DE1194984B - Halbleiteranordnung aus Siliziumkarbid und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Halbleiteranordnung aus Siliziumkarbid und Verfahren zu deren Herstellung

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DE1194984B DES67115A DES0067115A DE1194984B DE 1194984 B DE1194984 B DE 1194984B DE S67115 A DES67115 A DE S67115A DE S0067115 A DES0067115 A DE S0067115A DE 1194984 B DE1194984 B DE 1194984B
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    • Y10S438/931—Silicon carbide semiconductor

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
HOIl
Deutsche KL: 21g-11/02
Nummer: 1194 984
Aktenzeichen: 8 67115VH
Anmeldetag: 23. Oktober 1958
Auslegetag: 16. Juni 1965
Für Halbleiteranordnungen, die vor allem bei hohen Temperaturen angewendet werden sollen, ist ein Halbleitermaterial erwünscht, dessen Eigenleitung erst bei Temperaturen oberhalb der Betriebstemperatur störend wirkt. Ein solches Material ist Siliziumkarbid.
Es ist bereits bekannt, Siliziumkarabid aus einem Silizium und Kohlenstoff enthaltenden Gasgemisch in Wasserstoffatmosphäre auf einen erhitzten Trägerkörper aus Kohlenstoff niederzuschlagen. Dabei entstehen sehr kleine Kristalle, die wegen ihrer geringen Abmessungen, aber auch wegen ihres Undefinierten Gehaltes an Verunreinigungen zur Weiterverarbeitung in Halbleiteranordnungen nicht geeignet sind.
Weiter ist es bekannt, eine dünne Oberflächenschicht von Siliziumkarbid herzustellen, indem eine Trägerelektrode aus Kohlenstoff oder eine auf einer Trägerelektrode angebrachte Kohlenstoffschicht in einer Siliziumtetrachlorid und Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre zur Reaktion gebracht wird. Nach einem anderen bekannten Verfahren wird Siliziumkarbid durch Reaktion zwischen gasförmigem Siliziumtetrachlorid und einem gasförmigen Kohlenwasserstoff gebildet und auf eine Unterlage, vorzugsweise aus Kohlenstoff, abgeschieden. Bei den nach diesen bekannten Verfahren gewonnenen Siliziumkarbidschichten handelt es sich jedoch nicht um Schichten definierter Dicke, noch viel weniger um aufeinanderfolgende Schichten mit definierter Dotierung.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung aus Siliziumkarbid mit wenigstens einem pn-Übergang durch thermische Zersetzung eines Silizium oder Kohlenstoff und gegebenenfalls ein Trägergas enthaltenden Reaktionsgases an einem erhitzten Träger. Die Erfindung besteht darin, daß ein aus Silizium bzw. Kohlenstoff bestehender, mit dotierenden Stoffen präparierter Träger verwendet und in einer eine organische Kohlenstoffverbindung bzw. ein Siliziumhalogenid enthaltenden Atmosphäre auf eine oberhalb 11500C, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Siliziums liegende Temperatur erhitzt wird, so daß die organische Kohlenstoffverbindung bzw. das Siliziumhalogenid unter Bildung einer dotierten Siliziumkarbidschicht mit dem Silizium bzw. Kohlenstoff des Trägers reagiert, und daß eine Oberflächenschicht dieser Siliziumkarbidschicht durch Eindiffusion eines Aktivatorstoffes aus der Gasphase teilweise umdotiert wird.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann also in einem unterhalb des Schmelzpunktes des Siliziums liegenden Temperaturbereich gearbeitet werden. Dadurch ist die Verwendung von Silizium als Trägermaterial möglich, so daß auf Grund der Tatsache, daß Halbleiteranordnung aus Siliziumkarbid
und Verfahren zu deren Herstellung
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2
Als Erfinder benannt:
Dr. Walter Heywang,
Dr. Erhard Sirtl, München
