エピタキシャルウエハ及び半導体素子
【課題】エピタキシャル成長層の結晶品質を向上させることができ、厚膜のエピタキシャル成長層を形成する場合においてもキャリア移動度の低下が生じず、素子抵抗の低い炭化珪素エピタキシャルウエハおよび炭化珪素半導体素子を提供する。
【解決手段】炭化珪素半導体素子は、ドーピングにより格子定数が減少するドーパントを濃度Ａでドーピングした基板と、ドーパントを基板よりも小さい濃度Ｂでドーピングしたエピタキシャル成長層と、基板とエピタキシャル層との間に、ドーパントをドーピングした２層以上積層した多層構造で形成されたバッファ層とを有し、多層構造の各層のドーパントのドーピング濃度Ｃが、バッファ層の厚さをｄ、エピタキシャル成長層からの各層までの平均距離をｘ、所定の割合をＰとして、［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）とした。
【解決手段】炭化珪素半導体素子は、ドーピングにより格子定数が減少するドーパントを濃度Ａでドーピングした基板と、ドーパントを基板よりも小さい濃度Ｂでドーピングしたエピタキシャル成長層と、基板とエピタキシャル層との間に、ドーパントをドーピングした２層以上積層した多層構造で形成されたバッファ層とを有し、多層構造の各層のドーパントのドーピング濃度Ｃが、バッファ層の厚さをｄ、エピタキシャル成長層からの各層までの平均距離をｘ、所定の割合をＰとして、［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化珪素を材料とするエピタキシャルウエハおよびこのエピタキシャルウエハを用いて形成した半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素半導体を用いた半導体素子では、素子構造として、低抵抗基板上に成長させたエピタキシャル成長層を動作層として用いる場合が多い。パワー半導体素子ではエピタキシャル成長層が耐圧層として機能するが、通常、エピタキシャル成長層は単層で形成され（例えば、特許文献１参照）、動作させる電圧によってはエピタキシャル成長層は３〜１００μｍ、あるいはそれ以上の厚さであり、そのドーピング濃度は高々１０１６ｃｍ−３台で、むしろ１０１５ｃｍ−３台の場合が多い。それに対して、基板となる低抵抗結晶には１０１９ｃｍ−３前後のドーパントがドーピングされている場合が多い。したがって、エピタキシャル成長層（耐圧層）と基板とではドーピング濃度が大きく異なるために、両者の格子定数は異なり、エピタキシャル成長層の厚さが厚い場合には、格子定数差、すなわち格子不整合に伴う結晶欠陥の導入によってエピタキシャル成長層の結晶品質が劣化し、その結果、キャリアの移動度が低下して、素子抵抗が増大するという問題が生じる。
【０００３】
そこで、格子定数差により生じる結晶品質への影響を緩和するため、基板とエピタキシャル成長層との間にドーピング濃度２×１０１５〜３×１０１９ｃｍ−３、層厚０．３〜１５μｍのバッファ層を設けることが（１１−２０）面の炭化珪素結晶に対して開示されており、上記のドーピング濃度および層厚の範囲の単層膜や、段階的傾斜構造、連続的傾斜構造を設けることが示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、基板とエピタキシャル成長層との間に設けるバッファ層としては、基底面転位がエピタキシャル成長層に導入されるのを抑制することを目的として、下地となる基板のドーピング濃度の１／１０〜１／２程度のドーピング濃度の層を複数積層し、ドーピング濃度が階段状に変化する段階的傾斜膜を設けることが、（０００１）面および（０００−１）面の炭化珪素結晶について示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２６８２０２号公報
【特許文献２】特開２０００−３１９０９９号公報
【特許文献３】特開２００８−７４６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のような従来の炭化珪素半導体を材料とするエピタキシャルウエハおよび半導体素子においては、基板と、耐圧層となるエピタキシャル成長層との間に、単層膜や、ドーピング濃度が段階的または連続的に変化する段階的傾斜構造または連続的傾斜構造のバッファ層を設けることが開示されているが、基板およびエピタキシャル成長層のドーパントの種類やその濃度に応じた適切な構成は示されていなかった。特に段階的傾斜構造のバッファ層や連続的傾斜構造のバッファ層について、添加するドーパントによって生じる格子不整合の向きを考慮したバッファ層の構成は示されていないため、従来の炭化珪素エピタキシャルウエハおよび半導体素子では、エピタキシャル成長層の結晶品質が劣化し、キャリアの移動度が低下する場合があった。
【０００７】
この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、従来よりもエピタキシャル成長層の結晶品質を向上させることができ、厚膜のエピタキシャル成長層を形成する場合においてもキャリア移動度の低下が生じず、素子抵抗の低いエピタキシャルウエハおよび半導体素子を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るエピタキシャルウエハおよび半導体素子は、ドーピングにより格子定数が減少するドーパントを濃度Ａでドーピングした第１導電型の炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上に設けられ、前記ドーパントがドーピングされた第１導電型のバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、前記ドーパントが前記炭化珪素基板よりも小さい濃度Ｂでドーピングされた第１導電型の炭化珪素エピタキシャル成長層とを有し、前記バッファ層は、前記ドーパントのドーピング濃度が異なる層が２層以上積層した多層構造で形成され、前記多層構造の各層の前記ドーパントのドーピング濃度Ｃが、前記各層の前記炭化珪素エピタキシャル成長層からの平均距離をｘ、前記バッファ層の厚さをｄ、所定の割合をＰとして、［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）の範囲にあるものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、炭化珪素基板とエピタキシャル成長層との格子不整合を効果的に緩和することができるので、炭化珪素基板とエピタキシャル成長層との格子定数差によって生じる結晶欠陥がエピタキシャル成長層に導入されることを抑制できる。その結果、エピタキシャル成長層の結晶品質劣化を防止でき、厚膜のエピタキシャル成長層を形成してもキャリアの移動度の低下が生じず、素子抵抗の低いエピタキシャルウエハおよび半導体素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるエピタキシャルウエハの構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるエピタキシャルウエハの構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３における半導体素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、結晶面を示すミラー指数の表示法においては、負の指数を表す負号は指数の上に付けるのが一般的であるが、本明細書では、負号を指数の前に付けて示す。
