DE112016007482B4 - Halbleitervorrichtung, Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung und Halbleiterwafer - Google Patents

Halbleitervorrichtung, Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung und Halbleiterwafer Download PDF

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Abstract

Halbleitervorrichtung, aufweisend:- ein Siliziumcarbid-Substrat (1) mit einer ersten Trägerkonzentration, die in einer Dickenrichtung gleichmäßig ist;- eine Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2), die auf dem Siliziumcarbid-Substrat (1) ausgebildet ist; und- eine epitaktische Schicht (3), die auf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ausgebildet ist, wobei die epitaktische Schicht (3) eine zweite Trägerkonzentration aufweist, die in der Dickenrichtung gleichmäßig ist, und die zweite Trägerkonzentration niedriger als die erste Trägerkonzentration ist, wobei:- die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) einen Konzentrationsgradienten in der Dickenrichtung aufweist,- der Konzentrationsgradient solch ein Gradient ist, dass die Trägerkonzentration kontinuierlich abnimmt, während eine Distanz entlang der Dickenrichtung von einer Grenzfläche (30) zunimmt, wobei die Grenzfläche (30) zwischen einer Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ausgebildet ist, und die Trägerkonzentration mit einer geringeren Abnahmerate abnimmt, während die Distanz von der Grenzfläche (30) entlang der Dickenrichtung in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht zunimmt;- angenommen wird, dass X ein Filmdickenverhältnis in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ist,- das Filmdickenverhältnis erhalten wird, indem eine Position in der Dickenrichtung der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) durch eine Filmdicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) dividiert wird,- X eine Variable mit einem Definitionsbereich von 0 ≤ X ≤ 1 ist,- angenommen wird, dass Y ein Trägerkonzentrationsverhältnis in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ist,- das Trägerkonzentrationsverhältnis erhalten wird, indem eine Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) in einem Bereich von 0 < X ≤ 1 durch eine Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2), wenn X = 0 ist, dividiert wird, und- wenn ein zwischen einer folgenden Gleichung (a1) und Gleichung (a2) liegender Konzentrationsbereich vorher definiert wird,Y=1.051.74×10−3+1.00×X−1.04Y=1.951.11×10−1+0.89×X−1.50die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) den Konzentrationsgradienten enthält, der in den Konzentrationsbereich fällt.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung und einen Halbleiterwafer.
  • Hintergrund
  • Als Leistungs-Halbleitermaterial der nächsten Generation erwartet man Siliziumcarbid. Eine epitaktische Schicht, die man auf einem Siliziumcarbid-Substrat wachsen lässt, enthält konkret eine Driftschicht, die eine eine Durchbruchspannung haltende Schicht einer Leistungsvorrichtung wird. Im Fall von Siliziumcarbid vom N-Typ hat das Siliziumcarbid-Substrat einer Leistungsvorrichtung im Allgemeinen eine Trägerkonzentration in der Größenordnung von 1018 bis 1019 cm-3. Im Gegensatz dazu weist die Driftschicht eine Trägerkonzentration in der Größenordnung von 1015 bis 1016 cm-3 auf. Daher hat für Anwendungen mit Leistungsvorrichtungen das Siliziumcarbid-Substrat normalerweise eine 10- bis 1000-mal höhere Trägerkonzentration als die Trägerkonzentration der Driftschicht. Eine Gitterkonstante von Siliziumcarbid hängt von dessen Trägerkonzentration ab. Konkreter wird die Gitterkonstante umso kleiner, je höher die Trägerkonzentration ist. Aufgrund einer Differenz in der Trägerkonzentration wird an der Grenzfläche zwischen der epitaktischen Schicht wie etwa der Driftschicht und dem Siliziumcarbid-Substrat eine Kompressions- bzw. Druckspannung auf die epitaktische Schicht angewendet. Die Spannung kann eine Versetzung oder einen Kristalldefektfehler in der epitaktischen Schicht hervorrufen. Eine Verschlechterung der Kristallqualität kann eine Trägerbewegung behindern, was eine Verschlechterung von Vorrichtungscharakteristiken bewirkt.
  • Als eine Lösung für das oben beschriebene Problem ist eine Technik bekannt, die eine Pufferschicht auf dem Siliziumcarbid-Substrat epitaktisch wachsen lässt und dann die Driftschicht auf der Pufferschicht epitaktisch wachsen lässt. Folglich kann eine Pufferschicht mit einer Zwischen-Trägerkonzentration zwischen dem Siliziumcarbid-Substrat und der Driftschicht vorgesehen werden. Beispielsweise offenbart Absatz 0050 von JP 2000-319099 A eine Technik, die die Trägerkonzentration der Pufferschicht in einer Stufenform ändert oder einen kontinuierlichen und linearen Gradienten in der Trägerkonzentration der Pufferschicht vorsieht.
  • DE 11 2010 005 101 T5 beschreibt einen Epitaxial-Wafer, der ein Siliziumkarbid-Substrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, in das ein Dotierstoff mit einer Konzentration C dotiert ist, wobei der Dotierstoff eine Gitterkontante aufweist, die durch Dotieren geringer wird, eine Pufferschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die sich auf dem Siliziumkarbid-Substrat befindet und in die der Dotierstoff dotiert ist und eine epitaxial aufgewachsene Siliziumkarbid-Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, die sich auf der Pufferschicht befindet und in die der Dotierstoff mit einer geringeren Konzentration dotiert ist als die Konzentration des Siliziumkarbid-Substrats. Die Pufferschicht ist derart ausgebildet, dass sie eine mehrlagige Struktur aufweist, die zwei oder mehr geschichtete Lagen mit etwa der gleichen identischen Dicke beinhaltet und wobei eine Dotierungskonzentration einer K-ten Schicht ausgehend von der Schicht der epitaxial aufgewachsenen Siliziumkarbid-Schicht C·K/(N + 1) beträgt, wobei N die Anzahl der Lagen der mehrlagigen Struktur darstellt.
  • JP 2013 - 18 659 A und JP 2014 - 192 163 A beschreiben Verfahren zur Herstellung von epitaktisch beschichteten SiC-Substraten, die eine Zwischenschicht mit einem Konzentrationsverlauf des Dotierstoffes entlang der Schichtdicke der Zwischenschicht aufweisen. Hierbei sind die Konzentrationsprofile stufenförmig ausgebildet.
  • Zitatliste
  • Patentliteratur
  • Zusammenfassung
  • Technisches Problem
  • Um eine gewünschte Halbleitervorrichtung herzustellen, ist es vorzuziehen, dass die Filmdicke einer epitaktischen Schicht genau geregelt wird, wenn die als Driftschicht zu verwendende epitaktische Schicht hergestellt wird. Häufig wird ein FT-IR-Verfahren genutzt, um die Filmdicke der epitaktischen Schicht zu regeln. Das FT-IR-Verfahren ist eine Abkürzung einer Reflexionsinterferenzanalyse unter Verwendung eines Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrophotometers. Ein Prinzip des FT-IR-Verfahrens stellt sich wie folgt dar: Wenn es eine Differenz, die gleich einem vorbestimmten Niveau oder höher ist, in einem Brechungsindex zwischen Substanzen gibt, wird die Filmdicke gemessen, indem der Umstand ausgenutzt wird, dass Infrarotstrahlung an der Grenzfläche zwischen den beiden Substanzen erhalten wird. Um die Dicke der epitaktischen Schicht unter Verwendung des FT-IR-Verfahrens zu messen, ist ein gewisses Maß einer Brechungsindex-Differenz an der Grenzfläche zwischen einer Schicht direkt unter der epitaktischen Schicht und der epitaktischen Schicht erforderlich. Unter dem Gesichtspunkt, eine ausreichende Brechungsindex-Differenz zu erreichen, ist es nicht wünschenswert, eine Pufferschicht mit einem linearen Gradienten einer Trägerkonzentration, der in JP 2000-319099 A beschrieben ist, zu verwenden. Dies gilt, da, wenn der lineare Gradient einer Trägerkonzentration vorgesehen wird, es schwierig ist, eine Brechungsindex-Differenz zu erhalten, die notwendig ist, um reflektiertes Infrarotlicht an der Grenzfläche zwischen der Schicht direkt unter der Pufferschicht und der Pufferschicht zu erhalten.
  • Auf der anderen Seite ist auch eine Verwendung der Pufferschicht mit einem gestuften Gradienten einer Trägerkonzentration, der in JP 2000-319099 A beschrieben ist, nicht vorzuziehen. Da sich die Trägerkonzentration im Fall des gestuften Gradienten einer Trägerkonzentration diskontinuierlich bzw. unstetig ändert, kann es unmöglich sein, Versetzungen und Kristalldefektfehler an der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht und dem Siliziumcarbid-Substrat ausreichend zu unterdrücken. Aus Fertigungssicht muss überdies ein Kristallwachstum unterbrochen bzw. ausgesetzt werden, um eine Pufferschicht mit einem gestuften Gradienten einer Trägerkonzentration herzustellen, oder ist ein abrupter Gasaustausch notwendig. Als Folge kann der Kristalldefektfehler der Pufferschicht aufgrund des Auftretens einer Turbulenz, die mit dem Gasaustausch einhergeht, zunehmen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde verwirklicht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung und einen Halbleiterwafer vorzusehen, die verbessert sind, um sowohl eine genaue Filmdickenregelung als auch Kristallinität zu erreichen.
  • Lösung für das Problem
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmalskombination der unabhängigen Ansprüche gelöst, die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen zum Inhalt.
