JP7163575B2 - Silicon carbide semiconductor substrate and method for manufacturing silicon carbide semiconductor substrate - Google Patents

Silicon carbide semiconductor substrate and method for manufacturing silicon carbide semiconductor substrate Download PDF

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この発明は、炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor substrate and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate.

従来、単結晶SiC(炭化珪素)基板の上に単結晶SiCをエピタキシャル成長(以下、エピタキシャルをエピと略する場合がある。)させた単結晶SiCエピ基板は、1kV級の高耐圧ショットキーダイオードや高耐圧MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電解効果トランジスタ)用途として研究開発が進められ、実用化に至った。 Conventionally, a single crystal SiC epitaxial substrate obtained by epitaxially growing a single crystal SiC (hereinafter, epitaxial may be abbreviated as epitaxial) on a single crystal SiC (silicon carbide) substrate has been used as a 1 kV class high voltage Schottky diode, Research and development has progressed as a high voltage MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: insulated gate field effect transistor) application, leading to practical use.

しかしながら、10kV超級の超高耐圧・低損失デバイスを実現するためには、pn接合の形成に基づく少数キャリア注入による伝導度変調効果を利用したバイポーラデバイスを作製する必要がある。このような超高耐圧素子用の単結晶SiCエピ基板としては、ドーパント濃度が1×1015/cm3以下の極めて低不純物濃度のドリフト層が必要となり、さらにドリフト層の膜厚は数十μmから数百μmという厚さが要求される。バイポーラデバイスにはPNダイオード、バイポーラトランジスタ(BJT:Bipolar Junction Transistor)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)などがあるが、トランジスタに関してはスイッチング速度が速いといった点で、絶縁ゲートバイポーラトランジスタが注目されている。 However, in order to realize an ultra-high breakdown voltage and low loss device of over 10 kV, it is necessary to fabricate a bipolar device that utilizes the conductivity modulation effect due to minority carrier injection based on the formation of a pn junction. A single-crystal SiC epitaxial substrate for such an ultra-high voltage device requires a drift layer with an extremely low dopant concentration of 1×10 15 /cm 3 or less, and a thickness of several tens of μm. A thickness of several hundred μm is required. Bipolar devices include PN diodes, bipolar junction transistors (BJTs), and insulated gate bipolar transistors (IGBTs). Attention has been paid.

pn接合を有するバイポーラデバイス用の単結晶4H-SiC(四層周期六方晶の炭化珪素)エピ基板を製作するための厚膜エピ成長用の単結晶4H-SiCバルク基板としては、n型単結晶4H-SiC基板とp型単結晶4H-SiC基板の2つの選択肢がある。n型4H-SiC基板は比較的高品質な基板が量産されているので入手しやすいが、n型4H-SiC基板を使用する場合は、ドリフト層はp型厚膜エピ成長を行う必要がある。この層構成だとIGBTとしてはpチャネル型IGBT(例えば、下記特許文献1参照。)が用途として考えられる。ただし、低濃度p型4H-SiCエピ膜の厚膜エピ成長はメモリ効果の影響が大きく、エピ成長層を多数回繰り返して製造しようとすると、低ドープ層のドーピングの制御性が著しく悪くなることが多いため、エピ成長を行うためドーピングの制御が難しく、さらにp型4H-SiCエピ膜はライフタイムが短いという課題がある。 As a single crystal 4H-SiC bulk substrate for thick film epitaxial growth for manufacturing a single crystal 4H-SiC (four-layer periodic hexagonal silicon carbide) epitaxial substrate for a bipolar device having a pn junction, an n-type single crystal There are two options: 4H-SiC substrates and p-type single crystal 4H-SiC substrates. Relatively high-quality n-type 4H-SiC substrates are mass-produced, so they are easy to obtain, but when using n-type 4H-SiC substrates, p-type thick film epitaxial growth is required for the drift layer. . With this layer structure, the IGBT can be used as a p-channel IGBT (see, for example, Patent Document 1 below). However, thick-film epitaxial growth of low-concentration p-type 4H—SiC epitaxial film is greatly affected by the memory effect, and if the epitaxial growth layer is repeated many times, the doping controllability of the low-doped layer is significantly deteriorated. Therefore, it is difficult to control doping due to epitaxial growth, and the p-type 4H—SiC epitaxial film has a short lifetime.

一方、p型4H-SiC基板については高品質なp型4H-SiC基板の量産方法が確立されておらず、マイクロパイプ密度が高くて高抵抗な低品質の研究グレード品が少量生産されている状況に留まっている。ここで、マイクロパイプとは、SiC基板を製造する際の原料となるSiCインゴットを結晶成長により製造する際の「種結晶」に含まれる先天的な結晶欠陥である。このため、低濃度n型4H-SiCエピ膜の厚膜エピ成長はメモリ効果の影響が小さくてドーピングの制御をしやすく、キャリアライフタイムが長いにも関わらず、pn接合を形成させるための高品質なp型4H-SiC基板がないという問題があり、nチャネルIGBTの研究開発が困難な状況である。 On the other hand, for p-type 4H-SiC substrates, no mass production method for high-quality p-type 4H-SiC substrates has been established, and low-quality research-grade products with high micropipe density and high resistance are produced in small quantities. stay in the situation. Here, a micropipe is a congenital crystal defect contained in a "seed crystal" when manufacturing a SiC ingot, which is a raw material for manufacturing a SiC substrate, by crystal growth. For this reason, thick-film epitaxial growth of low-concentration n-type 4H—SiC epitaxial film is less affected by the memory effect, is easy to control doping, and has a long carrier lifetime. There is a problem that there is no high-quality p-type 4H-SiC substrate, and research and development of n-channel IGBTs is difficult.

前記の事情に鑑みて、p型4H-SiC基板ではなくて、n型4H-SiC基板を出発材料として用いるnチャネル型IGBTの試作を検討した方法が開示されている(例えば、下記非特許文献1参照。)。この方法では、n型4H-SiC基板のSi面上にn-型ドリフト層を厚膜エピ成長させた後、p型4H-SiC基板の代わりとなる高不純物濃度p型4H-SiCエピ層をコレクタ層として厚膜エピ成長させ、研磨加工によりn型4H-SiC基板を除去して、優先面を反転させることで、自立エピ基板として、4H-SiC基板のC面側にMOSゲート構造を形成している。ここで、自立エピ基板とは、出発材料として用いた基板が除去され、エピ膜自身でその形を保持している基板である。 In view of the above circumstances, a method has been disclosed in which an n-type 4H-SiC substrate, rather than a p-type 4H-SiC substrate, is used as a starting material for trial production of an n-channel IGBT (see, for example, the following non-patent document 1). In this method, after epitaxial growth of a thick n -type drift layer on the Si surface of an n-type 4H-SiC substrate, a high impurity concentration p-type 4H-SiC epitaxial layer is formed as a substitute for the p-type 4H-SiC substrate. A MOS gate structure is formed on the C-plane side of the 4H-SiC substrate as a self-standing epitaxial substrate by epitaxially growing a thick film as a collector layer, removing the n-type 4H-SiC substrate by polishing, and inverting the preferential plane. is doing. Here, the free-standing epitaxial substrate is a substrate from which the substrate used as a starting material has been removed and whose shape is retained by the epitaxial film itself.

