DE102008063129B4

DE102008063129B4 - Herstellungsverfahren für einen codotierten SiC-Volumeneinkristall und hochohmiges SiC-Substrat

Info

Publication number: DE102008063129B4
Application number: DE102008063129A
Authority: DE
Inventors: Dr. Straubinger Thomas; Dr. Wohlfart Andreas; Martin Kölbl
Original assignee: Sicrystal AG
Current assignee: Sicrystal GmbH
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: US20100159182A1; DE102008063129A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls (2) mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 1012 Ωcm und mit einem Durchmesser von mindestens 7,62 cm, wobei a) in einem Kristallwachstumsbereich (5) eines Züchtungstiegels (3) eine SiC-Wachstumsgasphase (7) erzeugt wird und der SiC-Volumeneinkristall mittels Abscheidung aus der SiC-Wachstumsgasphase (7) aufwächst, b) die SiC-Wachstumsgasphase (7) aus einem SiC-Quellmaterial (6), das sich in einem SiC-Vorratsbereich (4) innerhalb des Züchtungstiegels (3) befindet, gespeist wird, c) dem Kristallwachstumsbereich (5) erste Dotierstoffe (18), die ein flaches Dotierstoffniveau in einem Abstand von höchstens 350 meV zu einer SiC-Bandkante haben, und zweite Dotierstoffe (19), die ein tiefliegendes Dotierstoffniveau in einem Abstand von mindestens 500 meV zu der SiC-Bandkante haben, aus mindestens einem außerhalb des Züchtungstiegels (3) angeordneten und unabhängig von dem SiC-Quellmaterial (6) in der Temperatur steuerbaren Dotierstoffvorrat (12; 16, 17; 34) gasförmig zugeführt werden, d) der Dotierstoffvorrat (12; 16, 17) in einem Hohlraum (23, 24), der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls sowie ein einkristallines SiC-Substrat.
Das Halbleitermaterial Siliziumcarbid (= SiC) wird aufgrund seiner herausragenden physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften unter anderem auch als Substratmaterial für Hochfrequenzbauelemente eingesetzt. Dabei kommt es auf eine möglichst geringe Wechselwirkung des eigentlichen Bauelements mit dem Substratmaterial an, um Verluste zu vermeiden. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das einkristalline SiC-Substrat neben einer hohen kristallinen Qualität auch einen möglichst hohen elektrischen Widerstand aufweist. Zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls bzw. eines daraus herstellten SiC-Substrats mit hochohmigem Verhalten ist die Kompensation von flachen Störstellen, die innerhalb des Kristalls aufgrund von Verunreinigungen oder intrinsischen Defekten vorliegen, erforderlich. Ein so hergestellter hochohmiger SiC-Volumeneinkristall wird auch als semiisolierend bezeichnet.
Zur Kompensation der genannten flachen Störstellen, die insbesondere durch Stickstoff-Verunreinigungen hervorgerufen werden und vorzugsweise donatorisch wirken, werden in der WO 02/097173 A2 und in der WO 2005/012601 A1 Verfahren beschrieben, bei denen zusätzliche intrinsische Defekte während des Kristallwachstums gezielt generiert werden. Damit lassen sich spezifische Widerstandswerte von etwa 10⁵ Ωcm bis maximal etwa 10¹⁰ Ωcm erreichen, wobei aufgrund der diesbezüglich sehr empfindlichen Prozessführung häufig nur Werte von etwa 10⁶ Ωcm erzielt werden. Die Bildung geeigneter intrinsischer Defekte hängt stark von den Prozessparametern während der Kristallzüchtung ab, sodass bereits geringe Prozessschwankungen zu einer inhomogenen Defekt- und damit Widerstandsverteilung führen. Weiterhin können derartige gezielt eingebrachte intrinsische Defekte bei einer thermischen Belastung wieder ausheilen, was zu einer inhomogenen Widerstandsverteilung oder sogar zu einem vollständigen Verlust der hochohmigen Eigenschaften führen kann.
In der WO 98/34281 A1 wird ein anderes Verfahren zur Kompensation der flachen Störstellen beschrieben. Hierbei werden extrinsische tiefe Störstellen gezielt in den SiC-Volumeneinkristall eingebracht. Zur Kompensation der Stickstoff-Hintergrunddotierung (= Stickstoff-Verunreinigungen) kommt als gezielt eingebrachter Dotierstoff Vanadium zum Einsatz. Auf diese Weise lassen sich spezifische Widerstandswerte von 10¹¹ Ωcm erreichen.
Bei dem in der WO 2006/017074 A2 beschriebenen Dotierungsverfahren ist das Vanadium dem pulverförmigen SiC-Quellmaterial zugesetzt, aus dem der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall gespeist wird. Damit ist eine gezielte und insbesondere steuerbare Vanadium-Zuführung nicht möglich. Außerdem verarmt der Vanadium-Anteil in dem SiC-Quellmaterial mit der Zeit, sodass es praktisch nicht möglich ist, homogene elektrische Eigenschaften bei dem aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall einzustellen.
In der WO 2006/113657 A1 wird ein weiteres Dotierungsverfahren beschrieben, bei dem eine mit Vanadium-gefüllte Kapsel innerhalb des Züchtungstiegels platziert wird, wodurch eine Verarmung des Dotierstoffvorrats vermieden werden soll. Aber auch mit diesem Verfahren lassen sich vor allem bei einem SiC-Volumeneinkristall mit einem großen Durchmesser von mindestens 7,62 cm (= 3 Zoll) keine homogenen elektrischen Eigenschaften einstellen.
