-
-
Beschreibung
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristall-Substrats
aus s-Siliciumcarbid (d-SiC).
-
Siliciumcarbid ist ein Halbleitermaterial, das einen breiten verbotenen
Energiesprung (Energielücke bzw. Bandbreite) von 2,2 bis 3,3 Elektronenvolt (eV)
hat und thermisch, chemisch und mechanisch stabil ist und auch eine hohe Beständigkeit
genen Beschädigung durch Strahlung aufweist.
-
Siliciumcarbidesowohl vom p-Typ als auch vom n-Typ weisen eine gute
Stabilität auf, was für Breitband-Halbleiter selten ist, wodurch sie zu einem wertvollen
Halbleitermaterial für optisch-elektronische Vorrichtungen, in denen sichtbares
Licht kurzer Wellenlänge verwendet wird, für elektronische Vorrichtungen, die bei
hohen Temperaturen oder mit einer großen elektrischen Energie betrieben werden können,
für Halbleitervorrichtungen mit hoher Zuverlässigkeit, für strahlungs-beständige
Vorrichtungen und dgl. werden und in einer Umwelt verwendbar sind, in der mit Vorrichtungen
aus konventionellen Halbleitermaterialien Schwierigkeiten auftreten, wodurch der
Anwendungsbereich für Halbleitervorrichtungen stark erweitert wird. Während andere
Breitband-Halbleitermaterialien, wie z.B. Halbleiter aus Metallen der Gruppen II-VI,
der Gruppen III-V und dgl. im allgemeinen ein Schwermetall als Hauptkomponente darin
enthalten und somit Probleme in bezug auf die Umweltverschmutzung und die Zugänglichkeit
der Ausgangsmaterialien mit sich bringen, weist Siliciumcarbid diese Probleme nicht
auf.
-
Siliciumcarbid hat viele variierende Strukturen (d.h.
-
Polytyp-Strukturen), die in zwei Typen eingeteilt werden, nämlich
inot - und ß-Siliciumcarbide. d-Siliciumcarbid hat eine hexagonale oder rhomboedrische
Kristallstruktur mit einem verbotenen Energiesprung (Energielücke bzw.
-
Bandbreite von 2,9 bis 3,3 eV, während ß-Siliciumcarbid
eine
kubische Kristallstruktur mit einem Energiesprung (Energielücke bzw. Bandbreite)
von nur 2,2 eV aufweist.
-
Siliciumcarbid ist daher ein Halbleitermaterial, das für optisch-elektronische
Vorrichtungen, wie z.B. lichtemittierende Vorrichtungen, Photodetektoren und dgl.
für sichtbares Licht kurzer Wellenlänge einschließlich blauem und nahem ultraviolettem
Licht, verwendet werden kann. Als konventionelle Halbleitermaterialien, die als
lichtemittierende Vorrichtungen für sichtbares Licht kurzer Wellenlänge einschließlich
blauem Licht verwendbar sind, wurden bisher Zinksulfid (ZnS), Zinkselenid (ZnSe),
Galliumnitrid (GaN) und dgl. verwendet. Daraus können jedoch Kristalle hergestellt
werden, die eine Leitfähigkeit vom p-Typ oder vom n-Typ aufweisen. Andererseits
erlaubt >-Siliciumcarbid die Herstellung eines Kristalls mit Leitfähigkeiten
sowohl vom p-Typ als auch vom n-Typ, wodurch die Bildung einer p-n-abergangszone
ermöglicht wird, so daß lichtemittierende Vorrichtungen und Photodetektoren mit
ausgezeichneten optischen und elektrischen Eigenschaften hergestellt werden können.
Darüber hinaus ist d-Siliciumcarbid thermisch, chemisch und mechanisch so stabil,
daß es einen erweiterten Anwendungsbereich für Halbleitervorrichtungen, verglichen
mit anderen Halbleitermaterialien, ermöglicht.
-
Trotz dieser vielen Vorteile und Fähigkeiten wurde Siliciumcarbid
(einschließlich der d- und B-Typen) in der Praxis bisher nicht verwendet, weil ein
Verfahren zum Züchten bzw.
-
Wachsenlassen von Siliciumcarbid-Kristallen mit einer guten Reproduzierbarkeit,
wie es für die kommerzielle Herstellung von qualitativ hochwertigen Siliciumcarbid-Substraten
mit einer großen Oberfläche erforderlich ist, bisher nicht entwickelt worden sind.
