DE102011079855B4

DE102011079855B4 - Verfahren zur Verringerung der Stapelfehlerdichte bei der Herstellung eines Siliciumcarbideinkristalls

Info

Publication number: DE102011079855B4
Application number: DE102011079855.2A
Authority: DE
Inventors: Fusao Hirose; Jun Kojima; Kazutoshi Kojima; Tomohisa Kato; Ayumu Adachi; Koichi Nishikawa
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2018-06-07
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: US20120025153A1; SE1150726A1; JP5839315B2; DE102011079855A1; JP2012031014A; CN102400224B; CN102400224A; US9053834B2; SE535452C2

Abstract

Verfahren zur Verringerung der Stapelfehlerdichte um 20 % oder mehr bei der Herstellung eines Siliciumcarbideinkristalls (3) mit einem spezifischen Widerstand von kleiner oder gleich 10 mΩcm umfassend:Züchten eines Siliciumcarbideinkristalls (3) auf einer Oberfläche eines als Impfkristall verwendeten Siliciumcarbideinkristallsubstrats (2) durch Zuführen von sublimiertem Gas eines Siliciumcarbid-Ausgangsmaterials zur Oberfläche des Siliciumcarbideinkristallsubstrats (2),wobei das Züchten des Siliciumcarbideinkristalls (3) ein gleichzeitiges Dotieren mit Stickstoff und Aluminium umfasst,wobei die Stickstoffkonzentration 2 × 10cmoder höher und 2 × 10cmoder niedriger ist und das Verhältnis von Aluminiumkonzentration zu Stickstoffkonzentration innerhalb des Bereichs von 5 % bis 40 % liegt, undwobei die Verringerung der Stapelfehlerdichte definiert ist als das Verhältnis der Stapelfehlerdichte bei dem gleichzeitigen Dotieren mit Stickstoff und Aluminium zu der Stapelfehlerdichte ohne einem Dotieren mit Aluminium bei derselben Stickstoffkonzentration.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Stapelfehlerdichte bei der Herstellung eines Siliciumcarbideinkristalls (nachfolgend als SiC-Einkristall bezeichnet).
Hintergrund der Erfindung
In den vergangenen Jahren hat Siliciumcarbid (SiC) eine vermehrt Aufmerksamkeit als Material für Leistungsbauelemente erfahren, die eine hohe Durchschlagfestigkeit (Durchschlagfeldstärke) bieten können. SiC-Halbleiterbauelemente können bei der Steuerung hoher Stromstärken verwendet werden, da die SiC-Halbleiterbauelemente eine hohe Feldstärke aufweisen. Es ist daher damit zu rechnen, dass SiC bei der Steuerung von Motoren für Hybridfahrzeuge eingesetzt wird.
Wenn solche SiC-Halbleiterbauelemente hergestellt werden, wird ein SiC-Einkristallwafer verwendet, oder man lässt eine mit Verunreinigungen dotierte SiC-Einkristallschicht auf einem SiC-Einkristallsubstrat wachsen. Um beispielsweise einen SiC-Einkristall vom n-Typ mit geringem Widerstand zu erhalten, muss gegenwärtig in großem Umfang Stickstoff als Dotiermittel vom n-Typ dotiert werden. Speziell beträgt der geforderte spezifische Widerstand für Bauelemente einige mΩcm, und Stickstoff sollte in großem Umfang dotiert werden, um diesen Wert zu erreichen.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass, wenn Stickstoff zu einem SiC-Einkristall dotiert wird, um den Widerstand zu verringern, leicht Stapelfehler erzeugt werden, wenn die Konzentration von Stickstoff 2 × 10¹⁹ cm^-3 oder höher ist. Wenn der Stickstoff mit 2 × 10¹⁹ cm^-3 dotiert wird, beträgt der spezifische Widerstand eines Bauelements ungefähr 10 mΩcm und ist mehrfach größer als der für die Bauelemente geforderte spezifische Widerstand. Der spezifische Widerstand von Bauelementen nimmt ab, wenn mehr Stickstoff dotiert wird, jedoch nehmen Stapelfehler deutlich auf ungefähr 800 bis 1000 cm^-1 zu. Die Stapelfehler werden in dem hergestellten Bauelement zu einer Leckstromquelle oder einer Widerstandskomponente und verursachen negative Effekte für die elektrischen Charakteristiken der Bauelemente, so dass es sich nicht nur um eine Frage der Dotierung mit Stickstoff handelt.
Die JP 2008 - 290 898 A (entspricht US 2010 / 0 080 956 A1 ) offenbart ein Verfahren zur Verringerung der Bildung von Stapelfehlern bei der Wärmebehandlung eines SiC-Einkristallsubstrats mit geringem Widerstand. Im Einzelnen werden 90 % oder mehr der gesamten Oberfläche des SiC-Einkristallsubstrats mit einer SiC-Einkristallebene mit einer Oberflächenrauigkeit (Ra) von 1,9 nm oder weniger bedeckt. Stapelfehler werden bei der Wärmebehandlung erzeugt, die durchgeführt wird, falls zur Verringerung des Widerstands die Konzentration an Verunreinigungen erhöht wird. Die erzeugte Menge an Stapelfehlern nimmt mit zunehmender Oberflächenrauigkeit zu. Um eine Zunahme der erzeugten Stapelfehlern zu verhindern, wird daher die Oberfläche des SiC-Einkristallsubstrats mit einer SiC-Einkristallebene überzogen, die geringe Oberflächenrauigkeit aufweist, so dass ein Kristalldefekt schwer zu erzeugen ist.