  • Gemäß der vorliegenden Anmeldung lässt man die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht in einen geeigneten Bereich in Bezug auf die Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht fallen, und dadurch ist es möglich, sowohl eine genaue Filmdickenregelung als auch eine ausgezeichnete Kristallinität zu erreichen.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Siliziumcarbid-Wafer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 2 ist eine Querschnittsansicht des Siliziumcarbid-Wafers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 3 ist eine partiell vergrößerte Ansicht des Siliziumcarbid-Wafers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ist eine grafische Darstellung, die eine Verteilung einer Trägerkonzentration veranschaulicht;
    • 4 ist eine grafische Darstellung, um einen vorbestimmten Konzentrationsbereich der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben;
    • 5 ist eine partiell vergrößerte Ansicht und eine grafische Darstellung, die eine Verteilung einer Trägerkonzentration des Siliziumcarbid-Wafers gemäß einer Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
    • 6 ist eine partiell vergrößerte Ansicht und eine grafische Darstellung, die eine Verteilung einer Trägerkonzentration des Siliziumcarbid-Wafers gemäß einer Modifikation zu der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
    • 7 ist eine partiell vergrößerte Ansicht und eine grafische Darstellung, die eine Verteilung einer Trägerkonzentration des Siliziumcarbid-Wafers gemäß einer Modifikation zu der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
    • 8 ist eine partiell vergrößerte Ansicht und eine grafische Darstellung, die eine Verteilung einer Trägerkonzentration des Siliziumcarbid-Wafers gemäß einer Modifikation zu der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
    • 9 ist ein Diagramm, das eine Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 10 ist ein Diagramm, das eine andere Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
    • 11 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Waferstruktur gemäß einer Ausführungsform
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Siliziumcarbid-Wafer 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 2 ist eine Querschnittsansicht des Siliziumcarbid-Wafers 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 veranschaulicht eine entlang einer Linie R-R' in 1 geschnittene Ebene des Siliziumcarbid-Wafers 100. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Siliziumcarbid-Wafer 100 aus einem Siliziumcarbid-Substrat 1 vom N-Typ, einer Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2, welche eine auf dem Siliziumcarbid-Substrat 1 ausgebildete epitaktische Schicht vom N-Typ ist, und einer epitaktischen Schicht 3 aufgebaut, die man auf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 epitaktisch aufwachsen ließ. Die epitaktische Schicht 3 wird in den Halbleitervorrichtungen 40 und 42, welche später beschrieben werden, als Driftschicht genutzt.
  • Bekanntlich weist Siliziumcarbid viele polymorphe Kristallformen auf, und häufig wird für Anwendungen mit Leistungsvorrichtungen Siliziumcarbid vom 4H-Typ verwendet. Da Siliziumcarbid viele polymorphe Kristallformen aufweist, kann ein geringer Energiebetrag Siliziumcarbid in eine verschiedene polymorphe Kristallform transformieren. Siliziumcarbid lässt man somit im Allgemeinen ein Step-Flow-Wachstum (engl. step-flow growth) in einem epitaktischen Wachstum von Siliziumcarbid auf dem Siliziumcarbid-Substrat 1 ausführen. Im Step-Flow-Wachstum lässt man einen Kristall auf dem Siliziumcarbid-Substrat 1 wachsen, dessen Substratoberfläche um 4 bis 8° gegenüber einer [0001]-Kristallachse geneigt ist, und eine polymorphe Kristallform der gewachsenen epitaktischen Schicht auf dem Siliziumcarbid-Substrat 1 wird zum Siliziumcarbid-Substrat 1 identisch gehalten. Konkreter hat das Siliziumcarbid-Substrat 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Gradienten von 4° in einer [11-20]-Richtung von einer (0001)-Oberfläche.
  • Das Siliziumcarbid-Substrat 1 hat eine Trägerkonzentration, welche in der Dickenrichtung gleichmäßig ist. Im Folgenden wird auf die Trägerkonzentration des Siliziumcarbid-Substrats 1 auch als „erste Trägerkonzentration NSUB” verwiesen. Die epitaktische Schicht 3 hat eine Trägerkonzentration, die in der Dickenrichtung gleichmäßig ist. Die epitaktische Schicht 3 wird oft als Driftschicht genutzt. Im Folgenden wird auf die Trägerkonzentration der epitaktischen Schicht 3 als „zweite Trägerkonzentration NEP” verwiesen. Wenn das Siliziumcarbid-Substrat für Anwendungen mit Leistungsvorrichtungen vom N-Typ ist, hat das Siliziumcarbid-Substrat im Allgemeinen eine Trägerkonzentration in der Größenordnung von 1018 bis 1019 cm-3. Die erste Trägerkonzentration NSUB des Siliziumcarbid-Substrats 1 beträgt ebenfalls 1018 bis 1019 cm-3. Die zweite Trägerkonzentration NEP hat eine Trägerkonzentration in der Größenordnung von 1015 bis 1016 cm-3. Für Anwendungen mit Leistungsvorrichtungen ist es üblich, dass die erste Trägerkonzentration NSUB eine etwa 10- bis 1000-mal höhere Trägerkonzentration als die zweite Trägerkonzentration NEP hat.
  • 3 ist eine partiell vergrößerte Ansicht des Siliziumcarbid-Wafers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ist eine grafische Darstellung, die eine Verteilung einer Trägerkonzentration veranschaulicht. Die Schichtstruktur des Siliziumcarbid-Wafers 100, die auf der linken Seite der Blattfläche in 3 dargestellt ist, ist eine vergrößerte Ansicht eines Teilbereichs Q in 2. Eine Grenzfläche 30 ist die Grenzfläche zwischen der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und dem Siliziumcarbid-Substrat 1. Die auf der rechten Seite der Blattfläche in 3 gezeigte grafische Darstellung ist eine Verteilung einer Trägerkonzentration, die in Verbindung mit Positionen in der Schichtstruktur des Siliziumcarbid-Wafers 100 gezeigt ist, die in Form einer grafischen Darstellung benachbart gezeigt ist.
  • Die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 weist einen Konzentrationsgradienten in der Dickenrichtung der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 auf. Im Folgenden wird die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 auch „Trägerkonzentration NTR“ genannt. Der Konzentrationsgradient der Trägerkonzentration NTR ist solch ein Gradient, dass der Trägerkonzentrationswert kontinuierlich abnimmt, während die Filmdicke von der Grenzfläche zwischen einer Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 zunimmt. In der in 3 gezeigten grafischen Darstellung zeigt die Trägerkonzentration NTR eine gekrümmte Trägerkonzentrationsänderung. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform nimmt der Trägerkonzentrationswert ab, während die Filmdicke von der Grenzfläche 30 aus zunimmt. In dem Siliziumcarbid-Wafer 100 ist die Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 das Siliziumcarbid-Substrat 1. Darüber hinaus ist der Konzentrationsgradient der Trägerkonzentration NTR solch ein Gradient, dass der Trägerkonzentrationswert mit einer geringeren Abnahmerate abnimmt, während die Distanz von der Grenzfläche 30 zunimmt. Daher nimmt an der Seite der Grenzfläche 30 der Trägerkonzentrationswert mit einer größeren Rate ab, während die Filmdicke zunimmt, und die Trägerkonzentration nimmt sanfter bzw. langsamer ab, während die Distanz von der Grenzfläche zwischen der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und der epitaktischen Schicht 3 abnimmt. Man beachte, dass, obwohl die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Konzentrationsgradienten in der Dickenrichtung aufweist, sie eine gleichmäßige Konzentration in der Ebenenrichtung des Siliziumcarbid-Wafers 100 hat. Das heißt, die Trägerkonzentration ist innerhalb der Ebene eines Querschnitts konstant, der erhalten wird, indem die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 bei einer gegebenen Dickenposition geschnitten wird.
  • Man beachte, dass die Begriffe „Schicht direkt unter“ und „Schicht direkt auf“ in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. „Schicht direkt unterhalb“ meint einen Fall, in dem eine spezifische Schicht mit einer Schicht darunter ohne irgendeine andere dazwischen angeordnete Halbleiterschicht in direktem Kontakt ist. In dem Siliziumcarbid-Wafer 100 ist, da die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 direkt auf das Siliziumcarbid-Substrat 1 epitaktisch aufgewachsen ist, die Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 das Siliziumcarbid-Substrat 1. „Schicht direkt auf“ meint einen Fall, in dem eine spezifische Schicht mit einer Schicht direkt darauf ohne irgendeine andere dazwischen angeordnete Halbleiterschicht in direktem Kontakt ist. In dem Siliziumcarbid-Wafer 100 ist, da die epitaktische Schicht 3 direkt auf die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 epitaktisch aufgewachsen ist, die Schicht direkt auf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 die epitaktische Schicht 3.
  • Aus Experimentergebnissen ist klar, dass die Trägerkonzentration der epitaktischen Schicht während eines epitaktischen Wachstums in einem Verhältnis zur Stickstoff-Durchflussrate steht und in einem umgekehrten Verhältnis zur epitaktischen Wachstumsrate steht. Unter Ausnutzung dieses Umstands löste der aktuelle Erfinder die folgenden Gleichungen (1) bis (4). Nd − Na ( t ) = N ( t ) / G ( t ) × N c
    Figure DE112016007482B4_0003
     N ( t ) = N i + N 0 − N i / t buf × t
    Figure DE112016007482B4_0004
     G ( t ) = ( G m − G i ) / t buf × t + G i
    Figure DE112016007482B4_0005
     T = ∫ G ( t ) dt
    Figure DE112016007482B4_0006
  • Auflösen der oben erwähnten vier Gleichungen ergibt die folgende Gleichung (5). Nd − Na ( T ) = ( A ' / ( B ' + C ' × T ) 1 / 2 − D ' ) × E '
    Figure DE112016007482B4_0007
  • Die oben beschriebenen verschiedenen Parameter repräsentieren hier die folgenden Parameter, die sich auf die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 beziehen. Nd-Na meint eine Trägerkonzentration. Der Parameter t repräsentiert eine Zeit vom Beginn des Wachstums an. N(t) ist eine Stickstoff-Durchflussrate zur Zeit einer Wachstumszeit t. G(t) ist eine Wachstumsrate zur Zeit einer Wachstumszeit t. Nc ist eine Konstante, die einen Einschluss von Stickstoff in die epitaktische Schicht definiert. Der Parameter tbuf ist eine Wachstumszeit der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2. Ni ist eine Stickstoff-Durchflussrate, wenn das Wachstum der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 begonnen wird (t = 0). N0 ist eine Stickstoff-Durchflussrate, wenn das Wachstum der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 endet (t = tbuf). Gi ist eine Wachstumsrate, wenn das Wachstum der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 beginnt (t = 0). Gm ist eine Wachstumsrate, wenn das Wachstum der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 endet (t = tbuf). T ist eine Dicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2.