Mittels des in der DE 43 25 804 A1 beschriebenen Verfahrens der Codotierung lassen sich besonders hohe Werte für den spezifischen Widerstand des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls und der daraus hergestellten SiC-Substrate erreichen. Bei diesem Codotierungsverfahren wird die Stickstoff-Hintergrunddotierung durch gezielte Zugabe eines ersten Dotierstoffs mit einem flachen Dotierstoffniveau kompensiert. Hier wird unter einem Dotierstoffniveau die Lage des Energieniveaus eines Dotierstoffes innerhalb der Bandlücke des betreffenden Halbleitermaterials verstanden. Der erste Dotierstoff ist insbesondere Alumium, das als Akzeptor wirkt. Ein verbleibender Überschuss an von den Akzeptor-Dotierstoffen stammenden p-Ladungsträgern wird durch die zugleich eingebrachten zweiten Dotierstoffe kompensiert. Bei den zweiten Dotierstoffen handelt es sich um Vanadium mit einem tiefliegenden, donatorisch wirkenden Dotierstoffniveau. Aufgrund der Zugabe zweier verschiedener Dotierstoffe ist bei diesem Verfahren die Einstellung homogener elektrischer Eigenschaften und insbesondere einer homogenen Widerstandsverteilung besonders schwierig zu realisieren.
In der DE 43 25 804 A1 wird ein Verfahren zur Codotierung eines SiC-Volumeneinkristalls und damit zur Herstellung eines hochohmigen SiC-Volumeneinkristalls beschrieben. Es wird eine Dotierung mit einem ersten Dotierstoff in Form von Aluminium und mit einem zweiten Dotierstoff in Form von Vanadium angegeben. Gemäß einer Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird metallisches Vanadium und Aluminium separat verdampft.
Aus dem Fachartikel „Aluminium p-type doping of silicon carbide crystals using a modified physical vapor transport growth method” aus Journal of Crystal Growth 240, 2002, Seiten 117 bis 123, ist ein Züchtungsverfahren für p-dotiertes SiC bekannt. Bei einer in diesem Fachartikel beschriebenen Ausgestaltung des Züchtungsverfahrens wird ein Aluminium-Vorrat innerhalb eines Hohlraums in einer thermischen Isolationsschicht angeordnet. Der Aluminium-Vorrat befindet sich auf niedrigerer Temperatur, als sie beispielsweise innerhalb des eigentlichen Züchtungstiegels herrscht.
In der US 2007/0262322 A1 wird ein Verfahren zur Züchtung eines SiC-Volumeneinkristalls beschrieben, der einen großen Durchmesser von mehr als 100 mm und vorzugsweise kleiner als 300 mm aufweist und mit einem Dotierstoff in Form von Vanadium dotiert ist. Es resultiert hochohmiges Verhalten. Das Dotierstoffelement Vanadium wird in einer ersten Ausgestaltung des Züchtungsverfahrens dem SiC-Quellmaterial zugemischt und in einer zweiten Ausgestaltung des Züchtungsverfahrens in einem separaten, unterhalb des SiC-Quellmaterials, aber noch innerhalb des Züchtungstiegels angeordneten Raum plaziert.
In dem Fachartikel „Incorporation of boron and vanadium during PVT growth of 6H-SiC crystals” aus Journal of Crystal Growth 233, 2001, Seiten 211 bis 218, werden Züchtungsverfahren zur Herstellung von Bor-dotiertem SiC und Vanadium-dotiertem SiC sowie die entsprechend dotierten SiC-Volumeneinkristalle beschrieben. Die Dotierstoffe werden jeweils dem SiC-Quellmaterial zugemischt. Der Vanadium-dotierte SiC-Volumeneinkristall hat hochohmiges Verhalten, allerdings mit relativ starker Schwankungsbreite des spezifischen elektrischen Widerstands in axialer und radialer Richtung.
In dem Fachartikel „Semi-insulating 6H-SiC grown by physical vapor transport” aus Applied Physics Letters 66 (11), 13.03.1995, Seiten 1364 bis 1366, wird ein weiters Züchtungsverfahren für einen hochohmigen SiC-Volumeneinkristall durch Dotierung mittels Vanadium beschrieben. Die gezüchteten Einkristalle haben aber einen relativ kleinen Durchmesser von weniger als 50 mm und auch nur einen vergleichsweise niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand von bis zu 10³ Ωcm.
In dem Fachartikel „PVT Growth of p-Type and Semi-Insulating 2 Inch 6H-SiC Crystals” aus Materials Science Forum 433 bis 436, 2003, Seiten 55 bis 58, wird ein weiteres Züchtungsverfahren für Vanadium-dotiertes SiC beschrieben, wobei der Durchmesser des gezüchteten SiC-Volumeneinkristalls etwa 50 mm beträgt. Außerdem schwankt auch der Widerstandswert der in diesem Fachartikel beschriebenen SiC-Volumeneinkristalle sowohl in axialer als auch in radialer Richtung.
In dem weiteren Fachartikel „On the preparation of vanadium doped PVT grown SiC boules with high semi-insulating yield” aus Journal of Crystal Growth 254, 2003, Seiten 390 bis 399, werden ebenfalls ein Züchtungsverfahren und die damit hergestellten SiC-Volumeneinkristalle beschrieben. Bei diesem Züchtungsverfahren wird ein Behälter mit einem Dotierstoffvorrat innerhalb des SiC-Materials angeordnet. Beschrieben werden mono- und codotierte SiC-Volumeneinkristalle, wobei bei der Monodotierung Vanadium als Dotierstoff und bei der Codotierung Bor und Vanadium als Dotierstoffe vorgesehen ist bzw. sind. Auch die so hergestellten SiC-Volumeneinkristalle haben einen relativ kleinen Durchmesser von etwa höchstens 40 mm. Außerdem schwankt der Widerstandswert auch dieser SiC-Volumeneinkristalle sowohl in axialer als auch in radialer Richtung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls sowie ein verbessertes einkristallines SiC-Substrat anzugeben.
