JP5950011B2 - 炭化珪素基板 - Google Patents
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Description
本発明は炭化珪素基板、半導体装置およびこれらの製造方法に関し、より特定的には、オン抵抗を低減して半導体装置の歩留まりを向上させることが可能な炭化珪素基板、当該基板を用いた半導体装置、およびこれらの製造方法に関するものである。
近年、半導体装置の高耐圧化、低損失化、高温環境下での使用などを可能とするため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素（ＳｉＣ）の採用が進められつつある。炭化珪素は、従来から半導体装置を構成する材料として広く使用されている珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体である。そのため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素を採用することにより、半導体装置の高耐圧化、オン抵抗の低減などを達成することができる。また、炭化珪素を材料として採用した半導体装置は、珪素を材料として採用した半導体装置に比べて、高温環境下で使用された場合の特性の低下が小さいという利点も有している。さらに、炭化珪素基板は、窒化ガリウム基板などの窒化物半導体からなる基板と比較して、熱伝導性に優れることから、高電圧、大電流が要求されるハイパワー用途の半導体装置の基板として優れている。
炭化珪素を材料として採用した高性能な半導体装置を製造するためには、炭化珪素からなる基板（炭化珪素基板）を準備し、当該炭化珪素基板上にＳｉＣからなるエピタキシャル成長層を形成するプロセスの採用が有効である。また、たとえば炭化珪素基板を用いて縦型パワーデバイスを製造する場合、基板の厚み方向における抵抗率をできる限り低減することにより、デバイスのオン抵抗を低減することができる。そして、基板の厚み方向における抵抗率を低減するためには、たとえばｎ型ドーパントである窒素などの不純物を高い濃度で基板に導入する方策を採用することができる（たとえば、Ｒ．Ｃ．ＧＬＡＳＳ ｅｔ ａｌ．、“ＳｉＣ Ｓｅｅｄｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ”、Ｐｈｙｓ． ｓｔａｔ． ｓｏｌ．（ｂ）、１９９７年、２０２、ｐ１４９−１６２（非特許文献１）参照）。また、炭化珪素とは結晶構造が異なるＩＩＩ族窒化物基板において、表面に存在する不純物の影響が検討されている（特開２０１１−７７３８１号公報（特許文献１）、特開２０１０−１６３３０７号公報（特許文献２）参照）。
Ｒ．Ｃ．ＧＬＡＳＳ ｅｔ ａｌ．、"ＳｉＣ Ｓｅｅｄｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ"、Ｐｈｙｓ． ｓｔａｔ． ｓｏｌ．（ｂ）、１９９７年、２０２、ｐ１４９−１６２
しかしながら、抵抗率の低い炭化珪素基板を用いて半導体装置を製造した場合でも、半導体装置のオン抵抗が高くなって歩留まりが低下するという問題が発生する場合がある。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、オン抵抗を低減して半導体装置の歩留まりを向上させることが可能な炭化珪素基板、当該基板を用いた半導体装置、およびこれらの製造方法を提供することである。
本発明に従った炭化珪素基板は、少なくとも一方の主面を含む領域が単結晶炭化珪素からなり、当該一方の主面には、硫黄原子が６０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上２０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下で存在し、酸素原子が３ａｔ％以上３０ａｔ％以下で存在する。
本発明者は、上記オン抵抗の上昇による半導体装置の歩留まり低下の原因および対策について検討を行なった。その結果、上記オン抵抗の上昇は、エピタキシャル成長層が形成されるべき炭化珪素基板の主面における不純物元素の存在に起因することが明らかとなった。さらに、不純物元素の種類によって、オン抵抗への影響度合いに大きな差があるとの知見も得られた。
具体的には、炭化珪素基板の主面に炭素原子が存在すると、当該主面上にエピタキシャル成長層を形成した場合、炭化珪素基板とエピタキシャル成長層との界面に高抵抗層が形成され、その後電極等が形成されて得られる半導体装置のオン抵抗が大幅に上昇する。一方、硫黄原子および酸素原子は、大量に存在するとオン抵抗上昇の原因となるものの、少量であればその影響は小さい。また、硫黄原子および酸素原子が存在することで、炭化珪素基板を構成する珪素原子と不純物元素である炭素原子とが結合することが抑制される。そのため、少量の硫黄原子および酸素原子の存在は、不純物元素としての炭素原子の存在を抑制し、オン抵抗上昇を抑える効果がある。
本発明の炭化珪素基板においては、主面における硫黄原子および酸素原子の存在割合が、それぞれ２０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下および３０ａｔ％以下とされるため、これらの原子の存在に起因したオン抵抗上昇が抑制される。そして、主面における硫黄原子および酸素原子の存在割合が、それぞれ６０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上および３ａｔ％以上とされることにより、炭化珪素基板を構成する珪素原子と不純物である炭素原子とが結合することが抑制され、オン抵抗の上昇が抑えられる。その結果、本発明の炭化珪素基板によれば、オン抵抗を低減して半導体装置の歩留まりを向上させることが可能な炭化珪素基板を提供することができる。
上記炭化珪素基板においては、一方の主面に存在する塩素原子は４０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とされてもよい。これにより、オン抵抗を低減して半導体装置の歩留まりを向上させることが可能な炭化珪素基板を提供することができる。
上記炭化珪素基板においては、上記一方の主面に存在する炭素原子は４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下とされてもよい。これにより、炭化珪素基板と炭化珪素基板上に形成されるエピタキシャル成長層との界面における高抵抗層の形成が抑制される。特に、上記一方の主面に存在する不純物としての炭素原子は、２２ａｔ％以下とすることが好ましく、１４ａｔ％以下とすることがより好ましく、８ａｔ％以下とすることがさらに好ましい。
上記炭化珪素基板においては、上記一方の主面に存在する金属不純物は１１０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とされてもよく、さらに４０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とされてもよい。Ｔｉ(チタン)、Ｃｒ(クロム)、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃａ（カルシウム）、Ｋ（カリウム）などの金属原子は、上記界面における高抵抗層形成の原因となる。そのため、その存在割合を上記範囲に低減することにより、上記高抵抗層の形成が抑制される。また、金属不純物の低減により、エピタキシャル成長層の品質低下を抑制することができる。
上記炭化珪素基板においては、上記一方の主面に存在するナトリウム原子は１００００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とされてもよい。Ｎａ（ナトリウム）原子が多くなると、炭化珪素の酸化速度が増加して酸化処理における酸化膜の膜厚が大きくなり、膜厚の面内分布が大きくなる。また、Ｎａ原子は、炭化珪素基板上に形成されるエピタキシャル成長層の品質を悪化させる。そのため、その存在割合を上記範囲に低減することが好ましい。
上記炭化珪素基板においては、上記一方の主面に存在する銅原子および亜鉛原子の合計は６０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とされてもよい。本発明者の検討の結果、銅（Ｃｕ）および亜鉛（Ｚｎ）は、炭化珪素の抵抗を増加させる絶縁性金属としてはたらくことが明らかとなった。炭化珪素基板の表面に存在する絶縁性金属は、当該炭化珪素基板を用いて半導体装置を作製した場合における半導体装置のオン抵抗を増加させる。また、Ｃｕ原子およびＺｎ原子は、炭化珪素基板上に形成されるエピタキシャル成長層の品質を悪化させる。そのため、その存在割合を上記範囲に低減することが好ましい。
