DE3786148T2 - Verfahren zur hetero-epitaktischen zuechtung. - Google Patents
Verfahren zur hetero-epitaktischen zuechtung.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Kristallzüchtungsverfahren, mit dem eine Einkristallschicht hoher Qualität auf einem Einkristall-Substrat heteroepitaktisch gezüchtet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kristallzüchtungsverfahren, bei dem die Ebenenrichtung der Einkristallschicht mit einem bestimmten Winkel gegen die Ebenenrichtung des Einkristall-Substrats geneigt ist oder die Einkristallschicht in einer ausgewählten Ebenenrichtung auf dem Einkristall-Substrat gezüchtet wird.
- Siliciumcarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial, das eine große verbotene Energielücke von 2,2 bis 3,3 Elektronvolt (eV) hat und das thermisch, chemisch und mechanisch stabil ist und auch große Unempfindlichkeit gegenüber Strahlenschäden aufweist. Sowohl p- als auch n-Typ Siliciumcarbide haben eine gute Stabilität, was bei Halbleitern mit großer Energielücke selten vorkommt, wodurch sie als Halbleitermaterial für elektronische Einrichtungen, die bei hohen Temperaturen oder hoher elektrischer Leistung zu betreiben sind, für Halbleitereinrichtungen mit hoher Verläßlichkeit, für strahlungsunempfindliche Einrichtungen etc. verwendbar sind und in Umgebungsbedingungen einsetzbar sind, in denen man mit Einrichtungen aus herkömmlichem Halbleitermaterialien Schwierigkeiten begegnet, wodurch der Anwendungsbereich für Halbleitereinrichtungen erheblich erweitert wird.
- Siliciumcarbid ist auch als Halbleitermaterial für optoelektronische Einrichtungen einsetzbar, die sichtbares Licht mit kurzen Wellenlängen und Licht aus dem nahen Ultraviolettbereich durch Ausnutzung der großen Energielücke verwenden. Während andere Halbleitermaterialien mit großer Energielücke, wie etwa die aus den II-VI-, III-V-Gruppen etc. hergestellten Halbleiter, im allgemeinen Schwermetalle als Hauptkomponente enthalten und daher wesentliche Probleme aufgrund der Giftigkeit und der Verfügbarkeit der Rohstoffmaterialien auftreten, treten bei Siliciumcarbid diese Probleme nicht auf. Weiterhin weist Siliciumcarbid viele Strukturvarianten auf (Polytyp-Strukturen).
- Trotz dieser vielen Vorteile und Verwendungsmöglichkeiten ist Siliciumcarbid in tatsächlichen Anwendungen noch nicht eingesetzt worden, da die Technik, Siliciumcarbidkristalle mit hoher Reproduzierbarkeit zu züchten, was zur kommerziellen Herstellung von Siliciumcarbid-Substraten hoher Qualität und mit großer Oberfläche erforderlich ist, noch entwickelt werden muß.
- Unter den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Einkristall-Substraten aus Siliciumcarbid auf Labormaßstab sind das sogenannte Sublimationsverfahren (d.h. das Lely-Verfahren), wobei Siliciumcarbidpulver in einem Graphittiegel bei 2200ºC bis 2600ºC sublimiert und rekristallisiert wird, um ein Siliciumcarbid-Substrat zu erhalten, das sogenannte Lösungsverfahren, wobei Silicium (Si) oder ein Gemisch aus Silicium mit Verunreinigungen wie etwa Eisen, Kobalt, Platin oder ähnlichen in einem Graphittiegel geschmolzen wird, um ein Siliciumcarbid-Substrat zu erhalten, und das Acheson-Verfahren, das im allgemeinen zur kommerziellen Herstellung von Schleifmitteln verwendet wird und durch das Siliciumcarbid-Substrate in identischer Weise erhalten werden.
- Obwohl eine große Zahl von Kristallen entweder durch das Sublimationsverfahren oder durch das Lösungsverfahren erhältlich sind, ist es schwierig, große Einkristall-Substrate aus Siliciumcarbid herzustellen, da im Anfangsstadium des Kristallwachstums viele Kristallisationskeime entstehen. Siliciumcarbid-Substrate, die beim Acheson-Verfahren zufällig erzeugt werden, sind in bezug auf Reinheit und Kristallinität so minderwertig, daß sie nicht als Halbleitermaterialien verwendet werden können. Obwohl man große Einkristall-Substrate erhalten kann, sind diese nur Zufallsprodukte und daher für die kommerzielle Herstellung von Siliciumcarbid-Substraten nicht von Bedeutung. Nach diesen herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Einkristall-Substraten aus Siliciumcarbid ist es demnach schwierig, die Größe, Form und Qualität der Einkristall-Substrate aus Siliciumcarbid auf industriellem Maßstab zu kontrollieren.
