DE60101069T2

DE60101069T2 - Siliziumkarbid und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE60101069T2
Application number: DE60101069T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Hachiouji-shi Nagasawa
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2021-08-11
Also published as: US20020019117A1; EP1179620A1; JP3650727B2; US7166523B2; KR100450316B1; EP1179620B1; JP2002057109A; DE60101069D1; US20040266057A1; KR20020013761A

Description

Allgemeiner Stand der Technik
Die Erfindung betrifft Siliciumcarbid und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbidschicht, eine Vorrichtung, die dieses Siliciumcarbid einschließt, einen Vorblock aus Siliciumcarbid und dergleichen. In diesem Zusammenhang muß erwähnt werden, daß das Siliciumcarbid für ein Substratmaterial einer Halbleitervorrichtung, eines Sensors, eines Hilfswafers bei einem Halbleiterherstellungsverfahren, einer Röntgenstrahlenmaske, einer Solarzelle usw. verwendet wird.
Auf diesem Fachgebiet ist bekannt, daß Siliciumcarbid selbst ein Halbleiter ist, der ein verbotenes Energieband mit einer Breite von 2,2 eV oder mehr aufweist und von thermisch, chemisch und mechanisch stabilen Kristallen gebildet wird. Außerdem wurden Anwendungen von Siliciumcarbid bei einer Halbleitersubstanz in Betracht gezogen, die unter Bedingungen mit einer hohen Frequenz und einer hohen elektrischen Energie verwendet wird, da Siliciumcarbid eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Als ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid sind auf diesem Fachgebiet das Acheson-Verfahren und das Sublimations- und Rekristallisationsverfahren (wird auch als verbessertes Lely-Verfahren bezeichnet werden) bekannt. Insbesondere dient das Acheson-Verfahren der Umsetzung von Silicium auf erwärmtem Koks, um auf der Oberfläche des Koks Siliciumcarbid abzuscheiden, während das Sublimations- und Rekristallisationsverfahren dem Erwärmen des durch das Acheson-Verfahren erhaltenen Siliciumcarbids dient, um es zu sublimieren und danach zu rekristallisieren. Außerdem ist auch ein Abscheidverfahren aus einer Flüssigkeit bekannt, bei dem Silicium in einem Kohletiegel geschmolzen wird, um Siliciumcarbid abzuziehen, wobei die im Tiegel schwimmende Kohle mit Silicium umgesetzt wird.
Außerdem wurden auch andere Verfahren vorgeschlagen, um eine Siliciumcarbidschicht zu erhalten, die eine hohe Reinheit und weniger Kristallfehler aufweist. Als derartige Verfahren sind insbesondere ein chemisches Dampfabscheidverfahren (CVD) und ein Epitaxieverfahren einer atomaren Schicht (ALE) bekannt. Beim CVD-Verfahren wird Siliciumcarbid auf einer Oberfläche eines Substrats abgeschieden, indem eine gasförmige Kohlenstoffquelle in einer Atmosphäre mit Normaldruck oder reduziertem Druck mit einer anderen gasförmigen Siliciumquelle thermisch umgesetzt wird. Andererseits werden die Moleküle der Siliciumquelle und die Moleküle der Kohlenstoffquelle im Wechsel auf einer Substratoberfläche adsorbiert, und das epitaxiale Wachstum von Siliciumcarbid schreitet fort, wobei die Kristallinität des Substrats im Siliciumcarbid unverändert bleibt.
Hierbei muß darauf hingewiesen werden, daß bei der Verwendung von Siliciumcarbid als Material einer Halbleitervorrichtung die Kontrolle einer Verunreinigung extrem wichtig ist. Siliciumcarbid kann z. B. als ein Substrat für eine Leistungs-Halbleitervorrichtung vom diskreten Typ, wie eine Schottky-Sperrdiode, verwendet werden. In diesem Fall weist die Vorrichtung einen Serienwiderstand oder einen Durchlasswiderstand auf, wenn die Vorrichtung in den Durchlasszustand gestellt ist, und dieser Durchlasswiderstand ist aufgrund einer Verringerung des Energieverlusts innerhalb der Vorrichtung vorzugsweise gering. Um den Durchlasswiderstand zu verringern, muß das Substrat mit einer Verunreinigungsmenge von höchstens 10²¹/cm³ dotiert sein.
Andererseits sollte die Durchschlagsspannung einer Halbleitervorrichtung in Betracht gezogen werden. Eine solche Durchschlagsspannung des Halbleiters ist im allgemeinen der –0,5. Potenz (d. h. minus Quadratwurzel) der Verunreinigungskonzentration proportional. Angesichts dessen sollte die Verunreinigungskonzentration in einem Teil der Vorrichtung, in dem das elektrische Feld konzentriert ist, auf 1 × 10¹⁴/cm³ verringert werden.
In der Zwischenzeit wird bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung, die Silicium als ein Grundmaterial verwendet, ein Wärmediffusionsverfahren angewendet, um das Substrat mit einer Verunreinigung zu dotieren. Das Wärmediffusionsverfahren dient dazu, die Verunreinigung in das Substrat einzubringen, indem eine Verunreinigung auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht oder das Substrat einer Atmosphäre mit der Verunreinigung ausgesetzt wird und das Substrat anschließend erwärmt wird. Ein solches Wärmediffusionsverfahren kann jedoch nicht bei einem Siliciumcarbidsubstrat angewendet werden. Der Grund dafür ist, daß der Diffusionskoeffizient innerhalb von Siliciumcarbid im Vergleich mit dem innerhalb von Silicium extrem niedrig ist. Damit ist die Diffusion der Verunreinigung bis zu der Tiefe, die für die Herstellung der Halbleitervorrichtung zur Verfügung steht (tiefer als 1 μm bei einem Konzentrationsbereich zwischen 1 × 10¹⁴ und 1 × 10²¹/cm³), sehr schwierig.
Unter diesen Umständen wird gewöhnlich ein Ioneninjektionsverfahren angewendet, um Siliciumcarbid mit einer Verunreinigung zu versetzen, und dies ist für eine umfassende Kontrolle der Verunreinigungskonzentration nützlich. Aufgrund des Bereichs von injizierten Ionen hat das Ioneninjektionsverfahren bei der Verteilung einer Verunreinigung entlang der Tiefenrichtung jedoch unvermeidlich Grenzen. Mit anderen Worten hängt die Verteilung der Verunreinigung vom Bereich der injizierten Ionen ab. Angesichts dessen offenbart die ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. Hei 11-503571, d. h. 503571/1999, ein Verfahren zum Einführen eines Dotierungsmittels in eine Halbleiterschicht aus Siliciumcarbid. Genauer sollte das Verfahren einen Schritt des Ioneninjizierens eines Dotierungsmittels in eine Halbleiterschicht bei einer geringen Temperatur und einen Schritt des Temperns der Halbleiterschicht bei einer hohen Temperatur aufweisen. In diesem Fall wird der Ioneninjektionsschritt bei der geringen Temperatur durchgeführt, so daß nahe einer Oberfläche des Halbleiters eine amorphe Schicht erzeugt wird, wohingegen der Temperschritt bei der hohen Temperatur erfolgt, so daß das Dotierungsmittel in eine nicht injizierten Schicht diffundiert wird, die unter der amorphen Schicht liegt. Selbst bei Anwendung dieses Verfahrens ist es schwierig, die Verunreinigung mit einer hohen Konzentration über das gesamte Substrat zu diffundieren.
Außerdem weisen die injizierten Ionen eine unzureichende elektrische Aktivierung auf, und das Ioneninjizieren führt zu Kristallfehlern innerhalb des Siliciumcarbids. Unter diesen Umständen wurde in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei 12-068225, d. h. 068225/2000, ein Verfahren zum zusätzlichen Ioneninjizieren von Kohlenstoffatomen (C) vorgeschlagen, um die elektrische Aktivierung von in das Siliciumcarbid injizierten Akzeptoren zu verbessern. Dieses Verfahren bewirkt auch eine Unterdrückung der durch die Wärmebehandlung entstehenden Diffusion. Außerdem offenbart die ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. Hei 11-121393, d. h. 121393/1999, ein Verfahren, bei dem auf einer Siliciumoberfläche eines Siliciumcarbidsubstrats eine Maske aus SiO₂ erzeugt wird und danach die Ioneninjektion von Stickstoff als Verunreinigungselement durchgeführt wird. Nach der Injektion der Verunreinigung sollte bei diesem Verfahren außerdem eine Ioneninjektion (Channeling-Injektion) aus einer zur Siliciumoberfläche senkrechten Richtung und eine weitere Ioneninjektion (Random-Injektion) aus einer anderen Richtung, die 7° zur senkrechten Richtung geneigt ist, durchgeführt werden. Wie in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei 11-121393 dargelegt, sollte die Temperatur bei der Ioneninjektion bei einer hohen Temperatur, wie 1200°C oder mehr, gehalten werden, wenn durch Ioneninjektion Phosphoratome in den Halbleiter aus Siliciumcarbid eingebracht werden.
Hierbei kann dem gesamten Substrat eine Verunreinigung zugesetzt werden. In diesem Fall wird ein Verfahren angewendet, das gleichzeitig mit dem Dotieren mit einer Verunreinigung Siliciumcarbid erzeugt, und das als Dotieren in situ bezeichnet werden kann. Bei diesem Dotieren in situ sind die Verunreinigungsquelle und die einzubringende Konzentration unvermeidlich begrenzt. In der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei 09-063968 wird z. B. ein Verfahren offenbart, das dazu führt, daß gleichzeitig mit der Zuführung eines Gasgemischs aus Kohlenstoff und Silicium in das Gas eingeschlossenes Bor fließt, und das dazu dient, daß in der Dampfphase eine Halbleiterschicht aus p-Siliciumcarbid wächst. Wenn die zugeführte Menge von Kohlenstoff und die zugeführte Menge von Silicium, die beide zum Kristallwachstum beitragen, Q_C bzw. Q_Si sind, sollte in diesem Fall folgendes Verhältnis eingehalten werden: 1 < QC/QSi < 5.
Für die Halbleiterschicht aus p-Siliciumcarbid, die in der vorstehend genannten An und Weise abgeschieden wird, sollte folgender Zusammenhang zwischen der Atomdichte d_C von Kohlenstoff und der Atomdichte d_Si von Silicium eingehalten werden: 1 < dC < dSi < 32/31.
Wie in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei 10-507734, d. h. 507734/1998, erwähnt, sollte bei einem CVD-Verfahren oder. einem Subliniationsverfahren Trialkylbor als eine organische Borverbindung verwendet werden. Insbesondere, wenn das Dotieren in einem Einkristall von Siliciumcarbid sowohl durch das CVD- als auch das Sublimationsverfahren erfolgt, wird eine organische Borverbindung verwendet, die im Molekül mindestens ein Boratom aufweist, das chemisch an mindestens ein Kohlenstoffatom gebunden ist. Die vorstehend genannte Veröffentlichung weist darauf hin, daß Trialkylbor effektiv als eine derartige organische Borverbindung wirkt.
