JPWO2016092887A1 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents

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Abstract

炭化珪素半導体装置(100)を構成する炭化珪素エピタキシャル基板(3)は、不純物濃度が3×1018cm−3以上であり、0°を超えるオフ角を有する炭化珪素基板(10)と、活性層(11)とを備える。活性層(11)の第1エピタキシャル層(20)、第2エピタキシャル層(21)、第3エピタキシャル層(22)は、層厚をそれぞれT1[μm]、T2[μm]、T3[μm]とし、不純物濃度をそれぞれN1[cm−3]、N2[cm−3]、N3[cm−3]としたとき、N1≦1×1016cm−3、N2≧1×1017cm−3、N3≦1×1016cm−3、T2≧0.01μm、T1×T2×N2≦2.684×1017の関係を満たす。The silicon carbide epitaxial substrate (3) constituting the silicon carbide semiconductor device (100) has an impurity concentration of 3 × 10 18 cm −3 or more, an silicon carbide substrate (10) having an off angle exceeding 0 °, and an active layer ( 11). The first epitaxial layer (20), the second epitaxial layer (21), and the third epitaxial layer (22) of the active layer (11) have layer thicknesses T1 [μm], T2 [μm], and T3 [μm], respectively. When the impurity concentrations are N1 [cm−3], N2 [cm−3], and N3 [cm−3], N1 ≦ 1 × 1016 cm−3, N2 ≧ 1 × 1017 cm−3, and N3 ≦ 1 × 1016 cm, respectively. −3, T2 ≧ 0.01 μm, and T1 × T2 × N2 ≦ 2.684 × 1017.

Description

本発明は、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に関する。   The present invention relates to a silicon carbide epitaxial substrate and a silicon carbide semiconductor device.

炭化珪素(SiC)などのワイドギャップ半導体材料は、シリコン(Si)材料と比較して絶縁破壊耐量が高いので、基板の材料としてワイドギャップ半導体材料を用いることによって、シリコン材料を用いる場合よりも基板の不純物濃度を高めて、基板の抵抗を低減することが可能である。この基板の低抵抗化によって、パワー素子のスイッチング動作における損失を低減することができる。また、ワイドギャップ半導体材料は、シリコン材料と比較して、熱伝導度が高く、機械的強度にも優れているので、小型で低損失、かつ高効率のパワーデバイスを実現可能な材料として期待されている。   A wide gap semiconductor material such as silicon carbide (SiC) has a higher dielectric breakdown resistance than a silicon (Si) material. Therefore, by using a wide gap semiconductor material as a substrate material, a substrate can be used rather than a silicon material. It is possible to increase the impurity concentration of the substrate and reduce the resistance of the substrate. By reducing the resistance of the substrate, loss in the switching operation of the power element can be reduced. In addition, wide-gap semiconductor materials have higher thermal conductivity and mechanical strength than silicon materials, so they are expected as materials that can realize small, low-loss, and high-efficiency power devices. ing.

しかしながら、半導体材料として炭化珪素を用いた炭化珪素半導体装置では、PINダイオード構造に順方向電流を流し続けると、順方向電圧(Vf)がシフトするという信頼性上の問題がよく知られている。順方向電圧のシフトは、以下のようにして発生する。   However, in a silicon carbide semiconductor device using silicon carbide as a semiconductor material, there is a well-known reliability problem that the forward voltage (Vf) shifts when a forward current continues to flow through the PIN diode structure. The forward voltage shift occurs as follows.

PINダイオード構造に少数キャリアが注入されると、注入された少数キャリアは、多数キャリアと再結合する。その再結合するときに生じる再結合エネルギーによって、炭化珪素結晶中に存在する欠陥が、基底面転位およびミスフィット転位などの線欠陥を起点として、面欠陥である積層欠陥に拡張されてしまう。積層欠陥は、抵抗として作用し、電流の流れを阻害するので、積層欠陥の占める割合に応じて、流れる電流が減少し、順方向電圧のシフトが生じ、デバイス特性の劣化が引き起こされる。   When minority carriers are injected into the PIN diode structure, the injected minority carriers recombine with the majority carriers. Due to the recombination energy generated at the time of recombination, defects existing in the silicon carbide crystal are expanded to stacking faults, which are surface defects, starting from line defects such as basal plane dislocations and misfit dislocations. The stacking fault acts as a resistance and hinders the flow of current. Therefore, the flowing current decreases according to the ratio of the stacking fault, the forward voltage shifts, and the device characteristics are deteriorated.

積層欠陥は、基底面転位、およびエピタキシャル層と基板との界面で発生するミスフィット転位などの線欠陥を起点として、三角形状または帯状に拡張する(たとえば、非特許文献1参照)。このような積層欠陥の拡張は、エピタキシャル層と基板との界面からエピタキシャル層の表面にかけて、基底面に沿って、すなわちエピタキシャル成長方向であるステップフロー方向に対して垂直な方向に発生する。   The stacking fault expands into a triangular shape or a belt shape starting from a line defect such as a basal plane dislocation and a misfit dislocation generated at the interface between the epitaxial layer and the substrate (see, for example, Non-Patent Document 1). Such extension of stacking faults occurs from the interface between the epitaxial layer and the substrate to the surface of the epitaxial layer, along the basal plane, that is, in a direction perpendicular to the step flow direction that is the epitaxial growth direction.

積層欠陥による順方向電圧のシフトは、炭化珪素を用いたMOSFET(以下「SiC−MOSFET」という場合がある)でも同様に発生するとの報告がある(たとえば、非特許文献2参照)。MOSFET構造は、ソース−ドレイン間に、ボディダイオードと呼ばれる寄生ダイオードを有しているので、順方向電流がボディダイオードに流れると、PINダイオードと同様の劣化が引き起こされる。   It has been reported that the forward voltage shift due to stacking faults occurs in the same way even in MOSFETs using silicon carbide (hereinafter sometimes referred to as “SiC-MOSFETs”) (see, for example, Non-Patent Document 2). Since the MOSFET structure has a parasitic diode called a body diode between the source and the drain, if a forward current flows through the body diode, the same degradation as that of the PIN diode is caused.

スイッチング回路における還流ダイオードとしては、たとえば、順方向電圧が比較的低いショットキーバリアダイオードが用いられる。SiC−MOSFETのボディダイオードを還流ダイオードとして用いた場合には、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、信頼性上の大きな問題となる。   As the freewheeling diode in the switching circuit, for example, a Schottky barrier diode having a relatively low forward voltage is used. When a SiC-MOSFET body diode is used as a free-wheeling diode, fluctuations in MOSFET characteristics, for example, a forward voltage shift, are caused, which is a serious problem in reliability.

また、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(以下「拡張積層欠陥」という場合がある)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、拡張積層欠陥の面積を低減することが、非常に重要である。   Further, the forward voltage shift is proportional to the sum of the areas of expanded stacking faults (hereinafter sometimes referred to as “extended stacking faults”) included in the chip in which the MOSFET is formed. Accordingly, in order to suppress the forward voltage shift, it is very important to reduce the area of the extended stacking fault.

以上に述べたようなSiCパワーデバイスの劣化を抑制するための技術が、たとえば、特許文献1,2に開示されている。特許文献1に開示される技術では、エピタキシャル成長において、基板から引き継がれる転位の進行方向を曲げるために、1×1017cm−3以上のドープ濃度において、成長条件を変化させることで不純物濃度を少なくとも4回変化させた、厚さ0.1μm以上の積層構造上に、活性層をエピタキシャル成長させている。Techniques for suppressing the deterioration of the SiC power device as described above are disclosed in Patent Documents 1 and 2, for example. In the technique disclosed in Patent Document 1, in the epitaxial growth, in order to bend the traveling direction of dislocations inherited from the substrate, at a doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more, the impurity concentration is set at least by changing the growth conditions. An active layer is epitaxially grown on a laminated structure having a thickness of 0.1 μm or more that is changed four times.

特許文献2に開示される技術では、不純物である窒素を導入する処理を含まないアンドープ層と、窒素を導入する処理を含む高不純物濃度層とを5回以上積層させ、急峻な濃度変化による転位の伝播を抑制する効果のある層を成長させた後、活性層をエピタキシャル成長させている。   In the technique disclosed in Patent Document 2, an undoped layer that does not include a process of introducing nitrogen, which is an impurity, and a high impurity concentration layer that includes a process of introducing nitrogen are stacked five or more times, and a dislocation caused by a sharp concentration change is performed. After the growth of the layer having the effect of suppressing the propagation of the active layer, the active layer is epitaxially grown.

特開2007−13154号公報JP 2007-13154 A 特開2002−329670号公報JP 2002-329670 A

Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol.39,No.6,“Electrical and Optical Properties of Stacking Faults in 4H−SiC Devices”,2010Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 39, no. 6, “Electrical and Optical Properties of Stacking Faults in 4H-SiC Devices”, 2010 IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.28,NO.7,“A New Degradation Mechanism in High‐Voltage SiC Power MOSFETs”,JULY 2007IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 28, NO. 7, “A New Degradation Mechanism in High-Voltage SiC Power MOSFETs”, JULY 2007

特許文献1に開示される技術では、本来デバイスの動作に寄与しないエピタキシャル層をバッファ層として0.1μm以上成長させる必要があり、更に4回以上もの成長条件の変更が必要であるので、生産性の観点から不利となる。   In the technique disclosed in Patent Document 1, it is necessary to grow an epitaxial layer that does not originally contribute to device operation as a buffer layer by 0.1 μm or more, and further, it is necessary to change the growth conditions four times or more. It is disadvantageous from the point of view.

また、特許文献2に開示される技術では、デバイス活性層領域以外に、アンドープ層を含む層を設ける必要がある。不純物である窒素を導入する処理を行わずにエピタキシャル成長を行うと、不純物濃度が非常に低くなり、デバイスのオン抵抗が増大するという問題がある。また、窒素の導入量の制御によって、不純物濃度を制御することができないので、処理バッチ間の不純物濃度のばらつきが大きくなり、製品としてのばらつきが大きくなってしまう。   In the technique disclosed in Patent Document 2, it is necessary to provide a layer including an undoped layer in addition to the device active layer region. If epitaxial growth is performed without introducing nitrogen as an impurity, there is a problem that the impurity concentration becomes very low and the on-resistance of the device increases. Further, since the impurity concentration cannot be controlled by controlling the amount of nitrogen introduced, the variation in the impurity concentration between the processing batches becomes large, and the variation as a product becomes large.

また、特許文献1,2に開示される技術では、活性層とバッファ層との界面で発生するミスフィット転位などの線欠陥を抑制することができないので、通電によって、界面の線欠陥が活性層中に拡張して積層欠陥となってしまう。積層欠陥は、エピタキシャル層の表面まで容易に拡張し、デバイスの特性の劣化を招く。   In addition, in the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, line defects such as misfit dislocations generated at the interface between the active layer and the buffer layer cannot be suppressed. It expands into a stacking fault. The stacking fault easily extends to the surface of the epitaxial layer, resulting in deterioration of device characteristics.

また、特許文献1,2に開示されるように、従来技術では、活性層をエピタキシャル成長する前に、活性層とは別に、転位を変換する効果のある層をバッファ層として成長させ、活性層への転位の進行を抑制する方法が多く用いられている。   Further, as disclosed in Patent Documents 1 and 2, in the prior art, before the active layer is epitaxially grown, a layer having an effect of converting dislocations is grown as a buffer layer separately from the active layer, and the active layer is formed. Many methods are used to suppress the progression of dislocations.

しかしながら、これらの方法では、拡張積層欠陥の起点となる転位のうち、バッファ層で低減可能な転位しか変換することができないので、デバイスの特性の劣化を十分に抑制することができないという問題がある。また、積層欠陥の起点となる転位は、活性層でも発生するが、特許文献1,2などの従来技術では、活性層への転位の発生を抑制することができないという問題がある。   However, in these methods, only dislocations that can be reduced by the buffer layer among the dislocations that are the starting point of the extended stacking fault can be converted, so that there is a problem that deterioration of device characteristics cannot be sufficiently suppressed. . In addition, dislocations that are the starting points of stacking faults also occur in the active layer, but the conventional techniques such as Patent Documents 1 and 2 have a problem that the occurrence of dislocations in the active layer cannot be suppressed.

本発明の目的は、エピタキシャル層で発生する積層欠陥の拡張を抑制し、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑え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。   An object of the present invention is to suppress the expansion of stacking faults that occur in an epitaxial layer, and to maintain a device breakdown voltage and on-resistance, while suppressing deterioration of device characteristics to such an extent that it does not become a practical problem, and A silicon carbide semiconductor device is provided.

本発明の炭化珪素エピタキシャル基板は、炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第1エピタキシャル層と、前記第1エピタキシャル層の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第2エピタキシャル層と、前記第2エピタキシャル層の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第3エピタキシャル層とを備え、前記炭化珪素基板は、不純物濃度が3×1018cm−3以上であり、0°を超えるオフ角を有し、前記第1エピタキシャル層の層厚をT1[μm]とし、前記第2エピタキシャル層の層厚をT2[μm]とし、前記第3エピタキシャル層の層厚をT3[μm]とし、前記第1エピタキシャル層の不純物濃度をN1[cm−3]とし、前記第2エピタキシャル層の不純物濃度をN2[cm−3]とし、前記第3エピタキシャル層の不純物濃度をN3[cm−3]としたとき、N1≦1×1016cm−3、N2≧1×1017cm−3、N3≦1×1016cm−3、T2≧0.01μm、T1×T2×N2≦2.684×1017の関係を満たすことを特徴とする。A silicon carbide epitaxial substrate of the present invention includes a silicon carbide substrate, a first epitaxial layer formed by epitaxial growth on a surface on one side in the thickness direction of the silicon carbide substrate, and a surface on one side in the thickness direction of the first epitaxial layer. A second epitaxial layer formed by epitaxial growth; and a third epitaxial layer formed by epitaxial growth on one surface in the thickness direction of the second epitaxial layer. The silicon carbide substrate has an impurity concentration of 3 × 10 18. cm −3 or more, an off-angle exceeding 0 °, the layer thickness of the first epitaxial layer is T1 [μm], the layer thickness of the second epitaxial layer is T2 [μm], and the third the thickness of the epitaxial layer and T3 [μm], the impurity concentration of the first epitaxial layer N1 [cm - And, when the impurity concentration of the second epitaxial layer and N2 [cm -3], and the impurity concentration of the third epitaxial layer and N3 [cm -3], N1 ≦ 1 × 10 16 cm -3, N2 ≧ 1 × 10 17 cm −3 , N3 ≦ 1 × 10 16 cm −3 , T2 ≧ 0.01 μm, T1 × T2 × N2 ≦ 2.684 × 10 17 are satisfied.

本発明の炭化珪素半導体装置は、前記本発明の炭化珪素エピタキシャル基板の前記第1エピタキシャル層、前記第2エピタキシャル層および前記第3エピタキシャル層を、活性層の少なくとも一部として含む半導体素子を備えることを特徴とする。   The silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a semiconductor element including the first epitaxial layer, the second epitaxial layer, and the third epitaxial layer of the silicon carbide epitaxial substrate of the present invention as at least part of an active layer. It is characterized by.

本発明の炭化珪素エピタキシャル基板によれば、第1エピタキシャル層中に含まれる転位およびミスフィット転位を起点として発生する積層欠陥の拡張を、第2エピタキシャル層によって抑制することができる。これによって、積層欠陥の拡張によるデバイス特性の劣化を、実用上問題とならない程度に抑えることができるので、デバイスの信頼性を大幅に向上させることができる。   According to the silicon carbide epitaxial substrate of the present invention, expansion of stacking faults that are generated starting from dislocations and misfit dislocations contained in the first epitaxial layer can be suppressed by the second epitaxial layer. As a result, the deterioration of the device characteristics due to the expansion of the stacking fault can be suppressed to a level that does not cause a practical problem, so that the reliability of the device can be greatly improved.

