特許 6809208 炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6809208

(24)【登録日】2020年12月14日

(45)【発行日】2021年1月6日

(54)【発明の名称】炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の評価方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20201221BHJP

   H01L 29/861 20060101ALI20201221BHJP

   H01L 29/868 20060101ALI20201221BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/66 L

   H01L29/91 F

   H01L29/91 C

【請求項の数】7

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-248937(P2016-248937)

(22)【出願日】2016年12月22日

(65)【公開番号】特開2018-107166(P2018-107166A)

(43)【公開日】2018年7月5日

【審査請求日】2019年11月14日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ＳＩＰ（戦略的イノベーション創造プログラム）／次世代パワーエレクトロニクス／ＳｉＣに関する拠点型共通基盤技術開発／ＳｉＣ次世代パワーエレクトロニクスの統合的研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104190

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 昭徳

(72)【発明者】

【氏名】宮里 真樹

(72)【発明者】

【氏名】宮島 將昭

(72)【発明者】

【氏名】呂 民雅

(72)【発明者】

【氏名】俵 武志

【審査官】 小池 英敏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−０８５０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８８２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３１８０３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

Ｈ０１Ｌ ２９／８６１

Ｈ０１Ｌ ２９／８６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭化珪素からなる第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられた、炭化珪素からなる第１導電型のエピタキシャル成長層と、
前記エピタキシャル成長層の内部に選択的に設けられた第２導電型半導体領域と、
前記エピタキシャル成長層と前記第２導電型半導体領域との間のｐｎ接合で形成されたダイオード構造部と、
前記エピタキシャル成長層の内部において、前記第２導電型半導体領域と前記半導体基板との間に、前記第２導電型半導体領域と離れて設けられた発光層と、
前記第２導電型半導体領域に接する第１電極と、
前記半導体基板に接する第２電極と、
を備え、
前記エピタキシャル成長層は、前記第２導電型半導体領域側の部分よりも前記発光層側の部分が相対的に高不純物濃度であり、
前記発光層は、エレクトロルミネッセンス現象により、前記半導体基板、前記エピタキシャル成長層および前記第２導電型半導体領域と異なる所定波長の光を放出することを特徴とする炭化珪素半導体装置。

【請求項2】

前記エピタキシャル成長層の内部において前記半導体基板と前記発光層との間に設けられた、前記半導体基板よりも窒素濃度の高い炭化珪素からなる第１導電型半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。

【請求項3】

前記エピタキシャル成長層は、前記第２導電型半導体領域側の部分よりも前記発光層側の部分でキャリアの再結合効率が高いことを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。

【請求項4】

炭化珪素からなる第１導電型の半導体基板の表面に設けられた、炭化珪素からなる第１導電型のエピタキシャル成長層と、前記エピタキシャル成長層の内部に選択的に設けられた第２導電型半導体領域と、の間のｐｎ接合でダイオード構造部が形成された半導体ウエハを用いて製造される炭化珪素半導体装置の評価方法であって、
前記半導体ウエハは、前記エピタキシャル成長層の内部において、前記第２導電型半導体領域と前記半導体基板との間に、前記第２導電型半導体領域と離れて、エレクトロルミネッセンス現象により前記半導体基板、前記エピタキシャル成長層および前記第２導電型半導体領域と異なる所定波長の光を放出する発光層を備え、
前記エピタキシャル成長層は、前記第２導電型半導体領域側の部分よりも前記発光層側の部分が相対的に高不純物濃度であり、
前記ダイオード構造部に順方向バイアスをかけて前記半導体ウエハを観測し、前記半導体ウエハから光が放出された場合に、前記光に前記所定波長の発光スペクトルが含まれるか否かを分析する第１工程と、
前記第１工程の分析結果に基づいて、前記半導体ウエハの良・不良を評価する第２工程と、
を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の評価方法。

【請求項5】

前記半導体ウエハは、前記エピタキシャル成長層の内部において前記半導体基板と前記発光層との間に、前記半導体基板よりも窒素濃度の高い炭化珪素からなる第１導電型半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素半導体装置の評価方法。

