JP4844330B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置 - Google Patents
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Description
この発明は、半導体材料として炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置に関する。
従来、シリコン（Ｓｉ）を用いた電力用半導体素子（以下、「パワーデバイス」という）では、高周波制御や大電力制御を目的とする高性能化が各種の技術によって進められている。一方で、高温環境や放射線がある環境では、Ｓｉを用いたパワーデバイスを使用できない場合がある。このため、Ｓｉを用いたパワーデバイスよりもさらに高性能なパワーデバイスの開発が進められている。
このような高性能パワーデバイスの材料として、炭化珪素（ＳｉＣ）が検討されている。ＳｉＣの禁制帯幅はＳｉよりも広く、たとえば、４Ｈ型のＳｉＣ（以下、「４Ｈ−ＳｉＣ」という）で３．２６ｅＶ、６Ｈ型のＳｉＣで３．０２ｅＶである。このため、ＳｉＣは、高温環境における電気伝導度の制御性や耐放射線性に優れている。また、ＳｉＣは、Ｓｉよりも約１桁高い絶縁破壊電圧を有するので、高耐圧素子に適用することができる。さらに、ＳｉＣは、Ｓｉの約２倍の電子飽和ドリフト速度を有するので、高周波制御や大電力制御にも適している。ＳｉＣには、様々な結晶多形（ポリタイプ）が存在し、その中でも４Ｈ−ＳｉＣは特に優れた物性値を有するので、パワーデバイス用の材料として注目されている。
一方で、ＳｉＣ単結晶には、多くの結晶欠陥や転位が存在しており、これらの結晶欠陥や転位がＳｉＣデバイスの特性に悪影響を与えると考えられている。４Ｈ−ＳｉＣの代表的な大型欠陥として、マイクロパイプが知られている。マイクロパイプは、３ｃ（Ｃ軸方向の原子間距離の３倍）以上の大きさのバーガーベクトルを有し、Ｃ軸方向に貫通する中空欠陥である。このマイクロパイプによって、デバイスの耐圧は著しく低下してしまう。
マイクロパイプによるデバイスの耐圧低下を防止するため、エピタキシャル成長によってマイクロパイプを閉塞する技術が報告されている。ただし、この技術は、Ｎｃ（Ｎ≧３）のバーガーベクトルを有するらせん転位であるマイクロパイプを、２ｃ以下のバーガーベクトルを有するらせん転位に分解するものであり、転位自体を消滅させるものではない。
また、４Ｈ−ＳｉＣの他の大型欠陥として、キャロット欠陥が知られている。キャロット欠陥は、らせん転位とベーサルプレーン転位（Ｂａｓａｌ Ｐｌａｎｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：基底面転位、以下「ＢＰＤ」という）とによって生じる。キャロット欠陥についても、高温でエピタキシャル成長をおこなうことによって欠陥密度を低減できることが報告されている。また、ＢＰＤは、エピタキシャル膜／基板界面で方向が変わり、刃状変位に変換されることが知られている。
また、下記特許文献１には、半導体装置のｐ型領域を製造する際のドーパントとして、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）またはガリウム（Ｇａ）が挙げられている。また、ｎ型領域を製造する際のドーパントとして、窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）が挙げられている。また、下記特許文献２には、半導体基板上にＳｉＣ膜を成長させる際に、２種類のドーパント（不純物）を用いる技術が開示されている。
しかしながら、上述した従来技術によれば、マイクロパイプやキャロット欠陥のような大型欠陥の発生を減少させることはできるものの、ＢＰＤを減少させることができないという問題点が挙げられる。ＢＰＤは積層欠陥の原因となり、ＳｉＣデバイスの順方向電圧の揺らぎやリーク電流の発生を引き起こすおそれがある。したがって、ＳｉＣデバイスのデバイス特性を向上させるには、ＢＰＤを減少させることが重要である。
また、上述した特許文献１では、ｐ型領域およびｎ型領域を形成するためのドーパントの種類については記載があるものの、これらのドーパントをどのような条件で用いれば欠陥を低減できるかは示されていない。また、上述した特許文献２では、欠陥の発生については考慮されておらず、文献中に記載されたドーパントを用いることによってＢＰＤを低減できるか否かは不明である。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、デバイス中に存在するＢＰＤを低減し、炭化珪素半導体装置のデバイスの特性を向上させることができる炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明者らは、鋭意研究を重ねた。その結果、導電型やドープ濃度が急峻に変化する界面でドーパントによる格子ひずみの影響によりＢＰＤを刃状転位に変換できると考えた。そして、ノンドープ状態と比較して格子定数の変化が大きい窒素（Ｎ）と、ノンドープ状態と比較して格子定数の変化が小さいリン（Ｐ）の２種類のドーパントを用いてエピタキシャル層を積層することによって、ＢＰＤが刃状転位に変換されることを見いだした。
