JP2017059670A - SiCエピタキシャルウェハ、SiCエピタキシャルウェハの製造装置、SiCエピタキシャルウェハの製造方法、および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハ1は、図1(a)に示すように、4度未満のオフ角基板2と、基板2上に配置されたSiCエピタキシャル成長層3とを備える。ここで、SiCエピタキシャル成長層3は、Si化合物をSiの供給源とし、C化合物をCの供給源とする。ここで、キャリア密度均一性を10%未満、かつ欠陥密度が1個/cm2未満であり、Si化合物とC化合物のC/Si比は、0.7以上0.95以下の範囲を有していても良い。
実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハの模式的鳥瞰構成は、図1(a)若しくは図1(b)に示すように表される。
実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハ1に適用可能な4H−SiC結晶のユニットセルの模式的鳥瞰構成は、図2(a)に示すように表され、4H−SiC結晶の2層部分の模式的構成は、図2(b)に示すように表され、4H−SiC結晶の4層部分の模式的構成は、図2(c)に示すように表される。
実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハの製造方法は、SiCインゴット13を準備し、4度未満のオフ角θを付けて切り出し、研磨してSiCベアウェハ14を形成する工程と、SiCベアウェハ14の切り出し面を除去し、4度未満のオフ角SiC基板2を形成する工程と、SiC基板2の主面上に酸化膜16を形成する工程と、酸化膜16を除去する工程と、4度未満のオフ角SiC基板2上に、SiCエピタキシャル成長層3を結晶成長させる工程とを有する。ここで、供給される原料ガスは、Siの供給源となるSi化合物およびCの供給源となるC化合物を備える。ここで、キャリア密度均一性を10%未満、かつ欠陥密度が1個/cm2未満であり、Si化合物とC化合物のC/Si比は、0.7以上0.95以下の範囲を有する。
欠陥密度(個/cm2)をパラメータとする歩留りY(%)と角型デバイスのデバイス辺長(mm)との関係は、図7に示すように表される。
低オフ角SiC基板2上にSiCエピタキシャル成長層3を形成する際にオフ角が相対的に大きい場合に、基底面転位(BPD: Basal Plane Dislocation)から貫通刃状転位(TED: Threading Edge Dislocation)への変換の様子の説明は、図8(a)に示すように表され、オフ角が相対的に小さい場合に、BPDからTEDへの変換の様子の説明は、図8(b)に示すように表される。
実施の形態に係る低オフ角SiC基板上にSiCエピタキシャル成長層を形成する際に適用するエピタキシャル成長装置200であって、ガスフローチャネル方向の模式的断面構造は、図9(a)に示すように表され、ガスフローチャネルに垂直方向の模式的断面構造は、図9(b)に示すように表される。
SiC基板上にSiCエピタキシャル成長層を形成する際に良好な表面平坦性を示す成長温度と原料ガスC/Si比の関係であって、オフ角4度とオフ角2度における表面モフォロジー限界を比較した図は、図11に示すように表される。
図11において、2度オフ角SiC基板上に形成したSiCエピタキシャル成長層の共焦点微分干渉顕微鏡像であって、成長温度=1680℃、C/Si比=0.8、HAZE値=5.7の場合の表面モフォロジーは、図12(a)に示すように表され、成長温度=1680℃、C/Si比=0.9、HAZE値=5.9の場合の表面モフォロジーは、図12(b)に示すように表され、成長温度=1650℃、C/Si比=0.7、HAZE値=5.5の場合の表面モフォロジーは、図12(c)に示すように表され、成長温度=1650℃、C/Si比=0.8、HAZE値=5.5の場合の表面モフォロジーは、図12(d)に示すように表され、成長温度=1650℃、C/Si比=0.9、HAZE値=5.7の場合の表面モフォロジーは、図12(e)に示すように表される。図12(a)〜図12(e)の結果は、いずれも2度オフ角SiC基板上にバッファ層なしでSiCエピタキシャル成長層を約5μm形成した結果である。HAZE値は、表面検査装置SICA6Xによる表面粗さ指標である。いずれも写真視野は、750×750μm2である。