また、3×1018/cm3以下の不純物濃度を有するSiC基板上に、1×1014/cm3以上1×1016/cm3台以下の不純物濃度を有するエピタキシャル層を形成し、SiC基板の側からSiC基板の全部とエピタキシャル層の一部とを連続的に除去することで、エピタキシャルウエハを作製し、このエピタキシャルウエハからnチャネル型IGBTを作製する技術がある(例えば、下記特許文献2参照)。 Further, an epitaxial layer having an impurity concentration of 1×10 14 /cm 3 or more and 1×10 16 /cm 3 or less is formed on a SiC substrate having an impurity concentration of 3×10 18 /cm 3 or less, and the SiC substrate is There is a technique for manufacturing an epitaxial wafer by continuously removing all of the SiC substrate and part of the epitaxial layer from the side of the substrate, and manufacturing an n-channel IGBT from this epitaxial wafer (for example, Patent Document 2 below: reference).

特開2008-211178号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-211178 特開2012-253115号公報JP 2012-253115 A

Xiaokun Wang and James A. Cooper,“High-Voltage n-Channel IGBTs on Free-Standing 4H-SiC Epilayers”,IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.57,NO. 2,FEBRUARY 2010Xiaokun Wang and James A.M. Cooper, "High-Voltage n-Channel IGBTs on Free-Standing 4H-SiC Epilayers", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 57, No. 2, FEBRUARY 2010

nチャネル型IGBT用の単結晶4H-SiC自立エピ基板の製造方法の一例を説明する。図6~図8は、従来の単結晶4H-SiC自立エピ基板の製造途中の状態を示す断面図である。まず、図6に示すように、n型炭化珪素基板5として、設定膜厚約300μmのn型4H-SiCバルク基板を用いる。n型炭化珪素基板5のSi面に、設定膜厚約15μm、設定キャリア濃度が1×1018/cm3より大きいn+型バッファ層6をエピタキシャル成長法により形成する。n+型バッファ層6は、例えば、基底面転位(BPD:Basal Plane Dislocation)を減少させるためのバッファ層である。 An example of a method for manufacturing a single-crystal 4H--SiC self-standing epitaxial substrate for an n-channel IGBT will be described. 6 to 8 are cross-sectional views showing a state in the middle of manufacturing a conventional single crystal 4H--SiC self-supporting epitaxial substrate. First, as shown in FIG. 6, as the n-type silicon carbide substrate 5, an n-type 4H—SiC bulk substrate with a set film thickness of about 300 μm is used. An n + -type buffer layer 6 having a set thickness of about 15 μm and a set carrier concentration of greater than 1×10 18 /cm 3 is formed on the Si surface of an n-type silicon carbide substrate 5 by epitaxial growth. The n + -type buffer layer 6 is, for example, a buffer layer for reducing basal plane dislocations (BPDs).

次に、n+型バッファ層6の、n型炭化珪素基板5と反対側の表面上にn-型ドリフト層1を設定キャリア濃度2×1014/cm3にて設定膜厚約250μmになるまでエピタキシャル成長させる。次に、図7に示すように、研削・研磨加工により、n型炭化珪素基板5およびn+型バッファ層6を除去する。 Next, on the surface of the n + -type buffer layer 6 opposite to the n-type silicon carbide substrate 5, the n -type drift layer 1 is formed with a set carrier concentration of 2×10 14 /cm 3 and a set film thickness of about 250 μm. epitaxially grown up to Next, as shown in FIG. 7, the n-type silicon carbide substrate 5 and the n + -type buffer layer 6 are removed by grinding and polishing.

次に、図8に示すように、n-型ドリフト層1のC面にn+型CS層4を設定キャリア濃度1.5×1016/cm3にて設定膜厚約2μmになるまでエピタキシャル成長させる。次に、n-型ドリフト層1のSi面にp型不純物のイオン注入により、設定キャリア濃度1×1017/cm3にて、設定膜厚約0.5μmのp+型コレクタ層3を形成する。これにより、nチャネル型IGBT用の単結晶4H-SiC自立エピ基板が完成する。なお、p+型コレクタ層3だけでなく、設定キャリア濃度5×1018/cm3~3×1020/cm3、設定膜厚0.05~50μm程度のp++型コンタクト層15を形成しても良い。ただし、p+型コレクタ層3よりも基板/空気界面側にp++型コンタクト層15を形成する必要がある。 Next, as shown in FIG. 8, an n + -type CS layer 4 is epitaxially grown on the C surface of the n - -type drift layer 1 at a set carrier concentration of 1.5×10 16 /cm 3 to a set film thickness of about 2 μm. Let Next, p + -type collector layer 3 with a set thickness of about 0.5 μm is formed at a set carrier concentration of 1×10 17 /cm 3 by ion implantation of p-type impurities into the Si surface of n -type drift layer 1 . do. Thus, a single-crystal 4H--SiC self-standing epitaxial substrate for n-channel IGBT is completed. In addition to the p + -type collector layer 3, a p ++ -type contact layer 15 having a set carrier concentration of 5×10 18 /cm 3 to 3×10 20 /cm 3 and a set film thickness of about 0.05 to 50 μm is formed. You can However, it is necessary to form the p ++ -type contact layer 15 closer to the substrate/air interface than the p + -type collector layer 3 .

しかしながら、このように形成した単結晶4H-SiC自立エピ基板において、p+型コレクタ層3が機能しなくなるという問題がある。具体的には、p+型コレクタ層3のホール電流が流れなくなり、p層として機能しなくなる。これは、デバイスプロセス中の基板のハンドリングや、プロセス装置の自動搬送系による搬送等で発生する自立エピ基板の裏面側のスクラッチを起因としてp+型コレクタ層が失活したと考えられる。 However, in the single-crystal 4H--SiC self-supporting epitaxial substrate formed in this way, there is a problem that the p + -type collector layer 3 does not function. Specifically, a hole current does not flow in the p + -type collector layer 3, and the p-layer does not function. It is considered that the p + -type collector layer was deactivated due to scratches on the back side of the self-supporting epitaxial substrate generated during handling of the substrate during the device process and transportation by the automatic transportation system of the process equipment.

