(57)【要約】  エピタキシャル基板３は、炭化珪素からなる単結晶基板（１０）と、その上に形成された炭化珪素からなるエピタキシャル層（４）とを備えている。エピタキシャル層（４）は、単結晶基板（１０）上に形成された第１エピタキシャル層（４１）と、第１エピタキシャル層（４１）上に形成された第２エピタキシャル層（４２）と、第２エピタキシャル層（４２）上に形成された第３エピタキシャル層（４３）と、を備え、第１エピタキシャル層（４１）中における基底面転位の変換率が９５％未満であり、第２エピタキシャル層（４２）中における基底面転位の変換率が９８％より大きい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素単結晶基板（１０）と、
前記炭化珪素単結晶基板（１０）上に形成された第１エピタキシャル層（４１）と、
前記第１エピタキシャル層（４１）上に形成された第２エピタキシャル層（４２）と、
前記第２エピタキシャル層（４２）上に形成された第３エピタキシャル層（４３）と、
を備え、
前記第１エピタキシャル層（４１）中における基底面転位の変換率が９５％未満であり、
前記第２エピタキシャル層（４２）中における基底面転位の変換率が９８％より大きい
ことを特徴とする炭化珪素エピタキシャル基板（３）。
【請求項２】
前記第１エピタキシャル層（４１）の下面に存在する基底面転位をａ個としたとき、前記第２エピタキシャル層（４２）の上面に存在する基底面転位がａ×０．００１個以下である
請求項１に記載の炭化珪素エピタキシャル基板（３）。
【請求項３】
前記第１エピタキシャル層（４１）および前記第２エピタキシャル層（４２）の不純物濃度が、１×１０１６ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下である
請求項１または請求項２に記載の炭化珪素エピタキシャル基板（３）。
【請求項４】
前記第１エピタキシャル層（４１）の不純物濃度をＮａ、前記第２エピタキシャル層（４２）の不純物濃度をＮｂとしたとき、０．０１≦Ｎｂ／Ｎａ≦１を満たす
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板（３）。
【請求項５】
前記第１エピタキシャル層（４１）と前記第２エピタキシャル層（４２）との界面および前記第２エピタキシャル層（４２）中に存在する基底面転位がステップフロー方向と成す角度が±４５°以下である
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板（３）。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板（３）を含む
炭化珪素半導体装置。
【請求項７】
前記第１エピタキシャル層（４１）および前記第２エピタキシャル層（４２）をバッファ層とし、前記第３エピタキシャル層（４３）をドリフト層とする
請求項６記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項８】
前記第３エピタキシャル層（４３）上に形成され、前記第３エピタキシャル層（４３）よりも不純物濃度の低い第４エピタキシャル層をさらに備え、
前記第１エピタキシャル層（４１）、前記第２エピタキシャル層（４２）および前記第３エピタキシャル層（４３）をバッファ層とし、前記第４エピタキシャル層をドリフト層とする
請求項６記載の炭化珪素半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素エピタキシャル基板および炭化珪素半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドギャップ半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）材料と比較して絶縁破壊耐量が高い。そのため、ワイドギャップ半導体材料を基板材料として用いる場合は、シリコン材料を用いる場合よりも、基板の不純物濃度を高くして、基板の抵抗を低減させることが可能である。この基板の低抵抗化によって、パワー素子のスイッチング動作における損失を低減することができる。また、ワイドギャップ半導体材料は、シリコン材料と比較して、熱伝導度が高く、機械的強度にも優れているため、小型で低損失、かつ高効率のパワーデバイスを実現する材料として期待されている。【０００３】
しかしながら、炭化珪素を半導体材料として用いた炭化珪素半導体装置では、ＰＩＮダイオード構造に順方向電流を流し続けると、順方向電圧（Ｖｆ）がシフトするという信頼性上の問題がある。この順方向電圧のシフトは、以下のようにして発生する。【０００４】
ＰＩＮダイオード構造に少数キャリアが注入されると、注入された少数キャリアは、多数キャリアと再結合する。その再結合のときに生じる再結合エネルギーによって、炭化珪素結晶中に存在する線欠陥（例えば、基底面転位や、エピタキシャル層と基板との界面で発生するミスフィット転位など）が、それを起点とする面欠陥である積層欠陥に拡張されてしまう（以下、積層欠陥を「拡張積層欠陥」ということもある）。積層欠陥は、電流の流れを阻害する抵抗として作用するため、積層欠陥が増えると電流が減少し、順方向電圧が上昇する。それにより、順方向電圧のシフトが生じ、デバイス特性が劣化する。【０００５】
積層欠陥は、基底面転位やミスフィット転位などの線欠陥を起点として、三角形状または帯状に拡張する（例えば、非特許文献１参照）。このような積層欠陥の拡張は、エピタキシャル層と基板との界面からエピタキシャル層の表面にかけて、基底面に沿って（すなわち、エピタキシャル成長方向であるステップフロー方向に対して垂直な方向に向けて）発生する。また、このような積層欠陥の拡張は、活性層中の転位を起点として発生したり、エピタキシャル層表面近傍の転位を起点として発生したり場合もある。【０００６】
積層欠陥による順方向電圧のシフトは、炭化珪素を用いたＭＯＳＦＥＴ（以下「ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ」という場合がある）でも同様に発生するとの報告がある（例えば、非特許文献２）。ＭＯＳＦＥＴ構造は、ソース−ドレイン間にボディダイオードと呼ばれる寄生ダイオードを有しており、ボディダイオードに順方向電流が流れると、ＰＩＮダイオードと同様の劣化が引き起こされる。【０００７】
ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等を用いたスイッチング回路における還流ダイオードとしては、順方向電圧が比較的低いショットキーバリアダイオードが用いられることが多いが、例えば、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを還流ダイオードとして用いることもできる。特にその場合には、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードの順方向電圧のシフトが大きな問題となる。【０００８】
通常、炭化珪素半導体基板中には、１０３ｃｍ−２から１０４ｃｍ−２程度の貫通転位が含まれている。これらの貫通転位は、貫通螺旋転位と、貫通刃状転位と、基底面転位の３種類に大別される。貫通螺旋転位と貫通刃状転位は、ｃ軸（［０００１］）方向に進行する転位であり、基底面転位は、基底面（｛０００１｝面）に並行して存在している転位である。これらの転位のうち、基底面転位の一部は、エピタキシャル成長によって貫通刃状転位に変換されることが知られている。【０００９】
また、下記の特許文献１には、炭化珪素基板上に高不純物濃度の層を形成し、その上に基底面転位の変換率の高い低不純物濃度の層を形成し、さらにその上にドリフト層を形成することで、ドリフト層の基底面転位密度を低減させる技術が記載されている。一方、下記の特許文献２には、エピタキシャル層の結晶成長中に温度を上下に変化させることで、エピタキシャル層に熱ストレスを与え、炭化珪素基板からエピタキシャル層中に引き継がれた基底面転位を刃状転位に変換させて、エピタキシャル層中の基底面転位を低減させる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−０８８２２３号公報
【特許文献２】特開２０１１−２１９２９９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol.39,No.6,"Electrical and Optical Properties of Stacking Faults in 4H-SiC Devices",2010
【非特許文献２】IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.28,NO.7,"A New Degradation Mechanism in High‐Voltage SiC Power MOSFETs",JULY 2007
【非特許文献３】Applied Physics Letters,VOL.89,NO.081910,"Mechanism of eliminating basal plane dislocations in SiC thin films by epitaxy on an etched substrate",2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１の技術は、低不純物濃度のバッファ層を設けることで、ドリフト層中の基底面転位を低減するものである。しかし、基板とバッファ層との界面、バッファ層とドリフト層との界面、もしくは各バッファ層間の界面における不純物濃度の差が大きいと、当該界面に生じる応力によって界面転位が発生し、結果としてデバイスの劣化を引き起こすおそれがある。特許文献２の技術は、エピタキシャル層の成長中に熱ストレスを与えることで、基底面転位を変換するものである。しかし、その熱ストレスを与が原因となって、エピタキシャル層に界面転位が発生し、結果としてデバイスの劣化を引き起こすおそれがある。【００１３】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、基底面転位だけでなく、界面転位など他の悪性の転位も低減して、バイポーラデバイスの劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の炭化珪素エピタキシャル基板（３）は、炭化珪素単結晶基板（１０）と、前記炭化珪素単結晶基板（１０）上に形成された第１エピタキシャル層（４１）と、前記第１エピタキシャル層（４１）上に形成された第２エピタキシャル層（４２）と、前記第２エピタキシャル層（４２）上に形成された第３エピタキシャル層（４３）と、を備え、前記第１エピタキシャル層（４１）中における基底面転位の変換率が９５％未満であり、前記第２エピタキシャル層（４２）中における基底面転位の変換率が９８％より大きいものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の炭化珪素エピタキシャル基板によれば、基底面転位の変換率の異なる第１エピタキシャル層と第２エピタキシャル層によって、段階的に基底面転位を刃状転位に変換することができ、拡張積層欠陥の起点となる悪性の転位を低減できる。そのため、第２エピタキシャル層上の第３エピタキシャル層では、拡張積層欠陥の起点となる転位が低減されており、積層欠陥の拡張を抑制することができる。従って、第３エピタキシャル層またはさらにその上に設けたエピタキシャル層を半導体装置のドリフト層として用いることで、安定した特性を有する信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また、エピタキシャル層内の極端な濃度変化や、エピタキシャル層の成長中の温度変化は必要としないため、応力に起因する界面転位の発生も抑制でき、半導体装置の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置であるＭＯＳＦＥＴの構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＭＯＳＦＥＴの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板の構成を示す図である。
【図４】第１エピタキシャル層における基底面転位の例を示す断面図である。
