WO2009138318A1 - Verfahren zum thermischen ausheilen und elektrischen aktivieren implantierter siliziumcarbidhalbleiter - Google Patents

Verfahren zum thermischen ausheilen und elektrischen aktivieren implantierter siliziumcarbidhalbleiter Download PDF

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WO2009138318A1
WO2009138318A1 PCT/EP2009/054983 EP2009054983W WO2009138318A1 WO 2009138318 A1 WO2009138318 A1 WO 2009138318A1 EP 2009054983 W EP2009054983 W EP 2009054983W WO 2009138318 A1 WO2009138318 A1 WO 2009138318A1
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WO
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silicon carbide
heat treatment
carbide semiconductor
treatment
graphite
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PCT/EP2009/054983
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Karlheinz HÖLZLEIN
Dethard Peters
Heinz Mitlehner
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Siced Electronics Development Gmbh & Co. Kg
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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

Definitions

  • the invention is in the technical field of manufacturing semiconductor devices and relates to a method for thermal annealing and electrical activation of implanted silicon carbide semiconductors.
  • SiC silicon carbide
  • SiIi- ziumcarbid a semiconductor material that combines a large electronic band gap and a relatively low area-specific electrical resistance.
  • SiC components such as field-effect transistors and Schottky diodes, are characterized by low forward losses and high voltage resistance in the case of blocking.
  • One way of doping silicon carbide is by the addition of dopants during the growth phase of a silicon carbide single crystal.
  • a lateral variation of the dopant concentration for the formation of specific semiconductor structures is made possible by an implantation of dopants (ions) into an epitaxially deposited silicon carbide layer, for example.
  • a major disadvantage of the implantation of dopants is the generation of lattice defects in the crystal lattice due to the high kinetic energy on the lattice Surface of the semiconductor impinging dopants.
  • an electrical activation of the implanted dopants is required because they usually do not fit exactly into the crystal lattice.
  • implanted silicon carbide semiconductors are subjected to a special heat treatment in which they are heated to a suitable annealing temperature in an annealing oven for a certain period of time. See, for example, International Patent Application WO 99/17345.
  • the thermal annealing and activation processes hitherto used have in common that the temperatures used for silicon carbide should be significantly above the melting temperature of silicon, on the one hand the best possible healing of defects and dislocations in the crystal lattice and on the other hand at least almost complete electrical activation reach the implanted dopants.
  • the layer thickness of the graphite coating layer in a CVD reactor heat treatment of the SiC epitaxial layer at 1700 0 C was prepared by a scanning electron microscopic determination carried out in an argon atmosphere to anneal the lattice defects and the Do- animal materials to electrically activate , Subsequently, the graphite cover layer was removed in an oxygen atmosphere at 900 0 C.
  • the epitaxial layer is heated twice, on the one hand to graphitize the photoresist and on the other hand to heal the lattice defects, whereby the SiC epitaxial layer is unnecessarily thermally stressed and the process duration and costs are increased.
  • the present invention has for its object to provide a method for thermal annealing and electrical activation of an implanted silicon carbide, by the deterioration of the surface of the implanted Siliziumcarbidtik can be reliably avoided, the lowest possible thermal stress on the Siliziumcarbidtik occurs and as pure as possible Graphite top layer on the silicon carbide layer can be produced.
  • the method should be used in an economical manner in industrial mass production.
  • a method for the thermal annealing of lattice defects and electrical activation of dopants of a silicon carbide semiconductor doped by implantation of dopants, for example an epitaxially deposited silicon carbide layer is shown.
  • the method comprises the following successive steps:
  • a graphitizable material applied on at least one provided for the formation of active structures.
  • This is generally a carbon- or hydrocarbon-containing material, for example a photoresist typically used in semiconductor production (photo-resist).
  • the graphitizable material can, for example, by spin coating by means of a Spin coating process can be applied to the silicon carbide semiconductor.
  • a first heat treatment during a first treatment period at one (or more) first treatment temperature (s) is performed, wherein the first treatment time and the at least one first treatment temperature are selected so that thereby graphitization of the cover layer to produce a graphite cover layer is achieved.
  • the first heat treatment is at a first treatment temperature in the range of 700-1000 0 C for a treatment period of 15-60 min.
  • a second heat treatment is performed during a second treatment period at one (or more) second treatment temperature (s).
  • the second treatment period and the at least one second treatment temperature are selected so that an annealing of lattice defects and at the same time an electrical activation of dopants in the silicon carbide semiconductor can be achieved.
  • the second heat treatment is carried out at a second treatment temperature in the range of 1600-1900 0 C for a treatment period of 5 to 30 min.
