(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板内側部（１１）と、
前記基板内側部（１１）を囲む基板外側部（１２）と、を備える炭化珪素基板（１０）であって、
前記基板内側部（１１）の非ドーパント金属不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上であり、
前記基板外側部（１２）のうち少なくとも表面側の領域は、非ドーパント金属不純物濃度が１×１０１６ｃｍ−３未満の基板表面領域である、
炭化珪素基板（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載の炭化珪素基板（１０）であって、
前記基板表面領域（１３）における平均貫通らせん転位密度が１００ｃｍ−２以下である、
炭化珪素基板（１０）。
【請求項３】
請求項１または２に記載の炭化珪素基板（１０）であって、
前記基板内側部（１１）の厚み方向、または前記厚み方向と垂直な方向において、非ドーパント金属不純物濃度が分布を有する、
炭化珪素基板（１０）。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１０）であって、
前記基板表面領域（１３）の厚み方向、または前記厚み方向と垂直な方向において、非ドーパント金属不純物濃度が分布を有する、
炭化珪素基板（１０）。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１０）であって、
前記基板内側部（１１）の不純物濃度は、前記基板内側部（１１）における体積抵抗率が２５ｍΩｃｍ以下となるように設定される、
炭化珪素基板（１０）。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１０）であって、
前記基板外側部（１２）の不純物濃度は、前記基板外側部（１２）の体積抵抗率が２５ｍΩｃｍ以下となるように設定された、
炭化珪素基板。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１０）であって、
前記基板表面領域（１３）において局所的な貫通らせん転位密度が分布を有する、
炭化珪素基板。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１０）の製造方法であって、
（ａ）非ドーパント金属が添加されたＳｉ溶液を用いた溶液成長法により、非ドーパント金属不純物濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上の炭化珪素からなる基板内側部（１１）を形成する工程と、
（ｂ）非ドーパント金属不純物濃度が１×１０１６ｃｍ−３未満の炭化珪素からなる基板外側部（１２）を、前記基板内側部（１１）を囲んで形成する工程と、を備える、
炭化珪素基板（１０）の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の炭化珪素基板（１０）の製造方法であって、
前記工程（ｂ）は、平均貫通らせん転位密度が１００ｃｍ−２以下の前記基板外側部（１２）を形成する工程である、
炭化珪素基板（１０）の製造方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の炭化珪素基板（１０）の製造方法であって、
前記工程（ｂ）は、ＣＶＤ法により前記基板外側部（１２）を形成する工程である、
炭化珪素基板（１０）の製造方法。
【請求項１１】
請求項８または９に記載の炭化珪素基板（１０）の製造方法であって、
前記工程（ｂ）は、非ドーパント金属が添加されていない純Ｓｉ溶媒を用いた溶液成長法により前記基板外側部（１２）を形成する工程である、
炭化珪素基板（１０）の製造方法。
【請求項１２】
（ｃ）請求項１から７のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１０）の第１主面をエッチングする工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記炭化珪素基板（１０）の第１主面にＣＶＤ法によりドリフト層（２１）をエピタキシャル成長させる工程と、を備える、
炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記炭化珪素基板の前記基板表面領域（１３）の厚さは、前記工程（ｃ）で除去される前記炭化珪素基板（１０）の厚さの２倍以上である、
炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
（ｅ）前記工程（ｄ）の後、前記ドリフト層（２１）上に酸化膜を形成する工程を備え、
前記炭化珪素基板（１０）の前記基板表面領域（１３）の厚さは、前記炭化珪素基板（１０）の第１主面がＳｉ面である場合には前記酸化膜の厚さの２０倍以上であり、前記炭化珪素基板（１０）の第１主面がＣ面である場合には前記酸化膜の厚さの５倍以上である、
炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
（ｆ）前記炭化珪素基板（１０）の前記第１主面とは反対側の第２主面を機械加工する工程を備え、
前記炭化珪素基板（１０）の前記第２主面における前記基板表面領域（１３）の厚さは、２０μｍ以上３００μｍ以下である、
炭化珪素半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化珪素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）は、熱的および化学的に優れた特性を有し、禁制帯幅が珪素（Ｓｉ）に比べて大きいため、電気的に優れた特性を有する半導体材料として知られている。特に４Ｈ−ＳｉＣは、電子移動度および飽和電子速度が大きいため、パワーデバイス向けの半導体材料として既に実用化が始まっている。【０００３】
現在、ＳｉＣ単結晶を製造する方法として改良レイリー法（昇華法）が広く用いられている。現在、ＳｉＣ基板のサイズは、市販のもので直径１５０ｍｍまで、開発段階で直径２００ｍｍである。しかし、ＳｉＣ基板には依然として結晶欠陥密度が数千から一万ｃｍ−２と大きいという課題があり、半導体デバイス用途とするにはさらに結晶欠陥密度を下げる必要がある。【０００４】
低欠陥密度ＳｉＣ単結晶を製造する方法として、Ｓｉインゴットの単結晶成長の様に液体から結晶成長させる方法が検討されている。具体的には、Ｓｉ融液中に炭素（Ｃ）を溶解し、種結晶ＳｉＣ上でＳｉＣを結晶化することによりＳｉＣを成長させる。この方法は、液体から結晶成長を行うため、昇華法に比べて低い過飽和度での結晶成長が可能であり、それゆえ低欠陥密度ＳｉＣ単結晶の製造方法として知られている。しかしながら、この方法ではＳｉ融液中へのＣの溶解度が低いため、超高温かつ１００気圧程の超高圧下でなければ産業的に十分なＣ溶解度、すなわちＳｉＣ単結晶の成長速度を得ることはできず、実用的ではなかった。【０００５】
やがて、クロム（Ｃｒ）または鉄（Ｆｅ）などの金属を溶質としたＳｉ溶媒を用いることにより、ＳｉへのＣ溶解度が大幅に向上することが明らかになった。この結果、成長時の雰囲気圧力が大気圧付近であっても実用的な成長速度を得られるようになり、特許文献１のように、貫通転位密度が１０ｃｍ−２以下と従来の昇華法による基板の１０〜１００分の１程に低減された低欠陥密度ＳｉＣ単結晶を、実用的な成長速度で作製する方法が数多く報告されている。現在、ＳｉＣの溶液成長法と言えば、一般的にこの方法を指す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−５４８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
溶液成長法では、ＳｉへのＣ溶解度を向上させるためＳｉ溶媒に添加されるＣｒ等の金属溶質が、成長するＳｉＣ単結晶にドーパントで無い金属不純物（以下、「非ドーパント金属不純物」と称する）として取り込まれる。非ドーパント金属不純物を含むＳｉＣ単結晶基板に半導体デバイスを作製すると、プロセス中での基板のエッチング、昇華、または治具への接触等により、非ドーパント金属不純物がプロセス装置の内部に放出される。その結果、プロセス装置の内部が非ドーパント金属不純物によって汚染され、デバイス特性の劣化を誘発する。