DE3852960T2 - Monokristallines Dünnschichtsubstrat. - Google Patents

Monokristallines Dünnschichtsubstrat.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Dünnfilm- Einkristallsubstrat, welches sich für die Herstellung eines Halbleiters eignet. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Dünnfilm-Einkristallsubstrat, welches eine Einkristall- Diamantgrundlage, eine Zwischenschicht aus einem Einkristall-Siliciumcarbid und mindestens einen Film aus einem darauf gebildeten Einkristallmaterial umfasst.
  • Einige der Materialien mit einer kristallinen Struktur eignen sich als Materialien für elektrische Elemente. Beispielsweise ist Siliciumcarbid als Material für ein wärme- und umgebungsbeständiges Element oder ein Lichtemittierendes Element untersucht worden, weil es unterschiedliche Kristallstrukturen und eine Bandlücke von 2,2 bis 3,3 eV in Abhängigkeit von der Kristallstruktur aufweist, seine Wärmeleitfähigkeit 4,9 W/cm K ist, die maximale Elektronenbeweglichkeit als 1000 cm²/V sek festgestellt wurde, und es möglich ist, Valenzelektronen des p-Typs und n-Typs zu kontrollieren.
  • Die Kristallstrukturen von Siliciumcarbid werden grob in einen α-Typ und einen β-Typ klassifiziert. Weil Siliciumcarbid des hexagonalen Systems vom α-Typ (6H) eine grosse Bandlücke von etwa 2,9 eV aufweist, nimmt man an, dass es als Material für ein Blaulicht-emittierendes Element verwendet werden kann. Siliciumcarbid des β-artigen kubischen Systems (3C) besitzt eine grosse Elektronenbeweglichkeit, es ist als Material für ein umgebungsbeständiges Element untersucht worden.
  • Weil ein Siliciumcarbid-Einkristall einen hohen Schmelzpunkt aufweist und chemisch stabil ist, ist es schwierig, einen grossen Einkristall mit guter Qualität herzustellen, welcher als Halbleitermaterial verwendet werden kann. Deshalb wird der Einkristall aus Siliciumcarbid gebildet, indem er auf einem Silicium- Einkristall oder Saphir in einer Gasphase oder flüssigen Phase gezüchtet wird (siehe JP-OSen Nr. 83588/1978 und 146299/1978).
  • Jedoch besitzt der Silicium-Einkristall verschiedene Nachteile. Weil er beispielsweise eine Bandlücke von 1,1 eV aufweist, welche geringer als die des Siliciumcarbid- Einkristalls ist, hat er eine geringere Hochtemperaturbeständigkeit. Er besitzt einen niedrigen Schmelzpunkt und eine geringe Wärmeleitfähigkeit von 1,5 W/cm K. Wenn der Siliciumcarbid-Einkristall auf dem Silicium-Einkristall gezüchtet wird, werden wegen dieser Eigenschaften des Siliciumcarbids die Vorteile des Silicium-Einkristalls als wärmebeständiges Halbleitermaterial in grossem Umfang beeinträchtigt. Deshalb wird der auf dem Silicium-Einkristall gezüchtete Siliciumcarbid-Einkristall verwendet, indem der Silicium- Einkristall mit einer Säure entfernt wird, aber der verbleibende dünne Film des Siliciumcarbids hat eine Dicke von mehreren Zehnern um und wird leicht aufgerissen oder zerrissen, welches seine Handhabungseigenschaften verschlechtert.
  • Wenn der Siliciumcarbid-Einkristall ohne Entfernung des Silicium-Einkristalls verwendet wird, sollten die Elemente getrennt werden, indem eine Sperrvorspannung an der in der Siliciumcarbidschicht gebildeten p-n-Verbindungsstelle angelegt wird. Dieses verkompliziert das Herstellungsverfahren.
  • Obwohl Saphir bis zu einer hohen Temperatur ein Isoliermaterial ist und thermisch stabil ist, weist es einige Nachteile, wie einen geringen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von 0,11 W/cm K und einen grossen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 7,8 x 10&supmin;&sup6;/K, auf.
