JP2016213473A - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents

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貴規 田中
Takanori Tanaka
貴規 田中
泰広 木村
Yasuhiro Kimura
泰広 木村
茂久 山本
Shigehisa Yamamoto
茂久 山本
信之 冨田
Nobuyuki Tomita
信之 冨田
阿部 雄次
Yuji Abe
雄次 阿部
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PROBLEM TO BE SOLVED: To inhibit diffusion of stacking fault of a drift layer of a silicon carbide semiconductor device.SOLUTION: A silicon carbide semiconductor device comprises a silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type first silicon carbide semiconductor layer and a second conductivity type second silicon carbide semiconductor on the first silicon carbide semiconductor layer, which has the conductivity type opposite to the first conductivity type. The first silicon carbide semiconductor layer includes a high-concentration layer having a donor impurity at a concentration of ND and an acceptor impurity at a concentration of NA, in which a sum of ND and NA is equal to or higher than 1×10cmand an absolute value of a difference between ND and NA is not less than 5×10cmand not more than 1×10cm. And the first silicon carbide semiconductor layer functions as a drift layer of the semiconductor device.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置に関する。   The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device.

ワイドバンドギャップ半導体である炭化珪素(SiC)は、シリコン(Si)材料と比較して、高い絶縁破壊耐量を有する。このため、半導体装置の製造に用いられるエピタキシャル基板の材料として炭化珪素が用いられる場合、シリコン基板が用いられる場合に比して、耐圧の大幅な低下を避けつつ、基板の不純物濃度を高めることでその電気抵抗を低減することが可能である。抵抗の低減により、半導体装置、特にパワーデバイス、の電力損失を低減することができる。   Silicon carbide (SiC), which is a wide band gap semiconductor, has a higher dielectric breakdown resistance than silicon (Si) materials. For this reason, when silicon carbide is used as the material of the epitaxial substrate used for manufacturing a semiconductor device, the impurity concentration of the substrate can be increased while avoiding a significant decrease in breakdown voltage compared to the case where a silicon substrate is used. The electrical resistance can be reduced. By reducing the resistance, the power loss of the semiconductor device, particularly the power device, can be reduced.

SiCエピタキシャルウェハにおける抵抗の低減を意図した技術としては、たとえば、下記の特許文献1に記載のものがある。この技術によれば、SiCエピタキシャル層がp型の場合、SiCエピタキシャル層が含有するp型不純物を「元素A」、n型不純物を「元素D」とする場合に、元素Dの濃度の元素Aの濃度に対する比が0.33より大きく1.0より小さい。またSiCエピタキシャル層がn型の場合、元素Dの濃度の元素Aの濃度に対する比が0.40より大きく0.95より小さい。   As a technique intended to reduce resistance in a SiC epitaxial wafer, for example, there is a technique described in Patent Document 1 below. According to this technique, when the SiC epitaxial layer is p-type, when the p-type impurity contained in the SiC epitaxial layer is “element A” and the n-type impurity is “element D”, the element A having the concentration of element D is used. The ratio to the concentration is greater than 0.33 and less than 1.0. When the SiC epitaxial layer is n-type, the ratio of the concentration of element D to the concentration of element A is greater than 0.40 and less than 0.95.

一方、炭化珪素結晶中には、基底面転位、または、単結晶基板とエピタキシャル層との界面で発生するミスフィット転位などの線欠陥が、ある程度存在することが一般的である。炭化珪素半導体装置がpnダイオード構造を有する場合、pnダイオード構造に注入された少数キャリアが多数キャリアと再結合するときに生じる再結合エネルギーによって、上記線欠陥を起点として、面欠陥である積層欠陥が拡張していく。積層欠陥は、線欠陥を起点として、基底面に沿って、かつエピタキシャル成長時のステップフロー方向に垂直な方向に沿って、三角形状または帯状に拡張する(たとえば、下記の非特許文献1参照)。積層欠陥は電流の流れを阻害する抵抗として作用するので、積層欠陥が増加するほど順方向電圧(いわゆるVf)が増大していく。これによりデバイス特性の劣化が引き起こされる。   On the other hand, in silicon carbide crystals, there are generally some line defects such as basal plane dislocations or misfit dislocations occurring at the interface between the single crystal substrate and the epitaxial layer. When the silicon carbide semiconductor device has a pn diode structure, a stacking fault that is a plane defect starts from the line defect due to recombination energy generated when minority carriers injected into the pn diode structure recombine with majority carriers. Expand. The stacking fault starts from a line defect and extends in a triangular shape or in a strip shape along the base surface and in a direction perpendicular to the step flow direction during epitaxial growth (for example, see Non-Patent Document 1 below). Since the stacking fault acts as a resistance that inhibits the flow of current, the forward voltage (so-called Vf) increases as the stacking fault increases. This causes deterioration of device characteristics.

積層欠陥による順方向電圧のシフトは、SiC−MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)でも同様に発生するとの報告がある(たとえば、下記の非特許文献2参照)。MOSFET構造は、ソースとドレインとの間に、ボディダイオードと呼ばれる寄生ダイオードを有する。よってボディダイオードに順方向電流が流れ続けると、上述したのと同様の劣化が引き起こされる。このため、MOSFETによるスイッチング回路の還流ダイオードとしてボディダイオードが利用されると、MOSFET特性の変動、たとえば順方向電圧のシフト、が引き起こされ、それにより信頼性上の問題が生じる。この問題は、比較的低い順方向電圧を有するショットキーバリアダイオードを還流ダイオードとして設けることで緩和し得るものの、寄生ダイオードに順方向電流が流れることを完全に防止することは難しい。順方向電圧のシフトは、MOSFETが形成されるチップ内に含まれる、拡張された積層欠陥の面積の和に比例する。したがって、順方向電圧のシフトを抑制するためには、この面積を抑える必要がある。   It has been reported that the forward voltage shift due to stacking faults occurs similarly in SiC-MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) (for example, see Non-Patent Document 2 below). The MOSFET structure has a parasitic diode called a body diode between a source and a drain. Therefore, if a forward current continues to flow through the body diode, the same deterioration as described above is caused. For this reason, when a body diode is used as a free-wheeling diode of a switching circuit using a MOSFET, fluctuations in MOSFET characteristics, for example, a forward voltage shift, are caused, thereby causing a problem in reliability. Although this problem can be alleviated by providing a Schottky barrier diode having a relatively low forward voltage as a freewheeling diode, it is difficult to completely prevent the forward current from flowing through the parasitic diode. The forward voltage shift is proportional to the sum of the areas of the extended stacking faults included in the chip in which the MOSFET is formed. Therefore, in order to suppress the shift of the forward voltage, it is necessary to suppress this area.

特開2014―185048号公報JP 2014-185048 A

Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 39, No. 6, pp. 684−687 (2010) “Electrical and Optical Properties of Stacking Faults in 4H−SiC Devices”Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 39, no. 6, pp. 684-687 (2010) “Electrical and Optical Properties of Stacking Faults in 4H-SiC Devices” IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol. 28, No. 7, pp. 587−589 (2007) ”A New Degradation Mechanism in High−Voltage SiC Power MOSFETs”IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol. 28, no. 7, pp. 587-589 (2007) "A New Degradation Mechanism in High-Voltage SiC Power MOSFETs"

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、耐圧の大幅な低下を避けつつ積層欠陥の拡張を抑制することができる炭化珪素エピタキシャル基板および炭化珪素半導体装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a silicon carbide epitaxial substrate and a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing expansion of stacking faults while avoiding a significant decrease in breakdown voltage. Is to provide.

本発明の炭化珪素半導体装置は、炭化珪素半導体基板と、第1導電型の第1炭化珪素半導体層と、第1炭化珪素半導体層上に第1導電型とは反対の導電型を有する第2導電型の第2炭化珪素半導体領域とを備え、第1炭化珪素半導体層は、濃度NDのドナー不純物と濃度NAのアクセプタ不純物とを有する高濃度層を含み、NDおよびNAの和は1×1018cm−3以上であり、NDおよびNAの差の絶対値は5×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であって、第1炭化珪素半導体層が前記半導体装置のドリフト層として働く。 A silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type first silicon carbide semiconductor layer, and a second conductivity type opposite to the first conductivity type on the first silicon carbide semiconductor layer. A first silicon carbide semiconductor layer including a high-concentration layer having a donor impurity having a concentration of ND and an acceptor impurity having a concentration of NA, and the sum of ND and NA is 1 × 10 18 cm −3 or more, the absolute value of the difference between ND and NA is 5 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less, and the first silicon carbide semiconductor layer is the drift layer of the semiconductor device Work as.

本発明の炭化珪素半導体装置によれば、耐圧の大幅な低下を避けつつ、積層欠陥の拡張を抑制することができる。   According to the silicon carbide semiconductor device of the present invention, expansion of stacking faults can be suppressed while avoiding a significant decrease in breakdown voltage.

本発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。1 is a plan view schematically showing a configuration of a silicon carbide semiconductor device in a first embodiment of the present invention. 図1の線II−IIに沿う概略的な部分断面図である。FIG. 2 is a schematic partial sectional view taken along line II-II in FIG. 1. 本発明の実施の形態1における炭化珪素エピタキシャル基板の構成を概略的に示す断面図である。1 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a silicon carbide epitaxial substrate in a first embodiment of the present invention. 使用により特性が劣化した比較例の炭化珪素半導体装置の炭化珪素エピタキシャル基板中における積層欠陥の拡張の例を模式的に示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows typically the example of the extension of the stacking fault in the silicon carbide epitaxial substrate of the silicon carbide semiconductor device of the comparative example whose characteristic deteriorated by use. 本発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows schematically the structure of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における炭化珪素エピタキシャル基板の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the silicon carbide epitaxial substrate in Embodiment 2 of this invention. 図6の第1の変形例である。It is the 1st modification of FIG. 図6の第2の変形例である。It is the 2nd modification of FIG. 図6の第3の変形例である。It is the 3rd modification of FIG. 本発明の実施の形態3における炭化珪素半導体装置の積層欠陥の観察に用いた炭化珪素エピタキシャル基板の構成を概略的に示す断面図である。FIG. 11 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a silicon carbide epitaxial substrate used for observation of stacking faults in a silicon carbide semiconductor device in a third embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態3における炭化珪素半導体装置の積層欠陥の観察結果を示す透過型電子顕微鏡写真である。It is a transmission electron micrograph which shows the observation result of the stacking fault of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4における炭化珪素半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。FIG. 10 is a partial cross sectional view schematically showing a configuration of a silicon carbide semiconductor device in a fourth embodiment of the present invention.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<実施の形態1>
(炭化珪素半導体装置の構成)
図1および図2を参照して、本実施の形態のMOSFET100(炭化珪素半導体装置)は、エピタキシャル基板51Pと、ゲート絶縁膜12と、ゲート電極13と、ソース電極2と、ドレイン電極32と、ゲートパッド1とを有する。エピタキシャル基板51Pはn型を有する。エピタキシャル基板51Pは炭化珪素から作られている。エピタキシャル基板51Pは、六方晶系の結晶構造を有し、たとえばポリタイプ4Hを有する。
<Embodiment 1>
(Configuration of silicon carbide semiconductor device)
Referring to FIGS. 1 and 2, MOSFET 100 (silicon carbide semiconductor device) of the present embodiment includes an epitaxial substrate 51P, a gate insulating film 12, a gate electrode 13, a source electrode 2, a drain electrode 32, And a gate pad 1. Epitaxial substrate 51P has n type. Epitaxial substrate 51P is made of silicon carbide. Epitaxial substrate 51P has a hexagonal crystal structure, for example, polytype 4H.

