由碳化硅构成的半导体基板及其制造方法与流程

本申请基于2016年3月4日申请的日本专利申请号2016-42451号，其记载内容通过参照被纳入这里。

技术领域

本公开涉及在由碳化硅(以下，称为SiC)构成的SiC基板上形成由SiC构成的外延膜而成的半导体基板及其制造方法。

背景技术：

一直以来，作为由SiC构成的半导体基板，有在SiC基板上形成有由SiC构成的外延膜的基板。由SiC构成的半导体基板作为SiC半导体器件，被用于形成例如pn二极管、双极晶体管。

这样的半导体基板是通过使用在氩气氛下通过升华法进行结晶生长而成的SiC基板，利用以氢作为载气的CVD(chemical vapordeposition的简记)法，使外延膜在SiC基板的表面生长而形成的。

另外，在通过升华法来进行SiC基板的生长的情况下，若通过向升华法的生长腔室内导入氢来防止氮向生长结晶中的摄入，则能够得到超高纯度的SiC单晶，还能够制作半绝缘性的结晶(参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4891767号公报

技术实现要素：

SiC半导体器件中的载流子寿命依赖于结晶中的氢浓度。因此，在SiC基板上构成由SiC构成的外延膜的情况下，若在使外延膜生长时使用氢作为载气而导入氢，则外延膜中的载流子寿命变长。

然而确认到：在氢浓度水平低的SiC基板上构成外延膜的情况下，如图3中所示的那样，氢从氢浓度水平高的外延膜侧向氢浓度水平低的SiC基板侧扩散。因此，在SiC基板与外延膜的界面中，外延膜中的氢浓度下降，起因于此而产生载流子寿命变短、电阻变大等使SiC半导体器件的特性恶化的课题。

在如上述的专利文献1那样通过升华法来进行SiC基板的生长的情况下，若向生长腔室内导入氢，则氢可被导入到SiC基板中。然而，由于通过氢浓度的差而引起氢从外延膜向SiC基板侧的扩散，所以单纯地仅仅氢被导入到SiC基板中无法抑制氢的扩散。因而，产生上述问题。

本公开的目的是提供能够抑制氢从由SiC构成的外延膜向SiC基板侧的扩散、能够谋求SiC半导体器件的特性的提高的半导体基板及其制造方法。

本公开的1个观点中的半导体基板具有由SiC单晶构成且包含氢的SiC基板、和形成于SiC基板上且包含氢的外延膜，外延膜的氢浓度相对于SiC基板的氢浓度的浓度比被设定为0.2～5。

像这样，在具有SiC基板及外延膜的半导体基板中，使外延膜的氢浓度相对于SiC基板的氢浓度的浓度比成为0.2～5。由此，能够制成可抑制外延膜与SiC基板的界面中的氢的扩散、能够抑制外延膜的氢浓度的下降的半导体基板。因此，能够谋求使用半导体基板而形成的SiC半导体器件、例如双极器件的特性的提高。

本公开的另1个观点中的半导体基板的制造方法包括：利用由含Si气体和含C气体来合成碳化硅的气体生长法，通过使用氢作为载气来形成含有氢的碳化硅单晶，利用该碳化硅单晶来制造碳化硅基板；和在碳化硅基板上，通过使用氢作为载气来形成包含氢的外延膜，在制造碳化硅基板的工序及形成外延膜的工序中，将外延膜的氢浓度相对于碳化硅基板的氢浓度的浓度比设定为0.2～5。

像这样，若使用气体生长法来形成用于制造SiC基板的SiC锭，则与使用升华法的情况相比，变得容易提高氢浓度。因此，若使用气体生长法来形成SiC基板，则容易将外延膜的氢浓度相对于SiC基板的氢浓度的浓度比设定为0.2～5，是合适的。

附图说明

图1是第1实施方式所述的半导体基板的截面图。

图2是表示通过SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry的简记)测定来调查SiC基板及外延膜的氢浓度分布的结果的图。

图3是表示调查在SiC基板上构成外延膜时的氢的扩散的结果的图。

具体实施方式

以下，对本公开的实施方式基于图进行说明。需要说明的是，在以下的各实施方式彼此中，对于彼此相同或均等的部分标注同一符号进行说明。

(第1实施方式)

对第1实施方式进行说明。如图1中所示的那样，本实施方式所述的半导体基板为在SiC基板1上使由SiC构成的外延膜2生长而得到的半导体基板。

SiC基板1通过掺杂作为n型杂质的氮等或作为p型杂质的铝等而被制成n型SiC或p型SiC。另外，在SiC基板1中掺杂有氢，例如氢浓度被设定为2×10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3。关于氢浓度是任意的，但在使用半导体基板而形成的SiC半导体器件中，优选设定为为了得到所期望的载流子寿命所需要的浓度。如上所述，若氢浓度至少被设定为2×10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3，则能够得到所期望的载流子寿命。

