(57)【要約】    【課題】炭化珪素エピタキシャル層中の基底面転位を減らすことができる炭化珪素半導体基板の製造方法を提供する。    【解決手段】デバイスが作り込まれる炭化珪素エピタキシャル層（ドリフト層）と炭化珪素単結晶ウエハからなる下地基板との間に、 炭化珪素単結晶ウエハ中の基底面転位がエピタキシャル成長層中に伝播する際に貫通刃状転位に変換される変換効率の高い層（転位変換層）を、エピタキシャル成長によって設ける。この転位変換層のドナー濃度をドリフト層のドナー濃度よりも低く設定することにより、ドリフト層が単層であるよりも、より多くの基底面転位を貫通刃状転位に変換することができる。【選択図】図１
2009088223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素単結晶からなる下地基板とその一方の表面上に形成された炭化珪素エピタキシャル成長層を有する炭化珪素半導体基板において、
前記エピタキシャル成長層が、所望のドナー濃度を有し、半導体装置の構成要素が作り込まれるための層であるドリフト層となる第１の半導体層と、
前記ドリフト層と前記下地基板の間にあって、前記第１の半導体層よりも低いドナー濃度を有する第２の半導体層とにより構成されることを特徴とする炭化珪素半導体基板。
【請求項２】
前記下地基板の前記エピタキシャル成長層を形成する表面が、｛０００１｝結晶面から最大８度傾斜しており、前記下地基板のドナー濃度が１×１０１8ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体基板。
【請求項３】
前記ドナーとして用いる不純物が窒素であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体基板。
【請求項４】
前記第２の半導体層に含まれるドナー濃度が１×１０１4ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体基板。
【請求項５】
前記第２の半導体層と前記下地基板との間にあって、前記第１の半導体層よりも高いドナー濃度を有する第３の半導体層を、更に有することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体基板。
【請求項６】
前記下地基板の前記エピタキシャル成長層を形成する表面が、｛０００１｝結晶面から最大８度傾斜しており、前記下地基板のドナー濃度が１×１０１8ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素半導体基板。
【請求項７】
前記ドナーとして用いる不純物が窒素であることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素半導体基板。
【請求項８】
前記第２の半導体層に含まれるドナー濃度が１×１０１4ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素半導体基板。
【請求項９】
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の間に、更に、前記第１の半導体層よりも高いドナー濃度を有する第３の半導体層を有することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体基板。
【請求項１０】
前記下地基板の前記エピタキシャル成長層を形成する表面が、｛０００１｝結晶面から最大８度傾斜しており、前記下地基板のドナー濃度が１×１０１8ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項９に記載の炭化珪素半導体基板。
【請求項１１】
前記ドナーとして用いる不純物が窒素であることを特徴とする請求項９に記載の炭化珪素半導体基板。
【請求項１２】
前記第２の半導体層に含まれるドナー濃度が１×１０１4ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項９に記載の炭化珪素半導体基板。
【請求項１３】
炭化珪素単結晶からなる下地基板とその一方の表面上に形成された炭化珪素エピタキシャル成長層を有する炭化珪素半導体基板において、
前記エピタキシャル成長層が、所望のドナー濃度を有し、半導体装置の構成要素が作り込まれるための層であるドリフト層となる第１の半導体層と、
前記第１の半導体層と前記下地基板の間にあって、前記第１の半導体層よりも低いドナー濃度を有する第２の半導体層とにより構成され、且つ
前記第１の半導体層の上部あるいは前記第１の半導体層内に設けられｐ型の不純物を含むｐ型層と、前記ｐ型層に接触して設けられた上部電極と、前記下地基板に接触して設けられた下部電極とを備え、ｐｎ接合ダイオードとして機能することを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【請求項１４】
炭化珪素単結晶からなる下地基板とその一方の表面上に形成された炭化珪素エピタキシャル成長層を有する炭化珪素半導体基板において、
前記エピタキシャル成長層が、所望のドナー濃度を有し、半導体装置の構成要素が作り込まれるための層であるドリフト層となる第１の半導体層と、
前記第１の半導体層と前記下地基板の間にあって、前記第１の半導体層よりも低いドナー濃度を有する第２の半導体層とにより構成され、且つ
前記第１の半導体層の上部あるいは前記第１の半導体層内に設けられｐ型の不純物を含むｐ型層と、前記第１の半導体層及び前記ｐ型層に接触して設けられた上部電極と、前記下地基板に接触して設けられた下部電極とを備え、ダイオードとして機能することを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【請求項１５】
前記第２の半導体層と前記下地基板との間にあって、前記第１の半導体層よりも高いドナー濃度を有する第３の半導体層を、更に有することを特徴とする請求項１３に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１６】
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の間に、更に、前記第１の半導体層よりも高いドナー濃度を有する第３の半導体層を有することを特徴とする請求項１３に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１７】
前記第２の半導体層と前記下地基板との間にあって、前記第１の半導体層よりも高いドナー濃度を有する第３の半導体層を、更に有することを特徴とする請求項１４に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項１８】
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の間に、更に、前記第１の半導体層よりも高いドナー濃度を有する第３の半導体層を有することを特徴とする請求項１４に記載の炭化珪素半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素半導体基板および前記炭化珪素半導体基板上に形成される炭化珪素半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（シリコンカーバイド、ＳｉＣ）はシリコン（Ｓｉ）に比べてバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界が大きいことから、次世代の電力制御用の半導体装置（パワーデバイス）への応用が期待されている。炭化珪素には多くの結晶構造があることが知られているが、このうち実用的なパワーデバイスを作成するために用いられているのは、六方晶の４Ｈ−ＳｉＣおよび６Ｈ−ＳｉＣである。