【００１２】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における半導体素子の構成を示す断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１におけるエピタキシャルウエハの構成を示す断面図である。
【００１３】
図２において、エピタキシャルウエハ１００は、（０００１）面からオフ角を有する第１導電型であるｎ型の低抵抗炭化珪素基板１と、この炭化珪素基板１上に形成されたｎ型バッファ層２と、このバッファ層２上にエピタキシャル成長により形成された、エピタキシャル成長層３とで構成されている。バッファ層２の構成については別途詳述する。
【００１４】
そして、このエピタキシャルウエハ１００を用いて、図１に示す半導体素子である炭化珪素ショットキバリアダイオード１０１が形成される。ショットキバリアダイオード１０１においては、エピタキシャルウエハ１００のエピタキシャル成長層３が耐圧を保持するためのｎ型ドリフト層３となる。このドリフト層３の層厚は３〜１５０μｍ程度、ドーピング濃度Ｂは０．５〜２０×１０１５ｃｍ−３程度であり、炭化珪素基板１のドーピング濃度Ａよりも低く形成されている。また、ショットキバリアダイオード１０１の素子周辺部には、第２導電型であるｐ型領域４が終端構造として形成されている。このｐ型領域４は、エピタキシャルウエハ１００中のエピタキシャル成長層３中にイオン注入および活性化熱処理工程によって選択的に形成され、層厚０．５〜２μｍ程度、ドーピング濃度１〜１００×１０１７ｃｍ−３程度で形成される。また、アノード電極５はドリフト層３上に、ｐ型領域４とも接触するように形成されている。さらに、カソード電極６はｎ型低抵抗炭化珪素基板１の裏面に形成されている。
【００１５】
アノード電極５はドリフト層３に対してはショットキ接触であり、ｐ型領域４に対してはショットキ接触、オーミック接触のいずれであってもよい。アノード電極５が、ｐ型領域４に対してオーミック電極として機能するためには、接触抵抗値として、１０−３Ωｃｍ２以下とすればｐ型領域４を介する電流が流れる際の接触部の影響によるオン電圧の上昇を小さくすることができる。さらに望ましくは１０−４Ωｃｍ２以下の接触抵抗値とすれば、接触部の影響による電圧上昇はほぼ無視することができる。
【００１６】
炭化珪素基板１は、素子抵抗の増大を招かないように、極力抵抗率が小さいことが望ましく、Ｖ族元素を高濃度にドーピングするが、ドーピング濃度が高すぎると結晶欠陥が導入されやすくなるため、通常は１０１９ｃｍ−３前後の濃度になるようにドーピングを行う。本実施の形態では、例えば窒素のような、高濃度にドーピングするにつれて炭化珪素結晶の格子定数が小さくなる元素を炭化珪素基板１のドーパントとして用いる。
【００１７】
バッファ層２は図１（ａ）〜（ｃ）に示すような構成となっている。バッファ層２は、ドーパントのドーピングの濃度の異なる２層以上積層した多層構造で形成され、多層構造の各層のドーパントのドーピング濃度Ｃが、各層の炭化珪素エピタキシャル成長層からの平均距離をｘ、前記バッファ層の厚さをｄ、所定の割合をＰとして、［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）の範囲内にあるように設定する。
ここで、所定の割合Ｐは、２０％であれば良く、より望ましくは、１０％であれば良い。所定の割合Ｐが小さい程、バッファ層２が炭化珪素基板１とバッファ層２との格子不整合を効果的に緩和できるので、格子定数差によって生じる結晶欠陥がエピタキシャル成長層に導入されることをより抑制できる。
【００１８】
図１（ａ）はバッファ層２を２層で構成した場合のバッファ層２の濃度分布を示す図である。この場合、バッファ層２はドリフト層３側の層２ａと基板側の層２ｂの２層からなり、例えば炭化珪素基板１の窒素濃度Ａが１０１９ｃｍ−３、エピタキシャル成長層３の窒素濃度Ｂが１０１６ｃｍ−３でバッファ層２の厚さが１２０ｎｍ、所定の割合Ｐが２０％の場合を考える。バッファ層２のドリフト層３側の層２ａの厚さが４０ｎｍ、バッファ層２の炭化珪素基板１側の層２ｂの厚さが８０ｎｍであれば、ドリフト層３側の層２ａの窒素濃度は、１．３×１０１８ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下、炭化珪素基板１側の層２ｂの窒素濃度は、５．３×１０１８ｃｍ−３以上、８．０×１０１８ｃｍ−３以下であれば良い。
所定の割合Ｐが１０％であれば、ドリフト層３側の層２ａの窒素濃度は、１．５×１０１８ｃｍ−３以上、１．８×１０１８ｃｍ−３以下、炭化珪素基板１側の層２ｂの窒素濃度は、６．０×１０１８ｃｍ−３以上、７．３×１０１８ｃｍ−３以下であれば良い。
【００１９】
図１（ｂ）はバッファ層２を３層で構成した場合のバッファ層２の濃度分布を示す図である。この場合、バッファ層２は、ドリフト層側層２ｃ、中間層２ｄおよび基板側層２ｅの３層からなる。また、図１（ｃ）はバッファ層２を４層で構成した場合のバッファ層２の濃度分布を示す図である。この場合、バッファ層２は、ドリフト層側層２ｆ、ドリフト層側中間層２ｇ、基板側中間層２ｈおよび基板側層２ｉの４層からなる。
【００２０】
図１（ｂ）、（ｃ）のように層数が３層、４層の場合においても、炭化珪素基板１のドーパント濃度をＡ、ドリフト層３のドーパント濃度をＢ、バッファ層２の厚さをｄ、各層のドリフト層３からの平均距離をｘ、所定の割合をＰとして、多層構造の各層のドーパントのドーピング濃度Cが［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）の式を満たし、Ｐが２０％または１０％になるように設定すればよい。
【００２１】
次に、本実施の形態のエピタキシャルウエハの製造方法について説明する。
【００２２】
まず、（０００１）面からオフ角を有する第１導電型であるｎ型の低抵抗炭化珪素基板１を用意する。低抵抗の炭化珪素基板１にはドーパントとして窒素がドーピングされており、そのドーピング濃度Ａは１０１９ｃｍ−３前後の値のものとする。
【００２３】
次に、炭化珪素基板１に対して、アセトンなどを用いた有機洗浄を行なう。つづいて、塩酸と過酸化水素水、アンモニアと過酸化水素水等を用いて炭化珪素基板１の表面の洗浄を行なう。次に、炭化珪素基板１を、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置の基板ホルダ上に設置する。ＣＶＤ装置の反応炉を排気後に、反応炉の圧力が１〜７０ｋＰａ、例えば２５ｋＰａになるように水素ガスなどの還元性ガスを反応炉内に導入する。
【００２４】
つづいて、基板ホルダを高周波誘導加熱することにより、炭化珪素基板１を所定の処理温度、例えば１４５０℃まで加熱する。炭化珪素基板１の温度が安定した後に、原料ガスの供給を開始することによって、エピタキシャル成長を開始する。
【００２５】
原料ガスは、Ｓｉ含有ガスとして例えばシランガス、炭素含有ガスとして例えばプロパンガスを使用する。また、希釈ガスとしては、水素ガスなどを使用する。例えば、シランガスを９ｓｃｃｍ、プロパンガスを２．４ｓｃｃｍを同時に供給し始めるシーケンスでエピタキシャル成長を開始する。この場合、珪素原子と炭素原子との供給比であるＣ／Ｓｉ比はおよそ０．８になる。
【００２６】
