3H8ガスとを同時に供給すると共に、窒素を含むドーパントガスをn2の流量で供給して、ガスの圧力を1000Pa以上20000Pa以下の範囲内での所望の圧力に制御して、例えば、設定膜厚20μmのエピタキシャル層を形成する。
Next, a third conditional film formation is performed to which nitrogen is added (step S5). From the
次に、膜厚と窒素の取り込み依存関係を算出する(ステップS6)。ステップS5で設定膜厚20μmのエピタキシャル層を形成すると、形成されたエピタキシャル層の窒素濃度は、点34の位置にならず、点35の位置になる場合がある。これは、例えば、エピタキシャル成長装置6のメンテナンスで大気を解放した際に、炉壁に窒素が付着することにより、窒素の取り込みレートが時間変化してしまうためである。また、例えば、エピタキシャル層中にサセプタ61にn型の副生成物(多結晶SiC)が成長して、n型の副生成物が再昇華してしまうため、窒素を放出し、さらにエピ条件のC/Si比(珪素に対する炭素の比率)が崩れて、窒素の取り込みレートが時間変化してしまうためである。また、例えば、カーボン製SiCコートサセプタの表面に、大気中の窒素分子が吸着しているためである。
Next, the dependency on the film thickness and nitrogen uptake is calculated (step S6). When an epitaxial layer having a set film thickness of 20 μm is formed in step S5, the nitrogen concentration of the formed epitaxial layer may not be at
例えば、エピタキシャル層の窒素濃度が高くなる場合は、ドーパントガスの流量を少なくなるように調節する。逆に、エピタキシャル層の窒素濃度が低くなる場合は、ドーパントガスの流量が多くなるように調節する。調節する量は、目的とする濃度と実際の濃度との差異に応じて決定する。 For example, if the epitaxial layer has a high nitrogen concentration, the flow rate of the dopant gas is adjusted to be low. Conversely, when the nitrogen concentration in the epitaxial layer is low, the flow rate of the dopant gas is adjusted to be high. The amount to be adjusted is determined according to the difference between the desired concentration and the actual concentration.
次に、低濃度のエピタキシャル層をエピタキシャル成長により形成する(ステップS7)。例えば、エピタキシャル成長装置6内に、n型炭化珪素基板1を搬入し、n型炭化珪素基板1の温度を1580℃以上1725℃以下の範囲内での所望の設定温度にして、n型炭化珪素基板1の表面に、H2ガスをキャリアガスに用いて、原料ガスであるSiH4ガスとC3H8ガスとを同時に供給すると共に、窒素を含むドーパントガスを供給して、ガスの圧力を1000Pa以上20000Pa以下の範囲内での所望の圧力に制御して、所望の設定膜厚に応じた成膜時間を設定することで、エピタキシャル層を形成する。ドーパントガス内の窒素の流量は、ステップS5で決定された流量とする。
Next, a low-concentration epitaxial layer is formed by epitaxial growth (step S7). For example, the n-type
これにより、本フローチャートにおける一連の処理は終了する。本フローチャートを実施することで、n型バッファ層2上に、キャリア濃度が1×1014/cm3~1×1015/cm3のn-型エピタキシャル層3がエピタキシャル成長より形成される。
With this, a series of processes in this flowchart ends. By carrying out this flow chart, an n - -type epitaxial layer 3 having a carrier concentration of 1×10 14 /cm 3 to 1×10 15 /cm 3 is formed on the n-
なお、実施の形態では、窒素に対して条件出し成膜を3回行ったが、ステップS5を省略して、2回の条件出し成膜だけとすることもできる。最初の2回の条件出し成膜で、直線33を算出することができ、添加した窒素の流量とエピタキシャル成長膜の窒素の濃度との関係を得ることができるためである。
Incidentally, in the embodiment, film formation under conditions was performed three times for nitrogen, but step S5 may be omitted and film formation under conditions may be performed only twice. This is because the
次に、実施の形態で説明した製造方法で炭化珪素半導体基板を製造した結果を示す。n型炭化珪素基板1として、n型4H-SiCを用いて、n型4H-SiCのSi面に、設定膜厚約1.5μmのn型バッファ層2をエピタキシャル成長させた。次に、n型バッファ層2の表面に設定キャリア濃度4×1014/cm3で設定膜厚約25μmのn-型エピタキシャル層3を形成した。
Next, the result of manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate by the manufacturing method described in the embodiment will be shown. Using n-type 4H-SiC as an n-type
図4は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板のn-型エピタキシャル層3のSIMS分析およびCV測定の実測値を示す表である。図4は、上記で製造された炭化珪素半導体基板のn-型エピタキシャル層3の測定結果である。SIMS分析では、n-型エピタキシャル層3の中心近傍で深さ約10μmの箇所の濃度を測定した。測定結果によると、平均窒素濃度は5.6×1014/cm3であり、平均ホウ素濃度は5.1×1013/cm3であり、平均アルミニウム濃度は7.2×1013/cm3であった。この結果、正味の不純物濃度が4.4×1014/cm3であり、p型の不純物(ホウ素、アルミニウム)の濃度がそれぞれ、5.1×1013/cm3、7.2×1013/cm3と1×1014/cm3未満であった。また、CV測定によるn-型エピタキシャル層3のキャリア濃度は、5.0×1014/cm3であり、1×1014/cm3~1×1015/cm3の範囲内にあった。このように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法により、n-型エピタキシャル層のキャリア濃度が、1×1014/cm3以上1×1015/cm3以下であり、p型の不純物成分の各々の濃度が、1×1014/cm3未満であるn-型エピタキシャル層3が形成されることが分かった。 