Silizium mit sehr hohem Reinheitsgrad hergestellt werden kann, auch die Gewinnung von Siliziumkarbid mit sehr hohem Reinheitsgrad möglich ist. Darüber hinaus wird durch die Erfindung nicht nur angegeben, wie bei diesen relativ niedrigen Temperaturen, bei denen — wie Untersuchungen gezeigt haben — ein Einbau von Dotierstoffen aus der Gasphase bei der thermischen Umsetzung praktisch nicht erfolgt, die Herstellung einer definiert dotierten Siliziumkarbidschicht bestimmter Dicke ermöglicht wird, sondern die Erfindung zeigt auch einen Weg auf, wie praktisch gleichzeitig mit der Bildung der Siliziumkarbidschicht oder anschließend in dem gebildeten Siliziumkarbid ein ebener pn-Übergang gebildet werden kann.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird also ein mit dotierenden Stoffen präparierter Träger verwendet, der, je nachdem, ob er aus Silizium oder aus Kohlenstoff besteht, in einer eine organische Kohlenstoffverbindung oder ein Siliziumhalogenid enthaltenden Atmosphäre auf eine oberhalb 1150° C, aber unterhalb des Schmelzpunkts des Siliziums liegende Temperatur erhitzt wird. Die organische Kohlenstoffverbindung bzw. das Siliziumhalogenid reagiert bei diesen Temperaturen unter Bildung einer dotierten Siliziumkarbidschicht mit dem Silizium bzw. Kohlenstoff des Trägers. Durch Eindiffusion eines Dotierstoffs wird eine Oberflächenschicht dieser dotierten Siliziumkarbidschicht teilweise umdotiert, und zwar kann zur Bildung der umdotierten Siliziumkarbidschicht entweder der Dotierstoff bzw. eine Verbindung eines Dotierstoffes von vornherein dem Reaktionsgas zugemischt oder die Siliziumkarbidschicht kann nach-
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träglich in einer den Dotierstoff bzw. eine Verbindung versuche mittels Wahl von Einwirkungsdauer und des Dotierstoffes enthaltenden Atmosphäre erhitzt Konzentration des Reaktionsgases von einigen Zehnwerden, telmillimetern bis zu fast beliebig kleiner Dicke repro-
Man kann also bei dem erfindungsgemäßen Ver- duzierbar einstellen.
fahren z.B. einen Träger aus p-dotiertem Silizium ver- 5 Einzelheiten der Erfindung können aus der Beschrei-
wenden, z.B. einen mit Bor dotierten Siliziumstab, bung einiger besonders günstiger Ausführungsbeispiele,
und durch Beimengung gegendotierender Verunrei- die an Hand der Fig. 1 bis 3 erläutert werden,
nigungen, z.B. Donatorverunreinigungen, zum Re- entnommen werden.
aktionsgas ein Siliziumkarbid auf diesem Träger bilden, In der F i g. 1 ist ein Schnitt durch einen Teil eines welches einen pn-Übergang enthält. io stabförmigen Trägers 23 dargestellt, auf dem p- und
Das Trägermaterial kann in Stab-, Draht- oder η-dotierte Siliziumkarbidschichten 25 und 26 gebildet Fadenform vorliegen und mittels direktem, d.h. galva- sind. Der Träger 23, der aus p-dotiertem Silizium oder nischem Stromdurchgang oder mittels einer wandern- aus mit p-dotierenden Stoffen präpariertem Kohlenden Hochfrequenzinduktionsspule aufgeheizt werden. stoff besteht, dient dabei als elektrischer Kontakt für Bei der direkten Widerstandsheizung wird z.B. eine 15 die innerste, im Ausführungsbeispiel p-leitende SiIi-Anordnung, wie sie in jüngster Zeit zur Darstellung ziumkarbidschicht 25. Die äußerste, im vorliegenden von hochreinem Silizium verwendet wird, benutzt. Bei Fall η-leitende Siliziumkarbidschicht 26 ist mit einem induktiver Aufheizung sind die verschiedensten Appa- durch die Schutzschicht 24 gebildeten elektrischen raturen verwendbar; z.B. bewährt sich eine Apparatur, Kontakt versehen. Die Schutzschicht 24 besteht dabei wie sie zum vertikalen Zonenschmelzen unter Gas bei 20 z.B. aus Silizium, das gegebenenfalls auch dotiert sein der Siliziumherstellung Anwendung findet. kann. Wegen der hohen chemischen Resistenz des
