DE69509678T3

DE69509678T3 - Epitaktische züchtung von siliciumcarbid und so hergestellte siliciumcarbidstrukturen

Info

Publication number: DE69509678T3
Application number: DE69509678T
Authority: DE
Inventors: Vladimir A. Fuquay-Varina DMITRIEV; Svetlana V. Rendakova; Vladimir A. Ivantsov; Calvin H. Jr. Cary CARTER
Original assignee: Cree Inc
Current assignee: Wolfspeed Inc
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2015-11-23
Also published as: JPH10509943A; JP4065021B2; DE69509678D1; WO1996017112A1; US5679153A; JP2007091589A; JP4414992B2; RU2142027C1; EP0795049B1; EP0795049B2; AU4369196A; CN1069935C; KR100420182B1; EP0795049A1; DE69509678T2; CA2205918C; CA2205918A1; CN1167511A; ATE180023T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die epitaktische Züchtung von Halbleitermaterialien in einer Weise, die Kristalldefekte minimiert und so die resultierende Leistung von Einrichtungen, die aus diesen Halbleitern hergestellt sind, verbessert. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Züchten epitaktischer Siliciumcarbidschichten mit geringen Defekten durch Flüssigphasenepitaxie (LPE).
Siliciumcarbid (SiC) ist ein idealer Halbleiter für die Herstellung von Einrichtungen in festem Zustand für viele Anwendungen, besonders jene, die hohe Kraftwerte erfordern. Solche Anwendungen, wie Luft- und Raumfahrt, Turbinenmotoren, Energienetze auf Raumbasis und viele andere, erfordern Schalter und Verstärker, die starke Ströme mit relativ geringem Spannungsabfall handhaben können. Fundamentale Eigenschaften von Siliciumcarbid geben ihm die Möglichkeit, in solchen Anwendungen Einrichtungen mit verbesserter Leistung zu liefern. Beispielsweise liegt das gemessene elektrische Durchschlagfeld für Siliciumcarbid im Bereich von 2 bis 4 × 10⁶ Volt je Zentimeter (V/cm) in Abhängigkeit von dem Dotierbereich, also bei einem Wert, der acht- bis zehnfach größer als jener von Silicium (Si) ist. So sollten aus Siliciumcarbid hergestellte Energieeinrichtungen in der Lage sein, große Spannungen sowohl von Gleichstrom (DC) als auch von Wechselstrom (AC) zu stützen. Erfolgreiches Arbeiten mit solch hohen Spannungen erlaubt seinerseits, die Einrichtungen zu verstärken und bei großen Energiewerten zu schalten.
Außerdem können Siliciumcarbideinrichtungen wegen ihres relativ breiten Bandabstandes bei Temperaturen bis zu wenigstens etwa 500 °C arbeiten.
In den letzten zehn Jahren wurden bei der Siliciumcarbidzüchtung und -verarbeitung und bei Einrichtungen auf Siliciumcarbidbasis große Fortschritte gemacht. Beispielsweise waren 1984 blaulichtemittierende Dioden in SiC nur in extrem geringen Mengen verfügbar (ein oder zwei auf einmal und nur mit sehr hohen Kosten, ungefähr $ 75,00 je Diode bei damaligen Strompreisen). Im Gegensatz hierzu lieferte bei der Einreichung dieser Anmeldung die Erwerberin der vorliegenden Erfindung, Cree Research, Inc., blaulichtemittierende Dioden an gewerbliche Märkte in Jahresmengen von Millionen und zu extrem niedrigen Kosten, d. h. etwa 10 Cent je Diode bei den Preisen von 1994.
Aus Siliciumcarbid gebildete Hochenergieeinrichtungen müssen jedoch noch ein ähnliches kommerzielles Erscheinungsbild oder eine ähnliche Schlagkraft trotz vieler Bewertung, Untersuchung und theoretischer und gestalterischer Arbeit bekommen. Der beschränkende Hauptfaktor, der derzeit eine umfangreichere Verwendung von Siliciumcarbid für Hochenergieeinrichtungen verhindert, ist die relativ hohe Defektdichte in Siliciumcarbidsubstraten, besonders eine hohe Dichte eines Defekttyps, der als "Mikroröhrchen" bezeichnet wird. Wie die Fachwelt auf dem Halbleitergebiet gut versteht, beeinfluß die Qualität eines Halbleiterkristalles oftmals die Qualität von daraus gefertigten Einrichtungen signifikant. Außerdem können Defekte, die bei niedrigen Spannungen kein oder nur ein geringes Problem darstellen und somit in Niedrigenergieeinrichtungen außer Acht gelassen oder kompensiert werden können, signifikante Probleme einschließlich katastrophalen Versagens in Einrichtungen verursachen, die bei höheren Energiewerten arbeiten.
Die Erwünschtheit und Vorteile einer Verwendung des gleichen Halbleitermaterials sowohl für das Substrat als auch für die aktiven Bereiche einer Einrichtung liegen für den Durchschnittsfachmann auf der Hand. In dieser Hinsicht wurden die besonderen Vorteile von SiC-Substrat und für SiC-Einrichtungen überall gründlich angesprochen und werden hier nicht mehr wiederholt. Siehe zum Beispiel die US-Patentschriften Nr. 4 912 063 , 4 912 064 und 4 866 005 .