エピタキシャル基板51Pは、単結晶基板10(炭化珪素単結晶基板)と、エピタキシャル層41Pとを有する。単結晶基板10は、3×1018cm−3以上の不純物濃度を有する。単結晶基板10の一方面(図2における上面)の面方位は、c面({0001}面)に対して、0°を超えるオフ角を有する。c面はカーボン面(C面)およびシリコン面(Si面)のいずれであってもよい。オフ角は1°以上8°以下であることが好ましい。エピタキシャル層41Pは、単結晶基板10の上面上に設けられている。エピタキシャル層41Pの主面(図2の上面)の面方位は、単結晶基板10の上面の面方位と同様である。 Epitaxial substrate 51P includes single crystal substrate 10 (silicon carbide single crystal substrate) and epitaxial layer 41P. Single crystal substrate 10 has an impurity concentration of 3 × 10 18 cm −3 or more. The plane orientation of one surface (upper surface in FIG. 2) of single crystal substrate 10 has an off angle exceeding 0 ° with respect to the c-plane ({0001} plane). The c surface may be either a carbon surface (C surface) or a silicon surface (Si surface). The off angle is preferably 1 ° or more and 8 ° or less. Epitaxial layer 41 </ b> P is provided on the upper surface of single crystal substrate 10. The plane orientation of the main surface (upper surface in FIG. 2) of epitaxial layer 41P is the same as the plane orientation of the upper surface of single crystal substrate 10.

エピタキシャル層41Pは、ドリフト層11と、ウェル領域14(不純物領域)と、ソース領域15と、ウェルコンタクト領域16とを有する。エピタキシャル層41Pの一方面(図2における上面)には、各々がMOS構造を有するセルが周期的に配置されたセル構造が形成されている。各セルは並列接続されており、それによりトランジスタアレイ構造が構成されている。以下、より詳細な構造について説明する。   Epitaxial layer 41 </ b> P has drift layer 11, well region 14 (impurity region), source region 15, and well contact region 16. A cell structure in which cells each having a MOS structure are periodically arranged is formed on one surface (upper surface in FIG. 2) of the epitaxial layer 41P. Each cell is connected in parallel to form a transistor array structure. Hereinafter, a more detailed structure will be described.

ドリフト層11は、単結晶基板10の上面上に設けられている。ドリフト層11は、デバイス動作時においてソース/ドレイン電極間に定格電圧が印加されたオフ時に、pn接合からの空乏層が伸び得る領域(活性層)であり、それによりオフ状態にあるMOSFET100に印加されるソース/ドレイン電極間(主電極間)の電圧が保持される。本実施の形態の場合、ドリフト層11とp型のウェル領域14との間のpn接合からの空乏層が伸び得る領域をドリフト層11と呼ぶ。ドリフト層11の厚さ(図2における縦方向の寸法)は、パワーデバイスに求められる耐圧および特性に応じて決定され、たとえば、3μmから200μm程度である。   Drift layer 11 is provided on the upper surface of single crystal substrate 10. The drift layer 11 is a region (active layer) in which a depletion layer from the pn junction can extend when the rated voltage is applied between the source / drain electrodes during device operation, and is thereby applied to the MOSFET 100 in the off state. The voltage between the source / drain electrodes (between the main electrodes) is maintained. In the present embodiment, a region where a depletion layer from the pn junction between the drift layer 11 and the p-type well region 14 can extend is called a drift layer 11. The thickness of drift layer 11 (the vertical dimension in FIG. 2) is determined according to the breakdown voltage and characteristics required for the power device, and is, for example, about 3 μm to 200 μm.

本実施の形態においては、ドリフト層11は高濃度層21によって構成されている。言い換えれば、ドリフト層11は高濃度層21のみからなる。   In the present embodiment, the drift layer 11 is composed of the high concentration layer 21. In other words, the drift layer 11 includes only the high concentration layer 21.

高濃度層21は、濃度NDのドナー不純物と、濃度NAのアクセプタ不純物とを有する。NDおよびNAの和は1×1018cm−3以上である。ドナー不純物によるキャリア生成とアクセプタ不純物によるキャリア生成とが互いに相殺されることから、高濃度層21の実効不純物濃度は、NDおよびNAの差の絶対値に相当する。NDおよびNAの差の絶対値は、5×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、好ましくは1×1016cm−3以下である。絶対値の具体的値は、MOSFET100に求められる耐圧および特性に応じて選択され得る。本実施の形態においては、ND>NAが満たされることにより、ドリフト層11、すなわち高濃度層21、はn型を有する。よってMOSFET100はnチャネル型である。これによりMOSFET100は、移動度の高い電子をキャリアとして活用することができる。 The high concentration layer 21 includes a donor impurity having a concentration ND and an acceptor impurity having a concentration NA. The sum of ND and NA is 1 × 10 18 cm −3 or more. Since carrier generation by the donor impurity and carrier generation by the acceptor impurity cancel each other, the effective impurity concentration of the high concentration layer 21 corresponds to the absolute value of the difference between ND and NA. The absolute value of the difference between ND and NA is 5 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less, and preferably 1 × 10 16 cm −3 or less. The specific value of the absolute value can be selected according to the breakdown voltage and characteristics required for the MOSFET 100. In the present embodiment, when ND> NA is satisfied, the drift layer 11, that is, the high concentration layer 21 has an n-type. Therefore, MOSFET 100 is an n-channel type. Thereby, MOSFET100 can utilize an electron with high mobility as a carrier.

ドナー不純物としては、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)またはアンチモン(Sb)のいずれか1種類または複数種類の原子を用いることができる。アクセプタ不純物としては、アルミニウム(Al)、ボロン(B)、ガリウム(Ga)またはインジウム(In)のいずれか1種類または複数種類の原子を用いることができる。たとえば、ドナー不純物としての6×1017cm−3のN原子と、アクセプタ不純物としての5.5×1017cm−3のAl原子とが共に高濃度層21に添加される。この場合、総不純物濃度は1.15×1018cm−3であり、実効不純物濃度は5×1016cm−3である。このように高濃度層21においては、実効不純物濃度が低くされつつ、総不純物濃度が高くされている。なお高濃度層21内において、NAと、NBと、NAおよびNBの差との各々は、必ずしも均一である必要はなく、たとえば厚さ方向(図2における縦方向)において変化していてもよい。 As the donor impurity, one or more kinds of atoms of nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb) can be used. As the acceptor impurity, one or more kinds of atoms of aluminum (Al), boron (B), gallium (Ga), and indium (In) can be used. For example, N atoms of 6 × 10 17 cm −3 as donor impurities and Al atoms of 5.5 × 10 17 cm −3 as acceptor impurities are both added to the high concentration layer 21. In this case, the total impurity concentration is 1.15 × 10 18 cm −3 and the effective impurity concentration is 5 × 10 16 cm −3 . Thus, in the high concentration layer 21, the total impurity concentration is increased while the effective impurity concentration is decreased. In the high-concentration layer 21, NA, NB, and the difference between NA and NB do not necessarily have to be uniform, and may vary, for example, in the thickness direction (vertical direction in FIG. 2). .

ウェル領域14は、ドリフト層11上に設けられており、ドリフト層11によって単結晶基板10から隔てられている。ウェル領域14は、ドリフト層11の導電型であるn型と反対の導電型であるp型を有する。第1導電型(ここではn型)の第1炭化珪素半導体層であるドリフト層11と、反対の導電型である第2導電型(ここではp型)の第2炭化珪素半導体領域であるウェル領域14が接合し、これにより、ドリフト層11とウェル領域14とによるpnダイオード構造が設けられている。   Well region 14 is provided on drift layer 11 and is separated from single crystal substrate 10 by drift layer 11. The well region 14 has a p-type that is the conductivity type opposite to the n-type that is the conductivity type of the drift layer 11. Drift layer 11 which is a first silicon carbide semiconductor layer of the first conductivity type (here n-type) and a well which is a second silicon carbide semiconductor region of the second conductivity type (here p-type) which is the opposite conductivity type. The region 14 is joined to thereby provide a pn diode structure including the drift layer 11 and the well region 14.

ウェルコンタクト領域16はウェル領域14上に設けられている。ウェルコンタクト領域16は、ウェル領域14の導電型と同じ導電型を有し、かつウェル領域14の不純物濃度よりも高い不純物濃度かつキャリア濃度を有する。これによりウェルコンタクト領域16はソース電極2に小さなコンタクト抵抗で接続されている。ソース領域15は、ウェル領域14上に設けられており、ウェル領域14によってドリフト層11から隔てられている。ソース領域15は、ドリフト層11と同様にn型を有する。ソース領域15は、たとえば、平面視においてウェルコンタクト領域16の周りを取り囲むように形成されている。   The well contact region 16 is provided on the well region 14. The well contact region 16 has the same conductivity type as that of the well region 14 and has an impurity concentration and a carrier concentration higher than the impurity concentration of the well region 14. Thereby, the well contact region 16 is connected to the source electrode 2 with a small contact resistance. The source region 15 is provided on the well region 14 and is separated from the drift layer 11 by the well region 14. The source region 15 has n-type similarly to the drift layer 11. The source region 15 is formed so as to surround the well contact region 16 in a plan view, for example.

ゲート絶縁膜12は、エピタキシャル層41P上において、ソース領域15とドリフト層11との間でウェル領域14を覆っている。ゲート絶縁膜12は、ウェルコンタクト領域16と、ソース領域15の一部とを露出する開口部を有する。図2においては、ゲート絶縁膜12は、隣り合う2つのセルの一方のソース領域15と他方のソース領域15との間にわたって形成されている。ゲート電極13は、ゲート絶縁膜12上に設けられており、ゲート絶縁膜12を介してウェル領域14に対向している。層間絶縁膜17はゲート電極13を覆っている。ソース電極2は、ゲート絶縁膜12とゲート電極13と層間絶縁膜17とが設けられたエピタキシャル層41P上に設けられている。ソース電極2は、ソース領域15およびウェルコンタクト領域16に接しており、層間絶縁膜17によってゲート電極13から隔てられている。ソース電極2は、MOSFET100の一方面(図2における上面)において露出された部分を有し、これによりソースパッドとしての機能を有する。ソース電極2は、たとえばアルミニウム電極である。ドレイン電極32は単結晶基板10の他方面(図2における下面)上に設けられている。ゲートパッド1は、ゲート電極13に接続されており、MOSFET100の一方面において露出されている。   The gate insulating film 12 covers the well region 14 between the source region 15 and the drift layer 11 on the epitaxial layer 41P. The gate insulating film 12 has an opening that exposes the well contact region 16 and a part of the source region 15. In FIG. 2, the gate insulating film 12 is formed between one source region 15 and the other source region 15 of two adjacent cells. The gate electrode 13 is provided on the gate insulating film 12 and faces the well region 14 with the gate insulating film 12 interposed therebetween. The interlayer insulating film 17 covers the gate electrode 13. The source electrode 2 is provided on the epitaxial layer 41P on which the gate insulating film 12, the gate electrode 13, and the interlayer insulating film 17 are provided. Source electrode 2 is in contact with source region 15 and well contact region 16, and is separated from gate electrode 13 by interlayer insulating film 17. The source electrode 2 has a portion exposed on one surface (upper surface in FIG. 2) of the MOSFET 100, and thereby functions as a source pad. Source electrode 2 is, for example, an aluminum electrode. Drain electrode 32 is provided on the other surface (lower surface in FIG. 2) of single crystal substrate 10. The gate pad 1 is connected to the gate electrode 13 and is exposed on one surface of the MOSFET 100.

