DE112017001142B4 - Herstellungsverfahren eines Halbleitersubstrats aus Siliziumcarbid und mit diesem Verfahren herstellbares Halbleitersubstrat - Google Patents

Herstellungsverfahren eines Halbleitersubstrats aus Siliziumcarbid und mit diesem Verfahren herstellbares Halbleitersubstrat Download PDF

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Abstract

Herstellungsverfahren eines Halbleitersubstrats, umfassend:Bilden eines Siliziumcarbidsubstrats (1), das aus einem Siliziumcarbideinkristall hergestellt ist, durch Formen des Siliziumcarbideinkristalls, der Wasserstoff aufweist, unter Verwendung eines gasförmigen Wachstumsverfahrens zum Synthetisieren von Siliziumcarbid aus einem Gas, das Silizium aufweist, und einem Gas, das Kohlenstoff aufweist, mit Wasserstoffgas als ein Trägergas; undBilden einer Epitaxieschicht (2), die Wasserstoff aufweist, auf dem Siliziumcarbidsubstrat unter Verwendung des Wasserstoffgases als ein Trägergas, wobei:ein Konzentrationsverhältnis zwischen einer Wasserstoffkonzentration im Siliziumcarbidsubstrat und einer Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht beim Bilden des Siliziumcarbidsubstrats und dem Bilden der Epitaxieschicht in einem Bereich zwischen 0,2 und 5 ist; unddie Wasserstoffkonzentration im Siliziumcarbidsubstrat beim Bilden des Siliziumcarbidsubstrats in einem Bereich zwischen 2×1018cm-3und 5×1019cm-3ist,dadurch gekennzeichnet, dassdas Siliziumcarbidsubstrat (1) bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 2300°C und 2500°C gebildet wird, unddie Epitaxieschicht (2) mittels CVD bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 1500°C und 1600°C gebildet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren eines Halbleitersubstrats, das ein aus Siliziumcarbid (d.h. SiC) hergestelltes SiC-Substrat aufweist, auf dem eine aus SiC hergestellte Epitaxieschicht angeordnet ist, und ein mit diesem Herstellungsverfahren herstellbares Halbleitersubstrat.
  • Im Stand der Technik weist ein aus SiC hergestelltes Halbleitersubstrat eine Epitaxieschicht auf, die auf dem SiC-Substrat angeordnet und aus SiC hergestellt ist. Das aus SiC hergestellte Halbleitersubstrat wird beispielsweise für eine PN-Diode und einen Bipolartransistor als eine SiC-Halbleitervorrichtung verwendet.
  • Das obige Halbleitersubstrat wird durch Züchten der Epitaxieschicht auf einer Fläche des SiC-Substrats durch ein CVD-Verfahren (d.h. chemical vapor deposition) mit Wasserstoff als ein Trägergas unter Verwendung des SiC-Substrats, das durch Kristallwachstum bzw. Kristallzüchtung eines Sublimationsverfahrens unter einer Argongasatmosphäre bereitgestellt wird, gebildet.
  • In einem Fall, in dem das Kristallwachstum des SiC-Substrats durch das Sublimationsverfahren durchgeführt wird, ist es möglich, den SiC Einkristall mit ultrahoher Reinheit zu erhalten, wenn das Wasserstoffgas in eine Wachstumskammer bzw. Züchtungskammer des Sublimationsverfahrens so eingeführt wird, dass der Stickstoff gehemmt wird, dass er von einem wachsenden Kristall absorbiert wird (siehe die JP 4 891 767 B2 ).
  • Darüber hinaus wird in der JP 2013 - 14 469 A ein Verfahren zur Herstellung von SiC-Schichten auf SiC-Substraten beschrieben. Bei dem Verfahren werden eine erste und eine zweite Epitaxieschicht unter Verwendung von Monosilan, Propan und Wasserstoff als Trägergas abgeschieden, wobei sich eine Zusammensetzung der Gase bei der Abscheidung der beiden SiC-Schichten nicht unterscheidet.
  • Die Ladungsträgerlebenszeit in der SiC-Halbleitervorrichtung hängt von der Wasserstoffkonzentration im Kristall ab. Dementsprechend wird die Ladungsträgerlebenszeit in der Epitaxieschicht in einem Fall verlängert, in dem die aus SiC hergestellte Epitaxieschicht auf dem SiC-Substrat angeordnet ist, wenn der Wasserstoff als ein Trägergas verwendet und im Fall eines Züchtens der Epitaxieschicht eingeführt wird.
