WO2016116195A1 - Method for creating a carbon layer on a starting structure and micro-electromechanical or semiconductor structure - Google Patents

Method for creating a carbon layer on a starting structure and micro-electromechanical or semiconductor structure Download PDF

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Friedjof Heuck
Sabine Nagel
Franziska Rohlfing
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L21/02639—Preparation of substrate for selective deposition

Definitions

  • M EMS micro-Jilektro-Mechanical Sensor
  • LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition refers to a chemical process for the production of layers on substrates in the production of
  • micromechanical sensors or semiconductor structures are micromechanical sensors or semiconductor structures.
  • the LPCVD process according to the invention makes it possible to deposit thin carbon layers on a layer of silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the main idea of this LPCVD process is that in addition to the carbon precursor chlorine and silicon is used. As a result, no silicon and silicon-carbon compound separates, but a pure carbon layer from the selected process parameters on the Si0 2 , despite the silicon content in the process gas atmosphere.
  • this process is not a plasma-assisted process, but a purely thermally activated process, which advantageously the deposition
  • metal catalysts for the decomposition of carbon precursors as is the case for known carbon deposition processes.
  • the invention is also particularly suitable for, in particular automated, mass production with high reliability and process reliability and allows low reject rates.
  • the invention advantageously enables a planar and targeted deposition of a carbon layer on defined and selectable positions of a semiconductor material wafer.
  • silicon dioxide Si0 2
  • the carbon layer can be mechanically and electrically contacted in situ. It is an LPCVD process that requires no special system modifications and can be carried out with established process gases.
  • the carbon layers produced by the process according to the invention have well-known, advantageous properties. These are u.a. a high electrical conductivity, high mobility of the charge carriers and a high mechanical strength of the few nanometers thick carbon layer.
  • An advantageous property consists in a high electrical conductivity of the carbon layer combined with a high mobility of the charge carriers.
  • the layers are suitable, for example, for the production of THz transistors, capacitors with high energy density and for storing large amounts of energy, so-called supercaps and batteries, the further Hall effect-based magnetic sensors and transparent interconnects or electrodes, for example for displays.
  • the generated carbon layers continue to allow a chemical
  • the carbon layers produced also have a high mechanical strength at low density with additional piezoresistive or also
  • piezoelectric properties are thus suitable, for example, for use in spring structures for resonators, e.g. Micromirror or
  • the method according to the invention comprises the steps
  • the LPCVD process is under certain, deemed favorable
  • Process conditions namely at a process temperature in a range between 700 ° C and 1300 ° C and at a process pressure in a range between 1 00 mTorr and 5000 mTorr is performed.
  • a suitable combination of parameters is, for example, a process temperature of 1020 ° C with a process pressure of 875 mTorr.
  • the starting structure in addition to the sections consisting of silicon dioxide, may have further sections, which may be e.g. made of silicon (Si) and / or silicon carbide (SiC).
  • Si silicon
  • SiC silicon carbide
  • Hydrofluoric acid can be advantageously used for gas phase etching.
  • methyltrichlorosilane can be advantageously used as starting material.
  • methyltrichlorosilane can be advantageously used as starting material.
  • silane, methane and hydrogen chloride can be used.
  • other starting materials can be used, which among the Process conditions of the LPCVD process are comparable sources of carbon, silicon and chlorine.
  • additional gases for example hydrogen as a carrier gas or ammonia, can be added as a source for doping the SiC layer.
  • the invention is directed to a micromechanical structure or a
  • Figure 1 is a schematic representation of a section through the layer structure of an inventively generated M EMS or semiconductor structure, which represents the initial structure for the selective carbon capture.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a section through the layer structure of an M EMS or semiconductor structure produced according to the invention as an example of the variant in which silicon carbide (SiC) support structures were produced in addition to the carbon layer,
  • SiC silicon carbide
  • Figure 3 is a schematic representation of the structure of Figure 2, in the
  • Figure 4 is a schematic representation of a section through a with the
  • inventive method produced semiconductor structure using the example of a
  • the present invention utilizes an LPCVD process to deposit thin carbon layers, which are, for example but not necessarily, crystalline and are on a layer of SiO 2.
  • Essential in the deposition of this layer is that no pure carbon precursor (carbon precursor) is used, but a starting material or a starting material mixture is used, the or In addition to carbon and typically hydrogen, the process also provides chlorine and silicon. This can be achieved by using a single precursor, such as methyltrichlorosilane. It is also conceivable to use about three different precursors, each of which represents a source of carbon, silicon and chlorine, such as silane, methane and hydrogen chloride. It is essential that starting materials are used which, under the process conditions of the LPCVD process, are sources for the required elements of carbon, chlorine and silicon concentration. With, for example, this aforementioned gas combination silane, methane and
  • Hydrogen chloride can be deposited in the LPCVD process on a simple silicon substrate thin layers of silicon carbide (SiC). However, if a layer of SiO 2 is present on the substrate, no SiC layer grows thereon under suitable process conditions, but instead a thin, pure carbon layer which, with suitably selected process parameters, sets in a desired carbon configuration.
  • SiC silicon carbide
  • Methytricholorsilan is still no silicon compound deposited on the SiO 2 layer, but a carbon layer. To achieve this selective process, moderate to high process temperatures (700 - 1300 ° C) and low process pressures (100 - 5000 mTorr) are required.
  • the selectivity of the process over SiO 2 can advantageously also be used to the effect that on a starting layer of z.
  • Si, SiC another layer
  • FIG. 1 schematically and by way of example shows an initial structure 1 which is to be processed by the method according to the invention.
  • the output structure 1 has a substrate 10 of, for example, silicon, over which a so-called start layer 11, for example consisting of silicon (Si) or silicon carbide (SiC), is arranged. Sectionally or in sections, the start layer 11 is covered with a layer of silicon oxide (SiO 2).
  • starting structure 1 is introduced into the process space of an LPCVD installation in which the subsequent LPCVD process is carried out.
  • the appropriate process parameters such as, in particular, the process pressure and process temperature are set in the abovementioned range, as well as the aforementioned provided (step 32) process chemicals (step 33).
