(57)【要約】【課題】順方向オン電圧の変動を抑制することが可能な半導体基板を提供する。【解決手段】実施形態の半導体基板は、表面が｛０００１｝面から＜１１−２０＞±５度の方向に０度より大きく１０度以下のオフ角で傾斜し、表面上の複数の刃状転位で構成される刃状転位群であって、複数の刃状転位が［１−１００］±５度方向に延びる幅３０μｍ以下の領域に存在し、３０μｍ以内の間隔で隣接する少なくとも３個の刃状転位を含み、隣接する刃状転位の間隔が７０μｍ以下の刃状転位群の面密度が、１８．８個／ｃｍ２以下であるＳｉＣ層を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が｛０００１｝面から＜１１−２０＞±５度の方向に０度より大きく１０度以下のオフ角で傾斜し、
前記表面上の複数の刃状転位で構成される刃状転位群であって、前記複数の刃状転位が［１−１００］±５度方向に延びる幅３０μｍ以下の領域に存在し、３０μｍ以内の間隔で隣接する少なくとも３個の刃状転位を含み、隣接する刃状転位の間隔が７０μｍ以下の前記刃状転位群の面密度が、１８．８個／ｃｍ２以下であるＳｉＣ層を備える半導体基板。
【請求項２】
前記刃状転位群の面密度が、１２．５個／ｃｍ２以下である請求項１記載の半導体基板。
【請求項３】
ＳｉＣ基板を更に備え、
前記ＳｉＣ基板上に前記ＳｉＣ層が設けられる請求項１又は請求項２記載の半導体基板。
【請求項４】
前記ＳｉＣ層はエピタキシャル成長層である請求項１乃至請求項３いずれか一項記載の半導体基板。
【請求項５】
前記表面が（０００１）面から＜１１−２０＞±５度の方向に０度より大きく１０度以下のオフ角で傾斜する請求項１乃至請求項４いずれか一項記載の半導体基板。
【請求項６】
前記オフ角が４度±０．５度である請求項１乃至請求項５いずれか一項記載の半導体基板。
【請求項７】
表面が｛０００１｝面から＜１１−２０＞±５度の方向に０度より大きく１０度以下のオフ角で傾斜し、
前記表面上の複数の刃状転位で構成される刃状転位群であって、前記複数の刃状転位が［１−１００］±５度方向に延びる幅３０μｍ以下の領域に存在し、３０μｍ以内の間隔で隣接する少なくとも３個の刃状転位を含み、隣接する刃状転位の間隔が７０μｍ以下の前記刃状転位群の面密度が、１８．８個／ｃｍ２以下であるＳｉＣ層を備える半導体基板を用いて製造された半導体装置。
【請求項８】
前記刃状転位群の面密度が、１２．５個／ｃｍ２以下である請求項７記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体基板及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の半導体デバイス用の材料としてＳｉＣ（炭化珪素）が期待されている。ＳｉＣはＳｉ（シリコン）と比較して、バンドギャップが３倍、破壊電界強度が約１０倍、及び熱伝導率が約３倍と優れた物性を有する。この特性を活用すれば低損失かつ高温動作可能な半導体デバイスを実現することができる。
【０００３】
一方、ＳｉＣを用いたバイポーラデバイスでは、デバイス動作中に順方向オン電圧（ＶＦ）が変動する問題がある。順方向オン電圧（ＶＦ）の変動は、バイポーラ動作時のキャリアの注入により、ＳｉＣ層中にショックレー型積層欠陥（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ  Ｓｔａｃｋｉｎｇ  Ｆａｕｌｔ：ＳＳＦ）が拡張することによると説明される。