WO2011142470A1 - エピタキシャル炭化珪素単結晶基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、以下の態様を含むことができる。
(1)オフ角度が1°以上6°以下である炭化珪素単結晶基板上に、化学気相堆積法によって形成された炭化珪素エピタキシャル膜を有するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板であって、
該エピタキシャル膜が、不純物元素を添加しながら形成した厚さ0.5μm以下のドープ層と、不純物元素を添加せずに形成した厚さ0.1μm以下のノンドープ層とを交互に積層して、ドープ層及びノンドープ層をそれぞれ2層以上有してなることを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
(2)前記ドープ層が、エピタキシャル膜の材料ガス中に含まれる炭素と珪素の原子数比(C/Si)を1.5以上2.0以下にして形成され、また、前記ノンドープ層が、エピタキシャル膜の材料ガス中に含まれる炭素と珪素の原子数比(C/Si)を0.5以上1.5未満にして形成されたことを特徴とする上記(1)に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
(3)前記ドープ層の厚さが前記ノンドープ層の厚さよりも大きいことを特徴とする上記(1)又は(2)に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
(4)前記ドープ層のドーピング原子数密度が1×1015cm−3以上であることを特徴とする上記(1)~(3)のいずれかに記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
(5)オフ角度が1°以上6°以下である炭化珪素単結晶基板上に、化学気相堆積法によって炭化珪素エピタキシャル膜を形成して、エピタキシャル炭化珪素単結晶基板を製造する方法であって、
エピタキシャル膜の材料ガス中に含まれる炭素と珪素の原子数比(C/Si)を1.5以上2.0以下にして、不純物元素を添加しながら形成する厚さ0.5μm以下のドープ層と、
エピタキシャル膜の材料ガス中に含まれる炭素と珪素の原子数比(C/Si)を0.5以上1.5未満にして、不純物元素を添加せずに形成する厚さ0.1μm以下のノンドープ層と、を交互に成長させて、ドープ層及びノンドープ層をそれぞれ2層以上有するようにして炭化珪素エピタキシャル膜を形成することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
まず、SiC単結晶基板上へのエピタキシャル成長について述べる。
本発明で好適にエピタキシャル成長に使用可能な装置は、横型のCVD装置である。CVD法は、装置構成が簡単であり、ガスのon/offで成長を制御できるため、エピタキシャル膜の制御性、再現性に優れた成長方法である。
このような好適な成長速度は、通常利用されるエピタキシャル層の膜厚が10μm程度であるため、生産性を考慮して決定されたものである。
一定時間成長し、所望の膜厚が得られた時点で材料ガス(すなわち、上記したSiH4、C2H4およびN2)の導入を止め、水素ガスのみ流した状態で温度を下げる。
温度が常温まで下がった後、水素ガスの導入を止め、成長室内を真空排気し、不活性ガスを成長室に導入して、成長室を大気圧に戻してから、基板を取り出す。
この従来方式で成長を行う場合のC/Si比とN2ガス流量の変化の好適な一例を図4に示す。この図4に示した態様においては、成長開始から終了までC/Si比とN2ガス流量は変化させず、一定である。
その後は、ノンドープ層とドープ層を繰り返し成長させて、所望の膜厚が得られた時点でSiH4、C2H4およびN2の導入を止める。その後の手順は、図3の場合と同様である。
この図5の態様におけるC/Si比とN2ガス流量の変化の一例を図6に示す。このように、低いC/Si比でノンドープ層を成長させ、高いC/Si比でドープ層を成長させることにより、site−competitionが起こりにくい状態でドーピングが行えるため、制御性に優れたドーピングが可能になる。さらに、本発明では、ノンドープ層の厚さを全体的に薄くするため、前述したドーピング密度の面内不均一性も抑制することができる。この点について、図7を用いて、下記で一例を挙げながら説明する。
一方、ドーピングガスである窒素を導入せずに形成するノンドープ層では、C/Si比が図1における値Y(好ましくは、1.0程度)であるため、図2aのNB1の残留キャリア密度を示すようになる。しかし実際には、ドープ層とノンドープ層の間のドーピング密度変化は連続的であるため、実線のようなプロファイルになる。そして、実効的なドーピング密度はNC1程度と考えられる。
ノンドープ層とドープ層の積層順番に関しては、SiC基板上に成長を開始する時は、小さいオフ角を持つ基板上の成長になるため、低いC/Si比、すなわちノンドープ層が必要である。一方、最表面は、デバイスの電極と接触する部分であるため、ドープ層が必要である。
一方、ドープ層を成長する時のC/Si比は、低すぎるとsite−competitionの影響が現れ易い傾向がある。他方、C/Si比が高すぎると三角形欠陥等のエピタキシャル欠陥が増加する傾向がある。このため、この場合のC/Si比は、1.5以上2.0以下が好適であり、より好適には1.5~1.8である。さらに、ドープ層のドーピング原子数密度は、図7a、図7bより、NB1およびNB2より大きい事が好ましく、そのためには1×1015cm−3以上が好ましい。ドーピング原子数密度が高すぎると表面荒れが生じる可能性があるため、より好適には1×1015cm−3以上1×1017cm−3以下である。
3インチ(76mm)ウェーハ用SiC単結晶インゴットから、約400μmの厚さでスライスし、粗削りとダイヤモンド砥粒による通常研磨を実施して、4H型のポリタイプを有するSiC単結晶基板を用意した。この基板はn型であり、抵抗率は約0.02Ω・cmであった。
この基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。基板のオフ角は4°である。成長の手順は、以下の通りであった。
