WO2017047245A1 - 炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present disclosure relates to a method for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate.
  • This application claims priority based on Japanese Application No. 2015-180673 filed on Sep. 14, 2015, and incorporates all the description content described in the above Japanese application.
  • Patent Document 1 discloses a CVD (Chemical Vapor Deposition) method of a silicon carbide layer, a CVD apparatus, and a susceptor for a CVD apparatus.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • a method for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate includes a step of heating a reaction chamber of a film forming apparatus to perform degassing, a gas containing silicon atoms, a gas containing carbon atoms, ammonia gas, and a carrier gas. And a step of epitaxially growing a silicon carbide layer on the surface of the silicon carbide single crystal substrate in the reaction chamber using hydrogen gas having a dew point of ⁇ 100 ° C. or less.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the silicon carbide epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional schematic diagram showing the configuration of a film forming apparatus for executing the method for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart schematically showing a method for manufacturing the silicon carbide epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing an example of a silicon carbide single crystal substrate.
  • FIG. 5 is a graph for explaining each step shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram for describing a silicon carbide epitaxial substrate having a diameter of 100 mm formed by the method for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for illustrating a silicon carbide epitaxial substrate having a diameter of 150 mm formed by the method for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • a method for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate of a silicon carbide layer according to the present disclosure includes a step of heating a reaction chamber of a film forming apparatus to degas, a gas containing silicon atoms, a gas containing carbon atoms, and ammonia And a step of epitaxially growing a silicon carbide layer on the surface of the silicon carbide single crystal substrate in the reaction chamber using a gas and a hydrogen gas having a dew point of ⁇ 100 ° C. or less as a carrier gas.
  • a silicon carbide layer to which nitrogen (N) as an impurity is added is formed on the surface of the silicon carbide single crystal substrate by a gas containing silicon atoms, a gas containing carbon atoms, and a gas containing ammonia gas.
  • Nitrogen atoms are produced by the decomposition of ammonia.
  • ammonia is sensitive to water. When ammonia reacts with water, thermal decomposition of ammonia tends to be hindered.
  • degassing by heating the reaction chamber of the film forming apparatus, moisture adsorbed inside the reaction chamber can be released to the outside of the reaction chamber. Furthermore, since the dew point of the carrier gas is low, the amount of moisture contained in the gas per unit volume can be reduced.
  • the amount of moisture present in the reaction chamber can be reduced, so that ammonia is likely to be thermally decomposed. Therefore, a silicon carbide layer excellent in in-plane uniformity of doping density can be formed.
  • the method for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the above (1) may further include a step of introducing an inert gas into the reaction chamber at room temperature and then discharging the inert gas from the reaction chamber.
  • the step of introducing and discharging the inert gas may be performed prior to the step of degassing.
  • Normal temperature may be defined as the temperature of the reaction chamber when the reaction chamber is not heated or cooled.
  • the inert gas may be an argon gas having a dew point of ⁇ 95 ° C. or less.
  • argon gas is introduced into the reaction chamber until the pressure in the reaction chamber becomes 2 ⁇ 10 4 Pa or higher, and then the pressure in the reaction chamber is 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa or lower.
  • the reaction chamber may be evacuated until.
  • the degassing step includes heating the reaction chamber to a temperature of 1000 ° C. or higher, and the pressure in the reaction chamber is You may include the process of implementing vacuuming until it becomes 0.01 Pa or less.
  • the diameter of the silicon carbide single crystal substrate may be 100 mm or more.
  • the diameter of the silicon carbide single crystal substrate may be 150 mm or more.
  • a method for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate of a silicon carbide layer according to the present disclosure includes a step of introducing an inert gas into a reaction chamber of a film forming apparatus at room temperature and then discharging the inert gas from the reaction chamber. After the step of discharging the inert gas, the step of degassing by heating the reaction chamber, the gas containing silicon atoms, the gas containing carbon atoms, the ammonia gas, and the dew point of the carrier gas is ⁇ 100 And a step of epitaxially growing a silicon carbide layer on the surface of the silicon carbide single crystal substrate in the reaction chamber using hydrogen gas at a temperature not higher than ° C.
  • the inert gas is an argon gas having a dew point of ⁇ 95 ° C. or less.
  • argon gas is introduced into the reaction chamber until the pressure in the reaction chamber becomes 2 ⁇ 10 4 Pa or higher, and then the pressure in the reaction chamber is 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa or lower.
  • the reaction chamber is evacuated until pressure is reached.
  • the step of degassing includes a step of heating the reaction chamber to a temperature of 1000 ° C. or higher and evacuating until the pressure of the reaction chamber becomes 0.01 Pa or lower.
  • the diameter of the silicon carbide single crystal substrate is 150 mm or more.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a silicon carbide epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • silicon carbide epitaxial substrate 10 includes a silicon carbide single crystal substrate 20, a silicon carbide layer 31, and a silicon carbide layer 32.
  • Silicon carbide single crystal substrate 20 is made of, for example, polytype 4H hexagonal silicon carbide. Silicon carbide single crystal substrate 20 has a front surface 21 and a back surface 22. The maximum diameter 23 of the front surface 21 and the back surface 22 is, for example, 100 mm or more. The maximum diameter 23 may be 150 mm or more.
  • Silicon carbide single crystal substrate 20, silicon carbide layer 31, and silicon carbide layer 32 contain nitrogen as an n-type impurity.
  • the concentration of n-type impurities in silicon carbide single crystal substrate 20 is higher than the concentration of n-type impurities in silicon carbide layer 31.
  • the concentration of n-type impurities in silicon carbide layer 31 is higher than the concentration of n-type impurities in silicon carbide layer 32.