実施の形態に係る2度オフ角SiC基板上にSiCエピタキシャル成長層を形成した結果であって、三角欠陥密度(cm-2)とキャリア密度(ND−NA)均一性(σ/mean)(%)の成長圧力P(kPa)依存性(120slm-H2、C/Si比=0.9)は、図14に示すように表される。
実施の形態に係る2度オフ角SiC基板上にSiCエピタキシャル成長層を形成した結果であって、三角欠陥密度(cm-2)とキャリア密度(ND−NA)均一性(σ/mean)(%)のキャリアガス流量(H2フロー)(slm)依存性(C/Si比=0.9、成長圧力P=10.3kPa)は、図15に示すように表される。
成長パラメータの表面モフォロジー・欠陥密度・エピ面内キャリア密度均一性(σ/mean)への影響を精査し、2度オフSiC基板のSi面側へのSiCエピタキシャル成長のプロセスウィンドウを導出した。
実施の形態に係る2度オフ角SiC基板上にSiCエピタキシャル成長層を形成した結果であって、欠陥密度(cm-2)とキャリア密度(ND−NA)均一性(%)のC/Si比依存性(成長温度Tg=1680℃、キャリアガス流量120slm-H2、成長圧力P=10.3(kPa))は、図17に示すように表される。
2度オフ角SiC基板上にSiCエピタキシャル成長層を形成した際に発生する欠陥であって、ダウンフォールの一例は、図18(a)に示すように表され、ダウンフォールの別の例は、図18(b)に示すように表され、ダウンフォールの更に別の例は、図18(c)に示すように表され、ダウンフォールの更に別の例は、図18(d)に示すように表され、ダウンフォールの更に別の例は、図18(e)に示すように表され、ダウンフォールの更に別の例は、図18(f)に示すように表される。
2度オフ角SiC基板上にSiCエピタキシャル成長層を形成した際に発生する欠陥であって、キャロット欠陥の一例は、図19(a)に示すように表され、キャロット欠陥の別の例は、図19(b)に示すように表され、キャロット欠陥の更に別の例は、図19(c)に示すように表され、キャロット欠陥の更に別の例は、図19(d)に示すように表される。
2度オフ角SiC基板上にSiCエピタキシャル成長層を形成した際に発生する欠陥であって、三角欠陥の一例は、図20(a)に示すように表され、三角欠陥の別の例は、図20(b)に示すように表され、三角欠陥の更に別の例は、図20(c)に示すように表され、三角欠陥の更に別の例は、図20(d)に示すように表される。
2度オフ角SiC基板上にSiCエピタキシャル成長層を形成した際に発生する欠陥であって、ダウンフォール+三角欠陥の一例は、図21(a)に示すように表され、ダウンフォール+三角欠陥の別の例は、図21(b)に示すように表される。
角度θ度のオフ角SiC基板上にSiCエピタキシャル成長層を形成した際に発生する三角欠陥の発生機構の説明であって、三角欠陥の模式的平面図は、図22(a)に示すように表され、三角欠陥の模式的断面図は、図22(b)の示すように表される。
Dd=d−L×tanθ (1)
ダウンステップ方向の拡張幅Lは、SICAや通常の光学顕微鏡観察などで取得した三角欠陥画像より測定可能であるため、ダウンステップ方向の拡張幅Lを測定することで、欠陥発生時のSiCエピタキシャル成長層の膜厚Ddを非破壊で見積ることができる。
低オフ角SiC基板2上にSiCエピタキシャル成長層3を形成した際に発生する三角欠陥の低減対策の説明は、図23に示すように表される。
バッファ層3Bは必須の構成要件ではなく、SiCエピタキシャルウェハ1に要求されるモフォロジー限界、キャリア密度均一性およびエピ欠陥密度の値により決まる。
基本要件:膜厚0.5μm以上、かつドリフト層3D(バッファ層3Bよりも上のSiCエピタキシャル成長層)よりも実行C/Si比が低くなる成長条件で成長する。同様の結果を得るためには、原料ガスC/Si比を低減し、また成長圧力Pを低減し、またキャリアガス流量を増加しても良い。
ドリフト層成長時のC/Si比=0.9のときは、バッファ層3Bの形成時の原料ガスC/Si比は、0.6以上0.9未満の範囲であることが望ましい。より望ましくは、バッファ層3Bの形成時の原料ガスC/Si比は、約0.75であることが望ましい。原料ガスC/Si比が0.6以下では、CVD装置の炉壁への付着膜のSi組成が高くなることで、膜応力が大きくなり、炉材が割れやすくなるためである。
バッファ層3Bの膜厚は、厚い方が欠陥密度低減効果は確実に得られる。一方、ドリフト層3Dの厚さは、要求されるデバイス耐圧で決められるため、エピタキシャル成長層3の総膜厚は、バッファ層3Bの厚さ分だけ厚くなる。
