JP2007506289A - 積層欠陥核生成サイトを減らして、バイポーラデバイスのＶｆドリフトを低減する方法 - Google Patents

Abstract

炭化珪素ベースのバイポーラデバイスにおいて、積層欠陥核生成を減らし、そして順方向電圧（Ｖｆ）ドリフトを低下させるための基板とエピタキシャル層とを作製する方法を開示している。本発明方法は、炭化珪素基板の表面を非選択性エッチングして、表面損傷及び表面下損傷の両方を除去する工程；その後で、選択性エッチングによって同じ表面をエッチングし、それによって、その後に終端する傾向があるか又は該基板表面上でその次のエピタキシャル層成長中に貫通欠陥として伝播する傾向がある該基板表面に達している少なくともいくらかのベーサルプレーン転位からエッチング生成構造を発生させる工程、そして、その後に、二回エッチングされた表面上に炭化珪素の第一エピタキシャル層を成長させる工程を含む。

Description

発明の背景
本発明は、電子デバイス、特にパワー電子デバイスで使用される半導体材料の品質及び所望の特性を向上させることに関する。特に、本発明は、炭化珪素結晶の結晶欠陥を最少化するための改良方法、及びその方法から得られる改良された構造及びデバイスに関する。本発明は、同時係属中で且つ本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００３００８０８４２号で開示され且つ特許請求されている対象に関する。

炭化珪素
炭化珪素（ＳｉＣ）は、珪素及び砒化ガリウムの双方に勝る多くの利点を提供する半導体材料の適当な候補としてここ２０年間にわたって使用されている。
特に、炭化珪素は、広いバンドギャップ、高い破壊電界、高い熱伝導率、高い飽和電子ドリフト速度を有しており、また物理的に極めて堅牢である。特に、炭化珪素は、極めて高い融点を有しており、世界で最も硬い公知の材料のうちの一つである。

しかしながら、その物理的性質のために、炭化珪素は、比較的に製造することも難しい。炭化珪素は多数のポリタイプで成長できるので、大きい単結晶になり難い。炭化珪素を成長させるために必要とされる高温によって、（ドーピングを含む）不純物レベルの制御も比較的難しくなり、また、同様に、薄膜（例えばエピタキシャル層）の生成も難しくなる。その硬度の故に、半導体ウェーハをスライシングし、そしてポリッシングする従来の工程は、炭化珪素に関しては更に難しい。同様に、炭化珪素の耐薬品性に起因して、従来の方法では、エッチングし難い。

特に、炭化珪素は、１５０種を超えるポリタイプを形成することができ、そして、それらの多くは、比較的小さな熱力学的な差によって分離される。結果として、炭化珪素の単結晶基板及び高品質エピタキシャル層（エピ層）を成長させるのは難しい作業であったし、現在でもそうである。

にもかかわらず、本発明の譲受人によって行われたものを含む、この特定の分野における多くの研究及び発見に基づいて、炭化珪素の成長及び有用なデバイスへの炭化珪素の成形加工において多くの進歩が得られた。而して、高出力無線周波（ＲＦ）用途及びマイクロ波用途のために及び他の高出力高電圧用途のために、ＩＩＩ族窒化物のような他の有用な半導体のための基板として、青色及び緑色の発光ダイオードを製造するために炭化珪素を組み込んでいる市販のデバイスが利用可能である。

炭化珪素技術の成功によって特有なＳｉＣベースデバイスの利用可能性が増加したので、それらのデバイスの特有な面がより明らかになってきている。特に、炭化珪素ベースのバイポーラデバイスの順方向電圧（順方向バイアスとも呼ばれる）は、それらのデバイスの動作中に、顕著に増加する傾向があることが観察された。多くの理由により、半導体デバイスのそのような機能的問題は、しばしば、デバイスが形成される材料の結晶構造における欠陥から生じることがある。

結晶学的欠陥
最も基本的なレベルでは、構造結晶学的欠陥は、４つのカテゴリ：すなわち、点欠陥、線欠陥、面欠陥及び三次元欠陥に分類される。点欠陥は空格子点を含み、線欠陥は転位を含み、面欠陥は積層欠陥を含み、そして三次元欠陥はポリタイプのインクルージョンを含む。

転位とは、結晶全体にわたって多くの単位格子長に関して延びている一種の構造的欠点である。転位に関して更に明確に説明すれば、転移は、螺旋転位及び刃状転位に分類される。当業者によって認められるように、それ自体に戻る実結晶における原子から原子まで（又はイオンからイオンまで）辿られる対称的な経路、それは、バーガーズ回路と呼ばれる。構造を代表する格子における同じ経路がそれ自体に戻らない場合、結果として、始めと終わりが同じ原子上に位置しない場合、バーガーズ回路は１つ以上の転位を含んでいる。格子中の閉回路を完成するベクトルは、バーガースベクトルと呼ばれ、転位の大きさ及び方向を示す。