Zur Lösung der das Verfahren betreffenden Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein solches zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 10¹² Ωcm und mit einem Durchmesser von mindestens 7,62 cm, wobei in einem Kristallwachstumsbereich eines Züchtungstiegels eine SiC-Wachstumsgasphase erzeugt wird und der SiC-Volumeneinkristall mittels Abscheidung aus der SiC-Wachstumsgasphase aufwächst, die SiC-Wachstumsgasphase aus einem SiC-Quellmaterial, das sich in einem SiC-Vorratsbereich innerhalb des Züchtungstiegels befindet, gespeist wird, dem Kristallwachstumsbereich erste Dotierstoffe, die ein flaches Dotierstoffniveau in einem Abstand von höchstens 350 meV zu einer SiC-Bandkante haben, und zweite Dotierstoffe, die ein tiefliegendes Dotierstoffniveau in einem Abstand von mindestens 500 meV zu der SiC-Bandkante haben, aus mindestens einem außerhalb des Züchtungstiegels angeordneten und unabhängig von dem SiC-Quellmaterial in der Temperatur steuerbaren Dotierstoffvorrat gasförmig zugeführt werden, der Dotierstoffvorrat in einem Hohlraum angeordnet wird, der innerhalb einer den Züchtungstiegel umgebenden thermischen Isolationsschicht vorgesehen ist, und eine Position des Dotierstoffvorrats relativ zu dem Züchtungstiegel verändert wird.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Platzierung des Dotierstoffvorrats außerhalb des Züchtungstiegels und der ebenfalls erfindungsgemäßen Steuerungsmöglichkeit der Dotierstoffvorrattemperatur lässt sich die Dotierstoffzugabe besonders exakt und vor allem auch zeitlich variabel einstellen. So kann die Dotierstoffzuführung an die aktuellen Prozessbedingungen angepasst und vor allem bei Bedarf verändert werden. Diese Flexibilität in der Dotierstoffzuführung ist bei den bisher bekannten Verfahren mit einer direkten Zugabe der Dotierstoffe in das pulverförmige SiC-Quellmaterial oder mit der Platzierung einer Dotierstoff-gefüllten Kapsel im Inneren des Züchtungstiegels nicht möglich. Bei dem ersten Dotierstoff kann es sich insbesondere um einen Akzeptor, bei dem zweiten Dotierstoff insbesondere um einen Donator handeln.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein SiC-Volumeneinkristall herstellen, der sowohl einen sehr hohen spezifischen Widerstand, nämlich von mindestens 10¹² Ωcm, als auch einen sehr großen Durchmesser, nämlich von mindestens 7,62 cm (mindestens 3 Zoll), aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet also die Herstellung eines sehr großen Volumeneinkristalls mit außergewöhnlich hochohmigem Verhalten, das außerdem vorzugsweise weitestgehend homogen innerhalb des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls gegeben ist.
Aufgrund der Anordnung des Züchtungstiegels in den Hohlraum der thermischen Isolationsschicht resultiert ein kompakter Aufbau der Züchtungsanordnung.
Durch die Veränderung der Position des Dotierstoffvorrats lässt sich die Temperatur des Dotierstoffvorrats einstellen. Der Dotierstoffvorrat befindet sich dann mehr oder weniger weit innerhalb des Einflussbereichs der zur Beheizung des Züchtungstiegels vorhandenen Heizeinrichtung.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird der Dotierstoffvorrat gesondert von einer Beheizung des Züchtungstiegels beheizt. Damit lässt sich die Temperatur des Dotierstoffvorrats besonders einfach gezielt einstellen und vor allem auch ändern.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird der Dotierstoffvorrat von einem Inertgas durchströmt. Dadurch ergibt sich ein verbesserter Transport der gasförmigen Dotierstoffe in den Züchtungstiegel. Außerdem bietet sich so durch eine Veränderung des Inertgasflusses eine zusätzliche Möglichkeit zur Regelung/Steuerung der eingetragenen Dotierstoffmenge. Weiterhin verhindert der Inertgasstrom vor allem bei besonders langen Züchtungszeiten ein Zuwachsen der Zuleitung zum Züchtungstiegel mit SiC, das aus dem heißen Innenraum der Züchtungstiegels in das kältere Rohr der Zuleitung gelangen kann.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung werden die ersten Dotierstoffe und die zweiten Dotierstoffe aus einem gemeinsamen Dotierstoffvorrat oder jeweils aus einem gesonderten Dotierstoffvorrat zugeführt.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung werden die ersten und die zweiten Dotierstoffe in den SiC-Vorratsbereich oder direkt in den Kristallwachstumsbereich eingeleitet. Bei einer Einleitung in den SiC-Vorratsbereich gelangen die Dotierstoff von dort aus in den Kristallwachstumsbereich.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung werden die ersten und die zweiten Dotierstoffe innerhalb des Züchtungstiegels insbesondere mittels eines Gasverteilers verteilt, indem sie bezogen auf eine senkrecht zu einer Wachstumsrichtung orientierten Querschnittsebene des Züchtungstiegels insbesondere an mehreren, insbesondere mindestens zwei, nebeneinander liegenden Stellen in den Züchtungstiegel eingeleitet werden. Aufgrund der verteilten Zuleitung der Dotierstoffe in den Züchtungstiegel lassen sich in der SiC-Wachstumsgasphase bezüglich der darin enthaltenen Dotierstoffe besonders homogene Verhältnisse einstellen. So weist der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall ein weitestgehend homogenes elektrisches Verhalten auf, d. h. er hat vorzugsweise einen praktisch überall gleich großen, insbesondere hochohmigen spezifischen Widerstand.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung werden die ersten und die zweiten Dotierstoffe dem Kristallwachstumsbereich so zugeführt, dass ihre jeweilige Konzentration innerhalb einer senkrecht zu einer Wachstumsrichtung orientierten Querschnittsebene des Züchtungstiegels höchstens 5% um einen Konzentrationsmittelwert schwankt. Eine lokale Konzentration wird dabei insbesondere jeweils bezogen auf eine beliebige 4 mm² große Teilfläche der kompletten inneren Querschnittsfläche des Züchtungstiegels ermittelt. Die Dotierstoffe sind also insbesondere innerhalb dieser Querschnittsfläche weitgehend gleichmäßig verteilt.