  • Die Dicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2, wenn t = tbuf gilt, wird durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt. T buf = G i × T buf + ( G m + G i ) × t buf / 2
    Figure DE112016007482B4_0008
  • Wenn angenommen wird, dass Nd-Na eine Variable eines Verhältnisses T/Tbuf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 ist, wird die folgende Gleichung (7) erhalten. Nd − Na ( T / T buf ) = ( A / ( B + C × T / T buf ) 1 / 2 − D ) × E
    Figure DE112016007482B4_0009
  • Die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2, wenn das Wachstum der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 beginnt, wird auch „Anfangswert der Trägerkonzentration“ genannt. Der Anfangswert der Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 wird als Nd-Na(T/Tbuf = 0) bezeichnet. Da Nd-Na(T/Tbuf = 0) eine Konstante ist, kann die folgende Gleichung (8) abgeleitet werden. Nd − Na ( T / T buf ) / Nd − Na ( T / T buf = 0 ) = A / ( B + C × T / T buf ) 1 / 2 − D
    Figure DE112016007482B4_0010
  • Ni, N0, Gi, Gm und Nc sind Konstanten. A', B', C', D', E', A, B, C und D sind ebenfalls Konstanten. Die Konstanten A' bis D bestehen aus den Konstanten Ni bis Nc.
  • Im Folgenden werden das „Filmdickenverhältnis“ und das „Trägerkonzentrationsverhältnis“ wie in der folgenden Gleichung (9) und Gleichung (10) unter Verwendung von Zeichen Y und X dargestellt definiert. Y = ( Nd − Na ( T / T buf ) / Nd − Na ( T / T buf = 0 )
    Figure DE112016007482B4_0011
     X = T / T buf
    Figure DE112016007482B4_0012
  • X ist ein „Filmdickenverhältnis“ in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2. Das Filmdickenverhältnis wird erhalten, indem die Dicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 in der Mitte eines Wachstums nach Beginn des Wachstums der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 durch einen Filmdicken-Designwert der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 dividiert wird. Dieser Filmdicken-Designwert ist eine Ziel-Filmdicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 in einem Herstellungsschritt. Die Filmdicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 nach Vollendung bzw. Fertigstellung des Siliziumcarbid-Wafers 100 kann als der gleiche Filmdicken-Designwert der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 betrachtet werden. X ist eine Variable, und der Definitionsbereich von X ist 0 ≤ X ≤1. Wenn X = 1 gilt, meint dies die Dicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2, wenn der Siliziumcarbid-Wafer 100 fertiggestellt ist, das heißt eine 100 % Dicke. Wenn X = 0,5 ist, meint dies genau die Hälfte der Dicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2, das heißt eine 50 % Dicke. Im als fertiges Produkt vorgesehenen Siliziumcarbid-Wafer 100 ist X ist ein Wert, der erhalten wird, indem irgendeine gegebene Position entlang der Dickenrichtung der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 durch den Filmdicken-Designwert der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 dividiert wird.
  • Y ist „Trägerkonzentrationsverhältnis“ in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2. Das Trägerkonzentrationsverhältnis wird erhalten, indem die Trägerkonzentration in dem Filmdickenbereich 0 ≤X ≤ 1 in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 durch die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2, wenn X = 0 gilt, dividiert wird.
  • Wenn A = 1,05, B = 1,74×10-3, C = 1,00 und D = 1,04 in die folgende Gleichung (11) substituiert werden, wird eine erste Konzentrationsgradienten-Bedingung C1 erhalten. Wenn ferner A = 1,95, B = 1,11×10-1, C = 0,89 und D = 1,50 in die folgende Gleichung (11) substituiert werden, wird eine zweite Konzentrationsgradienten-Bedingung C2 erhalten. Ein Gradient einer Trägerkonzentration NTR der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 wird vorher innerhalb eines vorbestimmten Konzentrationsbereichs S zwischen dieser ersten Konzentrationsgradienten-Bedingung C1 und der zweiten Konzentrationsgradienten-Bedingung C2 festgelegt. Der vorbestimmte Konzentrationsbereich S ist ein schraffiertes Gebiet in 3.
    [Math. 5] Y = A B + C × X − D
    Figure DE112016007482B4_0013
  • Konkreter wird der Trägerkonzentrationsgradient der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 innerhalb des vorbestimmten Konzentrationsbereichs S zwischen der durch Gleichung (12) definierten ersten Konzentrationsgradienten-Bedingung C1 und der durch Gleichung (13) definierten zweiten Konzentrationsgradienten-Bedingung C2 festgelegt.
    [Math. 6] Y = 1 . 0 5 1 . 7 4 × 1 0 − 3 + 1 . 0 0 × X − 1 . 0 4
    Figure DE112016007482B4_0014
    [Math. 7] Y = 1 . 9 5 1 . 1 1 × 1 0 − 1 + 0 . 8 9 × X − 1 . 5 0
    Figure DE112016007482B4_0015
  • Mit Vorsehen der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die folgenden verschiedenen Effekte erhalten werden. Insbesondere wird ein Konzentrationsgradient für die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 innerhalb des vorbestimmten Konzentrationsbereichs S in der vorliegenden Ausführungsform eingerichtet. Der vorbestimmte Konzentrationsbereich S wird bestimmt, um sowohl die erste Konzentrationsgradienten-Bedingung C1 als auch die zweite Konzentrationsgradienten-Bedingung C2 zu erfüllen. Die erste Konzentrationsgradienten-Bedingung C1 ist eine Bedingung, die notwendig ist, um Kristallinität unter guten Bedingungen aufrecht zu erhalten, um dadurch eine Verschlechterung von Vorrichtungscharakteristiken zu verhindern. Die zweite Konzentrationsgradienten-Bedingung C2 ist eine Bedingung, die notwendig ist, um eine Filmdicke unter Verwendung des FT-IR-Verfahrens zu messen.
  • Ein erster vorteilhafter Effekt ist die Fähigkeit, Unterschiede der Gitterkonstanten zwischen einem Bereich hoher Trägerkonzentration mit einer kleinen Gitterkonstante und einem Bereich niedriger Trägerkonzentration mit einer großen Gitterkonstante graduell zu verringern, während die Filmdicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 zunimmt. Falls keine Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 vorgesehen ist, muss eine beträchtliche Spannung auf die Grenzfläche zwischen dem Bereich hoher Trägerkonzentration und dem Bereich niedriger Trägerkonzentration angewendet werden. Die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 baut diese Spannung ab und kann dadurch Versetzungen und Kristalldefektfehler unterdrücken, die während eines epitaktischen Wachstums auftreten können. Insbesondere wird die erste Konzentrationsgradienten-Bedingung C1 in der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen. Als Folge kann die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 einen Konzentrationsgradienten aufweisen, der mit einem Grad an Sanftheit versehen ist, der für eine Unterdrückung von Versetzungen und Kristalldefektfehlern mindestens notwendig ist.
  • Ein weiterer Effekt ist ein Vorteil, wenn eine Leistungs-Halbleitervorrichtung genutzt wird, die unter Verwendung des Siliziumcarbid-Wafers 100 hergestellt wurde, zum Beispiel Halbleitervorrichtungen 40 und 42, welche später beschrieben werden, indem Leistung zu den Halbleitervorrichtungen 40 und 42 eingeschaltet wird. Da eine Spannung an der Grenzfläche 30 zwischen der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und dem Siliziumcarbid-Substrat 1 abgebaut wird, ist es möglich, ein Auftreten von Versetzungen an der Grenzfläche 30 zu unterdrücken. Falls keine Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 vorgesehen ist, wird an der Grenzfläche zwischen dem Siliziumcarbid-Substrat 1 mit einer hohen Trägerkonzentration und der epitaktischen Schicht 3 mit einer niedrigen Trägerkonzentration aufgrund einer Energie, wenn Leistung eingeschaltet wird, nach der Herstellung der Leistungs-Halbleitervorrichtung eine Spannung erzeugt, und Versetzungen und Kristalldefektfehler, die durch die Spannung hervorgerufen werden, können eine Verschlechterung der Kristallqualität bewirken. Insofern hat der aktuelle Erfinder bestätigt, dass, wenn die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 vorgesehen wird, Versetzungen und Kristalldefektfehler an der Grenzfläche 30 zwischen dem Siliziumcarbid-Substrat 1 mit einer hohen Trägerkonzentration und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 mit einer niedrigen Trägerkonzentration unterdrückt werden, selbst wenn Leistung zur Leistungs-Halbleitervorrichtung eingeschaltet wird. Man beachte, dass in dem Fall, in dem die Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 eine andere epitaktische Schicht wie im Fall einer Modifikation, die später beschrieben wird, ist, es möglich ist, einen Effekt einer Spannungsrelaxation bzw. eines Spannungsabbaus an der Grenzfläche zwischen der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und der anderen epitaktischen Schicht zu erhalten.
  • Ein weiterer Effekt ist die Fähigkeit, eine ausreichend große Differenz der Trägerkonzentration an der Grenzfläche 30 zwischen dem Siliziumcarbid-Substrat 1 und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 zu erzeugen. Als Folge ist es möglich, basierend auf dem FT-IR-Verfahren eine Grenzflächendetektion durchzuführen. Daher kann die Dicke des epitaktischen Films unter Verwendung des FT-IR-Verfahrens genau gemessen werden. Das heißt, es ist möglich, eine Dicke T in 3 unter Verwendung des FT-IR-Verfahrens genau zu messen. Die Dicke des epitaktischen Films kann durch Separieren der epitaktischen Schicht 3 ebenfalls gemessen werden.
  • Noch ein weiterer Effekt ist die Fähigkeit, eine drastische Änderung der Durchflussrate des Dotierstoffgases im Ausbildungsschritt der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 zu verhindern. Dadurch ist es möglich, die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 zu bilden, während Kristalldefektfehler unterdrückt werden. Details in dieser Hinsicht werden in dem „Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung“, das später beschrieben wird, beschrieben.
  • 4 ist eine grafische Darstellung, um einen vorbestimmten Konzentrationsbereich S der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Wie in 4 gezeigt ist, können Konzentrationsgradienten verschiedener Formen und Gradienten eingerichtet bzw. festgelegt werden, solange sie kontinuierliche bzw. stetige Konzentrationsgradienten sind, die in den vorbestimmten Konzentrationsbereich S fallen. Statt der Trägerkonzentration NTR in 3 kann auch eine Trägerkonzentration NTR1 oder eine Trägerkonzentration NTR2 in 4 genutzt werden.
