DE112015006023T5

DE112015006023T5 - Siliziumkarbidsubstrat und Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats

Info

Publication number: DE112015006023T5
Application number: DE112015006023.5T
Authority: DE
Inventors: Toru Hiyoshi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-10-05
Also published as: WO2016117209A1; CN107109695A; JP2016132604A; US20170317174A1

Abstract

Ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat (11) umfasst eine gegenüber einer {0001}-Ebene abgewinkelte erste Hauptfläche (11a) und eine durchgehend mit der ersten Hauptfläche (11a) ausgebildete erste Umfangskante (11c2). Auf der ersten Hauptfläche (11a) ist eine Siliziumkarbid-Epitaxieschicht (12) ausgebildet. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht (12) weist eine zweite Hauptfläche (12b), die mit der ersten Hauptfläche (11a) in Kontakt steht, eine dritte Hauptfläche (12a2) gegenüber der zweiten Hauptfläche (12b) und eine zweite Umfangskante (12c2), die durchgehend mit sowohl der zweiten Hauptfläche (12b) als auch der dritten Hauptfläche (12a2) ausgebildet ist, auf. Es wird ein Randgebiet (C) mit dem ersten Umfangskante (11c2) und der zweiten Umfangskante (12c2) entfernt. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht (12) hat eine Dicke von nicht weniger als 50 μm in einer Richtung senkrecht zu der dritten Hauptfläche (12a2).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Siliziumkarbidsubstrate und Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbidsubstraten.
Stand der Technik
Aufgrund seiner hohen dielektrischen Festigkeit hat Siliziumkarbid als Ersatzmaterial für Silizium für Leistungshalbleitervorrichtungen der nächsten Generation Beachtung gefunden. Naoki Kaji und drei weitere Autoren offenbaren in dem Dokument ”Ultrahigh-Voltage SiC PiN Diodes with an Improved Junction Termination Extension Structure and Enhanced Carrier Lifetime”, Japanese Journal of Applied Physics 52, 2013, 070204 (NPD 1) eine PiN-Diode, die eine Epitaxieschicht mit einer Dicke von 186 μm aufweist und deren Durchbruchsspannung 17 kV übersteigt.
Zitationsliste
Nicht-Patentdokument

NPD 1: Naoki Kaji und drei weitere Autoren, ”Ultrahigh-Voltage SiC PiN Diodes with an Improved Junction Termination Extension Structure and Enhanced Carrier Lifetime”, Japanese Journal of Applied Physics 52, 2013, 070204

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Jedoch erstrecken sich während eines Stufenflusswachstums einer Siliziumkarbid-Epitaxieschicht auf einem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat, da eine Umfangskante des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats keine Stapelinformation aufweist und diese nicht übertragen kann, Stapelfehler tendenziell von der Umfangskante in Richtung eines Mittelabschnitts des Substrats. Da Stapelfehler einen Geräteausfall verursachen, kann ein Bereich der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht, in der sich Stapelfehler gebildet haben, nicht zur Gerätebildung verwendet werden. Eine Vergrößerung des Bereichs der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht, in dem die Stapelfehler gebildet wurden, führt zu einer Verkleinerung eines Bereichs der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht, das zur Gerätebildung verwendet werden kann (im Nachfolgenden auch als ein Gerätebildungsbereich bezeichnet).
Es ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein Siliziumkarbidsubstrat, in dem ein Gerätebildungsbereich effektiv gebildet werden kann, und ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats bereitzustellen.
Lösung des Problems
Ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Schritte. Es wird ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat mit einer ersten Hauptfläche, die bezogen auf eine {0001}-Ebene in einem Winkel angeordnet ist, und einer ersten Umfangskante, die durchgehend mit der ersten Hauptfläche ausgebildet ist, hergestellt. Auf der ersten Hauptfläche wird eine Siliziumkarbid-Epitaxieschicht gebildet. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht weist eine zweite Hauptfläche in Kontakt mit der ersten Hauptfläche, eine dritte Hauptfläche gegenüber der zweiten Hauptfläche und eine zweite Umfangskante, die durchgehend mit sowohl der zweiten Hauptfläche als auch der dritten Hauptfläche ausgebildet ist, auf. Es wird ein Randgebiet mit der ersten Umfangskante und der zweiten Umfangskante entfernt. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht hat eine Dicke von nicht weniger als 50 μm in einer Richtung senkrecht zur dritten Hauptfläche.
Ein Siliziumkarbidsubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat und eine Siliziumkarbid-Epitaxieschicht. Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat weist eine erste Hauptfläche auf. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht ist auf der zweiten Hauptfläche vorgesehen. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht weist eine zweite Hauptfläche in Kontakt mit der ersten Hauptfläche, eine dritte Hauptfläche gegenüber der zweiten Hauptfläche und eine Umfangskante, die durchgehend mit sowohl der zweiten Hauptfläche als auch der dritten Hauptfläche ausgebildet ist, auf. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht hat eine Dicke von nicht weniger als 50 μm in einer Richtung senkrecht zu der dritten Hauptfläche. An einer Grenze zwischen der Umfangskante und der dritten Hauptfläche bilden sich keine Stapelfehler.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Siliziumkarbidsubstrat, in dem ein Gerätebildungsbereich effektiv gebildet wird, und ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats bereitgestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Schnittansicht des Aufbaus eines Siliziumkarbidsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht des Aufbaus eines Siliziumkarbidsubstrats gemäß einer ersten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht des Aufbaus eines Siliziumkarbidsubstrats gemäß einer zweiten Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
5 zeigt eine schematische Draufsicht, die einen Schritt des Verfahrens zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
6 zeigt eine schematische Schnittansicht, die den ersten Schritt des Verfahrens zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
7 zeigt eine schematische Draufsicht, die einen zweiten Schritt des Verfahrens zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
8 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang einer Linie VIII-VIII in einer Richtung der Pfeile in 7.
9 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang einer Linie IX-IX in einer Richtung der Pfeile in 7.
10 zeigt eine schematische Draufsicht, die einen dritten Schritt des Verfahrens zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
11 zeigt eine schematische Schnittansicht, die den dritten Schritt des Verfahrens zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Breite L eines Stapelfehlers und der Dicke einer Siliziumkarbid-Epitaxieschicht darstellt.
13 zeigt eine schematische Schnittansicht, die einen vierten Schritt des Verfahrens zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
14 zeigt eine schematische Schnittansicht, die eine Modifikation des dritten Schritts des Verfahrens zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Beschreibung der Ausführungsformen
[Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
Zunächst wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammengefasst und beschrieben.

