EP1019953A1 - Verfahren zum thermischen ausheilen von durch implantation dotierten siliziumcarbid-halbleitern - Google Patents

Verfahren zum thermischen ausheilen von durch implantation dotierten siliziumcarbid-halbleitern

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Publication number
EP1019953A1
EP1019953A1 EP98955323A EP98955323A EP1019953A1 EP 1019953 A1 EP1019953 A1 EP 1019953A1 EP 98955323 A EP98955323 A EP 98955323A EP 98955323 A EP98955323 A EP 98955323A EP 1019953 A1 EP1019953 A1 EP 1019953A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
silicon carbide
gas stream
carbide semiconductor
container
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98955323A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karlheinz HÖLZLEIN
Roland Rupp
Arno Wiedenhofer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1019953A1 publication Critical patent/EP1019953A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/0445—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising crystalline silicon carbide
    • H01L21/0455—Making n or p doped regions or layers, e.g. using diffusion
    • H01L21/046—Making n or p doped regions or layers, e.g. using diffusion using ion implantation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/36—Carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure

Definitions

  • the invention relates to a method for the thermal annealing of at least one silicon carbide semiconductor doped by implantation in a gas stream.
  • Silicon carbide preferably in monocrystalline form, is a semiconductor material with excellent physical properties, which make this semiconductor material particularly interesting for optoelectronics, high-temperature electronics and power electronics. While silicon carbide light-emitting diodes are already available on the market, there are as yet no commercial power semiconductor components based on silicon carbide. This is primarily due to the complex and expensive manufacture of suitable silicon carbide substrates (wafers) and the process technology, which is more difficult than that of silicon.
  • dopant ions in single-crystalline silicon carbide substrates or in a previously grown silicon carbide epitaxial layer allows a targeted lateral variation of the dopant concentration, so that the production of semiconductor components with a planar structured surface is possible. This is a basic requirement for the Most semiconductor components are problematic. However, problematic with the doping by implantation are crystal defects (lattice defects, crystal disorder) which arise from the dopant atoms implanted with high kinetic energy in the silicon carbide crystal of the epitaxial layer and which have the electronic properties of the implanted semiconductor region and thus of the whole Component deteriorate. In addition, the dopant atoms or atomic trunks are not optimally built into the silicon carbide crystal lattice after the implantation and are therefore only partially electrically activated.
  • a method for the thermal annealing of a 6H silicon carbide semiconductor region n-doped by implantation of nitrogen ions at high implantation temperatures between 500 ° C. and 1000 ° C. is known in a 6H silicon carbide epitaxial layer doped with aluminum.
  • the 6H silicon carbide semiconductor is treated at a constant annealing temperature between 1100 ° C and 1500 ° C in an argon atmosphere.
  • the 6H silicon carbide semiconductor is placed in a crucible made of silicon carbide. During the heat treatment, the surface of the 6H silicon carbide semiconductor is in equilibrium with the silicon carbide atmosphere inside the crucible.
  • the invention is based on the object of specifying an improved method compared to the prior art for the thermal annealing of silicon carbide semiconductors doped by implantation, in which the formation or the assembly of undesired crystallographically oriented stages is reduced.
  • the healing process must therefore be designed in such a way that practically no carbon is supplied to the at least one silicon carbide semiconductor via the gas stream.
  • “practically no carbon” means a smaller proportion of carbon than that which corresponds to the equilibrium partial pressure of carbon or carbon-containing components (eg SiC 2 ) over the silicon carbide semiconductor at the respective process temperature.
  • the invention is based on the knowledge that the misaligned silicon carbide surfaces of, for example, epitaxially applied layers or of single-crystalline subrates, are only present in the ideal case
  • step heights result after the thermal annealing, which are significantly lower than the prior art, in particular at least a factor of 3 lower.
  • At least the surface of the doped region of the silicon carbide semiconductor is exposed to a gas stream which preferably contains at least one inert gas and / or nitrogen and / or hydrogen.
  • the gas stream composition can be changed during annealing, for example from an inert gas composition to a hydrogen-containing composition or even to practically pure hydrogen.
  • a preferred variant of the process control consists in heating in an inert gas stream, then keeping it at an approximately constant maximum temperature and then in a gas stream with a hydrogen content of typically at least
  • atoms can be added to the gas stream under a predetermined gas partial pressure, which atoms were also used for doping.
  • the flow rate of the gas stream is preferably set between approximately 0.5 cm / s and approximately 60 cm / s, in particular between 5 cm / s and 25 cm / s. It has been shown that a silicon carbide semiconductor which has been annealed under such a gas stream has a significantly better surface area than a silicon carbide semiconductor which has been annealed in a gas stream at a different flow rate. Flowing the silicon carbide semiconductor during the annealing has the advantage that, in contrast to the known annealing methods, the surface has a morphologically good quality despite the high temperatures, and the crystallographic stages resulting from the misorientation of the silicon carbide surface essentially are preserved and do not assemble into larger steps, and there are no other surface roughness.
  • the above-mentioned preferred range for the flow rate ensures that the flow rate is on the one hand small enough to prevent inadmissible cooling of the silicon carbide half to avoid conductor, and on the other hand large enough to remove carbon and silicon atoms emerging from the silicon carbide semiconductor, so that they cannot contribute to undesired step growth.
  • the static process pressure in a region of the gas atmosphere adjacent to at least the silicon carbide semiconductor is generally advantageously set between approximately 5000 Pa and approximately 100000 Pa (normal pressure) and preferably between approximately 10000 Pa and approximately 50,000 Pa.
  • the set negative pressure ensures particularly good suppression of the undesired growth of the crystallographically oriented steps.
  • the silicon carbide semiconductor is arranged in the interior of a container, which can preferably be heated via an HF (high-frequency) induction coil.
  • the silicon carbide semiconductor is preferably held in the interior of the container by a carrier.
  • at least one radiation shield is preferably placed in the interior of the container in relation to the gas flow direction in front of and behind the carrier in order to prevent undesired heat radiation from the interior of the container. Openings for the passage of the gas stream are preferably provided in the radiation shields.
  • the carrier, the radiation shields and the container for example at least parts of the inner wall of the container, advantageously consist of at least one metal or at least one metal compound or are at least lined or coated with the same.
  • the metal or the metal compound should advantageously only melt above 1800 ° C. due to the high process temperatures during thermal annealing.
  • the metal or the metal compound should advantageously have a vapor pressure of less than 10 "2 Pa (approx. 10 " 7 Atm) at the maximum temperature of 1800 ° C.
  • the metal or metal compound should be in the gas stream because of the intended hydrogen content advantageously be resistant to hydrogen.
  • Metals or metal compounds which contain at least one of the materials tantalum, tungsten, molybdenum, niobium, rhenium, osmium, iridium or their carbides can thus be used particularly advantageously.
  • Parts of the container that do not come into contact with the part of the gas stream that reaches the silicon carbide semiconductor can also be made of other materials such as graphite or silicon carbide. All parts which have not been listed so far but which may be present in the hot area and which come into contact with the gas stream should likewise preferably consist of the advantageous metals or metal compounds mentioned or at least be coated with the same.