Die JP H10 - 17 399 A schlägt ein Herstellungsverfahren für einen 6H-SiC-Einkristall vor, bei dem die Bildung eines Mikrolunkerdefekts verhindert wird und die Menge an Stapelfehlern gering ist. Im Einzelnen wird in einem Sublimationsrekristallisationsverfahren eine Ebene eines 6H-SiC, die in einem Winkel von innerhalb ±30 Grad von einer (11-20)-Ebene zu einer (0001)-Ebene geneigt ist und mit einem Winkel von innerhalb ±10 Grad von der (11-20)-Ebene zu einer (10-10)-Ebene geneigt ist, als Impfkristallsubstrat verwendet.
Die JP 2008 - 290 898 A schlägt zwar ein Verfahren zur Verhinderung der Bildung von Stapelfehlern bei der Wärmebehandlung vor, doch werden Stapelfehler schon beim Dotieren einer großen Menge Stickstoff vor der Wärmebehandlung erzeugt. Daher zeigt das Verfahren keine Wirkung, solange Stapelfehler nicht beim Dotierungsschritt verhindert werden. In der JP H10 - 17 399 A wird SiC mit einer bestimmten Polymorphie mit einer geringen Menge an Stapelfehlern erzeugt, indem eine spezifische Ebenenrichtung als Wachstumsfläche verwendet wird. Die Richtung der Wachstumsfläche ist jedoch festgelegt und auch die Polymorphie des hergestellten SiC ist festgelegt. Daher können SiC-Einkristalle mit geringer Menge an Stapelfehlern lediglich begrenzt hergestellt werden. Darüber hinaus ist nicht klar, ob die erzeugten Stapelfehler auf ein Niveau reduziert werden können, bei dem die Stapelfehler nicht zu negativen Auswirkungen auf die elektrischen Charakteristiken von Bauelementen führen, wenn die Dotierungsmenge zur Verringerung des Widerstands erhöht wird. Demgemäß benötigt man ein Herstellungsverfahren zur Verringerung des spezifischen Widerstands und zur Verringerung der Bildung von Stapelfehlern.
SiC-Einkristalle, die mit Donor- und Akzeptorverunreinigungen wie Stickstoff und Aluminium dotiert sind, und Verfahren zu deren Herstellung sind zudem aus der JP 2009 - 167 047 A (entspricht US 2010 / 0 289 033 A1 ) bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Hinblick auf die zuvor beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verringerung der Stapelfehlerdichte bei der Herstellung eines SiC-Einkristall bereitzustellen, bei dem der spezifische Widerstand verringert werden kann und die Menge an Stapelfehlern verringert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Verringerung der Stapelfehlerdichte um 20 % oder mehr bei der Herstellung eines Siliciumcarbideinkristalls (3) mit einem spezifischen Widerstand von kleiner oder gleich 10 mΩcm umfassend:

Züchten eines Siliciumcarbideinkristalls (3) auf einer Oberfläche eines als Impfkristall verwendeten Siliciumcarbideinkristallsubstrats (2) durch Zuführen von sublimiertem Gas eines Siliciumcarbid-Ausgangsmaterials zur Oberfläche des Siliciumcarbideinkristallsubstrats (2),
wobei das Züchten des Siliciumcarbideinkristalls (3) ein gleichzeitiges Dotieren mit Stickstoff und Aluminium umfasst,
wobei die Stickstoffkonzentration 2 × 10¹⁹ cm³ oder höher und 2 × 10²⁰ cm^-3 oder niedriger ist und das Verhältnis von Aluminiumkonzentration zu Stickstoffkonzentration innerhalb des Bereichs von 5 % bis 40 % liegt, und
wobei die Verringerung der Stapelfehlerdichte definiert ist als das Verhältnis der Stapelfehlerdichte bei dem gleichzeitigen Dotieren mit Stickstoff und Aluminium zu der Stapelfehlerdichte ohne einem Dotieren mit Aluminium bei derselben Stickstoffkonzentration.

Im dem mit dem obigen Verfahren erhaltenen SiC-Einkristall kann, da gleichzeitig Stickstoff und Aluminium mit einer vorbestimmten Stickstoffkonzentration und einem vorbestimmten Verhältnis Al/N dotiert werden, der spezifische Widerstand verringert werden, und auch die Menge an Stapelfehlern kann verringert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Wachsen bzw. Züchten eines SiC-Einkristalls auf einer Oberfläche eines als Impfkristall verwendeten SiC-Einkristallsubstrats, indem der Oberfläche des SiC-Einkristallsubstrats sublimiertes Gas eines SiC-Ausgangsmaterials (SiC-Quellenmaterials) zugeführt wird. Das Züchten des SiC-Einkristalls beinhaltet ein gleichzeitiges Dotieren von Stickstoff und Aluminium, wobei die Stickstoffkonzentration 2 × 10¹⁹ cm^-3 oder höher ist und das Verhältnis von Aluminiumkonzentration zu Stickstoffkonzentration innerhalb des Bereichs von 5 % bis 40 % liegt.
Durch Schneiden des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten SiC-Einkristalls kann ein SiC-Einkristallsubstrat erhalten werden.
Das SiC-Einkristallsubstrat kann als Impfkristall zum Züchten eines SiC-Einkristalls verwendet werden.
