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JP7600518B2 - Multilayer structure, method for manufacturing multilayer structure, and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description

本発明は、下地の基板となる単結晶等の上に、炭化珪素(SiC)単結晶をエピタキシャル成長させた複合構造である多層構造体(SiCエピタキシャル成長基板)、多層構造体の製造方法及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a multilayer structure (SiC epitaxial growth substrate), which is a composite structure in which a silicon carbide (SiC) single crystal is epitaxially grown on a single crystal or the like that serves as a base substrate, a method for manufacturing the multilayer structure, and a method for manufacturing a semiconductor device.

SiCのエピタキシャル成長層を含む多層構造体には、多くの積層欠陥が含まれ、半導体装置の特性に悪影響を与えることが知られている。市販のSiC基板には、c軸方向に伝播する貫通型のらせん転位や刃状転位、及び基底面内を伝播する基底面転位(BPD)が内包されている。また、らせん転位と刃状転位が混合した混合転位(転位ループ)も多数存在する。これらの多層構造体内の転位は、エピタキシャル成長時にエピタキシャル層内に伝播して引き継がれる。らせん転位や刃状転位などの貫通転位は、SiC単結晶を用いた半導体装置(以下において「SiC半導体装置」という。)のリーク電流を増加させることが知られている。特許文献1には、多層構造体を構成する基板の主面にイオン注入して結晶性を低下させた後、熱処理を行って結晶性を回復させることにより、基板表層部の貫通混合転位から、らせん転位を消滅させることが記載されている。 It is known that a multilayer structure including an epitaxially grown layer of SiC contains many stacking faults, which adversely affect the characteristics of a semiconductor device. Commercially available SiC substrates contain threading screw dislocations and edge dislocations that propagate in the c-axis direction, and basal plane dislocations (BPDs) that propagate in the basal plane. There are also many mixed dislocations (dislocation loops) that are a mixture of screw dislocations and edge dislocations. These dislocations in the multilayer structure propagate into the epitaxial layer during epitaxial growth and are inherited. It is known that threading dislocations such as screw dislocations and edge dislocations increase the leakage current of semiconductor devices using SiC single crystals (hereinafter referred to as "SiC semiconductor devices"). Patent Document 1 describes that ions are implanted into the main surface of a substrate constituting a multilayer structure to reduce crystallinity, and then heat treatment is performed to restore crystallinity, thereby eliminating screw dislocations from the threading mixed dislocations in the surface layer of the substrate.

一方、基底面転位は、SiC単結晶を用いた電力用半導体装置(以下において「SiCパワーデバイス」という。)の特性の劣化、特に順方向特性の劣化の原因となる。例えば、SiC多層構造体を用いたpinダイオードに順方向電流を流したときに、順方向抵抗が増大する現象が知られている。pinダイオードの順方向抵抗の増大は、n型エピタキシャル層のドリフト領域に存在する基底面転位を起点として積層欠陥が拡大することによって起こる。基底面転位は基板からエピタキシャル層まで続いており、エピタキシャル層を貫通して表面に至る。ドリフト領域の基底面転位は、通電によりp型アノード領域から少数キャリア(n型エピタキシャル層では正孔)がドリフト領域に注入されることにより、積層欠陥の起点となり得る。 On the other hand, basal plane dislocations cause the deterioration of the characteristics of power semiconductor devices using SiC single crystals (hereinafter referred to as "SiC power devices"), especially the deterioration of forward characteristics. For example, it is known that the forward resistance increases when a forward current is passed through a pin diode using a SiC multilayer structure. The increase in the forward resistance of a pin diode occurs when stacking faults expand from basal plane dislocations present in the drift region of the n-type epitaxial layer. The basal plane dislocations continue from the substrate to the epitaxial layer, penetrating the epitaxial layer to the surface. The basal plane dislocations in the drift region can become the origin of stacking faults when minority carriers (holes in the n-type epitaxial layer) are injected from the p-type anode region into the drift region due to current flow.

基板内の転位がエピタキシャル層へと伝播する過程では、転位の変換がなされることが知られている。基板内の基底面転位の大部分は、エピタキシャル成長時に貫通転位に変換され、残りの少数は、そのまま基底面転位としてエピタキシャル層を伝播する。貫通転位は積層欠陥に拡大しないので、ドリフト領域における基底面転位から貫通転位への変換率を100%に近くして、更に、基底面転位に注入される正孔密度を減らすことで、積層欠陥の発生を抑制することが可能となる。 It is known that dislocations are converted during the process in which dislocations in the substrate propagate to the epitaxial layer. Most of the basal plane dislocations in the substrate are converted to threading dislocations during epitaxial growth, and the remaining few propagate through the epitaxial layer as basal plane dislocations. Since threading dislocations do not expand into stacking faults, it is possible to suppress the occurrence of stacking faults by increasing the conversion rate of basal plane dislocations to threading dislocations in the drift region to close to 100% and further reducing the density of holes injected into the basal plane dislocations.

基底面転位から貫通転位への変換率は95%程度であり、エピタキシャル層中には5%程度残存することになる。非特許文献1には、アルゴン(Ar)イオンを基板の上面近傍にイオン注入することにより、BPDからTEDへの変換率が上がることが報告されている。しかし、無害な貫通転位に変換されてはいるが、貫通転位の根元の基底面転位がエピタキシャル層内の基板界面付近に残るため、積層欠陥拡大の原因欠陥を完全に防止することが困難である。更に、p型アノード領域から注入される正孔密度を緩衝層により減少させる方法に関しても、基底面転位が積層欠陥に拡大を開始する正孔密度の閾値は、基板内の応力などによって大きくばらつく。そのため、小さな閾値を持つ基底面転位の積層欠陥への拡大を防止するためには、通電電流を大きくできず、デバイスの限界性能で使用することを難しくしている。 The conversion rate from basal plane dislocations to threading dislocations is about 95%, and about 5% of them remain in the epitaxial layer. Non-Patent Document 1 reports that the conversion rate from BPD to TED increases by implanting argon (Ar) ions near the top surface of the substrate. However, although they are converted into harmless threading dislocations, the basal plane dislocations at the root of the threading dislocations remain near the substrate interface in the epitaxial layer, making it difficult to completely prevent the defects that cause the expansion of stacking faults. Furthermore, even with regard to the method of reducing the hole density injected from the p-type anode region by using a buffer layer, the threshold hole density at which basal plane dislocations start to expand into stacking faults varies greatly depending on the stress in the substrate. Therefore, in order to prevent the expansion of basal plane dislocations with a small threshold into stacking faults, the current cannot be increased, making it difficult to use at the limit of device performance.

特開2011-168453号公報JP 2011-168453 A

C.ハイドルン(Heidorn)他、「ウェハ基板へのイオン注入による4H-SiCホモ・エピタキシャル層中の基底面転位の増大(Basal Plane Dislocation Enhancement in 4H-SiC homo-epitaxial Layers by Ion Implantation into the Wafer Substrate)、第12回炭化珪素及び関連材料に関する欧州会議(12th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials)、2018年、プロシディングID:1228C. Heidorn et al., "Basal Plane Dislocation Enhancement in 4H-SiC homo-epitaxial Layers by Ion Implantation into the Wafer Substrate," 12th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials, 2018, Proceedings ID: 1228

本発明は、上記問題点を鑑み、積層欠陥の拡大を防止し、SiCを用いた半導体装置の順方向特性の劣化を抑制することが可能な多層構造体、多層構造体の製造方法及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention aims to provide a multilayer structure capable of preventing the expansion of stacking faults and suppressing the deterioration of the forward characteristics of a semiconductor device using SiC, a method for manufacturing the multilayer structure, and a method for manufacturing a semiconductor device.

上記目的を達成するために、本発明の一態様は、(a)第1導電型の炭化珪素の基板と、(b)基板の上に設けられた、基板よりも低不純物密度の第1導電型の緩衝層と、(c)緩衝層の上に設けられた、緩衝層よりも低不純物密度の第1導電型のエピタキシャル成長層と、を備え、緩衝層の内部において、基板との界面からエピタキシャル成長層との界面まで緩衝層の厚さ方向に延在して設けられた、基板の内部に存在する基底面転位から連続してエピタキシャル成長層の内部に発生する基底面転位を不動化する第1不動化層を備え、基板は、表面が(0001)面で[0001]軸方向に対して[11-20]方向に0°より大きく8°より小さいオフ角を有し、第1不動化層は[11-20]方向に直交する方向に互いに平行に延伸するストライプ状の複数の第2導電型半導体領域であり、複数の第2導電型半導体領域の間の間隔dは、緩衝層の膜厚をh、基板のオフ角をθとしたとき、h/d>tanθを満たし、緩衝層と基板との界面の下の基板の表面側に、基底面転位を結晶欠陥により不動化する第2不動化層を更に備え、第2不動化層は、基底面転位を不動化する原子を含み、かつ基板の面内方向の全面に設けられる多層構造体であることを要旨とする。 In order to achieve the above object, one aspect of the present invention comprises: (a) a silicon carbide substrate of a first conductivity type; (b) a buffer layer of the first conductivity type provided on the substrate and having a lower impurity density than the substrate; and (c) an epitaxial growth layer of the first conductivity type provided on the buffer layer and having a lower impurity density than the buffer layer, wherein the buffer layer further comprises a first passivation layer extending in a thickness direction of the buffer layer from an interface with the substrate to an interface with the epitaxial growth layer, the first passivation layer immobilizing basal plane dislocations that occur in the epitaxial growth layer continuously from basal plane dislocations present in the substrate; and The present invention relates to a multilayer structure having an off-angle greater than 0° and smaller than 8° in the [11-20] direction with respect to the [ 11-20] direction, the first passivation layer being a plurality of stripe-shaped second conductivity type semiconductor regions extending parallel to each other in a direction perpendicular to the [11-20] direction , and a spacing d between the plurality of second conductivity type semiconductor regions satisfies h/d>tan θ, where h is the film thickness of the buffer layer and θ is the off-angle of the substrate, and the substrate further comprises a second passivation layer on the surface side of the substrate below the interface between the buffer layer and the substrate , which immobilizes basal plane dislocations with crystal defects, the second passivation layer containing atoms that immobilize basal plane dislocations and being provided on the entire in-plane direction of the substrate.

本発明の他の態様は、(a)第1導電型の炭化珪素の基板の上に該基板よりも低不純物密度で第1導電型の緩衝層をエピタキシャル成長するステップと、(b)緩衝層の上に、緩衝層よりも低不純物密度で第1導電型のエピタキシャル成長層をエピタキシャル成長するステップと、(緩衝層の内部において、基板との界面からエピタキシャル成長層との界面まで緩衝層の厚さ方向に延在し、基板の内部に存在する基底面転位から連続してエピタキシャル成長層の内部に発生する基底面転位を不動化する第1不動化層を形成するステップと、(d)緩衝層と基板との界面の下の基板の表面側に、基底面転位を結晶欠陥により不動化する第2不動化層を形成するステップと、を含み、基板は、表面が(0001)面で[0001]軸方向に対して[11-20]方向に0°より大きく8°より小さいオフ角を有し、
第1不動化層は[11-20]方向に直交する方向に互いに平行に延伸するストライプ状の複数の第2導電型半導体領域であり、複数の第2導電型半導体領域の間の間隔dは、緩衝層の膜厚をh、基板のオフ角をθとしたとき、h/d>tanθを満たし、第2不動化層は、基底面転位を不動化する原子を含み、かつ基板の面内方向の全面に形成される多層構造体の製造方法であることを要旨とする。
Another aspect of the present invention includes the steps of: (a) epitaxially growing a buffer layer of a first conductivity type on a silicon carbide substrate of a first conductivity type with a lower impurity density than the substrate; (b) epitaxially growing an epitaxial growth layer of the first conductivity type on the buffer layer with a lower impurity density than the buffer layer ; ( c ) forming a first passivation layer inside the buffer layer, the first passivation layer extending in the thickness direction of the buffer layer from the interface with the substrate to the interface with the epitaxial growth layer, the first passivation layer immobilizing basal plane dislocations occurring in the epitaxial growth layer continuously from basal plane dislocations present in the substrate; and (d) forming a second passivation layer on a surface side of the substrate below the interface between the buffer layer and the substrate, the second passivation layer immobilizing basal plane dislocations by crystal defects , the surface of the substrate being a (0001) plane with an off angle of more than 0° and less than 8° in the [11-20] direction with respect to the [0001] axial direction,
The first passivation layer is a plurality of stripe-shaped second conductivity type semiconductor regions extending parallel to each other in a direction perpendicular to the [11-20] direction , a distance d between the plurality of second conductivity type semiconductor regions satisfies h/d>tan θ, where h is the film thickness of the buffer layer and θ is the off-angle of the substrate, and the second passivation layer contains atoms that immobilize basal plane dislocations and is formed over the entire in-plane direction of the substrate.

本発明の他の態様は、(a)第1導電型の炭化珪素の基板の上に、基板よりも低不純物密度で第1導電型の緩衝層をエピタキシャル成長するステップと、(b)基板と緩衝層との界面から50nmの間となる緩衝層の内部に基底面転位を不動化する原子の濃度分布のピークを有し、基板の内部に存在する基底面転位から連続して緩衝層の内部に発生する基底面転位を結晶欠陥により不動化する第1不動化層を、緩衝層の面内方向の全面に形成するステップと、(c)緩衝層の上に、緩衝層よりも低不純物密度で第1導電型の走行層をエピタキシャル成長するステップと、(d)走行層の表面に、走行層にキャリアを注入する第2導電型の担体注入領域を形成するステップとを含み、緩衝層をエピタキシャル成長するステップは、基板の上に基底面転位を貫通転位に変換する欠陥変換層をエピタキシャル成長する段階と、欠陥変換層の上に、欠陥変換層よりも高不純物密度で、注入された少数キャリアを再結合により減少させる再結合促進層をエピタキシャル成長させる段階と、を含み、再結合促進層の内部の、欠陥変換層と再結合促進層との界面から50nmの間に基底面転位を不動化する原子の濃度分布のピークを有し、再結合促進層に存在する基底面転位を結晶欠陥により不動化する第3不動化層を、再結合促進層の面内方向の全面に形成するステップを更に備える半導体装置の製造方法であることを要旨とする。 Another aspect of the present invention includes the steps of: (a) epitaxially growing a buffer layer of a first conductivity type on a silicon carbide substrate of a first conductivity type with an impurity density lower than that of the substrate; (b) forming a first passivation layer on the entire in-plane direction of the buffer layer, the first passivation layer having a peak in the concentration distribution of atoms that immobilize basal plane dislocations inside the buffer layer within 50 nm from the interface between the substrate and the buffer layer , and immobilizing basal plane dislocations that occur in the buffer layer continuously from basal plane dislocations present in the substrate with crystal defects; (c) epitaxially growing a traveling layer of the first conductivity type on the buffer layer with an impurity density lower than that of the buffer layer; and (d) forming a carrier injection region of a second conductivity type on a surface of the traveling layer for injecting carriers into the traveling layer. The method for epitaxially growing a buffer layer includes a step of epitaxially growing a defect conversion layer on a substrate, the defect conversion layer converting basal plane dislocations into threading dislocations, and a step of epitaxially growing a recombination promotion layer on the defect conversion layer, the recombination promotion layer having a higher impurity density than the defect conversion layer and reducing injected minority carriers through recombination, and further including a step of forming a third passivation layer on the entire in-plane direction of the recombination promotion layer, the third passivation layer having a peak in the concentration distribution of atoms that passivate basal plane dislocations within the recombination promotion layer and located within 50 nm from the interface between the defect conversion layer and the recombination promotion layer, the third passivation layer immobilizing basal plane dislocations present in the recombination promotion layer by crystal defects.

本発明によれば、積層欠陥の拡大を防止し、SiCを用いた半導体装置の順方向特性の劣化を抑制することが可能な多層構造体、多層構造体の製造方法及び半導体装置の製造方法を提供できる。 The present invention provides a multilayer structure capable of preventing the expansion of stacking faults and suppressing the deterioration of the forward characteristics of a semiconductor device using SiC, a method for manufacturing the multilayer structure, and a method for manufacturing a semiconductor device.

