(57)【要約】【課題】炭化珪素結晶において、欠陥の伝播方位を抑制する操作や加工を必要とせず、転位の運動を抑制することにより、積層欠陥密度を低減し、高機能な半導体素子を安定に動作させる炭化珪素基板を提供する。【解決手段】炭化珪素基板の一部または全部の領域（不純物添加領域）において、炭素または珪素が配置すべき格子位置の一部を炭素、珪素、酸素、鉄、コバルト、ニッケル、フッ素、ヨウ素のうちの一種類以上の不純物元素で置換して、転位の運動を抑制する。不純物添加領域内における不純物濃度は珪素濃度の０．１ｐｐｍ以上かつ１０ｐｐｍ以下とし、不純物添加領域と不純物不添加領域の境界が基板結晶格子の最稠密面と非平行となるようにして転位の運動を妨げる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素と珪素の共有結合による周期的結晶格子からなる板状の単結晶炭化珪素基板であり、その炭化珪素基板の一部または全部の領域（不純物添加領域）において、炭素または珪素が配置すべき格子位置の一部が炭素、珪素、酸素、鉄、コバルト、ニッケル、フッ素、ヨウ素のうちの一種類以上の不純物元素で置換されていることを特長とする炭化珪素基板。
【請求項２】
請求項１記載の炭化珪素基板であり、その不純物添加領域内において、不純物濃度は珪素濃度の０．１ｐｐｍ以上かつ１０ｐｐｍ以下の割合で置換していることを特長とする炭化珪素基板。
【請求項３】
請求項１〜２記載の炭化珪素基板であり、かつ請求項１記載の不純物添加領域と不純物不添加領域の境界が基板結晶格子の最稠密面と平行ではないことを特長とする炭化珪素基板。
【請求項４】
２つ以上の電極を有し、印加される電流、電圧、圧力、光によって異なる電極間のインピーダンスが変化する半導体素子であり、かつ請求項１から３記載の炭化珪素基板上に設けられていることを特長とする半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明は、高機能半導体素子に用いられる炭化珪素基板に関するものである。特に、結晶内に線欠陥（転位）を含みつつも、それらの運動が抑制された炭化珪素基板を提供し、半導体素子の安定動作を可能にすることを目的とする。
【背景技術】
【０００２】    高効率での電力制御などに用いられる半導体素子の基板となる化合物半導体結晶として、炭化珪素が用いられ始めている。半導体素子の基板材料として炭化珪素を用いると、その絶縁破壊電界強度の高さから、従来用いられているシリコン基板上のそれよりも、高耐圧または低損失で半導体素子を動作させることができる。しかしながら、炭化珪素基板にはシリコン基板よりも高密度の格子欠陥が含まれており、それらが半導体素子の性能に少なからず悪影響を及ぼす。たとえば、積層欠陥や転位などの構造欠陥は電流漏洩や絶縁破壊、あるいは順方向電圧の変動をもたらし、電力用半導体素子の性能や信頼性を著しく損なう。このため、半導体素子の基板として用いられる炭化珪素基板に対しては、欠陥密度の低減が望まれる。【０００３】    以下には炭化珪素基板を形成する際の欠陥低減方法を述べる。炭化珪素をシリコン基板上にエピタキシャル成長する際の欠陥密度低減方法としては、例えば、特許文献１の特公平６−４１４００号公報に記載されている炭化珪素の厚さを制御する方法やＫ．Ｓｈｉｂａｈａｒａ，Ｓ．Ｎｉｓｈｉｎｏ，Ｈ．Ｍａｔｓｕｎａｍｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５０（１９８７）ｐｐ．１８８８−１８９０（非特許文献１）に記載されているシリコン基板の表面法線軸を僅かに傾けるオフ角加工方法などがある。非特許文献１はシリコン（１００）基板の〔０１１〕方向に数度程度の角度（オフ角）を付ける、いわゆるオフ基板を用いることによって極性面の配向方位を特定し、面欠陥の一種である反位相領域境界面を解消する手段を述べている。