本公開(kāi)涉及碳化硅外延基板。

背景技術(shù)：

日本特開(kāi)2014-17439號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)1)公開(kāi)了可以用于碳化硅的外延生長(zhǎng)的CVD(化學(xué)氣相沉積)裝置。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)2014-17439號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)的碳化硅外延基板包含：碳化硅單晶基板；和在所述碳化硅單晶基板上的外延層。所述碳化硅單晶基板具有100mm以上的直徑。所述外延層具有10μm以上的厚度。所述外延層具有1×10¹⁴cm^-3以上且1×10¹⁶cm^-3以下的載流子濃度。所述外延層的面內(nèi)的載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)所述面內(nèi)的載流子濃度的平均值的比率為10％以下。所述外延層具有主表面。所述主表面在三維表面粗糙度測(cè)量中具有0.3nm以下的算術(shù)平均粗糙度Sa。在所述主表面中，源于貫通螺旋位錯(cuò)的凹坑的面密度為1000個(gè)cm^-2以下。所述凹坑各自具有自所述主表面起算8nm以上的最大深度。

附圖說(shuō)明

圖1為顯示載流子濃度的測(cè)量點(diǎn)的示意圖。

圖2為顯示本公開(kāi)中的碳化硅外延基板的構(gòu)造的示意剖視圖。

圖3為顯示凹坑的平面形狀的第一例的概略示意圖。

圖4為顯示凹坑的平面形狀的第二例的概略示意圖。

圖5為顯示凹坑的平面形狀的第三例的概略示意圖。

圖6為示意性顯示本公開(kāi)中的碳化硅外延基板的制造方法的流程圖。

圖7為CVD設(shè)備的示意側(cè)面透視圖。

圖8為沿圖7的VIII-VIII線的示意剖視圖。

圖9為顯示基座周圍的構(gòu)造的示意平面圖。

圖10為顯示外延層的直徑方向上的氮濃度分布的第一例的圖。

圖11為顯示基座周圍的構(gòu)造的示意剖視圖。

圖12為顯示外延層的直徑方向上的氮濃度分布的第二例的圖。

具體實(shí)施方式

[本公開(kāi)的實(shí)施方式的說(shuō)明]

[第一實(shí)施方式]

首先，列出并說(shuō)明本公開(kāi)的第一實(shí)施方式。

[1]本公開(kāi)的碳化硅外延基板包含：碳化硅單晶基板；和在所述碳化硅單晶基板上的外延層。所述碳化硅單晶基板具有100mm以上的直徑。所述外延層具有10μm以上的厚度。所述外延層具有1×10¹⁴cm^-3以上且1×10¹⁶cm^-3以下的載流子濃度。所述外延層的面內(nèi)的載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)所述面內(nèi)的載流子濃度的平均值的比率為10％以下。所述外延層具有主表面。所述主表面在三維表面粗糙度測(cè)量中具有0.3nm以下的算術(shù)平均粗糙度Sa。在所述主表面中，源于貫通螺旋位錯(cuò)的凹坑的面密度為1000個(gè)cm^-2以下。所述凹坑各自具有自所述主表面起算8nm以上的最大深度。

本公開(kāi)的碳化硅外延基板為同時(shí)具有外延層中的載流子濃度的面內(nèi)均勻性和外延層的表面性質(zhì)的基板。換句話說(shuō)，在本公開(kāi)的外延基板中，載流子濃度的面內(nèi)均勻性高，外延層的表面粗糙度小，并且外延層的表面中的深凹坑的量減少。

在[1]中，面內(nèi)的載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)對(duì)面內(nèi)的載流子濃度的平均值(ave)的比率(σ/ave)表示載流子濃度的面內(nèi)均勻性。該比率越低，可以評(píng)價(jià)為載流子濃度的面內(nèi)均勻性越高。載流子濃度表示通過(guò)汞探針型C-V測(cè)量裝置測(cè)量的有效載流子濃度。假設(shè)探針的面積為0.01cm²。假設(shè)載流子濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差是基于面內(nèi)的9個(gè)點(diǎn)處的測(cè)量結(jié)果來(lái)確定的。所述9個(gè)點(diǎn)在面內(nèi)以十字狀進(jìn)行設(shè)定。

圖1為顯示載流子濃度的測(cè)量位置的示意圖。如圖1所示，在碳化硅外延基板100中，十字交叉點(diǎn)是碳化硅外延基板100的中心附近的測(cè)量點(diǎn)5中的一個(gè)。測(cè)量點(diǎn)5以基本上相等的間隔設(shè)置。

在上述[1]中，算術(shù)平均粗糙度Sa為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO25178中定義的三維表面性質(zhì)參數(shù)。算術(shù)平均粗糙度Sa為通過(guò)將算術(shù)平均粗糙度Ra擴(kuò)展到平面而獲得的粗糙度。例如，可以使用白光干涉顯微鏡等來(lái)測(cè)量算術(shù)平均粗糙度Sa。在測(cè)量時(shí)，假設(shè)要測(cè)量的面積為255μm見(jiàn)方。

在上述[1]中，各個(gè)凹坑為以溝槽狀在外延層的表面中形成的微小缺陷。據(jù)認(rèn)為凹坑源于外延層中的貫通螺旋位錯(cuò)、貫通刃型位錯(cuò)和貫通混合位錯(cuò)。在本說(shuō)明書(shū)中，包含螺型位錯(cuò)分量的貫通混合位錯(cuò)也被認(rèn)為是貫通螺旋位錯(cuò)。

源于貫通螺旋位錯(cuò)的凹坑容易變深。這大概是因?yàn)槲诲e(cuò)周圍的應(yīng)變相對(duì)大。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了如下制造方法：通過(guò)該方法，源于貫通螺旋位錯(cuò)的凹坑的深度可以是淺的。具體地，根據(jù)本公開(kāi)的制造方法，可以將源于貫通螺旋位錯(cuò)且具有自外延層的主表面起算8nm以上的最大深度的凹坑的面密度抑制為1000個(gè)cm^-2。此外，根據(jù)本公開(kāi)的制造方法，在外延層的表面中的算術(shù)平均粗糙度Sa也可以為0.3nm以下。后面將對(duì)本公開(kāi)的制造方法的詳情進(jìn)行說(shuō)明。

通過(guò)蝕坑法或X射線形貌法確認(rèn)凹坑是否源于貫通螺旋位錯(cuò)。當(dāng)外延層形成在碳化硅單晶基板的(0001)面?zhèn)葧r(shí)，使用蝕坑法。在蝕坑法的情況下，例如可以如下確定源于貫通螺旋位錯(cuò)的凹坑。需要說(shuō)明的是，在此的蝕刻條件僅僅是示例性的，并且可以根據(jù)例如外延層的厚度、摻雜濃度等而改變。以下條件假設(shè)的是外延層的厚度為約10μm至約50μm的情況。

在蝕刻中，使用熔融氫氧化鉀(KOH)。熔融KOH的溫度設(shè)定為約500℃至約550℃。蝕刻時(shí)間設(shè)定為約5分鐘至約10分鐘。蝕刻后，使用Nomarski微分干涉顯微鏡觀察外延層的表面。源于貫通螺旋位錯(cuò)的凹坑形成比源于貫通刃型位錯(cuò)的凹坑所形成的蝕坑大的蝕坑。例如，源于貫通螺旋位錯(cuò)的蝕坑具有六邊形平面形狀，并且六邊形的對(duì)角線長(zhǎng)度通常為約30μm至約50μm。例如，源于貫通刃型位錯(cuò)的蝕坑具有六邊形平面形狀并且比源于貫通螺旋位錯(cuò)的蝕坑小。在源于貫通刃型位錯(cuò)的蝕坑中，六邊形的對(duì)角線長(zhǎng)度通常為約15μm至約20μm。

當(dāng)外延層形成在碳化硅單晶基板的(000-1)面?zhèn)葧r(shí)，使用X射線形貌法。當(dāng)外延層的厚度為約10μm至約50μm時(shí)，衍射矢量g可以設(shè)定為g＝11-28，并且穿透長(zhǎng)度可以設(shè)定為約20μm。在比貫通刃型位錯(cuò)的對(duì)比度強(qiáng)的對(duì)比度下觀察貫通螺旋位錯(cuò)。

使用AFM(原子力顯微鏡)測(cè)量凹坑自主表面起算的最大深度。在此使用的AFM可以例如為由Veeco提供的“Dimension 300”等。對(duì)于AFM的懸臂，由Bruker提供的“NCHV-10V”等是合適的。在測(cè)量時(shí)，AFM的各條件設(shè)定如下。測(cè)量模式設(shè)定為輕敲模式。輕敲模式中的測(cè)量區(qū)域設(shè)定為5μm見(jiàn)方。對(duì)于在輕敲模式中的采樣，將測(cè)量區(qū)域中的掃描速度設(shè)定為每周期5秒，將掃描行數(shù)(走査ライン數(shù))設(shè)定為512，并且對(duì)于一個(gè)掃描行設(shè)定512個(gè)測(cè)量點(diǎn)。此外，懸臂的受控位移設(shè)定為15.50nm。

