(57)【要約】【課題】本発明は、炭化珪素エピタキシャルウエハにおいて、デバイス動作層の途中から発生するキャロット欠陥と三角欠陥の低減を目的とする。【解決手段】炭化珪素エピタキシャルウエハ２０は、炭化珪素基板１と、炭化珪素基板１上に形成された炭化珪素エピタキシャル層１２，１３と、を備える。炭化珪素エピタキシャル層１２，１３は三角欠陥３０を有する。炭化珪素エピタキシャル層１２，１３は、三角欠陥３０の表面モフォロジーにおける三角欠陥３０の内側において、段差３１を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に形成された炭化珪素エピタキシャル層と、を備え、
前記炭化珪素エピタキシャル層は、三角欠陥を有し、前記三角欠陥の表面モフォロジーにおける前記三角欠陥の内側において、段差を有する、
炭化珪素エピタキシャルウエハ。
【請求項２】
前記三角欠陥の頂点と底辺は、前記炭化珪素エピタキシャル層の形成時のステップフロー方向に並び、
前記段差のエッジは前記底辺と平行である、
請求項１に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記炭化珪素エピタキシャル層の表面は、前記ステップフロー方向に沿った前記段差の前部において、前記段差の後部よりも低い、
請求項１または２に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハ。
【請求項４】
炭化珪素基板を用意し、
前記炭化珪素基板上に第１炭化珪素エピタキシャル層を５μｍ以上１５μｍ以下の厚みで形成し、
前記第１炭化珪素エピタキシャル層を５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みでエッチングし、
前記エッチングの後、前記第１炭化珪素エピタキシャル層上に第２炭化珪素エピタキシャル層を形成する、
炭化珪素エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の炭化珪素エピタキシャルウエハに形成された半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記半導体装置を駆動する駆動信号を前記半導体装置に出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化珪素エピタキシャルウエハに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、珪素（Ｓｉ）に比べてバンドギャップが大きく、また絶縁破壊電界強度、飽和電子速度および熱伝導度などの物性値が珪素に比べて優れており、半導体装置の材料として優れた性質を有する。特に、炭化珪素を用いた半導体装置は、電力損失の大幅な低減、および半導体装置の小型化を可能とするため、電源電力変換時の省エネルギー化が実現できる。そのため、炭化珪素は、電気自動車の高性能化、または太陽電池システム等の高機能化等の面で、低炭素社会を実現するために役立つ半導体材料として注目されている。
【０００３】
炭化珪素を用いた半導体装置を製造するためには、まず炭化珪素基板上に、不純物濃度が高精度に制御された膜を、炭化珪素エピタキシャル成長装置を用いて、熱化学気相堆積法（ＣＶＤ法：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）等によりエピタキシャル成長させる。こうして形成された膜をエピタキシャル層と称する。このとき、炭化珪素基板は約１５００℃以上の高温に加熱される。エピタキシャル層は、例えばエピタキシャル成長ガスに窒素を添加することによって、ｎ型とすることができる。炭化珪素基板上にエピタキシャル層を形成したウエハを、炭化珪素エピタキシャルウエハと呼び、炭化珪素エピタキシャルウエハにさらに素子領域を形成したものを炭化珪素半導体装置と呼ぶ。
【０００４】
炭化珪素半導体装置は、炭化珪素エピタキシャルウエハに対して様々な加工を施して作製される。炭化珪素基板および炭化珪素エピタキシャル層の成長時の不具合に起因する欠陥が炭化珪素エピタキシャルウエハにあると、炭化珪素半導体装置に局所的に高電圧を保持できない箇所ができ、リーク電流が発生する。リーク電流が発生する炭化珪素半導体装置は不良品になる可能性が高いため、このような高電圧を保持できない箇所の密度が増加すると、炭化珪素半導体装置の製造時の良品率が低下する。良品率を低下させる欠陥は、第一義的には炭化珪素エピタキシャルウエハの結晶学的な均一性の欠如による欠陥であり、例えば、結晶における原子配列の周期性が結晶成長方向に沿って局所的に不完全になることによる欠陥である。このような積層欠陥を伴う電流リーク欠陥の一つとして、炭化珪素エピタキシャル成長により発生するキャロット欠陥と三角欠陥が知られている。