(炭化珪素エピタキシャル基板の構成および製造方法)
図3を参照して、次に、MOSFET100の製造に用いられるエピタキシャル基板51(炭化珪素エピタキシャル基板)について説明する。エピタキシャル基板51は、単結晶基板10と、エピタキシャル層41とを有する。エピタキシャル層41は、単結晶基板10上に設けられている。エピタキシャル層41は、上述した高濃度層21によって構成されている。言い換えれば、本実施の形態においては、エピタキシャル層41は高濃度層21のみからなる。エピタキシャル基板51(図3)からMOSFET100(図2)を製造する際には、注入マスクを用いた選択的なイオン注入によってエピタキシャル層41からエピタキシャル層41Pが形成される。エピタキシャル層41、すなわち高濃度層21、のうちの一部が、そのままMOSFET100のドリフト層11として用いられる。
(Configuration and manufacturing method of silicon carbide epitaxial substrate)
Next, epitaxial substrate 51 (silicon carbide epitaxial substrate) used for manufacturing MOSFET 100 will be described with reference to FIG. Epitaxial substrate 51 includes single crystal substrate 10 and epitaxial layer 41. Epitaxial layer 41 is provided on single crystal substrate 10. The epitaxial layer 41 is configured by the high concentration layer 21 described above. In other words, in the present embodiment, the epitaxial layer 41 includes only the high concentration layer 21. When manufacturing the MOSFET 100 (FIG. 2) from the epitaxial substrate 51 (FIG. 3), the epitaxial layer 41P is formed from the epitaxial layer 41 by selective ion implantation using an implantation mask. A part of the epitaxial layer 41, that is, the high concentration layer 21 is used as the drift layer 11 of the MOSFET 100 as it is.

次にエピタキシャル基板51の製造方法、すなわち、単結晶基板10上にエピタキシャル層41を形成する方法について説明する。エピタキシャル層41は単結晶基板10上に、CVD(Chemical Vapor Deposition;化学気相成長)法を用いて形成される。なお、以下の具体的な説明においてドナー不純物およびアクセプタ不純物のそれぞれとしてN原子およびAl原子が用いられる場合について説明するが、不純物の種類がこれらに限定されるものではない。   Next, a manufacturing method of the epitaxial substrate 51, that is, a method of forming the epitaxial layer 41 on the single crystal substrate 10 will be described. Epitaxial layer 41 is formed on single crystal substrate 10 using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. In the following specific description, the case where N atoms and Al atoms are used as the donor impurity and the acceptor impurity will be described, but the types of impurities are not limited to these.

まず単結晶基板10が反応炉中に設置され、1400℃から1800℃に加熱される。次に、プロセスガスが導入されることで、単結晶基板10上における炭化珪素のエピタキシャル成長が行われる。成長速度は3μm/hから100μm/h程度である。また反応炉の圧力は1kPaから30kPa程度である。   First, the single crystal substrate 10 is placed in a reaction furnace and heated from 1400 ° C. to 1800 ° C. Next, by introducing a process gas, epitaxial growth of silicon carbide on single crystal substrate 10 is performed. The growth rate is about 3 μm / h to 100 μm / h. The reactor pressure is about 1 kPa to 30 kPa.

プロセスガスとしては、キャリアガスに原料ガスおよびドーパントガスが混合されたものが用いられる。たとえば、キャリアガスには水素(H)が用いられ、原料ガスには、シラン(SiH)およびジシラン(Si)に代表されるシリコン含有ガスと、プロパン(C)およびメタン(CH)に代表される炭素含有ガスとが用いられる。原料ガス中のC原子およびSi原子の比、すなわちC/Si比、は0.5から1.5とされる。 As the process gas, a carrier gas mixed with a source gas and a dopant gas is used. For example, hydrogen (H 2 ) is used as the carrier gas, and the raw material gas includes a silicon-containing gas typified by silane (SiH 4 ) and disilane (Si 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), and A carbon-containing gas typified by methane (CH 4 ) is used. The ratio of C atoms and Si atoms in the source gas, that is, the C / Si ratio, is set to 0.5 to 1.5.

エピタキシャル層41としての高濃度層21を形成するために、ドーパントガスとしては、ドナー不純物としてのN原子の添加のための窒素(N)ガスと、アクセプタ不純物としてのAl原子の添加のための、Al原子を含有するガスとが同時に用いられる。Al原子を含有するガスは、たとえば、キャリアガスとしての水素によってトリメチルアルミニウム(TMAl)をバブリングすることによって得られる。成長速度を向上させるためにハライド含有ガスを用いてもよい。各ガスの流量は、所望のC/Si比および不純物濃度を有する高濃度層21が得られるよう、マスフローコントローラによって精密に制御されることが好ましい。 In order to form the high-concentration layer 21 as the epitaxial layer 41, as a dopant gas, nitrogen (N 2 ) gas for adding N atoms as donor impurities and Al atoms as acceptor impurities are added. A gas containing Al atoms is used at the same time. The gas containing Al atoms is obtained, for example, by bubbling trimethylaluminum (TMAl) with hydrogen as a carrier gas. A halide-containing gas may be used to improve the growth rate. The flow rate of each gas is preferably precisely controlled by a mass flow controller so that a high concentration layer 21 having a desired C / Si ratio and impurity concentration can be obtained.

エピタキシャル層41の厚さおよび不純物濃度をエピタキシャル層41内でより均一にするために、成膜中に単結晶基板10は自転、公転または自公転させられることが望ましい。また、厚さ方向における不純物濃度の分布を所望のものとするために、成長中にガス流量が調整されてもよい。このような調整は、厚さ方向に均一な不純物濃度が求められる場合であっても、炉内環境の変化に対応する目的で行われ得る。   In order to make the thickness and impurity concentration of the epitaxial layer 41 more uniform in the epitaxial layer 41, it is desirable that the single crystal substrate 10 be rotated, revolved or revolved during film formation. Further, the gas flow rate may be adjusted during growth in order to obtain a desired impurity concentration distribution in the thickness direction. Such adjustment can be performed for the purpose of responding to changes in the furnace environment even when a uniform impurity concentration is required in the thickness direction.

(比較例)
図4は、比較例のMOSFETが有するエピタキシャル基板51Zを部分的に示す。エピタキシャル基板51Zは、単結晶基板10と、エピタキシャル層41Zとを有する。比較例のMOSFETのドリフト層11Zは、1×1018cm−3未満の総不純物濃度を有する低濃度層20によって構成されている。低濃度層20には、ドナーが添加されているものの、アクセプタは添加されていない。よって低濃度層20の総不純物濃度および実効不純物濃度は、いずれもドナー不純物濃度と実質的に同じである。低濃度層20はドリフト層11Zを構成しているので、比較的低い実効不純物濃度を有する必要がある。このことは、総不純物濃度も比較的低いことを意味する。
(Comparative example)
FIG. 4 partially shows an epitaxial substrate 51Z included in the MOSFET of the comparative example. Epitaxial substrate 51Z has single crystal substrate 10 and epitaxial layer 41Z. The drift layer 11Z of the MOSFET of the comparative example is configured by a low concentration layer 20 having a total impurity concentration of less than 1 × 10 18 cm −3 . Although the donor is added to the low concentration layer 20, no acceptor is added. Therefore, the total impurity concentration and the effective impurity concentration of the low concentration layer 20 are both substantially the same as the donor impurity concentration. Since the low concentration layer 20 constitutes the drift layer 11Z, it needs to have a relatively low effective impurity concentration. This means that the total impurity concentration is also relatively low.

エピタキシャル層41Zの炭化珪素結晶中には、基底面転位、または、単結晶基板10とエピタキシャル層41Zとの界面で発生するミスフィット転位などの線欠陥が、ある程度存在することが一般的である。MOSFETの寄生pnダイオード構造に注入された少数キャリアが多数キャリアと再結合するときに生じる再結合エネルギーによって、上記線欠陥を起点として、面欠陥である積層欠陥30が拡張していく。積層欠陥30は、線欠陥を起点として、c軸CAに垂直な基底面に沿って、かつエピタキシャル成長時のステップフロー方向に垂直な方向に沿って、三角形状または帯状に拡張する。よってエピタキシャル基板51Zのオフ角がゼロでない限り、積層欠陥30は、エピタキシャル層41Zの表面へ拡張し、またその起点がエピタキシャル層41Z内部に位置する場合は単結晶基板10との界面へ拡張する。積層欠陥30は電流の流れを阻害する抵抗として作用するので、積層欠陥30が増加するほど順方向電圧が増大していく。これによりMOSFETの特性の劣化が引き起こされる。   In the silicon carbide crystal of the epitaxial layer 41Z, there are generally some line defects such as basal plane dislocations or misfit dislocations generated at the interface between the single crystal substrate 10 and the epitaxial layer 41Z. Due to the recombination energy generated when minority carriers injected into the parasitic pn diode structure of the MOSFET recombine with the majority carriers, the stacking fault 30 which is a surface defect expands starting from the line defect. The stacking fault 30 starts from a line defect as a starting point, extends along a basal plane perpendicular to the c-axis CA, and extends along a direction perpendicular to the step flow direction during epitaxial growth into a triangular shape or a strip shape. Therefore, as long as the off-angle of epitaxial substrate 51Z is not zero, stacking fault 30 extends to the surface of epitaxial layer 41Z, and extends to the interface with single crystal substrate 10 when the starting point is located inside epitaxial layer 41Z. Since the stacking fault 30 acts as a resistance that inhibits the flow of current, the forward voltage increases as the stacking fault 30 increases. This causes deterioration of the characteristics of the MOSFET.