Figurenliste
Die oben angegebenen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht. In den Zeichnungen ist:

1 eine schematische Querschnittsansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem ein SiC-Einkristall mit einer SiC-Einkristallzüchtungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezüchtet wird;
2 ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Al/N-Verhältnis und dem Hemmungsverhältnis der Stapelfehler zeigt; und
3 ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Al/N-Verhältnis und dem spezifischen Widerstand zeigt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Unter Bezug auf 1 wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die in 1 gezeigte SiC-Einkristallzüchtungsvorrichtung ist eine Vorrichtung, in der ein SiC-Einkristall mittels eines weiterentwickelten Rayleigh-Verfahrens gezüchtet (gewachsen) werden kann. Die SiC-Einkristallherstellungsvorrichtung (SiC-Einkristallzüchtungsvorrichtung) weist einen Graphittiegel 1 auf, der einen hohlen zylindrischen Tiegelkörper 1a mit einem Boden und einem kreisförmigen Deckel 1b umfasst. Aus einem Zentralabschnitt der Rückseite des Deckels 1b steht ein Sockel 1c hervor, und auf der Oberfläche des Sockels 1c ist beispielsweise mit Klebstoff das als Impfkristall verwendete SiC-Einkristallsubstrat 2 angebracht, so dass der SiC-Einkristall 3 auf der Oberfläche des SiC-Einkristallsubstrats 2 gezüchtet werden kann.
Als SiC-Einkristallsubstrat 2 wird eine Ebene mit beispielsweise einem Neigungswinkel im Bereich von 1 Grad bis 15 Grad zur (0001)-C-Ebene verwendet. Der Sockel 1c, auf dem das SiC-Einkristallsubstrat 2 angebracht ist, besitzt nahezu dieselbe Größe wie das SiC-Einkristallsubstrat 2. In der vorliegenden Ausführungsform weist das SiC-Einkristallsubstrat 2 eine Kreisform auf, und auch der Sockel 1c besitzt dieselbe Kreisform wie das SiC-Einkristallsubstrat 2. Darüber hinaus ist die Mitte des Sockels 1c direkt oberhalb der Mittelachse des Tiegels 1 angeordnet, so dass die Mitte des SiC-Einkristallsubstrats 2 ebenfalls direkt oberhalb der Mittelachse des Tiegels 1 angeordnet ist. Darüber hinaus können das SiC-Einkristallsubstrat 2 und der Sockel 1c eine beliebige Form aufweisen, die nicht auf Kreise beschränkt ist, sondern auch Quadrate, Sechsecke, Achtecke oder andere Mehreckformen umfassen kann.
Ein Ringbauteil 5 mit einer schürzenartigen Form, das insbesondere die Form eines hohlen Kreiskegelstumpfes aufweist, ist so an dem Deckel 1b des Tiegels 1 befestigt, dass das Ringbauteil 5 den Sockel 1c umgibt. Ein Ende des Ringbauteils 5 ist an einem unebenen Abschnitt angeordnet, der an der Innenwand des Tiegelkörpers 1a ausgebildet ist, und der Durchmesser des Wachstumsraums nimmt ausgehend von dem SiC-Einkristallsubstrat 2 in Wachstumsrichtung allmählich zu. Das Ringbauteil 5 kann die radiale Temperaturverteilung in der Nähe des SiC-Einkristallsubstrats 2 verringern und die Temperatur im Wachstumsraum des SiC-Einkristalls 3, der auf der Oberfläche des SiC-Einkristallsubstrats 2 gezüchtet wird, ausgleichen. Darüber hinaus sind aufgrund des Ringbauteils 5 die Temperatur des SiC-Einkristallsubstrats 2 und die Temperatur der Wachstumsfläche des SiC-Einkristalls 3 geringer als in anderen Abschnitten.
In den Tiegelkörper 1a wird ein Rohmaterial 4 gegeben, das Ausgangsmaterial für sublimiertes Gas liefert und ein SiC-Ausgangsmaterialpulver (SiC-Quellenpulver) und ein Aluminiummaterial (Al-Material) umfasst. Als in dem Rohmaterial 4 enthaltene SiC-Ausgangsmaterialpulver können beispielsweise SiC und Mischpulver aus Si und C mit vorbestimmten Teilchendurchmessern verwendet werden, wobei auch Si₂C oder SiC₂ mit vorbestimmten Teilchendurchmessern als in dem Rohmaterial 4 enthaltenes SiC-Ausgangsmaterialpulver verwendet werden können. Als in dem Rohmaterial 4 enthaltenes Al-Material kann ein beliebiges Material, das Al enthält, verwendet werden. Als Al-Material kann ein Material verwendet werden, das AI enthält und frei ist von anderen Elementen als Elementen, die SiC bilden, und Elementen, die Dotiermittel bilden, wie Al₄C₃ und AlN.
Darüber hinaus ist der Tiegel 1 auf einer Drehvorrichtung montiert, die in der Figur nicht gezeigt ist. Die Drehvorrichtung dreht sich um die Mittelachse des Tiegels 1, so dass, wenn sich die Drehvorrichtung dreht, der auf der Drehvorrichtung montierte Tiegel 1 sich ebenfalls um die Mittelachse des Tiegels 1 dreht. Demgemäß kann das auf dem Podest 1c angebrachte SiC-Einkristallsubstrat 2 um die Mittelachse des Tiegels 1 rotieren.
