CN103681259A - 用于制造碳化硅半导体器件的方法 - Google Patents
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Abstract
包含Si的气体、包含C的气体和包含Cl的气体被引入反应燃烧炉(步骤S5)。接着，在步骤S5引入的包含原始材料气体、添加剂气体、掺杂气体和运载气体的气体气氛中，通过CVD方法在4H-SiC衬底的表面上生长SiC外延膜(步骤S6：第一步骤)。在此场合中，包含Cl的气体相对于含Si的气体的引入量被逐渐减少(第二步骤)。在生长开始时气体气氛的合成物中，包含Cl的气体中Cl原子的数目大至包含Si的气体中Si原子的数目的三倍。在第二步骤中，气体气氛中包含氯的气体中氯原子的数目相对于包含硅的气体中硅原子的数目以0.5％/分钟至1.0％/分钟的速率减小。因而，可能提供用于制造碳化硅半导体器件的方法，藉由该方法碳化硅半导体膜可以高速率生长。
Description
发明背景
1.技术领域
本发明涉及用于制造碳化硅半导体器件的方法。
2.背景技术
已存在已知的合成物半导体，例如，使用四层六边形碳化硅(4H-SiC)作为半导体材料。当使用4H-SiC作为半导体材料来制造功率半导体器件时，在由4H-SiC制成的半导体衬底(下文中称为“4H-SiC衬底”)上外延生长4H-SiC单晶膜(下文中称为“SiC外延膜”)以便制造SiC单晶衬底。在背景技术中，CVD(化学气体相沉积)方法被已知为外延生长方法。
具体地，在使用CVD方法的外延生长中，流入反应容器(腔)的原始材料气体在运载气体(carrier gas)中热分解，并且硅(Si)原子随后被连续沉积在4H-SiC衬底的晶格上，以便在4H-SiC衬底上生长SiC外延膜。一般而言，甲硅烷(mono-silane：SiH4)气体和二甲基甲烷(C3H8)气体被用作原始材料气体，而氢(H2)气被用作运载气体。另外，氮(N2)气或三甲基铝(TMA)气体被适当地添加作为掺杂气体。
作为用于在4H-SiC衬底上外延生长SiC外延膜的方法，已提供出一种方法，其中在通过热化学沉积方法在碳化硅单晶衬底——其斜角不大于4°——上外延生长碳化硅单晶薄膜的工艺中，在引入包含碳和硅的原始材料气体的同时引入氯化氢气体，同时原始材料气体中包含的碳-硅的原子比(C/Si比)被制成不高于1.5且原始材料气体中的氯化氢气体中氯的原子比(Cl/Si比)被制成高于1.0且低于20.0(例如，参见日本专利No.4719314)。
作为另一种方法，已提出一种方法，其为一种用于使用CVD方法制造碳化硅单晶的方法，其中硅的氢化气体和烃气体连同运载气体被提供到已加热的SiC衬底上以便因热分解反应而生长单晶。在制造方法中以小的倾角从其(0001)平面倾斜的SiC单晶衬底被用作SiC衬底，并且HCl气体与硅的氢化气体、烃气体和运载气体被同时提供到SiC单晶衬底(例如，参见JP-A-2006-321696)。
然而，在背景技术的外延生长方法中，生长速率低至大约几μm/h。为了生长制造高电压器件所需的具有几十或更大μm厚度(膜厚度)的外延膜，在工业生产上产生了这样的大问题：需要花相当多的时间来生长SiC外延膜。例如，为了制造具有10kV或更高的击穿电压的高电压SiC半导体器件，必须在4H-SiC衬底上生长至少大约100μm厚的4H-SiC单晶膜。因此，需要增大工业生产上的外延生长速率。
发明内容
为了解决前述背景技术中固有的问题，本发明的目的在于提供用于制造碳化硅半导体器件的方法，藉由该方法可以高速率生长碳化硅半导体膜。
为了解决前述问题并达成前述目的，本发明人因勤勉研究而发现：当用与原始材料气同时引入的包含氯(Cl)的气体生长SiC外延膜时，SiC外延膜的生长速率可极大地增加(高达背景技术中的10或更多倍)。另外，本发明人已发现，当包含氯的气体的流速随着其中生长SiC外延膜的时间(在下文中称为“膜形成时间”)的过去而逐渐减小时，SiC外延膜随着膜形成时间的过去的生长速率的下降可被抑制。因此，基于所获得的知识实现了本发明。
