DE3727019A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer Siliciumkarbid(SIC)-Schicht.
Halbleiterbauelemente wie Dioden, Transistoren, integrier­ te Schaltungen (ICs), hochintegrierte Schaltungen (LSI), lichtemittierende Dioden, Halbleiterlaser oder Charged- Coupled-Devices (CCDs), also ladungsgekoppelte Bildwand­ lerelemente, die aus Silicium (Si) oder Verbindungshalb­ leitern wie Gallium Arsenid (GaAs) oder Gallium Phosphid (GaP) hergestellt sind, werden in weitem Umfang auf elek­ tronischem Gebiet genutzt. Siliciumkarbid hat gegenüber derartigen Materialien Vorteile, z. B. durch eine größere Bandlücke (2,2 bis 3,3 eV) und durch größere thermische, chemische und mechanische Stabilität und geringe Beein­ flußbarkeit durch Strahlung. Daher können Halbleiterbau­ elemente mit Siliciumkarbid bei großer Temperatur, hohem Strom, unter Strahlungsbelastung oder anderen hohen Be­ lastungen verwendet werden, bei denen Halbleiterbauele­ mente aus anderen Materialien kaum eingesetzt werden können. Es wird daher erwartet, daß derartige Halblei­ terbauelemente mit hoher Zuverlässigkeit und Stabilität auf zahlreichen Gebieten eingesetzt werden können.
An der Umsetzung in die Praxis hat es jedoch trotz der hohen Erwartungen wegen Verzögerungen in der Kristall­ herstellung auf sich warten lassen, da es schwierig ist, Siliciumkarbid-Einkristalle hoher Qualität und großer Abmessungen, wie sie für produktive Massenherstellung in der Industrie benötigt werden, zu erzeugen. Bisher wurden Dioden und Transistoren im Labormaßstab hergestellt, die Silicium-Einkristallschichten auf einem Einkristall aufwiesen, die durch Sublimations-Rückkristallisierung (Lely-Methode) durch Epitaxie durch CVD oder durch Flüs­ sigphasen-Epitaxie hergestellt wurden. Über ein Verfahren wurde von R. B. Campbell und H. C. Chang in der Zeitschrift "Semicon­ ductors and Semimetals", Academic Press, New York, 1971, vo. 7 Part B Seiten 625 bis 683 unter dem Titel "Silicon Carbide Junction Devices" berichtet. Mit der beschriebenen Technik kann jedoch nur ein Einkristall kleiner Fläche her­ gestellt werden, dessen Abmessungen und Formen schwer zu steuern waren. Darüber hinaus ist es nicht einfach, die Men­ ge von Polykristallen im Siliciumkarbid-Kristall sowie die Verunreinigungskonzentration zu steuern. Die Herstellverfah­ ren für Halbleiterbauelemente mit Siliciumkarbidschichten befanden sich also weit entfernt von industrieller Anwend­ barkeit.
Die Erfindung haben gemäß der DE-OS 34 15 799 bereits ein Verfahren zum Herstellen von Siliciumkarbid-Einzelkristal­ len hoher Qualität und großer Abmessungen auf einem einkri­ stallinen Siliciumsubstrat durch CVD beschrieben. Bei die­ sem Verfahren wird zunächst durch CVD eine dünne Schicht aus Siliciumkarbid auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat niedergeschlagen, woraufhin die Temperatur erhöht wird und eine einkristalline Siliciumkarbidschicht durch das CVD-Ver­ fahren erhalten wird. Das einkristalline Siliciumsubstrat ist billig und einfach erhältlich und das Verfahren erlaubt es, eine einkristalline Siliciumkarbidschicht großer Fläche zu erhalten, in der die Anzahl von Polykristallen, die Ver­ unreinigungskonzentration, die Abmessungen und die Form und andere Größen gut gesteuert werden können. Das Verfahren eignet sich zur produktiven Massenherstellung. Ein Nachteil des Verfahrens ist jedoch, daß zwischen der aktiven Schicht des Bauelements und der Substratschicht schlechte elektri­ sche Isolierung besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Silicium­ karbidschicht vom Siliciumsubstrat besser isoliert ist als bisher.
Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gege­ ben. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen dem Substrat und der aktiven Sili­ ciumkarbidschicht eine bordotierte Siliciumkarbidschicht mit hohem Widerstand liegt.
Gemäß den Unteransprüchen kann ein derartiges Bauteil in unterschiedlicher Art und Weise ausgebildet sein, z. B. als Transistor, als Widerstand oder als Kondensator.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Feld­ effekttransistor mit Schottky Barriere;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Feld­ effekttransistor mit PN-Übergang;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch einen Wider­ stand und
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Kon­ densator.
Der Grundaufbau aller Halbleiterbauelemente gemäß den Aus­ führungsbeispielen ist der, daß auf einem Siliciumsubstrat zunächst eine bordotierte Siliciumkarbidschicht hohen Wider­ standes aufgebracht ist, über der eine weitere Siliciumkar­ bidschicht liegt.