Von allen verschiedenen Defekttypen sind Mikroröhrchen, die auch als Nadellöcher bezeichnet werden, für fas alle Einrichtungstypen allgemein katastrophal. Ein Mikroröhrchen ist tatsächlich ein rohrförmiger Hohlraum mit einem Durchmesser im Bereich von wenigen Mikron bis hoch zu 0,1 mm, der sich entlang der Wachstumsrichtung erstreckt. Obwohl Silciumcarbidplättchen typischerweise einige Bereiche haben, die keine Mikroröhrchen enthalten, liegt ihre mittlere Dichte für ein Siliciumcarbidplättchen, selbst wenn es im übrigen äußerst hohe Qualität hat, zwischen etwa 100 und 400 cm^-2 oder selbst so hoch wie 1000 cm^-2, d. h. gemessen als die Anzahl in einem bestimmten Bereich der Substratoberfläche auftretend. Siehe zum Beispiel Barreff et al., Züchtung von großen SiC-Einkristallen, Journal of Crystal Growth, 128 (1993), Seiten 358 bis 362.
Obwohl die Erfinder nicht durch die Theorie gebunden sein wollen, scheint es doch, daß mehrere verschiedene Mechanismen für die Mikroröhrchenbildung verantwortlich sind. Einige dieser Mechanismen scheinen am Kern die Bildung einer Überschraubungsverlagerung zu bewirken, während andere nicht mit solchen Verlagerungen verbunden sind. Die andere Primärtype von Linienabweichungen sind gemischte Verlagerungen, die primär in der Basisebene liegen. Eine Primärquelle für diese Verlagerungen scheinen die großen Spannungsfelder zu sein, die mit Überschraubungsverlagerungen verbunden sind.
Defekte, wie Mikroröhrchen, Narben, Einschlüsse, Verlagerungen und Stapelungsfehler, die in einem Substrat gewöhnlich vorliegen, schreiten in jeder epitaktischen Struktur, die auf dem Substrat gezüchtet wird, fort, und führen zu Einrichtungsverschlechterung bei speziellen Energiewerten. Obwohl einige theoretische Erklärungen vielversprechend zu sein scheinen, sind die Mechanismen der Mikroröhrchenbildung noch nicht vollständig klar, und somit sind Methoden zu ihrer Steuerung derzeit noch nicht recht zufriedenstellend.
Einige Forscher versuchten, das Problem durch Züchtung epitaktischer Schichten auf anderen Substratebenen von Siliciumcarbid als der Basisebene zu lösen. Trotz einiger Erfolge haben jedoch p-n-Verbindungen, die auf Plättchenebenen senkrecht zur Basisebene gezüchtet wurden, weniger als die Hälfte der elektrischen Feldstärke von Verbindungen, die im wesentlichen parallel zur Basisebene gezüchtet sind.
Obwohl somit Siliciumcarbid ein ungeheures Potential für Energieeinrichtungen bietet, werden solche Einrichtungen nicht gewerblich lebensfähig werden, bis die Kristalleigenschaften von Siliciumcarbidstrukturen solch hohe Energiewerte stützen können.
Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, epitaktische Schichten von Siliciumcarbid zu bekommen, die wesentlich verminderte Mikroröhrchendefekte haben.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung epitaktischer Schichten von Siliciumcarbid nach Anspruch 1, die eine Mikroröhrchendichte von zwischen 0 und 50 cm 2 an der Oberfläche aufweisen, indem man Masseeinkristalle von Siliciumcarbid unter Verwendung einer Keimsublimationstechnik wachsen läßt und ein Substrat darauf erzeugt, welches eine Mikroröhrchendichte von 50 bis 400 cm^-2 auf seiner Oberfläche hat, eine erste epitaktische Schicht von Siliciumcarbid auf dem Substrat unter Verwendung einer Flüssigphasen-Epitaxie-Technik bildet, bis die Schicht eine ausreichende Dicke hat, um Mikroröhrchenfehlstellen zu schließen, die sich durch das Substrat in das Wachstum der ersten epitaktischen Schicht fortgepflanzt haben, und danach eine zweite epitaktische Schicht von Siliciumcarbid auf der ersten epitaktischen Schicht durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase bildet.
Nach einem anderen Aspekt, wie er in Anspruch 5 dargestellt ist, umfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht von Siliciumcarbid mit einer Mikroröhrchenfehlstellendichte von 0 bis 50 cm^-2 auf ihrer Oberfläche auf einem Siliciumcarbidsubstrat mit einer Mikroröhrchendichte von 500 bis 400 cm^-2 an seiner Oberfläche durch Flüssigphasen-Epitaxie aus einer Schmelze von Siliciumcarbid in Silicium und einem Element, das die Löslichkeit von Siliciumcarbid in der Schmelze verbessert, wobei der Atomprozentsatz jenes Elementes gegenüber dem Atomprozentsatz von Silicium vorherrscht, und Mikroröhrchenfehlstellen verschließt, die sich durch das Substrat in die epitaktische Schicht fortgepflanzt haben, indem man das Wachstum der epitaktischen Schicht fortsetzt, bis diese eine Dicke erreicht hat, bei der in dem Substrat vorhandene Mikroröhrchenfehlstellen im wesentlichen nicht mehr in der epitaktischen Schicht reproduziert werden.
Nach noch einem anderen Aspekt, wie er in Anspruch 10 wiedergegeben ist, umfaßt die Erfindung eine Siliciumcarbidstruktur, die aus einem Einkristallmassen-Siliciumcarbidsubstrat mit einer Mikroröhrchendichte zwischen etwa 50 und 400 je Quadratzentimeter auf seiner Oberfläche und einer epitaktischen Siliciumcarbidschicht auf einer Oberfläche des Siliciumcarbidsubstrates gebildet ist, wobei diese epitaktische Schicht eine Mikroröhrchendichte zwischen etwa 0 und 50 je Quadratzentimeter auf ihrer Oberfläche hat.
