DE3879143T2

DE3879143T2 - Verfahren zur zuechtung einer beta-siliziumcarbid-einkristall-schicht auf einem siliziumsubstrat.

Info

Publication number: DE3879143T2
Application number: DE8888120580T
Authority: DE
Inventors: Takashi Eshita; Yuji Furumura; Kikuo Itoh; Fumitake Saginumadai Mieno
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-12-19
Filing date: 1988-12-09
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2008-12-10
Also published as: KR920004173B1; JPH01162326A; KR890011028A; EP0322615A1; EP0322615B1; DE3879143D1; US4855254A; JP2534525B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufwachsen einer β-SiC-Schicht auf einem Siliziumsubstrat. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-β-SiC-Schicht auf einem Siliziumsubstrat, bei welchem alle Prozesse durch Erhitzen des Substrats auf Temperaturen von weniger als 1000ºC durchgeführt werden. Ein zwischen einer β-SiC-Schicht und einem Siliziumsubstrat gebildeter Heteroübergang findet eine vielversprechende Anwendung bei Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungstransistoren, die bei einer hohen Temperatur arbeiten.

2. Beschreibung der verwandten Technik

Verglichen mit Silizium hat Siliziumcarbid SiC eine breite Energielücke von 2,2 eV und weist andere charakteristische Merkmale hinsichtlich der Wärmebeständigkeitseigenschaft, Wärmeleitfähigkeit, Durchbruchsspannung, gesättigten Elektronendriftgeschwindigkeit, etc., auf. Siliziumcarbid hat mehrere kristalline Strukturen, wie 3C-SiC (kubisches System, β-SiC genannt) und 6H-SiC (hexagonales System, α-SiC genannt). Insbesondere ist β-SiC mit einer Energielücke von 2,2 eV verbreitet und bildet den Gegenstand von Untersuchungen zur Entwicklung eines Hochtemperatur-FET (Feldeffekttransistors), einer grünes Licht emittierenden Leuchtdiode und eines bipolaren Transistors mit einem Heteroübergang, bei welchem der Heteroübergang zwischen einem Siliziumsubstrat und einer auf diesem aufgewachsenen Einkristall-β-SiC-Schicht verwendet wird.
Zum Aufwachsen einer Einkristall-β-SiC-Schicht auf einem Siliziumsubstrat wurden einige Verfahren untersucht. Unter diesen ist ein CVD-Verfahren am verbreitetsten, bei welchem das Substrat auf eine Temperatur von etwa 1300ºC erhitzt wird, wobei beispielsweise Propan C&sub3;H&sub3;- und Silan SiH&sub4;- (oder Trichlorsilan SiHCl&sub3;-) Gase als Ausgangsmaterialgase und ein Wasserstoffgas als Trägergas verwendet werden.
Das beim obigen Verfahren angetroffene Problem ist, daß die aufgewachsene β-SiC-Schicht einen Abbau der kristallinen Struktur zeigt, wenn die Dicke der aufgewachsenen β-SiC-Schicht größer als 1 um wird. Die aufgewachsene Schicht zeigt keine epitaxiale β-SiC-Schicht oder Einkristallstruktur von β-SiC, sondern stattdessen eine polykristalline Struktur. Daher kann sie zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei welcher eine dicke β-SiC-Schicht auf einem Siliziumsubstrat verwendet wird, nicht eingesetzt werden. Der Hauptgrund für den Abbau der kristallinen Struktur ist auf eine Gitterfehlanpassung zwischen den Silizium- und den β-SiC-Kristallen zurückzuführen, da die Gitterkonstante von Silizium 0,5430 nm (5,430 Å) und jene von β-SiC 0,4358 nm (4,358 Å) beträgt, wobei die Differenz zwischen diesen etwa 20 % ausmacht.
