DE102007062208B4 - Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauteilen wie Graben-MOSFETs - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Siliciumcarbid-Halbleiterbauteils mit einer MOS-Steuerelektrodenstruktur in Grabenbauart in einer Hauptfläche des Bauteils, mit folgenden Verfahrensschritten: Bildung der Gräben durch trockene Ätzung, und Durchführung einer Wärmebehandlung in einer Gasatmosphäre bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass man die Wärmebehandlung in wenigstens zwei Schritten ausführt, wobei man das Bauteil: im ersten Schritt einer Atmosphäre von Argon oder in einer Mischgasatmosphäre, die Silan und ein inertes Gas enthält, bei einer Temperatur zwischen 1600°C und 1800°C aussetzt; und im zweiten Schritt einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1400°C und 1500°C aussetzt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren, das es erleichtert, die Kantenformen und die Eigenschaften der Innenfläche des Grabens in einem Graben-MOSFET zu verbessern, und dabei auf ein nach diesem Verfahren aus einem Siliciumcarbid-Halbleiter (SiC) hergestelltes Leistungs-Halbleiterbauteil, das eine hohe Durchbruchspannung hat und das Fließen eines hohen Strom ermöglicht.
  • Silicium-Leistungs-Halbleiterbauteile, worunter auch MOSFET-Leistungshalbleiterbauteile und IGBT-Leistungshalbleiterbauteile fallen und die wegen des darin verwendeten Halbleitermaterials als Siliciumbauteile bezeichnet werden, sind elektronische Bauteile, die üblicherweise in Invertern und ähnlichen Vorrichtungen für die Steuerung der elektrischen Leistung verwendet werden. Da jedoch die Eigenschaften des Silicium-Halbleitermaterials bereits die Grenze ihrer Verbesserungsmöglichkeit erreicht haben, sind bei Silicium-Halbleiterbauteilen auf Grund der physikalischen Eigenschaften des Halbleiters Silicium nahezu keine Weiterentwicklungen mehr möglich.
  • Im Gegensatz hierzu weist Siliciumcarbid SiC (oder 4H-SiC) (Carborund) sehr gute physikalische Eigenschaften auf, wie später noch dargelegt wird, und ist als Material insbesondere für Leistungsbauteile vorteilhafter als Silicium selbst. Die elektrische Feldstärke, die in Siliciumcarbid einen dielektrischen Durchbruch bewirkt, ist zehnmal so hoch wie die elektrische Feldstärke, die einen dielektrischen Durchbruch in Silicium bewirkt. Die Bandbreite in Siliciumcarbid ist 2,9-mal so groß wie in Silicium, die thermische Leitfähigkeit ist in Siliciumcarbid 3,2-mal so hoch wie in Silicium und die Temperatur, bei der SiC ein Eigenhalbleiter wird, ist drei bis vier mal so hoch wie die Temperatur, bei der Silicium ein Eigenhalbleiter wird. Da das Leistungsbauteil, das als Halbleiter Siliciumcarbid verwendet, nicht nur eine hohe Durchbruchspannung aufweisen soll, sondern auch einen niedrigen Ein-Widerstand, sind in letzter Zeit Entwicklungen vielfältiger Siliciumcarbid-Halbleiterbauteile intensiv vorangetrieben worden. Siliciumcarbiddioden und derartige Gleichrichterbauteile aus Siliciumcarbid sind experimentell hergestellt worden, ebenso wie Siliciumcarbid-Transistoren, Siliciumcarbid-Thyristoren und dergleichen Schaltbauteile. Unter den Siliciumcarbid-Schaltbauteilen findet ein Graben-Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode, der im Folgenden als UMOSFET bezeichnet wird, viel Aufmerksamkeit, insbesondere als Bauteil, das den Widerstand im EIN-Zustand des Bauteils weiter reduziert, da es bei einem UMOSFET erleichtert ist, durch Minimierung seiner Graben-Steuerelektroden-Strukturen und/oder seiner einen Kanal enthaltenden Einheit-Auslegung die Kanaldichte zu erhöhen.
  • Der Siliciumcarbid-UMOSFET wird in nahezu der gleichen Weise hergestellt wie das übliche Silicium-Halbleiterbauteil. Im Einzelnen wird er in der Form eines Siliciumcarbid-Halbleiterbauteils vom Graben-MOS-Typ hergestellt, indem man in einem Siliciumcarbid-Halbleitersubstrat (das im Folgenden zur Einfachheit gelegentlich auch als ”Siliciumcarbid-Substrat” bezeichnet wird) durch anisotropes Ätzen, Entfernen des Oxidfilms, der als Ätzmaske verwendet wurde, Bilden einer Steuerelektroden-Isolierschicht, Füllen der Gräbern mit polykristallinem Silicium, das als Steuerelektrode arbeiten soll, und Bildern einer Quellenelektrode und einer Senkenelektrode den Graben-MOS-Transistor erstellt.
  • Das Siliciumcarbidsubstrat ist physikalisch hart und chemisch stabil. Es ist deshalb aber schwer zu ätzen. Die üblicherweise zum Bilden von Gräben in einem Siliciumsubstrat verwendete reaktive Ionenätzung kann deshalb bei der Massenherstellung mit Grabenbildung in einem Siliciumcarbidsubstrat nicht angewandt werden. Für die Grabenbildung in Siliciumcarbidsubstraten kann bei der Massenproduktion nur das physikalische Ätzen oder trockene Ätzen angewandt werden, bei dem das Siliciumcarbidsubstrat mit beschleunigten Plasmaionen bombardiert wird, um seine Oberfläche zu ätzen. Wird die dabei entstehende Grabenform mit der durch die reaktive Ionenätzung im Siliciumsubstrat erzeugten Grabenform verglichen, so zeigt sich, dass es beim trockenen Ätzen nicht so einfach ist, die Gräben im Siliciumcarbidsubstrat mit einer guten Oberflächenform herzustellen. Beispielsweise ist ist ziemlich schwierig, durch alleinige Anwendung der trockenen Ätzung den Grabenboden U-förmig zu gestalten, was aber für die Durchbruchspannungscharakteristiken des Halbleiterbauteils zu bevorzugen ist. Es ist auch schwierig, nur durch trockene Ätzung die Seitenwände des Grabens vollkommen glatt zu machen. Beispielsweise ergeben sich bei einem in einem Substrat gebildeten, z. B. etwa 3 μm breiten Graben scharfkantige Randkanten an der Öffnung des Grabens und Flächenunebenheiten und derartige Formfehler an den Seitenwänden und dem Grabengrund. Das elektrische Feld wird sich dann an den beschriebenen fehlerhaften Formen im Graben lokalisieren, was zu einer niedrigeren dielektrischen Durchbruchspannung, also geringen Spannungsfestigkeit, führt.
  • Beim Prozess der Herstellung der Gräben durch das physikalische trockenen Ätzen, bei dem das Siliciumcarbidsubstrat mit Plasmateilchen bombardiert wird, die bei hoher Frequenz unter reduziertem Druck beschleunigt worden sind, ergeben sich also diese beschriebenen ungünstigen Formen und derartige Probleme, die aber dadurch vermieden werden können, dass man die Grabeninnenfläche in einer Atmosphäre mit gemischtem Gas, enthaltend Wasserstoff und Argon, bei bis zu 1700°C einer Wärmebehandlung unterwirft. Alternativ können die fehlerhaften Formen und die Probleme auch dadurch vermieden werden, dass man die Graben-Innenfläche unter vermindertem Druck mit Wasserstoff bei mindestens 1300°C ätzt. Diese beschriebenen Techniken zum Vermeiden der fehlerhaften Formen und der Probleme sind an sich bekannt.
  • Dem Fachmann ist bekannt, dass man glatte Grabeninnenflächen in Silicium-Halbleiterbauteilen durch eine Oberflächendiffusion von Siliciumatomen erhält, die man durch Glühen des Silicium-Halbleitersubstrats, in dem die Gräben geformt sind, in Wasserstoff durchführt. Es ist durchaus möglich, die Gestalt und Eigenschaften auch der Innenflächen in den Gräben im Siliciumcarbid-Halbleitersubstrat durch die Oberflächendiffusion der Siliciumatome zu beeinflussen, wie aus der Publikation JP 2003-229479 A einer ungeprüften japanischen Patentanmeldung bekannt ist.