Nunmehr wird auf die beiliegende Zeichnung, welche bevorzugte und beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung erläutert, Bezug genommen, worin
1 eine optische Mikrophotographie der Oberfläche einer epitaktischen Schicht ist, die nach der vorliegenden Erfindung gebildet wurde,
2 eine optische Mikrophotographie ist, die durch das Substrat genommen ist, auf welchem die epitaktische Schicht von 1 gezüchtet wurde, und die im Vergleich mit der großen Anzahl von Fehlstellen in dem Substrat zeigt, daß diese nicht in der in 1 erläuterten Oberfläche reproduziert werden,
3 eine andere optische Mikrophotographie ähnlich 1 ist, die die Oberfläche einer epitaktischen Schicht nach der vorliegenden Erfindung erläutert,
4 eine andere Mikrophotographie entsprechend 2 und durch das Substrat genommen ist, auf welchem die epitaktische Schicht von 3 gezüchtet wurde,
5 eine Querschnitts-Röntgenstrahlentopographie des Siliciumcarbidsubstrates mit einer epitaktischen Schicht darauf nach der vorliegenden Erfindung ist und
6 ein schematisches Diagramm eines Flüssigphasen-Epitaxie (LPE)-Züchtungssystems ist, welches bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung brauchbar ist.
Bei einer ersten Ausführungsform umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung epitaktischer Schichten von Siliciumcarbid, die im wesentlichen frei von Mikroröhrchenfehlstellen sind, indem man zunächst einen Massenkristall von Siliciumcarbid unter Verwendung einer Keimsublimationstechnik züchtet. Wie hier verwendet, bedeutet eine Keimsublimationstechnik eine andere Sublimationstechnik als jene, die allgemein als die "Lely"- oder "Acheson"-Techniken bezeichnet werden. Wie für den Fachmann allgemein bekannt ist, ist die Lely-Technik eine keimlose Züchtung von Siliciumcarbid vom Sublimationstyp aus Siliciumcarbidpulver in einem Ofen, gewöhnlich von Graphit.
Die Acheson-Technik besteht allgemein darin, daß man einen Ofen mit geeigneten Pulvermaterialien, wie Koks, Graphit und Kieselsäure, in einem geeigneten stöchiometrischen Gemisch füllt. Das gepackte feste Gemisch wird ausreichend erhitzt, um Siliciumcarbidkristalle in der gepackten Mischung zu bilden. Beispiele in der Patentliteratur sind etwa die US-Patentschriften Nr. 5 265 118 von Takenaka et al., erteilt am 23. November 1993, und 4 419 336 von Kuriakose, erteilt am 6. Dezember 1983. Es wird jedoch verständlich sein, daß diese Literaturstellen einfach als Erläuterung der aus jüngerer Zeit stammenden Acheson-Techniken dienen.
Im Gegensatz dazu wird bei der Erfindung der Masseneinkristall unter Verwendung der Technik gezüchtet, die von Carter et al in der US-Patentschrift Nr. 4 866 005 beschrieben ist, welche auf die Erwerberin der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und deren Inhalt hier vollständig durch Bezugnahme (oder im wesentlichen ähnlich zu ihr) aufgenommen wird. Diese Technik erwies sich als derzeit erfolgreichste Methode zur Züchtung großer Einkristalle von Siliciumcarbid einer erwünschten Polytype mit hoher Qualität (d. h. von Kristallen mit Durchmessern von 1 in oder mehr), die brauchbar zur Erzeugung von Plättchen für epitaktisches Wachstum und die anderen erforderlichen Vorläufer für brauchbare gewerbliche Einrichtungen und nicht nur von theoretischem oder labortechnischem Interesse sind. Es wurde jedoch gefunden, daß, obwohl Kristalle, die nach der Carter-Technik gebildet wurden, allgemein von viel höherer Qualität als jene sind, die nach der vorbekannten Technik gebildet wurden, sie doch noch anfällig für Mikroröhrchenfehlstellen sind. Wie oben angegeben, stellen diese Fehlstellen nur ein geringes oder kein Problem für bestimmte Niedrigenergieeinrichtungen dar, bieten aber signifikante Probleme bei höheren Energie-, Strom- und Spannungswerten.
Außerdem wurde festgestellt, daß Züchtung durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase, die in der letzten Dekade mehr und mehr erfolgreich wurde (siehe z. B. Davis et al. US-Patentschriften Nr. 4 912 063 und 4 912 064 ) dazu neigt, die Mikroröhrchenfehlstellen, die in den Massen-Siliciumcarbidkristallen vorkommen, welche durch Keimsublimation gezüchtet sind, getreulich zu reproduzieren neigt.
So umfaßt die Erfindung in der zweiten Stufe die Bildung einer ersten epitaktischen Schicht von Siliciumcarbid auf dem Substrat unter Verwendung einer Flüssigphasen-Epitaxie-Technik und unter den geeigneten Wachstumsbedingungen, wie sie hier angegeben sind, bis die Schicht eine ausreichende Dicke erreicht hat, um Mikroröhrchenfehlstellen zu verschließen, die sich durch das Substrat in das Wachstum der ersten epitaktischen Schicht fortgepflanzt haben, so daß die Reproduktion von Mikroröhrchenfehlstellen in dem Schmelzwachstum der ersten epitaktischen Schicht wesentlich reduziert und gegebenenfalls vollständig ausgeschaltet wird. Die allgemeinen Prinzipien der Flüssigphasen-Epitaxie sind dem Fachmann auf dem Gebiet des Kristallzüchtens natürlich bekannt, und die speziellen Bedingungen, die für spezielle Ziele erforderlich sind, können von jenen Fachleuten und ohne ungebührliches Experimentieren bestimmt werden. Spezielle Hintergrundstechniken, die bei Siliciumcarbid besonders erläuternd und brauchbar sind, finden sich beispielsweise in Dmitriev et al., Silicon Carbide and SiC-ALN Solid-Solution P-N Structures Grown by Liquid-Phase Epitaxy, Physica B. 185 (1993), Seiten 440 bis 452, auf deren Inhalt hier vollständig Bezug genommen wird.
