JPWO2020039745A1 - 炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法および炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法および炭化珪素半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

第１主面は、（０００−１）面または（０００−１）面に対して８°以下の角度で傾斜した面である。混合ガスの進行方向に対して垂直な平面における反応室の断面積は、１３２ｃｍ２以上２２０ｃｍ２以下である。第１値をＸ軸とし、第２値をＹ軸としたとき、第１値および第２値は、ＸＹ平面座標における、第１座標、第２座標、第３座標、第４座標、第５座標および第６座標に囲まれた六角形の領域内に属し、第１座標は、（０．０３８，０．００１９）であり、第２座標は、（０．０６９，０．００２８）であり、第３座標は、（０．１７７，０．００３２）であり、第４座標は、（０．０３８，０．０５７３）であり、第５座標は、（０．０６９，０．０８４９）であり、第６座標は、（０．１７７，０．０９６４）である。

Description

本開示は、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法および炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。本出願は、２０１８年８月２１日に出願した日本特許出願である特願２０１８−１５４４１３号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
国際公開２０１７／０５６６９１号（特許文献１）には、炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素層をエピタキシャル成長させる方法が開示されている。
国際公開２０１７／０５６６９１号
本開示に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は以下の工程を備えている。第１主面と第１主面の反対側の第２主面とを有する炭化珪素単結晶基板が準備される。基板載置面を有する反応室に、第２主面が基板載置面に対向するように炭化珪素単結晶基板が載置される。反応室に、シランとアンモニアと水素とを含む混合ガスを供給することにより、第１主面上に炭化珪素層が形成される。第１主面は、（０００−１）面または（０００−１）面に対して８°以下の角度で傾斜した面である。混合ガスの進行方向に対して垂直な平面における反応室の断面積は、１３２ｃｍ２以上２２０ｃｍ２以下である。炭化珪素層を形成する工程において、シランの流量を水素の流量で除した値を百分率表記した第１値をＸ軸とし、アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した第２値をＹ軸としたとき、第１値および第２値は、ＸＹ平面座標における、第１座標、第２座標、第３座標、第４座標、第５座標および第６座標に囲まれた六角形の領域内に属し、第１座標は、（０．０３８，０．００１９）であり、第２座標は、（０．０６９，０．００２８）であり、第３座標は、（０．１７７，０．００３２）であり、第４座標は、（０．０３８，０．０５７３）であり、第５座標は、（０．０６９，０．０８４９）であり、第６座標は、（０．１７７，０．０９６４）である。炭化珪素層を形成する工程後において、炭化珪素層のキャリア濃度の平均値は、１×１０15ｃｍ-3以上３×１０16ｃｍ-3以下である。
本開示に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は以下の工程を備えている。第１主面と第１主面の反対側の第２主面とを有する炭化珪素単結晶基板が準備される。基板載置面を有する反応室に、第２主面が基板載置面に対向するように炭化珪素単結晶基板が載置される。反応室に、シランとアンモニアと水素とを含む混合ガスを供給することにより、第１主面上に炭化珪素層が形成される。第１主面は、（０００−１）面または（０００−１）面に対して８°以下の角度で傾斜した面である。混合ガスの進行方向に対して垂直な平面における反応室の断面積は、１３２ｃｍ２以上２２０ｃｍ２以下である。炭化珪素層を形成する工程において、シランの流量を水素の流量で除した値を断面積で除した値をｃｍ−２を単位として表記した第１値をＸ軸とし、アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した第２値をＹ軸としたとき、第１値および第２値は、ＸＹ平面座標における、第１座標、第２座標、第３座標、第４座標、第５座標および第６座標に囲まれた六角形の領域内に属し、第１座標は、（０．２１６×１０-5，０．００１９）であり、第２座標は、（０．３９３×１０-5，０．００２８）であり、第３座標は、（１．０１×１０-5，０．００３２）であり、第４座標は、（０．２１６×１０-5，０．０５７３）であり、第５座標は、（０．３９３×１０-5，０．０８４９）であり、第６座標は、（１．０１×１０-5，０．０９６４）である。炭化珪素層を形成する工程後において、炭化珪素層のキャリア濃度の平均値は、１×１０15ｃｍ-3以上３×１０16ｃｍ-3以下である。
図１は、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置の構成を示す一部断面模式図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面模式図である。 図３は、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置の反応室の断面積を説明するための斜視模式図である。 図４は、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置のサセプタの構成を示す平面模式図である。 図５は、本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法を概略的に示すフローチャートである。 図６は、本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法の第１工程を示す断面模式図である。 図７は、本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法における、ＳｉＨ４流量／Ｈ２流量と、ＮＨ３流量との関係を示す図である。 図８は、本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法における、（ＳｉＨ４流量／Ｈ２流量）を反応室の断面積で除した値と、ＮＨ３流量との関係を示す図である。 図９は、本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法の第２工程を示す断面模式図である。 図１０は、第１変形例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置のサセプタの構成を示す平面模式図である。 図１１は、第２変形例に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置のサセプタの構成を示す平面模式図である。 図１２は、第２実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置の構成を示す一部断面模式図である。 図１３は、第２実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置の反応室の断面積を説明するための斜視模式図である。 図１４は、第３実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置の構成を示す一部断面模式図である。 図１５は、第３実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置の反応室の断面積を説明するための斜視模式図である。 図１６は、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を概略的に示すフローチャートである。 図１７は、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第１工程を示す断面模式図である。 図１８は、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第２工程を示す断面模式図である。 図１９は、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第３工程を示す断面模式図である。 図２０は、評価サンプルに係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法における、ＳｉＨ４流量／Ｈ２流量と、ＮＨ３流量との関係を示す図である。 図２１は、評価サンプルに係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法における、（ＳｉＨ４流量／Ｈ２流量）を反応室の断面積で除した値と、ＮＨ３流量との関係を示す図である。
