炭化珪素ウェハの製造方法、炭化珪素ウェハ及び炭化珪素半導体素子並びに電力変換装置
【課題】製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつ基底面転位（ＢＰＤ）をより確実に貫通刃状転位（ＴＥＤ）に転換できる炭化珪素ウェハの製造方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素基板１の一方面にＳｉイオンを注入し、又は電子線照射する第１工程と、炭化珪素基板１をアニール処理する第２工程と、炭化珪素基板１の一方面側をエピタキシャル成長させてエピタキシャル膜３を得を形成する第３工程とを備える。前記炭化珪素基板に注入されるイオンは、Ｓｉイオン、Ｃイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオン、Ｐイオン、Ａｌイオン、Ｂイオン及びＮイオンからなる群から選択される少なくとも一種である。
【解決手段】炭化珪素基板１の一方面にＳｉイオンを注入し、又は電子線照射する第１工程と、炭化珪素基板１をアニール処理する第２工程と、炭化珪素基板１の一方面側をエピタキシャル成長させてエピタキシャル膜３を得を形成する第３工程とを備える。前記炭化珪素基板に注入されるイオンは、Ｓｉイオン、Ｃイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオン、Ｐイオン、Ａｌイオン、Ｂイオン及びＮイオンからなる群から選択される少なくとも一種である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素ウェハの製造方法、炭化珪素ウェハ及び炭化珪素半導体素子並びに電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコンと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているシリコン単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。炭化珪素の単結晶を製造する方法としては、昇華法やＣＶＤ法が用いられている。
【０００３】
炭化珪素は、通常の圧力では液相を持たず、また、昇華温度が極めて高いこと等から、従来の昇華法やＣＶＤ法により、転位や積層欠陥等の結晶欠陥を含まないような高品質の結晶成長を行うことが困難である。
【０００４】
現在市販されている炭化珪素基板には、１０２cm−２〜１０３cm−２程度のｃ軸方向に伝播する貫通らせん転位、１０２cm−２〜１０４cm−２程度のｃ軸方向に伝播する貫通刃状転位、１０２cm−２〜１０４cm−２程度のｃ軸と垂直方向に伝播する転位（基底面転位）が存在している。これらの転位密度は、その基板の品質によって大きく異なる。
【０００５】
炭化珪素基板に内在しているこれらの転位は、基板上にエピタキシャル膜を成長させる際に、このエピタキシャル膜中に伝播する。このとき、一部の転位は、エピタキシャル膜中に伝播する際にその伸張方向（伝播方向）を変える場合もあることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
例えば、基底面転位（以下、ＢＰＤ）は、基板の表面にその一端若しくは両端が現れている。その基板にエピタキシャル膜を結晶成長させると、基板内のＢＰＤの多くは基板とエピタキシャル膜との界面近傍で貫通刃状転位（以下、ＴＥＤ）に転換され、ＢＰＤの一部はＢＰＤのままエピタキシャル膜中に伝播する。
【０００７】
したがって、エピタキシャル膜中には、基板よりそのまま伝播したＢＰＤに加えて、エピタキシャル成長時に導入されたＴＥＤが含まれていることになる。これらの転位は、そのエピタキシャル膜を用いて形成した半導体素子の耐電圧や信頼性を低下させる。特に、エピタキシャル膜に含まれるＢＰＤは、半導体素子の信頼性や性能を低下させる。一方、エピタキシャル膜に含まれるＴＥＤは、半導体素子の信頼性や性能に与える悪影響は小さいとされている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００８】
そこで、炭化珪素基板に含まれるＢＰＤをＴＥＤに転換し、ＴＥＤの割合を高める方法が検討されている。
【０００９】
（１）溶融ＫＯＨを用いて基板表面をエッチングする。このエッチングにより、基板表面におけるＢＰＤの先端部が選択的に深くエッチングされ、エッチピットが生じる。その後、基板にエピタキシャル成長を行う。基板表面におけるＢＰＤの先端部のエッチピットの存在により、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献１、非特許文献３及び非特許文献４参照）。
【００１０】
（２）リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて基板表面に六角形若しくはストライプ状の溝を形成し、その後、基板にエピタキシャル成長を行う。基板表面における角形若しくはストライプ状の溝の存在により、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献２、特許文献３及び非特許文献３参照）。
【００１１】
（３）基板表面に、化学機械研磨（ＣＭＰ）と水素エッチングを行う。これにより基板表面におけるダメージ層が除去され、基板表面が平坦化される。その後に、基板表面に対してエピタキシャル成長を行う。これにより、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献４及び非特許文献５参照）。
【００１２】
（４）エピタキシャル成長を行う基板の主面を（０００−１）Ｃ面とする。これにより、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献５及び非特許文献５参照）。
【００１３】
（５）エピタキシャル成長を行う基板の｛０００１｝面からのオフ角度を８°から４°に低減する。これにより、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、非特許文献５及び非特許文献６参照）。
【００１４】
（６）基板表面にエピタキシャル成長を行う途中で、ＳｉＨ４やＣ３Ｈ８等の原料ガスの供給を停止し、水素気流中でその温度を維持した状態にすることで、エピタキシャル成長を停止させる。一定時間経過後、二回目のエピタキシャル成長を行う。このとき、一回目のエピタキシャル成長時にエピタキシャル膜中に伝播したＢＰＤの一部が、二回目のエピタキシャル成長時にＴＥＤに転換される。このようなエピタキシャル成長の途中中断、再開を行うこと、又は途中中断と再開とを繰り返すことで、ＢＰＤ密度の小さいエピタキシャル膜が得られる（例えば、非特許文献７参照）。
【００１５】
上述した（１）〜（３）の方法は、エピタキシャル成長を行う前に、基板表面にエッチングを必要とするものであり、製造工程が煩雑となる。（６）の方法は、エピタキシャル成長の途中中断と再開という工程を要するため、同様に、製造工程が煩雑となる。
【００１６】
（４）の方法では、（０００１）Ｓｉ面を利用することができない。（５）の方法は、８°のオフ角の基板を用いることができず、エピタキシャル成長の速度が制限されてしまう。
【００１７】
このように、従来技術では、製造工程が煩雑となるのでＢＰＤが低減した炭化珪素単結晶の形成に時間や手間が掛かってしまう。また、エピタキシャル成長を行う基板表面やオフ角が制約されてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第７２７９１１５号明細書
【特許文献２】米国特許第７２２６８０５号明細書
【特許文献３】米国特許第７１０９５２１号明細書
【特許文献４】特開２００５−３１１３４８号公報
【特許文献５】特開２００５−１６７０３５号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】S. Ha, P. Mieszkowski, M. Skowronski, and L. B. Rowland: J.Cryst. Growth 244(2002)257.
【非特許文献２】H.Lendenmann, F. Dahlquist, N. Johansson, R. Soderholm, P. A. Nilsson, J. P. Bergman, and P. Skytt: Mater. Sci. Forum 353-356(2001)727.
【非特許文献３】J. J. Sumakeris, J. P. Bergman, M. K. Das, C. Hallin, B. A. Hull, E. Janzen, H. Lendenmann, M.J. O’Loughlin, M.J. Paisley, S. Ha, M. Skowronski, J.W. Palmour, and C.H. Carter, Jr.: Mater. Sci. Forum 527-529(2006)141.
【非特許文献４】Z. Zhang and T.S. Sudarshan: Appl. Phys. Lett. 87(2005)151913.
【非特許文献５】H. Tsuchida, T. Miyanagi, I. Kamata, T. Nakamura, K. Izumi, K. Nakayama, R. Ishii, K. Asano, and Y. Sugawara: Mater. Sci. Forum 483-485(2005)97.
【非特許文献６】H. Tsuchida, M. Ito, I. Kamata, and M. Nagano: Phys. Status Solidi B 246(2009)1553
【非特許文献７】R. E. Stahlbush, B. L. VanMil, R. L. Myers-Ward, K-K. Lew, D. K. Gaskill, and C. R. Eddy, Jr.: Appl. Phys. Lett. 94(2009)041916.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤをより確実にＴＥＤに転換できる炭化珪素ウェハの製造方法を提供することを目的とする。
【００２１】
また、本発明は、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素単結晶ウェハ及びこれを用いた炭化珪素半導体素子を提供することを目的とする。
【００２２】
さらに、本発明は、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素単結晶ウェハを用いた炭化珪素半導体素子から製造された電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、炭化珪素基板の一方面にイオンを注入し、又は電子線照射する第１工程と、当該炭化珪素基板をアニール処理する第２工程と、当該炭化珪素基板の一方面側をエピタキシャル成長させる第３工程とを備えることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００２４】
かかる第１の態様では、基底面転位が低減された炭化珪素ウェハを得ることができる。
【００２５】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記炭化珪素基板に注入されるイオンは、Ｓｉイオン、Ｃイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオン、Ｐイオン、Ａｌイオン、Ｂイオン及びＮイオンからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００２６】
かかる第２の態様では、炭化珪素基板にこれらのイオンが注入されることで該基板の表面付近にダメージを与え、その後のアニール処理で結晶品質が回復する際に、基底面転位が貫通刃状転位に転換される。
【００２７】
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記炭化珪素基板に注入されるイオンの注入量は、１．０×１０１８（／ｃｍ２）以上１．０×１０２１（／ｃｍ２）以下であり、イオン注入後の熱処理の温度が１５００〜２２００℃であり、当該熱処理の時間が１〜１２０分であることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００２８】
かかる第３の態様では、炭化珪素ウェハに欠陥が生じることを抑制し、ＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素ウェハが得られる。
【００２９】
本発明の第４の態様は、第１又は第２の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記炭化珪素基板に照射される電子線のエネルギーが１００ｋｅＶ以上で、電子線照射後の熱処理の温度が１５００〜２２００℃であり、当該熱処理の時間が１〜１２０分であることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３０】
かかる第４の態様では、炭化珪素ウェハに欠陥が生じることを抑制し、ＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素ウェハが得られる。
【００３１】
本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様の何れか一つに記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記第１工程〜前記第３工程を複数回繰り返すことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３２】
かかる第５の態様では、より確実に、基底面転位が低減された炭化珪素ウェハを得ることができる。
【００３３】
本発明の第６の態様は、第１〜第５の態様の何れか一つに記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記第３工程を複数回繰り返すことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３４】
かかる第６の態様では、所望の厚みと積層を有する炭化珪素ウェハを形成することができる。
【００３５】
本発明の第７の態様は、第１〜第６の態様の何れか一つに記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記エピタキシャル膜を残し、前記炭化珪素基板を除去することを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３６】
かかる第７の態様では、基底面転位密度が高い基板を除去するので、基底面転位が低減された結晶のみで構成される炭化珪素ウェハを提供することができる。
【００３７】
本発明の第８の態様は、第７の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記炭化珪素基板を除去することで現れたエピタキシャル膜を、さらにエピタキシャル成長させることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３８】
かかる第８の態様では、基底面転位密度が高い基板を除去した後にエピタキシャル成長するので、基底面転位が低減された結晶のみで構成され、かつ所望の厚みと積層を有する炭化珪素ウェハを提供することができる。
【００３９】
本発明の第９の態様は、バルク状の炭化珪素基板に、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、さらに該イオン注入層又は該電子線照射層上にエピタキシャル膜が形成され、前記炭化珪素基板の表面から０．１μｍ以上、２０μｍ以内の領域で、基底面転位のうちの２０％以上が貫通刃状転位に転換されていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００４０】
かかる第９の態様では、上述の領域で集中的に基底面転位が貫通刃状転位に転換した炭化珪素ウェハが得られる。
【００４１】