なお、炭化珪素基板の主面における不純物元素の存在割合は、たとえばＴＸＲＦ（ＴＯＴＡＬ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｘ‐Ｒａｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ；全反射蛍光Ｘ線分析）、ＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；オージェ電子分光分析）、ＸＰＳ（Ｘ‐ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；Ｘ線光電子分光）、ＩＣＰ−ＭＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；誘導結合プラズマ質量分析）などにより測定することができる。より具体的には、Ｓ、Ｃｌの存在割合はＴＸＲＦにより測定することができる。Ｏ、Ｃの存在割合は、ＡＥＳやＸＰＳにより評価することができる。また、金属不純物の存在割合については、ＴＸＲＦのほか、ＩＣＰ-ＭＳにより評価することができる。Ｎａについては、ＩＣＰ-ＭＳにより評価することができる。ＴＸＲＦは前処理が不要であり、簡易に評価を行なうことができる。一方、ＩＣＰ-ＭＳによる評価では、まず基板表面から酸により金属を抽出し、抽出された金属の量をＩＣＰ-ＭＳにより評価する。すなわち、酸（溶液）に接触する基板表面全体における不純物の量を測定することができる。酸としては、王水、塩酸、ふっ酸、塩酸過水、ふっ酸過水、ふっ硝酸などを用いることができる。
ＴＸＲＦ、ＡＥＳおよびＸＰＳによる測定によれば、主面から５ｎｍ程度の深さまでの領域における情報に基づいて不純物元素の存在割合が測定される。すなわち、本願において、炭化珪素基板の主面における元素の存在割合は、当該主面から５ｎｍ程度の深さまでの領域における元素の存在割合を意味する。なお、ＸＰＳは結合エネルギーを評価することから、炭化珪素を構成する炭素と、表面に付着した有機物等に含まれる炭素、すなわち不純物としての炭素とを分離して評価することができる。
上記炭化珪素基板においては、上記一方の主面の表面粗さは、ＲＭＳ（日本工業規格；ＪＩＳ参照）で評価した場合０．５ｎｍ以下とされてもよい。これにより、当該一方の主面上に良質なエピタキシャル成長層を形成することが容易となり、半導体装置の歩留まりが向上する。なお、主面の表面粗さは、たとえばＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；原子間力顕微鏡）、光干渉式粗さ計などにより測定することができる。
上記炭化珪素基板においては、直径が１１０ｍｍよりも大きくてもよい。このような大口径基板を用いた半導体装置の製造工程において上記高抵抗層の形成を抑制することにより、半導体装置の製造効率を向上させ、製造コストを抑制することができる。
上記炭化珪素基板においては、当該基板を構成する単結晶炭化珪素は４Ｈ構造を有し、単結晶炭化珪素の｛０００１｝面に対する上記一方の主面のオフ角は０．１°以上１０°以下であってもよい。
六方晶炭化珪素である４Ｈ構造の炭化珪素は、＜０００１＞方向に成長させることにより、効率よく成長させることができる。そして、＜０００１＞方向に成長させた結晶からは、｛０００１｝面に対するオフ角が小さい、具体的にはオフ角が１０°以下の基板を効率よく作製することができる。一方、上記一方の主面に｛０００１｝面に対して０．１°以上のオフ角を付与することにより、良好なエピタキシャル成長の実施が容易となる。
上記炭化珪素基板においては、当該基板を構成する単結晶炭化珪素は４Ｈ構造を有し、単結晶炭化珪素の（０００−１）面に対する上記一方の主面のオフ角は０．０１°以上６°以下であってもよい。（０００−１）面、すなわち｛０００１｝面のうちＣ（カーボン）面側の面に対する上記一方の主面のオフ角を０．０１°以上６°以下とすることにより、基板作製の効率化と基板表面上における良好なエピタキシャル成長とを両立することができる。そして、基板の主面を、キャリアの移動度が高いＣ（カーボン）面に近い面とすることにより、当該基板を用いて半導体装置を作製した場合におけるチャネル移動度の向上などを達成することが容易となる。
上記炭化珪素基板においては、当該基板を構成する単結晶炭化珪素は４Ｈ構造を有し、単結晶炭化珪素の｛０３−３８｝面に対する上記一方の主面のオフ角は４°以下であってもよい。これにより、当該基板を用いて製造される半導体装置の漏れ電流の抑制、チャネル移動度の向上などを達成することが容易となる。
また、上記炭化珪素基板の上記一方の主面は、（０００１）面、（０３−３８）面、（０１−１２）面、（０１−１１）面およびこれらの裏面、すなわち（０００−１）面、（０−３３−８）面、（０−１１−２）面、（０−１１−１）面のいずれかに対して所定のオフ角、たとえば４°以下のオフ角を有する面であることが好ましい。
上記炭化珪素基板は、ベース層と、ベース層上に形成された単結晶炭化珪素層とを備えていてもよい。この場合、上記一方の主面は、単結晶炭化珪素層の、ベース層の側とは反対側の表面であってもよい。
このようにすることにより、たとえばベース層として安価なベース基板、具体的には欠陥密度の大きい単結晶炭化珪素からなる基板や多結晶炭化珪素基板、あるいはセラミックスからなるベース基板を準備し、このベース基板上に良質な炭化珪素単結晶からなる基板を配置することにより、炭化珪素基板を比較的安価に製造することができる。特に、炭化珪素基板は大口径化の困難であるため、たとえばベース基板上に良質であるものの大きさが小さい単結晶炭化珪素基板を平面的に見て複数並べて配置し、ベース層上に単結晶炭化珪素層がベース層の主面に沿って複数並べて配置された炭化珪素基板を作製することにより、安価で、かつ大口径な炭化珪素基板を得ることができる。
本発明に従った半導体装置は、炭化珪素基板と、炭化珪素基板の一方の主面上に形成されたエピタキシャル成長層と、エピタキシャル成長層上に形成された電極とを備えている。そして、この半導体装置を構成する炭化珪素基板は、上記本発明の炭化珪素基板である。
上記本発明の炭化珪素基板が用いられることにより、炭化珪素基板上に良質なエピタキシャル成長層を形成することができる。その結果、本発明の半導体装置によれば、高い歩留まりを確保することができる。
上記半導体装置においては、上記炭化珪素基板の、エピタキシャル成長層の側とは反対側の主面である他方の主面上に形成された第２の電極をさらに備えていてもよい。
このようにすることにより、基板の厚み方向に電流が流れる縦型半導体装置が得られる。そして、基板として上記本発明の炭化珪素基板が採用されることにより、炭化珪素基板とエピタキシャル成長層との界面における高抵抗層の形成が抑制されてオン抵抗が低減され、製造における歩留まりが向上する。
本発明に従った炭化珪素基板の製造方法は、単結晶炭化珪素の結晶を準備する工程と、当該結晶を切断することにより基板を得る工程と、基板の少なくとも一方の主面を平坦化する工程と、平坦化された基板の表面を仕上げ処理する工程とを備えている。そして、基板の表面を仕上げ処理する工程では、上記一方の主面に、硫黄原子が６０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上２０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下で存在し、酸素原子が３ａｔ％以上３０ａｔ％以下で存在するように一方の主面における硫黄原子および酸素原子の存在割合が調整される。
本発明の炭化珪素基板の製造方法においては、基板の表面を仕上げ処理する工程で主面における硫黄原子および酸素原子の存在割合が上記適切な範囲内に調整される。その結果、本発明の炭化珪素基板の製造方法によれば、オン抵抗を低減して半導体装置の歩留まりを向上させることが可能な炭化珪素基板を製造することができる。
上記炭化珪素基板の製造方法においては、上記基板の表面を仕上げ処理する工程では、上記一方の主面に存在する金属不純物が１１０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下となるように上記一方の主面における金属不純物の存在割合が調整されてもよい。これにより、上記界面における高抵抗層の形成を抑制することができる。また、エピタキシャル成長層の品質を向上させることができる。