外延膜2为在SiC基板1的表面通过CVD法外延生长而得到的膜。该外延膜2也通过例如掺杂作为n型杂质的氮等或作为p型杂质的铝等而被制成n型SiC或p型SiC。另外，在外延膜2中也掺杂有氢，外延膜2的氢浓度相对于SiC基板1的氢浓度的浓度比被设定为0.2～5、优选0.5～2。

关于SiC基板1、外延膜2的导电型是任意的，根据形成的SiC半导体器件而决定。例如，在形成pn二极管作为SiC半导体器件的情况下，由n型SiC构成SiC基板1，由p型SiC构成外延膜2。

确认若SiC基板1的氢浓度与外延膜2的氢浓度存在差异，则会产生氢从氢浓度高的一侧向低的一侧的扩散，特别是若浓度相差1位数以上，则其扩散变得显著。对能够抑制该扩散的范围进行了研究，结果得到如下的结果：直到氢浓度较低者相对于较高者的浓度成为1/5的值为止可得到扩散抑制效果，若成为其以上，则变得得不到扩散抑制效果。并且得到如下的结果：SiC基板1的氢浓度与外延膜2的氢浓度越接近，则越能够抑制氢的扩散，更优选若氢浓度较低者相对于较高者的浓度成为一半以上的值，则扩散抑制效果变得更高。因此，如上所述，使外延膜2的氢浓度相对于SiC基板1的氢浓度的浓度比成为0.2～5，优选成为0.5～2。

像这样构成的半导体基板被用于形成SiC半导体器件。例如，作为SiC半导体器件，可列举出pn二极管等双极元件。

在这样的pn二极管中，由于外延膜2的氢浓度相对于SiC基板1的氢浓度的浓度比被设定为上述的值，所以外延膜2中的氢的扩散得以抑制。因此，能够抑制载流子寿命变短，能够抑制电阻变大等。因此，能够抑制SiC半导体器件的特性恶化。同样的效果在IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor的简记)等双极晶体管中也可以期待。

接下来，对像上述那样构成的半导体基板的制造方法进行说明。

首先，制造SiC基板1。具体而言，通过气体生长法形成用于形成SiC基板1的SiC锭，通过将SiC锭切片来制造SiC基板1。

例如，虽然未图示，但在基座上配置成为晶种的SiC单晶基板，相对于SiC单晶基板供给包含例如硅烷(SiH4)等含Si气体和例如丙烷(C3H8)等含C气体的混合气体作为SiC原料气体。另外，将进行气体生长的生长空间加热至2300～2500℃左右。由此，能够在SiC单晶基板的表面使由SiC单晶构成的SiC锭生长。

并且，在该SiC锭的生长时，导入氢作为含Si气体和含C气体的载气，使SiC锭中掺杂有氢。此时的氢的掺杂量通过供给到SiC单晶基板中的气体气氛中的氢的分压来决定。氢的分压通过作为载气而导入的氢的量等来决定，在像本实施方式那样在含Si气体、含C气体中包含氢元素的情况下，通过它们中包含的氢的量和作为载气而导入的氢的总量来决定。因此，在调整导入的氢的量、并参考导入外延膜2中的为了控制寿命而适宜的氢浓度的基础上，使外延膜2的氢浓度相对于SiC基板1的氢浓度的浓度比成为上述值。

例如，在通过气体生长法来制造SiC锭的情况下，若使Si：H成为1：10左右，则可以按照外延膜2的氢浓度相对于SiC基板1的氢浓度的浓度比包含于上述值中的方式来设定SiC锭中的氢浓度。通过实验，以这样的比率调整氢的导入量，结果SiC基板1的氢浓度成为1×10¹⁹cm^-3。因此，在使用硅烷或丙烷作为成为SiC原料气体的含Si气体和含C气体的情况下，只要按照SiC原料气体中包含的氢元素的量和成为载气的氢的导入量相加而得到的量成为符合上述比率的量的方式来决定氢的导入量即可。

通过将像这样操作而得到的SiC锭切片来制造SiC基板1后，在未图示的化学气相生长(以下，称为CVD(chemical vapordeposition的简记))装置内配置SiC基板1。然后，使用CVD装置，在SiC基板1的一面通过CVD法使外延膜2生长。在CVD法中，使用氢作为载气，在外延膜2的生长中掺杂氢。具体而言，以氢作为载气，将例如硅烷等含Si气体和例如丙烷等含C气体导入CVD装置内，能够在1500～1600℃的温度下使外延膜2生长。

此时，通过调整作为载气而导入的氢的导入量、调整气体气氛中的氢的分压，从而使外延膜2中的氢浓度成为上述值。即，使外延膜2的氢浓度相对于SiC基板1的氢浓度的浓度比成为0.2～5，优选成为0.5～2。通过像这样设定外延膜2的氢浓度，能够抑制氢从SiC基板1中向外延膜2中、或向其反方向的扩散。

