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Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinkristallen durch einkristallines Abscheiden von Halbleitermaterial
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinkristallen mit Schich- ten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps durch einkristallines Ab- scheiden von Halbleitermaterial mittels einer chemischen Transportreaktion nach der sogenannten Sand- wich-Methode, bei der das abzuscheidendeHalbleitermaterial von einem inForm von Tabletten, Kristallen od. dgl. vorliegenden, erhitzten Körper abgetragen, in eine gasförmige Verbindung übergeführt und auf die Seite eines einkristallinen Trägers aus Halbleitermateriel abgeschieden wird, die dem abzutragenden Halbleiterkörper zugewendet ist.
Bei Untersuchungen wurde festgestellt, dass es schwierig ist, beim einkristallinen, epitaktischen Abscheiden von Halbleitermaterial eines bestimmten Leitungstyps auf einen Halbleiterkristall, insbesondere beim Abscheiden von Silizium auf einen Siliziumeinkristall entgegengesetzten Leitungstyps, abrupte, scharfe Übergänge herzustellen. Besonders nachteilig macht sich diese Beobachtung beim Abscheiden hochohmigen Halbleitermaterials auf einen stärker dotierten Halbleiterkörper bemerkbar.
Auf Grund eingehender Untersuchungen wurde nun gefunden, dass diese Nachteile nicht auftreten, wenn, wie erfindungsgemäss vorgesehen ist, bei der Herstellung von Halbleitereinkristallen mit Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps durch einkristallines Abscheiden von Halbleitermaterial mittels einer chemischen Transportreaktion nach der sogenannten Sandwich-Methode, bei derdasabzuscheidehde Halbleitermaterial von einem inForm von Tabletten, Kristallen od. dgl.
vorliegenden, erhitzten Körper abgetragen, in eine gasförmige Verbindung übergeführt und auf die Seite eines einkristallinen Trägers aus Halbleitermaterial abgeschieden wird, die dem abzutragenden Halbleiterkörper zugewendet ist, eine Unterlage mit wenigstens einem parallel zu der dem Träger zugewen- deten Oberfläche verlaufenden Übergang zwischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oderunterschiedlichen Leitungstyps verwendet wird und die dem Träger zugewendete Schicht den gleichen Leitungstyp besitzt wie ihn der Träger aufweist, wenn dann die dem Träger zugewendete Seite des abzutragenden Halbleiterkörpers der Einwirkung einer Gasatmosphäre ausgesetzt wird, die einen Stoff enthält,
der mit dem Material des abzutragenden Körpers eine gasförmige Verbindung zu bilden vermag und wenigstens zwei Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps von dem Körper abgetragen und auf die dem Körper zugewendete Seite des Trägers abgeschieden werden.
Besonders vorteilhaft ist es. wenn der abzutragende Halbleiterkörper einen durch Diffusion hergestellten Übergang zwischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps besitzt, da diese Übergänge besonders scharf und eben sind. Wird der abzutragende Halbleiterkörper aus hochohmigem, z.
B. n-leitendem Material hergestellt, bei dem durch Eindiffusion eines Dotierstoffes ein Übergang zwischen einer hochohmigenSchicht und einer relativ hochdotierten Schicht entgegengesetzten Leitungstyps hergestellt ist, hat man es in der Hand, auf einem Träger, der auch hochdotiert sein kann, einen scharfen Übergang zwischen einerhochdotierten und einer dünnen, hochohmigen Schicht eines Halbleitermaterials vom entgegengesetzten Leitungstyp zu bilden, indem auf den hochdotierten Halbleiter-
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körper zuerst eine hochdotierte Schicht vom gleichen Leitungstyp aufgebracht und erst auf diese Schicht die dünne Schicht des entgegengesetzten Leitungstyps abgeschieden wird.
Der Störstellengehalt der durch dieTransportreaktion abgeschiedenen Schichten wird im wesentlichen nur durch den Störstellengehalt der abgetragenen Schichten bestimmt und kann daher definiert eingestellt werden. Ein im abzutragenden Körper vorhandener Übergang zwischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps wird daher direkt auf den Träger übertragen, ohne dass die Eigenschaften des Überganges wesentlich verändert werden.