Ferner ist eine in der Figur nicht gezeigte Heizvorrichtung, wie eine Heizung, außerhalb des Tiegels 1 so angeordnet, dass sie den Tiegel 1 umgibt. Die Temperatur des Tiegels 1 kann durch Regulieren der Energie der Heizvorrichtung auf ein geeignetes Niveau eingestellt werden. Wenn der SiC-Einkristall 3 gezüchtet wird, kann beispielsweise die Temperatur des als Impfkristall verwendeten SiC-Einkristallsubstrats 2 auf einer Temperatur gehalten werden, die um 10 °C bis 200 °C geringer ist als die Temperatur des Rohmaterials 4, welches das SiC-Ausgangsmaterialpulver enthält, indem die Energie der Heizvorrichtung reguliert wird. Des Weiteren ist in der Figur nicht gezeigt, dass der Tiegel 1 und andere Teile in einer Vakuumkammer untergebracht sind, in die Argongas und als Dotiermittel verwendeter Stickstoff (N) eingeleitet werden können, und alle Teile in der Vakuumkammer können erwärmt werden.
Mit der SiC-Einkristallherstellungsvorrichtung, welche den oben beschriebenen Aufbau aufweist, wird der SiC-Einkristall 3 auf der Wachstumsfläche des SiC-Einkristallsubstrats in dem Wachstumsraum zwischen dem als Impfkristall verwendeten SiC-Einkristallsubstrat 2 und dem Rohmaterial 4 im Tiegel 1, insbesondere dem Raum, der durch das Ringbauteil 5 mit der schürzenartigen Gestalt umgeben ist, durch Rekristallisation des von dem in dem Rohmaterial 4 enthaltenen SiC-Ausgangsmaterialpulver sublimierten Dampfes bzw. Gases auf der Oberfläche des SiC-Einkristallsubstrats 2 gezüchtet. Ein Barren des SiC-Einkristalls 3, der mit sowohl Stickstoff als auch AI dotiert ist, kann hergestellt werden, indem beim Züchten des SiC-Einkristalls 3 Stickstoff, der als Dotiermittel verwendet wird, während des Wachstums des SiC-Einkristalls 3 zugeführt wird, so dass Stickstoff mit einer hohen Konzentration in dem SiC-Einkristall 3 dotiert wird, und gleichzeitig das Al-Material vergast wird.
Es werden nun Einzelheiten des Herstellungsverfahrens für den mit der oben beschriebenen SiC-Einkristallherstellungsvorrichtung hergestellten SiC-Einkristall 3 beschrieben.
Als Erstes wird eine Mischung aus SiC-Ausgangsmaterialpulver und Al-Material, wie Al₄C₃-Pulver oder AIN-Pulver, als Rohmaterial 4 in den Tiegelkörper 1a gegeben. Darüber hinaus wird, nachdem das als Impfkristall verwendete SiC-Einkristallsubstrat 2 auf dem Sockel 1c, der auf der Rückseite des Deckels 1b angeordnet ist, angebracht wurde, der Deckel 1b auf dem Tiegelkörper 1a angeordnet. In die Vakuumkammer werden gleichzeitig das als Wachstumsatmosphäre verwendete Argongas und das als Stickstoffdotiermittelquelle verwendete Stickstoffgas eingeleitet. Durch Regulierung der Energie der Heizvorrichtung wird dann die Temperatur in der Umgebung des Rohmaterials 4 so eingestellt, dass sie höher ist als die Sublimationstemperatur des SiC-Ausgangsmaterialpulvers, und die Temperatur in der Umgebung des als Impfkristall verwendeten SiC-Einkristallsubstrats 2 wird um 10 °C bis 200 °C tiefer eingestellt als die Temperatur des Rohmaterials 4. Infolgedessen kann ein mit sowohl Stickstoff als auch Al dotierter SiC-Einkristall 3 gezüchtet werden.
Während des Dotierens wird die Konzentration des in den SiC-Einkristall 3 dotierten Stickstoffs auf 2 × 10¹⁹ cm^-3 oder höher eingestellt. Zusätzlich wird das Verhältnis von Al-Konzentration zu Stickstoffkonzentration (nachfolgend als Al/N-Verhältnis bezeichnet) so gesteuert, dass es innerhalb des Bereichs von 5 % bis 40 % liegt. Das Al/N-Verhältnis kann auch innerhalb des Bereichs von 10 % bis 40 % liegen, und das Al/N-Verhältnis kann auch innerhalb des Bereichs von 15 % bis 40 % liegen. Die Gründe hierfür werden unter Bezug auf 2 und 3 erläutert.
In 2 bedeutet das Hemmungsverhältnis der Stapelfehler das Verhältnis von Stapelfehlerdichte, wenn Al dotiert wird, zu Stapelfehlerdichte, wenn kein AI dotiert wird, unter der Bedingung, dass die Stickstoffkonzentration dieselbe ist.
Wie in 2 gezeigt, nimmt das Hemmungsverhältnis der Stapelfehler mit der Zunahme des Al/N-Verhältnisses zu, was bedeutet, dass Stapelfehler verhindert werden können, indem Al beim Dotieren von Stickstoff in einem Verhältnis dotiert wird, das über einem vorbestimmten Niveau liegt, und dass die Hemmungswirkung in wesentlichem Maße mit der Zunahme der Dotierungsmenge von Al zunimmt. Nach den experimentellen Ergebnissen beginnt die Hemmungswirkung der Stapelfehler, wenn das Al/N-Verhältnis 5 % oder höher ist, das Hemmungsverhältnis kann einen hohen Wert von 40 % oder mehr erreichen, wenn das Al/N-Verhältnis 10 % oder höher ist, und das Hemmungsverhältnis kann ein sehr hohes Niveau von 60 % oder mehr erreichen, wenn das Al/N-Verhältnis 15 % oder höher ist.
Demgemäß können Stapelfehler reduziert werden, indem Al und Stickstoff gleichzeitig dotiert werden, verglichen mit dem Fall, dass kein AI dotiert wird. Obwohl der Mechanismus nicht mit Bestimmtheit bekannt ist, wird folgender Mechanismus angenommen.