【０００５】
炭化珪素結晶には、ＳｉとＣの比率が１：１と化学量論比的組成が同じで、結晶格子が同じ六方最密充填構造であっても、ｃ軸に沿った原子配列の周期性が異なる複数の結晶型（ポリタイプ）があり、その周期性によって物性が規定される。現在、デバイス応用の観点から最も注目を集めているのは、４Ｈ型と呼ばれるタイプである。同じ結晶型をエピタキシャル成長させるために、炭化珪素基板の表面は、結晶のある面方位から傾斜させた面に設定され、例えば（０００１）面から＜１１−２０＞方向に８°または４°傾斜させた表面を持つように加工される。炭化珪素基板には、結晶欠陥として貫通螺旋転位(ＴＳＤ：Threading Screw Dislocation)または基底面転位(ＢＰＤ：Basal Plane Defect)が存在することが知られている。ＴＳＤは、炭化珪素エピタキシャル成長中にキャロット欠陥および三角欠陥等の電流リーク欠陥に変換されることが分かってきている。電流リーク欠陥に変換されるＴＳＤは一部であり、ＴＳＤの多くはそのままの形で炭化珪素エピタキシャル層に引き継がれる。とはいえ、ＴＳＤは炭化珪素基板内に数多く存在するため、ＴＳＤから電流リーク欠陥への変換を抑制することが求められている。
【０００６】
特許文献１には、デバイス動作層を５μｍ以上１０μｍ以下で形成した後、Ｃ／Ｓｉ比を０．１以上０．３以下の範囲で小さくして欠陥低減層を成膜し、再びＣ／Ｓｉ比をデバイス動作層成長時のＣ／Ｓｉ比に戻して成長させる炭化珪素エピタキシャル層の成長方法が開示されている。デバイス動作層とは、エピタキシャル層のうちバッファ層を除いたデバイスとして動作する層である。これにより、デバイス動作層の途中から発生する、三角欠陥、キャロットまたはコメット等の欠陥が低減することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１８−６３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、Ｃ／Ｓｉ比を変化させると、炭化珪素のカーボンサイトと競合する窒素の取り込み量が変化する。このため、特許文献１のように、デバイス動作層の途中でＣ／Ｓｉ比を変更させると、キャリア濃度を決定する窒素原子の取り込み量が変化するため、デバイス動作層の内部でキャリア濃度が不均一となる。加えて、Ｃ／Ｓｉ比を変化させた直後は、窒素原子の取り込みが不安定となるため、デバイスの電気特性に影響し歩留りが低下するという問題があった。
【０００９】
本発明は上記の問題に鑑み、炭化珪素エピタキシャルウエハにおいて、デバイス動作層の途中でＣ／Ｓｉ比を変更することなく、デバイス動作層の途中から発生するキャロット欠陥と三角欠陥を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の炭化珪素エピタキシャルウエハは、炭化珪素基板と、炭化珪素基板上に形成された炭化珪素エピタキシャル層と、を備え、炭化珪素エピタキシャル層は、三角欠陥を有し、三角欠陥の表面モフォロジーにおける三角欠陥の内側において、段差を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、炭化珪素エピタキシャルエピウエハにおいて、デバイス動作層の途中でＣ／Ｓｉ比を変更することなくデバイス動作層の途中から発生するキャロット欠陥と三角欠陥を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハの構造を示す断面図である。
【図２】炭化珪素エピタキシャル成長装置の主要部を示す断面図である。
【図３】実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハに存在する三角欠陥を光学的表面欠陥評価装置で観察した写真である。
【図４】実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハと、比較例の炭化珪素エピタキシャルウエハにおいて、それぞれのキャロット欠陥と三角欠陥の個数を比較した結果を示す図である。
【図５】実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハの、キャロット欠陥数と三角欠陥数のエッチング時間依存性を示す図である。
【図６】実施の形態２の炭化珪素エピタキシャルウエハの構造を示す断面図である。
【図７】実施の形態３の電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜Ａ．実施の形態１＞