また、第1エピタキシャル層、第2エピタキシャル層および第3エピタキシャル層は全て活性層として用いることができるので、第1エピタキシャル層、第2エピタキシャル層および第3エピタキシャル層を含んで構成される活性層を用いることによって、活性層以外の層を設ける必要がない。また、活性層の層厚もほぼ維持することができる。したがって、第1エピタキシャル層、第2エピタキシャル層および第3エピタキシャル層を活性層の少なくとも一部として含む半導体素子で炭化珪素半導体装置を構成することによって、炭化珪素半導体装置におけるオン抵抗の増大を抑えることができる。   In addition, since the first epitaxial layer, the second epitaxial layer, and the third epitaxial layer can all be used as active layers, an active layer including the first epitaxial layer, the second epitaxial layer, and the third epitaxial layer is provided. By using it, it is not necessary to provide a layer other than the active layer. Moreover, the layer thickness of the active layer can be substantially maintained. Therefore, an increase in on-resistance in the silicon carbide semiconductor device is suppressed by configuring the silicon carbide semiconductor device with a semiconductor element including the first epitaxial layer, the second epitaxial layer, and the third epitaxial layer as at least part of the active layer. Can do.

また、第1エピタキシャル層と第2エピタキシャル層とはT1×T2×N2≦2.684×1017の関係を満たすので、デバイス耐圧を大きく下げることなく、デバイス劣化を抑制することが可能である。Further, since the first epitaxial layer and the second epitaxial layer satisfy the relationship of T1 × T2 × N2 ≦ 2.684 × 10 17 , it is possible to suppress device degradation without greatly reducing the device breakdown voltage.

以上のことから、本発明の炭化珪素エピタキシャル基板によれば、エピタキシャル層で発生する積層欠陥の拡張を抑制し、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑えることができる炭化珪素エピタキシャル基板を提供することができる。   From the above, according to the silicon carbide epitaxial substrate of the present invention, the expansion of stacking faults occurring in the epitaxial layer is suppressed, and the deterioration of device characteristics is not a practical problem while maintaining the device breakdown voltage and on-resistance. It is possible to provide a silicon carbide epitaxial substrate that can be suppressed to a low level.

本発明の炭化珪素半導体装置によれば、以上のような優れた効果を有する炭化珪素エピタキシャル基板の第1エピタキシャル層、第2エピタキシャル層および第3エピタキシャル層を、活性層の少なくとも一部として含む半導体素子を備えて、炭化珪素半導体装置が構成される。これによって、エピタキシャル層で発生する積層欠陥の拡張を抑制し、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑えることができる炭化珪素半導体装置を得ることができる。   According to the silicon carbide semiconductor device of the present invention, the semiconductor including the first epitaxial layer, the second epitaxial layer, and the third epitaxial layer of the silicon carbide epitaxial substrate having the excellent effects as described above as at least a part of the active layer. A silicon carbide semiconductor device is configured including the element. Thus, it is possible to obtain a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing the expansion of stacking faults generated in the epitaxial layer and suppressing the deterioration of the device characteristics to a level that does not cause a practical problem while maintaining the device breakdown voltage and the on-resistance. it can.

本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。   The objects, features, aspects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.

本発明の第1の実施の形態における炭化珪素半導体装置の一例であるSiC−MOSFET100の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of SiC-MOSFET100 which is an example of the silicon carbide semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention. 図1に示すSiC−MOSFET100のソースパッド2の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the source pad 2 of the SiC-MOSFET 100 shown in FIG. 図1の示すSiC−MOSFET100のSiCエピタキシャル基板3の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the SiC epitaxial substrate 3 of the SiC-MOSFET100 shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態における炭化珪素半導体装置の一例であるSiC−MOSFET200のSiCエピタキシャル基板300の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the SiC epitaxial substrate 300 of SiC-MOSFET200 which is an example of the silicon carbide semiconductor device in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明のSiC−MOSFETの他の例であるSiC−MOSFET210のSiCエピタキシャル基板310の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the SiC epitaxial substrate 310 of SiC-MOSFET210 which is another example of SiC-MOSFET of this invention. 前提技術のSiC−MOSFETの他の例であるSiC−MOSFET200AのSiCエピタキシャル基板300Aの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of SiC epitaxial substrate 300A of SiC-MOSFET200A which is another example of SiC-MOSFET of a premise technique. 図4〜図6のエピタキシャル構造に対応するサンプルのPL−TOPO像を示す図である。It is a figure which shows the PL-TOPO image of the sample corresponding to the epitaxial structure of FIGS. 図4〜図6のエピタキシャル構造に対応するサンプルのPL−TOPO像を示す図である。It is a figure which shows the PL-TOPO image of the sample corresponding to the epitaxial structure of FIGS. 図4〜図6のエピタキシャル構造に対応するサンプルのPL−TOPO像を示す図である。It is a figure which shows the PL-TOPO image of the sample corresponding to the epitaxial structure of FIGS. 前提技術の炭化珪素を用いた電界効果トランジスタ100Aの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of 100 A of field effect transistors using the silicon carbide of a premise technique. 順方向電圧のシフトの発生機構を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the generation | occurrence | production mechanism of the forward voltage shift. 本発明の第3の実施の形態における炭化珪素半導体装置の一例であるSiC−MOSFET101の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of SiC-MOSFET101 which is an example of the silicon carbide semiconductor device in the 3rd Embodiment of this invention.

<前提技術>
図10は、前提技術の炭化珪素を用いた電界効果トランジスタ100Aの構成を示す断面図である。図10では、炭化珪素(SiC)を用いた電界効果トランジスタ(以下「SiC−MOSFET」という場合がある)100Aのソースパッド2Aの部分における断面構成を示す。
<Prerequisite technology>
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a field effect transistor 100A using silicon carbide of the base technology. FIG. 10 shows a cross-sectional configuration of a source pad 2A portion of a field effect transistor (hereinafter sometimes referred to as “SiC-MOSFET”) 100A using silicon carbide (SiC).

SiC−MOSFET100Aは、後述する図1に示す本発明の第1の実施の形態のSiC−MOSFET100と同様に、SiCエピタキシャル基板3A上に形成される。SiCエピタキシャル基板3Aの厚み方向一方側の表面に、ゲートパッド1と、ソースパッド2Aとが配置される。   SiC-MOSFET 100A is formed on SiC epitaxial substrate 3A in the same manner as SiC-MOSFET 100 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. Gate pad 1 and source pad 2A are arranged on the surface of one side in the thickness direction of SiC epitaxial substrate 3A.

SiC−MOSFET100AのSiCエピタキシャル基板3Aは、図1のSiCエピタキシャル基板3に相当し、ソースパッド2Aは、図1のソースパッド2に相当する。SiCエピタキシャル基板3の厚み方向他方側の表面(以下「裏面」という場合がある)は、ドレイン端子として用いられる。   The SiC epitaxial substrate 3A of the SiC-MOSFET 100A corresponds to the SiC epitaxial substrate 3 in FIG. 1, and the source pad 2A corresponds to the source pad 2 in FIG. The surface on the other side in the thickness direction of SiC epitaxial substrate 3 (hereinafter sometimes referred to as “rear surface”) is used as a drain terminal.

SiC−MOSFET100Aは、ソースパッド2Aの部分において、図10に示すように複数のセルが並列接続されて均一に敷き詰められたトランジスタアレイ構造となっている。第1導電型のSiC基板10の厚み方向一方側の表面に、エピタキシャル成長された第1導電型の活性層11Aが形成されて、SiCエピタキシャル基板3Aが構成されている。   The SiC-MOSFET 100A has a transistor array structure in which a plurality of cells are connected in parallel and spread uniformly in the source pad 2A portion as shown in FIG. An epitaxially grown first conductivity type active layer 11A is formed on the surface of the first conductivity type SiC substrate 10 on one side in the thickness direction, thereby forming a SiC epitaxial substrate 3A.

活性層11A内には、第2導電型のウェル領域14が形成されている。ウェル領域14の中央には、金属電極とのコンタクト抵抗を小さくするための不純物濃度の比較的高い第2導電型のウェルコンタクト領域16が配置されている。ウェルコンタクト領域16の周りを取り囲むように、第1導電型のソース領域15が形成されている。   A second conductivity type well region 14 is formed in the active layer 11A. In the center of the well region 14, a second conductivity type well contact region 16 having a relatively high impurity concentration for reducing the contact resistance with the metal electrode is disposed. A source region 15 of the first conductivity type is formed so as to surround the well contact region 16.

ゲート絶縁膜12は、隣接するセルのソース領域15とオーバーラップするように、活性層11Aの厚み方向一方側の表面に形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜12は、隣り合う2つのセルのソース領域15のうち、一方のソース領域15から他方のソース領域15にわたって形成されている。   The gate insulating film 12 is formed on the surface of one side in the thickness direction of the active layer 11A so as to overlap the source region 15 of the adjacent cell. That is, the gate insulating film 12 is formed from one source region 15 to the other source region 15 of the source regions 15 of two adjacent cells.

ゲート絶縁膜12の厚み方向一方側の表面には、ゲート電極13および層間絶縁膜17が形成されている。アルミニウム電極などの金属配線で構成されるソース電極18によって、ウェルコンタクト領域16とソース領域15とが接続され、ソースパッド2Aが形成されている。   A gate electrode 13 and an interlayer insulating film 17 are formed on the surface of one side in the thickness direction of the gate insulating film 12. The well contact region 16 and the source region 15 are connected by a source electrode 18 formed of a metal wiring such as an aluminum electrode, and a source pad 2A is formed.

しかしながら、前提技術のSiC−MOSFET100Aのように、半導体材料として炭化珪素を用いた炭化珪素半導体装置では、PINダイオード構造に順方向電流を流し続けると、順方向電圧(Vf)がシフトするという信頼性上の問題がよく知られている。   However, in a silicon carbide semiconductor device using silicon carbide as a semiconductor material, such as the SiC-MOSFET 100A of the base technology, the reliability that the forward voltage (Vf) shifts when a forward current continues to flow through the PIN diode structure. The above problem is well known.

図11は、順方向電圧のシフトの発生機構を説明するための図である。図11では、図10に示す前提技術のSiC−MOSFET100Aの構成を簡略化して示す。前提技術のSiC−MOSFET100Aにおける順方向電圧のシフトは、以下のようにして発生する。   FIG. 11 is a diagram for explaining a forward voltage shift generation mechanism. FIG. 11 shows a simplified configuration of the SiC-MOSFET 100A of the base technology shown in FIG. The forward voltage shift in the base technology SiC-MOSFET 100A occurs as follows.

SiC−MOSFET100Aに少数キャリアが注入されると、注入された少数キャリアは、多数キャリアと再結合する。その再結合するときに生じる再結合エネルギーによって、炭化珪素結晶中に存在する欠陥が、基底面転位およびミスフィット転位などの線欠陥を起点として、面欠陥である積層欠陥30に拡張されてしまう。積層欠陥30は、抵抗として作用し、電流の流れを阻害するので、積層欠陥の占める割合に応じて、流れる電流が減少し、順方向電圧のシフトが生じ、デバイス特性の劣化が引き起こされる。   When minority carriers are injected into SiC-MOSFET 100A, the injected minority carriers recombine with the majority carriers. Due to the recombination energy generated at the time of recombination, the defects existing in the silicon carbide crystal are expanded to the stacking fault 30 which is a plane defect starting from a line defect such as a basal plane dislocation or a misfit dislocation. Since the stacking fault 30 acts as a resistance and inhibits the flow of current, the flowing current is reduced according to the ratio of stacking faults, a forward voltage shift occurs, and device characteristics are deteriorated.

積層欠陥30は、基底面転位、およびエピタキシャル層と基板との界面で発生するミスフィット転位などの線欠陥を起点として、三角形状または帯状に拡張する。このような積層欠陥30の拡張は、エピタキシャル層である活性層11AとSiC基板10との界面から、活性層の11Aの表面にかけて、基底面に沿って、すなわちエピタキシャル成長方向であるステップフロー方向SFに対して垂直な方向に発生する。   The stacking fault 30 expands into a triangular shape or a belt shape starting from a line defect such as a basal plane dislocation and a misfit dislocation generated at the interface between the epitaxial layer and the substrate. Such an extension of the stacking fault 30 extends from the interface between the active layer 11A as an epitaxial layer and the SiC substrate 10 to the surface of the active layer 11A along the basal plane, that is, in the step flow direction SF that is the epitaxial growth direction. It occurs in a direction perpendicular to the direction.

スイッチング回路における還流ダイオードとしては、たとえば、順方向電圧が比較的低いショットキーバリアダイオードが用いられる。SiC−MOSFETのボディダイオードを還流ダイオードとして用いた場合には、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、信頼性上の大きな問題となる。   As the freewheeling diode in the switching circuit, for example, a Schottky barrier diode having a relatively low forward voltage is used. When a SiC-MOSFET body diode is used as a free-wheeling diode, fluctuations in MOSFET characteristics, for example, a forward voltage shift, are caused, which is a serious problem in reliability.

また、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30(以下「拡張積層欠陥」という場合がある)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、拡張積層欠陥の面積を低減することが、非常に重要である。   The forward voltage shift is proportional to the sum of the areas of expanded stacking faults 30 (hereinafter also referred to as “extended stacking faults”) included in the chip in which the MOSFET is formed. Accordingly, in order to suppress the forward voltage shift, it is very important to reduce the area of the extended stacking fault.

以上に述べたようなSiCパワーデバイスの劣化を抑制するための技術は、たとえば、前述の特許文献1,2に開示されている。特許文献1に開示される技術では、エピタキシャル成長において、基板から引き継がれる転位の進行方向を曲げるために、1×1017cm−3以上のドープ濃度において、成長条件を変化させることで不純物濃度を少なくとも4回変化させた、厚さ0.1μm以上の積層構造上に、活性層をエピタキシャル成長させている。Techniques for suppressing the deterioration of the SiC power device as described above are disclosed in, for example, the aforementioned Patent Documents 1 and 2. In the technique disclosed in Patent Document 1, in the epitaxial growth, in order to bend the traveling direction of dislocations inherited from the substrate, at a doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more, the impurity concentration is set at least by changing the growth conditions. An active layer is epitaxially grown on a laminated structure having a thickness of 0.1 μm or more that is changed four times.

特許文献2に開示される技術では、不純物である窒素を導入する処理を含まないアンドープ層と、窒素を導入する処理を含む高不純物濃度層とを5回以上積層させ、急峻な濃度変化による転位の伝播を抑制する効果のある層を成長させた後、活性層をエピタキシャル成長させている。   In the technique disclosed in Patent Document 2, an undoped layer that does not include a process of introducing nitrogen, which is an impurity, and a high impurity concentration layer that includes a process of introducing nitrogen are stacked five or more times, and a dislocation caused by a sharp concentration change is performed. After the growth of the layer having the effect of suppressing the propagation of the active layer, the active layer is epitaxially grown.

特許文献1に開示される技術では、本来デバイスの動作に寄与しないエピタキシャル層をバッファ層として0.1μm以上成長させる必要があり、更に4回以上もの成長条件の変更が必要であるので、生産性の観点から不利となる。   In the technique disclosed in Patent Document 1, it is necessary to grow an epitaxial layer that does not originally contribute to device operation as a buffer layer by 0.1 μm or more, and further, it is necessary to change the growth conditions four times or more. It is disadvantageous from the point of view.

