JP4329211B2

JP4329211B2 - 炭化珪素単結晶を用いた炭化珪素半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP4329211B2
Application number: JP2000060441A
Authority: JP
Inventors: 尚宏杉山; 篤人岡本; 俊彦谷; 与志木妹尾; 正美内藤; 宏行近藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: JP2001247397A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの作製に好適な炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶を用いて製造した逆方向リーク電流の少ない炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（０００１）面を成長面として昇華法により作製されるＳｉＣ結晶には、図５（ａ）に示すように、マイクロパイプ欠陥１０２やらせん転位１０３が多数存在する。これらの欠陥は、このＳｉＣ結晶で構成した基板１０１上にダイオードを作製したときに、逆方向リーク電流の原因となる。
【０００３】
図５（ｂ）に示すように、ｎ型不純物をドーピングした４Ｈ−ＳｉＣ結晶からなる基板１０１上にｎ^-型エピタキシャル層１０４を成膜したのち、マイクロパイプ欠陥１０２やらせん転位１０３が形成された領域にｐ⁺型領域１０５を形成すると共に、ｐ⁺型領域１０５に接続される電極１０６と基板１０１に接続される電極１０７とを形成することによってＰＮダイオード１０８を作製し、基板１０１に存在するマイクロパイプ欠陥１０２やらせん転位１０３がデバイス特性に及ぼす影響を調査した。その結果、▲１▼マイクロパイプ欠陥１０２はデバイス特性に致命的な影響を与えること、▲２▼らせん転位１０３はＩ−Ｖの降伏特性をソフトにすると共に、耐圧を５〜３５％低下させることが明らかになった。（Ｐ．Ｇ．Ｎｅｕｄｅｃｋ他（ＮＡＳＡＬｅｗｉｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ他）Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．５１２（１９９８）１０７〜１１２参照）
一方、特開平５−２６２５９９号公報では、（０００１）面に垂直な面、例えば（１−１００）面や（１１−２０）面を成長面として用いることにより、マイクロパイプ欠陥やらせん転位のないＳｉＣ単結晶を成長させることが提案されている。
【０００４】
しかしながら、このように成長させたＳｉＣ単結晶には全領域に渡って積層欠陥が広く形成され、この積層欠陥を電流が横切る時、大きな抵抗となるため、積層欠陥を横切る方向と積層欠陥と平行な方向とで大きな電気的な異方性を生じ、デバイス作製時に大きな問題となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記点に鑑みて、逆方向リーク電流が少なくでき、積層欠陥による電気的な異方性が少なくできる炭化珪素単結晶を用いた炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、らせん転位の集合体（２）と積層欠陥（３）および刃状転位（４）が含まれており、らせん転位の集合体（２）が積層欠陥（３）もしくは刃状転位（４）によって該らせん転位の伸長方向に分断されている炭化珪素単結晶（１）と、該らせん転位の集合体（２）を含む炭化珪素単結晶（１）の表面上に形成されたエピタキシャル層（６）を含む半導体デバイスと、を含むことを特徴としている。好適ならせん転位の集合体としては、最近接した転位線との距離が１μｍ以下の複数のらせん転位の束である。
【０００７】
