DE69413138T2 - Verfahren zur Bildung von Beschichtungen aus kristallinem Siliziumcarbid - Google Patents
Verfahren zur Bildung von Beschichtungen aus kristallinem SiliziumcarbidInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Wachstum von epitaxialen Siliciumcarbidfilmen bei niedriger Temperatur unter Verwendung von Trimethylsilan als das Ausgangsgas bei einem Verfahren der chemischen Dampfphasenabscheidung.
- Epitaxiales Siliciumcarbid ist für viele Hochtemperatur-, Hochleistungs- und Hochfrequenzhalbleiteranwendungen aufgrund von Eigenschaften wie z. B. großer Bandabstand, hohe Verschiebegeschwindigkeit gesättigter Elektronen, hohe elektrische Durchschlagsfeldstärke, hohe thermische Leitfähigkeit und gute chemische Beständigkeit geeignet. Die meisten Herstellungsverfahren benötigen aber die Bildung von einkristallinen Siliciumcarbidfilmen. Normalerweise werden diese Filme durch CVD bei Temperaturen oberhalb 1000ºC gezüchtet. Zum Beispiel lehrt Learn et al., Appl. Phys. Let., Vol. 17, No. 1, July 1970, die Bildung von kubischem Siliciumcarbid auf Alpha(6H)- und Beta(3C)-Siliciumcarbidsubstraten durch reaktive Verdampfung oder reaktives Sputtern von Silicium in Acetyl bei Temperaturen von so niedrig wie 1100ºC. In ähnlicher Weise beschreiben Steckl und Li, IEEE Transactions on Electronic Devices, Vo. 39, No. 1, Januar 1992, die Bildung von Beta(3C)- Siliciumcarbidfilmen auf carbonisiertem Silicium (100) durch schnelle thermische CVD von Silan und Propan bei 1100ºC - 1300ºC.
- Andere Forscher haben ebenfalls die Abscheidung von 3C- Siliciumcarbidfilmen aus Organosiliciumvorläufern gezeigt. Zum Beispiel Takahashi et al., J. Electromchem. Soc., Vol. 139, No. 12, Dezember 1992 offenbart die Bildung von 3C-Siliciumcarbid auf Si(100)- und Si(111)- Substraten (mit oder ohne einer carbonisierten Schicht) durch CVD bei atmosphärischem Druck unter Verwendung von Hexamethyldisilan und Wasserstoffgasmischungen bei Temperaturen von 1100ºC.
- Golecki et. all., Appl. Phys. Lett., 60 (14), April 1992, legt die Bildung von kubischem Siliciumcarbid auf Silicium(100)-Substrat durch CVD bei niedrigem Druck unter Verwendung von Methylsilan bei Substrattemperaturen so niedrig wie 750ºC dar. Das hierin beschriebene Verfahren ist aber ausschließlich auf die Verwendung von Methylsilan als das Precursorgas beschränkt.
- Die Verwendung von Trimethylsilan, um amorphe oder polykristalline Siliciumcarbidfilme zu bilden, ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel Kaplan et. al. in US-Patent-Nr. 3,843,399 lehrt die Bildung von Siliciumcarbidschichtstoffen auf Videodisks unter Verwendung von Trimethylsilan in einem Glühentladungs-CVD-Verfahren. In ähnlicher Weise offenbart die japanische Kokai-Patent-Veröffentlichung 52-14600 die Bildung von Siliciumcarbidfilmen auf unterschiedlichen Substraten unter Verwendung eines Akylsilans in einem Verfahren der chemischen Dampfphasenabscheidung bei Glühentladung. Ebenso offenbart Edno et. al. in US-Patent-Nr. 4,532,150 detailliert die Bildung von Siliciumcarbidschichtstoffen unter Verwendung einer Organosilicumverbindung in einem plasmaverstärkten CVD-Verfahren. Keine dieser Dokumente schlägt aber die Bildung von epitaxialem Siliciumcarbid vor.
- Die vorliegende Erfindung beschreibt die Abscheidung von epitaxialen Siliciumcarbidfilmen unter Verwendung von Trimethylsilan in einem CVD- Verfahren.
- Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Bildung eines epitaxialen Siliciumcarbidfilm auf einem Silicium oder Siliciumcarbidsubstrat bereit. Das Verfahren umfaßt das Erwärmen des Substrates auf einer Temperatur in einem Bereich von 600ºC - 1000ºC und Aussetzen des erwärmten Substrats an Trimethylsilangas, um dadurch einen epitaxialen Siliciumcarbidfilm abzuscheiden. Wenn das Substrat Silicium ist, wird eine dünne Siliciumcarbidpufferschicht vor der Abscheidung des epitaxialen Siliciumcarbidfilm auf dem Substrat, z. B. durch Reaktion mit einem Kohlenwasserstoffgas wachsen gelassen (Carbonisierung).
- Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Abscheidung von epitaxialem Siliciumcarbid(SiC)-Filmen bei Temperaturen so niedrig wie 600ºC und bis zum 1000ºC unter Verwendung von Trimethylsilangas. Vorzugsweise wird ein Substrat verwendet, das entweder ein kristallines Siliciumcarbid oder einen Einkristallsiliciumwafer umfaßt. Solche Substrate sind im Handel erhältlich. Der erste Schritt in unserem Verfahren ist im allgemeinen die Reinigung des gewünschten Substrats. Diese Reinigung stellt eine pristine kristalline Oberfläche zur Verfügung, um epitaxiales Wachstum sicherzustellen. Offensichtlich ist aber, wenn eine solche Oberfläche erhältlich ist, das zusätzliche Reinigen nicht notwendig. Annähernd jedes Verfahren, daß die gewünschte reine Oberfläche zur Verfügung stellt, kann verwendet werden und viele dieser Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel kann das Substrat durch Eintauchen in einer Säure wie z. B. HF geätzt werden. Alternativ kann das Substrat in einer korrosiven Atmosphäre, wie z. B. HCl/H&sub2; bei erhöhten Temperaturen (1000ºC oder darüber) geätzt werden.
- Falls ein Siliciumsubstrat verwendet wird, wird eine dünne Pufferschicht aus Siliciumcarbid auf der gereinigten Oberfläche wachsen gelassen. Verfahren für das Wachstum dieser Schichten sind wiederum aus dem Stand der Technik bekannt und annähernd jedes, das dazu in der Lage ist, die gewünschte Siliciumcarbidschicht bereitzustellen, kann verwendet werden. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens umfaßt das Aussetzen des Siliciums an ein Kohlenwasserstoffgas bei erhöhten Temperatur unter atmosphärischen oder Unterdruckbedingungen. Kohlenwasserstoffe wie z. B. Methan, Ethan, Propan, Butan, Ethylen und Acetylen können verwendet werden. Bestimmte Beispiele solcher Verfahren beinhalten das Leiten eines Gasstromes, der propanverdünnt in H&sub2; (bei einer Fließgeschwindigkeit von 9 sccm) und H&sub2; (bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,9 l/min) auf das Substrat unter atmosphärischem Druck bei 1300ºC, um eine Siliciumcarbidschicht von einer Dicke von 25 Nanometern in einer Minute herzustellen.
- Ein weiteres Beispiel für ein solches Verfahren beinhaltet das Leiten eines Gasstromes, der Propan (mit einer Fließgeschwindigkeit von 99 sccm) und H&sub2; (bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,9 l/min) enthält, auf das Substrat unter einem Druck von 0,67 kPa (5 Torr) bei 1300ºC um eine 120 Nanometer dicke Siliciumcarbidschicht in einer Minute auszubilden. Falls ein Siliciumcarbidsubstrat verwendet wird, ist es nicht notwendig, die oben beschriebene Schicht auszubilden.
- Die epitaxialen Siliciumcarbidschichten werden dann auf dem Substrat durch einen Standard-CVD-Prozeß ausgebildet, bei dem das Substrat auf die gewünschte Temperatur in einer Abscheidekammer erhitzt wird, gefolgt von dem Aussetzen des Substrat an Trimethylsilan. Substrattemperaturen im Bereich von 600ºC - 1000ºC werden verwendet.
- Die Zeit, die notwendig ist für die Bildung des Films variiert in Abhängigkeit von der Konzentration von Trimethylsilan in der Wachstumskammer und der gewünschten Filmdicke. Im allgemeinen sind Aussetzungszeiten von 1 bis 30 Minuten ausreichend.
- Der Siliciumcarbidprecursor, der in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist Trimethylsilan (CH&sub3;)&sub3;SiH. Dieses Gas und Verfahren zu seiner Herstellung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel kann Trimethylsilan durch Einbringen von Methylgruppen in Trichlorsilane durch das Grignard-Verfahren hergestellt werden. Alternativ kann Trimethylsilan durch Umsetzen von Trimethylchlorsilan mit einem Metallhydrid hergestellt werden. Diese und andere Verfahren sind von Noll in "Chemistry and Technology of Silicones", New York, Academic Press 1968, Seite 87 ff, beschrieben.
- Das Trimethylsilangas wird im allgemeinen in der Abscheidekammer durch ein inertes Trägergas verdünnt. Solche Träger beinhalten Wasserstoff, Argon und Helium. Obwohl die Verdünnung von dem Ausmaß des Aussetzens des Substrats abhängt, werden im allgemeinen Verdünnungen von Trimethylsilan zu Träger im Bereich von 1 : 1 bis 1 : 10.000 verwendet.