为了解决前述问题并达成本发明的目的，根据本发明的用于制造碳化硅半导体器件的方法具有以下特征。执行第一步骤：将碳化硅半导体衬底暴露于气体气氛以便在碳化硅半导体衬底上生长碳化硅半导体膜，其中在该气体气氛中的包含氯的气体被添加到包含硅的气体和包含碳的气体。另外，执行第二步骤：在碳化硅半导体膜的生长期间，在所述气体气氛中逐渐减少包含氯的气体相对于包含硅的气体的引入量。
另外，根据本发明，提供了一种以前述配置制造碳化硅半导体器件的方法，其中：在第二步骤中，所述气体气氛中的包含氯的气体中氯原子的数目相对于包含硅的气体中硅原子的数目以0.5％/分钟至1.0％/分钟的速率减小。
另外，根据本发明，提供了一种以前述配置制造碳化硅半导体器件的方法，其中：第二步骤在第一步骤开始时执行。
另外，根据本发明，提供了一种以前述配置制造碳化硅半导体器件的方法，其中：在第一步骤开始时，气体气氛的混合物中的包含氯的气体中氯原子的数目是包含硅的气体中硅原子的数目的三倍。
另外，根据本发明，提供了一种以前述配置制造碳化硅半导体器件的方法，其中：包含氯的气体是氯化氢气或氯气。
另外，根据本发明，提供了一种以前述配置制造碳化硅半导体器件的方法，其中：在第一步骤中，由单晶制成的碳化硅半导体膜通过化学气相沉积来生长。
根据前述配置，以这样的方式形成气体气氛：适当量的包含氯的气体被添加到原始材料气体——该原始材料气体包括包含硅的气体以及包含碳的气体——以使得对碳化硅半导体膜的生长有贡献的原始材料气体的引入量可被增加。另外，根据前述配置，包含氯的气体中的氯原子的数目随着碳化硅半导体膜的膜形成时间的过去而逐渐减小，以使得气体气氛中的增大的未反应氯原子的数目可随着碳化硅半导体膜的膜形成时间的过去而减小。因此，正在生长的碳化硅半导体膜被未反应的氯原子蚀刻的情形可被抑制。因此，碳化硅半导体膜的生长速率的降低可被抑制。
依照根据本发明的用于制造碳化硅半导体器件的方法，获得可以高速率生长碳化硅半导体膜的效果。
附图说明
图1A是示出根据实施例的制造碳化硅半导体器件的方法的概要的流程图；
图1B是示出其中根据实施例制造碳化硅半导体器件的状态的截面图；
图2是示出第一比较示例中SiC外延膜的膜形成与膜厚度之间的关系的特征图；
图3A-3D是示出第一比较示例中SiC外延膜的每个膜形成时间中反应燃烧炉里的气体气氛合成物的特征图；
图4是示出示例中SiC外延膜的膜形成与膜厚度之间的关系的特征图；以及
图5是示出示例中气体气氛里的SiC外延膜的膜形成时间与Cl/Si比之间的关系的特征图。
具体实施方式
将在以下参照附图详细描述根据本发明的用于制造碳化硅半导体器件的优选实施例。类似的元素在以下实施例的描述以及附图中相应地由类似附图标记来指代，并且将省去其重复描述。
(实施例)
作为示例，将在其中使用四层六边形碳化硅(4H-SiC)生产(制造)半导体器件作为半导体材料的情形中描述用于根据实施例制造碳化硅半导体器件的方法。图1A是示出根据实施例的制造碳化硅半导体器件的方法的概要的流程图。图1B是示出其中根据实施例制造碳化硅半导体器件的状态的截面图。首先，制备由4H-SiC制成的衬底(4H-SiC衬底)1，并且通过常规有机清洗方法或常规RCA清洗方法来对其洗涤(步骤S1)。
接着，4H-SiC衬底1被插入反应燃烧炉(腔，未示出)中以便通过化学气体相沉积(CVD)方法生长4H-SiC单晶膜(下文中称为“SiC外延膜(碳化硅半导体膜)”)2(步骤S2)。接着，反应燃烧炉被例如抽空成1×10-3帕或更低的真空度。接着，通过常规净化器净化的氢(H2)气以20L/分钟的流速被引入反应燃烧炉达10分钟，以便用H2气体氛替代反应燃烧炉中的真空气体氛(步骤S3)。