ドーパントとして添加する窒素原子は、窒素ガスとして供給する。エピタキシャル層にドーピングされる窒素原子濃度は、エピタキシャル成長条件に依存するが、上記条件下で窒素ガスを３．５ｓｃｃｍ供給すると、エピタキシャル層のキャリア濃度（電子濃度）が１×１０１８ｃｍ−３になる窒素がドーピングされる。また、この条件では、エピタキシャル層の成長速度は、およそ６０ｎｍ／ｍｉｎとなる。
このような条件を適宜変更することにより、バッファ層２の各層の厚さおよびドーピング濃度を設定できる。
【００２７】
したがって、シランガスおよびプロパンガスを一定量供給しつづけて、窒素ガスの供給量を暫時低減してバッファ層２をエピタキシャル成長し、最終的にドリフト層３の濃度の層をエピタキシャル成長する。
【００２８】
所定の厚さのドリフト層３をエピタキシャル成長した後に、シランガス、プロパンガス、窒素ガスの供給を停止し、水素ガスなどの希釈ガスのみを供給した状態で、高周波誘導加熱の出力を低下させ、基板ホルダおよび炭化珪素基板１の温度を下げ、基板ホルダの温度が７０℃以下となった段階で水素ガスの供給を停止し、反応炉内部の残留水素ガスをアルゴンガス等で置換した後、ＣＶＤ装置からエピタキシャルウエハを取り出す。
このようにして、本実施の形態のエピタキシャルウエハを製造することができる。
【００２９】
上記ではバッファ層２を構成する層数Ｎが、Ｎ＝２、３、４の３種類の場合の例を示したが、これ以外の値となる構成でも構わない。このようにバッファ層２を、ドーピング濃度が全体としてリニアスケールで段階的に減少する多層構造としたことにより、炭化珪素基板１とドリフト層３との間の格子定数差は、バッファ層２内部でほぼ均等に分割されることになる。その結果、バッファ層２の格子定数は、炭化珪素基板１からドリフト層３に向かって、膜厚方向に均等に減少するので、炭化珪素基板１とドリフト層３との格子定数差に伴う格子不整合の影響を効果的に緩和することができる。
【００３０】
また、ドーパントが窒素の場合、ドーピング濃度を大きくすると炭化珪素の格子定数が小さくなるため、エピタキシャル成長層であるドリフト層３の格子定数は炭化珪素基板１よりも大きくなる。したがって、バッファ層２においては、水平方向に圧縮、エピタキシャル成長層の成長方向すなわち厚み方向に引張の応力がかかっている。このように、バッファ層２の不純物濃度を、段階的に格子定数をリニアスケールで変化させた構成にすることによって、結晶の成長方向においてエピタキシャル成長後の室温への冷却時の収縮と引張応力とが釣り合うことになり、結晶欠陥が成長方向に伸びず、結晶欠陥が生成されてもバッファ層２を構成する各層あるいは炭化珪素基板１、ドリフト層３とのいずれかの界面に平行な方向に伸びるために、エピタキシャル成長層内に生成されるのを防止することができ、キャリアの移動度の低下が生じることがなく、素子抵抗の低い半導体素子を実現することができる。
【００３１】
また、バッファ層２を構成する各層の厚さを１００ｎｍ以下とし、ドリフト層３の厚さより小さい値とすることで、バッファ層２を導入することによって生じる素子抵抗の上昇を抑えることができる。
【００３２】
なお、窒素濃度を階段状に低減させたバッファ層２を成長させるために、窒素ガスの供給量を一定にしたまま、シランガスおよびプロパンガスを暫時増加させても良い。このとき、シランガスまたはプロパンガスのうち、成長速度を律速している側のガスの流量だけを増加させても良いし、両ガスの流量を同じ割合で増加させても良い。
【００３３】
なお、成長速度の高速化を図るために、原料ガスとして、塩化水素ガス、塩素ガスなどを併用しても良く、また、シリコン原子を含むガスとして、例えばジクロロシラン、トリクロロシランなどを用いても良い。さらに、各原料ガスは希釈して使用しても良い。
【００３４】
また、炭化珪素基板１上に成長する最初の層のドーピング濃度を炭化珪素基板１のドーピング濃度と同等にした場合は、その層は、バッファ層２と見なさず、炭化珪素基板１の一部と見なしても良い。なお、このとき、炭化珪素基板１のドーピング濃度と同等の最初の層のドーピング濃度は、基板のドーピング濃度と完全に同一としなくても良い。
【００３５】
さらに、Ｃ／Ｓｉ比が低い条件でエピタキシャル成長を行えば、いわゆるマイクロパイプ等の基板に含まれる欠陥を閉塞することができるという効果もある。
したがって、エピタキシャル成長の初期段階ではＣ／Ｓｉ比を小さくし、バッファ層２の成長終了時には、Ｃ／Ｓｉ比を高くするように、炭素原子供給ガスであるプロパンガス流量を変化すれば、エピタキシャル成長前に炭化珪素基板１に存在するマイクロパイプ等の欠陥密度を低減することが可能となる。また、このようにすれば、炭素原子供給ガスの消費量を低減できるので、生産性も向上する。
【００３６】
さらに、バッファ層２成長時にＣ／Ｓｉ比を増加させるだけではなく、窒素ガスの供給量を合わせて増加させても良い。窒素ガスの供給量を合わせて変化させることより、より急峻にドーピング濃度が変化したバッファ層２が実現できる。
【００３７】
このように、本実施の形態のエピタキシャルウエハによれば、実質的に、ドーピング濃度がリニアスケールで段階的に減少する多層構造を含むバッファ層２を備えているために、炭化珪素基板１とエピタキシャル成長層３との間の格子定数差によって生じる結晶欠陥がエピタキシャル成長層３に導入されることを抑制できる。その結果、エピタキシャル成長層３の結晶品質劣化を防止でき、厚膜のエピタキシャル成長層３を形成してもキャリアの移動度の低下が生じず、素子抵抗の低いエピタキシャルウエハおよび半導体素子を得ることができる。
【００３８】
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２におけるエピタキシャルウエハの構成を示す断面図である。
図３において、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ１００の炭化珪素基板１とバッファ層２との間に、低濃度層２００を設けている。その他の構成については、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ１００と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００３９】
本実施の形態のエピタキシャルウエハ１００の低濃度層２００は、窒素がドーピングされた炭化珪素で構成されており、窒素のドーピング濃度は、ドリフト層３のドーピング濃度より低い１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下などであれば良く、その厚さは、５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であれば良い。
【００４０】
ここで、低濃度層２００のドーピング濃度が１×１０１６ｃｍ−３よりも大きい、または、低濃度層２００の厚さが５ｎｍ未満と小さすぎる場合には、基底面転位を低減する効果が小さくなる。また、低濃度層２００のドーピング濃度が１×１０１４ｃｍ−３よりも小さい、または、低濃度層２００の厚さが１００ｎｍより大きい場合には、低濃度層２００を貫通して流れる電流に対する抵抗値が大きくなりすぎ、半導体素子の抵抗が増大するので、好ましくない。
【００４１】
更に、いわゆる基底面転位を低減する為に、バッファ層の成長後、Ｃ／Ｓｉを増加して成長を行っても良い。
【００４２】