本発明の第１０の態様は、バルク状の炭化珪素基板上に複数のエピタキシャル膜が形成され、当該複数のエピタキシャル膜のうちの隣接する２つのエピタキシャル膜であって、炭化珪素基板に近い側の第１のエピタキシャル膜及び遠い側の第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハであって、前記第１のエピタキシャル膜には、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、前記第１のエピタキシャル膜内で２０％以上の基底面転位が貫通刃状転位に転換され、前記第１のエピタキシャル膜の厚さ方向２μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の６０％以上が行われていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００４２】
かかる第１０の態様では、上述の領域で集中的に基底面転位が貫通刃状転位に転換した炭化珪素ウェハが得られる。
【００４３】
本発明の第１１の態様は、第１０の態様に記載する炭化珪素ウェハにおいて、前記第１のエピタキシャル膜において、前記第２のエピタキシャル膜との界面から０．１μｍ以上、２０μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の８０％以上が行われていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００４４】
かかる第１１の態様では、上述の領域で集中的に基底面転位が貫通刃状転位に転換した炭化珪素ウェハが得られる。
【００４５】
本発明の第１２の態様は、炭化珪素基板上に複数のエピタキシャル膜が形成され、当該複数のエピタキシャル膜のうちの隣接する２つのエピタキシャル膜であって、炭化珪素基板に近い側の第１のエピタキシャル膜及び遠い側の第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハであって、前記第１のエピタキシャル膜には、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、前記第１のエピタキシャル膜内で基底面転位が貫通刃状転位に転換され、第２のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度が、第１のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度の８０％以下であることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００４６】
かかる第１２の態様では、より基底面転位の密度が低減した第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハが得られる。
【００４７】
本発明の第１３の態様は、第９〜第１２の態様の何れか一つに記載する炭化珪素ウェハにおいて、前記炭化珪素基板が除去されていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００４８】
かかる第１３の態様では、基底面転位密度が高い基板が除去され、基底面転位が低減された結晶のみで構成される炭化珪素ウェハが得られる。
【００４９】
本発明の第１４の態様は、第１３の態様に記載する炭化珪素ウェハにおいて、前記炭化珪素基板が除去された側の表面にエピタキシャル膜が形成されていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００５０】
かかる第１４の態様では、基底面転位密度が高い基板を除去した後にエピタキシャル成長するので、基底面転位が低減された結晶のみで構成され、かつ所望の厚みと積層を有する炭化珪素ウェハが得られる。
【００５１】
本発明の第１５の態様は、第９〜第１４の態様の何れか一つに記載する炭化珪素ウェハを用いて作製された炭化珪素半導体素子にある。
【００５２】
かかる第１５の態様では、基底面転位が低減した炭化珪素ウェハより作製されているので、信頼性や性能の低下が防止され、炭化珪素の優れた特性を活かした高性能な半導体素子が提供される。
【００５３】
本発明の第１６の態様は、第１５の態様に記載する炭化珪素半導体素子を用いて作製された電力変換装置にある。
【００５４】
かかる第１６の態様では、電力変換装置は、炭化珪素の優れた特性により、高電圧に適用でき、低損失で電力変換を行うことができる。
【発明の効果】
【００５５】
本発明によれば、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤをより確実にＴＥＤに転換できる炭化珪素ウェハの製造方法が提供される。
【００５６】
また、本発明によれば、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素単結晶ウェハ及びこれを用いた炭化珪素半導体素子が提供される。
【００５７】
さらに、本発明によれば、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素単結晶ウェハを用いた炭化珪素半導体素子から製造された電力変換装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】実施形態１に係る炭化珪素ウェハを説明する概略断面図である。
【図２】実施形態１に係る炭化珪素ウェハの製造方法を説明する概略断面図である。
【図３】実施形態１に係る炭化珪素ウェハを説明する概略断面図である。
【図４】実施形態１に係る炭化珪素ウェハを説明する概略断面図である。
【図５】実施形態２に係る炭化珪素ウェハを説明する概略断面図である。
【図６】実施形態２に係る炭化珪素ウェハの製造方法を説明する概略断面図である。
【図７】実施形態３に係る炭化珪素ウェハ及びその製造方法を説明する概略図である。
【図８】比較例及び実施例に係る炭化珪素ウェハのトポグラフィー像である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
〈実施形態１〉
以下、本実施形態に係る炭化珪素ウェハ及びその製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、炭化珪素ウェハの概略断面図であり、図２は、炭化珪素ウェハの製造方法を説明する概略断面図である。
【００６０】
図１に示すように、炭化珪素ウェハ（以下、ウェハ）１０は、炭化珪素基板（以下、基板）１に、イオン注入層２を形成し、このイオン注入層２上にエピタキシャル膜３を形成することで構成されている。
【００６１】
請求項に記載した炭化珪素基板とは、炭化珪素からなるバルク状の単結晶をスライスして得られた基板又は該基板をエピタキシャル成長させたものをいう。
【００６２】
本実施形態では、基板１（炭化珪素基板）は、炭化珪素からなる円柱形のバルク状の炭化珪素単結晶を３００μｍ〜４００μｍ程度の厚さにスライスして得られたものである。バルク状の炭化珪素単結晶は、昇華法やＨＴＣＶＤ法などにより作製されたものである。
【００６３】
基板１は、主表面が（０００１）面に略平行であり、結晶多形（ポリタイプ）が４Ｈ−ＳｉＣである。しかし、本発明においては、このような主表面、ポリタイプに限定されない。例えば、（０００１）面、（１１−２０）面、（１−１００）面、（０３−３８）面に略平行な面を有する基板を用いてもよい。また、基板１のポリタイプは、任意の種類を用いることができる。ポリタイプが比較的安定であり、大面積の基板を作製可能であるという観点から、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、１５Ｒ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣの何れかを用いることが好ましい。また、基板１は、基底面（０００１）より０°〜１０°の傾斜角（オフ角）を有する結晶成長面を有する。
【００６４】
基板１には、複数の基底面転位（以下、ＢＰＤ）２０が存在する。同図には５つのＢＰＤ２０が例示されている。基底面転位とは、ｃ軸と垂直な結晶面（基底面）を伝播する転位であり、バーガーズベクトルがａ／３＜１１−２０＞であるものをいう。なお、基板１には、貫通刃状転位や貫通らせん転位などｃ軸とほぼ平行に伝播する転位も存在するが、同図には表示を省略してある。
【００６５】
イオン注入層２は、基板１にイオンが注入されて形成された層である。イオン注入層２は、詳細は後述するが、基板１にイオンが注入されて結晶にダメージが与えられ、さらに、アニール処理により、結晶性が回復することで形成されている。
【００６６】
イオンは、特に限定されないが、例えば、Ｓｉイオン、Ｃイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオン、Ｐイオン、Ａｌイオン、Ｂイオン、Ｎイオンである。基板１が炭化珪素からなるものであれば、イオンとしては炭化珪素内で中性に働くＳｉイオンやＣイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオンであることが好ましい。基板１がｎ型半導体であるならば、ｎ型半導体を形成するＰイオンやＮイオンを用い、基板１がｐ型半導体であるならば、ｐ型半導体を形成するＡｌイオンやＢイオンを用いることが好ましい。すなわち、炭化珪素内で中性に働くイオン、もしくはイオンが注入される基板１の極性に合わせてイオンを選ぶことが好ましい。
【００６７】
エピタキシャル膜３は、イオン注入層２が形成された基板１に炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことで形成された炭化珪素からなる薄膜である。
【００６８】
図１には、例として５つのＢＰＤ２０が基板１に存在している。基板１に存在する５つのＢＰＤ２０のうち２つは、そのままイオン注入層２及びエピタキシャル膜３に伝播しているが、残り３つは、基板１内（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方の基板１内）で、ＴＥＤ３０に転換されている。
【００６９】
基板１のうち、エピタキシャル膜３との界面から０．１ミクロン以上、２０ミクロン以内の部分を領域Ｒとする。基板１に含まれるＢＰＤ２０のうち２０％以上が、領域ＲでＴＥＤ３０に転換されている。図示した例では、５つのＢＰＤ２０のうち３つがＴＥＤに転換されているので、全ＢＰＤ２０のうち６０％がＴＥＤ３０に転換されている。
【００７０】
上述したように、ウェハ１０では、基板１内（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方の基板１内）でＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。
【００７１】
非特許文献１や非特許文献７などの従来技術では、ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、基板１上に設けたエピタキシャル膜が成長する際に行われる。
【００７２】
一方、本実施形態に係るウェハ１０でも、エピタキシャル膜３の成長の際にＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。さらに、それに加えて、基板１の領域Ｒで、全ＢＰＤ２０のうち２０％以上がＴＥＤ３０に転換される。したがって、本実施形態に係るウェハ１０は、ＢＰＤ２０がより一層低減したものとなる。
【００７３】
このように、ＢＰＤ２０が低減されているので、本実施形態に係るウェハ１０は、高い耐電圧性が求められる半導体素子や、高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適なものとなる。さらに、ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換が、半導体素子の不活性領域となる基板１の内部（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方の基板１内）で行われるため、高い信頼性の半導体素子を得るための材料として一層好適である。
【００７４】
また、ウェハ１０は、基板１のオフ角度や結晶面（Ｓｉ面、Ｃ面）に限定はない。したがって、半導体素子の製造に適したオフ角度や結晶面を有するウェハ１０を提供することができる。
【００７５】
図２を用いてウェハ１０の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、基板１を用意する。基板１には、複数のＢＰＤ２０が存在している。
【００７６】
次に、図２（ｂ）に示すように、基板１にイオンを注入する（第１工程）。このイオンは、特に限定されないが、例えば、Ｓｉイオン、Ｃイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオン、Ｐイオン、Ａｌイオン、Ｂイオン、Ｎイオンを用いることができる。本実施形態では、炭化珪素基板１にＳｉイオンを注入した。
【００７７】
炭化珪素基板１にイオンを注入する方法としては、公知のイオン注入装置を用いる方法が挙げられる。イオン注入装置は、注入する元素をイオン化し、イオンビームとして引き出し、高電圧の電場で加速し、この加速されたイオンを試料（炭化珪素基板１）に衝突させる装置である。この装置により、イオンが炭化珪素基板１に注入される。
【００７８】
炭化珪素基板１に注入させるイオンの量は、１．０×１０１８（／ｃｍ２）以上１．０×１０２１（／ｃｍ２）以下であることが好ましい。このような注入量であれば、後述するように、炭化珪素基板１のＢＰＤ２０をＴＥＤに転換し、ＢＰＤ２０が低減した炭化珪素単結晶を製造することができる。なお、上述のイオン注入量よりも多くのイオンを注入すると、炭化珪素基板１に欠陥が大量に生じてしまう。
【００７９】
Ｓｉイオンを注入することで、炭化珪素基板１の表面近傍では、注入されたＳｉイオンで結晶欠陥が生じたダメージ層２ａが形成される。ダメージ層２ａは、結晶欠陥が導入された炭化珪素の層である。これにより、ダメージ層２ａに、ＢＰＤ２０の先端部周辺が存在することになる。
【００８０】
次に、図２（ｃ）に示すように、イオンを注入した炭化珪素基板１をアニール処理する（第２工程）。加熱温度は特に限定されないが１５００〜２２００℃、より好ましくは１６００〜２０００℃で１〜１２０分程度行うことが好ましい。また、加熱は不活性ガス雰囲気または真空下で行うことが好ましい。加熱後、常温下で放置して冷却する。
【００８１】
このアニール処理によって、ダメージ層２ａの結晶性が回復しイオン注入層２となる。このイオン注入層２が形成されるときに、ＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。最終的な転換の位置は、アニール処理の温度や時間にもよるが、イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方の基板１内（領域Ｒ（図１参照））となる。この転換の理論的なメカニズムはまだ明らかにされていないが、アニール処理により、ダメージ層２ａの結晶性が回復する際にＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換したと推測される。
【００８２】
そして、図２（ｄ）に示すように、アニール処理により結晶性が回復したイオン注入層２の表面をエピタキシャル成長させる（第３工程）。これにより、エピタキシャル膜３が形成される。エピタキシャル膜３の結晶成長方法は、特に限定はないが、例えば、ＣＶＤ法により行うことが好ましい。以後、所定の膜厚と積層を有するウェハ１０を製造することができる。
【００８３】
エピタキシャル膜３の結晶成長の際、エピタキシャル膜３には、ＢＰＤ２０から転換されたＴＥＤ３０が基板１及びイオン注入層２からそのまま伝播する。なお、特に図示しないが、基板１内に存在しているＴＥＤ３０は、エピタキシャル膜３にそのままＴＥＤ３０として伝播している。
【００８４】
上述したように、イオンを注入して、ダメージ層２ａを形成し、アニール処理を行うことにより、基板１のＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。したがって、エピタキシャル膜３には、基板１に存在していたＢＰＤ２０が伝播せず、ＴＥＤ３０に転換されて伝播している。すなわち、本発明に係る製造方法によれば、ＢＰＤ２０が低減されたウェハ１０を得ることができる。
