DE2364989C3 - Verfahren zur Herstellung von Schichten aus Siliciumcarbid auf einem Siliciumsubstrat - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Schichten aus Siliciumcarbid auf einem SiliciumsubstratInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer epitaktischen Schicht von hexagonalem
Siliciumcarbid auf einem Siliciumeinkristallsubstrat. Sein großer Bandabstand macht Siliciumcarbid zu
einem geeigneten Ausgangsmaterial für Halbleiterbauelemente, die sichtbares Licht abstrahlen, oder die bei
hoher Umgebungstemperatur und/oder mit hoher Spannung betrieben werden können.
Es ist bekannt. Siliciumcarbid in seiner hexagonalen
Modifikation auf einem Siliciumcarbidsubstrat bei Temperaturen über 15000C epitaktisch abzuscheiden
(DE-PS 12 36 482). Weiter ist bekannt. Siliciumcarbid in
seiner kubischen Modifikation auf einem Siliciumsubstrat bei Temperaturen von 1100° bis 14000C
epitaktisch abzuscheiden (DE-PS 12 15 665 und DE-OS 14 67 088). Derartige Abscheidungen von kubischem
Siliciumcarbid mit unterschiedlichem Gehalt an Kohlenstoff sind ebenfalls eingehend untersucht
(Ber. Dtsch. Keram. Ges. 43 (1966) H2, Seite 180 bis
187). Bekannt ist es außerdem, die Abscheidung von Kohlenstoff in Carbidschichten über die Zusammensetzung
der Gasatmosphäre zu regeln (DE-PS 6 00 374). Da der Bandabstand der hexagonalen Modifikation des
Siliciumcarbids mit 3,0 eV wesentlich größer ist als der der kubischen Modifikation mit 2,4 eV, treten die
Vorteile des Siliciumcarbids als Halbleiter erst beim hexagonalen Siliciumcarbid richtig in Erscheinung. So
ist z. B. für die Herstellung von Lumineszenzdioden, die sichtbares Licht abstrahlen, die hexagonale Form
erforderlich. Der Nachteil bei den in der Literatur beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Schichten
aus Siliciumcarbid der hexagonalen Modifikation liegt in der dafür erforderlichen hohen Temperatur, die leicht zu
Verunreinigungen aus der Apparatur führen kann und in dem Siliciumcarbideinkristallsubstrat, das schwierig in
der für ein Substrat am besten geeigneten Form eines dünnen planparallelen Plättchens herzustellen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, epitaktische Siliciumcarbidschichten der hexagonalen Modifikation
bei tiefer Temperatur (d. h. unter 14000C, da der Schmelzpunkt des Siliciums bei 1420° C liegt) herzustellen,
so daß sich Silicium als Substrat verwenden läßt.
Herstellung einer epitaktischen Schicht aus hexagonalem Siliciumcarbid auf einem Siliciumeinkristallsubstrat
durch gemeinsame Reduktion bzw. thermische Zersetzung eines Gasgemisches aus Siliciumhalogeniden
und/oder Organosilanen, Kohlenwasserstoffen und
Wasserstoff an diesem Siliciumsubstrat, dadurch gekennzeichnet,
daß es mit einem Gasgemisch durchgeführt wird, das Wasser oder eine Verbindung enthält,
aus der sich bei der Herstellungstemperatur Wasser
ίο bildet
Überraschenderweise läßt sich durch die erfindun?sgemäßen
Maßnahmen Siliciumcarbid in der hexagonalen Modifikation bei einer Temperatur unter 14000C
herstellen. Dies ermöglicht die Verwendung von
'5 Silicium als Substrat Gegenfiber dem bisher bekannten
scheidungstemperatur bedeutet dies eine wesentliche
dotierten Siliciumcarbidschichten lassen sich in an sich bekannter Weise Lumineszenzdioden herstellen, die
sichtbares Licht abstrahlen, ebenso andere Halbleiterbauelemente, wie z. B. Dioden für hohe Betriebstemperaturen
und/oder hohe Spannungen.
