DE102009028084A1 - Hochohmige Siliziumcarbidschicht, Verfahren zur Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht und CVD-Anlage für die Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht - Google Patents

Hochohmige Siliziumcarbidschicht, Verfahren zur Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht und CVD-Anlage für die Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine hochohmige Siliziumcarbidschicht, umfassend Silizium und Carbid, die sich im Wesentlichen im stöchiometrischen Gleichgewicht befinden, ein Verfahren zur Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht sowie eine CVD (Chemical Vapor Deposition)-Anlage für die Herstellung einer hochohmigen Silizium-Carbidschicht. Die erfindungsgemäße hochohmige Siliziumcarbidschicht (2) umfasst Silizium und Carbid, die sich im Wesentlichen im stöchiometrischen Gleichgewicht befinden, und mindestens einen n-Dotierstoff und mindestens einen p-Dotierstoff, wobei der mindestens eine p-Dotierstoff den mindestens einen n-Dotierstoff zur Ausbildung der hochohmigen Siliziumcarbidschicht kompensiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine hochohmige Siliziumcarbidschicht, umfassend Silizium und Carbid, die sich im Wesentlichen im stöchiometrischen Gleichgewicht befinden, ein Verfahren zur Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht sowie eine CVD(Chemical Vapor Deposition)-Anlage für die Herstellung einer hochohmigen Silizium-Carbidschicht.
  • Stand der Technik
  • Siliziumcarbid ist im Aufbau und den Eigenschaften ähnlich zu Diamant, da sich Silizium mit Kohlenstoff in derselben Hauptgruppe und benachbarten Perioden des Periodensystems befinden und einen ähnlichen Atomdurchmesser ausweisen. Die hohe Temperaturstabilität und chemische Beständigkeit von Siliziumcarbid macht dieses Material interessant für neue, innovative Technologien. Insbesondere ist es bekannt, dass Siliziumcarbidschichten eine Antihaft-Wirkung aufweisen können, was die Verwendung von Siliziumcarbid als sog. „Anti-Sticion-Coating”-Schicht (ASC-Schicht) interessant macht.
  • Eine solche, als Antihaftschicht ausgebildete Siliziumcarbidschicht offenbart die Offenlegungsschrift DE 10 2006 050 188 A1 . Die Siliziumcarbidschicht ist Bestandteil eines mikromechanischen Bauelements. Die Siliziumcarbidschicht deckt ein sich auf einem Substrat befindendes Funktionselement ab. Zweck der Siliziumcarbidschicht ist es, zu verhindern, dass bewegliche Elemente innerhalb der mikromechanischen Struktur an festen Strukturen ankleben oder anhaften können. Die Siliziumcarbidschicht lässt sich mittels eines PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)-Prozesses oder alternativ auch mit einem LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)-Prozesses auf das Substrat und das Funktionselement aufbringen.
  • Nachteilig an den bekannten Verfahren, bei denen mittels eines CVD-Prozesses, insbesondere eines LPCVD-Prozesses, Siliziumcarbidschichten hergestellt werden, ist, dass es nur unter großem Aufwand möglich ist, die Siliziumcarbid-Schicht als hochohmige Siliziumcarbidschicht herzustellen. Dies liegt vor allem an der Leckrate der CVD-Kammer als auch an der Reinheit der für den Prozess verwendeten Prozessgase. Insbesondere beeinträchtigend für die Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht ist der Anteil von Stickstoff im Prozessgas. Stickstoff ist einer der wichtigsten Dotierstoffe für Siliziumcarbid, wird als solcher während des Prozesses in die Schicht eingebaut und führt zu einer Verringerung des Widerstands der Siliziumcarbidschicht. Ein weiterer Eintrag an unerwünschtem Stickstoff wird durch Leckagen der CVD-Anlage, insbesondere im Bereich der Dichtungen, verursacht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der Erfindung ist eine hochohmige Siliziumcarbidschicht, die Silizium und Carbid, die sich im Wesentlichen im stöchiometrischen Gleichgewicht befinden, und mindestens einen n-Dotierstoff und mindestens einen p-Dotierstoff umfasst, wobei der mindestens eine p-Dotierstoff den mindestens einen n-Dotierstoff zur Ausbildung der hochohmigen Siliziumcarbidschicht kompensiert.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zur Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht den mindestens einen n-Dotierstoff, insbesondere Stickstoff, durch Hinzugabe eines p-Dotierstoffes, beispielsweise Bor, zu kompensieren. Je nach Grad der Kompensation bestimmt sich der Widerstand der Siliziumcarbidschicht. Je nachdem, wie die Kompensierung eingestellt wird, neutralisieren sich die Elektronen-Loch-Paare in der Siliziumcarbidschicht und der Halbleiter wird hochohmig. Durch eine solche Kompensation können Siliziumcarbidschichten mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 10000 Ω·cm hergestellt werden.