Um unter Verwendung des Verfahrens zum Dotieren in situ die Konzentration von Stickstoff als eine Verunreinigung innerhalb eines weiten Bereichs zu variieren, berichtet Applied Physics Letters 65(13), 26 (1994) von einer Variation der Konzentration von Kohlenstoff, der beim Besetzungsverhältnis der Kristallgitter im Siliciumcarbid mit Stickstoff konkurriert. Da die Konzentration von Stickstoff, der sich an fest in Positionen des Kristallgitters befindet, für die Konzentration von Kohlenstoff empfindlich ist, sollte das Zusammensetzungsverhältnis der Siliciumquelle und der Kohlenstoffquelle beim Wachstum des Siliciumcarbids in diesem Fall streng kontrolliert werden. Dadurch wird die Massenproduktion von Siliciumcarbid schwierig.
Alternativ kann eine Verunreinigung unter Anwendung des Sublimations- und Rekristallisationsverfahrens mit Siliciumcarbid dotiert werden. In diesem Fall sollten Siliciumcarbidpulver und eine Verunreinigungsquelle (wie Al, B), die als Ausgangsmaterialien dienen, in einem vorher bestimmten Verhältnis gemischt und sublimiert werden, damit sie auf einem Impfkristall rekristallisieren. Hierbei wird erwähnt, daß bei der Sublimationstemperatur der Dampfdruck der Verunreinigungsquelle viel höher als der von Siliciumcarbid ist. Folglich wird die Verunreinigungskonzentration im Siliciumcarbid unvermeidlich zu Beginn des Wachstums von Siliciumcarbid hoch und am Ende des Wachstums gering, da die Verunreinigungsquelle verbraucht und aufgebraucht wird.
Eine solche Variation der Verunreinigungskonzentration führt zu einer Änderung des spezifischen Widerstands unter Siliciumcarbidsubstraten, wenn Siliciumcarbid, das durch ein Sublimations- und Rekristallisationsverfahren erzeugt wurde, zerschnitten wird, um Siliciumcarbidsubstrate zu erhalten. Damit läßt sich bei einer Vorrichtung nur schwer eine konstante Eigenschaft erzielen. Außerdem hat das durch das Sublimations- und Rekristallisationsverfahren gewachsene Siliciumcarbid nicht immer eine flache Oberfläche und unter Verwendung dieses Siliciumcarbids kann kein deutlicher pn-Übergang oder kein allmählicher pn-Übergang erzielt werden.
Beim herkömmlichen Dotieren in situ, bei dem während des Wachstums von Siliciumcarbid durch ein Wachstumsverfahren mit Dampf mit einer Verunreinigung dotiert wird, erfolgt das Einfangen der Verunreinigung gleichzeitig mit dem Wachstum von Siliciumcarbid. Angesichts dessen kann der pn-Übergang durch die Anwendung des vorstehend genannten Dotierens in situ gebildet werden. In diesem Fall sollten die Verunreinigungsmaterialien beim Dotieren von einem zu einem anderen umgestellt werden. Beim Umstellen der Verunreinigungsmaterialien bleibt zu Beginn des Dotierens mit einer anderen Verunreinigung zwangsläufig vorheriges Verunreinigungsgas im Reaktionssystem zurück. Folglich ist es schwierig, einen deutlichen pn-Übergang zu erreichen, der eine klare Übergangsgrenze zwischen dem p- und dem n-Bereich aufweist. Außerdem existieren in einem Abschnitt neben der Übergangsgrenze gleichzeitig Donor-Verunreinigungen und Akzeptor-Verunreinigungen, und dieses gleichzeitige Vorhandensein führt zu einem hohen Kompensationsgrad und erschwert es, die Mobilität im pn-Übergang zu verbessern.
Außerdem führen Gasströme und dergleichen zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Verunreinigungskonzentrationen in der Ebene, und eine gleichmäßige Verunreinigungskonzentration läßt sich nicht über einen weiten Bereich erzielen. Die Verunreinigungskonzentrationen können folglich nicht exakt kontrolliert werden, und das Siliciumcarbid, das die gewünschten Verunreinigungskonzentrationsverteilungen aufweist, kann nicht mit hoher Ausbeute erzielt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Um die vorstehend genannten Probleme zu lösen, ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid bereitzustellen, wie es in Anspruch 1 aufgeführt ist, mit dem eine Verunreinigung über einen Bereich mit einem Durchmesser von mehr als 10,16 cm (4 inch) dotiert werden kann, wobei eine sehr gute Kontrollierbarkeit beibehalten wird und eine hohe Produktivität erzielt werden kann.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens des beschriebenen Typs, bei dem jegliche Einschränkungen in bezug auf die Verunreinigungsquellen, die Verunreinigungskonzentrationen und/oder die Tiefen der mit Verunreinigungen dotierten Bereiche entfallen oder im wesentlichen beseitigt werden können.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung von Siliciumcarbid nach Anspruch 17 und einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, die nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurden.
Ein Verfahren, auf das diese Erfindung angewendet werden kann, besteht im Abscheiden von Siliciumcarbid aus einer Dampfphase oder Flüssigphase auf einem Substrat. Nach einem ersten Gesichtspunkt dieser Erfindung umfaßt das Verfahren die Schritte des Siliciumschichtabscheidens auf dem Substrat, des Dotierens der Siliciumschicht mit einer Verunreinigung, die aus mindestens einem Element besteht, ausgewählt aus N, B, Al, Ga, In, P, As, Sb, Se, Zn, O, Au, V, Er, Ge und Fe, unter Erzeugung einer dotierten Siliciumschicht und des Carbonisierens der dotierten Siliciumschicht zu einer Siliciumcarbidschicht des mit der Verunreinigung dotierten Siliciumcarbids.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt dieser Erfindung werden der Schritt des Siliciumschichtabscheidens, der Dotierschritt und der Carbonisierungsschritt beim epitaxialen Wachstum einer dünnen Schicht auf dem Substrat unter Verwendung eines chemischen Dampfauftragsverfahrens durchgeführt. Der Schritt des Siliciumschichtabscheidens wird unter Verwendung eines Gases einer Silangruppe und einer Dichlorsilangruppe als Silicium-Ausgangsmaterial durchgeführt, während der Carbonisierungsschritt unter Verwendung eines ungesättigten Kohlenwasserstoffgases durchgeführt wird.
Nach einem dritten Gesichtspunkt dieser Erfindung folgt dem Schritt des Siliciumschichtabscheidens ein Dotierungsschritt, und der Carbonisierungsschritt wird nach dem Dotierungsschritt durchgeführt.
Nach einem vierten Gesichtspunkt dieser Erfindung werden der Schritt des Siliciumschichtabscheidens und der Dotierungsschritt gleichzeitig durchgeführt, und darauf folgt der Carbonisierungsschritt.
Nach einem fünften Gesichtspunkt dieser Erfindung werden der Schritt des Siliciumschichtabscheidens und der Dotierungsschritt gleichzeitig durchgeführt, während der Carbonisierungsschritt durchgeführt wird, wenn ein vorher festgelegter Zeitraum nach Beginn sowohl des Schrittes des Siliciumabscheidens als auch des Dotierungsschrittes verstrichen ist.
Nach einem sechsten Gesichtspunkt dieser Erfindung wird die mit der Verunreinigung dotierte Siliciumcarbidschicht bis zu einer gewünschten Dicke abgeschieden, indem eine Verfahrenseinheit, die aus dem Schritt des Siliciumabscheidens, dem Dotierungsschritt und dem Carbonisierungsschritt besteht, mehrfach wiederholt wird.
Nach einem siebten Gesichtspunkt dieser Erfindung wird die Verunreinigungsmenge bei jedem Dotierungsschritt der Verfahrenseinheit, die im sechsten Gesichtspunkt genannt ist, variiert, um eine Mehrzahl von Siliciumcarbidschichten bereitzustellen, die jeweils unterschiedliche Verunreinigungskonzentrationen in einer Dickenrichtung aufweisen.
Nach einem achten Gesichtspunkt dieser Erfindung steuert der Dotierungsschritt die Verunreinigungsmenge, so daß die Verunreinigungskonzentrationen im Siliciumcarbid in einem Bereich zwischen 1 × 10¹³/cm³ und 1 × 10²¹/cm³ liegen.
Nach einem neunten Gesichtspunkt dieser Erfindung steuert der Dotierungsschritt die Verunreinigungsmenge, so daß der Verunreinigungskonzentrationsgradient in Dickenrichtung der Siliciumcarbidschicht in einem Bereich zwischen 10 × 10¹⁸/cm⁴ bis 4 × 10²⁴/cm⁴ liegt.
Nach einem zehnten Gesichtspunkt dieser Erfindung weist das Substrat eine Oberfläche auf, die entweder durch einen Silicium-Einkristall, ein Siliciumcarbid eines kubischen Systems und ein Siliciumcarbid eines hexagonalen Systems strukturiert ist, während die auf der Oberfläche des Substrats abgeschiedene Siliciumcarbidschicht durch Siliciumcarbid eines kubischen Systems oder eines hexagonalen Systems strukturiert ist.
Nach einem elften Gesichtspunkt dieser Erfindung umfaßt das Verfahren weiter den Schritt des Entfernens des Substrats von der Siliciumcarbidschicht nach der Bildung des dotierten Siliciumcarbids, so daß ein Siliciumcarbid-Wafer zurückbleibt.
Nach einem zwölften Gesichtspunkt dieser Erfindung wird der Dotierungsschritt jeder Verfahrenseinheit durchgeführt, indem bei jeder Verfahrenseinheit eine Spezies der Verunreinigungen zu einer anderen variiert wird, um in der dotierten Siliciumcarbidschicht einen pn-Übergang bereitzustellen.
Nach einem dreizehnten Gesichtspunkt dieser Erfindung umfaßt das Verfahren weiter die Schritte der Verwendung des im Anspruch 1 erhaltenen dotierten Siliciumcarbids als Impfkristall und des weiteren Wachstums von Siliciumcarbid auf dem Impfkristall durch ein Dampfauftragsverfahren, ein Sublimations-Rekristallisationsverfahren oder ein Flüssigauftragsverfahren.
Nach einem vierzehnten Gesichtspunkt dieser Erfindung hat ein Siliciumcarbid eine Dicke und einen Bereich, der einen Verunreinigungskonzentrationsgiadienten in Dickenrichtung von 1 × 10²²/cm⁴ bis 4 × 10²⁴/cm⁴ aufweist.
Nach einem fünfzehnten Gesichtspunkt dieser Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung das Siliciumcarbid auf, das nach einem Verfahren nach dem vorstehend genannten ersten Gesichtspunkt hergestellt wurde.
Nach einem sechzehnten Gesichtspunkt dieser Erfindung ist die Halbleitervorrichtung durch das Siliciumcarbid nach dem vierzehnten Gesichtspunkt strukturiert.