【０００３】
パワーデバイスの多くは、半導体装置内に大きな電流を通電する必要があるために、デバイスの一方の表面と裏面にそれぞれ電極を設け、主たる電流が両者の間を流れるような構造をもつ。また、主たる電流が通電されている状態（オン状態）と主たる電流を遮断した状態（オフ状態）を実現する機能が必要である。オン状態では通電電流に発生する抵抗（オン抵抗）はより小さい方がデバイスの損失を減らす意味で必要であり、また、オフ状態では所定の印加電圧に対して漏れ電流を極力減らすことが求められる。
【０００４】
炭化珪素を用いて、前記のようなパワーデバイスの機能を生じさせるために、炭化珪素パワーデバイスは、低抵抗の炭化珪素単結晶のウエハを下地基板上とし、その上にエピタキシャル成長によって所定の厚さとドナー濃度を有する単結晶の炭化珪素層を形成したものを用いることが一般的である。この炭化珪素エピタキシャル層の内部にｐｎ接合などを初めとする半導体デバイスの基本構造を作り込む。エピタキシャル層は高抵抗であり、そのドナー濃度と厚さはデバイスの仕様である耐電圧値を満足し且つオン抵抗が極力小さくなるように最適に設計される。このように、デバイスの形成に炭化珪素単結晶のウエハ上に設けたエピタキシャル層を用いる理由は、必要とされる高抵抗炭化珪素層の厚さが数ミクロンから数十ミクロン程度で、従来のシリコンを用いたデバイスに必要な高抵抗層に比べて十分の一程度に薄いためである。
【０００５】
炭化珪素単結晶ウエハの開発において、大口径化及びウエハインゴットの長尺化を実現するために、その表面を｛０００１｝結晶面にする必要があった。従来、｛０００１｝結晶面上に炭化珪素単結晶層をエピタキシャル成長する際には、ウエハと異なる結晶型（ポリタイプ）の炭化珪素が混在してしまうことが問題であったが、エピタキシャル成長するウエハの表面を｛０００１｝結晶面から数度傾けた面とすることによって、この問題は解決し、ウエハと同じポリタイプの炭化珪素単結晶層を容易に形成できるようになった。現在市販されている４Ｈ−ＳｉＣウエハの表面は｛０００１｝結晶面を４度あるいは８度傾斜させたものである。
【０００６】
大口径化の開発と共に、炭化珪素単結晶ウエハの品質を改善する試みも精力的に進められている。しかしながら、現在でも、炭化珪素単結晶ウエハ中には平方センチメートルあたり１０００個から１００００個の、転位と呼ばれる線状の結晶構造欠陥が存在している。炭化珪素中には３種類の転位が存在する。これらは、転位線の方向が｛０００１｝結晶面に概ね垂直である貫通らせん転位と貫通刃状転位、および転位線の方向が｛０００１｝結晶面に平行である基底面転位（ベーサルプレーン転位）である。
【０００７】
これらの転位は、転位線の一端がウエハの表面に露出していると、ウエハ上に炭化珪素単結晶層をエピタキシャル成長する際にエピタキシャル成長層に引き継がれる。ウエハの表面が｛０００１｝結晶面に平行な場合には、基底面転位はエピタキシャル成長層に引き継がれることはないが、上述のように、｛０００１｝結晶面が傾斜している場合には、この面上にある基底面転位の一部はウエハの表面に露出してしまうので、その場合はエピタキシャル成長層に伝播してしまう。その際、伝播した基底面転位の多くは転位線の方向を変えて、エピタキシャル成長層中では貫通刃状転位となるが、ウエハの表面に露出した基底面転位の１０〜２０％ほどは、そのまま基底面転位としてエピタキシャル層中に引き継がれることが、ジャーナルオブクリスタルグロウス２６０巻の２０９頁から２１６頁に記載されている。逆に、 ウエハの表面に露出した貫通刃状転位はほぼ１００％貫通刃状転位としてエピタキシャル層に伝播し、貫通刃状転位から基底面転位への変換はほとんど生じないことも記載されている。
【０００８】
エピタキシャル成長した炭化珪素中の転位が、デバイスの性能や信頼性に対して、どのような影響を及ぼすかについての研究が進められている。いまだ、すべてが解明されているわけではないが、エピタキシャル層中の基底面転位は、ｐｎ接合ダイオードを長時間通電した際にオン抵抗を増大させ、金属酸化膜半導体型の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のゲート酸化膜の信頼性を悪くすることが明らかになっている。一方、貫通らせん転位と貫通刃状転位のデバイスへの影響は明確には認められていない。従って、デバイスの諸構造が作り込まれるエピタキシャル層中の基底面転位はできるだけ少ないこと、できれば皆無であることが望ましい。そのために、基板となる炭化珪素単結晶ウエハ中の基底面転位密度を著しく減らすことができればよいが、転位密度を減少させることはいまだ目途がついていない。そこで、炭化珪素単結晶ウエハの表面に露出した基底面転位がエピタキシャル成長層に伝播する際に、そのまま基底面転位としてエピタキシャル層中に引き継がれるものの割合を低減すること、別の表現をすると、ウエハの基底面転位がエピタキシャル成長層に伝播する際に、貫通刃状転位に変換される変換効率を高めることが重要な技術となっている。
【０００９】
尚、特開２００３−３１８３８８号公報（特許文献２）に、ドリフト層よりもドナー濃度の高いエピタキシャル層をドリフト層と下地基板の間に設けるという技術は別な観点から提案されている。本願発明との関連は後述される。
【００１０】
【特許文献１】特表２００７−５０６２８９号公報
【特許文献２】特開２００３−３１８３８８号公報
【非特許文献１】マテリアルズサイエンスフォーラム、５２７−５２９巻、２４３頁〜２４６頁
【非特許文献２】マテリアルズサイエンスフォールム、５２７−５２９巻、１３２９頁〜１３３４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ウエハの基底面転位がエピタキシャル層で貫通刃状転位に変換される変換効率を高め、その結果、エピタキシャル層中の基底面転位密度を低減する手段として、例えば、特表２００７−５０６２８９号（特許文献１）に開示されているように、炭化珪素単結晶ウエハの表面に露出している基底面転位の部分に選択性エッチングを施して転位を中心とした凹部を形成し、そのようなウエハ上にエピタキシャル層を成長させるという方法がある。このように形成したエピタキシャル層では、マテリアルズサイエンスフォーラム５２７−５２９巻の２４３頁から２４６頁（非特許文献１）に記載されているように、基底面転位は著しく減少している。しかしながら、マテリアルズサイエンスフォールム５２７−５２９巻の１３２９頁から１３３４頁（非特許文献２）に記載されているように、そのようなエピタキシャル層に作りこまれたｐｎ接合ダイオードでは、オン状態の特性の信頼性は基底面転位密度の減少によって確かに向上しているものの、オフ状態の特性は逆に悪化している。これは、凹みのあるウエハ上にエピタキシャル層を成長しているために、凹み部の周辺に別の結晶欠陥が発生したことによると考えられる。 このように、炭化珪素単結晶ウエハの表面に露出している基底面転位の部分に選択性エッチングを施して凹部を形成し、そのようなウエハ上にエピタキシャル層を成長させるという方法は、基底面転位密度の減少には有効であるが、総合的に考えると、半導体装置を作りこむためのエピタキシャル層の形成方法としては適していない。エピタキシャル層の膜質になんら影響をもたらさずに、エピタキシャル層中の基底面転位密度を減らす手段が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明の炭化珪素半導体基板は、エピタキシャル層の膜質を損ねるなんらの影響を及ぼさずに、エピタキシャル層中の基底面転位密度を減らす方法を与えるもので、デバイスが作り込まれる炭化珪素エピタキシャル層（これを以下ではドリフト層と呼ぶ）と炭化珪素単結晶ウエハからなる下地基板との間に、 炭化珪素単結晶ウエハ中の基底面転位がエピタキシャル成長層中に伝播する際に貫通刃状転位に変換される変換効率の高い層（これを以下では転位変換層と呼ぶ）を、エピタキシャル成長によって設けている。転位変換層を形成するための条件に関して、本願発明者らは基礎実験を行って、以下のような知見を得た。すなわち、下地基板が低抵抗のｎ型炭化珪素単結晶ウエハである場合、エピタキシャル層のドナー濃度が小さいほど、ウエハの基底面転位がエピ層に伝播する際に、貫通刃状転位に変換される割合が大きいのである。
