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Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit wenigstens einer aus einer Legierung zweier, insbesondere einen verschieden grossen Bandabstand aufweisenden Halbleiter- materialien bestehenden einkristallinen Halbleiterschicht.
Bei der Legierungsbildung zwischen verschiedenen Halbleltermaterial1en treten Benetzungsschwierig- keiten auf, die eine unterschiedliche Legierungstiefe und einen nicht ebenen Übergang zwischen den
Schichten zur Folge haben. Aus der deutschen Auslegeschrift 1077788 ist es bekannt, beim Herstellen einer Legierung aus Halbleiterstoffen verschieden grossen Bandabstandes die Benetzungsschwierigkeiten durch Zugabe eines Trägermaterials zu einem der die Legierung bildenden Stoffe herabzusetzen. Es wird dazu zunächst eine Legierung mit einem der beiden Halbleitermaterialien hergestellt, die hauptsächlich aus dem Trägermaterial besteht.
Dieses Trägermaterial soll solche Eigenschaften haben, dass es relativ träge in bezug auf die Mitteilung eines Leitfähigkeitstyps an das verwendete Halbleitermaterial ist und dass es jeden der beiden zu legierenden Halbleiter lösen kann. Eine zusätzliche Dotierung der aus den bei- den Halbleitern gebildeten Legierung durch dieses Trägermaterial ist jedoch niemals ganz zu vermeiden.
Ausserdem müssen, um zu verhindern, dass ausser dem Trägermaterial noch weitere Verunreinigungen zu- geführt werden, auch die als Trägermaterial verwendeten Stoffe selbst von sehr hoher Reinheit sein. Die
Herstellung eines Trägermaterials in der geforderten Reinheit ist fast immer äusserst schwierig und jeden- falls sehr kostspielig. Da das Trägermaterial in verhältnismässig hohem Masse zugesetzt werden muss, sind die Verunreinigungseffekte nicht unerheblich und wegen der im Trägermaterial selbst enthaltenen Verunreinigungen vor allem auch praktisch unkontrollierbar. Ausserdem wirkt sich das Trägermaterial nachteilig auf die Beweglichkeit und die Lebensdauer der Ladungsträger in der Legierungsschicht aus.
Diese Schwierigkeiten werden gemäss der Erfindung dadurch überwunden, dass auf einem aus dem Halbleitermaterial höheren Schmelzpunktes, insbesondere Silizium, bestehenden gleichmässig erhitzten einkristallinen Träger eine gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials niedrigeren Schmelzpunktes, insbesondere des Germaniums, thermisch zersetzt, eine Schicht dieses Halbleitermaterials niedergeschlagen und gleichzeitig oder danach der Träger auf eine. der gewünschten Legierungszusammensetzung entsprechende Temperatur erhitzt und anschliessend die gebildete Legierung bei einer etwas niedrigeren Temperatur getempert wird.
Das Niederschlagen von Halbleiterschichten aus der Gasphase durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleiterstoffes auf einem Träger ist bereits bekannt. Es ist bei diesem Verfahren weiter bekannt, zur Herstellung von pn-Übergängen die abgeschiedenen Schichten aus der Gasphase während ihrer Abscheidung durch Zugabe dotierender Substanzen zum Reaktionsgasgemisch zu dotieren.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird ein Träger aus Halbleitermaterial hohen Schmelzpunktes durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung eines Halbleiterstoffes niedrigeren Schmelzpunktes mit dem letztgenannten Halbleiterstoff überzogen. Dieser Überzug steht in inniger Berührung mit dem Trägerkörper und legiert deshalb gleichmässig in diesen ein, so dass sich ebene Übergänge zwischen den einzelnen Schichten bilden. Die Legierungsschicht kann dabei ausserdem hochrein, insbesondere intrinsischleitend sein, da kein die Benetzung förderndes Trägermaterial notwendig ist. Ausserdem kann die Leitfähigkeit der Legierungsschicht durch definierte Zugabe des Dotierungsmaterials in kontrollierbarer
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Weise eingestellt werden.
Auf dieser so hergestellten Legierungsschicht kann dann gemäss einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung wenigstens eine weitere, gegebenenfalls dotierte Halbleiterschicht gebil- det werden. Es können natürlich auch abwechselnd mehrere Legierungsschichten und p, n oder intrinsisch- leitende Halbleiterschichten, die nur aus einem Halbleiterstoff bestehen, nach dem erfindungsgemässen
Verfahren niedergeschlagen werden.