ショックレー型積層欠陥は、ＳｉＣ層をエピタキシャル成長で形成する際に、基板中の基底面転位（Ｂａｓａｌ  Ｐｌａｎｅ  Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：ＢＰＤ）がエピタキシャル成長層へ伝搬したものに由来するとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１２９５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、順方向オン電圧の変動を抑制することが可能な半導体基板及び半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の半導体基板は、表面が｛０００１｝面から＜１１−２０＞±５度の方向に０度より大きく１０度以下のオフ角で傾斜し、前記表面上の複数の刃状転位で構成される刃状転位群であって、前記複数の刃状転位が［１−１００］±５度方向に延びる幅３０μｍ以下の領域に存在し、３０μｍ以内の間隔で隣接する少なくとも３個の刃状転位を含み、隣接する刃状転位の間隔が７０μｍ以下の前記刃状転位群の面密度が、１８．８個／ｃｍ２以下であるＳｉＣ層を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の半導体基板の模式断面図。
【図２】ＳｉＣの結晶構造を示す図。
【図３】第１の実施形態の刃状転位群の光学顕微鏡写真。
【図４】第１の実施形態の刃状転位群の説明図。
【図５】第１の実施形態のＢＰＤ−ＴＥＤ複合転位の光学顕微鏡写真。
【図６】第１の実施形態のＢＰＤ−ＴＥＤ複合転位の説明図。
【図７】第１の実施形態の刃状転位群の個数と順方向オン電圧（ＶＦ）の関係を示す図。
【図８】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
【０００９】
また、以下の説明において、ｎ＋、ｎ、ｎ−および、ｐ＋、ｐ、ｐ−の表記は、各導電型における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわちｎ＋はｎよりもｎ型の不純物濃度が相対的に高く、ｎ−はｎよりもｎ型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、ｐ＋はｐよりもｐ型の不純物濃度が相対的に高く、ｐ−はｐよりもｐ型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。なお、ｎ＋型、ｎ−型を単にｎ型、ｐ＋型、ｐ−型を単にｐ型と記載する場合もある。
【００１０】
なお、｛０００１｝面との表記は、（０００１）面と（０００−１）面との双方を含む表記である。また、＜１１−２０＞方向との表記は、［１１−２０］方向と［−１−１２０］方向との双方を含む表記である。
【００１１】
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体基板は、表面が｛０００１｝面から＜１１−２０＞±５度の方向に０度より大きく１０度以下のオフ角で傾斜し、表面上の複数の刃状転位で構成される刃状転位群であって、複数の刃状転位が［１−１００］±５度方向に延びる幅３０μｍ以下の領域に存在し、３０μｍ以内の間隔で隣接する少なくとも３個の刃状転位を含み、隣接する刃状転位の間隔が７０μｍ以下の刃状転位群の面密度が、１８．８個／ｃｍ２以下であるＳｉＣ層を備える。
【００１２】
図１は、本実施形態の半導体基板の模式断面図である。半導体基板１００は、ｎ＋型ＳｉＣ基板（ＳｉＣ基板）１２、ｎ型バッファ層１４、ｎ−型ＳｉＣ層１６、ｐ＋型ＳｉＣ層（ＳｉＣ層）１８を備えている。
【００１３】
図２は、ＳｉＣの結晶構造を示す図である。ＳｉＣの代表的な結晶構造は、４Ｈ−ＳｉＣのような六方晶系である。六角柱の軸方向に沿うｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）の一方が（０００１）面である。六角柱の軸方向に沿うｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）の他方が（０００−１）面である。
【００１４】
一方、六角柱の側面（柱面）が、（１−１００）面と等価な面であるｍ面、すなわち｛１−１００｝面である。また、隣り合わない一対の稜線を通る面が（１１−２０）面と等価な面であるａ面、すなわち｛１１−２０｝面である。
