DE112017002586B4 - Siliciumcarbid epitaxial-substrat und siliciumcarbid halbleiterbauteil - Google Patents

Siliciumcarbid epitaxial-substrat und siliciumcarbid halbleiterbauteil Download PDF

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Abstract

Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrat (3), das Folgendes aufweist:- ein Siliciumcarbid-Einkristall-Substrat (10);- eine erste Epitaxialschicht (41), die auf dem Siliciumcarbid Einkristall-Substrat (10) angeordnet ist;- eine zweite Epitaxialschicht (42), die auf der ersten Epitaxialschicht (41) angeordnet ist, und- eine dritte Epitaxialschicht (43), die auf der zweiten Epitaxialschicht (42) angeordnet ist,wobei die erste Epitaxialschicht (41) eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate aufweist, die niedriger ist als die Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate in der zweiten Epitaxialschicht (42), undwenn die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die in einer unteren Oberfläche der ersten Epitaxialschicht (41) enthalten sind, a ist, eine obere Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht (42) eine Anzahl von a * 0,001 oder weniger Basisebenen-Versetzungen aufweist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrate und Siliciumcarbid- Halbleiterbauteile.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein Halbleitermaterial mit großem Bandabstand, wie beispielsweise Siliciumcarbid (SiC), hat eine höhere Durchschlagsfestigkeit als ein Silicium (Si)-Material. Die Verwendung eines Halbleitermaterials mit großem Bandabstand als Substratmaterial ermöglicht es dem Substrat also, eine hohe Verunreinigungskonzentration und einen geringen Widerstand im Vergleich zur Verwendung des Siliciummaterials zu erreichen.
  • Der geringe Widerstand des Substrats reduziert Verluste beim Schaltvorgang eines Leistungsbauteils. Ein Halbleitermaterial mit großem Bandabstand, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit und höhere mechanische Festigkeit aufweist als ein Siliciummaterial, ist ein vielversprechendes Material, das in der Herstellung kleine Leistungsbauteile mit geringen Verlusten und hohem Wirkungsgrad erreichbar macht.
  • In einem Siliciumcarbid Halbleiterbauteil aus einem Halbleitermaterial aus Siliciumcarbid verschlechtert die Einspeisung eines Vorwärtsstroms durch eine PIN-Diodenstruktur die Zuverlässigkeit, d.h. eine Verschiebung der Vorwärtsspannung (Vf). Die Verschiebung der Vorwärtsspannung erfolgt wie folgt.
  • Beim Injizieren in die PIN-Diodenstruktur werden Minoritätsträger wieder mit Majoritätsträgern verbunden. Die Rückführung der in der Rückführung erzeugten Energie bewirkt, dass sich ein Liniendefekt innerhalb eines Siliciumcarbidkristalls (z.B. eine Basisebenen-Versetzung, ein Versetzungsfehler an der Grenzfläche zwischen Epitaxialschicht und Substrat und andere Versetzungen) zu einem Stapelfehler ausweitetet, der ein Ebenendefekt resultierend aus dem Liniendefekt ist (im Folgenden wird der Stapelfehler auch als „erweiterter Stapelfehler“ bezeichnet).
  • Der Stapelfehler wirkt wie ein Widerstand, der den Stromfluss behindert. Eine Vergrößerung des Stapelfehlers bedeutet also eine Reduzierung des Stroms und eine Erhöhung der Vorwärtsspannung. Dies führt zu einer Verschiebung der Vorwärtsspannung und verschlechtert damit die Bauteileeigenschaften.
  • Der Stapelfehler stammt aus dem Liniendefekt, wie z.B. einer Basisebenen-Versetzung oder dem Versetzungenfehler, und dehnt sich dann in Dreiecksform oder Band- oder Gurtform aus (z.B. siehe CHEN, Bin [et al.]: Electrical and optical properties of stacking faults in 4H-SiC devices. In: Journal of Electronic Materials (JEM), Vol. 39, 2010, No. 6, S. 684-687. Eine solche Stapelfehler-Ausdehnung erfolgt entlang einer Basisfläche (d.h. in einer Richtung senkrecht zu einer Stufenflussrichtung, die eine epitaktische Wachstumsrichtung ist) von der Grenzfläche zwischen der Epitaxialschicht und dem Substrat zu einer Oberfläche der Epitaxialschicht. Weiterhin kann die Stapelfehler-Ausdehnung aus einer Versetzung innerhalb einer aktiven Schicht oder einer Versetzung nahe der Oberfläche der Epitaxialschicht stammen.
  • Eine ähnliche Verschiebung der Vorwärtsspannung durch einen Stapelfehler tritt nach Berichten auch bei einem MOSFET aus Siliciumcarbid (im Folgenden „SiC-MOSFET“ genannt) auf (z.B. AGARWAL, Anant [et al.]: A new degradation mechanism in high-voltage SiC power MOSFETs. In: IEEE Electron Device Letters, Vol. 28, 2007, No. 7, S. 587-589. Eine MOSFET-Struktur weist eine parasitäre Diode, eine sogenannte Körperdiode, zwischen Source und Drain auf. Ein Durchfluss von Vorwärtsstrom durch die Körperdiode verursacht eine Verschlechterung ähnlich der in der PIN-Diode.
  • Eine Schottky-Sperrschichtdiode, an die eine relativ niedrige Vorwärtsspannung angelegt wird, wird häufig als Freilaufdiode in einem Schaltkreis verwendet, der beispielsweise einen SiC-MOSFET beinhaltet. Eine Körperdiode eines SiC-MOSFET kann jedoch beispielsweise als Freilaufdiode verwendet werden. Gerade in diesem Fall bietet ein SiC-MOSFET ein ernsthaftes Problem: eine Verschiebung der Vorwärtsspannung über die Körperdiode.
  • Ein übliches Halbleitersubstrat aus Siliciumcarbid beinhaltet Verspannungen/ Versetzungen in der Größenordnung von 103 cm-2bis 104 cm-2. Diese Verspannungen oder „threading dislocations“ werden grob in drei Typen eingeteilt: Schraubenfehlerversetzungen (threading screw dislocations), Kantenversetzungen (threading edge dislocations) und Basisebenen-Versetzungen. Die Schraubenfehlerversetzungen und die Kantenversetzungen sind Versetzungen, die in der c-Achsenrichtung ([0001]) verlaufen. Die Basisebenen-Versetzung ist eine Versetzung parallel zu einer Basisfläche (0001 Ebene). Unter diesen Versetzungen sind einige Basisebenen-Versetzungen bekannt, die durch epitaktisches Wachstum in Kantenversetzungen umgewandelt werden.
  • Die Druckschrift JP 2009 - 88 223 A beschreibt eine Technik zur Reduzierung der Dichte von Basisebenen-Versetzungen in einer Drift-Schicht. Die Technik beinhaltet das Bilden einer Schicht mit einer hohen Verunreinigungskonzentration auf einem Siliciumcarbidsubstrat, das Bilden einer weiteren Schicht mit einer hohen Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate und einer niedrigen Verunreinigungskonzentration auf der Schicht und das Bilden der Drift-Schicht auf der anderen Schicht.
  • Die Druckschrift JP 2011 - 219 299 A beschreibt eine Technik zur Reduzierung von Basisebenen-Versetzungen innerhalb einer Epitaxialschicht. Die Technik beinhaltet das Veranlassen, dass die Temperatur während des Kristallwachstums in der Epitaxialschicht schwankt, um so eine thermische Spannung auf die Epitaxialschicht auszuüben, und das Umwandeln einer Basisebenen-Versetzung in eine Kantenversetzung, die aus einem Siliciumcarbidsubstrat in die Epitaxialschicht übertragen worden ist.
  • Die Druckschrift JP 2012 - 246 168 A offenbart, dass auf der Substratoberfläche die Dichte der Versetzungen in der Basalebene etwa 4000 pro cm↑2↑ beträgt und, dass die Dichte der Versetzungen der Basalebene im Epitaxialfilm 2a etwa 5 pro cm↑2↑ beträgt. Die Druckschrift DE 10 2008 037 357 A1 offenbart, dass etwa 10 bis 20 Prozent der an der Waferoberfläche freiliegenden Grundebenenversetzungen unverändert als Grundebenenversetzung in die epitaktisch aufgewachsene Schicht übergehen
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Die Technik in der Druckschrift JP 2009 - 88 223 A zielt darauf ab, die Basisebenen-Versetzungen innerhalb der Drift-Schicht zu reduzieren, indem eine Pufferschicht mit einer niedrigen Verunreinigungskonzentration bereitgestellt wird. Ein großer Unterschied in der Verunreinigungskonzentration an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und jeder Pufferschicht an der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht und der Drift-Schicht oder an den Grenzflächen zwischen den Pufferschichten erzeugt Grenzflächenversetzungen, die durch eine Spannung in der Grenzfläche entstehen.
