Über die Niedertemperaturheteroepitaxie von kubischem Siliziumkarbid mit Methylsilan
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Zusatz zum Titel:
Beim Fachbereich Physik der Justus-Liebig-Universität eingereichte und genehmigte Dissertation
zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
Institut:
I. Physikalisches Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen
Erscheinungsjahr:
1999
Abstract:
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.
Sprache:
deutsch
Dateiformat:
Portable Document Format (PDF)
Sachgruppe der DNB:
29 Physik
Eingabedatum:
12.07.1999
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