DE112016006385T5 - Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat und Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung - Google Patents

Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat und Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung Download PDF

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Hironori Itoh
Taro Nishiguchi
Kenji Hiratsuka
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    • H01L29/045—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their crystalline structure, e.g. polycrystalline, cubic or particular orientation of crystalline planes by their particular orientation of crystalline planes

Abstract

Ein Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat mit einer ersten Hauptfläche; eine erste Siliziumkarbidschicht auf dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat, wobei die erste Siliziumkarbidschicht eine erste Ladungsträgerkonzentration aufweist; und eine zweite Siliziumkarbidschicht auf der ersten Siliziumkarbidschicht, wobei die zweite Siliziumkarbidschicht eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweist, die kleiner als die erste Konzentration ist, wobei die zweite Siliziumkarbidschicht eine zweite Hauptfläche umfasst, die der ersten Hauptfläche gegenüberliegt. In einem Konzentrationsprofil der Ladungsträger entlang einer Schichtrichtung, in der die erste Siliziumkarbidschicht und die zweite Siliziumkarbidschicht geschichtet sind, weist ein Übergangsbereich, in dem die Ladungsträgerkonzentration zwischen der ersten Konzentration und der zweiten Konzentration geändert wird, eine Breite von weniger als oder gleich 1 µm auf. Ein Verhältnis einer Standardabweichung der zweiten Konzentration zu einem Durchschnittswert der zweiten Konzentration beträgt weniger als oder gleich 5%, wobei das Verhältnis als Gleichförmigkeit der zweiten Konzentration in einem mittleren Bereich innerhalb von 60 mm von einer Mitte der zweiten Hauptfläche definiert ist. Der mittlere Bereich hat eine arithmetische Mittenrauheit von weniger als oder gleich 0,5 nm.

Description

  • Titel der Erfindung
  • Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat und Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat und ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung. Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 10. Februar 2016 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-023939 , deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Stand der Technik
  • Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2014-103363 (Patentdokument 1) offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbid-Halbleitersubstrats. Dieses Herstellungsverfahren umfasst das Bilden einer ersten Siliziumkarbidschicht und einer zweiten Siliziumkarbidschicht unter Verwendung eines Ammoniakgases und eines Stickstoffgases als Dotierstoffgas.
  • Zitationsliste
  • Patentdokument
  • PTD 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2014-103363
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat mit einer ersten Hauptfläche; eine erste Siliziumkarbidschicht auf dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat, wobei die erste Siliziumkarbidschicht eine erste Ladungsträgerkonzentration aufweist; und eine zweite Siliziumkarbidschicht auf der ersten Siliziumkarbidschicht, wobei die zweite Siliziumkarbidschicht eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweist, die kleiner als die erste Konzentration ist, wobei die zweite Siliziumkarbidschicht eine zweite Hauptfläche umfasst, die der ersten Hauptfläche gegenüberliegt. In einem Konzentrationsprofil der Ladungsträger entlang einer Schichtrichtung, in der die erste Siliziumkarbidschicht und die zweite Siliziumkarbidschicht geschichtet sind, weist ein Übergangsbereich, in dem die Ladungsträgerkonzentration zwischen der ersten Konzentration und der zweiten Konzentration geändert wird, eine Breite von weniger als oder gleich 1 µm auf. Ein Verhältnis einer Standardabweichung der zweiten Konzentration zu einem Durchschnittswert der zweiten Konzentration ist kleiner oder gleich 5%, wobei das Verhältnis als Gleichförmigkeit der zweiten Konzentration in einem mittleren Bereich innerhalb von 60 mm von einer Mitte der zweiten Hauptfläche definiert ist. Der mittlere Bereich weist eine arithmetische mittlere Rauheit (Sa) von weniger als oder gleich 0,5 nm auf.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine schematische Draufsicht einer Konfiguration eines Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats gemäß der ersten Ausführungsform.
    • 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Konfiguration des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
    • 3 zeigt schematische Draufsicht von Messpositionen für die Ladungsträgerkonzentration.
    • 4 zeigt eine schematische Draufsicht von Messpositionen für Sa und Ra.
    • 5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
    • 6 zeigt eine schematische Ansicht eines Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats.
    • 7 zeigt eine schematische Teilquerschnittsansicht einer Konfiguration einer Filmbildungsvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zur Herstellung des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 8 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
    • 9 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats gemäß einem Vergleichsbeispiel.
    • 10 zeigt ein beispielhaftes Konzentrationsprofil von Stickstoffatomen in dem Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat gemäß der vorliegenden Ausführungsform, das durch das in 8 gezeigte Herstellungsverfahren hergestellt wird.
    • 11 zeigt ein beispielhaftes Konzentrationsprofil von Stickstoffatomen in dem Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat gemäß dem Vergleichsbeispiel, das durch das in 9 gezeigte Herstellungsverfahren hergestellt wird.
    • 12 zeigt einen beispielhaften Substrathalter zum Halten mehrerer Siliziumkarbid-Einkristallsubstrate.
    • 13 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
    • 14 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, die einen ersten Schritt des Verfahrens zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
    • 15 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, die einen zweiten Schritt des Verfahrens zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
    • 16 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, die einen dritten Schritt des Verfahrens zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
  • Ausführliche Beschreibung
  • [Übersicht der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
  • Zunächst wird im Nachfolgenden eine Übersicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Hinsichtlich der kristallographischen Bezeichnungen der vorliegenden Beschreibung wird eine einzelne Orientierung durch [ ], eine Gruppenorientierung durch < >, eine einzelne Ebene durch () und eine Gruppenebene wird durch {} dargestellt. Üblicherweise wird kristallographisch negativer Index durch Setzen eines „-“ (Strich) über einer Zahl dargestellt; jedoch wird in der vorliegenden Beschreibung ein kristallographisch negativer Index durch Setzen eines negativen Vorzeichens vor der Zahl ausgedrückt.
  • (1) Ein Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 mit einer ersten Hauptfläche 11; eine erste Siliziumkarbidschicht 20 auf dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10, wobei die erste Siliziumkarbidschicht 20 eine erste Ladungsträgerkonzentration aufweist; und eine zweite Siliziumkarbidschicht 30 auf der ersten Siliziumkarbidschicht 20, wobei die zweite Siliziumkarbidschicht 30 eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweist, die kleiner als die erste Konzentration ist, wobei die zweite Siliziumkarbidschicht 30 eine zweite Hauptfläche 31 gegenüber der ersten Hauptfläche umfasst. In einem Konzentrationsprofil der Ladungsträger entlang einer Schichtrichtung 104, in der die erste Siliziumkarbidschicht 20 und die zweite Siliziumkarbidschicht 30 geschichtet sind, weist ein Übergangsbereich 34, in dem sich die Ladungsträgerkonzentration zwischen der ersten Konzentration und der zweiten Konzentration ändert, eine Breite 105 von weniger als oder gleich 1 µm auf. Ein Verhältnis einer Standardabweichung der zweiten Konzentration zu einem Durchschnittswert der zweiten Konzentration beträgt weniger als oder gleich 5%, wobei das Verhältnis als Gleichförmigkeit der zweiten Konzentration in einem mittleren Bereich 5 innerhalb von 60 mm von einer Mitte O der zweiten Hauptfläche 31 definiert ist. Der mittlere Bereich weist eine arithmetische Mittenrauheit (Sa) von weniger als oder gleich 0,5 nm auf.