  • the semiconductor structure 1 'produced with the described LPCVD process comprises, in turn, the substrate 10, above which the start layer 11 and, in sections, the regions 12-x of silicon oxide which are mounted above it.
  • silicon carbide portions 13-1, 13-2 and 13-3 are grown on the portions of the start layer located between the SiO 2 portions 12-x and immediately exposed to the LPCVD process.
  • a layer 14-1, 14-2, 14-3 and 14-4 (hereinafter collectively 14-x) were respectively deposited from carbon.
  • the silicon carbide layer and the carbon layer have very different thicknesses depending on the time of deposition.
  • the carbon layers are only a few atomic layers a few nm thick ( ⁇ 20 nm, with process times of 60 min), the silicon carbide layers of the same process are several hundred nm thick.
  • the resistivity of the silicon carbide layer is from the doping, by an addition of ammonia, depending, but it will reach no values less 10Ohmcm.
  • the carbon layer may have a resistivity of 10 ohmcm, with a high degree of crystallinity.
  • the carbon layers 14-x are mechanically and electrically connected to the respective adjacent silicon carbide sections 13-x.
  • the silicon carbide layers or sections 13-1, 13-2, 13-3 can serve as supports for the respectively adjacent carbon layers 14-x, if these are used in a subsequent example
  • the existence of an SiO 2 surface 13-x is essential, the layer thickness of which is irrelevant. This can, for example, be advantageously used to use extremely thin SiO 2 layers, for example in function as gate oxides.
  • Step 35 is omitted to obtain the gate oxide.
  • This layer 22-x is patterned to provide electrical wiring and the contacts for drain 23-1, source 23-2, and gate region 22-2. Subsequently, a thin SiO 2 layer 25 over the
  • Gate 22-2 applied.
  • the subsequent selective structuring according to the invention makes it possible for a carbon layer 24 to be formed on the gate oxide 25, which on the one hand constitutes the channel of the transistor 2 and, secondly, for the carbon layer to be drained via the depositing SiC 23-1 and 23-2 Source contacted.
  • the channel on the surface and not the gate electrode In contrast to the normal transistors here lies the channel on the surface and not the gate electrode.
  • sensors can be in this Configuration next to the channel-gate potential, additionally sense effects, influence conductivity in channel 24.

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Abstract

The invention relates to a method for creating a micro-electromechanical or semiconductor structure, comprising the following steps: providing an starting structure, the surface of which has at least sections consisting of silicon dioxide; providing a starting material, or a mixture of several starting materials, which release a mixture of carbon, silicon and chlorine in an LPCVD process; introducing the starting structure and the one, or the mixture of, starting material into the LPCVD process; and thereby separating a carbon layer on the sections of the starting structure consisting of silicon dioxide. The invention also relates to a micro-electromechanical or semiconductor structure which is produced according to the method.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Verfahren zum Erzeugen einer Kohlenstoffschicht auf einer Ausgangsstruktur und  Method for producing a carbon layer on an initial structure and
Mikroelektromechanische oder Halbleiter-Struktur Microelectromechanical or semiconductor structure
Stand der Technik State of the art
In der Literatur sind verschiedene Verfahren beschrieben, Kohlenstoffschichten auf einem M EMS- (= Mikro-Jilektro-Mechanischer Sensor) - oder einem Halbleitersubstrat aufzubringen. Various methods are described in the literature for applying carbon layers on an M EMS (= micro-Jilektro-Mechanical Sensor) or semiconductor substrate.
Bekannt ist etwa das Ablösen einer Kohlenstoffschicht von einem Graphitblock oder HOPG (Highly Oriented Pyrollytic Graphite) mittels eines Klebebandes, Übertragen der Schicht auf das Substrat und anschließendes Auflösen des Klebebandes. Mit diesem Verfahren können nur relativ zufällig positionierte und orientierte Kohlenstoffflocken auf dem Substrat erzeugt werden. Zudem handelt es sich um ein manuell durchzuführendes Verfahren, sodass es sich für die industrielle und insbesondere Großserienanwendung nicht eignet. It is known, for example, the detachment of a carbon layer from a graphite block or HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) by means of an adhesive tape, transfer of the layer to the substrate and subsequent dissolution of the adhesive tape. With this method, only relatively randomly positioned and oriented carbon flocks can be produced on the substrate. In addition, it is a manual procedure, so it is not suitable for industrial and in particular large-scale application.
Bekannt ist auch das Zersetzen organischer Materialien auf einem Substrat. Dabei entstehen alle möglichen Kohlenstoffkonfigurationen. Also known is the decomposition of organic materials on a substrate. This creates all possible carbon configurations.
Bekannt ist auch die Aufbringung von Kohlenstoffschichten mittels epitaktischen Wachstums. Die dafür benötigten metallischen Substrate sind im Bereich der Also known is the deposition of carbon layers by means of epitaxial growth. The required metallic substrates are in the field of
Halbleiterfertigung nicht vorgesehen. Semiconductor manufacturing not provided.
Bekannt ist auch der Effekt einer temperaturabhängigen Löslichkeit des Kohlenstoffs in Übergangsmetallen, wobei bei rapidem Absenken der Temperatur Kohlenstoff ausfriert. Hierfür sind wiederum Metalle auf dem Substrat erforderlich. Bekannt ist auch das Abdampfen von Silizium aus einem Siliziumkarbidkristall mit geeigneter Kristallorientierung an der Oberfläche. Durch das Fehlen des Siliziums orientiert sich der Kohlenstoff in einer gewünschten Konfiguration um. Hierfür werden hohe Temperaturen sowie sehr teures Siliziumkarbid-Substrat benötigt. Also known is the effect of a temperature-dependent solubility of the carbon in transition metals, which freezes the carbon at rapid lowering of the temperature. For this purpose, in turn, metals on the substrate are required. Also known is the evaporation of silicon from a silicon carbide crystal with a suitable crystal orientation at the surface. Due to the absence of silicon, the carbon orients itself in a desired configuration. For this purpose, high temperatures and very expensive silicon carbide substrate are needed.