また、特許文献2に開示される技術では、デバイス活性層領域以外に、アンドープ層を含む層を設ける必要がある。不純物である窒素を導入する処理を行わずにエピタキシャル成長を行うと、不純物濃度が非常に低くなり、デバイスのオン抵抗が増大するという問題がある。また、窒素の導入量の制御によって、不純物濃度を制御することができないので、処理バッチ間の不純物濃度のばらつきが大きくなり、製品としてのばらつきが大きくなってしまう。   In the technique disclosed in Patent Document 2, it is necessary to provide a layer including an undoped layer in addition to the device active layer region. If epitaxial growth is performed without introducing nitrogen as an impurity, there is a problem that the impurity concentration becomes very low and the on-resistance of the device increases. Further, since the impurity concentration cannot be controlled by controlling the amount of nitrogen introduced, the variation in the impurity concentration between the processing batches becomes large, and the variation as a product becomes large.

また、特許文献1,2に開示される技術では、活性層とバッファ層との界面で発生するミスフィット転位などの線欠陥を抑制することができないので、通電によって、界面の線欠陥が活性層中に拡張して積層欠陥となってしまう。積層欠陥は、エピタキシャル層の表面まで容易に拡張し、デバイスの特性の劣化を招く。   In addition, in the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, line defects such as misfit dislocations generated at the interface between the active layer and the buffer layer cannot be suppressed. It expands into a stacking fault. The stacking fault easily extends to the surface of the epitaxial layer, resulting in deterioration of device characteristics.

また、特許文献1,2に開示されるように、従来技術では、活性層をエピタキシャル成長する前に、活性層とは別に、転位を変換する効果のある層をバッファ層として成長させ、活性層への転位の進行を抑制する方法が多く用いられている。   Further, as disclosed in Patent Documents 1 and 2, in the prior art, before the active layer is epitaxially grown, a layer having an effect of converting dislocations is grown as a buffer layer separately from the active layer, and the active layer is formed. Many methods are used to suppress the progression of dislocations.

しかしながら、これらの方法では、拡張積層欠陥の起点となる転位のうち、バッファ層で低減可能なものしか変換できず、デバイスの特性の劣化を十分に抑制することができないという問題がある。また、積層欠陥の起点となる転位は、活性層でも発生するが、特許文献1,2などの従来技術では、活性層への転位の発生を抑制することができないという問題がある。   However, in these methods, only dislocations that can be reduced by the buffer layer among the dislocations that are the origin of the extended stacking fault can be converted, and there is a problem that deterioration of device characteristics cannot be sufficiently suppressed. In addition, dislocations that are the starting points of stacking faults also occur in the active layer, but the conventional techniques such as Patent Documents 1 and 2 have a problem that the occurrence of dislocations in the active layer cannot be suppressed.

以上のことから、図10に示すSiCエピタキシャル基板3AなどのSiCエピタキシャル基板では、活性層11Aで発生する積層欠陥30の拡張を抑制し、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑えることが求められる。そこで、本発明では、以下の各実施の形態の構成を採用している。   From the above, in the SiC epitaxial substrate such as the SiC epitaxial substrate 3A shown in FIG. 10, the expansion of the stacking fault 30 occurring in the active layer 11A is suppressed, and the device characteristics are deteriorated while maintaining the device withstand voltage and on-resistance. It is required to suppress to a level that does not cause a problem in practice. Therefore, in the present invention, the configurations of the following embodiments are employed.

<第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態における炭化珪素半導体装置の一例であるSiC−MOSFET100の構成を示す平面図である。図2は、図1に示すSiC−MOSFET100のソースパッド2の構成を示す断面図である。図3は、図1に示すSiC−MOSFET100のSiCエピタキシャル基板3の構成を示す断面図である。図1では、ステップフロー方向を参照符号「SF」で表す。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of SiC-MOSFET 100 which is an example of a silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of source pad 2 of SiC-MOSFET 100 shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of SiC epitaxial substrate 3 of SiC-MOSFET 100 shown in FIG. In FIG. 1, the step flow direction is represented by a reference sign “SF”.

SiC−MOSFET100は、図1に示すように、SiCエピタキシャル基板3と、SiCエピタキシャル基板3の厚み方向一方側の表面に形成されるゲートパッド1およびソースパッド2とを備えて構成される。   As shown in FIG. 1, SiC-MOSFET 100 includes SiC epitaxial substrate 3 and gate pad 1 and source pad 2 formed on the surface of one side in the thickness direction of SiC epitaxial substrate 3.

SiCエピタキシャル基板3は、第1導電型のSiC基板10と、第1導電型の活性層11とを備えて構成される。SiC基板10の厚み方向一方側の表面に、エピタキシャル成長された活性層11が形成されている。   The SiC epitaxial substrate 3 includes a first conductivity type SiC substrate 10 and a first conductivity type active layer 11. An epitaxially grown active layer 11 is formed on the surface of one side in the thickness direction of SiC substrate 10.

活性層11は、SiC基板10の厚み方向一方側の表面に平行な3つのエピタキシャル層20,21,22を備えて構成される。各エピタキシャル層20,21,22については後述する。   The active layer 11 includes three epitaxial layers 20, 21, and 22 that are parallel to the surface on one side in the thickness direction of the SiC substrate 10. Each epitaxial layer 20, 21, 22 will be described later.

活性層11内には、第2導電型のウェル領域14が形成されている。ウェル領域14の中央には、金属電極とのコンタクト抵抗を小さくするための不純物濃度の比較的高い第2導電型のウェルコンタクト領域16が配置されている。ウェルコンタクト領域16の周りを取り囲むように、第1導電型のソース領域15が形成されている。   A second conductivity type well region 14 is formed in the active layer 11. In the center of the well region 14, a second conductivity type well contact region 16 having a relatively high impurity concentration for reducing the contact resistance with the metal electrode is disposed. A source region 15 of the first conductivity type is formed so as to surround the well contact region 16.

ソースパッド2は、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13、層間絶縁膜17およびソース電極18を備えて構成される。ゲート絶縁膜12は、隣接するセルのソース領域15とオーバーラップするように、活性層11の厚み方向一方側の表面に形成される。すなわち、ゲート絶縁膜12は、隣り合う2つのセルのソース領域15のうち、一方のソース領域15から他方のソース領域15にわたって形成される。   The source pad 2 includes a gate insulating film 12, a gate electrode 13, an interlayer insulating film 17 and a source electrode 18. The gate insulating film 12 is formed on the surface on one side in the thickness direction of the active layer 11 so as to overlap the source region 15 of the adjacent cell. That is, the gate insulating film 12 is formed from one source region 15 to the other source region 15 of the source regions 15 of two adjacent cells.

ゲート絶縁膜12の厚み方向一方側の表面に、ゲート電極13および層間絶縁膜17が形成される。ソース電極18は、アルミニウム電極などの金属配線で構成され、ウェルコンタクト領域16とソース領域15とを接続する。   A gate electrode 13 and an interlayer insulating film 17 are formed on the surface of one side in the thickness direction of the gate insulating film 12. The source electrode 18 is composed of a metal wiring such as an aluminum electrode, and connects the well contact region 16 and the source region 15.

図3に示すように、SiCエピタキシャル基板3は、SiC基板10と、SiC基板10の厚み方向一方側の表面に形成される第1エピタキシャル層20と、第1エピタキシャル層20の厚み方向一方側の表面に形成される第2エピタキシャル層21と、第2エピタキシャル層21の厚み方向一方側の表面に形成される第3エピタキシャル層22とを備えて構成される。SiC基板10は、3×1018cm−3以上の不純物濃度を有し、かつ0°を超えるオフ角を有する4H型の炭化珪素半導体基板で構成される。As shown in FIG. 3, SiC epitaxial substrate 3 includes SiC substrate 10, first epitaxial layer 20 formed on the surface of one side in the thickness direction of SiC substrate 10, and one side in the thickness direction of first epitaxial layer 20. A second epitaxial layer 21 formed on the surface and a third epitaxial layer 22 formed on the surface of one side in the thickness direction of the second epitaxial layer 21 are configured. SiC substrate 10 is formed of a 4H-type silicon carbide semiconductor substrate having an impurity concentration of 3 × 10 18 cm −3 or more and an off-angle exceeding 0 °.

第2エピタキシャル層21は、積層欠陥の拡張を制御する積層欠陥拡張制御層として機能する。ここで、「積層欠陥の拡張を制御する」とは、たとえば、SiC−MOSFET100のボディを構成するダイオード構造に順方向電流が流れたときに、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、第2エピタキシャル層21において停止させ、積層欠陥の更なる拡大を防止することをいう。   The second epitaxial layer 21 functions as a stacking fault extension control layer that controls the extension of stacking faults. Here, “controlling expansion of stacking faults” means, for example, stacking caused by recombination of majority carriers and minority carriers when a forward current flows through the diode structure constituting the body of SiC-MOSFET 100. Defect expansion is stopped in the second epitaxial layer 21 to prevent further expansion of stacking faults.

活性層11の厚み方向における寸法(以下「層厚」という場合がある)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。   The dimension in the thickness direction of the active layer 11 (hereinafter sometimes referred to as “layer thickness”) is determined according to the breakdown voltage and characteristics required for the power device, and is, for example, about 3 μm to 200 μm.

第1エピタキシャル層20、第2エピタキシャル層21および第3エピタキシャル層22は、層厚をそれぞれT1[μm]、T2[μm]、T3[μm]とし、不純物濃度をそれぞれN1[cm−3]、N2[cm−3]、N3[cm−3]としたとき、以下の式(1)〜式(5)の関係を満たすように設計されている。これによって、SiC−MOSFET100の動作時(以下「デバイス動作時」という場合がある)において、空乏層の下端が、第1エピタキシャル層20に侵入する。
N1≦1×1016cm−3 …(1)
N2≧1×1017cm−3 …(2)
N3≦1×1016cm−3 …(3)
T2≧0.01μm …(4)
T1×T2×N2≦2.684×1017 …(5)
The first epitaxial layer 20, the second epitaxial layer 21, and the third epitaxial layer 22 have layer thicknesses T1 [μm], T2 [μm], and T3 [μm], respectively, and impurity concentrations N1 [cm −3 ], When N2 [cm −3 ] and N3 [cm −3 ] are set, they are designed so as to satisfy the relationships of the following formulas (1) to (5). As a result, the lower end of the depletion layer enters the first epitaxial layer 20 during the operation of the SiC-MOSFET 100 (hereinafter sometimes referred to as “device operation”).
N1 ≦ 1 × 10 16 cm −3 (1)
N2 ≧ 1 × 10 17 cm −3 (2)
N3 ≦ 1 × 10 16 cm −3 (3)
T2 ≧ 0.01 μm (4)
T1 × T2 × N2 ≦ 2.684 × 10 17 (5)

以上の式(1)〜式(5)について、以下に説明する。式(1)では、第1エピタキシャル層20の不純物濃度N1について規定している。式(3)では、第3エピタキシャル層22の不純物濃度N3について規定している。   The above formulas (1) to (5) will be described below. Expression (1) defines the impurity concentration N1 of the first epitaxial layer 20. Formula (3) defines the impurity concentration N3 of the third epitaxial layer 22.

本実施の形態では、式(1)および式(3)の関係を満たすようにすることによって、第1エピタキシャル層20の不純物濃度N1、および第3エピタキシャル層22の不純物濃度N3を、それぞれ1×1016cm−3以下とする。第1エピタキシャル層20および第3エピタキシャル層22の不純物濃度N1,N3が1×1016cm−3を超えると、不純物濃度が高すぎて、求められるパワーデバイスとしての耐圧を満たすことができないためである。In the present embodiment, by satisfying the relations of the expressions (1) and (3), the impurity concentration N1 of the first epitaxial layer 20 and the impurity concentration N3 of the third epitaxial layer 22 are each 1 × 10 16 cm −3 or less. If the impurity concentrations N1 and N3 of the first epitaxial layer 20 and the third epitaxial layer 22 exceed 1 × 10 16 cm −3 , the impurity concentration is too high to satisfy the required breakdown voltage as a power device. is there.

第1エピタキシャル層20の不純物濃度N1と第3エピタキシャル層22の不純物濃度N3とは、同じである必要はない。第1エピタキシャル層20の不純物濃度N1および第3エピタキシャル層22の不純物濃度N3は、それぞれ、パワーデバイスに求められる耐圧および特性に応じて、5×1014cm−3以上、1×1016cm−3以下の範囲で設計されることが好ましい。The impurity concentration N1 of the first epitaxial layer 20 and the impurity concentration N3 of the third epitaxial layer 22 need not be the same. The impurity concentration N1 of the first epitaxial layer 20 and the impurity concentration N3 of the third epitaxial layer 22 are 5 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 16 cm according to the breakdown voltage and characteristics required for the power device, respectively. It is preferable to design in the range of 3 or less.

前述の式(2)では、第2エピタキシャル層21の不純物濃度N2について規定している。本実施の形態では、この第2エピタキシャル層21の不純物濃度N2を1×1017cm−3以上とする。第2エピタキシャル層21の不純物濃度N2が1×1017cm−3未満であると、不純物濃度が低すぎて、第2エピタキシャル層21による、積層欠陥の拡張を制御する効果(以下「拡張制御効果」という場合がある)を十分に得ることができないためである。In the above formula (2), the impurity concentration N2 of the second epitaxial layer 21 is defined. In the present embodiment, the impurity concentration N2 of the second epitaxial layer 21 is set to 1 × 10 17 cm −3 or more. When the impurity concentration N2 of the second epitaxial layer 21 is less than 1 × 10 17 cm −3 , the impurity concentration is too low, and the effect of controlling the extension of stacking faults by the second epitaxial layer 21 (hereinafter referred to as “expansion control effect”). This is because it is not possible to obtain sufficient.

積層欠陥の拡張制御効果の観点からは、第2エピタキシャル層21の不純物濃度N2の上限は特に制限されないが、デバイスとしての耐圧の観点からは、第2エピタキシャル層21の不純物濃度N2は、1×1017cm−3以上、5×1018cm−3以下の範囲であることが好ましい。The upper limit of the impurity concentration N2 of the second epitaxial layer 21 is not particularly limited from the viewpoint of the stacking fault expansion control effect, but from the viewpoint of the breakdown voltage as a device, the impurity concentration N2 of the second epitaxial layer 21 is 1 ×. 10 17 cm -3 or more, and preferably in the range of 5 × 10 18 cm -3 or less.

1×1017cm−3以上の不純物濃度を有する層を、活性層11中に設けると、デバイス耐圧が低下するおそれがある。前述の1×1017cm−3以上、5×1018cm−3以下の範囲が好ましい理由は、第2エピタキシャル層21の不純物濃度N2が5×1018cm−3を超えると、不純物濃度が高くなりすぎて、第2エピタキシャル層21を設けることによってパワーデバイスとしての耐圧が大きく低下するためである。この耐圧の低下を補うために、活性層11の層厚を大きくする必要が生じ、生産的に不利となる。If a layer having an impurity concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more is provided in the active layer 11, the device breakdown voltage may be reduced. The reason why the above range of 1 × 10 17 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less is preferable is that when the impurity concentration N2 of the second epitaxial layer 21 exceeds 5 × 10 18 cm −3 , the impurity concentration This is because the breakdown voltage as a power device is greatly reduced by providing the second epitaxial layer 21 because it is too high. In order to compensate for this decrease in breakdown voltage, it is necessary to increase the thickness of the active layer 11, which is disadvantageous in terms of productivity.

これに対し、本実施の形態では、第2エピタキシャル層21の不純物濃度N2を1×1017cm−3以上、5×1018cm−3以下とする。これによって、活性層11の層厚を大きくすることなく、活性層11に第2エピタキシャル層21を設けたことによる耐圧の低下を補うことができる。On the other hand, in the present embodiment, the impurity concentration N2 of the second epitaxial layer 21 is set to 1 × 10 17 cm −3 or more and 5 × 10 18 cm −3 or less. This can compensate for a decrease in breakdown voltage due to the provision of the second epitaxial layer 21 in the active layer 11 without increasing the thickness of the active layer 11.