Zur Verbesserung der kristallinen Eigenschaft der aufgewachsenen β-SiC-Schicht wurde ein Verfahren zum Aufwachsen einer Zwischenschicht durch Carbonisieren des Siliziumsubstrats zwischen dem Siliziumsubstrat und der β-SiC- Schicht vorgeschlagen. Die Zwischenschicht ist vergleichsweise dünn und entlastet die Beanspruchung zwischen dem Siliziumsubstrat und der aufgewachsenen Einkristall-β-SiC- Schicht. Die Zwischenschicht, die eine Dicke von einigen zehn 10&supmin;¹&sup0; m (Å) bis zu einigen hundert 10&supmin;¹&sup0; m (Å) aufweist, wirkt als Pufferschicht für die epitaxiale β-SiC- Schicht.
Das bekannte Verfahren zum Aufwachsen der Pufferschicht enthält die Schritte des Erhitzens des Siliziumsubstrats in einem Temperaturbereich zwischen 1300ºC bis 1350ºC und des Einbringens von Propan C&sub3;H&sub3;-Gas als Ausgangsmaterialgas. Wenn die Dicke der Pufferschicht ausreichend dünn ist, zeigt die auf der Pufferschicht aufgewachsene β-SiC-Schicht eine Einkristall-β-SiC-Struktur, und sie stellt kein ernstes Problem bei der Bildung eines Heteroübergangs zwischen dem Siliziumsubstrat und der auf der Pufferschicht aufgewachsenen epitaxialen β-SiC-Schicht dar. Obwohl es möglich wurde, die Wachstumstemperatur des Einkristall-β-SiC auf der Pufferschicht auf eine Temperatur von weniger als 1000ºC zu vermindern, ist die Temperatur von 1300ºC bis 1350ºC zum Aufwachsen der Pufferschicht äußerst hoch, wenn die Tatsache in Betracht gezogen wird, daß der Schmelzpunkt von Silizium etwa 1400ºC beträgt.
Die hohe Temperatur des Aufwachsens der Pufferschicht unterhalb der Einkristall-β-SiC-Schicht im Stand der Technik bewirkt nachteilige Einflüsse auf das Siliziumsubstrat, wie eine Ausdehnung einer Verunreinigungsdiffusionszone, mechanische Verformung des Substrats, etc. Viele Bemühungen waren auf die Verminderung der Wachstumstemperatur der Pufferschicht oder die Eliminierung des Verfahrens zum Aufwachsen der Pufferschicht durch direktes Aufwachsen der epitaxialen β-SiC-Schicht auf das Siliziumsubstrat gerichtet.
J. Appl. Phys. 45/3 (März 1974), S.1075-1076, offenbart ein Verfahren zum Aufwachsen von β-SiC, bei welchem ein HV- oder UHV-System verwendet wird, in dem eine Reaktionskammer einen Basisdruck gleich oder von weniger als 10&supmin;&sup7; Torr aufweist. Der Druck des in die Reaktionskammer eingebrachten Acetylengases liegt zwischen 10&supmin;&sup7; Torr und 5 x 10&supmin;&sup4; Torr, und es wird kein Trägergas während des Verfahrens des Aufwachsens verwendet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Aufwachsen einer epitaxialen Einkristall-β-SiC-Schicht über einem Siliziumsubstrat vorzusehen, mit einer Pufferzwischenschicht sandwichartig dazwischen.
Es ist eine spezifischere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzusehen, bei welchem alle Methoden in einem Temperaturbereich von weniger als 1000ºC durchgeführt werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum kontinuierlichen Aufwachsen einer Pufferzwischenschicht und einer Einkristall-β-SiC-Schicht auf einem Siliziumsubstrat vorzusehen, wobei ein einfaches System chemischer Dampfabscheidung (mit CDV abgekürzt) verwendet wird, bei welchem die Quellen- oder Ausgangsmaterialgase gewechselt werden und die Temperatur des Substrats bei weniger als 1000ºC während aller Prozesse des Aufwachsens reguliert wird.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-β-SiC-Schicht vorzusehen, die eine überlegene Qualität hinsichtlich der Oberflächenmorphologie der aufgewachsenen epitaxialen β-SiC-Schicht aufweist, sogar wenn die Dicke hiervon einige um überschreitet.
Diese und andere Aufgaben werden durch die Lehre von Anspruch 1 erfüllt.
Diese Aufgaben werden auch durch die Lehre von Anspruch 11 erfüllt.