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、デバイスプロセス中に自立エピ基板の裏面側のスクラッチが発生してもp+型コレクタ層が失活することを防止できる炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems of the prior art, the present invention provides a silicon carbide semiconductor substrate capable of preventing deactivation of the p + -type collector layer even if scratches occur on the back side of the self-supporting epitaxial substrate during device processing. and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体基板は、次の特徴を有する。炭化珪素半導体基板は、第1導電型の第1半導体層の一方の主面上に設けられた、前記第1半導体層よりキャリア濃度の高い第1導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層の、前記第1半導体層側に対して反対側の表面上に設けられた、第2導電型の第3半導体層と、前記第半導体層の、前記第1半導体層側に対して反対側の表面上に設けられた、前記第3半導体層よりキャリア濃度の高い第2導電型の第5半導体層と、を備える。また、前記第2半導体層と前記第3半導体層とを合わせた膜厚は、1μm以上であり、前記第1半導体層は、エピタキシャル膜であり、SORIが200μm以下である。この場合、前記第2半導体層と前記第3半導体層と前記第5半導体層とを合わせた膜厚が、1μm以上である。
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention has the following features. A silicon carbide semiconductor substrate includes a second semiconductor layer of a first conductivity type provided on one main surface of a first semiconductor layer of a first conductivity type and having a carrier concentration higher than that of the first semiconductor layer; a third semiconductor layer of a second conductivity type provided on a surface of a semiconductor layer opposite to the first semiconductor layer; a fifth semiconductor layer of the second conductivity type having a carrier concentration higher than that of the third semiconductor layer and provided on the opposite surface . Further, the total thickness of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer is 1 μm or more, the first semiconductor layer is an epitaxial film, and the SORI is 200 μm or less . In this case, the total thickness of the second semiconductor layer, the third semiconductor layer and the fifth semiconductor layer is 1 μm or more.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板は、前記第1半導体層の他方の主面上に設けられた、前記第1半導体層よりキャリア濃度の高い第1導電型の第4半導体層をさらに備えることを特徴とする。 Further, the silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention further includes a first conductivity type fourth semiconductor layer having a carrier concentration higher than that of the first semiconductor layer and provided on the other main surface of the first semiconductor layer. It is characterized by

また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板は、前記第1半導体層の膜厚は、5~500μmであり、前記第2半導体層の膜厚は、0.1~30μmであり、前記第3半導体層の膜厚は、0.1~50μmであり、前記第4半導体層の膜厚は、0.5~30μmであることを特徴とする。 In the silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention, the first semiconductor layer has a thickness of 5 to 500 μm, the second semiconductor layer has a thickness of 0.1 to 30 μm, and the third semiconductor layer has a thickness of 0.1 to 30 μm. The film thickness of the layer is 0.1 to 50 μm, and the film thickness of the fourth semiconductor layer is 0.5 to 30 μm.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板は、前記第1半導体層のキャリア濃度は、1×1014~1×1015/cm3であり、前記第2半導体層のキャリア濃度は、1×1015~1×1018/cm3であり、前記第3半導体層のキャリア濃度は、1×1015~1×1020/cm3であり、前記第4半導体層のキャリア濃度は、1×1015~1×1018/cm3であることを特徴とする。 In the silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention, the first semiconductor layer has a carrier concentration of 1×10 14 to 1×10 15 /cm 3 , and the second semiconductor layer has a carrier concentration of 1×10 15 /cm 3 . 15 to 1×10 18 /cm 3 , the carrier concentration of the third semiconductor layer is 1×10 15 to 1×10 20 /cm 3 , and the carrier concentration of the fourth semiconductor layer is 1×10 15 to 1×10 18 /cm 3 .

また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板は、前記第1半導体層の一方の主面および他方の主面の表面粗さRaは、1nm未満であり、前記第3半導体層の、前記第2半導体層側に対して反対側の表面の表面粗さRaは、5nm未満であることを特徴とする。 Further, in the silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention, the surface roughness Ra of one main surface and the other main surface of the first semiconductor layer is less than 1 nm, and the second semiconductor of the third semiconductor layer The surface roughness Ra of the surface opposite to the layer side is characterized by less than 5 nm.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板は、TTVが50μm以下であることを特徴とする。
Further, the silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention is characterized by having a TTV of 50 μm or less .

また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第1導電型の炭化珪素基板のおもて面に第1導電型の第1半導体層を形成する第1工程を行う。次に、前記炭化珪素基板の全部を除去する第2工程を行う。この第2工程において、第1半導体層の一方の主面を研磨・CMP仕上げとしても良い。次に、前記第1半導体層の一方の主面上に、前記第1半導体層よりキャリア濃度の高い第1導電型の第2半導体層を形成する第3工程を行う。次に、前記第2半導体層の、前記第1半導体層側に対して反対側の表面上に第2導電型の第3半導体層を形成する第4工程を行う。次に、前記第4工程の後に、前記第1半導体層の主面に対して反対側で、かつ前記第3半導体層と接する面上に、前記第3半導体層よりキャリア濃度の高い第2導電型の第5半導体層を形成する第5工程を行う。ここで、前記第3工程と前記第4工程は、前記第2半導体層と前記第3半導体層とを合わせた膜厚を、1μm以上に形成する
Moreover, in order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention has the following features. First, a first step of forming a first semiconductor layer of a first conductivity type on a front surface of a silicon carbide substrate of a first conductivity type is performed. Next, a second step of removing the entire silicon carbide substrate is performed. In this second step, one main surface of the first semiconductor layer may be polished and CMP finished. Next, a third step of forming a first conductivity type second semiconductor layer having a carrier concentration higher than that of the first semiconductor layer on one main surface of the first semiconductor layer is performed. Next, a fourth step of forming a third semiconductor layer of the second conductivity type on the surface of the second semiconductor layer opposite to the first semiconductor layer is performed. Next, after the fourth step, a second conductive layer having a carrier concentration higher than that of the third semiconductor layer is formed on the surface opposite to the main surface of the first semiconductor layer and in contact with the third semiconductor layer. A fifth step of forming a fifth semiconductor layer of the mold is performed. Here, in the third step and the fourth step, the combined film thickness of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer is formed to be 1 μm or more .

また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法は、前記炭化珪素基板は、前記炭化珪素基板の一方の主面上に、前記炭化珪素基板よりキャリア濃度の高い第1導電型の第6半導体層が設けられ、前記第1工程では、前記第1半導体層を、前記第6半導体層の、前記炭化珪素基板側に対して反対側の表面上に形成し、前記第2工程は、前記炭化珪素基板の全部と前記第6半導体層の全部とを除去することを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention, the silicon carbide substrate includes, on one main surface of the silicon carbide substrate, a sixth semiconductor of a first conductivity type having a carrier concentration higher than that of the silicon carbide substrate. a layer is provided, and in the first step, the first semiconductor layer is formed on the surface of the sixth semiconductor layer opposite to the silicon carbide substrate side; It is characterized by removing all of the silicon substrate and all of the sixth semiconductor layer.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法は、前記第4工程の後に、前記第1半導体層の他方の主面を研磨・CMP仕上げとしてから、前記第1半導体層の他方の主面上に、前記第1半導体層よりキャリア濃度の高い第1導電型の第4半導体層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention, after the fourth step, the other main surface of the first semiconductor layer is polished and CMP-finished, and then the other main surface of the first semiconductor layer is finished. The method further includes forming a fourth semiconductor layer of a first conductivity type having a carrier concentration higher than that of the first semiconductor layer.