上記炭化珪素基板の製造方法においては、上記基板の表面を仕上げ処理する工程では、上記一方の主面に存在するナトリウム原子が１００００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下となるように上記一方の主面におけるナトリウムの存在割合が調整されてもよい。これにより、酸化処理における酸化膜の膜厚の面内分布を抑制するとともに、炭化珪素基板上に形成されるエピタキシャル成長層の品質悪化を抑制することができる。
上記炭化珪素基板の製造方法においては、上記基板の表面を仕上げ処理する工程では、上記一方の主面に存在する銅原子および亜鉛原子の合計が６０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下となるように上記一方の主面における銅原子および亜鉛原子の合計の存在割合が調整されてもよい。これにより、炭化珪素基板を用いて製造される半導体装置のオン抵抗を低減するとともに、当該基板上に形成されるエピタキシャル成長層の品質を向上させることができる。
本発明に従った半導体装置の製造方法は、上記本発明の炭化珪素基板を準備する工程と、炭化珪素基板の一方の主面上にエピタキシャル成長層を形成する工程と、エピタキシャル成長層上に電極を形成する工程とを備えている。本発明の半導体装置の製造方法においては、上記本発明の炭化珪素基板を用いて半導体装置が製造される。その結果、本発明の半導体装置の製造方法によれば、炭化珪素基板とエピタキシャル成長層との界面における高抵抗層の形成が抑制されてオン抵抗が低減され、半導体装置の製造における歩留まりが向上する。
以上の説明から明らかなように、本発明の炭化珪素基板、当該基板を用いた半導体装置、およびこれらの製造方法によれば、オン抵抗を低減して半導体装置の歩留まりを向上させることが可能な炭化珪素基板、当該基板を用いた半導体装置、およびこれらの製造方法を提供することができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。また、本明細書中においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示す。また、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。
（実施の形態１）
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１を参照して、本実施の形態における炭化珪素基板１は、その全体が単結晶炭化珪素からなり、一方の主面１Ａには、硫黄原子が６０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上２０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下で存在し、酸素原子が３ａｔ％以上３０ａｔ％以下で存在している。
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１を参照して、本実施の形態における炭化珪素基板１は、その全体が単結晶炭化珪素からなり、一方の主面１Ａには、硫黄原子が６０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上２０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下で存在し、酸素原子が３ａｔ％以上３０ａｔ％以下で存在している。
この炭化珪素基板１においては、主面１Ａにおける硫黄原子および酸素原子の存在割合が、それぞれ２０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下および３０ａｔ％以下とされるため、主面１Ａ上にエピタキシャル成長層が形成された場合でも、硫黄原子および酸素原子の存在に起因して当該エピタキシャル成長層と炭化珪素基板１との界面に高抵抗層が形成されることが抑制される。また、炭化珪素基板上に良好な品質のエピタキシャル成長層を形成することができるため、半導体装置の歩留が向上する。そして、主面１Ａにおける硫黄原子および酸素原子の存在割合が、それぞれ６０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上および３ａｔ％以上とされることにより、炭化珪素基板１を構成する珪素原子と不純物である炭素原子とが結合することが抑制され、上記界面における高抵抗層の形成が抑えられる。その結果、炭化珪素基板１は、オン抵抗を低減して半導体装置の歩留まりを向上させることが可能な炭化珪素基板となっている。硫黄原子の存在割合は、６０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上９００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とすることが好ましく、１２０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上５００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とすることがより好ましい。酸素原子の存在割合は、３ａｔ％以上２２ａｔ％以下とすることが好ましく、５ａｔ％以上１５ａｔ％以下％とすることがより好ましい。
ここで、上記炭化珪素基板１においては、主面１Ａに存在する塩素原子は４０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることが好ましい。これにより、炭化珪素基板上に良好な品質のエピタキシャル成長層を形成することができる。また、オン抵抗を低減して半導体装置の歩留まりを向上させることができる。塩素原子は、８００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とすることが好ましく、１００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とすることがより好ましい。
また、上記炭化珪素基板１においては、主面１Ａに存在する炭素原子は４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下であることが好ましい。これにより、炭化珪素基板１の主面１Ａ上に良好な品質のエピタキシャル成長層を形成することができる。また、炭化珪素基板１と炭化珪素基板上に形成されるエピタキシャル成長層との界面における高抵抗層の形成が抑制される。
さらに、上記炭化珪素基板１においては、主面１Ａに存在する金属不純物は１１０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とされることが好ましく、４０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とされることがさらに好ましい。これにより、炭化珪素基板１の主面１Ａ上に良好な品質のエピタキシャル成長層を形成することができる。また、上記高抵抗層の形成が一層抑制される。金属不純物は、１００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下がより好ましく、１０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下がさらに好ましい。
また、上記炭化珪素基板１においては、主面１Ａに存在するナトリウム原子は１００００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とされることが好ましく、１０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とされることがより好ましい。これにより、酸化処理における酸化膜の膜厚の面内分布を抑制するとともに、炭化珪素基板１の主面１Ａ上に形成されるエピタキシャル成長層の品質悪化を抑制することができる。主面１Ａに存在するナトリウム原子は、１００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、さらには１０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とすることが、一層好ましい。