  • Besonders bevorzugt ist, dass die Siliziumcarbidschicht eine Antihaftwirkung aufweist. Zu diesem Zweck ist die Siliziumcarbidschicht vorzugsweise polykristallin aufgebaut. Ebenfalls ist es möglich, mittels einer zumindest bereichsweise kristallinen oder amorphen Siliziumcarbidschicht eine Antihaftwirkung zu erzielen.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht, dass die Schritte enthält, dass mittels eines CVD-Prozesses Silizium und Kohlenstoff zur Ausbildung einer sich im Wesentlichen im stöchiometrischen Gleichgewicht befindenden Siliziumcarbidschicht abgeschieden werden, und während der Abscheidung des Siliziums und des Kohlenstoffs ein p-Dotierstoff zur Kompensation von mindestens einem n-Dotierstoff abgeschieden wird.
  • Das Verfahren ermöglicht es, kostengünstig hochohmige Siliziumcarbidschichten, insbesondere dünne hochohmige polykristalline Siliziumcarbid-Antihaftschichten zu erzeugen. Als CVD-Prozess bietet sich insbesondere ein LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)-Prozess an.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine CVD-Anlage für die Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht, die mindestens eine Kammer und mindestens eine die Kammer zur Umgebung abdichtenden Dichtung umfasst, wobei die CVD-Anlage eine Spüleinrichtung aufweist zum Spülen der mindestens einen Dichtung mit einem Edelgas, beispielsweise Argon, zwecks Verringerung der Permeation von n-Dotierstoffen aus der Umgebung in den Innenraum der Kammer.
  • Durch eine derartige Spüleinrichtung kann das Problem der Leckage der CVD-Anlage vermindert und auf diese Weise der Einbau von n-Dotierstoffen, insbesondere von Stickstoff, reduziert werden. Dies ist insbesondere für solche Dichtungen vorteilhaft, in deren Bereich sich die Leckage verändern kann, beispielsweise im Bereich einer Beladetür der Kammer. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Permeation von n-Dotierstoffen aus der Umgebung in den Innenraum der Kammer über einen langen Zeitraum in etwa konstant ist. Dies hat den Vorteil, dass die Zugabe des p-Dotierstoffes zwecks Kompensation des n-Dotierstoffes nicht ständig angepasst werden muss und eine möglichst genaue Einstellung des Teilchenverhältnisses von dem p-Dotierstoff zum n-Dotierstoff ermöglicht.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsformen, die durch Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen
  • 1 einen Querschnitt durch eine schematisch dargestellte CVD-Anlage mit mehreren in einer Kammer der CVD-Anlage angeordneten zu beschichtenden Wafern, und
  • 2 einen Querschnitt durch einen Teil eines mit einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht beschichteten Wafers.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen CVD-Anlage 7 für die Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht. Die CVD-Anlage 7, hier eine LPCVD-Anlage, umfasst in bekannter Weise eine Kammer 5 für die Aufnahme der zu beschichteten Gegenstände, einer Beladungstür 8, durch die die Kammer 5 beladen und die beschichteten Gegenstände entnommen werden können, einen Drei-Zonen-Ofen 9 zum Heizen der Kammer 5, einen Drucksensor 10 zum Messen des Drucks innerhalb der Kammer und einen Gaseinlass 11 zum Einleiten der Prozessgase. Des Weiteren weist die Kammer 5 eine Öffnung 12 auf, über die mittels einer nicht näher dargestellten Pumpe der Innenraum der Kammer 5 abgepumpt werden kann.
  • Die Kammer 5 umfasst ein Quarzrohr 13 dessen eines Ende von einem ersten Deckelelement 14, indem sich die Öffnung 12 befindet, und dessen anderes Ende durch ein zweites Deckelelement 15, an dem Beladungstür 8 und Drucksensor 10 angeordnet ist, aufgenommen ist. Das Quarzrohr ist mit Dichtungen 16, die zwischen Quarzrohr 13 und jeweils einem Deckelelement 15, 16 angeordnet, gegen die Umgebung abgedichtet. Im Bereich der Beladetür 8 dient eine weitere Dichtung 4 für die Abdichtung der Kammer 5. Die Dichtungen 4, 16 sind in diesem Falle als O-Ring-Dichtungen ausgebildet.
  • Des Weiteren umfasst die CVD-Anlage 7 eine Spüleinrichtung 6. Die Spüleinrichtung 6 umgibt die Dichtung 4 im Bereich der Beladetür 8. Die Spüleinrichtung 6 ist derart eingerichtet, dass die Dichtung 4 mit einem Edelgas, hier Argon zwecks Verringerung der Permeation von n-Dotierstoffen aus der Umgebung in den Innenraum der Kammer 5 spülbar ist.
