DE4427857A1 - Verfahren zum Herstellen eines mit Aluminium dotierten Siliciumcarbid-Einkristalls - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines mit Aluminium dotierten Einkristalls aus Siliciumcarbid gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist aus der japanischen Zeitschrift "Shinku", Band 30, Heft 11 (1987), Seiten 886 bis 892 bekannt.

Siliciumcarbid (SiC) ist als Halbleitermaterial wegen seiner elektronischen und thermischen Eigenschaften besonders zum Einsatz bei hohen Temperaturen, bei hoher Strahlenbelastung und bei hohen elektrischen Spannungen und Strömen geeignet. Zur breiten Anwendung von SiC in der Halbleiterelektronik sind jedoch für eine Massenproduktion von Substraten und Chips geeignete Herstellverfahren zum Herstellen von n-do­ tierten und p-dotierten SiC-Einkristallen Voraussetzung. Zwei unterschiedliche, bekannte Verfahren zum Herstellen von dotierten SiC-Einkristallen beruhen auf der chemischen Ab­ scheidung aus der Dampfphase (CVD = Chemical Vapour Deposi­ tion) bzw. der Sublimationszüchtung.

Aus der DE-C-36 13 021 ist ein Verfahren zum Herstellen einer mit Aluminium p-dotierten SiC-Einkristallschicht bekannt, bei dem eine 0,5 bis 3 µm dicke SiC-Einkristallschicht auf einem SiC-Film bei einer Temperatur von 1300°C bis 1400°C durch CVD unter Verwendung von Wasserstoff als Trägergas aufgebracht wird und zugleich Aluminium in fester Form erhitzt wird und der entstehende Aluminiumdampf in die aufwachsende SiC-Ein­ kristall-Schicht unter Verwendung von Chlorwasserstoff als zusätzlichem Trägergas eingebracht wird.

Es ist ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer mit Alumi­ nium p-dotierten SiC-Epitaxieschicht auf einem Substrat durch CVD bekannt. Bei diesem Verfahren werden in ein Reaktorsystem Silan (SiH₄) und Propan (C₃H₈) mit Wasserstoff (H₂) als Trä­ gergas eingespeist. Als Dotierstoff wird zusätzlich dem Reak­ torsystem Triethylaluminium (TEA) zugeführt, indem Wasser­ stoff durch flüssiges TEA geschickt ("bubbling") und der mit TEA angereicherte Wasserstoff in das Reaktorsystem einge­ speist wird. Außerdem ist auch bekannt, eine durch einen CVD- Prozeß mit SiCl₄, C₃H₈ und H₂ aufwachsende SiC-Epitaxie­ schicht durch Beigabe von Aluminiumchlorid (AlCl₃) in das Reaktorsystem mit Aluminium zu dotieren ("Journal of Applied Physics", Band 55, Heft 1, 1. Januar 1984, Seiten 169-171).

Aus "Shinku", Band 30, Heft 11 (1987), Seiten 886 bis 892 sind Verfahren zum Herstellen eines mit Aluminium dotierten SiC-Volumeneinkristalls vom 6H-Polytyp durch Sublimations­ züchtung bekannt. Bei einem ersten Verfahren werden undotier­ tes SiC-Pulver und Aluminium in fester Form gleichzeitig er­ hitzt, das entstehende, sublimierte SiC in der Gasphase mit dem entstehenden Aluminiumdampf vermischt und das Gemisch schließlich auf einem SiC-Keimkristall als mit Aluminium p-do­ tierter SiC-Einkristall aufgewachsen. Bei einem zweiten Verfahren wird dagegen bereits mit Aluminium dotiertes SiC- Pulver erhitzt und das dabei entstehende, sublimierte SiC in der Gasphase auf einem SiC-Keimkristall aufgewachsen. Die derart aufgewachsenen SiC-Einkristalle zeigen jedoch noch In­ homogenitäten in ihrer Dotierung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen homogener, mit Aluminium dotierter SiC-Einkri­ stalle durch Sublimationszüchtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkma­ len des Anspruchs 1. Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, daß bei den aus dem Stand der Technik bekannten Herstellverfahren wegen der Verwendung von festem Aluminium als Ausgangsmaterial in dem aufwachsenden, mit dem Aluminium dotierten SiC-Kristall ein Konzentrationsgradient in Wachs­ tumsrichtung entsteht. Dieser Konzentrationsgradient ist da­ durch bedingt, daß Aluminium und seine Verbindungen schneller verdampfen als SiC. Die Dotierung gemäß der Erfindung durch Zuführen einer gasförmigen Verbindung des Aluminium ist dagegen konstant einstellbar. Die entstehenden mit Aluminium dotierten SiC-Einkristalle sind homogen und weisen auch in Wachstumsrichtung keine Inhomogenitäten auf.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