  • Ferner offenbaren die JP 2005-142549 A und die JP 2005-328013 A weitere Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, bei denen auch vorgeschlagen wird, Gräben in einer Wasserstoffatmosphäre zu tempern, um die Innenflächen und Öffnungsrandkanten zu glätten.
  • Herkömmliche Verfahren Verfahren zum Vermeiden des Entstehens fehlerhafter Formen bei der Grabenbildung verwenden Wasserstoff (H2) hoher Temperatur. Im Siliciumcarbidsubstrat existieren an der Grabeninnenfläche als Verbindungselemente nicht nur Siliciumatome, sondern auch Kohlenstoffatome. Die Kohlenstoffatome sind für die Oberflächendiffusion der Siliciumatome problematisch. Da es schwierig ist, die Oberflächendiffusion der Siliciumatome mit Heftigkeit durchzuführen, wie es wirksam ist, um die Siliciumoberfläche zu glätten, ist die Oberflächendiffusion der Siliciumatome zum Glätten der Siliciumcarbid-Oberfläche weniger effektiv.
  • Es wurde herausgefunden, dass das Ätzen der Siliciumcarbid-Oberfläche mit Wasserstoff hoher Temperatur mit größerer Heftigkeit erfolgt als die Oberflächendiffusion der Verbindungsatome im Siliciumcarbidsubstrat und dass das Ätzen der Siliciumcarbid-Oberfläche mit Wasserstoff hoher Temperatur schwieriger zu beherrschen ist als die Oberflächendiffusion der Verbindungsatome im Siliciumcarbidsubstrat. Es ergibt sich also, dass die Hochtemperaturbehandlung mit Wasserstoff einen größeren Einfluss auf die Beherrschung der Grabenformen hat. Da sich aber die Grabenform übermäßig verändert, wenn die Behandlung mit dem Hochtemperatur-Wasserstoff ohne Modifikation durchgeführt wird, ist er es schwierig, die Hochtemperaturbehandlung mit Wasserstoff als praktisches Herstellungsverfahren zum Verbessern der Grabenform anzuwenden.
  • Angesichts der vorstehenden Darlegungen erscheint er es erwünscht, ein Herstellungsverfahren anzugeben, bei dem beim Bilden der Gräben in einem Siliciumcarbidsubstrat durch trockene Ätzung die Grabeninnenfläche glatt wird und die Begrenzungskanten und die Kanten der Bodenfläche des Grabens eine punktformfreie, abgerundete Gestalt bekommen, wodurch leichter zu verhindern ist, dass sich das elektrische Feld örtlich konzentriert,
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden beim Verfahren zum Herstellen eines Siliciumcarbid-Halbleiterbauteils mit einer MOS-Steuerelektrodenstruktur in Grabenbauart an einer der Hauptflächen des Bauteils die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt: Bildung der Gräben durch trockene Ätzung; Durchführung einer ersten Wärmebehandlung in einer Argonatmosphäre oder in einer Mischgasatmosphäre, die Silan und ein inertes Gas enthält, bei einer Temperatur zwischen 1600°C und 1800°C; und Durchführung einer zweiten Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1400°C und 1500°C.
  • Vorteilhafterweise führt man die erste und die zweite Wärmebehandlung unter einem Gasdruck zwischen 30·133,322 Pa (30 Torr) und 760·133,322 Pa (760 Torr) durch, und führt man die erste und die zweite Wärmebehandlung unterbrechungslos in einer selben Wärmekammer durch.
  • Als inertes Gas verwendet man vorteilhafterweise Argon, Helium oder Neon, oder ein Gasgemisch, das Argon, Helium und/oder Neon enthält.
  • Beim Bilden der Gräben in einem Siliciumcarbid-Halbleitersubstrat durch trockene Ätzung erleichtert das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für das Siliciumcarbid-Halbleiterbauteil die Glättung der Innenflächeneigenschaften der Gräbern und die Formung der Öffnungsrandkanten und der Bodenkanten des Grabens mit abgerundeten, spitzenfreien Formen, die verhindern, dass sich das elektrische Feld dort konzentriert. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren schafft Siliciumcarbid-Halbleiterbauteile mit hoher Kanalmobilität und hoher Spannungsfestigkeit in Sperrrichtung.
  • Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Durchführungsbeispiele im Vergleich zum Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
  • 1(a) und 1(b) in perspektivischen Ansichten den Querschnitt eines Grabens in verschiedenen Verfahrensphasen zur Veranschaulichung der Effekte einer zweistufigen Wärmebehandlung gemäß einer Durchführungsform der Erfindung;
  • 2(a) bis 2(c) in perspektivischen Ansichten die Querschnitte von Gräben, die in einer Argonatmosphäre unter verschiedenen Drücken bei 1700°C thermisch behandelt worden sind;
  • 3(a) bis 3(c) in perspektivischen Ansichten die Querschnitte von Gräben, die in verschiedenen Gasatmosphären thermisch behandelt worden sind;
  • 4(a) bis 4(d) in perspektivischen Ansichten die Querschnitte von Gräben, die in einer Mischgasatmosphäre mit SiH4 und Ar bei verschiedenen Temperaturen thermisch behandelt worden sind;
  • 5(a) bis 5(e) in perspektivischen Ansichten die Querschnitte von Gräben, die in einer heißen Wasserstoffatmosphäre bei verschiedenen Temperaturen thermisch behandelt worden sind;
  • 6 in perspektivischer Darstellung den Querschnitt eines Grabens unmittelbar nach seiner Herstellung in einem Siliciumcarbidsubstrat durch trockene Ätzung und vor einer Wärmebehandlung;
  • 7 bis 12 anhand von Querschnitten durch das Werkstück ein Herstellungsverfahren nach einem zweiten Beispiel;
  • 13 anhand einer grafischen Darstellung die Beziehung zwischen der Bearbeitungszeit, der Temperatur und den beteiligten Gasen bei der Wärmebehandlung im Verfahren nach dem zweiten Beispiel.
  • Stand der Technik
  • 6 veranschaulicht den Ausgangspunkt der Erfindung und zeigt vergrößert im Querschnitt einen in einem Substrat 1 gebildeten, schräg gesehenen, etwa 3 μm dicken Graben 2 mit einer oberen streifenförmigen Oberseite, die als Öffnung 3 des Grabens 2 bezeichnet wird, in der Oberfläche 9 des Substrats und mit einer scharfkantigen Randkante 10 an der Öffnung 3 des Grabens 2. Außer dieser Scharfkantigkeit sind im Graben 2 an den Seitenwänden 11 und am Grabengrund 12 Flächenunebenheiten und derartige Fehler der Grabenform erzeugt worden. Das elektrische Feld wird sich dann an den beschriebenen fehlerhaften Formen im Graben 2 lokalisieren, was zu einer niedrigeren dielektrischen Durchbruchspannung führt.
  • [erstes Durchführungsbeispiel]
  • Insoweit in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik wird bei einer ersten Durchführungsform der Erfindung im Siliciumcarbidsubstrat 1 durch trockene Ätzung der Graben 2 gebildet, wobei zu verstehen ist, dass generell auf dem Substrat eine Vielzahl von Gräben gleichzeitig und durch die selben Verfahrensschritte hergestellt werden. Die Form und die Eigenschaften der Innenfläche des Grabens 2 werden dann gemäß der ersten Durchführungsform durch die Hochtemperatur-Wärmebehandlungsschritte verbessert, die nachfolgend beschrieben sind und unter den unten beschriebenen Bedingungen durchgeführt werden.
  • Das Siliciumcarbidsubstrat 1 – oder ein Siliciumcarbidsubstrat, auf dem eine epitaxiale Siliciumcarbidschicht aufgebracht ist – wird gut gewaschen. Dann wird durch chemische Abscheidung aus der Gasphase ein SiO2-Film auf dem Siliciumcarbidsubstrat abgelagert. Das Substrat mit dem darauf befindlichen SiO2-Film wird gereinigt und 10 Minuten lang in einer Wärmekammer bei 120°C getrocknet. Sodann wird die Oberfläche des SiO2-Films dem Dampf von Hexamethyldisilazan (OAP, zu beziehen bei Tokyo Ohka Kogyo Co, Ltd.) ausgesetzt, um die Affinität des SiO2-Films zu einem Photoresist zu verbessern. Sodann wird auf den SiO2-Film der Photoresist aufgeschichtet.