バーガースベクトルが、転位が位置しているラインに対して平行である場合、その欠陥は螺旋転位と呼ぶ。又は、バーガースベクトルが転位に対して直角である場合、その欠陥は刃状転位と呼ぶ。刃状転位の最も単純な種類は、デッキの途中まで挿入された追加のカードといくぶん同様な様式で２つの通常の平面間に挟まれた原子又はイオンの不完全な平面である。転位線の片側では、平面は、分離していて、追加の層に空間を与えており；また反対側では、平面は、層が存在していないために圧縮されている。

螺旋転位は、必ずしも不利であるというわけではなく、実際に、結晶面の成長にとって特に重要であることがある。螺旋転位は、常に、１個又は数個の原子だけ高い一つのエッジを提示する。このエッジでは、結晶の継続成長は、比較的容易である。しかしながら、転位は、比較的容易に結晶中に塑性流れを起こすことができる。限定された領域では、転位によって作り出される転位線は、ほとんど直線であることができる。バーガースベクトルと、転位線のセグメントとを含む任意の面は、「すべり面」と呼ばれる。すべり面における運動は構造要素のわずかな転位のみを必要とするので、刃状転位は結晶中を比較的容易に移動する。換言すると、すべり面は、低エネルギー中間状態を提供し、それによって結晶は再構成され得る。

炭化珪素における欠陥
炭化珪素パワーデバイスでは、結晶再構成のために必要とされる比較的少量のエネルギー量がデバイスの動作によって提供される場合、この種の比較的低いエネルギー中間状態のアベイラビリティは、欠陥が成長し続けるのを助長する。

市販品質のＳｉＣのウェーハ及びエピタキシャル層は、螺旋転位と刃状転位の両方を含む。これらの転位は、結晶内のそれらの配列によって更に分類できる。ｃ軸に沿って広がるそれらの転位は貫通転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）と呼ばれており、一方、ｃ面内に存在する転位はベーサルプレーン転位（ｂａｓａｌ ｐｌａｎｅ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）と呼ばれている。一般的に、ＳｉＣでは、ベーサルプレーン転位が、下記のメカニズム：

を経て優先的に部分転位へと分解するのは、エネルギー的に有利である。
上記分解反応は、ベーサルプレーン転位の２つのショックリー部分転位への分解を説明している。上記の分解中に生じる線欠陥は、平面積層欠陥（ｐｌａｎａｒ ｓｔａｃｋｉｎｇ ｆａｕｌｔ ｄｅｆｅｃｔ）となるだろう。実際に、積層欠陥が自由表面に到達しない場合、部分転位は、積層欠陥の全周に結合する。この積層欠陥はバイポーラデバイスにおいて電気的に活性であり、そして、順方向動作中、電子正孔プラズマは、積層欠陥の近傍で低減する。プラズマ密度が低下すると、デバイスの順方向電圧が増加する。更に厄介なことに、転位によって増強された転位すべりによって、デバイスの順方向動作中に積層欠陥が拡張し続ける場合がある。この挙動は、デバイス開発に対する相当な障害である。なぜならば、動作中に予測不可能に変化し得る機能的特性を有するデバイスが生じるからである。

換言すると、炭化珪素バイポーラデバイス中に電流を流すと、結晶構造の変化を誘導又は伝播（又は両方）する傾向がある。上記したように、多くのＳｉＣポリタイプは密接に熱力学的に近い存在であり、固体相転移が非常に起こり易い。積層欠陥があまりに広範囲に広がると、多くの用途で要求され又は所望されるのと同程度の正確さでデバイスを動作させることができない望ましくない様式で、順方向電圧が増加する傾向がある。

いくつかの規則では、転位密度は、材料の一立方センチメートルあたりの転位長のセンチメートルで記載され、而して、一平方センチメートル（ｃｍ^−２）あたりの転位密度単位が記録される。別の規則（及び本明細書で使用される規則）では、ＳｉＣエピタキシャル層に関する４Ｈ−ＳｉＣ基板のオフ角配向と、転位を検出するために使用される通常のエッチング技術とは、エッチピット密度（これもｃｍ^−２単位）を使用して炭化珪素中の転位密度を表すことを更に便利にする。而して、当業者は、ｃｍ／ｃｍ^３として表される所定の転位密度が、典型的な転位配置（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）と基板のオフ角とにしたがってピット／ｃｍ^２として表されるとき、非常に異なる転位ピット密度が得られることを認めるだろう。而して、２つの数が、同じ正味の単位（ｃｍ^−２）を有するが、それらは、必ずしも同じ実際の転位密度を示しているわけではない。明確さと整合性のために、この開示では、転位密度は、作製された珪素面の８°オフアクシス（０００１）配向基板のエッチングされたエピタキシャル表面上において画定された特定のピットの密度として記載されるのみである。

