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Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung durch thermische
Zersetzung einer gasförmigen Verbindung eines Halbleiterstoffes und Niederschlagen des Halbleiterstoffes in einkristalliner Form auf auf einer erhitzten Unterlage aufliegenden, einkristallinen, insbesondere scheibenförmigen Halbleiterkörpern.
Dieses Verfahren dient zur Herstellung von aufeinanderfolgenden einkristallinen Schichten unterschiedlichen Leitungstyps und/oder unterschiedlicher Leitfähigkeit. Bei diesem Verfahren werden Halbleiterscheiben, z. B. Germanium-oder Siliziumscheiben, auf eine Unterlage aufgelegt und durch Aufheizen dieser Unterlage auf Temperaturen erhitzt, bei denen sich der Halbleitejstoff, der in Form einer gasförmigen Verbindung im Reaktionsgas enthalten ist, auf den Scheiben in einkristallinen Schichten abscheidet.
Es ist bekannt, zum Herstellen dotierter Halbleitereinkristalle ein Verfahren anzuwenden, bei dem auf einen Einkristall aus Halbleitergrundstoff die Dotierungsstoffe aufgedampft und durch Diffusionsglühen darin verteilt werden und bei dem der Grundstoffeinkristall durch Aufdampfen auf eine einkristalline Unterlage aus anderem Stoff, jedoch mit der vom Halbleitereinkristall verlangten Kristallorientierung und damit vergleichbarer Gitterkonstante hergestellt worden ist. Die Abscheidung wird bei diesem Verfahren direkt auf die Unterlage vorgenommen, wobei eine innige Verbindung des abgeschiedenen Materials mit der Unterlage erfolgt.
Auch bei den weiterhin bekannten Verfahren, bei denen beispielsweise Germanium auf eine Graphitunterlage aufgebracht wird oder aber Halbleitermaterial auf einer metallischen Unterlage, die eine dem Halbleitermaterial ähnliche Struktur aufweist, niedergeschlagen wird, erfolgt die Abscheidung des Materials direkt auf der Unterlage und es wird bei diesem Verfahren eine innige Verbindung des aufgebrachten Materials mit der Unterlage bewirkt.
Ausserdem wurde bereits vorgeschlagen, insbesondere um eine Verunreinigung der abgeschiedenen Schichten aus der Unterlage zu vermeiden, eine Unterlage zu verwenden, die aus dem gleichen, insbesondere hochreinen Halbleitermaterial wie die Scheibchen bestehen. So wurde bisher bei der epitaxialen Abscheidung von Siliziumschichten eine aus hochgereinigtem Silizium bestehende Unterlage, z. B. ein halbierter und besonders präparierter Siliziumstab oder ein Siliziumbrett, verwendet. Die Herstellung einer solchen als Heizer geeigneten Unterlage aus Silizium ist aber äusserst schwierig, sehr aufwendig und nicht zuletzt sehr kostspielig.
Eine Unterlage aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Scheibchen hat ausserdem den Nachteil, dass sich während der Abscheidung der einkristallinen Schichten das Halbleitermaterial auch auf der Unterlage abscheidet, so dass die Unterlage nur für wenige Abscheidungsprozesse benutzt werden kann und dann erneuert oder wenigstens neu präpariert werden muss. An den Stellen, an denen während der Abscheidung ein Scheibchen gelegen hat, bleiben Vertiefungen zurück, die bei darauffolgendenAbscheidungen eine gleichmässige Erhitzung des Scheibchens erschweren und nach mehreren Abscheidungsprozessen praktisch unmöglich machen. Ungleichmässige Erhitzung der Scheibchen hat aber die Abscheidung einer epitaktischen Schicht von ungleichmässiger Dicke zur Folge.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren in der Weise durchzuführen, dass eine innige Verbindung zwischen den zu beschichtenden Halbleiterkörpern und der Unterlage vermieden wird, d. h. als Material für die Unterlage ein solches zu wählen, das bei der Arbeitstemperatur mit
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dem abgeschiedenen Halbleitermaterial keine Mischkristalle und kein Eutektikum mit einem Schmelzpunkt, der unterhalb dem der Halbleiterkörper liegt, bildet und das ausserdem vom Reaktionsgasgemisch nicht angegriffen wird.
Bei Verwendung einer solchen Unterlage findet entweder praktisch überhaupt keine Ablagerung des Halbleiterstoffes statt oder diese Ablagerung blättert wegen einer fehlenden innigen Verbindung mit der Unterlage bei der Abkühlung der Unterlage ab oder kann nach dem Abkühlen ohne Schwierigkeiten mit einer geeigneten Spachtel, die z. B. aus Silizium oder Siliziumkarbid besteht, entfernt werden.