【０００８】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、プロセス装置を汚染することのない低欠陥密度な炭化珪素基板と、当該炭化珪素基板を用いた炭化珪素半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る炭化珪素基板は、基板内側部と、基板内側部を囲む基板外側部と、を備える炭化珪素基板であって、基板内側部の非ドーパント金属不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上であり、基板外側部のうち少なくとも表面側の領域は、非ドーパント金属不純物濃度が１×１０１６ｃｍ−３未満の基板表面領域である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る炭化珪素基板は、基板内側部と、基板内側部を囲む基板外側部と、を備える炭化珪素基板であって、基板内側部の非ドーパント金属不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上であり、基板外側部のうち少なくとも表面側の領域は、非ドーパント金属不純物濃度が１×１０１６ｃｍ−３未満の基板表面領域である。このように、基板表面領域の非ドーパント金属不純物濃度を低くすることにより、デバイスプロセス装置の汚染を抑制すると共に、炭化珪素基板の貫通らせん転位密度を低くすることができる。本発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る炭化珪素基板の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る炭化珪素基板の非ドーパント金属不純物濃度を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る炭化珪素基板の非ドーパント金属不純物濃度を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る炭化珪素基板の非ドーパント金属不純物濃度を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る炭化珪素基板にドリフト層を形成した状態を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る炭化珪素基板の製造方法を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る炭化珪素基板を用いて製造された炭化珪素半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．炭化珪素基板＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る炭化珪素基板１０の断面図である。炭化珪素基板１０は、基板内側部１１と、基板内側部１１の全体を覆う基板外側部１２とを備えている。
【００１３】
基板内側部１１は、非ドーパント金属であるＣｒが添加されたＳｉ溶液を用いた溶液成長法により作製された単結晶基板である。基板外側部１２は基板内側部１１の全体を覆う単結晶基板である。炭化珪素基板１０の上面は、例えば［１１−２０］方向にオフしたＳｉ面（０００１）である。
【００１４】
基板内側部１１と基板外側部１２は、共に４Ｈ型の炭化珪素で構成されるが、非ドーパント金属不純物の濃度が異なる。炭化珪素基板１０における非ドーパント金属不純物の濃度は、炭化珪素基板１０の中心から表面に向かう方向で変化する。本明細書において、炭化珪素基板１０の表面とは、炭化珪素基板１０の上面、下面、および側面の夫々をいい、単に「基板表面」とも称する。例えば、炭化珪素基板１０の中心から上面に向かう方向とは、例えば図１のＡ−Ａ´方向である。炭化珪素基板１０の中心における非ドーパント金属不純物の濃度は、炭化珪素基板１０の表面における非ドーパント金属不純物の濃度よりも大きい。
【００１５】