このように、マイクロパイプ欠陥やらせん転位が単独で存在するのではなく、らせん転位の集合体となった炭化珪素単結晶ではらせん転位が相互作用を及ぼすことによって、逆方向リーク電流が少なくでき、積層欠陥による電気的な異方性が少なくなるようにできる。その相互作用を及ぼす間隔が約１μｍである。このような炭化珪素単結晶を用いて半導体デバイスを作製することにより、逆方向リーク電流を少なくすることが可能である。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、マイクロパイプ欠陥およびらせん転位を含む炭化珪素単結晶の基板の表面を被覆材で被覆したのち、熱処理を施すことにより、らせん転位の集合体（２）を積層欠陥（３）もしくは刃状転位（４）によって該らせん転位の伸長方向に分断する工程と、らせん転位の集合体（２）が積層欠陥（３）もしくは刃状転位（４）によって該らせん転位の伸長方向に分断された炭化珪素単結晶からデバイス形成用の基板を切り出し、該基板の表面上にエピタキシャル層（６）の形成工程を含む半導体デバイスの形成工程と、を行うことを特徴としている。
【０００９】
このような製造方法により、請求項１に記載の炭化珪素単結晶を製造できると共に、該炭化珪素単結晶を用いた炭化珪素半導体装置を製造できる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態における炭化珪素単結晶の断面図を示す。
【００１６】
図１に示す炭化珪素単結晶１は、４Ｈ、６Ｈ、３Ｃ若しくは１５Ｒ−ＳｉＣの単結晶基板で構成されている。この炭化珪素単結晶１にはらせん転位の集合体２、積層欠陥３、及び刃状転位４が含まれており、らせん転位の集合体２が積層欠陥３若しくは刃状転位４によって、らせん転位の軸（転位線の伸長する）方向に分断されている。
【００１７】
このような構造の炭化珪素単結晶１には積層欠陥３が形成されているが、積層欠陥３が局所的に形成されているだけであり、炭化珪素単結晶１の全領域に渡って形成されているものではないため、ほとんど積層欠陥による電気的な異方性を生じない。
【００１８】
このような構造の炭化珪素単結晶１は、マイクロパイプ欠陥やらせん転位が含まれた単結晶基板の表面を被覆材で被覆したのち、熱処理を施すことによって作製される。つまり、単結晶基板を被覆材で被覆した状態で熱処理を施すことによりマイクロパイプ欠陥が修復されるが、この修復部に上記らせん転位の集合体２、積層欠陥３、及び刃状欠陥４が存在するため、図１に示す構造の炭化珪素単結晶１となる。
【００１９】
このような構成の炭化珪素単結晶１を基板として用いて、図２に示すようにＰＮダイオード５を作製した。まず、ｎ型不純物をドーピングした炭化珪素単結晶１の主表面にｎ^-型エピタキシャル層６を成長させ、その後、ｎ^-型エピタキシャル層６のうちマイクロパイプ欠陥が修復された部分上に配置された領域にイオン注入を行なうことでｐ⁺型領域７を形成する。続いて、ｐ⁺型領域７と電気的に接続される電極８と、炭化珪素単結晶１の裏面側に電気的に接続される電極９とを形成する。これにより、ＰＮダイオード５が作製される。
【００２０】
そして、このＰＮダイオード５の逆方向におけるＩ−Ｖ特性を評価したところ、逆方向のリーク電流が極めて少なく、良好なデバイス特性（降伏特性）を示した。
【００２１】
このような結果が得られたのは以下の理由によると推察される。
【００２２】
▲１▼らせん転位、若しくはマイクロパイプ欠陥が単独で存在した場合には、その歪によって禁制帯が狭くなりリーク電流が増加するか、あるいはその歪によってドーピングした不純物が異常拡散し、ＰＮ接合不良やリーク電流の増加を起こす。一方、らせん転位の集合体２のようにらせん転位が密集した状態では、それぞれの歪が干渉し合い、禁制帯が元に戻るか、あるいはドーピングした不純物が異常拡散しなくなるため。
【００２３】
▲２▼らせん転位が積層欠陥３と共存した場合、ＴＥＭ解析結果からも確認されているように、らせん転位が積層欠陥３を横切る箇所においてスリップし、らせん転位の転位線が折れ曲がり不連続となることから、らせん転位の転位芯を伝って流れる可能性がある逆方向リーク電流が積層欠陥３によって阻止されたため。なお、らせん転位と刃状転位４が交差した場合にも、これと同様の効果が生じていると考えられる。
【００２４】
▲３▼積層欠陥を含む結晶のｏｆｆ面を利用してエピタキシャル成長を実施した場合、つまり、炭化珪素単結晶１のｏｆｆ面を基板としてｎ^-型エピタキシャル層６を成長させた場合、基板から継承されたらせん転位がエピタキシャル成長中に積層欠陥３と交差する際に積層欠陥３によって遮られ、Ｃ面内の刃状転位に変換されて、それより上に継承されなくなったため。
