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JP2015051895A - 炭化珪素エピタキシャル基板、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法、炭化珪素半導体装置の製造方法、炭化珪素成長装置および炭化珪素成長装置用部材 - Google Patents

炭化珪素エピタキシャル基板、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法、炭化珪素半導体装置の製造方法、炭化珪素成長装置および炭化珪素成長装置用部材 Download PDF

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Abstract

【課題】表面性状が良好であり、かつバックグラウンド濃度が十分に低減されている炭化珪素エピタキシャル基板、炭化珪素エピタキシャル成長方法、および炭化珪素半導体装置の製造方法、ならびに表面性状が良好であり、かつバックグラウンド濃度が十分に低減されている炭化珪素エピタキシャル基板を製造可能な炭化珪素成長装置および炭化珪素成長装置用部材を提供する。
【解決手段】主表面(第2の主面2A)を有する炭化珪素エピタキシャル基板10であって、ベース基板1と、ベース基板1上に形成されて、主表面(第2の主面2A)を含む炭化珪素エピタキシャル層2とを備え、第2の主面2Aの表面粗さは0.6nm以下であり、炭化珪素エピタキシャル層2中の窒素濃度の、主表面(第2の主面2A)を含む表面層における炭化珪素エピタキシャル基板10面内での平均値に対する、炭化珪素エピタキシャル層2中の窒素濃度の、上記表面層における炭化珪素エピタキシャル基板10面内での標準偏差の比率が、15%以下である。
【選択図】図1

Description

本発明は、炭化珪素エピタキシャル基板、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法、炭化珪素半導体装置の製造方法、炭化珪素成長装置および炭化珪素成長装置用部材に関し、特に高耐圧が要求される炭化珪素半導体装置に係る炭化珪素エピタキシャル基板、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法、炭化珪素半導体装置の製造方法、炭化珪素成長装置および炭化珪素成長装置用部材に関する。
炭化珪素のような化合物半導体を基板上にエピタキシャル成長させる際には、高温下で処理用ガス(原料ガス等)を反応させてエピタキシャル成長を行う必要がある。
従来、炭化珪素のエピタキシャル成長に用いられるエピタキシャル成長装置において、成長室を構成する発熱体やサセプタといった部材には、誘導加熱可能でかつ耐熱性が高い材料が用いられており、たとえば炭素材料が用いられている。
特開2006−028625号公報(特許文献1)には、炭素材料からなるサセプタにキャリアガスに対するエッチング耐性の高い膜材を成膜してなるCVD装置が記載されている。さらに、サセプタを覆う膜材に含まれる窒素濃度を極めて低くしたCVD装置が記載されている。
特開2006−028625号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載されているように、サセプタを覆う膜材に含まれる窒素濃度を低くしても、エピタキシャル成長により得られる表面性状が良好な炭化珪素エピタキシャル層の窒素のバックグラウンド濃度を十分に低減することが困難な場合があることを、本願発明者らは見出した。なお、本明細書において、「バックグラウンド濃度」とは、ドーパントガスを用いずにエピタキシャル成長を行って得られたエピタキシャル層に含まれる窒素の濃度を言う。
具体的には、本願発明者らは、炭化珪素エピタキシャル基板の主表面において良好な表面性状を得るためには、所定の成長条件でエピタキシャル成長を行う必要があることを見出した。さらに、本願発明者らは、上記成長条件下では窒素が炭化珪素エピタキシャル基板に取り込まれやすく、上記特許文献1の手法を用いても得られる炭化珪素エピタキシャル層の窒素のバックグラウンド濃度を十分に低減することが困難であることを見出した。また、本願発明者らは、窒素のバックグラウンド濃度について、従来の炭化珪素エピタキシャル基板の主表面において面内分布が大きいことを見出した。炭化珪素エピタキシャル層のバックグラウンド濃度の面内分布が大きい場合には、エピタキシャル成長において不純物として窒素をドープする場合であっても、炭化珪素エピタキシャル層中の不純物濃度(窒素濃度)の面内分布は大きくなることが確認されている。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、表面性状が良好であり、かつ窒素のバックグラウンド濃度が十分に低減されている炭化珪素エピタキシャル基板、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法、炭化珪素半導体装置の製造方法、ならびに表面性状が良好であり、かつ窒素のバックグラウンド濃度が十分に低減されており、窒素濃度の面内分布が均一な炭化珪素エピタキシャル基板を製造可能な炭化珪素成長装置および炭化珪素成長装置用部材を提供することにある。
本発明に係る炭化珪素エピタキシャル基板は、主表面を有する炭化珪素エピタキシャル基板であって、基板と、基板上に形成されて、主表面を含む炭化珪素エピタキシャル層とを備え、主表面の表面粗さ(Ra、算術平均粗さ)は0.6nm以下であり、炭化珪素エピタキシャル層中の窒素濃度の主表面を含む表面層における炭化珪素エピタキシャル基板面内での平均値に対する、炭化珪素エピタキシャル層中の窒素濃度の表面層における炭化珪素エピタキシャル基板面内での標準偏差の比率が、15%以下である。
本発明によれば、表面性状が良好であり、かつバックグラウンド濃度が十分に低減されており、窒素濃度の面内分布が均一な炭化珪素エピタキシャル基板を提供することができる。
実施の形態1に係る炭化珪素エピタキシャル基板を説明するための断面図である。 実施の形態1に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法のフローチャートである。 実施の形態1に係る炭化珪素成長装置を説明するための断面図である。 図3中のIV−IV線に沿った断面図である。 実施の形態1に係る炭化珪素成長装置において、基板ホルダ周辺の構成を示す平面図である。 図5に示す実施の形態1に係る炭化珪素成長装置において、基板ホルダ周辺の構成を示す断面図である。 実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置を説明するための断面図である。 実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置の製造方法のフローチャートである。 窒素のバックグラウンド濃度が高く、かつ面内均一性が低い炭化珪素エピタキシャル基板の、窒素濃度分布を説明する図である。 窒素のバックグラウンド濃度が低く、かつ面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル基板の、窒素濃度分布を説明する図である。 実施の形態1に係る炭化珪素成長装置の変形例を示す断面図である。
[本願発明の実施形態の説明]
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。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。
はじめに、本発明の実施の形態の概要を列挙する。
