JP7179219B1

JP7179219B1 - ＳｉＣデバイス及びその製造方法

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Publication number: JP7179219B1
Application number: JP2022151380A
Authority: JP
Inventors: 禎孝西原; 啓介深田
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2022-09-22
Publication date: 2022-11-28
Anticipated expiration: 2039-02-06
Also published as: JP2022188125A

Abstract

【課題】ＶＦ劣化が抑制されたＳｉＣデバイスを提供することである。【解決手段】本発明のＳｉＣデバイスは、ＳｉＣエピタキシャルウェハを備え、前記ＳｉＣエピタキシャルウェハは、３インチ～６インチのＳｉＣ単結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル層が形成され、前記ＳｉＣエピタキシャル層に含まれる、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計数が同定され、かつ、前記ＳｉＣエピタキシャル層に含まれる、前記基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び前記基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計密度が１個／ｃｍ２以下である。【選択図】なし

Description

本発明は、ＳｉＣデバイス及びその製造方法に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きく、熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。炭化珪素はこれらの特性を有することから、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。このため、近年、上記のような半導体デバイスにＳｉＣエピタキシャルウェハが用いられるようになっている。

ＳｉＣデバイスの実用化の促進には、高品質の結晶成長技術、高品質のエピタキシャル成長技術の確立が不可欠である。

ＳｉＣデバイスは、昇華再結晶法等で成長させたＳｉＣのバルク単結晶から加工して得られたＳｉＣ単結晶基板（単に、ＳｉＣ基板ということもある）上に、化学的気相成長法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）等によってデバイスの活性領域となるＳｉＣエピタキシャル層（膜）を成長させたＳｉＣエピタキシャルウェハを用いて作製されるのが一般的である。

ＳｉＣエピタキシャルウェハはより具体的には、（０００１）面から＜１１－２０＞方向にオフ角を有する面を成長面とする４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板上にステップフロー成長（原子ステップからの横方向成長）させて４ＨのＳｉＣエピタキシャル層を成長させるのが一般的である。

ＳｉＣエピタキシャルウェハのエピタキシャル層の欠陥としては、ＳｉＣ単結晶基板の欠陥を引き継ぐ欠陥と、エピタキシャル層中に新たに形成される欠陥が知られている。前者としては、貫通転位、基底面転位やキャロット欠陥などが知られており、後者としては、三角欠陥などが知られている。
例えば、キャロット欠陥はエピ表面側から見るとステップフロー成長方向に長い棒状の欠陥であるが、基板の転位（貫通螺旋転位（ＴＳＤ）あるいは基底面転位（ＢＰＤ））や基板上の傷が起点として形成されると言われている（非特許文献１参照）。
また、三角欠陥はステップフロー成長方向（＜１１－２０＞方向）に沿って上流から下流側に三角形の頂点とその対辺（底辺）が順に並ぶような方向を向いて形成されるが、ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造時のエピタキシャル成長前のＳｉＣ単結晶基板上あるいはエピタキシャル成長中のエピタキシャル層内に存在した異物（ダウンフォール）を起点として、そこから基板のオフ角に沿って３Ｃの多形の層が延びてエピ表面に露出しているものと言われている（非特許文献２参照）。

最近、ＳｉＣ単結晶基板中のカーボンインクルージョン（以下、「基板カーボンインクルージョン」ということがある）に起因するラージピット欠陥が見出された（特許文献１参照）。この基板カーボンインクルージョン起因のラージピット（Large-pit）欠陥は、ＳｉＣ単結晶基板中のカーボンインクルージョンが起点としてエピタキシャル層で新たな欠陥として変換（転換）されたものである。

特開２０１８－０３９７１４号公報

J. Hassan et al., Journal of Crystal Growth 312 (2010) 1828-1837 C. Hallin et al., Diamond and Related Materials 6 (1997) 1297-1300

ＳｉＣエピタキシャルウェハを用いて作製されたｐｎダイオードや、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオード（ボディダイオード）などのバイポーラ動作を含む素子に順方向に通電すると、Ｖ_Ｆ劣化（バイポーラ劣化）が生じることが知られている。Ｖ_Ｆ劣化とは、順方向通電時に、基底面転位が面欠陥である積層欠陥（ＳＦ：Stacking Fault）に拡張し、この積層欠陥は抵抗として作用するため、順方向電圧（Ｖ_Ｆ）の上昇を招く現象である。