前述の式(4)では、第2エピタキシャル層21の層厚T2について規定している。本実施の形態では、この第2エピタキシャル層21の層厚T2を0.01μm以上とする。第2エピタキシャル層21の層厚T2が0.01μm未満、すなわち10nm未満であると、積層欠陥の拡張制御効果が十分に得られないためである。   In the above equation (4), the layer thickness T2 of the second epitaxial layer 21 is defined. In the present embodiment, the layer thickness T2 of the second epitaxial layer 21 is set to 0.01 μm or more. This is because if the layer thickness T2 of the second epitaxial layer 21 is less than 0.01 μm, that is, less than 10 nm, the expansion control effect of stacking faults cannot be sufficiently obtained.

積層欠陥の拡張制御効果において、第2エピタキシャル層21の層厚T2の上限はないが、10nm以上、50nm以下の範囲が好ましい。第2エピタキシャル層21の層厚T2が50nmを超えると、パワーデバイスの耐圧が比較的大きく低下し、この耐圧の低下を補うために、活性層11の層厚を大きくする必要が生じ、生産的に不利となるためである。   In the expansion control effect of stacking faults, there is no upper limit of the layer thickness T2 of the second epitaxial layer 21, but a range of 10 nm or more and 50 nm or less is preferable. When the layer thickness T2 of the second epitaxial layer 21 exceeds 50 nm, the withstand voltage of the power device is relatively greatly reduced. In order to compensate for this decrease in withstand voltage, the active layer 11 needs to be increased in thickness. This is because it is disadvantageous.

前述の式(5)では、第1エピタキシャル層20の層厚T1、ならびに第2エピタキシャル層21の層厚T2および不純物濃度N2を規定している。前述の式(5)で示されるように、本実施の形態では、第1エピタキシャル層20の層厚T1[μm]、第2エピタキシャル層21の層厚T2[μm]、および第2エピタキシャル層21の不純物濃度N2[cm−3]を掛け合わせた値が2.2684×1017以下である必要がある。式(5)の関係を満たすようにすることによって、第2エピタキシャル層21を設けたことによるパワーデバイスの耐圧の低下を抑制することができる。In the above equation (5), the layer thickness T1 of the first epitaxial layer 20, the layer thickness T2 of the second epitaxial layer 21, and the impurity concentration N2 are defined. As shown by the above-described formula (5), in the present embodiment, the layer thickness T1 [μm] of the first epitaxial layer 20, the layer thickness T2 [μm] of the second epitaxial layer 21, and the second epitaxial layer 21 The value obtained by multiplying the impurity concentration of N2 [cm −3 ] must be 2.2684 × 10 17 or less. By satisfying the relationship of Expression (5), it is possible to suppress a decrease in the breakdown voltage of the power device due to the provision of the second epitaxial layer 21.

前述の式(5)の導出について、以下に述べる。積層欠陥拡張制御層である第2エピタキシャル層21を設けたことによる耐圧の低下耐圧量ΔV[V]は、低下耐圧量が、全体の耐圧に対し比較的小さい場合、以下の式(6)によって近似される。
ΔV=(e×N2×T2/ε)×T1 …(6)
Derivation of the above equation (5) will be described below. The reduced withstand voltage amount ΔV [V] due to the provision of the second epitaxial layer 21 as the stacking fault expansion control layer is expressed by the following equation (6) when the reduced withstand voltage amount is relatively small with respect to the overall withstand voltage. Approximated.
ΔV = (e × N2 × T2 / ε) × T1 (6)

ここで、eは電気素量を示し、N2は第2エピタキシャル層21の不純物濃度を示し、T2は第2エピタキシャル層21の層厚を示し、εは誘電率を示し、T1は第1エピタキシャル層20の層厚を示す。第1エピタキシャル層20の層厚T1は、具体的には、SiC基板10と第1エピタキシャル層20との界面から第2エピタキシャル層21までの距離であり、第2エピタキシャル層21の位置を示すと言い換えることもできる。   Here, e represents the elementary amount of electricity, N2 represents the impurity concentration of the second epitaxial layer 21, T2 represents the layer thickness of the second epitaxial layer 21, ε represents the dielectric constant, and T1 represents the first epitaxial layer. A layer thickness of 20 is shown. Specifically, the layer thickness T1 of the first epitaxial layer 20 is a distance from the interface between the SiC substrate 10 and the first epitaxial layer 20 to the second epitaxial layer 21, and indicates the position of the second epitaxial layer 21. In other words.

前述の式(6)において、低下耐圧量ΔVを500V以下にすることによって、デバイス特性および生産性を損なわず、積層欠陥の拡張を制御することができる。電気素量eとして、e=1.6×10−19[C]を代入し、4H型SiCの誘電率εとして、ε=8.5845×10−11を代入して計算すると、低下耐圧量ΔVを500V以下にするためには、前述の式(5)の関係を満たす必要があることが判る。このようにして、前述の式(5)が導出される。In the above equation (6), by setting the reduced withstand voltage ΔV to 500 V or less, the expansion of stacking faults can be controlled without impairing device characteristics and productivity. Substituting e = 1.6 × 10 −19 [C] as the elementary electric quantity e and substituting ε = 8.5845 × 10 −11 as the dielectric constant ε of 4H-type SiC, It can be seen that in order to make ΔV 500 V or less, it is necessary to satisfy the relationship of the above-mentioned formula (5). In this way, the above equation (5) is derived.

低下耐圧量ΔVは、300V以下であることがより好ましい。低下耐圧量ΔVを300以下とするために、以下の式(7)の関係を満たすことが好ましい。
T1×T2×N2≦1.610×1017 …(7)
The reduced withstand voltage ΔV is more preferably 300 V or less. In order to set the reduced withstand voltage ΔV to 300 or less, it is preferable to satisfy the relationship of the following expression (7).
T1 × T2 × N2 ≦ 1.610 × 10 17 (7)

たとえば、層厚が30μm、不純物濃度が3×1015cm−3の活性層11を有する耐圧3300Vのデバイスについて、本実施の形態において、T1=5μm、N1=3×1015cm−3、T2=0.02μm、N2=1×1018cm−3、T3=25μm、N3=3×1015cm−3、T1×T2×N2=1.00×1017とした場合を考える。これは、前述の図10に示す前提技術のSiCエピタキシャル基板3Aの構造に対し、SiC基板10と第1エピタキシャル層20との界面から5μmの位置に、層厚T2が20nmで、不純物濃度N2が1×1018cm−3の第2エピタキシャル層21を積層欠陥拡張制御層として設けた場合に相当する。For example, in the present embodiment, for a device having a withstand voltage of 3300 V having an active layer 11 with a layer thickness of 30 μm and an impurity concentration of 3 × 10 15 cm −3 , T1 = 5 μm, N1 = 3 × 10 15 cm −3 , T2 Consider a case where 0.02 μm, N2 = 1 × 10 18 cm −3 , T3 = 25 μm, N3 = 3 × 10 15 cm −3 , and T1 × T2 × N2 = 1.00 × 10 17 . This is because the layer thickness T2 is 20 nm and the impurity concentration N2 is 5 nm from the interface between the SiC substrate 10 and the first epitaxial layer 20 with respect to the structure of the SiC epitaxial substrate 3A of the base technology shown in FIG. This corresponds to the case where the second epitaxial layer 21 of 1 × 10 18 cm −3 is provided as a stacking fault extension control layer.

この場合、パワーデバイスの低下耐圧量ΔVは186[V]と微小である。したがって、活性層11の層厚T1の大幅な増加、および活性層11の不純物濃度N1の大幅な低減は必要なく、オン抵抗などのデバイス特性および生産性を悪化させることなく、積層欠陥の拡張を制御することが可能となる。積層欠陥拡張制御層として設けた第2エピタキシャル層21も層厚T2が20nmと極めて薄膜であるので、第2エピタキシャル層21を設けたことによる生産性の低下も極めて小さい。   In this case, the reduced withstand voltage ΔV of the power device is as small as 186 [V]. Therefore, it is not necessary to significantly increase the layer thickness T1 of the active layer 11 and to significantly reduce the impurity concentration N1 of the active layer 11, and to expand the stacking fault without deteriorating device characteristics such as on-resistance and productivity. It becomes possible to control. Since the second epitaxial layer 21 provided as the stacking fault extension control layer is also a very thin layer having a thickness T2 of 20 nm, the reduction in productivity due to the provision of the second epitaxial layer 21 is extremely small.

これに対し、同様のデバイスについて、T1=10μm、N1=3×1015cm−3、T2=0.07μm、N2=1×1018cm−3、T3=20μm、N3=3×1015cm−3、T1×T2×N2=7.00×1017とした場合を考える。これは、前述の図10に示す前提技術のSiCエピタキシャル基板3Aの構造に対し、SiC基板10と第1エピタキシャル層20との界面から10μmの位置に、層厚T2が70nmで、不純物濃度N2が1×1018cm−3の第2エピタキシャル層21を積層欠陥拡張制御層として設けた場合に相当する。In contrast, for similar devices, T1 = 10 μm, N1 = 3 × 10 15 cm −3 , T2 = 0.07 μm, N2 = 1 × 10 18 cm −3 , T3 = 20 μm, N3 = 3 × 10 15 cm. −3 , T1 × T2 × N2 = 7.00 × 10 17 is considered. This is because the layer thickness T2 is 70 nm and the impurity concentration N2 is 10 μm from the interface between the SiC substrate 10 and the first epitaxial layer 20 with respect to the structure of the SiC epitaxial substrate 3A of the base technology shown in FIG. This corresponds to the case where the second epitaxial layer 21 of 1 × 10 18 cm −3 is provided as a stacking fault extension control layer.

この場合、パワーデバイスの低下耐圧量ΔVは1304[V]と大きいので、パワーデバイスの耐圧を維持するためには、活性層11の層厚の増加、および不純物濃度の低減が必要となる。したがって、デバイス特性を維持したまま、積層欠陥の拡張を制御することは困難となる。   In this case, since the reduced withstand voltage ΔV of the power device is as large as 1304 [V], in order to maintain the withstand voltage of the power device, it is necessary to increase the thickness of the active layer 11 and reduce the impurity concentration. Therefore, it is difficult to control the expansion of stacking faults while maintaining the device characteristics.

以上のことから、前述の式(7)の関係を満たすようにすることによって、活性層11の層厚T1の大幅な増加、および活性層11の不純物濃度N1の大幅な低減の必要性を無くし、オン抵抗などのデバイス特性および生産性を悪化させることなく、積層欠陥の拡張を制御することが可能となる。また、第2エピタキシャル層21を設けたことによる生産性の低下も極めて小さく抑えることができる。   From the above, by satisfying the relationship of the above-mentioned formula (7), the necessity for a significant increase in the layer thickness T1 of the active layer 11 and a significant reduction in the impurity concentration N1 of the active layer 11 is eliminated. It is possible to control the expansion of stacking faults without deteriorating device characteristics such as on-resistance and productivity. In addition, a decrease in productivity due to the provision of the second epitaxial layer 21 can be suppressed to an extremely small level.

また、本実施の形態においては、第1エピタキシャル層20、第2エピタキシャル層21および第3エピタキシャル層22が全て活性層11として作用するので、活性層11以外の層を設ける必要がなく、また、活性層11の層厚も通常用いられる層厚をほぼ維持することができる。したがって、オン抵抗の増大はほとんどない。   In the present embodiment, since the first epitaxial layer 20, the second epitaxial layer 21, and the third epitaxial layer 22 all function as the active layer 11, there is no need to provide a layer other than the active layer 11, and The layer thickness of the active layer 11 can also be maintained substantially at the layer thickness that is normally used. Therefore, there is almost no increase in on-resistance.

以上のように本実施の形態によれば、第1エピタキシャル層20中に含まれる転位およびミスフィット転位を起点として発生する積層欠陥の拡張を、第2エピタキシャル層21によって抑制することができる。これによって、積層欠陥の拡張によるデバイス特性の劣化を、実用上問題とならない程度に抑えることができるので、デバイスの信頼性を大幅に向上させることができる。   As described above, according to the present embodiment, the second epitaxial layer 21 can suppress the extension of stacking faults that are generated from the dislocations and misfit dislocations included in the first epitaxial layer 20. As a result, the deterioration of the device characteristics due to the expansion of the stacking fault can be suppressed to a level that does not cause a practical problem, so that the reliability of the device can be greatly improved.

また、第1エピタキシャル層20、第2エピタキシャル層21および第3エピタキシャル層22は全て活性層として用いることができるので、第1エピタキシャル層20、第2エピタキシャル層21および第3エピタキシャル層22を含んで構成される活性層11を用いることによって、活性層11以外の層を設ける必要がない。また、活性層11の層厚もほぼ維持することができる。   In addition, since all of the first epitaxial layer 20, the second epitaxial layer 21, and the third epitaxial layer 22 can be used as active layers, the first epitaxial layer 20, the second epitaxial layer 21, and the third epitaxial layer 22 are included. By using the active layer 11 configured, it is not necessary to provide a layer other than the active layer 11. Further, the layer thickness of the active layer 11 can be substantially maintained.

したがって、第1エピタキシャル層20、第2エピタキシャル層21および第3エピタキシャル層22を活性層11の少なくとも一部として含む半導体素子であるSiC−MOSFET100で炭化珪素半導体装置を構成することによって、炭化珪素半導体装置におけるオン抵抗の増大を抑えることができる。   Therefore, by forming a silicon carbide semiconductor device with SiC-MOSFET 100 that is a semiconductor element including first epitaxial layer 20, second epitaxial layer 21, and third epitaxial layer 22 as at least a part of active layer 11, a silicon carbide semiconductor is formed. An increase in on-resistance in the device can be suppressed.

また、第1エピタキシャル層20と第2エピタキシャル層21とは、T1×T2×N2≦2.684×1017の関係を満たすので、デバイス耐圧を大きく下げることなく、デバイス劣化を抑制することが可能である。In addition, since the first epitaxial layer 20 and the second epitaxial layer 21 satisfy the relationship of T1 × T2 × N2 ≦ 2.684 × 10 17 , it is possible to suppress device degradation without greatly reducing the device breakdown voltage. It is.

このように本実施の形態によれば、エピタキシャル層20,21,22で発生する積層欠陥の拡張を抑制し、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑えることができるSiCエピタキシャル基板3を提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, expansion of stacking faults occurring in the epitaxial layers 20, 21, and 22 is suppressed, and degradation of device characteristics is not a practical problem while maintaining device breakdown voltage and on-resistance. The SiC epitaxial substrate 3 which can be suppressed to can be provided.

本実施の形態では、一例として、図2に示すエピタキシャル構造の例を示したが、SiCエピタキシャル基板3の構成は、これに限定されるものではなく、前述の式(1)から式(5)の関係を満たすものであればよい。   In the present embodiment, the example of the epitaxial structure shown in FIG. 2 is shown as an example. However, the configuration of the SiC epitaxial substrate 3 is not limited to this, and the above-described equations (1) to (5) are used. As long as the relationship is satisfied.

また本実施の形態では、以上のような優れた効果を有するSiCエピタキシャル基板3の第1エピタキシャル層20、第2エピタキシャル層21および第3エピタキシャル層22を、活性層11の少なくとも一部として含む半導体素子であるSiC−MOSFET100を備えて、炭化珪素半導体装置が構成される。   In the present embodiment, the semiconductor including the first epitaxial layer 20, the second epitaxial layer 21, and the third epitaxial layer 22 of the SiC epitaxial substrate 3 having the excellent effects as described above as at least a part of the active layer 11. A silicon carbide semiconductor device is configured by including SiC-MOSFET 100 as an element.