Die Gasatmosphäre besteht z.B. aus einem Gemisch Siliziumkarbids im Vergleich zum Trägermaterial und von Wasserstoff bzw. Edelgas und Chlorsilan (SiHCl3) zur Schutzschicht 24 läßt sich die eingebettete Siliziumbzw. Methylenchlorid (CH2Cl8), je nachdem, ob ein karbidschicht 19, die einen pn-Übergang enthält, durch Trägerkörper aus Kohlenstoff oder aus Silizium ver- 35 Wegätzen der Teile 20,21 und 22 gut aus dem Träger 23 wendet wird. Außerdem können dem Reaktionsgas zur und der Schutzschicht 24 herausheben. Dadurch ist die Umdotierung der Oberflächenschicht des Silizium- Möglichkeit eines Kurzschlusses an der Oberfläche des karbids dotierende Substanzen zugegeben werden. Zum Bauelements, das z.B. als Hochtemperaturgleichrichter Beispiel kann dem Chlorsilan direkt Phosphorchlorid verwendet werden kann, wesentlich verringert. Natür-(PCl3), Borbromid (BBr3) oder Borchlorid (BCl3) 30 lieh können auf dem Träger auch mehrere aufeinanderzugesetzt werden. Ebenso ist es möglich, die Umdo- folgende pn-Übergänge gebildet sein,
tierung dadurch zu gewährleisten, daß ein entsprechend In einem anderen, an Hand der F i g. 2 erläuterten dotierendes Trägergas, z.B. Stickstoff, wenn der Träger Ausführungsbeispiel besteht der Träger 27 ebenfalls aus p-dotiert ist, verwendet wird. Man kann auch ohne p-dotiertem Silizium; er wird in einer Atmosphäre aus Zugabe dotierender Substanzen zum Reaktionsgas 35 einer organischen Kohlenstoffverbindung, also z.B. arbeiten und die umdotierte Oberflächenschicht durch Methylenchlorid (CH2Cl2), und Stickstoff (N2), der Eindiffusion eines dotierenden Stoffes in einem eigenen zugleich als Trägergas wirksam ist, auf etwa 12000C Arbeitsgang herstellen, indem nach Bildung der dotier- oder darüber erhitzt. Das p-dotierte Silizium des ten Siliziumkarbidschicht die organische Kohlenstoff- Trägers bildet mit dem Kohlenstoff aus der sich zerverbindung bzw. das Siliziumhalogenid durch ein den 40 setzenden Kohlenwasserstoffverbindung eine p-doumdotierenden Aktivatorstoff oder eine Verbindung tierte Siliziumkarbidschicht 28. Der fünfwertige Stickdesselben enthaltendes Gas verdrängt und die Silizium- stoff des Trägergases ist als Donator wirksam, so daß karbidschicht in dieser Atmosphäre erhitzt wird. durch die Eindiffusion von Stickstoff die n-dotierte
Insbesondere wegen des, wenn auch geringen Unter- Oberflächenschicht 29 im Siliziumkarbid gebildet wird, schiedes der thermischen Ausdehnungskoeffizienten 45 Man kann die η-dotierte Oberflächenschicht 29 auch von Trägermaterial und Siliziumkarbid erweist es sich dadurch erhalten, daß man zunächst in reiner Kohlenais günstig, nach der Bildung des Siliziumkarbids wasserstoff-, z.B. Methylenchloridatmosphäre, also ohne erhebliche Absenkung der Temperatur des ohne dotierendes Trägergas, arbeitet, so daß p-dotiertes Trägers im gleichen Reaktionsraum das gebildete Siliziumkarbid gebildet wird. Dann wird die Kohlen-Siliziumkarbid mit einer korsettartigen Schutzschicht 50 Wasserstoffverbindung durch ein η-dotierendes Trägerzu umgeben, die gleichzeitig als elektrischer Kontakt gas, z.B. Stickstoff, verdrängt und das Siliziumkarbid für die zuletzt gebildete Siliziumkarbidschicht dient. erhitzt; dabei wird durch Diffusion die n-dotierte Als besonders vorteilhaft hat sich hier Silizium, das Siliziumkarbidschicht 29 gebildet. Dasselbe gilt natürgegebenenfalls dotiert sein kann, erwiesen. Eine ein- lieh analog für einen η-dotierten Träger aus Silizium, fache Möglichkeit, eine korsettartige Schutzschicht aus 55 Man kann die Bildung des Siliziumkarbids in Kohlen-Silizium auf dem Siliziumkarbid abzuschneiden, ist bei Wasserstoffatmosphäre vornehmen und nach der BiI-Verwendung einer gasförmigen Siliziumverbindung als dung des η-dotierten Siliziumkarbids einen p-Leitungs-Reaktionsgas durch Absenken der Temperatur des typ bewirkenden Dotierstoff in die Schicht eindiffun-Trägers auf etwa 10000C gegeben. Bei dieser Tempe- dieren. Ebenso kann von vornherein dem Reaktionsratur wird die gasförmige Siliziumverbindung praktisch 60 gas eine p-dotierende Substanz zugesetzt werden. Man nur unter Siliziumabscheidung zersetzt (Zwei-Tempe- erhält dann eine n-dotierte Siliziumkarbidschicht auf ratur-Verfahren). dem Träger mit einer p-dotierten Oberflächenschicht.
