JP7127283B2 - 炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法に関する。

従来、単結晶ＳｉＣ（炭化珪素）基板の上に単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長（以下、エピタキシャルをエピと略する場合がある。）させた単結晶ＳｉＣエピ基板は、１ｋＶ級の高耐圧ショットキーダイオードや高耐圧ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）用途として研究開発が進められ、実用化に至った。

しかしながら、１０ｋＶ超級の超高耐圧・低損失デバイスを実現するためには、単結晶炭化珪素半導体基板の上に、キャリア濃度が１×１０¹⁴／ｃｍ³～１×１０¹⁵／ｃｍ³の低濃度の単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させた単結晶ＳｉＣエピ基板を作製（製造）する必要がある。以下、単結晶炭化珪素半導体基板の上に、エピタキシャル成長させた単結晶ＳｉＣ基板をエピ基板と略する場合がある。また、低濃度のエピ層をドリフト層と称する場合がある。

低濃度のエピ基板として、１×１０¹⁴／ｃｍ³～１×１０¹⁷／ｃｍ³程度の低窒素（Ｎ）濃度のエピ層を形成する技術がある（例えば、下記特許文献１参照）。また、１×１０¹⁴／ｃｍ³以上１×１０¹⁶／ｃｍ³以下の不純物濃度を有するエピタキシャル層をエピタキシャル成長により形成する技術がある（例えば、下記特許文献２参照）。

特開２０１５－００２２０７号公報 特開２０１２－２５３１１５号公報

しかしながら、従来技術では、設定したキャリア濃度より低くドリフト層が形成され、設定したキャリア濃度のドリフト層が形成されないことがある。例えば、キャリア濃度４×１０¹⁴／ｃｍ³を設定して、ドリフト層を成膜しても、ドリフト層のキャリア濃度のＣＶ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ－Ｖｏｌｔａｇｅ）測定値が１×１０¹⁴／ｃｍ³前後になる場合がある。これにより、このエピ基板を用いて、例えばドリフト層を設定膜厚１３５μｍとして、耐圧１０ｋＶ級のＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を作製した場合、オン抵抗特性が悪化することがある。

これは、ドリフト層のキャリア濃度の設定値が非常に低いため、単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長装置内で、ドリフト層の不純物と異なる導電型の不純物がドリフト層に入り込むことによる影響を無視できなくなり、目的とするキャリア濃度より低く、ドリフト層が成膜されるためである。

例として、設定濃度４×１０¹⁴／ｃｍ³、設定膜厚１３５μｍのｎ型ドリフト層を成膜したエピ基板を用いてＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）を試作したところ、良品のエピ基板はＲｏｎＡ（オン抵抗）が室温で約０．１１Ω／ｃｍ²だったのに対して、不良品のエピ基板では約１．２Ωｃｍ²程度と１０倍も高くなった。図５は、ショットキーバリアダイオードの電流電圧特性を示すグラフである。図５に示すように、良品では、順方向電圧Ｖｆを増加させ、閾値電圧を超えると順方向電流Ｉｆが急激に増加するが、不良品では、オン抵抗が高いため、閾値電圧を超えても順方向電流Ｉｆの増加が緩やかである。オン抵抗が高くなった原因を調査するため、ＳＩＭＳ分析（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：二次イオン質量分析）を検討したところ、不良品のエピ基板のドリフト層の窒素濃度は４～６×１０¹⁴／ｃｍ³であったが、ホウ素（Ｂ）の濃度も２～４×１０¹⁴／ｃｍ³ほど観測された。このため、ホウ素によるカウンタードーピングで、ドリフト層の実効キャリア濃度が低下して、ＳＢＤのオン抵抗特性が低下したと考えられた。

ここで、ドリフト層中に、ホウ素が混入した原因は以下のことが考えられる。図６は、単結晶ＳｉＣ用のエピタキシャル成長装置の構造を示す断面図である。エピタキシャル成長装置６では、矢印で示される方向に、原料ガス、キャリアガスおよびドーパントガスを、ガス導入口６６からガス排出口６７へ水平方向に導入移動させる。ガスは、主に半導体基板６５の表面側へ供給され、図示しないＩＨ（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ）コイル等の加熱装置により、サセプタ６１が加熱され、半導体基板６５上にドリフト層が形成される。半導体基板としては単結晶４Ｈ－ＳｉＣ（四層周期六方晶の炭化珪素）基板や、単結晶６Ｈ－ＳｉＣ（六層周期六方晶の炭化珪素）基板を用いる。また、エピタキシャル成長装置６は、周囲を黒鉛部材が含まれる断熱材６４で囲まれている。