これによって、エピタキシャル層20,21,22で発生する積層欠陥の拡張を抑制することができる。したがって、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑えることができる炭化珪素半導体装置を得ることができる。   As a result, expansion of stacking faults occurring in the epitaxial layers 20, 21, and 22 can be suppressed. Therefore, it is possible to obtain a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing deterioration of device characteristics to such an extent that it does not become a practical problem while maintaining device breakdown voltage and on-resistance.

また本実施の形態では、第1エピタキシャル層20、第2エピタキシャル層21および第3エピタキシャル層22は、不純物として、窒素、アルミニウム、リンおよびボロンのいずれかを含む。これによって、優れたデバイス特性を有するSiC−MOSFET100で構成される炭化珪素半導体装置を実現することができる。   In the present embodiment, first epitaxial layer 20, second epitaxial layer 21, and third epitaxial layer 22 contain any one of nitrogen, aluminum, phosphorus, and boron as an impurity. Thereby, a silicon carbide semiconductor device formed of SiC-MOSFET 100 having excellent device characteristics can be realized.

特に、第1エピタキシャル層20、第2エピタキシャル層21および第3エピタキシャル層22が、不純物として、窒素を含むようにすることによって、特に優れたデバイス特性を有するSiC−MOSFET100で構成される炭化珪素半導体装置を実現することができる。   In particular, the silicon carbide semiconductor constituted by SiC-MOSFET 100 having particularly excellent device characteristics by making nitrogen as an impurity in first epitaxial layer 20, second epitaxial layer 21, and third epitaxial layer 22. An apparatus can be realized.

次に、本実施の形態のSiCエピタキシャル基板3におけるエピタキシャル層20,21,22の成長方法について説明する。本実施の形態では、一例として、ドーパントとして窒素を用い、n型の炭化珪素をエピタキシャル成長させる場合について説明する。   Next, a method for growing epitaxial layers 20, 21, 22 on SiC epitaxial substrate 3 of the present embodiment will be described. In this embodiment, as an example, a case where n-type silicon carbide is epitaxially grown using nitrogen as a dopant will be described.

まず、公知のエピタキシャル成長方法を用いて、第1エピタキシャル層20をエピタキシャル成長させる。具体的には、化学気相成長(Chemical Vapor Deposition;略称:CVD)法を用いて、炭化珪素基板10に、活性層11を構成する第1エピタキシャル層20をエピタキシャル成長させる。   First, the first epitaxial layer 20 is epitaxially grown using a known epitaxial growth method. Specifically, the first epitaxial layer 20 constituting the active layer 11 is epitaxially grown on the silicon carbide substrate 10 by using a chemical vapor deposition (abbreviation: CVD) method.

キャリアガスには水素(H)を用い、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を用いる。これらの原料ガスの流量比であるC/Si比は0.5から1.5とする。さらに、不純物のドーパントガスとして、窒素(N)を添加する。Hydrogen (H 2 ) is used as a carrier gas, and a silicon-containing gas typified by silane (SiH 4 ) and disilane (Si 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), and methane (CH 2 ) are used as a source gas. 4 ) A carbon-containing gas represented by the above is used. The C / Si ratio, which is the flow ratio of these source gases, is set to 0.5 to 1.5. Further, nitrogen (N 2 ) is added as an impurity dopant gas.

これらのキャリアガス、原料ガスおよびドーパントガスは、SiC基板10としてSiC単結晶基板が設置され、1400℃から1800℃に加熱された反応炉に導入され、SiC単結晶基板上にエピタキシャル成長を行い、SiCエピタキシャル基板3を形成する。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とする。成長速度を向上するために、ハライド含有ガスを用いてもよい。   These carrier gas, source gas, and dopant gas are introduced into a reaction furnace heated to 1400 ° C. to 1800 ° C. with a SiC single crystal substrate as SiC substrate 10, epitaxially grown on the SiC single crystal substrate, and SiC Epitaxial substrate 3 is formed. The growth rate is about 3 μm / h to 100 μm / h. The reactor pressure is set to 1 kPa to 30 kPa. In order to improve the growth rate, a halide-containing gas may be used.

所望の層厚および不純物濃度の第1エピタキシャル層20をエピタキシャル成長させた後、窒素を含むガスの供給量を増加させて、積層欠陥拡張制御層である第2エピタキシャル層21をエピタキシャル成長させる。   After the first epitaxial layer 20 having a desired layer thickness and impurity concentration is epitaxially grown, the supply amount of a gas containing nitrogen is increased, and the second epitaxial layer 21 that is a stacking fault extension control layer is epitaxially grown.

このとき、層厚制御性の観点から、第1エピタキシャル層20の成長速度よりも遅い成長速度で成長させることが望ましい。また、第1エピタキシャル層20の成長時よりも、C/Si比を低下させてもよい。これは、窒素の取り込みをより効率よく行うためである。   At this time, it is desirable to grow at a growth rate slower than the growth rate of the first epitaxial layer 20 from the viewpoint of layer thickness controllability. Further, the C / Si ratio may be lowered as compared with the growth of the first epitaxial layer 20. This is because nitrogen can be taken up more efficiently.

また、第1エピタキシャル層20と第2エピタキシャル層21との間で、成長温度および成長圧力を変化させてもよい。これもまた、窒素の取り込みをより効率よく行うためである。   Further, the growth temperature and the growth pressure may be changed between the first epitaxial layer 20 and the second epitaxial layer 21. This is also for more efficient nitrogen uptake.

成長温度を変化させる場合は、第1エピタキシャル層20と第2エピタキシャル層21との間で、原料ガスの供給を一旦停止し、所望の温度、および圧力に完全に変化させた後、成長を再開することが望ましい。これは、成長温度および成長圧力の変化によって、成長速度および不純物濃度が変化することを防ぐためである。   When changing the growth temperature, the supply of the source gas is temporarily stopped between the first epitaxial layer 20 and the second epitaxial layer 21, and the growth is resumed after completely changing to the desired temperature and pressure. It is desirable to do. This is to prevent the growth rate and impurity concentration from changing due to changes in the growth temperature and growth pressure.

また、所望の層厚よりも厚い第2エピタキシャル層21をエピタキシャル成長させた後、原料ガスの供給を止め、水素によるエッチング効果によって層厚を減少させて、所望の層厚に調整してもよい。   Alternatively, after the second epitaxial layer 21 having a thickness larger than the desired layer thickness is epitaxially grown, the supply of the source gas may be stopped, and the layer thickness may be reduced by the etching effect of hydrogen to adjust the desired layer thickness.

第2エピタキシャル層21をエピタキシャル成長させた後、第3エピタキシャル層22をエピタキシャル成長させる。このとき、生産性の観点から、第2エピタキシャル層21の成長速度よりも大きい成長速度で成長させることが望ましい。第2エピタキシャル層21の成長条件よりもC/Si比を増大させてもよい。   After the second epitaxial layer 21 is epitaxially grown, the third epitaxial layer 22 is epitaxially grown. At this time, it is desirable to grow at a growth rate higher than the growth rate of the second epitaxial layer 21 from the viewpoint of productivity. The C / Si ratio may be increased more than the growth conditions of the second epitaxial layer 21.

また、第2エピタキシャル層21と第3エピタキシャル層22との間で、成長温度および成長圧力を変化させてもよい。その場合、第2エピタキシャル層21と第3エピタキシャル層22との間で、原料ガスの供給を一旦停止し、所望の温度、および圧力を完全に変化させた後、成長を再開することが望ましい。これは、成長温度および成長圧力の変化によって、成長速度および不純物濃度が変化することを防ぐためである。   Further, the growth temperature and the growth pressure may be changed between the second epitaxial layer 21 and the third epitaxial layer 22. In that case, it is desirable to temporarily stop the supply of the source gas between the second epitaxial layer 21 and the third epitaxial layer 22, completely change the desired temperature and pressure, and then restart the growth. This is to prevent the growth rate and impurity concentration from changing due to changes in the growth temperature and growth pressure.

第2エピタキシャル層21の成長条件は、第1エピタキシャル層20の成長条件と同じであってもよいし、異なっていてもよい。本発明の本質は、前述の式(1)から式(5)の関係を満たす構造にあり、成長条件によってその効果が変化するものではない。   The growth conditions of the second epitaxial layer 21 may be the same as or different from the growth conditions of the first epitaxial layer 20. The essence of the present invention lies in a structure that satisfies the relationship of the above formulas (1) to (5), and the effect does not change depending on the growth conditions.

第3エピタキシャル層22の層厚T3は、第1エピタキシャル層20の層厚T1に比べ、2倍以上大きいことが望ましい。すなわち、以下の式(8)の関係を満たすことが望ましい。
2×T1≦T3 …(8)
The layer thickness T3 of the third epitaxial layer 22 is desirably twice or more larger than the layer thickness T1 of the first epitaxial layer 20. That is, it is desirable to satisfy the relationship of the following formula (8).
2 × T1 ≦ T3 (8)

転位、およびミスフィット転位によって発生する積層欠陥の拡張は、活性層11の下部、すなわち、SiC基板10と第1エピタキシャル層20との界面、および第1エピタキシャル層20内を起点とするものが多い。したがって、前述の式(8)の関係を満たすようにして、積層欠陥拡張制御層である第2エピタキシャル層21を、よりSiC基板10側でエピタキシャル成長させることによって、より効率的に積層欠陥の拡張を制御し、デバイス特性の劣化を防ぐことができる。   The expansion of stacking faults caused by dislocations and misfit dislocations often starts from the bottom of the active layer 11, that is, the interface between the SiC substrate 10 and the first epitaxial layer 20 and the inside of the first epitaxial layer 20. . Therefore, by extending the second epitaxial layer 21 as the stacking fault extension control layer more epitaxially on the SiC substrate 10 side so as to satisfy the relationship of the above-described formula (8), the stacking fault can be expanded more efficiently. Control and prevent degradation of device characteristics.

以上に述べたように、本実施の形態に係るSiCエピタキシャル基板3の製造方法によれば、活性層11を構成する複数のエピタキシャル層20,21,22を、同一炉内でエピタキシャル成長させることが可能であるので、スループットを大きく下げることなく、前述のSiCエピタキシャル基板10を得ることができる。   As described above, according to the method for manufacturing SiC epitaxial substrate 3 according to the present embodiment, a plurality of epitaxial layers 20, 21, and 22 constituting active layer 11 can be epitaxially grown in the same furnace. Therefore, the above-described SiC epitaxial substrate 10 can be obtained without significantly reducing the throughput.

<第2の実施の形態>
図4は、本発明の第2の実施の形態における炭化珪素半導体装置の一例であるSiC−MOSFET200のSiCエピタキシャル基板300の構成を示す断面図である。
<Second Embodiment>
FIG. 4 is a cross sectional view showing a configuration of SiC epitaxial substrate 300 of SiC-MOSFET 200 which is an example of the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

前述の第1の実施の形態では、図3に示すように、SiC基板10の直上に、活性層11を構成する第1エピタキシャル層20をエピタキシャル成長させて、SiCエピタキシャル基板3が構成されている。   In the first embodiment described above, as shown in FIG. 3, the SiC epitaxial substrate 3 is configured by epitaxially growing the first epitaxial layer 20 constituting the active layer 11 directly on the SiC substrate 10.

本実施の形態では、図4に示すように、SiC基板10と活性層11との間にバッファ層25を設けたSiCエピタキシャル基板300を用いる。SiC基板10と活性層11との間にバッファ層25を設けることによって、SiC基板10と活性層11との間の格子定数の差に起因する格子歪を制御し、活性層11中の結晶欠陥を低減することができる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 4, SiC epitaxial substrate 300 in which buffer layer 25 is provided between SiC substrate 10 and active layer 11 is used. By providing the buffer layer 25 between the SiC substrate 10 and the active layer 11, the lattice strain caused by the difference in lattice constant between the SiC substrate 10 and the active layer 11 is controlled, and crystal defects in the active layer 11 are controlled. Can be reduced.

バッファ層25の不純物濃度は、SiC基板10の不純物濃度以下であることが好ましい。バッファ層25の不純物濃度の下限値は、目的に応じて選ぶことができ、第1エピタキシャル層20の不純物濃度以上でもよいし、第1エピタキシャル層20の不純物濃度未満でもよい。   The impurity concentration of buffer layer 25 is preferably not more than the impurity concentration of SiC substrate 10. The lower limit value of the impurity concentration of the buffer layer 25 can be selected according to the purpose, and may be greater than or equal to the impurity concentration of the first epitaxial layer 20 or less than the impurity concentration of the first epitaxial layer 20.

バッファ層25の不純物濃度が、SiC基板10の不純物濃度以下であり、かつ第1エピタキシャル層20の不純物濃度以上である場合、格子歪を緩和することができ、結晶欠陥の少ない、より高品質な活性層11を得ることができる。また、バッファ層25は、不純物濃度が前述の濃度範囲内であれば、均一な不純物濃度の単層構造、バッファ層25の厚み方向に段階的に不純物濃度を変化させた段階型傾斜構造、およびバッファ層25の厚み方向に連続的に不純物濃度を変化させた連続型傾斜構造のいずれであってもよい。   When the impurity concentration of the buffer layer 25 is equal to or lower than the impurity concentration of the SiC substrate 10 and equal to or higher than the impurity concentration of the first epitaxial layer 20, lattice distortion can be relaxed, and there is less crystal defects and higher quality. The active layer 11 can be obtained. The buffer layer 25 has a single-layer structure with a uniform impurity concentration, a step-type gradient structure in which the impurity concentration is changed stepwise in the thickness direction of the buffer layer 25, and the impurity concentration is within the above-described concentration range. Any of the continuous inclined structures in which the impurity concentration is continuously changed in the thickness direction of the buffer layer 25 may be used.

反対に、バッファ層25の不純物濃度が、SiC基板10の不純物濃度以下であり、かつ第1エピタキシャル層20の不純物濃度未満である場合、格子歪が大きくなるので、これを緩和するために、バッファ層25とSiC基板10との界面で、ミスフィット転位などが発生する。バッファ層25とSiC基板10との界面でミスフィット転位を意図的に発生させることによって、格子歪に起因する応力を緩和し、応力の小さい、より高品質な活性層11を得ることができる。   On the contrary, when the impurity concentration of the buffer layer 25 is equal to or lower than the impurity concentration of the SiC substrate 10 and less than the impurity concentration of the first epitaxial layer 20, the lattice strain becomes large. Misfit dislocations occur at the interface between the layer 25 and the SiC substrate 10. By intentionally generating misfit dislocations at the interface between the buffer layer 25 and the SiC substrate 10, it is possible to relieve the stress caused by lattice strain and obtain a higher quality active layer 11 with a low stress.

この場合、バッファ層25とSiC基板10との界面においてミスフィット転位が発生するが、これに起因する積層欠陥の拡張は、積層欠陥拡張制御層である第2エピタキシャル層21において、制御可能であるので、劣化は問題とならない。このように、バッファ層25の不純物濃度は、目的に応じて選ぶことができる。   In this case, misfit dislocations occur at the interface between the buffer layer 25 and the SiC substrate 10, and the extension of stacking faults due to this can be controlled in the second epitaxial layer 21 that is a stacking fault extension control layer. So degradation is not a problem. Thus, the impurity concentration of the buffer layer 25 can be selected according to the purpose.

バッファ層25の層厚は、100nm以上、10μm以下であることが好ましい。バッファ層25の層厚が100nm未満であると、バッファ層25としての効果が不十分となり、バッファ層25の層厚が10μmを超えると、生産性において不利となるためである。   The layer thickness of the buffer layer 25 is preferably 100 nm or more and 10 μm or less. This is because if the thickness of the buffer layer 25 is less than 100 nm, the effect as the buffer layer 25 is insufficient, and if the thickness of the buffer layer 25 exceeds 10 μm, it is disadvantageous in productivity.