- Andererseits ist es in den vergangenen Jahren mit den Fortschritten in der Halbleitertechnologie möglich geworden, dünne Einkristallschichten vom 3C-Typ Siliciumcarbid (das eine kubische Kristallstruktur und eine Energielücke von 2,2 eV hat) durch ein heteroepitaktisches Verfahren unter Anwendung von chemischer Dampfabscheidung auf Siliciumsubstraten zu erhalten, die als große Einkristallsubstrate zur Verfügung standen. Chemische Dampfabscheidung ist ein Kristallzüchtungsverfahren, das hervorragend zur Massenherstellung auf industriellem Maßstab geeignet ist und das eine reproduzierbare Züchtung von Siliciumcarbid-Einkristallschichten hoher Qualität und mit großer Oberfläche auf Siliciumsubstraten erreicht. Zur epitaktischen Züchtung dünner Einkristallschichten von 3C-Typ Siliciumcarbid auf einem Silicium-Substrat werden SiH&sub4;, SiCl&sub4;, SiH&sub2;Cl&sub2;, (CH&sub3;)&sub3;SiCl, (CH&sub3;)&sub2;SiCl&sub2; oder ähnliche als Siliciummaterialien verwendet; CCL&sub4;, CH&sub4;, C&sub3;H&sub8;, C&sub2;H&sub6; oder ähnliches wird als Rohlenstoffmaterial verwendet; Wasserstoff, Argon oder ähnliches wird als Trägergas verwendet; und die Temperatur des Siliciumsubstrats wird auf 1200ºC bis 1400ºC gesetzt. Da jedoch das das Substrat bildende Silicium ein von dem Siliciumcarbid, welches die Einkristallschicht bildet, verschiedenes Material ist, ist die Benetzbarkeit des Siliciums mit Siliciumcarbid schlecht. Ferner ist die Gitterkonstante von Silicium um 20% von der von Siliciumcarbid verschieden. Infolgedessen treten Deformationen und/oder Spannungen in der gezüchteten Schicht auf, was zum einen Versetzungen und/oder Risse verursacht und weiterhin zur Folge hat, daß das auf dem Siliciumsubstrat gezüchtete Siliciumcarbid keine Einkristallschichten mit Schichtstruktur bilden kann, sondern Polytyp-Kristalle mit Dendrit-Strukturen bildet. Obwohl man eine dünne Einkristallschicht aus Siliciumcarbid auf dem Siliciumsubstrat erhält, nimmt die Qualität des Kristalls mit ansteigender Dicke in der Kristallschicht ab, was einen Polytyp-Kristall zur Folge hat.
- Bei einem auf einem GaAS-Substrat gebildeten GaAlAs-Einkristall und einem auf einem InP-Substrat gebildeten InGaAs-Einkristall, welche Materialien als Halbleitermaterialien in praktische Anwendung gebracht worden sind, beträgt die Differenz in der Gitterkonstante zwischen dem Substrat und der gezüchteten Schicht nur 1% oder weniger, wodurch keines der oben genannten Probleme auftritt. Jedoch treten bei anderen Kombinationen von Substraten und gezüchteten Schichten die oben genannten Probleme aufgrund der verschiedenen Gitterkonstanten auf, was Schwierigkeiten verursacht, diese Materialien in praktischen Anwendungen einzusetzen. Figur 3 zeigt die Kristallrichtung einer herkömmlichen heteroepitaktischen Züchtung und zeigt, daß, wenn eine Einkristallschicht B mit einer Gitterkonstanten b auf einem Einkristall-Substrat A mit einer Gitterkonstanten a (a > b) durch ein heteroepitaktisches Züchtungsverfahren gebildet ist, die Kristallrichtung des Substrats A die gleiche ist wie die der epitaktisch gezüchteten Schicht B und daher eine Differenz in den Gitterkonstanten an der Grenzfläche C zwischen dem Substrat A und der Schicht B auftritt, was eine Gitterverzerrung zur Folge hat, die Kristalldefekte verursacht.