  • the described advantageous selection of materials ensures that the gas stream flowing past does not remove any carbon atoms from the contact surfaces, such as the inner wall of the container or the support surface, or absorb escaped carbon atoms and leads them to the silicon carbide semiconductor.
  • a silicon carbide semiconductor doped by implantation is brought to a maximum temperature of at least 1000 ° C. by supplying heat.
  • the increase in temperature over time (heating rate) is generally limited to a maximum of 100 ° C./min, preferably to a maximum of 30 ° C./min, during this heating process.
  • the maximum temperature is advantageously set between 1100 ° C and 1800 ° C, preferably between 1400 ° C and 1750 ° C.
  • the silicon carbide semiconductor is advantageously kept at least approximately at the maximum temperature for a predetermined time interval of preferably between 2 min and 60 min, in particular between 15 min and 30 min. This high-temperature plateau brings an improvement in the degree of activation of dopants in silicon carbide semiconductors.
  • the cooling rate is advantageously limited to a maximum of 100 ° C / min, in particular to a maximum of 30 ° C / min.
  • the slow cooling process expediently ends at an intermediate temperature, which is preferably below 600 ° C.
  • the limitation of the rate of temperature change (heating and cooling rates) leads to improved electrical properties of the silicon carbide semiconductor doped by implantation and then healed.
  • the rate of heating and / or cooling does not have to be constant, but can advantageously also vary within ranges which are determined by an upper limit of 100 ° C / min and in particular by an upper limit of 30 ° C / min.
  • the temperature of the silicon carbide semiconductor is kept at least once at a predetermined temperature level during the heating and cooling process.
  • the rate of warming up or cooling down is practically 0 ° C./min.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a container, in the interior of which there is at least one silicon carbide semiconductor for the thermal healing of the lattice defects caused by a previous implantation, and
  • FIG. 2 shows the arrangement of FIG. 1 as a longitudinal section. Corresponding parts are provided with the same reference numerals in FIGS. 1 and 2.
  • 2 shows a longitudinal section through the arrangement of FIG. 1.
  • the container 13 is cylindrical in the embodiment shown, but it can also be constructed just as well with a different geometric shape, for example as an elongated cuboid.
  • the silicon carbide semiconductors 10 1 according to FIGS. 1 and 2 can have been produced before the thermal annealing shown using the following process steps to be carried out in succession:
  • the silicon carbide substrate essentially consists of a single silicon carbide polytype, in particular of beta silicon carbide (3C silicon carbide, cubic silicon carbide) or one of the polytypes of alpha silicon carbide (hexagonal or rhombohedral silicon carbide).
  • Preferred polytypes for the silicon carbide substrate are the alpha-silicon carbide polytypes 4H, 6H and 15R.
  • CVD chemical vapor deposition
  • a CVD epitaxy method can be used in accordance with US Pat. No. 5,011,549. Because of the epitaxial growth, the silicon carbide layer, like the silicon carbide substrate, is single-crystalline and thus semiconducting. If the If the growth conditions in epitaxy are set accordingly, the silicon carbide layer is also of a single poly type which is equal to the poly type of the silicon carbide substrate.
  • the silicon carbide substrate consists of alpha-silicon carbide, it is generally prepared before the silicon carbide layer is deposited, for example by cutting and / or grinding, in such a way that the surface of the substrate provided as the growth surface is at an angle between approximately 1 ° and approximately 12 ° is inclined differently from the (0001) plane, preferably in the direction of one of the ⁇ 1120> crystal directions.
  • the silicon carbide layer is of the same alpha silicon carbide polytype as the silicon carbide substrate and in particular shows no syntax.
  • the silicon carbide layer can be doped by adding appropriate dopant compounds during growth according to a desired conductivity type.
  • An implantation method is used to generate different doping regions, in which one or more dopants are introduced into the silicon carbide semiconductors 10i.
  • the silicon carbide semiconductors 10 ⁇ can be provided with implantation masks.
  • the silicon carbide semiconductors 10i are then introduced into an implantation system (not shown).
  • the surfaces of the silicon carbide semiconductors 10i are bombarded with ions of one or more dopants with energies of typically between 10 keV and a few 100 keV depending on the dopants used and the desired depth of penetration.
  • the silicon carbide semiconductors 10 ⁇ are at temperatures from a range between during implantation about 20 ° C (room temperature) and about 1200 ° C, preferably between about 20 ° C and about 600 ° C.
  • the silicon carbide crystal lattice in the different doping regions of the silicon carbide semiconductors is damaged 10 ⁇ .
  • the silicon carbide semiconductors 10 ⁇ are now healed using a thermal annealing process.
  • the silicon carbide semiconductors 10i are introduced into the container 13 of a healing system (not shown, annealing furnace, tempering furnace) and arranged on a carrier 16 in a gas stream 12 in the container 13.
  • a healing system not shown, annealing furnace, tempering furnace
  • FIGS. 1 and 2 devices for thermal insulation and gas guidance, for example a double-walled water-cooled quartz tube, are not shown in FIGS. 1 and 2.
  • the gas routing device prevents, inter alia, an undesired lateral gas outlet through the wall of the container 13.
  • a controllable induction heater with at least one HF induction coil 18 is advantageously provided around the container 13 and the devices not shown, by means of which the container 13 is heated inductively. This also uniformly heats the silicon carbide semiconductors 10i in the interior of the container 13. However, resistance heating can also be provided.
  • the container 13 shown in FIGS. 1 and 2 is advantageously constructed from at least two layers.
  • a container layer 21 forming an outer, load-bearing wall preferably consists of graphite.
  • the container 13 can be heated particularly well via the HF induction coil, since the good conductivity of graphite leads to the formation of eddy currents favored, and as a result, the container 13 is heated.
  • the outer container layer 21 made of graphite represents a very good black radiator, by means of which the current temperature of the container 13 can be easily detected without contact.
  • it is more advantageous to provide a coating 20 see FIG.
  • the gas stream 12 should advantageously not take up any carbon atoms from the inner wall of the container and supply it to the silicon carbide semiconductors 10i.
  • the thickness of this coating is generally greater than 0.01 mm. In contrast to known full graphite containers or graphite containers coated with silicon carbide, this suppresses the undesired growth of the crystallographic stages.
  • Other metals or metal compounds can also be used for the coating 20, taking into account the special process conditions during thermal annealing. In addition to those already mentioned, metals or metal compounds which contain at least fractions of tungsten, molybdenum, niobium, rhenium, osmium, iridium or their carbides are therefore particularly suitable.
  • the carrier 16 which accommodates the silicon carbide semiconductors 10i, consists entirely or at least at the locations that are stripped by the gas stream 12, preferably from the aforementioned metals or metal compounds.
  • the carrier 16 can stand on a base plate 17, which is likewise advantageously provided with a coating 20 made of the aforementioned metals or metal compounds, at least on the surface facing the area through which the gas stream flows.
  • radiation shields 14 and 15 with openings 19 are provided in the container interior, through which the gas stream 12 is introduced and discharged.
  • the radiation shields 14 and 15 preferably consist of several individual elements, for example of perforated disks placed one behind the other, which preferably reach as close as possible to the inner wall of the container. As a result, they are determined to protect the interior of the container from heat loss through radiation. especially good.