  • the second heat treatment is preferably carried out in a protective atmosphere of pure protective gas, that is to say an inert gas which reacts neither with the graphite covering layer nor with the silicon carbide semiconductor and the material in the furnace, for example argon or helium. Due to the protective atmosphere, in particular surfaces of the silicon carbide semi-conductor which are not covered by the graphite covering layer can be protected from contamination.
  • a protective atmosphere of pure protective gas that is to say an inert gas which reacts neither with the graphite covering layer nor with the silicon carbide semiconductor and the material in the furnace, for example argon or helium. Due to the protective atmosphere, in particular surfaces of the silicon carbide semi-conductor which are not covered by the graphite covering layer can be protected from contamination.
  • the graphite covering layer is removed from the silicon carbide semiconductor, which is achieved, for example, by oxidizing tion at about 900 0 C in an oxygen atmosphere or without further heating can be done by removing ("ashing") in an oxygen-microwave plasma.
  • the first and second heat treatment are carried out in a same furnace.
  • the vicinity of the silicon carbide semiconductor for example, a treatment space of the furnace for carrying out the first heat treatment containing the silicon carbide semiconductor, is evacuated during the first heat treatment.
  • the inventive method allows a thermal annealing of lattice defects and at the same time electrical activation of implanted dopants in implanted SiIi- ziumcarbidleitern, with a deterioration of the surface finish of the silicon carbide layer can be reliably avoided by the graphite cover layer.
  • By evacuating the surroundings of the silicon carbide semiconductor it can be achieved in an advantageous manner that constituents of the graphitizable material, in particular organic compounds, are removed from the surroundings of the silicon carbide semiconductor during the first heat treatment.
  • a graphite covering layer of pure (not contaminated by outgassed compounds) graphite can be produced, which can be easily removed, for example, by burning in an oxygen atmosphere or by rinsing with an oxygen plasma.
  • contamination of the furnace with the compounds degassed from the graphitizable material and / or contamination of the silicon carbide semiconductor can advantageously be avoided.
  • contamination of the silicon carbide semiconductor by transferring it between two furnaces can be avoided.
  • the gas pressure in the vicinity of the silicon carbide semiconductor can be kept in a desired range via a temperature control.
  • a temperature control is particularly advantageous in this case.
  • the temperature is not further increased until the gas pressure in the desired area lies.
  • the purity of the graphitizable material can be checked via the value of the gas pressure.
  • the second heat treatment is only started when a gas pressure of z. B. 8 x 10 ⁇ 5 mbar is present.
  • impurities in the vicinity of the silicon carbide semiconductor for example dirt on the furnace wall, which has been introduced by a fitter, to be removed by evacuation during the first heat treatment. If such impurities were not removed, they could otherwise contaminate the graphite top layer and / or the silicon carbide semiconductor.
  • the purity of the graphitizable material as well as the entire environment of the silicon carbide semiconductor can thus be advantageously produced and checked by the value of the gas pressure.
  • the two heat treatments are performed such that there is substantially no cooling of the silicon carbide semiconductor between the first heat treatment and the second heat treatment.
  • the second heat treatment immediately follows the first heat treatment for this purpose. If there is a time interval between the first and second heat treatment, the temperature of the silicon carbide semiconductor is lowered, if necessary, by heating. As a result, an unnecessary thermal stress of the silicon carbide semiconductor can be avoided. In industrial series production, the process can be carried out economically efficiently.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view through an annealing furnace for carrying out the method according to the invention on an implanted silicon carbide semiconductor.
  • the annealing furnace 1 shown in FIG. 1 is used for heat treatment of a silicon carbide semiconductor doped by implantation and is part of an annealing plant (not shown).
  • the annealing furnace 1 surrounds with a furnace wall 10 a gas-tight treatment chamber 9 which is provided with a heating element 2, for example made of graphite, for the purpose of ohmic heating (resistance heating).
  • the furnace wall 10 is thermally shielded from the heating element 2 with radiation shields (not shown) or an insulator made of heat-insulating material.
  • radiation shields not shown
  • an insulator made of heat-insulating material.
  • the silicon carbide semiconductor 11 consists of a monocrystalline silicon carbide substrate 4 produced, for example, by a sublimation growth process, onto which a silicon carbide layer 5 has been epitaxially deposited, for example, by chemical vapor deposition (CVD).
  • the silicon carbide layer 5 was doped by implanting dopant ions (for example, phosphorus, nitrogen, or aluminum ions) a plurality of times.
  • the dopant ions were shot for this purpose in an implantation system, not shown, with an energy of, for example, up to a few 100 keV on a in Fig. 1 horizontal (main) surface 12 of the silicon carbide 5, whereby lattice defects and dislocations in the crystal lattice of silicon carbide were generated.
  • the surface 12 of the silicon carbide layer 5 is completely covered with a graphite top layer 6.