  • the concentration of the n-type impurity in silicon carbide single crystal substrate 20 is 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the concentration of n-type impurities in silicon carbide layer 31 is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the concentration of the n-type impurity in silicon carbide layer 32 is not less than 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 and not more than 2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 , for example.
  • the thickness of the silicon carbide single crystal substrate 20 is, for example, not less than 300 ⁇ m and not more than 600 ⁇ m.
  • Silicon carbide layer 31 has a thickness of, for example, not less than 0.1 ⁇ m and not more than 20 ⁇ m.
  • Silicon carbide layer 32 may have a thickness greater than that of silicon carbide layer 31.
  • Silicon carbide layer 32 has a thickness of not less than 1 ⁇ m and not more than 150 ⁇ m, for example.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional schematic diagram showing a configuration of a film forming apparatus 40 for executing the method for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • the film forming apparatus 40 is, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus.
  • the film forming apparatus 40 includes a quartz tube 43, an induction heating coil 44, a heat insulating material 42, a heating element 41, a substrate holder 46, gas supply sources 51 to 55, and a pipe 60. 61, an exhaust pump 62, a mass analyzer 64, valves 63 and 65, and dew point meters 81 to 85.
  • the heating element 41 has a hollow structure and has a reaction chamber 45 formed therein.
  • the heat insulating material 42 is disposed so as to surround the outer periphery of the heating element 41.
  • the quartz tube 43 is disposed so as to surround the outer periphery of the heat insulating material 42.
  • the induction heating coil 44 is provided so as to wind the outer periphery of the quartz tube 43.
  • the substrate holder 46 is placed inside the reaction chamber 45.
  • Substrate holder 46 is a support member configured to hold silicon carbide single crystal substrate 20.
  • the substrate holder 46 is a susceptor.
  • the gas supply source 51 supplies hydrogen (H 2 ) gas as a carrier gas.
  • the gas supply sources 52 and 53 supply a source gas.
  • the gas supply source 52 supplies a gas containing silicon (Si) atoms.
  • the gas supply source 53 supplies a gas containing carbon (C) atoms.
  • the gas containing silicon atoms may be silane (SiH 4 ) gas.
  • Other examples of the gas containing silicon atoms include silicon tetrachloride (SiCl 4 ) gas, trichlorosilane (SiHCl 3 ) gas, and dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) gas.
  • the gas containing carbon atoms may be propane (C 3 H 8 ) gas.
  • the gas supply source 54 supplies ammonia (NH 3 ) gas as a dopant gas.
  • the gas supply source 55 supplies an inert gas as a purge gas. Examples of the inert gas include argon (Ar) gas and neon (Ne) gas.
  • Each of the gas supply sources 51 to 55 may include a gas purification device.
  • the gas purification device can lower the dew point of the gas.
  • the gas containing silicon (Si) atoms is a silane gas.
  • the gas containing carbon atoms is propane (C 3 H 8 ) gas.
  • the inert gas is argon (Ar) gas.
  • the pipe 60 is configured to introduce the gas 70 into the reaction chamber 45.
  • a mixed gas in which a carrier gas, a source gas, and a dopant gas are mixed is supplied into the reaction chamber 45 as the gas 70.
  • argon gas is supplied as the gas 70.
  • the piping 61 is configured to discharge gas from the reaction chamber 45.
  • the exhaust pump 62 is connected to the pipe 61.
  • the valve 63 is provided in the pipe 61 in order to adjust the exhaust flow rate, for example.
  • the mass analyzer 64 is attached to the pipe 61 via the valve 65.
  • Dew point meters 81 to 85 measure the dew points of the gases supplied from the gas supply sources 51 to 55, respectively.
  • the dew points shown below are values measured by dew point meters 81-85.
  • FIG. 3 is a flowchart schematically showing a method for manufacturing the silicon carbide epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • the method for manufacturing the silicon carbide epitaxial substrate according to the present embodiment is performed using the film forming apparatus 40 shown in FIG. 3 may be applied to either one of silicon carbide layers 31 and 32, or may be applied to both silicon carbide layers 31 and 32.
  • step 110 is performed at room temperature.
  • “Normal temperature” can be the temperature of the reaction chamber 45 in a state where the reaction chamber 45 is not heated or cooled.
  • room temperature may be room temperature.
  • Step 110 includes a step 111 and a step 112.
  • step 111 the inside of the reaction chamber 45 is purged with argon gas.
  • argon gas is introduced into the reaction chamber 45 from the gas supply source 55 with the valves 63 and 65 closed.
  • the dew point of argon gas is ⁇ 95 ° C. or lower.
  • step 112 the valve 63 is opened.
  • the reaction chamber 45 is evacuated by the exhaust pump 62. While the valve 65 is opened, the mass analyzer 64 may detect the component of the gas discharged from the reaction chamber 45. The mass analyzer 64 can detect that moisture is discharged from the reaction chamber 45.
  • Step 111 and Step 112 are executed at least once. Therefore, step 111 and step 112 may be performed repeatedly.
  • step 120 degassing is performed. While the reaction chamber 45 is heated, the inside of the reaction chamber 45 is evacuated by the exhaust pump 62. By causing a high frequency current to flow through the induction heating coil 44, the heating element 41 is induction heated. Thereby, the reaction chamber 45 is heated. When the inside of the reaction chamber 45 is evacuated by the exhaust pump 62, gas molecules and moisture are desorbed from the wall of the reaction chamber 45. Therefore, the amount of moisture present in the reaction chamber 45 can be reduced.
  • a silicon carbide layer 31 is formed on silicon carbide single crystal substrate 20 by epitaxial growth.
  • silicon carbide layer 32 is formed on silicon carbide layer 31.
  • silicon carbide layers 31 and 32 can be formed continuously.