現在市販されている４Ｈ−ＳｉＣ基板は、本明細書で使用される規則によって、１ｃｍ２あたり約１Ｅ３〜１Ｅ５（１０^３〜１０^５）の転位を有する。この転位は、貫通螺旋転位及び貫通刃状転位、マイクロパイプ及びベーサルプレーン転位を含む。図１は、転位ピットの様々な一般的なタイプを示しているＫＯＨでエッチングされたエピタキシャル層表面の顕微鏡写真である（その正確な性質は詳細な説明に記載してある）。全てのタイプの転位は、デバイス性能に影響を及ぼし得るが、ベーサルプレーン転位は、Ｖｆドリフトを引き起こす積層欠陥の有力な核生成サイトであるので、特に関連がある。

そしてまた、基板中の欠陥は、そのような基板上で成長されるエピタキシャル層中でしばしば複製され、而して、基板結晶品質は、得られるデバイスの品質及び性能に関して重要なファクターである。

従来の基板作製及びエピタキシャル層成長の実施では、基板中の１Ｅ３〜１Ｅ４ｃｍ^−２からエピタキシャル層中の約４００ｃｍ^−２まで、ベーサルプレーン転位の密度をかなり効果的に低下させている。この転位密度の低下は、基板作製及びエピタキシャル層成長の両方における変化によって達成される。

ＳｉＣは非常に硬質の材料であるので、典型的な基板を作製するには、かなり強力なソーイング、ラッピング及びポリッシングの操作が必要である。これらの全ての工程は、極めて多数の転位（ベーサルプレーン転位を含む）を含む表面下損傷を発生させる。この損傷領域を除去するために、実際には、あまり強力ではない最終的な作製、例えば化学的機械的ポリッシング法（ＣＭＰ）又はドライエッチングを、ウェーハ成形（ｗａｆｅｒ ｓｈａｐｉｎｇ）後に使用して、表面下損傷を除去する。しかしながら、本発明者は、多くの場合、表面下損傷が、前記の従来の最終的な表面作製によって除去された深さよりも数ミクロン深くまで伝播することを観察した。特に、特定の理論に束縛されることは望まないが、ソーイング作業から生じる損傷が、その他の損傷の主たる原因であると仮定される（しかしまだ確認していない）。

而して、ＳｉＣベースのバイポーラデバイスの構造と動作における継続的な改良は、下地基板及びそれらの結晶構造の継続的な改良を要する。
発明の概要
本発明は、炭化珪素ベースのバイポーラデバイスにおいて、積層欠陥核生成を減らし、順方向電圧（Ｖｆ）ドリフトを低下させるための基板を作製する方法である。本発明方法は、炭化珪素基板の表面上で第一の非選択的エッチングを行って、表面損傷及び表面下損傷の両方を除去する工程；その後で、ベータ（３Ｃ）インクルージョン及びキャロット欠陥が生成するのを防止しながら、ベーサルプレーン転位とウェーハ表面との交線を画定するのに充分に同じ表面上で、且つ貫通欠陥としてエピタキシャル層中に伝播する傾向があるように充分に同じ表面上で、選択性エッチングを行う工程；選択的にエッチングされた表面にある典型的な貫通エッチピット深さの厚さに比べて更に大きな厚さまで、選択的にエッチングされた基板表面上にエピタキシャル層を成長させて、それによって、基板の上での追加のポリッシング工程及びエッチング工程を支持するのに充分な厚さを有するエピタキシャル層を提供する工程；エピタキシャル層の充分な部分をポリッシングして除去して、エッチングされたピットを含む材料を取り除き、それによって、選択的にエッチングされた基板の表面に比べてエッチングされたピットが少ない表面を提供する工程；及びエピタキシャル層をポリッシングする工程から生じる表面下損傷を除去するのに充分なエピタキシャル層の第二非選択的エッチングを行って（下地基板には達しない）、それによって、基板とポリッシングされたエピタキシャル層との上に形成されたデバイスにおいて、順方向電圧下で積層欠陥を伝播できる表面下欠陥の数を減らす工程を含む。

本発明の前記及び他の目的及び利点、更に同様なものが達成される方法は、添付の図面と共に、以下の詳細な説明に基づいてより明らかになる。
詳細な説明
本発明は、炭化珪素ベースのバイポーラデバイスにおいて、積層欠陥核生成を減らし、順方向電圧（Ｖｆ）ドリフトを低下させるための基板を作製する方法である。

第一の態様では、本発明方法は、まず最初に、炭化珪素基板の表面上で、非選択性エッチング、好ましくはドライエッチング、最も好ましくは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行って、極めて硬質のＳｉＣ材料のソーイング及びラッピングから典型的に生じる表面損傷及び表面下損傷の両方を除去する工程を含む。電子デバイスの製造に精通している当業者には公知のように、非選択性エッチングは、等しい割合で全ての材料を除去する。
選択性エッチングは、特定の材料、例えば損傷されたｎ型及びｐ型を、他の材料に比べてより迅速に除去する。炭化珪素をドライエッチングするための技術の例示は、米国特許第４，８６５，６８５号及びその兄弟特許第４，９８１，５５１号に記載されているが、それらに限定されない。本明細書で説明される選択性及び非選択性エッチングを行うための他の技術及び化学は、当業でよく認識されているので、本発明の態様を例示する以外は本明細書では詳細に説明しない。