［本開示の実施形態の概要］
まず本開示の実施形態の概要について説明する。本明細書の結晶学的記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示す。結晶学上の指数が負であることは、通常、数字の上に”−”（バー）を付すことによって表現されるが、本明細書では数字の前に負の符号を付すことによって結晶学上の負の指数を表現する。
（１）本開示に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法は以下の工程を備えている。第１主面４１と第１主面４１の反対側の第２主面４２とを有する炭化珪素単結晶基板１０が準備される。基板載置面２１１を有する反応室２０１に、第２主面４２が基板載置面２１１に対向するように炭化珪素単結晶基板１０が載置される。反応室２０１に、シランとアンモニアと水素とを含む混合ガスを供給することにより、第１主面４１上に炭化珪素層２０が形成される。第１主面４１は、（０００−１）面または（０００−１）面に対して８°以下の角度で傾斜した面である。混合ガスの進行方向に対して垂直な平面における反応室の断面積は、１３２ｃｍ２以上２２０ｃｍ２以下である。炭化珪素層２０を形成する工程において、シランの流量を水素の流量で除した値を百分率表記した第１値をＸ軸とし、アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した第２値をＹ軸としたとき、第１値および第２値は、ＸＹ平面座標における、第１座標、第２座標、第３座標、第４座標、第５座標および第６座標に囲まれた六角形の領域内に属し、第１座標は、（０．０３８，０．００１９）であり、第２座標は、（０．０６９，０．００２８）であり、第３座標は、（０．１７７，０．００３２）であり、第４座標は、（０．０３８，０．０５７３）であり、第５座標は、（０．０６９，０．０８４９）であり、第６座標は、（０．１７７，０．０９６４）である。炭化珪素層２０を形成する工程後において、炭化珪素層２０のキャリア濃度の平均値は、１×１０15ｃｍ-3以上３×１０16ｃｍ-3以下である。なお、流量の単位「ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｃ／ｍｉｎｕｔｅ）」は、標準状態（０℃、１０１．３ｋＰａ）における流量「ｃｃ／分」を示す。
（２）本開示に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法は以下の工程を備えている。第１主面４１と第１主面４１の反対側の第２主面４２とを有する炭化珪素単結晶基板１０が準備される。基板載置面２１１を有する反応室２０１に、第２主面４２が基板載置面２１１に対向するように炭化珪素単結晶基板１０が載置される。反応室２０１に、シランとアンモニアと水素とを含む混合ガスを供給することにより、第１主面４１上に炭化珪素層２０が形成される。第１主面４１は、（０００−１）面または（０００−１）面に対して８°以下の角度で傾斜した面である。混合ガスの進行方向に対して垂直な平面における反応室の断面積は、１３２ｃｍ２以上２２０ｃｍ２以下である。炭化珪素層２０を形成する工程において、シランの流量を水素の流量で除した値を断面積で除した値をｃｍ−２を単位として表記した第１値をＸ軸とし、アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した第２値をＹ軸としたとき、第１値および第２値は、ＸＹ平面座標における、第１座標、第２座標、第３座標、第４座標、第５座標および第６座標に囲まれた六角形の領域内に属し、第１座標は、（０．２１６×１０-5，０．００１９）であり、第２座標は、（０．３９３×１０-5，０．００２８）であり、第３座標は、（１．０１×１０-5，０．００３２）であり、第４座標は、（０．２１６×１０-5，０．０５７３）であり、第５座標は、（０．３９３×１０-5，０．０８４９）であり、第６座標は、（１．０１×１０-5，０．０９６４）である。炭化珪素層２０を形成する工程後において、炭化珪素層２０のキャリア濃度の平均値は、１×１０15ｃｍ-3以上３×１０16ｃｍ-3以下である。
（３）上記（１）または（２）に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、混合ガスは、第１主面４１に平行な方向に沿って反応室２０１に供給され、かつ第１主面４１に平行な方向に沿って反応室２０１から排出されてもよい。
（４）上記（１）または（２）に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、混合ガスは、第１主面４１に垂直な方向に沿って反応室２０１に供給され、かつ第１主面４１に平行な方向に沿って反応室２０１から排出されてもよい。
（５）上記（１）または（２）に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、混合ガスは、第１主面４１に垂直な方向に沿って反応室２０１に供給され、かつ第１主面４１に垂直な方向に沿って反応室２０１から排出されてもよい。
（６）上記（１）から（５）のいずれかに係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、基板載置面２１１は、４つの基板載置部２１３を有していてもよい。
（７）上記（６）に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、４つの基板載置部２１３の各々は、基板載置面２１１の中心２１６に対して回転対称の位置に配置されていてもよい。
（８）上記（１）から（５）のいずれかに係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、基板載置面２１１は、８つの基板載置部２１３を有していてもよい。
（９）上記（８）に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、８つの基板載置部２１３の各々は、基板載置面２１１の中心２１６に対して回転対称の位置に配置されていてもよい。
（１０）本開示に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は以下の工程を備えている。上記（１）から（９）のいずれかに記載の方法で炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法が準備される。炭化珪素エピタキシャル基板が加工される。炭化珪素半導体装置の製造方法。
［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」とも記す）について説明する。ただし本実施形態はこれらに限定されるものではない。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。
（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００の構成について説明する。
図１に示されるように、製造装置２００は、たとえばホットウォール方式の横型ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置である。製造装置２００は、反応室２０１と、ガス供給部２３５と、制御部２４５と、発熱体２０３、石英管２０４、断熱材（図示せず）、誘導加熱コイル（図示せず）とを主に有している。
発熱体２０３は、たとえば筒状の形状を有しており、内部に反応室２０１を形成している。発熱体２０３は、たとえば黒鉛製である。断熱材は、発熱体２０３の外周を取り囲んでいる。断熱材は、石英管２０４の内周面に接するように石英管２０４の内部に設けられている。誘導加熱コイルは、たとえば石英管２０４の外周面に沿って巻回されている。誘導加熱コイルは、外部電源（図示せず）により、交流電流が供給可能に構成されている。これにより、発熱体２０３が誘導加熱される。結果として、反応室２０１が発熱体２０３により加熱される。