【００１５】
ｎ＋型ＳｉＣ基板１２は、例えば、Ｎ（窒素）をｎ型不純物として含む４Ｈ−ＳｉＣのＳｉＣ基板である。ＳｉＣ基板１２の表面（図１中上側の面）は、（０００１）面（シリコン面）から［１１−２０］±５度の方向に０度より大きく１０度以下のオフ角θで傾斜した面である。
【００１６】
ｎ型バッファ層１４及びｎ−型ＳｉＣ層１６は、例えば、Ｎ（窒素）をｎ型不純物として含む。ｎ型バッファ層１４、ｎ−型ＳｉＣ層１６及びｐ＋型ＳｉＣ層１８は、ｎ＋型ＳｉＣ基板１２上にエピタキシャル成長により形成されたエピタキシャル成長層である。
【００１７】
ｐ＋型ＳｉＣ層１８の表面も、（０００１）面から［１１−２０］±５度の方向に０度より大きく１０度以下のオフ角θで傾斜した面である。オフ角θは、２度以上８度以下であることが望ましい。また、オフ角θは、４度±０．５度であることがより望ましい。なお、オフ角θは、［−１−１２０］方向±５度の方向に０度より大きく１０度以下のオフ角θで傾斜した面であっても構わない。この場合も、オフ角θは、２度以上８度以下であることが望ましい。また、オフ角θは、４度±０．５度であることがより望ましい。
【００１８】
図３は、本実施形態の刃状転位群（以下、ＴＥＤ群とも記載）の光学顕微鏡写真である。ｐ＋型ＳｉＣ層１８をエピタキシャル成長で形成した後、ＫＯＨエッチングした後の表面の写真である。図４は、刃状転位群の説明図である。
【００１９】
ＴＥＤ群は、ｐ＋型ＳｉＣ層１８の表面に存在する。ＴＥＤ群は、複数の刃状転位で構成される。ＴＥＤ群は、複数の刃状転位が［１−１００］±５度方向に延びる幅３０μｍ以下の領域に存在し、３０μｍ以内の間隔で隣接する少なくとも３個の刃状転位を含み、隣接する刃状転位の間隔が７０μｍ以下である。
【００２０】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
【００２１】
ＳｉＣを用いたバイポーラデバイスでは、デバイス動作中に順方向オン電圧（ＶＦ）が変動する問題がある。順電圧（ＶＦ）の変動は、バイポーラ動作時のキャリアの注入により、ＳｉＣ層中にショックレー型積層欠陥（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ  Ｓｔａｃｋｉｎｇ  Ｆａｕｌｔ：ＳＳＦ）が拡張することによると説明されている。そして、ショックレー型積層欠陥は、主に、ＳｉＣ層をエピタキシャル成長で形成する際に、基板中の基底面転位（Ｂａｓａｌ  Ｐｌａｎｅ  Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：ＢＰＤ）がエピタキシャル成長層へ伝搬したものに由来するとされている。
【００２２】
発明者らは、デバイス形成前に半導体基板１００のｐ＋型ＳｉＣ層１８表面に存在する上記ＴＥＤ群が、デバイス形成後にＴＥＤとＢＰＤとが組み合わさったＢＰＤ−ＴＥＤ複合転位に変換されることを見出した。
【００２３】
図５は、ＢＰＤ−ＴＥＤ複合転位の光学顕微鏡写真である。ｐ＋型ＳｉＣ層１８上にデバイスを形成した後、ＫＯＨエッチングした後の表面の写真である。図３、図４に示したＴＥＤ群を構成するＴＥＤから、ＢＰＤが成長していることが分かる。
【００２４】
図６は、ＢＰＤ−ＴＥＤ複合転位の説明図である。ｎ＋型ＳｉＣ基板１２中のＢＰＤは、ｎ型バッファ層１４、ｎ−型ＳｉＣ層１６、ｐ＋型ＳｉＣ層１８のエピタキシャル成長中に、その大部分がＴＥＤに変換されてｐ＋型ＳｉＣ層１８の表面に達する。そして、ＴＥＤに変換されなかった一部のＢＰＤが、ｐ＋型ＳｉＣ層１８の表面に達する。また、ｎ＋型ＳｉＣ基板１２中に存在したＴＥＤは、ｐ＋型ＳｉＣ層１８の表面に達する。
【００２５】
デバイス動作中に、ｐ＋型ＳｉＣ層１８の表面に達したＢＰＤに起因して、ＳＳＦがｎ−型ＳｉＣ層１６内に成長する。このＳＳＦが高抵抗領域となって、デバイスの順方向オン電圧（ＶＦ）が変動すると考えられる。
【００２６】
