JP7259829B2 - SiCエピタキシャルウェハ - Google Patents
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しかし、順方向に大電流を流した場合には、SiC基板とエピタキシャル層の界面で貫通刃状転位に変換された基底面転位もまた、エピタキシャル層中で積層欠陥(Stacking Fault:SF)に拡張することが近年明らかになってきた。そのため、今後の市場拡大が予想される大電流パワーデバイスは、基底面転位を貫通刃状転位に変換しただけでは積層欠陥の形成を十分に抑制できず、デバイスの信頼性悪化の懸念が常に付きまとう。
図1は、本発明の一実施形態に係るSiCエピタキシャルウェハを示す断面模式図であり、図2は、他の実施形態に係るSiCエピタキシャルウェハを示す断面模式図である。
SiCエピタキシャルウェハ100が備えるSiCエピタキシャル層20は、ドーピング濃度の平均値が1×1018/cm3以上、1×1019/cm3以下で、かつ、ドーピング濃度の面内均一性が30%以下である高濃度層21からなる。
SiC単結晶基板10としては、昇華法等で得られたSiCインゴットをスライスしたものを用いることができる。本明細書において、SiCエピタキシャルウェハはエピタキシャル層を形成後のウェハを意味し、SiC単結晶基板はエピタキシャル層を形成前のウェハを意味する。
高濃度層21は、n型ドーピング濃度の平均値が1×1018/cm3以上、1×1019/cm3以下で、かつ、n型ドーピング濃度の面内均一性が30%以下である。高濃度層21のn型ドーピング濃度の面内均一性は20%以内であることが好ましく、10%以下であることがより好ましい。なお、n型ドーピング濃度の面内均一性は値が低い方がSiCエピタキシャルウェハの品質としてはよいが、歩留まりの観点で下限の一例として1%とすることができる。
後述する製造方法を用いれば、ドーピング濃度の面内均一性が30%以下の高濃度層を製造することができる。
ドーピング濃度の面内均一性が悪いと、狙いの濃度よりも低くなる領域がウェハの面内に存在し、キャリアの再結合効果が小さくなるという問題、もしくは狙いの濃度よりも高くなる領域がウェハの面内に存在し、高濃度に起因する欠陥を発生させてしまう問題が起きる。面内均一性を30%以下の良好状態にすることによって、これらの問題を防ぐことができる。
高濃度層21の膜厚分布が10%以下であるときは、C系ガス供給の基板面における面内分布と、Si系ガスの基板面における面内分布の少なくとも一方が10%以下であるといえ、高濃度層21の表面が鏡面になりやすいからである。
高濃度層21がバッファ層であり、その上にドリフト層22を備えることができる。
ドリフト層22は、ドリフト電流が流れ、デバイスとして機能する層である。ドリフト電流とは、半導体に電圧が印加された際に、キャリアの流れにより生じる電流である。ドリフト層22のドーピング濃度は、例えば1×1014cm-3以上、1×1017cm-3以下であり、通常、1×1016cm-3程度である。
高濃度層のn型ドーピング濃度の測定は、水銀プローブ(Hg-CV)法や二次イオン質量分析法(SIMS)によって行うことができる。
Hg-CV法では、n型ドーピング濃度としてNd-Naが測定される。ここでNdはドナー濃度であり、Naはアクセプター濃度である。Ndに比べてNaが十分に小さいことが確認できていれば、Nd-Na≒Ndと考えてよい。
二次イオン質量分析法(SIMS)を用いれば、高濃度層を備えるSiCエピタキシャルウェハについて高濃度層を深さ方向に削りながら、測定を行うことにより、高濃度層のドーピング濃度を測定することができる。高濃度層上にドリフト層を備えるSiCエピタキシャルウェハについても同様である。
高濃度層のn型ドーピング濃度測定の具体的な手順としては例えば、6インチウェハの場合、ウェハの中心を原点として十字の方向に、中心と中心から外周へ複数の点、例えば、21点でn型ドーピング濃度を測定する。各点で得られたn型ドーピング濃度を使ってn型ドーピング濃度の平均値を算出し、n型ドーピング濃度の最大値と最小値との差の絶対値を算出したn型ドーピング濃度の平均値で除することによって面内均一性を得ることができる。
十字の方向のうちの一つの方向はオリフラに平行な方向をとることができる。
本発明のSiCエピタキシャルウェハは、本発明の効果を奏する範囲で、他の層を備えてもよい。
例えば、SiC単結晶基板10と高濃度層21との間に、SiC単結晶基板10よりも不純物濃度(ドーピング濃度)が低いn型ないしp型半導体の他のバッファ層(以下、第1バッファ層という)を備えてもよい。第1バッファ層は、基底面転位を貫通刃状転位に変換させるために備えることができる。この観点では、第1バッファ層はBPD変換層である。
第1バッファ層の不純物濃度は、SiC単結晶基板10より低いことが好ましく、また高濃度層21の不純物濃度以下であることが好ましい。第1バッファ層の不純物濃度の値は、1×1017cm-3以上であることが好ましい。第1バッファ層の不純物濃度の値は、1×1019cm-3以下であることが好ましい。第1バッファ層の不純物濃度は、SiC単結晶基板10と高濃度層21との格子不整合を緩和するために、両者の不純物濃度の中間になるよう設定することができる。
