JP5958949B2 - 炭化珪素基板、炭化珪素ウェハ、炭化珪素ウェハの製造方法及び炭化珪素半導体素子 - Google Patents
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本発明の第10の態様は、第6〜第8の何れか一つの態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記エピタキシャル成長を行う際に、ドーパントを含むガスを用いて、エピタキシャル膜にドーパントを導入することを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
図1(a)は本実施形態に係る炭化珪素ウェハの断面図であり、図1(b)は本実施形態に係る炭化珪素基板の断面図である。
実施形態1では、基板1を、不活性ガス又は真空中において所定温度、所定時間で加熱することにより、基板1内のBPDをTEDに変換した。このような加熱処理は、基板1を対象とするものに限らず、基板に設けられたエピタキシャル膜を対象としてもよい。これにより、エピタキシャル膜中のBPDが、上述した原理と同様にしてTEDに転換される。
実施形態1では、基板1に加熱処理を行い、実施形態2では、エピタキシャル膜2に加熱処理を行ったが、基板1及びエピタキシャル膜2の双方に加熱処理を行っても良い。
実施形態2に説明したウェハ10のエピタキシャル膜2(第1のエピタキシャル膜)と非加熱エピタキシャル膜3(第2のエピタキシャル膜)とには、ドーパントが導入されていても良い。
実施形態1〜4に説明したウェハ10〜18を用いて、種々の炭化珪素半導体素子を製造することができる。例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、JFET(Junction Field Effect Transistor)、BJT(Bipolar Junction Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、GTO(Gate Turn-Off Thyristor)、GCTサイリスタ(Gate Commutated Turn-off Thyristor)、サイリスタ、ショーットキーダイオード、JBS(Junction Barrier Schottky)ダイオード、MPD(Merged pn ダイオード)、pnダイオードなどである。
〈11−20〉方向に8°のオフ角を有する4H−SiC基板上に、CVD法により結晶成長を行い、膜厚が約10μmのエピタキシャル膜を形成した。
比較例に係る基板について、後述の試験例に示す測定を行った後、加熱処理を行った。この加熱処理は、基板をグラファイト製の坩堝の中に入れ、高周波誘導加熱が行われるグラファイト円筒(ホットウォール)内に坩堝を配置した。坩堝内にアルゴンガスを供給し、1800℃で30分間加熱した。昇温速度は40℃/minとした。
比較例、実施例に係る基板のそれぞれについて、エピタキシャル膜内の各種転位の分布を測定した。
比較例、実施例に関して、より広い領域で転位の分布を測定した。
比較例と同じ方法で得られた膜厚約10μmのエピタキシャル膜を有するサンプルに対して、試験例1と同様な方法でトポグラフィー像を得た。次に、このサンプルに対して、実施例と同一の加熱処理を行い、加熱処理後に同様にしてトポグラフィー像を得た。加熱処理後に得られたトポグラフィー像を調べたところ、合計で67個のBPDがエピタキシャル膜中でTEDに転換されていることが確認された。次に、加熱処理前に得たトポグラフィー像を調べたところ、エピタキシャル膜中でTEDに転換された67個のBPDの内の1個(約1.5%に相当)は、エピタキシャル成長時に自然に起きたものであることが確認された。すなわち、エピタキシャル膜中でTEDに転換された67個のBPDの内の約1.5%はエピタキシャル成長時にTEDに転換され、残りの98.5%は加熱処理により起きたものであることが分かった。同様な処理を行った膜厚約20μmのエピタキシャル膜を有する別なサンプルでは、エピタキシャル膜中でTEDに転換されたBPDの内の約12%はエピタキシャル成長時にTEDに転換され、残りの88%は加熱処理により起きたものであることが分かった。
図15は、加熱処理により生じたBPDからTEDへの転換が、エピタキシャル膜内において膜表面からどの深さ方向で行われたものかを調べた結果である。図示したサンプルは、基板上にエピタキシャル膜を形成した後に、1800℃で加熱処理を行ったものである。加熱処理の時間は5分である。エピタキシャル膜の膜厚は、約10μmである。測定は、加熱処理前後において取得した放射光反射トポグラフィーを比較検査することで、加熱処理によってエピタキシャル膜内でBPDからTEDへの転換した度数を調べた。同時に、BPDからTEDへ転換したものの放射光トポグラフィー像において、基板のオフ傾斜と平行な方向におけるエピタキシャル膜内でのBPDの長さを調べることで、転換が起きたエピタキシャル膜表面からの距離を求めた。これにより、BPDからTEDへの転換について、エピタキシャル膜表面からの距離に対する度数を明らかにした。図15に示されるように、エピタキシャル膜の表面から5.5μm±1μmの領域(5.5μmが図6(a)のDに相当し、±1μm(2μm)が図6(a)のRに相当する)でBPDからTEDへの転換の68%以上が起きていることが確認された。
エピタキシャル膜を作製する前の基板について、表面のBPDを測定した。測定は基板について試験例1と同様にトポグラフィー像を形成し、同トポグラフィー像に現れたBPDを数え、単位面積あたりのBPDを計算した。この結果、基板表面では、BPDの密度は約4000個/cm2であった。
高温熱処理温度として1500〜2200℃、熱処理時間として5〜240分の範囲で変化させて、同様な実験、分析を行った結果、1500〜1600℃ではBPDからTEDへの転換が確認されなかったが、1700℃以上においてはBPDからTEDへの転換が確認された。このBPDからTEDへの転換の確率は温度が高くなるにつれて増大したが、2000℃を超える温度領域ではSiC表面の昇華が加速され初め、2200℃以上では熱処理温度としては不適切であった。また熱処理時間が長くなるにつれて、BPDからTEDへの転換の確率が増大するものの、120分以上ではほぼ飽和した。なお、熱処理によるBPDからTEDへの転換が起きた位置は、高温熱処理の温度、もしくは時間の増加につれて、エピタキシャル膜表面から深い方向に移動したが、いずれの場合においても、ある深さより±1μmの範囲内でBPDからTEDへの転換の60%以上が行われていた。
2、2a〜2c エピタキシャル膜
3 非加熱エピタキシャル膜
4 SiC層
5 結晶成長面
10 ウェハ
20 基底面転位(BPD)
21 先端部
22 鏡像転位
30 貫通刃状転位(TED)
Claims (19)
- 昇華法又はHTCVD法によって得られたバルク状の単結晶をスライスすることで製造された炭化珪素基板を、不活性ガス雰囲気において、1700℃〜2200℃で加熱処理することで、当該炭化珪素基板の内部において基底面転位の先端部を貫通刃状転位に転換し、
当該炭化珪素基板上に、炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - 請求項1に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
炭化珪素のエピタキシャル成長及び加熱処理を、複数回行う
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - 請求項1又は請求項2に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記エピタキシャル膜上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を1回又は複数回行う
