DE1179184B

DE1179184B - Verfahren zum Herstellen von einkristallinen, insbesondere duennen halbleitenden Schichten

Info

Publication number: DE1179184B
Application number: DES71475A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Walter Heywang; Dipl-Phys Dr Guenther Ziegler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-11-30
Filing date: 1960-11-30
Publication date: 1964-10-08
Also published as: NL270518A; GB940236A; US3160522A; CH412821A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: B Ol d

Deutsche Kl.: 12 c-2

Nummer: 1179 184

Aktenzeichen: S 71475IV c /12 c

Anraeldetag: 30. November 1960

Auslegetag: 8. Oktober 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von einkristallinen, insbesondere dünnen halbleitenden Schichten durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleiterstoffes und Niederschlagen des Halbleiterstoffes auf einem plattenförmigen Träger.

Durch die vorliegende Erfindung soll das Problem gelöst werden, einkristalline Halbleiterschichten auf einem Träger herzustellen, der eine vom niedergeschlagenen Halbleiterstoff verschiedene Gitterstruktur aufweist.

Es ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem eine Metallplatte in einer eine gasförmige Verbindung eines Halbbleiterstoffes enthaltenden Atmosphäre so lange erhitzt wird, bis sich eine Halbleiterschicht der gewünschten Dicke niedergeschlagen hat. Dann wird die Metallplatte mit der Schicht, z. B. zonenweise, bis über die Schmelztemperatur erhitzt und anschließend langsam abgekühlt. Das bekannte Verfahren wird also in zwei Schritten durchgeführt. Um beim zweiten Schritt das,Umwandeln der in polykristalliner Form niedergeschlagenen Schicht in eine einkristalline zu erzielen,,muß bei diesem Verfahren ein Träger aus einem Stoff verwendet werden,, dessen Kristalle in Größe, Form und Struktur praktisch mit dem niedergeschlagenen Halbleiterstoff übereinstimmen, da dieser Träger als Keim dienen soll.

Demgegenüber kann man bei einem Verfahren zum Herstellen von einkristallinen, insbesondere dünnen, halbleitenden Schichten durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleiterstoffes und Niederschlagen des Halbleiterstoffes auf einen plattenförmigen Träger mit gegenüber dem Halbleiterstoff verschiedener Gitterstruktur einstufig arbeiten, wenn erfindungsgemäß der gegebenenfalls mit einem dotierenden Stoff präparierte Träger ,über eine schmale, in der Größenordnung von Millimetern breite Zone, bis wenigstens auf die Schmelztemperatur des Halbleiterstoffes erhitzt, darauf der Halbleiterstoff abgeschieden und, davon ausgehend, die Zone über den -plattenförmigen Träger geführt und beim Abkühlen der Schicht ein Temperaturabfall zu der dem Träger abgewandten Oberfläche der Schicht aufrechterhalten wird.

Bei diesem Verfahren wird also der Halbleiterstoff auf dem Träger-in ■ einer schmalen Zone, die, von einem Ende ausgehend, den plattenförmigen Träger entlanggeführt wird, in flüssiger Phase abgeschieden. Dabei wird beim Abkühlen der abgeschie- ; denen Halbleiterschicht ein Temperaturgradient aufrechterhalten, der bewirkt, daß die dem Träger abgewandte Oberfläche der Schicht zuerst erstarrt.

Verfahren zum Herstellen von einkristallinen,
insbesondere dünnen halbleitenden Schichten

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. Walter Heywang, München,

Dipl.-Phys. Dr. Günther Ziegler, Erlangen

Durch diese Maßnahme wird das Kristallwachstum praktisch unabhängig von dem als Träger verwendeten Fremdkristall. Der Halbleiterstoff erstarrt beim Weiterwandern der Zone unabhängig von der Gitterstruktur des Trägers in einkristalliner Form aus der Schmelze. Durch den unterschiedlichen Verteilungskoeffizienten der Verunreinigungen in der flüssigen und in der festen Phase tritt außerdem ein zusätzlicher Reinigungseffekt auf. . · .. .

Es kann , ein Träger aus Keramik verwendet werden.

Bei einer besonders günstigen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist zur Zuführung des Reaktionsgases eine schneidenförmige Düse über den Träger und dazu relativ verschiebbar angeordnet.

Eine- nähere Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand einiger besonders günstiger Ausführungsbeispiele gegeben.

In Fig. 1 ist ein z. B. aus Quarz bestehender Träger 1 dargestellt, der auf eine z. B. durch direkten Stromdurehgang erhitzte Unterlage 2 aufgelegt und so hoch erhitzt wird, daß sich seine ganze Oberfläche 18 auf einer Temperatur befindet, die tiefer als der Schmelzpunkt des abzuscheidenden Halbleiterstoffes liegt. Zur Erhitzung durch direkten Stromdurchgang ist die Unterlage 2 mit Halterungen versehen und über einen variablen Widerstand 15 mit der Spannungsquelle 16 verbunden.