【図５】第２エピタキシャル層における基底面転位の例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１および図２は、本発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ１００の構成を示す図である。図１は、ＭＯＳＦＥＴ１００の平面図である。また、図２はＭＯＳＦＥＴ１００のセル領域の一部の断面図であり、セル領域に配置されたＭＯＳＦＥＴセルの断面構造を示している。
【００１８】
本実施の形態では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型として説明するが、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としてもよい。なお、ｎ型の不純物としては、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）など、ｐ型の不純物としては、アルミニウム（Ａｌ）、ボロン（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）などを用いることができる。
【００１９】
本実施の形態のＭＯＳＦＥＴ１００は、単結晶基板１０とその上に形成されたエピタキシャル層４とから構成されるエピタキシャル基板３を用いて形成されている。単結晶基板１０およびエピタキシャル層４は、第１導電型（ここではｎ型）の炭化珪素により形成されている。
【００２０】
エピタキシャル基板３は、六方晶の結晶構造を有し、例えばポリタイプは４Ｈを有するものを用いることができる。単結晶基板１０の不純物濃度は、３×１０１８ｃｍ−３以上である。また、単結晶基板１０の上面（エピタキシャル層４側の面）の面方位は、ｃ面（｛０００１｝面）に対して０°を超えるオフ角を有している。ｃ面はカーボン面（Ｃ面）およびシリコン面（Ｓｉ面）のいずれであってもよい。オフ角の大きさは１°以上８°以下が好ましい。
【００２１】
エピタキシャル層４は、単結晶基板１０の上面上に設けられており、第１エピタキシャル層４１、第２エピタキシャル層４２および第３エピタキシャル層４３からなる積層構造となっている。これらは、エピタキシャル層４の下面（単結晶基板１０側の面）側から、第１エピタキシャル層４１、第２エピタキシャル層４２、第３エピタキシャル層４３の順に配設されている。エピタキシャル層４の上面（単結晶基板１０とは反対側の面）の面方位は、単結晶基板１０の上面の面方位と同じである。
【００２２】
エピタキシャル層４の第１エピタキシャル層４１および第２エピタキシャル層４２は、ＭＯＳＦＥＴ１００のバッファ層となり、エピタキシャル層４の第３エピタキシャル層４３はＭＯＳＦＥＴ１００のドリフト層１１となっている。バッファ層は、エピタキシャル層４のうち、デバイス動作時に空乏層が伸びない領域として定義され、ドリフト層１１は、デバイス動作時に空乏層が伸びる領域（活性層）として定義される。
【００２３】
ＭＯＳＦＥＴ１００がオフ状態になると、ドリフト層１１である第３エピタキシャル層４３に、空乏層が広がり、それによってソース電極２とドレイン電極１９との間に印加された電圧が保持される。ドリフト層１１の厚さ（図２における縦方向の寸法）は、パワーデバイスに求められる耐圧および各種の特性に応じて決定され、例えば、３μｍから２００μｍ程度である。また、ドリフト層１１の不純物濃度も、パワーデバイスに求められる耐圧および各種の特性に応じて決定され、例えば、１×１０１７ｃｍ−３程度である。なお、第１エピタキシャル層４１および第２エピタキシャル層４２の詳細については後述する。
【００２４】
第３エピタキシャル層４３すなわちドリフト層１１の表層部には、第２導電型（ここではｐ型）の不純物領域であるウェル領域１４が、選択的に形成されている。ウェル領域１４は、ドリフト層１１の厚さよりも薄く形成されており、ｐ型のウェル領域１４とｎ型のドリフト層１１とによって、ｐｎダイオード構造が形成される。
【００２５】
ウェル領域１４の表層部には、第１導電型のソース領域１５と、ウェル領域１４よりも不純物濃度が高い第２導電型のウェルコンタクト領域１６とが、選択的に形成されている。ウェル領域１４の表層部におけるソース領域１５とドリフト層１１とに挟まれた領域が、ＭＯＳＦＥＴ１００のチャネル領域となる。ソース領域１５は、例えば、平面視でウェルコンタクト領域１６の周りを取り囲むように形成される。
【００２６】
エピタキシャル層４の上面上には、チャネル領域を覆うように、ソース領域１５の上面からドリフト層１１の上面に渡って形成されたゲート絶縁膜１２が配設されている。また、ゲート絶縁膜１２上には、ゲート電極１３が形成されている。ゲート電極１３は、ゲート絶縁膜１２を介してチャネル領域に対向するように配設されている。図２の例では、ゲート絶縁膜１２は、隣り合う２つのＭＯＳＦＥＴセルに跨がるように形成されている。
【００２７】
ゲート電極１３上には層間絶縁膜１７が形成されており、層間絶縁膜１７の上にソース電極２が形成されている。層間絶縁膜１７およびゲート絶縁膜１２には、ソース領域１５およびウェルコンタクト領域１６に達するコンタクトホールが形成されており、ソース電極２は、当該コンタクトホールを通してウェル領域１４およびソース領域１５に接続している。よって、ソース電極２は、ソース領域１５と電気的に接続されると共に、低抵抗なウェルコンタクト領域１６を通して、ウェル領域１４とも電気的に接続される。
【００２８】
図１に示すように、ソース電極２は、ＭＯＳＦＥＴ１００の上面に露出した部分を有し、ソースパッドとして機能する。また、層間絶縁膜１７上には、コンタクトホールを通してゲート電極１３に接続したゲートパッド１（図２では不図示）も形成されている。一方、単結晶基板１０の下面（エピタキシャル層４とは反対側の面）には、ドレイン電極１９が形成されている。これらゲートパッド１、ソース電極２およびドレイン電極１９の材料としては、例えばアルミニウム等を用いることができる。
【００２９】
ＭＯＳＦＥＴ１００のセル領域には、図２の構造を持つＭＯＳＥＴセルが周期的に複数配置されている。それら複数のＭＯＳＦＥＴセルは互いに並列に接続されており、それによって、トランジスタアレイ構造が構成される。
