DE19842078A1

DE19842078A1 - Hochohmiges Substratmaterial, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Substrat für elektronische Bauteile

Info

Publication number: DE19842078A1
Application number: DE19842078A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Winnacker
Original assignee: Sicrystal AG
Current assignee: Sicrystal AG
Priority date: 1998-09-15
Filing date: 1998-09-15
Publication date: 2000-03-16
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: DE19842078B4

Abstract

Ein hochohmiges Substratmaterial für elektronische Bauteile umfasst ein pulverförmiges SiC-Halbleitermaterial dotiert mit einem Dotierungsmaterial aus der Gruppe der die Übergangsmetalle umfassenden Materialien mit einem Anteil größer oder gleich einem Anteil an vorhandenem Akzeptormaterial (A) minus einem Anteil an vorhandenem Donatormaterial (D) mit A/D > 1. Dabei kann (A) ein Material aus der Gruppe der Aluminium (Al), Bor (B), Gallium (Ga) umfassenden Materialien sowie deren Kombination bedeuten. Das Substratmaterial hat eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie einen an Silizium gut angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten und ist weitgehend frei von Wirbelstromverlusten unter den bei Anwendungen als Substrat für elektronische Bauteile auftretenden elektrischen Strömen und Spannungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein hochohmiges Substratmaterial, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein Substrat für elektronische Bauteile oder Schaltungen.

Derartige Substrate kommen insbesondere bei kleinen, hoch intergrierten elektronischen Bauteilen zur Anwendung. In einem Artikel von Th. Quiehl, "Substratkeramik Aluminiumnitrid", Werkstoffe & Konstruktion (1988), S. 155-160, werden verschiedene Substratmaterialien gegenübergestellt und hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für elektronische Bauteile bewertet. Weite Verbreitung für derartige Anwendungen hat Al₂O₃. Dieses Material ist preisgünstig und hat gute mechanische Eigenschaften. Nachteilhaft ist seine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit, wodurch eine schnelle und gute Ableitung der beim Betrieb entstehenden Wärme nicht immer gewährleistet ist, so dass das elektronische Bauteil durch Überhitzung zerstört werden kann. BeO besitzt die beste Wärmeleitfähigkeit, kommt aber aufgrund seiner Toxizität und seines hohen Preises nur für besondere Einsatzgebiete, z. B. im militärischen Bereich, in Frage. Ausserdem hat es einen mehr als doppelt so hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium, so dass es bei Temperaturschwankungen im Betrieb zu starken Verspannungen bis hin zum Bruch zwischen dem Substrat und dem meist aus Silizium bestehenden Halbleiterbauteil kommen kann. AlN dagegen passt mit seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten genau zu Silizium und hat auch eine gute Wärmeleitfähigkeit, ist jedoch sehr teuer und hat einen um etwa drei Grössenordnungen geringeren elektrischen Widerstand verglichen mit Al₂O₃ und BeO.

Siliziumkarbid (SiC) hat eine sehr gute Wärmeleitfäigkeit, die besser als die von AlN ist und fast die Werte von BeO erreicht. Weiterhin passt SiC bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten exakt zu Silizium. Somit kombiniert es die vorteilhaften Eigenschaften von BeO und AlN und ist überdies preislich günstiger als diese Keramiken. Nachteilhaft bei SiC als Substratmaterial sind seine Halbleitereigenschaften, so dass es aufgrund der zahlreich vorhandenen Donatoren und Akzeptoren einen geringen elektrischen Widerstand und damit hohe dielektrische Verluste hat.

In "Microelectronics Packaging Handbook", Verlag Van Nostrand Reinhold, New York, wird auf S. 498 ein einen hohen elektrischen Widerstand aufweisendes Substratmaterial auf SiC-Basis beschrieben. Hierbei wird SiC-Pulver mit BeO-Pulver vermischt, dann sprühgetrocknet, zu Scheiben kaltgepresst und in Vakuum bei 2100°C heissgepresst. Der hohe elektrische Widerstand wird dadurch erreicht, dass sich BeO-Material zwischen die SiC-Körner setzt und so den Stromfluss von einem Korn zum anderen Korn unterbindet. Durch diese Konfiguration wird verhindert, dass durch das Substrat als ganzes Strom fliesst. Nachteil ist jedoch, dass in den einzelnen SiC- Körnern, wie bei normaler SiC-Keramik, ein Strom bzw. ein Wirbelstrom fliessen kann, was zu dielektrischen Verlusten führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein hochohmiges Substratmaterial auf SiC-Basis zu schaffen, das bei guter Wärmeleitfähigkeit und einem an Silizium gut angepassten Wärmeausdehnungskoeffizenten weitgehend frei von Wirbelstromverlusten unter den bei Anwendungen als Substrat für elektronische Bauteile auftretenden elektrischen Strömen und Spannungen ist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Substratmaterials bereitgestellt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird auf die Patentansprüche verwiesen. Die Erfindung schafft ein SiC-Halbleitermaterial, das durch und durch hochohmig ist und als pulverförmiges Material vorliegt, das zu einer Sinterkeramik weiterverarbeitet werden kann. Das SiC-Halbleitermaterial verhindert einen Stromfluss sowohl innerhalb eines Korns als auch insgesamt durch den Querschnitt eines daraus gefertigten Substrats, was Wirbelstromverluste im Mikro- und Makrobereich vermeidet bzw. wesentlich minimiert. Gleichzeitig werden die vorteilhaften Eigenschaften von SiC beibehalten, d. h. gute Wärmeleitfähigkeit und ein Si im wesentlichen entsprechender Wärmeausdehungskoeffizient. Das Substratmaterial bereitet ferner keine Toxizitätsprobleme und bietet alle Voraussetzungen für eine kostengünstige Fertigung und Weiterverarbeitung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Besetzung eines Leitungsbandes (LB) und Valenzbandes (VB) mit Elektronen vor (linke Hälfte) und nach (rechte Hälfte) einer erfindungsgemässen Dotierung, worin bedeuten D = Domtor, A = Akzeptor, V = Vanadium als Dotierungsmaterial.