以上のようなバッファ層25をSiC基板10と活性層11との間に設けることによって、デバイス特性および歩留まりを向上させることができる。   By providing the buffer layer 25 as described above between the SiC substrate 10 and the active layer 11, the device characteristics and the yield can be improved.

次に、積層欠陥拡張制御層である第2エピタキシャル層21の効果について説明する。本発明の発明者は、SiC−MOSFETの順方向通電による積層欠陥の拡張を抑制する方法を調査する中で、薄膜高不純物濃度層が積層欠陥の拡張を抑制する効果があることを発見した。   Next, the effect of the second epitaxial layer 21 that is a stacking fault extension control layer will be described. The inventor of the present invention has found that the thin-film high impurity concentration layer has an effect of suppressing the extension of stacking faults while investigating the method of suppressing the extension of stacking faults due to forward conduction of the SiC-MOSFET.

発明者は、4H−SiC基板であるSiC基板10の厚み方向一方側の表面に、前述の図4、ならびに後述する図5および図6に示す3種類のエピタキシャル構造を作製して、SiCエピタキシャル基板300,310,300Aを製造した。   The inventor produced three types of epitaxial structures shown in FIG. 4 described above and FIGS. 5 and 6 described later on the surface of one side in the thickness direction of the SiC substrate 10 which is a 4H—SiC substrate, and the SiC epitaxial substrate. 300, 310, 300A were manufactured.

これらSiCエピタキシャル基板300,310,300Aの厚み方向一方側の表面にSiC−MOSFETを作製し、順方向通電によって拡張した積層欠陥を、PL−TOPO(Photoluminescence topography)法を用いて詳細に評価した。   A SiC-MOSFET was fabricated on the surface on one side in the thickness direction of these SiC epitaxial substrates 300, 310, and 300A, and stacking faults expanded by forward energization were evaluated in detail using a PL-TOPO (Photoluminescence topography) method.

図5は、本発明のSiC−MOSFETの他の例であるSiC−MOSFET210のSiCエピタキシャル基板310の構成を示す断面図である。図6は、前提技術のSiC−MOSFETの他の例であるSiC−MOSFET200AのSiCエピタキシャル基板300Aの構成を示す断面図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a SiC epitaxial substrate 310 of a SiC-MOSFET 210 which is another example of the SiC-MOSFET of the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a SiC epitaxial substrate 300A of a SiC-MOSFET 200A that is another example of the SiC-MOSFET of the base technology.

前述の図4に示す本実施の形態のSiCエピタキシャル基板は、薄膜高不純物濃度層である第2エピタキシャル層21を活性層11の中心に設けたエピタキシャル構造を有する。   The SiC epitaxial substrate of the present embodiment shown in FIG. 4 has an epitaxial structure in which the second epitaxial layer 21 which is a thin high impurity concentration layer is provided at the center of the active layer 11.

図5に示すSiCエピタキシャル基板310は、薄膜高不純物濃度層である第2エピタキシャル層21および第4エピタキシャル層23を、活性層110を3等分するように設けたエピタキシャル構造を有する。具体的には、SiCエピタキシャル基板310は、前述の図4に示すSiCエピタキシャル基板300の活性層11に、第4エピタキシャル層23および第5エピタキシャル層24を設けた活性層110を備える。第2エピタキシャル層21および第4エピタキシャル層23は、積層欠陥拡張制御層として機能する。   SiC epitaxial substrate 310 shown in FIG. 5 has an epitaxial structure in which second epitaxial layer 21 and fourth epitaxial layer 23 which are thin high impurity concentration layers are provided so as to divide active layer 110 into three equal parts. Specifically, SiC epitaxial substrate 310 includes active layer 110 in which fourth epitaxial layer 23 and fifth epitaxial layer 24 are provided on active layer 11 of SiC epitaxial substrate 300 shown in FIG. 4 described above. The second epitaxial layer 21 and the fourth epitaxial layer 23 function as a stacking fault extension control layer.

図6に示すSiCエピタキシャル基板300Aは、前述の図10に示す前提技術のSiCエピタキシャル基板3Aと活性層11Aとの間にバッファ層25を設けた構成であり、薄膜高不純物濃度層を設けないエピタキシャル構造を有する。   An SiC epitaxial substrate 300A shown in FIG. 6 has a configuration in which a buffer layer 25 is provided between the SiC epitaxial substrate 3A of the prerequisite technology shown in FIG. 10 and the active layer 11A, and an epitaxial layer in which no thin high impurity concentration layer is provided. It has a structure.

各活性層11,110の層厚は30μmとし、薄膜高不純物濃度層である第2エピタキシャル層21,23の層厚は20nmとし、不純物濃度は2×1018cm−3とした。ドーピング不純物としては窒素を用いた。また、活性層11,110の結晶欠陥を低減するために、活性層11,110のエピタキシャル成長前に、バッファ層25をエピタキシャル成長させた。The layer thickness of each active layer 11, 110 was 30 μm, the thickness of the second epitaxial layers 21, 23, which are thin high impurity concentration layers, was 20 nm, and the impurity concentration was 2 × 10 18 cm −3 . Nitrogen was used as a doping impurity. In order to reduce crystal defects in the active layers 11 and 110, the buffer layer 25 was epitaxially grown before the active layers 11 and 110 were epitaxially grown.

図4〜図6に示すエピタキシャル構造で、積層欠陥が十分に拡張する100A/cm、10分間の順方向の通電の後に、750nmのハイパスフィルタを用いて拡張積層欠陥をPL−TOPO法によって評価した結果を図7〜図9に示す。In the epitaxial structure shown in FIGS. 4 to 6, the stacking fault is sufficiently expanded at 100 A / cm 2 , and after 10 minutes of forward current application, the extended stacking fault is evaluated by the PL-TOPO method using a 750 nm high-pass filter. The results are shown in FIGS.

図7〜図9は、図4〜図6のエピタキシャル構造に対応するサンプルのPL−TOPO像を示す図である。図7〜図9の白い発光領域が積層欠陥30である。この積層欠陥30は、図7〜図9の全てのサンプルで観測されているが、それぞれの幅は異なっていることが分かる。具体的には、積層欠陥30を表す白い発光領域の幅は、図7では214μmであり、図8では147μmであり、図9では424μmとなっている。   7 to 9 are diagrams showing PL-TOPO images of samples corresponding to the epitaxial structures of FIGS. 4 to 6. The white light emitting regions in FIGS. 7 to 9 are stacking faults 30. The stacking fault 30 is observed in all the samples in FIGS. 7 to 9, but it can be seen that the widths of the stacking faults are different. Specifically, the width of the white light emitting region representing the stacking fault 30 is 214 μm in FIG. 7, 147 μm in FIG. 8, and 424 μm in FIG.

これらの発光領域の幅は、積層欠陥30の拡張した層厚に対応している。使用したSiC基板10のオフ角が4°であることを考慮に入れると、算出される積層欠陥30の拡張した層厚は、図7では15.0μmとなり、図8では10.3μmとなり、図9では29.6μmとなる。   The widths of these light emitting regions correspond to the expanded layer thickness of the stacking fault 30. Taking into account that the off-angle of the SiC substrate 10 used is 4 °, the calculated layer thickness of the stacking fault 30 is 15.0 μm in FIG. 7 and 10.3 μm in FIG. 9 is 29.6 μm.

これらの層厚は、活性層11,110の層厚に対して、それぞれ2分の1(1/2)倍、3分の1(1/3)倍、1倍となっており、活性層11,110の下部から薄膜高不純物濃度層である第2エピタキシャル層21までの層厚と等しい。このことから、これらの積層欠陥は、薄膜高不純物濃度層である第2エピタキシャル層21によって、拡張が抑制されていることが分かる。   These layer thicknesses are 1/2 (1/2) times, 1/3 (1/3) times, and 1 time of the active layers 11 and 110, respectively. 11 and 110 are equal to the layer thickness from the second epitaxial layer 21 which is a thin high impurity concentration layer. From this, it can be seen that expansion of these stacking faults is suppressed by the second epitaxial layer 21 which is a thin high impurity concentration layer.

また、断面を透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope;略称:TEM)で観察することによって、薄膜高不純物濃度層である第2エピタキシャル層21において、積層欠陥の拡張が停止していることが明確に観測された。また、積層欠陥の面積が小さくなることで、SiC−MOSFETの特性劣化も改善していることを確認した。   Further, by observing the cross section with a transmission electron microscope (abbreviation: TEM), it is clear that the expansion of stacking faults is stopped in the second epitaxial layer 21 which is a thin film high impurity concentration layer. Observed. Further, it was confirmed that the deterioration of the characteristics of the SiC-MOSFET was improved by reducing the area of the stacking fault.

以上の結果から、活性層11,110中に薄膜高不純物濃度層を設けることによって、積層欠陥の拡張を抑制し、SiC−MOSFETの特性劣化を低減できることが分かる。   From the above results, it can be seen that by providing a thin high impurity concentration layer in the active layers 11 and 110, expansion of stacking faults can be suppressed and characteristic deterioration of the SiC-MOSFET can be reduced.

ここで、本発明において、これらの積層欠陥の拡張が抑制される理由は、以下のように考えられる。PNダイオード構造では、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、積層欠陥が拡張する。   Here, the reason why expansion of these stacking faults is suppressed in the present invention is considered as follows. In the PN diode structure, slipping phenomenon of basal plane dislocation and misfit dislocation is caused by recombination energy between minority carriers and majority carriers, and stacking faults are expanded.

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、転位が固着し、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。   However, in a crystal with a high impurity concentration, the interaction between the strain field created by the dislocations and the strain field created by the impurities doped at a high concentration causes the dislocations to stick and cause a greater amount of energy to cause the dislocation slip. Necessary.

本実施の形態では、前述のように薄膜高不純物濃度層である第2エピタキシャル層21が活性層11に設けられているので、転位が固着され、その結果、積層欠陥の拡張を抑制できたものと考えられる。   In the present embodiment, since the second epitaxial layer 21 which is a thin high impurity concentration layer is provided in the active layer 11 as described above, dislocations are fixed, and as a result, expansion of stacking faults can be suppressed. it is conceivable that.

したがって、本実施の形態のように、積層欠陥拡張制御層として、薄膜高不純物濃度層である第2エピタキシャル層21を活性層11に設けることによって、積層欠陥の拡張が開始された後において、その拡張を止めることが可能となり、それによってSiC−MOSFETの劣化特性を改善することができる。   Therefore, after the extension of stacking faults is started by providing the active layer 11 with the second epitaxial layer 21 which is a thin film high impurity concentration layer as a stacking fault extension control layer as in the present embodiment, The expansion can be stopped, thereby improving the degradation characteristics of the SiC-MOSFET.

前述の実験では、積層欠陥拡張制御層である第2エピタキシャル層21の層厚を20nmとした。第2エピタキシャル層21の層厚は、これに限定されるものではないが、10nm以上であることが好ましい。第2エピタキシャル層21の層厚が10nm以上であれば、積層欠陥の拡張を十分に抑制することができる。   In the above-described experiment, the thickness of the second epitaxial layer 21 that is the stacking fault extension control layer was set to 20 nm. The layer thickness of the second epitaxial layer 21 is not limited to this, but is preferably 10 nm or more. If the layer thickness of the second epitaxial layer 21 is 10 nm or more, the expansion of stacking faults can be sufficiently suppressed.

また前述の実験では、第2エピタキシャル層21の不純物濃度を2×1018/cmとした。第2エピタキシャル層21の不純物濃度は、これに限定されるものではないが、1×1017/cm以上であることが好ましい。第2エピタキシャル層21の不純物濃度が1×1017/cm以上であれば、積層欠陥の拡張を十分に抑制することができる。In the above-described experiment, the impurity concentration of the second epitaxial layer 21 was set to 2 × 10 18 / cm 3 . The impurity concentration of the second epitaxial layer 21 is not limited to this, but is preferably 1 × 10 17 / cm 3 or more. If the impurity concentration of the second epitaxial layer 21 is 1 × 10 17 / cm 3 or more, the expansion of stacking faults can be sufficiently suppressed.

また、本実施の形態では、前述の図6に示すように、活性層11を2等分するように薄膜高不純物濃度層である第2エピタキシャル層21を設けているが、薄膜高不純物濃度層である第2エピタキシャル層21の位置は、これに限定されるものではない。第2エピタキシャル層21の位置が活性層11の表面に近づく程、薄膜デバイス耐圧に与える影響が大きくなる。したがって、本実施の形態では、前述の式(5)によって、第2エピタキシャル層21の位置を規定する。前述の式(5)の関係を満たすように第2エピタキシャル層21を設けることによって、デバイス耐圧を維持したまま、積層欠陥の拡張を抑制することが可能となる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 6 described above, the second epitaxial layer 21 which is a thin film high impurity concentration layer is provided so as to divide the active layer 11 into two equal parts, but the thin film high impurity concentration layer is provided. The position of the second epitaxial layer 21 is not limited to this. The closer the position of the second epitaxial layer 21 is to the surface of the active layer 11, the greater the influence on the thin film device breakdown voltage. Therefore, in the present embodiment, the position of the second epitaxial layer 21 is defined by the above-described equation (5). By providing the second epitaxial layer 21 so as to satisfy the relationship of the above formula (5), it is possible to suppress the expansion of stacking faults while maintaining the device breakdown voltage.

また、本実施の形態では、ドーピングガスとして窒素を用いたが、アルミニウム(Al)、リン(P)、ボロン(B)などの他の元素を含むガスをドーピングガスとして用いてもよい。これらの不純物のいずれかをドーピングしても、ドーピングガスとして窒素を用いた場合と同様の効果を得ることができる。   In this embodiment mode, nitrogen is used as a doping gas. However, a gas containing another element such as aluminum (Al), phosphorus (P), or boron (B) may be used as a doping gas. Even if any of these impurities is doped, the same effect as when nitrogen is used as a doping gas can be obtained.

また本実施の形態では、以上のような優れた効果を有するSiC−MOSFET200を備えて、炭化珪素半導体装置が構成される。これによって、エピタキシャル層20,21,22で発生する積層欠陥の拡張を抑制することができる。したがって、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑えることができる炭化珪素半導体装置を得ることができる。   Moreover, in this Embodiment, the silicon carbide semiconductor device is comprised including SiC-MOSFET200 which has the above outstanding effects. As a result, expansion of stacking faults occurring in the epitaxial layers 20, 21, and 22 can be suppressed. Therefore, it is possible to obtain a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing deterioration of device characteristics to such an extent that it does not become a practical problem while maintaining device breakdown voltage and on-resistance.

<第3の実施の形態>
図12は、本発明の第3の実施の形態における炭化珪素半導体装置の一例であるSiC−MOSFET101の構成を示す断面図である。本実施の形態のSiC−MOSFET101は、前述の第1の実施の形態におけるSiC−MOSFET100のボディダイオードに順方向に通電した後の構成に相当する。本実施の形態のSiC−MOSFET101は、活性層11に、拡張した積層欠陥30を含む。
<Third Embodiment>
FIG. 12 is a cross sectional view showing a configuration of SiC-MOSFET 101 which is an example of the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The SiC-MOSFET 101 of the present embodiment corresponds to a configuration after energizing the body diode of the SiC-MOSFET 100 in the first embodiment described above in the forward direction. SiC-MOSFET 101 of the present embodiment includes extended stacking fault 30 in active layer 11.

本実施の形態のSiC−MOSFET101は、活性層11が積層欠陥30を含むこと以外は、第1の実施の形態のSiC−MOSFET100と同様の構成であるので、共通する部分については同一の参照符号を付して、共通する説明を省略する場合がある。   The SiC-MOSFET 101 according to the present embodiment has the same configuration as that of the SiC-MOSFET 100 according to the first embodiment except that the active layer 11 includes the stacking fault 30. A common description may be omitted.