【００１３】
従って、エピタキシャル層はなるべくドナー濃度が小さくなるような条件で形成すればよいことになる。しかしながら、ドリフト層として採用されるエピタキシャル層のドナー濃度は転位密度を減らすためだけの理由で決定できない。前述したように、 ドリフト層のドナー濃度はデバイスの耐圧を設計する上で最適化されなければならない量であるからである。そこで、本発明では、基底面転位の貫通刃状転位への変換効率が大きくなるドナー濃度の小さい薄いエピタキシャル層を転位変換層として基板とドリフト層の間に設ける。この転位変換層のドナー濃度は、ドリフト層とは独立に決められるので、デバイスの設計仕様に影響されず、基底面転位の変換率が大きくなるように適宜に決められる。転位変換層のドナー濃度をドリフト層のドナー濃度よりも高く設定することはわざわざ転位変換層を設ける意味がない。ドリフト層での転位変換で十分だからである。従って、転位変換層のドナー濃度はドリフト層のドナー濃度よりも低く設定する。それによって、ドリフト層が単体であるよりも、基底面転位をより多く変換することができる。転位変換層によって、貫通刃状転位に変換された基底面転位は、転位変換層とドリフト層の界面で元の基底面転位に戻ることはないから、結果として、転位変換層を設けることによってドリフト層中の基底面転位密度をドリフト層が単体であるよりも小さくすることができる。このように、転位変換層のドナー濃度はドリフト層のドナー濃度よりも低ければその効果が現れる。通常、ドリフト層のドナー濃度は１０１５ｃｍ−３台から１０１６ｃｍ−３台に設計されるので、転位変換層のドナー濃度は１０１５ｃｍ−３以下にすることが望ましい。さらに、本願発明者らの実験結果によると、転位変換層のドナー濃度を１×１０１４ｃｍ-3程度まで低減すると、基底面転位伝播率をほとんど０、すなわち、基底面転位の変換率をほとんど1とすることが予想されるので、ドリフト層への基底面転位の伝播を著しく低減することが期待できる。
【００１４】
転位変換層の厚さについても、ドリフト層の厚さとは独立に決めることができる。しかしながら、基底面転位の貫通刃状転位への変換は、基板と転位変換層の界面から転位変換層にわずかに入った領域で生じている現象なので、転位変換層を厚くすることは、転位変換に対してなんら意味がない。むしろ、デバイスのオン抵抗を高めてしまう要因ともなりうる。従って、転位変換層の厚さは薄いほうが望ましい。
【００１５】
転位変換層は炭化珪素をエピタキシャル成長させることによって形成する。その意味では、成長条件はドリフト層とはことなるものの、同じ形成方法である。従って、転位変換層とドリフト層を連続的に、初め所定の条件で転位変換層を形成し、所定の時間経過後、例えば、ドナーとなる原料ガスの供給量などの成長条件を切り替えて、ドリフト層を形成するということは容易である。従って、転位変換層を設けることによって、ドリフト層内に新たな欠陥を発生させるということはない。
【００１６】
エピタキシャル層のドナー濃度が小さいほど、基底面転位の貫通刃状転位への変換効率が大きくなる理由は以下のように考えられる。ドナーとして用いている窒素は炭化珪素の結晶格子において炭素と置換される。その際、窒素の共有結合半径は炭素の共有結合半径よりも小さいので、ドナー濃度が大きいほど、炭化珪素の結晶格子は縮小することになる。通常、炭化珪素パワーデバイス用エピタキシャル層の下地基板として用いられる炭化珪素半導体ウエハは低抵抗のｎ型であり、１×１０１８ｃｍ−３以上の窒素がドナーとして含まれている。一方、エピタキシャル層のドナー濃度は１０１４ｃｍ−３台から１０１７ｃｍ−３であり、下地基板のドナー濃度より小さいから、エピタキシャル層の結晶格子は下地基板ほど縮小してはいない。しかし、エピタキシャル層は下地基板上に密着して成長しているので、下地基板との界面近くの結晶格子はエピタキシャル層の本来の結晶格子の大きさを維持できず、エピタキシャル層よりも縮小した下地基板の結晶格子のために圧縮の応力を受けていると考えられる。すなわち、エピタキシャル層の下地基板との界面付近の結晶格子は下地基板のために歪んでいる。下地基板とエピタキシャル層のドナー濃度の差が大きいほど、エピタキシャル層の下地基板との界面付近の結晶格子は下地基板の結晶格子の影響を受けてより大きく歪んでおり、その影響を受けて、基底面転位が貫通刃状転位に変換しやすくなっていると考えられる。
【００１７】
本発明はドリフト層よりもドナー濃度の低いエピタキシャル層をドリフト層と下地基板の間に設けるものだが、例えば、特開２００３−３１８３８８号公報（特許文献２）に開示されているように、ドリフト層よりもドナー濃度の高いエピタキシャル層をドリフト層と下地基板の間に設けるという技術がある。この高ドナー濃度層は、半導体装置がオフ状態の際に、ドリフト層の上部から下地基板の方向に延びる空乏層が下地基板にまで到達しにくくするという効果をもつ。このような構成の半導体基板では、本発明のように下地基板から伝播する基底面転位密度を低減することはできないが、このような構成の半導体基板に対しても、本発明を適用することができる。その場合、転位変換層は、ドリフト層と高ドナー濃度層の間に設けることが可能であり、また、高ドナー濃度層と下地基板の間に設けることも可能である。いずれの場合も、転位変換層、高ドナー濃度層、ドリフト層はエピタキシャル成長で形成されるものであり、順次、ドナー濃度のみを変えることによって、積層することが可能であるから、ドリフト層には新たな欠陥は生じることはない。
【００１８】
以上のように、本発明を用いると、ドリフト層に新たな欠陥を発生させることなく、ドリフト層内の基底面転位密度を低減することが可能となる。また、本発明を採用したエピタキシャル層付きの炭化珪素単結晶ウエハ（炭化珪素エピウエハ）は従来の炭化珪素エピウエハと全く同様にして、デバイス形成のために用いることができる。すなわち、本発明により基底面転位密度を著しく低減したドリフト層内にデバイスを作りこむことが可能となる。
【００１９】
本発明の炭化珪素半導体基板のドリフト層の上部あるいはドリフト層内にｐ型の不純物を含むｐ型層を設け、このｐ型層に接触して設けられた上部電極と、下地基板に接触して設けられた下部電極とを備えていることにより、オフ状態の特性を損なわず、かつオン状態の信頼性の向上したｐｎ接合ダイオードを実現することができる。
【００２０】
また、本発明の炭化珪素半導体基板のドリフト層の上部あるいはドリフト層内にｐ型の不純物を含むｐ型層を設け、このドリフト層及びｐ型層に接触して設けられた上部電極と、下地基板に接触して設けられた下部電極とを備えることにより、ショットキー障壁とｐｎ接合の複合したダイオードの、オフ状態の特性を損なわずかつオン状態の信頼性を向上することができる。
【００２１】