Im ersten bis fünften Gesichtspunkt dieser Erfindung wird das mit der Verunreinigung dotierte Silicium zu mit der Verunreinigung dotiertem Siliciumcarbid carbonisiert. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Silicium leicht und exakt mit einer hohen Konzentration einer gewünschten Verunreinigung zu dotieren, da Silicium im Vergleich mit Siliciumcarbid leicht mit der Verunreinigung dotiert werden kann. Insbesondere sind die Verunreinigung und die Verunreinigungskonzentration, mit der Siliciumcarbid dotiert werden kann, begrenzt, wohingegen Silicium leicht mit verschiedenen Arten von Verunreinigungen in hoher Konzentration dotiert werden kann. Dies zeigt, daß das Dotieren mit einer Verunreinigung mit einer hohen Konzentration erfolgen kann, die die Grenzwerte übersteigt, die für einen Diffusionskoeffizienten und eine Löslichkeit der Verunreinigung in Siliciumcarbid bestimmt wurden.
Bei den vorstehend genannten Gesichtspunkten stimmt die schließlich in die Siliciumcarbidschicht dotierte Verunreinigungsmenge mit der Verunreinigungsmenge überein, mit der das Silicium vorher dotiert worden ist. Folglich läßt sich die Verunreinigungsmenge im Siliciumcarbid durch die Bedingungen beim Dotieren mit der Verunreinigung, wie Dotierungsmenge der Verun reinigung und Zufuhrzeit, bei der Erzeugung der Siliciumschicht exakt regeln. Außerdem muß erwähnt werden, daß eine Störung der Verteilung der Verunreinigung im Siliciumcarbid aufgrund der inneren Diffusion verhindert werden kann, da der Diffusionskoeffizient der Verunreinigung im Siliciumcarbid viel geringer als der im Silicium ist. Folglich läßt sich der Dotierungsbereich der Verunreinigung exakt kontrollieren, wenn die Dicke der bereits abgeschiedenen Siliciumschicht in Betracht gezogen wird, und sie kann eine Dicke von nicht weniger als 1 μm übersteigen. Außerdem kann die Verunreinigungskonzentration im Siliciumcarbid innerhalb eines sehr weiten Bereichs leicht geändert werden, wie es im achten Gesichtspunkt dieser Erfindung aufgeführt ist. Dadurch kann diese Erfindung bei einer großen Auswahl von Halbleitern angewendet werden.
Der Schritt des Abscheidens der Siliciumschicht und der Schritt des Dotierens mit der Verunreinigung müssen hierbei in Abwesenheit irgendeines Kohlenstoffinaterials durchgeführt werden. In Abwesenheit irgendeines Kohlenstoffinaterials kann der Schritt des Dotierens mit einer Verunreinigung gleichzeitig mit oder nach dem Schritt des Abscheidens der Siliciumschicht durchgeführt werden. In jedem Fall sollte der Carbonisierungsschritt sowohl nach dem Schritt des Siliciumabscheidens als auch dem Schritt des Dotierens mit der Verunreinigung durchgeführt werden. Die Gründe werden später ausführlich beschrieben.
Kohlenstoffmaterialien und Verunreinigungsmaterialien können gleichzeitig auf dem Substrat eingeführt werden, das bereits die Siliciumschicht aufweist. Im Vergleich mit dem Dotieren mit der Verunreinigung wird Siliciumcarbid in diesem Fall vorwiegend auf der Siliciumschicht gebildet. Der Grund hierfür ist, daß das Carbonisieren als ein Oberflächenphänomen auf einer Siliciumoberfläche stattfindet, wohingegen die Diffusion der Verunreinigungen proportional zur Quadratwurzel der Zeit fortschreitet, und dadurch das Carbonisieren im Vergleich mit dem Dotieren mit der Verunreinigung in kurzer Zeit schnell beendet ist. Deshalb ist es in Gegenwart von Kohlenstoff schwierig, ausreichend mit einer Verunreinigung zu dotieren. Da das Kohlenstoffmaterial schnell an der Substratoberfläche klebt, kann zudem eine Diffusion der Verunreinigungsmaterialien in das Substrat nicht verhindert werden. Angesichts dessen ist es selbstverständlich, daß die Verunreinigungsmaterialien in Abwesenheit von Kohlenstoffmaterialien in die auf dem Substrat abgeschiedene Siliciumschicht dotiert werden sollten, um ausreichend mit den Verunreinigungen zu dotieren.
In diesem Fall können die Siliciummaterialien und die Verunreinigungsmaterialien gleichzeitig eingeführt werden. Die Kohlenstoffmaterialien können nach dem Abscheiden der mit den Verunreinigungen dotierten Siliciumschicht auf das Substrat eingeführt werden. Beim Carbonisie- rungsschritt können die Verunreinigungsmaterialien zusammen mit den Kohlenstoffmaterialien eingeführt werden. Der Grund dafür ist, daß es vorwiegend zum Carbonisieren kommt, selbst wenn die Verunreinigungs- und Kohlenstoffmaterialien gleichzeitig vorliegen, und dadurch ist diese Situation dem Fall ähnlich, bei dem die Kohlenstoffmaterialien allein eingeführt werden.
Außerdem können die Siliciummaterialien beim Carbonisierungsschritt gleichzeitig mit den Kohlenstoffmaterialien vorliegen, sofern die Kohlenstoffmaterialien und die Siliciummaterialien in einem vorher festgelegten Bereich der Strömungsrate zugeführt werden, der vom Verhältnis der Anlagerungskoeffizienten bestimmt wird. Die Gründe dafür sind wie folgt. In diesem vorher festgelegten Bereich der Strömungsrate bewirken die Kohlenstoffmaterialien die Bildung einer Adsorptionsschicht auf einer Substratoberfläche, und die Adsorptionsschicht dient dazu, die Bildung von Siliciumcarbid zu verhindern, selbst wenn die Kohlenstoff- und Siliciummaterialien gleichzeitig zugeführt werden.
Um aus einer Dampfphase oder Flüssigphase eine dünne Schicht abzuscheiden, kann ein chemisches Dampfauftragsverfahren (CVD), ein Molekularstrahlepitaxieverfahren (MBE), ein Flüssigphasenepitaxieverfahren (LPE) oder dergleichen angewendet werden. Das Substrat oder der Träger kann auf mindestens einer Oberfläche ein Silicium, ein Siliciumcarbid, TiC, einen Saphir oder dergleichen aufweisen.
Als Beispiele der dotierten Verunreinigungen können N, B, Al, Ga, In, P, As, Sb, Se, Zn, O, Au, V, Er, Ge und Fe genannt werden. Unter anderem wirken Elemente der dritten Gruppe, wie B, Al, Ga, In, als Akzeptoren, um einen Halbleiter vom p-Typ zu bilden, wohingegen Elemente der fünften Gruppe, wie N, P, As, Sb, als Donoren wirken, um einen Halbleiter vom n-Typ zu bilden. Außerdem bewirken Elemente der vierten Gruppe, wie Se, aufgrund eines Unterschiedes der Elektronenaffinitäten die Bildung eines Energieniveaus im verbotenen Energieband und eine Änderung des elektrischen Widerstandes. Die anderen Elemente, wie Zn, O, Au, V, Ge, Fe, dienen dazu, tiefliegende Energieniveaus zu bilden und dadurch die Lebensdauer von Minoritätsträgern und Widerständen zu variieren.
Die vorstehend aufgeführten Verunreinigungen können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Wenn die Verunreinigungen z. B. selbst vom gleichen Typ sind, so daß sie als Donoren, Akzeptoren, wirken, bilden diese Verunreinigungen vom gleichen Typ oft unterschiedliche Energieniveaus im verbotenen Energieband und liefern Temperaturänderungen des spezifischen Widerstandes, die voneinander verschieden sind. Wenn der spezifische Widerstand bei einer bestimmten Temperatur eingestellt werden soll, kann eine Mehrzahl von Verunreinigungen des gleichen Typs gleichzeitig zugesetzt werden. Insbesondere können zwei Elemente, z. B. N und P, aus den vorstehend genannten Elementen der fünften Gruppe ausgewählt und gleichzeitig zugesetzt werden.
In einer anderen Ausführungsform können ein Donor und ein Akzeptor gleichzeitig zugesetzt werden, um Träger zu kompensieren und folglich den spezifischen Widerstand zu erhöhen. Durch dieses Verfahren kann z. B. eine (intrinsische) i-Schicht in einer PIN-Diode erzeugt werden. Der Donor und der Akzeptor können z. B. N bzw. B sein. Um eine zwangsläufige Zunahme des spezifischen Widerstandes zu vermeiden, die sich durch eine Verunreinigung ergibt, die beim Kristallwachstum unvermeidlich eingedrungen ist, kann eine andere Verunreinigung zugesetzt werden, die eine dieser Verunreinigung entgegengesetzte Eigenschaft aufweist. Bei der gleichzeitigen Zugabe von Donor und Akzeptor kann eine Regelung vorgenommen werden, so daß die Natur der Verunreinigungen aufgehoben wird, was für den Erhalt von Siliciumcarbid mit einem hohen spezifischen Widerstand hilfreich ist.
Der Schritt des Abscheidens einer Siliciumschicht, der Schritt des Dotierens mit einer Verunreinigung und der Carbonisierungsschritt, die vorstehend genannt sind, können durchgeführt werden, indem die Zufuhr der Ausgangsmaterialien einer Dampfphase oder einer Flüssigphase kontrolliert werden. Eine solche Regelung kann z. B. beim Konzentrationsverhältnis der Verunreinigungsquellen, die im Ausgangsmaterial des Siliciumcarbids vermischt sind, und der Mischzeit der Verunreinigungen vorgenommen werden.
Als Gase der Silangruppe und der Dichlorsilangruppe können z. B. Dichlorsilan, Tetrachlorsilan, Trichlorsilan, Hexachlorsilan oder dergleichen genannt werden. Als Gase von ungesättigten Kohlenwasserstoffen können z. B. Acetylen, Ethylen, Propen oder dergleichen genannt werden. Die Verwendung dieser Ausgangsmaterialien kann die Temperatur für die Bildung von Siliciumcarbid verringern, den Toleranzbereich erweitern, der für das Variieren der Gasströmungsrate angemessen ist, und die Kristallinität des erhaltenen Siliciumcarbids verbessern.
Wenn die Herstellung nach dem zweiten Gesichtspunkt erfolgt, wird eine Trägerschicht, wie ein Substrat während der Umsetzung, bei einer Temperatur im Bereich zwischen 900 und 1400°C, vorzugsweise zwischen 1000 und 1400°C, gehalten. Wenn die Reaktionstemperatur zu hoch ist, schmilzt Silicium, wenn es als Trägerschicht verwendet wird, wenn die Reaktionstemperatur zu niedrig ist, wird die Reaktionsgeschwindigkeit zu gering.
Nach dem sechsten Gesichtspunkt kann eine mit Verunreinigungen dotierte Schicht erzielt werden, die ein optionales oder ein erwünschtes Konzentrationsprofil aufweist. Bei dem Verfah ren nach diesem Gesichtspunkt entfallen jegliche Einschränkungen, die die Verunreinigungen betreffen, wenn sie in das Silicium diffundiert werden.
Nach dem siebenten Gesichtspunkt kann ein erwünschter Konzentrationsgradient erreicht werden, der z. B. ein deutlicher Konzentrationsgradient sein kann, der durch ein herkömmliches Verfahren nicht erzielt werden kann. Ein solcher Konzentrationsgradient kann ein steiler Konzentrationsgradient sein, der durch den vorstehend genannten neunten Gesichtspunkt definiert wird.
