DE2727557A1 - Verfahren zur bildung von monokristallinem siliciumcarbid - Google Patents

Verfahren zur bildung von monokristallinem siliciumcarbid

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Description

3 2727B57
Böblingen, den 14. Juni 1977 moe-se/som
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen d.Anmelderin: FI 975 052
Vertreter: Patentassessor
Dipl.-Ing. Anton Mönig
7030 Böblingen
Bezeichnung: Verfahren zur Bildung von mono
kristallinem Siliciumcarbid
00882/0740
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung von monokristallinem Siliciumcarbid nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Siliciumcarbid ist seit langem bekannt und wurde auch bereits in solchen Fällen verwendet, bei denen seine Härte sowie seine inerten Eigenschaften zweckmäßig waren. Beispielsweise behandelt die US-PS 3 385 723 einen Schutzbezug aus Siliciumcarbid für einen Schmelztiegel aus Graphit. Es wurde weiterhin bereits für Passivierungs- und Isolierungsschichten auf Halbleiterstrukturen vorgeschlagen, vgl. die US-PS 3 397 448, 3 400 309 und 345 867. Wie schließlich aus den US-PS 3 063 876, 3 227 756 und 3 389 022 hervorgeht, wurden darüber hinaus auch die halbleitenden Eigenschaften von einkristallinem Siliciumcarbid bereits erkannt. Einkristallines Siliciumcarbid ist ein Hoch temperaturmaterial mit einem großen energetischen Bandabstand. Aus diesem Grund ist es ein attraktives Halbleitermaterial für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, die bei hohen Temperaturen betrieben werden. Der große Bandabstand dieses Materials verringert Leitungsprobleme aufgrund der bei hohen Temperaturen thermisch erzeugten Ladungsträger. Halbleiterbauelemente auf Siliciumcarbidgrundlage können bei Temperaturen in dem größenordnungsmäßigen Bereich von 500 bis 600 0C betrieben werden. Solche Betriebstemperaturen sind mit konventionell aus einkristallinem Silicium oder Germanium gefertigten Bauelementen nicht erreichbar. Darüber hinaus ist eine Verwendung dieses Materials in lichtemittierenden Dioden deshalb von besonderem Vorteil, weil das emittierte Licht im sichtbaren Bereich liegt.
Bei Halbleiteranwendungen, vorzugsweise bei integrierten Schaltungen, ist es von Bedeutung, daß die Verfahren zur
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Bildung von monokristallinem Siliciumcarbid mit der Planartechnologie kompatibel sind, d.h., daß sich das Siliciumcarbid ggf. auf sehr kleinen selektiven Bereichen auf einem monokristallinen Siliciumsubstrat unter Aufrechterhaltung der generellen Oberflächenplanarität herstellen läßt. Gegenwärtig gibt es dafür noch keine befriedigenden Herstellung sver f ahren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein hinsichtlich der oben genannten Aspekte verbessertes neues Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid anzugeben, das sich insbesondere
selektiv auf einkristallinen Siliciumsubstraten bilden
und zur Herstellung von Halbleiterschaltungselementen
anwenden läßt.
Die zur Lösung dieser Aufgabe wichtigen Merkmale finden
sich im Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen bezeichnet. Zusammengefaßt sieht die Erfindung
die Bildung von monokristallinem Siliciumcarbid auf einem monokristallinem Siliciumsubstrat in der Weise vor, daß
ein Teil des Siliciumsubstrats durch anodische Behandlung in einer wässrigen Flußsäurelösung in poröses Silicium
umgewandelt wird, das resultierende Substrat auf eine
Temperatur im Bereich von etwa 1050 ° bis 1250 0C in einer Atmosphäre erhitzt wird, die ein Kohlenwasserstoffgas aus der Gruppe enthaltend Methan, Ethan, Äthylen, Propan,
Propylen und Mischungen daraus enthält, und zwar für eine so ausreichende Zeit, daß das poröse Silicium mit dem Gas zur Bildung einer monokristallinen Siliciumcarbidschicht
mit einer darüberliegenden Schicht aus polykristallinem
Silicumcarbid reagiert.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fign. 1 bis 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form mehrerer, die einzelnen Prozeßstufen darstellender Querschnitte durch eine danach hergestellte Halbleiterstruktur;
Fign. 4 bis 10 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie
Fign.11 bis 15 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung in jeweiligen den Prozeßablauf illustrierenden Querschnitten.