Da ein Acetylen C&sub2;H&sub2;-Gas aktiver ist als andere Kohlenwasserstoffgase, wird erwartet, daß es mit Silizium bei einer Temperatur von weniger als 1300ºC reagiert. In der vorliegenden Erfindung wird gefunden, daß die Pufferschicht bei einer Temperatur von so wenig wie 800ºC aufgewachsen werden kann, wenn ein Acetylen C&sub2;H&sub2;-Gas als Ausgangsmaterialgas verwendet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig.1 ist eine schematische Ansicht teilweise im Schnitt eines Siliziumsubstrats zusammen mit einer Pufferschicht und einer Einkristall-β-SiC-Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig.2 ist ein Gasflußdiagramm und eine schematische Schnittansicht einer Reaktorkammer für chemische Dampfabscheidung, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig.3(a) zeigt eine Oberflächenrauhigkeit der durch die vorliegende Erfindung aufgewachsenen Einkristall-β-SiC- Schicht, gemessen durch eine Oberflächenprofileinrichtung ALPHA-STEP (Warenzeichen) von TENCOR INSTRUMENTS, und Fig.3(b) zeigt die ähnliche graphische Darstellung für die durch das bekannte Verfahren aufgewachsene epitaxiale β- SiC-Schicht;
Fig.4(a) zeigt ein Röntgenstrahlbeugungsmuster für die durch die vorliegende Erfindung aufgewachsene epitaxiale β-SiC-Schicht, und Fig.4(b) zeigt das ähnliche Muster für die durch das bekannte Verfahren aufgewachsene epitaxiale β-SiC-Schicht; und
Fig.5 zeigt ein Beispiel einer Wachstumsratencharakteristik von Einkristall-β-SiC gegenüber der Substrattemperatur.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig.1 ist eine schematische Ansicht teilweise im Schnitt eines Siliziumsubstrats 1 zusammen mit zwei gemäß der vorliegenden Erfindung darauf aufgewachsenen Schichten. Die untere Schicht ist eine Pufferschicht 2 aus carbonisiertem Silizium und die obere Schicht eine Einkristall- β-SiC-Schicht 3. Diese beiden Schichten werden nacheinander auf dem Siliziumsubstrat 1 durch ein CVD-Verfahren aufgewachsen. Beim Aufwachsen einer epitaxialen Einkristall- β-SiC-Schicht wird es bevorzugt, ein Siliziumsubstrat mit einer außeraxialen (111) Orientierung zu verwenden. In den Ausführungsformen wird ein Siliziumsubstrat mit einer Orientierung von 4º-Abweichung (111) zu [2 ] (nachstehend als Si(111) 4º-Abweichung abgekürzt) verwendet.
Der Grund für die Verwendung eines Silizium (111)-Substrats mit einer außeraxialen Orientierung ist im folgenden Bericht und der ungeprüften Japanischen Patentanmeldung "Heteroepitaxial β-SiC on Si" von Y. Furumura et al.: Journal of the Electrochemical Society, Bd.135, Nr.5, Mai 1988; "SHO-62-155512", eröffnet am 10.Juli 1987, von M. Doki, F. Mieno, et al., geoffenbart.
Die obigen zwei Offenbarungen stehen mit einem Verfahren zum direkten Aufwachsen einer Einkristall-β-SiC-Schicht auf einem Silizium (111)-Substrat mit einer außeraxialen Orientierung ohne Pufferschicht in Zusammenhang, bei welchem die Einkristall-β-SiC-Schicht bei einer Temperatur gleich oder von weniger als 1000ºC aufgewachsen wird. Die erste Literaturstelle offenbart, daß eine Einkristall- β-SiC-Schicht mit einer Dicke von einigen hundert nm zufriedenstellend auf dem Siliziumsubstrat aufgewachsen wird. Der Winkel zwischen 0,5º und 10º für die außeraxiale Orientierung kann verwendet werden. In den folgenden Ausführungsformen wird jedoch ein Si(111) 4º-Abweichung-Substrat verwendet.
Wenn eine Einkristall-β-SiC-Schicht mit einer Dicke von mehr als 1 um zur Herstellung eines bipolaren Transistors mit einem Heteroübergang oder eines Hochtemperatur- FET benötigt wird, wird gefunden, daß sich die Oberflächenmorphologie der durch das oben angegebene Verfahren aufgewachsenen β-SiC-Schicht mit einer Zunahme der Dicke verschlechtert. Dennoch ist es weiterhin wirksam, ein Si(111) 4º-Abweichung-Substrat für einen Fall zu verwenden, in dem die Pufferschicht zwischen dem Siliziumsubstrat und der epitaxialen β-SiC-Schicht gebildet wird.