Nach dem zehnten Gesichtspunkt dieser Erfindung kann ein hervorragendes Siliciumcarbid erzielt werden. Wenn das Siliciumcarbid auf einem Siliciumcarbidsubstrat abgeschieden wird, kann das Siliciumcarbidsubstrat direkt als ein Siliciumcarbidsubstrat für einen Halbleiter verwendet werden. Ein solches Siliciumcarbidsubstrat kann nach dem Acheson-Verfahren oder dem Sublimations- und Rekristallisationsverfahren erzeugt werden oder kann eine carbonisierte Siliciumoberfläche sein. In diesem Zusammenhang können ein solches Substrat und eine solche Oberfläche gemeinsam als Grundkörper bezeichnet werden.
Der Grundkörper kann ein Substrat sein, das eine Oberfläche mit einer leicht geneigten senkrechten Kristallachse aufweist (d. h. ein Substrat mit einem von der Senkrechten abweichenden Winkel). Ein solches Substrat kann z. B. ein Siliciumsubstrat mit (100) sein, das einen Winkel zur Senkrechten der Oberfläche aufweist, der von der Richtung [001] etwas in die Richtung [110] geneigt ist. Außerdem kann das Substrat eine Mehrzahl von Undulationen aufweisen, die auf einer Oberfläche in einer vorbestimmten einzigen Richtung parallel zueinander verlaufen. Als ein derartiges Substrat können z. B. ein Siliciumsubstrat mit Undulationen, die parallel in der Richtung [011] auf einer Substratoberfläche verlaufen, die durch die Ebene (001) definiert wird, ein Siliciumcarbidsubstrat eines kubischen Systems oder dergleichen genannt werden. Das vorstehend aufgezählte Substrat ist hilfreich, um die Defekte auf einer darauf abzuscheidenden Siliciumcarbidschicht zu verringern und dient folglich dazu, Siliciumcarbid mit hoher Qualität zu erhalten.
Der zwölfte Gesichtspunkt dieser Erfindung ist dabei hilfreich, einen Halbleiter-Wafer aus Siliciumcarbid zu erhalten, der eine gewünschte und gleichmäßige Verunreinigungskonzentration oder eine streng kontrollierte Verteilung der Verunreinigungskonzentration aufweist. In jedem Fall kann der Grundkörper entfernt werden. Wenn das Siliciumsubstrat als Grundkörper verwendet wird, kann das Entfernen des Grundkörpers nach dem Abscheiden der Siliciumcarbidschicht auf dem Siliciumsubstrat durch Ätzen oder Abtrennen des Grundkörpers erfolgen. Wenn eine dicke Siliciumcarbidschicht auf dem Substrat abgeschieden ist, kann die abgeschiedene dicke Siliciumcarbidschicht mit einer Drahtsäge usw. geschnitten werden, um als ein Wafer zurückzubleiben. Wenn der Wafer insbesondere einen Durchmesser von 6 Inch aufweist, kann die Dicke der Siliciumcarbidschicht z. B. 0,65 mm betragen. Wenn der Wafer andererseits einen Durchmesser von 5 Inch hat, kann die Siliciumcarbidschicht 0,5 mm dick sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Siliciumcarbidschicht etwa 0,36 mm dick sein, wenn der Wafer einen Durchmesser von 3 oder 4 Inch hat. Angesichts dessen ist leicht verständlich, daß die Verunreinigungskonzentration über den gesamten Wafer exakt kontrolliert werden kann, selbst wenn der Wafer eine große Fläche aufweist und die Siliciumcarbidschicht vergleichsweise dick ist. Insbesondere ist es möglich, die Schwankung der Verunreinigungskonzentration entlang der gesamten Oberfläche (Durchmesser mehr als 4 inch) auf weniger als 5% und die Schwankung der Verunreinigungskonzentration in Dickenrichtung auf weniger als 5% zu verringern. Die Schwankung der Verunreinigungskonzentration, in % angegeben, wird wie folgt berechnet: (Schwankung der Verunreinigungskonzentration) = [(Höchstkonzentration – Mindestkonzentration)/(durchschnittliche Konzentration)] × 100(%).
Der Verunreinigungskonzentrationsgradient kann gemäß dem vorstehend genannten neunten oder vierzehnten Gesichtspunkt der Erfindung exakt kontrolliert werden.
Der zwölfte Gesichtspunkt dieser Erfindung dient dazu, einen pn-Übergang zu bilden, bei dem die Verunreinigungskonzentration exakt kontrolliert ist, und trägt dazu bei, eine erwünschte Halbleitervorrichtung mit einer guten Mengenausbeute herzustellen.
Nach dem dreizehnten Gesichtspunkt dieser Erfindung kann die Verunreinigungskonzentration des als Impfkristall verwendeten Siliciumcarbids geeignet ausgewählt werden. Dadurch kann der spezifische elektrische Widerstand bei einem geeigneten Wert kontrolliert werden, und dies dient somit der Vermeidung der Adhäsion von beim Kristallwachstum auftretenden Partikeln. Als ein Ergebnis kann ein hervorragender Vorblock aus Siliciumcarbid erhalten werden.
Durch den vierzehnten Gesichtspunkt dieser Erfindung kann leicht eine Scheibe mit der gewünschten Konzentration erhalten werden, indem ein Siliciumcarbid mit einem Konzentrationsgradienten in eine Dickenrichtung erzeugt und das Siliciumcarbid in mehrere Scheiben zerschnitten wird. Dies bewirkt eine Ausweitung des Ausmaßes der Steuerung eines inneren elektrischen Feldes in einem Halbleiter und die Gestaltung der Belastungscharakteristik eines Halbleiters.
Der fünfzehnte Gesichtspunkt dieser Erfindung dient dazu, einen Leistungs-Halbleiter oder dergleichen zu erhalten, der eine hohe Geschwindigkeit, einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Durchschlagsspannung aufweist.
Der sechzehnte Gesichtspunkt dieser Erfindung dient der Herstellung eines solchen Halbleiters.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung, das der Beschreibung einer CVD-Vorrichtung dient, die für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid zur Verfügung steht;
2 zeigt ein Zeitdiagramm, das der Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung dient;
3 zeigt ein Zeitdiagramm, das der Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung dient;
4 zeigt ein Zeitdiagramm, das der Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung dient;
5 zeigt ein Zeitdiagramm, das der Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung dient;
6 zeigt ein Zeitdiagramm, das der Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß einer fünften Ausführungsform dieser Erfindung dient;
7 ist eine graphische Darstellung, die die Elektronenkonzentrationen im Siliciumcarbid zeigt, die durch eine Änderung des Moments der Startzeit (Sz) und der Strömungsraten (Sr) erhalten wurden;
8 zeigt ein Zeitdiagramm, das der Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel dient;
9 zeigt ein Zeitdiagramm, das der Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß einem zweiten Vergleichsbeispiel dient;
10 zeigt ein Zeitdiagramm, das der Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß einem dritten Vergleichsbeispiel dient;
11 ist eine graphische Darstellung, die die Konzentrationen von im Siliciumcarbid enthaltenen Elektronen zeigt, die durch Änderung der Strömungsraten erhalten wurden; und
12 zeigt ein Zeitdiagramm, das der Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung von Siliciumcarbid nach einem vierten Vergleichsbeispiel dient.
Beschreibung derbevorzugten Ausführungsformen:
Erste Ausführungsform:
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 wird ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben. Hierbei muß erwähnt werden, daß das Verfahren gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer CVD-Vorrichtung oder eines -Gerätes, wie sie (es) in 1 gezeigt ist, gemäß dem in 2 gezeigten Zeitdiagramm durchgeführt wird. Außerdem wird auch das erfindungsgemäße Siliciumcarbid beschrieben.
Kurz gesagt zeichnet sich das Verfahren gemäß dieser ersten Ausführungsform der Erfindung dadurch aus, daß nach dem Abscheiden einer Siliciumschicht ein Verfahren zum Dotieren mit Verunreinigungen und danach ein Carbonisierungsverfahren durchgeführt werden.
Die in 1 gezeigte CVD-Vorrichtung weist eine Abscheidekammer 1 und ein Gaseinlaßrohr oder eine -leitung 2 auf, das (die) eine Düse 2a hat, die im mittleren Abschnitt der Abscheidekammer 1 angeordnet ist und im wesentlichen senkrecht auf diesem mittleren Abschnitt steht. Eine Platte 3 ist an den Spitzenabschnitt des Gaseinlaßrohrs neben der Düse 2a angebracht. Ein Heizteil 5 ist an die Unterseite der Platte 3 angebracht, um Substrate 4 oder dergleichen zu erwärmen, die auf die Oberseite der Platte 3 platziert worden sind. Die Substrate 4 dienen als Grundteile gemäß dieser Erfindung.
Außerhalb der Abscheidekammer 1 befindet sich eine Gaszufuhreinrichtung, um dem Gaseinlaßrohr 2 Gase zuzuführen, und diese weist Gaszufuhrquellen (nicht gezeigt) von H₂-Gas, N₂-Gas, SiH₂Cl₂-Gas und C₂H₂-Gas und Ventile 2b, 2c, 2d und 2e auf, die zwischen dem Gaseinlaßrohr 2 und den vorstehend genannten Gaszufuhrquellen eingebunden sind. Außerdem ist mit der Abscheidekammer 1 eine Auslassleitung 6 verbunden, und diese ist durch das Druckregelventil 7 auch mit einer Absaugpumpe (nicht gezeigt) oder dergleichen verbunden. Somit kann die Abscheidekammer 1 über das Druckregelventil 7 mit der Absaugpumpe ausgesaugt werden.
Die in 1 gezeigte CVD-Vorrichtung ist eine bekannte sogenannte reduzierte CVD-Vorrichtung vom Typ mit kalten Wänden und dient dazu, auf dem jeweiligen Substrat 4 auf bekannte Weise eine dünne Schicht wachsen zu lassen. Insbesondere kann dieses Wachstum der dünnen Schicht erreicht werden, indem die Substrate 4 auf der Platte 3 durch das Heizteil 5 erhitzt werden, die Abscheidekammer 1 durch die Auslassleitung 6 abgesaugt wird, der Abscheide kammer 1 eines der ausgewählten Gase durch die Düse 2a des Gaseinlaßrohrs 2 zugeführt wird und in der Abscheidekammer 1 eine Dampfphase erzeugt wird.
Die vorstehend genannte reduzierte CVD-Vorrichtung kann Siliciumcarbid wie folgt herstellen. Zuerst wird ein Siliciumsubstrat aus einem Einkristall als jeweiliges Substrat 4 hergestellt, und es weist einen Durchmesser von 6 Inch und eine Oberflächenschicht auf, auf der die Ebene {001} des Einkristalls erscheint. Das Siliciumsubstrat wird dann einer Vorbehandlung unterzogen, um die Oberflächenschicht des Siliciumsubstrats zu einer dünnen Siliciumcarbidschicht zu carbonisieren. Eine solche dünne Siliciumcarbidschicht liegt unter der Siliciumcarbidschicht; die auf dem Substrat wächst, und dient folglich als eine Pufferschicht oder eine Unterschicht für die Siliciumcarbidschicht, so daß die Siliciumcarbidschicht mit einer hervorragenden Kristallinität wächst.
