DE19712796B4 - Epitaktischer SiC-Wafer, Verfahren zu seiner Herstellung und Halbleiter-Vorrichtung, die diesen verwendet - Google Patents

Epitaktischer SiC-Wafer, Verfahren zu seiner Herstellung und Halbleiter-Vorrichtung, die diesen verwendet Download PDF

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Abstract

Epitaktischer Siliciumcarbid-Wafer mit
– einem Siliciumcarbid-Substrat von einem Leitfähigkeitstyp;
– einer Siliciumcarbid-Leitfähigkeits-Korrekturschicht des einen Leitfähigkeitstyps, die eine Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3 oder mehr aufweist, auf dem Substrat epitaktisch gewachsen ist und eine Dicke von 3 μm oder mehr hat; und
– einer oberen Schicht, die auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht epitaktisch gewachsen ist, eine geringere Verunreinigungskonzentration als die Leitfähigkeits-Korrekturschicht und das Substrat hat und deren elektrische Leitfähigkeit kleiner ist als die des Substrats.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Siliciumcarbid (hiernach kurz "SiC")-Wafer, auf dem eine Halbleiter-Vorrichtung gebildet wird, ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche des SiC-Wafers und eine Halbleiter-Vorrichtung, welche den SiC-Wafer verwendet.
  • Stand der Technik
  • Für die Verwendung von Silicium-Leistungsvorrichtungen zur Steuerung von elektrischen Hochfrequenz-Leistungen sind verschiedene Untersuchungen unternommen worden, die Eigenschaften von Silicium-Leistungsvorrichtungen zu verbessern. Die üblichen Silicium-Leistungsvorrichtungen können jedoch nicht bei hoher Temperatur oder bei Vorhandensein von Strahlung verwendet werden. Verschiedene Materialien wurden untersucht, um Leistungsvorrichtungen zu entwickeln, die bessere Eigenschaften als die der bekannten Silicium-Leistungsvorrichtungen zeigen. So zeigt beispielsweise SiC, da es ein breites verbotenes Band hat (z. B. 2,93 V für 6H-SiC) eine gut steuerbare elektrische Leitfähigkeit bei hoher Temperatur und ausgezeichneter Beständigkeit gegen Strahlung. Da die Isolations-Durchschlagsspannung von SiC um etwa eine Größenordnung höher ist als die von Silicium, hat man erwartet, daß SiC für Vorrichtungen mit hoher Durchbruchsspannung verwendbar ist. Da SiC eine gesättigte Elektronen-Drift-Geschwindigkeit etwa 2 mal so hoch wie die von Silicium zeigt, hat man vermutet, daß SiC zum Steuern von elektrischer Hochfrequenzleistung verwendbar ist. Neuerdings wurden Einkristalle von 6H-SiC und 4H-SiC mit hoher Qualität gezüchtet. Diese 6H-SiC und 4H-SiC-Materialien gehören zu α-Siliciumcarbid (Siliciumcarbid mit α-Phase), das einen Stapel von Zinkblende und Wurzit-Strukturen aufweist.
  • Um diese ausgezeichneten Materialeigenschaften von SiC für Leistungsvorrichtungen zu verwenden, sind verschiedene Herstellungsstufen, wie Feinbearbeitung der SiC-Substratoberfläche bis zu einer Spiegelebene, epitaktisches Züchten der SiC-Schicht, Dotieren von Donor- und Akzeptorverunreinigungen und Abscheidung von Metall- und Oxidfilmen in der gleichen Weise wie bei den Siliciumvorrichtungen erforderlich.
  • Probleme, welche durch die Erfindung gelöst werden sollen
  • Im Gegensatz zum Siliciumsubstrat ist es schwierig, im SiC-Substrat eine tiefe Diffusionszone zu bilden, da die Verunreinigungen nur schwer in das SiC-Substrat diffundieren. Infolgedessen wurde vor allem das epitaktische Züchten verwendet, um Halbleiterschichten auf dem SiC-Substrat zu bilden.
  • Im allgemeinen wurden 6H-SiC und 4H-SiC als Substrat der für Hochleistungszwecke untersuchten SiC-Vorrichtungen verwendet. Einige Versuchs-Schottky-Dioden wurden experimentell hergestellt. Die Versuchs-Schottky-Dioden weisen einen Chip aus 6H-SiC-Einkristallen, eine auf dem Einkristall epitaktisch gewachsene SiC-Schicht und auf der SiC-Schicht eine Schottky-Elektrode auf. Der 6H-SiC-Chip zeigt hohe elektrische Leitfähigkeit, d. h. die Verunreinigungskonzentration im 6H-SiC-Chip ist hoch. Die SiC-Schicht zeigt eine geringe elektrische Leitfähigkeit, d. h. die Verunreinigungskonzentration in der SiC-Schicht ist gering. Die Eigenschaften, einschließlich der Durchschlagsspannung, Leckstrom und Ein-Spannung der Versuchs-Schottky-Dioden sind instabil und schwanken stark von Diode zu Diode.
  • Die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Versuchs-Schottky-Dioden wurden gemessen nach der Punktkontakt-Strom-Spannungs-Methode (point-contact current voltage method = PCIV-Methode). Die Meßanordnung ist schematisch in 7 gezeigt.
  • Der SiC-Wafer mit den epitaktischen Schichten wird schräg geschliffen (Fläche F); auf diese Ebene werden in einem Abstand (d) voneinander zwei Punktkontakte P1 und P2 gesetzt, zwischen denen man einen konstanten Strom I von z. B. 5 × 10–8 A fließen läßt. Die Spannung V zwischen P1 und P2 wird gemessen. Die Punkte P1 und P2 werden bei gleichbleibendem Abstand d auf der Fläche F senkrecht zur Schnittlinie der epitaktischen Ebenen verschoben und die jeweils zwischen P1 und P2 gemessene Spannung V wird in elektrische Leitfähigkeit umgerechnet. Die Ergebnisse sind in 1 und 2 in einer willkürlich angenommenen Einheit (a. u. = arbitrary unit) dargestellt. Die elektrische Leitfähigkeit verändert sich in Richtung der Dicke der epitaktischen Schicht. Im oben erwähnten Fall der Versuchs-Schottky-Diode sinkt die elektrische Leitfähigkeit allmählich von der Grenzschicht des SiC-Substrats 1 zur epitaktischen Schicht 10, wie in 2 gezeigt. Diese Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit kann auf folgenden Ursachen beruhen.
  • Bisher liegt SiC bei seiner Verwendung als Substrat, auf dem epitaktische Schichten gezüchtet werden, hinsichtlich der Kristallvollkommenheit weit hinter Silicium. Der SiC-Kristall enthält viele Kristalldefekte, wie Stapelfehler und unvollkommene Oberflächenschichten. Es wurde auch gefunden, daß solche Kristalldefekte erhebliche große planare (seitliche) Abweichungen aufweisen. Die Kristalldefekte im SiC-Substrat erstrecken sich zu der auf dem SiC-Substrat aufgewachsenen epitaktischen Schicht und beeinflussen diese, was vermutlich die Ursache der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit ist. Es ist zu erwarten, daß die elektrische Leitfähigkeit gering ist in der vorangehenden Zone, welche der Grenzzone des SiC-Substrats und der epitaktischen Schicht benachbart ist, da die Grenzzone gering dotiert ist. Die zahlreichen in der Grenzzone vorkommenden Kristalldefekte erhöhen jedoch die elektrische Leitfähigkeit. Es wird angenommen, daß die Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit in Richtung der Dicke der epitaktischen Schicht die Veränderungen der Vorrichtungseigenschaften der Schottky-Diode verursachen. Obgleich große Bemühungen unternommen wurden, die Perfektion des SiC-Kristalls und die Verfahren der Filmbildung auf dem SiC-Kristall zu verbessern, wurde das oben beschriebene Problem der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit bisher noch nicht gelöst.
  • Die aus WO 95/05006 A1 bekannten SiC-Wafer bestehend aus einem SiC-Substrat von einem Leitfähigkeitstyp und einer darauf epitaktisch gewachsenen Schicht des gleichen Leitfähigkeitstyps mit einer Trägerdichte von etwa 8 × 1017 cm–3 und einer Dicke von etwa 0,4 μm oder einer Kathodenschicht des gleichen Leitfähigkeitstyps mit einer Trägerdichte von 1018 cm–3 und einer Dicke von etwa 0,4 μm lösen nicht dieses Problem.
  • Dafür genügen auch nicht bisher bekannte SiC-Schichten, die epitaktisch auf ds SiC-Substrat aufgebracht sind.
  • Im Hinblick darauf ist es ein Zweck der Erfindung, einen SiC-Wafer zu schaffen, welcher die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit in der Dickenrichtung vermeidet. Ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung des SiC-Wafers zu schaffen. Noch ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, welche den SiC-Wafer verwendet und stabile Eigenschaften zeigt.
  • Lösung der Aufgabe
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein epitaktischer Siliciumcarbid-Wafer geschaffen, der folgende Einzelheiten aufweist:
    ein Siliciumcarbid-Substrat von einem Leitfähigkeitstyp;
    eine auf dem Substrat epitaktisch aufgewachsene Siliciumcarbid-Leitfähigkeits-Korrekturschicht desselben Leitfähigkeitstyps, die eine Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3 oder mehr aufweist, auf dem Substrat epitaktisch gewachsen ist und eine Dicke von 3 μm oder mehr hat, wobei die Leitfähigkeits-Korrekturschicht hoch genug dotiert ist, um nachteilige Effekte von Kristalldefekten des Substrats zu maskieren, und eine auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht epitaktisch aufgewachsene obere Schicht, die eine geringere Verunreinigungskonzentration als die Leitfähigkeits-Korrekturschicht und das Substrat hat und deren elektrische Leitfähigkeit geringer ist als die des Substrats.
  • Der Beitrag der Verunreinigungen in der hochdotierten Leitfähigkeits-Korrekturschicht zur elektrischen Leitfähigkeit liegt über dem Anteil der Kristalldefekte im Substratkristall und die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit über dem SiC-Wafer wird vermieden.
  • Vorteilhafterweise ist das Siliciumcarbid-Substrat ein α-Siliciumcarbid. Ein ausgezeichneter α-Siliciumcarbid-Einkristall wird leicht gezüchtet. Die Ladungsträgerbeweglichkeit ist groß in der <0001> Richtung des α-Siliciumcarbid-Einkristalls. Vorteilhafterweise weist das Siliciumcarbidsubstrat eine mit einem Abweichungswinkel von 3° oder mehr von der (0001) Siliciumebene zur <11, –2,0> Richtung des α-Siliciumcarbids oder eine mit einem Abweichungswinkel von 3° oder mehr von einer (000, –1) Kohlenstoffebene zu einer <11, –2,0> Richtung des α-Siliciumcarbids geneigte Ebene auf.
  • Die Leitfähigkeits-Korrekturschicht wird einfach auf einer der beiden schräg geneigten Ebenen gezüchtet, da viele Stufen zwischen den (0001) Ebenen oder (000, –1) Ebenen eines α-Siliciumcarbids existieren.
  • Vorteilhafterweise ist die elektrische Leitfähigkeit der Leitfähigkeits Korrekturschicht fast die gleiche wie die elektrische Leitfähigkeit des Substrats.
  • Wenn die Leitfähigkeitskorrekturschicht 1 × 1018 cm–3 oder mehr Verunreinigungen enthält und fast die gleiche elektrische Leitfähigkeit wie die des Substrats zeigt, maskieren die Verunreinigungen der Leitfähigkeitskorrekturschicht die nachteiligen Effekte von Kristalldefekten im Substrat.
  • Ausgezeichnete SiC-Kristallfilme werden auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht gezüchtet, da die Kristalldefekte des Substrats sich nicht weiter in die dicke Leitfähigkeits-Korrekturschicht erstrecken.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des epitaktischen Siliciumcarbid-Wafers geschaffen, der ein Siliciumcarbid-Substrat von einem Leitfähigkeitstyp, eine Siliciumcarbid-Leitfähigkeits-Korrekturschicht desselben Leitfähigkeitstyps, die hoch genug dotiert ist, um nachteilige Effekte von Kristalldefekten des Substrats zu maskieren, und eine auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht epitaktisch gewachsene obere Schicht aufweist, die eine geringere Verunreinigungskonzentration als die Leitfähigkeitskorrekturschicht und das Substrat hat und deren elektrische Leitfähigkeit kleiner ist als die des Substrats, wobei das Verfahren folgende Stufen umfaßt: Abtragen einer 0,5 bis 10 μm dicken Oberflächenschicht des Substrats; epitaktisches Züchten der Leitfähigkeits-Korrekturschicht auf dem Substrat und epitaktisches Züchten der oberen Schicht auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht. Es ist wichtig, zunächst 0,5 bis 10 μm der Oberflächenschicht des Substrats abzutragen, bevor die Leitfähigkeitskorrekturschicht gezüchtet wird.
  • Da das im Handel verfügbare SiC-Substrat Polierschäden in der Größenordnung von μm aufweist, muß zunächst die Oberflächenschicht in einer Dicke von 0,5 bis 10 μm abgetragen werden, um die Politurschäden zu entfernen. Es genügt nicht, die Oberflächenschicht weniger als 0,5 μm abzutragen, andererseits ist es zu viel, mehr als 10 μm der Oberflächenschicht abzutragen.
  • Vorzugsweise wird ein Diamantschleifmittel von höchstens 1 μm Korndurchmesser verwendet, um die Substratoberfläche zu einer Spiegelfläche zu polieren. Wenn der Korndurchmesser der Diamantpaste mehr als 1 μm beträgt, wird der Polierschaden nicht beseitigt.
  • Stattdessen können 0,5 bis 10 μm der Oberflächenschicht durch Ätzen mit reaktiven Ionen in einer Gasmischung entfernt werden, die ein Fluor und Sauerstoff oder Argon enthaltendes reaktives Gas einschließt, wobei das Ätzen während 5 bis 30 Minuten unter einem Gesamtgasdruck des Gemisches von 1 bis 100 Pa und mit einer zugeführten elektrischen Leistung von 1 bis 10 W × 10–2 durchgeführt wird.
  • Weiter alternativ kann die Oberflächenschicht entfernt werden, indem man einen Siliciumoxidfilm von 1 μm oder mehr Dicke auf der Substratoberfläche durch thermische Oxidation derselben bei 1000 bis 1300°C in einer trockenen oder nassen oxidierenden Atmosphäre erzeugt und den Siliciumoxidfilm abätzt.
