DE102019129273A1 - Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers dar, bei dem Stapelfehler weniger wahrscheinlich sind, wenn ein Strom in Vorwärtsrichtung geleitet wird. Das Verfahren zur Herstellung des SiC-Epitaxiewafers beinhaltet einen Messschritt zum Messen einer Basalebenenversetzungsdichte, ein Schichtstrukturbestimmungsverfahren zum Bestimmen der Schichtstruktur der Epitaxialschicht und einen Epitaxialwachstumsschritt zum Anwachsen der Epitaxialschichten. Im Schichtstrukturbestimmungsschritt, wenn (i) die Basalebenenversetzungsdichte niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, beinhaltet die Epitaxialschicht eine Umwandlungsschicht und eine Driftschicht von der SiC-Substratseite; und wenn (ii) die Dichte gleich oder höher als der vorbestimmte Wert ist, beinhaltet die Epitaxialschicht eine Umwandlungsschicht, eine Rekombinationsschicht und eine Driftschicht von der SiC-Substratseite.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Siliziumkarbid (SiC) weist ein um eine Größenordnung größeres dielektrisches Durchbruchfeld, eine dreimal größere Bandlücke und eine etwa dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium (Si). Daher wird erwartet, dass Siliziumkarbid (SiC) auf elektrische Bauelemente, Hochfrequenz-Bauelemente, Hochtemperatur-Betriebsvorrichtungen und dergleichen aufgebracht wird.
  • Um die praktische Anwendung von SiC-Bauelementen zu fördern, sind hochwertige und kostengünstige SiC-Epitaxiewafer und die Etablierung der Epitaxiewachstumstechnologie erforderlich.
  • Die SiC-Vorrichtung wird auf einem SiC-Epitaxiewafer mit einem SiC-Substrat und einer auf dem Substrat angewachsenen Epitaxialschicht gebildet. Das SiC-Substrat wird durch Herstellen eines massiven Einkristalls aus SiC erhalten, der durch ein Sublimationsrekristallisationsverfahren oder dergleichen gezüchtet wurde. Die Epitaxialschicht wird nach einem chemischen Dampfabscheideverfahren (Chemical Vapor Deposition: CVD) oder dergleichen hergestellt und dient als Durchbruchspannungserhaltungsbereich der Vorrichtung.
  • Insbesondere wird die Epitaxialschicht auf dem SiC-Substrat unter Verwendung einer Oberfläche mit einem Ausfallswinkel in Richtung <11-20> in Bezug auf eine (0001) Ebene als Wachstumsoberfläche gebildet. Die Epitaxialschicht wird durch Stufenflusswachstum auf dem SiC-Substrat (laterales Wachstum aus dem Atomschritt) zu 4H-SiC angewachsen.
  • In einem SiC-Epitaxiewafer wird eine Basalebenenversetzung (BPD) als einer der Gerätekillerfehler bezeichnet, die tödliche Defekte in SiC-Bauelementen verursachen. Wenn beispielsweise ein Strom durch eine bipolare Vorrichtung in Vorwärtsrichtung fließt, bewegt sich eine Rekombinationsenergie der fließenden Träger und dehnt die Teilversetzungen der vom SiC-Substrat auf die Epitaxialschicht übertragenen Basalebenenversetzungen aus, wodurch ein hochohmiger Stapelfehler entsteht. Und wenn in einem Gerät ein hochohmiges Teil entsteht, wird die Zuverlässigkeit des Geräts reduziert (bipolare Degradation). Daher wurden bisher Versuche unternommen, die von der Epitaxialschicht übernommenen Basalebenenversetzungen zu reduzieren.
  • Viele der Basalebenenversetzungen im SiC-Substrat können in Threading Edge Dislocations (TED) umgewandelt werden, bei denen beim Bilden einer Epitaxialschicht keine Defektdehnung auftritt (Patentdokument 1).
    In den letzten Jahren hat sich jedoch gezeigt, dass bei Anwendung eines großen Stroms in Vorwärtsrichtung die Basalebenenversetzungen, die an der Schnittstelle zwischen SiC-Substrat und Epitaxialschicht in Durchstoßkantenversetzungen umgewandelt werden, auch auf Stapelfehler (SF) in der Epitaxialschicht erweitert werden. Daher werden Hochstrom-Leistungsgeräte, die sich in Zukunft voraussichtlich verbreiten werden, nicht in der Lage sein, die Bildung von Stapelstörungen ausreichend zu unterdrücken, indem sie einfach Basalebenenversetzungen in Durchstoßkantenversetzungen umwandeln, und die Sorge um die Degradation der Zuverlässigkeit der Geräte bleibt immer bestehen.
  • Patentdokument 2 offenbart, dass die Effizienz der Umwandlung einer Basalebenenversetzung in eine Durchstoßkantenversetzung an der Schnittstelle zwischen dem SiC-Substrat und der Epitaxialschicht durch die Bildung einer Epitaxialschicht mit einer höheren Verunreinigungskonzentration in einem SiC-Epitaxialwafer zusätzlich zur Bildung einer normalen Epitaxialschicht erhöht wird. Durch die Erhöhung des Umwandlungswirkungsgrades der Basalebenenversetzung kann die Dehnung und Ausdehnung der Basalebenenversetzung unterdrückt werden.
