外延碳化硅晶片的制造方法技术

本发明专利技术的课题在于，再现性良好地制造台阶聚并少且具有高品质的碳化硅单晶薄膜的外延碳化硅晶片。为了解决上述课题，在外延生长炉内的碳化硅单晶基板的蚀刻处理中使用氢气载气和硅系材料气体，在蚀刻处理结束后还在流入这些气体的状态下进行外延生长条件的变更，条件稳定后导入碳系材料气体，进行外延生长。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及外延碳化硅晶片的制造方法。
技术介绍
碳化硅(以下标记为SiC)的耐热性以及机械强度优良，物理、化学上稳定，因此作为耐环境性半导体材料受到瞩目。而且，近年来，作为高频高耐压电子器件等的基板，外延SiC晶片的需求得以增高。在使用SiC单晶基板(以下有时称为SiC基板)制作电力器件、高频器件等的情况下，一般是：通常在SiC基板上利用热CVD法(热化学蒸镀法)使SiC薄膜外延生长；或者，通过离子注入法直接注入掺杂物。在后者的情况下，由于在注入后需要进行高温下的退火，因此多采用利用外延生长来进行薄膜形成。在SiC的外延膜上除了三角形缺陷、胡萝卜型缺陷、彗星型缺陷等外延缺陷以外，还存在表面的微细凹凸、所谓的台阶聚并(stepbunching)。该台阶聚并通过台阶流动(stepflow)进行外延生长时，各台阶的进行速度不相同，因此通过速度快的台阶追赶上速度慢的台阶，产生台阶的高度增大的结果。如果台阶聚并存在，则例如在其上制作MOS器件时，通过氧化膜与SiC的界面的凹凸使电子的迁移率降低，器件特性变差。因此，为了提高器件的特性以及成品率，外延缺陷同样需要该台阶聚并也降低。已知上述台阶聚并在通常在生长前进行的SiC基板的蚀刻处理的时刻已经发生，正在对不发生台阶聚并的蚀刻处理条件进行研究。作为一个例子，示出了通过使用氢与硅烷的混合气体作为蚀刻处理气体，蚀刻处理后的台阶聚并与仅使用了氢的蚀刻处理的情况相比能够大幅降低(参考非专利文献1)。图1中，将以往的进行外延膜生长时的典型热CVD法所得到的生长次序与气体的导入时刻一同示出。首先，在外延生长炉中安装SiC基板，将外延生长炉内真空排气后，导入氢气载气来将压力调节至2×103～2×104Pa。然后，在将压力保持恒定的同时升高外延生长炉的温度，达到1550～1600℃左右后，导入SiH4开始蚀刻处理(氢气载气为流入的状态)。此时的SiH4流量为每分钟1～2cm3，氢气载气流量为每分钟100～200L。蚀刻处理结束后，使外延生长炉的温度变化至外延生长温度即1600～1650℃左右，但此期间，停止SiH4的导入，外延生长炉的温度稳定后，在再次导入作为硅系材料气体的SiH4的同时，导入作为碳系材料气体的C3H8以及作为掺杂气体的N2，开始外延生长。此时的SiH4流量为每分钟100～150cm3、C3H8流量为每分钟50～70cm3(C/Si比为1.0～2.0左右)，外延生长速度为每小时10μm左右。关于该外延生长速度，由于通常利用的外延层的膜厚为10μm左右，因此考虑生产率来确定。在得到期望膜厚的时刻，停止SiH4、C3H8以及N2的导入，在仅氢气流入的状态下降低温度。温度降低至常温后，停止氢气的导入，将外延生长室内真空排气，将不活泼气体导入外延生长室，并将外延生长室恢复至大气压，然后取出SiC基板。但是，即使使用上述氢与硅烷的混合气体，通过以往方法，以相当的频率观察到在外延生长后发生台阶聚并，这暗示了蚀刻处理后的表面状态的不稳定性。因此，进一步公开了用于抑制台阶聚并的尝试。专利文献1中提出了在氢与硅烷的混合气体中导入三氯硅烷等硅-氯系气体。其公开了在硅烷分解时生成多种化合物，但在硅-氯系气体的情况下，即使分解也变成SiCl2，得到稳定的蚀刻速度。专利文献2中公开了控制成膜中的Si/C比来抑制原子台阶的技术。提出了此时从蚀刻开始在成膜初期中使Si/C比率恒定。专利文献3中公开了通过使由氢蚀刻产生的蚀刻深度在一定值(1nm)以下来抑制由基底面位错(BPD)引起的巨型台阶聚并(GSB；GiantStepBunching)的技术。此时，提出了瞬间进行向蚀刻工序和外延生长层形成工序的过渡。具体而言，提出了在与停止导入蚀刻气体的大致同时导入外延生长用的原料气体或者持续导入蚀刻气体的状态下，追加导入对形成外延生长层所必需的气体作为原料气体。因此，虽然是今后期待应用于器件中的外延SiC晶片，但如果使蚀刻处理后的表面状态稳定、使外延生长后的台阶聚并稳定而不降低，则难以以高成品率制作特性优良的电子器件。现有技术文献专利文献专利文献1：国际公开公报WO2012/67112号专利文献2：日本特开2007-326743号公报专利文献3：日本特开2014-189436号公报非专利文献非专利文献1：K.Kojimaetal.：MaterialsScienceForumVols.556-557(2007)pp85-88.
