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

エピタキシャル炭化珪素単結晶基板及びその製造方法 Download PDF

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泰三 星野
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矢代　弘克
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Definitions

  • the present invention relates to an epitaxial silicon carbide (SiC) single crystal substrate and a manufacturing method thereof.
  • SiC Silicon carbide
  • a SiC thin film is epitaxially grown on the substrate by a method called thermal CVD (thermochemical vapor deposition) or ion implantation is usually performed.
  • thermal CVD thermal chemical vapor deposition
  • ion implantation ion implantation
  • the dopant is directly implanted by a method.
  • annealing at a high temperature is necessary after the implantation, so that thin film formation by epitaxial growth is frequently used.
  • the thickness of the epitaxial film and the doping density, particularly the uniformity of the doping density within the wafer surface are important.
  • the uniformity of the doping density is more important for improving the device yield.
  • the doping density in-plane uniformity is 5 to 10% in terms of standard deviation / average value ( ⁇ / mean). In the case of wafers, this value must be 5% or less.
  • the substrate off-angle is from the conventional 8 °. About 4 ° or less is used.
  • the ratio of the number of carbon atoms to the number of silicon atoms (C / Si ratio) in the material gas that flows during growth is generally lower than before. . This is because the number of steps on the surface decreases as the off-angle decreases and step flow growth hardly occurs, and step bunching and epitaxial defects tend to increase. .
  • the substrate is grown with a C / Si ratio near X.
  • the residual carrier density of the non-doped layer is N X , it is about 4 ° to
  • the residual carrier density of the non-doped layer when grown at a low C / Si ratio Y (usually about 1.0) necessary for growth on the following off-angle substrates is N Y (usually 0.8 to 1).
  • ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 the carrier level N C required for device operation is, for example, 1 to 5 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 , which is about N Y , so that when the C / Si ratio is Y, doping is performed.
  • a layer having a value close to the doping value necessary for device operation has already been obtained without performing the above process. Therefore, in order to control the carrier level of the layer to a value necessary for device operation by intentionally introducing nitrogen as a doping gas, the doping amount to be controlled is small. In comparison, it is difficult to obtain a uniform doping density. Strictly speaking, since the C / Si ratio is not constant in all parts on the wafer, there is a case where the C / Si ratio is locally smaller than Y. In this case, as shown in FIG. The residual carrier density becomes larger than N C.
  • FIG. 2a shows a doping density profile when doping is performed in a portion where the C / Si ratio is Y
  • FIG. 2b shows a portion where the C / Si ratio is smaller than Y (about 0.8 to 0.9) in the same wafer.
  • a doping density profile in the case of doping is shown.
  • N B1 and N B2 are the residual carrier densities in the respective portions, N B1 is usually about 0.8 to 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 and N B2 is about 1 to 3 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 . Therefore , N B1 ⁇ N B2 ⁇ N C. If doping is performed so that N C can be obtained in the portion of FIG.
  • N C ⁇ N B1 becomes a doping amount, so that in the portion of FIG. 2 b, N C ⁇ N B1 + N B2 Is the doping value. Therefore, N B2 ⁇ N B1 becomes a doping variation in the portions of FIGS. 2 a and 2 b, which can be a value larger than about 10% of N C. Such a phenomenon occurs because the slope of the graph in FIG.
  • the present inventors have used an atomic ratio (C) of carbon and silicon contained in the material gas of the epitaxial film. / Si) between 0.5 and 1.0 and grown (defect reduction layer) and C / Si grown between 1.0 and 1.5 (active layer)
  • C atomic ratio
  • This method is intended to obtain a triangular epitaxial defect and an epitaxial film with less surface roughness, and teaches a direct means to ensure uniformity of the epitaxial film doping density in the wafer plane. There is no description to do.
  • An object of the present invention is to provide an epitaxial SiC single crystal substrate having a high quality epitaxial film excellent in uniformity, and a method for manufacturing the same.
  • the inventors of the present invention laminated a plurality of non-doped layers formed without adding an impurity element and a doped layer formed while adding an impurity element during epitaxial growth, and the non-doped layer and the doped layer were formed. It has been found that changing the C / Si ratio during the growth and the thickness thereof are extremely effective in solving the above problems.
  • the epitaxial silicon carbide single crystal substrate of the present invention is an epitaxial having a silicon carbide epitaxial film formed by a chemical vapor deposition method on a silicon carbide single crystal substrate having an off angle of 1 ° to 6 °.
  • the present invention can include, for example, the following aspects.
  • the doped layer is formed with an atomic ratio (C / Si) of carbon and silicon contained in the material gas of the epitaxial film being 1.5 to 2.0, and the non-doped layer is The epitaxial silicon carbide according to (1) above, wherein the atomic ratio (C / Si) of carbon to silicon contained in the material gas of the epitaxial film is 0.5 or more and less than 1.5 Single crystal substrate.
  • a method of manufacturing an epitaxial silicon carbide single crystal substrate by forming a silicon carbide epitaxial film by a chemical vapor deposition method on a silicon carbide single crystal substrate having an off angle of 1 ° to 6 °. , Doped layer having a thickness of 0.5 ⁇ m or less formed while adding an impurity element with an atomic ratio (C / Si) of carbon to silicon contained in the material gas of the epitaxial film being 1.5 to 2.0
  • Non-doped with a thickness of 0.1 ⁇ m or less formed without adding an impurity element by setting the atomic ratio (C / Si) of carbon and silicon contained in the material gas of the epitaxial film to 0.5 to less than 1.5 A method of manufacturing an epitaxial silicon carbide single crystal substrate, wherein a silicon carbide epitaxial film is formed by alternately growing layers and having two or more doped layers and non-doped layers.