【００８５】
特に、本実施形態では、イオンとしてＳｉイオン、すなわち、製造目的であるエピタキシャル膜３を構成する元素と同じものを用いた。このＳｉイオンを用いることで、基板１中の不純物若しくはドーパントに影響されないエピタキシャル膜３を製造することができる。この効果は、ＣイオンやＨイオン、Ｈｅイオンを用いる場合についても同様である。
【００８６】
なお、イオン注入を行ってダメージ層２ａを形成する代わりに、電子線を照射してダメージ層２ａを形成しても同様な効果が得られる。この場合、基板１の表面層に十分な欠陥を形成するために、１００ｋｅＶ以上のエネルギーを有する電子線を照射する必要がある。１００ｋｅＶ以下のエネルギーでは、ＳｉＣ単結晶中のＳｉ原子とＣ原子の両方を電子線で格子間位置から外すことができないが、約１００ｋｅＶ以上のエネルギーではＣ原子、約２００ｋｅＶ以上のエネルギーではＳｉ原子を電子線で格子間位置から外すことが可能となり、イオン注入の場合と同様なダメージ層２ａを形成することができる。
【００８７】
以降、ダメージ層２ａは、イオン注入によるものに限らず、電子線照射によるものも含む。また、以降の説明では、イオン注入層２について言及するが、電子線照射層と読み替えても同様の効果を得ることができる。電子線照射層とは、電子線を照射して形成したダメージ層２ａをアニール処理することにより得られるものである。
【００８８】
また、従来技術では、ＢＰＤをＴＥＤに変換するために、基板に溶融ＫＯＨ、ＲＩＥなどのエッチング処理を行っていた。通常、エッチング処理を行うと、半導体素子を作製する際に表面を研磨して平坦化する処理が必要となる。しかしながら、本製造方法は、このようなエッチング処理が不要であるので、基板１の表面を平坦に保つことができる。なお、イオン注入や電子線照射は、エッチング処理ほど基板１の表面を粗くすることがなく、平坦化処理が不要である。このように、エッチング処理及びこれに伴う平坦化処理が不要となり、製造工程を簡略化できる。
【００８９】
なお、図３に示すように、上述したイオン注入〜アニール処理〜エピタキシャル成長を任意の回数行ってもよい。すなわち、基板１上に、イオン注入層２とエピタキシャル膜３との組を複数形成してウェハ１０を形成してもよい。例えば、一度のイオン注入〜アニール処理ではＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されなかったとする。この場合、同図に示すように、基板１側に近い方の一層目のエピタキシャル膜３に基板１のＢＰＤ２０がそのまま伝播することになる。しかし、イオン注入〜アニール処理を複数回繰り返すことで、ＢＰＤ２０はＴＥＤ３０に転換される確率が高くなる。例えば、２層目のイオン注入層２を形成することでＢＰＤ２０はＴＥＤ３０に転換され、２層目のエピタキシャル膜３には、ＴＥＤ３０が伝播する。結局、複数のウェハ１０全体では、ＢＰＤ２０のほとんどをＴＥＤ３０に転換することができる。
【００９０】
さらに、図４に示すように、エピタキシャル膜３は、一層に限らず、複数層形成してもよい。これにより、所望の厚みと積層を有するウェハ１０を形成することができる。
【００９１】
また、エピタキシャル膜３の膜厚は、特に限定されない。所望するエピタキシャル膜３の膜厚や該エピタキシャル膜３を用いて製造する半導体素子構造に応じて適宜設定すればよい。
【００９２】
上述した炭化珪素ウェハ１０を用いて、種々の炭化珪素半導体素子を製造することができる。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＪＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor）、ＢＪＴ（Bipolar junction transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）、ＧＣＴサイリスタ（Gate Commutated Turn-off Thyristor）、サイリスタ、ショットキーダイオード、ＪＢＳ（Junction Barrier Schottky）ダイオード、ＭＰＤ（Merged pn ダイオード）、ｐｎダイオードなどである。
【００９３】
本発明に係る製造方法により得られた炭化珪素単結晶又はこれを用いたウェハは、ＢＰＤ２０が低減しているので、当該ウェハを用いて製造された半導体素子の信頼性や性能の低下が防止され、炭化珪素の優れた特性を活かした高性能な半導体素子が得られる。
【００９４】
また、該炭化珪素半導体素子から、インバータやコンバータなどの電力変換装置を製造することができる。この電力変換装置は、炭化珪素の優れた特性により、高電圧に適用でき、低損失で電力変換を行うことができる。
【００９５】
〈実施形態２〉
実施形態１では、基板１は、炭化珪素からなる円柱形のバルク状の単結晶をスライスして得られたウェハを用いたが、本発明は、炭化珪素からなる基板にエピタキシャル膜が形成されたものを基板として用いることもできる。本実施形態では、エピタキシャル膜が形成された基板１を用いて作製されたウェハ１０及びその製造方法について説明する。
【００９６】
図５は、炭化珪素ウェハの概略断面図であり、図６は、炭化珪素ウェハの製造方法を説明する概略断面図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し重複する説明は省略する。
【００９７】
図５（ａ）に示すように、炭化珪素からなるバルク状の単結晶をスライスして得られた基板５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膜３Ａが設けられている。このエピタキシャル膜３Ａが形成された基板５全体を基板１とする。
【００９８】
本実施形態に係るウェハ１０は、基板１と、基板１のエピタキシャル膜３Ａに設けられたイオン注入層２と、イオン注入層２上に設けられたエピタキシャル膜３Ｂとから構成されている。エピタキシャル膜３Ａ、３Ｂは何れも、ＣＶＤ法などで作製された炭化珪素からなる薄膜である。なお、エピタキシャル膜３Ａは、請求項１０の第１のエピタキシャル膜に対応し、エピタキシャル膜３Ｂは請求項１０の第２のエピタキシャル膜に対応する。
【００９９】
イオン注入層２は、基板１のエピタキシャル膜３Ａにイオンが注入されて形成された層である。イオン注入層２は、詳細は後述するが、基板１のエピタキシャル膜３Ａにイオンが注入されてダメージが加わり、さらに、アニール処理により、結晶性が回復することで形成されている。
【０１００】
基板１には、複数のＢＰＤ２０が存在する。同図には５つのＢＰＤ２０が例示されている。エピタキシャル膜３Ａには、基板５から４つのＢＰＤ２０がそのまま伝播している。また、１つのＢＰＤ２０は、基板１とエピタキシャル膜３Ａの界面付近でＴＥＤ３０に転換されている。
【０１０１】
そして、エピタキシャル膜３Ａ（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方のエピタキシャル膜３Ａ内）においては、そのうち３つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、詳細は後述するが、基板１にイオン注入し、アニール処理を行うことにより行われている。
【０１０２】
エピタキシャル膜３Ｂには、エピタキシャル膜３Ａ（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方のエピタキシャル膜３Ａ内）で転換した３つのＴＥＤ３０がそのまま伝播し、イオン注入層２で転換されなかった１つのＢＰＤ２０がそのまま伝播している。
【０１０３】
エピタキシャル膜３Ａで行われるＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換の位置や割合は次の通りである。
【０１０４】
エピタキシャル膜３Ａでは、基板１から伝播したＢＰＤの２０％以上がＴＥＤに転換されている。図示した例では、イオン注入層２で４つのＢＰＤ２０のうち３つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されているので、イオン注入層２中の全ＢＰＤ２０のうち７５％がＴＥＤ３０に転換されている。
【０１０５】
エピタキシャル膜３Ａ（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方のエピタキシャル膜３Ａ内）のうち、厚さ方向に２μｍの厚さを持つ部分を領域Ｒとする。エピタキシャル膜３Ａで行われたＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換のうち６０％以上が領域Ｒで行われている。図示した例では、エピタキシャル膜３Ａ中の３つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されているが、そのうち、領域Ｒで２つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。すなわち、エピタキシャル膜３Ａ中で行われるＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換のうち６７％（２／３＝０．６６６・・・）が領域Ｒで行われている。
【０１０６】
厚さ２μｍ以内の領域Ｒで集中的にＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されるのは、エピタキシャル膜３Ａに、後述するような一連の処理によりイオン注入層２を形成してアニール処理を行ったからである。すなわち、実施形態１で述べたように、エピタキシャル膜３Ａに対して注入するイオンの量（密度）とアニール処理の温度や時間を適宜調整することで、ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０に転換される位置の深さを調整できるからである。
【０１０７】
また、領域Ｒの位置は、イオン注入層２とエピタキシャル膜３Ｂとの界面から深さＤに位置する。深さＤは特に限定はないが、例えば、界面から０．１μｍ〜２０μｍである。この深さＤは、エピタキシャル膜３Ａに注入するイオンの量（密度）とアニール処理の温度や時間により制御できる。注入するイオンの量（照射する電子線の量）が多いほど、またアニール時間が長いほど、さらにアニール温度が高いほど、深さＤが大きくなる傾向がある。
【０１０８】
ここで、図５（ｂ）に、エピタキシャル膜３Ａにイオン注入層２を形成したウェハ１０の別態様を例示する。
【０１０９】
図示するように、エピタキシャル膜３が設けられた基板５を基板１とし、その上に任意の数（同図では１層）のエピタキシャル膜３を形成し、その上に、エピタキシャル膜３Ａを形成し、当該エピタキシャル膜３Ａにイオン注入層２を形成し、さらにエピタキシャル膜３Ｂを形成してウェハ１０としてもよい。
【０１１０】
この場合、請求項１０の第１のエピタキシャル膜はエピタキシャル膜３Ａであり、請求項１０の第２のエピタキシャル膜は最上面のエピタキシャル膜３Ｂである。すなわち、第１のエピタキシャル膜３Ａと基板１との間に、他のエピタキシャル膜が介在していてもよい。
【０１１１】
このようなウェハ１０であっても、エピタキシャル膜３Ａ（第１のエピタキシャル膜）に伝播したＢＰＤの２０％以上が、イオン注入層２においてＴＥＤに転換され、かつ領域ＲでＢＰＤからＴＥＤへの転換の６０％以上が行われている。また、領域Ｒの位置は、イオン注入層２とエピタキシャル膜３Ｂとの界面から深さＤに位置する。
【０１１２】
さらに、ウェハ１０のエピタキシャル膜３Ａ及びエピタキシャル膜３Ｂに存在するＢＰＤ２０には、次のような関係がある。
【０１１３】
すなわち、エピタキシャル膜３Ｂに含まれるＢＰＤ２０の密度は、エピタキシャル膜３Ａに含まれるＢＰＤ２０の密度の８０％以下である。エピタキシャル膜３ＡのＢＰＤ２０の密度とは、エピタキシャル膜３Ａに含まれるＢＰＤの単位面積あたりの数である。エピタキシャル膜３ＢのＢＰＤ２０の密度についても同様である。
【０１１４】
図５（ａ）に示す例では、エピタキシャル膜３Ａには４つのＢＰＤ２０（うち３つはＴＥＤ３０に転換されている）が含まれ、エピタキシャル膜３Ｂには１つのＢＰＤ２０が含まれている。したがって、エピタキシャル膜３ＡのＢＰＤ２０の密度（１個／単位面積）は、エピタキシャル膜３ＢのＢＰＤ２０の密度（４個／単位面積）の８０％以下である。
【０１１５】
以上に説明したように、ウェハ１０は、エピタキシャル膜３Ａ（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方のエピタキシャル膜３Ａ内）でＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。従来技術では、エピタキシャル膜内では、成長に伴いごく一部のＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。このようなＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、エピタキシャル膜の深さ方向において不特定の場所で生じる。
【０１１６】
一方、本実施形態に係るウェハ１０では、従来技術同様に、エピタキシャル膜３Ａでごく一部のＢＰＤ２０がＴＥＤに転換される。さらに、それに加えて、ウェハ１０では、エピタキシャル膜３Ａ（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方のエピタキシャル膜３Ａ内）の深さＤに位置する領域Ｒで集中的にＢＰＤ２０の２０％以上がＴＥＤ３０に転換されている。したがって、本実施形態に係るウェハ１０は、ＢＰＤ２０がより一層低減したものとなる。
【０１１７】
このように、ＢＰＤ２０が低減されているので、本実施形態に係るウェハ１０は、高い耐電圧性が求められる半導体素子や、高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適なものとなる。また、ウェハ１０は、基板１のオフ角度や結晶面（Ｓｉ面、Ｃ面）に限定はない。したがって、半導体素子の製造に適したオフ角度や結晶面を有するウェハ１０が提供される。
【０１１８】
図６を用いてウェハ１０の製造方法について説明する。まず、図６（ａ）に示すように、炭化珪素からなるバルク状の単結晶をスライスして得られた基板５上をエピタキシャル成長させてエピタキシャル膜３Ａを形成する。このエピタキシャル膜３Ａが形成された基板５全体を基板１とする。
【０１１９】
基板５には、複数のＢＰＤ２０が存在する。同図には３つのＢＰＤ２０が例示されている。この基板５をエピタキシャル成長させると、いくつかのＢＰＤ２０（図では２つのＢＰＤ２０）は、基板５及びエピタキシャル膜３Ａの界面でＴＥＤ３０に転換し、ＴＥＤ３０としてエピタキシャル膜３Ａに伝播する。一方、基板５中のＢＰＤ２０がそのままエピタキシャル膜３Ａに伝播するものもある（図では一つのＢＰＤ２０がそのまま伝播している）。
【０１２０】
次に、図６（ｂ）に示すように、このような基板１にイオンを注入する。本実施形態では、炭化珪素基板１にＳｉイオンを注入した。イオンの種別や注入量、注入方法は実施形態１と同様である。
【０１２１】
Ｓｉイオンを注入することで、エピタキシャル膜３Ａ（炭化珪素基板１）の表面近傍では、注入されたＳｉイオンで結晶欠陥が生じたダメージ層２ａが形成される。実施形態１と同様に、ダメージ層２ａに、ＢＰＤ２０の先端部周辺が存在することになる。
【０１２２】
次に、図６（ｃ）に示すように、イオンを注入した基板１をアニール処理する。このアニール処理によって、ダメージ層２ａの結晶性が回復してイオン注入層２となる。このイオン注入層２が形成されるときに、ＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。なお、加熱条件は、実施形態１と同様である。加熱後、常温下で放置して冷却する。
【０１２３】
そして、図６（ｄ）に示すように、アニール処理により結晶性が回復したイオン注入層２の表面をエピタキシャル成長させる。これにより、エピタキシャル膜３Ｂが形成される。エピタキシャル膜３Ｂの結晶成長方法は、特に限定はないが、例えば、ＣＶＤ法により行うことが好ましい。