  • Neben den zuvor genannten Vorschlägen kann es in Betracht gezogen werden, einen dünnen Einkristallfilm aus GaAs auf dem Silicium-Einkristall zu züchten, oder den Silicium- Einkristall auf Saphir zu züchten. Jedoch haben diese Verfahren die gleichen Probleme wie zuvor beschrieben.
  • WO-A-88/10007 offenbart eine Kompositstruktur, welche ein Diamantsubstrat umfasst, auf dem ein Film aus Silicium gebildet ist.
  • Thin Solid Films, Band 31, 1976, Seiten 53 bis 57 betrifft die Ablagerung von Siliciumfilmen auf Saphir- und Diamantsubstraten.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Substrat mit einem grossen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten zur Verfügung zu stellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Substrat mit einem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten zur Verfügung zu stellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Substrat mit guter Wärme- und/oder Umgebungsbeständikgeit zu liefern.
  • Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch ein Dünnfilm-Einkristallsubstrat, umfassend ein aus einem Einkristall-Diamanten hergestelltes Grundsubstrat, einen dünnen Film eines Silicium-Einkristalls und eine Zwischenschicht aus Siliciumcarbid-Einkristall zwischen dem Grundsubstrat und dem dünnen Einkristallfilm, gelöst.
  • Fig. 1 stellt den Querschnitt einer typischen Struktur des dünnen Einkristall-Filmsubstrats gemäss der vorliegenden Erfindung dar;
  • Fig. 2 zeigt die Ergebnisse des Auger-Spektrums des in Beispiel 3 gebildeten Siliciumcarbid-Einkristalls
  • Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung für die Bildung eines in Beispiel 4 verwendeten Dünnfilm-Einkristalls; und
  • Fig. 4 ist ein Reflexionselektronenbeugungsbild des in Beispiel 4 gebildeten Dünnfilm-Siliciumcarbid- Einkristalls.
  • Der Diamant-Einkristall besitzt einen grösseren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und eine geringere relative Dielektrizitätskonstante als die anderen in Tabelle 1 dargestellten Materialien. Wenn der Diamant als Grundmaterial für ein Halbleitersubstrat verwendet wird, ist es möglich, ein Element herzustellen, welches einer grossen Wärmemenge widersteht, wie beispielsweise ein Hochleistungsgeschwindigkeitselement. Weil der Diamant eine breite Bandlücke aufweist, ist ein hochreiner Einkristall aus Diamant bis zu etwa 1000ºC ein guter Isolator und thermisch und chemisch bis zu etwa 1000ºC stabil, und es ist möglich, seine Vorteile zu verwenden, wenn er in dem wärme- und umgebungsbeständigen Element in Kombination mit Siliciumcarbid verwendet wird. TABELLE 1 Bandlücke (eV) Wärmeleitfähigkeitskoeffizient (W/cm K) Relative Dielektrizitätskonstante Diamant Siliciumcarbid Silicium Saphir
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann das Grundsubstrat aus natürlichem oder künstlichem Diamant hergestellt sein.
  • Heutzutage wird ein künstlicher Einkristall-Diamant von mehreren Millimetern Fläche mit geringeren Verunreinigungen (insbesondere Stickstoff) mit Hilfe des Extrahochdruckverfahrens hergestellt.
  • Bei dem Extrahochdruckverfahren ist es möglich, einen halbleitenden Einkristall-Diamanten des p-Typs, nämlich des IIb-Typs herzustellen, welcher für die Herstellung eines Hochleistungselements geeignet ist. Wenn das Hochleistungselement hergestellt wird, wird eine Elektrode auf dem Einkristall-Diamanten zur Verfügung gestellt.
  • Der Diamant des p-Typs oder n-Typs kann mit Hilfe eines Dünnfilmverfahrens oder einen Ionenimplantationsverfahrens hergestellt werden. Vorzugsweise ist der Einkristall- Diamant ein halbleitender Diamant des p-Typs, welcher mindestens eines der Elemente Bor und Aluminium als Verunreinigung enthält.