Weiterhin ist bekannt, dass in einem LPCVD-Prozess bei Verwendung eines reinen Silizium-Precursors und einer ausreichenden Menge Chlor keine Siliziumabscheidung auf einem mit Si02 beschichteten Substrat stattfindet (s. z.B. J. Electrochem. Soc. 1986 volume 133, issue 2, 379-383). Furthermore, it is known that in a LPCVD process, when using a pure silicon precursor and a sufficient amount of chlorine, no silicon deposition takes place on a substrate coated with SiO 2 (see, for example, J. Electrochem, Soc., 1986, volume 133, issue 2, 379-383). ,
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Abscheideverfahren im LPCVD-Prozess für Kohlenstoffschichten, das für einen M EMS- (= Mikro-Jilektro-Mechanischer Sensor)- Prozess bzw. einen Halbleiterprozess geeignet ist. Die dabei erzeugte besondere Kohlenstoffkonfiguration macht diese Erfindung für neuartige Anwendungen auch im Nanobereich interessant. LPCVD (englisch: Low Pressure Chemical Vapor Deposition = Niederdruck Gas Phasen Abscheidung) bezeichnet einen chemischen Prozess zur Erzeugung von Schichten auf Substraten im Rahmen der Herstellung von The present invention describes a deposition process in the LPCVD process for carbon films, which is suitable for an M EMS (= micro-Jilektro-Mechanical Sensor) process or a semiconductor process. The particular carbon configuration produced thereby makes this invention interesting for novel applications in the nanoscale. LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) refers to a chemical process for the production of layers on substrates in the production of
mikromechanischen Sensoren oder Halbleiterstrukturen. micromechanical sensors or semiconductor structures.
Der erfindungsgemäße LPCVD Prozess ermöglicht die Abscheidung von dünnen Kohlenstoffschichten auf einer Schicht aus Siliziumdioxid (Si02). Die wesentliche Idee dieses LPCVD Prozesses ist, dass neben dem Kohlenstoff-Precursor Chlor und Silizium verwendet wird. Infolge dessen scheidet sich bei den gewählten Prozessparametern auf dem Si02, trotz des Siliziumanteils in der Prozessgasatmosphäre, keine Silizium und auch Silizium-Kohlenstoffverbindung ab, sondern eine reine Kohlenstoffschicht ab. Im Gegensatz zu vielen Prozessen zur Abscheidung von Kohlenstoffschichten, wie u.a. auch diamantähnlichen Kohlenstoffen (DLC = englisch: Diamond Like Carbon), handelt es sich bei diesem Prozess nicht um einen plasmaunterstützen Prozess, sondern um einen rein thermisch aktivierten Prozess, welcher in vorteilhafterweise die Abscheidung im Batch ermöglicht, d.h. viele Substrate werden parallel beschichtet Auch ist es nicht notwendig, Metallkatalysatoren zur Zersetzung von Kohlenstoffausgangsstoffen (Precursor) zu verwenden, wie es für bekannte Kohlenstoff-Abscheideprozesse der Fall ist. Die Erfindung eignet sich zum Aufbringen von Kohlenstoffschichten auf einem M EMS- (= Mikro- lektro-Mechanischer Sensor) - oder einem Halbleitersubstrat. Die Erfindung eignet sich insbesondere auch für, insbesondere automatisierte, Großserien-Herstellung bei hoher Verlässlichkeit und Prozesssicherheit und ermöglicht geringe Ausschussraten. The LPCVD process according to the invention makes it possible to deposit thin carbon layers on a layer of silicon dioxide (SiO 2 ). The main idea of this LPCVD process is that in addition to the carbon precursor chlorine and silicon is used. As a result, no silicon and silicon-carbon compound separates, but a pure carbon layer from the selected process parameters on the Si0 2 , despite the silicon content in the process gas atmosphere. In contrast to many processes for the deposition of carbon layers, such as diamond like carbon (DLC = English: Diamond Like Carbon), this process is not a plasma-assisted process, but a purely thermally activated process, which advantageously the deposition In addition, it is not necessary to use metal catalysts for the decomposition of carbon precursors, as is the case for known carbon deposition processes. The invention is suitable for applying carbon layers on an M EMS (= micro-mechanical sensor) - or a semiconductor substrate. The invention is also particularly suitable for, in particular automated, mass production with high reliability and process reliability and allows low reject rates.
Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine flächige und gezielte Abscheidung einer Kohlenstoffschicht auf definierten und wählbaren Positionen eines Halbleiter- Material-Wafers. Es werden keine für die Halbleiterindustrie ungewöhnlichen oder ungeeigneten Startschichten benötigt, als Startschicht für die Kohlenstoffschicht kann Siliziumdioxid (Si02) dienen. Es werden keine Metalle benötigt. Die Kohlenstoffschicht kann insitu mechanisch und elektrisch kontaktiert werden. Es handelt sich um einen LPCVD-Prozess, der ohne spezielle Anlagenmodifikationen auskommt und mit etablierten Prozessgasen durchgeführt werden kann. The invention advantageously enables a planar and targeted deposition of a carbon layer on defined and selectable positions of a semiconductor material wafer. No starting layers which are unusual or unsuitable for the semiconductor industry are needed, silicon dioxide (Si0 2 ) can serve as starting layer for the carbon layer. There are no metals needed. The carbon layer can be mechanically and electrically contacted in situ. It is an LPCVD process that requires no special system modifications and can be carried out with established process gases.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Kohlenstoffschichten weisen hinlänglich bekannte, vorteilhafte Eigenschaften auf. Dies sind u.a. eine hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Beweglichkeit der Ladungsträger und eine hohe mechanische Belastbarkeit der wenige Nanometer dicken Kohlenstoffschicht. The carbon layers produced by the process according to the invention have well-known, advantageous properties. These are u.a. a high electrical conductivity, high mobility of the charge carriers and a high mechanical strength of the few nanometers thick carbon layer.
