DE112017004799T5

DE112017004799T5 - n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat, Verfahren zur Herstellung desselben und SiC-Epitaxiewafer

Info

Publication number: DE112017004799T5
Application number: DE112017004799.4T
Authority: DE
Inventors: Kazuma ETO; Hiromasa SUO; Tomohisa Kato
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2037-09-26
Also published as: JP6757955B2; US20190252504A1; WO2018056438A1; US10892334B2; DE112017004799B4; JP2018052749A; CN109715867A; CN109715867B

Abstract

Es wird ein n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, das ein Substrat ist, welches sowohl mit einem Donor als auch mit einem Akzeptor dotiert ist und eine Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration in einem äußeren Umfangsabschnitt aufweist, die kleiner als eine Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration in einem zentralen Abschnitt ist und die kleiner als 3,0 × 10¹⁹/cm³ ist.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie einen SiC-Epitaxiewafer.
Es wird die Priorität der am 26. September 2016 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-186907 beansprucht, deren Inhalt durch Bezugnahme aufgenommen wird.
[Hintergrundtechnik]
Siliciumcarbid (SiC) weist ein dielektrisches Durchbruchfeld auf, das um eine Größenordnung größer ist und eine Bandlücke, die etwa dreimal größer ist als die von Silicium (Si). Darüber hinaus weist Siliciumcarbid (SiC) hervorragende Eigenschaften auf, wie beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit, die etwa dreimal so hoch ist wie die von Silicium (Si). Aufgrund dieser Eigenschaften wird erwartet, dass Siliciumcarbid (SiC) für Leistungsbauteile, Hochfrequenz-Bauteile, Hochtemperaturbetriebsvorrichtungen und dergleichen angewandt wird.
SiC-Einkristalle haben Polymorphien, wie beispielsweise 3C-SiC, 4H-SiC und 6H-SiC, d.h. verschiedene Kristallstrukturen. Die Polymorphien treten auf, weil sich die Kristallstrukturen von SiC als die äußersten Oberflächenstrukturen nicht unterscheiden, wenn man sie aus der c-Achsenrichtung (<000-1>-Richtung) betrachtet.
Unter diesen Polymorphien weisen 4H-SiC-Einkristalle eine besonders hohe Mobilität auf. Aus diesem Grund wird erwartet, dass sie für Leistungsbauteile verwendet werden.
Je nach Bauteilstruktur wird für die Herstellung eines SiC-Leistungsbauteils oder dergleichen nicht nur ein n-Typ-Einkristallsubstrat sondern auch ein p-Typ-Einkristallsubstrat benötigt. Aus Gründen wie einer einfachen Herstellung wurden jedoch im Vergleich zu p-Typ- Einkristallen viele Studien an n-Typ-SiC-Einkristallen hinsichtlich der Verringerung des spezifischen Widerstandes und dergleichen durchgeführt. Wenn daher ein elektronisches Bauteil wie ein Leistungbauteil unter Verwendung eines SiC-Einkristallsubstrats hergestellt wird, wird üblicherweise ein n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat mit niedrigem spezifischen Widerstand als das Basissubstrat verwendet.
Im Allgemeinen wird Stickstoff als Donorelement in einem n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat verwendet. Das in den SiC-Einkristall eindotierte Stickstoffatom wirkt als Donor, wenn das Stickstoffatom ein Kohlenstoffatom ersetzt.
Bei SiC-Leistungsbauteilen ist es wichtig, den On-Widerstandswert des Bauteils zu verringern, indem der Widerstand des Einkristallsubstrats verringert wird. Durch Erhöhung der Konzentration des eindotierten Stickstoffs kann der spezifische Widerstand des n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats gesenkt werden.
Mit zunehmender Stickstoffkonzentration nimmt jedoch die Stapelfehlerdichte zu. Insbesondere wurde berichtet, dass wenn die Stickstoffkonzentration auf mehr als 2 × 10¹⁹ /cm³ erhöht wird, die Dichte der Stapelfehler während des Kristallwachstums weiter erhöht wird und sich die Kristallinität signifikant verschlechtert (Patentdokument 1).
Andererseits offenbaren das Patentdokument 1 und das Nicht-Patentdokument 1, dass Stapelfehler, die während des Kristallwachstums eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats (Substrat wie gewachsen („as grown“)) erzeugt werden, durch Dotierung sowohl des Donorelements als auch des Akzeptorelements reduziert werden können. Insbesondere offenbart das Patentdokument 1, dass durch die Einstellung des Wertes, der durch Subtraktion der Konzentration des Akzeptorelements von der Konzentration des Donorelements im Substrat erhalten wird (nachfolgend gelegentlich als „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ bezeichnet), auf 1 ×10²¹/cm³ oder weniger, Stapelfehler in einem n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat weitgehend unterdrückt werden können (Patentdokument 1 und Nicht-Patentdokument 1).
Andererseits gibt es Berichte, dass wenn in dem Wachstumsprozess, beispielsweise einem epitaktischen Wachstum unter Verwendung eines 4H-SiC-Einkristallsubstrats mit einer Stickstoffkonzentration von mehr als 2,0 ×10¹⁹/cm³, eine Hochtemperaturbehandlung bei 1000 °C oder mehr durchgeführt wird, eine hohe Dichte an doppelten Stapelfehlern (Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ) gebildet wurde (Nicht-Patentdokumente 2 und 3).
Weiterhin zeigt das Nicht-Patentdokument 3, dass die Tendenz besteht, dass Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ (DSSFs) leicht durch die Erhöhung der Stickstoffkonzentration während der Hochtemperaturbehandlung gebildet werden.
Obwohl es wie vorstehend beschrieben wünschenswert ist, die Stickstoffkonzentration zu erhöhen, um den spezifischen Widerstand zu verringern, bestand das Dilemma, dass sich bei einer Erhöhung der Stickstoffkonzentration aufgrund der Hochtemperaturbehandlung eine große Anzahl von Stapelfehlern vom Doppel-Shockley-Typ bildet.
Andererseits beschreiben das Patentdokument 2 und das Patentdokument 3, dass ein Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ, der bei einer Hochtemperaturbehandlung eines solchen SiC-Einkristallsubstrats mit niedrigem spezifischen Widerstand gebildet wird, ein Stapelfehler ist, der sich von herkömmlichen Stapelfehlern unterscheidet, die durch mechanische Beanspruchung und dergleichen verursacht werden. Darüber hinaus wurde berichtet, dass die Bildung von Stapelfehlern vom Doppel-Shockley-Typ unterdrückt werden kann, indem die Oberfläche, die rückseitige Oberfläche und die äußere Umfangsseitenoberfläche eines Substrats mit niedrigem spezifischen Widerstand poliert werden, um eine vorgegebene Oberflächenrauhigkeit zu erreichen (siehe Patentdokument 2 oder Patentdokument 3).
Wenn ein Wafer (Substrat) aus einem SiC-Einkristallblock geschnitten wird, befindet sich auf dem bearbeiteten äußeren Umfangsabschnitt eine scharfe Kante. Um diese Kante zu entschärfen, wird ein Entgraten durchgeführt. Es ist jedoch nicht einfach, die Oberflächenrauheit des äußeren Umfangsabschnitts in dem Substrat, auf dem der Entgratungsprozess durchgeführt wurde, zu verringern.
Selbst wenn daher das in Patentdokument 2 oder Patentdokument 3 beschriebene Verfahren auf den äußeren Umfangsabschnitt des SiC-Einkristallsubstrats angewendet wird, ist zu erwarten, dass die durch die Hochtemperaturbehandlung erzeugten Stapelfehlern vom Doppel-Shockley-Typ nicht ausreichend unterdrückt werden können. Mit anderen Worten ist zu erwarten, dass die Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ bestehen bleiben. Wenn die Anzahl der Schritte zur Verringerung der Oberflächenrauheit des äußeren Umfangsabschnitts des Substrats mehr als normal erhöht wird, um solche Stapelfehler zu reduzieren, steigen die Produktionskosten des SiC-Einkristallsubstrats.
[Zitatliste]
[Patentdokumente]

