(57)【要約】【課題】デバイスキラー欠陥となる基底面転位（ＢＰＤ）の少ないＳｉＣエピタキシャルウェハを得ることを目的とする。【解決手段】本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハは、ＳｉＣ単結晶基板と、前記ＳｉＣ単結晶基板の一面側に位置するキャリア濃度変動層とを備え、前記キャリア濃度変動層は、隣接する層よりキャリア濃度の高い高濃度層と、隣接する層よりキャリア濃度の低い低濃度層と、が交互に積層されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ単結晶基板と、前記ＳｉＣ単結晶基板の一面側に位置するキャリア濃度変動層とを備え、
前記キャリア濃度変動層は、隣接する層よりキャリア濃度の高い高濃度層と、隣接する層よりキャリア濃度の低い低濃度層と、が交互に複数積層されている、ＳｉＣエピタキシャルウェハ。
【請求項２】
前記高濃度層及び前記低濃度層の膜厚が０．５μｍ以下である、請求項１に記載のＳｉＣエピタキシャルウェハ。
【請求項３】
複数の前記高濃度層のうち少なくとも一つの前記高濃度層のキャリア濃度は、隣接する前記低濃度層のキャリア濃度の２倍以上である、請求項１又は２に記載のＳｉＣエピタキシャルウェハ。
【請求項４】
複数の前記高濃度層のキャリア濃度の平均値が、複数の前記低濃度層のキャリア濃度の平均値の２倍以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＳｉＣエピタキシャルウェハ。
【請求項５】
前記キャリア濃度変動層の平均キャリア濃度が、１×１０１８個／ｃｍ３以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＳｉＣエピタキシャルウェハ。
【請求項６】
ＳｉＣ単結晶基板と、前記ＳｉＣ単結晶基板の一面に積層されたバッファ層と、前記バッファ層に積層されたドリフト層と、を備え、
前記バッファ層の一部又は全部が前記キャリア濃度変動層である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＳｉＣエピタキシャルウェハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣエピタキシャルウェハに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きく、熱伝導率が３倍程度高い。そのため、炭化珪素（ＳｉＣ）は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
【０００３】
ＳｉＣデバイスの実用化の促進には、高品質のＳｉＣエピタキシャルウェハ及び高品質なエピタキシャル成長技術の確立が求められている。
【０００４】
ＳｉＣデバイスは、ＳｉＣ基板と当該基板上に積層されたエピタキシャル層とを備えるＳｉＣエピタキシャルウェハに形成される。ＳｉＣ基板は、昇華再結晶法等で成長させたＳｉＣのバルク単結晶から加工して得られる。エピタキシャル層は、化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）等によって作製され、デバイスの活性領域となる。
【０００５】
エピタキシャル層は、より具体的には、（０００１）面から＜１１−２０＞方向にオフ角を有する面を成長面とするＳｉＣ基板上に形成される。エピタキシャル層は、ＳｉＣ基板上にステップフロー成長（原子ステップからの横方向成長）し、４Ｈ−ＳｉＣとなる。
【０００６】
ＳｉＣエピタキシャルウェハにおいて、ＳｉＣデバイスに致命的な欠陥を引き起こすデバイスキラー欠陥の一つとして、基底面転位（Ｂａｓａｌ  ｐｌａｎｅ  ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：ＢＰＤ）が知られている。
【０００７】
ＳｉＣ基板中における基底面転位の多くは、エピタキシャル層が形成される際に貫通刃状転位（Ｔｈｒｅａｄｉｎｇ  ｅｄｇｅ  ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：ＴＥＤ）に変換される。一方で、エピタキシャル層にそのまま引き継がれる一部の基底面転位は、デバイスキラー欠陥となる。デバイスに順電流を印加した際に、基底面転位に少数キャリアが到達すると、基底面転位が拡張して高抵抗な積層欠陥となる。デバイス内に高抵抗部が生じると、デバイスの信頼性が低下する。
【０００８】