  • the present invention it is possible to provide a high-quality epitaxial SiC single crystal substrate that is excellent in in-plane uniformity of doping density in an epitaxial film formed on a substrate having an off angle of 1 ° to 6 °. Is possible.
  • the manufacturing method of the present invention uses a CVD method (Chemical Vapor Deposition), an epitaxial structure with an easy apparatus configuration, excellent controllability, and high uniformity and reproducibility can be obtained.
  • CVD method Chemical Vapor Deposition
  • the device using the epitaxial SiC single crystal substrate of the present invention is formed on a high-quality epitaxial film having excellent in-plane uniformity of the doping density, its characteristics and yield are improved.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a doping density profile when doping is performed in the same place as in FIG. It is an optical microscope photograph which shows an example of the surface state of the film
  • An apparatus that can be preferably used for epitaxial growth in the present invention is a horizontal CVD apparatus.
  • the CVD method has a simple apparatus configuration and can control growth by turning gas on / off. Therefore, the CVD method is a growth method with excellent controllability and reproducibility of the epitaxial film.
  • FIG. 3 shows one mode of a typical growth sequence when performing conventional epitaxial film growth together with the timing of gas introduction.
  • a substrate is set in a growth furnace, the inside of the growth furnace is evacuated, and then hydrogen gas is introduced to adjust the pressure to preferably 1 ⁇ 10 4 to 3 ⁇ 10 4 Pa.
  • hydrogen gas is introduced to adjust the pressure to preferably 1 ⁇ 10 4 to 3 ⁇ 10 4 Pa.
  • the temperature of the growth furnace is raised while keeping the pressure constant, and after reaching a preferable growth temperature of 1550 to 1650 ° C.
  • a material gas for example, SiH 4 and C 2 H 4 and doping gas N 2
  • SiH 4 flow rate preferably min 40 ⁇ 50cm 3
  • C 2 H 4 flow rate is preferably min 20 ⁇ 40 cm 3
  • the growth rate is preferably hour 6 ⁇ 7 [mu] m.
  • Such a suitable growth rate is determined in consideration of productivity since the film thickness of the epitaxial layer that is normally used is about 10 ⁇ m.
  • FIG. 4 shows a preferred example of changes in the C / Si ratio and the N 2 gas flow rate when growth is performed by this conventional method. In the embodiment shown in FIG. 4, the C / Si ratio and the N 2 gas flow rate are not changed from the start to the end of growth.
  • the process until the SiC single crystal substrate is set and the growth is started is the same as the embodiment shown in FIG.
  • the non-doped layer is grown about 0.1 ⁇ m so that the flow rate ratio of SiH 4 and C 2 H 4 is preferably less than 1.5 in terms of C / Si ratio.
  • the flow rate ratio between SiH 4 and C 2 H 4 is a C / Si ratio, preferably 1.5 or more, and preferably about 0.2 ⁇ m.
  • nitrogen as a doping gas is introduced. To make a doped layer.
  • the non-doped layer and the doped layer are repeatedly grown, and the introduction of SiH 4 , C 2 H 4 and N 2 is stopped when a desired film thickness is obtained.
  • the subsequent procedure is the same as in FIG.
  • An example of changes in the C / Si ratio and the N 2 gas flow rate in the embodiment of FIG. 5 is shown in FIG. In this way, by doping a non-doped layer with a low C / Si ratio and growing a doped layer with a high C / Si ratio, doping can be performed in a state where site-competition hardly occurs. It becomes possible.
  • the thickness of the non-doped layer is reduced as a whole, the above-described in-plane non-uniformity of the doping density can also be suppressed. This will be described with reference to FIG. 7 with an example.
  • FIG. 7a is an example of a doping profile when doping is performed by applying the present invention in the same place as in FIG. 2a.
  • the doping density becomes a dotted line. That is, in the doped layer formed while introducing nitrogen as a doping gas, the C / Si ratio is higher than the value Y in FIG. 1 and is 1.5 or more, so that N is not affected by the residual carrier density. Doping is performed to obtain C.
  • the C / Si ratio is the value Y in FIG. 1 (preferably about 1.0), so that the residual carrier density of N B1 in FIG. Will come to show.
  • the profile becomes a solid line.
  • the effective doping density is considered to be about N C1 .
  • FIG. 7b is the same place as FIG. 2b, and the dotted line shows an ideal doping profile as in FIG. 7a.
  • the C / Si ratio is higher than the value Y in FIG. 1 (for example, the C / Si ratio is 1.5 or more)
  • the N C value of the doped layer is not affected by the residual impurities. It becomes similar to N C.
  • the residual carrier density of the non-doped layer in which the C / Si ratio is smaller than the value Y in FIG. 1 for example, 0.8 to 0.9
  • the residual impurity density is high.
  • N B2 the effective doping density is considered to be about NC2 . Therefore, the difference between N C1 and N C2 is reduced, and the in-plane uniformity of the doping density is improved.
  • a good epitaxial film with high in-plane doping uniformity can be obtained, but it is grown at a low C / Si ratio. Since the non-doped layer is essential for growth on a substrate having a small off angle, if it is too thin, an epitaxial defect or the like may occur and the film quality may deteriorate. On the other hand, if it is too thick, it may adversely affect the in-plane uniformity of the entire doping density, and there may be a problem that the resistance becomes high in a current device in which current flows perpendicularly to the substrate.
  • the doped layer grown at a high C / Si ratio is thinner than the non-doped layer, the contribution to the improvement of the in-plane uniformity of the doping density may be small, and if it is too thick, the film quality may be deteriorated. .
  • the thickness of the non-doped layer is preferably 0.1 ⁇ m or less, more preferably 0.05 to 0.1 ⁇ m. .
