DE10062212C1 - Verfahren zur Dotierung von Siliziumkarbid-Halbleiterbereichen - Google Patents
Verfahren zur Dotierung von Siliziumkarbid-HalbleiterbereichenInfo
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Abstract
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit geringerem Aufwand in der Tiefe homogen dotierte SiC-Halbleiterbereiche mit einem schmalen Übergangsbereich zum Substrat zu erzeugen. DOLLAR A Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist, dass der zu dotierende Bereich durch Implantation von Ionen amorphisiert und mit Dotieratomen angereichert sowie mittels einer Ausheilung rekristallisiert wird. DOLLAR A Dabei können die Amorphisierung und die Anreicherung auch in einem Arbeitsschritt vorgenommen werden. DOLLAR A Es werden die Substanzen für die Amorphisierung und Dotierung genannt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dotierung von Siliziumkarbid (SiC)-
Halbleiterbereichen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bereits bekannt, dass Siliziumkarbidbereiche mittels Ionenimplantation von
Akzeptoratomen der 3. Hauptgruppe, wie Aluminium und Donatoratomen der 5.
Hauptgruppe, wie Stickstoff, und nachfolgender Ausheilung dotiert werden können
(V. A. Dmittriev and M. G. Spencer in "SiC Materials and Devices", Semiconductor and
Semimetals, Vol. 52, Seite 60 ff (Yoon Soo Park, ed.) Academic Press, San Diego
2000). Die Herstellung dotierter Bereiche mit konstanter Dotantenkonzentration in
einem größeren Tiefenbereich (Kastenprofil mit einer Ausdehnung von mehr als 100 nm)
mittels einer Ionenimplantation in kristallinem SiC sind wegen der vorgegebenen
Ionenverteilung (Gaußprofil in 1. Näherung) und der zu geringen Beweglichkeit der
Dotieratome bis zu Temperaturen von 1800°C nicht möglich. Aus diesem Grunde sind
aufwendige Mehrfachimplantationen notwendig, deren Parameter (Energie, Dosis) so
gewählt werden müssen, dass die Überlagerung der einzelnen Konzentrationsprofile
zu einer nahezu konstanten Dotierung im gewünschten Tiefenbereich führt (T. Troffer
et al., phys. stat. sol (a) 162 (1997) 277 ff). Allerdings ergibt sich auch hier eine Welligkeit
des Konzentrationsprofiles mit Spitzen entsprechend der Anzahl der Implantationen
und Dotantenkonzentrationsvariationen von bis zu 30%. Besonders im Bereich hoher
Dotierungen mit Fremdatomkonzentration größer als 1018 cm-3 ergeben sich nach der
Ausheilung oft unerwünschte Veränderungen im Dotierungsprofil.
Es ist bekannt, dass diese Probleme vermieden werden können, falls die SiC-Bereiche
vor der Dotierung mittels einer weiteren Implantation mit nicht-dotierenden Ionen
amorphisiert werden (B. J. Baliga et al. US patents 5318915 and 5322802). Nach der
Dotierungsimplantation in die amorphen Bereiche, werden diese durch Ausheilung bei
Temperaturen oberhalb 1500°C kristallisiert, um eine elektrische Aktivierung der
Dotanten zu erreichen. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass ein
zusätzlicher Prozessschritt (Amorphisierungsimplantation) erforderlich ist und nicht
dotierende Fremdatome im Dotierungsbereich verbleiben. Letzteres führt zu einer
Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften der dotierten SiC-Halbleiterbereiche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, in der Tiefe homogen dotierte SiC-
Halbleiterbereiche mit einem schmalen Übergangsbereich zum Substrat zu erzeugen,
ohne dabei eine zusätzliche Implantation mit nicht-dotierenden Fremdatomen
einzusetzen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen dargelegten
Merkmalen gelöst.