特許文献１には、基底面転位から貫通刃状転位への変換効率を高める方法が記載されている。特許文献１に示すＳｉＣエピタキシャルウェハは、段階的にキャリア濃度が高くなる転位変換層を備える。転位変換層により基底面転位から貫通刃状転位への変換効率を高め、デバイスが形成されるドリフト層に基底面転位が存在することを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第５４５８５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
近年、一つのエピタキシャルウェハからのＳｉＣデバイスの取れ数を高め、製造コストを低減するために、ＳｉＣエピタキシャルウェハを直径１５０ｍｍ以上のサイズに大型化する試みが進められている。そのため、１５０ｍｍ以上の大型のＳｉＣエピタキシャルウェハにおいても、基底面転位密度の少ないものが求められている。
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載のＳｉＣエピタキシャルウェハは、いずれも５０ｍｍである。特許文献１に記載の方法を、大型のＳｉＣエピタキシャルウェハに適用しても、基底面転位をエピタキシャル層から充分除去することができなかった。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、デバイスキラー欠陥となる基底面転位の少ないＳｉＣエピタキシャルウェハを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【００１４】
（１）第１の態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハは、ＳｉＣ単結晶基板と、前記ＳｉＣ単結晶基板の一面側に位置するキャリア濃度変動層とを備え、前記キャリア濃度変動層は、隣接する層よりキャリア濃度の高い高濃度層と、隣接する層よりキャリア濃度の低い低濃度層と、が交互に複数積層されている。
【００１５】
（２）上記態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハにおいて、前記高濃度層及び前記低濃度層の膜厚が０．５μｍ以下であってもよい。
【００１６】
（３）上記態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハにおいて、複数の前記高濃度層のうち少なくとも一つの前記高濃度層は、隣接する前記低濃度層のキャリア濃度の２倍以上であってもよい。
【００１７】
（４）上記態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハにおいて、複数の前記高濃度層のキャリア濃度の平均値が、複数の前記低濃度層のキャリア濃度の平均値の２倍以上であってもよい。
【００１８】
（５）上記態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハにおいて、前記キャリア濃度変動層の平均キャリア濃度が、１×１０１８個／ｃｍ３以上であってもよい。
【００１９】
（６）上記態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハは、ＳｉＣ単結晶基板と、前記ＳｉＣ単結晶基板の一面に積層されたバッファ層と、前記バッファ層上に積層されたドリフト層と、を備え、前記バッファ層の一部又は全部が前記キャリア濃度変動層であってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の一態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハによれば、デバイスキラー欠陥となる基底面転位を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハの断面模式図である。
【図２】本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハの別の例の断面模式図である。
【図３】実施例１及び比較例１のエピタキシャル層の厚み方向のキャリア濃度分布を測定した結果である。
【図４】実施例１及び比較例１のエピタキシャル層の基底面転位の分布を測定した結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２３】
図１は、本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハ１０の断面模式図である。図１に示すＳｉＣエピタキシャルウェハ１０は、ＳｉＣ単結晶基板１とキャリア濃度変動層２とを備える。
【００２４】
ＳｉＣ単結晶基板１は、昇華法等で得られたＳｉＣインゴットをスライスしたものを用いることができる。本明細書において、ＳｉＣエピタキシャルウェハはエピタキシャル層を形成後のウェハを意味し、ＳｉＣ単結晶基板はエピタキシャル層を形成前のウェハを意味する。