接着，采用H2气体通过化学蚀刻来清除4H-SiC衬底1的表面(步骤S4)。具体地，在步骤S4中如下来清除4H-SiC衬底1的表面。首先，在H2气体保持以20L/分钟被引入的同时，反应燃烧炉的内部例如通过高频感应来加热。随后，在反应燃烧炉中的温度升至例如1,600℃之后，该温度被保持达大约10分钟。以此方式，4H-SiC衬底1的表面被清理。反应燃烧炉中的温度例如由辐射温度计来测量并被控制。
接着，反应燃烧炉中的温度被调节以将4H-SiC衬底1的温度设置在预定温度(下文中称为“膜形成温度”)以便生长SiC外延膜2。接着，在其中步骤S3中引入的H2气体已作为运载气体被引入的状态下，原始材料气体、将添加到原始材料气体中的气体(下文中称为“添加剂气体”)、和掺杂气体被进一步引入反应燃烧炉中(步骤S5)。在图1B中，原始材料气体、添加剂气体、掺杂气体和运载气体的诸个流通过箭头3来共同指示。
接着，在步骤S5中引入的包括原始材料气体、添加剂气体、掺杂气体和运载气体的气体气氛中，通过化学气体相沉积(CVD)方法来在4H-SiC衬底1的表面上生长SiC外延膜2(步骤S6：第一步骤)。在此场合中，包含Cl的气体相对于含Si的气体的引入量被逐渐减少(第二步骤)。第二步骤在第一步骤开始时执行是较佳的。在步骤S6中用于生长SiC外延膜2的原始材料气体、附加气体、和掺杂气体的种类和引入条件如下。
包含硅(Si)的气体和包含碳(C)的气体被用作原始材料气体。包含Si的气体可以是例如用H250％稀释的甲硅烷气体(下文中称为“SiH4/H2”)。包含C的气体可以是例如用H220％稀释的二甲基甲烷气体(下文中称为“C3H8/H2”)。氮(N2)气或三甲基铝(TMA)气体可以被例如用作掺杂气体。添加掺杂气体是任选的。
包含氯(Cl)的气体被用作添加剂气体。即，使用卤化物通过卤化物CVD方法来生长SiC外延膜2。当包含Cl的气体被添加到原始材料气体时，大量原始材料气体可被引入以达成与包含Cl的气体不被添加的情形中更低外延生长相比的高速率的外延生长。包含Cl的气体可以是例如氯化氢(HCl)气体或Cl2气体。
较佳地，在SiC外延膜2的生长(膜形成)开始时，即第一步骤开始时，包含Cl的气体中的Cl原子的数目与包含Si的气体中Si原子的数目的比率(下文中被称为“初始Cl/Si比”)为例如3.0(Cl原子的数目＝3×Si原子的数目)。这是因为反应燃烧炉中气体气氛合成物可被优化成使得SiC外延膜2的生长速率与原始材料气体的流速成最高比例。
在SiC外延膜2的生长期间仅包含Cl的气体的引入量被逐渐减小，以便随着生长SiC外延膜2的时间(膜形成时间)的流逝逐渐减小气体气氛中氯原子的数目。即，包含Cl的气体中Cl的原子的数目与包含Si的气体中的Si原子的数目的比率(Cl/Si比)在SiC外延膜2的生长期间被逐渐减小。具体而言，优选的是，减小进入反应燃烧炉中的包含Cl的气体的引入量，以便自SiC外延膜2开始时(0分钟)起以0.5％/分钟至1.0％/分钟的速率减小Cl/Si比。这是因为SiC外延膜2的生长速率的降低可被抑制。
此后，在前述气体气氛合成物条件下，SiC外延膜2被生长至预定厚度(例如，大约100μm)，以便制造其中SiC外延膜2被层压于4H-SiC衬底1上的SiC单晶衬底10(步骤S7)。在SiC单晶衬底10中形成预定的器件结构(未示出)(步骤S8)。因而，SiC半导体器件完成。
关于第一比较示例中SiC外延膜的膜厚度的增长
接着，将对SiC外延膜的膜形成时间和膜厚度之间的关系进行描述。图2是示出第一比较示例中SiC外延膜的膜形成与膜厚度之间的关系的特征图。当包含Cl的气体被用作添加剂气体(在下文中称为“第一比较示例”)时，验证SiC外延膜的膜形成时间与膜厚度之间的关系。第一比较示例中的膜形成条件如下。首先，反应燃烧炉中的气体气氛被设置为这样的气体气氛：其中作为添加剂气体的HCl气体被添加至作为原始材料气体的SiH4/H2气体和C3H8/H2气体。