Eine vorteilhafte Eigenschaft besteht in einer hohen elektrischen Leitfähigkeit der Kohlenstoffschicht verbunden mit einer hohen Beweglichkeit der Ladungsträger. Damit eignen sich die Schichten beispielsweise zur Herstellung von THz-Transistoren, von Kondensatoren mit hoher Energiedichte und zur Speicherung großer Energiemengen, sogenannter Supercaps sowie von Batterien, des weiteren von Hall-Effekt basierten Magnetsensoren und von transparenten Leiterbahnen oder Elektroden, beispielsweise für Displays. An advantageous property consists in a high electrical conductivity of the carbon layer combined with a high mobility of the charge carriers. Thus, the layers are suitable, for example, for the production of THz transistors, capacitors with high energy density and for storing large amounts of energy, so-called supercaps and batteries, the further Hall effect-based magnetic sensors and transparent interconnects or electrodes, for example for displays.
Die erzeugten Kohlenstoffschichten ermöglichen weiterhin eine chemische The generated carbon layers continue to allow a chemical
Funktionalisierung, etwa zur Verwendung für oder in Gassensoren oder der Functionalization, such as for use in or in gas sensors or the
Medizintechnik. Medical technology.
Die erzeugten Kohlenstoffschichten weisen des weiteren eine hohe mechanische Belastbarkeit bei geringer Dichte mit zusätzlich piezoresistiven bzw.- auch The carbon layers produced also have a high mechanical strength at low density with additional piezoresistive or also
piezoelektrischen Eigenschaften auf und eignen sich somit beispielsweise für eine Anwendung in Federstrukturen für Resonatoren wie z.B. Mikrospiegel oder piezoelectric properties, and are thus suitable, for example, for use in spring structures for resonators, e.g. Micromirror or
Inertialsensoren. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die Schritte Inertial sensors. The method according to the invention comprises the steps
- Bereitstellen einer Ausgangsstruktur, deren Oberfläche zumindest Abschnitte bestehend aus Siliziumdioxid aufweist,  Providing an initial structure whose surface comprises at least portions consisting of silicon dioxide,
- Bereitstellen eines Ausgangsstoffes oder einer Mischung mehrerer Ausgangsstoffe, welche in einem LPCVD-Prozess eine Mischung aus Kohlenstoff, Silizium und Chlor abgeben  - Providing a starting material or a mixture of multiple starting materials, which emit in a LPCVD process, a mixture of carbon, silicon and chlorine
- Einbringen der Ausgangsstruktur und des einen oder der Mischung der Ausgangsstoffe in den LPCVD-Prozess und damit  - Introducing the starting structure and the one or mixture of starting materials in the LPCVD process and thus
- Abscheiden einer Kohlenstoffschicht auf den aus Siliziumdioxid bestehenden  - depositing a carbon layer on the existing of silicon dioxide
Abschnitten der Ausgangsstruktur. Sections of the initial structure.
Vorteilhaft wird der LPCVD-Prozess unter bestimmten, für günstig befundenen Advantageously, the LPCVD process is under certain, deemed favorable
Prozessbedingungen, nämlich bei einer Prozesstemperatur in einem Bereich zwischen 700 °C und 1300 °C und bei einem Prozessdruck in einem Bereich zwischen 1 00 mTorr und 5000 mTorr durchgeführt wird. Eine geeignete Kombination der Parameter ist z.B, eine Prozesstemperatur von 1020°C mit einem Prozessdruck von 875 mTorr. Dabei besteht eine besonders hohe Verlässlichkeit des Prozesses mit geringster möglicher Ausschussquote. Process conditions, namely at a process temperature in a range between 700 ° C and 1300 ° C and at a process pressure in a range between 1 00 mTorr and 5000 mTorr is performed. A suitable combination of parameters is, for example, a process temperature of 1020 ° C with a process pressure of 875 mTorr. There is a particularly high reliability of the process with the lowest possible reject rate.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Ausgangsstruktur neben den aus Siliziumdioxid bestehenden Abschnitten weitere Abschnitte aufweisen, welche z.B. aus Silizium (Si) und/oder Siliziumcarbid (SiC) bestehen. Damit wird erreicht, dass auf diesen weiteren Abschnitten im LPCVD-Prozess eine Siliziumcarbidschicht abgeschieden wird . Diese geht vorteilhaft eine mechanische und elektrische Verbindung mit der abgeschiedenen Kohlenstoffschicht ein und kann diese somit tragen oder stützen. According to an advantageous embodiment of the invention, the starting structure, in addition to the sections consisting of silicon dioxide, may have further sections, which may be e.g. made of silicon (Si) and / or silicon carbide (SiC). This ensures that a silicon carbide layer is deposited on these further sections in the LPCVD process. This advantageously forms a mechanical and electrical connection with the deposited carbon layer and can thus support or support it.
Dies ist besonders auch dann von Interesse und Bedeutung, wenn gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung die aus Siliziumdioxid bestehenden Abschnitte der This is of particular interest and importance if, according to a further development of the invention, the silicon dioxide-containing portions of the
Ausgangsstruktur unterhalb der Kohlenstoffschicht nach Abschluss des LPCVD- Prozesses ganz oder teilweise, vorzugsweise mittels Gasphasenätzen, entfernt werden.Starting structure below the carbon layer after completion of the LPCVD process wholly or partially, preferably by means of gas-phase etching, be removed.
Für das Gasphasenätzen kann vorteilhaft Flusssäure verwendet werden. Hydrofluoric acid can be advantageously used for gas phase etching.
Zur Bereitstellung der für das erfindungsgemäße Abscheiden einer Kohlenstoffschicht erforderlichen Substanzen im LPCVD-Prozess kann vorteilhaft als Ausgangsstoff Methyltrichlorsilan verwendet wird. Alternativ kann auch beispielsweise In order to provide the substances required for the deposition of a carbon layer according to the invention in the LPCVD process, methyltrichlorosilane can be advantageously used as starting material. Alternatively, for example
eine Mischung aus Silan, Methan und Chlorwasserstoff verwendet werden. Weiterhin können auch andere Ausgangsstoffe verwendet werden , welche unter den Prozessbedingungen des LPCVD-Prozesses vergleichbare Quellen für Kohlenstoff, Silizium und Chlor darstellen. Zusätzlich können weitere Gase, z.B. Wasserstoff als Trägergas oder Ammoniak als Quelle zur Dotierung der SiC-Schicht hinzugefügt werden . a mixture of silane, methane and hydrogen chloride can be used. Furthermore, other starting materials can be used, which among the Process conditions of the LPCVD process are comparable sources of carbon, silicon and chlorine. In addition, additional gases, for example hydrogen as a carrier gas or ammonia, can be added as a source for doping the SiC layer.