  • Es ist jedoch, wie in 3 gezeigt, bestätigt, dass der Wasserstoff von der Epitaxieschicht, die das hohe Wasserstoffkonzentrationsniveau aufweist, zum SiC-Substrat, das das niedrige Wasserstoffkonzentrationsniveau aufweist, diffundieren kann, wenn die Epitaxieschicht auf dem SiC-Substrat, das das niedrige Wasserstoffkonzentrationsniveau aufweist, gebildet wird. Dementsprechend wird die Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht an der Grenze zwischen dem SiC-Substrat und der Epitaxieschicht reduziert, so dass die Ladungsträgerlebenszeit verkürzt wird, was auf die Reduktion zurückzuführen ist, und der elektrische Widerstand wird groß. Somit entsteht die Schwierigkeit beim Reduzieren der Eigenschaften der SiC-Halbleitervorrichtung.
  • In einem Fall, in dem das SiC-Substrat, wie in der oben erwähnten JP 4 891 767 B2 beschrieben, durch das Sublimationsverfahren gezüchtet wird, kann der Wasserstoff in das SiC-Substrat eingeführt werden, wenn das Wasserstoffgas in die Wachstumskammer eingeführt wird. Der Wasserstoff kann jedoch von der Epitaxieschicht zum SiC-Substrat aufgrund der Differenz der Wasserstoffkonzentration diffundieren, und es ist folglich schwierig, die Diffusion des Wasserstoffs einzuschränken, sogar falls der Wasserstoff lediglich in das SiC-Substrat eingeführt wird. Somit können die obigen Schwierigkeiten entstehen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Halbleitersubstrat und ein Verfahren zum Herstellen desselben bereitzustellen, um die Diffusion des Wasserstoffs von der aus SiC hergestellten Epitaxieschicht zum SiC-Substrat einzuschränken, und um die Eigenschaften der SiC-Halbleitervorrichtung zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren eines Halbleitersubstrats mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Herstellungsverfahren eines Halbleitersubstrats ein Bilden eines Siliziumcarbidsubstrats , das aus einem Siliziumcarbideinkristall hergestellt ist, durch Formen des Siliziumcarbideinkristalls, der Wasserstoff aufweist, unter Verwendung eines gasförmigen Wachstumsverfahrens zum Synthetisieren von Siliziumcarbid aus einem Gas, das Silizium aufweist, und einem Gas, das Kohlenstoff aufweist, mit Wasserstoffgas als ein Trägergas; und ein Bilden einer Epitaxieschicht, die Wasserstoff aufweist, auf dem Siliziumcarbidsubstrat unter Verwendung des Wasserstoffgases als ein Trägergas, wobei ein Konzentrationsverhältnis zwischen einer Wasserstoffkonzentration im Siliziumcarbidsubstrat und einer Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht beim Bilden des Siliziumcarbidsubstrats und dem Bilden der Epitaxieschicht in einem Bereich zwischen 0,2 und 5 ist; und die Wasserstoffkonzentration im Siliziumcarbidsubstrat beim Bilden des Siliziumcarbidsubstrats in einem Bereich zwischen 2×1018 cm-3 und 5×1019 cm-3 ist. Erfindungsgemäß wird das Siliziumcarbidsubstrat bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 2300°C und 2500°C gebildet, und wird die Epitaxieschicht mittels CVD bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 1500°C und 1600°C gebildet.
  • Wenn der SiC-Ingot bzw. der SiC-Block zum Herstellen des SiC-Substrats unter Verwendung des gasförmigen Wachstumsverfahrens gebildet wird, wird die Wasserstoffkonzentration verglichen mit dem Sublimationsverfahren auf einfache Weise erhöht. Das Wasserstoffkonzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat und der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht wird somit einfach und vorzugweise auf einen Bereich zwischen 0,2 und 5 festgelegt, wenn das SiC-Substrat durch das gasförmige Wachstumsverfahren gebildet wird.
  • Ein mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestelltes Halbleitersubstrat weist ein SiC-Substrat, das aus einem SiC-Einkristall hergestellt ist und Wasserstoff aufweist; und eine Epitaxieschicht, die auf dem SiC-Substrat angeordnet ist und Wasserstoff aufweist, auf. Das Konzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht und der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat ist in einem Bereich zwischen 0,2 und 5.