本明細書で使用される「基板」という用語は、バルク単結晶（通常はブールから切り出される）と、ならびに１つ以上のエピタキシャル層を含むことができるが、それらの上に形成されるデバイスのための物理的及び電子的支持体として基本的に役立つデバイス前駆体構造との両方を包含するほど充分に広い意味で使用している。

同様に、「ドライエッチング」及び「ウエットエッチング」という用語は、しばしば、反応性イオンエッチング若しくはプラズマエッチング（「ドライ」）を指しているか又は溶融塩若しくは他の溶液によるエッチング（「ウェット」）を指している。

好ましい態様では、最初の非選択性エッチングは、約５ミクロンの深さまで行われる。
比較として、標準のエッチングは、約１ミクロンの材料を除去するだけである。なぜならば、より広範囲なＲＩＥエッチングを行うと、ウェーハ上に多数のオートマスキング（ａｕｔｏ−ｍａｓｋｉｎｇ）欠陥及びピットが作り出される傾向があるかもしれないからである。

非選択性エッチングの後に、次のエピタキシャル層成長におけるベータ（すなわち、３Ｃポリタイプ）インクルージョン及びキャロット欠陥の生成を回避しながら、ベーサルプレーン転位のエッチピットを暴露するのに充分な同じ表面上で選択性エッチングを行う工程を含む。好ましい態様では、選択性エッチングは、溶融塩で行われ、溶融水酸化カリウム（ＫＯＨ（液体））は一つのそのような好ましい塩である。溶融塩エッチングの性質は、当業者によって一般的によく理解されているので、本明細書では特に詳細に説明しない。やや単純化して言えば、選択性エッチングは、機能的には結晶成長の反対であり；すなわち、結晶が様々な構造的な特徴で様々に成長する傾向があるのと同じように、選択性エッチングは、様々な構造的な特徴で様々に材料を除去する傾向があるので、構造的な特徴を強調する。

水酸化カリウムエッチングは、典型的には、約４５０℃の温度で約２０〜４５分間行われる。時間及び温度を確立する際、不充分なＫＯＨエッチングは、ベーサルプレーン転位を充分に露出させない。別法として、過剰なＫＯＨエッチングでは、エッチングされた表面上において、その後のエピタキシャル層成長中に、３Ｃ（ベータ）ポリタイプインクルージョン及びキャロット欠陥が生じる。ほとんどの場合、約４５０℃の温度では、エッチングの選択性は適当に保たれる。より高い温度でのエッチングは、非選択性になる傾向があり、より幅広いピットの望ましくないセットが生成する傾向がある。例えば、６００℃では一つの経験的な上限として高過ぎると考えられるが、エッチング液の融点では機能的には下限である。

拡張ドライエッチングの後に基板を軽度にＫＯＨエッチングすると、基板上に後に成長させるエピタキシャル層におけるベーサルプレーン転位密度が更に低下する傾向がある。
この改善は、ベーサルプレーン転位が基板表面と交差している隣接領域における形態（エッチピット）に関する異なる成長メカニズムに起因している。ＫＯＨエッチングは、転位から直接にダウンステップでベーサルプレーンを画定する。エピタキシャル層成長がこの表面上で進行するとき、ベーサルプレーン転位が貫通転位へと再配向し、それによって、全転位長が減り、また、結晶の自由エネルギーも低下する機会が向上する。

換言すると、選択性エッチングは、ベーサルプレーン転位として生じて、終端するか又はその後に貫通転位として、（エピタキシャル層中に）伝播する転位を促進する形態を創出するのに役立つ。次に、貫通転位は、得られたデバイスの動作中に、順方向電圧によって影響を受けない（又は少なくとも影響は極めて少ししか受けない）ままでいる傾向がある。

非選択性エッチング及び選択性エッチングの後、次に、本発明方法は、選択的にエッチングされた表面における典型的な貫通転位エッチピット深さ（一般的に、ベーサルエッチピットに比べて深い）の厚さに比べてはるかに大きな厚さ（例えば、少なくとも約５０％更に大きい）まで、選択的にエッチングされた基板表面上に、半犠牲エピタキシャル層を、好ましくは（必須ではないが）ｎ型導電性の半犠牲エピタキシャル層を成長させて、それによって、基板の上での追加のポリッシング工程及びエッチング工程を支持するのに充分な厚さを有するエピタキシャル層を提供する工程を含む。半犠牲層が次の工程を支持するのに充分であるならば、追加の厚さは余分な利点を提供せず、また、厚過ぎる層は、それ自体に起因する追加の材料を除去する必要性が生じるだけで、何の利点もない。好ましい態様では、半犠牲エピタキシャル層は、ポリッシング除去のための少なくとも約１５μ、追加のＲＩＥ除去のための約５μ（これらの工程は、すぐ下で説明してある）及び所望のエピタキシャル層表面として残る改良材料の約１０μを提供するために、約３０〜５０ミクロン（μ）の厚さである。