  • the silicon carbide single crystal substrate 20 is introduced into the reaction chamber 45 before the step 130. As shown in FIG. 4, silicon carbide single crystal substrate 20 having front surface 21 and rear surface 22 is prepared. Silicon carbide single crystal substrate 20 is produced, for example, by slicing an ingot made of a silicon carbide single crystal manufactured by a sublimation method.
  • the surface 21 is a surface inclined by an off angle from the basal plane.
  • the basal plane is, for example, a ⁇ 0001 ⁇ plane, specifically a (0001) Si plane.
  • the off angle is, for example, 2 ° or more and 8 ° or less.
  • the off direction may be the ⁇ 1-100> direction or the ⁇ 11-20> direction.
  • silicon carbide single crystal substrate 20 is placed on substrate holder 46.
  • Heating reaction chamber 45 raises the temperature inside silicon carbide single crystal substrate 20 and the reaction chamber.
  • gas 70 in which hydrogen gas, a source gas containing silane and propane, and a dopant gas (ammonia gas) are mixed into reaction chamber 45.
  • the dew point of the source gas and the dew point of the dopant gas are, for example, ⁇ 100 ° C. or lower as in the case of hydrogen gas.
  • the gas 70 may be heated before being introduced into the reaction chamber 45.
  • silicon carbide layers 31 and 32 are formed on silicon carbide single crystal substrate 20 by epitaxial growth.
  • FIG. 5 is a graph for explaining each process shown in FIG. In FIG. 5, the time change of the temperature T and the pressure P in the reaction chamber 45 is shown. Furthermore, the time change of the gas flow rate in steps 110 to 130 is shown. “0” represents the start time of step 120.
  • step 110 argon gas is introduced into the reaction chamber 45 at the temperature T1, and then the inside of the reaction chamber 45 is evacuated.
  • the temperature T1 is room temperature.
  • the flow rate of the argon gas is E (sccm).
  • the introduction of argon gas into the reaction chamber 45 and the discharge of argon gas from the reaction chamber 45 may be repeated.
  • argon gas is introduced into the reaction chamber 45 at times a1, a2, and a3.
  • the pressure P reaches P1 by the introduction of argon gas.
  • the pressure P1 is 2 ⁇ 10 4 (Pa) or more, for example. By vacuuming, the pressure P becomes 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa or less.
  • step 120 the reaction chamber 45 is heated and degassed.
  • the temperature T in the reaction chamber 45 rises from T1.
  • the pressure P temporarily rises. Since the exhaust is continued, the pressure P decreases again after the increase.
  • T2 is a predetermined temperature of 1000 ° C. or higher. Until time c2, temperature T is maintained at T2.
  • the inside of the reaction chamber 45 is evacuated until the pressure in the reaction chamber 45 becomes 0.01 Pa or less.
  • step 130 is started. Hydrogen gas having a dew point of ⁇ 100 ° C. or lower is supplied to the reaction chamber 45.
  • the flow rate of hydrogen gas is G (slm). With the supply of hydrogen gas, the pressure P increases to P2 (Pa).
  • the temperature T rises from T2.
  • the temperature T reaches T3.
  • the temperature T3 is, for example, 1500 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower.
  • a mixed gas of silane gas, propane gas, ammonia gas, and hydrogen gas is introduced into the reaction chamber 45.
  • the total flow rate of silane gas, propane gas, and ammonia gas is F (sccm).
  • the flow rate of hydrogen gas may remain G (slm).
  • the pressure P is kept at P2 (Pa).
  • the process 130 ends.
  • the supply of silane gas, propane gas, and ammonia gas is stopped.
  • the supply of hydrogen gas may be continued after time c4.
  • the temperature T decreases and reaches room temperature at time c5.
  • step 110 an inert gas is introduced into the reaction chamber 45, and then the inert gas is discharged from the reaction chamber 45. As a result, the amount of moisture present in the reaction chamber 45 can be reduced. Through step 120, the moisture adsorbed in the reaction chamber 45 can be discharged to the outside of the reaction chamber 45. Step 110 may be omitted.
  • step 130 by using a gas having a low dew point, the amount of water contained in the gas per unit volume can be reduced.
  • the thermal decomposition of ammonia can be promoted during the epitaxial growth of silicon carbide. As a result, the in-plane uniformity of the doping density of the silicon carbide layer can be improved.
  • FIG. 6 is a diagram for illustrating a silicon carbide epitaxial substrate having a diameter of 100 mm formed by the method for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • measurement points 201 are located on the surface of silicon carbide epitaxial substrate 10 (silicon carbide layer 32) at intervals of 10 mm.
  • the number of measurement points 201 is 17, only 13 measurement points are shown in FIG.
  • the coordinates of the wafer center are defined as (0 mm, 0 mm)
  • the coordinates of the 17 measurement points can be expressed as follows.
  • Silicon carbide layer 32 is formed, for example, according to the following conditions.
  • the epitaxial growth temperature (T3) is 1600 ° C.
  • the epitaxial growth pressure (P2) is 1 ⁇ 10 4 Pa.
  • the flow rate of silane gas is 46 sccm.
  • the flow rate of propane gas is 17 sccm.
  • the flow rate of ammonia gas is 0.16 sccm.
  • the dew point of argon gas is ⁇ 100 ° C.
  • the flow rate of hydrogen gas is 120 slm.
  • the dew point of hydrogen gas is -110 ° C.
  • the doping density (Nd—Na) can be obtained by a capacitance-voltage measurement method.
  • the in-plane uniformity of the doping density is obtained from the measured values of the doping density at the 17 measurement points 201.
  • the standard deviation of the measured value is ⁇ and the average value of the measured value is m
  • the in-plane uniformity is expressed by a value ⁇ / m obtained by dividing ⁇ by m.
