[發明專利]碳化硅外延基板及碳化硅半導體裝置

有效

• 申請號: 201680051471.2
• 申請日: 2016-11-30
• 公開（公告）號: CN108292686B
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 中村勇;小西和也
• 申請（專利權）人: 三菱電機株式會社
• 主分類號: H01L29/861
• 分類號: H01L29/861;C30B25/20;C30B29/36;H01L21/20;H01L21/205;H01L21/329;H01L21/336;H01L29/12;H01L29/78;H01L29/868
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 賈成功

本發明涉及碳化硅外延基板及碳化硅半導體裝置。碳化硅外延基板(51)具備：一導電型的碳化硅單晶基板(10)、上述一導電型的第1碳化硅層(21)、上述一導電型的第2碳化硅層(22)、和上述一導電型的第3碳化硅層(23)。碳化硅單晶基板(10)具備第1雜質濃度。第1碳化硅層(21)在碳化硅單晶基板(10)上方設置，具有比第1雜質濃度低的第2雜質濃度。第2碳化硅層(22)在第1碳化硅層(21)上方設置，具有比第1雜質濃度高的第3雜質濃度。第3碳化硅層(23)在第2碳化硅層(22)上方設置，具有比第2雜質濃度低的第4雜質濃度。

技術領域

本發明涉及碳化硅外延基板及碳化硅半導體裝置。

背景技術

碳化硅單晶具有大的絕緣破壞電場強度及高的熱導率等優異的物性。因此，就代替以往作為半導體材料而廣泛地使用的硅而使用碳化硅的半導體裝置、即碳化硅半導體裝置而言,作為高性能的半導體裝置、特別是功率器件，受到期待。在碳化硅中，即使是同一化學式，也存在結晶結構不同的結晶多型(所謂的2H、3C、4H、6H、8H、15R型等)。這些中，4H型的碳化硅適于處理大電壓這樣的功率器件的用途。其中，“H”表示結晶多型為六方晶系(Hexagonal)，“4”表示為由Si(硅)和C(碳)構成的2原子層層疊4次的單元結構。4H型的碳化硅特別是具有作為適合功率器件的基板的材料的優點。具體地，其帶隙大到3.26eV，另外，在與c軸平行的方向和垂直的方向上的電子遷移率的各向異性小。

就碳化硅單晶基板而言,一般采用通過使含有Si及C的原料在坩堝內升華而進行種晶上的結晶生長的手法(升華再結晶法)來制造。為了以高成品率由1個基板得到盡可能多的碳化硅半導體裝置，要求碳化硅單晶基板的整體為具有單一的結晶多型的均一的結晶。為了在滿足這樣的必要條件、并提高生產率，一直努力使基板的尺寸變大。已市售的基板的直徑以往為100mm(4英寸)以下，但現在已增大至150mm(6英寸)。

在碳化硅半導體裝置的制造中，使用具有碳化硅單晶基板和在其上方通過外延生長所設置的碳化硅層的碳化硅外延基板。就外延生長而言，典型地采用使用有含有Si原子及C原子的原料氣體的化學氣相沉積(CVD)法來進行。外延層的至少一部分作為形成半導體元件結構的活性層來使用。通過調整活性層的雜質濃度及厚度，調整半導體裝置的耐電壓及元件電阻。具體地，活性層中的雜質濃度越低，另外，活性層的厚度越大，則得到越具有高的耐電壓的半導體裝置。

就市售的碳化硅單晶基板而言，與硅單晶基板等相比，高密度地具有結晶缺陷。就結晶缺陷而言，由于在外延生長時從單晶基板向外延生長層(即至活性層)傳播，可對碳化硅半導體裝置的動作產生不良影響。作為碳化硅的代表性的結晶缺陷，可列舉出貫穿螺旋位錯、貫穿刃型位錯、基底面位錯、層疊缺陷等。基底面位錯分解為2個部分位錯，在它們之間伴有層疊缺陷。該層疊缺陷在將pin二極管等雙極器件在正向上通電時，捕集注入的載流子的同時使其面積擴大。已知因此引起器件的正向電壓下降的增大(例如，參照非專利文獻1：JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 99，011101(2006))。以下將該現象稱為“通電劣化”。另外，本說明書內的“基底面位錯”的表示包括上述“2個部分位錯”的含義。

已知：在表面具有從(0001)面傾斜幾度的面的碳化硅基板中的基底面位錯的許多在利用CVD法的外延生長時轉換為對器件的影響程度更低的貫穿刃型位錯。由于抑制上述的通電劣化，因此為了使基板中的基底面位錯在外延生長時進行貫穿刃型位錯轉換的比例(轉換率)提高，進行了各種的搭配。