本実施形態にかかるSiCエピタキシャルウェハ100またはSiCエピタキシャルウェハ200の製造方法は、例えば、主面が(0001)面に対して0.4°~5°のオフ角を有するSiC単結晶基板10上にエピタキシャル層20を結晶成長するものである。
成長温度は例えば、1400~1800℃とすることができ、より好ましくは、1500~1700℃である。温度が低過ぎると4H以外のポリタイプが発生しやすく、温度が高過ぎると表面荒れが発生しやすい。
これに対して、発明者は鋭意検討の結果、高濃度層の成膜時にC/Si比を下げることがn型ドーピング濃度の面内均一性の低下を招いていることを突き止めた。そして、高濃度層の成膜時に、通常より高めのC/Si比を用いて成膜を行うことにより、n型ドーピング濃度の面内均一性の低下を抑制できることがわかった。さらに、高濃度層の成膜前に、基板面におけるC系ガス供給及びSi系ガスの面内分布が良好であることが重要であることがわかった。
後述するように、高濃度層の成膜時に、所定の通常より高めのC/Si比を用いてSiC単結晶基板上に成膜(SiCエピタキシャル層形成)を行うことにより、表面全体が鏡面の高濃度層が形成されるが、その一部に非鏡面の領域が発生することがあった。この非鏡面の領域は5%~50%度の大きさの範囲であることが多かった。非鏡面領域発生の現象を鋭意検討することにより、基板面におけるC系ガス供給及びSi系ガス供給の面内分布が良好でないことが原因であることを突き止め、これを改善するためには、成膜装置へのガス供給を、C系ガス、および、Si系ガス供給の面内分布を独立に制御できる構成とすることが有効であることがわかった。
図3に示すような縦型の成膜装置30では、装置内の上部から下部へ、載置した基板10に向かってガスを供給するガス供給部32a、32b、32cを有し、ガス導入部はC系ガスのみの供給部32a、Si系ガスのみの供給部32bを含み、C系ガスのみの供給部32a、Si系ガスのみの供給部32bを、それぞれ水平方向(基板面内方向)に、独立に位置調整できる構造とする。なお、ガス供給部32cへは例えばキャリアガスを供給する。図3に示す例では、C系ガス供給部32aはガス供給管32aa、32ab、32acを備え、Si系ガス供給部32bはガス供給管32ba、32bbを備えている。
一方、Si系ガス供給の基板面における面内分布は、Si供給律速条件で成膜したエピタキシャルウェハの膜厚分布(成長速度分布)を測定することにより測定できる。Si供給律速条件とは、C系ガスに比べてSi系ガスの供給が不足している状態であり、好ましくはC/Siが1.1~1.2の範囲内である。ただし、N系ガス供給量が、実効C/Siを変化させないように、エピタキシャルウェハのキャリア濃度は、1×1017cm-3未満となる条件で成膜する。
C系ガス供給の基板面における面内分布が10%以下で、かつ、Si系ガスの基板面における面内分布が10%以下である場合には、非鏡面の領域は発生しなかった。
(i)C律速
C/Si=0.8にて、ドーピング濃度が8×1015cm-3となるように窒素量を調整して成膜した。そして、C系ガスのみの供給部を位置調整することで、C系ガス供給の面内分布を5.6%とした。
(ii)Si律速
C/Si=1.1にて、ドーピング濃度が1.3×1016cm-3となるように窒素量を調整して成膜した。そして、Si系ガスのみの供給部を位置調整することで、Si系ガス供給の面内分布を3.4%とした。
C系ガス供給の面内分布及びSi系ガス供給の面内分布は、以下に述べるn型ドーピング濃度の面内均一性と同様に、ウェハの面内21点を測定して行った。
一方、通常用いられるC/Si比より高い1.15を用いた場合、n型ドーピング濃度の平均値1×1018cm-3程度で12.2%と高いn型ドーピング濃度の面内均一性が得られており、n型ドーピング濃度の平均値を2.6×1018cm-3程度まで上げるとn型ドーピング濃度の面内均一性はやや低下するものの、17.8%と良好なままである。
さらに、通常用いられるC/Si比よりはるかに高い1.35を用いた場合、n型ドーピング濃度の平均値2.2×1018cm-3で6.1%と極めて高いn型ドーピング濃度の面内均一性が得られた。
以上の結果から、通常用いられるC/Si比1.05よりも高いC/Si比を用いることによって、n型ドーピング濃度の面内均一性が向上すること、また、C/Si比はより高いほどn型ドーピング濃度の面内均一性が向上することがわかった。また、いずれのC/Si比を用いてもn型ドーピング濃度の平均値を上げると、n型ドーピング濃度の面内均一性が悪化することがわかった。
横軸はn型ドーピング濃度の平均値であり、縦軸はn型ドーピング濃度の平均値が1×1016cm-3となるようにエピタキシャル成長を行った場合の成長速度を1として規格化したときの成長速度の規格値である。
これに対して、低C/Siの場合、図6(b)に示すように、Cに対するNの割合が増えるため、NがCサイトに入る確率が上がる。
また、高C/Siの場合、図6(c)に示すように、Cに対するNの割合が下がり、NがCサイトに入る確率が下がる。
また、Nが原料ガス並みに高濃度の場合、図6(d)に示すように、Cに対するNの割合が上がる。そのため、CがCサイトに取り込まれにくくなり、その結果、実効C/Siが低下し、成長速度が低下する。