  • Betrachtet man den Trägerkonzentrationsbereich der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2, kann der Bereich auch wie folgt modifiziert werden. Der vorbestimmte Konzentrationsbereich S kann auch unter der folgenden dritten Konzentrationsgradienten-Bedingung und vierten Konzentrationsgradienten-Bedingung anstelle der oben erwähnten ersten Konzentrationsgradienten-Bedingung und der zweiten Konzentrationsgradienten-Bedingung definiert werden. Die dritte Konzentrationsgradienten-Bedingung kann erhalten werden, in dem A = 1,08, B = 4,45×10-3, C = 1,00 und D = 1,07 in Gleichung (11) substituiert werden. Gleichung (14) unten zeigt die dritte Konzentrationsgradienten-Bedingung. Die vierte Konzentrationsgradienten-Bedingung kann erhalten werden, indem A = 1,60, B = 2,78×10-2, C = 0,97 und D = 1,20 in Gleichung (11) substituiert werden. Gleichung (15) unten zeigt die vierte Konzentrationsgradienten-Bedingung. Dies ermöglicht, dass ein Effekt einer Spannungsrelaxation an der Grenzfläche, ein Effekt einer Grenzflächendetektion unter Verwendung des FT-IR-Verfahrens und kompetitive Vorteile an Produktionsorten noch mehr verbessert werden.
    [Math. 8] Y = 1 . 0 8 4 . 4 5 × 1 0 − 3 + 1 . 0 0 × X − 1 . 0 7
    Figure DE112016007482B4_0016
    [Math. 9] Y = 1 . 6 0 2 . 7 8 × 1 0 − 2 + 0 . 9 7 × X − 1 . 2 0
    Figure DE112016007482B4_0017
  • Der folgende Bereich kann auch für die Dicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 festgelegt werden. Wenn die Dicke Tbuf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 größer als 10 µm ist, kann ein ausreichender Effekt einer Reduzierung von Kristalldefektfehlern erhalten werden. Wenn jedoch der Gradient der Trägerkonzentration unzureichend ist, nimmt der Betrag reflektierten Infrarotlichts an der Grenzfläche 30 ab, und eine FT-IR-Messung der Dicke des epitaktischen Films wird schwieriger. Wenn auf der anderen Seite die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 dünner als 0,3 µm ist, nimmt der Effekt einer Spannungsrelaxation ab. Daher liegt eine bevorzugte Filmdicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 in einem Bereich von 0,3 µm bis 10 µm. Die Filmdicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 fällt bevorzugter in einen Bereich von 0,5 µm bis 3 µm und noch bevorzugter in einen Bereich von 1 µm bis 3 µm.
  • Der folgende Bereich kann auch für den Anfangswert der Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 festgelegt werden.
  • Zuerst wird eine untere Grenze des Anfangswerts der Trägerkonzentration untersucht. Eine Gitterkonstante von Siliziumcarbid hängt von einer Trägerkonzentration ab; je höher die Trägerkonzentration ist, desto kleiner wird die Gitterkonstante. Wenn der Anfangswert der Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 kleiner als 1×1017 cm-3 ist, ist, da der Unterschied der Gitterkonstanten zwischen der epitaktischen Schicht 3 und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 klein ist, eine Zunahme eines Kristalldefektfehlers kein so großes Problem. Wenn der Anfangswert der Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 1×1017 cm-3 oder größer ist, nimmt der Unterscheid der Gitterkonstanten zwischen der epitaktischen Schicht 3 und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 zu, und der technische Wert des Siliziumcarbid-Wafers 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist hoch. Darüber hinaus wird, wenn der Anfangswert der Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 höher als 2×1019 cm-3 ist, der Unterschied der Gitterkonstanten zwischen der epitaktischen Schicht 3 und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 übermäßig groß, und der technische Wert des Siliziumcarbid-Wafers 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist noch höher.
  • Als Nächstes wird eine obere Grenze des Anfangswerts der Trägerkonzentration untersucht. Wenn die Trägerkonzentration des Siliziumcarbid-Substrats 1 2×1019 cm-3 oder höher ist, nimmt die Anzahl von Versetzungen und Kristalldefektfehlern innerhalb des Siliziumcarbid-Substrats 1 drastisch zu. Daher ist die Trägerkonzentration des Siliziumcarbid-Substrats 1 tatsächlich auf 2×1019 cm-3 oder weniger begrenzt. Als Folge wird im Fall des Siliziumcarbid-Wafers 100 auch der Anfangswert der Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2, die man auf dem Siliziumcarbid-Substrat 1 wachsen lässt, auf 2×1019 cm-3 oder weniger, die Gleiche wie die Trägerkonzentration des Siliziumcarbid-Substrats 1, begrenzt.
  • Basierend auf diesen Untersuchungen der oberen und unteren Grenzen fällt der Anfangswert der Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 vorzugsweise in einen Bereich von 1×1017 cm-3 bis 2×1019 cm-3, um vom technischen Wert des Siliziumcarbid-Wafers 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zu profitieren. Betrachtet man überdies die Trägerkonzentration des Siliziumcarbid-Substrats 1 für eine normale Leistungs-Halbleitervorrichtung aus Siliziumcarbid wird der Anfangswert der Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 bevorzugter auf innerhalb eines Bereichs von 1 ×1018 cm-3 bis 7×1018 cm-3 festgelegt.
  • Die Struktur des Siliziumcarbid-Wafers 100 kann wie unten beschrieben weiter transformiert werden. 5 bis 8 sind partiell vergrößerte Ansichten und grafische Darstellungen, die eine Trägerkonzentrationsverteilung der Siliziumcarbid-Wafer 101 bis 104 gemäß Modifikationen der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Man beachte, dass die in 5 bis 8 dargestellten Diagramme einer Trägerkonzentrationsverteilung schematische grafische Darstellungen sind, die zur Referenz dargestellt und in solch einem Maß vereinfacht sind, um es möglich zu machen, das Vorhandensein eines Konzentrationsgradienten zu unterscheiden. Daher wird nicht angenommen, dass die tatsächliche Steigung und Krümmung oder dergleichen der in 5 bis 8 gezeigten grafischen Darstellungen spezifische numerische Werte der Trägerkonzentrationsverteilung begrenzen.
  • Eine epitaktische Schicht 13a kann wie im Fall des in 5 gezeigten Siliziumcarbid-Wafers 101 auch zwischen dem Siliziumcarbid-Substrat 1 und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 vorgesehen sein. Die epitaktische Schicht 13a hat eine Trägerkonzentration N1, die in der Dickenrichtung gleichmäßig ist. Die Trägerkonzentration N1 ist niedriger als die erste Trägerkonzentration NSUB des Siliziumcarbid-Substrats 1 und höher als die zweite Trägerkonzentration NEP der epitaktischen Schicht 3. Die Differenz zwischen der Trägerkonzentration N1 und der ersten Trägerkonzentration NSUB kann solch eine Konzentrationsdifferenz sein, dass als ein Beispiel die erste Trägerkonzentration NSUB etwa 2- bis 5-mal höher als diejenige der Trägerkonzentration N1 ist. Die Trägerkonzentration N1 kann jedoch als eine Modifikation die Gleiche wie die erste Trägerkonzentration NSUB sein. Darüber hinaus kann als eine weitere Modifikation die epitaktische Schicht 13a auch eine Trägerkonzentration N2 aufweisen, welche größer als die erste Trägerkonzentration NSUB ist. In der Modifikation in 5 ist es auch möglich, einen Effekt zu erhalten, bei dem sowohl die Kristallinität als auch die Messung einer Filmdicke, beschrieben in der oben erwähnten Ausführungsform, an der Grenzfläche 31 zwischen der epitaktischen Schicht 13a direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 erreicht werden. Man beachte, dass es vorzuziehen ist, dass die Trägerkonzentration N1 der epitaktischen Schicht 13a direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 10- bis 1000-mal höher als die zweite Trägerkonzentration NEP der epitaktischen Schicht 3 direkt auf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 ist. Dies verhält sich so, da es dadurch möglich ist, die größten technischen Vorteile der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 zu erzielen.
  • Wie im Fall des in 6 gezeigten Siliziumcarbid-Wafers 102 kann auch eine epitaktische Schicht 13b zwischen der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und der epitaktischen Schicht 3 vorgesehen sein. Die epitaktische Schicht 13b hat eine Trägerkonzentration N6, welche in der Dickenrichtung gleichmäßig ist. Die Trägerkonzentration N6 ist niedriger als ein minimaler Wert N7 der Trägerkonzentration NTR der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und höher als die zweite Trägerkonzentration NEP der epitaktischen Schicht 3. Die Konzentrationsdifferenz zwischen der zweiten Trägerkonzentration NEP und einer Trägerkonzentration N6 kann solch eine Konzentrationsdifferenz sein, dass als ein Beispiel die Trägerkonzentration N6 etwa 2- bis 5-mal höher als die zweite Trägerkonzentration NEP ist. Die Konzentrationsdifferenz zwischen dem minimalen Wert N7 der Trägerkonzentration NTR und der Trägerkonzentration N6 kann solch eine Konzentrationsdifferenz sein, dass als ein Beispiel der minimale Wert N7 etwa 2-bis 5-mal höher als die Trägerkonzentration N6 ist. Als eine Modifikation kann jedoch die Trägerkonzentration N6 die Gleiche wie die zweite Trägerkonzentration NEP sein oder kann die Gleiche wie der minimale Wert N7 der Trägerkonzentration NTR sein. In der Modifikation in 6 ist es auch möglich, den Effekt zu erhalten, bei dem sowohl die Kristallinität als auch die Messung einer Filmdicke an der Grenzfläche 30 zwischen der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und dem Siliziumcarbid-Substrat 1, beschrieben in der oben erwähnten Ausführungsform, erreicht werden. Man beachte, dass es vorzuziehen ist, dass die erste Trägerkonzentration NSUB des Siliziumcarbid-Substrats 1 direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 10- bis 1000-mal höher als die Trägerkonzentration N6 der epitaktischen Schicht 13b direkt auf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 ist. Dies gilt, da es dadurch möglich ist, die größten technischen Vorteile der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 zu erzielen.