(効果)
本実施の形態のMOSFET100(図2)によれば、ドリフト層11中の積層欠陥の拡張が、総不純物濃度1×1018cm−3以上の高濃度層21により抑制される。また高濃度層21が5×1014cm−3以上の実効不純物濃度を有することによりドリフト層11として十分な導電性を高濃度層21に付与しつつ、高濃度層21が1×1017cm−3以下、好ましくは1×1016cm−3以下、の実効不純物濃度を有することにより耐圧の大幅な低下を避けることができる。以上から、耐圧の大幅な低下を避けつつ、積層欠陥の拡張を抑制することができる。
(effect)
According to MOSFET 100 (FIG. 2) of the present embodiment, expansion of stacking faults in drift layer 11 is suppressed by high concentration layer 21 having a total impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more. Further, since the high concentration layer 21 has an effective impurity concentration of 5 × 10 14 cm −3 or more, the high concentration layer 21 is 1 × 10 17 cm while imparting sufficient conductivity as the drift layer 11 to the high concentration layer 21. By having an effective impurity concentration of −3 or less, preferably 1 × 10 16 cm −3 or less, a significant decrease in breakdown voltage can be avoided. From the above, the expansion of stacking faults can be suppressed while avoiding a significant decrease in breakdown voltage.

なお「積層欠陥の拡張を抑制する」とは、たとえば、MOSFET100のボディダイオードに順方向電流が流れたときの多数キャリアと少数キャリアとの再結合によって引き起こされる積層欠陥の拡張を防止するか、または、積層欠陥のいったん生じた拡張を停止させることでそのさらなる拡大を防止することをいう。   Note that “suppressing extension of stacking faults” means, for example, preventing extension of stacking faults caused by recombination of majority carriers and minority carriers when forward current flows through the body diode of MOSFET 100, or This means that the further expansion of the stacking fault is prevented by stopping the expansion.

本実施の形態のエピタキシャル基板51(図3)を用いて炭化珪素半導体装置を製造すれば、エピタキシャル層41中の積層欠陥の拡張が、総不純物濃度1×1018cm−3以上の高濃度層21により抑制される。また高濃度層21が5×1014cm−3以上の実効不純物濃度を有することにより不純物層として有用性の高い導電性を高濃度層21に付与しつつ、高濃度層21が1×1017cm−3以下、好ましくは1×1016cm−3以下、の実効不純物濃度を有することにより耐圧の大幅な低下を避けることができる。以上から、耐圧の大幅な低下を避けつつ、積層欠陥の拡張を抑制することができる。 If a silicon carbide semiconductor device is manufactured using epitaxial substrate 51 (FIG. 3) of the present embodiment, the extension of stacking faults in epitaxial layer 41 is a high concentration layer having a total impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more. 21 is suppressed. In addition, since the high concentration layer 21 has an effective impurity concentration of 5 × 10 14 cm −3 or more, the high concentration layer 21 is 1 × 10 17 while imparting conductivity highly useful as an impurity layer to the high concentration layer 21. By having an effective impurity concentration of cm −3 or less, preferably 1 × 10 16 cm −3 or less, a significant decrease in breakdown voltage can be avoided. From the above, the expansion of stacking faults can be suppressed while avoiding a significant decrease in breakdown voltage.

また、本実施の形態の形態においては、単結晶基板10上にエピタキシャル層41(ドリフト層11)を直接形成したものについて説明してきたが、単結晶基板10とエピタキシャル層41(ドリフト層11)との間に、エピタキシャル層41と同じ第1導電型のバッファ層23を備えていてもよい。バッファ層23を備えた炭化珪素半導体装置においても、バッファ層23が無いものと同様に、耐圧の大幅な低下を避けつつ、積層欠陥の拡張を抑制することができる。   In the present embodiment, the case where the epitaxial layer 41 (drift layer 11) is directly formed on the single crystal substrate 10 has been described. However, the single crystal substrate 10, the epitaxial layer 41 (drift layer 11), The buffer layer 23 of the same first conductivity type as that of the epitaxial layer 41 may be provided. In the silicon carbide semiconductor device provided with the buffer layer 23 as well as without the buffer layer 23, expansion of stacking faults can be suppressed while avoiding a significant decrease in breakdown voltage.

<実施の形態2>
(炭化珪素半導体装置の構成)
図5を参照して、本実施の形態のMOSFET110(炭化珪素半導体装置)は、実施の形態1のエピタキシャル基板51P(図2)に代わり、エピタキシャル基板52Pを有する。エピタキシャル基板52Pは、エピタキシャル層41Pに代わり、エピタキシャル層42Pを有する。エピタキシャル層42Pは低濃度層20Aおよび20Bと、それらの間に位置する高濃度層21とを有する。低濃度層20Aおよび20Bのそれぞれは厚さTAおよびTBを有する。本実施の形態においては、おおよそTA=TBが満たされている。高濃度層21は単結晶基板10と平行に延在している。言い換えれば、エピタキシャル層42Pは、単結晶基板10上に低濃度層20A/高濃度層21/低濃度層20Bの順に積層された積層膜を有する。
<Embodiment 2>
(Configuration of silicon carbide semiconductor device)
Referring to FIG. 5, MOSFET 110 (silicon carbide semiconductor device) of the present embodiment has an epitaxial substrate 52P instead of epitaxial substrate 51P (FIG. 2) of the first embodiment. The epitaxial substrate 52P has an epitaxial layer 42P instead of the epitaxial layer 41P. Epitaxial layer 42P has low concentration layers 20A and 20B and high concentration layer 21 located between them. Each of the low concentration layers 20A and 20B has thicknesses TA and TB. In the present embodiment, approximately TA = TB is satisfied. High concentration layer 21 extends in parallel with single crystal substrate 10. In other words, the epitaxial layer 42P has a laminated film that is laminated on the single crystal substrate 10 in the order of the low concentration layer 20A / the high concentration layer 21 / the low concentration layer 20B.

エピタキシャル層42Pにおいては、ドリフト層11は高濃度層21に加えて低濃度層20Aおよび20Bを含む。よって低濃度層20Aおよび20Bの各々は、高濃度層21と同様にn型を有する。ウェル領域14は、低濃度層20B上に高濃度層21から離れて設けられている。   In epitaxial layer 42P, drift layer 11 includes low concentration layers 20A and 20B in addition to high concentration layer 21. Therefore, each of the low concentration layers 20 </ b> A and 20 </ b> B has an n-type like the high concentration layer 21. The well region 14 is provided away from the high concentration layer 21 on the low concentration layer 20B.

ドリフト層11の厚さ方向において、高濃度層21が占める割合は、低濃度層20Aおよび20Bが占める割合よりも小さいことが好ましい。高濃度層21の厚さは1μm以下であることが好ましい。   In the thickness direction of the drift layer 11, the proportion of the high concentration layer 21 is preferably smaller than the proportion of the low concentration layers 20 </ b> A and 20 </ b> B. The thickness of the high concentration layer 21 is preferably 1 μm or less.

低濃度層20Aおよび20Bの各々は1×1018cm−3未満の総不純物濃度を有する。よって低濃度層20Aおよび20Bの各々の総不純物濃度は高濃度層21の総不純物濃度よりも低い。低濃度層20Aおよび20Bの各々は5×1014cm−3以上1×1016cm−3以下の実効不純物濃度を有することが好ましい。低濃度層20Aおよび20Bはドナー不純物およびアクセプタ不純物のうち前者のみを有することが好ましく、この場合、実効不純物濃度はドナー不純物の濃度と実質的に同じである。なお、本実施の形態と異なり低濃度層がp型である場合、低濃度層はドナー不純物およびアクセプタ不純物のうち後者のみを有することが好ましく、この場合、実効不純物濃度はアクセプタ不純物の濃度と実質的に同じである。 Each of the low concentration layers 20A and 20B has a total impurity concentration of less than 1 × 10 18 cm −3 . Therefore, the total impurity concentration of each of the low concentration layers 20A and 20B is lower than the total impurity concentration of the high concentration layer 21. Each of the low concentration layers 20A and 20B preferably has an effective impurity concentration of 5 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 16 cm −3 or less. The low concentration layers 20A and 20B preferably have only the former of the donor impurity and the acceptor impurity. In this case, the effective impurity concentration is substantially the same as the concentration of the donor impurity. Note that unlike the present embodiment, when the low concentration layer is p-type, the low concentration layer preferably has only the latter of the donor impurity and the acceptor impurity. In this case, the effective impurity concentration is substantially equal to the acceptor impurity concentration. Are the same.

上述した、ドリフト層11の厚さと、低濃度層20Aおよび20Bの厚さおよび実効不純物濃度と、高濃度層21の厚さ、実効不純物濃度および総不純物濃度との具体的な値は、MOSFET110に求められる耐圧および特性に応じて設定され得る。求められる耐圧および特性によっては、低濃度層20Aおよび20B内でその不純物濃度が一定である必要はない。たとえば、低濃度層20Aの不純物濃度と低濃度層20Bの不純物濃度とが異なっていてもよい。また低濃度層20Aおよび20Bの少なくともいずれかにおいて不純物濃度が変化していてもよく、この変化は連続的な変化であってもよい。   The specific values of the thickness of the drift layer 11, the thickness and effective impurity concentration of the low concentration layers 20 </ b> A and 20 </ b> B, the thickness of the high concentration layer 21, the effective impurity concentration and the total impurity concentration are described in the MOSFET 110. It can be set according to the required pressure resistance and characteristics. Depending on the required breakdown voltage and characteristics, the impurity concentration does not need to be constant in the low concentration layers 20A and 20B. For example, the impurity concentration of the low concentration layer 20A may be different from the impurity concentration of the low concentration layer 20B. Further, the impurity concentration may be changed in at least one of the low concentration layers 20A and 20B, and this change may be a continuous change.

なお、上記以外の構成については、実施の形態1のMOSFET100の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。   Since the configuration other than the above is substantially the same as the configuration of MOSFET 100 of the first embodiment, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

(炭化珪素エピタキシャル基板の構成および製造方法)
図6を参照して、次に、MOSFET110の製造に用いられるエピタキシャル基板52(炭化珪素エピタキシャル基板)について説明する。エピタキシャル基板52は、単結晶基板10と、エピタキシャル層42とを有する。エピタキシャル層42は、単結晶基板10上に設けられている。エピタキシャル層42は、上述した、高濃度層21と低濃度層20Aおよび20Bとによって構成されている。エピタキシャル基板52(図6)からMOSFET110(図5)を製造する際には、注入マスクを用いた選択的なイオン注入によってエピタキシャル層42からエピタキシャル層42Pが形成される。エピタキシャル層42、すなわち高濃度層21、低濃度層20Aおよび20B、のうちの一部が、そのままMOSFET110のドリフト層11として用いられる。具体的には、高濃度層21および低濃度層20Aはそのままドリフト層11として用いられ、低濃度層20Bは部分的にドリフト層11として用いられる。低濃度層20Bの表面側(図5の上面側)には、ウェル領域14と、ソース領域15と、ウェルコンタクト領域16とが高濃度層21にから離れて形成される。
(Configuration and manufacturing method of silicon carbide epitaxial substrate)
Next, epitaxial substrate 52 (silicon carbide epitaxial substrate) used for manufacturing MOSFET 110 will be described with reference to FIG. Epitaxial substrate 52 includes single crystal substrate 10 and epitaxial layer 42. Epitaxial layer 42 is provided on single crystal substrate 10. The epitaxial layer 42 is composed of the high-concentration layer 21 and the low-concentration layers 20A and 20B described above. When manufacturing the MOSFET 110 (FIG. 5) from the epitaxial substrate 52 (FIG. 6), the epitaxial layer 42P is formed from the epitaxial layer 42 by selective ion implantation using an implantation mask. A part of the epitaxial layer 42, that is, the high concentration layer 21 and the low concentration layers 20 </ b> A and 20 </ b> B is used as the drift layer 11 of the MOSFET 110 as it is. Specifically, the high concentration layer 21 and the low concentration layer 20A are used as they are as the drift layer 11, and the low concentration layer 20B is partially used as the drift layer 11. A well region 14, a source region 15, and a well contact region 16 are formed away from the high concentration layer 21 on the surface side of the low concentration layer 20B (upper surface side in FIG. 5).

