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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristall-Substrats
aus Siliciumcarbid (SiC), in dem die inneren Spannungen, die bei der Herstellung
eines SiC-Einkristall-Substrats mit einer großen Oberfläche entstehen, durch Zugabe
einer geringen Menge Bor vermindert werden, so daß der SiC-Einkristall ohne Krümmung
und/oder Rißbildung wachsen kann.
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Halbleitervorrichtungen, wie z.B. Dioden, Transistoren, integrierte
Schaltungen (IC), großtechnische Integrations(LSI)-Schaltungen, lichtemittierende
Dioden, Halbleiter-Laser, Ladungskopplungsvorrichtungen (CCD) und dergleichen aus
Halbleitermaterialien, wie z.B. Silicium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid
(GaP) und dergleichen,werden derzeit auf dem elektronischen Gebiet in der Praxis
verwendet.
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Siliciumcarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial, das eine breitere
verbotene Energielücke (Bandabstand) von 2,2 bis 3,3 Elektronenvolt (eV) aufweist
als die obengenannten Halbleitermaterialien und das thermisch, chemisch und mechanisch
stabil ist und auch eine große Beständigkeit gegen Beschädigung durch Strahlung
aufweist. Eine Halbleitervorrichtung, in der SiC verwendet wird, ist somit unter
strengen Bedingungen (beispielsweise bei einer hohen Temperatur, dort, wo große
Mengen elektrischer Energie erforderlich sind, und/oder in einer Umgebung mit Strahlungsemission)
verwendbar, unter denen mit Vorrichtungen aus anderen Halbleitermaterialien Schwierigkeiten
auftreten, so daß es in einem breiteren Anwendungsbereich für Vorrichtungen verwendet
werden kann, die eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Stabilität besitzen müssen.
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Trotz dieser vielen Vorteile und Fähigkeiten ist eine SiC-Halbleitervorrichtung
in der Praxis bisher nicht verwendet worden, weil ein Verfahren zum Züchten bzw.
Wachsenlassen
von qualitativ hochwertigen SiC-Kristallen mit einer großen Oberfläche
mit einer guten Reproduzierbarkeit, wie es für die kommerzielle Herstellung derselben
erforderlich ist, bisher nicht entwickelt wurde.
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Konventionelle Dioden und Transistoren werden in einem Labormaßstab
hergestellt unter Verwendung eines SiC-Einkristalls, der durch Sublimation (d.h.
nach dem Lely-Verfahren) oder dergleichen gezüchtet worden ist, und/oder eines SiC-Einkristall-Films,
der epitaktisdidurch chemische Dampfabscheidung, Flüssigphasenepitaxie und dergleichen
auf dem SiC-Einkristall erzeugt worden ist, wie in R.B. Campbell und H.-C. Chang
in "Silicon Carbide Junction Devices", in "Semiconductors and Semimetals", herausgegeben
von R.K. Willardson und A.C. Beer (Academic Press, New York, 1971), Band 7, Teil
B, Kapitel 9, Seiten 625 bis 683, beschrieben. Diese konventionellen Verfahren liefern
jedoch nur Einkristalle mit einer kleinen Oberfläche und sie können darüber hinaus
keine Einkristalle in der gewünschten Größe und/oder Gestalt liefern. Bei Anwendung
dieser konventionellen Verfahren ist es außerdem schwierig, den Polytyp der Einkristalle
und die Konzentration der Verunreinigungen, die in den SiC-Kristallen enthalten
sind, zu kontrollieren bzw. zu steuern. Es ist daher unmöglich, unter Verwendung
von SiC-Einkristallen Halbleitervorrichtungen in einem großtechnischen Maßstab herzustellen.
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In den letzten Jahren wurde ein Verfahren zum Züchten bzw.
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Wachsenlassen eines großflächigen Einkristalls aus Siliciumcarbid
von guter Qualität auf einem Einkristall-Substrat aus Silicium unter Anwendung des
chemischen Dampfabscheidungsverfahrens (CVD) entwickelt (vergleiche die japanische
Patentanmeldung N" 58-76842 (76842/1983), die der US-Patentanmeldung N" 603,454
und der DE-OS 34 15 799 entspricht). Dieses Verfahren umfaßt das Züchten bzw. Wachsenlassen
eines dünnen Films aus Siliciumcarbid auf einem Siliciumsubstrat nach dem CVD-Verfahren
bei einer tiefen Temperatur und das
anschließende Züchten bzw. Wachsenlassen
eines Einkristall-Films aus Siliciumcarbid auf dem dünnen Film nach dem CVD-Verfahren
bei einer höheren Temperatur, wodurch die Herstellung eines großflächigen Einkristall-Films
aus Siliciumcarbid mit einer hohen Qualität auf einem Einkristall-Substrat aus Silicium,
das bei geringen Kosten zur Verfügung steht, möglich ist bei gleichzeitiger Kontrolle
bzw. Steuerung des Polytyps, der Konzentration der Verunreinigungen, der elektrischen
Leitfähigkeit, der Größe, der Gestalt oder dergleichen der Einkristalle. Dieses
Verfahren eignet sich auch für die Massenproduktion eines SiC-Einkristall-Films.