  • Durch Oxidieren von Siliciumcarbid unter Bildung eines Siliciumoxidfilms einer bestimmten Dicke wird Siliciumcarbid mit der Hälfte der bestimmten Dicke verbraucht. Daher wird der Oberflächenanteil von 0,5 μm oder mehr Dicke entfernt, indem man einen Siliciumoxidfilm von 1 μm oder mehr Dicke wegätzt. Es ist unpraktisch, Siliciumcarbid unter 1000°C zu oxidieren, da die Oxidationsgeschwindigkeit unter 1000°C zu gering ist. Oberhalb 1300°C erweicht der für die Reaktionsgefäße und Halter verwendete Quarz.
  • Schließlich wird die Substratoberfläche, auf der die Leitfähigkeits-Korrekturschicht epitaktisch gezüchtet wird, vorzugsweise um 0,1 μm oder mehr poliert durch Dampfphasenpolieren der nahezu (000, –1) Kohlenstoffebene des Substrats, indem man das Substrat 1 bis 30 Minuten auf eine Temperatur von 1200 und 1500°C in einer Atmosphäre, die 0,1 bis 5% HCl verdünnt mit Wasserstoffgas enthält, erhitzt.
  • Da die (0001) Siliciumebene und die (000, –1) Kohlenstoffebene auf das gleiche Ätzmittel verschieden reagieren, sollten bei der (0001) Siliciumebene und der (000, –1) Kohlenstoffebene verschiedene Polierbedingungen angewandt werden. Die Poliermethode, die man bereits als wirksam für die Vorbehandlung der (0001) Siliciumebene des SiC-Kristalls vor dem Züchten der epitaktischen Schicht als wirksam angenommen hat (vergleiche Japanische ungeprüfte offengelegte Patentanmeldung (KOKAI) JP H07-6971 A ) wurde von den Erfindern als recht effektiv für die Vorbehandlung der (000, –1) Kohlenstoffebene des SiC-Kristalls gefunden. Die oben beschriebene Poliermethode für die (000, –1) Kohlenstoffebene erleichtert das Entfernen der unvollkommenen Oberflächenschicht auf dem SiC-Substrat und das Erreichen einer Flachheit in atomarem Maßstab. Eine HCl- Konzentration von unter 0,1% und eine Ätztemperatur von unter 1200°C sind ungenügend für erfolgreiches Polieren. Eine HCl-Konzentration von mehr als 5% und eine Ätztemperatur von höher als 1500°C bewirken ein ungleichmäßiges Ätzen, welches wiederum eine rauhe Oberfläche erzeugt.
  • Die nahezu (0001) Siliciumebene des Substrats, auf der die Leitfähigkeits-Korrekturschicht epitaktisch gezüchtet wird, wird um 0,1 μm oder mehr poliert (geätzt), indem man das Substrat 5 bis 90 Minuten bei einer Temperatur zwischen 1500 und 1700°C in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt. Diese Poliermethode wurde als besonders effektiv angegeben für die Vorbehandlung der (0001) Siliciumebene, bevor auf dieser eine epitaktische Schicht gezüchtet wird (vergleiche C. Hallin et al., Inst. Phys. Conf. Ser. No. 142 (1996), S. 613).
  • In dem erfindungsgemäßen epitaktischen SiC-Wafer ist die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit, die durch Erstreckung der Kristalldefekte vom Substrat verursacht wird, vermieden. Die Leitfähigkeits-Korrekturschicht zeigt bessere Kristallperfektion als das Substrat, das der Oberflächenbehandlung unterworfen wird. Die auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht aufgewachsene obere Schicht zeigt eine stabilere Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit. Außerdem zeigen die auf dem gleichen erfindungsgemäßen epitaktischen SiC-Wafer gebildeten Vorrichtungen eine geringere Streuung der Vorrichtungseigenschaften unter den Vorrichtungen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung mit einem epitaktischen Siliciumcarbid-Wafer geschaffen, wobei der epitaktische Siliciumcarbid-Wafer ein Siliciumcarbid-Substrat von einem Leitfähigkeitstyp, eine Siliciumcarbid-Leitfähigkeits-Korrekturschicht des einen Leitfähigkeitstyps, die auf dem Substrat epitaktisch gezüchtet ist und hoch genug dotiert ist, um nachteilige Effekte von Kristalldefekten des Substrats zu maskieren, und eine auf der Leitfähigkeitsschicht epitaktisch gezüchtete obere Schicht aufweist, die eine geringere Verunreinigungskonzentration als die Leitfähigkeitskorrekturschicht und das Substrat hat und deren elektrische Leitfähigkeit kleiner ist als die des Substrats, und die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung außerdem eine auf einer Hauptfläche derselben angeordnete Hauptelektrode und eine auf einer anderen Hauptfläche derselben angeordnete Hauptelektrode aufweist, wobei die Hauptflächen zueinander entgegengesetzt gerichtet sind.
  • Vorteilhafterweise ist der Siliciumcarbid-Halbleiter eine Schottky-Diode, indem die eine Elektrode eine Schottky-Elektrode auf der gering dotierten Schicht und die andere Elektrode eine Ohm'sche Elektrode auf der Rückseite des Substrats ist.
  • Vorteilhafterweise ist die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung eine Flächendiode (junction diode), welche eine Diffusionszone des zum Leitfähigkeitstyp des Substrats entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps umfaßt, die im Oberflächenbereich der oberen Schicht gebildet ist. In der Flächendiode ist die eine Elektrode eine Ohm'sche Elektrode auf der Diffusionszone und die andere Elektrode eine Ohm'sche Elektrode auf der Rückseite des Substrats.
  • In den oben angegebenen vertikalen SiC-Vorrichtungen erstreckt sich die Verarmungsschicht in der Richtung der Dicke des Substrats und der Strom fließt senkrecht zu den Hauptflächen des SiC-Wafers und durchläuft die Grenze zwischen dem Substrat und der darauf gebildeten epitaktischen Schicht. Daher stabilisieren die erfindungsgemäßen SiC-Vorrichtungen, die auf dem SiC-Wafer gebildet sind, der Streuung der elektrischen Leitfähigkeit vermeidet, deren Eigenschaften.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße SiC-Wafer weist ein SiC-Substrat, eine auf dem SiC-Substrat epitaktisch aufgewachsene SiC-Leitfähigkeits-Korrekturschicht und eine auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht epitaktisch aufgewachsene weitere (obere) SiC-Schicht auf. Der SiC-Substrat-Kristall wird einer Oberflächenbehandlung unterworfen. Die SiC-Leitfähigkeits-Korrekturschicht weist den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das SiC-Kristallsubstrat auf und enthält Verunreinigungen in genügender Höhe, z. B. 1 × 1018 cm–3, um die nachteiligen Effekte von Kristalldefekten des SiC-Substrats zu maskieren. Die andere (obere) SiC-Schicht enthält weniger Verunreinigungen als die Leitfähigkeitskorrekturschicht und das SiC-Kristallsubstrat und zeigt eine geringere elektrische Leitfähigkeit als das SiC-Kristallsubstrat.
