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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbid-Substrats (SiC-Substrat).
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Ein SiC-Substrat kann üblicherweise für eine Hochspannungsvorrichtung verwendet werden. Jedoch kann ein Kristalldefekt im SiC-Substrat die Eigenschaften der Vorrichtung beeinflussen. Insbesondere kann eine Schrauben- oder Querversetzung („screw dislocation”) im Kristalldefekt eine hohe Verzerrung hervorrufen. Wenn somit eine Vorrichtung, beispielsweise eine PN-Diode und ein MOSFET mit einem SiC-Substrat hergestellt werden, welches in einem Oberflächenabschnitt hiervon eine Schraubenversetzung hat, kann diese Schraubenversetzung einen Leckstrom verursachen, wie beispielsweise in
"Study and Analysis of Reverse Characteristic of Al-ion Doped C-plane PN Diode" von Takashi Tsuji in "Proceedings of the 4th Individual Discussion of the SiC and Related Wide Bandgag Semiconductors" der Japan Society of Applied Physics, 31. Juli 2009, Seite 74 und
"Relationship among Forming Method, Channel Mobility, and Reliability of C-plane 4H-SiC MOS Gate Insulating Film" von Takuma Suzuki in "Proceedings of the 4th Individual Discussion of the SiC and Related Wide Bandgag Semiconductors" der Japan Society of Applied Physics, 31. Juli 2009, Seite 50 beschrieben.
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Die
JP-A-2003-119097 (entsprechend der
US 2003/0070611 A1 ) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Substrats, bei dem die Schraubenversetzungen im Oberflächenabschnitt verringert sind. Bei diesem Verfahren wird ein erster Keimkristall aus einem SiC-Einkristall vorbereitet. Dann erfolgt ein SiC-Einkristallwachstum in einer <1-100> Richtung auf einer Hauptoberfläche einer (1-100) Ebene des ersten Keimkristalls. Dann wird der gewachsene SiC-Einkristall zertrennt, um einen zweiten Keimkristall mit einer Hauptoberfläche einer (11-20) Ebene zu erhalten. Nachdem ein SiC-Einkristall in einer <11-20> Richtung des zweiten Keimkristalls gezüchtet worden ist, wird der gezüchtete SiC-Einkristall zertrennt, um einen dritten Keimkristall mit einer Hauptoberfläche einer (0001) Ebene zu erhalten. Ein SiC-Einkristall wird in einer <0001> Richtung des dritten Keimkristalls gezüchtet, um einen SiC-Einkristallrohling (ingot) herzustellen. Durch Zertrennen des SiC-Einkristallrohlings kann ein SiC-Substrat hergestellt werden.
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Bei diesem Herstellungsverfahren kann nach wie vor eine Schraubenversetzung erzeugt werden, wenn ein SiC-Einkristall in der <0001> Richtung wächst und ein Stapelfehler entsteht noch einfacher als eine Schraubenversetzung, wenn ein SiC-Einkristall in der <1-100> Richtung oder der <11-20> Richtung gezüchtet wird. Wenn somit ein SiC-Einkristall in der <1-100> Richtung oder der <11-20> Richtung wächst, kann die Erzeugung einer Schraubenversetzung in dem SiC-Einkristall eingeschränkt werden. Somit ist eine Schraubenversetzung auf einer Hauptoberfläche des dritten Keimkristalls eingeschränkt. Wenn der SiC-Einkristall wächst, ”erbt” der SiC-Einkristall einen Defekt (Verwerfung), die auf einer Hauptoberfläche des Keimkristalls vorhanden ist.
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Da eine Schraubenversetzung auf der Hauptoberfläche des dritten Keimkristalls eingeschränkt ist, kann, wenn ein SiC-Einkristall auf dem dritten Keimkristall wächst, um den SiC-Einkristallrohling auszubilden, die Erzeugung einer Schraubenversetzung in dem SiC-Einkristallrohling eingeschränkt werden. Wenn dann der SiC-Einkristallrohling zerteilt wird, um ein SiC-Substrat zu bilden, kann eine Schraubenversetzung, die in dem SiC-Substrat enthalten ist, verringert werden und eine Schraubenversetzung in einem Oberflächenabschnitt des SiC-Substrats kann eingeschränkt werden.
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Jedoch kann bei dem oben beschriebenen Verfahren ein Ende eines Stapelfehlers, der erzeugt wird, wenn der SiC-Einkristall in der <1-100> Richtung oder der >11-20> Richtung wächst, die Hauptoberfläche des dritten Keimkristalls erreichen. Wenn in diesem Fall ein SiC-Einkristall auf der Hauptoberfläche des dritten Keimkristalls wächst, um den SiC-Einkristallrohling zu bilden, kann, obgleich eine Schraubenversetzung auf der Hauptoberfläche des dritten Keimkristalls eingeschränkt oder unterbunden ist, eine Schraubenversetzung von dem Ende des Stapelfehlers her erzeugt werden, indem die Verwerfung in <0004> Richtung übernommen wird. Wenn eine Schraubenversetzung in dem SiC-Einkristallrohling erzeugt wird und der SiC-Einkristallrohling zerteilt wird, um ein SiC-Substrat zu bilden, kann sich eine Schraubenversetzung im SiC-Substrat befinden und eine Schraubenversetzung kann in einem Oberflächenabschnitt des SIC-Substrats vorhanden sein.