SiC−MOSFET101は、前述の図1に示す第1の実施の形態におけるSiC−MOSFET100と同様に、SiCエピタキシャル基板3と、SiCエピタキシャル基板3の厚み方向一方側の表面に形成されるゲートパッド1およびソースパッド2とを備えて構成される。   SiC-MOSFET 101 is similar to SiC-MOSFET 100 in the first embodiment shown in FIG. 1 described above, SiC epitaxial substrate 3, gate pad 1 formed on the surface of one side in the thickness direction of SiC epitaxial substrate 3, and And a source pad 2.

SiCエピタキシャル基板3は、第1導電型のSiC基板10と、第1導電型の活性層11とを備えて構成される。SiC基板10の厚み方向一方側の表面に、エピタキシャル成長された活性層11が形成されている。   The SiC epitaxial substrate 3 includes a first conductivity type SiC substrate 10 and a first conductivity type active layer 11. An epitaxially grown active layer 11 is formed on the surface of one side in the thickness direction of SiC substrate 10.

活性層11は、SiC基板10の厚み方向一方側の表面に平行な3つのエピタキシャル層20,21,22を備えて構成される。活性層11には、基底面に沿って、すなわちエピタキシャル成長方向であるステップフロー方向SFに対して垂直な方向に拡張した積層欠陥30が形成されている。   The active layer 11 includes three epitaxial layers 20, 21, and 22 that are parallel to the surface on one side in the thickness direction of the SiC substrate 10. In the active layer 11, a stacking fault 30 is formed that extends along the basal plane, that is, in a direction perpendicular to the step flow direction SF that is the epitaxial growth direction.

活性層11内には、第2導電型のウェル領域14が形成されている。ウェル領域14の中央には、金属電極とのコンタクト抵抗を小さくするための不純物濃度の比較的高い第2導電型のウェルコンタクト領域16が配置されている。ウェルコンタクト領域16の周りを取り囲むように、第1導電型のソース領域15が形成されている。   A second conductivity type well region 14 is formed in the active layer 11. In the center of the well region 14, a second conductivity type well contact region 16 having a relatively high impurity concentration for reducing the contact resistance with the metal electrode is disposed. A source region 15 of the first conductivity type is formed so as to surround the well contact region 16.

ソースパッド2は、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13、層間絶縁膜17およびソース電極18を備えて構成される。ゲート絶縁膜12は、隣接するセルのソース領域15とオーバーラップするように、活性層11の厚み方向一方側の表面に形成される。すなわち、ゲート絶縁膜12は、隣り合う2つのセルのソース領域15のうち、一方のソース領域15から他方のソース領域15にわたって形成される。   The source pad 2 includes a gate insulating film 12, a gate electrode 13, an interlayer insulating film 17 and a source electrode 18. The gate insulating film 12 is formed on the surface on one side in the thickness direction of the active layer 11 so as to overlap the source region 15 of the adjacent cell. That is, the gate insulating film 12 is formed from one source region 15 to the other source region 15 of the source regions 15 of two adjacent cells.

ゲート絶縁膜12の厚み方向一方側の表面に、ゲート電極13および層間絶縁膜17が形成される。ソース電極18は、アルミニウム電極などの金属配線で構成され、ウェルコンタクト領域16とソース領域15とを接続する。   A gate electrode 13 and an interlayer insulating film 17 are formed on the surface of one side in the thickness direction of the gate insulating film 12. The source electrode 18 is composed of a metal wiring such as an aluminum electrode, and connects the well contact region 16 and the source region 15.

SiCエピタキシャル基板3は、前述の図3に示す第1の実施の形態におけるSiC−MOSFET100と同様に、SiC基板10と、SiC基板10の厚み方向一方側の表面に形成される第1エピタキシャル層20と、第1エピタキシャル層20の厚み方向一方側の表面に形成される第2エピタキシャル層21と、第2エピタキシャル層21の厚み方向一方側の表面に形成される第3エピタキシャル層22とを備えて構成される。SiC基板10は、3×1018cm−3以上の不純物濃度を有し、かつ0°を超えるオフ角を有する4H型の炭化珪素半導体基板で構成される。SiC epitaxial substrate 3 is similar to SiC-MOSFET 100 in the first embodiment shown in FIG. 3 described above, SiC substrate 10 and first epitaxial layer 20 formed on the surface of one side in the thickness direction of SiC substrate 10. A second epitaxial layer 21 formed on the surface on one side in the thickness direction of the first epitaxial layer 20, and a third epitaxial layer 22 formed on the surface on one side in the thickness direction of the second epitaxial layer 21. Composed. SiC substrate 10 is formed of a 4H-type silicon carbide semiconductor substrate having an impurity concentration of 3 × 10 18 cm −3 or more and an off-angle exceeding 0 °.

本実施の形態における積層欠陥30について、以下に述べる。積層欠陥30は、具体的には、活性層11を構成する第1エピタキシャル層20の中に存在している。図12に示す積層欠陥30の幅Lは、SiC基板10のオフ角、および第1エピタキシャル層20の層厚T1に依存しており、以下の式(9)を満たす。   The stacking fault 30 in the present embodiment will be described below. Specifically, the stacking fault 30 exists in the first epitaxial layer 20 constituting the active layer 11. The width L of the stacking fault 30 shown in FIG. 12 depends on the off angle of the SiC substrate 10 and the layer thickness T1 of the first epitaxial layer 20, and satisfies the following formula (9).

L≦T1/tan(θ) …(9)
式(9)において、θは、SiC基板10のオフ角を示す。すなわち、SiC基板10のオフ角をθ[°]とし、第1エピタキシャル層の層厚をT1[μm]としたとき、積層欠陥30は、幅Lが、T1/tan(θ)[μm]以下である。
L ≦ T1 / tan (θ) (9)
In equation (9), θ represents the off-angle of SiC substrate 10. That is, when the off-angle of the SiC substrate 10 is θ [°] and the thickness of the first epitaxial layer is T1 [μm], the stacking fault 30 has a width L of T1 / tan (θ) [μm] or less. It is.

ここで、積層欠陥30の幅Lとは、積層欠陥30をSiC−MOSFET101の表面から観察したときに、ステップフロー方向をSiC基板10の厚み方向一方側の表面に対して投影して得られる方向に平行な方向における積層欠陥30の長さ寸法を意味する。積層欠陥30の幅Lは、前述の図7〜図9に示す発光領域の幅に相当する。発光領域の幅は、発光領域の横方向における長さ寸法のことであり、図7〜図9の紙面に向かって上下方向における長さ寸法に相当する。   Here, the width L of the stacking fault 30 is a direction obtained by projecting the step flow direction onto the surface on one side in the thickness direction of the SiC substrate 10 when the stacking fault 30 is observed from the surface of the SiC-MOSFET 101. Means the length dimension of the stacking fault 30 in the direction parallel to. The width L of the stacking fault 30 corresponds to the width of the light emitting region shown in FIGS. The width of the light emitting area is the length dimension in the horizontal direction of the light emitting area, and corresponds to the length dimension in the vertical direction toward the paper surface of FIGS.

前述の式(9)を満たす積層欠陥30は、前提技術のSiC−MOSFET100Aのボディダイオードに通電して拡張された積層欠陥に比べて、面積が3分の1(1/3)以下である。したがって、本実施の形態では、MOSFETの順方向特性の劣化を大幅に低減することができる。積層欠陥30の面積が1/3以下になる理由は、第1エピタキシャル層20の層厚T1が、前述の式(8)を満たすからである。   The stacking fault 30 satisfying the above-described formula (9) has an area of one third (1/3) or less as compared with the stacking fault expanded by energizing the body diode of the SiC-MOSFET 100A of the base technology. Therefore, in this embodiment, the deterioration of the forward characteristics of the MOSFET can be significantly reduced. The reason why the area of the stacking fault 30 is 1/3 or less is that the layer thickness T1 of the first epitaxial layer 20 satisfies the above-described formula (8).

本実施の形態のSiC−MOSFET101は、第1の実施の形態におけるSiC−MOSFET100に通電した場合に形成される積層欠陥30を含むSiC−MOSFETである。これに限定されず、たとえば、第2の実施の形態におけるSiC−MOSFET200に通電した場合に形成される積層欠陥を含むSiC−MOSFETにおいても、積層欠陥は前述の式(9)を満たし、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。   The SiC-MOSFET 101 of the present embodiment is a SiC-MOSFET including a stacking fault 30 formed when the SiC-MOSFET 100 in the first embodiment is energized. However, the present invention is not limited to this. For example, even in the SiC-MOSFET including the stacking fault formed when the SiC-MOSFET 200 in the second embodiment is energized, the stacking fault satisfies the above formula (9), and this embodiment The same effect as that of the embodiment can be obtained.

また本実施の形態では、以上のような優れた効果を有するSiC−MOSFET101を備えて、炭化珪素半導体装置が構成されるこれによって、エピタキシャル層20,21,22で発生する積層欠陥の拡張を抑制することができる。したがって、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑えることができる炭化珪素半導体装置を得ることができる。   In the present embodiment, the SiC-MOSFET 101 having the excellent effects as described above is provided to constitute the silicon carbide semiconductor device, thereby suppressing the expansion of stacking faults occurring in the epitaxial layers 20, 21, and 22. can do. Therefore, it is possible to obtain a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing deterioration of device characteristics to such an extent that it does not become a practical problem while maintaining device breakdown voltage and on-resistance.

以上に述べた第1の実施の形態から第3の実施の形態では、MOSFET構造を例に挙げたが、PNダイオード接合を有するデバイス構造であれば適用可能である。たとえば、PINダイオードおよび絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;略称:IGBT)などにも適応可能である。また、これらのデバイスを構成する各要素の形成方法は、エピタキシャル成長方法以外は公知のものと何ら変わることがないので、ここでの説明は省略する。   In the first to third embodiments described above, the MOSFET structure is taken as an example, but any device structure having a PN diode junction is applicable. For example, the present invention can be applied to a PIN diode, an insulated gate bipolar transistor (abbreviated as IGBT), and the like. In addition, the method of forming each element constituting these devices is not different from a known method except for the epitaxial growth method, and thus the description thereof is omitted here.

また第1の実施の形態から第3の実施の形態において、SiCエピタキシャル基板3,300を製造するときには、積層欠陥拡張制御層である第2エピタキシャル層21をエピタキシャル成長のみで形成する。積層欠陥拡張制御層である第2エピタキシャル層21は、これに限定されず、たとえば、イオン注入法などで不純物を打ち込んで形成してもよい。これによって、高濃度の不純物をより制御よく添加することができる。   In the first to third embodiments, when manufacturing the SiC epitaxial substrates 3 and 300, the second epitaxial layer 21 that is a stacking fault extension control layer is formed only by epitaxial growth. The second epitaxial layer 21 that is the stacking fault extension control layer is not limited to this, and may be formed by implanting impurities by, for example, an ion implantation method. Thereby, a high concentration impurity can be added with better control.

なお、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.

本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。   Although the present invention has been described in detail, the above description is illustrative in all aspects, and the present invention is not limited thereto. It is understood that countless variations that are not illustrated can be envisaged without departing from the scope of the present invention.

1 ゲートパッド、2,2A ソースパッド、3,300,300A,310 SiCエピタキシャル基板、10 SiC基板、11,110 活性層、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 ソース電極、20 第1エピタキシャル層、21 第2エピタキシャル層(積層欠陥拡張制御層、薄膜高不純物濃度層)、22 第3エピタキシャル層、23 第4エピタキシャル層(積層欠陥拡張制御層、薄膜高不純物濃度層)、24 第5エピタキシャル層、25 バッファ層、30 積層欠陥、100,101,100A,200,200A,210 SiC−MOSFET。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gate pad, 2,2A source pad, 3,300,300A, 310 SiC epitaxial substrate, 10 SiC substrate, 11,110 active layer, 12 gate insulating film, 13 gate electrode, 14 well region, 15 source region, 16 well Contact region, 17 interlayer insulating film, 18 source electrode, 20 first epitaxial layer, 21 second epitaxial layer (stacking defect expansion control layer, thin film high impurity concentration layer), 22 third epitaxial layer, 23 fourth epitaxial layer (laminated) (Defect extension control layer, thin film high impurity concentration layer), 24 fifth epitaxial layer, 25 buffer layer, 30 stacking fault, 100, 101, 100A, 200, 200A, 210 SiC-MOSFET.

本発明の炭化珪素エピタキシャル基板は、炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第1エピタキシャル層と、前記第1エピタキシャル層の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第2エピタキシャル層と、前記第2エピタキシャル層の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第3エピタキシャル層とを備え、前記炭化珪素基板は、不純物濃度が3×1018cm−3以上であり、0°を超えるオフ角を有し、前記第1エピタキシャル層の層厚をT1[μm]とし、前記第2エピタキシャル層の層厚をT2[μm]とし、前記第3エピタキシャル層の層厚をT3[μm]とし、前記第1エピタキシャル層の不純物濃度をN1[cm−3]とし、前記第2エピタキシャル層の不純物濃度をN2[cm−3]とし、前記第3エピタキシャル層の不純物濃度をN3[cm−3]としたとき、N1≦1×1016cm−3、N2≧1×1017cm−3、N3≦1×1016cm−3、T2≧0.01μm、T1×T2×N2≦2.684×1017の関係を満たし、前記第1エピタキシャル層は、積層欠陥を含み、前記積層欠陥は、前記炭化珪素基板のオフ角をθ[°]としたとき、前記第1エピタキシャル層のエピタキシャル成長方向であるステップフロー方向を前記炭化珪素基板の厚み方向一方側の表面に対して投影して得られる方向に平行な方向における長さ寸法である幅が、T1/tan(θ)[μm]以下であることを特徴とする。 A silicon carbide epitaxial substrate of the present invention includes a silicon carbide substrate, a first epitaxial layer formed by epitaxial growth on a surface on one side in the thickness direction of the silicon carbide substrate, and a surface on one side in the thickness direction of the first epitaxial layer. A second epitaxial layer formed by epitaxial growth; and a third epitaxial layer formed by epitaxial growth on one surface in the thickness direction of the second epitaxial layer. The silicon carbide substrate has an impurity concentration of 3 × 10 18. cm −3 or more, an off-angle exceeding 0 °, the layer thickness of the first epitaxial layer is T1 [μm], the layer thickness of the second epitaxial layer is T2 [μm], and the third the thickness of the epitaxial layer and T3 [μm], the impurity concentration of the first epitaxial layer N1 [cm - And, when the impurity concentration of the second epitaxial layer and N2 [cm -3], and the impurity concentration of the third epitaxial layer and N3 [cm -3], N1 ≦ 1 × 10 16 cm -3, N2 ≧ 1 × 10 17 cm -3, N3 ≦ 1 × 10 16 cm -3, T2 ≧ 0.01μm, meets the relationship of T1 × T2 × N2 ≦ 2.684 × 10 17, the first epitaxial layer, The stacking fault includes a stacking fault, and when the off-angle of the silicon carbide substrate is θ [°], the step flow direction that is the epitaxial growth direction of the first epitaxial layer is on one side in the thickness direction of the silicon carbide substrate. A width which is a length dimension in a direction parallel to a direction obtained by projecting on the surface is T1 / tan (θ) [μm] or less .

本発明の炭化珪素半導体装置は、前記本発明の炭化珪素エピタキシャル基板の、前記積層欠陥を含む前記第1エピタキシャル層、前記第2エピタキシャル層および前記第3エピタキシャル層を、活性層の少なくとも一部として含む半導体素子を備えることを特徴とする。 In the silicon carbide semiconductor device of the present invention, the silicon carbide epitaxial substrate of the present invention includes the first epitaxial layer, the second epitaxial layer, and the third epitaxial layer including the stacking fault as at least a part of an active layer. A semiconductor element is included.