この検量線と、n型ドーピング濃度を上げることにより低下した成長速度低下量から、実質的に不足したC系ガス投入量を見積もることができる。図6の概念図を用いて、このことを説明する。
図7において、横軸はC系ガス投入量であり、縦軸はSiCエピタキシャル層の成長速度である。なお、C系ガス投入量はSi系ガス投入量を固定すれば、C/Siに対応する。
検量線上のP1の条件(C系ガス投入量C1、成長速度R1)で得たSiCエピタキシャルウェハのn型ドーピング濃度平均値よりも高いn型ドーピング濃度平均値のSiCエピタキシャルウェハを作製するときに、C系ガス投入量C1でエピタキシャル成長を行ったときに成長速度がR3であったならば、図7の検量線に基づくと、実効的なC系ガス投入量はC3であったということになる。この場合、C原子に対するN原子の割合が上がったために、C原子がCサイトに取り込まれにくくなり、その結果、実効的なC系ガス投入量がC3になったものである。この不足分を補う量のC系ガス投入量を投入することによって、成長速度R1でエピタキシャル成長を行うことが可能となる。
C/Si=1.35で、高ドーピング濃度ではなく、通常濃度(例えば、1×1016/cm3以下)のSiCエピタキシャル層を形成すると、非鏡面になるが、この高ドーピング濃度のSiCエピタキシャル層では表面全体が鏡面であった。このことは、窒素(N)原子が、上記したサイト補償効果でSiCの成長を阻害することを裏付けるものと考えられる。
同じC/Siの場合、高いドーピング濃度のSiCエピタキシャル層は、低いドーピング濃度のSiCエピタキシャル層に比べて、サイト補償効果の影響が大きくなり、成長表面における均一なSiCの成長が阻害され、ドーピング濃度の面内均一性も損なわれるものと考えられる。従って、高いドーピング濃度のSiCエピタキシャル層では、C/Siをより高くすることによって、サイト補償効果の影響を小さくし、成長表面における均一なSiCの成長の阻害を抑制し、ドーピング濃度の面内均一性の悪化を抑制できるものと考えられる。
図8に示した関係に基づき、C/Si及びドーピングガス流量の成長条件を見積もって、n型ドーピング濃度の平均値が1×1018/cm3以上、1×1019/cm3以下で、かつ、n型ドーピング濃度の面内均一性が30%以下である高濃度層を備えるSiCエピタキシャルウェハを製造することができる。
図8において、C/Siが1.05の場合のグラフ、及び、C/Siが1.15の場合のグラフは3点のデータから得られたものである。これらのグラフは正の傾きを有し、かつ、C/Siが1.15の場合のグラフの傾きがC/Siが1.05の場合のグラフの傾きより低いことは、サイト補償効果に基づくメカニズムがよく当てはまっていることを示している。また、通常のドーピング濃度よりも高い2×1018/cm3近傍のSiCエピタキシャル層において、ドーピング濃度の面内均一性がC/Siが1.35の場合、C/Siが1.15の場合、C/Siが1.05の場合の順に良好なこともサイト補償効果に基づくメカニズムがよく当てはまっていることを示している。
そうすると、C/Siが1.35の場合に、1×1018/cm3以上、1×1019/cm3以下というドーピング濃度の範囲において、サイト補償効果に基づくメカニズムがよく成り立つことが推測できる。
サイト補償効果に基づくメカニズムがよく当てはまっている場合、C/Siが1.35の場合のグラフは、正の傾きを有し、かつ、その傾きはC/Siが1.15の場合のグラフの傾きよりも低くなる。
以上の通り、C/Siが1.35の場合のグラフはサイト補償効果に基づくメカニズムに基づいて得られたものである。
20 SiCエピタキシャル層
21 高濃度層
22 ドリフト層
Claims (5)
- SiC単結晶基板と、
前記SiC単結晶基板上に、n型ドーピング濃度の平均値が1×1018/cm3以上、1×1019/cm3以下で、かつ、ドーピング濃度の面内均一性が30%以下である高濃度層と、を備え、
前記高濃度層には窒素がドープされている、SiCエピタキシャルウェハ;
ここで、前記面内均一性とは、(面内のドーピング濃度の最大値-面内のドーピング濃度の最小値)の絶対値/面内のドーピング濃度の平均値、である。 - 前記高濃度層がバッファ層であり、前記バッファ層上に、前記バッファ層のドーピング濃度の平均値よりも低いドーピング濃度の平均値を有するドリフト層を備える、請求項1に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- 前記面内均一性が20%以下である、請求項1または2のいずれかに記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- 前記面内均一性が10%以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- 直径が150mm以上である、請求項1~4のいずれか一項に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
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