  • the radiation shields 14 and 15 again preferably consist of the aforementioned metals or metal compounds.
  • the container 13 and the base plate 17 are not formed in two layers, the one layer then consisting of the aforementioned metals or metal compounds.
  • the gas stream 12 is preheated when it passes the radiation shield 14, for example by advantageous shaping of the individual elements, so that the gas stream 12 does not undesirably cool the silicon carbide semiconductors 10i. Because by adhering to the temperature curves recognized as advantageous on the silicon carbide semiconductors 10 ⁇ , particularly good results can be achieved when the implantation damage is healed. The result of this is an improved blocking behavior of p-n junctions, which may have been introduced, for example, into the silicon carbide semiconductors 10 in the preceding doping processes, not shown here.
  • the silicon carbide semiconductor 10 ⁇ may also be placed laterally offset to each other preferably.
  • the surfaces of the silicon carbide semiconductors 10j to be annealed instead of the vertical orientation shown in FIGS. 1 and 2, it can also advantageously be rotated, inclined or in particular arranged parallel to the main flow direction of the gas stream 12. These embodiments lead to a better and more uniform flow around, so that the carbon and silicon atoms emerging from the silicon carbide semiconductors 10i can be more easily detected and transported away by the gas stream 12. The undesirable growth of the crystallographic Oriented steps are thus avoided.
  • the parallel embodiment is particularly easy to achieve if the support 16 shown in FIG.
  • the silicon carbide semiconductors 10 are advantageously in recesses in the base plate 17, so that the surfaces of the silicon carbide semiconductors 10i to be healed are in turn oriented parallel to the main flow direction of the gas stream 12.
  • a plurality of base plates 17 with recesses are stacked one above the other, so that a higher throughput can be achieved.
  • the gas flow 12 arranged perpendicularly to the silicon carbide semiconductor 10 ⁇ , it has proven to be particularly advantageous to at least the first and the last mounting position of the carrier 16 with dummy silicon carbide semiconductors 11, which actually should not be subjected to a healing process equip.
  • These dummy silicon carbide semiconductor 11 serve to treat all be annealed silicon carbide semiconductor 10 ⁇ under equal and reproducible gas flow conditions.
  • the dummy silicon carbide semiconductors 11 also act as additional radiation shields.
  • a silicon carbide semiconductor which has been annealed with a thermal annealing method according to the invention can advantageously be used for the construction of various semiconductor components, preferably of power semiconductor components based on silicon carbide.
  • semiconductor components are pn diodes, bipolar transistors, MOSFETs, thyristors, IGBTs or MCTs.
  • the implantation process and the healing process can be carried out in succession in a single system designed for both processes.

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Abstract

Ein durch Implantation dotierter Siliziumcarbid-Halbleiter (10i) wird in einem Gasstrom (12), der praktisch keinen Kohlenstoff an den Siliziumcarbid-Halbleiter (10i) heranführt, thermisch ausgeheilt. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante bestehen der Behälter (13), der Träger (16), die Strahlungsschilde (14, 15) und die Bodenplatte (17) zumindest an den Stellen, die mit dem Gasstrom (12) in Kontakt treten, aus einem Metall oder einer Metallverbindung, wie z.B. aus Tantal oder aus Tantalcarbid.

Description

Beschreibung
Verfahren zum thermischen Ausheilen von durch Implantation dotierten Siliziumcarbid-Halbleitern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Ausheilen von wenigstens einem durch Implantation dotierten Siliziumcarbid-Halbleiter in einem Gasstrom.
Siliziumcarbid (SiC) vorzugsweise in einkristalliner Form ist ein Halbleitermaterial mit hervorragenden physikalischen Eigenschaften, die dieses Halbleitermaterial besonders für die Optoelektronik, die Hochtemperaturelektronik und die Leistungselektronik interessant machen. Während Siliziumcarbid- Leuchtdioden schon auf dem Markt erhältlich sind, gibt es kommerzielle Leistungshalbleiterbauelemente auf Siliziumcar- bid-Basis bislang noch nicht. Dies liegt vor allem an der aufwendigen und teuren Herstellung geeigneter Siliziumcarbid- Substrate (Wafer) und der im Vergleich zu Silizium schwieri- geren Prozeßtechnologie.
Eines der Probleme stellt die Dotierung von einkristallinem Siliziumcarbid dar. Wegen der erforderlichen hohen Temperaturen von über 1800°C ist ein Dotieren von Siliziumcarbid durch Diffusion anders als bei Silizium praktisch nicht möglich. Deshalb wird einkristallines Siliziumcarbid entweder durch Zugabe von Dotierstoffen während des Wachstums, insbesondere während der SublimationsZüchtung (PVD) oder der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) , oder durch Implantation von Do- tierstoffionen (Ionenimplantation) dotiert.
Die Implantation von Dotierstoffionen in einkristalline Sili- ziumcarbid-Substrate oder in eine vorher gewachsene Silizium- carbid-Epitaxieschicht erlaubt eine gezielte laterale Varia- tion der Dotierstoffkonzentration, so daß die Herstellung von Halbleiterbauelementen mit planar strukturierter Oberfläche möglich ist. Dies stellt eine Grundvoraussetzung für die Fer- tigung der meisten Halbleiterbauelemente dar. Problematisch bei der Dotierung durch Implantation sind jedoch Kristalldefekte (Gitterdefekte, Kristallfehlordnungen) , die durch die mit hoher kinetischer Energie implantierten Dotierstoffatome in dem Siliziumcarbid-Kristall der Epitaxieschicht entstehen und die die elektronischen Eigenschaften des implantierten Halbleitergebiets und damit des ganzen Bauelements verschlechtern. Außerdem sind die Dotierstoffatome oder -atomrümpfe nach der Implantation nicht optimal in das Silizium- carbid-Kristallgitter eingebaut und somit nur zum Teil elektrisch aktiviert.
Es sind deshalb Verfahren entwickelt worden, mittels derer die durch die Implantation entstandenen Kristalldefekte durch thermische Behandlung auszuheilen sind und zugleich ein hoher Aktivierungsgrad der Dotierstoffatome zu erreichen ist (sogenannte thermische Ausheilverfahren oder „Thermal Annea- ling") .
Aus „IEEE El ectroni c Device Letters " , Vol . 13, 1992, Sei ten
639 bis 641 ist ein Verfahren zum thermischen Ausheilen eines durch Implantation von Stickstoffionen bei hohen Implantationstemperaturen zwischen 500 °C und 1000 °C n-dotierten 6H- Siliziumcarbid-Halbleitergebiets in einer mit Aluminium p-do- tierten 6H-Siliziumcarbid-Epitaxieschicht bekannt. Bei diesem Verfahren wird der 6H-Siliziumcarbid-Halbleiter bei einer konstanten Ausheiltemperatur zwischen 1100°C und 1500°C in einer Argon-Atmosphäre behandelt. Um eine Zerstörung der Oberfläche durch unkontrolliertes Abdampfen mit der Bildung von Kratern und Höhlungen zu vermeiden, wird der 6H-Silizium- carbid-Halbleiter in einen Tiegel aus Siliziumcarbid eingebracht. Während der Wärmebehandlung steht die Oberfläche des 6H-Siliziumcarbid-Halbleiters im Gleichgewicht mit der Sili- ziumcarbid-Atmosphäre im Tiegelinneren.
In „Appli ed Surface Science " , Bd. 99, 1996, Sei ten 27 bis 33 wird dagegen der Einfluß der Gaszusamrαensetzung beim Abkühl- Vorgang eines chemischen Gasphasenabscheideprozesses (LPCVD = Low Pressure Chemical Vapor Deposition) an Siliziumcarbid- Halbleitern beschrieben. Der Abkühlvorgang startet bei einer Maximaltemperatur von 1450°C, die somit den Temperaturen beim thermischen Ausheilen nach der Ionenimplantation vergleichbar ist. Deshalb lassen sich die erzielten Resultate auch auf die thermischen Ausheilprozesse nach der Ionenimplantation übertragen. In den zitierten Untersuchungen wurde festgestellt, daß bei Temperaturen über 1000 °C im Vakuum oder unter Schutz- gas die oberflächennahen Siliziumcarbid-Atomlagen an Silizium verarmen, und sich eine dünne Graphitschicht auf der Oberfläche des Siliziumcarbid-Halbleiters ausbilden kann. Wird der gleiche Prozeß dagegen unter einer reinen Wasserstoffatmo- sphäre durchgeführt, so resultiert eine nahezu stöchiometri- sehe Oberfläche.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum thermischen Ausheilen von durch Implantation dotierten Siliziumcarbid- Halbleitern anzugeben, bei dem die Ausbildung bzw. das Zusammenlagern unerwünschter kristallographisch orientierter Stufen reduziert wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Ausheilverfahren ist also derart zu gestalten, daß dem wenigstens einen Siliziumcarbid-Halbleiter über den Gasstrom praktisch kein Kohlenstoff zugeführt wird. Unter „praktisch kein Kohlenstoff" ist in diesem Zusammenhang ein kleinerer Kohlenstoffanteil als der, der dem Gleichge- wichtspartialdruck von Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigen Komponenten (z.B. SiC2) über dem Siliziumcarbid-Halbleiter bei der jeweiligen Prozeßtemperatur entspricht, zu verstehen.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß sich die bei fehlorientierten Siliziumcarbid-Oberflachen von beispielsweise epitaktisch aufgebrachten Schichten oder von einkristallinen Subtsraten immer vorhandenen, im Idealfall nur ein bis zwei Monolagen hohen, kristallographisch orientierten Stufen aufgrund einer thermisch aktivierten Oberflächenumverteilung in unerwünschter Weise bis zu einer Stufenhöhe von etwa 50 nm zusammenlagern (step benching) , wenn während des thermischen Ausheilvorganges der Siliziumcarbid-Halbleiter mit einer Siliziumcarbid-Atmosphäre im Gleichgewicht steht, oder der zugeführte Gasstrom diesem Gleichgewichtszustand mindestens vergleichbare Kohlenstoffanteile enthält. Hierbei konglomerieren viele kleine zu wenigen hohen kristallogra- phisch orientierten Stufen. Die kleinen, etwa zwei Monolagen hohen, kristallographisch orientierten Stufen sind eine unvermeidbare Folge der für epitaktisches Schichtwachstum notwendigen Fehlorientierung der Basis-Siliziumcarbid-Kristalle. Es wurde gefunden, daß durch eine Reduzierung des Fremdkoh- lenstoffanteiles im Gasstrom, d.h. des Kohlenstoffanteiles, der dem Siliziumcarbid-Halbleiter von außen zugeführt wird, das beschriebene Stufenwachstum erheblich eingeschränkt werden kann.
Bei erfindungsgemäßer Ausführung des Gasstroms resultieren somit nach dem thermischen Ausheilen Stufenhöhen, die gegenüber dem Stand der Technik deutlich niedriger, insbesondere mindestens um den Faktor 3 niedriger liegen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des thermischen Ausheilverfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird zu in- dest die Oberfläche des dotierten Bereichs des Siliziumcar- bid-Halbleiters einem Gasstrom ausgesetzt, der vorzugsweise zumindest ein Inertgas und/oder Stickstoff und/oder Wasserstoff enthält. Die Gasstromzusammensetzung kann während des Ausheilens geändert werden, beispielsweise von einer Inert- gaszusammensetzung hin zu einer wasserstoffhaltigen Zusammensetzung oder sogar in praktisch reinen Wasserstoff. Vorteilhaft verwendet man als Inertgase Argon oder Helium mit Volu- menanteilen von bis zu annähernd 100%. Eine bevorzugte Variante der Prozeßführung besteht darin, daß in einem Inertgasstrom aufgeheizt, dann auf einer annähernd konstanten Maximaltemperatur gehalten und anschließend in einem Gasstrom mit einem Wasserstoffanteil von typischerweise mindestens
50%, insbesondere mehr als 80% und vorzugsweise über 95% abgekühlt wird. Durch die Abkühlung in Wasserstoffatmosphäre erreicht man eine stöchiometrisch nahezu intakte Oberfläche des Siliziumcarbid-Halbleiters, wohingegen ein Abkühlen in z.B. Argonatmosphäre gegebenenfalls aufgrund einer Siliziumverarmung zu einer dünnen Graphitschicht auf der Oberfläche des Siliziumcarbid-Halbleiters führen kann.
Um ein Austreten von Dotierstoffato en aus dem Siliziumcar- bid-Halbleiter zu verhindern, können in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dem Gasstrom Atome unter einem vorgegebenen Gaspartialdruck zugesetzt werden, die auch zur Dotierung verwendet wurden.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes wird vorzugsweise zwischen etwa 0,5 cm/s und etwa 60 cm/s, insbesondere zwischen 5 cm/s und 25 cm/s eingestellt. Es hat sich gezeigt, daß ein unter einem solchen Gasstrom ausgeheilter Siliziumcarbid-Halbleiter eine deutlich bessere Oberfläche aufweist als ein in einem Gasstrom mit anderer Strömungsgeschwindigkeit ausgeheilter Siliziumcarbid-Halbleiter. Das Beströmen des Siliziumcarbid-Halbleiters während des Ausheilens hat den Vorteil, daß im Gegensatz zu den bekannten Ausheilverfahren trotz der hohen Temperaturen die Oberfläche eine morpholo- gisch gute Qualität aufweist, und die von der Fehlorientierung der Siliziumcarbid-Oberflache herrührenden kristallogra- phischen Stufen im wesentlichen erhalten bleiben und sich nicht zu größeren Stufen zusammenlagern, sowie auch keine sonstigen Oberflächenrauhigkeiten entstehen. Der genannte be- vorzugte Bereich für die Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet, daß die Strömungsgeschwindigkeit einerseits klein genug ist, um eine unzulässige Kühlung des Siliziumcarbid-Halb- leiters zu vermeiden, und andererseits groß genug, um aus dem Siliziumcarbid-Halbleiter austretende Kohlenstoff- und Siliziumatome abzutransportieren, so daß sie nicht zu einem unerwünschten Stufenwachstum beitragen können.
Der statische Prozeßdruck in einem wenigstens an den Siliziumcarbid-Halbleiter angrenzenden Bereich der Gasatmosphäre wird im allgemeinen vorteilhaft zwischen etwa 5000 Pa und etwa 100000 Pa (Normaldruck) und vorzugsweise zwischen etwa 10000 Pa und etwa 50000 Pa eingestellt. Der eingestellte Unterdruck gewährleistet eine besonders gute Unterdrückung des unerwünschten Wachstums der kristallographisch orientierten Stufen.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung wird der Sili- ciumcarbid-Halbleiter im Innern eines Behälters angeordnet, der vorzugsweise über eine HF (Hochfrequenz) -Induktionsspule beheizt werden kann. Der Siliciumcarbid-Halbleiter wird im Behälterinneren vorzugsweise durch einen Träger gehalten. Im Behälterinnern werden außerdem vorzugsweise jeweils mindestens ein Strahlungsschild bezogen auf die Gasstromrichtung vor und hinter dem Träger plaziert, um eine unerwünschte Wär- meabstrahlung aus dem Behälterinnern zu verhindern. In den Strahlungsschilden werden vorzugsweise Öffnungen für den Durchtritt des Gasstroms vorgesehen. Zumindest in den Bereichen, die mit dem Gasstrom in Kontakt treten, bestehen der Träger, die Strahlungsschilde und der Behälter, beispielsweise wenigstens Teile der Behälterinnenwand, vorteilhaft aus wenigstens einem Metall oder wenigstens einer Metallverbin- düng oder sind zumindest mit denselben ausgekleidet bzw. überzogen. Das Metall oder die Metallverbindung sollte wegen der hohen Prozeßtemperaturen beim thermischen Ausheilen vorteilhaft erst über 1800°C schmelzen. Das Metall oder die Metallverbindung sollte bei der maximalen Temperatur von 1800 °C vorteilhaft einen Dampfdruck von kleiner als 10"2Pa (ca. 10"7Atm) aufweisen. Das Metall oder die Metallverbindung sollte wegen der vorgesehenen Wasserstoffanteile im Gasstrom vorteilhaft resistent gegen Wasserstoff sein. Metalle oder Metallverbindungen, die mindestens eines der Materialien Tantal, Wolfram, Molybdän, Niob, Rhenium, Osmium, Iridium oder deren Carbide enthalten, lassen sich somit besonders vorteil- haft einsetzen. Teile des Behälters, die nicht mit dem Teil des Gasstroms, der den Siliciumcarbid-Halbleiter erreicht, in Kontakt treten, können auch aus anderen Materialien wie beispielsweise Graphit oder Siliciumcarbid bestehen. Alle bislang nicht aufgeführten, gegebenfalls aber im heißen Bereich vorhandenen Teile, die mit dem Gasstrom in Kontakt treten, sollten ebenfalls vorzugsweise aus den genannten vorteilhaften Metallen oder Metallverbindungen bestehen oder zumindest mit denselben überzogen sein. Durch die beschriebenen vorteilhafte Materialauswahl wird gewährleistet, daß der vor- beifließende Gasstrom keine Kohlenstoffatome aus den Kontaktflächen, wie Behälterinnenwand oder Trägeroberfläche, herauslöst oder ausgetretene Kohlenstoffatome aufnimmt und an den Siliciumcarbid-Halbleiter heranführt .
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird ein durch Implantation dotierter Siliziumcarbid- Halbleiter durch Zufuhr von Wärme auf eine Maximaltemperatur von wenigstens 1000°C gebracht. Die zeitliche Zunahme der Temperatur (Aufheizgeschwindigkeit) wird während dieses Auf- heizprozesses im allgemeinen auf höchstens 100°C/min, vorzugsweise auf maximal 30°C/min beschränkt.
Die Maximaltemperatur wird vorteilhaft zwischen 1100°C und 1800°C, vorzugsweise zwischen 1400°C und 1750°C eingestellt.
Vorteilhaft wird der Siliziumcarbid-Halbleiter für ein vorgegebenes Zeitintervall von vorzugsweise zwischen 2 min und 60 min, insbesondere zwischen 15 min und 30 min wenigstens annähernd auf der Maximaltemperatur gehalten. Dieses Hochtempera- turplateau bringt eine Verbesserung des Aktivierungsgrades von Dotierstoffen im Siliziumcarbid-Halbleiter. Die Abkühlgeschwindigkeit wird vorteilhaft auf höchstens 100°C/min, insbesondere auf maximal 30°C/min begrenzt. Der langsame Abkühlvorgang endet zweckmäßigerweise bei einer Zwi- schentemperatur, die vorzugsweise unterhalb von 600 °C liegt. Die Beschränkung der Temperaturänderungsraten (Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten) führt zu verbesserten elektrischen Eigenschaften des durch Implantation dotierten und danach ausgeheilten Siliziumcarbid-Halbleiters .
Die Aufheiz- und/oder Abkühlgeschwindigkeit müssen nicht konstant sein, sondern können vorteilhaft auch innerhalb von Bereichen variieren, die durch eine Obergrenze von 100°C/min und insbesondere durch eine Obergrenze von 30°C/min festgelegt sind.
In einer besonderen Weiterbildung des Verfahrens wird während des Aufwärm- und Abkühlvorganges die Temperatur des Siliziumcarbid-Halbleiters jeweils wenigstens einmal jeweils auf einem vorgegebenen Temperaturniveau gehalten. Die Aufwärm- bzw. Abkühlgeschwindigkeit ist während der Verweildauer auf diesem Temperaturniveau praktisch 0°C/min.
Ausführungsbeispiele für ein thermisches Ausheilverfahren gemäß der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung er- läutert. Es zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung FIG 1 perspektivisch einen Behälter, in dessen Innerem sich wenigstens ein Siliziumcarbid-Halbleiter zum thermischen Ausheilen der durch eine vorangegangene Implantation verursachten Gitterdefekte befindet und
FIG 2 als Längsschnitt die Anordnung von FIG 1. Einander entsprechende Teile sind in den FIG 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In FIG 1 ist ein Behälter 13 perspektivisch dargestellt, in dessen Innenraum sich beispielsweise mehrere Siliziumcarbid- Halbleiter 10ι (mit i=l, ... ) zum thermischen Ausheilen nach einer vorangegangenen Ionenimplantation befinden. FIG 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Anordnung von FIG 1. Der Behälter 13 ist in der gezeigten Ausführungsform zylindrisch ausgebildet, er kann jedoch auch genausogut mit einer anderen geometrischen Form, beispielsweise als längsgestreckter Quader, aufgebaut werden.
Die Siliziumcarbid-Halbleiter 10ι gemäß FIG 1 und 2 können vor dem dargestellten thermischen Ausheilen mit den folgenden nacheinander auszuführenden Verfahrensschritten hergestellt worden sein:
1. Bereitstellen eines einkristallinen Siliziumcarbid- Substrats,
2. optional: Epitaktisches Aufwachsen einer Siliziumcarbid- Schicht auf dem Substrat,
3. Erzeugen von mindestens einem Dotierungsgebiet durch gegebenenfalls mehrmalige, sukzessive Implantation von Dotierungsatomen.
