專利名稱：外延碳化硅單晶基板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外延碳化硅(SiC)單晶基板及其制造方法。
背景技術(shù)：
碳化硅(SiC)由于耐熱性及機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良，在物理化學(xué)方面穩(wěn)定而作為耐環(huán)境性半導(dǎo)體材料引人注目。此外，近年來，作為高頻高耐壓電子器件等的基板對(duì)SiC單晶基板的需求高漲。 在采用SiC單晶基板制作電力器件、高頻器件等時(shí)，通常，一般采用稱為熱CVD法(熱化學(xué)蒸鍍法)的方法在基板上外延生長SiC薄膜，或通過離子注入法直接打入摻雜劑。為后者即離子注入法的情況時(shí)，需要在注入后進(jìn)行高溫下的退火，因此多通過外延生長形成薄膜。在外延膜上形成器件時(shí)，為了穩(wěn)定地制造如設(shè)計(jì)的器件，外延膜的膜厚及摻雜密度、特別是摻雜密度的晶片面內(nèi)均勻性是重要的。近年來，隨著晶片的大口徑化的發(fā)展，器件的面積也增大。從如此的觀點(diǎn)出發(fā)，為了提高器件成品率，摻雜密度的均勻性更重要。在目前主流的3及4英寸晶片上的SiC外延膜中，摻雜密度面內(nèi)均勻性如果用標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值(σ /mean)表示為5 10%，但在上述的大口徑晶片的情況下，需要使此值在5%以下。另一方面，在基板的口徑為3英寸以上時(shí)，從降低基底面位錯(cuò)等缺陷密度，以及提高由SiC錠制得的基板的收率等觀點(diǎn)出發(fā)，作為基板的偏離角度，采用以往的從8°到大約4°乃至其以下。在具有如此小的偏離角度的基板上的外延生長時(shí)，生長時(shí)流動(dòng)的材料氣體中的碳原子數(shù)相對(duì)于硅原子數(shù)的比(C/Si比)一般比以往低。這是因?yàn)殡S著偏離角度減小，表面的臺(tái)階(step)數(shù)減少，難以產(chǎn)生臺(tái)階流動(dòng)(step-flow)生長，有臺(tái)階積累(stepbunching)或外延缺陷容易增加的傾向，因而要抑制上述傾向。但是，如果降低上述C/Si比，則所謂位點(diǎn)競爭(site-competition)變得顯著,外延生長時(shí),氮原子這樣的雜質(zhì)從大氣的進(jìn)入增大。進(jìn)入的氮原子在SiC中成為給體，因供給電子，載流子密度上升。另一方面，在生長氣氛中，因殘留氮存在，即使是不添加雜質(zhì)元素而形成的無摻雜層也產(chǎn)生位點(diǎn)競爭(site-competition)，因此通過降低C/Si比而生長的無摻雜層的殘留載流子密度比以往的C/Si比時(shí)更高。關(guān)于此點(diǎn)，以下采用圖I進(jìn)行說明。在以往那樣的偏離角度(8° )的基板的情況下，使C/Si比在X附近進(jìn)行生長，如果將此時(shí)的無摻雜層的殘留載流子密度設(shè)定為Nx，則以在大約4°乃至其以下的偏離角度的基板上生長時(shí)所需的低C/Si比Y (通常I. O左右)生長時(shí)的無摻雜層的殘留載流子密度為隊(duì)(通常為0.8 IX IO15CnT3左右)。另一方面，器件工作所需的載流子水平N。例如為I 5 X IO15Cm-3,這大致為Ny的范圍，因此在C/Si比為Y時(shí)，能在不進(jìn)行摻雜的狀態(tài)下，得到已經(jīng)具有接近器件工作所需的摻雜值的層。所以，為了通過有意導(dǎo)入摻雜氣體即氮，且將該層的載流子水平控制在器件工作所需的值，應(yīng)控制的摻雜量小，而與8°偏離基板時(shí)相比，難以得到摻雜密度的均勻性。另外，嚴(yán)格地講，在晶片上的所有部分上C/Si比不固定，因此C/Si比比Y小的情況局部發(fā)生，在此種情況下，由圖I得知，殘留載流子密度變得大于Nc。