Ansatzpunkt der Erfindung sind einkristalline SiC-Substrate (z. B. 6H- oder 4H-SiC), die
vollständig oder in Bereichen durch Ionenimplantation amorphisiert und gleichzeitig
dotiert werden. Dabei werden die Implantationen mit Dotieratomen bei Raumtemperatur
oder tieferen Temperaturen ausgeführt. Um eine vollständige Amorphisierung von
dickeren Schichten zu erreichen (< 300 nm) sind eventuell Mehrfachimplantationen mit
fallender Ionenenergie auszuführen, wobei die Reichweite der Ionen mit der höchsten
Energie die Schichtdicke vorgibt. Die Zahl der notwendigen Implantationsschritte ist
dabei aber wegen der breiteren Tiefenverteilung der Energiedeponierung in
Atomversetzungen im Vergleich zur Ionenverteilung wesentlich geringer. Die zu
implantierende Mindestdosis für die Amorphisierung ergibt sich aus dem Kriterium der
kritischen Energiedichte, dazu J. A. Spitznagel et al., Nucl. Instr. Meth. B 16 (1986) 237.
Weiterhin muß die Gesamtdosis (Atome/cm2) der implantierten Dotanten mindestens
dem Produkt aus der angestrebter Dotierungskonzentration (Atome/cm3) und der
amorphen Schichtdicke entsprechen. Nach der Dotierungsimplantation erfolgt eine
Ausheilung der implantierten Schichten. Die Temperatur muß dabei oberhalb der
Rekristallisationstemperatur von etwa 1000°C und unterhalb der kritischen
Diffusionstemperatur der Dotanten in einkristallinem SiC liegen (z. B. für Al unter
1800°C). Während der Ausheilung erfolgt eine Rekristallisation der amorphisierten
Schicht, die mit der Ausbildung einer homogenen Dotierung in diesem Bereich
verbunden ist. Die Dotantenkonzentration verringert sich mit zunehmender Ausheilzeit
deutlich, falls die amorphe Schicht bis zur Oberfläche reicht. Da die Ausheiltemperatur
unterhalb der kritischen Temperatur für die Dotantendiffusion im einkristallinen Substrat
liegt, bleibt der durch die Implantation festgelegte Übergangsbereich zum Substrat
erhalten und wird durch Diffusionprozesse nicht verbreitert.
Die Anwendung der Erfindung weist folgende Vorzüge auf:
Es können dotierte Bereiche in SiC-Substraten mit einer vertikalen Homogenität (besser als 10%) mittels Ionenimplantation erzeugt werden. Die dotierten Bereiche sind frei von nichtdotierenden Fremdatomen, die das elektrische Verhalten der Schicht stören. Der Dotierungsprozeß wird wesentlich vereinfacht, da sich die Zahl der notwendigen Implantationsschritte reduziert. Durch die Wahl des Temperatur-Zeit- Regimes während der Ausheilung läßt sich die Dotierungskonzentration in einem weiten Bereich sehr genau einstellen. Da die Ausheiltemperatur unterhalb der kritischen Temperatur für die Dotantendiffusion im einkristallinen Substrat liegt, bleibt der durch die Implantation festgelegte Übergangsbereich erhalten und wird durch Diffusionprozesse nicht verbreitert. Die laterale Strukturierung kann durch übliche Maskentechniken in hoher Genauigkeit erfolgen. Tiefenposition und vertikale Ausdehnung können sehr exakt über die Implantationsparameter Ionenenergie und Ionendosis bestimmt werden
Es können dotierte Bereiche in SiC-Substraten mit einer vertikalen Homogenität (besser als 10%) mittels Ionenimplantation erzeugt werden. Die dotierten Bereiche sind frei von nichtdotierenden Fremdatomen, die das elektrische Verhalten der Schicht stören. Der Dotierungsprozeß wird wesentlich vereinfacht, da sich die Zahl der notwendigen Implantationsschritte reduziert. Durch die Wahl des Temperatur-Zeit- Regimes während der Ausheilung läßt sich die Dotierungskonzentration in einem weiten Bereich sehr genau einstellen. Da die Ausheiltemperatur unterhalb der kritischen Temperatur für die Dotantendiffusion im einkristallinen Substrat liegt, bleibt der durch die Implantation festgelegte Übergangsbereich erhalten und wird durch Diffusionprozesse nicht verbreitert. Die laterale Strukturierung kann durch übliche Maskentechniken in hoher Genauigkeit erfolgen. Tiefenposition und vertikale Ausdehnung können sehr exakt über die Implantationsparameter Ionenenergie und Ionendosis bestimmt werden
Die Erfindung wird nachstehend an drei Ausführungsbeispielen erläutert:
Ein einkristalliner 6H-SiC Wafer wird bei Raumtemperatur in 4 Schritten mit
Aluminiumionen mit folgenden Ionenenergien und Ionendosen implantiert: 450 keV, 1,7
× 1016 cm-2; 240 keV, 8,3 × 1015 cm-2; 120 keV, 4,8 × 1015 cm-2; 50 keV, 2,7 × 1015 cm-2.