次にエピタキシャル基板52の製造方法、すなわち単結晶基板10上にエピタキシャル層42を形成する方法について説明する。なお、以下の具体的な説明においてドナー不純物およびアクセプタ不純物のそれぞれとしてN原子およびAl原子が用いられる場合について説明するが、不純物の種類がこれらに限定されるものではない。   Next, a manufacturing method of the epitaxial substrate 52, that is, a method of forming the epitaxial layer 42 on the single crystal substrate 10 will be described. In the following specific description, the case where N atoms and Al atoms are used as the donor impurity and the acceptor impurity will be described, but the types of impurities are not limited to these.

まず単結晶基板10上に低濃度層20Aが形成される。形成方法としては実施の形態1で説明したCVD法とほぼ同様の方法を用いることができるが、低濃度層20Aの総不純物量を抑えるためにドーパントガスの条件は相違する。具体的にはドーパントガスとして、ドナー不純物としてのN原子の添加のためのガスが用いられる一方で、アクセプタ不純物としてのAl原子の添加のためのガスは、実施の形態1に比して少量しか用いられないか、あるいは全く用いられない。   First, the low concentration layer 20 </ b> A is formed on the single crystal substrate 10. As a formation method, almost the same method as the CVD method described in the first embodiment can be used, but the conditions of the dopant gas are different in order to suppress the total impurity amount of the low concentration layer 20A. Specifically, as a dopant gas, a gas for adding N atoms as donor impurities is used, while a gas for adding Al atoms as acceptor impurities is only a small amount compared to the first embodiment. It is not used or not used at all.

次に低濃度層20A上に、実施の形態1と同様の方法により、高濃度層21が形成される。ただし本実施の形態においては高濃度層21がエピタキシャル層42の全部ではなく一部であることから、高濃度層21の厚さが比較的小さい場合がある。このような場合に高濃度層21の厚さをより精密に制御するためには、高濃度層21の成長速度は低濃度層20Aの成長速度よりも遅くされることが好ましい。   Next, the high concentration layer 21 is formed on the low concentration layer 20A by the same method as in the first embodiment. However, in the present embodiment, since the high concentration layer 21 is a part rather than the whole epitaxial layer 42, the thickness of the high concentration layer 21 may be relatively small. In such a case, in order to control the thickness of the high concentration layer 21 more precisely, it is preferable that the growth rate of the high concentration layer 21 is made slower than the growth rate of the low concentration layer 20A.

高濃度層21中にドーパントが取り込まれる効率および制御性を高めるために、低濃度層20Aおよび20Bの成長時のものと異なるC/Si比が用いられてもよい。具体的には、C/Si比を下げることでN原子の取り込み効率が上がり、逆にC/Si比を大きくすることでAl原子の取り込み効率が上がる。よって、所望の不純物濃度に応じてC/Si比を調整することで、より効率的にかつ高い制御性で高濃度層21を成長させることができる。同様の目的で、低濃度層20Aおよび20Bの成長時のものと異なる成長温度および成長圧力の少なくともいずれかが用いられてもよい。この場合は、低濃度層20Aの形成後、原料ガスの供給がいったん停止されることが好ましい。原料ガスの供給停止後、所望の温度および圧力への変化が完了した後に、高濃度層21の成長が開始される。これは、成長温度および成長圧力が不安定となることに起因して成長速度および不純物濃度の意図しない変動が生じることを防ぐためである。   In order to enhance the efficiency and controllability of dopant incorporation into the high concentration layer 21, a C / Si ratio different from that during the growth of the low concentration layers 20A and 20B may be used. Specifically, N atom incorporation efficiency is increased by lowering the C / Si ratio, and Al atom incorporation efficiency is increased by increasing the C / Si ratio. Therefore, by adjusting the C / Si ratio according to a desired impurity concentration, the high concentration layer 21 can be grown more efficiently and with high controllability. For the same purpose, at least one of a growth temperature and a growth pressure different from those during the growth of the low concentration layers 20A and 20B may be used. In this case, it is preferable that the supply of the source gas is once stopped after the formation of the low concentration layer 20A. After the supply of the source gas is stopped, the growth of the high concentration layer 21 is started after the change to the desired temperature and pressure is completed. This is to prevent unintentional fluctuations in the growth rate and impurity concentration due to the unstable growth temperature and pressure.

また製造過程において、最終的に形成されるエピタキシャル基板52における高濃度層21の厚さよりも厚く高濃度層がエピタキシャル成長させられてもよい。このように厚く高濃度層が成長した時点で原料ガスの供給を止めた後、エッチングによって高濃度層21の厚さを減少させることにより最終的な厚さへの調整が行われる。このエッチングは、水素ガスによるエッチング作用により行われ得る。エッチングガスとしての水素ガスの導入は、高濃度層21の成膜におけるキャリアガスとしての水素ガスの導入を原料ガスの供給停止後も継続することによって行われ得る。   Further, in the manufacturing process, the high concentration layer may be epitaxially grown thicker than the thickness of the high concentration layer 21 in the finally formed epitaxial substrate 52. After the supply of the source gas is stopped when the thick and high concentration layer grows in this way, the final thickness is adjusted by reducing the thickness of the high concentration layer 21 by etching. This etching can be performed by etching with hydrogen gas. The introduction of the hydrogen gas as the etching gas can be performed by continuing the introduction of the hydrogen gas as the carrier gas in forming the high concentration layer 21 even after the supply of the raw material gas is stopped.

次に高濃度層21上に低濃度層20Bが、低濃度層20Aの形成とほぼ同様の方法により形成される。以上によりエピタキシャル基板52が得られる。   Next, the low concentration layer 20B is formed on the high concentration layer 21 by a method substantially similar to the formation of the low concentration layer 20A. Thus, the epitaxial substrate 52 is obtained.

なお上記方法に代わり、単結晶基板10上に低濃度層の成膜条件を用いてエピタキシャル層が形成された後、アクセプタ不純物をイオン注入によって添加することで、このエピタキシャル層の一部を高濃度層21とし、他部を低濃度層20Aおよび20Bとしてもよい。また上記エピタキシャル層の全体をイオン注入によって高濃度層21としてもよく、この場合、実施の形態1のエピタキシャル基板51(図3)とほぼ同様のものが得られる。   Note that, instead of the above method, after an epitaxial layer is formed on the single crystal substrate 10 using a low-concentration film forming condition, an acceptor impurity is added by ion implantation, so that a part of the epitaxial layer is formed at a high concentration. The layer 21 may be used, and the other portions may be the low concentration layers 20A and 20B. Further, the entire epitaxial layer may be made into the high concentration layer 21 by ion implantation, and in this case, the same thing as the epitaxial substrate 51 (FIG. 3) of the first embodiment is obtained.

(効果)
本実施の形態の炭化珪素半導体装置によっても、実施の形態1とほぼ同様に、耐圧の大幅な低下を避けつつ、積層欠陥の拡張を抑制することができる。積層欠陥の拡張をより確実に抑えるためには、高濃度層21の厚さが10nm以上であることが好ましい。
(effect)
Also with the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, the expansion of stacking faults can be suppressed while avoiding a significant decrease in breakdown voltage, as in the first embodiment. In order to more reliably suppress the expansion of stacking faults, the thickness of the high concentration layer 21 is preferably 10 nm or more.

さらに本実施の形態によれば、低濃度層20Aおよび20B(図6)を設けることで、成膜の難易度が比較的高い高濃度層21の厚さを小さくすることができる。よってエピタキシャル基板52をより容易に製造することができる。高濃度層21の厚さが1μm以下である場合、高濃度層21のエピタキシャル成長のロバスト性が特に高い。   Furthermore, according to the present embodiment, by providing the low concentration layers 20A and 20B (FIG. 6), it is possible to reduce the thickness of the high concentration layer 21, which is relatively difficult to form. Therefore, the epitaxial substrate 52 can be manufactured more easily. When the thickness of the high concentration layer 21 is 1 μm or less, the robustness of epitaxial growth of the high concentration layer 21 is particularly high.

また低濃度層20Aおよび20Bが設けられることで、高濃度層21の実効不純物濃度がある程度高くても(たとえば1×1017cm−3に近い値)、それに起因した耐圧低下を抑えることができる。この理由は、高濃度層21と共にドリフト層11を構成する低濃度層20Aおよび20Bの実効不純物濃度を1×1016cm−3以下に抑えることにより、耐圧の低下を抑制することができるからである。ドリフト層11において低濃度層20Aおよび20Bが占める割合が大きいほど、高濃度層21が耐圧に及ぼす影響が小さくなる。 Further, by providing the low concentration layers 20A and 20B, even if the effective impurity concentration of the high concentration layer 21 is high to some extent (for example, a value close to 1 × 10 17 cm −3 ), it is possible to suppress a decrease in breakdown voltage caused by the high concentration layer 21. . This is because the decrease in breakdown voltage can be suppressed by suppressing the effective impurity concentration of the low-concentration layers 20A and 20B constituting the drift layer 11 together with the high-concentration layer 21 to 1 × 10 16 cm −3 or less. is there. The greater the proportion of the low concentration layers 20A and 20B in the drift layer 11, the smaller the influence of the high concentration layer 21 on the breakdown voltage.

また低濃度層20Aおよび20Bの実効不純物濃度が5×1014cm−3以上であることにより、ドリフト層11として十分な導電性を低濃度層20Aおよび20Bに付与することができる。低濃度層20Aおよび20Bの実効不純物濃度が1×1016cm−3以下であることにより、耐圧の大幅な低下を避けることができる。 Moreover, when the effective impurity concentration of the low concentration layers 20A and 20B is 5 × 10 14 cm −3 or more, sufficient conductivity as the drift layer 11 can be imparted to the low concentration layers 20A and 20B. When the effective impurity concentration of the low-concentration layers 20A and 20B is 1 × 10 16 cm −3 or less, a significant decrease in breakdown voltage can be avoided.