  • Das Siliciumcarbidsubstrat mit dem SiO2-Film und dem Photoresist darauf wird nun 10 Minuten lang in der Wärmekammer bei 100°C belassen, um durch eine sanfte Hitzebehandlung den Photoresist auszuhärten. Nach dieser Behandlung wird der SiO2-Film auf dem Siliciumcarbidsubstrat einer Ultraviolettstrahlung in einer Belichtungsvorrichtung ausgesetzt, wobei man eine Maske verwendet, die ein darin gebildetes Grabenmuster aufweist. Nach der Belichtung wird das Grabenmuster entwickelt und werden die überflüssigen Teile des Photoresists entfernt. Sodann wird ein neues Photoresistmuster durch einen harten Härtungsvorgang bei 125°C und 20 Minuten Dauer gebildet. Der Photoresist ist nach diesem harten Behandlungsvorgang etwa 2,5 μm dick und ist damit dick genug, um die trockenen Ätzung des SiO2-Films zu überstehen, was dann kein Problem bildet.
  • Nach dem Erstellen des Photoresistmusters wird eine trockene Ätzung durchgeführt, um den SiO2-Film zu strukturieren, wobei der Photoresist als Maske dient. Dies erfolgt in einem Trockenätzungsapparat, in den ein Gasgemisch mit CHF3, CF4 und Ar unter einem Druck von 7 Pa eingespeist wird. Nach der Strukturierung wird der Photoresist in eine Abschälflüssigkeit getaucht, um ihn zu entfernen. Nach dem Waschen mit Wasser und nach dem Trocknen wird das Siliciumcarbidsubstrat (oder der Siliciumcarbidfilm) durch trockene Ätzung geätzt. Durch die trockene Ätzung unter Verwendung des SiO2-Films als Ätzmaske in einem Trockenätzungsapparat wird ein etwa 3 μm breiter und etwa 3 μm tiefer Graben gebildet. Der Trockenätzungsapparat verwendet induktiv eingekoppeltes Plasma, das auch als „ICP” (induced coupled plasma) bezeichnet wird, wobei ein Gasgemisch mit SF6, O2 und Ar mit einer ICP-Leistung von 600 W bei einer RF-Leistung („RF bias”) von 15 W unter einem Druck von 0,4 Pa zur Anwendung kommt. Nach der Grabenbildung wird der als Ätzmaske verwendete SiO2-Film mit Fluorwasserstoffsäure entfernt.
  • 6 zeigt nun, wie erwähnt, im Querschnitt den in der insoweit beschriebenen Weise hergestellten Graben. Diese Querschnittsansicht des Grabens wurde erstellt durch zeichnerische Abnahme der Querschnittsform des Grabens aus einer Rasterelektronenmikroskop-Fotografie (SEM-Fotografie), die den Querschnitt des Siliciumcarbidsubstrats unmittelbar, nachdem darin der Graben gebildet worden ist, darstellt. In 6 verläuft die Fläche angrenzend an die Randkante 10 in der Grabenöffnung 3 nahezu in einem rechten Winkel zur oberen Fläche 30. Die Fläche des Grabensgrunds 12 ist nicht glatt und auf diesem Grabengrund 12 haben sich Unebenheiten gebildet. Die Oberseite des Substrats ist mit 30 bezeichnet.
  • Die Erfindung wird nun im Einzelnen zunächst unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 näher erläutert, die das Herstellungsergebnis nach bevorzugten Durchführungsformen der Erfindung zeigen. Die Erfindung wird zwar unter Bezugnahme auf dieser Durchführungsformen beschrieben, Modifikationen dieser Durchführungsformen ohne Abweichung vom Geist und Umfang der Erfindung sind jedoch für den Fachmann offensichtlich möglich. Die Erfindung ist also nicht durch die hier gegebene spezifische Beschreibung definiert, sondern durch die anhängenden Ansprüche. Die in den Figuren dargestellten Querschnittsansichten des Grabens wurden erstellt durch zeichnerische Abnahme von mit einem Rasterelektronenmikroskop hergestellten Fotografien (SEM-Fotografien).
  • Zum Untersuchen der Bedingungen zum Formen der Grabeninnenfläche so, dass nachteilige Effekte auf die Durchbruchspannungscharakteristiken vermieden werden, werden am in 6 dargestellten Siliciumcarbidsubstrat mit dem darin gebildeten Graben 2 Wärmebehandlungen unter unterschiedlichen Bedingungen durchgeführt, die in der Tabelle 1 angegeben sind. Tabelle 1: Wärmebehandlungsbedingungen
    Bedingung Temperatur (°C) Periode (min) Gase Druck
    Torr ca. Pa
    1 1700 1 Ar 1,5 200
    2 1700 1 Ar 80 10666
    3 1700 1 Ar 760 101326
    4 1500 1 SiH4 + Ar 80 10666
    5 1600 1 SiH4 + Ar 80 10666
    6 1700 1 SiH4 + Ar 80 10666
    7 1800 1 SiH4 + Ar 80 10666
    8 1300 1 H2 80 10666
    9 1400 1 H2 80 10666
    10 1500 1 H2 80 10666
    11 1600 1 H2 80 10666
    12 1700 1 H2 80 10666
  • Die 2(a) bis 2(c) zeigen Querschnittsansichten des in einer Argonatmosphäre unter den in Tabelle 1 aufgeführten Bedingungen 1 bis 3 hergestellten Grabens 2.
  • Der Grabenquerschnitt von 2(a) zeigt, dass im Vergleich zur Form des Grabens unmittelbar nach dessen Bildung gemäß 6 der thermisch unter dem niedrigen Gasdruck von 1,5 Torr (666,61 Pa) behandelte Graben 2 keine effektive Formänderungen zeigt. Die Grabenquerschnitte nach 2(b) und 2(c) zeigen indessen, dass die Randkante 10 der Öffnung 3 des Grabens 2 abgerundet ist und der Grabengrund 12 so geglättet ist, dass der Grabenquerschnitt die Form des Buchstabens U hat, ferner ist die Oberflächenrauigkeit am Grabengrund 12 im Siliciumcarbidsubstrat, das beim Druck von 80 Torr (10666 Pa) bzw. beim Atmosphärendruck von 760 Torr (101326 Pa) behandelt wurde, erheblich reduziert. Außerdem wurde herausgefunden, dass der Gasdruck für die Wärmebehandlung höher sein muss als 1,5 Torr (200 Pa), und dass es für die Wärmebehandlung zu bevorzugen ist, wenn der Gasdruck zwischen 30 Torr (ca. 4000 Pa), was niedriger ist als 80 Torr (10666 Pa), und 760 Torr (101326 Pa) liegt.