炭化珪素基板１０は、その表面側に非ドーパント金属不純物の濃度が１×１０１６ｃｍ−３未満の基板表面領域１３を有している。ここで、基板表面領域１３の基板表面とは反対側の端部を基板表面領域１３の開始点Ｓ（以下、単に「開始点Ｓ」と称する）と定義する。すなわち、開始点Ｓとは、炭化珪素基板１０をその中心から表面へ辿ったときに、非ドーパント金属不純物の濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上から１×１０１６ｃｍ−３未満に転じる点である。開始点Ｓは、基板外側部１２または基板外側部１２と基板内側部１１の境界に存在する。すなわち、基板外側部のうち少なくとも表面側の領域が基板表面領域１３である。
【００１６】
図２は、図１のＡ−Ａ´方向に沿った断面における非ドーパント金属不純物濃度を示している。図２において、非ドーパント金属不純物の濃度曲線は、基板内側部１１と基板外側部１２の境界に変曲点を有している。非ドーパント金属不純物の濃度曲線の変曲点は図２に示すように１つでも良いし、図３に示すように複数でも良い。図３に示すように、炭化珪素基板１０をその中心から表面へ辿ったときに、非ドーパント金属不純物の濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上になったり１×１０１６ｃｍ−３未満になったりを繰り返す場合、非ドーパント金属不純物の濃度が１×１０１６ｃｍ−３未満となる基板外側部１２の複数の領域のうち、最も基板表面側を基板表面領域１３とする。
【００１７】
図４は、開始点Ｓが基板外側部１２と基板内側部１１の境界に存在する場合の非ドーパント金属不純物の濃度曲線を示している。図４において、非ドーパント金属不純物の濃度は開始点Ｓを境に急峻に変化しており、開始点Ｓが濃度曲線の特異点となっている。非ドーパント金属不純物の濃度曲線の特異点は、図４に示すように一つでも良いし、複数あっても良い。
【００１８】
基板内側部１１、基板外側部１２、および基板表面領域１３のそれぞれにおける非ドーパント金属不純物の濃度は、図３または図４に示すように一定でも良いし、図２に示すように一定でなくても良い。
【００１９】
上述したように、基板表面領域１３における非ドーパント金属不純物の濃度は、１×１０１６ｃｍ−３未満とするが、より好ましくは５×１０１５ｃｍ−３未満とする。基板表面領域１３における非ドーパント金属不純物の濃度を低くする理由の一つは、デバイスプロセス装置の汚染を抑制することにより、非ドーパント金属不純物によるデバイス特性の劣化を抑制するためである。例えば、絶縁信頼性の高い酸化膜を得るためには、極力酸化膜に金属等の不純物が混入しないようにする必要がある。また、デバイスの電極形成時に想定外の元素が混入すると、合金化などにより電極が劣化することがある。このため、デバイスプロセス装置の汚染を抑制する必要がある。
【００２０】
基板表面領域１３における非ドーパント金属不純物の濃度を低くする他の理由は、炭化珪素基板１０の貫通らせん転位密度を低くするためである。非ドーパント金属不純物がＣｒである場合、ＣｒはＳｉＣ結晶中のＳｉ原子を置換するが、ＣｒはＳｉより原子半径が大きい。そのため、ＣｒがＳｉＣ結晶中に過剰に混入すると、格子定数が変化して結晶内部での歪みを誘発し、貫通らせん転位密度の低い結晶成長が困難となる。貫通らせん転位は逆方向電圧印加時のリーク電流を誘発する原因になる。また、非ドーパント金属不純物が局所的に高密度に存在すると、誘発された歪みが集中し、貫通らせん転位密度の増加のみならず、結晶中のクラックや割れの原因となりうる。このため、非ドーパント金属不純物密度は分布を有しているのが良い。
【００２１】
貫通らせん転位密度は、試料全体に対し２．０％以上の面積を占める領域における平均値（以下、「平均貫通らせん転位密度」と称する）により評価する。まず１ｍｍ角など局所領域における貫通らせん転位密度を測定し、得られた測定値から計算により平均貫通らせん転位密度を求める。局所領域における貫通らせん転位密度の測定には、Ｘ線トポグラフ法または溶融ＫＯＨエッチング法など、様々な方法を用いることができる。
【００２２】
基板表面領域１３における平均貫通らせん転位密度は、少なくとも１００ｃｍ−２以下、好ましくは２０ｃｍ−２以下、より好ましくは１０ｃｍ−２以下、最も好ましくは５ｃｍ−２以下とする。平均貫通らせん転位密度が低いほど、貫通らせん転位に起因するデバイス特性の劣化が抑制され、劣化の少ない大面積デバイスを作製することができる。
