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Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung durch epitaktisches Aufwachsen vorzugsweise einkristalliner halbleitender Schichten auf einem, vorzugsweise ein- kristallinen Halbleiterkörper, der mit einer erhitzten, aus dem abzuscheidenden Halbleiterstoff bestehenden Unterlage in Wärmekontakt steht.
Bei dem bekannten, als Epitaxie bezeichneten Verfahren wird zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, die eine Schichtenfolge unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps aufweisen, die die Halbleiterscheiben tragende Unterlage so hoch erhitzt, dass sich die der Unterlage abgewendete Oberfläche der Halbleiterscheibe auf einer Temperatur befindet, die eine thermische Zersetzung der in das Reaktionsgefäss eingeleiteten gasförmigen Halogenverbindung des Halbleiterstoffes und ein einkristallines Aufwachsen des Halbleiterstoffes auf der freien, von der Unterlage abgewendeten Oberfläche der Halbleiterscheibe bewirkt,
Es wurde bereits vorgeschlagen, bei diesem Verfahren eine Unterlage zu verwenden, die aus hochreinem Halbleiterstoff besteht,
um so eine Verunreinigung der abgeschiedenen Schichten durch die Unterlage weitgehend zu vermeiden.
Gemäss der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der in fester Form als Unterlage vorliegende Halbleiterstoff durchEinwirkungeiner Halogen und/oder Halogenid enthaltenden Gasatmosphäre in eine gasförmige Verbindung übergeht und auf der der Unterlage zugewendeten Seite des Halbleiterkörpers unter Zersetzung der Verbindung abgeschieden und in kompakter Form zum Aufwachsen gebracht wird, wobei die verwendete ! Gasatmosphäre frei von Wasserstoff bzw. von Halogenwasserstoff gehalten wird.
Die Abscheidung des Halbleiterstoffes auf der der Unterlage zugewendeten Seite des Halbleiterkörpers erfolgt bei diesem Verfahren infolge einer chemischen Transportreaktion. Der Reaktionsraum ist der Gasraum zwischen Unterlage und Halbleiterkörper und der zur Ausbildung einer Transportreaktion nötige Temperatursprung entsteht durch den Wärmeübergang von der erhitzten Unterlage zu dem darauf liegenden, insbesondere scheibenförmigen Halbleiterkörper, der wenigstens an der der Unterlage zugewendeten Oberfläche planpoliert ist.
Der Transport des Halbleiterstoffes von der'Unterlage zur Unterseite des Halbleiterkörpers erfolgt unter Bildung des gasförmigen Halogenids, insbesondere des Subhalogenids des zu transportierenden Halbleiterstoffes.
Die auf die Unterlage einwirkende Gasatmosphäre besteht entweder aus reinem Halogen oder aus reinem Halogenid, insbesondere dem Halogenid des zu transportierenden Halbleiterstoffes. Sie kann aber auch Halogen und das entsprechende Halogenid, insbesondere das Halogenid des zu transportierenden Halbleiterstoffes, gleichzeitig enthalten. Gegebenenfalls wird die Halogen und/oder Halogenid enthaltende Gasatmosphäre durch Zusatz eines inerten Gases, wie z. B. Argon, oder durch Unterdruck verdünnt. Bestehen z. B. die Unterlage und der zu beschichtende Halbleiterkörper aus Silizium, so ist es vorteilhaft, ein Reaktionsgas zu verwenden, das ein Siliziumhalogenid, insbesondere SiCl, enthält.
Das Verfahren wird vorteilhafterweise bei strömendem Reaktionsgas durchgeführt, wobei es zweckmässig ist, die Gefässwände auf einer Temperatur zu halten, die niedriger als die Temperatur des Halb-
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leiterkörpers ist.
Das Verfahren kann aber auch im geschlossenen Reaktionsgefäss durchgeführt werden.
Um während des Verfahrens eine Abtragung der von der Unterlage abgewendeten Seite des Halbleiter- körpers zu verhindern, wird eine inerte, plane Abdeckung der Scheibchenoberfläche vorgesehen. Diese Abdeckung kann bei Temperaturen unterhalb 10000C z. B. aus einer Quarzscheibe bestehen, während bei höheren Temperaturen beispielsweise Siliziumkarbid, Bornitrid oder Aluminiumoxyd (z. B. Saphir) vorzu- ziehen ist. Beidieser Artder Abdeckung erfolgt dann lediglich am Scheibchenrand eine leichte Abtragung.