【請求項6】

前記エピタキシャル成長層は、前記第２導電型半導体領域側の部分よりも前記発光層側の部分でキャリアの再結合効率が高いことを特徴とする請求項４または５に記載の炭化珪素半導体装置の評価方法。

【請求項7】

前記半導体ウエハは、
前記半導体ウエハの一方の主面に設けられ、前記第２導電型半導体領域に接する第１電極と、
前記半導体ウエハの他方の主面に設けられ、前記半導体基板に接する第２電極と、
前記第１電極または前記第２電極に選択的に設けられ、前記半導体ウエハの一部を露出する開口部と、をさらに備え、
前記第１工程では、前記開口部から前記半導体ウエハを観測することを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる半導体基板（以下、炭化珪素基板とする）上にエピタキシャル成長層を成長させたエピタキシャル基板には、結晶格子の積層構造の規則性が局所的に乱れることで生じる積層欠陥（Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ：ＳＦ）が多く存在することが公知である。積層欠陥の発生要因として、炭化珪素基板の基底面転位（Ｂａｓａｌ Ｐｌａｎｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：ＢＰＤ）の存在や、キャリアの再結合等が挙げられる。図７，８は、積層欠陥の発生機構について説明する説明図である。

【0003】

具体的には、ｎ⁺型炭化珪素基板１０１の基底面からエピタキシャル成長に伴ってｎ型エピタキシャル成長層１０２へと伝搬されｎ型エピタキシャル成長層１０２を貫通するように拡張する基底面転位を起点として積層欠陥（不図示）が発生する。また、ｐ⁺型領域１０３から移動する少数キャリアであるホール（正孔）１１１がｎ⁺型炭化珪素基板１０１とｎ型エピタキシャル成長層１０２との界面１０４などで電子と再結合１１２（図７の×印）する際に生じるエネルギーにより、当該界面１０４等に存在する積層欠陥が核成長（拡張）１１３する。

【0004】

基底面転位を起点として発生する積層欠陥は、ｎ⁺型炭化珪素基板１０１とｎ型エピタキシャル成長層１０２との界面１０４に形成した転位変換層１０５（太線で示す部分）で抑制される。転位変換層１０５は、エピタキシャル成長に伴ってｎ⁺型炭化珪素基板１０１からｎ型エピタキシャル成長層１０２へと伝搬される基底面転位を、積層欠陥を発生させない貫通刃状転位に高効率で変換する機能を有する。転位変換層１０５は、例えば窒素（Ｎ）濃度１×１０¹⁴／ｃｍ³程度の炭化珪素層である。

【0005】

基底面転位を起点として発生する積層欠陥はデバイスの初期不良にかかわるため、炭化珪素エピタキシャル基板（半導体ウエハ）１１０の、積層欠陥が生じた不良箇所を検出する評価試験が行われる。転位変換層１０５を形成した炭化珪素エピタキシャル基板１１０では、光学的な検査装置を用いて転位変換層１０５による基底面転位の抑制効果が確認される。このため、通電試験を行うことなく、ウエハマップデータ等の画像データに基づいて炭化珪素エピタキシャル基板１１０の不良個所を判定可能である。

【0006】

一方、キャリア（電子およびホール１１１）の再結合エネルギーにより核成長する積層欠陥は、ｎ⁺型炭化珪素基板１０１とｎ型エピタキシャル成長層１０２との界面１０４に形成した再結合促進層１０６となるｎ⁺型エピタキシャル成長層で抑制される（図８）。ｐ⁺型領域１０３から移動するホール１１１が再結合促進層１０６内で再結合１１４（再結合促進層１０６内の×印）して消滅し、ｎ⁺型炭化珪素基板１０１とｎ型エピタキシャル成長層１０２との界面１０４に到達しないため、当該界面１０４に存在する積層欠陥の核成長が抑制される。

【0007】

キャリアの再結合エネルギーにより核成長する積層欠陥はデバイスの寿命にかかわるため、電気的なストレスを印加することによる信頼性試験が行われる。再結合促進層１０６を形成した炭化珪素エピタキシャル基板１２０を用いて作製されたデバイスでは、デバイスの寿命を算出するための信頼性試験として通電試験（加速試験）を行い、再結合促進層１０６内でのキャリアの再結合１１４によるキャリア消滅効果が確認される。

【0008】

また、積層欠陥を検出する方法として、フォトルミネッセンス（ＰＬ：ＰｈｏｔｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）法により、炭化珪素層上の発光特性をスキャニングして積層欠陥の位置や大きさを検出する方法が提案されている（例えば、下記特許文献１（第００３０〜００３１段落）参照。）。

【0009】

また、積層欠陥を検出する別の方法として、炭化珪素ウエハにレーザー光を照射し、炭化珪素ウエハから放射された光の強度を観測することで積層欠陥の有無を検出する方法が提案されている（例えば、下記特許文献２（第００１３〜００１４段落）参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１４−０２２５０３号公報

【特許文献2】特開２００４−２８９０２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、図８に示す従来の炭化珪素エピタキシャル基板１２０（半導体ウエハ）に作製したデバイスに通電試験を行うには、炭化珪素エピタキシャル基板１２０をダイシングして個片化し、評価用のモジュールを組み立てる工程が必要となる。このため、コストおよび製造時間がかかるという問題がある。

【0012】

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、コストおよび製造時間を低減させることができる半導体装置の評価方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、次の特徴を有する。炭化珪素からなる第１導電型の半導体基板の表面に、炭化珪素からなる第１導電型のエピタキシャル成長層が設けられている。前記エピタキシャル成長層の内部に、第２導電型半導体領域が選択的に設けられている。前記エピタキシャル成長層と前記第２導電型半導体領域との間のｐｎ接合で、ダイオード構造部が形成されている。前記エピタキシャル成長層の内部において、前記第２導電型半導体領域と前記半導体基板との間に、前記第２導電型半導体領域と離れて、発光層が設けられている。第１電極は、前記第２導電型半導体領域に接する。第２電極は、前記半導体基板に接する。前記エピタキシャル成長層は、前記第２導電型半導体領域側の部分よりも前記発光層側の部分が相対的に高不純物濃度である。前記発光層は、エレクトロルミネッセンス現象により、前記半導体基板、前記エピタキシャル成長層および前記第２導電型半導体領域と異なる所定波長の光を放出する。

【0014】

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、上述した発明において、前記エピタキシャル成長層の内部において前記半導体基板と前記発光層との間に設けられた、前記半導体基板よりも窒素濃度の高い炭化珪素からなる第１導電型半導体層をさらに備えることを特徴とする。

【0015】

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、上述した発明において、前記エピタキシャル成長層は、前記第２導電型半導体領域側の部分よりも前記発光層側の部分でキャリアの再結合効率が高いことを特徴とする。

【0016】

また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の評価方法は、ダイオード構造部が形成された半導体ウエハを用いて製造される炭化珪素半導体装置の評価方法であって、次の特徴を有する。前記ダイオード構造部は、炭化珪素からなる第１導電型の半導体基板の表面に設けられた、炭化珪素からなる第１導電型のエピタキシャル成長層と、前記エピタキシャル成長層の内部に選択的に設けられた第２導電型半導体領域と、の間のｐｎ接合で形成される。前記半導体ウエハは、前記エピタキシャル成長層の内部において、前記第２導電型半導体領域と前記半導体基板との間に、前記第２導電型半導体領域と離れて、エレクトロルミネッセンス現象により前記半導体基板、前記エピタキシャル成長層および前記第２導電型半導体領域と異なる所定波長の光を放出する発光層を備える。前記エピタキシャル成長層は、前記第２導電型半導体領域側よりも前記発光層側が相対的に高不純物濃度である。まず、前記ダイオード構造部に順方向バイアスをかけて前記半導体ウエハを観測し、前記半導体ウエハから光が放出された場合に、前記光に前記所定波長の発光スペクトルが含まれるか否かを分析する第１工程を行う。前記第１工程の分析結果に基づいて、前記半導体ウエハの良・不良を評価する第２工程を行う。

【0017】

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の評価方法は、上述した発明において、前記半導体ウエハは、前記エピタキシャル成長層の内部において前記半導体基板と前記発光層との間に、前記半導体基板よりも窒素濃度の高い炭化珪素からなる第１導電型半導体層をさらに備えることを特徴とする。

【0018】

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の評価方法は、上述した発明において、前記エピタキシャル成長層は、前記第２導電型半導体領域側の部分よりも前記発光層側の部分でキャリアの再結合効率が高いことを特徴とする。

【0019】

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の評価方法は、上述した発明において、前記半導体ウエハが第１，２電極を備える。前記第１電極は、前記半導体ウエハの一方の主面に設けられ、前記第２導電型半導体領域に接する。前記第２電極は、前記半導体ウエハの他方の主面に設けられ、前記半導体基板に接する。前記第１電極または前記第２電極には、前記半導体ウエハの一部を露出する開口部が選択的に設けられている。そして、前記第１工程では、前記開口部から前記半導体ウエハを観測することを特徴とする。

【0020】

上述した発明によれば、スペクトル分析により発光層の所定波長の発光スペクトルを検出することで、アノード領域（第２導電型半導体領域）からカソード側へ移動したホールが再結合促進層（エピタキシャル成長層の、発光層側の相対的に高不純物濃度な部分）を通過して半導体基板に達したことを検出することができる。このため、発光層の所定波長の発光スペクトルの有無を確認することで、デバイスの寿命を確認することができ、デバイスの寿命を確認するための通電試験を行うにあたって、半導体ウエハをダイシングする工程や、評価用のモジュールを組み立てる工程が必要なくなる。

【発明の効果】

【0021】

本発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の評価方法によれば、コストおよび製造時間を低減させることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。

【図2】実施例のスペクトル分析結果を示す特性図である。

【図3】比較例１のスペクトル分析結果を示す特性図である。

【図4】比較例２のスペクトル分析結果を示す特性図である。

【図5】比較例３のスペクトル分析結果を示す特性図である。

【図6】実施例の評価用素子の評価用電極の窓開け部の平面レイアウトを示す平面図である。

【図7】積層欠陥の発生機構について説明する説明図である。

【図8】積層欠陥の発生機構について説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の評価方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0024】

（実施の形態）
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造について、ｐｉｎ（ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ）ダイオードを例に説明する。図１は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。図１では、半導体基板には導電型の表記に続けて「基板」と図示し、発光層７を「ＥＬ発光層」と図示し、発光層７以外の各エピタキシャル成長層には導電型の表記に続けて「エピ」と図示する（図２（ｂ）、３（ｂ）、４（ｂ）、５（ｂ），７，８においても同様）。

【0025】

図１に示す実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、炭化珪素からなるｎ⁺型半導体基板（ｎ⁺型炭化珪素基板）１上にｎ型エピタキシャル成長層１０ａを積層したエピタキシャル基板１０を用いて作製される。ｎ型エピタキシャル成長層１０ａは、ｎ⁺型炭化珪素基板１側から転位変換層（第１導電型半導体層：太線で示す部分）５、発光層７、再結合促進層６およびｎ型炭化珪素層２を順に積層した積層構造を有する。ｎ型炭化珪素層２の内部には、例えばイオン注入によりｐ⁺型領域（第２導電型半導体領域）３が形成されている。ｎ⁺型炭化珪素基板１はカソード領域である。ｎ型炭化珪素層２は、ｎ型ドリフト層である。ｐ⁺型領域３はアノード領域である。