さらに、上記炭化珪素基板１においては、主面１Ａに存在する銅原子および亜鉛原子の合計は６０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とされることが好ましく、１０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とされることがより好ましい。これにより、炭化珪素基板１を用いて製造される半導体装置のオン抵抗を低減するとともに、当該炭化珪素基板１の主面１Ａ上に形成されるエピタキシャル成長層の品質を向上させることができる。主面１Ａに存在する銅原子および亜鉛原子の合計は１００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、さらには１０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とすることが、一層好ましい。
また、上記炭化珪素基板１においては、主面１Ａの表面粗さは、ＲＭＳで評価した場合０．５ｎｍ以下となっていることが好ましく、０．３ｎｍ以下、さらには０．１ｎｍ以下となっていることがより好ましい。これにより、主面１Ａ上に良質なエピタキシャル成長層を形成することが容易となり、半導体装置の歩留まりが向上する。
さらに、上記炭化珪素基板１においては、直径が１１０ｍｍよりも大きいことが好ましい。これにより、半導体装置の製造効率を向上させることができる。直径は１２５ｍｍ以上３００ｍｍ以下がより好ましい。１２５ｍｍ以上であることにより、製造効率をより向上することができる。３００ｍｍ以下であることにより、反りやＴＴＶの制御が容易になり、半導体装置の歩留を向上することができる。
また、上記炭化珪素基板１においては、炭化珪素基板１を構成する単結晶炭化珪素は４Ｈ構造を有し、当該単結晶炭化珪素の｛０００１｝面に対する主面１Ａのオフ角は０．１°以上１０°以下であってもよい。これにより、基板の製造効率を向上させつつ、主面１Ａ上に良好なエピタキシャル成長層を形成することが容易となる。
一方、上記炭化珪素基板１においては、炭化珪素基板１を構成する単結晶炭化珪素は４Ｈ構造を有し、当該単結晶炭化珪素の｛０３−３８｝面に対する上記一方の主面のオフ角が４°以下であってもよい。これにより、炭化珪素基板１を用いて製造される半導体装置の漏れ電流の抑制、チャネル移動度の向上などを達成することが容易となる。
次に、炭化珪素基板１の製造方法について説明する。ここで、基板を構成する材料によって化学的耐久性や表面状態は異なる。そのため、基板の表面酸化の状態や表面に対する不純物の吸着、付着のし易さは、基板を構成する材料によって異なる。それゆえ、他の材料からなる基板の製造方法を炭化珪素基板に適用したとしても、表面が安定化された炭化珪素基板を得ることは困難である。炭化珪素基板については、たとえば以下のような手順により、表面が安定化された基板を得ることができる。図２を参照して、本実施の形態における炭化珪素基板１の製造方法では、まず、工程（Ｓ１０）として結晶成長工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、たとえば以下に説明する昇華法により、単結晶炭化珪素が作製される。
まずグラファイトからなる容器内に単結晶炭化珪素からなる種結晶と、炭化珪素からなる原料粉末とが挿入される。次に、原料粉末が加熱されることにより炭化珪素が昇華し、種結晶上に再結晶する。このとき、所望の不純物、たとえば窒素などが導入されつつ再結晶が進行する。そして、種結晶上に所望の大きさの結晶が成長した時点で加熱を停止し、容器内から単結晶炭化珪素の結晶が取り出される。
次に、工程（Ｓ２０）としてインゴット成形工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において作製された単結晶炭化珪素の結晶が、たとえば図３に示す円柱状の形状を有するインゴット１０に加工される。このとき、六方晶炭化珪素は＜０００１＞方向に成長させることにより、欠陥の発生を抑制しつつ効率よく結晶成長を進行させることが可能であるため、図３に示すように長手方向が＜０００１＞方向であるインゴット１０が作製されることが好ましい。
次に、工程（Ｓ３０）としてスライス工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において得られたインゴット１０が切断されることにより、基板が作製される。具体的には、図４を参照して、まず作製された柱状（円柱状）のインゴット１０が、その側面の一部が支持台２０により支持されるようにセットされる。次に、ワイヤー９が、インゴット１０の直径方向に沿った方向に走行しつつ、インゴット１０が走行方向に垂直な方向である切断方向αに沿ってワイヤー９に近づき、ワイヤー９とインゴット１０とが接触する。そして、インゴット１０が切断方向αに沿って進行し続けることによりインゴット１０が切断される。これにより、図５に示す炭化珪素基板１が得られる。このとき、炭化珪素基板１の主面１Ａが所望の面方位を有するように、インゴット１０が切断される。
次に、工程（Ｓ４０）として表面平坦化工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、炭化珪素基板１の主面１Ａに対して、研削加工、研磨加工などが実施され、工程（Ｓ３０）において形成された切断面（すなわち主面１Ａ）の粗さが低減される。研削加工ではツールにダイヤモンド砥石を用い、炭化珪素基板１と砥石を対向して回転させ、一定速度で切り込むことにより、基板表面の除去を行なう。主面１Ａの凹凸を除去して平坦化し、厚みを調整することができる。研磨加工では、ダイヤモンド等の砥粒の粒径を調整することにより、所望の表面粗さを得ることができる。定盤は、鉄、銅、スズ、スズ合金などの金属定盤や、金属と樹脂の複合定盤、あるいは研磨布を用いることができる。硬い金属定盤を用いることで、レートを向上させることができる。研磨布を用いることで、表面粗さを低減することができる。表面粗さを適切な範囲とするためには、研磨液の粘度η（ｍＰａ・ｓ)、液流量Ｑ(ｍ３／ｓ)、研磨定盤の面積Ｓ(ｍ２)、研磨圧力Ｐ（ｋＰａ）および周速Ｖ（ｍ／ｓ）を用いてＲ＝η×Ｑ×Ｖ／Ｓ×Ｐで表される抵抗係数Ｒ(ｍ２／ｓ）を、１．０×１０−１８〜３．０×１０−１７とすることが好ましい。抵抗係数Ｒを制御することにより、定盤と基板との摩擦による研磨に際して、基板にかかる抵抗を基板全面で均一化することができ、平坦化加工に適切な範囲にすることができ、粗さの面内分布を低減することができる。
次に、工程（Ｓ５０）として表面仕上げ工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、炭化珪素基板１の主面１Ａに対してドライエッチングやＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などが実施されることにより、主面１Ａが、当該主面１Ａ上に良質なエピタキシャル成長層を形成可能な程度、たとえば表面粗さをＲＭＳで評価した場合０．５ｎｍ以下となる程度にまで仕上げられる。
このとき、たとえばドライエッチングにおいて硫黄系のガス、塩素系のガスおよび酸素系のガスを用いることで、主面１Ａにおける硫黄原子、塩素原子および酸素原子の存在割合がそれぞれ増加する。そのため、これらのガスを適切に使い分けることにより、主面１Ａにおける硫黄原子、塩素原子および酸素原子の存在割合を上記所望の範囲に調整することができる。また、ＣＭＰの研磨剤の組成や条件を適切に使い分けることにより、主面１Ａにおける硫黄原子、塩素原子および酸素原子の存在割合を上記所望の範囲に調整することができる。研磨速度を向上し、表面粗さを低減させるためには、ＣＭＰの研磨液のケミカル作用を増加させることが有効であり、具体的には研磨液をｐＨ４以下またはｐＨ９．５以上とすることが好ましく、ｐＨ２以下またはｐＨ１０．５以上とすることがより好ましい。また、研磨液には酸化剤を添加することが好ましい。酸化剤にはトリクロロイソシアヌル酸、ジクロロイソシアヌル塩などの塩素系酸化剤、硫酸、硝酸、過酸化水素水等を用いることができる。主面１Ａにおける硫黄原子の存在割合の制御が容易であることから、ｐＨ調整には、硫酸や硫酸塩を用いることが好ましい。主面１Ａにおける酸素原子の存在割合の制御が容易であることから、酸化剤には過酸化水素水を採用することが好ましい。表面原子（不純物原子）の存在割合を制御し、表面粗さを制御し、研磨速度を向上させるためには、研磨液のｐＨをｘ、酸化還元電位をｙとした場合、以下の式