  • Die Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten erläutert durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, welche bevorzugte Ausführungsformen zeigen:
  • Erste Ausführungsform
  • 3 ist ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Schottky-Diode. Eine stark dotierte n-leitende Schicht 2 (hiernach als "Leitfähigkeits-Korrekturschicht" bezeichnet) mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einer Dicke von 5 μm befindet sich auf einem n-leitenden 6H-SiC-Substrat 1 mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3. Eine obere Schicht 3 mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1016 cm–3 und einer Dicke von 5 μm befindet sich auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2. Das Substrat 1, die Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 und die obere Schicht 3 bilden einen epitaktischen SiC-Wafer. Eine Ohm'sche Elektrode 4 ist durch Dampfabscheidung auf der Rückseite des Substrats 1 gebildet. Eine Gold-Schottky-Elektrode ist durch Dampfabscheidung auf der oberen Schicht 3 gebildet.
  • Das Herstellungsverfahren der Schottky-Diode wird im folgenden erläutert: Die Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 und die obere Schicht 3 werden durch thermisches Züchten aus der Dampfphase aufgebracht.
  • Zuerst wird ein 6H-SiC-Kristall poliert, um das Substrat 1 zu bilden. Der polierte 6H-SiC-Kristall wird mittels eines Substrat-Zerteilers in Chips von 5 mm × 5 mm zerteilt. In der ersten Ausführungsform wird der 6H-SiC-Kristall poliert, um eine um 3,5° von der (0001) Silicium-Ebene zur <11, –2,0> Richtung geneigte Schrägfläche zu erhalten. Nachdem die Schrägfläche durch Schwabbeln mit Diamantpaste von 1 μm Korndurchmesser bis zu einer Spiegelebene fertiggestellt ist, wird die Oberfläche des Substrats 1 mit organischem Lösungsmittel und Säure gereinigt.
  • Das Substrat 1 wird auf einem mit Siliciumcarbid beschichteten Graphit-Suszeptor montiert, so daß seine Schrägfläche nach oben zeigt. Der Graphit-Suszeptor mit dem darauf montierten Substrat 1 wird in einem Reaktionsrohr einer Dampfphasen-Züchtvorrichtung angeordnet, die dann auf 1 Pa Vakuum evakuiert wird. Die Oberfläche des Substrats 1 wird bei 1300°C 5 Minuten in einem gemischten Gasstrom geätzt, der aus Wasserstoffgas, das mit 1 l/min strömt und Chlorwasserstoffgas, das mit 3 ml/min strömt, besteht, wobei der Suszeptor durch Hochfrequenz-Induktionsheizung erhitzt wird.
  • Dann wird die 6H-SiC-Leitfähigkeits-Korrekurschicht 2 auf dem Substrat 1 bis auf eine Dicke von 5 μm gezüchtet, indem man das Substrat 1 2 Stunden bei 1500°C in einem Gasgemisch- Strom erhitzt, der aus Wasserstoffgas (3 l/min), Monosilangas (0,3 ml/min), Propangas (0,25 ml/min) und Stickstoffgas (0,2 ml/min) besteht.
  • Das soweit hergestellte Halbleiterwerkstück wird aus dem Reaktionsrohr entnommen, um die Halter auszutauschen. Das Halbleiterwerkstück wird in ähnlicher Weise wie das Substrat 1 gereinigt und geätzt. Die gering dotierte 6H-SiC-Schicht 3 wird bis auf eine Dicke von 2,5 μm durch thermisches Züchten aus der Dampfphase bei 1500°C während einer Stunde in einem Gasgemisch-Strom bestehend aus Wasserstoffgas (3 l/min), Monosilangas (0,3 ml/min), Propangas (0,25 ml/min) und Stickstoffgas (0,002 ml/min) aufgebracht.
  • Dann werden die Elektroden auf dem so hergestellten SiC-Wafer abgeschieden. Auf der Rückseite des Substrats 1, d. h. der (000, –1) Kohlenstoffebene des SiC-Kristalls wird ein Nickelfilm bis auf eine Dicke von 200 mm durch Vakuum-Abscheidung abgeschieden. Die Ohm'sche Kathode 4 wird gebildet, indem man den SiC-Wafer mit dem darauf abgeschiedenen Nickelfilm 10 Minuten in einer Argon-Atmosphäre bei 1200°C behandelt. Dann wird die Gold-Schottky-Elektrode 5 mit 200 nm Dicke und 200 μm Durchmesser auf der (0001) Siliciumebene des SiC-Kristalls durch Dampfabscheidung gebildet.
  • 1 zeigt die Ergebnisse der PCIV-Messung am SiC-Wafer der wie oben hergestellten Schottky-Diode. Die elektrische Leitfähigkeit der Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 ist fast die gleiche wie die des Substrats 1. Das heißt, es tritt wegen der stark dotierten Stickstoffatome kein Abfall der elektrischen Leitfähigkeit in Richtung der Dicke über das Substrat 1 und die Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 auf. Die bei etwa 1 × 1018 cm–3 liegende Stickstoffkonzentration ist groß genug, um die nachteiligen Effekte von Kristalldefekten zu maskieren. Im allgemeinen kann man die gleiche Verunreinigungskonzentration wie die des Substrats als Standard nehmen.
  • Die elektrische Leitfähigkeit ändert sich abrupt an der Grenze zwischen der Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 und der oberen Schicht 3, vermutlich deshalb, weil die Kristalldefekte sich nicht weiter in die 5 μm dicke Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 erstrecken. Zusätzliche Untersuchungen haben gezeigt, daß die obere Schicht 3 nicht beeinflußt wird durch Kristalldefekte des Substrats 1 bei Abscheidung von mehr als 4 μm der stark dotierten Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2.
  • Die in der oben beschriebenen Weise hergestellte Schottky-Diode zeigt eine Rückwärts-Sperrspannung von 500 V oder mehr bei Raumtemperatur und einen Leckstrom von ca. 0,1 mA cm2 bei Anlegen von 500 V. Das heißt, die Schottky-Diode gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt eine Durchbruchsspannung von fast gleich der theoretischen Durchbruchsspannung berechnet aus der Dicke und der Ladungsträgerkonzentration der oberen Schicht 3.
  • Einige Schottky-Dioden, die auf die oben beschriebene Weise auf SiC-Chips (5 mm × 5 mm) hergestellt wurden, die aus der gleichen SiC-Kristallplatte von 30 mm Durchmesser ausgeschnitten waren, zeigten Abweichungen ihrer Eigenschaften, vermutlich wegen Ungleichmäßigkeit der Substratoberfläche wie Abweichungen von Oberflächenflachheit und Kristallperfektion.
  • Zweite Ausführungsform
  • Eine zweite Ausführungsform löst das beschriebene Problem.
  • In der ersten Ausführungsform wird die Oberfläche des Substrats 1 mit Diamantpaste von 1 μm Korndurchmesser geschwabbelt, mit organischem Lösungsmittel und Säure gereinigt und durch Dampfphasen-Ätzung geätzt. In der zweiten Ausführungsform wird die Oberfläche des Substrats 1 poliert und dann die unvollkommene Oberflächenschicht auf dem Substrat 1 durch Ätzen mit reaktiven Ionen und thermische Oxidation entfernt. Das Ätzen mit reaktiven Ionen wird 20 Minuten in einem Gasgemisch durchgeführt, das z. B. 83% Kohlenstofftetrafluorid (CF4) und 17% Sauerstoff (O2) enthält, bei einem Druck von etwa 5 Pa und mit einer elektrischen Energie von 2 Wcm–2. Vorzugsweise wird die Oberfläche des Substrats 1 durch reaktive Ionen vor der thermischen Oxidation geätzt, da die (0001) Siliciumebene durch thermische Oxidation aufgerauht wird, wenn nicht das Ätzen mit reaktiven Ionen vorgeschaltet ist. Durch die thermische Oxidation, d. h. eine feuchte Oxidation bei 1200°C während 25 Stunden, wird ein Siliciumoxidfilm von etwa 1 μm Dicke gebildet. Anschließend zur feuchten Oxidation wird die Oberfläche des Substrats 1 gereinigt mit organischem Lösungsmittel und Säure. Der gebildete Oxidfilm wird bei dem Reinigen mit Säure, das eine Behandlung mit Fluorwasserstoffsäure einschließt, weggeätzt.