  • Die Fläche des Einkristall-Diamanten der Grundlage, auf der der Einkristall-Dünnfilm und/oder die Zwischenschicht gezüchtet wird, kann irgendeine der Orientierungen (100), (110), (111) und (211) besitzen. Weil die (111)- Flächenorientierung schwierig abzuschleifen ist, werden die (100)- und (110)-Orientierungen bevorzugt.
  • Die Dicke der Diamantgrundfläche beträgt üblicherweise 0,05 bis 5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm.
  • Der auf der Zwischenschicht des Einkristall-Siliciumcarbids gebildete Einkristall-Dünnfilm besteht aus mindestens einem Silicium-Einkristall. Darüber hinaus können zwei oder mehrere dünne Filme des Einkristalls gebildet werden.
  • Die Dicke des Dünnfilm-Einkristalls beträgt üblicherweise 10 bis 10.000 nm, vorzugsweise 50 bis 2000 nm.
  • Der Dünnfilm-Einkristall kann auf der Zwischenschicht des Siliciumcarbid-Einkristalls mit Hilfe eines der gebräuchlichen Verfahren, wie Gasphasenverfahren (beispielsweise Sublimationsverfahren, thermisches CVD- Verfahren, Plasma-CVD-Verfahren, Reaktionsablagerungsverfahren und MBE-Verfahren) und mit Hilfe von Flüssigphasenverfahren gebildet werden.
  • Weil die Gitterkonstante des zu züchtenden Einkristalls sich sehr von derjenigen des Einkristall-Diamants unterscheidet, umfasst das Dünnfilm-Einkristallsubstrat gemäss der vorliegenden Erfindung eine Zwischenschicht aus Siliciumcarbid-Einkristall zwischen der Diamantgrundfläche und dem dünnen Film aus Einkristall. Beispielsweise hat der Einkristall-Diamant eine Gitterkonstante von 0,35667 nm, während der Silicium-Einkristall eine Gitterkonstante von 0,54301 nm aufweist. In einem derartigen Fall ist die Flexibilität der Bedingungen für das Züchten des Einkristalls auf dem Diamant-Einkristall sehr begrenzt, und es ist schwierig, einen Einkristall mit guter Qualität zu züchten. Siliciumcarbid hat eine ähnliche Bindungsstruktur wie diejenige von Diamant und eine in der Nähe derjenigen von Diamant liegende Gitterkonstante, und es wurde festgestellt, dass die zuvor beschriebenen Schwierigkeiten durch eine aus einem Siliciumcarbid-Einkristall des kubischen Systems oder hexagonalen Systems hergestellte Zwischenschicht überwunden werden können. Zwei oder mehrere dünne Schichten des Einkristall-Siliciumcarbids können laminiert werden.
  • Der Einkristall-Siliciumcarbid kann mit Hilfe des CVD (Gasphasenabscheidung nach chemischen Verfahren)- Verfahrens, des modifizierten CVD (MCVD)-Verfahrens, des MBE (Molekülstrahlepitaxie)-Verfahrens gebildet werden. Der Einkristall-Diamant kann mit Hilfe des thermischen CVD- Verfahrens, des Plasma-CVD-Verfahrens, des Elektronenstrahl-CVD-Verfahrens, des Ionenzerstäubungsverfahrens, des optischen CVD-Verfahrens und dergleichen gebildet werden.
  • Wie zuvor beschrieben besteht das Dünnfilm- Einkristallsubstrat aus der Einkristall-Diamantfläche (1), der Zwischenschicht (3) und dem Einkristall-Dünnfilm (2), wie in Fig. 1 dargestellt.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele beschrieben.