Es ist auch bereits ein Verfahren zur epitaktischen Abscheidung von Halbleiterschichten, gegebenenfalls unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps, auf einkristalline, in einem Reaktionsraum angeordnete Träger, vorzugsweise auf Scheiben, aus Halbleitermaterial, bekannt, bei dem eine gasförmige Verbindung des abzuscheidenden Halbleitermaterials, die meist im Gemisch mit einem Trägergas zur Anwendung gelangt, in den Reaktionsraum eingeleitet, thermisch zersetzt und das Halbleitermaterial auf den Träger abgeschieden wird.
Die Einstellung erwünschter Leitfähigkeitsgrade in den abgeschiedenen Schichten erfolgt dabei im allgemeinen dadurch, dass der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials eine definierte Menge eines gasförmigen Dotierstoffes bzw. einer gasförmigen Verbindung eines Dotierstoffes im Gemisch mit einem Trägergas, wie z. B. Wasserstoff, zugegeben wird. Bei der Herstellung von Übergängen zwischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschied-
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verändert und/oder ein, einen unterschiedlichen Leitungstyp bewirkender Dotierstoff in das Reaktionsgefäss eingeleitet.
Abrupte, scharfe Übergänge zwischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps lassen sich, wie sich gezeigt hat, auf diese Weise jedoch nicht ohne weiteresherstellen, da von der Abscheidung der vorhergehenden Schicht stets noch Reste des Dotierstoffes imReaktionsraum enthalten sind-entweder im Gasraum oder an den kälteren Gefässwänden kondensiertund einem abrupten Übergang entgegenwirken. Vor allem ist es nach dem bekannten Verfahren nicht möglich, auf eine bereits abgeschiedene, dotierte Schicht hochohmige, insbesondere dünne hochohmige Schichten aufwachsen zu lassen, wie es jedoch durch das Verfahren gemäss der Erfindung möglich gemacht wird.
Als Transportmittel kommen beim Verfahren gemäss der Erfindung eine ganze Reihe von Stoffen in Frage. Halogen oder Halogenwasserstoff sind besonders geeignet, ebenso können auch Wasserdampf und Schwefelwasserstoff im Gemisch mit Wasserstoff oder Argon verwendet werden. Der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen zeigten, dass alle jene Stoffe für den Transport geeignet sind, die mit dem Halbleitermaterial des abzutragenden Körpers, z. B. aus Silizium oder Germanium, eine reversible Reaktion unter Bildung ausschliesslich gasförmiger Verbindungen einzugehen vermögen.
Ein Temperaturgefälle zwischen dem abzutragenden Körper und der diesem Körper zugewendeten Seite des Trägers, das beispielsweise durch einen gehemmten Wärmeübergang vom abzutragenden, geheizten Körper zu dem mit diesem Körper im Kontakt stehenden, auf diesem Körper beispielsweise aufliegenden, Träger bewirkt wird, bringt die Reaktion unter Abscheidung des Halbleitermaterials auf dem weniger heissen Träger zum Ablauf. Wird beispielsweise gasförmiger Chlorwasserstoff als Transportmittel im Gemisch mit einem Trägergas, z. B. Wasserstoff, für die Siliziumabscheidung verwendet, dringt das Gasgemisch in den engen Raum zwischen dem abzutragenden Siliziumkörper und dem einkristallinen Träger ein.
Die Oberfläche des abzutragenden Körpers und auch die der einkristallinen Trägerkörper weist, auch wenn sie poliert ist, geringe Unebenheiten auf, die die Bildung von Zwischenräumen zwischen dem abzutragenden Körper und dem Träger bewirken. Vorteilhafterweise wird die Oberfläche des abzutragenden Halbleiterkörpers zuvor geläppt.
Chlorwasserstoff reagiert mit demSilizium des erhitzten, abzutragenden Körpers nach der Gleichung
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Bei Temperaturen von etwa 11000C werden erhebliche Mengen des Siliziumsubchlorids SiC12 gebildet. Im Zwischenraum erfolgt auf Grund des Temperatursprunges ein Siliziumtransport über die Gasphase nach der Gleichung
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Dabei wird das elementare Silizium an der Stelle niedrigerer Temperatur abgeschieden. Silizium wird also auf Grund des Transportvorganges von dem abzutragenden Siliziumkörper auf die weniger heisse Un- terseite des Siliziumträgers abgeschieden. Der SiCI-Partialdruck tritt umso stärker in Erscheinung, je höher die Temperatur des abzutragenden Halbleiterkörpers ist.
