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Über die Niedertemperaturheteroepitaxie von kubischem Siliziumkarbid mit Methylsilan

Möller, Helmut


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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: I. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.05.1999
Erstellungsjahr: 1999
Publikationsdatum: 12.07.1999
Kurzfassung auf Deutsch: In der vorliegenden Arbeit wurde erstmalig ein Niedertemperatur-LPCVD Prozeß mit Methylsilan als 'Precursor' Gas entwickelt, der hinsichtlich
Kristallqualität und elektrischen Eigenschaften der hergestellten Siliziumkarbidschichten dem Stand der Technik entspricht. Aufgrund der um 160°C geringeren
Prozeßtemperatur 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 zahlreichen
Charakterisierungsmethoden wie Röntgen, REM ,TEM, AFM, Hall, Raman und PDS systematisch untersucht. Zahlreiche Aspekte des Wachstums konnten
geklärt werden.

Von grundlegender Bedeutung war die Entwicklung eines schnellen Karbonisierungs-schrittes mit einem Ethylen/Argon Gemisch, um mit diesem
Niedertemperaturprozeß SiC mit hoher Qualität herzustellen. Die Karbonisierungsschicht ist kristallin, 7nm dünn und geschlossen und vermeidet vor allem im
Siliziumsubstrat 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 Substrat
selbst 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 bei
350°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 Over
Layer). Der Einfluß der Dicke des SOL auf die SiC Qualität wurde ausführlich untersucht: Bei einer SOL Dicke von mehr als 50nm ergibt sich in der
Kristallqualität des SiC kein Unterschied zur Verwendung von Silizium als Substrat. Prinzipiell war das Wachstum von kubischem SiC auf nur 20nm dünnen
SOLs möglich. Die Entstehung der Hohlräume (Voids) in der SOL Schicht wurde analysiert. Es zeigte sich, daß Hohlräume nicht während der
Karbonisierungsphase sondern im frühen Stadium des SiC Wachstums entstehen. Eine sehr dünne SiC Schicht von weniger als 200nm Dicke reicht als
Schutzschicht für das darunterliegende Silizium aus. Deshalb reduziert eine hohe SiC Wachstumsgeschwindigkeit die Hohlraumdichte. Diese Erkenntnisse haben
zu einer Prozeßmodifikation geführt, die eine deutliche Reduktion der Hohlraumdichte um mehr als ein Drittel bei gleichbleibender Kristallqualität im Vergleich
zu 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 bei
Raumtemperatur eine intrinsische Ladungsträgerkonzentration von 4•1016cm-3 und eine Beweglichkeit von 143cm2/Vs. Ein In-situ Dotierungsverfahren mit
Ammoniak wurde etabliert, um die Leitfähigkeit im Bereich von 0.9(Ohm cm)-1 bis 480(Ohm cm)-1 einstellen zu können. Die Kristallqualität der dotierten
Schichten und die Dotierverschleppung wurden analysiert. Bis zu einer Leitfähigkeit von 193(Ohm cm)-1 ergab sich keine Verschlechterung der Kristallqualität
des 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. Substrate
mit lateralen Si-SiO2 Strukturen ermöglichen daher ein flächenselektives Wachstum von SiC. Dies vereinfacht die Prozeßtechnologie für spätere Anwendungen
wesentlich, 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 Reaktor
aufgebaut. Erste vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Funktionalität des Systems, z.B. Gasführung wurden erzielt, wie die laterale Homogenität von SiC
beschichteten 4 Zoll Substraten zeigt. Zur Beschreibung der CVD Prozesse sowohl im Versuchsreaktor als auch in dem neu aufgebauten 4 Zoll Reaktor wurde
das CVD Simulationsprogramm PHOENICS eingesetzt, um über die Strömungsmechanik und die Gaskonzentration die Abscheiderate zu ermitteln. Für die
Berechnung der Abscheiderate wurde ein Modell, basierend auf dem Reactive Sticking Koeffizienten für das Prozeßgas Methylsilan eingesetzt, welches sich in
beiden Reaktoren für alle Prozeßparameter als anwendbar erwies. Der Einfluß der Prozeßparameter (Temperatur, Gesamtdruck, Methylsilankonzentration) auf
die Abscheiderate wurde untersucht. Eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Experiment konnte festgestellt werden. Der Abscheideprozeß ist bei
epitaktischem Wachstum transport- und nicht reaktionslimitiert.

Die Simulationsergebnisse ermöglichen eine Erhöhung der Reproduzierbarkeit und geben zuverlässige Informationen für die Konstruktion und Modifikation von
LPCVD 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,[Zap
99]M.