特許 6019938 炭化珪素半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6019938

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】炭化珪素半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/36 20060101AFI20161020BHJP

   C30B 25/16 20060101ALI20161020BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/36 A

   C30B25/16

   H01L21/205

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2012-190096(P2012-190096)

(22)【出願日】2012年8月30日

(65)【公開番号】特開2014-47090(P2014-47090A)

(43)【公開日】2014年3月17日

【審査請求日】2015年7月13日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「低炭素社会を実現する新材料パワー半導体プロジェクト」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104190

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 昭徳

(72)【発明者】

【氏名】河田 泰之

(72)【発明者】

【氏名】米澤 喜幸

【審査官】 塩谷 領大

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−００３８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２９０７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５４６１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３２１６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０８７５１８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ １／００−３５／００

Ｃ２３Ｃ １６／００−１６／５６

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

珪素を含むガスおよび炭素を含むガスに塩素を含むガスを添加したガス雰囲気に炭化珪素半導体基板をさらし、前記炭化珪素半導体基板上に炭化珪素半導体膜を成長させる第１工程と、
前記炭化珪素半導体膜の成長中に、前記ガス雰囲気中の前記珪素を含むガスに対する前記塩素を含むガスの導入量を徐々に減少させる第２工程と、
を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。

【請求項2】

前記第２工程では、前記ガス雰囲気中の、前記珪素を含むガス中の珪素原子の数に対する前記塩素を含むガス中の塩素原子の数を０．５％／分〜１．０％／分の割合で減少させることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

【請求項3】

前記第２工程は、前記第１工程の開始時から行う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装置の製造方法。

【請求項4】

前記第１工程の開始時の前記ガス雰囲気の組成は、前記珪素を含むガス中の珪素原子の数に対して前記塩素を含むガス中の塩素原子の数が３倍となっていることを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

【請求項5】

前記塩素を含むガスは、塩化水素ガスまたは塩素ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

【請求項6】

前記第１工程では、化学気相成長法により単結晶からなる前記炭化珪素半導体膜を成長させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体材料として炭化珪素の四層周期六方晶（４Ｈ−ＳｉＣ）などの化合物半導体が公知である。半導体材料として４Ｈ−ＳｉＣを用いてパワー半導体装置を作製するにあたって、４Ｈ−ＳｉＣからなる半導体基板（以下、４Ｈ−ＳｉＣ基板とする）上に４Ｈ−ＳｉＣ単結晶膜（以下、ＳｉＣエピタキシャル膜とする）をエピタキシャル成長させてＳｉＣ単結晶基板を作製する。従来、エピタキシャル成長方法として、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が公知である。

【0003】

具体的には、化学気相成長法によるエピタキシャル成長は、反応容器（チャンバー）内に流した原料ガスをキャリアガス中で熱分解し、４Ｈ−ＳｉＣ基板の結晶格子に倣ってシリコン（Ｓｉ）原子を連続的に堆積させることにより、４Ｈ−ＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル膜を成長させる。一般的に、原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスおよびジメチルメタン（Ｃ₃Ｈ₈）ガスが用いられ、キャリアガスとして水素（Ｈ₂）ガスが用いられる。また、ドーピングガスとして窒素（Ｎ₂）ガスやトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスが適宜添加される。

【0004】

４Ｈ−ＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル膜をエピタキシャル成長させる方法として、オフ角度が４°以下である炭化珪素単結晶基板上に、熱化学蒸着法で炭化珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる際に、炭素と珪素を含む材料ガスを流すと同時に塩化水素ガスを流し、材料ガス中に含まれる炭素と珪素の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）が１．５以下であるとともに、材料ガス中の珪素原子数に対する塩化水素ガス中の塩素原子数の比（Ｃｌ／Ｓｉ比）が１．０より大きく２０．０より小さくする方法が提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。

【0005】

また、別の方法として、珪素の水素化ガスと炭化水素ガスをキャリアガスとともに加熱したＳｉＣ基板上に供給し、熱分解反応により単結晶を成長させるＣＶＤ法による炭化珪素単結晶の製造方法において、ＳｉＣ基板として、（０００１）面から小さい傾斜角度で傾斜したＳｉＣ単結晶基板を用い、このＳｉＣ単結晶基板上に、珪素の水素化ガス、炭化水素ガスおよびキャリアガスとともに、ＨＣｌガスを同時に供給する方法が提案されている（例えば、下記特許文献２参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許４７１９３１４号公報

