DE3603725C2 - Verfahren zur Strukturierung von Siliciumcarbid - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Struk­ turierung von Siliciumcarbid durch Photolithographie und Plasmaätzung mit einem Gemisch aus einem Kohlenstofftetrafluorid und Sauerstoff.

Siliciumcarbid ist bekanntlich beispielsweise als Halb­ leiter für blauleuchtende Lumineszenzdioden LEDs (light emission diodes) geeignet. Seiner Verwendung für Mikro­ bauelemente, beispielsweise Feldeffekttransistoren oder Halbleitersensoren, stehen jedoch technologische Schwie­ rigkeiten entgegen. Die Flüssigphasenepitaxie mit hohen Dotierungen bei hoher Temperatur wird zwar gut be­ herrscht, nicht jedoch für niedrige Dotierungen im Bereich von etwa 1016 cm^-3 bis 10¹⁷ cm^-3 bei Raumtempe­ ratur. Da im Gegensatz zu vielen anderen Halbleitern hier bei Raumtemperatur keine vollständige Dissoziation vorliegt, sind bei höherer Temperatur auch die Stör­ stellenkonzentrationen entsprechend höher. Die Planar­ technik läßt sich nicht ohne weiteres anwenden, da die Diffusionstemperaturen mit etwa 2000°C verhältnismäßig hoch sind und bei diesen Temperaturen bereits die Ge­ fahr der Zersetzung der Oberflächenschichten sowie von Materietransport durch Transportreaktionen besteht. Außerdem ist die in der Planartechnik üblicherweise zur Strukturierung verwendete Abdeckung aus Siliciumoxid SiO oder Siliciumdioxid SiO₂ für solche Temperaturen nicht geeignet (vgl. W. v. Münch und W. Kürzinger in Solid State Electronics, Vol. 21, Seiten 1129-1132, s. S. 1129, linke Spalte). Es kann zwar auch eine Vielzahl von Blaulicht-Dioden als Mesa-Strukturen hergestellt wer­ den, die mit einer Diamant-Säge getrennt werden. Diese Strukturen werden jedoch ebenfalls bei verhältnismäßig hoher Temperatur oberhalb 1000°C mit einer Gasätzung, des­ sen Gasgemisch Chlor Cl und einen geringen Anteil Sauer­ stoff O₂ enthält, hergestellt (Solid State Electronics, Vol. 21, Seiten 1129 bis 1132).

Es ist bekannt, daß eine Plasmaätzung von amorphem Sili­ ciumcarbid in einem Gasgemisch von Kohlenstofftetrafluorid CF₄ und Sauerstoff O₂ möglich ist (J. Electrochem. Soc., Solid-State Sci. and Techn., Februar 1985, Seiten 418 bis 422).

Es wurden bereits die Ätzraten von Silicium (Si) und Siliciumcarbid (SiC) bei einem reaktiven Ionenätzprozeß mit einem Gasgemisch von CF₄ und Sauerstoff (O₂) in Ab­ hängigkeit von dem Sauerstoffanteil im Gasgemisch unter­ sucht.

In einem Fall wurden die Ätzraten von Si und SiC für einen Sauerstoffanteil von 0% bis 40% im Gasgemisch bei einem Gasdruck von 20 mTorr ermittelt. Es ergab sich ein Maximum der Ätzrate von Si bei 10% Sauerstoffanteil und eine leicht ansteigende Ätzrate von SiC von 0% bis 40% Sauerstoffanteil (J. Vac. Sci. Technol., B4 (1), Jan./Feb. 1986, Seiten 349 bis 354). In einem anderen Fall wurde bei einem Plasmaätzprozeß mit einem Gasgemisch von CF₄ und O₂ der Sauerstoffanteil zwischen 0% und 100% variiert, und in Abhängigkeit vom Sauerstoffanteil wurden bei Gas­ drücken zwischen 24 und 266 Pa, die Ätzraten von SiC und Si bestimmt. Die maximale Ätzrate von Si lag bei 40% Sauerstoffanteil, während die maximale Ätzrate von SiC bei 67% Sauerstoffanteil gefunden wurde. Als Maskenmaterial für SiC wird Chrom vorgeschlagen ("Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 24, No. 11, November 1985, Seiten L 873-L 875).