図１は、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０の構成を示す断面図である。炭化珪素エピタキシャルウエハ２０は、炭化珪素基板１と、炭化珪素基板１上に形成された炭化珪素エピタキシャル層１１とを備えている。炭化珪素基板１は、ｎ型で低抵抗である。炭化珪素基板１の主面は、（０００１）面から＜１１−２０＞方向にオフ角を有する。オフ角は、５度程度より小さな角度である。
【００１４】
炭化珪素エピタキシャル層１１は、炭化珪素基板１上に形成された第１炭化珪素エピタキシャル層１２と、第１炭化珪素エピタキシャル層１２上に形成された第２炭化珪素エピタキシャル層１３とを備えている。第１炭化珪素エピタキシャル層１２および第２炭化珪素エピタキシャル層１３は、炭化珪素基板１と同じ導電型であり、具体的にはｎ型である。
【００１５】
図２は、炭化珪素エピタキシャルウエハ２０の製造に用いる炭化珪素エピタキシャル成長装置の主要部である成長炉１０の概略構成を示す断面図である。成長炉１０は、回転台２、ウエハホルダー３、サセプター５、および誘導加熱コイル４を備えている。円盤状のウエハホルダー３は、回転台２に載置され、回転台２と共に一定速度で回転する。ウエハホルダー３の表面には、ザグリ加工が施されることによって複数個のウエハポケット６が形成されており、ウエハポケット６に炭化珪素基板１が載置される。回転台２とウエハホルダー３はサセプター５内に配置され、サセプター５と共に誘導加熱される。
【００１６】
サセプター５内には成長ガスが供給される。図２の矢印Ａは、成長ガスの流れを示している。成長ガスには、シリコン原子を含むＳｉＨ４ガス（シランガス）と、炭素原子を含むＣ３Ｈ８ガス（プロパンガス）を用いることができる。キャリアガスには、Ｈ２を含むものを用いることができる。成長温度は、例えば１４５０℃以上１７００℃以下であり、成長圧力は、例えば１×１０３Ｐａ以上５×１０４Ｐａ以下である。必要に応じて、成長ガスと同時に、ｎ型不純物ドーピング用の窒素ガスが供給されても良いし、ｐ型不純物ドーピング用のＡｌ、Ｂ、またはＢｅを含む有機金属材料が供給されてもよい。さらに、成長速度を高速化するために、ＨＣｌまたはジクロロシランなどを用いることができる。
【００１７】
成長炉１０を用いて炭化珪素基板１上に炭化珪素エピタキシャル層１１を成膜する方法を説明する。まず、サセプター５の外で、ウエハホルダー３のウエハポケット６に炭化珪素基板１を載置する。そして、炭化珪素基板１が載置されたウエハホルダー３を、サセプター５内に設けられた回転台２上に載置する。
【００１８】
次に、サセプター５内を減圧状態にする。そして、サセプター５の外周に巻き回されている誘導加熱コイル４に電力を供給する。誘導加熱コイル４に電力を供給することにより、サセプター５および回転台２は誘導加熱される。サセプター５および回転台２が誘導加熱されると、サセプター５の内壁等からの輻射熱によって、サセプター５内の減圧空間も加熱される。
【００１９】
ウエハホルダー３、回転台２、およびサセプター５には同じ材料が用いられている。炭化珪素基板１は、サセプター５の内壁等からの輻射熱およびウエハホルダー３からの伝導熱によって加熱される。回転台２がＵ字型である場合、炭化珪素基板１は回転台２の側部からの輻射熱によっても過熱される。炭化珪素基板１が所望の温度になったら、サセプター５内に成長ガスを供給する。炭化珪素基板１上にエピタキシャル層を成膜するためには、サセプター５内に供給される成長ガス等を炭化珪素基板１上で分解させる必要があるため、炭化珪素基板１は約１５００℃まで加熱される。
【００２０】
成長ガスは、ＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガスおよびＨ２ガスである。炭化珪素基板１上に成膜する炭化珪素エピタキシャル層１１の電気的な特性を調整する必要がある場合等は、必要に応じてｐ型ドーパントであるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Trimethylaluminium）ガスまたはｎ型ドーパントのＮ２ガスを成長ガスと共に供給する。本実施の形態では、成長ガスと共にＮ２ガスが供給された。サセプター５は、成長ガス等が供給されると同時に、排気もされる構造になっているため、サセプター５内は常に新しい成長ガス等で満たされる。炭化珪素基板１は約１５００℃以上に加熱されるため、サセプター５内に供給された成長ガスは炭化珪素基板１上で分解され、炭化珪素基板１上にエピタキシャル層を成膜することが可能である。
【００２１】
ウエハホルダー３、回転台２、およびサセプター５には、同じ材料が用いられる。本実施の形態では、炭化珪素でコーティングされたグラファイトをこれらの材料として用いる。炭化珪素基板１上にエピタキシャル層を成膜する際に、炭化珪素基板１を約１５００℃以上に加熱する必要があるため、それに耐え得る必要があるからである。
【００２２】