サセプタ６１の素材には、高純度カーボン材６３が用いられており、表面は多結晶ＳｉＣコート層６２で覆われている。ただし、高純度カーボン材６３の純度にも限界があり、不純物として微量のホウ素等が含まれている場合がある。このため、新品のサセプタ６１の使用開始直後は、エピ成長時に加熱すると、例えば、矢印６８が示すようにｐ型ドーパントとして寄与するホウ素が微量に発生し、エピタキシャル成長装置６内に拡散してしまう。ドリフト層の設定濃度が５×１０¹⁵／ｃｍ³以上くらいなら、１×１０¹⁴／ｃｍ³台の微量のホウ素混入は無視できるが、ドリフト層の設定濃度が１×１０¹⁵／ｃｍ³以下になると、ホウ素混入が無視できないレベルとなり、ｎ型の窒素の中にｐ型のホウ素が混入されるため、目的とするキャリア濃度より低いキャリア濃度のドリフト層が形成される。

この発明は、キャリア濃度が低いドリフト層を有する炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体基板は、次の特徴を有する。炭化珪素半導体基板は、キャリア濃度が、１×１０¹⁴／ｃｍ³以上５×１０¹⁴ ／ｃｍ³以下であり、前記不純物の内、導電型を決定する不純物と異なる導電型の不純物成分の各々、または合計の濃度が、１×１０¹⁴／ｃｍ³未満であるエピタキシャル層を備える。結晶構造が４Ｈ－ＳｉＣで、前記エピタキシャル層を備える主面は、（０００１）Ｓｉ面である。耐圧が１０ｋＶ以上の炭化珪素半導体装置のための炭化珪素半導体基板である。このエピタキシャル層の設定膜厚は任意とする。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板は、上述した発明において、前記導電型を決定する不純物は、ｎ型ドリフト層である場合は窒素であり、前記導電型を決定する不純物と異なる導電型の不純物成分はホウ素、ないしアルミニウム、ないしホウ素とアルミニウムの両方であることを特徴とする。オフ角度は、０°以上１０°以下であり、直径は２５ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることを特徴とする。このエピタキシャル層の設定膜厚は任意とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法は、次の特徴を有する。炭化珪素半導体基板の製造方法は、まず、エピタキシャル成長装置内に、水素を含むガスを供給して、前記エピタキシャル成長装置内を所定時間、加熱する。次に、前記エピタキシャル成長装置内に、単結晶炭化珪素基板を搬入し、原料ガスとキャリアガスと導電型を決定する不純物を含むドーパントガスを供給して前記単結晶炭化珪素基板上に第１エピタキシャル層を形成する第１の条件出し成膜を行う第１成膜工程を行う。次に、前記第１成膜工程後、前記第１エピタキシャル層の不純物の濃度、及び膜厚を計測する第１計測工程を行う。次に、前記第１計測工程後、前記ドーパントガスを供給して、前記第１エピタキシャル層上に第２エピタキシャル層を形成する第２の条件出し成膜を行う第２成膜工程を行う。次に、前記第２成膜工程後、前記第２エピタキシャル層の不純物の濃度、及び膜厚を計測する第２計測工程を行う。次に、前記第１計測工程と前記第２計測工程での計測結果から前記不純物の流量と前記第１エピタキシャル層の不純物の濃度および前記第２エピタキシャル層の不純物の濃度との関係を算出し、前記ドーパントガスの流量を決定する決定工程を行う。次に、前記決定工程後、前記ドーパントガスを供給して、前記第２エピタキシャル層上に第３エピタキシャル層を形成する第３の条件出し成膜を行う第３成膜工程を行う。次に、前記第３成膜工程後、前記第３エピタキシャル層の膜厚と前記不純物の取り込み依存関係を算出し、前記ドーパントガスの流量を調節する調節工程を行う。次に、前記調節工程で調節された流量で前記ドーパントガスを供給して前記第３エピタキシャル層上に単結晶炭化珪素の膜をエピタキシャル成長により形成する。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法は、上述した発明において、前記所定時間、加熱する工程は、前記エピタキシャル成長装置内を少なくとも温度１６００℃以上、ガス圧力１０００Ｐａ以上、１０分以上、好ましくは温度１７２５℃、ガス圧力２５００Ｐａで３．５時間加熱することを特徴とする。なお、水素ガス流量については、ガス圧力を制御できる範囲内にて任意の流量とする。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法は、上述した発明において、前記導電型を決定する不純物は窒素であることを特徴とする。また、上述した発明において、エピタキシャル成長を行う単結晶炭化珪素基板の主面は、（０００１）Ｓｉ面が良い。また、上述した発明においてエピタキシャル成長を行う炭化珪素半導体基板のオフ角度は、０度以上１０度以下の範囲内なら、何度でも良い。また、上述した発明において製造されるエピ基板の直径は、２５ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲内なら何ｍｍでも良い。