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基板上にｎ型またはｐ型の炭化珪素エピタキシャル層が積層された炭化珪素半導体装置を製造する際に、それぞれ異なる不純物を用いて、互いに接する同一導電型の炭化珪素エピタキシャル層を形成する。
この炭化珪素エピタキシャル層がｎ型の炭化珪素エピタキシャル層である場合は、炭化珪素エピタキシャル層を形成する際の不純物として、窒素およびリンを同時に用いるのが好ましい。また、炭化珪素エピタキシャル層が、ｐ型の炭化珪素エピタキシャル層である場合は、炭化珪素エピタキシャル層を形成する際の不純物として、ボロン、アルミニウム、およびインジウムのうち、少なくともいずれか２つを用いるのが好ましい。また、炭化珪素エピタキシャル層を形成する際に用いる２種類以上の不純物のうち、少なくとも１種類の不純物濃度は高濃度とし、少なくとも別の１種類の不純物濃度は低濃度とする。
また、炭化珪素基板に、ｐ型またはｎ型の不純物が添加されている場合、炭化珪素エピタキシャル層を形成する際の不純物は、炭化珪素基板に添加された不純物と異なる種類の不純物とするのが好ましい。また、炭化珪素エピタキシャル層をそれぞれ異なる種類の不純物が添加された複数のエピタキシャル層を積層して形成することとしてもよい。
また、本発明にかかる炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、炭化珪素基板上に形成されたｎ型またはｐ型の炭化珪素エピタキシャル層とを備えており、互いに接する同一導電型の２層以上の炭化珪素エピタキシャル層は、それぞれ異なる不純物が添加されている。この炭化珪素エピタキシャル層がｎ型炭化珪素エピタキシャル層である場合は、窒素およびリンが添加されている。また、炭化珪素エピタキシャル層がｐ型炭化珪素エピタキシャル層である場合は、ボロン、アルミニウム、およびインジウムのうち、少なくとも２つが添加されている。炭化珪素エピタキシャル層に添加された２種類以上の不純物のうち、少なくとも１種類の不純物濃度は高濃度であり、少なくとも別の１種類の不純物濃度は低濃度であるのが好ましい。
また、炭化珪素基板にｐ型またはｎ型の不純物が添加されている場合、炭化珪素エピタキシャル層には、炭化珪素基板に導入された不純物と異なる種類の不純物が添加されているのが好ましい。また、炭化珪素エピタキシャル層は、それぞれ異なる種類の不純物が添加された複数のエピタキシャル層によって形成されていてもよい。
本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置によれば、デバイス中に存在するＢＰＤを低減し、炭化珪素半導体装置のデバイスの特性を向上させることができる。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる炭化珪素半導体基板の断面図である。実施の形態１にかかる炭化珪素半導体基板１００は、炭化珪素単結晶基板１０１上に、窒素（Ｎ）をドープしたｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０２が積層され、さらにその上に、リン（Ｐ）をドープしたｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０３が積層されている。
図１は、実施の形態１にかかる炭化珪素半導体基板の断面図である。実施の形態１にかかる炭化珪素半導体基板１００は、炭化珪素単結晶基板１０１上に、窒素（Ｎ）をドープしたｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０２が積層され、さらにその上に、リン（Ｐ）をドープしたｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０３が積層されている。
実施の形態１にかかる炭化珪素半導体基板１００の製造プロセスについて説明する。出発基板として、窒素（Ｎ）を１０18ｃｍ-3のドープ濃度でドープした４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を用いる。そして、鏡面研磨処理およびＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理により、出発基板の（０００１）Ｓｉ面から＜１１−２０＞方向に８度傾けて研磨した面を主面として使用する。なお、＜１１−２０＞方向の「−２」は、「２」の上にバーが付された指数であることを表している。
まず、出発基板をたとえば５ｍｍ角のチップ状にダイサーを用いて切断し、切断後の基板を有機溶剤と酸を用いて洗浄する。つづいて、炭化珪素（ＳｉＣ）で被覆した黒鉛のサセプタに、エッチングする面を上にした基板を乗せる。そして、基板を乗せたサセプタを石英反応管に挿入し、石英反応管内を真空引きして１Ｐａ以下の圧力にする。
つづいて、石英反応管内にたとえば水素（Ｈ）１０ｓｌｍ、塩化水素（ＨＣｌ）５ｓｃｃｍの流量で混合した混合ガスを導入し、反応管内の圧力を１００Ｔｏｒｒとする。その状態で、１６００℃で５分間保持して、気相エッチングをおこなう。その際、サセプタをたとえば高周波誘導加熱法によって加熱する。