Bei dem anhand der Fign. 1 bis 3 erläuterten ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine durchgehende (d.h. nicht selektive) Schicht aus monokristallinem Siliciumcarbid auf einem Siliciumsubstrat aufgebracht. Fig. 1 zeigt das Ausgangssubstrat 15, das aus monokristallinem Silicium vom P-Leitungstyp mit einer Konzentration im Bereich von 5 · 10 bis 10 entsprechend einem spezifischen Widerstand im Bereich von 20 bis 0,OO Ω · cm besteht. Bine Oberfläche des Substrats 15 ist zur Bildung der durchgehenden Schicht 16 aus porösem Silicium anodisch behandelt. Das kann konventionell durch anodische Behandlung des Sustrats 15 in einer wässrigen Flußsäurelösung mit zur Erzielung der Porosität ausreichender Stromdichte erfolgen.
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Im allgemeinen sollte die zur anodischen Behandlung verwendete Lösung einen Fluorwasser stoff anteil von >_1O % und insbesondere im Bereich zwischen 12 und 33 % enthalten. Die zweckmäßigste Lösungskonzentration für einen bestimmten Anwendungsbereich hängt von der Bauelementkonfiguration, der Dotierungskonzentration, der Lösungstemperatur, der Stromdichte usw. ab. Durch Kontaktierung über die Rückseite wird das Substrat 15 in der Flußsäurelösung als Anode vorgesehen. Eine geeignete Gegenelektrode in der anodisierenden Lösung wirkt in konventioneller Weise als Kathode. Nach Abschluß des Anodisierungsschrittes sollte die durchschnittliche Porosität der porösen Schicht 16 >40 %, und vorzugsweise im Bereich zwischen 40 und 60 % liegen, wobei insbesondere ein größenordnungsmäßiger Prozentsatz von 56 % günstig ist. Die Anodisierung eines Siliciumsubstrats zur Ausbildung einer porösen Siliciumschicht ist in der US-PS 3 646 näher beschrieben. Nach dem Anodisierungsschritt wird das Substrat 15 mit der porösen Siliciumschicht 16 auf eine Temperatur im größenordnungsmäßigen Bereich von 1050 C bis 1250 C in einem geeigneten Reaktionsgefäß erhitzt, wobei ein Kohlenwasserstoffgasfluß über das aufgeheizte Substrat geleitet wird. Das Aufheizen kann konventionell dadurch erfolgen, daß man das Substrat 15 auf eine Graphitunterlage plaziert, die ihrerseits durch Induktion aufgeheizt wird, wobei in dem Reaktionsgefäß für den anzuwendenden Gasstrom über das Substrat geeignete Gasein- und Gasauslaßöffnungen vorgesehen sind. Duch das Reaktionsgefäß kann jedes geeignete Kohlenstoff enthaltende Gas geleitet werden, das mit dem porösen Silicium reagiert. Typische Kohlenwasserstoffgase sind Methan, Äthan, Äthylen, Propan und Propylen. Vorzugsweise werden diese Gase mit einem Trägergas kombiniert, das beispielsweise Argon, Helium, Stickstoff oder dergleichen umfaßt. Das Aufheizen des
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Substrats in der Kohlenwasserstoff-Gasatmosphäre bei den erwähnten Temperaturen wird für eine so ausreichende Zeit durchgeführt, daß sich auf dem Siliciumsubstrat 15 eine monokristalline Siliciumcarbidschicht 18 und eine darüberliegende polykristalline Siliciumcarbidschicht 20 ausbildet. Die Aufheizzeit liegt typisch in der Größenordnung von 1/2 Stunde. Die Struktur, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, kann dann weiterbehandelt werden, indem man z.B. die polykristalline Siliciumcarbidschicht 20 in geeigneter Weise chemisch, mechanisch oder durch einen Sputter-Ätzprozeß abträgt und anschließend in der Struktur ein Schaltelement oder eine lichtemittierende Diodenanordnung ausbildet. Das Substrat kann danach in verschiedene Einzelelemente geteilt werden. In die monokristalline Siliciumcarbidschicht 20 können auf vielfältige Weise Dotierstoffe eingebracht werden, beispielsweise indem man sie dem Kohlenwasserstoff-Gasstrom im Reaktionsgehäuse während der Umwandlung des porösen Siliciums in monokristallines Siliciumcarbid beigibt oder indem man konventionelle Ionenimplantationstechniken einsetzt. Derartie Dotierungstechniken mittels Ionenimplantation und die damit zusammenhängenden Maskierschritte etc. sind bekannter Stand der Technik und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden.