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Erste Veröffentlichung Nr. 2015-30640
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Erste Veröffentlichung Nr. 2008-290898
Patentdokument 3: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Erste Veröffentlichung Nr. 2011-219297

[Nicht-Patentdokumente]

Nicht-Patentdokument 1: T. Kato et al., Mater. Sci. Forum 778-780, (2014) S. 47-50
Nicht-Patentdokument 2: K. Irmascher et al., Physica B 376-377 (2006) S. 338-341
Nicht-Patentdokument 3: T. A. Kuhr et al., J. Appl. Phys., Vol. 92 (2002) S. 5865-5871
Nicht-Patentdokument 4: R. Wei et al., Int. J. Electrochem. Sci. 8, (2013) S. 7099-7106
Nicht-Patentdokument 5: S. Nishizawa et al., J. Crystal Growth 303 (2007), 342-344

[Zusammenfassung der Erfindung]
[Technisches Problem]
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben genannten Problem gemacht und hat zum Ziel, ein SiC-Einkristallsubstrat bereitzustellen, bei dem unterdrückt wird, dass Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ von dem Außenumfangsabschnitt des SiC-Einkristallsubstrats während einer Hochtemperaturbehandlung in einen Bauteilnutzungsbereich gelangen, ein Herstellungsverfahren dafür und einen SiC-Epitaxiewafer.
[Lösung des Problems]
Um also die oben genannten Probleme zu lösen, wird durch die vorliegende Erfindung ein n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat eines ersten, nachfolgend beschriebenen Aspekts bereitgestellt.
(1) Ein n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Substrat, das mit einem Donor und mit einem Akzeptor dotiert ist, wobei es sich um ein n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat handelt, bei dem die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration in einem äußeren Umfangsabschnitt des Substrats kleiner ist als die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration in einem zentralen Abschnitt, wobei die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration in dem äußeren Umfangsabschnitt kleiner als 3,0 × 10¹⁹/cm³ ist.
Das n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist bevorzugt die folgenden Merkmale (2) bis (5) auf. Es ist weiterhin bevorzugt ist, diese Merkmale bei Bedarf miteinander zu kombinieren.
(2) Die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im vorgenannten äußeren Umfangsabschnitt kann kleiner als 2,0 × 10¹⁹/cm³ sein.
(3) Die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im zentralen Abschnitt kann derart größer sein als die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt, dass die Differenz zwischen der Differenz im zentralen Abschnitt und der Differenz im äußeren Umfangsabschnitt mehr als 1,0 × 10¹⁹ /cm³ ist.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein nachfolgend beschriebener SiC-Epitaxiewafer.
(4) Ein SiC-Epitaxiewafer, in dem eine SiC-Epitaxialschicht auf dem n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat nach einem der Punkte (1) bis (3) gebildet ist.
Ein SiC-Epitaxiewafer gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist bevorzugt die folgenden Merkmale (5) bis (6) auf. Es ist weiterhin bevorzugt, diese Merkmale bei Bedarf miteinander zu kombinieren.
(5) In dem vorstehend genannten Epitaxiewafer kann die Stapelfehlerdichte des vorgenannten n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats 5 cm^-1 oder weniger betragen.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein nachfolgend beschriebenes Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats.
(6) Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats, wobei das Verfahren einen Kristallwachstumsschritt des Schichtens eines SiC-Einkristalls unter Co-Dotierung eines Donors und eines Akzeptors auf eine Oberfläche eines Impfkristalls durch ein Sublimationsrekristallisationsverfahren beinhaltet, wobei eine Kristallwachstumsoberfläche in mindestens einem Teil des vorgenannten Kristallwachstumsschritts in einer konvexen Form gehalten wird.
Das Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet vorzugsweise die folgenden Merkmale (7) bis (10). Es ist weiterhin bevorzugt, diese Merkmale bei Bedarf miteinander zu kombinieren.
(7) In dem vorgenannten Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats wird nach dem vorgenannten Kristallwachstumsschritt ein Wärmezufuhrschritt bei 1000 °C oder höher und 2000 °C oder niedriger auf dem vorgenannten SiC-Einkristall durchgeführt.
(8) Der vorgenannte Kristallwachstumsschritt ist ein Schritt zur Herstellung eines SiC-Einkristallblocks und beinhaltet einen Schritt zum Schneiden eines Substrats aus dem vorgenannten SiC-Einkristallblock; einen Schritt zum Durchführen eines Abschrägprozesses an einem äußeren Umfangsabschnitt des geschnittenen Substrats und einen Schritt zum Durchführen einer Hochtemperaturbehandlung bei 1000 °C oder höher und 2000 °C oder niedriger nach Durchführung des Abschrägprozesses.
(9) In dem vorstehend genannten Kristallwachstumsschritt wird das Kristallwachstum in einer Umgebung durchgeführt, bei der eine Temperatur in einem zentralen Abschnitt des Impfkristalls niedriger ist als in einem äußeren Umfangsabschnitt des Impfkristalls, um die Kristallwachstumsoberfläche in einer konvexen Form zu halten.
(10) In dem vorstehend genannten Kristallwachstumsschritt wird das Kristallwachstum in einer Umgebung durchgeführt, bei der eine Temperatur in einem zentralen Abschnitt des Impfkristalls niedriger ist als in einem äußeren Umfangsabschnitt des Impfkristalls.
[Wirkungen der Erfindung]
Gemäß dem n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein SiC-Einkristallsubstrat bereitzustellen, in dem unterdrückt wird, dass Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ während einer Hochtemperaturbehandlung von dem äußeren Umfangsabschnitt des SiC-Einkristallsubstrats in einen Bauteilnutzungsbereich gelangen. Da die Zahl der Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ klein ist, ist der spezifische Widerstand des Bauteilbereichs klein und die Kristallinität ist ausgezeichnet.
Gemäß dem SiC-Epitaxiewafer der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen SiC-Epitaxiewafer bereitzustellen, der durch Bilden einer SiC-Epitaxialschicht auf einem SiC-Einkristallsubstrat erhalten wird, wobei unterdrückt wird, dass Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ während einer Hochtemperaturbehandlung aus dem äußeren Umfangsabschnitt des SiC-Einkristallsubstrats in den Bauteilnutzungsbereich gelangen. Da dieser sowohl einen niedrigen spezifischen Widerstand als auch eine ausgezeichnete Kristallinität aufweist, ist die Leistungsfähigkeit ausgezeichnet.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristallsubstrats bereitzustellen, bei dem unterdrückt wird, dass Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ während einer Hochtemperaturbehandlung aus dem äußeren Umfangsabschnitt des SiC-Einkristallsubstrats in den Bauteilnutzungsbereich gelangen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines allgemeinen SiC-Einkristallsubstrats vor und nach einer Hochtemperaturbehandlung.
2 ist eine graphische Darstellung, die durch Auswertung eines Substrats erhalten wird, wobei der Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ auf der horizontalen Achse und die Ausdehnungsgeschwindigkeit von Stapelfehlern auf der vertikalen Achse aufgetragen ist.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Herstellung eines SiC-Einkristalls zeigt.
4 beinhaltet eine schematische Seitenansicht (Teil (a) von 4) eines SiC-Einkristallblocks, der unter Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, und eine schematische Draufsicht (Teil (b) von 4) eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats mit einem Durchmesser von 32 mm, das aus diesem Block hergestellt wurde und in Beispiel 1 verwendet wurde.
5 ist eine Tabelle, die Stickstoffkonzentrationen, Aluminiumkonzentrationen und Werte „((Stickstoffkonzentration) - (Aluminiumkonzentration))“ in dem äußeren Umfangsabschnitt und in dem zentralen Abschnitt zeigt, gemessen an den in 4 in Beispiel 1 dargestellten Positionen.
6 ist ein Diagramm, das die Verteilung des spezifischen Widerstands (Graphik links), gemessen mittels eines Wirbelstromverfahrens, und die geschätzte ((Stickstoffkonzentration) - (Aluminiumkonzentration))-Verteilung (Graphik rechts), berechnet nach Gleichung (1) basierend auf der Verteilung des spezifischen Widerstands, sowie eine Tabelle (die Tabelle unten) zeigt, die die Werte „((Stickstoffkonzentration) - (Aluminiumkonzentration))“ im äußeren Umfangsabschnitt und im zentralen Abschnitt, gemessen mittels SIMS, zeigt.