必須ではないが一般的に、基板は、ｎ型である。なぜならば、ｎ型基板は、炭化珪素ベースのデバイスにおいて多くの利点を提供し、そして、約１Ｅ１８〜１Ｅ１９（１ｃｍ^３あたり１ｘ１０^１８〜１ｘ１０^１９のキャリア）の活性キャリア濃度を有する。基板と比較して、エピタキシャル層のキャリア濃度は、その目的に応じて選択される（又は記載される）。「導電性」層は、典型的には、１Ｅ１８〜１９のキャリア濃度を有する。「ブロッキング」層は、典型的には、１Ｅ１６未満のキャリア濃度を有する。「活性」層は、エンドデバイスの構造又は目的にしたがって、これらのパラメータの範囲内でキャリア濃度を有する。而して、ｎ，ｎ＋及びｎ−のような用語を使用して、基板及びエピタキシャル層の両方を説明できるが、前記の用語は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で使用していると考えるべきである。

次の工程では、本発明方法は、半犠牲エピタキシャル層の充分な部分（典型的には約１５μ）をポリッシングして、エッチングされたピットを含む材料を除去し、それによって、元の基板の表面に比べて、ピットの数が少ない表面を提供することを含む。好ましい態様では、ポリッシングは、化学的又は機械的に又はその両方で行うことができ、そして前記工程は一般的に当業においてよく理解されている。

最終作製工程では、その後で、本発明方法は、ポリッシング工程からの表面損傷を除去するのには充分ではあるが下地基板には達しない程度に半犠牲エピタキシャル層の第二の選択性エッチングを行って（ＲＩＥが典型的には好ましい）、それによって、基板上に形成されるデバイスにおいて順方向電圧下で積層欠陥を伝播し得る表面欠陥の数を減らすことを含む。好ましい態様では、第二非選択性エッチングを使用して、半犠牲層から更に約５ミクロン除去する。

本発明方法はエピタキシャル層成長のための優れた表面を提供するので、本発明方法は、エピタキシャル層のポリッシングされ且つエッチングされた表面の上にｎ型エピタキシャル層を形成し、また、エピタキシャル層のポリッシングされ且つエッチングされた表面の上にｐ型エピタキシャル層を形成する（ｎ型エピタキシャル層とｐ型エピタキシャル層との間にはｐｎ接合を有する）ことによって、バイポーラデバイスを形成することを更に含むことができる。本明細書で使用される層「の上（ａｂｏｖｅ）」という用語は、別の層の直ぐ上に１つの層を形成するか、又は、中間層が対象の層と干渉しないという条件の下で、１つ以上の中間層の上に１つの層を形成することを含むことができる。前記中間層は、様々な構造又は機能の目的のために、所望のバイポーラデバイスの基礎設計に影響を及ぼさないデバイス又はデバイス前駆体中に適当なバッファ及び遷移層を提供することを含む。このように、本発明は、Ｖｆドリフト又は再結合強化転位すべりのようなＶｆドリフトと同様な性能劣化を経験する任意の半導体デバイス中に有利に組み込むことができる。

他の好ましい態様では、バイポーラデバイスの作製は、ｎ型炭化珪素基板をエッチングする工程、選択的にエッチングされた基板表面上で半犠牲ｎ＋型エピタキシャル層を成長させ、ポリッシングし、そしてエッチングする工程、ポリッシングされ且つエッチングされたｎ＋型エピタキシャル層の上にｎ型エピタキシャル層を成長させる工程、及びｎ型エピタキシャル層の上にｐ型エピタキシャル層を成長させる工程（ｎ型エピタキシャル層とｐ型エピタキシャル層との間にはｐｎ接合が存在する）を含む。

その上にデバイスが形成される炭化珪素基板は、大結晶から（又は「ブール」）から、典型的には炭化珪素ブールから炭化珪素基板ウェーハをソーイングして切り出し、その後で、基板ウェーハ上で非選択性エッチングを行う工程によって得ることができる。殆どの状況において、ソーイングされた基板ウェーハは、本発明方法の第一の等方性（非選択性）エッチングを行う前に、ラッピングされ、ポリッシングされ、エッチングされ（典型的にはＲＩＥ）、そして（酸又は溶媒によって）洗浄される。「ラップされる」という用語は、その典型的な意味で；すなわち、逆回転するラップと研磨用（例えばダイヤモンド）スラリーとを使用してウェーハ表面を平坦化する工程を説明している。ラッピングは、ウェーハ表面を平行にするのに役立ち、機械的な欠陥（例えば鋸模様）を減らす。同様に、ポリッシング、エッチング及び洗浄の工程は、従来通りに、本発明の工程の前に行われる。

本発明は、従来の技術と比較して、少なくとも２桁の倍率で、エピタキシャル層のベーサルプレーン転位の密度を有利に減らす。基板から活性デバイス領域を分離するために確認される基準と共にベーサルプレーン転位密度のこの減少、及び既に引用した公報第２００３００８０８４２号で考察されている表面欠陥の減少は、ＳｉＣバイポーラデバイスを商業化するための主要工程である。

