DE1956011A1 - Verfahren zur Herstellung hochohmiger Siliziumkarbid-Dioden - Google Patents
Verfahren zur Herstellung hochohmiger Siliziumkarbid-DiodenInfo
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Description
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Verfahren zur Herstellung hochohmiger Siliziumkarbid-Dioden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochohmiger SiC-Dioden.
In der Silizium-Transistor-Technologie ist es bekannt, dünne einkristalline, hochohmige Schichten auf einem dicken niederohmigen
Substrat aufzubringen. Das Verfahren wird als "Epitaxie-Technik" bezeichnet. Man kombiniert durch diese Struktur den
Vorteil eines hochohmigen mit dem eines niederohmigen Kollektormaterials.
Hochohmige n- oder p-KiIstalle werden jedoch schwierig
keitslos z.B. durch Zonenziehen hergestellt.
Bei der Herstellung von SiC-Dioden ist es bisher nur bekannt, p-n Uebergänge durch Legierung oder Diffusion, beispielsweise
Diffusion von Al in n-SiC, zu erzeugen. Auch sogenannte gewachsene
p-n Uebergänge, die durch Umdotierung während der bei SiC üblichen KiJstallzucht (Verfahren nach LeIy) (Berichte der
Deutschen Keramischen Gesellschaft 32, Heft 8, S. 229-231, 1955)
erzeugt werden, sind bekannt.
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SiC-Dioden sind deshalb von grosser Bedeutung, weil sie infolge der grossen Bandlücke bei Temperaturen bis zu 50O0C betrieben
werden können. Nichts-desto-weniger lassen alle bisher bekannten Dioden bezüglich ihrer Kennlinie sowohl in Vorwärts- als auch
in Sperrichtung noch viel zu wünschen übrig: um hohe Sperrspannungen zu erreichen, müssen für die Herstellung sehr reine Ausgangsmaterialien
verwendet werden, was einen grossen Aufwand bedingt; die Vorwärtskennlinien aber sind insbesondere deshalb
schlecht, weil die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger
in den bisher bekannten SiC-Krlstallen sehr gering ist, die Di icke
des Kristalls jedoch aus technologischen Gründen über 100 /U
liegen muss.
Die relativ grosse Leitfähigkeit des durch übliche Zuchtverfahren hergestellten SiC rührt im wesentlichen von der schlechten
Entfernbarkeit des Stickstoffes aus der Kristallzuchtapparatur
her. Stickstoff wirkt aber als Donator-und erzeugt somit n-Leitfähigkeit. Stickstoff kann etwa in den Graphitbauteilen des
Zuchtofens gegettert sein und während der Kristallzucht allmählich desorbieren und in die wachsenden Kristalle eingebaut werden.
Um die Stickstoffkonzentration in der Zuchtapparatur soweit
wie möglich herabzusetzen, müssen demgemäss vor der Zucht sehr lange Ausheizzeiten aufgewendet werden. Trotzdem haben die
reinsten der mit dieser Zuchtmethode hergestellten Kristalle noch Donatorkonzentrationen von 10 -10 cm~ .
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Es besteht daher ein grosses Bedürfnis, auf einfache und wirtschaftliche
Weise hochohmige SiC-Dioden mit sehr viel besseren Kennlinien als bisher herzustellen. Dies wird erfindungsgemäss
dadurch erreicht, dass auf ein durch übliche Zuchtmethoden gewonnenes SiC-Substrat relativ hoher Dotierung durch Epitaxie
aus der Gasphase eine hochohmige einkristalline Schicht abgeschieden wird.
Die Epitaxieschicht kann bei relativ niedrigen Temperaturen, etwa
zwischen I5OO und l800°C, sehr einfach und damit wirtschaftlich,
mit hohem spezifischem Widerstand und gewünschter Dicke , hergestellt werden. Dadurch können hohe Sperrspannungen erreicht
werden.
In Durchlassrichtung wirkt das hochdotierte Substrat wie ein Kontakt, der bis zum p-n Uebergang reicht. Es muss deshalb nur
die dünne Epitaxieschicht von oben und unter her mit Ladungs- ' | trägem überschwemmt werden, was zu einer erheblich verbesserten
I/U-Kennlinie in Vorwärtsrichtung führt.