In den bekannten Verfahren zum Aufwachsen einer Pufferschicht mit dem Ziel, eine Gitterfehlanpassung zwischen einem Siliziumsubstrat und einer epitaxialen β-SiC-Schicht zu lockern oder zu entspannen, ist eine hohe Temperatur von mehr als 1300ºC zum Aufwachsen der Pufferschicht notwendig, wie in der verwandten Technik erläutert. Um die Temperatur des Aufwachsens der Pufferschicht zu vermindern, wird beim Verfahren der vorliegenden Erfindung eine in Fig.2 dargestellte Vorrichtung verwendet. Diese zeigt ein Gasflußdiagramm und eine schematische Schnittansicht einer Reaktorkammer für chemische Dampfabscheidung.
In Fig.2 ist das Siliziumsubstrat 1 auf einem Aufnehmer 12 montiert und in einer Reaktorkammer 10 von einem horizontalen Typ installiert. Üblicherweise ist eine Vielzahl von Substraten in der Reaktorkammer 10 angeordnet und wird gleichzeitig bearbeitet. Außerhalb der Reaktorkammer 10 ist eine Hochfrequenz-Induktionsspule 14 vorgesehen, um den Aufnehmer 12 aus Kohlenstoff, wie Graphit, zusammen mit dem darauf montierten Substrat 1 zu erhitzen. Die Reaktorkammer 10 hat einen Einlaß 16, durch den ein gemischtes Gas von einem Gaszufuhrsystem eingebracht wird, und weist ferner einen Auslaß 18 auf, mit dem ein Abzugssystem 20 verbunden ist.
Das Gaszufuhrsystem in Fig.2 umfaßt drei Gasmaterialquellen. Eine Acetylen C&sub2;H&sub2;-Gasquelle 22 ist in einer ersten Flasche vorgesehen; eine Propan C&sub3;H&sub3;- oder Acetylen- Gasquelle 24 in einer zweiten Flasche; und eine Trichlorsilan SiHCl&sub3;- oder Dichlorsilan SiH&sub2;Cl&sub2;-Gasquelle 26 in einem Blasentopf. Ferner ist eine Wasserstoff H&sub2;-Gasquelle 28 in einer dritten Flasche vorgesehen, und das Wasserstoffgas wird als Trägergas verwendet, das das Gasmaterial verdünnt und die natürliche Oxidschicht auf dem Substrat 1 entfernt. Da Trichlorsilan SiHCl&sub3; oder Dichlorsilan SiH&sub2;Cl&sub2; bei Raumtemperatur flüssig ist, wird es durch ein Wasserstoffgas geperlt, das von der Wasserstoffgasquelle 28 zugeführt wird.
Jede Gasquelle umfaßt einen Massenflußmesser MFM und ein Flußsteuerventil Vc, wie ein Nadelventil. Eine Kombination des Massenflußmessers MFM und des Flußsteuerventils Vc kann durch einen Massenflußregler ersetzt werden. Für den Blasentopf ist ein Verdampfungsregler 30 vorgesehen, der mehrere Ventile enthält und eine Flußrate eines perlenden Wasserstoffgases und eines ausgegebenen Mischgases aus Wasserstoff und Trichlorsilan SiHCl&sub3; (oder Dichlorsilan SiH&sub2;Cl&sub2;) reguliert.
Nach dem Laden des Siliziumsubstrats 1 in die Reaktorkammer 10 wird das Abzugssystem 20 verwendet, um die Reaktorkammer 10 zu evakuieren. Der Druck in der Reaktorkammer wird vermindert und bei einem Druck von weniger als 1333 Pa (10 Torr) (typischerweise 399 bis 666 Pa (3 bis 5 Torr)) gehalten. Dieser Druckwert wird während des gesamten anschließenden Verfahrens des Aufwachsens aufrechterhalten. Das Hauptventil Vm und das Flußsteuerventil Vc&sub4; für die Wasserstoffgasquelle 26 werden geöffnet. Das Flußsteuervential Vc&sub4; wird derart eingestellt, daß eine Flußrate des Wasserstoffgases, wie 1 bis 20 SLM (Standardliter pro Minute), erhalten werden kann. In der Ausführungsform wird eine Gasflußrate im Bereich von 7 bis 10 SLM verwendet. Danach wird der Aufnehmer 12 während etwa 10 Minuten durch die Hochfrequenz-Induktionsspule 14 erhitzt, was zur Erhöhung der Substrattemperatur auf 800 bis 1000ºC führt. Ein niedrigerer Temperaturbereich, wie 810 bis 850ºC, wird bevorzugt. Dieses Verfahren reinigt die Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 durch Entfernen eines dünnen Films aus durch natürliche Oxidation gebildetem Siliziumdioxid.