- Ein verbessertes Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung ist in Appl. Phys. Lett., 42(5), 1. März 1993, Seiten 460-462 vorgeschlagen worden, bei dem die Oberfläche eines Si-Einkristall-Substrats erwärmt und in einer Kohlenwasserstoffatmosphäre carbonisiert wird, woraus eine dünne SiC-Schicht auf dem Substrat resultiert, und dann gasförmiges Siliciummaterial und ein gasförmiges Kohlenstoffmaterial zugeführt werden, um einen SiC- Einkristall zu bilden. Die Ebenenrichtungen des Si-Substrats, das als Kristallzüchtungssubstrat verwendet wird, sind die (100)- und (111)-Ebenen. Wenn SiC auf der (100)-Ebene des Si- Substrats gezüchtet wird, treten mikroskopische Defekte wie etwa eine Antiphasen-Grenze etc. an der Silicium-Siliciumcarbid- Grenzfläche auf. Wenn SiC auf der (111)-Ebene des Si-Substrats gezüchtet wird, treten Versetzungen und/oder Risse in der resultierenden gezüchteten SiC-Schicht auf. Die Verwendung eines Si- Substrats zur Kristallzüchtung ergibt mit Hinblick auf die (100)- und (111)-Ebenen als Unterlagen-Substrat kein qualitativ gutes Halbleitermaterial, was wesentlich ist, um Halbleitereinrichtungen mit verbesserten Charakteristiken zu erhalten.
- Die vorliegende Erfindung schafft ein heteroepitaktisches Züchtungsverfahren für die Züchtung einer Siliciumcarbid-Halbleiter-Einkristallschicht auf einem Silicium-Halbleiter-Einkristall-Substrat, wobei das Verfahren die Züchtung der Halbleiter- Einkristallschicht auf einer (n11)-Ebene des Halbleiter-Einkristall-Substrats durch chemische Dampfabscheidung aufweist, wobei n eine von 1 verschiedene natürliche Zahl ist, so daß die epitaktische Ebenenorientierung der Halbleiter-Einkristallschicht in einem bestimmten Winkel gegen das Halbleiter-Einkristall- Substrat geneigt ist.
- Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Heterostruktur zusammengesetzt aus einem Silicium-Halbleiter-Einkristall-Substrat und einer Siliciumcarbid-Halbleiter-Einkristallschicht, welche epitaktisch auf dem Substrat gebildet ist, wobei die Halbleiter-Einkristallschicht auf einer (n11)-Ebene des Halbleiter-Einkristall-Substrats gebildet ist, wobei n eine von 1 verschiedene natürliche Zahl ist, so daß die epitaktische Ebenenorientierung der Halbleiter-Einkristallschicht in einem bestimmten Winkel gegen das Halbleiter-Einkristall-Substrat geneigt ist.
- In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Neigung der epitaktischen Orientierung der Halbleiter-Einkristallschicht zu dem Halbleiter-Einkristall-Substrat im Bereich von 0,1 bis 30º. Ferner ist in der bevorzugten Ausführungsform n aus dem Bereich 3 bis 6.
- Daher löst die hier beschriebene Erfindung die Aufgaben, (1) ein heteroepitaktisches Züchtungsverfahren zu schaffen, durch das eine Einkristall-Zuchtschicht heteroepitaktisch auf einem Einkristall-Substrat mit einer von der der Einkristall-Zuchtschicht verschiedenen Gitterkonstanten zu bilden, woraus eine heteroepitaktisch gezüchtete Einkristall-Schicht hoher Qualität mit wenigen Kristalldefekten, geringfügigen Versetzungen und wenigen Rissen resultiert; (2) ein heteroepitaktisches Züchtungsverfahren zu schaffen, das als Basistechnologie zur Verbesserung der Funktionen der Halbleitereinrichtungen und zur Erniedrigung der Produktionskosten der Halbleitereinrichtungen beiträgt und eine Erweiterung des Anwendungsbereiches der Halbleitereinrichtungen erreicht; und (3) ein Verfahren zur Herstellung einer SiC-Einkristallschicht mit wenigen Kristalldefekten zu schaffen, wodurch die kommerzielle Herstellung von Halbleitereinrichtungen mit SiC-Einkristallschichten ermöglicht wird.
- Die Erfindung wird besser verständlich und ihre zahlreichen Eigenschaften und Vorteile werden für Fachleute deutlich durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
- Figur 1 eine Darstellung der Kristallebenenrichtungen nach dem heteroepitaktischen Züchtungsverfahren dieser Erfindung ist.
- Figur 2 eine schentatische Darstellung einer Vorrichtung ist, die für das heteroepitaktische Züchtungsverfahren der Erfindung verwendet wird.
- Figur 3 ein Darstellung der Kristallebenenrichtungen nach einem herkömmlichen epitaktischen Züchtungsverfahren ist.