−５０ｘ＋７００≦ｙ≦−５０ｘ＋１０００
を満たすようにすることが好ましい。
−５０ｘ＋７００≦ｙ≦−５０ｘ＋１０００
を満たすようにすることが好ましい。
酸化還元電位を適切な範囲に制御することにより、研磨液の酸化力を制御し、表面の酸素量を制御するとともに、表面粗さと研磨速度とを適切な範囲に制御することができる。
また、表面の組成を制御し、表面粗さを制御し、研磨速度を向上させるためには、研磨液の粘度η（ｍＰａ・ｓ)、液流量Ｑ(ｍ３／ｓ)、研磨定盤の面積Ｓ(ｍ２)、研磨圧力Ｐ（ｋＰａ）および周速Ｖ（ｍ／ｓ）を用いてＲ＝η×Ｑ×Ｖ／Ｓ×Ｐで表される抵抗係数Ｒ(ｍ２／ｓ）を１．０×１０−１５〜３．０×１０−１４とすることが好ましい。抵抗係数を制御することにより、研磨剤を介した研磨布と基板との摩擦による研磨に際して基板にかかる抵抗を制御てき、効果的に表面組成を制御し、かつ表面粗さと研磨速度とを適切な範囲に制御することができる。ＣＭＰの研磨剤の砥粒は、表面粗さや加工変質層を低減させるために炭化珪素よりも柔らかい材料であることが必要であり、具体的にはコロイダルシリカ、フュームドシリカなどを採用することが好ましい。
次に、工程（Ｓ６０）として洗浄工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、上記工程（Ｓ５０）までのプロセスにおいて表面に付着した異物が洗浄により除去される。炭素原子、および金属不純物については、洗浄工程での薬液選定、超音波印加、洗浄槽の薬液のオーバーフロー循環とフィルタでのパーティクル除去により、その存在割合を上記所望の範囲に調整することができる。薬液には無機酸、無機アルカリ、有機酸、有機アルカリを用いることができる。また、金属不純物を洗浄によって除去する能力を向上させる目的で、酸化剤として過酸化水素水を用いることができる。超音波の周波数は、５０ｋＨｚ〜２ＭＨｚとすることができる。薬液循環のフィルタの孔径は、サイズ５０ｎｍ以上５μｍ以下が好ましい。以上の工程により、本実施の形態の炭化珪素基板１が完成する。
次に、本実施の形態における半導体装置について説明する。図６を参照して、本実施の形態における半導体装置であるショットキーバリアダイオード１００は、炭化珪素基板１０１と、炭化珪素基板１０１の一方の主面１０１Ａ上に形成され、単結晶炭化珪素からなるエピタキシャル成長層であるドリフト層１０２と、ドリフト層１０２の、炭化珪素基板１０１の側とは反対側の主面１０２Ａ上に接触して形成された第１の電極としてのアノード電極１１１と、炭化珪素基板１０１の、ドリフト層１０２の側とは反対側の主面である他方の主面１０１Ｄ上に形成された第２の電極としてのカソード電極１１２とを備えている。
炭化珪素基板１０１は、たとえば窒素などのｎ型不純物（キャリアとしての電子を供給する不純物）を含むことにより導電型がｎ型（第１導電型）となっている。ドリフト層１０２は、炭化珪素基板１０１よりも低い濃度のｎ型不純物を含むことにより、導電型がｎ型となっている。アノード電極１１１は、ドリフト層１０２とショットキー接触可能な金属からなっている。カソード電極１１２は、炭化珪素基板１０１とオーミックコンタクト可能な金属からなっている。
このショットキーバリアダイオード１００に対して順方向に電圧が印加された場合、炭化珪素基板１０１およびドリフト層１０２を介してアノード電極１１１とカソード電極１１２との間に電流が流れる。一方、逆方向に電圧が印加された場合、ドリフト層１０２においてアノード電極１１１に接触する領域を含むように空乏層が形成されるため、電流は流れない。
そして、本実施の形態においては、炭化珪素基板１０１として、上記本実施の形態における炭化珪素基板１が採用される。このとき、炭化珪素基板１の主面１Ａは、上記炭化珪素基板１０１の主面１０１Ａに対応する。上述のように、炭化珪素基板１においては、主面１Ａにおける硫黄原子および酸素原子の存在割合が適切な範囲に調整されている。そのため、ショットキーバリアダイオード１００のエピタキシャル成長層であるドリフト層１０２と炭化珪素基板１０１との界面に高抵抗層が形成されることが抑制される。その結果、ショットキーバリアダイオード１００は、オン抵抗が低減され、歩留まりが向上した半導体装置となっている。
次に、ショットキーバリアダイオード１００の製造方法の一例について説明する。図７を参照して、本実施の形態におけるショットキーバリアダイオード１００の製造方法においては、まず、工程（Ｓ１１０）として炭化珪素基板準備工程が実施される。この工程（Ｓ１１０）では、上記本実施の形態における炭化珪素基板の製造方法により、炭化珪素基板１が作製される。そして、図６を参照して、この炭化珪素基板１が、炭化珪素基板１０１として使用される。
次に、工程（Ｓ１２０）としてエピタキシャル成長工程が実施される。この工程（Ｓ１２０）では、炭化珪素基板１０１の主面１０１Ａ上にエピタキシャル成長によりドリフト層１０２が形成される。このとき、炭化珪素基板１０１においては、主面１０１Ａにおける硫黄原子および酸素原子の存在割合が適切な範囲に調整されている。そのため、ドリフト層１０２と炭化珪素基板１０１との界面に高抵抗層が形成されることが抑制される。また、エピタキシャル成長層（ドリフト層１０２）の品質低下を抑制することができる。
次に、工程（Ｓ１３０）として電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ１３０）では、ドリフト層１０２の主面１０２Ａ上に接触して配置されるアノード電極１１１と、炭化珪素基板１０１の主面１０１Ｄ上に接触して配置されるカソード電極１１２とが形成される。電極の形成は、たとえば金属膜の蒸着、マスク層の形成およびエッチングによる金属膜の成形を組み合わせることにより実施することができる。炭化珪素基板１０１の厚みを調整するため、カソード電極１１２形成前に、炭化珪素基板１０１の主面１０１Ｄ側から裏面研削、研磨等の加工を炭化珪素基板１０１に対して実施して、炭化珪素基板１０１の減厚を行なってもよい。以上のプロセスにより、本実施の形態におけるショットキーバリアダイオード１００を製造することができる。
次に、本実施の形態における半導体装置の変形例について説明する。図８を参照して、本実施の形態の変形例における半導体装置であるＰｉｎ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎｅｇａｔｉｖｅ）ダイオード２００は、導電型がｎ型（第１導電型）の炭化珪素基板２０１と、炭化珪素基板２０１の一方の主面２０１Ａ上に形成され、単結晶炭化珪素からなる導電型がｎ型のエピタキシャル成長層であるドリフト層２０２と、ドリフト層２０２の、炭化珪素基板２０１の側とは反対側の主面２０２Ａを含むように形成された導電型がｐ型（第２導電型）のｐ領域２０３と、ｐ領域２０３上に接触して形成された第１の電極としてのアノード電極２１１と、炭化珪素基板２０１の、ドリフト層２０２の側とは反対側の主面である他方の主面２０１Ｄ上に形成された第２の電極としてのカソード電極２１２とを備えている。炭化珪素基板２０１、ドリフト層２０２、アノード電極２１１およびカソード電極２１２は、それぞれ上記ショットキーバリアダイオード１００の炭化珪素基板１０１、ドリフト層１０２、アノード電極１１１およびカソード電極１１２に対応し、基本的には同様の構造を有している。しかし、本変形例のＰｉｎダイオード２００は、ドリフト層２０２内にｐ領域２０３が形成され、このｐ領域２０３とアノード電極２１１とがオーミックコンタクトする点において上記ショットキーバリアダイオード１００とは異なっている。
具体的には、ｐ領域２０３は、たとえば硼素などのｐ型不純物（キャリアとしての正孔を供給する不純物）を含むことにより導電型がｐ型となっている。また、アノード電極２１１は、ｐ領域２０３とオーミックコンタクト可能な金属からなっている。
このＰｉｎダイオード２００に対して順方向に電圧が印加された場合、炭化珪素基板２０１、ドリフト層２０２およびｐ領域２０３を介してアノード電極２１１とカソード電極２１２との間に電流が流れる。一方、逆方向に電圧が印加された場合、ｐ領域２０３と、ｐ領域２０３以外のドリフト層２０２との界面を含む領域に空乏層が形成されるため、電流は流れない。