バッファ層3Bへの窒素(N)ドーピング密度は、ドリフト層3Dへの窒素(N)ドーピング密度よりも高く設定して、チャネル抵抗増加を抑制する。但し、バッファ層3Bへの窒素(N)ドーピング密度<4×1019cm-3とする。バッファ層3Bへの窒素(N)ドーピング密度が高いと積層欠陥が発生し易くなるためである。
実施の形態に係る2度オフ角SiC基板2上にバッファ層3Bを介してドリフト層3Dを形成した結果であって、模式的構造例は、図28(a)に示すように表される。ここで、成長温度Tg=1680℃、成長圧力P=10.3(kPa)、バッファ層3BのC/Si比=0.75、バッファ層3Bの厚さ=Xμm、ドリフト層3DのC/Si比=0.9、ドリフト層3Dの厚さ=10μmである。
実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハの製造装置であって、SiCエピタキシャル成長に適用可能な第1のCVD装置の模式的構成例は、図30に示すように、ガス注入口140と、ガス排気口160と、加熱部100と、縦型反応炉120とを備える。
実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハの製造装置であって、SiCエピタキシャル成長に適用可能な第2のCVD装置の模式的構成例は、図31に示すように、
ガス注入口140と、ガス排気口160と、加熱部100と、縦型反応炉120とを備える。
実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハの製造装置200であって、SiCエピタキシャル成長に適用可能な第3のCVD装置の模式的構成例は、図32に示すように、ガス注入口140と、ガス排気口160と、加熱部100と、横型反応炉130とを備える。
実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハの製造装置200であって、SiCエピタキシャル成長に適用可能な第4のCVD装置の模式的構成例は、図33に示すように、ガス注入口140と、ガス排気口160と、加熱部100と、横型反応炉130とを備える。
実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハを用いて作製したSiC−SBD21の模式的断面構造は、図34に示すように表される。
実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハを用いて作製したSiC−TMOSFET31の模式的断面構造は、図35に示すように表される。
実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハを用いて作製したプレーナゲート型のSiC−MOSFETの模式的断面構造は、図36に示すように表される。
上記のように、実施の形態に係るSiCエピタキシャルウェハ、SiCエピタキシャルウェハの製造装置、SiCエピタキシャルウェハの製造方法、および半導体装置について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この実施の形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
2…基板
3…SiCエピタキシャル成長層
3B…バッファ層
3D…ドリフト層
4…主面
6P…ウェハポケット
10…SiCエピタキシャル成長層の表面
13…六方晶SiCインゴット
14…SiCベアウェハ
15…切り出し面
16…酸化膜
21…SiC−SBD
22…カソード電極
23…活性領域
24…コンタクトホール
25…フィールド領域
26…フィールド絶縁膜
27…アノード電極
28…JTE構造
31…SiC−TMOSFET
32、52…ドレイン電極
33、53…ボディ領域
34…ドレイン領域
35…ゲートトレンチ
36、57…ゲート絶縁膜
37、58…ゲート電極
38、55…ソース領域
39、56…ボディコンタクト領域
40、59…層間絶縁膜
41、60…コンタクトホール
42、61…ソース電極
51…SiC−MOSFET
100…加熱部
112…断熱材
114…固定サセプタ
116…回転サセプタ
118…ホルダプレート
120…縦型反応炉
125…回転サセプタ支持台
130…横型反応炉
140…ガス注入口
160…ガス排気口
200…SiCエピタキシャルウェハの製造装置
t1…SiC基板の厚さ
t2…SiCエピタキシャル成長層3の厚さ
θ…オフ角
S…ソース端子
D…ドレイン端子
G…ゲート端子
A…アノード端子
K…カソード端子
Claims (28)
- 4度未満の低オフ角基板と、