上述した発明によれば、ｎ^-型エピタキシャル層のキャリア濃度が、１×１０¹⁴／ｃｍ³以上１×１０¹⁵／ｃｍ³以下である。このため、この炭化珪素半導体基板のｎ^-型エピタキシャル層の設定膜厚を適切な値とすることにより、高耐圧、例えば、１０ｋＶ級以上の炭化珪素半導体装置が実現できる。また、ｎ^-型エピタキシャル層のキャリア濃度が、１×１０¹⁴／ｃｍ³以上５×１０¹⁴／ｃｍ³以下とした上で、ｎ^-型エピタキシャル層の設定膜厚を適切な値とすることで、より高耐圧、例えば、１３ｋＶ級以上、ないし２０ｋＶ級以上の炭化珪素半導体装置が実現できる。

また、ｎ^-型エピタキシャル層をエピタキシャル成長させる前に、エピタキシャル成長装置内を所定時間、加熱することで、エピタキシャル成長装置内のサセプタ等の部材を構成するカーボンに含まれるホウ素を事前に放出することができる。これにより、エピタキシャル成長の際にｎ^-型エピタキシャル層に混入するホウ素の量を低減させ、ｐ型の不純物成分の各々、または合計の濃度を、１×１０¹⁴／ｃｍ³未満にすることができる。このため、例えばｎ^-型エピタキシャル層を設定膜厚１３５μｍとして、１０ｋＶ級のＳＢＤ等のユニポーラデバイスを作製した場合、設定したキャリア濃度より低くなることを防ぐことができ、ＳＢＤに関してはオン抵抗特性が悪化することを防ぐことができる。

本発明にかかる炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法によれば、キャリア濃度が１×１０¹⁴／ｃｍ³～１×１０¹⁵／ｃｍ³の低濃度ドリフト層を有する炭化珪素半導体基板を提供できるという効果を奏する。

実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の構成を示す断面図である。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の形成工程のフローチャートである。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板におけるドーパント時のドーパントガスの流量とエピタキシャル層のキャリア濃度との対応関係を示すグラフである。 実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板のｎ^-型エピタキシャル層のＳＩＭＳ分析およびＣＶ測定の実測値を示す表である。 ショットキーバリアダイオードの電流電圧特性を示すグラフである。 単結晶ＳｉＣ用のエピタキシャル成長装置の構造を示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および－は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。＋および－を含めたｎやｐの表記が同じ場合は近い濃度であることを示し濃度が同等とは限らない。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本明細書では、ミラー指数の表記において、“－”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“－”を付けることで負の指数をあらわしている。

（実施の形態）
図１は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の構成を示す断面図である。図１に示すように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板は、ｎ型炭化珪素基板（単結晶炭化珪素基板）１の第１主面（おもて面）、例えば（０００１）面（Ｓｉ面）に、ｎ型バッファ層２が堆積されている。なお、ｎ型バッファ層２は成膜しても良いし、しなくても良い。また、ｎ型バッファ層２の膜厚は、ｎ^-型ドリフト層より薄くても良いし、厚くても良い。

ｎ型炭化珪素基板１は、炭化珪素単結晶基板である。ｎ型バッファ層２は、例えばｎ型炭化珪素基板１より高濃度のバッファ層である。ｎ型バッファ層２は、エピタキシャル成長により形成された膜である。ｎ型バッファ層２のｎ型炭化珪素基板１と反対側の表面にｎ^-型エピタキシャル層（エピタキシャル層）３が堆積されている。なお、ｎ型バッファ層２は、ｎ型炭化珪素基板１より低濃度でも良い。