Bevorzugte Aluminiumverbindungen sind demnach organische und insbesondere Aluminiumverbindungen, insbesondere Alkyl-Alumi­ nium-Verbindungen, insbesondere Tri-Methyl-Aluminium (TMA), das durch die chemische Formel (CH₃)₃Al gekennzeichnet ist, Tri-Ethyl-Aluminium mit der chemischen Formel (C₂H₅)₃Al, Tri- Propyl-Aluminium in allen Isomeren und Tri-Butyl-Aluminium in allen Isomeren, insbesondere auch Tri-Isobutyl-Aluminium mit der Formel ((CH₃)₃C)₃Al, sowie anorganische Aluminiumverbin­ dungen, insbesondere Aluminiumhalogenide wie Aluminiumchlorid (AlCl₃), Aluminiumbromid (AlBr₃) oder Aluminiumjodid (AlJ₃).

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren einziger Figur eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Herstellverfahrens schematisch dargestellt ist.

In einem Reaktor 2 sind in einem Vorratsraum 22 ein Vorrat 23 von festem SiC, beispielsweise in Pulverform, und in einem Reaktionsraum 24 ein Keimkristall 25, der vorzugsweise aus SiC besteht, angeordnet. Der Vorratsraum 22 und der Reak­ tionsraum 24 sind durch eine Wand 21 vorzugsweise aus porösem Graphit getrennt, durch die durch Erhitzen des SiC-Vorrats 23 sublimiertes SiC in der Gasphase hindurchtreten kann. Das SiC in der Gasphase besteht im wesentlichen aus den drei Haupt­ komponenten Si, Si₂C und SiC₂. Die Wand 21 zwischen Vorrats­ raum 22 und Reaktionsraum 24 kann in einer anderen Ausfüh­ rungsform auch entfallen. An den Reaktionsraum 24 ist eine Gaszuführleitung 3 angeschlossen, über die eine mit AlX be­ zeichnete organische oder anorganische Aluminiumverbindung in gasförmigem Zustand in den Reaktionsraum 24 eingebracht und dort mit dem SiC in der Gasphase vermischt werden kann. Das Gemisch von SiC in der Gasphase und der gasförmigen Aluminiumverbindung AlX wächst als mit Aluminium dotierter SiC-Einkristall 4 auf dem Keimkristall 25 auf. Der Polytyp des aufwachsenden SiC-Einkristalls 4 kann beispielsweise durch die Wahl des Polytyps des Keimkristalls 25 eingestellt werden. Vorzugsweise werden dotierte SiC-Einkristalle 4 vom 6H- oder 4H-Polytyp erzeugt. Mit dem angegebenen Dotier­ verfahren können SiC-Einkristalle einer Länge in Wachstums­ richtung von wenigstens 40 mm aufgewachsen werden, die ent­ lang ihrer gesamten Länge eine wenigstens annähernd homogene Dotierung aufweisen.

Die Gaszuführleitung 3 besteht vorzugsweise aus einem hitze­ beständigen Material wie Graphit oder auch einem Metall wie beispielsweise Molybdän oder Tantal.

In der dargestellten, besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die gasförmige Aluminiumverbindung AlX vor dem Einleiten in den Reaktionsraum 24 gekühlt, um eine Zersetzung bei den für die Sublimation des SiC-Vorrats 23 erforderlichen hohen Temperaturen von beispielsweise wenigstens 2000°C wenigstens bis kurz vor Einleiten in den Reaktionsraum 24 zu vermeiden. Dazu ist die Gaszuführleitung 3 doppelwandig ausgebildet und wird mit einem durch den von der Außenwand 31 und der Innen­ wand 32 gebildeten Zwischenraum geleitetem Kühlmittel 36 ge­ kühlt. Als Kühlmittel 36 können Kühlgase oder auch Wasser verwendet werden.

