WO2023275352A1 - Verfahren zum herstellen eines siliziumkarbid-halbleiterbauelements - Google Patents
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Definitions
- the silicon layer and the germanium layer are connected in a protective gas atmosphere with nitrogen or argon.
- the advantage here is that no impurities can penetrate and the resulting connection layer is of good quality.
- the adhesion layer is locally electrically conductive and has a resistance between 0.01 and le-5 Q/cm 2 . This prevents, for example, unwanted charges in the semiconductor component that cannot flow away.
- the connection layer is removed with the aid of a third laser, the laser beams being coupled in through the polycrystalline silicon carbide substrate.
- the first laser, the second laser and the third laser are solid-state lasers, for example.
- the first laser and the third laser generate wavelengths that are transmitted through the polycrystalline silicon carbide substrate and the silicon layer. In other words, the laser beams are not absorbed by the polycrystalline silicon carbide substrate and the silicon layer. For example, a wavelength of 1440 nm is used.
- the first laser and the third laser have an energy density ranging between 1 J/cm 2 and 5 J/cm 2 .
- the silicon layer and the germanium layer have a layer thickness between 50 nm and 1000 nm.
- the monocrystalline silicon carbide substrate is, for example, a 4H, 6H, or 3C silicon carbide substrate.
- the silicon carbide semiconductor component is used in the electric drive train of electric or hybrid vehicles, for example in the DC/DC converter or inverter, as well as in vehicle chargers or inverters for household appliances.
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Abstract
Verfahren (100) zum Herstellen eines Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements mit einem monokristallinen Siliziumkarbidsubstrat, wobei das monokristalline Siliziumkarbidsubstrat eine Substratdicke im Bereich zwischen 50 pm und 100 pm aufweist, und einem polykristallinen Siliziumkarbidsubstrat mit den Schritten Aufbringen (105) einer Siliziumschicht auf das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat mittels physikalischer Dampfabscheidung, Aufbringen (110) einer Germaniumschicht auf das monokristalline Siliziumkarbidsubstrat mittels einer weiteren physikalischen Dampfabscheidung, Verbinden (115) der Siliziumschicht und der Germaniumschicht mit Hilfe eines ersten Lasers, wobei Laserstrahlen durch das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat eingekoppelt werden und eine Verbindungsschicht aus Silizium und Germanium erzeugt wird, Erzeugen (120) aktiver Bereiche des Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements auf oder innerhalb des monokristallinen Siliziumkarbidsubstrats, wobei Hochtemperaturprozesse mit Hilfe eines zweiten Lasers mit einer Wellenlänge von ungefähr 350 nm und einer Energiedichte von 0,5 J/cm2 bis 5 J/cm2 durchgeführt werden, Aufbringen (125) eines Glassubstrats auf die aktiven Bereiche des Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements, wobei das Glassubstrat mittels einer Adhäsionsschicht mit den aktiven Bereichen verbunden wird, und Entfernen (130) der Verbindungsschicht mit Hilfe eines dritten Lasers, wobei Laserstrahlen durch das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat eingekoppelt werden.
Description
Beschreibung
Verfahren zum Herstellen eines Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumkarbid- Halbleiterbauelements.
Siliziumkarbid-Halbleiterbauelemente werden üblicherweise auf monokristallinen Siliziumkarbidsubstraten hergestellt, die eine Substratdicke von mehr als 300 pm aufweisen. Nach Fertigstellung der Vorderseite der Siliziumkarbid- Halbleiterbauelemente wird die Substratdicke mit Hilfe von Grindingprozessen bzw. Schleifprozessen auf eine bestimmte Zieldicke unterhalb von 200 pm verringert.