反応室２０１は、発熱体２０３の内壁面２０５に取り囲まれて形成されている。反応室２０１は、基板載置面２１１を有している。反応室２０１内には、炭化珪素単結晶基板１０が配置される。反応室２０１は、炭化珪素単結晶基板１０を加熱可能に構成されている。炭化珪素単結晶基板１０の最大径は１００ｍｍ以上である。反応室２０１には、炭化珪素単結晶基板１０を保持するサセプタ２１０が設けられる。サセプタ２１０は、ステージ２０２上に配置される。ステージ２０２は、回転軸２０９によって自転可能に構成されている。ステージ２０２が回転することで、サセプタ２１０が回転可能である。
製造装置２００は、ガス導入口２０７およびガス排気口２０８をさらに有している。ガス排気口２０８は、図示しない排気ポンプに接続されている。図１中の矢印は、ガスの流れを示している。ガスは、ガス導入口２０７から反応室２０１に導入され、ガス排気口２０８から排気される。反応室２０１内の圧力は、ガスの供給量と、ガスの排気量とのバランスによって調整される。
ガス供給部２３５は、反応室２０１に、シランとアンモニアと水素および炭素原子を含むガスとを含む混合ガスを供給可能に構成されている。具体的には、ガス供給部２３５は、第１ガス供給部２３１と、第２ガス供給部２３２と、第３ガス供給部２３３と、キャリアガス供給部２３４とを含んでもよい。
第１ガス供給部２３１は、炭素原子を含む第１ガスを供給可能に構成されている。第１ガス供給部２３１は、たとえば第１ガスが充填されたガスボンベである。第１ガスは、たとえばプロパン（Ｃ3Ｈ8）ガスである。第１ガスは、たとえばメタン（ＣＨ4）ガス、エタン（Ｃ2Ｈ6）ガス、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）ガス等であってもよい。
第２ガス供給部２３２は、シランガスを含む第２ガスを供給可能に構成されている。第２ガス供給部２３２は、たとえば第２ガスが充填されたガスボンベである。第２ガスは、たとえばシラン（ＳｉＨ4）ガスである。第２ガスは、シランガスと、シラン以外の他のガスとの混合ガスでもよい。
第３ガス供給部２３３は、アンモニアガスを含む第３ガスを供給可能に構成されている。第３ガス供給部２３３は、たとえば第３ガスが充填されたガスボンベである。第３ガスは、Ｎ（窒素原子）を含むドーピングガスである。アンモニアガスは、三重結合を有する窒素ガスに比べて熱分解されやすい。アンモニアガスを用いることにより、キャリア濃度の面内均一性の向上が期待できる。
キャリアガス供給部２３４は、たとえば水素などのキャリアガスを供給可能に構成されている。キャリアガス供給部２３４は、たとえば水素が充填されたガスボンベである。
制御部２４５は、ガス供給部２３５から反応室２０１に供給される混合ガスの流量を制御可能に構成されている。具体的には、制御部２４５は、第１ガス流量制御部２４１と、第２ガス流量制御部２４２と、第３ガス流量制御部２４３と、キャリアガス流量制御部２４４とを含んでいてもよい。各制御部は、たとえばＭＦＣ(Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)であってもよい。制御部２４５は、ガス供給部２３５とガス導入口２０７との間に配置されている。言い換えれば、制御部２４５は、ガス供給部２３５とガス導入口２０７とを繋ぐ流路に配置されている。
反応室２０１の軸方向において、誘導加熱コイルの巻き密度を変化させてもよい。巻き密度［回／ｍ］とは、装置の軸方向の単位長さあたりのコイルの周回数である。たとえば、上流側でアンモニアを効果的に熱分解させるために、流側の誘導加熱コイルの巻き密度は、下流側の誘導加熱コイルの巻き密度よりも高くてもよい。
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面模式図である。図２に示されるように、発熱体２０３の内壁面２０５に囲まれた領域は、たとえば略長方形状である。炭化珪素単結晶基板１０の径方向に沿った方向における発熱体２０３の内壁面２０５に囲まれた領域の幅は、炭化珪素単結晶基板１０の径方向に対して垂直な沿った方向における発熱体２０３の内壁面２０５に囲まれた領域の幅よりも小さくてもよい。本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００は、大型の反応室２０１を有する。具体的には、混合ガスの進行方向に対して垂直な平面における反応室２０１の断面積は、たとえば１７６ｃｍ２である。反応室２０１の断面積は、たとえば１３２ｃｍ２以上であってもよいし、１５０ｃｍ２以上であってもよい。反応室２０１の断面積は、たとえば２２０ｃｍ２以下であってもよいし、２００ｃｍ２以下であってもよい。なお、反応室２０１の断面積は、発熱体２０３の内壁面２０５に囲まれた領域の面積である（図２参照）。
図３は、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置の反応室の断面積を説明するための斜視模式図である。図３に示されるように、発熱体２０３の形状は、たとえば中空の直方体である。発熱体２０３の内壁面２０５で囲まれた領域の断面積を、反応室２０１の断面積とする。
図４に示されるように、サセプタ２１０は、複数の基板を配置可能である。別の観点から言えば、サセプタ２１０は、バッチ式である。サセプタ２１０は、基板載置面２１１と、底面２１２と、側面２１５とを有する。基板載置面２１１は、基板が載置される面である。底面２１２は、基板載置面２１１とは反対側の面である。底面２１２は、ステージ２０２に搭載される面である。側面２１５は、基板載置面２１１および底面２１２の各々に連なっている。基板載置面２１１は、複数の基板載置部２１３と、頂面２１４と、中心２１６とを有している。頂面２１４に対して垂直な方向から見て、中心２１６は、回転軸２０９と重なる位置に配置される。複数の基板載置部２１３の各々は、凹部である。複数の基板載置部２１３の各々には、炭化珪素単結晶基板１０が配置される。基板載置部２１３の数は、たとえば３である。複数の基板載置部２１３の各々は、中心２１６に対して回転対称の位置に配置されている。具体的には、基板載置部２１３は、中心２１６から見た場合に、０°、１２０°および２４０°の位置に配置されている。頂面２１４に対して垂直な方向から見て、複数の基板載置部２１３の各々は、略円形である。
本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００は、大型のサセプタ２１０を有する。具体的には、サセプタ２１０の基板載置面２１１の面積は、たとえば９２９ｃｍ２である。この場合、基板載置面２１１の直径２５０の半分（半径）は、たとえば１７．２ｃｍである。サセプタ２１０の基板載置面２１１の面積は、たとえば６９７ｃｍ２以上であってもよいし、７５０ｃｍ２以上であってもよい。サセプタ２１０の基板載置面２１１の面積は、１１６１ｃｍ２以下であってもよいし、９５０ｃｍ２以下であってもよい。
次に、本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法について説明する。
まず、炭化珪素単結晶基板１０を準備する工程（Ｓ１：図５）が実施される。たとえば昇華法により、ポリタイプ４Ｈの炭化珪素単結晶が製造される。次に、たとえばワイヤーソーによって、炭化珪素単結晶をスライスすることにより、炭化珪素単結晶基板１０が準備される（図５参照）。炭化珪素単結晶基板１０は、第１主面４１と、第１主面４１と、第２主面４２とを有している。第２主面４２は、第１主面４１の反対側の面である。当該炭化珪素単結晶のポリタイプは、たとえば４Ｈ−ＳｉＣである。４Ｈ−ＳｉＣは、電子移動度、絶縁破壊電界強度等において他のポリタイプより優れている。炭化珪素単結晶基板１０は、たとえば窒素などのｎ型不純物を含んでいる。炭化珪素単結晶基板１０の導電型は、たとえばｎ型である。
第１主面４１は、（０００−１）面または（０００−１）面に対して８°以下の角度で傾斜した面である。第１主面４１が（０００−１）面に対して傾斜している場合、傾斜方向（オフ方向）は、たとえば＜１１−２０＞方向である。（０００−１）面に対する傾斜角（オフ角）は、１°以上であってもよいし、２°以上であってもよい。オフ角は、７°以下であってもよいし、６°以下であってもよいし、４°以下であってもよい。第２主面４２は、（０００１）面または（０００１）面に対して８°以下の角度で傾斜した面である。
炭化珪素単結晶基板１０の第１主面４１の最大径（直径）は、１００ｍｍ以上である。直径は１５０ｍｍ以上でもよいし、２００ｍｍ以上でもよいし、２５０ｍｍ以上でもよい。直径の上限は特に限定されないが、直径の上限はたとえば３００ｍｍであってもよい。