Weitere Anforderungen, die an das Material für die Unterlage gestellt werden, sind die, dass es in eine für die Aufnahme der Scheibe geeignete Form gebracht werden kann, die einen gleichmässigen Wärmeübergang von der Unterlage zu den Scheiben gewährleistet, dass es elektrisch, also induktiv, insbesondere aber durch direkten Stromdurchgang, aufheizbar ist und es in hoher Reinheit hergestellt werden kann.
Sein Schmelzpunkt soll ausserdem möglichst gross gegenüber dem der Halbleiterscheiben sein.
Um die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu erfüllen und gleichzeitig die Nachteile der bereits bekannten Verfahren zu vermeiden, wird vorgeschlagen, als Unterlage für die zu beschichtenden Halbleiterkörper einen Formkörper zu verwenden, der wenigstens an der den Halbleiterkörpern zugewendeten Oberfläche aus einem im Gittertyp oder wenigstens in der Gitterkonstante von dem der Halbleiterkörper verschiedenen Material besteht und die Auswahl des Materials so zu treffen, dass eine Bildung von Mischkristallen oder von einem Eutektikum mit dem Material der zu beschichtenden Halbleiterkörper bei der Arbeitstemperatur ebenso vermieden wird, wie eine Umsetzung mit dem Reaktionsgasgemisch.
Als Material für die Unterlage eignen sich Halbleitermaterialien, die von den zur Abscheidung verwendeten verschieden sind. So kann beispielsweise für die Germanium-Epitaxie eine Unterlage aus Silizium verwendet werden. Diese Unterlage kann sehr oft, beispielsweise bis zu 50mal ohne Zwischenbehandlung verwendet werden. Die. sich nach zahlreichen Abscheidungsvorgängen bildende Ablagerung kann ausserdem sehr leicht, beispielsweise mechanisch oder durch einen Ätzvorgang entfernt-werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, als Unterlage Formkörper aus Siliziumkarbid zu verwenden. Diese sind sowohl für die Silizium-Epitaxie als auch für die Germanium-Epitaxie brauchbar.
Es ist dabei nicht unbedingt notwendig, dass die Unterlage ganz aus dem Halbleitermaterial besteht.
Es genügt schon, eine mit dem Halbleitermaterial überzogene Unterlage zu verwenden. Dadurch kann auch die Aufheizung durch direkten Stromdurchgang oder durch Induktion einfacher gestaltet werden. So erfüllt z. B. ein mit Silizium oder Siliziumkarbid überzogene Graphitheizer die geforderten Bedingungen.
Bei Verwendung einer Unterlage, die ganz aus hochreinem halbleitenden Material besteht, ist, da die Leitfähigkeit des Materials bei Zimmertemperatur nur sehr gering ist, eine relativ aufwendige Schaltung notwendig, um die Aufheizung der Unterlage durch direkten Stromdurchgang und/oder Induktion zu erreichen.
Versuche haben gezeigt, dass dann, wenn im Reaktionsgasgemisch ein Halogenwasserstoff vorhanden ist, der sich bef Verwendung einer Halogenverbindung des Halbleiterstoffes, z. B. auch erst bei der thermischen Zersetzung dieser Verbindung, aus dem freiwerdenden Halogen und dem Wasserstoff des Trägergases bilden kann, während des Aufwachsens von Germanium auf Germaniumscheibchen, die auf einer erhitzten Siliziumunterlage aufliegen, nicht nur Germanium auf der von der Unterlage abgewendeten Seite der Scheibchen aufwächst, sondern dass, vor allem bei höheren Abscheidetemperaturen, auch eine Abscheidung von Silizium an der der Unterlage zugewendeten Seite des Scheibchens erfolgt. Dieser Vorgang ist auf eine Transportreaktion zurückzuführen, die im Zwischenraum zwischen Scheibchen und Unterlage stattfindet.
Der Halogenwasserstoff führt zu einer Abtragung des Siliziums der Unterlage unter Bildung eines Subhalogenids, das sich an Stellen niedrigerer Temperatur, also auf der Unterseite des
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scheidung von Silizium ist nicht immer erwünscht und die auf der Unterlage niedergeschlagene Schicht muss dann entfernt werden.
Die Abscheidung auf der Unterseite der Scheiben bei Gegenwart von Halogenwasserstoff kann aber vermieden werden, wenn gemäss einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Unterlage verwendet wird, die bei der Arbeitstemperatur vom Reaktionsgasgemisch nicht angegriffen wird. Diese Voraussetzung ist insbesondere dann erfüllt, wenn Siliziumkarbid oder eine mit Siliziumkarbid überzogene Unterlage bei der Epitaxie verwendet wird. Siliziumkarbid ist sowohl als homogener Körper als auch als Überzug in hoher Reinheit herstellbar und erfüllt wegen seiner hohen chemischen Resistenz undseinem hohen Schmelz- punkt die Anforderungen, die an die Unterlage gestellt werden, besonders gut. Eine Unterlage aus Siliziumkarbid kann auch bei der Abscheidung von intermetallischen Verbindungen, wie z.