  • Die Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der am Siliciumcarbidsubstrat 1 unter einer der Bedingungen 1 bis 3 durchgeführten Wärmebehandlung sowie die Ergebnisse bei einem unbehandelten Siliciumcarbidsubstrat, also vor der Wärmebehandlung; die Ergebnisse resultieren aus einer Analyse mit einem Rasterkraftmikroskop, das im Folgenden als ”AF-Mikroskop” (atomic force microscope) bezeichnet wird, und mit der Röntgen-Fotoelektronen-Spektroskopie, die im Folgenden als ”XP-Spektroskopie” (X-ray photo electron spectroscopy) bezeichnet wird. Die Oberflächenrauigkeit im oberen Teil des Substrats wird mit Hilfe des AF-Mikroskops analysiert und als quadratische Rauheit, nämlich als quadratisches Mittel, das abgekürzt wird als „RMS” (root-mean square), angegeben, und das Si/C-Verbindungsverhältnis wird durch die XP-Spektroskopie analysiert. Tabelle 2: Oberflächenrauigkeit und Zusammensetzungsverhältnisse bei unterschiedlichem Druck
    Bedingung Temperatur (°C) Periode (min) Gas Druck Oberflächenrauigkeit (nm) Si/C-Verhältnis
    Torr ca. Pa
    1 1700 1 Ar 1,5 200 RMS = 2.57 1/99
    2 1700 1 Ar 80 10666 RMS = 4.65 50/50
    3 1700 1 Ar 760 101326 RMS = 4.23 50/50
    unbehandelt RMS = 0.33 50/50
  • Wie das Si/C-Verbindungsverhältnis, nämlich 1/99, beim Druck 1,5 Torr (200 Pa) zeigt, verdampft Silicium von der Siliciumcarbid-Kristalloberfläche durch die Wärmebehandlung, die der Bedingung 1 entspricht. Da die XP-Spektroskopie die Verbindungsdaten in der Oberfläche (etwa 2 nm) liefert, wird die Kristalloberfläche fast nur durch C (Kohlenstoff) belegt. Um zu vermeiden, dass sich die SiC-Verbindung in der oben beschriebenen Weise verändert, erweist sich der Druck von 1,5 Torr als zu niedrig. Anderes ausgedrückt, muss offensichtlich der Druck in gewissem Maß erhöht werden.
  • Bei den Wärmebehandlungsbedingungen 4 bis 12 (Tabelle 1) ist der Druck bei der Wärmebehandlung auf 80 Torr (10666 Pa) eingestellt und das Wärmebehandlungsgas aus folgenden Gasen ausgewählt: ein Gasgemisch aus Silan (SiH4) und Argon (Ar), und Wasserstoff (H2). Die Querschnittsansichten der unter den Bedingungen 2, 6 und 12 thermisch behandelten Gräben sind wiederum gezeichnet durch Übernahme von den SEM-Fotografien und sind dargestellt in den 3(a), 3(b) und 3(c). und die für die Wärmebehandlungsbedingungen 2, 6 und 10 resultierenden Ergebnisse, die durch das AF-Mikroskop und die XP-Spektroskopie analysiert wurden, sind in der Tabelle 3 aufgeführt. Die 3(a) zeigt die Querschnittsform des unter der Bedingung 2 behandelten Grabens, die 3(b) zeigt die Querschnittsform des unter der Bedingung 6 behandelten Grabens und die 3(c) zeigt die Querschnittsform des unter der Bedingung 12 behandelten Grabens. Tabelle 3: Abhängigkeit der Oberflächenrauigkeit und des Zusammensetzungs-Verhältnisses vom Gas
    Bedingung Temperatur (°C) Periode (min) Gase Druck Oberflächenrauigkeit (nm) Si/C-Verhältnis
    Torr ca. Pa
    2 1700 1 Ar 80 10666 RMS = 4.65 50/50
    6 1700 1 SiH4 + Ar 80 10666 RMS = 3.29 50/50
    12 1700 1 H2 80 10666 RMS = 0.35 50/50
  • Bei den Siliciumcarbidsubstraten, die thermisch in Argon und in einer Mischgasatmosphäre, die SiH4 und Ar enthält, behandelt worden sind, ist die zuvor, also vor der Wärmebehandlung, wie in 6 dargestellt ist, scharfkantige Randkante 10 abgerundet und ist die Oberflächenglätte des Grabengrunds 12 und der Grabenseitenwände 11 verbessert, wie die 3(a) und 3(b) jeweils zeigen. Bei dem thermisch in Wasserstoff behandelten Siliciumcarbidsubstrat ist die Oberflächenglätte verbessert, jedoch wird die Grabenseitenwand zu stark geätzt, so dass der Graben breiter wird, was zeigt, dass der Graben zu stark geätzt oder überätzt wird, wie die 3(c) zeigt.
  • Die gemessenen Werte der Oberflächenrauigkeit, die vom AF-Mikroskop analysiert worden sind, zeigen, wie im oberen Teil des Substrats die Gase der Wärmebehandlung die Oberflächenrauigkeit (RMS) beeinflussen, nämlich die Oberflächenglätte nachteilig beeinflussen, und zwar in der ansteigenden Ordnung von H2 < SiH4 + Ar < Ar, und zeigen weiterhin, dass die Wärmebehandlung in Wasserstoff die Oberflächenglätte am stärksten verbessert.
  • Es wird nun die Wärmebehandlung in der Mischgasatmosphäre mit SiH4 und Ar weiter untersucht. Die Wärmebehandlung in dieser Mischgasatmosphäre unterdrückt die Veränderungen der Grabenform recht effektiv und liefert eine Oberfläche, die ausreichend glatt ist, als Nächstes nach der in Wasserstoff behandelten Oberfläche.
  • Die Querschnittsformen der Gräben in den Siliciumcarbidsubstraten, die thermisch unter den Bedingungen 4 bis 7 behandelt worden sind, sind gezeichnet durch Abnehmen von SEM-Fotografien und sind in den 4(a) bis 4(d) gezeigt. Die von dem AF-Mikroskop und der XP-Spektroskopie analysierten Ergebnisse für die Wärmebehandlungsbedingungen 4 bis 7 sind in der Tabelle 4 aufgelistet. Tabelle 4: Temperaturabhängigkeit der Oberflächenrauigkeitund des Zusammensetzungsverhältnisses bei der Wärmebehandlung in einer Mischgasatmosphäre, die SiH4 (Silan) und Ar enthält
    Bedingungen Temperatur (°C) Periode (min) Gase Druck Oberflächenrauigkeit (nm) Si/C-verhältnis
    Torr ca. Pa
    4 1500 1 SiH4 + Ar 80 10666 RMS = 1.13 50/50
    5 1600 1 SiH4 + Ar 80 10666 RMS = 1.31 50/50
    6 1700 1 SiH4 + Ar 80 10666 RMS = 3.29 50/50
    7 1800 1 SiH4 + Ar 80 10666 RMS = 6.24 50/50
  • Wie die 4(a) bis 4(d) zeigen, werden die Randkanten 10 des Grabens stärker abgerundet und sind die Seitenwände 11 und der Grabengrund 12 glatter und stetiger, wenn die Wärmebehandlungstemperatur von 1500°C auf 1800°C angehoben wird. Wie jedoch die gemessenen Werte der Oberflächenrauigkeit (RMS-Werte) in der oberen Fläche 9 des Substrats, die in Tabelle 4 aufgelistet sind, zeigen, wird der RMS-Wert mit höherer Wärmebehandlungstemperatur höher, und sie zeigen weiterhin, dass die Oberflächenunebenheiten größer und die Glätte der Substratoberfläche schlechter sind, wenn die Wärmebehandlungstemperatur höher wird. Aus dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Grabenform beeinträchtigt jetzt die Wärmebehandlung in der Mischgasatmosphäre mit SiH4 und Ar die Grabenform und die Oberflächeneigenschaften nicht, und zwar unabhängig von der Wärmebehandlungstemperatur, da die Wärmebehandlung in der Mischgasatmosphäre mit Silan und Argon die Kanten des Grabens angemessen abrundet, jedoch den Graben nicht zu stark verbreitert.
  • Die unter der Bedingung 12 in Tabelle 3, nämlich bei 1700°C in Wasserstoff, durchgeführte Wärmebehandlung ätzt den Graben sehr heftig und erhöhte seine Breite stark, wie die 3(c) zeigt. Da jedoch die weiche Glätte der Substratoberfläche, wie man sie unter der Bedingung 12 erhält, hervorragend ist, ist weiterhin zu untersuchen, ob man den Effekt einer Überätzung bei der Wärmebehandlung in Wasserstoff mit einer Temperatur unter 1700°C verhindern kann, wodurch die Grabenform verbessert und die hervorragende Oberflächenglätte erhalten werden können, oder ob dies nicht möglich ist.