Die Beschreibung des Verfahrens gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung erfolgt unter Beachtung der vorstehend aufgeführten Gesichtspunkte. Nachdem die Abscheidekammer 1 durch die Auslassleitung 6 abgesaugt worden ist, werden zuerst die Ventile 2b und 2c geöffnet. Dadurch werden das H₂-Gas und das C₂H₂-Gas mit Strömungsraten von 200 sccm bzw. 50 sccm bis zu einem Druck von 100 mTorr in die Abscheidekammer 1 eingelassen. Unter diesen Umständen werden die Substrate 4 innerhalb von etwa 1 Minute durch das Heizteil 5 auf 1200°C erwärmt. Jede entstandene Oberflächenschicht der Substrate 4 wird vorher zu einer Siliciumcarbidschicht carbonisiert, die als eine vorherige Siliciumcarbidschicht bezeichnet werden kann. Nach Abschluß der vorherigen Carbonisierung wird das Ventil 2e geschlossen, um die Zufuhr des C₂H₂-Gases zeitweise zu unterbrechen. Danach läßt man das H₂-Gas kontinuierlich mit einer Strömungsrate von 200 sccm strömen, wobei die Temperatur des Substrats bei 1200°C gehalten wird. In diesem Fall wird die Abscheidekammer 1 durch Aussaugen der Abscheidekammer 1 bei einem Druck von 60 mTorr gehalten. Dazu wird das Druckregelventil 7 so geregelt, daß die Absaugrate des durch die Auslassleitung 6 abgesaugten Gases eingestellt wird. Unter diesen Umständen wird folgendes Abscheiden vorgenommen.
Wie in 2 gezeigt, läßt man das H₂-Gas während der gesamten Dauer des Verfahrens kontinuierlich strömen, wie es vorstehend aufgeführt ist, während das Ventil 2c geöffnet wird, um fünf (5) Sekunden SiH₂Cl₂-Gas mit einer Strömungsrate von 30 sccm in die Abscheidekammer 1 einzuführen und auf jedem Substrat 4, das der Vorbehandlung in der vorstehend genannten Art und Weise unterzogen worden ist, eine Siliciumschicht abzuscheiden. Danach wird das Ventil 2c geschlossen, um die Zufuhr des SiH₂Cl₂-Gases zu unterbrechen, während das Ventil 2d geöffnet ist, um fünf (5) Sekunden N₂-Gas mit einer Strömungsrate von 50 sccm in die Abscheidekammer 1 einzulassen, wie es in 2 gezeigt ist. Dieses Einführen des N₂-Gases dient dazu, in die Siliciumschicht Donor-Verunreinigungen einzubringen, wodurch eine dotierte Siliciumschicht erhalten wird, die mit Stickstoff dotiert ist. Danach wird das Ventil 2d geschlossen, um die Zufuhr des N₂-Gases zu unterbrechen, während das Ventil 2e geöffnet wird, um fünf (5) Sekunden C₂H₂-Gas mit einer Strömungsrate von 10 sccm in die Abscheidekammer 1 einzulassen. Dieses Einführen des C₂H₂-Gases dient dazu, die dotierte Siliciumschicht zu dotiertem Siliciumcarbid zu carbonisieren.
Hierbei wird angenommen, daß eine Verfahrenseinheit durch eine Folge aus dem Verfahren zum Abscheiden der Siliciumschicht, dem Verfahren zum Dotieren der Siliciumschicht mit Stickstoff und dem Verfahren zum Carbonisieren der dotierten Siliciumschicht besteht. In diesem Fall wird diese Verfahrenseinheit im erläuterten Beispiel zweitausend (2000) mal wiederholt. Damit wurde bestätigt, daß beim vorstehend genannten Verfahren die dotierte Siliciumcarbidschicht eines kubischen Systems epitaxial auf dem Substrat 4 gewachsen ist.
Außerdem wurde auch bestätigt, daß die Siliciumcarbidschicht nach Ablauf von 8,3 Stunden auf jedem Substrat 4 bis zu einer Dicke von 54 μm abgeschieden wird und aus einem Einkristall besteht. Nach dem Abscheiden der carbonisierten dotierten Siliciumcarbidschicht auf dem Siliciumsubstrat wurde eine Konzentration von Stickstoff (N) im dotierten Siliciumcarbid mit einem SIMS (Sekundärionen-Massenspektrometer) gemessen. Dadurch wurde bewiesen, daß die Stickstoffkonzentration 7,4 × 10¹⁹/cm³ beträgt und Stickstoff gleichmäßig im dotierten Siliciumcarbid verteilt ist. Außerdem wurde festgestellt, daß die Elektronenkonzentration im dotierten Siliciumcarbid bei Raumtemperatur 7,2 × 10¹⁹/cm³ beträgt, wenn diese unter Anwendung des Hall-Effektes gemessen wurde. Zudem wurde der Widerstand oder spezifische Widerstand des dotierten Siliciumcarbids mit 0,007 Ωcm festgestellt. Außerdem betrug die Schwankung der Verunreinigungskonzentration in der Ebene und in Tiefenrichtung 3,7%.
Zweite Ausführunsgform
Unter Bezugnahme auf 3 werden das Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid und das Siliciumcarbid gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben. In 3 wird das Verfahren durch ein Zeitdiagramm spezifiziert, um die zeitliche Steuerung der Zufuhr der Gase der Ausgangsmaterialien zu beschreiben, und dieses ist dem in 2 gezeigten ähnlich, außer daß sich die in 3 dargestellte Verfahrenseinheit von der in 2 gezeigten unterscheidet. Folglich richtet sich die Beschreibung hauptsächlich auf die Verfahrenseinheit von 3, und es werden die Abschnitte oder Verfahren weggelassen, die der ersten und zweiten Ausführungsform gemein sind. Kurz gesagt zeichnet sich das Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung darin aus, daß sowohl das Verfahren zum Abscheiden der Siliciumschicht als auch das Verfahren zum Dotieren mit Verunreinigungen gleichzeitig durchgeführt werden und danach das Carbonisierungsverfahren vorgenommen wird.
Wie in 3 gezeigt, weist die Verfahrenseinheit gemäß der zweiten Ausführungsförm dieser Erfindung ein Dotierungsverfahren auf, das gleichzeitig mit dem Verfahren zum Abscheiden einer Siliciumschicht auf der vorherigen Siliciumcarbidschicht durchgeführt wird. Insbesondere wird das Ventil 2c geöffnet, um der Abscheidekammer 1 (1) fünf Sekunden SiH₂Cl₂-Gas mit einer Strömungsrate von 50 sccm zuzuführen, und gleichzeitig wird das Ventil 2d geöffnet, um fünf Sekunden Stickstoffgas (N₂) mit einer Strömungsrate von 50 sccm zuzuführen. Das zeigt, daß das SiH₂Cl₂-Gas und das N₂-Gas fünf Sekunden gleichzeitig in die Abscheidekammer 1 (1) eingeführt oder dieser zugeführt werden und daß das Verfahren zum Abscheiden der Siliciumschicht und das Dotierungsverfahren mit Stickstoff gleichzeitig durchgeführt werden. Danach werden beide Ventile 2c und 2d gleichzeitig geschlossen, um die Zufuhr von SiH₂Cl₂-Gas und Stickstoffgas (N₂) zu unterbrechen. Andererseits wird das Ventil 2e geöffnet, um fünf Sekunden C₂H₂-Gas mit einer Strömungsrate von 10 sccm in die Abscheidekammer 1 einzuführen, um die mit Stickstoff dotierte Siliciumschicht zu carbonisieren. Die Einheit gemäß dieser vorstehend genannten zweiten Ausführungsform wird somit zweitausend (2000) mal wiederholt, um die Schicht aus dotiertem Siliciumcarbid des kubischen Systems zu erzeugen, die epitaxial auf dem Substrat gewachsen ist.
Als ein Ergebnis des vorstehend beschriebenen epitaxialen Wachstums ist das dotierte Siliciumcarbid nach Ablauf von 5,6 Stunden bis zu einer Dicke von 54 μm auf dem Substrat 4 abgeschieden worden. Als das dotierte Siliciumcarbid mit einem SIMS gemessen wurde, wurde bestätigt, daß die Verunreinigungskonzentration von Stickstoff, die im auf dem Substrat 4 gewachsenen dotierten Siliciumcarbid enthalten ist, 7,4 × 10¹⁹/cm³ beträgt. Hierbei ist die gesamte der Abscheidekammer 1 zugeführte N₂-Menge mit der der ersten Ausführungsform identisch. Außerdem ist Stickstoff gleichmäßig im dotierten Siliciumcarbid verteilt. Zudem wurde festgestellt, daß die Elektronenkonzentration im dotierten Siliciumcarbid 7,2 × 10¹⁹/cm³ beträgt, wenn die Messung bei Raumtemperatur durch den Hall-Effekte erfolgt, und daß sein spezifischer Widerstand 0,007 Ωcm beträgt. Die Schwankung der Verunreinigungskonzentration wurde in der Ebene und in Tiefenrichtung auf einen Bereich von 3,7% begrenzt.
Gemäß dieser Ausführungsform wurde bewiesen, daß sich die Vorteile dieser Erfindung nicht ändern, selbst wenn das Verfahren zum Siliciumabscheiden und das Verfahren zum Dotieren der Siliciumschicht mit der Verunreinigung gleichzeitig oder getrennt durchgeführt werden. Es muß jedoch erwähnt werden, daß die zweite Ausführungsform einen ähnlichen Siliciumcarbid-Halb leiter innerhalb kürzerer Zeit erzielen kann, als sie bei der ersten Ausführungsform erforderlich ist.
Dritte Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 4 werden ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß der dritten Ausführungsform und das nach diesem Verfahren erhaltene Siliciumcarbid beschrieben. Das Verfahren gemäß der dritten Ausführungsform wird nach dem in 4 gezeigten Zeitdiagramm durchgeführt und ist denen in den 2 und 3 gezeigten ähnlich, außer daß sich die Verfahrenseinheit gemäß 4 von den anderen Ausführungsformen unterscheidet. Einfach ausgedrückt zeichnet sich die in 4 gezeigte Verfahrenseinheit dadurch aus, daß das Verfahren zum Abscheiden einer Siliciumschicht und das Verfahren zum Dotieren mit Verunreinigungen gleichzeitig durchgeführt werden und das Carbonisierungsverfahren nach Ablauf einer bestimmten Zeit vorgenommen wird.