本発明の第1実施形態の説明に係る半導体装置の一例を示す断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention; 図2(a)は、SiC基板における基底面欠陥の一例を示す上面概略図、図2(b)は対応する断面概略図である。FIG. 2( a ) is a schematic top view illustrating an example of a basal plane defect in a SiC substrate, and FIG. 2( b ) is a corresponding schematic cross-sectional view. 図3(a)はSiC基板及びエピタキシャル層における転位欠陥の挙動の一例を示す上面概略図、図3(b)は対応する断面概略図である。FIG. 3( a ) is a schematic top view showing an example of the behavior of dislocation defects in a SiC substrate and an epitaxial layer, and FIG. 3( b ) is a corresponding schematic cross-sectional view. SiC基板における部分転位の間隔の拡大を説明する上面概略図である。FIG. 1 is a top schematic diagram illustrating the expansion of the spacing between partial dislocations in a SiC substrate. SiC基板の上部にイオン注入による副不純物原子の導入位置の一例を示す断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a position where secondary impurity atoms are introduced by ion implantation into an upper portion of a SiC substrate. 図6(a)は、図5に示したSiC基板及び成長層における転位欠陥の挙動の一例を示す上面概略図、図6(b)は対応する断面概略図である。FIG. 6( a ) is a schematic top view showing an example of the behavior of dislocation defects in the SiC substrate and growth layer shown in FIG. 5 , and FIG. 6( b ) is a corresponding schematic cross-sectional view. 図7(a)は、第1実施形態に係る多層構造体(エピタキシャル成長基板)の一例を示す(a)上面概略図、図7(b)は対応する断面概略図である。FIG. 7(a) is a schematic top view showing an example of a multilayer structure (epitaxial growth substrate) according to the first embodiment, and FIG. 7(b) is a corresponding schematic cross-sectional view. 図8(a)は、第1実施形態に係る多層構造体の他の例を示す(a)上面概略図、図8(b)は対応する断面概略図である。FIG. 8(a) is a schematic top view showing another example of the multilayer structure according to the first embodiment, and FIG. 8(b) is a corresponding schematic cross-sectional view. 図9(a)は、第1実施形態に係る多層構造体の他の例を示す(a)上面概略図、図9(b)は対応する断面概略図である。FIG. 9(a) is a schematic top view showing another example of the multilayer structure according to the first embodiment, and FIG. 9(b) is a corresponding schematic cross-sectional view. 図10(a)は、第1実施形態に係る多層構造体に対して、SIMSで測定したn型不純物分布の一例、図10(b)は対応する基底面転位を不動化する原子の不純物分布の一例、図10(c)は対応する基底面転位を不動化する原子の不純物分布の他の例を示す図である。FIG. 10( a ) is a diagram showing an example of an n-type impurity distribution measured by SIMS for the multilayer structure according to the first embodiment, FIG. 10 ( b ) is a diagram showing an example of an impurity distribution of atoms that immobilize corresponding basal plane dislocations, and FIG. 10 ( c ) is a diagram showing another example of an impurity distribution of atoms that immobilize corresponding basal plane dislocations. 第1実施形態に係る多層構造体を用いる半導体装置の製造方法の工程の一例を説明する断面概略図である。3A to 3C are schematic cross-sectional views illustrating an example of a process for manufacturing a semiconductor device using the multilayer structure according to the first embodiment. 第1実施形態に係る多層構造体を用いる半導体装置の製造方法の図11に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。12 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a process subsequent to FIG. 11 in the method for manufacturing a semiconductor device using the multilayer structure according to the first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る多層構造体を用いる半導体装置の製造方法の図12に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。13 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a process subsequent to FIG. 12 in the method for manufacturing a semiconductor device using the multilayer structure according to the first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る多層構造体を用いる半導体装置の製造方法の図13に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。14 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a process subsequent to FIG. 13 in the method for manufacturing a semiconductor device using the multilayer structure according to the first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る多層構造体を用いる半導体装置の製造方法の図14に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。15 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a process subsequent to FIG. 14 in the method for manufacturing a semiconductor device using the multilayer structure according to the first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る多層構造体を用いる半導体装置の製造方法の図12に引き続く工程の他の例を説明する断面概略図である。13 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of a process subsequent to FIG. 12 in the method for manufacturing a semiconductor device using a multilayer structure according to the first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る多層構造体を用いる半導体装置の製造方法の図16に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。17 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a process subsequent to FIG. 16 in the method for manufacturing a semiconductor device using the multilayer structure according to the first embodiment. FIG. 第1実施形態の変形例に係る多層構造体を用いる半導体装置の製造方法の工程の一例を説明する断面概略図である。5A to 5C are schematic cross-sectional views illustrating an example of a process for manufacturing a semiconductor device using a multilayer structure according to a modified example of the first embodiment. 第1実施形態の変形例に係る多層構造体を用いる半導体装置の製造方法の図19に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。20 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a step subsequent to FIG. 19 in a method for manufacturing a semiconductor device using a multilayer structure according to a modified example of the first embodiment. FIG. 第1実施形態の変形例に係る多層構造体に対して、SIMSで測定した(a)n型不純物分布の一例、(b)基底面転位を不動化する原子の不純物分布の一例を示す図である。FIG. 1A is a diagram showing an example of an n-type impurity distribution measured by SIMS for a multilayer structure according to a modified example of the first embodiment, and FIG. 1B is a diagram showing an example of an impurity distribution of atoms that immobilize basal plane dislocations. 本発明の第2実施形態の説明に用いる半導体装置の一例を示す断面概略図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor device used to explain a second embodiment of the present invention. 第2実施形態に係る多層構造体の製造方法の工程の一例を説明する断面概略図である。5A to 5C are schematic cross-sectional views illustrating an example of a process for producing a multilayer structure according to a second embodiment. 第2実施形態に係る多層構造体の製造方法の図22に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。23 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a process subsequent to that shown in FIG. 22 in the method for producing a multilayer structure according to the second embodiment. FIG. 第2実施形態に係る多層構造体の製造方法の図23に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。24 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a process subsequent to FIG. 23 in the method for manufacturing a multilayer structure according to the second embodiment. FIG. 第2実施形態に係る多層構造体の製造方法の工程の他の例を説明する断面概略図である。10A to 10C are schematic cross-sectional views illustrating another example of the steps of the method for producing a multilayer structure according to the second embodiment. 第2実施形態に係る多層構造体の製造方法の図25に引き続く工程の他の例を説明する断面概略図である。26 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of a process subsequent to FIG. 25 in the method for manufacturing a multilayer structure according to the second embodiment. FIG. 第2実施形態の変形例の説明に用いる半導体装置の一例を示す断面概略図である。13 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor device used to explain a modified example of the second embodiment. FIG. 第2実施形態の変形例に係る半導体装置の他の例を説明する断面概略図である。13 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of the semiconductor device according to the modified example of the second embodiment. FIG. 第2実施形態の変形例に係る半導体装置の他の例を説明する断面概略図である。13 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of the semiconductor device according to the modified example of the second embodiment. FIG. 第2実施形態の変形例に係る半導体装置の他の例を説明する断面概略図である。13 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of the semiconductor device according to the modified example of the second embodiment. FIG. 第2実施形態の変形例に係る多層構造体の製造方法の工程の一例を説明する断面概略図である。11 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a process for producing a multilayer structure according to a modified example of the second embodiment. FIG. 第2実施形態の変形例に係る多層構造体の製造方法の図32に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。FIG. 33 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a step subsequent to that shown in FIG. 32 in a method for producing a multilayer structure according to a modified example of the second embodiment. 第2実施形態の変形例に係る多層構造体の製造方法の図33に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。FIG. 34 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a step subsequent to FIG. 33 in a method for producing a multilayer structure according to a modified example of the second embodiment. 第2実施形態の変形例に係る多層構造体の製造方法の図34に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。FIG. 35 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a step subsequent to FIG. 34 in a method for producing a multilayer structure according to a modified example of the second embodiment. その他の実施形態の説明に用いる半導体装置の一例を示す断面概略図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor device used to explain other embodiments. 図36中のA-A線方向から見た平面図である。This is a plan view seen from the line AA in Figure 36. 図36に示した半導体装置に設ける転位不動化層の一例を示す断面概略図である。FIG. 37 is a schematic cross-sectional view showing an example of a dislocation immobilization layer provided in the semiconductor device shown in FIG. 36. その他の実施形態に係る多層構造体の製造方法の工程の一例を説明する断面概略図である。5A to 5C are schematic cross-sectional views illustrating an example of a process for producing a multilayer structure according to another embodiment. その他の実施形態に係る多層構造体の製造方法の図39に引き続く工程の一例を説明する断面概略図である。FIG. 40 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a step subsequent to FIG. 39 in a method for manufacturing a multilayer structure according to another embodiment. その他の実施形態に係る半導体装置に用いる多層構造体の他の例を示す断面概略図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing another example of a multilayer structure used in a semiconductor device according to another embodiment. その他の実施形態に係る半導体装置に用いる多層構造体の他の例を示す断面概略図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing another example of a multilayer structure used in a semiconductor device according to another embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, identical or similar parts are given the same or similar reference numerals, and duplicate explanations will be omitted. However, the drawings are schematic, and the relationship between thickness and planar dimensions, the ratio of thickness of each layer, etc. may differ from the actual ones. Furthermore, there may be parts with different dimensional relationships and ratios between the drawings. Furthermore, the embodiments shown below are examples of devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention does not specify the materials, shapes, structures, arrangements, etc. of the components as described below.

また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を90°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、180°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。また以下の説明では、第1導電型がn型、第2導電型がp型の場合について例示的に説明する。しかし、導電型を逆の関係に選択して、第1導電型をp型、第2導電型をn型としても構わない。またnやpに付す+や-は、+及び-が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物密度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。ただし同じnとnとが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物密度が厳密に同じであることを意味するものではない。また、本明細書では、ミラー指数の表記において、“-”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“-”を付けることで負の指数をあらわしている。 In addition, the definitions of directions such as up and down in the following description are merely for the convenience of explanation and do not limit the technical idea of the present invention. For example, if an object is rotated 90 degrees and observed, up and down are converted to left and right and of course if it is rotated 180 degrees and observed, up and down are read inverted. In the following description, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type as an example. However, the conductivity types may be selected in the opposite relationship, with the first conductivity type being p-type and the second conductivity type being n-type. In addition, + and - attached to n and p mean that the semiconductor region has a relatively high or low impurity density, respectively, compared to a semiconductor region without + and -. However, even if the same n and n are attached to semiconductor regions, it does not mean that the impurity density of each semiconductor region is strictly the same. In addition, in the notation of Miller indices in this specification, "-" means a bar attached to the index immediately after it, and adding "-" before the index represents a negative index.

また、以下の説明において、半導体装置の代表例としてpinダイオードを用いて説明するが、本発明の半導体装置はpinダイオードに限定されない。例えば、pn接合に順方向の電流が通電される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)、静電誘導サイリスタ(SIサイリスタ)やゲートターンオフ(GTO)サイリスタ等のバイポーラデバイスであってもよい。また、基板上にエピタキシャル成長したドレイン領域を有するボディダイオードが寄生する構造のMOS電界効果トランジスタ(FET)、MISFETや静電誘導トランジスタ(SIT)等であってもよい。 In the following description, a pin diode is used as a representative example of a semiconductor device, but the semiconductor device of the present invention is not limited to a pin diode. For example, the semiconductor device may be a bipolar device such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) in which a forward current flows through a pn junction, a static induction thyristor (SI thyristor), or a gate turn-off (GTO) thyristor. It may also be a MOS field effect transistor (FET), MISFET, or static induction transistor (SIT) in which a body diode having a drain region epitaxially grown on a substrate is parasitic.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る半導体装置は、図1に示すように、上方から走行してきた担体(キャリア)を収集する第1導電型(n+型)の半導体領域からなる担体収集層1を下部に備える縦型構造を有する。第1実施形態に係る半導体装置は更に、担体収集層1によって収集されるキャリアがドリフト電界で縦方向に走行するn型の走行層3、及び走行層にキャリアを注入する第2導電型(p+型)の担体注入領域5を備える。走行層3には、担体収集層1と走行層3との界面近傍に第1不動化層21が設けられている。p+型の担体注入領域5がn型の走行層3の上部に局所的に埋め込まれることにより、走行層3へのキャリアの注入を制御する電位障壁を構成するp+‐n接合が形成されている。図1に示す縦型の2端子構造において担体収集層1は「カソード領域」として機能し、担体注入領域5は「アノード領域」として機能している。図1に示す多層構造は、SiC結晶からなる基板を担体収集層1とし、基板の上にSiC結晶を縦方向にエピタキシャル成長したエピタキシャル成長層を走行層3とする構造である。走行層3は、主電流となる担体(キャリア)がドリフト走行する「ドリフト領域」として機能する。2端子構造を構成するように、担体収集層1の下面にはカソード電極9がオーミック電極として設けられ、担体注入領域5の上面にはアノード電極7がオーミック電極として設けられている。外部回路からの電流がアノード電極7を介して担体注入領域5に供給され、担体収集層1に供給されたキャリアがカソード電極9を介した電流として外部回路に供給される。走行層3の不純物密度は真性半導体に近い低不純物密度であることが望ましい。走行層3の不純物密度が真性半導体に近い場合は、「i層」と見なすことが可能であり、この場合はp+型の担体注入領域5、i型の走行層3及びn+型の担体収集層1で「pinダイオード」が構成できる。
First Embodiment
As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention has a vertical structure including a carrier collection layer 1 made of a semiconductor region of a first conductivity type (n + type) that collects carriers traveling from above. The semiconductor device according to the first embodiment further includes an n - type transit layer 3 in which carriers collected by the carrier collection layer 1 travel vertically in a drift electric field, and a second conductivity type (p + type) carrier injection region 5 that injects carriers into the transit layer. The transit layer 3 is provided with a first passivation layer 21 near the interface between the carrier collection layer 1 and the transit layer 3. The p + type carrier injection region 5 is locally embedded in the upper part of the n type transit layer 3 to form a p + -n - junction that constitutes a potential barrier that controls the injection of carriers into the transit layer 3. In the vertical two-terminal structure shown in FIG. 1, the carrier collection layer 1 functions as a "cathode region" and the carrier injection region 5 functions as an "anode region". The multilayer structure shown in FIG. 1 has a substrate made of SiC crystal as the carrier collection layer 1, and an epitaxially grown layer formed by epitaxially growing SiC crystal vertically on the substrate as the travel layer 3. The travel layer 3 functions as a "drift region" in which carriers, which are the main current, drift and travel. To form a two-terminal structure, a cathode electrode 9 is provided as an ohmic electrode on the lower surface of the carrier collection layer 1, and an anode electrode 7 is provided as an ohmic electrode on the upper surface of the carrier injection region 5. A current from an external circuit is supplied to the carrier injection region 5 through the anode electrode 7, and the carriers supplied to the carrier collection layer 1 are supplied to the external circuit as a current through the cathode electrode 9. It is desirable that the impurity density of the travel layer 3 is a low impurity density close to that of an intrinsic semiconductor. When the impurity density of the travel layer 3 is close to that of an intrinsic semiconductor, it can be considered as an "i layer", and in this case, a "pin diode" can be formed by the p + type carrier injection region 5, the i type travel layer 3, and the n + type carrier collection layer 1.

担体注入領域5もSiC結晶からなる半導体領域である。担体収集層1のn型(第1導電型)不純物元素は、例えば窒素(N)であり、不純物密度は5×1017cm-3~1×1018cm-3程度の範囲で、担体収集層1の厚さは100μm~600μm程度である。担体収集層1の表面は、(0001)Si面であり、<0001>(c軸)方向に対して<11-20>方向に0°~8°程度のオフ角を有する。担体収集層1の上にエピタキシャル成長された走行層3及び担体注入領域5も担体収集層1と同じオフ角を有する。走行層3のn型不純物は、例えばNであり、不純物密度は1×1014cm-3~1×1017cm-3程度の範囲である。走行層3の厚さは、10μm~数100μm程度の範囲であり、pinダイオードの耐圧仕様に応じて最適な厚さと不純物密度が選ばれる。例えば、耐圧1000Vで10μm程度、耐圧10kVで100μm程度が選ばれる。担体注入領域5は、走行層3の上部に、走行層3の不純物とは反対導電型であるp型(第2導電型)の不純物元素を選択的に添加してp+‐n-接合を形成している。アノード電極7は、コンタクト層、バリアメタル層及び表面電極層等を含んでよい。例えば、コンタクト層がニッケルシリサイド(NiSix)膜、バリアメタル層が窒化チタン(TiN)膜、表面電極層がアルミニウム(Al)膜で構成できる。カソード電極9は、例えば金(Au)からなる単層膜や、Al、ニッケル(Ni)、Auの順で積層された金属膜が使用可能である。 The carrier injection region 5 is also a semiconductor region made of SiC crystal. The n-type (first conductivity type) impurity element of the carrier collection layer 1 is, for example, nitrogen (N), and the impurity density is in the range of about 5×10 17 cm -3 to 1×10 18 cm -3 , and the thickness of the carrier collection layer 1 is about 100 μm to 600 μm. The surface of the carrier collection layer 1 is a (0001) Si surface, and has an off angle of about 0° to 8° in the <11-20> direction with respect to the <0001> (c-axis) direction. The traveling layer 3 and the carrier injection region 5 epitaxially grown on the carrier collection layer 1 also have the same off angle as the carrier collection layer 1. The n-type impurity of the traveling layer 3 is, for example, N, and the impurity density is in the range of about 1×10 14 cm -3 to 1×10 17 cm -3 . The thickness of the travel layer 3 is in the range of about 10 μm to several hundreds of μm, and the optimal thickness and impurity density are selected according to the withstand voltage specifications of the pin diode. For example, about 10 μm is selected for a withstand voltage of 1000 V, and about 100 μm is selected for a withstand voltage of 10 kV. The carrier injection region 5 selectively adds p-type (second conductivity type) impurity elements, which are the opposite conductivity type to the impurities of the travel layer 3, to the upper part of the travel layer 3 to form a p + -n - junction. The anode electrode 7 may include a contact layer, a barrier metal layer, a surface electrode layer, and the like. For example, the contact layer may be a nickel silicide (NiSi x ) film, the barrier metal layer may be a titanium nitride (TiN) film, and the surface electrode layer may be an aluminum (Al) film. The cathode electrode 9 may be, for example, a single layer film made of gold (Au) or a metal film laminated in the order of Al, nickel (Ni), and Au.

SiC結晶には結晶多形が存在し、主なものは立方晶の3C、及び六方晶の4H、6Hである。室温における禁制帯幅は3C-SiCでは2.23eV、4H-SiCでは3.26eV、6H-SiCでは3.02eVの値が報告されている。本発明では、4H-SiCを用いて説明する。 SiC crystals have crystal polymorphism, the main ones being cubic 3C, and hexagonal 4H and 6H. The band gap at room temperature has been reported to be 2.23 eV for 3C-SiC, 3.26 eV for 4H-SiC, and 3.02 eV for 6H-SiC. This invention will be explained using 4H-SiC.

基板が構成する担体収集層1と走行層3との界面に設けられる第1不動化層21は、走行層3内の下部において、界面から50nm程度の間に設けられた領域である。この第1不動化層21は、走行層3の下部に基底面転位を不動化する原子となる不純物イオンが注入されて構成されている。基底面転位を不動化する原子となる、シリコン(Si)、炭素(C)、水素(H)、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、バリウム(Ba)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、及び鉄(Fe)の中のいずれか1種類の原子、又は複数種類の原子が採用可能である。基底面転位を不動化する原子の不純物密度は、イオン注入によって過剰な欠陥による抵抗の増大を避けるため、1×1014cm-3以上、1×1018cm-3以下の範囲であることが好ましい。さらに好ましくは、不純物密度が3×1015cm-3以上、3×1016cm-3以下の範囲である。このようにすることで、不純物密度と同程度の数の結晶欠陥を形成することができる。SiC結晶の構成原子であるSiとC以外の基底面転位を不動化する原子は、2次イオン質量分析(SIMS)により検知することができる。 The first passivation layer 21 provided at the interface between the carrier collection layer 1 and the running layer 3 that constitute the substrate is a region provided at a depth of about 50 nm from the interface in the lower part of the running layer 3. This first passivation layer 21 is formed by implanting impurity ions that become atoms that immobilize basal plane dislocations into the lower part of the running layer 3. Any one or more types of atoms among silicon (Si), carbon (C), hydrogen (H), helium (He), argon (Ar), magnesium (Mg), calcium (Ca), barium (Ba), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), and iron (Fe) that become atoms that immobilize basal plane dislocations can be used. The impurity density of the atoms that immobilize basal plane dislocations is preferably in the range of 1×10 14 cm −3 or more and 1×10 18 cm −3 or less in order to avoid an increase in resistance due to excessive defects caused by ion implantation. More preferably, the impurity density is in the range of 3×10 15 cm -3 or more and 3×10 16 cm -3 or less. In this way, it is possible to form a number of crystal defects equivalent to the impurity density. Atoms that immobilize basal plane dislocations other than Si and C, which are the constituent atoms of SiC crystal, can be detected by secondary ion mass spectrometry (SIMS).