  • the production of the graphite covering layer 6 is part of the method according to the invention for the thermal annealing and electrical activation of the implanted silicon carbide layer 5.
  • the graphite cover layer 6 is produced by spin-coating a hydrocarbon-containing photoresist (photoresist) used in semiconductor technology, for example for forming an etching mask, onto the surface 12 by means of a spin coating method in a spin coating system (not shown).
  • a hydrocarbon-containing photoresist photoresist
  • the silicon carbide semiconductor 11 is placed on the carrier 3 in the treatment chamber 9 of the annealing furnace 1, wherein a first heat treatment in the annealing furnace 1 is carried out for graphitization (graphite transformation) of the photoresist to produce the graphite top layer 6.
  • the silicon carbide semiconductor 11 is heated to a first treatment temperature of for example 1000 0 C.
  • a continuous evacuation of the treatment chamber 9 takes place during the first heat treatment.
  • the gas pressure in the treatment chamber 9 is controlled and the heating is controlled so that a certain maximum pressure, for example 1 ⁇ 10 -3 mbar, is not exceeded. This ensures that the photoresist can gradually outgas and, for example, blistering of the photoresist is avoided by vigorous outgassing.
  • the silicon carbide semiconductor is held for at least a first treatment period of, for example, 15 minutes and further kept at this temperature until a predetermined limit value of the gas pressure, for example 8 ⁇ 10 -5 mbar is exceeded.
  • evacuation can be achieved that outgassing during the first heat treatment from the photoresist components, such as organic compounds are removed from the treatment chamber 9, so that a pure graphite cover layer 6 generates and contamination, for example, the protective gas is avoided for subsequent process steps.
  • a second heat treatment is carried out for annealing lattice defects and defects of the silicon carbide layer 5 and electrically activating the implanted dopant ions in the same annealing furnace 1 carried out.
  • the second heat treatment is performed immediately after the first heat treatment, so that the temperature of the silicon carbide semiconductor 11 does not fall.
  • the silicon carbide semiconductor 11 is excluded from its temperature during the first heat treatment (0 for example, 1000 C) for example, heated for a period of 30 minutes to a temperature of 1700 ° C.
  • gaseous argon is conducted via the protective gas supply line 8 into the treatment space 9, the gas pressure in the treatment space 9 at the beginning of the second heat treatment being 0.5-1 bar, for example.
  • the introduction of the inert gas is shown symbolically in the treatment chamber 9 by the arrow.
  • the temperature of the silicon carbide semiconductor 11 is prevented from decreasing with respect to the temperature used during the first heat treatment, possibly by using the electrical resistance heating.
  • a time interval can be used to introduce the protective gas into the treatment chamber 9.
  • the graphite covering layer 6 is preferably removed by ashing in an oxygen plasma.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Ausheilen von Gitterdefekten und elektrischen Aktivieren von Dotierstoffionen eines durch Implantation von Dotierstoffionen dotierten Siliziumcarbidhalbleiters (11), bei dem durch eine erste Wärmebehandlung eine Graphitdeckschicht auf wenigstens einer Oberfläche des Siliziumcarbidhalbleiters erzeugt wird, und der mit einer Graphitdeckschicht versehene Siliziumcarbidhalbleiter einer zweiten Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei die erste und zweite Wärmebehandlung in einem selben Ofen (1) durchgeführt werden, und wobei die Umgebung (9) des Siliziumcarbidhalbleiters (11) während der ersten Wärmebehandlung evakuiert wird.

Description

Verfahren zum thermischen Ausheilen und elektrischen Aktivieren implantierter Siliziumcarbidhalbleiter
Beschreibung
Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Herstellung von Halbleiterbauelementen und betrifft ein Verfahren zum thermischen Ausheilen und elektrischen Aktivieren implantierter Siliziumcarbidhalbleiter .
Aus Siliziumcarbid (SiC) hergestellte Halbleiterbauelemente können beispielsweise für Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik nutzbringend eingesetzt werden. Grund hierfür sind die vorteilhaften physikalischen Eigenschaften von SiIi- ziumcarbid, ein Halbleitermaterial, das eine große elektronische Bandlücke und einen relativ geringen flächenspezifischen elektrischen Widerstand miteinander verbindet. SiC-Bauelemen- te, wie Feldeffekttransistoren und Schottky-Dioden, zeichnen sich durch niedrige Durchlassverluste und eine hohe Span- nungsfestigkeit im Sperrfall aus.