このように、ドリフト層３よりもドーピング濃度が低い低濃度層２００を成長した後、［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）の式を満たし、所定の割合Ｐが２０％または１０％になるバッファ層２をエピタキシャル成長することにより、より基底面転位を低減したエピタキシャル成長層３をエピタキシャル成長でき、基底面転位を低減したエピタキシャルウエハを得ることができる。
【００４３】
実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３における半導体素子の構成を示す断面図である。
図４において半導体素子である炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ１０２は、実施の形態１と同様に、（０００１）面からオフ角を有するｎ型低抵抗炭化珪素基板１と、この炭化珪素基板１上に形成されたｎ型バッファ層２と、このバッファ層２上にエピタキシャル成長により形成されたエピタキシャル成長層３とを有するエピタキシャルウエハ１００を用いて形成されている。なお、バッファ層２の構成については実施の形態１と同様であり、エピタキシャル成長層３が耐圧を保持するためのｎ型炭化珪素ドリフト層として機能することも実施の形態１と同様である。
【００４４】
ｐ型炭化珪素ボディ領域１４およびｎ型炭化珪素ソース領域１５は、ｎ型ドリフト層３中にイオン注入および活性化熱処理工程によって選択的に形成される。ボディ領域１４は、層厚が０．５〜２μｍ程度、ドーピング濃度が３〜２０×１０１７ｃｍ−３程度であって、チャネルが形成されることになる、あるいはチャネルと近接することになる最表面においてはドーピング濃度を下げた構成とすることもできる。最表面のドーピング濃度を下げることで、不純物による散乱が低減されて、チャネルにおけるキャリア移動度が増加して素子抵抗を下げることができる。ボディ領域１４のうちコンタクト領域２４の最表面領域のみは５〜５０×１０１８ｃｍ−３程度と、他の部分より高濃度のドーピングとなるように別途選択的にイオン注入を行ってもよい。ソース領域１５としては層厚０．３〜１μｍ程度、ドーピング濃度５〜５０×１０１８ｃｍ−３程度である。
【００４５】
この層構造の上にゲート絶縁膜１７、ゲート電極１８を形成してゲート部を作製する。
図４に示したＭＯＳＦＥＴ１０２にはチャネル層が設けられていないが、別途チャネル層を設けてもよい。チャネル層を設ける場合、その導電型はｎ型でもｐ型でもよく、イオン注入種の活性化熱処理によって生じた表面荒れを改善するには、例えばエピタキシャル成長による形成が望ましいが、活性化熱処理によって生じる表面荒れが少なければ選択的なイオン注入によってチャネル層を形成した構造としてもよい。
【００４６】
イオン注入種の活性化熱処理は一括して行ってもよいし、それぞれの注入工程ごとに活性化熱処理を行ってもよい。
【００４７】
ゲート絶縁膜１７はシリコン酸化膜もしくはシリコン酸化窒化膜等を、炭化珪素半導体の熱酸化や窒化、または絶縁膜を堆積成膜することによる形成、あるいはこれらの併用によってボディ領域のうちチャネルとなる領域３４と対向する部分において１０〜１００ｎｍ程度の厚さに形成する。
【００４８】
ゲート電極１８は多結晶シリコン膜や金属膜の成膜によって形成する。ゲート部以外の領域について、チャネル層（図示せず）、ゲート絶縁膜１７、ゲート電極１８を除去する。チャネル層についてはゲート絶縁膜１７の形成前にゲート部以外の領域を除去してもよい。
層間絶縁膜１９を形成したのち、ソース電極２０の接触部となる領域の層間絶縁膜を除去してから、ソース電極２０を形成する。さらにドレイン電極２１をｎ型基板１の裏面に、ソース電極２０および層間絶縁膜１９上に配線２２を形成する。図示しないが、ゲート電極パッドが形成される素子外周部の一部領域においては層間絶縁膜上の配線２２は除去された構成となる。
【００４９】
バッファ層２は図１に示すような実施の形態１と同様の構成であって、バッファ層２をドーピング濃度がリニアスケールで略等間隔に段階的に減少する同じ層厚の多層構造としたことにより、エピタキシャル成長層であるドリフト層３への結晶欠陥の導入を防止することができ、キャリアの移動度の低下が生じることがなく、素子抵抗の上昇を抑えることができる。
なお、バッファ層２は図３に示すような実施の形態２と同様の構成であっても、同様の効果を奏する。
【００５０】
また、バッファ層２を構成する各層の厚さを１００ｎｍ以下とし、ドリフト層３の厚さより極めて小さい値とすることで、バッファ層２を導入することによって生じる素子抵抗の上昇を抑えることができる。
【００５１】
上記の実施の形態１〜３では、炭化珪素基板１の面方位を（０００１）面からオフ角を有した面としているが、オフ角を有さない（０００１）面や（０００−１）面、（１１−２０）面、（０３−３８）面など、いずれの結晶面方位においても、図１に示した構成のバッファ層は結晶欠陥のエピタキシャル成長層への導入を防止することができるとともに、素子抵抗の上昇を抑えることができる。
【００５２】
また、実施の形態１〜３では、ドーパントとして窒素の例を示したが、窒素以外であっても、ドーピングにより炭化珪素結晶の格子定数が減少するドーパントであれば、バッファ層を図１で示した構成とすることにより、エピタキシャル成長層への結晶欠陥の導入を防止することができるとともに、素子抵抗の上昇を抑えることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 炭化珪素基板、 ２ バッファ層、 ３ ドリフト層（エピタキシャル成長層）、 １００ エピタキシャルウエハ、 １０１ ショットキバリアダイオード、 １０２ ＭＯＳＦＥＴ、２００ 低濃度層。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化珪素を材料とするエピタキシャルウエハおよびこのエピタキシャルウエハを用いて形成した半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素半導体を用いた半導体素子では、素子構造として、低抵抗基板上に成長させたエピタキシャル成長層を動作層として用いる場合が多い。パワー半導体素子ではエピタキシャル成長層が耐圧層として機能するが、通常、エピタキシャル成長層は単層で形成され（例えば、特許文献１参照）、動作させる電圧によってはエピタキシャル成長層は３〜１００μｍ、あるいはそれ以上の厚さであり、そのドーピング濃度は高々１０１６ｃｍ−３台で、むしろ１０１５ｃｍ−３台の場合が多い。それに対して、基板となる低抵抗結晶には１０１９ｃｍ−３前後のドーパントがドーピングされている場合が多い。したがって、エピタキシャル成長層（耐圧層）と基板とではドーピング濃度が大きく異なるために、両者の格子定数は異なり、エピタキシャル成長層の厚さが厚い場合には、格子定数差、すなわち格子不整合に伴う結晶欠陥の導入によってエピタキシャル成長層の結晶品質が劣化し、その結果、キャリアの移動度が低下して、素子抵抗が増大するという問題が生じる。
【０００３】