【特許文献2】特開２００６−３２１６９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来のエピタキシャル成長方法では、成長速度が数μｍ／ｈ程度と低速であるため、高耐圧のデバイスを作製するために必要な数十μｍ以上の厚さ（膜厚）でエピタキシャル膜を成長させる場合、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長に多大な時間がかかるなど工業生産的に大きな問題が生じる。例えば１０ｋＶ以上の高耐圧を実現するＳｉＣ半導体装置を作製するには、４Ｈ−ＳｉＣ基板上に少なくとも１００μｍ程度の厚さで４Ｈ−ＳｉＣ単結晶膜を成長させる必要がある。したがって、工業生産的にはエピタキシャル成長速度の高速化が求められる。

【0008】

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、炭化珪素半導体膜を高速成長させることができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、原料ガスと同時に塩素（Ｃｌ）を含むガスを導入してＳｉＣエピタキシャル膜を成長させることによって、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長速度を飛躍的に増大（従来の１０倍以上）させることができることを見出した。また、本発明者らは、ＳｉＣエピタキシャル膜を成長させる時間（以下、成膜時間とする）が経過するとともに塩素を含むガスの流量を徐々に減少させることにより、成膜時間の経過とともにＳｉＣエピタキシャル膜の成長速度が低下することを抑制することができることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

【0010】

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装置の製造方法は、次の特徴を有する。珪素を含むガスおよび炭素を含むガスに塩素を含むガスを添加したガス雰囲気に炭化珪素半導体基板をさらし、前記炭化珪素半導体基板上に炭化珪素半導体膜を成長させる第１工程を行う。また、前記炭化珪素半導体膜の成長中に、前記ガス雰囲気中の前記珪素を含むガスに対する前記塩素を含むガスの導入量を徐々に減少させる第２工程を行う。

【0011】

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２工程では、前記ガス雰囲気中の、前記珪素を含むガス中の珪素原子の数に対する前記塩素を含むガス中の塩素原子の数を０．５％／分〜１．０％／分の割合で減少させることを特徴とする。

【0012】

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２工程は、前記第１工程の開始時から行うことを特徴とする。

【0013】

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１工程の開始時の前記ガス雰囲気の組成は、前記珪素を含むガス中の珪素原子の数に対して前記塩素を含むガス中の塩素原子の数が３倍となっていることを特徴とする。

【0014】

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記塩素を含むガスは、塩化水素ガスまたは塩素ガスであることを特徴とする。

【0015】

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１工程では、化学気相成長法により単結晶からなる前記炭化珪素半導体膜を成長させることを特徴とする。

【0016】

上述した発明によれば、原料ガスとなる珪素を含むガスおよび炭素を含むガスに、塩素を含むガスを適量添加したガス雰囲気とすることにより、炭化珪素半導体膜の成長に寄与する原料ガスの導入量を増大させることができる。また、上述した発明によれば、炭化珪素半導体膜の成膜時間の経過とともに塩素を含むガス中の塩素原子の数を徐々に減少させることで、炭化珪素半導体膜の成膜時間の経過とともにガス雰囲気中に増える未反応の塩素原子の数を低減することができる。このため、未反応の塩素原子によって、成長中の炭化珪素半導体膜がエッチングされることを抑制することができる。これにより、炭化珪素半導体膜の成長速度が低下することを抑制することができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、炭化珪素半導体膜を高速成長させることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1-1】実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。

【図1-2】実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。

【図2】第１比較例におけるＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間と膜厚との関係について示す特性図である。

【図3】第１比較例におけるＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間ごとに反応炉内のガス雰囲気組成を示す特性図である。

【図4】実施例におけるＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間と膜厚との関係について示す特性図である。

【図5】実施例におけるＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間とガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比との関係について示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。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。

【0020】

（実施の形態）
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について、半導体材料として炭化珪素の四層周期六方晶（４Ｈ−ＳｉＣ）を用いた半導体装置を作製（製造）する場合を例に説明する。図１−１は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図１−２は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、４Ｈ−ＳｉＣからなる基板（４Ｈ−ＳｉＣ基板）１を用意し、一般的な有機洗浄法やＲＣＡ洗浄法により洗浄する（ステップＳ１）。