- Figur 1 zeigt das Prinzip dieser Erfindung. Wenn eine aufgewachsene Einkristallschicht B mit einer Gitterkonstante b1 epitaktisch auf einem Einkristall-Substrat A mit einer Gitterkonstanten a1 gebildet ist, ist die Schicht B auf dem Substrat A in einer solchen Weise gebildet, daß die epitaktische Orientierung der gezüchteten Schicht B in bezug auf das Substrat A mit einem Winkel geneigt ist, der von 1 bis 30º reicht. Im Ergebnis wird die Differenz in den Gitterkonstanten an der Grenzfläche C zwischen dem Substrat A und der aufgewachsenen Schicht B minimiert, um dadurch die Gitter-Fehlanpassung zu reduzieren. Dies kann wie folgt erklärt werden: Aufgrund der Neigung der Ebenenrichtung der Kristall-Zuchtschicht B zu der Ebenenrichtung des Kristall- Substrats A wird die Strecke c1, die parallel zu der Grenze C zwischen den Kristallgittern der Kristall-Zuchtschicht B an der Grenzfläche C liegt, größer als die Gitterkonstante b1 der Kristall-Zuchtschicht B, woraus eine erhebliche Reduzierung der Gitter-Fehlanpassung resultiert. Dies wird als geneigte epitaktische Züchtung bezeichnet.
- Figur 2 zeigt eine Vorrichtung, die für das heteroepitaktische Züchtungsverfahren dieser Erfindung unter Anwendung der geneigten epitaktischen Züchtung verwendet wird, wobei eine SiC- Einkristallschicht heteroepitaktisch auf einem Si-Substrat durch chemische Dampfabscheidung gezüchtet wird. Als Gasquellen werden Monosilan (SiH&sub4;) und Propan (C&sub3;H&sub8;) verwendet. Die Differenz in den Gitterkonstanten zwischen dem Si-Einkristall-Substrat und der SiC-Einkristallschicht beträgt etwa 20%.
- Die Vorrichtung weist eine wassergekühlte horizontale Quarz- Doppelreaktorröhre 1 auf, die im Inneren mit einem Graphit-Suszeptor 2 ausgestattet ist, der entweder horizontal oder geneigt von einem Tragstab 3 getragen wird. Die Reaktorröhre 1 ist mit einer Spule 4 umwickelt, in die radiofrequenter Strom eingespeist wird, um den Suszeptor 2 durch Induktion zu erwärmen. Die Reaktorröhre 1 weist an einem ihrer Enden eine Anschlußröhre 5 auf, die einen Gaseinlaß bildet. Durch Anschlußröhren 6 und 7 wird Kühlwasser in das Innere der äußeren Röhre der Reaktorröhre 1 zugeführt. Das andere Ende der Reaktorröhre 1 ist durch einen Edelstahlflansch 8, eine Halteplatte 9, Gewindebolzen 10, Muttern 11 und einen O-Ring 12 abgedichtet. Der Flansch 8 ist mit einer Anschlußröhre 13 versehen, die einen Gasauslaß bildet. Bei Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung wird die Züchtung eines SiC-Kristalls durch chemische Dampfabscheidung folgendermaßen durchgeführt: Ein Si-Einkristall-Substrat 14 wird auf den Suszeptor 2 gelegt. Die (511)-Ebene wird als die Kristallrichtung der Si-Substratebene verwendet. In die Reaktorröhre 1 wird Wasserstoff als Trägergas mit einem Volumenstrom von 3 l pro Minute eingespeist und Propan in die Reaktorröhre 1 mit einem Volumenstrom von etwa 1,0 cm³/min als Quellengas eingespeist. Ein radiofrequenter Strom wird durch die Arbeitsspule 4 geleitet, um den Graphit-Suszeptor 2 zu erwärmen und die Temperatur des Si- Substrats 14 auf etwa 1350ºC zu erhöhen. Diese Bedingungen werden für etwa 1 bis 5 Minuten aufrechterhalten, um dadurch die Oberfläche des Si-Einkristall-Substrats 14 zu carbonisieren und eine dünne SiC-Einkristallschicht zu bilden. Dann werden Monosilan und Propangas jeweils mit einem Volumenstrom von 0,4 bis 0,9 cm³/min der Reaktorröhre für etwa eine Stunde zusammen mit Wasserstoff als Trägergas mit einem Volumenstrom von 3 l/min zugeführt, und die Temperatur des Si-Substrats 14 zwischen 1300 und 1350ºC gehalten, woraus eine SiC-Einkristallschicht mit einer Dicke von etwa 2 um über der gesamten Oberfläche der oben genannten dünnen SiC-Schicht resultiert.