Ein Hindernis für die industrielle Serienfertigung von Halbleiterbauelementen aus Siliziumcarbid war lange Zeit dessen vergleichsweise schwierige Dotierung, bei der aufgrund der erforderlichen hohen Temperaturen die bei Silizium übliche
Technik einer Diffusion von Dotierstoffen nicht geeignet ist. Eine Möglichkeit der Dotierung von Siliziumcarbid ist durch die Zugabe von Dotierstoffen während der Wachstums- bzw. Züchtungsphase eines Siliziumcarbid-Einkristalls gegeben. Ei- ne laterale Variation der Dotierstoffkonzentration zur Ausbildung spezifischer Halbleiterstrukturen ist durch eine Implantation von Dotierstoffen (Ionen) in eine beispielsweise epitaktisch abgeschiedene Siliziumcarbidschicht ermöglicht. Ein wesentlicher Nachteil der Implantation von Dotierstoffen liegt in der Erzeugung von Gitterdefekten im Kristallgitter aufgrund der mit einer hohen kinetischen Energie auf der Oberfläche des Halbleiters auftreffenden Dotierstoffe. Darüber hinaus ist eine elektrische Aktivierung der implantierten Dotierstoffe erforderlich, da sich diese meist nicht genau in das Kristallgitter einfügen.
Um die Gitterdefekte auszuheilen und die Dotierstoffe elektrisch zu aktivieren, werden implantierte Siliziumcarbidhalb- leiter einer speziellen Wärmebehandlung unterzogen, bei der sie in einem Ausheilofen für einen bestimmten Zeitraum auf eine geeignete Ausheiltemperatur erwärmt werden. Siehe hierzu beispielsweise die internationale Patentanmeldung WO 99/17345.
Den bislang eingesetzten thermischen Ausheil- und Aktivie- rungsprozessen ist gemeinsam, dass die bei Siliziumcarbid eingesetzten Temperaturen deutlich oberhalb der Schmelztemperatur von Silizium liegen sollten, um einerseits eine möglichst gute Ausheilung der Defekte und Fehlordnungen im Kristallgitter und andererseits eine wenigstens nahezu vollstän- dige elektrische Aktivierung der implantierten Dotierstoffe zu erreichen.
Wie die Praxis jedoch zeigt, werden durch die Erwärmung eines Siliziumcarbidhalbleiters auf derart hohe Temperaturen Atome von der Oberfläche des Siliziumcarbidhalbleiters abgedampft, was eine Umlagerung oberflächennaher Atome zur Folge hat. Auf der Oberfläche des Siliziumcarbidhalbleiters wird auf diese Weise eine tiefe Rillen aufweisende, streifenartige Struktur erzeugt, so dass die Dotierstoffverteilung an der Oberfläche nicht mehr homogen ist. Besonders nachteilig wirkt sich dieser Effekt bei Halbleiterbauelementen aus, deren Funktion und Leistung wesentlich von der Oberflächenbeschaffenheit abhängt, wie bei Schottky-Dioden und durch Feldeffekt steuerbare Bauelemente, beispielsweise Feldeffekttransistoren. Um eine Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit der Silizi- umcarbidschicht durch den thermischen Ausheil- und Aktivie- rungsprozess zu vermeiden, ist in Negoro et al . "Electronic behaviours of high-dose phosphorus-ion implanted 4H-SiC (0001)", Journal of Applied Physics, Vol. 96, No. 1, 2004, pp . 224-228, eine Methode beschrieben, bei dem eine SiC- Epitaxieschicht nach dem Implantieren von Phosphorionen mit einer Graphitdeckschicht versehen wurde, die durch Graphiti- sieren eines aufgeschleuderten Photolacks erzeugt worden ist. In dem dort beschriebenen Verfahren wurde nach einer raster- elektronenmikroskopischen Bestimmung der Schichtdicke der Graphitdeckschicht in einem CVD-Reaktor eine Wärmebehandlung der SiC-Expitaxieschicht bei 17000C in einer Argon-Atmosphäre durchgeführt, um die Gitterdefekte auszuheilen und die Do- tierstoffe elektrisch zu aktivieren. Anschließend wurde die Graphitdeckschicht in einer Sauerstoff-Atmosphäre bei 9000C entfernt .