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Zusätzlich muss bei dem oben beschriebenen Verfahren eine Wachstumsrichtung geändert werden, während der SiC-Einkristall wächst. Der Herstellungsprozess wird dadurch kompliziert.
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Mit Blick auf die voranstehenden Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbid-Substrats zu schaffen, bei dem eine Schrauben- oder Querversetzung in einem Oberflächenabschnitt des Siliziumkarbid-Substrats wenn schon nicht vermieden, dann zumindest wesentlich eingeschränkt werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbid-Substrats wird ein Defekt enthaltendes Substrat aus SiC bereitgestellt. Das Defekt enthaltende Substrat hat eine Vorderfläche, eine der Vorderfläche gegenüberliegende Rückenfläche und einen Oberflächenabschnitt benachbart der Vorderfläche. Das Defekt enthaltende Substrat enthält in dem Oberflächenabschnitt eine Schraubenversetzung. Die Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats wird mit einer externen Kraft beaufschlagt, sodass die Kristallinität des Oberflächenabschnitts verringert wird. Nach Beaufschlagung durch die externe Kraft wird das Defekt enthaltende Substrat thermisch behandelt, sodass die Kristallinität des Oberflächenabschnitts zurückerhalten oder zurückgewonnen wird.
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Durch das oben beschriebene Verfahren kann die Schraubenversetzung in dem Oberflächenabschnitt des SiC-Substrats zum Verschwinden gebracht werden. Somit kann ein SiC-Substrat hergestellt werden, bei dem eine Schraubenversetzung in einem Oberflächenabschnitt im Wesentlichen vermieden ist.
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Bei einem Herstellungsverfahren für ein Siliziumkarbid-Substrat gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Defekt enthaltendes Substrat aus SiC bereitgestellt. Das Defekt enthaltende Substrat hat eine Vorderfläche, eine der Vorderfläche gegenüberliegende Rückenfläche und einen der Vorderfläche benachbarten Oberflächenabschnitt. Das Defekt enthaltende Substrat enthält ein Grundsubstrat, eine Epitaxialschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, die auf dem Grundsubstrat ausgebildet ist und eine Epitaxialschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf der Epitaxialschicht des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist. Die Epitaxialschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps hat eine Oberfläche entsprechend der Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats. Das Defekt enthaltende Substrat enthält in dem Oberflächenabschnitt eine Schraubenversetzung. Die Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats wird mit einer externen Kraft beaufschlagt, sodass eine Kristallinität des Oberflächenabschnitts verringert ist. Nach Aufbringung der externen Kraft wird das Defekt enthaltende Substrat thermisch behandelt, sodass die Kristallinität des Oberflächenabschnitts wiedererlangt oder zurückgewonnen wird. In dem Oberflächenabschnitt wird eine Verunreinigungsschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps oder eine Verunreinigungsschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer Verunreinigungskonzentration von gleich oder mehr als 1 × 1021 cm–3 ausgebildet.
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Durch das obige Herstellungsverfahren kann die Schraubenversetzung in den Oberflächenabschnitt des Defekt enthaltenden Substrats zum Verschwinden gebracht werden. Selbst wenn daher eine Verunreinigungsschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps oder eine Verunreinigungsschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer Verunreinigungskonzentration von gleich oder mehr als 1 × 1021 cm–3 in dem Oberflächenabschnitt gebildet wird, kann eine Diffusion von Verunreinigungen in dem Defekt enthaltenden Substrat eingeschränkt oder unterbunden werden.
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Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
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Es zeigt:
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1A und 1B jeweils schematisch Darstellungen eines Herstellungsprozesses für ein Siliziumkarbid-Substrat gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2A und 2B jeweils TEM-Schnittbilder des durch ein Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform hergestellten SiC-Substrats und 2C und 2D jeweils erläuternde Darstellungen aus den TEM-Schnittbildern der 2A und 2B;
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3A bis 3C jeweils Darstellungen eines Herstellungsprozesses für ein SiC-Substrat gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4A bis 4D jeweils Darstellungen eines Herstellungsprozesses für ein SiC-Substrat gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5A bis 5D jeweils Darstellungen eines Herstellungsprozesses für ein SiC-Substrat gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6A bis 6C jeweils Darstellungen eines Herstellungsprozesses für ein SiC-Substrat gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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7A und 7B jeweils Darstellungen eines Herstellungsprozesses für ein SiC-Substrat gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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<Erste Ausführungsform>
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Ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Substrats (Siliziumkarbid-Substrats) 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1A und 1B beschrieben.