(1) 本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10は、主表面(第2の主面2A)を有する炭化珪素エピタキシャル基板10であって、ベース基板1と、ベース基板1上に形成されて、主表面(第2の主面2A)を含む炭化珪素エピタキシャル層2とを備え、第2の主面2Aの表面粗さは0.6nm以下であり、炭化珪素エピタキシャル層2中の窒素濃度の、主表面(第2の主面2A)を含む表面層における炭化珪素エピタキシャル基板10面内での平均値に対する、炭化珪素エピタキシャル層2中の窒素濃度の、主表面(第2の主面2A)を含む表面層における炭化珪素エピタキシャル基板10面内での標準偏差の比率が、炭化珪素エピタキシャル基板10の主表面(第2の主面2A)内で15%以下である。
このように、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10は、三角欠陥やステップバンチングなどの結晶欠陥が抑制され、表面性状の良好な主表面(第2の主面2A)を有している。さらに、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10は、炭化珪素エピタキシャル層2に含まれる窒素濃度の第2の主面2Aにおける面内均一性が高い(以下、本明細書において、炭化珪素エピタキシャル層2中の窒素濃度の第2の主面2Aを含む表面層における炭化珪素エピタキシャル基板10面内での平均値に対する、炭化珪素エピタキシャル層2中の窒素濃度の第2の主面2Aを含む表面層における炭化珪素エピタキシャル基板10面内での標準偏差の比率が、15%以下である場合を、窒素濃度の面内均一性が高いという)。このため、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10を用いて炭化珪素半導体装置を製造すれば、特性の面内均一性が高い炭化珪素半導体装置を得ることができる。
(2)本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10では、炭化珪素エピタキシャル層2における窒素のバックグラウンド濃度は1×1015cm−3以下とすることができる。
このように、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10は、たとえばドーパントガスを用いずにエピタキシャル成長した炭化珪素エピタキシャル層2を備える場合、該炭化珪素エピタキシャル層2における窒素濃度は実質的に窒素のバックグラウンド濃度となり、当該窒素濃度を1×1015cm−3以下とすることができる。さらにこのとき、第2の主面2Aの表面粗さは0.6nm以下であり、炭化珪素エピタキシャル層2中の窒素濃度の、主表面(第2の主面2A)を含む表面層における炭化珪素エピタキシャル基板10面内での平均値に対する、炭化珪素エピタキシャル層2中の窒素濃度の、主表面(第2の主面2A)を含む表面層における炭化珪素エピタキシャル基板10面内での標準偏差の比率が、炭化珪素エピタキシャル基板10の主表面(第2の主面2A)内で15%以下である。つまり、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10は、表面性状が良好であるとともに、窒素のバックグラウンド濃度が極めて低濃度であって、かつ、窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層2を備えることができる。
(3)本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10では、炭化珪素エピタキシャル層2に意図的にドーピングした窒素の濃度は2×1016cm−3以下とすることができる。
このように、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10は、たとえばドーパントガスを用いてエピタキシャル成長した炭化珪素エピタキシャル層2を備える場合、該炭化珪素エピタキシャル層2における窒素の濃度は、2×1016cm−3以下とすることができる。さらにこのとき、第2の主面2Aの表面粗さは0.6nm以下であり、炭化珪素エピタキシャル層2中の窒素濃度の、主表面(第2の主面2A)を含む表面層における炭化珪素エピタキシャル基板10面内での平均値に対する、炭化珪素エピタキシャル層2中の窒素濃度の、主表面(第2の主面2A)を含む表面層における炭化珪素エピタキシャル基板10面内での標準偏差の比率が、炭化珪素エピタキシャル基板10の主表面(第2の主面2A)内で15%以下である。つまり、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10において、炭化珪素エピタキシャル層2は、表面性状が良好であるとともに、窒素のバックグラウンド濃度が低い濃度で制御されかつ高い面内均一性を有している。このため、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10を用いて炭化珪素半導体装置を製造すれば、特性のばらつきを抑制することができるとともに、高耐圧が要求されるデバイスに特に適した炭化珪素半導体装置を得ることができる。
(4)本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10は、外径が100mm以上であってもよい。
つまり、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10は、外径が100mm以上と大口径であっても、表面性状が良好であるとともに、窒素のバックグラウンド濃度が低い濃度で制御されかつ高い面内均一性を有している。このため、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10を用いて炭化珪素半導体装置を製造すれば(本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば)、特性のばらつきが抑えられて、高耐圧が要求されるデバイスに特に適した炭化珪素半導体装置30を高効率で得ることができる。
(5)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は、ベース基板1を準備する工程(S11)と、炭化珪素成長装置100内にベース基板1を配置する工程(S12)と、ベース基板1に対して炭化珪素エピタキシャル層2を形成するために用いられる原料ガスを供給し、かつ、ベース基板1をエピタキシャル成長温度にまで加熱することにより、ベース基板1上に炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程(S13)とを備え、炭化珪素成長装置100は、原料ガスと接触するとともに、エピタキシャル成長温度にまで加熱される部材11,12を含み、部材11,12の窒素濃度が10ppm以下である。
このように、炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程(S13)が行われる炭化珪素成長装置100において、原料ガスと接触するとともに、エピタキシャル成長温度にまで加熱される部材11,12は窒素濃度が極めて低い。そのため、工程(S13)において、エピタキシャル成長温度にまで加熱されることにより、部材11,12から反応室内に放出される窒素量を低減することができる。つまり、炭化珪素エピタキシャル層2は、バックグラウンド濃度が低減された条件下でエピタキシャル成長されることができる。