Die einzelnen Schichten können dabei z. B. während des Niederschlagens aus der Gasphase in ge- wünschter Weise dotiert werden. Die Legierungsschicht kann während des Legierungsvorganges z. B. durch im Träger und in der auf diesem niedergeschlagenen Schicht enthaltene Stoffe dotiert werden. Der
Leitungstyp der Legierungsschicht wird dann durch die Art und die Konzentration des im Träger und der niedergeschlagenen Schicht enthaltenen Dotierungsstoffes bestimmt.. Gemäss einer günstigen Weiterbil- dung der Erfindung wird die Legierungsschicht entweder nur durch Einbau von Störstellen aus dem Träger oder nur aus der niedergeschlagenen Schicht dotiert.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist besonders dann mit Vorteil anwendbar, wenn in das Gitter eines Halbleiters kleinen Bandabstandes ein Halbleiter grossen Bandabstandes eingebaut und dadurch eine
Aufweitung des Bandabstandes im ersten Halbleitermaterial erzielt werden soll.
Bei einem in Flussrichtung gepolten Emitter-pn-Übergang setzt sich der Gesamtstrom am pn-Über- gang zwischen Emitter- und Basiszone aus Minoritätsträgem, die vom Emitter in die Basiszone, und aus
Minoritätsträgern, die von der Basiszone in die Emitterzone injiziert werden, also aus Ladungsträgern beiderlei Vorzeichens, zusammen. Die Stromverstärkung einer derartigen Halbleiteranordnung, z. B. eines Transistors, ist der Emitterergiebigkeit, d. h. dem Verhältnis'des Stroms, der von den vom Emitter in die Basis injizierten Minoritätsträgern getragen wird, zum Gesamtstrom proportional.
Um einen grossen
Stromverstärkungsfaktor zu erzielen, ist es deshalb wichtig, dass das Verhältnis von dem vom Emitter in die
Basis injizierten Minoritätsträgern zum gesamten Strom möglichst nahe 1 hegt bzw. dass der sogenannte
Injektionsverlust, das ist derjenige Anteil des Stroms, der von den von der Basis in den Emitter injizierten
Minoritätsträgern getragen wird, möglichst klein ist.
Es ist bereits bekannt, dass man den Injektionsverlust um mehrere Grössenordnungen herabsetzen kann, wenn man als Emitter einen Halbleiter verwendet, der einen grösseren Bandabstand als der Basishalbleiter hat. Die Aktivierungsenergie für Ladungsträger, die von der Basis in den Emitter injiziert werden, ist dann grösser als die Aktivierungsenergie für Ladungsträger, die vom Emitter in die Basis fliessen. Der Injektionsverlust wird dann proportional dem Faktor e'/T herabgesetzt, wobei AE die Differenz der Bandabstände des Emitter- und Basishalbleiters darstellt.
Halbleiter mit verschieder grossem Bandabstand sind z. B. Silizium und Germanium. Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden als Ausführungsbeispiel ein Verfahren beschrieben, das es ermöglicht, Silizium über eine Silizium-Germanium-Legierung in das Germaniumgitter einzubauen und dadurch eine Aufweitung des Bandabstandes im Germaniumkristall zu erzielen. Weiter wird im folgenden die Herstellung eines Germaniumtransistors mit dem erfindungsgemässen Verfahren beschrieben, dessen Emitter aus einer Germanium-Silizium-Legierung besteht. Ausserdem wird die Herstellung eines Siliziumtransistor beschrieben, der aus zwei äusseren Schichten gleichen Leitungstyps und einer einkristallinen Zwischenschicht aus einer Germanium-Silizium-Legierung entgegengesetzten Leitungstyps besteht.
In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. In einem z. B. aus Quarz bestehender Gefäss 2 befindet sich auf einer Unterlage 5 der Träger 6, z. B. ein einkristallines Siliziumscheibchen. Die Unterlage 5 besteht aus einem Material, aus dem während des Verfahrens keine die Halbleitereigenschaften störenden Verunreinigungen in den Trägerkörper eindiffundieren, also z. B. aus silizierter Kohle, oder aus hochreinem Halbleitermaterial, z. B. ebenfalls aus Silizium. Im Ausführungsbeispiel wird die Erhitzung auf die jeweilige Arbeitstemperatur induktiv durch eine Hochfrequenzspule 3 vorgenommen. Die Unterlage 5 kann aber auch als Heizleiter dienen, der z.
B. durch direkten Stromdurchgang erhitzt wird und die Wärme auf den Träger 6 überträgt. Es kann auch der Träger mit Stromzuführungen versehen sein und durch direkten Stromdurchgang erhitzt werden. Die Spule 3 kann dann z. B. auch zur Vorerwärmung dienen und als Heizspule, wie sie zur Widerstandsheizung verwendet wird, ausgebildet sein. Die Oberfläche des einkristallinen Trägers 6 muss hochrein sein. Deshalb wird vor Aufbringen des Trägers auf die Unterlage 5 dieser in eine Ätzlösung, die z. B. konzentrierte Salpetersäue und konzentrierte Flusssäure im Verhältnis 1 : 1 enthält, eingetaucht und abgeätzt, dann auf die Unterlage aufgebracht und im Wasserstoffstrom bei etwa 12300 C geglüht. Durch die Gaszuführung1 wird dann das Reaktionsgasgemisch, das z.
B. aus Wasserstoff und einem Germaniumhalogenid, z. B. Germaniumtetrachlorid oder Germaniumchloroform, besteht, eingeleitet und auf dem erhitzten Träger thermisch zersetzt.
Dabei kann die Oberflächentemperatur des Trägers entweder oberhalb des Schmelzpunktes des Germaniums
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bei der für die gewünschte Legierungszusammensetzung erforderlichen Schmelz- bzw. Erstarrungstempe- ratur liegen, so dass gleichzeitig mit dem Niederschlagen des Germaniums auf dem Siliziumträger die
Legierungsbildung einsetzt, oder sie kann unterhalb des Schmelzpunktes des Germaniums liegen, bei der
Verwendung von Germaniumtetrachlorid z. B. bei 600 - 9000 C, so dass während des Niederschlagens kei- ne Legierungsbildung stattfindet.
Liegt die Oberflächentemperatur des Trägers unterhalb des Schmelzpunktes des Germaniums, so wird nach dem Abscheiden einer Germaniumschicht gleichmässiger Dicke der Siliziumträger 6 in reiner Was- serstoffatmosphäre langsam auf die für die gewünschte Legierungszusammensetzung erforderliche Schmelzbzw. Erstarrungstemperatur, die aus dem Zweistoffdiagramm Germanium-Silizium entnommen werden kann, hochgeheizt und auf dieser Temperatur gehalten, bis sich das dieser Temperatur entsprechende
Gleichgewicht des binären Systems eingestellt hat. Man erhält z. B. bei einer Temperatur von etwa
11500 C eine Germanium-Silizium-Legierung, die sich aus etwa 60 Atom% Silizium und etwa 40 Atom%
Germanium zusammensetzt.
Wenn sich das Gleichgewicht des binären Systems eingestellt hat, wird die
Temperatur des Trägers so lange langsam und stetig erniedrigt, bis das niedergeschlagene Halbleiterma- terial kleinen Bandabstandes vollkommen zur Legierungsbildung verbraucht worden ist. Durch die Menge des abgeschiedenen Germaniums ist die Dicke der unlegiert zurückbleibenden Trägerschicht und die Dik- ke der Legierungsschicht bestimmt.
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nem Wasserstoffstrom getempert. Diese Temperung dient zur Einstellung eines gewünschten Konzentra- tionsgefälles innerhalb der Legierungsschicht und ausserdem zur Einkristallbildung, bei der der einkristal- line Siliziumträger als Keim wirksam ist. Nach dieser Temperung wird die Temperatur des Trägers wei- ter abgesenkt und bei einer Temperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes des Germaniums, z.
B. wieder bei 600 - 9000 C, liegt, das Reaktionsgemisch erneut in den Reaktionsraum eingeleitet und die gasför- mige Germaniumverbindung auf dem Träger thermisch zersetzt, so dass sich auf der einkristallinen Le- gierungsschicht eine einkristalline Germaniumschicht abscheidet.
Die Dotierung der einzelnen Schichten kann z. B. aus der Gasphase durch die Zugabe dotierender
Substanzen zum Reaktionsgemisch erfolgen. Die Dotierung der Legierungsschicht kann aber auch durch
Einbau von Störstellen aus dem entsprechend dotierten Träger 6 erzielt werden. Verwendet man z. B. einen n-dotierten Träger und legiert in diesen nach dem erfindungsgemässen Verfahren hochreines Ger- manium ein, so erhält man eine n-dotierte Legierungsschicht. Diese n-Dotierung der Legierungsschicht kann aber auch durch Verwendung eines n-dotierten Trägers und Niederschlagen einer n-dotierten Germaniumschicht auf diesem erfolgen.
Ausserdem kann auch auf einen hochreinen Siliziumträger n-dotiertes Germanium aus der Gasphase niedergeschlagen werden und beim Legieren die Störstellen aus der Germaniumschicht in die Legierungsschicht eingebaut werden.