次に、炭化珪素単結晶基板をサセプタの基板載置面に載置する工程（Ｓ２：図５）が実施される。具体的には、図４に示すサセプタ２１０が準備される。炭化珪素単結晶基板１０は、サセプタ２１０の基板載置部２１３に配置される。図４に示されるように、サセプタ２１０が３つの基板載置部２１３を有している場合、３枚の炭化珪素単結晶基板１０が対応する基板載置部２１３内に配置される。
図６に示されるように、炭化珪素単結晶基板１０の第２主面４２がサセプタ２１０の基板載置部２１３に接するように、炭化珪素単結晶基板１０が基板載置面２１１に載置される。基板載置面２１１に炭化珪素単結晶基板１０が載置されたサセプタ２１０は、反応室２０１内に配置される。炭化珪素単結晶基板１０は、反応室２０１内において基板載置面２１１に載置されてもよいし、反応室２０１外において基板載置面２１１に載置された後、反応室２０１内に配置されてもよい。以上のように、基板載置面２１１を有する反応室２０１に、第２主面４２が基板載置面２１１に対向するように炭化珪素単結晶基板１０が載置される。
次に、炭化珪素単結晶基板上に炭化珪素層を形成する工程（Ｓ３：図５）が実施される。具体的には、上述した製造装置２００を用いて、炭化珪素単結晶基板１０上に炭化珪素層２０がエピタキシャル成長によって形成される。たとえば反応室２０１の圧力が大気圧から１×１０-6Ｐａ程度に低減された後、炭化珪素単結晶基板１０の昇温が開始される。昇温の途中において、キャリアガス供給部２３４からキャリアガスである水素（Ｈ2）ガスは反応室２０１に導入される。水素ガスの流量は、キャリアガス流量制御部２４４により調整される。
炭化珪素単結晶基板１０の温度がたとえば１６００℃程度になった後、反応室２０１に、原料ガス、ドーパントガスおよびキャリアガスが供給される。具体的には、反応室２０１に、シランとアンモニアと水素とプロパンとを含む混合ガスを供給することにより、それぞれのガスが熱分解され、炭化珪素単結晶基板１０上に炭化珪素層２０が形成される。混合ガスのＣ／Ｓｉ比は、たとえば１．０であってもよい。第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００を用いる場合には、混合ガスは、第１主面４１に平行な方向に沿って反応室２０１に供給され、かつ第１主面４１に平行な方向に沿って反応室２０１から排出される（図１参照）。第２実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００を用いる場合には、混合ガスは、第１主面４１に垂直な方向に沿って反応室２０１に供給され、かつ第１主面４１に平行な方向に沿って反応室２０１から排出される。（図１２参照）。第３実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００を用いる場合には、混合ガスは、第１主面４１に垂直な方向に沿って反応室２０１に供給され、かつ第１主面４１に垂直な方向に沿って反応室２０１から排出される（図１４参照）。
図７に示されるように、シランの流量を水素の流量で除した値を百分率表記した値（第１値）をＸ軸とし、アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した値（第２値）をＹ軸とする。第１値および第２値は、ＸＹ平面座標における、第１座標、第２座標、第３座標、第４座標、第５座標および第６座標に囲まれた六角形の領域（図７においてハッチングで示した領域）内に属する。第１座標は、（０．０３８，０．００１９）であり、第２座標は、（０．０６９，０．００２８）であり、第３座標は、（０．１７７，０．００３２）であり、第４座標は、（０．０３８，０．０５７３）であり、第５座標は、（０．０６９，０．０８４９）であり、第６座標は、（０．１７７，０．０９６４）である。
たとえば、キャリアガス流量制御部２４４を用いて、反応室２０１に供給されるキャリアガス（水素）の流量が１００ｓｌｍとなるように調整される。第２ガス流量制御部２４２を用いて、反応室２０１に供給される第２ガス（シランガス）の流量が１０４ｓｃｃｍとなるように調整される。この場合、シランの流量を水素の流量で除した値を百分率表記した値は、０．０３８％である。第３ガス流量制御部２４３を用いて、第３ガス（アンモニアガス）の流量が０．００１９ｓｃｃｍとなるよう調整される。この場合、シランの流量を水素の流量で除した値を百分率表記した値（第１値）と、アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した値（第２値）とは、図７においてハッチングで示した領域内に属する。
上述のように、本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、大型のサセプタ２１０を使用している。サセプタ２１０の基板載置面２１１の面積を考慮すると、シランの流量と、水素の流量と、アンモニアの流量とは、以下のように制御される。具体的には、図８に示されるように、シランの流量を水素の流量で除した値を反応室２０１の断面積で除した値をｃｍ−２を単位として表記した値（第１値）をＸ軸とし、アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した値（第２値）をＹ軸としたとき、第１値および第２値は、ＸＹ平面座標における、第１座標、第２座標、第３座標、第４座標、第５座標および第６座標に囲まれた六角形の領域（図８においてハッチングで示した領域）内に属する。第１座標は、（０．２１６×１０-5，０．００１９）であり、第２座標は、（０．３９３×１０-5，０．００２８）であり、第３座標は、（１．０１×１０-5，０．００３２）であり、第４座標は、（０．２１６×１０-5，０．０５７３）であり、第５座標は、（０．３９３×１０-5，０．０８４９）であり、第６座標は、（１．０１×１０-5，０．０９６４）である。
たとえば、キャリアガス流量制御部２４４を用いて、反応室２０１に供給されるキャリアガス（水素）の流量が１００ｓｌｍとなるように調整される。第２ガス流量制御部２４２を用いて、反応室２０１に供給される第２ガス（シランガス）の流量が３８ｓｃｃｍとなるように調整される。反応室２０１の断面積は、たとえば１７６ｃｍ２である。この場合、シランの流量を水素の流量で除した値を反応室２０１の断面積で除した値をｃｍ−２を単位として表記した値（第１値）は、０．２１６×１０-5である。第３ガス流量制御部２４３を用いて、第３ガス（アンモニアガス）の流量が０．００１９ｓｃｃｍとなるよう調整される。この場合、シランの流量を水素の流量で除した値を反応室２０１の断面積で除した値をｃｍ−２を単位として表記した値（第１値）と、アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した値（第２値）とは、図８においてハッチングで示した領域内に属する。
アンモニアの流量（ｓｃｃｍ）は、０．００１９以上であってもよいし、０．００２８以上であってもよいし、０．００３２以上であってもよい。アンモニアの流量（ｓｃｃｍ）は、たとえば０．０９６４以下であってもよいし、０．０８４９以下であってもよいし、０．０５７３以下であってもよい。シランの流量を水素の流量で除した値を百分率表記した値（％）は、０．０３８以上であってもよいし、０．０６９以上であってもよい。シランの流量を水素の流量で除した値を百分率表記した値（％）は、たとえば０．１７７以下であってもよい。シランの流量は、たとえば２０ｓｃｃｍ以上３００ｓｃｃｍ以下である。水素の流量は、たとえば８０ｓｌｍ以上１５０ｓｌｍ以下である。
炭化珪素層２０の成長速度は、３μｍ／ｈ以上であってもよいし、１５μｍ／ｈ以上であってもよいし、２５μｍ／ｈ以上であってもよいし、３３μｍ／ｈ以上であってもよい。炭化珪素層２０の成長速度は、５０μｍ／ｈ以下であってもよい。炭化珪素層２０の成長速度は、シランの流量に対する水素の流量により決定され得る。シランは原料ガスであるため、シランの流量が多い程、炭化珪素層２０の成長速度は高くなる。一方、水素は、炭化珪素をエッチングする性質を有するため、水素の流量が多い程、炭化珪素層２０の成長速度が低くなる。本実施形態においては、炭化珪素層２０を高速で成長させることができる。具体的には、シランの流量を水素の流量で除した値を百分率表記した値は、０．０３８％以上である。