In dem SiC-Einkristall 3 wird Kohlenstoff durch Stickstoff ersetzt. Da Stickstoff einen kleineren Atomradius als Silicium (Si) aufweist, führt der Ersatz von Kohlenstoff durch Stickstoff zu einem Kompressionseffekt für den Kristall. Der Kompressionseffekt nimmt mit der Zunahme der Dotierungsmenge von Stickstoff zu und führt zu einer Verzerrung in der Atomanordnung, wodurch als Folge Stapelfehler erzeugt werden, um die Stabilität des Kristalls zu erhalten. Der Kompressionseffekt kann daher durch einen Expansionseffekt kompensiert werden, der durch den Ersatz von Silicium durch Al, das einen größeren Atomradius als Silicium aufweist, zustande kommt, indem Al dotiert wird, und die Bildung von Stapelfehlern kann verhindert werden.
Demgemäß können in dem Fall, dass Stickstoff mit einer Konzentration von 2 × 10¹⁹ cm^-3 oder höher zu dem SiC-Einkristall 3 dotiert wird, die Stapelfehler des SiC-Einkristalls 3 verringert werden, indem AI gleichzeitig mit Stickstoff in einem Al/N-Verhältnis von 5 % oder höher dotiert wird. Das Al/N-Verhältnis kann auch 10 % oder höher sein, und das Al/N-Verhältnis kann auch 15 % oder höher sein.
Wie in 3 gezeigt, nimmt jedoch der spezifische Widerstand (mΩcm) drastisch zu, wenn das Al/N-Verhältnis zu sehr erhöht wird. Insbesondere erreicht der spezifische Widerstand einen Wert von bis zu ungefähr 17 mΩcm, wenn das Al/N-Verhältnis 42 % beträgt. Nach den experimentellen Ergebnissen nimmt der spezifische Widerstand auf 10 mΩcm oder mehr zu, wenn das Al/N-Verhältnis 40 % oder höher ist, und der spezifische Widerstand bei einem Al/N-Verhältnis von 40 % oder mehr ist um einige Male höher als der spezifische Widerstand bei einem Al/N-Verhältnis von 40 % oder weniger. Daher kann die Bildung von Stapelfehlern verhindert und der spezifische Widerstand verringert werden, indem Stickstoff und Al gleichzeitig mit einem Al/N-Verhältnis im Bereich von 5 % bis 40 % dotiert werden. Die Stapelfehler können noch sicherer verhindert werden, wenn das Al/N-Verhältnis so gesteuert wird, dass es im Bereich von 10 % bis 40 % oder im Bereich von 15 % bis 40 % liegt.
Im Hinblick auf die vorherigen Beobachtungen werden in einem Fall, bei dem Stickstoff zu dem SiC-Einkristall 3 dotiert wird und die Stickstoffkonzentration 2 × 10¹⁹ cm^-3 oder höher ist, verschiedene Bedingungen so eingestellt, dass das Al/N-Verhältnis innerhalb des oben beschriebenen Wertebereichs liegt. Wenn beispielsweise der SiC-Einkristall 3 mit der Herstellungsvorrichtung für den SiC-Einkristall gezüchtet wird, wird als Rohmaterial 4 eine Mischung aus Al-Material und SiC-Ausgangsmaterialpulver verwendet, bei der das Verhältnis von Al-Material zu SiC-Ausgangsmaterialpulver 45 % beträgt. Wenn darüber hinaus die Mischung aus als Wachstumsatmosphäre verwendetem Argongas und als Dotiermittel verwendetem Stickstoffgas in die Vakuumkammer eingeleitet wird, wird das Stickstoffgas in einem Verhältnis von 14 % zu dem Argongas gemischt. Es wird dann die Temperatur in der Nähe bzw. Umgebung des Rohmaterials 4 auf ungefähr 2400 °C eingestellt, und die Temperatur wird in der Nähe bzw. Umgebung des als Impfkristall verwendeten SiC-Einkristallsubstrats 2 auf ungefähr 2200 °C eingestellt und der Wachstumsdruck wird auf 1,3 kPa eingestellt, indem die Energie der Heizvorrichtung reguliert wird, und das Züchten des SiC-Einkristalls 3 wird über 100 Stunden durchgeführt.
Die Stickstoffkonzentration und die Al-Konzentration des unter den oben beschriebenen Bedingungen gezüchteten SiC-Einkristalls 3 betragen 4 × 10¹⁹ cm³ bzw. 8 × 10¹⁸ cm^-3, und das Al/N-Verhältnis beträgt 20 %. Darüber hinaus beträgt der spezifische Widerstand 6 mΩcm. Wenn darüber hinaus der SiC-Einkristall 3 mit einem Neigungswinkel von 4 Grad ausgeschnitten wird und die Ätzgrubendichte der Stapelfehler mittels Ätzen mit geschmolzenem KOH gemessen wird, beträgt die Ätzgrubendichte 45 cm^-1. Wenn mit demselben Verfahren die Dichte der Stapelfehler gemessen wird, die in einem SiC-Einkristall, der mit lediglich Stickstoff dotiert ist, erzeugt werden, beträgt die Ätzgrubendichte 250 cm^-1, so dass daher durch das Dotieren mit Al die Stapelfehler um nahezu 80 % verringert werden können.
Wie oben beschrieben, können in einem Fall, bei dem der Stickstoff mit einer Konzentration von 2 × 10¹⁹ cm^-3 oder höher zu dem SiC-Einkristall dotiert wird, die Stapelfehler des SiC-Einkristalls 3 reduziert werden, indem AI gleichzeitig mit Stickstoff mit einem Al/N-Verhältnis von 5 % oder höher dotiert wird. Das Al/N-Verhältnis kann auch 10 % oder höher sein, und das Al/N-Verhältnis kann auch 15 % oder höher sein. Darüber hinaus kann der spezifische Widerstand verringert werden, indem man das Al/N-Verhältnisses auf 40 % oder weniger steuert, und es kann der für Bauelemente geforderter spezifischer Widerstand erhalten werden. Demgemäß kann ein SiC-Einkristall 3 erhalten werden, bei dem der für Bauelemente geforderte spezifische Widerstand erhalten werden kann und die Menge an Stapelfehlern verringert werden kann.
Ein SiC-Einkristallsubstrat mit einer Oberfläche einer vorbestimmten Ebenenrichtung, das eine geringe Menge an Stapelfehlern und einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist, kann erhalten werden durch Schneiden des durch das oben beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellten SiC-Einkristalls 3 entlang der vorbestimmten Ebenenrichtung. Wenn aus dem oben beschriebenen SiC-Einkristallsubstrat ein Bauelement gebildet wird, sind negative Effekte auf elektrische Charakteristiken des Bauelements beschränkt und es werden hohe charakteristische Leistungen erhalten. Darüber hinaus kann das auf die oben beschriebene Weise erhaltene SiC-Einkristallsubstrat auch als ein neuer Impfkristall zum Züchten eines SiC-Einkristalls verwendet werden. Da der SiC-Einkristall mit geringer Menge an Stapelfehlern als Impfkristall verwendet wird, kann wiederum ein SiC-Einkristall mit einer geringen Menge an Stapelfehlern und hoher charakteristischer Leistung gezüchtet werden.
Die JP 2009 - 167 047 A (entspricht US 2010 / 0 289 033 A1 ) offenbart ein Herstellungsverfahren für einen SiC-Einkristall. Bei dem Herstellungsverfahren wird, wenn ein SiC-Einkristallbarren gebildet wird, eine Verunreinigung vom Donortyp mit einer Konzentration von 2 × 10¹⁸ cm^-3 bis 6 × 10²⁰ cm^-3 dotiert, eine Verunreinigung vom Akzeptortyp wird mit einer Konzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3 bis 5,99 × 10²⁰ cm^-3 dotiert, die Konzentration der Verunreinigung vom Donortyp ist größer als die Konzentration der Verunreinigung vom Akzeptortyp, und der Unterschied beträgt 1 × 10¹⁸ cm^-3 bis 5,99 × 10²⁰ cm^-3, um so die Grundflächenversetzung in dem SiC-Einkristall zu reduzieren. Das heißt, die Grundflächenversetzung des SiC-Einkristalls kann reduziert werden, indem die Verunreinigung vom Donortyp und die Verunreinigung vom Akzeptortyp gleichzeitig während des Wachstums des SiC-Einkristalls dotiert werden.
Die Erfindung in diesem Patentdokument zielt jedoch lediglich darauf ab, die Grundflächenversetzungen zu reduzieren, und hat keinerlei Bezug zu den Stapelfehlern. Stapelfehler sind hinsichtlich ihrer Konfiguration anders als Grundflächenversetzungen und können nicht durch lediglich gleichzeitiges Dotieren der Verunreinigungen vom Donortyp und der Verunreinigungen vom Akzeptortyp reduziert werden. Demgemäß kann, wenn ein SiC-Einkristall unter den in diesem Patentdokument beschriebenen Bedingungen gezüchtet wird, die Bildung von Stapelfehlern nicht, wie in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt, verhindert und der spezifische Widerstand nicht verringert werden.
Zweite Ausführungsform
Es wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Da in der vorliegenden Ausführungsform das Herstellungsverfahren für den SiC-Einkristall 3 gegenüber der ersten Ausführungsform verändert ist und der Rest ähnlich wie in der ersten Ausführungsform ist, werden lediglich abweichende Abschnitte beschrieben.
Das Verfahren zum Züchten des SiC-Einkristalls 3 mittels des weiterentwickelten. Rayleigh-Verfahrens wird in der ersten Ausführungsform beschrieben. Der SiC-Einkristall 3 kann jedoch auch durch ein Abscheidungsverfahren gezüchtet werden. Die Herstellung des SiC-Einkristalls durch das Abscheidungsverfahren ist eine allgemein bekannte Technologie und wird nicht durch eine Figur dargestellt. In der Herstellungsvorrichtung ist ein Reaktionstiegel, der eine zylindrische Form mit einem Deckel aufweist und aus Graphit hergestellt ist, in einer Quarz-Vakuumkammer angeordnet. Das als Impfkristall verwendete SiC-Einkristallsubstrat 2 ist an der Rückseite des Deckels angebracht, der am oberen Ende des Reaktortiegels angeordnet ist. Durch einen Einlass, der am Boden des Reaktortiegels angeordnet ist, werden ein Ausgangsmaterialgas (Quellengas) und ein Trägergas in den Reaktortiegel eingeleitet. Auf diese Weise wird auf der Wachstumsfläche des SiC-Einkristallsubstrats 2 der SiC-Einkristall 3 gezüchtet.