  • Leider kann dies zu einer Verschlechterung des Bauteils führen. Die Technik in der Druckschrift JP 2011 - 219 299 A zielt darauf ab, die Basisebenen-Versetzung durch das Aufbringen von thermischen Spannungen während des Wachstums in der Epitaxialschicht umzubauen. Die thermische Spannung verursacht Grenzflächenversetzungen in der Epitaxialschicht. Leider kann dies zu einer Verschlechterung des Bauteils führen.
  • Um das obige Problem zu lösen, ist es Augabe der vorliegenden Erfindung, nicht nur Basisebenen-Versetzungen, sondern auch andere ungünstige Versetzungen, wie z.B. Grenzflächenversetzungen, zu reduzieren und so die Verschlechterung eines bipolaren Bauteils zu verhindern.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Ein Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: ein Siliciumcarbid-Einkristall-Substrat, eine erste Epitaxialschicht, die auf dem Siliciumcarbid-Einkristall-Substrat angeordnet ist, eine zweite Epitaxialschicht, die auf der ersten Epitaxialschicht angeordnet ist, und eine dritte Epitaxialschicht, die auf der zweiten Epitaxialschicht angeordnet ist, wobei die erste Epitaxialschicht eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate aufweist, die niedriger ist als die Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate in der zweiten Epitaxialschicht, und wenn die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die in einer unteren Oberfläche der ersten Epitaxialschicht enthalten sind, a ist, eine obere Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht eine Anzahl von a * 0,001 oder weniger Basisebenen-Versetzungen aufweist.
  • Ein weiteres erfindungsgemäßes Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrat weist Folgendes auf: ein Siliciumcarbid-Einkristall-Substrat; eine erste Epitaxialschicht, die auf dem Siliciumcarbid Einkristall-Substrat angeordnet ist; eine zweite Epitaxialschicht, die auf der ersten Epitaxialschicht angeordnet ist, und eine dritte Epitaxialschicht, die auf der zweiten Epitaxialschicht angeordnet ist,
    wobei eine Basisebenen-Versetzung und eine Stufenflussrichtung einen Winkel von ±45° oder weniger bildet, wobei die Basisebenen-Versetzung in einer Grenzfläche zwischen der ersten Epitaxialschicht und der zweiten Epitaxialschicht und in der zweiten Epitaxialschicht enthalten ist, und
    wenn die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die in einer unteren Oberfläche der ersten Epitaxialschicht enthalten sind, a ist, eine obere Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht eine Anzahl von a * 0,001 oder weniger Basisebenen-Versetzungen aufweist.
  • Die Unteransprüche beschreiben bevorzuge Ausführungsformen.
  • Effekt der Erfindung
  • Das Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, die erste und zweite Epitaxialschicht mit voneinander unterschiedlichen Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsraten graduell in Kantenversetzungen umzuwandeln und damit ungünstige Versetzungen, die durch erweiterte Stapelfehler entstehen, zu reduzieren. Dementsprechend hat die dritte Epitaxialschicht auf der zweiten Epitaxialschicht reduzierte Versetzungen, die aus dem erweiterten Stapelfehler stammen. Dies verhindert erweiterte Stapelfehler.
  • Die Verwendung der dritten Epitaxialschicht oder einer anderen darauf angeordneten Epitaxialschicht als Drift-Schicht eines Halbleiterbauteils führt somit zu einem sehr zuverlässigen Halbleiterbauteil mit stabilen Eigenschaften. Darüber hinaus sind extreme Konzentrationsänderungen innerhalb der Epitaxialschicht oder Temperaturänderungen während des Wachstums in der Epitaxialschicht nicht erforderlich. Dadurch wird eine Grenzflächenversetzung durch eine Spannung verhindert und damit die Verschlechterung des Halbleiterbauteils verhindert.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Draufsicht der Konfiguration eines MOSFET, eines Siliciumcarbid-Halbleiterbauteils, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine Schnittansicht der Konfiguration des MOSFET gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 3 ist eine Darstellung der Konfiguration eines Epitaxial-Substrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 4 ist eine Schnittansicht eines Beispiels von Basisebenen-Versetzungen in einer ersten Epitaxialschicht;
    • 5 ist eine Schnittansicht eines Beispiels von Basisebenen-Versetzungen in einer zweiten Epitaxialschicht und
    • 6 ist eine Darstellung, das eine Modifikation des Epitaxial-Substrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 und 2 sind Darstellungen, die die Konfiguration eines MOSFET 100, das ein Siliciumcarbid Halbleiterbauteil ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. 1 ist eine Draufsicht auf den MOSFET 100. 2 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Zellbereichs im MOSFET 100 und veranschaulicht die Querschnittsstruktur einer MOSFET-Zelle im Zellenbereich.
  • Die vorliegende Ausführungsform beschreibt einen ersten Leitfähigkeitstyp als n-Typ und einen zweiten Leitfähigkeitstyp als p-Typ. Der erste Leitfähigkeitstyp kann jedoch auch ein p-Typ sein, und der zweite Leitfähigkeitstyp kann ein n-Typ sein. Beispiele für eine n-Verunreinigung sind Nitrid (N), Phosphor (P), Arsen (As) und Antimon (Sb). Beispiele für eine p-Verunreinigung sind Aluminium (Al), Bor (B), Gallium (Ga) und Indium (In).
  • Der MOSFET 100 in der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einem Epitaxial-Substrat 3, bestehend aus einem Einkristall-Substrat 10 und einer darauf angeordneten Epitaxialschicht 4. Das Einkristall-Substrat 10 und die Epitaxialschicht 4 bestehen aus Siliciumcarbid eines ersten Leitfähigkeitstyps (hier ein n-Typ).
  • Das Epitaxial-Substrat 3 hat eine hexagonale, kristalline Struktur. Ein Beispiel für Polytypen ist 4H. Das Einkristall-Substrat 10 weist eine Verunreinigungskonzentration von 3 × 10↑18↑ cm↑-3↑ oder mehr auf. Darüber hinaus weist das Einkristall-Substrat 10 eine obere Oberfläche (eine der Epitaxialschicht 4 benachbarte Oberfläche) auf, deren Ebenenausrichtung einen Versetzungswinkel von mehr als 0° gegenüber einer C-Ebene ({0001}-Ebene) aufweist. Die C-Ebene kann eine beliebige Kohlenstoffebene (C-Ebene) und eine Siliciumebene (Si-Ebene) sein. Der Versetzungswinkel ist vorzugsweise 1° oder mehr und 8° oder weniger.
  • Die Epitaxialschicht 4 ist auf der oberen Oberfläche des Einkristall-Substrats 10 angeordnet und weist eine Stapelstruktur auf, die aus einer ersten Epitaxialschicht 41, einer zweiten Epitaxialschicht 42 und einer dritten Epitaxialschicht 43 besteht. Die erste Epitaxialschicht 41, die zweite Epitaxialschicht 42 und die dritte Epitaxialschicht 43 sind in dieser Reihenfolge auf der unteren Oberfläche der Epitaxialschicht 4 (einer dem Einkristall-Substrat 10 benachbarten Oberfläche) angeordnet. Die Epitaxialschicht 4 weist eine obere Oberfläche (eine vom Einkristall-Substrat 10 entfernte Oberfläche) auf, deren Ebenenausrichtung derjenigen der oberen Oberfläche des Einkristall-Substrats 10 entspricht.
  • Die erste Epitaxialschicht 41 und die zweite Epitaxialschicht 42 der Epitaxialschicht 4 bilden eine Pufferschicht des MOSFET 100. Die dritte Epitaxialschicht 43 der Epitaxialschicht 4 bildet eine Drift-Schicht 11 des MOSFET 100. Die Pufferschicht ist definiert als ein Bereich der Epitaxialschicht 4, in dem sich keine Verarmungsschicht während des Bauteilebetriebs erstreckt. Die Drift-Schicht 11 ist definiert als ein Bereich (eine aktive Schicht) der Epitaxialschicht 4, in dem sich eine Verarmungsschicht während des Bauteilebetriebs erstreckt.