使用上述AFM測(cè)量和包含共焦微分干涉顯微鏡的缺陷檢查裝置兩者，測(cè)量各自具有自主表面起算8nm以上的最大深度的凹坑的面密度。作為包含共焦微分干涉顯微鏡的缺陷檢查裝置，可以使用由Lasertec提供的WASAVI系列“SICA 6X”等。物鏡的放大倍率設(shè)定為10倍。

通過(guò)將AFM測(cè)量中的深度數(shù)據(jù)與共焦顯微鏡測(cè)量中的凹坑圖像相結(jié)合，定義具有8nm以上的最大深度的凹坑的形狀。通過(guò)分析外延層的整個(gè)表面，檢測(cè)出滿足定義的凹坑。通過(guò)將檢測(cè)出的凹坑的數(shù)目除以外延層的表面的面積，可以計(jì)算出凹坑的面密度。假設(shè)該測(cè)量中的整個(gè)表面通常不包括不用于半導(dǎo)體裝置的區(qū)域。不用于半導(dǎo)體裝置的區(qū)域例如為自基板的邊緣起算3mm的區(qū)域。

[2]凹坑的面密度可以為100個(gè)cm^-2以下。

[3]凹坑的面密度可以為10個(gè)cm^-2以下。

[4]凹坑的面密度可以為1個(gè)cm^-2以下。

[5]碳化硅單晶基板可以具有150mm以上的直徑。

[6]碳化硅單晶基板可以具有200mm以上的直徑。

[7]外延層的面內(nèi)的載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)所述面內(nèi)的載流子濃度的平均值的比率可以為5％以下。

[8]凹坑各自可以具有自主表面起算20nm以上的最大深度。

[9]凹坑各自可以具有包含第一寬度和第二寬度的平面形狀，所述第一寬度在第一方向上延伸，所述第二寬度在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸。在這種情況下，第一寬度為第二寬度的兩倍以上。

[10]本公開(kāi)的碳化硅外延基板可以為如下構(gòu)造。

也就是說(shuō)，碳化硅外延基板包含：碳化硅單晶基板；和在所述碳化硅單晶基板上的外延層。所述碳化硅單晶基板具有100mm以上的直徑。所述外延層具有10μm以上的厚度。所述外延層具有1×10¹⁴cm^-3以上且1×10¹⁶cm^-3以下的載流子濃度。所述外延層的面內(nèi)的載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)所述面內(nèi)的載流子濃度的平均值的比率為10％以下。所述外延層具有主表面。所述主表面在三維表面粗糙度測(cè)量中具有0.3nm以下的算術(shù)平均粗糙度Sa。在主表面中，源于貫通螺旋位錯(cuò)的凹坑的面密度為1000個(gè)cm^-2以下。凹坑各自具有包含第一寬度和第二寬度的平面形狀，所述第一寬度在第一方向上延伸，所述第二寬度在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸。第一寬度為第二寬度的兩倍以上。凹坑各自具有自主表面起算20nm以上的最大深度。

[第一實(shí)施方式的詳情]

下文中，將對(duì)本公開(kāi)的實(shí)施方式的詳情進(jìn)行說(shuō)明。然而，本公開(kāi)的實(shí)施方式不限于下面的說(shuō)明。在下面的說(shuō)明中，相同或相應(yīng)的要素被給予相同的附圖標(biāo)記，并且不再重復(fù)說(shuō)明。關(guān)于晶體學(xué)表示，個(gè)別取向由[]表示，集合取向由<>表示，并且個(gè)別平面由()表示，集合平面由{}表示。通常，通過(guò)在數(shù)字上方加上“-”(棒)來(lái)表示具有負(fù)結(jié)晶學(xué)指數(shù)的平面。然而，在本說(shuō)明書(shū)中，為了便于說(shuō)明，通過(guò)在數(shù)字之前加上負(fù)號(hào)來(lái)表示負(fù)結(jié)晶學(xué)指數(shù)。

[碳化硅外延基板]

圖2為顯示本公開(kāi)中的碳化硅外延基板的示例性構(gòu)造的示意剖視圖。如圖2中所示，碳化硅外延基板100包含碳化硅單晶基板10，和在碳化硅單晶基板10上的外延層20。

[碳化硅單晶基板]

碳化硅單晶基板由碳化硅單晶構(gòu)成。碳化硅單晶可以具有例如4H-SiC的多型體。4H-SiC在電子遷移率、介電強(qiáng)度等方面傾向于比其它多型體優(yōu)異。例如，碳化硅單晶基板可以具有n型導(dǎo)電性。

碳化硅單晶基板具有100mm以上的直徑。所述直徑可以為150mm以上、200mm以上或250mm以上。直徑的上限沒(méi)有特別限制。例如，直徑的上限可以為300mm。碳化硅單晶基板可以具有例如約10μm至約5mm的厚度。碳化硅單晶基板的厚度優(yōu)選為250μm以上且650μm以下。

碳化硅單晶基板包含第一主表面11和第一主表面11相反側(cè)的第二主表面12。第一主表面11與外延層20接觸。第一主表面可以對(duì)應(yīng)于(0001)面或(000-1)面?；蛘?，第一主表面可以對(duì)應(yīng)于相對(duì)于(0001)面或(000-1)面傾斜1°以上且8°以下的面。第一主表面傾斜的方向可以例如為<11-20>方向。第一主表面相對(duì)于預(yù)定晶面傾斜的角度也稱為“偏角”。偏角可以為2°以上或3°以上。偏角可以為7°以下、6°以下或5°以下。

[外延層]

外延層20為在第一主表面11上形成的同質(zhì)外延層。外延層20在第一主表面11上。外延層20具有在其與碳化硅單晶基板10的界面的相反側(cè)的主表面21。

外延層具有10μm以上的厚度。外延層的厚度可以為15μm以上、30μm以上或50μm以上。外延層的厚度的上限沒(méi)有特別限制。外延層的厚度的上限可以例如為200μm、150μm或100μm。

[載流子濃度的面內(nèi)均勻性]

外延層含有氮作為摻雜劑。在外延層中，載流子濃度的平均值為1×10¹⁴cm^-3以上且1×10¹⁶cm^-3以下。載流子濃度的平均值可以為5×10¹⁴cm^-3以上或1×10¹⁵cm^-3以上。此外，載流子濃度的平均值可以為8×10¹⁵cm^-3以下或5×10¹⁵cm^-3以下。

在外延層中，載流子濃度的面內(nèi)均勻性(σ/ave)為10％以下。面內(nèi)均勻性的值越小越好，并且面內(nèi)均勻性理想地為零。面內(nèi)均勻性可以為5％以下、3％以下或1％以下。

[算術(shù)表面粗糙度Sa]

主表面在三維表面粗糙度測(cè)量中具有0.3nm以下的算術(shù)平均粗糙度Sa。算術(shù)平均粗糙度Sa越小，預(yù)期越可以提高半導(dǎo)體裝置的可靠性。算術(shù)平均粗糙度Sa可以為0.2nm以下或0.15nm以下。

[凹坑]

在外延層的主表面21中，存在各自具有小于8nm的最大深度的“淺凹坑1”，和各自具有8nm以上的最大深度的“深凹坑2”。這些凹坑可能源于外延層中的貫通螺旋位錯(cuò)(TSD)、貫通刃型位錯(cuò)(TED)等。

在本公開(kāi)的外延層的主表面中，源于貫通螺旋位錯(cuò)且各自具有8nm以上的最大深度的凹坑的面密度為1000個(gè)cm^-2以下。凹坑的面密度越小越好。凹坑的面密度可以為100個(gè)cm^-2以下、10個(gè)cm^-2以下或1個(gè)cm^-2以下。外延層的主表面可以包含源于貫通刃型位錯(cuò)且各自具有小于8nm的最大深度的凹坑。

在外延層的表面中，源于貫通螺旋位錯(cuò)且各自具有20nm以上的最大深度的凹坑的面密度可以為1000個(gè)cm^-2以下?？梢曰谏鲜鋈毕輽z查裝置中的形狀定義來(lái)檢測(cè)各自具有20nm以上的最大深度的凹坑。源于貫通螺旋位錯(cuò)且各自具有20nm以上的最大深度的凹坑的面密度可以為100個(gè)cm^-2以下、10個(gè)cm^-2以下或1個(gè)cm^-2以下。

圖3至圖5為各自顯示凹坑的示例性平面形狀的示意圖。本公開(kāi)的凹坑的平面形狀可以為圓形，例如圖3中所示的圓形凹坑30；三角形，例如圖4中所示的三角形凹坑40；或棒狀，例如圖5中所示的棒狀凹坑50。

棒狀凹坑50可以包含：在第一方向上延伸的第一寬度51；和在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸的第二寬度52。在圖5中，第一方向表示X軸方向并且第二方向表示Y軸方向。在這種情況下，第一寬度51為第二寬度52的兩倍以上。第一寬度51可以為第二寬度52的5倍以上。第一寬度可以例如為5μm以上或25μm以上。第一寬度可以例如為50μm以下或35μm以下。第二寬度可以例如為1μm以上或2μm以上。第二寬度可以例如為5μm以下或4μm以下。第一方向可以例如為<11-20>方向或<01-10>方向。根據(jù)本公開(kāi)中的制造方法，預(yù)期也可以減少這樣的棒狀凹坑。