【０１２４】
エピタキシャル膜３Ｂの結晶成長の際、エピタキシャル膜３Ｂには、ＢＰＤ２０から転換されたＴＥＤ３０がイオン注入層２からそのまま伝播する。
【０１２５】
以上に説明したように、基板５にエピタキシャル膜３Ａを形成する際にＴＥＤ３０に転換されなかったＢＰＤ２０を、イオン注入〜アニール処理〜エピタキシャル成長を行うことで、ＴＥＤ３０に転換することができる。このときのＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換率、転換位置は図５に示したものと同様である。このように、本発明に係る製造方法は、ＢＰＤ２０が低減されたウェハ１０を製造することができる。
【０１２６】
もちろん、特に図示しないが、基板１に任意の数のエピタキシャル膜３を形成したのち、イオン注入層２を形成し、さらにエピタキシャル膜３を形成することで、図５（ｂ）に示したようなウェハ１０を製造することができる。また、エピタキシャル膜３を形成した後に、エピタキシャル膜３の上に任意の膜厚や層構造を有するエピタキシャル膜を形成してもよい。
【０１２７】
〈実施形態３〉
実施形態１及び実施形態２で説明したウェハ１０には、基板１が含まれていたが、基板１を除去してもよい。
【０１２８】
図７は、本実施形態に係る炭化珪素ウェハ及びその製造方法を説明する概略図である。なお、実施形態１及び実施形態２と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１２９】
図７（ａ）に記載したウェハ１０は、図１に示したウェハ１０と同じものである。図７（ｂ）に示すように、ウェハ１０の基板１を全て除去する。除去方法は、例えば、イオン注入層２が無くなるまで、機械研磨や化学処理、イオンエッチングなど適切な方法で行えばよい。
【０１３０】
基板１には、ＢＰＤ２０が高密度で存在していたが、その基板１が除去されるので、ＢＰＤ密度が小さいウェハ１１が得られる。
【０１３１】
さらに、図７（ｃ）に示すように、上述したウェハ１１を得た上で、基板１が存在していた側の表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行い、エピタキシャル膜３を形成してもよい。エピタキシャル膜３の膜厚やエピタキシャル成長を行う回数は特に限定されない。所望するウェハの全体膜厚や素子構造に応じて適宜設定すればよい。これにより、ＢＰＤ密度が小さく、基板１が存在していた側にもエピタキシャル膜３を有するウェハ１２を得ることができる。
【０１３２】
なお、特に図示しないが、基板１を除去する際にイオン注入層２を残してもよい。この場合においても、ＢＰＤ密度が小さいウェハを得ることができる。さらに、実施形態２に示したウェハについて、基板１を除去してもよいし、基板１を除去した後、エピタキシャル膜を形成してウェハとしてもよい。
【実施例】
【０１３３】
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明する。
【０１３４】
［比較例］
〈１１−２０〉方向に８°のオフ角を有する４Ｈ−ＳｉＣ基板上に、ＣＶＤ法により結晶成長を行い、膜厚が約２０μｍの第１のエピタキシャル膜を形成することで、比較例に係わる基板を製作した。
【０１３５】
［実施例］
比較例に係る基板について、後述の試験例に示す測定を行った後、Ｓｉイオンをエピタキシャル膜表面から深さ２５０ｎｍの領域で１×１０１９ｃｍ-３の平均濃度となるようにイオン注入を行った。イオン注入時の基板温度は６００℃とした。イオン注入に引き続いて、加熱処理を行った。この加熱処理は、基板をグラファイト製の坩堝の中に入れ、高周波誘導加熱が行われるグラファイト円筒（ホットウォール）内に坩堝を配置した。坩堝内にアルゴンガスを供給し、１６７０℃で３分間加熱した。昇温速度は４０℃／minとした。加熱処理後に、ＣＶＤ法により結晶成長を行い、膜厚が約２０μｍの第２のエピタキシャル膜を形成して実施例に係わる基板を得た。その後に、後述の試験例に示す測定を再度行った。
【０１３６】
［試験例１］
比較例、実施例に係る基板のそれぞれについて、放射光反射トポグラフィー測定（SPring-8放射光施設）を行い、トポグラフィー像を得ることで、エピタキシャル膜内の各種転位の分布を測定した。
【０１３７】
具体的には、比較例、実施例に係る基板のそれぞれに対して、放射光を単色化したＸ線（波長１．５４Å）を約２０°の入射角度で照射し、回折ベクトルｇ＝１１−２８の条件を満たす反射光を原子核乾板に結像させてトポグラフィー像を得た。
【０１３８】
図８（ａ）は、比較例のトポグラフィー像であり、図８（ｂ）は、イオン注入、加熱処理ならびに第２のエピタキシャル膜の形成後に得られた実施例のトポグラフィー像である。比較例に係る基板上に現れた線状の暗いコントラストはＢＰＤであり、比較的小さな断片状（ドット状）のコントラストはＴＥＤであり、比較的大きな円形のコントラストはＴＳＤ（貫通らせん転位）である。これらのトポグラフィー像は基板の同一領域を示しており、イオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成によって、転位がどのように変化したかを確認した。
【０１３９】
図８（ａ）中の○印に示すように、比較例に係る基板には、基板からエピタキシャル膜に伝播したＢＰＤが１８個現れていることが確認された。
【０１４０】
一方、図８（ｂ）では、比較例ではＢＰＤが観察されていた位置と、ほぼ同じ配置で（白い矢印で示す位置）に、ＴＥＤが観察されている。つまり、比較例ではＢＰＤとしてエピタキシャル膜の表面に現れていたものが、イオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成後には、ＴＥＤとしてエピタキシャル膜に現れていることを示している。このことは、比較例では、線状のコントラストで現れていたものが、イオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成後には、小さな断片上（ドット状）のコントラストに変化していることから判断される。
【０１４１】
トポグラフィー像の観察結果より、比較例に示した基板の一領域には、合計１８個のＢＰＤがエピタキシャル膜表面に現れていたが、このうちの１７個のＢＰＤ（図８（ｂ）中で、白い矢印で示すＢＰＤ）がイオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成によってＴＥＤに転換され、残りの１個のＢＰＤ（図８（ｂ）中で、黒い矢印で示すＢＰＤ）は転換されずにＢＰＤとして残存していたことが分かる。
【０１４２】
［試験例２］
比較例、実施例に関して、より広い領域で転位の分布を測定した。
【０１４３】
より広い領域で比較例のＢＰＤを計測したところ、エピタキシャル膜表面には５６個のＢＰＤが現れていた。一方、同一領域について実施例のＢＰＤを計測したところ、５６個のＢＰＤのうち約９１％に相当する５１個がＴＥＤに転換していた。
【０１４４】
［試験例３］
実施例に関して、イオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成により生じたＢＰＤからＴＥＤへの転換が、エピタキシャル膜内において膜表面からどの深さ方向で行われたものかを調べた。
【０１４５】
測定は、比較例と実施例において取得した放射光反射トポグラフィーを比較検査することで、イオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成によってＢＰＤからＴＥＤへ転換したものの放射光トポグラフィー像において、基板のオフ傾斜と平行な方向におけるエピタキシャル膜内でのＢＰＤの長さを調べることで、転換が起きたエピタキシャル膜表面からの距離を求めた。これにより、ＢＰＤからＴＥＤへの転換について、エピタキシャル膜表面からの距離に対する度数を明らかにした。その結果、第１のエピタキシャル膜と第２のエピタキシャル膜の界面から、第１のエピタキシャル膜側に５．５μｍ±１μｍの領域（５．５μｍが図５（ａ）のＤに相当し、±１μｍ（２μｍ）が図５（ａ）のＲに相当する）でＢＰＤからＴＥＤへの転換の６５％以上が起きていることが確認された。
【０１４６】
［試験例４］
イオン注入後の高温熱処理温度として１５００〜２２００℃、熱処理時間として５〜２４０分の範囲で変化させて、同様な実験、分析を行った結果、１５００℃ではＢＰＤからＴＥＤへの転換がほとんど確認されなかったが、１６００℃以上においてはＢＰＤからＴＥＤへの転換が確認された。このＢＰＤからＴＥＤへの転換の確率は温度が高くなるにつれて増大したが、２０００℃を超える温度領域ではＳｉＣ単結晶表面の昇華が加速され初め、２２００℃以上では熱処理温度としては不適切であった。また熱処理時間が長くなるにつれて、ＢＰＤからＴＥＤへの転換の確率が増大するものの、１２０分以上ではほぼ飽和した。なお、熱処理によるＢＰＤからＴＥＤへの転換が起きた位置は、高温熱処理の温度、もしくは時間の増加につれて、エピタキシャル膜表面付近（表面から０．１μｍ程度）から深い方向（表面から最大２０μｍ程度）に移動したが、いずれの場合においても、ある深さより±１μｍの範囲内でＢＰＤからＴＥＤへの転換の６０％以上が行われていた。
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本発明は、炭化珪素半導体素子を利用する産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【０１４８】
１ 炭化珪素基板
２ イオン注入層
２ａ ダメージ層
３、３Ａ、３Ｂ エピタキシャル膜
５ 基板
２０ ＢＰＤ（基底面転位）
３０ ＴＥＤ（貫通刃状転位）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素ウェハの製造方法、炭化珪素ウェハ及び炭化珪素半導体素子並びに電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコンと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているシリコン単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。炭化珪素の単結晶を製造する方法としては、昇華法やＣＶＤ法が用いられている。
【０００３】
炭化珪素は、通常の圧力では液相を持たず、また、昇華温度が極めて高いこと等から、従来の昇華法やＣＶＤ法により、転位や積層欠陥等の結晶欠陥を含まないような高品質の結晶成長を行うことが困難である。
【０００４】
現在市販されている炭化珪素基板には、１０２cm−２〜１０３cm−２程度のｃ軸方向に伝播する貫通らせん転位、１０２cm−２〜１０４cm−２程度のｃ軸方向に伝播する貫通刃状転位、１０２cm−２〜１０４cm−２程度のｃ軸と垂直方向に伝播する転位（基底面転位）が存在している。これらの転位密度は、その基板の品質によって大きく異なる。
【０００５】
炭化珪素基板に内在しているこれらの転位は、基板上にエピタキシャル膜を成長させる際に、このエピタキシャル膜中に伝播する。このとき、一部の転位は、エピタキシャル膜中に伝播する際にその伸張方向（伝播方向）を変える場合もあることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
例えば、基底面転位（以下、ＢＰＤ）は、基板の表面にその一端若しくは両端が現れている。その基板にエピタキシャル膜を結晶成長させると、基板内のＢＰＤの多くは基板とエピタキシャル膜との界面近傍で貫通刃状転位（以下、ＴＥＤ）に転換され、ＢＰＤの一部はＢＰＤのままエピタキシャル膜中に伝播する。
【０００７】
したがって、エピタキシャル膜中には、基板よりそのまま伝播したＢＰＤに加えて、エピタキシャル成長時に導入されたＴＥＤが含まれていることになる。これらの転位は、そのエピタキシャル膜を用いて形成した半導体素子の耐電圧や信頼性を低下させる。特に、エピタキシャル膜に含まれるＢＰＤは、半導体素子の信頼性や性能を低下させる。一方、エピタキシャル膜に含まれるＴＥＤは、半導体素子の信頼性や性能に与える悪影響は小さいとされている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００８】
そこで、炭化珪素基板に含まれるＢＰＤをＴＥＤに転換し、ＴＥＤの割合を高める方法が検討されている。
【０００９】
（１）溶融ＫＯＨを用いて基板表面をエッチングする。このエッチングにより、基板表面におけるＢＰＤの先端部が選択的に深くエッチングされ、エッチピットが生じる。その後、基板にエピタキシャル成長を行う。基板表面におけるＢＰＤの先端部のエッチピットの存在により、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献１、非特許文献３及び非特許文献４参照）。
【００１０】
（２）リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて基板表面に六角形若しくはストライプ状の溝を形成し、その後、基板にエピタキシャル成長を行う。基板表面における角形若しくはストライプ状の溝の存在により、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献２、特許文献３及び非特許文献３参照）。
【００１１】
（３）基板表面に、化学機械研磨（ＣＭＰ）と水素エッチングを行う。これにより基板表面におけるダメージ層が除去され、基板表面が平坦化される。その後に、基板表面に対してエピタキシャル成長を行う。これにより、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献４及び非特許文献５参照）。
【００１２】
（４）エピタキシャル成長を行う基板の主面を（０００−１）Ｃ面とする。これにより、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、特許文献５及び非特許文献５参照）。
【００１３】
（５）エピタキシャル成長を行う基板の｛０００１｝面からのオフ角度を８°から４°に低減する。これにより、基板内のＢＰＤがＴＥＤに転換される割合が高まる（例えば、非特許文献５及び非特許文献６参照）。
【００１４】
（６）基板表面にエピタキシャル成長を行う途中で、ＳｉＨ４やＣ３Ｈ８等の原料ガスの供給を停止し、水素気流中でその温度を維持した状態にすることで、エピタキシャル成長を停止させる。一定時間経過後、二回目のエピタキシャル成長を行う。このとき、一回目のエピタキシャル成長時にエピタキシャル膜中に伝播したＢＰＤの一部が、二回目のエピタキシャル成長時にＴＥＤに転換される。このようなエピタキシャル成長の途中中断、再開を行うこと、又は途中中断と再開とを繰り返すことで、ＢＰＤ密度の小さいエピタキシャル膜が得られる（例えば、非特許文献７参照）。
【００１５】
上述した（１）〜（３）の方法は、エピタキシャル成長を行う前に、基板表面にエッチングを必要とするものであり、製造工程が煩雑となる。（６）の方法は、エピタキシャル成長の途中中断と再開という工程を要するため、同様に、製造工程が煩雑となる。
【００１６】
（４）の方法では、（０００１）Ｓｉ面を利用することができない。（５）の方法は、８°のオフ角の基板を用いることができず、エピタキシャル成長の速度が制限されてしまう。
【００１７】
このように、従来技術では、製造工程が煩雑となるのでＢＰＤが低減した炭化珪素単結晶の形成に時間や手間が掛かってしまう。また、エピタキシャル成長を行う基板表面やオフ角が制約されてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第７２７９１１５号明細書
【特許文献２】米国特許第７２２６８０５号明細書
【特許文献３】米国特許第７１０９５２１号明細書
【特許文献４】特開２００５−３１１３４８号公報
【特許文献５】特開２００５−１６７０３５号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】S. Ha, P. Mieszkowski, M. Skowronski, and L. B. Rowland: J.Cryst. Growth 244(2002)257.