上述した発明によれば、n+型FS層(第2半導体層)とp+型コレクタ層(第3半導体層)とを合わせた膜厚は1μm以上である。これにより、デバイスプロセス中の基板のハンドリングや、プロセス装置の自動搬送系による搬送等で自立エピ基板の裏面側にスクラッチが発生しても、n+型FS層とp+型コレクタ層とに十分な厚みがあるため、スクラッチがn-型ドリフト層(第1半導体層)に到達しなくなり、p+型コレクタ層が失活することを防止できる。従って、本発明の炭化珪素半導体基板により、p+型コレクタ層の失活に起因するリーク不良に基づくデバイス特性の低下を防止することができる。 According to the invention described above, the total thickness of the n + -type FS layer (second semiconductor layer) and the p + -type collector layer (third semiconductor layer) is 1 μm or more. As a result, even if scratches occur on the back side of the self-standing epitaxial substrate due to handling of the substrate during the device process, transportation by an automatic transportation system of the process equipment, etc., the n + type FS layer and the p + type collector layer are sufficiently scratched. This thickness prevents scratches from reaching the n - -type drift layer (first semiconductor layer), thereby preventing deactivation of the p + -type collector layer. Therefore, the silicon carbide semiconductor substrate of the present invention can prevent deterioration of device characteristics due to leakage defects caused by deactivation of the p + -type collector layer.

本発明にかかる炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法によれば、デバイスプロセス中にnチャネル型IGBT用の単結晶4H-SiC自立エピ基板の裏面側にスクラッチが発生してもp+型コレクタ層が失活することを防止できるという効果を奏する。 According to the silicon carbide semiconductor substrate and the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention, even if scratches occur on the back side of the single-crystal 4H—SiC self-supporting epitaxial substrate for n-channel IGBT during the device process, p + This has the effect of preventing deactivation of the type collector layer.

実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing the configuration of a silicon carbide semiconductor substrate according to an embodiment; FIG. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造途中の状態を示す断面図である(その1)。1 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to an embodiment (No. 1); FIG. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造途中の状態を示す断面図である(その2)。FIG. 12 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor substrate according to the embodiment (No. 2); 実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造途中の状態を示す断面図である(その3)。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor substrate according to the embodiment (No. 3); 実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板を用いたnチャネル型IGBTの構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing the configuration of an n-channel IGBT using a silicon carbide semiconductor substrate according to an embodiment; FIG. 従来の単結晶4H-SiC自立エピ基板の製造途中の状態を示す断面図である(その1)。1 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing a conventional single-crystal 4H—SiC self-supporting epitaxial substrate (No. 1); FIG. 従来の単結晶4H-SiC自立エピ基板の製造途中の状態を示す断面図である(その2)。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing a conventional single-crystal 4H—SiC self-supporting epitaxial substrate (No. 2); 従来の単結晶4H-SiC自立エピ基板の製造途中の状態を示す断面図である(その3)。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing a conventional single-crystal 4H—SiC self-supporting epitaxial substrate (No. 3);

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基板、および炭化珪素半導体基板の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および-は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Preferred embodiments of a silicon carbide semiconductor substrate and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In this specification and the accompanying drawings, layers and regions prefixed with n or p mean that electrons or holes are majority carriers, respectively. Also, + and - attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region not attached, respectively. In the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same configurations are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.

(実施の形態)
図1は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の構成を示す断面図である。図1の炭化珪素半導体基板は、例えば、超高耐圧nチャネル型IGBT用の単結晶4H-SiC自立エピ基板である。炭化珪素半導体基板は、n-型ドリフト層1(第1導電型の第1半導体層)のC面上にn+型FS(Field Stop)層2(第1導電型の第2半導体層)が設けられる。また、n+型FS層2のn-型ドリフト層1と反対側表面にp+型コレクタ層3(第2導電型の第3半導体層)が設けられ、n-型ドリフト層1のSi面上にn+型CS(Carrier Storage)層4(第1導電型の第4半導体層)が設けられている。また、n-型ドリフト層1のSi面上にn+型FS層2が設けられ、n-型ドリフト層1のC面上にn+型CS層4が設けられても良い。
(Embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a silicon carbide semiconductor substrate according to an embodiment. The silicon carbide semiconductor substrate in FIG. 1 is, for example, a single-crystal 4H—SiC self-supporting epitaxial substrate for an ultra-high breakdown voltage n-channel IGBT. The silicon carbide semiconductor substrate has an n + type FS (Field Stop) layer 2 (first conductivity type second semiconductor layer) on the C plane of an n type drift layer 1 (first conductivity type first semiconductor layer). be provided. In addition, a p + type collector layer 3 (second conductivity type third semiconductor layer) is provided on the surface of the n + type FS layer 2 opposite to the n type drift layer 1, and the Si surface of the n type drift layer 1 is provided. An n + type CS (Carrier Storage) layer 4 (first conductivity type fourth semiconductor layer) is provided thereon. Also, the n + type FS layer 2 may be provided on the Si surface of the n type drift layer 1 and the n + type CS layer 4 may be provided on the C surface of the n type drift layer 1 .

-型ドリフト層1は、製造方法の説明で後述するように図1の状態では除去されたn型炭化珪素基板よりも低い不純物濃度で、n型炭化珪素基板上にエピタキシャル成長により形成された層である。例えば、n-型ドリフト層1は、設定膜厚が5~500μmであり、設定キャリア濃度が1×1014/cm3~1×1015/cm3である。ここで、キャリア濃度とは、n-型ドリフト層1に含まれるn型の不純物とp型の不純物との差分と取った正味濃度のことである。また、n-型ドリフト層1はC面、Si面の両面ともCMP(化学機械研磨:Chemical Mechanical Polishing)仕上げにより、表面が平坦化されており、表面粗さRaは、共に1nm未満である。ここで、表面粗さRaとは、表面の算術平均粗さ(Ra)のことである。なお、n+型FS層2をエピタキシャル成長する面と反対のn+型CS層4を成膜する面は、n+型FS層2のn-型ドリフト層1と反対側表面にp+型コレクタ層3を成膜した後で、CMP仕上げとしても良い。また、p+型コレクタ層3を成膜した後に、p++型コンタクト層15を成膜しても良い。 The n -type drift layer 1 is a layer formed by epitaxial growth on the n-type silicon carbide substrate with an impurity concentration lower than that of the removed n-type silicon carbide substrate in the state of FIG. 1, as described later in the explanation of the manufacturing method. is. For example, the n -type drift layer 1 has a set film thickness of 5 to 500 μm and a set carrier concentration of 1×10 14 /cm 3 to 1×10 15 /cm 3 . Here, the carrier concentration is the net concentration obtained by taking the difference between the n-type impurity and the p-type impurity contained in the n -type drift layer 1 . Both the C surface and the Si surface of the n -type drift layer 1 are flattened by CMP (Chemical Mechanical Polishing), and both have a surface roughness Ra of less than 1 nm. Here, the surface roughness Ra is the arithmetic mean roughness (Ra) of the surface. The surface opposite to the surface on which the n + type FS layer 2 is epitaxially grown is the surface on which the n + type CS layer 4 is formed . CMP finishing may be performed after the layer 3 is deposited. Alternatively, the p ++ -type contact layer 15 may be deposited after the p + -type collector layer 3 is deposited.