[碳化硅外延基板的制造方法]

本公開(kāi)的碳化硅外延基板可以使用以下制造方法來(lái)制造?？梢灶A(yù)期，所述制造方法提供了獲得源于貫通螺旋位錯(cuò)的凹坑的淺深度的效果。此外，與后述第二實(shí)施方式等中所示的CVD設(shè)備的構(gòu)造相結(jié)合，可以提高載流子濃度的面內(nèi)均勻性。

圖6為示意性顯示本公開(kāi)中的碳化硅外延基板的制造方法的流程圖。如圖6中所示，本公開(kāi)的制造方法包括：準(zhǔn)備碳化硅單晶基板的步驟(S01)；在碳化硅單晶基板上形成第一層的步驟(S02)；重構(gòu)第一層的表面的步驟(S03)；和形成第二層的步驟(S04)。

1.準(zhǔn)備碳化硅單晶基板的步驟(S01)

在該步驟(S01)中，將使用例如升華-再結(jié)晶法生長(zhǎng)的4H型碳化硅錠(未示出)切割成預(yù)定厚度。因此，準(zhǔn)備碳化硅單晶基板。

2.形成第一層的步驟(S02)

在圖7和圖8中所示的CVD設(shè)備中進(jìn)行后續(xù)步驟。圖7為CVD設(shè)備的示意側(cè)面透視圖。圖8為沿圖7的VIII-VIII線取的示意剖視圖。如圖8中所示，CVD設(shè)備200包含加熱元件220、熱絕緣體205、石英管204和感應(yīng)加熱線圈203。各加熱元件220例如由石墨構(gòu)成。如圖9中所示，加熱元件220具有包含彎曲部207和平坦部208的半圓柱形中空結(jié)構(gòu)。加熱元件220設(shè)置兩個(gè)，并且以使得兩個(gè)加熱元件220各自的平坦部208彼此面對(duì)的方式進(jìn)行配置。由這些平坦部208包圍的空間為溝道202。在溝道202中，配置有可以在其上保持碳化硅單晶基板的基座210。基座是可旋轉(zhuǎn)的。將在第二實(shí)施方式中對(duì)CVD設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

碳化硅單晶基板10以第一主表面11朝上的方式放置在基座210上。在該步驟中，使用C/Si比率小于1的原料氣體在第一主表面11上外延生長(zhǎng)第一層101(參見(jiàn)圖2)。首先，在溝道2中的氣體置換后，在使載氣流動(dòng)的同時(shí)將溝道202中的壓力調(diào)節(jié)至預(yù)定壓力，例如60毫巴至100毫巴(6kPa至10kPa)。載氣可以例如為氫氣(H₂)、氬氣(Ar)、氦氣(He)等。載氣的流量可以例如為約50slm至約200slm。在此所用的流量單位即“slm(標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘)”表示在標(biāo)準(zhǔn)條件(0℃和101.3kPa)下的“L/分鐘”。

接著，向感應(yīng)加熱線圈203供給預(yù)定的交流電，從而對(duì)加熱元件220進(jìn)行感應(yīng)加熱。由此，將溝道202和基座210各自加熱到預(yù)定反應(yīng)溫度。在這種情況下，基座被加熱到例如約1500℃至約1750℃。

接著，供給原料氣體。所述原料氣體包括Si源氣體和C源氣體。Si源氣體的例子包括硅烷(SiH₄)氣體、乙硅烷(Si₂H₆)氣體、二氯硅烷(SiH₂Cl₂)氣體、三氯硅烷(SiHCl₃)氣體、四氯化硅(SiCl₄)氣體等。也就是說(shuō)，Si源氣體可以為選自由硅烷氣體、乙硅烷氣體、二氯硅烷氣體、三氯硅烷氣體和四氯化硅氣體構(gòu)成的組中的至少一種。

C源氣體的例子包括甲烷(CH₄)氣體、乙烷(C₂H₆)氣體、丙烷(C₃H₈)氣體、乙炔(C₂H₂)氣體等。也就是說(shuō)，C源氣體可以為選自由甲烷氣體、乙烷氣體、丙烷氣體和乙炔氣體構(gòu)成的組中的至少一種。

原料氣體可以包含摻雜劑氣體。摻雜劑氣體的例子包括氮?dú)?、氨氣等?/p>

形成第一層的步驟中的原料氣體可以例如為硅烷氣體和丙烷氣體的混合氣體。在形成第一層的步驟中，將原料氣體的C/Si比率調(diào)節(jié)至小于1。例如，C/Si比率只要小于1即可，可以為0.5以上、0.6以上或0.7以上。此外，C/Si比率可以例如為0.95以下、0.9以下或0.8以下。硅烷氣體的流量和丙烷氣體的流量可以在例如約10sccm至約100sccm的范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)期望的C/Si比率。在此所用的流量單位即“sccm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘)”表示在標(biāo)準(zhǔn)條件(0℃和101.3kPa)下的“mL/分鐘”。

形成第一層的步驟中的成膜速率可以例如為約3μm/小時(shí)以上且約30μm/小時(shí)以下。第一層具有例如0.1μm以上且150μm以下的厚度。第一層的厚度可以為0.2μm以上、1μm以上、10μm以上或15μm以上。此外，第一層的厚度可以為100μm以下、75μm以下或50μm以下。

3.重構(gòu)第一層的表面的步驟(S03)

接著，進(jìn)行重構(gòu)第一層的表面的步驟。重構(gòu)表面的步驟可以與形成第一層的步驟連續(xù)進(jìn)行。或者，可以在形成第一層的步驟與重構(gòu)表面的步驟之間設(shè)置預(yù)定的停止時(shí)間。在重構(gòu)表面的步驟中，基座的溫度可以增加約10℃至約30℃。

在重構(gòu)表面的步驟中，使用包含具有小于1的C/Si比率的原料氣體和氫氣的混合氣體。原料氣體的C/Si比率可以低于形成第一層的步驟中的C/Si比率。C/Si比率只要小于1即可，可以為0.5以上、0.6以上或0.7以上。此外，C/Si比率可以例如為0.95以下、0.9以下或0.8以下。

在重構(gòu)表面的步驟中，可以使用與形成第一層的步驟和后述形成第二層的步驟中各自使用的原料氣體不同的原料氣體。以這種方式，預(yù)期可提高抑制深凹坑形成的效果。例如，考慮在形成第一層的步驟和后述形成第二層的步驟中分別使用硅烷氣體和丙烷氣體、而在重構(gòu)表面的步驟中使用二氯硅烷和乙炔等方式。

在重構(gòu)表面的步驟中，與形成第一層的步驟和后述形成第二層的步驟中相比，原料氣體流量對(duì)氫氣流量的比率可以降低。因此，預(yù)期可提高抑制深凹坑形成的效果。

混合氣體中的氫氣流量可以例如為約100slm以上且約150slm以下。氫氣的流量可以例如為約120slm?；旌蠚怏w中的Si源氣體的流量可以例如為1sccm以上且5sccm以下。Si源氣體的流量下限可以為2sccm。Si源氣體的流量上限可以為4sccm。混合氣體中的C源氣體的流量可以例如為0.3sccm以上且1.6sccm以下。C源氣體的流量下限可以為0.5sccm或0.7sccm。C源氣體的流量上限可以為1.4sccm或1.2sccm。

在重構(gòu)表面的步驟中，期望以使得通過(guò)氫氣進(jìn)行的蝕刻與通過(guò)原料氣體進(jìn)行的外延生長(zhǎng)相當(dāng)?shù)姆绞秸{(diào)節(jié)各個(gè)條件。例如，考慮調(diào)節(jié)氫氣的流量和原料氣體的流量以獲得約0±0.5μm/小時(shí)的成膜速率。成膜速率可以調(diào)節(jié)至約0±0.4μm/小時(shí)，可以調(diào)節(jié)至約0±0.3μm/小時(shí)、約0±0.2μm/小時(shí)或約0±0.1μm/小時(shí)。因此，預(yù)期可提高抑制深凹坑形成的效果。

重構(gòu)表面的步驟中的處理時(shí)間例如為約30分鐘以上且約10小時(shí)以下。處理時(shí)間可以為8小時(shí)以下、6小時(shí)以下、4小時(shí)以下或2小時(shí)以下。

4.形成第二層的步驟(S04)

在重構(gòu)第一層的表面后，進(jìn)行在該表面上形成第二層的步驟。使用具有1以上的C/Si比率的原料氣體形成第二層102(參見(jiàn)圖2)。C/Si只要為1以上即可，例如可以為1.05以上、1.1以上、1.2以上、1.3以上或1.4以上。此外，C/Si比率可以為2.0以下、1.8以下或1.6以下。

形成第二層的步驟中的原料氣體與形成第一層的步驟中使用的原料氣體可以相同或不同。原料氣體可以例如為硅烷氣體和丙烷氣體。硅烷氣體的流量和丙烷氣體的流量可以在例如約10sccm至約100sccm的范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)期望的C/Si比率。載氣流量可以例如為約50slm至約200slm。