Zum Bereitstellen des Siliziumcarbid-Substrats wird vorzugsweise ein Sublimationszüchtungsprozeß verwendet. Das Silizi- umcarbid-Substrat besteht im wesentlichen aus einem einzigen Siliziumcarbid-Polytyp, insbesondere aus Beta-Siliziumcarbid (3C-Siliziumcarbid, kubisches Siliziumcarbid) oder einem der Polytypen von Alpha-Siliziumcarbid (hexagonales oder rhombo- edrisches Siliziumcarbid) . Bevorzugte Polytypen für das Sili- ziumcarbid-Substrat sind die Alpha-Siliziumcarbid-Polytypen 4H, 6H und 15R.
Zum Abscheiden der Siliziumcarbid-Schicht auf dem Silizium- carbid-Substrat wird ein an sich bekanntes Epitaxieverfahren, vorzugsweise eine Epitaxie durch chemische Gasphasenabschei- dung (Chemical Vapour Deposition = CVD) , verwendet. Beispielsweise kann ein CVD-Epitaxieverfahren verwendet werden gemäß der US-A-5, 011 , 549. Aufgrund des epitaktischen Wachstums ist die Siliziumcarbid-Schicht ebenso wie das Silizium- carbid-Substrat einkristallin und damit halbleitend. Wenn die Wachstumsbedingungen bei der Epitaxie entsprechend eingestellt werden, ist die Siliziumcarbid-Schicht auch von einem einzigen Polytyp, der gleich dem Polytyp des Siliziumcarbid- Substrats ist. Besteht das Siliziumcarbid-Substrat aus Alpha- Siliziumcarbid, so wird es im allgemeinen vor dem Abscheiden der Siliziumcarbid-Schicht beispielsweise durch Schneiden und/oder Schleifen so präpariert, daß die als Wachstumsfläche vorgesehene Oberfläche des Substrats in einem Winkel zwischen etwa 1° und etwa 12° von der (0001) -Ebene abweichend geneigt ist, vorzugsweise in Richtung zu einer der <1120>-Kristall- richtungen. Durch eine solche „Fehlorientierung" („off- orientation") der Wachstumsfläche gegenüber den natürlichen Kristallflächen (basal planes), nämlich der als Silizium- Seite bezeichneten (0001) -Kristallfläche oder der als Kohlen- stoff-Seite bezeichneten (0001 ) -Kristallfläche, wird in Verbindung mit geeigneten Wachstumstemperaturen von typischerweise 1500°C erreicht, daß die Siliziumcarbid-Schicht vom gleichen Alpha-Siliziumcarbid-Polytyp wie das Siliziumcarbid- Substrat ist und insbesondere keine Syntaxie zeigt. Die Sili- ziumcarbid-Schicht kann durch Zugabe von entsprechenden Do- tierstoffverbindungen während des Wachstums gemäß einem gewünschten Leitungstyp dotiert werden.
Zum Erzeugen von verschiedenen Dotierungsgebieten wird ein Implantationsverfahren verwendet, bei dem einer oder mehrere Dotierstoffe in die Siliziumcarbid-Halbleiter 10i eingebracht werden. Zunächst können die Siliziumcarbid-Halbleiter 10ι mit Implantationsmasken versehen werden. Dann werden die Siliziumcarbid-Halbleiter 10i in eine nicht dargestellte Implanta- tionsanlage eingebracht. In der Implantationsanlage werden die Oberflächen der Siliziumcarbid-Halbleiter 10i mit Ionen eines oder mehrerer Dotierstoffe mit Energien von typischerweise zwischen 10 keV und einigen 100 keV abhängig von den verwendeten Dotierstoffen und der gewünschten Eindringtiefe beschossen. Die Siliziumcarbid-Halbleiter 10± werden während der Implantation auf Temperaturen aus einem Bereich zwischen etwa 20°C (Raumtemperatur) und etwa 1200°C gehalten, vorzugsweise zwischen etwa 20°C und etwa 600°C.
Durch die mit hoher Energie in den Siliziumcarbid-Kristall der Siliziumcarbid-Schicht eindringenden Dotierstoffteilchen wird das Siliziumcarbid-Kristallgitter in den verschiedenen Dotierungsgebieten der Siliziumcarbid-Halbleiter 10± geschädigt. Zur wenigstens teilweisen „Reparatur" und Erholung der durch die Implantation entstandenen Kristalldefekte werden die Siliziumcarbid-Halbleiter 10± nun mit einem thermischen Ausheilverfahren ausgeheilt.
Zum thermischen Ausheilen werden die Siliziumcarbid-Halbleiter 10i in den Behälter 13 einer nicht dargestellten Aus- heilanlage (Ausheilofen, Temperofen) eingebracht und auf einem Träger 16 in einem Gasstrom 12 im Behälter 13 angeordnet.
Außerhalb des Behälters 13 sind in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellte Vorrichtungen zur thermischen Isolierung und zur Gasführung, beispielsweise ein doppelwandiges wassergekühltes Quarzrohr, angebracht. Die Vorrichtung zur Gasführung verhindert u.a. einen unerwünschten seitlichen Gasaustritt durch die Wand des Behälters 13. Vorteilhaft ist darüber hinaus um den Behälter 13 und um die genannten nicht dargestellten Vor- richtungen eine steuerbare Induktionsheizung mit wenigstens einer HF-Induktionsspule 18 vorgesehen, durch die der Behälter 13 induktiv beheizt wird. Auch die Siliziumcarbid-Halbleiter 10i im Innern des Behälters 13 werden dadurch gleichmäßig beheizt. Es kann aber auch eine Widerstandsheizung vor- gesehen sein.
Der in den FIG 1 und 2 dargestellte Behälter 13 ist vorteilhaft aus mindestens zwei Schichten aufgebaut. Eine eine äußere, tragende Wand bildende Behälterschicht 21 besteht vor- zugsweise aus Graphit. Dadurch kann der Behälter 13 besonders gut über die HF-Induktionsspule aufgeheizt werden, da die gute Leitfähigkeit von Graphit die Ausbildung von Wirbelströmen begünstigt, und es als Folge davon zu einer Erwärmung des Behälters 13 kommt. Andererseits stellt die äußere Behälterschicht 21 aus Graphit einen sehr guten schwarzen Strahler dar, über den die aktuelle Temperatur des Behälters 13 auf einfache Weise berührungslos detektiert werden kann. Im Inneren des Behälters 13 ist es dagegen vorteilhafter, eine Beschichtung 20 (siehe FIG 2) aus Tantal oder Tantalcarbid vorzusehen, da der Gasstrom 12 vorteilhafterweise keine Kohlenstoffatome aus der Behälterinnenwand aufnehmen und den Sili- ziumcarbid-Halbleitern 10i zuführen sollte. Die Dicke dieser Beschichtung ist im allgemeinen größer als 0,01 mm. Im Gegensatz zu bekannten Vollgraphitbehältern oder mit Siliziumcarbid beschichteten Graphitbehältern wird dadurch das unerwünschte Wachstum der kristallographischen Stufen unter- drückt. Für die Beschichtung 20 kommen unter Berücksichtigung der speziellen Prozeßbedingungen beim thermischen Ausheilen auch andere Metalle oder Metallverbindungen in Frage. Außer den bereits genannten eignen sich demzufolge besonders Metalle oder Metallverbindungen, die zumindest Anteile von Wolf- ram, Molybdän, Niob, Rhenium, Osmium, Iridium, oder deren Carbiden enthalten. Genau wie der Behälter 13 besteht auch der Träger 16, der die Siliziumcarbid-Halbleiter 10i aufnimmt, ganz oder zumindest an den Stellen, die von dem Gasstrom 12 gestreift werden, bevorzugt aus den vorgenannten Me- tallen oder Metallverbindungen. Der Träger 16 kann auf einer Bodenplatte 17 stehen, die vorteilhaft ebenfalls zumindest an der Oberfläche, die dem vom Gasstrom durchflossenen Bereich zugewandt ist, mit einer Beschichtung 20 aus den vorgenannten Metallen oder Metallverbindungen versehen ist. An den Stirn- Seiten des Behälters 13 sind im Behälterinnenraum Strahlungsschilde 14 und 15 mit Öffnungen 19 vorgesehen, durch die der Gasstrom 12 ein- und ausgeleitet wird. Die Strahlungsschilde 14 und 15 bestehen bevorzugt aus mehreren Einzelelementen, beispielsweise aus hintereinander aufgestellten Lochscheiben, die bevorzugt möglichst nahe an die Behälterinnenwand heranreichen. Dadurch werden sie ihrer Bestimmung, den Behälterinnenraum vor Wärmeverlust durch Abstrahlung zu schützen, be- sonders gut gerecht. Die Strahlungsschilde 14 und 15 bestehen vorzugsweise wiederum aus den vorgenannten Metallen oder Metallverbindungen .