本発明者は鋭意研究の結果、ラージピット欠陥が順方向通電により積層欠陥に拡張して、Ｖ_Ｆ劣化を招くことを初めて見出した。すなわち、順方向電流印加後に基底面転位を起点として拡張し、積層欠陥が形成されることは知られていたが、順方向電流印加後にラージピット欠陥を起点として拡張し、積層欠陥が形成されることは従来知られていなかった。このラージピット欠陥を起点とした積層欠陥の形成のメカニズムには、ラージピット欠陥に付随した基底面方向に延びる転位が関連していると考えられる。
基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥も、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥も、順方向通電後にそれを起点として拡張して積層欠陥に変換し得る。

そのため、ＳｉＣデバイス用のＳｉＣエピタキシャルウェハとしては、ラージピット欠陥の密度が低減され、望ましくはラージピット欠陥がないものを用いることが求められる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、Ｖ_Ｆ劣化が抑制されたＳｉＣエピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の第１の態様に係るＳｉＣエピタキシャルウェハは、ＳｉＣ単結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル層が形成されたＳｉＣエピタキシャルウェハであって、前記ＳｉＣエピタキシャル層に含まれる、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計密度が１個／ｃｍ^２以下である。

（２）上記（１）に記載のＳｉＣエピタキシャルウェハは、前記基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥の密度が０．５個／ｃｍ^２以下であってもよい。

（３）本発明の第２の態様に係るＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法は、ＳｉＣ単結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル層が形成されたＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法であって、前記ＳｉＣ単結晶基板中のマイクロパイプ及び基板カーボンインクルージョンの合計密度が１個／ｃｍ^２以下であるＳｉＣ単結晶基板を選別する工程を有する。

本発明のＳｉＣエピタキシャルウェハによれば、Ｖ_Ｆ劣化が抑制されたＳｉＣエピタキシャルウェハを提供できる。

本発明の一実施形態に係るＳｉＣエピタキシャルウェハの断面模式図を示す。（ａ）は本発明のＳｉＣエピタキシャルウェハのＳＩＣＡ像であり、図２（ｂ）は（ａ）に対応するＰＬ像である。基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥近傍の断面のＳＴＥＭ像である。図２に示したＳｉＣエピタキシャルウェハを用いて作製したｐｎダイオードの、順方向通電試験前後の電気特性を示したグラフである。

以下、本発明を適用した実施形態であるＳｉＣエピタキシャルウェハ及びその製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（ＳｉＣエピタキシャルウェハ）
図１は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣエピタキシャルウェハの断面模式図である。
図１に示すＳｉＣエピタキシャルウェハ１０は、ＳｉＣ単結晶基板１上にＳｉＣエピタキシャル層２が形成されたＳｉＣエピタキシャルウェハであって、ＳｉＣエピタキシャル層２に含まれる、マイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計密度が１個／ｃｍ^２以下である。

本発明のＳｉＣエピタキシャルウェハに用いるＳｉＣ単結晶基板は、４ＨのＳｉＣ単結晶基板であることが好ましい。
また、本発明のＳｉＣエピタキシャルウェハに用いるＳｉＣ単結晶基板はオフ角を有し、例えば、０．４°以上、８°以下のものであることが好ましい。典型的には、オフ角４°のものを用いることができる。
ＳｉＣ単結晶基板の厚さとしては特に限定するものではないが、例えば、１５０μｍ以上５５０μｍ以下のものを用いることができる。好ましくは３００μｍ以上４００μｍ以下のものを用いることができる。
ＳｉＣ単結晶基板のサイズとしては特に限定するものではないが、例えば、３インチ～６インチのものを用いることができる。