Anhand der Fign. 4 bis 10 wird ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem nur selektive Bereiche der monokristallinen Siliciumcarbidschicht auf einem monokristallinen Siliciumsubstrat gebildet werden. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, geht man von einem Substrat 22 aus monokristallinem Silicium aus, das vom P Leitungstyp ist und vorzugsweise einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10 bis 20 Ω · cm aufweist. Mittels konventioneller Epitaxietechniken wird auf
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dem Substrat eine Epitaxieschicht 24 vom N Leitungstyp und mit einer Dicke im Bereich von 1 bis 6 um gebildet. Je nach dem angestrebten Bauelementtyp können zusätzliche Schritte zur Bildung vergrabener hochleitfähiger Bereiche, die auch in konventionellen integrierten Halbleiterschaltungen vorkommen, im Substrat vorgesehen werden. Fig. 5 zeigt eine Maskierungsschicht 26, die typisch aus thermisch gebildetem SiO2 besteht und auf der Oberfläche der Schicht 24 gebildet ist. Darin sind öffnungen 28 und 30 mittels konventioneller photolithographischer Maskier- und Ätztechniken geöffnet. P leitfähige Bereiche 32 und 34 sind mittels Diffusions- oder Ionenimplantationsverfahren erzeugt. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist das monokristalline Silicium in den Bereichen 32 und 34 mittels der oben beschriebenen anodischen Behandlung des Substrats in einer Flußsäurelösung in poröses Silicium umgewandelt. Ein Substratanschluß kann über die Rückseite des Siliciumsubstrats 22 vorgesehen sein. Die Porosität der resultierenden Bereiche 36 und 38 aus porösem Silicium kann durch Beachtung der bei der anodischen Behandlung angewandten Stromdichte, der Konzentration der Flußsäurelösung sowie der Konzentration der P Dotierungsstoffe in den Bereichen 32 und 34 gesteuert werden. Vorzugsweise liegt die Porosität zwischen 40 und 60 % und insbesondere bei 56 %. Während des Anodisierungsschrittes wird die Dicke der SiO_-Schicht 26 vermindert. Anschließend wird das Substrat 22 mit den porösen Siliciumbereichen 36 und 38 in einem Kohlenwasserstoffgas solange und bei einer solchen Temperatur erhitzt, die ausreicht, eine Schicht 40 aus monokristallinem Siliciumcarbid auf dem Siliciumsubstrat sowie eine darüberliegende polykristalline Siliciumcarbidschicht 42 zu bilden. Durch die Schicht 26 wird eine Diffusions in die Schicht 24 verhindert, wenn die
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Dotierungsstoffe mit dem Kohlenwasserstoffgas kombiniert werden. Die für die Reaktion zwischen dem porösen Silicium und dem Kohlenstoffanteil in dem Kohlenwasserstoffgas einzuhaltenden Bedingungen wurden bereits weiter oben erläutert. Zusammen mit dem Gas kann ein P Dotierungsstoff zur Bildung eines gewünschten Leitfähigkeitstyps für den Bereich 40 zur Einwirkung gebracht werden. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wird dann die polykristalline Siliciumcarbidschicht 42 entfernt. Das kann durch abtragende Kathodenzerstäubung erfolgen. Fig. 9 zeigt, daß zur Bildung von N leitfähigen Bereichen 44 N dotierende Stoffe in das monokristalline Siliciumcarbid eingebracht werden können. Das läßt sich konventionell durch Ausbildung einer Maskierungsschicht, typisch einer Photolackschicht 46, auf der Oberfläche der Oxidschicht 26 bewerkstelligen, wonach anschließend die Bereiche über den Gebieten 40 entfernt und geeignete N Dotierungsstoffe mittels bekannter Implantationstechniken eingebracht werden. Dadurch wird in dem Bereich 40 ein PN übergang erzeugt, der im Zusammenhang mit einer lichtemittierenden Diode oder einem Halbleiterbauelement verwendet werden kann. Geeignete Anschlüsse können dann in der in Fig. 10 gezeigten Weise angebracht werden. So kann ein Anschluß 47 auf einem Teilbereich des N Bereichs 44 und der Gegenanschluß 48 auf der Rückseite des Substrates 22 vorgesehen werden. In gleicher Weise kann eine leitfähige transparente Elektrode 50 auf dem Bereich 44 niedergeschlagen werden und mit geeigneten Treiberschaltungen verbunden werden. In der Epitaxieschicht 24 lassen sich ferner in konventioneller Weise weitere integrierte Schaltelemente ausbilden, die zusammen mit den nach der Erfindung hergestellten lichtemittierenden Dioden zusammenarbeiten sollen.
Anhand der Darstellungen in den Fign. 11 bis 15 soll nun erläutert werden, daß die Erfindung auch zur Bildung von dielektrischen Isolationsgebieten in einem Halbleitermaterial
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auf einem gemeinsamen Substrat eingesetzt werden kann. Gemäß Fig. 11 wird von einem einkristallinen Siliciumsubstrat 22 mit einer darüberliegenden Epitaxieschicht 24 ausgegangen. Falls gewünscht, können vor der Bildung der Epitaxieschicht 24 geeignete als Subkollektorbereiche, Unterführungen oder dergleichen dienende Gebiete mit niedrigem spezifischen Widerstand in dem Substrat 22 vorgesehen werden. Fig. 12 zeigt die Struktur nach Ausbildung der mittels konventioneller Maskierungs- und Diffusionstechniken hergestellten P leitfähigen Bereiche 52. Die Bereiche 52 sollen dabei jeweils einen Bereich 53 der Epitaxieschicht 44 einrahmen. Die Bereiche 52 werden in der oben beschriebenen Weise (Fign. und 6) in poröse Siliciumbereiche 54 umgewandelt. Die porösen Siliciumbereiche 54 werden dann ihrerseits wieder mittels der im Zusammenhang mit den Fign. 3 und 7 bereits beschriebenen Maßnahmen in monokristalline Siliciumcarbidbereiche 56 mit diese bedeckenden polykristallinen Siliciumcarbidschichten 58 umgewandelt. Der spezifische Widerstand der Kombination aus monokristalliner und polykristalliner SiIiciumcarbidschicht ist ausreichend hoch, nämlich in der Größenordnung von 10 bis 10 Ω · cm, so daß sie als dielektrische seitliche Isoliergebiete für integrierte Schaltungen benutzt werden können. Der (isolierte) Bereich 53 wird dann in üblicher Weise weiterbehandelt, indem z.B. ein Emitterbereich 60, ein Basisbereich 62 und ein Kollektorbereich 64 zur Bildung eines Transistors erzeugt werden. Die jeweils in der Epitaxieschicht 24 auf diese Weise gebildeten Schaltungselemente oder -gruppen sind somit jeiweils durch die Isolierbereiche 58 in Kombination mit dem £>N übergang 66 zwischen Substrat 22 und Epitaxieschicht 24 isoliert.
Im folgenden wird an einem Beispiel ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren mit
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näheren Angaben beschrieben, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt sein soll.