Weiter richtet sich die Erfindung auf eine mikromechanische Struktur oder eine Furthermore, the invention is directed to a micromechanical structure or a
Halbleiterstruktur, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Semiconductor structure, which has been produced by the method according to the invention.
Zeichnungen drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail below. Show it
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch den Schichtaufbau einer erfindungsgemäß erzeugten M EMS- oder Halbleiterstruktur, welche die Ausgangsstruktur für die selektive Kohlenstoffabscheidung darstellt. Figure 1 is a schematic representation of a section through the layer structure of an inventively generated M EMS or semiconductor structure, which represents the initial structure for the selective carbon capture.
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch den Schichtaufbau einer erfindungsgemäß erzeugten M EMS- oder Halbleiterstruktur als Beispiel für die Variante, bei welcher neben der Kohlenstoffschicht auch Siliziumkarbid- (SiC)-Stützstrukturen erzeugt wurden, FIG. 2 shows a schematic representation of a section through the layer structure of an M EMS or semiconductor structure produced according to the invention as an example of the variant in which silicon carbide (SiC) support structures were produced in addition to the carbon layer,
Figur 3 eine schematische Darstellung der Struktur gemäß Figur 2, bei der im Figure 3 is a schematic representation of the structure of Figure 2, in the
Unterschied zu Figur 2 die Si02-Schicht unter der Kohlenstoffschicht entfernt wurde, In contrast to FIG. 2, the SiO 2 layer was removed below the carbon layer,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch eine mit dem Figure 4 is a schematic representation of a section through a with the
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Halbleiterstruktur am Beispiel eines inventive method produced semiconductor structure using the example of a
Transistors. Transistor.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the embodiments
Die vorliegende Erfindung nutzt einen LPCVD-Prozess zur Abscheidung von dünnen Kohlenstoffschichten, die beispielsweise, aber nicht notwendig, kristallin sind und auf einer Schicht aus Si02 sind. Wesentlich bei der Abscheidung dieser Schicht ist, dass kein reiner Kohlenstoff-Ausgangsstoff (Kohlenstoff- Precursor) zum Einsatz kommt, sondern ein Ausgangsstoff oder ein Ausgangsstoffgemisch verwendet wird, der oder das neben Kohlenstoff und typischerweise auch Wasserstoff dem Prozess auch Chlor und Silizium zur Verfügung stellt. Dies kann durch den Einsatz eines einzigen Precursors, wie beispielsweise Methyltrichlorsilan erreicht werden. Denkbar ist auch, etwa drei verschiedene Precursoren zu verwenden, die jeweils eine Quelle für Kohlenstoff, Silizium und Chlor darstellen, wie beispielsweise Silan, Methan und Chlorwasserstoff. Wesentlich ist, dass Ausgangsstoffe verwendet werden, die unter den Prozessbedingungen des LPCVD-Prozesses Quellen für die genannten benötigten Elemente Kohlenstoff, Chlor und Silizium Konzentration darstellen. Mit beispielsweise dieser vorgenannten Gaskombination Silan, Methan und The present invention utilizes an LPCVD process to deposit thin carbon layers, which are, for example but not necessarily, crystalline and are on a layer of SiO 2. Essential in the deposition of this layer is that no pure carbon precursor (carbon precursor) is used, but a starting material or a starting material mixture is used, the or In addition to carbon and typically hydrogen, the process also provides chlorine and silicon. This can be achieved by using a single precursor, such as methyltrichlorosilane. It is also conceivable to use about three different precursors, each of which represents a source of carbon, silicon and chlorine, such as silane, methane and hydrogen chloride. It is essential that starting materials are used which, under the process conditions of the LPCVD process, are sources for the required elements of carbon, chlorine and silicon concentration. With, for example, this aforementioned gas combination silane, methane and
Chlorwasserstoff können im LPCVD-Prozess auf einem einfachen Siliziumsubstrat dünne Schichten aus Siliziumcarbid (SiC) abgeschieden werden. Befindet sich auf dem Substrat jedoch eine Schicht aus Si02, so wächst unter geeigneten Prozessbedingungen darauf keine SiC-Schicht, sondern eine dünne reine Kohlenstoffschicht, die sich bei geeignet gewählten Prozessparamtern, in einer gewünschten Kohlenstoff-Konfiguration einstellt. Hydrogen chloride can be deposited in the LPCVD process on a simple silicon substrate thin layers of silicon carbide (SiC). However, if a layer of SiO 2 is present on the substrate, no SiC layer grows thereon under suitable process conditions, but instead a thin, pure carbon layer which, with suitably selected process parameters, sets in a desired carbon configuration.
Für diesen selektiven Prozess ist es ausschlaggebend, dass eine Si02-Schicht vorhanden ist und ausreichend Chlor im Prozess vorhanden ist. For this selective process, it is crucial that a SiO 2 layer is present and sufficient chlorine is present in the process.
Dazu ist bislang bekannt, dass bei Verwendung eines reinen Silizium-Precursors und einer ausreichenden Menge Chlor keine Siliziumabscheidung auf einem Si02-Substrat stattfindet (s. z.B. J. Electrochem. Soc. 1986 volume 133, issue 2, 379-383). To this end, it has heretofore been known that when using a pure silicon precursor and a sufficient amount of chlorine, no silicon deposition occurs on an SiO 2 substrate (see, for example, J. Electrochem, Soc., 1986, volume 133, issue 2, 379-383).
Bei der gleichzeitigen Zugabe von Kohlenstoff, in Form eines Precursors, z.B. With the simultaneous addition of carbon, in the form of a precursor, e.g.