  • Ein Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat wird zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung verwendet. Das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat wird benötigt, um sowohl eine Gleichförmigkeit der Ladungsträgerkonzentration in der Ebene als auch eine Verringerung der Oberflächenrauheit zu erzielen. Zudem wird das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat benötigt, um eine steile Änderung der Ladungsträgerkonzentration an einer Grenzfläche zwischen der ersten Siliziumkarbidschicht und der zweiten Siliziumkarbidschicht zu erzielen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat realisiert werden, das eine Verbesserung der Gleichförmigkeit der Ladungsträgerkonzentration in der Ebene und eine Verringerung der Oberflächenrauheit ermöglicht und das eine Ladungsträgerkonzentration aufweist, die sich in einem Übergangsbereich zwischen der ersten Siliziumkarbidschicht und der zweiten Siliziumkarbidschicht steil ändert.
  • (2) In dem Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 gemäß Punkt (1) beträgt die Breite des Übergangsbereichs 34 weniger als oder gleich 0,5 µm.
  • (3) In dem Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 gemäß Punkt (1) oder (2) beträgt die Gleichförmigkeit der zweiten Konzentration weniger als oder gleich 3%.
  • (4) In dem Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 gemäß einem der Punkte (1) bis (3) beträgt die arithmetische Mittenrauheit des mittleren Bereichs 5 weniger als oder gleich 0,3 nm.
  • (5) In dem Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 gemäß einem der Punkte (1) bis (4) beträgt das Verhältnis der Standardabweichung der zweiten Konzentration zu dem Mittelwert der zweiten Konzentration in einer Tiefenrichtung 103 der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 an einem beliebigen Punkt im mittleren Bereich 5 weniger als oder gleich 20%.
  • (6) Ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: Herstellen des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats 100 gemäß einem der Punkte (1) bis (5); und Bearbeiten des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats 100.
  • [Überblick über die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
  • Im Nachfolgenden werden die Einzelheiten der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung werden die gleichen oder entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht wiederholt beschrieben.
  • (Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat)
  • Wie in 1 und 2 gezeigt, umfasst das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10, eine erste Siliziumkarbidschicht 20 und eine zweite Siliziumkarbidschicht 30. Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 weist eine erste Hauptfläche 11 auf. Die zweite Siliziumkarbidschicht 30 weist eine zweite Hauptfläche 31 auf. Die zweite Hauptfläche 31 ist gegenüber der ersten Hauptfläche 11 angeordnet.
  • Das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 kann eine erste Abflachung, die sich in einer ersten Richtung 101 erstreckt, und/oder eine zweite Abflachung, die sich in einer zweiten Richtung 102 erstreckt, umfassen. Die erste Richtung 101 ist beispielsweise eine <11-20>-Richtung. Die zweite Richtung 102 ist beispielsweise eine <1-100>-Richtung.
  • Die zweite Hauptfläche 31 weist einen Höchstdurchmesser 151 (Durchmesser) von beispielsweise mehr als oder gleich 150 mm auf. Der Höchstdurchmesser 151 kann größer als oder gleich 200 mm oder größer als oder gleich 250 mm sein. Der obere Grenzwert des Höchstdurchmessers 151 ist nicht besonders beschränkt. Der obere Grenzwert des Höchstdurchmessers 151 kann beispielsweise 300 mm betragen.
  • Die zweite Hauptfläche 31 umfasst einen Außenumfangsbereich 4, einen mittleren Bereich 5, der von dem Außenumfangsbereich 4 umgeben ist, und eine äußere Kante 3. Der mittlere Bereich 5 ist ein Bereich, der einen Abstand innerhalb von 60 mm von einem Mittelpunkt O der zweiten Hauptfläche 31 aufweist.
  • Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 ist aus einem Siliziumkarbid-Einkristall gebildet. Der Siliziumkarbid-Einkristall weist beispielsweise einen Polytyp 4H-SiC auf. 4H-SiC ist anderen Polytypen in Hinblick auf die Elektronenbeweglichkeit, die dielektrische Festigkeit und dergleichen, überlegen. Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 enthält Stickstoff (N) als eine n-Verunreinigung. Der Leitfähigkeitstyp des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 10 ist der n-Typ.
  • Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 umfasst eine dritte Hauptfläche 12 gegenüber der ersten Hauptfläche 11. Die dritte Hauptfläche 12 entspricht einer {0001}-Ebene oder einer Ebene, die um beispielsweise um weniger als oder gleich 8° bezogen auf die {0001}-Ebene geneigt ist. Ist die dritte Hauptfläche 12 bezogen auf die {0001}-Ebene geneigt, ist beispielsweise eine Normallinie der dritten Hauptfläche 12 in die <11-20>-Richtung geneigt.
  • Die erste Siliziumkarbidschicht 20 ist eine Epitaxialschicht, die auf dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 gebildet ist. Die erste Siliziumkarbidschicht 20 ist auf der dritten Hauptfläche 12 angeordnet. Die zweite Siliziumkarbidschicht 30 ist eine Epitaxieschicht, die auf der ersten Siliziumkarbidschicht 20 gebildet ist.
  • Der Leitfähigkeitstyp von sowohl der ersten Siliziumkarbidschicht 20 als auch der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 ist der n-Typ. Sowohl die erste Siliziumkarbidschicht 20 als auch die zweite Siliziumkarbidschicht 30 umfassen Stickstoffatome als eine n-Verunreinigung.
  • Die Ladungsträgerkonzentration in der ersten Siliziumkarbidschicht 20 kann niedriger als die Ladungsträgerkonzentration in dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 sein. Die Ladungsträgerkonzentration in der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 ist niedriger als die Ladungsträgerkonzentration in der ersten Siliziumkarbidschicht 20.
  • Beispielsweise beträgt die Ladungsträgerkonzentration in dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 etwa 1 × 1019 cm-3. Die Ladungsträgerkonzentration in der ersten Siliziumkarbidschicht 20 beträgt etwa 1 × 1017 bis 1 × 1019 cm-3. Die Ladungsträgerkonzentration in der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 beträgt beispielsweise weniger oder gleich 1 × 1016 cm-3.
  • In der nachfolgenden Beschreibung wird eine Richtung, die senkrecht zu der zweiten Hauptfläche 31 verläuft und sich von der zweiten Hauptfläche 31 in Richtung der dritten Hauptfläche 12 erstreckt, als „Tiefenrichtung“ bezeichnet. Andererseits bezeichnet der Begriff „Schichtrichtung“ eine Richtung gegenüber der „Tiefenrichtung“, das heißt, eine Richtung, in der die erste Siliziumkarbidschicht 20 und die zweite Siliziumkarbidschicht 30 in dieser Reihenfolge geschichtet sind. In 2 sind eine Tiefenrichtung 103 und eine Schichtrichtung 104 durch Pfeile dargestellt.