Wird beim Verfahren gemäss der Erfindung im strömenden Reaktionsgas gearbeitet, so erfolgt auch eine geringe Abtragung der freien Oberfläche des Trägers und der Halogenwasserstoff muss, um diese Ab- tragung möglichst gering zu halten, sehr stark verdünnt werden. Die Abtragung kann jedoch weitgehend vermieden werden, wenn im geschlossenen Reaktionsgefäss gearbeitet wird, das den Halogenwasserstoff und das Trägergas, z. B. Wasserstoff, in einer solchen Zusammensetzung enthält, dass im wesentlichen nur eine Abscheidung auf der Unterseite der Träger, z. B. Scheiben, durch den Transportvorgang erfolgt.
Der abzutragende Halbleiterkörper muss nicht aus dem Halbleitermaterial des Trägers bestehen. Er kann auch aus einem unterschiedlichen Halbleitermaterial gebildet sein, das aber in der Gitterstruktur und in der Gitterkonstante wenigstens annähernd mit dem Halbleitermaterial des Trägers Ubereinstimmen muss. So kann beispielsweise ein Träger aus Silizium verwendet werden und der abzutragende Körper aus
Germanium bestehen. Dann wird Germanium in einkristalliner Form auf den Siliziumträger übertragen.
Ebenso kann z. B. Galliumarsenid aus einem entsprechenden Körper auf die Unterseite eines Germanium- trägers abgeschieden werden.
Das Aufwachsen infolge des Transportvorganges erfolgt sehr gleichmässig und leicht kontrollierbar, da die Abhängigkeit vom Molverhältnis des Gasgemisches und von den Strömungsverhältnissen im Reak- tionsraum sehr gering ist. Da der Dotiergrad der aufgewachsenen Schicht lediglich durch den Störstellen- gehalt des abzutragenden Halbleiterkörpers bestimmt wird, kann er sehr genau und in definierter Weise eingestellt werden.
Die Heizung des abzutragenden Halbleiterkörpers und des Trägers kann durch einen z. B. direkt be- heizten Heizkörper erfolgen, auf der der Körper aufgelegt wird. Beispielsweise ist ein Heizkörper aus
Graphit angebracht. Die Erwärmung des Trägers erfolgt dann durch einen gehemmten Wärmeübergang.
Zur Vermeidung von Verunreinigungen der abgeschiedenen Schichten ist es besonders vorteilhaft, den
Graphitheizkörper wenigstens an der dem abzutragenden Halbleiterkörper zugewendeten Seite mit einem Überzug aus Halbleitermaterial zu versehen. Der Überzug kann durch thermische Zersetzung einer gasför- migen Verbindung des Halbleitermaterials gebildet werden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens gemäss der Erfindung ist es auch möglich, den Träger direkt zu heizen ; dann erfolgt die Aufheizung des abzutragenden Halbleiterkörpers durch einen gehemmten Wärme- übergang. Der Körper muss dann durch eine zusätzliche Heizung auf eine Temperatur gebracht werden, die höher liegt als die Temperatur, die die dem abzutragenden Halbleiterkörper zugewendete Seite des
Trägers aufweist.
Die Geschwindigkeit des Transportes ist, ausser von der Zusammensetzung des Reaktionsgasgemischesund der Temperaturverhältnisse, auch von dem Diffusionsweg zwischen dem abzutragenden Halbleiterkörper und dem Träger abhängig. Der Abstand zwischen dem Körper und dem Träger soll daher klein gegenüber der freien Weglänge der dasHalbleitermaterial transportierenden Moleküle, z. B. der Subchloridmoleküle, sein. Liegt die Scheibe direkt auf dem abzutragenden Halbleiterkörper auf, oder umgekehrt, so ist diese
Bedingung bestimmt erfüllt. Es kann aber trotzdem eine Erhöhung des Transporteffektes erzielt werden, wenn bei Unterdruck gearbeitet wird. Ausserdem ist es beim Arbeiten unter vermindertem Druck möglich, den Abstand zwischen dem abzutragenden Halbleiterkörper und dem Träger zu erhöhen, z.
B. indem ein Abstandhalter aus inertem Material zwischen den abzutragenden Körper und den Träger gelegt wird, was insbesondere bei einer polierten Oberfläche von abzutragendem Halbleiterkörper und Träger vorteilhaft ist, ohne dass ein Absinken des Transporteffektes unter einen Mindestwert befürchtet werden muss. Der Abstandhalter kann beispielsweise die Form von kleinen Würfeln oder Scheiben besitzen oder er kann den abzutragenden Halbleiterkörper bzw. den Träger ringförmig umschliessen und so ausgebildet sein, dass er gleichzeitig als Auflagefläche für den Träger bzw. den Halbleiterkörper dient.
Das Verfahren gemäss der Erfindung kann in einer Weiterbildung auch so durchgeführt werden, dass nicht nur eine Übertragung von Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps eines Halbleitermaterials von einem, z. B. in Form von Tabletten, Kristallen od. dgl. vorlie- genden Körper auf die dem Körper zugewendete Seite eines Trägers erfolgt, sondern derart, dass Halbleitermaterial auch auf die, vom abzutragenden Halbleiterkörper abgewendete, Seite des Trägers abgeschieden wird.
Zu diesem Zweck lässt man in das Reaktionsgefäss, in dem der erhitzte Körper, der abgetragen werden soll und der mit diesem Körper in Kontakt stehende Träger angeordnet sind, eine gas- förmige Verbindung des Halbleitermaterials, das auf die vom abzutragenden Körper abgewendete Seite
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des Trägers epitaktisch abgeschieden werden soll, beispielsweise eine Halogenverbindung oder eine Halogenwasserstoffverbindung dieses Halbleitermaterials, einströmen. Die Halogenverbindung, die vorzugsweise im Gemisch mit Wasserstoff zur Anwendung gelangt, wird im wesentlichen an der heissen, von dem abzutragenden Halbleiterkörper abgewendeten Seite des Trägers thermisch zersetzt und auf diese Oberfläche epitaktisch abgeschieden.
Dabei läuft die Reaktion nach der Gleichung ab :
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Ausserdem dringt die gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials, im Beispiel Silicochloroform, in geringer Menge auch in den engen Raum zwischen abzutragendem Körper und Träger ein und wird hier unter Halbleitermaterial-, im Beispiel Siliziumabscheidung zersetzt.
Bevor jedoch weiteres Reaktionsgas nachdiffundieren kann, sorgt bei entsprechender Wahl der Konzentration des Silicochloroforms und des Wasserstoffes im eingeleiteten Gasgemisch der nach Gleichung (4) gebildete Chlorwasserstoff für die Bildung des Subchlorids des Halbleitermaterials des abzutragenden Körpers nach der Gleichung (1) und bewirkt die Abscheidung dieses Halbleitermaterials auf der dem abzutragenden Halbleiterkörper zu- gewendeten Seite des Trägers infolge der chemischen Transportreaktion.
Bei entsprechender Wahl der Konzentration der gasförmigen Halogenverbindung des Halbleitermate- rials und des Wasserstoffes im eingeleiteten Gasgemisch, in Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur, wird die Beschichtung auf der vom abzutragenden Halbleiterkörper abgewendeten Seite des Trägers von der gleichen Grössenordnung wie der Transport von diesem Körper auf die dem Körper zugewendete Seite des
Trägers. Versuche zeigten, dass beispielsweise bei einem S iCl -Partialdruck von wenigstens 10-6 Atmosphären sich beide Vorgänge die Waage halten.
Der gasförmigen Halogenverbindung des auf der, vom abzutragenden Körper abgewendeten Seite des Trägers abzuscheidenden Halbleitermaterials kann auch eine gasförmige Halogenwasserstoffverbindung, z. B. Chlorwasserstoff, von vornherein zugemischt werden.
Man kann aber auch beimEinleiten einer gasförmigen Verbindung eines Halbleitermaterials eine Beschichtung nur auf der dem abzutragenden Halbleiterkörper zugewendeten Seite des Trägers erzielen, wenn entweder nicht im strömenden, sondern im geschlossenen System gearbeitet wird oder wenn auf die vom abzutragendenHalbleiterkörper abgewendete Oberfläche des Trägers eineDeckplatte aus inertemMa- terial, z. B. aus Quarz, Korund oder Siliziumkarbid, aufgelegt wird. Insbesondere an der dem Träger zugewendeten Seite soll die Deckplatte zweckmässigerweise aus Silizumkarbid bestehen.
Mit dem Verfahren gemäss der Erfindung lassen sich also auf einen Träger aus Halbleitermaterial in einem Arbeitsgang von einem Körper nacheinander mehrere Schichten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps, z. B. mit einem pn-Übergang, auf eine Seite eines Trägers abscheiden, während auf die andere Seite des Trägers gleichzeitig eine Schicht abgeschieden wird, die auch aus unterschiedlichem Halbleitermaterial bestehen oder sogar eine Dotierung aufweisen kann, die sowohl von der des Trägers als auch von einer Schicht des abzutragenden Halbleiterkörpers verschieden ist.