[Beschreibung von Ausführungsformen]
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung ausführlich unter geeigneter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Es sei angemerkt, dass in den in der folgenden Beschreibung verwendeten Zeichnungen charakteristische Bereiche und Komponenten zum Teil aus Gründen der Einfachheit vergrößert dargestellt sein können, um das Verständnis der Eigenschaften der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, und dass die Abmessungen, Verhältnisse und dergleichen jedes Bestandselements von den tatsächlichen Abmessungen, Verhältnissen und dergleichen verschieden sein können. Überdies sind Materialien, Abmessungen und dergleichen, die in der nachfolgenden Beschreibung exemplarisch dargestellt werden, nur Beispiele, und die vorliegende Erfindung ist nicht darauf eingeschränkt und kann mit geeigneten Abwandlungen in einem Bereich durchgeführt werden, in dem die Wirkungen der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines SiC-Einkristallsubstrats vor und nach einer Hochtemperaturbehandlung. Teil (a) von 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des SiC-Einkristallsubstrats vor der Hochtemperaturbehandlung. Teil (b) von 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des SiC-Einkristallsubstrats nach der Hochtemperaturbehandlung.
In Teil (a) von 1 ist schematisch dargestellt, dass Schäden durch einen Entgratungsprozess an der frontseitigen oder rückseitigen Oberfläche und an der Oberfläche der äußeren Umfangsseite auftreten. In Teil (b) von 1 ist schematisch dargestellt, dass sich aufgrund des Prozessierungsschadens nach der Hochtemperaturbehandlung ein Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ bildet, der sich ausdehnt und schließlich in einen Bauteilnutzungsbereich gelangt.
In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff Bauteilnutzungsbereich (zentraler Abschnitt) auf einen als Chip verwendeten Bereich, d.h. einen Abschnitt, der einen vorbestimmten Abschnitt der Umgebung des Außenumfangs ausschließt und ein Abschnitt ist, an dem ein Chip tatsächlich hergestellt wird. Mit anderen Worten, bezieht sich der Bauteilnutzungsbereich (zentraler Abschnitt) auf einen Bereich, der einem Randausschlussbereich (äußerer Umfangsabschnitt) zugewandt ist, der nicht als Chip verwendet wird, also auf einen Bereich, der den vorgenannten zentralen Abschnitt des Substrats beinhaltet. Der Kantenausschlussbereich ist ein Bereich, der von dem äußersten Umfang (Umfangsrand) des SiC-Einkristallsubstrats (Wafer) bis zu einem vorbestimmten Abstand zum Zentrum verläuft/fortschreitet, beispielsweise ein im Wesentlichen donutförmiger Bereich. So wird beispielsweise ein Bereich, der vom äußersten Umfang in Richtung der Mitte des Wafers um 2 mm hin verläuft, als Kantenausschlussbereich festgelegt, eine Einschränkung darauf besteht jedoch nicht. Ein Bereich innerhalb des Randausschlussbereichs ist der Bauteilnutzungsbereich.
Mit anderen Worten ist der „äußere Umfangsabschnitt“ ein Abschnitt (Bereich), der in dem SiC-Einkristallsubstrat einem Entgratungsprozess unterzogen werden kann. Der „zentrale Abschnitt“ ist ein Abschnitt (Bereich), der mehr in der Mitte des SiC-Einkristallsubstrats als der „äußere Umfangsabschnitt“ liegt. Beispielsweise kann der „äußere Umfangsabschnitt“ ein Abschnitt (Bereich) von 2 mm ab dem äußersten Umfang in Richtung der Mitte des Wafers sein.
Ein Chip, wie beispielsweise ein Leistungsbauteil (power device), wird durch Prozessieren des Bauteilnutzungsbereichs hergestellt. Es ist daher bevorzugt, dass der Bauteilnutzungsbereich eine günstige Kristallinität aufweist, und weiterhin ist es wünschenswert, dass der spezifische Widerstand niedrig ist.
Wie oben beschrieben, zeigt 1 einen Zustand, in dem sich in einem üblichen SiC-Einkristallsubstrat ein Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ bildet. Wie in 1 schematisch dargestellt ist, wird der Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ aufgrund einer Beschädigung erzeugt, die durch den Entgratungsprozess auf der Oberfächer der äußeren Umfangsseite des SiC-Einkristallsubstrats verursacht wurde. Dann dehnt sich der Fehler aus und tritt in den Bauteilnutzungsbereich ein (dringt ein). Es ist jedoch wünschenswert, dass der Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ nicht in den Bauteilnutzungsbereich eindringt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung konzentrierten sich auf die Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ und fanden als Ergebnis intensiver Untersuchungen Folgendes heraus.
Zunächst wird durch ein Sublimationsumkristallisationsverfahren ein SiC-Einkristall gezüchtet, wobei ein Donor und ein Akzeptor auf einer (000-1)-C-Ebene eines Impfkristalls oder einer Ebene mit einem Off-Winkel in Bezug auf diese C-Ebene codotiert werden, wodurch ein SiC-Einkristallblock hergestellt wird. Dabei wird das Kristallwachstum durchgeführt, indem die Kristallwachstumsoberfläche in einer konvexen Form gehalten wird. Als Ergebnis wird der erhaltene SiC-Einkristallblock auf/an der C-Ebene oder auf/an einer Ebene, die einen Off-Winkel zu dieser C-Ebene aufweist, geschnitten (slicen), um ein SiC-Einkristallsubstrat (Wafer) zu erhalten. Der Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ im Außenumfangsabschnitt des Wafers wird dann kleiner als derjenige im zentralen Abschnitt.
Wenn also das oben beschriebene Herstellungsverfahren durchgeführt wird, ist die einbezogene Menge (Konzentration) an Stickstoff (N) als Donor in der (000-1)-C-Ebene (genaue Ebene) groß und nimmt mit Abweichung von der C-Ebene (genaue Ebene) ab. Andererseits hängt die eingebrachte Menge (Konzentration) von Aluminium (Al) oder Bor (B) als Akzeptor nicht von dieser Ebenenrichtung ab, und die Konzentration in der Ebene ist im Wesentlichen gleichmäßig. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben diese Tatsachen entdeckt, was die Befunde noch besser machte.