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Darüber hinaus wurde ein Verfahren zur Herstellung einer SiC-Halbleitervorrichtung,
wie z.B. einer Diode, eines Transistors und dergleichen, unter Verwendung des SiC-Einkristall-Films,
der nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren auf dem SiC-Einkristall-Substrat
erzeugt worden ist, entwickelt, wie in den japanischen Patentanmeldungen N" 58-246511
(246511/1983), 58-249981 (249981/1983)und 58-252157 (252157/1983), die der US-Patentanmeldung
N" 683,801 und der DE-OS 34 46 961 entsprechen, beschrieben.
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Der SiC-Einkristall-Film mit einer großen Oberfläche, der nach dem
vorstehend beschriebenen Verfahren auf dem Si-Einkristall-Substrat erzeugt wird,
hat jedoch die Neigung, sich zu krümmen und/oder zu reißen wegen des Unterschieds
in bezug auf die Gitterkonstante zwischen dem Si-Kristall und dem SiC-Kristall von
bis zu 20% und darüber hinaus wegen des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
so daß kein SiC-Einkristall-Film mit einer hohen Zuverlässigkeit hergestellt werden
kann.
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Das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Verfahren zur
Herstellung eines SiC-Einkristall-Substrats, mit dem die vorstehend erläuterten
und zahlreiche weiteren Nachteile und Mängel des Standes der Technik beseitigt
werden können, ist dadurch gekennzeichnet, daß einem SiC-Einkristall
eine geringe Menge Bor als spannungsverminderndes Agens zugesetzt wird, während
der SiC-Einkristall durch chemische Dampfabscheidung (CVD) auf einem Si-Substrat
gezüchtet bzw. wachsengelassen wird.
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Bei dem spannungsvermindernden Agens handelt es sich gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung um Diboran.
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Diboran wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung dem SiC-Einkristall in einer Rate von 0,005 bis 0,05cm3/min zugeführt.
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Mit der hier beschriebenen Erfindung ist es somit möglich, die folgenden
Ziele zu erreichen (1) Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines SiC-Einkristall-Substrats,
bei dem bei der Stufe der Herstellung eines SiC-Einkristalls auf einem Si-Einkristall-Substrat
durch chemische Dampfabscheidung (CVD) Bor (B) als spannungsverminderndes Agens
verwendet wird, wobei man einen SiC-Einkristall-Film erhält, der sich nicht krümmt
und/oder nicht reißt; und (2) Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines
SiC-Einkristall-Substrats, das eine große Oberfläche, eine gute Kristallisierbarkeit
und eine ebene Oberfläche aufweist, sich nicht krümmt und/oder nicht reißt und das
geeignet ist für die großtechnische Herstellung einer Halbleitervorrichtung, in
der ein solches SiC-Material erforderlich ist.
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Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung hervor.
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Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Züchtungs- bzw.Wachstumsvorrichtung,
wie sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.
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In der Stufe des Kristallwachstums eines SiC-Einkristalls auf einem
Si-Substrat durch chemische Dampfabscheidung (CVD) wird dem SiC eine Borverunreinigung
zugesetzt, wobei man einen SiC-Einkristall-Film erhält, der sich nicht krümmt und/oder
nicht reißt.
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Die Fig. 1 zeigt eine Wachstums- bzw. Züchtungsvorrichtung, wie sie
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird, die umfaßt ein
wassergekühltes horizontales Quarz-Doppelreaktionsrohr 1, das im Inneren mit einem
Graphit-Susceptor 2 ausgestattet ist, der auf einer Quarz-Trägerplatte 3 aufliegt.
Das Reaktorrohr 1 ist mit einer Betätigungsspule 4 umwickelt, durch die ein Ilochfrequenz-Strom
fließen gelassen wird, um den Susceptor 2 durch Induktion zu erhitzen. Der Susceptor
2 kann horizontal angeordnet sein oder er ist zweckmäßig geneigt. Das Reaktorrohr
1 weist an seinem einen Ende ein Zweigrohr 5 auf, das einen Gaseinlaß darstellt.