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Zunächst wird ein Defekt enthaltendes Substrat 2 aus SiC bereitgestellt. Das Defekt enthaltende Substrat 2 hat eine Vorderfläche, eine der Vorderfläche gegenüberliegende Rückenfläche und einen der Vorderfläche benachbarten Oberflächenabschnitt 2a. Das Defekt enthaltende Substrat enthält Schrauben- oder Querversetzungen (Mischversetzungen, ”threading mixed dislocations”) 1, die sich zur Vorderfläche erstrecken. Mit anderen Worten, es wird ein Defekt enthaltendes Substrat 2 hergestellt oder bereitgestellt, welches im Oberflächenabschnitt 2a Schrauben- oder Querversetzungen enthält.
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Das Defekt enthaltende Substrat 2 hat einen Neigungswinkel oder ”off-angle” zwischen 4 und 8 Grad. Das Defekt enthaltende Substrat 2 ist aus einem 4H-SiC-Einkristall mit einer Vorderfläche einer (0001) Ebene. Das Defekt enthaltende Substrat 2 kann beispielsweise durch Zerteilen (Trennschneiden oder dergleichen) eines SiC-Einkristallrohlings bereitgestellt werden, der durch ein übliches Herstellungsverfahren gebildet wurde. Bei der vorliegenden Ausführungsform enthalten die Mischversetzungen 1 Schrauben- oder Querversetzungen.
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Dann werden gemäß 2B Verunreinigungselemente in das Defekt enthaltende Substrat 2 von der Vorderfläche der (0001) Ebene implantiert. Die Verunreinigungselemente umfassen beispielsweise Verunreinigungen des N-Typs, ausgewählt aus z. B. N, P, As und Sb, Verunreinigungen des P-Typs, ausgewählt aus z. B. B, Al, Ga oder In oder InertVerunreinigungen, ausgewählt aus z. B. Si, C, F, He, Ne, Ar, Kr und Xe. Folglich wird eine externe Kraft auf den Oberflächenabschnitt 2a des Defekt enthaltenden Substrats 2 aufgebracht, in dem Oberflächenabschnitt 2a wird eine Verwerfung oder Versetzung erzeugt und eine Kristallinität des Oberflächenabschnitts 2a wird verringert. Mit anderen Worten, der Oberflächenabschnitt 2a des Defekt enthaltenden Substrats 2 wird in eine amorphe Form geändert.
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Wenn eine Ionenimplantation durchgeführt wird, beträgt die Temperatur des Defekt enthaltenden Substrats beispielsweise ungefähr 500°C und eine Beschleunigungsspannung der Verunreinigungselemente liegt zwischen 20 KeV und 700 KeV. Die Ionenimplantation kann so durchgeführt werden, dass eine Verunreinigungskonzentration zwischen 1 × 1015 cm–3 und 1 × 1022 cm–3 erreicht wird. Die Ionenimplantation in der Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 kann das Aufbringen einer externen Kraft auf die Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 bewirken.
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Sodann wird das Defekt enthaltende Substrat 2 thermisch behandelt, sodass die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 2a wiederhergestellt wird. Mit anderen Worten, der Oberflächenabschnitt 2a (sein Zustand) ändert sich von amorph in rekristallisiert. Die thermische Behandlung wird bei einer Temperatur durchgeführt, die höher als eine Temperatur ist, bei der das Defekt enthaltende Substrat 2 zu schmelzen beginnt und die niedriger ist als eine Temperatur, bei der das Defekt enthaltende Substrat 2 sublimiert. Die thermische Behandlung wird bei einer Temperatur von beispielsweise 1400°C bis 1600°C durchgeführt. Hierdurch wird das SiC-Substrat 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform gebildet.
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Im Oberflächenabschnitt 2a des SiC-Substrats 10 verschwinden die Schraubenversetzungskomponenten aus den Mischversetzungen 1 und Kantenversetzungen 3 (”edge dislocations”) werden erzeugt.
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Wie oben beschrieben, wird bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 2a durch implantieren von Ionen von der Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 her verringert, sodass eine Versetzung in dem Oberflächenabschnitt 2a verursacht wird. Dann wird mittels der thermischen Behandlung die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 2a zurückgewonnen. Obgleich die Wirkmechanismen noch nicht abschließend geklärt sind, kann davon ausgegangen werden, dass die während der Ionenimplantation verursachte Versetzung oder Verwerfung wiederum Versetzungen oder Verwerfungen beeinflusst, welche die Schraubenversetzungen erzeugen, sodass die Schraubenversetzungen aus dem Oberflächenabschnitt 2a des Defekt enthaltenden Substrats 2 zum Verschwinden gebracht werden können.