  • Dann wird das Substrat 1 auf einen mit Siliciumcarbid beschichteten Graphit-Suszeptor so montiert, daß die (0001) Siliciumebene nach oben gerichtet ist und die Schrägfläche genau mit einem 3,5° Winkel von der (0001) Siliciumebene in die <11, –2,0> Richtung geneigt ist. Der Graphit-Suszeptor mit dem darauf montierten Substrat 1 wird in einem Reaktionsrohr eines Dampfphasen-Züchtgeräts positioniert, das dann auf 1 Pa Vakuum oder darunter evakuiert wird. Die Oberfläche des Substrats 1 wird 30 Minuten bei 1600°C in einem mit 1 l/min, strömenden Wasserstoffgas geätzt, um den auf der Oberfläche des Substrats 1 natürlich gebildeten Oxidfilm zu entfernen. Der Suszeptor wird durch Hochfrequenz-Induktionsheizung erhitzt. Die mit 3,5° von der (0001) Siliciumebene zur <11, –2,0> Richtung geneigte Schrägfläche wird nur mit Wasserstoff geätzt, um die Substratoberfläche nicht aufzurauhen. Im Gegensatz zum Ätzen der (000, –1) Kohlenstoffebene wird die (0001) Siliciumebene aufgerauht, wenn dem Ätzgas Chlorwasserstoff zugesetzt wird.
  • Dann werden eine Leitfähigkeits-Korrekurschicht 2 und eine obere Schicht 3 in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform gebildet. Schließlich wird eine Kathode 4 auf der Rückseite, das heißt der (000, –1) Kohlenstoffebene und eine Gold-Schottky-Elektrode 5 mit 200 nm Dicke und 200 μm Durchmesser auf der (0001) Siliciumebene gebildet.
  • Die wie oben beschriebene Schottky-Diode zeigt eine Rückwärts-Sperrspannung von 500 V oder mehr bei Raumtemperatur und einen Leckstrom von ca. 0,1 mA cm2 bei Anlegen von 500 V. Viele Schottky-Dioden wurden nach der oben beschriebenen Methode auf fünf SiC-Chips (5 mm × 5 mm) hergestellt, die aus einer SiC-Kristallplatte von 30 mm Durchmesser ausgeschnitten waren. Es wurden fast keine Abweichungen der Rückwärts-Sperrspannung bei jedem Probestück der Vorrichtung und unter diesen Probestücken beobachtet. Die Vorbehandlung gemäß der zweiten Ausführungsform ist also recht wirksam, um Abweichungen der Vorrichtungseigenschaften zu verhindern.
  • Die PCIV-Messungen an dem SiC-Wafer der zweiten Ausführungsform lieferten fast die gleichen Ergebnisse wie die der 1, das heißt die elektrische Leitfähigkeit zeigt fast den gleichen Wert und bleibt unverändert über die Dicke von Substrat 1 und Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2. Die elektrische Leitfähigkeit verändert sich stark an der Grenze zwischen der Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 und der oberen Schicht 3 und verändert sich dann nicht über die Dicke der oberen Schicht 3. Offensichtlich erstrecken sich die Kristalldefekte nicht über die 5 μm dicke Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 hinaus.
  • In der ersten Ausführungsform, in der die Oberfläche des Substrats 1 poliert, aber nicht vorbehandelt wird, sollte die Leitfähigkeits-Korrekturschicht mindestens 4 μm dick sein, um zu verhindern, daß sich Kristalldefekte des Substrats 1 in die obere Schicht 3 erstrecken. In der zweiten Ausführungsform, in der die polierte Oberfläche des Substrats 1 einer Vorbehandlung unterworfen wird, kann die Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 3 μm oder mehr dick sein, um zu verhindern, daß Kristalldefekte des Substrats 1 die obere Schicht 3 beeinflussen.
  • Dritte Ausführungsform
  • Die Vorrichtungen der ersten und zweiten Ausführungsform enthalten die Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 und obere Schicht 3, die epitaktisch auf der (0001) Siliciumebene aufgewachsen sind, die exakt den Schrägflächen-Winkel von 3,5° von der (0001) Siliciumebene in die <11, –2,0> Richtung des Substrats 1 beschreibt, und eine Kathode 4 auf der (000, –1) Kohlenstoffebene des Substrats 1. Andererseits kann eine Schottky-Diode, welche die epitaktischen Schichten auf der (000, –1) Kohlenstoffebene und eine Kathode auf der (0001) Siliciumebene aufweist, durch geeignete Schichtaufwachsstufen erhalten werden.
  • Die Schottky-Diode einer dritten Ausführungsform wird wie folgt hergestellt. Zuerst wird ein 6H-SiC-Kristall poliert, um das Substrat 1 zu bilden. Der polierte 6H-SiC-Kristall wird mittels eines Substrat-Zerteilers in Chips von 5 mm × 5 mm zerteilt. In der dritten Ausführungsform wird der 6H-SiC-Kristall poliert, um einen Schrägflächenwinkel von 3,5° von der (000, –1) Kohlenstoffebene in die (11, –2,0) Richtung zu erhalten. Die Schrägfläche wird mit Diamantpaste von 1 μm Korndurchmesser geschwabbelt. Dann wird die Oberfläche des Substrats 1 zur Entfernung der darauf vorhandenen unvollkommenen Oberflächenschicht durch feuchte Oxidation bei 1200°C während 4 Stunden thermisch oxidiert. Es wird ein Siliciumoxidfilm von 0,2 μm Dicke gebildet. Da die Oxidation auf der (000, –1) Kohlenstoffebene rascher fortschreitet als auf der (0001) Siliciumebene wird ein dickerer Oxidfilm in einer kürzeren Zeit gebildet. Anschließend an die feuchte Oxidation wird die Oberfläche des Substrats 1 mit organischem Lösungsmittel und Säure gereinigt. Der Oxidfilm wird durch die Säurereinigung, welche eine Behandlung mit Fluorwasserstoffsäure umfaßt, weggeätzt.
  • Das Substrat 1 wird auf einem mit Siliciumcarbid beschichteten Graphit-Suszeptor montiert, wobei die (000, –1) Kohlenstoffebenen, die genau die Schrägfläche mit 3,5° Winkel von der (000, –1) Kohlenstoffebene in Richtung auf die <11, –2,0> Richtung beschreibt, nach oben zeigt. Der Graphit-Suszeptor mit dem darauf montierten Substrat 1 wird in einem Reaktionsrohr einer Dampfphasen-Züchtvorrichtung angeordnet, die dann auf ein Vakuum von etwa 1 Pa evakuiert wird. Die Oberfläche des Substrats 1 wird bei 1400°C 5 Minuten in einem Mischgasstrom, bestehend aus Wasserstoffgas mit 1 l/min und Chlorwasserstoffgas mit 3 ml/min geätzt, um den natürlich entstandenen Oxidfilm zu entfernen. Der Suszeptor wird durch Hochfrequenz-Induktionsheizung erhitzt.