Durch die Zweigrohre 6 und 7 wird Kühlwasser in das Innere des äußeren Rohrs des
Reaktorrohres 1 eingeführt. Das andere Ende des Reaktorrohres 1 ist mittels eines
Flansches 8 aus rostfreiem Stahl, einer Halteplatte 9, Schrauben 10, Muttern 11
und einem O-Ring 12 verschlossen. Der Flansch 8 weist im Mittelabschnitt ein Zweigrohr
13 auf, das einen Gasauslaß darstellt. Unter Verwendung dieser Vorrichtung werden
Kristalle auf die nachstehend beschriebene Weise gezüchtet bzw. wachsen gegelassen
Ein Si-Einkristall-Substrat (mit einer Oberflächengröße von 15 mm x 15 mm) 14 wird
auf den Graphit-Susceptor 2 gelegt. Man läßt einen Rochfrequenz-Strom durch die
Betätigungsspule 4 fließen, um den Susceptor 2 zu erhitzen
und die Temperatur des Si-Substrats 14 auf 900 bis 1200"C zu erhöhen.
Als Quellengas werden Monosilan (SiH4) und Propan (C3H8) mit einer Rate von 0,1
bis 0,5 cm3/min in das Reaktorrohr 1 eingeführt und als Trägergas wird Wasserstoff
(H2) in einer Rate von 1 bis 5 1/min in das Reaktorrohr 1 eingeführt. Diese Gase
werden durch das Zweigrohr 5 mehrere Minuten lang in das Reaktorrohr 1 eingeführt,
wobei man einen sehr dünnen Film aus SiC auf dem Si-Einkristall-Substrat 14 erhält.
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Dann wird die Zufuhr des Quellengases gestoppt und der durch die Betätigungsspule
4 fließende Hochfrequenz-Strom wird erhöht, um die Temperatur des Si-Einkristall-Substrats
14 auf bis zu 1300 bis 1400"C zu erhöhen. Monosilan-Gas und Propan-Gas werden in
einer Rate von 0,05 bis 0,3 cm3/min in das Reaktorrohr 1 eingeführt und Diboran(B2H6)-Gas
wird als Bor-Zusatz in einer Rate von 0,005 bis 0,05 cm3/min eingeführt. Diese Gase
werden in das Reaktorrohr 1 eingeführt zusammen mit Wasserstoff als Trägergas, das
in einer Rate von 1 bis 5 1/min in das Reaktorrohr 1 eingeführt wird, wobei man
einen SiC-Einkristall-Film auf dem Si-Substrat 14 mit dem sehr dünnen SiC-Film darauf
erhält. Durch l-stündiges Wachsenlassen von SiC wurde ein SiC-Einkristall-Film mit
einer Dicke von 0,5 bis 3 Fm ohne Krümmung und/oder Rißbildung erhalten.
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Die Einführung eines Quellengases aus Monosilan und Propan erlaubt
das Wachsenlassen bzw. Züchten eines SiC-Einkristalls auf dem Si-Einkristall-Substrat
14 und die Einführung einer geringen Menge Diboran zusammen mit dem Quellengas erlaubt
die Zugabe von Bor als Verunreinigung zu dem SiC-Einkristall-Film. Bor ist ein Element
mit einem kleinen Atomradius und wenn es dem SiC-Einkristall-Film zugesetzt wird,
diffundiert es in der Regel und wird als Atom vom interstitiellen Typ in den SiC-Einkristall-Film
eingeführt, um das SiC-Kristallgitter in geeigneter Weise
zu verformen
gegen innere Spannungen des SiC-Films, so daß die Spannungen vermindert werden können,
ohne daß sich der SiC-Film krümmt und reißt. Die zuzugebende Bormenge wird so gewählt,
daß sie gering ist, weil dann, wenn es im übermaß verwendet wird, die resultierende
SiC-Einkristllschicht einen hohen Widerstand erhält. Die Zugabe einer geringen Menge
eines Diffusionsatoms vom interstitiellen Typ verändert die elektrischen Eigenschaften
des Wirtkristalls nur in insignifikanter Weise.
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In dem vorstehend beschriebenen Beispiel wurden als Quellengase Monosilan
(SiH4) und Propan (C3H8) verwendet, es können aber auch andere Quellengase verwendet
werden. Als Trägergas wurde Wasserstoff verwendet, die Erfindung ist darauf jedoch
nicht beschränkt. Als Trägergas kann auch ein inertes Gas, wie Argon, Helium und
dergleichen, oder andere Gase verwendet werden. Als Borverunreinigungsgas wurde
Diboran (B2H6) verwendet, die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt. Natürlich
können auch andere Gase verwendet werden, die ein Borverunreinigungsgas enthalten.
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Als CVD-Wachstumsverfahren wurde das CVD-Verfahren unter Atmosphärendruck
angewendet, es kann aber auch das CVD-Verfahren unter vermindertem Druck angewendet
werden.
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Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische
bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich,
daß sie darauf keineswegs beschränkt ist. Diese können vielmehr in vielfacher Hinsicht
abgeändert und modifiziert werden, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden
Erfindung verlassen wird.