Als eine Endstufe und zur Bildung des elektronisch aktiven Bereiches für die Einrichtungsbildung umfaßt die letzte Stufe in dem Verfahren die Ausbildung einer zweiten epitaktischen Schicht von Siliciumcarbid auf der ersten epitaktischen Schicht von Siliciumcarbid durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase.
Obwohl die Erfinder nicht durch irgendeine spezielle Theorie der Erfindung gebunden sein wollen, wird doch hypothetisiert, daß die Dicke und Geschwindigkeit des LPE-Wachstums im Gegensatz zu dem CVD-Wachstum einen schnelleren und vollständigeren Verschluß der Mikroröhrchen beim LPE-Wachstum als beim CVD-Wachstum fördert.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Massen-Einkristall vom 6H-Polytyp und umfaßt die erste epitaktische Schicht ähnlich dem 6H-Polytyp. Bei anderen bevorzugten Ausführungsfor men ist der Massen-Einkristall vom 4H-Polytyp und die epitaktische Schicht ähnlich dem 4H-Polytyp.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Stufe der Bildung der ersten epitaktischen Schicht die Ausbildung der ersten Schicht mit einer ersten Leitfähigkeitstype und die Stufe einer Bildung der zweiten epitaktischen Schicht die Ausbildung der zweiten Schicht mit der entgegengesetzten Leiffähigkeitstype gegenüber der ersten Schicht, um dabei eine p-n-Verbindung zwischen der ersten und der zweiten epitaktischen Schicht zu bilden.
Bei einer anderen Ausführungsform umfaßt das Verfahren die Ausbildung sowohl der ersten als auch der zweiten epitaktischen Schicht mit der gleichen Leiffähigkeitstype und die anschließende Bildung einer dritten epitaktischen Schicht auf der zweiten Schicht, wobei die dritte epitaktische Schicht die entgegengesetzte Leitfähigkeitstype gegenüber der ersten und zweiten Schicht hat, um dabei eine p-n-Verbindung zwischen der zweiten und dritten epitaktischen Schicht zu bilden.
Nach einem anderen Aspekt wurde gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt, daß das erfolgreiche Lösungswachstum von Siliciumcarbid durch Flüssigphasen-Epitaxie durch die Anwesenheit eines anderen Elementes gefördert wird, welches die Löslichkeit von Siliciumcarbid in der Schmelze verbessert. Bei dieser Ausführungsform umfaßt das Verfahren unter Herstellung von epitaktischen Schichten, die wesentlich verminderte Mikroröhrchendefekte haben oder frei von ihnen sind, ein Züchten einer epitaktischen Schicht von Siliciumcarbid auf einem Siliciumcarbidsubstrat durch Flüssigphasen-Epitaxie aus einer Schmelze von Siliciumcarbid in Silicium und einem Element, welches die Löslichkeit von Siliciumcarbid in jener Schmelze verbessert, wobei der Atomprozentsatz jenes Elementes gegenüber dem Atomprozentsatz von Silicium vorherrscht. Das Verfahren umfaßt weiterhin ein Verschließen von Mikroröhrchendefekten, die sich durch das Substrat in die epitaktische Schicht fortgepflanzt haben, indem man die epitaktische Schicht weiterzüchtet, bis sie eine Dicke erreicht hat, bei welcher in dem Substrat vorhandene Mikroröhrchenfehlstellen im wesentlichen nicht mehr in der epitaktischen Schicht reproduziert werden und so die Anzahl von Fehlstellen darin wesentlich reduziert wird.
Bei bevorzugten Ausführungsformen umfaßt das zusätzliche Element in der Schmelze Germanium, so daß die epitaktische Schicht in einer Schmelze von Silicium und Germanium gezüchtet wird. Stärker bevorzugt liegt der Atomprozentsatz von Germanium in der Schmelze zwischen etwa 70 und 90 %, wobei Atomprozentsätze von Germanium zwischen etwa 75 und 80 % am meisten bevorzugt sind.
Von einem funktionellen Standpunkt kann die Menge des anderen Elementes, vorzugsweise von Germanium, als ein ausreichender Atomprozentsatz von Silicium beschrieben werden, um eine geeignete Wachstumsgeschwindigkeit zu begünstigen, doch geringer als die Siliciummenge, die eine spontane Erzeugung von Kristallen in der Schmelze ergeben würde. Das die Löslichkeit verbessernde Element (vorzugsweise Germanium) sollte in einem ausreichenden Atomprozentsatz vorliegen, um das Wachstum von Siliciumcarbid in der Schmelze zu optimieren, doch in einem geringeren Atomprozentsatz als eine Menge, die die Oberfläche der wachsenden epitaktischen Schicht graphitisieren würde. Wie dem Fachmann auf dem Gebiet dieser Kristallwachstumstechniken bekannt ist, wird Graphit recht oft als der Behälter oder Aufhänger für epitaktisches Wachstum verwendet. Zu viel Silicium in der Schmelze neigt dazu, den Graphitaufhänger zu ätzen, wobei er Siliciumcarbid bildet, während ein zu hoher Prozentsatz eines dritten Elementes, wie Germanium, dazu neigt, das Wachstum von Graphit ("Graphitisierung") auf der Oberfläche der epitaktischen Schicht zu begünstigen.