技术实现思路
专利技术所要解决的问题作为抑制台阶聚并的技术，有例如专利文献1～3中公开的技术，报道发挥了一定的效果。但是，专利文献1中记载的技术虽然是向蚀刻气体中导入三氯硅烷等硅-氯系气体，有助于蚀刻的稳定化，但与台阶聚并的稳定的减少无关。另外，专利文献2中记载的技术是在外延生长条件正在发生变动的过程中开始外延生长，因此对于台阶聚并的减少效果产生批次间的偏差，不能得到再现性。专利文献3中，提倡瞬间切换蚀刻工序与外延生长工序，但在现实情况下很困难。公开了在切换时，在持续导入蚀刻气体的状态下，追加导入对外延生长层的形成所必需的气体作为原料气体，与专利文献2同样地在外延生长条件正在发生变动的过程中开始外延生长，因此在台阶聚并的减少效果方面产生批次间的偏差，不能得到再现性。如上所述，即使进行这些技术，台阶聚并也并不是稳定地减少，此外产生批次间的偏差，存在不能得到再现性的问题。另一方面，器件技术已经进一步高度化，要求台阶聚并的进一步稳定的降低。本专利技术的课题在于，在不伴随有设备的大幅改造的情况下制造抑制台阶聚并、具有再现性良好且高品质的外延膜(SiC单晶薄膜)的外延SiC晶片。此外，本专利技术中，作为台阶聚并的指标使用表面粗糙度Ra，以表面粗糙度Ra为1.0nm以下作为目标。用于解决问题的手段本专利技术者们为了解决上述课题进行了深入的研究，结果得到以下见解。(a)以往，蚀刻结束后，虽然是流入作为载气的氢气(以下称为氢气载气)的状态，但材料气体停止，变更炉内温度和压力等用于外延生长的条件(以下称为外延生长条件)。外延生长条件稳定后，导入外延生长用的材料气体，开始外延生长。从蚀刻结束到外延生长开始的期间通常需要5～10分钟。此期间发现：好不容易通过蚀刻形成的洁净的SiC基板的表面状态紊乱，这是使台阶聚并的再现性变差的原因之一。(b)因此发现了：在外延生长前，与氢气载气一起流入硅系材料气体，进行SiC基板的蚀刻处理，从该蚀刻处理工序向生长工序变更气体流量、温度、压力等外延生长条件时，持续流入硅系材料气体和氢气载气直到各条件的稳定化完成，在条件稳定后导入碳系材料气体，开始生长，由此能够使台阶聚并降低了的外延膜稳定地生长。由此，能够在保持表面能量低且稳定的SiC基板表面的同时开始外延生长，因此发现不仅台阶聚并被抑制，而且批次间的偏差也降低，可以得到稳定且高品质的外延SiC晶片。此外，外延生长条件主要是指外延生长温度、外延生长压力、氢气载气的流量、硅系材料气体的流量或碳系的各材料气体的流量中的至少任意一种。另外，外延生长条件的变更是指从蚀刻处理时的条件变更(变化)为外延生长时的条件。(c)另外，上述见解确认了在蚀刻气体中导入三氯硅烷等硅-氯系气体的情况下也得到同样的效果。本专利技术是基于上述见解而进行的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外延碳化硅晶片的制造方法，其是在外延生长炉内的碳化硅单晶基板上通过热CVD法使碳化硅外延生长，其特征在于，在外延生长炉内，导入作为载气的氢气和相对于所述载气为10‑4体积％以上且10‑2体积％以下的硅系材料气体，对碳化硅单晶基板的表面进行超过0.05μm且0.5μm以下蚀刻处理后，在供给所述载气和所述硅系材料气体的状态下变更所述外延生长炉内的外延生长条件，在所述外延生长条件稳定后，在供给所述载气和所述硅系材料气体的状态下进一步供给碳系材料气体，开始碳化硅的外延生长。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.16 JP 2014-1463041.一种外延碳化硅晶片的制造方法，其是在外延生长炉内的碳化硅单晶基板上通过热CVD法使碳化硅外延生长，其特征在于，在外延生长炉内，导入作为载气的氢气和相对于所述载气为10-4体积％以上且10-2体积％以下的硅系材料气体，对碳化硅单晶基板的表面进行超过0.05μm且0.5μm以下蚀刻处理后，在供给所述载气和所述硅系材料气体的状态下变更所述外延生长炉内的外延生长条件，在所述外延生长条件稳定后，在供给所述载气和所述硅系材料气体的状态下进一步供给碳系材料气体，开始碳化硅的外延生长。2.根据权利要求1所述的外延碳化硅晶片的制造方法，其特征在于，所述外延生长条件为外延生...

【专利技术属性】
技术研发人员：蓝乡崇，伊藤涉，藤本辰雄，
申请(专利权)人：新日铁住金株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP