DE1185151B

DE1185151B - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinen, insbesondere duennen halbleitenden Schichten

Info

Publication number: DE1185151B
Application number: DES71476A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Guenther Dipl-Phys; Dr Rer Nat Erhard Si Dipl-Chem
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-11-30
Filing date: 1960-11-30
Publication date: 1965-01-14
Also published as: US3160521A; NL270516A; GB939051A; CH426745A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: BOIj

Deutsche KL: 12 c-2

Nummer: 1185 151

Aktenzeichen: S 71476IV c/12 c

Anmeldetag: 30. November 1960

Auslegetag: 14. Januar 1965

Es ist bekannt, einkristalline Halbleiterschichten durch Aufwachsen aus der Gasphase auf einem Träger aus dem gleichen Material herzustellen. Bei den bisher üblichen Verfahren wurde der Träger in einer die zu zersetzende gasförmige Verbindung enthaltenden Atmosphäre erhitzt, so daß der Halbleiterstoff auf der ganzen freien Oberfläche des Trägers aufwächst.

Es ist außerdem bereits ein Verfahren zum Herstellen von einkristallinen, insbesondere dünnen halbleitenden Schichten bekannt, bei dem eine gasförmige Verbindung des Halbleiterstoffes thermisch zersetzt und der Halbleiter auf. einen plattenförmigen erhitzten Träger, der eine gegenüber dem Halbleiter verschiedene Gitterstruktur aufweist und der gegebenenfalls mit einem dotierenden Stoff präpariert ist, in einer schmalen, in der Größenordnung von Millimetern breiten Zone abgeschieden und davon ausgehend die Zone über den plattenförmigen Träger geführt wird. Bei diesem Verfahren wird das Halbleitermaterial in der schmalen Zone in flüssiger Form abgeschieden. Beim Abkühlen wird der Temperaturgradient so eingestellt, daß die vom Träger abgewandte Oberfläche der Schicht zuerst erstarrt und dadurch ein einkristallines Wachstum gewährleistet wird.

Demgegenüber wird beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auf den Träger, der gegebenenfalls bei der Abscheidetemperatur Wasserstoff abgeben kann, ein Keimkristall aufgebracht, der so orientiert ist, daß die Wachstumsgeschwindigkeit in Richtung der ausgedehnten Oberfläche des Trägers viel größer ist als senkrecht zu dieser, und es wird von diesem ausgehend abgeschieden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein gezieltes Niederschlagen auf Teilen der Oberfläche des Trägers. Die Unabhängigkeit der niedergeschlagenen Schicht von der Gitterstruktur des Trägers wird dadurch erreicht, daß der Kristall nicht auf dem Träger aufwächst, sondern das Einkristallwachstum sich, von einem auf den Träger angeordneten Keimkristall ausgehend, flächenförmig ausbreitet.

Bei diesem Verfahren kann daher ein Träger mit einer von der des Halbleiterstoffs verschiedenen Gitterstruktur, ζ. B. Quarz oder Metall, wie z. B. Tantal, verwendet werden. Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung kann ein Träger aus Keramik verwendet werden.

Weiter wird vorgeschlagen, in der schmalen Zone in der die Zersetzung und das Niederschlagen erfolgt, einen schräg zur Oberfläche des Trägers verlaufenden Temperaturgradienten derart aufrechtzu-Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen
von einkristallinen, insbesondere dünnen
halbleitenden Schichten

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
ίο München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Günther Ziegler,
¹S Erlangen;

Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. Erhard Sirtl, München

erhalten, daß die Wachstumsgeschwindigkeit an der Schichtoberfläche am größten ist. Durch diese Maßnahme wird eine Wachstumsstörung durch die an der Oberfläche der Unterlage niedergeschlagenen Schicht weitgehend vermieden.