Wie nachfolgend in dem experimentellen Abschnitt ausgeführt ist, umfaßt die Stufe eines Züchtens der epitaktischen Schicht auf einem Siliciumcarbidsubstrat vorzugsweise ein Züchten der Schicht bei einer Lösungstemperatur zwischen etwa 1600 und 1800 °C. Wie oben auch erwähnt wurde, scheint es so zu sein, daß die zusätzliche Dicke, die in der epitaktischen Schicht durch LPE erzeugt werden kann, beim Verschließen der Mikroröhrchendefekte brauchbar ist. So besteht die bevorzugte Methode darin, die epitaktische Schicht zu einer Dicke zwischen etwa 40 und 70 μ wachsen zu lassen, wobei eine Dicke zwischen etwa 50 und 60 μ am meisten bevorzugt ist, obwohl sich unter einigen Umständen Dicken so niedrig wie 20 μ als ausreichend erwiesen.
Wie bei der ersten Ausführungsform kann das Verfahren weiterhin die Stufe einer Bildung einer anderen epitaktischen Schicht von Siliciumcarbid auf einer ersten epitaktischen Schicht unter Verwendung chemischer Abscheidung aus der Dampfphase umfassen. Wie bei der ersten Ausführungsform kann die zweite epitaktische Schicht aus der entgegengesetzten Leitfähigkeitstype gegenüber der ersten epitaktischen Schicht gemacht werden [übliche Dotiermittel für Siliciumcarbid schließen Stickstoff (N) für die n-Type und Aluminium (Al) für die p-Type ein], oder es können gegebenenfalls beide epitaktischen Schichten aus der gleichen Leitfähigkeitstype gebildet werden, worauf dann eine dritte Leitfähigkeitstypenschicht ausgebildet wird, um die Verbindungsstruktur zu bekommen, die in so vielen Halbleitereinrichtungen brauchbar ist.
In dem Produkt der Erfindung zeigt die epitaktische Schicht vorzugsweise eine Röntgenstrahlen-Rockingkurve mit einer vollen Breite von 25 Bogensekunden oder weniger bei halbem Maximum hat. Wie dem Fachmann für die Messung und Bewertung von Kristallstrukturen bekannt ist, repräsentiert die Röntgenstrahlen-Rockingkurve die Breite eines Röntgenstrahlenbeugungspeaks, der durch einen bestimmten Kristall erzeugt wird. Breitere Peaks neigen dazu, schlechtere Kristallqualität anzuzeigen, da sie eine starker gestreute Beugung auffallender Röntgenstrahlen, die auf den Kristall treffen, wiedergeben. Umgekehrt geben schmalere Röntgenstrahlen-Rockingkurven höhere oder bessere Kristallqualität wieder, da sie sich der idealen (aber praktisch unerreichbaren) Situation, in welcher ein perfekter Kristall nur eine einzige einfallende Wellenlänge beugt, nähern.
Diese Struktur kann weiter beschrieben und der Wert der Erfindung weiter verstanden werden, da das Substrat eine Röntgenstrahlen-Rockingkurve mit einer vollen Breite von etwa 100 Bogensekunden oder weniger bei halbem Maximum demonstrieren kann. Die Reduktion in der Röntgenstrahlen-Rockingkurve zwischen dem Substrat und der epitaktischen Schicht demonstriert die Vorteile der vorliegenden Erfindung. Wie in den obenbeschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens können das Substrat und die epitaktische Schicht beide vom Polytyp 6H oder 4H sein. Außerdem liegt eine bevorzugte Dicke der epitaktischen Schicht zwischen etwa 25 und 75 μ, wobei die am meisten bevorzugte Dicke zwischen etwa 40 und 70 μ liegt.
Bei Anwendung der Technik der vorliegenden Erfindung kann eine Siliciumcarbidstruktur erzeugt werden, in welcher die epitaktische Schicht im wesentlichen rund ist und einen Durchmesser von wenigstens 1 in hat, gegebenenfalls 2 in oder mehr, während sie noch die außerordentliche Kristallqualität demonstiert, die beispielhalber durch die schmale Röntgenstrahlen-Rockingkurve wiedergegeben wird.
Wie bei allen obigen Ausführungsformen kann die Strukur weiterhin eine zweite epitaktische Schicht mit der entgegengesetzten Leitfähigkeitstype gegenüber der ersten epitaktischen Schicht umfassen, so daß die epitaktischen Schichten eine p-n-Verbindung bilden.
Bei noch einer anderen Ausführungsform umfaßt die Erfindung eine Siliciumcarbidstruktur hoher Qualität, besonders für die Verwendung in elektronischen Energieeinrichtungen, welche ein Einkristall-Massensiliciumcarbidsubstrat mit einer Mikroröhrendichte zwischen 50 und 400 je Quadratzentimeter auf seiner Oberfläche sowie eine epitaktische Schicht von Siliciumcarbid auf dieser Oberfläche jenes Substrates mit einer Mikroröhrendichte umfaßt, die auf 0 bis 50 je Quadratzentimeter auf ihrer Oberfläche reduziert wurde.
Wie in den vorausgehenden Ausführungsformen können sowohl das Substrat als auch die epitaktische Schicht Polytypen 6H oder 4H sein, liegt die bevorzugte Dicke zwischen etwa 40 und 70 μ und können die Substrate und epitaktischen Schichten mit Durchmessern von wenigstens etwa 1 in und mit geeigneten epitaktischen Verbindungsschichten darauf hergestellt werden.
Die Vorteile der Erfindung werden in der Zeichnung weiter erläutert. 1 ist eine optische Mikrophotographie und ein begleitendes Schema, die die Oberflächeneigenschaften einer epitaktischen Schicht zeigen, welche gemäß der vorliegenden Erfindung gezüchtet wurde. Der Pfeil in dem schematischen Teil von 1 beginnt an der Oberfläche der epitaktischen Schicht, um den Punkt zu zeigen, von welchem die Mikrophotographie aufgenommen wurde. Zu Vergleichszwecken zeigt 2, in welcher der Pfeil anzeigt, daß die Mikrophotographie von dem Substrat aufgenommen wurde, eine größere Anzahl von Fehlstellen einschließlich mehrerer großer Mikroröhrendefekte an der Oberseite, der unteren Mitte und dem linken Bodenabschnitt von 2. Das Vorhandensein dieser Defekte in 2 und ihre Beseitigung und Abwesenheit in 1 erläutern die Vorteile der vorliegenden Erfindung.