In Richtung des Pfeiles 4 wird eine schneidenförmige, sich senkrecht zur Zeichenebene, vorzugsweise über den ganzen Träger erstreckende Düse 6, durch die das zu zersetzende Reaktionsgasgemisch in Richtung des Pfeiles 9 eingeleitet wird, vom linken Ende des Trägers ausgehend, diesen entlanggeführt. Das Reaktionsgasgemisch besteht z. B. aus Silicochloro-

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form (SiHCl₃) und Wasserstoff und wird durch die Düse 6 auf den Träger geblasen. Die zu zersetzende Siliciumverbindung kann natürlich auch eine Siliciumwasserstoffverbindung oder ein anderes gasförmiges Siliciumhalogenid sein. Die Düse 6 ist von einem Mantel 5 umgeben, durch den ein inertes Gas, z. B. Stickstoff, in Richtung der Pfeile 7 und 8 auf den Träger 1 strömt. An der Stelle, an der das Reaktionsgemisch auf den Träger auftrifft, wird dieser auf eine Temperatur erhitzt, die gleich oder größer als der Schmelzpunkt des abzuscheidenden Halbleiterstoffes ist. An dieser Stelle des Trägers wird dann das Halbleitermaterial, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Silicium, in flüssiger Phase abgeschieden. Diese Düse 6 und die Heizvorrichtung 11, 12, 13, 14 werden nun mit gleicher Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 4 bzw. 10 weiterbewegt. Beim Weiterwandern kristallisiert das Silicium in einkristalliner Form aus der Schmelze aus, und es bildet sich eine einkristalline Siliciumschicht 3 mit einer wulstförmigen, wandernden Schmelzkuppe 17. Die Dicke der niedergeschlagenen Schicht ist von der Geschwindigkeit, mit der die Düse und die Heizvorrichtung den Träger entlanggeführt werden, abhängig. Durch die Aufheizung des ganzen Trägers durch die erhitzte Unterlage 2 wird während des Abkühlens der niedergeschlagenen Schicht ein Temperaturgradient aufrechterhalten, der bewirkt, daß die oberen Teile der Schicht 3 zuerst erstarren, die Erstarrungsfront flüssig—fest in der Schicht also schräg zur Plattenebene des Trägers 1 verläuft. Dieser Temperaturgradient kann z. B. durch einen kühlenden Gasstrom, der aus einer eigenen Düse oder auch durch den Mantel 5 der Abscheidedüse auf die zuletzt abgeschiedene Zone der Schicht 3 geleitet wird, erhöht werden. Bei Anwendung dieses zusätzlichen Kühlstromes kann gegebenenfalls auch die Aufheizung des gesamten Trägers entfallen und nur die schmale Zone während des Abscheidens auf die notwendige Temperatur erhitzt werden.

Gemäß einer anderen in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann der durch die Unterlage 2 mittels Stromquelle 16 über den Widerstand 15 erhitzte Träger 1 auch in einer aus dem Reaktionsgasgemisch bestehenden Atmosphäre angeordnet sein, z. B. in einer aus Silicochloroform und Wasserstoff bestehenden Atmosphäre, wenn seine Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des Reaktionsgasgemisches gehalten wird. Durch Entlangführen einer Heizvorrichtung 11, 12, 13, 14 in Richtung des Pfeiles 10 wird dann jeweils eine schmale Zone des Trägers auf eine oberhalb der Zersetzungstemperatur und dem Schmelzpunkt des abgeschiedenen Halbleiterstoffes liegende Temperatur erhitzt und in dieser Zone jeweils das Halbleitermaterial auf der Oberfläche 18 an die Einkristallschicht 3 als Schmelzkuppe 17 in flüssiger Form niedergeschlagen. Beim Weiterwandem der Heizvorrichtung kristallisiert das Halbleitermaterial, z. B. Silicium, aus der Schmelze in einkristalliner Form aus. Der Temperaturgradient kann dabei, wie oben beschrieben, durch Anwendung eines Kühlstromes erhöht bzw., falls nur die schmale Zone des Trägers, in der die Zersetzung und das Abscheiden in flüssiger Form erfolgen, erhitzt wird, durch diesen erzeugt werden.

Die in den Figuren als Beispiel dargestellte Heizvorrichtung besteht aus einer Wärmequelle 12, die in einem die Wärmestrahlen reflektierenden Schirm 11 so angeordnet ist, daß die von ihr ausgehenden Wärmestrahlen, von denen zwei dargestellt und mit 13 und 14 bezeichnet sind, eine schmale Zone des Trägers auf die gewünschte Temperatur aufheizen. Die Aufheizung der schmalen Zone kann aber z. B. auch durch eine Gasentladung zwischen dem Träger und einer an der Oberfläche des Trägers entlanggeführten Elektrode erfolgen.

Die untere Grenze für die Geschwindigkeit, mit der die schmale Zone entlang dem Träger wandert, ist im wesentlichen durch die Aufheizgeschwindigkeit des Trägers auf bzw. über die Schmelztemperatur des abzuscheidenden Halbleiterstoffes durch die Heizvorrichtung gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zum Herstellen anderer Halbleiterstoffe, ζ. Β. von einkristallinen Germaniumschichten oder von Schichten aus AjjjBy-Verbindungen sowie von Schichten aus einer Germanium-Silicium-Legierung, verwendet werden.

Zur Herstellung von pn-Übergängen kann z. B. der Träger mit einem dotierenden Stoff präpariert sein, der in die niedergeschlagene Schicht eindiffundiert und sie teilweise umdotiert. So kann z. B. ein mit Bor behandelter Tantalträger verwendet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von einkristallinen, insbesondere dünnen halbleitenden Schichten durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleiterstoffes und Niederschlagen des Halbleiterstoffes auf einen plattenförmigen Träger mit gegenüber dem Halbleiterstoff verschiedener Gitterstruktur, dadurch gekeη ηzeichnet, daß der gegebenenfalls mit einem dotierenden Stoff präparierte Träger über eine schmale, in der Größenordnung von Millimetern breite Zone bis wenigstens auf die Schmelztemperatur des Halbleiterstoffes erhitzt, darauf der Halbleiterstoff abgeschieden und, davon ausgehend, die Zone über den plattenförmigen Träger geführt und beim Abkühlen der Schicht ein Temperaturabfall zu der dem Träger abgewandten Oberfläche der Schicht aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger aus Keramik verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine schneidenförmige Düse (6) über dem Träger (1) und dazu relativ verschoben wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 880117.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 690/215 9.64

Bundesdruckerei Berlin