  • Silicon carbide layer 32 formed according to the above conditions has a doping density of 2.7 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • In-plane uniformity of the doping density of silicon carbide layer 32 is 1.8%.
  • An in-plane uniformity of 1.8% is desirable for a silicon carbide semiconductor substrate having a diameter of 100 mm.
  • FIG. 7 is a diagram for illustrating a silicon carbide epitaxial substrate having a diameter of 150 mm formed by the method for manufacturing a silicon carbide epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • measurement points 301 are located on the surface of silicon carbide epitaxial substrate 10 (silicon carbide layer 32) at intervals of 10 mm.
  • the number of measurement points 301 is 29, only 21 measurement points are schematically shown in FIG.
  • the coordinates of the wafer center are defined as (0 mm, 0 mm)
  • the coordinates of the 29 measurement points can be expressed as follows.
  • Silicon carbide layer 32 is formed, for example, according to the following conditions.
  • the epitaxial growth temperature (T3) is 1600 ° C.
  • the epitaxial growth pressure (P2) is 1 ⁇ 10 4 Pa.
  • the flow rate of silane gas is 46 sccm.
  • the flow rate of propane gas is 17 sccm.
  • the flow rate of ammonia gas is 0.17 sccm.
  • the dew point of argon gas is ⁇ 100 ° C.
  • the flow rate of hydrogen gas is 120 slm.
  • the dew point of hydrogen gas is -110 ° C.
  • the doping density (Nd—Na) can be obtained by a capacitance-voltage measurement method. According to the above conditions, the doping density of silicon carbide layer 32 is 2.8 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 . In-plane uniformity of the doping density of silicon carbide layer 32 is 3.9%. An in-plane uniformity of a doping density of 3.9% is desirable for a silicon carbide semiconductor substrate having a diameter of 150 mm.
  • silicon carbide epitaxial substrate 20 silicon carbide single crystal substrate, 21 front surface, 22 back surface, 23 maximum diameter, 31, 32 silicon carbide layer, 40 film forming device, 41 heating element, 42 heat insulating material, 43 quartz tube, 44 induction heating Coil, 45 reaction chamber, 46 substrate holder, 51-55 gas supply source, 60, 61 piping, 62 exhaust pump, 63, 65 valve, 64 mass analyzer, 70 gas, 81-85 dew point meter, 110, 111, 112 , 120, 130 steps, 201, 301 measurement points, P, P1, P2 pressure, T, T1, T2, T3 temperature, E, F, G flow, a1 to a3, c1 to c5 time.

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Abstract

炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、成膜装置の反応室を加熱して脱ガスを行う工程と、シリコン原子を含むガスと、炭素原子を含むガスと、アンモニアガスと、キャリアガスである露点が－１００℃以下の水素ガスとを用いて、反応室内の炭化珪素単結晶基板の表面に炭化珪素層をエピタキシャル成長する工程とを備える。

Description

炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法
　本開示は、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法に関する。
　本出願は、２０１５年９月１４日出願の日本出願第２０１５－１８０６７３号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