Genauer ist die Konzentration an Stickstoff (Donor) in der (000-1)-C-Ebene (genaue Ebene) hoch und nimmt mit zunehmender Abweichung von der C-Ebene (genaue Ebene) ab, sodass sich eine Abhängigkeit von der Ebenenorientierung zeigt. Andererseits zeigt die Konzentration von Aluminium (Al) oder Bor (B) in der Nähe der C-Ebene fast keine Abhängigkeit von der Ebenenorientierung. Daher kann der Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ im äußeren Umfangsabschnitt des SiC-Einkristallsubstrats kleiner gemacht werden als derjenige im zentralen Abschnitt.
Wenn der Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ niedrig ist, besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass sich Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ bilden. Wie später beschrieben, nimmt weiterhin selbst wenn sich ein Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ bildet, die Ausdehnungsgeschwindigkeit der Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ ab, wenn der Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ niedrig ist. Folglich ist es möglich, zu verhindern, dass der Fehler während der Hochtemperaturbehandlung von dem äußeren Umfangsbereich des SiC-Einkristallsubstrats in den Bauteilnutzungsbereich gelangt. Es sei angemerkt, dass bei einem hohen Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ im zentralen Abschnitt die Wirkung einer Verringerung des spezifischen Widerstandes im Bauteilnutzungsbereich erhalten werden kann.
(n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat)
Ein n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine erste Hauptebene, eine zweite Hauptebene (rückseitige Oberfläche) und eine Außenumfangsseitenoberfläche auf und ist ein Substrat, das sowohl mit einem Donor als auch mit einem Akzeptor dotiert ist. Zusätzlich ist die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt kleiner als die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im zentralen Abschnitt, wobei die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsab schnitt kleiner als 3,0 × 10¹⁹/cm³ ist.
Die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt ist vorzugsweise kleiner als 2,0 × 10¹⁹/cm³. Der Einbau von Stapelfehlern vom Doppel-Shockley-Typ in den zentralen Bereich kann deutlich unterdrückt werden.
Um die Wirkung einer noch weiteren Senkung des spezifischen Widerstandes in dem Bauteilnutzungsbereichbereich zu erhalten, ist es bevorzugt, wenn die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im zentralen Abschnitt um mehr als 1,0 × 10¹⁹/cm³ größer als in dem äußeren Umfangsabschnitt ist. Da die Wirkung der Senkung des spezifischen Widerstandes im zentralen Abschnitt dann weiter verbessert wird, ist es bevorzugter, wenn die Differenz im zentralen Abschnitt um mehr als 1,4 × 10¹⁹ cm³ größer als im äußeren Umfangsabschnitt ist. In dem in 6 dargestellten Beispiel gibt es eine Differenz am Maximum von etwa 1,5 × 10¹⁹/cm³.
Die Donorkonzentration und Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt und die Donorkonzentration und Akzeptorkonzentration im zentralen Abschnitt können beliebig gewählt werden.
Beispielsweise ist die Donorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt bevorzugt von 2,0 × 10¹⁹ bis 1,0 × 10²⁰/cm³ und bevorzugter von 3,0 × 10¹⁹ bis 8,0 × 10¹⁹/cm³. Die Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt liegt bevorzugt bei 0,5 × 10¹⁹ bis 8,0 × 10¹⁹/cm³ und bevorzugter bei 1,0 × 10¹⁹ bis 6,0 × 10¹⁹/cm³.
Die Donorkonzentration im zentralen Abschnitt liegt bevorzugt bei 3,0 × 10¹⁹ bis 1,2 × 10²⁰/cm³ und bevorzugter bei 5,0 × 10¹⁹ bis 1,2 × 10²⁰/cm³. Die Akzeptorkonzentration im zentralen Abschnitt liegt bevorzugt bei 0,5 × 10¹⁹ bis 8,0 × 10¹⁹/cm³ und bevorzugter bei 1,0 × 10¹⁹ bis 6,0 × 10¹⁹/cm³. Die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration in dem zentralen Abschnitt ist bevorzugt von 2,0 × 10¹⁹ bis 9,0 × 10¹⁹/cm³ und bevorzugter von 3,0 × 10¹⁹ bis 9,0 × 10¹⁹/cm³.
Das n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt ein n-Typ-4H-SiC-Einkristallsubstrat. Die Größe und Dicke des Substrats kann beliebig gewählt werden. Der spezifische Widerstand des Substrats kann ebenfalls beliebig gewählt werden. Zum Beispiel ist der durchschnittliche spezifische Widerstand bevorzugt von 1 bis 15 mΩ·cm und bevorzugter von 3 bis 10 mΩ·cm.
Als Donor kann bevorzugt eines von Stickstoff, Phosphor und Arsen verwendet werden, bei denen es sich um Elemente der Gruppe V handelt. Weiterhin kann als Akzeptor bevorzugt eines von Aluminium, Bor und Gallium der Gruppe III verwendet werden, bei denen es sich um Elemente der Gruppe III handelt
2 ist ein Diagramm, das erhalten wurde, indem eine Vielzahl von Substraten mit der gleichen Form unter Verwendung von Stickstoff als Donor und Al oder B als Akzeptor hergestellt wurde und eine Auswertung unter Verwendung von Proben ihrer Kristallschnitte durchgeführt wurde. Es handelt sich um eine graphische Darstellung, in der die horizontale Achse den Wert „(Donor (N)-Konzentration) - (Akzeptor (Al oder B)-Konzentration)“ im äußeren Umfangsabschnitt darstellt und die vertikale Achse die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Stapelfehlers darstellt, basierend auf den Bewertungsergebnissen dieser Proben.
Zum Vergleich wurde eine Probe der gleichen Form, die nur mit Stickstoff dotiert war, hergestellt und auf die gleiche Weise ausgewertet, was auch in der Grafik aufgezeichnet wurde. Bei dieser Vergleichsprobe stellt die horizontale Achse die Stickstoffkonzentration dar. Weiterhin wurde diese Vergleichsprobe nach dem gleichen Verfahren hergestellt wie das Verfahren zur Herstellung einer mit Stickstoff und Bor dotierten Verbindung, mit der Ausnahme, dass nur Stickstoff verwendet wurde.
In der vorliegenden Erfindung kann der Wert der „(Donor (N)-Konzentration - (Akzeptor (Al, B)-Konzentration)“ des Substrats durch eine quantitative Analyse wie SIMS (Sekundärionenmassenspektrometrie) gemessen werden. Alternativ kann der Wert „(Donor (N)-Konzentration - (Akzeptor (Al, B)-Konzentration)“ auch aus der folgenden Gleichung (1) basierend auf den Messdaten des spezifischen Widerstandes abgeleitet werden. Der unter Verwendung der Gleichung (1) erhaltene Wert wird in 2 als Wert der „(Donor (N)-Konzentration) - (Akzeptor (Al, B)-Konzentration)“ verwendet. $I = n / a = 1 / a ρμ e$