- Der Gesamtdruck der Gase (Trimethylsilan + Träger) in der Abscheidekammer kann über einen weiten Bereich variiert werden und wird im allgemeinen auf einen Grad geregelt, der eine vernünftige Wachstumsgeschwindigkeit des epitaxialen Films zur Verfügung stellt. Im allgemeinen werden Drücke im Bereich von 133,3 uPa (10&supmin;&sup6; Torr) bis atmosphärischem Druck verwendet.
- Die Menge an reaktivem Dampf, der in die Abscheidekammer eingebracht wird, sollte die sein, die eine erwünschte Wachstumsgeschwindigkeit des SiC-Films ermöglicht. Es ist aber bevorzugt, daß der reaktive Dampf in der Abscheidekammer verarmt, so daß nahezu das gesamte Trimethylsilan in der Atmosphäre abgeschieden wird, wodurch die kristalline Struktur langsam wächst. Wachstumsgeschwindigkeiten im Bereich von 1-1000 Nanometern pro Minute können im allgemeinen erreicht werden.
- Das Verfahren der Erfindung kann unter statischen Bedingungen durchgeführt werden, es ist aber üblicherweise bevorzugt, kontinuierlich eine kontrollierte Menge des Dampfes in einen Bereich der Kammer einzubringen, während Vakuum auf der anderen Seite der Kammer angelegt wird, wodurch ein gleichmäßiger Fluß des Dampfes über den Bereich des Substrat bewirkt wird.
- Die Abscheidekammer, die im Verfahren der Erfindung verwendet wird, kann jede sein, die das Wachstum von Filmen durch einen CVD-Prozeß ermög licht. Beispiele solcher Kammern sind von Golecki et al. und Steckl et al. supra beschrieben.
- Zusätzlich ist es mit umfaßt, daß das epitaxiale Wachstum von kristallinem Siliciumcarbid durch unterschiedliche Dampfphasenabscheidungsprozesse unterstützt wird. Zum Beispiel ist es mit umfaßt, daß Techniken, wie z. B. Molekularstrahlepitaxie, laserunterstützte CVD, Innenstrahlen und heiße Filamente verwendet werden können, um die gasförmigen Spezies zu zersetzen und dadurch eine epitaxiale Schicht bei niedrigen Temperaturen wachsen zu lassen.
- Die resultierenden Filme bestehen aus einkristallinem oder polykristallinem Siliciumcarbid. Sie können in einer großen Bandbreite von Dicken wie z. B. von 0,01 bis 5 Mikrometern wachsen gelassen werden.
Claims (9)
1. Verfahren zum Wachsenlassen eines epitaxialen Siliciumcarbidfilms
auf einem Substrat, ausgewählt aus:
(i) Silicium, auf das eine Siliciumcarbidpufferschicht durch
Carbonisierung vor dem Aufwachsenlassen des epitaxialen
Siliciumcarbidfilms aufwachsen gelassen wurde, und
(ii) Siliciumcarbid, wobei dieses Verfahren umfaßt:
Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur in einem Bereich von
600ºC bis 1000ºC und
Aussetzen des erwärmten Substrats an ein Gas, das Trimethylsilan
enthält, für einen Zeitraum, der ausreicht, um den epitaxialen
Silicumcarbidfilm wachsen zu lassen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat Silicium ist und vor
dem Wachsenlassen der Siliciumcarbidpufferschicht durch ein
Verfahren, ausgewählt aus Eintauchen des Substrats in eine Säure
und Aussetzen des Substrats an HCl/H&sub2; bei einer Temperatur oberhalb
von 1000ºC, gereinigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Carbonisierung durch
Aussetzen des Substrats an eine Gasmischung, die einen
Kohlenwasserstoff und Wasserstoffgas enthält, bei einer Temperatur
oberhalb von 1000ºC ausgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Kohlenwasserstoffgas
ausgewählt ist aus Methan, Ethan, Propan, Butan, Ethylen und
Acetylen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas außerdem ein inertes
Trägergas in einem Verhältnis von Trimethylsilan:Träger im Bereich
von 1 : 1 bis 1 : 10.000 enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erwärmte Substrat dem
Trimethylsilangas für einen Zeitraum im Bereich zwischen 1 und 30
Minuten ausgesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erwärmte Substrat dem
Trimethylsilangas bei einem Druck im Bereich zwischen 133,3 uPa
(10&supmin;&sup6; Torr) und atmosphärischem Druck ausgesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wachstum des epitaxialen
Siliciumcarbidfilms durch eine Gasphasenabscheidungstechnik,
ausgewählt aus Molekularstrahlepitaxie, Ionenstrahlen,
laserunterstützte CVD und heiße Filamentdrähte unterstützt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas ebenfalls (CH&sub3;)&sub3;SiP
enthält.
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