Die Herstellung der Siliciumcarbidschichten erfolgt im allgemeinen in einem Reaktor, wie er für die
Siliciumepitaxie üblich ist und bereits vielfach beschrieben wurde. Ein solcher Reaktor besteht z. B. aus einem
Quarzgefäß, in dem sich ein Graphitkörper befindet, auf den die Siliciumsubstrate aufgelegt werden. Der
Graphitkörper läßt sich mittels einer Hochfrequenzspule, die das Quarzgefäß von außen umgibt auf die
gewünschte Temperatur aufheizen. Die Temperatur liegt im allgemeinen im Bereich 1100° bis 14000C
vorzugsweise zwischen 1200 und 13000C. Sie wird z. B.
pyrometrisch gemessen. Vorzugsweise wird ein Siliciumsubstrat mit einer Oberfläche mit den Miller'schen
Indices (111) oder (110) verwendet. Vor der Siliciumcarbidabscheidung
wird eine Vorbehandlung der Oberflä ehe des Siliciumsubstrats z. B. durch Tempern bei
1 2000C und/oder Gasätzung z. B. mit HCI oder Wasser durchgeführt. Durch die Oberflächenbehandlung wird
eine zur Beschichtung geeignete Oberfläche erhalten. Sodann wird das vorgemischte, in speziellen Fällen auch
in Form von Einzelkomponenten zugeführte Gasgemisch über das auf die Abscheidungstemperatur erhitzte
Substrat geleitet.
Hauptbestandteil des Gasgemisches ist Wasserstoff, der als Trägergas und Reduktionsmittel dient. Die
Siliciumhalogenide oder Organosilane sind in Mengen von 0,1 bis 5 Vol°/o enthalten. Das Gemisch enthält
weiter 0,1 bis 5 Vol°/o Kohlenwasserstoffe. Die wasserbildende Verbindung bzw. das Wasser wurden in
Mengen von 0,01 bis 1 Vol% zugesetzt.
Ais Siliciumhalogenide kommen beispielsweise Siiiciumbromide
oder Siliciumjodide, vorzugsweise Siliciumchloride,
z. B. SiCU, SiHCI3 und SiH2Cl2 oder deren
Gemische in Frage. Als Organosilane werden vorzugsweise Alkylsilane verwendet, z. B. SiR4, SiR3CI, SiR2Cl2
und S1RCI3 oder deren Gemische, wobei R Alkylreste mit 1 bis 4 C-Atomen oder Wasserstoff bezeichnet.
Beispiele für Kohlenwasserstoffe sind aliphatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere Alkane und Alkene
mit 1 bis 8 C-Atomen, wie z. B. Methan, Äthan, Äthylen,
ί>5 Propan, Propylen und Butan oder deren Gemische.
Als wasserbildende Verbindungen lassen sich beispielsweise sauerstoffenthaltende Kohlenstoffverbindungen,
wie z. B. Alkohole, Aldehyde, Carbonsäuren,
vorzugsweise CO2, sowie sauerstoffhaltige Stickstoffverbindungen
wie Stickstoffoxide, beispielsweise N2O, NO oder NO2 verwenden. Es können auch Gemische
der gekannten Verbindungen eingesetzt werden.
Die Anwesenheit von H2O in der Reaktionszone
während der Silidumcarbid-Abscheidung drängt die
Abscheidung von elementarem Kohlenstoff und/oder elementarem Silidum zurück. Dadurch wird die
gewünschte Abscheidung von reinem Siliciumcarbid ohne Beimischung von Sfliciura oder Kohlenstoff
erreicht Außerdem wird durch diese Maßnahme die Bildung unerwünschter Siliciumcarbid-Keime auf SiOr
Schichten, wie sie bei einer selektiven Abscheidung des Siliriumcarbids als Maskierung verwendet werden,
verhindert. Wird eine solche selektive, örtliche Abschei- is
dung des Siliciumcarbids gewünscht, wird mit den in der Siliciumtechuologie üblichen Verfahren auf dem Siliciumsubstrat
eine z. B. 1 um dicke SiOrSchicht erzeugt
und mit öffnungen versehen. An den Stellen, an denen
das Siliciumsubstrat freiliegt, wird Siliciumcarbid abgeschieden.