(1) Ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die nachfolgenden Schritte. Es wird ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 mit einer ersten Hauptfläche 11a, die bezogen auf eine {0001}-Ebene in einem Winkel angeordnet ist, und mit einer ersten Umfangskante 11c2, die durchgehend mit der ersten Hauptfläche 11a vorgesehen ist, hergestellt. Es wird eine Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 auf der ersten Hauptfläche 11a gebildet. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 weist eine zweite Hauptfläche 12b in Kontakt mit der ersten Hauptfläche 11a, eine dritte Hauptfläche 12a2 gegenüber der zweiten Hauptfläche 12b und eine zweite Umfangskante 12c2, die durchgehend mit sowohl der zweiten Hauptfläche 12b als auch der dritten Hauptfläche 12a vorgesehen ist, auf. Ein Randgebiet C, das die Umfangskante 11c2 und die zweite Umfangskante 12c2 umfasst, wird entfernt. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 hat eine Dicke von nicht weniger als 50 μm in einer Richtung senkrecht zur dritten Hauptfläche 12a2.

Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß obigem Punkt (1) können Stapelfehler, die in dem Schritt des Bildens der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 in dem Randgebiet C gebildet wurden, entfernt werden. Folglich ist es möglich, den Gerätebildungsbereich auf effektive Weise sicherzustellen. Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß obigem Punkt (1) weist die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht eine Dicke von nicht weniger als 50 μm auf. Folglich kann in dem Siliziumkarbidsubstrat 10, das die Dicke der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 mit einer Dicke von nicht weniger als 50 μm aufweist, der Gerätebildungsbereich wirksam gebildet werden.

(2) Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß obigem Punkt (1) kann nach dem Entfernen des Randgebiets C ein chemisch-mechanischer Polierschritt auf der dritten Hauptfläche 12a2 durchgeführt werden. In dem Schritt zum Entfernen des Randgebiets C kann die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 beschädigt werden, wodurch Stufenbündelungen und dergleichen auf der dritten Hauptfläche 12a2 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 auftreten können, wodurch die dritte Hauptfläche 12a2 aufgeraut wird. Durch Durchführen des chemisch-mechanischen Polierschritts auf der dritten Hauptfläche 12a2 kann die Rauheit der der dritten Hauptfläche 12a2 verringert werden.
(3) Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß obigem Punkt (1) oder Punkt (2) wird bei der Herstellung eines Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 ein Höchstdurchmesser der ersten Hauptfläche 11a unter Berücksichtigung einer Breite des Randgebiets C in einer Richtung parallel zur ersten Hauptfläche 11a bestimmt. Folglich kann das Siliziumkarbidsubstrat 10 mit einer gewünschten Größe unter Verwendung des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 mit optimaler Größe hergestellt werden.
(4) Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß obigem Punkt (3) ist unter der Annahme, dass ein Abweichungswinkel der ersten Hauptfläche 11a θ° und die Dicke der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 T μm sind, eine Breite W1 nicht weniger als T/tan(θ) μm und nicht mehr als (T/tan(θ)) μm + 10 mm. Durch Berechnen der Breite des Stapelfehlers auf der Grundlage des Abweichungswinkels der ersten Hauptfläche 11a und der Dicke der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 kann ein großer Gerätebildungsbereich sichergestellt werden, während die Größe des Randgebiets C, das entfernt werden soll, minimiert wird.
(5) In dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß einem der obigen Punkte (1) bis (4) beträgt nach dem Entfernen eines Randgebiets C ein Höchstdurchmesser der dritten Hauptfläche 12a2 nicht weniger als 100 mm. Folglich kann ein Gerätebildungsbereich von nicht weniger als 100 mm gebildet werden.
(6) In dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß einem der obigen Punkte (1) bis (5) kann die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 eine Verunreinigung umfassen, die einen p-Typ oder einen n-Typ bilden kann. Die Verunreinigung kann eine Konzentration von nicht weniger als 1 × 10¹³ cm^–3 und nicht mehr als 1 × 10¹⁶ cm^–3 aufweisen. Folglich kann eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung mit einer hohen Durchbruchspannung hergestellt werden.
(7) In dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß einem der obigen Punkte (1) bis (6) kann sich bei der Bildung der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 ein Stapelfehler 2 in dem Randgebiet C bilden. Durch das Entfernen des Randgebiets C wird der Stapelfehler 2 entfernt. Folglich kann der Gerätebildungsbereich sichergestellt werden.
(8) In dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß einem der obigen Punkte (1) bis (7) kann bei der Bildung der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 ein Siliziumkarbidkristall 5 mit einem Polytyp, der sich von einem Polytyp des Siliziumkarbids, das die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildet, unterscheidet, in dem Randgebiet C gebildet werden. Durch das Entfernen des Randgebiets C wird der Siliziumkarbidkristall 5 entfernt. Das Randgebiet C der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12, das mehr Wärme abgibt als ein mittlerer Bereich, weist tendenziell eine niedrigere Temperatur auf. Daher bildet sich der Siliziumkarbidkristall 5 mit einem Polytyp, der sich von dem Polytyp des die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildenden Siliziumkarbids unterscheidet, tendenziell in dem Randgebiet C. Der Siliziumkarbidkristall 5 mit unterschiedlichem Polytyp kann die Erzeugung von Teilchen bewirken. Die Erzeugung von Teilchen kann durch Entfernen des Siliziumkarbidkristalls 5 mit unterschiedlichem Polytyp unterdrückt werden.
(9) Ein Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 und eine Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12. Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 weist eine erste Hauptfläche 11a auf. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 ist auf der ersten Hauptfläche 11a vorgesehen. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 weist eine zweite Hauptfläche 12b in Kontakt mit der ersten Hauptfläche 11a, eine dritte Hauptfläche 12a1 gegenüber der zweiten Hauptfläche 12b und eine Umfangskante 12c1, die durchgehend mit sowohl der zweiten Hauptfläche 12b als auch der dritten Hauptfläche 12a1 ausgebildet ist, auf. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 hat eine Dicke T1 von nicht weniger als 50 μm in einer Richtung senkrecht zur dritten Hauptfläche 12a1. Es bildet sich kein Stapelfehler an einer Grenze 12d1 zwischen der Umfangskante 12c1 und der dritten Hauptfläche 12a1.

Gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß obigem Punkt (9) bildet sich kein Stapelfehler an der Grenze 12d1 zwischen der Umfangskante 12c1 und der dritten Hauptfläche 12a1. Folglich kann der Gerätebildungsbereich wirksam gebildet werden. Gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß obigem Punkt (9) hat die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 eine Dicke von nicht weniger als 50 μm. Folglich kann der Gerätebildungsbereich in dem Siliziumkarbidsubstrat 10, das die dicke Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 mit einer Dicke von nicht weniger als 50 μm aufweist, wirksam gebildet werden.

(10) In dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß obigem Punkt (9) bildet sich kein Siliziumkarbidkristall 5 mit einem Polytyp, der sich von einem Polytyp des die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildenden Siliziumkarbids unterscheidet, an der Umfangskante 12c1. Das Randgebiet C der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12, die mehr Wärme als der mittlere Bereich abgibt, weist tendenziell eine niedrigere Temperatur auf. Somit bildet sich der Siliziumkarbidkristall 5 mit einem Polytyp, der sich von dem Polytyp des die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildenden Siliziumkarbids unterscheidet, tendenziell in dem Randgebiet C. Der Siliziumkarbid-kristall 5 mit unterschiedlichem Polytyp bewirkt, dass Teilchen erzeugt werden. Gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform bildet sich kein Siliziumkarbidkristall 5 mit einem Polytyp, der sich von dem Polytyp des die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildenden Siliziumkarbids unterscheidet, an der Umfangskante 12c1, so dass die Erzeugung von Teilchen unterdrückt werden kann.