  • Zwischen der ersten Siliziumkarbidschicht 20 und der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 ist ein Übergangsbereich 34 vorhanden. Der Übergangsbereich 34 ist als ein Bereich definiert, in dem sich die Ladungsträgerkonzentration von einer ersten Konzentration zu einer zweiten Konzentration entlang der Schichtrichtung ändert. Die Breite 105 des Übergangsbereichs 34 kann als die Länge des Übergangsbereichs 34 in der Schichtrichtung definiert werden. Die Breite 105 beträgt weniger als oder gleich 1 µm und vorzugsweise weniger als oder gleich 0,5 µm.
  • (Gleichförmigkeit der Ladungsträgerkonzentration in der Ebene)
  • Die Ladungsträgerkonzentration in der Ebene in dem mittleren Bereich 5 beträgt weniger als oder gleich 5%. Die Gleichförmigkeit in der Ebene ist ein Verhältnis (σ/ave) einer Standardabweichung der Ladungsträgerkonzentration der Ladungsträgerkonzentration der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 zu einem Durchschnittswert der Ladungsträgerkonzentration der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 in einer Richtung parallel zu der zweiten Hauptfläche 31. Die Gleichförmigkeit der Ladungsträgerkonzentration in der Ebene beträgt vorzugsweise weniger als oder gleich 3%.
  • Die Ladungsträgerkonzentration im mittleren Bereich 5 wird unter Verwendung einer C-V-Messvorrichtung, die beispielsweise ein Quecksilbersondenverfahren verwendet, gemessen. Die Fläche der Sonde beträgt beispielsweise 0,01 cm2. Wie in 3 gezeigt, wird die Messung an Messpositionen durchgeführt, die beispielsweise erhalten werden, indem ein zweites Liniensegment 7, das sich durch den Mittelpunkt O und parallel zu der ersten Richtung 101 erstreckt, in 12 im Wesentlichen gleiche Abschnitte unterteilt wird. In ähnlicher Weise wird die Messung an Messpositionen durchgeführt, die erhalten werden, indem ein erstes Liniensegments 6, das sich durch den Mittelpunkt O und parallel zur zweiten Richtung 102 erstreckt, in 12 im Wesentlichen gleiche Abschnitte geteilt wird. Der Mittelpunkt O dient als eine Messposition. Die Ladungsträgerkonzentration wird an insgesamt 25 Messpositionen (schraffiert dargestellte Bereiche) im mittleren Bereich 5 gemessen. Auf der Grundlage des Messergebnisses an den insgesamt 25 Messpositionen wird der Durchschnittswert und die Standardabweichung der Ladungsträgerkonzentration berechnet.
  • Wie in 2 gezeigt, umfasst die zweite Siliziumkarbidschicht 30 einen Oberflächenschichtbereich 32 und einen darunterliegenden Schichtbereich 33. Der Oberflächenschichtbereich 32 ist ein Bereich innerhalb von 10 µm von der zweiten Hauptfläche 31 in Richtung der dritten Hauptfläche 12 in der Richtung senkrecht zu der zweiten Hauptfläche 31. Eine Messtiefe wird gemäß einer angelegten Spannung eingestellt. Der darunterliegende Schichtbereich 33 ist ein Bereich, der zwischen dem Oberflächenschichtbereich 32 und der ersten Siliziumkarbidschicht 20 angeordnet ist.
  • Die Ladungsträgerkonzentration wird auf dem Oberflächenschichtbereich 32 gemessen. Die Messdaten werden aufgetragen, wobei die Vertikalachse 1/C2 und die Horizontalachse V darstellen. Auf der Grundlage einer Neigung einer geraden Linie der Messdaten wird die Ladungsträgerkonzentration geschätzt.
  • (Arithmetische Mittenrauheit: Ra)
  • Der mittlere Bereich 5 weist eine arithmetische Mittenrauheit (Ra) von weniger als oder gleich 1 nm auf. Die arithmetische Mittenrauheit (Ra) kann mit einem AFM (Rasterkraftmikroskop) gemessen werden. Ein Messbereich der arithmetischen Mittenrauheit (Ra) ist beispielsweise ein quadratischer Bereich von 5 µm × 5 µm. Die arithmetische Mittenrauheit (Ra) des mittleren Bereichs 5 ist beträgt vorzugsweise weniger als oder gleich 0,3 nm und noch bevorzugter weniger als oder gleich 0,2 nm.
  • Wie in 4 gezeigt, wird angenommen, dass in dem mittleren Bereich 5 ein erstes Liniensegment 6, das sich durch den Mittelpunkt O der zweiten Hauptfläche 31 und parallel zu der ersten Richtung 101 erstreckt, und ein zweites Liniensegment 7, das sich durch den Mittelpunkt O der zweiten Hauptlinie 31 und parallel zu der zweiten Richtung 102 erstreckt, vorgesehen sind. Die arithmetische Mittelrauhigkeit Ra wird in den folgenden Bereichen gemessen: in quadratischen Bereichen mit Punkten, die auf dem ersten Linienabschnitt 6 angeordnet sind und durch einen bestimmten Abstand nach links und rechts von dem Mittelpunkt O getrennt sind; quadratische Bereiche mit Punkten, die auf dem zweiten Liniensegment 7 angeordnet sind und durch eine bestimmten Abstand nach oben und unten von dem Mittelpunkt O getrennt sind; und einem quadratischen Bereich, der den Mittelpunkt O umfasst. Beispielsweise wird die arithmetische Mittenrauheit Ra in den folgenden Bereichen gemessen: in quadratischen Bereichen, die an beiden Seiten angeordnet sind, um den Mittelpunkt O auf dem ersten Liniensegment 6 dazwischen aufzunehmen, in quadratischen Bereiche, die an beiden Seiten angeordnet sind, um den Mittelpunkt O auf dem zweiten Liniensegment 7 dazwischen aufzunehmen; und in dem quadratischen Bereich, der den Mittelpunkt O aufweist (das heißt, insgesamt in fünf Messbereichen, die in 4 schraffiert dargestellt sind).
  • (Arithmetische Mittenrauheit: Sa)
  • Eine arithmetische mittlere Rauhigkeit (Sa) des mittleren Bereichs 5 beträgt weniger als oder gleich 1 nm. Die arithmetische Mittenrauheit (Sa) ist ein Parameter, der erhalten wird, indem die zweidimensionale arithmetische Mittenrauheit (Ra) auf drei Dimensionen ausgedehnt wird. Die arithmetische Mittenrauheit (Sa) kann beispielsweise unter Verwendung eines Weißlicht-Interferometriemikroskops gemessen werden. Als das Weißlicht-Interferometriemikroskop kann beispielsweise das BW-D507 von Nikon verwendet werden. Ein Messbereich für die arithmetische Mittenrauheit (Sa) ist beispielsweise ein quadratischer Bereich von 255 µm × 255 µm. Die arithmetische Mittenrauheit (Sa) des mittleren Bereichs 5 beträgt vorzugsweise weniger als oder gleich 0,5 nm und noch bevorzugter weniger als oder gleich 0,3 nm. Beispielsweise wird die arithmetische Mittenrauheit Sa in fünf quadratischen Bereichen, die in 4 gezeigt sind, gemessen.