Nachteilig ist hierbei, dass der Herstellungsprozess teuer ist, da ein Großteil des monokristallinen Siliziumkarbidsubstrats entfernt wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es diesen Nachteil zu überwinden.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Siliziumkarbid- Halbleiterbauelements mit einem monokristallinen Siliziumkarbidsubstrat und einem polykristallinen Siliziumkarbidsubstrat, wobei das monokristalline Siliziumkarbidsubstrat eine Substratdicke im Bereich zwischen 50 pm und 100 pm aufweist, umfasst das Aufbringen einer Siliziumschicht auf das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat mittels physikalischer Dampfabscheidung und das Aufbringen einer Germaniumschicht auf das monokristalline Siliziumkarbidsubstrat mittels physikalischer Dampfabscheidung. Das Verfahren
umfasst das Verbinden der Siliziumschicht und der Germaniumschicht mit Hilfe eines ersten Lasers, wobei Laserstrahlen durch das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat eingekoppelt werden und eine Verbindungsschicht aus Silizium und Germanium erzeugt wird, und das Erzeugen aktiver Bereiche des Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements auf oder innerhalb des monokristallinen Siliziumkarbidsubstrats, wobei Hochtemperaturprozesse mit Hilfe eines zweiten Lasers mit einer Wellenlänge von ungefähr 350 nm und einer Energiedichte von 0,5 J/cm2 bis 5 J/cm2 durchgeführt werden. Das Verfahren umfasst das Aufbringen eines Glassubstrats auf die aktiven Bereiche des Siliziumkarbid- Halbleiterbauelements, wobei das Glassubstrat mittels einer Adhäsionsschicht mit den aktiven Bereichen verbunden ist und das Entfernen der Verbindungsschicht mit Hilfe eines dritten Lasers, wobei die Laserstrahlen durch das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat eingekoppelt werden. Unter dem Begriff aktive Bereiche des Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements werden n- oder p- dotierte Gebiete verstanden, die beispielsweise Kanalgebiete oder Diodengebiete bilden, die sich innerhalb des monokristallinen Siliziumkarbidsubstrats befinden oder Kontaktbereiche, die sich auf dem monokristallinen Siliziumkarbidsubstrat befinden.
Der Vorteil ist hierbei, dass der Herstellungsprozess kostengünstig ist und das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat für die Herstellung weiterer Siliziumkarbid- Halbleiterbauelemente wiederverwendet werden kann.
In einer Weiterbildung wird das Verbinden der Siliziumschicht und der Germaniumschicht unter Vakuumbedingungen durchgeführt, wobei die Vakuumbedingungen Drücke zwischen 1 mbar und 3 mbar umfassen.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die benötigte Laserenergie und Temperatur moderat sind.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Verbinden der Siliziumschicht und der Germaniumschicht in einer Schutzgasatmosphäre mit Stickstoff oder Argon durchgeführt.
Der Vorteil ist hierbei, dass keine Verunreinigungen eindringen können und die entstehende Verbindungsschicht eine gute Qualität aufweist.
In einer Weiterbildung erzeugen bzw. verwenden der erste Laser und der dritte Laser jeweils eine Wellenlänge, die durch das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat und die Siliziumschicht transmittiert wird.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Laserenergie genau bzw. zielgenau im Bereich der aufgebrachten Schichten Germanium und Silizium einkoppelt bzw. einkoppeln kann.
In einer weiteren Ausgestaltung weisen der erste Laser und der dritte Laser jeweils eine Energiedichte zwischen 1 J/cm2 und 5 J/cm2 auf.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Eigenschaften der Verbindungsschicht aus Silizium und Germanium genau bzw. zielgenau eingestellt werden können.
In einer Weiterbildung weisen die Siliziumschicht und/ oder die Germaniumschicht eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 1000 nm auf.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Verbindungsschicht gute Hafteigenschaften aufweist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements, insbesondere eines Mosfets, und
Figur 2 ein Zwischenprodukt des herzustellenden Siliziumkarbid-