随后，调节原始材料气体的引入量以使得气体气氛中C原子的数目与Si原子的数目的比(C/Si比)被保持在1.0。另外，调节添加剂气体的引入量以使得气体气氛中的Cl原子的数目与Si原子的数目的比(Cl/Si比)被保持在3.0。具体地，SiH4/H2气体、C3H8/H2气体和HCl气体的引入量被分别设置在200sccm、166sccm和300sccm。没有使用掺杂气体。
随后，通过常规CVD方法在4H-SiC衬底的表面上生长SiC外延膜。自生长开始(0分钟)起在时间流逝15分钟之后、在时间流逝30分钟之后、以及在时间流逝45分钟之后测量SiC外延膜的膜厚度。反应燃烧炉中SiC外延膜的膜形成温度被设置在1,700℃。从图2中所示的结果证明：膜厚度测量点之间(0分钟与15分钟之间、15分钟与30分钟之间、以及30分钟与45分钟之间)SiC外延膜的膜厚度的增长随着膜形成时间的过去而降低。
关于SiC外延膜的生长期间反应燃烧炉中的气体气氛合成物
一般在外延膜的膜形成时间与膜厚度之间确立比例关系。然而，经证实：当包含Cl的气体被添加到原始材料气体时，在SiC外延膜的膜形成时间与膜厚度之间未确立比例关系。具体地，当包含Cl的气体被添加到原始材料气时，SiC外延膜的增长随着膜形成时间的过去而降低。因此，在第一比较示例中，自SiC外延膜的生长起45分钟的时间内，反应燃烧炉中的气体气氛合成物通过使用四极质谱分析仪(Q-Mass)来分析。
图3A-3D是示出第一比较示例中SiC外延膜的每个膜形成时间中反应燃烧炉里的气体气氛合成物的特征图。图3A-3D示出了在自SiC外延膜的生长开始(0分钟)起分别在时间流逝4分钟之后、在时间流逝14分钟之后、在时间流逝24分钟之后以及在时间流逝34分钟之后反应燃烧炉中的气体气氛合成物。在图3A-3D中所示的SiC外延膜的生长期间反应燃烧炉中的气体气氛合成物中，关注HCl气体中包含的Cl原子。具体地，关注属于自然同位素合成物且其质量为大致35至37的Cl35原子和Cl37原子。
如图3A中所示的，在自SiC外延膜的生长开始起时间流逝4分钟之后，观测不到气体气氛中Cl35原子和Cl37原子两者的峰值。然而，如图3B中所示的，在自SiC外延膜的生长开始起时间流逝14分钟之后，观测到气体气氛中Cl35原子和Cl37原子两者的峰值。随后，如图3C和图3D中所示的，经证实：气体气氛中Cl35原子和Cl37原子两者的峰值随着SiC外延膜的膜形成时间的增长而增加。
图3B-3D中出现的Cl35原子和Cl37原子的峰值指示在自SiC外延膜的生长开始起时间流逝14分钟之后气体气氛中存在未反应的Cl原子。当反应燃烧炉中的SiC外延膜的膜形成温度为大约1,700℃时，正在增长的SiC外延膜通被气体气氛中未反应的Cl原子蚀刻。因此推测：由于气体气氛中未反应的Cl原子随着SiC外延膜的形成时间的过去而增加，因此SiC外延膜的膜厚度的增长随着SiC外延膜的膜形成时间的过去而降低，如图2中所验证的。
关于示例中SiC外延膜2的膜形成时间和膜厚度
接着，验证由根据实施例的用于制造半导体器件的方法所生长的SiC外延膜2的膜形成时间和膜厚度之间的关系。图4是示出示例中SiC外延膜的膜形成与膜厚度之间的关系的特征图。由图4中的虚线指示的第一比较示例类似于图2中所示的测量的结果。首先，根据以上提及的根据实施例的用于制造半导体器件的方法在4H-SiC衬底1的表面上生长SiC外延膜2(在下文中称为“示例”)。
示例中的膜形成条件如下。以与第一比较示例相同的方式，SiH4/H2气体、C3H8/H2气体和HCl气体被用作原始材料气(包含Si的气体和包含C的气体)，并且添加剂气体(包含Cl的气体)被引入反应燃烧炉中。随后，调节原始材料气体的引入量以使得反应燃烧炉中气体气氛中的C/Si比被保持在1.0。另外，调节添加剂气体的引入量以使得反应燃烧炉中气体气氛中的初始Cl/Si比变为3.0。