Insbesondere besteht die Verfahrenseinheit gemäß dieser Ausführungsform aus dem Verfahren zum Abscheiden einer Siliciumschicht, das durchgeführt wird, indem mit dem geöffneten Ventil 2c kontinuierlich SiH₂Cl₂-Gas mit einer Strömungsrate von 30 sccm zugeführt wird, und dem Verfahren zum Dotieren mit einer Verunreinigung oder einem Donor, das durchgeführt wird, indem mit dem geöffneten Ventil 2d kontinuierlich N₂-Gas mit einer Strömungsrate von 50 sccm zugeführt wird. Mit anderen Worten werden das SiH₂Cl₂-Gas und das N₂-Gas gleichzeitig und kontinuierlich in die Abscheidekammer 1 eingeführt, wodurch das Verfahren zum Abscheiden einer Siliciumschicht und das Verfahren zum Dotieren mit N (Donor) oder der Verunreinigung kontinuierlich und gleichzeitig durchgeführt werden. In diesem Fall wird das Ventil 2e nach Ablauf von fünf Sekunden nach Beginn der Zufuhr von SiH₂Cl₂- als auch N₂-Gas geöffnet, um fünf Sekunden C₂H₂ mit einer Strömungsrate von 10 sccm zuzuführen. Somit wird die mit N dotierte Siliciumschicht carbonisiert. Wie in 4 gezeigt, werden sowohl die Zufuhr von SiH₂Cl₂-Gas als auch die von N₂-Gas während der Zufuhr des C₂H₂-Gases fortgesetzt.
Die vorstehend genannte Verfahrenseinheit, die in 4 dargestellt ist, wird innerhalb von 5,6 Stunden 2000 mal wiederholt. Damit wurde festgestellt, daß das epitaxiale Wachstum auf dem Substrat 4 (dem Siliciumsubstrat) erfolgt, um eine Siliciumcarbid-Halbleiterschicht des kubischen Systems bis zu einer Dicke von 54 μm abzuscheiden. Als die Verunreinigung im auf dem Siliciumsubstrat gewachsenen Siliciumcarbid mit einem SIMS gemessen wurde, wurde bestätigt, daß die Konzentration von N im Siliciumcarbid 7,3 × 10¹⁹/cm³ erreicht hatte und gleichmäßig verteilt war. Außerdem wurde die Elektronenkonzentration im dotierten Siliciumcarbid bei Raumtemperatur durch den Hall-Effekt gemessen, und sie betrug 7,2 × 10¹⁹/cm³. Der spezifische Widerstand des Siliciumcarbids betrug 0,07 Ωcm. Die Schwankung der Verunreinigungskonzentrationen in der Ebene und in Tiefenrichtung betrug etwa 3,7%.
Gemäß dieser Ausführungsform wurde somit bewiesen, daß während der Zufuhr des C₂H₂-Gases (d. h. dem Carbonisierungsverfahren der Siliciumschicht) im wesentlichen kein Dotieren von Siliciumcarbid mit der Verunreinigung stattfindet. Dies zeigt, daß das Verfahren zum Dotieren mit Verunreinigungen und das Carbonisierungsverfahren zeitlich getrennt erfolgen. Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, einen der ersten Ausführungsform ähnlichen Siliciumcarbid-Halbleiter in einer kürzeren Zeit zu erhalten. Diese Ausführungsform kann die Kontrolle der Gaszufuhr im Vergleich mit anderen Ausführungsformen vereinfachen.
Vierte Ausführungsform:
Unter Bezugnahme auf 5 wird das Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In 5 ist die zeitliche Steuerung der Zufuhr der gasförmigen Ausgangsmaterialien wie in den 2, 3 und 4 gezeigt. Das in 5 gezeigte Verfahren ist dem von 4 ähnlich, außer daß anstelle von N₂-Gas ein BCl₂-Gas verwendet wird, um in dieser Verfahrenseinheit die Siliciumschicht mit den Akzeptoren als Verunreinigung zu dotieren, und daß das C₂H₂-Gas mit einer Strömungsrate von 5 sccm zugeführt wird.
Diese Verfahrenseinheit wird in 5,6 Stunden 2000 mal wiederholt, was dazu führt, daß das Siliciumcarbid bis zu einer Dicke von 54 μm auf dem Siliciumsubstrat 4 abgeschieden wird oder wächst. Die Borkonzentration im in der vorstehend genannten Art und Weise gewachsenen Siliciumcarbid wurde mit einem SIMS gemessen, und die Elektronenkonzentration wurde ebenfalls durch den Hall-Effekt gemessen. Als ein Ergebnis betrug die Borkonzentration 1,3 × 10¹⁹/cm³ und war gleichmäßig im Siliciumcarbid verteilt, wohingegen die Elektronenlückenkonzentration 1,0 × 10¹⁹/cm³ betrug. Der spezifische Widerstand des Siliciumcarbids betrug 0,01 Ωcm, während die Schwankung der Verunreinigung in der Ebene und in Dickenrichtung etwa 3,7% betrug.
Fünfte Ausführungsform:
Unter Bezugnahme auf 5 wird das Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid gemäß der fünften Ausführungsform dieser Erfindung anhand eines Zeitdiagramms für die zeitliche Steuerung der Gaszufuhr beschrieben. Hierbei werden das Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid und das nach diesem Verfahren hergestellte Siliciumcarbid beschrieben. Es muß erwähnt werden, daß in der gezeigten Ausführungsform die Strömungsrate (Sr) des N₂-Gases variiert wird, wodurch eine große Anzahl von Siliciumcarbid-Halbleitern hergestellt wurde. In diesem Fall wird der Moment der Startzeit (Sz) für die Zufuhr des C₂H₂-Gases vom Moment der Startzeit der Zufuhr des SiH₂Cl₂-Gases und N₂-Gases deutlich geändert, wie es in 6 gezeigt ist. Die anderen Bedingungen sind den in der dritten Ausführungsform aufgeführten ähnlich und werden nicht mehr beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 7 wird der Zusammenhang zwischen den Elektronenkonzentrationen und sowohl dem Moment der Startzeit (Sz) als auch der Strömungsrate (Sr) erläutert. In 7 wurde die große Anzahl von Siliciumcarbid-Halbleitern hergestellt oder gefertigt, indem die Startzeit (Sz) und die Strömungsrate (Sr) geändert wurden, und sie wurden in der vorstehend beschriebenen An und Weise gemessen. Wie aus 7 ersichtlich ist, ist selbstverständlich, daß die Elektronenkonzentrationen sowohl dem Moment der Startzeit (Sz) als auch der Strömungsrate (Sr) im wesentlichen proportional sind und in einem Bereich zwischen 3 × 10¹⁴/cm³ und 1,8 × 10²⁰/cm³ liegen. Außerdem kann erwartet werden, daß eine höhere Elektronenkonzentration erreicht wird, wenn der Moment der Startzeit Sz mehr als 10 Sekunden verzögert wird.
Sechste Ausführungsform:
In der sechsten Ausführungsform wird auf einem Substrat aus einem Silicium-Einkristall ein pn-Übergang erzeugt, wodurch eine Halbleitervorrichtung hergestellt wird. Um diese Halbleitervorrichtung herzustellen, wird auf einem Siliciumsubstrat 4 zuerst ein Halbleiter vom n-Typ abgeschieden, indem die Verfahrenseinheit der dritten Ausführungsform 1000 mal wiederholt wird. Danach wird auf dem Halbleiter vom n-Typ ein Halbleiter vom p-Typ abgeschieden, indem die Verfahrenseinheit der vierten Ausführungsform 1000 mal wiederholt wird. Somit wird der Siliciumcarbid-Halbleiter erhalten, der das Siliciumsubstrat 4 und auf dem Siliciumsubstrat 4 einen Siliciumcarbid-Halbleiter aufweist. Der Siliciumcarbid-Halbleiter weist eine Dicke von 54 μm und den pn-Übergang auf. Die Abscheide- oder Herstellungszeit beträgt 5,6 Stunden, und die Bedingungen für das Abscheiden sind, abgesehen von der Anzahl der Wiederholungen für das Abscheiden, denen ähnlich, die im Zusammenhang mit der dritten und vierten Auführungsform aufgeführt sind.
Danach wird das Siliciumsubstrat in Form eines Einkristalls unter Verwendung einer gemischten Lösung aus HF und HNO₃ entfernt, wobei allein das Siliciumcarbid zurückbleibt. Somit hat das Siliciumcarbid eine Oberseite und eine Unterseite, auf der die Halbleiter vom p-Typ und vom n-Typ freiliegen. Auf die Ober- und die Unterseite werden Elektroden aus Ni aufgedampft, und danach werden elektrische Leiter mit den entsprechenden Elektroden verbunden. In diesem Fall wird die Kapazitanz zwischen dem pn-Übergang bei einer vorgegebenen Gleichspannung zwischen den elektrischen Elektroden gemessen. Insbesondere liegt die Gleichspannung in einem Bereich zwischen –10 und +10 Volt, und zwischen den Elektroden wird eine Wechselspannung von 0,2 Volt vorgegeben. Eine Änderung der Kapazitanz im Verhältnis zur vorgegebenen Spannung hat gezeigt, daß das anfängliche (built-in) Potential des so hergestellten pn-Übergangs 1,5 Volt beträgt und der Verunreinigungsgradient im pn-Übergang 1,4 × 10²⁴/cm⁴ beträgt. Wenn außerdem zwischen dem pn-Übergang eine Spannung vorgegeben wird, erhalten die obere bzw. die untere Elektrode eine negative bzw. eine positive Spannung.
Siebte Ausführungsform:
Gemäß der siebten Ausführungsform wird Siliciumcarbid durch ein Sublimations- und Rekristallisationsverfahren hergestellt, wobei das in jedem Verfahren der vorstehend genannten Ausführungsformen genannte Siliciumcarbid als ein Impfkristall verwendet wird. Zuerst wird beim Verfahren gemäß der siebten Ausführungsform dieser Erfindung die vorstehend genannte fünfte Ausführungsform verwendet, um einen ersten Impfkristall aus Siliciumcarbid eines kubischen Systems zu erzeugen. Insbesondere wird dieser erste Impfkristall auf einem Siliciumsubstrat eines kubischen Systems mit einem Durchmesser von 6 Inch abgeschieden und hat folglich einen Durchmesser von 15,24 cm (6 Inch). Der erste Impfkristall aus Siliciumcarbid wird abgeschieden, indem die Strömungsrate Sr und der Moment der Startzeit Sz (7) so ausgewählt werden, daß das Siliciumcarbid einen spezifischen Widerstand von 0,001 Ωcm aufweist. In ähnlicher Weise wird ein zweiter Impfkristall aus Siliciumcarbid, der einen spezifischen Widerstand von 50 Ωcm aufweist, auf einem Siliciumsubstrat mit einem Durchmesser von 6 Inch erzeugt, indem die Strömungsrate Sr und der Moment der Startzeit Sz ausgewählt werden. Dieser zweite Impfkristall hat ebenfalls einen Durchmesser von 15,24 cm (6 Inch).
Danach wird ein Graphittiegel hergestellt, der auf seinem Boden SiC-Pulver erhält. Jedes der vorstehend genannten Substrate wird mit dem ersten und zweiten Impfkristall nach unten in den Tiegel gelegt, wobei der erste und der zweite Impfkristall zum SiC-Pulver zeigen. Unter diesen Umständen werden das SiC-Pulver und jedes der Substrate auf eine Temperatur von 2400°C bzw. 2000°C erwärmt. Dadurch sublimiert und rekristallisiert das SiC-Pulver auf jedem der Substrate, wodurch eine rekristallisierte SiC-Schicht gebildet wird. In diesem Fall betragen der Abstand oder Spalt zwischen jeder Oberfläche der Substrate und der Oberfläche des SiC-Pulvers 100 mm und die Geschwindigkeit beim Abscheiden von SiC 0,5 mm/h.