そして、本変形例においても、炭化珪素基板２０１として、上記本実施の形態における炭化珪素基板１が採用される。このとき、炭化珪素基板１の主面１Ａは、上記炭化珪素基板２０１の主面２０１Ａに対応する。その結果、上記ショットキーバリアダイオード１００の場合と同様に、Ｐｉｎダイオード２００は、オン抵抗が低減され、歩留まりが向上した半導体装置となっている。
次に、Ｐｉｎダイオード２００の製造方法の一例について説明する。図９を参照して、本実施の形態の変形例におけるＰｉｎダイオード２００の製造方法においては、まず、工程（Ｓ１１０）としての炭化珪素基板準備工程、および工程（Ｓ１２０）としてのエピタキシャル成長工程が、上記ショットキーバリアダイオード１００の場合と同様に実施されることにより、炭化珪素基板２０１上にドリフト層２０２が形成された構造体が得られる（図８参照）。このとき、上記ショットキーバリアダイオード１００の場合と同様に、炭化珪素基板２０１として炭化珪素基板１が用いられることにより、炭化珪素基板２０１とドリフト層２０２との界面に高抵抗層が形成されることが抑制される。また、エピタキシャル成長層（ドリフト層２０２）の品質低下を抑制することができる。
次に、図９を参照して、工程（Ｓ１２１）としてイオン注入工程が実施される。この工程（Ｓ１２１）では、図８を参照して、工程（Ｓ１２０）において形成されたドリフト層２０２にイオン注入が実施されることにより、ｐ領域２０３が形成される。イオン注入は、たとえばドリフト層２０２の主面２０２Ａ上に二酸化珪素からなるマスク層をフォトリソグラフィーおよびＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により形成し、当該マスク層をマスクとして用いて実施することができる。
次に、工程（Ｓ１２２）として活性化アニール工程が実施される。この工程（Ｓ１２２）では、たとえば１６００℃〜１９００℃程度に加熱する熱処理が実施される。これにより、工程（Ｓ１２１）において注入された硼素などの不純物が活性化することにより、ｐ領域の導電型がｐ型となる。その後、工程（Ｓ１３０）が上記ショットキーバリアダイオード１００の場合と同様に実施され、本変形例におけるＰｉｎダイオード２００が完成する。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２における炭化珪素基板について説明する。図１０を参照して実施の形態２における炭化珪素基板１は、基本的には実施の形態１の炭化珪素基板１と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における炭化珪素基板１は、ベース層および単結晶炭化珪素層を備えている点において、実施の形態１の場合とは異なっている。
次に、実施の形態２における炭化珪素基板について説明する。図１０を参照して実施の形態２における炭化珪素基板１は、基本的には実施の形態１の炭化珪素基板１と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における炭化珪素基板１は、ベース層および単結晶炭化珪素層を備えている点において、実施の形態１の場合とは異なっている。
具体的には、図１０を参照して、実施の形態２における炭化珪素基板１は、ベース層１１と、ベース層１１上に形成された単結晶炭化珪素層１２とを備えている。そして、単結晶炭化珪素層１２の、ベース層１１の側とは反対側の主面１２Ａが、上記実施の形態１における主面１Ａに対応する。すなわち、本実施の形態における炭化珪素基板１では、一方の主面１２Ａを含む領域が単結晶炭化珪素からなっている。
本実施の形態における炭化珪素基板１においては、ベース層１１として安価なベース基板、たとえば欠陥密度の大きい単結晶炭化珪素からなる基板や多結晶炭化珪素基板、あるいはセラミックスからなるベース基板を採用し、ベース層１１上に良質な炭化珪素単結晶からなる基板を配置して単結晶炭化珪素層１２とされている。そのため、本実施の形態における炭化珪素基板１は、製造コストが抑制された炭化珪素基板となっている。また、本実施の形態においては、大口径のベース層１１上に、複数の単結晶炭化珪素層１２が平面的に見て並べて配置された構造を有している。その結果、本実施の形態における炭化珪素基板１は、製造コストが抑制され、かつ大口径な炭化珪素基板となっている。
次に、本実施の形態における炭化珪素基板の製造方法について説明する。図１１を参照して、本実施の形態における炭化珪素基板の製造方法では、まず実施の形態１の場合と同様に工程（Ｓ１０）〜（Ｓ３０）が実施される。その後、工程（Ｓ３１）として単結晶基板成形工程が実施される。この工程（Ｓ３１）では、工程（Ｓ１０）〜（Ｓ３０）の結果得られた基板が、図１０に示す単結晶炭化珪素層１２を構成するのに適した形状に成形される。具体的には、たとえば工程（Ｓ１０）〜（Ｓ３０）の結果得られた基板が成形されることにより、複数の矩形の基板が準備される。
次に、工程（Ｓ３２）として貼り合せ工程が実施される。この工程（Ｓ３２）では、別途準備されたベース基板上に、工程（Ｓ３１）において作製された複数の基板が平面的に見て並べて、たとえばマトリックス状に配置される。その後、所定の温度に加熱する処理が実施されることにより、ベース基板と工程（Ｓ３１）において作製された基板とが一体化し、図１０に示すように、ベース層１１上に複数の単結晶炭化珪素層１２が平面的に見て並べて配置された構造体が得られる。
その後、工程（Ｓ４０）〜（Ｓ６０）が上記実施の形態と同様に実施されることにより、実施の形態２における炭化珪素基板が完成する。
なお、上記実施の形態２においては、ベース層１１と単結晶炭化珪素層１２とが加熱により直接接合されて形成される場合について説明したが、これらは中間層を介して接合されてもよい。また、上記実施の形態においては、半導体装置の一例としてダイオードについて説明したが、本発明の半導体装置はこれに限られず、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＪＦＥＴ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などであってもよい。
（実施例１）
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面における硫黄原子および酸素原子の存在割合の影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面における硫黄原子および酸素原子の存在割合の異なる１１枚の基板を準備し、それぞれの基板ごとに複数の半導体装置（デバイス）を作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。炭化珪素単結晶の成長は、昇華法により行なった。種基板には主面が（０００１）面である直径５０ｍｍの炭化珪素基板を用いた。成長した結晶の窒素濃度は１×１０１９ｃｍ‐３であった。外周研削機により、結晶の成長面、種基板面、外周を研削加工し、円柱状の炭化珪素のインゴットを得た。スライスはマルチワイヤーソーで実施した。スライス後の主面を｛０３−３８｝面とするため、ワイヤーの走行方向から５４．７°傾斜させてインゴットをワイヤーソー装置内にセットして切断した。スライス後の基板厚みは２５０μmとした。スライス後の基板をダイシングして２０ｍｍ×３０ｍｍのタイル基板を得た。ベース基板の結晶成長は昇華法によりカーボン容器において種結晶なしで実施し、多結晶炭化珪素を成長させた。外周加工により、直径１５５ｍｍのインゴットを得た。マルチワイヤーソーによりスライスし、厚み５００μmの多結晶ベース基板を得た。単結晶矩形基板を多結晶ベース基板上に配置し、近接昇華により接合した。接合した複合基板の外周加工を行い、直径１５０ｍｍ、厚み７５０μmの基板を得た。
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面における硫黄原子および酸素原子の存在割合の影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面における硫黄原子および酸素原子の存在割合の異なる１１枚の基板を準備し、それぞれの基板ごとに複数の半導体装置（デバイス）を作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。炭化珪素単結晶の成長は、昇華法により行なった。種基板には主面が（０００１）面である直径５０ｍｍの炭化珪素基板を用いた。成長した結晶の窒素濃度は１×１０１９ｃｍ‐３であった。外周研削機により、結晶の成長面、種基板面、外周を研削加工し、円柱状の炭化珪素のインゴットを得た。スライスはマルチワイヤーソーで実施した。スライス後の主面を｛０３−３８｝面とするため、ワイヤーの走行方向から５４．７°傾斜させてインゴットをワイヤーソー装置内にセットして切断した。スライス後の基板厚みは２５０μmとした。スライス後の基板をダイシングして２０ｍｍ×３０ｍｍのタイル基板を得た。ベース基板の結晶成長は昇華法によりカーボン容器において種結晶なしで実施し、多結晶炭化珪素を成長させた。外周加工により、直径１５５ｍｍのインゴットを得た。マルチワイヤーソーによりスライスし、厚み５００μmの多結晶ベース基板を得た。単結晶矩形基板を多結晶ベース基板上に配置し、近接昇華により接合した。接合した複合基板の外周加工を行い、直径１５０ｍｍ、厚み７５０μmの基板を得た。