本発明の炭化珪素半導体装置によれば、以上のような優れた効果を有する炭化珪素エピタキシャル基板の、積層欠陥を含む第1エピタキシャル層、第2エピタキシャル層および第3エピタキシャル層を、活性層の少なくとも一部として含む半導体素子を備えて、炭化珪素半導体装置が構成される。これによって、エピタキシャル層で発生する積層欠陥の拡張を抑制し、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑えることができる炭化珪素半導体装置を得ることができる。 According to the silicon carbide semiconductor device of the present invention, the first epitaxial layer including the stacking fault , the second epitaxial layer, and the third epitaxial layer of the silicon carbide epitaxial substrate having the excellent effects as described above are provided at least as active layers. A silicon carbide semiconductor device is configured by including a semiconductor element included as a part. Thus, it is possible to obtain a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing the expansion of stacking faults generated in the epitaxial layer and suppressing the deterioration of the device characteristics to a level that does not cause a practical problem while maintaining the device breakdown voltage and the on-resistance. it can.

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

本発明の目的は、エピタキシャル層で発生する積層欠陥の拡張を抑制し、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑えることができる炭化珪素半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to suppress the extension of the stacking faults that occur in the epitaxial layer, the device breakdown voltage and while maintaining the on-resistance, the device characteristics practical problem and carbonization silicon semiconductor that can be suppressed enough not to degrade the Is to provide a device.

本発明の炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第1エピタキシャル層と、前記第1エピタキシャル層の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第2エピタキシャル層と、前記第2エピタキシャル層の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第3エピタキシャル層とを備える炭化珪素エピタキシャル基板を備え、前記炭化珪素基板は、不純物濃度が3×1018cm−3以上であり、0°を超えるオフ角を有し、前記第1エピタキシャル層の層厚をT1[μm]とし、前記第2エピタキシャル層の層厚をT2[μm]とし、前記第3エピタキシャル層の層厚をT3[μm]とし、前記第1エピタキシャル層の不純物濃度をN1[cm−3]とし、前記第2エピタキシャル層の不純物濃度をN2[cm−3]とし、前記第3エピタキシャル層の不純物濃度をN3[cm−3]としたとき、N1≦1×1016cm−3、N2≧1×1017cm−3、N3≦1×1016cm−3、T2≧0.01μm、T1×T2×N2≦2.684×1017の関係を満たし、前記第1エピタキシャル層は、積層欠陥を含み、前記積層欠陥は、前記炭化珪素基板のオフ角をθ[°]としたとき、前記第1エピタキシャル層のエピタキシャル成長方向であるステップフロー方向を前記炭化珪素基板の厚み方向一方側の表面に対して投影して得られる方向に平行な方向における長さ寸法である幅が、T1/tan(θ)[μm]以下であり、前記積層欠陥を含む前記第1エピタキシャル層、前記第2エピタキシャル層および前記第3エピタキシャル層を、活性層の少なくとも一部として含む半導体素子を備えることを特徴とする。 A silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a silicon carbide substrate, a first epitaxial layer formed by epitaxial growth on a surface on one side in the thickness direction of the silicon carbide substrate, and a surface on one side in the thickness direction of the first epitaxial layer. a second epitaxial layer formed by epitaxial growth, comprising the second third silicon carbide epitaxial substrate Ru and an epitaxial layer formed by epitaxial growth in one side in the thickness direction of the surface of the epitaxial layer, the silicon carbide substrate, The impurity concentration is 3 × 10 18 cm −3 or more, the off-angle exceeds 0 °, the layer thickness of the first epitaxial layer is T1 [μm], and the layer thickness of the second epitaxial layer is T2 [ μm], the thickness of the third epitaxial layer is T3 [μm], and the thickness of the first epitaxial layer is When the impurity concentration is N1 [cm −3 ], the impurity concentration of the second epitaxial layer is N2 [cm −3 ], and the impurity concentration of the third epitaxial layer is N3 [cm −3 ], N1 ≦ 1 × 10 16 cm −3 , N2 ≧ 1 × 10 17 cm −3 , N3 ≦ 1 × 10 16 cm −3 , T2 ≧ 0.01 μm, T1 × T2 × N2 ≦ 2.684 × 10 17 The first epitaxial layer includes a stacking fault, and the stacking fault has a step flow direction that is an epitaxial growth direction of the first epitaxial layer when the off angle of the silicon carbide substrate is θ [°]. width is a length dimension in the direction parallel to the direction obtained by projecting the substrate one side in the thickness direction of the surface of, T1 / tan (θ) [ μm] Ri der less; with the stacking fault Serial first epitaxial layer, said second epitaxial layer and said third epitaxial layer, and wherein the Rukoto includes a semiconductor device comprising as at least part of the active layer.

本発明の炭化珪素半導体装置によれば、第1エピタキシャル層中に含まれる転位およびミスフィット転位を起点として発生する積層欠陥の拡張を、第2エピタキシャル層によって抑制することができる。これによって、積層欠陥の拡張によるデバイス特性の劣化を、実用上問題とならない程度に抑えることができるので、デバイスの信頼性を大幅に向上させることができる。 According to the silicon carbide semiconductor device of the present invention, expansion of stacking faults that are generated starting from dislocations and misfit dislocations contained in the first epitaxial layer can be suppressed by the second epitaxial layer. As a result, the deterioration of the device characteristics due to the expansion of the stacking fault can be suppressed to a level that does not cause a practical problem, so that the reliability of the device can be greatly improved.

以上のことから、エピタキシャル層で発生する積層欠陥の拡張を抑制し、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑えることができる炭化珪素エピタキシャル基板を提供することができる。 From the above, to suppress the extension of the stacking faults that occur in epitaxial layer, while maintaining the device breakdown voltage and on-resistance, the silicon carbide epitaxial substrate can be suppressed to the extent that no practical problem deterioration of device characteristics Can be provided.

上のような優れた効果を有する炭化珪素エピタキシャル基板の第1エピタキシャル層、第2エピタキシャル層および第3エピタキシャル層を、活性層の少なくとも一部として含む半導体素子を備えて、炭化珪素半導体装置が構成される。これによって、エピタキシャル層で発生する積層欠陥の拡張を抑制し、デバイス耐圧およびオン抵抗を維持したまま、デバイス特性の劣化を実用上問題とならない程度に抑えることができる炭化珪素半導体装置を得ることができる。
The first epitaxial layer of silicon carbide epitaxial substrate having excellent effects on the following, a second epitaxial layer and the third epitaxial layer, includes a semiconductor device comprising as at least part of the active layer, the silicon carbide semiconductor device Composed. Thus, it is possible to obtain a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing the expansion of stacking faults generated in the epitaxial layer and suppressing the deterioration of the device characteristics to a level that does not cause a practical problem while maintaining the device breakdown voltage and the on-resistance. it can.

Claims (8)

炭化珪素基板(10)と、
前記炭化珪素基板(10)の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第1エピタキシャル層(20)と、
前記第1エピタキシャル層(20)の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第2エピタキシャル層(21)と、
前記第2エピタキシャル層(21)の厚み方向一方側の表面にエピタキシャル成長によって形成される第3エピタキシャル層(22)とを備え、
前記炭化珪素基板(10)は、不純物濃度が3×1018cm−3以上であり、0°を超えるオフ角を有し、
前記第1エピタキシャル層(20)の層厚をT1[μm]とし、前記第2エピタキシャル層(21)の層厚をT2[μm]とし、前記第3エピタキシャル層(22)の層厚をT3[μm]とし、前記第1エピタキシャル層(20)の不純物濃度をN1[cm−3]とし、前記第2エピタキシャル層(21)の不純物濃度をN2[cm−3]とし、前記第3エピタキシャル層(22)の不純物濃度をN3[cm−3]としたとき、
N1≦1×1016cm−3
N2≧1×1017cm−3
N3≦1×1016cm−3
T2≧0.01μm、
T1×T2×N2≦2.684×1017
の関係を満たすことを特徴とする炭化珪素エピタキシャル基板。
A silicon carbide substrate (10);
A first epitaxial layer (20) formed by epitaxial growth on the surface on one side in the thickness direction of the silicon carbide substrate (10);
A second epitaxial layer (21) formed by epitaxial growth on the surface of one side in the thickness direction of the first epitaxial layer (20);
A third epitaxial layer (22) formed by epitaxial growth on the surface of one side in the thickness direction of the second epitaxial layer (21),
The silicon carbide substrate (10) has an impurity concentration of 3 × 10 18 cm −3 or more and an off-angle exceeding 0 °,
The layer thickness of the first epitaxial layer (20) is T1 [μm], the layer thickness of the second epitaxial layer (21) is T2 [μm], and the layer thickness of the third epitaxial layer (22) is T3 [μm]. μm], the impurity concentration of the first epitaxial layer (20) is N1 [cm −3 ], the impurity concentration of the second epitaxial layer (21) is N2 [cm −3 ], and the third epitaxial layer ( 22) When the impurity concentration is N3 [cm −3 ],
N1 ≦ 1 × 10 16 cm −3 ,
N2 ≧ 1 × 10 17 cm −3 ,
N3 ≦ 1 × 10 16 cm −3 ,
T2 ≧ 0.01 μm,
T1 × T2 × N2 ≦ 2.684 × 10 17
A silicon carbide epitaxial substrate characterized by satisfying the relationship:
前記第1エピタキシャル層(20)の層厚T1[μm]および前記第3エピタキシャル層(22)の層厚T3[μm]が、
2×T1≦T3
の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャル基板。
The layer thickness T1 [μm] of the first epitaxial layer (20) and the layer thickness T3 [μm] of the third epitaxial layer (22) are:
2 × T1 ≦ T3
The silicon carbide epitaxial substrate according to claim 1, wherein the relationship is satisfied.
前記第1エピタキシャル層(20)の層厚T1[μm]、前記第2エピタキシャル層(21)の層厚T2[μm]および前記第2エピタキシャル層(21)の不純物濃度N2[cm−3]が、
T1×T2×N2≦1.610×1017
の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャル基板。
The layer thickness T1 [μm] of the first epitaxial layer (20), the layer thickness T2 [μm] of the second epitaxial layer (21), and the impurity concentration N2 [cm −3 ] of the second epitaxial layer (21) are: ,
T1 × T2 × N2 ≦ 1.610 × 10 17
The silicon carbide epitaxial substrate according to claim 1, wherein the relationship is satisfied.
前記第1エピタキシャル層(20)、前記第2エピタキシャル層(21)および前記第3エピタキシャル層(22)は、不純物として、窒素、アルミニウム、リンおよびボロンのいずれかを含むことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャル基板。   The said 1st epitaxial layer (20), the said 2nd epitaxial layer (21), and the said 3rd epitaxial layer (22) contain any one of nitrogen, aluminum, phosphorus, and boron as an impurity. 2. The silicon carbide epitaxial substrate according to 1. 前記炭化珪素基板(10)と前記第1エピタキシャル層(20)との間に、エピタキシャル成長によって形成されるバッファ層(25)を備え、
前記バッファ層(25)の不純物濃度は、前記炭化珪素基板(10)の不純物濃度以下であり、かつ前記第1エピタキシャル層(20)の不純物濃度以上であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャル基板。
A buffer layer (25) formed by epitaxial growth between the silicon carbide substrate (10) and the first epitaxial layer (20);
The impurity concentration of the buffer layer (25) is not more than the impurity concentration of the silicon carbide substrate (10) and not less than the impurity concentration of the first epitaxial layer (20). Silicon carbide epitaxial substrate.
前記炭化珪素基板(10)と前記第1エピタキシャル層(20)との間に、エピタキシャル成長によって形成されるバッファ層(25)を備え、
前記バッファ層(25)の不純物濃度は、前記炭化珪素基板(10)の不純物濃度以下であり、かつ前記第1エピタキシャル層(20)の不純物濃度未満であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャル基板。
A buffer layer (25) formed by epitaxial growth between the silicon carbide substrate (10) and the first epitaxial layer (20);
The impurity concentration of the buffer layer (25) is less than or equal to the impurity concentration of the silicon carbide substrate (10) and less than the impurity concentration of the first epitaxial layer (20). Silicon carbide epitaxial substrate.
前記第1エピタキシャル層(20)は、積層欠陥(30)を含み、
前記積層欠陥(30)は、前記炭化珪素基板(10)のオフ角をθ[°]としたとき、前記第1エピタキシャル層(20)のエピタキシャル成長方向であるステップフロー方向を前記炭化珪素基板(10)の厚み方向一方側の表面に対して投影して得られる方向に平行な方向における長さ寸法である幅(L)が、T1/tan(θ)[μm]以下であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素エピタキシャル基板。
The first epitaxial layer (20) includes a stacking fault (30),
The stacking fault (30) has a step flow direction that is an epitaxial growth direction of the first epitaxial layer (20) when the off-angle of the silicon carbide substrate (10) is θ [°]. ) In the direction parallel to the direction obtained by projecting on the surface on one side in the thickness direction, the width (L) is T1 / tan (θ) [μm] or less. The silicon carbide epitaxial substrate according to claim 1.
請求項1から7のいずれか1つに記載の炭化珪素エピタキシャル基板(10)の前記第1エピタキシャル層(20)、前記第2エピタキシャル層(21)および前記第3エピタキシャル層(22)を、活性層(11,110)の少なくとも一部として含む半導体素子(100,100A,200,200A,210)を備えることを特徴とする炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide epitaxial substrate (10) according to any one of claims 1 to 7, wherein the first epitaxial layer (20), the second epitaxial layer (21) and the third epitaxial layer (22) are activated. A silicon carbide semiconductor device comprising a semiconductor element (100, 100A, 200, 200A, 210) included as at least a part of a layer (11, 110).
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10415154B2 (en) * 2015-12-02 2019-09-17 Mitsubishi Electric Corporation Silicon carbide epitaxial substrate and silicon carbide semiconductor device
EP3584822A4 (en) * 2017-02-20 2020-12-02 Hitachi Metals, Ltd. Silicon carbide laminated substrate and production method therefor
JP6862381B2 (en) 2018-03-02 2021-04-21 株式会社東芝 Semiconductor device
JP7388365B2 (en) * 2018-12-04 2023-11-29 住友電気工業株式会社 Silicon carbide epitaxial substrate and silicon carbide semiconductor device
JP7046026B2 (en) 2019-03-01 2022-04-01 三菱電機株式会社 SiC epitaxial wafer, semiconductor device, power conversion device
EP4152407A1 (en) 2021-09-16 2023-03-22 Hitachi Metals, Ltd. Silicon carbide substrate and method of manufacturing the same

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002329670A (en) * 2001-04-27 2002-11-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
JP2009088223A (en) * 2007-09-28 2009-04-23 Hitachi Cable Ltd Silicon carbide semiconductor substrate and silicon carbide semiconductor device using the same
JP2011114252A (en) * 2009-11-30 2011-06-09 Toshiba Corp Semiconductor device
WO2012026234A1 (en) * 2010-08-24 2012-03-01 三菱電機株式会社 Epitaxial wafer and semiconductor device
JP2014175412A (en) * 2013-03-07 2014-09-22 Toshiba Corp Semiconductor substrate and semiconductor device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002329670A (en) * 2001-04-27 2002-11-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
JP2009088223A (en) * 2007-09-28 2009-04-23 Hitachi Cable Ltd Silicon carbide semiconductor substrate and silicon carbide semiconductor device using the same
JP2011114252A (en) * 2009-11-30 2011-06-09 Toshiba Corp Semiconductor device
WO2012026234A1 (en) * 2010-08-24 2012-03-01 三菱電機株式会社 Epitaxial wafer and semiconductor device
JP2014175412A (en) * 2013-03-07 2014-09-22 Toshiba Corp Semiconductor substrate and semiconductor device

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