Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung
einer defektarmen Silizium-Carbid-Schicht nach der Gattung
des Hauptanspruchs, welche bislang nur als
Oberflächenschichten von aus Silizium-Carbid-Einkristallen
hergestellten Wafern zur Verfügung stehen. Der Einsatz von
SiC-Bauelemente wird durch die derzeit extrem hohen Kosten
für die SiC-Einkristalle beschränkt. Es wird daher seit
längerem versucht, defektarme SiC-Schichten auf
preisgünstigen Siliziumwafern abzuscheiden, damit der
Kostenvorteil eines billigen Substrates mit den
physikalischen Vorteilen von Halbleitern mit großem
Bandabstand, wie z. B. SiC, verbunden wird. Bei allen
direkten Abscheideverfahren führt jedoch die große
Gitterfehlanpassung von nahezu 20% zwischen dem
Siliziumsubstrat und der SiC Epitaxie-Schicht zu sehr großen
Defektdichten, die eine Anwendung dieses Materials bei
Elektronikbauteilen bisher nicht erlaubten.
The invention is based on a method of manufacture
a low defect silicon carbide layer of the type
of the main claim, which so far only as
Surface layers of silicon carbide single crystals
manufactured wafers are available. The use of
SiC components is due to the currently extremely high costs
for the SiC single crystals. It is therefore since
tried longer, low-defect SiC layers
to deposit inexpensive silicon wafers so that
Cost advantage of a cheap substrate with the
physical advantages of semiconductors with great
Bandgap such. B. SiC is connected. At all
however, the direct deposition process leads to the big one
Lattice mismatch of almost 20% between that
Silicon substrate and the SiC epitaxial layer to very large
Defect densities that an application of this material
Electronic components not previously allowed.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren des unabhängigen
Verfahrensanspruchs 1 hat den Vorteil, daß dank der porösen
Substratoberfläche die durch Anodisierung (elektrochemisches
Ätzen) erzeugt wird, die elastischen Eigenschaften des
Substrats, insbesondere eines Si-Substrats, modifiziert
sind, die Kristallstruktur jedoch nicht geschädigt ist.
Ähnlich einer Schwammstruktur ist die poröse Siliziumschicht
in der Lage, Verspannungen durch elastische Verformung
abzubauen. Wenn auf dieser porösen Substratoberfläche SiC
abgeschieden wird, dient die poröse
Substratoberflächenschicht als Nukleationskeim für ein
kubisches Kristallgitter einer einkristallinien SiC-Schicht
und ist in der Lage, die Gitterfehlanpassung zu einem großen
Teil aufzufangen und somit die Entstehung von
gitterfehlanpassungsbedingten Defekten stark zu verringern.
Dadurch, daß poröse Schichten auf großen Siliziumscheiben
erzeugt werden können und die Abscheidung von SiC auf großen
Siliziumscheiben möglich ist, wird durch dieses Verfahren
eine Herstellung von großflächigen SiC-Schichten mit
geringer Defektdichte möglich.The inventive method of independent
Process claim 1 has the advantage that thanks to the porous
Substrate surface by anodization (electrochemical
Etching) is generated, the elastic properties of the
Modified substrate, in particular a Si substrate
are, but the crystal structure is not damaged.
The porous silicon layer is similar to a sponge structure
able to relieve tension due to elastic deformation
dismantle. If SiC on this porous substrate surface
is deposited, the porous serves
Substrate surface layer as a nucleation seed for a
cubic crystal lattice of a single crystal SiC layer
and is able to lattice mismatch to a large extent
Part and thus the emergence of
greatly reduce defects due to lattice mismatch.
The fact that porous layers on large silicon wafers
can be generated and the deposition of SiC on large
Silicon wafers is possible through this process
a production of large-area SiC layers with
low defect density possible.
Zeichnungdrawing
Die Fig. 1 zeigt ein beim erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahren eingesetztes Ätzbecken. Die Fig. 2
stellt einen erfindungsgemäß erzeugten Halbleiter dar. Fig. 1 shows a manufacturing process employed in the inventive etching tank. Fig. 2 illustrates a semiconductor according to the invention produced.
Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments
Die in der vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 2 gezeigte
poröse Oberflächenschicht auf der Oberfläche 12 einer
Substratscheibe 10 wird durch Anodisierung erzeugt. Die
Substratscheibe 10 wird rückseitig elektrisch kontaktiert
und vorderseitig einem Elektrolyten in Form von verdünnter
Flußsäure (5-25% in Wasser mit Ethanol oder Methanol)
ausgesetzt. Die Kontaktierung kann wahlweise über Elektrolyt
im Ätzbecken 101, wie in Fig. 1 abgebildet, erfolgen oder
über Metallkontakt mittels einem Metallring, der durch
Metallisierung der Rückseite der Substratscheibe 10,
beispielsweise mit Al, Pt, Cr oder Cu erzeugt wird.The porous surface layer shown in the enlarged representation according to FIG. 2 on the surface 12 of a substrate wafer 10 is produced by anodization. The substrate wafer 10 is electrically contacted on the back and exposed on the front to an electrolyte in the form of dilute hydrofluoric acid (5-25% in water with ethanol or methanol). The contact can optionally be made via electrolyte in the etching basin 101 , as shown in FIG. 1, or via metal contact by means of a metal ring, which is produced by metallizing the back of the substrate wafer 10 , for example with Al, Pt, Cr or Cu.
Wie Fig. 1 zeigt, wird ein Stromfluß zwischen dem
Elektrolyten des Ätzmediums 108 und der Substratscheibe 104
aufgeprägt, dessen typische Werte zwischen 1 und 50 mA/cm2
liegen. Je nach angelegtem elektrischem Potential wird nun
die Substratoberfläche 12 der Substratscheibe 103 mittels
Elektropolitur gleichmäßig abgetragen oder, bei Einhaltung
der zuvor genannten Obergrenze des Strombelags, startend von
Oberflächendefekten lokal in Form dünner Kanäle angeätzt.
Zur Herstellung von porösem Si können sowohl p-dotiertes
Silizium als n-dotiertes Silizium als Substrat eingesetzt
werden. Da das Ätzen des Siliziums dank Defektelektronen
(Löchern) erfolgt, müssen jedoch im n-dotierten Si Löcher
erzeugt werden, insbesondere durch Beleuchtung.As shown in FIG. 1, a current flow is impressed between the electrolyte of the etching medium 108 and the substrate wafer 104 , the typical values of which are between 1 and 50 mA / cm 2 . Depending on the applied electrical potential, the substrate surface 12 of the substrate disk 103 is now evenly removed by means of electropolishing or, if the abovementioned upper limit of the current coating is observed, locally etched from surface defects in the form of thin channels. For the production of porous Si, both p-doped silicon and n-doped silicon can be used as the substrate. Since the silicon is etched thanks to defect electrons (holes), holes must be created in the n-doped Si, in particular by illumination.
Die Porengröße der porösen Oberflächenschicht 14 reicht von
wenigen nm bis zu ca. 100 nm. Die Dichte dieser Kanäle ist im
allgemeinen so groß, daß eine poröse Schicht mit
Porositätsgraden bis über 90% entsteht, deren Dichte von
der Ätzdauer abhängt. Hierbei kann durch die Konzentration
der Flußsäure-Lösung und das gewählte Potential- bzw. die
Stromdichte sowohl die Porosität (von < 10 bis über 90%) als
auch die Geometrie der verbleibenden Subtratbereiche
beeinflußt werden. Eine Vergrößerung der Poren ermöglicht
eine effektive Streßaufnahme bei der erfindungsgemäßen
SiC-Abscheidung 16 auf der porösen Oberflächenschicht 14. Aber
die mechanische Stabilität einer hochporösen Schicht ist
relativ gering, wodurch ein mechanisches Abheben einer
Schicht, die sich über einer hochporösen Schicht befindet,
stattfinden kann. Eine niedrigporöse Schicht ist zur
Streßaufnahme weniger geeignet, ermöglicht aber die
Abscheidung qualitativ guter epitaktischer Schichten, da in
diesem Falle mehr Keimzellen zur Verfügung stehen, um eine
hochwertige Schicht wachsen zu lassen. Deswegen wird eine
Porosität der porösen Oberflächenschicht 14 von 10 bis 60%
bevorzugt, insbesondere von 20 bis 50%.The pore size of the porous surface layer 14 ranges from a few nm to about 100 nm. The density of these channels is generally so great that a porous layer with degrees of porosity of over 90% is formed, the density of which depends on the etching time. The concentration of the hydrofluoric acid solution and the chosen potential or current density can influence both the porosity (from <10 to over 90%) and the geometry of the remaining substrate areas. Enlarging the pores enables effective stress absorption in the SiC deposition 16 according to the invention on the porous surface layer 14 . However, the mechanical stability of a highly porous layer is relatively low, which means that a layer that is located above a highly porous layer can be lifted off mechanically. A low-porosity layer is less suitable for stress absorption, but enables the deposition of high-quality epitaxial layers, since in this case more germ cells are available to grow a high-quality layer. For this reason, a porosity of the porous surface layer 14 of 10 to 60% is preferred, in particular 20 to 50%.