しかし、このオフ角を導入すると、特定方位にのみ優先して積層欠陥が伝播するため、それらの会合消滅機構が消失してしまい、積層欠陥密度の低減は困難であった。【０００４】    本来、立方晶炭化珪素を（００１）面上に成長すると、積層欠陥は４つの等価な｛１１１｝面に平行に伝播するため、対向する積層欠陥同士が会合して積層欠陥密度は減少する。ところが、［１１０］方位にオフ角度が導入されたシリコン（００１）基板に炭化珪素を成長する場合、表面のステップによって（１１１）面に平行に伝播する積層欠陥が遮断され、積層欠陥の伝播方位は（−１−１１）面に平行な方向に限定されてしまう。その結果、会合消滅機構が消失し、積層欠陥の完全消滅には至らない。【０００５】    この問題を解決し、炭化珪素内の面欠陥である反位相領域境界面と積層欠陥の両者を低減させる方法として、特開２００１−３３５９３５号公報（特許文献２）や、Ｈ．Ｎａｇａｓａｗａ，Ｔ．Ｋａｗａｈａｒａ，Ｋ．Ｙａｇｉ，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ３８９−３９３（２００２）ｐｐ．３１９−３２２（非特許文献２）に記載されているように、１方向に平行な尾根を有する起伏が形成されたシリコン基板上に炭化珪素をエピタキシャル成長させる技術が開発された。１方向に平行な尾根を有する起伏加工されたシリコン（００１）基板上に炭化珪素をヘテロエピタキシャル成長すると、反位相領域境界面および基板表面にＣ極性面を露出する積層欠陥が消滅する。しかしながら、Ｓｉ極性面を表面に露出する積層欠陥は依然として残存する。この理由のひとつは、Ｓｉ極性面を露出する積層欠陥が、成長��の格子歪に起因して常に発生していること、もうひとつは残留した積層欠陥を構成する転位（線欠陥）が結晶内で運動し、積層欠陥を拡張させるためである。特に、結晶成長プロセスのような高温下では、炭化珪素結晶内部に熱分布による歪が発生しやすく、積層欠陥の発生と拡大が促進される。特に、熱ひずみの量は結晶の口径に依存して増大するため、積層欠陥密度は結晶の口径に依存して増加する。【０００６】    以上のような残留積層欠陥を消滅させる手段として、特開２００２−２０１０９９号公報（特許文献３）では、結晶基板上に形成する起伏を一方向のみならずこれと直交する方向にも形成している。この方法では、一方の起伏で形成されるステップフローと他方の起伏で形成されるステップフローとが互いに垂直な関係で競合する成長様式となるため、表面モフォロジーとして片方のステップフローを引きずったようなモフォロジーは消滅し、平坦な表面が得られる。しかしながら、一方向ならずこれと直交する方位にも傾斜が発生しているため、非特許文献２に記載されているような極性面方位の配向方位制御が損なわれ、反位相領域境界面の解消が導かれない。【０００７】    特開２００１−２５７１６６号公報（特許文献４）ではサファイア基板上にＧａＮ層を設け、その上にＳｉＯ２で等価な３つの＜１１−２０＞方向に、正三角形開口部を作成しＧａＮを成長し、三角錐ＧａＮ成長層を形成している。三角錐ＧａＮ成長層上に島状ＧａＮ層形成して、サファイア基板上の全面にＧａＮ成長層を成長すると、三角錐を埋め込むように、横方向成長が促進され、平坦になる。基板界面から垂直に延びる転位は、錐構造の斜面に到達すると偏向して、表面に到達せず、転位密度が低減するが、偏向され転位はＳｉＯ２上の結晶領域で集合して再び上に伸びるので、表面には高密度転位領域が形成されてしまう。これに加え、炭化珪素内の積層欠陥のように特定方位に平行に伝播する面欠陥に対しては、いかなる開口部形成や横方向成長を駆使したとしても欠陥の伝搬方位が変わらず、低転位密度領域の形成には至らない。したがって、特開２００１−２５７１６６号記載のサファイアを炭化珪素として、炭化珪素のホモエピタキシャル成長に転用したとしても、基板である炭化珪素の反位相領域境界面や積層欠陥が解消されていない限り、それらの面欠陥を含まない炭化珪素表面を得ることは不可能である。