B. AlnBV-Ver- bindungen, als Unterlage verwendet werden.
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Zur Herstellung des Siliziumkarbidüberzugs auf einem Graphitkörper wird eine gasförmige Halogenverbindung des Siliziums, insbesondere mit einem Trägergas vermischt, auf dem auf mindestens etwa 13000 C erhitzten Graphitkörper, unter Bildung von Siliziumkarbid thermisch zersetzt.
Erhitzt man z. B. einen Graphitkörper in eine Atmosphäre von Halogensilanen, z. B. Trichlorsilan (SiHCls) auf etwa 13000 C, so wird die Siliziumverbindung auf dem Träger thermisch zersetzt und der Kohlenstoff des Trägers bildet mit dem Silizium des sich zersetzenden Halogensilan eine dünne Oberflächenschicht aus Siliziumkarbid.
Zur Herstellung eines direkten Siliziumkarbidüberzugs kann mit Vorteil eine Organosiliziumverbin- dung, also eine Siliziumkohlenstoffverbindung verwendet werden. Die flüssige Siliziumkohlenstoffverbindung befindet sich dabei in einem Verdampfer, in dem das Trägergas z. B. Wasserstoff oder Argon über den Flüssigkeitsspiegel streicht. Bei der anschliessenden Pyrolyse des Gasgemisches soll die Temperatur
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allen Fällen bei etwa 50 l/h. Die Beladung beträgt dabei zirka 100/0.
Weiter kann auch ein aus einer Halogenkohlenwasserstoffverbindung und einer Halogenverbindung des Siliziums bestehendes Gasgemisch, das z. B. neben Wasserstoff 3 Vol. -0/0 CHCls und 7 Vol. -0/0 SiHCls enthält, an dem auf 13000 C erhitzten Graphitkörper mit einer Strömungsgeschwindigkeit des als Trägergas fungierenden Wasserstoffs von 30 l/h vorbei geleitet werden.
In allen Fällen bildet sich auf dem Kohleheizer ein sehr widerstandsfähiger, grauglänzender Überzug aus reinem Siliziumkarbid. Die auf dieser Unterlage angeordneten Halbleiterscheiben behalten nun auch bei höheren Arbeitstemperaturen ihre hochglänzende Oberfläche bei.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel ein Körper 1 aus hochreinem Graphit, der mit einer sehr widerstandsfähigen Siliziumkarbidschicht 2 überzogen ist, dargestellt. Auf dieser Unterlage werden die z. B. aus Germanium oder Silizium bestehenden Halbleiterscheibchen, von denen in der Zeichnung vier dargestellt und mit 3 - 6 bezeichnet sind, aufgelegt. Die Unterlage ist in einem nicht dargestellten Reaktionsgefäss. angeordnet und mit Stromzuführungen versehen, die durch das Reaktionsgefäss hindurchgeführt und mit einer Spannungsquelle verbunden sind. In das Reaktionsgefäss wird die zu zersetzende Verbindung des Halbleiterstoffes, z. B. Germaniumtetrachlorid oder Silikochloroform, mit einem Trägergas, z. B.
Wasserstoff, vermischt, eingeleitet und die Unterlage durch direktenStromdurchgang so hoch erhitzt, dass sich der Halbleiterstoff aus dem Reaktionsgas in einkristalliner Schicht abscheidet. Zur Herstellung aufeinanderfolgender, dotierter Halbleiterschichten werden dem Reaktionsgas in bekannter Weise Dotierungsstoffe zugesetzt. Eine Beschichtung der Unterlage, die erst nach zahlreichen Abscheidungsprozessen so gross ist, dass sie störend wirkt, kann durch Eintauchen in eine Ätzlösung leicht entfernt werden. Die Siliziumkarbidschicht bleibt dabei wegen der hohen chemischen Resistenz des Siliziumkarbid unversehrt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung eines Halbleiterstoffes und Niederschlagen des Halbleiterstoffes in einkristalliner Form auf auf einer erhitzten Unterlage aufliegenden einkristallinen, insbesondere scheibenförmigen Halbleiterkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass als Unterlage für die zu beschichtenden Halbleiterkörper ein Formkörper verwendet wird,
der wenigstens an der den Halbleiterkörpern zugewendeten Oberfläche aus einem im Gittertyp oder wenigstens in der Gitterkonstanten von dem der Halbleiterkörper verschiedenen Halbleitermaterial besteht und dass durch Wahl des Halbleitermaterials die Bildung von Mischkristallen oder eines Eutektikum mit dem Material der zu beschichtenden Halbleiterkörper sowie eine Umsetzung mit dem Reaktionsgasgemisch bei der Arbeitstemperatur vermieden wird.