圖2a中示出在C/Si比為Y的部分進(jìn)行摻雜時(shí)的摻雜密度分布圖，圖2b中示出在相同晶片內(nèi)在C/Si比小于Y的部分(O. 8 O. 9左右)進(jìn)行摻雜時(shí)的摻雜密度分布圖。如果將Nbi和Nb2作為在各自的部分的殘留載流子密度，則通常Nbi為O. 8 I X IO15CnT3左右，Nb2為I 3X IO15CnT3左右，因此為Nbi < Nb2 ^ Nc。在晶片內(nèi)的圖2a的部分中，在為了得到N。進(jìn)行了摻雜時(shí)，N。- Nbi為摻雜量，因此在圖2b的部分，必然N。- Nbi + Nb2為摻雜值。所以，Nb2 - Nbi為在圖2a和圖2b的部分的摻雜偏差，這可成為比N。的10%左右更大的值。之所以產(chǎn)生如此的現(xiàn)象，是因?yàn)樵?°乃至其以下的偏離角度的基板上的生長所需的C/Si比Y附近，圖I中的曲線的斜率增大，也就是說在Y附近即使是C/Si比的微小的偏差，Nb2—Nbi的值也增大,使摻雜密度的面內(nèi)分布均勻性大大降低。所以，雖是今后可期待在器件中應(yīng)用的SiC外延生長基板，但是如果將基板的偏離角度規(guī)定為以往的從8°到大約4°乃至其以下，則因必須降低C/Si比而進(jìn)行生長，使摻雜密度的晶片面內(nèi)均勻性劣化，在器件應(yīng)用上存在問題。
可是，作為在偏離角度為4°以下的SiC單晶基板上形成高品質(zhì)的外延膜的方法，本發(fā)明人等提出了通過將外延膜的材料氣體中所含的碳和硅的原子數(shù)比(C/Si)規(guī)定為
O.5以上且低于I. O而生長的層(缺陷降低層)和和通過將C/Si規(guī)定為I. (Tl. 5而生長的層(活性層)的形成方法(參照專利文獻(xiàn)I)?？墒?，該方法的目的是得到三角形狀的外延缺陷或表面粗糙少的外延膜，關(guān)于晶片面內(nèi)的外延膜的摻雜密度，沒有對(duì)確保均勻性的直接的手段進(jìn)行教示的記載?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本特開2009-256138號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題本發(fā)明的目的在于，提供一種在采用偏離角度為1° 6°的基板的外延生長中，即使在降低碳和硅的原子數(shù)比(C/Si)時(shí)，通過抑制偏差，也具有摻雜密度的晶片面內(nèi)均勻性優(yōu)良的聞品質(zhì)外延I旲的外延SiC單晶基板及其制造方法。用于解決問題的手段本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)在外延生長時(shí)，將不添加雜質(zhì)元素而形成的無摻雜層和一邊添加雜質(zhì)元素一邊形成的摻雜層分別層疊多層，而且使該無摻雜層及摻雜層生長時(shí)的C/Si比和它們的厚度變化，對(duì)于解決上述問題是非常有效的。本發(fā)明是基于上述見識(shí)而完成的。更詳細(xì)地講，本發(fā)明的外延碳化硅單晶基板是在偏離角度(off angle)為1° 6°的碳化硅單晶基板上具有通過化學(xué)氣相沉積法形成的碳化硅外延膜的外延碳化硅單晶基板，其特征在于，該外延膜通過將一邊添加雜質(zhì)元素一邊形成的厚度為O. 5 μ m以下的摻雜層和不添加雜質(zhì)元素而形成的厚度為O. I μ m以下的無摻雜層交替層疊，分別具有2層以上的摻雜層及無摻雜層。本發(fā)明例如包含以下方式。(I) 一種外延碳化硅單晶基板，其特征在于，其是在偏離角度為1° 6°的碳化硅單晶基板上具有通過化學(xué)氣相沉積法形成的碳化硅外延膜的外延碳化硅單晶基板，
其中，該外延膜通過將一邊添加雜質(zhì)元素一邊形成的厚度為O. 5μπι以下的摻雜層和不添加雜質(zhì)元素而形成的厚度為O. I μ m以下的無摻雜層交替層疊，分別具有2層以上的摻雜層及無摻雜層。(2)根據(jù)上述(I)所述的外延碳化硅單晶基板，其特征在于，所述摻雜層通過將外延膜的材料氣體中所含的碳和硅的原子數(shù)比C/Si規(guī)定為I. 5^2. O而形成，而且，所述無摻雜層通過將外延膜的材料氣體中所含的碳和硅的原子數(shù)比C/Si規(guī)定為O. 5以上且低于I. 5而形成。(3)根據(jù)上述(I)或(2)所述的外延碳化硅單晶基板，其特征在于，所述摻雜層的厚度大于所述無摻雜層的厚度。