【００２３】
平均貫通らせん転位密度の評価において最初に測定する炭化珪素基板１０の局所的な貫通らせん転位密度は、非ドーパント金属不純物の分布に伴い、基板表面領域１３、基板外側部１２、および基板内側部１１のそれぞれにおいて一定ではなく分布を有していても良い。また、平均貫通らせん転位密度は基板内側部１１、基板外側部１２、および基板表面領域１３において異なっていても良い。なお、貫通らせん転位は非ドーパント金属不純物密度増加に伴い、高密度化するが、結晶成長時の温度分布、種結晶の表面状態等によっても高密度化する場合がある。
【００２４】
基板表面領域１３の開始点Ｓは、基板外側部１２か、基板外側部１２と基板内側部１１との境界に存在する。ここで、開始点Ｓと基板表面との距離は、炭化珪素基板１０の全体に亘って一定である必要はない。すなわち、炭化珪素基板１０の上面、下面、および側面と開始点Ｓとの距離が夫々異なっていても良いし、炭化珪素基板１０の一つの面における開始点Ｓとの距離が、その面内位置により異なっていても良い。すなわち、非ドーパント金属不純物濃度は、基板内側部１１の厚み方向、または厚み方向と垂直な方向において、分布を有していても良く、同様に、基板外側部１２または基板表面領域１３の厚み方向、または厚み方向と垂直な方向において、分布を有していても良い。但し、炭化珪素基板１０を半導体デバイス製造用の基板とする観点から、開始点Ｓと基板表面との距離には以下のデバイスプロセスに起因する最小値と最大値が定められる。
【００２５】
次に、開始点Ｓと基板表面との距離が満たすべき条件について説明する。
【００２６】
図５は、炭化珪素基板１０の上面１４にドリフト層２１を形成した状態を示す断面図である。半導体デバイスの製造プロセスでは、炭化珪素基板１０の第１主面である上面１４を水素（Ｈ２）エッチングした後、化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法により炭化珪素基板１０の上面１４にドリフト層２１をエピタキシャル成長させることが一般的である。エピタキシャル成長前のエッチングにより、炭化珪素基板１０の上面１４が浄化され、かつ炭化珪素基板１０の上面１４に原子ステップが形成されるため、エピタキシャル膜の品質を向上させることができる。エッチングは主に上面１４で行われるが、水素の回り込み等により、下面１５および側面１６も同時にエッチングされる。ここで、開始点Ｓと基板表面との距離は、ドリフト層２１をエピタキシャル成長させる前のエッチングにより除去される炭化珪素基板１０の厚さの２倍以上とする。これを条件（１）とする。条件（１）を満たさない場合、エピタキシャル成長前のエッチングにより基板表面領域１３が消失して基板内側部１１が露出する恐れがあり、そうすると本発明の効果が得られない。
【００２７】
デバイスの品質の観点から、炭化珪素基板１０の表面と開始点Ｓとの距離の最大値が満たすべき条件はない。しかし、基板外側部１２の厚みを必要最小限にすることが、基板外側部１２を形成する時間とコストの観点から好ましい。従って、開始点Ｓと基板表面との距離は、ドリフト層２１をエピタキシャル成長させる前のエッチングにより除去される炭化珪素基板１０の厚さの３００倍以下とする。これを条件（２）とする。
【００２８】
半導体デバイスの製造プロセスでは、ドリフト層２１上に熱酸化膜などの酸化膜が形成される。ＳｉＣの酸化速度は面方位によって異なるため、基板表面領域１３の厚さが酸化膜との関係で小さいと、デバイスの酸化膜を形成する際に、炭化珪素基板１０のいずれかの面において基板表面領域１３が全て酸化されてしまう。その場合、酸化膜をフッ化水素（ＨＦ）等でエッチングすると基板内側部１１が露出し、本発明の効果が得られなくなる。従って、開始点Ｓと基板表面との距離は、炭化珪素基板１０の上面１４がＳｉ面（０００１）の場合、製造するデバイスの熱酸化膜厚さの２０倍以上とし、炭化珪素基板１０の上面１４がＣ面（０００−１）面の場合、製造するデバイスの熱酸化膜厚さの５倍以上とする。これを条件（３）とする。
【００２９】