Zwar kann durch die Graphitdeckschicht ein Abdampfen von Ato- men während des Ausheil- und Aktivierungsprozesses unterbunden werden, wie jedoch Versuche der Anmelderin gezeigt haben, gasen während der Umwandlung des Photolacks zu Graphit organische Verbindungen aus dem Photolack aus, welche die Zusammensetzung und Struktur der erzeugten Graphitdeckschicht be- einträchtigen und eine einfache Entfernung der Graphitdeckschicht beispielsweise durch Abbrennen erheblich erschweren können. Zudem können sich die ausgegasten Stoffe als Verunreinigungen im Ofen niederschlagen, welche umfangreiche Reinigungsarbeiten erforderlich machen und/oder die SiC-Epi- taxieschicht erheblich verunreinigen. Zudem wird ein zweimaliges Aufheizen der Epitaxieschicht durchgeführt, einerseits zum Graphitisieren des Photolacks und andererseits zum Ausheilen der Gitterdefekte, wodurch die SiC-Epitaxieschicht unnötig thermisch belastet und die Prozessdauer und -kosten er- höht werden. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum thermischen Ausheilen und elektrischen Aktivieren einer implantierten Siliziumcarbidschicht anzugeben, durch das eine Beeinträchtigung der Oberflächenbe- schaffenheit der implantierten Siliziumcarbidschicht zuverlässig vermieden werden kann, eine möglichst geringe thermische Belastung der Siliziumcarbidschicht auftritt und eine möglichst reine Graphitdeckschicht auf der Siliziumcarbidschicht erzeugt werden kann. Zudem soll das Verfahren in wirtschaftlicher Weise in der industriellen Serienfertigung einsetzbar sein.
Diese und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch ein Verfahren zum thermischen Ausheilen von Gitterdefekten und elektrischen Aktivieren von Dotierstoffen eines implantierten Siliziumcarbidhalbleiters mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben .
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum thermischen Ausheilen von Gitterdefekten und elektrischen Aktivieren von Dotierstoffen eines durch Implantation von Dotierstoffen dotierten Siliziumcarbidhalbleiters, beispielsweise eine epitaktisch abgeschiedene Siliziumcarbidschicht, gezeigt. Das Verfahren umfasst die folgenden sukzessiven Schritte:
Zunächst wird auf wenigstens eine zur Ausbildung von aktiven Strukturen vorgesehene Oberfläche des Siliziumcarbidhalblei- ters eine diese (wenigstens teilweise oder vollständig) bedeckende Deckschicht aus einem graphitisierbaren Material aufgebracht. Hierbei handelt es sich in der Regel um ein kohlen- stoff- bzw. kohlenwasserstoffhaltiges Material, beispielsweise einen in der Halbleiterfertigung typischer Weise einge- setzten Photolack (Photo-Resist) . Das graphitisierbare Material kann beispielsweise durch Aufschleudern mittels eines Spin-Coating-Verfahrens auf den Siliziumcarbidhalbleiter aufgebracht werden.
Anschließend wird eine erste Wärmebehandlung während einer ersten Behandlungsdauer bei einer (oder mehreren) ersten Behandlungstemperatur (en) durchgeführt, wobei die erste Behandlungsdauer und die wenigstens eine erste Behandlungstemperatur so gewählt sind, dass hierdurch eine Graphitisierung der Deckschicht zur Erzeugung einer Graphitdeckschicht erreicht wird. Beispielsweise erfolgt die erste Wärmebehandlung bei einer ersten Behandlungstemperatur im Bereich von 700-10000C für einen Behandlungszeitraum von 15-60 min.
Nach Erzeugen der Graphitdeckschicht wird eine zweite Wärme- behandlung während einer zweiten Behandlungsdauer bei einer (oder mehreren) zweiten Behandlungstemperatur (en) durchgeführt . Die zweite Behandlungsdauer und die wenigstens eine zweite Behandlungstemperatur sind so gewählt, dass hierdurch eine Ausheilung von Gitterdefekten und zugleich eine elektri- sehe Aktivierung von Dotierstoffen im Siliziumcarbidhalbleiter erreicht werden kann. Beispielsweise erfolgt die zweite Wärmebehandlung bei einer zweiten Behandlungstemperatur im Bereich von 1600-19000C für einen Behandlungszeitraum von 5 bis 30 min.
Die zweite Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise in einer Schutzatmosphäre aus reinem Schutzgas, das heißt einem inerten Gas, das weder mit der Graphitdeckschicht noch mit dem Siliziumcarbidhalbleiter und dem im Ofen befindlichen Materi- al reagiert, beispielsweise Argon oder Helium. Durch die Schutzatmosphäre können insbesondere von der Graphitdeckschicht nicht bedeckte Oberflächen des Siliziumcarbidhalblei- ters vor Verunreinigung geschützt werden.