Bei diesem Abscheidungsverfahren werden Stickstoffgas und aus Al-Material sublimiertes Dampfgas in den Reaktortiegel mit dem SiC-Ausgangsmaterialgas eingeleitet, so dass der SiC-Einkristall unter gleichzeitigem Dotieren mit Stickstoff und Al gezüchtet wird. Auch in diesem Fall kann die Konzentration an in den SiC-Einkristall 3 dotiertem Stickstoff auf 2 × 10¹⁹ cm^-3 oder höher gesteuert werden, und das Al wird in den SiC-Einkristall mit einem Al/N-Verhältnis im Bereich von 5 % bis 40 % dotiert, indem die Gasdurchflussrate und der Druck des Atmosphärengases reguliert werden. Das Al/N-Verhältnis kann auch im Bereich von 10 % bis 40 % liegen, und das Al/N-Verhältnis kann auch im Bereich von 15 % bis 40 % liegen. Auf diese Weise kann ein SiC-Einkristall 3 mit dem für Bauelemente geforderten spezifischen Widerstand und bei dem sich Stapelfehler reduzieren lassen, erhalten werden.
Wenn der SiC-Einkristall 3 durch das Abscheidungsverfahren gezüchtet wird, wird beispielsweise ein Ausgangsmaterialgas, das 1,2 SLM (Standard-Liter pro Minute) Silan und 0,4 SLM Propan umfasst, in den Reaktortiegel eingeleitet. Gleichzeitig werden 10 SLM Wasserstoffträgergas, 0,3 SLM Stickstoffgas als Stickstoffquelle und 0,2 SLM Trimethylaluminium (TMA) als Al-Quelle in den Reaktortiegel eingeleitet. Dann wird die Temperatur in der Umgebung des Rohmaterials 4 auf ungefähr 2400 °C eingestellt, die Temperatur in der Umgebung des als Impfkristall verwendeten SiC-Einkristallsubstrats 2 wird auf ungefähr 2250 °C eingestellt, und der Druck in der Vakuumkammer wird durch Regulieren der Energie der Heizvorrichtung auf 50 kPa eingestellt, und dann erfolgt das Züchten des SiC-Einkristalls 3.
Die Stickstoffkonzentration und die Al-Konzentration des unter den oben beschriebenen Bedingungen gezüchteten SiC-Einkristalls 3 betragen 6 × 10¹⁹ cm^-3 bzw. 2 × 10¹⁹ cm^-3, und das Al/N-Verhältnis beträgt 33 %. Darüber hinaus beträgt der spezifische Widerstand 4 mΩcm. Wenn ferner der SiC-Einkristall 3 mit einem Neigungswinkel von 4 Grad ausgeschnitten wird und die Ätzgrubendichte der Stapelfehler mittels Ätzen mit geschmolzenem KOH gemessen wird, beträgt die Ätzgrubendichte 17 cm^-1. Wenn die Dichte der Stapelfehler auf dieselbe wie oben beschriebene Weise in einem SiC-Einkristall, der mit lediglich Stickstoff dotiert ist, gemessen wird, beträgt die Ätzgrubendichte 300 cm^-1, so dass also durch Dotieren mit Al die Stapelfehler um nahezu 95 % verringert werden können.
Dritte Ausführungsform
Es wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Da auch in der vorliegenden Ausführungsform das Verfahren zur Herstellung des SiC-Einkristalls 3 anders als das des ersten Ausführungsbeispiels ist und der Rest mit der ersten Ausführungsform vergleichbar ist, werden lediglich abweichende Abschnitte beschrieben.
Der SiC-Einkristall 3 kann auch mit einem Heißwand-CVD-Verfahren gezüchtet werden. Wenn der SiC-Einkristall 3 mittels des Heißwand-CVD-Verfahrens gezüchtet wird, wird als SiC-Einkristall 3 auf der Wachstumsfläche des SiC-Einkristallsubstrats 2 ein SiC-Einkristallfilm gebildet. Eine Vorrichtung (CVD-Vorrichtung) zum Wachsen/Züchten des Einkristallfilms auf Basis des Heißwand-CVD-Verfahrens ist eine allgemein bekannte Technologie und wird nicht durch eine Figur dargestellt. In der CVD-Vorrichtung ist ein aus Graphit hergestellter Suszeptor in einer Quarzvakuumkammer angeordnet. Der SiC-Einkristall 3 (Einkristallfilm) kann epitaxial auf der Wachstumsfläche des SiC-Einkristallsubstrats 2 gezüchtet werden, indem man das auf dem Suszeptor montierte SiC-Einkristallsubstrat 2 erwärmt und gleichzeitig SiC-Ausgangsmaterialgas und Trägergas in die Vakuumkammer durch einen Ausgangsmaterialgaseinlass einleitet.
Bei diesem Heißwand-CVD-Verfahren werden Stickstoffgas und von Al-Material sublimiertes Dampfgas in den Reaktionstiegel mit dem SiC-Ausgangsmaterialgas eingeleitet, so dass der SiC-Einkristall 3 mit einer gleichzeitigen Dotierung von Stickstoff und AI gezüchtet wird. Auch in diesem Fall kann die Konzentration an zu dem SiC-Einkristall 3 dotiertem Stickstoff auf 2 × 10¹⁹ cm^-3 oder höher gesteuert werden und wird das Al mit einem Al/N-Verhältnis im Bereich von 5 % bis 40 % zu dem SiC-Einkristall dotiert, indem die Gasdurchflussrate und der Druck des Atmosphärengases reguliert werden. Das Al/N-Verhältnis kann auch innerhalb des Bereichs von 10 % bis 40 % liegen, und das Al/N-Verhältnis kann auch innerhalb des Bereichs von 15 % bis 40 % liegen. Auf diese Weise kann auf der Oberfläche des SiC-Einkristallsubstrats 2 ein SiC-Einkristall 3 mit einem für Bauelemente geforderten spezifischen Widerstand und mit der Möglichkeit zur Verringerung der Stapelfehler erhalten werden. Das heißt, es kann ein epitaxiales SiC-Substrat erhalten werden, das den SiC-Einkristall 3 umfasst, in dem Stickstoff mit einer Konzentration von 2 × 10¹⁹ cm^-3 oder höher dotiert ist und das Al/N-Verhältnis innerhalb des Bereichs von 5 % bis 40 % liegt, und das epitaxial auf einer Einzelseite des SiC-Einkristallsubstrats 2 gewachsen ist.