【０００８】    反位相領域境界面や積層欠陥を解消する手段としては、Ｈ．Ｈａｔｔａ，Ｔ．Ｋａｗａｈａｒａ，Ｋ．Ｙａｇｉ、Ｈ．Ｎａｇａｓａｗａ，  Ｓ．Ｒｅｓｈａｎｏｖ，Ａ．Ｓｃｈｏｎｅｒ，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ７１７−７２０（２０１２）ｐｐ．１７３−１７６（非特許文献３）に記載されているように、炭化珪素基板表面にラインアンド  スペース加工を施し、その後にスペース部分の空隙が残るようにエピタキシャル成長を実施し、積層欠陥の伝播を空隙部分で終端する手段も知られているが、この方法では隣接する空隙間の間隔と空隙の高さの関係に一定の制限があるほか、空隙部分が実質的に基板の電気抵抗を増加させること、空隙間では転位が自由に運動できること、そして基板表面への形状加工と複数回にわたるエピタキシャル成長など製造工程が複雑になると���う問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公平６−４１４００号公報
【特許文献２】特開２００１−３３５９３５号公報
【特許文献３】特開２００２−２０１０９９号公報
【特許文献４】特開２００１−２５７１６６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｋ．Ｓｈｉｂａｈａｒａ，Ｓ．Ｎｉｓｈｉｎｏ，Ｈ．Ｍａｔｓｕｎａｍｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５０（１９８７）ｐｐ．１８８８−１８９０
【非特許文献２】Ｈ，Ｎａｇａｓａｗａ，Ｔ．Ｋａｗａｈａｒａ，Ｋ．Ｙａｇｉ，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ３８９−３９３（２００２）ｐｐ．３１９−３２２
【非特許文献３】Ｈ．Ｈａｔｔａ，Ｔ．Ｋａｗａｈａｒａ，Ｋ．Ｙａｇｉ、Ｈ．Ｎａｇａｓａｗａ，Ｓ．Ｒｅｓｈａｎｏｖ，Ａ．Ｓｃｈｏｎｅｒ，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ７１７−７２０（２０１２）ｐｐ．１７３−１７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】    本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、結晶を成長するための基板にいかなる加工を施すこともせず、熱歪や格子不整合に起因する欠陥の発生や伝播を阻み、高機能かつ安定な動作の半導体素子を実現させうる低欠陥密度の炭化珪素基板を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】    上記目的を達成するために、本発明は、以下の構成としてある。
（構成１）炭素と珪素の共有結合による周期的結晶格子からなる板状の単結晶炭化珪素基板であり、その炭化珪素基板の一部または全部の領域（不純物添加領域）において、炭素または珪素が配置すべき格子位置の一部が炭素、珪素、酸素、鉄、コバルト、ニッケル  フッ素、ヨウ素のうちの一種類以上の不純物元素で置換されていることを特長とする炭化珪素基板。【００１３】    （構成２）構成１の炭化珪素基板であり、その不純物添加領域内において、不純物濃度は珪素濃度の０．１ｐｐｍ以上かつ１０ｐｐｍ以下の割合で置換していることを特長とする炭化珪素基板。【００１４】    （構成３）構成１から２の炭化珪素基板であり、かつ構成１に記載された不純物添加領域と不純物不添加領域の境界が基板結晶格子の最稠密面と平行ではないことを特長とする炭化珪素基板。【００１５】    （構成４）２つ以上の電極を有し、印加される電流、電圧、圧力、光によって異なる電極間のインピーダンスが変化する半導体素子であり、かつ構成１から構成３に記載された炭化珪素基板上に設けられていることを特長とする半導体素子。