+型FS層2は、n-型ドリフト層1よりも高い不純物濃度で設けられた層である。n+型FS層2により、オフ時に高抵抗のn-型ドリフト層1中に伸びる空乏層が抑えられるため、n-型ドリフト層1を薄くしてもパンチスルーを防ぐことができる。n+型FS層2は、設定膜厚が0.1~30μmであり、設定キャリア濃度が1×1015/cm3~1×1018/cm3である。なお、n+型FS層2は単層でも良いし多層でも良く、多層の場合は同じ設定膜厚と設定キャリア濃度で多層としても良いし、異なる設定膜厚と設定キャリア濃度で積層しても良い。 The n + -type FS layer 2 is a layer provided with an impurity concentration higher than that of the n -type drift layer 1 . Since the n + -type FS layer 2 suppresses the depletion layer extending into the high-resistance n - -type drift layer 1 when turned off, punch-through can be prevented even if the n - -type drift layer 1 is made thin. The n + -type FS layer 2 has a set film thickness of 0.1 to 30 μm and a set carrier concentration of 1×10 15 /cm 3 to 1×10 18 /cm 3 . Note that the n + -type FS layer 2 may be a single layer or a multilayer. good.

+型コレクタ層3は、設定膜厚が0.1~50μmであり、設定キャリア濃度が1×1015/cm3~1×1020/cm3である。また、p+型コレクタ層3は、n+型FS層2と反対側の面は、少なくとも鏡面仕上げにより、表面が平坦化されており、表面粗さRaは、1~5nm未満である。また、CMP仕上げにより、表面を平坦化してもよく、この場合は、表面粗さRaは、1nm未満である。なお、p+型コレクタ層3は単層でも良いし多層でも良く、多層の場合は同じ設定膜厚と設定キャリア濃度で多層としても良いし、異なる設定膜厚と設定キャリア濃度で積層しても良い。 The p + -type collector layer 3 has a set film thickness of 0.1 to 50 μm and a set carrier concentration of 1×10 15 /cm 3 to 1×10 20 /cm 3 . The surface of the p + -type collector layer 3 opposite to the n + -type FS layer 2 is at least mirror-finished so that the surface is planarized, and the surface roughness Ra is 1 to less than 5 nm. The surface may also be flattened by CMP finishing, in which case the surface roughness Ra is less than 1 nm. Note that the p + -type collector layer 3 may be a single layer or a multilayer. good.

ここで、n+型FS層2とp+型コレクタ層3は、設定膜厚がそれぞれ0.1~50μmであるが、n+型FS層2とp+型コレクタ層3の両方を合わせた膜厚は、1μm以上である。例えば、n+型FS層2を0.1μmとした場合、p+型コレクタ層3は0.9μmより大きくする。これにより、n+型FS層2とp+型コレクタ層3とに厚みができるため、p+型コレクタ層3にスクラッチが発生しても、p+型コレクタ層3が失活することを防止できる。また、p++型コンタクト層15を設けた場合、n+型FS層2とp+型コレクタ層3とp++型コンタクト層15とを合わせた膜厚は、1μm以上であることが好ましい。 Here, the n + type FS layer 2 and the p + type collector layer 3 each have a set film thickness of 0.1 to 50 μm . The film thickness is 1 μm or more. For example, when the n + -type FS layer 2 is 0.1 μm, the p + -type collector layer 3 is made larger than 0.9 μm. As a result, the thickness of the n + type FS layer 2 and the p + type collector layer 3 is increased, so even if the p + type collector layer 3 is scratched, the p + type collector layer 3 is prevented from being deactivated. can. Further, when the p ++ -type contact layer 15 is provided, the total thickness of the n + -type FS layer 2, the p + -type collector layer 3, and the p ++ -type contact layer 15 is preferably 1 μm or more. .

+型CS層4は、n-型ドリフト層1よりも高い不純物濃度で設けられた層である。n+型CS層4をn-型ドリフト層1のおもて面側に設けることで、JFET(Junction FET)抵抗を低減し、オン抵抗を低下させることができる。n+型CS層4は、設定膜厚が0.5~30μmであり、設定キャリア濃度が1×1015/cm3~1×1018/cm3である。また、n+型CS層4の形成後は、n-型ドリフト層1と反対側の面に、研磨加工を行わなくてもよい。また、n-型ドリフト層1と反対側の面に、CMP加工を行うことにより、表面を平坦化してもよく、この場合は、表面粗さRaは、1nm未満である。図1には、n+型CS層4が成膜されているが、n+型CS層4は成膜しなくてもよい。 The n + -type CS layer 4 is a layer provided with an impurity concentration higher than that of the n -type drift layer 1 . By providing the n + -type CS layer 4 on the front surface side of the n - -type drift layer 1, the JFET (Junction FET) resistance can be reduced, and the on-resistance can be reduced. The n + -type CS layer 4 has a set film thickness of 0.5 to 30 μm and a set carrier concentration of 1×10 15 /cm 3 to 1×10 18 /cm 3 . Further, after the n + -type CS layer 4 is formed, the surface opposite to the n -type drift layer 1 does not need to be polished. Further, the surface opposite to the n type drift layer 1 may be planarized by performing CMP processing, and in this case the surface roughness Ra is less than 1 nm. Although the n + type CS layer 4 is formed in FIG. 1, the n + type CS layer 4 may not be formed.

また、炭化珪素半導体基板のTTV(Total Thickness Variation)が50μm以下であり、SORI(反り)が200μm以下であることが好ましい。 Further, it is preferable that the silicon carbide semiconductor substrate has a TTV (Total Thickness Variation) of 50 μm or less and a SORI (warp) of 200 μm or less.

(実施の形態かかる炭化珪素半導体基板の製造方法)
次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造方法について説明する。図2~図4は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板の製造途中の状態を示す断面図である。まず、炭化珪素半導体基板成長用の基板として、単結晶4H-SiC基板であるn型炭化珪素基板5に、n+型バッファ層6が形成された半導体基板を用意する。n型炭化珪素基板5は、例えば、残厚が367μmの4インチ径でSi面にCMP仕上げが行われており、Si面上にn+型バッファ層6が例えば、設定膜厚8μm、設定キャリア濃度1×1018/cm3で形成されている。n+型バッファ層6は、例えば、基底面転位やキャロット欠陥を減少させるためのバッファ層である。
(Manufacturing method of silicon carbide semiconductor substrate according to embodiment)
Next, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to an embodiment will be described. 2 to 4 are cross-sectional views showing states in the process of manufacturing the silicon carbide semiconductor substrate according to the embodiment. First, as a substrate for growth of a silicon carbide semiconductor substrate, a semiconductor substrate is prepared in which an n + type buffer layer 6 is formed on an n type silicon carbide substrate 5 which is a single crystal 4H—SiC substrate. The n - type silicon carbide substrate 5 has, for example, a 4-inch diameter with a residual thickness of 367 μm, and the Si surface is subjected to CMP finishing. It is formed at a concentration of 1×10 18 /cm 3 . The n + -type buffer layer 6 is, for example, a buffer layer for reducing basal plane dislocations and carrot defects.