  • (Breite des Übergangsbereichs)
  • Beispielsweise kann die Ladungsträgerkonzentration entlang der Tiefenrichtung 103 des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats 100 durch Messen einer Stickstoffkonzentration unter Verwendung von SIMS (Sekundärionen-Massenspektrometrie) gemessen werden. Als SIMS kann beispielsweise das IMS7f von Cameca verwendet werden. Beispielsweise können die nachfolgenden Messbedingungen verwendet werden: O2 + wird als ein Primärion verwendet; und es wird eine Primärionenenergie von 8 keV verwendet. Es sollte beachtet werden, dass bei der Messung unter Verwendung des SIMS die Stickstoffkonzentration bestimmt wird. Die Ladungsträgerkonzentration wird durch Subtrahieren der p-Verunreinigungskonzentration, die als eine Kompensationsverunreinigung dient, von der Stickstoffkonzentration bestimmt; jedoch ist die p-Verunreinigungskonzentration auf eine im Wesentlichen vernachlässigbare Menge reduziert, und daher wird die Stickstoffkonzentration als die Ladungsträgerkonzentration angenommen.
  • Die Stickstoffkonzentration von sowohl der ersten Siliziumkarbidschicht 20 als auch der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 kann wie folgt bestimmt werden. In jeder der Schichten wird die Stickstoffkonzentration bis zu einer Tiefe von wenigstens 0,1 µm gemessen. Mehrere Werte, die durch die Messung erhalten werden, werden gemittelt. Auf diese Weise wird die Stickstoffkonzentration in jeder Schicht bestimmt. Es kann ein Prozess, wie Glättung oder Interpolation, an dem Messergebnis durchgeführt werden, um die Stickstoffkonzentration zu bestimmen.
  • (Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats)
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Wie in 5 gezeigt, wird zunächst ein Schritt (110) zur Herstellung eines Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats durchgeführt. Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 ist beispielsweise aus einem hexagonalen Siliziumkarbid mit einem Polytyp 4H gebildet. Wie in 6 gezeigt, wird das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 mit einer ersten Hauptfläche 11 und der dritten Hauptfläche 12 vorbereitet. Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 wird durch Schneiden eines Ingots, der aus einem Siliziumkarbid-Einkristall gebildet ist, der durch ein Sublimationsverfahren hergestellt ist, gebildet.
  • Die dritte Hauptfläche 12 entspricht einer Ebene, die um einen Versetzungswinkel bezogen auf eine gegenüber einer Basalebene geneigt ist. Die Basalebene ist beispielsweise die {0001}-Ebene und insbesondere eine (0001)-Si-Ebene. Der Versetzungswinkel beträgt beispielsweise mehr als oder gleich 2° und weniger als oder gleich 8°. Die Versetzungsrichtung kann die <1-100>-Richtung oder die <11-20>-Richtung sein.
  • Anschließend wird das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 in eine Filmbildungsvorrichtung gelegt. In der Filmbildungsvorrichtung wird ein Schritt (120) zum Bilden der ersten Siliziumkarbidschicht 20 durchgeführt. Anschließend wird ein Schritt (130) des Bildens der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 in der Filmbildungsvorrichtung durchgeführt.
  • 7 zeigt eine schematische Teilquerschnittsansicht einer Konfiguration der Filmbildungsvorrichtung 40 zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Filmbildungsvorrichtung 40 ist beispielsweise eine CVD- (Chemische Dampfabscheidungs-) Vorrichtung. Wie in 7 gezeigt, umfasst die Filmbildungsvorrichtung 40 hauptsächlich ein Heizelement 41, einen Wärmeisolator 42, eine Quarzröhre 43, eine Induktionsheizspule 44, einen Substrathalter 46, Gaszuführquellen 51 bis 54, Rohre 61, 63, ein Ventil 64 und eine Absaugpumpe 65.
  • Das Heizelement 41 hat eine hohle Struktur und weist eine Reaktionskammer 45 darin auf. Das Wärmeisolierelement 42 ist derart angeordnet, dass es die Außenumfangsfläche des Heizelements 41 umgibt. Das Quarzrohr 43 ist derart angeordnet, dass es die Umfangsfläche des Wärmeisolators 42 umgibt. Die Induktionsheizspule 44 ist derart vorgesehen, dass sie um den Außenumfang des Quarzrohrs 43 gewickelt ist. Das Heizelement 41, der Wärmeisolator 42 und die Induktionsheizspule 44 sind Elemente einer Heizstruktur zum Heizen der Reaktionskammer 45.
  • Der Substrathalter 46 wird in die Reaktionskammer 45 gelegt. Der Substrathalter 46 weist eine Vertiefung zum Halten des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 10 darin auf. Das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 wird derart in die Vertiefung des Substrathalters 46 gelegt, dass die dritte Hauptfläche 12 am Substrathalter 46 freiliegt. Der Substrathalter 46 ist beispielsweise ein Suszeptor.
  • Die Gasversorgungsquelle 51 führt Wasserstoff (H2) als ein Trägergas zu. Jede der Gasversorgungsquellen 52, 53 führt ein Ausgangsmaterialgas zu. In der vorliegenden Erfindung führt die Gasversorgungsquelle 52 Silan (SiH4)-Gas und die Gasversorgungsquelle 53 Propan (C3H8)-Gas zu. Die Gaszufuhrquelle 52 kann anstelle von Silan ein anderes Gas, das Siliziumatome enthält, zuführen. Weitere Beispiele des Gases, das Siliziumatome enthält, umfassen Siliziumtetrachlorid (SiCl4), Trichlorsilan (SiHCl3)-Gas und Dichlorsilan (SiH2Cl2)-Gas.
  • Die Gasversorgungsquelle 54 führt Ammoniak (NH3)-Gas als ein Dotierstoffgas zu. Durch Verwenden des Ammoniakgases wird erwartet, dass sich die Gleichmäßigkeit der Ladungsträgerkonzentration des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats in der Ebene und die Flachheit davon in der Ebene verbessern.
  • Das Ammoniakgas wird in der Reaktionskammer 45 erhitzt. Es kann eine Vorheizstruktur zum Heizendes Ammoniakgases vor dem Zuführen des Ammoniakgases in die Reaktionskammer 45 vorgesehen sein.
  • Das Rohr 61 ist derart ausgebildet, dass es in einen Gaseinlass 47 Mischgas 80, das das Ladungsträgergas, das Ausgangsmaterialgas und das Ammoniakgas enthält, einbringt. Das Rohr 63 ist so konfiguriert, dass es mit dem Gasauslass 48 verbunden ist und das Gas aus der Reaktionskammer 45 abgibt. Die Absaugpumpe 65 ist mit dem Rohr 63 verbunden. Das Ventil 64 ist an dem Rohr 63 vorgesehen.