Um auchdiese zu verhindern, können die Scheibchen auch vorher mit einer gasdichten Oxyd- bzw. Karbid- schicht überzogen werden, wobei insbesondere nur die der Unterlage zugewendete Seite des Halbleiterkörpers freigelassen wird.
Die Abdeckung der freien Scheibchenoberfläche kann, vor allem bei Silizium, durch Reaktion der
Halbleiteroberfläche mit Sauerstoff bzw. Wasserdampf erfolgen, wobei sich eine gasdichte Oxydschicht, die aus dem Oxyd des Halbleitermaterials besteht, bildet. Durch Einwirkung von CH Cl auf die Ober- fläche eines Siliziumkörpers entsteht eine dünne, gasdichte Siliziumkarbidschicht.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Störelemente je nach Transportsystem sehr verschieden verhalten, so dass es weitgehend von der Wahl der den Stofftransport bewirkenden Atmosphäre abhängt, ob ein Dotierungsstoff von der Unterlage zur Unterseite des Halbleiterkörpers quantitativ übertragen wird, oder ob der Dotierungsstoff in die durch den Stofftransport abgeschiedene Schicht in viel geringerem Masse eingebaut, also stark abgereichert, wird.
So wirkt z. B. dann, wenn hochreine Siliziumschichten mittels einer Transportreaktion hergestellt werden sollen, Wasserstoffbzw. Halogenwasserstoff besonders störend, da er den Einbau von Phosphor för- dert. Wird jedoch gemäss dem Vorschlag der Erfindung in wasserstoff- bzw. halogenwasserstofffreierreines
Halogen und/oder Halogenid enthaltenden Atmosphäre z. B. mit reinem Siliziumtetrachlorid SiCl oder
Chlor Cl gearbeitet, so erfolgt eine Abreicherung des Phosphorgehaltes, d. h. die infolge der Transportreaktion auf dem Halbleiterkörper abgeschiedene Siliziumschicht ist wesentlich reiner als das Silizium der Unterlage.
Durch das vorgeschlagene Verfahren wird somit ein Weg aufgezeigt, sehr hochohmige p-leitende
Schichten durch Epitaxie herzustellen. Die Herstellung von hochreinem Silizium in Form von epitaktisch aufgewachsenen Schichten ist bisher am Einbau des sogenannten "Donator X", der imwesentlichendurch Phosphor gebildet wird, gescheitert.
Der Transport des Galliumarsenids erfolgt demgegenüber für die meisten Störelemente unter Beibe- haltung des Dotierungsspiegels, wenn in wasserstoff- bzw. halogenwasserstofffreierHalogen und/oder
Halogenid z. B. Jod und/oder Jodid enthaltender Atmosphäre gearbeitet wird. Die Störelemente aus der
Unterlage werden dann praktisch quantitativ übertragen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung und einiger Ausfüh- rungsbeispiele erläutert.
In Fig. 1 ist auf einem Heizer 3, der z. B. durch ein mit einem Siliziumkarbidüberzug versehenes Kohlebrett gebildet und durch direkten Stromdurchgang aufgeheizt wird, die Unterlage 2, die aus dem zu transportierenden Halbleiterstoff besteht und polykristallin oder einkristallin ist, angeordnet und wird indirekt auf die für den Gastransport notwendige Temperatur erhitzt. Mit wachsender Temperatur nimmt der Partialdruck des den Halbleiterstoff transportierenden Subhalogenids zu und damit steigt auch die
Menge des in der Zeiteinheit transportierten Halbleiterstoffes an. Je nachdem, welche Zeit für die Ab- scheidung einer Schicht bestimmter Dicke erwünscht ist, wird die Temperatur der Unterlage und der
Partialdruck des Halogens bzw. Halogenids eingestellt.
Der auf seiner Unterseite zu beschichtende, ins- besondere einkristalline Halbleiterkörper ist mit 1 bezeichnet. Im Zwischenraum 4 zwischen Unter- lage 2 und Halbleiterkörper 1 findet die Transportreaktion statt.
In Fig. 2 ist der Heizer 5, der z. B. wieder aus einem durch direkten Stromdurchgang beheizten Kohlebrett besteht, mit einer Schicht 6 aus dem zu transportierenden Halbleiterstoff versehen. Auf die- sen Heizer, der gleichzeitig als Unterlage dient, können dann auch mehrere Kristallplättchen l aufgelegt werden.
Die ganze Anordnung befindet sich in einer wasserstoff-bzw. halogenwasserstofffreien, reines
Halogen und/oder Halogenid enthaltenden Gasatmosphäre.
Um die Abtragung des Halbleiterkörpers 1 während seiner Beschichtung auf der Unterseite durch die Transportreaktion zu verhindern, wird, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Abdeckplatte 7 auf den Halb- i leiterkörper l aufgelegt.
Um die Epitaxialbeschichtung des einkristallinen Halbleiterkörpers 1 mittels der Transportreaktion
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zu gewährleisten, muss die zu beschichtende Fläche, also die der Unterlage zugewendete Fläche des Halbleiterkörpers 1, planpoliertsein. Es ist auch empfehlenswert, die Oberseite des Plättchens plan zu polieren, wenn diese möglichst unangegriffen bleiben soll. Die Abdeckplatte 7 ist dann auf ihrer, dem Halbleiterkörper zugewendeten Seite ebenfalls plan und es kann dann an dieser Fläche des Halbleiterkörpers keine Abtragung im Sinne der im Zwischenraum 4 stattfindenden Hauptreaktion erfolgen. In vielen Fällen genügt jedoch auch eine geläppte Oberseite des Halbleiterkörpers 1.
Die abzutragende Unterlage soll eine Mindestrauhigkeit von etwa 3 bis 511 aufweisen, damit einerseits das Reaktionsgas in den Zwischenraum zwischen Unterlage und Halbleiterkörper in genügendem Masse ein- diffundieren kann und anderseits ein merklicher Temperatursprung beim Wärmeübergang von der Unterlage her entsteht.
In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Halbleiterkörper 1 durch Einschieben dünner Lamellen, Nadeln oder Ringe 8 aus inertem, oder arteigenem Material, also z. B. aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Unterlage, etwas auf Abstand gehalten. Diese Anordnung hat sich vor allem bei Scheiben grösseren Durchmessers als vorteilhaft erwiesen. Der Abstand zwischen Unterlage und Scheibe soll dabei immer klein gegenüber der freien Weglänge der Moleküle der den Halbleiterstoff transportierenden Verbindung sein.
Es empfiehlt sich also besonders dann, wenn, wie in Fig. 4 dargestellt, Abstandshalter vorgesehen sind, bei Unterdruck zu arbeiten, um eine Erhöhung des Transporteffekts zu erzielen. Je geringer der Druck im Reaktionsgefäss ist, desto grösser ist die freie Weglänge der den Halbleiterstoff transportierenden Moleküle, und es wird dann auch bei einer Anordnung gemäss Fig. 4 ein ausreichender Transporteffekt erzielt, d. h. ein Transporteffekt, der so gross ist, dass die Herstellung einer Schicht bestimmter Dicke in einer gewünschten Zeit erfolgt.
Die Abstandshalter 8, die z. B. auch aus Quarz, Siliziumkarbid oder Sinterkorund bestehen können, sind vorteilhafterweise am Scheibenrand eingeführt. Der Wärmekontakt zwischen Unterlage und Scheibe wird dann im wesentlichen durch Wärmestrahlung aufrechterhalten. Gemäss einem Ausführungsbeispiel werden die Unterlage und der Halbleiterkörper, die z. B. aus Silizium bestehen, mittels Siliziumnadeln auf einem Abstand von zirka 50ju gehalten. Die Temperatur der Unterlage betrug. 12500C und es wurde
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SiC1Durch Verwendung einer Unterlage mit vom Halbleiterkörper verschiedener Leitfähigkeit und/oder verschiedenen Leitungstyps können Übergänge zwischen Schichten verschiedener Leitfähigkeit und/oder verschiedenen Leitungstyps, also pn-Übergänge, hergestellt werden.
Da die Dotierung der auf der Unterseite des Halbleiterkörpers aufwachsenden Schicht hier im wesentlichen durch die Dotierung der Unterlage bestimmt ist, können auch mehrere, der in den Fig. 1 - 4 dargestellten Systeme im gleichen Reaktionsgefäss angeordnet und je nach Wahl der Dotierung der Unterlagen gleichzeitig auf den verschiedenen Halbleiterkörpern Schichten verschiedener Dotierung abgeschieden werden.
Die Anwendung eines Transportmediums von schwach abtragender Zusammensetzung, wie es gemäss der Erfindung vorgeschlagen wird, im ganzen Reaktionsraum und nicht nur in der Reaktionszone zwischen Unterlage und Halbleiterkörper hat den Vorteil, dass auch bei strömendem Reaktionsgas die Abscheidung des Halbleiterstoffes auf die der Unterlage zugewendeten Seite des Halbleiterkörpers beschränkt wird, während eine Abscheidung auf dem Heizer selbst verhindert wird.
In den Fig. 5 und 6 sind zwei Ausführungsbeispiele für Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens dargestellt.
Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung ist vor allem für Abscheideverfahren, die bei Temperaturen bis zu 10000C erfolgen, also z. B. für Germanium, geeignet. In ein, mit Gaseintritt 10 und Gasaustritt 11 versehenes, z. B. aus Quarz bestehendes Reaktionsgefäss 15 ist ein Quarzrohr 19 eingeführt.
Ein Kohleformkörper 14 ist mit einem Sinterkorundstab 13 verbunden und wird mittels einer Schraubenfeder 12 gegen den Boden 20 des Quarzrohres 19 gedrückt. Die HF-Induktionsspule 9 dient zum Aufheizen des Kohlekörpers 14. Innerhalb des Reaktionsgefässes 15 werden auf dem Boden 20 des Quarzrohres 19 ein oder mehrere Systeme gemäss Fig. 3 oder 4 angeordnet.
Dabei wird vorteilhafterweise auch das in Fig. 4 dargestellte System mit einer Abdeckplatte 7 versehen, um eine Abtragung des Halbleiterkörpers zu vermeiden, oder der Halbleiterkörper wird an der freien Oberfläche mit einem gasdichten Überzug versehen. Durch den Gaseinlass 10 wird ein wasserstoffbzw. halogenwasserstofffreies Halogen und/oder Halogenid enthaltendes Gas eingeführt und die Rest-
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gase bei 11 abgeführt.
Die Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für höhere Temperaturen, also z. B. für Silizium. Der, mittels der Hochfrequenzspule 9 induktiv beheizte Graphitkörper 18, der auf einem mit Quarz gehaltertem Stab 16 aus Si3N4, BN oder Al2O3 gelagert ist, ist mit einem gasdichten Überzug aus Silizfumkarbid versehen. Der Boden 17 des aus Quarz bestehenden Reaktionsgefässes 15 besteht ebenfalls aus Quarz.
Die Systeme sind wie im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben, auf dem karbidisierten Heizer 18 angeordnet.
Im folgenden werden noch einige Ausführungsbeispiele für als Transportmittel geeignete Systeme beschrieben.
Um den Halbleiterkörper mit Silizium zu beschichten, wird in das Reaktionsgefäss (Fig. 6) ein Gasgemisch, das aus 10 Vol.-% SiCl und 90 Vol.-% Argon besteht, eingeleitet und die Unterlage aus Silizium auf 12000C erhitzt. Der Siliziumtransport zur Unterseite des Halbleiterkörpers, der z. B. ebenfalls aus Silizium besteht, erfolgt nach der Gleichung
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über dasSiliziumsubchlorid, das an Stellen tieferer Temperaturen, also an der Unterseite des Halbleiterkörpers unter Abscheidung von Silizium wieder zu SiCl4umgesetzt wird. Um eine Schicht von lOjn Dicke abzuscheiden, beträgt die Abscheidedauer zirka 5 min.
Zur Beschichtung des Halbleiterkörpers mit Galliumarsenid wird in das Reaktionsgefäss (Fig. 5) ein aus 10 Vol. -% J2 und 90 Vol.-% Argon bestehendes Gasgemisch eingeleitet und die Unterlage aus Ga As auf 8000C aufgeheizt. Der Halbleiterkörper besteht aus Galliumarsenid oder aus Germanium. Nach der Gleichung
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GaJwird das Galliumarsenid über Galliumsubjodid und Arsendampf transportiert. Um eine Schicht von 10 Dicke abzuscheiden, beträgt die Abscheidedauer wieder zirka 5 min.
Zur Abscheidung von Zinksulfid auf einen Halbleiterkörper, der ebenfalls aus Zinksulfid oder aus Silizium besteht, wird ein Gasgemisch, das aus 15 Vol. -0/0 J2 und 85 Vol. -0/0 Argon besteht, in das Reaktionsgefäss (Fig. 5) eingeleitet. Der Transport von der, aus Zinksulfid bestehenden Unterlage, die auf 10000C erhitzt wird, auf die Unterseite des zu beschichtenden Halbleiterkörpers erfolgt nach der Gleichung
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an keiner Stelle geringer ist, als die Kondensationstemperatur des freiwerdenden Nichtmetalls bzw. des auftretenden Halogenids. Um dies zu erreichen, kann man z. B. das Reaktionsgefäss mit einem Reflektor aus Aluminium umgeben.
Dieser Aluminiumreflektor soll die Quarzwände durch die Strahlungswärme genügend heiss erhalten, damit sich das Nichtmetall der Verbindung nicht an den Gefässwänden kondensiert.
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