I: Geschätzter Wert der „(Donor (N)-Konzentration) - (Akzeptor (Al, B)-Konzentration)“.
a: Aktivierungsverhältnis, es wird ein angenommener Wert von 0,65 verwendet.
n: Trägerkonzentration
p: spezifischer Widerstand, die Messdaten werden verwendet.
µ: Mobilität, ein angenommener Wert von 30 (cm²/Vs) wird verwendet.
e: Elementarladung, 1,602 × 10^-19 Coulomb

Der spezifische Widerstand wurde mit einem Wirbelstromverfahren gemessen.
Weiterhin wurden für das Aktivierungsverhältnis und die Mobilität Werte verwendet, die durch Hall-Messung von Kristallen mit der gleichen Trägerkonzentration geschätzt wurden.
Die Erfinder haben festgestellt, dass bei einem niedrigen Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ des äußeren Umfangsabschnitts die Ausdehnung von Stapelfehlern, die bei einer Hochtemperaturbehandlung des SiC-Einkristallsubstrats (Wafer) entstehen, unterdrückt wird.
Wie in 2 dargestellt ist, wurde festgestellt, dass in einem Experiment, bei dem der Fall der Einzeldotierung mit Stickstoff und der Fall der Dotierung mit zwei Arten von Dotierungsmitteln verglichen wurde, mit Zunahme des Werts „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“, der als Wert des äußeren Umfangsabschnitts des Substrats nach der Hochtemperaturbehandlung erhalten wurde, der Unterschied in der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Stapelfehlers zunimmt. Es war bekannt, dass ein Co-Dotieren die Bildung von Stapelfehlern während des Wachstums eines SiC-Einkristalls (Block) unterdrückt. Der Zusammenhang mit Stapelfehlern, die sich beim Anwenden einer Hochtemperaturbehandlung auf das SiC-Einkristallsubstrat (Wafer) ergeben, war jedoch bisher nicht klar.
Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, wurde hier die Ausdehnungsgeschwindigkeit des in 2 dargestellten Stapelfehlers mit dem folgenden Verfahren bestimmt.
Zuerst wird eine Vertiefung durch ein Mikrohärteprüfgerät gebildet. Die Vertiefung wird als Ausgangspunkt des Stapelfehlers genommen. Danach wird das SiC-Einkristallsubstrat (Wafer) mit der Vertiefung in einer Argonatmosphäre für 2 Stunden bei 1000 °C erhitzt. Danach wird ein Ätzen mit geschmolzener KOH bei 500 °C für 3 bis 5 Minuten durchgeführt. Als Ergebnis wurde eine Ätzgrube des Stapelfehlers gebildet. Der Abstand vom Startpunkt bis zum Rand der Ätzgrube wurde mit einem optischen Mikroskop gemessen. Durch Division dieses Abstandes durch die Aufheizzeit von 2 Stunden wurde die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Stapelfehlers ermittelt. Das Verfahren zur Herstellung des in 2 verwendeten Substrats wird später beschrieben.
Aus 2 wird klar, dass bei Co-Dotierung von Stickstoff und Aluminium oder Bor, wenn der Wert „(Stickstoffkonzentration) - (Aluminiumkonzentration)“ oder „(Stickstoffkonzentration) - (Borkonzentration)“, der eine Konzentrationsdifferenz im äußeren Umfangsabschnitt ist, gleich dem Wert der Stickstoffkonzentration ist, die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Stapelfehlers geringer ist als wenn nur mit Stickstoff dotiert wird.
Weiterhin ist beim Co-Dotieren auch ersichtlich, dass die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Stapelfehlers bei Co-Dotierung von Stickstoff und Bor geringer ist als bei Co-Dotierung von Stickstoff und Aluminium.
In dem vorgenannten Patentdokument 1 wurde berichtet, dass Stapelfehler zunehmen und die Kristallinität signifikant gesenkt wird, wenn die Stickstoffkonzentration größer als 2 × 10¹⁹/cm³ ist. In 2 scheint unter der Annahme, dass dieser Wert von 2 × 10¹⁹/cm³ eine kritische Konzentration ist, bei der die Stapelfehler zunehmen und die Kristallinität signifikant gesenkt wird, die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Stapelfehlers bei dieser Stickstoffkonzentration etwa 30 µm/h zu entsprechen. Es kann also angenommen werden, dass wenn die Stickstoffkonzentration ein solcher Wert ist, dass die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Stapelfehlers etwa 30 µm/h überschreitet, Stapelfehler zunehmen und die Kristallinität signifikant abnimmt.
Dementsprechend ist es auch beim Co-Dotieren bevorzugt, diese Ausdehnungsgeschwindigkeit des Stapelfehlers von 30 µm/h nicht zu überschreiten. Beim Co-Dotieren wird der Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ bei einer Ausdehnungsgeschwindigkeit der Stapelfehler von 30 µm/h als kritischer Wert (kritische Konzentration) definiert, der angibt, ob Stapelfehler zunehmen oder nicht und die Kristallinität signifikant abnimmt. Indem man weiterhin den Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ kleiner als den obigen kritischen Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ einstellt, kann man annehmen, dass eine Zunahme der Stapelfehler vorteilhaft unterdrückt werden kann. Diese Konzentration beträgt 3,0 × 10¹⁹/cm³, wenn diese in etwa als in der Mitte zwischen derjenigen im Fall der Co-Dotierung mit Stickstoff und Bor und derjenigen im Falle der Co-Dotierung von Stickstoff und Aluminium angenommen wird.
Daher wird in dem n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt kleiner als 3,0 × 10¹⁹/cm³ eingestellt. Es ist bevorzugter, wenn die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt kleiner als 2,0 × 10¹⁹/cm³ ist.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristallsubstrats beschrieben, das eine Probe ist, bei der die in 2 dargestellten Daten erhalten wurden. In der vorliegenden Erfindung kann das folgende Verfahren vorzugsweise zur Herstellung eines Substrats eingesetzt werden.
(Verfahren zur Herstellung eines Substrats zum Co-Dotieren von Stickstoff und Aluminium)
Zunächst wird ein Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-4H-SiC-Einkristallsubstrats beschrieben, das mit Stickstoff (N) und Aluminium (Al) dotiert ist.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine SiC-Einkristall-Produktionsvorrichtung zur Herstellung eines SiC-Einkristallsubstrats zeigt. Die SiC-Einkristall-Produktionsvorrichtung 10 weist einen Tiegel 1 auf, der einen Reaktionsraum R bildet, einen Aufnahmeabschnitt 2, mit dem ein SiC-Rohmaterial M1 aufgenommen werden kann, einen Trägerabschnitt 3 zum Tragen des Aufnahmeabschnitts 2, einen Anordnungsabschnitt 4, mit dem ein Impfkristall S angeordnet werden kann, eine erste Spule (Heizung) 5 zum Erhitzen eines ersten Bereichs und eine zweite Spule (Heizung) 6 zum Erhitzen eines zweiten Bereichs. Ein Aluminium-Rohmaterial M2 kann in einem unteren Bereich des Tiegels 1 angeordnet werden. Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-4H-SiC-Einkristalls unter Verwendung der SiC-Einkristallproduktionsvorrichtung 10 als Beispiel beschrieben.
Es ist bevorzugt, einen 4H-SiC-Kristall als Impfkristall zu verwenden und diesen auf dem Installationsabschnitt 4 so anzuordnen, dass die (000-1)-C-Ebene die Wachstumsoberfläche wird.
Zunächst werden das SiC-Ausgangsmaterial M1 und das Aluminium-Ausgangsmaterial M2 vorbereitet.
Als das SiC-Ausgangsmaterial M1 kann im Allgemeinen ein weithin verwendetes SiC-Pulver oder dergleichen verwendet werden. Das Aluminium-Ausgangsmaterial M2 kann entweder eine nitridierte Aluminiumverbindung oder eine nicht nitridierte Aluminiumverbindung sein. Beispiele für die nitridierte Aluminiumverbindung sind Aluminiumnitrid und eine Verbindung aus Aluminiumnitrid und Aluminiumcarbid, und Beispiele für die nicht nitridierte Aluminiumverbindung sind Aluminiumcarbid und dergleichen.
Es ist bevorzugt, dass das SiC-Ausgangsmaterial M1 und das Aluminium-Ausgangsmaterial M2 getrennt voneinander angeordnet werden, aber die Gestaltung ist nicht darauf eingeschränkt.
So kann beispielsweise das SiC-Ausgangsmaterial M1 im Aufnahmeabschnitt 2 und das Aluminium-Ausgangsmaterial M2 im unteren Abschnitt des Tiegels 1 angeordnet werden.
Anschließend werden das SiC-Ausgangsmaterial M1 und das Aluminium-Ausgangsmaterial M2 sublimiert. Es ist bevorzugt, das SiC-Ausgangsmaterial M1 und das Aluminium-Ausgangsmaterial M2 bei unterschiedlichen Temperaturen zu sublimieren.
In einem Bereich von 1500 °C bis 2500 °C ist der Dampfdruck des SiC-Ausgangsmaterials M1 niedriger als der Dampfdruck des Aluminium-Ausgangsmaterials M2. Wenn daher das Aluminium-Ausgangsmaterial M2 unter einer Bedingung erhitzt wird, bei der ein gewöhnlicher SiC-Ausgangsmaterial M1 sublimiert wird, wird die Sublimationsrate des Aluminium-Ausgangsmaterials M2 übermäßig, was zu Problemen bei der Einstellung der Dotierungsmenge von Aluminium und beim Wachstum des SiC-Kristalls führt. Diese Probleme können gelöst werden, indem das SiC-Ausgangsmaterial M1 und das Aluminium-Ausgangsmaterial M2 getrennt voneinander angeordnet werden und eine Temperatursteuerung der jeweiligen Materialien mit unterschiedlichen Spulen durchgeführt wird.