【0021】

次に、化学気相成長（ＣＶＤ）法による４Ｈ−ＳｉＣ単結晶膜（以下、ＳｉＣエピタキシャル膜（炭化珪素半導体膜）とする）２を成長させるための反応炉（チャンバー、不図示）内に、４Ｈ−ＳｉＣ基板１を挿入する（ステップＳ２）。次に、反応炉内を例えば１×１０^-3Ｐａ以下の真空度になるまで真空排気する。次に、反応炉内に一般的な精製器で精製した水素（Ｈ₂）ガスを２０Ｌ／分の流量で１０分間導入し、反応炉内の真空雰囲気をＨ₂雰囲気に置換する（ステップＳ３）。

【0022】

次に、Ｈ₂ガスによる化学的なエッチングにより、４Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面を清浄化する（ステップＳ４）。具体的には、ステップＳ４における４Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面の清浄化は、次のように行う。まず、Ｈ₂ガスを２０Ｌ／分で導入したまま、例えば高周波誘導により反応炉内を加熱する。そして、反応炉内の温度を例えば１６００℃まで上昇させた後、この温度で１０分間程度保持する。これにより、４Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面が清浄化される。反応炉内の温度は、例えば放射温度計で計測し制御する。

【0023】

次に、４Ｈ−ＳｉＣ基板１の温度がＳｉＣエピタキシャル膜２を成長させるための所定の温度（以下、成膜温度とする）となるように、反応炉内の温度を調整する。次に、ステップＳ３で導入したＨ₂ガスをキャリアガスとして導入した状態で、さらに原料ガス、原料ガスへ添加するガス（以下、添加ガスとする）およびドーピングガスを反応炉内に導入する（ステップＳ５）。図１−２では、原料ガス、添加ガス、ドーピングガスおよびキャリアガスの流れをまとめて矢印３で示す。

【0024】

次に、ステップＳ５で導入した原料ガス、添加ガス、ドーピングガスおよびキャリアガスからなるガス雰囲気中で、化学気相成長（ＣＶＤ）法により４Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面にＳｉＣエピタキシャル膜２を成長させる（ステップＳ６：第１工程）。このとき、ガス雰囲気中のＳｉを含むガスに対するＣｌを含むガスの導入量を徐々に減少させる（第２工程）。第２工程は、第１工程の開始時から行うのが好ましい。ステップＳ６においてＳｉＣエピタキシャル膜２を成長させるための原料ガス、添加ガスおよびドーピングガスの種類および導入条件は、次のとおりである。

【0025】

原料ガスとして、珪素（Ｓｉ）を含むガスおよび炭素（Ｃ）を含むガスを用いる。Ｓｉを含むガスは、例えばＨ₂で５０％希釈したモノシラン（以下、ＳｉＨ₄／Ｈ₂とする）ガスであってもよい。Ｃを含むガスは、例えば、Ｈ₂で２０％希釈したジメチルメタン（以下、Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂とする）ガスであってもよい。ドーピングガスとして、例えば窒素（Ｎ₂）ガスやトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いてもよい。ドーピングガスは添加してもよいし、しなくてもよい。

【0026】

添加ガスとして、塩素（Ｃｌ）を含むガスを用いる。すなわち、ハロゲン化合物を用いたハライドＣＶＤ法によりＳｉＣエピタキシャル膜２を成長させる。Ｃｌを含むガスを原料ガスに添加することにより、Ｃｌを含むガスを添加しない場合よりも大量の原料ガスを導入することができ、高速なエピタキシャル成長を実現することができる。Ｃｌを含むガスは、例えば塩化水素（ＨＣｌ）ガスや、Ｃｌ₂ガスであってもよい。

【0027】

ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長（成膜）開始時、すなわち第１工程の開始時のＳｉを含むガス中のＳｉ原子数に対するＣｌを含むガス中のＣｌ原子数の比（以下、初期のＣｌ／Ｓｉ比とする）は、例えば３．０であるのが好ましい（Ｃｌ原子数＝３×Ｓｉ原子数）。その理由は、反応炉内のガス雰囲気組成を、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長速度が原料ガスの流量に比例して最も高速化される状態とすることができるからである。