そこで、格子定数差により生じる結晶品質への影響を緩和するため、基板とエピタキシャル成長層との間にドーピング濃度２×１０１５〜３×１０１９ｃｍ−３、層厚０．３〜１５μｍのバッファ層を設けることが（１１−２０）面の炭化珪素結晶に対して開示されており、上記のドーピング濃度および層厚の範囲の単層膜や、段階的傾斜構造、連続的傾斜構造を設けることが示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、基板とエピタキシャル成長層との間に設けるバッファ層としては、基底面転位がエピタキシャル成長層に導入されるのを抑制することを目的として、下地となる基板のドーピング濃度の１／１０〜１／２程度のドーピング濃度の層を複数積層し、ドーピング濃度が階段状に変化する段階的傾斜膜を設けることが、（０００１）面および（０００−１）面の炭化珪素結晶について示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２６８２０２号公報
【特許文献２】特開２０００−３１９０９９号公報
【特許文献３】特開２００８−７４６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のような従来の炭化珪素半導体を材料とするエピタキシャルウエハおよび半導体素子においては、基板と、耐圧層となるエピタキシャル成長層との間に、単層膜や、ドーピング濃度が段階的または連続的に変化する段階的傾斜構造または連続的傾斜構造のバッファ層を設けることが開示されているが、基板およびエピタキシャル成長層のドーパントの種類やその濃度に応じた適切な構成は示されていなかった。特に段階的傾斜構造のバッファ層や連続的傾斜構造のバッファ層について、添加するドーパントによって生じる格子不整合の向きを考慮したバッファ層の構成は示されていないため、従来の炭化珪素エピタキシャルウエハおよび半導体素子では、エピタキシャル成長層の結晶品質が劣化し、キャリアの移動度が低下する場合があった。
【０００７】
この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、従来よりもエピタキシャル成長層の結晶品質を向上させることができ、厚膜のエピタキシャル成長層を形成する場合においてもキャリア移動度の低下が生じず、素子抵抗の低いエピタキシャルウエハおよび半導体素子を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るエピタキシャルウエハおよび半導体素子は、ドーピングにより格子定数が減少するドーパントを濃度Ａでドーピングした第１導電型の炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板上に設けられ、前記ドーパントがドーピングされた第１導電型のバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、前記ドーパントが前記炭化珪素基板よりも小さい濃度Ｂでドーピングされた第１導電型の炭化珪素エピタキシャル成長層とを有し、前記バッファ層は、前記ドーパントのドーピング濃度が異なる層が２層以上積層した多層構造で形成され、前記多層構造の各層の前記ドーパントのドーピング濃度Ｃが、前記各層の前記炭化珪素エピタキシャル成長層からの平均距離をｘ、前記バッファ層の厚さをｄ、所定の割合をＰとして、［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）の範囲にあるものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、炭化珪素基板とエピタキシャル成長層との格子不整合を効果的に緩和することができるので、炭化珪素基板とエピタキシャル成長層との格子定数差によって生じる結晶欠陥がエピタキシャル成長層に導入されることを抑制できる。その結果、エピタキシャル成長層の結晶品質劣化を防止でき、厚膜のエピタキシャル成長層を形成してもキャリアの移動度の低下が生じず、素子抵抗の低いエピタキシャルウエハおよび半導体素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるエピタキシャルウエハの構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるエピタキシャルウエハの構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３における半導体素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、結晶面を示すミラー指数の表示法においては、負の指数を表す負号は指数の上に付けるのが一般的であるが、本明細書では、負号を指数の前に付けて示す。
【００１２】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における半導体素子の構成を示す断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１におけるエピタキシャルウエハの構成を示す断面図である。
【００１３】
図２において、エピタキシャルウエハ１００は、（０００１）面からオフ角を有する第１導電型であるｎ型の低抵抗炭化珪素基板１と、この炭化珪素基板１上に形成されたｎ型バッファ層２と、このバッファ層２上にエピタキシャル成長により形成された、エピタキシャル成長層３とで構成されている。バッファ層２の構成については別途詳述する。
【００１４】
そして、このエピタキシャルウエハ１００を用いて、図１に示す半導体素子である炭化珪素ショットキバリアダイオード１０１が形成される。ショットキバリアダイオード１０１においては、エピタキシャルウエハ１００のエピタキシャル成長層３が耐圧を保持するためのｎ型ドリフト層３となる。このドリフト層３の層厚は３〜１５０μｍ程度、ドーピング濃度Ｂは０．５〜２０×１０１５ｃｍ−３程度であり、炭化珪素基板１のドーピング濃度Ａよりも低く形成されている。また、ショットキバリアダイオード１０１の素子周辺部には、第２導電型であるｐ型領域４が終端構造として形成されている。このｐ型領域４は、エピタキシャルウエハ１００中のエピタキシャル成長層３中にイオン注入および活性化熱処理工程によって選択的に形成され、層厚０．５〜２μｍ程度、ドーピング濃度１〜１００×１０１７ｃｍ−３程度で形成される。また、アノード電極５はドリフト層３上に、ｐ型領域４とも接触するように形成されている。さらに、カソード電極６はｎ型低抵抗炭化珪素基板１の裏面に形成されている。
【００１５】
アノード電極５はドリフト層３に対してはショットキ接触であり、ｐ型領域４に対してはショットキ接触、オーミック接触のいずれであってもよい。アノード電極５が、ｐ型領域４に対してオーミック電極として機能するためには、接触抵抗値として、１０−３Ωｃｍ２以下とすればｐ型領域４を介する電流が流れる際の接触部の影響によるオン電圧の上昇を小さくすることができる。さらに望ましくは１０−４Ωｃｍ２以下の接触抵抗値とすれば、接触部の影響による電圧上昇はほぼ無視することができる。
【００１６】
炭化珪素基板１は、素子抵抗の増大を招かないように、極力抵抗率が小さいことが望ましく、Ｖ族元素を高濃度にドーピングするが、ドーピング濃度が高すぎると結晶欠陥が導入されやすくなるため、通常は１０１９ｃｍ−３前後の濃度になるようにドーピングを行う。本実施の形態では、例えば窒素のような、高濃度にドーピングするにつれて炭化珪素結晶の格子定数が小さくなる元素を炭化珪素基板１のドーパントとして用いる。
【００１７】
バッファ層２は図１（ａ）〜（ｃ）に示すような構成となっている。バッファ層２は、ドーパントのドーピングの濃度の異なる２層以上積層した多層構造で形成され、多層構造の各層のドーパントのドーピング濃度Ｃが、各層の炭化珪素エピタキシャル成長層からの平均距離をｘ、前記バッファ層の厚さをｄ、所定の割合をＰとして、［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）の範囲内にあるように設定する。