-
Zu den konventionellen Verfahren zur Herstellung von Einkristall-Substraten
aus Siliciumcarbid im Labormaßstab gehören das sogenannte Sublimationsverfahren
(d.h. das Lely-Verfahren), bei dem Siliciumcarbid-Pulver in einem
Graphittiegel
bei 2 200 bis 2 600°C sublimiert und umkristallisiert wird zur Herstellung eines
Siliciumcarbid-Substrats, das sogenannte Lösungsverfahren, bei dem Silicium oder
ein Gemisch aus Silicium und Verunreinigungen, wie Eisen, Kobalt, Platin oder dgl.,
in einem Graphit-Tiegel geschmolzen wird zur Herstellung eines Siliciumcarbid-Substrats,
und das Acheson-Verfahren, das im allgemeinen zur kommerziellen Herstellung von
Schleifmaterialien verwendet wird und bei dem nebenbei Siliciumcarbid-Substrate
erhalten werden. Auf den unter Anwendung dieser Kristallwachstums-Verfahren hergestellten
N-Siliciumcarbid-Substraten wird eine Einkristall-Schicht aus N-Siliciumcarbid epitaktisch
wachsen gelassen nach der Flüssigphasen-Epitaxie (LBE)-Methode und/oder der chemischen
Dampfabscheidungs (CVD)-Methode zur Herstellung eines p-n-Übergangs, wobei man blaues
Licht emittierende Dioden erhält.
-
Obgleich eine große Anzahl von Kristallen nach dem Sublimationsverfahren
oder dem Lösungsverfahren hergestellt werden kann, ist es schwierig, große Einkristall-Substrate
aus Siliciumcarbid herzustellen, da viele Kristallkeime in der Anfangsstufe des
Kristallwachstums auftreten. Siliciumcarbid-Substrate, die nebenbei nach dem Acheson-Verfahren
erhalten werden, sind in ihrer Reinheit und Kristallinität so minderwertig, daß
sie als Halbleitermaterialien nicht verwendet werden können. Selbst wenn große Einkristall-Substrate
erhalten werden, werden sie nur zufällig erhalten und sind deshalb für die kommerzielle
Herstellung von Siliciumcarbid-Substraten unbedeutend. Nach diesen konventionellen
Verfahren zur Herstellung von Einkristall-Substraten aus Siliciumcarbid ist es daher
schwierig, die Größe, Gestalt und Qualität der Einkristall-Substrate aus Siliciumcarbid
in einem großtechnischen Maßstab zu kontrollieren bzw. zu steuern.
-
Obgleich auf den nach den vorstehend beschriebenen Kristallwachstumsverfahren
hergestellten d-S ilic iumcarbid-
Substraten lichtemittierende Dioden
nach der Flüssigphasen-Epitaxie-Methode oder der chemischen Dampfabscheidungs-Methode,
wie vorstehend erwähnt, hergestellt werden können, ist kein Verfahren zur kommerziellen
Herstellung von qualitativ hochwertigen Einkristall-Substraten vom d-Typ mit einer
großen Oberfläche bekannt, so daß es unmöglich ist, die Einkristall-Substrate vom
W-Typ in großen Mengen industriell herzustellen.
-
In den letzten Jahren wurde ein Verfahren zum Züchten bzw.
-
Wachsenlassen von großflächigen Einkristallen aus Siliciumcarbid vom
p-Typ von guter Qualität auf einem Einkristall-Substrat aus Silicium nach dem chemischen
Dampfabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren) entwickelt (vgl. die japanische Patentanmeldung
Nr. 58-76 842 (76 842-1983), die der US-Patentanmeldung Nr. 603 454 und der DE-OS
34 15 799 entspricht). Dieses Verfahren umfaßt das Wachsen eines dünnen Films aus
Siliciumcarbid auf einem Siliciumsubstrat nach dem CVD-Verfahren bei einer tiefenTemperatur
und dann das Wachsen eines Einkristall-Films aus Siliciumcarbid auf dem dünnen Film
nach dem CVD-Verfahren bei einer höheren Temperatur, wodurch die Herstellung von
großflächigen Einkristall-Substraten aus P-Siliciumcarbid mit einer hohen Qualität
auf einem Einkristall-Substrat aus Silicium, das bei geringen Kosten zur Verfügung
steht, möglich ist unter gleichzeitiger Kontrolle bzw. Steuerung des Polytyps, der
Konzentration der Verunreinigungen, der elektrischen Leitfähigkeit, der Größe, der
Gestalt oder dgl. der Einkristalle.