　特開２００３－８６５１８号公報（特許文献１）は、炭化珪素層のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法、ＣＶＤ装置およびＣＶＤ装置用サセプタ―を開示する。
特開２００３－８６５１８号公報
　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、成膜装置の反応室を加熱して脱ガスを行う工程と、シリコン原子を含むガス、炭素原子を含むガス、アンモニアガス、およびキャリアガスである露点が－１００℃以下の水素ガスを用いて、前記反応室内の炭化珪素単結晶基板の表面に炭化珪素層をエピタキシャル成長する工程とを備える。
図１は、本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の構成を示す断面模式図である。 図２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実行するための成膜装置の構成を示す一部断面模式図である。 図３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図である。 図４は、炭化珪素単結晶基板の一例を示す斜視模式図である。 図５は、図２に示された各工程を説明するためのグラフである。 図６は、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法によって形成された直径１００ｍｍの炭化珪素エピタキシャル基板を説明するための図である。 図７は、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法によって形成された直径１５０ｍｍの炭化珪素エピタキシャル基板を説明するための図である。
　[実施形態の説明]
　（１）本開示に係る炭化珪素層の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、成膜装置の反応室を加熱して脱ガスを行う工程と、シリコン原子を含むガス、炭素原子を含むガス、アンモニアガス、およびキャリアガスである露点が－１００℃以下の水素ガスを用いて、反応室内の炭化珪素単結晶基板の表面に炭化珪素層をエピタキシャル成長する工程とを備える。
　シリコン原子を含むガス、炭素原子を含むガスおよびアンモニアガスを含むガスによって、不純物である窒素（Ｎ）が添加された炭化珪素層が炭化珪素単結晶基板の表面に形成される。窒素原子は、アンモニアの分解によって生成される。しかし、アンモニアは水に反応しやすい。アンモニアが水と反応した場合にはアンモニアの熱分解が阻害されやすい。成膜装置の反応室を加熱して脱ガスを行うことにより、反応室の内部に吸着した水分を、反応室の外部に放出することができる。さらに、キャリアガスの露点が低いことによって、単位体積あたりのガスに含まれる水分の量を減らすことができる。炭化珪素のエピタキシャル成長の際に、反応室の内部に存在する水分の量を少なくすることができるので、アンモニアが熱分解されやすい。したがってドーピング密度の面内均一性に優れた炭化珪素層を形成することができる。
　（２）上記（１）に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、常温下で反応室に不活性ガスを導入し、その後に反応室から不活性ガスを排出する工程をさらに備えてもよい。不活性ガスを導入および排出する工程は、脱ガスを行う工程に先立って実行されてもよい。
　「常温」とは、反応室が加熱あるいは冷却されていない状態における反応室の温度であると定義してもよい。
　（３）上記（２）に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法において、不活性ガスは、露点が－９５℃以下のアルゴンガスであってもよい。不活性ガスを導入および排出する工程において、反応室内の圧力が２×１０4Ｐａ以上となるまでアルゴンガスを反応室内に導入し、その後、反応室内の圧力が１×１０-4Ｐａ以下の圧力になるまで反応室内を真空引きしてもよい。
　（４）上記（１）～（３）のいずれかに係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法において、脱ガスを行う工程は、反応室を１０００℃以上の温度に加熱し、かつ反応室の圧力が０．０１Ｐａ以下になるまで真空引きを実施する工程を含んでもよい。
　（５）上記の（１）～（４）のいずれかに係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法において、炭化珪素単結晶基板の直径は、１００ｍｍ以上であってもよい。
　（６）上記の（１）～（４）のいずれかに係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法において、炭化珪素単結晶基板の直径は、１５０ｍｍ以上であってもよい。
　（７）本開示に係る炭化珪素層の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、常温下で成膜装置の反応室に不活性ガスを導入し、その後に反応室から不活性ガスを排出する工程と、不活性ガスを排出する工程の後に、反応室を加熱して脱ガスを行う工程と、シリコン原子を含むガスと、炭素原子を含むガスと、アンモニアガスと、キャリアガスである露点が－１００℃以下の水素ガスとを用いて、反応室内の炭化珪素単結晶基板の表面に、炭化珪素層をエピタキシャル成長する工程とを備える。不活性ガスは、露点が－９５℃以下のアルゴンガスである。不活性ガスを導入および排出する工程において、反応室内の圧力が２×１０4Ｐａ以上となるまでアルゴンガスを反応室内に導入し、その後、前記反応室内の圧力が１×１０-4Ｐａ以下の圧力になるまで前記反応室内を真空引きする。脱ガスを行う工程は、反応室を１０００℃以上の温度に加熱し、かつ反応室の圧力が０．０１Ｐａ以下になるまで真空引きを実施する工程を含む。炭化珪素単結晶基板の直径は、１５０ｍｍ以上である。
　［実施形態の詳細]
　以下、図面に基づいて実施形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。本明細書中においては、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示す。負の指数については、結晶学上、”－”（バー）を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。
　図１は、本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の構成を示す断面模式図である。図１に示されるように、炭化珪素エピタキシャル基板１０は、炭化珪素単結晶基板２０と、炭化珪素層３１と、炭化珪素層３２とを含む。