上述のように、シラン、プロパン、アンモニアおよび水素の混合ガスが反応室２０１に供給されることで、炭化珪素単結晶基板１０上に炭化珪素層２０が形成される。炭化珪素層２０の厚みは、たとえば１０μｍ以上である。なお、プロパンの代わりに、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）等が用いられてもよい。混合ガスが反応室２０１に供給されている間、炭化珪素単結晶基板１０は、回転軸２０９の周りを回転していてもよい。以上により、炭化珪素単結晶基板１０と、炭化珪素層２０とを含む炭化珪素エピタキシャル基板１００（図９参照）が製造される。炭化珪素層２０は、炭化珪素単結晶基板１０に接する第４主面４４と、第４主面４４と反対側の第３主面４３とを有する。
上記方法で製造された炭化珪素エピタキシャル基板１００によれば、炭化珪素層２０のキャリア濃度の平均値をある濃度範囲に維持しながら、炭化珪素層２０中のキャリア濃度の面内均一性を向上することができる。
具体的には、炭化珪素層２０を形成する工程後において、炭化珪素層２０のキャリア濃度の平均値は、１×１０15ｃｍ-3以上３×１０16ｃｍ-3以下である。キャリア濃度の面内均一性は、たとえば１０％以下である。キャリア濃度の面内均一性は、キャリア濃度の標準偏差をキャリア濃度の平均値で除した値の百分率表記である。キャリア濃度は、たとえば水銀プローブ方式のＣ（キャパシタンス）−Ｖ（電圧）測定装置により測定され得る。具体的には、炭化珪素層２０の第３主面４３に一方のプローブが配置され、炭化珪素単結晶基板１０の第２主面４２に他方のプローブが配置される。一方のプローブの面積は、たとえば０．０１ｃｍ2である。一方のプローブと他方のプローブとの間に電圧が印加され、一方のプローブと他方のプローブとの間のキャパシタンスが測定される。縦軸を１／Ｃ２（キャパシタンスの二乗の逆数）とし、横軸をＶ（電圧）とし、測定データの直線の傾きから、キャリア濃度が求められる。キャリア濃度の測定深さは、印加電圧によって調整される。本実施形態においては、第３主面４３から第２主面４２に向かって１０μｍ程度以内である炭化珪素層２０の領域におけるキャリア濃度が測定される。
バッチ方式で同時に複数の炭化珪素エピタキシャル基板１００を製造する場合には、複数の炭化珪素エピタキシャル基板１００の各々間において、キャリア濃度のばらつきを低減することができる。具体的には、複数の炭化珪素エピタキシャル基板１００の各々間において、キャリア濃度の平均値差は、たとえば３％以下である。
第３主面４３の二乗平均平方根偏差（Ｓｑ）は、たとえば０．４ｎｍ以下である。二乗平均平方根偏差（Ｓｑ）は、二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）を３次元に拡張したパラメータである。二乗平均平方根偏差（Ｓｑ）は、たとえば白色干渉顕微鏡により測定可能である。二乗平均平方根偏差（Ｓｑ）の測定領域は、一辺が２５０μｍの正方形領域とすることができる。
（第１変形例）
図１０に示されるように、サセプタ２１０は、４枚の炭化珪素単結晶基板１０を配置可能であってもよい。別の観点から言えば、サセプタ２１０の基板載置面２１１は、４つの基板載置部２１３と、頂面２１４と、中心２１６とを有している。４つの基板載置部２１３の各々は、中心２１６に対して回転対称の位置に配置されている。具体的には、基板載置部２１３は、中心２１６から見た場合に、０°、９０°、１８０°および２７０°の位置に配置されている。
（第２変形例）
図１１に示されるように、サセプタ２１０は、８枚の炭化珪素単結晶基板１０を配置可能であってもよい。別の観点から言えば、サセプタ２１０の基板載置面２１１は、８つの基板載置部２１３と、頂面２１４と、中心２１６とを有している。８つの基板載置部２１３の各々は、中心２１６に対して回転対称の位置に配置されている。具体的には、基板載置部２１３は、中心２１６から見た場合に、０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°および３１５°の位置に配置されている。１５０ｍｍの直径を有する炭化珪素単結晶基板１０を基板載置面２１１に８枚載置する場合、基板載置面２１１の直径２５０は、たとえば６５０ｍｍである。この場合、基板載置面２１１の面積は、３３１８ｃｍ2である。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００の構成について説明する。第２実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００は、主にガス導入口２０７およびガス排気口２０８の位置が、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００と異なっており、他の構成については、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００と同様である。以下、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００と異なっている構成を中心に説明する。
図１２に示されるように、製造装置２００は、反応室２０１と、ガス供給部２３５と、制御部２４５と、発熱体２０３、石英管２０４、断熱材（図示せず）、誘導加熱コイル（図示せず）と、ガス導入口２０７と、ガス排気口２０８とを主に有している。
図１２に示されるように、発熱体２０３には、ガス供給孔２０６が設けられている。ガス導入口２０７は、ガス供給孔２０６に繋がっている。ガス排気口２０８は、石英管２０４の一方端および他方端に設けられている。ガスは、ガス供給孔２０６を通して炭化珪素単結晶基板１０の第１主面４１に対して垂直な方向に沿って反応室２０１に導入される。図１２中の矢印は、ガスの流れを示している。ガスは、反応室２０１に導入された後、石英管２０４の一方端側および他方端側に分かれ、石英管２０４の両側に設けられたガス排気口２０８の各々から排気される。
図１３は、第２実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置の反応室の断面積を説明するための斜視模式図である。図１３に示されるように、発熱体２０３の形状は、たとえば中空の直方体である。発熱体２０３の内壁面２０５で囲まれた領域の断面積を、反応室２０１の断面積とする。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００の構成について説明する。第３実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００は、主に縦型ＣＶＤ装置である構成において、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００と異なっており、他の構成については、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００と同様である。以下、第１実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造装置２００と異なっている構成を中心に説明する。
図１４に示されるように、製造装置２００は、縦型ＣＶＤ装置であってもよい。製造装置２００は、反応室２０１と、ガス供給部２３５と、制御部２４５と、発熱体２０３、石英管２０４、断熱材（図示せず）、誘導加熱コイル（図示せず）と、ガス導入口２０７と、ガス排気口２０８とを主に有している。
図１４に示されるように、発熱体２０３には、サセプタ２１０の側面２１５を取り囲むように設けられている。ガス導入口２０７は、サセプタ２１０に対して鉛直方向上方に配置されている。ガス排気口２０８は、サセプタ２１０に対して鉛直方向下方に配置されている。ガスは、ガス供給孔２０６を通して炭化珪素単結晶基板１０の第１主面４１に対して垂直な方向に沿って反応室２０１に導入される。図１４中の矢印は、ガスの流れを示している。ガスは、反応室２０１に導入された後、炭化珪素単結晶基板１０の第１主面４１に対して垂直な方向に沿ってガス排気口２０８に向かって流れる。
図１５は、第３実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造装置の反応室の断面積を説明するための斜視模式図である。図１５に示されるように、発熱体２０３の形状は、たとえば中空の円筒である。発熱体２０３の内壁面２０５で囲まれた領域の断面積を、反応室２０１の断面積とする。
次に、本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法の作用効果について説明する。
炭化珪素半導体装置の製造に用いられる炭化珪素エピタキシャル基板１００には、平均キャリア濃度を炭化珪素半導体装置として必要とされる一定の範囲に維持しつつ、キャリア濃度の良好な面内均一性および炭化珪素層２０の表面の良好な平坦性を実現することが求められている。近年では、上記特性の実現に加え、炭化珪素層２０の成長速度の高速化が求められている。