Die Leitfähigkeit und der Leitungstyp der durch die Transportreaktion abgeschiedenen Schichten werden lediglich durch die Dotierung der abgetragenen Schichten bestimmt, während durch Zugabe eines Dotierstoffes zu dem in das Reaktionsgefäss eingeleiteten Gasgemisch die Leitfähigkeit und der Leitungstyp der Schichten bestimmt wird, die auf die vom abzutragenden Halbleiterkörper abgewendete Seite des Trägers abgeschieden werden.
AnHand derFig. l und 2 wird zur Erläuterung der Erfindung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
In Fig. l ist ein Heizkörper 1 aus Graphit dargestellt, der mit Silizium überzogen ist. Auf diesen Heizkörper wird eine Scheibe 2 aus Silizium aufgelegt, die aus einer hochohmigen Schicht 3 und einer durch Diffusion erzeugten, relativ hochdotierten Zone 4 gebildet ist. Die Schicht 3 und die Zone 4 bilden zusammen den scharfen pn-Übergang 5. Die Oberfläche derSiliziumscheibe 2 ist poliert. Auf die als Unterlage dienende Siliziumscheibe 2 wird, durch Abstandhalter 6 aus Quarz getrennt, derTrägerkörper 7 aufgebracht, der im Beispiel aus hochdotiertem Silizium besteht und eben- falls inForm einer Scheibe vorliegt. Der Körper 7 besitzt den gleichen Leitungstyp wie die Diffusionszone 4 und etwa die gleiche Leitfähigkeit.
Im Zwischenraum 8 zwischen der Halbleiterunterlage 2 und dem Träger 7 findet nach dem Einleiten von stark durch Wasserstoff verdünntem Halogenwasser- stoff im strömenden System oder einer Siliziumhalogenwasserstoffverbindung im Gemisch mit Wasserstoff im geschlossenen System ein Transport des Halbleitermaterials von der Unterlage 2 auf die der Unterlage zugewendete Seite des Trägers 7 statt. Dabei wird der pn-Übergang 5 von der Unterlage auf den Träger übertragen, ohne dass sich die Fronten des Überganges verwischen. Das hochohmige Halb-
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leitermaterial der Schicht 3 kann in geringer Dicke auf den Träger übertragen werden.
Fig, 2 zeigt den Träger 7 nach der Abscheidung.
Wird bei der Durchführung des Verfahrens dagegen eine Halogenwasserstoffverbindung eines Halb- leitermaterials im Gemisch mit einem Trägergas, z. B. Wasserstoff, in das Reaktionsgefäss eingeleitet und bei strömendemReaktionsgas gearbeitet, dann erfolgt zusätzlich eine Abscheidung dieses Halbleitermaterials auf die von der Unterlage 2 abgewendete Seite des Trägers 7, deren Störstellengehalt durch dem Reaktionsgas zugemischte Dotierstoffe eingestellt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinkristallen mit Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps durch einkristallines Abscheiden von Halbleitermaterial mittels einer chemischen Transportreaktion nach der sogenanntenSandwich-Methode, bei der das abzuscheidende Halbleitermaterial von einem in Form von Tabletten, Kristallen od. dgl.
vorliegenden, erhitzten Körper abgetragen, in eine gasförmige Verbindung übergeführt und auf die Seite eines einkristallinen Trägers aus Halbleitermaterial abgeschieden wird, die dem abzutragenden Halbleiterkörper zugewendet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der abzutragende Halbleiterkörper wenigstens einen, parallel zu der dem Träger zugewendeten Oberfläche verlaufenden Übergang zwischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps besitzt und die dem Träger zugewendete Schicht den gleichen Leitungstyp hat wie ihn der Träger aufweist, dass die dem Träger zugewendete Seite des abzutragenden Halbleiterkörpers der Einwirkung einer Gasatmosphäre ausgesetzt wird, die einen Stoff enthält,
der mit dem Material des abzutragenden Halbleiterkörpers eine gasförmige Verbindung zu bilden vermag und dass wenigstens zwei Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps vom Halbleiterkörper abgetragen und auf die dem Halbleiterkörper zugewendete Seite des Trägers abgeschieden werden.