成長炉に基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを毎分150L導入しながら圧力を1.0×104Paに調整した。その後、圧力を一定に保ちながら成長炉の温度を1600℃まで上げ、SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分22cm3(C/Si比1.1)にしてノンドープ層の成長を開始した。
ノンドープ層を0.1μm成長させた後、SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分30cm3(C/Si比1.5)にし、さらにドーピングガスであるN2流量を毎分30cm3にして(ドーピング原子数密度1×1016cm−3)、ドープ層を0.2μm成長させた。
その後、N2の導入を止め、再びノンドープ層を0.1μm成長させて、更に、N2流量を毎分30cm3にしてドープ層を0.2μm成長させて、以降このようにして、ノンドープ層とドープ層をそれぞれ合計30回成長させ、最上層がドープ層となるようにした。
実施例1と同様にスライス、粗削り、通常研磨を行った、4H型のポリタイプを有する3インチ(76mm)のSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。基板のオフ角は4°である。この基板はn型であり、抵抗率は約0.02Ω・cmであった。
成長開始までの手順、温度等は、実施例1と同様であった。本実施例における成長の手順は、以下の通りであった。
SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分22cm3(C/Si比1.1)にしてノンドープ層の成長を開始した。ノンドープ層を0.05μm成長させた後、SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分30cm3(C/Si比1.5)にし、さらにドーピングガスであるN2流量を毎分3cm3にして(ドーピング原子数密度1×1015cm−3)、ドープ層を0.5μm成長させた。
その後、N2の導入を止め、再びノンドープ層を0.05μm成長させて、更に、N2流量を毎分3cm3にしてドープ層を0.5μm成長させて、以降このようにして、ノンドープ層とドープ層をそれぞれ合計20回成長させた。このようにしてエピタキシャル成長を行った膜は、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であり、電流値で評価した面内均一性のσ/meanは3.5%であった。
実施例1と同様にスライス、粗削り、通常研磨を行った、4H型のポリタイプを有する3インチ(76mm)のSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。基板のオフ角は4°である。この基板はn型であり、抵抗率は約0.02Ω・cmであった。
成長開始までの手順、温度等は、実施例1と同様であった。本実施例における成長の手順は、以下の通りであった。
SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分10cm3(C/Si比0.5)にしてノンドープ層の成長を開始した。ノンドープ層を0.1μm成長させた後、SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分40cm3(C/Si比2.0)にし、さらにドーピングガスであるN2流量を毎分30cm3(ドーピング原子数密度1×1016cm−3)にしてドープ層を0.2μm成長させた。
その後、N2の導入を止め、再びノンドープ層を0.1μm成長させて、更に、N2流量を毎分30cm3にしてドープ層を0.2μm成長させた。以降このようにして、ノンドープ層とドープ層をそれぞれ合計30回成長させた。
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜は、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であり、電流値で評価した面内均一性のσ/meanは4.7%であった。
実施例1と同様にスライス、粗削り、通常研磨を行った、4H型のポリタイプを有する3インチ(76mm)のSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。基板のオフ角は4°である。この基板はn型であり、抵抗率は約0.02Ω・cmであった。
成長開始までの手順、温度等は、実施例1と同様であった。本実施例における成長の手順は、以下の通りであった。
SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分10cm3(C/Si比0.5)にしてノンドープ層の成長を開始した。ノンドープ層を0.05μm成長させた後、SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分40cm3(C/Si比2.0)にし、さらにドーピングガスであるN2流量を毎分300cm3(ドーピング原子数密度1×1017cm−3)にして、ドープ層を0.5μm成長させた。
その後、N2の導入を止め、再びノンドープ層を0.05μm成長させて、更に、N2流量を毎分300cm3にしてドープ層を0.5μm成長させた。以降このようにして、ノンドープ層とドープ層をそれぞれ合計20回成長させた。
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜は、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であり、電流値で評価した面内均一性のσ/meanは4.0%であった。
実施例1と同様にスライス、粗削り、通常研磨を行った、4H型のポリタイプを有する3インチ(76mm)のSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。基板のオフ角は1°である。この基板はn型であり、抵抗率は約0.02Ω・cmであった。