【非特許文献２】H.Lendenmann, F. Dahlquist, N. Johansson, R. Soderholm, P. A. Nilsson, J. P. Bergman, and P. Skytt: Mater. Sci. Forum 353-356(2001)727.
【非特許文献３】J. J. Sumakeris, J. P. Bergman, M. K. Das, C. Hallin, B. A. Hull, E. Janzen, H. Lendenmann, M.J. O’Loughlin, M.J. Paisley, S. Ha, M. Skowronski, J.W. Palmour, and C.H. Carter, Jr.: Mater. Sci. Forum 527-529(2006)141.
【非特許文献４】Z. Zhang and T.S. Sudarshan: Appl. Phys. Lett. 87(2005)151913.
【非特許文献５】H. Tsuchida, T. Miyanagi, I. Kamata, T. Nakamura, K. Izumi, K. Nakayama, R. Ishii, K. Asano, and Y. Sugawara: Mater. Sci. Forum 483-485(2005)97.
【非特許文献６】H. Tsuchida, M. Ito, I. Kamata, and M. Nagano: Phys. Status Solidi B 246(2009)1553
【非特許文献７】R. E. Stahlbush, B. L. VanMil, R. L. Myers-Ward, K-K. Lew, D. K. Gaskill, and C. R. Eddy, Jr.: Appl. Phys. Lett. 94(2009)041916.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤをより確実にＴＥＤに転換できる炭化珪素ウェハの製造方法を提供することを目的とする。
【００２１】
また、本発明は、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素単結晶ウェハ及びこれを用いた炭化珪素半導体素子を提供することを目的とする。
【００２２】
さらに、本発明は、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素単結晶ウェハを用いた炭化珪素半導体素子から製造された電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、炭化珪素基板の一方面にイオンを注入し、又は電子線照射する第１工程と、当該炭化珪素基板をアニール処理する第２工程と、当該炭化珪素基板の一方面側をエピタキシャル成長させる第３工程とを備えることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００２４】
かかる第１の態様では、基底面転位が低減された炭化珪素ウェハを得ることができる。
【００２５】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記炭化珪素基板に注入されるイオンは、Ｓｉイオン、Ｃイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオン、Ｐイオン、Ａｌイオン、Ｂイオン及びＮイオンからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００２６】
かかる第２の態様では、炭化珪素基板にこれらのイオンが注入されることで該基板の表面付近にダメージを与え、その後のアニール処理で結晶品質が回復する際に、基底面転位が貫通刃状転位に転換される。
【００２７】
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記炭化珪素基板に注入されるイオンの注入量は、１．０×１０１８（／ｃｍ２）以上１．０×１０２１（／ｃｍ２）以下であり、イオン注入後の熱処理の温度が１５００〜２２００℃であり、当該熱処理の時間が１〜１２０分であることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００２８】
かかる第３の態様では、炭化珪素ウェハに欠陥が生じることを抑制し、ＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素ウェハが得られる。
【００２９】
本発明の第４の態様は、第１又は第２の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記炭化珪素基板に照射される電子線のエネルギーが１００ｋｅＶ以上で、電子線照射後の熱処理の温度が１５００〜２２００℃であり、当該熱処理の時間が１〜１２０分であることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３０】
かかる第４の態様では、炭化珪素ウェハに欠陥が生じることを抑制し、ＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素ウェハが得られる。
【００３１】
本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様の何れか一つに記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記第１工程〜前記第３工程を複数回繰り返すことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３２】
かかる第５の態様では、より確実に、基底面転位が低減された炭化珪素ウェハを得ることができる。
【００３３】
本発明の第６の態様は、第１〜第５の態様の何れか一つに記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記第３工程を複数回繰り返すことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３４】
かかる第６の態様では、所望の厚みと積層を有する炭化珪素ウェハを形成することができる。
【００３５】
本発明の第７の態様は、第１〜第６の態様の何れか一つに記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記エピタキシャル膜を残し、前記炭化珪素基板を除去することを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３６】
かかる第７の態様では、基底面転位密度が高い基板を除去するので、基底面転位が低減された結晶のみで構成される炭化珪素ウェハを提供することができる。
【００３７】
本発明の第８の態様は、第７の態様に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、前記炭化珪素基板を除去することで現れたエピタキシャル膜を、さらにエピタキシャル成長させることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。
【００３８】
かかる第８の態様では、基底面転位密度が高い基板を除去した後にエピタキシャル成長するので、基底面転位が低減された結晶のみで構成され、かつ所望の厚みと積層を有する炭化珪素ウェハを提供することができる。
【００３９】
本発明の第９の態様は、バルク状の炭化珪素基板に、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、さらに該イオン注入層又は該電子線照射層上にエピタキシャル膜が形成され、前記炭化珪素基板の表面から０．１μｍ以上、２０μｍ以内の領域で、基底面転位のうちの２０％以上が貫通刃状転位に転換されていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００４０】
かかる第９の態様では、上述の領域で集中的に基底面転位が貫通刃状転位に転換した炭化珪素ウェハが得られる。
【００４１】
本発明の第１０の態様は、バルク状の炭化珪素基板上に複数のエピタキシャル膜が形成され、当該複数のエピタキシャル膜のうちの隣接する２つのエピタキシャル膜であって、炭化珪素基板に近い側の第１のエピタキシャル膜及び遠い側の第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハであって、前記第１のエピタキシャル膜には、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、前記第１のエピタキシャル膜内で２０％以上の基底面転位が貫通刃状転位に転換され、前記第１のエピタキシャル膜の厚さ方向２μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の６０％以上が行われていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００４２】
かかる第１０の態様では、上述の領域で集中的に基底面転位が貫通刃状転位に転換した炭化珪素ウェハが得られる。
【００４３】
本発明の第１１の態様は、第１０の態様に記載する炭化珪素ウェハにおいて、前記第１のエピタキシャル膜において、前記第２のエピタキシャル膜との界面から０．１μｍ以上、２０μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の８０％以上が行われていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００４４】
かかる第１１の態様では、上述の領域で集中的に基底面転位が貫通刃状転位に転換した炭化珪素ウェハが得られる。
【００４５】
本発明の第１２の態様は、炭化珪素基板上に複数のエピタキシャル膜が形成され、当該複数のエピタキシャル膜のうちの隣接する２つのエピタキシャル膜であって、炭化珪素基板に近い側の第１のエピタキシャル膜及び遠い側の第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハであって、前記第１のエピタキシャル膜には、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、前記第１のエピタキシャル膜内で基底面転位が貫通刃状転位に転換され、第２のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度が、第１のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度の８０％以下であることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００４６】
かかる第１２の態様では、より基底面転位の密度が低減した第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハが得られる。
【００４７】
本発明の第１３の態様は、第９〜第１２の態様の何れか一つに記載する炭化珪素ウェハにおいて、前記炭化珪素基板が除去されていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００４８】
かかる第１３の態様では、基底面転位密度が高い基板が除去され、基底面転位が低減された結晶のみで構成される炭化珪素ウェハが得られる。
【００４９】
本発明の第１４の態様は、第１３の態様に記載する炭化珪素ウェハにおいて、前記炭化珪素基板が除去された側の表面にエピタキシャル膜が形成されていることを特徴とする炭化珪素ウェハにある。
【００５０】
かかる第１４の態様では、基底面転位密度が高い基板を除去した後にエピタキシャル成長するので、基底面転位が低減された結晶のみで構成され、かつ所望の厚みと積層を有する炭化珪素ウェハが得られる。
【００５１】
本発明の第１５の態様は、第９〜第１４の態様の何れか一つに記載する炭化珪素ウェハを用いて作製された炭化珪素半導体素子にある。
【００５２】
かかる第１５の態様では、基底面転位が低減した炭化珪素ウェハより作製されているので、信頼性や性能の低下が防止され、炭化珪素の優れた特性を活かした高性能な半導体素子が提供される。
【００５３】
本発明の第１６の態様は、第１５の態様に記載する炭化珪素半導体素子を用いて作製された電力変換装置にある。
【００５４】
かかる第１６の態様では、電力変換装置は、炭化珪素の優れた特性により、高電圧に適用でき、低損失で電力変換を行うことができる。
【発明の効果】
【００５５】
本発明によれば、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤをより確実にＴＥＤに転換できる炭化珪素ウェハの製造方法が提供される。
【００５６】
また、本発明によれば、製造工程の複雑化を防止し、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素単結晶ウェハ及びこれを用いた炭化珪素半導体素子が提供される。
【００５７】
さらに、本発明によれば、炭化珪素基板の制約がなく、かつＢＰＤがＴＥＤに転換された炭化珪素単結晶ウェハを用いた炭化珪素半導体素子から製造された電力変換装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】実施形態１に係る炭化珪素ウェハを説明する概略断面図である。
【図２】実施形態１に係る炭化珪素ウェハの製造方法を説明する概略断面図である。
【図３】実施形態１に係る炭化珪素ウェハを説明する概略断面図である。
【図４】実施形態１に係る炭化珪素ウェハを説明する概略断面図である。
【図５】実施形態２に係る炭化珪素ウェハを説明する概略断面図である。
【図６】実施形態２に係る炭化珪素ウェハの製造方法を説明する概略断面図である。
【図７】実施形態３に係る炭化珪素ウェハ及びその製造方法を説明する概略図である。
【図８】比較例及び実施例に係る炭化珪素ウェハのトポグラフィー像である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
〈実施形態１〉
以下、本実施形態に係る炭化珪素ウェハ及びその製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、炭化珪素ウェハの概略断面図であり、図２は、炭化珪素ウェハの製造方法を説明する概略断面図である。
【００６０】
図１に示すように、炭化珪素ウェハ（以下、ウェハ）１０は、炭化珪素基板（以下、基板）１に、イオン注入層２を形成し、このイオン注入層２上にエピタキシャル膜３を形成することで構成されている。
【００６１】
請求項に記載した炭化珪素基板とは、炭化珪素からなるバルク状の単結晶をスライスして得られた基板又は該基板をエピタキシャル成長させたものをいう。
【００６２】
本実施形態では、基板１（炭化珪素基板）は、炭化珪素からなる円柱形のバルク状の炭化珪素単結晶を３００μｍ〜４００μｍ程度の厚さにスライスして得られたものである。バルク状の炭化珪素単結晶は、昇華法やＨＴＣＶＤ法などにより作製されたものである。
【００６３】