つづいて、たとえば水素（Ｈ2）１０ｓｌｍ、モノシラン（ＳｉＨ4）３ｓｃｃｍ、プロパン（Ｃ3Ｈ8）２ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ2）１ｓｌｍを反応管内に導入し、圧力９０Ｔｏｒｒ、１５００℃で１時間保持して、窒素（Ｎ）をドープした４Ｈ型ＳｉＣ薄膜（Ｎドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０２）を基板上にエピタキシャル成長させる。たとえば、Ｎドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０２の厚さは約１０μｍであり、Ｎドープ量は１０19ｃｍ-3である。これにより、基板上のマイクロパイプ、キャロット欠陥などの大型欠陥は、たとえば０．４個／ｃｍ2程度に減少する。
つぎに、再び石英反応管内を１Ｐａ以下の真空状態とした後、たとえば水素（Ｈ2）１０ｓｌｍ、モノシラン（ＳｉＨ4）３ｓｃｃｍ、プロパン（Ｃ3Ｈ8）２ｓｃｃｍ、ホスフィン（ＰＨ3）１００ｓｃｃｍを反応管内に導入し、１５００℃で１２分間保持して、リン（Ｐ）をドープした４Ｈ型ＳｉＣ薄膜（Ｐドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０３）をエピタキシャル成長させる。たとえば、Ｐドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０３の厚さは約２μｍであり、Ｐドープ量は１０17ｃｍ-3である。
エピタキシャル成長させたＳｉＣ薄膜の転位密度を検討すると、Ｎドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０２のみの生成時におけるＢＰＤ密度は約１０14ｃｍ-2である。これに対して、Ｐドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０３を生成した後におけるＢＰＤ密度は１０3ｃｍ-2である。Ｐドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０３を生成した後におけるＢＰＤ密度は、Ｎドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０２のみの生成時と比較して約９０％減少する。なお、転位密度の検討にあたっては、基板に対して水酸化カリウム（ＫＯＨ）によるエッチングをおこなった後、ＳＥＭ観察による欠陥密度の計数をおこなった。水酸化カリウム（ＫＯＨ）によるエッチングは、ニッケル（Ｎｉ）坩堝内で５００℃に加熱した水酸化カリウム（ＫＯＨ）に、基板を３０秒間浸漬する方法によっておこなった。
このように、Ｐドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０３を生成した後のＢＰＤ密度が、Ｎドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１０２のみの生成時と比較して減少するのは、ＢＰＤが刃状転位に変換されているためである。
このように、基板中のＢＰＤを減少させることによって、特に縦型デバイスに基板を用いた場合に、順方向の電圧の揺らぎを抑えることができるとともに、リークにかかる欠陥密度を大幅に低減させることができる。このため、歩留まりを大きく向上させることができる。
（実施の形態２）
実施の形態１では、２種類のドープ層（Ｎドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層およびＰドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層）を、それぞれ１層ずつ基板上に成膜した。実施の形態２では、２種類のドープ層を繰り返し成膜する。これにより、ＢＰＤが刃状転位に変換される割合をさらに高くすることができる。
実施の形態１では、２種類のドープ層（Ｎドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層およびＰドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層）を、それぞれ１層ずつ基板上に成膜した。実施の形態２では、２種類のドープ層を繰り返し成膜する。これにより、ＢＰＤが刃状転位に変換される割合をさらに高くすることができる。
図２は、実施の形態２にかかる炭化珪素半導体基板の断面図である。また、図３は、実施の形態２にかかる炭化珪素半導体基板の製造過程における断面図である。実施の形態２にかかる炭化珪素半導体基板２００は、炭化珪素単結晶基板２０１上に、窒素（Ｎ）をドープした第１のＮドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０２、リン（Ｐ）をドープした第１のＰドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０３、第２のＮドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０４、第２のＰドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０５、および第３のＮドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０６が順に積層されている。なお、図２では、各層の厚さを均一に表記している。