    • BEISPIEL 1
  • Auf der (100)-Fläche einer Grundfläche des Einkristall- Diamanten des IIa-Typs (2 x 2 x 0,3 mm), welcher mit Hilfe eines Extrahochdruckverfahrens hergestellt worden ist, wurde als Zwischenschicht ein Siliciumcarbid-Dünnfilm mit einer Dicke von 500 um mit Hilfe des CVD-Verfahrens aus einer Mischung aus Monosilan, Propan und Wasserstoff (Molverhältnis von 1:4:95) bei 1350ºC bei einem verminderten Druck von 5,3 x 10&supmin;&sup4; Pa (400 Torr) 20 Minuten gebildet. Auf der Siliciumcarbid-Zwischenschicht wurde ein mit Phosphor dotierter Siliciumfilm des n-Typs mit Hilfe von CVD aus einer Mischung aus Monosilan, PH&sub3; und Wasserstoff (Molverhältnis von 10&sup5;:1:10&sup7;) bei 1050ºC bei einem verminderten Druck von 1,3 x 10&sup4; Pa (100 Torr) 30 Minuten gebildet. Das Reflexionselektronenstrahlbeugungsmuster des gebildeten Siliciumfilms besass die Kikuchi-Linie, welche anzeigte, dass der Silicium-Dünnfilm aus Einkristall bestand. Gemäss der Messung des Hall-Effekts wies der Siliciumfilm des n-Typs eine Trägerdichte von 3 x 10¹&sup7;/cm³ und eine Elektronenbeweglichkeit von 900 cm²/V sek auf.
  • Die nachfolgenden Beispiele stellen die Bildung der Zwischenschicht aus Einkristall-Siliciumcarbid auf der Einkristall-Diamantgrundfläche dar.
    • BEISPIEL 2
  • Ein Stück von natürlichem Einkristall-Diamant des Ia-Typs (2 x 2 x 0,3 mm) mit exponierter (111)-Fläche wurde in eine Quarz-Reaktionskammer gelegt. Nach Evakuierung der Reaktionskammer wurden Monosilan, Propan und Wasserstoff der Reaktionskammer in einem Fliessverhältnis von 1:4:95 zugeführt, während die Temperatur des Diamant-Einkristalls mit Hilfe eines Infrarot-Heizgeräts 30 Minuten auf 1300ºC gehalten wurde. Es wurde ein dünner Film des Siliciumcarbid-Einkristalls auf der (111)-Fläche des Einkristall-Diamanten gebildet.
  • Der Siliciumcarbidkristall auf dem Diamanten wurde mit Hilfe der Reflexionselektronenstrahlbeugung untersucht. Es wurden klare Punkte beobachtet, welches die Bildung von Einkristall-Dünnfilm bestätigte. Die Gitterkonstante (a&sub0;) des Siliciumcarbid-Einkristalls wurde als 0,438 nm bestimmt, welches im wesentlichen mit derjenigen des Siliciumcarbids des kubischen Systems (3C) (0,436 nm) übereinstimmt.
    • BEISPIEL 3
  • Auf der (110)-Fläche einer Grundfläche, hergestellt aus künstlichem Einkristall-Diamant des Ib-Typs (2 x 3 x 0,5 mm), welcher mit Hilfe des Extrahochdruckverfahrens hergestellt worden war, wurde ein dünner Film aus halbleitendem Einkristall-Diamant des p-Typs mit einer Dicke von 2,0 um mit Hilfe des gebräuchlichen Mikrowellenplasma-CVD-Verfahrens mit einer Mikrowellenkraft von 300 W bei vermindertem Druck von 71,5 hPa (55 Torr) gebildet, wobei Methan, Diboran und Wasserstoff in einem Fliessverhältnis von 10³:1:10&sup5; in die Quarz-Reaktionskammer flossen.
  • Auf dem halbleitenden Einkristall-Diamanten des p-Typs wurde ein Siliciumcarbid-Einkristallfilm mit Hilfe des gleichen Mikrowellenplasma-CVD-Verfahrens, wie zuvor beschrieben, gebildet, wobei jedoch eine Mikrowellenleistung von 500 W und ein verminderter Druck von 267 hPa (200 Torr) verwendet wurden, wobei Monosilan, Methan, Wasserstoff und Argon in einem Fliessverhältnis von 1:3:46:50 1 Stunde flossen, während die Substrattemperatur auf 1250ºC gehalten wurde.