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Die 2A und 2B sind TEM-Schnittbilder (TEM = Transmission Electron Microscope) des SiC-Substrats 10, welches durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hergestellt wurde. 2A ist ein Bild, welches mit g = 0004 aufgenommen worden ist und 2B ist ein Bild, welches mit g = 11–20 aufgenommen worden ist, wobei ”g” ein Diffraktionsvektor ist. 2C ist eine erläuternde Darstellung des TEM-Bilds von 2A und 2D ist eine erläuternde Darstellung des TEM-Bilds von 2B.
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Es ist bekannt, dass ein SiC-Substrat eines hexagonalen Systems eine Schraubenversetzung mit einem Burgers-Vektor von α<0001>, eine Kantenversetzung mit einem Burgers-Vektor von 1/3<2-1-10> und eine Mischversetzung mit einem Burgers-Vektor von 1/3<2-1-13> enthalten kann. Es ist auch bekannt, dass, wenn ein Burgers-Vektor einer Versetzung ”b” ist und g·b = 0 ist, ein Kontrast der Versetzung aus einem TEM-Schnittbild verschwindet.
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In 2A verschwindet ein Kontrast der Versetzung in dem Oberflächenabschnitt 2A des SiC-Substrats 10. In 2B verbleibt der Kontrast der Versetzung im Oberflächenabschnitt 2a des SiC-Substrats 10. Somit kann bestätigt werden, dass die Versetzung im Oberflächenabschnitt 2a des SiC-Substrats 10 eine Kantenversetzung 3 ist. Mit anderen Worten, obgleich das Defekt enthaltende Substrat 2 mit den Mischversetzungen 1 bereitgestellt wird, wird, wenn das SiC-Substrat 10 hergestellt wird, die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 2a durch Ionenimpfantation und der Verursachung einer Versetzung verringert und die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 2a wird durch die thermische Behandlung wiedererlangt, sodass Schraubenversetzungen im Oberflächenabschnitt 2a des SiC-Substrats 10 verschwinden und sich die Mischversetzungen 1 im Oberflächenabschnitt 2a in die Kantenversetzungen 3 ändern.
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Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Schraubenversetzungen im Oberflächenabschnitt 2a zum Verschwinden bringen und erlaubt die Herstellung eines SiC-Substrats 10, bei dem Schraubenversetzungen im Oberflächenabschnitt 2a eingeschränkt oder unterbunden sind. In einem Fall, wo das SiC-Substrat 10 als ein Keimkristall verwendet wird und ein SiC-Einkristall auf der Vorderfläche des Keimkristalls wächst, kann die Erzeugung einer Schraubenversetzung in dem gewachsenen SiC-Einkristall unterbunden werden, da eine Schraubenversetzung im Oberflächenabschnitt 2a unterbunden ist, d. h. im Vergleich zu einem herkömmlichen Keimkristall ist die Schraubenversetzung in der Vorderfläche des SiC-Substrats 10 stark eingeschränkt oder völlig unterbunden.
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In einem Fall, wo das SiC-Substrat 10 als ein Vorrichtungssubstrat verwendet wird und beispielsweise eine Epitaxialschicht auf der Vorderfläche des SiC-Substrats 10 ausgebildet wird, kann die Ausbildung von Schraubenversetzungen in der Epitaxialschicht gleichermaßen unterbunden oder begrenzt werden.
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Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind nur das Ionenimplantieren und die thermische Behandlung als Verfahrensschritte benötigt.
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Somit ist der Herstellungsprozess im Vergleich zu einem herkömmlichen Herstellungsverfahren wesentlich vereinfacht, bei dem ein SiC-Substrat hergestellt wird, während die Wachstumsrichtung des SiC-Einkristalls geändert werden muss.
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Obgleich die Kanten- oder Randversetzungen 3 im Oberflächenabschnitt 2a des SiC-Substrats 10 vorhanden sind, wachsen die Kantenversetzungen 3 in der Epitaxialschicht, wenn eine solche Epitaxialschicht auf der Vorderfläche des SiC-Substrats 10 ausgebildet wird und eine Schraubenversetzung wird aufgrund der Kantenversetzungen 3 nicht erzeugt.
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Wenn in dem Prozess gemäß 1B die Ionenimplantation durchgeführt wird, sodass die Verunreinigungskonzentration gleich oder mehr als 1 × 1021 cm–3 wird, diffundieren die Verunreinigungen entlang der Schraubenversetzungen in den Mischversetzungen 1. Es besteht jedoch kein Problem in dem Fall, bei dem das durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hergestellte SiC-Substrat 10 als Keimkristall verwendet wird. Es besteht auch kein Problem in einem Fall, wo eine Epitaxialschicht auf der Vorderfläche des SiC-Substrats 10 ausgebildet wird, da Schichten einschließlich einer Quellenschicht in der Epitaxialschicht gebildet werden.
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<Zweite Ausführungsform>
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Ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Substrats 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 3A bis 3C beschrieben. Bei dem Verfahren gemäß dieser Ausführungsform wird ein SiC-Einkristall nach dem Prozess gemäß 1B der ersten Ausführungsform aufgewachsen und der verbleibende Prozess ist ähnlich zur ersten Ausführungsform.