Während der Wasserstoffgasfluß aufrechterhalten wird und die Substrattemperatur unverändert bleibt, wird das Flußsteuerventil Vc&sub1; für die Acetylen C&sub2;H&sub2;-Gasquelle 22 geöffnet, und die Flußrate des Acetylengases wird in einem Bereich von 5 bis 30 SCCM (Standardkubikzentimeter pro Minute), vorzugsweise in einem Bereich von 15 bis 25 SCCM, reguliert. Mit der Einführung des Acetylengases wird ein Siliziumsubstrat carbonisiert, und beginnt eine Pufferschicht auf dem Siliziumsubstrat 1 aufzuwachsen. Die Pufferschicht mit einer Dicke von 6 bis 10 nm kann während eines Aufwachsens von 5 bis 10 Minuten erhalten werden. Die Wachstumsrate der Pufferschicht ist von der Substrattemperatur und der Flußrate des Acetylengases abhängig.
Als nächstes wird das Flußsteuerventil Vc&sub1; geschlossen, und werden die Flußsteuerventile Vc&sub2; und Vc&sub3; geöffnet. Die Flußrate eines Propan C&sub3;H&sub3;-Gases wird in einem Bereich zwischen 10 und 40 SCCM reguliert, und die Flußrate eines Trichlorsilan SiHCl&sub3;-Gases wird bei etwa 0,1 bis 1,0 SLM reguliert, wobei die gleiche Flußrate für die Wasserstoffgasquelle 28 aufrechterhalten wird. Ein Mischverhältnis des Propangases zum Trichlorsilangas beträgt vorzugsweise etwa 1:30 bis 35. Da das Wasserstoffgas ein Trägergas ist, ist seine Flußrate viel größer als jene der obigen beiden Ausgangsgase zusammen, beispielsweise beträgt sie etwa das Zehnfache der Flußrate der Mischung der anderen beiden Gase. Während ein gemischtes Gas aus Propan C&sub3;H&sub3;, Trichlorsilan SiHCl&sub3; und Wasserstoff in die Reaktorkammer 10 eingebracht wird, wird das Substrat 1 auf eine Temperatur von etwa oder weniger als 1000ºC erhitzt. Ein Temperaturbereich von 900 ± 50ºC wird mehr bevorzugt. Während des obigen Verfahrens des Aufwachsens wird eine Einkristall- β-SiC-Schicht 3 auf der Pufferschicht 2 aufgewachsen, wie in Fig.1 gezeigt. Wenn eine niedrigere Wachstumstemperatur während des Aufwachsens angewendet wird, wird die Wachstumsrate der epitaxialen β-SiC-Schicht kleiner. Ein Beispiel der Wachstumsratencharakteristik gegenüber der Substrattemperatur ist in Fig.5 gezeigt. Die niedrigere Substrattemperatur während des Wachstums ist jedoch erwünscht, um nachteilige Einflüsse auf die Substratstruktur zu vermeiden.
In der obigen Ausführungsform kann die Trichlorsilan SiHCl&sub3;-Gasquelle durch eine Dichlorsilan SiH&sub2;CL&sub2;-Gasquelle ersetzt werden. Ferner kann das Propan C&sub3;H&sub3;-Gas durch andere Kohlenwasserstoffgase mit einer Molekularstruktur ersetzt werden, die zwei oder drei Kohlenstoffatome in einem einzelnen Molekül aufweist, wie ein Acetylen C&sub2;H&sub2;-Gas. In Fall der Verwendung eines Acetylengases, kann die Acetylen C&sub2;H&sub2;-Gasquelle 22 als gemeinsame Gasquelle zum Aufwachsen sowohl der Pufferschicht 2 als auch der Einkristall-β-SiC- Schicht 3 verwendet werden.