Dadurch entsteht eine etwa 600 nm dicke amorphe Oberflächenschicht. Die
Tiefenverteilung der Al-Konzentration in dieser Schicht zeigt eine wellige Plateaustruktur
um eine mittlere Al-Konzentration von 5 × 1020 cm-3 mit 4 Maxima entsprechend der 4
Implantationsschritte (siehe Abb. 1). Der implantierte SiC Wafer wird nach einer
naßchemischen Reinigung in einem induktiv geheizten Ofen unter Ar-Atmosphäre für
30 min bei 1700°C ausgeheilt. Im Ergebnis dieser Ausheilung entsteht eine homogen
dotierte Schicht mit einer Al-Konzentration von 2 × 1020 cm-3 mit einem scharfen Abfall
der Dotierungsimplantation bei 600 nm (siehe Abb. 1). SiC-Proben, die in
Vergleichsuntersuchungen bei einer Probentemperatur von 400°C implantiert wurden,
zeigen im Gegensatz zur erfindrischen Lösung nach der Ausheilung weiterhin die
Konzentrationsmaxima und zusätzlich Diffusionsausläufer (siehe Abb. 1).
Ein 4H-SiC Substrat wird durch Implantation von 200 keV 5 × 1016B+ cm-2 bei
Raumtemperatur in einer 400 nm dicken Oberflächenschicht amorphisiert und
gleichzeitig dotiert.. Durch eine
anschließende 10minütige Ausheilung bei 1700°C ergibt sich in dieser Schicht durch
die Dotantenumverteilung eine homogene Bordotierung von 5 × 1020 cm-3.
Durch Implantation von 300 keV 1 × 1016N+ cm-2 in ein mit flüssigen Stickstoff auf -150°C
gekühltem 6H-SiC Substrat wird eine 600 nm dicken Oberflächenschicht amorphisiert.
Nach Ausheilung von 30 Minuten bei 1750°C ergibt sich eine konstante Al-Dotierung
von 5 × 1019 cm-3.
Claims (2)
1. Verfahren zur Dotierung von Siliziumkarbid-Halbleitersubstraten, wobei der zu
dotierende Bereich durch Implantation von Ionen amorphisiert und mit
Dotieratomen angereichert sowie mittels einer Ausheilung rekristallisiert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Amorphisierung durch Implantation der
Dotieratome vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantation der
Dotieratome in ein unter Raumtemperatur gekühltes kristallines SiC-
Halbleitersubstrat erfolgt.
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| DE2000162212 DE10062212C1 (de) | 2000-12-13 | 2000-12-13 | Verfahren zur Dotierung von Siliziumkarbid-Halbleiterbereichen |
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| US5318915A (en) * | 1993-01-25 | 1994-06-07 | North Carolina State University At Raleigh | Method for forming a p-n junction in silicon carbide |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5318915A (en) * | 1993-01-25 | 1994-06-07 | North Carolina State University At Raleigh | Method for forming a p-n junction in silicon carbide |
| US5322802A (en) * | 1993-01-25 | 1994-06-21 | North Carolina State University At Raleigh | Method of fabricating silicon carbide field effect transistor |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| J.A.SPITZNAGEL et. al.: Ion Beam Modification of 6H/15R SiC Crystals, in: Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. B16, 1986, S. 237-243 * |
| T. TROFFER et al.: Doping of SiC by Implantation of Boron and Aluminium, Phys. Stat. Sol. (a) 162, 1997, S. 277-298 * |
| V.A. DIMITRIEV, G. M. SPENCER: SiC Fabrication Technology: Growth and Doping, in: SiC Materials and Devices, Semiconductor and Semimetals, Vol. 52Academic Press, San Diego 2000, S. 60-63 * |
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