DE4440072C1 - Verfahren zur Herstellung einer vergrabenen monokristallinen Siliziumcarbidschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung einer vergrabenen monokristallinen Siliziumcarbidschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Halbleitermaterialien wie z. B. Silizium, Galliumarsenid und Galliumphosphid werden in großem Maße für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet. Diese Halbleitermaterialien haben jedoch den Nachteil, daß sie thermisch, chemisch und mechanisch und insbesondere gegenüber Strahlung keine ausreichende Stabilität aufweisen.

Es ist bekannt, daß SiC ein Hochtemperaturhalbleitermaterial mit einem großen energetischen Bandabstand von 2.2 bis 3.3 eV darstellt, welches thermisch und mechanisch besonders stabil und widerstandsfähig gegen Strahlenschäden ist. Eine Halbleitervorrichtung aus SiC ist bei hohen elektrischen Energieanforderungen und hoher Strahlenbelastung verwendbar und zeigt dabei eine hohe Betriebssicherheit und Stabilität. Der große Bandabstand verringert Leitungsprobleme aufgrund der bei hohen Temperaturen thermisch erzeugten Ladungsträger. SiC-Halbleitervorrichtungen können bei Temperaturen im größenordnungsgemäßigen Bereich von 500°C bis 600°C betrieben werden, welche mit konventionell hergestellten aus Si, Ge, GaAs und GaP nicht erreichbar sind. Darüber hinaus sind SiC-Halbleitervorrichtungen in optischen Anwendungen von Vorteil, weil das emittierte Licht im sichtbaren Bereich liegt.

Obgleich bereits seit längerem bekannt ist, daß SiC- Halbleitervorrichtungen viele Vorteile haben und vielseitige technische Möglichkeiten bieten, ist ihre Herstellung in großtechnischem Maßstab bisher an den qualitativen Anforderungen gescheitert, die an SiC Einkristallschichten mit einer großen Oberfläche und einer guten technischen Reproduzierbarkeit gestellt werden. Um diese Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, wurden bereits vielfältige Versuche unternommen, die bisher jedoch nicht zu einem technisch befriedigenden Ergebnis geführt haben. Es wurden meist nur Einkristalle mit einer kleinen Oberfläche gebildet, beispielsweise werden die Polytypie sowie Verunreinigungskonzentrationen in der Regel nicht beherrscht.

Aus Veröffentlichungen ist seit längerem bekannt, z. B. J. Cryst. Growth, 45, 138 (1978), daß es möglich ist, beta-SiC Einkristalle auf Si-Substraten bei Temperaturen von etwa 1390°C zu züchten; oder, wie in Appl. Phys. Lett., 42, 460 (1983) beschrieben, nach in-situ-Herstellung einer dicken Pufferschicht zur Reduzierung der Gitterfehlanpassungseffekte zum Si-Substrat SiC aus mittels chemischer Dampfabscheidung zu wachsen. Qualität und Flächen der auf diese Weise hergestellten Schichten sind jedoch noch nicht ausreichend und die Verfahren sind verhältnismäßig aufwendig.

Im Patent DE 41 35 076 (OS 29. 04. 93) sowie im EP 0 538 611 (OS 28. 04. 93) wird auf der Si-Oberfläche zunächst eine Pufferschicht erzeugt, die TiC, TiN, TaC oder MnO enthalten kann, und anschließend aus der Gasphase SiC abgeschieden wird. Abgesehen von der relativ komplizierten und aufwendigen Herstellungsweise des Schichtstapels wird bei der nachfolgenden Temperung bedingt durch den komplizierten epitaktischen Rekristallisationsprozeß, der zunächst die hochschmelzende Pufferschicht in einkristallines Material umwandeln muß, und durch Grenzflächenverunreinigungen beeinträchtigt wird, letztlich nur eine im wesentlichen einkristalline SiC-Schicht erzeugt, die eine Vielzahl von Defekten enthält.

Bei Halbleiteranwendungen, vorzugsweise bei integrierten Schaltungen ist es weiterhin von Bedeutung, daß die Verfahren zur Bildung von SiC-Einkristallschichten mit der Si- Planartechnologie kompatibel sind.

Die Implantation wird als ein Verfahren zur Erzeugung homogener Dotierungsverteilungen und vergrabener Schichten bereits seit langem in der Halbleitertechnologie genutzt. In den 80er Jahren wurden auch zur Herstellung von SiC-Schichten Versuche mittels Ionenimplantation unternommen (z. B. Akimchenko et al., Radiation Effects, 48, 7 (1980)), dabei gelang es jedoch nur inhomogene Implantationsschichten mit einzelnen SiC Inseln zu erzeugen.

Auch in den 90er Jahren blieb das Problem der Erzeugung einkristalliner SiC-Schichten auf Si-Substraten aktuell (siehe z. B. DE 41 35 076 (OS 29. 04. 93) sowie EP 0 538 611 (s. o.), oder EP 0 562 549 vom 29. 09. 93) wie jüngste Veröffentlichungen beweisen, ohne daß befriedigende Lösungswege gefunden wurden (s.o.).

Es ist ferner bekannt, vgl. z. B. K. Schade, Mikroelektroniktechnologie, Verlag Technik GmbH, Berlin, München, 1991, Seiten 25 bis 29, durch das Czochralski-Verfahren hergestellte Siliziumscheiben einer 650°C-Temperung zu unterziehen.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ausgehend von den oben genannten Aspekten, ein neues, wesentlich verbessertes Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu entwickeln, mit dessen Hilfe es möglich ist, qualitativ hochwertige SiC-Einkristallschichten reproduzierbar auf großen Flächen (4′′ Si-Substratscheiben und größer) zu formieren, aus denen im Rahmen großtechnisch durchführbarer Verfahrens SiC-Halbleitervorrichtungen mit hervorragenden Eigenschaften hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wurde nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei wird die Operationsfläche der Halbleitervorrichtungen auf einem speziell vorbereiteten Si- Einkristallsubstrat gebildet, in welchem durch Implantations- und Ausheilprozesse eine vergrabene einkristalline SiC-Schicht formiert wurde. Die für die Halbleitervorrichtung notwendigen Aufbauten und Elektroden werden anschließend auf der Operationsfläche formiert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß es durch die spezielle Vorbehandlung der Si-Substrate und die zusätzlich nach der Implantation aufgebrachte Nitridschicht in einer überraschenden auch für den Fachmann nicht vorhersehbaren Art und Weise gelingt, die für die Herstellung perfekter SiC- Schichten notwendigen mechanischen Spannungsfelder zu schaffen und gleichzeitig die dafür notwendige Temperaturbelastung im Vergleich zur üblichen SiC-Synthese (s. oben) drastisch zu reduzieren.

Es ist selbstverständlich auch möglich nach der Herstellung der SiC-Schicht eine Dotierung dieser Schicht, vorzugsweise mit Stickstoff, Bor, und/oder der darunter befindlichen Si-Bereiche mittels Ionenimplantation vorzunehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die großtechnische Herstellung von einkristallinen SiC-Halbleiterschichten auf wirtschaftliche Weise und erschließt darauf aufbauenden SiC Halbleitervorrichtungen breite Anwendungsbereiche.

Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung.

Es zeigen Fig. 1(a) bis 1(f) schematische Schnittansichten, die das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer vergrabenen epitaktischen SiC-Schicht erläutern, Fig. 2(a) bis 2(c) analytischen Meßergebnisse die den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens illustrieren.

Durch eine spezielle Langzeitwärmebehandlung mit einer Dauer von etwa 50 Stunden bei 650°C werden in Siliziumsubstraten (1), hergestellt nach dem Czochralski-Verfahren mit einer Sauerstoffkonzentration von 8 _* 10¹⁷-1 _* 10¹⁸ cm^-3 SiO₂ Präzipitate (2) generiert. Diese Präzipitate führen zum einen zu hohen eingebauten mechanischen Druckspannungen und verringern zum anderen die Bindungsenergie der Si-Atome, mit dem Ziel, ein erleichtertes SiC-Wachstum zu stimulieren.

Zur Reduzierung von Sputtereffekten wird auf der Oberfläche dieser Substrate in einem konventionellen Oxidationsprozeß eine dünne Oxidschicht (3) von größenordnungsmäßig 20 nm erzeugt (Fig. 1b).

Wahlweise ganzflächig (Fig. 1c) oder lateral selektiv, über konventionell erzeugte Implantationsmasken, z. B., Lackmasken werden Kohlenstoffionen oder Ionen kohlenstoffhaltiger Spezies, wie beispielsweise CO, CO₂, C_xH_y, C_xF_y, mit einer Energie von vorzugsweise 150 keV und einer Dosis von 4.3 _* 10¹⁷ implantiert. Die implantierten Ionen weisen in der Schicht annähernd eine Gaussverteilung auf, deren Maximum bei der Energie von 150 keV bei ca. 400 nm liegt. Die maximale Kohlenstoffkonzentration beträgt etwa 2.3 _* 10²² cm^-3 wobei die Oberflächenkonzentration kleiner als 10¹⁸ cm^-3 ist.

Eine mit üblichen Verfahren erzeugte Siliziumnitridschicht (Fig. 1d, (4)) von 100 nm liefert eine zusätzlich kompressive Verspannung.

Eine nachfolgende Temperung bei einer Temperatur von vorzugsweise 1200°C führt zu einer chemischen Reaktion der implantierten Kohlenstoffatome mit den Siliziumatomen und Ausbildung der vergrabenen SiC-Schicht ((5), Fig. 1e).

Durch die Wärmebehandlung wird gleichzeitig das Kristallgitter der nur geringfügig mit Kohlenstoffionen implantierten Oberfläche ausgeheilt ((6), Fig. 1e), so daß diese nach wahlweise vollständiger oder lateral selektiver Entfernung der Nitrid- und Oxidschichten und/oder der ausgeheilten Si-Oberflächenschicht auch zum epitaktischen Aufwachsen von legierten homoepitaktischen und/oder heteroepitaktischen Schichtstrukturen in konventionellen Epitaxieprozessen (CVD-Verfahren oder MBE- Verfahren) geeignet ist ((7), Fig. 1f).

Beispielsweise werden mit üblichen epitaktischen Schichtabscheideverfahren (CVD, MBE) epitaktisch auf der Oberfläche des Si-Substrates ein oder mehrere dotierte Halbleiterschichten abgeschieden.

Mittels der konventionellen Fotolack-, Strukturierungs- und Ätztechniken werden die für Halbleitervorrichtungen üblichen Bereiche, z. B. eine p-dotierte Basiszone, stark n-dotierte Emitter- und Kollektoranschlußbereiche angebracht. In für die Siliziumplanartechnologie gebräuchlicher Weise wird auf der Oberfläche eine Siliziumdioxidschicht mit Fenstern erzeugt, die zur Kontaktierung der Bereiche dienen.

Fig. 2(a) liefert ein mittels Augerelektronenspektroskopie aufgenommenes Tiefenprofil, welches die Existenz einer vergrabenen SiC-Schicht unter Beweis stellt.

Fig. 2(b) liefert ein Infrarotabsorbtionsspektrum mit der für SiC typischen Peakstruktur. Dreikristallröntgendiffraktogramme weisen eine Halbwertslinienbreite der intensivsten Reflexe von weniger als 4 Winkelsekunden aus, welche die epitaktische Orientierung der Schicht zum Substrat sowie die exzellente Kristallqualität bestätigen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bildung einer vergrabenen monokristallinen Siliziumcarbidschicht (SiC-Schicht) in einem bereits dotierten Bereich eines monokristallinen Siliziumsubstrates dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der Siliziumcarbidschicht durch Hochdosisimplantation von Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigen Spezies mit einer Energie von größer als 100 keV und mit einer Dosis zwischen 2 _* 10¹⁷ und 1 _* 10¹⁸ cm^-2 in ein auf spezielle Weise vorbehandeltes Si-Substrat und eine anschließende Wärmebehandlung im Temperaturbereich 1000°C bis 1300°C erfolgt; daß die Substratvorbehandlung an Si-Czochralski- Material mit einer Sauerstoffkonzentration von 7 _* 10¹⁷-1 _* 10¹⁸ cm^-3 erfolgt und in einer Langzeittemperung bei 650°C besteht; daß die Si-Substratoberfläche zur Erzeugung einer zusätzlichen kompressiven Spannung nach der Implantation und vor der Wärmebehandlung mit einer Nitrid- und/oder einer Oxidschicht der Schichtdicke von 100 nm bedeckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SiC-Schicht lediglich lokal, in nicht von einer Implantationsmaske geschützten Teilbereichen der Oberflächenschicht des Si-Substrates erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Si-Substrat unterschiedlich dotierte Epitaxieschichtstrukturen enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Freilegung der vergrabenen monokristallinen SiC-Schicht die sie bedeckende Si-Oberflächenschicht entfernt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Implantation auf der Oberfläche im Rahmen konventioneller epitaktischer Wachstumsprozesse eine oder mehrere Epitaxieschichten abgeschieden werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die SiC-Schicht durch zusätzliche Implantationsprozesse Stickstoff oder Bor eingebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zusätzliche Sauerstoffimplantation eine Mehrschichtanordnung bestehend aus einer Karbid- und einer Oxidschicht erzeugt wird.