Nachfolgend wird die Herstellung eines hochohmigen SiC- Halbleitermaterials in Pulverform beschrieben.

Undotiertes, bzw. Verunreinigungen wie N (Stickstoff) und B (Bor) enthaltendes SiC wird mit einem Akzeptor, vorzugsweise Aluminium (Al) versetzt, wodurch ein p-leitendes SiC erhalten wird. Dem so gebildeten Zwischenprodukt wird ein tief in der Bandlücke liegendes Dotierungsmaterial, vorzugsweise Vanadium (V), in einer Konzentration beigemischt, dass die überschüssigen, noch nicht mit Elektronen besetzten Akzeptoren, einschliesslich eventueller Störstellen- Akzeptoren, durch die Elektronen des Dotierungsmaterials kompensiert werden und dadurch das Substratmaterial seine Leitfähigkeit einbüsst bzw. hochohmig wird.

Für die Herstellung des Substratmaterials wird SiC mit hohem Reinheitsgrad bevorzugt, das dennoch unvermeidbar durch die Elemente Bor (B) und Stickstoff (N) verunreinigt ist. Diese Verunreinigungen sind zum Teil in den SiC-Ausgangsmaterialien Silizium (Si) und Kohlenstoff (C) enthalten, oder stammen aus der Reaktion von Silizium mit Kohlenstoff bei der Bildung von SiC. Diese flachen Donatoren und Akzeptoren müssen kompensiert werden, um hochohmige Eigenschaft zu erhalten. Die Beimengung des kompensierenden Dotierungsmaterials kann dabei bereits bei der Synthese von SiC erfolgen. Beim SiC- Ausgangsmaterial werden die Polytypen 4H-SiC und insbesondere 6H-SiC bevorzugt.

Der Stickstoff kommt zumeist aus der Luft oder ist im als Tiegelmaterial verwendeten Graphit gelöst, wobei Bor ebenso in Graphit vorkommt. Stickstoff wirkt als flacher Domtor, der energetisch nahe am Leitungsband liegt, während Bor als flacher Akzeptor energetisch nahe am Valenzband angesiedelt ist.

Unter Verwendung von Al als Akzeptor liegt dessen Konzentration zwischen etwa 10¹⁵ und etwa 10¹⁸ cm^-3, wobei eine Konzentration von 10¹⁶ bis 10¹⁷ bevorzugt wird. Die gesamte Akzeptoren-Konzentration von Al und B, wobei B in ähnlicher Konzentration vorhanden sein kann wie Al, muss höher als die Konzentration an flachen Domtoren wie N sein, damit diese ihre Elektronen vollständig an die Akzeptoren abgeben, d. h. kompensiert werden und so das Material p- leitend wird. Als tief in der Bandlücke liegender Domtor wird vorzugsweise Vanadium (V) verwendet. Die V-Konzentration wird derart eingestellt, dass die noch nicht mit Elektronen besetzten, also überschüssigen Akzeptoren durch Elektronen des V-Dotierungsmaterials kompensiert werden. Dadurch werden alle flachen Domtoren, deren Energieniveau nahe dem Leitungsband liegt, unbesetzt, und alle Akzeptoren A, deren Energieniveau nahe dem Valenzband liegt, mit Elektronen besetzt. Somit können keine Ladungsträger freigesetzt werden. D. h., es können weder Elektronen ins Leitungsband LB noch Elektronenlöcher (fehlende Elektronen) ins Valenzband VB gelangen, wodurch ein sehr hoher elektrischer Widerstand des Materials erreicht wird.

Die Kompensation der Akzeptoren wird erreicht, wenn die V- Konzentration grösser ist, als die Summe der Konzentration der vorhandenen Akzeptoren (Al und B) vermindert um die Konzentration der vorhandenen Domtoren. Um die Kompensation der Akzeptoren sicher zu stellen, wird vorzugsweise die V- Konzentration um den Faktor 10 grösser als die Summe der Akzeptoren-Konzentrationen gewählt. Somit variiert die V- Konzentration zwischen 10¹⁶ und 10¹⁹ cm^-3, wobei bevorzugt Konzentrationen von 10¹⁷ bis 10¹⁸ cm^-3 verwendet werden. Vanadium wird vorzugsweise als V⁴⁺ eingebaut, Aluminium als Al^-, Bor als B^- und Stickstoff als N⁺.