Somit wird die SiC-Schicht bis zu einer Dicke von 10 mm abgeschieden und 10 Minuten bei einer Temperatur von 500°C unter Verwendung von geschmolzenem KOH geätzt. Dann wurde die Dichte der Ätzgruben des ersten und zweiten Substrats gemessen. Als ein Ergebnis der Messung wurde festgestellt, daß die Dichte der Ätzgruben des ersten Impfkristalls (der einen spezifischen Widerstand von 0,005 Ωcm aufweist) nicht mehr als 10/cm² beträgt, wohingegen die des zweiten Impfkristalls (der einen spezifischen Widerstand von 50 Ωcm aufweist) 3500/cm² beträgt. Anhand dieser Tatsache wird leicht verständlich, daß die Fehlerdichte deutlich verringert werden kann, wenn der spezifische Widerstand des Impfkristalls, wie des ersten Impfkristalls, äußerst gering ist. Dadurch ist es möglich, einen hochqualitativen Vorblock aus Siliciumcarbid eines kubischen Systems zu erhalten, der einen Durchmesser von 15,24 (6 Inch) und eine Dicke von 10 mm aufweist. Das könnte darauf beruhen, daß die Adhäsion der Partikel (hauptsächlich als ein Ausgangsmaterial verwendetes Siliciumcarbidpulver) durch die statische Elektrizität beim Sublimieren und Rekristallisieren unterdrückt werden kann.
Zum Vergleich wurde das Sublimieren und Rekristallisieren vorgenommen, um eine SiC-Schicht auf einem Substrat abzuscheiden, das als 6H-SiC bekannt ist und vertrieben wird (Mikroröhrenkonzentration 100/cm², Durchmesser 5,08 cm (2 Inch) und spezifischer Widerstand 40 Ωcm). Die resultierende Dichte der Ätzgruben betrug 1000/cm², und die Partikelzahl lag bei 3000/cm².
Wie vorstehend erwähnt hat der pn-Übergang gemäß dieser Ausführungsform einen deutlichen oder steilen Konzentrationsgradienten von mehr als 10²⁴/cm⁴. Die Verunreinigungskonzentration kann im Bereich von zwischen 1 × 1014 und 1 × 10²¹/cm³ kontrolliert und variiert werden, wie es in Zusammenhang mit der fünften Ausführungsform beschrieben ist. Das zeigt, daß auch der Konzentrationsgradient in einem Bereich von zwischen 10¹⁷/cm⁴ und 10²⁴/cm⁴ kontrolliert werden kann, und die Durchschlagsspannung im pn-Übergang dieser Halbleitervorrichtung kann in einem weiten Bereich zwischen 3 und 10000 Volt kontrolliert werden.
Mit dieser Erfindung kann folglich die Kontrolle der Verunreinigungskonzentration innerhalb eines weiten Bereichs und des Verunreinigungskonzentrationsgradienten mit einer hohen Genauigkeit vorgenommen werden, wodurch das anfängliche Potential und die Durchschlagsspannung mit hoher Genauigkeit kontrolliert werden können.
Die Verunreinigungen können gemäß dieser Erfindung nicht auf N₂, BCl₃ begrenzt sein, sondern alle Verunreinigungen sein, die in das Silicium diffundiert werden können. In jedem Fall können die Vorzüge dieser Erfindung ohne irgendeine Einschränkung der Verunreinigungen erzielt werden, wenn diese in das Silicium diffundiert werden können. Außerdem wurde in den vorstehend genannten Ausführungsformen die Verwendung von SiH₂Cl₂- und C₂H₂-Gas als Ausgangsmaterialien des Siliciumcarbids beschrieben. Es können jedoch jegliche andere Kohlenstoffquellen miteinander kombiniert werden, wenn sie Silicium carbonisieren können.
Obwohl die Temperatur beim Wachstum von Siliciumcarbid in den vorstehend genannten Ausführungsformen mit 1200°C angenommen wurde, kann diese Erfindung wirksam angewendet werden, wenn die Temperatur beim Wachstum nicht weniger als 900°C beträgt. Die Zeit für die Gaszufuhr beim Wachstum von Siliciumcarbid kann nicht auf die vorstehend genannten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die Zeitdauer der Gaszufuhr und die Wiederholungszeiten für das Einführen von Gas können angesichts der Dicke des Siliciumcarbids ausgewählt werden. Die Erfindung ist auch unabhängig von irgendeiner Kristalllphase des Siliciumcarbids wirksam. Mit anderen Worten kann die Kristallphase von Siliciumcarbid anstelle des kubischen Systems ein hexagonales System oder ein rhomboedrisches System sein.
Obwohl in den vorstehend genannten Ausführungsformen nur das Dampfauftragsverfahren beschrieben ist, kann diese Erfindung auch beim Flüssigauftragen angewendet werden. In diesem Fall beginnt das Flüssigauftragen, indem eine Substratoberfläche zuerst mit einer Lösung von geschmolzenem Silicium in Kontakt gebracht wird, damit auf der Substratoberfläche eine Siliciumschicht abgeschieden wird. Danach wird diese Siliciumschicht einer Atmosphäre einer Verunreinigung (z. B. einer Atmosphäre in Form einer Dampfphase einer Verunreinigung oder einer Lösung von geschmolzenem Silicium, die die Verunreinigung enthält) ausgesetzt, damit die Verunreinigung in die Siliciumschicht diffundiert. Danach wird die mit der Verunreinigung dotierte Siliciumoberfläche einer Atmosphäre aus Siliciumcarbid ausgesetzt. Das vorstehend genannte Flüssigauftragen kann folglich ebenfalls einen Vorteil erzielen, der dem Dampfauftragen ähnlich ist, und kann gegebenenfalls einen Verunreinigungskonzentrationsgradienten zwischen 1 × 10¹⁸/cm⁴ und 4 × 10²⁴/cm⁴ erreichen, der sich vom vorstehend genannten Verunreinigungskonzentrationsgradienten von 1,4 × 10²⁴/cm⁴ unterscheidet.
Nachstehend werden herkömmliche Herstellungsverfahren als Vergleichsbeispiele erläutert, um sie mit den erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu vergleichen.
Erstes Vergleichsbeispiel:
Das erste Vergleichsbeispiel ist der vorstehend genannten ersten Ausführungsform gemäß dieser Erfindung ähnlich, außer daß sich die Verfahrenseinheit von der der ersten Ausführungsform unterscheidet. Wie in 8 gezeigt wird im ersten Vergleichsbeispiel eine Siliciumcarbidschicht abgeschieden, indem H₂-Gas, SiH₂Cl₂-Gas, N₂-Gas und H₂-Gas 60 Minuten gleichzeitig und kontinuierlich in eine Abscheidekammer eingeführt werden. Das zeigt, daß das Abscheiden von Siliciumcarbid und das Dotieren mit der Verunreinigung im ersten Vergleichsbeispiel gleichzeitig erfolgen. Die Gesamtmenge jedes Gases ist mit der der ersten Ausführungsform identisch.
Somit wird die Siliciumcarbid-Halbleiterschicht des kubischen Systems bis zu einer Dicke von 77 μm auf einem Substrat aus einem Silicium-Einkristall abgeschieden. Als die im auf dem Siliciumsubstrat gewachsenen Siliciumcarbid enthaltene Verunreinigung mit einem SIMS (Sekundärionen-Massenspektrometer) gemessen wurde, wurde festgestellt, daß die Verunreinigungs- oder Stickstoffkonzentration im Siliciumcarbid 3,2 × 10¹⁶/cm³ betrug und gleichmäßig im Siliciumcarbid verteilt war. Außerdem betrug die durch den Hall-Effekt gemessene Elektronenkonzentration 2,7 × 10¹⁶/cm³, und der spezifische Widerstand von Siliciumcarbid lag bei 0,42 Ωcm. Außerdem war die Schwankung der Verunreinigungskonzentration in der Ebene und in einer Dickenrichtung über einem Bereich von 8,2% verteilt.
Andererseits unterscheidet sich die erste Ausführungsform vom ersten Vergleichsbeispiel dadurch, daß das Carbonisierungsverfahren durchgeführt wird, nachdem das Abscheidungsverfahren und das Dotierungsverfahren gleichzeitig durchgeführt wurden. Der Vergleich zwischen der ersten Ausführungsform und dem ersten Vergleichsbeispiel zeigt die Tatsache, daß die Verunreinigungskonzentration gemäß der ersten Ausführungsform um mehr als 3 Stellen deutlich höher ist und der spezifische Widerstand des Siliciumcarbids gemäß der ersten Ausführungsform viel geringer als der des ersten Vergleichsbeispiels ist.
Zweites Vergleichsbeispiel:
Das zweite Vergleichsbeispiel führt die Verarbeitung gemäß dem in 9 gezeigten Zeitdiagramm durch. Wie in 9 gezeigt, ist das zweite Vergleichsbeispiel dem ersten Vergleichsbeispiel ähnlich, außer daß anstelle von N₂-Gas ein BCl₃-Gas mit einer Strömungsrate von 20 sccm zugeführt wird. Mit anderen Worten wird beim zweiten Vergleichsbeispiel die Siliciumschicht anstelle des Dotierens mit Stickstoff (N) als Donoren mit Bor (B) als Akzeptoren dotiert. Die restlichen Verfahren sind folglich den in 8 erläuterten ähnlich und werden nicht mehr beschrieben.
In jedem Fall wird die Siliciumcarbidschicht des kubischen Systems bis zu einer Dicke von 77 μm auf einem Siliciumsubstrat abgeschieden. Als ein Ergebnis der Messung der Verunreinigung im auf dem Siliciumsubstrat gewachsenen Siliciumcarbid mit dem SIMS wurde festgestellt, daß Bor (B) gleichmäßig im Siliciumcarbid verteilt ist und die Konzentration von Bor (B) 2,2 × 10¹⁶/cm³ betrug. Die Lückenkonzentration im Siliciumcarbid betrug 7,5 × 10¹⁵/cm³, wenn sie unter Anwendung des Hall-Effektes gemessen wurde, während der spezifische Widerstand des Siliciumcarbids 1,75 μcm betrug. Die Schwankung der Verunreinigungskonzentration betrug in der Ebene und in Dickenrichtung 8,2%.
Die vorstehend aufgeführten Ergebnisse zeigen, daß die Verunreinigungskonzentration des durch das zweite Vergleichsbeispiel hergestellten Siliciumcarbids um mehr als 3 Stellen geringer als die Verunreinigungskonzentration des Siliciumcarbids ist, das mit der vierten Ausführungsform hergestellt wurde, die in 5 gezeigt ist und die das Carbonisierungsverfahren durchführt, nachdem das Verfahren zum Siliciumabscheiden und das Verfahren zum Dotieren mit der Verunreinigung beide gleichzeitig durchgeführt worden sind. Außerdem wird auch festgestellt, daß der spezifische Widerstand des Siliciumcarbids gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel viel höher als der des erfindungsgemäßen Siliciumcarbids ist.