(11) In dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß obigem Punkt (9) oder (10) beträgt eine Dichte der Z_1/2-Herde, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht vorhanden sind, nicht mehr als 5 × 10¹¹ cm^–3. Folglich kann eine Trägerlebensdauer erhöht werden.
(12) In dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß einem der obigen Punkte (9) bis (11) beträgt eine Trägerlebensdauer nicht weniger als 1 Mikrosekunde. Folglich kann die Trägerlebensdauer erhöht werden. Folglich kann bei der Herstellung einer bipolaren Halbleitervorrichtung, die dieses Siliziumkarbidsubstrat 10 verwendet, der Durchlasswiderstand durch den Effekt der Leitfähigkeitsmodulation verringert werden.
(13) In dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß einem der obigen Punkte (9) bis (12) hat die dritte Hauptfläche 12a1 eine Mittenrauheit von nicht mehr als 10 nm. Folglich weist bei der Herstellung eines MOSFETs oder IGBT ein Gate-Oxidfilm eine verbesserte Zuverlässigkeit auf.
(14) In dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß einem der obigen Punkte (9) bis (13) umfasst die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 eine Verunreinigung, die einen p-Typ oder einen n-Typ bilden kann. Die Verunreinigung kann eine Konzentration von nicht weniger als 1 × 10¹³ cm^–3 und nicht mehr als 1 × 10¹⁶ cm^–3 aufweisen. Folglich kann eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung mit einer hohen Durchbruchspannung hergestellt werden.
(15) In dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß einem der obigen Punkte (9) bis (14) beträgt eine Dichte von Basalebenenversetzungen 4, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 vorhanden sind, nicht mehr als 10 cm^–3. Während der Verwendung einer bipolaren Vorrichtung, die unter Verwendung dieses Siliziumkarbidsubstrats 10 hergestellt wird, können aufgrund der Basalebenenversetzungen 4 Stapelfehler auftreten, die eine Verschlechterung der Vorwärtsstromcharakteristiken bewirken. Durch Einstellen der Dichte der Basalebenenversetzungen 4, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 vorhanden sind, auf nicht mehr als 10 cm^–3 kann die Verschlechterung der Vorwärtsstromcharakteristiken der bipolaren Vorrichtung unterdrückt werden.

[Einzelheiten der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
Im Nachfolgenden wird die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der Zeichnungen beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass gleiche oder sich entsprechende Elemente in den nachfolgenden Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und eine Beschreibung derselben nicht wiederholt wird. Bezüglich der kristallographischen Bezeichnungen in der vorliegenden Beschreibung wird eine einzelne Orientierung durch [], eine Gruppenorientierung durch < >, eine einzelne Ebene durch () und eine Gruppenebene durch {} dargestellt. Darüberhinaus wird üblicherweise ein negativer kristallographischer Index durch Setzen eines ”–” (Strich) über einer Zahl dargestellt, wobei in der vorliegenden Beschreibung dieser durch Setzen eines negativen Vorzeichens vor der Zahl ausgedrückt wird.
Zunächst wird der Aufbau eines Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, weist das Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform im Wesentlichen ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 und eine Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 auf. Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 und die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 sind aus hexagonalem Siliziumkarbid mit einem Polytyp 4H gebildet. Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 weist eine erste Hauptfläche 11a, eine vierte Hauptfläche 11b gegenüber der ersten Hauptfläche 11a und eine Umfangskante 11c1, die durchgehend mit sowohl der ersten Hauptfläche 11a als auch der vierten Hauptfläche 11b ausgebildet ist, auf. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 ist auf der ersten Hauptfläche 11a vorgesehen. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 weist eine zweite Hauptfläche 12b in Kontakt mit der ersten Hauptfläche 11a, eine dritte Hauptfläche 12a1 gegenüber der zweiten Hauptfläche 12b und eine Umfangskante 12c1, die durchgehend mit sowohl der zweiten Hauptfläche 12b als auch der dritten Hauptfläche 12a1 vorgesehen ist, auf. Die Umfangskante 12c1 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 kann entlang der Umfangskante 11c1 des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 vorgesehen sein.
Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 hat eine Dicke T1 von nicht weniger als 50 μm in einer Richtung senkrecht zur dritten Hauptfläche 12a1. Die Dicke T1 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 100 μm, noch bevorzugter nicht weniger als 150 μm, noch weiter bevorzugt nicht weniger als 200 μm, und besonders bevorzugt nicht weniger als 300 μm. Die dritte Hauptfläche 12a1 weist eine Mittenrauheit (Rq (RMS)) von beispielsweise nicht mehr als 10 nm, und vorzugsweise nicht mehr als 5 nm auf. Die Mittenrauheit der dritten Hauptfläche 12a1 kann beispielsweise mit einem AFM (Atomkraftmikroskop) gemessen werden.
Es können mehrere Z_1/2-Herden 3 in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 vorhanden sein. Die Z_1/2-Herde 3 sind Punktdefekte, die durch Kohlenstoff-Leerstellen verursacht werden. Jeder der Z_1/2-Herde 3 weist ein Energieniveau Ec (die niedrigste Energie in dem Leitungsband) von 0,65 eV auf. Eine Dichte der Z_1/2-Herde 3, die sich in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 befinden, beträgt beispielsweise nicht mehr als 5 × 10¹¹ cm^–3 und vorzugsweise nicht mehr als 2 × 10¹¹ cm^–3. Die Dichte der Z_1/2-Herde 3 kann beispielsweise durch ein DLTS-Verfahren (Deep Level Transient Spectroscopy; eine temperaturabhängige Kapazitätstransientenmessung) gemessen werden. Es sollte beachtet werden, dass die Bezeichnung ”die Dichte der Z_1/2-Herde 3 beträgt nicht mehr als 5 × 10¹¹ cm^–3” bedeutet, dass der Durchschnittswert der Dichte der Z_1/2-Herde nicht mehr als 5 × 10¹¹ cm^–3 beträgt. Die Dichte der Z_1/2-Herde 3 wird beispielsweise durch Messen von zehn beliebigen Gebieten auf der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 mittels DLT-Verfahren und durch anschließendes Bestimmen eines Durchschnittswerts der Dichten der Z_1/2-Herde 3 in den zehn Gebieten berechnet.
Mehrere Basalebenenversetzungen 4 können in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 vorhanden sein. Die Basalebenenversetzungen 4 sind Versetzungen, die sich in der {0001}-Ebene erstrecken. Eine Dichte der Basalebenenversetzungen 4, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 vorhanden sind, beträgt nicht mehr als 10 cm^–3. Die Dichte der Basalebenenversetzungen 4 kann beispielsweise durch das Photolumineszenz-Verfahren gemessen werden. Die Basalebenenversetzungen 4 können in dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 enthalten sein. Die Basalebenenversetzungen 4 können sich von dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 zu der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 erstrecken.
Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 kann eine Verunreinigung enthalten, die den p-Typ oder den n-Typ bilden kann. Die Verunreinigung, die den p-Typ bilden kann, ist beispielsweise Aluminium oder Bor. Die Verunreinigung, die den n-Typ bilden kann, ist beispielsweise Stickstoff oder Phosphor. Diese Verunreinigung weist eine Konstruktion von beispielsweise nicht weniger als 1 × 10¹³ cm^–3 und nicht mehr als 1 × 10¹⁶ cm^–3 auf. Zur Realisierung eines Leistungshalbleiters mit einer Durchbruchspannung von 6,5 kV hat die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 beispielsweise eine Dicke von etwa nicht weniger als 50 μm und nicht mehr als 60 μm, und umfasst Stickstoff mit einer Konzentration von etwa nicht weniger als 5 × 10¹⁴ cm^–3 und nicht mehr als 3 × 10¹⁵ cm^–3. Zur Realisierung einer Leistungsvorrichtung mit einer Durchbruchspannung von 10 kV hat die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 eine Dicke von etwa nicht weniger als 80 μm und nicht mehr als 120 μm, und umfasst Stickstoff mit einer Konzentration von etwa nicht weniger als 1 × 10¹⁴ cm^–3 und nicht mehr als 1 × 10¹⁵ cm^–3. Zur Realisierung eines Leistungshalbleiters mit einer Durchbruchspannung von 30 kV hat die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 eine Dicke von etwa 300 μm und umfasst Stickstoff mit einer Konzentration von etwa nicht weniger als 5 × 10¹³ cm^–3 und nicht mehr als 5 × 10¹⁴ cm^–3. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 kann Stickstoff mit einer Konzentration von nicht weniger als 5 × 10¹³ cm^–3 und nicht mehr als 1 × 10¹⁵ cm^–3, oder nicht weniger als 1 × 10¹⁴ cm^–3 und nicht mehr als 10 × 10¹⁴ cm^–3 umfassen.
Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 kann eine Verunreinigung umfassen, die den p-Typ oder den n-Typ bilden kann. Vorzugsweise ist die Konzentration der Verunreinigung, die in dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 enthalten ist, höher als die Konzentration der Verunreinigung, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 enthalten ist. Die Typen und Konzentrationen der Verunreinigungen, die in dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 und der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 vorhanden sind, können beispielsweise durch SIMS (Sekundärionenmassenspektroskopie) gemessen werden.
Eine Trägerlebensdauer beträgt vorzugsweise nicht weniger als 1 Mikrosekunde, und noch bevorzugter nicht weniger als 1,5 Mikrosekunden. Eine typische Trägerlebensdauer beträgt beispielsweise nicht mehr als 0,9 Mikrosekunden. Die Trägerlebensdauer beträgt zum Beispiel nicht mehr als 25 Mikrosekunden. Die Trägerlebensdauer kann beispielsweise mittels μ-PCD-Verfahren (Microwave Photo Conductivity Decay, Mikrowellenanalyse des Photonenleitfähigkeitsverfalls) gemessen werden. Gemäß dem μ-PCD-Verfahren wird die Trägerlebensdauer durch Erzeugen von überschüssigen Trägern durch Anlegen eines gepulsten Lichts an die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 und durch Messen der Leitfähigkeit, die gemäß der Rekombinationen der überschüssigen Träger abnimmt, auf der Grundlage des Reflexionsvermögens der Mikrowelle bestimmt.
Vorzugsweise bildet sich kein Siliziumkarbidkristall mit einem Polytyp, der sich von dem Polytyp des Siliziumkarbids, das die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildet, unterscheidet, an der Umfangskante 12c1. Beispielsweise bildet sich in dem Fall, in dem das Siliziumkarbid, das das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 und die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildet, einen Polytyp 4H aufweist, kein Siliziumkarbidkristall mit einem Polytyp 3C oder 6H an der Umfangskante 12c1. Anders ausgedrückt, ist der Polytyp des Siliziumkarbids, das die Umfangskante 12c1 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildet, der gleiche wie der Polytyp des Siliziumkarbids, das die dritte Hauptfläche 12a1 bildet. Beispielsweise weist auch in dem Fall, in dem das Siliziumkarbid, das die dritte Hauptfläche 12a1 bildet, einen Polytyp 4H aufweist, das Siliziumkarbid, das die Umfangskante 12c1 bildet, einen Polytyp 4H auf. Es sollte beachtet werden, dass die Art eines Polytyps beispielsweise mittels Raman-Spektroskopie identifiziert werden kann.
Wie in der 1 gezeigt, bildet sich kein Stapelfehler an einer Grenze 12d1 zwischen der Umfangskante 12c1 und der dritten Hauptfläche 12a1 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12. Anders ausgedrückt bildet sich kein Stapelfehler an der Kante 12d1 der obersten Fläche der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12, aus Sicht der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 entlang einer Richtung senkrecht zur zweiten Hauptfläche 12b. Beispielsweise kann mittels Photolumineszenz-Verfahren bestimmt werden, ob sich ein Stapelfehler gebildet hat oder nicht. Insbesondere wird durch Festlegen der Wellenlänge des Anregungslichts auf 313 nm und durch Aufnehmen eines Bildes unter Verwendung eines Bandpassfilters mit einer Wellenlänge von 390 nm bestimmt, dass sich ein Stapelfehler gebildet hat, wenn aufgrund eines Stapelfehlers eine Lichtemission auftritt, und es wird bestimmt, dass sich kein Stapelfehler gebildet hat, wenn aufgrund eines Stapelfehlers keine Lichtemission erfasst wird.
Wie in 2 und 3 gezeigt, ist es lediglich erforderlich, dass sich kein Stapelfehler 2 an der Grenze 12d1 zwischen der Umfangskante 12c1 und der dritten Hauptfläche 12a1 bildet, wobei sich ein Stapelfehler 2 in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bilden kann. Wie in 2 gezeigt, erstreckt sich der Stapelfehler 2 von der Umfangskante 12c1 zur dritten Hauptfläche 12a1. Anders ausgedrückt kann der Stapelfehler 2 an sowohl der Umfangskante 12c1 als auch der dritten Hauptfläche 12a1 freiliegen. Der Stapelfehler kann derart in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 gebildet sein, dass er von der Grenze 12d1 beabstandet angeordnet ist. Wie in 3 gezeigt, kann sich der Stapelfehler 2 von der zweiten Hauptfläche 12b zur dritten Hauptfläche 12a1 erstrecken. Anders ausgedrückt kann der Stapelfehler 2 an sowohl der zweiten Hauptfläche 12b als auch der dritten Hauptfläche 12a1 freiliegen.
Im Nachfolgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform beschrieben.