  • Die Querschnittsflächen der Gräben in den Siliciumcarbidsubstraten, die thermisch unter den Bedingungen 8 bis 12 behandelt wurden, sind wiederum durch Abnahme von den SEM-Fotografien gezeichnet und sind in den 5(a) bis 5(e) dargestellt. Die vom AF-Mikroskop und der XP-Spektroskopie für die Wärmebehandlungsbedingungen 8 bis 12 analysierten Ergebnisse sind in der Tabelle 5 aufgelistet. Tabelle 5: Temperaturabhängigkeit der Oberflächenrauigkeit und des Zusammensetzungsverhältnisses bei der Wärmebehandlung in Wasserstoff
    Bedingung Temperatur (°C) Periode (min) Gas Druck Oberflächenrauigkeit (nm) Si/C-verhältnis
    Torr ca. Pa
    8 1300 1 H2 80 10666 RMS = 0.14 50/50
    9 1400 1 H2 80 10666 RMS = 0.08 50/50
    10 1500 1 H2 80 10666 RMS = 0.08 50/50
    11 1600 1 H2 80 10666 RMS = 0.11 50/50
    12 1700 1 H2 80 10666 RMS = 0.35 50/50
  • Wie die 5(a) und die Tabelle 5 zeigen, verbessert die bei 1300°C in der Wasserstoffatmosphäre durchgeführte Wärmebehandlung die Form und die Glätte der Grabeninnenfläche nahezu gar nicht, verglichen mit dem in 6 gezeigten Graben vor der Wärmebehandlung. Die 5(b) und 5(c) zeigen eine allerdings nur geringfügige Verbesserung der Abrundung der Graben-Randkante 10 und der Glätte der Grabenseitenwand 11 durch die in der Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1400°C und 1500°C durchgeführte Wärmebehandlung. Die Formänderung oder Formverbesserung, die bei diesen angegebenen Bedingungen erzielt wird, ist geringer als die Formänderung oder Formverbesserung, die man durch die in der Mischgasatmosphäre mit SiH4 und Ar durchgeführte Wärmebehandlung erzielt. Die bei 1600°Celsius oder höher in der Wasserstoffatmosphäre durchgeführte Wärmebehandlung ätzt die Grabenseitenwände 11 zu stark und verbreitert den Graben 2 übermäßig. Diese Tendenz ist noch deutlicher, wenn das Siliciumcarbidsubstrat bei 1700°C in der Wasserstoffatmosphäre thermisch behandelt wird. Die Messung der Oberflächenrauigkeit im oberen Teil des Substrats durch das AF-Mikroskop zeigt, dass der RMS der Oberflächenrauigkeit im oberen Teil des Substrats für die in Wasserstoff bei 1700°C durchgeführte Wärmebehandlung 0,35 nm beträgt. Die Messung der Oberflächenrauigkeit durch das AF-Mikroskop zeigt weiterhin, dass der RMS der Oberflächenrauigkeit im oberen Teil des Substrats für die in der Wasserstoffatmosphäre bei maximal 1600°C durchgeführte Wärmebehandlung etwa 0,1 nm beträgt. Die Wärmebehandlung unter diesen Bedingungen erleichtert es, eine sehr glatte Substratoberfläche zu erhalten. Es ist also bevorzugenswert, die Wärmebehandlung in der Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1400°C und 1500°C durchzuführen, wobei die Grabenseitenwände 11 nicht übermäßig geätzt werden.
  • Wie oben dargelegt, ist die Wärmebehandlung in der Mischgasatmosphäre, die SiH4 und Ar enthält, bei einer Temperatur zwischen 1700°C und 1800°C für den Zweck, die Graben-Randkante abzurunden, die Grabeninnenwand zu glätten und den Grabenquerschnitt U-förmig zu gestalten, zu bevorzugen. Jedoch besteht die Tendenz, dass die Wärmebehandlung in der Mischgasatmosphäre mit SiH4 und Ar bei einer Temperatur zwischen 1700°C und 1800°C die Substratoberfläche aufrauht. Die Wärmebehandlung in Wasserstoff bei einer Temperatur von 1600°C oder darüber ätzt die Grabenseitenwände zu stark und verbreitert die Grabenweite, und rundet außerdem die Graben-Randkante 10 und den Rand des Grabengrunds 12 nicht so effektiv ab, wie erwünscht. Die Glätte der bei diesen Bedingungen erhaltenen Grabeninnenwand ist unzureichend. Hingegen ist die Substratoberfläche 30 nach dieser Behandlung nur in sehr geringem Maß uneben.
  • Auf der Grundlage der beschriebenen charakteristischen Eigenschaften der Wärmebehandlungen wird die Wärmebehandlung unterteilt in einen ersten Schritt, der bei 1700°C in der Mischgasatmosphäre mit SiH4 und Ar durchgeführt wird, und einen zweiten Schritt, der bei 1500°C in der Wasserstoffatmosphäre durchgeführt wird. Der erste Schritt und der zweite Schritt werden unterbrechungslos und in der selben Wärmekammer durchgeführt. Nachdem der erste Schritt der Wärmebehandlung abgeschlossen ist, erniedrigt man die Temperatur von 1700°C auf 1500°C und wechselt die Mischgasatmosphäre mit SiH4 und Ar um in die Wasserstoffatmosphäre. Es wird untersucht, ob der erste Schritt der Wärmebehandlung den Effekt der Abrundung der Ränder des Grabengrunds und der Kanten an der Grabenöffnung sowie der Glättung der Grabeninnenwand erbringt oder nicht, und wird außerdem untersucht, ob der zweite Schritt der Wärmebehandlung den Effekt der Glättung der Substratoberfläche erbringt oder nicht.
  • Der in 1(a) und 1(b) im Querschnitt dargestellte Graben ist gezeichnet ist durch Abnahme von der SEM-Querschnittsfotografie des Grabens, und zwar zeigt 1(a) im Querschnitt den Graben vor der Durchführung der zweistufigen Wärmebehandlung zur Verbesserung der Grabenform durch die in zwei Schritten durchgeführte Wärmebehandlung gemäß der Erfindung. Die Tabelle 6 zeigt das Ergebnis, das durch das AF-Mikroskop analysiert ist. Tabelle 6: Wärmebehandlungsbedingungen und Oberflächenrauigkeit bei der Behandlung in zwei Schritten
    Bedingung Erster Schritt der Wärmebehandlung Zweiter Schritt der Wärmebehandlung Oberflächenrauigkeit (nm)
    13 Im Gasgemisch von SiH4 und Ar bei 1700°C und 80 Torr/10666 Pa 10 Minuten lang In H2-Gas bei 1500°C und 80 Torr/10666 Pa 10 Minuten lang RMS = 0,20
  • Wie 1(a) zeigt, sind im Grabengrund 12 Vertiefungen entstanden, die als Teilgräben 13 bezeichnet werden, und es zeigt sich, dass unmittelbar nach der Bildung des Grabens 2 und vor der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung am Grabengrund 12 erhebliche Unebenheiten vorhanden sind. Es hat sich jedoch erwiesen, dass der erste Schritt und der zweite Schritt der Wärmebehandlung sehr wirksam sind, die, wie 1(a) zeigt, sehr schlechte Grabenform zu verbessern. Im Einzelnen hat der erste Schritt der Wärmebehandlung, der in der Mischgasatmosphäre mit SiH4 und Ar 10 Minuten lang bei 1700°C durchgeführt wird, die Folge, dass an der Grabenöffnung die Randkanten 10 und am Boden die Ränder des Grabens 2 abgerundet und die Ebenheit der der Grabeninnenwand verbessert sind. Sodann hat der zweite Schritt der Wärmebehandlung, der in der Wasserstoffatmosphäre 10 Minuten lang bei 1500°C durchgeführt wird, die Folge, dass der RMS der Rauigkeit der Substratoberfläche 30 auf 0,2 nm reduziert wird.