形成第二層的步驟中的成膜速率可以例如為約5μm/小時(shí)以上且約100μm/小時(shí)以下。第二層具有例如1μm以上且150μm以下的厚度。此外，第二層的厚度可以為5μm以上、10μm以上或15μm以上。此外，第二層的厚度可以為100μm以下、75μm以下或50μm以下。

第二層102的厚度與第一層101的厚度可以相同或不同。第二層102可以比第一層101薄。例如，第二層102的厚度對(duì)第一層101的厚度的比率可以為約0.01以上且約0.9以下。在此，厚度的比率表示通過(guò)將第二層的厚度除以已經(jīng)通過(guò)重構(gòu)表面的步驟的第一層的厚度而獲得的值。厚度的比率可以為0.8以下、0.7以下、0.6以下、0.5以下、0.4以下、0.3以下、0.2以下或0.1以下。因此，預(yù)期可提高抑制深凹坑形成的效果。

以這種方式，如圖2中所示，形成包含第一層101和第二層102的外延層20。在外延層20中，第一層和第二層可以以不能彼此區(qū)分的方式完全合并。在外延層20中，源于貫通螺旋位錯(cuò)的深凹坑的產(chǎn)生得到抑制，由此導(dǎo)致低的算術(shù)平均粗糙度Sa。

[第二實(shí)施方式]

[第二實(shí)施方式的概述]

列出并說(shuō)明本公開(kāi)的第二實(shí)施方式的概述。

[1]碳化硅外延基板包含：碳化硅單晶基板；和外延層，其形成在所述碳化硅單晶基板上并具有主表面。在所述主表面中，形成各自具有自主表面起算8nm以上的最大深度的凹坑，并且主表面中的凹坑的面密度為8個(gè)cm^-2以下。所述外延層的面內(nèi)的氮濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)所述面內(nèi)的氮濃度的平均值的比率為8％以下。

在碳化硅外延基板中，作為氮濃度(載流子濃度)的面內(nèi)均勻性的指標(biāo)，使用外延層的面內(nèi)的氮濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)對(duì)面內(nèi)的氮濃度的平均值(ave)的比率，即使用通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)除以平均值(ave)而獲得的值(σ/ave)的百分比。可以說(shuō)，“σ/ave”的值越小，氮濃度的面內(nèi)均勻性越高。根據(jù)本發(fā)明人的研究，當(dāng)“σ/ave”的百分比為8％以下時(shí)，可以充分降低半導(dǎo)體裝置的性能變化。

具有這樣的高氮濃度的面內(nèi)均勻性的外延層可以例如以如下方式形成：當(dāng)通過(guò)CVD生長(zhǎng)外延層時(shí)，將原料氣體中的碳(C)原子數(shù)對(duì)硅(Si)原子數(shù)的比率(下文稱為“C/Si比率”)調(diào)節(jié)高以減少其中包含的氮的量。然而，在被設(shè)定為高的C/Si比率的情況下生長(zhǎng)的外延層中，凹坑的面密度傾向于增加。根據(jù)本發(fā)明人的研究，在這些凹坑中，各自具有自外延層的主表面起算8nm以上的最大深度的凹坑特別地影響半導(dǎo)體裝置的長(zhǎng)期可靠性。也就是說(shuō)，當(dāng)在外延層上形成氧化物膜時(shí)，深凹坑周圍的氧化物膜的厚度變化。此外，據(jù)認(rèn)為電場(chǎng)很有可能集中在氧化物膜中厚度薄的部分，由此導(dǎo)致氧化物膜的壽命降低。

因此，在上述碳化硅外延基板中，各自具有自主表面起算8nm以上的最大深度的凹坑的面密度被限制為8個(gè)cm^-2以下。因此，可以提高半導(dǎo)體裝置的長(zhǎng)期可靠性。

[2]主表面在三維表面粗糙度測(cè)量中優(yōu)選具有0.5nm以下的算術(shù)平均粗糙度Sa。因此，可以提高半導(dǎo)體裝置的長(zhǎng)期可靠性。

[3]氮濃度可以為2×10¹⁶cm^-3以下。因此，可以提高半導(dǎo)體裝置的擊穿電壓性能。

然而，如果將氮濃度設(shè)定為2×10¹⁶cm^-3以下的低濃度，則背景對(duì)面內(nèi)均勻性的影響可能變大。背景是指源于除有意引入的氮以外的氮的氮。為了降低背景濃度，例如在CVD設(shè)備中，考慮使用具有低氮濃度的構(gòu)件用于碳化硅單晶基板周圍的構(gòu)件。

[4]碳化硅單晶基板優(yōu)選具有100mm以上的直徑。這可能有助于降低半導(dǎo)體裝置的制造成本。例如，當(dāng)外延層生長(zhǎng)時(shí)，考慮使用氨氣(NH₃)作為摻雜劑氣體，提前加熱摻雜劑氣體，并將其供給至CVD設(shè)備的反應(yīng)室。因此，即使在具有100mm以上的大直徑的基板的情況下，也可以將面內(nèi)均勻性控制為8％以下。

[5]碳化硅外延基板包含：碳化硅單晶基板，其具有100mm以上的直徑；和外延層，其形成在所述碳化硅單晶基板上并具有主表面。所述外延層具有5μm以上且50μm以下的厚度。在主表面中，形成各自具有自主表面起算8nm以上的最大深度的凹坑，并且主表面中的凹坑的面密度為8個(gè)cm^-2以下。所述主表面在三維表面粗糙度測(cè)量中具有0.5nm以下的算術(shù)平均粗糙度Sa。所述外延層的面內(nèi)的氮濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)所述面內(nèi)的氮濃度的平均值的比率為8％以下。氮濃度為2×10¹⁶cm^-3以下。

因此，可以提供具有高的氮濃度的面內(nèi)均勻性并能夠提高半導(dǎo)體裝置的長(zhǎng)期可靠性的碳化硅外延基板。

[第二實(shí)施方式的詳情]

[碳化硅外延基板]

下文對(duì)第二實(shí)施方式的碳化硅外延基板的構(gòu)造進(jìn)行說(shuō)明。如圖2中所示，碳化硅外延基板100包含：碳化硅單晶基板10；和形成在碳化硅單晶基板10上的外延層20。

[碳化硅單晶基板]

期望碳化硅單晶基板10中的碳化硅的多型體為4H-SiC，因?yàn)?H-SiC在電子遷移率、介電強(qiáng)度等方面比其它多型體優(yōu)異。碳化硅單晶基板10優(yōu)選具有100mm以上、更優(yōu)選150mm以上的直徑。較大直徑的碳化硅單晶基板10可以更有助于降低半導(dǎo)體裝置的制造成本。

碳化硅單晶基板10具有其上形成有外延層20的第一主表面11。作為生長(zhǎng)表面的第一主表面優(yōu)選對(duì)應(yīng)于相對(duì)于(0001)面或(000-1)面傾斜1°以上且8°以下的面。也就是說(shuō)，碳化硅單晶基板10優(yōu)選具有1°以上且8°以下的偏角。這樣的向碳化硅單晶基板10中引入偏角可誘導(dǎo)所謂的“臺(tái)階流動(dòng)生長(zhǎng)”，即當(dāng)通過(guò)CVD法生長(zhǎng)外延層20時(shí)從生長(zhǎng)表面上顯現(xiàn)的原子臺(tái)階的橫向生長(zhǎng)。以這種方式，單晶可以生長(zhǎng)為具有承接自碳化硅單晶基板10的多型體。也就是說(shuō)，可以抑制在其中混入不同類型的多型體。在此，期望設(shè)置偏角的方向?yàn)?lt;11-20>方向。偏角更優(yōu)選為2°以上且7°以下，特別優(yōu)選為3°以上且6°以下，并且最優(yōu)選為3°以上且5°以下。

[外延層]

外延層20為在作為生長(zhǎng)表面的第一主表面11上外延生長(zhǎng)的碳化硅單晶層。外延層20具有5μm以上且50μm以下的厚度。外延層的厚度下限可以為10μm或15μm。外延層的厚度上限可以為40μm或30μm。外延層20含有氮作為摻雜劑，并且具有n型導(dǎo)電性。

在第二實(shí)施方式中，主表面21中的深凹坑2(各自具有8nm以上的最大深度)的面密度為8個(gè)cm^-2以下。因此，可以提高使用碳化硅外延基板100制造的半導(dǎo)體裝置的長(zhǎng)期可靠性。深凹坑的面密度越低越好，并且面密度理想地為0(零)。深凹坑的面密度更優(yōu)選為5個(gè)cm^-2以下，特別優(yōu)選為1個(gè)cm^-2以下，并且最優(yōu)選為0.5個(gè)cm^-2以下。

主表面在三維表面粗糙度測(cè)量中優(yōu)選具有0.5nm以下的算術(shù)平均粗糙度Sa，以提高半導(dǎo)體裝置的長(zhǎng)期可靠性。算術(shù)平均粗糙度Sa越小越好，并且算術(shù)平均粗糙度Sa理想地為零。算術(shù)平均粗糙度Sa更優(yōu)選為0.3nm以下，并且特別優(yōu)選為0.15nm以下。