-
Ferner wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristall-Substrats
aus c-SiC entwickelt, bei dem ein ß-SiC-Einkristall als Substratkristall verwendet
wird zur Herstellung des cc-SiC-Einkristalls, wie in der japanischen Patentanmeldung
Nr. 58-246 512 (246 512/1983) beschrieben, die der US-Patentanmeldung Nr. 683 651
und der DE-OS 34 46 956 entspricht.W-SiC bzw. ß-SiC weisen jeweils
den gleichen Abstand zwischen dem Siliciumatom und dem Kohlenstoffatom auf, der
die Größe des Kristallgitters widergibt. Beide unterscheiden sich nur dadurch voneinander,
daß die Atomschichten auf eine spezifische Kristallfläche, beispielsweise die (111)-Fläche
bei dem ß-SiC, und auf die (0001)-Fläche bei demd-SiC aufgestapelt sind. Aus diesem
Grunde kann dann, wenn die (111)-Fläche des ß-SiC-Einkristalls als ein Substrat
verwendet wird, auf das ein a-SiC-Kristall unter den Wachstumsbedingungen für das
Wachsen des a-SiC-Kristalls aufwachsen gelassen wird, erwartet werden, daß der 5-SiC-Einkriatall
leicht erhalten wird.
-
Das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Verfahren zur
Herstellung eines SiC-Einkristall-Substrats, mit dem die vorstehend erörtertenund
zahlreiche weiteren Nachteile und Mängel des Standes der Technik überwunden werden
können, ist dadurch gekennzeichnet, daß man eine 6-SiC-Einkristall-Schicht auf einen
p-SiC-Einkristall-Film als Wachstumssubstrat aufwachsen läßt, wobei die s-SiC-Einkristall-Schicht
auf die (111)-Fläche des p-SiC-Einkristall-Films aufwächst.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gemisch
aus Monosilangas und Propangas als Quellengas der Oberfläche des Wachstumssubstrats
zusammen mit Wasserstoff als Trägergas zugeführt.
-
Mit der hier beschriebenen Erfindung können die folgenden Ziele erreicht
werden: (1) Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines SiC-Einkristall-Substrats,
bei dem ein ß-SiC-Einkristall verwendet wird als Wachstumssubstrat, auf dessen (111)-Fläche
eine o-SiC-Einkristall-Schicht aufwachsen gelassen wird, so daß ein qualitativ hochwertiges
d-SiC-Einkristall-Substrat mit einer großen Oberfläche mit einer hohen Reproduzierbarkeit
in einem industriellen Maßstab hergestellt
werden kann; (2) Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines SiC-Einkristall-Subsrats,
bei dem ein ct'-SiC-Einkristall erhalten werden kann, der in optisch-elektronischen
Materialien, wie z.B. lichtemittierenden Vorrichtungen, Photodetektoren und dgl.
für sichtbares Licht kurzer Wellenlänge einschließlich blauem undnahemultraviolettem
Licht verwendet werden kann; und (3) Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung
eines SiC-Einkristall-Substrats, das thermisch, chemisch und mechanisch so stabil
ist, daß es einen vergrößerten Anwendungsbereich für Halbleitervorrichtungen ermöglichen
kann.
-
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung hervor.
-
Fig. 1 zeigt eine Seitenschnittansicht einer Wachstumsvorrichtung,
wie sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.