次に、n+型バッファ層6上に、n-型ドリフト層1を設定キャリア濃度で、設定膜厚例えば、275μmになるまでエピタキシャル成長させる。この後、n+型バッファ層6のSi面の突起を除去し、半導体基板を、例えば、YAG(Yttrium Aluminum Garnet)レーザ(基本波)により所定の直径まで刳り抜き加工する。ここで、刳り抜き加工とは、周辺部を除去して中心部のみを残す加工である。この後、砥石加工によりオリエンテーションフラットを再形成し、半導体基板の直径をSEMI(Semiconductor Equipment and Materials International)規格範囲内、ないしJEITA(Japan Electronics and Information Technology Industries Association)規格範囲内に調整する。ここまでの状態が図2に記載される。 Next, on the n + -type buffer layer 6, the n -type drift layer 1 is epitaxially grown at a set carrier concentration to a set film thickness of, for example, 275 μm. After that, the protrusions on the Si surface of the n + -type buffer layer 6 are removed, and the semiconductor substrate is hollowed out to a predetermined diameter by, for example, a YAG (Yttrium Aluminum Garnet) laser (fundamental wave). Here, the hollowing process is a process of removing the peripheral portion and leaving only the central portion. After that, the orientation flat is re-formed by grinding, and the diameter of the semiconductor substrate is adjusted within the SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International) standard range or the JEITA (Japan Electronics and Information Technology Industries Association) standard range. The state up to this point is described in FIG.

次に、研磨や研削、エッチングなどのプロセスにより、n型炭化珪素基板5およびn+型バッファ層6を全部除去し、n-型ドリフト層1の一部を除去する。この後、研削・研磨加工により、露出したn-型ドリフト層1のC面にCMP仕上げを行う。例えば、384μmを研削して、1μmをCMP仕上げにより研磨する。この場合、n-型ドリフト層1は、9μm研削され、1μm研磨されるため、n-型ドリフト層1の膜厚は265μmとなる。この後、半導体基板にC面を示すレーザマーキングを行い。基板の端部のベベリング加工を行ってベベル(傾斜)を形成する。例えば、ベベル形状はR(ラウンド)形状とするが、テーパー形状でも構わないし、R形状とテーパー形状を如何様に組合せても良い。ここまでの状態が図3に記載される。なお、図3では基板の端部の形状は記載を省略する。 Next, the n-type silicon carbide substrate 5 and the n + -type buffer layer 6 are all removed and part of the n - -type drift layer 1 is removed by processes such as polishing, grinding, and etching. After that, the exposed C-plane of the n -type drift layer 1 is subjected to CMP finishing by grinding and polishing. For example, 384 μm is ground and 1 μm is polished by CMP finishing. In this case, the n type drift layer 1 is ground by 9 μm and polished by 1 μm, so that the film thickness of the n type drift layer 1 is 265 μm. After that, laser marking is performed on the semiconductor substrate to indicate the C plane. The edge of the substrate is beveled to form a bevel (inclination). For example, the bevel shape is an R (round) shape, but it may be a tapered shape, and any combination of the R shape and the tapered shape may be used. The state up to this point is described in FIG. Note that the shape of the end portion of the substrate is omitted in FIG.

次に、n-型ドリフト層1のC面上に、n+型FS層2を設定キャリア濃度で、設定膜厚、例えば、10μmになるまでエピタキシャル成長させる。次に、n+型FS層2の、n-型ドリフト層1と反対側の表面に、p+型コレクタ層3を設定キャリア濃度で、設定膜厚、例えば、20μmになるまでエピタキシャル成長させる。次に、n-型ドリフト層1のSi面に前段研削、ないし前段研磨を行ってからCMP加工を行う。ここで、ベベル形状がR形状の場合は再度、基板の端部のベベリング加工を行ってテーパー形状を追加しても良い。ここまでの状態が図4に記載される。なお、図4では基板の端部の形状は記載を省略する。 Next, the n + -type FS layer 2 is epitaxially grown on the C-plane of the n - -type drift layer 1 at a set carrier concentration to a set film thickness of, for example, 10 μm. Next, on the surface of the n + -type FS layer 2 opposite to the n -type drift layer 1, the p + -type collector layer 3 is epitaxially grown at a set carrier concentration to a set film thickness of, for example, 20 μm. Next, the Si surface of the n - -type drift layer 1 is subjected to pre-grinding or pre-polishing, and then subjected to CMP processing. Here, when the bevel shape is an R shape, the end portion of the substrate may be beveled again to add a tapered shape. The state up to this point is described in FIG. Note that the shape of the end portion of the substrate is omitted in FIG.

次に、n-型ドリフト層1のSi面上に、n+型CS層4を設定キャリア濃度で、設定膜厚、例えば、2μmになるまでエピタキシャル成長させる。次に、p+型コレクタ層3を設定膜厚、例えば、6μmになるまで研削加工を行い、p+型コレクタ層3のC面に鏡面仕上げを行う。これにより、図1に記載の炭化珪素半導体基板が完成する。最終的な基板形状として、残厚、TTVおよびSORI等が測定される。 Next, on the Si surface of the n - -type drift layer 1, the n + -type CS layer 4 is epitaxially grown at a set carrier concentration to a set film thickness of, for example, 2 μm. Next, the p + -type collector layer 3 is ground until it has a set film thickness of, for example, 6 μm, and the C surface of the p + -type collector layer 3 is mirror-finished. Thereby, the silicon carbide semiconductor substrate shown in FIG. 1 is completed. The remaining thickness, TTV, SORI, etc. are measured as the final substrate shape.

上述の製造方法では、n-型ドリフト層1のC面にn+型FS層2を形成し、n-型ドリフト層1のSi面にn+型CS層4を形成した。しかしながら、n-型ドリフト層1のSi面にn+型FS層2を形成し、n-型ドリフト層1のC面にn+型CS層4を形成してもよい。また、p+型コレクタ層3を成膜した後に、p++型コンタクト層15を成膜しても良い。 In the manufacturing method described above, the n + type FS layer 2 is formed on the C surface of the n type drift layer 1 and the n + type CS layer 4 is formed on the Si surface of the n type drift layer 1 . However, the n + type FS layer 2 may be formed on the Si surface of the n type drift layer 1 and the n + type CS layer 4 may be formed on the C surface of the n type drift layer 1 . Alternatively, the p ++ -type contact layer 15 may be deposited after the p + -type collector layer 3 is deposited.