本願発明者らは、鋭意研究の結果、炭化珪素エピタキシャル基板10の主表面において良好な表面性状を得るためには、所定の成長条件でエピタキシャル成長を行う必要があることを見出した。さらに、本願発明者らは、上記成長条件下では窒素が炭化珪素エピタキシャル基板10に取り込まれやすく、上記特許文献1の手法を用いても得られる炭化珪素エピタキシャル層2の窒素のバックグラウンド濃度を十分に低減することが困難であることを見出した。つまり、上記部材11,12の表面領域のみ(たとえば部材11,12が母材11a,12aと当該母材11a,12aの表面を覆う被覆膜11b,12bとにより構成されている場合、母材11a,12aおよび被覆膜11b,12bのうち被覆膜11b,12b)の窒素濃度を10ppm以下に低減するだけでは、炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度を十分に低減し、かつ高い面内均一性を実現することは困難であった。これについては、上記部材11,12の表面領域(たとえば被覆膜11b,12b)を介して部材11,12の内側領域(たとえば母材11a,12a)から窒素が放出されているためであると推測される。
このとき、炭化珪素エピタキシャル基板に供給される原料ガスや部材11,12から放出されるガスは該基板の外周部を経て中心部に到達するが、上記の成長条件下では炭化珪素エピタキシャル基板は窒素を取り込みやすい状態となっているため、窒素は該基板の中心部よりも外周部に多く取りこまれると考えられる。実際、窒素のバックグラウンド濃度は、炭化珪素エピタキシャル基板の主表面において面内分布が大きく、中心部よりも外周部が高いことが確認されている。なお、通常、ドーパントガスに依らずに炭化珪素エピタキシャル層2中に導入された窒素は、ドーパントガスとして炭化珪素エピタキシャル層2中に導入された窒素と同様にキャリアとして活性である。
このようなバックグラウンド濃度の影響は、ドーパントガスを用いて意図的にドーピングされた窒素濃度が2×1016cm−3以下と低い場合に特に顕著に表れる。すなわち、炭化珪素エピタキシャル層中に含まれる窒素濃度が極めて低い場合には、該窒素濃度においてバックグラウンド濃度の占める割合が高くなる。その結果、ドーパントガスを用いて意図的にドーピングされた窒素濃度は、理論的には図9に示す鎖線7のような面内分布を示すと想定されるものの、バックグラウンド濃度の面内分布(図9に示す点線6)の影響を大きく受けることにより、エピタキシャル基板外周部での窒素濃度が高くなり、炭化珪素エピタキシャル基板における窒素濃度(キャリア濃度)の面内均一性(図9に示す実線8)が低下する。つまり、従来、表面性状が良好かつ窒素濃度を2×1016cm−3以下とする上記成長条件下において成長された炭化珪素エピタキシャル基板は、バックグラウンド濃度が高く、かつその面内分布が大きいため、炭化珪素エピタキシャル基板における窒素濃度の面内分布が大きくなっていた。一方、バックグラウンド濃度を低く、かつその面内分布を小さくすることができれば(図10に示す点線6)、炭化珪素エピタキシャル基板における窒素濃度の面内分布(図10に示す実線8)を小さくすることができると考えられる。
本願発明者らは、上述のように母材11a,12aおよび被覆膜11b,12bの窒素濃度を10ppm以下とすることによって、炭化珪素エピタキシャル層2の表面性状を良好とすることができる条件であっても、第2の主面2Aにおけるバックグラウンド濃度の面内均一性を向上することができることを見出した。つまり、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れば、バックグラウンド濃度を低減するとともに第2の主面2Aにおけるバックグラウンド濃度の面内均一性を向上することができる。そのため、良好な表面性状を有し、かつ、(たとえば図10に示すように)窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層2を備える炭化珪素エピタキシャル基板10を製造することができる。
(6)炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法において、部材11,12は、母材11a,12aと、母材11a,12aを覆う被覆膜11b,12bとを有し、母材11a,12aおよび被覆膜11b,12bの窒素濃度が10ppm以下である。
このようにすれば、炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程(S13)において、エピタキシャル成長温度にまで加熱されることにより、母材11a,12aおよび被覆膜11b,12bから反応室内に放出される窒素量を低減することができる。つまり、炭化珪素エピタキシャル層2は、バックグラウンド濃度が低減された条件下でエピタキシャル成長されることができる。その結果、良好な表面性状を有し、かつ、窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層2を備える炭化珪素エピタキシャル基板10を製造することができる。
(7)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は、炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程(S13)において、原料ガスはドーパントガスとしてアンモニア(NH3)ガスを含んでもよい。
このようにすれば、炭化珪素エピタキシャル層2における窒素濃度の面内均一性をより効果的に高めることができる。具体的には、アンモニアガスは、熱分解に要する温度が窒素ガスと比べて低く、炭化珪素エピタキシャル層2を形成する際の一般的な成長温度(上記1400℃〜1700℃程度)で十分に熱分解されることができるため、窒素濃度の面内均一性を高めることができる。
(8)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おいて、ベース基板1を準備する工程(S11)において準備されるベース基板1は、外径が100mm以上であってもよい。
ベース基板1が100mm未満と小口径である場合には、炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程においてベース基板1の周辺部材(部材11,12)から放出される窒素ガスは炭化珪素エピタキシャル基板10の外周部から中央部まで到達して均一に混入される。一方、ベース基板1が100mm以上と大口径である場合には、周辺部材(部材11,12)から放出される窒素ガスは炭化珪素エピタキシャル基板10の外周部で取り込まれてしまい中央部での混入量が減少する。そのため、炭化珪素エピタキシャル基板10の外周部での窒素濃度が中央部と比べて相対的に高くなり、窒素濃度の面内分布が大きくなる。
しかし、ベース基板1が大口径基板であっても、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は、第2の主面2Aにおけるバックグラウンド濃度の面内均一性を向上することができるため、良好な表面性状を有し、かつ、窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層2を備える炭化珪素エピタキシャル基板10を製造することができる。つまり、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は、特に外径が100mm以上の大口径基板において顕著な効果を奏することができる。
(9)本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素エピタキシャル基板10を準備する工程(S10)と、炭化珪素エピタキシャル基板10に電極91,92を形成する工程(S20)とを備え、炭化珪素エピタキシャル基板10を準備する工程(S10)では、上記(5)に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法により炭化珪素エピタキシャル基板10が製造される。
上述のように、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り製造された炭化珪素エピタキシャル基板10は、良好な表面性状を有し、かつ、窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層2を備えている。そのため、該炭化珪素エピタキシャル基板10を用いて、炭化珪素半導体装置30を製造することにより、特性のばらつきが抑えられて、高耐圧が要求されるデバイスに特に適した炭化珪素半導体装置30を高効率で得ることができる。