外延層中的氮濃度的面內(nèi)均勻性(“σ/ave”的百分比)為8％以下。因此，可以減少使用碳化硅外延基板100制造的半導(dǎo)體裝置的性能變化?！唉?ave”的百分比越小越好，并且該百分比理想地為零?！唉?ave”的百分比更優(yōu)選為6％以下，并且特別優(yōu)選為4％以下。

為了提高半導(dǎo)體裝置的擊穿電壓性能，外延層的氮濃度(載流子濃度)優(yōu)選為2×10¹⁶cm^-3以下。通常，當(dāng)?shù)獫舛冉档偷郊s2×10¹⁶cm^-3以下時(shí)，難以將氮濃度的面內(nèi)均勻性降低到8％以下。然而，在本實(shí)施方式中，通過(guò)如下所述減少氮背景，可以獲得8％以下的面內(nèi)均勻性。氮濃度更優(yōu)選為1.8×10¹⁶cm^-3以下，并且特別優(yōu)選為1.5×10¹⁶cm^-3以下。此外，考慮到半導(dǎo)體裝置的導(dǎo)通電阻，氮濃度優(yōu)選為1×10¹⁵cm^-3以上。

在此，可以通過(guò)在不供給摻雜劑氣體的情況下生長(zhǎng)外延層并通過(guò)用SIMS(二次離子質(zhì)譜法)分析外延層中的氮濃度來(lái)測(cè)量“氮的背景濃度”。

在外延層中，氮的背景濃度優(yōu)選為1×10¹⁵cm^-3以下，因?yàn)榭梢蕴岣叩獫舛鹊拿鎯?nèi)均勻性。氮的背景濃度越低越好，并且背景濃度更優(yōu)選為8×10¹⁴cm^-3以下，并且特別優(yōu)選為5×10¹⁴cm^-3。

[CVD設(shè)備]

將對(duì)CVD設(shè)備的構(gòu)造進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)該構(gòu)造，可以提高載流子濃度的面內(nèi)均勻性。如圖7和圖8中所示，CVD設(shè)備200包含加熱元件220、熱絕緣體205、石英管204和感應(yīng)加熱線圈203。

如圖9中所示，設(shè)置兩個(gè)加熱元件220，并且加熱元件220各自具有包含彎曲部207和平坦部208的半圓柱形中空結(jié)構(gòu)。兩個(gè)平坦部208被配置成彼此相對(duì)。由兩個(gè)平坦部208包圍的空間用作反應(yīng)室(溝道202)。溝道202上設(shè)置有凹部，基板保持架(基座210)設(shè)置于該凹部中?；?10能夠保持碳化硅單晶基板10并且被構(gòu)造為可旋轉(zhuǎn)的。

熱絕緣體205被配置成包圍加熱元件220的外周部。溝道202通過(guò)熱絕緣體205與CVD設(shè)備200的外部熱絕緣。石英管204被配置成包圍熱絕緣體205的外周部。感應(yīng)加熱線圈203沿著石英管204的外周部卷繞。在CVD設(shè)備200中，向感應(yīng)加熱線圈203供給交流電，從而對(duì)加熱元件220進(jìn)行感應(yīng)加熱。以這種方式，可以控制溝道內(nèi)的溫度。

圖9為顯示基座210周圍的構(gòu)造的示意平面圖。圖9中的第二箭頭92表示基座210的旋轉(zhuǎn)方向。此外，第一箭頭91表示原料氣體的供給方向。原料氣體包含摻雜劑氣體。如第一箭頭91所示，原料氣體沿一個(gè)方向流動(dòng)。然而，由于基座210旋轉(zhuǎn)，因此碳化硅單晶基板10在基座210的旋轉(zhuǎn)方向上基本上被均勻地供給原料氣體。因此，在外延層20中，可以提高氮濃度的面內(nèi)均勻性。

[基座和加熱元件的構(gòu)造]

為了降低外延層中的氮的背景濃度，期望基座210和加熱元件220各自由具有低氮濃度的材料構(gòu)成。圖9中的第三箭頭93表示從基座210放出的氮，并且第四箭頭94表示從加熱元件220放出的氮。如第三箭頭93和第四箭頭94所示，當(dāng)基座210和加熱元件220各自含有氮時(shí)，該氮與原料氣體一起被供給到碳化硅單晶基板10和外延層，并且變成氮背景。

圖10為顯示外延層的直徑方向上的氮濃度分布的第一例的圖。在圖10中，虛線301表示源于摻雜劑氣體的氮的分布，而點(diǎn)線302表示源于基座210等放出的氮的氮分布。也就是說(shuō)，點(diǎn)線302表示背景。在這種情況下，實(shí)際的氮分布由通過(guò)加和虛線301和點(diǎn)線302而獲得的實(shí)線303表示。以這種方式，面內(nèi)均勻性由于背景的影響而變低。這樣的傾向在外延層的氮濃度被設(shè)定為低的情況下變得顯著。氮濃度被設(shè)定為低的情況是指例如氮濃度被設(shè)定為2×10¹⁶cm^-3以下的情況。

鑒于此，在本實(shí)施方式中，基座210和加熱元件220各自被構(gòu)造為具有低的氮含量。圖11為顯示基座周圍的構(gòu)造的示意剖視圖。如圖11中所示，基座210包含第一基礎(chǔ)構(gòu)件211和覆蓋第一基礎(chǔ)構(gòu)件211的第一涂層部212。此外，加熱元件220包含第二基礎(chǔ)構(gòu)件221和覆蓋第二基礎(chǔ)構(gòu)件221的第二涂層部222。

第一基礎(chǔ)構(gòu)件211和第二基礎(chǔ)構(gòu)件221各自例如由碳材料構(gòu)成。第一基礎(chǔ)構(gòu)件211和第二基礎(chǔ)構(gòu)件221各自優(yōu)選具有10ppm以下且更優(yōu)選5ppm以下的氮濃度。第一涂層部212和第二涂層部222各自例如由碳化硅(SiC)或碳化鉭(TaC)構(gòu)成。第一涂層部212和第二涂層部222各自的氮濃度優(yōu)選為10ppm以下且更優(yōu)選為5ppm以下。

在圖11中，第五箭頭95表示從第一基礎(chǔ)構(gòu)件211放出的氮，并且第六箭頭96表示從第一涂層部212放出的氮。此外，第七箭頭97表示從第二基礎(chǔ)構(gòu)件221放出的氮，并且第八箭頭98表示從第二涂層部222放出的氮。如上所述，通過(guò)將各構(gòu)件的氮濃度設(shè)定得低，可以充分地減少來(lái)自所述構(gòu)件的氮。因此，外延層中的氮的背景濃度可以為1×10¹⁵cm^-3以下。

圖12為顯示外延層的直徑方向上的氮濃度分布的第二例的圖。在第二例中，各自具有低氮濃度的構(gòu)件用于基座等。如圖12中所示，通過(guò)充分降低表示背景的點(diǎn)線302，表示外延層20中的氮濃度分布的實(shí)線303可以更接近于表示理想分布的虛線301。

[預(yù)熱結(jié)構(gòu)]

如圖7中的第一箭頭91所示，原料氣體經(jīng)由管道256供給到反應(yīng)室(溝道202)。原料氣體包含硅烷(SiH₄)氣體、丙烷(C₃H₈)氣體、氨(NH₃)氣體等。對(duì)于載氣，例如使用氫氣(H₂)。載氣可以包含稀有氣體，例如氬氣。以使得各原料氣體在到達(dá)碳化硅單晶基板10之前熱分解的方式對(duì)溝道202的環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。

期望作為原料氣體中的摻雜劑氣體的氨氣在被供給到溝道202之前通過(guò)對(duì)其進(jìn)行充分加熱而預(yù)先熱分解，以提高外延層中的氮濃度(載流子濃度)的面內(nèi)均勻性。例如，在圖7中所示的預(yù)熱結(jié)構(gòu)257中，可以預(yù)先加熱氨氣。預(yù)熱結(jié)構(gòu)257包含加熱至1300℃以上的室。氨氣在通過(guò)預(yù)熱結(jié)構(gòu)257內(nèi)部時(shí)被充分熱分解，然后被供給到溝道202。利用這樣的構(gòu)造，氨氣可以被熱分解而不會(huì)在氣體的流動(dòng)中產(chǎn)生大的湍流。在此，預(yù)熱結(jié)構(gòu)257中包含的“室”是指用于加熱氣體的空間。例如，預(yù)熱結(jié)構(gòu)257中包含的“室”廣義地涵蓋：從外部進(jìn)行加熱的細(xì)長(zhǎng)管道；內(nèi)部設(shè)置有電加熱線圈的室；和具有設(shè)置有散熱片等的內(nèi)壁面的寬室等。

預(yù)熱結(jié)構(gòu)257的內(nèi)壁面的溫度更優(yōu)選為1350℃以上，以促進(jìn)氨氣的熱分解。此外，考慮到熱效率，預(yù)熱結(jié)構(gòu)257的內(nèi)壁面的溫度優(yōu)選為1600℃以下。預(yù)熱結(jié)構(gòu)257可以與溝道202成一體，且可以與其分開(kāi)。此外，通過(guò)預(yù)熱結(jié)構(gòu)257內(nèi)部供給的氣體可以僅僅是氨氣或者可以包含不同的氣體。例如，全部原料氣體可以通過(guò)預(yù)熱結(jié)構(gòu)257的內(nèi)部進(jìn)行供給。