Fig.3(a) zeigt eine Spur einer gemessenen Oberflächenrauhigkeit der aufgewachsenen β-SiC-Schicht auf einem Si(11) 4º-Abweichung-Substrat gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, und es ist klar, daß die Oberfläche des durch die vorliegende Erfindung aufgewachsenen β-SiC sehr flach ist. In der Figur gibt die Ordinate der Kurve eine gemessene relative Höhe der aufgewachsenen Oberfläche an, die durch eine Nadel detektiert wird, wobei die Nadel die Substratoberfläche horizontal abtastet. Die Kurve wird unter Verwendung einer Oberflächenprofileinrichtung mit dem Namen ALPHA-STEP (Warenzeichen), hergestellt von TENCOR INSTRUMENTS, Calif. U.S.A., gemessen. Teststücke werden aus 2,7 um dicken Einkristall-β-SiC, das auf einem Si(111) 4º- Abweichung-Substrat aufgewachsen ist, mit einer Pufferschicht von 6 x 10&supmin;&sup9; m (60 Å) hergestellt. Die Wachstumstemperatur der Pufferschicht beträgt etwa 850ºC und jene für die Einkristall-β-SiC-Schicht etwa 900ºC, wodurch das Trichlorsilan SiHCl&sub3;-, Propan C&sub3;H&sub3;- und Wasserstoffgassystem verwendet wird. Fig.3(a) zeigt, daß sogar die maximale Abweichung von einem mittleren Niveau innerhalb ± 5 x 10&supmin;&sup9; m (± 50 Å) fällt.
Die ähnliche Kurve für Einkristall-β-SiC, das durch das vorher angegebene bekannte Verfahren direkt auf einem Si(111) 4º-Abweichung-Substrat aufgewachsen wurde, ist in Fig.3(b) gezeigt. In diesem Fall wird die β-SiC-Schicht mit einer Dicke von etwa 2,5 µm aufgewachsen. Die Figur zeigt, daß Peakabweichungen von einem mittleren Pegel mehr als ± 40 nm Pegel überschreiten.
Fig.4(a) zeigt ein Röntgenstrahlbeugungsmuster, wobei eine Cu-Kα-Strahlung für die auf einem Si(111) 4º-Abweichung-Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung augewachsene epitaxiale β-SiC-Schicht verwendet wird. Fig.4(b) zeigt das ähnliche Muster für die β-SiC-Schicht, die direkt auf einem Siliziumsubstrat ohne die Pufferschicht durch das bekannte Verfahren aufgewachsen wird.
In Fig.4(a) werden nur zwei Peaks, ein starker β-SiC- Peak und ein relativ schwacher (222) β-SiC-Peak, festgestellt. Da der letztere Index (222) eine ganzzahliges Vielfaches des Index (111) ist, zeigt dies, daß die aufgewachsene β-SiC-Schicht von Fig.4(a) aus einem guten Einkristall besteht. Andererseits werden zwei zusätzliche Peaks, d.h. (220) und (311) β-SiC-Peaks, in Fig.4(b) festgestellt. Dies zeigt an, daß die durch das bekannte Verfahren aufgewachsene β-SiC-Schicht sich in einer kristallinen Struktur verschlechtert und die aufgewachsene Schicht polykristallisiert wird.
Die Ergebnisse zeigen, daß das es das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht, eine Einkristall-β-SiC- Schicht mit einer Dicke von mehr als 1 um bei einer niedrigen Temperatur von weniger als 1000ºC aufzuwachsen. Die Wachstumstemperaturen betragen 800 bis 1000ºC (vorzugsweise 810 bis 850ºC) für die Pufferschicht. Die Wachstumstemperatur für die Einkristall-β-SiC-Schicht beträgt etwa oder weniger als 1000ºC (vorzugsweise 900 ± 50ºC).
Verglichen mit Silizium hat β-SiC eine breite Energielücke, eine höhere Sättigungselektronengeschwindigkeit, eine höhere Durchbruchsspannung und eine größere mechanische Festigkeit. Eine dicke Einkristall-β-SiC-Schicht auf einem Siliziumsubstrat findet auf dem Gebiet der Halbleiter viele Anwendungen. Es kann erwartet werden, daß bei Halbleiteranordnungen mit hoher Qualität, wie Dioden mit einem Heteroübergang, bipolaren Transistoren mit einem Heteroübergang und FETs, das Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert sein. Die vorliegend geoffenbarten Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als erläuternd und nicht als einschränkend anzusehen, wobei der Umfang der Erfindung eher durch die beigeschlossenen Ansprüche als durch die vorstehende Beschreibung angegeben ist, und alle Änderungen, die in den Bedeutungs- und Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sind daher mit umfaßt.