前記基板上に配置されたSiCエピタキシャル成長層と
を備え、前記SiCエピタキシャル成長層は、Si化合物をSiの供給源とし、C化合物をCの供給源とし、
キャリア密度均一性を10%未満、かつ欠陥密度が1個/cm2未満であり、前記Si化合物と前記C化合物のC/Si比は、0.7以上0.95以下の範囲を有することを特徴とするSiCエピタキシャルウェハ。 - 前記SiCエピタキシャル成長層は、
前記基板上に配置されたバッファ層と、
前記バッファ層上に配置されたドリフト層と
を備え、
キャリア密度均一性を10%未満、かつ欠陥密度が0.5個/cm2未満であり、前記バッファ層の前記Si化合物と前記C化合物のC/Si比を前記ドリフト層の前記Si化合物と前記C化合物のC/Si比よりも低く制御したことを特徴とする請求項1に記載のSiCエピタキシャルウェハ。 - 前記オフ角は、2度を有することを特徴とする請求項1または2に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- 前記SiCエピタキシャル成長層の成長温度は、1630℃以上1690℃以下の範囲を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- 前記SiCエピタキシャル成長層の成長圧力は、3kPa以上11kPa以下の範囲を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- 前記Si化合物は、SiH4、SiH3F、SiH2F2、SiHF3若しくはSiF4のいずれかの材料を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- 前記C化合物は、C3H8、C2H4、C2H2、CF4、C2F6、C3F8、C4F6、C4F8、C5F8、CHF3、CH2F2、CH3F、若しくはC2HF5のいずれかの材料を備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- 前記SiCエピタキシャル成長層は、4H−SiC、6H−SiC、2H−SiC、若しくは3C−SiCのいずれかを備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- 前記基板は、直径100mm以上であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- 前記基板は、4H−SiC、6H−SiC、BN、AlN、Al2O3、Ga2O3、ダイヤモンド、カーボン、若しくはグラファイトのいずれかを備えることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- SiCインゴットを準備し、4度未満のオフ角を付けて切り出し、研磨してSiCベアウェハを形成する工程と、
前記SiCベアウェハの切り出し面を除去し、4度未満のオフ角SiC基板を形成する工程と、
前記SiC基板上に、SiCエピタキシャル成長層を結晶成長させる工程と
を有し、供給される原料ガスは、Siの供給源となるSi化合物およびCの供給源となるC化合物を備え、
キャリア密度均一性を10%未満、かつ欠陥密度が1個/cm2未満であり、前記Si化合物と前記C化合物のC/Si比は、0.7以上0.95以下の範囲を有することを特徴とするSiCエピタキシャルウェハの製造方法。 - 前記SiC基板の主面上に酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜を除去する工程と
を有することを特徴とする請求項11に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造方法。 - 前記SiCエピタキシャル成長層を結晶成長させる工程は、
前記SiC基板上にバッファ層を結晶成長させる工程と、
前記バッファ層上にドリフト層を結晶成長させる工程と
を備え、
キャリア密度均一性を10%未満、かつ欠陥密度が0.5個/cm2未満であり、前記バッファ層の前記Si化合物と前記C化合物のC/Si比を前記ドリフト層の前記Si化合物と前記C化合物のC/Si比よりも低く制御したことを特徴とする請求項11または12に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造方法。 - 前記オフ角は、2度であることを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造方法。