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Während eines Prozesses gemäß der 3A und 3B wird ein Prozess ähnlich zu demjenigen der 1A und 1B durchgeführt. Dann wird gemäß 3C ein SiC-Einkristall 4 auf der Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 beispielsweise durch ein CVD-Verfahren (chemische Dampfabschneidung), ein Sublimationswachstumsverfahren, ein Flüssigwachstumsverfahren oder ein Gaswachsverfahren aufgebracht. Auf diese Weise wird ein SiC-Substrat 10 hergestellt.
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Bei dem Verfahren gemäß dieser Ausführungsform kann der SiC-Einkristall 4 Einflüsse von Versetzungen in der Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 verringern. Somit können ähnliche Effekte wie bei der ersten Ausführungsform erreicht werden und das SiC-Substrat 10 kann hergestellt werden, wobei eine Versetzung oder Verwerfung in der Vorderfläche zumindest verringert ist. Da der SiC-Einkristall 4 Einflüsse von Versetzungen in der Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 verringern kann, kann, wenn das SiC-Substrat 10 als Keimkristall verwendet wird, ein SiC-Einkristall hoher Qualität im Vergleich zur ersten Ausführungsform erhalten werden.
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Nach dem Prozess gemäß 3B werden im Oberflächenabschnitt 2a des Defekt enthaltenden Substrats 2 die Kantenversetzungen 3 erzeugt, da die Schraubenversetzungen aus den Mischversetzungen 1 verschwinden.
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<Dritte Ausführungsform>
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Ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Substrats 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der 4A bis 4D beschrieben. Bei dem Verfahren dieser Ausführungsform wird ein SiC-Einkristall nach dem Prozess gemäß 3C der zweiten Ausführungsform aufgewachsen oder nach einem Prozess, der ähnlich zur zweiten Ausführungsform ist.
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Während des Ablaufs der 4A bis 4C wird ein Prozess oder Herstellungsverfahren ähnlich zu demjenigen der 3A bis 3C durchgeführt. Während des Prozesses gemäß 4C wird durch ein CVD-Verfahren epitaxial ein SiC-Einkristall 4 aufgewachsen. Dann wird gemäß 4D durch ein Sublimationsaufwachsverfahren, ein Flüssigaufwachsverfahren oder ein Gasaufwachsverfahren auf dem SiC-Einkristall 4 ein SiC-Einkristall 5 ausgebildet. Das SiC-Substrat 10 ist hierdurch fertiggestellt.
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Bei dem Verfahren dieser Ausführungsform können Einflüsse durch Versetzungen in der Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 durch den SiC-Einkristall 4 verringert werden. Zusätzlich können Einflüsse von Versetzungen im SiC-Einkristall 4 durch den SiC-Einkristall 5 verringert werden. Somit können Effekte ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform erhalten werden und Versetzungen bzw. deren Auswirkungen in der Vorderfläche des SiC-Substrats 10 können weiter verringert werden.
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Da im Vergleich zur zweiten Ausführungsform die Versetzungen bzw. deren Auswirkungen in der Vorderfläche des SiC-Substrats 10 weiter verringert sind, kann, wenn das SiC-Substrat 10 als Keimkristall verwendet wird, ein SiC-Einkristall hoher Qualität aufgewachsen werden.
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Im vorliegenden Verfahren wird der SiC-Einkristall 4 epitaxial aufgewachsen. Somit kann die Kristallinität des SiC-Einkristalls 4 verbessert werden im Vergleich zu einem Fall, bei dem der SiC-Einkristall 4 durch ein anderes Verfahren aufgewachsen wird, beispielsweise ein Sublimationsverfahren, und der SiC-Einkristall 4 kann unter Übernahme der Defekte (Versetzungen) aufgewachsen werden, welche in der Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 vorhanden sind. Da die Kantenversetzungen 3 in der Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 vorhanden sind, kann der SiC-Einkristall 4 unter Erzeugung der Kantenversetzung 3 aufwachsen. Mit anderen Worten, die Erzeugung einer Schraubenversetzung aufgrund der Kantenversetzungen 3, die in der Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 vorhanden sind, kann eingeschränkt oder unterbunden werden.
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<Vierte Ausführungsform>
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Ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Substrats 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug auf die 5A bis 5C beschrieben. Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden eine Ionenimplantation und eine thermische Behandlung nach dem Prozess von 3C der zweiten Ausführungsform durchgeführt und der verbleibende Prozessablauf ist ähnlich zur zweiten Ausführungsform.