図2(a)及び(b)に示すように、担体収集層1として用いる基板であるn+型の4H-SiC基板1sには多数の基底面転位(BPD)が存在する。図2(a)に示す2点鎖線は、基板1sの表面と、図2(b)に示す基板側基底面転位12が含まれる基底面との交線Lbである。基板側基底面転位12は、基底面内で2本の部分転移、珪素(Si)芯12sと炭素(C)芯12cに分解して、交線Lbに達している。基板側Si芯12sと基板側C芯12cとの間隔は、30nm~70nm程度である。 As shown in Figures 2(a) and 2(b), a large number of basal plane dislocations (BPDs) exist in an n + -type 4H-SiC substrate 1s, which is a substrate used as the carrier collection layer 1. The two-dot chain line shown in Figure 2(a) is an intersection line Lb between the surface of the substrate 1s and the basal plane including the substrate-side basal plane dislocation 12 shown in Figure 2(b). The substrate-side basal plane dislocation 12 is decomposed into two partial dislocations, a silicon (Si) core 12s and a carbon (C) core 12c, within the basal plane, and reaches the intersection line Lb. The distance between the substrate-side Si core 12s and the substrate-side C core 12c is about 30 nm to 70 nm.

基板1sの上に基板1sよりも低不純物密度のエピタキシャル成長層(中間成長層)3eを、例えば1μm程度の厚さで成長する。図3(a)及び(b)に示すように、基板1sの基板側基底面転位12は、中間成長層3e内にまで延伸し成長層側基底面転位22に続いている。図3(b)に示すように、大部分の成長層側基底面転位22は成膜中に基板1sと中間成長層3eの界面近傍で貫通転位(TED)14に変換される。この場合、図3(a)に示すように、エピタキシャル成長の過程で、基板1s内で2つに分解していた基板側基底面転位12の基板側Si芯12sと基板側C芯12cは、中間成長層3e内で成長層側基底面転位22の成長層側Si芯22sと成長層側C芯22cに引き継がれる。ここで、基板側Si芯12sはSi‐Si結合であり、基板側C芯12cはC‐C結合である。Si‐Si結合のエネルギがC‐C結合のエネルギより小さいため、加熱や通電等で与えられるエネルギでSi芯を有する部分転位は可動であるが、C芯を有する部分転位は可動ではない。そのため、図3(a)に示すように、成長層側Si芯22sが成長層側C芯22cに近づき1つの貫通転位14に変換される。ただし、成長層側基底面転位22の一部は、中間成長層3eの内部でも貫通転位14に変換されずに成長層側基底面転位22zとして引き継がれ、交線Lsにおいて中間成長層3eの表面に達する。 On the substrate 1s, an epitaxial growth layer (intermediate growth layer) 3e having a lower impurity density than the substrate 1s is grown, for example, to a thickness of about 1 μm. As shown in Figures 3(a) and (b), the substrate-side basal plane dislocation 12 of the substrate 1s extends into the intermediate growth layer 3e and continues to the growth layer-side basal plane dislocation 22. As shown in Figure 3(b), most of the growth layer-side basal plane dislocations 22 are converted to threading dislocations (TED) 14 near the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e during film formation. In this case, as shown in Figure 3(a), the substrate-side Si core 12s and substrate-side C core 12c of the substrate-side basal plane dislocation 12 that was decomposed into two in the substrate 1s during the epitaxial growth process are inherited by the growth layer-side Si core 22s and growth layer-side C core 22c of the growth layer-side basal plane dislocation 22 in the intermediate growth layer 3e. Here, the substrate-side Si core 12s is a Si-Si bond, and the substrate-side C core 12c is a C-C bond. Since the energy of the Si-Si bond is smaller than that of the C-C bond, partial dislocations with Si cores are movable by energy provided by heating or current flow, but partial dislocations with C cores are not movable. Therefore, as shown in FIG. 3(a), the growth layer-side Si core 22s approaches the growth layer-side C core 22c and is converted into one threading dislocation 14. However, some of the growth layer-side basal plane dislocations 22 are not converted into threading dislocations 14 even inside the intermediate growth layer 3e, but are inherited as growth layer-side basal plane dislocations 22z, and reach the surface of the intermediate growth layer 3e at the intersection line Ls.

pinダイオードの順方向抵抗の増大は、図3(a)及び(b)に示す中間成長層3eに存在する成長層側基底面転位22zを起点として、積層欠陥が拡大することによって起こる。より詳しくは、n型の中間成長層3e内の積層欠陥がつくる電子準位に、図1に示したp型の担体注入領域5から少数キャリアが注入されることにより起こる。図1に示したn型走行層3では「少数担体(少数キャリア)」として正孔が担体注入領域5から注入される。この積層欠陥の電子準位は、4H-SiC結晶の伝導帯の下端から0.2eV~0.3eV低い位置にあることが知られている。通電または光励起により生成された伝導帯の電子が積層欠陥の電子準位で正孔と再結合することにより、積層欠陥の拡大が起こる。基板1s中の基板側基底面転位12は、基板製造段階の温度の不均一に起因する結晶内部の応力を緩和するために発生し、基板1s中に1000個/cm2台で存在している。図3(b)に示すように、成長層側基底面転位22zは、基板1sの基板側基底面転位12から中間成長層3eに延伸した部分であり、成長層側基底面転位22zは中間成長層3eを貫通して表面に至っている。このような中間生成物としての多層構造体(1s,3e)を用い、その上に主成長層(上部成長層)を成長してpinダイオードを製造する場合、通電により、中間成長層3e中の成長層側基底面転位22zが積層欠陥の拡大の起点となり得る。即ち、アノード領域を構成しているp型の担体注入領域から正孔が少数担体として中間成長層3eの上に成長される主成長層(上部成長層)が構成する走行層に注入されることにより、成長層側基底面転位22zが積層欠陥の拡大の起点となり得る。 The increase in the forward resistance of the pin diode is caused by the expansion of stacking faults starting from the growth layer side basal plane dislocations 22z present in the intermediate growth layer 3e shown in Figures 3(a) and (b). More specifically, this occurs when minority carriers are injected from the p-type carrier injection region 5 shown in Figure 1 into the electronic level created by stacking faults in the n-type intermediate growth layer 3e. In the n-type travel layer 3 shown in Figure 1, holes are injected from the carrier injection region 5 as "minority carriers (minority carriers)". It is known that the electronic level of this stacking fault is 0.2 eV to 0.3 eV lower than the lower end of the conduction band of the 4H-SiC crystal. The expansion of stacking faults occurs when electrons in the conduction band generated by current flow or photoexcitation recombine with holes at the electronic level of the stacking faults. The substrate side basal plane dislocations 12 in the substrate 1s are generated to relieve stress inside the crystal caused by non-uniform temperature during the substrate manufacturing stage, and exist in the substrate 1s at a density of 1000/cm2. As shown in FIG. 3B, the growth layer side basal plane dislocation 22z is a portion extending from the substrate side basal plane dislocation 12 of the substrate 1s to the intermediate growth layer 3e, and the growth layer side basal plane dislocation 22z penetrates the intermediate growth layer 3e to reach the surface. When a pin diode is manufactured by growing a main growth layer (upper growth layer) thereon using such a multilayer structure (1s, 3e) as an intermediate product, the growth layer side basal plane dislocation 22z in the intermediate growth layer 3e can become the starting point of the expansion of stacking faults due to the passage of current. That is, holes are injected as minority carriers from the p-type carrier injection region constituting the anode region into the running layer constituting the main growth layer (upper growth layer) grown on the intermediate growth layer 3e, and the growth layer side basal plane dislocation 22z can become the starting point of the expansion of stacking faults.

一方、成長層側基底面転位22は、図3(b)に示すように、基板1sの基板側基底面転位12から中間成長層3eに続いている部分に対応するが、中間成長層3e内でSiC結晶のc軸に平行な貫通転位14に変換している。貫通転位14は積層欠陥に拡大しない。しかし、図1に示した構造において、p型の担体注入領域5から注入された正孔が、中間成長層3eの上に成長される主成長層(上部成長層)が構成する走行層3の中を走行して担体収集層1と走行層3との界面付近まで到達すると、積層欠陥の拡大が起こり得る。図3(b)に示すように、注入された正孔が基板1sと中間成長層3eとの界面付近まで到達すると、成長層側基底面転位22を起点とする積層欠陥の電子準位に正孔が注入される。成長層側基底面転位22を起点とする積層欠陥は、基板1sと中間成長層3eとの界面付近の正孔密度が閾値の1×1015cm-3以上で拡大が始まるといわれている。 On the other hand, as shown in FIG. 3B, the growth layer side basal plane dislocation 22 corresponds to the portion continuing from the substrate side basal plane dislocation 12 of the substrate 1s to the intermediate growth layer 3e, but is converted into a threading dislocation 14 parallel to the c-axis of the SiC crystal in the intermediate growth layer 3e. The threading dislocation 14 does not expand into a stacking fault. However, in the structure shown in FIG. 1, when the holes injected from the p-type carrier injection region 5 travel through the running layer 3 constituted by the main growth layer (upper growth layer) grown on the intermediate growth layer 3e and reach the vicinity of the interface between the carrier collection layer 1 and the running layer 3, the stacking fault may expand. As shown in FIG. 3B, when the injected holes reach the vicinity of the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e, the holes are injected into the electron level of the stacking fault originating from the growth layer side basal plane dislocation 22. It is said that stacking faults originating from basal plane dislocations 22 on the growth layer side start to expand when the hole density in the vicinity of the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e exceeds a threshold value of 1×10 15 cm -3 .

なお、基板1sに中間成長層3eをエピタキシャル成長した場合,基板1sの周辺部の成長層側基底面転位22の貫通転位14への変換率が他の部分よりも低いことが知られている.この原因として,基板1sの周辺の温度分布が大きいことが推定されている。図4は、基板1sの周辺部で転位変換率が低い原因のメカニズムを説明するものである。図4に示すように、基板1s中の基板側基底面転位12は、基板側C芯12cと基板側Si芯12sからなる部分転位に分解している。基板1s上に第1中間成長層及び上部成長層を成膜する場合の温度は1600℃程度であるが、1600℃まで昇温する前に900℃~1000℃まで昇温し,一定時間保つ。この一定時間保つ間の基板1s面内の温度分布が大きい場合、温度差により基板側基底面転位12にせん断応力が加わる。そのため,図4に示すように、基板1sの表面近傍で基板側Si芯12sと基板側C芯12cの間隔が拡大する。図4では、基板側C芯12cよりも可動性の高い基板側Si芯12sが表面近傍で移動して、基板側Si芯12bと基板側C芯12cからなる部分転位の間隔Dbが、元の基板側Si芯12sと基板側C芯12cからなる部分転位の間隔Dsから拡大した状態を表している。このように、第1中間成長層及び上部成長層のエピタキシャル成長前に基板側Si芯12bと基板側C芯12cとの部分転位の間隔Dbが大きく広がった場合、エピタキシャル成長中に基板側基底面転位12が貫通転位14に変換され難くなる。 It is known that when the intermediate growth layer 3e is epitaxially grown on the substrate 1s, the conversion rate of the growth layer side basal plane dislocations 22 in the peripheral part of the substrate 1s to threading dislocations 14 is lower than in other parts. It is presumed that the reason for this is the large temperature distribution around the substrate 1s. Figure 4 explains the mechanism of the cause of the low dislocation conversion rate in the peripheral part of the substrate 1s. As shown in Figure 4, the substrate side basal plane dislocations 12 in the substrate 1s are decomposed into partial dislocations consisting of the substrate side C core 12c and the substrate side Si core 12s. The temperature when forming the first intermediate growth layer and the upper growth layer on the substrate 1s is about 1600°C, but before increasing the temperature to 1600°C, the temperature is increased to 900°C to 1000°C and maintained for a certain period of time. If the temperature distribution in the substrate 1s during this period of time is large, the temperature difference applies shear stress to the substrate side basal plane dislocations 12. Therefore, as shown in FIG. 4, the gap between the substrate-side Si core 12s and the substrate-side C core 12c expands near the surface of the substrate 1s. FIG. 4 shows a state in which the substrate-side Si core 12s, which is more mobile than the substrate-side C core 12c, moves near the surface, and the gap Db between the partial dislocations formed by the substrate-side Si core 12b and the substrate-side C core 12c expands from the gap Ds between the partial dislocations formed by the original substrate-side Si core 12s and the substrate-side C core 12c. In this way, if the gap Db between the partial dislocations between the substrate-side Si core 12b and the substrate-side C core 12c expands significantly before the epitaxial growth of the first intermediate growth layer and the upper growth layer, the substrate-side basal plane dislocations 12 are less likely to be converted to threading dislocations 14 during epitaxial growth.

図5に示すように、基板1sの表面にイオン注入により結晶欠陥が導入された第2不動化層11を設けることにより、エピタキシャル成長での昇温中に部分転位の間隔が拡大することを防止することができる。即ち、結晶欠陥を導入することにより部分転位の移動を抑制する効果があることが知られている。例えば、非特許文献1には、アルゴン(Ar)イオンを基板表面にイオン注入することにより基板側基底面転位から貫通転位への変換率が上がることが報告されている。エピタキシャル成長前に基板1sの表面にイオン注入により第2不動化層11を設けて部分転位の運動を抑制する。その結果、図6(a)及び(b)に示すように、基板1s上へのエピタキシャル成長中に中間成長層3eにおいて成長層側基底面転位22から貫通転位14への変換率が向上する。 As shown in FIG. 5, by providing a second passivation layer 11 in which crystal defects are introduced by ion implantation on the surface of the substrate 1s, it is possible to prevent the spacing of partial dislocations from expanding during the temperature rise during epitaxial growth. That is, it is known that the introduction of crystal defects has the effect of suppressing the movement of partial dislocations. For example, Non-Patent Document 1 reports that the conversion rate of substrate-side basal plane dislocations to threading dislocations is increased by ion implanting argon (Ar) ions into the substrate surface. The second passivation layer 11 is provided by ion implantation on the surface of the substrate 1s before epitaxial growth to suppress the movement of partial dislocations. As a result, as shown in FIG. 6(a) and (b), the conversion rate of growth layer-side basal plane dislocations 22 to threading dislocations 14 is improved in the intermediate growth layer 3e during epitaxial growth on the substrate 1s.

p‐n接合への順方向通電による積層欠陥の拡大は貫通転位14を起点としては発生しないため、基板1s中の基板側基底面転位12を貫通転位14へ変換することは積層欠陥の拡大防止に一定の効果がある。しかし、通電量を増大または通電時間を長くしていくと、積層欠陥の拡大は中間成長層3eと基板1sの界面付近を起点として発生し、完全な防止とはならない。この原因は、図6(a)に示すように、基板1sと中間成長層3eの界面で成長層側基底面転位22から貫通転位14に変換される部分に成長層側Si芯22sの部分転位が残存していることによる。この成長層側Si芯22sの部分転位は,イオン注入によって基板側基底面転位12が不動な状態になっている基板1s中ではなく、中間成長層3e中にある。そのため、成長層側Si芯22sは可動な状態にあり,通電で移動に必要なエネルギを得ることにより移動して積層欠陥の起点になる。基板1s表面に第2不動化層11を設けることにより、基板1s中の基板側基底面転位12の貫通転位14への変換率は99%程度と高くすることができる。しかし、成長層側基底面転位22が貫通転位14に変換される基板1sと中間成長層3eの界面の位置の成長層側Si芯22sに対する対策が打たれていないため、積層欠陥の拡大の完全な防止はできていない。 Since the expansion of stacking faults due to forward current flow to the p-n junction does not originate from threading dislocations 14, converting the substrate-side basal plane dislocations 12 in the substrate 1s to threading dislocations 14 has a certain effect on preventing the expansion of stacking faults. However, if the current flow amount or current flow time is increased, the expansion of stacking faults originates near the interface between the intermediate growth layer 3e and the substrate 1s, and stacking faults cannot be completely prevented. This is because, as shown in Figure 6 (a), partial dislocations of the growth layer side Si core 22s remain in the part at the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e where the growth layer side basal plane dislocations 22 are converted to threading dislocations 14. This partial dislocation of the growth layer side Si core 22s is not in the substrate 1s where the substrate side basal plane dislocations 12 are immobile due to ion implantation, but in the intermediate growth layer 3e. Therefore, the growth layer side Si core 22s is in a movable state, and when the energy required for movement is obtained by current flow, it moves and becomes the origin of stacking faults. By providing a second passivation layer 11 on the surface of the substrate 1s, the conversion rate of the substrate-side basal plane dislocations 12 in the substrate 1s to threading dislocations 14 can be increased to approximately 99%. However, since no measures are taken for the growth layer-side Si cores 22s at the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e, where the growth layer-side basal plane dislocations 22 are converted to threading dislocations 14, the expansion of stacking faults cannot be completely prevented.