Eine unterschiedliche Steuerung der Temperaturen des SiC- Ausgangsmaterials M1 und des Aluminium- Ausgangsmaterials M2 kann durch Verwendung der ersten Spule (Heizung) 5 und der zweiten Spule (Heizung) 6 realisiert werden. Es ist beispielsweise so ausgelegt, dass die erste Spule 5 den ersten Bereich in dem Tiegel 1 erhitzt, in dem sich das SiC- Ausgangsmaterial M1 befindet, und die zweite Spule 6 den zweiten Bereich in dem Tiegel 1 erhitzt, in dem sich das Aluminium- Ausgangsmaterial M2 befindet. Dadurch können die Temperaturen des SiC- Ausgangsmaterials M1 und des Aluminium- Ausgangsmaterials M2 separat gesteuert werden. Genauer ist es bevorzugt, die Temperatur der ersten Spule 5 auf etwa 2200 bis 2500 °C einzustellen, bei der das SiC- Ausgangsmaterial M1 sublimiert werden kann, und die Temperatur der zweiten Spule 6 auf etwa 1700 bis 2000 °C einzustellen, bei der das Aluminium-Ausgangsmaterial M2 sublimiert werden kann.
Weiterhin wurden, wie in 2 dargestellt ist, drei Proben mit unterschiedlichen Werten für ((N-Konzentration) - (Al-Konzentration)) durch Änderung der Temperatur des Bereichs mit dem Aluminium-Ausgangsmaterials M2 hergestellt.
Stickstoffgas wird in den Reaktionsraum R geleitet. Stickstoffgas kann durch den Tiegel 1 zugeführt werden. Der Tiegel 1 kann eine Stickstoffgasdurchlässigkeit aufweisen. In diesem Fall kann Stickstoffgas in den Reaktionsraum R eingeführt werden, indem eine den Tiegel 1 umgebende Atmosphäre auf eine Atmosphäre eingestellt wird, der Stickstoff zugemischt ist, ohne einen Gaszufuhrabschnitt in dem Tiegel 1 vorzusehen.
Durch ein solches Verfahren kann ein Block erhalten werden, der zur Gewinnung eines gewünschten n-Typ-4H-SiC-Einkristallsubstrats geeignet ist.
Weiterhin kann die Temperaturverteilung des Impfkristalls durch Änderung des Aufbaus und der Elemente des Anordnungsbereichs 4 verändert werden. Alle drei Proben mit unterschiedlichen Werten für ((N-Konzentration) - (Al-Konzentration)), die in 2 dargestellt sind, wurden so hergestellt, dass die Wachstumsoberfläche zu einer konvexen Oberfläche ausgebildet wurde, indem die Temperatur des zentralen Abschnitts des Impfkristalls niedriger als die des äußeren Umfangsabschnitts des Impfkristalls eingestellt wurde.
(Verfahren zur Herstellung eines Substrats zum Co-Dotierung von Stickstoff und Bor)
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-4H-SiC-Einkristallsubstrats beschrieben, das mit Stickstoff (N) und Bor (B) dotiert ist.
Der Dampfdruck von Borcarbid (B₄C), das als Bor-Ausgangsmaterial verwendet werden kann, ist um etwa 3 Größenordnungen niedriger als der Dampfdruck von Aluminiumcarbid (Al₄C₃). Dementsprechend kann ein Borcarbidpulver mit der gleichen Heizeinrichtung erhitzt werden, die auch für das SiC-Ausgangsmaterialpulver verwendet wird. Daher kann für das n-Typ-4H-SiC-Einkristallsubstrat, das mit Stickstoff (N) und Bor (B) co-dotiert ist, eine übliche SiC-Einkristallproduktionsvorrichtung verwendet werden, die die gleiche ist wie die Vorrichtung zur Herstellung eines n-Typ-4H-SiC-Einkristallsubstrats, das nur mit Stickstoff dotiert ist (siehe beispielsweise Nicht-Patentdokument 4). Das Borcarbidpulver und das SiC-Ausgangsmaterialpulver können gemischt und dann verwendet werden. Durch Mischen des Borcarbidpulvers und des SiC-Ausgangsmaterialpulvers können SiC-Einkristalle, die mit Stickstoff und Bor codotiert sind, unter Verwendung desselben SiC-Einkristallherstellungsschrittes hergestellt werden wie bei dem üblichen Herstellungsverfahren, bei dem nur Stickstoff verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass der Impfkristall ein 4H-SiC-Kristall ist und so angeordnet wird, dass die (000-1)-C-Ebene die Wachstumsoberfläche wird.
Die Temperatur kann so eingestellt werden, dass der Impfkristall eine beliebig gewählte Temperatur aufweist, z.B. 2100 °C bis 2150 °C.
Bei den Ausgangsmaterialpulvern kann der Anteil des B₄C-Pulvers beispielsweise auf etwa 0,001 bis 0,1 Gew.-% eingestellt werden. Die Temperatur kann so eingestellt werden, dass die Ausgangsmaterialpulver des SiC-Pulvers und des B₄C-Pulvers eine Temperatur von beispielsweise 2250 °C bis 2300 °C aufweisen.
Die den Tiegel umgebende Atmosphäre kann beispielsweise auf eine Atmosphäre aus Argon und Stickstoff eingestellt werden, wobei der Stickstoffpartialdruck beispielsweise auf 5 bis 100% eingestellt warden kann.
Durch ein solches Verfahren kann ein Block erhalten werden, der zur Gewinnung eines gewünschten n-Typ-4H-SiC-Einkristallsubstrats geeignet ist.
Weiterhin kann die Temperaturverteilung des Impfkristalls durch Änderung des Ausbaus und der Elemente des Anordnungsabschnitts 4 verändert werden.
Bei Herstellung einer N-B-Verbindung, die in dem Experiment von 2 verwendet wurde, war der Anteil des B₄C-Pulvers 0,05 Gew.-% und die den Tiegel umgebende Atmosphäre war eine Atmosphäre aus Argon und Stickstoff. Weiterhin wurde diese so hergestellt, dass die Wachstumsoberfläche zu einer konvexen Oberfläche gemacht wurde, indem die Temperatur des zentralen Abschnitts des Impfkristalls niedriger als die des äußeren Umfangsabschnitts des Impfkristalls war. Wie weiterhin in 2 dargestellt ist, wurden drei Proben mit unterschiedlichen Werten für ((N-Konzentration) - (B-Konzentration)) durch Änderung des Strömungsverhältnisses von Stickstoff zu Argon hergestellt.
Weiterhin ist in den drei Proben die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration in dem äußeren Umfangsabschnitt kleiner als die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration in dem zentralen Abschnitt.
(Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats)
Ein Verfahren zur Herstellung eines n-artigen SiC-Einkristallsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Kristallwachstumsschritt zum Aufschichten eines SiC-Einkristalls unter Co-Dotierung eines Donors und eines Akzeptors auf einer Oberfläche eines Impfkristalls durch ein Sublimationsumkristallisationsverfahren. In mindestens einem Teil des vorgenannten Kristallwachstumsschrittes wird die Kristallwachstumsoberfläche in einer konvexen Form gehalten.
Der Grund, warum die Kristallwachstumsoberfläche während des Kristallwachstumsschrittes in einer konvexen Form gehalten wird, liegt darin, dass die Donorkonzentration in der (000-1)-C-Ebene (genaue Ebene) hoch ist und mit zunehmender Abweichung von der C-Ebene (genaue Ebene) abnimmt, sodass eine Abhängigkeit von der Ebenenorientierung besteht. Andererseits hat die Akzeptorkonzentration in der Nähe der C-Ebene fast keine Abhängigkeit von der Ebenenorientierung. Daher kann der Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ im äußeren Umfangsabschnitt des SiC-Einkristallsubstrats kleiner gemacht werden als der Wert im mittleren Abschnitt. Wenn der Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ niedrig ist, besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass sich Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ bilden. Selbst wenn sich ein Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ bildet, nimmt weiterhin die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ ab, wenn der Wert „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ niedrig ist. Da es also möglich ist, zu verhindern, dass der Fehler während der Hochtemperaturbehandlung aus dem äußeren Umfangsbereich des SiC-Einkristallsubstrats in den Bauteilnutzungsbereich gelangt, ist das oben genannte Merkmal bevorzugt.
Ein SiC-Einkristallblock kann durch den Kristallwachstumsschritt erhalten werden. Das n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung kann erhalten werden, indem man das Substrat aus dem Block schneidet (slicen) und den äußeren Umfangsabschnitt des geschnittenen Substrats einem Abschrägprozess oder dergleichen unterwirft.
Durch den Einsatz eines solchen Herstellungsverfahrens kann das n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung bevorzugt hergestellt werden.
Um die Kristallwachstumsoberfläche in einer geeigneten konvexen Form zu halten, kann ein beliebig ausgewähltes Verfahren gewählt werden kann. So ist es beispielsweise auch bevorzugt, das Kristallwachstum in einer Umgebung durchzuführen, bei der die Temperatur im zentralen Bereich des Impfkristalls niedriger ist als im äußeren Umfangsabschnitt des Impfkristalls. Die Heiztemperatur kann so eingestellt werden, dass der Impfkristall eine beliebig gewählte Temperatur von z.B. 2100 bis 2150 °C aufweist. Der äußere Umfangsabschnitt des Impfkristalls kann beispielsweise einen Bereich von 5 mm ab dem äußersten Umfang in Richtung der Mitte bedeuten. Der andere Teil ist als der zentrale Abschnitt des Impfkristalls definiert.