Anschließend erfolgt ein Entfernen der Graphitdeckschicht von dem Siliziumcarbidhalbleiter, was beispielsweise durch Oxida- tion bei ca. 9000C in einer Sauerstoffatmosphäre oder ohne weiteres Heizen durch Entfernen ("Veraschen") in einem Sauerstoff-Mikrowellenplasma erfolgen kann.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist wesentlich, dass die erste und zweite Wärmebehandlung in einem selben Ofen durchgeführt werden. Die Umgebung des Siliziumcarbidhalbleiters, beispielsweise ein den Siliziumcarbidhalbleiter enthaltender Behandlungsraum des Ofens zum Durchführen der ersten Wärmebe- handlung, wird während der ersten Wärmebehandlung evakuiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein thermisches Ausheilen von Gitterdefekten und zugleich elektrisches Aktivieren von implantierten Dotierstoffe in implantierten SiIi- ziumcarbidhalbleitern, wobei eine Beeinträchtigung der Oberflächenbeschaffenheit der Siliziumcarbidschicht durch die Graphitdeckschicht zuverlässig vermieden werden kann. Durch Evakuieren der Umgebung des Siliziumcarbidhalbleiters kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass Bestandteile des graphitisierbaren Materials, insbesondere organische Verbindungen, während der ersten Wärmebehandlung aus der Umgebung des Siliziumkarbidhalbleiters entfernt werden. Auf diese Weise kann eine Graphitdeckschicht aus reinem (nicht durch ausgegaste Verbindungen verunreinigtem) Graphit erzeugt werden, welche problemlos beispielsweise durch Abbrennen in einer Sauerstoffatmosphäre oder durch Umspülen mit einem Sauerstoffplasma entfernt werden kann. Zudem kann in vorteilhafter Weise eine Verunreinigung des Ofens mit den aus dem graphitisierbaren Material ausgegasten Verbindungen und/oder eine Verunreinigung des Siliziumcarbidhalbleiters vermieden werden. Dadurch, dass die beiden Wärmebehandlungen in einem selben Ofen durchgeführt werden, kann eine Verunreinigung des Siliziumcarbidhalbleiters durch dessen Überführen zwischen zwei Öfen vermieden werden. Während der ersten Wärmebehandlung kann über eine Temperatursteuerung der Gasdruck in der Umgebung des Siliziumcarbid- halbleiters in einem gewünschten Bereich gehalten werden. Besonders vorteilhaft erfolgt hierbei eine Evakuierung bis zu einem Gasdruck im Bereich von 1 x 10~3 bis 1 x 10~5 mbar, um hierdurch ein sanftes Ausgasen des graphitisierbaren Materials ohne die Gefahr einer unerwünschten Blasenbildung zu ermöglichen .
Für den Fall, dass der Gasdruck durch die ausgasenden Bestandteile auf einen Wert oberhalb des gewünschten Gasdruckbereichs (z. B. 1 x 10~3 bis 1 x 10~5 mbar) steigt, wird die Temperatur nicht weiter erhöht, bis der Gasdruck wieder im gewünschten Bereich liegt. Ist die gewünschte Endtemperatur erreicht, kann über den Wert des Gasdrucks die Reinheit des graphitisierbaren Materials überprüft werden. Beispielsweise wird die zweite Wärmebehandlung erst dann begonnen, wenn ein Gasdruck von z. B. 8 x 10~5 mbar vorliegt.
Besonders vorteilhaft können auch Verunreinigungen in der Umgebung des Siliziumcarbidhalbleiters, beispielsweise Schmutz auf der Ofenwand, der durch einen Monteur eingebracht wurde, durch Evakuieren während der ersten Wärmebehandlung entfernt werden. Würden solche Verunreinigungen nicht entfernt, könn- ten diese ansonsten die Graphitdeckschicht und/oder den SiIi- ziumcarbidhalbleiter verunreinigen .
Durch Evakuieren kann somit in vorteilhafter Weise die Reinheit des graphitisierbaren Materials sowie der gesamten Umge- bung des Siliziumcarbidhalbleiters hergestellt und durch den Wert des Gasdrucks überprüft werden.
In vorteilhafter Weise werden die beiden Wärmebehandlungen so durchgeführt, dass zwischen der ersten Wärmebehandlung und der zweiten Wärmebehandlung im Wesentlichen keine Abkühlung des Siliziumcarbidhalbleiters stattfindet. Vorzugsweise schließt sich die zweite Wärmebehandlung der ersten Wärmebehandlung zu diesem Zweck unmittelbar an. Falls ein Zeitintervall zwischen der ersten und zweiten Wärmebehandlung liegt, so wird, gegebenenfalls durch Heizen verhindert, dass die Temperatur des Siliziumcarbidhalbleiters sinkt. Hierdurch kann eine unnötige thermische Belastung des Siliziumcarbidhalbleiters vermieden werden. In der industriellen Serienfertigung kann das Verfahren wirtschaftlich effizient durchgeführt werden.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügte Figur 1 genommen wird.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch einen Ausheilofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem implantierten Siliziumcarbid- halbleiter .
Der in Fig. 1 gezeigte Ausheilofen 1 dient zur Wärmebehandlung eines durch Implantieren dotierten Siliziumcarbidhalbleiters und ist Teil einer nicht dargestellten Ausheilanlage.