Beispiel

Ausgangsmaterial ist ein Pulver aus Silizium und ein solches aus Graphit, jeweils in möglichst reiner Form, mit einer Konzentration an Verunreinigungen von N = B = 10¹⁶ cm^-3. Für die SiC-Synthese wird Al als Akzeptor mit einer Konzentration von 10¹⁷ cm^-3 und V als Dotierungsmaterial mit einer Konzentration von 10¹⁸ cm^-3 zugegeben. Diese Zusammensetzung wird in einem Graphittiegel bei 2000°C zur Reaktion gebracht. Die Körnigkeit des erhaltenen SiC-Pulvers ist im wesentlichen durch die Körnigkeit des verwendeten Graphitpulvers bestimmt.

Das erhaltene SiC-Substratmaterial ist durch und durch, also inhärent hochohmig und liegt in Pulverform vor, so dass es für die Weiterverarbeitung zu einer Keramik geeignet ist. Dies kann durch Sintern oder durch heisses isotopisches Pressen (sog. Hippen) erfolgen. Das Sintern erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von 2100°C, wobei als Sinteradditiv Kohlenstoff in Form von Phenolharz mit einer bevorzugten Konzentration von 0,5 Gewichts-% zugegeben werden kann.

Der erreichbare Widerstand einer derartigen SiC-Keramik liegt über 10¹²Ohm, die dielektrische Konstante bei 1 Mhz bei ca. 9,5 und die Wärmeleitfähigkeit bei ca. 200 W/mK. Die Korngrösse liegt unter 1 µm.

Somit wird eine hochohmige SiC-Keramik erhalten, die hervorragend als Substrat für elektronische Schaltungen verwendbar ist, da weder Wirbelströme noch sonstige Ströme fliessen können. Die Keramik hat weiterhin einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem von Silizium weitgehend entspricht, und verfügt über eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit.

Die Erfindung wurde vorausgehend anhand von Vanadium (V) als bevorzugtes Dotierungsmaterial beschrieben. Anstelle davon könnten auch anderen Übergangsmetalle des periodischen Elementensystems, insbesondere Ti, Cr, Mo sowie Kombinationen davon zur Anwendung kommen.

Claims

1. Hochohmiges Substratmaterial für die Herstellung von Substraten für elektronische Bauteile, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein pulverförmiges SiC- Halbleitermaterial dotiert mit einem Dotierungsmaterial aus der Gruppe der die Übergangsmetalle umfassenden Materialien mit einem Anteil grösser oder gleich einem Anteil an vorhandenem Akzeptormaterial (A) minus einem Anteil an vorhandenem Donatormaterial (D) mit A/D < 1 ist.

2. Substratmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Akzeptormaterial (A) ein Material aus der Gruppe der Aluminium (Al), Bor (B), Gallium (Ga) umfassenden Materialien sowie deren Kombination ist.

3. Substratmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das SiC-Halbleitermaterial ein solches des Polytyps 6H ist.

4. Substratmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das SiC-Halbleitermaterial ein solches des Polytyps 4H ist.

5. Substratmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dotierungsmaterial Vanadium (V), vorzugsweise des Typs V⁴⁺, umfasst.

6. Substratmaterial Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Akzeptormaterial zwischen etwa 10¹⁵ und 10¹⁹ cm^-3, vorzugsweise 10¹⁷ und 10¹⁸ cm^-3, beträgt.

7. Substratmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Donatormaterial (D) im wesentlichen Stickstoff (N) umfasst.

8. Verfahren zum Herstellen eines Substratmaterials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pulverförmiges Silizium-Ausgangsmaterial (Si) und Kohlenstoff (C) versetzt mit einem Akzeptormaterial (A) miteinander reagieren gelassen werden, um ein p-leitendes SiC-Ausgangsmaterial zu erhalten, und dass das p-leitende SiC-Ausgangsmaterial mit einem Dotierungsmaterial aus der Gruppe der die Übergangsmetalle umfassenden Materialien dotiert wird, wobei der Anteil des Dotierungsmaterials so gewählt wird, dass er grösser oder gleich dem Anteil an vorhandenem Akzeptormaterial (A) minus einem Anteil an vorhandenem Donatormaterial (D) mit A/D < 1 ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Akzeptormaterial (A) ein Material aus der Gruppe der Aluminium (Al), Bor (B), Gallium (Ga) umfassenden Materialien sowie deren Kombination gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Akzeptormaterial (A) in einer Konzentration zwischen etwa 10¹⁵ und 10¹⁹ cm^-3, vorzugsweise 10¹⁷ und 10¹⁸ cm^-3, beigegeben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dotierungsmaterial Vanadium (V) umfasst.

12. Hochohmiges Substrat für elektronische Bauteile, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Sinterkeramik aus einem Substratmaterial gemäss den Ansprüchen 1 bis 7 ist.