Methytricholorsilan (MTS), wird auch weiterhin keine Siliziumverbindung auf der Si02- Schicht abgeschieden, jedoch eine Kohlenstoffschicht. Um diesen selektiven Prozess zu erreichen sind moderate bis hohe Prozesstemperaturen (700 - 1300 °C) und niedrige Prozessdrücke (100 - 5000 mTorr) erforderlich. Methytricholorsilan (MTS), is still no silicon compound deposited on the SiO 2 layer, but a carbon layer. To achieve this selective process, moderate to high process temperatures (700 - 1300 ° C) and low process pressures (100 - 5000 mTorr) are required.
Die Selektivität des Prozesses gegenüber Si02 kann vorteilhaft auch dahingehend genutzt werden, dass auf eine Startschicht aus z. B. Si, SiC, eine weitere Schicht ausThe selectivity of the process over SiO 2 can advantageously also be used to the effect that on a starting layer of z. As Si, SiC, another layer
Si02 aufgebracht wird und diese Si02-Schicht dann strukturiert wird. Im folgenden LPCVD-Prozess wächst in den Bereichen ohne Si02 eine SiC-Schicht auf, wohingegen in den Bereichen mit Si02 die Kohlenstoffschicht wächst. Diese Kohlenstoffschicht ist beträchtlich dünner als die SiC-Schicht. Zusätzlich entsteht dabei ein mechanischer und ein elektrischer Kontakt zwischen der SiC- und der Kohlenstoff-Schicht. In Figur 1 ist schematisch und beispielhaft eine Ausgangsstruktur 1 dargestellt, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet werden soll. Die Ausgangsstruktur 1 weist ein Substrat 10 aus beispielsweise Silizium auf, über welchem eine sogenannte Startschicht 11, beispielsweise bestehend aus Silizium (Si) oder Siliziumcarbid (SiC) angeordnet ist. Bereichs- oder abschnittsweise ist die Startschicht 11 mit einer Schicht aus Siliziumoxid (Si02) bedeckt. Bei der Ausgangsstruktur der Figur 1 sind vier Bereiche oder Abschnitte 12-1, 12-2, 12-3, 12-4 (nachfolgend zusammenfassend auch 12-x) bestehend aus Siliziumoxid auf der Startschicht 11 angeordnet, wobei zwischen den Bereichen 12-x Leerräume bestehen, so dass in diesen Leeräumen die Oberfläche der Ausgangstruktur 1 durch die freiliegenden Abschnitte der Startschicht 11 gebildet ist. DieSiO 2 is applied and this SiO 2 layer is then patterned. In the following LPCVD process, an SiC layer grows in the areas without SiO 2, whereas in the areas with SiO 2 the carbon layer grows. This carbon layer is considerably thinner than the SiC layer. In addition, a mechanical and an electrical contact between the SiC and the carbon layer arises. FIG. 1 schematically and by way of example shows an initial structure 1 which is to be processed by the method according to the invention. The output structure 1 has a substrate 10 of, for example, silicon, over which a so-called start layer 11, for example consisting of silicon (Si) or silicon carbide (SiC), is arranged. Sectionally or in sections, the start layer 11 is covered with a layer of silicon oxide (SiO 2). In the starting structure of FIG. 1, four regions or sections 12-1, 12-2, 12-3, 12-4 (hereinafter also 12-x) consisting of silicon oxide are arranged on the starting layer 11, wherein between the regions 12-x Empty spaces exist, so that in these empty spaces, the surface of the output structure 1 is formed by the exposed portions of the starting layer 11. The
Oberfläche der Ausgangsstruktur wird mithin durch eine abschnittsweise oder bereichsweise Si02-Schicht und dazwischen oder benachbart liegende Bereiche oder Abschnitte der offen liegenden Startschicht 11 gebildet. Diese bereitgestellte (Schritt 31 in Figur 5) Ausgangsstruktur 1 wird in den Prozessraum einer LPCVD-Anlage eingebracht, in welchem der nachfolgende LPCVD-Prozess durchgeführt wird. Für den LPCVD-Prozess werden die geeigneten Prozessparameter, wie insbesondere der Prozessdruck und Prozesstemperatur im oben genannten Bereich eingestellt, sowie die vorgenannten bereitgestellten (Schritt 32) Prozesschemikalien zugeführt (Schritt 33). Beispielhaft geeignete Prozessparameter sind Druck p=874 mTorr,The surface of the starting structure is thus formed by a sectionally or partially SiO 2 layer and regions or sections of the exposed starting layer 11 located therebetween or adjacent to it. This provided (step 31 in FIG. 5) starting structure 1 is introduced into the process space of an LPCVD installation in which the subsequent LPCVD process is carried out. For the LPCVD process, the appropriate process parameters, such as, in particular, the process pressure and process temperature are set in the abovementioned range, as well as the aforementioned provided (step 32) process chemicals (step 33). Exemplary suitable process parameters are pressure p = 874 mTorr,
Temperatur T= 1020°C bei einer Zugabe von den Gasen Wasserstoff (Fluss 425 sccm) und MTS (Fluss 35sccm). Als Ergebnis der Abscheidung (Schritt 34) liegt eine Halbleiteroder M E MS -Struktur (nachfolgend vereinfachend als Halbleiterstruktur bezeichnet) gemäß Figur 2 vor. Temperature T = 1020 ° C with the addition of the gases hydrogen (flow 425 sccm) and MTS (flow 35sccm). As a result of the deposition (step 34), a semiconductor or M E MS structure (hereinafter referred to simply as a semiconductor structure) according to FIG. 2 is present.