Obwohl die Temperaturdifferenz zwischen dem zentrlen Abschnitt des Impfkristalls und dem äußeren Umfangsabschnitt des Impfkristalls beliebig eingestellt werden kann, ist diese bevorzugt z.B. von 1 bis 50 °C und bevorzugter von 2 bis 10 °C.
Die Kristallwachstumsgeschwindigkeit ist im zentralen Abschnitt, wo die Temperatur niedrig ist, hoch, und die Kristallwachstumsgeschwindigkeit ist im äußeren Umfangsabschnitt, wo die Temperatur hoch ist, niedrig. Aus diesem Grund ist es durch Anwenden einer solchen Temperaturverteilung möglich, die Kristallwachstumsoberfläche in eine geeignete konvexe Form zu bringen. Obwohl bei einer Erhöhung der Temperaturverteilung im Kristall eine steilere konvexe Form gebildet werden kann, nimmt bei einer zu großen Temperaturverteilung die thermische Spannung zu und es können sich im Kristall Risse und Brüche bilden und eine Zunahme der Basal ebenenversetzungen auftreten.
Zur Herstellung des n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats der vorliegenden Erfindung, d.h. um die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt kleiner als 3,0 × 10¹⁹/cm³ zu machen, können bekannte Verfahren und Bedingungen eingesetzt werden (z.B. siehe Nicht-Patentdokument 5). So können beispielsweise bekannte Verfahren und Bedingungen für Verfahren und Bedingungen zur Steuerung der Temperaturumgebung zwischen dem zentralen Abschnitt des Impfkristalls und dem äußeren Umfangsabschnitt des Impfkristalls eingesetzt werden, wodurch die Kristallwachstumsoberfläche in eine geeignete konvexe Form geracht wird. Weiterhin können zum Beispiel bekannte Verfahren und Bedingungen als Verfahren und Bedingungen zur Einstellung einer geeigneten Donorkonzentration und Akzeptorkonzentration eingesetzt werden.
Überdies kann der Ausdruck „die Kristallwachstumsoberfläche wird zumindest teilweise in konvexer Form gehalten‟ zum Beispiel bedeuten, dass die Kristallwachstumsoberfläche einen vorstehenden Abschnitt als gekrümmte Oberfläche zur Unterseite hin (Reaktionsraumseite) aufweist. Weiterhin können der Krümmungsradius des konvexen Bereichs und die Größe der Bodenoberfläche beliebig gewählt werden.
In dem Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann nach dem vorgenannten Kristallwachstumsschritt ein Wärmebehandlungsschritt bei 1000 °C oder höher und 2000 °C oder niedriger durchgeführt werden. Selbst wenn ein solcher Wärmebehandlungsschritt durchgeführt wird, beträgt die Stapelfehlerdichte des n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats 5 cm^-1 oder weniger. Als Beispiel für den Wärmebehandlungsschritt kann eine Glühbehandlung oder dergleichen zur Einstellung der Kristallinität genannt werden kann, is aber nicht darauf eingeschränkt.
(SiC-Epitaxiewafer)
Ein SiC-Epitaxiewafer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein solcher, bei dem eine SiC-Epitaxialschicht auf dem n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
Zur Bildung der SiC-Epitaxialschicht kann ein bekanntes Verfahren verwendet werden.
Die Stapelfehlerdichte des n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats, das für den SiC-Epitaxiewafer der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beträgt bevorzugt 5 cm^-1 oder weniger. Die Stapelfehlerdichte des n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats beträgt bevorzugter 2 cm^-1 oder weniger und noch bevorzugter 1 cm^-1 oder weniger.
[Beispiele]
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die nachfolgenden Beispiele eingeschänkt.
(Beispiel 1)
Unter Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung wurde ein n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat mit einem Durchmesser von 32 mm hergestellt, das in 4 dargestellt ist. Für das Substrat wurden Stickstoffkonzentrationen, Aluminiumkonzentrationen und Werte „((Stickstoffkonzentration) - (Aluminiumkonzentration))“ im äußeren Umfangsabschnitt und im zentralen Abschnitt durch SIMS (SekundärionenMassenspektrometrie) gemessen. Messungen mittels SIMS für den äußeren Umfangsabschnitt und den zentralen Abschnitt wurden an den Positionen 1 und 2 durchgeführt, die in (b) von 4 dargestellt sind. Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt. Der Donor war Stickstoff, und Aluminium wurde als Akzeptor verwendet.
Um das in 4 dargestellte n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat zu erhalten, wurde das folgende Verfahren durchgeführt. Zunächst wurde, um die Kristallwachstumsoberfläche in einer geeigneten konvexen Form zu halten, das Kristallwachstum in einer Umgebung durchgeführt, in der die Temperatur im zentralen Abschnitt des Impfkristalls niedriger war als im äußeren Umfangsabschnitt des Impfkristalls. Die Kristallwachstumsgeschwindigkeit ist im zentralen Abschnitt, wo die Temperatur niedrig ist, hoch, und die Kristallwachstumsgeschwindigkeit ist im äußeren Umfangsabschnitt, wo die Temperatur hoch ist, niedrig. Aus diesem Grund war es durch Anwendung einer solchen Temperaturverteilung möglich, die Kristallwachstumsoberfläche in eine geeignete konvexe Form zu bringen. In dem erhaltenen n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung war die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt kleiner als die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im mittleren Abschnitt, wobei diese Differenz zwischen der Differenz im äußeren Umfangsabschnitt und der Differenz im mittleren Abschnitt kleiner als 3,0 × 10¹⁹/cm³ war. Ein Verfahren zum Steuern der Temperaturumgebung zwischen dem zentralen Abschnitt des Impfkristalls und dem äußeren Umfangsabschnitt des Impfkristalls, das die Kristallwachstumsoberfläche in eine geeignete konvexe Form bringt, kann auch mit einem bekannten Verfahren oder dergleichen durchgeführt werden (siehe z.B. Nicht-Patentdokument 5).
6 zeigt eine Verteilung des spezifischen Widerstands (das Diagramm links, (a) von 6), die für das erhaltene Substrat durch ein Wirbelstromverfahren gemessen wurde, sowie die geschätzte ((Stickstoffkonzentration) - (Aluminiumkonzentration))-Verteilung (das Diagramm rechts, (b) von 6), die basierend auf der obigen Gleichung (1) basierend auf der Verteilung des spezifischen Widerstands berechnet wurde.
Die obige Gleichung (1) wurde nur zum Schätzen der „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“-Verteilung aus der gemessenen Verteilung des spezifischen Widerstands verwendet. Bei Verwendung der Gleichung (1) wurden für das Aktivierungsverhältnis und die Mobilität Werte verwendet, die durch Hall-Messung von Kristallen mit dem gleichen Grad an „Donorkonzentration und Akzeptorkonzentration“ geschätzt wurden.
Die geschätzte ((Stickstoffkonzentration) - (Aluminiumkonzentration))-Verteilung, die als rechtes Diagramm in 6 (Teil (b) von 6) dargestellt ist, entsprach gut den Werten ((Stickstoffkonzentration) - (Aluminiumkonzentration)) im äußeren Umfangsabschnitt und im zentralen Abschnitt, gemessen mittels SIMS, und sind als unteres Diagramm in 6 (Teil (c) von 6) dargestellt. Basierend auf den Messdaten des spezifischen Widerstands wurde die Wirksamkeit der Berechnung von „(Donorkonzentration) - (Akzeptorkonzentration)“ basierend auf der obigen Gleichung (1) sichergestellt.
(Beispiel 2)
Ein SiC-Epitaxiewafer, in dem eine SiC-Epitaxialschicht bei einer epitaktischen Wachstumstemperatur von 1600 °C auf dem n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat von Beispiel 1 gebildet wurde, wurde hergestellt. Die Schichtdicke der SiC-Epitaxialschicht betrug 10 µm und die Stickstoffkonzentration war 1 × 10¹⁶/cm³. Als Ergebnis der Photolumineszenz (PL)-Zuordnung wurde eine Lichtemission mit einer Spitzenwellenlänge (etwa 500 nm) des Spektrums des Stapelfehlers vom Doppel-Shockley-Typ nicht beobachtet, und es wurde festgestellt, dass kein Stapelfehler entstand (die Dichte der Stapelfehler vom Doppel-Shockley-Typ betrug 0 cm^-1).
(Gwerbliche Anwendbarkeit)
Es wird ein SiC-Einkristallsubstrat bereitgestellt, bei dem das Eindringen von Stapelfehlern vom Doppel-Shockley-Typ von dem äußeren Umfangsabschnitt des SiC-Einkristallsubstrats in einen Bauteilverwendungsbereich während einer Hochtemperaturbehandlung unterdrückt ist.
Bezugszeichenliste