  • Wenn der MOSFET 100 in einen Aus-Zustand übergeht, erstreckt sich die Verarmungsschicht in der dritten Epitaxialschicht 43, welche die Drift-Schicht 11 ist. Dadurch bleibt eine Spannung zwischen einer Source-Elektrode 2 und einer Drain-Elektrode 19 erhalten. Die Dicke der Drift-Schicht 11 (eine vertikale Abmessung in 2) wird in Abhängigkeit von einer erforderlichen Durchbruchspannung und verschiedenen erforderlichen Eigenschaften für ein Leistungsbauteil bestimmt. Ein Beispiel für die Dicke ist die Größenordnung von 3 µm bis 200 µm.
  • Darüber hinaus wird die Verunreinigungskonzentration der Drift-Schicht 11 in Abhängigkeit von der erforderlichen Durchbruchspannung und den verschiedenen erforderlichen Eigenschaften für das Leistungsbauteil bestimmt. Ein Beispiel für die Verunreinigungskonzentration ist die Größenordnung von 1 × 1017 cm-3. Es wird darauf hingewiesen, dass die erste Epitaxialschicht 41 und die zweite Epitaxialschicht 42 nachstehend noch näher erläutert werden.
  • Die dritte Epitaxialschicht 43 oder die Drift-Schicht 11 weisen eine obere Schicht auf, die selektiv mit einem Wannen-Bereich 14 versehen ist, der ein Verunreinigungsbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps (hier ein p-Typ) ist. Der Wannen-Bereich 14 ist dünner als die Drift-Schicht 11. Der p-Typ Wannen-Bereich 14 und die n-Typ Drift-Schicht 11 bilden eine pn-Diodenstruktur.
  • Der Wannen-Bereich 14 hat eine obere Schicht, die selektiv mit einem Source-Bereich 15 eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem Wannen-Kontaktbereich 16 eines zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Verunreinigungskonzentration als der Wannen-Bereich 14 versehen ist. Die oberste Schicht des Wannen-Bereichs 14 hat einen Bereich, der zwischen dem Source-Bereich 15 und der Drift-Schicht 11 liegt. Dieser sandwichartige Bereich stellt einen Kanalbereich des MOSFET 100 dar. Der Source-Bereich 15 wird beispielsweise um die Umgebung des Wannen-Kontaktbereichs 16 in der Draufsicht gebildet.
  • Auf der oberen Oberfläche der Epitaxialschicht 4 befindet sich eine Gate-Isolierschicht 12, die sich von der oberen Oberfläche des Source-Bereichs 15 durch die obere Oberfläche der Drift-Schicht 11 erstreckt, sodass sie den Kanalbereich abdeckt. Auf der Gate-Isolierschicht 12 befindet sich eine Gate-Elektrode 13. Die Gate-Elektrode 13 liegt dem Kanalbereich, getrennt durch die Gate-Isolierschicht 12, gegenüber. 2 veranschaulicht die Gate-Isolierschicht 12, die sich über zwei benachbarte MOSFET-Zellen erstreckt.
  • Auf der Gate-Elektrode 13 befindet sich eine Zwischenisolierschicht 17. Auf der Zwischenisolierschicht 17 befindet sich die Source-Elektrode 2. Die Zwischenisolierschicht 17 und die Gate-Isolierschicht 12 haben Kontaktlöcher, die den Source-Bereich 15 und den Wannen-Kontaktbereich 16 erreichen. Die Source-Elektrode 2 ist über die Kontaktlöcher mit dem Wannen-Bereich 14 und dem Source-Bereich 15 verbunden. Somit ist die Source-Elektrode 2 elektrisch mit dem Source-Bereich 15 und auch elektrisch mit dem Wannen-Bereich 14 über den Wannen-Kontaktbereich 16 mit niedrigem Widerstand verbunden.
  • Wie in 1 dargestellt, weist die Source-Elektrode 2 einen Bereich auf, der an der oberen Oberfläche des MOSFET 100 freiliegt ist. Dieser Bereich fungiert als Source-Anschluss. Ebenfalls auf der Zwischenisolierschicht 17 befindet sich eine Gate-Kontaktstelle 1 (nicht in 2 dargestellt), die über die Kontaktlöcher mit der Gate-Elektrode 13 verbunden ist. Die Drain-Elektrode 19 ist auf der unteren Oberfläche des Einkristall-Substrats 10 (einer von der Epitaxialschicht 4 entfernten Oberfläche) angeordnet. Die Gate-Kontaktstelle 1, die Source-Elektrode 2 und die Drain-Elektrode 19 bestehen beispielsweise aus Aluminium.
  • Im Zellenbereich des MOSFET 100 ist eine Vielzahl von MOSFET-Zellen jeweils mit der in 2 dargestellten Struktur periodisch angeordnet. Diese MOSFET-Zellen sind parallel miteinander verbunden und bilden so eine Transistor-Array-Struktur.
  • Im Folgenden werden die erste Epitaxialschicht 41 und die zweite Epitaxialschicht 42 der Epitaxialschicht 4 unter Bezug auf die 3 bis 5 beschrieben. 3 ist eine Darstellung, die die Konfiguration des Epitaxial-Substrats 3 bei der Herstellung des MOSFET 100 veranschaulicht.
  • Wie bereits beschrieben, weist das Epitaxial-Substrat 3 das Einkristall-Substrat 10 aus Siliciumcarbid und die darauf angeordneten Epitaxialschicht 4 aus Siliciumcarbid auf. Die Epitaxialschicht 4 weist eine Stapelstruktur auf, die die erste Epitaxialschicht 41 auf dem Einkristall-Substrat 10, die zweite Epitaxialschicht 42 auf der ersten Epitaxialschicht 41 und die dritte Epitaxialschicht 43 auf der zweiten Epitaxialschicht 42 aufweist.
  • Das Epitaxial-Substrat 3 hat eine hexagonale, kristalline Struktur. Ein Beispiel für Polytypen ist 4H. Das Einkristall-Substrat 10 weist eine Verunreinigungskonzentration von 3 × 1018 cm-3 oder mehr auf. Die obere Oberfläche des Einkristall-Substrats 10 weist eine Ebenenausrichtung mit einem Versetzungswinkel von 1° oder mehr und 8° oder weniger auf.
  • Die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die in der unteren Oberfläche der ersten Epitaxialschicht 41 enthalten sind, sei a. Dann ist die erste Epitaxialschicht 41 definiert als eine Schicht, deren obere Oberfläche eine Anzahl von a * 0,05 oder mehr Basisebenen-Versetzungen und eine Anzahl von a oder weniger von Basisebenen-Versetzungen und - vorzugsweise- eine Schicht, deren obere Oberfläche eine Anzahl von a * 0,1 oder mehr Basisebenen-Versetzungen und eine Anzahl von a oder weniger Basisebenen-Versetzungen aufweist.
  • Die Anzahl der in der unteren Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht 42 enthaltenen Basisebenen-Versetzungen sei b. Dann ist die zweite Epitaxialschicht 42 definiert als eine Schicht, deren obere Oberfläche eine Anzahl von b * 0,02 oder weniger Basisebenen-Versetzungen aufweist, und - vorzugsweise - als eine Schicht, deren obere Oberfläche eine Anzahl von b * 0,01 oder weniger Basisebenen-Versetzungen aufweist.
  • Dabei ist die „untere Oberfläche“ jeder Schicht in der Epitaxialschicht 4 eine dem Einkristall-Substrat 10 benachbarte Grenzfläche und die „obere Oberfläche“ derselben eine gegenüberliegende Grenzfläche. Darüber hinaus sind die in der unteren Oberfläche jeder Schicht enthaltenen Basisebenen-Versetzungen Basisebenen-Versetzungen, die von der unteren Oberfläche in das Innere der Schicht eindringen; und die Basisebenen-Versetzungen in der oberen Oberfläche jeder Schicht sind Basisebenen-Versetzungen, die von der Innenseite der Schicht zur oberen Oberfläche gehen.