Die mit dem beschriebenen LPCVD-Prozess erzeugte Halbleiterstruktur 1' umfasst wiederum das Substrat 10, darüber die Startschicht 11 sowie abschnittsweise die darüber gelagerten Bereiche 12-x aus Siliziumoxid. Infolge des LPCVD-Prozesses sind auf den zwischen den Si02-Abschnitten 12-x liegenden und unmittelbar dem LPCVD-Prozess ausgesetzten Bereichen der Startschicht Siliziumcarbid-Abschnitte 13-1, 13-2 und 13-3 aufgewachsen. Hingegen wurden auf den Si02-Abschnitten 12-x jeweils eine Schicht 14- 1, 14-2, 14-3 und 14-4 (nachfolgend zusammenfassend 14-x) aus Kohlenstoff abgeschieden. Die Siliziumcarbid -Schicht und die Kohlenstoff-Schicht haben sehr unterschiedliche Dicken, die von der Zeit der Abscheidung abhängig sind. Während die Kohlenstoff-Schichten nur wenige Atomlagen umgerechnet wenige nm dick sind (<20 nm, bei Prozesszeiten von 60 min) sind die Siliziumcarbid -Schichten des gleichen Prozesses einige hundert nm dick. Der spezifische Widerstand der Siliziumcarbid -Schicht ist von der Dotierung, durch eine Zugabe von Ammoniak, abhängig, aber es werden keine Werte kleiner lOmOhmcm erreicht. Die Kohlenstoffschicht kann hingegen einen spezifischen Widerstand von lmOhmcm aufweisen, bei einem hohen Grad an Kristallinität. Als Folge des beschriebenen LPCVD-Prozesses sind die Kohlenstoff-Schichten 14-x mit den jeweils benachbarten Siliziumcarbid-Abschnitten 13-x mechanisch und elektrisch verbunden. Infolge der mechanischen Verbindung können die Siliziumcarbid-Schichten bzw. -Abschnitte 13-1, 13-2, 13-3 als Stützen für die jeweils angrenzenden Kohlenstoff- Schichten 14-x dienen, wenn diese beispielsweise in einem nachfolgenden The semiconductor structure 1 'produced with the described LPCVD process comprises, in turn, the substrate 10, above which the start layer 11 and, in sections, the regions 12-x of silicon oxide which are mounted above it. As a result of the LPCVD process, silicon carbide portions 13-1, 13-2 and 13-3 are grown on the portions of the start layer located between the SiO 2 portions 12-x and immediately exposed to the LPCVD process. On the other hand, on the SiO 2 portions 12-x, a layer 14-1, 14-2, 14-3 and 14-4 (hereinafter collectively 14-x) were respectively deposited from carbon. The silicon carbide layer and the carbon layer have very different thicknesses depending on the time of deposition. While the carbon layers are only a few atomic layers a few nm thick (<20 nm, with process times of 60 min), the silicon carbide layers of the same process are several hundred nm thick. The resistivity of the silicon carbide layer is from the doping, by an addition of ammonia, depending, but it will reach no values less 10Ohmcm. The carbon layer, on the other hand, may have a resistivity of 10 ohmcm, with a high degree of crystallinity. As a result of the described LPCVD process, the carbon layers 14-x are mechanically and electrically connected to the respective adjacent silicon carbide sections 13-x. As a result of the mechanical connection, the silicon carbide layers or sections 13-1, 13-2, 13-3 can serve as supports for the respectively adjacent carbon layers 14-x, if these are used in a subsequent example
Bearbeitungsschritt 35 hinteräzt, also die sie tragenden Si02-Abschnitte 12-x durchMachining step 35 behind, so they carrying SiO 2 sections 12-x
Ätzen, beispielsweise Gasphasenätzen mit Flusssäure, entfernt werden. Es entsteht damit eine Struktur 1" wie in Figur 3 dargestellt, bei der die Kohlenstoff-Schicht- Abschnitte 14-x über Leerräumen 15-1, 15-2, 15-3 und 15-4 von den jeweils Etching, for example, gas phase etching with hydrofluoric acid removed. This results in a structure 1 "as shown in Figure 3, in which the carbon layer sections 14-x on empty spaces 15-1, 15-2, 15-3 and 15-4 of the respective
benachbarten Si02-Abschnitten 12-x getragen und gehalten werden. adjacent Si02 sections 12-x are worn and held.
Für die selektive Kohlenstoffabscheidung 14-x ist die Existenz einer Si02-Oberfläche 13- x wesentlich, wobei deren Schichtdicke unerheblich ist. Dies kann beispielsweise vorteilhaft genutzt werden, um extrem dünne Si02 Schichten, zum Beispiel in Funktion als Gateoxide, zu verwenden. For the selective carbon deposition 14-x, the existence of an SiO 2 surface 13-x is essential, the layer thickness of which is irrelevant. This can, for example, be advantageously used to use extremely thin SiO 2 layers, for example in function as gate oxides.
Dieser Prozess kann in vorteilhafter Weise genutzt werden, um Transistoren 2 mit Kohlenstoffschicht aufzubauen, wie in Figur 5 skizziert, wobei auf den letzten This process can be used to advantage to build transistors 2 with carbon layer, as outlined in Figure 5, wherein the last
Arbeitsschritt 35 verzichtet wird um das Gateoxid zu erhalten. Auf einem Substrat 20, beispielsweise Silizium, wird eine elektrisch isolierende Schicht 21 aufgebracht, wie beispielsweise Siliziumoxid (Si02), darauf wird eine elektrisch leitende Schicht 22-1, 22-Step 35 is omitted to obtain the gate oxide. An electrically insulating layer 21, such as, for example, silicon oxide (SiO 2), is applied to a substrate 20, for example silicon, and an electrically conductive layer 22 - 1, 22 - is applied thereon.