本発明の追加の面は、図面を参照することによって理解され得る。
図１は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）によってエッチングされた炭化珪素エピタキシャル層表面の顕微鏡写真であり、様々な一般的なタイプの転位ピットが認められる。本明細書の他のところで記したように、多くのタイプの転位は、デバイス性能に影響を及ぼし得るが、ベーサルプレーン転位は、順方向バイアス下で望ましくないドリフトを引き起こす積層欠陥の有力な核生成サイトであるので、特に関連がある。図１では、ベーサルプレーン転位エッチピットのいくつか（必ずしも全てではない）を１０で示してある。マイクロパイプは１１で、貫通螺旋転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｓｃｒｅｗ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）は１２で、そして、貫通刃状転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）は１３で示してある。ベーサルプレーン転位エッチピットは、一つの頻繁な切子面のあるエッジを有する一般的に卵形形状を有することにより部分的に識別される。前記ピットの最も深い部分は、切子面のあるエッジに対して最も近くに見える。マイクロパイプ１１は、炭化珪素の結晶充填構造のその一般的により大きいサイズ及びその六角形の幾何学的形状特性によって識別される。貫通螺旋転位は、最も深い部分がピットの中心に又は中心近くに存在することによって識別される。撮影された表面は、ベーサルプレーンに関して８°のオフアクシス配向を有しているので、図１のエッチピットの底部は、わずかに中心からはずれているように見える。

図２は、炭化珪素エピタキシャル層の表面上にあるキャロット欠陥１４（その特徴的な形状によって識別され、その名称は、その形状からつけられている）を示す。図３は、水酸化カリウムによるエッチング後の図２の表面の写真であり、エッチングによって、ベーサルプレーン転位、貫通螺旋転位及び貫通刃状転位と一緒に、キャロット欠陥が画定されている様子が示されている。

図３は、図２と同じ表面を示しているが、本明細書で使用され且つ説明されるタイプのＫＯＨエッチングの後に、キャロット欠陥、ならびにベーサルプレーン欠陥及び貫通螺旋転位及び貫通刃状転位に対応するピットが生じた。

図４は、エピタキシャル層成長中に、珪素液滴が炭化珪素表面をエッチングするときに生じる炭化珪素エピタキシャル層の表面上にある複数のエッチング部分１５を示している。

図５は、選択性エッチングが、貫通転位中へのベーサルプレーン欠陥の伝播に有利に影響を及ぼし得る様式を概略的に示している。図５において、基板１９の表面は２０で示してあり、そしてベーサルプレーンは２１で示してあり、他の好ましい成長目的のために基板表面２０からオフアクシス（好ましい態様では８°）である。結晶中の原子の各層は２３で示してある。エピタキシャル成長中、矢印２４で示してある「吸着原子」（成長結晶を形成する原料ガスからの原子）は、基板表面２０全体に拡散し、結晶面上に利用可能なサイトを加える。結晶が８°軸を外れて配向しているので、右から左に移動する原子は、左から右に移動する原子に比べてより容易に且つ頻繁に加わる傾向がある。

基板１９がエッチングされ、エッチピット（２５で示してある）がベーサルプレーン転位から発生すると、得られる形態は、右から左に移動する場合には吸着原子が加わるより大きな傾向を創出し、一方、左から右に移動する場合には吸着原子が加わるより小さい傾向を創出する。得られる成長は、面欠陥よりは螺旋構造が有利である傾向があり、既に記したように、貫通構造は、得られたデバイスにバイアスが印加されるときに、殆ど又は全く悪影響をもたらさないように考えられる。

図６は、ベーサルプレーン転位の減少作業から得られたいくつかの特性データが示してあり、Ｘ軸の３インチウェーハに関する進歩的な作製技術に対して、対数軸のＹ軸にベーサルプレーン転位密度（はじめに記したようにピット・ｃｍ^−２単位）がプロットしてある。図６に記載してあるように、典型的基板は約１０^３〜１０^５ｃｍ^−２の転位を含み、その後で、エピタキシャル層を成長させると、密度が約１桁減少する（約１０^２〜１０^３ｃｍ^−２まで減少する）。ＲＩＥか溶融ＫＯＨエッチング（しかし、両方ではない）を使用すると、密度を、ほぼもう一桁（図６の約４０〜５０ｃｍ^−２）だけ減らすことができるが、ＲＩＥもＫＯＨもその他の方法を超える重要な改善をもたらさない。しかしながら、本発明を用いると、もう１桁、すなわち、図６に記録されているデータでは約４〜５ｃｍ^−２まで減らすことができる。

基板の欠陥減少を更に利用するために、後の（例えばデバイス）エピタキシャル層の成長条件を最適化して、ベーサルプレーン転位が貫通転位になるという可能性を高めることができる。主に、これは、プレエッチング、開始成長速度、及び化学量論組成を調整して、転位変転（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｔｕｒｎｉｎｇ）のための手軽な環境を発生させることを含む。

