DE1282621B

DE1282621B - Verfahren zum Herstellen von insbesondere monokristallinem Siliziumkarbid

Info

Publication number: DE1282621B
Application number: DED50644A
Authority: DE
Inventors: Kern Edward Lane; Hamill Dennis Willem
Original assignee: Dow Corning Corp
Current assignee: Dow Silicones Corp
Priority date: 1965-08-27
Filing date: 1966-07-21
Publication date: 1969-09-11
Also published as: SE309969B; US3463666A; GB1115237A; NL6612035A; CH480869A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von insbesondere monokristallinem Siliziumkarbid, das sich für die Verwendung als Halbleiter in mikroelektronischen Schaltungen in Umgebungen mit hoher Temperatur eignet.
Der Einsatz von Halbleitern in elektronischen Vorrichtungen hat viele neue Anwendungsgebiete für elektronische Schaltungen eröffnet. Ein ganz bedeutendes Anwendungsgebiet ist der Einsatz bei hohen Temperaturen, in denen Vakuumröhren konventioneller Technik versagen oder sogar schmelzen würden. Halbleitervorrichtungen, die aus den üblicherweise verwendeten Werkstoffen bestehen, wie z. B. Silizium und Germanium, können bei höheren Temperaturen als konventionelle Vakuumröhren eingesetzt werden und haben überdies noch einen stark herabgesetzten Leistungsbedarf. Es gibt jedoch noch viele wichtige Anwendungen in Raketen und Steuereinrichtungen, für die Schaltungen mit noch höheren Temperaturfestigkeiten erwünscht oder sogar erforderlich sind.
Die Anwendung von Siliziumkarbid in Schaltungen mit hohen Umgebungstemperaturen ist bekannt. Wegen der großen Energie, die zum Aufbrechen der kovalenten Bindungen in dem Siliziumkarbid erforderlich ist, ist es schon bei Temperaturen von über 600° C verwendet worden. Die große Bindungsenergie gewährleistet auch eine ausgezeichnete Strahlungsfestigkeit.
Es ist ein Verfahren zum Herstellen von Siliziumkarbidüberzügen bekannt, bei dem Siliziumchloriddämpfe bei hohen Temperaturen an Zirkonkarbid-oder Tantalkarbidfäden vorbeigeleitet wurden, auf denen sich ein Überzug aus Siliziumkarbid abscheidet. Zirkonkarbid und Tantalkarbid sind aber verhältnismäßig schwierig in monokristalliner Form herzustellen. Schwierigkeiten ergeben sich weiter dadurch, daß das Siliziumkarbid eine andere Oberflächen- und Kristallstruktur als Zirkonkarbid und Tantalkarbid hat, so daß mechanische Spannungen auftreten.
Die Erfindung geht daher von einem anderen bekannten Verfahren zum Herstellen von insbesondere monokristallinem Siliziumkarbid durch thermische Zersetzung von Silizium- und Kohlenstoff enthaltenden Gasen an einem Substrat aus, das ein ähnliches Kristallgitter wie Siliziumkarbid hat.
Bei dem bekannten Verfahren erfolgt die Zersetzung an einem polykristallinem Siliziumkarbidstab. Das gebildete Siliziumkarbid fällt in Form eines Pulvers oder in Form von kleinen Kristallen an.
Die Herstellung von monokristallinem Siliziumkarbid geht dann besonders günstig vor sich, wenn das Substrat die gleiche Struktur aufweist, d. h. ebenfalls monokristallin ist. Auf einem polykristallinem Substrat kann sich eine monokristalline Siliziumkarbidschicht praktisch nicht abscheiden. Die Herstellung von monokristallinem Siliziumkarbid zur Verwendung als Substrat ist aber außerordentlich schwierig. Diese Schwierigkeit der Beschaffung eines Substrats mit monokristalliner Struktur vermeidet die Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von insbesondere monokristallinem Siliziumkarbid durch thermische Zersetzung von Silizium- und kohlenstoffhaltigen Gasen an einem Substrat, das ein ähnliches Kristallgitter wie Siliziumkarbid hat, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zersetzung an einem monokristallinem Saphir durchgeführt wird. Ein monokristalliner Saphir läßt sich einfach beschaffen. Das verwendete Gas kann in üblicher Weise entweder ein Organosilan oder ein Gemisch aus gasförmigen Siliziumverbindungen und Kohlenstoffverbindungen sein. Die thermische Reduktion wird in bekannter Weise in einem Strom eines Trägergases, wie Wasserstoff oder Argon, durchgeführt.