Die 3 und 4 sind in gleichem Verhältnis zueinander wie die 1 und 2. 4 zeigt wiederum eine signifikante Anzahl großer Defekte im Substrat, während 3 eine stark verbesserte Oberfläche zeigt, aus welcher die in 4 sichtbaren Mikroröhren beseitigt wurden.
5 ist eine Querschnitts-Röntgenstrahlentopographie des Siliciumcarbidsubstrates mit einer epitaktischen Schicht, die durch LPE gemäß der vorliegenden Erfindung, am Punkt des Pfeiles beginnend, gezüchtet wurde. Das gleichbleibende Aussehen vom Substrat über die epitaktische Schicht ist eine Erläuterung der Kristallwachstumsvorteile der vorliegenen Erfindung.
6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Flüssigphasen-Epitaxie-Wachstumszelle, die verwendet wird, um die epitaktischen Schichten der vorliegenden Erfindung zu bilden. Die Zelle enthält eine Graphitheizeinrichtung 10, einen Schmelztiegel 11, die Schmelze von Silicium und vorzugsweise Germanium 12 und das Siliciumcarbidplättchen 13, auf welchem Wachstum stattfindet. Vorzugsweise wird die Zelle von 6 in Verbindung mit einer Tauchrotationstechnik unter Verwendung des rotierenden Trägers 14 benutzt, welcher das Siliciumcarbidplättchen 13 in die Schmelze 12 eintaucht und dreht. Die Verwendung der Zelle von 6 ist im folgenden Abschnitt in weiteren Einzelheiten beschrieben.
Experimentelles Verfahren
Homoepitaktische Schichten der Polytypen 6H und 4H werden auf entsprechenden Siliciumcarbidplättchen als Substraten gezüchtet. Die Plättchen haben einen Durchmesser von 30 mm und werden durch eine Sublimationstechnik gezüchtet, wie beispielsweise die Technik, die von Carter et al. in der oben eingeführten US-Patentschrift Nr. 4 866 005 beschrieben ist. Nach dem Abtrennen von dem Träger werden die Plättchen poliert und geätzt, um die Oberflächenschicht zu entfernen, die durch mechanische Behandlung verletzt wurde.
Danach werden die Fehlstellen in der Kristallstruktur der Plättchen vor dem Flüssigphasen-Epitaxie-Wachstum untersucht. Die Plättchen werden durch chemisches Ätzen in geschmolzenem Kaliumhydroxid (KOH) während 5 min bei 500 °C gekennzeichnet. Das Ätzverfahren macht Kristallmakrodefekte, wie Mikroröhren, Polytyp, Einschlüsse und Verlagerungen, die unter einem optischen Mikroskop klar sichtbar in die Oberfläche eindringen. Die Anzahl der Mikroröhren wird zusätzlich in einem geätzten Plättchen mit einem Abbildungs- und Digitalisierungssystem ausgezählt. Das Digitalisierungssystem bestimmt genau die Stellen der Mikroröhren auf den Plättchen.
Die Kristalldefektstellen und deren Dichte können auch durch Röntgenstrahlentopographie bestimmt werden. Röntgenstrahlenbeugung wird verwendet, um die Kristallqualität zu kennzeichnen, indem die volle Breite der Röntgenstrahlen-Rockingkurve gemessen wird. Differential-Röntgenstrahlendiffraktometrie ergibt seinerseits Information über die Röntgenstrahlenstreuungsintensitätsverteilung nahe einer reziproken Gitterstelle. Rockingkurven sowohl der θ- und θ-2θ-Abtastungen werden mit einem Doppelkristall-Röntgenstrahlenspektrometer unter Verwendung von Kupfer K_a-Strahlung und einem defektfreien Siliciumcarbid-Lely-Kritall mit (0001)-Ausrichtung als Monochromator aufgezeichnet.
Ein Mikrokathodolumineszenzaufbau, der in einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) installiert ist, wird auch verwendet, um die Natur der Fehlstellen zu untersuchen. Die Technik ist extrem hilfreich, um kleine Einschlüsse unterschiedlicher Polytypen in Siliciumcarbid zu untersuchen und zu identifizieren. Schließlich wird die Qualität der Plättchenoberflächenbehandlung vor dem epitaktischen Wachstum durch RHEED untersucht.
Das epitaktische Flüssigphasenwachstum wird unter Verwendung einer Kohlenstofflösung in einer Silicium-Germanium-Schmelze (SiGe) in einem Temperaturbereich zwischen etwa 1600 und 1800 °C durchgeführt. Die Züchtung erfolgt in einem durch Widerstandsheizung erhitzten Ofen, der Temperaturen bis zu etwa 2500 °C ergeben kann, wobei die Temperatur während des epitaktischen Wachstums durch Wolfram/Ruthenium (W/Re)-Thermoelemente gemessen und überwacht wird.
Eine Tauch-Rotationstechnik wird für das Züchten verwendet. Das Siliciumcarbidplättchen wird in einem Graphithalter fixiert und zusammen mit dem Graphitschmelztiegel, der etwa 30 g eines Gemisches von Silicium und Germanium (Si/Ge) enthält, in den Ofen eingeführt. Nach dem Beladen wird die Züchtungskammer 30 min evakuiert, um Sauerstoff zu entfernen, und dann mit äußerst reinem Helium (He) gefüllt. Der Schmelztiegel mit der Beladung wird dann bis zum Schmelzpunkt von Silicium (1403 °C) erhitzt. Nach dem Schmelzen des Si/Ge-Gemisches wird das Siliciumcarbidplättchen relativ nahe zu der Schmelzoberfläche abwärts bewegt. Das Plättchen wird 15 min in dieser nahen, aber nicht eingetauchten Position gehalten, um thermische Spannungen, die sonst erzeugt werden könnten, wenn das Plättchen in die Schmelze eingetaucht würde, zu reduzieren.