  • Wie im Fall eines in 7 dargestellten Siliziumcarbid-Wafers 103 kann auch eine Vielzahl von Trägerkonzentrations-Übergangsschichten 2a und 2b zwischen dem Siliziumcarbid-Substrat 1 und der epitaktischen Schicht 3 vorgesehen sein. Konkreter sind die erste Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a und die zweite Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b im Siliziumcarbid-Wafer 103 aufeinander platziert. Die erste Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a ist eine Schicht, die man auf dem Siliziumcarbid-Substrat 1 epitaktisch wachsen lässt, und kann genau wie die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 ausgelegt und hergestellt werden. Ein minimaler Wert N3 der Trägerkonzentration der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a ist jedoch höher als die zweite Trägerkonzentration NEP der epitaktischen Schicht 3. Der Anfangswert der Trägerkonzentration der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b stimmt mit dem minimalen Wert N3 der Trägerkonzentration der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a überein. Die Trägerkonzentration der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b nimmt ab, während die Filmdicke zunimmt, und wird die gleiche zweite Trägerkonzentration NEP der epitaktischen Schicht 3 bei einer maximalen Filmdicke.
  • Beide Konzentrationsgradienten der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a und der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b können so festgelegt werden, dass sie wie im Fall der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 gemäß der Ausführungsform in den vorbestimmten Konzentrationsbereich S fallen. Jedoch kann der Konzentrationsgradient der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a vom Konzentrationsgradienten der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b verschieden sein, solange die jeweiligen Konzentrationen in den vorbestimmten Konzentrationsbereich S fallen. Der Siliziumcarbid-Wafer 103 in 7 kann ebenfalls den Effekt erzielen, bei dem sowohl die Kristallinität als auch die Messung der Filmdicke, wie in der oben erwähnten Ausführungsform beschrieben, an der Grenzfläche 30 zwischen der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a und dem Siliziumcarbid-Substrat 1 erzielt werden. Es ist auch möglich, den Effekt zu erhalten, bei dem sowohl die Kristallinität als auch die Messung der Filmdicke, wie in der oben erwähnten Ausführungsform beschrieben, an der Grenzfläche 32 zwischen der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b und der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a erzielt werden.
  • Als eine bevorzugtere Modifikation kann der Konzentrationsgradient von zumindest einer der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a und der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b so festgelegt werden, dass er in den vorbestimmten Konzentrationsbereich fällt, der durch die dritte Konzentrationsgradienten-Bedingung und die vierte Konzentrationsgradienten-Bedingung definiert ist.
  • Man beachte, dass nur der Konzentrationsgradient von nur einer der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a und der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b so festgelegt werden kann, dass er wie im Fall der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 gemäß der Ausführungsform in den vorbestimmten Konzentrationsbereich S fällt. Es ist möglich, den Effekt zu erhalten, bei dem sowohl die Kristallinität als auch die Messung der Filmdicke, beschrieben in der oben erwähnten Ausführungsform, an der Grenzfläche zwischen der Schicht direkt unter dieser einen Trägerkonzentrations-Übergangsschicht und dieser einen Trägerkonzentrations-Übergangsschicht erzielt werden. Die andere Schicht der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a und der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b kann einen Konzentrationsgradienten aufweisen, der nicht in den vorbestimmten Konzentrationsbereich S fällt.
  • Wie im Fall eines in 8 gezeigten Siliziumcarbid-Wafers 104 kann auch eine epitaktische Zwischenschicht 14 zwischen der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a und der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b vorgesehen sein. Die epitaktische Zwischenschicht 14 enthält eine Zwischen-Trägerkonzentration N4, welche in der Dickenrichtung gleichmäßig ist. Die Zwischen-Trägerkonzentration N4 ist niedriger als ein minimaler Wert N5 der Trägerkonzentration der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a und ist gleich dem Anfangswert der Trägerkonzentration der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b. Eine Konzentrationsdifferenz zwischen der Zwischen-Trägerkonzentration N4 und dem minimalen Wert N5 kann als ein Beispiel auf die Größenordnung etwa des 2- bis 5-Fachen eingestellt werden. In der Modifikation in 8 ist es auch möglich, den Effekt zu erhalten, bei dem sowohl die Kristallinität als auch die Messung der Filmdicke, beschrieben in der oben erwähnten Ausführungsform, an der Grenzfläche 30 zwischen der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a und dem Siliziumcarbid-Substrat 1 und an einer Grenzfläche 33 zwischen der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b und der epitaktischen Zwischenschicht 14 erzielt werden.
  • Man beachte, dass es in der Modifikation in 8 vorzuziehen ist, dass die erste Trägerkonzentration NSUB des Siliziumcarbid-Substrats 1 direkt unter der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a 10- bis 1000-mal höher als die Zwischen-Trägerkonzentration N4 der epitaktischen Zwischenschicht 14 direkt auf der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a ist. Zusammen damit oder stattdessen ist es vorzuziehen, dass die Zwischen-Trägerkonzentration N4 der epitaktischen Zwischenschicht 14 direkt unter der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b 10- bis 1000-mal höher als die zweite Trägerkonzentration NEP der epitaktischen Schicht 3 direkt auf der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b ist. Dies gilt, da es dadurch möglich ist, die größten technischen Vorteile der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a und der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b zu erzielen.
  • Man beachte, dass, obgleich nicht dargestellt, zusätzlich die epitaktische Schicht 13b in 6 dem in 5 gezeigten Siliziumcarbid-Wafer 101 hinzugefügt werden kann. Zumindest eine der epitaktischen Schichten 13a und 13b in 5 und 6 kann dem in 7 gezeigten Siliziumcarbid-Wafer 103 hinzugefügt werden. Zumindest eine der epitaktischen Schichten 13a und 13b in 5 und 6 kann dem in 8 gezeigten Siliziumcarbid-Wafer 104 hinzugefügt werden.
  • Vorrichtungsstruktur gemäß Ausführungsform
  • 9 ist ein Diagramm, das eine Halbleitervorrichtung 40 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Halbleitervorrichtung 40 ist ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Die Halbleitervorrichtung 40 ist aus einer Transistor-Oberflächenstruktur 50, die auf einer Oberfläche eines Halbleiterchips 150 ausgebildet ist, und einer Drainelektrode 9 aufgebaut, die eine rückseitige Elektrode ist, die auf einer Rückseite des Halbleiterchips 150 vorgesehen ist. Der Halbleiterchip 150 hat die gleiche Schichtstruktur wie der Siliziumcarbid-Wafer 100 gemäß der Ausführungsform. Dies verhält sich so, da der Halbleiterchip 150 erhalten wird, indem der Siliziumcarbid-Wafer 100 in einer sogenannten Post-Step-Behandlung nach Ausbilden der Transistor-Oberflächenstruktur 50 oder dergleichen zerteilt wird. Daher ist der Halbleiterchip 150 mit dem Siliziumcarbid-Substrat 1, der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und der Driftschicht 3 versehen. Da die epitaktische Schicht 3 als die Driftschicht 3 genutzt wird, ist hier beiden Schichten die gleiche Bezugsziffer zugeordnet.
  • Die Transistor-Oberflächenstruktur 50 ist auf der Oberfläche der Driftschicht 3 ausgebildet. Die Transistor-Oberflächenstruktur 50 ist konkreter mit einem Satz von Basisbereichen 4, die gebildet werden, indem Verunreinigungen bzw. Störstellen in die Driftschicht 3 implantiert werden, Sourcebereichen 5, die in dem einen Satz von Basisbereichen jeweils ausgebildet sind, einem Gate-Isolierfilm 6, der so ausgebildet ist, dass er einen Basisbereich 4 und Sourcebereich 5 und den anderen Basisbereich 4 und Sourcebereich 5 überspannt, einer Gateelektrode 7, die auf dem Gate-Isolierfilm 6 ausgebildet ist, und einer auf den Sourcebereichen 5 ausgebildeten Sourceelektrode 8 vorgesehen.
  • Ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 40 wird beschrieben. Der Siliziumcarbid-Wafer 100 wird präpariert, und eine Maske wird unter Verwendung eines Resists oder dergleichen in vorbestimmten und gegenseitig getrennten Bereichen auf der Oberfläche der Driftschicht 3 gebildet. Nachdem die Maske ausgebildet ist, werden Störstellen mittels Ionen implantiert. Als Ergebnis wird ein Paar Basisbereiche 4 vom P-Typ gebildet. Beispiele der Störstellen vom P-Typ in der Driftschicht 3 umfassen Bor (B) oder Aluminium (AI). Darüber hinaus wird eine Maske in dem Basisbereich 4 vom P-Typ unter Verwendung eines Resists oder dergleichen gebildet, und die Maske wird nach Ausbilden von Sourcebereichen 5 vom N-Typ entfernt. Ein Beispiel einer Störstelle vom N-Typ ist Phosphor (P) oder Stickstoff (N). Als Nächstes wird nach einer Ionenimplantation der Wafer unter Verwendung eines Wärmebehandlungsgeräts einer Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur unterzogen. Implantierte Ionen vom N-Typ und P-Typ werden elektrisch aktiviert. Der Gate-Isolierfilm 6 wird durch thermische Oxidation oder Abscheidung gebildet. Die Gateelektrode 7 wird auf dem Gate-Isolierfilm 6 gebildet und strukturiert. Die Gateelektrode 7 ist so vorgesehen, dass sie das Paar Basisbereiche 4 und Sourcebereiche 5 überspannt. Die Gateelektrode 7 wird so strukturiert, dass die Mitte der Gateelektrode 7 bei der Mitte eines freigelegten Teilbereichs der Driftschicht 3 liegt, der zwischen den Basisbereichen 4 freigelegt ist. Darüber hinaus wird ein verbleibender Teilbereich des Gate-Isolierfilms 6 auf jedem Sourcebereich 5 unter Verwendung einer Lithographietechnik und einer Ätztechnik entfernt. Nach der Entfernung wird die Sourceelektrode 8 in dem Teilbereich ausgebildet, wo der Sourcebereich 5 freigelegt ist, und die Sourceelektrode 8 wird strukturiert. Die Transistor-Oberflächenstruktur 50 ist somit vollendet. Danach wird die Drainelektrode 9 auf der Rückseite des Siliziumcarbid-Substrats 1 gebildet. Nach diesen Prozessen wird der Siliziumcarbid-Wafer 100 in Chips zerteilt. Als Ergebnis wird die Halbleitervorrichtung 40 mit Hauptteilen der in 9 dargestellten MOSFET-Elementstruktur geliefert.