  • Die 2 zeigt eine hochohmige Antihaft-Siliziumcarbidschicht 2, die auf der Oberfläche eines Wafers 3 abgeschieden ist. Auf dem Wafer 3 können verschiedene Funktionselemente angeordnet sein, die durch die Siliziumcarbidschicht zumindest teilweise abgedeckt werden, was aber in 2 nicht näher dargestellt ist. Das Verfahren zur Herstellung der hochohmigen Antihaft-Siliziumcarbidschicht 2 kann unter Verwendung einer LPCVD-Anlage 7 ausgeführt werden.
  • Zur Herstellung der hochohmigen Siliziumcarbidschicht 2 wird ein CVD-Prozess verwendet, in diesem Falle ein LPCVD-Prozess. Derartige Prozesse sind grundsätzlich bekannt. Verfahrensgemäß werden mittels des LPCVD-Prozesses Silizium und Kohlenstoff zur Ausbildung einer sich im Wesentlichen im stöchiometrischen Gleichgewicht befindenden Siliziumcarbidschicht abgeschieden, und während der Abscheidung des Siliziums und des Kohlenstoffs mindestens ein p-Dotierstoff zur Kompensation von mindestens einem n-Dotierstoff abgeschieden.
  • Der n-Dotierstoff ist im Wesentlichen Stickstoff, der durch die Leckage der verwendeten Anlage oder durch Verunreinigungen der verwendeten Prozessgase in die Siliziumcarbidschicht mit eingebaut werden.
  • Um den n-Dotierstoff zu kompensieren, wird als p-Dotierstoff Bor verwendet. Grundsätzlich ist bevorzugt, zur Kompensation von n-Dotierstoffen aus der Gruppe 15 p-Dotierstoffe aus der Gruppe 13 einzusetzen.
  • Für die Abscheidung der hochohmigen Siliziumcarbidschicht 2 werden als Prozessgase für die Abscheidung von Silizium ein Siliziumwasserstoff, in diesem Falle ein Dichlorsilan, für die Abscheidung von Kohlenstoff ein Kohlenwasserstoff, hier Acetylen, und für die Abscheidung des mindestens einen p-Dotierstoffes Diboran verwendet.
  • Das Dotiergas Diboran kann, wie die anderen Prozessgase, bei der CVD-Anlage 7 über den Gaseinlass 11 in die Kammer 5 eingeleitet werden. Alternativ ist es möglich, weitere Gaseinlässe vorzusehen oder über eine sog. Gaslanze oder Gasdusche das Dotiergas einzubringen. Zum Zwecke der Nachregelung kann die Menge des eingebrachten Dotiergases mittels eines Massenspektrometers (nicht dargestellt) gemessen und an den gewünschten Kompensationsgrad angepasst werden.
  • Während der Abscheidung der Siliziumcarbidschicht und der Dotierung derselbigen mit n- und p-Dotierstoffen wird zumindest die Dichtung 4 im Bereich der Beladetür 8 durch die Spüleinrichtung 6 zwecks Verringerung der Permeation von n-Dotierstoffen, hier insbesondere Stickstoff, mit Argon gespült. Über andere Dichtungen 16 erhält man zwar ebenfalls einen ungewünschten Stickstoffeintrag in die Kammer 5, da solche Dichtungen aber üblicherweise nur selten geöffnet und geschlossen werden, ist dieser Eintrag im Wesentlichen konstant. Mit diesen Maßnahmen kann die Leckrate von insbesondere Stickstoff in die Kammer 5 nahezu konstant gehalten werden. Dies hat den Vorteil, dass die Menge des p-Dotierstoffes zum Zwecke der Kompensation genau an die Menge des n-Dotierstoffes anpassbar ist und häufige Nachregelungen entfallen.
  • Da es bei der Abscheidung mittels eines LPCVD-Prozesses auch Prozessregime gibt, die ein enges Prozessfenster zeigen und daher schlecht zu kontrollieren sind, kann auch durch gewollte Zugabe einer definierten Menge eines n-Dotierstoffes, insbesondere Stickstoff, und einer definierten Menge eines kompensierenden p-Dotierstoffes, insbesondere Diboran, eine gewollte Überkompensation eingestellt werden. Diese Mengen können beispielsweise mittles eines Massenspektrometers gemessen und geregelt werden. In diesem Fall muss nach ermittelter Reaktionsgenetik das Massenspektrometer nicht dauerhaft Bestandteil der Anlage bleiben. Durch die Überkompensation kann insbesondere der „Verlust” von p-Dotierstoffen in nachfolgenden, vor allem unter hohen Temperaturen stattfindenden Prozessen, berücksichtigt werden. Derartige Verluste können beispielsweise durch Diffusion, durch Trappen an den Korngrenzen oder Segregation entstehen.