【００２５】
ＳｉＣ単結晶基板１には、基底面転位が（０００１）面（ｃ面）に沿って存在する。ＳｉＣ基板の成長面に露出している基底面転位の個数は、少ない方が好ましいが、特に限定するものではない。現段階での技術水準では、１５０ｍｍのＳｉＣ基板の表面（成長面）に存在する基底面転位の個数は１ｃｍ２あたり１０００〜５０００個程度である。
【００２６】
ＳｉＣ単結晶基板１は、（０００１）から＜１１−２０＞方向にオフセット角を有する面を成長面とすることが多い。つまり、基底面転位は成長面に対して傾いて存在する。
【００２７】
キャリア濃度変動層２は、ＳｉＣ単結晶基板１の一面側に積層される。キャリア濃度変動層２は、高濃度層２Ａと低濃度層２Ｂとが交互に複数積層されている。高濃度層２Ａは隣接する低濃度層２Ｂよりキャリア濃度が高く、低濃度層２Ｂは隣接する高濃度層２Ａよりキャリア濃度が低い。
【００２８】
キャリア濃度変動層２にドープする不純物は、窒素、ホウ素、チタン、バナジウム、アルミニウム、ガリウム、リン等を用いることができる。
【００２９】
高濃度層２Ａ及び低濃度層２Ｂの膜厚は、０．５μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以下であることがより好ましく、０．０５μｍ以下であることがさらに好ましい。高濃度層２Ａと低濃度層２Ｂとが短い周期で繰り返し積層されている（高濃度層２Ａと低濃度層２Ｂとの膜厚が極めて薄い）ことで、ＳｉＣエピタキシャルウェハ内の基底面転位密度を低減することができる。
【００３０】
複数の高濃度層２Ａのうち少なくとも一つの高濃度層２Ａは、隣接する低濃度層２Ｂのキャリア濃度の２倍以上であることが好ましく、３倍以上であることがより好ましい。エピタキシャル層を構成する結晶の格子定数は、キャリア濃度が高いと大きくなる。そのため、隣接する高濃度層２Ａと低濃度層２Ｂとの間のキャリア濃度差が大きいと、格子定数変化が大きくなる。隣接する層間での格子定数変化が大きいと、層間において基底面転位から貫通刃状転位への転換が生じやすくなると考えられる。
【００３１】
高濃度層２Ａのキャリア濃度の平均値は、低濃度層２Ｂのキャリア濃度の平均値の２倍以上であることが好ましく、３倍以上であることがより好ましい。ここで、高濃度層（又は低濃度層）のキャリア濃度の平均値とは、複数の高濃度層２Ａ（又は低濃度層２Ｂ）全ての平均値を意味する。隣接する層間と言うミクロな観点のみならず、マクロな観点でも高濃度層２Ａと低濃度層２Ｂとのキャリア濃度差が充分存在することが好ましい。
【００３２】
高濃度層２Ａのキャリア濃度の平均値は、３×１０１８個／ｃｍ３以上であることが好ましく、７×１０１８個／ｃｍ３以上であることがより好ましく、１×１０１９個／ｃｍ３以上であることがさらに好ましい。
【００３３】
低濃度層２Ｂのキャリア濃度の平均値は、５×１０１８個／ｃｍ３以下であることが好ましく、３×１０１８個／ｃｍ３以下であることがより好ましく、７×１０１７個／ｃｍ３以下であることがさらに好ましい。
【００３４】
キャリア濃度変動層２の平均キャリア濃度は、１×１０１８個／ｃｍ３以上であることが好ましく、５×１０１８個／ｃｍ３以上であることがより好ましく、７×１０１８個／ｃｍ３以上であることがさらに好ましい。キャリア濃度変動層２の平均キャリア濃度に対する高濃度層２Ａの平均値としては、平均キャリア濃度の１．４倍以上が好ましく１．７３倍以上がより好ましい。またキャリア濃度変動層２の平均キャリア濃度に対する低濃度層層２Ｂの平均値としては、平均キャリア濃度の０．７倍以下が好ましく、０．５８倍以下がより好ましい。
【００３５】
ここで、キャリア濃度変動層２の平均キャリア濃度とは、キャリア濃度変動層２全体の平均キャリア濃度を意味し、各層のキャリア濃度を足して層数で割ったものである。キャリア濃度変動層２の平均キャリア濃度が高いと、高濃度層２Ａと低濃度層２Ｂ間の格子定数差が大きくなる。またキャリア濃度変動層２が高濃度であると、基底面転位を有するバイポーラデバイスの順方向に電流を流した場合に、ショックレイ型の積層欠陥が形成され、欠陥が拡大することを抑制できる。つまり、デバイスの順方向特性の劣化を抑制することができる。
【００３６】
図２は、本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハの別の例の断面模式図である。図２に示すＳｉＣエピタキシャルウェハ１１は、ＳｉＣ単結晶基板１とキャリア濃度変動層２と、ドリフト層３と、を備える。
【００３７】