  • 4 veranschaulicht ein Beispiel für die Basisebenen-Versetzungen in der ersten Epitaxialschicht 41. Viele Basisebenen-Versetzungen gehen in die erste Epitaxialschicht 41, die auf dem Einkristall-Substrat 10 wächst, aus dem Einkristall-Substrat 10 ein. Es wird auf die Basisebenen-Versetzungen 30a bis 30e im Einkristall-Substrat 10 in 4 verwiesen. Die Basisebenen-Versetzung 30a verwandelt sich in eine Kantenversetzung an der unteren Oberfläche 411 der ersten Epitaxialschicht 41 (d.h. der Grenzfläche zwischen der ersten Epitaxialschicht 41 und dem Einkristall-Substrat 10) und gelangt dann nicht in das Innere der ersten Epitaxialschicht 41. Nun gelangen die Basisebenen-Versetzungen 30b bis 30e von der unteren Oberfläche 411 der ersten Epitaxialschicht 41 in das Innere der ersten Epitaxialschicht 41.
  • Unter den Basisebenen-Versetzungen 30b bis 30e, die in das Innere der ersten Epitaxialschicht 41 eingetreten sind, wechseln die Basisebenen-Versetzungen 30b bis 30d in Kantenversetzungen in einem unteren Schichtbereich, einem mittleren Schichtbereich oder einem oberen Schichtbereich innerhalb der ersten Epitaxialschicht 41 und gehen dann an die obere Oberfläche 412 der ersten Epitaxialschicht 41 hinaus. Weiterhin geht die Basisebenen-Versetzung 30e zur oberen Oberfläche 412 der ersten Epitaxialschicht 41 ohne Umwandlung in eine Kantenversetzung hinaus und durchläuft somit die erste Epitaxialschicht 41.
  • In 4 sind die Basisebenen-Versetzungen 30b, 30c und 30d durch die erste Epitaxialschicht 4 in Kantenversetzungen umgewandelt, und die Basisebenen-Versetzung 30e ist durch die erste Epitaxialschicht 41 nicht in eine Kantenversetzung umgewandelt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Basisebenen-Versetzung 30a, die sich in die Kantenversetzung an der unteren Oberfläche 411 der ersten Epitaxialschicht 41 verwandelt hat, als nicht vorhanden in der unteren Oberfläche 411 der ersten Epitaxialschicht 41 angesehen wird und somit nicht als Basisebenen-Versetzung in der unteren Oberfläche 411 gezählt wird.
  • Die Bemerkung: „Die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen in der untere Oberfläche der ersten Epitaxialschicht 41 sei a. Dann ist die erste Epitaxialschicht 41 definiert als eine Schicht, deren obere Oberfläche eine Anzahl von a * 0,05 oder mehr Basisebenen-Versetzungen und eine Anzahl von a oder weniger Basisebenen-Versetzungen aufweist“ hat folgende Bedeutung: Wenn die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die von der unteren Oberfläche in die erste Epitaxialschicht 41 eingetreten sind, a ist, dann ist die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die von der ersten Epitaxialschicht 41 nicht in Kantenversetzungen umgewandelt werden, a * 0,05 oder mehr und a oder weniger.
  • Diese Bemerkung bedeutet umgekehrt, dass innerhalb der ersten Epitaxialschicht 41 eine Anzahl von weniger als a * 0,95 von Basisebenen-Versetzungen in Kantenversetzungen umgewandelt wird. Mit anderen Worten, die erste Epitaxialschicht 41 hat eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate von weniger als 95 %.
  • 5 veranschaulicht ein Beispiel für die Basisebenen-Versetzungen in der zweiten Epitaxialschicht 42. Die Basisebenen-Versetzungen treten in die zweite Epitaxialschicht 42, die auf der ersten Epitaxialschicht 41 gewachsen ist, von der ersten Epitaxialschicht 41 ein. Wie in obiger Beschreibung, sei die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die in der unteren Oberfläche 411 der ersten Epitaxialschicht 41 enthalten sind, a. Dann erreicht eine Anzahl von a * 0,05 oder mehr Basisebenen-Versetzungen die obere Oberfläche 412 der ersten Epitaxialschicht 41. Dementsprechend tritt eine Anzahl von a * 0,05 oder mehr Basisebenen-Versetzungen in das Innere der zweiten Epitaxialschicht 42 von der unteren Oberfläche 421 der zweiten Epitaxialschicht 42 ein.
  • Es wird auf die in der Oberseite 412 der ersten Epitaxialschicht 41 in 5 enthaltenen Basisebenen-Versetzungen 31a bis 31e verwiesen. Die Basisebenen-Versetzung 31a verwandelt sich in eine Kantenversetzung an der unteren Oberfläche 421 der zweiten Epitaxialschicht 42 (d.h. der Grenzfläche zwischen der ersten Epitaxialschicht 41 und der zweiten Epitaxialschicht 42) und gelangt dann nicht in das Innere der zweiten Epitaxialschicht 42. Nun gelangen die Basisebenen-Versetzungen 31b bis 31e von der unteren Oberfläche 421 der zweiten Epitaxialschicht 42 in das Innere der zweiten Epitaxialschicht 42.
  • Unter den Basisebenen-Versetzungen 31b bis 31e, die in das Innere der zweiten Epitaxialschicht 42 eingetreten sind, wechseln die Basisebenen-Versetzungen 31b bis 31d in Kantenversetzungen an einem unteren Schichtbereich, einem mittleren Schichtbereich oder einem oberen Schichtbereich innerhalb der zweiten Epitaxialschicht 42 und gehen dann hinaus zu der oberen Oberfläche 422 der zweiten Epitaxialschicht 42. Weiterhin geht die Basisebenen-Versetzung 31e auf die oberen Oberfläche 422 der zweiten Epitaxialschicht 42 ohne Umwandlung in eine Kantenversetzung hinaus und durchläuft somit die zweite Epitaxialschicht 42.
  • In 5 sind die Basisebenen-Versetzungen 31b, 31c und 31d durch die zweite Epitaxialschicht 4 in Kantenversetzungen umgewandelt, und die Basisebenen-Versetzung 31e ist durch die zweite Epitaxialschicht 42 nicht in die Kantenversetzung umgewandelt. Es wird darauf hingewiesen, dass sich die obere Oberfläche 412 der ersten Epitaxialschicht 41 und die untere Oberfläche 421 der zweiten Epitaxialschicht 42 auf der gleichen Ebene befinden.
  • Es wird auch darauf hingewiesen, dass zwar die Basisebenen-Versetzung 31a, die sich in die Kantenversetzung an der unteren Oberfläche 421 der zweiten Epitaxialschicht 42 verwandelt hat, in der oberen Oberfläche 422 der zweiten Epitaxialschicht 42 enthalten ist, die Basisebenen-Versetzung 31a jedoch als abwesend von der unteren Oberfläche 421 der zweiten Epitaxialschicht 42 gilt und somit nicht als Basisebenen-Versetzung in der unteren Oberfläche 421 gezählt wird.
  • Die Bemerkung: „Die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen in der unteren Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht 42 sei b. Dann ist die zweite Epitaxialschicht 42 definiert als eine Schicht, deren obere Oberfläche eine Anzahl von b * 0,02 oder weniger Basisebenen-Versetzungen aufweist“, hat folgende Bedeutung: Wenn die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die von der unteren Oberfläche in die zweite Epitaxialschicht 42 eingetreten sind, b ist, ist die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die von der zweiten Epitaxialschicht 42 nicht in Kantenversetzungen umgewandelt werden, b * 0,02 oder weniger.
  • Diese Bemerkung bedeutet umgekehrt, dass innerhalb der zweiten Epitaxialschicht 42 eine Anzahl von mehr als b * 0,98 Basisebenen-Versetzungen in Kantenversetzungen umgewandelt wird. Mit anderen Worten, die zweite Epitaxialschicht 42 hat eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate von mehr als 98 %.
  • Wenn die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die in der unteren Oberfläche 411 der ersten Epitaxialschicht 41 enthalten sind, a ist, wird die obere Oberfläche 422 der zweiten Epitaxialschicht 42 auf eine Anzahl von a * 0,001 oder weniger Basisebenen-Versetzungen eingestellt. Das bedeutet, dass die erste Epitaxialschicht 41 und die zweite Epitaxialschicht 42 99,9 % oder mehr der Basisebenen-Versetzungen im Einkristall-Substrat 10 umwandeln. Mit anderen Worten, 0,1 % oder weniger der im Einkristall-Substrat 10 enthaltenen Basisebenen-Versetzungen gelangen in die dritte Epitaxialschicht 43.