【0028】

ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長中にＣｌを含むガスの導入量のみを徐々に減少させ、ＳｉＣエピタキシャル膜２を成長させる時間（成膜時間）が経過するとともにガス雰囲気中の塩素原子の数を徐々に減少させる。すなわち、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長中に、Ｓｉを含むガス中のＳｉ原子数に対するＣｌを含むガス中のＣｌ原子数の比（Ｃｌ／Ｓｉ比）徐々に減少させる。具体的には、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長開始時（０分）から０．５％／分〜１．０％／分の割合でＣｌ／Ｓｉ比が減少するように、反応炉内へのＣｌを含むガスの導入量を減少させるのが好ましい。その理由は、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長速度が低下することを抑制することができるからである。

【0029】

その後、上述したガス雰囲気組成条件で所定の厚さ（例えば１００μｍ程度）になるまでＳｉＣエピタキシャル膜２を成長させて、４Ｈ−ＳｉＣ基板１上にＳｉＣエピタキシャル膜２が積層されてなるＳｉＣ単結晶基板１０を作製する（ステップＳ７）。そして、このＳｉＣ単結晶基板１０に所定の素子構造（不図示）を形成することにより（ステップＳ８）、ＳｉＣ半導体装置が完成する。

【0030】

・第１比較例におけるＳｉＣエピタキシャル膜の膜厚の増加量について
次に、ＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間と膜厚との関係について説明する。図２は、第１比較例におけるＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間と膜厚との関係について示す特性図である。添加ガスとしてＣｌを含むガスを用いたときの、ＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間と膜厚との関係について検証した（以下、第１比較例とする）。第１比較例の成膜条件は、次のとおりである。まず、反応炉内のガス雰囲気を、原料ガスとなるＳｉＨ₄／Ｈ₂ガスおよびＣ₃Ｈ₈／Ｈ₂ガスに添加ガスとしてＨＣｌガスを添加したガス雰囲気とした。

【0031】

そして、ガス雰囲気中のＳｉ原子数に対するＣ原子数の比（Ｃ／Ｓｉ比）が１．０で維持されるように、原料ガスの導入量を調節した。また、ガス雰囲気中のＳｉ原子数に対するＣｌ原子数の比（Ｃｌ／Ｓｉ比）が３．０で維持されるように、添加ガスのガス導入量を調節した。具体的には、ＳｉＨ₄／Ｈ₂ガス、Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂ガスおよびＨＣｌガスのガス導入量を、それぞれ２００ｓｃｃｍ、１６６ｓｃｃｍおよび３００ｓｃｃｍとした。ドーピングガスは用いていない。

【0032】

そして、一般的なＣＶＤ法により４Ｈ−ＳｉＣ基板の表面にＳｉＣエピタキシャル膜を成長させ、成長開始（０分）から１５分経過後、３０分経過後および４５分経過後のＳｉＣエピタキシャル膜の膜厚を測定した。反応炉内におけるＳｉＣエピタキシャル膜の成膜温度を１７００℃とした。図２に示す結果より、膜厚測定点間（０分〜１５分、１５分〜３０分、および３０分〜４５分）におけるＳｉＣエピタキシャル膜の膜厚の増加量が成膜時間の経過とともに減少することが確認された。

【0033】

・ＳｉＣエピタキシャル膜の成長中における反応炉内のガス雰囲気組成について
一般的にエピタキシャル膜の成膜時間と膜厚とは比例関係にあるが、原料ガスにＣｌを含むガスを添加した場合、ＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間と膜厚とが比例関係にならないことが確認された。具体的には、原料ガスにＣｌを含むガスを添加することで、ＳｉＣエピタキシャル膜の膜厚の増加量が成膜時間の経過とともに減少した。そこで、第１比較例について、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長開始から４５分間における反応炉内のガス雰囲気組成を、四重極型質量分析計（Ｑ−Ｍａｓｓ）を用いて分析した。

【0034】

図３は、第１比較例におけるＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間ごとに反応炉内のガス雰囲気組成を示す特性図である。図３（ａ）〜３（ｄ）は、それぞれ、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長開始（０分）から４分経過後、１４分経過後、２４分経過後および３４分経過後の反応炉内のガス雰囲気組成を示す。図３に示すＳｉＣエピタキシャル膜成長中における反応炉内のガス雰囲気組成のうち、ＨＣｌガスに含まれるＣｌ原子について着目する。具体的には、天然の同位体組成である質量３５〜３７程度のＣｌ³⁵原子およびＣｌ³⁷原子に着目する。

