JP2007246350A - ＳｉＣ基板の製造方法及びＳｉＣ基板並びに半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＣ基板の製造方法及びＳｉＣ基板並びに半導体装置において、マイクロパイプだけでなく基底面内転位及び積層欠陥も低減すること。
【解決手段】マイクロパイプを有するＳｉＣ単結晶基板１上に、ＳｉＣエピタキシャル成長層２を化学的気相成長させるＳｉＣ基板の製造方法であって、ＳｉＣ単結晶基板１の表面近傍又はＳｉＣエピタキシャル成長層２の中間領域に、ブリスタリングが生じない条件で水素又は希ガス元素のイオン注入を行う工程を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パワーデバイス等の形成用基板に好適なＳｉＣ基板の製造方法及びＳｉＣ基板並びに半導体装置に関する。

近年、電力制御用のパワーデバイスや高周波デバイス等の形成用基板として、シリコンよりも大きなバンドギャップ、高い飽和ドリフト速度、高い熱伝導度、大きい絶縁破壊電界強度等を有するＳｉＣ（炭化珪素）が注目されている。例えば、このＳｉＣを用いたパワーデバイスでは、低損失化、高性能化及び小型化が可能であり、電源電力変換の省エネルギー化、およびハイブリット車、電気自動車の性能向上等に大いに寄与するものと考えられている。

パワーデバイスに用いられるＳｉＣ単結晶基板は、種基板を用いた昇華成長技術であるいわゆる改良レーリー法によって成長させた単結晶ＳｉＣインゴットから作製されるものが知られている。
パワーデバイス等をＳｉＣを用いて作製する場合、ＳｉＣ単結晶基板上にデバイス形成領域としてＳｉＣエピタキシャル成長層を成長するが、バルク移動度が高い４Ｈ−ＳｉＣ等のα−ＳｉＣの市販基板には、結晶のｃ軸に沿ってマイクロパイプと呼ばれる中空の貫通欠陥が多数存在し、その基板上に成長したＳｉＣエピタキシャル成長層にも、欠陥が生じてしまっていた。作製したパワーデバイスの電極を付けた場所に、一つでもこのマイクロパイプが存在すると、大幅な素子特性の低下が生じてしまう不都合があった。

従来、例えば特許文献１には、マイクロパイプを閉塞する方法として液相成長法（ＬＰＥ）でＳｉＣエピタキシャル成長層を成長する方法が提案されている。
また、特許文献２には、炭化珪素単結晶の表面を被覆し、炭化珪素蒸気種で飽和状態にした雰囲気で、熱処理工程を昇温、降温を繰り返し行うことによりマイクロパイプを閉塞する方法が提案されている。

さらに、特許文献３には、ＣＶＤ（化学的気相成長）炉により、マイクロパイプを閉塞する方法として、Ｃ（炭素）原料とＳｉ（珪素）原料との供給比Ｃ／Ｓｉを炭素供給律速の条件でＳｉＣエピタキシャル成長層（マイクロパイプ閉塞層）の成長を行うことで、マイクロパイプの１００％近くが閉塞されたことが記載されている。この方法によれば、同一炉を用いて、マイクロパイプの閉塞層とデバイス活性層とを連続して作製することが可能になる。
また、特許文献４には、面方位（１１−２０）方向に結晶成長させることにより、マイクロパイプを結晶表面に継承しない方法が提案されている。