仮に、ウエハホルダー３、回転台２、およびサセプター５をグラファイトだけで構成する場合、エピタキシャル層を成膜中に、グラファイトが発塵する可能性がある。発塵したグラファイトの微粒子が炭化珪素基板１に載った状態でエピタキシャル層を成膜すると、微粒子が載った箇所を起点として結晶が異常成長し、エピタキシャル層に結晶欠陥が生じる。一方、ウエハホルダー３、回転台２、およびサセプター５の材料として炭化珪素でコーティングされたグラファイトを用いる場合、炭化珪素の膜によってグラファイトの発塵が抑制される。また、グラファイトから金属不純物が拡散することも抑制される。金属不純物は、エピタキシャル層に結晶欠陥を生じさせる他、半導体装置の電気特性に影響を与えるため、拡散しないことが好ましい。従って、ウエハホルダー３、回転台２およびサセプター５には、炭化珪素でコーティングされたグラファイトを用いることが好ましい。あるいは、ＣＶＤ法または焼結法で作製される炭化珪素材が用いられても良い。コーティング材料には、炭化珪素以外に、ＴａＣ、またはＣＶＤによるカーボンコーティングが用いられても良い。次に、キャリアガスであるＨ２ガスを一定流量流して、成長炉１０内の圧力を１×１０３Ｐａ以上５×１０４Ｐａ以下に調圧する。そして、成長炉１０内に、ＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、およびＮ２ガスを供給して、炭化珪素基板１の上に第１炭化珪素エピタキシャル層１２を形成する。第１炭化珪素エピタキシャル層１２を形成する前に、Ｈ２ガスのみを流して、１５００℃以上で炭化珪素基板１を加熱することによって、炭化珪素基板１の表面に付着した炭化珪素粒子を除去する処理を行ってもよい。これにより、エピタキシャル欠陥の少ない炭化珪素エピタキシャルウエハが得られる。
【００２３】
第１炭化珪素エピタキシャル層１２を所定の膜厚だけ成長させた後、第１炭化珪素エピタキシャル層１２の表面に対してエッチング処理を行う。本実施の形態では、成長ガスであるＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、およびＮ２ガスの供給を停止し、キャリアガスであるＨ２ガスのみ流した状態にして第１炭化珪素エピタキシャル層１２の表面にエッチングを施した。このときのＨ２ガスの流量とエッチング処理中の圧力は、第１炭化珪素エピタキシャル層１２の成長時と同じ条件である。これにより、成長炉１０内のガスの流れの連続性が保たれるため、ガスの気流変動によって発生する発塵が抑制できる。本実施の形態では、成長ガスの供給を止めてＨ２ガスによるエッチングを行ったが、成長ガスを供給しながらエッチングを行っても良い。この場合、エピタキシャル成長とエッチングが同時に行われるが、成長ガスであるＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、およびＮ２ガスの流量を調整し、成長に対してエッチングが優勢になるようにすればよい。
【００２４】
第１炭化珪素エピタキシャル層１２のエッチング量は、キャリアガスであるＨ２ガスの流量、圧力、または温度などを変えることによって調整できる。本実施の形態では第１炭化珪素エピタキシャル層１２のエッチング量を約５０ｎｍとした。エッチング量は１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が望ましい。エッチング量が１ｎｍより少ないと、第１炭化珪素エピタキシャル層１２の歪みが十分除去されない可能性があり好ましくない。また、エッチング量が１００ｎｍを超えると、歪みの除去量としては十分なエッチング量であり、エッチング処理時間が長すぎるため生産性の観点から好ましくない。ただし、第１炭化珪素エピタキシャル層１２に発生する歪みは、第１炭化珪素エピタキシャル層１２の成長条件、厚み、または炭化珪素基板１の結晶状態などによって異なる可能性があるため、エッチング量は上記の範囲に限定されない。
【００２５】
Ｃ３Ｈ８ガスに含まれるＣ原子数とＳｉＨ４ガスに含まれるＳｉ原子数の比率（Ｃ／Ｓｉ比）は、第１エピタキシャル層のＣ／Ｓｉ比と同じでも異なっていても良い。
【００２６】
キャリアガス（Ｈ２）の流量は、第１炭化珪素エピタキシャル層１２の形成時と第１炭化珪素エピタキシャル層１２のエッチング時とで同じ流量とした。流量が大きく変動すると気流変動により発塵が起きる可能性があるため、歩留まりの観点からはキャリアガスの流量を一定にすることが好ましい。しかし、キャリアガスの流量は第１炭化珪素エピタキシャル層１２の形成時と第１炭化珪素エピタキシャル層１２のエッチング時とで異なっていても良い。
【００２７】