基板１は、主表面が（０００１）面に略平行であり、結晶多形（ポリタイプ）が４Ｈ−ＳｉＣである。しかし、本発明においては、このような主表面、ポリタイプに限定されない。例えば、（０００１）面、（１１−２０）面、（１−１００）面、（０３−３８）面に略平行な面を有する基板を用いてもよい。また、基板１のポリタイプは、任意の種類を用いることができる。ポリタイプが比較的安定であり、大面積の基板を作製可能であるという観点から、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、１５Ｒ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣの何れかを用いることが好ましい。また、基板１は、基底面（０００１）より０°〜１０°の傾斜角（オフ角）を有する結晶成長面を有する。
【００６４】
基板１には、複数の基底面転位（以下、ＢＰＤ）２０が存在する。同図には５つのＢＰＤ２０が例示されている。基底面転位とは、ｃ軸と垂直な結晶面（基底面）を伝播する転位であり、バーガーズベクトルがａ／３＜１１−２０＞であるものをいう。なお、基板１には、貫通刃状転位や貫通らせん転位などｃ軸とほぼ平行に伝播する転位も存在するが、同図には表示を省略してある。
【００６５】
イオン注入層２は、基板１にイオンが注入されて形成された層である。イオン注入層２は、詳細は後述するが、基板１にイオンが注入されて結晶にダメージが与えられ、さらに、アニール処理により、結晶性が回復することで形成されている。
【００６６】
イオンは、特に限定されないが、例えば、Ｓｉイオン、Ｃイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオン、Ｐイオン、Ａｌイオン、Ｂイオン、Ｎイオンである。基板１が炭化珪素からなるものであれば、イオンとしては炭化珪素内で中性に働くＳｉイオンやＣイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオンであることが好ましい。基板１がｎ型半導体であるならば、ｎ型半導体を形成するＰイオンやＮイオンを用い、基板１がｐ型半導体であるならば、ｐ型半導体を形成するＡｌイオンやＢイオンを用いることが好ましい。すなわち、炭化珪素内で中性に働くイオン、もしくはイオンが注入される基板１の極性に合わせてイオンを選ぶことが好ましい。
【００６７】
エピタキシャル膜３は、イオン注入層２が形成された基板１に炭化珪素のエピタキシャル成長を行うことで形成された炭化珪素からなる薄膜である。
【００６８】
図１には、例として５つのＢＰＤ２０が基板１に存在している。基板１に存在する５つのＢＰＤ２０のうち２つは、そのままイオン注入層２及びエピタキシャル膜３に伝播しているが、残り３つは、基板１内（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方の基板１内）で、ＴＥＤ３０に転換されている。
【００６９】
基板１のうち、エピタキシャル膜３との界面から０．１ミクロン以上、２０ミクロン以内の部分を領域Ｒとする。基板１に含まれるＢＰＤ２０のうち２０％以上が、領域ＲでＴＥＤ３０に転換されている。図示した例では、５つのＢＰＤ２０のうち３つがＴＥＤに転換されているので、全ＢＰＤ２０のうち６０％がＴＥＤ３０に転換されている。
【００７０】
上述したように、ウェハ１０では、基板１内（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方の基板１内）でＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。
【００７１】
非特許文献１や非特許文献７などの従来技術では、ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、基板１上に設けたエピタキシャル膜が成長する際に行われる。
【００７２】
一方、本実施形態に係るウェハ１０でも、エピタキシャル膜３の成長の際にＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。さらに、それに加えて、基板１の領域Ｒで、全ＢＰＤ２０のうち２０％以上がＴＥＤ３０に転換される。したがって、本実施形態に係るウェハ１０は、ＢＰＤ２０がより一層低減したものとなる。
【００７３】
このように、ＢＰＤ２０が低減されているので、本実施形態に係るウェハ１０は、高い耐電圧性が求められる半導体素子や、高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適なものとなる。さらに、ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換が、半導体素子の不活性領域となる基板１の内部（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方の基板１内）で行われるため、高い信頼性の半導体素子を得るための材料として一層好適である。
【００７４】
また、ウェハ１０は、基板１のオフ角度や結晶面（Ｓｉ面、Ｃ面）に限定はない。したがって、半導体素子の製造に適したオフ角度や結晶面を有するウェハ１０を提供することができる。
【００７５】
図２を用いてウェハ１０の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、基板１を用意する。基板１には、複数のＢＰＤ２０が存在している。
【００７６】
次に、図２（ｂ）に示すように、基板１にイオンを注入する（第１工程）。このイオンは、特に限定されないが、例えば、Ｓｉイオン、Ｃイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオン、Ｐイオン、Ａｌイオン、Ｂイオン、Ｎイオンを用いることができる。本実施形態では、炭化珪素基板１にＳｉイオンを注入した。
【００７７】
炭化珪素基板１にイオンを注入する方法としては、公知のイオン注入装置を用いる方法が挙げられる。イオン注入装置は、注入する元素をイオン化し、イオンビームとして引き出し、高電圧の電場で加速し、この加速されたイオンを試料（炭化珪素基板１）に衝突させる装置である。この装置により、イオンが炭化珪素基板１に注入される。
【００７８】
炭化珪素基板１に注入させるイオンの量は、１．０×１０１８（／ｃｍ２）以上１．０×１０２１（／ｃｍ２）以下であることが好ましい。このような注入量であれば、後述するように、炭化珪素基板１のＢＰＤ２０をＴＥＤに転換し、ＢＰＤ２０が低減した炭化珪素単結晶を製造することができる。なお、上述のイオン注入量よりも多くのイオンを注入すると、炭化珪素基板１に欠陥が大量に生じてしまう。
【００７９】
Ｓｉイオンを注入することで、炭化珪素基板１の表面近傍では、注入されたＳｉイオンで結晶欠陥が生じたダメージ層２ａが形成される。ダメージ層２ａは、結晶欠陥が導入された炭化珪素の層である。これにより、ダメージ層２ａに、ＢＰＤ２０の先端部周辺が存在することになる。
【００８０】
次に、図２（ｃ）に示すように、イオンを注入した炭化珪素基板１をアニール処理する（第２工程）。加熱温度は特に限定されないが１５００〜２２００℃、より好ましくは１６００〜２０００℃で１〜１２０分程度行うことが好ましい。また、加熱は不活性ガス雰囲気または真空下で行うことが好ましい。加熱後、常温下で放置して冷却する。
【００８１】
このアニール処理によって、ダメージ層２ａの結晶性が回復しイオン注入層２となる。このイオン注入層２が形成されるときに、ＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。最終的な転換の位置は、アニール処理の温度や時間にもよるが、イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方の基板１内（領域Ｒ（図１参照））となる。この転換の理論的なメカニズムはまだ明らかにされていないが、アニール処理により、ダメージ層２ａの結晶性が回復する際にＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換したと推測される。
【００８２】
そして、図２（ｄ）に示すように、アニール処理により結晶性が回復したイオン注入層２の表面をエピタキシャル成長させる（第３工程）。これにより、エピタキシャル膜３が形成される。エピタキシャル膜３の結晶成長方法は、特に限定はないが、例えば、ＣＶＤ法により行うことが好ましい。以後、所定の膜厚と積層を有するウェハ１０を製造することができる。
【００８３】
エピタキシャル膜３の結晶成長の際、エピタキシャル膜３には、ＢＰＤ２０から転換されたＴＥＤ３０が基板１及びイオン注入層２からそのまま伝播する。なお、特に図示しないが、基板１内に存在しているＴＥＤ３０は、エピタキシャル膜３にそのままＴＥＤ３０として伝播している。
【００８４】
上述したように、イオンを注入して、ダメージ層２ａを形成し、アニール処理を行うことにより、基板１のＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。したがって、エピタキシャル膜３には、基板１に存在していたＢＰＤ２０が伝播せず、ＴＥＤ３０に転換されて伝播している。すなわち、本発明に係る製造方法によれば、ＢＰＤ２０が低減されたウェハ１０を得ることができる。
【００８５】
特に、本実施形態では、イオンとしてＳｉイオン、すなわち、製造目的であるエピタキシャル膜３を構成する元素と同じものを用いた。このＳｉイオンを用いることで、基板１中の不純物若しくはドーパントに影響されないエピタキシャル膜３を製造することができる。この効果は、ＣイオンやＨイオン、Ｈｅイオンを用いる場合についても同様である。
【００８６】
なお、イオン注入を行ってダメージ層２ａを形成する代わりに、電子線を照射してダメージ層２ａを形成しても同様な効果が得られる。この場合、基板１の表面層に十分な欠陥を形成するために、１００ｋｅＶ以上のエネルギーを有する電子線を照射する必要がある。１００ｋｅＶ以下のエネルギーでは、ＳｉＣ単結晶中のＳｉ原子とＣ原子の両方を電子線で格子間位置から外すことができないが、約１００ｋｅＶ以上のエネルギーではＣ原子、約２００ｋｅＶ以上のエネルギーではＳｉ原子を電子線で格子間位置から外すことが可能となり、イオン注入の場合と同様なダメージ層２ａを形成することができる。
【００８７】
以降、ダメージ層２ａは、イオン注入によるものに限らず、電子線照射によるものも含む。また、以降の説明では、イオン注入層２について言及するが、電子線照射層と読み替えても同様の効果を得ることができる。電子線照射層とは、電子線を照射して形成したダメージ層２ａをアニール処理することにより得られるものである。
【００８８】
また、従来技術では、ＢＰＤをＴＥＤに変換するために、基板に溶融ＫＯＨ、ＲＩＥなどのエッチング処理を行っていた。通常、エッチング処理を行うと、半導体素子を作製する際に表面を研磨して平坦化する処理が必要となる。しかしながら、本製造方法は、このようなエッチング処理が不要であるので、基板１の表面を平坦に保つことができる。なお、イオン注入や電子線照射は、エッチング処理ほど基板１の表面を粗くすることがなく、平坦化処理が不要である。このように、エッチング処理及びこれに伴う平坦化処理が不要となり、製造工程を簡略化できる。
【００８９】
なお、図３に示すように、上述したイオン注入〜アニール処理〜エピタキシャル成長を任意の回数行ってもよい。すなわち、基板１上に、イオン注入層２とエピタキシャル膜３との組を複数形成してウェハ１０を形成してもよい。例えば、一度のイオン注入〜アニール処理ではＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されなかったとする。この場合、同図に示すように、基板１側に近い方の一層目のエピタキシャル膜３に基板１のＢＰＤ２０がそのまま伝播することになる。しかし、イオン注入〜アニール処理を複数回繰り返すことで、ＢＰＤ２０はＴＥＤ３０に転換される確率が高くなる。例えば、２層目のイオン注入層２を形成することでＢＰＤ２０はＴＥＤ３０に転換され、２層目のエピタキシャル膜３には、ＴＥＤ３０が伝播する。結局、複数のウェハ１０全体では、ＢＰＤ２０のほとんどをＴＥＤ３０に転換することができる。
【００９０】
さらに、図４に示すように、エピタキシャル膜３は、一層に限らず、複数層形成してもよい。これにより、所望の厚みと積層を有するウェハ１０を形成することができる。
【００９１】
また、エピタキシャル膜３の膜厚は、特に限定されない。所望するエピタキシャル膜３の膜厚や該エピタキシャル膜３を用いて製造する半導体素子構造に応じて適宜設定すればよい。
【００９２】
上述した炭化珪素ウェハ１０を用いて、種々の炭化珪素半導体素子を製造することができる。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＪＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor）、ＢＪＴ（Bipolar junction transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）、ＧＣＴサイリスタ（Gate Commutated Turn-off Thyristor）、サイリスタ、ショットキーダイオード、ＪＢＳ（Junction Barrier Schottky）ダイオード、ＭＰＤ（Merged pn ダイオード）、ｐｎダイオードなどである。
【００９３】
本発明に係る製造方法により得られた炭化珪素単結晶又はこれを用いたウェハは、ＢＰＤ２０が低減しているので、当該ウェハを用いて製造された半導体素子の信頼性や性能の低下が防止され、炭化珪素の優れた特性を活かした高性能な半導体素子が得られる。
【００９４】
また、該炭化珪素半導体素子から、インバータやコンバータなどの電力変換装置を製造することができる。この電力変換装置は、炭化珪素の優れた特性により、高電圧に適用でき、低損失で電力変換を行うことができる。
【００９５】
〈実施形態２〉
実施形態１では、基板１は、炭化珪素からなる円柱形のバルク状の単結晶をスライスして得られたウェハを用いたが、本発明は、炭化珪素からなる基板にエピタキシャル膜が形成されたものを基板として用いることもできる。本実施形態では、エピタキシャル膜が形成された基板１を用いて作製されたウェハ１０及びその製造方法について説明する。
【００９６】
図５は、炭化珪素ウェハの概略断面図であり、図６は、炭化珪素ウェハの製造方法を説明する概略断面図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し重複する説明は省略する。
【００９７】
図５（ａ）に示すように、炭化珪素からなるバルク状の単結晶をスライスして得られた基板５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膜３Ａが設けられている。このエピタキシャル膜３Ａが形成された基板５全体を基板１とする。
【００９８】
本実施形態に係るウェハ１０は、基板１と、基板１のエピタキシャル膜３Ａに設けられたイオン注入層２と、イオン注入層２上に設けられたエピタキシャル膜３Ｂとから構成されている。エピタキシャル膜３Ａ、３Ｂは何れも、ＣＶＤ法などで作製された炭化珪素からなる薄膜である。なお、エピタキシャル膜３Ａは、請求項１０の第１のエピタキシャル膜に対応し、エピタキシャル膜３Ｂは請求項１０の第２のエピタキシャル膜に対応する。
【００９９】
イオン注入層２は、基板１のエピタキシャル膜３Ａにイオンが注入されて形成された層である。イオン注入層２は、詳細は後述するが、基板１のエピタキシャル膜３Ａにイオンが注入されてダメージが加わり、さらに、アニール処理により、結晶性が回復することで形成されている。