  • Im Halbleitersubstrat, das das SiC-Substrat und die Epitaxieschicht aufweist, ist das Konzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht und der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat somit in einem Bereich zwischen 0,2 und 5. Die Wasserstoffdiffusion an der Grenze zwischen der Epitaxieschicht und dem SiC-Substrat wird somit eingeschränkt. Es ist ferner möglich, das Halbleitersubstrat zum Einschränken der Reduktion der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht vorzubereiten bzw. bereitzustellen. Dementsprechend ist es möglich, die Eigenschaften der SiC-Halbleitervorrichtung, beispielsweise der Bipolarvorrichtung, unter Verwendung des Halbleitersubstrats zu verbessern.
    • 1 zeigt ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines Halbleitersubstrats gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
    • 2 zeigt ein Diagramm, das ein Experimentergebnis einer Wasserstoffkonzentrationsverteilung in einem SiC-Substrat und einer Epitaxieschicht unter Verwendung einer SIMS-Messung (Secondary Ion Mass Spectrometry) zeigt.
    • 3 zeigt ein Diagramm, das ein Experimentergebnis der Diffusion des Wasserstoffs zeigt, wenn die Epitaxieschicht auf dem SiC-Substrat gebildet ist.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf Figuren erklärt. An dieser Stelle wird zum Zweck einer Erklärung dasselbe Bezugszeichen einem selben oder äquivalenten Teil in den folgenden Ausführungsformen zugewiesen.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Eine erste Ausführungsform wird erklärt. Ein Halbleitersubstrat gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird, wie in 1 gezeigt, durch Züchten einer aus SiC hergestellten Epitaxieschicht 2 auf einem SiC-Substrat 1 bereitgestellt.
  • Das SiC-Substrat 1 wird aus n-leitfähigem SiC oder p-leitfähigem SiC hergestellt, in das die n-leitfähige Unreinheit, wie etwa Stickstoff, oder die p-leitfähige Unreinheit, wie etwa Aluminium, dotiert wird. Der Wasserstoff wird ferner in das SiC-Substrat dotiert, und die Wasserstoffkonzentration ist in einem Bereich zwischen 2×1018 cm-3 und 5×1019 cm-3. Diese Wasserstoffkonzentration ist erforderlich, um die vorgegebene Ladungsträgerlebenszeit in der unter Verwendung des Halbleitersubstrats hergestellten SiC-Halbleitervorrichtung zu erhalten. Die notwendige Ladungsträgerlebenszeit wird erhalten, sofern die Wasserstoffkonzentration, wie oben beschrieben, so festgelegt ist, dass sie mindestens in einem Bereich zwischen 2×1018 cm-3 und 5×1019 cm-3 ist.
  • Die Epitaxieschicht 2 ist eine Schicht, die durch das Epitaxiewachstum auf der Fläche des SiC-Substrats mit dem CVD-Verfahren bereitgestellt ist. Die Epitaxieschicht 2 wird auch aus dem n-leitfähig SiC oder dem p-leitfähigem SiC hergestellt, in die die n-leitfähige Unreinheit, wie etwa Stickstoff, oder die p-leitfähige Unreinheit, wie etwa Aluminium, dotiert ist. Der Wasserstoff ist ferner auch in die Epitaxieschicht 2 dotiert. Das Konzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 und der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 ist in einem Bereich zwischen 0,2 und 5. Das Verhältnis ist vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 2.
  • Der leitfähige Typ des SiC-Substrats 1 und der leitfähige Typ der Epitaxieschicht 2 können irgendein Typ sein. Sie werden gemäß der SiC-Halbleitervorrichtung bestimmt. Das SiC-Substrat 1 wird aus dem n-leitfähigem SiC und die Epitaxieschicht 2 wird aus dem p-leitfähigem SIC hergestellt, wenn beispielsweise die PN-Diode als die SiC-Halbleitervorrichtung gebildet wird.