本明細書において「ラージピット欠陥」とは、共焦点微分干渉顕微鏡とフォトルミネッセンス（ＰＬ）観察機能を併設した検査装置（レーザーテック株式会社製、ＳＩＣＡ８８）を用いた場合に、得られた顕微鏡像（以下、ＳＩＣＡ像ということがある）において、サイズ（像における外周の２点間を直線で結んだときの最大距離）が５μｍ以上の凹み又は穴（ピット）であり、かつ、ロングパスフィルター（≧６６０ｎｍ）を使用して得られたＰＬ像において、顕微鏡像におけるサイズと同じかそれ以上のサイズで白く見えるものである。
また、ＳＩＣＡ像において、サイズが５μｍ以上の凹みあるいは穴（ピット）であり、かつ、ＰＬ像において、顕微鏡像におけるサイズと同じかそれ以上のサイズで白く見える欠陥であっても、サイズが小さめのものについては、経験的には５０％程度は基板カーボンインクルージョン起因のものでも、基板のマイクロパイプ起因のものでもない。換言すると、この場合、５０％程度は、基板カーボンインクルージョン起因のものか、基板のマイクロパイプ起因のものか、いずれかである。
一方、ＳＩＣＡ像において、サイズが１０μｍ以上の凹みあるいは穴（ピット）であり、かつ、ＰＬ像において、顕微鏡像におけるサイズと同じかそれ以上のサイズで白く見える欠陥は経験的には、９０％程度は、基板カーボンインクルージョン起因のものか、基板のマイクロパイプ起因のものか、いずれかである。
また、ＳＩＣＡ像において、サイズが１５μｍ以上の凹みあるいは穴（ピット）であり、かつ、ＰＬ像において、顕微鏡像におけるサイズと同じかそれ以上のサイズで白く見える欠陥は経験的には、ほぼ１００％が、基板カーボンインクルージョン起因のものか、基板のマイクロパイプ起因のものか、いずれかである。
以上のように、ＳｉＣエピタキシャルウェハのＳＩＣＡ像の凹みあるいは穴（ピット）のサイズ、及び、その凹みあるいは穴（ピット）のＰＬ像のサイズ及び見え方に基づき、凹みあるいは穴（ピット）が、基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥、及び、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥のいずれかであるかを、上記確率で予測できる。すなわち、ＳＩＣＡ像においてサイズが１０μｍ以上の凹みあるいは穴（ピット）であれば、ＳｉＣエピタキシャルウェハのＳＩＣＡ像及びＰＬ像だけから、９０％程度以上の高い確率で、基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥、及び、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥のいずれかであるかを同定できる。
以下では、ＳｉＣエピタキシャルウェハのＳＩＣＡ像及びＰＬ像に、さらにＳｉＣ単結晶基板のＳＩＣＡ像及びＰＬ像を組み合わせることで高い確率で、基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥と基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥とを識別する方法について説明する。

＜基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥と基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の識別方法＞
ＳｉＣエピタキシャルウェハのＳｉＣエピタキシャル層におけるラージピット欠陥の起因は、ＳｉＣ単結晶基板における基板カーボンインクルージョン及び基板のマイクロパイプのＳＩＣＡ像及びＰＬ像を、ＳｉＣエピタキシャルウェハのＳＩＣＡ像及びＰＬ像と対比することにより、高い精度で同定することができる。
ＳｉＣ単結晶基板のＰＬ像において黒点が存在する場合、そのＳｉＣ単結晶基板と同じインゴット中で隣接するＳｉＣ単結晶基板のＰＬ像においてもほぼ同じ位置に黒点が存在するときは、その黒点は基板のマイクロパイプであると同定できる。これにより、その後、エピタキシャル層を形成してＳｉＣエピタキシャルウェハにおいてその黒点に対応する箇所に形成されたラージピット欠陥は基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥であると同定できる。このときのラージピット欠陥は、ＳＩＣＡ像ではピットとして観察され、ＰＬ像では白い円状（楕円状、扁平円状などを含む）や蜘蛛の巣状（中心に核があってその周りに紐状のものがあるものや、紐状のものが集まったものなど）として観察されることが多い。
一方、ＳｉＣ単結晶基板のＳＩＣＡ像においてピットとして観察され、かつ、ＰＬ像において黒点が存在する場合、そのＳｉＣ単結晶基板と同じインゴット中で隣接するＳｉＣ単結晶基板のＰＬ像においてほぼ同じ位置には黒点が存在しないときは、ＰＬ像における黒点は基板のカーボンインクルージョンであると同定できる。これにより、その後、エピタキシャル層を形成してＳｉＣエピタキシャルウェハにおいてその黒点に対応する箇所に形成されたラージピット欠陥は基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥であると同定できる。このときのラージピット欠陥は、ＳＩＣＡ像ではピットとして観察され、ＰＬ像では白い円状（楕円状、扁平円状などを含む）として観察されることが多い。
なお、ＳｉＣエピタキシャルウェハの断面を電子顕微鏡等で観察することによっても、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥と基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥との精確な識別は可能である。