1:: Tiegel
2:: Aufnahmeabschnitt
3:: Trägerabschnitt
4:: Anordnungsabschnitt
5:: Erste Spule
6:: Zweite Spule
10:: SiC-Einkristall-Herstellungsvorrichtung
M1:: SiC-Ausgangsmaterial
M2:: Aluminium-Ausgangsmaterial
S:: Impfkristall
R:: Reaktionsraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2016186907 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

T. Kato et al., Mater. Sci. Forum 778-780, (2014) S. 47-50 [0016]
K. Irmascher et al., Physica B 376-377 (2006) S. 338-341 [0016]
T. A. Kuhr et al., J. Appl. Phys., Vol. 92 (2002) S. 5865-5871 [0016]
R. Wei et al., Int. J. Electrochem. Sci. 8, (2013) S. 7099-7106 [0016]
S. Nishizawa et al., J. Crystal Growth 303 (2007), 342-344 [0016]

Claims

n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat, das sowohl mit einem Donor als auch mit einem Akzeptor dotiert ist, wobei eine Differenz zwischen einer Donorkonzentration und einer Akzeptorkonzentration in einem äußeren Umfangsabschnitt des Substrats kleiner ist als eine Differenz zwischen einer Donorkonzentration und einer Akzeptorkonzentration in einem zentralen Abschnitt, und die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration in dem äußeren Umfangsabschnitt kleiner als 3,0 × 10¹⁹/cm³ ist.
n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat nach Anspruch 1, wobei die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt kleiner als 2,0 × 10¹⁹/cm³ ist.
n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration in dem zentralen Abschnitt derart größer ist als die Differenz zwischen der Donorkonzentration und der Akzeptorkonzentration im äußeren Umfangsabschnitt, dass die Differenz zwischen der Differenz am zentralen Abschnitt und der Differenz am äußeren Abschnitt mehr als 1,0 × 10¹⁹/cm³ beträgt.
SiC-Epitaxiewafer mit einer SiC-Epitaxialschicht, die auf dem n-Typ-SiC-Einkristallsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gebildet ist.
Epitaxiewafer nach Anspruch 4, wobei eine Stapelfehlerdichte des n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats 5 cm^-1 oder weniger beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats, wobei das Verfahren umfasst: einen Kristallwachstumsschritt des Schichtens eines SiC-Einkristalls unter Co-Dotierung eines Donors und eines Akzeptors auf eine Oberfläche eines Impfkristalls durch ein Sublimationsumkristallisationsverfahren, wobei eine Kristallwachstumsoberfläche in mindestens einem Teil des Kristallwachstumsschrittes in einer konvexen Form gehalten wird.
Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats nach Anspruch 6, worin ein Wärmeeintragsschritt bei 1000 °C oder höher und 2000 °C oder niedriger in den beschichteten SiC-Einkristall nach dem Kristallwachstumsschritt durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats nach Anspruch 6, wobei der Kristallwachstumsschritt ein Schritt zur Herstellung eines SiC-Einkristallblocks ist und umfasst: einen Schritt des Schneidens eines Substrats aus dem SiC-Einkristallblock; einen Schritt zum Durchführen eines Entgratungsrozesses an einem äußeren Umfangsabschnitt des geschnittenen Substrats, und einen Schritt zum Durchführen einer Hochtemperaturbehandlung bei 1000 °C oder höher und 2000 °C oder niedriger nach dem Durchführen des Entgratungsprozesses.
Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats nach Anspruch 6, worin in dem Schritt des Kristallwachstums das Kristallwachstum in einer Umgebung durchgeführt wird, in der eine Temperatur in einem zentralen Abschnitt des Impfkristalls niedriger ist als in einem äußeren Umfangsabschnitt des Impfkristalls, um die Kristallwachstumsoberfläche in einer konvexen Form zu halten.
Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-SiC-Einkristallsubstrats nach Anspruch 6, worin in dem Kristallwachstumsschritt das Kristallwachstum in einer Umgebung durchgeführt wird, in der eine Temperatur in einem zentralen Abschnitt des Impfkristalls niedriger ist als die in einem äußeren Umfangsabschnitt des Impfkristalls.