Die bordotierte Siliciumkarbidschicht hohen Widerstandes wird dadurch hergestellt, daß eine einkristalline Schicht von Siliciumkarbid auf einem Siliciumsubstrat dadurch er­ zeugt wird, daß bei geeigneten Bedingungen Monosilan (SiH4) und Propan (C3H8) zugeführt werden. Gleichzeitig wird da­ durch, daß Diboran (B2H6) als Verunreinigungsgas zugeführt wird, Bor als Verunreinigung in die einkristalline Sili­ ciumkarbidschicht dotiert. Bor ist ein Element mit extrem kleinem Atomradius und wird in einkristallinen Siliciumkar­ bidschichten in der Regel als Zwischengitteratom eingela­ gert. Es wirkt dort als Punkteffekt, der das Siliciumkarbid­ gitter verzerrt. Dadurch steigt der elektrische Widerstand des Siliciumkarbids, und zwar in einem der Konzentration von Bor entsprechenden Ausmaß.
Werden mehrere Halbleiterbauelemente wie z. B. mehrere Dio­ den und Transistoren auf einer auf diese Art und Weise er­ zeugten Siliciumkarbidschicht hohen Widerstandes aufge­ bracht, sind diese Bauteile durch die guten Isolationsei­ genschaften der dotierten Siliciumkarbidschicht gut vonein­ ander isoliert.
Ausführungsbeispiel 1: Feldeffekttransistor mit Schottky Barriere
Der Feldeffekttransistor gemäß Fig. 1 weist ein einkristal­ lines Siliciumsubstrat 1, eine bordotierte Siliciumkarbid­ schicht 2 hohen Widerstandes (Widerstand mindestens 100 ohmcm) einer Dicke von etwa 5 µm, erzeugt durch ein CVD- Verfahren, und über dieser Schicht eine undotierte einkri­ stalline N-Typ Siliciumkarbidschicht 3 von etwa 0,5 µm Dicke auf, die durch ein CVD-Verfahren hergestellt ist und als Kanalschicht wirkt. Eine ohmsche Source-Elektrode 5 und eine ohmsche Drain-Elektrode 6 sind durch Aufdampfen von Nickel (Ni) auf die Kanalschicht 3 hergestellt.
Daran anschließend wird Gold (Au) als Gate-Elektrode 7 vom Schottky Typ zwischen der Source-Elektrode 5 und der Drain- Elektrode 6 aufgedampft, wodurch der Feldeffekttransistor vom Schottky Typ fertiggestellt ist. Wenn Strom der Source- Elektrode 5 zugeführt und von der Drain-Elektrode 6 abgezo­ gen wird, fließt dieser Strom in der Kanalschicht 3 zwi­ schen Source-Elektrode 5 und Drain-Elektrode 6 und er kann in seiner Stärke durch die an die Gate-Elektrode 7 angeleg­ te Spannung gesteuert werden, wodurch die Transistoreigen­ schaften erzielt werden.
Elektrische Isolierung ist dadurch gewährleistet, daß die einkristalline Siliciumkarbid-Kanalschicht auf der bordo­ lierten Siliciumkarbidschicht hohen Widerstands liegt.
Ausführungsbeispiel 2: Feldeffekttransistor mit PN-Übergang
Der Feldeffekttransistor gemäß Fig. 2 weist wie der von Fig. 1 das Siliciumsubstrat 1, die hochisolierende Silicium­ karbidschicht 2 und die leitende Karbidschicht 3 auf. Die Abmessungen und die Herstellverfahren sind dieselben wie für die Schichten des Transistors gemäß Fig. 1. Auf der einkristallinen Siliciumkarbidschicht 3 ist jedoch zusätz­ lich bereichsweise eine einkristalline Siliciumkarbid­ schicht 4 vom P-Typ dadurch gebildet, daß bei der CVD-Her­ stellung Aluminium zugefügt wurde. Die Dicke der Schicht beträgt etwa 3 µm.
Nach dem Herstellen der Siliciumkarbidschicht 4 vom P-Typ wird diese teilweise soweit entfernt, daß die N-Typ Sili­ ciumkarbidschicht 3 wieder freiliegt, auf der eine Source- Elektrode 5 und eine Drain-Elektrode 6 durch Aufdampfen von Nickel gebildet werden. Auf die P-Typ Siliciumkarbidschicht 4 wird dagegen eine Aluminium-Silicium(AL-Si)-Verbindung aufgedampft, die eine ohmsche Gate-Elektrode 8 bildet.
Der durch die Kanalschicht 3 zwischen der Source-Elektrode 5 und der Drainschicht 6 fließende Strom kann durch eine an die Gate-Elektrode 8 angelegte Spannung gesteuert werden, wodurch Transistoreigenschaften erzielt werden.