FIG. 4 is a table showing actual values of SIMS analysis and CV measurement of n − -type epitaxial layer 3 of the silicon carbide semiconductor substrate according to the embodiment. FIG. 4 shows measurement results of n − -type epitaxial layer 3 of the silicon carbide semiconductor substrate manufactured above. In the SIMS analysis, the concentration was measured at a depth of about 10 μm near the center of the n − -type epitaxial layer 3 . According to the measurement results, the average nitrogen concentration is 5.6×10 14 /cm 3 , the average boron concentration is 5.1×10 13 /cm 3 , and the average aluminum concentration is 7.2×10 13 /cm 3 . Met. As a result, the net impurity concentration was 4.4×10 14 /cm 3 , and the p-type impurity (boron, aluminum) concentrations were 5.1×10 13 /cm 3 and 7.2×10 13 , respectively. /cm 3 and less than 1×10 14 /cm 3 . Further, the carrier concentration of the n − -type epitaxial layer 3 by CV measurement was 5.0×10 14 /cm 3 and was within the range of 1×10 14 /cm 3 to 1×10 15 /cm 3 . Thus, according to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the embodiment, the carrier concentration of the n − -type epitaxial layer is 1×10 14 /cm 3 or more and 1×10 15 /cm 3 or less, and the p-type It has been found that an n − -type epitaxial layer 3 is formed in which the concentration of each impurity component is less than 1×10 14 /cm 3 .
以上、説明したように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板によれば、キャリア濃度が低いドリフト層を実現できる。具体的には、ドリフト層となるn-型エピタキシャル層のキャリア濃度は、1×1014/cm3以上1×1015/cm3以下である。このため、この炭化珪素半導体基板のn-型エピタキシャル層の設定膜厚を適切な値とすることにより、高耐圧、例えば、10kV級以上の炭化珪素半導体装置が実現できる。また、n-型エピタキシャル層のキャリア濃度を、1×1014/cm3以上5×1014/cm3以下とした上で、n-型エピタキシャル層の設定膜厚を適切な値とすることで、より高耐圧、例えば、13kV級以上、ないし20kV級以上の炭化珪素半導体装置が実現できる。 As described above, according to the silicon carbide semiconductor substrate according to the embodiment, a drift layer with a low carrier concentration can be realized. Specifically, the n − -type epitaxial layer serving as the drift layer has a carrier concentration of 1×10 14 /cm 3 or more and 1×10 15 /cm 3 or less. Therefore, by setting the film thickness of the n − -type epitaxial layer of this silicon carbide semiconductor substrate to an appropriate value, a silicon carbide semiconductor device having a high breakdown voltage, for example, 10 kV class or higher can be realized. Further, the carrier concentration of the n − -type epitaxial layer is set to 1×10 14 /cm 3 or more and 5×10 14 /cm 3 or less, and the set film thickness of the n − -type epitaxial layer is set to an appropriate value. , a silicon carbide semiconductor device with a higher withstand voltage, for example, a 13 kV class or higher or a 20 kV class or higher can be realized.
また、n-型エピタキシャル層をエピタキシャル成長させる前に、エピタキシャル成長装置内を所定時間、加熱することで、エピタキシャル成長装置内のサセプタ等のカーボン部材に含まれるホウ素等のp型ドーパントとして働く不純物を事前に放出することができる。これにより、エピタキシャル成長の際にn-型エピタキシャル層に混入するホウ素等のp型ドーパントとして働く不純物の量を低減させ、p型の不純物成分の各々、または合計の濃度を、1×1014/cm3未満にすることができる。このため、例えば、設定膜厚135μmとして10kV級のSBDを作製した場合、設定したキャリア濃度より低くなることを防ぐことができ、SBDのオン抵抗特性が悪化することを防ぐことができる。 In addition, by heating the inside of the epitaxial growth apparatus for a predetermined time before epitaxially growing the n − -type epitaxial layer, impurities acting as p-type dopants such as boron contained in carbon members such as susceptors in the epitaxial growth apparatus are released in advance. can do. As a result, the amount of impurities acting as p-type dopants, such as boron, mixed into the n − -type epitaxial layer during epitaxial growth is reduced, and the concentration of each or the total of the p-type impurity components is reduced to 1×10 14 /cm. Can be less than 3 . Therefore, for example, when a 10 kV-class SBD is manufactured with a set film thickness of 135 μm, it is possible to prevent the carrier concentration from becoming lower than the set value, thereby preventing deterioration of the on-resistance characteristics of the SBD.