    Die Dehnung und Ausdehnung der Basalebenenversetzung ist die Ursache für die bipolare Degradation des Gerätes. Daher wurde die Bildung einer Epitaxialschicht mit einer hohen Verunreinigungskonzentration als effektive Lösung zur Unterdrückung der bipolaren Degradation von SiC-Bauelementen mit SiC-Epitaxiewafern angesehen.
    • [Patentdokument 1] Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Erste Veröffentlichung Nr. 2009-88223 A
    • [Patentdokument 2] WO 2017/094764
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Das Hinzufügen eines Schrittes zum Bilden einer Epitaxialschicht (Rekombinationsschicht) mit einer höheren Verunreinigungskonzentration als das SiC-Substrat erhöht jedoch die Kosten des ursprünglich teuren SiC-Epitaxialwafers weiter, und als Folge steigen die Herstellungskosten für die Herstellung von SiC-Bauelementen. Da es jedoch schwierig ist, die bipolare Degradation im ersten Schritt der Merkmalsbewertung von SiC-Geräten zu erkennen, besteht die Gefahr, dass SiC-Geräte, bei denen eine bipolare Degradation wahrscheinlich ist, das Werk verlassen. Daher besteht ein großer Bedarf an SiC-Epitaxiewafern, bei denen eine bipolare Degradation unwahrscheinlich ist.
  • Dementsprechend ist es Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers bereitzustellen, bei dem die bipolare Degradation unwahrscheinlich ist, wenn ein Strom in Vorwärtsrichtung geleitet wird, und der kostengünstig ist.
  • Als Ergebnis intensiver Studien haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, dass es bei der Bildung einer Epitaxialschicht auf einem SiC-Substrat einen Fall, in dem es besser ist, eine Rekombinationsschicht bereitzustellen, und einen Fall gibt, in dem es besser ist, sie nicht bereitzustellen. Es wurde auch festgestellt, dass basierend auf einer Basalebenenversetzungsdichte des SiC-Substrats bestimmt werden kann, ob eine Rekombinationsschicht gebildet werden soll oder nicht.
    Die vorliegende Erfindung bietet die folgenden Möglichkeiten, um die oben genannten Probleme zu lösen.
    1. (1) Ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers, umfassend:
      • einen Messschritt zum Messen einer Basalebenenversetzungsdichte einer ersten Oberfläche eines SiC-Substrats;
      • einen Schichtstrukturbestimmungsschritt zum Bestimmen einer Schichtstruktur einer auf der ersten Oberfläche des SiC-Substrats gewachsenen Epitaxialschicht auf der Grundlage eines Messergebnisses des Messschritts;
      • einen Epitaxialwachstumsschritt zum Stapeln der Epitaxialschicht auf der ersten Oberfläche des SiC-Substrats auf der Grundlage des Ergebnisses des Schichtstrukturbestimmungsschritts,
      • wobei in dem Schichtstrukturbestimmungsschritt,
        1. (i) wenn die Basalebenenversetzungsdichte niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, die Epitaxialschicht, von der SiC-Substratseite aus,
          • eine Umwandlungsschicht und
          • eine Driftschicht umfasst und,
        2. (ii) wenn die Basalebenenversetzungsdichte gleich oder höher als der vorbestimmte Wert ist, die Epitaxialschicht, von der SiC-Substratseite aus,
          • eine Umwandlungsschicht,
          • eine Rekombinationsschicht und
          • eine Driftschicht umfasst, und
      • wobei die Umwandlungsschicht eine niedrigere Verunreinigungskonzentration als das SiC-Substrat aufweist, und
      • die Rekombinationsschicht eine Verunreinigungskonzentration aufweist, die gleich oder höher ist als die der Umwandlungsschicht.
    2. (2) Bei dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers gemäß dem obigen Aspekt kann der vorbestimmte Wert auf 500/cm2 eingestellt werden.
    3. (3) Das SiC-Epitaxiewaferherstellungsverfahren gemäß dem obigen Aspekt beinhaltet ferner einen Repräsentativsubstratbestimmungsschritt zum Bestimmen eines repräsentativen Substrats vor dem Messschritt, wobei der Schritt zur Bestimmung des repräsentativen Substrats ein Schritt zum Bestimmen mindestens eines SiC-Substrats als repräsentatives Substrat aus einer Vielzahl von SiC-Substraten ist, die aus demselben SiC-Block ausgeschnitten sind, der Messschritt einen ersten Schritt und einen zweiten Schritt aufweist, der erste Schritt ein Schritt zum Messen der Basalebenenversetzungsdichte der ersten Oberfläche des repräsentativen Substrats ist und der zweite Schritt ein Schritt zum Bestimmen ist, dass eine Basalebenenversetzungsdichte der Vielzahl von SiC-Substraten gleich der Basalebenenversetzungsdichte des repräsentativen Substrats ist.
    4. (4) Bei dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers gemäß dem obigen Aspekt ist, wenn eine Wachstumsendposition des SiC-Blocks auf 0 und eine Wachstumsstartposition des SiC-Blocks auf 1 eingestellt ist, der Repräsentativsubstratbestimmungsschritt ein Schritt zum Bestimmen mindestens eines repräsentativen Substrats aus den aus einer Position innerhalb eines Bereichs von 0,35 bis 0,45 ausgeschnittenen SiC-Substraten.