また、本発明の炭化珪素半導体基板のドリフト層の上部あるいはドリフト層内にｐ型の不純物を含みチャネルとして機能するｐ型層を設け、このｐ型層の表面に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、ｐ型層の上部あるいはｐ型層内に設けられドリフト層よりもドナー濃度の高いｎ型のソース層とソース層に接触して設けられたソース電極と、下地基板に接触して設けられたドレイン電極とを備えることにより、縦型構造のＭＯＳＦＥＴの信頼性を向上することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本願発明のひとつの形態によれば、炭化珪素半導体単結晶からなる下地基板に基底面転位密度の小さな半導体層を有する炭化珪素半導体基板を提供することが出来る。
【００２３】
更に、本願発明の他の形態によれば、前記炭化珪素半導体基板を用いることによって、基底面転位密度の小さなドリフト層を提供し、この層内にデバイスを形成することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本願発明の具体的な実施例を説明するに先立って、本願発明の主な形態を整理、列挙する。
【００２５】
第１の形態は、炭化珪素単結晶からなる下地基板とその一方の表面上に形成された炭化珪素エピタキシャル成長層を有する炭化珪素半導体基板において、前記エピタキシャル成長層が、半導体装置の構成要素が作り込まれ且つ半導体装置の設計仕様に応じた、所望のドナー濃度を有しドリフト層となる第１の半導体層と、前記第１の半導体層と前記下地基板の間にあって、前記第１の半導体層よりも低いドナー濃度を有する第２の半導体層により構成されることを特徴とする炭化珪素半導体基板である。
【００２６】
第２の形態は、炭化珪素単結晶からなる下地基板とその一方の表面上に形成された炭化珪素エピタキシャル成長層を有する炭化珪素半導体基板において、前記エピタキシャル成長層が、半導体装置の構成要素が作り込まれ且つ半導体装置の設計仕様に応じた、所望のドナー濃度を有しドリフト層となる第１の半導体層と、前記第１の半導体層の下部にあって、前記第１の半導体層よりも高いドナー濃度を有する第３の半導体層と、前記第１の半導体層と前記高ドナー濃度の第３の半導体層との間にあって、前記第１の半導体層よりも低いドナー濃度を有する第２の半導体層により構成されることを特徴とする炭化珪素半導体基板。
【００２７】
第３の形態は、炭化珪素単結晶からなる下地基板とその一方の表面上に形成された炭化珪素エピタキシャル成長層によって構成される炭化珪素半導体基板において、前記エピタキシャル成長層が、半導体装置の構成要素が作り込まれ且つ半導体素子の設計仕様に応じた、所望のドナー濃度を有しドリフト層となる第１の半導体層、第１の半導体層の下部にあって、第１の半導体層よりも高いドナー濃度を有する第３の半導体層と、前記高ドナー濃度の第３の半導体層と前記下地基板の間にあって、前記第１の半導体層よりも低いドナー濃度を有する第２の半導体層により構成されることを特徴とする炭化珪素半導体基板。
【００２８】
前述の３つの形態において、更に、次の各形態が実用的な観点から有用である。
【００２９】
その一つ目は、エピタキシャル層が形成される炭化珪素単結晶からなる前記下地基板の表面が｛０００１｝結晶面から最大８度傾斜しており、前記下地基板のドナー濃度が１×１０１8ｃｍ−３以上である形態である。この場合、上記表面の傾斜角度は概ね３度〜８度、より好ましくは４度より〜８度ということが出来る。下地基板は、具体的には現在市販の炭化珪素単結晶からなる基板を用いて十分である。
【００３０】
更に、各半導体層に対するドナーとして用いる不純物は、窒素であることが好ましい。
【００３１】
前記ドリフト層（第１の半導体層）では、１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下のドナー濃度が一般に用いられる。前記ドリフト層の厚さは、ドリフト層の役割から設定されるが、５ミクロンから３０ミクロン程度の範囲である。
【００３２】
前記第２の半導体層に含まれるドナー濃度は、前記の基本実験から明らかなように、前記第１の半導体層よりも低いドナー濃度にすることによって、その効果が認められる。実際的には、前記第１の半導体層とのドナー濃度の差は、１／３以上、より好ましくは１／２程度以上の差である。一桁以上の差ではより顕著に効果が認められる。そして、この濃度は、一般的には、１×１０１4ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下の範囲でなされる。第２の半導体層の厚さは、概ね１０ｎｍ以上あれば十分である。５００ｎｍから１ミクロン程度が、その実際的な上限ということが出来る。
【００３３】
前記３の半導体層（高ドナー濃度層）は、前述したように、本願発明の前提となる技術で、当該半導体装置がオフ状態の際、ドリフト層の上部から下地基板の方向に延びる空乏層が下地基板に到達しにくくするため用いられる。この点から、その厚さ及び不純物濃度などが設定される。概ね、０．５ミクロンから２〜３ミクロンが多用されている。
【００３４】
更に、本願は、上記の各炭化珪素半導体基板を用いて、次に代表される炭化珪素半導体装置を提供することが出来る。
【００３５】
前記各炭化珪素半導体基板に対して、ドリフト層の上部あるいはドリフト層内に設けられｐ型の不純物を含むｐ型層と、前記ｐ型層に接触して設けられた上部電極と、前記下地基板に接触して設けられた下部電極とを備え、ｐｎ接合ダイオードとして機能する炭化珪素半導体装置、或いは前記各炭化珪素半導体基板に対して、ドリフト層の上部あるいはドリフト層内に設けられｐ型の不純物を含むｐ型層と、前記ドリフト層及び前記ｐ型層に接触して設けられた上部電極と、前記下地基板に接触して設けられた下部電極とを備え、ダイオードとして機能する炭化珪素半導体装置などである。
【００３６】
次いで、本願発明の実施例を説明する。尚、以下の説明では、第１から第３の半導体層に関しては、特別な場合以外は、例えばドリフト層など略称にて説明致します。
【００３７】
＜実施例１＞
本発明の第１の実施形態として、炭化珪素半導体単結晶からなる下地基板に基底面転位密度の小さな半導体層を有する炭化珪素半導体基板なる本願の基本形態を用い、
転位変換層として用いる低ドナー濃度の炭化珪素エピタキシャル層を得るための成長条件についての検討を行った。
【００３８】
まず、炭化珪素単結晶ウエハからなる下地基板を準備する。炭化珪素単結晶ウエハは、［１１−２０］方向に８度傾斜した直径５０ｍｍのｎ型の（０００１）面の４Ｈ−ＳｉＣである。成長にはＳｉ面側を用いるが、このウエハの表面は機械的に鏡面研磨した後に、ＣＭＰ処理がされている。この炭化珪素単結晶ウエハのドナー濃度は３×１０１８ｃｍ−３である。
【００３９】
この下地基板にＲＣＡ洗浄を施した後、ホットウォール型ＣＶＤ装置の反応炉内のサセプタに設置し、ＣＶＤ炉を３×１０−５Ｐａ以下の真空度になるまで減圧する。ついで、ガス供給系より、キャリアガスである水素を１０ｓｌｍの流量で供給して反応炉の圧力を１３．３ｋＰａとする。水素ガスの流量を維持した状態で、高周波誘導加熱装置を用いて、サセプタを加熱する。
【００４０】
サセプタが１４００℃に達したら、水素気流中、この温度で１０分間保持する。これは、基板表面の損傷層を水素によるエッチングで除去するためである。
【００４１】
サセプタが１５００℃に達したら、この温度で保持し、０．６ｓｃｃｍのプロパンガスを反応炉に供給する。ついで、１ｓｃｃｍのモノシランガスと窒素ガスを同時に反応炉に供給する。モノシランガスの供給により炭化珪素窒素エピタキシャル膜の成長が始まる。窒素ガスの流量を変えて、何種類かのエピタキシャル膜の成長を試みた。
【００４２】
１時間保持した後、モノシランガス及び窒素ガスの供給を止める。ついで、プロパンガスの供給を止める。ついで、高周波加熱も止め、水素気流中で冷却する。