(10)本実施の形態に係る炭化珪素成長装置100は、炭化珪素をエピタキシャル成長させるために用いられる原料ガスと接触するとともに、エピタキシャル成長温度にまで加熱される部材11,12を備え、部材11,12の窒素濃度が10ppm以下である。
本実施の形態に係る炭化珪素成長装置100における部材11,12は、炭化珪素をエピタキシャル成長させるために用いられる原料ガスと接触するとともに、エピタキシャル成長温度にまで加熱される部材であり、異なる観点から言えば、炭化珪素成長装置100においてベース基板1と同等の条件下に置かれる部材である。
部材11,12の窒素濃度が十分に低くない場合(10ppm超えの場合)には、エピタキシャル成長温度に加熱された部材11,12から多量の窒素が放出され、放出された窒素は原料ガスとともにベース基板1の第1の主面1A上に供給される。このとき、良好な表面性状を有する炭化珪素エピタキシャル基板10を得るためのエピタキシャル成長条件下では、上記窒素は炭化珪素エピタキシャル層2に容易に取り込まれる。そのため、窒素は、たとえば炭化珪素エピタキシャル基板10が自転する場合には炭化珪素エピタキシャル基板10の最外周の領域に、自転しない場合には原料ガスの流通方向の上流側に位置する炭化珪素エピタキシャル基板10の領域に、高濃度で取り込まれることになる。その結果、窒素を積極的に添加しない場合(ドーパントガスを流さない場合)であっても、炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度の面内均一性は低くなる。
また、窒素を積極的に添加する場合であって窒素濃度が低い炭化珪素エピタキシャル層を成長する場合には、上述した部材11,12から放出される窒素の影響を受けることによりバックグラウンド濃度の面内均一性が低くなる。そのため、窒素濃度の面内均一性を高めることは困難である。また、一般に部材11,12から放出される窒素量は経時変化(使用回数等に応じて放出される窒素量が低下)するため、該窒素が取り込まれる領域、たとえば炭化珪素エピタキシャル基板10の最外周の領域の窒素濃度を所定の値に制御することが困難である。これは、部材11,12から放出される窒素が炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度において占める割合が相対的に高くなる場合(炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度を2×1016以下と低濃度に形成する場合)に特に顕著となる。
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れば、部材11,12の窒素濃度が10ppm以下である。その結果、部材11,12からの放出される窒素量を十分に低減することができるため、窒素濃度が極めて低い炭化珪素エピタキシャル層2を形成する場合であっても、良好な表面性状を有し、かつ窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層2を形成することができる。
なお、部材11,12は、母材11a,12aと、母材11a,12aを覆う被覆膜11b,12bとを含んでいてもよい。この場合、母材11a,12aおよび被覆膜11b,12bの窒素濃度が10ppm以下であればよい。このようにしても、母材11a,12aおよび被覆膜11b,12bからの放出される窒素量を十分に低減することができるため、窒素濃度が極めて低い炭化珪素エピタキシャル層2を形成する場合であっても、良好な表面性状を有し、かつ窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層2を形成することができる。
(11) 本実施の形態に係る炭化珪素成長装置用部材11,12は、炭化珪素成長装置100において、炭化珪素をエピタキシャル成長させるために用いられる原料ガスと接触するとともに、エピタキシャル成長温度にまで加熱される部材であって、窒素濃度が10ppm以下である。
このように、本実施の形態に係る炭化珪素成長装置用部材11,12は、窒素濃度が十分に低く抑えられている。そのため、エピタキシャル成長温度に加熱された場合にも、部材11,12が放出する窒素量は炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度の面内均一性の観点から十分に少なくすることができる。その結果、炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度がたとえば2.0×1016cm−3以下と極めて低い場合においても、炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度の面内均一性を十分に高めることができる。
なお、炭化珪素成長装置用部材11,12は、母材11a,12aと、母材11a,12aを覆う被覆膜11b,12bとを備えていてもよい。この場合、母材11a,12aおよび被覆膜11b,12bの窒素濃度が10ppm以下であればよい。このようにしても、部材11,12が放出する窒素量は炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度の面内均一性の観点から十分に少なくすることができる。
[本願発明の実施形態の詳細]
次に、本発明の実施の形態の詳細について説明する。
(実施の形態1)
図1を参照して、実施の形態1に係る炭化珪素エピタキシャル基板10について説明する。本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10は、ベース基板1と、ベース基板1の第1の主面1A上に形成された炭化珪素エピタキシャル層2とを備える。
ベース基板1は、単結晶炭化珪素からなり、たとえば外径が100mm以上である第1の主面1Aを有している。ベース基板1を構成する炭化珪素は、たとえば六方晶の結晶構造を有しており、好ましくは結晶多形(ポリタイプ)が4H−SiCである。ベース基板1は、たとえば窒素(N)などのn型不純物を高濃度で含んでおり、導電型はn型である。ベース基板1の不純物濃度は、たとえば1.0×1018cm-3以上1.0×1019cm-3以下程度である。第1の主面1Aは、たとえば{0001}面であってもよいし、{0001}面に対するオフ角が10°以下である面であってもよい。ベース基板1の厚みは、たとえば200μm以上700μm以下程度である。
炭化珪素エピタキシャル層2は、ベース基板1の第1の主面1A上にエピタキシャル成長により形成された炭化珪素からなる層であり、第2の主面2Aを有している。第2の主面2Aの表面粗さ(Ra)は、0.6nm以下であり、0.4nm以下が好ましく、0.2nm以下がより好ましい。ここで、第2の主面2Aの表面粗さ(Ra)は、たとえば原子間力顕微鏡(AFM)によって測定することができる。第2の主面2Aでは、ステップバンチング、および三角欠陥の形成が抑制されるように、C/Si比や成長温度などの成長条件が調整されている。
炭化珪素エピタキシャル層2は、たとえば窒素(N)などのn型不純物を含んでおり、炭化珪素エピタキシャル層2の導電型はn型である。炭化珪素エピタキシャル層2の不純物濃度は、ベース基板1の不純物濃度よりも低くてもよい。炭化珪素エピタキシャル層2の不純物濃度(窒素濃度)は、たとえば意図的にドーピングしない場合に1.0×1015cm-3以下、意図的にドーピングした場合に2×1016cm-3以下である。