  • Man beachte, dass die Halbleitervorrichtung 40 ein MOSFET ist, der mit einer sogenannten isolierenden Gatestruktur vom Planar-Gate-Typ versehen ist. Die isolierende Gatestruktur der Halbleitervorrichtung 40 kann jedoch eine Struktur eines sogenannten Graben-Gyte-Typs aufweisen. Darüber hinaus kann die isolierende Gatestruktur in einen Bipolartransistor vom Typ mit isoliertem Gate (IGBT) transformiert werden, indem der Halbleitervorrichtung 40 eine Kollektorschicht vom P-Typ hinzugefügt wird, oder dieser IGBT kann vom Graben-Gate-Typ sein. Da diese Transformationen bekannte Techniken und keine Neuen sind, wird deren detaillierte Beschreibung weggelassen.
  • 10 ist ein Diagramm, das eine andere Halbleitervorrichtung 42 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Halbleitervorrichtung 42 ist eine Schottky-Barrierendiode aus Siliziumcarbid (SiC-SBD). Die Halbleitervorrichtung 42 besteht aus einer SBD-Oberflächenstruktur 52, die auf einer Oberfläche eines Halbleiterchips 152 ausgebildet ist, und einer ohmschen Elektrode 12, die eine rückseitige Elektrode ist, die auf einer Rückseite des Halbleiterchips 152 vorgesehen ist. Der Halbleiterchip 152 hat die gleiche Schichtstruktur wie der Siliziumcarbid-Wafer 100 gemäß der Ausführungsform. Dies verhält sich so, da der Halbleiterchip 152 erhalten wird, indem der Siliziumcarbid-Wafer 100 in einer sogenannten Post-Step-Behandlung nach Ausbilden der SBD-Oberflächenstruktur 52 oder dergleichen zerteilt wird. Daher ist der Halbleiterchip 152 mit dem Siliziumcarbid-Substrat 1, der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und der Driftschicht 3 versehen. Da die epitaktische Schicht 3 als die Driftschicht 3 genutzt wird, ist hier beiden Schichten die gleiche Bezugsziffer zugewiesen.
  • Die SBD-Oberflächenstruktur 52 ist auf der Oberfläche der Driftschicht 3 ausgebildet. Konkreter ist die SBD-Oberflächenstruktur 52 mit einem Satz lonenimplantationsschichten 10, die auf der Driftschicht 3 über eine Störstellenimplantation ausgebildet werden, und einer Schottky-Elektrode 11 vorgesehen, die so ausgebildet ist, dass sie diesen einen Satz lonenimplantationsschichten 10 überspannt. Man beachte, dass die lonenimplantationsschicht 10 auch „Abschlussstruktur 10“ genannt wird.
  • Ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 42 wird beschrieben. Der Siliziumcarbid-Wafer 100 wird präpariert, und eine Fotoresist-Strukturierungsmaske einer gewünschten Struktur wird auf der Oberfläche der Driftschicht 3 gebildet. Störstellenionen werden von oberhalb der Maske implantiert, und die lonenimplantationsschicht 10 wird auf der Oberfläche der Driftschicht 3 vom N-Typ gebildet. Danach werden die Maske und ein Opferoxidfilm entfernt. Ein aktivierendes Ausheilen wird durchgeführt, um implantierte Störstellenatome zu aktivieren, und dadurch wird die Abschlussstruktur 10 vom P-Typ gebildet. Eine ohmsche Elektrode 12 wird auf der Rückseite des Siliziumcarbid-Substrats 1 gebildet, und eine Wärmebehandlung wird durchgeführt. Darüber hinaus wird die Schottky-Elektrode 11 auf der Oberfläche des Siliziumcarbid-Substrats 1 gebildet. Nach diesen Prozessen wird der Siliziumcarbid-Wafer 100 in Chips zerteilt. Als Ergebnis wird die Halbleitervorrichtung 42 mit Hauptteilen der in 10 gezeigten Elementstruktur geliefert.
  • Man beachte, dass, obwohl die Halbleitervorrichtung 42 eine Schottky-Barrierendiode ist, die Halbleitervorrichtung 42 auch eine PN-Diode sein kann.
  • Man beachte, dass all die oben erwähnten Modifikationen des Siliziumcarbid-Wafers 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf die Halbleiterchips 150 und 152 der Halbleitervorrichtungen 40 und 42 angewendet werden. Das heißt, die Transistor-Oberflächenstruktur 50 oder dergleichen oder SBD-Oberflächenstruktur 52 oder dergleichen kann auf dem Siliziumcarbid-Wafer 100 ausgebildet werden, für den die oben erwähnten verschiedenen Modifikationen verwendet werden, und der Siliziumcarbid-Wafer 100 kann dann in Chips zerteilt werden. Darüber hinaus können anstelle des Siliziumcarbid-Wafers 100 auch die Siliziumcarbid-Wafer 101 bis 104 verwendet werden.
  • Herstellungsverfahren gemäß Ausführungsform
  • 11 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • (Schritt S100)
  • Ein Siliziumcarbid-Substrat 1 vom N-Typ mit einem Off-Winkel bzw. Winkel zur Achse von 4° wird präpariert. Das Siliziumcarbid-Substrat 1 wird in dem Epitaxiegerät für Siliziumcarbid angeordnet.
  • (Schritt S102)
  • Wasserstoffgas als Trägergas lässt man in das Epitaxiegerät für Siliziumcarbid strömen. Eine Temperatur in einem Ofen des Epitaxiegeräts für Siliziumcarbid wird auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht. Die vorbestimmte Temperatur beträgt zum Beispiel 1450°C bis 1650°C.
  • (Schritt S104)
  • Nachdem die Temperatur im Ofen die vorbestimmte Temperatur erreicht, wird diese vorbestimmte Temperatur für eine vorbestimmte Zeit gehalten, und unter Verwendung eines Gases wird vor einem epitaktischen Wachstum eine Ätzung durchgeführt.
  • (Schritt S106)
  • Nach Durchführung einer Ätzung unter Verwendung des Gases werden ein Wachstumsgas und ein Dotierstoffgas eingeleitet, um ein Wachstum der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 zu beginnen. Als das Wachstumsgas kann zum Beispiel Gas auf Silan-Basis wie etwa Monosilan oder ein Gas auf Kohlenwasserstoff-Basis wie etwa Propan verwendet werden. Als das Dotierstoffgas kann beispielsweise Stickstoff verwendet werden. Man beachte, dass während eines Ätzens und Kristallwachstums ein Gas auf Chlorbasis wie etwa Chlorwasserstoff in das Epitaxiegerät für Siliziumcarbid eingeleitet werden kann.
  • (Schritt S108)
  • Während des Wachstums der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 werden der Durchsatz bzw. die Durchflussrate und das Verhältnis von Monosilan und Propan und die Stickstoff-Durchflussrate so eingestellt, dass eine gewünschte Trägerkonzentration erreicht wird. Als ein Beispiel können eine Monosilan-Durchflussrate von 20 ccm, eine Propan-Durchflussrate von 7 ccm, ein C/Si-Verhältnis von 1,05 und eine Stickstoff-Durchflussrate von 100 ccm übernommen werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Konzentrationsänderung der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 verwirklicht, indem die Gasdurchflussrate kontinuierlich geändert wird. Die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 wird erhalten, indem die Durchflussrate von Monosilan im Laufe der Zeit während des Wachstums der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 kontinuierlich erhöht und zur gleichen Zeit die Stickstoff-Durchflussrate im Laufe der Zeit kontinuierlich verringert wird. Als ein Beispiel kann während je 300 Sekunden Monosilan vom 20 ccm auf 160 ccm erhöht werden und kann Propan von 7 ccm auf 56 ccm erhöht werden. Gleichzeitig mit dieser Erhöhung kann während 300 Sekunden eine Stickstoff-Durchflussrate von 100 ccm auf 10 ccm verringert werden. Die Zunahme der Durchflussrate des Wachstumsgases und die Abnahme der Durchflussrate des Dotierstoffgases können linear sein, das heißt, sich wie eine lineare Funktion ändern, oder können nicht ganz linear, sondern eine Kurve sein, deren Verhältnis einer Änderung der Durchflussrate sanft bzw. langsam variiert.
  • (Schritt S110)
  • In der vorliegenden Ausführungsform lässt man die epitaktische Schicht 3 kontinuierlich wachsen, nachdem man in Schritt S108 die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 wachsen ließ. Eine Wachstumsbedingung der epitaktischen Schicht 3 kann beispielsweise 160 ccm Monosilan, 56 ccm Propan und 10 ccm Stickstoff sein. Da die epitaktische Schicht 3 die zweite Trägerkonzentration NEP aufweist, welche in der Dickenrichtung gleichmäßig ist, besteht keine Notwendigkeit, irgendeinen Konzentrationsgradienten vorzusehen. Daher ist keine proaktive Änderung wie etwa einer Gasdurchflussrate gemäß dem Zeitverlauf wie in Schritt S108 notwendig. Man beachte, dass es auch möglich ist, das epitaktische Wachstum zwischen der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und der epitaktischen Schicht 3 auszusetzen bzw. zu unterbrechen. In dem Fall, in dem man das Wachstum aussetzt bzw. unterbricht, besteht jedoch eine Möglichkeit, dass zusammen mit einem Gasaustausch ein Kristalldefektfehler erzeugt werden kann. Daher ist es vom Standpunkt einer Unterdrückung eines Kristalldefektfehlers aus vorteilhaft, ein kontinuierliches Wachstum ohne Aussetzen des Wachstums wie im Fall der vorliegenden Ausführungsform zu übernehmen.