【００４３】
サセプタの温度が、十分、下がった後、水素の供給を止め、反応炉内を排気した後、基板を取り出す。
【００４４】
成長したエピタキシャル膜のドナー濃度を、水銀プローブを用い、容量−電圧測定から求めた。成長中に供給した窒素流量とドナー濃度の関係を図２に示す。窒素ガスの供給量に応じて、エピタキシャル層中のドナー濃度を１×１０１４ｃｍ−３から１×１０１７ｃｍ−３の範囲で制御できることが確認できた。尚、これらのエピタキシャル膜の膜厚は約０．５μｍであった。
【００４５】
成長したエピタキシャル膜を基板とともに、５００℃で溶融した水酸化カリウム中に１０秒間浸漬する。これにより、エピ層の表面に露出した転位によるエッチピットが形成される。基底面転位のピットはその形状から他の転位のピットと識別できるので、光学顕微鏡を用いて、このピットの数を数えることにより、基底面転位密度が求められる。成長中に供給した窒素流量と基底面転位密度の関係を図３に示す。窒素ガスの供給量を減らす、すなわち、エピタキシャル層中のドナー濃度を減らすことに伴って、エピタキシャル層中の基底面転位が減少していることが確認できた。
【００４６】
＜実施例２＞
本発明の第２の実施形態として、上記基本実験で得られた知見を元に、半導体装置の形成に使用できる炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る炭化珪素半導体基板の製造工程を示す断面図である。
【００４７】
まず、図１（ａ）に示す工程で、炭化珪素単結晶ウエハからなる下地基板１１を準備する。炭化珪素単結晶ウエハは、［１１−２０］方向に８度傾斜した直径５０ｍｍのｎ型の（０００１）面の４Ｈ−ＳｉＣである。成長にはＳｉ面側を用いるが、このウエハの表面は機械的に鏡面研磨した後に、ＣＭＰ処理が施されている。この炭化珪素単結晶ウエハのドナー濃度は３×１０１８ｃｍ−３である。
【００４８】
次に、図１（ｂ）に示す工程で、図１（ａ）の下地基板１１をＲＣＡ洗浄した後、ホットウォール型ＣＶＤ装置の反応炉内のサセプタに設置し、ＣＶＤ炉を３×１０−５Ｐａ以下の真空度になるまで減圧する。ついで、ガス供給系より、キャリアガスである水素を１０ｓｌｍの流量で供給して反応炉の圧力を１３．３ｋＰａとする。水素ガスの流量を維持した状態で、高周波誘導加熱装置を用いて、サセプタを加熱する。
【００４９】
サセプタが１４００℃に達したら、水素気流中、この温度で１０分間保持する。サセプタが１５００℃に達したら、この温度で保持し、０．６ｓｃｃｍのプロパンガスを反応炉に供給する。ついで、１ｓｃｃｍのモノシランガスと０．０５ｓｃｃｍの窒素ガスを同時に反応炉に供給する。モノシランガスの供給により炭化珪素窒素エピタキシャル膜の成長が始まる。この状態で１２分保持することにより、約０．１μｍの厚さの転位変換層１２が下地基板１１の上に形成される。図２より、この転位変換層１２のドナー濃度は５×１０１４ｃｍ−３程度である。
【００５０】
次に、図１（ｃ）に示す工程で、図１（ｂ）の転位変換層１２が形成された後、モノシランの流量を６ｓｃｃｍに、プロパンの流量を２．４ｓｃｃｍに、窒素の流量を０．２ｓｃｃｍとする。この状態で、１２０分保持することにより、約６μｍの厚さのドリフト層１３が転位変換層１２の上に形成される。別途、行われた予備検討により、この条件で形成したエピタキシャル膜のドナー濃度は１×１０１６ｃｍ−３程度であることが予想され、この値は転位変換層１１のドナー濃度よりも２０倍ほど大きい。
【００５１】
ドリフト層を形成した後、モノシランガス及び窒素ガスの供給を止める。ついで、プロパンガスの供給を止める。ついで、高周波加熱も止め、水素気流中で冷却する。
【００５２】
サセプタの温度が、十分、下がった後、水素の供給を止め、反応炉内を排気した後、基板を取り出す。
【００５３】
以上の工程により、本実施形態に係る炭化珪素半導体基板が形成された。この炭化珪素半導体基板を水酸化カリウム溶融液を用いてエッチピットを形成し、基底面転位密度を求めたところ、６０ｃｍ−２であった。これは、図１（ｂ）の工程で形成された転位変換層１２に存在すると予想される基底面転位密度とほぼ等しく、転位変換層によって減少された基底面転位がその後増大することなくほぼそのままドリフト層内に伝播したものと推測される。
【００５４】
本実施例の比較として、転位変換層１２を設けずにドリフト層を形成した。これを比較例１とする。図４（ａ）〜（ｂ）は、比較例１の炭化珪素半導体基板の製造工程を示す断面図である。
【００５５】
まず、図４（ａ）に示す工程で、炭化珪素単結晶ウエハからなる下地基板４１を準備する。炭化珪素単結晶ウエハは、［１１−２０］方向に８度傾斜した直径５０ｍｍのｎ型の（０００１）面の４Ｈ−ＳｉＣである。成長にはＳｉ面側を用いるが、このウエハの表面は機械的に鏡面研磨した後に、ＣＭＰ処理が施されている。この炭化珪素単結晶ウエハのドナー濃度は３×１０１８ｃｍ−３である。
【００５６】
次に、図４１（ｂ）に示す工程で、図４（ａ）の下地基板４１をＲＣＡ洗浄した後、ホットウォール型ＣＶＤ装置の反応炉内のサセプタに設置し、ＣＶＤ炉を３×１０−５Ｐａ以下の真空度になるまで減圧する。ついで、ガス供給系より、キャリアガスである水素を１０ｓｌｍの流量で供給して反応炉の圧力を１３．３ｋＰａとする。水素ガスの流量を維持した状態で、高周波誘導加熱装置を用いて、サセプタを加熱する。
【００５７】
サセプタが１４００℃に達したら、水素気流中、この温度で１０分間保持する。サセプタが１５００℃に達したら、この温度で保持し、２．４ｓｃｃｍのプロパンガスを反応炉に供給する。ついで、６ｓｃｃｍのモノシランガスと０．２ｓｃｃｍの窒素ガスを同時に反応炉に供給する。モノシランガスの供給により炭化珪素窒素エピタキシャル膜の成長が始まる。この状態で１２０分保持することにより、約６μｍの厚さのドリフト層４３が下地基板４１の上に形成される。
【００５８】
ドリフト層を形成した後、モノシランガス及び窒素ガスの供給を止める。ついで、プロパンガスの供給を止める。ついで、高周波加熱も止め、水素気流中で冷却する。
【００５９】
サセプタの温度が、十分、下がった後、水素の供給を止め、反応炉内を排気した後、基板を取り出す。このドリフト層のドナー濃度を測定したところ、予想通り1×１０１６ｃｍ−３であった。
【００６０】
以上の工程により、本実施形態に係る炭化珪素半導体基板の比較例１が形成された。この炭化珪素半導体基板を水酸化カリウム溶融液を用いてエッチピットを形成し、基底面転位密度を求めたところ、４６０ｃｍ−２であった。
【００６１】
以上ように、図１の転位変換層１２を設けることによって、ドリフト層の基底面転位密度を著しく低減することができる。
【００６２】
尚、窒素流量を０．２ｓｃｃｍとして形成したドリフト層４３のドナー濃度が１×１０１６ｃｍ−３であり、これが図２から読み取れる値２×１０１５ｃｍ−３よりも、大きくなるのは、図２のデータを得たエピタキシャル膜よりもプロパンとモノシランの流量と混合比が異なるためである。
【００６３】
＜実施例３＞
本発明の第３の実施形態として、実施例１で得られた知見を元に、デバイスを形成することに使用できる、実施例２とは異なる炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。
【００６４】
図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る炭化珪素半導体基板の製造工程を示す断面図である。
【００６５】
まず、図５（ａ）に示す工程で、炭化珪素単結晶ウエハからなる下地基板５１を準備する。炭化珪素単結晶ウエハは、［１１−２０］方向に８度傾斜した直径５０ｍｍのｎ型の（０００１）面の４Ｈ−ＳｉＣである。成長にはＳｉ面側を用いるが、このウエハの表面は機械的に鏡面研磨した後に、ＣＭＰ処理が施されている。この炭化珪素単結晶ウエハのドナー濃度は３×１０１８ｃｍ−３である。