  • Dann wird die 6H-SiC-Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 auf dem Substrat 1 bis auf eine Dicke von 5 μm durch thermisches Züchten in der Dampfphase bei 1500°C während 2 Stunden in einem Mischgasstrom bestehend aus Wasserstoffgas (3 l/min), Monosilangas (0,3 ml/min), Propangas (0,25 ml/min) und Stickstoffgas (0,2 ml/min) gezüchtet.
  • Das soweit hergestellte Halbleiterwerkstück wird aus dem Reaktionsrohr entnommen, um die Halter auszutauschen. Das Halbleiterwerkstück wird gereinigt und geätzt durch Dampfphasenätzung in ähnlicher Weise wie bei der Bildung der Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2. Die obere 6H-SiC-Schicht 3 wird epitaktisch auf eine Dicke von 2,5 μm durch thermisches Züchten in der Dampfphase bei 1500°C während einer Stunde in einem Gasgemischstrom bestehend aus Wasserstoffgas (3 l/min), Monosilangas (0,3 ml/min), Propangas (0,25 ml/min) und Stickstoffgas (0,002 ml/min) gezüchtet.
  • Dann werden die Elektroden auf dem so hergestellten SiC-Wafer abgeschieden. Ein Nickelfilm wird bis auf eine Dicke von 200 mm auf der Rückseite des Substrats 1, d. h. der (0001) Siliciumebene des SiC-Kristalls durch Vakuum-Abscheidung abgeschieden. Die Ohm'sche Kathode 4 wird gebildet durch Wärmebehandlung des SiC-Wafers mit dem darauf abgeschiedenen Nickelfilm in einer Argon-Atmosphäre bei 1200°C während 10 Minuten. Dann wird die Gold-Schottky-Elektrode 5 mit 200 nm Dicke und 200 μm Durchmesser auf der (000, –1) Kohlenstoffebene des SiC-Kristalls durch Dampfabscheidung gebildet.
  • Die wie oben hergestellte Schottky-Diode zeigt eine Rückwärts-Sperrspannung von 500 V oder mehr bei Raumtemperatur und einen Leckstrom von ca. 0,1 mA cm2 bei Anlegen von 500 V. Viele Schottky-Dioden wurden auf die oben beschriebene Weise auf 5 SiC-Chips (5 mm × 5 mm) hergestellt, die aus einer SiC-Kristallplatte von 30 mm Durchmesser ausgeschnitten waren. Es wurden fast keine Abweichungen der Rückwärts-Sperrspannung in jeder dieser Vorrichtungen und zwischen diesen Vorrichtungen beobachtet. Die Vorbehandlung der dritten Ausführungsform ist also recht wirksam zur Unterdrückung von Abweichungen von Eigenschaften der Vorrichtung.
  • Fast die gleichen Ergebnisse wie diejenigen der 1 wurden bei der PCIV-Messung am SiC-Wafer der dritten Ausführungsform erhalten. Offensichtlich wird dadurch, daß die stark dotierte Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 bis auf eine Dicke von 3 μm oder mehr gezüchtet wird, verhindert, daß die Kristalldefekte im Substrat 1 die obere Zone 3 nachteilig beeinflussen.
  • Vierte Ausführungsform
  • 4 ist ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen planaren pn-Diode.
  • In dieser Figur weist die planare pn-Diode ein 6H-SiC-Einkristallsubstrat 1 mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3, eine n-leitende Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 mit 5 μm Dicke mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3 auf der Schrägfläche des Substrats 1, die einen Neigungswinkel von 3,5° von der (0001) Siliciumebene hat, eine obere n-leitende Schicht 3 mit 2,5 μm Dicke mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1016 cm–3 auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2, eine p-leitende Anodenzone 6 im Oberflächenbereich der oberen Schicht 3, eine Ohm'sche Elektrode 4 auf der Rückseite des Substrats 1 und eine Aluminiumanode 7 in Kontakt mit der Anodenzone 6 auf. Diese pn-Diode wird wie folgt hergestellt: Die Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 und die obere Schicht 3 werden epitaktisch in der gleichen Weise gezüchtet wie die Schottky-Diode der zweiten Ausführungsform. Dann wird ein Siliciumoxidfilm 8 von 50 nm Dicke auf der oberen Schicht 3 in einer feuchten sauren Atmosphäre bei 1200°C während 60 Minuten gebildet. Ein Fenster von 200 μm Durchmesser wird durch den Siliciumoxidfilm mittels fotolithografischer Methoden gebohrt. Aluminiumionen werden bei Raumtemperatur durch das Fenster unter einer Beschleunigungsspannung von 30, 90 und 180 keV implantiert. Die Aluminiumdosis ist 6,11 × 1013 cm–2 für die Beschleunigungsspannung von 30 keV, 1,57 × 1014 cm–2 für 90 keV und 2,80 × 1014 cm–2 für 180 keV Beschleunigungsspannung. Die Anodenzone 6 wird gebildet, indem man das soweit hergestellte Probestück in einer Argonatmosphäre bei 1700°C 10 Minuten tempert. Dann wird eine Anode 7 gebildet, indem man in dem Fenster unter Verwendung des Siliciumoxidfilms 8 als Maske selektiv Aluminium abscheidet. Die Kathode 4 wird auf der Rückseite des Substrats 1 durch Vakuumabscheidung von Nickel gebildet.
  • Die wie oben hergestellte pn-Diode zeigt eine Rückwärts-Sperrspannung von 500 V oder mehr bei Raumtemperatur äquivalent zum theoretischen Wert und einen Leckstrom von ca. 0,1 mA cm2 bei Anlegen von 500 V.
  • Fünfte Ausführungsform
  • Man kann auch in der gleichen Weise wie in der vierten Ausführungsform eine planare pn-Diode bilden, welche epitaktische Schichten auf der (000, –1) Kohlenstoffebene des SiC-Substrats und eine Kathode auf der (0001) Siliciumebene des Substrats aufweist.
  • Die planare pn-Diode einer fünften Ausführungsform weist ein 6H-SiC-Einkristallsubstrat mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3, eine n-leitende Leitfähigkeits-Korrekturschicht mit 5 μm Dicke mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3 auf der Schrägfläche, die einen Winkel von 3,5° mit der (000, –1) Kohlenstoffebene des Substrats bildet, und eine obere n-leitende Schicht mit 2,5 μm Dicke mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1016 cm–3 auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht auf. Die Leitfähigkeits-Korrekturschicht und die obere Schicht werden epitaktisch in der gleichen Weise gezüchtet wie die der Schottky-Diode der dritten Ausführungsform. Dann wird ein Siliciumoxidfilm von 300 nm Dicke auf der oberen Schicht in einer feuchten sauren Atmosphäre bei 1200°C während 60 Minuten gebildet. Ein Fenster von 200 μm Durchmesser wird durch den Siliciumoxidfilm mittels fotolithografischer Methoden gebohrt. Aluminiumionen werden bei Raumtemperatur durch das Fenster unter einer Beschleunigungsspannung von 30, 90 und 180 keV implantiert. Die Aluminiumdosis beträgt 6 × 1013 cm–2 für 30 keV, 2 × 1014 cm–2 für 90 keV und 3 × 1014 cm–2 für 180 keV Beschleunigungsspannung. Ein Anodenbereich wird gebildet durch Tempern des soweit hergestellten Werkstücks in einer Argonatmosphäre bei 1800°C während 10 Minuten. Dann wird eine Anode gebildet, indem in dem Fenster unter Verwendung des Siliciumoxidfilms als Maske selektiv Aluminium deponiert wird. Eine Kathode 4 wird auf der Rückseite des Substrats durch Vakuumabscheidung von Nickel gebildet.