(4)根據(jù)上述(I) (3)中任一項(xiàng)所述的外延碳化硅單晶基板，其特征在于，所述摻雜層的摻雜原子數(shù)密度為I XlO15cnT3以上。(5) —種外延碳化硅單晶基板的制造方法，其特征在于，其是通過在偏離角度為1° 6°的碳化硅單晶基板上通過化學(xué)氣相沉積法形成碳化硅外延膜，從而制造外延碳化硅單晶基板的方法，其中，通過使一邊添加雜質(zhì)元素一邊形成的厚度為O. 5μπι以下的摻雜層和不添加雜質(zhì)元素而形成的厚度為O. I μ m以下的無摻雜層交替生長，且按照分別具有2層以上的摻雜層及無摻雜層的方式形成碳化硅外延膜，所述摻雜層通過將外延膜的材料氣體中所含的碳和硅的原子數(shù)比C/Si規(guī)定為
I.5 2. O而形成，所述無摻雜層通過將外延膜的材料氣體中所含的碳和硅的原子數(shù)比C/Si規(guī)定為O. 5以上且低于I. 5而形成。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，可提供在偏離角度為1° 6°的基板上形成的外延膜中，摻雜密度的晶片面內(nèi)均勻性優(yōu)良的、聞品質(zhì)的外延SiC單晶基板。此外，本發(fā)明的制造方法因米用CVD法(Chemical Vapor Deposition :化學(xué)氣相沉積法)，裝置構(gòu)成容易且控制性也優(yōu)良，可得到均勻性、再現(xiàn)性高的外延膜。另外，采用本發(fā)明的外延SiC單晶基板的器件由于形成在摻雜密度的晶片面內(nèi)均勻性優(yōu)良的高品質(zhì)外延膜上，因此其特性及成品率提高。


圖I是表示C/Si比與殘留載流子密度的關(guān)系的圖。圖2a是表示在殘留載流子密度低于器件工作所需的載流子水平的部分進(jìn)行摻雜時(shí)的摻雜密度分布圖的一個(gè)例子的圖。圖2b是表示在殘留載流子密度與器件工作所需的載流子水平大致同等的部分進(jìn)行摻雜時(shí)的摻雜密度分布圖的一個(gè)例子的圖。圖3是表示進(jìn)行以往的外延生長時(shí)的典型的生長順序的一個(gè)例子的圖。圖4是表示進(jìn)行以往的外延生長時(shí)的C/Si比和N2氣體流量的變化的圖。圖5是表示通過本發(fā)明的一種方法進(jìn)行外延生長時(shí)的生長順序的一個(gè)例子的圖。圖6是表示通過本發(fā)明的一種方法進(jìn)行外延生長時(shí)的C/Si比和N2氣體流量的變化的一個(gè)例子的圖。圖7a是表示在與圖2a同樣的位置通過本發(fā)明的一種方法進(jìn)行摻雜時(shí)的摻雜密度分布圖的一個(gè)例子的圖。圖7b是表示在與圖2b同樣的位置通過本發(fā)明的一種方法進(jìn)行摻雜時(shí)的摻雜密度分布圖的一個(gè)例子的圖。圖8是表示通過本發(fā)明的一種方法進(jìn)行外延生長的膜的表面狀態(tài)的一個(gè)例子的光學(xué)顯微鏡照片。圖9是表示通過本發(fā)明的一種方法進(jìn)行外延生長的膜的表面-背 面間的電流值分布的一個(gè)例子的圖。
具體實(shí)施例方式以下，對(duì)本發(fā)明的具體的內(nèi)容進(jìn)行描述。首先，對(duì)在SiC單晶基板上的外延生長進(jìn)行描述。本發(fā)明中適合在外延生長中使用的裝置為橫式的CVD裝置。CVD法裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠通過氣體的開/閉(on/off)控制生長，因而是外延膜的控制性、再現(xiàn)性優(yōu)良的生長方法。圖3將以往進(jìn)行外延膜生長時(shí)的典型的生長順序的I方式與氣體的導(dǎo)入時(shí)機(jī)一并示出。首先，將基板放置在生長爐中，在將生長爐內(nèi)真空排氣后，導(dǎo)入氫氣，將壓力優(yōu)選調(diào)整至IJI X IO4 3 X 104Pa。然后，在將壓力保持為恒定的同時(shí)提高生長爐的溫度，在達(dá)到優(yōu)選生長溫度即1550 1650°C后，導(dǎo)入材料氣體(例如SiH4和C2H4及摻雜氣體即N2)開始生長。SiH4流量優(yōu)選為每分鐘40 50cm3，C2H4流量優(yōu)選為每分鐘20 40cm3，生長速度優(yōu)選為每小時(shí)6 7 μ m0關(guān)于上述優(yōu)選的生長速度，由于通常利用的外延層的膜厚為ΙΟμπι左右，因此是考慮到生產(chǎn)率而決定的。在生長一定時(shí)間、得到所希望的膜厚的時(shí)刻，停止導(dǎo)入材料氣體(即上述的SiH4、C2H4及N2),在只有氫氣流動(dòng)的狀態(tài)下降低溫度。