【0026】

転位変換層５は、エピタキシャル成長に伴ってｎ⁺型炭化珪素基板１からｎ型炭化珪素層２へと伝搬される基底面転位を、積層欠陥を発生させない貫通刃状転位に高効率で変換する機能を有する。転位変換層５は、ｎ⁺型炭化珪素基板１よりも窒素（Ｎ）濃度が高い、例えば窒素濃度１×１０¹⁴／ｃｍ³程度のｎ^-型炭化珪素層である。再結合促進層６は、ｐ⁺型領域３から移動する少数キャリアであるホール（正孔）１１と電子との再結合１２を促進して少数キャリアを消滅させる機能を有する。再結合促進層６は、ｎ型炭化珪素層２よりも不純物濃度が高く、かつｎ⁺型炭化珪素基板１よりも不純物濃度の低いｎ⁺型炭化珪素層であり、例えばバッファ層として機能する。

【0027】

発光層７は、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ：ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）現象により所定の波長の光を放出（発光）するｎ⁺⁺型炭化珪素層である。発光層７は、再結合促進層６の機能を確認するためのチェック層としても機能を有し、エピタキシャル基板１０を構成する発光層７以外の層および領域と異なる波長の光を放出するように所定の不純物を導入して形成される。すなわち、発光層７が発光していない場合、ｎ⁺型炭化珪素基板１およびｎ型炭化珪素層２の発光スペクトルが検出される。一方、発光層７が発光している場合、エピタキシャル基板１０の発光スペクトルの波長がシフトして、発光層７の発光スペクトルが観測される。

【0028】

例えば、ｎ⁺型炭化珪素基板１の発光スペクトルの波長は４００ｎｍ程度である。アルミニウム（Ａｌ）ドープのｎ型炭化珪素層２に窒素のイオン注入によりｐ⁺型領域３を形成した場合、ｐ⁺型領域３の発光スペクトルの波長は４８４ｎｍ程度である。発光層７は、例えば、ボロン（Ｂ）および窒素をドープしてエピタキシャル成長させてもよいし、ノンドープのエピタキシャル成長層を形成した後にボロンおよび窒素をイオン注入して形成されてもよい。この場合、発光層７の発光スペクトルの波長は５０５ｎｍ程度である。発光層７の不純物濃度は、ｎ型炭化珪素層２の不純物濃度よりも高く、例えば１×１０¹⁸／ｃｍ³以上１×１０¹⁹／ｃｍ³以下程度である。発光層７は、第２の再結合促進層および第２のバッファ層としての機能を有していてもよい。発光層７をチェック層としてのみ用いる場合、発光層７の厚さは例えば１μｍ程度あればよい。

【0029】

次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の評価方法について説明する。まず、図１に示す積層構造のエピタキシャル基板１０（半導体ウエハ）を用意する。次に、エピタキシャル基板１０内の評価用の半導体素子（ＴＥＧ：Ｔｅｓｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｇｒｏｕｐ、以下、評価用素子とする）のｐ⁺型領域３およびｎ⁺型炭化珪素基板１にそれぞれ接する図示省略する評価用のアノード電極（第１電極）およびカソード電極（第２電極）を形成する。エピタキシャル基板１０内の評価用素子以外の半導体素子は、製品となる半導体素子（以下、製品用素子とする）である。すなわち、製品用素子と評価用素子とは、同じ積層構造のｎ型エピタキシャル成長層１０ａを有する。

【0030】

評価用素子は、例えば製品用素子と同時に作製される。評価用素子の評価用電極（評価用のアノード電極またはカソード電極）は、それぞれ、例えば製品用素子のアノード電極（第１電極）またはカソード電極（第２電極）と同時に形成される。評価用素子の評価用電極（評価用のアノード電極またはカソード電極）には、エピタキシャル基板１０の一部を所定の平面形状で露出する開口部（以下、窓開け部とする）が形成され、窓開け部から発光層７のＥＬ現象（発光現象）が観測可能となっている。そして、評価用のアノード電極およびカソード電極にそれぞれ製品用素子の設計条件に基づく正電圧および負電圧を印加して、ｐ⁺型領域３とｎ型炭化珪素層２との間のｐｎ接合で形成されるダイオード構造部に順方向バイアスをかける。