　炭化珪素単結晶基板２０は、たとえばポリタイプ４Ｈの六方晶炭化珪素から構成される。炭化珪素単結晶基板２０は、表面２１と裏面２２とを有する。表面２１および裏面２２の最大径２３は、たとえば１００ｍｍ以上である。最大径２３は、１５０ｍｍ以上でもよい。
　炭化珪素単結晶基板２０と、炭化珪素層３１と、炭化珪素層３２とは、窒素をｎ型不純物として含む。一例では、炭化珪素単結晶基板２０のｎ型不純物の濃度は、炭化珪素層３１のｎ型不純物の濃度よりも高い。炭化珪素層３１のｎ型不純物の濃度は、炭化珪素層３２のｎ型不純物の濃度よりも高い。
　たとえば炭化珪素単結晶基板２０におけるｎ型不純物の濃度は、１×１０１９ｃｍ－３である。炭化珪素層３１のｎ型不純物の濃度は、１×１０１８ｃｍ－３である。炭化珪素層３２のｎ型不純物の濃度は、たとえば１×１０１５ｃｍ－３以上２×１０１６ｃｍ－３以下である。
　炭化珪素単結晶基板２０の厚みは、たとえば３００μｍ以上６００μｍ以下である。炭化珪素層３１の厚みは、たとえば０．１μｍ以上２０μｍ以下である。炭化珪素層３２の厚みは、炭化珪素層３１の厚みよりも大きくてもよい。炭化珪素層３２の厚みは、たとえば１μｍ以上１５０μｍ以下である。
　図２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実行するための成膜装置４０の構成を示す一部断面模式図である。成膜装置４０は、たとえばＣＶＤ(Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置である。図２に示されるように、成膜装置４０は、石英管４３と、誘導加熱コイル４４と、断熱材４２と、発熱体４１と、基板ホルダ４６と、ガス供給源５１～５５と、配管６０，６１と、排気ポンプ６２と、質量分析器６４と、バルブ６３，６５と、露点計８１～８５とを主に有している。
　発熱体４１は中空構造であって、内部に反応室４５を形成している。断熱材４２は、発熱体４１の外周を囲うように配置されている。石英管４３は、断熱材４２の外周を囲うように配置されている。誘導加熱コイル４４は、石英管４３の外周を巻回するように設けられている。
　基板ホルダ４６は、反応室４５の内部に載置される。基板ホルダ４６は、炭化珪素単結晶基板２０を保持可能に構成された支持部材である。一例では、基板ホルダ４６は、サセプタである。
　ガス供給源５１は、キャリアガスとして水素（Ｈ２）ガスを供給する。ガス供給源５２，５３は、原料ガスを供給する。ガス供給源５２は、シリコン（Ｓｉ）原子を含むガスを供給する。ガス供給源５３は、炭素（Ｃ）原子を含むガスを供給する。
　シリコン原子を含むガスは、シラン（ＳｉＨ４）ガスであってもよい。シリコン原子を含むガスの他の例として、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４)ガス、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３)ガス、およびジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスを挙げることができる。炭素原子を含むガスは、プロパン（Ｃ３Ｈ８）ガスであってもよい。
　ガス供給源５４は、ドーパントガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給する。ガス供給源５５は、パージガスとして不活性ガスを供給する。不活性ガスの例として、アルゴン（Ａｒ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガスを挙げることができる。
　ガス供給源５１～５５の各々は、ガス精製装置を含み得る。ガス精製装置は、ガスの露点を下げることができる。
　以下に説明される例において、シリコン（Ｓｉ）原子を含むガスはシランガスである。炭素原子を含むガスは、プロパン（Ｃ３Ｈ８）ガスである。不活性ガスはアルゴン（Ａｒ）ガスである。
　配管６０は、ガス７０を反応室４５に導入するように構成されている。炭化珪素のエピタキシャル成長時において、ガス７０として、キャリアガス、原料ガスおよびドーパントガスが混合された混合ガスが反応室４５の内部に供給される。反応室４５をパージする際において、ガス７０として、アルゴンガスが供給される。
　配管６１は、反応室４５からガスを排出するように構成されている。排気ポンプ６２は、配管６１に接続されている。バルブ６３は、たとえば排気流量を調整するために配管６１に設けられる。質量分析器６４は、バルブ６５を介して、配管６１に取り付けられる。
　露点計８１～８５は、それぞれ、ガス供給源５１～５５からそれぞれ供給されるガスの露点を計測する。以下に示された露点は、露点計８１～８５によって計測された値である。
　図３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図である。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、図２に示された成膜装置４０を用いて実行される。なお、図３に示すフローは、炭化珪素層３１，３２のいずれか一方に適用されてもよく、炭化珪素層３１，３２の両方に適用されてもよい。
　図３に示されるように、まず、工程１１０が常温下で実施される。「常温」とは、反応室４５が加熱または冷却されない状態における反応室４５の温度とすることができる。たとえば「常温」は室温であってもよい。
　工程１１０は、工程１１１と、工程１１２とを含む。工程１１１において、アルゴンガスにより反応室４５の内部がパージされる。一例では、バルブ６３，６５が閉じた状態で、アルゴンガスが、ガス供給源５５から反応室４５内に導入される。アルゴンガスの露点は－９５℃以下である。
　工程１１２において、バルブ６３が開けられる。排気ポンプ６２によって、反応室４５が真空引きされる。バルブ６５が開けられるとともに、質量分析器６４が、反応室４５から排出されるガスの成分を検出してもよい。質量分析器６４によって、水分が反応室４５から排出されることを検出することができる。
　工程１１１および工程１１２は、少なくとも１度ずつ実行される。したがって、工程１１１および工程１１２は繰り返して実行されてもよい。
　次に、工程１２０において、脱ガスが実施される。反応室４５が加熱されるとともに、排気ポンプ６２によって反応室４５の内部が真空引きされる。誘導加熱コイル４４に高周波電流を流すことによって、発熱体４１が誘導加熱される。これにより、反応室４５が加熱される。排気ポンプ６２によって反応室４５の内部が真空引きされることにより、反応室４５の壁から気体分子および水分が脱離される。したがって、反応室４５の内部に存在する水分の量を減らすことができる。