  • Im Nachfolgenden werden Einzelheiten einer Reihe von Prozessen einschließlich des Schritts 120 und des Schritts 130 beschrieben, die durch die Filmbildungsvorrichtung 40 durchgeführt werden. Wie in 7 und 8 gezeigt, wird zu einem Zeitpunkt t1 das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 auf dem Substrathalter angeordnet. Zum Zeitpunkt t1 ist eine Temperatur in der Reaktionskammer 45 T1 und ein Druck in der Reaktionskammer 45 beispielsweise ein atmosphärischer Druck. Die Temperatur T1 ist beispielsweise auf Zimmertemperatur eingestellt.
  • Zu einem Zeitpunkt t2 beginnt sich der Druck in der Reaktionskammer 45 zu verringern. Zu einem Zeitpunkt t3 erreicht der Druck in der Reaktionskammer 45 einen Druck P1. Der Druck P1 beträgt beispielsweise etwa 1 × 10-6 Pa.
  • Zu einem Zeitpunkt t3 beginnt die Temperatur der Reaktionskammer 45 zu steigen. Das Heizelement 41 wird durch einen elektromagnetischen Induktionseffekt induktiv erwärmt, indem der Induktionsheizspule 44 ein Hochfrequenzstrom zugeführt wird. Dementsprechend werden der Substrathalter 46 und das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 erwärmt.
  • Während einer Zeitdauer von einem Zeitpunkt t4 bis zu einem Zeitpunkt t5 wird die Temperatur in der Reaktionskammer 45 auf einer Temperatur T2 gehalten. Die Temperatur T2 beträgt beispielsweise 1100°C. Die Haltezeit (die Zeitdauer von dem Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5) beträgt beispielsweise 10 Minuten. Durch Einstellen der Haltezeit wird erwartet, dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem Substrathalter 46 und dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 klein wird. Daher wird erwartet, dass eine Temperaturverteilung in der Ebene des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 10 gleichförmig wird.
  • Zum Zeitpunkt t5 wird die Temperatur der Reaktionskammer 45 erneut erhöht. In der vorliegenden Erfindung wird ab dem Zeitpunkt t5 Wasserstoff (H2)-Gas in die Reaktionskammer 45 geleitet. Die Strömungsrate des Wasserstoffgases beträgt beispielsweise etwa 120 slm. Die Einheit „slm“ für die Strömungsrate gibt „L/min“ in einem Standardzustand (0°C; 101,3 kPa) an. Mit diesem Vorgang wird erwartet, dass beispielsweise Stickstoff reduziert wird, der in der Reaktionskammer 45 verbleibt. Ferner wird die dritte Hauptfläche 12 des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 10 durch den Wasserstoff geätzt. Durch das Zuführen des Wasserstoffgases ändert sich der Druck in der Reaktionskammer 45 von dem Druck P1 auf einen Druck P2. Der Druck P2 beträgt beispielsweise 80 mbar (8 kPa).
  • Nachdem die Temperatur der Reaktionskammer 45 eine Temperatur T3 erreicht, wird die Temperatur der Reaktionskammer 45 auf der Temperatur T3 für eine bestimmte Zeit aufrechterhalten. Die Temperatur T3 beträgt beispielsweise 1630°C. Die Temperatur T3 ist eine Wachstumstemperatur, bei der das epitaktische Wachstum erfolgt.
  • Ein Prozess von einem Zeitpunkt t6 zu einem Zeitpunkt t7 entspricht dem Prozess des Schritts 120. Ab dem Zeitpunkt t6 werden das Ausgangsmaterialgas (Silangas und Propan) und das Dotierstoffgas (Ammoniakgas) in die Reaktionskammer 45 eingeführt.
  • Es sollte beachten werden, dass kein Stickstoffgas (N2-Gas) für das Dotierstoffgas in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Dementsprechend ist in 8 die Strömungsrate des Stickstoffgases als 0 sccm dargestellt. Die Strömungsrate des Stickstoffgases (N2-Gas) ist in 8 zum Vergleich mit jener in einem nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahren dargestellt.
  • Die erste Siliziumkarbidschicht 20 wird durch epitaktisches Wachsen auf dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 gebildet. Beispielsweise beträgt die Ladungsträgerkonzentration der ersten Siliziumkarbidschicht 20 1 × 1018 cm-3. Während der Zeitdauer vom Zeitpunkt t6 bis zum Zeitpunkt t7 beträgt die Strömungsrate des Wasserstoffgases 120 slm, die Strömungsrate des Silangases 46 sccm, die Strömungsgeschwindigkeit des Propangases 14 sccm und die Strömungsrate des Ammoniakgases 0,7 sccm. Ein Volumenverhältnis (N/SiH4) von Silangas zu Ammoniakgas beträgt 0,015.
  • Ein C/Si-Verhältnis in dem Ausgangsmaterialgas beträgt beispielsweise 0,9. Die Dicke der ersten Siliziumkarbidschicht 20 beträgt beispielsweise 1 µm. Die Zeitdauer vom Zeitpunkt t6 bis zum Zeitpunkt t7 beträgt beispielsweise 3 Minuten. Während der Bildung der ersten Siliziumkarbidschicht 20 durch epitaktisches Aufwachsen wird der Substrathalter 46 gedreht.
  • Ein Prozess vom Zeitpunkt t7 bis zu Zeitpunkt t8 entspricht dem Prozess des Schritts 130. In Schritt 130 wird die zweite Siliziumkarbidschicht 30 auf der ersten Siliziumkarbidschicht 20 mittels epitaktischen Wachstums gebildet. Während der Zeitdauer vom Zeitpunkt t7 bis zum Zeitpunkt t8 beträgt die Strömungsrate des Wasserstoffgases 120 slm, die Strömungsrate des Silangases 46 sccm, die Strömungsgeschwindigkeit des Propangases 15 sccm und die Strömungsgeschwindigkeit des Ammoniakgases 3,0 × 10-3 sccm. Ein C/Si-Verhältnis in dem Ausgangsmaterialgas beträgt beispielsweise 1,0. Die Dicke der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 beträgt beispielsweise 15 µm. Die Zeitdauer vom Zeitpunkt t7 bis zunächst Zeitpunkt t8 beträgt beispielsweise 31 Minuten. Während der Bildung der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 durch epitaktisches Aufwachsen wird der Substrathalter 46 gedreht.
  • Vorzugsweise wird in den Schritten 120, 130 die Temperatur des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 10 in der Richtung in der Ebene gleichförmig gehalten. Insbesondere wird während der Zeitdauer vom Zeitpunkt t6 bis zum Zeitpunkt t8 eine Differenz zwischen der Höchsttemperatur und der Mindesttemperatur auf weniger als oder gleich 10°C in der dritten Hauptfläche 12 des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 10 gehalten.
  • In wenigstens einem der Schritte 120, 130 kann ein Gas auf Chlorbasis (beispielsweise HCI-Gas) in das Mischgas 80 gemischt werden. Durch Einbringen des Gases auf Chlorbasis in die Reaktionskammer 45 wird erwartet, dass sich die Wachstumsgeschwindigkeit der Siliziumkarbidschicht erhöht.