また、上述した発明においてエピタキシャル成長を行う炭化珪素半導体基板の主面は、(0001)Si面でも良いし、(000-1)C面でも良いし、それ以外の面でも良い
。また、上述した発明においてエピタキシャル成長を行う炭化珪素半導体基板のオフ角度は、0°以上10°以下の範囲内なら、何度の角度でも良い。また、上述した発明において製造されるエピ基板の直径は、25mm以上200mm以下の範囲内なら何mmでも良い。
Further, the main surface of the silicon carbide semiconductor substrate on which epitaxial growth is performed in the above invention may be the (0001) Si plane, the (000-1) C plane, or any other plane. Further, the off-angle of the silicon carbide semiconductor substrate on which epitaxial growth is performed in the invention described above may be any angle within the range of 0° or more and 10° or less. Moreover, the diameter of the epitaxial substrate manufactured in the above-described invention may be any mm within the range of 25 mm or more and 200 mm or less.
以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体基板は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用される高耐圧半導体装置の半導体基板に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention is useful as a semiconductor substrate for high voltage semiconductor devices used in power converters, power supply devices for various industrial machines, and the like.
1 n型炭化珪素基板
2 n型バッファ層
3 n-型エピタキシャル層
6 エピタキシャル成長装置
61 サセプタ
62 多結晶SiCコート層
63 高純度カーボン材
64 断熱材
65 半導体基板
66 ガス導入口
67 ガス排出口
Reference Signs List 1 n-type silicon carbide substrate 2 n-type buffer layer 3 n −
Claims (7)
備え、
結晶構造が4H-SiCで、前記エピタキシャル層を備える主面は、(0001)Si面であることを特徴とする耐圧が10kV以上の炭化珪素半導体装置のための炭化珪素半導体基板。 The carrier concentration is 1×10 14 /cm 3 or more and 5 ×10 14 /cm 3 or less, and the concentration of each impurity component having a conductivity type different from the impurity that determines the conductivity type or the total concentration is 1×10 14 . / cm 3 of the epitaxial layer,
prepared,
A silicon carbide semiconductor substrate for a silicon carbide semiconductor device having a withstand voltage of 10 kV or more, characterized in that the crystal structure is 4H—SiC, and the main surface provided with the epitaxial layer is a (0001) Si plane.
前記エピタキシャル成長装置内に、単結晶炭化珪素基板を搬入し、原料ガスとキャリアガスと導電型を決定する不純物を含むドーパントガスを供給して前記単結晶炭化珪素基板上に第1エピタキシャル層を形成する第1の条件出し成膜を行う第1成膜工程と、A single-crystal silicon carbide substrate is loaded into the epitaxial growth apparatus, and a source gas, a carrier gas, and a dopant gas containing impurities determining a conductivity type are supplied to form a first epitaxial layer on the single-crystal silicon carbide substrate. A first film forming step of performing a first conditional film forming;
前記第1成膜工程後、前記第1エピタキシャル層の不純物の濃度、及び膜厚を計測する第1計測工程と、After the first film formation step, a first measurement step of measuring the impurity concentration and the film thickness of the first epitaxial layer;
前記第1計測工程後、前記ドーパントガスを供給して、前記第1エピタキシャル層上に第2エピタキシャル層を形成する第2の条件出し成膜を行う第2成膜工程と、After the first measurement step, a second film formation step of supplying the dopant gas to form a second epitaxial layer on the first epitaxial layer to perform a second conditional film formation;
前記第2成膜工程後、前記第2エピタキシャル層の不純物の濃度、及び膜厚を計測する第2計測工程と、After the second film formation step, a second measurement step of measuring the impurity concentration and the film thickness of the second epitaxial layer;
前記第1計測工程と前記第2計測工程での計測結果から前記不純物の流量と前記第1エピタキシャル層の不純物の濃度および前記第2エピタキシャル層の不純物の濃度との関係を算出し、前記ドーパントガスの流量を決定する決定工程と、A relationship between the impurity flow rate and the impurity concentration of the first epitaxial layer and the impurity concentration of the second epitaxial layer is calculated from the measurement results of the first measurement step and the second measurement step, and the dopant gas is used. a determining step of determining the flow rate of
前記決定工程後、前記ドーパントガスを供給して、前記第2エピタキシャル層上に第3エピタキシャル層を形成する第3の条件出し成膜を行う第3成膜工程と、After the determining step, a third film-forming step of supplying the dopant gas to form a third epitaxial layer on the second epitaxial layer;
前記第3成膜工程後、前記第3エピタキシャル層の膜厚と前記不純物の取り込み依存関係を算出し、前記ドーパントガスの流量を調節する調節工程と、After the third film formation step, an adjustment step of calculating the film thickness of the third epitaxial layer and the impurity incorporation dependency relationship, and adjusting the flow rate of the dopant gas;
前記調節工程で調節された流量で前記ドーパントガスを供給して前記第3エピタキシャル層上に単結晶炭化珪素の膜をエピタキシャル成長により形成する工程と、supplying the dopant gas at the flow rate adjusted in the adjusting step to form a film of single crystal silicon carbide on the third epitaxial layer by epitaxial growth;
を含むことを特徴とする炭化珪素半導体基板の製造方法。A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate, comprising:
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