図５において、炭化珪素基板１０の第１主面である上面１４とは反対側の第２主面を下面１５とする。デバイスプロセス中に炭化珪素基板１０の下面１５を機械加工する場合、開始点Ｓと下面１５との距離が２０μｍ未満であると、下面１５の機械加工時に基板表面領域１３を消失する恐れがある。一方、一般的な半導体基板の機械加工装置の加工精度を考慮すると、開始点Ｓと下面１５との距離を３００μｍより厚くしても無駄であり、製造時間または製造コストに起因する損失を大きくするだけである。従って、開始点Ｓと下面１５との距離は２０μｍ以上３００μｍ以下とする。これを条件（４）とする。
【００３０】
以上をまとめると、基板表面領域１３の開始点Ｓと炭化珪素基板１０の表面との距離が満たすべき条件は、基本的に条件（１）〜（３）であり、デバイスプロセス中に下面１５が機械加工される場合には、条件（４）が加わる。なお、炭化珪素基板１０の上面１４、下面１５および側面１６において、基板表面領域１３の開始点Ｓからの距離は同一でなくて良い。
【００３１】
なお、炭化珪素基板１０の表面と基板表面領域１３の開始点Ｓとの距離の最小値が条件（１）、（３）、（４）の間で異なる場合、各条件で規定される最小値のうち最も大きい値を採用する。また、炭化珪素基板１０の表面と基板表面領域１３の開始点Ｓとの距離の最大値が条件（２）、（４）の間で異なる場合、各条件で規定される最大値のうち最も大きい値を採用する。
【００３２】
基板内側部１１、基板外側部１２および基板表面領域１３のデバイス作製領域は単結晶である。基板内側部１１、基板外側部１２および基板表面領域１３のデバイス作製領域外は単結晶である必要はない。
【００３３】
基板内側部１１および基板外側部１２におけるドーパント濃度または格子定数は異なっていても良い。但し、基板内側部１１および基板外側部１２におけるドーパント濃度は、基板内側部１１および基板外側部１２における体積抵抗率が２５ｍΩｃｍ以下、好ましくは２０ｍΩｃｍ以下、より好ましくは１６ｍΩｃｍ以下となるように調整する。これにより、縦型電子デバイス作製時に抵抗の抑制が可能となり、低損失デバイスの作製が可能となる。ドーパントには、Ｎ型なら窒素、Ｐ型ならＡｌを用いることができる。
【００３４】
＜Ａ−２．炭化珪素基板の製造方法＞
図１を用いて、炭化珪素基板１０の第１製造方法を説明する。
【００３５】
まず、溶液成長法により基板内側部１１を作製する。具体的には、非ドーパント金属であるＣｒが添加されたＳｉ溶液中に４Ｈ−ＳｉＣの種結晶を投入し、種結晶の温度を１８２０℃に保つ。種結晶のＳｉ面から結晶成長が行われ、６時間で厚さ０．７ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣ単結晶が得られる。ここで、溶液成長法による成長部分の平均貫通らせん転位密度をＸ線トポグラフ法により評価すると、３ｃｍ−２であった。また、誘導結合プラズマ質量分析計法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry：ＩＣＰ−ＭＳ）法により結晶表面のＣｒ濃度を検出すると、３．３×１０１５ｃｍ−２であった。さらに、二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）により、結晶表面から深さ３μｍまでの領域のＣｒの体積濃度を測定すると、１．１×１０１６ｃｍ−３であった。
【００３６】
４Ｈ−ＳｉＣ単結晶から、研削等の機械加工により種結晶を除去し、溶液成長法で成長した部分のみを残す。こうして得られた自立単結晶基板が基板内側部１１である。
【００３７】
次に、ＣＶＤ法により、基板内側部１１上に基板外側部１２をエピタキシャル成長させる。具体的には、１回目のエピタキシャル成長により、基板内側部１１のＣ面および側面に基板外側部１２をエピタキシャル成長させ、２回目のエピタキシャル成長により、基板内側部１１のＳｉ面および側面に基板外側部１２をエピタキシャル成長させる。こうして、炭化珪素基板１０を得る。基板外側部１２の厚さは、炭化珪素基板１０のＣ面、Ｓｉ面において共に２０μｍであり、炭化珪素基板１０の側面において約３０μｍであった。なお、Ｃ面とＳｉ面には、エピタキシャル成長を行う前にＣＭＰ加工を実施している。
【００３８】