通过实验，对于在通过气体生长法来制造氢浓度成为1×10¹⁹cm^-3的SiC基板1的情况下、按照外延膜2的氢浓度也成为1×10¹⁹cm^-3的方式形成外延膜2时的氢浓度分布进行了调查。另外，作为参考，对于在通过升华法来制造SiC基板1的情况下、在该SiC基板1上形成外延膜2时的氢浓度分布进行了调查。升华法是在石墨制坩埚内配置SiC原料的同时在基座上配置SiC单晶基板、并将在2200～2400℃下升华的SiC原料气体供给到设定为比其低数十～数百℃的温度的SiC单晶基板上而使SiC单晶锭生长的方法。升华法中由于在氩(Ar)气氛中使SiC原料加热升华，所以在SiC单晶锭中几乎没有掺杂氢。在通过升华法来形成的情况下，SiC基板1的氢浓度变得低于1×10¹⁸cm^-3，成为相对于为了控制寿命而掺杂氢的外延膜2的氢浓度少1位数以上的浓度。

在进行了这些实验的情况下，将通过SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry的简记)测定而调查SiC基板1及外延膜2的氢浓度分布的结果示于图2中。

如该图中所示的那样，在使用升华法来制造氢浓度低的SiC基板1的情况下，在SiC基板1与外延膜2的边界位置处氢浓度缓慢地发生变化。由此判断：外延膜2中的氢向SiC基板1中扩散。像这样，若外延膜2中的氢浓度下降，则会产生载流子寿命变短、电阻变大等SiC半导体器件的特性恶化。

另一方面，在使用气体生长法使SiC基板1的氢浓度接近外延膜2的氢浓度的情况下，没有见到SiC基板1的氢浓度与外延膜2的氢浓度的变化。由此判断：能够抑制氢从SiC基板1中向外延膜2中、或向其反方向的扩散。由此，能够抑制载流子寿命变短，能够抑制电阻变大等。因此，能够抑制SiC半导体器件的特性恶化。

使用图2的实验中制造的半导体基板、即外延膜2的氢浓度相对于SiC基板1的氢浓度的浓度比为0.2～5的半导体基板和SiC基板1的氢浓度低于外延膜2的氢浓度的1/10的半导体基板，制作了pn二极管。

其结果是，在形成于后者的半导体基板上的pn二极管中，电阻成为较大的值。认为这是由于：载流子寿命依赖于外延膜2中的氢浓度，但在外延膜2中的与SiC基板1的界面侧氢浓度变低，载流子寿命变短。

与此相对，在形成于前者的半导体基板上的pn二极管中，与形成于后者的半导体基板上的pn二极管相比，电阻成为较小的值。认为这是由于：没有产生外延膜2的氢浓度的下降，因此载流子寿命变短得以抑制。

如以上说明的那样，在具有SiC基板1及外延膜2的半导体基板中，使外延膜2的氢浓度相对于SiC基板1的氢浓度的浓度比成为0.2～5、优选0.5～2。由此，能够制成可抑制外延膜2与SiC基板1的边界位置处的氢的扩散、可抑制氢浓度的下降的半导体基板。因此，能够谋求使用半导体基板而形成的SiC半导体器件、例如pn二极管等双极器件的特性的提高。

关于这样的半导体基板的制造方法是任意的，但如上所述，若使用气体生长法来形成用于制造SiC基板1的SiC锭，则与使用升华法的情况相比，变得容易提高氢浓度。因此，若使用气体生长法来形成SiC基板1，则容易将SiC基板1与外延膜2的氢浓度比设定为上述的值，是合适的。

(其他实施方式)

本公开依据上述的实施方式进行了记述，但并不限定于该实施方式，也包含各种变形例和均等范围内的变形。此外，将各种组合或形态、进而在它们中包含仅一要素、其以上、或其以下的其他组合或形态也纳入本公开的范畴和思想范围内。

在上述第1实施方式中，对通过氢浓度容易提高的气体生长法来制造SiC基板1的情况进行了说明，但只要能够制造所期望的氢浓度的SiC基板1，则也可以是其他方法。

例如，在升华法中，若在结晶生长的工序中导入氢，则还能够制造成为5×10¹⁶cm^-3以上的氢浓度的SiC基板1。若使用像这样制造的SiC基板1、并且使外延膜2的氢浓度相对于SiC基板1的氢浓度的浓度比成为0.2～5、优选0.5～2，则可得到与第1实施方式同样的效果。在该情况下，也可通过相对于SiC基板1导入包含成为N型掺杂剂的氮或成为P型掺杂剂的铝的原料，使SiC基板1成为所期望的导电型。