  • (Schritt S111)
  • Nachdem man die epitaktische Schicht 3 wachsen ließ, wird unter Verwendung des FT-IR-Verfahrens eine Filmdicke gemessen. Mit dem Vorsehen der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 ist es möglich, reflektiertes Infrarotlicht, das für eine Filmdickenmessung basierend auf dem FT-IR-Verfahren notwendig ist, an der Grenzfläche 30 zwischen der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und dem Siliziumcarbid-Substrat 1 zu erhalten.
  • Zu diesem Zeitpunkt ist es möglich, den Siliziumcarbid-Wafer 100 zu schaffen, der dahingehend verbessert ist, um sowohl eine genaue Filmdickenregelung als auch eine ausgezeichnete Kristallinität zu erzielen. Dieser Siliziumcarbid-Wafer 100 kann als Produkt verkauft werden.
  • (Schritt S112)
  • In der Ausführungsform wird ferner nach Schritt S111 ein Oberflächenprozess auf dem Siliziumcarbid-Wafer 100 durchgeführt. Der Oberflächenprozess ist ein Schritt zum Ausbilden der Transistor-Oberflächenstruktur 50 oder der SBD-Oberflächenstruktur 52. Da Details des Oberflächenprozesses unter Verwendung von 9 und 10 schon beschrieben wurden, wird die detaillierte Beschreibung hier weggelassen.
  • (Schritt S114)
  • Als Nächstes wird auf der Rückseite des Siliziumcarbid-Wafers 100 eine der Drainelektrode 9 und der ohmschen Elektrode 12 gebildet, welche in 9 und 10 beschriebene rückseitige Elektroden sind.
  • (Schritt S116)
  • Danach wird der Siliziumcarbid-Wafer 100 zerteilt. Dies ist einer von Nachbearbeitungs- bzw. Post-Schritten. Das resultierende Chipprodukt ist die in 9 gezeigte Halbleitervorrichtung 40 oder die in 10 gezeigte Halbleitervorrichtung 42.
  • Auf diese Wise werden die Halbleitervorrichtungen 40 und 42 gemäß der vorliegenden Ausführungsform geschaffen. Ein Leistungs-Halbleitermodul kann auch geschaffen werden, indem die Halbleitervorrichtung 40 und 42, Montageteile auf dem Schaltungssubstrat und dergleichen gepackt und nach einem Zusammenbau in ein Gehäuse mit Harz versiegelt oder danach mit Gussharz versiegelt werden.
  • Das Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die folgenden Vorteile auf:
  • Es gibt viele Ablagerungen in der inneren Oberfläche eines Wachstumsofens eines Geräts für epitaktisches Wachstum von Siliziumcarbid und Teilen im Wachstumsofen. Es gibt auch Ablagerungen mit einer geringen Adhäsion mit der inneren Oberfläche des Wachstumsofens und Teilen im Wachstumsofen. Bei einem drastischen Gasaustausch kann dies, falls jene Ablagerungen in die Luft gerissen werden und am Siliziumcarbid-Wafer 100 haften, einen Kristalldefektfehler hervorrufen. Falls ein Überschießen oder Unterschießen der Durchflussrate des Dotierstoffgases, einhergehend mit der Steuerung der Gasdurchflussrate, auftritt, ist es außerdem schwierig, eine gewünschte Dotierstoffkonzentration stabil zu erhalten. Durch das Überschießen oder Unterschießen der Gasdurchflussrate hervorgerufen, kann auf der Oberfläche des Siliziumcarbid-Wafers 100 das Gleichgewicht der Gasdurchflussrate lokal verlorengehen. Insbesondere ist das Verhältnis des Gases auf Silan-Basis oder Gases auf Kohlenwasserstoff-Basis eine von wichtigen Bedingungen für das epitaktische Wachstum von Siliziumcarbid. Eine lokale Änderung des Gleichgewichts der Gasdurchflussrate auf der Oberfläche des Siliziumcarbid-Wafers 100 kann eine Zunahme von Kristalldefektfehlern und eine Verzerrung der Trägerkonzentration hervorrufen. Insofern realisiert die vorliegende Ausführungsform eine Konzentrationsänderung der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 über eine kontinuierliche Änderung der Gasdurchflussrate. Dies verhindert eine Unterbrechung bzw. Aussetzung eines epitaktischen Wachstums während des Wachstums der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 und eliminiert die Notwendigkeit einer drastischen Erhöhung/Verringerung der Durchflussrate oder eines Austausches von Wachstumsgas oder dergleichen.
  • Der Prozess zum Herstellen einer Leistungs-Halbleitervorrichtung umfasst einen Implantationsschritt, einen Ausheilschritt für eine Donatoraktivierung und einen Filmausbildungsschritt, um eine Elektrode und einen isolierenden Film auszubilden. Verschiedene thermische und mechanische Kräfte werden, während diese Schritte durchlaufen werden, auf das Siliziumcarbid-Substrat 1 angewendet. In dieser Hinsicht haben Ergebnisse einer vom aktuellen Erfinder durchgeführten Untersuchung bestätigt, dass, wenn die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 vorgesehen wird, es möglich ist, die oben erwähnten Unterdrückungseffekte bezüglich Versetzungen und Kristalldefektfehlern im Prozess zum Herstellen der Leistungs-Halbleitervorrichtung zu erzielen.
  • Man beachte, dass das oben beschriebene Herstellungsverfahren auf verschiedene Weisen modifiziert werden kann. Beispielsweise wird als das Dotierstoffgas in der Ausführungsform Stickstoff verwendet. Anstelle von Stickstoff kann ein gemischtes Gas, das Stickstoff und andere Elemente enthält, verwendet werden, oder ein anderes gemischtes Gas, das ein Element enthält, welches ein Dotierstoff vom N-Typ bezüglich des Siliziumcarbids wird, kann verwendet werden. Darüber hinaus kann auch ein Dotierstoffgas für eine Ausbildung eines Halbleiters vom P-Typ verwendet werden. Obgleich Halbleiter vom N-Typ für das Siliziumcarbid-Substrat 1 und die epitaktische Schicht 3 in der Ausführungsform verwendet werden, können auch Halbleiter vom P-Typ für das Siliziumcarbid-Substrat 1 und die epitaktische Schicht 3 verwendet werden.
  • Man beachte, dass Modifikationen an dem oben erwähnten Siliziumcarbid-Wafer 100 gemäß der Ausführungsform durch Modifizieren des in 11 gezeigten Flussdiagramms hergestellt werden können. Beispielsweise können die Trägerkonzentration und die Festlegung der Filmdicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2 auf verschiedene Weisen geändert werden. Die Siliziumcarbid-Wafer 101 bis 104, die in 5 bis 8 dargestellt sind, können zum Beispiel wie folgt hergestellt werden. Um den in 5 dargestellten Siliziumcarbid-Wafer 101 herzustellen, kann ein Schritt zum Vorsehen der epitaktischen Schicht 13a zwischen Schritt S106 und Schritt S108 in 11 hinzugefügt werden. Um den in 6 dargestellten Siliziumcarbid-Wafer 102 herzustellen, kann ein Schritt zum Vorsehen der epitaktischen Schicht 13b zwischen Schritt S108 und Schritt S110 in 11 hinzugefügt werden. Um den in 7 dargestellten Siliziumcarbid-Wafer 103 herzustellen, kann Schritt S108 in 11 mehrere Male wiederholt werden. Jedoch müssen die festgelegten Werte der Trägerkonzentration und der Filmdicke gemäß der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2a und der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht 2b jeweils ausgelegt werden. Um den in 8 dargestellten Siliziumcarbid-Wafer 104 herzustellen, kann ein Schritt zum Vorsehen der epitaktischen Zwischenschicht 14 nach Schritt S108 in 11 hinzugefügt werden, und ferner kann Schritt S108 weiter wiederholt werden, bevor man zum nächsten Schritt weitergeht.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Siliziumcarbid-Substrat
    2
    Trägerkonzentrations-Übergangsschicht
    2a
    erste Trägerkonzentrations-Übergangsschicht
    2b
    zweite Trägerkonzentrations-Übergangsschicht
    3
    epitaktische Schicht (Driftschicht)
    13a, 13b
    epitaktische Schicht
    4
    Basisbereich
    5
    Sourcebereich
    6
    Gate-Isolierfilm
    7
    Gateelektrode
    8
    Sourceelektrode
    9
    Drainelektrode
    10
    lonenimplantationsschicht (Abschlussstruktur)
    11
    Schottky-Elekrode
    12
    ohmsche Elektrode
    14
    epitaktische Zwischenschicht
    30-33
    Grenzfläche
    40, 42
    Halbleitervorrichtung
    50
    Transistor-Oberflächenstruktur
    52
    SBD-Oberflächenstruktur
    100-104
    Siliziumcarbid-Wafer
    150, 152
    Halbleiterchip
    C1
    erste Konzentrationsgradienten-Bedingung
    C2
    zweite Konzentrationsgradienten-Bedingung

Claims (13)

  1. Halbleitervorrichtung, aufweisend: - ein Siliziumcarbid-Substrat (1) mit einer ersten Trägerkonzentration, die in einer Dickenrichtung gleichmäßig ist; - eine Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2), die auf dem Siliziumcarbid-Substrat (1) ausgebildet ist; und - eine epitaktische Schicht (3), die auf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ausgebildet ist, wobei die epitaktische Schicht (3) eine zweite Trägerkonzentration aufweist, die in der Dickenrichtung gleichmäßig ist, und die zweite Trägerkonzentration niedriger als die erste Trägerkonzentration ist, wobei: - die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) einen Konzentrationsgradienten in der Dickenrichtung aufweist, - der Konzentrationsgradient solch ein Gradient ist, dass die Trägerkonzentration kontinuierlich abnimmt, während eine Distanz entlang der Dickenrichtung von einer Grenzfläche (30) zunimmt, wobei die Grenzfläche (30) zwischen einer Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ausgebildet ist, und die Trägerkonzentration mit einer geringeren Abnahmerate abnimmt, während die Distanz von der Grenzfläche (30) entlang der Dickenrichtung in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht zunimmt; - angenommen wird, dass X ein Filmdickenverhältnis in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ist, - das Filmdickenverhältnis erhalten wird, indem eine Position in der Dickenrichtung der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) durch eine Filmdicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) dividiert wird, - X eine Variable mit einem Definitionsbereich von 0 ≤ X ≤ 1 ist, - angenommen wird, dass Y ein Trägerkonzentrationsverhältnis in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ist, - das Trägerkonzentrationsverhältnis erhalten wird, indem eine Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) in einem Bereich von 0 < X ≤ 1 durch eine Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2), wenn X = 0 ist, dividiert wird, und - wenn ein zwischen einer folgenden Gleichung (a1) und Gleichung (a2) liegender Konzentrationsbereich vorher definiert wird, Y = 1 . 0 5 1 . 7 4 × 1 0 − 3 + 1 . 0 0 × X − 1 . 0 4
    Figure DE112016007482B4_0018
     Y = 1 . 9 5 1 . 1 1 × 1 0 − 1 + 0 . 8 9 × X − 1 . 5 0
    Figure DE112016007482B4_0019
    die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) den Konzentrationsgradienten enthält, der in den Konzentrationsbereich fällt.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn ein zwischen einer folgenden Gleichung (a3) und Gleichung (a4) liegender Konzentrationsbereich vorher definiert wird, Y = 1 . 0 8 4 . 4 5 × 1 0 − 3 + 1 . 0 0 × X − 1 . 0 7
    Figure DE112016007482B4_0020
     Y = 1 . 6 0 2 . 7 8 × 1 0 − 2 + 0 . 9 7 × X − 1 . 2 0
    Figure DE112016007482B4_0021
    die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) einen Konzentrationsgradienten enthält, der in den zwischen der Gleichung (a3) und der Gleichung (a4) liegenden Konzentrationsbereich fällt.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) in einen Bereich von 0,3 µm bis 10,0 µm fällt.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: - eine Schicht direkt auf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) die epitaktische Schicht (3) ist, - die Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) das Siliziumcarbid-Substrat (1) ist, und - die erste Trägerkonzentration 10- bis 1000-mal höher als die zweite Trägerkonzentration ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: - eine Schicht direkt auf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) die epitaktische Schicht (3) ist, - eine andere epitaktische Schicht (13a) mit einer dritten Trägerkonzentration, die in der Dickenrichtung gleichmäßig ist, zwischen dem Siliziumcarbid-Substrat (1) und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ausgebildet ist, - die Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) die andere epitaktische Schicht (13a) ist, und - die dritte Trägerkonzentration 10- bis 1000-mal höher als die zweite Trägerkonzentration ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: - eine andere epitaktische Schicht (13b) mit einer dritten Trägerkonzentration, die in der Dickenrichtung gleichmäßig ist, zwischen der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) und der epitaktischen Schicht (3) ausgebildet ist, - eine Schicht direkt auf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) die andere epitaktische Schicht (13b) ist, - die Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) das Siliziumcarbid-Substrat (1) ist, und - die erste Trägerkonzentration 10- bis 1000-mal höher als die dritte Trägerkonzentration ist.