  • Nach dem SiC-Epitaxiewaferherstellungsverfahren gemäß dem obigen Aspekt ist es möglich, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers bereitzustellen, bei dem eine bipolare Degradation unwahrscheinlich ist, wenn ein Strom in Vorwärtsrichtung geleitet wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines SiC-Epitaxiewafers, der durch ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
    • 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils eines SiC-Epitaxiewafers, der nach dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
    • 3 ist eine Grafik, die ein Beispiel für die Verteilung der BPD-Dichte im SiC-Block zeigt.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht eines SiC-Epitaxiewafers, der nach dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
    • 5 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines SiC-Epitaxiewafers, der nach dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
    • 6 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der BPD-Dichte und dem Grad der bipolaren Degradation im SiC-Epitaxiewafer darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden wird die vorliegende Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
    In den in der folgenden Beschreibung verwendeten Zeichnungen gibt es zur besseren Verständlichkeit der Eigenschaften der vorliegenden Erfindung Fälle, in denen die charakteristischen Teile aus Gründen der Übersichtlichkeit vergrößert werden und sich die Maßverhältnisse der jeweiligen Komponenten von den tatsächlichen unterscheiden. Die in der folgenden Beschreibung veranschaulichten Materialien, Abmessungen und dergleichen sind Beispiele, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf sie beschränkt und kann entsprechend modifiziert und implementiert werden, ohne den Kern zu verändern.
  • (Verfahren zur Herstellung von SiC Epitaxiewafern)
  • Das Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet einen Messschritt zum Messen einer Basalebenenversetzungsdichte einer ersten Oberfläche eines SiC-Substrats; einen Schichtstrukturbestimmungsschritt zum Bestimmen einer Schichtstruktur einer auf der ersten Oberfläche des SiC-Substrats angewachsenen Epitaxialschicht basierend auf einem Messergebnis des Messschritts; und einen Epitaxialwachstumsschritt zum Anwachsen der Epitaxialschicht auf der ersten Oberfläche des SiC-Substrats basierend auf dem Ergebnis des Schichtstrukturbestimmungsschritts.
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines SiC-Epitaxiewafers, der nach dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt wird. Der SiC-Epitaxiewafer 1 weist ein SiC-Substrat 10 und eine Epitaxialschicht 20 auf. Das SiC-Substrat 10 kann durch Schneiden eines SiC-Einkristalls erhalten werden, der durch ein Sublimationsverfahren oder dergleichen hergestellt wurde. Die Epitaxialschicht 20 ist eine Schicht, die auf dem SiC-Substrat 10 durch chemische Dampfabscheidung oder dergleichen gebildet wird. In der vorliegenden Spezifikation bedeutet der SiC-Epitaxiewafer 1 einen Wafer, nachdem die Epitaxialschicht 20 gebildet wurde, und das SiC-Substrat 10 bedeutet einen Wafer, bevor die Epitaxialschicht 20 gebildet wird.
  • (Messschritt)
  • Im Messschritt wird die Basalebenenversetzungsdichte der ersten Oberfläche 10a des SiC-Substrats 10 gemessen. Die Basalebenenversetzungsdichte bezieht sich auf die Dichte der im SiC-Substrat 10 vorhandenen Basalebenenversetzungen.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht des Hauptteils des SiC-Epitaxiewafers 1. In 2 zeigt (a) den SiC-Epitaxiewafer 1, bevor ein Strom in Vorwärtsrichtung fließt, und (b) den SiC-Epitaxiewafer 1, nachdem ein Strom in Vorwärtsrichtung fließt.
  • Die Basalebenenversetzung (BPD) 11 existiert im SiC-Substrat 10. Die Basalebenenversetzung 11 ist eine Versetzung, die in der (0001) Ebene existiert, die die Basalebene des SiC-Einkristalls ist. Die Basalebenenversetzungen 11 beinhalten diejenigen, die in Durchstoßkantenversetzungen 12 umgewandelt werden und diejenigen, die als Basalebenenversetzungen 11 in der Epitaxialschicht 20 verbleiben. Die Durchstoßkantenversetzung 12 bezieht sich auf eine Versetzung, die in einer Richtung senkrecht zur Basalebene auftritt. Einige der Basalebenenversetzungen 11 oder die von den Basalebenenversetzungen 11 an der Schnittstelle zwischen Substrat und Epitaxialschicht umgewandelten Durchstoßkantenversetzungen 12 bilden Stapelfehler 13, wenn ein Strom in Vorwärtsrichtung fließt. Da die Stapelfehler 13 zu einer Widerstandskomponente werden, steigt der Durchlasswiderstand durch die Bildung der Stapelfehler 13. Der Stapelfehler 13 verursacht eine bipolare Degradation (VF-Degradation).
  • Im Messschritt wird zunächst das SiC-Substrat 10 vorbereitet. Das Verfahren zur Herstellung des SiC-Substrats 10 ist nicht besonders eingeschränkt. So kann beispielsweise das SiC-Substrat 10 durch Schneiden eines SiC-Blocks erhalten werden, der durch ein Sublimationsverfahren oder dergleichen erhalten wurde.
    Das SiC-Substrat 10 kann mit Stickstoff dotiert werden. Die Verunreinigungskonzentration des SiC-Substrats 10 beträgt beispielsweise 1 × 1018 cm-3 oder mehr und 2 × 1019 cm-3 oder weniger.
  • Anschließend werden die Kristalldefekte des vorbereiteten SiC-Substrats gemessen. Unter den gemessenen Kristalldefekten wird die Basalebenenversetzungsdichte (BPD-Dichte) gemessen. Das Messverfahren ist nicht besonders eingeschränkt, kann aber mit Hilfe der Röntgen-Topographiemessung oder dergleichen durchgeführt werden.
    Bei der Röntgen-Topographiemessung wird beispielsweise Synchrotronstrahlung in die Ebenenorientierung (11-28) des SiC-Substrats abgegeben. Es wird die Röntgenbeugungsstrahlung beobachtet, die vom SiC-Wafer reflektiert wird, an den die Synchrotronstrahlung abgegeben wird. Aus der beobachteten Röntgenbeugungsstrahlung wird ein Topographiebild aufgenommen. Als Aufzeichnungsmedium kann ein hochauflösender Röntgenfilm, eine Kernplatte oder dergleichen verwendet werden. Durch die Verwendung der oben genannten Substanz als Aufzeichnungsmedium können Basalebenenversetzungen, Durchstoßkantenversetzungen, verschiedene Durchstoßversetzungen und Stapelfehler aus dem beobachteten Bild der Röntgenbeugungsstrahlung klassifiziert werden. Und durch die Durchführung der reflektierenden Röntgen-Topographie wird die BPD-Dichte durch Berechnen der Anzahl der gemessenen Basalebenenversetzungen und der Größe des definierten Bereichs erhalten.
  • Da die Reflexionsröntgen-Topographie keine zerstörerische Untersuchungsmethode wie das Ätzen verwendet, kann die Position von Kristalldefekten zerstörungsfrei ermittelt werden.
  • [Messschritt mit dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt]
  • Vor dem Messschritt zum Messen der Basalebenenversetzungsdichte der ersten Oberfläche des SiC-Substrats kann das Verfahren zum Herstellen eines epitaktischen SiC-Wafers weiterhin einen Repräsentativsubstratbestimmungsschritt beinhalten, der später beschrieben wird. Wenn der Repräsentativsubstratbestimmungsschritt vor dem Messschritt durchgeführt wird, kann der Messschritt ein Messschritt mit einem ersten Schritt und einem zweiten Schritt sein.
  • <Erster Schritt>
  • Der erste Schritt ist ein Schritt zum Messen der BPD-Dichte der ersten Oberfläche des repräsentativen Substrats, das in dem später beschriebenen Schritt zum Bestimmen des repräsentativen Substrats bestimmt wurde. Die Messung der BPD-Dichte des repräsentativen Substrats kann nach dem gleichen Verfahren wie die Messung der BPD-Dichte ohne den Schritt der repräsentativen Substratbestimmung durchgeführt werden.
  • <Zweiter Schritt>
  • Der zweite Schritt ist ein Schritt zum Bestimmen, dass die BPD-Dichte der Vielzahl von SiC-Substraten, die aus demselben SiC-Block ausgeschnitten wurden, gleich der BPD-Dichte des repräsentativen Substrats ist.
  • Wenn eine Vielzahl von Substraten als repräsentative Substrate bestimmt werden, können die BPD-Dichten der Vielzahl von SiC-Substraten, die aus dem gleichen SiC-Block ausgeschnitten werden, gegebenenfalls bestimmt werden, basierend sowohl auf der in 3 dargestellten Verteilung der BPD-Dichte als auch auf den gemessenen BPD-Dichten der Vielzahl von repräsentativen Substraten. Die BPD-Dichte kann als die gleiche wie die BPD-Dichte des repräsentativen SiC-Substrats in der Nähe der relativen Position angesehen werden, oder als die gleiche oder niedrigere als die des repräsentativen Substrats mit der höchsten BPD-Dichte.
  • Wenn beispielsweise die BPD-Dichte des repräsentativen Substrats mit einer relativen Position in einem Bereich von 0,35 bis 0,45 niedriger als 500 ist, kann die BPD-Dichte des aus demselben SiC-Block ausgeschnittenen SiC-Substrats als gleich oder niedriger als die des repräsentativen Substrats angesehen werden.
    Darüber hinaus werden SiC-Substrate mit einer relativen Position in einem Bereich von 0,3, 0,4 und 0,5 als repräsentative Substrate A, B und C bezeichnet. Der Fall, dass die BPD-Dichte der repräsentativen Substrate A, B und C 450, 600 und 450 beträgt, wird als Beispiel genommen. In diesem Fall wird die BPD-Dichte des SiC-Substrats mit einer relativen Position in einem Bereich von 0 bis 0,3 als gleichwertig mit der BPD-Dichte des repräsentativen Substrats A angesehen, und die BPD-Dichte des SiC-Substrats mit einer relativen Position in einem Bereich von 0,5 bis 1 wird als gleichwertig mit der BPD-Dichte des repräsentativen Substrats C angesehen. Die BPD-Dichte des SiC-Substrats mit einer relativen Position in einem Bereich von 0,3 bis 0,5 kann als die gleiche wie die BPD-Dichte des repräsentativen Substrats A angesehen werden; oder als die gleiche wie die BPD-Dichte des repräsentativen Substrats B. Alternativ kann ein SiC-Substrat mit einer relativen Position in einem Bereich von 0 bis 0,35 als gleichwertig mit der BPD-Dichte des repräsentativen Substrats A angesehen werden, und ein SiC-Substrat mit einer relativen Position in einem Bereich von 0,35 bis 0,45 als gleichwertig mit der BPD-Dichte des repräsentativen Substrats B. Ein SiC-Substrat mit einer relativen Position in einem Bereich von 0,45 bis 1,0 kann als gleichwertig mit der BPD-Dichte des repräsentativen Substrats C angesehen werden.
  • Durch die Durchführung eines repräsentativen Substratbestimmungsschritts, der später beschrieben wird, und eines Messschritts mit dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt kann die Anzahl der zu messenden SiC-Substrate unterdrückt und die Anzahl der am Messschritt beteiligten Schritte reduziert werden. Dies führt zu reduzierten Herstellungskosten.
  • (Repräsentativsubstratbestimmungsschritt)
  • Das Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers kann ferner einen Schritt zur Bestimmung eines repräsentativen Substrats vor dem Messschritt beinhalten. Der Schritt zur Bestimmung des repräsentativen Substrats ist ein Schritt zum Bestimmen mindestens eines repräsentativen Substrats, das aus einer Vielzahl von SiC-Substraten zu messen ist, die aus demselben SiC-Block ausgeschnitten sind.
  • In Bezug auf verschiedene Versetzungsdichten wie Basalebenenversetzungsdichten und Durchstoßantenversetzungsdichten des SiC-Substrats ist es möglich, durch Messen mindestens eines der aus dem SiC-Block ausgeschnittenen SiC-Substrate zu bestimmen, ob die Versetzungsdichte eines aus dem gleichen SiC-Block ausgeschnittenen SiC-Substrats unter einem vorgegebenen Wert liegt. Im Allgemeinen gibt es eine Verteilung der Versetzungsdichte im SiC-Block, und es ist bekannt, dass die Verteilung die gleiche Tendenz hat, auch wenn die Versetzungsdichte in jedem SiC-Block unterschiedlich ist. 3 zeigt die Verteilung der BPD-Dichte in zwei SiC-Blöcken. Die horizontale Achse stellt die relative Position des ausgeschnittenen SiC-Substrats in Bezug auf den SiC-Block dar, wobei die Spitzenposition des SiC-Blocks auf 0 und die Wurzelposition auf 1 eingestellt ist. Das heißt, die horizontale Achse repräsentiert die relative Position des ausgeschnittenen SiC-Substrats in Bezug auf den SiC-Block, in dem die Wachstumsendlage des SiC-Blocks auf 0 und die Wachstumsstartposition auf 1 eingestellt ist.
  • Aus dem Ergebnis von 3, z.B. durch Messen der BPD-Dichte des aus den Positionen von 0,35 bis 0,45 des SiC-Blocks ausgeschnittenen SiC-Substrats, kann der erhaltene Wert als Maximalwert der BPD-Dichten der aus dem gleichen SiC-Block hergestellten SiC-Substrate verwendet werden. Im Schritt zur Bestimmung des repräsentativen Substrats kann ein beliebiges aus dem SiC-Block ausgeschnittenes SiC-Substrat als repräsentatives Substrat bestimmt werden. Vorzugsweise kann ein SiC-Substrat verwendet werden, das aus einer Position ausgeschnitten ist, in der die relative Position in einem Bereich von 0,35 bis 0,45 liegt. Im Schritt zur Bestimmung des repräsentativen Substrats kann eine Vielzahl von SiC-Substraten, die aus dem gleichen SiC-Block ausgeschnitten wurden, als repräsentatives Substrat verwendet werden. Wenn eine Vielzahl von SiC-Substraten als repräsentative Substrate verwendet wird, ist es vorzuziehen, dass eines der Vielzahl von SiC-Substraten aus einem Bereich von Relativpositionen innerhalb eines Bereichs von 0,35 bis 0,45 ausgeschnitten wird, und insbesondere, dass eine Vielzahl von SiC-Substraten aus dem Bereich innerhalb eines Bereichs von 0,35 bis 0,45 ausgeschnitten wird.
  • (Schritt zur Bestimmung der Schichtstruktur)
  • Im Schritt zur Bestimmung des Schichtaufbaus wird die Schichtstruktur der auf der ersten Oberfläche 10a des SiC-Substrats 10 anzuwachsenden Epitaxialschicht 20 bestimmt. 4 und 5 sind Schnittansichten des SiC-Epitaxiewafers, der nach dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt wird.
  • Ein in 4 dargestellter SiC-Epitaxiewafer 1A beinhaltet ein SiC-Substrat 10 und eine Epitaxialschicht 20A. Die Epitaxialschicht 20A beinhaltet eine Umwandlungsschicht 21 und eine Driftschicht 23.