Dagegen bildet sich auf der SiO2-ScMcIn kein
Siliciumcarbid. Anstelle von SiO2 ist auch die Verwendung
von Siliciumnitrid möglich.
Eine Dotierung der Siliciumcarbid-Schicht erfolgt durch Zusatz von flüchtigen Verbindungen von
Elementen der III. oder V. Hauptgruppe des Periodensystems zum Reaktionsgas, wie z. B. flüchtige Verbindungen
des Bors und Aluminiums, beispielsweise B2He,
BCI3 oder AICI3 zur p-Dotierung, und flüchtige Verbindungen
des Phosphors oder Arsens z. B. PH3 oder AsCI3
zur η-Dotierung. Soll ein p-n-Übergang erzeugt werden, so wird während der Siliciumcarbidabscheidung auf ein
anderes Dotierungsmittel umgeschaltet
Zur SiBchimcarbidabschddung wird ein mit Hochfrequenz
beheizter Reaktor mit horizontaler Anordnung des Sifidumsubstrats und vertikaler Strömungsführung
verwendet Als beheizter Suszeptor für das Siliciumsubstrat dient ein mit Silidumcarbid beschichteter Graphitzylinder.
Die Temperatur wird pyrometrisch gemessen, sie beträgt während der Siliciumcarbidabscheidung
1 200°C Das Siliciumsubstrat mit (111)-Oberfläche wird
im vorher mit Wasserstoff gespülten Reaktor auf 12000C erhitzt und in einem Gemisch von 600 l/h H2 und
0,5 l/h CO2 15 Min. lang behandelt Diese Maßnahme
führt zu einer Suiciumabtragung von ca. 3 um Sofort
anschließend wird aus e:ner Mischung von 600 l/h, 0,25 I/h CO2,6 l/h SiCI4 UEd 2 l/h Propylen Siliciumcarbid
auf dem Siliciumsubstrat abgeschieden. Nach 120 Min. beträgt die Schichtdicke des Siliciumcarbids ca.
10 um.
Die durch Auflösen des Siliciumsubstrats in einem Gemisch aus HNO3 und HF isolierte Siliciumcarbidschicht
ist klar durchsichtig. Die röntgenographische Untersuchung dieser Siliciumcarbidschicht mittels
Laue-Durchstrahlaufnahme zeigt ein Punktdiagramm mit sechszähliger Symmetrie. Die Debye-Scherrer-Aufnahme
der pulverisierten Siliciumcarbid-Schicht zeigt dasselbe Diagramm wie ein aus einem Siliciumcarbid-Einkristallderhexagonalen
Modifikation hergestelltes Kristallpulver.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung einer epitaktischen Schient aus hexagonaJem Siliciumcarbid auf einem
SilicimneinkristaHsubstrat durch gemeinsame Reduktion
bzw. thermische Zersetzung eines Gasgemisches aus Siliciumhalogenide!! und/oder Organosilanen.
Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff an diesem Silicsumsubstrat, dadurch gekennzeichnet,
daß es mit einem Gasgemisch durchgeführt wird, das Wasser oder eine Verbindung enthält,
aus der sich bei der Herstellungstemperatur Wasser bildet
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Verbindung, aus der sich Wasser bilden kann. Kohlendioxid zugegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur örtlich selktiven Abscheidung
von hexagonalem Siliciumcarbid die Oberfläche des Siliciumeinkristallsubstrates teilweise mit
einer Siliciumdioxidschicht abgedeckt wird.
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