　続いて、工程１３０において、エピタキシャル成長によって、炭化珪素単結晶基板２０上に炭化珪素層３１が形成される。または、炭化珪素層３１上に炭化珪素層３２が形成される。たとえば炭化珪素層３１，３２は連続的に形成することができる。
　炭化珪素単結晶基板２０は、工程１３０よりも前に反応室４５に導入される。図４に示されるように、表面２１と、裏面２２とを有する炭化珪素単結晶基板２０が準備される。炭化珪素単結晶基板２０は、たとえば昇華法により製造された炭化珪素単結晶からなるインゴットをスライスすることにより、作製される。表面２１は、基底面からオフ角だけ傾斜した面である。基底面は、たとえば｛０００１｝面であり、特定的には（０００１）Ｓｉ面である。オフ角は、たとえば２°以上８°以下である。オフ方向は、＜１－１００＞方向であってもよいし、＜１１－２０＞方向であってもよい。
　図２に示されるように、炭化珪素単結晶基板２０は、基板ホルダ４６に載置される。反応室４５が加熱されることにより炭化珪素単結晶基板２０および反応室の内部の温度が上昇する。反応室４５および炭化珪素単結晶基板２０の温度が成長温度に達すると、水素ガスと、シランおよびプロパンを含む原料ガスと、ドーパントガス（アンモニアガス）とが混合されたガス７０が反応室４５に導入される。原料ガスの露点およびドーパントガスの露点は、たとえば水素ガスと同じく－１００℃以下である。アンモニアの熱分解を促進するため、反応室４５に導入される前に、ガス７０が加熱されてもよい。以上のようにして、エピタキシャル成長によって、炭化珪素単結晶基板２０上に炭化珪素層３１，３２が形成される。
　図５は、図２に示された各工程を説明するためのグラフである。図５において、反応室４５内の温度Ｔおよび圧力Ｐの時間変化が示される。さらに、工程１１０～１３０におけるガスの流量の時間変化が示される。「０」は、工程１２０の開始時点を表す。
　工程１１０において、温度Ｔ１で、反応室４５内にアルゴンガスが導入され、その後に、反応室４５の内部が真空引きされる。温度Ｔ１は、常温である。アルゴンガスの流量はＥ（ｓｃｃｍ）である。
　反応室４５へのアルゴンガスの導入と反応室４５からのアルゴンガスの排出とが繰り返されてもよい。たとえば、時刻ａ１，ａ２，ａ３において、反応室４５内にアルゴンガスが導入される。アルゴンガスの導入により、圧力ＰがＰ１に達する。圧力Ｐ１は、たとえば２×１０4（Ｐａ）以上である。真空引きによって、圧力Ｐは、１×１０-4Ｐａ以下になる。
　工程１２０において、反応室４５が加熱されるとともに脱ガスが行なわれる。反応室４５の温度ＴはＴ１から上昇する。気体分子あるいは水分が反応室４５の壁から脱離することで、圧力Ｐは一時的に上昇する。排気が継続されているため、圧力Ｐは、上昇後に再び減少する。
　時刻ｃ１において、温度ＴはＴ２に達する。Ｔ２は、１０００℃以上の所定の温度である。時刻ｃ２まで、温度ＴはＴ２に保たれる。反応室４５内の圧力が０．０１Ｐａ以下の圧力になるまで反応室４５の内部が真空引きされる。
　時刻ｃ２において、工程１３０が開始される。露点が－１００℃以下である水素ガスが反応室４５に供給される。水素ガスの流量はＧ（ｓｌｍ）である。水素ガスの供給によって、圧力Ｐは、Ｐ２（Ｐａ）へと上昇する。
　時刻ｃ２において、温度Ｔは、Ｔ２から上昇する。時刻ｃ３において、温度ＴがＴ３に達する。温度Ｔ３は、たとえば１５００℃以上１７００℃以下である。時刻ｃ３において、シランガス、プロパンガス、アンモニアガスおよび水素ガスの混合ガスが反応室４５に導入される。シランガス、プロパンガス、アンモニアガスの流量の合計は、Ｆ（ｓｃｃｍ）である。水素ガスの流量は、Ｇ（ｓｌｍ）のままであってもよい。圧力Ｐは、Ｐ２（Ｐａ）に保たれる。
　時刻ｃ４において、工程１３０が終了する。シランガス、プロパンガス、アンモニアガスの供給が停止される。反応室４５を冷却するために、時刻ｃ４以後も水素ガスの供給が継続されてもよい。温度Ｔは低下し、時刻ｃ５において常温に達する。
　工程１１０では、反応室４５に不活性ガスが導入され、その後に不活性ガスが反応室４５から排出される。これにより、反応室４５の内部に存在する水分の量を減らすことができる。工程１２０によって、反応室４５に吸着した水分を反応室４５の外部に排出することができる。工程１１０は、省略されてもよい。
　工程１３０において、露点の低いガスを用いることにより、単位体積当たりのガスに含まれる水分の量を低くすることができる。反応室４５の内部の水分の量を減らすことによって、炭化珪素のエピタキシャル成長の際に、アンモニアの熱分解を促進できる。この結果、炭化珪素層のドーピング密度の面内均一性を良好にすることができる。
　図６は、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法によって形成された直径１００ｍｍの炭化珪素エピタキシャル基板を説明するための図である。図６に示されるように、測定点２０１が、１０ｍｍの間隔で炭化珪素エピタキシャル基板１０（炭化珪素層３２）の表面に位置する。測定点２０１の数は１７であるが、図６には１３個の測定点のみ示される。ウェハ中心の座標を（０ｍｍ，０ｍｍ）と定めた場合、１７個の測定点の座標は、以下のように表すことができる。
　（０ｍｍ，－４０ｍｍ），（０ｍｍ，－３０ｍｍ），（０ｍｍ，－２０ｍｍ），（０ｍｍ，－１０ｍｍ），（０ｍｍ，０ｍｍ），（０ｍｍ，１０ｍｍ），（０ｍｍ，２０ｍｍ），（０ｍｍ，３０ｍｍ），（０ｍｍ，４０ｍｍ），（－４０ｍｍ，０ｍｍ），（－３０ｍｍ，０ｍｍ），（－２０ｍｍ，０ｍｍ），（－１０ｍｍ，０ｍｍ），（１０ｍｍ，０ｍｍ），（２０ｍｍ，０ｍｍ），（３０ｍｍ，０ｍｍ），（４０ｍｍ，０ｍｍ）
　炭化珪素層３２は、たとえば以下の条件に従って形成される。エピタキシャル成長温度（Ｔ３）は、１６００℃である。エピタキシャル成長圧力（Ｐ２）は、１×１０4Ｐａである。シランガスの流量は４６ｓｃｃｍである。プロパンガスの流量は１７ｓｃｃｍである。アンモニアガスの流量は０．１６ｓｃｃｍである。アルゴンガスの露点は－１００℃である。水素ガスの流量は、１２０ｓｌｍである。水素ガスの露点は－１１０℃である。
　ドーピング密度（Ｎｄ－Ｎａ）は、容量－電圧測定方法によって得ることができる。ドーピング密度の面内均一性は、１７個の測定点２０１におけるドーピング密度の測定値から求められる。測定値の標準偏差をσとし、測定値の平均値をｍとすると、面内均一性は、σをｍで割った値σ／ｍによって表される。
　上記の条件に従って形成された炭化珪素層３２のドーピング密度は、２．７×１０15ｃｍ-3である。炭化珪素層３２のドーピング密度の面内均一性は、１．８％である。面内均一性が１．８％であることは、直径１００ｍｍの炭化珪素半導体基板において望ましいといえる。