接着，在添加剂气体(HCl气体)的引入量被逐渐减少的同时，通过CVD方法在4H-SiC衬底1的表面上生长SiC外延膜2。具体地，在SiC外延膜2的生长开始(0分钟)起，气体气氛中的Cl/Si比以0.66％/分钟的速率减小。因此，气体气氛中的Cl/Si比在自外延膜2的生长开始起30分钟内从3.0降低至2.4，并且在在自外延膜2的生长开始起45分钟内从3.0降低至2.1。
随后，自SiC外延膜2生长开始(0分钟)起在时间流逝15分钟之后、在时间流逝30分钟之后、以及在时间流逝45分钟之后测量在以上提及的条件下生长的SiC外延膜2的膜厚度。反应燃烧炉中SiC外延膜2的膜形成温度被设置在1,700℃。如图4中的结果所示的，膜厚度测量点之间(0分钟与15分钟之间、15分钟与30分钟之间、以及30分钟与45分钟之间)SiC外延膜2的膜厚度的增长基本上固定，而与SiC外延膜2的膜形成时间无关。
即，证实当气体气氛中的Cl/Si比在SiC外延膜2的生长期间逐渐减小时，在SiC外延膜2的膜形成时间与膜厚度之间确立实质比例关系。因此证实，当气体气氛中的Cl/Si比在SiC外延膜2的生长期间逐渐减小时，在不降低SiC外延膜2的生长速率的情况下可增大SiC外延膜2的膜厚度。
关于SiC外延膜的生长期间气体气氛中的Cl/Si比
接着，验证气体气氛中Cl/Si比减小的速率与在气体气氛中Cl/Si以该速率减小的情况下获得的SiC外延膜的膜厚度之间的关系。图5是示出示例中气体气氛里的SiC外延膜的膜形成时间与Cl/Si比之间的关系的特征图。在气体气氛中Cl/Si比减小的速率被不同地改变的同时，测量自SiC外延膜的生长起在时间流逝30分钟之后SiC外延膜的膜厚度。
被引入到反应燃烧炉中的原始材料气体和添加剂气体的类型、气体气氛中C/Si比以及膜形成温度类似于示例中的那些。图5示出了以上提及的第一比较示例、以上提及的示例、第二和第三比较示例，其中气体气氛中的Cl/Si比在与以上提及的示例的速率不同的速率下减小。具体地，在第一比较示例中，气体气氛中的初始Cl/Si比被设置为3.0，并且在SiC外延膜的生长期间的Cl/Si比被保持在初始Cl/Si比(Cl/Si＝3.0(固定))。
在此示例中，气体气氛中的初始Cl/Si比被设置为3.0，并且气体气氛中固定Cl/Si比在SiC外延膜2的生长期间以0.66％/分钟的速率减小。即，在此示例中，气体气氛中的Cl/Si比从SiC外延膜2的生长开始时的3.0减小至SiC外延膜2的生长结束时(在时间流逝30分钟之后)的2.4。
在第二比较示例中，气体气氛中的初始Cl/Si比被设置为3.0，并且气体气氛中的Cl/Si比在SiC外延膜2的生长期间以1.33％/分钟的速率减小。即，在第二比较示例中，气体气氛中的Cl/Si比从SiC外延膜的生长开始时的3.0减小至SiC外延膜的生长结束时的1.8。
在第三比较示例中，气体气氛中的初始Cl/Si比被设置为2.5，并且气体气氛中的Cl/Si比在SiC外延膜2的生长期间以1.33％/分钟的速率减小。即，在第三比较示例中，气体气氛中的Cl/Si比从SiC外延膜的生长开始时的2.5减小至SiC外延膜的生长结束时的1.5。
从图5中所示的结果证明，在第二和第三比较示例中，SiC外延膜单晶厚度减小。因此可知，当在SiC外延膜的生长期间气体气氛中Cl/Si比减小的速率增大(1.33％/分钟或更高)时，SiC外延膜的增长速率降低。据推测，这不是因为SiC外延膜被气体气氛中的未反应的Cl原子蚀刻，而是因为Cl供应的限度超过了原始材料气体供应的限度，从而使得难以增长SiC外延膜。
因此，为了防止SiC外延膜2的增长速率的降低，期望气体气氛中Cl/Si比在SiC外延膜2的生长期间减小的速率的上限被设置在达大约1.0％/分钟的范围内，其中Cl供应的限度不能超过原始材料气体供应的限度。这产生了另一问题：反应燃烧炉中的污染随着反应燃烧炉中Cl/Si比的降低而增加。因此，较佳的是，气体气氛中Cl/Si比在SiC外延膜2的生长期间减小的速率的下限被设置在高达约0.5％/分钟的范围内，其中反应燃烧炉中的污染可被抑制。