Zur Lösung der das SiC-Substrat betreffenden Aufgabe wird ein SiC-Substrat entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 8 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen einkristallinen SiC-Substrat handelt es sich um ein solches mit einer Substrathauptoberfläche, wobei die Substrathauptoberfläche einen Durchmesser von mindestens 7,62 cm hat, eine Codotierung mit einem ersten Dotierstoff und einem zweiten Dotierstoff vorgesehen ist, wobei der erste Dotierstoff ein flaches Dotierstoffniveau hat, das in einem Abstand von höchstens 350 meV zu einer SiC-Bandkante liegt, und der zweite Dotierstoff ein tiefliegendes Dotierstoffniveau hat, das in einem Abstand von mindestens 500 meV zu der SiC-Bandkante liegt, ein für jede beliebige 4 mm² große Teilfläche der Substrathauptoberfläche ermittelter spezifischer Widerstand bei mindestens 10¹² Ωcm liegt.
Das erfindungsgemäße SiC-Substrat hat also zum einen einen außergewöhnlich großen Durchmesser und zeichnet sich zum anderen durch einen äußerst hohen spezifischen Widerstand aus, der zudem überall an der Substrathauptoberfläche, also an jeder beliebigen 4 mm² großen, insbesondere quadratischen, Teilfläche, gegeben ist. Bisherige SiC-Substrate weisen keine vergleichbaren günstigen Eigenschaften auf. Das erfindungsgemäße einkristalline SiC-Substrat lässt sich in besonders vorteilhafter Weise als hochohmiges bzw. semiisolierendes Substrat zur Herstellung von Hochfrequenzbauelementen einsetzen. Aufgrund des großen Substrat-Durchmessers und des hohen spezifischen Widerstands, der insbesondere sehr homogen überall an der Substratoberfläche vorliegt, ist die Herstellung derartiger Hochfrequenzbauelemente besonders effizient und kostengünstig. Derartig vorteilhafte SiC-Substrate gab es bislang nicht. Sie lassen sich erst aus den mittels des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens gezüchteten SiC-Volumeneinkristallen herstellen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist der erste Dotierstoff ein Akzeptor und überkompensiert donatorisch wirkende Verunreinigungen.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung ist der erste Dotierstoff Aluminium oder Bor ist.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung ist der erste Dotierstoff Aluminium und hat eine Konzentration zwischen 1·10¹⁶ cm^–3 und 5·10¹⁷ cm^–3.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung der zweite Dotierstoff ein Donator ist und eine Überkompensation des ersten Dotierstoffs gegenüber Verunreinigungen zumindest egalisiert.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung ist der zweite Dotierstoff Vanadium oder Scandium.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung ist der zweite Dotierstoff Vanadium und hat eine Konzentration zwischen 1·10¹⁶ cm^–3 und 5·10¹⁷ cm^–3 hat.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung hat der zweite Dotierstoff eine höhere Konzentration als der erste Dotierstoff.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung weicht eine für ein beliebiges Teilvolumen ermittelte lokale Konzentration des ersten und/oder zweiten Dotierstoffs um weniger als 5% von einer globalen Konzentration des ersten und/oder zweiten Dotierstoffs ab, wobei das Teilvolumen durch eine beliebige 4 mm² große Teilfläche der Substrathauptoberfläche und senkrecht dazu durch eine Substratdicke definiert ist. Die globale Konzentration ist insgesamt, d. h. für das gesamte SiC-Substrat ermittelt. Sie stellt damit einen Konzentrationsmittelwert dar. Die genannte hohe Homogenität liegt insbesondere sowohl in lateraler (= radialer), d. h. senkrecht zur Wachstumsrichtung des SiC-Volumeneinkristalls, aus dem das SiC-Substrat gefertigt ist, als auch in axialer, d. h. in Wachstumsrichtung des SiC-Volumeneinkristalls, Richtung vor. Der äußerst homogene Einbau der Dotierstoffe führt zu einem sehr homogenen elektrischen Verhalten des SiC-Substrats. Der spezifische Widerstand unterliegt über die Substrathauptoberfläche gesehen, wenn überhaupt, nur sehr geringen Schwankungen. Das SiC-Substrat kann folglich mit hoher Ausbeute als hochohmiges bzw. semiisolierendes Substrat zur Herstellung von Hochfrequenzbauelementen eingesetzt werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines hochohmigen SiC-Volumeneinkristalls mit einem externen Dotierstoffvorrat,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines hochohmigen SiC-Volumeneinkristalls mit zwei externen und gesondert beheizbaren Dotierstoffvorräten,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines hochohmigen SiC-Volumeneinkristalls mit zwei externen, in der Position veränderbaren Dotierstoffvorräten,
4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines hochohmigen SiC-Volumeneinkristalls mit zwei externen Dotierstoffvorräten und Zuleitung der Dotierstoffe in das SiC-Quellmaterial,
5 und 6 ein fünftes und ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines hochohmigen SiC-Volumeneinkristalls mit zwei von einem Inertgas durchströmten Dotierstoffvorräten,
7 und 8 ein siebtes und ein achtes Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines hochohmigen SiC-Volumeneinkristalls mit einer Einleitung der Dotierstoffe in den Züchtungstiegel mittels eines Gasverteilers, und
9 ein nicht-erfindungsgemäßes Vergleichsbeispiel einer Züchtungsanordnung zur Herstellung eines hochohmigen SiC-Volumeneinkristalls mit einem außerhalb der thermischen Isolation des Züchtungstiegels angeordneten Dotierstoffvorrat.
Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 9 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 1 zur Herstellung eines hochohmigen SiC-Volumeneinkristalls 2 dargestellt. Sie enthält einen Züchtungstiegel 3 aus Graphit, der einen SiC-Vorratsbereich 4 sowie einen Kristallwachstumsbereich 5 umfasst. In dem SiC-Vorratsbereich 4 befindet sich beispielsweise pulverförmiges SiC-Quellmaterial 6, das als vorgefertigtes Ausgangsmaterial vor Beginn des Züchtungsprozesses in den SiC-Vorratsbereich 4 des Züchtungstiegels 3 eingefüllt wird.
An einer dem SiC-Vorratsbereich 4 gegenüberliegenden Innenwand des Züchtungstiegels 3 ist im Kristallwachstumsbereich 5 ein nicht näher dargestellter Keimkristall angebracht. Auf diesem Keimkristall wächst der zu züchtende SiC-Volumeneinkristall 2 mittels Abscheidung aus einer im Kristallwachstumsbereich 5 sich ausbildenden SiC-Wachstumsgasphase 7 auf.
Die SiC-Wachstumsgasphase 7 entsteht durch Sublimation des SiC-Quellmaterials 6 und Transport der sublimierten, gasförmigen Teile des SiC-Quellmaterials 6 in Richtung einer Wachstumsfläche des SiC-Volumeneinkristalls 2. Die SiC-Wachstumsgasphase 7 enthält zumindest Gasbestandteile in Form von Si, Si₂C und SiC₂. Der Transport vom SiC-Quellmaterial 6 zur Wachstumsfläche erfolgt längs eines Temperaturgradienten. Die Temperatur innerhalb des Züchtungstiegels 3 nimmt zu dem aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall 2 hin ab. Der SiC-Volumeneinkristall 2 wachst in einer Wachstumsrichtung 8, die im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel von oben nach unten, also von der oberen Wand des Züchtungstiegels 3 zu dem unten angeordneten SiC-Vorratsbereich 4, orientiert ist.
Um den Züchtungstiegel 3 ist eine thermische Isolationsschicht 9, beispielsweise aus porösem Graphit, angeordnet. Der thermisch isolierte Züchtungstiegel 3 ist innerhalb eines rohrförmigen Behälters 10 platziert, der beim Ausführungsbeispiel als Quarzglasrohr ausgeführt ist und einen Autoklaven bildet. Zur Beheizung des Züchtungstiegels 3 ist um den Behälter 10 ist eine Heizspule 11 angeordnet. Die relative Position zwischen der Heizspule 11 und dem Züchtungstiegel 3 kann in Wachstumsrichtung 8 verändert werden, insbesondere um die Temperatur bzw. den Temperaturverlauf innerhalb des Züchtungstiegels 3 einzustellen und bei Bedarf auch zu verändern. Der Züchtungstiegel 3 wird mittels der Heizspule 11 auf Temperaturen von mehr als 2000°C erhitzt.
Außerhalb des Züchtungstiegels 3, nämlich unterhalb desselben, ist innerhalb der thermischen Isolationsschicht 9 ein Dotierstoffvorrat 12 angeordnet, in dem sich ein beispielsweise pulverförmiges Dotierstoffmaterial 13 befindet. Der Dotierstoffvorrat 12 ist mittels eines Einleitungsrohres 14 mit dem Inneren des Züchtungstiegels 3 verbunden. Das Einleitungsrohr endet mit seinem von dem Dotierstoffvorrat 12 abgewandten Ende oberhalb des SiC-Vorratsbereichs 4, also innerhalb des Kristallwachstumsbereichs 5. Dies ist aber nicht zwingend notwendig. Bei einer anderen Ausführungsform, die beispielsweise in 4 bis 6 dargestellt ist, kann das Einleitungsrohr 14 auch innerhalb des SiC-Vorratsbereichs 4 enden. Der Dotierstoffvorrat 12 ist als gesonderter Tiegel ausgebildet, der innerhalb eines Hohlraums in der thermischen Isolationsschicht 9 angeordnet ist.
Das Dotierstoffmaterial 13 enthält beim Ausführungsbeispiel entweder einen einzigen Dotierstoff, nämlich Vanadium, oder ein Dotierstoffgemisch aus einem ersten und einem zweiten Dotierstoff, wobei der erste Dotierstoff Aluminium und der zweite Dotierstoff Vanadium ist. Diese Dotierstoffe verdampfen oder sublimieren innerhalb des Dotierstoffvorrats 12 und gelangen in gasförmigem Zustand in das Innere des Züchtungstiegels 3, sodass sie in den aufwachsenden SiC-Volumeinkristall 2 eingebaut werden. Wenn Vanadium als einziger Dotierstoff vorgesehen ist, erfolgt ein Einbau der Dotierstoffatome als Akzeptoren, die ein tiefliegendes Dotierstoffniveau in einem Abstand von etwa 700 meV zu der SiC-Bandkante haben. Wenn eine Codotierung mit Aluminium und Vanadium als erstem bzw. zweitem Dotierstoff vorgesehen ist, erfolgt der Einbau der Aluminium-Atome als flache Akzeptoren mit einem Dotierstoffniveau in einem Abstand von etwa 250 meV zu der SiC-Bandkante und ein Einbau der Vanadium-Atome als tiefliegende Donatoren mit einem Dotierstoffniveau in einem Abstand von etwa 1400 meV zu der SiC-Bandkante.