ｎ^-型エピタキシャル層３は、ｎ型炭化珪素基板１、及びｎ型バッファ層２よりも低い不純物濃度で、例えば低濃度ｎ^-型ドリフト層である。ｎ^-型エピタキシャル層３は、エピタキシャル成長により形成された層であり、キャリア濃度が、１×１０¹⁴／ｃｍ³以上１×１０¹⁵／ｃｍ³以下である。ここで、キャリア濃度とは、ｎ^-型エピタキシャル層３に含まれるｎ型の不純物、例えば窒素の濃度と、ｐ型の不純物、例えばホウ素やアルミニウムの濃度とを加えた濃度のことである。また、ｎ^-型エピタキシャル層３中で、ｐ型の不純物成分の各々、または合計の濃度は１×１０¹⁴／ｃｍ³未満である。つまり、ｐ型の不純物が複数種類含まれるとき、ｐ型の不純物の合計の濃度が１×１０¹⁴／ｃｍ³未満である。また、ｎ^-型エピタキシャル層３のキャリア濃度は、１×１０¹⁴／ｃｍ³以上５×１０¹⁴／ｃｍ³以下であることがより好ましい。キャリア濃度を１×１０¹⁴／ｃｍ³以上５×１０¹⁴／ｃｍ³以下とした上で、ｎ^-型エピタキシャル層の設定膜厚を適切な値にすることにより、より高耐圧、例えば、１３ｋＶ級以上、ないし２０ｋＶ級以上の炭化珪素半導体装置が実現できる。

（実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法）
次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。図２は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の形成工程のフローチャートである。また、図３は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板におけるドーパント時のドーパントガスの流量とエピタキシャル層のキャリア濃度との対応関係を示すグラフである。図３において、縦軸は、炭化珪素半導体基板上に形成されたエピタキシャル層の窒素の濃度であり、単位は／ｃｍ³であり、横軸は、ドーパントガス内の窒素の流量であり、単位はｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｕｂｉｃ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）またはｓｌｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）である。

実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法では、まず、エピタキシャル成長装置６のベーキングを行う（ステップＳ１）。エピタキシャル成長装置６内に、水素（Ｈ₂）を含むガスを供給して、エピタキシャル成長装置６内を所定時間、加熱する。例えば、エピタキシャル成長装置６内に、水素を含むガスを供給して、エピタキシャル成長装置６内を少なくとも温度１６００℃以上まで昇温して、圧力を１０００Ｐａ以上に制御して、サセプタ６１を１０分以上加熱する。好ましくは、エピタキシャル成長装置６内を１７２５℃まで昇温して、圧力を２５００Ｐａに制御して、サセプタ６１を３．５時間加熱する。これにより、サセプタ６１内の高純度カーボン材６３および断熱材６４に含まれるホウ素を放出することができ、エピ成長時に高純度カーボン材６３および断熱材６４からホウ素が放出することを防止できる。

次に、窒素を添加した第１の条件出し成膜を行う（ステップＳ２）。例えば、炭化珪素半導体基板の温度を１５８０℃以上１７２５℃以下の範囲内での所望の設定温度にして、炭化珪素半導体基板の表面に、水素ガスをキャリアガスに用いて、シラン（ＳｉＨ₄）ガスとプロパン（Ｃ₃Ｈ₈）ガスとを同時に供給すると共に、窒素を含むドーパントガスを供給して、ガスの圧力を１０００Ｐａ以上２００００Ｐａ以下の範囲内での所望の圧力に制御して、例えば、設定膜厚１０μｍのエピタキシャル層を形成する。ここで、同時に供給とは、完全に同一時刻であることまでは要しないが、数秒から数十秒以内に原料ガスであるＳｉＨ₄ガスとＣ₃Ｈ₈ガスが供給されることを意味する。第１の条件出し成膜後、形成されたエピタキシャル層の窒素の濃度、及び膜厚を計測する。第１の条件出し成膜におけるドーパントガスの窒素の流量、および、形成されたエピタキシャル層の窒素の濃度は、図３において点３１にプロットされる。