根据实施例，如以上所描述的，由于其中合适量的包含Cl的气体被添加到原始材料气体的气体气氛，对SiC外延膜的生长有贡献的原始材料气体的引入量可被增大。另外，根据实施例，当包含Cl的气体中的Cl原子的数目随着SiC外延膜的膜形成时间的过去而逐渐减小，可能减小未反应的Cl原子的数目，未反应的Cl原子的数目会随着SiC外延膜的膜形成时间的过去而在气体气氛中增大。因此，可能抑制其中增长的SiC外延膜被未反应的Cl原子蚀刻的情形。以此方式，抑制SiC外延膜的生长速率的降低是可能的。因此，以高速率生长SiC外延膜是可能的。
在以上描述中，本发明不限于以上所提及的实施例，但是可对本发明作出各种改变而不背离本发明的精神。
如以上所描述的，根据本发明的用于制造碳化硅半导体的方法对于使用SiC单晶衬底(其中当晶体管、二极管等通过使用作为半导体材料的SiC来制造时，SiC单晶膜被形成于SiC衬底上)制造的半导体器件而言是有用的。
Claims (6)
1.一种用于制造碳化硅半导体器件的方法，包括：
第一步骤，将碳化硅半导体衬底暴露于气体气氛，以便在所述碳化硅半导体衬底上生长碳化硅半导体膜，在所述气体气氛中包含氯的气体被添加到包含硅的气体和包含碳的气体；以及
第二步骤，在所述碳化硅半导体膜的所述生长期间，在所述气体气氛中逐渐减少所述包含氯的气体相对于所述包含硅的气体的引入量。
2.如权利要求1所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，其特征在于
在所述第二步骤中，所述气体气氛中的所述包含氯的气体中的氯原子的数目相对于所述包含硅的气体中硅原子的数目以0.5％/分钟至1.0％/分钟的速率减小。
3.如权利要求1或2所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，其特征在于
所述第二步骤在所述第一步骤开始时执行。
4.如权利要求3所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，其特征在于
在所述第一步骤开始时，所述气体气氛的混合物中的所述包含氯的气体中的氯原子的数目是所述包含硅的气体中硅原子的数目的三倍。
5.如权利要求1所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，其特征在于
所述包含氯的气体是氯化氢气或氯气。
6.如权利要求1所述的用于制造碳化硅半导体器件的方法，其特征在于
在所述第一步骤中，由单晶制成的所述碳化硅半导体膜通过化学气相沉积来生长。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012067112A1 (ja) * | 2010-11-17 | 2012-05-24 | 新日本製鐵株式会社 | エピタキシャル炭化珪素単結晶基板の製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| J.ANTHONY POWELL: "Surface morphology of silicon carbide epitaxial Flilms", 《JOURNAL OF ELECTRONIC MATERIALS》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108369901A (zh) * | 2015-12-24 | 2018-08-03 | 昭和电工株式会社 | SiC外延晶片的制造方法 |
| CN108369901B (zh) * | 2015-12-24 | 2022-07-29 | 昭和电工株式会社 | SiC外延晶片的制造方法 |
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