【0031】

再結合促進層６が機能している場合、ダイオード構造部への順方向バイアス時に、ｐ⁺型領域３からカソード側へ移動した少数キャリアであるホール（正孔）１１は、再結合促進層６内で電子（不図示）と再結合１２（再結合促進層６内の×印）して消滅する。すなわち、ｐ⁺型領域３からカソード側へ移動したホール１１はｎ⁺型炭化珪素基板１とｎ型エピタキシャル成長層１０ａとの界面４に到達しない。したがって、ｎ⁺型炭化珪素基板１の基底面（界面４）に積層欠陥の核１３（ｎ⁺型炭化珪素基板１内の×印）が存在していたとしても、ｎ⁺型炭化珪素基板１の基底面で電子とホール１１との再結合が起こらないため、ｎ⁺型炭化珪素基板１とｎ型炭化珪素層２との界面４からの積層欠陥の核成長（拡張）は起きない。

【0032】

一方、再結合促進層６が機能していない場合、ダイオード構造部への順方向バイアス時に、ｐ⁺型領域３からカソード側へ移動したホール１１は再結合促進層６を通過してｎ⁺型炭化珪素基板１に一定量到達してしまう。このため、ｐ⁺型領域３からカソード側へ移動したホール１１はｎ⁺型炭化珪素基板１とｎ型炭化珪素層２との界面４で電子と再結合（不図示）し、ｎ⁺型炭化珪素基板１の基底面に存在する積層欠陥の核１３が成長してしまう。このとき、発光層７内で電子と再結合１４（発光層７内の×印）して消滅するホール１１が存在する。このため、ホール１１が再結合１４する際に生じるエネルギーにより、発光層７が所定の波長で光を放出する。

【0033】

そこで、評価用電極の窓開け部から放出される光を分光器によりスペクトル分析し、所定波長の発光層７の発光スペクトルの有無を観測する。発光層７の発光スペクトルが確認された場合、再結合促進層６が機能していないため、ｐ⁺型領域３からカソード側へ移動したホール１１が再結合促進層６および発光層７を通過してｎ⁺型炭化珪素基板１に達している虞がある。このため、発光層７の発光スペクトルが確認されたエピタキシャル基板１０を、ｎ⁺型炭化珪素基板１からｎ型エピタキシャル成長層１０ａへの積層欠陥の拡張が生じているまたは生じる虞がある半導体ウエハであると判定する。積層欠陥の拡張は、エピタキシャル基板１０の全体または半分など所定範囲にわたって生じる。このため、エピタキシャル基板１０の複数個所で発光層７の発光スペクトルの有無を観測することで、エピタキシャル基板１０の使用可能範囲を特定し、エピタキシャル基板１０の良・不良を評価することができる。

【0034】

（実施例）
次に、発光層７のＥＬ現象について検証した。図２は、実施例のスペクトル分析結果を示す特性図である。図３〜５は、比較例１〜３のスペクトル分析結果を示す特性図である。図２〜５には、（ａ）にスペクトル分析結果を示し、（ｂ）に試料の断面構造を示す。図６は、実施例の評価用素子の評価用電極の窓開け部の平面レイアウトを示す平面図である。まず、図２（ｂ）に示すように、上述した実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置（図１参照）に相当する断面構造を備えたｐｉｎダイオードを作製した（以下、実施例とする）。

【0035】

具体的には、実施例は、ｎ⁺型炭化珪素基板１上にｎ型エピタキシャル層２０ａとして発光層７、ｎ型炭化珪素層２およびｐ型炭化珪素層８を順にエピタキシャル成長させたエピタキシャル基板２０と、ｐ型炭化珪素層８の内部にイオン注入により形成したｐ⁺型領域３と、を備える。発光層７のＥＬ現象を確認するために、実施例には再結合促進層６が設けられていない。ｎ⁺型炭化珪素基板１の厚さｔ１および不純物濃度は、それぞれ３４５μｍおよび６．４×１０¹⁸／ｃｍ³とした。ｎ⁺型炭化珪素基板１のシート抵抗は０．０２１Ωｃｍ²とした。発光層７は、ボロンおよび窒素ドープのｎ⁺⁺型エピタキシャル層（ｎ⁺⁺型炭化珪素層）である。