ドリフト層３は、ＳｉＣデバイスが形成される層である。ドリフト層３のキャリア濃度は、ＳｉＣ単結晶基板１のキャリア濃度より低い。キャリア濃度変動層２のキャリア濃度は、ドリフト層３よりも高い。キャリア濃度変動層２のキャリア濃度と、ＳｉＣ単結晶基板１とのキャリア濃度の関係は、特に問わず、低くてもよいし、同程度でもよいし、高くてもよい。キャリア濃度変動層２は、ＳｉＣ単結晶基板１とドリフト層３との間の間に位置し、バッファ層として機能している。
【００３８】
基底面転位の多くは、キャリア濃度変動層２において貫通刃状転位に変換される。従って、基底面転位の多くは、ドリフト層３には到達しない。ドリフト層３に基底面転位が含まれると、ＳｉＣデバイスの順方向特性が劣化する。ドリフト層３が、キャリア濃度変動層２の上に積層されることで、基底面転位によるデバイスの特性劣化を抑制できる。
【００３９】
図２では、キャリア濃度変動層２がバッファ層と１対１で対応している。キャリア濃度変動層２は、バッファ層の一部を構成していてもよい。
【００４０】
本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハは、第１工程としてＳｉＣ単結晶基板１を準備し、第２工程としてキャリア濃度変動層２を積層することで得られる。
【００４１】
まず第１工程では、ＳｉＣ単結晶基板１を準備する。ＳｉＣ単結晶基板１の作製方法は特に問わない。例えば、昇華法等で得られたＳｉＣインゴットをスライスすることで得られる。
【００４２】
次いで、第２工程としてキャリア濃度変動層２を積層する。キャリア濃度変動層２は、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）法等によりＳｉＣ単結晶基板１の一面に積層する。ＳｉＣ単結晶基板１の積層面が、（０００１）から＜１１−２０＞方向にオフセット角を有する場合、キャリア濃度変動層２はステップフロー成長（原子ステップから横方向成長）する。
【００４３】
エピタキシャル成長は、高温に保持したＳｉＣ単結晶基板上に、原料ガス及びドーパントガスを流通して行う。
【００４４】
原料ガスとは、ＳｉＣエピタキシャル層を成膜する際の原料となるガスである。一般に、分子内にＳｉを含むＳｉ系原料ガスと、分子内にＣを含むＣ系原料ガスに分けられる。
【００４５】
Ｓｉ系原料ガスは公知のものを用いることができ、例えばシラン（ＳｉＨ４）が挙げられる。この他、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）などのエッチング作用があるＣｌを含む塩素系Ｓｉ原料含有ガス（クロライド系原料）を用いることもできる。Ｃ系原料ガスとしては、例えばプロパン（Ｃ３Ｈ８）等を用いることができる。
【００４６】
ドーパントガスとは、ドナー又はアクセプター（キャリア）となる元素を含むガスである。Ｎ型を成長するための窒素、Ｐ型を成長させるためのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）などがドーパントガスとして用いられる。
【００４７】
この他に、これらのガスを反応炉内に搬送するためのガス等を同時に用いてもよい。例えば、ＳｉＣに対して不活性な水素等が用いられる。
【００４８】
キャリア濃度変動層２を積層する場合の一つの方法として、これらのガスのうちドーパントガスの供給量を経時的に変化させる方法がある。ドーパントガスの供給量が増えると、多くのドーパントがエピタキシャル層に取り込まれ、高濃度層となる。ドーパントガスの供給量が減ると、エピタキシャル層に取り込まれるドーパント量が減少し、低濃度層となる。
【００４９】
またキャリア濃度変動層２を積層する方法は、当該方法に限られず別の方法を用いてもよい。例えば、原料ガスの組成を継時的に変化させてもよい。原料ガスのＳｉ／Ｃ比が変動すると、ドーパントの取り込み効率が変動し、キャリア濃度の異なる層（高濃度層２Ａ及び低濃度層２Ｂ）が積層される。
【００５０】
キャリア濃度変動層２を積層する方法として、成長温度を継時的に変化させてもよい。温度によりドーパントの取り込み効率が変動する。また、成長圧力を継時的に変化させてもよい。あるいは、エッチングガスの供給条件を変動させて、ドーパントのエッチング効率を継時的に変化させてもよい。成長条件を継時的に変動させることにより、エピタキシャル層のドーパントの取り込み効率を変化させ、キャリア濃度変動層２を形成できる。
【００５１】
また、ＳｉＣ単結晶基板を回転させる場合には、回転の周方向にドーパントガスの濃度分布を付けたり、原料ガスの組成分布を付けたり、温度分布を変えたりして、キャリア濃度変動層２を形成してもよい。
【００５２】
最後に、必要に応じてキャリア濃度変動層２上にドリフト層３を積層する。ドリフト層３は、公知の方法で積層される。例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）法等を用いることができる。