ＳｉＣエピタキシャルウェハにおいて、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計密度が１個／ｃｍ^２以下であると、通常のＳｉＣデバイスの仕様を満たす。
ここで、ＳｉＣエピタキシャルウェハについて“基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計密度”とは、ＳＩＣＡ像において、サイズが５μｍ以上１０μｍ未満の凹みあるいは穴（ピット）であり、かつ、ＰＬ像において、顕微鏡像におけるサイズと同じかそれ以上のサイズで白く見える欠陥については、カウントされた数の５０％を当該欠陥に該当するものとし、ＳＩＣＡ像において、サイズが１０μｍ以上１５μｍ未満の凹みあるいは穴（ピット）であり、かつ、ＰＬ像において、顕微鏡像におけるサイズと同じかそれ以上のサイズで白く見える欠陥については、カウントされた数の９０％を当該欠陥に該当するものとし、ＳＩＣＡ像において、サイズが１５μｍ以上の凹みあるいは穴（ピット）であり、かつ、ＰＬ像において、顕微鏡像におけるサイズと同じかそれ以上のサイズで白く見える欠陥については、カウントされた数のすべてを当該欠陥に該当するものとし、これらの合計を当該欠陥の数とし、その面積密度を意味する。
ＳｉＣエピタキシャルウェハは、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計密度が、０．１個／ｃｍ^２以下であることが好ましく、０．０１個／ｃｍ^２以下であることがより好ましく、０個／ｃｍ^２であることがさらに好ましい。

図２に、本発明のＳｉＣエピタキシャルウェハのＳＩＣＡ像及びＰＬ像を示す。図２（ａ）はＳＩＣＡ像であり、図２（ｂ）はＰＬ像である。
ＳｉＣエピタキシャルウェハは、以下のように作製した。
ＳｉＣ単結晶基板としては、（０００１）Ｓｉ面に対して＜１１－２０＞方向に４°のオフ角を有する、４インチの４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板を用いた。
４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板について公知の研磨工程を行った。その後、その単結晶基板をＣＶＤ装置に設置し、水素ガスによる基板表面の清浄化（エッチング）工程を行った。次に、原料ガスとしてシラン及びプロパンを用い、キャリアガスとして水素を供給しながら、成長温度１５００℃以上、Ｃ／Ｓｉ比１．２５以下の条件の下、ＳｉＣエピタキシャル成長工程を行い、膜厚１０μｍのＳｉＣエピタキシャル層をＳｉＣ単結晶基板上に形成して、ＳｉＣエピタキシャルウェハを得た。

図２に示したＳｉＣエピタキシャルウェハにおけるラージピットは、ＳＩＣＡ像においては直径１５μｍ程度の円状であり、ＰＬ像においては直径２０～３０μｍ程度の円状である。ＳｉＣエピタキシャル層形成前の４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板の表面についてＳＩＣＡ像を得ており、このラージピットが基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥であることを、断面分析により確認を行った。
図３は、そのラージピットについて、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）によりその断面を観察した画像である。スケールは各目盛りが０．６μｍを示す。
図３に示すＳＴＥＭ像は一例であるが、ＳＴＥＭ像において、下方の基板の位置にマイクロパイプが見えている。また、この基板のマイクロパイプから伸びた転位が存在し、その転位の先の表面側にラージピット欠陥（図２）が見えている。このように、図３に示すＳＴＥＭ像においては、エピ表面のラージピット欠陥が基板のマイクロパイプに起因することが明確に示されている。そして、この基板のマイクロパイプと表面のラージピットとの間には、図２に示されているように転位が入っている。この転位には、表面に向かって伸びるもののほかに、基底面に沿って伸びるものも見られる。この基底面に延びる転位が、順方向通電した際に積層欠陥に拡張し、Ｖ_Ｆ劣化を引き起こす。