【0036】

発光層７の厚さｔ２および不純物濃度は、それぞれ２μｍおよび５×１０¹⁸／ｃｍ³とした。ｎ型炭化珪素層２の厚さｔ３および不純物濃度は、それぞれ１０μｍおよび１．０×１０¹⁶／ｃｍ³とした。ｐ型炭化珪素層８の厚さｔ４および不純物濃度は、それぞれ２μｍおよび１．０×１０¹⁹／ｃｍ³とした。ｐ⁺型領域３の厚さｔ５および不純物濃度は、それぞれ０．５μｍおよび３．０×１０²⁰／ｃｍ³とした。ｐ⁺型領域３およびｎ⁺型炭化珪素基板１にそれぞれ接する評価用のアノード電極９およびカソード電極（不図示）を形成し、評価用のアノード電極９に、エピタキシャル成長層２０ａが露出する窓開け部９ａを形成した（図６）。評価用のアノード電極９の窓開け部９ａは、ストライプ状の平面レイアウトに形成した。

【0037】

比較として、図３（ｂ）に示す比較例１は、実施例のｎ⁺型炭化珪素基板１、発光層７、ｎ型炭化珪素層２およびｐ型炭化珪素層８を備え、かつｐ⁺型領域３を備えない構成のｐｉｎダイオードである。比較例１の評価用のアノード電極９は、ｐ型炭化珪素層８に接する。図４（ｂ）に示す比較例２は、実施例の発光層７に代えて、再結合促進層６を備えた構成のｐｉｎダイオードである。図５（ｂ）に示す比較例３は、比較例１の発光層７に代えて、再結合促進層６を備えた構成のｐｉｎダイオードである。比較例１〜３の評価用アノード電極にも実施例と同様に窓開け部を形成した。そして、これら実施例および比較例１〜３について、それぞれ、アノード電極９に正電圧を印加し、カソード電極に負電圧を印加して順方向バイアスをかけた。

【0038】

図５（ａ）に示すように、比較例３では、３９３ｎｍ程度の波長の第１発光スペクトル４１のみが検出された。この第１発光スペクトル４１は、ｎ⁺型炭化珪素基板１、ｎ型炭化珪素層２および再結合促進層６の発光スペクトルであると推測される。一方、図３（ａ）に示すように、比較例１では、３９５ｎｍ程度の波長の第１発光スペクトル４１と、５０９ｎｍ程度の波長の第２発光スペクトル４２と、が検出された。図３（ａ），５（ａ）の結果から、第２発光スペクトル４２は、発光層７の発光スペクトルであると推測される。図４（ａ）に示すように、比較例２では、３９３ｎｍ程度の波長の第１発光スペクトル４１と、４８０ｎｍ程度の波長の第３発光スペクトル４３と、が検出された。図４（ａ），５（ａ）の結果から、第３発光スペクトル４３は、ｐ⁺型領域３の発光スペクトルであると推測される。

【0039】

一方、図２（ａ）に示すように、実施例においては、アノード−カソード間に流すプローブ電流（図２（ｂ）にプローブ電流の大きさを矢印３１の長さで示す）が小さい状態では、４８４ｎｍ程度の波長の第３発光スペクトル４３が検出された。そして、アノード−カソード間に流すプローブ電流（図２（ｂ）にプローブ電流の大きさを矢印３２の長さで示す）を大きくしていくと、３９３ｎｍ程度の波長の第１発光スペクトル４１と、５０５ｎｍ程度の波長の第２発光スペクトル４２が検出された。したがって、図２（ａ）に示す結果から、実施例において、発光層７の第２発光スペクトル４２の波長が、ｎ⁺型炭化珪素基板１、ｎ型炭化珪素層２および再結合促進層６の第１発光スペクトル４１の波長と、ｐ⁺型領域３の第３発光スペクトル４３の波長と異なることが観測されることが確認された。このように発光層７の第２発光スペクトル４２が観測されるのは、上述したようにｐ⁺型領域３からカソード側へ移動したホール１１が発光層７に到達し、発光層７内で電子と再結合１４するからである（図１参照）。