  • Die wie oben beschrieben hergestellte pn-Diode der fünften Ausführungsform zeigt eine Rückwärts-Sperrspannung von 500 V oder mehr bei Raumtemperatur, äquivalent zum theoretischen Wert, und einen Leckstrom von ca. 0,1 mA cm2 beim Anlegen von 500 V. Zahlreiche pn-Dioden-Werkstücke wurden in der gleichen Weise wie oben beschrieben auf fünf SiC-Chips (5 mm × 5 mm) hergestellt, die aus einer SiC-Kristallplatte von 30 mm Durchmesser ausgeschnitten waren. Es wurden fast keine Abweichungen der Rückwärts-Sperrspannungseigenschaften bei jedem Probestück der Vorrichtungen und zwischen den Vorrichtungs-Probestücken beobachtet.
  • Sechste Ausführungsform
  • 5 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Graben-MOSFET.
  • Der gezeigte Graben-MOSFET weist ein 6H-SiC-Einkristallsubstrat 1 mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3, eine n-leitende Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 von 5 μm Dicke mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3 auf der Schrägfläche des Substrats 1, die einen Winkel von 3,5° mit der (0001) Siliciumebene des Substrats 1 bildet, eine obere n-leitende Schicht 3 von 2,5 μm Dicke mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1016 cm–3 auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 und eine p-leitende Basis-Schicht 9 von 1 μm Dicke mit einer Verunreinigungskonzentration von 4 × 1017 cm–3 auf der oberen Schicht 3 auf. Das Dotierungsmittel in der p-leitenden Basis-Schicht 9 ist Aluminium. Eine n-leitende Quellzone (Source) 11 wird im Oberflächenteil der p-leitenden Basis-Schicht 9 durch Implantieren von Stickstoffionen und anschließender Wärmebehandlung gebildet. Ein Graben (trench) 12 wird von der Oberfläche der n-leitenden Quellzone 11 nach unten in die obere Schicht 3 gebildet. Die Oberfläche des Grabens 12 wird mit einem Siliciumoxid-Gate-Isolationsfilm 13 beschichtet und gefüllt mit einer polykristallinen Silicium-Gate-Elektrodenschicht 14. Eine Nickel-Drain-Elektrode 15 wird auf der Rückseite des Substrats 1 durch Vakuum-Abscheidung gebildet. Eine Quell-Elektrode (source) 16 ist in Konkakt mit der n-leitenden Quellzone 11. Obgleich in 5 nicht gezeigt, ist eine Metallfilm-Gate-Elektrode in Kontakt mit der Gate-Elektrodenschicht 14.
  • Siebente Ausführungsform
  • Man kann auch einen Graben-MOSFET, der epitaktische Schichten auf der (000, –1) Kohlenstoffebene des SiC-Substrats und eine Drain-Elektrode auf der (0001) Siliciumebene des Substrats aufweist, in der gleichen Weise wie in der sechsten Ausführungsform bilden. Der Graben-MOSFET der siebten Ausführungsform hat im Querschnitt einen ähnlichen Aufbau wie die sechste Ausführungsform. Abgesehen von den Stufen der Bildung des epitaktischen SiC-Wafers wird der Graben-MOSFET der siebenten Ausführungsform mit den gleichen Stufen hergestellt wie die sechste Ausführungsform.
  • Die Graben-MOSFET der sechsten und siebten Ausführungsform zeigen bestimmte Charakteristika ohne irgendeine Abweichung der Durchbruchsspannung und des Leckstroms in einem Chip und zwischen verschiedenen Chips.
  • Achte Ausführungsform
  • 6 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Siliciumcarbid-Thyristors.
  • Der gezeigte Siliciumcarbid-Thyristor weist ein 6H-SiC-Einkristallsubstrat 1 mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3, einer p-leitenden Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 von 5 μm Dicke mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3 auf der Schrägfläche des Substrats 1, die in einem Winkel von 3,5° von der (0001) Siliciumebene des Substrats 1 verläuft, eine obere n-leitende Schicht 3 von 2,5 μm Dicke mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1016 cm–3 auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht 2 und eine p-leitende Basis-Schicht 9 von 1 μm Dicke mit 4 × 1017 cm–3 Verunreinigungen auf der oberen Schicht 3 auf. Eine n-leitende Kathodenzone 17 wird im Oberflächenbereich der p-leitenden Basisschicht 9 durch selektive Implantation von Stickstoffionen und anschließende Wärmebehandlung gebildet. Eine Aluminium-Gate-Elektrode 18 wird auf der p-leitenden Basisschicht 9 abgeschieden. Eine Anode 19 wird auf der Rückseite des Substrats 1 abgeschieden. Eine Kathode 20 ist in Kontakt mit der n-leitenden Kathodenzone 17.
  • Neunte Ausführungsform
  • Man kann auch in gleicher Weise wie in der achten Ausführungsform einen Siliciumcarbid-Thyristor bilden, der epitaktische Schichten auf der (000, –1) Kohlenstoffebene des SiC-Substrats und eine Anode auf der (0001) Siliciumebene des Substrats aufweist.
  • Ausgenommen die Stufen der Bildung des epitaktischen SiC-Wafers wird der Siliciumcarbid-Thyristor der neunten Ausführungsform nach den gleichen Stufen wie der der achten Ausführungsform hergestellt.
  • Die Thyristoren der achten und neunten Ausführungsform zeigen bestimmte Charakteristika, ohne daß irgendeine Abweichung der Durchbruchsspannung und des Leckstroms innerhalb eines Chips und zwischen verschiedenen Chips beobachtet wird.
  • Wirkung der Erfindung
  • Wie oben erläutert, weist der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Wafer auf: ein Einkristall-SiC-Substrat; eine SiC-Leitfähigkeits-Korrekturschicht, die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat hat, epitaktisch auf dem Substrat aufgewachsen ist und stark genug dotiert ist, um die nachteiligen Effekte von Kristalldefekten im Einkristall-SiC-Substrat zu maskieren, und eine obere SiC-Schicht, die epitaktisch auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht aufgewachsen ist, wobei die elektrische Leitfähigkeit der oberen Schicht geringer ist als die des Substrats und der Leitfähigkeits-Korrekturschicht. Halbleitervorrichtungen, wie Schottky-Diode, pn-Diode, MOSFET und Thyristor lassen sich erfolgreich auf dem erfindungsgemäßen SiC-Wafer herstellen.