  7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei: - die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) eine erste Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2a) ist; - eine zweite Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2b) an einer Stelle zwischen dem Siliziumcarbid-Substrat (1) und der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2a) und/oder zwischen der ersten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2a) und der epitaktischen Schicht (3) ausgebildet ist, - eine Trägerkonzentration der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2b) einen Konzentrationsgradienten in der Dickenrichtung aufweist; und - der Konzentrationsgradient der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2b) solch ein Gradient ist, dass die Trägerkonzentration kontinuierlich abnimmt, während eine Distanz entlang der Dickenrichtung von einer anderen Grenzfläche (32) zunimmt, wobei die andere Grenzfläche (32) zwischen einer Schicht direkt unter der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2b) und der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2b) ausgebildet ist, und die Trägerkonzentration mit einer geringeren Abnahmerate abnimmt, während die Distanz von der anderen Grenzfläche (32) entlang der Dickenrichtung in der zweiten Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2b) zunimmt.
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, - welche als Halbleiterchip (150) ausgebildet ist und - welche aufweist: - eine Transistor-Oberflächenstruktur (50), die auf einer Oberfläche der epitaktischen Schicht (3) im Halbleiterchip (150) ausgebildet ist; und - eine rückseitige Elektrode (9), die auf einer Rückseite des Halbleiterchips (150) ausgebildet ist.
  9. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, - welche als Halbleiterchip (150) ausgebildet ist und - welche aufweist: - eine Oberflächenstruktur (52) einer Schottky-Barrierendiode, die auf einer Oberfläche der epitaktischen Schicht (3) im Halbleiterchip (152) ausgebildet ist; und - eine rückseitige Elektrode (12), die auf einer Rückseite des Halbleiterchips (152) ausgebildet ist.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, aufweisend: - einen ersten Schritt zum Präparieren eines Siliziumcarbid-Substrats (1) mit einer ersten Trägerkonzentration, die in einer Dickenrichtung gleichmäßig ist; - einen zweiten Schritt zum Vorsehen einer Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2), die auf dem Siliziumcarbid-Substrat (1) ausgebildet ist, indem ein Wachstumsgas und ein Dotierstoffgas zugeführt werden; und - einem dritten Schritt zum Vorsehen einer epitaktischen Schicht, die auf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ausgebildet ist, wobei die epitaktische Schicht (3) eine zweite Trägerkonzentration aufweist, die in der Dickenrichtung gleichmäßig ist, und die zweite Trägerkonzentration niedriger als die erste Trägerkonzentration ist, wobei: - der zweite Schritt dafür konfiguriert ist, Durchflussraten des Wachstumsgases und des Dotierstoffgases so zu steuern, dass die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) einen Konzentrationsgradienten in der Dickenrichtung aufweist, - der Konzentrationsgradient solch ein Gradient ist, dass die Trägerkonzentration kontinuierlich abnimmt, während eine Distanz entlang der Dickenrichtung von einer Grenzfläche (30) zunimmt, wobei die Grenzfläche (30) zwischen einer Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ausgebildet ist, und die Trägerkonzentration mit einer geringeren Abnahmerate abnimmt, während die Distanz von der Grenzfläche (30) entlang der Dickenrichtung in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) zunimmt; - angenommen wird, dass X ein Filmdickenverhältnis in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ist, - das Filmdickenverhältnis erhalten wird, indem eine Dicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) in einer Mitte eines Wachstums, nachdem die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) zu wachsen beginnt, durch einen Filmdicken-Designwert der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) dividiert wird, - X eine Variable mit einem Definitionsbereich von 0 ≤ X ≤ 1 ist, - angenommen wird, dass Y ein Trägerkonzentrationsverhältnis in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ist, - das Trägerkonzentrationsverhältnis erhalten wird, indem eine Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) in einem Bereich von 0 < X ≤ 1 durch eine Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2), wenn X = 0 gilt, dividiert wird, und - wenn ein zwischen einer folgenden Gleichung (c1) und Gleichung (c2) liegender Konzentrationsbereich vorher definiert wird, Y = 1 . 0 5 1 . 7 4 × 1 0 − 3 + 1 . 0 0 × X − 1 . 0 4
    Figure DE112016007482B4_0022
     Y = 1 . 9 5 1 . 1 1 × 1 0 − 1 + 0 . 8 9 × X − 1 . 5 0
    Figure DE112016007482B4_0023
    der zweite Schritt dafür konfiguriert ist, die Durchflussraten des Wachstumsgases und des Dotierstoffgases so zu steuern, dass die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) einen Konzentrationsgradienten enthält, der in den Konzentrationsbereich fällt.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, wobei in dem zweiten Schritt das Wachstumsgas gemäß einem Zeitverlauf kontinuierlich erhöht wird und das Dotierstoffgas gemäß dem Zeitverlauf kontinuierlich verringert wird.
  12. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei man die Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) und die epitaktische Schicht (3) kontinuierlich wachsen lässt, indem man fortfährt, das Wachstumsgas und das Dotierstoffgas vom zweiten Schritt bis zum dritten Schritt einzuleiten.
  13. Halbleiterwafer, aufweisend: - ein Siliziumcarbid-Substrat (1) mit einer ersten Trägerkonzentration, die in einer Dickenrichtung gleichmäßig ist; - eine Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2), die auf dem Siliziumcarbid-Substrat (1) ausgebildet ist; und - eine epitaktische Schicht (3), die auf der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ausgebildet ist, wobei die epitaktische Schicht (3) eine zweite Trägerkonzentration aufweist, die in der Dickenrichtung gleichmäßig ist, und die zweite Trägerkonzentration niedriger als die erste Trägerkonzentration ist, wobei: - die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) einen Konzentrationsgradienten in der Dickenrichtung aufweist, - der Konzentrationsgradient solch ein Gradient ist, dass die Trägerkonzentration kontinuierlich abnimmt, während eine Distanz entlang der Dickenrichtung von einer Grenzfläche (30) zunimmt, wobei die Grenzfläche (30) zwischen einer Schicht direkt unter der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) und der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ausgebildet ist, und die Trägerkonzentration mit einer geringeren Abnahmerate abnimmt, während die Distanz von der Grenzfläche (30) entlang der Dickenrichtung in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) zunimmt, - angenommen wird, dass X ein Filmdickenverhältnis in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ist, - das Filmdickenverhältnis erhalten wird, indem eine Position in der Dickenrichtung der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) durch eine Filmdicke der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) dividiert wird, - X eine Variable mit einem Definitionsbereich von 0 ≤ X ≤ 1 ist, - angenommen wird, dass Y ein Trägerkonzentrationsverhältnis in der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) ist, - das Trägerkonzentrationsverhältnis erhalten wird, indem eine Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) in einem Bereich von 0 < X ≤ 1 durch eine Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2), wenn X = 0 gilt, dividiert wird, und - wenn ein zwischen einer folgenden Gleichung (b1) und Gleichung (b2) liegender Konzentrationsbereich vorher definiert wird, Y = 1.05 1.74 × 10 − 3 + 1.00 × X − 1.04
    Figure DE112016007482B4_0024
     Y = 1.95 1.11 × 10 − 1 + 0.89 × X − 1.50
    Figure DE112016007482B4_0025
    die Trägerkonzentration der Trägerkonzentrations-Übergangsschicht (2) einen Konzentrationsgradienten enthält, der in den Konzentrationsbereich fällt.
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