In einem Bereich 33 nahe des mit 34 bezeichneten Anschlusses der Gaszuführleitung 3 an den Reaktionsraum 24 kann die Gas­ zuführleitung 3 auch nur mit einer einfachen Wand ohne Küh­ lung ausgebildet sein. Dieser Bereich 33 der Gaszuführleitung 3 ist dabei so zu bemessen, daß die Temperatur dort so hoch ist, daß die Aluminiumverbindung selbst oder bei einer ther­ mischen Zersetzung der Aluminiumverbindung entstehende Alumi­ niumteilverbindungen nicht an der Leitungswand kondensieren können und eine Verstopfung der Leitung vermieden wird.

Bei Verwendung von TMA als organischer Aluminiumverbindung beispielsweise ist eine bei der Zersetzung entstehende gas­ förmige Aluminiumteilverbindung die Substanz Al₄C₃. Diese Substanz Al₄C₃ hat schon bei Temperaturen von wenigstens etwa 1700°C einen ausreichend großen Dampfdruck, um einen Nieder­ schlag an der Leitungswand zu vermeiden.

Auch die Dampfdrücke von Aluminiumhalogeniden sind bei den für die Sublimationszüchtung typischen Temperaturen zwischen etwa 2000°C und etwa 2500°C im Reaktionsraum 24 ausreichend hoch.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases der organischen Aluminium­ verbindung in dem nicht mehr gekühlten Bereich 33 der Gaszu­ führleitung 3 so hoch eingestellt, daß die Reaktionszeit des thermischen Zerfalls der organischen Aluminiumverbindung grö­ ßer ist als die Zeit, die das Gas braucht, um vom gekühlten Bereich der Gaszuführleitung 3 in den Teil des ungekühlten Bereichs 33 der Gaszuführleitung 3 zu gelangen, in dem die Temperatur bereits so hoch ist, daß die Zerfallsprodukte nicht mehr an der Leitungswand kondensieren. Dazu kann der Leitungsquerschnitt des ungekühlten Bereichs 33 der Gaszu­ führleitung 3 entsprechend klein eingestellt werden, vorzugs­ weise kleiner als der Leitungsquerschnitt des gekühlten Be­ reichs der Gaszuführleitung 3.

Zum Schutz der Gaszuführleitung 3 in ihrem gekühlten Bereich ist vorzugsweise ein Hitzeschild 6 vorgesehen, das beispiels­ weise mit zwei parallel zueinander angeordneten Graphitfolien gebildet sein kann und zur Kühlung mit einem Kühlgas 61, vor­ zugsweise einem Edelgas wie Argon, angeblasen werden kann. Der Hitzeschild 6 dient dabei zur thermischen Entkopplung we­ nigstens eines Teils des gekühlten Bereichs der Gaszufüh­ rungsleitung 3 vom vergleichsweise heißen Reaktor 2, um die für die Gaszuführungsleitung 3 notwendige Kühlleistung zu reduzieren.

Claims (13)

1. Verfahren zum Herstellen eines mit Aluminium (Al) dotierten Einkristalls (2) aus Siliciumcarbid (SiC), bei dem

• a) Siliciumcarbid in fester Form wenigstens teilweise sublimiert wird,
• b) der SiC-Einkristall (2) durch Aufwachsen von sublimiertem Siliciumcarbid in der Gasphase auf einem Keimkristall (3) gebildet wird sowie
• c) zum Dotieren des Einkristalls (2) Aluminium zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• d) das Aluminium in Form einer gasförmigen Aluminium­ verbindung dem Siliciumcarbid in der Gasphase zugesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Aluminiumverbindung eine organische Aluminiumverbindung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Aluminiumverbindung eine Alkyl-Aluminium-Verbindung verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Aluminiumverbindung Tri-Methyl-Aluminium verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Aluminiumverbindung Tri-Ethyl-Aluminium verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Aluminiumverbindung Tri-Propyl-Aluminium verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Aluminiumverbindung Tri-Butyl-Aluminium verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Aluminiumverbindung eine anorganische Aluminiumverbindung verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem als Aluminiumverbindung ein Aluminiumhalogenid verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem als Aluminiumverbin­ dung Aluminiumchlorid verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem als Aluminiumverbin­ dung Aluminiumbromid verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem als Aluminiumverbin­ dung Aluminiumjodid verwendet wird.