【０１００】
基板１には、複数のＢＰＤ２０が存在する。同図には５つのＢＰＤ２０が例示されている。エピタキシャル膜３Ａには、基板５から４つのＢＰＤ２０がそのまま伝播している。また、１つのＢＰＤ２０は、基板１とエピタキシャル膜３Ａの界面付近でＴＥＤ３０に転換されている。
【０１０１】
そして、エピタキシャル膜３Ａ（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方のエピタキシャル膜３Ａ内）においては、そのうち３つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、詳細は後述するが、基板１にイオン注入し、アニール処理を行うことにより行われている。
【０１０２】
エピタキシャル膜３Ｂには、エピタキシャル膜３Ａ（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方のエピタキシャル膜３Ａ内）で転換した３つのＴＥＤ３０がそのまま伝播し、イオン注入層２で転換されなかった１つのＢＰＤ２０がそのまま伝播している。
【０１０３】
エピタキシャル膜３Ａで行われるＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換の位置や割合は次の通りである。
【０１０４】
エピタキシャル膜３Ａでは、基板１から伝播したＢＰＤの２０％以上がＴＥＤに転換されている。図示した例では、イオン注入層２で４つのＢＰＤ２０のうち３つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されているので、イオン注入層２中の全ＢＰＤ２０のうち７５％がＴＥＤ３０に転換されている。
【０１０５】
エピタキシャル膜３Ａ（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方のエピタキシャル膜３Ａ内）のうち、厚さ方向に２μｍの厚さを持つ部分を領域Ｒとする。エピタキシャル膜３Ａで行われたＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換のうち６０％以上が領域Ｒで行われている。図示した例では、エピタキシャル膜３Ａ中の３つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されているが、そのうち、領域Ｒで２つのＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。すなわち、エピタキシャル膜３Ａ中で行われるＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換のうち６７％（２／３＝０．６６６・・・）が領域Ｒで行われている。
【０１０６】
厚さ２μｍ以内の領域Ｒで集中的にＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されるのは、エピタキシャル膜３Ａに、後述するような一連の処理によりイオン注入層２を形成してアニール処理を行ったからである。すなわち、実施形態１で述べたように、エピタキシャル膜３Ａに対して注入するイオンの量（密度）とアニール処理の温度や時間を適宜調整することで、ＢＰＤ２０からＴＥＤ３０に転換される位置の深さを調整できるからである。
【０１０７】
また、領域Ｒの位置は、イオン注入層２とエピタキシャル膜３Ｂとの界面から深さＤに位置する。深さＤは特に限定はないが、例えば、界面から０．１μｍ〜２０μｍである。この深さＤは、エピタキシャル膜３Ａに注入するイオンの量（密度）とアニール処理の温度や時間により制御できる。注入するイオンの量（照射する電子線の量）が多いほど、またアニール時間が長いほど、さらにアニール温度が高いほど、深さＤが大きくなる傾向がある。
【０１０８】
ここで、図５（ｂ）に、エピタキシャル膜３Ａにイオン注入層２を形成したウェハ１０の別態様を例示する。
【０１０９】
図示するように、エピタキシャル膜３が設けられた基板５を基板１とし、その上に任意の数（同図では１層）のエピタキシャル膜３を形成し、その上に、エピタキシャル膜３Ａを形成し、当該エピタキシャル膜３Ａにイオン注入層２を形成し、さらにエピタキシャル膜３Ｂを形成してウェハ１０としてもよい。
【０１１０】
この場合、請求項１０の第１のエピタキシャル膜はエピタキシャル膜３Ａであり、請求項１０の第２のエピタキシャル膜は最上面のエピタキシャル膜３Ｂである。すなわち、第１のエピタキシャル膜３Ａと基板１との間に、他のエピタキシャル膜が介在していてもよい。
【０１１１】
このようなウェハ１０であっても、エピタキシャル膜３Ａ（第１のエピタキシャル膜）に伝播したＢＰＤの２０％以上が、イオン注入層２においてＴＥＤに転換され、かつ領域ＲでＢＰＤからＴＥＤへの転換の６０％以上が行われている。また、領域Ｒの位置は、イオン注入層２とエピタキシャル膜３Ｂとの界面から深さＤに位置する。
【０１１２】
さらに、ウェハ１０のエピタキシャル膜３Ａ及びエピタキシャル膜３Ｂに存在するＢＰＤ２０には、次のような関係がある。
【０１１３】
すなわち、エピタキシャル膜３Ｂに含まれるＢＰＤ２０の密度は、エピタキシャル膜３Ａに含まれるＢＰＤ２０の密度の８０％以下である。エピタキシャル膜３ＡのＢＰＤ２０の密度とは、エピタキシャル膜３Ａに含まれるＢＰＤの単位面積あたりの数である。エピタキシャル膜３ＢのＢＰＤ２０の密度についても同様である。
【０１１４】
図５（ａ）に示す例では、エピタキシャル膜３Ａには４つのＢＰＤ２０（うち３つはＴＥＤ３０に転換されている）が含まれ、エピタキシャル膜３Ｂには１つのＢＰＤ２０が含まれている。したがって、エピタキシャル膜３ＡのＢＰＤ２０の密度（１個／単位面積）は、エピタキシャル膜３ＢのＢＰＤ２０の密度（４個／単位面積）の８０％以下である。
【０１１５】
以上に説明したように、ウェハ１０は、エピタキシャル膜３Ａ（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方のエピタキシャル膜３Ａ内）でＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換されている。従来技術では、エピタキシャル膜内では、成長に伴いごく一部のＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。このようなＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換は、エピタキシャル膜の深さ方向において不特定の場所で生じる。
【０１１６】
一方、本実施形態に係るウェハ１０では、従来技術同様に、エピタキシャル膜３Ａでごく一部のＢＰＤ２０がＴＥＤに転換される。さらに、それに加えて、ウェハ１０では、エピタキシャル膜３Ａ（イオン注入層２内もしくはイオン注入層２よりも下方のエピタキシャル膜３Ａ内）の深さＤに位置する領域Ｒで集中的にＢＰＤ２０の２０％以上がＴＥＤ３０に転換されている。したがって、本実施形態に係るウェハ１０は、ＢＰＤ２０がより一層低減したものとなる。
【０１１７】
このように、ＢＰＤ２０が低減されているので、本実施形態に係るウェハ１０は、高い耐電圧性が求められる半導体素子や、高い信頼性が求められる半導体素子の材料として好適なものとなる。また、ウェハ１０は、基板１のオフ角度や結晶面（Ｓｉ面、Ｃ面）に限定はない。したがって、半導体素子の製造に適したオフ角度や結晶面を有するウェハ１０が提供される。
【０１１８】
図６を用いてウェハ１０の製造方法について説明する。まず、図６（ａ）に示すように、炭化珪素からなるバルク状の単結晶をスライスして得られた基板５上をエピタキシャル成長させてエピタキシャル膜３Ａを形成する。このエピタキシャル膜３Ａが形成された基板５全体を基板１とする。
【０１１９】
基板５には、複数のＢＰＤ２０が存在する。同図には３つのＢＰＤ２０が例示されている。この基板５をエピタキシャル成長させると、いくつかのＢＰＤ２０（図では２つのＢＰＤ２０）は、基板５及びエピタキシャル膜３Ａの界面でＴＥＤ３０に転換し、ＴＥＤ３０としてエピタキシャル膜３Ａに伝播する。一方、基板５中のＢＰＤ２０がそのままエピタキシャル膜３Ａに伝播するものもある（図では一つのＢＰＤ２０がそのまま伝播している）。
【０１２０】
次に、図６（ｂ）に示すように、このような基板１にイオンを注入する。本実施形態では、炭化珪素基板１にＳｉイオンを注入した。イオンの種別や注入量、注入方法は実施形態１と同様である。
【０１２１】
Ｓｉイオンを注入することで、エピタキシャル膜３Ａ（炭化珪素基板１）の表面近傍では、注入されたＳｉイオンで結晶欠陥が生じたダメージ層２ａが形成される。実施形態１と同様に、ダメージ層２ａに、ＢＰＤ２０の先端部周辺が存在することになる。
【０１２２】
次に、図６（ｃ）に示すように、イオンを注入した基板１をアニール処理する。このアニール処理によって、ダメージ層２ａの結晶性が回復してイオン注入層２となる。このイオン注入層２が形成されるときに、ＢＰＤ２０がＴＥＤ３０に転換される。なお、加熱条件は、実施形態１と同様である。加熱後、常温下で放置して冷却する。
【０１２３】
そして、図６（ｄ）に示すように、アニール処理により結晶性が回復したイオン注入層２の表面をエピタキシャル成長させる。これにより、エピタキシャル膜３Ｂが形成される。エピタキシャル膜３Ｂの結晶成長方法は、特に限定はないが、例えば、ＣＶＤ法により行うことが好ましい。
【０１２４】
エピタキシャル膜３Ｂの結晶成長の際、エピタキシャル膜３Ｂには、ＢＰＤ２０から転換されたＴＥＤ３０がイオン注入層２からそのまま伝播する。
【０１２５】
以上に説明したように、基板５にエピタキシャル膜３Ａを形成する際にＴＥＤ３０に転換されなかったＢＰＤ２０を、イオン注入〜アニール処理〜エピタキシャル成長を行うことで、ＴＥＤ３０に転換することができる。このときのＢＰＤ２０からＴＥＤ３０への転換率、転換位置は図５に示したものと同様である。このように、本発明に係る製造方法は、ＢＰＤ２０が低減されたウェハ１０を製造することができる。
【０１２６】
もちろん、特に図示しないが、基板１に任意の数のエピタキシャル膜３を形成したのち、イオン注入層２を形成し、さらにエピタキシャル膜３を形成することで、図５（ｂ）に示したようなウェハ１０を製造することができる。また、エピタキシャル膜３を形成した後に、エピタキシャル膜３の上に任意の膜厚や層構造を有するエピタキシャル膜を形成してもよい。
【０１２７】
〈実施形態３〉
実施形態１及び実施形態２で説明したウェハ１０には、基板１が含まれていたが、基板１を除去してもよい。
【０１２８】
図７は、本実施形態に係る炭化珪素ウェハ及びその製造方法を説明する概略図である。なお、実施形態１及び実施形態２と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１２９】
図７（ａ）に記載したウェハ１０は、図１に示したウェハ１０と同じものである。図７（ｂ）に示すように、ウェハ１０の基板１を全て除去する。除去方法は、例えば、イオン注入層２が無くなるまで、機械研磨や化学処理、イオンエッチングなど適切な方法で行えばよい。
【０１３０】
基板１には、ＢＰＤ２０が高密度で存在していたが、その基板１が除去されるので、ＢＰＤ密度が小さいウェハ１１が得られる。
【０１３１】
さらに、図７（ｃ）に示すように、上述したウェハ１１を得た上で、基板１が存在していた側の表面上に、さらに炭化珪素のエピタキシャル成長を１回又は複数回行い、エピタキシャル膜３を形成してもよい。エピタキシャル膜３の膜厚やエピタキシャル成長を行う回数は特に限定されない。所望するウェハの全体膜厚や素子構造に応じて適宜設定すればよい。これにより、ＢＰＤ密度が小さく、基板１が存在していた側にもエピタキシャル膜３を有するウェハ１２を得ることができる。
【０１３２】
なお、特に図示しないが、基板１を除去する際にイオン注入層２を残してもよい。この場合においても、ＢＰＤ密度が小さいウェハを得ることができる。さらに、実施形態２に示したウェハについて、基板１を除去してもよいし、基板１を除去した後、エピタキシャル膜を形成してウェハとしてもよい。
【実施例】
【０１３３】
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明する。
【０１３４】
［比較例］
〈１１−２０〉方向に８°のオフ角を有する４Ｈ−ＳｉＣ基板上に、ＣＶＤ法により結晶成長を行い、膜厚が約２０μｍの第１のエピタキシャル膜を形成することで、比較例に係わる基板を製作した。
【０１３５】
［実施例］
比較例に係る基板について、後述の試験例に示す測定を行った後、Ｓｉイオンをエピタキシャル膜表面から深さ２５０ｎｍの領域で１×１０１９ｃｍ-３の平均濃度となるようにイオン注入を行った。イオン注入時の基板温度は６００℃とした。イオン注入に引き続いて、加熱処理を行った。この加熱処理は、基板をグラファイト製の坩堝の中に入れ、高周波誘導加熱が行われるグラファイト円筒（ホットウォール）内に坩堝を配置した。坩堝内にアルゴンガスを供給し、１６７０℃で３分間加熱した。昇温速度は４０℃／minとした。加熱処理後に、ＣＶＤ法により結晶成長を行い、膜厚が約２０μｍの第２のエピタキシャル膜を形成して実施例に係わる基板を得た。その後に、後述の試験例に示す測定を再度行った。
【０１３６】
［試験例１］
比較例、実施例に係る基板のそれぞれについて、放射光反射トポグラフィー測定（SPring-8放射光施設）を行い、トポグラフィー像を得ることで、エピタキシャル膜内の各種転位の分布を測定した。
【０１３７】
具体的には、比較例、実施例に係る基板のそれぞれに対して、放射光を単色化したＸ線（波長１．５４Å）を約２０°の入射角度で照射し、回折ベクトルｇ＝１１−２８の条件を満たす反射光を原子核乾板に結像させてトポグラフィー像を得た。
【０１３８】
図８（ａ）は、比較例のトポグラフィー像であり、図８（ｂ）は、イオン注入、加熱処理ならびに第２のエピタキシャル膜の形成後に得られた実施例のトポグラフィー像である。比較例に係る基板上に現れた線状の暗いコントラストはＢＰＤであり、比較的小さな断片状（ドット状）のコントラストはＴＥＤであり、比較的大きな円形のコントラストはＴＳＤ（貫通らせん転位）である。これらのトポグラフィー像は基板の同一領域を示しており、イオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成によって、転位がどのように変化したかを確認した。
【０１３９】
図８（ａ）中の○印に示すように、比較例に係る基板には、基板からエピタキシャル膜に伝播したＢＰＤが１８個現れていることが確認された。
【０１４０】
一方、図８（ｂ）では、比較例ではＢＰＤが観察されていた位置と、ほぼ同じ配置で（白い矢印で示す位置）に、ＴＥＤが観察されている。つまり、比較例ではＢＰＤとしてエピタキシャル膜の表面に現れていたものが、イオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成後には、ＴＥＤとしてエピタキシャル膜に現れていることを示している。このことは、比較例では、線状のコントラストで現れていたものが、イオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成後には、小さな断片上（ドット状）のコントラストに変化していることから判断される。