米国特許第５６７９１５３号明細書 特開２０００−３４１９９号公報 国際公開０３／０７８７０２号パンフレット 特開２０００−３１９０９９号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来の特許文献１に記載の技術では、マイクロパイプが閉塞される代わりに試料表面の凹凸が非常に大きくなってしまう問題があった。また、大面積の基板には適用が困難であった。
また、特許文献２に記載の技術では、被覆工程及び熱処理工程等の追加の工程が必要になり、また、被覆するＳｉＣ結晶が、基板と異なる多形となるため、積層欠陥を形成し易く、電子素子に適用する事が困難である。
また、特許文献４に記載の技術では、マイクロパイプを低減させることができるが、マイクロパイプと直交する向きに成長させるため新たに積層欠陥を形成し易いという問題がある。このような積層欠陥もデバイスの電気特性に悪影響を及ぼす不都合があった。
一方、特許文献３に記載の技術では、十分なマイクロパイプ閉塞率が得られると報告されている。しかし、T.Ohno等、J.Crys.Growth 271(2004)1-7.によれば、基底面内転位が結晶表面に多く残留する問題が指摘されている。この転位中には、炭素供給律速の雰囲気で多く発生するエピタキシャル成長中欠陥である基底面内転位−貫通刃状転位ペアが発生したことによる基底面内転位が含まれている。このような基底面内転位もまた、デバイスの電気特性に悪影響を及ぼす不都合があった。さらに、特許文献１および３に記載された技術に関しては、マイクロパイプを閉塞した箇所に作製した素子が通電中に劣化する事が報告されている（R.Rupp, et al., 5th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM2004), Aug 31 - Sept 4 , Bologna (Italy), Sa11-03）。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、マイクロパイプだけでなく基底面内転位及び積層欠陥も低減することができるＳｉＣ基板の製造方法及びこれにより作製されたＳｉＣ基板並びに半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のＳｉＣ基板の製造方法は、マイクロパイプを有するＳｉＣ単結晶基板上に、ＳｉＣエピタキシャル成長層を化学的気相成長させるＳｉＣ基板の製造方法であって、前記ＳｉＣ単結晶基板の表面近傍又は前記ＳｉＣエピタキシャル成長層の中間領域に、ブリスタリングが生じない条件で水素又は希ガス元素のイオン注入を行う工程を備えていることを特徴とする。

また、本発明のＳｉＣ基板は、マイクロパイプを有するＳｉＣ単結晶基板と、前記ＳｉＣ単結晶基板上に形成されたＳｉＣエピタキシャル成長層と、を備えたＳｉＣ基板であって、前記ＳｉＣ単結晶基板の表面近傍又は前記ＳｉＣエピタキシャル成長層の中間領域に、水素又は希ガス元素の濃度がその他の領域よりも高い高濃度領域が形成されていることを特徴とする。

上記本発明のＳｉＣ基板の製造方法では、ＳｉＣ単結晶基板の表面近傍又はＳｉＣエピタキシャル成長層の中間領域に、ブリスタリング(Blistering)が生じない条件で水素又は希ガス元素のイオン注入を行うことにより、ＳｉＣ単結晶基板の表面近傍又はＳｉＣエピタキシャル成長層の中間領域に、水素又は希ガス元素の濃度がその他の領域よりも高い高濃度領域が形成されたＳｉＣ基板が作製される。このＳｉＣ基板では、高濃度領域が、多くの水素又は希ガス元素が結晶中に入り込み結晶格子が壊れて欠陥が多数生じた領域となる。このため、高濃度領域の多くの欠陥により結晶の歪みが緩和され、その上に成長するＳｉＣエピタキシャル成長層での歪みも緩和されることで、ストレスに起因した基底面内転位の積層欠陥への拡張が低減される。さらに、高濃度領域の欠陥によって転位の方向性が変わって異なる種類の転位に変換され、その後に成長したＳｉＣエピタキシャル成長層において、基底面内転位をデバイスの電気特性に悪影響を及ぼし難い転位に変更することができる。
また、水素又は希ガス元素を用いるので、電気的な悪影響を防ぐことができる。

また、本発明のＳｉＣ基板は、前記ＳｉＣエピタキシャル成長層上に、さらにＳｉＣ層をエピタキシャル成長により形成したことを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、上記本発明のいずれかのＳｉＣ基板を用いたことを特徴とする。
すなわち、このＳｉＣ基板では、上記本発明のＳｉＣ基板の製造方法によって作製されているため、デバイス作製領域の全てのマイクロパイプが閉塞され基底面内転位及び積層欠陥が低減された良好な表面状態を有しており、この基板上にＳｉＣ層をエピタキシャル成長することで厚く良好な結晶状態のＳｉＣ層が得られる。そこで、このＳｉＣ基板を用いることで、素子特性に優れた半導体装置（半導体デバイス）を得ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るＳｉＣ基板の製造方法によれば、ＳｉＣ単結晶基板の表面近傍又はＳｉＣエピタキシャル成長層の中間領域に、ブリスタリングが生じない条件で水素又は希ガス元素のイオン注入を行うことにより、ＳｉＣ単結晶基板の表面近傍又はＳｉＣエピタキシャル成長層の中間領域に、水素又は希ガス元素の濃度がその他の領域よりも高い高濃度領域が形成された本発明に係るＳｉＣ基板が作製される。すなわち、このＳｉＣ基板では、高濃度領域上の結晶のストレスを軽減すると共に転位の方向性を変え、その後に成長したＳｉＣエピタキシャル成長層において、マイクロパイプの閉塞が行われると共に基底面内転位及び積層欠陥が低減される。
したがって、これらのＳｉＣ基板を用いて形成した半導体装置では、デバイスの良好な電気特性を得ることができ、特性劣化が少なく優れた信頼性を得ることができる。