In einer anderen nicht dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind der Behälter 13 und die Bodenplatte 17 nicht zweisondern einschichtig ausgebildet, wobei die eine Schicht dann aus den vorgenannten Metallen oder Metallverbindungen besteht.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Gasstrom 12 beim Passieren des Strahlungsschildes 14 beispielsweise durch eine vorteilhafte Formgebung der Einzelelemente vorgewärmt wird, so daß der Gasstrom 12 die Silizium- carbid-Halbleiter 10i nicht unerwünschterweise kühlt. Denn durch die Einhaltung der als vorteilhaft erkannten Temperaturverläufe an den Siliziiumcarbid-Halbleitern 10ι lassen sich besonders gute Resultate beim Ausheilen der Implantationsschäden erzielen. Als Folge davon resultieren ein verbes- sertes Sperrverhalten von p-n-Übergängen, die beispielsweise in die Siliziiumcarbid-Halbleiter 10ι bei den vorangegangenen, hier nicht dargestellten Dotierungsprozessen eingebracht worden sein können.
Anstatt der in den FIG 1 und 2 dargestellten Anordnung in einer Reihe können die Siliziumcarbid-Halbleiter 10± vorzugsweise auch zueinander seitlich versetzt plaziert werden. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform können die auszuheilenden Oberflächen der Siliziumcarbid-Halbleiter lOj. anstelle der in den FIG 1 und 2 gezeigten senkrechten Ausrichtung vorteilhaft auch gedreht, geneigt oder insbesondere parallel zur Hauptflußrichtung des Gasstroms 12 angeordnet sein. Diese Ausführungsformen führen zu einer besseren und gleichmäßigeren Umströmung, so daß die aus den Siliziumcar- bid-Halbleitern 10i austretenden Kohlenstoff- und Siliziumatome leichter vom Gasstrom 12 erfaßt und abtransportiert werden können. Das unerwünschte Wachstum der kristallographisch orientierten Stufen wird somit vermieden. Besonders einfach gelangt man zu der parallelen Ausführungsvariante, wenn der in FIG 1 gezeigte Träger 16 in seiner Ausrichtung zum Gasstrom 12 um 90° gedreht wird. In einer weiteren nicht gezeig- ten Ausführungsform kommt man ohne einen separaten Träger 16 zur Halterung der Siliziumcarbid-Halbleiter 10i aus. Die Siliziumcarbid-Halbleiter 10ι liegen bei dieser Variante vorteilhaft in Aussparungen der Bodenplatte 17, so daß die auszuheilenden Oberflächen der Siliziumcarbid-Halbleiter 10i wiederum parallel zur Hauptflußrichtung des Gasstroms 12 orientiert sind. In einer vorteilhaften Variante dieser nicht dargestellten Ausführungsform werden mehrere Bodenplatten 17 mit Aussparungen übereinander gestapelt, so daß ein größerer Durchsatz erreicht werden kann.
Bei der dargestellten Ausführungsform mit zum Gasstrom 12 senkrechter Anordnung der Siliziumcarbid-Halbleiter 10ι hat es sich als besonders günstig erwiesen, mindestens die erste und die letzte Halterungsposition des Trägers 16 mit Dummy- Siliziumcarbid-Halbleitern 11, die eigentlich keinem Ausheilprozeß unterzogen werden müßten, zu bestücken. Diese Dummy- Siliziumcarbid-Halbleiter 11 dienen dazu, alle auszuheilenden Siliziumcarbid-Halbleiter 10± unter gleichen und reproduzierbaren Gasströmungsbedingungen zu behandeln. Die quasi als Schutzschilde fungierenden Dummy-Siliziumcarbid-Halbleiter 11 schirmen die Siliziumcarbid-Halbleiter 10ι vor Wirbelströmungen ab, die an den beiden Randzonen des Trägers 16 auftreten können. Die Dummy-Siliziumcarbid-Halbleiter 11 wirken außerdem als zusätzliche Strahlungsschilde.