在溫度下降到常溫后，停止氫氣的導(dǎo)入，將生長室內(nèi)進(jìn)行真空排氣，將不活潑氣體導(dǎo)入生長室，在將生長室返回到大氣壓后，取出基板。圖4中示出按該以往方式進(jìn)行生長時(shí)的C/Si比和N2氣體流量的變化的優(yōu)選的一個(gè)例子。在該圖4所示的方式中，從生長開始到結(jié)束，C/Si比和N2氣體流量沒有變化，為恒定。接著，按圖5的生長順序?qū)Ρ景l(fā)明其它方式進(jìn)行說明。直到放置SiC單晶基板、開始生長，均與圖3的方式相同。生長開始后立即通過使SiH4和C2H4的流量比按C/Si比計(jì)優(yōu)選低于I. 5的方式，使無摻雜層生長O. I μ m左右。然后通過使SiH4和C2H4的流量比按C/Si比計(jì)優(yōu)選達(dá)到1.5以上的方式，優(yōu)選生長0.2 μ m左右，但此時(shí)通過導(dǎo)入摻雜氣體即氮形成摻雜層。然后，在通過使無摻雜層和摻雜層重復(fù)生長，得到了所希望的膜厚的時(shí)刻，停止SiH4, C2H4及N2的導(dǎo)入。其后的步驟與圖3時(shí)相同。圖6中示出該圖5的方式中的C/Si比和N2氣體流量的變化的一個(gè)例子。如此，通過以低的C/Si比使無摻雜層生長，以高的C/Si比使摻雜層生長，能在難以產(chǎn)生位點(diǎn)競爭(site-competition)的狀態(tài)下進(jìn)行摻雜，因此可進(jìn)行控制性優(yōu)良的摻雜。另外，在本發(fā)明中，由于整體地減薄無摻雜層的厚度，因此還可抑制上述的摻雜密度的面內(nèi)不均勻性。關(guān)于此點(diǎn)，采用圖7，通過下述中列舉一個(gè)例子進(jìn)行說明。圖7a是在與圖2a同樣的位置應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行摻雜時(shí)的摻雜分布圖的一個(gè)例子，在得到了理想的摻雜分布圖時(shí)，摻雜密度如虛線所示。也就是說，在一邊導(dǎo)入摻雜氣體即氮一邊形成的摻雜層中，使C/Si比高于圖I中的值Y，在I. 5以上，因此能以在不受殘留載流子密度的影響的情況下得到N。的方式進(jìn)行摻雜。
另一方面，在不導(dǎo)入摻雜氣體即氮而形成的無摻雜層中，C/Si比為圖I中的值Y(優(yōu)選為I. O左右)，因此可顯示圖2a的Nbi的殘留載流子密度?？墒?，實(shí)際上，摻雜層與無摻雜層之間的摻雜密度變化是連續(xù)的，因此能形成實(shí)線所示的分布圖。而且，認(rèn)為有效的摻雜密度為Na左右。另一方面，圖7b為與圖2b同樣的位置，與圖7a同樣地用虛線表示理想的摻雜分布圖。在此種情況下，C/Si比高于圖I中的值Y的(例如C/Si比為1.5以上的)摻雜層的N。的值不受殘留雜質(zhì)的影響，因此與圖7a的N。相同。在此種情況下，C/Si比為小于圖I中的值Y的值(例如O. 8 O. 9)的無摻雜層的殘留載流子密度因殘留雜質(zhì)密度高，而與圖2b的Nb2相同。而且,認(rèn)為有效的摻雜密度為Nc2左右。所以，Na和Nc2的差減小,可改善摻雜密度的面內(nèi)均勻性。根據(jù)本發(fā)明，在具有1° 6°的偏離角度的基板上的外延膜中，可得到摻雜的面內(nèi)均勻性高的良好的外延膜，但以低的C/Si比生長的無摻雜層在具有小的偏離角度的基板上的生長中是必須的，因此如果過薄則有產(chǎn)生外延缺陷等、膜質(zhì)劣化的可能性。此外，如果過厚則有對(duì)整體的摻雜密度的面內(nèi)均勻性產(chǎn)生不良影響，而且在與基板垂直地使電流流動(dòng)的目前的器件中發(fā)生電阻增高的問題的可能性。另一方面，對(duì)于以高的C/Si比生長的摻雜層，如果比無摻雜層薄，則有摻雜密度對(duì)面內(nèi)均勻性的提高的貢獻(xiàn)小的可能性，如果過厚，則有導(dǎo)致膜質(zhì)的劣化的可能性?？紤]到以上狀況，發(fā)明人等進(jìn)行了研究，結(jié)果判明無摻雜層的厚度優(yōu)選為O. I μ m以下,更優(yōu)選為O. 05 O. I μ m。摻雜層的厚度優(yōu)選為O. 5 μ m以下,更優(yōu)選為O. 2 0.5μπι。此外，摻雜層相對(duì)于無摻雜層的厚度的比優(yōu)選為2 10左右。另外，摻雜層及無摻雜層分別具有2層以上，但無摻雜層和摻雜層的層疊次數(shù)多的一方，外延膜整體的摻雜密度的平均化進(jìn)展，對(duì)于提高面內(nèi)均勻性是有效果的。如果再考慮到實(shí)際所需的外延膜整體的厚度，無摻雜層和摻雜層的層疊次數(shù)優(yōu)選分別多于20次左右，更優(yōu)選分別為20 40次左右。關(guān)于無摻雜層和摻雜層的層疊順序，在SiC基板上開始生長時(shí)，由于是在具有小的偏離角度的基板上生長，因此低的C/Si比、即無摻雜層是必要的。另一方面，由于最表面是與器件的電極接觸的部分，因此摻雜層是必要的。此外，關(guān)于生長無摻雜層時(shí)的C/Si比，考慮到低偏離角度基板上的生長，優(yōu)選為
