DE3603725C2 - Verfahren zur Strukturierung von Siliciumcarbid - Google Patents
Verfahren zur Strukturierung von SiliciumcarbidInfo
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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.
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