  • the thickness of the doped layer is preferably 0.5 ⁇ m or less, and more preferably 0.2 to 0.5 ⁇ m.
  • the ratio of the thickness of the doped layer to the non-doped layer is preferably about 2 to 10.
  • each of the doped layer and the non-doped layer is made to have two or more layers. However, the more the number of laminations of the non-doped layer and the doped layer, the more the doping density is averaged over the entire epitaxial film, and the in-plane uniformity is improved.
  • the number of laminations of the non-doped layer and the doped layer is preferably more than about 20 times, more preferably about 20 to 40 times. is there.
  • a low C / Si ratio that is, a non-doped layer is necessary when starting growth on a SiC substrate because growth is performed on a substrate having a small off angle.
  • the outermost surface is a part that contacts the electrode of the device, a doped layer is necessary.
  • the C / Si ratio when growing the non-doped layer is preferably 0.5 or more and less than 1.5 in consideration of the growth on the low off-angle substrate.
  • the C / Si ratio is less than 0.5, defects called Si droplets in which excessive Si atoms condense on the substrate surface tend to be formed.
  • the C / Si ratio is 1.5 or more, surface roughness and epitaxial defects tend to increase. More preferably, the C / Si ratio in this case is 0.8 to 1.2.
  • the C / Si ratio when growing the doped layer is too low, the effect of site-competition tends to appear.
  • the C / Si ratio is too high, epitaxial defects such as triangular defects tend to increase.
  • the C / Si ratio in this case is preferably 1.5 or more and 2.0 or less, and more preferably 1.5 to 1.8.
  • the doping atom number density of the doped layer is preferably larger than N B1 and N B2 from FIGS. 7a and 7b, and for that purpose, 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more is preferable. Since surface roughness may occur when the doping atom number density is too high, it is more preferably 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the total thickness of the epitaxial film is preferably 5 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less in consideration of the breakdown voltage of a device that is normally formed, the productivity of the epitaxial film, and the like. More preferably, it is 10 to 20 ⁇ m.
  • the off angle of the substrate is 1 ° or more and 6 ° or less. If the substrate is less than 1 °, the off angle is too small, and the effects of the present invention may not be sufficiently exhibited. On the other hand, if the off-angle of the substrate exceeds 6 °, the substrate can be grown with a high C / Si ratio, and the in-plane uniformity may be improved without using the present invention.
  • the present invention when an epitaxial film is grown on a SiC single crystal substrate, a plurality of non-doped layers and doped layers are stacked, and the C / Si ratio and thickness when growing the non-doped layers and doped layers are increased.
  • the thickness By changing the thickness, the in-plane uniformity of the doping density can be reduced to 5% or less in terms of ⁇ / mean.
  • FIG. 1 As can be seen from FIG.
  • Ohmic electrodes are formed on the front surface and the back surface of the substrate, and the current value between the electrodes is regarded as equivalent to the doping density, and the in-plane uniformity is evaluated.
  • an ohmic electrode is made of Ni on the entire back surface, and a Ni ohmic electrode of about 200 ⁇ m square is also made on the front surface. A voltage is applied to the ohmic electrodes on the front and back surfaces, and for example, the current value when 10 V is applied is measured.
  • the impurity element added when forming the epitaxial film in the present invention has been described mainly using nitrogen as an example in the above-described embodiment.
  • nitrogen for example, aluminum or the like is used as an impurity to form a doped layer. It may be.
  • the material gas of the epitaxial film SiH 4 and C 2 H 4 have been described as examples in the above-described embodiment, but it is needless to say that other silicon sources and carbon sources may be used.
  • Examples of devices suitably formed on the substrate of the present invention having an epitaxial film grown in this way include Schottky barrier diodes, PIN diodes, MOS diodes, MOS transistors, and the like. From the viewpoint of taking advantage of low loss, a device used for power control is a suitable example for the substrate of the present invention.
  • the lattice constants of the respective layers are different, so that distortion occurs at the interface and the basal plane dislocation from the substrate is converted into edge dislocation. Will increase. Therefore, the basal plane dislocation density existing on the surface of the epitaxial film thus grown can be expected to be 20 pieces / cm 2 or less. Further, since the dislocation density is reduced and the film quality is improved, it is expected that the n value indicating the performance of the diode when the Schottky barrier diode is formed is also about 1.01 to 1.03.
  • Example 1 A SiC single crystal substrate having a 4H type polytype was prepared by slicing a SiC single crystal ingot for a 3-inch (76 mm) wafer at a thickness of about 400 ⁇ m, performing rough cutting and normal polishing with diamond abrasive grains. This substrate was n-type and had a resistivity of about 0.02 ⁇ ⁇ cm. Epitaxial growth was performed on the Si surface of the substrate. The off angle of the substrate is 4 °. The growth procedure was as follows. After setting the substrate in the growth furnace and evacuating the inside of the growth furnace, the pressure was adjusted to 1.0 ⁇ 10 4 Pa while introducing 150 L of hydrogen gas per minute. Thereafter, the temperature of the growth furnace is raised to 1600 ° C.
  • the SiH 4 flow rate is 40 cm 3 / min
  • the C 2 H 4 flow rate is 22 cm 3 / min (C / Si ratio 1.1).
  • Started growing After growing the non-doped layer by 0.1 ⁇ m, the SiH 4 flow rate is 40 cm 3 / min, the C 2 H 4 flow rate is 30 cm 3 / min (C / Si ratio 1.5), and the N 2 flow rate, which is a doping gas, is further increased.
  • the doping layer was grown by 0.2 ⁇ m at a rate of 30 cm 3 / min (doping atom number density 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 ).