炭化珪素エピタキシャル層2中の窒素濃度の第2の主面2Aを含む表面層における面内均一性(σ/Ave.)は、15%以下であり、好ましくは10%以下であり、より好ましくは5%以下である。ここで、面内均一性は、径方向において所定間隔(たとえば9点の測定点)で測定した窒素濃度の標準偏差(σ)と平均値(Ave.)とで表わされる。つまり、炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度は、極めて低く、かつ面内均一性が高い。炭化珪素エピタキシャル層2の膜厚は、たとえば5μm以上40μm以下程度である。
次に、図2を参照して、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ついて説明する。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は、ベース基板1を準備する工程(S11)と、炭化珪素成長装置100(図3参照)内にベース基板1を配置する工程(12)と、ベース基板1に対して炭化珪素エピタキシャル層2を形成するために用いられる原料ガスを供給し、かつ、ベース基板1をエピタキシャル成長温度にまで加熱することにより、ベース基板1上に炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程(S13)とを備える。
まず、外径がたとえば100mmである第1の主面1Aを有し、単結晶炭化珪素からなるベース基板1を準備する(工程(S11))。外径が100mmであるベース基板1は任意の方法で準備すればよい。なお、ベース基板1の外径は5インチ以上(たとえば6インチなど)であってもよい(ここで1インチは25.4mmである)。
次に、炭化珪素成長装置100内にベース基板1を配置する(工程(S12))。本実施の形態に係る炭化珪素成長装置100は、一例として、CVD(Chemical Vapor Deposition)装置100である。
図3および図4を参照して、CVD装置100において、ベース基板1は基板ホルダ11に載置される。基板ホルダ11は、その周囲を発熱体12、断熱材13、石英管14、誘導加熱用コイル15によって囲まれている。具体的には、基板ホルダ11は、たとえば発熱体12に形成された凹部内に配置されている。基板ホルダ11は、発熱体12に配置された状態で自転可能に設けられる。発熱体12は半円筒状の中空構造であって円孤に沿った曲面と平坦面とを有している。CVD装置100において、2つの発熱体12は平坦面を対向させるように配置されており、これにより発熱体12の平坦面に囲まれた反応室が形成されている。上記凹部は、反応室を形成する発熱体12の一方の平坦面上に設けられている。
断熱材13は、発熱体12の外周囲を囲うように配置されている。石英管14は、断熱材13の外周側を囲うように配置されている。誘導加熱用コイル15は、複数のコイル部材を含み、たとえば、石英管14の外周側を巻回するように設けられている。誘導加熱用コイル15を高周波コイルとしてこれに高周波電流を流すと、電磁誘導作用により、発熱体12は誘導加熱される。これにより、ベース基板1およびベース基板1に供給される原料ガス等を所定の温度に加熱することができる。
ここで、基板ホルダ11と発熱体12とは、高い耐熱性を有する導電性部材であって、窒素濃度の極めて低い部材で構成されている。具体的には、基板ホルダ11は、図6に示すように、基板ホルダ母材11aと、基板ホルダ母材11aを覆うホルダコート部11bとで構成されている。また、発熱体12は、発熱体母材12aと、発熱体母材12aを覆う発熱体コート部12bとで構成されている。
基板ホルダ母材11aおよび発熱体母材12aは、たとえば炭素材料で構成されている。基板ホルダ母材11aおよび発熱体母材12aを構成する炭素材料は、窒素濃度が10ppm以下であり、好ましくは、5ppm以下である。
ホルダコート部11bおよび発熱体コート部12bは、たとえばSiCやTaCなどで構成されている。ホルダコート部11bおよび発熱体コート部12bを構成するSiCまたはTaCは、窒素濃度が10ppm以下であり、好ましくは、5ppm以下である。なお、基板ホルダ11および発熱体12は、本実施の形態に係る炭化珪素成長装置用部材である。
次に、ベース基板1の第1の主面1A上に炭化珪素エピタキシャル層2を形成する(工程(S13))。具体的には、CVD装置100において、ベース基板1に対して炭化珪素エピタキシャル層2を形成するために用いられる原料ガスを供給し、かつ、ベース基板1をエピタキシャル成長温度にまで加熱することにより、ベース基板1の第1の主面1A上に炭化珪素エピタキシャル層2を形成する。図4に示すように、原料ガスは、配管16を介してCVD装置100内に導入される。原料ガスは、モノシラン(SiH)、プロパン(C)およびアンモニア(NH3)などを含む。さらに、原料ガスに加えて、水素(H)を含むキャリアガスが導入される。このとき、いずれのガスも、ベース基板1の第1の主面1A上に供給される時点で十分に熱分解されているように反応室内に導入される。
原料ガスのうち、特にドーパントガスとして用いるアンモニアガスについては、ベース基板1上に供給する前に、アンモニアガスを予備加熱することにより予め熱分解させておくことが好ましい。アンモニアガスは予備加熱されることにより、確実に熱分解された状態でベース基板1に供給される。これにより、炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程において、エピタキシャル成長が進行しているベース基板1の第1の主面1A上や炭化珪素エピタキシャル層2の第2の主面2A上において、窒素ガスの分布を均一にすることができる。その結果、炭化珪素エピタキシャル層2にドーピングされる窒素の濃度分布の均一性を上げることができる。
図11を参照して、アンモニアガスに対する予備加熱は、たとえばCVD装置100へ原料ガスを導入するための配管16に付設された予備加熱機構17によって実施される。予備加熱機構17は、1300℃以上に加熱された部屋を有しており、アンモニアガスを予備加熱機構17に流通させた後、CVD装置100に供給することにより、ガスの流れに大きな乱れ等を発生させることなくアンモニアガスを充分に熱分解することができる。
ここで予備加熱機構17に設けられている「部屋」とは、流れていくガスを加熱するための空間という意味であり、外部から加熱される細長い管、内部に伝熱コイルが設置された部屋、内壁面にフィン等が形成された広い空間等も含む。なお、上記部屋の壁面の温度の上限は、部屋の長さが多少短くても確実な熱分解を行うためには1350℃以上が好ましく、また熱効率の面からは1600℃以下が好ましい。なお、予備加熱機構17は、エピタキシャル成長がなされるベース基板1上にアンモニアガスが到着するまでにアンモニアガスが充分に、かつ流れを乱すことなく熱分解しておればよく、このため反応容器と別体であるか、一体であるかを問わない。また、原料ガスを一体として予備加熱してもよいし、アンモニアガスのみを予備加熱した後、他の原料ガスを混合してもよい。
また、各ガスは、CVD装置100の反応室内に導入する前に混合されていてもよいし、CVD装置100の反応室内で混合されてもよい。
基板ホルダ11上に配置されたベース基板1が、加熱されながら、上記キャリアガスおよび原料ガスの供給を受けることにより、第1の主面1A上に窒素(N)原子がドープされたエピタキシャル成長膜である炭化珪素エピタキシャル層2が形成される。具体的には、成長温度1500℃以上1750℃以下、圧力1×10Pa以上3×10Pa以下の条件下で炭化珪素エピタキシャル層2を形成する。このとき、NH3ガスの流量を調整することにより、炭化珪素エピタキシャル層2におけるn型の不純物濃度を1×1015cm-3以上2×1016cm-3以下程度とする。また、炭化珪素エピタキシャル層2の厚みは15μm程度とする。なお、本工程(S13)において、基板ホルダ11および基板ホルダ11に配置されたベース基板1は自転している。