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Während eines Prozesses der 5A bis 5C wird ein Prozess ähnlich demjenigen der 3A bis 3C durchgeführt. Dann werden gemäß 5D Verunreinigungselemente von Seiten der Vorderfläche des SiC-Einkristalls 4, d. h. von einer gegenüberliegenden Seite des SiC-Einkristalls 4 zur Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 implantiert. Folglich wird in einem Oberflächenabschnitt 4a des SiC-Einkristalls 4 eine Versetzung erzeugt und die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 4a wird verringert. Das Ionenimplantieren von der Vorderflächenseite des SiC-Einkristalls 4 her kann als Aufbringung einer externen Kraft auf die Vorderfläche des SiC-Einkristalls 4 verstanden oder ausgelegt werden. Durch eine thermische Behandlung wird dann die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 4a zurückerhalten. Die Ionenimplantation und die thermische Behandlung in dem Prozess gemäß 5D können auf eine ähnliche oder identische Weise wie die Ionenimplantation und thermische Behandlung im Prozess gemäß 1B durchgeführt werden.
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Bei dem Herstellungsverfahren gemäß dieser Ausführungsform kann eine Schraubenversetzung, die in dem SiC-Einkristall 4 erzeugt wurde, zum Verschwinden gebracht werden, selbst wenn ein Teil einer Schraubenversetzungskomponente im Oberflächenabschnitt 2a im Prozess gemäß 5B verbleibt und eine Schraubenversetzung in dem SiC-Einkristall 4 aufgrund der im Oberflächenabschnitt 2a im Prozess von 5C verbleibenden Schraubenversetzung erzeugt wird, da die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 4a durch das Implantieren von Ionen in den Oberflächenabschnitt 4a des SiC-Einkristalls 4 verringert wird, da die Versetzung im Oberflächenabschnitt 4a verursacht und die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 4a durch die thermische Behandlung zurückgewonnen wird. Somit können Effekte ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform erreicht werden und das SiC-Substrat 10, in welchem eine Schraubenversetzung im Oberflächenabschnitt 4a im Vergleich zur zweiten Ausführungsform noch weiter eingeschränkt ist, lässt sich herstellen. Da die Schraubenversetzung im Oberflächenabschnitt 4a im Vergleich zur zweiten Ausführungsform noch weiter eingeschränkt oder zurückgenommen ist, kann dann, wenn das SiC-Substrat 10 als Keimkristall verwendet wird, ein SiC-Einkristall hoher Qualität erzeugt werden.
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<Fünfte Ausführungsform>
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Ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Substrats 10 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der 6A bis 6C beschrieben. Bei dem Verfahren gemäß dieser Ausführungsform wird nach dem Prozess von 1B der ersten Ausführungsform ein mechanisches Polieren durchgeführt und der verbleibende Prozess ist ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform.
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Während eines Prozesses der 6A und 6B wird ein Prozess ähnlich dem Prozess der 1A und 1B durchgeführt. Dann wird gemäß 6C die Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 durch ein chemisch/mechanisches Polieren (CMP) eingeebnet. Hierdurch wird das SiC-Substrat 10 dieser Ausführungsform hergestellt.
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Bei dem Verfahren gemäß dieser Ausführungsform können Effekte ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform erreicht werden und das SiC-Substrat 10 mit einer eingeebneten Oberfläche kann hergestellt werden. Wenn somit das SiC-Substrat 10 als Keimkristall verwendet wird und ein SiC-Einkristall auf der Vorderfläche des SiC-Substrats 10 aufwächst, kann im Vergleich zur ersten Ausführungsform die Erzeugung von Versetzungen und Defekten in dem aufgewachsenen SiC-Einkristall aufgrund von Unebenheiten der Vorderfläche des SiC-Substrats 10 eingeschränkt oder unterbunden werden.
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Wenn das SiC-Substrat 10 als Vorrichtungssubstrat verwendet wird und beispielsweise eine Epitaxialschicht auf der Vorderfläche des SiC-Substrats 10 ausgebildet wird, kann im Vergleich zur ersten Ausführungsform die Erzeugung von Versetzungen und ein Defekt in der Epitaxialschicht aufgrund von Unebenheiten in der Vorderfläche des SiC-Substrats 10 eingeschränkt oder unterbunden werden.
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<Sechste Ausführungsform>
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Ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Substrats 10 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der 7A und 7B beschrieben. Bei dem Verfahren gemäß dieser Ausführungsform wird ein Defekt enthaltendes Substrat 2 unterschiedlich zum Defekt enthaltenden Substrat 2 gemäß der ersten Ausführungsform vorbereitet; die verbleibenden Prozesse sind ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird, wie in 7A gezeigt, ein Grundsubstrat (SiC-Substrat) 2b mit Mischversetzungen 1 bereitgestellt. An einer Vorderfläche des SiC-Grundsubstrats 2b wird eine Epitaxialschicht 2c vom N-Typ ausgebildet. Auf der Epitaxialschicht 2c vom N-Typ wird eine Epitaxialschicht 2d vom P-Typ gebildet. Folglich wird das Defekt enthaltende Substrat 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform gebildet. Da das SiC-Grundsubstrat 2b die Mischversetzungen 1 enthält, enthalten auch die Epitaxialschicht 2c vom N-Typ und die Epitaxialschicht 2d vom P-Typ die Mischversetzungen 1, da die Mischversetzungen 1, die auf der Vorderfläche des SiC-Grundsubstrats 2b vorhanden sind, mit übernommen werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Epitaxialschicht 2c vom N-Typ als Epitaxialschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps dienen und die Epitaxialschicht 2d vom P-Typ kann als Epitaxialschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp dienen.
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Nachfolgend wird gemäß 7B die Kristallinität eine Oberflächenabschnitts 2a der Epitaxialschicht 2d vom P-Typ beispielsweise durch Implantieren von Al-Ionen verringert und eine Versetzung wird bewirkt. Dann wird das Defekt enthaltende Substrat 2 thermisch behandelt, sodass die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 2a wiederhergestellt wird. Auf diese Weise wird das SiC-Substrat 10 hergestellt.
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Das Implantieren von Al-Ionen kann so erfolgen, dass die Verunreinigungskonzentration im Bereich von 1 × 1015 cm–3 bis 1 × 1020 cm–3 liegt. Wenn die Ionenimplantation durchgeführt wird, sodass die Verunreinigungskonzentration gleich oder größer als 1 × 1021 cm–3 wird, können die Verunreinigungen entlang der Schraubenversetzung diffundieren, während Ionen implantiert werden.
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Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform können Effekte ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform erhalten werden und ein SiC-Substrat 10, bei dem die Schraubenversetzung aus dem Oberflächenabschnitt 2a entfernt wurde, kann hergestellt werden.
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Das SiC-Substrat 10 kann zur Herstellung einer SiC-Halbleitervorrichtung, beispielsweise einen MOSFET verwendet werden. Im vorliegenden Fall kann ein Source-Bereich und eine Source-Elektrode ausgebildet werden und eine Kontaktschicht mit beispielsweise einer Verunreinigungskonzentration von gleich oder mehr als 1 × 1021 cm–3 kann in dem Oberflächenabschnitt 2a mit Verunreinigungen vom P-Typ gebildet werden. Die Kontaktschicht kann als eine Verunreinigungsschicht dienen.
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Bei einem SiC-Substrat, das durch ein herkömmliches Verfahren hergestellt wird, kann in einem Oberflächenabschnitt des SiC-Substrats eine Schraubenversetzung vorhanden sein. Wenn somit eine Kontaktschicht mit einer Verunreinigungskonzentration von gleich oder mehr als 1 × 1021 cm–3 im Oberflächenabschnitt mit Verunreinigungen vom P-Typ gebildet wird, können die Verunreinigungen vom P-Typ in das SiC-Substrat entlang der Schraubenversetzungen eindiffundieren und diese eindiffundierten Verunreinigungen vom P-Typ können einen Leckstrom verursachen. Durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch ein SiC-Substrat 10 hergestellt werden, bei dem die Schraubenversetzungen aus dem Oberflächenabschnitt 2a der Epitaxialschicht 2d vom P-Typ entfernt sind. Wenn somit die Kontaktschicht im Oberflächenabschnitt 2a ausgebildet wird, können die Verunreinigungen vom P-Typ nicht in das SiC-Substrat 10 eindiffundieren und die Erzeugung eines Leckstroms kann unterbunden werden. Eine Tiefe der Ionenimplantation zur Ausbildung der Kontaktschicht sollte geringer sein als eine Tiefe der Ionenimplantation, mit der die Schraubenversetzungen zum Verschwinden gebracht werden.
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Verunreinigungen vom P-Typ diffundieren entlang von Schraubenversetzungen ein, wenn eine Kontaktschicht mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1021 cm–3 in einem SiC-Substrat gebildet wird. Somit kann das SiC-Substrat 10, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, auf geeignete Weise zur Herstellung einer SiC-Halbleitervorrichtung verwendet werden, die eine Kontaktschicht enthält, bei der eine Verunreinigungskonzentration von gleich oder mehr als 1 × 1021 cm–3 vorliegt.
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<Andere Ausführungsformen>
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Obgleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen hiervon unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben worden ist, versteht sich, dass eine Vielzahl von Änderungen und Abwandlungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich ist.
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Bei den Verfahren gemäß der oben beschriebenen Ausführungsformen wird beispielsweise externe Kraft auf die Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats 2 durch das Implantieren von Ionen aufgebracht. Diese externe Kraft kann aber auch auf die Vorderseite des Defekt enthaltenden Substrats 2 durch mechanisches Polieren aufgebracht werden, beispielsweise durch CMP. Folglich kann eine im Oberflächenabschnitt 2a des Defekt enthaltenden Substrats 2 verursachte Versetzung und die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 2a verringert werden. Bei der vierten Ausführungsform wird die externe Kraft auf den Oberflächenabschnitt 4a des SiC-Einkristalls 4 durch Implantieren von Ionen aufgebracht. Die externe Kraft kann aber auf den Oberflächenabschnitt 4a des SiC-Einkristalls durch mechanisches Polieren, beispielsweise CMP aufgebracht werden. Folglich kann eine Versetzung im Oberflächenabschnitt 4a des SiC-Einkristalls 4 verursacht werden und die Kristallinität des Oberflächenabschnitts 4a kann verringert werden.
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In den obigen Ausführungsformen ist das Defekt enthaltende Substrat 2 aus einem 4H-SiC-Einkristall und hat eine Vorderfläche in der (0001) Ebene. Dies ist nur ein Beispiel. Das Defekt enthaltende Substrat 2 kann beispielsweise auch eine Vorderfläche einer (11-20) Ebene haben. Das Defekt enthaltende Substrat 2 kann auch ein 2H-SiC-Einkristall oder ein 6H-SiC-Einkristall sein.
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In den obigen Ausführungsformen wird als Beispiel ein Defekt enthaltendes Substrat 2 mit den Mischversetzungen (”threading mixed dislocations”) 1 verwendet. Die Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können aber auch bei einem Defekt enthaltenden Substrat 2 angewendet werden, welches Schrauben- oder Querversetzungen (”treading screw dislocations”) enthält oder bei einem Defekt enthaltenden Substrat, welches nur Schraubenversetzungen in einem Oberflächenabschnitt 2a hat.
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Bei der fünften Ausführungsform kann, nachdem der Verfahrensschritt von 5D durchgeführt worden ist, ein weiterer SiC-Einkristall auf dem SiC-Einkristall 4 aufgewachsen werden, um das SiC-Substrat 10 ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform auszubilden. Bei diesem Fall kann ein SiC-Substrat hergestellt werden, bei dem die Versetzung im SiC-Einkristall 4 durch das SiC-Einkristallwachstum auf dem SiC-Einkristall 4 verringert ist.
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In der fünften Ausführungsform ist die Epitaxialschicht des ersten Leitfähigkeitstyps eine Epitaxialschicht vom N-Typ und die Epitaxialschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist eine Epitaxialschicht vom P-Typ als Beispiel. Alternativ kann die Epitaxialschicht des ersten Leitfähigkeitstyps vom P-Typ sein und die Epitaxialschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp kann vom N-Typ sein. Die Kontaktschicht kann auch mit Verunreinigungen vom N-Typ ausgebildet werden.
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Bei der fünften Ausführungsform wird die Versetzung im Oberflächenabschnitt 2a durch das Implantieren von Al-Ionen verursacht. Die zu implantierenden Verunreinigungen können auch Verunreinigungen vom P-Typ, Verunreinigungen vom N-Typ oder Inert-Verunreinigungen sein. Wenn Verunreinigungen vom P-Typ oder Verunreinigungen vom N-Typ implantiert werden, kann die Ionenimplantation so erfolgen, dass die Verunreinigungskonzentration zwischen 1 × 1015 cm–3 und 1 × 1020 cm–3 liegt, um eine Diffusion der Verunreinigungen entlang von Schraubenversetzungen zu begrenzen. Wenn Inert-Verunreinigungen implantiert werden, ergeben sich keinerlei Probleme, selbst wenn diese Verunreinigungen eindiffundieren. Somit kann die Ionenimplantation unter Bedingungen ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt werden.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkarbid-Substrats wird somit insoweit zusammenfassend ein Defekt enthaltendes Substrat aus Siliziumkarbid bereitgestellt. Das Defekt enthaltende Substrat hat eine Vorderfläche, eine Rückenfläche gegenüberliegend der Vorderfläche und einen Oberflächenabschnitt benachbart der Vorderfläche. Das Defekt enthaltende Substrat enthält in dem Oberflächenabschnitt eine Schraubenversetzung. Die Vorderfläche des Defekt enthaltenden Substrats wird mit einer externen Kraft beaufschlagt, um die Kristallinität des Oberflächenabschnitts zumindest zu verringern. Nach Aufbringung der externen Kraft wird das Defekt enthaltende Substrat thermisch behandelt, sodass die Kristallinität des Oberflächenabschnitts wiederhergestellt oder zurückgewonnen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2003-119097 A [0003]
- US 2003/0070611 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Study and Analysis of Reverse Characteristic of Al-ion Doped C-plane PN Diode” von Takashi Tsuji in ”Proceedings of the 4th Individual Discussion of the SiC and Related Wide Bandgag Semiconductors” der Japan Society of Applied Physics, 31. Juli 2009, Seite 74 [0002]
- ”Relationship among Forming Method, Channel Mobility, and Reliability of C-plane 4H-SiC MOS Gate Insulating Film” von Takuma Suzuki in ”Proceedings of the 4th Individual Discussion of the SiC and Related Wide Bandgag Semiconductors” der Japan Society of Applied Physics, 31. Juli 2009, Seite 50 [0002]