成長開始までの手順、温度等は、実施例1と同様であった。本実施例における成長の手順は、以下の通りであった。
SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分10cm3(C/Si比0.5)にしてノンドープ層の成長を開始した。ノンドープ層を0.1μm成長させた後、SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分30cm3(C/Si比1.5)にし、さらにドーピングガスであるN2流量を毎分30cm3(ドーピング原子数密度1×1016cm−3)にして、ドープ層を0.2μm成長させた。
その後、N2の導入を止め、再びノンドープ層を0.1μm成長させて、更に、N2流量を毎分30cm3にしてドープ層を0.2μm成長させた。以降このようにして、ノンドープ層とドープ層をそれぞれ合計30回成長させた。
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜は、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であり、電流値で評価した面内均一性のσ/meanは4.8%であった。
実施例1と同様にスライス、粗削り、通常研磨を行った、4H型のポリタイプを有する3インチ(76mm)のSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。基板のオフ角は6°である。この基板はn型であり、抵抗率は約0.02Ω・cmであった。
成長開始までの手順、温度等は、実施例1と同様であった。本実施例における成長の手順は、以下の通りであった。
SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分22cm3(C/Si比1.1)にしてノンドープ層の成長を開始した。ノンドープ層を0.1μm成長させた後、SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分30cm3(C/Si比1.5)にし、さらにドーピングガスであるN2流量を毎分30cm3(ドーピング原子数密度1×1016cm−3)にして、ドープ層を0.2μm成長させた。
その後、N2の導入を止め、再びノンドープ層を0.1μm成長させて、更に、N2流量を毎分30cm3にしてドープ層を0.2μm成長させた。以降このようにして、ノンドープ層とドープ層をそれぞれ合計30回成長させた。
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜は、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であり、電流値で評価した面内均一性のσ/meanは4.2%であった。
比較例として、実施例1と同様にスライス、粗削り、通常研磨を行った、4H型のポリタイプを有する3インチ(76mm)のSiC単結晶基板のSi面に、エピタキシャル成長を実施した。基板のオフ角は4°である。
成長開始までの手順、温度等は、実施例1と同様であるが、成長は、SiH4流量を毎分40cm3、C2H4流量を毎分22cm3(C/Si比1.1)にし、さらにドーピングガスであるN2流量を1cm3(ドーピング原子数密度1×1016cm−3)にして、ドープ層を10μm成長した。
このようにしてエピタキシャル成長を行った膜は、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜であるが、電流値で評価した面内均一性のσ/meanは15%であった。
Claims (5)
- オフ角度が1°以上6°以下である炭化珪素単結晶基板上に、化学気相堆積法によって形成された炭化珪素エピタキシャル膜を有するエピタキシャル炭化珪素単結晶基板であって、
該エピタキシャル膜が、不純物元素を添加しながら形成した厚さ0.5μm以下のドープ層と、不純物元素を添加せずに形成した厚さ0.1μm以下のノンドープ層とを交互に積層して、ドープ層及びノンドープ層をそれぞれ2層以上有してなることを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。 - 前記ドープ層が、エピタキシャル膜の材料ガス中に含まれる炭素と珪素の原子数比(C/Si)を1.5以上2.0以下にして形成され、また、前記ノンドープ層が、エピタキシャル膜の材料ガス中に含まれる炭素と珪素の原子数比(C/Si)を0.5以上1.5未満にして形成されたことを特徴とする請求項1に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
- 前記ドープ層の厚さが前記ノンドープ層の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項1又は2に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
- 前記ドープ層のドーピング原子数密度が1×1015cm−3以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板。
- オフ角度が1°以上6°以下である炭化珪素単結晶基板上に、化学気相堆積法によって炭化珪素エピタキシャル膜を形成して、エピタキシャル炭化珪素単結晶基板を製造する方法であって、
エピタキシャル膜の材料ガス中に含まれる炭素と珪素の原子数比(C/Si)を1.5以上2.0以下にして、不純物元素を添加しながら形成する厚さ0.5μm以下のドープ層と、
エピタキシャル膜の材料ガス中に含まれる炭素と珪素の原子数比(C/Si)を0.5以上1.5未満にして、不純物元素を添加せずに形成する厚さ0.1μm以下のノンドープ層と、を交互に成長させて、
ドープ層及びノンドープ層をそれぞれ2層以上有するようにして炭化珪素エピタキシャル膜を形成することを特徴とするエピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法。
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