本工程(S13)において炭化珪素エピタキシャル層2の形成に用いられる原料ガスは、Si原子の原子数に対するC原子の原子数の比(C/Si比)が1.0以上1.2以下である。これは、C/Si比が1.2より大きい原料ガスを用いた場合には、形成される炭化珪素エピタキシャル層2に三角欠陥やステップバンチングなどの結晶欠陥が発生するためである。また、C/Si比が1.0未満の原料ガスを用いた場合には、形成される炭化珪素エピタキシャル層2において、三角欠陥などの結晶欠陥が発生しやすくなるためである。
次に、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10は、外径が100mm以上と大口径であっても、表面性状が良好であるとともに、窒素のバックグラウンド濃度が低い濃度で制御されかつ高い面内均一性を有している。このため、本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10を用いて炭化珪素半導体装置30を製造することにより、特性のばらつきが抑えられて、高耐圧が要求されるデバイスに特に適した炭化珪素半導体装置30を高効率で得ることができる。
次に、図5および図6を参照して、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、炭化珪素成長装置100、および炭化珪素成長装置用部材11,12の作用効果について説明する。
ベース基板1の第1の主面1A上に炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程(S13)において、ベース基板1は、炭化珪素成長装置100において基板ホルダ11上に載置されて自転(図5における矢印Rの方向に自転)している。このため、工程(S13)を実施している間、ベース基板1において外周側の領域は、内側の領域と比べて基板ホルダ11や発熱体12といった部材と隣接するとともに原料ガスの流通方向G1の上流側に位置することになる。つまり、炭化珪素成長装置100を構成する部材から放出される窒素は、ベース基板1の外周側の領域を経て内側の領域に供給される。
そのため、従来の炭化珪素成長装置を用いて、良好な表面性状を有する炭化珪素エピタキシャル層2を形成可能なエピタキシャル成長条件で工程(S13)を実施した場合、炭化珪素エピタキシャル層2は窒素を取り込みやすいため、ベース基板1(または炭化珪素エピタキシャル基板10)の外周側の領域に供給された窒素の多くは炭化珪素エピタキシャル層2における外周側の領域に取り込まれ、内側の領域との間に窒素濃度の差が生じて炭化珪素エピタキシャル基板10の窒素濃度の面内均一性が悪化してしまう。この傾向は、ドーパントガスの流量を低減した場合に特に顕著である。また、基板径が大きくなるほど窒素濃度のエピタキシャル基板10の面内均一性は悪化する。
これに対し、本実施の形態に係る炭化珪素成長装置用部材としての基板ホルダ11および発熱体12は、基板ホルダ母材11a、ホルダコート部11bおよび発熱体母材12a、発熱体コート部12bのそれぞれの窒素濃度が10ppm以下である。その結果、基板ホルダ11から放出される窒素ガスG2および発熱体12から放出される窒素ガスG3の量は、炭化珪素エピタキシャル基板10において問題にならない程度にまで十分に低減されている。つまり、基板ホルダ母材11aから放出される窒素ガスG2a、ホルダコート部11bから放出される窒素ガスG2b、発熱体母材12aから放出される窒素ガスG3a、および発熱体コート部12bから放出される窒素ガスG3bは、いずれもその量が十分に低減されている。
このため、上記基板ホルダ11および発熱体12を備える本実施の形態に係る炭化珪素成長装置100を用いることで、炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程(S13)を窒素のバックグラウンド濃度が低減された条件下で実施することができる。その結果、炭化珪素エピタキシャル層2の表面性状を良好とすることができるエピタキシャル成長条件であっても、窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層2を形成することができ、良好な表面性状を有し、かつ、窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層2を備える炭化珪素エピタキシャル基板10を製造することができる。
本実施の形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板10は、炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度が1×1015cm-3以上2×1016cm-3以下程度であったが、これに限られるものではない。炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度は、たとえば1.0×1015cm-3以下程度であり、好ましくは5.0×1014cm-3以下程度であってもよい。つまり、ドーパントガスを流通させずに、炭化珪素エピタキシャル層2を形成してもよい。このようにすれば、炭化珪素エピタキシャル層2の窒素濃度はバックグラウンド濃度と同等程度となるが、この場合にも、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と同様の作用効果を奏することができる。
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おいて、炭化珪素成長装置100内にベース基板1を配置する工程(12)の後であって、炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程(S13)の前または後に、原料ガスの流量や分圧を変更することにより、工程(S13)と連続してさらに炭化珪素エピタキシャル層2と不純物濃度等が異なる複数の炭化珪素エピタキシャル層を形成してもよい。このようにしても、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と同様の作用効果を奏することができる。
なお、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おいて、炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程(S13)では、ドーパントガスとしてアンモニアを用いているが、これに限られるものではない。たとえば窒素(N)を用いてもよい。この場合には、Nの流量等を適切に制御することにより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と同様の作用効果を奏することができる。なお、ドーパントガスをNガスとした場合にも、予備加熱機構17(図11参照)に流通させた後、CVD装置100に供給するのが好ましい。これにより、Nガスをベース基板1上に供給する前に十分に熱分解することができる。予備加熱機構17での加熱温度は、窒素ガスを十分に熱分解可能な温度であればよく、たとえば1600℃程度とすればよい。
(実施の形態2)
次に、図7および図8を参照して、本発明の他の実施の形態である実施の形態2について説明する。実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置は、実施の形態1に係る炭化珪素エピタキシャル基板10を用いて製造される炭化珪素半導体装置である。実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、実施の形態1に係る炭化珪素エピタキシャル基板10を用いて炭化珪素半導体装置30を製造する方法である。つまり、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、実施の形態1に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法と同様の構成を備えるとともに、炭化珪素エピタキシャル基板10に電極91,92を形成する工程(S20)をさらに備える点で異なる。