【0040】

従来の再結合促進層１０６のみを形成した炭化珪素エピタキシャル基板１２０（図８参照）では、ｐ⁺型領域１０３からカソード側へ移動したホール１１１が再結合促進層１０６を通過したとしても検知することができない。このため、ｎ⁺型炭化珪素基板１０１とｎ型エピタキシャル成長層１０２との界面１０４に積層欠陥の核が存在する場合、当該界面１０４でのホール１１１と電子との再結合１１５（ｎ⁺型炭化珪素基板１０１内の×印）により、積層欠陥が核成長１１６してしまう。それに対して、本発明においては、発光層７の第２発光スペクトル４２が観測されることで、ｐ⁺型領域３からカソード側へ移動したホール１１がｎ⁺型炭化珪素基板１とｎ型炭化珪素層２との界面４に達して積層欠陥の核１３が成長する虞があることを検知することができる（図１参照）。

【0041】

以上、説明したように、実施の形態によれば、ｎ⁺型炭化珪素基板（転位変換層）と再結合促進層との間に、これらの層と異なる波長の発光スペクトルとなる発光層を配置する。これにより、スペクトル分析により発光層の所定波長の発光スペクトルを検出することで、ｐ⁺型アノード領域からカソード側へ移動したホールが再結合促進層を通過してｎ⁺型炭化珪素基板に達したことを検出することができる。このため、半導体ウエハに製品用素子と同じダイオード構造部を有する評価用素子を作製し、この評価用素子のスペクトル分析を行って発光層の所定波長の発光スペクトルの有無を確認することで、製品用素子のデバイスの寿命を確認することができる。

【0042】

また、実施の形態によれば、デバイスの寿命を確認するための信頼性試験（通電試験）において、従来のように半導体ウエハをダイシングする工程や、評価用のモジュールを組み立てる工程を行う必要がない。このため、コストおよび製造時間を低減させることができる。また、実施の形態によれば、半導体ウエハの発光層の所定波長の発光スペクトルの有無を確認することで、再結合促進層が機能していない半導体ウエハと、再結合促進層が機能している半導体ウエハとを判別することができる。これにより、再結合促進層が機能している半導体ウエハを用いて製品用素子を作製することができるため、製品用素子のダイオード構造部の順方向特性を改善することができる。

【0043】

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、発光層の発光スペクトルの波長が他の層および領域の発光スペクトルの波長と異なっていればよく、発光層にドープまたはイオン注入する不純物はボロンおよび窒素に限らず種々変更可能である。また、本発明は、導電型を反転させても同様に成り立つ。また、上述した実施の形態では、ｐｉｎダイオードを例に説明しているが、エピタキシャル基板の積層構造でダイオード構造部が形成されていればよく、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）など寄生の内蔵ダイオードが形成される半導体素子にも適用可能である。上述した実施の形態では、評価用素子と製品用素子とを同時に作製する場合を例に説明しているが、上述した実施の形態にかかる半導体装置の評価方法を行うタイミングは、種々変更可能であり、製品用素子を作製する前または後であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0044】

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の評価方法は、ダイオード構造部を備えるさまざまな半導体装置に有用である。

【符号の説明】

【0045】

１ ｎ⁺型炭化珪素基板
２ ｎ型炭化珪素層
３ ｐ⁺型領域
４ ｎ⁺型炭化珪素基板とｎ型エピタキシャル成長層との界面
５ 転位変換層
６ 再結合促進層
７ 発光層
８ ｐ型炭化珪素層
９ 評価用のアノード電極
９ａ 評価用のアノード電極の窓開け部
１０，２０ エピタキシャル基板
１０ａ ｎ型エピタキシャル成長層
１１ ホール
１２，１４ 再結合
１３ 積層欠陥の核
３１，３２ プローブ電流の大きさ
４１ 第１発光スペクトル
４２ 第２発光スペクトル
４３ 第３発光スペクトル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】