Das Plättchen wird danach langsam in die Schmelze getaucht, deren Temperatur dann auf die erwünschte Wachtstumstemperatur gesteigert wird. Während des Wachstumszyklus wird die Temperatur konstant gehalten, so daß Wachstum in dem Temperaturgradienten, der in dem Schmelztiegel vorliegt, stattfindet. Die Temperatur der Schmelzoberfläche wird etwa 30 °C niedriger als die am Boden des Schmelztiegel gehalten. Die Si/Ge-Schmelze wird mit Kohlenstoff gesättigt gehalten, der sich aus den Graphitschmelztiegelwänden löst. Die Wachstumszeit kann im Bereich von etwa 30 bis 240 min (1/2 bis 4 h) variiert werden, je nach der Wachstumstemperatur und der Zusammensetzung der Schmelze, um die Dicke der epitaktischen Schicht in der Größenordnung zwischen etwa 10 und 50 μ zu halten. Nchdem das epitaktische Wachstum abgeschlossen ist, wird die Probe entfernt und der Ofen gekühlt. Wenn Schmelztröpfchen auf der Probe oder dem Substrathalter bleiben, werden sie durch chemisches Ätzen in einem Gemisch von Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure (HF-HNO₃) entfernt, wonach die Probe in einem üblichen RCA-Verfahren gereinigt wird.
Nach dem Züchten werden die epitaktischen Schichten unter Verwendung verschiedener Techniken gekennzeichnet, wie durch optische Mikroskopie mit Ultravioletterregung, Winkelläppen, Elektronenmikroskopie und RHEED. Wenn die epitaktischen Schichten später als Keim für weiteres epitaktisches oder Massenwachstum verwendet werden sollen, wird die Qualität des Materials, das oben auf der LPE-Schicht aufgewachsen ist, durch Bewertung der Oberflächenmorphologie und Kristallstruktur bestimmt.
Die Kristallstruktur der gezüchteten Schichten wird auch mit den gleichen Techniken untersucht, die zur Untersuchung der Oberfläche vor dem epitaktischen Wachstum verwendet wurden, wie Röntgenstrahlentopographie und Röntgenstrahlenbeugung. Röntgenstrahlentopographie wird verwendet, um das Tiefenprofil der Fehlstellenverteilung in den Schichten zu bestimmen. Die Plättchen werden auch in geschmolzenem KOH bei 500 °C geätzt und das Oberflächenbild wiederum digitalisiert, um das Ausmaß zu bestimmen, in welchem die Mikroröhrchen und die anderen Fehlstellen reduziert wurden. Die Verteilung und Dichte der Fehlstellen in der epitaktischen Schicht werden dann mit der Verteilung und Dichte der Fehlstellen in dem Anfangsplättchen verglichen.
Der Grad, in welchem sich Fehlstellen von dem Plättchen in die epitaktische Siliciumcarbidschicht fortpflanzen, wird durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. TEM-Techniken in Draufsicht wie auch im Querschnitt werden verwendet, um die Fehlstellenverteilung an der Grenzfläche zwischen Substrat und epitaktischer Schicht zu bestimmen, wie auch um den Mechanismus der Mikroröhrenbildung und -beendigung zu untersuchen. Mikrokathodolumineszenz und TEM werden verwendet, um die Kristallstrukturqualität über den Mikroröhren zu untersuchen.
Vorergebnisse zeigen, daß Wachstum, Temperatur, Wachstumsgeschwindigkeit und Schichtdicke alle kritisch sind, um die Mikroröhrenfortpflanzung in der epitaktischen Siliciumcarbidschicht während des LPE-Wachstums zu verhindern.
In der Zeichnung und Beschreibung wurden typische bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, und, obwohl spezielle Begriffe verwendet wurden, wurden sie nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinne und nicht zum Zwecke einer Beschränkung verwendet, wobei der Gedanke der Erfindung in den folgenden Ansprüchen wiedergegeben ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung epitaktischer Schichten von Siliciumcarbid, die eine Mikroröhrenfehlstellendichte von 0 bis 50 cm^-2 auf der Oberfläche haben, indem man einen Massekristall von Siliciumcarbid unter Verwendung einer Keimsublimationstechnik wachsen läßt und ein Substrat darauf erzeugt, welches eine Mikroröhrendichte von 50 bis 400 cm^-2 auf seiner Oberfläche hat, eine erste epitaktische Schicht von Siliciumcarbid auf einem aus dem Massekristall hergestellten Substrat unter Verwendung einer Flüssigphasen-Epitaxietechnik bildet, bis die Schicht eine ausreichende Dicke hat, um Mikroröhrenfehlstellen, die sich durch das Substrat in das Wachstum der ersten epitaktischen Schicht fortgepflanzt haben, zu schließen, so daß die Reproduktion von Mikroröhrenfehlstellen in dem Schmelzwachstum der ersten epitaktischen Schicht wesentlich vermindert wird, und danach eine zweite epitaktische Schicht von Silciumcarbid auf der ersten epitaktischen Schicht von Siliciumcarbid durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase bildet.
Epitaktisches Wachstumsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stufe des Wachsenlassens eines Masseneinkristalles darin besteht, daß man einen Masseneinkristall entweder aus dem 6H- oder 4H-Polytyp wachsen läßt, und die Stufe der Bildung einer ersten epitaktischen Schicht darin besteht, daß man die erste epitaktische Schicht aus dem gleichen Polytyp wie das Substrat bildet.