【0035】

図３（ａ）に示すように、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長開始から４分経過後のガス雰囲気中に、Ｃｌ³⁵原子およびＣｌ³⁷原子のピークはともに観測されなかった。しかし、図３（ｂ）に示すように、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長開始から１４分経過後のガス雰囲気中には、Ｃｌ³⁵原子およびＣｌ³⁷原子のピークがともに観測された。そして、図３（ｃ），３（ｄ）に示すように、ＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間が増すほど、ガス雰囲気中のＣｌ³⁵原子およびＣｌ³⁷原子のピークがともに増大することが確認された。

【0036】

図３（ｂ）〜３（ｄ）にあらわれるＣｌ³⁵原子およびＣｌ³⁷原子のピークは、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長開始から１４分経過後からのガス雰囲気中に未反応のＣｌ原子が存在することを示している。反応炉内におけるＳｉＣエピタキシャル膜の成膜温度が１７００℃程度である場合、ガス雰囲気中の未反応のＣｌ原子によって、成長中のＳｉＣエピタキシャル膜がエッチングされる。このため、ＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間の経過とともに増えるガス雰囲気中の未反応のＣｌ原子により、図２において検証したように、ＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間の経過とともにＳｉＣエピタキシャル膜の膜厚の増加量が減少すると推測される。

【0037】

・実施例におけるＳｉＣエピタキシャル膜２の成膜時間と膜厚について
次に、実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によって成長させたＳｉＣエピタキシャル膜２の成膜時間と膜厚との関係について検証した。図４は、実施例におけるＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間と膜厚との関係について示す特性図である。図４に点線で示す第１比較例は、図２に示す測定結果と同様である。まず、上述した実施の形態にかかる半導体装置の製造方法に従い、４Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面にＳｉＣエピタキシャル膜２を成長させた（以下、実施例とする）。

【0038】

実施例の成膜条件は、次のとおりである。反応炉内に導入する原料ガス（Ｓｉを含むガス、Ｃを含むガス）および添加ガス（Ｃｌを含むガス）を、それぞれ第１比較例と同様にＳｉＨ₄／Ｈ₂ガス、Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂ガスおよびＨＣｌガスとした。そして、反応炉内におけるガス雰囲気中のＣ／Ｓｉ比が１．０で維持されるように、原料ガスの導入量を調節した。また、反応炉内におけるガス雰囲気中の初期のＣｌ／Ｓｉ比が３．０となるように、添加ガスの導入量を調節した。

【0039】

次に、添加ガス（ＨＣｌガス）の導入量を徐々に減少させながら、ＣＶＤ法により４Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面にＳｉＣエピタキシャル膜２を成長させた。具体的には、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長開始（０分）から０．６６％／分の割合でガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比を減少させた。したがって、ガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比は、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長開始から３０分間で３．０から２．４まで減少し、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長開始から４５分間で３．０から２．１まで減少している。

【0040】

そして、上記条件でＳｉＣエピタキシャル膜２を成長させたときの、成長開始（０分）から１５分経過後、３０分経過後および４５分経過後のＳｉＣエピタキシャル膜２の膜厚を測定した。反応炉内におけるＳｉＣエピタキシャル膜２の成膜温度を１７００℃とした。図４に示す結果に示すように、膜厚測定点間（０分〜１５分、１５分〜３０分、および３０分〜４５分）におけるＳｉＣエピタキシャル膜２の膜厚の増加量は、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成膜時間によらずほぼ一定であった。

【0041】

すなわち、ガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比をＳｉＣエピタキシャル膜２の成長中に徐々に減少させることにより、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成膜時間と膜厚とがほぼ比例関係になることが確認された。したがって、ガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比をＳｉＣエピタキシャル膜２の成長中に徐々に減少させることにより、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長速度を低下させずにＳｉＣエピタキシャル膜２の膜厚を増加させることができることが確認された。