  • Es ist bestätigt, dass die Diffusion des Wasserstoffs von der Seite mit der höheren Wasserstoffkonzentration zur Seite mit der niedrigeren Wasserstoffkonzentration auftritt, wenn die Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 unterschiedlich zur Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 ist. Es ist insbesondere bestätigt, dass die Diffusion erheblich ist, wenn die Differenz der Wasserstoffkonzentration größer gleich einer Größenordnung ist. Der Bereich zum Einschränken der Diffusion wird untersucht. Wenn die niedrigere Wasserstoffkonzentration mit Bezug auf die höhere Wasserstoffkonzentration 1/5 oder größer ist, wird der Effekt bzw. die Wirkung zum Einschränken der Diffusion erhalten. Wenn die niedrigere Wasserstoffkonzentration mit Bezug auf die höhere Wasserstoffkonzentration weniger als 1/5 ist, wird der Effekt zum Einschränken der Diffusion nicht erhalten. Es ist möglich die Diffusion des Wasserstoffs einzuschränken, da die Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 nahe an der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 ist. Der Effekt zum Einschränken der Diffusion ist höher, wenn die niedrige Wasserstoffkonzentration mit Bezug auf die höhere Wasserstoffkonzentration vorzugsweise größer gleich ein Halb bzw. 1/2 ist. Dementsprechend ist das Konzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 und der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2, wie oben beschrieben, in einem Bereich zwischen 0,2 und 5. Die Wasserstoffkonzentration ist vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 2.
  • Das Halbleitersubstrat, das das obige Merkmal aufweist, wird zum Herstellen der SiC-Halbleitervorrichtung verwendet. Ein Bipolarelement, wie etwa eine PN-Diode, wird beispielsweise als die SiC-Halbleitervorrichtung hergestellt.
  • Die Diffusion des Wasserstoffs in die Epitaxieschicht 2 wird eingeschränkt, da das Konzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 und der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 in der oben erwähnten PN-Diode im oben beschriebenen Bereich ist. Dementsprechend wird eine Verkürzung der Ladungsträgerlebenszeit eingeschränkt, und folglich wird eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes eingeschränkt. Dementsprechend wird die Verschlechterung der Eigenschaften der SiC-Halbleitervorrichtung eingeschränkt. Dieselben Effekte können bei einem Bipolartransistor, wie etwa einem IGBT (Insulated Gate Bipolartransistor) erwartet werden.
  • Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren des Halbleitersubstrats mit den obigen Merkmalen erklärt.
  • Zuerst wird das SiC-Substrat 1 gebildet. Es wird insbesondere ein SiC-Ingot zum Bilden des SiC-Substrats 1 durch ein gasförmiges Wachstumsverfahren bereitgestellt. Das SiC-Substrat 1 wird durch Schneiden des SiC-Ingots in Scheiben gebildet.
  • Ein nicht in den Figuren gezeigtes SiC-Einkristallsubstrat als ein Saatkristall ist beispielsweise an einer Basis angeordnet. Ein gemischtes Gas bzw. Gasgemisch aus einem Gas, das Silizium aufweist, wie etwa Silangas (SiH4) und einem Gas, das Kohlenstoff aufweist, wie etwa Propangas (C3H8), wird als ein SiC-Rohmaterialgas zugeführt. Der Wachstumsraum, in dem das gasförmige Wachstum bzw. die gasförmige Züchtung durchgeführt wird, wird auf einen Bereich zwischen 2300 °C und 2500 °C geheizt. Der aus einem SiC-Einkristall hergestellte SiC-Ingot wird auf der Fläche des SiC-Einkristallsubstrats gebildet.
  • Das Gas, das Silizium aufweist, und das Gas, das Kohlenstoff aufweist, werden dann als das Trägergas eingeführt, wenn der SiC-Ingot gezüchtet wird. Der Wasserstoff wird somit in den SiC-Ingot dotiert. Die Dotiermenge des Wasserstoffs wird durch einen Partialdruck von Wasserstoff in der Gasatmosphäre, der dem SiC-Einkristallsubstrat zugeführt wird, bestimmt. Der Partialdruck von Wasserstoff wird durch die Menge von Wasserstoffgas, die als das Trägergas eingeführt wird, bestimmt. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Partialdruck auf Grundlage einer Gesamtmenge von Wasserstoff, der in diesen Gasen vorhanden ist, und dem Wasserstoff, der als das Trägergas eingeführt wird, bestimmt, wenn das Wasserstoffelement im Gas, das Si aufweist, und im Gas, das Kohlenstoff aufweist, vorhanden ist. Dementsprechend wird die Wasserstoffmenge, die als das Trägergas eingeführt wird, gesteuert bzw. geregelt, und die Wasserstoffkonzentration, die in die Epitaxieschicht 2 dotiert wird, wird vorzugsweise zum Steuern der Lebenszeit berücksichtigt, so dass das Konzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 und der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 im oben beschrieben Bereich gesteuert wird.