  • the introduction of N 2 was stopped, the non-doped layer was grown again by 0.1 ⁇ m, the N 2 flow rate was increased to 30 cm 3 per minute, and the doped layer was grown by 0.2 ⁇ m. Each of the doped layers was grown a total of 30 times so that the uppermost layer was a doped layer.
  • FIG. 8 An optical micrograph of the film epitaxially grown in this way is shown in FIG. FIG. 8 shows that a good film with less surface roughness and defects is obtained.
  • FIG. 9 shows the result of forming an ohmic electrode of Ni on this epitaxial film and evaluating the doping density based on the current value. The uniformity was good, and the in-plane uniformity expressed by ⁇ / mean was 4.5%.
  • Example 2 Epitaxial growth was performed on the Si surface of a 3 inch (76 mm) SiC single crystal substrate having a 4H-type polytype, which was sliced, roughly ground, and normally polished in the same manner as in Example 1. The off angle of the substrate is 4 °. This substrate was n-type and had a resistivity of about 0.02 ⁇ ⁇ cm. The procedure up to the start of growth, temperature, and the like were the same as in Example 1. The growth procedure in this example was as follows. The growth of the non-doped layer was started at a SiH 4 flow rate of 40 cm 3 / min and a C 2 H 4 flow rate of 22 cm 3 / min (C / Si ratio 1.1).
  • the flow rate of SiH 4 is set to 40 cm 3 / min
  • the flow rate of C 2 H 4 is set to 30 cm 3 / min (C / Si ratio 1.5)
  • the flow rate of N 2 as a doping gas is further increased.
  • the doped layer was grown to 0.5 ⁇ m at a density of 3 cm 3 / min (doping atom number density 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 ).
  • the introduction of N 2 was stopped, the non-doped layer was grown again by 0.05 ⁇ m, the N 2 flow rate was 3 cm 3 per minute, and the doped layer was grown by 0.5 ⁇ m.
  • Each of the doped layers was grown 20 times in total.
  • the film epitaxially grown in this way was a good film with less surface roughness and defects, and the in-plane uniformity ⁇ / mean evaluated by the current value was 3.5%.
  • Example 3 Epitaxial growth was performed on the Si surface of a 3 inch (76 mm) SiC single crystal substrate having a 4H-type polytype, which was sliced, roughly ground, and normally polished in the same manner as in Example 1. The off angle of the substrate is 4 °. This substrate was n-type and had a resistivity of about 0.02 ⁇ ⁇ cm. The procedure up to the start of growth, temperature, and the like were the same as in Example 1. The growth procedure in this example was as follows. The growth of the non-doped layer was started at a SiH 4 flow rate of 40 cm 3 / min and a C 2 H 4 flow rate of 10 cm 3 / min (C / Si ratio 0.5).
  • the non-doped layer was 0.1 ⁇ m grown, the SiH 4 min flow rate 40cm 3, C 2 H 4 per minute flow rate 40cm 3 (C / Si ratio 2.0), the N 2 flow rate is more doping gas
  • the doped layer was grown by 0.2 ⁇ m at a rate of 30 cm 3 / min (doping atom number density 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 ). Thereafter, the introduction of N 2 was stopped, the non-doped layer was grown again by 0.1 ⁇ m, and the doped layer was further grown by 0.2 ⁇ m at an N 2 flow rate of 30 cm 3 per minute. Thereafter, in this way, the non-doped layer and the doped layer were each grown 30 times in total.
  • the film epitaxially grown in this way was a good film with less surface roughness and defects, and the in-plane uniformity ⁇ / mean evaluated by the current value was 4.7%.
  • Example 4 Epitaxial growth was performed on the Si surface of a 3 inch (76 mm) SiC single crystal substrate having a 4H-type polytype, which was sliced, roughly ground, and normally polished in the same manner as in Example 1. The off angle of the substrate is 4 °. This substrate was n-type and had a resistivity of about 0.02 ⁇ ⁇ cm. The procedure up to the start of growth, temperature, and the like were the same as in Example 1. The growth procedure in this example was as follows. The growth of the non-doped layer was started at a SiH 4 flow rate of 40 cm 3 / min and a C 2 H 4 flow rate of 10 cm 3 / min (C / Si ratio 0.5).
  • the non-doped layer is 0.05 ⁇ m grown, the SiH 4 min flow rate 40cm 3, C 2 H 4 per minute flow rate 40cm 3 (C / Si ratio 2.0), the N 2 flow rate is more doping gas
  • the doped layer was grown to 0.5 ⁇ m at a rate of 300 cm 3 / min (doping atom number density 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 ). Thereafter, the introduction of N 2 was stopped, the non-doped layer was grown again by 0.05 ⁇ m, and the N 2 flow rate was 300 cm 3 per minute to grow the doped layer by 0.5 ⁇ m. Thereafter, in this manner, the non-doped layer and the doped layer were grown 20 times in total.
  • the film epitaxially grown in this way was a good film with less surface roughness and defects, and the in-plane uniformity ⁇ / mean evaluated by the current value was 4.0%.
  • Example 5 Epitaxial growth was performed on the Si surface of a 3 inch (76 mm) SiC single crystal substrate having a 4H-type polytype, which was sliced, roughly ground, and normally polished in the same manner as in Example 1. The off angle of the substrate is 1 °. This substrate was n-type and had a resistivity of about 0.02 ⁇ ⁇ cm. The procedure up to the start of growth, temperature, and the like were the same as in Example 1. The growth procedure in this example was as follows. The growth of the non-doped layer was started at a SiH 4 flow rate of 40 cm 3 / min and a C 2 H 4 flow rate of 10 cm 3 / min (C / Si ratio 0.5).
