CN107112202A - 用于在原始结构上生成碳层的方法以及微机电或半导体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生成微机电或半导体结构的方法，所述方法具有如下步骤：‑提供原始结构，所述原始结构的表面至少具有由二氧化硅组成的部分，‑提供一种原材料或者多种原材料的混合物，所述原材料在LPCVD工艺中是由碳、硅和氯构成的混合物，‑将所述原始结构以及所述一种原材料或者原材料的混合物引入到所述LPCVD工艺中，并且借此‑使碳层沉积在所述原始结构的由二氧化硅组成的部分上；以及本发明涉及一种微机电或半导体结构，所述微机电或半导体结构根据该方法来制造。

Description

用于在原始结构上生成碳层的方法以及微机电或半导体结构
背景技术
在文献中描述了将碳层涂覆在MEMS（=微机电传感器）-衬底或者半导体衬底上的不同的方法。
比如，公知的是借助于胶粘带使碳层从石墨块或者HOPG（高取向热解石墨（HighlyOriented Pyrollytic Graphite））分离、将所述层传输到衬底上并且紧接着松开胶粘带。利用该方法只能在衬底上生成相对随机地放置和取向的碳薄片。此外，还涉及一种要手动执行的方法，使得所述方法不适合于工业的以及尤其是大规模应用。
也公知的是有机材料在衬底上的分解。在此，形成所有可能的碳组态。
借助于外延生长来涂覆碳层也是公知的。在半导体生产的领域内没有设置为此所需的金属衬底。
也公知的是碳在过渡金属中的温度相关的溶解度的效果，其中碳在温度迅速降低的情况下凝固。为此，在衬底上的金属又是必要的。
也公知的是在表面上来自具有适当的晶体取向的碳化硅晶体的硅的蒸发。由于缺少硅，碳以所希望的组态来再取向。为此，需要高温以及很昂贵的碳化硅衬底。
此外还公知的是：在LPCVD工艺中，在使用纯硅前体以及足够的量的氯的情况下，在用SiO2涂层的衬底上不进行硅沉积（参见例如电化学学会期刊1986年第133卷第2版第379-383页）。
发明内容
本发明的优点
本发明描述了一种在LPCVD工艺中用于碳层的沉积方法，所述沉积方法适合于MEMS（=微机电传感器）-工艺或半导体工艺。在此生成的特别的碳组态使本发明对于也在纳米范围内的新式应用来说令人感兴趣。LPCVD（英文：Low Pressure Chemical Vapor Deposition=低压力化学气相沉积）表示一种化学工艺，用于在制造微机械传感器或者半导体结构的范围内在衬底上生成层。
按照本发明的LPCVD工艺能够使薄的碳层沉积在由二氧化硅（SiO2）构成的层上。所述LPCVD工艺的重要的想法是：除了碳前体之外还使用氯和硅。由于此，在所选择的工艺参数的情况下，尽管在工艺气体环境中有硅含量，在SiO2上没有沉积硅并且也没有沉积硅碳化合物，而是沉积纯碳层。与大量用于沉积碳层（如尤其是也包括类似金刚石的碳（DLC=英文：Diamond Like Carbon（类金刚石）））的工艺不同，所述工艺不是等离子体辅助的工艺，而是纯化学激活的工艺，所述纯化学激活的工艺有利地能够实现批量地沉积，也就是说大量衬底并行地被涂层。也不需要使用金属催化剂来分解碳原材料（前体），如这对于公知的碳沉积工艺是这种情况的那样。
本发明适合于将碳层涂覆在MEMS（=微机电传感器）-衬底或者半导体衬底上。本发明尤其是也适合于在高可靠性和工艺安全性的情况下的尤其是自动化的大规模制造，而且能够实现微小的废品率。
有利地，本发明能够实现碳层在半导体材料晶片的所限定的并且能选择的位置上的平坦并且有针对性的沉积。不需要对于半导体工业来说不常用的或者不适当的初始层，二氧化硅（SiO2）就可以用作碳层的初始层。不需要金属。碳层可以在现场机械地并且电地被接触。涉及如下LPCVD工艺，所述LPCVD工艺免除了特别的设施改型并且可以用所设立的工艺气体来执行。
利用按照本发明的方法生成的碳层具有充分公知的、有利的特性。这尤其是高的导电性、载流子的高的移动性以及几纳米厚的碳层的高的机械负荷能力。