Die Dicke der gebildeten Siliziumkarbidschicht ist In der F i g. 3 ist ein Teil eines Stabes, bei dem SiIi-
von der Reaktionsdauer oberhalb der Bildungstempe- ziumkarbid gemäß der Erfindung auf einer Graphit-
ratur des Siliziumskarbids, vom Verhältnis der SiIi- 65 grenzfläche gebildet wird, dargestellt. Der stab- oder
zium- bzw. Kohlenstoffverbindung zu dem Trägergas fadenförmige Träger 14 aus hochreinem Kohlenstoff
und von der Strömungsgeschwindigkeit des Reaktions- wurde vor der Siliziumkarbidbildung z.B. mit Bor oder
gases abhängig. Sie läßt sich durch orientierende Vor- Aluminium präpariert und dann in einer Atmosphäre
von Halogensilanen, z.B. Trichlorsilan (SiHCl3), und entsprechendem Donatorenzusatz, z.B. Stickstoff (N2) oder Phosphorchlorid (PCl3) auf 12000C oder darüber aufgeheizt, wobei sich eine Schicht 15 von p-dotiertem Siliziumkarbid und einer dünnen Oberflächenschicht 16 von η-dotiertem Siliziumkarbid bildet. Der Kohlenstoff des Trägers bildet dabei mit dem Silizium des sich zersetzenden Halogensilane das entsprechend dotierte Siliziumkarbid. An der Oberfläche bildet sich durch den entsprechenden Dotierungszusatz im Reaktionsgas durch Eindiffusion entgegengesetzt dotiertes Siliziumkarbid. Bei einer Temperatursenkung auf etwa HOO0C kann im gleichen Reaktionsraum eine Abscheidung einer als Kontakt- bzw. Schutzschicht wirksamen Schicht aus Silizium vorgenommen werden, das gegebenenfalls dotiert sein kann.
Natürlich kann man auch in diesem Fall den Träger mit η-dotierenden Substanzen präparieren und in p-dotierender Atmosphäre Siliziumkarbid abscheiden oder auch nach der Abscheidung in nicht dotierender Atmosphäre den Stab in der gegendotierenden Atmosphäre erhitzen.

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteran-Ordnung aus Siliziumkarbid mit wenigstens einem pn-Übergang durch thermische Zersetzung eines Siliziums oder Kohlenstoff und gegebenenfalls ein Trägergas enthaltenden Reaktionsgases an einem erhitzten Träger, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Silizium bzw. Kohlenstoff bestehender, mit dotierenden Stoffen präparierter Träger verwendet und in einer eine organische Kohlenstoffverbindung bzw. ein Siliziumhalogenid enthaltenden Atmosphäre auf eine oberhalb 1150° C. aber unterhalb des Schmelzpunktes des Siliziums liegende Temperatur erhitzt wird, so daß die organische Kohlenstoffverbindung bzw. das Siliziumhalogenid unter Bildung einer dotierten Siliziumkarbidschicht mit dem Silizium bzw. Kohlenstoff des Trägers reagiert, und daß eine Oberflächenschicht dieser Siliziumkarbidschicht durch Eindiffusion eines Aktivatorstoffes aus der Gasphase teilweise umdotiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umdotierung der Oberflächenschicht der Aktivatorstoff oder eine Verbindung des Aktivatorstoffes dem Reaktionsgas zugesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Bildung der dotierten Siliziumkarbidschicht die organische Kohlenstoffverbindung bzw. das Siliziumhalogenid durch ein den umdotierenden Aktivatorstoff oder eine Verbindung desselben enthaltendes Gas verdrängt und die Siliziumkarbidschicht in dieser Atmosphäre erhitzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Bildung der äußersten Siliziumkarbidschicht im gleichen Reaktionsraum die Oberflächentemperatur des Trägers abgesenkt und eine korsettartige, aus Silizium bestehende Schutzschicht hergestellt wird.
5. Halbleiteranordnung, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger den elektrischen Kontakt für die zuerst gebildete Siliziumkarbidschicht darstellt.
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zuletzt gebildete Siliziumkarbidschicht von einer insbesondere aus Silizium bestehenden Schutzschicht umgeben ist, die zugleich den elektrischen Kontakt für diese Siliziumkarbidschicht darstellt.
7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Trägers und der Schutzschicht durch Ätzen entfernt sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 853 926, 860 973, 997, 865 160, 883 784, 943 422;
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 048 638;
deutsche Patentanmeldungen S 40 846 VIIIc 21 g (bekanntgemacht am 23. 8. 1956), S 36 379 VIIIc 21 g (bekanntgemacht am 30. 8. 1956);
Österreichische Patentschrift Nr. 201 114;
»Halbleiterprobleme«, Bd. III, 1956, S. 207 bis 210.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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