  • the SiH 4 flow rate is 40 cm 3 / min
  • the C 2 H 4 flow rate is 30 cm 3 / min (C / Si ratio 1.5)
  • the N 2 flow rate which is a doping gas, is further increased.
  • the doped layer was grown by 0.2 ⁇ m at a rate of 30 cm 3 per minute (doping atom number density 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 ). Thereafter, the introduction of N 2 was stopped, the non-doped layer was grown again by 0.1 ⁇ m, and the doped layer was further grown by 0.2 ⁇ m at an N 2 flow rate of 30 cm 3 per minute.
  • the non-doped layer and the doped layer were each grown 30 times in total.
  • the film epitaxially grown in this way was a good film with few surface roughness and defects, and ⁇ / mean of in-plane uniformity evaluated by current value was 4.8%.
  • Example 6 Epitaxial growth was performed on the Si surface of a 3 inch (76 mm) SiC single crystal substrate having a 4H-type polytype, which was sliced, roughly ground, and normally polished in the same manner as in Example 1. The off angle of the substrate is 6 °. This substrate was n-type and had a resistivity of about 0.02 ⁇ ⁇ cm. The procedure up to the start of growth, temperature, and the like were the same as in Example 1. The growth procedure in this example was as follows. The growth of the non-doped layer was started at a SiH 4 flow rate of 40 cm 3 / min and a C 2 H 4 flow rate of 22 cm 3 / min (C / Si ratio 1.1).
  • the SiH 4 flow rate is 40 cm 3 / min
  • the C 2 H 4 flow rate is 30 cm 3 / min (C / Si ratio 1.5)
  • the N 2 flow rate which is a doping gas, is further increased.
  • the doped layer was grown by 0.2 ⁇ m at a rate of 30 cm 3 per minute (doping atom number density 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 ). Thereafter, the introduction of N 2 was stopped, the non-doped layer was grown again by 0.1 ⁇ m, and the doped layer was further grown by 0.2 ⁇ m at an N 2 flow rate of 30 cm 3 per minute.
  • the non-doped layer and the doped layer were each grown 30 times in total.
  • the film epitaxially grown in this way was a good film with less surface roughness and defects, and the in-plane uniformity ⁇ / mean evaluated by the current value was 4.2%.
  • Comparative Example 1 As a comparative example, epitaxial growth was performed on the Si surface of a 3 inch (76 mm) SiC single crystal substrate having a 4H-type polytype that was sliced, roughly cut, and normally polished as in Example 1. The off angle of the substrate is 4 °. The procedure up to the start of growth, temperature, and the like are the same as in Example 1, but the growth is 40 cm 3 per minute for the SiH 4 flow rate and 22 cm 3 per minute for the C 2 H 4 flow rate (C / Si ratio 1.1). Further, the flow rate of N 2 as a doping gas was 1 cm 3 (doping atom number density 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 ), and a doped layer was grown by 10 ⁇ m. The film epitaxially grown in this way is a good film with less surface roughness and defects, but the in-plane uniformity ⁇ / mean evaluated by the current value was 15%.
  • the epitaxial SiC single crystal substrate which has a high quality epitaxial film excellent in the in-plane uniformity of doping density in the epitaxial growth on a SiC single crystal substrate. Therefore, if an electronic device is formed on such a substrate, it can be expected that the characteristics and yield of the device are improved.