最後に、エピタキシャル層成長中に、転位ループを発生させることもできる。これらのループは、転位がベーサル特性を示すセクションを含むことができ、また、これらのループセグメントは、ショックレー部分転位へと分解することができ、そして積層欠陥を生成し得る。エピタキシャル層成長条件は、ループが形成されないように用いなければならない。実際には、これは、追加の堆積層が、先に堆積した材料を適所に固定する前に、結晶中へ衝突材料を適当に収容するのに充分な時間が存在するように、（充分な温度及び化学量論組成によって）吸着原子の充分な表面移動性を保つことを意味している。

本発明は、伝統的にＳｉＣエピタキシャル層成長技術で充分に対処されていなかった一組の転位の挙動に焦点を当てている。拡張エッチングは、実質的に従来の実行法とは異なる。エピタキシャル層成長の前に基板をＫＯＨエッチング又は選択性エッチングすることは、極めて非典型的である。特にドーピング及び結晶品質の制御がランピング中に問題となるので、成長速度のランピングも珍しい。しかしながら、これらの独特な工程は、技術的な限界問題となっているＶｆドリフトを劇的に低減する機会を提供する。Ｖｆドリフト以外の他のデバイス特性へのこの工程の影響は評価されていない。

拡張ドライエッチングによる損傷材料の除去は、多数の他のアプローチによって達成できる。スパッタリング、イオンミリング、ウェットエッチング及びＣＭＰは明白な代替法である。更に、ウェーハの形削り工程及びポリッシング工程の改良は、表面下損傷を除去する必要性を減らすか又は排除できる。

また、選択性ＫＯＨエッチングは、別のエッチング技術で代替できるか又は最終表面作製工程に若しくはその場でのプレエピタキシャル層成長処理に組み込むこともできる。
そのアプローチは、Ｖｆドリフト又は再結合強化転位すべりのようなＶｆドリフトと同様な性能劣化を経験する任意の半導体デバイスの製造にとって有益であることができる。

本明細書で言及される技術は、それぞれ、当業において一般的に良く認識されており、また、良く理解されているので、不要な実験を行わずとも実行できる。本明細書で出発構造として好ましく使用されるタイプの単結晶炭化珪素ウェーハは、４６００ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｒｉｖｅ，Ｄｕｒｈａｍ，Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ ２７７０６にあるＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．から市販されている。炭化珪素エピタキシャル層の成長は、米国特許第４，９１２，０６３号；第４，９１２，０６４号；第５，６７９，１５３号；及び第６，２９７，５２２号で説明されている技術を使用して行うことができる。炭化珪素のドライエッチング及び電解エッチングは、米国特許第６，０３４，００１号；第５，５７１，３７４号；第５，２２７，０３４号；第４，９８１，５５１号；及び第４，８６５，６８５号で説明されている。エッチング液として溶融水酸化カリウムを使用して、半導体表面を識別し且つ特性を決定することは、よく理解されており、ＡＳＴＭ規格（例えばＡＳＴＭ Ｆ１４０４．９２）として様々なバージョンが挙げられる。基板ウェーハのカッティング、機械的なポリッシング及びラッピングも完全に従来の技術である。

図面及び明細書において、本発明の好ましい態様を開示し、また特定の用語を用いたが、それらは、単に一般的及び説明的な意味で用いているのであって、本発明を限定するために用いているのではない。本発明の範囲は請求の範囲において規定される。

溶融ＫＯＨによるエッチング後のＳｉＣ基板表面の写真である。 ＳｉＣ表面上のキャロット欠陥の写真である。 溶融ＫＯＨによるエッチング後の同じキャロット欠陥の写真である。 エピタキシャル層成長中に形成されたＳｉ液滴からエッチングされたＳｉＣ表面の写真である。 ベーサルプレーン欠陥の伝播に関するＫＯＨエッチングの影響を示している概略図である。 表面作製技術に対するベーサルプレーン転位密度のプロットである。

Claims (21)