【００５３】
上述のように、本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハは、キャリア濃度が短い周期で変動するキャリア濃度変動層を有することで、ＳｉＣデバイスのキラーデバイス欠陥となる基底面転位（ＢＰＤ）がエピタキシャル層に引き継がれることを抑制できる。そのため、本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハは、デバイスキラー欠陥となる基底面転位を抑制できる。
【００５４】
自動車向けのモジュール等は、１００Ａ級の大電流を一つのデバイスで扱うため、ＳｉＣエピタキシャルウェハから生産されるＳｉＣチップ（ＳｉＣデバイスの基板）が、１０ｍｍ角級に大型化される。このような大型のＳｉＣチップにおいては、基底面転位密度の取れ効率への影響は極めて高く、基底面転位密度を低減できることは極めて重要である。
【実施例】
【００５５】
（実施例１）
直径１００ｍｍのＳｉＣ単結晶基板を準備した。準備したＳｉＣ単結晶基板は、４Ｈ型のポリタイプであり、主面は（０００１）から＜１１−２０＞方向に４°のオフセット角を有するＳｉ面を有する。
【００５６】
次いで、ＳｉＣ単結晶基板を反応炉内に導入し、成長温度で原料ガスを導入してエピタキシャル成長を実施した。ドーピングガスとしては窒素を用いた。その際、原料ガスの供給量を継時的に変化させて、ドーパントの取り込み効率を変化させた。
【００５７】
そして得られたエピタキシャル層の厚み方向のキャリア濃度を、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を用いて測定した。厚み方向のキャリア濃度は、エピタキシャル層を深さ方向に削りながらＳＩＭＳで測定することで求めた。その結果を図３（ａ）に示す。
【００５８】
また積層したエピタキシャル層の表面に露出した基底面転位の分布も求めた。基底面転位の分布は、フォトルミネッセンス（ＰＬ）法を用いて求めた。基底面転位は、紫外光を照射されると、７００ｎｍ以上の波長の光を発光する。その結果を図４（ａ）に示す。
【００５９】
（比較例１）
比較例１では、成長中のＳｉＣ単結晶基板の原料ガスの供給量を変化させなかった点のみが実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様とした。また比較例１においてもエピタキシャル層の厚み方向のキャリア濃度及び基底面転位の分布を求めた。その結果を図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示す。
【００６０】
図３は、実施例１及び比較例１のエピタキシャル層の厚み方向のキャリア濃度分布を測定した結果である。図３（ａ）は実施例１の結果であり、図３（ｂ）は比較例１の結果である。横軸は、成膜したエピタキシャル層の表面からの深さ位置であり、縦軸はその深さ位置におけるキャリア濃度である。
【００６１】
図３（ａ）に示すように、実施例１のエピタキシャル層は、厚み方向のキャリア濃度が大きく変動していた。キャリア濃度は、深さ方向に数十ｎｍの幅で変動している。つまりエピタキシャル層は、高濃度層と低濃度層とを交互に備える。隣接する低濃度層のキャリア濃度の３倍（２倍以上）のキャリア濃度を示す高濃度層も存在した。
【００６２】
これに対し図３（ｂ）に示すように、比較例１のエピタキシャル層は、厚み方向のキャリア濃度がほとんど変動しなかった。また高濃度層と低濃度層が交互に積層されていなかった。
【００６３】
図４は、実施例１及び比較例１のエピタキシャル層の基底面転位の分布を測定した結果である。図４（ａ）は実施例１の結果であり、図４（ｂ）は比較例１の結果である。横軸及び縦軸は、ＳｉＣ単結晶基板の中心からの位置に対応する。
【００６４】
図４（ａ）と図４（ｂ）を比較すると、実施例１の基底面転位密度が比較例１の基底面転位密度より低い。図４（ａ）に示す実施例１の基底面転位密度は０．７９個ｃｍ−２であり、図４（ｂ）に示す比較例１の基底面転位密度は４．８０個ｃｍ−２である。同様のＳｉＣ単結晶基板を用いたのにもかかわらず、エピタキシャル層の表面に表出する基底面転位が減少しているということは、基底面転位が貫通刃状転位に変換されていることを示す。
【符号の説明】
【００６５】
１  ＳｉＣ単結晶基板
２  キャリア濃度変動層
２Ａ  高濃度層
２Ｂ  低濃度層
３  ドリフト層
１０、１１  ＳｉＣエピタキシャルウェハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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