【００３０】
次に、エピタキシャル層４の第１エピタキシャル層４１および第２エピタキシャル層４２の詳細について、図３〜図５を用いて説明する。図３は、ＭＯＳＦＥＴ１００の製造に用いられたエピタキシャル基板３の構成を示す図である。
【００３１】
先に述べたように、エピタキシャル基板３は、炭化珪素からなる単結晶基板１０と、その上に形成された炭化珪素からなるエピタキシャル層４とから構成される。エピタキシャル層４は、単結晶基板１０上に形成された第１エピタキシャル層４１と、第１エピタキシャル層４１上に形成された第２エピタキシャル層４２と、第２エピタキシャル層４２上に形成された第３エピタキシャル層４３とを備えた積層構造となっている。
【００３２】
エピタキシャル基板３は、六方晶の結晶構造を有し、例えばポリタイプは４Ｈを有するものを用いることができる。単結晶基板１０の不純物濃度は、３×１０１８ｃｍ−３以上である。また、単結晶基板１０の上面の面方位は１°以上８°以下のオフ角を有している。
【００３３】
第１エピタキシャル層４１は、当該第１エピタキシャル層４１の下面に存在する基底面転位をａ個としたとき、当該第１エピタキシャル層４１の上面に存在する基底面転位がａ×０．０５個以上、ａ個以下、より好ましくはａ×０．１個以上、ａ個以下となる層として定義される。また、第２エピタキシャル層４２は、当該第２エピタキシャル層４２の下面に存在する基底面転位をｂ個としたとき、当該第２エピタキシャル層４２の上面に存在する基底面転位はｂ×０．０２個以下、より好ましくはｂ×０．０１個以下となる層として定義される。ここで、エピタキシャル層４の各層において、「下面」とは単結晶基板１０側の界面を指し、「上面」とはその反対側の界面を指している。また、各層において、下面に存在する基底面転位とは、下面から当該層の内部へ侵入する基底面転位を指し、上面に存在する基底面転位とは、当該層の内部から上面へ抜ける基底面転位を指している。
【００３４】
図４に、第１エピタキシャル層４１における基底面転位の例を示す。単結晶基板１０上に成長させた第１エピタキシャル層４１には、単結晶基板１０から多くの基底面転位が侵入する。図４において、単結晶基板１０内に存在する基底面転位３０ａ〜３０ｅのうち、基底面転位３０ａは、第１エピタキシャル層４１の下面４１１（すなわち、第１エピタキシャル層４１と単結晶基板１０の界面）で刃状転位に変化して、第１エピタキシャル層４１内へは侵入していないが、基底面転位３０ｂ〜３０ｅは、第１エピタキシャル層４１の下面４１１から第１エピタキシャル層４１内へ侵入している。第１エピタキシャル層４１内へ侵入した基底面転位３０ｂ〜３０ｅのうち、基底面転位３０ｂ〜３０ｄは、第１エピタキシャル層４１内の下層部、中層部または上層部で、刃状転位に変化して、第１エピタキシャル層４１の上面４１２に抜けている。また、基底面転位３０ｅは、刃状転位に変換されることなく第１エピタキシャル層４１の上面４１２に抜け、第１エピタキシャル層４１を貫通している。
【００３５】
図４の場合、基底面転位３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは第１エピタキシャル層４１によって刃状転位に変換されたことになり、基底面転位３０ｅは第１エピタキシャル層４１によって刃状転位に変換されなかったことになる。なお、第１エピタキシャル層４１の下面４１１で刃状転位に変化した基底面転位３０ａは、第１エピタキシャル層４１の下面４１１に存在していないものとみなし、当該下面４１１に存在する基底面転位の個数には含めないものとする。
【００３６】
従って、「第１エピタキシャル層４１の下面に存在する基底面転位をａ個としたとき、第１エピタキシャル層４１の上面に存在する基底面転位はａ×０．０５個以上、ａ個以下である」とは、第１エピタキシャル層４１に下面から侵入した基底面転位の個数をａ個としたときに、第１エピタキシャル層４１によって刃状転位に変換されない基底面転位の個数がａ×０．０５個以上、ａ個以下であることを意味する。逆に言えば、第１エピタキシャル層４１中で刃状転位に変換される基底面転位の個数がａ×０．９５個未満であることを意味する。つまり、第１エピタキシャル層４１における基底面転位の変換率は９５％未満である。
【００３７】
次に、第２エピタキシャル層４２における基底面転位の例を図５に示す。第１エピタキシャル層４１上に成長させた第２エピタキシャル層４２には、第１エピタキシャル層４１から基底面転位が侵入する。上記と同様に、第１エピタキシャル層４１の下面４１１に存在する基底面転位の個数をａ個とすると、第１エピタキシャル層４１の上面４１２には、ａ×０．０５個以上の基底面転位が到達する。よって、第２エピタキシャル層４２の下面４２１から第２エピタキシャル層４２内へはａ×０．０５個以上の基底面転位が侵入してくる。
【００３８】
図５のように、第１エピタキシャル層４１の上面４１２に存在する基底面転位３１ａ〜３１ｅのうち、基底面転位３１ａは、第２エピタキシャル層４２の下面４２１（すなわち、第１エピタキシャル層４１と第２エピタキシャル層４２との界面）で刃状転位に変化して、第２エピタキシャル層４２内へは侵入していないが、基底面転位３１ｂ〜３１ｅは、第２エピタキシャル層４２の下面４２１から第２エピタキシャル層４２内へ侵入している。第２エピタキシャル層４２内へ侵入した基底面転位３１ｂ〜３１ｅのうち、基底面転位３１ｂ〜３１ｄは、第２エピタキシャル層４２内の下層部、中層部または上層部で、刃状転位に変化して、第２エピタキシャル層４２の上面４２２に抜けている。また、基底面転位３１ｅは、刃状転位に変換されることなく第２エピタキシャル層４２の上面４２２に抜け、第２エピタキシャル層４２を貫通している。
【００３９】
図５の場合、基底面転位３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは第２エピタキシャル層４２によって刃状転位に変換されたことになり、基底面転位３１ｅは第２エピタキシャル層４２によって刃状転位に変換されなかったことになる。なお、第１エピタキシャル層４１の上面４１２と第２エピタキシャル層４２の下面４２１とは同一平面であるが、第２エピタキシャル層４２の下面４２１で刃状転位に変化した基底面転位３１ａは、第２エピタキシャル層４２の上面４２２には存在するが、第２エピタキシャル層４２の下面４２１に存在していないものとみなし、当該下面４２１に存在する基底面転位の個数には含めないものとする。
【００４０】
従って、「第２エピタキシャル層４２の下面に存在する基底面転位をｂ個としたとき、第２エピタキシャル層４２の上面に存在する基底面転位はｂ×０．０２個以下である」とは、第２エピタキシャル層４２に下面から侵入した基底面転位の個数をｂ個としたとき、そのうち第２エピタキシャル層４２によって刃状転位に変換されない基底面転位がｂ×０．０２個以下であることを意味する。逆に言えば、第２エピタキシャル層４２中で刃状転位に変換される基底面転位の個数はｂ×０．９８より多いことを意味する。すなわち、第２エピタキシャル層４２における基底面転位の変換率は９８％よりも大きい。
【００４１】
また、第１エピタキシャル層４１の下面４１１の基底面転位をａ個としたとき、第２エピタキシャル層４２の上面４２２の基底面転位は、ａ×０．００１個以下となるようにする。つまり、第１エピタキシャル層４１および第２エピタキシャル層４２によって、単結晶基板１０中の基底面転位の９９．９％以上を変換していることを意味する。すなわち、第３エピタキシャル層４３に侵入する基底面転位は、単結晶基板１０中に存在している基底面転位の０．１％以下となる。
【００４２】
このように、本実施の形態に係るエピタキシャル基板３では、単結晶基板１０中に存在する基底面転位を刃状転位に変換する第１エピタキシャル層４１および第２エピタキシャル層４２の上に、第３エピタキシャル層４３が形成されることになる。単結晶基板１０中に存在する基底面転位を、第１エピタキシャル層４１および第２エピタキシャル層４２が、２段階で刃状転位に変換することで、第３エピタキシャル層４３において、拡張積層欠陥の起点となる悪性の転位を低減することができる。よって、本実施の形態に係るエピタキシャル基板３を用いて、ＭＯＳＦＥＴ１００を製造した場合、拡張積層欠陥の起点となる悪性の転位の少ないドリフト層１１を得ることができ、ＭＯＳＦＥＴ１００のボディダイオードが通電することによる特性劣化を抑制することができる。
【００４３】
以下、基底面転位が２段階で刃状転位に変換されるメカニズム、およびそれによって通電劣化が抑制されるメカニズムについて説明する。
【００４４】
上の説明から理解されるとおり、本発明の本質は、エピタキシャル層４を、基底面転位の変換率の異なる複数の層からなる積層構造にすることにある。より具体的には、基底面転位の変換率の低い第１エピタキシャル層４１の上に、基底面転位の変換率の高い第２エピタキシャル層４２を積層することにある。これにより、基底面転位を２段階に分けて刃状転位に変換することができる。その結果、基底面転位だけでなく、その他の拡張積層欠陥の起点となる悪性の転位を低減することができ、バイポーラデバイスの通電による劣化を抑制することが可能となる。
【００４５】
一般的に、複数層のエピタキシャル成長による基底面転位の変換は、各層の界面で発生することが知られている。それは、各層の界面には不純物濃度の差に起因する応力が発生し、その応力により基底面転位が刃状転位に変換されるためである。しかし、この応力によって界面転位が形成されると、それによってデバイスが通電するという別の問題が生じる。
【００４６】
その一方で、各層の内部でも、基底面転位は刃状転位へ変換される。それは、基底面転位の変換が、基底面転位の進行とエピタキシャル成長の進行との相互作用によっても引き起こされるからである（例えば、非特許文献３）。基底面転位の進行方向とエピタキシャル成長の進行方向とのなす角が大きいほど、その相互作用は大きく、刃状転位に変換されやすくなる。
【００４７】
一般的に、オフ角を有する炭化珪素基板上へのエピタキシャル成長は、炭化珪素単結晶上におけるステップフロー成長と２次元核成長の２つの成長モードによって進行する。ステップフロー成長モードとは、供給された材料原子がステップ端に取り込まれることで進行する成長モードで、ステップフロー方向に対し平行に進行する成長である。２次元核成長モードとは、オフ角を有する炭化珪素単結晶基板上のテラス領域において、２次元核が形成され、それを核として周辺に向かって進行する成長モードである。２次元核成長モードは、ステップフロー方向に対して垂直な成長成分を持つことから、「横方向成長」と呼ばれることもある。
【００４８】
これら２つの成長モードの内、２次元核成長モードの発現率が、基底面転位の変換率に大きな影響を与えている。具体的には、２次元核成長モードの発現率が低い場合は、基底面転位の変換率は低くなり、２次元核成長モードの発現率が高い場合は、基底面転位の変換率が飛躍的に向上する。これは、エピタキシャル層に侵入した基底面転位の進行方向と２次元核成長モードのエピタキシャル成長の向とが異なることから、基底面転位に対して相互作用が働くためである。なお、ここでいう「２次元核成長モードの発現率が高い」とは、ステップフロー成長モードより２次元核成長モードが優位になるということを意味するのではなく、一般的な成長条件と比較して、相対的に２次元核成長モードの発現率が高いということを意味している。
【００４９】
一方で、エピタキシャル層に侵入する基底面転位は、ステップフロー方向に対して、様々な角度へ進行する。そのため、基底面転位の進行方向によってもその変換率が変化する。例えば、基底面転位の進行方向がステップフロー方向に対し平行な場合は、基底面転位の進行とステップフロー成長との相互作用が小さいため、刃状転位への変換率は低くなるが、基底面転位の進行方向がステップフロー方向に対して大きな角度を有している場合、基底面転位の進行とステップフロー成長との相互作用が大きくなり、変換率は高くなる。
【００５０】
ただし、２次元核成長モードの発現率が高い成長条件において、ステップフローに対して大きな角度を有する基底面転位がエピタキシャル層の表面に存在すると、基底面転位がステップフロー成長モードと２次元核成長モードの両者からの相互作用を受けるため、まれに基底面転位が完全に刃状転位に変換されず、基底面転位と刃状転位の性質を併せ持った悪性の転位が形成されることがある。この転位は、その後のエピタキシャル成長によっては変換されにくく、そのまま上層のドリフト層（第３エピタキシャル層４３）まで進行してしまう。このような転位がドリフト層に存在すると、拡張積層欠陥の起点となり、デバイス劣化を引き起こす。ここでの、「ステップフローに対して大きな角度」とは、具体的にはステップフロー方向と基底面転位の進行方向のなす角が５０°以上であることを指す。また、「基底面転位と刃状転位の性質を併せ持つ転位」とは、具体的には、基底面に対し、１０°以上、８０°以下の角度で進行する転位であり、多くは１５°以上、５０°以下の角度で進行する。
【００５１】
本実施の形態のエピタキシャル基板３は、基底面転位と刃状転位の性質を併せ持つ転位を低減するために有効である。第１エピタキシャル層４１は、基底面転位の変換率が低い成長条件で形成される。その変換率は９５％未満であり、より好ましくは９０％未満である。このような条件での成長においては２次元核成長モードの発現率が低く、成長成分の殆どすべてがステップフロー成長モードで構成されていると考えることができる。このとき、ステップフローに対し大きな角度を有する基底面転位に対し、ステップフロー成長との相互作用により、転位の進行方向をステップフロー方向へ曲げることができる。その際、第１エピタキシャル層４１と第２エピタキシャル層４２との界面および第２エピタキシャル層４２中に存在する基底面転位がステップフロー方向と成す角度は±４５°以下となることが好ましい。基底面転位とステップフロー方向との成す角度が±４５°以下であることで、第２エピタキシャル層４２の形成時に基底面転位がステップフロー成長モードと２次元核成長モードの両者からの相互作用を受けにくくなるため、基底面転位と刃状転位の性質を併せ持った悪性の転位が形成されることを抑制できる。一方で、基底面転位とステップフロー方向との成す角度が±４５°より大きい場合は、第２エピタキシャル層４２の形成時に基底面転位がステップフロー成長モードと２次元核成長モードの両者からの相互作用を受け易くなり、悪性の転位の形成を効果的に抑制することができない。
【００５２】
第２エピタキシャル層４２は、基底面転位の変換率が高い成長条件で形成される。その変換率は９８％より大きく、より好ましくは９９％より大きい。そのため、第１エピタキシャル層４１において、変換されなかった基底面転位をほぼすべて変換することができる。つまり、第２エピタキシャル層４２は、第１エピタキシャル層４１で転位の進行方向を曲げられた基底面転位を刃状転位に変換することが可能である。第２エピタキシャル層４２における基底面転位の変換率が９８％以下であると、基底面転位が完全に変換できず、デバイス劣化を引き起こすおそれがある。
【００５３】
以上のように、本実施の形態によれば、単結晶基板１０上に存在するステップフロー方向に対して大きな角度を有する基底面転位に対し、第１エピタキシャル層４１でその基底面転位の進行方向をステップフロー方向と平行方向に屈折させ、第２エピタキシャル層４２で刃状転位に変換することができる。これにより、ステップフロー方向に対して大きな角度を有する基底面転位が刃状転位と基底面転位の性質を併せ持つ悪性の転位に変換されることを抑制できる。
【００５４】
なお、第１エピタキシャル層４１の膜厚は、一意的に限定されないが、生産性の観点から、０．０１μｍ以上、３０μｍ以下であることが望ましい。第１エピタキシャル層４１の濃度は、一意的に限定されないが、１×１０１６ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下であることが望ましい。また、第２エピタキシャル層４２の膜厚は、一意的に限定されないが、生産性の観点から、０．０１μｍ以上、３０μｍ以下であることが望ましい。第２エピタキシャル層４２の濃度は、一意的に限定されないが、１×１０１６ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下であることが望ましい。第１エピタキシャル層４１と第２エピタキシャル層４２の膜厚および濃度は、互いに同じでもよいし、異なっていてもよい。
【００５５】
本発明の本質は、単結晶基板１０の上に形成されるエピタキシャル層４を、基底面転位の変換率の異なる複数のエピタキシャル層からなる積層構造とすることにあり、基本的に、各層の不純物濃度によってその効果が変化するものではない。ただし、各層間の不純物濃度の差に起因する応力は界面転位を発生させるため、第１エピタキシャル層４１と第２エピタキシャル層４２との間に極端な不純物濃度差がないことが望ましい。また、第１エピタキシャル層４１の不純物濃度は第２エピタキシャル層４２の不純物濃度より高く、第２エピタキシャル層４２の不純物濃度は第３エピタキシャル層４３の不純物濃度より高いことが望ましい。具体的には、第１エピタキシャル層４１の不純物濃度をＮａ、前記第２エピタキシャル層４２の不純物濃度をＮｂとしたとき、０．０１≦Ｎｂ／Ｎａ≦１を満たすように第１エピタキシャル層４１と第２エピタキシャル層４２の不純物濃度を設定することが好ましい。上記の条件を満たすように不純物濃度を設定することにより、不純物濃度差に起因する応力を効果的に抑制させることができる。上記の条件を満たさない条件下で第１エピタキシャル層４１および第２エピタキシャル層４２の不純物濃度を設定すると、第１エピタキシャル層４１と第２エピタキシャル層４２との間の不純物濃度差が極めて大きくなってしまい、それに伴い発生した応力を効果的に抑制させることが困難となる。
【００５６】
また、エピタキシャル層４を構成する各層内で、不純物濃度は一定である必要はなく、必要に応じて、厚さ方向に変化させてもよい。例えば、第１エピタキシャル層４１の下面の不純物濃度を単結晶基板１０の不純物濃度と同程度にし、第１エピタキシャル層４１の成長とともに徐々に不純物濃度を下げて、第１エピタキシャル層４１の上面と第２エピタキシャル層４２の下面との不純物濃度を同程度にしてもよい。さらに、第２エピタキシャル層４２の成長と共に徐々に不純物濃度を下げて、第２エピタキシャル層４２の上面と第３エピタキシャル層４３の下面とで不純物濃度を同程度にしてもよい。そうすることで、不純物濃度の差に起因する応力は極めて小さくなり、界面転位の発生を抑制できるため、本発明の効果を効果的に得ることができる。
【００５７】
次に、本実施の形態に係るエピタキシャル基板３の製造方法、すなわち、単結晶基板１０上にエピタキシャル層４を形成する方法について説明する。
【００５８】
エピタキシャル層４は、単結晶基板１０上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相成長）法を用いて形成することができる。当該ＣＶＤ法では、キャリアガスには水素（Ｈ２）を用い、原料ガスにはシラン（ＳｉＨ４）およびジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）に代表されるシリコン含有ガスと、プロパン（Ｃ３Ｈ８）およびメタン（ＣＨ４）に代表される炭素含有ガスとを用いることができる。また、不純物のドーパントガスとして窒素（Ｎ２）を添加する。単結晶基板１０を反応炉内に設置し、１４００℃から１８００℃に加熱した後、これらのキャリアガス、原料ガス、およびドーパントガスを反応炉に導入することで、単結晶基板１０上にエピタキシャル層４を成長させることができる。このとき、成長速度を向上させるためにハライド含有ガスを用いてもよい。
【００５９】
ただし、エピタキシャル層４を、第１エピタキシャル層４１、第２エピタキシャル層４２および第３エピタキシャル層４３からなる積層構造にするために、各層の成長工程で、成長条件を変更する必要がある。すなわち、単結晶基板１０上に、第１の成長条件を用いて第１エピタキシャル層４１を成長させた後、第２の成長条件を用いて第２エピタキシャル層４２を成長させ、さらに、第３の成長条件を用いて第３エピタキシャル層４３を成長させる必要がある。
【００６０】
前述したように、炭化珪素のエピタキシャル成長において、基底面転位の変換率を変化させるためには、成長時の２次元核成長の発現率を増減させることが重要である。２次元核生成の発現率は、エピタキシャル成長時の条件、具体的には、Ｃ／Ｓｉ比、成長温度、成長圧力、成長速度、キャリアガス流量、を調整することによって制御することができる。例えば、シリコン含有ガスと炭素含有ガスの供給流量比であるＣ／Ｓｉ比を低くすることで２次元核生成を抑制でき、逆にＣ／Ｓｉ比を高くすることで２次元核成長の発現率を増大させることができる。また、成長温度が高いほど２次元核成長の発現率が低くなる。
【００６１】
従って、第１の成長条件と、第２の成長条件と、第３の成長条件とでは、Ｃ／Ｓｉ比、成長温度、成長圧力および成長速度のうち、１つ以上の条件が異なる。成長温度および成長圧力を変化させる場合は、各層の成長工程の間で、原料ガスの供給を一旦停止し、所望の成長温度および成長圧力に完全に変化させてから、成長を再開することで次の成長工程に移行することが望ましい。これは、成長を続けながら温度条件等を切り替えると、熱ストレスにより界面転位等の新たな転位が形成されるためである。
【００６２】
例えば、まず、第１のＣ／Ｓｉ比、第１の成長温度、第１の成長速度、第１の成長圧力を用いて第１エピタキシャル層４１を所望の膜厚まで成長させ、原料ガスの供給を中断する。そして、第２の成長温度および第２の成長圧力に完全に変化させてから、第２のＣ／Ｓｉ比および第２の成長速度になるように調整した原料ガスの供給を再開することで、第２エピタキシャル層４２の成長を開始する。その後、第２エピタキシャル層４２が所望の膜厚に達したところで再度原料ガスの供給を止める。次に、第３の成長温度および第３の成長圧力に完全に変化させた後、第３のＣ／Ｓｉ比および第３の成長温度になるように調整した原料ガスの供給を再開することで、第３エピタキシャル層４３を成長させる。
【００６３】
例えば、第１のＣ／Ｓｉ比よりも第２のＣ／Ｓｉ比を高くすることで、２次元核成長の発現率を調整でき、第１エピタキシャル層４１の基底面転位の変換率を９５％未満、第２エピタキシャル層４２の基底面転位の変換率を９８％より大きくすることができる。また、例えば、第１の成長温度よりも第２の成長温度を低くすることで、２次元核成長の発現率を調整でき、第１エピタキシャル層４１の基底面転位の変換率を９５％未満、第２エピタキシャル層４２の基底面転位の変換率を９８％より大きくすることができる。さらに、これら２つのパラメータを同時に変化させてもよいし、更に他のパラメータを変化させてもよい。
【００６４】
なお、基底面転位の変換率は、エピタキシャル成長時のＣ／Ｓｉ比、成長温度、成長速度、成長圧力の他、成長炉の構造などの様々な要因で変化するため、各層の成長条件を一概に限定することはできない。本発明の効果は、上述したエピタキシャル基板の構成および炭化珪素半導体装置の構造によって十分に得ることができる。
【００６５】
本実施の形態に係るエピタキシャル基板３の製造方法によれば、エピタキシャル層４を構成する第１エピタキシャル層４１、第２エピタキシャル層４２および第３エピタキシャル層４３を同一炉内で成長させることができるため、スループットを大きく下げることなく、本発明に係るエピタキシャル基板３を得ることができる。また、第１の成長速度および第２の成長速度に比べ、第３の成長速度を速くすることで、より生産性を高めることができる。また、エピタキシャル層４の各層の成長工程の間で、原料ガスの供給を一旦停止して成長を止めることで、熱ストレスを抑えることができ、界面転位等の発生を抑制することができる。
【００６６】
図２においては、エピタキシャル層４が第１エピタキシャル層４１、第２エピタキシャル層４２および第３エピタキシャル層４３からなる３層構造であり、第１エピタキシャル層４１および第２エピタキシャル層４２をバッファ層、第３エピタキシャル層４３をドリフト層１１として用いた構成を示した。すなわち、デバイス構造が第３エピタキシャル層４３に形成される構成を示した。しかし、エピタキシャル層４は４以上の層を含んでいてもよい。
【００６７】
例えば、図６は、エピタキシャル層４を４層構造としたエピタキシャル基板３の例である。すなわち、図６において、エピタキシャル層４は、単結晶基板１０上に形成された第１エピタキシャル層４１と、第１エピタキシャル層４１上に形成された第２エピタキシャル層４２と、第２エピタキシャル層４２上に形成された第３エピタキシャル層４３と、第３エピタキシャル層４３上に形成された第４エピタキシャル層４４とを備えている。
【００６８】
この場合、第４エピタキシャル層４４がドリフト層１１として用いられ、そこにデバイス構造が形成される。また、第３エピタキシャル層４３は、バッファ層として働く。このとき、第３エピタキシャル層４３の不純物濃度を第４エピタキシャル層４４より高くするとよい。このように、ドリフト層１１となる第４エピタキシャル層４４の下に不純物濃度の高い第３エピタキシャル層４３が設けられることにより、キャリアの再結合が生じる領域と、悪性の転位が存在する領域との物理的距離を離すことができ、積層欠陥の拡張を抑制することができる。
【００６９】
以上、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置および炭化珪素エピタキシャル基板についての実施の形態を詳細に説明したが、当該実施の形態は本願発明が適応可能な一局面を例示したものであり、本発明の適用範囲はこれに限定されない。
【００７０】
つまり、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
３  エピタキシャル基板、４  エピタキシャル層、１０  単結晶基板、１１  ドリフト層、１２  ゲート酸化膜、１３  ゲート電極、１４  ウェル領域、１５  ソース領域、１６  ウェルコンタクト領域、１７  層間絶縁膜、１９  ドレイン電極、４１  第１エピタキシャル層、４２  第２エピタキシャル層、４３  第３エピタキシャル層、４４  第４エピタキシャル層、４１１  第１エピタキシャル層の下面、４１２  第１エピタキシャル層の上面、４２１  第２エピタキシャル層の下面、４２２  第２エピタキシャル層の上面、３０ａ〜３０ｅ，３１〜３１ｅ  基底面転位。
【図１】
2017199792.tif 000003
【図２】
2017199792.tif 000004
【図３】
2017199792.tif 000005
【図４】
2017199792.tif 000006
【図５】
2017199792.tif 000007
【図６】
2017199792.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月6日(2018.6.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素単結晶基板（１０）と、
前記炭化珪素単結晶基板（１０）上に形成された第１エピタキシャル層（４１）と、
前記第１エピタキシャル層（４１）上に形成された第２エピタキシャル層（４２）と、
前記第２エピタキシャル層（４２）上に形成された第３エピタキシャル層（４３）と、
を備え、
前記第１エピタキシャル層（４１）の下面に存在する基底面転位をａ個としたとき、前記第２エピタキシャル層（４２）の上面に存在する基底面転位がａ×０．００１個以下である
ことを特徴とする炭化珪素エピタキシャル基板（３）。
【請求項２】
前記第１エピタキシャル層（４１）中における基底面転位の変換率が、前記第２エピタキシャル層（４２）中における基底面転位の変換率より低い
請求項１に記載の炭化珪素エピタキシャル基板（３）。
【請求項３】
前記第１エピタキシャル層（４１）中における基底面転位の変換率が９５％未満であり、
前記第２エピタキシャル層（４２）中における基底面転位の変換率が９８％より大きい
請求項２に記載の炭化珪素エピタキシャル基板（３）。
【請求項４】
前記第１エピタキシャル層（４１）および前記第２エピタキシャル層（４２）の不純物濃度が、１×１０１６ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下である
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板（３）。
【請求項５】
前記第１エピタキシャル層（４１）の不純物濃度をＮａ、前記第２エピタキシャル層（４２）の不純物濃度をＮｂとしたとき、０．０１≦Ｎｂ／Ｎａ≦１を満たす
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板（３）。
【請求項６】
前記第１エピタキシャル層（４１）と前記第２エピタキシャル層（４２）との界面および前記第２エピタキシャル層（４２）中に存在する基底面転位がステップフロー方向と成す角度が±４５°以下である
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板（３）。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の炭化珪素エピタキシャル基板（３）を含む
炭化珪素半導体装置。
【請求項８】
前記第１エピタキシャル層（４１）および前記第２エピタキシャル層（４２）をバッファ層とし、前記第３エピタキシャル層（４３）をドリフト層とする
請求項７記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項９】
前記第３エピタキシャル層（４３）上に形成され、前記第３エピタキシャル層（４３）よりも不純物濃度の低い第４エピタキシャル層をさらに備え、
前記第１エピタキシャル層（４１）、前記第２エピタキシャル層（４２）および前記第３エピタキシャル層（４３）をバッファ層とし、前記第４エピタキシャル層をドリフト層とする
請求項７記載の炭化珪素半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明の炭化珪素エピタキシャル基板（３）は、炭化珪素単結晶基板（１０）と、前記炭化珪素単結晶基板（１０）上に形成された第１エピタキシャル層（４１）と、前記第１エピタキシャル層（４１）上に形成された第２エピタキシャル層（４２）と、前記第２エピタキシャル層（４２）上に形成された第３エピタキシャル層（４３）と、を備え、前記第１エピタキシャル層（４１）の下面に存在する基底面転位をａ個としたとき、前記第２エピタキシャル層（４２）の上面に存在する基底面転位がａ×０．００１個以下である。
【国際調査報告】
2017199792.tif 000009
2017199792.tif 000010
2017199792.tif 000011
2017199792.tif 000012