本実施の形態では、Ｈ２ガスによるエッチングによって第１炭化珪素エピタキシャル層１２の表層の歪みを除去したが、第１炭化珪素エピタキシャル層１２の歪みを除去できる別の方法を用いても良い。例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械的研磨）、液相エッチング、またはハロゲン系ガスによる気相エッチングなどの方法で、第１炭化珪素エピタキシャル層１２の表面をエッチングしても良い。
【００２８】
次に、ＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、Ｎ２ガスの流量を徐々に増やして、第２炭化珪素エピタキシャル層１３を形成する。ここで、ＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、およびＮ２ガスの流量は、第１炭化珪素エピタキシャル層１２の形成時の流量と同じであっても異なっていても良い。
【００２９】
炭化珪素エピタキシャル層１１が厚くなると、その内部に溜まる歪みが増大し、臨界膜厚を超えた時点で歪みを緩和するために転位が導入され、キャロット欠陥または三角欠陥が発生する。しかし、本実施の形態では、上記のように、ある程度の膜厚だけエピタキシャル成長を行った時点でエッチングを行い、再びエピタキシャル成長を行っている。これにより、炭化珪素エピタキシャル層１１中の歪みを軽減し、炭化珪素エピタキシャル層１１から発生するキャロット欠陥、および三角欠陥を低減することが可能である。
【００３０】
図３は、第２炭化珪素エピタキシャル層１３の形成後の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０に含まれる三角欠陥を、光学的表面欠陥評価装置で観察した像を示している。図３より、三角欠陥３０の内部に段差３１が形成されているのが分かる。図３において、エピタキシャル成長のステップフローは紙面の左から右に向かう方向である。三角欠陥３０の頂点３２と底辺３３は、ステップフロー方向に並んでいる。
【００３１】
段差３１は、エピタキシャル成長の途中でエッチングを行った結果として生じる。段差３１のエッジの方向はステップフロー方向に垂直である。言い換えれば、段差３１のエッジは三角欠陥３０の底辺３３と平行である。また、段差３１の左側、すなわちステップフロー方向に沿った段差３１の前部における第２炭化珪素エピタキシャル層１３の表面は、段差３１の右側、すなわちステップフロー方向に沿った段差３１の後部における第２炭化珪素エピタキシャル層１３の表面よりも低い。
【００３２】
第１炭化珪素エピタキシャル層１２のエッチングと第２炭化珪素エピタキシャル層１３の形成を行わない炭化珪素エピタキシャルウエハを、比較例として用意し、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０と比較した。比較例の炭化珪素エピタキシャルウエハにおける第１炭化珪素エピタキシャル層１２の膜厚は、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０における第１炭化珪素エピタキシャル層１２と第２炭化珪素エピタキシャル層１３の膜厚の合計と同じである。比較例の炭化珪素エピタキシャルウエハでは、三角欠陥の表面モフォロジーにおいて三角欠陥の内側に段差が形成されない。その他、比較例で用いた成長装置、および第１炭化珪素エピタキシャル層１２の形成条件は、実施の形態１と同様である。
【００３３】
図４は、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０と比較例の炭化珪素エピタキシャルウエハのそれぞれに対し、光学的表面欠陥評価装置によりキャロット欠陥と三角欠陥の個数を評価した結果を示している。この評価は、インゴット内の場所依存性の影響を無くすため、両者でインゴット内の位置を揃えて実施された。図４より、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０は、比較例の炭化珪素エピタキシャルウエハに比べて、キャロット欠陥と三角欠陥の両方が有意に低減していることが分かる。
【００３４】
図５は、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０において、キャロット欠陥数と三角欠陥数のエッチング時間依存性の確認結果を示している。エッチングの時間は、最長４０分まで検証した。いずれの欠陥も、エッチングの時間が長いほど低減する傾向が確認された。ただし、エッチング時間が長くなるにつれて、炭化珪素エピタキシャル層１１の表面荒れが大きくなるため、エッチング時間は５分以上３０分以下が望ましい。
【００３５】
＜Ｂ．実施の形態２＞