Claims

1. Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf einem Siliziumsubstrat, welches Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Vorsehen des genannten Siliziumsubstrats in einer Reaktorkammer,

(b) Vermindern des Drucks in der genannten Reaktorkammer auf ein Unterdruckniveau,

(c) Fließen eines ersten gemischten Gases, welches ein Trägergas und ein Acetylengas enthält, in die Reaktorkammer, wobei ein Mischverhältnis des Trägergases zum Acetylengas größer als 10 ist,

(d) Erhitzen des genannten Siliziumsubstrats auf eine Temperatur zwischen 800 und 1000ºC, wodurch eine Pufferschicht aus carbonisiertem Silizium auf dem genannten Siliziumsubstrat aufgewachsen wird,

(e) Anhalten des ersten gemischten Gases und Fließen eines zweiten gemischten Gases, welches ein Trägergas, ein Kohlenwasserstoffgas und ein Chlorsilangas enthält, in die genannte Reaktorkammer, wobei ein Mischverhältnis des Trägergases zu den anderen beiden Gasen größer als 10 ist, und

(f) Erhitzen des genannten Siliziumsubstrats auf eine Temperatur von weniger als 1000ºC, wodurch die genannte Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf der genannten Pufferschicht aufgewachsen wird.

2. Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1, bei welchem das genannte Kohlenwasserstoffgas in Schritt (e) aus einer Gruppe von Propan- und Acetylengasen ausgewählt ist.

3. Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1, bei welchem das genannte Chlorsilangas in Schritt (e) aus einer Gruppe von Trichlorsilan- und Dichlorsilangasen ausgewählt ist.

4. Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1, bei welchem das genannte Siliziumsubstrat eine Oberflächenorientierung von 0,5º bis 10º-Abweichung (111) zu [2 ] aufweist.

5. Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristallin-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1, bei welchem der genannte Schritt (d) des Aufwachsens der genannten Pufferschicht fortgesetzt wird, bis die genannte Pufferschicht mit einer Dicke von 60 bis 100 Ångström erhalten wird.

6. Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1, bei welchem die genannte Temperatur des Siliziumsubstrats in Schritt (d) im Bereich von 810 bis 850ºC liegt.

7. Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1, bei welchem die genannte Temperatur des Siliziumsubstrats in Schritt (f) im Bereich von 850 bis 950ºC liegt.

8. Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1, bei welchem das genannte Trägergas in den Schritten (c) und (e) ein Wasserstoffgas ist.

9. Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1, bei welchem ein Mischverhältnis des genannten Chlorsilangases zum Kohlenwasserstoffgas in Schritt (e) größer als 30 ist.

10. Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf einem Siliziumsubstrat nach Anspruch 1, bei welchem das Verfahren des Aufwachsens der genannten Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht in den Schritten (e) und (f) fortgesetzt wird, bis die genannte (β-SiC)-Schicht mit einer Dicke von mehr als 1 um erhalten wird.

11. Verfahren zum Aufwachsen einer Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf einem Siliziumsubstrat, welches Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Vorsehen des genannten Siliziumsubstrats in einer Reaktorkammer,

(c) Fließen eines Wasserstoffgases in die Reaktorkammer,

(d) Erhitzen des genannten Siliziumsubstrats auf eine Temperatur zwischen 800 und 1000ºC, wodurch eine Oberfläche des genannten Siliziumsubstrats gereinigt wird,

(e) Fließen eines ersten gemischten Gases, welches ein Trägergas und ein Acetylengas enthält, in die genannte Reaktorkammer, wobei ein Mischverhältnis des Trägergases zum Acetylengas größer als 10 ist,

(f) Erhitzen des genannten Siliziumsubstrats auf eine Temperatur zwischen 800 und 1000ºC, wodurch eine Pufferschicht aus carbonisiertem Silizium auf dem genannten Siliziumsubstrat aufgewachsen wird,

(g) Anhalten des ersten gemischten Gases und Fließen eines zweiten gemischten Gases, welches ein Trägergas, ein Kohlenwasserstoffgas und ein Chlorsilangas enthält, in die genannte Reaktorkammer, wobei ein Mischverhältnis des Trägergases zu den anderen beiden Gasen größer als 10 ist, und

(h) Erhitzen des genannten Siliziumsubstrats auf eine Temperatur von weniger als 1000ºC, wodurch die genannte Einkristall-Siliziumcarbid (β-SiC)-Schicht auf der genannten Pufferschicht aufgewachsen wird.