複合基板のベース基板、単結晶基板を順次平面加工してエピタキシャル成長用の基板を得た。ベース基板はダイヤモンド砥石により研削加工し、その後に研磨加工を実施することにより、主面をＲａ０．３〜１０ｎｍに鏡面化した。研削加工にはインフィード型研削機を用い、砥石にはビトリファイドボンドで番手＃６００、集中度１５０の砥石を用いた。研磨加工は多段階のラッピングを実施した。定盤には銅定盤とスズ定盤を用いた。ダイヤモンドスラリーは粒径３μmおよび１μmのものを用いた。
単結晶面の加工としては、研削加工、ラップ加工の後に、ＣＭＰを実施した。ＣＭＰのスラリーの砥粒には平均粒径５０ｎｍのコロイダルシリカを用いた。スラリーのケミカル成分には、レートの向上および表面組成の制御のために、硫酸と過酸化水素水を添加した。スラリーのｐＨをｘ、酸化還元電位をｙとして、以下の式が満たされるように調整した。
−５０ｘ＋７００≦ｙ≦−５０ｘ＋１０００
研磨布にはスウェードタイプを採用した。また、研磨液の粘度η（ｍＰａ・ｓ)、液流量Ｑ(ｍ３／ｓ)、研磨定盤の面積Ｓ(ｍ２)、研磨圧力Ｐ（ｋＰａ）および周速Ｖ（ｍ／ｓ）を用いてＲ＝η×Ｑ×Ｖ／Ｓ×Ｐで表される抵抗係数Ｒ(ｍ２／ｓ）を１．０〜１．５×１０−１４とした。なお、硫黄原子の存在割合はＴＸＲＦ、酸素原子の存在割合はＸＰＳにより分析した。実験結果を表１に示す。
研磨布にはスウェードタイプを採用した。また、研磨液の粘度η（ｍＰａ・ｓ)、液流量Ｑ(ｍ３／ｓ)、研磨定盤の面積Ｓ(ｍ２)、研磨圧力Ｐ（ｋＰａ）および周速Ｖ（ｍ／ｓ）を用いてＲ＝η×Ｑ×Ｖ／Ｓ×Ｐで表される抵抗係数Ｒ(ｍ２／ｓ）を１．０〜１．５×１０−１４とした。なお、硫黄原子の存在割合はＴＸＲＦ、酸素原子の存在割合はＸＰＳにより分析した。実験結果を表１に示す。
デバイスはショットキーバリアダイオードとした。カソード電極形成前に、裏面研削により基板厚みを１５０μmとした。表面組成を制御することにより、良好なエピタキシャル成長層を形成することができ、かつ基板―エピ界面での抵抗の増加を抑制することにより、良好なデバイス特性が得られた。
（実施例２）
タイル基板の主面の面方位を｛０００１｝とし、コロイダルシリカの粒径を９０ｎｍとした以外は、上記実施例１と同様に複合基板を作成した。タイル基板の面方位はスライス時の切断方向で制御した。スライス後の厚みは２５０μmとした。｛０００１｝の複合基板においても、基板主面に硫黄原子が６０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上２０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、酸素原子が３ａｔ％以上３０ａｔ％以下の範囲で存在する本発明の炭化珪素基板によれば、半導体装置の歩留まりを向上させることが可能であることを確認した。
タイル基板の主面の面方位を｛０００１｝とし、コロイダルシリカの粒径を９０ｎｍとした以外は、上記実施例１と同様に複合基板を作成した。タイル基板の面方位はスライス時の切断方向で制御した。スライス後の厚みは２５０μmとした。｛０００１｝の複合基板においても、基板主面に硫黄原子が６０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上２０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、酸素原子が３ａｔ％以上３０ａｔ％以下の範囲で存在する本発明の炭化珪素基板によれば、半導体装置の歩留まりを向上させることが可能であることを確認した。
（実施例３）
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面における塩素原子の存在割合の影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面における塩素原子の存在割合の異なる４枚の基板を準備し、上記実施例１の場合と同様にそれぞれの基板ごとに複数のデバイスを作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。実施例１の複合基板を用いて、ＣＭＰの条件を変更して表面組成を制御した。スラリーのケミカル成分には、レートの向上と表面組成の制御のために、硫酸ナトリウムとジクロロイソシアヌル酸ナトリウムを添加した。ＣＭＰのスラリーの砥粒には平均粒径５０ｎｍのコロイダルシリカを用いた。研磨布にはスウェードタイプを用いた。また、抵抗係数Ｒ(ｍ２／ｓ）は、２．０〜５．０×１０−１５(ｍ２／ｓ）とした。なお、塩素原子の存在割
合はＴＸＲＦにより分析した。実験結果を表２に示す。
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面における塩素原子の存在割合の影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面における塩素原子の存在割合の異なる４枚の基板を準備し、上記実施例１の場合と同様にそれぞれの基板ごとに複数のデバイスを作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。実施例１の複合基板を用いて、ＣＭＰの条件を変更して表面組成を制御した。スラリーのケミカル成分には、レートの向上と表面組成の制御のために、硫酸ナトリウムとジクロロイソシアヌル酸ナトリウムを添加した。ＣＭＰのスラリーの砥粒には平均粒径５０ｎｍのコロイダルシリカを用いた。研磨布にはスウェードタイプを用いた。また、抵抗係数Ｒ(ｍ２／ｓ）は、２．０〜５．０×１０−１５(ｍ２／ｓ）とした。なお、塩素原子の存在割
合はＴＸＲＦにより分析した。実験結果を表２に示す。
（実施例４）
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面における面粗さの影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面における面粗さの異なる５枚の基板を準備し、上記実施例１の場合と同様にそれぞれの基板ごとに複数のデバイスを作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。実施例１の複合基板を用いて、ＣＭＰの条件を変更して表面粗さを制御した。ＣＭＰのスラリーの砥粒には平均粒径２０〜１００ｎｍのコロイダルシリカを用いた。研磨布にはスウェードタイプを用いた。また、抵抗係数Ｒ(ｍ２／ｓ）は、２．０〜５．０×１０−１５(ｍ２／ｓ）とした。実験結果を表３に示す。
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面における面粗さの影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面における面粗さの異なる５枚の基板を準備し、上記実施例１の場合と同様にそれぞれの基板ごとに複数のデバイスを作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。実施例１の複合基板を用いて、ＣＭＰの条件を変更して表面粗さを制御した。ＣＭＰのスラリーの砥粒には平均粒径２０〜１００ｎｍのコロイダルシリカを用いた。研磨布にはスウェードタイプを用いた。また、抵抗係数Ｒ(ｍ２／ｓ）は、２．０〜５．０×１０−１５(ｍ２／ｓ）とした。実験結果を表３に示す。
全体が単結晶炭化珪素からなる基板についても、同様の評価を行った。昇華法により、炭化珪素の単結晶を成長した。種基板には主面が（０００１）面の直径１００ｍｍの炭化珪素基板を用いた。窒素濃度は６×１０１８ｃｍ−３であった。スライスはマルチワイヤーソーで実施した。スライス後の基板面を｛０００１｝となるようにスライスし、直径１１０ｍｍの基板を得た。スライス後の基板の裏面、表面を順次平面加工してエピ用の基板を得た。平面加工は複合基板と同様に実施した。本発明の表面組成の基板では、良好な歩留が得られた。表面組成を制御することにより、良好なエピタキシャル成長層を形成することができ、かつ基板―エピ界面での抵抗の増加を抑制することにより、良好な半導体装置デバイス特性が得られた。
（実施例５）
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面における金属原子の存在割合の影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面における金属原子の存在割合の異なる６枚の基板を準備し、上記実施例１の場合と同様にそれぞれの基板ごとに複数のデバイスを作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。実施例１の複合基板を用いて、洗浄工程での薬液等を変更して表面における金属不純物量を制御した。実験結果を表４に示す。
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面における金属原子の存在割合の影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面における金属原子の存在割合の異なる６枚の基板を準備し、上記実施例１の場合と同様にそれぞれの基板ごとに複数のデバイスを作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。実施例１の複合基板を用いて、洗浄工程での薬液等を変更して表面における金属不純物量を制御した。実験結果を表４に示す。
（実施例６）
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面におけるナトリウム原子の存在割合の影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面におけるナトリウム原子の存在割合の異なる６枚の基板を準備し、上記実施例１の場合と同様にそれぞれの基板ごとに複数のデバイスを作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。実施例１の複合基板を用いて、洗浄工程での薬液等を変更して表面におけるナトリウム存在割合を制御した。実験結果を表５に示す。
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面におけるナトリウム原子の存在割合の影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面におけるナトリウム原子の存在割合の異なる６枚の基板を準備し、上記実施例１の場合と同様にそれぞれの基板ごとに複数のデバイスを作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。実施例１の複合基板を用いて、洗浄工程での薬液等を変更して表面におけるナトリウム存在割合を制御した。実験結果を表５に示す。
（実施例７）
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面における銅原子および亜鉛原子の合計の存在割合の影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面における銅原子および亜鉛原子の合計の存在割合の異なる６枚の基板を準備し、上記実施例１の場合と同様にそれぞれの基板ごとに複数のデバイスを作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。実施例１の複合基板を用いて、洗浄工程での薬液等を変更して表面における銅原子および亜鉛原子の合計量を制御した。実験結果を表６に示す。
デバイスの歩留まりに及ぼす炭化珪素基板の主面における銅原子および亜鉛原子の合計の存在割合の影響について調査する実験を行なった。具体的には、主面における銅原子および亜鉛原子の合計の存在割合の異なる６枚の基板を準備し、上記実施例１の場合と同様にそれぞれの基板ごとに複数のデバイスを作製した。そして、作製されたデバイスの動作確認を実施し、歩留まりを調査した。実施例１の複合基板を用いて、洗浄工程での薬液等を変更して表面における銅原子および亜鉛原子の合計量を制御した。実験結果を表６に示す。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の炭化珪素基板、当該基板を用いた半導体装置、およびこれらの製造方法は、オン抵抗を低減して半導体装置の歩留まりを向上させることが求められる炭化珪素基板、当該基板を用いた半導体装置、およびこれらの製造方法に、特に有利に適用され得る。
１ 炭化珪素基板、１Ａ 主面、９ ワイヤー、１０ インゴット、１１ ベース層、１２ 単結晶炭化珪素層、１２Ａ 主面、２０ 支持台、１００ ショットキーバリアダイオード、１０１ 炭化珪素基板、１０１Ａ，１０１Ｄ 主面、１０２ ドリフト層、１０２Ａ 主面、１１１ アノード電極、１１２ カソード電極、２００ ダイオード、２０１ 炭化珪素基板、２０１Ａ，２０１Ｄ 主面、２０２ ドリフト層、２０２Ａ 主面、２０３ ｐ領域、２１１ アノード電極、２１２ カソード電極。
Claims (12)
- 少なくとも一方の主面（１Ａ）を含む領域が単結晶炭化珪素からなり、
前記一方の主面（１Ａ）には、
硫黄原子が６０×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上９００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下で存在し、
酸素原子が３ａｔ％以上３０ａｔ％以下で存在する、炭化珪素基板（１）。 - 前記一方の主面（１Ａ）に存在する塩素原子は４０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下である、請求項１に記載の炭化珪素基板（１）。
- 前記一方の主面（１Ａ）に存在する炭素原子は４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下である、請求項１または２に記載の炭化珪素基板（１）。
- 前記一方の主面（１Ａ）に存在する金属不純物は１１０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１）。
- 前記一方の主面（１Ａ）に存在する金属不純物は４０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１）。
- 前記一方の主面（１Ａ）に存在するナトリウム原子は１００００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１）。
- 前記一方の主面（１Ａ）に存在する銅原子および亜鉛原子の合計は６０００×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１）。
- 前記一方の主面（１Ａ）の表面粗さは、ＲＭＳで評価した場合０．５ｎｍ以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１）。
- 直径が１１０ｍｍよりも大きい、請求項１〜８のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１）。
- 前記単結晶炭化珪素は４Ｈ構造を有し、
前記単結晶炭化珪素の｛０００１｝面に対する前記一方の主面（１Ａ）のオフ角は０．１°以上１０°以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１）。 - 前記単結晶炭化珪素は４Ｈ構造を有し、
前記単結晶炭化珪素の（０００−１）面に対する前記一方の主面（１Ａ）のオフ角は０．０１°以上６°以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１）。 - 前記単結晶炭化珪素は４Ｈ構造を有し、
前記単結晶炭化珪素の｛０３−３８｝面に対する前記一方の主面（１Ａ）のオフ角は４°以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の炭化珪素基板（１）。
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