しかしながら、炭化珪素層２０の成長速度を単に増加させると、炭化珪素層２０の表面の平坦性が悪化する場合がある。また炭化珪素層２０の表面の平坦性を良好に維持しようとすると、炭化珪素層２０の平均キャリア濃度が、パワーデバイスとして必要とされる範囲を満たすことができない場合がある。つまり、炭化珪素層２０の平均キャリア濃度を炭化珪素半導体装置として必要とされる一定の範囲に維持しつつ、炭化珪素層２０の高速成長と、炭化珪素層２０の表面の良好な平坦性と、キャリア濃度の良好な面内均一性とを実現することは非常に困難であった。
また大型の製造装置２００を使用する場合、従来の小型の製造装置と同じ条件で炭化珪素エピタキシャル基板１００を製造すると、平均キャリア濃度を炭化珪素半導体装置として必要とされる一定の範囲に維持しつつ、キャリア濃度の良好な面内均一性および炭化珪素層２０の表面の良好な平坦性を実現することができない場合がある。なお、大型の製造装置２００とは、たとえば混合ガスの進行方向に対して垂直な平面における断面積が１３２ｃｍ２以上２２０ｃｍ２以下である反応室２０１を有する製造装置２００のことである。
発明者らは、大型の製造装置２００を用いて、上記の要求を満たす炭化珪素エピタキシャル基板１００を製造する方策について鋭意研究の結果、以下の知見を得て本開示の一態様を見出した。具体的には、原料ガスとしてシランを使用し、キャリアガスとして水素を使用し、ドーパントガスとしてアンモニアを使用した上で、シラン流量と、水素流量と、アンモニア流量とを一定の範囲内に制御することにより、上記の要求を満たす炭化珪素エピタキシャル基板１００を実現可能であることを見出した。具体的には、シランの流量を水素の流量で除した値を百分率表記した第１値をＸ軸とし、アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した第２値をＹ軸としたとき、第１値および第２値が、ＸＹ平面座標における、第１座標、第２座標、第３座標、第４座標、第５座標および第６座標に囲まれた六角形の領域内に属するように、シランの流量と、水素の流量と、アンモニアの流量とが制御される。この場合、第１座標は、（０．０３８，０．００１９）であり、第２座標は、（０．０６９，０．００２８）であり、第３座標は、（０．１７７，０．００３２）であり、第４座標は、（０．０３８，０．０５７３）であり、第５座標は、（０．０６９，０．０８４９）であり、第６座標は、（０．１７７，０．０９６４）である。
別の観点から言えば、シランの流量を水素の流量で除した値を反応室２０１の断面積で除した値をｃｍ−２を単位として表記した第１値をＸ軸とし、アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した第２値をＹ軸としたとき、第１値および第２値は、ＸＹ平面座標における、第１座標、第２座標、第３座標、第４座標、第５座標および第６座標に囲まれた六角形の領域内に属するように、シランの流量と、水素の流量と、アンモニアの流量とが制御される。この場合、第１座標は、（０．２１６×１０-5，０．００１９）であり、第２座標は、（０．３９３×１０-5，０．００２８）であり、第３座標は、（１．０１×１０-5，０．００３２）であり、第４座標は、（０．２１６×１０-5，０．０５７３）であり、第５座標は、（０．３９３×１０-5，０．０８４９）であり、第６座標は、（１．０１×１０-5，０．０９６４）である。
以上のようにシランの流量と、水素の流量と、アンモニアの流量とが制御されることにより、大型の製造装置２００を用いた場合において、炭化珪素層２０の表面の平坦性およびキャリア濃度の面内均一性を向上しつつ、炭化珪素層２０の高速成長を実現可能である。また複数の炭化珪素単結晶基板１０の各々上に炭化珪素層２０を同時成長させる場合（別の観点から言えば、バッチ処理する場合）において、複数の炭化珪素エピタキシャル基板１００の各々間におけるキャリア濃度の面内均一性のばらつきを低減することが可能となる。
（炭化珪素半導体装置の製造方法）
次に、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置３００の製造方法について説明する。
本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、エピタキシャル基板準備工程（Ｓ１０：図１６）と、基板加工工程（Ｓ２０：図１６）とを主に有する。
まず、エピタキシャル基板準備工程（Ｓ１０：図１６）が実施される。具体的には、前述した炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法によって、炭化珪素エピタキシャル基板１００が準備される（図９参照）。
次に、基板加工工程（Ｓ２０：図１６）が実施される。具体的には、炭化珪素エピタキシャル基板１００を加工することにより、炭化珪素半導体装置が製造される。「加工」には、たとえば、イオン注入、熱処理、エッチング、酸化膜形成、電極形成、ダイシング等の各種加工が含まれる。すなわち基板加工ステップは、イオン注入、熱処理、エッチング、酸化膜形成、電極形成およびダイシングのうち、少なくともいずれかの加工を含むものであってもよい。
以下では、炭化珪素半導体装置の一例としてのＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の製造方法を説明する。基板加工工程（Ｓ２０：図１６）は、イオン注入工程（Ｓ２１：図１６）、酸化膜形成工程（Ｓ２２：図１６）、電極形成工程（Ｓ２３：図１６）およびダイシング工程（Ｓ２４：図１６）を含む。
まず、イオン注入工程（Ｓ２１：図１６）が実施される。開口部を有するマスク（図示せず）が形成された第３主面４３に対して、たとえばアルミニウム（Ａｌ）等のｐ型不純物が注入される。これにより、ｐ型の導電型を有するボディ領域１３２が形成される。次に、ボディ領域１３２内の所定位置に、たとえばリン（Ｐ）等のｎ型不純物が注入される。これにより、ｎ型の導電型を有するソース領域１３３が形成される。次に、アルミニウム等のｐ型不純物がソース領域１３３内の所定位置に注入される。これにより、ｐ型の導電型を有するコンタクト領域１３４が形成される（図１７参照）。
炭化珪素層２０において、ボディ領域１３２、ソース領域１３３およびコンタクト領域１３４以外の部分は、ドリフト領域１３１となる。ソース領域１３３は、ボディ領域１３２によってドリフト領域１３１から隔てられている。イオン注入は、炭化珪素エピタキシャル基板１００を３００℃以上６００℃以下程度に加熱して行われてもよい。イオン注入の後、炭化珪素エピタキシャル基板１００に対して活性化アニールが行われる。活性化アニールにより、炭化珪素層２０に注入された不純物が活性化し、各領域においてキャリアが生成される。活性化アニールの雰囲気は、たとえばアルゴン（Ａｒ）雰囲気でもよい。活性化アニールの温度は、たとえば１８００℃程度でもよい。活性化アニールの時間は、たとえば３０分程度でもよい。
次に、酸化膜形成工程（Ｓ２２：図１６）が実施される。たとえば炭化珪素エピタキシャル基板１００が酸素を含む雰囲気中において加熱されることにより、第３主面４３上に酸化膜１３６が形成される（図１８参照）。酸化膜１３６は、たとえば二酸化珪素（ＳｉＯ2）等から構成される。酸化膜１３６は、ゲート絶縁膜として機能する。熱酸化処理の温度は、たとえば１３００℃程度でもよい。熱酸化処理の時間は、たとえば３０分程度でもよい。
酸化膜１３６が形成された後、さらに窒素雰囲気中で熱処理が行なわれてもよい。たとえば、一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）等の雰囲気中、１１００℃程度で１時間程度、熱処理が実施されてもよい。さらにその後、アルゴン雰囲気中で熱処理が行なわれてもよい。たとえば、アルゴン雰囲気中、１１００〜１５００℃程度で、１時間程度、熱処理が行われてもよい。
次に、電極形成工程（Ｓ２３：図１６）が実施される。第１電極１４１は、酸化膜１３６上に形成される。第１電極１４１は、ゲート電極として機能する。第１電極１４１は、たとえばＣＶＤ法により形成される。第１電極１４１は、たとえば不純物を含有し導電性を有するポリシリコン等から構成される。第１電極１４１は、ソース領域１３３およびボディ領域１３２に対面する位置に形成される。