Der Ausheilofen 1 umgibt mit einer Ofenwand 10 einen gasdich- ten Behandlungsraum 9, der mit einem beispielsweise aus Graphit bestehenden Heizelement 2 zum Zwecke einer Ohm' sehen Heizung (Widerstandsheizung) versehen ist. Die Ofenwand 10 ist gegenüber dem Heizelement 2 mit nicht gezeigten Strahlungsschilden oder einem Isolator aus Wärme dämmendem Materi- al thermisch abgeschirmt. Alternativ wäre es beispielsweise auch möglich, den Behandlungsraum 9 durch eine Hochfrequenz- Induktionspule zu heizen, wobei die Widerstandsheizung durch einen Suszeptor aus einem durch Induktion gut heizbaren Material ersetzt wird. Innerhalb des Behandlungsraums 9 ist ein durch eine nicht dargestellte Halterung an der Ofenwand 10 befestigter Träger 3 aufgenommen, auf dessen Oberseite sich ein implantierter Siliziumcarbidhalbleiter 11 befindet. Der Siliziumcarbidhalb- leiter 11 besteht aus einem beispielsweise durch einen Subli- mationszüchtungsprozess hergestellten einkristallinen Silizi- umcarbidsubstrat 4, auf das beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD = Chemical Vapor Deposition) eine Siliziumcarbidschicht 5 epitaktisch abgeschieden wurde. Die Siliziumcarbidschicht 5 wurde durch mehrmaliges Implantieren von Dotierstoffionen (beispielsweise Phosphor, Stickstoffoder Aluminiumionen) dotiert. Die Dotierstoffionen wurden zu diesem Zweck in einer nicht dargestellten Implantationsanlage mit einer Energie von beispielsweise bis zu einigen 100 keV auf eine in Fig. 1 horizontale (Haupt-) Oberfläche 12 der Siliziumcarbidschicht 5 geschossen, wodurch Gitterdefekte und Fehlordnungen im Kristallgitter des Siliziumcarbids erzeugt wurden .
Die Oberfläche 12 der Siliziumcarbidschicht 5 ist mit einer Graphitdeckschicht 6 vollständig bedeckt. Die Erzeugung der Graphitdeckschicht 6 ist Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum thermischen Ausheilen und elektrischen Aktivieren der implantierten Siliziumcarbidschicht 5.
Die Graphitdeckschicht 6 wird erzeugt, indem ein in der Halbleitertechnik beispielsweise zur Formung einer Ätzmaske eingesetzter kohlenwasserstoffhaltiger Photolack (Photo-Resist) mittels eines Spin-Coating-Verfahrens in einer nicht darge- stellten Spin-Coating-Anlage auf die Oberfläche 12 aufgeschleudert wird. Nach Aufbringen des Photolacks auf die Oberfläche 12 wird der Siliziumcarbidhalbleiter 11 im Behandlungsraum 9 des Ausheilofens 1 auf den Träger 3 platziert, wobei für eine Graphitisierung (Graphitumwandlung) des Photo- lacks zur Erzeugung der Graphitdeckschicht 6 eine erste Wärmebehandlung im Ausheilofen 1 durchgeführt wird. Zu diesem Zweck wird der Siliziumcarbidhalbleiter 11 auf eine erste Behandlungstemperatur von beispielsweise 10000C erwärmt. Zudem erfolgt während der ersten Wärmebehandlung eine kontinuierliche Evakuierung des Behandlungsraums 9. Während der Erwärmung auf die erste Behandlungstemperatur wird der Gasdruck im Behandlungsraum 9 kontrolliert und die Erwärmung so geregelt, das ein bestimmter Maximaldruck, hier beispielsweise 1 x 10~3 mbar nicht überschritten wird. Dadurch wird erreicht, dass der Photolack allmählich ausgasen kann und beispielsweise Blasenbildung des Photolacks durch heftiges Ausgasen vermieden wird. Bei der ersten Behandlungstemperatur wird der Siliziumcarbidhalbleiter für mindestens eine erste Behandlungsdauer von beispielsweise 15 Minuten gehalten und des Weiteren so lange auf dieser Temperatur gehalten, bis ein vorgegebener Grenzwert des Gasdrucks, beispielsweise 8 x 10~5 mbar unterschritten wird.
Für eine Evakuierung des Behandlungsraums 9 ist dieser über ein Evakuierungsrohr 7 mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden. In Fig. 1 ist durch den eingezeichneten Pfeil das Entfernen der Luft aus dem Behandlungsraum 9 symbolisch dargestellt.
Durch die Evakuierung kann erreicht werden, dass während der ersten Wärmebehandlung aus dem Photolack ausgasende Bestandteile, beispielsweise organische Verbindungen, aus dem Behandlungsraum 9 entfernt werden, so dass eine reine Graphitdeckschicht 6 erzeugt und eine Kontamination, beispielsweise des Schutzgases, für nachfolgende Prozessschritte vermieden wird.