  • Durch Entfernen der unvollkommenen Oberflächenschicht vom SiC-Substrat durch geeignete Oberflächenbehandlung und indem man die SiC-Schichten epitaktisch auf der behandelten Oberfläche des Substrats züchtet, werden die nachteiligen Effekte der Kristallfehler des Substrats vermieden, die Eigenschaften der auf dem SiC-Substrat gebildeten Halbleitervorrichtungen werden stabilisiert und die Reproduzierbarkeit der SiC-Vorrichtungen wird stark verbessert.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 ist ein Diagramm der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit im Querschnitt des erfindungsgemäßen SiC-Wafers;
  • 2 ist ein Diagramm der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit im Querschnitt einer üblichen Schottky-Diode;
  • 3 ist ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Schottky-Diode;
  • 4 ist ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen planaren pn-Diode;
  • 5 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Graben-MOSFET;
  • 6 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Siliciumcarbid-Thyristors;
  • 7 ist eine schematische Darstellung der PCIV-Methode zur Bestimmung der Leitfähigkeit.
    • 1
    Substrat
    2
    Leitfähigkeits-Korrekturschicht
    3
    obere Schicht
    4
    Kathode
    5
    Schottky-Elektrode
    6
    p-leitende Anodenzone
    7
    Anode
    8
    Siliciumoxidfilm
    9
    p-leitende Basiszone
    10
    epitaktische Schicht
    11
    n-leitende Source-Zone
    12
    Graben
    13
    Gate-Isolationsfilm
    14
    Gate-Elektrodenschicht
    15
    Drain-Elektrode
    16
    Source-Elektrode
    17
    n-leitende Kathodenzone
    18
    Gate-Elektrode
    19
    Anode
    20
    Kathode

Claims (17)

  1. Epitaktischer Siliciumcarbid-Wafer mit – einem Siliciumcarbid-Substrat von einem Leitfähigkeitstyp; – einer Siliciumcarbid-Leitfähigkeits-Korrekturschicht des einen Leitfähigkeitstyps, die eine Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3 oder mehr aufweist, auf dem Substrat epitaktisch gewachsen ist und eine Dicke von 3 μm oder mehr hat; und – einer oberen Schicht, die auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht epitaktisch gewachsen ist, eine geringere Verunreinigungskonzentration als die Leitfähigkeits-Korrekturschicht und das Substrat hat und deren elektrische Leitfähigkeit kleiner ist als die des Substrats.
  2. Epitaktischer Siliciumcarbid-Wafer nach Anspruch 1, worin das Siliciumcarbid-Substrat α-Siliciumcarbid enthält oder daraus besteht.
  3. Epitaktischer Siliciumcarbid-Wafer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumcarbid-Substrat eine mit einem Abweichungswinkel von 3° oder mehr von einer (0001) Silicium-Ebene des α-Siliciumcarbids zu einer <11, –2,0> Richtung des α-Siliciumcarbids geneigte ebene Fläche aufweist, die von der auf ihr epitaktisch gewachsenen Leitfähigkeits-Korrekturschicht bedeckt ist.
  4. Epitaktischer Siliciumcarbid-Wafer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumcarbid-Substrat eine mit einem Abweichungswinkel von 3° oder mehr von einer (000, –1) Kohlenstoffebene des α-Siliciumcarbids zu einer <11, –2,0> Richtung des α-Siliciumcarbids geneigte ebene Fläche aufweist, die von der auf ihr epitaktisch gewachsenen Leitfähigkeits-Korrekturschicht bedeckt ist.
  5. Epitaktischer Siliciumcarbid-Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit der Leitfähigkeits-Korrekturschicht die gleiche ist wie die des Substrats.
  6. Verfahren zur Herstellung eines epitaktischen Siliciumcarbid-Wafers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Siliciumcarbid-Substrat eines Leitfähigkeitstyps, einer Siliciumcarbid-Leitfähigkeits-Korrekturschicht des einen Leitfähigkeitstyps, die eine Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3 oder mehr aufweist und eine Dicke von 3 μm oder mehr hat und mit einer auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht epitaktisch gewachsenen oberen Schicht, die eine geringere Verunreinigungskonzentration als die Leitfähigkeits-Korrekturschicht und das Substrat hat und deren elektrische Leitfähigkeit kleiner ist als die des Substrats, welches folgende Verfahrensstufen aufweist: – Abtragen einer 0,5–10 μm dicken Oberflächenschicht des Substrats; – epitaktisches Züchten der Leitfähigkeits-Korrekturschicht auf dem Substrat und – epitaktisches Züchten der oberen Schicht auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtragen die Stufe des Polierens der Oberfläche des Substrats zu einer Spiegelfläche mit Hilfe eines Diamant-Schleifmittels umfaßt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Diamant-Schleifmittel eine Korngröße von höchstens 1 μm aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtragen die Stufe eines Ätzens mittels reaktiver Ionen zum Abtragen der Oberflächenschicht umfaßt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen mittels reaktiver Ionen in einem Gasgemisch durchgeführt wird, das ein reaktives Gas enthält, welches Fluor und Sauerstoff oder Argon enthält.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Polieren mittels reaktiver Ionen während 5 bis 30 Minuten unter einem Gesamtdruck des Gasgemisches von 1 bis 100 Pa und mit einer zugeführten elektrischen Leistung von 1 bis 10 W × cm–2 durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensstufe des Abtragens folgende Stufen umfaßt: – Ausbilden eines Siliciumoxidfilms auf der Oberfläche des Substrats durch thermische Oxidation und – Wegätzen des Silicumoxidfilms.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumoxidfilm gebildet wird, indem die Oberfläche des Substrats bei zwischen 1000 und 1300°C in einer trockenen oder nassen oxidierenden Atmosphäre gebildet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumoxidfilm mit einer Dicke von 1 μm oder mehr gebildet wird.
  15. Siliciumcarbid-Halbleiter-Vorrichtung mit einem epitaktischen Siliciumcarbid-Wafer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche folgende Merkmale aufweist: – ein Siliciumcarbid-Substrat von einem Leitfähigkeitstyp; – eine Siliciumcarbid-Leitfähigkeits-Korrekturschicht des einen Leitfähigkeitstyps, die eine Verunreinigungskonzentration von 1 × 1018 cm–3 oder mehr aufweist, welche epitaktisch auf dem Substrat gewachsen ist und eine Dicke von 3 μm oder mehr hat; – eine obere Schicht, die auf der Leitfähigkeits-Korrekturschicht epitaktisch gewachsen ist, die eine geringere Verunreinigungskonzentration als die Leitfähigkeits-Korrekturschicht und das Substrat hat und deren elektrische Leitfähigkeit kleiner ist als die des Substrats; – eine auf einer Hauptfläche der Halbleitervorrichtung angeordnete Hauptelektrode; und – eine auf einer anderen Hauptfläche der Halbleitervorrichtung angeordnete andere Hauptelektrode, wobei die eine Hauptfläche und die andere Hauptfläche einander gegenüberliegen.
  16. Siliciumcarbid-Halbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die eine Elektrode eine Schottky-Elektrode auf der oberen Schicht umfaßt und die andere Elektrode eine Ohm'sche Elektrode auf der Rückseite des Substrats umfaßt.
  17. Siliciumcarbid-Halbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 15, die außerdem eine Diffusionszone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie der Leitfähigkeitstyp des Substrats aufweist, wobei die Diffusionszone im Oberflächenteil der oberen Schicht gebildet ist und die eine Elektrode eine Ohm'sche Elektrode auf dem Diffusionsbereich umfaßt und die andere Elektrode eine Ohm'sche Elektrode auf der Rückseite des Substrats umfaßt.
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