2, 22-3 aufgebracht, die beispielsweise aus Poly-Silizium oder Siliziumcarbid bestehen kann. Die Dicke der Schicht kann nach Bedarf gewählt werden und wenige Nanometer (nm) bis einige Mikrometer (μιη) betragen. Diese Schicht 22-x wird derart strukturiert, dass eine elektrische Verdrahtung und die Kontakte für Drain 23-1, Source 23-2 und im Gatebereich 22-2 entstehen. Anschließend wird eine dünne Si02-Schicht 25 über dem2, 22-3 applied, which may for example consist of poly-silicon or silicon carbide. The thickness of the layer can be selected as needed and be a few nanometers (nm) to a few micrometers (μιη). This layer 22-x is patterned to provide electrical wiring and the contacts for drain 23-1, source 23-2, and gate region 22-2. Subsequently, a thin SiO 2 layer 25 over the
Gate 22-2 aufgebracht. Die anschließende erfindungsgemäße selektive Strukturierung ermöglicht es, dass sich eine Kohlenstoffschicht 24 auf dem Gateoxid 25 ausbildet, welche zum einen den Kanal des Transistors 2 darstellt und zum anderen wird die Kohlenstoffschicht über das sich abscheidende SiC 23-1 und 23-2 elektrisch an Drain und Source kontaktiert. Im Gegensatz zu den normalen Transistoren liegt hier der Kanal an der Oberfläche und nicht die Gate- Elektrode. Für Sensoren lassen sich in dieser Konfiguration neben dem Kanal-Gate-Potential, noch zusätzlich Effekte sensieren, Leitfähigkeit im Kanal 24 beeinflussen. Gate 22-2 applied. The subsequent selective structuring according to the invention makes it possible for a carbon layer 24 to be formed on the gate oxide 25, which on the one hand constitutes the channel of the transistor 2 and, secondly, for the carbon layer to be drained via the depositing SiC 23-1 and 23-2 Source contacted. In contrast to the normal transistors here lies the channel on the surface and not the gate electrode. For sensors can be in this Configuration next to the channel-gate potential, additionally sense effects, influence conductivity in channel 24.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zum Erzeugen einer mikroelektromechanischen oder einer Halbleiter- Struktur, mit den Schritten A method for producing a microelectromechanical or a semiconductor structure, comprising the steps
- Bereitstellen (31) einer Ausgangsstruktur (1), deren Oberfläche zumindest Abschnitte (12-1, 12-2, 12-3, 12-4) bestehend aus Siliziumdioxid aufweist,  Providing (31) an output structure (1) whose surface comprises at least portions (12-1, 12-2, 12-3, 12-4) consisting of silicon dioxide,
- Bereitstellen (32) eines Ausgangsstoffes oder einer Mischung mehrerer Ausgangsstoffe, welche in einem LPCVD-Prozess eine Mischung aus Kohlenstoff, Silizium und Chlor abgeben  - Providing (32) a starting material or a mixture of multiple starting materials, which emit in a LPCVD process, a mixture of carbon, silicon and chlorine
- Einbringen (33) der Ausgangsstruktur (1) und des einen oder der Mischung der Ausgangsstoffe in den LPCVD-Prozess und damit  - introducing (33) the starting structure (1) and the one or the mixture of the starting materials in the LPCVD process and thus
- Abscheiden (34) einer Kohlenstoffschicht (14-1, 14-2, 14-3, 14-4) auf den aus  - Depositing (34) of a carbon layer (14-1, 14-2, 14-3, 14-4) on the off
Siliziumdioxid bestehenden Abschnitten (12-1, 12-2, 12-3, 12-4) der Ausgangsstruktur (1). Silica existing sections (12-1, 12-2, 12-3, 12-4) of the starting structure (1).
2. Verfahren nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der LPCVD-Prozess bei einer2. The method according to claim, characterized in that the LPCVD process at a
Prozesstemperatur in einem Bereich zwischen 700 °C und 1300 °C und bei einem Prozessdruck in einem Bereich zwischen 100 mTorr und 5000 mTorr durchgeführt wird. Process temperature is carried out in a range between 700 ° C and 1300 ° C and at a process pressure in a range between 100 mTorr and 5000 mTorr.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgangsstruktur (1) neben den aus Siliziumdioxid bestehenden Abschnitten (12-1, 12-2, 12-3, 12-4) weitere Abschnitte aufweist, welche aus Silizium und/oder Siliziumcarbid bestehen, und damit 3. The method of claim 1 or 2, wherein the starting structure (1) in addition to the silicon dioxide existing portions (12-1, 12-2, 12-3, 12-4) further sections, which consist of silicon and / or silicon carbide , and thus
- Abscheiden einer Siliziumcarbidschicht (13-1, 13-2, 13-3) auf den aus Silizium oder Siliziumcarbid bestehenden weiteren Abschnitten der Ausgangsstruktur (1) im LPCVD- Prozess.  Depositing a silicon carbide layer (13-1, 13-2, 13-3) on the silicon or silicon carbide further sections of the starting structure (1) in the LPCVD process.
4. Verfahren (35) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Siliziumdioxid bestehenden 4. The method (35) according to any one of the preceding claims, in particular according to claim 3, characterized in that the existing of silicon dioxide
Abschnitte (12-1 12-4) der Ausgangsstruktur (1) unterhalb der Kohlenstoffschicht (14- Sections (12-1 12-4) of the starting structure (1) below the carbon layer (14-
1 14-3) nach Abschluss des LPCVD-Prozesses ganz oder teilweise, vorzugsweise mittels Gasphasenätzen, entfernt werden. 1 14-3) after completion of the LPCVD process, in whole or in part, preferably by means of gas phase etching.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Gasphasenätzen Flusssäure verwendet wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that for gas phase etching hydrofluoric acid is used.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsstoff Methyltrichlorsilan verwendet wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that methyltrichlorosilane is used as starting material.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsstoff eine Mischung aus Silan, Methan und Chlorwasserstoff oder unter den Prozessbedingungen des LPCVD-Prozesses vergleichbare Quellen für Kohlenstoff, Silizium und Chlor darstellende Substanzen verwendet werden. 7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the starting material used is a mixture of silane, methane and hydrogen chloride or under the process conditions of the LPCVD process comparable sources of carbon, silicon and chlorine performing substances.
8. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zusätzlich eine Stickstoff- Quelle, wie zum Beispiel Ammoniak, verwendet wird, um eine Dotierung der abgeschiedenen Siliziumcarbid- Schicht zu erreichen 8. The method of claim 3, wherein additionally a nitrogen source, such as ammonia, is used to achieve doping of the deposited silicon carbide layer
9. Mikroelektromechanische oder Halbleiter-Struktur (1, 2), hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 9. microelectromechanical or semiconductor structure (1, 2), prepared by a method according to any one of the preceding claims.
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