【０１４１】
トポグラフィー像の観察結果より、比較例に示した基板の一領域には、合計１８個のＢＰＤがエピタキシャル膜表面に現れていたが、このうちの１７個のＢＰＤ（図８（ｂ）中で、白い矢印で示すＢＰＤ）がイオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成によってＴＥＤに転換され、残りの１個のＢＰＤ（図８（ｂ）中で、黒い矢印で示すＢＰＤ）は転換されずにＢＰＤとして残存していたことが分かる。
【０１４２】
［試験例２］
比較例、実施例に関して、より広い領域で転位の分布を測定した。
【０１４３】
より広い領域で比較例のＢＰＤを計測したところ、エピタキシャル膜表面には５６個のＢＰＤが現れていた。一方、同一領域について実施例のＢＰＤを計測したところ、５６個のＢＰＤのうち約９１％に相当する５１個がＴＥＤに転換していた。
【０１４４】
［試験例３］
実施例に関して、イオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成により生じたＢＰＤからＴＥＤへの転換が、エピタキシャル膜内において膜表面からどの深さ方向で行われたものかを調べた。
【０１４５】
測定は、比較例と実施例において取得した放射光反射トポグラフィーを比較検査することで、イオン注入→加熱処理→第２のエピタキシャル膜形成によってＢＰＤからＴＥＤへ転換したものの放射光トポグラフィー像において、基板のオフ傾斜と平行な方向におけるエピタキシャル膜内でのＢＰＤの長さを調べることで、転換が起きたエピタキシャル膜表面からの距離を求めた。これにより、ＢＰＤからＴＥＤへの転換について、エピタキシャル膜表面からの距離に対する度数を明らかにした。その結果、第１のエピタキシャル膜と第２のエピタキシャル膜の界面から、第１のエピタキシャル膜側に５．５μｍ±１μｍの領域（５．５μｍが図５（ａ）のＤに相当し、±１μｍ（２μｍ）が図５（ａ）のＲに相当する）でＢＰＤからＴＥＤへの転換の６５％以上が起きていることが確認された。
【０１４６】
［試験例４］
イオン注入後の高温熱処理温度として１５００〜２２００℃、熱処理時間として５〜２４０分の範囲で変化させて、同様な実験、分析を行った結果、１５００℃ではＢＰＤからＴＥＤへの転換がほとんど確認されなかったが、１６００℃以上においてはＢＰＤからＴＥＤへの転換が確認された。このＢＰＤからＴＥＤへの転換の確率は温度が高くなるにつれて増大したが、２０００℃を超える温度領域ではＳｉＣ単結晶表面の昇華が加速され初め、２２００℃以上では熱処理温度としては不適切であった。また熱処理時間が長くなるにつれて、ＢＰＤからＴＥＤへの転換の確率が増大するものの、１２０分以上ではほぼ飽和した。なお、熱処理によるＢＰＤからＴＥＤへの転換が起きた位置は、高温熱処理の温度、もしくは時間の増加につれて、エピタキシャル膜表面付近（表面から０．１μｍ程度）から深い方向（表面から最大２０μｍ程度）に移動したが、いずれの場合においても、ある深さより±１μｍの範囲内でＢＰＤからＴＥＤへの転換の６０％以上が行われていた。
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本発明は、炭化珪素半導体素子を利用する産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【０１４８】
１ 炭化珪素基板
２ イオン注入層
２ａ ダメージ層
３、３Ａ、３Ｂ エピタキシャル膜
５ 基板
２０ ＢＰＤ（基底面転位）
３０ ＴＥＤ（貫通刃状転位）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素基板の一方面にイオンを注入し、又は電子線照射する第１工程と、
当該炭化珪素基板をアニール処理する第２工程と、
当該炭化珪素基板の一方面側にエピタキシャル膜を形成する第３工程とを備える
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板に注入されるイオンは、Ｓｉイオン、Ｃイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオン、Ｐイオン、Ａｌイオン、Ｂイオン及びＮイオンからなる群から選択される少なくとも一種である
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板に注入されるイオンの注入量は、１．０×１０１８（／ｃｍ２）以上１．０×１０２１（／ｃｍ２）以下であり、イオン注入後の熱処理の温度が１５００〜２２００℃であり、当該熱処理の時間が１〜１２０分であることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板に照射される電子線のエネルギーが１００ｋｅＶ以上で、電子線照射後の熱処理の温度が１５００〜２２００℃であり、当該熱処理の時間が１〜１２０分であることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記第１工程〜前記第３工程を複数回繰り返す
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記第３工程を複数回繰り返す
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記エピタキシャル膜を残し、前記炭化珪素基板を除去する
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板を除去することで現れたエピタキシャル膜を、さらにエピタキシャル成長させる
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項９】
バルク状の炭化珪素基板に、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、さらに該イオン注入層又は該電子線照射層上にエピタキシャル膜が形成され、
前記炭化珪素基板の表面から０．１μｍ以上、２０μｍ以内の領域で、基底面転位のうちの２０％以上が貫通刃状転位に転換されている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１０】
バルク状の炭化珪素基板上に複数のエピタキシャル膜が形成され、
当該複数のエピタキシャル膜のうちの隣接する２つのエピタキシャル膜であって、炭化珪素基板に近い側の第１のエピタキシャル膜及び遠い側の第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハであって、
前記第１のエピタキシャル膜には、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、
前記第１のエピタキシャル膜内で２０％以上の基底面転位が貫通刃状転位に転換され、
前記第１のエピタキシャル膜の厚さ方向２μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の６０％以上が行われている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１１】
請求項１０に記載する炭化珪素ウェハにおいて、
前記第１のエピタキシャル膜において、前記第２のエピタキシャル膜との界面から０．１μｍ以上、２０μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の８０％以上が行われている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１２】
炭化珪素基板上に複数のエピタキシャル膜が形成され、
当該複数のエピタキシャル膜のうちの隣接する２つのエピタキシャル膜であって、炭化珪素基板に近い側の第１のエピタキシャル膜及び遠い側の第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハであって、
前記第１のエピタキシャル膜には、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、
前記第１のエピタキシャル膜で基底面転位が貫通刃状転位に転換され、
第２のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度が、第１のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度の８０％以下である
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１３】
請求項９〜請求項１２の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハにおいて、
前記炭化珪素基板が除去されている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１４】
請求項１３に記載する炭化珪素ウェハにおいて、
前記炭化珪素基板が除去された側の表面にエピタキシャル膜が形成されている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１５】
請求項９〜請求項１４の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハを用いて作製された炭化珪素半導体素子。
【請求項１６】
請求項１５に記載する炭化珪素半導体素子を用いて作製された電力変換装置。
【請求項１】
炭化珪素基板の一方面にイオンを注入し、又は電子線照射する第１工程と、
当該炭化珪素基板をアニール処理する第２工程と、
当該炭化珪素基板の一方面側にエピタキシャル膜を形成する第３工程とを備える
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板に注入されるイオンは、Ｓｉイオン、Ｃイオン、Ｈイオン、Ｈｅイオン、Ｐイオン、Ａｌイオン、Ｂイオン及びＮイオンからなる群から選択される少なくとも一種である
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板に注入されるイオンの注入量は、１．０×１０１８（／ｃｍ２）以上１．０×１０２１（／ｃｍ２）以下であり、イオン注入後の熱処理の温度が１５００〜２２００℃であり、当該熱処理の時間が１〜１２０分であることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板に照射される電子線のエネルギーが１００ｋｅＶ以上で、電子線照射後の熱処理の温度が１５００〜２２００℃であり、当該熱処理の時間が１〜１２０分であることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記第１工程〜前記第３工程を複数回繰り返す
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記第３工程を複数回繰り返す
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記エピタキシャル膜を残し、前記炭化珪素基板を除去する
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載する炭化珪素ウェハの製造方法において、
前記炭化珪素基板を除去することで現れたエピタキシャル膜を、さらにエピタキシャル成長させる
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。
【請求項９】
バルク状の炭化珪素基板に、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、さらに該イオン注入層又は該電子線照射層上にエピタキシャル膜が形成され、
前記炭化珪素基板の表面から０．１μｍ以上、２０μｍ以内の領域で、基底面転位のうちの２０％以上が貫通刃状転位に転換されている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１０】
バルク状の炭化珪素基板上に複数のエピタキシャル膜が形成され、
当該複数のエピタキシャル膜のうちの隣接する２つのエピタキシャル膜であって、炭化珪素基板に近い側の第１のエピタキシャル膜及び遠い側の第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハであって、
前記第１のエピタキシャル膜には、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、
前記第１のエピタキシャル膜内で２０％以上の基底面転位が貫通刃状転位に転換され、
前記第１のエピタキシャル膜の厚さ方向２μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の６０％以上が行われている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１１】
請求項１０に記載する炭化珪素ウェハにおいて、
前記第１のエピタキシャル膜において、前記第２のエピタキシャル膜との界面から０．１μｍ以上、２０μｍ以内の領域で、基底面転位から貫通刃状転位への転換の８０％以上が行われている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１２】
炭化珪素基板上に複数のエピタキシャル膜が形成され、
当該複数のエピタキシャル膜のうちの隣接する２つのエピタキシャル膜であって、炭化珪素基板に近い側の第１のエピタキシャル膜及び遠い側の第２のエピタキシャル膜を有する炭化珪素ウェハであって、
前記第１のエピタキシャル膜には、イオンが注入されたイオン注入層又は電子線が照射された電子線照射層が形成され、
前記第１のエピタキシャル膜で基底面転位が貫通刃状転位に転換され、
第２のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度が、第１のエピタキシャル膜に含まれる基底面転位の密度の８０％以下である
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１３】
請求項９〜請求項１２の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハにおいて、
前記炭化珪素基板が除去されている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１４】
請求項１３に記載する炭化珪素ウェハにおいて、
前記炭化珪素基板が除去された側の表面にエピタキシャル膜が形成されている
ことを特徴とする炭化珪素ウェハ。
【請求項１５】
請求項９〜請求項１４の何れか一項に記載する炭化珪素ウェハを用いて作製された炭化珪素半導体素子。
【請求項１６】
請求項１５に記載する炭化珪素半導体素子を用いて作製された電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１０７７８８（Ｐ２０１３−１０７７８８Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５３２８３（Ｐ２０１１−２５３２８３）
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
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