ここで、所定の割合Ｐは、２０％であれば良く、より望ましくは、１０％であれば良い。所定の割合Ｐが小さい程、バッファ層２が炭化珪素基板１とバッファ層２との格子不整合を効果的に緩和できるので、格子定数差によって生じる結晶欠陥がエピタキシャル成長層に導入されることをより抑制できる。
【００１８】
図１（ａ）はバッファ層２を２層で構成した場合のバッファ層２の濃度分布を示す図である。この場合、バッファ層２はドリフト層３側の層２ａと基板側の層２ｂの２層からなり、例えば炭化珪素基板１の窒素濃度Ａが１０１９ｃｍ−３、エピタキシャル成長層３の窒素濃度Ｂが１０１６ｃｍ−３でバッファ層２の厚さが１２０ｎｍ、所定の割合Ｐが２０％の場合を考える。バッファ層２のドリフト層３側の層２ａの厚さが４０ｎｍ、バッファ層２の炭化珪素基板１側の層２ｂの厚さが８０ｎｍであれば、ドリフト層３側の層２ａの窒素濃度は、１．３×１０１８ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下、炭化珪素基板１側の層２ｂの窒素濃度は、５．３×１０１８ｃｍ−３以上、８．０×１０１８ｃｍ−３以下であれば良い。
所定の割合Ｐが１０％であれば、ドリフト層３側の層２ａの窒素濃度は、１．５×１０１８ｃｍ−３以上、１．８×１０１８ｃｍ−３以下、炭化珪素基板１側の層２ｂの窒素濃度は、６．０×１０１８ｃｍ−３以上、７．３×１０１８ｃｍ−３以下であれば良い。
【００１９】
図１（ｂ）はバッファ層２を３層で構成した場合のバッファ層２の濃度分布を示す図である。この場合、バッファ層２は、ドリフト層側層２ｃ、中間層２ｄおよび基板側層２ｅの３層からなる。また、図１（ｃ）はバッファ層２を４層で構成した場合のバッファ層２の濃度分布を示す図である。この場合、バッファ層２は、ドリフト層側層２ｆ、ドリフト層側中間層２ｇ、基板側中間層２ｈおよび基板側層２ｉの４層からなる。
【００２０】
図１（ｂ）、（ｃ）のように層数が３層、４層の場合においても、炭化珪素基板１のドーパント濃度をＡ、ドリフト層３のドーパント濃度をＢ、バッファ層２の厚さをｄ、各層のドリフト層３からの平均距離をｘ、所定の割合をＰとして、多層構造の各層のドーパントのドーピング濃度Cが［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）の式を満たし、Ｐが２０％または１０％になるように設定すればよい。
【００２１】
次に、本実施の形態のエピタキシャルウエハの製造方法について説明する。
【００２２】
まず、（０００１）面からオフ角を有する第１導電型であるｎ型の低抵抗炭化珪素基板１を用意する。低抵抗の炭化珪素基板１にはドーパントとして窒素がドーピングされており、そのドーピング濃度Ａは１０１９ｃｍ−３前後の値のものとする。
【００２３】
次に、炭化珪素基板１に対して、アセトンなどを用いた有機洗浄を行なう。つづいて、塩酸と過酸化水素水、アンモニアと過酸化水素水等を用いて炭化珪素基板１の表面の洗浄を行なう。次に、炭化珪素基板１を、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置の基板ホルダ上に設置する。ＣＶＤ装置の反応炉を排気後に、反応炉の圧力が１〜７０ｋＰａ、例えば２５ｋＰａになるように水素ガスなどの還元性ガスを反応炉内に導入する。
【００２４】
つづいて、基板ホルダを高周波誘導加熱することにより、炭化珪素基板１を所定の処理温度、例えば１４５０℃まで加熱する。炭化珪素基板１の温度が安定した後に、原料ガスの供給を開始することによって、エピタキシャル成長を開始する。
【００２５】
原料ガスは、Ｓｉ含有ガスとして例えばシランガス、炭素含有ガスとして例えばプロパンガスを使用する。また、希釈ガスとしては、水素ガスなどを使用する。例えば、シランガスを９ｓｃｃｍ、プロパンガスを２．４ｓｃｃｍを同時に供給し始めるシーケンスでエピタキシャル成長を開始する。この場合、珪素原子と炭素原子との供給比であるＣ／Ｓｉ比はおよそ０．８になる。
【００２６】
ドーパントとして添加する窒素原子は、窒素ガスとして供給する。エピタキシャル層にドーピングされる窒素原子濃度は、エピタキシャル成長条件に依存するが、上記条件下で窒素ガスを３．５ｓｃｃｍ供給すると、エピタキシャル層のキャリア濃度（電子濃度）が１×１０１８ｃｍ−３になる窒素がドーピングされる。また、この条件では、エピタキシャル層の成長速度は、およそ６０ｎｍ／ｍｉｎとなる。
このような条件を適宜変更することにより、バッファ層２の各層の厚さおよびドーピング濃度を設定できる。
【００２７】
したがって、シランガスおよびプロパンガスを一定量供給しつづけて、窒素ガスの供給量を暫時低減してバッファ層２をエピタキシャル成長し、最終的にドリフト層３の濃度の層をエピタキシャル成長する。
【００２８】
所定の厚さのドリフト層３をエピタキシャル成長した後に、シランガス、プロパンガス、窒素ガスの供給を停止し、水素ガスなどの希釈ガスのみを供給した状態で、高周波誘導加熱の出力を低下させ、基板ホルダおよび炭化珪素基板１の温度を下げ、基板ホルダの温度が７０℃以下となった段階で水素ガスの供給を停止し、反応炉内部の残留水素ガスをアルゴンガス等で置換した後、ＣＶＤ装置からエピタキシャルウエハを取り出す。
このようにして、本実施の形態のエピタキシャルウエハを製造することができる。
【００２９】
上記ではバッファ層２を構成する層数Ｎが、Ｎ＝２、３、４の３種類の場合の例を示したが、これ以外の値となる構成でも構わない。このようにバッファ層２を、ドーピング濃度が全体としてリニアスケールで段階的に減少する多層構造としたことにより、炭化珪素基板１とドリフト層３との間の格子定数差は、バッファ層２内部でほぼ均等に分割されることになる。その結果、バッファ層２の格子定数は、炭化珪素基板１からドリフト層３に向かって、膜厚方向に均等に減少するので、炭化珪素基板１とドリフト層３との格子定数差に伴う格子不整合の影響を効果的に緩和することができる。
【００３０】
また、ドーパントが窒素の場合、ドーピング濃度を大きくすると炭化珪素の格子定数が小さくなるため、エピタキシャル成長層であるドリフト層３の格子定数は炭化珪素基板１よりも大きくなる。したがって、バッファ層２においては、水平方向に圧縮、エピタキシャル成長層の成長方向すなわち厚み方向に引張の応力がかかっている。このように、バッファ層２の不純物濃度を、段階的に格子定数をリニアスケールで変化させた構成にすることによって、結晶の成長方向においてエピタキシャル成長後の室温への冷却時の収縮と引張応力とが釣り合うことになり、結晶欠陥が成長方向に伸びず、結晶欠陥が生成されてもバッファ層２を構成する各層あるいは炭化珪素基板１、ドリフト層３とのいずれかの界面に平行な方向に伸びるために、エピタキシャル成長層内に生成されるのを防止することができ、キャリアの移動度の低下が生じることがなく、素子抵抗の低い半導体素子を実現することができる。
【００３１】
また、バッファ層２を構成する各層の厚さを１００ｎｍ以下とし、ドリフト層３の厚さより小さい値とすることで、バッファ層２を導入することによって生じる素子抵抗の上昇を抑えることができる。
【００３２】