【００６６】
次に、図５（ｂ）に示す工程で、図５（ａ）の下地基板５１をＲＣＡ洗浄した後、ホットウォール型ＣＶＤ装置の反応炉内のサセプタに設置し、ＣＶＤ炉を３×１０−５Ｐａ以下の真空度になるまで減圧する。ついで、ガス供給系より、キャリアガスである水素を１０ｓｌｍの流量で供給して反応炉の圧力を１３．３ｋＰａとする。水素ガスの流量を維持した状態で、高周波誘導加熱装置を用いて、サセプタを加熱する。
【００６７】
サセプタが１４００℃に達したら、水素気流中、この温度で１０分間保持する。サセプタが１５００℃に達したら、この温度で保持し、０．６ｓｃｃｍのプロパンガスを反応炉に供給する。ついで、１ｓｃｃｍのモノシランガスと０．０１ｓｃｃｍの窒素ガスを同時に反応炉に供給する。モノシランガスの供給により炭化珪素窒素エピタキシャル膜の成長が始まる。この状態で１２分保持することにより、約０．１μｍの厚さの転位変換層５２が下地基板５１の上に形成される。図２より、この転位変換層５２のドナー濃度は１×１０１４ｃｍ−３程度と予想される。
【００６８】
次に、図５（ｃ）に示す工程で、図５（ｂ）の転位変換層５２が形成された後、モノシランの流量を６ｓｃｃｍ、プロパンの流量を１．８ｓｃｃｍ、窒素の流量を５．０ｓｃｃｍとする。この状態で、２０分保持することにより、約１．０μｍの厚さの高ドナー濃度層５４が転位変換層５２の上に形成される。別途、行われた予備検討により、この条件で形成したエピタキシャル膜のドナー濃度は１×１０１８ｃｍ−３程度と予想される。
【００６９】
尚、窒素流量を５．０ｓｃｃｍとして形成した高ドナー濃度層５４のドナー濃度が1×１０１８ｃｍ−３であり、これが図２から読み取れる値３×１０１６ｃｍ−３よりも、大きくなるのは、図２のデータを得たエピタキシャル膜よりもプロパンとモノシランの流量と混合比が異なるためである。
【００７０】
次に、図５（ｄ）に示す工程で、図５（ｃ）の高ドナー濃度層５４が形成された後、モノシランの流量を１２ｓｃｃｍに、プロパンの流量を４．８ｓｃｃｍに、窒素の流量を２．０ｓｃｃｍとする。この状態で、３時間２０分保持することにより、約２０μｍの厚さのドリフト層５３が高ドナー濃度層５４の上に形成される。
【００７１】
別途、行われた予備検討により、この条件で形成したエピタキシャル膜のドナー濃度は２×１０１５ｃｍ−３程度と予想される。
【００７２】
ドリフト層を形成した後、モノシランガス及び窒素ガスの供給を止める。ついで、プロパンガスの供給を止める。ついで、高周波加熱も止め、水素気流中で冷却する。
【００７３】
サセプタの温度が、十分、下がった後、水素の供給を止め、反応炉内を排気した後、基板を取り出す。
【００７４】
以上の工程により、本実施形態に係る炭化珪素半導体基板が形成された。この炭化珪素半導体基板を水酸化カリウム溶融液を用いてエッチピットを形成し、基底面転位密度を求めたところ、２７ｃｍ−２であった。これは、転位変換層５２に存在すると予想される基底面転位密度とほぼ等しく、転位変換層によって減少された基底面転位がその後増大することなくほぼそのままドリフト層内に伝播したものと推測される。
【００７５】
本実施例の比較として、転位変換層５２を設けずに高ドナー濃度層及びドリフト層を形成した。これを比較例２とする。図６（ａ）〜（ｃ）は、比較例２の炭化珪素半導体基板の製造工程を示す断面図である。
【００７６】
まず、図６（ａ）に示す工程で、炭化珪素単結晶ウエハからなる下地基板６１を準備する。炭化珪素単結晶ウエハは、［１１−２０］方向に８度傾斜した直径５０ｍｍのｎ型の（０００１）面の４Ｈ−ＳｉＣである。成長にはＳｉ面側を用いるが、このウエハの表面は機械的に鏡面研磨した後に、ＣＭＰ処理が施されている。この炭化珪素単結晶ウエハのドナー濃度は３×１０１８ｃｍ−３である。
【００７７】
次に、図６（ｂ）に示す工程で、図６（ａ）の下地基板６１をＲＣＡ洗浄した後、ホットウォール型ＣＶＤ装置の反応炉内のサセプタに設置し、ＣＶＤ炉を３×１０−５Ｐａ以下の真空度になるまで減圧する。ついで、ガス供給系より、キャリアガスである水素を１０ｓｌｍの流量で供給して反応炉の圧力を１３．３ｋＰａとする。水素ガスの流量を維持した状態で、高周波誘導加熱装置を用いて、サセプタを加熱する。
【００７８】
サセプタが１４００℃に達したら、水素気流中、この温度で１０分間保持する。サセプタが１５００℃に達したら、この温度で保持し、１．８ｓｃｃｍのプロパンガスを反応炉に供給する。ついで、６．０ｓｃｃｍのモノシランガスと５．０ｓｃｃｍの窒素ガスを同時に反応炉に供給する。モノシランガスの供給により炭化珪素窒素エピタキシャル膜の成長が始まる。この状態で、２０分保持することにより、約１．０μｍの厚さの高ドナー濃度層６４が下地基板６１の上に形成される。予備実験より、この高ドナー濃度層６４のドナー濃度は１×１０１８ｃｍ−３程度と予想される。
【００７９】
次に、図６（ｃ）に示す工程で、図６（ｂ）の高ドナー濃度層６４が形成された後、モノシランの流量を１２ｓｃｃｍに、プロパンの流量を４．８ｓｃｃｍに、窒素の流量を２ｓｃｃｍとする。この状態で、３時間２０分保持することにより、約２０μｍの厚さのドリフト層６３が高ドナー濃度層６４の上に形成される。
ドリフト層を形成した後、モノシランガス及び窒素ガスの供給を止める。ついで、プロパンガスの供給を止める。ついで、高周波加熱も止め、水素気流中で冷却する。
【００８０】
サセプタの温度が、十分、下がった後、水素の供給を止め、反応炉内を排気した後、基板を取り出す。
【００８１】
以上の工程により、本実施形態に係る炭化珪素半導体基板の比較例２が形成された。この炭化珪素半導体基板を水酸化カリウム溶融液を用いてエッチピットを形成し、基底面転位密度を求めたところ、８７０ｃｍ−２であった。
【００８２】
以上ように、本実施形態は、比較例２において、下地基板６１と高濃度層６４の間に、転位変換層を設けたことに相当するが、転位変換層５２を設けることによって、ドリフト層の基底面転位密度を著しく低減することができる。
【００８３】
＜実施例４＞
本発明の第４の実施形態として、実施例１で得られた知見を元に、半導体装置に使用できる、実施例２、実施例３とは異なる炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。
【００８４】
図７（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る炭化珪素半導体基板の製造工程を示す断面図である。
【００８５】
まず、図７（ａ）に示す工程で、炭化珪素単結晶ウエハからなる下地基板７１を準備する。炭化珪素単結晶ウエハは、［１１−２０］方向に８度傾斜した直径５０ｍｍのｎ型の（０００１）面の４Ｈ−ＳｉＣである。成長にはＳｉ面側を用いるが、このウエハの表面は機械的に鏡面研磨した後に、ＣＭＰ処理が施されている。この炭化珪素単結晶ウエハのドナー濃度は３×１０１８ｃｍ−３である。
【００８６】
次に、図７（ｂ）に示す工程で、図７（ａ）の下地基板７１をＲＣＡ洗浄した後、ホットウォール型ＣＶＤ装置の反応炉内のサセプタに設置し、ＣＶＤ炉を３×１０−５Ｐａ以下の真空度になるまで減圧する。ついで、ガス供給系より、キャリアガスである水素を１０ｓｌｍの流量で供給して反応炉の圧力を１３．３ｋＰａとする。水素ガスの流量を維持した状態で、高周波誘導加熱装置を用いて、サセプタを加熱する。
【００８７】
