Über die Niedertemperaturheteroepitaxie von kubischem Siliziumkarbid mit Methylsilan

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde erstmalig ein Niedertemperatur-LPCVD Prozeß mit Methylsilan als 'Precursor' Gas entwickelt, der hinsichtlichKristallqualität und elektrischen Eigenschaften der hergestellten Siliziumkarbidschichten dem Stand der Technik entspricht. Aufgrund der um 160°C geringerenProzeßtemperatur stellt dieser Prozeß eine Weiterentwicklung in der SiC Epitaxie dar. Die SiC Qualität in Abhängigkeit der verwendeten Prozeßparameter und die Wachstumsvorgänge der Schicht wurden mit zahlreichenCharakterisierungsmethoden wie Röntgen, REM ,TEM, AFM, Hall, Raman und PDS systematisch untersucht. Zahlreiche Aspekte des Wachstums konntengeklärt werden. Von grundlegender Bedeutung war die Entwicklung eines schnellen Karbonisierungs-schrittes mit einem Ethylen/Argon Gemisch, um mit diesemNiedertemperaturprozeß SiC mit hoher Qualität herzustellen. Die Karbonisierungsschicht ist kristallin, 7nm dünn und geschlossen und vermeidet vor allem imSiliziumsubstrat die sonst schon während der Karbonisierungsphase entstehenden Hohlräume. Durch die Verwendung von SOI Substraten (Silizium auf Oxid) wurde unter Beibehaltung der guten SiC Qualität eine gute elektrische Isolierung zum Substratselbst bei hohen Temperaturen erreicht. Die Leitfähigkeit über das Oxid beträgt nur 10-15 (Ohm cm)-1 bei Raumtemperatur und 8×10-12(Ohm cm)-1 bei350°C. Die SiC Epitaxie beeinflußt die Isolierung nicht signifikant. Das SOI System ermöglicht zugleich ein gutes kristallines Wachstum von SiC auf der sehr dünnen obersten Siliziumschicht, genannt SOL ( = Silicon OverLayer). Der Einfluß der Dicke des SOL auf die SiC Qualität wurde ausführlich untersucht: Bei einer SOL Dicke von mehr als 50nm ergibt sich in derKristallqualität des SiC kein Unterschied zur Verwendung von Silizium als Substrat. Prinzipiell war das Wachstum von kubischem SiC auf nur 20nm dünnenSOLs möglich. Die Entstehung der Hohlräume (Voids) in der SOL Schicht wurde analysiert. Es zeigte sich, daß Hohlräume nicht während derKarbonisierungsphase sondern im frühen Stadium des SiC Wachstums entstehen. Eine sehr dünne SiC Schicht von weniger als 200nm Dicke reicht alsSchutzschicht für das darunterliegende Silizium aus. Deshalb reduziert eine hohe SiC Wachstumsgeschwindigkeit die Hohlraumdichte. Diese Erkenntnisse habenzu einer Prozeßmodifikation geführt, die eine deutliche Reduktion der Hohlraumdichte um mehr als ein Drittel bei gleichbleibender Kristallqualität im Vergleichzu in dieser Arbeit unter Standardprozeßbedingungen hergestellten Schichten bewirkt hat. Die elektrischen Eigenschaften von SiC wurden im Temperaturbereich von -150°C bis +450°C untersucht. Eine 2.3 Mikrometer dicke SiC Schicht zeigte beiRaumtemperatur eine intrinsische Ladungsträgerkonzentration von 4 1016cm-3 und eine Beweglichkeit von 143cm2/Vs. Ein In-situ Dotierungsverfahren mitAmmoniak wurde etabliert, um die Leitfähigkeit im Bereich von 0.9(Ohm cm)-1 bis 480(Ohm cm)-1 einstellen zu können. Die Kristallqualität der dotiertenSchichten und die Dotierverschleppung wurden analysiert. Bis zu einer Leitfähigkeit von 193(Ohm cm)-1 ergab sich keine Verschlechterung der Kristallqualitätdes SiC. Im Zusammenhang mit dem Abscheideprozeß wurde die Möglichkeit von selektivem Wachstum von SiC auf lateralen Si-SiO2 Strukturen entwickelt.Siliziumkarbid wächst oberhalb von 1150°C kristallin auf Silizium, während auf Siliziumdioxid überhaupt kein Wachstum festgestellt werden konnte. Substratemit lateralen Si-SiO2 Strukturen ermöglichen daher ein flächenselektives Wachstum von SiC. Dies vereinfacht die Prozeßtechnologie für spätere Anwendungenwesentlich, da kritische und zeitaufwendige Prozeßschritte, wie z.B. das trockenchemische Ätzen entfallen. Die gesamte Prozeßentwicklung wurde in einem Versuchsreaktor durchgeführt. Für die Herstellung von SiC auf 4 Zoll Substraten wurde ein neuer Reaktoraufgebaut. Erste vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Funktionalität des Systems, z.B. Gasführung wurden erzielt, wie die laterale Homogenität von SiCbeschichteten 4 Zoll Substraten zeigt. Zur Beschreibung der CVD Prozesse sowohl im Versuchsreaktor als auch in dem neu aufgebauten 4 Zoll Reaktor wurdedas CVD Simulationsprogramm PHOENICS eingesetzt, um über die Strömungsmechanik und die Gaskonzentration die Abscheiderate zu ermitteln. Für dieBerechnung der Abscheiderate wurde ein Modell, basierend auf dem Reactive Sticking Koeffizienten für das Prozeßgas Methylsilan eingesetzt, welches sich inbeiden Reaktoren für alle Prozeßparameter als anwendbar erwies. Der Einfluß der Prozeßparameter (Temperatur, Gesamtdruck, Methylsilankonzentration) aufdie Abscheiderate wurde untersucht. Eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Experiment konnte festgestellt werden. Der Abscheideprozeß ist beiepitaktischem Wachstum transport- und nicht reaktionslimitiert. Die Simulationsergebnisse ermöglichen eine Erhöhung der Reproduzierbarkeit und geben zuverlässige Informationen für die Konstruktion und Modifikation vonLPCVD Reaktoren und für die Prozeßführung bei der SiC Herstellung. Die Eignung des mit Methylsilan hergestellten SiC als Basismaterial für Sensoren wurde durch den Einsatz in Drucksensorchips demonstriert [Eic 98]M,[Zap99]M.