Zuerst wird ein Schritt zum Herstellen eines Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats (S10: 4) durchgeführt. Beispielsweise wird das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 durch Schneiden eines Siliziumkarbid-Einkristallingots hergestellt. Das Siliziumkarbid weist beispielsweise einen Polytyp 4H auf. Wie in 5 und 6 gezeigt, hat das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 eine erste Hauptfläche 11a, eine erste Umfangskante 11c2, die durchgehend mit der ersten Hauptfläche 11a ausgebildet ist, und eine vierte Hauptfläche 11b, die durchgehend mit der ersten Umfangskante 11c2 ausgebildet ist. Die vierte Hauptfläche 11b ist eine Fläche gegenüber der ersten Hauptfläche 11a. Die erste Hauptfläche 11a ist eine Ebene, die um einen Abweichungswinkel bezogen auf die in (0001)-Ebene in einem Winkel angeordnet ist. Der Abweichungswinkel beträgt beispielsweise nicht weniger als 1° und nicht mehr als 8°. Der Abweichungswinkel ist beispielsweise eine <11-20>-Richtung.
Wie in 5 gezeigt, ist die erste Hauptfläche 11a in Draufsicht im Wesentlichen kreisförmig (in einem Gesichtsfeld entlang einer Richtung senkrecht zur ersten Hauptfläche 11a). Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 kann mit einer Orientierungsabflachung OF ausgebildet sein. Die Orientierungsabflachung OF erstreckt sich beispielsweise entlang der <11-20>-Richtung. Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 umfasst eine Verunreinigung, die den n-Typ, wie beispielsweise Stickstoff, bilden kann. Es können Basalebenenversetzungen 4 in dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 ausgebildet sein. Auf diese Weise wird das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 mit der ersten Hauptfläche 11a, die bezogen auf die (0001)-Ebene in einem Winkel angeordnet ist, der ersten Umfangskante 11c2, die durchgehend mit der ersten Hauptfläche 11a ausgebildet ist, und der vierten Hauptfläche 11b, die durchgehend mit der ersten Umfangskante 11c2 ausgebildet ist, hergestellt (siehe 6).
Anschließend wird ein Schritt zur Bildung einer Siliziumkarbid-Epitaxieschicht (S20: 4) durchgeführt. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 wird beispielsweise mittels CVD-Verfahren (chemische Dampfabscheidung) auf dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 11 epitaktisch gewachsen. Für das Epitaxiewachstum werden Silan (SiH₄) und Propan (C₃H₈) als Ausgangsmaterialgas verwendet, während Wasserstoff (H₂) als Trägergas verwendet wird. Die Temperatur des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 während dem Epitaxiewachstum beträgt in etwa nicht weniger als 1400°C und nicht mehr als 1700°C. Auf diese Weise wird die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 auf der ersten Hauptfläche 11a des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 gebildet. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 weist eine zweite Hauptfläche 12b in Kontakt mit der ersten Hauptfläche 11a des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11, eine dritte Hauptfläche 12a2 gegenüber der zweiten Hauptfläche 12b und eine zweite Umfangskante 12c2, die durchgehend mit sowohl der zweiten Hauptfläche 12b als auch der dritten Hauptfläche 12a2 ausgebildet ist, auf (siehe 8 und 9).
Vorzugsweise umfasst die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht eine Verunreinigung, die den p-Typ oder den n-Typ bilden kann. Diese Verunreinigung weist ein Konzentration von nicht weniger als 1 × 10¹³ cm^–3 und nicht mehr als 1 × 10¹⁶ cm^–3, vorzugsweise nicht weniger als 5 × 10¹³ cm^–3 und nicht mehr als 1 × 10¹⁵ cm^–3, und noch bevorzugter nicht weniger als 1 × 10¹⁴ cm^–3 und nicht mehr als 7 × 10¹⁴ cm^–3 auf. Die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 hat eine Dicke T1 von nicht weniger als 50 μm in einer Richtung senkrecht zur dritten Hauptfläche 12a. Die untere Grenze der Dicke T1 kann 100 μm, 150 μm, 200 μm oder 300 μm sein. Der obere Grenzwert der Dicke T1 kann 500 μm betragen. Durch Setzen der Obergrenze auf 500 μm kann eine Endfilmdicke in Abhängigkeit von der Durchbruchspannung wahlweise gewählt werden. Mehrere Z_1/2-Herde 3 können in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 vorhanden sein. Die Dichte der Z_1/2-Herde 3, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 vorhanden sind, beträgt beispielsweise nicht mehr als 5 × 10¹¹ cm^–3.
Wie in 7 gezeigt, bilden sich in dem Schritt des Bildens der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 Stapelfehler 2 in einem Randgebiet der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12. Die Stapelfehler 2 bilden sich in der Nähe der zweiten Umfangskante 12c2 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12, die der gegenüberliegenden Seite der Abweichungsrichtung (die Richtung eines Pfeils in 7) zugewandt ist, während sich nur wenige Stapelfehler 2 in der Nähe der zweiten Umfangskante 12c2, die der Abweichungsrichtung zugewandt ist, bilden. Die Stapelfehler 2 erstrecken sich entlang der Abweichungsrichtung von der zweiten Umfangskante 12c2, die der gegenüberliegenden Seite der Abweichungsrichtung in Richtung der Mitte der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 zugewandt ist. Die Breite eines jeden Stapelfehlers in der Richtung parallel zur dritten Hauptfläche 12a2 kann in einer Richtung, die der Abweichungsrichtung zugewandt ist, abnehmen.
Wie in 8 gezeigt, nimmt die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 Stapelinformationen, die von der ersten Hauptfläche 11a des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 übertragen werden, auf, und es findet ein Stufenflusswachstum der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 statt. Eine Ebene, die die zweite Umfangskante 12c2 bildet, ist die {0001}-Ebene. Da eine Kante 11d2 der ersten Hauptfläche 11a keine Stapelinformationen aufweist, bilden sich die Stapelfehler 2 tendenziell an der zweiten Umfangskante 12c2, wobei die Kante 11d2 einen Ausgangspunkt bildet. Das heißt, der Stapelfehler bildet sich tendenziell in dem Randgebiet. Der Stapelfehler 2 ist derart gebildet, dass er sich von der Kante 11d2 der ersten Hauptfläche 11a des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 zu der Grenze 12d2 zwischen der zweiten Umfangskante 12c2 und der dritten Hauptfläche 12a2 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 erstreckt. In 8 ist der Winkel θ der gleiche Winkel wie der Abweichungswinkel der ersten Hauptfläche 11a.
Wie in 7 gezeigt, können sich in dem Schritt des Bildens der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 Siliziumkarbidkristalle 5 mit einem Polytyp (andere Polytyp-Art), die sich von dem Polytyp des Siliziumkarbids, das die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildet, unterscheidet, in dem Randgebiet gebildet werden. In dem Fall, in dem das Siliziumkarbid, das die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildet, einen Polytyp 4H aufweist, weisen die Siliziumkarbidkristalle 5 beispielsweise einen Polytyp 3C oder 6H auf. In dem Randgebiet des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11, das eine niedrigere Temperatur als der andere Abschnitt des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 aufweist, bilden sich tendenziell Siliziumkarbidkristalle 5 mit einer anderen Polytyp-Art. Im Gegensatz zu den Stapelfehlern 2 bilden sich die Siliziumkarbidkristalle 5 in der Nähe der zweiten Umfangskante 12c2, die ebenfalls der Abweichungsrichtung zugewandt ist.