【００２５】
これらに示すように、理由については明らかではないが、上記構造の炭化珪素単結晶１を用いることにより、逆リーク電流を少なくすることができた。
【００２６】
このように、マイクロパイプ欠陥を修復し、らせん転位の集合体２、積層欠陥３、及び刃状転位４が形成された炭化珪素単結晶１とすることにより、逆方向リーク電流が少なく、積層欠陥による電気的な異方性が少ない単結晶とすることができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、らせん転位の集合体２、積層欠陥３、及び刃状転位４のすべてが形成された炭化珪素単結晶１について説明したが、上記した方法によってマイクロパイプ欠陥を閉塞した場合、図３に示すようならせん転位の集合体２が含まれた炭化珪素単結晶１１や、図４に示すようならせん転位の集合体２と積層欠陥３とが含まれ、らせん転位の集合体２が積層欠陥３によって軸方向に分断されている炭化珪素単結晶２１が形成される場合がある。これらの場合についても上記実施形態と同様に、ＰＮダイオード５を形成してＩ−Ｖ特性を評価したところ、上記と同様の効果を得ることができた。
【００２８】
このことから、少なくともマイクロパイプ欠陥が修復され、らせん転位の集合体２となった炭化珪素単結晶においては、逆方向リーク電流を少なくでき、積層欠陥による電気的な異方性を少なくすることができると言える。
【００２９】
なお、上記実施形態では、マイクロパイプ欠陥が修復されたことによって、らせん転位の集合体２、積層欠陥３、及び刃状転位４が形成された場合を示したが、このような方法以外の方法によってもらせん転位の集合体２、積層欠陥３や刃状転位４が形成されたものであれば、逆方向リーク電流が少なく、デバイスの特性が良好な炭化珪素単結晶１とすることができる。
【００３０】
【実施例】
（実施例１）
マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶１の試料として、ｎ型不純物がドーピングされた６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用意した。この６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板は、厚さが１ｍｍ程度、マイクロパイプ欠陥密度が１００／ｃｍ²程度であった。
【００３１】
この６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の（０００１）及び（０００−１）表面にＣＶＤ法によって厚さ約２０μｍの３Ｃ−ＳｉＣを成膜した。この時の成膜条件は、基板温度を１５００℃、ＳｉＨ₄流量を２〜８ＳＣＣＭ、Ｃ₃Ｈ₈流量を１〜５ｓｃｃｍ、Ｈ₂流量を１１ＳＬＭとし、成膜時間を５時間とした。
【００３２】
ただし、ＳＣＣＭは「ＳｐｅｃｉｆｉｃＣｕｂｉｃｃｍ／ｍｉｎ」を意味し、ＳＬＭは「Ｓｐｅｃｉｆｉｃｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ」を意味する。
【００３３】
この後、試料を図示しない黒鉛製るつぼ内に炭化珪素粉末中に埋め込んだ状態で収容し、熱処理を施した。この時の熱処理条件は、熱処理温度を２３００℃とし、Ａｒ雰囲気で圧力を７９．８ｋＰａ（６００Ｔｏｒｒ）、加熱時間を２４時間とした。
【００３４】
熱処理後、黒鉛製るつぼ内から試料を取り出し、試料の表面から約５０μｍの厚さ研磨し、試料の表面を観察した。その結果、熱処理前には、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の表面に開口していたマイクロパイプ欠陥が閉塞しており、上記工程によってマイクロパイプ欠陥が修復されたことが明らかになった。
【００３５】
また、ｃ軸と平行に試料を切り出し、マイクロパイプ欠陥が存在していた箇所をＴＥＭによって詳細に解析した。
【００３６】
その結果、マイクロパイプ欠陥が存在していた領域（若しくはその周辺）には、複数のらせん転位の集合体２（幅約１μｍ×厚み約０．０５μｍの薄片中に７本程度）が存在していた。
【００３７】