次に、窒素を添加した第２の条件出し成膜を行う（ステップＳ３）。例えば、炭化珪素半導体基板の温度を１５８０℃以上１７２５℃以下の範囲内での所望の設定温度にして、炭化珪素半導体基板の表面に、Ｈ₂ガスをキャリアガスに用いて、原料ガスであるＳｉＨ₄ガスとＣ₃Ｈ₈ガスとを同時に供給すると共に、窒素を含むドーパントガスを供給して、ガスの圧力を１０００Ｐａ以上２００００Ｐａ以下の範囲内での所望の圧力に制御して、例えば、設定膜厚６μｍのエピタキシャル層を形成する。第２の条件出し成膜後、形成されたエピタキシャル層の窒素の濃度、及び膜厚を計測する。第２の条件出し成膜におけるドーパントガスの窒素の流量、および、形成されたエピタキシャル層の窒素の濃度は、図３において点３２にプロットされる。

次に、添加した窒素の流量とエピタキシャル層の窒素の濃度との関係を算出する（ステップＳ４）。例えば、第１の条件出し成膜の結果の点と第２の条件出し成膜の結果の点を直線で結ぶことにより、添加した窒素の流量とエピタキシャル層の窒素の濃度との関係を算出する。図３において、点３１と点３２を結んだ直線３３が、添加した窒素の流量とエピタキシャル層の窒素の濃度との関係を示している。

次に、窒素を添加した第３の条件出し成膜を行う（ステップＳ５）。ステップＳ４で算出した直線３３から、点３４の濃度ｄｔのエピタキシャル層を形成する場合、ドーパントガス内の窒素の流量をｎ２にすればよいことが分かる。そのため、例えば、炭化珪素半導体基板の温度を１５８０℃以上１７２５℃以下の範囲内での所望の設定温度にして、炭化珪素半導体基板の表面に、Ｈ₂ガスをキャリアガスに用いて、原料ガスであるＳｉＨ₄ガスとＣ₃Ｈ₈ガスとを同時に供給すると共に、窒素を含むドーパントガスをｎ２の流量で供給して、ガスの圧力を１０００Ｐａ以上２００００Ｐａ以下の範囲内での所望の圧力に制御して、例えば、設定膜厚２０μｍのエピタキシャル層を形成する。

次に、膜厚と窒素の取り込み依存関係を算出する（ステップＳ６）。ステップＳ５で設定膜厚２０μｍのエピタキシャル層を形成すると、形成されたエピタキシャル層の窒素濃度は、点３４の位置にならず、点３５の位置になる場合がある。これは、例えば、エピタキシャル成長装置６のメンテナンスで大気を解放した際に、炉壁に窒素が付着することにより、窒素の取り込みレートが時間変化してしまうためである。また、例えば、エピタキシャル層中にサセプタ６１にｎ型の副生成物（多結晶ＳｉＣ）が成長して、ｎ型の副生成物が再昇華してしまうため、窒素を放出し、さらにエピ条件のＣ／Ｓｉ比（珪素に対する炭素の比率）が崩れて、窒素の取り込みレートが時間変化してしまうためである。また、例えば、カーボン製ＳｉＣコートサセプタの表面に、大気中の窒素分子が吸着しているためである。

例えば、エピタキシャル層の窒素濃度が高くなる場合は、ドーパントガスの流量を少なくなるように調節する。逆に、エピタキシャル層の窒素濃度が低くなる場合は、ドーパントガスの流量が多くなるように調節する。調節する量は、目的とする濃度と実際の濃度との差異に応じて決定する。

次に、低濃度のエピタキシャル層をエピタキシャル成長により形成する（ステップＳ７）。例えば、エピタキシャル成長装置６内に、ｎ型炭化珪素基板１を搬入し、ｎ型炭化珪素基板１の温度を１５８０℃以上１７２５℃以下の範囲内での所望の設定温度にして、ｎ型炭化珪素基板１の表面に、Ｈ₂ガスをキャリアガスに用いて、原料ガスであるＳｉＨ₄ガスとＣ₃Ｈ₈ガスとを同時に供給すると共に、窒素を含むドーパントガスを供給して、ガスの圧力を１０００Ｐａ以上２００００Ｐａ以下の範囲内での所望の圧力に制御して、所望の設定膜厚に応じた成膜時間を設定することで、エピタキシャル層を形成する。ドーパントガス内の窒素の流量は、ステップＳ５で決定された流量とする。