Epitaktisches Wachstumsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stufe der Bildung einer ersten epitaktischen Schicht darin besteht, daß man die erste epitaktische Schicht mit einer ersten Leitfähigkeitstype ausbildet, und die Stufe der Bildung einer zweiten epitaktischen Schicht dann besteht, daß man die zweite Schicht mit der gegenüber der ersten epitaktischen Schicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstype ausbildet, um so eine p-n-Bindung zwischen der ersten und der zweiten epitaktischen Schicht zu bilden.
Epitaktisches Wachstumsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stufe einer Bildung der ersten und zweiten epitaktischen Schichten darin besteht, daß man die ersten und zweiten epitaktischen Schichten mit einer ersten Leitfähigkeitstype ausbildet, und daß man weiterhin die Stufe der Ausbildung einer dritten epitaktischen Schicht mit der entgegengesetzten Leitfähigkeitstype auf der zweiten epitaktischen Schicht vorsieht, um so eine p-n-Bindung zwischen der zweiten und dritten epitaktischen Schicht zu bilden.
Verfahren zur Herstellung epitaktischer Schichten von Siliciumcarbid, die eine Mikroröhrenfehlstellendichte zwischen 0 und 50 cm^-2 auf der Oberfläche haben, indem man eine epitaktische Schicht von Siliciumcarbid auf einem Siliciumcarbidsubstrat, welches eine Mikroröhrendichte von 50 bis 400 cm^-2 auf seiner Oberfläche hat, durch Flüssigphasen-Epitaxie aus einer Schmelze von Siliciumcarbid in Silicium und einem Element, das die Löslichkeit von Siliciumcarbid in der Schmelze verbessert, worin der Atomprozentsatz jenes Elementes gegenüber dem Atomprozentsatz von Silicium vorherrscht, wachsen läßt und sich durch das Substrat in die epitaktische Schicht fortpflanzende Mikroröhrenfehlstellen durch Fortsetzen des Wachstums der epitaktischen Schicht, bis die epitaktische Schicht eine Dicke hat, bei welcher in dem Substrat vorhandene Mikroröhrenfehlstellen im wesentlichen nicht mehr in der epitaktischen Schicht reproduziert werden, und die Anzahl der Mikroröhrenfehlstellen in der epitaktischen Schicht wesentlich vermindert wird, schließt.
Verfahren zur Herstellung von epitaktischen Schichten nach Anspruch 5, bei dem die Stufe des Wachsenlassens der epitaktischen Schicht in einer Schmelze von Silicium und einem anderen Element darin besteht, daß man die epitaktische Schicht in einer Schmelze von Silicium und Germanium wachsen läßt.
Verfahren zur Herstellung epitaktischer Schichten nach Anspruch 6, bei dem die Stufe des Wachsenlassens der epitaktischen Schicht aus der Schmelze darin besteht, daß man die epitaktische Schicht in einer Schmelze wachsen läßt, in welcher das Atomverhältnis von Germanium zwischen etwa 70 und 90 % liegt.
Verfahren zur Herstellung epitaktischer Schichten nach Anspruch 5, bei dem die Stufe des Wachsenlassens der epitaktischen Schicht in einer Schmelze von Silicium und einem anderen Element darin besteht, daß man die epitaktische Schicht in einer Schmelze mit einem ausreichenden Atomprozentsatz von Silcium, um eine geeignete Wachstumsgeschwindigkeit zu fördern, aber geringer als die Silicummenge, die eine spontane Erzeugung von Kristallen in der Schmelze hervorrufen würde, und einem ausreichenden Atomverhältnis des die Löslichkeit verbessernden Elementes, um das Wachstum von Siliciumcarbid in der Schmelze zu optimieren, aber geringer als eine Menge, die die Oberfläche der wachsenden epitaktischen Schicht graphitisieren würde, wachsen läßt.
Verfahren zur Herstellung epitaktischer Schichten von Siliciumcarbid, die im wesentlichen frei von Mikroröhrenfehlstellen sind, bei dem man eine Siliciumcarbidsublimationswachstumstechnik mit dem Substrat und seiner epitaktischen Schicht, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 5 gebildet wird, impft.
Siliciumcarbidstruktur hoher Qualität, besonders für die Verwendung in Leistungselektronikeinrichtungen, mit einem Einkristallmassen-Siliciumcarbidsubstrat mit einer Mikroröhrendichte von 50 bis 400 cm^-2 auf seiner Oberfläche und einer epitaktischen Siliciumcarbidschicht auf dieser Oberfläche des Siliciumcarbidsubstrates, wobei diese epitaktische Schicht eine Mikroröhrendichte von 0 bis 50 cm^-2 auf ihrer Oberfläche hat.
Siliciumcarbidstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Schicht eine Röntgenstrahlen-Rockingkurve mit einer vollen Breite von 25 Bogensekunden oder weniger bei halbem Maximum zeigt.
Siliciumcarbidstruktur nach Anspruch 11, bei der das Substrat eine Röntgenstrahlen-Rockingkurve mit einer vollen Breite von etwa 100 Bogensekunden oder weniger bei halbem Maximum zeigt.
Siliciumcarbidstruktur nach Anspruch 11, bei der das Substrat entweder vom 6H- oder 4H-Polytyp ist und die epitaktische Schicht die gleiche Polytype wie das Substrat hat.
Siliciumcarbidstruktur nach Anspruch 11 weiterhin mit einer zweiten epitaktischen Schicht mit der entgegengesetzten Leitfähigkeitstype gegenüber der ersten epitaktischen Schicht, so daß diese epitaktischen Schichten eine p-n-Bindung bilden.