【発明の効果】
【００１６】    従来は、会合消滅や空隙により欠陥の伝播や拡大を抑制していたが、会合消滅確率は積層欠陥密度に比例するので、積層欠陥数が減少するに従い、それらの密度低減効果（単位厚さあたり減少する積層欠陥密度）は低下し、一定の値以下に低減させることは困難となる。このような会合消滅や空隙での終端に拠らず積層欠陥や転位密度を低減するため、本発明では図１に示すように炭化珪素結晶内の不純物添加領域（１０１）に転位の運動を妨げるように不純物を添加する。添加不純物は炭化珪素を構成する炭素（１０２）と珪素（１０３）の格子位置に炭素（１０４）、珪素（１０５）、酸素（１０６）、鉄（１０７）、コバルト（１０８）、ニッケル（１０９）、フッ素（１１０）、ヨウ素（１１１）のうちの一種類以上である。【００１７】    酸素、鉄、コバルト、ニッケル  フッ素、ヨウ素が置換する位置は本来の炭素位置でも珪素位置でも不問であるが、炭素が不純物である場合には本来の珪素位置を置換し、珪素が不純物である場合には本来の炭素位置を置換しなければならない。置換する不純物の原子半径は、炭素の原子半径（０．７９オングストローム）より小さいか、珪素の原子半径（１．１１オングストローム）より大きく、それらが本来の珪素位置または炭素位置が不純物に置換されると、置換した不純物は結晶内を運動する転位に対するパイエルス−ナバロ力を高じさせ、それらを不動化するとともに積層欠陥の拡張を防ぐ。したがって、不純物が置換された領域は結晶全体であることが望ましいが、少なくとも領域の幅が積層欠陥の平均的な大きさ以上であればその効果が発現する。【００１８】    また、不純物が結晶格子を置換した領域の形状には特段の制限は無いが、少なくとも転位が運動する最稠密面（１１２）と平行ではないことが転位の不動化をもたらすための必要条件である。【００１９】    また、不純物原子が結晶格子にとどまっている限り、転位の運動の妨げになるので、たとえば電界、電流、圧力、光が印加されたとしても転位の不動化は保たれ、半導体素子の動作特性は安定化する。したがって、不純物の添加は結晶を作製している最中でも良いし、結晶を作製した後、あるいは半導体素子を製造した後でも本発明の効果は発現する。【００２０】    結晶成長中に不純物を添加する場合は、炭化珪素の原料（炭素を含むガスと珪素を含むガス）に不純物を含むガスを混入させれば良いが、この際の炭素を含むガスと珪素を含むガスの流量比を変化させれば、不純物が置換する格子位置を選択可能であり、不純物を含むガスの供給量を変えれば炭化珪素中の不純物濃度を制御することができる。また、結晶を成長した後であれば、イオン注入や熱拡散を用いて不純物を添加することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】    本発明に係る炭化珪素基板の断面図である。
【本発明を実施するための形態】
【００２２】    本発明は炭化珪素の結晶多形のいずれに対しても効果を発揮するが、その効果は最稠密面である｛１１１｝面数の多い立方晶炭化珪素基板において顕著である。また、その主表面（結晶の表面の中で、最も露出している面積が大きい部分）が（００１）面に平行であり、これと平行な裏面を有する板状の結晶であると、不純物添加領域が基板表面と平行になり、かつ、いかなる稠密面とも平行にならないので最適である。
【００２３】    不純物の添加領域は基板全体でも良いが、不純物が基板の電気抵抗を変化させるので、基板の固有抵抗を大きく変化させたくない場合には、基板表面に平行な層状に添加しても、本発明の効果は発現する。特に、基板の表面近傍の２０マイクロメートル程度の領域は半導体素子の空乏層が拡大するので、半導体素子の耐圧や抵抗を制御する観点から、不純物添加領域から除外するほうが望ましい。