有利的特性在于所述碳层与载流子的高的移动性相关联的高的导电性。借此，所述层例如适合于制造THz晶体管、具有高能量密度并且用于存储高能量的电容器（即所谓的超级电容器（Supercap））以及电池组、此外基于霍尔效应的磁传感器和例如用于显示器的透明的印制导线或者电极。
此外，所生成的碳层还能够实现化学功能化，比如用于针对气体传感器或医疗技术使用或者在气体传感器或医疗技术中使用。
此外，所生成的碳层具有在微小的厚度时在附加地压阻的或也包括压电的特性的情况下的高机械负荷能力，而且因此例如适合于在谐振器（诸如微镜或惯性传感器）的弹簧结构中应用。
在此，按照本发明的方法包括如下步骤：
- 提供原始结构，所述原始结构的表面至少具有由二氧化硅组成的部分，
- 提供一种原材料或者多种原材料的混合物，所述原材料在LPCVD工艺中是由碳、硅和氯构成的混合物，
- 将所述原始结构以及所述一种原材料或者原材料的混合物引入到LPCVD工艺中，并且借此
- 使碳层沉积在所述原始结构的由二氧化硅组成的部分上。
有利地，所述LPCVD工艺在确定的、被认为是有利的工艺条件下，即在700℃与1300℃之间的范围内的工艺温度的情况下并且在100mTorr与5000mTorr之间的范围内的工艺压强的情况下被执行。所述参数的适当的组合例如是1020℃的工艺温度与875mTorr的工艺压强。在此，存在所述工艺在可能的最微小的废品率的情况下的特别高的可靠性。
按照本发明的一个有利的实施方式，所述原始结构除了由二氧化硅组成的部分之外还可具有其它部分，所述其它部分例如由硅（Si）和/或碳化硅（SiC）组成。借此实现了：在LPCVD工艺中在所述其它部分上沉积碳化硅层。有利地，所述碳化硅层加入与被沉积的碳层的机械和电的连接，并且因此可以承受或者支撑所述被沉积的碳层。
如果按照本发明的另一扩展方案，所述原始结构的在碳层之下的由二氧化硅组成的部分在LPCVD工艺结束之后整个或者部分地、优选地借助于气相蚀刻来除去，那么这也是特别令人感兴趣并且有意义的。有利地，可以将氢氟酸用于气相蚀刻。
为了在LPCVD工艺中提供对于碳层的按照本发明的沉积必要的物质，可以将甲基三氯硅烷用作原材料。可替换地，例如也可以使用由硅烷、甲烷和氯化氢构成的混合物。此外，也可以使用其它原材料，所述其它原材料是在LPCVD工艺的工艺条件下类似的用于碳、硅和氯的来源。附加地，可以添加其它气体（例如作为载体气体的氢气或者作为来源的氨气），用于对SiC层进行掺杂。
此外，本发明还集中于微机械结构或半导体结构，所述微机械结构或半导体结构是利用按照本发明的方法来制造的。
附图说明
本发明的实施例在附图中被示出并且随后进一步予以阐述。其中：
图1示出了经过按照本发明生成的MEMS或半导体结构的层结构的截面的示意图，所述MEMS或者半导体结构是用于选择性的碳沉积的原始结构，
图2示出了经过按照本发明生成的MEMS或半导体结构的层结构的截面的示意图，作为如下变型方案的例子，在所述变型方案中，除了碳层之外也已经生成了碳化硅（SiC）支撑结构，
图3示出了按照图2的结构的示意图，其中与图2不同，在碳层下面的SiO2层已经被除去，
图4示出了经过利用按照本发明的方法来制造的以晶体管为例的半导体结构的截面的示意图。
具体实施方式
本发明使用了LPCVD工艺，用于沉积薄的碳层，所述薄的碳层例如、但是不必需地是结晶的，而且所述碳层在由SiO2构成的层上。在使所述层沉积时重要的是，没有使用纯碳原材料（碳前体），而是使用如下原材料或如下原材料混合物，所述原材料或所述原材料混合物除了碳以及通常也包括氢之外也将氯和硅提供给所述工艺。这可以通过使用一个唯一的前体、诸如甲基三氯硅烷来实现。也可设想的是，比如使用三个不同的前体，所述三个不同的前体分别是碳、硅和氯的来源，诸如硅烷、甲烷和氯化氢。重要的是：使用如下原材料，所述原材料在LPCVD工艺的工艺条件下是所提到的必需的元素碳、氯和硅浓度的来源。