[第三實(shí)施方式]

[第三實(shí)施方式的概述]

列出并說(shuō)明本公開(kāi)的第三實(shí)施方式。

[1]外延晶片(碳化硅外延基板)包含具有主表面的碳化硅層(外延層)。在外延層的主表面中，形成各自具有自主表面起算8nm以上的最大深度的凹坑。外延層的主表面中的凹坑的面密度為1000個(gè)cm^-2以下。

當(dāng)在碳化硅基板(碳化硅單晶基板)上形成外延層時(shí)，可以在外延層的主表面中形成微小的凹坑。這些凹坑各自為具有約數(shù)納米至約數(shù)十納米的深度的凹陷，并且具有包含{0001}面的側(cè)表面。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，這樣的凹坑是增加作為碳化硅半導(dǎo)體裝置的柵極絕緣膜的氧化物膜的膜厚度變化的原因。

具體地，具有4H型六方晶體結(jié)構(gòu)的碳化硅具有氧化速率的面取向依賴性，使得氧化速率根據(jù)面取向而不同。因此，(000-1)面(C面)的氧化速率最快，并且(0001)面(Si面)的氧化速率最慢。因此，當(dāng)在外延層的主表面上形成用于碳化硅半導(dǎo)體裝置的柵極絕緣膜(氧化物膜)時(shí)，氧化物膜的厚度由于氧化速率的面取向依賴性而變化。特別地，由于包含(0001)面的凹坑的側(cè)表面的氧化速率最慢，因此在凹坑的側(cè)表面附近形成的氧化物膜的厚度局部變薄。因此，在凹坑的側(cè)表面附近，局部地形成電流的泄漏路徑，結(jié)果是氧化物膜的絕緣性能可能劣化。在使用這樣的碳化硅外延基板制造的碳化硅半導(dǎo)體裝置中，由于施加高電場(chǎng)而導(dǎo)致柵極絕緣膜的絕緣性能隨著時(shí)間推移而劣化。當(dāng)柵極絕緣膜的絕緣性能劣化時(shí)，漏電流可能增加，結(jié)果是碳化硅半導(dǎo)體裝置的擊穿電壓隨著時(shí)間推移而劣化。換句話說(shuō)，碳化硅半導(dǎo)體裝置的長(zhǎng)期可靠性受損。

根據(jù)上述說(shuō)明，隨著凹坑的深度變深，氧化物膜的膜厚度的變化變大。特別地，當(dāng)自外延層的主表面起算的最大深度(對(duì)應(yīng)于整個(gè)凹坑的最大深度)變?yōu)?nm以上時(shí)，氧化物膜的膜厚度的變化顯著增加，由此影響碳化硅半導(dǎo)體裝置的長(zhǎng)期可靠性。另一方面，當(dāng)凹坑自主表面起算的最大深度小于8nm時(shí)，氧化物膜的膜厚度的變化幾乎不影響碳化硅半導(dǎo)體裝置的長(zhǎng)期可靠性。因此，通過(guò)降低各自具有自主表面起算8nm以上的最大深度的凹坑的面密度，可以減小氧化物膜的膜厚度的變化，由此提高碳化硅半導(dǎo)體裝置的長(zhǎng)期可靠性。

此外，本發(fā)明人堅(jiān)持不懈地進(jìn)行了將主表面中的凹坑的面密度降低到可降低氧化物膜的厚度的變化對(duì)長(zhǎng)期可靠性的影響的程度的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將主表面中的凹坑的面密度降低到至少1000個(gè)cm^-2以下，可以降低對(duì)碳化硅半導(dǎo)體裝置的長(zhǎng)期可靠性的影響。外延層的主表面中的凹坑的面密度優(yōu)選為1000個(gè)cm^-2以下，更優(yōu)選為100個(gè)cm^-2以下，并且進(jìn)一步優(yōu)選為10個(gè)cm^-2以下。

[2]優(yōu)選地，在[1]中，外延層中的貫通螺旋位錯(cuò)密度低于外延層中的貫通刃型位錯(cuò)密度。

在外延層的主表面中形成的凹坑源于主要在外延層中的貫通位錯(cuò)。具體地，各自具有自主表面起算8nm以上的最大深度的凹坑源于貫通螺旋位錯(cuò)，而各自具有自主表面起算小于8nm的最大深度的凹坑源于貫通刃型位錯(cuò)。因此，為了降低凹坑的面密度，降低外延層中的貫通螺旋位錯(cuò)密度是有效的。另一方面，無(wú)需降低外延層中的貫通刃型位錯(cuò)密度。因此，根據(jù)包含具有低于貫通刃型位錯(cuò)密度的貫通螺旋位錯(cuò)密度的上述外延層的碳化硅外延基板，使深凹坑的面密度降低。因此，可以減小氧化物膜的膜厚度的變化。

[3]優(yōu)選地，在[2]中，外延層中的貫通刃型位錯(cuò)密度為1000個(gè)cm^-2以上。因此，外延層中的貫通螺旋位錯(cuò)的比率小于其中的貫通刃型位錯(cuò)的比率，結(jié)果是深凹坑的面密度降低到1000個(gè)cm^-2以下。由此，可以降低氧化物膜的膜厚度的變化。

可以通過(guò)經(jīng)由選擇性蝕刻形成蝕坑并使用例如光學(xué)顯微鏡觀察所述蝕坑來(lái)測(cè)量貫通螺旋位錯(cuò)密度和貫通刃型位錯(cuò)密度。用于選擇性蝕刻的方法的例子包括在加熱的氫氧化鉀的熔融鹽(熔融KOH)中浸漬等?；蛘?，基于深凹坑和淺凹坑分別源于貫通螺旋位錯(cuò)和貫通刃型位錯(cuò)的這樣的事實(shí)，可以通過(guò)使用缺陷檢查裝置觀察外延層的主表面來(lái)測(cè)量貫通螺旋位錯(cuò)密度和貫通刃型位錯(cuò)密度。

[4]優(yōu)選地，在[1]至[3]中，外延晶片還包含碳化硅單晶基板，其具有第一主表面，在所述第一主表面上形成有外延層。第一主表面對(duì)應(yīng)于相對(duì)于{0001}面具有10°以下的偏角的面。當(dāng)將具有相對(duì)于基面傾斜的第一主表面的這樣的偏基板(オフ基板)用于碳化硅單晶基板時(shí)，基板中的大部分基面位錯(cuò)在外延生長(zhǎng)期間被轉(zhuǎn)換為貫通刃型位錯(cuò)。由此，可以增加外延層中的貫通刃型位錯(cuò)密度。因此，外延層中的貫通螺旋位錯(cuò)密度降低，從而降低深凹坑的面密度。

[第三實(shí)施方式的詳情]

[碳化硅外延基板的構(gòu)造]

如圖2中所示，碳化硅外延基板100主要包含碳化硅單晶基板10和外延層20。碳化硅單晶基板10例如由碳化硅單晶構(gòu)成。碳化硅單晶基板的碳化硅具有六方晶體結(jié)構(gòu)，并且具有例如4H型的多型體。碳化硅單晶基板包含n型雜質(zhì)，例如氮(N)。碳化硅單晶基板具有例如5.0×10¹⁸cm^-3以上且2.0×10¹⁹cm^-3以下的雜質(zhì)濃度。碳化硅單晶基板具有例如100mm以上(4英寸以上)、優(yōu)選150mm以上(6英寸以上)的直徑。

碳化硅單晶基板10具有第一主表面11和第一主表面11相反側(cè)的第二主表面12。第一主表面11和第二主表面12各自可以對(duì)應(yīng)于{0001}面或相對(duì)于{0001}面具有預(yù)定偏角(例如、10°以下的偏角)的面。例如，第一主表面11可以對(duì)應(yīng)于(0001)面(Si面)或相對(duì)于(0001)面(Si面)具有上述偏角的面，并且第二主表面12可以對(duì)應(yīng)于(000-1)面(C面)或相對(duì)于(000-1)面(C面)具有上述偏角的面。

外延層20形成在碳化硅單晶基板10的第一主表面11上。外延層例如由碳化硅單晶構(gòu)成。與碳化硅單晶基板一樣，外延層包含n型雜質(zhì)，例如氮。外延層的雜質(zhì)濃度例如為1.0×10¹⁵cm^-3以上且1.0×10¹⁶cm^-3以下。因此，外延層中的雜質(zhì)濃度優(yōu)選低于碳化硅單晶基板中的雜質(zhì)濃度。需要說(shuō)明的是，可以通過(guò)使用例如二次離子質(zhì)譜法(SIMS)測(cè)量基板的厚度方向上的雜質(zhì)濃度來(lái)確定碳化硅外延基板中的碳化硅單晶基板與外延層之間的邊界。