次に、第１電極１４１を覆う層間絶縁膜１３７が形成される。層間絶縁膜１３７は、たとえばＣＶＤ法により形成される。層間絶縁膜１３７は、たとえば二酸化珪素等から構成される。層間絶縁膜１３７は、第１電極１４１と酸化膜１３６とに接するように形成される。次に、所定位置の酸化膜１３６および層間絶縁膜１３７がエッチングによって除去される。これにより、ソース領域１３３およびコンタクト領域１３４が、酸化膜１３６から露出する。
たとえばスパッタリング法により当該露出部に第２電極１４２が形成される。第２電極１４２はソース電極として機能する。第２電極１４２は、たとえばチタン、アルミニウムおよびシリコン等から構成される。第２電極１４２が形成された後、第２電極１４２と炭化珪素エピタキシャル基板１００が、たとえば９００〜１１００℃程度の温度で加熱される。これにより、第２電極１４２と炭化珪素エピタキシャル基板１００とがオーミック接触するようになる。次に、第２電極１４２に接するように、配線層１３８が形成される。配線層１３８は、たとえばアルミニウムを含む材料から構成される。
次に、第２主面４２に第３電極１４３が形成される。第３電極１４３は、ドレイン電極として機能する。第３電極１４３は、たとえばニッケルおよびシリコンを含む合金（たとえばＮｉＳｉ等）から構成される。
次に、ダイシング工程（Ｓ２４：図１６）が実施される。たとえば炭化珪素エピタキシャル基板１００がダイシングラインに沿ってダイシングされることにより、炭化珪素エピタキシャル基板１００が複数の半導体チップに分割される。以上より、炭化珪素半導体装置３００が製造される（図１９参照）。
上記において、ＭＯＳＦＥＴを例示して、本開示に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明したが、本開示に係る製造方法はこれに限定されない。本開示に係る製造方法は、たとえばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ Ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＰｉＮダイオード等の各種炭化珪素半導体装置に適用可能である。
（評価）
（サンプル準備）
図１〜図４に示されるバッチ方式の製造装置２００を用いて、サンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００が３枚同時に製造された。サセプタ２１０の基板載置面２１１の面積は、９２９ｃｍ２とした。反応室２０１の断面積は、１７６ｃｍ２とした。サンプル１〜７に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００は、実施例のサンプルである。サンプル８〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００は、比較例のサンプルである。
表１に示されるように、サンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、Ｈ２流量は１３４ｓｌｍとし、ＳｉＨ４流量を変化させることで、ＳｉＨ４流量／Ｈ２流量を変化させた。サンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、ＳｉＨ４流量は、それぞれ５１．０ｓｃｃｍ、９２．６ｓｃｃｍ、２３７．４ｓｃｃｍ、５１．０ｓｃｃｍ、９２．６ｓｃｃｍ、２３７．４ｓｃｃｍ、９２．６ｓｃｃｍ、９２．６ｓｃｃｍ、３５．７ｓｃｃｍおよび９２．６ｓｃｃｍとした。サンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、ＮＨ３流量は、それぞれ０．００１９ｓｃｃｍ、０．００２８ｓｃｃｍ、０．００３２ｓｃｃｍ、０．０５７３ｓｃｃｍ、０．０８４９ｓｃｃｍ、０．０９６４ｓｃｃｍ、０．０２８３ｓｃｃｍ、０．１４１５ｓｃｃｍ、０．０１０７ｓｃｃｍおよび０．００２０ｓｃｃｍとした。
サンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、ＳｉＨ４流量／Ｈ２流量は、それぞれ０．０３８％、０．０６９％、０．１７７％、０．０３８％、０．０６９％、０．１７７％、０．０６９％、０．０６９％、０．０２７％および０．０６９％とした。サンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造方法において、ＳｉＨ４流量／Ｈ２流量をサセプタ２１０の基板載置面２１１の面積で除した値は、４．１０×１０-7ｃｍ-2、７．４４×１０-7ｃｍ-2、１．９１×１０-6ｃｍ-2、４．１０×１０-7ｃｍ-2、７．４４×１０-7ｃｍ-2、１．９１×１０-6ｃｍ-2、７．４４×１０-7ｃｍ-2、７．４４×１０-7ｃｍ-2、２．８７×１０-7ｃｍ-2および７．４４×１０-7ｃｍ-2とした。
Figure 2020039745
（測定）
サンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の炭化珪素層２０のキャリア濃度が水銀プローブ方式のＣ−Ｖ測定装置により測定された。第３主面４３の中心から半径６０ｍｍ以内の領域において、キャリア濃度が測定された。キャリア濃度の測定箇所は、第３主面４３の中心を通り径方向に平行な直線と、当該直線に対して垂直な直線上において、ほぼ等間隔に配置された複数の位置である。具体的には、キャリア濃度の測定位置は、第３主面４３の中心と、当該中心から径方向に１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍおよび６０ｍｍ離れた位置である。キャリア濃度の測定箇所は、計２５箇所である。キャリア濃度の面内均一性は、キャリア濃度の標準偏差をキャリア濃度の平均値で除した値の百分率表記である。なお水銀側のプローブの面積は、０．０１ｃｍ２である。
白色干渉顕微鏡を用いて、第３主面４３の中央領域における二乗平均平方根偏差（Ｓｑ）が測定された。二乗平均平方根偏差の測定領域は、一辺が２５０μｍの正方形領域である。二乗平均平方根偏差の測定位置は、第３主面４３の中心と、当該中心から径方向に５０ｍｍ離れた位置である。二乗平均平方根偏差の測定箇所は、計２箇所である。第３主面４３の二乗平均平方根偏差（Ｓｑ）を、第３主面４３のモフォロジーとした。
（結果）
図２０および図２１には、サンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造条件が示されている。座標１０１〜１１０は、それぞれサンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００の製造条件に対応している。
Figure 2020039745
表２に示されるように、サンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００（基板Ａ）の炭化珪素層２０中のキャリア濃度の面内均一性は、それぞれ８．２％、８．５％、８．４％、６．８％、６．２％、６．３％、７．５％、１５．８％、８．１％および１６．２％であった。またサンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００（基板Ａ）の炭化珪素層２０の第３表面の二乗平均平方根偏差（Ｓｑ）は、それぞれ０．１ｎｍ、０．２ｎｍ、０．３ｎｍ、０．３ｎｍ、０．３ｎｍ、０．２ｎｍ、０．３ｎｍ、０．２ｎｍ、０．７ｎｍおよび０．４ｎｍであった。さらにサンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００（基板Ａ）の炭化珪素層２０中の平均キャリア濃度は、それぞれ１．１×１０15ｃｍ-3、１．０×１０15ｃｍ-3、１．１×１０15ｃｍ-3、３．０×１０15ｃｍ-3、３．０×１０15ｃｍ-3、３．１×１０15ｃｍ-3、１．０×１０16ｃｍ-3、５．１×１０16ｃｍ-3、８．０×１０15ｃｍ-3および７．０×１０14ｃｍ-3であった。
表２に示されるように、サンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００（基板Ｂ）の炭化珪素層２０中のキャリア濃度の面内均一性は、それぞれ８．６％、８．２％、８．２％、６．８％、６．２％、６．４％、７．６％、１５．５％、８．２％および１６．４％であった。またサンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００（基板Ｂ）の炭化珪素層２０の第３表面の二乗平均平方根偏差（Ｓｑ）は、それぞれ０．２ｎｍ、０．２ｎｍ、０．４ｎｍ、０．２ｎｍ、０．４ｎｍ、０．３ｎｍ、０．２ｎｍ、０．４ｎｍ、０．７ｎｍおよび０．２ｎｍであった。さらにサンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００（基板Ｂ）の炭化珪素層２０中の平均キャリア濃度は、それぞれ１．０×１０15ｃｍ-3、１．０×１０15ｃｍ-3、１．１×１０15ｃｍ-3、２．９×１０15ｃｍ-3、３．０×１０15ｃｍ-3、３．１×１０15ｃｍ-3、９．９×１０15ｃｍ-3、５．１×１０1６ｃｍ-3、７．９×１０15ｃｍ-3および７．０×１０14ｃｍ-3であった。