在LPCVD工艺中，利用例如所述之前提到的气体组合硅烷、甲烷和氯化氢，可以在简单的硅衬底上沉积由碳化硅（SiC）构成的薄的层。然而，如果在衬底上有由SiO2构成的层，那么在适当的工艺条件下在所述由SiO2构成的层上不生长SiC层，而是生长薄的纯碳层，所述薄的纯碳层在适当地选择的工艺参数的情况下以所希望的碳组态出现。对于所述选择性的工艺来说起决定作用的是，存在SiO2层并且在所述工艺中存在足够的氯。
对此，迄今公知的是：在使用纯硅前体以及足够的量的氯的情况下，在SiO2衬底上不进行硅沉积（参见例如电化学学会期刊1986年第133卷第2版第379-383页）。
此外，在同时加入碳（以前体的形式）、例如甲基三氯硅烷（MTS）的情况下，在SiO2层上也没有沉积硅化合物，然而沉积碳层。为了实现所述选择性的工艺，适度的直至高的工艺温度（700-1300℃）和低的工艺压强（100-5000mTorr）都是必要的。
有利地，所述工艺相对于SiO2的选择性也可以按如下地来使用：由SiO2构成的另一层被涂覆到由例如Si、SiC构成的初始层上，而且所述SiO2层接着被结构化。在下面的LPCVD工艺中，在没有SiO2的区域内生长SiC层，而在具有SiO2的区域内生长碳层。所述碳层比SiC层薄得多。附加地，在此在SiC层与碳层之间形成机械接触和电接触。
在图1中示意性地并且示例性地示出了原始结构1，所述原始结构1应该利用按照本发明的方法来处理。原始结构1具有例如由硅构成的衬底10，在所述衬底10上布置有所谓的初始层11、例如由硅（Si）或碳化硅（SiC）构成的初始层11。初始层11局部地或部分地用由二氧化硅（SiO2）构成的层来覆盖。在图1的原始结构中，在初始层11上布置有四个由二氧化硅组成的区域或部分12-1、12-2、12-3、12-4（随后也概括为12-x），其中在所述区域12-x之间存在空隙，使得在所述空隙中，通过所述初始层11的裸露的部分形成所述原始结构1的表面。因此，所述原始结构的表面通过部分或者局部的SiO2层以及所述裸露的初始层11的在所述SiO2层之间或者相邻的区域或部分来形成。
所述被提供的（在图5中步骤31）原始结构1被引入到LPCVD设施的工艺室中，在所述工艺室中执行随后的LPCVD工艺。针对LPCVD工艺，设定适当的工艺参数、尤其是如在上面提到的区域内的工艺压强和工艺温度，以及输送（步骤33）之前提到的被提供（步骤32）的工艺化学制品。在加入气体氢气（流量425sccm）和MTS（流量35sccm）的情况下，示例性地适当的工艺参数是压强p=874mTorr、温度T=1020℃。沉积（步骤34）的结果是，存在按照图2的半导体或MEMS结构（随后简称作半导体结构）。
利用所描述的LPCVD工艺生成的半导体结构1'又包括衬底10、在所述衬底10上包括初始层11以及部分地包括安置在所述初始层11上由二氧化硅构成的区域12-x。由于LPCVD工艺，在所述初始层的处在SiO2层部分12-x之间并且直接经受LPCVD工艺的区域上生长有碳化硅部分13-1、13-2和13-3。而已经在SiO2部分12-x上分别沉积了由碳构成的层14-1、14-2、14-3和14-4（随后概括为14-x）。碳化硅层以及碳层都具有非常不同的厚度，所述非常不同的厚度取决于沉积的时间。碳层只是换算成几nm厚的几个原子层（在60min的处理时间的情况下，<20nm），而相同的工艺的碳化硅层是几百nm厚。碳化硅层的电阻率取决于通过加入氨气引起的掺杂，但是没有达到小于10毫欧厘米（mOhmcm）的值。而碳层在高度的结晶度的情况下可具有1毫欧厘米的电阻率。
所描述的LPCVD工艺的结果是，碳层14-x与分别相邻的碳化硅部分13-x机械并且电连接。如果所述碳层14-x例如在随后的处理步骤35中进行后蚀刻、即支承所述碳层14-x的SiO2部分12-x由于蚀刻、例如利用氢氟酸的气相蚀刻来除去，那么由于所述机械连接，碳化硅层或碳化硅部分13-1、13-2、13-3可用作对分别相邻的碳层14-x的支撑。借此，形成如在图3中示出的那样的结构1''，在所述结构1''中，碳层部分14-x被支承和保持在分别相邻的SiO2部分12-x的空隙15-1、15-2、15-3和15-4上。