図４に、図２に示したＳｉＣエピタキシャルウェハを用いて、公知の方法にてｐｎダイオードを作製し、順方向に９６０Ａ／ｃｍ^－２で１時間の通電を行った前後で、順方向の電気特性を測定した結果を示す。この通電試験により、３．４％の順方向電圧（Ｖ_Ｆ）の悪化を確認した。このとき、ＳｉＣエピタキシャル層にはＢＰＤは存在せず、また、ＳｉＣ単結晶基板のＢＰＤ密度は４００／ｃｍ^２以下のものを用いることにより、ラージピット以外の欠陥拡張要因による劣化の寄与を低減させている。

本発明のＳｉＣエピタキシャルウェハは、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥の密度が０．５個／ｃｍ^２以下であることが好ましい。
ここで、ＳｉＣエピタキシャルウェハについて“基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥の密度”とは、同じインゴット中で隣接するＳｉＣ単結晶基板を用いたＳｉＣエピタキシャルウェハのＳＩＣＡ像において、ほぼ同じ位置にピットとして観察され、かつ、ＰＬ像では白い円状（楕円状、扁平円状などを含む）や蜘蛛の巣状（中心に核があってその周りに紐状のものがあるものや、紐状のものが集まったものなど）として観察される欠陥の数をカウントし、その密度を意味する。
本発明者は、基板のマイクロパイプが特に基板の周端部にあるときに、ＳｉＣエピタキシャル層の成長中に割れやすいことを見出しており、ＳｉＣエピタキシャル層の成長中に割れなかったものでもその後のデバイス作製において割れやすいことが懸念されるが、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥の密度が１０個／ｃｍ^２以下である場合にはその懸念が払拭される。

（ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法）
本発明の一実施形態に係るＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法は、ＳｉＣ単結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル層が形成されたＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法であって、ＳｉＣ単結晶基板中のマイクロパイプ及び基板カーボンインクルージョンの合計密度が１個／ｃｍ^２以下であるＳｉＣ単結晶基板を選別する工程を有する。
ここで、ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法において“ＳｉＣ単結晶基板中のマイクロパイプ及び基板カーボンインクルージョンの合計密度”とは、ＳｉＣ単結晶基板のＳＩＣＡ像においてピットが観察され、かつ、そのＰＬ像が黒点として観察される欠陥の数をカウントし、その合計密度を意味する。
その他の工程、例えば、基板の研磨工程、ＳｉＣエピタキシャル層の形成工程としては、公知の条件で行うことができる。

かかる選別工程を有するＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法によれば、ＳｉＣエピタキシャル層に含まれる、マイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計密度が１個／ｃｍ^２以下であるＳｉＣエピタキシャルウェハを製造することができる。

１ＳｉＣ単結晶基板
２ＳｉＣエピタキシャル層
１０ＳｉＣエピタキシャルウェハ

Claims

ＳｉＣエピタキシャルウェハを備え、
前記ＳｉＣエピタキシャルウェハは、３インチ～６インチのＳｉＣ単結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル層が形成され、
前記ＳｉＣエピタキシャル層に含まれる、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計数が同定され、かつ、前記ＳｉＣエピタキシャル層に含まれる、前記基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び前記基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計密度が１個／ｃｍ^２以下である、ＳｉＣデバイス。
パワーデバイスである、請求項１に記載のＳｉＣデバイス。
高周波デバイスである、請求項１に記載のＳｉＣデバイス。
高温動作デバイスである、請求項１に記載のＳｉＣデバイス。
ｐｎダイオードである、請求項１に記載のＳｉＣデバイス。
ＭＯＳＦＥＴである、請求項１に記載のＳｉＣデバイス。
ＳｉＣエピタキシャルウェハを用いたＳｉＣデバイスの製造方法であって、
前記ＳｉＣデバイスの製造方法は、
３インチ～６インチのＳｉＣ単結晶基板上にＳｉＣエピタキシャル層が形成されたＳｉＣエピタキシャルウェハを使用し、
前記ＳｉＣエピタキシャル層に含まれる、基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計数が同定され、かつ、前記ＳｉＣエピタキシャル層に含まれる、前記基板のマイクロパイプ起因のラージピット欠陥及び前記基板カーボンインクルージョン起因のラージピット欠陥の合計密度が１個／ｃｍ^２以下である、ＳｉＣデバイスの製造方法。