  • Die Wasserstoffkonzentration im SiC-Ingot wird so gesteuert, dass das Konzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 und der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 im oben erwähnten Bereich festgelegten ist, wenn der SiC-Ingot beispielsweise durch das gasförmige Wachstumsverfahren hergestellt wird und das Verhältnis zwischen Silizium und dem Wasserstoff ungefähr 1:10 ist. Die Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 wird 1×1019 cm-3, wenn die Wasserstoffeinführmenge unter Verwendung des obigen Verhältnisses experimentell eingestellt wird. Wenn dementsprechend das Silangas oder das Propangas als das Gas, das Si aufweist, und das Gas, das C aufweist, zum Bereitstellen des SiC-Rohmaterialgases verwendet wird, wird die Wasserstoffeinführmenge durch Festlegen der Summe der Wasserstoffeinführmenge des Trägergases und der Menge des Wasserstoffelements, das im SiC-Rohmaterialgas vorhanden ist, so bestimmt, dass die Menge dem oben beschrieben Verhältnis entspricht.
  • Der durch das obige Verfahren erhaltene SiC-Ingot wird somit in Scheiben geschnitten, so dass das SiC-Substrat 1 hergestellt wird. Das SiC-Substrat 1 wird dann in einer chemischen Gasphasenabscheidungsvorrichtung (CVD (chemical vapor deposition)) angeordnet, die in den Figuren nicht gezeigt ist. Unter Verwendung der CVD-Vorrichtung wird die Epitaxieschicht 2 auf einer Fläche des SiC-Substrats 1 durch das CVD-Verfahren gezüchtet. Beim CVD-Verfahren wird der Wasserstoff als das Trägergas verwendet, so dass der Wasserstoff in die wachsende bzw. gezüchtete Epitaxieschicht 2 dotiert wird. Unter Verwendung des Wasserstoffgases als das Trägergas werden beispielsweise das Gas, das Si aufweist, wie etwa Silan, und das Gas, das C aufweist, wie etwa Propan, insbesondere in die CVD-Vorrichtung eingeführt. Die Epitaxieschicht 2 wird somit bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 1500 °C und 1600 °C abgeschieden bzw. aufgetragen.
  • Die Einführmenge des Wasserstoffgases, die als das Trägergas eingeführt wird, wird so gesteuert, dass der Partialdruck von Wasserstoff in der Gasatmosphäre so eingestellt ist, um die Wasserstoffkonzentration in die Epitaxieschicht 2 zu steuern, dass sie im oben beschrieben Bereich ist. Das Konzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 und der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 ist somit in einem Bereich zwischen 0,2 und 5. Das Konzentrationsverhältnis ist vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 2. Die Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 wird somit so gesteuert, dass die Diffusion von Wasserstoff vom SiC-Substrat 1 zur Epitaxieschicht 2 oder die Diffusion von Wasserstoff in die entgegengesetzte Richtung eingeschränkt wird.
  • Die Wasserstoffkonzentrationsverteilung wird untersucht, wenn das SiC-Substrat 1 durch das Gaswachstumsverfahren mit der Wasserstoffkonzentration von 1×1019 cm-3 hergestellt wird und die Epitaxieschicht 2 mit der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 von 1×1019 cm-3 gebildet ist. Die Wasserstoffkonzentrationsverteilung wird ferner als ein Vergleich auch untersucht, wenn das SiC-Substrat 1 durch das Sublimationsverfahren hergestellt wird und die Epitaxieschicht 2 auf dem SiC-Substrat gebildet ist. Das Sublimationsverfahren ist ein Verfahren bzw. eine Technik, bei dem das SiC-Rohmaterial in einem aus Graphit hergestellten Tiegel angeordnet ist und das SiC-Einkristallsubstrat an einer Basis angeordnet ist. Das SiC-Rohmaterialgas, das bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 2200 °C und 2400 °C sublimiert wird, wird dem SiC-Einkristallsubstrat zugeführt, dessen Temperatur zwischen einigen zehn Grad Celsius und einigen hundert Grad Celsius niedriger als das SiC-Rohmaterialgas ist, so dass der SiC-Einkristallingot gezüchtet wird. Beim Sublimationsverfahren wird das SiC-Rohmaterial erwärmt und in einer Argonatmosphäre (Ar) sublimiert. Der Wasserstoff wird somit wenig bzw. in geringer Menge in den SiC-Einkristallingot dotiert. Wenn der Ingot durch das Sublimationsverfahren hergestellt wird, ist die Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 kleiner als 1×1018 cm-3. Die Wasserstoffkonzentration ist somit eine Größenordnung oder mehr kleiner als die Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2, in die der Wasserstoff dotiert wird, um die Lebenszeit zu steuern.