In beiden Fällen resultiert ein hochohmiger SiC-Volumeneinkristall mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 10¹¹ Ωcm bei der Mono-doatierung bzw. von mindestens 10¹² Ωcm bei der Codotierung. Aufgrund der externen Anordnung des Dotierstoffvorrats 12 lässt sich der Einbau der Dotierstoffe gezielt und vor allem veränderbar einstellen, sodass innerhalb des aufwachsenden SiC-Volumeneinkristalls 2 ein weitgehend homogenes hochohmiges elektrisches Verhalten erreicht wird.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 15 dargestellt. Sie enthält im Unterschied zu der Züchtungsanordnung 1 gemäß 1 zwei externe, d. h. außerhalb des Züchtungstiegels 3 angeordnete, Dotierstoffvorräte 16 und 17, wobei in dem Dotierstoffvorrat 16 Aluminium als erstes Dotierstoffmaterial 18 und in dem Dotierstoffvorrat 17 Vanadium als zweites Dotierstoffmaterial 19 eingebracht ist. Den beiden Dotierstoffvorräten 16 und 17 ist jeweils eine eigene, gesondert ansteuerbare Heizeinrichtung 20 bzw. 21 zugeordnet. Damit lassen sich die Dotierstoffvorräte 16 und 17 individuell und insbesondere auch unabhängig von der Beheizung des Züchtungstiegels 3 durch die Heizspule 11 in ihrer Temperatur regeln bzw. steuern. Vor allem kann auch eine Veränderung der Beheizung der Dotierstoffvorräte 16 und 17 während des Verlaufs des Züchtungsprozesses vorgenommen werden.
Bei dem in 3 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel einer Züchtungsanordnung 22 wird eine veränderbare Einstellung der Temperatur innerhalb der Dotierstoffvorräte 16 und 17 dadurch erreicht, dass die jeweilige relative Position des Dotierstoffvorrats 16 bzw. 17 in Bezug auf den Züchtungstiegel 3 und auf die Heizspule 11 verändert werden kann. Hierzu sind nicht näher dargestellte Positioniermittel vorgesehen, die eine Verschiebung der Dotierstoffvorräte 16 und 17 in Wachstumsrichtung 8 ermöglichen. Die zur Aufnahme der Dotierstoffvorräte 16 und 17 innerhalb der thermischen Isolationsschicht 9 vorgesehenen Hohlräume 23 und 24 sind demnach in axialer Richtung, das heißt in Wachstumsrichtung 8, größer als die axiale Abmessung des jeweiligen Dotierstoffvorrats 16 bzw. 17.
Aufgrund der veränderbaren Beheizung der Dotierstoffvorräte 16 und 17 und der damit einhergehenden veränderbar einzustellenden Temperatur der Dotierstoffmaterialien 18 und 19 kann die Zuführung der Dotierstoffe Aluminium und Vanadium sehr exakt eingestellt und an veränderte Prozessbedingungen angepasst werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der aufwachsende SiC-Volumeneinkristall 2 in axialer Richtung weitestgehend homogene elektrische Eigenschaften aufweist. In der Wachstumsrichtung 8 liegt somit an jeder Stelle im Wesentlichen der gleiche hochohmige spezifische Widerstandswert vor, der bei der Codotierung mit Aluminium und Vanadium einen Wert von mindestens 10¹² Ωcm annimmt. Alle einkristallinen SiC-Substrate, die aus diesem SiC-Volumeneinkristall 2 gewonnen werden, indem sie axial sukzessive als Scheiben senkrecht zur Wachstumsrichtung 8 abgeschnitten bzw. abgesägt werden, haben dann jeweils praktisch die gleichen elektrischen Eigenschaften.
Bei den weiteren Ausführungsbeispielen alternativer Züchtungsanordnungen 25, 26 und 27 gemäß 4 bis 6 reichen die jeweiligen Einleitungsrohre 14, mittels derer die gasförmigen Dotierstoffe aus den Dotierstoffvorräten 16 und 17 in das Innere des Züchtungstiegels 3 eingeleitet werden, nicht bis in den Kristallwachstumsbereich 5, sondern enden bereits im SiC-Vorratsbereich 4. Die dadurch resultierende Durchleitung der gasförmigen Dotierstoffe durch das SiC-Quellmaterial 6 bewirkt eine vorteilhafte, weitgehend gleichmäßige Verteilung der gasförmigen Dotierstoffe innerhalb einer senkrecht zur Wachstumsrichtung 8 orientierten inneren Querschnittsfläche des Züchtungstiegels 3.
Vorzugsweise erfolgt der Einbau der Dotierstoffe auch bei der Züchtung eines sehr großen SiC-Volumeneinkristalls 2, der einen Durchmesser von mindestens 7,62 cm (= mindestens 3 Zoll) hat, in lateraler (= radialer) Richtung, d. h. in einer beliebigen Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung 8, weitestgehend gleichmäßig. Das elektrische Verhalten des SiC-Volumeneinkristalls 2 unterliegt somit in lateraler Richtung praktisch keinen Schwankungen. Insbesondere hat der spezifische Widerstand überall in lateraler Richtung praktisch den gleichen hohen Widerstandswert von mindestens 10¹² Ωcm bei einem Codotierungsverfahren mit zwei Dotierstoffen bzw. von mindestens 10¹¹ Ωcm bei einem Mondodotierungsverfahren mit nur einem Dotierstoff. Insbesondere liegt der spezifische Widerstand für eine beliebige 4 mm² große quadratische Teilfläche eines aus dem SiC-Volumeneinkristall 2 hergestellten scheibenförmigen SiC-Substrats bei mindestens 10¹² Ωcm bzw. mindestens 10¹¹ Ωcm je nach verwendetem Dotierungsverfahren. Eine Substrathauptoberfläche eines solchen SiC-Substrats ist dabei senkrecht zur Wachstumsrichtung 8 orientiert. In Wachstumsrichtung 8 hat ein solches SiC-Substrat beispielsweise eine Substratdicke von etwa 200 μm bis 500 μm, insbesondere von 350 μm.