- Es wurde durch Röntgenstreuung und Elektronenstreuung beobachtet, daß die resultierende aufgewachsene Schicht eine Einkristallschicht ist und daß die epitaktische Orientierung der (511)-Ebene der gezüchteten Schicht mit einem Winkel von etwa 3,7º in bezug auf die (511)-Ebene des Substrats geneigt ist. Als Ergebnis hat sich gezeigt, daß die Richtung der epitaktischen Zuchtschicht aus SiC auf der (511)-Ebene des Si-Substrats die SiC-(411)-Ebene aber nicht die SiC-(511)-Ebene ist. In der SiC- Zuchtschicht traten keine Versetzungen oder Risse auf, und elektronenmikroskopische Beobachtungen zeigten, daß die SiC-Zuchtschicht eine SiC-Einkristallschicht mit guter Qualität und wenigen Kristalldefekten ist.
- Wenn eine SiC-Zuchtschicht gemäß einem herkömmlichen heteroepitaktischen Züchtungsverfahren auf der (100)-Ebene eines Si- Substrats epitaktisch gebildet wird, besteht die Tendenz, daß die Antiphasen-Grenze in der SiC-Zuchtschicht auftritt, da die Siliciumatome horizontal mit den Kohlenstoffatomen durch Doppelbindungen verbunden sind, die um eine Atomlage unterhalb der Siliciumatome liegen. Wenn die SiC-Zuchtschicht epitaktisch auf der (n11)-Ebene des Si-Substrats gebildet wird, sind die Siliciumatome nicht horizontal mit den Kohlenstoffatomen durch die Doppelbindungen der Kohlenstoffatome verbunden, weil sich die Ebene der Zuchtschicht um einen bestimmten Winkel gegen die (100)-Ebene des Substrats neigt (wobei n eine von 1 verschiedene natürliche Zahl ist).
- Die in (211)-Ebene, die (311)-Ebene, die (411)-Ebene, die (611)-Ebene und weitere, von der (511)-Ebene des in Beispiel 1 beschriebenen Substrats verschiedene Ebenen wurden für die Erfindung in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 angewendet, und die gleichen Effekte wie für die (511)-Ebene aus Beispiel 1 konnten erreicht werden.
- Es ist selbstverständlich, daß Fachleuten viele Abwandlungen offensichtlich sein werden und von ihnen ausgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die anschließenden Patentansprüche festgelegt wird, zu verlassen.
- Demgemäß soll der Schutzumfang der Patentansprüche nicht als durch die hier gegebene Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform begrenzt angesehen werden.
Claims (5)
1. Heteroepitaktisches Züchtungsverfahren für die Züchtung
einer Siliciumcarbid-Halbleiter-Einkristallschicht (B) auf
einem Silicium-Halbleiter-Einkristall-Substrat (A), dadurch
gekennzeichnet, daß das Verfahren die Züchtung der
Halbleiter-Einkristallschicht (B) auf einer (n11) Ebene des
Halbleiter-Einkristall-Substrats (A) durch chemische
Dampfabscheidung aufweist, wobei n eine von 1 verschiedene
natürliche Zahl ist, so daß die epitaktische Ebenenorientierung der
Halbleiter-Einkristallschicht (B) in einem bestimmten Winkel
gegen das Halbleiter-Einkristall-Substrat (A) geneigt ist.
2. Heteroepitaktisches Züchtungsverfahren nach Anspruch 1,
wobei n aus dem Bereich 3 bis 6 ist.
3. Heterostruktur zusammengesetzt aus einem
Silicium-Halbleiter-Einkristall-Substrat (A) und einer
Siliciumcarbid-Halbleiter-Einkristallschicht (B), welche epitaktisch auf dem
Substrat (A) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Halbleiter-Einkristallschicht (B) auf einer (n11) Ebene des
Halbleiter-Einkristall-Substrats (A) gebildet ist, so daß
die epitaktische Ebenenorientierung der
Halbleiter-Einkristallschicht (B) in einem bestimmten Winkel gegen das
Halbleiter-Einkristall-Substrat (A) geneigt ist.
4. Heterostruktur nach Anspruch 3, wobei die Neigung der
epitaktischen Orientierung der Halbleiter-Einkristallschicht
zu dem Halbleiter-Einkristall-Substrat (A) im Bereich
von 0,1 bis 30º liegt.
5. Heterostruktur nach AnsPruch 3 oder 4, wobei n aus dem
Bereich 3 bis 6 ist.
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