Wenn beispielsweise der SiC-Einkristall 3 durch das Heißwand-CVD-Verfahren gezüchtet wird, wird Ausgangsmaterialgas, das Silan und Propan umfasst, mit Wasserstoff als Trägergas in den Reaktionstiegel eingeleitet. Darüber hinaus werden Stickstoffgas als Stickstoffquelle und Trimethylaluminium (TMA) als AI-Quelle ebenfalls in den Reaktionstiegel eingeleitet. Es wird dann die Temperatur des SiC-Einkristallsubstrats 2 auf ungefähr 1650 °C eingestellt, und der Druck in der Vakuumkammer wird auf 10 kPa eingestellt, indem die Energie der Heizvorrichtung reguliert wird, und es erfolgt das Züchten des SiC-Einkristalls 3.
Die Stickstoffkonzentration und die Al-Konzentration des unter den oben beschriebenen Bedingungen gezüchteten SiC-Einkristalls 3 betragen 2 × 10²⁰ cm^-3 bzw. 5 × 10¹⁹ cm^-3, und das Al/N-Verhältnis beträgt 28 %. Weiterhin beträgt der spezifische Widerstand 5 mΩcm. Wenn darüber hinaus der SiC-Einkristall mit einem Neigungswinkel von 4 Grad ausgeschnitten wird und die Ätzgrubendichte der Stapelfehler gemessen wird durch Ätzen mittels geschmolzenem KOH, beträgt die Ätzgrubendichte 75 cm^-1. Wenn mit demselben Verfahren die Dichte der Stapelfehler gemessen wird, die in einem lediglich mit Stickstoff dotierten SiC-Einkristall erzeugt wurden, beträgt die Ätzgrubendichte 800 cm^-1, so dass also durch Dotieren mit Al die Stapelfehler um nahezu 90 % reduziert werden können.
Weitere Ausführungsformen
In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen wurde ein Beispiel des Züchtens des SiC-Einkristalls 3 durch das weiterentwickelte Rayleigh-Verfahren, das Abscheidungsverfahren oder das Heißwand-CVD-Verfahren beschrieben. Die in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen beschriebenen Bedingungen sind jedoch lediglich Beispiele. Durch geeignete Änderung verschiedener Wachstumsbedingungen kann die Konzentration an in den SiC-Einkristall 3 dotiertem Stickstoff auf 2 × 10¹⁹ cm^-3 oder höher gesteuert werden, und Al wird in einem Al/N-Verhältnis innerhalb des Bereichs von 5 % bis 40 % zu dem SiC-Einkristall 3 dotiert. Das Al/N-Verhältnis kann auch innerhalb des Bereichs von 10 % bis 40 % liegen, und das Al/N-Verhältnis kann auch innerhalb des Bereichs von 15 % bis 40 % liegen.
Auch in der zweiten und der dritten Ausführungsform kann ein SiC-Einkristallsubstrat mit einer Oberfläche einer vorbestimmten Ebenenrichtung, das eine geringe Menge an Stapelfehlern und einen geringen spezifischen Widerstand aufweist, erhalten werden durch Schneiden des durch jedes der Verfahren hergestellten SiC-Einkristalls 3 entlang der vorbestimmten Ebenenrichtung, wie dies in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Darüber hinaus kann ein SiC-Einkristallsubstrat gezüchtet werden unter Verwendung des auf die oben beschriebene Weise hergestellten SiC-Einkristallsubstrats als neuem Impfkristall.

Claims

Ansprüche gemäß Hilfsantrag 4
Verfahren zur Verringerung der Stapelfehlerdichte um 20 % oder mehr bei der Herstellung eines Siliciumcarbideinkristalls (3) mit einem spezifischen Widerstand von kleiner oder gleich 10 mΩcm umfassend: Züchten eines Siliciumcarbideinkristalls (3) auf einer Oberfläche eines als Impfkristall verwendeten Siliciumcarbideinkristallsubstrats (2) durch Zuführen von sublimiertem Gas eines Siliciumcarbid-Ausgangsmaterials zur Oberfläche des Siliciumcarbideinkristallsubstrats (2), wobei das Züchten des Siliciumcarbideinkristalls (3) ein gleichzeitiges Dotieren mit Stickstoff und Aluminium umfasst, wobei die Stickstoffkonzentration 2 × 10¹⁹ cm³ oder höher und 2 × 10²⁰ cm^-3 oder niedriger ist und das Verhältnis von Aluminiumkonzentration zu Stickstoffkonzentration innerhalb des Bereichs von 5 % bis 40 % liegt, und wobei die Verringerung der Stapelfehlerdichte definiert ist als das Verhältnis der Stapelfehlerdichte bei dem gleichzeitigen Dotieren mit Stickstoff und Aluminium zu der Stapelfehlerdichte ohne einem Dotieren mit Aluminium bei derselben Stickstoffkonzentration.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von Aluminiumkonzentration zu Stickstoffkonzentration 10 % oder höher ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis von Aluminiumkonzentration zu Stickstoffkonzentration 15 % oder höher ist.