  • Mittels des beschriebenen Verfahrens lassen sich hochohmige Siliziumcarbidschichten mit Antihaftwirkung herstellen. Die Siliziumcarbidschicht kann kristall, poly-kristallin und/oder amorph, in Teilbereichen oder vollständig, ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Menge der Dotierstoffe derart eingestellt, dass die Teilchendichte des n-Dotierstoffes und des p-Dotierstoffes mindestens jeweils 1012/cm3 ist.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich hochohmige Antihaft-Siliziumcarbidschichten herstellen, die einen spezifischen Widerstand von mindestens 10000 Ω·cm, vorzugsweise von mindestens 50000 Ω·cm und besonders bevorzugt von mindestens 100000 Ω·cm aufweisen.
  • Derartige hochohmige antihaftende Siliziumcarbidschichten lassen sich beispielsweise als Antihaftschichten von mikromechanischen Bauteilen mit dem Zweck, ein Anhaften von beweglichen Funktionselementen verwenden, wie sie beispielsweise bei Beschleunigungssensoren vorhanden sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102006050188 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Hochohmige Siliziumcarbidschicht (2), umfassend Silizium und Carbid, die sich im Wesentlichen im stöchiometrischen Gleichgewicht befinden, und mindestens einen n-Dotierstoff und mindestens einen p-Dotierstoff, wobei der mindestens eine p-Dotierstoff den mindestens einen n-Dotierstoff zur Ausbildung der hochohmigen Siliziumcarbidschicht kompensiert.
  2. Siliziumcarbidschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Siliziumcarbidschicht zumindest bereichsweise kristallin, poly-kristallin und/oder amorph mit vorzugsweise einer Antihaftwirkung ist.
  3. Siliziumcarbidschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teilchendichte des n-Dotierstoffs und des p-Dotierstoffs mindestens jeweils 1012/cm3 ist.
  4. Siliziumcarbidschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der n-Dotierstoff ein Element aus der Gruppe 15, vorzugsweise Stickstoff, und der p-Dotierstoff ein Element aus der Gruppe 13, vorzugsweise Bor, ist.
  5. Siliziumcarbidschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der spezifische Widerstand mindestens 10000 Ω·cm, vorzugsweise mindestens 50000 Ω·cm und besonders bevorzugt mindestens 100000 Ω·cm beträgt.
  6. Verfahren zur Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht (2), insbesondere einer Siliziumcarbidschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, enthaltend die Schritte, dass mittels eines CVD(Chemical Vapor Deposition)-Prozesses Silizium und Kohlenstoff zur Ausbildung einer sich im Wesentlichen im stöchiometrischen Gleichgewicht befindenden Siliziumcarbidschicht abgeschieden werden, und während der Abscheidung des Siliziums und des Kohlenstoffs mindestens ein p-Dotierstoff zur Kompensation von mindestens einem n-Dotierstoff abgeschieden wird. (LPCVD)
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zusätzlich während der Abscheidung des Siliziums und des Kohlenstoffs mindestens ein n-Dotierstoff abgeschieden wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der mindestens eine n-Dotierstoff im Rahmen des CVD-Prozesses durch den mindestens einen p-Dotierstoff überkompensiert wird, und die Kompensation durch einen weiteren Prozess erzielt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Verfahren in einer CVD-Anlage (7) durchgeführt wird, und während des CVD-Prozesses mindestens eine Dichtung (4), beispielsweise eine O-Ring-Dichtung, der CVD-Anlage mit einem Edelgas, vorzugsweise Argon, gespült wird zwecks Verringerung der Permeation von n-Dotierstoffen.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei als Prozessgas für die Abscheidung von Silizium ein Siliziumwasserstoff, vorzugsweise Silan, besonders bevorzugt Dichlorsilan, für die Abscheidung von Kohlenstoff ein Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Acetylen, für die Abscheidung des mindestens einen n-Dotierstoffes Stickstoff, und für die Abscheidung des mindestens einen p-Dotierstoffes Diboran verwendet wird.
  11. CVD(Chemical Vapor Deposition)-Anlage (7) für die Herstellung einer hochohmigen Siliziumcarbidschicht (2), insbesondere einer Siliziumcarbidschicht (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend mindestens eine Kammer und mindestens eine die Kammer (5) zur Umgebung abdichtenden Dichtung (4), wobei die CVD-Anlage (7) eine Spüleinrichtung (6) aufweist zum Spülen der mindestens einen Dichtung (4) mit einem Edelgas, beispielsweise Argon, zwecks Verringerung der Permeation von n-Dotierstoffen aus der Umgebung in den Innenraum der Kammer (5).
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