    Die Umwandlungsschicht 21 und die Driftschicht 23 sind mit Verunreinigungen dotiert. Die Umwandlungsschicht 21 weist eine geringere Verunreinigungskonzentration als das SiC-Substrat 10 auf. Die Driftschicht 23 ist eine Schicht, in der ein Driftstrom fließt und eine Schicht, die als Vorrichtung fungiert. Ein Driftstrom ist ein Strom, der durch den Fluss von Trägern erzeugt wird, wenn eine Spannung an einen Halbleiter angelegt wird. Die Verunreinigungskonzentration der Driftschicht 23 beträgt beispielsweise 1 × 1014 cm-3 oder mehr.
  • Ein in 5 dargestellter SiC-Epitaxiewafer 1B beinhaltet ein SiC-Substrat 10 und eine Epitaxialschicht 20B. Die Epitaxialschicht 20B beinhaltet eine Umwandlungsschicht 21, eine Rekombinationsschicht 22 und eine Driftschicht 23. Die Umwandlungsschicht 21, die Rekombinationsschicht 22 und die Driftschicht 23 sind mit Verunreinigungen dotiert. Die Rekombinationsschicht 22 ist eine Schicht mit einer Verunreinigungskonzentration, die gleich oder höher ist als die der Umwandlungsschicht 21.
  • Im Schritt zur Bestimmung der Schichtstruktur wird die Schichtstruktur der auf dem SiC-Substrat 10 angewachsenen Epitaxialschichten 20A oder 20B bestimmt. Das heißt, es wird bestimmt, ob die Epitaxialschicht die Epitaxialschicht 20A oder die Epitaxialschicht 20B ist.
  • 6 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der BPD-Dichte und dem Grad der VF-Degradation des SiC-Epitaxiewafers 1 darstellt. Die horizontale Achse stellt die BPD-Dichte auf der ersten Oberfläche 10a des SiC-Substrats 10 dar.
  • Die vertikale Achse ist ein Index, der den Grad der VF-Degradation angibt. Konkret handelt es sich um einen Wert, der durch Division des VF-Degradationsbetrags ΔVF bei einem bestimmten Stromwert durch den Anfangsspannungswert VF normiert wird. Die Quadrate in der Grafik zeigen den Grad der VF-Degradation in der Epitaxialschicht 20A mit der in 4 dargestellten Konfiguration an. Kreise in der Grafik zeigen den Grad der VF-Degradation in der Epitaxialschicht 20B mit der in 5 dargestellten Konfiguration an.
  • Wie in der Grafik von 6 dargestellt, ist, wenn die BPD-Dichte der ersten Oberfläche 10a des SiC-Substrats 10 höher als ein vorbestimmter Wert ist, die VF-Degradation in dem SiC-Epitaxiewafer 1B mit der in 5 dargestellten Konfiguration weniger wahrscheinlich, verglichen mit dem SiC-Epitaxiewafer 1A mit der in 4 dargestellten Konfiguration.
    Mit abnehmender BPD-Dichte der ersten Oberfläche 10a des SiC-Substrats 10 nimmt jedoch die VF-Degradation des SiC-Epitaxiewafers 1A ab. Andererseits ist der Grad der VF-Degradation des SiC-Epitaxiewafers 1B unabhängig von der BPD-Dichte konstant. Wenn die BPD-Dichte niedriger als der vorgegebene Wert ist, ist daher eine VF-Degradation in dem SiC-Epitaxiewafer 1A mit der in 4 dargestellten Konfiguration weniger wahrscheinlich, verglichen mit dem SiC-Epitaxiewafer 1B mit der in 5 dargestellten Konfiguration. Die Ursache für das Ergebnis ist nicht eindeutig, wird aber wie folgt betrachtet. In dem SiC-Epitaxiewafer 1A mit der in 4 dargestellten Konfiguration nimmt der Betrag der VF-Degradation aufgrund einer Abnahme der BPD-Dichte ab, die zur VF-Degradation beiträgt. Im SiC-Epitaxiewafer 1B mit der in 5 dargestellten Konfiguration wird jedoch durch die Bildung der Rekombinationsschicht die Dicke der Epitaxialschicht erhöht, wodurch die Fläche der erweiterten Stapelfehler vergrößert wird. Dadurch wird die Höhe der VF-Degradation erhöht. Daher wird davon ausgegangen, dass der VF-Abbau in dem SiC-Epitaxiewafer 1A mit der in 4 dargestellten Konfiguration weniger wahrscheinlich ist als in dem SiC-Epitaxiewafer 1B mit der in 5 dargestellten Konfiguration, wenn die BPD-Dichte niedriger als der vorgegebene Wert ist.
  • Wie in 6 dargestellt, hängt der Schichtaufbau der Epitaxialschicht 20, in der eine VF-Degradation unwahrscheinlich ist, von der BPD-Dichte der ersten Oberfläche 10a des SiC-Substrats 10 ab.
  • Wenn die im Messschritt gemessene BPD-Dichte gleich oder höher als der vorgegebene Wert ist, wird die Konfiguration des SiC-Epitaxiewafers 1B ausgewählt. Das heißt, die Epitaxialschicht 20B beinhaltet die Umwandlungsschicht 21, die Rekombinationsschicht 22 und die Driftschicht 23 von der Seite des SiC-Substrats 10 aus.