Nach Erzeugen der Graphitdeckschicht 6 wird eine zweite Wärmebehandlung zum Ausheilen von Gitterdefekten und Fehlordnun- gen der Siliziumcarbidschicht 5 und elektrischen Aktivieren der implantierten Dotierstoffionen im selben Ausheilofen 1 durchgeführt. Die zweite Wärmebehandlung wird unmittelbar im Anschluss an die erste Wärmebehandlung durchgeführt, so dass die Temperatur des Siliziumcarbidhalbleiters 11 nicht fällt. Zu diesem Zweck wird der Siliziumcarbidhalbleiter 11 ausge- hend von seiner Temperatur während der ersten Wärmebehandlung (beispielsweise 10000C) beispielsweise für einen Zeitraum von 30 Minuten auf eine Temperatur von 1700° C erwärmt. Zu Beginn der zweiten Wärmebehandlung wird gasförmiges Argon über die Schutzgaszuleitung 8 in den Behandlungsraum 9 geleitet, wobei der Gasdruck im Behandlungsraum 9 zu Beginn der zweiten Wärmebehandlung beispielsweise 0,5 - 1 bar beträgt. In Fig. 1 ist durch den eingezeichneten Pfeil das Einleiten des Schutzgases in den Behandlungsraum 9 symbolisch dargestellt.
Falls zwischen der ersten Wärmebehandlung und dem Beginn der zweiten Wärmebehandlung ein Zeitintervall liegt, wird - gegebenenfalls durch Einsatz der elektrischen Widerstandsheizung - verhindert, dass die Temperatur des Siliziumcarbidhalbleiters 11 gegenüber der bei der ersten Wärmebehandlung eingesetzten Temperatur sinkt. Beispielsweise kann ein solches Zeitintervall genutzt werden, um das Schutzgas in den Behandlungsraum 9 einzuleiten.
Nach Beendigung der zweiten Wärmebehandlung wird die Graphit- deckschicht 6 vorzugsweise durch Veraschen in einem Sauerstoffplasma entfernt.
Bezugs zeichenliste
1 Ausheilofen
2 Heizelement 3 Träger
4 SiC-Substrat
5 Siliziumcarbidschicht
6 Graphitdeckschicht
7 Evakuierungsrohr 8 Schutzgaszuleitung
9 Behandlungsraum
10 Ofenwand
11 Siliziumcarbidhalbleiter
12 Oberfläche

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum thermischen Ausheilen von Gitterdefekten und elektrischen Aktivieren von Dotierstoffionen eines durch Implantation von Dotierstoffionen dotierten Siliziumcarbid- halbleiters (11) mit den folgenden Schritten:
Aufbringen auf wenigstens eine Oberfläche (12) des SiIi- ziumcarbidhalbleiters (11) eine diese bedeckende Deckschicht aus einem graphitisierbaren Material; - Durchführen einer ersten Wärmebehandlung mit einer zum Graphitisieren des Materials der Deckschicht geeigneten ersten Behandlungsdauer bei wenigstens einer ersten Behandlungstemperatur zum Erzeugen einer Graphitdeckschicht (6);
Durchführen einer zweiten Wärmebehandlung mit einer zum Ausheilen von Gitterdefekten und elektrischen Aktivieren von Dotierstoffionen im Siliziumcarbidhalbleiter geeigneten zweiten Behandlungsdauer bei wenigstens einer zweiten Behandlungstemperatur;
Entfernen der Graphitdeckschicht (6) von dem Silizium- carbidhalbleiter (11) . dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Wärmebehandlung in einem selben Ofen (1) durchgeführt werden, und dass die Umgebung (9) des Siliziumcarbidhalbleiters (11) während der ersten Wärmebehandlung evakuiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebung (9) des Siliziumcarbidhalbleiters auf einen Gasdruck im Bereich von 1 x 10~3 bis 1 x 10~5 mbar evakuiert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmebehandlung bei wenigstens einer zweiten Behandlungstemperatur durchgeführt wird, die größer ist als die erste Behandlungstemperatur, derart, dass zwischen der ersten Wärmebehandlung und der zweiten Wärmebe- handlung keine Abkühlung des Siliziumcarbidhalbleiters (11) erfolgt .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmebehandlung unmittelbar folgend zur ersten
Wärmebehandlung durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmebehandlung bei einer ersten Behandlungstemperatur im Bereich von 700-10000C für einen Zeitraum von 15-60 min erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmebehandlung bei einer zwei- ten Behandlungstemperatur im Bereich von 1600-19000C für einen Zeitraum von 5 bis 30 min erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmebehandlung in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitdeckschicht durch ein Sauerstoffplasma entfernt wird.
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