Wie in 7 und 8 gezeigt, ist jeder Siliziumkarbidkristall 5 beispielsweise eine körnige Masse. Die Siliziumkarbidkristalle 5 werden beispielsweise in der Nähe der Position gebildet, an der eine Ebene, die sich entlang der zweiten Umfangskante 12c2 erstreckt, und eine Ebene, die sich entlang der dritten Hauptfläche 12a2 erstreckt, einander schneiden. Die Siliziumkarbidkristalle 5 können beabstandet von der zweiten Hauptfläche 12b2 ausgebildet sein, während sie in Kontakt mit der zweiten Umfangskante 12c2 und der dritten Hauptfläche 12a2 sind.
Anschließend wird ein Schritt des Entfernens des Randgebiets (S30: 4) durchgeführt. Wie in 10 und 11 gezeigt, wird ein Randgebiet C, das die erste Umfangskante 11c2 und die zweite Umfangskante 12c2 umfasst, entfernt. Das Randgebiet C umfasst ein Randgebiet des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11, das die erste Umfangskante 11c2 enthält, und ein Randgebiet C der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12, die die zweite Umfangskante 12c2 umfasst. Das Entfernen des Randgebiets C kann beispielsweise mit einer Drahtsäge, mittels Laserbearbeitung oder Polieren erfolgen. Vorzugsweise werden in dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C die in dem Randgebiet C vorhandenen Stapelfehler 2 entfernt. Vorzugsweise werden in dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C die in dem Randgebiet C vorhandenen Siliziumkarbidkristalle 5 entfernt. Als Ergebnis der Entfernung des Randgebiets C ist die Kante des Siliziumkarbidsubstrats nun eine Kante 12g3 anstelle der Kante 11d2. Der Gesamtumfang des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 und der Gesamtumfang der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 können derart entfernt werden, dass das Siliziumkarbidsubstrat in Draufsicht nach dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C im Wesentlichen kreisförmig ist. Das Randgebiet C kann derart entfernt werden, dass das Siliziumkarbidsubstrat 10 mit einer Orientierungsabflachung OF versehen ist. Das Randgebiet C kann derart entfernt werden, dass das Siliziumkarbidsubstrat eine Form aufweist, die dem Verfahren nach dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C entspricht. Der Schritt des Entfernens des Randgebiets kann zu Verarbeitungsfehlern der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 führen, wodurch sich Stufenbündelungen auf der dritten Hauptfläche 12a2 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bilden.
Im Nachfolgenden wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Breite W des Randgebiets C, das entfernt werden soll, beschrieben. 12 zeigt eine Beziehung zwischen der Breite L des Stapelfehlers 2 in einer Richtung parallel zur ersten Hauptfläche 11a (siehe 11) und der Dicke der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12. In 12 geben eine Raute, ein Quadrat, ein Dreieck und ein Kreis jeweils an, dass der Abweichungswinkel der ersten Hauptfläche 11a 1°, 2°, 4° und 8° beträgt. Die Breite L des Stapelfehlers 2 wird auf der Grundlage der Dicke der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 und des Abweichungswinkels der ersten Hauptfläche 11a bestimmt. Wie in 12 gezeigt, nimmt die Breite L des Stapelfehlers 2 mit zunehmender Dicke der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 zu. Die Breite L des Stapelfehlers 2 nimmt mit abnehmendem Abweichungswinkel zu. Der Abweichungswinkel der ersten Hauptfläche 11a beträgt beispielsweise nicht weniger als 1° und nicht mehr als 8°. Je kleiner der Abweichungswinkel ist, desto größer ist die Breite L des Stapelfehlers, und umso vorteilhafter ist es somit, das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform zu verwenden. Je größer andererseits der Abweichungswinkel ist, desto geringer ist die Breite des Randgebiets C, das entfernt werden soll. Mit anderen Worten wird ein größerer Abweichungswinkel vom Standpunkt der Bildung eines großen Gerätebildungsbereichs bevorzugt.
Vorzugsweise wird in dem Schritt des Herstellens des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats (S10: 4) ein Höchstdurchmesser A2 der ersten Hauptfläche 11a unter Berücksichtigung der Breite des Randgebiets C in der Richtung parallel zur ersten Hauptfläche 11a bestimmt. Insbesondere wird die Breite L des Stapelfehlers 2 unter Berücksichtigung der Dicke der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 und des Abweichungswinkels der ersten Hauptfläche 11a berechnet. Anschließend wird der Höchstdurchmesser A2 der ersten Hauptfläche 11a derart bestimmt, dass er um die doppelte Breite L des Stapelfehlers 2 größer als ein eigentlich erforderlicher Höchstdurchmesser A1 des Siliziumkarbidsubstrats 10 ist.
Unter der Annahme, dass der Abweichungswinkel der ersten Hauptfläche 11a θ° und die Dicke der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 T μm ist, beträgt beispielsweise eine Breite W des Randgebiets C, das entfernt werden soll, nicht weniger als T2/tan(θ) μm und nicht mehr als (T/tan(θ)) μm + 10 mm. Vorzugsweise beträgt die Breite W nicht weniger als T/tan(θ) und nicht mehr als (T/tan(θ)) μm + 5 mm. Vorzugsweise beträgt nach dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C der Höchstdurchmesser A1 der dritten Hauptfläche 12a2 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 nicht weniger als 100 mm. Der Höchstdurchmesser A1 beträgt nicht weniger als 75 mm, nicht weniger als 150 mm oder nicht weniger als 200 mm. Vor dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C beträgt der Höchstdurchmesser A2 der dritten Hauptfläche 12a2 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 beispielsweise 120 mm. Nach dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C beträgt der Höchstdurchmesser A1 der dritten Hauptfläche 12a2 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 beispielsweise 100 mm.
Anschließend wird ein chemisch-mechanischer Polierschritt auf der dritten Hauptfläche (S40: 4) durchgeführt. Beispielsweise wird der chemisch-mechanische Polierschritt (CMP) auf der dritten Hauptfläche 12a2 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 durchgeführt, um eine Oberflächenschicht 12e, die die dritte Hauptfläche 12a2 umfasst, zu entfernen. Die dritte Hauptfläche 12a1 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 wird dadurch freigelegt. Beispielsweise wird kolloidales Siliziumdioxid als Suspension in dem CMP-Verfahren verwendet. Durch Durchführen des CMP-Verfahrens können die Stufenbündelungen, die auf der dritten Hauptfläche 12a2 gebildet wurden, entfernt werden. Durch Durchführen des CMP-Verfahrens können einige der Z_1/2-Herde 3 und einige der Basalebenenversetzungen 4, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 enthalten sind, entfernt werden. Eine Dicke T2 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 kann unter Berücksichtigung einer Dicke T3 der Oberflächenschicht 12e entlang der Richtung senkrecht zur dritten Hauptfläche 12a2 bestimmt werden. Die Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10, das in 1 gezeigt ist, ist damit abgeschlossen.