Bei den Züchtungsanordnungen 26 und 27 werden die wiederum mittels der Heizeinrichtungen 20 und 21 gezielt beheizbaren Dotierstoffvorräte 16 und 17 zusätzlich von einem Inertgas durchströmt, das von außerhalb der Isolationsschicht 9 in die Dotierstoffvorräte 16 und 17 eingeleitet wird. Von dort gelangt das Inertgas zusammen mit den gasförmigen Dotierstoffen in das Innere des Züchtungstiegels 3, wodurch ein verbesserter Transport der gasförmigen Dotierstoffe in den Züchtungstiegel 3 und eine zusätzliche Möglichkeit zur Regelung der eingetragenen Dotierstoffmenge resultiert. Außerdem verhindert der Inertgasstrom weitgehend, dass das Einleitungsrohr 14 mit SiC zuwächst. Zur Inertgas-Zuführung sind die Dotierstoffvorräte 16 und 17 mit einem nach außen führenden Zuleitungsrohr 28 versehen.
Die Dotierstoffvorräte 16 und 17 können wie in 2 bis 5 dargestellt, unabhängig voneinander und insbesondere nebeneinander angeordnet sein. Gemäß der in 6 gezeigten Züchtungsanordnung 27 können die Dotierstoffvorräte 16 und 17 aber auch hintereinander, also in Serie zueinander, angeordnet sein.
In 7 und 8 sind weitere Ausführungsbeispiele anderer Züchtungsanordnungen 29 und 30 gezeigt. Der Einfachheit halber sind die Dotierstoffvorräte 12 bzw. 16 und 17 dabei nicht mit dargestellt. Sie sind in ähnlicher Weise wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 6 vorhanden. Das Einleitungsrohr 14, das an diese nicht explizit dargestellten Dotierstoffvorräte 12 bzw. 16 und 17 angeschlossen ist, mündet innerhalb des Züchtungstiegels in einen Gasverteiler 31, der mehrere Auslassrohre 32 aufweist. Die Auslassrohre 32 können wiederum entweder noch innerhalb des SiC-Vorratsbereichs 4 (siehe 7) oder erst innerhalb des Kristallwachstumsbereichs 5 (siehe 8) enden. In jedem Fall sind die Auslassrohre 32 innerhalb einer senkrecht zur Wachstumsrichtung 8 orientierten inneren Querschnittsfläche verteilt angeordnet, sodass die zugeführten gasförmigen Dotierstoffe gleichmäßig innerhalb dieser Querschnittsfläche verteilt werden.
Dadurch erreicht man in lateraler Richtung eine besonders homogene Verteilung der Dotierstoffe sowohl innerhalb der SiC-Wachstumsgasphase 7 als auch in dem daraus aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall 2 erreicht. So weicht bei einem aus dem aufwachsenden SiC-Volumeneinkristall 2 hergestellten SiC-Substrat die lokale Konzentration des eingebauten Dotierstoffs für ein beliebiges Teilvolumen, das in Wachstumsrichtung 8 die komplette Substratdicke umfasst und senkrecht dazu 4 mm² groß ist, um weniger als 5% von einer für das gesamte SiC-Substrat ermittelten globalen Konzentration dieses Dotierstoffs ab. In lateraler Richtung schwankt die Konzentration der Dotierstoffe also höchstens um 5% um den betreffenden Konzentrationsmittelwert – und dies bei einem Durchmesser des SiC-Substrats bzw. des SiC-Volumeneinkristalls 2 von mindestens 7,62 cm (= mindestens 3 Zoll).
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Maßnahmen lässt sich der SiC-Volumeneinkristall 2 also mit sehr guter Homogenität der jeweils eingebauten Dotierstoffe sowohl in lateraler als auch in axialer Richtung herstellen, selbst wenn der Durchmesser des gezüchteten SiC-Volumeneinkristalls 2 außergewöhnlich groß ist.
In 9 ist ein nicht-erfindungsgemäßes Vergleichsbeispiel einer Züchtungsanordnung 33 dargestellt, bei der ein Dotierstoffvorrat 34 nicht nur außerhalb des Züchtungstiegels 3, sondern auch außerhalb der zugehörigen thermischen Isolationsschicht 9 angeordnet ist. Auch bei dieser Ausgestaltung lässt sich die Temperatur des in dem Dotierstoffvorrat 34 angeordneten Dotierstoffmaterials 13 gesondert einstellen. Die Zuführung der gasförmigen Dotierstoffe erfolgt wiederum mittels eines Einleitungsrohres 35 in das Innere des Züchtungstiegels 3, beim gezeigten Ausführungsbeispiel direkt in den Kristallwachstumsbereich 5.