実施の形態１では、炭化珪素エピタキシャル層１１の形成過程で表面のエッチングを１回行った。本発明者らの研究によると、炭化珪素エピタキシャル層１１の膜厚に応じてエッチング回数を決定することが好ましい。具体的には、炭化珪素エピタキシャル層１１が２μｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上１５μｍ以下形成される毎に、エッチングを行うことが好ましい。エッチングするまでに成長する炭化珪素エピタキシャル層１１の膜厚がこれより大きいと、炭化珪素エピタキシャル層１１の歪みを緩和するために転位が導入され、この転位がキャロット欠陥および三角欠陥の発生原因になるため好ましくない。また、エッチングするまでに成長する炭化珪素エピタキシャル層１１の膜厚がこれより小さいと、エッチングが頻繁になるため、生産性が低下し好ましくない。
【００３６】
実施の形態２では、２回のエッチングを経て作成される炭化珪素エピタキシャルウエハについて説明する。図６は、実施の形態２の炭化珪素エピタキシャルウエハ４０の断面図である。炭化珪素エピタキシャルウエハ４０は、炭化珪素基板１と炭化珪素基板１の上に形成された炭化珪素エピタキシャル層１１とを備えている。炭化珪素エピタキシャル層１１は、第１炭化珪素エピタキシャル層１２と、第１炭化珪素エピタキシャル層１２の上に形成された第２炭化珪素エピタキシャル層１３と、第２炭化珪素エピタキシャル層１３の上に形成された第３炭化珪素エピタキシャル層１４とを備えている。第３炭化珪素エピタキシャル層１４を備える点で、炭化珪素エピタキシャルウエハ４０は実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０と異なっている。
【００３７】
実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０は、炭化珪素基板１上に第１炭化珪素エピタキシャル層１２を形成した後、エッチング処理を１回行い、その後、第２炭化珪素エピタキシャル層１３を形成することにより得られる。これに対して、炭化珪素エピタキシャルウエハ４０は、第１炭化珪素エピタキシャル層１２の形成後、エッチング処理とエピタキシャル成長を２回繰り返すことにより得られる。すなわち、実施の形態１と同様に第２炭化珪素エピタキシャル層１３を形成した後、さらにエッチング処理を行い、その後、第３炭化珪素エピタキシャル層１４を形成することにより、炭化珪素エピタキシャルウエハ４０が得られる。
【００３８】
炭化珪素エピタキシャルウエハ４０において、エピタキシャル成長に用いる成長装置、および成長条件は、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０と同様である。但し、炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０において炭化珪素エピタキシャル層１１のトータルの厚みは同じ３０μｍとした。また、エッチングの合計時間も同じ３０分とした。
【００３９】
実施の形態１では、炭化珪素基板１の表面からの炭化珪素エピタキシャル層１１の厚みが１５μｍとなった時点でエッチングを１回のみ行ったのに対し、実施の形態２では、炭化珪素基板１の表面からの炭化珪素エピタキシャル層１１の厚みが１０μｍおよび２０μｍとなった時点で、それぞれエッチングを行った。成長装置から炭化珪素エピタキシャルウエハ４０を取り出し、光学的表面欠陥評価装置を用いてキャロット欠陥と三角欠陥の個数を評価した結果、それらの個数は、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０におけるキャロット欠陥と三角欠陥の個数とほぼ同数であった。
【００４０】
上記では、炭化珪素エピタキシャル層１１のエッチングとその後の炭化珪素エピタキシャル層１１の形成を２回繰り返したが、３回以上任意の回数で繰り返しても良い。炭化珪素エピタキシャル層１１のエッチングとその後の炭化珪素エピタキシャル層１１の形成を複数回繰り返した場合、炭化珪素エピタキシャル層１１における三角欠陥３０の表面モフォロジーにおいて、三角欠陥３０の内側にエッチング回数に対応した本数の段差３１が形成される。生産性の観点からは、炭化珪素エピタキシャル層１１を１５μｍ形成する毎に、エッチングすることが望ましい。しかし、成長装置またはエピタキシャル成長条件が異なると、炭化珪素エピタキシャル層１１の歪みも異なる可能性があるため、必要なエッチング回数は、本実施の形態に記載した回数に限定されない。
【００４１】