Ein mit einem thermischen Ausheilverfahren gemäß der Erfindung ausgeheilter Siliziumcarbid-Halbleiter kann vorteilhaft zum Aufbau verschiedener Halbleiterbauelemente, vorzugsweise von Leistungshalbleiterbauelementen auf Siliziumcarbid-Basis eingesetzt werden. Beispiele für solche Halbleiterbauelemente sind p-n-Dioden, bipolare Transistoren, MOSFETs, Thyristoren, IGBTs oder auch MCTs . Ferner können der Implantationsprozeß und der Ausheilprozeß nacheinander in einer einzigen für beide Prozesse ausgelegten Anlage durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum thermischen Ausheilen von wenigstens einem durch Implantation dotierten Siliziumcarbid-Halbleiter in einem Gasstrom, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß diesem wenigstens einen Siliziumcarbid-Halbleiter (10 über den Gasstrom (12) praktisch kein Kohlenstoff zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Gasstrom (12) vorgesehen wird, der zumindest zeitweise wenigstens ein Inertgas und/oder Stickstoff enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Inertgas Argon oder Helium vorgesehen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Gasstrom
(12) vorgesehen wird, der zumindest zeitweise Wasserstoff enthält.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Gasstrom
(12) zur Dotierung des wenigstens einen Siliziumcarbid-Halbleiters (10 verwendete Elemente zugesetzt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases zwischen 0,5 cm/s und 60 cm/s, vorzugsweise zwischen 5 cm/s und 25 cm/s eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an dem wenigstens einen Siliziumcarbid-Halbleiter (10 eine Gasatmosphäre mit einem statischen Prozeßdruck zwischen 5000 Pa und 100000 Pa, vorzugsweise zwischen 10000 Pa und 50000 Pa ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der wenigstens eine Siliziumcarbid-Halbleiter (10±) mittels eines Trägers (16) innerhalb eines Behälters (13) gehalten wird, wobei der Träger (16) und der Behälter (13) zumindest in den Bereichen, die mit dem Gasstrom (12) in Kontakt treten, aus wenigstens einem Metall oder wenigstens einer Metallverbindung bestehen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß innerhalb des Behälters (13) jeweils mindestens ein Strahlungsschild (14, 15) bezogen auf die
Richtung des Gasstroms vor und nach dem Träger (16) vorgesehen werden, wobei die Strahlungsschilde (14, 15) zumindest in den Bereichen, die mit dem Gasstrom (12) in Kontakt treten, aus wenigstens einem Metall oder wenigstens einer Metallverbindung bestehen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß in den Strahlungsschilden (14, 15) Öffnungen (19) vorgesehen werden, durch die der Gasstrom (12) hindurchtritt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Metall oder eine Metallverbindung mit einem Schmelzpunkt über 1800 °C vorgesehen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Metall oder eine Metallverbindung mit einem Dampfdruck kleiner als 10"2 Pa bei einer Temperatur von 1800°C vorgesehen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein gegen Wasserstoff resistentes Metall oder eine gegen Wasserstoff resistente Metallverbindung vorgesehen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Metall oder eine Metallverbindung vorgesehen wird, die mindestens eines der Elemente Tantal, Wolfram, Molybdän, Niob, Rhenium, Osmium, Iridium oder ein Carbid wenigstens eines der Elemente enthält .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Behälter (13) vorzugsweise induktiv beheizt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Gasstrom (12) beim Eintritt in das Behälterinnere vorgewärmt wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der wenigstens eine Siliziumcarbid-Halbleiter (10i) mit einer Aufheizgeschwindigkeit von höchstens 100°C/min, vorzugsweise von höchstens 30°C/min auf eine Maximaltemperatur von wenigstens 1000°C erhitzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Maximaltemperatur zwi- sehen 1100°C und 1800°C, vorzugsweise zwischen 1400°C und 1750°C eingestellt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Tempe- ratur des wenigstens einen Siliziumcarbid-Halbleiters (10ι) für ein Zeitintervall zwischen 2 min und 60 min auf der vorgegebenen Maximaltemperatur gehalten wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der wenigstens eine Siliziumcarbid-Halbleiter (10i) ausgehend von der Maximaltemperatur mit einer Abkühlgeschwindigkeit von höchstens 100°C/min, vorzugsweise von höchstens 30°C/min auf eine Zwischentemperatur von höchstens 600°C abgekühlt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Temperatur des wenigstens einen Siliziumcarbid-Halbleiters (10±) während des Aufwärm- und Abkühlvorganges jeweils wenigstens einmal auf jeweils einem Temperaturniveau gehalten wird.
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001332508A (ja) * 2000-05-23 2001-11-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体素子の製造方法
JP4517505B2 (ja) * 2000-12-26 2010-08-04 株式会社デンソー スパークプラグの製造方法
JP2003068669A (ja) * 2001-08-27 2003-03-07 Denso Corp 半導体基板の熱処理方法及び装置
SE520968C2 (sv) * 2001-10-29 2003-09-16 Okmetic Oyj Högresistiv monokristallin kiselkarbid och metod för dess framställning
US6896738B2 (en) * 2001-10-30 2005-05-24 Cree, Inc. Induction heating devices and methods for controllably heating an article
US7138291B2 (en) * 2003-01-30 2006-11-21 Cree, Inc. Methods of treating a silicon carbide substrate for improved epitaxial deposition and resulting structures and devices
US6814801B2 (en) * 2002-06-24 2004-11-09 Cree, Inc. Method for producing semi-insulating resistivity in high purity silicon carbide crystals
US7601441B2 (en) 2002-06-24 2009-10-13 Cree, Inc. One hundred millimeter high purity semi-insulating single crystal silicon carbide wafer
US7462540B2 (en) * 2004-02-06 2008-12-09 Panasonic Corporation Silicon carbide semiconductor device and process for producing the same
US7275357B2 (en) * 2004-03-30 2007-10-02 Cnh America Llc Cotton module program control using yield monitor signal
CN1326219C (zh) * 2004-06-28 2007-07-11 中国科学院半导体研究所 降低磷离子注入[0001]取向的4h－碳化硅电阻率的方法
DE102004062553A1 (de) * 2004-12-24 2006-07-06 Aixtron Ag CVD-Reaktor mit RF-geheizter Prozesskammer
US7476594B2 (en) * 2005-03-30 2009-01-13 Cree, Inc. Methods of fabricating silicon nitride regions in silicon carbide and resulting structures
CN100367476C (zh) * 2005-04-01 2008-02-06 河北工业大学 碳化硅热处理装置和方法
JP5037988B2 (ja) * 2007-03-29 2012-10-03 新電元工業株式会社 ＳｉＣ半導体装置の製造方法
JP2008283143A (ja) * 2007-05-14 2008-11-20 Ulvac Japan Ltd 処理装置、トランジスタ製造方法
DE102008023609A1 (de) * 2008-05-15 2009-11-19 Siced Electronics Development Gmbh & Co. Kg Verfahren zum thermischen Ausheilen und elektrischen Aktivieren implantierter Siliziumcarbidhalbleiter
US9068263B2 (en) * 2009-02-27 2015-06-30 Sandvik Thermal Process, Inc. Apparatus for manufacture of solar cells
US8734674B1 (en) * 2011-04-26 2014-05-27 Northwestern University Method of enhanced lithiation of doped silicon carbide via high temperature annealing in an inert atmosphere

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3629011A (en) * 1967-09-11 1971-12-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd Method for diffusing an impurity substance into silicon carbide
US5011549A (en) 1987-10-26 1991-04-30 North Carolina State University Homoepitaxial growth of Alpha-SiC thin films and semiconductor devices fabricated thereon
US5087576A (en) * 1987-10-26 1992-02-11 North Carolina State University Implantation and electrical activation of dopants into monocrystalline silicon carbide
US5119540A (en) 1990-07-24 1992-06-09 Cree Research, Inc. Apparatus for eliminating residual nitrogen contamination in epitaxial layers of silicon carbide and resulting product
US5190890A (en) * 1990-06-04 1993-03-02 Advanced Technology Materials, Inc. Wafer base for silicon carbide semiconductor devices, incorporating alloy substrates, and method of making the same
US5604135A (en) * 1994-08-12 1997-02-18 Cree Research, Inc. Method of forming green light emitting diode in silicon carbide
SE9601174D0 (sv) * 1996-03-27 1996-03-27 Abb Research Ltd A method for producing a semiconductor device having a semiconductor layer of SiC and such a device
US5981900A (en) * 1996-06-03 1999-11-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Method of annealing silicon carbide for activation of ion-implanted dopants
US6100169A (en) * 1998-06-08 2000-08-08 Cree, Inc. Methods of fabricating silicon carbide power devices by controlled annealing

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO9917345A1 *

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CN1272957A (zh) 2000-11-08
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US6406983B1 (en) 2002-06-18
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