  • Wie vorstehend beschrieben, weist das Epitaxial-Substrat 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die dritte Epitaxialschicht 43 auf, die auf der ersten Epitaxialschicht 41 und der zweiten Epitaxialschicht 42 angeordnet ist und die beide die Basisebenen-Versetzungen innerhalb des Einkristall-Substrats 10 in Kantenversetzungen umwandeln. Die erste Epitaxialschicht 41 und die zweite Epitaxialschicht 42 wandeln die Basisebenen-Versetzungen innerhalb des Einkristall-Substrats 10 in zwei Schritten in Kantenversetzungen um.
  • Dies reduziert in der dritten Epitaxialschicht 43 ungünstige Versetzungen durch erweiterte Stapelfehler. Der MOSFET 100 wird aus dem Epitaxial-Substrat 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt. Somit ist die Drift-Schicht 11 mit wenigen ungünstigen Versetzungen versehen, die aus dem erweiterten Stapelfehler stammen. Dadurch wird eine Eigenschaftsverschlechterung durch die Energieversorgung einer Körperdiode im MOSFET 100 verhindert.
  • Im Folgenden wird ein Vorgang beschrieben, durch den die Basisebenen-Versetzungen in zwei Schritten in Kantenversetzungen umgewandelt werden, und ein weiterer Vorgang, der den Abbau der Energieversorgung durch den Vorgang verhindert.
  • Gemäß der obigen Beschreibung liegt ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung in der Epitaxialschicht 4 mit einer aus mehreren Schichten zusammengesetzten Stapelstruktur mit voneinander unterschiedlichen Umwandlungsraten von Basisebenen-Versetzung. Genauer gesagt, liegt der aspekt darin, die zweite Epitaxialschicht 42 mit einer höheren Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate auf die erste Epitaxialschicht 41 mit einer niedrigeren Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate zu stapeln.
  • Folglich werden die Basisebenen-Versetzungen in zwei Schritten in Kantenversetzungen umgewandelt. Dies reduziert nicht nur die Basisebenen-Versetzungen, sondern auch andere ungünstige Versetzungen, die durch erweiterte Stapelfehler entstehen, und verhindert so eine Degradation durch die Energieversorgung des bipolaren Bauteils.
  • Bei der Umwandlung von Basisebenen-Versetzungen durch Mehrschichten-epitaktisches Wachstum ist allgemein bekannt, dass sie an den Grenzflächen zwischen Schichten stattfindet. Denn an den Grenzflächen zwischen den Schichten entsteht eine Spannung durch Verunreinigungskonzentrationsunterschiede, die die Basisebenen-Versetzungen in Kantenversetzungen umwandeln. Solche Grenzflächenversetzungen, wie sie durch die Spannung entstehen, erzeugen leider ein weiteres Problem, nämlich die Bauteile-Energieversorgung.
  • Dabei verwandeln sich Basisebenen-Versetzungen in Kantenversetzungen auch innerhalb jeder Schicht. Denn die Wechselwirkung beim Fortschreiten zwischen den Basisebenen-Versetzungen und dem epitaktischen Wachstum bewirkt auch die Umwandlung der Basisebenen-Versetzung (z.B. ZHANG, Z. ; MOULTON, E. ; SUDARSHAN, T. S.: Mechanism of eliminating basal plane dislocations in SiC thin films by epitaxy on an etched substrate. In: Applied Physics Letters (APL), Vol. 89, 2006, No. 8, Article-No: 081910 (S. 1-3). Ein größerer Winkel, der sich aus einer Fortschreitens-Richtung der Basisebenen-Versetzung und einer Fortschreitens-Richtung des epitaktischen Wachstums ergibt, führt zu einem höheren Grad an Wechselwirkungen. Daher neigen die Basisebenen-Versetzungen dazu, in Kantenversetzungen überzugehen.
  • Typisches epitaktisches Wachstum auf einem Siliciumcarbidsubstrat mit einem Versatz-Winkel verläuft durch zwei Wachstumsmodi: Stufenflusswachstum auf einem Siliciumcarbid-Einkristall und zweidimensionales Kernwachstum. Der Stufenflusswachstumsmodus ist ein Wachstumsmodus, bei dem ein Stufenende Materialatome, wie sie für das Fortfahren bereitgestellt werden, aufnimmt und parallel zu einer Stufenflussrichtung fortschreitet.
  • Der zweidimensionale Kernwachstumsmodus ist ein Wachstumsmodus, bei dem zweidimensionale Kerne in einem Terrassenbereich auf dem Siliciumcarbid Einkristall-Substrat mit einem Versatz-Winkel gebildet werden, und dieser Wachstumsmodus schreitet unter Benutzung der zweidimensionalen Kernen in Richtung Peripherie fort. Der zweidimensionale Kernwachstumsmodus, der eine Wachstumskomponente senkrecht zur Stufenflussrichtung aufweist, kann auch als „laterales Wachstum“ bezeichnet werden.
  • Zwischen den beiden Wachstumsmodi beeinflusst die Auftretensrate des zweidimensionalen Kernwachstumsmodus die Umwandlungsrate von Basisebenen-Versetzungen in hohem Maße. Konkret bedeutet eine niedrige Auftretensrate von zweidimensionalem Kernwachstum eine geringere Umwandlungsrate von Basisebenen-Versetzungen; außerdem erhöht eine hohe Auftretensrate des zweidimensionalen Kernwachstums die Umwandlungsrate von Basisebenen-Versetzungen erheblich.
  • Denn die Fortschreitens-Richtung der Basisebenen-Versetzungen, die in eine Epitaxialschicht eingetreten sind, unterscheidet sich von der Fortschreitens-Richtung des Epitaxialwachstums; folglich wirkt eine Wechselwirkung auf die Basisebenen-Versetzungen. Der Begriff „eine hohe Auftretensrate von zweidimensionalem Kernwachstum“ bedeutet hier nicht, dass der zweidimensionale Kernwachstumsmodus über den Stufenflusswachstumsmodus dominiert, aber der Begriff bedeutet, dass die Auftretensrate des zweidimensionalen Kernwachstumsmodus relativ höher ist als die typischen Wachstumsbedingungen.
  • Nun schreiten die in die Epitaxialschicht eintretenden Basisebenen-Versetzungen unter verschiedenen Winkeln in Bezug auf die Stufenflussrichtung fort. Dementsprechend variiert die Umwandlungsrate von Basisebenen-Versetzungen entsprechend den Fortschreitens-Richtungen der Basisebenen-Versetzungen. In einem Beispiel kann die Fortschreitens-Richtung der Basisebenen-Versetzungen parallel zur Stufenflussrichtung sein. Dies ermöglicht ein geringes Maß an Wechselwirkung zwischen dem Fortschreiten der Basisebenen-Versetzungen und dem Stufenflusswachstum und damit eine geringe Umwandlungsrate in Kantenversetzungen.
  • In einem weiteren Beispiel kann die Fortschreitens-Richtung der Basisebenen-Versetzungen einen großen Winkel zur Stufenflussrichtung aufweisen. Dies ermöglicht ein hohes Maß an Wechselwirkung zwischen dem Fortschreiten der Basisebenen-Versetzungen und dem Stufenflusswachstum und damit eine hohe Umwandlungsrate.
  • Dennoch kann die Epitaxialschicht in einem Wachstumszustand eine Oberfläche haben mit einer Basisebenen-Versetzung mit einem großen Winkel in Bezug auf den Stufenfluss zusammen mit einer hohen Auftretensrate des zweidimensionalen Kernwachstumsmodus.
  • Dann wandelt sich die Basisebenen-Versetzung, die Wechselwirkungen aus dem Stufenflusswachstumsmodus und dem zweidimensionalen Kernwachstumsmodus empfängt, in einigen seltenen Fällen nicht vollständig in eine Kantenversetzung um und bildet so eine ungünstige Versetzung mit einer kombinierten Eigenschaft der Basisebenen-Versetzung und der Kantenversetzung.