  • Zum Zeitpunkt t8 wird das Zuführen des Silangases, des Propangases und des Ammoniakgases angehalten, wodurch der Schritt 130 endet. Anschließend wird ein Kühlschritt durchgeführt. Beispielsweise wird während einer Zeitdauer vom Zeitpunkt t8 bis zu einem Zeitpunkt t9 die Temperatur des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats 100 von der Temperatur T3 auf die Temperatur T1 abgesenkt. Die Zeitdauer von dem Zeitpunkt t8 bis zum Zeitpunkt t9 beträgt beispielsweise 60 Minuten. Die Temperatur T3 beträgt beispielsweise 1600°C. Eine Kühlrate des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats 100 beträgt beispielsweise (1600-100)°C/1 Stunde = 1500°C/Stunde. Die Kühlrate in dem Kühlschritt kann weniger als oder gleich 1500°C/Stunde, weniger als oder gleich 1300°C/Stunde, oder weniger als oder gleich 1000°C/Stunde betragen.
  • Während einer Zeitdauer vom Zeitpunkt t9 bis zu einem Zeitpunkt t10 wird der Druck in der Reaktionskammer 45 auf Atmosphärendruck gehalten, und die Temperatur in der Reaktionskammer 45 wird auf Zimmertemperatur gehalten. Nachdem die Temperatur des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats 100 in etwa Zimmertemperatur erreicht hat, wird das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 aus der Reaktionskammer 45 entfernt. Durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren wird das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 fertiggestellt.
  • Es sollte beachten werden, dass der Druck in der Reaktionskammer 45 in dem Kühlschritt verringert werden kann. Der Druck in der Reaktionskammer 45 kann von 100 mbar (10 kPa) auf 10 mbar (1 kPa) in beispielsweise etwa 10 Minuten verringert werden.
  • Ein Stickstoffgas kann als das Dotierstoffgas zur Bildung der n-Siliziumkarbidschicht verwendet werden. Ein Vergleichsbeispiel zu dem Herstellungsverfahren der 7 ist in 9 gezeigt. gemäß dem Herstellungsverfahren in 9 wird in Schritt 120 Stickstoffgas als das Dotierstoffgas anstelle des Ammoniakgases verwendet. Die Strömungsrate des Stickstoffgases beträgt beispielsweise 700 sccm. Die anderen Bedingungen sind die gleichen wie die in 8 gezeigten Bedingungen und werden somit nicht wiederholt beschrieben.
  • 10 zeigt ein beispielhaftes Konzentrationsprofil von Stickstoffatomen in dem Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat gemäß der vorliegenden Ausführungsform, das durch Herstellungsverfahren der 8 hergestellt wird. In dem in 10 gezeigten Beispiel beträgt die Breite 105 des Übergangsbereichs 34 etwa 0,5 µm. In Tiefenrichtung 103 der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 beträgt das Verhältnis der Standardabweichung der Stickstoffkonzentration zum Durchschnittswert der Stickstoffkonzentration weniger als oder gleich 20%.
  • 11 zeigt ein beispielhaftes Konzentrationsprofil der Stickstoffatome in dem Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat gemäß dem Vergleichsbeispiel, das durch das in 9 gezeigte Herstellungsverfahren hergestellt wird. In dem in 11 gezeigten Verfahren beträgt die Breite 105 des Übergangsbereichs 34 in etwa 2,0 µm.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Siliziumkarbidschicht mit dem niedrigen C/Si-Verhältnis epitaktischen gewachsen. Dementsprechend ist zu erwarten, dass die Bildung von Stufenbündeln (step bunching) unterdrückt wird. Somit ist zu erwarten, dass sich die Ebenheit der zweiten Hauptfläche 31 des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats 100 verbessert.
  • Ist andererseits das C/Si-Verhältnis niedrig, ist es wahrscheinlich, dass Stickstoffatome aufgrund eines Stellenwettkampfeffekts (engl. site competition effect) in der Siliziumkarbidschicht enthalten sind. Verbleiben die Stickstoffatome in der Reaktionskammer 45, können sich vermutlich die Stickstoffatome in der Siliziumkarbidschicht, die gewachsen wird, befinden.
  • Wird das Stickstoffgas für das Dotierstoffgas verwendet, ist es wahrscheinlich, dass Stickstoffatome in der Reaktionskammer 45 verbleiben. Dies liegt daran, dass die Temperatur zur ausreichenden thermischen Zersetzung des Stickstoffgases wahrscheinlich höher als die Temperatur zur thermischen Zersetzung des Ammoniakgases ist. Wird als das Dotierstoffgas das Stickstoffgas bei der Bildung der ersten Siliziumkarbidschicht 20 verwendet, können die Stickstoffatome, die in der Reaktionskammer 45 verbleiben, in die zweite Siliziumkarbidschicht 30 während des Wachsens der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 eingebracht werden.
  • Die zweite Siliziumkarbidschicht 30 wird derart gebildet, dass die Ladungsträgerkonzentration der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 niedriger als die Ladungsträgerkonzentration der ersten Siliziumkarbidschicht 20 wird. Es ist wünschenswert, dass die Ladungsträgerkonzentration zwischen der ersten Siliziumkarbidschicht 20 und der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 steil geändert wird. Da jedoch die Stickstoffatome, die in der Reaktionskammer 45 verbleiben, in die zweite Siliziumkarbidschicht 30 eingebracht werden, verändert sich die Ladungsträgerkonzentration von der ersten Konzentration zur zweiten Konzentration nach und nach, wie in 11 gezeigt. Somit ist die Breite 105 des Übergangsbereichs 34 groß. Mit zunehmender Breite 105 des Übergangsbereichs 34 verringert sich die wesentliche Dicke der zweiten Siliziumkarbidschicht 30.
  • Wie in 10 gezeigt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung das Ammoniakgas als Dotierstoffgas in jedem der Schritte 120, 130 verwendet. Da das Ammoniakgas in Schritt 120 hinreichend thermisch zersetzt wird, wird eine größere Stickstoffatommenge in die Siliziumkarbidschicht eingebracht, und es kann die Stickstoffatommenge, die in der Reaktionskammer 45 verbleibt, verringert werden. Somit wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Änderung der Ladungsträgerkonzentration an einer Grenzfläche zwischen der ersten Siliziumkarbidschicht 20 und der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 steil. Mit anderen Worten kann die Breite 105 des Übergangsbereichs 34 klein sein.
  • Gemäß dem Konzentrationsprofil der 10 wird in dem Übergangsbereich 34 die Stickstoffkonzentration im Wesentlichen monoton geändert. Jedoch ist das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht beschränkt. Beispielsweise kann der Übergangsbereich 34 der Stickstoffkonzentration schrittweise geändert werden.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich ein Schritt des Absaugens des Inneren der Reaktionskammer 45 unter Verwendung der Absaugpumpe 65 zwischen Schritt 120 und Schritt 130 durchgeführt werden. Es ist zu erwarten, dass dadurch die Stickstoffatommenge, die in der Reaktionskammer 45 verbleibt, weiter verringert wird, wenn mit der Bildung der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 begonnen wird. Somit ist zu erwarten, dass die Änderung der Stickstoffkonzentration an der Grenzfläche zwischen der ersten Siliziumkarbidschicht 20 und der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 steiler wird.