  • SiH 4 and C 2 H 4 are used as the material gas, but the same applies to the case where trichlorosilane is used as the Si source and C 3 H 8 is used as the C source.

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Abstract

オフ角度が１°以上６°以下の炭化珪素単結晶基板上に、ドーピング密度の面内均一性に優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。エピタキシャル膜が、０．５μｍ以下のドープ層と０．１μｍ以下のノンドープ層とを繰り返し成長させる。材料ガス中の珪素原子数に対する炭素原子数の比（Ｃ／Ｓｉ比）を１．５以上２．０以下としてドープ層を形成し、Ｃ／Ｓｉ比を０．５以上１．５未満としてノンドープ層を形成する。オフ角度の小さな炭化珪素単結晶基板上に、高品質でドーピング密度の面内均一性に優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が提供される。

Description

エピタキシャル炭化珪素単結晶基板及びその製造方法
　本発明は、エピタキシャル炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶基板及びその製造方法に関するものである。
　炭化珪素（ＳｉＣ）は、耐熱性及び機械的強度に優れ、物理的、化学的に安定なことから、耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、高周波高耐圧電子デバイス等の基板としてＳｉＣ単結晶基板の需要が高まっている。
　ＳｉＣ単結晶基板を用いて、電力デバイス、高周波デバイス等を作製する場合には、通常、基板上に熱ＣＶＤ法（熱化学蒸着法）と呼ばれる方法を用いてＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させたり、イオン注入法により直接ドーパントを打ち込んだりすることが一般的である。後者のイオン注入法の場合には、注入後に高温でのアニールが必要となるため、エピタキシャル成長による薄膜形成が多用されている。
　エピタキシャル膜上にデバイスを形成する場合、設計通りのデバイスを安定して製造するためには、エピタキシャル膜の膜厚およびドーピング密度、特にドーピング密度のウェーハ面内均一性が重要になる。近年、ウェーハの大口径化が進むとともに、デバイスの面積も大きくなっている。このような観点から、デバイス歩留まり向上のためには、ドーピング密度の均一性が、より重要となっている。現在の主流である、３および４インチウェーハ上ＳｉＣエピタキシャル膜において、ドーピング密度面内均一性は、標準偏差／平均値（σ／ｍｅａｎ）で表すと５~１０％であるが、上記した大口径ウェーハの場合には、この値を５％以下にすることが必要とされている。
　一方、基板の口径が３インチ以上の場合、基底面転位等の欠陥密度を下げ、またＳｉＣインゴットからの基板の収率を上げる等の観点から、基板のオフ角度としては、従来の８°から約４°乃至それ以下のものが用いられている。このような小さいオフ角度を持つ基板上のエピタキシャル成長の場合、成長時に流す材料ガス中の珪素原子数に対する炭素原子数の比（Ｃ／Ｓｉ比）は、従来よりも低くすることが一般的である。これは、オフ角度が小さくなるに従って表面のステップ数が減少し、ステップフロー成長が起こりにくくなって、ステップバンチングやエピタキシャル欠陥が増加しやすくなる傾向があるため、このような傾向を抑えるためである。しかしながら、上記のＣ／Ｓｉ比を低くすると、所謂サイトコンペティション（ｓｉｔｅ−ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ）が顕著となり、エピタキシャル成長時に、雰囲気から窒素原子のような不純物の取り込みが大きくなる。取り込まれた窒素原子はＳｉＣ中でドナーとなり、電子を供給するため、キャリア密度が上昇する。他方、成長雰囲気中には、残留窒素が存在するため、不純物元素を添加せずに形成したノンドープ層であってもｓｉｔｅ−ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎは生じるため、Ｃ／Ｓｉ比を下げて成長したノンドープ層の残留キャリア密度は、従来のＣ／Ｓｉ比の場合よりも高くなる。この点について、図１を用いて以下で説明する。
　従来のようなオフ角度（８°）の基板の場合には、Ｃ／Ｓｉ比をＸ付近にして成長するが、その場合のノンドープ層の残留キャリア密度をＮＸとすると、約４°乃至それ以下のオフ角の基板上に成長させる場合に必要な低いＣ／Ｓｉ比Ｙ（通常１．０程度）で成長させた場合のノンドープ層の残留キャリア密度は、ＮＹ（通常０．８~１×１０１５ｃｍ−３程度）になる。一方、デバイス動作に必要なキャリアレベルＮＣは、例えば１~５×１０１５ｃｍ−３であって、これは、ほぼＮＹの程度であるため、Ｃ／Ｓｉ比がＹの時には、ドーピングを行わない状態で、既にデバイス動作に必要なドーピング値に近い値を持った層が得られていることになる。従って、意図的にドーピングガスである窒素を導入して、その層のキャリアレベルをデバイス動作に必要な値に制御するためには、制御すべきドーピング量が小さいため、８°オフ基板の場合に比べ、ドーピング密度の均一性を得ることが困難になる。さらに、厳密には、ウェーハ上の全ての部分でＣ／Ｓｉ比が一定ではないため、局所的にＣ／Ｓｉ比がＹより小さい場合が発生し、その場合には、図１から分かるように、残留キャリア密度がＮＣよりも大きくなる。
　図２ａにＣ／Ｓｉ比がＹの部分でドーピングを行った場合のドーピング密度プロファイルを示し、図２ｂに同一ウェーハ内でＣ／Ｓｉ比がＹより小さい部分（０．８~０．９程度）でドーピングを行った場合のドーピング密度プロファイルを示す。ＮＢ１とＮＢ２がそれぞれの部分での残留キャリア密度とすると、通常ＮＢ１は０．８~１×１０１５ｃｍ−３程度であり、ＮＢ２は１~３×１０１５ｃｍ−３程度であるため、ＮＢ１＜ＮＢ２≒ＮＣとなる。ウェーハ内の図２ａの部分において、ＮＣが得られるようにドーピングを行ったとすると、ＮＣ−ＮＢ１がドーピング量になるため、図２ｂの部分では、必然的にＮＣ−ＮＢ１＋ＮＢ２がドーピング値となる。従って、ＮＢ２−ＮＢ１が図２ａと図２ｂの部分でのドーピングばらつきとなり、これはＮＣの１０％程度よりも大きい値となり得る。このような現象が生じるのは、４°乃至それ以下のオフ角の基板上の成長に必要なＣ／Ｓｉ比Ｙ付近で、図１におけるグラフの傾きが大きくなっているためであり、つまりＹ付近ではＣ／Ｓｉ比の僅かなばらつきでもＮＢ２−ＮＢ１の値が大きくなり、ドーピング密度の面内分布均一性を大きく低下させることになる。