ＩＣＰ−ＭＳにより評価した基板外側部１２の表面のＣｒ濃度は７．５×１０１２ｃｍ−２であった。また、ＳＩＭＳにより分析した基板外側部１２の表面から深さ３μｍまでの領域におけるＣｒ濃度は７．４×１０１３ｃｍ−３であり、十分に低濃度であった。さらに、基板外側部１２全体におけるＣｒ濃度は１×１０１６ｃｍ−３未満であり、基板外側部１２全体が基板表面領域１３になっていることが確認できた。また、Ｘ線トポグラフ法により評価した基板表面領域１３の平均貫通らせん転位密度は、基板内側部１１と同じく３ｃｍ−２であった。
【００３９】
本実施の形態では、２回のＣＶＤ法によるエピタキシャル成長により基板外側部１２を形成したが、成長回数は成長条件またはデバイス構造に応じて適宜選択すればよい。例えば、ドリフト層２１が上面１４側の基板外側部１２を兼ねる構造によれば、デバイス作製までのエピタキシャル成長回数が低減可能である。
【００４０】
次に、炭化珪素基板１０の第２製造方法を説明する。
【００４１】
まず、第１製造方法と同じ方法で基板内側部１１を作製する。溶液成長法による成長部分の平均貫通らせん転位密度をＸ線トポグラフ法により評価すると、２０ｃｍ−２であり、第１製造方法で製造した基板内側部１１よりも多かった。この差異は、基板内側部１１の結晶成長時の温度分布、種結晶の表面状態、または欠陥密度のバラツキによるものと考えられる。また、ＩＣＰ−ＭＳ法により基板内側部１１の表面のＣｒ濃度を検出すると、３．５×１０１５ｃｍ−２であった。また、ＳＩＭＳにより基板内側部１１の表面から深さ３μｍまでの領域のＣｒの体積濃度を評価すると、１．２×１０１６ｃｍ−３であった。
【００４２】
次に、溶液成長法により基板外側部１２を作製する。具体的には、図６に示すように、グラファイト坩堝３１に満たされた純Ｓｉ溶媒３２に複数枚の基板内側部１１を投入する。純Ｓｉ溶媒３２には、ＣｒまたはＦｅ等の非ドーパント金属が添加されていない。その後、種結晶として用いる基板内側部１１を１８２０℃まで加熱し、２時間結晶成長を行うことにより、厚さ２０μｍ程の基板外側部１２が基板内側部１１の全周囲に形成される。
【００４３】
ＩＣＰ−ＭＳ法により基板外側部１２の表面のＣｒ濃度を評価すると、８．０×１０１２ｃｍ−２であった。また、ＳＩＭＳにより基板外側部１２の表面から深さ３μｍまでの領域のＣｒの体積濃度を評価すると、７．６×１０１３ｃｍ−３であり、十分に低濃度であることが確認できた。さらに、基板外側部１２全体においてＣｒ濃度は１×１０１６ｃｍ−３未満であり、基板外側部１２全体が基板表面領域１３になっていることが確認できた。また、Ｘ線トポグラフ法により評価した基板表面領域１３の平均貫通らせん転位密度は、１ｃｍ−２であった。
【００４４】
上記の説明では、基板内側部１１を１８２０℃まで加熱したが、温度または坩堝の細部構造といった成長に関わる条件は、適宜変更することが可能である。
【００４５】
以上、ＣＶＤ法または溶液成長法により基板外側部１２を作製する方法について説明したが、基板外側部１２の作製方法はこれらに限定されない。例えば、近接昇華法など他の方法によって基板外側部１２を作製することも可能である。
【００４６】
＜Ａ−３．炭化珪素半導体装置＞
図７は、第１製造方法により作製された炭化珪素基板１０を用いて製造された炭化珪素半導体装置であるＰＮダイオードの１セルの断面図である。図７のＰＮダイオードについて、デバイス特性の評価を実施した。
【００４７】
基板内側部１１は、溶液成長法により作製され、［１１−２０］に４度オフしたＳｉ面（０００１）を有する４Ｈ−ＳｉＣ単結晶であり、Ｃｒ濃度が１．３×１０１６ｃｍ−３、貫通らせん転位密度が２．５ｃｍ−２、厚みが３００μｍである。
【００４８】
基板外側部１２は、２回のＣＶＤ法により基板内側部１１の周囲にエピタキシャル成長されている。具体的には、基板内側部１１のＣ面にＣＭＰ加工を施した後、Ｃ面にＣＶＤ法によるエピタキシャル成長を実施し、厚さ４５μｍ、ドーパントである窒素の濃度が５．０×１０１８ｃｍ−３のエピタキシャル膜を成長した。その後、基板内側部１１のＳｉ面をＣＭＰ加工し、Ｓｉ面にＣＶＤ法によるエピタキシャル成長を実施し、厚さ１５μｍ、ドーパントである窒素の濃度が３．８×１０１８ｃｍ−３のエピタキシャル膜を成長した。
【００４９】