  • Diese ungünstige Versetzung wird sich je nach späterem Epitaxiewachstum weniger wahrscheinlich umwandeln und geht weiter bis zum Erreichen einer oberen Drift-Schicht (der dritten Epitaxialschicht 43). Eine solche Versetzung innerhalb der Drift-Schicht führt zu einem erweiterten Stapelfehler und damit zu einer Verschlechterung des Bauteils. Der Begriff „ein großer Winkel in Bezug auf den Stufenfluss“ ist hier spezifisch ein Winkel von 50° oder mehr, der sich aus der Stufenflussrichtung und der Fortschreitens-Richtung der Basisebenen-Versetzungen ergibt.
  • Darüber hinaus ist der Begriff „eine Versetzung mit einer kombinierten Eigenschaft der Basisebenen-Versetzung und der Kantenversetzung“ hier konkret eine Versetzung, die unter einem Winkel von 10° oder mehr und 80° oder weniger in Bezug auf eine Basisfläche verläuft. Eine solche Versetzung verläuft meist unter einem Winkel von 15° oder mehr und 50° oder weniger.
  • Das Epitaxial-Substrat 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dient zur Reduzierung von Versetzungen mit einer kombinierten Eigenschaft einer Basisebenen-Versetzung und einer Kantenversetzung. Die erste Epitaxialschicht 41 wird in einem Wachstumszustand mit einer niedrigen Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate gebildet. Diese Umwandlungsrate beträgt weniger als 95 % und vorzugsweise weniger als 90 %.
  • Das Wachstum in einem solchen Zustand beinhaltet eine geringe Auftretensrate des zweidimensionalen Kernwachstumsmodus. So werden fast alle Wachstumskomponenten im Stufenflusswachstumsmodus gebildet. Zu diesem Zeitpunkt ermöglicht die Wechselwirkung mit dem Stufenflusswachstum, dass sich die Fortschreitens-Richtung einer Basisebenen-Versetzung mit einem großen Winkel in Bezug auf den Stufenfluss in der Stufenflussrichtung biegt oder neigt.
  • In diesem Stadium bilden die Basisebenen-Versetzungen, die in der Grenzfläche zwischen der ersten Epitaxialschicht 41 und der zweiten Epitaxialschicht 42 und in der zweiten Epitaxialschicht 42 enthalten sind, vorzugsweise zusammen mit der Stufenflussrichtung einen Winkel von ±45° oder weniger. Die Basisebenen-Versetzungen und die Stufenflussrichtung bilden einen Winkel von ±45° oder weniger. Dementsprechend ist es unwahrscheinlich, dass auf die Basisebenen-Versetzungen Wechselwirkungen aus dem Stufenflusswachstumsmodus und dem zweidimensionalen Kernwachstumsmodus einwirken, wenn die zweite Epitaxialschicht 42 gebildet wird.
  • Dies verhindert eine ungünstige Versetzung mit einer kombinierten Eigenschaft der Basisebenen-Versetzung und der Kantenversetzung. Wenn die Basisebenen-Versetzungen und die Stufenflussrichtung einen Winkel von mehr als ±45° bilden, neigen die Wechselwirkungen aus dem Stufenflusswachstumsmodus und dem zweidimensionalen Kernwachstumsmodus dazu, auf die Basisebenen-Versetzungen einzuwirken. Dadurch wird eine ungünstige Versetzung nicht wirksam verhindert.
  • Die zweite Epitaxialschicht 42 wird in einem Wachstumszustand mit einer hohen Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate gebildet. Diese Umwandlungsrate beträgt mehr als 98 % und vorzugsweise mehr als 99 %. Damit können fast alle Basisebenen-Versetzungen, die nicht in der ersten Epitaxialschicht 41 umgewandelt worden sind, umgewandelt werden. Das heißt, die zweite Epitaxialschicht 42 ermöglicht es der Basisebenen-Versetzung, deren Fortschreitens-Richtung sich in der ersten Epitaxialschicht 41 geneigt hat, sich in die Kantenversetzung umzuwandeln. Wenn die zweite Epitaxialschicht 42 eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate von 98 % oder weniger aufweist, können die Basisebenen-Versetzungen nicht vollständig konvertieren bzw. sich umwandeln, was möglicherweise zu einer Verschlechterung des Bauteils führt.
  • Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die vorliegende Ausführungsform die Fortschreitens-Richtung der Basisebenen-Versetzung innerhalb des Einkristall-Substrats 10 mit einem großen Winkel zur Stufenflussrichtung, sich in der ersten Epitaxialschicht 41 in eine Richtung parallel zur Stufenflussrichtung zu neigen bzw. zu biegen und ermöglicht es der Basisebenen-Versetzung, sich in der zweiten Epitaxialschicht 42 in die Kantenversetzung zu verwandeln. Dadurch wird verhindert, dass die Basisebenen-Versetzung, die einen großen Winkel zur Stufenflussrichtung aufweist, in die ungünstige Versetzung mit der kombinierten Eigenschaft der Kantenversetzung und der Basisebenen-Versetzung übergeht.
  • Die erste Epitaxialschicht 41 hat keine einzigartig begrenzte Dicke, aber vorzugsweise eine Dicke von 0,01 µm oder mehr und 30 µm oder weniger für die Herstellungs-Produktivität. Die erste Epitaxialschicht 41 weist keine eindeutig begrenzte Konzentration auf, aber weist vorzugsweise eine von 1 × 1016 cm-3 oder mehr und 1 × 1019 cm-3 oder weniger auf. Die zweite Epitaxialschicht 42 hat keine einzigartig begrenzte Dicke, aber vorzugsweise eine Dicke von 0,01 µm oder mehr und 30 µm oder weniger für die Produktivität.
  • Die zweite Epitaxialschicht 42 weist keine einzigartig begrenzte Konzentration auf, aber weist vorzugsweise eine Konzentration von 1 × 1016 cm-3 oder mehr und 1 × 1019 cm-3 oder weniger auf. Die erste Epitaxialschicht 41 und die zweite Epitaxialschicht 42 können die gleiche Dicke und die gleiche Konzentration aufweisen. Alternativ können diese Schichten voneinander unterschiedliche Dicken und voneinander unterschiedliche Konzentrationen aufweisen.
  • Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in der Epitaxialschicht 4 mit einer aus mehreren Schichten zusammengesetzten Stapelstruktur mit voneinander unterschiedlichen Umwandlungsraten von Basisebenen-Versetzung. Grundsätzlich ändert die Verunreinigungskonzentration jeder Schicht nichts an der Wirkung der gestapelten Struktur.
  • Dennoch ist kein extremer Unterschied in den Verunreinigungskonzentrationen zwischen der ersten Epitaxialschicht 41 und der zweiten Epitaxialschicht 42 wünschenswert, da eine aus den Verunreinigungskonzentrationsunterschieden zwischen den Schichten resultierende Spannung (Stress) eine Grenzflächenversetzung erzeugt. Darüber hinaus ist die Verunreinigungskonzentration der ersten Epitaxialschicht 41 vorzugsweise höher als die Verunreinigungskonzentration der zweiten Epitaxialschicht 42; außerdem ist die Verunreinigungskonzentration der zweiten Epitaxialschicht 42 vorzugsweise höher als die Verunreinigungskonzentration der dritten Epitaxialschicht 43.
  • Konkret sind die erste Epitaxialschicht 41 und die zweite Epitaxialschicht 42 jeweils vorzugsweise auf eine Verunreinigungskonzentration eingestellt, welche die Bedingung 0.01 ≤ Nb/Na ≤ 1erfüllt, wobei Na die Verunreinigungskonzentration der ersten Epitaxialschicht 41 und Nb die Verunreinigungskonzentration der zweiten Epitaxialschicht 42 ist. Das Einstellen der Verunreinigungskonzentrationen derart, dass diese Bedingung erfüllt wird, verhindert wirksam eine Spannung, die sich aus den Unterschieden in den Verunreinigungskonzentrationen ergibt.
  • Das Einstellen der Verunreinigungskonzentrationen der ersten Epitaxialschicht 41 und der zweiten Epitaxialschicht 42 derart, dass diese Bedingung nicht erfüllt wird, erzeugt einen extrem großen Unterschied in den Verunreinigungskonzentrationen zwischen der ersten Epitaxialschicht 41 und der zweiten Epitaxialschicht 42. Eine Spannung durch den extrem großen Unterschied ist daher nur schwer wirksam zu verhindern.