1. 以下の工程：すなわち、
   非選択性エッチングによって炭化珪素基板の表面をエッチングして、表面損傷及び表面下損傷の両方を除去する工程；
   その後で、選択性エッチングによって同じ表面をエッチングし、それによって、その後に終端する傾向があるか又は該基板表面上でその次のエピタキシャル層成長中に貫通転位として伝播する傾向がある該基板上の少なくともいくらかのベーサルプレーン転位からエッチング生成構造を発生させる工程；及びその後で、
   二回エッチングされた表面上に炭化珪素の第一エピタキシャル層を成長させる工程
   を含む、炭化珪素ベースのバイポーラデバイスにおいて、積層欠陥核生成を減らし、そして順方向電圧（Ｖｆ）ドリフトを低下させるための基板及びエピタキシャル層を作製する方法。
2. 該非選択性エッチングとして反応性イオンエッチングによって該表面をエッチングすることを含む請求項１記載の方法。
3. 化学的機械的ポリッシング工程によって該表面をエッチングすることを含む請求項１記載の方法。
4. 該選択性エッチングとして溶融塩によって該表面をエッチングする工程を含む請求項１記載の方法。
5. 該二回エッチングされた表面上に導電性エピタキシャル層を成長させる工程を含む請求項１記載の方法。
6. 該二回エッチングされた表面上にｎ型エピタキシャル層を成長させる工程を含む請求項５記載の方法。
7. 該第一導電性エピタキシャル層の上に第二導電性エピタキシャル層を成長させること、及び該第一導電性エピタキシャル層とは逆の導電型を有することを含む請求項１記載の方法。
8. 該第一エピタキシャル層を成長させる工程が、選択的にエッチングされた表面上に半犠牲エピタキシャル層を形成して、エッチングされたベーサルプレーン欠陥が、その後の成長中に、貫通欠陥へと再配向するのを促進させることを含み；そして、該第一エピタキシャル層を形成する前に、以下の工程：すなわち、
   該エッチングされた半犠牲エピタキシャル層をポリッシングしてエッチピットを減らす工程；及び
   該ポリッシングされた半犠牲エピタキシャル層をエッチングして（下地基板には達しない）、該エピタキシャル層をポリッシングする工程から生じる表面下損傷を除去して、それによって、該基板と該ポリッシングされたエピタキシャル層との上に形成されたデバイスにおいて順方向電圧下で積層欠陥を伝播できる表面下欠陥の数を減らす工程 を更に含む、請求項１記載の方法。
9. 化学気相堆積によって該半犠牲エピタキシャル層を形成することを含む請求項８記載の方法。
10. 化学的機械的な方法を使用して該エッチングされた半犠牲エピタキシャル層をポリッシングすることを含む請求項８記載の方法。
11. ドライエッチングを使用して該ポリッシングされた半犠牲エピタキシャル層をエッチングすることを含む請求項８記載の方法。
12. 反応性イオンエッチングを使用して該ポリッシングされた半犠牲エピタキシャル層をエッチングすることを含む請求項１１記載の方法。
13. 該非選択性エッチングの前に、以下の工程：すなわち、
    単結晶ブールから該基板をソーイングする工程；
    該ソーイングされた基板をラッピングする工程；
    ラッピングされた基板をポリッシングする工程；及び
    ポリッシングされた基板を洗浄する工程
    を更に含む請求項１記載の方法。
14. 該第一エピタキシャル層を成長させる工程が、該選択的にエッチングされた表面に存在する典型的な貫通欠陥エッチピット深さの厚さに比べて更に大きな厚さまで、該選択的にエッチングされた基板表面上に導電性エピタキシャル層を成長させて、それによって、該基板の上での追加のポリッシング工程及びエッチング工程を支持するのに充分な厚さを有する該エピタキシャル層を提供すること；そしてその後で、
    該導電性エピタキシャル層の充分な部分をポリッシングし除去して、エッチングされたピットを含む材料を除去し、それによって、該選択的にエッチングされた基板の表面に比べてエッチングされたピットが少ない表面を提供すること；そして
    該エピタキシャル層を研磨する工程から生じる表面下損傷を除去するのに充分な該エピタキシャル層の第二非選択的エッチングを行って（下地基板には達しない）、それによって、該基板と該研磨されたエピタキシャル層との上に形成されたデバイスにおいて、順方向電圧下で積層欠陥を伝播し得る表面下欠陥の数を減らすこと
    を含む請求項１記載の方法。
15. 溶融水酸化カリウムによって該表面を選択的にエッチングすることを含む請求項１４記載の基板作製法。
16. 該エピタキシャル層の該研磨されエッチングされた表面の上にｎ型エピタキシャル層を形成し；そして、該エピタキシャル層の研磨されエッチングされた表面の上にｐ型エピタキシャル層を形成する（ｎ型エピタキシャル層とｐ型エピタキシャル層との間にはｐｎ接合が存在する）ことによって、バイポーラデバイスを形成することを更に含む請求項１４記載の基板作製法。
17. ｎ型炭化珪素基板をエッチングする工程；
    該選択的にエッチングされた基板表面上でｎ型エピタキシャル層を成長させ、ポリッシングし、そしてエッチングする工程；
    該ポリッシングされエッチングされたエピタキシャル層の上に別のｎ型エピタキシャル層を成長させる工程；及び
    該ｎ型エピタキシャル層の上にｐ型エピタキシャル層を成長させる工程（ｎ型エピタキシャル層とｐ型エピタキシャル層との間にはｐｎ接合が存在する）
    を含む請求項１６記載のデバイス作製法。
18. 炭化珪素ブールから炭化珪素基板ウェーハをソーイングする工程；そしてその後で、
    該基板ウェーハ上で該非選択性エッチングを行う工程を更に含む請求項１記載の方法。
19. 該非選択性エッチングの前に、該ソーイングされた基板ウェーハをラッピングしポリッシングする工程を更に含む請求項１８記載の方法。
20. 該第二非選択性エッチングによって作製された該表面の直ぐ上で該第一デバイスエピタキシャル層を成長させる工程を含む請求項１９記載の方法。
21. 炭化珪素の３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒから選択されるポリタイプを有する単結晶炭化珪素基板上で該非選択性エッチング及び選択性エッチングを行う工程を含む請求項１又は請求項１４記載の方法。

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