実施の形態１，２で説明した炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０の製造方法により、炭化珪素基板１の結晶欠陥を起点とするキャロット欠陥または三角欠陥の低減が可能となる。しかし、炭化珪素基板１中には、キャロット欠陥または三角欠陥の起点となる、貫通刃状転位(ＴＥＤ：Threading Edge Dislocation)、貫通螺旋転位(ＴＳＤ：Threading Screw Dislocation)、または基底面転位(ＢＰＤ：Basal Plane Defect)といった結晶欠陥が多く含まれているため、三角欠陥を安定してゼロにするのは確率的に困難である。また、成長炉１０内には発塵粒子が多数存在し、三角欠陥は炭化珪素基板１に落下した発塵粒子を起点としても形成されるため、発塵粒子に起因する三角欠陥を安定的にゼロにするのは困難である。これらの理由により、三角欠陥が存在しない炭化珪素エピタキシャルウエハを安定的に生産することは現時点で困難である。従って、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０と実施の形態２の炭化珪素エピタキシャルウエハ４０は、三角欠陥を有することを前提とし、三角欠陥の表面モフォロジーにおいて三角欠陥の内側に段差が形成されることを特徴としている。
【００４２】
以上に説明したように、実施の形態１，２の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０は、炭化珪素基板１と、炭化珪素基板１上に形成された炭化珪素エピタキシャル層１１と、を備える。炭化珪素エピタキシャル層１１は三角欠陥３０を有し、三角欠陥３０の表面モフォロジーにおける三角欠陥３０の内側において、段差３１を有する。炭化珪素エピタキシャル層１１が、三角欠陥３０の表面モフォロジーにおける三角欠陥３０の内側において段差３１を有するということは、炭化珪素エピタキシャル層１１の形成途中にエッチングが行われたことを意味している。このエッチングにより炭化珪素エピタキシャル層１１内の歪みが緩和されるため、炭化珪素エピタキシャル層１１中に発生するキャロット欠陥または三角欠陥が低減される。
【００４３】
また、実施の形態１，２の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０において、三角欠陥３０の頂点３２と底辺３３は、炭化珪素エピタキシャル層１１の形成時のステップフロー方向に並び、段差３１のエッジは底辺３３と平行である。段差３１のエッジが底辺３３と平行であるということは、エピタキシャル成長の途中でエッチングを施したことを示しており、段差３１が予め炭化珪素基板１上に存在する研磨傷などによるものではないことを示している。エッチングにより炭化珪素エピタキシャル層１１内の歪みが緩和されるため、炭化珪素エピタキシャル層１１中に発生するキャロット欠陥または三角欠陥が低減される。
【００４４】
また、実施の形態１，２の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０において、炭化珪素エピタキシャル層１１の表面は、炭化珪素エピタキシャル層１１の形成時のステップフロー方向に沿った段差の前部において、段差の後部よりも低くなっている。これは、エピタキシャル成長の途中で歪みを含んだ炭化珪素エピタキシャル層１１の表層が取り除かれたことを意味している。これにより、炭化珪素エピタキシャル層１１中に発生するキャロット欠陥または三角欠陥が低減される。
【００４５】
実施の形態１，２の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０の製造方法は、炭化珪素基板１を用意し、炭化珪素基板１上に第１炭化珪素エピタキシャル層１２を５μｍ以上１５μｍ以下の厚みで形成し、第１炭化珪素エピタキシャル層１２を５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みだけエッチングし、エッチングの後、第１炭化珪素エピタキシャル層１２上に第２炭化珪素エピタキシャル層１３を形成する。このように、エピタキシャル成長の途中でエッチングすることにより、第１炭化珪素エピタキシャル層１２の歪みが緩和されるため、歪みに起因して発生するキャロット欠陥および三角欠陥を低減することができる。
【００４６】
＜Ｃ．実施の形態３＞
実施の形態３は、実施の形態１，２の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０に形成された半導体装置を電力変換装置に適用したものである。当該半導体装置は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態３として、三相のインバータへの適用例を説明する。
【００４７】
図７は、実施の形態３の電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【００４８】
図７に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、および負荷３００を備えて構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、または蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