表２に示されるように、サンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００（基板Ｃ）の炭化珪素層２０中のキャリア濃度の面内均一性は、それぞれ８．４％、８．３％、８．３％、６．９％、６．４％、６．６％、７．５％、１６．２％、７．９％および１６．２％であった。またサンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００（基板Ｃ）の炭化珪素層２０の第３表面の二乗平均平方根偏差（Ｓｑ）は、それぞれ０．３ｎｍ、０．２ｎｍ、０．３ｎｍ、０．４ｎｍ、０．４ｎｍ、０．２ｎｍ、０．３ｎｍ、０．２ｎｍ、０．６ｎｍおよび０．２ｎｍであった。さらにサンプル１〜１０に係る炭化珪素エピタキシャル基板１００（基板Ｃ）の炭化珪素層２０中の平均キャリア濃度は、それぞれ１．０×１０15ｃｍ-3、１．１×１０15ｃｍ-3、１．０×１０15ｃｍ-3、３．０×１０15ｃｍ-3、３．０×１０15ｃｍ-3、３．０×１０15ｃｍ-3、１．０×１０16ｃｍ-3、５．１×１０16ｃｍ-3、８．０×１０15ｃｍ-3および７．０×１０14ｃｍ-3であった。
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０ 炭化珪素単結晶基板、２０ 炭化珪素層、４１ 第１主面、４２ 第２主面、４３ 第３主面、４４ 第４主面、１００ 炭化珪素エピタキシャル基板、１０１〜１１０ 座標、１３１ ドリフト領域、１３２ ボディ領域、１３３ ソース領域、１３４ コンタクト領域、１３６ 酸化膜、１３７ 層間絶縁膜、１３８ 配線層、１４１ 第１電極、１４２ 第２電極、１４３ 第３電極、２００ 製造装置、２０１ 反応室、２０２ ステージ、２０３ 発熱体、２０４ 石英管、２０５ 内壁面、２０６ ガス供給孔、２０７ ガス導入口、２０８ ガス排気口、２０９ 回転軸、２１０ サセプタ、２１１ 載置面、２１２ 底面、２１３ 載置部、２１４ 頂面、２１５ 側面、２１６ 中心、２３１ 第１ガス供給部、２３２ 第２ガス供給部、２３３ 第３ガス供給部、２３４ キャリアガス供給部、２３５ ガス供給部、２４１ 第１ガス流量制御部、２４２ 第２ガス流量制御部、２４３ 第３ガス流量制御部、２４４ キャリアガス流量制御部、２４５ 制御部、２５０ 直径、３００ 炭化珪素半導体装置。

Claims (10)

  1. 第１主面と前記第１主面の反対側の第２主面とを有する炭化珪素単結晶基板を準備する工程と、
    基板載置面を有する反応室に、前記第２主面が前記基板載置面に対向するように前記炭化珪素単結晶基板を載置する工程と、
    前記反応室に、シランとアンモニアと水素とを含む混合ガスを供給することにより、前記第１主面上に炭化珪素層を形成する工程とを備え、
    前記第１主面は、（０００−１）面または（０００−１）面に対して８°以下の角度で傾斜した面であり、
    前記混合ガスの進行方向に対して垂直な平面における前記反応室の断面積は、１３２ｃｍ２以上２２０ｃｍ２以下であり、
    前記炭化珪素層を形成する工程において、前記シランの流量を前記水素の流量で除した値を百分率表記した第１値をＸ軸とし、前記アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した第２値をＹ軸としたとき、前記第１値および前記第２値は、ＸＹ平面座標における、第１座標、第２座標、第３座標、第４座標、第５座標および第６座標に囲まれた六角形の領域内に属し、
    前記第１座標は、（０．０３８，０．００１９）であり、
    前記第２座標は、（０．０６９，０．００２８）であり、
    前記第３座標は、（０．１７７，０．００３２）であり、
    前記第４座標は、（０．０３８，０．０５７３）であり、
    前記第５座標は、（０．０６９，０．０８４９）であり、
    前記第６座標は、（０．１７７，０．０９６４）であり、
    前記炭化珪素層を形成する工程後において、前記炭化珪素層のキャリア濃度の平均値は、１×１０15ｃｍ-3以上３×１０16ｃｍ-3以下である、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  2. 第１主面と前記第１主面の反対側の第２主面とを有する炭化珪素単結晶基板を準備する工程と、
    基板載置面を有する反応室に、前記第２主面が前記基板載置面に対向するように前記炭化珪素単結晶基板を載置する工程と、
    前記反応室に、シランとアンモニアと水素とを含む混合ガスを供給することにより、前記第１主面上に炭化珪素層を形成する工程とを備え、
    前記第１主面は、（０００−１）面または（０００−１）面に対して８°以下の角度で傾斜した面であり、
    前記混合ガスの進行方向に対して垂直な平面における前記反応室の断面積は、１３２ｃｍ２以上２２０ｃｍ２以下であり、
    前記炭化珪素層を形成する工程において、前記シランの流量を前記水素の流量で除した値を前記断面積で除した値をｃｍ−２を単位として表記した第１値をＸ軸とし、前記アンモニアの流量をｓｃｃｍを単位として表記した第２値をＹ軸としたとき、前記第１値および前記第２値は、ＸＹ平面座標における、第１座標、第２座標、第３座標、第４座標、第５座標および第６座標に囲まれた六角形の領域内に属し、
    前記第１座標は、（０．２１６×１０-5，０．００１９）であり、
    前記第２座標は、（０．３９３×１０-5，０．００２８）であり、
    前記第３座標は、（１．０１×１０-5，０．００３２）であり、
    前記第４座標は、（０．２１６×１０-5，０．０５７３）であり、
    前記第５座標は、（０．３９３×１０-5，０．０８４９）であり、
    前記第６座標は、（１．０１×１０-5，０．０９６４）であり、
    前記炭化珪素層を形成する工程後において、前記炭化珪素層のキャリア濃度の平均値は、１×１０15ｃｍ-3以上３×１０16ｃｍ-3以下である、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  3. 前記混合ガスは、前記第１主面に平行な方向に沿って前記反応室に供給され、かつ前記第１主面に平行な方向に沿って前記反応室から排出される、請求項１または請求項２に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  4. 前記混合ガスは、前記第１主面に垂直な方向に沿って前記反応室に供給され、かつ前記第１主面に平行な方向に沿って前記反応室から排出される、請求項１または請求項２に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  5. 前記混合ガスは、前記第１主面に垂直な方向に沿って前記反応室に供給され、かつ前記第１主面に垂直な方向に沿って前記反応室から排出される、請求項１または請求項２に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  6. 前記基板載置面は、４つの基板載置部を有している、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  7. 前記４つの基板載置部の各々は、前記基板載置面の中心に対して回転対称の位置に配置されている、請求項６に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  8. 前記基板載置面は、８つの基板載置部を有している、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  9. 前記８つの基板載置部の各々は、前記基板載置面の中心に対して回転対称の位置に配置されている、請求項８に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法で製造された炭化珪素エピタキシャル基板を準備する工程と、
    前記炭化珪素エピタキシャル基板を加工する工程とを備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。
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