　図７は、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法によって形成された直径１５０ｍｍの炭化珪素エピタキシャル基板を説明するための図である。図７に示されるように、測定点３０１が、１０ｍｍの間隔で炭化珪素エピタキシャル基板１０（炭化珪素層３２）の表面に位置する。測定点３０１の数は２９であるが図７には２１個の測定点のみ模式的に示される。ウェハ中心の座標を（０ｍｍ，０ｍｍ）と定めた場合、２９個の測定点の座標は、以下のように表すことができる。
　（０ｍｍ，－７０ｍｍ），（０ｍｍ，－６０ｍｍ），（０ｍｍ，－５０ｍｍ），（０ｍｍ，－４０ｍｍ），（０ｍｍ，－３０ｍｍ），（０ｍｍ，－２０ｍｍ），（０ｍｍ，－１０ｍｍ），（０ｍｍ，０ｍｍ），（０ｍｍ，１０ｍｍ），（０ｍｍ，２０ｍｍ），（０ｍｍ，３０ｍｍ），（０ｍｍ，４０ｍｍ），（０ｍｍ，５０ｍｍ），（０ｍｍ，６０ｍｍ），（０ｍｍ，７０ｍｍ），（－７０ｍｍ，０ｍｍ），（－６０ｍｍ，０ｍｍ），（－５０ｍｍ，０ｍｍ），（－４０ｍｍ，０ｍｍ），（－３０ｍｍ，０ｍｍ），（－２０ｍｍ，０ｍｍ），（－１０ｍｍ，０ｍｍ），（１０ｍｍ，０ｍｍ），（２０ｍｍ，０ｍｍ），（３０ｍｍ，０ｍｍ），（４０ｍｍ，０ｍｍ），（５０ｍｍ，０ｍｍ），（６０ｍｍ，０ｍｍ），（７０ｍｍ，０ｍｍ）
　炭化珪素層３２は、たとえば以下の条件に従って形成される。エピタキシャル成長温度（Ｔ３）は、１６００℃である。エピタキシャル成長圧力（Ｐ２）は、１×１０4Ｐａである。シランガスの流量は４６ｓｃｃｍである。プロパンガスの流量は１７ｓｃｃｍである。アンモニアガスの流量は０．１７ｓｃｃｍである。アルゴンガスの露点は－１００℃である。水素ガスの流量は、１２０ｓｌｍである。水素ガスの露点は－１１０℃である。
　ドーピング密度（Ｎｄ－Ｎａ）は、容量－電圧測定方法によって得ることができる。上記の条件によれば、炭化珪素層３２のドーピング密度は、２．８×１０15ｃｍ-3である。炭化珪素層３２のドーピング密度の面内均一性は、３．９％である。３．９％のドーピング密度の面内均一性は、直径１５０ｍｍの炭化珪素半導体基板において、望ましいといえる。
　今回開示された実施の形態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の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　炭化珪素エピタキシャル基板、２０　炭化珪素単結晶基板、２１　表面、２２　裏面、２３　最大径、３１，３２　炭化珪素層、４０　成膜装置、４１　発熱体、４２　断熱材、４３　石英管、４４　誘導加熱コイル、４５　反応室、４６　基板ホルダ、５１～５５　ガス供給源、６０，６１　配管、６２　排気ポンプ、６３，６５　バルブ、６４　質量分析器、７０　ガス、８１～８５　露点計、１１０，１１１，１１２，１２０，１３０　工程、２０１，３０１　測定点、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２　圧力、Ｔ，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３　温度、Ｅ，Ｆ，Ｇ　流量、ａ１～ａ３，ｃ１～ｃ５　時刻。

Claims (7)

  1. 　成膜装置の反応室を加熱して脱ガスを行う工程と、
    　シリコン原子を含むガスと、炭素原子を含むガスと、アンモニアガスと、キャリアガスである露点が－１００℃以下の水素ガスとを用いて、前記反応室内の炭化珪素単結晶基板の表面に、炭化珪素層をエピタキシャル成長する工程とを備える、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  2. 　常温下で前記反応室に不活性ガスを導入し、その後に前記反応室から前記不活性ガスを排出する工程をさらに備え、
    　前記不活性ガスを導入および排出する工程は、前記脱ガスを行う工程に先立って実行される、請求項１に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  3. 　前記不活性ガスは、露点が－９５℃以下のアルゴンガスであり、
    　前記不活性ガスを導入および排出する工程において、前記反応室内の圧力が２×１０4Ｐａ以上となるまで前記アルゴンガスを前記反応室内に導入し、その後、前記反応室内の圧力が１×１０-4Ｐａ以下の圧力になるまで前記反応室内を真空引きする、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. 　前記脱ガスを行う工程は、
    　前記反応室を１０００℃以上の温度に加熱し、かつ前記反応室の圧力が０．０１Ｐａ以下になるまで真空引きを実施する工程を含む、請求項１から請求項３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。
  5. 　前記炭化珪素単結晶基板の直径は、１００ｍｍ以上である、請求項１から請求項４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。
  6. 　前記炭化珪素単結晶基板の直径は、１５０ｍｍ以上である、請求項１から請求項４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. 　常温下で成膜装置の反応室に不活性ガスを導入し、その後に前記反応室から前記不活性ガスを排出する工程と、
    　前記不活性ガスを排出する工程の後に、前記反応室を加熱して脱ガスを行う工程と、
    　シリコン原子を含むガスと、炭素原子を含むガスと、アンモニアガスと、キャリアガスである露点が－１００℃以下の水素ガスとを用いて、前記反応室内の炭化珪素単結晶基板の表面に、炭化珪素層をエピタキシャル成長する工程とを備え、
    　前記不活性ガスは、露点が－９５℃以下のアルゴンガスであり、
    　前記不活性ガスを導入および排出する工程において、前記反応室内の圧力が２×１０4Ｐａ以上となるまで前記アルゴンガスを前記反応室内に導入し、その後、前記反応室内の圧力が１×１０-4Ｐａ以下の圧力になるまで前記反応室内を真空引きし、
    　前記脱ガスを行う工程は、
    　前記反応室を１０００℃以上の温度に加熱し、かつ前記反応室の圧力が０．０１Ｐａ以下になるまで真空引きを実施する工程を含み、
    　前記炭化珪素単結晶基板の直径は、１５０ｍｍ以上である、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
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