-
Die Fig. 1 zeigt eine Wachstumsvorrichtung, wie sie zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird, die umfaßt ein wassergekühltes
horizontales Quarz-Doppelreaktorrohr 1, das im Innern mit einem Graphit-Susceptor
2 versehen ist, der auf einem Graphit-Trägerstab 3 aufliegt. Das Reaktorrohr 1 ist
mit einer Betätigungsspule 4 umwickelt, durch die man einen Hochfrequenzstrom fließen
läßt, um den Susceptor 2 durch Induktion zu erhitzen. Das Reaktorrohr 1 weist an
seinem einen Ende ein Zweigrohr 5 auf, das einen Gaseinlaß darstellt. Durch die
Zweigrohre 6 und 7 wird Kühlwasser in das Innere des äußeren Rohres des Reaktorrohres
1 eingeführt. Das andere Ende des Reaktorrohres 1 ist durch einen Flansch 8 aus
rostfreiem Stahl, eine Halteplatte 9, Schrauben 10, Muttern 11 und einen O-Ring
12 verschlossen. Der Flansch 8 weist ein
Zweigrohr 13 auf, das einen
Gasauslaß darstellt. Ein Fixierabschnitt 14 in dem Flansch 8 fixiert den Graphit-Trägerstab
3. Ein ß-SiC-Einkristall-Substrat 15, dessen (111)-Fläche als Oberfläche des Substrats
verwendet wird, wird auf den Susceptor 2 gelegt. Unter Verwendung der vorstehend
beschriebenen Wachstumsvorrichtung wird das Wachsenlassen (Züchten) eines N-SiC-Kristalls
durch chemische Dampfabscheidung (CVD) durchgeführt. Der als Substrat zu verwendende
,8-SiC-Einkristall ist ein ,-SiC-Einkristallfilm mit einer (111)-Fläche und einer
Dicke von etwa 30 und einer Oberflächengröße von 1 cm x 1 cm, der hergestellt wird
nach dem in der japanischen Patentanmeldung Nr. 58-76 842 (76 842/1983) beschriebenen
Verfahren, das der US-Patentanmeldung Nr. 603 454 und der DE-OS 34 15 799 entspricht,
bei dem ein dünner SiC-Film unter Anwendung des CVD-Verfahrens bei einer tiefenTemperatur
auf ein SiC-Substrat aufwachsen gelassen wird und dann ein SiC-Einkristall-Film
nach dem CVD-Verfahren bei einer höheren Temperatur auf den dünnen SiC-Film aufwachsen
gelassen wird, woran sich die Entfernung des Si-Substrats mittels einer Säure anschließt.
-
Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung werden Kristalle
auf die folgende Weise gezüchtet bzw.
-
wachsen gelassen: Die Luft innerhalb des Reaktorrohres 1 wird durch
Wasserstoffgas ersetzt und man läßt einen Hochfrequenz-Strom durch die Betätigungsspule
4 fließen, um den Graphit-Susceptor 2 zu erhitzen und die Temperatur des ,3-SiC-Substrats
15 auf 1 500 bis 1 6000C zu erhöhen. Als Quellengas wird Monosilan (SiH4) in einer
Rate von 0,1 bis 0,4 cm3/min in das Reaktorrohr 1 eingeführt und Propan (C3H8) wird
in einer Rate von 0,1 bis 0,4 cm3/min eingeführt. Wasserstoff wird in einer Rate
von 1 bis 5 1/min in das Reaktorrohr 1 als Trägergas eingeführt. Diese Gase werden
durch die Zweigleitung 5 1 Stunde lang dem Reaktorrohr 1 zugeführt, wobei man einen
cll-SiC-Einkristall-Film einer Dicke von
etwa 2 Fm über die gesamte
Oberfläche des ß-SiC-Substrats 15 erhält. Der als Wachstumssubstrat für den ä-SiC-Einkristall-Film
verwendete ß-SiC-Einkristall kann unter Anwendung eines Ätz -Verfahrens und dgl.,
falls erforderlich, entfernt werden, wobei der zurückbleibende d-SiC-Einkristall
als Halbleitermaterial verwendet werden kann.
-
Die als Wachstumssubstrat für den w-SiC-Einkristall zu verwendende
ß-SiC-Einkristall-Schicht kann hergestellt werden, wie in der US-Patentanmeldung
Nr. 693 452 beschrieben, indem man die Oberfläche eines Si-Substrats mit einem einheitlichen
dünnen Film aus SiC, das nach dem CVD-Verfahren bei einer tiefen Temperatur gewachsen
ist, überzieht und danach einen p-SiC-Einkristall-Film nach dem CVD-Verfahren bei
einer höheren Temperatur als in der vorhergehenden Stufe aufwachsen läßt.
-
Das ß-SiC-Einkristall-Substrat mit der (111)-Fläche kann nicht nur
nach dem CVD-Verfahren, sondern auch nach dem Flüssigphasenepitaxie-, Sublimations-,
Abscheidungs-, Molekularstrahlepitaxie-, Spritzverfahren und dgl. hergestellt werden.
Darüber hinaus kann auch das CVD-Verfahren, das andere Methoden umfaßt, angewendet
werden.
-
Das Aufwachsen des -SiC-Einkristalls auf die (111)-Fläche des ß-SiC-Substrats
kann natürlich auch unter Anwendung anderer Verfahren als dem in dem vorstehend
beschriebenen Beispiel erläuterten CVD-Verfahren durchgeführt werden.
-
Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische
bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich,
daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht
abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden
Erfindung verlassen wird.
-
- Leerseite -