O.5以上且低于I. 5。在C/Si比低于O. 5時(shí)，有容易形成過剩的Si原子在基板表面凝結(jié)的稱為Si小滴的缺陷的傾向。另一方面，如果C/Si比達(dá)到I. 5以上，則有表面粗糙或外延缺陷增加的傾向。此時(shí)的C/Si比更優(yōu)選為O. 8 I. 2。
一方面，如果生長摻雜層時(shí)的C/Si比過低，則有容易出現(xiàn)位點(diǎn)競爭(site-competition)的影響的傾向。另一方面，如果C/Si比過高，則有三角形缺陷等外延缺陷增加的傾向。因此，此時(shí)的C/Si比優(yōu)選為I. 5 2.0，更優(yōu)選為I. 5 1.8。另夕卜，關(guān)于摻雜層的摻雜原子數(shù)密度，由圖7a、圖7b得知，優(yōu)選大于Nbi及NB2，因此優(yōu)選IXlO1W3以上。如果摻雜原子數(shù)密度過高，則有產(chǎn)生表面粗糙的可能性，因此更優(yōu)選為I X IO15Cm 3 I X IO17Cm 3。關(guān)于外延膜整體的厚度，在考慮到通常形成的器件的耐壓、外延膜的生產(chǎn)率等時(shí)，優(yōu)選為δμπΓδΟμπι。更優(yōu)選為10 20 μ m。此外，之所以基板的偏離角度為1° 6°，是因?yàn)槿绻陀?°則有因偏離角度過小而不能充分發(fā)揮本發(fā)明的效果的可能性。另一方面，如果基板的偏離角度超過6°，則能夠以C/Si比高的狀態(tài)生長，即使不采用本發(fā)明也有提高面內(nèi)均勻性的可能性。而且，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)在SiC單晶基板上生長外延膜時(shí)，通過將無摻雜層和摻雜層分別層疊多層，并使生長該無摻雜層和摻雜層時(shí)的C/Si比及厚度變化，能夠使摻雜密度的面內(nèi)均勻性按O /mean計(jì)在5%以下。但是在此種情況下，從圖7得知，通過從通常的容量一 電壓測定得到的摻雜分布圖不能夠求出無摻雜層和摻雜層的層疊部分的摻雜密度的平均值，因此在外延膜的表面和基板背面形成歐姆電極，將電極間的電流值看作與摻雜密度等價(jià)，通過其面內(nèi)均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體地講，在背面整面上用Ni制作歐姆電極，在表面也制作200μπι見方左右的Ni歐姆電極。對(duì)表面和背面的歐姆電極施加電壓,測定例如施加IOV時(shí)的電流值。關(guān)于在本發(fā)明中形成外延膜時(shí)添加的雜質(zhì)元素，在上述方式中，主要以氮為例進(jìn)行了說明，但除氮以外，也可以采用例如鋁等作為雜質(zhì)形成摻雜層。此外，關(guān)于外延膜的材料氣體，在上述方式中，以SiH4和C2H4為例進(jìn)行了說明，當(dāng)然也可以采用它們以外的硅源或碳源。作為適合形成在具有如此生長的外延膜的本發(fā)明的基板上的器件的例子，可列舉出肖特基勢壘二極管、PIN 二極管、MOS 二極管、MOS晶體管等，特別是從有效利用SiC的低損失性的方面出發(fā)，電力控制用中采用的器件為適合本發(fā)明的基板的例子。此外，在如此的具有高摻雜層和低摻雜層的外延膜中，因各個(gè)層的晶格常數(shù)不同而在晶界發(fā)生應(yīng)變，將來自基板的基底面位錯(cuò)變換成刃狀位錯(cuò)的概率增加。因此，作為存在于如此生長的外延膜的表面的基底面位錯(cuò)密度，能夠期待20個(gè)/cm2以下。另外，由于通過降低位錯(cuò)密度可提高膜的品質(zhì)，因此可預(yù)想形成肖特基勢壘二極管時(shí)的表示二極管性能的η值也可得到1.01