  • Die obigen Experimente werden durchgeführt und die Wasserstoffkonzentrationsverteilung im SiC-Substrat 1 und der Epitaxieschicht 2 werden durch SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) gemessen. Die Ergebnisse sind in 2 gezeigt.
  • Wenn das SiC-Substrat 1, das die niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist, durch das Sublimationsverfahren hergestellt wird, ändert sich die Wasserstoffkonzentration an der Grenze zwischen dem SiC-Substrat 1 und die Epitaxieschicht 2, wie in der Figur gezeigt, fortschreitend. Es ist somit anzunehmen, dass der Wasserstoff in der Epitaxieschicht 2 in das SiC-Substrat 1 diffundiert. Wenn die Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 reduziert ist, wird somit die Ladungsträgerlebenszeit verkürzt und der elektrische Widerstand erhöht. Somit tritt die Verschlechterung von Eigenschaften der SiC-Halbleitervorrichtung auf.
  • Wenn die Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 andererseits unter Verwendung des Gaswachstumsverfahrens näher an der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 ist, werden die Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 und die Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 nicht geändert. Die Diffusion von Wasserstoff vom SiC-Substrat 1 zur Epitaxieschicht 2 oder die Diffusion in die entgegengesetzte Richtung wird somit eingeschränkt. Eine Verkürzung der Ladungsträgerlebenszeit und eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes werden somit eingeschränkt. Die Verschlechterung der Eigenschaften der SiC-Halbleitervorrichtung wird somit eingeschränkt.
  • Die PN-Diode wird unter Verwendung der Halbleitersubstrate, die in den in 2 gezeigten Experimenten hergestellt werden, d.h. des Halbleitersubstrats, das das Konzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 und der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 in einem Bereich zwischen 0,2 und 5 aufweist, und dem Halbleitersubstrat, das die Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 niedriger als 1/10 der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 aufweist, gebildet.
  • Infolgedessen weist die PN-Diode, die mit dem letztgenannten Halbleitersubstrat gebildet ist, den großen elektrischen Widerstand auf. Die Ladungsträgerlebenszeit hängt von der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 ab. Da die Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 an einer Grenzseite zum SiC-Substrat 1 niedrig ist, wird die Ladungsträgerlebenszeit verkürzt.
  • Die PN-Diode, die mit dem vorhergenannten Halbleitersubstrat gebildet ist, weist den elektrischen Widerstand auf, der kleiner als der der PN-Diode ist, die auf dem letztgenannten Halbleitersubstrat gebildet ist. Es ist anzunehmen, dass die Verkürzung der Ladungsträgerlebenszeit eingeschränkt wird, da die Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 nicht reduziert ist.
  • Im Halbleitersubstrat, das das SiC-Substrat 1 und die Epitaxieschicht 2 aufweist, ist das Konzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 und der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2, wie oben beschrieben, in einem Bereich zwischen 0,2 und 5. Das Verhältnis ist vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 2. Die Diffusion von Wasserstoff an der Grenzposition zwischen der Epitaxieschicht 2 und dem SiC-Substrat 1 wird somit eingeschränkt. Es ist somit möglich, das Halbleitersubstrat vorzubereiten, das die Reduktion der Wasserstoffkonzentration einschränkt. Dementsprechend ist es möglich die Eigenschaften der SiC-Halbleitervorrichtung, beispielsweise der Bipolarvorrichtung, wie etwa der PN-Diode, unter Verwendung des Halbleitersubstrats zu verbessern.