低濃度層20Aおよび20Bがドナー不純物のみを有する場合、所定の実効不純物濃度の条件下で、低濃度層20Aおよび20Bの総不純物濃度を最小化することができる。この場合、総不純物濃度が抑えられる点、およびアクセプタ不純物の添加が不要となる点で、低濃度層20Aおよび20Bの成膜をより容易なものとすることができる。   When the low concentration layers 20A and 20B have only donor impurities, the total impurity concentration of the low concentration layers 20A and 20B can be minimized under the condition of a predetermined effective impurity concentration. In this case, the low-concentration layers 20A and 20B can be formed more easily because the total impurity concentration is suppressed and the addition of acceptor impurities is unnecessary.

(変形例)
エピタキシャル基板52(図6)の変形例について、以下に説明する。
(Modification)
A modification of the epitaxial substrate 52 (FIG. 6) will be described below.

図7を参照して、エピタキシャル基板52a(炭化珪素エピタキシャル基板)のエピタキシャル層42aにおいては、厚さTB>TAが満たされており、これにより、エピタキシャル層42aと単結晶基板10との界面付近で発生する積層欠陥をより効果的に抑制することができる。より具体的に言えば、積層欠陥が大きく成長する前にその拡張を初期段階で止めることができる。逆にTA>TBが満たされてもよく、これにより、エピタキシャル層42aの表面(図7における上面)付近で発生する積層欠陥をより効果的に抑制することができる。   Referring to FIG. 7, epitaxial layer 42 a of epitaxial substrate 52 a (silicon carbide epitaxial substrate) satisfies thickness TB> TA, and thereby, near the interface between epitaxial layer 42 a and single crystal substrate 10. The generated stacking fault can be more effectively suppressed. More specifically, the expansion can be stopped at an early stage before the stacking fault grows greatly. Conversely, TA> TB may be satisfied, whereby the stacking faults that occur near the surface of the epitaxial layer 42a (the upper surface in FIG. 7) can be more effectively suppressed.

図8を参照して、エピタキシャル基板52b(炭化珪素エピタキシャル基板)のエピタキシャル層42bにおいては、高濃度層21が単結晶基板10の上に直接設けられ、高濃度層21上に低濃度層20が設けられる。これにより、エピタキシャル層42bと単結晶基板10との界面付近で発生する積層欠陥を特に効果的に抑制することができる。逆に、低濃度層20が単結晶基板10上に直接設けられ、低濃度層20上に高濃度層21が設けられ、高濃度層21がエピタキシャル層42bの表面(図8における上面)を構成してもよい。これにより、エピタキシャル層42bの表面付近で発生する積層欠陥を特に効果的に抑制することができる。   Referring to FIG. 8, in epitaxial layer 42 b of epitaxial substrate 52 b (silicon carbide epitaxial substrate), high concentration layer 21 is provided directly on single crystal substrate 10, and low concentration layer 20 is provided on high concentration layer 21. Provided. Thereby, stacking faults generated near the interface between the epitaxial layer 42b and the single crystal substrate 10 can be particularly effectively suppressed. Conversely, the low concentration layer 20 is provided directly on the single crystal substrate 10, the high concentration layer 21 is provided on the low concentration layer 20, and the high concentration layer 21 constitutes the surface of the epitaxial layer 42b (upper surface in FIG. 8). May be. Thereby, the stacking fault generated near the surface of the epitaxial layer 42b can be particularly effectively suppressed.

図9を参照して、エピタキシャル基板52c(炭化珪素エピタキシャル基板)のエピタキシャル層42cは、複数の低濃度層20と、複数の高濃度層21とを有する。低濃度層20および高濃度層21は単結晶基板10上で交互に積層されている。この場合、エピタキシャル層42c中における積層欠陥の起点の位置にかかわらず、積層欠陥を効果的に抑制することができる。図中では3層の高濃度層21が示されているが、高濃度層21の層数は特に限定されず、たとえば2層または4層であってもよい。層数が多いほど積層欠陥をより効果的に抑制することができる。なおエピタキシャル層42cにおける高濃度層21の位置は特に限定されない。   Referring to FIG. 9, epitaxial layer 42 c of epitaxial substrate 52 c (silicon carbide epitaxial substrate) has a plurality of low concentration layers 20 and a plurality of high concentration layers 21. The low concentration layer 20 and the high concentration layer 21 are alternately stacked on the single crystal substrate 10. In this case, the stacking fault can be effectively suppressed regardless of the position of the starting point of the stacking fault in the epitaxial layer 42c. Although three high concentration layers 21 are shown in the drawing, the number of high concentration layers 21 is not particularly limited, and may be two layers or four layers, for example. As the number of layers increases, stacking faults can be more effectively suppressed. The position of the high concentration layer 21 in the epitaxial layer 42c is not particularly limited.

<実施の形態3>
本発明においては、ドナー不純物としては、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)またはアンチモン(Sb)のいずれか1種類または複数種類の原子を用いることができ、アクセプタ不純物としては、アルミニウム(Al)、ボロン(B)、ガリウム(Ga)またはインジウム(In)のいずれか1種類または複数種類の原子を用いることができるが、窒素とアルミニウムの組み合わせに比べ窒素とガリウム、更には窒素とボロンの組み合わせの方が、より本発明の効果を得ることができる。また、リンとアルミニウムの組み合わせに比べ、リンとガリウム、更にはリンとボロンの組み合わせがより本発明の効果を得ることができる。本実施の形態では、ドナー不純物とアクセプタ不純物の組み合わせとして窒素とガリウムとの組み合わせ、または、リンとボロンとの組み合わせを選択する。この点が、本実施の形態の特徴であり、その他の点については、実施の形態1、2と同様である。
<Embodiment 3>
In the present invention, as the donor impurity, one or more kinds of atoms of nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb) can be used, and as the acceptor impurity, Any one or a plurality of atoms of aluminum (Al), boron (B), gallium (Ga), and indium (In) can be used, but nitrogen and gallium, and further nitrogen compared to the combination of nitrogen and aluminum The combination of boron and boron can obtain the effect of the present invention more. Further, the combination of phosphorus and gallium, and further the combination of phosphorus and boron can obtain the effects of the present invention more than the combination of phosphorus and aluminum. In this embodiment mode, a combination of nitrogen and gallium or a combination of phosphorus and boron is selected as a combination of a donor impurity and an acceptor impurity. This is a feature of the present embodiment, and the other points are the same as in the first and second embodiments.

例えば窒素のドナー準位は窒素原子の導入サイトにも起因するが、約0.04meVから0.08meVであり、リンではドナー準位が0.05meVから0.93meVであり、ほとんど同等のイオン化エネルギーの準位と言える。一方でアクセプタ不純物であるアルミニウム、ガリウム、ボロンのイオン化エネルギーはそれぞれ約0.2meV、0.3meV、0.6meVと不純物元素によって大きく変化する。一般的に、不純物のイオン化率は、各不純物のイオン化エネルギーに依存しており、イオン化エネルギーが高いほど、イオン化率が小さい傾向がある。すなわち、イオン化率が低いほど同じキャリア濃度で高い濃度の不純物をドープすることができる。そのため、アルミニウムに比べ、ガリウム、ボロンをアクセプタ不純物の組み合わせの一つとした方が、本発明の効果をより効果的に得ることができる。また、イオン化エネルギーは不純物濃度や、温度によっても変化するため、それらを考慮して不純物元素を選択することで、本発明の効果をより効果的に得ることができる。   For example, the donor level of nitrogen is caused by the introduction site of the nitrogen atom, but it is about 0.04 meV to 0.08 meV, and the donor level of phosphorus is 0.05 meV to 0.93 meV, which is almost equivalent ionization energy. It can be said that the level. On the other hand, the ionization energies of acceptor impurities such as aluminum, gallium, and boron are approximately 0.2 meV, 0.3 meV, and 0.6 meV, respectively, and vary greatly depending on the impurity element. Generally, the ionization rate of impurities depends on the ionization energy of each impurity, and the ionization rate tends to be smaller as the ionization energy is higher. That is, the lower the ionization rate, the higher the concentration of impurities with the same carrier concentration. Therefore, the effect of the present invention can be more effectively obtained by using gallium and boron as one of the acceptor impurity combinations than aluminum. In addition, since the ionization energy varies depending on the impurity concentration and temperature, the effects of the present invention can be obtained more effectively by selecting the impurity element in consideration of them.

(実験結果)
本発明者らは、pnダイオード構造に順方向電流が印加されることによる積層欠陥の拡張を抑制する方法を調査する中で、積層欠陥の拡張が、高い不純物濃度を有する層によって妨げられる現象を見出した。以下、この実験結果について説明する。
(Experimental result)
While investigating a method for suppressing the extension of stacking faults due to the application of forward current to the pn diode structure, the inventors have studied a phenomenon in which the extension of stacking faults is hindered by a layer having a high impurity concentration. I found it. Hereinafter, the experimental results will be described.

図10を参照して、ポリタイプ4Hの炭化珪素から作れられた単結晶基板10が準備された。単結晶基板10上にバッファ層23が形成された。バッファ層23上にエピタキシャル層42Xが形成された。これにより、炭化珪素から作られたエピタキシャル基板52Xが作成された。なおバッファ層23は、エピタキシャル層42Xの結晶欠陥を低減するためのものである。エピタキシャル層42Xの形成は、具体的には、低濃度層20A、高濃度層22および低濃度層20Bをこの順に形成することにより行われた。低濃度層20Aおよび20Bの各々の厚さはおおよそ同じとされた。高濃度層22の厚さは20nmとされた。高濃度層22へのドーピングは、濃度は5×1018cm−3で窒素原子のみによって行われた。 Referring to FIG. 10, single crystal substrate 10 made of polytype 4H silicon carbide was prepared. A buffer layer 23 was formed on the single crystal substrate 10. An epitaxial layer 42 </ b> X was formed on the buffer layer 23. Thereby, epitaxial substrate 52X made of silicon carbide was produced. The buffer layer 23 is for reducing crystal defects in the epitaxial layer 42X. Specifically, the epitaxial layer 42X was formed by forming the low concentration layer 20A, the high concentration layer 22 and the low concentration layer 20B in this order. The thickness of each of the low concentration layers 20A and 20B was approximately the same. The thickness of the high concentration layer 22 was 20 nm. The doping to the high-concentration layer 22 was performed only with nitrogen atoms at a concentration of 5 × 10 18 cm −3 .

上記のようにして得られたエピタキシャル基板52Xを用いて、MOSFET100(図2)およびMOSFET110(図5)とほぼ同様のMOS構造を有するMOSFETを作成した。このMOSFETに対する通電を100A/cmで10分間行った。 Using the epitaxial substrate 52X obtained as described above, a MOSFET having a MOS structure substantially similar to the MOSFET 100 (FIG. 2) and the MOSFET 110 (FIG. 5) was produced. The MOSFET was energized at 100 A / cm 2 for 10 minutes.