I.03左右。實(shí)施例(實(shí)施例I)從3英寸(76mm)晶片用的SiC單晶錠，以大約400 μ m的厚度進(jìn)行切片，實(shí)施利用粗切削和金剛石磨粒的通常研磨，準(zhǔn)備具有4H型的多晶型的SiC單晶基板。該基板為η型，電阻率大約為O. 02Ω · cm。在該基板的Si面實(shí)施外延生長。基板的偏離角度為4°。生長的步驟如下所述。將基板放置在生長爐中，在將生長爐內(nèi)進(jìn)行真空排氣后，一邊以每分鐘150 L導(dǎo)入氫氣一邊將壓力調(diào)整到1.0X104Pa。然后，一邊將壓力保持為恒定一邊將生長爐的溫度升高到1600°C，將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘22cm3 (C/Si比1.1)，開始無摻雜層的生長。在使無摻雜層生長O. Iym后，將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘30cm3 (C/Si比I. 5)，進(jìn)而將摻雜氣體即N2流量調(diào)整到每分鐘30cm3 (摻雜原子數(shù)密度I X IO1W3),使摻雜層生長O. 2 μ m。然后，停止導(dǎo)入N2,再次使無摻雜層生長O. I μ m，進(jìn)而將N2流量調(diào)整到每分鐘30cm3，使摻雜層生長O. 2 μ m，以后如此操作，使無摻雜層和摻雜層分別合計(jì)生長30次，最上層為摻雜層。圖8中示出如此進(jìn)行了外延生長的膜的光學(xué)顯微鏡照片。由圖8得知得到了表面粗糙或缺陷少的良好的膜。如上所述，在該外延膜上形成Ni的歐姆電極，通過電流值評(píng)價(jià)了摻雜密度，結(jié)果示于圖9。均勻性良好，用σ /mean表示的面內(nèi)均勻性為4. 5%。 (實(shí)施例2)在與實(shí)施例I同樣地進(jìn)行了切片、粗切削、通常研磨的具有4H型的多晶型的3英寸(76mm)的SiC單晶基板的Si面上，實(shí)施外延生長。基板的偏離角度為4°。該基板為η型，電阻率為大約O. 02 Ω · cm。直到生長開始之前的步驟、溫度等與實(shí)施例I相同。本實(shí)施例中的生長的步驟如下所述。將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘22cm3 (C/Si比I. I),開始無摻雜層的生長。在使無摻雜層生長O. 05 μ m后，將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘30cm3 (C/Si比I. 5)，進(jìn)而將摻雜氣體即N2流量調(diào)整到每分鐘3cm3(摻雜原子數(shù)密度I X IO1W),使摻雜層生長O. 5 μ m。然后，停止導(dǎo)入N2,再次使無摻雜層生長O. 05 μ m,進(jìn)而將N2流量調(diào)整到每分鐘3cm3,使摻雜層生長O. 5 μ m，以后如此操作，使無摻雜層和摻雜層分別合計(jì)生長20次。如此進(jìn)行了外延生長的膜為表面粗糙或缺陷少的良好的膜，以電流值評(píng)價(jià)的面內(nèi)均勻性的σ /mean 為 3. 5%。(實(shí)施例3)在與實(shí)施例I同樣地進(jìn)行了切片、粗切削、通常研磨的具有4H型的多晶型的3英寸(76mm)的SiC單晶基板的Si面上，實(shí)施外延生長?；宓钠x角度為4°。該基板為η型，電阻率為大約O. 02 Ω · cm。直到生長開始之前的步驟、溫度等與實(shí)施例I相同。本實(shí)施例中的生長的步驟如下所述。將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘IOcm3 (C/Si比O. 5)，開始無摻雜層的生長。在使無摻雜層生長O. Iym后，將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘40cm3(C/Si比2. 0)，進(jìn)而將摻雜氣體即N2流量調(diào)整到每分鐘30cm3(摻雜原子數(shù)密度I X IO1W3),使摻雜層生長O. 2 μ m。然后，停止導(dǎo)入N2,再次使無摻雜層生長O. I μ m，進(jìn)而將N2流量調(diào)整到每分鐘30cm3,使摻雜層生長O. 2 μ m。以后如此操作，使無摻雜層和摻雜層分別合計(jì)生長30次。如此進(jìn)行了外延生長的膜是表面粗糙或缺陷少的良好的膜，以電流值評(píng)價(jià)的面內(nèi)均勻性的σ /mean為4. 7%。