  • Dementsprechend kann das Herstellungsverfahren des Halbleitersubstrats irgendein Verfahren sein. Wenn der SiC-Ingot zum Herstellen des SiC-Substrats 1 unter Verwendung des gasförmigen Wachstumsverfahrens, wie oben beschrieben, gebildet ist, wird die Wasserstoffkonzentration verglichen mit dem Sublimationsverfahren auf einfache Weise erhöht. Wenn das SiC-Substrat 1 somit durch das gasförmige Wachstumsverfahren gebildet wird, wird das Wasserstoffkonzentrationsverhältnis zwischen dem SiC-Substrat 1 und der Epitaxieschicht 2 einfach und vorzugsweise so festgelegt, dass sie im oben beschriebenen Bereich ist.
  • (Andere Ausführungsformen)
  • Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf Ausführungsformen davon beschrieben wurde, ist es zu verstehen, dass der Offenbarungsgehalt nicht auf die Ausführungsformen und Konstruktionen begrenzt ist. Die vorliegende Erfindung ist dafür vorgesehen, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abzudecken. Zusätzlich zu den verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen, sind andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehrere, weniger oder nur ein einziges Element aufweisen, auch innerhalb des Geistes und des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
  • In der oben erwähnten ersten Ausführungsform wird das SiC-Substrat 1 durch das gasförmige Wachstumsverfahren hergestellt, um die Wasserstoffkonzentration auf einfache Weise zu erhöhen. Das SiC-Substrat 1 kann durch alternative Verfahren hergestellt werden, sofern das SiC-Substrat gebildet wird, das eine notwendige bzw. erforderliche Wasserstoffkonzentration aufweist.
  • Beim Sublimationsverfahren wird beispielsweise das SiC-Substrat 1 hergestellt, das die Wasserstoffkonzentration aufweist, die größer gleich 5×1016 cm-3 ist, wenn der Wasserstoff während eines Schrittes zum Züchten des Kristalls eingeführt wird. Unter Verwendung des SiC-Substrats 1, das durch dieses nicht erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, werden dieselben Effekte wie in der ersten Ausführungsform erhalten, wenn das Konzentrationsverhältnis zwischen der Wasserstoffkonzentration im SiC-Substrat 1 und der Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 2 in einem Bereich zwischen 0,2 und 5, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 2, ist. Wenn das Material, das den Stickstoff als den n-leitfähigen Dotierstoff und/oder das Aluminium als den p-leitfähigen Dotierstoff aufweist, in das SiC-Substrat 1 eingeführt werden, weist das SiC-Substrat 1 in diesem Fall den erforderlichen leitfähigen Typ auf.

Claims (3)

  1. Herstellungsverfahren eines Halbleitersubstrats, umfassend: Bilden eines Siliziumcarbidsubstrats (1), das aus einem Siliziumcarbideinkristall hergestellt ist, durch Formen des Siliziumcarbideinkristalls, der Wasserstoff aufweist, unter Verwendung eines gasförmigen Wachstumsverfahrens zum Synthetisieren von Siliziumcarbid aus einem Gas, das Silizium aufweist, und einem Gas, das Kohlenstoff aufweist, mit Wasserstoffgas als ein Trägergas; und Bilden einer Epitaxieschicht (2), die Wasserstoff aufweist, auf dem Siliziumcarbidsubstrat unter Verwendung des Wasserstoffgases als ein Trägergas, wobei: ein Konzentrationsverhältnis zwischen einer Wasserstoffkonzentration im Siliziumcarbidsubstrat und einer Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht beim Bilden des Siliziumcarbidsubstrats und dem Bilden der Epitaxieschicht in einem Bereich zwischen 0,2 und 5 ist; und die Wasserstoffkonzentration im Siliziumcarbidsubstrat beim Bilden des Siliziumcarbidsubstrats in einem Bereich zwischen 2×1018 cm-3 und 5×1019 cm-3 ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliziumcarbidsubstrat (1) bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 2300°C und 2500°C gebildet wird, und die Epitaxieschicht (2) mittels CVD bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 1500°C und 1600°C gebildet wird.
  2. Herstellungsverfahren des Halbleitersubstrats gemäß Anspruch 1, wobei: ein Konzentrationsverhältnis zwischen einer Wasserstoffkonzentration im Siliziumcarbidsubstrat und einer Wasserstoffkonzentration in der Epitaxieschicht beim Bilden des Siliziumcarbidsubstrats und dem Bilden der Epitaxieschicht in einem Bereich zwischen 0,5 und 2 ist.
  3. Halbleitersubstrat, herstellbar mit einem Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2.
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