Drittes Vergleichsbeispiel:
Unter Bezugnahme auf 10 werden ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid und das Siliciumcarbid gemäß dem dritten Vergleichsbeispiel beschrieben. Das in 10 gezeigte Verfahren ist dem in 8 gezeigten ersten Vergleichsbeispiel ähnlich, außer daß die Strömungsrate (Sr) von N₂-Gas in 10 geändert wurde, um verschiedene Arten von Siliciumcarbid-Halbleitern abzuscheiden. Somit wird die ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren gemäß diesem dritten Vergleichsbeispiel weggelassen.
Unter Bezugnahme auf 11 wird eine graphische Darstellung erläutert, die den Zusammenhang zwischen der Strömungsrate (Sr) (sccm) und der Elektronenkonzentration (cm^–3 ) zeigt. Dazu wurde eine große Auswahl von Siliciumcarbid-Halbleitern hergestellt, indem die Strömungsraten (Sr) geändert wurden, um jede Elektronenkonzentration zu messen. Wie in 11 gezeigt, neigt die Elektronenkonzentration dazu, mit steigender Strömungsrate (Sr) des Stickstoffgases (N₂) zuzunehmen, ist jedoch der Strömungsrate (Sr) nicht proportional. Genau ausgedrückt neigt die Zunahme der Elektronenkonzentration zu einer Sättigung, wenn die Sr zunimmt. In jedem Fall liegt die Schwankung der Elektronenkonzentration in einem Bereich zwischen 1 × 10¹³/cm³ und 4 × 10¹⁶/cm³. Dieser Schwankungsbereich ist enger als der der vorstehend genannten Ausführungsform dieser Erfindung und für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nicht ausreichend.
Viertes Vergleichsbeispiel:
Im vierten Vergleichsbeispiel wird eine Halbleitervorrichtung hergestellt, die einen pn-Übergang aufweist, der auf einem Substrat 4 aus einem Silicium-Einkristall abgeschieden wird. Insbesondere wird der Halbleiter vom n-Typ 30 Minuten gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel auf dem Siliciumsubstrat abgeschieden. Danach wird der Halbleiter vom p-Typ 30 Minuten gemäß dem dritten Vergleichsbeispiel auf dem Halbleiter vom n-Typ abgeschieden, wodurch auf dem Siliciumsubstrat 4 ein Siliciumcarbid-Halbleiter mit einer Dicke von 77 μm gebildet wird. Der pn-Übergang wird im Siliciumcarbid-Halbleiter erzeugt. Die Bedingungen für das Abscheiden sind denen ähnlich, die im Zusammenhang mit dem ersten und dritten Vergleichsbeispiel aufgeführt wurden, abgesehen von der Zeitdauer des Abscheidens.
Danach wird das Substrat 4 (d. h. das Substrat aus einem Silicium-Einkristall) vom Siliciumcarbid-Halbleiter entfernt, wobei eine gemischte Lösung aus HF und HNO₃ verwendet wird. Auf der Oberseite (Seite mit dem p-Typ) und der Unterseite (Seite mit dem n-Typ) werden Elektroden aus Ni aufgedampft und mit Leitern verbunden. Unter diesen Umständen wird die Kapazitanz des pn-Übergangs gemessen, indem eine Gleichspannung zwischen –10 und +10 Volt vorgegeben wird. Praktisch wird die Kapazitätsmessung durchgeführt, indem eine Wechselspannung (0,2 Volt) mit 1 MHz angelegt wird, um die Schwankung der Kapazitanz im Verhältnis zur vorgegebenen Gleichspannung zu beobachten.
Die Schwankung der Kapazitanz zeigt, daß das anfängliche Potential des vorstehend hergestellten pn-Übergangs 0,92 Volt beträgt, und der Verunreinigungskonzentrationsgradient im pn-Übergang wird mit 4,5 × 10¹⁸/cm⁴ berechnet.
Wenn dem Siliciumcarbid mit der oberen und unteren Elektrode eine Spannung vorgegeben wird, die negative bzw. positive Spannungen erhalten, kommt es bei einer Spannung von 14 Volt zum Durchschlagen. Anhand dieser Tatsache ist es selbstverständlich, daß das anfängliche Potential und der Verunreinigungskonzentrationsgradient gemäß dem vierten Vergleichsbeispiel geringer als die der sechsten Ausführungsform dieser Erfindung sind, wohingegen die Durchschlagsspannung des vierten Vergleichsbeispiels viel höher als die der sechsten Ausführungsform ist. Folglich ist die sechste Ausführungsform dieser Erfindung für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung effektiv, die den pn-Übergang aufweist.
Wie vorstehend erwähnt, betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid, um eine Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung herzustellen, indem auf einem Substrat eine dünne Schicht aus einer Dampfphase oder einer Flüssigphase abgeschieden wird.
Wie vorstehend erwähnt, bestehen die Merkmale dieser Erfindung in einem Verfahren zum Abscheiden einer Siliciumschicht auf einem Substrat, einem Verfahren zum Dotieren der Siliciumschicht mit Verunreinigungen in Form mindestens eines Elements, das aus den Verunreinigungen N, B, Al, Ga, In, P, As, Sb, Se, Zn, O, Au, V, Er, Ge und Fe ausgewählt ist, und einem Verfahren zum Carbonisieren der dotierten Siliciumschicht zu einer dotierten Siliciumcarbidschicht. Mit dieser Erfindung können das Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid, das Siliciumcarbid und der Halbleiter ohne irgendwelche Einschränkungen der Verunreinigungsquellen und Verunreinigungskonzentrationen erreicht werden. Außerdem kann das Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid den Siliciumcarbid-Halbleiter mit einer hohen Produktivität und einer hohen Ausbeute herstellen.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer mit einer Verunreinigung dotierten Siliciumcarbidschicht auf einem Substrat, wobei das Verfahren umfaßt: Herstellen von undotiertem Silicium; Dotieren des undotierten Siliciums mit einer Verunreinigung unter Erzeugung einer auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht aus dotiertem Silicium; und Carbonisieren der dotierten Siliciumschicht nach dem Dotieren unter Erzeugung der Siliciumcarbidschicht, wobei die Siliciumcarbidschicht eine kontrollierte Menge an während des Dotierungsschritts eingebrachter Verunreinigung enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren das Abscheiden einer undotierten Siliciumschicht auf dem Substrat; Dotieren der undotierten Siliciumschicht auf dem Substrat mit einer Verunreinigung unter Erzeugung einer dotieren Siliciumschicht; und Carbonisieren der dotierten Siliciumschicht nach dem Dotieren unter Erzeugung der Siliciumcarbidschicht umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verunreinigung aus mindestens einem Element, ausgewählt aus N, B, Al, Ga, In, P, As, Sb, Se, Zn, O, Au, V, Er, Ge und Fe, besteht.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Siliciumschicht auf einem Substrat aus einer Dampfphase oder einer Flüssigphase abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Siliciumschichtabscheidens, der Dotierschritt und der Carbonisierungsschritt während des epitaxialen Wachstums einer dünnen Schicht auf dem Substrat unter Verwendung eines chemischen Dampfauftragsverfahrens durchgeführt werden; wobei der Schritt des Siliciumschichtabscheidens unter Verwendung eines Gases einer Silangruppe oder einer Dichlorsilangruppe als Silcium-Ausgangsmaterial durchgeführt wird, während der Carbonisierungsschritt unter Verwendung eines ungesättigten Kohlenwasserstoffgases durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Siliciumschichtabscheidens von dem Dotierungsschritt gefolgt wird und der Carbonisierungsschritt nach dem Dotierungsschritt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Siliciumschichtabscheidens und der Dotierungsschritt gleichzeitig durchgeführt werden und von dem Carbonisierungsschritt gefolgt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Siliciumschichtabscheidens und der Dotierungsschritt gleichzeitig durchgeführt werden, während der Carbonisierungsschritt durchgeführt wird, wenn ein vorher festgelegter Zeitraum nach Beginn sowohl des Schritts des Siliciumabscheidens als auch des Dotierungsschritts verstrichen ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die mit der Verunreinigung dotierte Siliciumcarbidschicht bis zu einer gewünschten Dicke durch mehrfaches Wiederholen einer Verfahrenseinheit abgeschieden wird, die aus dem Schritt des Siliciumabscheidens, dem Dotierungsschritt und dem Carbonisierungsschritt besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Menge an Verunreinigung während jedes Dotierungsschritts der Verfahrenseinheiten variiert wird, um eine Mehrzahl von Siliciumcarbidschichten bereitzustellen, die jeweils unterschiedliche Verunreinigungskonzentrationen in einer Dickerichtung aufweisen.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Dotierungsschritt die Menge an Verunreinigung steuert, so daß Verunreinigungskonzentrationen in dem Siliciumcarbid zwischen 1 × 10¹³/cm³ bis 1 × 10²¹/cm³ betragen.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Dotierungsschritt die Menge an Verunreinigung steuert, so daß ein Verunreinigungskonzentrationsgradient in der Dickerichtung der Siliciumcarbidschicht zwischen 10 × 10¹⁸/cm⁴ und 4 × 10²⁴/cm⁴ beträgt.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Substrat eine Oberfläche aufweist, die durch entweder ein Einkristallsilicium, ein Siliciumcarbid eines kubischen Systems oder ein Siliciumcarbid eines hexagonalen Systems strukturiert ist, während die auf der Oberfläche des Substrats abgeschiedene Siliciumcarbidschicht durch Siliciumcarbid eines kubischen Systems oder eines hexagonalen Systems strukturiert ist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, weiter umfassend den Schritt des Entfernens des Substrats von der Siliciumcarbidschicht nach der Bildung des dotierten Siliciumcarbids, so daß ein Siliciumcarbid-Wafer zurückbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Dotierungsschritt jeder Verfahrenseinheit durch Variieren von einer Spezies der Verunreinigungen zu einer anderen bei jeder Verfahrenseinheit durchgeführt wird, um einen pn-Übergang in der dotierten Siliciumcarbidschicht bereitzustellen.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, weiter umfassend den Schritt der Verwendung des nach einem vorhergehenden Anspruch erhaltenen dotierten Siliciumcarbids als Impfkristall; und des weiteren Wachstums von Siliciumcarbid auf dem Impfkristall durch ein Dampfauftragsverfahren, ein Sublimations-Rekristallisationsverfahren oder ein Flüssigauftragsverfahren.
Siliciumcarbid mit einem Bereich, welcher einen Verunreinigungskonzentrationsgradienten zwischen 1 × 10²²/cm⁴ und 4 × 10²⁴/cm⁴ in der Dickerichtung aufweist.
Halbleiterbauelement umfassend eine Siliciumcarbidschicht, welche durch das Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch 1 bis 16 hergestellt werden kann, wobei die Siliciumcarbidschicht eine kontrollierte Menge an während des Dotierungsschritts eingeführter Verunreinigung enthält, oder umfassend eine Siliciumcarbidschicht nach Anspruch 17.