図２に示すように、実施の形態２にかかる炭化珪素半導体基板２００では、点線で示すＢＰＤが各ＳｉＣエピタキシャル層の界面において刃状転位に変換されている。これにより、ＢＰＤが刃状転位に変換される割合が実施の形態１と比較してさらに高くなっている。このようなＢＰＤの減少は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）によるエッチングおよびＳＥＭ観察による計数によって検出することができる。
実施の形態２にかかる炭化珪素半導体基板２００の製造プロセスについて説明する。実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、出発基板として、窒素（Ｎ）を１０18ｃｍ-3のドープ濃度でドープした４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を用いる。そして、鏡面研磨処理およびＣＭＰ処理により、出発基板の（０００１）Ｓｉ面から＜１１−２０＞方向に８度傾けて研磨した面を主面として使用する。
まず、出発基板をたとえば５ｍｍ角のチップ状にダイサーを用いて切断し、切断後の基板を有機溶剤と酸を用いて洗浄する。つづいて、炭化珪素（ＳｉＣ）で被覆した黒鉛のサセプタに、エッチングする面を上にした基板を乗せる。そして、基板を乗せたサセプタを石英反応管に挿入し、石英反応管内を真空引きして１Ｐａ以下の圧力にする。
つづいて、石英反応管内にたとえば水素（Ｈ）１０ｓｌｍ、塩化水素（ＨＣｌ）５ｓｃｃｍの流量で混合した混合ガスを導入し、反応管内の圧力を１００Ｔｏｒｒとする。その状態で、１６００℃で５分間保持して、気相エッチングをおこなう。その際、サセプタをたとえば高周波誘導加熱法によって加熱する。
つづいて、たとえば水素（Ｈ2）１０ｓｌｍ、モノシラン（ＳｉＨ4）３ｓｃｃｍ、プロパン（Ｃ3Ｈ8）２ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ2）１ｓｌｍを反応管内に導入し、圧力９０Ｔｏｒｒ、１５００℃で１時間保持して、窒素（Ｎ）をドープした４Ｈ型ＳｉＣ薄膜（第１のＮドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０２）を基板上にエピタキシャル成長させる。たとえば、第１のＮドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０２の厚さは約１０μｍであり、Ｎドープ量は１０19ｃｍ-3である。これにより、基板上のマイクロパイプ、キャロット欠陥などの大型欠陥は、実施の形態１と同様に、たとえば０．４個／ｃｍ2程度に減少する。
つぎに、再び石英反応管内を１Ｐａ以下の真空状態とした後、たとえば水素（Ｈ2）１０ｓｌｍ、モノシラン（ＳｉＨ4）３ｓｃｃｍ、プロパン（Ｃ3Ｈ8）２ｓｃｃｍ、ホスフィン（ＰＨ3）１００ｓｃｃｍを反応管内に導入し、１５００℃で６分間保持して、リン（Ｐ）をドープした４Ｈ型ＳｉＣ薄膜（第１のＰドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０３）をエピタキシャル成長させる。たとえば、第１のＰドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０３の厚さは約１μｍであり、Ｐドープ量は１０17ｃｍ-3である。
この後、さらに第２のＮドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０４および第２のＰドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０５を、それぞれ５００ｎｍの厚さに成長させて超格子構造とする。最後に、第３のＮドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０６を１０μｍの厚さに成長させて、図２に示す炭化珪素半導体基板２００を形成する。
以上のようにエピタキシャル成長させたＳｉＣ薄膜の転位密度を検討すると、第１のＮドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０２の生成時にはＢＰＤ密度が約１０14ｃｍ-2であるのに対して、第２のＰドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０５を生成した後のＢＰＤ密度は２×１０2ｃｍ-2となった。すなわち、第１のＮドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０２の生成時と比較して、第２のＰドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２０５を生成した後には約９８％のＢＰＤが刃状転位に変換された。
なお、上述した実施の形態では、ｎ型のＳｉＣエピタキシャル層を形成する場合について説明したが、ｐ型のＳｉＣエピタキシャル層を形成する場合は、たとえば、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、およびインジウム（Ｉｎ）のうち、少なくともいずれか２つをドーパントとするのが好ましい。