(實(shí)施例4)在與實(shí)施例I同樣地進(jìn)行了切片、粗切削、通常研磨的具有4H型的多晶型的3英寸(76mm)的SiC單晶基板的Si面上，實(shí)施外延生長?；宓钠x角度為4°。該基板為η型，電阻率為大約O. 02 Ω · cm。直到生長開始之前的步驟、溫度等與實(shí)施例I相同。本實(shí)施例中的生長的步驟如下所述。將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘IOcm3 (C/Si比O. 5)，開始無摻雜層的生長。在使無摻雜層生長O. 05 μ m后，將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘40cm3(C/Si比2. 0)，進(jìn)而將摻雜氣體即N2流量調(diào)整到每分鐘300cm3(摻雜原子數(shù)密度I X IO1W),使摻雜層生長O. 5 μ m。然后，停止導(dǎo)入N2,再次使無摻雜層生長O. 05 μ m,進(jìn)而將N2流量調(diào)整到每分鐘 300cm3,使摻雜層生長O. 5 μ m。以下通過如此操作，使無摻雜層和摻雜層分別合計(jì)生長20次。如此進(jìn)行了外延生長的膜是表面粗糙或缺陷少的良好的膜，以電流值評(píng)價(jià)的面內(nèi)均勻性的σ /mean為4. 0%。(實(shí)施例5)在與實(shí)施例I同樣地進(jìn)行了切片、粗切削、通常研磨的具有4H型的多晶型的3英寸(76mm)的SiC單晶基板的Si面上，實(shí)施外延生長。基板的偏離角度為1°。該基板為η型，電阻率為大約O. 02 Ω · cm。直到生長開始之前的步驟、溫度等與實(shí)施例I相同。本實(shí)施例中的生長的步驟如下所述。將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘IOcm3 (C/Si比O. 5)，開始無摻雜層的生長。在使無摻雜層生長O. Iym后，將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘30cm3(C/Si比I. 5)，進(jìn)而將摻雜氣體即N2流量調(diào)整到每分鐘30cm3(摻雜原子數(shù)密度I X 1016cm_3)，使摻雜層生長O. 2μπι。然后，停止導(dǎo)入N2，再次使無摻雜層生長O. I μ m，進(jìn)而將N2流量調(diào)整到每分鐘30cm3,使摻雜層生長O. 2 μ m。以后如此操作，將無摻雜層和摻雜層分別合計(jì)生長30次。如此進(jìn)行了外延生長的膜是表面粗糙或缺陷少的良好的膜，以電流值評(píng)價(jià)的面內(nèi)均勻性的σ /mean為4. 8%。(實(shí)施例6)在與實(shí)施例I同樣地進(jìn)行了切片、粗切削、通常研磨的具有4H型的多晶型的3英寸(76mm)的SiC單晶基板的Si面上，實(shí)施外延生長。基板的偏離角度為6°。該基板為η型，電阻率為大約O. 02 Ω · cm。直到生長開始之前的步驟、溫度等與實(shí)施例I相同。本實(shí)施例中的生長的步驟如下所述。將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘22cm3 (C/Si比I. I),開始無摻雜層的生長。在使無摻雜層生長O. Iym后，將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘30cm3(C/Si比I. 5)，進(jìn)而將摻雜氣體即N2流量調(diào)整到每分鐘30cm3(摻雜原子數(shù)密度I X IO1W3),使摻雜層生長O. 2 μ m。
然后，停止導(dǎo)入N2,再次使無摻雜層生長O. I μ m，進(jìn)而將N2流量調(diào)整到每分鐘30cm3,使摻雜層生長O. 2 μ m。以后如此操作，將無摻雜層和摻雜層分別合計(jì)生長30次。如此進(jìn)行了外延生長的膜是表面粗糙或缺陷少的良好的膜，以電流值評(píng)價(jià)的面內(nèi)均勻性的σ /mean為4. 2%。(比較例I)作為比較例，在與實(shí)施例I同樣地進(jìn)行了切片、粗切削、通常研磨的具有4H型的多晶型的3英寸(76mm)的SiC單晶基板的Si面，實(shí)施外延生長?；宓钠x角度為4°。直到生長開始之前的步驟、溫度等與實(shí)施例I相同，但關(guān)于生長，將SiH4流量調(diào)整到每分鐘40cm3，將C2H4流量調(diào)整到每分鐘22cm3 (C/Si比I. I)，進(jìn)而將摻雜氣體即N2流量調(diào)整到Icm3 (摻雜原子數(shù)密度I X IO1W3),使摻雜層生長10 μ m。