図1に示したように、第1実施形態に係る半導体装置では、担体収集層1と走行層3との界面近傍の走行層3内に第1不動化層21を設ける。具体的には、図7(a)及び(b)に示すように、基板1sと中間成長層3eの界面近傍の中間成長層3e内に、成長層側基底面転位22を不動化する結晶欠陥が導入された第1不動化層21を設ける。結晶欠陥は、結晶欠陥を不動化する原子をイオン注入して形成する。第1不動化層21は、成長層側基底面転位22が基板1sと中間成長層3eの界面で貫通転位14に変換された後に中間成長層3e内に残る、図7(a)に示した成長層側Si芯22sを不動な転位にすることができる。図7(b)に示すように、例えば1μm程度の厚さでエピタキシャル成長した中間成長層3eに残存する成長層側基底面転位22の成長層側Si芯22sの位置に対して、中間成長層3e表面から成長層側基底面転位22を不動化する原子となる不純物イオンを注入して第1不動化層21を形成する。第1不動化層21において、成長層側基底面転位22を不動化する原子を注入することで誘起された欠陥は、成長層側基底面転位22の成長層側Si芯22sを不動な転位にする。成長層側基底面転位22の大部分は、基板1sと中間成長層3eの界面から50nm程度の範囲内で貫通転位14に変換される。したがって、第1不動化層21は、基板1sと中間成長層3eの界面から50nm程度の範囲の中間成長層3e内に設ければよい。その結果、第1実施形態に係る半導体装置に順方向電流を流したときに、成長層側基底面転位22に起因する積層欠陥の拡大を防止し、半導体装置の順方向特性の劣化を抑制することができる。 As shown in FIG. 1, in the semiconductor device according to the first embodiment, a first passivation layer 21 is provided in the running layer 3 near the interface between the carrier collection layer 1 and the running layer 3. Specifically, as shown in FIGS. 7(a) and 7(b), a first passivation layer 21 is provided in the intermediate growth layer 3e near the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e, in which crystal defects are introduced to immobilize the growth layer side basal plane dislocations 22. The crystal defects are formed by ion implantation of atoms that immobilize the crystal defects. The first passivation layer 21 can immobilize the growth layer side Si cores 22s shown in FIG. 7(a), which remain in the intermediate growth layer 3e after the growth layer side basal plane dislocations 22 are converted to threading dislocations 14 at the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e. As shown in FIG. 7B, for example, impurity ions that become atoms that immobilize the growth layer side basal plane dislocations 22 remaining in the intermediate growth layer 3e epitaxially grown to a thickness of about 1 μm are implanted from the surface of the intermediate growth layer 3e to form a first immobilization layer 21. In the first immobilization layer 21, defects induced by implanting atoms that immobilize the growth layer side basal plane dislocations 22 immobilize the growth layer side Si cores 22s of the growth layer side basal plane dislocations 22. Most of the growth layer side basal plane dislocations 22 are converted into threading dislocations 14 within a range of about 50 nm from the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e. Therefore, the first immobilization layer 21 may be provided in the intermediate growth layer 3e within a range of about 50 nm from the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e. As a result, when a forward current is passed through the semiconductor device according to the first embodiment, the expansion of stacking faults caused by the growth layer-side basal plane dislocations 22 can be prevented, and the deterioration of the forward characteristics of the semiconductor device can be suppressed.

また、図1に示した第1実施形態に係る半導体装置の構造において、p型の担体注入領域5から注入された正孔の密度はn+型の基板1s内では電子と再結合して急激に減少する。しかし、基板1sと中間成長層3eの界面近傍の基板1s側では正孔密度の減少も小さく、基板側基底面転位12のSi芯の部分転位は不動化されていない。そのため、基板1s表面近傍に存在する基板側基底面転位12は順方向通電による積層欠陥の拡大の起点となり得る。したがって、図8(a)及び(b)に示すように、基板1sと中間成長層3eの界面近傍の基板1s側及び成長層3e側それぞれに第2不動化層11及び第1不動化層21を設けることが望ましい。例えば、1μm以下の厚さの中間成長層3eの表面からイオン注入の加速電圧を変化させて基底面転位を不動化する原子の注入ドーズ量分布のピーク位置を調整すればよい。第2不動化層11は、基板1sと中間成長層3eとの界面から1μmの基板1s内、すなわち基板1sの中間成長層3e側の表面1μmの領域に設けられることが好ましい。 In the structure of the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1, the density of holes injected from the p-type carrier injection region 5 recombines with electrons in the n + -type substrate 1s and rapidly decreases. However, the decrease in hole density is small on the substrate 1s side near the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e, and the Si-core partial dislocations of the substrate-side basal plane dislocations 12 are not immobilized. Therefore, the substrate-side basal plane dislocations 12 present near the surface of the substrate 1s can be the starting point for the expansion of stacking faults due to forward current application. Therefore, as shown in FIGS. 8(a) and 8(b), it is desirable to provide a second immobilization layer 11 and a first immobilization layer 21 on the substrate 1s side and the growth layer 3e side, respectively, near the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e. For example, the accelerating voltage of ion implantation may be changed from the surface of the intermediate growth layer 3e having a thickness of 1 μm or less to adjust the peak position of the implantation dose distribution of atoms that immobilize the basal plane dislocations. The second passivation layer 11 is preferably provided within the substrate 1 .mu.m from the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e, that is, in a region 1 .mu.m deep on the surface of the substrate 1s on the intermediate growth layer 3e side.

また、上述の説明では、平面視で第1不動化層21は基板1sと中間成長層3eの界面近傍の全面に亘るように設けられているが、限定されない。例えば、図9(a)及び(b)に示すように、平面パターンにおいて、複数の第1不動化層21aを[11-20]方向に直交する方向に互いに平行なストライプ状に設けてもよい。基板側基底面転位12は[11-20]方向に伝搬しやすい。例えば基板1sが4°オフであれば、第1不動化層21aの間隔sを2μm程度とすれば、高さhを0.14μm以上程度にすることにより、成長層側基底面転位22の伸展を防止することができる。 In the above description, the first passivation layer 21 is provided over the entire surface near the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e in a plan view, but this is not limited thereto. For example, as shown in Figures 9(a) and (b), in a planar pattern, multiple first passivation layers 21a may be provided in parallel stripes in a direction perpendicular to the [11-20] direction. The substrate-side basal plane dislocations 12 tend to propagate in the [11-20] direction. For example, if the substrate 1s is off by 4°, and the spacing s of the first passivation layers 21a is about 2 μm, the height h can be set to about 0.14 μm or more to prevent the extension of the growth layer-side basal plane dislocations 22.

‐半導体装置の製造方法‐
次に、図10に示す不純物プロファイル、及び図11~図15に示す工程図を用いて、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を、pinダイオードの場合を一例に説明する。なお、以下に述べるpinダイオードの製造方法は一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲であれば、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
-Method of manufacturing semiconductor device-
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described using a pin diode as an example, with reference to the impurity profile shown in Fig. 10 and the process diagrams shown in Fig. 11 to Fig. 15. Note that the method for manufacturing a pin diode described below is only an example, and it goes without saying that various other manufacturing methods, including modifications thereof, can be used within the scope of the spirit described in the claims.

図11に示すように、4H‐SiC結晶のn+型の基板1sを準備する。基板1sは、主面が<11-20>方向に4°オフした(0001)Si面で、厚さが100μm~600μm程度である。基板1sは、例えば窒素(N)等のn型の不純物元素が5×1017cm-3~1×1018cm-3程度の不純物密度で添加されている。基板1sには多数の基板側基底面転位12が含まれるが、図11では1つの基板側基底面転位12を模式的に図示している。 As shown in Fig. 11, an n + type substrate 1s of 4H-SiC crystal is prepared. The main surface of the substrate 1s is a (0001) Si surface off-set by 4° in the <11-20> direction, and the thickness is about 100 µm to 600 µm. The substrate 1s is doped with an n-type impurity element such as nitrogen (N) at an impurity density of about 5 x 10 17 cm -3 to 1 x 10 18 cm -3 . The substrate 1s contains a large number of substrate-side basal plane dislocations 12, but Fig. 11 shows a schematic diagram of one substrate-side basal plane dislocation 12.

図12に示すように、気相エピタキシャル成長技術等により、基板1sの上にn型の中間成長層3eをエピタキシャル成長させて、中間生成物としての多層構造体(1s,3e)を作製する。中間成長層3eには、図10(a)に示すように、例えばN等のn型の不純物元素が基板1sより低不純物密度の1×1014cm-3~1×1017cm-3程度で添加されている。中間成長層3eの厚さは、1μm程度である。基板1sに存在する基板側基底面転位12は、中間成長層3e内に成長層側基底面転位22として伝播する。基板1sと中間成長層3eの界面から50nm以下の範囲の中間成長層3e内において、成長層側基底面転位22は変換率95%程度で貫通転位14に変換される。 As shown in FIG. 12, an n-type intermediate growth layer 3e is epitaxially grown on a substrate 1s by vapor phase epitaxial growth or the like to produce a multilayer structure (1s, 3e) as an intermediate product. As shown in FIG. 10(a), an n-type impurity element such as N is doped in the intermediate growth layer 3e at a lower impurity density of about 1×10 14 cm −3 to 1×10 17 cm −3 than that of the substrate 1s. The thickness of the intermediate growth layer 3e is about 1 μm. The substrate-side basal plane dislocations 12 present in the substrate 1s propagate into the intermediate growth layer 3e as growth layer-side basal plane dislocations 22. In the intermediate growth layer 3e within a range of 50 nm or less from the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e, the growth layer-side basal plane dislocations 22 are converted to threading dislocations 14 at a conversion rate of about 95%.

図13に示すように、イオン注入技術により、基板1sと中間成長層3eの界面近傍が射影飛程となるように中間成長層3e内に基底面転位を不動化する原子となる、例えばAr原子221をイオン注入する。図7(a)に示したように成長層側基底面転位22の成長層側Si芯22sは、成長層側基底面転位22が基底面から貫通転位14に立ち上がる位置に残存する。そのため、図10(b)に示すように、Ar原子221のイオンの注入のドーズ量のピークP2が貫通転位14に立ち上がり位置の近傍となるように調整する。実際には、エピタキシャル成長中に成長層側基底面転位22が貫通転位14に変換する立ち上がりの位置はエピタキシャル成長中でばらつきがある。そのため、イオン注入の加速電圧を変化させる多段イオン注入によって、注入されたArイオンのドーズ量のピークが中間成長層3eと基板1sの界面付近、例えば界面から50nm程度の中間成長層3e内に分布するようにすることが望ましい。なお、基底面転位を不動化する原子となるArを用いたが、H、He、Ar、Mg、Ca、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Feのいずれか1種類の原子、あるいは複数種類の原子を用いてもよい。 As shown in FIG. 13, the ion implantation technique is used to implant atoms that immobilize basal plane dislocations, such as Ar atoms 221, into the intermediate growth layer 3e so that the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e is the projected range. As shown in FIG. 7(a), the growth layer side Si core 22s of the growth layer side basal plane dislocation 22 remains at the position where the growth layer side basal plane dislocation 22 rises from the basal plane to the threading dislocation 14. Therefore, as shown in FIG. 10(b), the dose peak P2 of the implantation of the Ar atoms 221 ions is adjusted to be near the rising position of the threading dislocation 14. In reality, the rising position at which the growth layer side basal plane dislocation 22 is converted to the threading dislocation 14 during epitaxial growth varies during epitaxial growth. Therefore, it is desirable to use multi-stage ion implantation in which the acceleration voltage of ion implantation is changed so that the peak of the dose of the implanted Ar ions is distributed near the interface between the intermediate growth layer 3e and the substrate 1s, for example, within the intermediate growth layer 3e at a distance of about 50 nm from the interface. Note that although Ar is used as an atom that immobilizes basal plane dislocations, any one or more of the following atoms may be used: H, He, Ar, Mg, Ca, Ba, Ti, V, Cr, Mn, and Fe.

その後、図14に示すように、イオン注入で導入された欠陥の状態を制御するため、900℃~1400℃程度で30分~2時間程度で熱処理を行い、第1不動化層21を形成する。中間成長層3eの上に更にn型の主成長層(上部成長層)をエピタキシャル成長させ、基板1s上に第1中間成長層と上部成長層からなる走行層3を形成する。走行層3には、例えばN等のn型の不純物元素が基板1sより低不純物密度の1×1014cm-3~1×1017cm-3程度で添加されている。走行層3の厚さは10μm~数100μm程度の範囲であり、pinダイオードの耐圧仕様に応じて最適な厚さと不純物密度が選ばれる。例えば、耐圧1000Vで10μm程度、耐圧10kVで100μm程度が選ばれる。中間成長層3eに存在する貫通転位14は、走行層3の上部成長層内に伝播する。なお、イオン注入層の熱処理は、走行層3の追加のエピタキシャル成長の際に実施してもよい。 Thereafter, as shown in FIG. 14, in order to control the state of the defects introduced by ion implantation, a heat treatment is performed at about 900° C. to 1400° C. for about 30 minutes to 2 hours to form a first passivation layer 21. An n-type main growth layer (upper growth layer) is further epitaxially grown on the intermediate growth layer 3e, and a travel layer 3 consisting of the first intermediate growth layer and the upper growth layer is formed on the substrate 1s. The travel layer 3 is doped with an n-type impurity element such as N at an impurity density of about 1×10 14 cm −3 to 1×10 17 cm −3 , which is lower than that of the substrate 1s. The thickness of the travel layer 3 is in the range of about 10 μm to several hundreds of μm, and the optimal thickness and impurity density are selected according to the withstand voltage specifications of the pin diode. For example, about 10 μm is selected for a withstand voltage of 1000 V, and about 100 μm is selected for a withstand voltage of 10 kV. The threading dislocations 14 present in the intermediate growth layer 3e propagate into the upper growth layer of the travel layer 3. The heat treatment of the ion-implanted layer may be carried out during the additional epitaxial growth of the traveling layer 3 .

次いで、図15に示すように、走行層3の上部にAl等のp型の担体注入領域5を選択的に形成する。例えば、フォトリソグラフィによって、イオン注入用マスクを形成して、走行層3の上部にAl等のp型を呈する不純物イオンを高不純物密度で注入すればよい。引き続き、化学機械研磨(CMP)等により、基板1sの下面を研磨して厚み調整をして、担体収集層1を半導体装置の電気的特性が要求する仕様の厚さに仕上げる。スパッタリングあるいは真空蒸着などにより、担体収集層1の下面にAu等からなる裏面電極(カソード電極)9を形成する。更に、スパッタリングあるいは真空蒸着などにより、Al等の金属膜を堆積し、表面電極(アノード電極)7を形成する。このようにして、図1に示した第1実施形態に係る半導体装置が完成する。 Next, as shown in FIG. 15, a p-type carrier injection region 5 of Al or the like is selectively formed on the upper part of the running layer 3. For example, an ion injection mask may be formed by photolithography, and p-type impurity ions of Al or the like may be injected at a high impurity density on the upper part of the running layer 3. Next, the lower surface of the substrate 1s is polished by chemical mechanical polishing (CMP) or the like to adjust the thickness, and the carrier collection layer 1 is finished to a thickness required by the electrical characteristics of the semiconductor device. A back electrode (cathode electrode) 9 made of Au or the like is formed on the lower surface of the carrier collection layer 1 by sputtering or vacuum deposition. Furthermore, a metal film of Al or the like is deposited by sputtering or vacuum deposition to form a surface electrode (anode electrode) 7. In this way, the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1 is completed.

図1に示した構造において、p型の担体注入領域5から注入された正孔の密度はn+型の担体収集層1内では電子と再結合して急激に減少する。しかし、担体収集層1と走行層3の界面近傍では担体収集層1内の正孔密度の減少も小さく、基板側基底面転位12のSi芯の部分転位は不動化されていない。そのため、担体収集層1表面近傍に存在する基板側基底面転位12は順方向通電による積層欠陥の拡大の起点となり得る。このため、Ar原子221のイオン注入により第1不動化層21を形成する際に、第2不動化層11を同時に形成してもよい。ここで、第2不動化層11は、基板1sと中間成長層3eとの界面から1μm以内の基板1s内に形成することが好ましい。また、担体収集層1と走行層3の界面にもAr原子221をイオン注入することで、第1不動化層21と第2不動化層11とが接するように形成してもよい。 In the structure shown in FIG. 1, the density of holes injected from the p-type carrier injection region 5 recombines with electrons in the n + -type carrier collection layer 1 and rapidly decreases. However, the decrease in the hole density in the carrier collection layer 1 is small near the interface between the carrier collection layer 1 and the running layer 3, and the Si-core partial dislocations of the substrate-side basal plane dislocations 12 are not immobilized. Therefore, the substrate-side basal plane dislocations 12 present near the surface of the carrier collection layer 1 can be the starting point for the expansion of stacking faults due to forward current flow. For this reason, when the first immobilization layer 21 is formed by ion implantation of Ar atoms 221, the second immobilization layer 11 may be formed at the same time. Here, the second immobilization layer 11 is preferably formed in the substrate 1s within 1 μm from the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e. In addition, the first immobilization layer 21 may be formed so that the second immobilization layer 11 is in contact with the first immobilization layer 21 by ion implantation of Ar atoms 221 also at the interface between the carrier collection layer 1 and the running layer 3.

例えば、図16に示すように、基板1sと中間成長層3eの界面近傍において、中間成長層3e内にAr原子221aを、界面にAr原子221bを、そして基板側にはAr原子221cを、それぞれイオン注入する。その後、図17に示すように、中間成長層3eの上に更にn型の主成長層(上部成長層)をエピタキシャル成長させ、基板1s上に走行層3を形成する。基板1sと走行層3の界面近傍において、基板1s側に第2不動化層11、走行層側に第1不動化層21がそれぞれ形成される。第1不動化層21及び第2不動化層11は、例えば図10(c)に示すように、イオン注入されたAr原子221a、221b、221cのそれぞれに対応したドーズ量分布のピークP2a、P2b、P2cが互いに重なり合ってほぼ平坦な分布にすることができる。その結果、第1不動化層21と第2不動化層11とが基板1sと中間成長層3eとの界面で接する。これにより、基板1sと走行層3の界面近傍の基板1s側に存在する成長層側基底面転位22の成長層側Si芯22sを不動化することができ、順方向通電による積層欠陥の拡大を防止することが可能となる。 For example, as shown in FIG. 16, near the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e, Ar atoms 221a are ion-implanted into the intermediate growth layer 3e, Ar atoms 221b are ion-implanted into the interface, and Ar atoms 221c are ion-implanted into the substrate side. Then, as shown in FIG. 17, an n-type main growth layer (upper growth layer) is epitaxially grown on the intermediate growth layer 3e to form a running layer 3 on the substrate 1s. Near the interface between the substrate 1s and the running layer 3, a second passivation layer 11 is formed on the substrate 1s side, and a first passivation layer 21 is formed on the running layer side. The first passivation layer 21 and the second passivation layer 11 can be formed into a nearly flat distribution, with the peaks P2a, P2b, and P2c of the dose distribution corresponding to the ion-implanted Ar atoms 221a, 221b, and 221c overlapping each other, as shown in FIG. 10(c). As a result, the first immobilization layer 21 and the second immobilization layer 11 come into contact at the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e. This immobilizes the growth layer side Si core 22s of the growth layer side basal plane dislocation 22 that exists on the substrate 1s side near the interface between the substrate 1s and the running layer 3, making it possible to prevent the expansion of stacking faults due to forward current flow.