Der Einbau eines Porositätsgradienten von niedriger
Porosität an der Oberfläche 12 der Substratscheibe 10 bis zu
großen Porositätsgraden am Übergang zum Bulksilizium ist
vorteilhaft, um sowohl gute Streßentkopplung zu
gewährleisten als auch unmittelbar an der Oberfläche, auf
der epitaktisch abgeschieden werden soll, eine hohe
Keimzellendichte für hochwertige Schichten zu haben. Die
porösen Bereiche sind monokristallin und haben die gleiche
Kristallstruktur wie das darunterliegende kompakte Substrat
10. Die Dicke der erzeugten porösen Oberflächenschicht 14
liegt im Bereich von 100 nm, vorzugsweise von 500 nm bis 5 µm.The incorporation of a porosity gradient from low porosity on the surface 12 of the substrate wafer 10 to large degrees of porosity at the transition to bulk silicon is advantageous in order to ensure good stress decoupling as well as a high germ cell density for high-quality ones directly on the surface on which epitaxial deposition is to be carried out To have layers. The porous areas are monocrystalline and have the same crystal structure as the underlying compact substrate 10 . The thickness of the porous surface layer 14 produced is in the range from 100 nm, preferably from 500 nm to 5 μm.
Aufgrund der hohen Reaktivität des porösen Siliziums wird
dieses kurz vor Epitaxie vorteilhaft z. B. in Flußsäure
getaucht, um das native Oxid zu entfernen. Alternativ dazu
kann mit Wasserstoff als Trägergas während des
Abscheidungsverfahren gearbeitet werden.Due to the high reactivity of the porous silicon
this advantageous shortly before epitaxy z. B. in hydrofluoric acid
dipped to remove the native oxide. Alternatively
can with hydrogen as a carrier gas during the
Deposition process to be worked.
Die Abscheidung der SiC-Schicht 16 aus der Gasphase erfolgt
folgendermaßen:
The SiC layer 16 is deposited from the gas phase as follows:
Die Substratscheibe 10 wird einer Atmosphäre ausgesetzt, die
neben einem Trägergas Gase enthält, die die Ausgangsstoffe
Si und C enthalten. Die Gase werden thermisch oder mittels
Plasmaunterstützung aufgespalten und gelangen mittels
Diffusion zur Oberflächenschicht 14. Das Substrat 10 wird
ebenfalls auf erhöhter Temperatur gehalten (< 200-1000°C),
um derart die Abscheidereaktion nahe am thermodynamischen
Gleichgewicht zu betreiben. Gleichzeitig ermöglicht die
erhöhte Oberflächendiffusion der Si- und C-Atome den Aufbau
epitaktischer Schichten. Die Reduzierung der
Substrattemperatur ist möglich durch einen Beschuß der
Oberfläche 12 mit niederenergetischen Ionen, die z. B. in
einem Plasma erzeugt werden und mittels einer
Substratvorspannung auf die Probe geleitet werden. Durch die
Wechselwirkung der Ionen mit den Kristallatomen des
Substrates wird oberflächennah Energie eingekoppelt, die zu
einer Aufheizung nur der Substratoberfläche 12 führt, ohne
das gesamte Gefüge thermisch zu belasten. Durch diese
Methode ist es möglich, die im allgemeinen notwendige hohe
Substrattemperatur, die für gute Schichtqualität
erforderlich ist, zu reduzieren, und damit einer Schädigung
der empfindlichen porösen Siliziumschicht vorzubeugen.The substrate wafer 10 is exposed to an atmosphere which, in addition to a carrier gas, contains gases which contain the starting materials Si and C. The gases are split up thermally or by means of plasma support and reach the surface layer 14 by means of diffusion. The substrate 10 is also kept at an elevated temperature (<200-1000 ° C.) in order to operate the deposition reaction close to the thermodynamic equilibrium. At the same time, the increased surface diffusion of the Si and C atoms enables the formation of epitaxial layers. The reduction of the substrate temperature is possible by bombarding the surface 12 with low-energy ions, the z. B. generated in a plasma and passed onto the sample by means of a substrate bias. As a result of the interaction of the ions with the crystal atoms of the substrate, energy is coupled in close to the surface, which leads to heating of only the substrate surface 12 without thermally stressing the entire structure. With this method it is possible to reduce the generally high substrate temperature required for good layer quality and thus prevent damage to the sensitive porous silicon layer.