如此進(jìn)行了外延生長的膜為表面粗糙或缺陷少的良好的膜，但用電流值評(píng)價(jià)的面內(nèi)均勻性的σ /mean為15%。產(chǎn)業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明，在SiC單晶基板上的外延生長中，可制作具有摻雜密度的面內(nèi)均勻性優(yōu)良的高品質(zhì)外延膜的外延SiC單晶基板。因此，如果在如此的基板上形成電子器件，則能夠期待器件的特性及成品率的提高。在本實(shí)施例中，采用SiH4及C2H4作為材料氣體，但在采用三氯硅烷作為Si源、采用C3H8等作為C源時(shí)也同樣。
權(quán)利要求
1.一種外延碳化硅單晶基板，其特征在于，其是在偏離角度為1° 6°的碳化硅單晶基板上具有通過化學(xué)氣相沉積法形成的碳化硅外延膜的外延碳化硅單晶基板， 其中，該外延膜通過將一邊添加雜質(zhì)元素一邊形成的厚度為O. 5 μ m以下的摻雜層和不添加雜質(zhì)元素而形成的厚度為O. I μ m以下的無摻雜層交替層疊，分別具有2層以上的摻雜層及無慘雜層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的外延碳化硅單晶基板，其特征在于，所述摻雜層通過將外延膜的材料氣體中所含的碳和硅的原子數(shù)比C/Si規(guī)定為I. 5^2. O而形成，而且，所述無摻雜層通過將外延膜的材料氣體中所含的碳和硅的原子數(shù)比C/Si規(guī)定為O. 5以上且低于I. 5而形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的外延碳化硅單晶基板，其特征在于，所述摻雜層的厚度大于所述無摻雜層的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的外延碳化硅單晶基板，其特征在于，所述摻雜層的摻雜原子數(shù)密度為lX1015cm_3以上。
5.一種外延碳化硅單晶基板的制造方法，其特征在于，其是通過在偏離角度為1° 6°的碳化硅單晶基板上通過化學(xué)氣相沉積法形成碳化硅外延膜，從而制造外延碳化硅單晶基板的方法， 其中，通過使一邊添加雜質(zhì)元素一邊形成的厚度為O. 5μπι以下的摻雜層和不添加雜質(zhì)元素而形成的厚度為O. I μ m以下的無摻雜層交替生長，且按照分別具有2層以上的摻雜層及無摻雜層的方式形成碳化硅外延膜， 所述摻雜層通過將外延膜的材料氣體中所含的碳和硅的原子數(shù)比C/Si規(guī)定為I.5 2. O而形成， 所述無摻雜層通過將外延膜的材料氣體中所含的碳和硅的原子數(shù)比C/Si規(guī)定為O. 5以上且低于I. 5而形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在偏離角度為1°~6°的碳化硅單晶基板上具有摻雜密度的面內(nèi)均勻性優(yōu)良的碳化硅外延膜的外延碳化硅單晶基板。外延膜通過使0.5μm以下的摻雜層和0.1μm以下的無摻雜層重復(fù)而生長。通過將材料氣體中的碳原子數(shù)相對(duì)于硅原子數(shù)的比(C/Si比)規(guī)定為1.5~2.0而形成摻雜層，通過將C/Si比規(guī)定為0.5以上且低于1.5而形成無摻雜層。由此提供一種在偏離角度小的碳化硅單晶基板上具有高品質(zhì)且摻雜密度的面內(nèi)均勻性優(yōu)良的碳化硅外延膜的外延碳化硅單晶基板。
文檔編號(hào)C23C16/42GK102844474SQ20118001841
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者藍(lán)鄉(xiāng)崇, 柘植弘志, 星野泰三, 藤本辰雄, 勝野正和, 中林正史, 矢代弘克 申請(qǐng)人:新日本制鐵株式會(huì)社