外延層為通過(guò)氣相外延生長(zhǎng)法例如CVD在碳化硅單晶基板的第一主表面11上形成的外延生長(zhǎng)層。更具體地，通過(guò)使用硅烷(SiH₄)和丙烷(C₃H₈)作為原料氣體并使用氮?dú)?N₂)或氨氣(NH₃)作為摻雜劑氣體的CVD來(lái)形成外延層。外延層包含通過(guò)上述氮?dú)饣虬睔獾臒岱纸舛a(chǎn)生的氮(N)原子，并且因此具有n型導(dǎo)電型。

需要說(shuō)明的是，如上所述當(dāng)?shù)谝恢鞅砻?1相對(duì)于(0001)面傾斜時(shí)，通過(guò)臺(tái)階流動(dòng)生長(zhǎng)形成外延層。因此，與碳化硅單晶基板一樣，外延層由4H型碳化硅構(gòu)成，因此抑制了不同類型的多型體混入其中。外延層具有例如約10μm以上且約50μm以下的厚度。

在外延層20的主表面21上形成有多個(gè)凹坑。所述多個(gè)凹坑包括：各自具有自主表面起算相對(duì)深的深度的凹坑；和各自具有自主表面起算相對(duì)淺的深度的凹坑。

深凹坑各自具有自主表面起算8nm以上的最大深度。該最大深度為整體凹坑的最大深度。另一方面，淺凹坑各自具有自主表面起算小于8nm的最大深度。

在主表面中形成的凹坑各自具有側(cè)表面。所述側(cè)表面相對(duì)于主表面傾斜，結(jié)果是凹坑以錐狀向開(kāi)口擴(kuò)展。凹坑的側(cè)表面包含{0001}面。

在此，在外延層的主表面中形成的凹坑源于主要在外延層中的貫通位錯(cuò)。4H型碳化硅單晶中的代表性位錯(cuò)的例子包括貫通螺旋位錯(cuò)(TSD)、貫通刃型位錯(cuò)(TED)和基面位錯(cuò)(BPD)。這些位錯(cuò)包含在4H型碳化硅單晶基板中，并且傳播并承接到外延層。在傳播期間，這些位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)可以以各種方式轉(zhuǎn)換。

貫通螺旋位錯(cuò)(TSD)在4H型碳化硅單晶中基本上沿c軸方向傳播。如圖2中所示，在外延生長(zhǎng)期間，4H型碳化硅單晶基板中的大部分貫通螺旋位錯(cuò)毫無(wú)變化地承接到外延層中。由于貫通螺旋位錯(cuò)已經(jīng)在外延層中傳播，因此在外延層的主表面中形成相對(duì)深的凹坑。

貫通刃型位錯(cuò)(TED)在4H型碳化硅單晶中基本上沿c軸方向傳播。另一方面，基面位錯(cuò)(BPD)在4H型碳化硅單晶內(nèi)的基面((0001)面)中傳播。由于貫通刃型位錯(cuò)和基面位錯(cuò)具有相等的伯格斯矢量，因此貫通刃型位錯(cuò)與基面位錯(cuò)各自的結(jié)構(gòu)可以在它們之間轉(zhuǎn)換。在使用具有相對(duì)于基面傾斜的第一主表面的偏基板的外延生長(zhǎng)中，基板中的大部分基面位錯(cuò)轉(zhuǎn)換為貫通刃型位錯(cuò)，如圖2中所示。另一方面，基板中的大部分貫通刃型位錯(cuò)在相比于貫通刃型位錯(cuò)無(wú)變化的同時(shí)在外延層中傳播。由于從基面位錯(cuò)轉(zhuǎn)換來(lái)的貫通刃型位錯(cuò)和在外延層中傳播的貫通刃型位錯(cuò)，在外延層的主表面中形成相對(duì)淺的凹坑。

主表面中的深凹坑的面密度優(yōu)選為1000個(gè)cm^-2以下，更優(yōu)選為100個(gè)cm^-2以下，并且進(jìn)一步優(yōu)選為10個(gè)cm^-2以下。如上所述，深凹坑源于主要存在于外延層中的貫通螺旋位錯(cuò)，而淺凹坑源于主要存在于外延層中的貫通刃型位錯(cuò)。因此，為了將主表面中的深凹坑的面密度降低到上述范圍，將外延層中的貫通螺旋位錯(cuò)密度降低到上述范圍是有效的。另一方面，由于外延層中的貫通刃型位錯(cuò)密度無(wú)需降低，因此外延層中的貫通刃型位錯(cuò)密度優(yōu)選高于外延層中的貫通螺旋位錯(cuò)密度。優(yōu)選地，外延層中的貫通刃型位錯(cuò)密度為1000個(gè)cm^-2以上，并且更優(yōu)選為3000個(gè)cm^-2以上。

需要說(shuō)明的是，例如可以通過(guò)對(duì)將碳化硅外延基板在加熱到520℃的熔融KOH中浸漬5分鐘進(jìn)行蝕刻而產(chǎn)生的蝕坑數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量外延層中的貫通螺旋位錯(cuò)密度和貫通刃型位錯(cuò)密度。

[第四實(shí)施方式]

[第四實(shí)施方式的概述]

列出并說(shuō)明本公開(kāi)的第四實(shí)施方式。

[1]碳化硅外延基板包含：具有第一主表面的碳化硅單晶基板；和外延層，其形成在所述碳化硅單晶基板上并具有所述碳化硅單晶基板相反側(cè)的主表面。所述外延層具有10μm以上的厚度。在主表面中，形成各自具有自主表面起算8nm以上的最大深度的凹坑。主表面中的凹坑的面密度為1000個(gè)cm^-2以下。外延層的面內(nèi)的載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)所述面內(nèi)的載流子濃度的平均值的比率為10％以下。

根據(jù)這種碳化硅外延基板，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)深凹坑的抑制和載流子濃度的面內(nèi)均勻性兩者。由此，可以在保持半導(dǎo)體裝置的成品率的同時(shí)提高半導(dǎo)體裝置的可靠性。

各個(gè)半導(dǎo)體裝置的擊穿電壓取決于外延層的載流子濃度。當(dāng)外延層中的載流子濃度的面內(nèi)均勻性變低時(shí)，半導(dǎo)體裝置的擊穿電壓改變，由此影響成品率。因此，當(dāng)生長(zhǎng)外延層時(shí)，需要選擇使載流子濃度的面內(nèi)均勻性變得盡可能高的條件。

還期望提高半導(dǎo)體裝置的可靠性。然而，在本發(fā)明人的研究中，發(fā)現(xiàn)載流子濃度的面內(nèi)均勻性與半導(dǎo)體裝置的可靠性具有權(quán)衡關(guān)系。也就是說(shuō)，當(dāng)外延層在載流子濃度的面內(nèi)均勻性變高的條件下生長(zhǎng)時(shí)，很有可能在外延層的表面中產(chǎn)生各自呈溝槽狀的微小缺陷(凹坑)。當(dāng)在這樣的外延層上形成氧化物膜時(shí)，氧化物膜的膜厚度在深凹坑周圍變化。在氧化物膜中膜厚度薄的部分，電場(chǎng)易于集中。因此，當(dāng)深凹坑增加時(shí)，也認(rèn)為氧化物膜的壽命降低。

在此，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了關(guān)于凹坑的以下新知識(shí)。凹坑的深度取決于外延層的生長(zhǎng)條件。凹坑只形成在外延層的表面中。當(dāng)凹坑自外延層的表面起算的最大深度變?yōu)?nm以上時(shí)，凹坑引起氧化物膜的厚度變化。

可以根據(jù)外延層的面內(nèi)的載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)對(duì)面內(nèi)的載流子濃度的平均值(ave)的比率來(lái)評(píng)價(jià)“載流子濃度的面內(nèi)均勻性”。也就是說(shuō)，當(dāng)通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)除以平均值(ave)獲得的值(σ/ave)的百分比為較低的值時(shí)，可以將載流子濃度的面內(nèi)均勻性評(píng)價(jià)為較高。根據(jù)本發(fā)明人的研究，當(dāng)“σ/ave”的百分比為10％以下時(shí)，可以保持半導(dǎo)體裝置的成品率。

[2]碳化硅單晶基板可以具有100mm以上且200mm以下的直徑。

[3]外延層可以具有200μm以下的厚度。

[4]載流子濃度可以為1×10¹⁴cm^-3以上且1×10¹⁶cm^-3以下。

[5]第一主表面可以對(duì)應(yīng)于(000-1)面或相對(duì)于(000-1)面傾斜1°以上且8°以下的面。

[6]碳化硅外延基板包含：碳化硅單晶基板，其具有第一主表面并具有100mm以上且200mm以下的直徑；和外延層，其形成在所述碳化硅單晶基板上并具有所述碳化硅單晶基板相反側(cè)的主表面。外延層具有10μm以上且200μm以下的厚度。在主表面中，形成各自具有自主表面起算8nm以上的最大深度的凹坑。主表面中的凹坑的面密度為1000個(gè)cm^-2以下。外延層的面內(nèi)的載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)所述面內(nèi)的載流子濃度的平均值的比率為10％以下。

根據(jù)這種碳化硅外延基板，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)深凹坑的抑制和載流子濃度的面內(nèi)均勻性兩者。

[第四實(shí)施方式的詳情]

[碳化硅外延基板]

如圖2中所示，碳化硅外延基板100包含：碳化硅單晶基板10；和形成在碳化硅單晶基板10上的外延層20。

[碳化硅單晶基板]