【００２４】    添加する不純物は炭素、珪素、酸素、鉄、コバルト、ニッケル  フッ素、ヨウ素のいずれでも良いが、不純物添加のしやすさ、半導体素子製造工程への汚染回避の観点からは炭素、珪素、酸素のいずれかから選ばれる元素を用いることが望ましい。さらに、多量の炭素を珪素位置に置換したり、多量の珪素を炭素位置に置換すると反位相領域境界面を発生させる原因となるので、不純物としては酸素が最も望ましい。
【００２５】    不純物濃度は炭化珪素を構成する珪素濃度の０．１ｐｐｍ以上かつ１０ｐｐｍ以下であれば本発明の効果が発現するが、不純物濃度が低い場合には転位の運動に対する抑止効果が薄れること、不純物濃度が高い場合には不純物が析出したり電気抵抗を増大させる可能性があることから、０．２ｐｐｍ以上かつ１０ｐｐｍ以下、さらに望ましくは０．５ｐｐｍ以上かつ５ｐｐｍ以下であることが望ましい。
【００２６】  不純物元素は、イオン注入や熱拡散で添加することも可能であるが、イオン注入では不純物添加領域がイオンの飛程に限定されること、熱拡散では炭化珪素内における不純物の拡散係数が低いことから、結晶成長時に結晶の炭化珪素の原料ガスに不純物を混入して不純物添加を行うことが望ましい。不純物源として酸素を添加する場合には酸素ガスを原料ガスに混入させても良いが、一般に、気相成長では水素がキャリアガスとして用いられることから酸素と水素が反応して爆発を起こす危険性があるので、二酸化炭素や窒素酸化物など水素と混合しても爆発しないガスを用いることが望ましい。
【００２７】    最良の形態を具現化するための方法は、たとえば以下の通りである。
市販のシリコン単結晶ウエハ（００１）面を基板として、立方晶炭化珪素をエピタキシャル成長する。炭化珪素の成長にあたっては、ＣＶＤ（化学的気相堆積法）、ＭＢＥ（分視線エピタキシー法）、ＬＰＥ（液相エピタキシー法）などを用いることができるが、いずれにしてもＳｉ源とＣ源の供給量を個々に調整できることが望ましく、さらにはガスとしてその流量を精密に調整してＳｉ源とＣ源の供給比率を変化させることが望ましいのでＣＶＤ法が最適である。ＣＶＤ法ではＳｉ源とＣ源の供給比率を適宜調整することにより、Ｓｉ面とＣ面の成長速度に差をつけて、特定の結晶面を特定の結晶方位に配向させることが可能となる。たとえば、Ｓｉ面が（１１１）と（−１−１１）面、Ｃ面が（−１１１）と（１−１１）面となるように配置する。このようにして配向方位を調整することにより、本来結晶格子に珪素が位置すべき箇所に炭素を配置したり、本来結晶格子に炭素が位置すべき箇所に珪素を配置することが可能になる。また、酸素を添加する場合にはＳｉ源とＣ源のガスに加えて、炭素酸化物（ＣＯ，ＣＯ２）や窒素酸化物（ＮＯ，ＮＯ２）ガスを混入させ、かつＳｉ源とＣ源のガスの供給比率を適宜調整すると、酸素が配置する格子位置を任意に制御することができる。添加する不純物の量は二酸化炭素や窒素酸化物ガスの流量によって制御可能であり、流量を増加させるほど添加不純物濃度は増加する。最適な不純物原料ガス流量は、炭化珪素を成長する温度における不純物原料ガスと炭素と珪素の原料ガスの分解効率の比によって変化するが、それらは実験的に求めることが可能である。このように、ガスの供給量や供給量比を調整すれば、添加不純物濃度を任意に制御可能である。
【００２８】    また、不純物を添加する層の位置と厚さは、不純物原料ガスの供給開始時間と供給継続時間によって制御することが可能である。たとえば、炭化珪素の成長速度が５０マイクロメートル／時であると仮定し、酸素が添加された層がシリコン基板と炭化珪素の界面から、１００マイクロメートルから１５０マイクロメートルの範囲に位置するように制御する場合には、炭化珪素の成長を開始して２時間を経た後に不純物原料ガスの供給を開始し、その後１時間供給を継続すればよい。この場合、不純物を添加された層は立方晶炭化珪素の（００１）面と略平行になるので、その稠密面である｛１１１｝面と交差して、転位の不動化が実現する。
【００２９】    ＜第１実施形態＞