以下、本発明に係るＳｉＣ基板の製造方法及びＳｉＣ基板並びに半導体装置の一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。

本実施形態のＳｉＣ基板の製造方法は、電力制御用のパワーデバイスや高周波デバイス等の形成用基板を作製する方法であって、図１の（ａ）（ｂ）に示すように、マイクロパイプ（図示略）を有するＳｉＣ単結晶基板１上に、マイクロパイプを閉塞させるＳｉＣエピタキシャル成長層２を化学的気相成長させるＳｉＣ基板の製造方法である。このＳｉＣ基板の製造方法では、ＳｉＣ単結晶基板１として、４Ｈ−ＳｉＣの＜０００１＞軸が＜１１−２０＞方向に８°傾いたオフ角を有するＳｉ面鏡面基板を用いる。

まず、ＳｉＣ単結晶基板１の表面近傍に、図１の（ａ）に示すように、ブリスタリング(Blistering)と呼ばれる気泡の形成が生じない条件で水素又は希ガス元素のイオンを打ち込んで、水素又は希ガス元素の濃度がその他の領域よりも高い注入領域である高濃度領域１ａを形成する。この高濃度領域１ａでは、多くの水素又は希ガス元素が結晶中に入り込み結晶格子が壊れて欠陥が多数生じた領域となる。

このイオン注入の条件は、例えば、Ｈ^＋イオンを加速エネルギー２０ｋｅＶ、ドーズ量１０^１５ｃｍ^−２でイオン注入する。
なお、ブリスタリングが生じない条件とした理由は、ブリスタリングが生じる条件でイオン注入を行うと、エピタキシャル成長に必要な温度に昇温した際に、イオン注入した高濃度領域１ａ付近を境にして剥離が生じるためである。

イオン注入を行ったＳｉＣ単結晶基板１上に、図１の（ｂ）に示すように、横型減圧ＨＷ−ＣＶＤ（ホットウォール化学的気相成長）炉によりマイクロパイプ閉塞層であるＳｉＣエピタキシャル成長層２を形成する。このＳｉＣエピタキシャル成長層２は、積層に伴ってマイクロパイプが閉塞される条件で成膜する。

上記ＳｉＣエピタキシャル成長層２は、例えば、成膜条件として、温度Ｔ＝１５８５℃、水素（キャリアガス）流量４５ｓｌｍ、圧力Ｐ＝１００ｍｂａｒ、ＳｉＨ_４＝７．２ｓｃｃｍ、炭素供給律速の条件である供給比Ｃ／Ｓｉ＝１．２に設定し、３μｍの層厚で成膜する。また、窒素添加により不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３としたｎ型半導体になるように成膜する。この成膜条件では、ＳｉＣエピタキシャル成長層２の積層により閉塞されるマイクロパイプの大きさと膜厚との関係は、およそ１：１である。例えば、内径３μｍのマイクロパイプは、ＳｉＣエピタキシャル成長層２を３μｍ成膜することで、ほぼ閉塞させることができる条件である。

また、比較例として、本実施形態と同一メーカー製の同一ロットのＳｉＣ単結晶基板１を用いて、上記イオン注入を行わない状態で上記と同様にＳｉＣエピタキシャル成長層２を成膜した試料も作製した。
また、使用したＳｉＣ単結晶基板１は、いずれも表面に１８０個ほどのマイクロパイプが存在し、最大で内径２．８μｍの大きさのマイクロパイプを有していた。

上記製造方法により作製されたＳｉＣ基板では、図１の（ｂ）に示すように、イオン注入により形成された高濃度領域１ａの多くの欠陥により結晶の歪みが緩和され、その上に成長するＳｉＣエピタキシャル成長層２での歪みも緩和されることで、ストレスに起因した基底面内転位の積層欠陥への拡張が低減される。さらに、高濃度領域１ａの欠陥によって転位の方向性が変わって異なる種類の転位に変換され、その後に成長したＳｉＣエピタキシャル成長層２において、基底面内転位をデバイスの電気特性に悪影響を及ぼし難い転位に変更することができる。また、水素又は希ガス元素を用いるので、電気的な悪影響を防ぐことができる。