Die vorstehend beschriebenen Züchtungsanordnungen 1, 15, 22, 25 bis 27, 29, 30 und 33 sowie die zugehörigen Züchtungsverfahren zur Herstellung des hochohmigen SiC-Volumeneinkristalls 2 lassen sich sowohl für eine Codotierung mit mindestens zwei Dotierstoffen als auch für eine Monodotierung mit nur einem einzigen Dotierstoff einsetzen. Die Vorteile des besonders homogenen Einbaus der Dotierstoffe und des daraus resultierenden ebenfalls besonders homogenen hochohmigen spezifischen Widerstands ergeben sich bei beiden Dotierungsverfahren gleichermaßen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines SiC-Volumeneinkristalls (2) mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 10¹² Ωcm und mit einem Durchmesser von mindestens 7,62 cm, wobei a) in einem Kristallwachstumsbereich (5) eines Züchtungstiegels (3) eine SiC-Wachstumsgasphase (7) erzeugt wird und der SiC-Volumeneinkristall mittels Abscheidung aus der SiC-Wachstumsgasphase (7) aufwächst, b) die SiC-Wachstumsgasphase (7) aus einem SiC-Quellmaterial (6), das sich in einem SiC-Vorratsbereich (4) innerhalb des Züchtungstiegels (3) befindet, gespeist wird, c) dem Kristallwachstumsbereich (5) erste Dotierstoffe (18), die ein flaches Dotierstoffniveau in einem Abstand von höchstens 350 meV zu einer SiC-Bandkante haben, und zweite Dotierstoffe (19), die ein tiefliegendes Dotierstoffniveau in einem Abstand von mindestens 500 meV zu der SiC-Bandkante haben, aus mindestens einem außerhalb des Züchtungstiegels (3) angeordneten und unabhängig von dem SiC-Quellmaterial (6) in der Temperatur steuerbaren Dotierstoffvorrat (12; 16, 17; 34) gasförmig zugeführt werden, d) der Dotierstoffvorrat (12; 16, 17) in einem Hohlraum (23, 24), der innerhalb einer den Züchtungstiegel (3) umgebenden thermischen Isolationsschicht (9) vorgesehen ist, angeordnet wird, und e) eine Position des Dotierstoffvorrats (16, 17) relativ zu dem Züchtungstiegel (3) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoffvorrat (16, 17; 34) gesondert von einer Beheizung des Züchtungstiegels (3) beheizt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoffvorrat (16, 17) von einem Inertgas durchströmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Dotierstoffe (18) und die zweiten Dotierstoffe (19) aus einem gemeinsamen Dotierstoffvorrat (12; 34) oder jeweils aus einem gesonderten Dotierstoffvorrat (16, 17) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und die zweiten Dotierstoffe (18, 19) in den SiC-Vorratsbereich (4) oder direkt in den Kristallwachstumsbereich (5) eingeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und die zweiten Dotierstoffe (18, 19) innerhalb des Züchtungstiegels (3) verteilt werden, indem sie bezogen auf eine senkrecht zu einer Wachstumsrichtung (8) orientierten Querschnittsebene des Züchtungstiegels (3), insbesondere an mehreren nebeneinander liegenden Stellen (32), in den Züchtungstiegel (3) eingeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und die zweiten Dotierstoffe (18, 19) dem Kristallwachstumsbereich (5) so zugeführt werden, dass ihre jeweilige Konzentration innerhalb einer senkrecht zu einer Wachstumsrichtung (8) orientierten Querschnittsebene des Züchtungstiegels (3) höchstens 5% um einen Konzentrationsmittelwert schwankt.
Einkristallines SiC-Substrat mit einer Substrathauptoberfläche, wobei a) die Substrathauptoberfläche einen Durchmesser von mindestens 7,62 cm hat, b) eine Codotierung mit einem ersten Dotierstoff (18) und einem zweiten Dotierstoff (19) vorgesehen ist, wobei der erste Dotierstoff (18) ein flaches Dotierstoffniveau hat, das in einem Abstand von höchstens 350 meV zu einer SiC-Bandkante liegt, und der zweite Dotierstoff (19) ein tiefliegendes Dotierstoffniveau hat, das in einem Abstand von mindestens 500 meV zu der SiC-Bandkante liegt, c) ein für jede beliebige 4 mm² große Teilfläche der Substrathauptoberfläche ermittelter spezifischer Widerstand bei mindestens 10¹² Ωcm liegt.
SiC-Substrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierstoff (18) ein Akzeptor ist und donatorisch wirkende Verunreinigungen überkompensiert.
SiC-Substrat nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierstoff (18) Aluminium oder Bor ist.
SiC-Substrat nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierstoff (18) Aluminium ist und eine Konzentration zwischen 1·10¹⁶ cm^–3 und 5·10¹⁷ cm^–3 hat.
SiC-Substrat nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dotierstoff (19) ein Donator ist und eine Überkompensation des ersten Dotierstoffs (18) gegenüber Verunreinigungen zumindest egalisiert.
SiC-Substrat nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dotierstoff (19) Vanadium oder Scandium ist.
SiC-Substrat nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dotierstoff (19) Vanadium ist und eine Konzentration zwischen 1·10¹⁶ cm^–3 und 5·10¹⁷ cm^–3 hat.
SiC-Substrat nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dotierstoff (19) eine höhere Konzentration hat als der erste Dotierstoff (18).
SiC-Substrat nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine für ein beliebiges Teilvolumen ermittelte lokale Konzentration des ersten Dotierstoffs (18) um weniger als 5% von einer globalen Konzentration des ersten Dotierstoffs (18) abweicht, wobei das Teilvolumen durch eine beliebige 4 mm² große Teilfläche der Substrathauptoberfläche und senkrecht dazu durch eine Substratdicke definiert ist.
SiC-Substrat nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine für ein beliebiges Teilvolumen ermittelte lokale Konzentration des zweiten Dotierstoffs (19) um weniger als 5% von einer globalen Konzentration des zweiten Dotierstoffs (19) abweicht, wobei das Teilvolumen durch eine beliebige 4 mm² große Teilfläche der Substrathauptoberfläche und senkrecht dazu durch eine Substratdicke definiert ist.