はじめに、直径６インチのシリコン（００１）基板表面にＣＶＤ装置内にて極薄の炭化珪素層を形成する。炭素の原料ガスであるＣ２Ｈ２、およびキャリアガスであるＨ２は、室温より基板表面に供給し、その後、基板温度を所定の成長温度である１３５０℃まで昇温する。ガスの供給量と圧力は、表１に示したとおりである。
【００３０】
【表１】
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【００３１】    基板表面温度が１３５０℃に到達した直後にＳｉ原料であるＳｉＨ２Ｃｌ２とＣ原料であるＣ２Ｈ２そしてＨ２を供給することにより炭化珪素を気相成長する。この場合の成長条件は、表２に示したとおりである。成長時の圧力は、反応室と排気装置間に設置したスロットルバルブで調整する。
【００３２】
【表２】
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【００３３】    以上の条件で８時間成長をおこない、４５０マイクロメートルの立方晶炭化珪素をシリコン基板上に成長する。
【００３４】    成長後にシリコン基板をフッ酸と硝酸の混酸でエッチングし、単独の立方晶炭化珪素基板を得る。次いで、立方晶炭化珪素基板を再びＣＶＤ装置内に挿入し、表３に記載の条件にて３時間で２４０マイクロメートルの炭化珪素を成長する。
【００３５】
【表３】
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【００３６】    酸素源であるＣＯ２を添加して成長することにより炭化珪素内には酸素が混入する。混入した酸素は本来炭素が配置すべき格子位置に納まっていること、そしてその濃度は珪素濃度の０．２１ｐｐｍであることが、それぞれＸ線光電子分光法のエネルギースペクトルと強度から求められる。
【００３７】    次に、成長した立方晶炭化珪素基板表面の欠陥密度を測定するため５００℃で溶融したＫＯＨに５分間浸漬する。その後、エッチピットとして積層欠陥が顕在化した基板表面を光学顕微鏡で観察することにより表面に露出した積層欠陥の線密度が１５０／ｃｍであることが判明する。
【００３８】    比較のため、表４の条件で、ＣＯ２供給量のみを０ｃｃ／分から１５００ｃｃ／分まで変化させて、炭化珪素内の酸素濃度を変化させる。その後、成長した立方晶炭化珪素基板の欠陥密度を測定するため５００℃で溶融したＫＯＨに５分間浸漬し、エッチピットとして表面に露出した積層欠陥の線密度を求めると、炭化珪素内の酸素濃度に対して表４に示すとおりの依存性が得られる。表４には四端子抵抗測定から求めることのできる炭化珪素の抵抗率も示す。
【００３９】
【表４】
2015020945.tif 000006
【００４０】    以上のとおり、炭化珪素中の本来の炭素位置を酸素で置換すると、０．１ｐｐｍ以上の濃度で積層欠陥低減効果がもたらされ、その効果は０．２ｐｐｍ以上の酸素濃度でさらに顕著となる。ただし、酸素濃度が１０ｐｐｍを超えると抵抗率が急激に上昇することから酸素濃度は１０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００４１】    以上のとおり、不純物添加による欠陥低減効果は明らかである。本実施例では、結晶基板として立方晶炭化珪素を用いたが、その稠密面である｛１１１｝面は六方晶の｛０００１｝面に匹敵するので、六方晶炭化珪素においても同様の欠陥低減効果がもたらされることは明らかである。この場合、基板の表面は｛１１−２０｝面、あるいは｛０３−３８｝面を用いれば、不純物添加領域は稠密面である｛０００１｝面と交差するので、欠陥の低減効果が高くなる。