本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置30は、たとえばショットキーバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)として構成されている。図7を参照して、SBD30は、炭化珪素エピタキシャル基板10と、ショットキー電極91と、オーミック電極92と、配線93と、パッド電極94とを主に備えている。
炭化珪素エピタキシャル基板10は、実施の形態1に係る炭化珪素エピタキシャル基板10であって、ベース基板1と、ベース基板1の第1の主面1A上に形成されているn+炭化珪素エピタキシャル層3と、n+炭化珪素エピタキシャル層3の第4の主面3A上に形成されているn−炭化珪素エピタキシャル層2とを含んでいる。n+炭化珪素エピタキシャル層3は、キャリア濃度が2.0×1018cm-3程度であり、n−炭化珪素エピタキシャル層2はキャリア濃度が5.0×1015cm-3程度である。
ショットキー電極91は、炭化珪素エピタキシャル基板10の第2の主面2A上にショットキー接合するように形成されている。ショットキー電極91を構成する材料は、炭化珪素エピタキシャル基板10に対してショットキー接合することが可能な材料であって、たとえばチタン(Ti)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)および金(Au)からなる群より選択される少なくとも一の金属を採用することができる。配線93は、Alなどの導電体からなり、ショットキー電極91上に形成されている。
オーミック電極92は、炭化珪素エピタキシャル基板10においてショットキー電極91側とは反対側の第3の主面1B上に接触するように形成されている。オーミック電極92は、TiAlSi合金やNiSi合金などからなり、炭化珪素エピタキシャル基板10に対してオーミック接合している。パッド電極94は、Alなどの導電体からなり、オーミック電極92上に形成されている。
次に、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素エピタキシャル基板10を準備する工程(S10)と、炭化珪素エピタキシャル基板10に電極91,92を形成する工程(S20)とを備える。
炭化珪素エピタキシャル基板10を準備する工程(S10)は、実施の形態1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実施される。これにより、良好な表面性状を有し、かつ、窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層2を備える炭化珪素エピタキシャル基板10が準備される。このとき、ベース基板1上に炭化珪素エピタキシャル層2を形成する工程(S13)では、n+炭化珪素エピタキシャル層3とn−炭化珪素エピタキシャル層2とを連続してエピタキシャル成長させてもよい。具体的には、まず、CVD装置100においてベース基板1に対して炭化珪素エピタキシャル層2を形成するために用いられる原料ガスを供給し、かつ、ベース基板1をエピタキシャル成長温度にまで加熱することにより、ベース基板1の第1の主面1A上にn+炭化珪素エピタキシャル層3を形成する。次に、ベース基板1を基板ホルダ11に載置した状態でCVD装置100内に設置させたままで、原料ガスの流量や分圧を変更することにより、n+炭化珪素エピタキシャル層3の第4の主面3A上にn−炭化珪素エピタキシャル層2を形成してもよい。
次に、炭化珪素エピタキシャル基板10に電極91,92を形成する(工程(S20))。具体的には、炭化珪素エピタキシャル基板10の第2の主面2A、および第1の主面1Aと対向する第3の主面1B上に、それぞれショットキー電極91、オーミック電極92を形成する。電極91,92は、たとえば蒸着法により形成される。さらに、ショットキー電極91上には配線93が、オーミック電極92上にはパッド電極94が、それぞれ形成される。これにより、本実施の形態に係るSBD30が製造される。
次に、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置30および炭化珪素半導体装置の製造方法の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、良好な表面性状を有し、かつ、窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル層2を備えている実施の形態1に係る炭化珪素エピタキシャル基板10を用いて製造される。そのため、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、表面異常発生を抑制することができるとともに、特性の変動を小さく抑えることができるため、設計した特性を有する炭化珪素半導体装置30を高歩留まりで製造することができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
1.評価試料
(i)実施例試料1
まず、外径が150mmで厚みが350μmの炭化珪素からなるベース基板を準備した。
次に、本実施の形態に係る炭化珪素成長装置を用いて、ベース基板の第1の主面上に不純物濃度が1.0×1015cm−3の炭化珪素エピタキシャル層を厚さ15μm形成した。炭化珪素成長装置の基板ホルダは、窒素濃度が2ppmの基板ホルダ母材と、窒素濃度が0.4ppmのホルダコート部とで構成されたものを用いた。また、発熱体は、窒素濃度が2ppmの発熱体母材と、窒素濃度が0.4ppmの発熱体コート部とで構成されたものを用いた。このとき、CVD装置の反応室には、Hを含むキャリアガスと、SiHを46sccm、Cを18.5ccm、NH3を0.01sccm以上0.05sccn以下含む原料ガスを、C/Si比が1.0となる条件で導入した。成長室内の圧力は8×103Pa以上12×103Pa以下とし、成長温度は1620℃とした。
(ii)実施例試料2
上記実施例試料1と基本的には同様の構成を有し、同様の条件で作製した。ただし、炭化珪素エピタキシャル層の形成に用いた原料ガスをC/Si比が1.1となる条件で導入し、かつ成長温度を1600℃とした点で異なる。
(iii)実施例試料3
上記実施例試料1と基本的には同様の構成を有し、同様の条件で作製した。ただし、炭化珪素エピタキシャル層の形成に用いた原料ガスをC/Si比が1.2となる条件で導入し、かつ成長温度を1530℃とした点で異なる。
(iv)実施例試料4
上記実施例試料1と基本的には同様の構成を有し、同様の条件で作製した。ただし、炭化珪素エピタキシャル層の形成に用いた原料ガスをC/Si比が1.2となる条件で導入し、かつ成長温度を1540℃とした点で異なる。
(v)実施例試料5
上記実施例試料1と基本的には同様の構成を有し、同様の条件で作製した。ただし、炭化珪素エピタキシャル層の形成に用いた原料ガスをC/Si比が1.2となる条件で導入し、かつ成長温度を1550℃とした点で異なる。
(vi)比較例試料1
まず、外径が150mmで厚みが350μmの炭化珪素からなるベース基板を準備した。
次に、従来の炭化珪素成長装置を用いて、ベース基板の第1の主面上に不純物濃度が1.0×1015cm−3の炭化珪素エピタキシャル層を厚さ15μm形成した。従来の炭化珪素成長装置は、基板ホルダ母材の窒素濃度が10ppm、ホルダコート部の窒素濃度が900ppm、発熱体母材の窒素濃度が30ppm、発熱体コート部の窒素濃度が2%である。このとき、CVD装置の反応室には、Hを含むキャリアガスと、SiHを46sccm、Cを18.5ccm、NH3を0.01sccm以上0.05sccn以下含む原料ガスを、C/Si比が1.2となる条件で導入した。成長室内の圧力は8×103Pa以上12×103Pa以下とし、成長温度は1540℃とした。つまり、比較例試料1は、炭化珪素成長装置用部材の窒素濃度が低濃度ではない点を除いて、実施例試料3と同一の成長条件で成長されたものである。