第1実施形態に係る半導体装置の製造方法では、基板1sの上に中間成長層3eをエピタキシャル成長し、中間成長層3eの上面からAr原子221をイオン注入して第1不動化層21を形成する。これにより、Ar原子221のイオン注入で導入される結晶欠陥の位置を、貫通転位14が立ち上がる位置となる担体収集層1と走行層3の界面近傍の走行層3内に、高精度で制御することができる。したがって、担体収集層1と走行層3の界面近傍の走行層3内に残存する成長層側基底面転位22の成長層側Si芯22sの部分転位を不動化することが可能となる。また、イオン注入により第2不動化層11を、基板1sと中間成長層3eとの界面から1μm以内の基板1s内に形成する。これにより基板1s中の部分転位を不動化し、基板側基底面転位12の貫通転位14への変換率を上げることができる。その結果、第1実施形態に係る半導体装置に順方向電流を流したときに、成長層側基底面転位22に起因する積層欠陥の拡大を防止し、半導体装置の順方向特性の劣化を抑制することができる。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment, the intermediate growth layer 3e is epitaxially grown on the substrate 1s, and Ar atoms 221 are ion-implanted from the upper surface of the intermediate growth layer 3e to form the first passivation layer 21. This allows the position of the crystal defect introduced by the ion implantation of the Ar atoms 221 to be controlled with high precision in the running layer 3 near the interface between the carrier collection layer 1 and the running layer 3, where the threading dislocation 14 rises. Therefore, it is possible to immobilize the partial dislocation of the growth layer side Si core 22s of the growth layer side basal plane dislocation 22 remaining in the running layer 3 near the interface between the carrier collection layer 1 and the running layer 3. In addition, the second passivation layer 11 is formed in the substrate 1s within 1 μm from the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e by ion implantation. This immobilizes the partial dislocation in the substrate 1s, and increases the conversion rate of the substrate side basal plane dislocation 12 to the threading dislocation 14. As a result, when a forward current is passed through the semiconductor device according to the first embodiment, the expansion of stacking faults caused by the growth layer-side basal plane dislocations 22 can be prevented, and the deterioration of the forward characteristics of the semiconductor device can be suppressed.

(第1実施形態の変形例)
上述のように、本発明の第1実施形態に係る半導体装置では、中間成長層3eによって成長層側基底面転位22を95%程度貫通転位14に変換するが、5%程度は、中間成長層3e上にエピタキシャル成長した上部成長層内を伝播し、積層欠陥の拡大の起点となり得る。第1実施形態の変形例では、図18に示すように、予め基板1sの上面近傍にイオン注入により結晶欠陥が導入された第2不動化層11を設ける。第2不動化層11により、基板側基底面転位12の貫通転位14への変換効率を向上することができる。第1実施形態の変形例に係る半導体装置は、中間成長層3eのエピタキシャル成長の前に予め基板1sの表面にイオン注入による第2不動化層11を設ける点が第1実施形態とは異なる。他の構成は第1実施形態と同様であるので、重複する記載は省略する。
(Modification of the first embodiment)
As described above, in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the intermediate growth layer 3e converts about 95% of the growth layer side basal plane dislocations 22 into threading dislocations 14, but about 5% of them propagate through the upper growth layer epitaxially grown on the intermediate growth layer 3e and can become the starting point for the expansion of stacking faults. In the modified example of the first embodiment, as shown in FIG. 18, a second passivation layer 11 in which crystal defects are introduced by ion implantation is provided in advance near the upper surface of the substrate 1s. The second passivation layer 11 can improve the conversion efficiency of the substrate side basal plane dislocations 12 into threading dislocations 14. The semiconductor device according to the modified example of the first embodiment differs from the first embodiment in that the second passivation layer 11 is provided by ion implantation in advance on the surface of the substrate 1s before the epitaxial growth of the intermediate growth layer 3e. Since the other configurations are the same as those of the first embodiment, the overlapping descriptions will be omitted.

‐中間生成物の製造方法‐
図18及び図19に示す工程図及び図20に示す不純物プロファイルを用いて、本発明の第1実施形態の変形例に係る中間生成物としての多層構造体(1s,3e)の製造方法を説明する。なお、以下に述べる中間生成物としての多層構造体(1s,3e)の製造方法は上部成長層を成長する前の一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲であれば、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
-Method of manufacturing intermediate products-
A method for manufacturing a multilayer structure (1s, 3e) as an intermediate product according to a modified example of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the process diagrams shown in Figures 18 and 19 and the impurity profile shown in Figure 20. Note that the method for manufacturing a multilayer structure (1s, 3e) as an intermediate product described below is one example before growing an upper growth layer, and it goes without saying that various other manufacturing methods, including this modified example, can be used within the scope of the spirit described in the claims.

まず、図18に示すように、エピタキシャル成長の前に、N等のn型の不純物元素が5×1017cm-3~1×1018cm-3程度の不純物密度に添加された基板1sの上面からAr等の基板側基底面転位12を不動化する原子となる不純物イオンを注入して第2不動化層11を設ける。第2不動化層11は、基板1sの上面から1μm程度の範囲内に基底面転位を不動化する原子が分布するように射影飛程を調整してイオン注入することにより形成する。 18, before epitaxial growth, impurity ions that become atoms that immobilize substrate-side basal plane dislocations 12, such as Ar, are implanted from the top surface of a substrate 1s doped with an n-type impurity element such as N at an impurity density of about 5×10 17 cm -3 to 1×10 18 cm -3 to provide a second immobilization layer 11. The second immobilization layer 11 is formed by ion implantation with the projected range adjusted so that the atoms that immobilize basal plane dislocations are distributed within a range of about 1 μm from the top surface of the substrate 1s.

その後、図19に示すように、基板1sの上にn型の中間成長層3eをエピタキシャル成長させて、中間生成物としての多層構造体(1s,3e)を作製する。中間成長層3eには、図20(a)に示すように、例えばN等のn型の不純物元素が基板1sより低不純物密度の1×1014cm-3~1×1017cm-3程度で添加されている。中間成長層3eの厚さは、1μm程度である。基板1sに存在する基板側基底面転位12は、中間成長層3e内に成長層側基底面転位22として伝播する。基板側基底面転位12の基板側Si芯12sの部分転位は、図6(a)及び(b)で説明したように、第2不動化層11によって不動化されている。そのため、基板1sから伝播した成長層側基底面転位22は、基板1sと中間成長層3eの界面から50nm以下の範囲の中間成長層3e内において、99%程度と高い変換率で貫通転位14に変換される。 Thereafter, as shown in FIG. 19, an n-type intermediate growth layer 3e is epitaxially grown on the substrate 1s to produce a multilayer structure (1s, 3e) as an intermediate product. As shown in FIG. 20(a), an n-type impurity element such as N is doped in the intermediate growth layer 3e at a lower impurity density of about 1×10 14 cm −3 to 1×10 17 cm −3 than that of the substrate 1s. The thickness of the intermediate growth layer 3e is about 1 μm. The substrate-side basal plane dislocations 12 present in the substrate 1s propagate as growth layer-side basal plane dislocations 22 in the intermediate growth layer 3e. The partial dislocations of the substrate-side Si core 12s of the substrate-side basal plane dislocations 12 are immobilized by the second immobilization layer 11 as described in FIG. 6(a) and (b). Therefore, the growth layer-side basal plane dislocations 22 propagating from the substrate 1s are converted to threading dislocations 14 at a high conversion rate of about 99% within the intermediate growth layer 3e within a range of 50 nm or less from the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e.

更に、中間成長層3eのエピタキシャル成長後、基板1sと中間成長層3eの界面近傍の中間成長層3e内に成長層側基底面転位を不動化する原子となる、例えばAr原子のイオンを注入する。イオン注入後に900℃~1400℃程度で30分~2時間程度で熱処理を行い、イオン注入で導入された欠陥の状態を制御する熱処理を実施し、図19に示すように、第1不動化層21を形成する。図20(a)及び(b)に示すように、第2不動化層11にはドーズ量分布のピークP1が界面から基板1s側の1μm以内に位置し、第1不動化層21にはドーズ量分布のピークP2が界面から中間成長層3e側の50nm以内に位置するようにAr原子が分布する。このようにして、Nが高濃度に添加された基板1s側に第2不動化層11、及びNが基板1sよりも低不純物密度で添加された中間成長層3e側に第1不動化層21を有する中間生成物としての多層構造体(1s,3e)が作製される。 Furthermore, after the epitaxial growth of the intermediate growth layer 3e, ions of, for example, Ar atoms, which become atoms that immobilize the basal plane dislocations on the growth layer side, are implanted into the intermediate growth layer 3e near the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e. After the ion implantation, a heat treatment is performed at about 900°C to 1400°C for about 30 minutes to 2 hours to control the state of the defects introduced by the ion implantation, and a first immobilization layer 21 is formed as shown in FIG. 19. As shown in FIGS. 20(a) and (b), Ar atoms are distributed in the second immobilization layer 11 so that the peak P1 of the dose distribution is located within 1 μm from the interface on the substrate 1s side, and the peak P2 of the dose distribution is located within 50 nm from the interface on the intermediate growth layer 3e side. In this way, a multilayer structure (1s, 3e) is produced as an intermediate product having a second passivation layer 11 on the side of the substrate 1s where N is highly doped, and a first passivation layer 21 on the side of the intermediate growth layer 3e where N is doped at a lower impurity density than the substrate 1s.

第1実施形態の変形例では、予め基板1sの表面近傍に基板側基底面転位12を不動化する原子となる不純物イオンを注入して第2不動化層11を形成した後、基板1s上に1μm程度の中間成長層3eをエピタキシャル成長させる。更に、中間成長層3eの上面から成長層側基底面転位22を不動化する原子となる不純物イオンを注入して第1不動化層21を形成する。基板1sに第2不動化層11が設けられているので、中間成長層3eのエピタキシャル成長の際に基板1sに存在する基板側基底面転位12の部分転位を不動化することができる。そのため、中間生成物としての多層構造体(1s,3e)の上に主成長層をエピタキシャル成長する場合、エピタキシャル成長中に中間成長層3eに伝播する成長層側基底面転位22の貫通転位14への変換率を大きくすることができる。この結果、中間成長層3eの上面の主成長層(上部成長層)に伝播する成長層側基底面転位22を低減することが可能となる。また、基板1sの上に1μm程度の中間成長層3eをエピタキシャル成長し、中間成長層3eの上面からAr原子221を基板1sと中間成長層3eの界面近傍にイオン注入して第1不動化層21を設ける。そのため、成長層側基底面転位22が貫通転位14に変換した後に基板1sと中間成長層3eの界面近傍の中間成長層3e内に残存する成長層側Si芯22sの部分転位を不動化することが可能となる。その結果、中間生成物としての多層構造体(1s,3e)の上に主成長層(上部成長層)をエピタキシャル成長した構造の半導体装置に順方向電流を流したときに、成長層側基底面転位22に起因する積層欠陥の拡大を防止し、半導体装置の順方向特性の劣化を抑制することが可能となる。 In a modified example of the first embodiment, impurity ions that become atoms that immobilize the substrate-side basal plane dislocations 12 are implanted in advance near the surface of the substrate 1s to form a second immobilization layer 11, and then an intermediate growth layer 3e of about 1 μm is epitaxially grown on the substrate 1s. Furthermore, impurity ions that become atoms that immobilize the growth layer-side basal plane dislocations 22 are implanted from the upper surface of the intermediate growth layer 3e to form a first immobilization layer 21. Since the second immobilization layer 11 is provided on the substrate 1s, partial dislocations of the substrate-side basal plane dislocations 12 present in the substrate 1s can be immobilized during the epitaxial growth of the intermediate growth layer 3e. Therefore, when the main growth layer is epitaxially grown on the multilayer structure (1s, 3e) as the intermediate product, the conversion rate of the growth layer-side basal plane dislocations 22 propagating to the intermediate growth layer 3e during epitaxial growth to threading dislocations 14 can be increased. As a result, it is possible to reduce the growth layer side basal plane dislocations 22 propagating to the main growth layer (upper growth layer) on the upper surface of the intermediate growth layer 3e. In addition, the intermediate growth layer 3e is epitaxially grown to a thickness of about 1 μm on the substrate 1s, and Ar atoms 221 are ion-implanted from the upper surface of the intermediate growth layer 3e near the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e to provide a first immobilization layer 21. Therefore, it is possible to immobilize the partial dislocations of the growth layer side Si core 22s remaining in the intermediate growth layer 3e near the interface between the substrate 1s and the intermediate growth layer 3e after the growth layer side basal plane dislocations 22 are converted into threading dislocations 14. As a result, when a forward current is passed through a semiconductor device having a structure in which the main growth layer (upper growth layer) is epitaxially grown on the multilayer structure (1s, 3e) as an intermediate product, it is possible to prevent the expansion of stacking faults caused by the growth layer side basal plane dislocations 22 and suppress the deterioration of the forward characteristics of the semiconductor device.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態に係る半導体装置は、図21に示すように、n+型の担体収集層1、n型の緩衝層2、n-型の走行層3、p+型の担体注入領域5、アノード電極7、及びカソード電極9を備える。担体収集層1には、N等のn型の不純物元素が5×1017cm-3~1×1018cm-3程度の不純物密度で添加されている。第1中間成長層としての緩衝層2には、N等のn型の不純物元素が担体収集層1よりも低不純物密度、且つ走行層3よりも高不純物密度の、例えば1×1017cm-3~5×1017cm-3程度で添加される。緩衝層2は、担体収集層1と走行層3との間に設けられ、成長層側基底面転位22(図示省略)を貫通転位14(図示省略)に変換する。更に、緩衝層2内では電子密度が走行層3より高く、通電時に走行層3から注入される正孔と再結合して正孔密度を低減することができる。第2実施形態は、緩衝層2が担体収集層1と上部成長層である走行層3との間に、走行層3よりも高不純物密度の緩衝層2を設ける点が、第1実施形態とは異なる。他の構成は第1実施形態と同様であるので、重複する記載は省略する。
Second Embodiment
As shown in FIG. 21, the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention includes an n + type carrier collection layer 1, an n type buffer layer 2, an n - type running layer 3, a p + type carrier injection region 5, an anode electrode 7, and a cathode electrode 9. The carrier collection layer 1 is doped with an n type impurity element such as N at an impurity density of about 5×10 17 cm -3 to 1×10 18 cm -3 . The buffer layer 2 as the first intermediate growth layer is doped with an n type impurity element such as N at an impurity density lower than that of the carrier collection layer 1 and higher than that of the running layer 3, for example, about 1×10 17 cm -3 to 5×10 17 cm -3 . The buffer layer 2 is provided between the carrier collection layer 1 and the running layer 3, and converts the growth layer side basal plane dislocations 22 (not shown) into threading dislocations 14 (not shown). Furthermore, the electron density in the buffer layer 2 is higher than that in the running layer 3, and can be recombined with holes injected from the running layer 3 when a current is applied, thereby reducing the hole density. The second embodiment differs from the first embodiment in that the buffer layer 2 is provided between the carrier collection layer 1 and the upper growth layer, that is, the running layer 3, and has a higher impurity density than the running layer 3. Since the other configurations are the same as those of the first embodiment, repeated descriptions will be omitted.

第2実施形態に係る半導体装置では、担体収集層1上に成長した緩衝層2において、成長層側基底面転位22は95%程度貫通転位14に変換される。このように、緩衝層2には、担体収集層1から伝播して貫通転位14に変化した後の成長層側基底面転位22が存在することになる。緩衝層2は走行層3よりも高不純物密度でn型の不純物元素が添加されているので電子密度が走行層3よりも高く、担体注入領域5から走行層3に少数キャリアとして注入された正孔の密度を緩衝層2内で大きく減少させることができる。その結果、緩衝層2に残存する成長層側基底面転位22に注入される正孔密度を低減でき、通電による積層欠陥の拡大を防止することが可能となる。また、担体収集層1と緩衝層2の界面近傍の緩衝層2内には成長層側基底面転位22を不動化する原子となる不純物イオンが注入されて第1不動化層21が設けられる。イオン注入された基底面転位を不動化する原子は、第1不動化層21に結晶欠陥を誘起して成長層側基底面転位22の部分転位を不動化する。更に、イオン注入された基底面転位を不動化する原子は正孔捕獲準位を形成することができ、正孔密度の減少にも効果を有する。その結果、半導体装置に順方向電流を流したときに、成長層側基底面転位22に起因する積層欠陥の拡大を防止し、半導体装置の順方向特性の劣化を抑制することができる。 In the semiconductor device according to the second embodiment, in the buffer layer 2 grown on the carrier collection layer 1, the growth layer side basal plane dislocations 22 are converted to threading dislocations 14 by about 95%. In this way, the growth layer side basal plane dislocations 22 that have propagated from the carrier collection layer 1 and changed to threading dislocations 14 are present in the buffer layer 2. The buffer layer 2 is doped with n-type impurity elements at a higher impurity density than the travel layer 3, so that the electron density is higher than that of the travel layer 3, and the density of holes injected as minority carriers from the carrier injection region 5 to the travel layer 3 can be greatly reduced in the buffer layer 2. As a result, the density of holes injected into the growth layer side basal plane dislocations 22 remaining in the buffer layer 2 can be reduced, and it is possible to prevent the expansion of stacking faults due to current flow. In addition, impurity ions that become atoms that immobilize the growth layer side basal plane dislocations 22 are implanted into the buffer layer 2 near the interface between the carrier collection layer 1 and the buffer layer 2 to provide a first immobilization layer 21. The ion-implanted atoms that immobilize the basal plane dislocations induce crystal defects in the first immobilization layer 21, immobilizing the partial dislocations of the growth layer side basal plane dislocations 22. Furthermore, the ion-implanted atoms that immobilize the basal plane dislocations can form a hole trapping level, which also has the effect of reducing the hole density. As a result, when a forward current is passed through the semiconductor device, the expansion of stacking faults caused by the growth layer side basal plane dislocations 22 can be prevented, and the deterioration of the forward characteristics of the semiconductor device can be suppressed.

‐半導体装置の製造方法‐
次に、図22及び図24に示す工程図を用いて、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を、pinダイオードの場合を一例に説明する。まず、図22に示すように、4H‐SiC結晶のn+型の基板1sを準備する。基板1sは、主面が<11-20>方向に4°オフした(0001)Si面である。基板1sは、例えば窒素(N)等のn型の不純物元素が5×1017cm-3~1×1018cm-3程度の不純物密度で添加されている。図示を省略したが、基板1sには多数の基板側基底面転位12が含まれる。
-Method of manufacturing semiconductor device-
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the process diagrams shown in Fig. 22 and Fig. 24, taking a pin diode as an example. First, as shown in Fig. 22, an n + type substrate 1s of 4H-SiC crystal is prepared. The main surface of the substrate 1s is a (0001) Si surface off-set by 4° in the <11-20> direction. The substrate 1s is doped with an n-type impurity element such as nitrogen (N) at an impurity density of about 5 x 10 17 cm -3 to 1 x 10 18 cm -3 . Although not shown in the drawings, the substrate 1s contains a large number of substrate-side basal plane dislocations 12.