Beispiel
Als Ausgangsmaterial wurde ein einkristallines Siliciumsubstrat mit einer Oberfläche in der kristallographischen <100> Orientierung sowie mit einer Bor-Grunddotierung von 2,5 · 10 Atomen/cm gewählt. Die gesamte Substratoberfläche wurde anodisch behandelt, indem sie in Kontakt mit einer wässrigen 33 %igen Flußsäurelösung gebracht wurde. Dabei wurde die Substratrückseite kontaktiert und mit dem positiven Pol einer Stromquelle verbunden. Eine Platin-Elektrode wurde in die Lösung eingebracht und mit dem negativen Pol der Stromquelle verbunden. Durch entsprechende Spannungsregelung wurde eine konstante Stromdichte
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von 10 mA/cm über 10 Minuten aufrechterhalten. Das Substrat wurde anschließend untersucht und die Porosität sowie Dicke der resultierten porösen Siliciumschicht gemessen. Die Porosität betrug etwa 56 %; die Dicke der Schicht betrug 10 um. Das soweit behandelte Substrat wurde dann auf eine Graphitunterlage aufgelegt und in ein Reaktionsrohr eingebracht. Die Temperatur der Unterlage wurde auf etwa 1125 0C gehalten und ein Gasstrom eingeführt. Dieser Gasstrom setzte
3 sich aus 8 Litern Stickstoff pro Minute mit 200 cm Propan pro Minute zusammen. Nach 30 Minuten wurde der Gasstrom abgeschaltet und die resultierende Struktur zur Analysierung der dabei gebildeten Schicht entnommen. Die äußere graue Schicht, die überwiegend aus polykristallinem Siliciumcarbid bestand, wurde mittels eines Sputter-Ätzverfahrens entfernt. Die darunter liegende zusammenhängende und sehr spröde Schicht wurde hinsichtlich ihrer Zusammensetzung näher untersucht. Ihre Analyse mittels Infrarot-Durchstrahlung ergab eine Siliciumdicke von 12,5 um. Mittels Ionenanalyse
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wurde das Vorhandensein von Kohlenstoff im Material bestätigt. Eine weitere elektronenmikroskopische Analyse im Durchlicht ergab ein Beugungsmuster, das eindeutig Rückschlüsse darauf zuließ, daß die bläuliche, darunter liegende Schicht aus einer zusammenhängenden Schicht von monokristallinem β Siliciumcarbid zusammengesetzt war.
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L e e r s e i \ e

Claims (11)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    ( 1. Verfahren zur Bildung von monokristallinem Siliciumcarbid auf einem monokristallinen Siliciumsubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teilbereich des monokristallinen Siliciumsubstrats durch anodische Behandlung in einer wässrigen Fluorwasserstoffsäure-
    Lösung in poröses Silicium umgewandelt wird, und daß die resultierende Struktur in einer ein Kohlenwasserstoff gas aus der Gruppe enthaltend Methan, Äthan, Äthylen, Propan, Propylen sowie Mischungen daraus enthaltenden Atmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von 1050 C bis 1250 0C über eine solche Zeitspanne erhitzt wird, daß das poröse Silicium mit den Gasanteilen zur Bildung einer monokristallinen Siliciumcarbidschicht und einer diese überdeckenden Schicht aus polykristallinem Silicium carbid reagiert.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das poröse Siliciummateril die Porosität im Bereich von 40 bis 60 % liegt.
  3. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende poröse Siliciummaterial eine Oberflächenschicht mit einer Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 pn bildet.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumsubstrat eine N leitende Epitaxieschicht auf einer P leitenden Grundlage umfaßt.
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  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß P leitende Bereiche im Substrat gebildet werden, die durch die N leitende Epitaxieschicht hindurchreichen.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Substrat P leitende Bereiche gebildet werden, die nur teilweise in die N leitende Epitaxieschicht hineinreichen.
  7. 7. Verfahren mindestens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die P leitenden Bereiche Einrahmungsbereiche bilden und die resultierenden Siliciumcarbidbereiche zusammen mit dem PN-Übergang zwischen der Epitaxieschicht und dem Grundkörper eine elektrische Isolation der derart eingerahmten Bereiche darstellen.
  8. 8. Verfahren mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Freilegung der monokristallinen Siliciumcarbidschicht die diese bedeckende polykristal line Siliciumcarbidschicht entfernt wird.
  9. 9. Verfahren mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasatmosphäre Dotierstoffe beigefügt sind.
  10. 10. Verfahren mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre ein Trägergas umfaßt.
  11. 11. Verfahren mindestens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Siliciumcarbidschicht durch Sputter-Xtzen abgetragen wird.
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DE19772727557 1976-06-30 1977-06-18 Verfahren zur bildung von monokristallinem siliciumcarbid Withdrawn DE2727557A1 (de)

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