Die Abscheidung der SiC-Schicht 16 kann auch mittels
Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) erfolgen. Diese
Weiterentwicklung der Aufdampftechnik, deren gesamter
Vorgang im Ultrahochvakuum abläuft, erhöht die freie
Weglänge der von der Elektronenkanone abgedampften
Substratatome so stark, daß keine Kollisionen der Teilchen
vorkommen. Deshalb ist der Transport der abgedampften Atome
ausschließlich von der thermischen Energie der Quelle
bestimmt. Die Substrattemperatur kann auf wenige hundert
Grad reduziert werden, bis herab zu Temperaturen um 400°C,
gleichzeitig werden hochwertige Schichten realisiert. Als
Substrat für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
von defektarmen SiC-Schichten können neben Scheiben aus Si,
insbesondere p-dotiertem Si, auch Substrate aus Ge
eingesetzt werden, denn sie haben ähnliche
Kristallstrukturen.The SiC layer 16 can also be deposited by means of molecular beam epitaxy (MBE). This further development of vapor deposition technology, the entire process of which takes place in an ultra-high vacuum, increases the free path length of the substrate atoms evaporated by the electron gun so much that there are no collisions between the particles. The transport of the evaporated atoms is therefore determined exclusively by the thermal energy of the source. The substrate temperature can be reduced to a few hundred degrees, down to temperatures around 400 ° C, at the same time high-quality layers are realized. In addition to disks made of Si, in particular p-doped Si, substrates made of Ge can also be used as the substrate for the method according to the invention for producing low-defect SiC layers, since they have similar crystal structures.
Die poröse Oberflächenschicht 14 wird bei einer Vorrichtung
gemäß Fig. 1 in einem Ätzbecken 101 erzeugt. Die
Siliziumscheibe 103 wird mittels einer Halterung 102
befestigt und teilt das Ätzbecken 101 in zwei Teilbecken 111
und 112. Das erste Teilbecken 111 ist über die Kathode 109
mit dem Minuspol 106 einer Spannungsquelle verbunden. Der
Pluspols 107 dieser Spannungsquelle ist mit der Anode 110,
die sich im zweiten Teilbecken befindet, elektrisch
verbunden. Die Elektroden sind aus einer Palladium-Platin-Le
gierung oder vorzugsweise aus reinem Platin. Die
Teilbecken 111, 112 sind mit der Ätzlösung ausgefüllt, deren
typische Zusammensetzung 25% Flußsäure, 25% Wasser und
50% Ethanol ist. Bei Stromdichten von einigen 10 mA/cm2,
nach Anodisierung von wenigen Minuten, werden typische
poröse Schichtdicken im Bereich einiger Mikrometer erzeugt.The porous surface layer 14 is produced in an apparatus according to FIG. 1 in an etching basin 101 . The silicon wafer 103 is fastened by means of a holder 102 and divides the etching basin 101 into two basins 111 and 112 . The first sub-basin 111 is connected via the cathode 109 to the negative pole 106 of a voltage source. The positive pole 107 of this voltage source is electrically connected to the anode 110 , which is located in the second sub-basin. The electrodes are made of a palladium-platinum alloy or preferably of pure platinum. The partial pools 111 , 112 are filled with the etching solution, the typical composition of which is 25% hydrofluoric acid, 25% water and 50% ethanol. At current densities of a few 10 mA / cm 2 , after anodizing for a few minutes, typical porous layer thicknesses in the range of a few micrometers are generated.
Die Siliziumscheibe 103 wird dann einer Atmosphäre
ausgesetzt, die neben einem Trägergas, z. B. Wasserstoff,
Gase enthält, die die Ausgangsstoffe Si und C enthalten,
üblicherweise SiH4, SiCl2H2 und C2H2 oder ähnliche
Kohlenwasserstoffe. Die Gase werden thermisch oder mittels
Plasmaunterstützung aufgespalten und das Substrat 10, 103
auf hoher Temperatur gehalten, die bei 200° bis 1000°C
liegt.The silicon wafer 103 is then exposed to an atmosphere which, in addition to a carrier gas, e.g. B. hydrogen, contains gases containing the starting materials Si and C, usually SiH 4 , SiCl 2 H 2 and C 2 H 2 or similar hydrocarbons. The gases are split up thermally or by means of plasma support and the substrate 10 , 103 is kept at a high temperature, which is from 200 ° to 1000 ° C.