  • Wie in Verbindung mit der ersten Durchführungsform der Erfindung und auf der Grundlage der experimentellen Daten beschrieben wurde, wird der erste Schritt der Wärmebehandlung unter folgenden Bedingungen durchgeführt: in der Wärmekammer herrscht eine Argonatmosphäre oder Mischgasatmosphäre, die Silan und Argon enthält, bei einem Druck von 30 Torr bis 760 Torr und einer Temperatur zwischen 1600°C und 1800°C, zur Abrundung der Randkanten 10 an der Grabenöffnung und der Bodenkanten des Grabens 2 im Siliciumcarbidsubstrat 1 oder in einer Siliciumcarbidschicht und zum Glätten der Oberflächenrauigkeit, die an der Grabenseitenwand 11 und am Grabengrund 12 entstanden ist. Sodann wird ohne Unterbrechung anschließend an den ersten Schritt der Wärmebehandlung der zweite Schritt der Wärmebehandlung durchgeführt, und zwar in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1400°C und 1500°C, um die Oberfläche 30 des Siliciumcarbidsubstrats 1 und die Grabeninnenwand zu glätten. Da im physikalisch harten, chemisch stabilen und schwer ätztbaren Siliciumcarbidsubstrat die an sich scharfkantigen Randkanten 10 der Gräben abgerundet und die Seitenwandflächen 11 und der Grabengrund 12 glatt gemacht sind, ist gemäß der Erfindung ein Siliciumcarbid-Leistungshalbleiterbauteil geschaffen worden, das keine örtliche Konzentration des elektrischen Feldes bewirkt, sondern eine sehr gute dielektrische Durchbruchspannung aufweist.
  • In der Beschreibung wurde als inertes Gas Argon genannt, alternativ kann jedoch auch ein anderes inertes Gas, das nicht mit dem Siliciumcarbidsubstrat reagiert, verwendet werden, beispielsweise Helium oder Neon. Außerdem kann an Stelle von SiH4-Gas problemlos auch Si2H6-Gas verwendet werden.
  • [zweites Durchführungsbeispiel]
  • Ein zweites Durchführungsbeispiele des Herstellungsverfahrens wird anhand der 7 bis 12 beschrieben, bei denen es sich um Verfahrens-Querschnittsansichten handelt, die die Schritte des Herstellungsverfahrens einschließlich der Bildung des Grabens in einem aktiven Teil des Bauelements, nämlich eines Graben-MOSFETs, veranschaulichen. Es handelt sich wiederum um ein SiC-Bauteil mit dem n-leitenden Substrat 1, in bzw. an dem aufeinanderfolgend durch epitaxiales Wachstum eine n-leitende Siliciumcarbidschicht 5 mit niedrigem Verunreinigungsgehalt und eine p-leitende Siliciumcarbidschicht 6 und weiterhin darauf eine durch Ionenimplantatation gebildete n-leitende Quellenregion 7 und eine p-leitende Körperkontaktregion 8 mit hohem Verunreinigungsgehalt gebildet werden. Auf das Substrat 1 wird eine Siliciumoxidschicht 9 aufgebracht (7). Die Siliciumoxidschicht 9 befindet sich dann auf der Quellenregion 7 und wird durch Fotolithografie strukturiert (8). Sodann wird durch reaktive Ionenätzung („RIE”) oder dergleichen mit der in der Siliciumoxidschicht 9 gebildeten Maske der Graben 2 ausgebildet, der bis in die n-leitenden Siliciumcarbidschicht 5 reicht (9). Anschließend wird am Grabengrund, also in den Boden des Grabens, mit der Siliciumoxidschicht 9 als Maske Aluminium 14 ionenimplantiert (10), um eine Al-Ionen-Implantationsregion 15 zu bilden, woraufhin die als Maske verwendete Siliciumoxidschicht 9 mit Fluorwasserstoffsäure oder dergleichen entfernt wird (11). Anschließend führt man ein später im Einzelnen beschriebenes Verfahren durch, nämlich findet eine Wärmebehandlung zuerst in einer Argonatmosphäre (Ar) bei vermindertem Druck und bei einer Temperatur von wenigstens 1700°C und dann in einer Wasserstoffatmosphäre (H2) bei vermindertem Druck und bei einer Temperatur von höchstens 1500°C statt. Sodann werden, um den vertikalen Graben-MOSFET zu vervollständigen, eine Steuerelektroden-Isolierschicht 16, eine Steuerelektrode 17, ein Zwischenschicht-Isolierfilm 18 und ferner eine Elektrode für die Steuerelektrode 17, eine Elektrode für eine Quelle 19 und eine Elektrode für eine Senke 20 gebildet (12).
  • Der Wärmebehandlungsschritt wird nun, wie er durchgeführt wurde, im Einzelnen anhand der Beschreibung repräsentativer Versuche beschrieben. Der herzustellende Graben-MOSFET sollte eine Nenn-Spannungsfestigkeit von 1200 V haben. Als Ausgangs-Werkstück wurde das n-leitendes 4H-SiC-Substrat 1 mit einer (000-1)-Ebene und einem sogenannten Off-Winkel von 8° hergestellt. Nachdem das den Graben 2 aufweisende SiC-Substrat 1 gemäß 11 mit Säure und Lauge gespült worden war, wurde er es in eine Wärmebehandlungskammer, die mit Induktionsheizung arbeitet, verbracht, die evakuiert und dann mit einer Argonatmosphäre gefüllt wurde. Anschließend wurde die Temperatur auf 1700°C erhöht, während der Druck auf 80 Torr, d. i. ca. 10666 Pa, bei einer Argonströmung von 1 slm gehalten wurde. Nachdem man die Temperatur 10 Minuten lang auf 1700°C hielt, wurde sie auf 1500°C erniedrigt und wurde die Argonströmung beendet. Statt dessen wurde eine Wasserstoffströmung von 20 slm in Gang gesetzt und wurden die Temperatur von 1500°C sowie der Druck von 80 Torr (10666 Pa) 20 Minuten lang aufrechterhalten. Sodann wurde die Temperatur auf Zimmertemperatur abgesenkt. Die Beziehung zwischen der Zeit, der Temperatur und dem jeweiligen Gas bei diesem Prozess ist in 13 dargestellt. Sodann wurde zunächst die Steuerelektroden-Isolierschicht 16 gebildet, der Graben 2 mit der aus polykristallinem Silicium bestehenden Steuerelektrode 17 durch die Steuerelektroden-Isolierschicht 16 gefüllt, und anschließend wurden der Zwischenschicht-Isolierfilm 18 und die Elektroden für die Quelle 19 und die Senke 20 gebildet, um den in 12 gezeigten MOSFET zu ergeben.
  • Zum Vergleich wurde ein weiterer Graben-MOSFET in gleicher Weise hergestellt mit der Ausnahme, dass die in 13 gezeigte Wärmebehandlung unterblieb; sowie noch ein weiterer MOSFET wiederum in gleicher Weise hergestellt, wobei also die Wärmebehandlung bei einer Argonströmung von 1 slm, einem Druck von 80 Torr (10666 Pa) und einer Temperatur von 1700°C 10 Minuten lang durchgeführt wurde, jedoch mit der Ausnahme, dass die Wärmebehandlung in Wasserstoff unterblieb. Die Ergebnisse eines Vergleichs der Kanalmobilität der Graben-MOSFETs sind in der nachfolgenden Tabelle 7 angegeben. Tabelle 7
    Verfahren der Wärmebehandlung Kanalmobilität
    keine Wärmebehandlung 10 cm2/V·s
    Argon-Wärmebehandlung bei 1700°C 15 cm2/V·s
    Argon bei 1700°C + Wasserstoff bei 1500°C 45 cm2/V·s
  • Bei den Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik wurde der erwünschte niedrige Ein-Widerstand nicht erreicht, und zwar auf Grund der niedrigen Kanalmobilität. Das Problem der niedrigen Kanalmobilität tritt nicht nur bei der Grabenstruktur auf, sondern auch bei der planaren Struktur. Bei der thermischen Oxidation von SiC verbleibt Kohlenstoff an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und dem Siliciumcarbid, im Unterschied zu den Vorgängen in reinem Silicium. Der verbleibende Kohlenstoff erhöht den Grenzflächenzustand, was die Kanalmobilität erniedrigt. Die Ionenimplantation dient dazu, die örtliche Elektroleitfähigkeit des Siliciumcarbids zu steuern, und zum Aktivieren der implantieraten Verunreinigungen muss eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung bei mindestens 1600°C durchgeführt werden. Bei der Wärmebehandlung mit 1600°C oder höher verdampft Siliciumcarbid, wodurch die Oberfläche des Substrats aufgeraut wird. Die Oberflächenrauigkeit führt zu einer Streuung von Elektronen, und dieses Phänomen führt zu einer Erniedrigung der Kanalmobilität. Beim Graben-MOSFET nach dem zweiten Beispiel, der sowohl der Argon-Wärmebehandlung als auch der Wasserstoff-Wärmebehandlung unterworfen war, ist jedoch eine hohe Kanalmobilität erzielt worden.