図11を参照して、上記通電後、エピタキシャル基板52Xの断面がTEM(Transmission Electron Microscope:透過型電子顕微鏡)法によって観察された。この断面上において、矢印Sの位置から矢印Eの位置にかけて、積層欠陥の拡張が観察された。またSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry:2次イオン質量分析)測定により、高濃度層22が、図中、破線部に位置することが判別された。上記矢印Eは高濃度層22上に位置しており、このことは、矢印Sの位置を経由した積層欠陥の拡張が高濃度層22に達した時点で停止したことを示していると考えられる。   Referring to FIG. 11, after the energization, a cross section of epitaxial substrate 52X was observed by a TEM (Transmission Electron Microscope) method. On this cross section, the expansion of stacking faults was observed from the position of arrow S to the position of arrow E. Further, it was determined by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) measurement that the high concentration layer 22 is located in a broken line portion in the figure. The arrow E is located on the high concentration layer 22, which is considered to indicate that the extension of stacking faults via the position of the arrow S stopped when reaching the high concentration layer 22. .

さらに本発明者らは、積層欠陥の面積と、SiC-MOSFETの特性劣化の割合との関係を詳細に調査した。その結果、積層欠陥の面積が小さいほど、特性劣化が小さいことを確認した。   Furthermore, the present inventors investigated in detail the relationship between the area of stacking faults and the rate of characteristic deterioration of the SiC-MOSFET. As a result, it was confirmed that the smaller the area of the stacking fault, the smaller the characteristic deterioration.

以上の結果から、ドリフト層中に不純物濃度の高い層を設けることで、積層欠陥の拡張を抑制し、それによりMOSFETの特性劣化を低減することができることが実験的に分かった。この効果は以下のようなメカニズムにより生じていると本発明者らは理論的に考察している。   From the above results, it has been experimentally found that by providing a layer having a high impurity concentration in the drift layer, expansion of stacking faults can be suppressed, thereby reducing deterioration of MOSFET characteristics. The present inventors theoretically consider that this effect is caused by the following mechanism.

pnダイオード構造における少数キャリアと多数キャリアとの再結合エネルギーによって、基底面転位およびミスフィット転位のすべり現象が引き起こされ、これにより積層欠陥が拡張する。しかしながら、不純物濃度が高い結晶中では、転位が作り出す歪場と、高濃度でドーピングされた不純物が作り出す歪場との相互作用によって、転位が固着する。そのため、不純物濃度が高い結晶中で転位すべりを引き起こすためには、より大きなエネルギーが必要となる。このエネルギーが上記再結合エネルギーより大きければ積層欠陥が抑制される。つまり積層欠陥の拡張を抑制する要因は結晶中の不純物濃度が高いことであり、不純物の種類としてはドーパントとして一般的なものを用い得る。具体的には、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、ボロン、ガリウム、インジウムなどを用い得る。   The recombination energy between minority carriers and majority carriers in the pn diode structure causes a basal plane dislocation and misfit dislocation slip phenomenon, thereby extending stacking faults. However, in a crystal having a high impurity concentration, the dislocation is fixed by the interaction between the strain field created by the dislocation and the strain field created by the impurity doped at a high concentration. Therefore, more energy is required to cause dislocation slip in a crystal with a high impurity concentration. If this energy is larger than the recombination energy, stacking faults are suppressed. That is, the factor that suppresses the expansion of stacking faults is that the impurity concentration in the crystal is high, and a general dopant can be used as the type of impurity. Specifically, nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony, aluminum, boron, gallium, indium, or the like can be used.

上記実験では高濃度層22に不純物として窒素のみが高濃度で添加された。この場合、高濃度の窒素がドナーとして作用することによりキャリア濃度が高くなるため、耐圧の低下が問題となる。そこで上記各実施の形態の高濃度層21においては、不純物としてドナー不純物だけでなくアクセプタ不純物も加えられており、これによりキャリアの補償が引き起こされている。この結果、実質的なキャリア濃度が低減されるので、耐圧の低下が抑制される。   In the above experiment, only nitrogen as an impurity was added to the high concentration layer 22 at a high concentration. In this case, since a high concentration of nitrogen acts as a donor to increase the carrier concentration, a decrease in breakdown voltage becomes a problem. Therefore, in the high concentration layer 21 of each of the above embodiments, not only a donor impurity but also an acceptor impurity is added as an impurity, thereby causing carrier compensation. As a result, the substantial carrier concentration is reduced, so that a decrease in breakdown voltage is suppressed.

また上記実験では、積層欠陥の拡張を抑制するための層である高濃度層22の厚さが20nmとされたが、10nm以上であれば十分な効果が見られる。また上記実験では高濃度層22の総不純物濃度を5×1018cm−3としたが、1×1018cm−3以上であれば十分な効果が見られる。 Moreover, in the said experiment, although the thickness of the high concentration layer 22 which is a layer for suppressing the expansion | extension of a stacking fault was 20 nm, sufficient effect will be seen if it is 10 nm or more. Further in the above experiment was a total impurity concentration of the high concentration layer 22 and 5 × 10 18 cm -3, sufficient effect is observed if 1 × 10 18 cm -3 or higher.

<実施の形態4>
上記各実施の形態では、炭化珪素半導体装置として主にMOSFETを例に説明したが、PiNダイオードのドリフト層に高濃度層を含んでもよい。図12を参照して、本実施の形態のPiNダイオード200は、エピタキシャル基板53Pと、アノード電極18と、カソード電極19とを有する。エピタキシャル基板53Pは炭化珪素から作られている。エピタキシャル基板51Pは六方晶の結晶構造を有し、例えばポリタイプ4Hを有する。
<Embodiment 4>
In each of the above embodiments, MOSFETs have been mainly described as examples of the silicon carbide semiconductor device. However, a high concentration layer may be included in the drift layer of the PiN diode. Referring to FIG. 12, PiN diode 200 of the present embodiment has an epitaxial substrate 53 </ b> P, an anode electrode 18, and a cathode electrode 19. Epitaxial substrate 53P is made of silicon carbide. The epitaxial substrate 51P has a hexagonal crystal structure, for example, polytype 4H.

エピタキシャル基板51Pは、単結晶基板10とエピタキシャル層43Pとを有する。単結晶基板10はn型の導電性を有する。単結晶基板10は、3×1018cm−3以上の不純物濃度を有する。単結晶基板10の一方面(図2における上面)の面方位は、c面({0001}面)に対して、0°を超えるオフ角を有する。c面はカーボン面(C面)およびシリコン面(Si面)のいずれであってもよい。オフ角は1°以上8°以下であることが好ましい。エピタキシャル層43Pは、単結晶基板10の上面上に設けられている。エピタキシャル層43Pの主面(図2の上面)の面方位は、単結晶基板10の上面の面方位と同様である。 Epitaxial substrate 51P has single crystal substrate 10 and epitaxial layer 43P. Single crystal substrate 10 has n-type conductivity. Single crystal substrate 10 has an impurity concentration of 3 × 10 18 cm −3 or more. The plane orientation of one surface (upper surface in FIG. 2) of single crystal substrate 10 has an off angle exceeding 0 ° with respect to the c-plane ({0001} plane). The c surface may be either a carbon surface (C surface) or a silicon surface (Si surface). The off angle is preferably 1 ° or more and 8 ° or less. Epitaxial layer 43 </ b> P is provided on the upper surface of single crystal substrate 10. The plane orientation of the main surface (upper surface in FIG. 2) of epitaxial layer 43P is the same as the plane orientation of the upper surface of single crystal substrate 10.

エピタキシャル層43Pは第1炭化珪素層24と、第2炭化珪素層25と、第3炭化珪素層26と、終端領域18を有する。   Epitaxial layer 43 </ b> P has first silicon carbide layer 24, second silicon carbide layer 25, third silicon carbide layer 26, and termination region 18.

第1炭化珪素層24(第1炭化珪素半導体層)は単結晶基板10上にエピタキシャル成長によって設けられ、n型の導電型を有し、デバイス動作時にはドリフト層11として作用する。ドリフト層11の厚さは、パワーデバイスに求められる耐圧および特性に応じて決定され、例えば3μmから200μm程度である。   First silicon carbide layer 24 (first silicon carbide semiconductor layer) is provided by epitaxial growth on single crystal substrate 10, has an n-type conductivity type, and functions as drift layer 11 during device operation. The thickness of the drift layer 11 is determined according to the breakdown voltage and characteristics required for the power device, and is, for example, about 3 μm to 200 μm.

終端領域18は、ドリフト層11の表面に形成される領域である。終端領域18は、アノード電極33の端部に生じる電界集中を緩和する。   The termination region 18 is a region formed on the surface of the drift layer 11. The termination region 18 alleviates electric field concentration that occurs at the end of the anode electrode 33.

第2炭化珪素層25(第2炭化珪素半導体層)はp型の導電型を有し、ドリフト層11上の終端領域18にはさまれる領域にエピタキシャル成長される層である。第1導電型(ここではn型)の第1炭化珪素半導体層であるドリフト層11と、反対の導電型である第2導電型(ここではp型)の第2炭化珪素半導体領域である第2半導体層25が接合し、これにより、ドリフト層11と第2半導体層25とによるpnダイオード構造が設けられている。   Second silicon carbide layer 25 (second silicon carbide semiconductor layer) has p-type conductivity and is a layer that is epitaxially grown in a region sandwiched between termination region 18 on drift layer 11. A drift layer 11 which is a first silicon carbide semiconductor layer of a first conductivity type (here n-type) and a second silicon carbide semiconductor region which is a second conductivity type (here p-type) which is the opposite conductivity type. The two semiconductor layers 25 are joined together, whereby a pn diode structure including the drift layer 11 and the second semiconductor layer 25 is provided.

第3炭化珪素層26はp型の導電型を有し、第2炭化珪素層25上にエピタキシャル成長される層である。第3炭化珪素層26は、アノード電極18との低オーミックコンタクトを形成する。   Third silicon carbide layer 26 has a p-type conductivity and is a layer epitaxially grown on second silicon carbide layer 25. The third silicon carbide layer 26 forms a low ohmic contact with the anode electrode 18.

アノード電極33は第3炭化珪素層26上に形成される電極である。カソード電極34は単結晶基板10の裏面に形成される電極である。   The anode electrode 33 is an electrode formed on the third silicon carbide layer 26. The cathode electrode 34 is an electrode formed on the back surface of the single crystal substrate 10.

本実施の形態に関する半導体装置はpn接合を有しており、アノード側を正極、カソード側を負極とした場合に順方向電流が流れる整流用半導体となる。pn接合は第1炭化珪素層24、即ちドリフト層11と第2炭化珪素層とで形成されている。   The semiconductor device according to this embodiment has a pn junction, and becomes a rectifying semiconductor in which a forward current flows when the anode side is a positive electrode and the cathode side is a negative electrode. The pn junction is formed of the first silicon carbide layer 24, that is, the drift layer 11 and the second silicon carbide layer.