Als Maskenmaterial für SiC ist bei einem reaktiven Ionen­ ätzprozeß mit CF₄ als Ätzgas eine Nickel-Eisen-Legierung mit dem Handelsnamen Permalloy bekannt (IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 23, No. 2, July 1980, Seiten 828 und 829).

Ferner ist es bekannt, Silicium (Si) als Ätzmaske bei einem reaktiven Sputterätzprozeß zum Strukturieren von Silicium­ dioxid (SiO₂) einzusetzen (J. Vac. Sci. Technol., B1 (4), Oct.-Dec. 1983, Seiten 1207 bis 1210).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur Strukturierung von kristallinem Siliciumcarbid zu schaffen, das eine für wirtschaftliche Bearbeitungsverfah­ ren ausreichende Ätzrate bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen ermöglicht.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein Gemisch aus Kohlenstofftetrafluorid (CF₄) und Sauerstoff (O₂) mit einem verhältnismäßig hohen Anteil an Sauerstoff eine Ätzrate für Silicium ergibt, die wesentlich geringer ist als für Siliciumcarbid und die Erfindung besteht in den Verfahrensmerkmalen des Anspruchs 1. Der Sauerstoffanteil beträgt etwa 70 bis 95% und insbesondere etwa 75 bis 90%. Die zur Strukturierung vorgesehene Abdeckung aus einer Silicium-Schicht wird zwar während der Plasmaätzung eben­ falls abgetragen, jedoch mit einer wesentlich geringeren Ätzrate.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens schema­ tisch veranschaulicht ist. In Fig. 2 ist die Ätzrate in Abhängigkeit vom Sauerstoffanteil des Gases in einem Diagramm veranschaulicht. In den Fig. 3 bis 5 sind verschiedene Verfahrensschritte zur Strukturierung von Siliciumcarbid schematisch dargestellt.

In einer bekannten Ausführungsform einer Anordnung zum reaktiven Ionenätzen gemäß Fig. 1 ist ein Substrat 2 aus Siliciumcarbid der hexagonalen 6 H-Modifikation auf der Abdeckung 4 aus Graphit, Glaskohlenstoff oder Siliciumdioxid SiO₂ einer Kathode 6 angeordnet. Ein Rezipient 8 dient als Anode und ist mit einem Gaseinlaß 12 versehen. Eine Grundplatte 14, auf die der Rezipient 8 vakuumdicht aufgesetzt ist und die auf Anodenpoten­ tial liegt, ist mit zwei Vakuumanschlüssen 16 versehen und gegenüber der Kathode 6 elektrisch isoliert. Zwi­ schen der Anode und der Kathode ist ein Hochfrequenz­ generator 18 angeschlossen.

Das reaktive Ionenätzen des Substrats kann beispiels­ weise mit einer zugeführten Hochfrequenzleistung von 300 W bei einer Frequenz von 13,56 MHz entsprechend einer Leistungsdichte von 0,6 W/cm², bezogen auf die Oberfläche der Kathode 6, durchgeführt werden. Die Strömung des Gasgemisches aus Kohlenstofftetrafluorid CF₄ und Sauerstoff O₂ wird zweckmäßig konstant gehalten mit beispielsweise 200 cm³/s (sccm) bei Normalbedingungen. Damit stellt sich ein Druck von etwa 23 bis 25 Pa ein. Mit einem Volumen des Rezipienten 8 von etwa 10 l ergibt sich dann eine mittlere Gasverweilzeit von etwa 0,7 s.