Es sollte beachtet werden, dass, obwohl der n-Typ als erster Leitfähigkeitstyp und der p-Typ als zweiter Leitfähigkeitstyp in der obigen Ausführungsform beschrieben wurde, der p-Typ der erste Leitfähigkeitstyp und der n-Typ der zweite Leitfähigkeitstyp sein kann. Als nächstes wird eine Modifikation des Schritts des Entfernens des Randgebiets beschrieben.
Wie in 14 gezeigt, können sich nach dem Schritt des Bildens der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht Stapelfehler 2 in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bilden. Jeder Stapelfehler 2 kann sich von einer Position auf der ersten Hauptfläche 11a, die von der Kante 12d2 des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 beabstandet ist, erstrecken. In dem Schritt des Entfernens des Randgebiets (S30: 4) wird der Stapelfehler 2, wenn die Breite des zu entfernenden Randgebiets C eine Breite W2 ist, an sowohl der Umfangskante 12c1 als auch der dritten Hauptfläche 12a1 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 nach dem Schritt des Entfernens des Randgebiets (siehe 2) freigelegt. Ist die Breite des zu entfernenden Randgebiets C eine Breite W3, wird der Stapelfehler 2 an sowohl der zweiten Hauptfläche 12b als auch der dritten Hauptfläche 12a1 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 nach dem Schritt des Entfernens des Randgebiets (siehe 3) freigelegt. Das in 2 und 3 gezeigte Siliziumkarbidsubstrat 10 kann durch das Entfernen des Randgebiets C, wie zuvor beschrieben, hergestellt werden.
Im Nachfolgenden werden die Funktion und die Wirkung des Siliziumkarbidsubstrats 10 und des Verfahrens zur Herstellung desselben gemäß der Ausführungsform beschrieben.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform können die Stapelfehler, die in dem Randgebiet C in dem Schritt des Bildens der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 gebildet wurden, entfernt werden. Folglich kann der Gerätebildungsbereich wirksam gebildet werden. Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform hat die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 eine Dicke von nicht weniger als 50 μm. Folglich kann der Gerätebildungsbereich in dem Siliziumkarbidsubstrat 10, das die dicke Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 mit einer Dicke von nicht weniger als 50 μm aufweist, wirksam gebildet werden.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform kann nach dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C ein chemisch-mechanischer Polierschritt auf der dritten Hauptfläche 12a2 durchgeführt werden. In dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C kann die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 beschädigt werden, wodurch sich Stufenbündelungen und dergleichen auf der dritten Hauptfläche 12a2 der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bilden, wodurch die dritte Hauptfläche 12a2 aufgeraut wird. Durch Durchführen des chemisch-mechanischen Polierschritts auf der dritten Hauptfläche 12a2 wird die Rauheit der dritten Hauptfläche 12a2 verringert.
Darüberhinaus kann gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform in dem Schritt zur Herstellung des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 der Höchstdurchmesser der ersten Hauptfläche 11a unter Berücksichtigung der Breite des Randgebiets C in der Richtung parallel zur ersten Hauptfläche 11a bestimmt werden. Folglich kann das Siliziumkarbidsubstrat 10 mit einer gewünschten Größe unter Verwendung des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 11 mit einer optimalen Größe hergestellt werden.
Darüberhinaus beträgt gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform, unter der Annahme, dass der Abweichungswinkel der ersten Hauptfläche 11a θ° und die Dicke der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 T μm sind, eine Breite W1 nicht weniger als T/tan(θ) und nicht mehr als (T/tan(θ)) μm + 10 mm. durch Berechnen der Breite des Stapelfehlers auf der Grundlage des Abweichungswinkels der ersten Hauptfläche 11a und der Dicke der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 kann ein großer Gerätebildungsbereich gebildet werden, während die Größe des zu entfernenden Randgebiets C minimiert wird.
Darüberhinaus beträgt gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform der Höchstdurchmesser der dritten Hauptfläche 12a1 nach dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C nicht weniger als 100 mm. Folglich kann ein Gerätebildungsbereich von nicht weniger als 100 mm gebildet werden.
Darüberhinaus kann gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 eine Verunreinigung enthalten, die den p-Typ oder den n-Typ bilden kann. Die Verunreinigung kann eine Konzentration von nicht weniger als 1 × 10¹³ cm^–3 und nicht mehr als 1 × 10¹⁶ cm^–3 aufweisen. Folglich kann eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung mit einer hohen Durchbruchspannung hergestellt werden.
Darüberhinaus können gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform in dem Schritt des Bildens der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 die Stapelfehler 2 in dem Randgebiet C gebildet werden. In dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C werden die Stapelfehler 2 entfernt. Folglich kann der Gerätebildungsbereich sichergestellt werden.
Darüberhinaus können gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbidsubstrats 10 gemäß der Ausführungsform, in dem Schritt des Bildens der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12, die Siliziumkarbidkristalle 5 mit einem Polytyp, der sich von dem Polytyp des Siliziumkarbids, das die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildet, unterscheidet, in dem Randgebiet C gebildet werden. In dem Schritt des Entfernens des Randgebiets C werden die Siliziumkarbidkristalle 5 entfernt. Das Randgebiet C der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12, das mehr Wärme als ein mittlerer Bereich abgibt, weist tendenziell eine niedrigere Temperatur auf. In dem Randgebiet C bilden sich tendenziell somit die Siliziumkarbidkristalle 5 mit einem Polytyp, der sich von dem Polytyp des die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildenden Siliziumkarbids unterscheidet. Die Siliziumkarbidkristalle 5 mit unterschiedlichem Polytyp bewirken, dass sich Teilchen bilden. Die Bildung der Teilchen kann durch Entfernen der Siliziumkarbidkristalle 5 mit unterschiedlichem Polytyp unterdrückt werden.
Gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform bilden sich keine Stapelfehler an der Grenzfläche 12d1 zwischen der Umfangskante 12c1 und der dritten Hauptfläche 12a1. Folglich kann der Gerätebildungsbereich wirksam sichergestellt werden. Gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform hat die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 eine Dicke von nicht weniger 50 μm. Folglich kann der Gerätebildungsbereich in dem Siliziumkarbidsubstrat 10, das die dicke Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 mit einer Dicke von nicht weniger als 50 μm aufweist, wirksam gebildet werden.
Gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform bilden sich keine Siliziumkarbidkristalle 5 mit einem Polytyp, der sich von dem Polytyp des die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildenden Siliziumkarbids unterscheidet, an der Umfangskante 12c1. Das Randgebiet C der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12, die mehr Wärme als der mittlere Bereich abgibt, weist tendenziell eine niedrigere Temperatur auf. In dem Randgebiet C bilden sich somit tendenziell die Siliziumkarbidkristalle 5 mit einem Polytyp, der sich von dem Polytyp des die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildenden Siliziumkarbids unterscheidet. Die Siliziumkarbidkristalle 5 mit unterschiedlichem Polytyp bewirken, dass sich Teilchen bilden. Gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform bilden sich keine Siliziumkarbidkristalle 5 mit einem Polytyp, der sich von dem Polytyp des die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 bildenden Siliziumkarbids unterscheidet, an der Umfangskante 12c1, so dass die Bildung der Teilchen unterdrückt werden kann.