上述のように、発明者らは、デバイス形成前に半導体基板１００のｐ＋型ＳｉＣ層１８の表面に存在する上記定義で規定されるＴＥＤ群が、図６中の点線で囲んで示すように、デバイス形成後にＴＥＤとＢＰＤとが組み合わさったＢＰＤ−ＴＥＤ複合転位に変換される新たな現象を見出した。そして、デバイス動作中に、ＢＰＤ−ＴＥＤ複合転位に起因するＳＳＦがｎ−型ＳｉＣ層１６内に成長し、このＳＳＦもデバイスの順方向オン電圧（ＶＦ）の変動の要因となることを明らかにした。
【００２７】
図７は、刃状転位群の個数と順方向オン電圧（ＶＦ）の関係を示す図である。横軸がｎ−型ＳｉＣ層１６表面のＴＥＤ群の個数、縦軸がＤＣストレス後の順方向オン電圧（ＶＦ）の変動量（ΔＶＦ）である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の拡大図である。
【００２８】
測定試料は、素子活性領域の面積が１６ｍｍ２の複数のＰＩＮダイオードである。用いた半導体基板１００は、ｎ＋型ＳｉＣ基板１２、ｎ型バッファ層１４、ｎ−型ＳｉＣ層１６、ｐ＋型ＳｉＣ層１８を備え、ｐ＋型ＳｉＣ層１８の表面が、（０００１）面から［１１−２０］の方向に４度のオフ角で傾斜した面である。
【００２９】
デバイス形成後に、表面にＢＰＤが存在しない領域に形成されたＰＩＮダイオードを用いて評価した。ＰＩＮダイオードにＤＣストレスをかけて順方向オン電圧（ＶＦ）の変動（ΔＶＦ）を評価した。順方向オン電圧（ＶＦ）は、順電流が０．６Ａ（３７ｍＡ／ｃｍ２）の値とした。さらに、各ＰＩＮダイオードの素子活性領域表面のＴＥＤ群の個数を、光学顕微鏡でカウントした。なお、ＴＥＤ群の個数のカウントに、エレクトロンルミネッセンス（ＥＬ）像、フォトルミネッセンス（ＰＬ）像、およびＸ線トポグラフ像を用いることも可能である。
【００３０】
図７に示すように、ＴＥＤ群の個数と順方向オン電圧（ＶＦ）の変動量（ΔＶＦ）には、正の相関がみられる。ＴＥＤ群１個あたりの変動量（ΔＶＦ）は、およそ０．０３（Ｖ／個）である。なお、測定した素子活性領域の面積は１６ｍｍ２（＝０．１６ｃｍ２）である。
【００３１】
一般に、バイポーラデバイスにおける順方向オン電圧（ＶＦ）の変動量（ΔＶＦ）の許容値は、０．１Ｖであり、０．０５Ｖであることが望ましい。図７より、測定したＰＩＮダイオードでは、変動量（ΔＶＦ）≦０．１Ｖとするためには、刃状転位群の個数は３個以下であり、変動量（ΔＶＦ）≦０．０５Ｖとするためには、刃状転位群の個数は２個以下である。そうすると、素子活性領域の面積から、刃状転位群の面密度は１８．８個／ｃｍ２以下であり、１２．５個／ｃｍ２以下であることが望ましい。
【００３２】
本実施形態の半導体基板によれば、ＴＥＤ群の面密度が低いため、順方向オン電圧の変動を抑制することが可能となる。すなわち、本実施形態の半導体基板を用いて製造されるバイポーラデバイスは、順方向オン電圧の変動が抑制され高い信頼性を備える。
【００３３】
（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、表面が｛０００１｝面から＜１１−２０＞±５度の方向に０度より大きく１０度以下のオフ角で傾斜し、表面上の複数の刃状転位で構成される刃状転位群であって、複数の刃状転位が［１−１００］±５度方向に延びる幅３０μｍ以下の領域に存在し、３０μｍ以内の間隔で隣接する少なくとも３個の刃状転位を含み、隣接する刃状転位の間隔が７０μｍ以下の刃状転位群の面密度が、１８．８個／ｃｍ２以下であるＳｉＣ層を備える半導体基板を用いて製造された半導体装置である。
【００３４】
本実施形態の半導体装置は、第１の実施形態の半導体基板を用いて製造される半導体装置である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
【００３５】
図８は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置はＰｉＮダイオードである。
【００３６】