  • Die Schichten, die die Epitaxialschicht 4 bilden, müssen jeweils keine einheitliche Verunreinigungskonzentration aufweisen, so dass jede Schicht eine Verunreinigungskonzentration aufweisen kann, die bei Bedarf in ihrer Dickenrichtung variiert. So kann beispielsweise die Verunreinigungskonzentration in der unteren Oberfläche der ersten Epitaxialschicht 41 die gleiche Größenordnung wie die Verunreinigungskonzentration des Einkristall-Substrats 10 haben und mit dem Wachstum der ersten Epitaxialschicht 41 allmählich abnehmen, so dass die Verunreinigungskonzentration in der oberen Oberfläche der ersten Epitaxialschicht 41 die gleiche Größenordnung hat wie die Verunreinigungskonzentration in der unteren Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht 42.
  • Darüber hinaus kann die Verunreinigungskonzentration allmählich mit dem Wachstum der zweiten Epitaxialschicht 42 abnehmen, so dass die Verunreinigungskonzentration in der oberen Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht 42 die gleiche Größenordnung wie die Verunreinigungskonzentration in der unteren Oberfläche der dritten Epitaxialschicht 43 hat. Dadurch werden eine extrem geringe Spannung durch die Unterschiede in der Verunreinigungskonzentration erreicht und die Grenzflächenversetzung verhindert, so dass die Wirkung der vorliegenden Erfindung effektiv erreicht wird.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Epitaxial-Substrats 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, d.h. ein Verfahren zur Bildung der Epitaxialschicht 4 auf dem Einkristall-Substrat 10.
  • Die Epitaxialschicht 4 wird durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf dem Einkristall-Substrat 10 gebildet. In der CVD wird Wasserstoff (H2) als Trägergas verwendet; außerdem werden ein siliciumhaltiges Gas, wie etwa Silan (SiH4) und Disilan (Si2H6), und ein kohlenstoffhaltiges Gas, wie etwa Propan (C3H8) und Methan (CH4), als Rohstoffgas verwendet.
  • Weiterhin wird Stickstoff (N2) als verunreinigendes Dotiergas zugegeben. Das Einkristall-Substrat 10 wird in einem Reaktor platziert und auf 1400 °C bis 1800 °C erhitzt. Anschließend werden das Trägergas, die Rohstoffgase und das Dotiergas in den Reaktor eingeleitet. Die Epitaxialschicht 4 wird daher auf das Einkristall-Substrat 10 aufgewachsen. In dieser Phase kann ein halogenidhaltiges Gas für eine erhöhte Wachstumsgeschwindigkeit verwendet werden.
  • Verschiedene Schritte des Züchtens der Schichten müssen unterschiedliche Wachstumsbedingungen aufweisen, damit die Epitaxialschicht 4 eine gestapelte Struktur aufweist, die aus der ersten Epitaxialschicht 41, der zweiten Epitaxialschicht 42 und der dritten Epitaxialschicht 43 besteht. Das heißt, die erste Epitaxialschicht 41 muss unter einer ersten Wachstumsbedingung auf das Einkristall-Substrat 10 aufwachsen; dann die zweite Epitaxialschicht 42 unter einer zweiten Wachstumsbedingung; ferner die dritte Epitaxialschicht 43 unter einer dritten Wachstumsbedingung.
  • Wie bereits beschrieben, ist es beim epitaktischen Wachstum von Siliciumcarbid wichtig, die Auftretensrate des zweidimensionalen Kernwachstums während des epitaktischen Wachstums zu erhöhen oder zu verringern, um die Umwandlungsrate der Basisebenen-Versetzung zu ändern. Die Auftretensrate der zweidimensionalen Kernbildung wird durch die Steuerung der Bedingungen während des epitaktischen Wachstums gesteuert, insbesondere durch die Steuerung des C/Si-Verhältnisses, der Wachstumstemperatur, des Wachstumsdrucks, der Wachstumsgeschwindigkeit und des Trägergasflusses.
  • So verhindert beispielsweise eine Senkung des C/Si-Verhältnisses, welches das Versorgungsstromverhältnis des siliciumhaltigen Gases zum kohlenstoffhaltigen Gas ist, die zweidimensionale Kernbildung; umgekehrt erhöht eine Erhöhung des C/Si Verhältnisses die Auftretensrate des zweidimensionalen Kernwachstums. Darüber hinaus sorgt eine höhere Wachstumstemperatur für eine geringere Auftretensrate des zweidimensionalen Kernwachstums.
  • Als solche sind eine oder mehrere Bedingungen von dem C/Si-Verhältnis, der Wachstumstemperatur, dem Wachstumsdruck und der Wachstumsgeschwindigkeit zwischen der ersten, zweiten und dritten Wachstumsbedingung unterschiedlich. Für die Veränderung der Wachstumstemperatur und des Wachstumsdrucks ist es wünschenswert, die Zuführung der Rohstoffgase in den Intervallen zwischen den Schritten des Züchtens der einzelnen Schichten zu unterbrechen, die Wachstumstemperatur und den Wachstumsdruck vollständig in eine gewünschte Wachstumstemperatur und einen gewünschten Wachstumsdruck zu ändern und dann das Wachstum wieder aufzunehmen. Denn eine thermische Spannung erzeugt eine zusätzliche Versetzung, wie z.B. eine Grenzflächenversetzung, wenn sich beispielsweise eine Temperaturbedingung mit dem Wachstum ändert.
  • So wird beispielsweise zunächst die erste Epitaxialschicht 41 mit einem ersten C/Si-Verhältnis, einer ersten Wachstumstemperatur, einer ersten Wachstumsgeschwindigkeit und einem ersten Wachstumsdruck bis zur gewünschten Dicke gezüchtet, gefolgt von einer Zuführungsunterbrechung der Rohstoffgase. Dann erfolgt eine vollständigen Umstellung auf eine zweite Wachstumstemperatur und einen zweiten Wachstumsdruck, gefolgt von der Wiederaufnahme der Zuführung der Rohstoffgase, die auf ein zweites C/Si-Verhältnis und eine zweite Wachstumsgeschwindigkeit eingestellt wurden, so dass das Wachstum der zweiten Epitaxialschicht 42 beginnt.
  • Danach wird bei der zweiten Epitaxialschicht 42 mit einer gewünschten Dicke die Zuführung der Rohstoffgase wieder gestoppt. Dann kommt es zu einer vollständigen Umstellung auf eine dritte Wachstumstemperatur und einen dritten Wachstumsdruck, gefolgt von der Wiederaufnahme der Zuführung der Rohstoffgase, die auf ein drittes C/Si-Verhältnis und die dritte Wachstumstemperatur eingestellt wurden, so dass die dritte Epitaxialschicht 43 wächst.
  • So steuert beispielsweise das Anheben des zweiten C/Si-Verhältnisses gegenüber dem ersten C/Si-Verhältnis die Auftretensrate des zweidimensionalen Kernwachstums, so dass die erste Epitaxialschicht 41 eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate von weniger als 95 % erreicht und die zweite Epitaxialschicht 42 eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate von mehr als 98 % aufweist. So steuert beispielsweise das Absenken der zweiten Wachstumstemperatur gegenüber der ersten Wachstumstemperatur die Auftretensrate des zweidimensionalen Kernwachstums, so dass die erste Epitaxialschicht 41 eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate von weniger als 95 % und die zweite Epitaxialschicht 42 eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate von mehr als 98 % aufweisen können. Darüber hinaus können sich diese beiden Parameter gleichzeitig ändern. Alternativ können sich weitere Parameter ändern.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Umwandlungsrate der Basisebenen-Versetzung aufgrund verschiedener Faktoren, wie C/Si-Verhältnis, Wachstumstemperatur, Wachstumsgeschwindigkeit und Wachstumsdruck während des epitaktischen Wachstums sowie der Struktur einer Wachstumseinheit variiert, so dass die Bedingungen für das Wachstum der einzelnen Schichten nicht einheitlich begrenzt werden können. Die vorgenannte Konfiguration des Epitaxial-Substrats und die vorgenannte Struktur des Siliciumcarbid-Halbleiterbauteils erzielen jedoch in ausreichendem Maße die Wirkungen der vorliegenden Erfindung.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Epitaxial-Substrats 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht es, dass die erste Epitaxialschicht 41, die zweite Epitaxialschicht 42 und die dritte Epitaxialschicht 43, die die Epitaxialschicht 4 bilden, in derselben Einheit wachsen. Damit ergibt sich das Epitaxial-Substrat 3 gemäß vorliegender Erfindung ohne große Durchsatzreduzierung. Darüber hinaus ist die dritte Wachstumsgeschwindigkeit höher als die erste und zweite Wachstumsgeschwindigkeit. Dies erhöht die Produktivität weiter.