ここで、図5は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体基板を用いたnチャネル型IGBTの構成を示す断面図である。上述のように作製した炭化珪素半導体基板より、図5のnチャネル型IGBTを製造する方法について説明する。まず、エピタキシャル成長により、n-型ドリフト層1およびn+型CS層4を堆積させる。また、n+型CS層4の表面にJFET領域8の形成領域に対応する部分を開口したイオン注入用マスクを形成する。次に、このイオン注入用マスクをマスクとしてp型不純物イオン注入によりp+型ベース層7とJFET領域8を形成する。次に、イオン注入用マスクを除去する。 Here, FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the n-channel IGBT using the silicon carbide semiconductor substrate according to the embodiment. A method of manufacturing the n-channel IGBT of FIG. 5 from the silicon carbide semiconductor substrate manufactured as described above will be described. First, the n -type drift layer 1 and the n + -type CS layer 4 are deposited by epitaxial growth. Also, an ion implantation mask is formed on the surface of the n + -type CS layer 4 with openings corresponding to the formation regions of the JFET regions 8 . Next, using this ion implantation mask as a mask, p + -type base layer 7 and JFET region 8 are formed by p-type impurity ion implantation. Next, the ion implantation mask is removed.

次に、n+型エミッタ領域9の形成領域に対応する部分を開口したイオン注入用マスクを形成する。このイオン注入用マスクをマスクとしてn型不純物のイオン注入を行い、p+型ベース層7の表面層にn+型エミッタ領域9を形成する。次に、イオン注入用マスクを除去する。次に、p++型コンタクト領域10の形成領域に対応する部分を開口したイオン注入用マスクを形成する。このイオン注入用マスクをマスクとしてp型不純物のイオン注入を行い、p+型ベース層7の表面層にp++型コンタクト領域10を形成する。次に、イオン注入用マスクを除去する。 Next, an ion implantation mask having an opening corresponding to the formation region of the n + -type emitter region 9 is formed. Using this ion implantation mask as a mask, n-type impurity ions are implanted to form an n + -type emitter region 9 in the surface layer of the p + -type base layer 7 . Next, the ion implantation mask is removed. Next, an ion implantation mask having openings corresponding to regions where the p ++ -type contact regions 10 are to be formed is formed. Using this ion implantation mask as a mask, p-type impurity ions are implanted to form a p ++ -type contact region 10 in the surface layer of the p + -type base layer 7 . Next, the ion implantation mask is removed.

上述したn+型エミッタ領域9およびp++型コンタクト領域10を形成するための各イオン注入の順序は種々変更可能である。次に、各イオン注入によってそれぞれ形成された拡散領域を活性化させるための活性化アニール(熱処理)を行う。次に、おもて面(p+型ベース層7側の面)を熱酸化してゲート絶縁膜11を形成する。次に、ゲート絶縁膜11上にゲート電極12として、例えば多結晶シリコン(poly-Si)層を形成し、パターニングする。 The order of ion implantation for forming the n + -type emitter region 9 and the p ++ -type contact region 10 described above can be changed in various ways. Next, activation annealing (heat treatment) is performed to activate the diffusion regions formed by each ion implantation. Next, the front surface (the surface on the p + -type base layer 7 side) is thermally oxidized to form the gate insulating film 11 . Next, for example, a polycrystalline silicon (poly-Si) layer is formed as the gate electrode 12 on the gate insulating film 11 and patterned.

次に、ゲート電極12を覆うように層間絶縁膜13を形成し、パターニングしてから熱処理(リフロー)する。層間絶縁膜13のパターニング時、コンタクトホールを形成するとともに、コンタクトホールに露出されたゲート絶縁膜11も除去して、n+型エミッタ領域9およびp++型コンタクト領域10を露出させる。次に、例えばスパッタ法により、コンタクトホールを埋め込むようにエミッタ電極14を形成する。次に、おもて面(p+型ベース層7側の面)にパッシベーション保護膜を形成する。その後、基板をチップ状に切断(ダイシング)することで、図5に示すIGBTが完成する。 Next, an interlayer insulating film 13 is formed to cover the gate electrode 12, patterned, and then subjected to heat treatment (reflow). When the interlayer insulating film 13 is patterned, a contact hole is formed and the gate insulating film 11 exposed in the contact hole is also removed to expose the n + -type emitter region 9 and the p ++ -type contact region 10 . Next, an emitter electrode 14 is formed by, for example, a sputtering method so as to fill the contact hole. Next, a passivation protective film is formed on the front surface (the surface on the p + -type base layer 7 side). Thereafter, the IGBT shown in FIG. 5 is completed by cutting (dicing) the substrate into chips.

以上、説明したように、実施の形態によれば、少なくともn+型CS層とp+型コレクタ層とを合わせた膜厚は1μm以上である。これにより、デバイスプロセス中の基板のハンドリングや、プロセス装置の自動搬送系による搬送等で自立エピ基板の裏面側にスクラッチが発生しても、n+型FS層とp+型コレクタ層とに十分な厚みがあるため、p+型コレクタ層が失活することを防止できる。従って、実施の形態の炭化珪素半導体基板により、p+型コレクタ層の失活に起因するリーク不良に基づくデバイス特性の低下を防止することができる。 As described above, according to the embodiment, the total thickness of at least the n + -type CS layer and the p + -type collector layer is 1 μm or more. As a result, even if scratches occur on the back side of the self-standing epitaxial substrate due to handling of the substrate during the device process, transportation by an automatic transportation system of the process equipment, etc., the n + type FS layer and the p + type collector layer are sufficiently scratched. Since it has a sufficient thickness, deactivation of the p + -type collector layer can be prevented. Therefore, the silicon carbide semiconductor substrate of the embodiment can prevent deterioration of device characteristics due to leak failure caused by deactivation of the p + -type collector layer.

以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。 As described above, the present invention can be modified in various ways without departing from the gist of the present invention.

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体基板および炭化珪素半導体基板の製造方法は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用されるパワー半導体装置に有用であり、特にnチャネル型IGBT用の炭化珪素半導体基板に適している。 INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the silicon carbide semiconductor substrate and the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to the present invention are useful for power semiconductor devices used in power converters and power supply devices for various industrial machines. Suitable for silicon carbide semiconductor substrates for n-channel IGBTs.

1 n-型ドリフト層
2 n+型FS層
3 p+型コレクタ層
4 n+型CS層
5 n型炭化珪素基板
6 n+型バッファ層
7 p+型ベース層
8 JFET領域
9 n+型エミッタ領域
10 p++型コンタクト領域
11 ゲート絶縁膜
12 ゲート電極
13 層間絶縁膜
14 エミッタ電極
15 p++型コンタクト層
1 n type drift layer 2 n + type FS layer 3 p + type collector layer 4 n + type CS layer 5 n type silicon carbide substrate 6 n + type buffer layer 7 p + type base layer 8 JFET region 9 n + type emitter Region 10 p ++ type contact region 11 gate insulating film 12 gate electrode 13 interlayer insulating film 14 emitter electrode 15 p ++ type contact layer

Claims (10)