サセプタが１４００℃に達したら、水素気流中、この温度で１０分間保持する。サセプタが１５００℃に達したら、この温度で保持し、１．８ｓｃｃｍのプロパンガスを反応炉に供給する。ついで、６．０ｓｃｃｍのモノシランガスと５．０ｓｃｃｍの窒素ガスを同時に反応炉に供給する。モノシランガスの供給により炭化珪素窒素エピタキシャル膜の成長が始まる。この状態で２０分保持することにより、約１．０μｍの厚さの高濃度ドープ層７４が下地基板７１の上に形成される。予備実験より、この高濃度ドープ層７４のドナー濃度は１×１０１７ｃｍ−３程度と予想される。
【００８８】
次に、図７（ｃ）に示す工程で、図７（ｂ）の高濃度ドープ層７４が形成された後、モノシランの流量を１ｓｃｃｍ、プロパンの流量を０．６ｓｃｃｍ、窒素の流量を０。０１ｓｃｃｍとする。この状態で、１２分保持することにより、約０．１μｍの厚さの転位変換層７２が高濃度ドープ層７４の上に形成される。図２より、この転位変換層７２のドナー濃度は１×１０１４ｃｍ−３程度と予想される。
次に、図７（ｄ）に示す工程で、図７（ｃ）の転位変換層７２が形成された後、モノシランの流量を１２ｓｃｃｍに、プロパンの流量を４．８ｓｃｃｍに、窒素の流量を２．０ｓｃｃｍとする。この状態で、３時間２０分保持することにより、約２０μｍの厚さのドリフト層７３が転位変換層７２の上に形成される。
【００８９】
ドリフト層を形成した後、モノシランガス及び窒素ガスの供給を止める。ついで、プロパンガスの供給を止める。ついで、高周波加熱も止め、水素気流中で冷却する。
【００９０】
サセプタの温度が、十分、下がった後、水素の供給を止め、反応炉内を排気した後、基板を取り出す。
【００９１】
以上の工程により、本実施形態に係る炭化珪素半導体基板が形成された。この炭化珪素半導体基板を水酸化カリウム溶融液を用いてエッチピットを形成し、基底面転位密度を求めたところ、４０ｃｍ−２であった。
【００９２】
本実施形態は、比較例２において、高濃度層６４とドリフト層６３の間に、転位変換層を設けたことに相当するが、その場合でも図７の転位変換層７２を設けることによって、ドリフト層の基底面転位密度を著しく低減することができる
＜実施例５＞
本発明の第５の実施形態として、実施例２で得た炭化珪素半導体基板を利用したｐｎ接合ダイオードの製造方法について説明する。
【００９３】
図８（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係るｐｎ接合ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【００９４】
図８（ｄ）に示すように、本実施形態のｐｎ接合ダイオードは、ｎ型の４Ｈ−ＳｉＣからなる下地基板８１と、下地基板８１の主面上に設けられ、窒素を少量含む厚さが０．１μｍの炭化珪素エピタキシャル層からなる基底面転位変換層８２と、基底面転位変換層８２の上に設けられ、窒素を含む厚さ約６μｍのｎ型のドリフト層８３と、ドリフト層８３の表面の一部に設けられ、Ａｌを含む厚さが約０．５μｍのｐ型ドープ層８５と、ｐ型ドープ層８５の表面に設けられ、Ａｌを含む厚さが０．１μｍの高濃度ｐ型層８６と、高濃度ｐ型層８６上に設けられたＮｉとＡｌとを積層してなる上部電極８７と、下地基板８１の裏面に設けられたＮｉからなる下部電極８８とを備えている。
【００９５】
下地基板８１、転位変換層８２、ｎ型ドリフト層８３のドナー濃度は、それぞれ、３×１０１８ｃｍ−３、５×１０１４ｃｍ−３、１×１０１６ｃｍ−３であり、ｐ型ドープ層８５、高濃度ｐ型層８６のアクセプタ濃度は、それぞれ、２×１０１８ｃｍ−３、５×１０１９ｃｍ−３である。
【００９６】
本実施例のｐｎ接合ダイオードは下地基板８１とｎ型ドリフト層８３の間に転位変換層８２を備えている。したがって、従来のｐｎ接合ダイオードに比べて、ドリフト層中の基底面転位密度が小さいため、オン状態を持続した際に生じるオン抵抗の増大の現象を抑制することが期待できる。
【００９７】
次に、本実施形態のｐｎ接合ダイオードの製造方法について説明する。
【００９８】
まず、図８（ａ）に示す工程で、炭化珪素単結晶ウエハからなる下地基板８１を準備する。炭化珪素単結晶ウエハは、［１１−２０］方向に８度傾斜した直径５０ｍｍのｎ型の（０００１）面の４Ｈ−ＳｉＣである。成長にはＳｉ面側を用いるが、このウエハの表面は機械的に鏡面研磨した後に、ＣＭＰ処理が施されている。この炭化珪素単結晶ウエハのドナー濃度は３×１０１８ｃｍ−３である。
【００９９】
次に、下地基板８１をＲＣＡ洗浄した後、ホットウォール型ＣＶＤ装置の反応炉内のサセプタに設置し、ＣＶＤ炉を３×１０−５Ｐａ以下の真空度になるまで減圧する。ついで、ガス供給系より、キャリアガスである水素を１０ｓｌｍの流量で供給して反応炉の圧力を１３．３ｋＰａとする。水素ガスの流量を維持した状態で、高周波誘導加熱装置を用いて、サセプタを加熱する。
【０１００】
サセプタが１４００℃に達したら、水素気流中、この温度で１０分間保持する。サセプタが１５００℃に達したら、この温度で保持し、０．６ｓｃｃｍのプロパンガスを反応炉に供給する。ついで、１ｓｃｃｍのモノシランガスと０．０５ｓｃｃｍの窒素ガスを同時に反応炉に供給する。モノシランガスの供給により炭化珪素窒素エピタキシャル膜の成長が始まる。この状態で１２分保持することにより、約０．１μｍの厚さの転位変換層８２が下地基板８１の上に形成される。 
次に、転位変換層８２が形成された後、モノシランの流量を６ｓｃｃｍに、プロパンの流量を２．４ｓｃｃｍに、窒素の流量を０．２ｓｃｃｍとする。この状態で、２時間保持することにより、約６μｍの厚さのドリフト層８３が転位変換層８２の上に形成される。
ドリフト層を形成した後、モノシランガス及び窒素ガスの供給を止める。ついで、プロパンガスの供給を止める。ついで、高周波加熱も止め、水素気流中で冷却する。
【０１０１】
サセプタの温度が、十分、下がった後、水素の供給を止め、反応炉内を排気した後、基板を取り出す。
以上の工程により、本実施形態で用いる炭化珪素半導体基板８９が形成された。
【０１０２】
次に図８（ｂ）の工程で、ドリフト層８３の表面の一部にＡｌのイオン注入を行い、ｐ型ドープ層８５を形成する。
【０１０３】
続いて、図８（ｃ）の工程で、ｐ型ドープ層８５の表面に、ドリフト層８５よりも高ドーズのＡｌのイオン注入を行い、高濃度ｐ型層８６を形成する。ｐ型ドープ層８５、高濃度ｐ型層８６を形成した後に、アルゴン雰囲気中１７００℃で活性化アニールを行う。
【０１０４】
その後、図８（ｄ）の工程で、電子ビーム蒸着装置を用いて、高濃度ｐ型層８６の上面にＮｉとＡｌの積層膜を、下地基板８１の裏面にＮｉ膜を蒸着する。続いて、加熱炉内でアルゴン雰囲気中、１０００℃に加熱することで、上部電極８７及び下部電極８８をそれぞれ形成する。
【０１０５】
以上の方法により、本実施形態のｐｎ接合ダイオードが製造される。
【０１０６】
本実施例のｐｎダイオードに５０Ａ／ｃｍ２の電流を通電し、そのままで１０時間保持して、オン電圧の増大を調べた。従来の転位変換層８２のないｐｎ接合ダイオードでは２Ｖほどのオン電圧の増大が見られたが、本実施例では、わずかに０．１Ｖ程度であった。これは、転位変換層８２によって、ドリフト層８３内部の基底面転位が低減したことの効果であると考えられる。
【０１０７】
＜実施例６＞
本発明の第６の実施形態として、実施例３で得た炭化珪素半導体基板を利用したショットキー障壁とｐｎ接合の複合したダイオードの製造方法について説明する。
【０１０８】
図９（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係るショットキー障壁とｐｎ接合の複合したダイオードの製造工程を示す断面図である。