図23に示すように、気相エピタキシャル成長技術等により、基板1sの上にn型の緩衝層2を1μm~10μm程度の厚さでエピタキシャル成長させる。第1中間成長層としての緩衝層2は、例えば窒素(N)等のn型の不純物元素が1×1017cm-3~5×1017cm-3程度の不純物密度で添加されている。その後、イオン注入技術により、基板1sと緩衝層2の界面近傍の緩衝層2内に成長層側基底面転位22を不動化する原子となる、例えばAr原子のイオンを1×1014cm-3~1×1018cm-3程度の注入量でイオン注入する。引き続き、図24に示すように、イオン注入で導入された欠陥の状態を制御するため、900℃~1400℃程度で30分~2時間程度で熱処理を行い、第1不動化層21を形成する。 As shown in Fig. 23, an n-type buffer layer 2 is epitaxially grown on a substrate 1s to a thickness of about 1 µm to 10 µm by vapor phase epitaxial growth or the like. The buffer layer 2 as a first intermediate growth layer is doped with an n-type impurity element such as nitrogen (N) at an impurity density of about 1 x 1017 cm -3 to 5 x 1017 cm -3 . Then, by ion implantation, ions of, for example, Ar atoms, which become atoms that immobilize the growth layer side basal plane dislocations 22, are implanted into the buffer layer 2 near the interface between the substrate 1s and the buffer layer 2 at an implantation dose of about 1 x 1014 cm -3 to 1 x 1018 cm - 3. Subsequently, as shown in Fig. 24, in order to control the state of the defects introduced by the ion implantation, a heat treatment is performed at about 900°C to 1400°C for about 30 minutes to 2 hours to form a first immobilization layer 21.

その後、気相エピタキシャル成長技術等により、緩衝層2の上にn型の主成長層(上部成長層)をエピタキシャル成長させ、図21に示した走行層3を形成する。走行層3には、例えばN等のn型の不純物元素が基板1sより低不純物密度の1×1014cm-3~1×1017cm-3程度で添加されている。走行層3の厚さは10μm~数100μm程度の範囲であり、pinダイオードの耐圧仕様に応じて最適な厚さと不純物密度が選ばれる。例えば、耐圧1000Vで10μm程度、耐圧10kVで100μm程度が選ばれる。 Thereafter, an n-type main growth layer (upper growth layer) is epitaxially grown on the buffer layer 2 by vapor phase epitaxial growth technology or the like to form the travel layer 3 shown in FIG. 21. The travel layer 3 is doped with an n-type impurity element such as N at a lower impurity density of about 1×10 14 cm -3 to 1×10 17 cm -3 than the substrate 1s. The thickness of the travel layer 3 is in the range of about 10 μm to several hundreds of μm, and the optimum thickness and impurity density are selected according to the withstand voltage specifications of the pin diode. For example, about 10 μm is selected for a withstand voltage of 1000 V, and about 100 μm is selected for a withstand voltage of 10 kV.

次いで、フォトリソグラフィ及びイオン注入技術等により、走行層3の上部にAl等のp型の不純物元素をイオン注入することで、p型の担体注入領域5を選択的に形成する。引き続き、化学機械研磨(CMP)等により、基板1sの下面を研磨して厚み調整をして、担体収集層1をカソード領域としての仕様に仕上げる。スパッタリングあるいは真空蒸着等により、担体収集層1の下面にAu等からなる裏面電極(カソード電極)9を形成する。更に、スパッタリングあるいは真空蒸着等により、Al等の金属膜を堆積し、表面電極(アノード電極)7を形成する。このようにして、図21に示した第2実施形態に係る半導体装置が完成する。 Next, p-type impurity elements such as Al are ion-implanted into the upper part of the running layer 3 by photolithography and ion implantation techniques, etc., to selectively form a p-type carrier implantation region 5. Next, the underside of the substrate 1s is polished by chemical mechanical polishing (CMP) or the like to adjust the thickness, and the carrier collection layer 1 is finished to the specifications for the cathode region. A back electrode (cathode electrode) 9 made of Au or the like is formed on the underside of the carrier collection layer 1 by sputtering or vacuum deposition, etc. Furthermore, a metal film such as Al is deposited by sputtering or vacuum deposition, etc., to form a surface electrode (anode electrode) 7. In this way, the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. 21 is completed.

第2実施形態に係る半導体装置では、基板1s上にn型の緩衝層2を第1中間成長層としてエピタキシャル成長させている。そのため、基板1sから伝播する成長層側基底面転位22は緩衝層2内で貫通転位に変換される。また、緩衝層2は上部成長層である走行層3よりも高不純物密度のn型の不純物元素が添加されている。したがって、基板1sと緩衝層2との界面に存在する成長層側基底面転位22に走行層3を介して注入される正孔密度を減少させることができる。その結果、基底面転位が積層欠陥に拡大することを防止することができる。 In the semiconductor device according to the second embodiment, an n-type buffer layer 2 is epitaxially grown on a substrate 1s as a first intermediate growth layer. Therefore, the growth layer side basal plane dislocations 22 propagating from the substrate 1s are converted into threading dislocations in the buffer layer 2. In addition, the buffer layer 2 is doped with n-type impurity elements at a higher impurity density than the upper growth layer, the running layer 3. Therefore, the density of holes injected through the running layer 3 into the growth layer side basal plane dislocations 22 present at the interface between the substrate 1s and the buffer layer 2 can be reduced. As a result, the basal plane dislocations can be prevented from expanding into stacking faults.

また、図25に示すように、緩衝層2のエピタキシャル成長の際に、基板1sから緩衝層2に伝播する成長層側基底面転位22の貫通転位14への変換率を向上させるため、基板1sの上面近傍に第2不動化層11を設けてもよい。例えば、予め基板1sの上面近傍に基板側基底面転位12を不動化する原子となる不純物イオンを注入して、結晶欠陥が導入された第2不動化層11を形成する。その後、図26に示すように、気相エピタキシャル成長技術等により、基板1sの上にn型の緩衝層2を1μm程度の厚さでエピタキシャル成長させる。次に、イオン注入技術により、基板1sと緩衝層2の界面近傍の緩衝層2内に成長層側基底面転位22を不動化する原子となる不純物イオンを注入して、第1不動化層21を形成する。基板1sの上面近傍に設けた第2不動化層11により、基板側基底面転位12の貫通転位14への変換効率を向上することができる。 As shown in FIG. 25, in order to improve the conversion rate of the growth layer side basal plane dislocations 22 propagating from the substrate 1s to the buffer layer 2 during the epitaxial growth of the buffer layer 2 into threading dislocations 14, a second immobilization layer 11 may be provided near the upper surface of the substrate 1s. For example, impurity ions that become atoms that immobilize the substrate side basal plane dislocations 12 are implanted in advance near the upper surface of the substrate 1s to form the second immobilization layer 11 in which crystal defects are introduced. Then, as shown in FIG. 26, an n-type buffer layer 2 is epitaxially grown on the substrate 1s to a thickness of about 1 μm by vapor phase epitaxial growth technology or the like. Next, impurity ions that become atoms that immobilize the growth layer side basal plane dislocations 22 are implanted in the buffer layer 2 near the interface between the substrate 1s and the buffer layer 2 by ion implantation technology to form a first immobilization layer 21. The second passivation layer 11 provided near the top surface of the substrate 1s can improve the conversion efficiency of the substrate-side basal plane dislocations 12 into threading dislocations 14.

(第2実施形態の変形例)
本発明の第2実施形態の変形例に係る半導体装置は、図27に示すように、n+型の担体収集層1、n型の緩衝層2、n-型の走行層3、p+型の担体注入領域5、アノード電極7、及びカソード電極9を備える。緩衝層2は、担体収集層1と走行層3との間に設けられ、基底面転位を貫通転位に変換する欠陥変換層2a、及び走行層3側から担体収集層1側に注入される少数キャリアを減少させる再結合促進層2bを備える。担体収集層1と欠陥変換層2aの界面近傍の欠陥変換層2a内、例えば界面から50nm程度の範囲内に第1不動化層21を有する。第2実施形態の変形例に係る半導体装置は、担体収集層1と走行層3との間に設ける緩衝層2が欠陥変換層2a及び再結合促進層2bを有する点が、第1及び第2実施形態に係る半導体装置とは異なる。他の構成は第1及び第2実施形態に係る半導体装置と同様であるので、重複する記載は省略する。
(Modification of the second embodiment)
As shown in FIG. 27, the semiconductor device according to the modified example of the second embodiment of the present invention includes an n + type carrier collection layer 1, an n type buffer layer 2, an n - type running layer 3, a p + type carrier injection region 5, an anode electrode 7, and a cathode electrode 9. The buffer layer 2 is provided between the carrier collection layer 1 and the running layer 3, and includes a defect conversion layer 2a that converts basal plane dislocations into threading dislocations, and a recombination promotion layer 2b that reduces minority carriers injected from the running layer 3 side to the carrier collection layer 1 side. A first passivation layer 21 is provided in the defect conversion layer 2a near the interface between the carrier collection layer 1 and the defect conversion layer 2a, for example, within a range of about 50 nm from the interface. The semiconductor device according to the modified example of the second embodiment is different from the semiconductor device according to the first and second embodiments in that the buffer layer 2 provided between the carrier collection layer 1 and the running layer 3 has the defect conversion layer 2a and the recombination promotion layer 2b. Other configurations are the same as those of the semiconductor device according to the first and second embodiments, so duplicated descriptions will be omitted.

第2実施形態の変形例に係る半導体装置では、担体収集層1上に第1中間成長層として成長した欠陥変換層2aにおいて、基底面転位が95%程度貫通転位に変換される。欠陥変換層2a内で貫通転位に変化された後に欠陥変換層2aに残存する基底面欠陥は、第1不動化層21により、担体収集層1との界面近傍で不動化される。更に、欠陥変換層2a上に第2及び第3中間成長層として成長した再結合促進層2bにおいて、通電によりp+型の担体注入領域5から注入された正孔を電子と再結合させる。このように、第2実施形態の変形例に係る半導体装置では、担体収集層1から伝播した基底面転位は欠陥変換層2a内に存在することになる。欠陥変換層2aは厚いほど、積層欠陥の発生頻度を低減できるが、厚くするとエピタキシャル成長のスループットの低下を招くので、1μm程度に薄くするのが望ましい。また、欠陥変換層2aに存在する基底面転位に注入される正孔密度を減少させるため、欠陥変換層2aは走行層3よりも高不純物密度のn型エピタキシャル層を用いることが望ましい。更に、正孔密度を閾値である1×1015cm-3台以下に減少させるために、欠陥変換層2aよりも高不純物密度のn型の再結合促進層2bを追加する。 In the semiconductor device according to the modification of the second embodiment, in the defect conversion layer 2a grown as the first intermediate growth layer on the carrier collection layer 1, about 95% of the basal plane dislocations are converted to threading dislocations. The basal plane defects remaining in the defect conversion layer 2a after being converted to threading dislocations in the defect conversion layer 2a are immobilized near the interface with the carrier collection layer 1 by the first immobilization layer 21. Furthermore, in the recombination promotion layer 2b grown as the second and third intermediate growth layers on the defect conversion layer 2a, holes injected from the p + type carrier injection region 5 are recombined with electrons by current application. Thus, in the semiconductor device according to the modification of the second embodiment, the basal plane dislocations propagated from the carrier collection layer 1 are present in the defect conversion layer 2a. The thicker the defect conversion layer 2a, the lower the frequency of stacking faults. However, since a thicker layer leads to a decrease in the throughput of epitaxial growth, it is preferable to make the thickness as thin as about 1 μm. In order to reduce the hole density injected into the basal plane dislocations present in the defect conversion layer 2a, it is desirable to use an n-type epitaxial layer having a higher impurity density for the defect conversion layer 2a than the running layer 3. Furthermore, in order to reduce the hole density to the threshold value of 1× 10 cm −3 or less, an n-type recombination promotion layer 2b having a higher impurity density than the defect conversion layer 2a is added.

例えば、担体収集層1には、N等のn型の不純物元素が5×1017cm-3~1×1018cm-3程度の不純物密度で添加されている。第1中間成長層としての欠陥変換層2aは、厚さが1μm程度で、N等のn型の不純物元素が担体収集層1よりも低不純物密度、且つ走行層3よりも高不純物密度の、例えば1×1017cm-3程度で添加されている。第2及び第3中間成長層としての再結合促進層2bは、厚さが5μm~10μm程度で、N等のn型の不純物元素が欠陥変換層2aよりも2倍~3倍程度高不純物密度の、例えば2×1017cm-3~5×1017cm-3程度で添加されている。第4中間成長層として走行層3は、厚さが10μm~100μm程度で、N等のn型の不純物元素が1×1014cm-3~1×1017cm-3程度で添加されている。第1不動化層21は、担体収集層1と欠陥変換層2aの界面近傍の欠陥変換層2a内、例えば界面から50nm程度の範囲内に設けられる。第1不動化層21には、成長層側基底面転位22を不動化する原子となる不純物イオンが、不純物密度が1×1014cm-3~1×1018cm-3程度になるような不純物密度でイオン注入されている。より好ましくは、不純物密度が3×1015cm-3以上、3×1016cm-3以下の範囲である。なお、再結合促進層2bには、n型の不純物元素に加えて正孔捕獲準位を形成する不純物元素として、例えばB、V、Ti、Fe及びCr等を添加してもよい。 For example, the carrier collection layer 1 is doped with an n-type impurity element such as N at an impurity density of about 5×10 17 cm -3 to 1×10 18 cm -3 . The defect conversion layer 2a as the first intermediate growth layer has a thickness of about 1 μm and is doped with an n-type impurity element such as N at an impurity density lower than that of the carrier collection layer 1 and higher than that of the running layer 3, for example, at about 1×10 17 cm -3 . The recombination promotion layer 2b as the second and third intermediate growth layers has a thickness of about 5 μm to 10 μm and is doped with an n-type impurity element such as N at an impurity density two to three times higher than that of the defect conversion layer 2a, for example, at about 2×10 17 cm -3 to 5×10 17 cm -3 . The running layer 3 as the fourth intermediate growth layer has a thickness of about 10 μm to 100 μm, and is doped with an n-type impurity element such as N at about 1×10 14 cm -3 to 1×10 17 cm -3 . The first passivation layer 21 is provided in the defect conversion layer 2a near the interface between the carrier collection layer 1 and the defect conversion layer 2a, for example within a range of about 50 nm from the interface. The first passivation layer 21 is implanted with impurity ions that become atoms that passivate the growth layer side basal plane dislocations 22 at an impurity density of about 1×10 14 cm -3 to 1×10 18 cm -3 . More preferably, the impurity density is in the range of 3×10 15 cm -3 to 3×10 16 cm -3 . In addition to the n-type impurity element, the recombination-promoting layer 2b may be doped with impurity elements that form a hole capture level, such as B, V, Ti, Fe, and Cr.

第2実施形態の変形例に係る半導体装置では、担体収集層1の上に第1中間成長層としての欠陥変換層2a及び第2及び第3中間成長層としての再結合促進層2bを有する緩衝層2をエピタキシャル成長させている。更に、欠陥変換層2aには、担体収集層1との界面近傍に第1不動化層21をイオン注入して設けている。そのため、基板1sから伝播する成長層側基底面転位22は欠陥変換層2a内で貫通転位に変換される。また、再結合促進層2bは走行層3及び欠陥変換層2aよりも高不純物密度のn型の不純物元素が添加されている。したがって、担体収集層1と欠陥変換層2aとの界面に存在する成長層側基底面転位22に、第4中間成長層としての走行層3を介して欠陥変換層2aから注入される正孔密度を閾値の1×1015cm-3台以下に減少させることができる。その結果、半導体装置に順方向電流を流したときに、成長層側基底面転位22が積層欠陥に拡大することを防止し、半導体装置の順方向特性の劣化を抑制することができる。 In the semiconductor device according to the modified example of the second embodiment, a buffer layer 2 having a defect conversion layer 2a as a first intermediate growth layer and a recombination promotion layer 2b as a second and third intermediate growth layer is epitaxially grown on a carrier collection layer 1. Furthermore, a first passivation layer 21 is provided in the defect conversion layer 2a near the interface with the carrier collection layer 1 by ion implantation. Therefore, the growth layer side basal plane dislocations 22 propagating from the substrate 1s are converted into threading dislocations in the defect conversion layer 2a. Furthermore, the recombination promotion layer 2b is doped with an n-type impurity element having a higher impurity density than the travel layer 3 and the defect conversion layer 2a. Therefore, the density of holes injected from the defect conversion layer 2a through the travel layer 3 as a fourth intermediate growth layer into the growth layer side basal plane dislocations 22 present at the interface between the carrier collection layer 1 and the defect conversion layer 2a can be reduced to a threshold value of 1×10 15 cm −3 or less. As a result, when a forward current is passed through the semiconductor device, the growth layer-side basal plane dislocations 22 are prevented from expanding into stacking faults, and degradation of the forward characteristics of the semiconductor device can be suppressed.

また、図28に示すように、欠陥変換層2aにおいて成長層側基底面転位22の貫通転位への変換率を向上させるため、担体収集層1の上面近傍に第2不動化層11を設けてもよい。また、図29に示すように、欠陥変換層2aと再結合促進層2bの界面近傍で、第2及び第3中間成長層としての再結合促進層2b内に第3不動化層21dを設けてもよい。第3不動化層21dにより、欠陥変換層2aから再結合促進層2bへ伝播する成長層側基底面転位22を不動化させ、再結合促進層2b内での成長層側基底面転位22の貫通転位への変換率を向上させることができる。更に、図30に示すように、再結合促進層2bと走行層3の界面近傍で、第4中間成長層としての走行層3内に第4不動化層21eを設けてもよい。第4不動化層21eにより、再結合促進層2bから走行層3へ伝播する成長層側基底面転位22を不動化させ、走行層3内での成長層側基底面転位22の貫通転位への変換率を向上させることができる。 As shown in FIG. 28, in order to improve the conversion rate of the growth layer side basal plane dislocations 22 to threading dislocations in the defect conversion layer 2a, a second immobilization layer 11 may be provided near the upper surface of the carrier collection layer 1. As shown in FIG. 29, a third immobilization layer 21d may be provided in the recombination promotion layer 2b as the second and third intermediate growth layers near the interface between the defect conversion layer 2a and the recombination promotion layer 2b. The third immobilization layer 21d immobilizes the growth layer side basal plane dislocations 22 propagating from the defect conversion layer 2a to the recombination promotion layer 2b, thereby improving the conversion rate of the growth layer side basal plane dislocations 22 to threading dislocations in the recombination promotion layer 2b. Furthermore, as shown in FIG. 30, a fourth immobilization layer 21e may be provided in the running layer 3 as the fourth intermediate growth layer near the interface between the recombination promotion layer 2b and the running layer 3. The fourth immobilization layer 21e immobilizes the growth layer side basal plane dislocations 22 that propagate from the recombination promotion layer 2b to the travel layer 3, thereby improving the conversion rate of the growth layer side basal plane dislocations 22 to threading dislocations in the travel layer 3.