【0042】

・ＳｉＣエピタキシャル膜成長中におけるガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比について
次に、ガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比を減少させる割合と、当該割合でガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比が減少されたときのＳｉＣエピタキシャル膜の膜厚との関係について検証した。図５は、実施例におけるＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間とガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比との関係について示す特性図である。ガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比を減少させる割合を種々変更し、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長開始から３０分経過後の膜厚を測定した。

【0043】

反応炉内に導入する原料ガスおよび添加ガスの種類、ガス雰囲気中のＣ／Ｓｉ比、および成膜温度は、実施例と同様である。図５には、上記第１比較例と、上記実施例と、ガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比を上記実施例と異なる割合で減少させた第２，３比較例と、を示す。具体的には、第１比較例では、ガス雰囲気中の初期のＣｌ／Ｓｉ比を３．０とし、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長中のＣｌ／Ｓｉ比を初期のＣｌ／Ｓｉ比のまま維持した（Ｃｌ／Ｓｉ比＝３．０（一定））。

【0044】

実施例においては、ガス雰囲気中の初期のＣｌ／Ｓｉ比を３．０とし、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長中にガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比を０．６６％／分の割合で減少させた。すなわち、実施例においては、ガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比は、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長開始時の３．０から、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長終了時（３０分経過後）の２．４まで減少した。

【0045】

第２比較例では、ガス雰囲気中の初期のＣｌ／Ｓｉ比を３．０とし、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長中にガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比を１．３３％／分の割合で減少させた。すなわち、第２比較例では、ガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比は、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長開始時の３．０から、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長終了時の１．８まで減少した。

【0046】

第３比較例では、ガス雰囲気中の初期のＣｌ／Ｓｉ比を２．５とし、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長中にガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比を１．３３％／分の割合で減少させた。すなわち、第２比較例では、ガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比は、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長開始時の２．５から、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長終了時の１．５まで減少した。

【0047】

図５に示す結果より、第２，３比較例では、ＳｉＣエピタキシャル膜の厚さが薄くなることが確認された。したがって、ＳｉＣエピタキシャル膜成長中にガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比を減少させる割合を大きくした場合（１．３３％以上／分）、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長速度が低下することがわかる。その理由は、ガス雰囲気中の未反応のＣｌ原子によってＳｉＣエピタキシャル膜がエッチングされるからではなく、Ｃｌの供給律速が原料ガスの供給律速を上回ることによりＳｉＣエピタキシャル膜が成長しにくくなるからであると推測される。

【0048】

したがって、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長速度の低下を防止するためには、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長中にガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比を減少させる割合の上限は、Ｃｌの供給律速が原料ガスの供給律速を上回らない１．０％／分程度までの範囲にすることが望ましい。また、反応炉内のＣｌ／Ｓｉ比が小さくなるほど、反応炉内の汚れが増大するという問題が発生する。このため、ＳｉＣエピタキシャル膜２の成長中にガス雰囲気中のＣｌ／Ｓｉ比を減少させる割合の下限は、反応炉内の汚れを抑制可能な０．５％／分程度までの範囲とすることが好ましい。

【0049】

以上、説明したように、実施の形態によれば、原料ガスにＣｌを含むガスを適量添加したガス雰囲気とすることにより、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長に寄与する原料ガスの導入量を増大させることができる。また、実施の形態によれば、ＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間の経過とともにＣｌを含むガス中のＣｌ原子の数を徐々に減少させることで、ＳｉＣエピタキシャル膜の成膜時間の経過とともにガス雰囲気中に増える未反応のＣｌ原子の数を低減することができる。このため、未反応のＣｌ原子によって、成長中のＳｉＣエピタキシャル膜がエッチングされることを抑制することができる。これにより、ＳｉＣエピタキシャル膜の成長速度が低下することを抑制することができる。したがって、ＳｉＣエピタキシャル膜を高速成長させることができる。

【0050】

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【産業上の利用可能性】

【0051】

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、ＳｉＣを半導体材料としてトランジスタやダイオード等を作製する場合であって、ＳｉＣ基板上にＳｉＣ単結晶膜を成膜させてなるＳｉＣ単結晶基板を用いて作製された半導体装置に有用である。

【符号の説明】

【0052】

１ ４Ｈ−ＳｉＣ基板
２ ＳｉＣエピタキシャル膜
３ 反応炉内に導入されるガス
１０ ＳｉＣ単結晶基板

【図1-1】

【図1-2】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】