    Andererseits, wenn die BPD-Dichte niedriger als der vorgegebene Wert ist, wird die Konfiguration des SiC-Epitaxiewafers 1A gewählt. Das heißt, die Epitaxialschicht 20A beinhaltet die Umwandlungsschicht 21 und die Driftschicht 23 von der Seite des SiC-Substrats 10. Mit anderen Worten, wenn die BPD-Dichte niedriger als ein vorgegebener Wert ist, kann die VF-Degradation unterdrückt werden, indem die Rekombinationsschicht 22 nicht bereitgestellt wird.
  • Wenn der Repräsentativsubstratbestimmungsschritt und der Messschritt mit dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt durchgeführt werden, wird die Schichtstruktur durch Vergleichen der BPD-Dichte jedes im zweiten Schritt bestimmten SiC-Substrats mit einem vorbestimmten Wert bestimmt.
  • (Epitaxialwachstumsschritt)
  • Im Epitaxialwachstumsschritt wird die Epitaxialschicht 20 auf der ersten Oberfläche 10a des SiC-Substrats 10 basierend auf dem Ergebnis des Schichtstrukturbestimmungsschritts aufgewachsen.
  • Die Entscheidung für die verschiedenen Schichtstrukturen der Epitaxialschicht 20 kann davon abhängen, ob die BPD-Dichte des SiC-Substrats 10 höher oder niedriger als der vorgegebene Wert ist. Wenn die BPD-Dichte gleich oder höher als der vorgegebene Wert ist, wird die Epitaxialschicht 20B verwendet. Wenn die BPD-Dichte niedriger als der vorgegebene Wert ist, wird die Epitaxialschicht 20A verwendet.
  • Das Verfahren zum epitaktischen Anwachsen der Epitaxialschicht 20 auf der ersten Oberfläche 10a des SiC-Substrats 10 ist nicht besonders eingeschränkt. So wird beispielsweise die Epitaxialschicht 20 durch ein CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) oder dergleichen aufgewachsen. Stickstoff, Bor, Titan, Vanadium, Aluminium, Gallium, Phosphor oder dergleichen können als die in die Epitaxialschicht 20 dotierte Verunreinigung verwendet werden.
  • Im Folgenden wird jede Schicht der Umwandlungsschicht 21, der Rekombinationsschicht 22 und der Driftschicht 23 ausführlich beschrieben.
  • Die Umwandlungsschicht 21 ist beispielsweise eine mit Stickstoff dotierte Epitaxialschicht. Die Umwandlungsschicht 21 ist ein Halbleiter vom n- oder p-Typ mit einer niedrigeren Verunreinigungskonzentration als das SiC-Substrat 10. Die Umwandlungsschicht 21 wandelt die Basalebenenversetzung 11 in die Durchstoßkantenversetzung 12 um.
  • Die Verunreinigungskonzentration der Umwandlungsschicht 21 ist vorzugsweise niedriger als die des SiC-Substrats 10 und vorzugsweise niedriger als die Verunreinigungskonzentration der Rekombinationsschicht 22. Der Wert der Verunreinigungskonzentration der Umwandlungsschicht 21 beträgt vorzugsweise 1 × 1017 cm-3 oder mehr. Der Wert der Verunreinigungskonzentration der Umwandlungsschicht 21 beträgt vorzugsweise 2 × 1019 cm-3 oder weniger. Die Verunreinigungskonzentration der Umwandlungsschicht 21 wird so eingestellt, dass sie zwischen den Verunreinigungskonzentrationen des SiC-Substrats 10 und der Driftschicht 23 liegt, um eine Gitterfehlanpassung zu verringern.
  • Die Rekombinationsschicht 22 reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass eine kleine Anzahl von Trägern das SiC-Substrat 10 erreicht, wenn eine Spannung an eine bipolare Vorrichtung in Vorwärtsrichtung angelegt wird, worin die bipolare Vorrichtung den SiC-Epitaxiewafer 1 mit BPD verwendet. Dadurch ist es möglich zu verhindern, dass sich BPD ausdehnt und einen Shockley-type-Stapelfehler in der Epitaxialschicht 20 bildet. Das heißt, die Rekombinationsschicht 22 ist eine Schicht zur Unterdrückung der bipolaren Degradation des Gerätes.
  • Beim Bilden der Rekombinationsschicht 22 ist es vorzuziehen, die Trägerkonzentration und Filmdicke der Rekombinationsschicht 22 entsprechend der BPD-Dichte des SiC-Substrats 10 zu bestimmen.
  • Durch die Förderung der Elektronen-Loch-Rekombination unterdrückt die Rekombinationsschicht 22 die Trägerrekombination in der Nähe der im SiC-Substrat vorhandenen BPD und in der Nähe der Schnittstelle zwischen der Rekombinationsschicht 22 und der Umwandlungsschicht 21. Dadurch wird die Ausdehnung der im SiC-Substrat und in der Umwandlungsschicht unterhalb der Rekombinationsschicht vorhandenen BPD unterdrückt, so dass eine VF-Degradation der bipolaren SiC-Vorrichtung unterdrückt werden kann. Insbesondere ist es möglich, eine Erhöhung des On-Widerstands des mit einer Körperdiode versehenen SiC-MOSFET zu verhindern.