以上説明したように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置によれば、複数の異なるドーパントを用いて複数回エピタキシャル成長をおこなうことによって、異なる物質がドープされた複数のＳｉＣ薄膜を形成する。この複数のＳｉＣ薄膜の各界面において、ＢＰＤの転位の方向が変わり、刃状転位へと変換される。これにより、炭化珪素半導体装置中のＢＰＤを低減し、デバイス特性を向上させることができる。
以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置は、汎用インバータ、ＡＣサーボ、無停電電源（ＵＰＳ）またはスイッチング電源などの産業分野や、電子レンジ、炊飯器またはストロボなどの民生機器分野に用いられるＩＧＢＴなどの電力用半導体素子に有用である。
１０１ 炭化珪素単結晶基板
１０２ Ｎドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層
１０３ Ｐドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層
１０２ Ｎドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層
１０３ Ｐドープｎ型ＳｉＣエピタキシャル層
Claims (12)
- 炭化珪素基板上にｎ型またはｐ型の炭化珪素エピタキシャル層が積層された炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
互いに接する同一導電型の２層以上の前記炭化珪素エピタキシャル層を、それぞれ異なる不純物をドーパントとして用いて形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記炭化珪素エピタキシャル層は、ｎ型の炭化珪素エピタキシャル層であり、
当該炭化珪素エピタキシャル層を形成する際の不純物として、窒素およびリンを用い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の製造方法。 - 前記炭化珪素エピタキシャル層は、ｐ型の炭化珪素エピタキシャル層であり、
当該炭化珪素エピタキシャル層を形成する際の不純物として、ボロン、アルミニウム、およびインジウムのうち、少なくともいずれか２つを用い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の製造方法。 - 前記炭化珪素エピタキシャル層を形成する際に用いる２種類以上の不純物のうち、少なくとも１種類の不純物濃度は高濃度とし、少なくとも別の１種類の不純物濃度は低濃度とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記炭化珪素基板は、ｐ型またはｎ型の不純物が添加されており、
前記炭化珪素エピタキシャル層を形成する際の不純物は、前記炭化珪素基板に添加された不純物と異なる種類の不純物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - ドーパントが異なる層を交互にエピタキシャル成長させることによって前記炭化珪素エピタキシャル層を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に形成されたｎ型またはｐ型の炭化珪素エピタキシャル層と、を備え、
互いに接する同一導電型の２層以上の前記炭化珪素エピタキシャル層は、それぞれ異なる不純物がドーパントとして添加されていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 前記炭化珪素エピタキシャル層は、窒素およびリンが添加されたｎ型炭化珪素エピタキシャル層であることを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記炭化珪素エピタキシャル層は、ボロン、アルミニウム、およびインジウムのうち、少なくとも２つが添加されたｐ型炭化珪素エピタキシャル層であることを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記炭化珪素エピタキシャル層に添加された２種類以上の不純物のうち、少なくとも１種類の不純物濃度は高濃度であり、少なくとも別の１種類の不純物濃度は低濃度であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記炭化珪素基板は、ｐ型またはｎ型の不純物が添加されており、
前記炭化珪素エピタキシャル層は、前記炭化珪素基板に導入された不純物と異なる種類の不純物が添加されていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記炭化珪素エピタキシャル層は、ドーパントが異なる複数のエピタキシャル層が交互に積層されてできていることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。
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