  • Außerdem pausiert die Zuführung der Rohstoffgase in den Intervallen zwischen den Schritten des Wachstums der einzelnen Schichten der Epitaxialschicht 4. Dies reduziert die thermische Belastung bzw. Spannung und verhindert so die Grenzflächenversetzung und andere Versetzungen.
  • 2 veranschaulicht, dass die Epitaxialschicht 4 eine dreilagige Struktur aufweist, die aus der ersten Epitaxialschicht 41, der zweiten Epitaxialschicht 42 und der dritten Epitaxialschicht 43 besteht. 2 veranschaulicht auch, dass die erste Epitaxialschicht 41 und die zweite Epitaxialschicht 42 die Pufferschicht bilden, und dass die dritte Epitaxialschicht 43 die Drift-Schicht 11 bildet. Das heißt, 2 veranschaulicht, dass in der dritten Epitaxialschicht 43 eine Bauelementestruktur gebildet wird. Die Epitaxialschicht 4 kann vier oder mehr Schichten beinhalten.
  • 6 veranschaulicht beispielsweise ein Beispiel für das Epitaxial-Substrat 3, wenn die Epitaxialschicht 4 mit einer vierlagigen Struktur ausgebildet wird. Das heißt, gemäß 6 weist die Epitaxialschicht 4 die erste Epitaxialschicht 41, die auf dem Einkristall-Substrat 10 angeordnet ist, die zweite Epitaxialschicht 42, die auf der ersten Epitaxialschicht 41 angeordnet ist, die dritte Epitaxialschicht 43, die auf der zweiten Epitaxialschicht 42 angeordnet ist, und eine vierte Epitaxialschicht 44 auf, die auf der dritten Epitaxialschicht 43 angeordnet ist.
  • Bei diesem Beispiel dient die vierte Epitaxialschicht 44 als Drift-Schicht 11, und in der Drift-Schicht 11 wird eine Bauelementestruktur gebildet. Darüber hinaus fungiert die dritte Epitaxialschicht 43 als Pufferschicht. Hierbei muss die dritte Epitaxialschicht 43 eine höhere Verunreinigungskonzentration aufweisen als die vierte Epitaxialschicht 44. Auf diese Weise wird die dritte Epitaxialschicht 43 mit einer höheren Verunreinigungskonzentration unter der vierten Epitaxialschicht 44 angeordnet, welche die Drift-Schicht 11 bildet. Dadurch kann ein Bereich mit rekombinierten Trägern physisch von einem Bereich mit ungünstiger Versetzung getrennt werden, so dass eine Ausdehnung von Stapelfehler verhindert wird.
  • Auch wenn die Ausführungsform betreffend das Siliciumcarbid Halbleiterbauteil und das Siliciumcarbid Epitaxial-Substrat detailliert beschrieben ist, ist die Ausführungsform nur eine Beschreibung eines Aspekts, auf den die vorliegende Erfindung angewendet werden kann; somit ist der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung keinesfalls eingeschränkt.
  • Das heißt, die Ausführungsform kann im Rahmen der Erfindung geändert und ggf. können dabei auch Merkmale weggelassen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 3
    Siliciumcarbid Epitaxial-Substrat
    4
    Epitaxialschicht
    10
    Einkristall-Substrat
    11
    Drift-Schicht
    12
    Gate Isolierschicht
    13
    Gate-Elektrode
    14
    Wannen-Bereich
    15
    Source-Bereich
    16
    Wannen-Kontaktbereich
    17
    Zwischenisolierschicht
    19
    Drain-Elektrode
    41
    erste Epitaxialschicht
    42
    zweite Epitaxialschicht
    43
    dritte Epitaxialschicht
    44
    vierte Epitaxialschicht
    411
    untere Oberfläche der ersten Epitaxialschicht
    412
    Source-Bereich Epitaxialschicht
    421
    untere Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht
    422
    obere Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht
    30a - 30e
    Basisebenen-Versetzung
    31 - 31e
    Basisebenen-Versetzung

Claims (9)

  1. Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrat (3), das Folgendes aufweist: - ein Siliciumcarbid-Einkristall-Substrat (10); - eine erste Epitaxialschicht (41), die auf dem Siliciumcarbid Einkristall-Substrat (10) angeordnet ist; - eine zweite Epitaxialschicht (42), die auf der ersten Epitaxialschicht (41) angeordnet ist, und - eine dritte Epitaxialschicht (43), die auf der zweiten Epitaxialschicht (42) angeordnet ist, wobei die erste Epitaxialschicht (41) eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate aufweist, die niedriger ist als die Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate in der zweiten Epitaxialschicht (42), und wenn die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die in einer unteren Oberfläche der ersten Epitaxialschicht (41) enthalten sind, a ist, eine obere Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht (42) eine Anzahl von a * 0,001 oder weniger Basisebenen-Versetzungen aufweist.
  2. Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrat (3), das Folgendes aufweist: - ein Siliciumcarbid-Einkristall-Substrat (10); - eine erste Epitaxialschicht (41), die auf dem Siliciumcarbid Einkristall-Substrat (10) angeordnet ist; - eine zweite Epitaxialschicht (42), die auf der ersten Epitaxialschicht (41) angeordnet ist, und - eine dritte Epitaxialschicht (43), die auf der zweiten Epitaxialschicht (42) angeordnet ist, wobei eine Basisebenen-Versetzung und eine Stufenflussrichtung einen Winkel von ± 45° oder weniger bilden wobei die Basisebenen-Versetzung in einer Grenzfläche zwischen der ersten Epitaxialschicht (41) und der zweiten Epitaxialschicht (42) und in der zweiten Epitaxialschicht (42) enthalten ist, und wenn die Anzahl der Basisebenen-Versetzungen, die in einer unteren Oberfläche der ersten Epitaxialschicht (41) enthalten sind, a ist, eine obere Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht (42) eine Anzahl von a * 0,001 oder weniger Basisebenen-Versetzungen aufweist.
  3. Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrat (3) nach Anspruch 2, wobei die erste Epitaxialschicht (41) eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate aufweist, die niedriger ist als die Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate in der zweiten Epitaxialschicht (42).
  4. Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrat (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Epitaxialschicht (41) eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate von weniger als 95 % aufweist, und wobei die zweite Epitaxialschicht (42) eine Basisebenen-Versetzungs-Umwandlungsrate von mehr als 98 % aufweist.
  5. Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrat (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Epitaxialschicht (41) und die zweite Epitaxialschicht (42) eine Verunreinigungskonzentration von 1 × 1016 cm-3 oder mehr und 1 × 1019 cm-3 oder weniger aufweisen.
  6. Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrat (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Relation 0.01 ≤ Nb/Na ≤ 1 erfüllt ist, wobei Na die Verunreinigungskonzentration der ersten Epitaxialschicht (41) und Nb die Verunreinigungskonzentration der zweiten Epitaxialschicht (42) sind.
  7. Siliciumcarbid Halbleiterbauteil, welches das Siliciumcarbid-Epitaxial-Substrat (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
  8. Siliciumcarbid Halbleiterbauteil nach Anspruch 7, wobei die erste Epitaxialschicht (41) und die zweite Epitaxialschicht (42) eine Pufferschicht bilden, und wobei die dritte Epitaxialschicht (43) eine Drift-Schicht bildet.
  9. Siliziumkarbid-Halbleiterbauteil nach Anspruch 7, das weiterhin Folgendes aufweist: eine vierte Epitaxialschicht (44), die auf der dritten Epitaxialschicht (43) angeordnet ist und eine geringere Verunreinigungskonzentration als die dritte Epitaxialschicht (43) aufweist, wobei die erste Epitaxialschicht (41), die zweite Epitaxialschicht (42) und die dritte Epitaxialschicht (43) eine Pufferschicht bilden, und wobei die vierte Epitaxialschicht (44) eine Drift-Schicht bildet.
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