　したがって、今後デバイスへの応用が期待されるＳｉＣエピタキシャル成長基板であるが、基板のオフ角度を従来の８°から約４°乃至それ以下にすると、Ｃ／Ｓｉ比を下げて成長しなければならないことに起因するドーピング密度のウェーハ面内均一性が劣化し、デバイス応用上問題であった。
　ところで、本発明者らは、オフ角度が４°以下のＳｉＣ単結晶基板上に高品質のエピタキシャル膜を形成する方法として、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０．５以上１．０未満にして成長させた層（欠陥低減層）と、Ｃ／Ｓｉを１．０以上１．５以下にして成長させた層（活性層）とを形成する方法を提案している（特許文献１参照）。ところが、この方法は、三角形状のエピタキシャル欠陥や表面荒れの少ないエピタキシャル膜を得ることを目的とするものであり、ウェーハ面内におけるエピタキシャル膜のドーピング密度について、均一性を担保する直接の手段を教示する記載はない。
特開２００９−２５６１３８号公報
　本発明は、オフ角度が１°以上６°以下の基板を用いたエピタキシャル成長において、炭素と珪素の原子数比（Ｃ／Ｓｉ）を低くした場合でも、ばらつきを抑えて、ドーピング密度のウェーハ面内均一性に優れた高品質エピタキシャル膜を有したエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板、及びその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明者らは、エピタキシャル成長時に、不純物元素を添加せずに形成したノンドープ層と、不純物元素を添加しながら形成したドープ層とをそれぞれ複数層積層し、尚且つ、そのノンドープ層及びドープ層を成長させる際のＣ／Ｓｉ比と、それらの厚みを変えることが、上記課題の解決に極めて効果的なを見出した。
　本発明は上記知見に基づくものである。より詳しくは、本発明のエピタキシャル炭化珪素単結晶基板は、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ものである。
　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。
　本発明によれば、オフ角度が１°以上６°以下の基板上に形成したエピタキシャル膜において、ドーピング密度のウェーハ面内均一性に優れた、高品質なエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を提供することが可能である。
　また、本発明の製造方法は、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相堆積法）を用いるため、装置構成が容易で制御性にも優れ、均一性、再現性の高いエピタキシャル膜が得られる。
　さらに、本発明のエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を用いたデバイスは、ドーピング密度のウェーハ面内均一性に優れた高品質エピタキシャル膜上に形成されるため、その特性及び歩留りが向上する。
Ｃ／Ｓｉ比と残留キャリア密度の関係を示す図である。 残留キャリア密度がデバイス動作に必要なキャリアレベルより低い部分でドーピングを行った場合のドーピング密度プロファイルの一例を示す図である。 残留キャリア密度がデバイス動作に必要なキャリアレベルとほぼ同等な部分でドーピングを行った場合のドーピング密度プロファイルの一例を示す図である。 従来のエピタキシャル成長を行う際の典型的な成長シーケンスの一例を示す図である。 従来のエピタキシャル成長を行う際のＣ／Ｓｉ比とＮ２ガス流量の変化を示す図である。 本発明の一方法によりエピタキシャル成長を行う際の成長シーケンスの一例を示す図である。 本発明の一方法によりエピタキシャル成長を行う際のＣ／Ｓｉ比とＮ２ガス流量の変化の一例を示す図である。 図２ａと同様の場所に本発明の一方法によりドーピングを行った場合のドーピング密度プロファイルの一例を示す図 図２ｂと同様の場所に本発明の一方法によりドーピングを行った場合のドーピング密度プロファイルの一例を示す図である。 本発明の一方法によりエピタキシャル成長を行った膜の表面状態の一例を示す光学顕微鏡写真である。 本発明の一方法によりエピタキシャル成長を行った膜の表面−裏面間の電流値分布の一例を示す図である。
　以下、本発明の具体的な内容について述べる。
　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。
　図３に、従来のエピタキシャル膜成長を行う際の典型的な成長シーケンスの１態様を、ガスの導入タイミングと併せて示す。まず、成長炉に基板をセットし、成長炉内を真空排気した後、水素ガスを導入して圧力を、好ましくは１×１０４~３×１０４Ｐａに調整する。その後、圧力を一定に保ちながら成長炉の温度を上げ、好ましい成長温度である１５５０~１６５０℃に達した後、材料ガス（例えば、ＳｉＨ４とＣ２Ｈ４およびドーピングガスであるＮ２）を導入して成長を開始する。ＳｉＨ４流量は好ましくは毎分４０~５０ｃｍ３、Ｃ２Ｈ４流量は好ましくは毎分２０~４０ｃｍ３であり、成長速度は好ましくは毎時６~７μｍ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。
　次に、本発明の他の態様を図５の成長シーケンスで説明する。ＳｉＣ単結晶基板をセットし、成長を開始するまでは、図３の態様と同様である。成長開始直後は、ＳｉＨ４とＣ２Ｈ４の流量比が、好ましくはＣ／Ｓｉ比で１．５未満になるようにしてノンドープ層を０．１μｍ程度成長させる。その後ＳｉＨ４とＣ２Ｈ４の流量比がＣ／Ｓｉ比で、好ましくは１．５以上になるようにして、好ましくは０．２μｍ程度成長させるが、その時にドーピングガスである窒素を導入してドープ層とする。
　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。
　図７ａは図２ａと同様の場所に、本発明を適用してドーピングした場合のドーピングプロファイルの一例であり、理想的なドーピングプロファイルが得られた時には、ドーピング密度は点線のようになる。つまり、ドーピングガスである窒素を導入しながら形成するドープ層では、Ｃ／Ｓｉ比を図１における値Ｙよりも高く、１．５以上にしているため、残留キャリア密度の影響を受けることなくＮＣが得られるようにドーピングされる。
　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。
　一方、図７ｂは図２ｂと同様の場所であり、図７ａと同様に点線が理想的なドーピングプロファイルを示す。この場合、Ｃ／Ｓｉ比が図１における値Ｙよりも高い（例えば、Ｃ／Ｓｉ比が１．５以上の）ドープ層のＮＣの値は残留不純物の影響を受けないため、図７ａのＮＣと同様になる。この場合、Ｃ／Ｓｉ比が図１における値Ｙよりも小さい値（例えば、０．８~０．９）になっているノンドープ層の残留キャリア密度は、残留不純物密度が高いため、図２ｂのＮＢ２と同じになる。そして、実効的なドーピング密度はＮＣ２程度と考えられる。従って、ＮＣ１とＮＣ２の差が小さくなり、ドーピング密度の面内均一性が改善される。