図９（ｃ）に示すように、本実施形態のショットキー障壁とｐｎ接合の複合したダイオードは、ｎ型の４Ｈ−ＳｉＣからなる下地基板９１と、下地基板９１の主面上に設けられ、窒素を少量含む厚さが０．１μｍの炭化珪素エピタキシャル層からなる基底面転位変換層９２と、基底面転位変換層９２の上に設けられ、厚さ約１．０μｍの高ドナー濃度層９４と、高ドナー濃度層９４の上に設けられ、窒素を含む厚さ約２０μｍのｎ型のドリフト層９３と、ドリフト層９３の表面の一部に設けられ、Ａｌを含む厚さが１μｍのｐ型ドープ層９５と、ｐ型ドープ層９５の上部に設けられ、Ａｌを含む厚さが０．１μｍの高濃度ｐ型層９６と、ドリフト層９３と高濃度ｐ型層９６の両方に接して設けられたＮｉとＴｉとを積層してなる上部電極９７と、下地基板９１の裏面に設けられたＮｉからなる下部電極９８とを備えている。
【０１０９】
下地基板９１、転位変換層９２、高ドナー濃度層９４、ｎ型ドリフト層９３のドナー濃度は、それぞれ、３×１０１８ｃｍ−３、１×１０１４ｃｍ−３、１×１０１８ｃｍ−３、２×１０１５ｃｍ−３であり、ｐ型ドープ層９５、高濃度ｐ型層９６のアクセプタ濃度は、それぞれ、２×１０１８ｃｍ−３、５×１０１９ｃｍ−３である。
【０１１０】
本実施例のショットキー障壁とｐｎ接合の複合したダイオードは下地基板９１と高ドナー濃度層９４の間に転位変換層９２を備えている。したがって、従来のショットキー障壁とｐｎ接合の複合したダイオードに比べて、ドリフト層中の基底面転位密度が小さいため、オン状態を持続した際に生じるオン抵抗の増大の現象を抑制することが期待できる。
【０１１１】
次に、本実施形態のショットキー障壁とｐｎ接合の複合したダイオードの製造方法について説明する。
【０１１２】
まず、図９（ａ）に示す工程で、炭化珪素単結晶ウエハからなる下地基板９１を準備する。炭化珪素単結晶ウエハは、［１１−２０］方向に８度傾斜した直径５０ｍｍのｎ型の（０００１）面の４Ｈ−ＳｉＣである。成長にはＳｉ面側を用いるが、このウエハの表面は機械的に鏡面研磨した後に、ＣＭＰ処理が施されている。この炭化珪素単結晶ウエハのドナー濃度は３×１０１８ｃｍ−３である。
【０１１３】
次に、下地基板９１をＲＣＡ洗浄した後、ホットウォール型ＣＶＤ装置の反応炉内のサセプタに設置し、ＣＶＤ炉を３×１０−５Ｐａ以下の真空度になるまで減圧する。ついで、ガス供給系より、キャリアガスである水素を１０ｓｌｍの流量で供給して反応炉の圧力を１３．３ｋＰａとする。水素ガスの流量を維持した状態で、高周波誘導加熱装置を用いて、サセプタを加熱する。
【０１１４】
サセプタが１４００℃に達したら、水素気流中、この温度で１０分間保持する。サセプタが１５００℃に達したら、この温度で保持し、０．６ｓｃｃｍのプロパンガスを反応炉に供給する。ついで、１ｓｃｃｍのモノシランガスと０．０１ｓｃｃｍの窒素ガスを同時に反応炉に供給する。モノシランガスの供給により炭化珪素窒素エピタキシャル膜の成長が始まる。この状態で１２分保持することにより、約０．１μｍの厚さの転位変換層９２が下地基板９１の上に形成される。
【０１１５】
次に、転位変換層９２が形成された後、モノシランの流量を６ｓｃｃｍ、プロパンの流量を１．８ｓｃｃｍ、窒素の流量を５ｓｃｃｍとする。この状態で、２０分保持することにより、約１．０μｍの厚さの高ドナー濃度層９４が転位変換層９２の上に形成される。
【０１１６】
次に、高ドナー濃度層９４が形成された後、モノシランの流量を１２ｓｃｃｍに、プロパンの流量を４．８ｓｃｃｍに、窒素の流量を２ｓｃｃｍとする。この状態で、３時間２０分保持することにより、約２０μｍの厚さのドリフト層９３が高ドナー濃度層９４の上に形成される。
【０１１７】
ドリフト層を形成した後、モノシランガス及び窒素ガスの供給を止める。ついで、プロパンガスの供給を止める。ついで、高周波加熱も止め、水素気流中で冷却する。
【０１１８】
サセプタの温度が、十分、下がった後、水素の供給を止め、反応炉内を排気した後、基板を取り出す。
以上の工程により、本実施形態で用いる炭化珪素半導体基板９９が形成された。
【０１１９】
次に図９（ｂ）の工程で、ドリフト層８３の表面の一部にＡｌのイオン注入を行い、ｐ型ドープ層９５を形成する。続いて、ｐ型ドープ層９５の表面に、Ａｌのイオン注入をさらに高ドーズで行い、高濃度ｐ型層９６を形成する。ｐ型ドープ層９５、高濃度ｐ型層９６を形成した後に、アルゴン雰囲気中、１７００℃で活性化アニールを行う。
【０１２０】
その後、図９（ｃ）の工程で、電子ビーム蒸着装置を用いて、ドリフト層９３と高濃度ｐ型層９６の両方に接する表面にＮｉとＴｉの積層膜を、下地基板９１の裏面にＮｉ膜を蒸着する。続いて、加熱炉内でアルゴン雰囲気中、１０００℃に加熱することで、上部電極９７及び下部電極９８をそれぞれ形成する。
【０１２１】
以上の方法により、本実施形態のショットキー障壁とｐｎ接合の複合したダイオードが製造される。
【０１２２】
本実施例のショットキー障壁とｐｎ接合の複合したダイオードに５０Ａ／ｃｍ２の電流を通電し１０時間保持して、オン電圧の増大を調べた。従来の転位変換層９２のないショットキー障壁とｐｎ接合の複合した合ダイオードでは３Ｖほどのオン電圧の増大が見られたが、本実施例では、わずかに０．５Ｖ程度であった。これは、転位変換層９２によって、ドリフト層９３内部の基底面転位が低減したことの効果であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る炭化珪素半導体基板の製造方法を示す断面図である。
【図２】図２は本発明の炭化珪素エピタキシャル層における、成長時の窒素供給量とドナー濃度関係を示す図である。
【図３】図３は本発明の炭化珪素エピタキシャル層における、成長時の窒素供給量と基底面転位密度の関係を示す図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る比較例１の炭化珪素半導体基板の製造方法を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｄ）は本発明の第３の実施形態に係る炭化珪素半導体基板の製造方法を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係る比較例２の炭化珪素半導体基板の製造方法を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施形態に係る炭化珪素半導体基板の製造方法を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の実施形態に係るｐｎ接合ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｄ）は本発明の第６の実施形態に係るショットキー障壁ｐｎ接合複合ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１１、４１、５１、６１、７１、８１、９１：下地基板、１２、５２、７２、８２、９２、転位変換層（第２の半導体層）：１３、４３、５３、６３、７３、８３、９３、ドリフト層（第１の半導体層）：５４、６４、７４、９４、高ドナー濃度層（第３の半導体層）：８５、９５：ｐ型ドープ層、８６、９６：高濃度ｐ型層、８７、９７：上部電極、８８、９８：下部電極、８９、９９：炭化珪素半導体基板。
【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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【図８】
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【図９】
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