これにより、本フローチャートにおける一連の処理は終了する。本フローチャートを実施することで、ｎ型バッファ層２上に、キャリア濃度が１×１０¹⁴／ｃｍ³～１×１０¹⁵／ｃｍ³のｎ^-型エピタキシャル層３がエピタキシャル成長より形成される。

なお、実施の形態では、窒素に対して条件出し成膜を３回行ったが、ステップＳ５を省略して、２回の条件出し成膜だけとすることもできる。最初の２回の条件出し成膜で、直線３３を算出することができ、添加した窒素の流量とエピタキシャル成長膜の窒素の濃度との関係を得ることができるためである。

次に、実施の形態で説明した製造方法で炭化珪素半導体基板を製造した結果を示す。ｎ型炭化珪素基板１として、ｎ型４Ｈ－ＳｉＣを用いて、ｎ型４Ｈ－ＳｉＣのＳｉ面に、設定膜厚約１．５μｍのｎ型バッファ層２をエピタキシャル成長させた。次に、ｎ型バッファ層２の表面に設定キャリア濃度４×１０¹⁴／ｃｍ³で設定膜厚約２５μｍのｎ^-型エピタキシャル層３を形成した。

図４は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板のｎ^-型エピタキシャル層３のＳＩＭＳ分析およびＣＶ測定の実測値を示す表である。図４は、上記で製造された炭化珪素半導体基板のｎ^-型エピタキシャル層３の測定結果である。ＳＩＭＳ分析では、ｎ^-型エピタキシャル層３の中心近傍で深さ約１０μｍの箇所の濃度を測定した。測定結果によると、平均窒素濃度は５．６×１０¹⁴／ｃｍ³であり、平均ホウ素濃度は５．１×１０¹³／ｃｍ³であり、平均アルミニウム濃度は７．２×１０¹³／ｃｍ³であった。この結果、正味の不純物濃度が４．４×１０¹⁴／ｃｍ³であり、ｐ型の不純物（ホウ素、アルミニウム）の濃度がそれぞれ、５．１×１０¹³／ｃｍ³、７．２×１０¹³／ｃｍ³と１×１０¹⁴／ｃｍ³未満であった。また、ＣＶ測定によるｎ^-型エピタキシャル層３のキャリア濃度は、５．０×１０¹⁴／ｃｍ³であり、１×１０¹⁴／ｃｍ³～１×１０¹⁵／ｃｍ³の範囲内にあった。このように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法により、ｎ^-型エピタキシャル層のキャリア濃度が、１×１０¹⁴／ｃｍ³以上１×１０¹⁵／ｃｍ³以下であり、ｐ型の不純物成分の各々の濃度が、１×１０¹⁴／ｃｍ³未満であるｎ^-型エピタキシャル層３が形成されることが分かった。

以上、説明したように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板によれば、キャリア濃度が低いドリフト層を実現できる。具体的には、ドリフト層となるｎ^-型エピタキシャル層のキャリア濃度は、１×１０¹⁴／ｃｍ³以上１×１０¹⁵／ｃｍ³以下である。このため、この炭化珪素半導体基板のｎ^-型エピタキシャル層の設定膜厚を適切な値とすることにより、高耐圧、例えば、１０ｋＶ級以上の炭化珪素半導体装置が実現できる。また、ｎ^-型エピタキシャル層のキャリア濃度を、１×１０¹⁴／ｃｍ³以上５×１０¹⁴／ｃｍ³以下とした上で、ｎ^-型エピタキシャル層の設定膜厚を適切な値とすることで、より高耐圧、例えば、１３ｋＶ級以上、ないし２０ｋＶ級以上の炭化珪素半導体装置が実現できる。

また、ｎ^-型エピタキシャル層をエピタキシャル成長させる前に、エピタキシャル成長装置内を所定時間、加熱することで、エピタキシャル成長装置内のサセプタ等のカーボン部材に含まれるホウ素等のｐ型ドーパントとして働く不純物を事前に放出することができる。これにより、エピタキシャル成長の際にｎ^-型エピタキシャル層に混入するホウ素等のｐ型ドーパントとして働く不純物の量を低減させ、ｐ型の不純物成分の各々、または合計の濃度を、１×１０¹⁴／ｃｍ³未満にすることができる。このため、例えば、設定膜厚１３５μｍとして１０ｋＶ級のＳＢＤを作製した場合、設定したキャリア濃度より低くなることを防ぐことができ、ＳＢＤのオン抵抗特性が悪化することを防ぐことができる。