Der Grund für das vorteilhafte Ergebnis des erfindungsgemassen
Verfahrens liegt darin, dass epitaktisch abgeschiedenes SiC sehr viel stickstoffarmer gezüchtet werden kann, als das konventionell
gezüchtete Substrat, an welches bezüglich der Reinheit keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen, das also
etwa sehr stark η -leitend sein kann, und nur strukturell gut
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ausgebildet, d.h. ein einheitlicher Polytyp mit wenig Kristallbaufehlern,
sein muss. Im Fall der epitaktischen Zucht von SiC hingegen kann der Stickstoff in kurzer Zeit aus dem Reaktionsraum fast vollständig eliminiert werden, indem - wenn etwa als
Epitaxieprozess die Wasserstoffreduktion eines Silans und eines Kohlenwasserstoffs (z.B. SiCIu und Cz-H12,) verwendet wird - der
Wasserstoff, beispielsweise durch Palladium-Diffusion, gereinigt, die flüssigen Verbindungen (Siliziumtetrachlorid und Hexan) entgast,
und die Leitungen gut gasdicht gehalten werden.
Auf diese Weise ist es möglich, epitaktisch einkristalline SiC-Schichten
zu züchten, die nur etwa 10 Donatoren/cm enthalten.
Das erfindungsgemässe Verfahren gibt zum ersten Mal die Möglichkeit
und stellt wohl den einz-igen wirtschaftlichen Weg dar, preiswerte hochohmige SiC-Dioden zu erzeugen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand von Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Hierbei zeigt:
Fig. 1 einen Kristall mit einer Epitaxieschicht von gegenüber dem Substrat entgegengesetztem Leitfähigkeitstypus,
Fig. 2 einen Kristall mit einer Epitaxieschicht von gegenüber
dem Substrat gleichem Leitfähigkeitstypus, .
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Fig. 3 einen Kristall mit zwei Epitaxieschichten entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps, und
Fig. 4 einen Kristall mit einer Epitaxieschicht gleichen Leitfähigkeitstyps
wie das Substrat, deren vom Substrat abgewandte Seite durch Dotierung einen entgegengesetzten. Leitfähigkeitstyp
aufweist.
In Fig. 1 ist ein SiC-Kristall dargestellt, bei welchem auf das
hochdotierte, ρ - oder η -leitende Substrat 2 eine Epitaxieschicht 1 entgegengesetzten Leitfähigkeitstpys, aber erheblich
schwächerer Dotierung, also n- oder p-leitend, aufgebracht ist. Dies kann z.B. durch folgende Massnahmen erreicht werden: Das
SiC-Substrat wird auf einer Graphitunterlage in einem Quarzrohr mittels einer ausserhalb des Quarzrohres befindlichen Spule
durch Hochfrequenzwärmung auf eine Temperatur von 1500 - l800°C gebracht. Die Apparatur wird dann zur Säuberung zunächst evakuiert, g
anschliessend mit reinem H2 gespültj und schliesslich wird dann
ein Gemisch aus SiCl^, CgH12,, H2 eingeleitet, aus welchem sich
die epitaktische Schicht abscheidet. Dabei wird beim Abscheiden einer hochohmigen η-leitenden SiC-Schlcht peinlichst darauf geachtet,
dass keine ungewollten Dotierungen in den Epitaxieraum gelangen können. Restspuren von Np, die sich entweder noch im
Silan oder in den Gaszuführungsleitungen befinden, bewirken, dass die entstehende Schicht leicht η-leitend, mit einer Donatorkonzentration
von ca.10 /cm , wird.Soll eine hochohmige p-leitende
Schicht erzeugt werden, so muss zum Gasgemisch SiCl^,
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CgH1^, H2 noch zusätzlich eine kleine Gasströmung von z.B.
BCl ,B2 Hg oder (CgH5) Al hinzugefügt werden, um die vom N
im SiC herrührenden Donatoren leicht überzukompensieren.
Der Kristall wird zweckmässigerweise anschliessend angeschliffen, wobei die Verjüngung vom Substrat zur Epitaxie verläuft.
Dadurch wird die Oberflächenfeldstärke am p-n Uebergang günstig.
beeinflusst, so dass bei Polung der Diodenstruktur in Sperrichtung ein Vlumendurchbruch möglich ist (R.L.Daves, and P.I. Gentry,
I.E.E.E. Transactions on Electron Devices 313, I965).