(vii)比較例試料2
上記比較例試料1と基本的には同様の構成を有し、同様の条件で作製した。ただし、成長温度を1550℃とした点で異なる。つまり、比較例試料2は、炭化珪素成長装置用部材の窒素濃度が低濃度ではない点を除いて、実施例試料4と同一の成長条件で成長されたものである。
2.実験
(2−1)表面性状
上記のようにして得られた実施例試料および比較例試料に対し、微分干渉顕微鏡を用いて表面観察を行った。具体的には、10倍の対物レンズと10倍の接眼レンズを用いて炭化珪素エピタキシャル基板の表面(第2の主面)を観察した。
さらに、AFMを用いて、実施例試料および比較例試料の炭化珪素エピタキシャル基板における表面(第2の主面)の表面粗さ(Ra)を測定した。
(2−2)窒素濃度の面内均一性
上記のようにして得られた実施例試料および比較例試料に対し、水銀プローブ装置を用いてC−V測定を行い、キャリア濃度を算出した。具体的には、炭化珪素エピタキシャル基板の中心から径方向に10mm間隔でC−V測定を実施した。測定結果から、炭化珪素エピタキシャル基板面内での平均値と標準偏差を算出し、平均値に対する標準偏差の比率(σ/Ave.)を求めた。
3.結果
(3−1)表面性状
実施例試料1〜5、および比較例1および2の炭化珪素エピタキシャル基板の表面(第2の主面)には、三角欠陥やステップバンチングは確認されず、良好な表面性状を有していた。このときの表面粗さ(Ra)は、0.2nm以上0.3nm以下程度であった。
(3−2)窒素濃度の面内均一性
実施例試料1〜5の炭化珪素エピタキシャル基板の表面(第2の主面)における窒素濃度の上記比率(σ/Ave.)は、15%以下であり、実施例試料5の炭化珪素エピタキシャル基板では7%以下、実施例試料3および4の炭化珪素エピタキシャル基板では5%以下と、窒素濃度が極めて均一であることが確認された。これに対し、炭化珪素成長装置用部材の窒素濃度が低濃度ではない点を除いて、エピタキシャル成長条件が実施例試料3および4と同一である、比較例試料1および2の炭化珪素エピタキシャル基板では、表面(第2の主面)における窒素濃度の上記比率(σ/Ave.)は、20%および30%であった。つまり、炭化珪素成長装置用部材の窒素濃度を10ppm以下とすることにより、従来の炭化珪素成長装置用部材を用いた場合には窒素を取り込みやすく第2の主面における窒素濃度の面内均一性が低下してしまう成長条件を用いても、第2の主面における窒素濃度の面内均一性が高い炭化珪素エピタキシャル基板を製造することができることが確認された。
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の実施の形態および実施例を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許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を含むことが意図される。
本発明は、高耐圧が要求される炭化珪素半導体装置に特に有利に適用される。
1 ベース基板
1A 第1の主面
1B 第3の主面
2 炭化珪素エピタキシャル層
2A 第2の主面
10 炭化珪素エピタキシャル基板
11 基板ホルダ
11a 基板ホルダ母材(母材)
11b ホルダコート部(被覆膜)
12 発熱体
12a 発熱体母材(母材)
12b 発熱体コート部(被覆膜)
13 断熱材
14 石英管
15 誘導加熱用コイル
16 配管
91 ショットキー電極
92 オーミック電極
93 配線
94 パッド電極
30 炭化珪素半導体装置
100 炭化珪素成長装置。

Claims (11)

  1. 主表面を有する炭化珪素エピタキシャル基板であって、
    ベース基板と、
    前記ベース基板上に形成されて、前記主表面を含む炭化珪素エピタキシャル層とを備え、
    前記主表面の表面粗さは0.6nm以下であり、
    前記炭化珪素エピタキシャル層中の窒素濃度の前記主表面を含む表面層における前記炭化珪素エピタキシャル基板面内での平均値に対する、前記炭化珪素エピタキシャル層中の前記窒素濃度の前記表面層における前記炭化珪素エピタキシャル基板面内での標準偏差の比率が、15%以下である、炭化珪素エピタキシャル基板。
  2. 前記炭化珪素エピタキシャル層における前記窒素のバックグラウンド濃度は1×1015cm−3以下である、請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャル基板。
  3. 前記炭化珪素エピタキシャル層における窒素の濃度は2×1016cm−3以下である、請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャル基板。
  4. 外径が100mm以上である、請求項1〜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。
  5. ベース基板を準備する工程と、
    炭化珪素成長装置内に前記ベース基板を配置する工程と、
    前記ベース基板に対して炭化珪素エピタキシャル層を形成するために用いられる原料ガスを供給し、かつ、前記ベース基板をエピタキシャル成長温度にまで加熱することにより、前記ベース基板上に前記炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程とを備え、
    前記炭化珪素成長装置は、前記原料ガスと接触するとともに、前記エピタキシャル成長温度にまで加熱される部材を含み、
    前記部材の窒素濃度が10ppm以下である、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  6. 前記部材は、母材と、前記母材を覆う被覆膜とを有し、
    前記母材および前記被覆膜の窒素濃度が10ppm以下である、請求項5に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  7. 前記炭化珪素エピタキシャル層を形成する工程において、前記原料ガスはドーパントガスとしてアンモニアガスを含む、請求項5または請求項6に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  8. 前記ベース基板を準備する工程において準備される前記ベース基板は、外径が100mm以上である、請求項5〜請求項7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. 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に電極を形成する工程とを備え、
    前記炭化珪素エピタキシャル基板を準備する工程では、請求項5に記載の炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法により前記炭化珪素エピタキシャル基板が製造される、炭化珪素半導体装置の製造方法。
  10. 炭化珪素をエピタキシャル成長させるために用いられる原料ガスと接触するとともに、エピタキシャル成長温度にまで加熱される部材を備え、
    前記部材の窒素濃度が10ppm以下である、炭化珪素成長装置。
  11. 炭化珪素成長装置において、炭化珪素をエピタキシャル成長させるために用いられる原料ガスと接触するとともに、エピタキシャル成長温度にまで加熱される部材であって、
    窒素濃度が10ppm以下である、炭化珪素成長装置用部材。
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