  • Die Ergebnisse eines Vergleichs der Graben-MOSFETs von Tabelle 7 hinsichtlich der Spannungsfestigkeit in Sperrrichtung sind in der nachfolgenden Tabelle 8 dargestellt. Tabelle 8
    Verfahren der Wärmebehandlung Sperrspannungsfestigkeit
    keine Wärmebehandlung 200 V
    Argon-Wärmebehandlung bei 1700°C 1200 V
    Argon bei 1700°C + Wasserstoff bei 1500°C 1200 V
  • Bei den Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik wurde auf Grund der geringen Spannungsfestigkeit der Oxidschicht am Grabengrund keine hohe Spannungsfestigkeit erzielt. Siliciumcarbid widersteht der elektrischen Feldstärke zwar um eine Größenordnung höher als das Silicium selbst, jedoch bricht, obwohl Siliciumcarbid eine hohe Beständigkeit aufweist, die Oxidschicht im starken elektrischen Feld zuerst an dem Teil durch, an dem sich das elektrische Feld konzentrieren, z. B. an den Grabenkanten. Zur Vermeidung des Problems wurde ein Aufbau untersucht, bei dem am Grabengrund durch Ionenimplantation oder dergleichen eine p+-leitende Region geschaffen ist. Eine solche Region am Grabengrund muss notwendigerweise einer Wärmebehandlung bei hoher Temperatur unterworfen werden, um beim praktischen Gebrauch die implantierten Ionen elektrisch zu aktivieren, wodurch jedoch die Kanalmobilität auf Grund der Oberflächen-Aufrauung unvermeidlicherweise erniedrigt wird. Bei den nach dem zweiten Beispiel hergestellten Bauteilen, die sowohl der Wärmebehandlung in Argon als auch der Wärmebehandlung in Wasserstoff unterworfen waren, wurde jedoch eine hohe Spannungsfestigkeit in Sperrrichtung in der erwünschten Weise erhalten.
  • Um herauszufinden, warum bei den Bauteilen, die den Wärmebehandlungen sowohl in Argon als auch in Wasserstoff unterworfen waren, eine hohe Kanalmobilität und eine hohe Spannungsfestigkeit in Sperrrichtung erhalten werden, wurde ein weiteres Experiment durchgeführt, bei dem ein n-leitendes 4H-SiC-Substrat mit einer (000-1)-Ebene und einem Off-Winkel von 8° verwendet wurde.
  • Die Graben-MOSFETs, die durch die Wärmebehandlungen zu den angegebenen Bedingungen hergestellt wurden, wurden hinsichtlich der Oberflächenrauigkeit an den Graben-Seitenwänden miteinander verglichen. Ein mittlerer Quadratwert der Oberflächenrauigkeit von 1 μm Quadratfläche an den Grabenseitenwänden wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop gemessen. Die Ergebnisse sind im Tabelle 9 niedergelegt. Tabelle 9
    Verfahren der Wärmebehandlung Quadratwert der Oberflächenrauigkeit der Grabenseitenwände
    keine Wärmebehandlung 15,2 nm
    Argon-Wärmebehandlung bei 1700°C 10,2 nm
    Argon bei 1700°C + Wasserstoff bei 1500°C 1,4 nm
  • Die geringste Rauigkeit an den Grabenseitenwänden erhielt man, wenn sowohl die Argon-Wärmebehandlung bei 1700°C als auch die Wasserstoff-Wärmebehandlung bei 1500°C durchgeführt wurden. Da das Siliciumcarbid an seiner Oberfläche durch die Hochtemperatur-Wärmebehandlung in Wasserstoff geätzt wird, führt man die Wasserstoff-Wärmebehandlung beim beschriebenen Beispiel bei einer niedrigeren Temperatur, nämlich bei höchstens 1500°C, durch, um das Ausmaß der Ätzung zu minimieren. Dies wird so gehandhabt, dass der Graben hinsichtlich seiner Form nicht wesentlich verändert wird und die Quellenregion und dergleichen, die an der Oberfläche des Bauteils gebildet sind, nicht auf Grund der Ätzung abgeschliffen werden. Wie durch ein getrenntes Experimente bestätigt wurde, betrug das Ausmaß der Ätzung auf Grund der Wasserstoff-Wärmebehandlung bei der beschriebenen Durchführungsform höchstens 0,1 μm. Es ist davon auszugehen, dass es die Reduktion der Oberflächenrauigkeit der Grabenseitenwände bei der Wärmebehandlung ist, die die Verbesserung der Kanalmobilität herbeiführt.
  • Die Versuchsstücke wurden dann nach der Wärmebehandlung an ihrer Oberfläche einer Zusammensetzungsanalyse unterzogen. Diese Analyse wurde durch Röntgenstrahlen-Fotoelektronen-Spektroskopie durchgeführt. Es wurde für das Zusammensetzungsverhältnis der Sauerstoffatome und der an sie gebundenen Siliciumatome (Si(SiO2)) ein Vergleich hinsichtlich der Wärmebehandlungsbedingungen durchgeführt, der das Mengenverhältnis der Siliciumoxidschicht ergab. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 10 dargestellt. Tabelle 10
    Verfahren der Wärmebehandlung Zusammensetzungsverhältnis von Si(SiO2)
    keine Wärmebehandlung 0,1% oder weniger
    Argon-Wärmebehandlung bei 1700°C 5,6%
    Argon bei 1700°C + Wasserstoff bei 1500°C 0,4%
  • Das Versuchsstück ohne die Wärmebehandlung hatte auf seiner Oberfläche keine Siliciumoxidschicht, da es vor der Messung mit Fluorwasserstoffsäure gewaschen wurde. Jedoch hatte das der Argon-Wärmebehandlung unterworfene Versuchsstück eine Siliciumoxidschicht, die sich auf seiner Oberfläche gebildet hatte. Es wird angenommen, dass OH-Gruppen und dergleichen, die in losen Bindungen („Baumelbindungen”) an der Oberfläche enden, durch die Argon-Wärmebehandlung bei hoher Temperatur abgelöst werden, um so eine erheblich aktive Oberfläche zu bilden, die dann nach Abschluss der Wärmebehandlung in Kontakt mit der Luft ist und sofort durch Bildung von Bindungen mit Sauerstoff die Siliciumoxidschicht herstellt. Das Versuchsstück, das der Argon-Wärmebehandlung und dann der Wasserstoff-Wärmebehandlung unterworfen war, hatte keine Siliciumoxidschicht an seiner Oberfläche. Es wird angenommen, dass, obwohl die erheblich aktive Oberfläche durch die Argon-Wärmebehandlung gebildet wird, die losen Bindungen während der nachfolgenden Wasserstoff-Wärmebehandlung wieder endseitig anschließen. Wie oben beschrieben wurde, sind dann, wenn eine Siliciumoxidschicht an der Luft gebildet wird, in der Luft befindliche Verunreinigungen darin eingeschlossen. Die Verunreinigungen können an der Oberfläche auch nach einem Spülen verbleiben und können den Zwischenschichtzustand erhöhen, wodurch die Kanalmobilität erniedrigt wird. Beim Wärmebehandlungsprozess bei dieser Durchführungsform wird die Erscheinung unterdrückt, dass sich eine Siliciumoxidschicht bildet, so dass die Grabenseitenwände vor Kontaminierungen geschützt sind und dadurch die Kanalmobilität verbessert werden kann.