このＰｉＮダイオード２００は、ｎ＋型ＳｉＣ基板（ＳｉＣ基板）１２、ｎ型バッファ層１４、ｎ−型ＳｉＣ層１６、ｐ＋型ＳｉＣ層（ＳｉＣ層）１８を備える半導体基板を用いて製造された半導体基板である。
【００３７】
なお、ＰｉＮダイオード２００の、ｎ−型ＳｉＣ層１６の表面側に形成されたｐ＋型ＳｉＣ層１８は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）のイオン注入により形成しても構わない。
【００３８】
ｐ＋型ＳｉＣ領域１８は、ＰｉＮダイオード２００のアノード領域として機能する。ｎ−型ＳｉＣ層１６は、ＰｉＮダイオード２００のドリフト層として機能する。ｎ＋型ＳｉＣ基板１２は、ＰｉＮダイオード２００のカソード領域として機能する。
【００３９】
ＰｉＮダイオード２００は、ｐ＋型ＳｉＣ領域１８上に金属のアノード電極２０を備える。また、ＰｉＮダイオード２００は、ｎ＋型ＳｉＣ基板１２側に金属のカソード電極２２を備える。
【００４０】
ＰｉＮダイオード２００の製造に用いられる半導体基板は、第１の実施形態の半導体基板である。すなわち、表面が｛０００１｝面から＜１１−２０＞±５度の方向に０度より大きく１０度以下のオフ角で傾斜し、表面上の複数の刃状転位で構成される刃状転位群であって、複数の刃状転位が［１−１００］±５度方向に延びる幅３０μｍ以下の領域に存在し、３０μｍ以内の間隔で隣接する少なくとも３個の刃状転位を含み、隣接する刃状転位の間隔が７０μｍ以下の刃状転位群の面密度が、１８．８個／ｃｍ２以下であるＳｉＣ層を備える半導体基板を用いて製造されている。さらに高信頼性を求める場合には、刃状転位群の面密度は、１２．５個／ｃｍ２以下であることが望ましい。
【００４１】
本実施形態のＰＩＮダイオード２００は、ＴＥＤ群の面密度が所定の値以下に抑制された半導体基板を用いて製造される。したがって、順方向オン電圧の変動を抑制することが可能となる。よって、順方向オン電圧の変動が抑制され高い信頼性を備えるＰＩＮダイオード２００が実現される。
【００４２】
以上、第１及び第２の実施形態では、ＳｉＣ（炭化珪素）の結晶構造として４Ｈ−ＳｉＣの場合を例に説明したが、本発明は６Ｈ−ＳｉＣの結晶構造のＳｉＣに適用することも可能である。
【００４３】
また、第１及び第２の実施形態では、ｎ型基板上のｐ型ＳｉＣ層を例に説明したが、その他、ｎ型基板上のｎ型ＳｉＣ層、ｐ型基板上のｎ型ＳｉＣ層、ｐ型基板上のｐ型ＳｉＣ層にも本発明を適用することが可能である。
【００４４】
また、第２の実施形態では、半導体装置としてＰＩＮダイオードを例に説明したが、本発明はＰＩＮダイオード以外の半導体装置に適用することも可能である。例えば、バイポーラデバイスであるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、素子の一部にＰＮ接合を含むＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  ）、ＭＰＳ（Ｍｅｒｇｅｄ  ＰｉＮ／  Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｄｉｏｄｅ）、ＪＢＳ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）に、本発明を適用することも可能である。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１２      ｎ＋型ＳｉＣ基板（ＳｉＣ基板）
１６      ｎ−型ＳｉＣ層
１８      ｐ＋型ＳｉＣ層（ＳｉＣ層）
１００    半導体基板
２００    ＰＩＮダイオード（半導体装置）
【図１】
2016166112.tif 000003
【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図５】
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