Im Diagramm gemäß Fig. 2 sind die Ätzraten von Sili­ cium Si, Siliciumoxid SiO₂ und Siliciumcarbid SiC in Abhängigkeit vom Sauerstoffanteil im Gasfluß bei einer Temperatur des Substrats nicht wesentlich über Raum­ temperatur aufgetragen. Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß die Ätzrate von Silicium geringer wird als die Ätzrate von Siliciumcarbid, wenn der Sauerstoffanteil etwa 64% überschreitet. Bei einem Sauerstoffanteil von etwa 70 bis 95% ist die Ätzrate von Silicium wesent­ lich geringer als diejenige von Siliciumcarbid und mit einem Sauerstoffanteil von etwa 75 bis 90% ist die Ätzrate von Siliciumcarbid etwa doppelt so hoch wie die Ätzrate von Silicium. Diese Bereiche können sich bei abweichender Temperatur der Kathode 6 und damit des Substrats 2 entsprechend verlagern.

Zur Strukturierung von Siliciumcarbid gemäß der Erfin­ dung wird deshalb gemäß Fig. 3 das Substrat 2 aus Siliciumcarbid mit einer Zwischenschicht 22 aus Silicium abgedeckt, die mit einer strukturierten Photolackmaske 24 versehen wird.

Dann wird gemäß Fig. 4 beispielsweise durch reaktives Ionenätzen mit einem verhältnismäßig geringen Anteil Sauerstoff O₂ von vorzugsweise höchstens 30%, insbe­ sondere mit einem Gasgemisch aus etwa 85% Kohlenstoff­ tetrafluorid CF₄ und etwa 15% Sauerstoff O₂, die Struk­ tur der Photolackmaske 24 in die Silicium-Zwischen­ schicht 22 übertragen.

Anschließend wird durch reaktives Ionenätzen mit einem hohen Sauerstoffanteil von etwa 70 bis 95% Sauerstoff O₂, insbesondere mit einem Anteil von etwa 77 bis 87% Sauerstoff O₂, die Struktur der Silicium- Zwischenschicht 22 gemäß Fig. 5 in das Substrat 2 übertragen. Dabei wird die Silicium-Zwischenschicht 22 mit einer wesentlich geringeren Ätzrate abgetragen als das Siliciumcarbid des Substrats 3.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens nach der Erfin­ dung besteht darin, daß in einfacher Weise eine soge­ nannte Grabenätzung durchgeführt werden kann. In Ver­ bindung mit einem in Fig. 5 zur Vereinfachung nicht vollständig dargestellten mehrlagigem Bauelement mit einem in Fig. 5 strichpunktiert angedeuteten pn-Über­ gang 26 unter der Silizium-Zwischenschicht 22 entsteht durch die anisotrope reaktive Ionenätzung mit im wesentlichen senkrecht zu den Flachseiten der gesamten Anordnung verlaufenden Ätzrichtung ein Graben 28, der beispielsweise zur Isolation zwischen elektrisch akti­ ven Bereichen, insbesondere zur elektrischen Trennung der einzelnen Bauelemente in einer Einheit mit einer Vielzahl von Elementen in Mesa-Technik, dienen kann.

Ferner kann beispielsweise zum Entfernen der Zwischen­ schicht 22 in einfacher Weise der Sauerstoffanteil ver­ mindert werden auf beispielsweise weniger als 20%, wie aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 zu entnehmen ist. Außerdem ist es möglich, wegen der Resistenz des Mate­ rials des Substrats 2 die Zwischenschicht 22 durch Naßätzung rückstandsfrei zu entfernen.

Claims (2)

1. Verfahren zur Strukturierung von Siliciumcarbid durch Photolithographie und Plasmaätzung mit einem Gemisch aus Kohlenstofftetrafluorid CF₄ und Sauerstoff O₂, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Substrat (2) aus dem Siliciumcarbid auf einer Flachseite mit einer strukturierten Siliciumschicht (22) abgedeckt wird, und daß dann die Plasmaätzung mit einem hohen Sauerstoffanteil von etwa 70% bis 95% im Gasgemisch erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Strukturierung von Siliciumcarbid in der hexagonalen Modifikation 6 H-SiC.