Ausführungsbeispiel 3: Widerstand
Auch das Halbleiterelement gemäß Fig. 3 weist ein Sub­ strat 1 und eine Schicht 2 hohen Widerstandes aus Materia­ lien und mit Abmessungen auf, wie bereits anhand von Fig. 1 beschrieben. Auf der Siliciumkarbidschicht 2 hohen Wider­ standes ist eine stickstoffdotierte einkristalline Silicium­ karbidschicht 9 vom N-Typ mit eingestelltem Widerstand vor­ handen. Sie ist durch ein CVD-Verfahren mit einer Dicke von etwa 1 µm aufgebracht.
Zum Einstellen des Widerstandes wird die Menge dotierten Stickstoffes gesteuert. Wenn die genannten Schichten fertig­ gestellt sind, werden auf der Widerstandsschicht 9 ohmsche Elektroden 10 und 11 durch Aufdampfen von Nickel herge­ stellt. Der Raum zwischen den beiden Elektroden 10 und 11 stellt ein Widerstandsbauteil dar, dessen Widerstandswert von der Leitfähigkeit der Widerstandsschicht 9, dem Abstand zwischen dem Elektroden und der Dicke und Breite der Wider­ standsschicht 9 abhängt.
Ausführungsbeispiel 4: Kondensator
Auch das Bauteil gemäß Fig. 4 weist das Siliciumsubstrat 1 und die Siliciumkarbidschicht 2 hohen Widerstandes auf, wie anhand von Fig. 1 erläutert. Auf der Siliciumkarbidschicht 2 hohen Widerstandes ist eine stickstoffdotierte einkristal­ line N-Typ Siliciumkarbidschicht 15 niedrigen Widerstandes (höchstens etwa 0,1 ohmcm) mit einer Dicke von etwa 1 µm durch ein CVD-Verfahren aufgebracht. Die Oberfläche dieser Schicht ist durch thermisches Oxidieren in einer Sauerstoff­ atmosphäre bei etwa 1000 Grad C oxidiert. Dadurch ist eine Oxidschicht 12 von etwa 10 nm bis etwa 200 nm Dicke gebil­ det. Ein Teil der Oxidschicht 12 ist abgeäzt, um Platz für eine ohmsche Elektrode 13 zu schaffen, die direkt auf der N-Typ Siliciumkarbidschicht 15 aufgebracht ist. Eine kapazi­ tive Elektrode 14 aus Aluminium ist auf der Oxidschicht 12 aufgebracht. Der Raum zwischen den beiden Elektroden 13 und 14 bildet einen Kondensator, dessen Kapazität von der Dicke der Oxidschicht und der Fläche der Elektroden abhängt.
Die als Ausführungsbeispiele beschriebenen Bauteile können auch anders aufgebaut sein als hier angegeben. Außerdem ist es möglich, andere Bauteile, wie z. B. Dioden, entsprechend aufzubauen.
Wesentlich für alle Ausführungsformen ist, daß sie zwischen einem Siliciumsubstrat und dem aktiven Teil des Bauelemen­ tes eine Siliciumkarbidschicht hohen Widerstandes aufwei­ sen. So aufgebaute Bauelemente lassen sich mit hoher Quali­ tät und definierten Eigenschaften in Massenfertigung her­ stellen.

Claims (9)

1. Halbleiterbauelement mit einem Siliciumsubstrat und einer Siliciumkarbidschicht, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - eine bohrdotierte Siliciumkarbidschicht (2) hohen Widerstands auf dem Siliciumsubstrat (1) ausgebildet ist und
    - die Siliciumkarbidschicht (3, 9, 15) auf der Sili­ ciumkarbidschicht mit hohem Widerstand ausgebildet ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumsubstrat (1), die Siliciumkarbidschicht mit hohem Widerstand (2) und die Siliciumkarbidschicht (3, 9, 15) einkristalline Schichten sind.
3. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Elektroden (5, 6) auf der Siliciumkar­ bidschicht (3, 9) aufgebracht sind.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Elektrode (7; 8) zwischen den beiden ande­ ren Elektroden (5, 6) angebracht ist.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Siliciumkarbidschicht (4) von anderem Typ als dem der Siliciumkarbidschicht (3) zwischen der dritten Elektrode (8) und der Siliciumkarbidschicht angeordnet ist.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Oberfläche der Siliciumkarbid­ schicht (15) zu einer Oxidschicht (12) oxidiert ist.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine ohmsche Elektrode (13) auf der Siliciumkarbid­ schicht (15) und eine kapazitive Elektrode (14) auf der Oxidschicht (12).
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Siliciumkarbidschicht mit hohem Widerstand (3, 9, 15) mindestens etwa 100 ohmcm be­ trägt.
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als Feldeffekttransistor ausgebildet ist, wobei die Siliciumkarbidschicht auf einer bohrdotierten Silicium­ karbidschicht mit hohem Widerstand ausgebildet ist und die Kanalschicht bildet.
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