‐半導体装置の製造方法‐
次に、図31及至図34に示す工程図を用いて、第2実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を、図30に示したpinダイオードの場合を一例に説明する。まず、図31に示すように、気相エピタキシャル成長技術等により、第2不動化層11が形成された4H‐SiC結晶のn+型の基板1sの上にn型の欠陥変換層(第1中間成長層)2aをエピタキシャル成長させる。基板1sは、主面が<11-20>方向に4°オフした(0001)Si面である。欠陥変換層2aは、例えば、厚さが1μm程度で、N等のn型の不純物元素が1×1017cm-3程度の不純物密度で添加されている。そして、イオン注入技術により、基板1sと欠陥変換層2aの界面近傍の欠陥変換層2a内に成長層側基底面転位22を不動化する原子となる、例えばAr原子のイオンを1×1014cm-3~1×1018cm-3程度の注入量でイオン注入する。引き続き、イオン注入で導入された欠陥の状態を制御するため、900℃~1400℃程度で30分~2時間程度で熱処理を行い、第1不動化層21を形成する。
-Method of manufacturing semiconductor device-
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to a modified example of the second embodiment will be described with reference to the process diagrams shown in Figures 31 to 34, taking the pin diode shown in Figure 30 as an example. First, as shown in Figure 31, an n-type defect conversion layer (first intermediate growth layer) 2a is epitaxially grown on an n + -type substrate 1s of 4H-SiC crystal on which a second passivation layer 11 is formed, using a vapor phase epitaxial growth technique or the like. The main surface of the substrate 1s is a (0001) Si surface that is off by 4° in the <11-20> direction. The defect conversion layer 2a has a thickness of, for example, about 1 µm, and is doped with an n-type impurity element such as N at an impurity density of about 1 x 10 17 cm -3 . Then, by ion implantation technology, ions of, for example, Ar atoms, which become atoms that immobilize the growth layer-side basal plane dislocations 22, are implanted into the defect conversion layer 2a near the interface between the substrate 1s and the defect conversion layer 2a at a dosage of about 1×10 14 cm -3 to 1×10 18 cm -3 . Subsequently, in order to control the state of the defects introduced by the ion implantation, a heat treatment is performed at about 900° C. to 1400° C. for about 30 minutes to 2 hours to form a first immobilization layer 21.

図32に示すように、気相エピタキシャル成長技術等により、欠陥変換層2aの上にn型の第2中間成長層2bsをエピタキシャル成長させる。第2中間成長層2bsは、例えば、厚さが1μm程度で、N等のn型の不純物元素が2×1017cm-3~5×1017cm-3程度の不純物密度で添加されている。そして、イオン注入技術により、第1中間成長層(欠陥変換層)2aと第2中間成長層2bsの界面近傍の第2中間成長層2bs内に成長層側基底面転位22を不動化する原子となる、例えばAr原子のイオンを不純物密度が1×1014cm-3~1×1018cm-3程度となる注入量でイオン注入する。より好ましくは、不純物密度が3×1015cm-3以上、3×1016cm-3以下の範囲である。引き続き、900℃~1400℃程度で30分~2時間程度で熱処理を行い、第3不動化層21dを形成する。 As shown in Fig. 32, an n-type second intermediate growth layer 2bs is epitaxially grown on the defect conversion layer 2a by vapor phase epitaxial growth or the like. The second intermediate growth layer 2bs has a thickness of, for example, about 1 µm, and is doped with an n-type impurity element such as N at an impurity density of about 2 x 1017cm -3 to 5 x 1017cm -3 . Then, by ion implantation, ions of, for example, Ar atoms, which become atoms that immobilize the growth layer side basal plane dislocations 22, are implanted into the second intermediate growth layer 2bs near the interface between the first intermediate growth layer (defect conversion layer) 2a and the second intermediate growth layer 2bs, at an implantation dose of about 1 x 1014cm -3 to 1 x 1018cm -3 . More preferably, the impurity density is in the range of 3 x 1015cm -3 to 3 x 1016cm -3 . Subsequently, a heat treatment is performed at about 900° C. to 1400° C. for about 30 minutes to 2 hours to form a third passivation layer 21d.

その後、図33に示すように、気相エピタキシャル成長技術等により、第2中間成長層2bsの上に第3中間成長層を更にエピタキシャル成長をし、第2中間成長層2bsと第3中間成長層からなる再結合促進層2bを、欠陥変換層2aの上に形成する。再結合促進層2bは、例えば、厚さが5μm~10μm程度で、窒素(N)等のn型の不純物元素が2×1017cm-3~5×1017cm-3程度の不純物密度で添加されている。 33, a third intermediate growth layer is further epitaxially grown on the second intermediate growth layer 2bs by vapor phase epitaxial growth or the like, and a recombination promotion layer 2b consisting of the second intermediate growth layer 2bs and the third intermediate growth layer is formed on the defect conversion layer 2a. The recombination promotion layer 2b has a thickness of, for example, about 5 μm to 10 μm, and is doped with an n-type impurity element such as nitrogen (N) at an impurity density of about 2×10 17 cm -3 to 5×10 17 cm -3 .

図34に示すように、気相エピタキシャル成長技術等により、再結合促進層2bの上に中間成長層3eを第4中間成長層としてエピタキシャル成長させる。中間成長層(第4中間成長層)3eは、例えば、厚さが1μm程度で、N等のn型の不純物元素が1×1014cm-3~1×1017cm-3程度の不純物密度で添加されている。そして、イオン注入技術により、再結合促進層2bと中間成長層3eの界面近傍の中間成長層3e内に成長層側基底面転位22を不動化する原子となる、例えばAr原子のイオンを1×1014cm-3~1×1018cm-3程度の注入量でイオン注入する。引き続き、900℃~1400℃程度で30分~2時間程度で熱処理を行い、第4不動化層21eを形成する。 As shown in Fig. 34, an intermediate growth layer 3e is epitaxially grown on the recombination promotion layer 2b as a fourth intermediate growth layer by vapor phase epitaxial growth or the like. The intermediate growth layer (fourth intermediate growth layer) 3e has a thickness of, for example, about 1 µm, and is doped with an n-type impurity element such as N at an impurity density of about 1 x 1014 cm -3 to 1 x 1017 cm -3 . Then, by ion implantation technology, ions of, for example, Ar atoms, which become atoms that immobilize the growth layer side basal plane dislocations 22, are implanted into the intermediate growth layer 3e near the interface between the recombination promotion layer 2b and the intermediate growth layer 3e, at an implantation dose of about 1 x 1014 cm -3 to 1 x 1018 cm -3 . Subsequently, a heat treatment is performed at about 900°C to 1400°C for about 30 minutes to 2 hours to form a fourth immobilization layer 21e.

その後、気相エピタキシャル成長技術等により、中間成長層(第4中間成長層)3eの上に、主エピタキシャル成長層となるn型の上部成長層をエピタキシャル成長させ、図30に示した走行層3を形成する。走行層3には、例えばN等のn型の不純物元素が欠陥変換層2a及び再結合促進層2bより低不純物密度の1×1014cm-3~1×1017cm-3程度で添加されている。走行層3の厚さは10μm~数100μm程度の範囲であり、pinダイオードの耐圧仕様に応じて最適な厚さと不純物密度が選ばれる。例えば、耐圧1000Vで10μm程度、耐圧10kVで100μm程度が選ばれる。 Thereafter, an n-type upper growth layer, which will be the main epitaxial growth layer, is epitaxially grown on the intermediate growth layer (fourth intermediate growth layer) 3e by vapor phase epitaxial growth technology or the like, to form the running layer 3 shown in FIG. 30. The running layer 3 is doped with an n-type impurity element, for example, N, at a lower impurity density of about 1×10 14 cm -3 to 1×10 17 cm -3 than the defect conversion layer 2a and the recombination promotion layer 2b. The thickness of the running layer 3 is in the range of about 10 μm to several hundreds of μm, and the optimal thickness and impurity density are selected according to the withstand voltage specifications of the pin diode. For example, about 10 μm is selected for a withstand voltage of 1000 V, and about 100 μm is selected for a withstand voltage of 10 kV.

次いで、フォトリソグラフィ及びイオン注入技術等により、図27に示したように、走行層3の上部にAl等のp型の担体注入領域5を選択的に形成する。引き続き、化学機械研磨(CMP)等により、基板1sの下面を研磨して厚み調整をして、担体収集層1をカソード領域としての仕様に仕上げる。スパッタリングあるいは真空蒸着等により、担体収集層1の下面にAu等からなる裏面電極(カソード電極)9を形成する。更に、スパッタリングあるいは真空蒸着等により、Al等の金属膜を堆積し、表面電極(アノード電極)7を形成する。このようにして、第2実施形態の変形例に係る半導体装置が完成する。 Next, as shown in FIG. 27, a p-type carrier injection region 5 of Al or the like is selectively formed on the upper part of the running layer 3 by photolithography and ion implantation techniques. Next, the lower surface of the substrate 1s is polished by chemical mechanical polishing (CMP) or the like to adjust the thickness, and the carrier collection layer 1 is finished to the specifications for the cathode region. A back electrode (cathode electrode) 9 made of Au or the like is formed on the lower surface of the carrier collection layer 1 by sputtering or vacuum deposition or the like. Furthermore, a metal film of Al or the like is deposited by sputtering or vacuum deposition or the like to form a surface electrode (anode electrode) 7. In this way, the semiconductor device according to the modified example of the second embodiment is completed.

第2実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法では、上面に第2不動化層11が設けられた基板1sを用いている。基板1s上の欠陥変換層2a、欠陥変換層2a上の再結合促進層2b、及び再結合促進層2b上の走行層3のそれぞれの界面近傍に、第1不動化層21、第3不動化層21d、第4不動化層21eを設けている。そのため、それぞれのエピタキシャル成長中に伝播する成長層側基底面転位22の貫通転位への変換効率を向上させることができる。また、走行層3よりも高不純物密度の欠陥変換層2aの上には欠陥変換層2aよりも高不純物密度の再結合促進層2bをエピタキシャル成長している。したがって、担体収集層1と欠陥変換層2aとの界面に存在する成長層側基底面転位22に走行層3から注入される正孔密度を閾値の1×1015cm-3台以下に減少させることができる。その結果、半導体装置に順方向電流を流したときに、成長層側基底面転位22に起因する積層欠陥の拡大を防止し、半導体装置の順方向特性の劣化を抑制することができる。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to the modified example of the second embodiment, a substrate 1s having a second passivation layer 11 on its upper surface is used. A first passivation layer 21, a third passivation layer 21d, and a fourth passivation layer 21e are provided near the interfaces of the defect conversion layer 2a on the substrate 1s, the recombination promotion layer 2b on the defect conversion layer 2a, and the running layer 3 on the recombination promotion layer 2b. Therefore, the conversion efficiency of the growth layer side basal plane dislocations 22 propagating during the epitaxial growth to threading dislocations can be improved. In addition, a recombination promotion layer 2b having a higher impurity density than the defect conversion layer 2a is epitaxially grown on the defect conversion layer 2a having a higher impurity density than the running layer 3. Therefore, the hole density injected from the running layer 3 into the growth layer side basal plane dislocations 22 present at the interface between the carrier collection layer 1 and the defect conversion layer 2a can be reduced to a threshold value of 1×10 15 cm −3 or less. As a result, when a forward current is passed through the semiconductor device, the expansion of stacking faults caused by the growth layer-side basal plane dislocations 22 can be prevented, and degradation of the forward characteristics of the semiconductor device can be suppressed.

また、第2実施形態の変形例に係る半導体装置では、基板1s上に欠陥変換層2aをエピタキシャル成長させている。そのため、基板1sから伝播する成長層側基底面転位22は欠陥変換層2a内で貫通転位に変換される。また、再結合促進層2bは中間成長層(第4中間成長層)3eよりも高不純物密度のn型の不純物元素が添加されている。したがって、基板1sと緩衝層2との界面に存在する成長層側基底面転位22に中間成長層3eから注入される正孔密度を閾値の1×1015cm-3台以下に減少させることができる。その結果、成長層側基底面転位22が積層欠陥に拡大することを防止することができる。 In the semiconductor device according to the modified example of the second embodiment, the defect conversion layer 2a is epitaxially grown on the substrate 1s. Therefore, the growth layer side basal plane dislocations 22 propagating from the substrate 1s are converted into threading dislocations in the defect conversion layer 2a. The recombination promotion layer 2b is doped with an n-type impurity element having a higher impurity density than the intermediate growth layer (fourth intermediate growth layer) 3e. Therefore, the hole density injected from the intermediate growth layer 3e into the growth layer side basal plane dislocations 22 present at the interface between the substrate 1s and the buffer layer 2 can be reduced to a threshold value of 1×10 15 cm −3 or less. As a result, the growth layer side basal plane dislocations 22 can be prevented from expanding into stacking faults.

(その他の実施形態)
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
Other Embodiments
As described above, the embodiment of the present invention has been described, but the description and drawings forming a part of this disclosure should not be understood as limiting the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operating techniques will become apparent to those skilled in the art.

上述のように、基底面転位を不動化する原子となる不純物イオン注入の際に導入される結晶欠陥によって成長層側基底面転位を不動化しているが限定されない。例えば、基底面転位は、p型半導体領域によっても伝播が阻止される。そこで、図35に示すように、担体収集層1の上の緩衝層2にp型の複数の半導体領域30を選択的に設けて成長層側基底面転位22を不動化する層としてもよい。半導体領域30は、担体収集層1と緩衝層2の界面から緩衝層2内に延伸するように設けられる。担体収集層1の表面は、(0001)Si面であり、[0001](c軸)方向に対して[11-20]方向に0°~8°程度のオフ角を有する。図36に示すように、担体収集層1の上にエピタキシャル成長された緩衝層2の上面に[11-20]方向に直交する方向に互いに平行に延伸するストライプ状の複数の半導体領域30を設ける。図37に示すように、複数の半導体領域30は、それぞれ高さhで、隣接する半導体領域30の間隔dで配置されている。半導体領域30の幅は5μm以下が好ましい。例えば、オフ角をθとすれば、h/d>tanθとすれば、隣接する半導体領域30の間に存在する基底面転位は半導体領域に伝播を阻止され、緩衝層2内に閉じ込められる。その結果、[11-20]方向への基底面転位の移動が防止され、積層欠陥の拡大を防止することができる。 As described above, the growth layer side basal plane dislocations are immobilized by crystal defects introduced during the implantation of impurity ions that become atoms that immobilize the basal plane dislocations, but this is not limited to this. For example, the propagation of basal plane dislocations can also be prevented by a p-type semiconductor region. Therefore, as shown in FIG. 35, a plurality of p-type semiconductor regions 30 may be selectively provided in the buffer layer 2 on the carrier collection layer 1 to immobilize the growth layer side basal plane dislocations 22. The semiconductor regions 30 are provided so as to extend from the interface between the carrier collection layer 1 and the buffer layer 2 into the buffer layer 2. The surface of the carrier collection layer 1 is a (0001) Si surface, and has an off angle of about 0° to 8° in the [11-20] direction with respect to the [0001] (c-axis) direction. As shown in FIG. 36, a plurality of stripe-shaped semiconductor regions 30 extending parallel to each other in a direction perpendicular to the [11-20] direction are provided on the upper surface of the buffer layer 2 epitaxially grown on the carrier collection layer 1. As shown in FIG. 37, the multiple semiconductor regions 30 are arranged with a height h and a distance d between adjacent semiconductor regions 30. The width of the semiconductor regions 30 is preferably 5 μm or less. For example, if the off angle is θ, and if h/d>tan θ, then basal plane dislocations present between adjacent semiconductor regions 30 are prevented from propagating to the semiconductor region and are confined within the buffer layer 2. As a result, the movement of basal plane dislocations in the [11-20] direction is prevented, and the expansion of stacking faults can be prevented.

図38及び図39に示す工程図を用いて、その他の実施形態に係る多層構造体の製造方法における半導体領域30の作製工程を説明する。図38に示すように、基板1sの上にエピタキシャル成長した緩衝層2の上面に、フォトリソグラフィ等を用いて、レジスト等の複数のマスク35を選択的に形成する。隣接するマスク35の間の開口部を介して緩衝層2にAl等のp型不純物のイオンの注入を行う。p型不純物のイオンの注入深さが基板1sと緩衝層2の界面に達するように加速電圧を調整して多段イオン注入を行う。イオン注入後にマスク35を除去し、p型不純物の活性化熱処理を行う。このようにして、図39に示すように、基板1sと緩衝層2の界面から緩衝層2内に延伸する複数の半導体領域30が形成される。 Using the process diagrams shown in Figures 38 and 39, the manufacturing process of the semiconductor region 30 in the manufacturing method of the multilayer structure according to another embodiment will be described. As shown in Figure 38, a plurality of masks 35 such as resist are selectively formed on the upper surface of the buffer layer 2 epitaxially grown on the substrate 1s by using photolithography or the like. Ions of p-type impurities such as Al are implanted into the buffer layer 2 through the openings between the adjacent masks 35. Multi-stage ion implantation is performed by adjusting the acceleration voltage so that the implantation depth of the p-type impurity ions reaches the interface between the substrate 1s and the buffer layer 2. After the ion implantation, the mask 35 is removed, and a heat treatment for activating the p-type impurities is performed. In this way, a plurality of semiconductor regions 30 extending from the interface between the substrate 1s and the buffer layer 2 into the buffer layer 2 are formed, as shown in Figure 39.

なお、図40に示すように、緩衝層2のエピタキシャル成長前に基板1sの上面近傍に第2不動化層11を設けてもよい。基板1sに存在する基板側基底面転位12を不動化し、貫通転位への変換率を高くすることができる。また、図41に示すように、複数の半導体領域30のそれぞれを、基板1sとの界面から走行層3との界面まで緩衝層2の厚さ方向に延在させてもよい。 As shown in FIG. 40, a second immobilization layer 11 may be provided near the upper surface of the substrate 1s before the epitaxial growth of the buffer layer 2. This immobilizes the substrate-side basal plane dislocations 12 present in the substrate 1s, thereby increasing the conversion rate to threading dislocations. As shown in FIG. 41, each of the multiple semiconductor regions 30 may extend in the thickness direction of the buffer layer 2 from the interface with the substrate 1s to the interface with the travel layer 3.