对于选择性的碳沉积14-x来说，SiO2表面13-x的存在是重要的，其中所述SiO2表面13-x的层厚度是微小的。有利地，例如可以利用这一点，以便使用极薄的SiO2层、例如在功能方面将极薄的SiO2层用作栅极氧化物。
有利地，可以利用所述工艺，以便构造具有碳层的晶体管2，如在图5中画出的那样，其中省去了最后的工作步骤35，以便获得栅极氧化物。在衬底20（例如硅）上涂覆有电绝缘层21（诸如二氧化硅（SiO2）），在所述电绝缘层21上涂覆有导电层22-1、22-2、22-3，所述导电层22-1、22-2、22-3例如可以由多晶硅或者碳化硅组成。层的厚度可以根据需求来选择并且可以为几纳米（nm）到几微米（μm）。所述层22-x被结构化为使得形成用于漏极23-1、源极23-2的以及在栅极区域22-2内的电接线和触点。紧接着，薄的SiO2层25被涂覆在栅极22-2上。紧接着的按照本发明的选择性的结构化能够实现：如下碳层24被构造在栅极氧化物25上，所述碳层24一方面是晶体管2的沟道，而所述碳层另一方面通过沉积的SiC 23-1和23-2与漏极和源极电接触。与标准晶体管不同，这里，沟道在表面上而不在栅极电极上。对于传感器来说，在所述组态下，除了沟道栅极电位之外还可以附加地测知影响在沟道24内的导电性的效果。

Claims (9)

1.一种用于生成微机电或半导体结构的方法，所述方法具有如下步骤：
- 提供（31）原始结构（1），所述原始结构（1）的表面至少具有由二氧化硅组成的部分（12-1、12-2、12-3、12-4），
- 提供（32）一种原材料或者多种原材料的混合物，所述原材料在LPCVD工艺中是由碳、硅和氯构成的混合物，
- 将所述原始结构（1）以及所述一种原材料或者原材料的混合物引入（33）到所述LPCVD工艺中，并且借此
- 使碳层（14-1、14-2、14-3、14-4）沉积（34）在所述原始结构（1）的由二氧化硅组成的部分（12-1、12-2、12-3、12-4）上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LPCVD工艺在700℃与1300℃之间的范围内的工艺温度的情况下并且在100mTorr与5000mTorr之间的范围内的工艺压强的情况下被执行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述原始结构（1）除了由二氧化硅组成的部分（12-1、12-2、12-3、12-4）之外还具有其它部分，所述其它部分由硅和/或碳化硅组成，并且借此
- 在所述LPCVD工艺中使碳化硅层（13-1、13-2、13-3）沉积在所述原始结构（1）的由硅或碳化硅组成的其它部分上。
4.根据上述权利要求之一、尤其是根据权利要求3所述的方法（35），其特征在于，在所述LPCVD工艺结束之后，所述原始结构（1）的在所述碳层（14-1, ..., 14-3）之下的由二氧化硅组成的部分（12-1, ..., 12-4）整个或者部分地、优选地借助于气相蚀刻来除去。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将氢氟酸用于气相蚀刻。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将甲基三氯硅烷用作原材料。
7.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，使用由硅烷、甲烷和氯化氢构成的混合物或者是在LPCVD工艺的工艺条件下类似的用于碳、硅和氯的来源的物质，作为原材料。
8.根据权利要求3所述的方法，其中，附加地使用氮源、诸如氨气，以便实现对所沉积的碳化硅层的掺杂。
9.一种微机电或半导体结构（1、2），其利用根据上述权利要求之一所述的方法来制造。
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