また、上述した発明においてエピタキシャル成長を行う炭化珪素半導体基板の主面は、（０００１）Ｓｉ面でも良いし、（０００－１）Ｃ面でも良いし、それ以外の面でも良い
。また、上述した発明においてエピタキシャル成長を行う炭化珪素半導体基板のオフ角度は、０°以上１０°以下の範囲内なら、何度の角度でも良い。また、上述した発明において製造されるエピ基板の直径は、２５ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲内なら何ｍｍでも良い。

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体基板は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用される高耐圧半導体装置の半導体基板に有用である。

１ ｎ型炭化珪素基板
２ ｎ型バッファ層
３ ｎ^-型エピタキシャル層
６ エピタキシャル成長装置
６１ サセプタ
６２ 多結晶ＳｉＣコート層
６３ 高純度カーボン材
６４ 断熱材
６５ 半導体基板
６６ ガス導入口
６７ ガス排出口

Claims (7)

1. キャリア濃度が、１×１０¹⁴／ｃｍ³以上５×１０¹⁴ ／ｃｍ³以下であり、導電型を決定する不純物と異なる導電型の不純物成分の各々、または合計の濃度が、１×１０¹⁴／ｃｍ³未満であるエピタキシャル層を、
   備え、
   結晶構造が４Ｈ－ＳｉＣで、前記エピタキシャル層を備える主面は、（０００１）Ｓｉ面であることを特徴とする耐圧が１０ｋＶ以上の炭化珪素半導体装置のための炭化珪素半導体基板。
2. 前記導電型を決定する不純物は窒素であり、前記導電型を決定する不純物と異なる導電型の不純物成分はホウ素、ないしアルミニウム、ないしホウ素とアルミニウムの両方であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体基板。
3. オフ角度は、０°以上１０°以下であり、直径は２５ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体基板。
4. エピタキシャル成長装置内に、水素を含むガスを供給して、前記エピタキシャル成長装置内を所定時間、加熱する工程と、
   前記エピタキシャル成長装置内に、単結晶炭化珪素基板を搬入し、原料ガスとキャリアガスと導電型を決定する不純物を含むドーパントガスを供給して前記単結晶炭化珪素基板上に第１エピタキシャル層を形成する第１の条件出し成膜を行う第１成膜工程と、
   前記第１成膜工程後、前記第１エピタキシャル層の不純物の濃度、及び膜厚を計測する第１計測工程と、
   前記第１計測工程後、前記ドーパントガスを供給して、前記第１エピタキシャル層上に第２エピタキシャル層を形成する第２の条件出し成膜を行う第２成膜工程と、
   前記第２成膜工程後、前記第２エピタキシャル層の不純物の濃度、及び膜厚を計測する第２計測工程と、
   前記第１計測工程と前記第２計測工程での計測結果から前記不純物の流量と前記第１エピタキシャル層の不純物の濃度および前記第２エピタキシャル層の不純物の濃度との関係を算出し、前記ドーパントガスの流量を決定する決定工程と、
   前記決定工程後、前記ドーパントガスを供給して、前記第２エピタキシャル層上に第３エピタキシャル層を形成する第３の条件出し成膜を行う第３成膜工程と、
   前記第３成膜工程後、前記第３エピタキシャル層の膜厚と前記不純物の取り込み依存関係を算出し、前記ドーパントガスの流量を調節する調節工程と、
   前記調節工程で調節された流量で前記ドーパントガスを供給して前記第３エピタキシャル層上に単結晶炭化珪素の膜をエピタキシャル成長により形成する工程と、
   を含むことを特徴とする炭化珪素半導体基板の製造方法。
5. 前記所定時間、加熱する工程は、前記エピタキシャル成長装置内を少なくとも温度１６００℃以上、ガス圧力１０００Ｐａ以上、１０分以上加熱することを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
6. 前記導電型を決定する不純物は窒素であることを特徴とする請求項４または５に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
7. 前記単結晶炭化珪素基板の主面は、（０００１）Ｓｉ面であり、オフ角度は、０°以上１０°以下であり、直径は２５ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４～６のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。

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