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

In F i g. 1 ist ein z. B. aus Quarz bestehender plattenförmiger Träger 2 dargestellt, auf dessen ausgedehnter Oberfläche 15 ein Keimkristall 1 angeordnet ist. Der Einkristall 1 ist so orientiert, daß die Kristallwachstumsgeschwindigkeit in der durch den Pfeil 12 angegebenen Richtung viel größer ist als senkrecht zu dieser Richtung. Bei Kristallen mit Diamantgitter ist also die in der Ebene 15 liegende Kristallebene des Keimkristalls die (lll)-Ebene und die in der Wachstumsrichtung, also senkrecht zur Oberfläche 15 liegende Ebene die (112)-Ebene. Gemaß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Keimkristall nicht von einer Schmalseite des Trägers zur anderen, sondern er ist als kleines Plättchen ausgebildet, das auf einer Seite der Oberfläche 15 des Trägers etwa in der Mitte angeordnet ist.

Der Träger mit dem Keimkristall befindet sich in einer Atmosphäre, die eine gasförmige Verbindung des zu zersetzenden Halbleitermaterials enthält, z. B. eine Halogenverbindung oder eine Wasserstoffverbindung des Siliciums (z. B. SiCl

SiH₂Cl₂,

SiH₄) oder des Germaniums (z. B. GeCl₄, GeH₂Cl₂, GeJ₄, GeH₄), oder gasförmige Verbindungen der

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III. und V. Gruppe des Periodischen Systems. Der Träger befindet sich auf einer so tiefen Temperatur, daß keine Abscheidung erfolgt. Durch eine Heizvorrichtung, z. B. durch einen Infrarotstrahler 4, der sich senkrecht zur Richtung der Pfeile 14 und 15 über die gesamte Breite des Trägers erstreckt, wird eine schmale Zone des Trägers auf die Zersetzungstemperatur erhitzt, so daß nur in dieser schmalen erhitzten Zone (Hochtemperaturzone) der Halbleiterstoff zur Abscheidung gebracht wird. Der Infrarotstrahler wird, ausgehend vom Keimkristall 1, in'Richtung des Pfeiles 12 am Träger entlanggeführt. Das Einkristallwachstum breitet sich, vom Keimkristall ausgehend, flächenförmig aus. Zur Erhitzung der Zone wird dabei entweder die Heizvorrichtung am Träger entlanggeführt, oder der Träger wird über die Heizvorrichtung hinweggeführt. Die Geschwindigkeit, mit der die Temperaturzone wandert, ist dabei im wesentlichen durch die Aufheizgeschwindigkeit des Trägers auf die Zersetzungstemperatur durch die Heizvorrichtung bestimmt.

Statt eines Infrarotstrahlers kann, wenn der Träger aus einem geeigneten Material besteht, auch eine Hochfrequenzspule zum Aufheizen verwendet werden. Die Aufheizung der schmalen Zone kann aber auch durch eine Gasentladung zwischen dem Träger und einer an der Oberfläche 15 des Trägers entlanggeführten Elektrode erfolgen.

Durch die Heizvorrichtung wird ein Temperaturgradient im Träger erzeugt. Dieser wird zweckmäßig so gewählt, daß die Temperatur an der Oberfläche 15 des Trägers innerhalb der schmalen Zone so hoch ist, daß eine maximale Abscheidung erfolgt. In F i g. 2 ist die Abscheidungskurve 16 für Silicium aus einem bestimmten SiCl₄-H₂-Gemisch aufgetragen. Auf der Ordinate ist die abgeschiedene Menge des Halbleitermaterials in Gramm und auf der Abszisse die Temperatur T aufgetragen. Mit F₁, ist der Schmelzpunkt des Siliciums bezeichnet. Man kann diesem Diagramm entnehmen, daß die Temperatur T₁, bei der eine maximale Abscheidung erfolgt, etwas unterhalb des Schmelzpunktes des Siliciums liegt. Es ist günstig, die Oberfläche 15 des Trägers innerhalb der schmalen Zone auf dieser Temperatur zu halten.