なお、窒素濃度を階段状に低減させたバッファ層２を成長させるために、窒素ガスの供給量を一定にしたまま、シランガスおよびプロパンガスを暫時増加させても良い。このとき、シランガスまたはプロパンガスのうち、成長速度を律速している側のガスの流量だけを増加させても良いし、両ガスの流量を同じ割合で増加させても良い。
【００３３】
なお、成長速度の高速化を図るために、原料ガスとして、塩化水素ガス、塩素ガスなどを併用しても良く、また、シリコン原子を含むガスとして、例えばジクロロシラン、トリクロロシランなどを用いても良い。さらに、各原料ガスは希釈して使用しても良い。
【００３４】
また、炭化珪素基板１上に成長する最初の層のドーピング濃度を炭化珪素基板１のドーピング濃度と同等にした場合は、その層は、バッファ層２と見なさず、炭化珪素基板１の一部と見なしても良い。なお、このとき、炭化珪素基板１のドーピング濃度と同等の最初の層のドーピング濃度は、基板のドーピング濃度と完全に同一としなくても良い。
【００３５】
さらに、Ｃ／Ｓｉ比が低い条件でエピタキシャル成長を行えば、いわゆるマイクロパイプ等の基板に含まれる欠陥を閉塞することができるという効果もある。
したがって、エピタキシャル成長の初期段階ではＣ／Ｓｉ比を小さくし、バッファ層２の成長終了時には、Ｃ／Ｓｉ比を高くするように、炭素原子供給ガスであるプロパンガス流量を変化すれば、エピタキシャル成長前に炭化珪素基板１に存在するマイクロパイプ等の欠陥密度を低減することが可能となる。また、このようにすれば、炭素原子供給ガスの消費量を低減できるので、生産性も向上する。
【００３６】
さらに、バッファ層２成長時にＣ／Ｓｉ比を増加させるだけではなく、窒素ガスの供給量を合わせて増加させても良い。窒素ガスの供給量を合わせて変化させることより、より急峻にドーピング濃度が変化したバッファ層２が実現できる。
【００３７】
このように、本実施の形態のエピタキシャルウエハによれば、実質的に、ドーピング濃度がリニアスケールで段階的に減少する多層構造を含むバッファ層２を備えているために、炭化珪素基板１とエピタキシャル成長層３との間の格子定数差によって生じる結晶欠陥がエピタキシャル成長層３に導入されることを抑制できる。その結果、エピタキシャル成長層３の結晶品質劣化を防止でき、厚膜のエピタキシャル成長層３を形成してもキャリアの移動度の低下が生じず、素子抵抗の低いエピタキシャルウエハおよび半導体素子を得ることができる。
【００３８】
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２におけるエピタキシャルウエハの構成を示す断面図である。
図３において、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ１００の炭化珪素基板１とバッファ層２との間に、低濃度層２００を設けている。その他の構成については、実施の形態１の炭化珪素エピタキシャルウエハ１００と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００３９】
本実施の形態のエピタキシャルウエハ１００の低濃度層２００は、窒素がドーピングされた炭化珪素で構成されており、窒素のドーピング濃度は、ドリフト層３のドーピング濃度より低い１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下などであれば良く、その厚さは、５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であれば良い。
【００４０】
ここで、低濃度層２００のドーピング濃度が１×１０１６ｃｍ−３よりも大きい、または、低濃度層２００の厚さが５ｎｍ未満と小さすぎる場合には、基底面転位を低減する効果が小さくなる。また、低濃度層２００のドーピング濃度が１×１０１４ｃｍ−３よりも小さい、または、低濃度層２００の厚さが１００ｎｍより大きい場合には、低濃度層２００を貫通して流れる電流に対する抵抗値が大きくなりすぎ、半導体素子の抵抗が増大するので、好ましくない。
【００４１】
更に、いわゆる基底面転位を低減する為に、バッファ層の成長後、Ｃ／Ｓｉを増加して成長を行っても良い。
【００４２】
このように、ドリフト層３よりもドーピング濃度が低い低濃度層２００を成長した後、［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）の式を満たし、所定の割合Ｐが２０％または１０％になるバッファ層２をエピタキシャル成長することにより、より基底面転位を低減したエピタキシャル成長層３をエピタキシャル成長でき、基底面転位を低減したエピタキシャルウエハを得ることができる。
【００４３】
実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３における半導体素子の構成を示す断面図である。
図４において半導体素子である炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ１０２は、実施の形態１と同様に、（０００１）面からオフ角を有するｎ型低抵抗炭化珪素基板１と、この炭化珪素基板１上に形成されたｎ型バッファ層２と、このバッファ層２上にエピタキシャル成長により形成されたエピタキシャル成長層３とを有するエピタキシャルウエハ１００を用いて形成されている。なお、バッファ層２の構成については実施の形態１と同様であり、エピタキシャル成長層３が耐圧を保持するためのｎ型炭化珪素ドリフト層として機能することも実施の形態１と同様である。
【００４４】
ｐ型炭化珪素ボディ領域１４およびｎ型炭化珪素ソース領域１５は、ｎ型ドリフト層３中にイオン注入および活性化熱処理工程によって選択的に形成される。ボディ領域１４は、層厚が０．５〜２μｍ程度、ドーピング濃度が３〜２０×１０１７ｃｍ−３程度であって、チャネルが形成されることになる、あるいはチャネルと近接することになる最表面においてはドーピング濃度を下げた構成とすることもできる。最表面のドーピング濃度を下げることで、不純物による散乱が低減されて、チャネルにおけるキャリア移動度が増加して素子抵抗を下げることができる。ボディ領域１４のうちコンタクト領域２４の最表面領域のみは５〜５０×１０１８ｃｍ−３程度と、他の部分より高濃度のドーピングとなるように別途選択的にイオン注入を行ってもよい。ソース領域１５としては層厚０．３〜１μｍ程度、ドーピング濃度５〜５０×１０１８ｃｍ−３程度である。
【００４５】
この層構造の上にゲート絶縁膜１７、ゲート電極１８を形成してゲート部を作製する。
図４に示したＭＯＳＦＥＴ１０２にはチャネル層が設けられていないが、別途チャネル層を設けてもよい。チャネル層を設ける場合、その導電型はｎ型でもｐ型でもよく、イオン注入種の活性化熱処理によって生じた表面荒れを改善するには、例えばエピタキシャル成長による形成が望ましいが、活性化熱処理によって生じる表面荒れが少なければ選択的なイオン注入によってチャネル層を形成した構造としてもよい。
【００４６】
イオン注入種の活性化熱処理は一括して行ってもよいし、それぞれの注入工程ごとに活性化熱処理を行ってもよい。
【００４７】
ゲート絶縁膜１７はシリコン酸化膜もしくはシリコン酸化窒化膜等を、炭化珪素半導体の熱酸化や窒化、または絶縁膜を堆積成膜することによる形成、あるいはこれらの併用によってボディ領域のうちチャネルとなる領域３４と対向する部分において１０〜１００ｎｍ程度の厚さに形成する。
【００４８】