ＳＩＭＳにより分析した基板外側部１２の表面から深さ３μｍまでの領域におけるＣｒ濃度は、８．０×１０１３ｃｍ−３であり、Ｘ線トポグラフ法により評価した基板外側部１２のＳｉ面の平均貫通らせん転位密度は、基板内側部１１と同じく２．５ｃｍ−２であった。炭化珪素基板１０の厚さは、おおよそ３６０μｍであり、端面における基板外側部１２の厚さはおおよそ２０μｍであった。
【００５０】
次に、上記工程により作製した炭化珪素基板１０のＳｉ面をＨ２エッチングで約５０ｎｍ除去し、その後、Ｓｉ面に厚さ１１μｍ、窒素濃度１．０×１０１６ｃｍ−３のｎ型のドリフト層２１を形成した。ドリフト層２１のドーパントである窒素の濃度、または膜厚は、作製するデバイスの設計耐圧にあわせて適宜選択すればよい。
【００５１】
その後、ドリフト層２１の上面にｐ型不純物をイオン注入し、アノード層２２および終端領域２３を形成する。注入するイオンは、例えばＡｌとし、注入する深さは０．１〜３μｍ程度とする。イオン注入されたＡｌの不純物濃度は１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３であり、ドリフト層２１のｎ型不純物濃度より高くする。なお、ドリフト層２１上にｐ型ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させることによりアノード層２２を形成しても良い。
【００５２】
次に、不活性ガス雰囲気で１３００〜２０００℃、１０秒〜１時間の熱処理を行い、イオン注入によって形成されたアノード層２２および終端領域２３を活性化する。
【００５３】
その後、熱酸化およびＣＶＤ法により酸化珪素の保護膜２４を形成する。ここで、保護膜２４は、熱酸化により厚さ１０ｎｍ、ＣＶＤ法により厚さ９０ｎｍが形成され、合計の厚さは１００ｎｍである。次に、フォトリソグラフを行い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）あるいはフッ化水素（ＨＦ）を用いたエッチングにより、アノード層２２の上部に開口部を設ける。このとき、保護膜２４が形成された面の反対側である炭化珪素基板１０のＣ面には、厚さ約５０ｎｍの熱酸化膜が形成され、炭化珪素基板１０の側面には厚さ約４５ｎｍの熱酸化膜が形成されている。これらの熱酸化膜は基板外側部１２より十分に薄いため、熱酸化膜を除去しても基板外側部１２が完全に除去されて基板内側部１１が露出することはない。
【００５４】
次に、アノード層２２が形成されている面と反対側の炭化珪素基板１０の面であるＣ面に、スパッタ法などにより炭化珪素基板１０とオーミック接合するカソード電極２５を形成する。
【００５５】
その後、アノード層２２の表面側の所定の箇所に、アノード層２２とオーミック接合するＮｉなどからなるアノード電極２６を形成する。アノード電極２６を所望の形状にパターニングする方法として、例えば、パターニングされたレジストマスク上の金属膜をスパッタ法などにより形成し、その後、レジストマスクと直上に存在する金属膜を除去するリフトオフ法を用いれば良い。
【００５６】
こうして、図７に示す実施の形態１に係るＰＮダイオードが得られる。本例では、活性化アニールまたは熱酸化膜形成プロセス等で１０００℃以上の高温プロセスを経たが、いずれのプロセス装置もＣｒにより汚染されていないことが確認された。また、本例で作製されたＰＮダイオードは、昇華法により作製された市販基板上に作製したＰＮダイオードよりも、逆方向電圧印可時のリーク電流が少ないことが確認された。
【００５７】
なお、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、または省略することが可能である。この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００５８】
１０  炭化珪素基板、１１  基板内側部、１２  基板外側部、１３  基板表面領域、１４  上面、１５  下面、２１  ドリフト層、２２  アノード層、２３  終端領域、２４  保護膜、２５  カソード電極、２６  アノード電極、３１  グラファイト坩堝、３２  純Ｓｉ溶媒。
【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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