In F i g. 3 ist eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der z. B. wieder aus Quarz bestehende Träger 2, auf dem der Einkristallkeim 1 aufgebracht ist, befindet sich an seiner Oberfläche 15 auf einer Temperatur, bei der die Abscheidung des Halbleiterstoffes erfolgt. Zur Bildung der Einkristallschicht 3 wird eine schneidenförmige Düse, aus der die zu zersetzende gasförmige Verbindung ausströmt, vom Keimkristall ausgehend in Richtung des Pfeiles 11 den Träger entlanggeführt. Es können auch mehrere schneidenförmige Düsen, aus denen das Reaktionsgas strömt, nebeneinander angeordnet sein und den Träger entlanggeführt werden.

Mittels dieser schneidenförmigen Abscheidedüse wird, von einem flächenhaften schmalen Einkristall 1 ausgehend, eine einkristalline Aufwachsschicht 3 erzeugt, die sich durch die oben angegebene Orientierung des Keimkristalls mit bevorzugter Wachstumsrichtung auf der Oberfläche 15 des Trägers ausbreitet. Die Düse 5 ist von einem Mantel 7 umgeben, durch den ein inertes Gas, z. B. Stickstoff, in Richtung der Pfeile 9 und 10 strömt, um Wachstumsstörungen an den Stellen niederer Temperatur zu unterbinden. Das zu zersetzende Gas strömt in Richtung des Pfeiles 6 durch die durch eine Wandung 8 in zwei Kammern getrennte Düse 5.

In F i g. 4 ist der Träger von oben gesehen dargestellt. Man kann aus dieser Figur erkennen, wie die Halbleiterschicht, vom Keimkristall 1 ausgehend, flächenförmig weiterwächst.

Es ist bei dem in Zusammenhang mit der F i g. 3 beschriebenen Verfahren aber auch möglich, nur jeweils die schmale Zone des Trägers, die sich unterhalb der Düse befindet, durch eine der in Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebenen Heizvorrichtungen aufzuheizen, wobei die übrigen Teile der Trägeroberfläche sich auf einer unterhalb der Zersetzungstemperatur liegenden Temperatur befinden. Diese Heizvorrichtung wird dann analog dem in Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebenen Verfahren mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Düse vom Keimkristall ausgehend in Richtung des Pfeiles 11 bewegt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Dotierungsstoff während des Niederschiagens aus dem Träger in die niedergeschlagene Schicht eindiffundiert werden, wenn ein mit dotierenden Stoffen präparierter Träger verwendet wird.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der Erfindung wird ein Träger verwendet, der bei der Reaktionstemperatur Wasserstoff abgibt. Dies ist vor allem bei der Zersetzung von Siliciumtetrachloriddämpfen unter Bildung von Siliciumschichten günstig. Man kann z. B. ein mit einer definierten Wasserstoffmenge beladenes Tantalblech als Träger verwenden. Bei Erhitzung des Trägers oder einer schmalen Zone des Trägers auf die Zersetzungstemperatur gibt der Träger den reduzierend wirkenden Wasserstoff ab. Da die Abscheidung durch die Menge des vom Träger abgegebenen Wasserstoffs begrenzt ist, kann die Dicke der Schicht durch diese Maßnahme gesteuert werden. Dabei ist die Menge des abgegebenen Wasserstoffs nicht nur von der zur Beladung verwendeten Wasserstoffmenge, sondern auch von der Dicke der bereits abgeschiedenen Halbleiterschicht bestimmt, da durch diese hindurch die Diffusion des Wasserstoffs erfolgen muß.

Das mit Wasserstoff beladene Tantalblech, das als Träger dient, kann z. B. vorher mit Bor behandelt werden, so daß beim Niederschlagen sofort eine hochdotierte Halbleiterschicht entsteht.