  • In dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können mehrere Siliziumkarbid-Einkristallsubstrate in der Reaktionskammer 45 gelegt werden. Wie in 12 gezeigt, können beispielsweise zwei Siliziumkarbid-Einkristallsubstrate 10 auf dem Substrathalter 46 angeordnet werden. In der Reaktionskammer 45 kann der Substrathalter 46 um eine Mittelachse 49 als ein Mittelpunkt gedreht werden.
  • (Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung)
  • Im Nachfolgenden wird ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • Wie in 13 gezeigt, umfasst das Verfahren zur Herstellung der Siliziumkarbidhalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Wesentlichen einen Epitaxiesubstratherstellungsschritt (210) und einen Substratbearbeitungsschritt (220).
  • Zuerst wird der Epitaxiesubstratherstellungsschritt (210) durchgeführt. Insbesondere wird das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat durch das zuvor beschriebene Verfahren zur Herstellung des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats hergestellt.
  • Anschließend wird der Substratbearbeitungsschritt (220) durchgeführt. Insbesondere wird das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat bearbeitet, um eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung herzustellen. Der Begriff „Prozess“ umfasst verschiedene Prozesse, wie beispielsweise Ionenimplantation, Wärmebehandlung, Ätzen, Oxidfilmbildung, Elektrodenbildung, Vereinzelung und dergleichen. Das heißt, der Substratbearbeitungsschritt kann wenigstens einen der folgenden umfassen: die Ionenimplantation, die Wärmebehandlung, das Ätzen, die Oxidfilmbildung, die Elektrodenbildung und die Vereinzelung.
  • Im Nachfolgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor), der als eine beispielhafte Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung dient, beschrieben. Der Substratbearbeitungsschritt (220) umfasst einen Ionenimplantationsschritt (221), einen Oxidfilmbildungsschritt (222), einen Elektrodenbildungsschritt (223) und einen Vereinzelungsschritt (224).
  • Zunächst wird der Ionenimplantationsschritt (221: 13) durchgeführt. Beispielsweise wird eine p-Verunreinigung, wie beispielsweise Aluminium (AI) in die zweite Hauptfläche 31 implantiert, auf der eine Maske (nicht dargestellt), die mit einer Öffnung versehen ist, ausgebildet ist.
  • Demnach wird, wie in 14 gezeigt, ein Körpergebiet 132 mit einer p-Leitfähigkeitstyp gebildet. Anschließend wird eine n-Verunreinigung, wie beispielsweise Phosphor (P) in das Körpergebiet 132 an einer vorbestimmten Position implantiert. Auf diese Weise wird ein Source-Gebiet 133 mit einem n-Leitfähigkeitstyp gebildet. Anschließend wird eine p-Verunreinigung, wie beispielsweise Aluminium, in das Source-Gebiet 133 an einer vorbestimmten Position implantiert. Auf diese Weise wird ein Kontaktgebiet 134 mit einer p-Leitfähigkeit gebildet.
  • Ein Abschnitt der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 mit Ausnahme des Körpergebiets 132, des Source-Gebiets 133 und des Kontaktgebiets 134 dient als ein Driftbereich 131. Das Source-Gebiet 133 ist durch das Körpergebiet 132 von dem Driftbereich 131 getrennt. Die Ionenimplantation kann durchgeführt werden, während das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats 100 bei etwa mehr als oder gleich 300°C und weniger als oder gleich 600°C erhitzt wird. Nach der Ionenimplantation wird ein Aktivierungsglühschritt am Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 durchgeführt. Durch das Aktivierungsglühen werden die Verunreinigungen, die in der zweiten Siliziumkarbidschicht 30 implantiert sind, aktiviert, um dadurch die Ladungsträger in jedem Gebiet zu erzeugen. Eine Atmosphäre zum Aktivierungsglühen kann beispielsweise eine Argon (Ar)-Atmosphäre sein. Die Temperatur des Aktivierungsglühens kann beispielsweise etwa 1800°C betragen. Das Aktivierungsglühen kann beispielsweise für etwa 30 Minuten durchgeführt werden.
  • Anschließend wird ein Oxidfilmbildungsschritt (222: 13) durchgeführt. Beispielsweise wird durch Erhitzen des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats 100 in einer Atmosphäre, die Sauerstoff aufweist, ein Oxidfilm 136 auf der zweiten Hauptfläche 31 gebildet (siehe 15). Der Oxidfilm 136 ist beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO2) oder dergleichen gebildet. Der Oxidfilm 136 dient als ein Gate-Isolierfilm. Die Temperatur des thermischen Oxidationsprozesses kann etwa 1300°C betragen. Der thermische Oxidationsprozess kann beispielsweise für etwa 30 Minuten durchgeführt werden.
  • Nach der Bildung des Oxidfilms 136 kann eine weitere Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Wärmebehandlung bei etwa 1100°C für etwa 1 Stunde in einer Atmosphäre aus Stickstoffmonoxid (NO), Distickstoffoxid (N2O) oder dergleichen durchgeführt werden. Ferner kann eine Wärmebehandlung in einer Argonatmosphäre durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Wärmebehandlung bei etwa 1100 bis 1500°C in der Argonatmosphäre für etwa 1 Stunde durchgeführt werden.
  • Anschließend wird der Elektrodenbildungsschritt (223: 13) durchgeführt. Wenigstens wird eine erste Elektrode 141 auf dem Oxidfilm 136 gebildet. Die erste Elektrode 141 dient als eine Gate-Elektrode. Die erste Elektrode 141 wird beispielsweise durch das CVD-Verfahren gebildet. Die erste Elektrode 141 ist beispielsweise aus einem leitenden Polysilizium, das eine Verunreinigung enthält, gebildet. Die erste Elektrode 141 ist an einer Position gebildet, die dem Source-Gebiet 133 und dem Körpergebiet 132 zugewandt ist.
  • Anschließend wird ein Zwischenschichtisolierfilm 137 gebildet, um die erste Elektrode 141 zu bedecken. Der Zwischenschichtisolierfilm 137 wird beispielsweise durch das CVD-Verfahren gebildet. Der Zwischenschicht-Isolierfilm 137 ist beispielsweise aus Siliziumdioxid oder dergleichen gebildet. Der Zwischenschichtisolierfilm 137 ist in Kontakt mit der ersten Elektrode 141 und dem Oxidfilm 136 ausgebildet. Anschließend werden der Oxidfilm 136 und der Zwischenschichtisolierfilm 137 an einer vorbestimmten Position durch Ätzen entfernt. Auf diese Weise liegen das Source-Gebiet 133 und das Kontaktgebiet 134 im dem Oxidfilm 136 frei.
  • Zum Beispiel wird die zweite Elektrode 142 an dem freiliegenden Abschnitt durch ein Sputterverfahren gebildet. Die zweite Elektrode 142 dient als eine Source-Elektrode. Die zweite Elektrode 142 ist beispielsweise aus Titan, Aluminium, Silizium und dergleichen gebildet. Nach der zweiten Elektrode 142 werden die zweite Elektrode 142 und das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 900 bis 1100°C erhitzt. Auf diese Weise werden die zweite Elektrode 142 und das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 in ohmschen Kontakt miteinander gebracht. Anschließend wird eine Zwischenverbindungsschicht 138 in Kontakt mit der zweiten Elektrode 142 gebildet. Die Zwischenverbindungsschicht 138 besteht beispielsweise aus einem aluminiumhaltigen Material.