Darüberhinaus beträgt gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform die Dichte der Z_1/2-Herde, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 vorhanden sind, nicht mehr als 5 × 10¹¹ cm^–3. Folglich kann die Trägerlebensdauer verbessert werden.
Darüberhinaus kann gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform die Trägerlebensdauer nicht weniger als 1 Mikrosekunde betragen. Folglich kann die Trägerlebensdauer verbessert werden. Folglich kann bei der Herstellung einer bipolaren Halbleitervorrichtung unter Verwendung des Siliziumkarbidsubstrats 10 der Durchlasswiderstand durch den Effekt der Leitfähigkeitsmodulation verringert werden.
Darüberhinaus weist gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform die dritte Hauptfläche 12a1 eine Mittenrauheit von nicht mehr als 10 nm auf. Folglich kann bei der Herstellung eines MOSFETs oder IGBTs ein Gate-Oxidfilm eine verbesserte Zuverlässigkeit aufweisen.
Darüberhinaus kann gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 eine Verunreinigung umfassen, die den p-Typ oder den n-Typ bilden kann. Die Verunreinigung kann eine Konzentration von nicht weniger als 1 × 10¹³ cm^–3 und nicht mehr als 1 × 10¹⁶ cm^–3 aufweisen. Folglich kann eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung mit einer hohen Durchbruchspannung hergestellt werden.
Darüberhinaus beträgt gemäß dem Siliziumkarbidsubstrat 10 gemäß der Ausführungsform die Dichte der Basalebenenversetzungen 4, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 vorhanden sind, nicht mehr als 10 cm^–3. Während der Verwendung einer bipolaren Vorrichtung, die unter Verwendung des Siliziumkarbidsubstrats 10 hergestellt wird, können Stapelfehler aufgrund der Basalebenenversetzungen 4 auftreten, wodurch sich die Vorwärtsstromcharakteristiken verschlechtern. Durch Einstellen der Dichte der Basalebenenversetzungen 4, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht 12 vorhanden sind, auf nicht mehr als 10 cm^–3 kann die Verschlechterung der Vorwärtsstromcharakteristiken der bipolaren Vorrichtung unterdrückt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats, umfassend: Herstellen eines Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats mit einer ersten Hauptfläche, die bezogen auf eine {0001}-Ebene in einem Winkel angeordnet ist, und einer ersten Umfangskante, die durchgehend mit der ersten Hauptfläche ausgebildet ist; Bilden einer Siliziumkarbid-Epitaxieschicht auf der ersten Hauptfläche, wobei die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht eine zweite Hauptfläche in Kontakt mit der ersten Hauptfläche, eine dritte Hauptfläche gegenüber der zweiten Hauptfläche und eine zweite Umfangskante, die durchgehend mit sowohl der zweiten Hauptfläche als auch der dritten Hauptfläche ausgebildet ist, aufweist; und Entfernen eines Randgebiets mit der ersten Umfangskante und dem zweiten Umfangskante, wobei die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht eine Dicke von nicht weniger als 50 μm in einer Richtung senkrecht zur dritten Hauptfläche aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats nach Anspruch 1, wobei nach dem Entfernen eines Randgebiets ein chemisch-mechanischer Polierschritt auf der dritten Hauptfläche durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei der Herstellung eines Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats ein Höchstdurchmesser der ersten Hauptfläche unter Berücksichtigung einer Breite des Randgebiets in einer Richtung parallel zur ersten Hauptfläche bestimmt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats nach Anspruch 3, wobei unter der Annahme, dass ein Abweichungswinkel der ersten Hauptfläche θ° ist und die Dicke der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht T μm beträgt, die Breite nicht kleiner als T/tan(θ) μm und nicht mehr als (T/tan(θ)) μm + 10 mm ist.
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei nach dem Entfernen eines Randgebiets ein Höchstdurchmesser der dritten Hauptfläche nicht weniger als 100 mm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht eine Verunreinigung enthält, die in der Lage ist, einen p-Typ oder einen n-Typ zu bilden, und die Verunreinigung eine Konzentration von nicht weniger als 1 × 10¹³ cm^–3 und nicht mehr als 1 × 10¹⁶ cm^–3 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bei der Bildung einer Siliziumkarbid-Epitaxieschicht ein Stapelfehler in dem Randgebiet gebildet wird, und beim Entfernen eines Randgebiets der Stapelfehler entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbidsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei beim Bilden einer Siliziumkarbid-Epitaxieschicht ein Siliziumkarbidkristall mit einem Polytyp, der sich von einem Polytyp des die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht bildenden Siliziumkarbids unterscheidet, in dem Randgebiet gebildet wird, und beim Entfernen eines Randgebiets der Siliziumkarbidkristall entfernt wird.
Siliziumkarbidsubstrat, umfassend: ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat mit einer ersten Hauptfläche; und eine Siliziumkarbid-Epitaxieschicht, die auf der ersten Hauptfläche vorgesehen ist, wobei die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht eine zweite Hauptfläche in Kontakt mit der ersten Hauptfläche, eine dritte Hauptfläche gegenüber der zweiten Hauptfläche und eine Umfangskante, die durchgehend mit sowohl der zweiten Hauptfläche als auch der dritten Hauptfläche ausgebildet ist, aufweist, wobei die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht eine Dicke von nicht weniger als 50 μm in einer Richtung senkrecht zu der dritten Hauptfläche aufweist, wobei an einer Grenze zwischen der Umfangskante und der dritten Hauptfläche kein Stapelfehler ausgebildet ist.
Siliziumkarbidsubstrat nach Anspruch 9, wobei kein Siliziumkarbidkristall mit einem Polytyp, der sich von einem Polytyp des die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht bildenden Siliziumkarbids unterscheidet, an der Umfangskante ausgebildet ist.
Siliziumkarbidsubstrat nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Dichte von Z_1/2-Herden, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht vorhanden sind, nicht mehr als 5 × 10¹¹ cm^–3 beträgt.
Siliziumkarbidsubstrat nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei eine Trägerlebensdauer nicht weniger als 1 Mikrosekunde beträgt.
Siliziumkarbidsubstrat nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die dritte Hauptfläche eine Mittenrauheit von nicht mehr als 10 nm aufweist.
Siliziumkarbidsubstrat nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Siliziumkarbid-Epitaxieschicht eine Verunreinigung enthält, die in der Lage ist, einen p-Typ oder einen n-Typ zu bilden, und die Verunreinigung eine Konzentration von nicht weniger als 1 × 10¹³ cm^–3 und nicht mehr als 1 × 10¹⁶ cm^–3 aufweist.
Siliziumkarbidsubstrat nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei eine Dichte von Basalebenenversetzungen, die in der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht vorhanden sind, nicht mehr als 10 cm^–3 beträgt.