【００４９】
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図７に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１の各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する駆動回路２０２と、駆動回路２０２を制御する制御信号を駆動回路２０２に出力する制御回路２０３とを備えている。
【００５０】
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車または電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００５１】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子と各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１，２の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０のいずれかに形成された半導体装置を適用する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００５２】
駆動回路２０２は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００５３】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、駆動回路２０２に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路２０２は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。
【００５４】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子として実施の形態１，２の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０のいずれかに形成された半導体装置を適用するため、歩留まりが向上する。
【００５５】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに実施の形態１，２の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０に形成された半導体装置を適用する例について説明したが、当該半導体装置は種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに実施の形態１，２の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０に形成された半導体装置を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに実施の形態１，２の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０に形成された半導体装置を適用することも可能である。
【００５６】
また、実施の形態１，２の炭化珪素エピタキシャルウエハ２０，４０に形成された半導体装置を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器、または非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【００５７】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１  炭化珪素基板、２  回転台、３  ウエハホルダー、４  誘導加熱コイル、５  サセプター、６  ウエハポケット、１０  成長炉、１１  炭化珪素エピタキシャル層、１２  第１炭化珪素エピタキシャル層、１３  第２炭化珪素エピタキシャル層、１４  第３炭化珪素エピタキシャル層、２０，４０  炭化珪素エピタキシャルウエハ、３０  三角欠陥、３１  段差、３２  頂点、３３  底辺、１００  電源、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０２  駆動回路、２０３  制御回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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