Um beim Abkühlen der Schichten, insbesondere bei Verwendung eines Trägers mit einer vom abgeschiedenen Halbleitermaterial verschiedenen Gitterstruktur, die wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Träger und Schicht leicht auftretenden Sprünge zu vermeiden, wird erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen, daß die ausgedehnte Oberfläche des Trägers vor dem Abscheiden mit Einschnitten versehen wird. Als besonders günstiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 ein Teil 17 eines mit Einschnitten versehenen Trägers dargestellt. Der z. B. aus Quarz bestehende Träger ist mit eingesägten Schlitzen versehen, von denen zwei mit 18 und 19 bezeichnet sind. Durch die Dünnstellen, von denen zwei mit 22 und 23 bezeichnet sind, wird das Einkristallwachstum begünstigt, da durch diese eine Verarmung an Versetzungslinien im Kristall erzielt wird. Beim Abkühlen möglicherweise auftretende Risse entstehen bevorzugt an den Dünnstellen. Diese sind aber dann ohne Bedeutung, da der Träger zum Herstellen einzelner

Bauelemente sowieso an den Dünnstellen zerteilt wird.

Andere Möglichkeiten, um bei Verwendung eines Trägers, dessen Wärmeausdehnung sich von der des niedergeschlagenen Halbleiterstoffs unterscheidet, die Rissebildung weitgehend zu vermeiden, sind auch dadurch gegeben, daß der Träger bei hoher Temperatur durch Zersägen der Halbleiterschicht mittels eines Sandstrahls unterteilt wird. Eine Vermeidung von Rissen kann auch durch eine sehr dünne und elastische Unterlage, die als Träger dient, bewerkstelligt werden. Dabei muß aber der Nachteil einer geringeren mechanischen Stabilität in Kauf genommen werden.

Beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bildet sich die einkristalline halbleitende Schicht 3 nur auf den Teilen des Trägers, die während des Verfahrens durch die Heizvorrichtung auf die Zersetzungstemperatur erhitzt werden, bzw. nur auf den Teilen der Oberfläche, auf die die zu zersetzende gasförmige Verbindung z. B. mittels einer Düse geleitet wird. Es können mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung also auch halbleitende Schichten erzeugt werden, die nicht den ganzen Träger bedecken bzw. deren geometrische Ausdehnung auf den einzelnen Teilen der Oberfläche verschieden groß ist. Dies ist vor allem bei der Herstellung von Festkörperschaltkreisen von Vorteil, bei denen die aktiven und passiven Elemente einer Schaltung in einem Träger, der z. B. aus einem Halbleiter, z. B. Silicium oder Germanium, oder aus Keramik besteht, enthalten sind. Zur Herstellung derartiger Bauelemente ist das Verfahren besonders günstig, da dann z. B. eine Abdeckung des aus einem Halbleiter, aus Keramik oder einem Metall bestehenden Trägers, wie sie bisher beim Aufdampfen der verschiedenen Schichten notwendig waren, fortfallen kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von einkristallinen, insbesondere dünnen halbleitenden Schichten durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleiterstoffes und Niederschlagen des Halbleiters auf einem plattenförmigen erhitzten Träger mit gegenüber dem Halbleiter verschiedener Gitterstruktur, der gegebenenfalls mit einem dotierenden Stoff präpariert ist, wobei in einer schmalen, in der Größenordnung von Millimetern breiten Zone der Halbleiterstoff abgeschieden und davon ausgehend die Zone über den plattenförmigen Träger geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Träger, der gegebenenfalls bei der Abscheidetemperatur Wasserstoff abgeben kann, ein Keimkristall aufgebracht wird, der so orientiert ist, daß die Wachstumsgeschwindigkeit in Richtung der ausgedehnten Oberfläche des Trägers viel größer ist als senkrecht zu dieser, und daß von diesem ausgehend abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der schmalen Zone ein schräg zur Oberfläche des Trägers verlaufender Temperaturgradient derart aufrechterhalten wird, daß die Wachstumsgeschwindigkeit an der Schichtoberfläche am größten ist.

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

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Wasserstoff beladenes Tantalblech als Träger verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger nur innerhalb der schmalen Zone auf die Abscheidetemperatur aufgeheizt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger verwendet wird, dessen Oberfläche vor dem Abscheiden mit Einschnitten (18, 19) versehen worden ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine schneidenförmige Düse über dem Träger und dazu relativ verschiebbar angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere schneidenförmige Düsen nebeneinander angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 880 117;
Chemie, Ingenieur, Technik, 1956, S. 350 ff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen