(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇華法又はＨＴＣＶＤ法によって得られたバルク状の単結晶をスライスすることで製造された炭化珪素基板を、不活性ガス雰囲気において、１７００℃〜２２００℃で加熱処理することで、当該炭化珪素基板の内部において基底面転位の先端部を貫通刃状転位に転換し、
当該炭化珪素基板上に、炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
炭化珪素のエピタキシャル成長及び加熱処理を、複数回行う
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記エピタキシャル膜上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行う
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
エピタキシャル成長を行った後に、前記炭化珪素基板を取り去ることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板を取り去ることで得られたエピタキシャル膜表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項６】
昇華法又はＨＴＣＶＤ法によって得られたバルク状の単結晶をスライスすることで製造された炭化珪素基板上に、炭化珪素からなるエピタキシャル膜を形成し、
不活性ガス雰囲気において、前記エピタキシャル膜を１７００℃〜２２００℃で加熱処理することで、当該エピタキシャル膜の内部において基底面転位の先端部を貫通刃状転位に転換し、
当該エピタキシャル膜上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことで、基底面転位が低減したエピタキシャル膜を結晶成長させる
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
炭化珪素のエピタキシャル成長及び加熱処理を、複数回行う
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記エピタキシャル膜上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行う
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項９】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記エピタキシャル成長を行う際に、ドーパントを含むガスを用いて、エピタキシャル膜にドーパントを導入する
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項１０】
請求項６〜請求項８の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記エピタキシャル成長を行う際に、ドーパントを含むガスを用いて、エピタキシャル膜にドーパントを導入する
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項１１】
請求項６〜請求項８、請求項１０の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
エピタキシャル成長を行った後に、前記炭化珪素基板を取り去り、又は、前記炭化珪素基板及び前記加熱処理を行ったエピタキシャル膜を取り去る
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板、又は、前記炭化珪素基板及び前記加熱処理を行ったエピタキシャル膜を取り去ることで得られたエピタキシャル膜表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項１３】
バルク状の単結晶からなる炭化珪素基板であって、
前記炭化珪素基板の表面から当該炭化珪素基板の内部に向かって０．１μｍ以上、１０μｍ以内の領域において、基底面転位から転換された貫通刃状転位を備え、
基底面転位から転換された貫通刃状転位は、全ての基底面転位のうちの２０％以上である
ことを特徴とする炭化珪素基板。
【請求項１４】
炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に形成されたエピタキシャル膜と、
前記炭化珪素基板のうち、炭化珪素基板とエピタキシャル膜との界面から当該炭化珪素基板の内部に向かって０．１μｍ以上、１０μｍ以内の領域において、基底面転位から転換された貫通刃状転位とを備え、
基底面転位から転換された貫通刃状転位は、全ての基底面転位のうちの２０％以上である
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１５】
炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に形成された第１のエピタキシャル膜、及び当該第１のエピタキシャル膜上に形成された第２のエピタキシャル膜と、
前記第１のエピタキシャル膜の内部において、基底面転位から転換された貫通刃状転位とを備え、
前記第２のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度は、前記第１のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度の８０％以下である
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１６】
請求項１５に記載する炭化珪素ウェハにおいて、
前記第２のエピタキシャル膜に含まれるドーパント濃度は、前記第１のエピタキシャル膜に含まれるドーパント濃度よりも低い
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１７】
炭化珪素基板上に複数のエピタキシャル膜が形成され、
当該複数のエピタキシャル膜のうちの隣接する２つのエピタキシャル膜であって、炭化珪素基板に近い側の第１のエピタキシャル膜及び遠い側の第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハであって、
前記第１のエピタキシャル膜の内部で、２０％以上の基底面転位が貫通刃状転位に転換され、
前記第１のエピタキシャル膜内の厚さ方向２μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の６０％以上が行われている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１８】
請求項１７に記載する炭化珪素ウェハにおいて、
前記第１のエピタキシャル膜内の第２のエピタキシャル膜との界面から０．１μｍ以上、１０μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の８０％以上が行われている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１９】
請求項１４〜請求項１８の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハを具備する炭化珪素半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素基板、炭化珪素ウェハ、炭化珪素ウェハの製造方法及び炭化珪素半導体素子に関し、特に基底面転位を貫通刃状転位に転換したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、Ｓｉと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているＳｉ単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。
【０００３】
現在、炭化珪素単結晶を製造する方法としては、昇華法やＨＴＣＶＤ法が知られている。これらの方法によれば、炭化珪素単結晶が円柱形のバルク状の単結晶として得られる。このバルク状の単結晶を通常３００μｍ〜４００μｍ程度の厚さにスライスすることにより、炭化珪素基板が製造される。この炭化珪素基板を用いて半導体素子を製造する場合には、その半導体素子の耐電圧等の要求仕様に基づいた所要の膜厚及びキャリヤ濃度を有する単結晶層を、基板表面からエピタキシャル成長させることにより製造する場合が多い。
【０００４】
炭化珪素基板は、以上のような方法で製造されているが、通常の圧力では液相を持たず、また、昇華温度が極めて高いこと等から、転位や積層欠陥等の結晶欠陥を含まないような高品質の結晶成長を行うことが困難である。
【０００５】
現在市販されている炭化珪素基板には、１０２cm−２〜１０３cm−２程度のｃ軸方向に伝播する貫通らせん転位、１０２cm−２〜１０４cm−２程度のｃ軸方向に伝播する貫通刃状転位、１０２cm−２〜１０４cm−２程度のｃ軸と垂直方向に伝播する転位（基底面転位）が存在している。これらの転位密度は、その基板の品質によって大きく異なる。
【０００６】
炭化珪素基板に内在しているこれらの転位は、基板上にエピタキシャル膜を成長させる際に、このエピタキシャル膜中に伝播する。このとき、一部の転位は、エピタキシャル膜中に伝播する際にその伸張方向（伝播方向）を変える場合もあることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
例えば、基底面転位（以下、ＢＰＤ）は、基板の表面にその一端若しくは両端が現れている。その基板にエピタキシャル膜を結晶成長させると、基板内のＢＰＤの多くは基板とエピタキシャル膜との界面近傍で貫通刃状転位（以下、ＴＥＤ）に転換され、ＢＰＤの一部はＢＰＤのままエピタキシャル膜中に伝播する。
【０００８】
したがって、エピタキシャル膜中には、基板よりそのまま伝播したＢＰＤに加えて、エピタキシャル成長時に導入されたＴＥＤが含まれていることになる。これらの転位は、そのエピタキシャル膜を用いて形成した半導体素子の耐電圧や信頼性を低下させる。特に、エピタキシャル膜に含まれるＢＰＤは、半導体素子の信頼性や性能を低下させる。一方、エピタキシャル膜に含まれるＴＥＤは、半導体素子の信頼性や性能に与える悪影響は小さいとされている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００９】
そこで、炭化珪素基板に含まれるＢＰＤをＴＥＤに転換し、ＴＥＤの割合を高める方法が検討されている。
【００１０】
（１）溶融ＫＯＨを用いて基板表面をエッチングする。このエッチングにより、基板表面におけるＢＰＤの先端部が選択的に深くエッチングされ、エッチピットが生じる。その後、基板にエピタキシャル成長を行う。基板表面におけるＢＰＤの先端部のエッチピットの存在により、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献１、非特許文献３及び非特許文献４参照）。
【００１１】
（２）リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて基板表面に六角形若しくはストライプ状の溝を形成し、その後、基板にエピタキシャル成長を行う。基板表面における角形若しくはストライプ状の溝の存在により、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献２、特許文献３及び非特許文献３参照）。
【００１２】
（３）基板表面に、化学機械研磨（ＣＭＰ）と水素エッチングを行う。これにより基板表面におけるダメージ層が除去され、基板表面が平坦化される。その後に、基板表面に対してエピタキシャル成長を行う。これにより、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献４及び非特許文献５参照）。
【００１３】
（４）エピタキシャル成長を行う基板の主面を（０００−１）Ｃ面とする。これにより、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献５及び非特許文献５参照）。
【００１４】
（５）エピタキシャル成長を行う基板の｛０００１｝面からのオフ角度を８°から４°に低減する。これにより、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、非特許文献５及び非特許文献６参照）。
【００１５】
（６）基板表面にエピタキシャル成長を行う途中で、ＳｉＨ４やＣ３Ｈ８等の原料ガスの供給を停止し、水素気流中でその温度を維持した状態にすることで、エピタキシャル成長を停止させる。一定時間経過後、二回目のエピタキシャル成長を行う。このとき、一回目のエピタキシャル成長時にエピタキシャル膜中に伝播したＢＰＤの一部が、二回目のエピタキシャル成長時にＴＥＤに転換される。このようなエピタキシャル成長の途中中断、再開を行うこと、又は途中中断と再開とを繰り返すことで、ＢＰＤ密度の小さいエピタキシャル膜が得られる（例えば、非特許文献７参照）。
【００１６】
上述した（１）〜（３）の方法は、エピタキシャル成長を行う前に、基板表面にエッチングを必要とするものであり、製造工程が煩雑となる。（６）の方法は、エピタキシャル成長の途中中断と再開という工程を要するため、同様に、製造工程が煩雑となる。
【００１７】
（４）の方法では、（０００１）Ｓｉ面を利用することができない。（５）の方法は、８°のオフ角の基板を用いることができず、エピタキシャル成長の速度が制限されてしまう。
【００１８】
このように、従来技術では、製造工程が煩雑となるのでＢＰＤが低減した炭化珪素単結晶層の形成に時間や手間が掛かってしまう。また、エピタキシャル成長を行う基板表面やオフ角が制約されてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第７２７９１１５号明細書
【特許文献２】米国特許第７２２６８０５号明細書
【特許文献３】米国特許第７１０９５２１号明細書
【特許文献４】特開２００５−３１１３４８号公報
【特許文献５】特開２００５−１６７０３５号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】S. Ha, P. Mieszkowski, M. Skowronski, and L. B. Rowland: J.Cryst. Growth 244(2002)257.
【非特許文献２】H.Lendenmann, F. Dahlquist, N. Johansson, R. Soderholm, P. A. Nilsson, J. P. Bergman, and P. Skytt: Mater. Sci. Forum 353-356(2001)727.
【非特許文献３】J. J. Sumakeris, J. P. Bergman, M. K. Das, C. Hallin, B. A. Hull, E. Janzen, H. Lendenmann, M.J. O’Loughlin, M.J. Paisley, S. Ha, M. Skowronski, J.W. Palmour, and C.H. Carter, Jr.: Mater. Sci. Forum 527-529(2006)141.
【非特許文献４】Z. Zhang and T.S. Sudarshan: Appl. Phys. Lett. 87(2005)151913.
【非特許文献５】H. Tsuchida, T. Miyanagi, I. Kamata, T. Nakamura, K. Izumi, K. Nakayama, R. Ishii, K. Asano, and Y. Sugawara: Mater. Sci. Forum 483-485(2005)97.
【非特許文献６】H. Tsuchida, M. Ito, I. Kamata, and M. Nagano: Phys. Status Solidi B 246(2009)1553
【非特許文献７】R. E. Stahlbush, B. L. VanMil, R. L. Myers-Ward, K-K. Lew, D. K. Gaskill, and C. R. Eddy, Jr.: Appl. Phys. Lett. 94(2009)041916.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤをより確実にＴＥＤに転換できる炭化珪素ウェハの製造方法を提供することを目的とする。
【００２２】
また、本発明は、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤをより確実にＴＥＤに転換された炭化珪素ウェハ及びこれを用いた炭化珪素半導体素子を提供することを目的とする。
【００２３】
さらに、本発明は、ＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、昇華法又はＨＴＣＶＤ法によって得られたバルク状の単結晶をスライスすることで製造された炭化珪素基板を、不活性ガス雰囲気において、１７００℃〜２２００℃で加熱処理することで、当該炭化珪素基板の内部において基底面転位の先端部を貫通刃状転位に転換し、当該炭化珪素基板上に、炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００２５】
かかる第１の態様では、ＢＰＤを低減することで、高い耐電圧性や高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適な炭化珪素ウェハを製造することができる。また、従来技術のようなエッチング処理が不要であるので、炭化珪素基板の表面を平坦に保つことができる。また、エッチング処理及びこれに伴う平坦化処理が不要となり、製造工程を簡略化できる。さらに、炭化珪素基板のオフ角度や結晶面（Ｓｉ面、Ｃ面）を限定する必要がなく、エピタキシャル膜を成長する際の条件に制約がない。
【００２６】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、炭化珪素のエピタキシャル成長及び加熱処理を、複数回行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００２７】
かかる第２の態様では、エピタキシャル膜を形成するたびに加熱処理を行うので、エピタキシャル膜に伝播したＢＰＤがＴＥＤに転換される。これにより、極限までＢＰＤが低減された炭化珪素ウェハを製造することができる。
【００２８】
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記エピタキシャル膜上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００２９】
かかる第３の態様では、加熱処理によりＢＰＤをＴＥＤに転換したエピタキシャル膜上に、さらなるエピタキシャル膜を形成することができる。
【００３０】
本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、エピタキシャル成長を行った後に、前記炭化珪素基板を取り去ることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３１】
かかる第４の態様では、加熱処理によりＢＰＤが低減したエピタキシャル膜を得た上で、ＢＰＤが高密度で存在する炭化珪素基板を取り去ることができる。
【００３２】
本発明の第５の態様は、第４の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記炭化珪素基板を取り去ることで得られたエピタキシャル膜表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３３】
かかる第５の態様では、加熱処理によりＢＰＤが低減したエピタキシャル膜を得た上で、ＢＰＤが高密度で存在する炭化珪素基板を取り去ることで得られたエピタキシャル膜表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を一回又は複数回行うことができる。
【００３４】
本発明の第６の態様は、昇華法又はＨＴＣＶＤ法によって得られたバルク状の単結晶をスライスすることで製造された炭化珪素基板上に、炭化珪素からなるエピタキシャル膜を形成し、不活性ガス雰囲気において、前記エピタキシャル膜を１７００℃〜２２００℃で加熱処理することで、当該エピタキシャル膜の内部において基底面転位の先端部を貫通刃状転位に転換し、当該エピタキシャル膜上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことで、基底面転位が低減したエピタキシャル膜を結晶成長させることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３５】
かかる第６の態様では、エピタキシャル膜内でＢＰＤをＴＥＤに転換することができる。これにより、高い耐電圧性や高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適な炭化珪素ウェハを製造することができる。また、従来技術のようなエッチング処理が不要であるので、炭化珪素基板の表面を平坦に保つことができる。また、エッチング処理及びこれに伴う平坦化処理が不要となり、製造工程を簡略化できる。さらに、炭化珪素基板のオフ角度や結晶面（Ｓｉ面、Ｃ面）を限定する必要がなく、エピタキシャル膜を成長する際の条件に制約がない。
【００３６】
本発明の第７の態様は、第６の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、炭化珪素のエピタキシャル成長及び加熱処理を、複数回行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３７】
かかる第７の態様では、エピタキシャル膜を形成するたびに加熱処理を行うので、エピタキシャル膜に伝播したＢＰＤがＴＥＤに転換される。これにより、極限までＢＰＤが低減された炭化珪素ウェハを製造することができる。
【００３８】
本発明の第８の態様は、第６又は第７の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記エピタキシャル膜上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３９】
かかる第８の態様では、加熱処理によりＢＰＤをＴＥＤに転換したエピタキシャル膜上に、さらなるエピタキシャル膜を形成することができる。
【００４０】
本発明の第９の態様は、第１〜第５の何れか一つの態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記エピタキシャル成長を行う際に、ドーパントを含むガスを用いて、エピタキシャル膜にドーパントを導入することを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
本発明の第１０の態様は、第６〜第８の何れか一つの態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記エピタキシャル成長を行う際に、ドーパントを含むガスを用いて、エピタキシャル膜にドーパントを導入することを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００４１】
かかる第９及び第１０の態様では、ｐ型又はｎ型のドーパントを含む炭化珪素ウェハを製造することができる。
【００４２】
本発明の第１１の態様は、第６〜第８、第１０の何れか一つの態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、エピタキシャル成長を行った後に、前記炭化珪素基板を取り去り、又は、前記炭化珪素基板及び前記加熱処理を行ったエピタキシャル膜を取り去ることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００４３】
かかる第１１の態様では、加熱処理により基底面転位が低減したエピタキシャル膜を得た上で、基底面転位が高密度で存在する炭化珪素基板を取り去り、又は、炭化珪素基板及び加熱処理を行ったエピタキシャル膜を取り去ることができる。
【００４４】
本発明の第１２の態様は、第１１の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記炭化珪素基板、又は、前記炭化珪素基板及び前記加熱処理を行ったエピタキシャル膜を取り去ることで得られたエピタキシャル膜表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００４５】
かかる第１２の態様では、加熱処理により基底面転位が低減したエピタキシャル膜を得た上で、基底面転位が高密度で存在する炭化珪素基板を取り去り、又は、炭化珪素基板及び加熱処理を行ったエピタキシャル膜を取り去ることで得られたエピタキシャル膜表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を一回又は複数回行うことができる。
【００４６】
本発明の第１３の態様は、バルク状の単結晶からなる炭化珪素基板であって、前記炭化珪素基板の表面から当該炭化珪素基板の内部に向かって０．１μｍ以上、１０μｍ以内の領域において、基底面転位から転換された貫通刃状転位を備え、基底面転位から転換された貫通刃状転位は、全ての基底面転位のうちの２０％以上であることを特徴とする炭化珪素基板にある。
【００４７】
かかる第１３の態様では、高い耐電圧性が求められる半導体素子や、高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適である。
【００４８】
本発明の第１４の態様は、炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上に形成されたエピタキシャル膜と、前記炭化珪素基板のうち、炭化珪素基板とエピタキシャル膜との界面から当該炭化珪素基板の内部に向かって０．１μｍ以上、１０μｍ以内の領域において、基底面転位から転換された貫通刃状転位とを備え、基底面転位から転換された貫通刃状転位は、全ての基底面転位のうちの２０％以上であることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００４９】
かかる第１４の態様では、基底面転位が低減された炭化珪素ウェハが提供される。炭化珪素ウェハは高い耐電圧性が求められる半導体素子や、高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適なものとなる。また、炭化珪素ウェハは、炭化珪素基板のオフ角度や結晶面（Ｓｉ面、Ｃ面）に限定はない。したがって、半導体素子の製造に適したオフ角度や結晶面を有する炭化珪素ウェハが提供される。
【００５０】
本発明の第１５の態様は、炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上に形成された第１のエピタキシャル膜、及び当該第１のエピタキシャル膜上に形成された第２のエピタキシャル膜と、前記第１のエピタキシャル膜の内部において、基底面転位から転換された貫通刃状転位とを備え、前記第２のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度は、前記第１のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度の８０％以下であることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００５１】
かかる第１５の態様では、基板表面側の第２のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位が第１のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の８０％以下である炭化珪素ウェハが提供される。
【００５２】
本発明の第１６の態様は、第１５の態様に記載する炭化珪素ウェハにおいて、前記第２のエピタキシャル膜に含まれるドーパント濃度は、前記第１のエピタキシャル膜に含まれるドーパント濃度よりも低いことを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００５３】
かかる第１６の態様では、ｐ型又はｎ型のドーパントを含む炭化珪素ウェハを製造することができる。
【００５４】
本発明の第１７の態様は、炭化珪素基板上に複数のエピタキシャル膜が形成され、当該複数のエピタキシャル膜のうちの隣接する２つのエピタキシャル膜であって、炭化珪素基板に近い側の第１のエピタキシャル膜及び遠い側の第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハであって、前記第１のエピタキシャル膜の内部で、２０％以上の基底面転位が貫通刃状転位に転換され、前記第１のエピタキシャル膜内の厚さ方向２μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の６０％以上が行われていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００５５】
かかる第１７の態様では、エピタキシャル膜の厚さ方向約２μｍ以内の領域で集中的に基底面転位が貫通刃状転位に転換された炭化珪素ウェハが提供される。
【００５６】
本発明の第１８の態様は、第１７の態様に記載する炭化珪素ウェハにおいて、前記第１のエピタキシャル膜内の第２のエピタキシャル膜との界面から０．１μｍ以上、１０μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の８０％以上が行われていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００５７】
かかる第１８の態様では、界面から０．１μｍ以上、１０μｍ以内の領域で集中的に基底面転位が貫通刃状転位に転換された炭化珪素ウェハが提供される。
【００６２】
本発明の第１９の態様は、第１４〜第１８の何れか一つの態様に記載する炭化珪素ウェハを具備する炭化珪素半導体素子にある。
【００６３】
かかる第１９の態様では、基底面転位が低減した炭化珪素ウェハより作製されているので、信頼性や性能の低下が防止され、炭化珪素の優れた特性を活かした高性能な半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【００６４】
本発明によれば、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤをより確実にＴＥＤに転換できる炭化珪素ウェハの製造方法が提供される。
【００６５】
また、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤをより確実にＴＥＤに転換された炭化珪素ウェハ及びこれを用いた炭化珪素半導体素子が提供される。
【００６６】
さらに、ＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施形態１に係る炭化珪素ウェハの断面図である。
【図２】実施形態１に係る炭化珪素ウェハの製造方法を示す断面図である。
【図３】実施形態１に係る炭化珪素ウェハの製造方法を示す断面図である。
【図４】実施形態１に係る炭化珪素ウェハの製造方法を示す断面図である。
【図５】ＢＰＤがＴＥＤに転換される原理を説明するための炭化珪素基板の断面図である。
【図６】実施形態２に係る炭化珪素ウェハの断面図である。
【図７】実施形態２に係る炭化珪素ウェハの製造方法を示す断面図である。
【図８】実施形態２に係る炭化珪素ウェハの製造方法を示す断面図である。
【図９】実施形態２に係る炭化珪素ウェハの製造方法を示す断面図である。
【図１０】実施形態２に係る炭化珪素ウェハの製造方法を示す断面図である。
【図１１】実施形態３に係る炭化珪素ウェハの製造方法を示す断面図である。
【図１２】実施形態４に係る炭化珪素ウェハの断面図である。
【図１３】比較例に係るトポグラフィー像である。
【図１４】比較例及び実施例に係るトポグラフィー像である。
【図１５】エピタキシャル膜内で起きたＢＰＤからＴＥＤへの転換の度数を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
〈実施形態１〉
図１（ａ）は本実施形態に係る炭化珪素ウェハの断面図であり、図１（ｂ）は本実施形態に係る炭化珪素基板の断面図である。
【００６９】
図１（ａ）に示すように、炭化珪素ウェハ（以下、ウェハ）１０は、炭化珪素基板（以下、基板）１と、基板１上に設けられたエピタキシャル膜２とから構成されている。
【００７０】
基板１は、円柱形のバルク状の炭化珪素単結晶を３００μｍ〜４００μｍ程度の厚さにスライスして得られたものである。バルク状の炭化珪素単結晶は、昇華法やＨＴＣＶＤ法などにより作製されたものである。基板１は、基底面（０００１）より０°〜１０°の傾斜角（オフ角）を有する結晶成長面５（図２（ａ）参照）を有する。基板１のポリタイプは４Ｈが好ましいが、特に限定はない。
【００７１】
エピタキシャル膜２は、基板１に炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことで形成された炭化珪素からなる薄膜である。
【００７２】
基板１には、複数の基底面転位（以下、ＢＰＤ）２０が存在する。同図には５つのＢＰＤ２０が例示されている。基底面転位とは、ｃ軸と垂直な結晶面（基底面）を伝播する転位であり、バーガーズベクトルがａ／３＜１１−２０＞であるものをいう。
【００７３】
ＢＰＤ２０のうち３つのＢＰＤ２０は、基板１内で貫通刃状転位（以下、ＴＥＤ）３０に転換されている。貫通刃状転位とは、ｃ軸とほぼ平行方向に伝播する転位であり、バーガーズベクトルがａ／３＜１１−２０＞であるものをいう。ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、詳細は後述するが、基板１を不活性ガス中又は真空中で所定温度、所定時間加熱することで行われている。
【００７４】
エピタキシャル膜２には、基板１で転換された３つのＴＥＤ３０が伝播しており、また、基板１内でＴＥＤ３０に転換されなかった２つのＢＰＤ２０が伝播している。
【００７５】
基板１のうち、基板１とエピタキシャル膜２との界面から０．１μｍ以上、１０μｍ以内の部分を領域Ｒとする。基板１で行われたＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、領域Ｒで行われている。また、基板１に含まれるＢＰＤ２０のうち２０％以上がＴＥＤ３０に転換されている。図示した例では、５つのＢＰＤ２０のうち３つがＴＥＤに転換されているので、全ＢＰＤ２０のうち６０％がＴＥＤ３０に転換されている。
【００７６】
なお、特に図示しないが、ウェハ１０の上、すなわちエピタキシャル膜２の上に、さらに１層又は複数層のエピタキシャル膜が積層されていてもよい。
【００７７】
また、図１（ｂ）には、上述したエピタキシャル膜２を形成する前の基板１が示されている。この基板１についても、上述したように領域ＲでＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換が行われ、基板１に含まれる全ＢＰＤ２０のうち２０％以上がＴＥＤ３０に転換されている。
【００７８】
上述したように、ウェハ１０は、基板１内でＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。
【００７９】
非特許文献１や非特許文献７などの従来技術では、ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、基板１とエピタキシャル膜２との界面で行われる。
【００８０】
一方、本実施形態に係る炭化珪素ウェハでも、基板１とエピタキシャル膜２との界面でＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。さらに、それに加えて、基板１内の領域Ｒで、全ＢＰＤ２０のうち２０％以上がＴＥＤ３０に転換される。したがって、本実施形態に係るウェハ１０は、ＢＰＤ２０がより一層低減したものとなる。
【００８１】
このように、ＢＰＤ２０が低減されているので、本実施形態に係るウェハ１０は、高い耐電圧性が求められる半導体素子や、高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適なものとなる。また、図１（ｂ）に示した基板１も同様に高い耐電圧性が求められる半導体素子や、高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適である。さらに、ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換が、従来技術のように基板１とエピタキシャル膜２との界面で行われるのではなく、半導体素子の不活性領域となる基板１の内部で行われるため、高い信頼性の半導体素子を得るための材料として一層好適である。
【００８２】
また、ウェハ１０は、基板１のオフ角度や結晶面（Ｓｉ面、Ｃ面）に限定はない。したがって、半導体素子の製造に適したオフ角度や結晶面を有するウェハ１０が提供される。
【００８３】
図２は、実施形態１に係る炭化珪素ウェハの製造方法を示す断面図である。
【００８４】
図２（ａ）には、基板１の断面が示されている。基板１には、複数のＢＰＤ２０が存在するが、同図には代表して一つのＢＰＤ２０が示されている。ＢＰＤ２０は、基板１の断面には、一本の線として現れ、その線の先端部２１が基板１の結晶成長面５（エピタキシャル成長が行われる面）に現れている。
【００８５】
次に、この基板１に加熱処理を行う。本発明に係る加熱処理とは、基板１を不活性ガス中、又は真空中で１７００℃〜２２００℃の温度で所定時間、加熱することをいう。
【００８６】
加熱処理は、特に図示しないが、例えば、基板１を収容可能な坩堝と、石英から形成された処理室と、処理室内に配置された坩堝を囲うグラファイトと、処理室の外側に配置されたコイルとを備えた装置を用いて行う。坩堝内に基板１を収容して蓋をし、当該坩堝を処理室内に配置し、坩堝の周囲にグラファイトを配置する。そして、処理室内に不活性ガスを供給し、又は処理室内を真空にし、コイルに高周波の電流を流す。これにより、坩堝内の基板１が加熱される。
【００８７】
加熱温度は、基板１を加熱する雰囲気の温度である。具体的な加熱温度は、１７００℃〜２２００℃であり、好ましくは１７００℃〜２０００℃である。このような温度になるように坩堝及び処理室等の構造やコイルに流す電流を調整する。なお、２２００℃を超えると、基板１の炭化珪素が昇華してしまう。また、加熱時間に特に限定はないが、例えば、１〜１２０分が好ましい（詳細は後述する）。
【００８８】
不活性ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガス、窒素（Ｎ２）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを用いることができる。真空中で加熱処理を行う場合は、処理室内の気圧が１００Ｐａ以下となるようにすることが好ましい。
【００８９】
図２（ｂ）に示すように、基板１に加熱処理を行うことで、基板１内でＢＰＤ２０の先端部がＴＥＤ３０に転換される。ＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される原理については後述する。
【００９０】
そして、図２（ｃ）に示すように、基板１の結晶成長面５に、炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことで、基板１の結晶成長面５にエピタキシャル膜２を結晶成長させる。エピタキシャル膜２の結晶成長方法は、特に限定はないが、例えば、ＣＶＤ法により行うことが好ましい。
【００９１】
エピタキシャル膜２の結晶成長の際、エピタキシャル膜２には、ＢＰＤ２０から転換されたＴＥＤ３０が基板１からそのまま伝播する。なお、特に図示しないが、基板１内で加熱処理によりＴＥＤ３０に転換されなかったＢＰＤは、エピタキシャル膜２にそのままＢＰＤとして伝播するか、一部は基板１とエピタキシャル膜２の界面でＴＥＤに転換される。
【００９２】
このようにして、基板１とエピタキシャル膜２とからなるウェハ１０が作製される。
【００９３】
非特許文献１や非特許文献７などの従来技術では、ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、基板１とエピタキシャル膜２との界面で行われる。
【００９４】
一方、本実施形態に係る炭化珪素ウェハの製造方法においても、基板１とエピタキシャル膜２との界面でＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換が起きうる。さらに、それに加えて、基板１内の領域ＲでＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。したがって、本製造方法によれば、ＢＰＤ２０がより一層低減したウェハ１０を製造することができる。
【００９５】
このように、本製造方法は、ＢＰＤ２０を低減することで、高い耐電圧性や高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適なウェハ１０を製造することができる。
【００９６】
また、従来技術では、ＢＰＤをＴＥＤに変換するために、基板に溶融ＫＯＨ、ＲＩＥなどのエッチング処理を行っていた。通常、エッチング処理を行うと、半導体素子を作製する際に表面を研磨して平坦化する処理が必要となる。しかしながら、本製造方法は、このようなエッチング処理が不要であるので、基板１の表面を平坦に保つことができる。また、エッチング処理及びこれに伴う平坦化処理が不要となり、製造工程を簡略化できる。
【００９７】
さらに、本製造方法は、基板１のオフ角度や結晶面（Ｓｉ面、Ｃ面）を限定する必要なく適用することができ、エピタキシャル膜２を成長する際の条件に制約がない。
【００９８】
図３に示すように、上述したウェハ１０のエピタキシャル膜２上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を行い、エピタキシャル膜２を複数形成してもよい。エピタキシャル膜２の膜厚やエピタキシャル成長を行う回数は特に限定されない。所望するウェハ１０の膜厚や素子構造に応じて適宜設定すればよい。
【００９９】
複数のエピタキシャル膜２には、基板１でＢＰＤ２０から転換したＴＥＤ３０がそのまま伝播するので、ＢＰＤ２０が低減された所望の膜厚のウェハ１０を製造することができる。
【０１００】
図４（ａ）に示すように、ウェハ１０を得た上で、ＢＰＤ２０が高密度で存在している基板１を除去してもよい。基板１の除去は、機械研磨や化学処理、イオンエッチングなど適切な方法で行えばよい。これにより、図４（ｂ）に示すようなＢＰＤ密度が小さいエピタキシャル膜２単体によるウェハ１１が得られる。
【０１０１】
また、図４（ｃ）に示すように、上述したウェハ１１を得た上で、基板１が存在していた側の表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行い、非加熱エピタキシャル膜３を形成してもよい。非加熱エピタキシャル膜３の膜厚やエピタキシャル成長を行う回数は特に限定されない。所望するウェハの全体膜厚や素子構造に応じて適宜設定すればよい。これにより、ＢＰＤ密度が小さく、基板１が存在していた側にも非加熱エピタキシャル膜３を有するウェハ１２を得ることができる。
【０１０２】
ここで、上述した加熱処理によりＢＰＤがＴＥＤに転換される原理を説明する。図５（ａ）は、ＢＰＤが成長する方向から見た断面図であり、図５（ｂ）、（ｃ）は、ＢＰＤが成長する方向に沿う断面図である。
【０１０３】
図５（ａ）に示すように、ＢＰＤ２０には、その鏡像転位２２との間に引力（鏡像力）が生じる。鏡像力ｆは、ＢＰＤ２０を基板１の表面（結晶成長面５）側に引きつける方向に作用する。鏡像力ｆの大きさ｜ｆ｜は、次式で表される。
【０１０４】
【数１】
0005958949.tif 000002
【０１０５】
図５（ｂ）に示すように、ＢＰＤ２０は、基板１の裏面（結晶成長面５の反対面）から結晶成長面５に向けて伝播しており、ＢＰＤ２０の先端部２１が結晶成長面５に現れている。このようにＢＰＤ２０は、先端部２１に近くなるほど結晶成長面５との距離が短くなっている。したがって、数１の式より、ＢＰＤ２０は先端部２１に近いほど鏡像力ｆの大きさは増大している。
【０１０６】
そして、図５（ｃ）に示すように、基板１に十分な熱エネルギーを与えると、ＢＰＤ２０は移動可能となり、ＢＰＤ２０の先端部２１が鏡像力ｆを受けて結晶成長面５に向かって曲げられ、ＴＥＤ３０に転換される。
【０１０７】
このとき、先端部２１側に近いほど大きな鏡像力ｆがかかっているので、ＢＰＤ２０の先端部２１から徐々にＴＥＤ３０に変換されていく。加熱時間を長くすれば、ＴＥＤ３０に転換されたＢＰＤ２０の長さＬを長くできる。したがって、上述した製造方法の加熱処理における加熱時間は、特に限定はなく、ＴＥＤ３０の深さＤが所望の深さとなるまで加熱するなど、適宜調整すればよい。このように加熱温度や加熱時間を最適化することで基板１のＢＰＤ２０を極限まで低減することが可能である。
【０１０８】
〈実施形態２〉
実施形態１では、基板１を、不活性ガス又は真空中において所定温度、所定時間で加熱することにより、基板１内のＢＰＤをＴＥＤに変換した。このような加熱処理は、基板１を対象とするものに限らず、基板に設けられたエピタキシャル膜を対象としてもよい。これにより、エピタキシャル膜中のＢＰＤが、上述した原理と同様にしてＴＥＤに転換される。
【０１０９】
図６は、本実施形態に係るＳｉＣウェハの断面図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し重複する説明は省略する。
【０１１０】
図６（ａ）に示すように、ウェハ１０は、基板１と、基板１上に設けられたエピタキシャル膜２と、エピタキシャル膜２上に設けられた非加熱エピタキシャル膜３とから構成されている。非加熱エピタキシャル膜３は、ＣＶＤ法などで作製された炭化珪素からなる薄膜であり、不活性ガス中又は真空中での加熱処理が行われていないものである。なお、エピタキシャル膜２は、請求項１６の第１のエピタキシャル膜に対応し、非加熱エピタキシャル膜３は請求項１６の第２のエピタキシャル膜に対応する。
【０１１１】
基板１には、複数のＢＰＤ２０が存在する。同図には４つのＢＰＤ２０が例示されている。
【０１１２】
エピタキシャル膜２には、基板１から４つのＢＰＤ２０がそのまま伝播し、そのうち３つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、詳細は後述するが、エピタキシャル膜２を不活性ガス中又は真空中で所定温度、所定時間加熱することで行われている。
【０１１３】
非加熱エピタキシャル膜３には、エピタキシャル膜２で転換した３つのＴＥＤ３０がそのまま伝播し、エピタキシャル膜２で転換されなかった１つのＢＰＤ２０がそのまま伝播している。
【０１１４】
エピタキシャル膜２では、基板１から伝播したＢＰＤの２０％以上がＴＥＤに転換されている。図示した例では、エピタキシャル膜２中の４つのＢＰＤ２０のうち３つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されているので、エピタキシャル膜２中の全ＢＰＤ２０のうち７５％がＴＥＤ３０に転換されている。
【０１１５】
エピタキシャル膜２のうち、厚さ方向に２μｍの厚さを持つ部分を領域Ｒとする。エピタキシャル膜２で行われたＢＰＤからＴＥＤへの転換のうち６０％以上が領域Ｒで行われている。図示した例では、エピタキシャル膜２中の３つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されているが、そのうち、領域Ｒで２つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。すなわち、エピタキシャル膜２中で行われるＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換のうち６７％（２／３＝０．６６６・・・）が領域Ｒで行われている。
【０１１６】
厚さ２μｍ以内の領域Ｒで集中的にＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されるのは、エピタキシャル膜２に後述するような加熱処理を行ったからである。すなわち、実施形態１の原理で述べたように、エピタキシャル膜２に対して加熱する温度・時間を適宜調整することで、ＴＥＤ３０の深さを調整できるからである。なお、領域Ｒ以外で転換されたＴＥＤは、エピタキシャル膜２の成長に伴い自然にＢＰＤから転換されたものと考えられる。
【０１１７】
領域Ｒの位置は、エピタキシャル膜２と非加熱エピタキシャル膜３との界面から所定の深さＤに位置する。深さＤは特に限定はないが、例えば、界面から０．１μｍ〜１０μｍである。この深さＤは、加熱処理の温度と時間により制御できる。
【０１１８】
また、エピタキシャル膜２でＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されたウェハ１０としては、図６（ｂ）に示す態様のものがある。
【０１１９】
図示するように、基板１上に非加熱エピタキシャル膜３を形成し、エピタキシャル膜２を形成し、当該エピタキシャル膜２に加熱処理を行い、さらに非加熱エピタキシャル膜３を形成することにより形成したウェハ１０であってもよい。
【０１２０】
この場合、請求項の第１のエピタキシャル膜はエピタキシャル膜２であり、請求項の第２のエピタキシャル膜は最上面の非加熱エピタキシャル膜３である。すなわち、第１のエピタキシャル膜と基板との間に、他のエピタキシャル膜が介在していてもよい。
【０１２１】
このような場合であっても、エピタキシャル膜２（第１のエピタキシャル膜）に伝播したＢＰＤの２０％以上がＴＥＤに転換され、かつ領域ＲでＢＰＤからＴＥＤへの転換の６０％以上が行われている。
【０１２２】
また、ウェハ１０のエピタキシャル膜２及び非加熱エピタキシャル膜３に存在するＢＰＤ２０には、次のような関係がある。
【０１２３】
例えば、図６（ａ）に示したエピタキシャル膜２では、基板１から伝播したＢＰＤ２０が加熱処理によりＴＥＤ３０に転換されている。非加熱エピタキシャル膜３には、エピタキシャル膜２で転換されたＴＥＤ３０と、エピタキシャル膜２ではＴＥＤ３０に転換されなかったＢＰＤ２０とが伝播している。
【０１２４】
非加熱エピタキシャル膜３に含まれるＢＰＤ２０の密度は、エピタキシャル膜２に含まれるＢＰＤ２０の密度の８０％以下である。エピタキシャル膜２のＢＰＤ２０の密度とは、エピタキシャル膜２に含まれるＢＰＤの単位面積あたりの数である。非加熱エピタキシャル膜３のＢＰＤ２０の密度についても同様である。
【０１２５】
図６（ａ）に示す例では、エピタキシャル膜２には４つのＢＰＤ２０（うち３つはＴＥＤ３０に転換されている）が含まれ、非加熱エピタキシャル膜３には１つのＢＰＤ２０が含まれている。したがって、非加熱エピタキシャル膜３のＢＰＤ２０の密度（１個／単位面積）は、エピタキシャル膜２のＢＰＤ２０の密度（４個／単位面積）の８０％以下である。
【０１２６】
上述したように、ウェハ１０は、エピタキシャル膜２内でＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。
【０１２７】
従来技術では、エピタキシャル膜２内では、成長に伴いごく一部のＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。このようなＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、エピタキシャル膜の深さ方向において不特定の場所で生じる。
【０１２８】
一方、本実施形態に係るウェハ１０では、従来技術同様に、エピタキシャル膜２でごく一部のＢＰＤ２０がＴＥＤに転換される。さらに、それに加えて、ウェハ１０では、エピタキシャル膜２内でＢＰＤ２０の２０％以上がＴＥＤ３０に転換されている。したがって、本実施形態に係るウェハ１０は、ＢＰＤ２０がより一層低減したものとなる。また、ウェハ１０はエピタキシャル膜２の所定の深さでＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。
【０１２９】
このように、ＢＰＤ２０が低減されているので、本実施形態に係るウェハ１０は、高い耐電圧性が求められる半導体素子や、高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適なものとなる。また、ウェハ１０は、基板１のオフ角度や結晶面（Ｓｉ面、Ｃ面）に限定はない。したがって、半導体素子の製造に適したオフ角度や結晶面を有するウェハ１０が提供される。
【０１３０】
図７は、実施形態２に係る炭化珪素ウェハの製造方法を示す断面図である。
【０１３１】
図７（ａ）には、エピタキシャル膜２が形成された基板１の断面が示されている。基板１内には、複数のＢＰＤ２０が存在するが、同図には代表して一つのＢＰＤ２０が示されている。基板１のＢＰＤ２０は、エピタキシャル膜２にそのまま伝播している。
【０１３２】
次に、基板１のエピタキシャル膜２に、不活性ガス中、又は真空中で加熱処理を行う。加熱処理は基板１全体に行い、加熱の方法、雰囲気、温度、時間は実施形態１と同様にする。
【０１３３】
図７（ｂ）に示すように、加熱処理により、エピタキシャル膜２の内部でＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。
【０１３４】
そして、図７（ｃ）に示すように、ＢＰＤ２０から転換されたＴＥＤ３０を含むエピタキシャル膜２上に、炭化珪素のエピタキシャル成長を行う。
【０１３５】
エピタキシャル成長を行うことで、エピタキシャル膜２上に、炭化珪素からなるエピタキシャル膜が結晶成長する。このエピタキシャル膜には、上述した加熱処理は行わないので、非加熱エピタキシャル膜３と称する。
【０１３６】
非加熱エピタキシャル膜３の結晶成長の際、非加熱エピタキシャル膜３には、ＴＥＤ３０がそのまま伝播する。また、特に図示しないが、エピタキシャル膜２で加熱処理によりＴＥＤ３０に転換されなかったＢＰＤは、非加熱エピタキシャル膜３にそのままＢＰＤとして伝播する。さらに、非加熱エピタキシャル膜３には、成長時に、ごく一部のＢＰＤ２０が自然にＴＥＤ３０に転換されている。
【０１３７】
このようにして、図６（ａ）に示したようなウェハ１０が作製される。
【０１３８】
なお、図７（ｄ）に示すように、非加熱エピタキシャル膜３上に、さらにエピタキシャル成長を１回又は複数回行って、１層又は複数層の非加熱エピタキシャル膜３を形成してもよい。これにより、新たに形成した非加熱エピタキシャル膜３を含めたウェハ１０を製造できる。
【０１３９】
また、基板１上に１層または複数層の非加熱エピタキシャル膜３を形成し、その後、エピタキシャル膜２を形成して、加熱処理を行い、さらに非加熱エピタキシャル膜３を形成することで、図６（ｂ）に例示したウェハ１０を形成してもよい。
【０１４０】
上述したように、エピタキシャル膜２内でＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されたウェハ１０が製造される。
【０１４１】
従来技術では、エピタキシャル膜２内では、成長に伴いごく一部のＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。このようなＢＰＤからＴＥＤへの転換は、エピタキシャル膜の深さ方向において不特定の場所で生じる。
【０１４２】
一方、本実施形態に係る炭化珪素ウェハの製造方法においては、ＢＰＤからＴＥＤの転換位置は、加熱処理の温度と時間で決まる（実施形態１の、ＢＰＤからＴＥＤへの転換の原理を参照。）。すなわち、ＢＰＤからＴＥＤへの転換位置は、エピタキシャル膜２の表面から所定の深さに限定される。
【０１４３】
したがって、本製造方法では、加熱処理の温度及び時間を適宜設定することで、エピタキシャル膜２の所定の深さでＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換したウェハ１０を製造することができる。
【０１４４】
また、実施形態１と同様に、本製造方法は、エピタキシャル膜２内でＢＰＤ２０をＴＥＤ３０に転換することで、高い耐電圧性や高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適なウェハ１０を製造することができる。他に、本製造方法は、従来技術のようなエッチング処理が不要であるので、基板１の表面を平坦に保つことができ、かつエッチング処理及びこれに伴う平坦化処理を省略することができる。さらに、本製造方法は、基板１のオフ角度や結晶面（Ｓｉ面、Ｃ面）を限定する必要なく適用することができ、エピタキシャル膜２を成長する際の条件の制約がない。
【０１４５】
上述したウェハ１０を得た上で、ＢＰＤ２０が高密度で存在している基板１、もしくは基板１とエピタキシャル膜２の両方を除去してもよい。
【０１４６】
図８（ｂ）に示すウェハ１３は、図８（ａ）に示すウェハ１０から、基板１及びエピタキシャル膜２が完全に除去されたものである。
【０１４７】
図８（ｃ）に示すウェハ１４は、図８（ａ）に示すウェハ１０から、基板１と、エピタキシャル膜２の一部を除去したものである。エピタキシャル膜２では、ＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換しているが、このＢＰＤ２０が除去される程度にエピタキシャル膜２の一部が除去されている。
【０１４８】
図８（ｄ）に示すウェハ１５は、図８（ａ）に示すウェハ１０から、基板１を完全に除去したものである。
【０１４９】
基板１及びエピタキシャル膜２の除去は、機械研磨や化学処理、イオンエッチングなど、適切な方法で行えばよい。これにより、ＢＰＤ密度が小さいエピタキシャル膜２のみによるウェハ１３を得ることができる。
【０１５０】
図９（ａ）〜（ｃ）に示すウェハ１６〜ウェハ１８は、それぞれ図８（ｂ）〜（ｄ）に示すウェハ１３〜ウェハ１５に非加熱エピタキシャル膜３を形成したものである。このように、上述したウェハ１３〜ウェハ１５を得た上で、基板１が存在していた側の表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行い、非加熱エピタキシャル膜３を形成してもよい。
【０１５１】
加熱処理の対象をエピタキシャル膜とする製造方法としては、上述した態様に限らず、次のような態様を挙げることができる。
【０１５２】
図１０は、実施形態２に係る炭化珪素ウェハの製造方法を示す断面図である。図１０（ａ）には、エピタキシャル膜２ａが形成された基板１が示されている。基板１内には、複数のＢＰＤ２０（同図には代表して３本、それぞれ２０ａ、２０ｂ、２０ｃと表示してある）が存在している。エピタキシャル膜２ａには、エピタキシャル成長に伴い、３本のＢＰＤ２０ａ〜２０ｃが伝播している。
【０１５３】
まず、エピタキシャル膜２ａが形成された基板１に、不活性ガス中、又は真空中で加熱処理を行い、ＢＰＤをＴＥＤに転換させる。加熱の方法、雰囲気、温度、時間は実施形態１と同様にする。
【０１５４】
このとき、図１０（ｂ）に示すように、ＢＰＤ２０ａは、エピタキシャル膜２ａでＴＥＤ３０ａに転換し、ＢＰＤ２０ｂ、２０ｃは転換しなかったとする。
【０１５５】
次に、図１０（ｃ）に示すように、エピタキシャル膜２ａ上にエピタキシャル成長を行って、エピタキシャル膜２ｂを形成する。このエピタキシャル成長に伴い、エピタキシャル膜２ｂには、ＢＰＤ２０ａから転換したＴＥＤ３０ａが伝播し、ＢＰＤ２０ｂ、２０ｃが伝播する。
【０１５６】
次に、図１０（ｄ）に示すように、エピタキシャル膜２ｂが形成された基板１に、加熱処理を行い、ＢＰＤをＴＥＤに転換させる。このとき、ＢＰＤ２０ｂは、エピタキシャル膜２ｂでＴＥＤ３０ｂに転換し、ＢＰＤ２０ｃは転換しなかったとする。
【０１５７】
次に、エピタキシャル膜２ｃについても同様とする。すなわち、エピタキシャル膜２ｂ上にエピタキシャル成長を行ってエピタキシャル膜２ｃを形成し、加熱処理を行う。これにより、図１０（ｅ）に示すように、エピタキシャル膜２ｃに伝播したＢＰＤ２０ｃはＴＥＤ３０ｃに転換される。
【０１５８】
このようにして、基板１上に、３層のエピタキシャル膜２ａ〜２ｃが形成されたウェハ１０が作製される。
【０１５９】
上述した態様の本製造方法によれば、複数のエピタキシャル膜２ａ〜２ｃのそれぞれで加熱処理を行うことにより、各エピタキシャル膜２ａ〜２ｃのそれぞれでＢＰＤからＴＥＤへの転換が行われる。したがって、一層のエピタキシャル膜でＢＰＤ２０をＴＥＤ３０に転換するよりも、より確実にＢＰＤをＴＥＤに転換することができる。
【０１６０】
このように、複数回のエピタキシャル膜２ａ〜２ｃの製造及びこれらの各膜に対する加熱処理を繰り返すことで、ＢＰＤを極限まで低減したウェハ１０を製造することができる。
【０１６１】
なお、特に図示しないが、加熱処理を行ったエピタキシャル膜２ｃの上に、さらにエピタキシャル成長を行って非加熱エピタキシャル膜３を形成してもよい。
【０１６２】
また、図１０（ｅ）には、３層のエピタキシャル膜２を例示したが、これに限らず、任意の数であってもよい。さらに、加熱処理を行ったエピタキシャル膜２上に、非加熱エピタキシャル膜３を形成し、その後、エピタキシャル膜２を形成して加熱処理を行ってもよい。何れの場合においても、複数のエピタキシャル膜２のそれぞれに加熱処理を行うので、ＢＰＤがより一層低減されたウェハ１０を製造できる。
【０１６３】
〈実施形態３〉
実施形態１では、基板１に加熱処理を行い、実施形態２では、エピタキシャル膜２に加熱処理を行ったが、基板１及びエピタキシャル膜２の双方に加熱処理を行っても良い。
【０１６４】
図１１を用いて、本実施形態に係るＳｉＣウェハの製造方法を説明する。
【０１６５】
図１１（ａ）に示すように、基板１に、実施形態１と同様に、加熱処理を行う。これにより、基板１では、ＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。また、一部のＢＰＤ２０はそのまま存在している。
【０１６６】
次に、図１１（ｂ）に示すように、基板１に炭化珪素のエピタキシャル成長を行い、エピタキシャル膜２を形成する。エピタキシャル膜２には、基板１からＴＥＤ３０とＢＰＤ２０とが伝播している。
【０１６７】
次に、図１１（ｃ）に示すように、エピタキシャル膜２に、実施形態２と同様に、加熱処理を行う。これにより、エピタキシャル膜２では、ＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。
【０１６８】
そして、図１１（ｄ）に示すように、エピタキシャル膜２上に、さらにエピタキシャル成長を行い、非加熱エピタキシャル膜３を形成することで、ウェハ１０が製造される。
【０１６９】
なお、エピタキシャル膜２は一層に限らず複数層であってもよい。また、非加熱エピタキシャル膜３も一層に限らず複数層であってもよい。また、複数層の非加熱エピタキシャル膜３を形成する場合、連続で行う必要はなく、間に非加熱エピタキシャル膜３を挟んでも良い。
【０１７０】
このような本実施形態の製造方法によれば、基板１とエピタキシャル膜２とで、加熱処理によりＢＰＤがＴＥＤに転換されるので、極限までＢＰＤが低減されたウェハ１０を製造することができる。
【０１７１】
〈実施形態４〉
実施形態２に説明したウェハ１０のエピタキシャル膜２（第１のエピタキシャル膜）と非加熱エピタキシャル膜３（第２のエピタキシャル膜）とには、ドーパントが導入されていても良い。
【０１７２】
図１２は、本実施形態に係るウェハの断面図である。図示するように、ウェハ１０は、基板１上に、エピタキシャル膜２が設けられ、その上に非加熱エピタキシャル膜３が設けられている。
【０１７３】
エピタキシャル膜２及び非加熱エピタキシャル膜３には、例えばｐ型のドーパントが導入されている。エピタキシャル膜２のドーパント濃度は、相対的に高濃度（ｐ＋）であり非加熱エピタキシャル膜３のドーパント濃度は、相対的に低濃度（ｐ−）である。もちろん、ドーパントはｎ型でもよく、エピタキシャル膜２のドーパント濃度は、相対的に高濃度（Ｎ＋）であり非加熱エピタキシャル膜３のドーパント濃度は、相対的に低濃度（Ｎ−）であってもよい。ｐ型ドーパントとしては、Ａｌ、Ｂｒ、ｎ型ドーパントとしてはＮが挙げられる。
【０１７４】
このようなウェハ１０は、次のように製造することができる。すなわち、基板１上にエピタキシャル成長を行う際に、ｐ型又はｎ型のドーパントを含むガスを用いる。これにより、ｐ型又はｎ型のエピタキシャル膜２が形成される。そして、エピタキシャル膜２に加熱処理を行った後、非加熱エピタキシャル膜３を形成する。
【０１７５】
このようにして製造されたウェハ１０から、所望の濃度のドーパントを含むｐ型又はｎ型の炭化珪素半導体素子を製造することができる。上述したように、ＢＰＤ２０が低減されているので、高い耐電圧性が求められる炭化珪素半導体素子や、高い信頼性が求められる炭化珪素半導体素子の材料として好適なものとなる。また、ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換が、従来技術のようにエピタキシャル膜２と非加熱エピタキシャル膜３との界面で行われるのではなく、ドーパント濃度が高濃度になっていることから半導体素子の不活性領域となるエピタキシャル膜２の内部で行われるため、高い信頼性の半導体素子を得るための材料として一層好適となる。
【０１７６】
〈他の実施形態〉
実施形態１〜４に説明したウェハ１０〜１８を用いて、種々の炭化珪素半導体素子を製造することができる。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＪＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor）、ＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off Thyristor）、ＧＣＴサイリスタ（Gate Commutated Turn-off Thyristor）、サイリスタ、ショーットキーダイオード、ＪＢＳ（Junction Barrier Schottky）ダイオード、ＭＰＤ（Merged pn ダイオード）、ｐｎダイオードなどである。
【０１７７】
実施形態１〜４に係るウェハ１０は、ＢＰＤ２０が低減しているので、これらの半導体素子の信頼性や性能の低下が防止され、炭化珪素の優れた特性を活かした高性能な半導体素子が得られる。
【実施例】
【０１７８】
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明する。
【０１７９】
［比較例］
〈１１−２０〉方向に８°のオフ角を有する４Ｈ−ＳｉＣ基板上に、ＣＶＤ法により結晶成長を行い、膜厚が約１０μｍのエピタキシャル膜を形成した。
【０１８０】
［実施例］
比較例に係る基板について、後述の試験例に示す測定を行った後、加熱処理を行った。この加熱処理は、基板をグラファイト製の坩堝の中に入れ、高周波誘導加熱が行われるグラファイト円筒（ホットウォール）内に坩堝を配置した。坩堝内にアルゴンガスを供給し、１８００℃で３０分間加熱した。昇温速度は４０℃／minとした。
【０１８１】
［試験例１］
比較例、実施例に係る基板のそれぞれについて、エピタキシャル膜内の各種転位の分布を測定した。
【０１８２】
まず、比較例に係る基板に対して、放射光反射トポグラフィー測定（SPring-8放射光施設）を行い、トポグラフィー像を得た。具体的には、比較例に係る基板に対して、放射光を単色化したＸ線（波長１．５４Å）を約２０°の入射角度で照射し、回折ベクトルｇ＝１１−２８の条件を満たす反射光を原子核乾板に結像させてトポグラフィー像を得た。
【０１８３】
比較例に係る基板の測定が終了した後、上述したような加熱処理を実施して、実施例に係る基板とした。そして、同様にしてトポグラフィー像を得た。
【０１８４】
図１３は、比較例のトポグラフィー像である。比較例に係る基板上に現れた線上の暗いコントラストはＢＰＤであり、比較的小さな断片状（ドット状）のコントラストはＴＥＤであり、比較的大きな円形のコントラストはＴＳＤ（貫通らせん転位）である。
【０１８５】
図１４（ａ）は、比較例のトポグラフィー像であり、図１４（ｂ）は、実施例のトポグラフィー像である。これらのトポグラフィー像は基板の同一領域を示しており、加熱処理により転位がどのように変化したかを確認した。
【０１８６】
図１４（ａ）中の○印に示すように、比較例に係る基板には、基板からエピタキシャル膜に伝播したＢＰＤが８個現れていることが確認された。
【０１８７】
図１４（ｂ）には、４つの○印に示されたＢＰＤが加熱処理の前後で同一位置にあることが示されている。一方、破線の○印は、比較例ではＢＰＤとしてエピタキシャル膜の表面に現れていたものが、加熱処理後には、ＴＥＤとしてエピタキシャル膜に現れていることを示している。このことは、加熱処理前の比較例では、線状のコントラストで現れていたものが、加熱処理後には、小さな断片上（ドット状）のコントラストに変化していることから判断される。
【０１８８】
トポグラフィー像の観察結果より、比較例に示した基板の一領域には、合計８個のＢＰＤがエピタキシャル膜表面に現れていたが、このうち４個のＢＰＤが加熱処理によりエピタキシャル膜でＴＥＤに転換されたことが分かる。
【０１８９】
［試験例２］
比較例、実施例に関して、より広い領域で転位の分布を測定した。
【０１９０】
より広い領域で比較例のＢＰＤを計測したところ、エピタキシャル膜表面には１１４個のＢＰＤが現れていた。一方、同一領域について実施例のＢＰＤを計測したところ、１１４個のＢＰＤのうち約２０％に相当する２３個がＴＥＤに転換していた。また、同一の加熱処理を行った膜厚約２０μｍのエピタキシャル膜を有する別のサンプルにおいては、４９のＢＰＤのうち約４７％に相当する２３個がＴＥＤに転換していた。
【０１９１】
［試験例３］
比較例と同じ方法で得られた膜厚約１０μｍのエピタキシャル膜を有するサンプルに対して、試験例１と同様な方法でトポグラフィー像を得た。次に、このサンプルに対して、実施例と同一の加熱処理を行い、加熱処理後に同様にしてトポグラフィー像を得た。加熱処理後に得られたトポグラフィー像を調べたところ、合計で６７個のＢＰＤがエピタキシャル膜中でＴＥＤに転換されていることが確認された。次に、加熱処理前に得たトポグラフィー像を調べたところ、エピタキシャル膜中でＴＥＤに転換された６７個のＢＰＤの内の１個（約１．５％に相当）は、エピタキシャル成長時に自然に起きたものであることが確認された。すなわち、エピタキシャル膜中でＴＥＤに転換された６７個のＢＰＤの内の約１．５％はエピタキシャル成長時にＴＥＤに転換され、残りの９８．５％は加熱処理により起きたものであることが分かった。同様な処理を行った膜厚約２０μｍのエピタキシャル膜を有する別なサンプルでは、エピタキシャル膜中でＴＥＤに転換されたＢＰＤの内の約１２％はエピタキシャル成長時にＴＥＤに転換され、残りの８８％は加熱処理により起きたものであることが分かった。
【０１９２】
［試験例４］
図１５は、加熱処理により生じたＢＰＤからＴＥＤへの転換が、エピタキシャル膜内において膜表面からどの深さ方向で行われたものかを調べた結果である。図示したサンプルは、基板上にエピタキシャル膜を形成した後に、１８００℃で加熱処理を行ったものである。加熱処理の時間は５分である。エピタキシャル膜の膜厚は、約１０μｍである。測定は、加熱処理前後において取得した放射光反射トポグラフィーを比較検査することで、加熱処理によってエピタキシャル膜内でＢＰＤからＴＥＤへの転換した度数を調べた。同時に、ＢＰＤからＴＥＤへ転換したものの放射光トポグラフィー像において、基板のオフ傾斜と平行な方向におけるエピタキシャル膜内でのＢＰＤの長さを調べることで、転換が起きたエピタキシャル膜表面からの距離を求めた。これにより、ＢＰＤからＴＥＤへの転換について、エピタキシャル膜表面からの距離に対する度数を明らかにした。図１５に示されるように、エピタキシャル膜の表面から５.５μｍ±１μｍの領域（５．５μｍが図６（ａ）のＤに相当し、±１μｍ（２μｍ）が図６（ａ）のＲに相当する）でＢＰＤからＴＥＤへの転換の６８％以上が起きていることが確認された。
【０１９３】
［試験例５］
エピタキシャル膜を作製する前の基板について、表面のＢＰＤを測定した。測定は基板について試験例１と同様にトポグラフィー像を形成し、同トポグラフィー像に現れたＢＰＤを数え、単位面積あたりのＢＰＤを計算した。この結果、基板表面では、ＢＰＤの密度は約４０００個／ｃｍ２であった。
【０１９４】
同基板に、エピタキシャル膜を形成し、加熱処理を行った実施例に係る基板について、トポグラフィー像を形成した。同トポグラフィー像に現れたＢＰＤ及びＴＥＤを数えたところ、ＢＰＤの大半がＴＥＤに転換されており、エピタキシャル膜でのＢＰＤの密度は約５個／ｃｍ２であった。
【０１９５】
［試験例６］
高温熱処理温度として１５００〜２２００℃、熱処理時間として５〜２４０分の範囲で変化させて、同様な実験、分析を行った結果、１５００〜１６００℃ではＢＰＤからＴＥＤへの転換が確認されなかったが、１７００℃以上においてはＢＰＤからＴＥＤへの転換が確認された。このＢＰＤからＴＥＤへの転換の確率は温度が高くなるにつれて増大したが、２０００℃を超える温度領域ではＳｉＣ表面の昇華が加速され初め、２２００℃以上では熱処理温度としては不適切であった。また熱処理時間が長くなるにつれて、ＢＰＤからＴＥＤへの転換の確率が増大するものの、１２０分以上ではほぼ飽和した。なお、熱処理によるＢＰＤからＴＥＤへの転換が起きた位置は、高温熱処理の温度、もしくは時間の増加につれて、エピタキシャル膜表面から深い方向に移動したが、いずれの場合においても、ある深さより±１μｍの範囲内でＢＰＤからＴＥＤへの転換の６０％以上が行われていた。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】
本発明は、炭化珪素半導体素子を利用する産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【０１９７】
１     炭化珪素基板
２、２ａ〜２ｃ    エピタキシャル膜
３     非加熱エピタキシャル膜
４     ＳｉＣ層
５     結晶成長面
１０   ウェハ
２０   基底面転位（ＢＰＤ）
２１   先端部
２２   鏡像転位
３０   貫通刃状転位（ＴＥＤ）
【図１】
0005958949.tif 000003
【図２】
0005958949.tif 000004
【図３】
0005958949.tif 000005
【図４】
0005958949.tif 000006
【図５】
0005958949.tif 000007
【図６】
0005958949.tif 000008
【図７】
0005958949.tif 000009
【図８】
0005958949.tif 000010
【図９】
0005958949.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
0005958949.tif 000013
【図１２】
0005958949.tif 000014
【図１３】
0005958949.tif 000015
【図１４】
0005958949.tif 000016
【図１５】
0005958949.tif 000017