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - 請求項1〜請求項3の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
エピタキシャル成長を行った後に、前記炭化珪素基板を取り去ることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - 請求項4に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板を取り去ることで得られたエピタキシャル膜表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を1回又は複数回行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - 昇華法又はHTCVD法によって得られたバルク状の単結晶をスライスすることで製造された炭化珪素基板上に、炭化珪素からなるエピタキシャル膜を形成し、
不活性ガス雰囲気において、前記エピタキシャル膜を1700℃〜2200℃で加熱処理することで、当該エピタキシャル膜の内部において基底面転位の先端部を貫通刃状転位に転換し、
当該エピタキシャル膜上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことで、基底面転位が低減したエピタキシャル膜を結晶成長させる
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - 請求項6に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
炭化珪素のエピタキシャル成長及び加熱処理を、複数回行う
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - 請求項6又は請求項7に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記エピタキシャル膜上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を1回又は複数回行う
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - 請求項1〜請求項5の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記エピタキシャル成長を行う際に、ドーパントを含むガスを用いて、エピタキシャル膜にドーパントを導入する
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - 請求項6〜請求項8の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記エピタキシャル成長を行う際に、ドーパントを含むガスを用いて、エピタキシャル膜にドーパントを導入する
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - 請求項6〜請求項8、請求項10の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
エピタキシャル成長を行った後に、前記炭化珪素基板を取り去り、又は、前記炭化珪素基板及び前記加熱処理を行ったエピタキシャル膜を取り去る
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - 請求項11に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板、又は、前記炭化珪素基板及び前記加熱処理を行ったエピタキシャル膜を取り去ることで得られたエピタキシャル膜表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を1回又は複数回行うことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。 - バルク状の単結晶からなる炭化珪素基板であって、
前記炭化珪素基板の表面から当該炭化珪素基板の内部に向かって0.1μm以上、10μm以内の領域において、基底面転位から転換された貫通刃状転位を備え、
基底面転位から転換された貫通刃状転位は、全ての基底面転位のうちの20%以上である
ことを特徴とする炭化珪素基板。 - 炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に形成されたエピタキシャル膜と、
前記炭化珪素基板のうち、炭化珪素基板とエピタキシャル膜との界面から当該炭化珪素基板の内部に向かって0.1μm以上、10μm以内の領域において、基底面転位から転換された貫通刃状転位とを備え、
基底面転位から転換された貫通刃状転位は、全ての基底面転位のうちの20%以上である
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。 - 炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に形成された第1のエピタキシャル膜、及び当該第1のエピタキシャル膜上に形成された第2のエピタキシャル膜と、
前記第1のエピタキシャル膜の内部において、基底面転位から転換された貫通刃状転位とを備え、
前記第2のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度は、前記第1のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度の80%以下である
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。 - 請求項15に記載する炭化珪素ウェハにおいて、
前記第2のエピタキシャル膜に含まれるドーパント濃度は、前記第1のエピタキシャル膜に含まれるドーパント濃度よりも低い
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。 - 炭化珪素基板上に複数のエピタキシャル膜が形成され、
当該複数のエピタキシャル膜のうちの隣接する2つのエピタキシャル膜であって、炭化珪素基板に近い側の第1のエピタキシャル膜及び遠い側の第2のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハであって、
前記第1のエピタキシャル膜の内部で、20%以上の基底面転位が貫通刃状転位に転換され、
前記第1のエピタキシャル膜内の厚さ方向2μm以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の60%以上が行われている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。 - 請求項17に記載する炭化珪素ウェハにおいて、
前記第1のエピタキシャル膜内の第2のエピタキシャル膜との界面から0.1μm以上、10μm以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の80%以上が行われている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。 - 請求項14〜請求項18の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハを具備する炭化珪素半導体素子。
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