  • Das Ergebnis der Elementaranalyse des Siliciumcarbid- Einkristallfilms in der Tiefenrichtung mit Hilfe des Auger- Spektrums ist in Fig. 2 dargestellt. Bis zu einer Tiefe von 1,3 um wurden Silicium- und Kohlenstoffatome nachgewiesen, welches bedeutet, dass die Dicke des Siliciumcarbidfilm 1,3 um betrug.
  • Das Reflexionselektronenstrahlbeugungsbild des Siliciumcarbid-Einkristallfilms wies Flecken und die Kikuchi-Linie auf, welches anzeigte, dass der Kristall der Siliciumcarbid-Einkristall des kubischen Systems (3C) war.
    • BEISPIEL 4
  • Ein Dünnfilm-Einkristall wurde unter Verwendung der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung gebildet, welche eine doppelwandige Quarzröhre (4), eine Trägerfläche (6), welche aus mit Siliciumcarbid überzogenem Graphit hergestellt war, einen 400 kHz-Hochfrequenzoszillator (7), einen Einlass (8) und einen Auslass (9) für Kühlwasser, einen (wassergekühlten) Heizinduktor (10) und einen Einlass (11) und einen Auslass (12) für Gase umfasste.
  • Ein Stück (5) Einkristall von natürlichem Diamant des IIb-Typs (2 x 2 x 0,5 mm) wurde auf die Trägerfläche (6) gelegt. Nach Evakuierung des Inneren der Quarzröhre (4) wurde ein AC-Strom von 400 kHz und 2 KW an die Heizinduktion (10) angelegt, während Wasserstoffgas in die Röhre geführt wurde, wodurch der Druck auf 1,06 x 10&sup4; Pa (80 Torr) gehalten wurde. Während die Trägerplatte (6) durch Induktionsheizen mit Hilfe des Induktors (10) auf 1340ºC gehalten wurde, wurden Stickstoff, Monosilan, Propan und Wasserstoff in einem Fliessverhältnis von 1:50:100:2000 20 Minuten bei vermindertem Druck von 1,06 x 10&sup4; Pa (80 Torr) in die Röhre geleitet, wodurch Siliciumcarbid- Einkristall des n-Typs gezüchtet wurde. Anschliessend wurden Diboran, Monosilan, Propan und Wasserstoff in einem Fliessverhältnis von 0,2:50:100:2000 30 Minuten unter den gleichen Bedingungen zugeführt, wodurch Siliciumcarbid- Einkristall des p-Typs gezüchtet wurde.
  • Die Reflexionselektronenstrahlbeugungsanalyse der Oberfläche der gezüchteten Siliciumcarbidschicht ergab das in Fig. 4 dargestellte Beugungsbild. Aus diesem Bild wurde die Gitterkonstante zu 0,435 nm berechnet, welches anzeigte, dass der Kristall Siliciumcarbid des kubischen Systems (3C) war.
    • BEISPIEL 5
  • Ein Stück Einkristall von künstlichem Diamant des Ib-Typs wurde in einen Graphit-Tiegel zusammen mit Siliciumcarbidpulver des hexagonalen Systems gebracht und bei einem verminderten Druck von 6,6 x 10 Pa (0,5 Torr) auf 1750ºC erhitzt, während Argongas hinzugeführt wurde, wodurch der Siliciumcarbidkristall auf der Oberfläche des Diamantstücks 15 Minuten durch Sublimation des Siliciumcarbids gezüchtet wurde.
  • Die Reflexionselektronenstrahlgitteranalyse der Oberfläche der gezüchteten Siliciumcarbidschicht zeigte, dass der Kristall Siliciumcarbid des hexagonalen Systems (6H) war.

Claims (2)

1. Dünnfilm-Einkristallsubstrat, welches ein aus einem Einkristall-Diamanten hergestelltes Grundflächensubstrat, eine Zwischenschicht aus Einkristall-Siliciumcarbid und einen aus Silicium hergestellten dünnen Film eines Einkristalls umfasst.
2. Dünnfilm-Einkristallsubstrat nach Anspruch 1, wobei die Diamant-Einkristallgrundfläche aus Diamant des p-Typs hergestellt ist, welcher mindestens ein Verunreinigungselement aus der Gruppe aus Bor und Aluminium enthält.
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