Halbleiterbauelements während der Durchführung des Verfahrensschritts 130.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 zum Herstellen eines Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements mit einem monokristallinen Siliziumkarbidsubstrat und einem polykristallinen Siliziumkarbidsubstrat. Das monokristalline Siliziumkarbidsubstrat weist eine Substratdicke im Bereich zwischen 50 pm und 100 pm auf. Dies entspricht der Zieldicke bzw. annähernd der Zieldicke des Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements. Das Verfahren 100 startet mit einem Schritt 105, in dem eine Siliziumschicht mittels physikalischer Dampfabscheidung auf das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat aufgebracht wird. In einem folgenden Schritt 110 wird eine Germaniumschicht mittels einer weiteren physikalischen Dampfabscheidung auf das monokristalline Siliziumkarbidsubstrat aufgebracht. In einem folgenden Schritt 115 wird die Siliziumschicht und die Germaniumschicht mit Hilfe eines ersten Lasers verbunden, wobei die Laserstrahlen durch das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat eingekoppelt werden. Dies führt zu einer Festkörperreaktion, wobei eine Verbindungsschicht aus Silizium und Germanium erzeugt wird. Das Verbinden erfolgt beispielsweise unter Vakuum mit Drücken zwischen 1 mbar und 3 mbar. Alternativ wird das Verbinden der Siliziumschicht und der Germaniumschicht in einer Schutzgasatmosphäre mit Stickstoff oder Argon beispielsweise bei Normaldruck bzw. 1 bar durchgeführt. In einem folgenden Schritt 120 werden aktive Bereiche des Siliziumkarbid- Halbleiterbauelements auf oder innerhalb des monokristallinen Siliziumkarbidhalbleiterbauelements erzeugt, wobei Hochtemperaturprozesse wie Implantationen mit Hilfe eines zweiten Lasers mit einer Wellenlänge von ungefähr 350 nm und einer Energiedichte von 0,5 J/cm2 bis 5 J/cm2 durchgeführt werden. Dadurch verbleibt die Prozesstemperatur unterhalb einer maximal zulässigen Temperatur von 1095 °C, sodass die Verbindungsschicht aus Silizium und Germanium nicht beeinflusst wird. In einem folgenden Schritt 125 wird ein Glassubstrat auf die aktiven Bereiche des Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements aufgebracht, wobei das Glassubstrat mittels einer Adhäsionsschicht mit den aktiven Bereichen verbunden wird. Eine Dicke der Adhäsionsschicht variiert zwischen 5 pm und 100 pm. Die Adhäsionsschicht ist lokal elektrisch leitend und
weist einen Widerstandswert zwischen 0,01 und le-5 Q/cm2 auf. Dadurch werden beispielsweise ungewollte Ladungen im Halbleiterbauelement verhindert, die nicht abfließen können. In einem folgenden Schritt 130 wird die Verbindungsschicht mit Hilfe eines dritten Lasers entfernt, wobei die Laserstrahlen durch das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat eingekoppelt werden. Der erste Laser, der zweite Laser und der dritte Laser sind beispielsweise Festkörperlaser. Der erste Laser und der dritte Laser erzeugen Wellenlängen, die durch das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat und die Siliziumschicht transmittiert werden. Mit anderen Worten die Laserstrahlen werden vom polykristallinen Siliziumkarbidsubstrat und der Siliziumschicht nicht absorbiert. Es wird beispielsweise eine Wellenlänge von 1440 nm verwendet. Zusätzlich weisen der erste Laser und der dritte Laser eine Energiedichte im Bereich zwischen 1 J/cm2 und 5 J/cm2 auf. Die Siliziumschicht und die Germaniumschicht weisen eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 1000 nm auf.
Das Siliziumkarbid-Halbleiterbauelement ist beispielsweise ein MOSFET oder eine Diode. Für die Herstellung eines MOSFETs oder einer Diode wird nach dem Entfernen 130 der Verbindungsschicht zunächst in einem folgenden Schritt 135 die Germaniumschicht auf dem monokristallinen Siliziumkarbidsubstrat mittels eines nasschemischen Ätzprozesses, der beispielsweise Flußsäure umfasst, entfernt. In einem folgenden Schritt 145 wird eine Metallschicht auf der Seite des monokristallinen Siliziumkarbidsubstrats aufgebracht auf der sich die Germaniumschicht befunden hat. Diese Metallschicht fungiert als Drainelektrode oder als Kontaktelektrode im Fall einer Diode. Wird für das Siliziumkarbid- Halbleiterbauelement eine Zieldicke kleiner als 50 pm benötigt, so kann zwischen den Schritten 135 und 145 in einem optionalen Schritt 140 das Substrat auf die entsprechende Zieldicke abgeschliffen werden. In einem auf den Schritt 145 folgenden Schritt 155 wird das Glassubstrat mittels thermischer Behandlung oder UV-Licht die Adhäsionsschicht entfernt. Optional kann das monokristalline Siliziumkarbid-Halbleitersubstrat vor dem Entfernen des Glassubstrats in einem Schritt 150 in einzelne Chips vereinzelt werden. Alternativ kann ein elektrischer Strom in die Adhäsionsschicht eingeprägt werden, der zur Drainelektrode bzw. Kontakelektrode fließt, sodass eine definierte Ladungsmenge im Siliziumkarbid- Halbleiterbauelement vorhanden ist. Die Stromdichte wird für eine Zeitdauer
zwischen 1 s und 1000 s angelegt und variiert dabei zwischen 0,1 A/mm2 und 7 A/mm2.