  • Als nächstes wird ein Passivierungsschutzfilm (nicht dargestellt) auf der Zwischenverbindungsschicht 138 durch beispielsweise Plasma-CVD gebildet. Der Passivierungsschutzfilm umfasst beispielsweise einen SiN-Film. Zur Verbindung eines Bonddrahtes wird ein Abschnitt des Passivierungsschutzfilms zur Zwischenverbindungsschicht 138 hin geätzt, um dadurch eine Öffnung in dem Passivierungsschutzfilm zu bilden. Anschließend wird ein Rückseitenschleifen an der ersten Hauptfläche 11 des Siliziumkarbid-Einkristallsubstrats 10 durchgeführt. auf diese Weise wird das Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat 10 gedünnt. Anschließend wird eine dritte Elektrode 143 auf der ersten Hauptfläche 11 gebildet. Die dritte Elektrode 143 dient als eine Drain-Elektrode. Die dritte Elektrode 143 ist beispielsweise aus einer Legierung (beispielsweise NiSi oder dergleichen), die Nickel und Silizium enthält, gebildet.
  • Anschließend wird der Vereinzelungsschritt (224: 13) durchgeführt. Beispielsweise wird das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 entlang einer Vereinzelungslinie vereinzelt, um so das Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat 100 in mehrere Halbleiterchips zu unterteilen. Auf diese Weise wird die Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung 300 hergestellt (siehe 16).
  • In der obigen Beschreibung wurde das Verfahren zur Herstellung des MOSFET, der beispielhaft als die Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dient, beschrieben; jedoch ist das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt. Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf verschiedene Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise einen IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), eine SBD (Schottky-Diode), einen Thyristor, einen GTO (Thyristor mit abgeschaltetem Gate) und ein PiN Diode anwendbar.
  • Ist die Breite des Übergangsbereichs 34 dick, kann die Durchbruchspannung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung beispielsweise verringert werden. Ist die Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung ein MOSFET, führt die niedrige Durchbruchspannung vermutlich zu einer verringerten Zuverlässigkeit des Gate-Isolierfilms. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung unter Verwendung eines Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats 100 hergestellt, das einen Übergangsbereich 34 mit einer geringen Breite 105 (weniger als oder gleich 1 µm) aufweist. Daher ist zu erwarten, dass die zuvor erwähnten Probleme verhindert werden.
  • Die hier offenbarten Ausführungsformen dienen der Veranschaulichung und sind in keinerlei Hinsicht als einschränkend zu erachten. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Begriffe der Ansprüche definiert und nicht durch die oben beschriebenen Ausführungsformen und soll jegliche Modifikationen innerhalb des Umfangs und der Bedeutung entsprechend der Begriffe der Ansprüche umfassen.
  • Bezugszeichenliste
  • 3: Außenkante; 4: Außenumfangsgebiet; 5: mittlerer Bereich; 6: erstes Liniensegment; 7: zweites Liniensegment; 10: Einkristall-Substrat; 11: erste Hauptfläche; 12: dritte Hauptfläche; 20: erste Siliziumkarbidschicht; 30: zweite Siliziumkarbidschicht; 31: zweite Hauptfläche; 32: Oberflächenschichtbereich; 33: darunterliegender Schichtbereich; 34: Übergangsbereich; 40: Filmbildungsvorrichtung; 41: Heizelement; 42: Wärmeisolator; 43: Quarzrohr; 44: Induktionsheizspule; 45: Reaktionskammer; 46: Substrathalter; 47: Gaseinlass; 48: Gasauslass; 49: Mittelachse; 51, 52, 53, 54: Gasversorgungsquelle; 61, 63: Rohr; 64: Ventil; 65: Absaugpumpe; 80: Mischgas; 100: Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat; 101: erste Richtung; 102: zweite Richtung; 103: Tiefenrichtung; 104: Schichtrichtung; 105: Breite; 120, 130, 210, 220 bis 224: Schritt; 131: Driftbereich; 132: Körpergebiet; 133: Source-Gebiet; 134: Kontaktgebiet; 136: Oxidfilm; 137: Zwischenschicht-Isolierfilm; 138: Zwischenverbindungsschicht; 141: erste Elektrode; 142: zweite Elektrode; 143: dritte Elektrode; 151: Höchstdurchmesser; 300: Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung; O: Mittelpunkt; P1, P2: Druck; Ra, Sa: arithmetische Mittenrauheit; T1, T2, T3: Temperatur; t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, t8, t9, t10: Zeit
  • 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
    • JP 2016023939 [0001]

Claims (6)

  1. Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat, umfassend: ein Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat mit einer ersten Hauptfläche; eine erste Siliziumkarbidschicht auf dem Siliziumkarbid-Einkristallsubstrat, wobei die erste Siliziumkarbidschicht eine erste Ladungsträgerkonzentration aufweist; und eine zweite Siliziumkarbidschicht auf der ersten Siliziumkarbidschicht, wobei die zweite Siliziumkarbidschicht eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweist, die kleiner als die erste Konzentration ist, wobei die zweite Siliziumkarbidschicht eine zweite Hauptfläche umfasst, die der ersten Hauptfläche gegenüberliegt; wobei in einem Ladungsträgerkonzentrationsprofil entlang einer Schichtrichtung, in der die erste Siliziumkarbidschicht und die zweite Siliziumkarbidschicht geschichtet sind, ein Übergangsbereich, in dem die Ladungsträgerkonzentration zwischen der ersten Konzentration und der zweiten Konzentration geändert wird, eine Breite von weniger als oder gleich 1 µm aufweist, wobei ein Verhältnis einer Standardabweichung der zweiten Konzentration zu einem Durchschnittswert der zweiten Konzentration kleiner als oder gleich 5% ist, wobei das Verhältnis als Gleichförmigkeit der zweiten Konzentration in einem mittleren Bereich innerhalb von 60 mm von einer Mitte der zweiten Hauptfläche definiert ist, wobei der mittlere Bereich eine arithmetische Mittenrauheit von weniger als oder gleich 0,5 nm aufweist.
  2. Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat nach Anspruch 1, wobei die Breite des Übergangsbereichs kleiner als oder gleich 0,5 µm ist.
  3. Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gleichförmigkeit der zweiten Konzentration weniger als oder gleich 3% ist.
  4. Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die arithmetische Mittenrauheit des mittleren Bereichs kleiner als oder gleich 0,3 nm ist.
  5. Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verhältnis der Standardabweichung der zweiten Konzentration zu dem Durchschnittswert der zweiten Konzentration in einer Tiefenrichtung der zweiten Siliziumkarbidschicht an einem beliebigen Punkt im mittleren Bereich kleiner als oder gleich 20% ist.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 5; und Bearbeiten des Siliziumkarbid-Epitaxiesubstrats.
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