さらに、らせん転位の集合体２を軸方向に約０．０１〜１μｍの間隔で分断するようにＣ面内に生成された積層欠陥３が多数存在していた。ただし、この積層欠陥は、修復部及びその周辺にのみ広がって生成されており、らせん転位の集合体２を中心に半径が約１０μｍ以下の範囲で広がっていた。
【００３８】
また、らせん転位の集合体２と積層欠陥３の交差箇所のいくつかでは、らせん転位の集合体２が積層欠陥３によってスリップし、不連続となっていることが確認された。
【００３９】
さらに、Ｃ面に平行な刃状転位４も観察され、積層欠陥３の場合と同様に、らせん転位の集合体２と刃状転位４との交差箇所でらせん転位の集合体２が不連続となっていることが確認された。
【００４０】
続いて、このようにマイクロパイプ欠陥が閉塞された試料から３．５°ｏｆｆ−ａｘｉｓ基板を作製し、図２に示すようなＰＮダイオード５を作製した。
【００４１】
すなわち、基板上にｎ型不純物濃度が５×１０¹⁶／ｃｍ³程度の６Ｈ−ＳｉＣで構成されたｎ^-型エピタキシャル層６を約３μｍの厚さ成長させたのち、ｎ^-型エピタキシャル層６にｐ型不純物濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³程度となるようにボロン及び炭素を連続的にイオン注入してｐ⁺型領域７を形成し、さらに、ｐ⁺型領域７と電気的に接続される電極８及び炭化珪素単結晶１の裏面側に電気的に接続される電極９を形成することにより、φ１３０μｍ程度のＰＮダイオード５を作製した。そして、このＰＮダイオード５の逆方向のＩ−Ｖ特性を評価した。
【００４２】
その結果、逆方向のリーク電流が１μＡにおける耐圧が４５０Ｖ程度となり、逆方向リーク電流が極めて低く、耐圧が高いという良好な降伏特性を示した。なお、このときの耐圧は、結晶欠陥が形成されていない部分にＰＮダイオード５を作製して逆方向のＩ−Ｖ特性を評価した場合と同等であった。
【００４３】
一方、比較のため、図５（ａ）に示すように，マイクロパイプ欠陥やらせん転位が単独で残存する結晶を基板として用い、上記と同様にＰＮダイオードを作製してＩ−Ｖ特性を評価したが、逆方向のリーク電流が大きく、リーク電流１μＡにおける耐圧が１５０Ｖ程度と低く、整流特性は良好でなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における炭化珪素単結晶１の断面を示す図である。
【図２】図１に示す炭化珪素単結晶１を用いて作製したＰＮダイオードの断面を示す図である。
【図３】第１実施形態の他の例における炭化珪素単結晶１の断面を示す図である。
【図４】第１実施形態の他の例における炭化珪素単結晶１の断面を示す図である。
【図５】（ａ）はマイクロパイプ欠陥やらせん転位が形成された基板１０１を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の基板１０１を用いて形成したＰＮダイオードの断面を示す図である。
【符号の説明】
１…炭化珪素単結晶、２…らせん転位の集合体、３…積層欠陥、４…刃状転位、５…ＰＮダイオード、６…ｎ^-型エピタキシャル層、７…ｐ⁺型領域、８…電極、９…電極。

Claims

らせん転位の集合体（２）と積層欠陥（３）および刃状転位（４）が含まれており、前記らせん転位の集合体（２）が前記積層欠陥（３）もしくは前記刃状転位（４）によって該らせん転位の伸長方向に分断されている炭化珪素単結晶（１）と、
該らせん転位の集合体（２）を含む前記炭化珪素単結晶（１）の表面上に形成されたエピタキシャル層（６）を含む半導体デバイスと、を含むことを特徴とする炭化珪素単結晶を用いた炭化珪素半導体装置。
マイクロパイプ欠陥およびらせん転位を含む炭化珪素単結晶の基板の表面を被覆材で被覆したのち、熱処理を施すことにより、らせん転位の集合体（２）を積層欠陥（３）もしくは刃状転位（４）によって該らせん転位の伸長方向に分断する工程と、
前記らせん転位の集合体（２）が前記積層欠陥（３）もしくは前記刃状転位（４）によって該らせん転位の伸長方向に分断された前記炭化珪素単結晶からデバイス形成用の基板を切り出し、該基板の表面上にエピタキシャル層（６）の形成工程を含む半導体デバイスの形成工程と、を行うことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。