本実施の形態によると、第1炭化珪素層24、つまりドリフト層11は、高濃度層21を含む。高濃度層21は、濃度NDのドナー不純物と、濃度NAのアクセプタ不純物とを有する。NDおよびNAの和は1×1018cm−3以上である。高濃度層21の効果、作製方法などの詳細については上記各実施の形態で説明しているものと同様であるため、ここでは割愛する。 According to the present embodiment, first silicon carbide layer 24, that is, drift layer 11 includes high concentration layer 21. The high concentration layer 21 includes a donor impurity having a concentration ND and an acceptor impurity having a concentration NA. The sum of ND and NA is 1 × 10 18 cm −3 or more. The details of the effect of the high concentration layer 21, the manufacturing method, and the like are the same as those described in the above embodiments, and are omitted here.

本実施の形態においては、高濃度層21はドリフト層11の全体に設けられても良いし、ドリフト層11の一部に設けられていても良い。高濃度層21がドリフト層11の全体に設けられた場合は、本発明の実施の形態1に記載のMOSFET100のように、ドリフト層全体が高濃度層21となり、高濃度層21がドリフト層11の一部に設けられた場合は、本発明の実施の形態2に記載のMOSFET110のようにドリフト層11の一部が高濃度層21となる。ドリフト層11の一部に高濃度層21を設ける場合、高濃度層21の膜厚は本発明の実施の形態2説明しているように、10nm以上が好ましい。また、高濃度層21の設ける位置、層数は、本発明の実施の形態2、及びその変形例で説明しているようにひとつに限定されることなく、任意の位置に、任意の枚数を設けて良い。   In the present embodiment, the high concentration layer 21 may be provided on the entire drift layer 11 or may be provided on a part of the drift layer 11. When the high concentration layer 21 is provided on the entire drift layer 11, the entire drift layer becomes the high concentration layer 21 and the high concentration layer 21 becomes the drift layer 11 as in the MOSFET 100 described in the first embodiment of the present invention. Is provided in a part of the drift layer 11 as the MOSFET 110 described in the second embodiment of the present invention. When the high concentration layer 21 is provided in a part of the drift layer 11, the thickness of the high concentration layer 21 is preferably 10 nm or more as described in the second embodiment of the present invention. Further, the position and the number of layers in which the high-concentration layer 21 is provided are not limited to one as described in the second embodiment of the present invention and the modifications thereof, and an arbitrary number of sheets can be set at an arbitrary position. May be provided.

本実施の形態を説明するにあたって、n型のPiNダイオードを例に説明したが、p型とn型を入れ替えてp型のPiNダイオードとしても良い。   In the description of the present embodiment, an n-type PiN diode has been described as an example. However, the p-type and n-type may be interchanged to form a p-type PiN diode.

(付記)
上記各実施の形態におけるn型およびp型の関係が入れ替えられてもよく、その場合、ドナー不純物およびアクセプタ不純物の関係も入れ替えられる。その場合、pチャネル型の半導体装置と、その製造に用いられるp型の炭化珪素エピタキシャル基板とが得られる。また用途によっては、炭化珪素単結晶基板の導電型と、高濃度層の導電型とが互いに異なるものとされてもよい。また用途によっては、高濃度層の導電型と低濃度層の導電型とが互いに異なるものとされてもよい。また半導体装置として主にMOSFETについて説明したが、ゲート絶縁膜として酸化物以外の材料を用いることによりMOSFET以外のMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を得ることもできる。また半導体装置は、pnダイオード構造を有するものであればよく、たとえばIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。IGBTを得るには、たとえば、MOSFET100(図2)またはMOSFET110(図5)における単結晶基板10およびドレイン電極32の間に単結晶基板10の導電型と反対の導電型を有するコレクタ領域を設けるか、または、単結晶基板10の導電型を反対にすることにより単結晶基板10自体をコレクタ領域とすればよい。この場合、ソース電極2およびドレイン電極32のそれぞれはエミッタ電極およびコレクタ電極として機能する。
(Appendix)
The relationship between n-type and p-type in each of the above embodiments may be interchanged, and in that case, the relationship between donor impurities and acceptor impurities is also interchanged. In that case, a p-channel type semiconductor device and a p-type silicon carbide epitaxial substrate used for manufacturing the same are obtained. Depending on the application, the conductivity type of the silicon carbide single crystal substrate and the conductivity type of the high concentration layer may be different from each other. Further, depending on the application, the conductivity type of the high concentration layer and the conductivity type of the low concentration layer may be different from each other. Although the MOSFET has been mainly described as the semiconductor device, a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) other than the MOSFET can be obtained by using a material other than an oxide as the gate insulating film. Further, the semiconductor device only needs to have a pn diode structure, and may be, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). In order to obtain the IGBT, for example, a collector region having a conductivity type opposite to that of the single crystal substrate 10 is provided between the single crystal substrate 10 and the drain electrode 32 in the MOSFET 100 (FIG. 2) or the MOSFET 110 (FIG. 5). Alternatively, the single crystal substrate 10 itself may be the collector region by reversing the conductivity type of the single crystal substrate 10. In this case, the source electrode 2 and the drain electrode 32 function as an emitter electrode and a collector electrode, respectively.

本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることが可能である。また、各実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。   The present invention can be freely combined with each embodiment within the scope of the invention. In addition, any component in each embodiment can be changed or omitted as appropriate.

1 ゲートパッド、2 ソース電極、10 単結晶基板(炭化珪素単結晶基板)、11 ドリフト層、12 ゲート絶縁膜、13 ゲート電極、14 ウェル領域、15 ソース領域、16 ウェルコンタクト領域、17 層間絶縁膜、18 終端領域、20,20A,20B 低濃度層、21 高濃度層、23 バッファ層、24 第1炭化珪素層、25 第2炭化珪素層、26 第3炭化珪素層、30 積層欠陥、32 ドレイン電極、33 アノード電極、34 カソード電極、41,41P,42,42a〜42c,42P,43P エピタキシャル層、51,52,52a〜52c エピタキシャル基板(炭化珪素エピタキシャル基板)、51P,52P,53P エピタキシャル基板、100,110 MOSFET(炭化珪素半導体装置)、200 PiNダイオード(炭化珪素半導体装置)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gate pad, 2 source electrode, 10 single crystal substrate (silicon carbide single crystal substrate), 11 drift layer, 12 gate insulating film, 13 gate electrode, 14 well region, 15 source region, 16 well contact region, 17 interlayer insulating film , 18 termination region, 20, 20A, 20B low concentration layer, 21 high concentration layer, 23 buffer layer, 24 first silicon carbide layer, 25 second silicon carbide layer, 26 third silicon carbide layer, 30 stacking fault, 32 drain Electrode, 33 anode electrode, 34 cathode electrode, 41, 41P, 42, 42a to 42c, 42P, 43P epitaxial layer, 51, 52, 52a to 52c epitaxial substrate (silicon carbide epitaxial substrate), 51P, 52P, 53P epitaxial substrate, 100, 110 MOSFET (silicon carbide semiconductor device), 2 0 PiN diode (silicon carbide semiconductor device).

Claims (15)

炭化珪素半導体装置であって、
炭化珪素半導体基板と、第1導電型の第1炭化珪素半導体層と、前記第1炭化珪素半導体層上に第1導電型とは反対の導電型を有する第2導電型の第2炭化珪素半導体領域とを備え、
前記第1炭化珪素半導体層は、濃度NDのドナー不純物と濃度NAのアクセプタ不純物とを有する高濃度層を含み、NDおよびNAの和は1×1018cm−3以上であり、NDおよびNAの差の絶対値は5×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であって、
前記第1炭化珪素半導体層が前記半導体装置のドリフト層として働くことを特徴とする、炭化珪素半導体装置。
A silicon carbide semiconductor device,
A silicon carbide semiconductor substrate, a first conductivity type first silicon carbide semiconductor layer, and a second conductivity type second silicon carbide semiconductor having a conductivity type opposite to the first conductivity type on the first silicon carbide semiconductor layer. With areas,
The first silicon carbide semiconductor layer includes a high-concentration layer having a donor impurity of a concentration ND and an acceptor impurity of a concentration NA, and the sum of ND and NA is 1 × 10 18 cm −3 or more. The absolute value of the difference is 5 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less,
The silicon carbide semiconductor device, wherein the first silicon carbide semiconductor layer functions as a drift layer of the semiconductor device.
前記炭化珪素単結晶基板と前記ドリフト層との間に炭化珪素から作られたバッファ層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, further comprising a buffer layer made of silicon carbide between the silicon carbide single crystal substrate and the drift layer. MOSFET、IGBT、PiNダイオードのいずれかである請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon carbide semiconductor device is any one of a MOSFET, an IGBT, and a PiN diode. 前記ドナー不純物は、窒素、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群から選択される少なくとも1種類の原子を含み、前記アクセプタ不純物は、アルミニウム、ボロン、ガリウムおよびインジウムからなる群から選択される少なくとも1種類の原子を含む、請求項1から3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。   The donor impurity includes at least one atom selected from the group consisting of nitrogen, phosphorus, arsenic, and antimony, and the acceptor impurity is at least one type selected from the group consisting of aluminum, boron, gallium, and indium. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, comprising an atom. 前記アクセプタ不純物がアルミニウムで、前記ドナー不純物が窒素である請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 4, wherein the acceptor impurity is aluminum and the donor impurity is nitrogen. 前記アクセプタ不純物がガリウムで、前記ドナー不純物が窒素である請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 4, wherein the acceptor impurity is gallium and the donor impurity is nitrogen. 前記アクセプタ不純物がボロンで、前記ドナー不純物が窒素である請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 4, wherein the acceptor impurity is boron and the donor impurity is nitrogen. 前記アクセプタ不純物がガリウムで、前記ドナー不純物がリンである請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 4, wherein the acceptor impurity is gallium and the donor impurity is phosphorus. 前記アクセプタ不純物がボロンで、前記ドナー不純物がリンである請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 4, wherein the acceptor impurity is boron and the donor impurity is phosphorus. 前記絶対値は1×1016cm−3以下である、請求項1から9のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the absolute value is 1 × 10 16 cm −3 or less. 前記高濃度層は10nm以上の厚さを有する、請求項1から10のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein said high concentration layer has a thickness of 10 nm or more. 前記高濃度層の前記厚さは1μm以下である、請求項11に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 11, wherein the thickness of the high concentration layer is 1 μm or less. 前記第1炭化珪素半導体層は、前記高濃度層と、1×1018cm−3未満の総不純物濃度を有する第1導電型の低濃度層とを含む、請求項1から12のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 The first silicon carbide semiconductor layer includes the high concentration layer and a low concentration layer of a first conductivity type having a total impurity concentration of less than 1 × 10 18 cm −3. The silicon carbide semiconductor device according to item. 前記低濃度層は、5×1014cm−3以上1×1016cm−3以下の濃度で、ドナー不純物およびアクセプタ不純物のいずれか一方のみを有する、請求項13に記載の炭化珪素半導体装置。 14. The silicon carbide semiconductor device according to claim 13, wherein the low concentration layer has a concentration of 5 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 16 cm −3 or less and includes only one of a donor impurity and an acceptor impurity. 前記第1炭化珪素半導体層はn型の導電型を有する、請求項1から14のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein said first silicon carbide semiconductor layer has an n-type conductivity type.
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