- 前記SiCエピタキシャル成長層の成長圧力は、3kPa以上11kPa以下であることを特徴とする請求項11〜14のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造方法。
- 前記SiCエピタキシャル成長層は、4H−SiC、6H−SiC、2H−SiC、若しくは3C−SiCのいずれかを備えることを特徴とする請求項11〜15のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造方法。
- 前記SiC基板は、直径100mm以上であることを特徴とする請求項11〜16のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハ。
- ガス注入口と、
ガス排気口と、
加熱部と、
反応炉と
を備え、4度未満のオフ角基板上にSiCエピタキシャル成長層を形成する際に供給される原料ガスは、Siの供給源となるSi化合物およびCの供給源となるC化合物を備え、
キャリア密度均一性を10%未満、かつ欠陥密度が1個/cm2未満であり、前記Si化合物と前記C化合物のC/Si比は、0.7以上0.95以下の範囲を有することを特徴とするSiCエピタキシャルウェハの製造装置。 - 前記SiCエピタキシャル成長層は、前記基板上に配置されたバッファ層と、前記バッファ層上に配置されたドリフト層とを備え、
キャリア密度均一性を10%未満、かつ欠陥密度が0.5個/cm2未満であり、前記バッファ層の前記Si化合物と前記C化合物のC/Si比を前記ドリフト層の前記Si化合物と前記C化合物のC/Si比よりも低く制御したことを特徴とする請求項18に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造装置。 - 前記オフ角は、2度であることを特徴とする請求項18または19に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造装置。
- 前記SiCエピタキシャル成長層の成長圧力は、3kPa以上11kPa以下の範囲を有することを特徴とする請求項18〜20のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造装置。
- 前記Si化合物は、SiH4、SiH3F、SiH2F2、SiHF3若しくはSiF4のいずれかの材料を備え、
前記C化合物は、C3H8、C2H4、C2H2、CF4、C2F6、C3F8、C4F6、C4F8、C5F8、CHF3、CH2F2、CH3F、若しくはC2HF5のいずれかの材料を備えることを特徴とする請求項18〜21のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造装置。 - 前記反応炉は、縦型反応炉を備え、前記縦型反応炉内には、複数枚のSiCエピタキシャルウェハがガスの流れに対して平行になるように配置可能であることを特徴とする請求項18〜22のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造装置。
- 前記反応炉は、横型反応炉を備え、前記横型反応炉内には、複数枚のSiCエピタキシャルウェハが横型反応炉内には、複数枚のSiCエピタキシャルウェハがガスの流れに対して対向するように立てて配置可能であることを特徴とする請求項18〜22のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造装置。
- キャリアガスは、H2、Ar、HCl、F2のいずれか1つ以上を適用可能であることを特徴とする請求項18〜24のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造装置。
- ドーパントの原料は、窒素またはトリメチルアルミニウムを備えることを特徴とする請求項18〜25のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハの製造装置。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載のSiCエピタキシャルウェハを備えることを特徴とする半導体装置。
- 前記半導体装置は、SiCショットキーバリアダイオード、SiC−MOSFET、SiCバイポーラトランジスタ、SiCダイオード、SiCサイリスタ、若しくはSiC絶縁ゲートバイポーラトランジスタのいずれかを備えることを特徴とする請求項27に記載の半導体装置。
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