　本発明により、１°以上６°以下のオフ角を持った基板上のエピタキシャル膜において、ドーピングの面内均一性が高い良好なエピタキシャル膜が得られるようになるが、低いＣ／Ｓｉ比で成長するノンドープ層は、小さいオフ角を持つ基板上の成長に必須であるため、薄すぎるとエピタキシャル欠陥等が生じ膜質が劣化する可能性がある。また、厚すぎると全体のドーピング密度の面内均一性に悪影響を与えるとともに、基板に垂直に電流を流す現状のデバイスにおいては抵抗が高くなるという問題が発生する可能性がある。一方、高いＣ／Ｓｉ比で成長するドープ層は、ノンドープ層より薄いとドーピング密度の面内均一性の向上に対する寄与が小さくなる可能性があり、厚すぎると膜質の劣化につながる可能性がある。
　以上の状況を考慮し、発明者らが検討した結果、ノンドープ層の厚さは０．１μｍ以下であることが好適であり、より好適には０．０５~０．１μｍであることが判明した。ドープ層の厚さは０．５μｍ以下が好適であり、より好適には０．２~０．５μｍである。また、ノンドープ層に対するドープ層の厚さの比は２~１０程度が好ましい。さらに、ドープ層及びノンドープ層は、それぞれ２層以上有するようにするが、ノンドープ層とドープ層の積層回数は、多い方がエピタキシャル膜全体でのドーピング密度の平均化が進み、面内均一性の向上に効果的である。実際に必要とされるエピタキシャル膜全体の厚さも考慮すると、ノンドープ層とドープ層の積層回数は、それぞれが２０回程度より多いことが好適であり、より好適にはそれぞれが２０~４０回程度である。
　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。
　また、ノンドープ層を成長する時のＣ／Ｓｉ比は、低オフ角基板上の成長を考慮すると０．５以上１．５未満であることが好ましい。Ｃ／Ｓｉ比が０．５未満では、過剰なＳｉ原子が基板表面に凝縮するＳｉドロップレットと呼ばれる欠陥が形成され易い傾向がある。他方、Ｃ／Ｓｉ比が１．５以上になると表面荒れやエピタキシャル欠陥が増加する傾向がある。より好適には、この場合のＣ／Ｓｉ比は、０．８~１．２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。
　エピタキシャル膜全体の厚さについては、通常形成されるデバイスの耐圧、エピタキシャル膜の生産性等を考慮した場合、５μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。より好適には１０~２０μｍである。また、基板のオフ角が１°以上６°以下であるのは、１°未満であるとオフ角が小さすぎて、本発明の効果を十分に発揮することができない可能性がある。他方、基板のオフ角が６°を超えると、Ｃ／Ｓｉ比が高い状態で成長でき、本発明を用いなくても面内均一性を上げられる可能性がある。
　そして、本発明によれば、ＳｉＣ単結晶基板にエピタキシャル膜を成長する際に、ノンドープ層とドープ層をそれぞれ複数層積層し、そのノンドープ層とドープ層を成長する時のＣ／Ｓｉ比および厚さを変えることで、ドーピング密度の面内均一性をσ／ｍｅａｎで５％以下にすることができる。ただしこの場合は、図７から分かるように、ノンドープ層とドープ層との積層部分のドーピング密度の平均値を、通常の容量−電圧測定から得られるドーピングプロファイルで求めることはできないため、エピタキシャル膜の表面と基板裏面にオーミック電極を形成し、電極間の電流値をドーピング密度と等価とみなし、その面内均一性で評価する。具体的には、裏面全面にＮｉでオーミック電極を作成し、表面にも２００μｍ角程度のＮｉオーミック電極を作成する。表面と裏面のオーミック電極に電圧を印加し、たとえば１０Ｖ印加時の電流値を測定する。
　本発明においてエピタキシャル膜を形成する際に添加する不純物元素は、上述した態様では、主に窒素を例に説明したが、窒素以外にも、例えばアルミニウム等を不純物として用いてドープ層を形成するようにしてもよい。また、エピタキシャル膜の材料ガスについては、上述した態様ではＳｉＨ４とＣ２Ｈ４を例に説明したが、これら以外の珪素源や炭素源を用いてもよいことは勿論である。
　このようにして成長されたエピタキシャル膜を有する本発明の基板上に好適に形成されるデバイスの例としては、ショットキーバリアダイオード、ＰＩＮダイオード、ＭＯＳダイオード、ＭＯＳトランジスタ等が挙げられ、特に、ＳｉＣの低損失性を活かす点からは、電力制御用に用いられるデバイスが本発明の基板に好適な例である。また、このような高ドーピング層と低ドーピング層を有するエピタキシャル膜においては、それぞれの層の格子定数が異なるため界面でひずみが発生し、基板からの基底面転位が刃状転位に変換される確率が増加する。そのため、このようにして成長されたエピタキシャル膜の表面に存在する基底面転位密度としては、２０個／ｃｍ２以下が期待できる。更に、転位密度が低減して膜の品質が向上するため、ショットキーバリアダイオードを形成した際のダイオードの性能を示すｎ値も１．０１~１．０３程度が得られると予想される。
（実施例１）
　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。
　このようにしてエピタキシャル成長を行った膜の光学顕微鏡写真を図８に示す。図８より、表面荒れや欠陥の少ない良好な膜が得られていることが分かる。上述したように、このエピタキシャル膜にＮｉのオーミック電極を形成し、ドーピング密度を電流値により評価した結果を図９に示す。均一性は良好であり、σ／ｍｅａｎで表した面内均一性は４．５％であった。
（実施例２）
　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３）
　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４）
　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５）
　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６）
　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１）
　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。
　本発明によれば、ＳｉＣ単結晶基板上へのエピタキシャル成長において、ドーピング密度の面内均一性に優れた高品質エピタキシャル膜を有するエピタキシャルＳｉＣ単結晶基板を作成することが可能である。そのため、このような基板上に電子デバイスを形成すればデバイスの特性及び歩留まりが向上することが期待できる。本実施例においては、材料ガスとしてＳｉＨ４及びＣ２Ｈ４を用いているが、Ｓｉ源としてトリクロルシランを用い、Ｃ源としてＣ３Ｈ８等を用いた場合についても同様である。

Claims (5)

  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請求項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。
  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。
  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。
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