ゲート電極１８は多結晶シリコン膜や金属膜の成膜によって形成する。ゲート部以外の領域について、チャネル層（図示せず）、ゲート絶縁膜１７、ゲート電極１８を除去する。チャネル層についてはゲート絶縁膜１７の形成前にゲート部以外の領域を除去してもよい。
層間絶縁膜１９を形成したのち、ソース電極２０の接触部となる領域の層間絶縁膜を除去してから、ソース電極２０を形成する。さらにドレイン電極２１をｎ型基板１の裏面に、ソース電極２０および層間絶縁膜１９上に配線２２を形成する。図示しないが、ゲート電極パッドが形成される素子外周部の一部領域においては層間絶縁膜上の配線２２は除去された構成となる。
【００４９】
バッファ層２は図１に示すような実施の形態１と同様の構成であって、バッファ層２をドーピング濃度がリニアスケールで略等間隔に段階的に減少する同じ層厚の多層構造としたことにより、エピタキシャル成長層であるドリフト層３への結晶欠陥の導入を防止することができ、キャリアの移動度の低下が生じることがなく、素子抵抗の上昇を抑えることができる。
なお、バッファ層２は図３に示すような実施の形態２と同様の構成であっても、同様の効果を奏する。
【００５０】
また、バッファ層２を構成する各層の厚さを１００ｎｍ以下とし、ドリフト層３の厚さより極めて小さい値とすることで、バッファ層２を導入することによって生じる素子抵抗の上昇を抑えることができる。
【００５１】
上記の実施の形態１〜３では、炭化珪素基板１の面方位を（０００１）面からオフ角を有した面としているが、オフ角を有さない（０００１）面や（０００−１）面、（１１−２０）面、（０３−３８）面など、いずれの結晶面方位においても、図１に示した構成のバッファ層は結晶欠陥のエピタキシャル成長層への導入を防止することができるとともに、素子抵抗の上昇を抑えることができる。
【００５２】
また、実施の形態１〜３では、ドーパントとして窒素の例を示したが、窒素以外であっても、ドーピングにより炭化珪素結晶の格子定数が減少するドーパントであれば、バッファ層を図１で示した構成とすることにより、エピタキシャル成長層への結晶欠陥の導入を防止することができるとともに、素子抵抗の上昇を抑えることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 炭化珪素基板、 ２ バッファ層、 ３ ドリフト層（エピタキシャル成長層）、 １００ エピタキシャルウエハ、 １０１ ショットキバリアダイオード、 １０２ ＭＯＳＦＥＴ、２００ 低濃度層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーピングにより格子定数が減少するドーパントを濃度Ａでドーピングした第１導電型の炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に設けられ、前記ドーパントがドーピングされた第１導電型のバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、前記ドーパントが前記炭化珪素基板よりも小さい濃度Ｂでドーピングされた第１導電型の炭化珪素エピタキシャル成長層とを有し、
前記バッファ層は、前記ドーパントのドーピング濃度が異なる層が２層以上積層した多層構造で形成され、前記多層構造の各層のドーパントのドーピング濃度Ｃが、前記各層の前記炭化珪素エピタキシャル成長層からの平均距離をｘ、前記バッファ層の厚さをｄ、所定の割合をＰとして、［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）の範囲にあることを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項２】
前記所定の割合Ｐは、２０％であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記所定の割合Ｐは、１０％であることを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項４】
前記ドーパントは、窒素であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項５】
前記バッファ層の多層構造の各層は、１００ｎｍ以下の層厚であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項６】
前記炭化珪素基板と前記バッファ層との間に、厚さが１００ｎｍ以下で前記ドーパントのドーピング濃度が前記炭化珪素エピタキシャル成長層のドーピング濃度Ｂ以下の低濃度層を設けたことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの前記炭化珪素エピタキシャル成長層をドリフト層として備えたことを特徴とする半導体素子。
【請求項１】
ドーピングにより格子定数が減少するドーパントを濃度Ａでドーピングした第１導電型の炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に設けられ、前記ドーパントがドーピングされた第１導電型のバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、前記ドーパントが前記炭化珪素基板よりも小さい濃度Ｂでドーピングされた第１導電型の炭化珪素エピタキシャル成長層とを有し、
前記バッファ層は、前記ドーパントのドーピング濃度が異なる層が２層以上積層した多層構造で形成され、前記多層構造の各層のドーパントのドーピング濃度Ｃが、前記各層の前記炭化珪素エピタキシャル成長層からの平均距離をｘ、前記バッファ層の厚さをｄ、所定の割合をＰとして、［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１−Ｐ）≦Ｃ≦［Ｂ＋（Ａ−Ｂ）×ｘ／ｄ］×（１＋Ｐ）の範囲にあることを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項２】
前記所定の割合Ｐは、２０％であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記所定の割合Ｐは、１０％であることを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項４】
前記ドーパントは、窒素であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項５】
前記バッファ層の多層構造の各層は、１００ｎｍ以下の層厚であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項６】
前記炭化珪素基板と前記バッファ層との間に、厚さが１００ｎｍ以下で前記ドーパントのドーピング濃度が前記炭化珪素エピタキシャル成長層のドーピング濃度Ｂ以下の低濃度層を設けたことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの前記炭化珪素エピタキシャル成長層をドリフト層として備えたことを特徴とする半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１８６５９（Ｐ２０１３−１８６５９Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５０８９８（Ｐ２０１１−１５０８９８）
【出願日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]