Figur 2 zeigt ein Zwischenprodukt 200 des herzustellenden Siliziumkarbid- Halbleiterbauelements während der Durchführung des Verfahrensschritts 130. Das Zwischenprodukt 200 umfasst ein polykristallines Siliziumkarbidsubstrat 201. Auf dem polykristallinen Siliziumkarbidsubstrat 201 ist eine Siliziumschicht 202 angeordnet. Auf der Siliziumschicht 202 ist eine Verbindungsschicht 203 angeordnet, die Silizium und Germanium aufweist. Auf der Verbindungsschicht 203 ist eine Germaniumschicht 204 angeordnet. Auf der Germaniumschicht 204 ist ein monokristallines Siliziumkarbidsubstrat 205 angeordnet. Auf dem monokristallinen Siliziumkarbidsubstrat 205 ist eine Adhäsionsschicht 206 angeordnet, die das monokristalline Siliziumkarbidsubstrat 205 und ein Glassubstrat 207 verbindet. In Figur 2 sind Laserstrahlen 208 dargestellt, die die Verbindungsschicht 203 aufbrechen bzw. entfernen. Die Siliziumschicht 202 und die Germaniumschicht 204 weisen eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 1000 nm auf. Die Schichtdicke der Siliziumschicht 202 kann sich von der Schichtdicke der Germaniumschicht 204 unterscheiden.
Das monokristalline Siliziumkarbidsubstrat ist beispielsweise ein 4H-, 6H- oder 3C - Siliziumkarbidsubstrat.
Das Siliziumkarbid-Halbleiterbauelement findet Anwendung im elektrischen Antriebsstrang von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, beispielsweise im DC/DC- Wandler oder Inverter, sowie in Fahrzeugladegeräten oder Invertern für Haushaltsgeräte.
Claims
1. Verfahren (100) zum Herstellen eines Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements mit einem monokristallinen Siliziumkarbidsubstrat, wobei das monokristalline Siliziumkarbidsubstrat eine Substratdicke im Bereich zwischen 50 pm und 100 pm aufweist, und einem polykristallinen Siliziumkarbidsubstrat mit den Schritten:
• Aufbringen (105) einer Siliziumschicht auf das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat mittels physikalischer Dampfabscheidung,
• Aufbringen (110) einer Germaniumschicht auf das monokristalline Siliziumkarbidsubstrat mittels einer weiteren physikalischen Dampfabscheidung,
• Verbinden (115) der Siliziumschicht und der Germaniumschicht mit Hilfe eines ersten Lasers, wobei Laserstrahlen durch das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat eingekoppelt werden und eine Verbindungsschicht aus Silizium und Germanium erzeugt wird,
• Erzeugen (120) aktiver Bereiche des Siliziumkarbid- Halbleiterbauelements auf oder innerhalb des monokristallinen Siliziumkarbidsubstrats, wobei Hochtemperaturprozesse mit Hilfe eines zweiten Lasers mit einer Wellenlänge von ungefähr 350 nm und einer Energiedichte von 0,5 J/cm2 bis 5 J/cm2 durchgeführt werden,
• Aufbringen (125) eines Glassubstrats auf die aktiven Bereiche des Siliziumkarbid-Halbleiterbauelements, wobei das Glassubstrat mittels einer Adhäsionsschicht mit den aktiven Bereichen verbunden wird, und
• Entfernen (130) der Verbindungsschicht mit Hilfe eines dritten Lasers, wobei Laserstrahlen durch das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat eingekoppelt werden.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden (115) der Siliziumschicht und der Germaniumschicht unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird, wobei die Vakuumbedingungen Drücke zwischen 1 mbar und 3 mbar umfassen.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden (115) der Siliziumschicht und der Germaniumschicht in einer Schutzgasatmosphäre mit Stickstoff oder Argon durchgeführt wird.
4. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laser und der dritte Laser jeweils eine Wellenlänge verwenden, die durch das polykristalline Siliziumkarbidsubstrat und die Siliziumschicht transmittiert wird.
5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laser und der dritte Laser jeweils eine Energiedichte zwischen 1 J/cm2 und 5 J/cm2 aufweist.
6. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht und/oder die Germaniumschicht eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 1000 nm aufweisen.
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