次に、本実施形態のＳｉＣ基板上に、図２に示すように、さらに活性層（ＳｉＣ層）３を成膜した。この活性層３は、例えば、成膜条件として、温度Ｔ＝１５８５℃、水素（キャリアガス）流量４５ｓｌｍ、圧力Ｐ＝１００ｍｂａｒ、ＳｉＨ_４＝７．２ｓｃｃｍ、供給比Ｃ／Ｓｉ＝１．８に設定し、５μｍの層厚で成膜する。また、窒素添加により不純物濃度を５×１０^１５ｃｍ^−３としたｎ型半導体になるように成膜する。なお、上記比較例のＳｉＣ基板についても、同様に活性層３を積層した。
このように成膜した基板の表面観察を行ったところ、本実施形態及び比較例のいずれの基板でも全てのマイクロパイプが閉塞されていた。

さらに、このＳｉＣ基板の表面側（活性層３側）にショットキー電極４を形成すると共に、裏面側にオーミック電極５を形成し、ショットキー電極４と活性層３との間にショットキー障壁部（半導体素子）が形成されたショットキーバリアダイオード（半導体装置）６を作製した。
なお、上記比較例についても、同様に表裏面に電極（ショットキー電極４、オーミック電極５）を形成し、ショットキーバリアダイオードを作製した。

作製したショットキーバリアダイオード６のうち、ショットキー電極４にマイクロパイプの閉塞した後の部分が含まれている７０個のダイオードに対して逆方向耐圧に対する耐久試験を行い、リーク電流を比較した。この結果、比較例は実施例に比べてリーク電流の増加が多く耐性が低いことが分かった。

このように、本実施形態のＳｉＣ基板を用いたショットキーバリアダイオード６では、良好な結晶性を有する活性層３を備え、デバイスの良好な電気特性を得ることができると共に、特性劣化が少なく優れた信頼性を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、ＳｉＣ単結晶基板１の表面近傍に水素又は希ガス元素をイオン注入して高濃度領域１ａを形成しているが、ＳｉＣエピタキシャル成長層２の中間領域にブリスタリングが生じない条件で水素又は希ガス元素のイオン注入を行うことで高濃度領域を形成しても構わない。この場合、ＳｉＣエピタキシャル成長層２を途中まで成膜した状態で、一旦、成膜装置から取り出して上記イオン注入を行い、この後、再度成膜装置にて残りのＳｉＣエピタキシャル成長層２を成膜する。この際、イオン注入後に成膜する残りのＳｉＣエピタキシャル成長層２において、歪みが緩和されて基底面内転位等が低減された良好な結晶性を得ることができる。

また、上記実施形態では、水素（H)をイオン注入したが、希ガス元素として、ヘリウム (He)、ネオン (Ne)、アルゴン (Ar)、クリプトン (Kr)、キセノン (Xe)、ラドン (Rn)等をイオン注入しても良い。

本発明に係る一実施形態のＳｉＣ基板の製造方法及びＳｉＣ基板並びに半導体装置において、ＳｉＣ基板の製造方法を工程順に示す要部断面図である。 本実施形態の半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１…ＳｉＣ単結晶基板、１ａ…高濃度領域、２…ＳｉＣエピタキシャル成長層、３…活性層（ＳｉＣ層）、４…ショットキー電極、５…オーミック電極、６…ショットキーバリアダイオード（半導体装置）

Claims (5)

1. マイクロパイプを有するＳｉＣ単結晶基板上に、ＳｉＣエピタキシャル成長層を化学的気相成長させるＳｉＣ基板の製造方法であって、
   前記ＳｉＣ単結晶基板の表面近傍又は前記ＳｉＣエピタキシャル成長層の中間領域に、ブリスタリングが生じない条件で水素又は希ガス元素のイオン注入を行う工程を備えていることを特徴とするＳｉＣ基板の製造方法。
2. 請求項１に記載のＳｉＣ基板の製造方法によって作製されたことを特徴とするＳｉＣ基板。
3. マイクロパイプを有するＳｉＣ単結晶基板と、
   前記ＳｉＣ単結晶基板上に形成されたＳｉＣエピタキシャル成長層と、を備えたＳｉＣ基板であって、
   前記ＳｉＣ単結晶基板の表面近傍又は前記ＳｉＣエピタキシャル成長層の中間領域に、水素又は希ガス元素の濃度がその他の領域よりも高い高濃度領域が形成されていることを特徴とするＳｉＣ基板。
4. 請求項２又は３に記載のＳｉＣ基板において、
   前記ＳｉＣエピタキシャル成長層上に、さらにＳｉＣ層をエピタキシャル成長により形成したことを特徴とするＳｉＣ基板。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載のＳｉＣ基板を用いたことを特徴とする半導体装置。
   

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