Das monokristalline Saphirsubstrat hat ein Kristallgitter, das sich sehr stark an die Kristallgitterstruktur von Siliziumkarbid annähert. Durch thermische Zersetzung des das Silizium und den Kohlenstoff enthaltenden Gases bei bekannten Temperaturen oberhalb von 1650° C bilden das Silizium und der Kohlenstoff Siliziumkarbid in einer insbesondere monokristallinen Konfiguration, die vermutlich durch das Kristallgitter des Substrats verursacht wird.
Alle Gase, die bisher für die Herstellung von Siliziumkarbid durch thermische Zersetzung von Gasen bekannt sind, eignen sich für das vorliegende Verfahren. Die bevorzugten Gase sind jedoch halogenierte Gase einschließlich Dimethyldichlorsilan, Methyltrichlorisilan, Trimethylmonochlorsilan und ein Gemisch aus Methan- und Siliziumtetrachlorid. Als Trägergas wird Wasserstoff vorgezogen und der Temperaturbereich für die Zersetzung kann bekanntlich zwischen etwa 1650 und 2000° C schwanken.
In einem für den Zersetzungsprozeß spezifischen Beispiel wurde ein Einkristall-Saphirsubstrat in einer Reaktionskammer auf eine Temperatur von 1700° C erhitzt. Während 30 Minuten und bei Atmosphärendruck wurde ein Gasgemisch aus 71 pro Minute Hz und 50 cms/Min. (CH.), SiClz über das erhitzte Substrat geleitet. Auf dem Substrat bildeten sich durchsichtiges, gelbes 13-Siliziumkarbid in Form orientierter Einkristalle.
Temperaturschwankungen zwischen 1650 und 2000° C hatten keine merkbaren Auswirkungen auf das Verfahren. Bei einer Temperatur unterhalb von 1650° C bildete sich polykristallines Siliziumkarbid. Die obere Grenze von 2000° C nähert sich dem Schmelzpunkt des Saphirsubstrates an und hat augenscheinlich eine nachteilige Auswirkung auf das Gittergefüge des Substrates.
Ähnliche Ergebnisse wurden erzielt, wenn man statt des Dimethyldichlorsilans unter den gleichen Bedingungen Monomethyltrichlorsilan, Trimethylomonochlorsilan oder ein 1 :1-Gemisch aus Methan und Siliziumtetrachlorid verwendet.
Gegebenenfalls kann der Siliziumkarbidkristall auch zur Bildung von n-Typ, p-Typ oder p-n-Grenzschichten dotiert werden, wozu man der in die Reaktionskammer eingeleiteten Gasströmung bekannte gasförmige Dotierungsmittel zusetzt. Nach der Bildung der gewünschten p-n-Grenzschichten in den Kristallen können zur Bildung von aktiven Halbleitervorrichtungen Leitungsdrähte an den verschiedenen Teilen des Kristalls angebracht werden. Das Saphirsubstrat wirkt wie ein elektrischer Isolator, so daß sich auf dem Substrat mit konventionellen Abdeck- und Auftrageverfahren monolythische Schaltungen ausbilden lassen. Da der Saphir auch eine weit höhere Temperaturbeständigkeit als konventionelle monolythische Schaltungssubtrate hat, kann die fertige Schaltung in Umgebungen mit hoher Temperatur verwendet werden. Alternativ können die Siliziumkarbidkristalle von dem Substrat durch Wegätzen des Substrates mit geeigneten Ätzmitteln gelöst werden. Die Kristalle werden dann zur Herstellung von Vorrichtungen oder Schaltungen verwendet, die vom Substrat unabhängige Einheiten bilden.

Claims

Patentanspruch: Verfahren zum Herstellen von insbesondere monokristallinem Siliziumkarbid durch thermische Zersetzung von Silizium- und kohlenstoffhaltigen Gasen an einem Substrat, das ein ähnliches Kristallgitter wie Siliziumkarbid hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Zersetzung an einem monokristallinem Saphir durchgeführt wird.