Durch Niederschlagen einer weiteren gegebenenfalls dotierten Germaniumschicht erhält man dann eine Halbleiteranordnung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Das noch verbliebene Silizium des Trägers 7 und gegebenenfalls auch Teile der Germanium-Silizium-Legierungsschicht 8 können nun in bekannter Weise durch Sägen, Läppen oder Ätzen entfernt werden. Je nach Grösse der Halbleiterschicht können diese z. B. durch Ultraschallsägen oder-spalten in kleinere Anordnungen aufgeteilt werden.
In Fig. 3 ist ein Germaniumtransistor dargestellt, dessen Emitter- und Basiszone nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wurden. Die Basisschicht 12 besteht aus p-dotiertem Germanium und die Emitterschicht 13 aus einer n-dotierten Germanium-Silizium-Legierung. In die Basiszone 12 ist z. B. eine Pille 11, die aus einer Gold-Antimon-Legierung besteht, einlegiert, die mit der Basisschicht den Kollektor-pn-Übergang20 bildet. Die Kollektorschicht kann aber z. B. auch durch Niederschlagen einer weiteren n-dotierten Germaniumschicht auf der p-dotierten Germaniumschicht gebildet sein. Die Emitterschicht ist z. B. mit einer Goldelektrode mit Antimonzusatz 15 sperrfrei kontaktiert. Die Basiskontakte 14 und 16 sind durch Einlegieren eines dreiwertigen Metalls, z.
B. durch Aluminiumstifte, oder durch Einlegieren eines Goldringes mit Borzusatz, gebildet.
Nach der Temperung zur Einkristallbildung der Legierungsschicht kann aber auch beispielsweise ein Reaktionsgasgemisch, das aus einem Siliziumhalogenid, z. B. Siliziumtetrachlorid oder Siliziumchloroform, und Wasserstoff besteht, in das Reaktionsgefäss eingeführt und auf dem Träger unter Bildung einer einkristallinen Siliziumschicht thermisch zersetzt werden. Die Abscheidetemperatur liegt in diesem Fall etwa ebenso hoch wie die Temperungstemperatur. Man erhält dann eine Halbleiteranordnung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Der z. B. p-dotierte Träger 17 braucht bei dieser Anordnung nicht entfernt zu werden, sondern bildet eine Zone, z. B. die eines Flächentransistors. Die Siliziumschicht 19 wird beim Nie-
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derschlagen aus der Gasphase z.
B. p-dotiert, während die Legierungsschicht 18 durch Niederschlagen einer n-dotierten Germaniumschicht und Einlegieren dieser Schicht n-dotiert ist. Beim Niederschlagen des Germaniums muss dann das Angebot an n-dotierenden Störstellen so gross sein, dass beim Einlegieren des Germaniums in den p-dotierten Silizium träger 17 die n-Dotierung überwiegt.
Die drei Schichten können in bekannter Weise sperrfrei kontaktiert werden und als Emitter-, Basis- und Kollektorschicht eines Transistors dienen. Dabei kann die Basisschicht mit dem erfindungsgemässen
Verfahren sehr dünn ausgebildet werden, und ausserdem erhält man ebene grossflächige pn-Übergänge. In
Germanium-Silizium-Legierungen mit nicht zu hohem Siliziumgehalt ist die Lebensdauer der Ladung- träger grösser als die bisher bei Silizium erzielten Werte. Ein Siliziumtransistor mit einer Silizium-Ger- manium-Legierung als Basiszone weist daher bessere elektrische Eigenschaften auf als ein Transistor, bei dem alle drei Zonen aus Silizium bestehen.
Auf diese Weise können auch andere Halbleiteranordnungen, z. B. Dioden, insbesondere Vierschicht- dioden, bei denen eine grosse Emitterergiebigkeit erwünscht ist, hergestellt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit wenigstens einer aus einer Legierung zweier, insbesondere einen verschieden grossen Bandabstand aufweisender Halbleitermaterialien bestehen- den einkristallinen Halbleiterschicht, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem aus dem Halbleitermaterial höheren Schmelzpunktes, insbesondere aus Silizium bestehenden gleichmässig erhitzten einkristalli- nen Träger eine gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials niedrigeren Schmelzpunktes, insbesondere des Germaniums, in an sich bekannter Weise thermisch zersetzt und eine Schicht dieses Halbleitermaterials niedergeschlagen,
dass gleichzeitig oder danach der Träger auf eine für die gewünschte Legierungszusammensetzung erforderliche Temperatur erhitzt und anschliessend die gebildete Legierung bei einer etwas niedrigeren Temperatur getempert wird.