Mit 5 und 4 sind in bekannter Weise z.B. durch Legierung aufgebrachte ohmische Kontakte bezeichnet. Der Winkel c*, der Verjüngung
der Struktur vom Substrat zur Epitaxieschicht kann gross gewählt werden, wodurch sich ein grosser Gewinn an aktiver
Fläche ergibt.
In Fig. 2 ist eine schwach, z.B. η-leitende, Epitaxieschicht 1
auf einem hochdotierten, gleichartig, etwa η -leitenden SiC-Substrat 2 dargestellt. Zur Erzeugung eines p-n Ueberganges
ergeben sich hier zwei Möglichkeiten:
Entweder es wird unmittelbar anschliessend an die epitaktische Abscheidung der n-Schicht 1 auf dem η -Substrat etwa in der vorstehend
beeohriebenen Weise.epitaktisch eine weitere, p- oder
D+-SoMoht als Schioht 5 auf Schicht 1 abgeschieden, wobei der
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Kristall in der Epitaxie-Apparatur verbleiben kann. Die entstehende
Kristallstiuktur ist in Fig. 3 dargestellt. Die Abscheidung
der Schicht 5 kann dadurch geschehen, dass zu den Gasströmen (z.B. SiCl^, cgHi4>
H2) geeiSnete Dotiergase (z.B.
B2Hg oder (C2H5KAl) hinzugefügt werden.
Oder der p-n Uebergang wird durch Diffusion von geeigneten Dotierungen,
insbesondere also Akzeptoren, etwa Al oder B, erzeugt. Die Diffusion wird dabei zweckmässigerweise auf allen Seiten ™
des Kristalls zugelassen; die nicht erwünschten p-Schichten, also alle Seiten des Kristalls bis auf die Oberfläche der Epitaxie,
werden dann abschliessend abgeläppt. Es ergibt sich dann die in Fig. 4 dargestellte Kristallstruktur, wobei 2 das η -Substrat,
1 die η-Epitaxieschicht, und I1 die durch Einbau der Dotierungen
p+-leitend gewordene Oberfläche der Epitaxieschicht bezeichnet.
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Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung hoohohmiger SiC-Dioden, dadurch gekennzeichnet,
dass auf ein durch übliche Zuchtmethoden gewonnenes SiC-Substrat relativ hoher Dotierung durch Epitaxie aus
der Gasphase eine hochohmige einkristalline Schicht abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Epitaxieschicht bei Temperaturen zwischen 1500 und l800°C
hergestellt wird. ·
3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat p+ - oder n+-leitend, und die Epitaxieschicht n-
oder p- leitend ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat und die Epitaxieschicht zwar unterschiedliche Dotierung,
jedoch gleichen Leitfähigkeitstypus aufweisen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Epitaxieprozess die Wasserstoffreduktion eines Silans und
eines Kohlwasserstoffs verwendet wird, wobei vorher der Wasserstoff, etwa durch"Palladium-Diffusion, gereinigt, und die
flüssigen Verbindungen entgast werden.
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6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
ein p-n Uebergang durch Abscheidung einer zweiten Epitaxieschicht auf der ersten mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstypus er- ·
zeugt wird.
7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
den die erste Epitaxie-Schicht erzeugenden Gasströme zur Erzeugung der zweiten geeignete Dotierungen beigeben werden.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
ein p-n Uebergang durch Eindiffusion geeigneter Dotierungen in die Epitaxieschicht erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bereits mit der Epitaxieschicht versehene Kristall allseitig
der Diffusion unterworfen wird, und anschliessend die Seite ohne die Epitaxieschicht und der Rand bis zur Entfernung der
dotierten Schichten abgeläppt werden. '
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der mit der Epitaxieschicht versehene Kristall konisch verjüngt
wird, wobei die Verjüngung vom Substrat zur Epitaxieschicht hin verläuft. ■ · ;
(10. SiC-Diode, die nach einem der'vorstehend gekennzeichneten
Verfahren hergestellt 1st).
ORIGINAL INSPECTED 10 9 8 16/1294 Aktiengesellschaft
w/rmair·" , Brown, Boverl & Cie.
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Also Published As
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| FR2064080B3 (de) | 1973-06-08 |
| FR2064080A7 (en) | 1971-07-16 |
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