  • Die Versuchsstücke, bei denen nach der Wärmebehandlung Aluminiumionen in einer Dosis von 1·1015 cm–2 implantiert wurden, wurden nach der Wärmebehandlung hinsichtlich der elektrischen Aktivierungsrate verglichen. Die Ergebnisse der Messung der Aktivierungsrate sind in Tabelle 11 angegeben. Die Aktivierungsrate wurde erhalten durch Teilen der vom Halleffekt erhaltenen Trägerdichte durch die Aluminiumatomdichte, die man durch die Sekundärionenmassenspektrometrie, die „SIMS”-Messung erhalten hatte. Tabelle 11
    Verfahren der Wärmebehandlung Aktivierungsrate
    keine Wärmebehandlung 10% oder weniger
    Argon-Wärmebehandlung bei 1700°C 90% oder mehr
    Argon bei 1700°C + Wasserstoff bei 1500°C 90% oder mehr
  • Das Versuchsstück ohne Wärmebehandlung wurde nicht elektrisch aktiviert, da die implantierten Aluminiumionen nicht in Gitterpositionen angeordnet waren. Entsprechend wird angenommen, dass die ionenimplantierte Region am Grabengrund nicht mit einer ausreichenden Konzentration gebildet wurde, so dass eine hohe Spannungsfestigkeit des Graben-MOSFETs nicht erreicht werden konnte. Bei dem Versuchsstück, das der Argon-Wärmebehandlung bei 1700°C unterworfen wurde, und dem Versuchsstück, das sowohl der Argon-Wärmebehandlung bei 1700°C als auch der Wasserstoff-Wärmebehandlung bei 1500°C unterworfen wurde, geht man jedoch davon aus, dass die implantierten Aluminiumionen ausreichend aktiviert wurden, um am Grabengrund eine p+-leitende Region zu bilden, die eine hohe Spannungsfestigkeit bietet. Ein weiteres separates Experiment ergab, dass man die Wärmebehandlung mit der hohen Temperatur von wenigstens 1700°C in der Argonatmosphäre nach der Ionenimplantation durchführen muss, um die p+-leitende Region am Grabengrund und damit die hohe Spannungsfestigkeit zu bekommen.
  • Die Versuchsstücke wurden nach der Wärmebehandlung auch noch hinsichtlich der Form des Grabens verglichen. Das Versuchsstück ohne Wärmebehandlung hatte scharfe Grabenkanten. Beim Versuchsstück, das der Argon-Wärmebehandlung bei 1700°C unterworfen war, und beim Versuchsstück, das sowohl der Argon-Wärmebehandlung bei 1700°C als auch der Wasserstoff-Wärmebehandlung bei 1500°C unterworfen war, waren die Grabenkanten jedoch abgerundet, und zwar durch Migration der Oberflächenatome bei der Hochtemperatur-Wärmebehandlung. Es ist davon auszugehen, dass die abgerundeten Grabenkanten zu einer hohen Spannungsfestigkeit des Graben-MOSFETs beitragen. Hat nämlich der Graben scharfe Randkanten, so konzentriert sich das elektrische Feld an diesen Kanten mit der Folge einer Erniedrigung der Spannungsfestigkeit der Oxidschicht. Sind die Grabenkanten jedoch angemessen abgerundet, so findet keine Konzentration des elektrischen Feldes statt, mit der Folge einer hohen Spannungsfestigkeit.
  • Aus den Ergebnissen folgt, dass diejenigen Versuchsstücke, die sowohl der Argon-Wärmebehandlung bei 1700°C als auch der Wasserstoff-Wärmebehandlung bei 1500°C unterworfen waren, eine hohe Kanalmobilität mit einer verringerten Oberflächenrauigkeit an den Seitenwänden des Grabens und einer sauberen Oberfläche der Seitenwände haben, und eine hohe Spannungsfestigkeit in Sperrrichtung mit der hohen Aktivierungsrate der in den Grabengrund implantierten Aluminiumionen und mit den abgerundeten Grabenkanten haben. Die gleichen Vorteile erhält man durch eine Wärmebehandlung in Argon bei 1700°C und eine Wärmebehandlung in Wasserstoff bei 1500°C in getrennten Wärmebehandlungskammern, zur Verbesserung der Prozesseffektivität ist jedoch zu bevorzugen, dass die Behandlungen unterbrechungslos in einer einzigen Wärmebehandlungskammer durchgeführt werden.
  • [drittes Durchführungsbeispiel]
  • Bei der Durchführung der beim zweiten Durchführungsbeispiele beschriebenen Argon-Wärmebehandlung kann eine Aufrauung an der Oberfläche des Siliciumcarbids erfolgen, wenn darin die Ionen mit einer hohen Konzentration implantiert sind, bei testweise mit einer Dosis von 1·1016 cm–2 oder höher. Dies wird darauf zurückgeführt, dass an der durch die Ionenimplantation beschädigten SiC-Oberfläche bei der Hochtemperatur-Wärmebehandlung eine Verdampfung auftritt. In diesem Fall kann zu dem beim zweiten Durchführungsbeispiele verwendeten Gas noch Monosilan-Gas (SiH4) hinzugefügt werden. Das Auftreten der Aufrauung an der Oberfläche wird unterdrückt durch einen Teildruck von in der Atmosphäre durch Zersetzung des Monosilan-Gases erzeugtem Si. In diesem Fall sind das Zusammensetzungsverhältnis der Siliciumoxidschicht an der Oberfläche, die Aktivierungsrate der implantierten Aluminiumionen und die Abrundung der Grabenkanten die gleichen wie bei der zweiten Durchführungsform und werden durch die Hinzufügung des Monosilan-Gases nicht beeinflusst. Gemäß der beschriebenen dritten Durchführungsform wird dieses Monosilan-Gas verwendet, die selben Vorteile erhält man aber auch mit Disilan-Gas (Si2H6).
  • [viertes Durchführungsbeispiel]
  • Eine eventuell zu befürchtende metallische Kontamination an der Grabeninnenwand kann vermieden oder beseitigt werden durch Hinzufügen einer passenden Menge von Chorwasserstoff-Gas (HCl) bei der Durchführung der Wasserstoff-Wärmebehandlung beim zweiten Durchführungsbeispiel. In diesem Fall sind das Zusammensetzungsverhältnis der Siliciumoxidschicht an der Oberfläche, die Aktivierungsrate der implantierten Aluminiumionen und die Abrundung der Grabenkanten die gleichen wie bei der zweiten Durchführungsform und werden durch die Hinzufügung des Chorwasserstoff-Gases nicht beeinflusst. Da durch die Hinzufügung dieses Gases jedoch das Ausmaß der Ätzung des Siliciumcarbids erhöht wird, müssen die Temperatur und die Zeit der Wärmebehandlung in Kombination so gesteuert werden, dass das Ausmaß der Ätzung ausreichend begrenzt wird, auf dass die Bauteilcharakteristiken nicht beeinträchtigt werden, also im Wesentlichen auf 0,1 μm oder weniger.
  • Gemäß der Erfindung findet die Wärmebehandlung in der Wasserstoffatmosphäre nach der Wärmebehandlung in der Argonatmosphäre statt, wodurch eine hohe Kanalmobilität und eine hohe Spannungsfestigkeit in Sperrrichtung für den Graben-MOSFET erhalten werden. Entsprechend kann ein Schaltbauteil mit niedrigerem Verlust und hoher Spannungsfestigkeit unter gleichzeitiger Ausnützung der wesentlichen Charakteristiken des Siliciumcarbids erhalten werden.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Siliciumcarbid-Halbleiterbauteils mit einer MOS-Steuerelektrodenstruktur in Grabenbauart in einer Hauptfläche des Bauteils, mit folgenden Verfahrensschritten: Bildung der Gräben durch trockene Ätzung, und Durchführung einer Wärmebehandlung in einer Gasatmosphäre bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass man die Wärmebehandlung in wenigstens zwei Schritten ausführt, wobei man das Bauteil: im ersten Schritt einer Atmosphäre von Argon oder in einer Mischgasatmosphäre, die Silan und ein inertes Gas enthält, bei einer Temperatur zwischen 1600°C und 1800°C aussetzt; und im zweiten Schritt einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1400°C und 1500°C aussetzt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den ersten Schritt und den zweiten Schritt der Wärmebehandlung unter einem Gasdruck zwischen 30·133,322 Pa und 760·133,322 Pa (30 und 760 Torr) durchführt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den ersten Schritt und den zweiten Schritt der Wärmebehandlung unterbrechungslos in einer selben Wärmekammer durchführt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man als inertes Gas Argon, Helium oder Neon verwendet.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man als inertes Gas ein Gasgemisch verwendet, das Argon, Helium und/oder Neon enthält.
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