【００４２】    また、炭化珪素の成長に用いるためのＳｉの原料ガスとしては、ＳｉＨ４、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３などを用いても差し支えない。Ｃの原料ガスとしては、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４，Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８などを用いることもできる。さらに、酸素源としてはＣＯ２を用いたが、熱的に酸素を放出するような分子であれば良く、酸素ガス、ＣＯ、ＮＯ、ＮＯ２などでもガス流量を適宜調整すれば本実施例と同様の効果が得られる。特に、不純物原料として窒素酸化物を用いると、窒素が炭素位置に置換してドナーとして振舞うので、酸素原子による抵抗率上昇を抑制し好ましい。
【００４３】    また、不純物としては必ずしも酸素である必要は無く、炭素または珪素の格子位置を置換する限り炭素、珪素、鉄、コバルト、ニッケル  フッ素  、ヨウ素のいずれでも良い。また、本実施例では結晶成長法として化学的気相成長法を用いたが、所定の不純物を所定の格子位置に、所定の量添加できれば、昇華再結晶法、溶液成長などを用いても同様の効果が発現する。
【００４４】    ＜第２実施形態＞
直径６インチのシリコン（００１）基板表面にＣＶＤ装置内にて表１の条件で極薄の炭化珪素層を形成する。次に、温度１３５０℃でＳｉ原料であるＳｉＨ２Ｃｌ２とＣ原料であるＣ２Ｈ２そしてＨ２供給することにより表２に示された条件で炭化珪素をエピタキシャル成長する。成長時の圧力は、反応室と排気装置の間に設置したスロットルバルブにて調整する。以上の条件で１２時間の気相成長をおこない、６７５マイクロメートルの立方晶炭化珪素をシリコン基板上に成長させる。
【００４５】    成長後にシリコン基板をフッ酸と硝酸の混酸でエッチングし、単独の立方晶炭化珪素基板得る。その後、主表面の法線軸に対し、［１１０］方位に７度の方向に酸素イオンを注入する。酸素の加速エネルギーは２００ｋｅＶから４００ｋｅＶの間で変化させ、それぞれの加速エネルギーにおけるドーズ量は１０１４／ｃｍ２から１０１７／ｃｍ２で変化させる。その結果、炭化珪素の表面の０．１マイクロメートルの層に酸素が添加された層が形成する。酸素は本来炭素が配置すべき格子位置に納まっていることはＸ線光電子分光のエネルギースペクトルのエネルギー位置から同定され、その濃度はＸ線光電子分光のエネルギースペクトルのピーク強度から算出される。
【００４６】    次いで、表２に記載された条件で５分をかけて５マイクロメートルの立方晶炭化珪素成長を実施する。その後、炭化珪素基板を５００℃溶融ＫＯＨに５分間浸漬して積層欠陥を顕在化させる。この基板表面を光学顕微鏡で観察すると基板表面における積層欠陥密度は添加された酸素濃度に対して表５の傾向を示す。
【００４７】
【表５】
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2015020945.tif 000008
【００４８】    以上のとおり、炭化珪素中の本来の炭素位置を酸素で置換すると、０．１ｐｐｍ以上の濃度で顕著な積層欠陥低減効果がもたらされることから、本発明の欠陥低減効果は明らかである。ただし、酸素濃度が１０ｐｐｍを超えるとイオン注入に伴う結晶格子の乱れが著しくなり、エッチピット密度が急激に増加するので、酸素濃度は１０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００４９】    本実施例では、結晶基板として立方晶炭化珪素（００１）面を用いたが、｛１１０｝面あるいは｛２１１｝面であっても稠密面である｛１１１｝面とは平行にならないので、本実施例と同様の欠陥低減がもたらされる。さらに、立方晶炭化珪素の稠密面である｛１１１｝面は六方晶の｛０００１｝面に匹敵するので、六方晶炭化珪素においても同様の欠陥低減効果がもたらされる。この場合、基板の表面として｛１１−２０｝面、あるいは｛０３−３８｝面を用いれば、不純物添加領域は稠密面である｛０００１｝面と交差するので、欠陥の低減効果が高くなる。