このように、上記の実施形態及び各変形例において説明される各構成を任意に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As such, the present invention naturally includes various embodiments not described here, such as configurations that arbitrarily apply the configurations described in the above embodiments and each modified example. Therefore, the technical scope of the present invention is determined only by the invention-specific matters related to the scope of the claims that are appropriate from the above description.

1…担体収集層(カソード領域)
1s…基板
(1s,3e)…中間複合体
2…緩衝層
2a…欠陥変換層
2b…再結合促進層
3…走行層
3e…中間成長層(エピタキシャル成長層)
5…担体注入領域(アノード領域)
7…アノード電極(表面電極)
9…カソード電極(裏面電極)
11…第2不動化層
21…第1不動化層
21d…第3不動化層
21e…第4不動化層
12,12a、22…基底面転位
12c、22c…炭素芯
12s、22s…シリコン芯
14…貫通転位
30…半導体領域
221、221a、221b、221c…基底面転位を不動化する原子
1... carrier collection layer (cathode region)
1s...Substrate (1s, 3e)...Intermediate composite 2...Buffer layer 2a...Defect conversion layer 2b...Recombination promotion layer 3...Travel layer 3e...Intermediate growth layer (epitaxial growth layer)
5...Carrier injection region (anode region)
7...Anode electrode (surface electrode)
9...Cathode electrode (rear electrode)
11... second passivation layer 21... first passivation layer 21d... third passivation layer 21e... fourth passivation layer 12, 12a, 22... basal plane dislocation 12c, 22c... carbon core 12s, 22s... silicon core 14... threading dislocation 30... semiconductor region 221, 221a, 221b, 221c... atoms that passivate basal plane dislocation

Claims (18)

第1導電型の炭化珪素の基板と、
前記基板の上に設けられた、前記基板よりも低不純物密度の第1導電型の緩衝層と、
前記緩衝層の上に設けられた、前記緩衝層よりも低不純物密度の第1導電型のエピタキシャル成長層と、を備え、
前記緩衝層の内部において、前記基板との界面から前記エピタキシャル成長層との界面まで前記緩衝層の厚さ方向に延在して設けられた、前記基板の内部に存在する基底面転位から連続して前記エピタキシャル成長層の内部に発生する基底面転位を不動化する第1不動化層を備え、
前記基板は、表面が(0001)面で[0001]軸方向に対して[11-20]方向に0°より大きく8°より小さいオフ角を有し、
記第1不動化層は[11-20]方向に直交する方向に互いに平行に延伸するストライプ状の複数の第2導電型半導体領域であり、
複数の前記第2導電型半導体領域の間の間隔dは、前記緩衝層の膜厚をh、前記基板のオフ角をθとしたとき、h/d>tanθを満たし、
前記緩衝層と前記基板との界面の下の前記基板の表面側に、基底面転位を結晶欠陥により不動化する第2不動化層を更に備え、
前記第2不動化層は、基底面転位を不動化する原子を含み、かつ前記基板の面内方向の全面に設けられることを特徴とする多層構造体。
a silicon carbide substrate of a first conductivity type;
a buffer layer of a first conductivity type provided on the substrate and having a lower impurity concentration than the substrate;
an epitaxially grown layer of a first conductivity type provided on the buffer layer and having a lower impurity concentration than the buffer layer ;
a first passivation layer is provided inside the buffer layer, extending in a thickness direction of the buffer layer from an interface with the substrate to an interface with the epitaxial growth layer, the first passivation layer immobilizing basal plane dislocations occurring in the epitaxial growth layer continuously from basal plane dislocations present in the substrate;
the substrate has a (0001) surface having an off angle of more than 0° and less than 8° in a [11-20] direction with respect to a [0001] axial direction;
the first passivation layer is a plurality of stripe-shaped second conductivity type semiconductor regions extending parallel to each other in a direction perpendicular to the [11-20] direction ,
a distance d between the plurality of second conductive type semiconductor regions satisfies h/d>tan θ, where h is a thickness of the buffer layer and θ is an off-angle of the substrate;
a second passivation layer that immobilizes basal plane dislocations by crystal defects on the front surface side of the substrate below the interface between the buffer layer and the substrate ;
A multilayer structure, wherein the second passivation layer contains atoms that immobilize basal plane dislocations and is provided on the entire in-plane surface of the substrate.
前記第1不動化層と前記第2不動化層とが前記緩衝層と前記基板との界面で接することを特徴とする請求項1に記載の多層構造体。 2. The multi-layer structure of claim 1, wherein the first passivation layer and the second passivation layer meet at the interface between the buffer layer and the substrate . 前記第2不動化層に含まれる前記基底面転位を不動化する原子が、アルゴン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、及び鉄のいずれかから選ばれる少なくとも1種類の原子であることを特徴とする請求項1又は2に記載の多層構造体。 The multilayer structure according to claim 1 or 2, characterized in that the atoms contained in the second passivation layer that immobilize the basal plane dislocations are at least one type of atom selected from argon, magnesium, calcium, barium, titanium, vanadium, chromium, manganese, and iron. 前記第2不動化層に含まれる前記基底面転位を不動化する原子の不純物密度が、1×1014cm-3以上、1×1018cm-3以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の多層構造体。 4. The multilayer structure according to claim 1, wherein the impurity density of atoms that immobilize the basal plane dislocations contained in the second passivation layer is 1× 10 cm −3 or more and 1× 10 cm −3 or less. 前記第2不動化層に含まれる前記基底面転位を不動化する原子の不純物密度が、3×1015cm-3以上、3×1016cm-3以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の多層構造体。 4. The multilayer structure according to claim 1, wherein the impurity density of atoms that immobilize the basal plane dislocations contained in the second passivation layer is 3×10 15 cm -3 or more and 3×10 16 cm -3 or less. 第1導電型の炭化珪素の基板の上に該基板よりも低不純物密度で第1導電型の緩衝層をエピタキシャル成長するステップと、
前記緩衝層の上に、前記緩衝層よりも低不純物密度で第1導電型のエピタキシャル成長層をエピタキシャル成長するステップと、
前記緩衝層の内部において、前記基板との界面から前記エピタキシャル成長層との界面まで前記緩衝層の厚さ方向に延在し、前記基板の内部に存在する基底面転位から連続して前記エピタキシャル成長層の内部に発生する基底面転位を不動化する第1不動化層を形成するステップと、
前記緩衝層と前記基板との界面の下の前記基板の表面側に、基底面転位を結晶欠陥により不動化する第2不動化層を形成するステップと、
を含み、
前記基板は、表面が(0001)面で[0001]軸方向に対して[11-20]方向に0°より大きく8°より小さいオフ角を有し、
記第1不動化層は[11-20]方向に直交する方向に互いに平行に延伸するストライプ状の複数の第2導電型半導体領域であり、
複数の前記第2導電型半導体領域の間の間隔dは、前記緩衝層の膜厚をh、前記基板のオフ角をθとしたとき、h/d>tanθを満たし、
前記第2不動化層は、基底面転位を不動化する原子を含み、かつ前記基板の面内方向の全面に形成されることを特徴とする多層構造体の製造方法。
epitaxially growing a buffer layer of a first conductivity type on a silicon carbide substrate of a first conductivity type, the buffer layer having a lower impurity density than the substrate;
epitaxially growing an epitaxial growth layer of a first conductivity type on the buffer layer, the epitaxial growth layer having a lower impurity concentration than the buffer layer ;
forming a first passivation layer inside the buffer layer, the first passivation layer extending in a thickness direction of the buffer layer from an interface with the substrate to an interface with the epitaxial growth layer, the first passivation layer being continuous with a basal plane dislocation present inside the substrate and immobilizing a basal plane dislocation occurring inside the epitaxial growth layer;
forming a second passivation layer on the front surface side of the substrate below the interface between the buffer layer and the substrate, the second passivation layer immobilizing basal plane dislocations by crystal defects;
Including,
the substrate has a (0001) surface having an off angle of more than 0° and less than 8° in a [11-20] direction with respect to a [0001] axial direction;
the first passivation layer is a plurality of stripe-shaped second conductivity type semiconductor regions extending parallel to each other in a direction perpendicular to the [11-20] direction ,
a distance d between the plurality of second conductive type semiconductor regions satisfies h/d>tan θ, where h is a thickness of the buffer layer and θ is an off-angle of the substrate;
The second passivation layer includes atoms that immobilize basal plane dislocations, and is formed on the entire in-plane surface of the substrate.
前記第2不動化層を形成するステップでは、前記緩衝層と前記基板との界面から1μmの間の前記基板の内部となる射影飛程で、前記基板の上面から、前記基底面転位を不動化する原子を注入する段階を含むことを特徴とする請求項6に記載の多層構造体の製造方法。 7. The method of claim 6, wherein the step of forming the second passivation layer comprises implanting atoms that immobilize the basal plane dislocations from a top surface of the substrate with a projected range that is within 1 μm of the interior of the substrate from an interface between the buffer layer and the substrate. 前記第1不動化層と前記第2不動化層とは、前記緩衝層と前記基板との界面で接するように形成することを特徴とする請求項6又は7に記載の多層構造体の製造方法。 8. The method for producing a multilayer structure according to claim 6, wherein the first passivation layer and the second passivation layer are formed so as to be in contact with each other at the interface between the buffer layer and the substrate . 前記第2不動化層に注入される前記基底面転位を不動化する原子が、アルゴン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、及び鉄のいずれかから選ばれる少なくとも1種類の原子であることを特徴とする請求項7に記載の多層構造体の製造方法。 The method for manufacturing a multilayer structure according to claim 7, characterized in that the atoms implanted into the second passivation layer to immobilize the basal plane dislocations are at least one type of atom selected from the group consisting of argon, magnesium, calcium, barium, titanium, vanadium, chromium, manganese, and iron. 第1導電型の炭化珪素の基板の上に、該基板よりも低不純物密度で第1導電型の緩衝層をエピタキシャル成長するステップと、
前記基板と前記緩衝層との界面から50nmの間となる前記緩衝層の内部に基底面転位を不動化する原子の濃度分布のピークを有し、前記基板の内部に存在する基底面転位から連続して前記緩衝層の内部に発生する基底面転位を結晶欠陥により不動化する第1不動化層を、前記緩衝層の面内方向の全面に形成するステップと、
前記緩衝層の上に、前記緩衝層よりも低不純物密度で第1導電型の走行層をエピタキシャル成長するステップと、
前記走行層の表面に、前記走行層にキャリアを注入する第2導電型の担体注入領域を形成するステップと
を含み、
前記緩衝層をエピタキシャル成長するステップは、
前記基板の上に基底面転位を貫通転位に変換する欠陥変換層をエピタキシャル成長する段階と、
該欠陥変換層の上に、前記欠陥変換層よりも高不純物密度で、注入された少数キャリアを再結合により減少させる再結合促進層をエピタキシャル成長させる段階と、
を含み、
前記再結合促進層の内部の、前記欠陥変換層と前記再結合促進層との界面から50nmの間に基底面転位を不動化する原子の濃度分布のピークを有し、前記再結合促進層に存在する基底面転位を結晶欠陥により不動化する第3不動化層を、前記再結合促進層の面内方向の全面に形成するステップを更に備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
epitaxially growing a buffer layer of a first conductivity type on a silicon carbide substrate of a first conductivity type, the buffer layer having a lower impurity density than the substrate;
forming a first passivation layer on the entire in-plane area of the buffer layer, the first passivation layer having a peak in a concentration distribution of atoms that immobilize basal plane dislocations within the buffer layer, the peak being located within 50 nm from an interface between the substrate and the buffer layer , and immobilizing basal plane dislocations that occur in the buffer layer successively from basal plane dislocations present in the substrate by using crystal defects;
epitaxially growing a first conductivity type traveling layer on the buffer layer with a lower impurity density than the buffer layer;
forming a second conductive type carrier injection region on a surface of the traveling layer for injecting carriers into the traveling layer ;
Including,
The step of epitaxially growing the buffer layer comprises:
epitaxially growing a defect conversion layer on the substrate to convert basal plane dislocations into threading dislocations;
epitaxially growing a recombination enhancement layer on the defect conversion layer, the recombination enhancement layer having a higher impurity density than the defect conversion layer and reducing injected minority carriers through recombination;
Including,
a third passivation layer having a peak in a concentration distribution of atoms that immobilize basal plane dislocations within the recombination promotion layer, the third passivation layer immobilizing basal plane dislocations in the recombination promotion layer by crystal defects, the third passivation layer being formed on the entire in-plane direction of the recombination promotion layer, the third passivation layer having a peak in a concentration distribution of atoms that immobilize basal plane dislocations in the recombination promotion layer, the third passivation layer being formed on the entire in-plane direction of ... by crystal defects.
前記第1不動化層を形成するステップでは、前記緩衝層の上面から、前記基板と前記緩衝層との界面から50nmの間の前記緩衝層の内部となる射影飛程で、前記基底面転位を不動化する原子を注入する段階を含むことを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。 11. The method of claim 10, wherein the step of forming the first passivation layer includes the step of implanting atoms that passivate the basal plane dislocations from an upper surface of the buffer layer with a projected range that is within 50 nm of the buffer layer from an interface between the substrate and the buffer layer. 前記基板の上面から1μmの間の前記基板の内部に基底面転位を不動化する原子の濃度分布のピークを有し、前記基板の内部から上面に向かって存在する基底面転位を結晶欠陥により不動化する第2不動化層を、前記基板の面内方向の全面に形成するステップを更に含むことを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法。 12. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, further comprising the step of forming a second passivation layer, the second passivation layer having a peak in a concentration distribution of atoms that immobilize basal plane dislocations within the substrate within 1 μm from the top surface of the substrate , and immobilizing basal plane dislocations that exist from the inside of the substrate toward the top surface of the substrate by crystal defects, over the entire in-plane direction of the substrate . 前記第2不動化層を形成するステップでは、前記基板の上面から1μmの間の前記基板の内部となる射影飛程で、前記基底面転位を不動化する原子を前記基板に注入する段階を含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。 13. The method of claim 12, wherein the step of forming the second passivation layer includes implanting atoms that passivate the basal plane dislocations into the substrate at a projected range that is within 1 μm of the interior of the substrate from the top surface of the substrate. 前記第1不動化層と前記第2不動化層とは、前記基板と前記緩衝層との界面で接するように形成することを特徴とする請求項12又は13に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 12 or 13, characterized in that the first passivation layer and the second passivation layer are formed so as to be in contact with each other at the interface between the substrate and the buffer layer. 前記走行層の、前記緩衝層と前記走行層との界面から50nmの間に基底面転位を不動化する原子の濃度分布のピークを有し、前記走行層に存在する基底面転位を結晶欠陥により不動化する第4不動化層を、前記走行層の面内方向の全面に形成するステップを更に含むことを特徴とする請求項10~14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 10 to 14, further comprising the step of forming a fourth passivation layer, the fourth passivation layer having a peak in a concentration distribution of atoms that passivate basal plane dislocations within 50 nm from the interface between the buffer layer and the current layer , over the entire in-plane direction of the current layer, the fourth passivation layer passing through the current layer and passing through the basal plane dislocations by crystal defects. 前記第1不動化層に注入される前記基底面転位を不動化する原子が、アルゴン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、及び鉄のいずれかから選ばれる少なくとも1種類の原子であることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 11, characterized in that the atoms implanted into the first passivation layer to immobilize the basal plane dislocations are at least one type of atom selected from the group consisting of argon, magnesium, calcium, barium, titanium, vanadium, chromium, manganese, and iron. 前記第2不動化層に注入される前記基底面転位を不動化する原子が、アルゴン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、及び鉄のいずれかから選ばれる少なくとも1種類の原子であることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, characterized in that the atoms implanted into the second passivation layer to immobilize the basal plane dislocations are at least one type of atom selected from the group consisting of argon, magnesium, calcium, barium, titanium, vanadium, chromium, manganese, and iron. 第1導電型の炭化珪素の基板の上に、該基板よりも低不純物密度で第1導電型の緩衝層をエピタキシャル成長するステップと、
前記基板と前記緩衝層との界面から50nmの間となる前記緩衝層の内部に基底面転位を不動化する原子の濃度分布のピークを有し、前記基板の内部に存在する基底面転位から連続して前記緩衝層の内部に発生する基底面転位を結晶欠陥により不動化する第1不動化層を、前記緩衝層の面内方向の全面に形成するステップと、
前記緩衝層の上に、前記緩衝層よりも低不純物密度で第1導電型の走行層をエピタキシャル成長するステップと、
前記走行層の表面に、前記走行層にキャリアを注入する第2導電型の担体注入領域を形成するステップと
を含み、
前記緩衝層をエピタキシャル成長するステップの前に、前記基板の上面から1μmの間の前記基板の内部に基底面転位を不動化する原子の濃度分布のピークを有し、前記基板の内部から上面に向かって存在する基底面転位を結晶欠陥により不動化する第2不動化層を、前記基板の面内方向の全面に形成するステップを更に含み、
前記第1不動化層と前記第2不動化層はともに、前記基底面転位を不動化する原子の濃度分布のピーク位置が、前記緩衝層と前記基板との界面から離間するよう形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
epitaxially growing a buffer layer of a first conductivity type on a silicon carbide substrate of a first conductivity type, the buffer layer having a lower impurity density than the substrate;
forming a first passivation layer on the entire in-plane area of the buffer layer, the first passivation layer having a peak in a concentration distribution of atoms that immobilize basal plane dislocations within the buffer layer, the peak being located within 50 nm from an interface between the substrate and the buffer layer , and immobilizing basal plane dislocations that occur in the buffer layer successively from basal plane dislocations present in the substrate by using crystal defects;
epitaxially growing a first conductivity type traveling layer on the buffer layer with a lower impurity density than the buffer layer;
forming a second conductive type carrier injection region on a surface of the traveling layer, the second conductive type carrier injection region injecting carriers into the traveling layer;
Prior to the step of epitaxially growing the buffer layer, a second passivation layer is formed on the entire in-plane direction of the substrate, the second passivation layer having a peak in a concentration distribution of atoms that immobilize basal plane dislocations within 1 μm of the substrate from the top surface of the substrate, and immobilizing basal plane dislocations that exist from the inside of the substrate toward the top surface of the substrate by crystal defects;
a first passivation layer and a second passivation layer, the first passivation layer and the second passivation layer being both formed such that a peak position of a concentration distribution of atoms that immobilize the basal plane dislocations is away from an interface between the buffer layer and the substrate.
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