期望碳化硅單晶基板10的碳化硅具有4H-SiC的多型體，因?yàn)?H-SiC在電子遷移率、介電強(qiáng)度等方面比其它多型體優(yōu)異。碳化硅單晶基板10可以具有100mm以上的直徑。當(dāng)其直徑為100mm以上時(shí)，可以降低半導(dǎo)體裝置的制造成本。從同樣的觀點(diǎn)來(lái)看，碳化硅單晶基板10的直徑可以為150mm以上。碳化硅單晶基板10的直徑可以為200mm以下。當(dāng)其直徑為200mm以下時(shí)，可以提高半導(dǎo)體裝置的成品率。

碳化硅單晶基板10具有第一主表面11。外延層20形成在第一主表面11上。第一主表面11可以對(duì)應(yīng)于(0001)面或相對(duì)于(0001)面傾斜1°以上且8°以下的面。(0001)面也被稱為“硅面”。通過(guò)使外延層在硅面?zhèn)壬L(zhǎng)，可以抑制引入作為背景的雜質(zhì)。

第一主表面11優(yōu)選對(duì)應(yīng)于相對(duì)于(0001)面傾斜1°以上且8°以下的面。也就是說(shuō)，碳化硅單晶基板10優(yōu)選具有1°以上且8°以下的偏角。通過(guò)將偏角引入碳化硅單晶基板10中，在第一主表面11中誘導(dǎo)臺(tái)階流動(dòng)生長(zhǎng)。由此，可以抑制不同的多型體混入其中。期望設(shè)置偏角的方向?yàn)?lt;11-20>方向。偏角的上限更優(yōu)選為7°，特別優(yōu)選為6°并且最優(yōu)選為5°。偏角的下限更優(yōu)選為2°并且特別優(yōu)選為3°。

[外延層]

外延層20為在第一主表面11上外延生長(zhǎng)的碳化硅單晶層。例如，外延層含有氮(N)作為摻雜劑。

外延層具有10μm以上的厚度。當(dāng)外延層的厚度小于10μm時(shí)，可能難以在抑制深凹坑產(chǎn)生的同時(shí)維持載流子濃度的高面內(nèi)均勻性。外延層20的厚度的下限可以為20μm或50μm。外延層的厚度的上限可以為200μm、150μm或100μm。

外延層20具有碳化硅單晶基板10相反側(cè)的主表面21。在主表面上形成有凹坑。凹坑大致分為：各自具有自主表面起算8nm以上的最大深度的深凹坑；和各自具有自主表面起算小于8nm的最大深度的淺凹坑。根據(jù)本發(fā)明人的研究，氧化物膜的壽命主要受這樣的深凹坑的影響。

在第四實(shí)施方式中，主表面中的深凹坑的面密度為1000個(gè)cm^-2以下。由此，可以提高使用碳化硅外延基板100制造的半導(dǎo)體裝置的可靠性。深凹坑的面密度越低越好，并且面密度理想地為0。深凹坑的面密度優(yōu)選為100個(gè)cm^-2以下，更優(yōu)選為10個(gè)cm^-2以下，特別優(yōu)選為1個(gè)cm^-2以下，并且最優(yōu)選為0.1個(gè)cm^-2以下。

外延層中的載流子濃度的面內(nèi)均勻性，即σ/ave的百分比為10％以下。因此，可以維持半導(dǎo)體裝置的成品率?！唉?ave”的百分比越小越好，并且百分比理想地為0?！唉?ave”的百分比更優(yōu)選為8％以下，特別優(yōu)選為6％以下，并且最優(yōu)選為4％以下。

外延層的載流子濃度可以為1×10¹⁴cm^-3以上且1×10¹⁶cm^-3以下。通過(guò)將載流子濃度設(shè)定為1×10¹⁶cm^-3以下，可以實(shí)現(xiàn)具有高擊穿電壓的半導(dǎo)體裝置?？紤]到半導(dǎo)體裝置的導(dǎo)通電阻，載流子濃度可以為1×10¹⁴cm^-3以上。載流子濃度的上限可以為8×10¹⁵cm^-3或5×10¹⁵cm^-3。載流子濃度的下限可以為5×10¹⁴cm^-3或1×10¹⁵cm^-3。

摻雜劑的背景濃度優(yōu)選為1×10¹⁴cm^-3以下。摻雜劑的背景是指除了有意引入外延層中的摻雜劑之外的摻雜劑。例如，從CVD設(shè)備中的構(gòu)件放出并包含在外延層中的氮等是背景?？梢酝ㄟ^(guò)在不供給摻雜劑氣體的情況下使外延層生長(zhǎng)并通過(guò)經(jīng)由SIMS分析外延層中的摻雜劑濃度來(lái)測(cè)量背景濃度。

可以通過(guò)將背景濃度設(shè)定為1×10¹⁴cm^-3以下來(lái)提高載流子濃度的面內(nèi)均勻性。背景濃度越低越好。背景濃度更優(yōu)選為8×10¹³cm^-3以下，并且特別優(yōu)選為5×10¹³cm^-3以下。

[變形例]

接著，將對(duì)第四實(shí)施方式的變形例進(jìn)行說(shuō)明。以下主要對(duì)與上文的不同之處進(jìn)行說(shuō)明，并且不會(huì)重復(fù)地進(jìn)行相同解釋。

在變形例的碳化硅外延基板中，碳化硅單晶基板10的第一主表面11對(duì)應(yīng)于(000-1)面或相對(duì)于(000-1)面傾斜1°以上且8°以下的面。(000-1)面被稱為“碳面”。通常，與在硅面?zhèn)鹊耐庋由L(zhǎng)相比，在碳面?zhèn)鹊耐庋由L(zhǎng)中，更有可能從外部引入作為雜質(zhì)的氮。因此，在碳面?zhèn)壬L(zhǎng)的外延層中，難以維持載流子濃度的高面內(nèi)均勻性。

然而，根據(jù)本實(shí)施方式，在碳面?zhèn)壬L(zhǎng)的外延層中，也可以維持高的載流子濃度的面內(nèi)均勻性。在碳面?zhèn)壬L(zhǎng)的外延層中，預(yù)期可以提高溝道遷移率等。

變形例的碳化硅單晶基板10的直徑可以為100mm以上或200mm以下。外延層20具有主表面21。主表面中的凹坑的面密度為1000個(gè)cm^-2以下。

盡管變形例的外延層20為在碳面?zhèn)壬L(zhǎng)的外延層，但通過(guò)將載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以其平均值獲得的值(σ/ave)的百分比為10％以下。例如，在具有6英寸的直徑的碳化硅外延基板中，當(dāng)在面內(nèi)的25個(gè)點(diǎn)測(cè)量載流子濃度時(shí)，σ/ave的百分比可以降低到3％以下。

在此，如下設(shè)定面內(nèi)的25個(gè)測(cè)量點(diǎn)。首先，假設(shè)碳化硅外延基板的平面形狀為圓形，繪制經(jīng)過(guò)圓的中心點(diǎn)并延伸穿過(guò)主表面的第一直線。接著，繪制經(jīng)過(guò)圓的中心點(diǎn)、與第一直線正交并且延伸穿過(guò)主表面的第二直線。在第一直線上，從圓的中心點(diǎn)到線的一端以10mm的間隔設(shè)定六個(gè)測(cè)量點(diǎn)。同樣，從圓的中心點(diǎn)到線的另一端以10mm的間隔設(shè)定六個(gè)測(cè)量點(diǎn)。因此，在第一直線上設(shè)定總共12個(gè)測(cè)量點(diǎn)。以相同的方式，在第二直線上設(shè)定總共12個(gè)測(cè)量點(diǎn)。以這種方式，在面內(nèi)設(shè)定包括圓的中心點(diǎn)和24個(gè)測(cè)量點(diǎn)的25個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

本文公開(kāi)的實(shí)施方式在任何方面都是說(shuō)明性而非限制性的。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求限定，而不是由上述實(shí)施方式限定，并且旨在包括與權(quán)利要求等價(jià)的范圍和含義內(nèi)的任何修改。

標(biāo)號(hào)說(shuō)明

1：淺凹坑；2：深凹坑；5：測(cè)量點(diǎn)；10：碳化硅單晶基板；11：第一主表面；12：第二主表面；20：外延層；21：主表面；30：圓形凹坑；40：三角形凹坑；50：棒狀凹坑；51：第一寬度；52：第二寬度；91：第一箭頭；92：第二箭頭；93：第三箭頭；94：第四箭頭；95：第五箭頭；96：第六箭頭；97：第七箭頭；98：第八箭頭；100：碳化硅外延基板；101：第一層；102：第二層；200：CVD設(shè)備；202：溝道；203：感應(yīng)加熱線圈；204：石英管；205：熱絕緣體；207：彎曲部；208：平坦部；210：基座；211：第一基礎(chǔ)構(gòu)件；212：第一涂層部；220：加熱元件；221：第二基礎(chǔ)構(gòu)件；222：第二涂層部；256：管道；257：預(yù)熱結(jié)構(gòu)；301：虛線；302：點(diǎn)線；303：實(shí)線。