第1導電型の第1半導体層の一方の主面上に設けられた、前記第1半導体層よりキャリア濃度の高い第1導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の、前記第1半導体層側に対して反対側の表面上に設けられた、第2導電型の第3半導体層と、
前記第半導体層の、前記第1半導体層側に対して反対側の表面上に設けられた、前記第3半導体層よりキャリア濃度の高い第2導電型の第5半導体層と、
を備え、前記第2半導体層と前記第3半導体層とを合わせた膜厚は、1μm以上であり、前記第1半導体層は、エピタキシャル膜であり、SORIが200μm以下であることを特徴とする炭化珪素半導体基板。
a second semiconductor layer of the first conductivity type provided on one main surface of the first semiconductor layer of the first conductivity type and having a carrier concentration higher than that of the first semiconductor layer;
a third semiconductor layer of a second conductivity type provided on a surface of the second semiconductor layer opposite to the first semiconductor layer;
a second conductivity type fifth semiconductor layer having a carrier concentration higher than that of the third semiconductor layer and provided on the surface of the third semiconductor layer opposite to the first semiconductor layer;
wherein the total thickness of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer is 1 μm or more, the first semiconductor layer is an epitaxial film, and the SORI is 200 μm or less. A silicon carbide semiconductor substrate.
前記第1半導体層の他方の主面上に設けられた、前記第1半導体層よりキャリア濃度の高い第1導電型の第4半導体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基板。 2. The carbonization according to claim 1, further comprising a fourth semiconductor layer of the first conductivity type having a carrier concentration higher than that of the first semiconductor layer and provided on the other main surface of the first semiconductor layer. Silicon semiconductor substrate. 前記第2半導体層と前記第3半導体層と前記第5半導体層とを合わせた膜厚が、1μm以上であることを特徴とする請求項2に記載の炭化珪素半導体基板。 3. The silicon carbide semiconductor substrate according to claim 2, wherein a total thickness of said second semiconductor layer, said third semiconductor layer and said fifth semiconductor layer is 1 [mu]m or more. 前記第1半導体層の膜厚は、5~500μmであり、
前記第2半導体層の膜厚は、0.1~30μmであり、
前記第3半導体層の膜厚は、0.1~50μmであり、
前記第4半導体層の膜厚は、0.5~30μmであり、
前記第5半導体層の膜厚は、0.05~50μmであることを特徴とする請求項2または3に記載の炭化珪素半導体基板。
The film thickness of the first semiconductor layer is 5 to 500 μm,
The film thickness of the second semiconductor layer is 0.1 to 30 μm,
The film thickness of the third semiconductor layer is 0.1 to 50 μm,
The film thickness of the fourth semiconductor layer is 0.5 to 30 μm,
4. The silicon carbide semiconductor substrate according to claim 2, wherein said fifth semiconductor layer has a film thickness of 0.05 to 50 μm.
前記第1半導体層のキャリア濃度は、1×1014~1×1015/cm3であり、
前記第2半導体層のキャリア濃度は、1×1015~1×1018/cm3であり、
前記第3半導体層のキャリア濃度は、1×1015~1×1020/cm3であり、
前記第4半導体層のキャリア濃度は、1×1015~1×1018/cm3であり、
前記第5半導体層のキャリア濃度は、5×1018~3×1020/cm3であることを特徴とする請求項2~4のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体基板。
carrier concentration of the first semiconductor layer is 1×10 14 to 1×10 15 /cm 3 ;
the second semiconductor layer has a carrier concentration of 1×10 15 to 1×10 18 /cm 3 ;
carrier concentration of the third semiconductor layer is 1×10 15 to 1×10 20 /cm 3 ;
carrier concentration of the fourth semiconductor layer is 1×10 15 to 1×10 18 /cm 3 ;
5. The silicon carbide semiconductor substrate according to claim 2, wherein said fifth semiconductor layer has a carrier concentration of 5×10 18 to 3×10 20 /cm 3 .
前記第1半導体層の一方の主面および他方の主面の表面粗さRaは、1nm未満であり、
前記第3半導体層の、前記第2半導体層側に対して反対側の表面の表面粗さRaは、5nm未満であ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基板。
The surface roughness Ra of one main surface and the other main surface of the first semiconductor layer is less than 1 nm,
The carbonization according to any one of claims 1 to 5, wherein the surface roughness Ra of the surface of the third semiconductor layer opposite to the second semiconductor layer is less than 5 nm. Silicon semiconductor substrate.
TTVが50μm以下であ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基板。 6. The silicon carbide semiconductor substrate according to claim 1 , wherein TTV is 50 μm or less . 第1導電型の炭化珪素基板のおもて面に第1導電型の第1半導体層を形成する第1工程と、
前記炭化珪素基板の全部を除去する第2工程と、
前記第1半導体層の一方の主面上に、前記第1半導体層よりキャリア濃度の高い第1導電型の第2半導体層を形成する第3工程と、
前記第2半導体層の、前記第1半導体層側に対して反対側の表面上に第2導電型の第3半導体層を形成する第4工程と、
前記第4工程の後に、前記第1半導体層の主面に対して反対側で、かつ前記第3半導体層と接する面上に、前記第3半導体層よりキャリア濃度の高い第2導電型の第5半導体層を形成する第5工程と、
を含み、前記第3工程と前記第4工程において、前記第2半導体層と前記第3半導体層とを合わせた膜厚を、1μm以上に形成することを特徴とする炭化珪素半導体基板の製造方法。
a first step of forming a first conductivity type first semiconductor layer on a front surface of a first conductivity type silicon carbide substrate;
a second step of removing all of the silicon carbide substrate;
a third step of forming a second semiconductor layer of a first conductivity type having a carrier concentration higher than that of the first semiconductor layer on one main surface of the first semiconductor layer;
a fourth step of forming a third semiconductor layer of a second conductivity type on the surface of the second semiconductor layer opposite to the first semiconductor layer;
After the fourth step, a second conductivity type second conductive layer having a carrier concentration higher than that of the third semiconductor layer is formed on the surface of the first semiconductor layer opposite to the main surface and in contact with the third semiconductor layer. a fifth step of forming five semiconductor layers;
and forming a total thickness of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer to be 1 μm or more in the third step and the fourth step. .
前記炭化珪素基板は、前記炭化珪素基板の一方の主面上に、前記炭化珪素基板よりキャリア濃度の高い第1導電型の第6半導体層が設けられ、
前記第1工程では、前記第1半導体層を、前記第6半導体層の、前記炭化珪素基板側に対して反対側の表面上に形成し、
前記第2工程は、前記炭化珪素基板の全部と前記第6半導体層の全部とを除去することを特徴とする請求項8に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
The silicon carbide substrate is provided with a sixth semiconductor layer of a first conductivity type having a carrier concentration higher than that of the silicon carbide substrate on one main surface of the silicon carbide substrate,
In the first step, the first semiconductor layer is formed on the surface of the sixth semiconductor layer opposite to the silicon carbide substrate side,
9. The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to claim 8, wherein in said second step, all of said silicon carbide substrate and all of said sixth semiconductor layer are removed.
前記第4工程の後に、
前記第1半導体層の他方の主面を研磨・CMP仕上げとしてから、前記第1半導体層の他方の主面上に、前記第1半導体層よりキャリア濃度の高い第1導電型の第4半導体層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項8または9に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。
After the fourth step,
After polishing and CMP finishing the other main surface of the first semiconductor layer, a fourth semiconductor layer of a first conductivity type having a carrier concentration higher than that of the first semiconductor layer is formed on the other main surface of the first semiconductor layer. 10. The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to claim 8, further comprising the step of forming a .
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