  • Die Driftschicht 23 ist eine Schicht, in der eine SiC-Vorrichtung gebildet werden soll. Wenn BPD in der Driftschicht 23 enthalten ist, führt dies zu einer bipolaren Degradation der SiC-Vorrichtung. Die Verunreinigungskonzentration der Driftschicht 23 ist niedriger als die der Rekombinationsschicht 22 und beträgt vorzugsweise etwa 1 × 1014 cm-3 oder mehr. Die Schichtdicke der Driftschicht 23 beträgt vorzugsweise etwa 5 µm oder mehr.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann nach dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers der vorliegenden Ausführungsform eine SiC-Vorrichtung gebildet werden, deren bipolare Degradation unwahrscheinlich ist, indem eine geeignete Epitaxialschichtstruktur auf dem SiC-Substrat 10 bestimmt und die bestimmte Schichtstruktur gestapelt wird. Da die Rekombinationsschicht 22 nicht erforderlich ist, wenn das SiC-Substrat 10 eine BPD-Dichte aufweist, die niedriger als der vorgegebene Wert ist, können die Herstellungskosten reduziert werden. Für ein SiC-Substrat 10 mit einer BPD-Dichte höher als der vorgegebene Wert kann durch Anwachsen einer Rekombinationsschicht 22 mit einer Verunreinigungskonzentration und -dicke, die als notwendig erachtet werden, selbst bei Verwendung eines Substrats mit einer hohen BPD-Dichte eine Vorrichtung mit hoher Ausbeute hergestellt werden.
  • Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden vorstehend ausführlich beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, und im Rahmen des in den Ansprüchen beschriebenen Kerns der vorliegenden Erfindung können verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Wie vorstehend beschrieben, beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines hochwertigen SiC-Epitaxiewafers das Messen der BPD-Dichte des SiC-Substrats und das Bilden einer Schicht mit einer für die Herstellung geeigneten Schichtstruktur. Und das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist nützlich, um einen SiC-Epitaxiewafer kostengünstig herzustellen, wobei es unwahrscheinlich ist, dass sich der SiC-Epitaxiewafer verschlechtert, selbst wenn der Strom in Vorwärtsrichtung der SiC-Vorrichtung angelegt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1A, 1B:
    SiC-Epitaxiewafer
    10:
    SiC-Substrat
    11:
    Basalebenenversetzung (BPD)
    12:
    Durchstoßkantenversetzung (TED)
    13:
    Stapelfehler (SF)
    20, 20A, 20B:
    Epitaxialschicht
    21:
    Umwandlungsebene
    22:
    Rekombinationsschicht
    23:
    Driftschicht
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2017/094764 [0008]

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers, umfassend: einen Messschritt zum Messen einer Basalebenenversetzungsdichte einer ersten Oberfläche eines SiC-Substrats; einen Schichtstrukturbestimmungsschritt zum Bestimmen einer Schichtstruktur einer auf der ersten Oberfläche des SiC-Substrats angewachsenen Epitaxialschicht auf der Grundlage eines Messergebnisses des Messschritts; einen Epitaxialwachstumsschritt zum Stapeln der Epitaxialschicht auf der ersten Oberfläche des SiC-Substrats auf der Grundlage des Ergebnisses des Schichtstrukturbestimmungsschritts, wobei in dem Schichtstrukturbestimmungsschritt, (i) wenn die Basalebenenversetzungsdichte niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, die Epitaxialschicht, von der SiC-Substratseite aus, eine Umwandlungsschicht und eine Driftschicht umfasst, und (ii) wenn die Basalebenenversetzungsdichte gleich oder höher als der vorbestimmte Wert ist, die Epitaxialschicht, von der SiC-Substratseite aus, eine Umwandlungsschicht, eine Rekombinationsschicht und eine Driftschicht umfasst, und wobei die Umwandlungsschicht eine niedrigere Verunreinigungskonzentration als das SiC-Substrat aufweist und die Rekombinationsschicht eine Verunreinigungskonzentration aufweist, die gleich oder höher als die der Umwandlungsschicht ist.
  2. Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Wert 500/cm2 beträgt.
  3. Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner umfassend: einen Repräsentativsubstratbestimmungsschritt zum Bestimmen eines repräsentativen Substrats vor dem Messschritt, wobei der Schritt zur Bestimmung des repräsentativen Substrats ein Schritt zum Bestimmen mindestens eines SiC-Substrats als repräsentatives Substrat aus einer Vielzahl von SiC-Substraten ist, die aus demselben SiC-Block ausgeschnitten sind, der Messschritt einen ersten Schritt und einen zweiten Schritt aufweist, der erste Schritt ein Schritt zum Messen der Basalebenenversetzungsdichte der ersten Oberfläche des repräsentativen Substrats ist und der zweite Schritt ein Schritt zum Bestimmen ist, dass eine Basalebenenversetzungsdichte der Vielzahl von SiC-Substraten gleich der Basalebenenversetzungsdichte des repräsentativen Substrats ist.
  4. Verfahren zur Herstellung eines SiC-Epitaxiewafers nach Anspruch 3, wobei, wenn eine Wachstumsendposition des SiC-Blocks auf 0 und eine Wachstumsstartposition des SiC-Blocks auf 1 eingestellt ist, der Repräsentativsubstratbestimmungsschritt ein Schritt zum Bestimmen mindestens eines repräsentativen Substrats aus den aus einer Position innerhalb eines Bereichs von 0,35 bis 0,45 ausgeschnittenen SiC-Substraten ist.
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