【００５０】    また、不純物としては必ずしも酸素である必要は無く、炭素または珪素の格子位置を置換する限り炭素、珪素、鉄、コバルト、ニッケル  フッ素、ヨウ素のいずれでも良い。さらに、添加方法もイオン注入に限らず、炭素または珪素の格子位置に不純物を置換できる限り、熱拡散でも同様の効果が得られる。
【００５１】    ＜第３実施形態＞
実施例２で作製される炭化珪素基板表面に下記のとおりｐｎダイオードを形成する。はじめに、基板全面に加速エネルギー４００ｋｅＶでドーズ量３ｘ１０１５／ｃｍ２の窒素イオンを注入し、厚さ１マイクロメートル、ドナー濃度１ｘ１０１６／ｃｃのｎ層を形成する。次に、基板表面に厚さ５マイクロメートルのフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー工程により、直径１０マイクロメートルの円形の開口部を設ける。さらに、加速エネルギー３００ｋｅＶでドーズ量７ｘ１０１５／ｃｍ２のアルミニウムイオンを注入し、厚さ０．３マイクロメートル、アクセプタ濃度３ｘ１０１７／ｃｃのｐ層を形成する。ｐ層の表面にアルミニウム電極を真空蒸着し、基板の裏面側にはニッケル電極を蒸着することによりそれぞれ陽極と陰極とする。
【００５２】    室温にて陽極から陰極に１ｍＡの一定電流を１２時間印加し、印加開始時点と印加開始後の陽極と陰極の電位差の変化を測定すると、表６に示すような酸素濃度依存性が得られる。
【００５３】
【表６】
2015020945.tif 000009
2015020945.tif 000010
【００５４】    以上のとおり、炭化珪素中の本来の炭素位置を酸素で置換すると、０．１ｐｐｍ以上の濃度で電極間の電位差の変動が抑制されることから、本発明の供する半導体素子の安定動作が確保される。ただし、酸素濃度が１０ｐｐｍを超えると電極間の電圧降下が急激に上昇することから酸素濃度は１０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００５５】    また、本実施例ではｐｎダイオードにおける安定動作の効果を示したが、欠陥に電界が印加される限り同様の効果が発現するので、本発明はショットキーダイオード、ＪＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴなどいかなる半導体素子に対しても効果を発揮することは明らかである。
【００５６】    また、不純物としては必ずしも酸素である必要は無く炭素または珪素の格子位置を置換する限り炭素、珪素、鉄、コバルト、ニッケル  フッ素  、ヨウ素のいずれでも同様の効果が得られる。添加方法も実施例２記載のイオン注入法に限ることなく、実施例１記載の気相成長中の添加であっても転位の運動が抑制されるので、素子の安定動作がもたらされることは明らかである。
【００５７】    さらに、本実施例では、結晶基板として立方晶炭化珪素（００１）面を用いたが、｛１１０｝面あるいは｛２１１｝面であっても稠密面である｛１１１｝面とは平行にならないので、本実施例と同様の欠陥低減がもたらされる。さらに、立方晶炭化珪素の稠密面である｛１１１｝面は六方晶の｛０００１｝面に匹敵するので、六方晶炭化珪素においても同様の欠陥低減効果がもたらされる。この場合、基板の表面として｛１１−２０｝面、あるいは｛０３−３８｝面を用いれば、不純物添加領域は稠密面である｛０００１｝面と交差するので、素子の安定動作が実現する。
【符号の説明】
【００５８】    １０１；炭化珪素結晶内の不純物添加領域
１０２；格子位置の炭素原子
１０３；格子位置の珪素原子
１０４；珪素格子位置の炭素原子
１０５；炭素格子位置の珪素原子
１０６；酸素原子
１０７；鉄原子
１０８；コバルト原子
１０９；ニッケル原子
１１０；フッ素原子
１１１；ヨウ素原子
１１２；結晶格子の最稠密面に平行な面
【図１】
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