DE1225617B - Verfahren zum Herstellen epitaktisch gewachsener Halbleiterkristalle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

BOIj

Deutschem.: 12 g-17/28

Nummer; χ 225 617

Aktenzeichen: T26S56lVc712g

Anmeldetag:: 20» August 1964

Auslegetag; 29. September 1966

Bei der Herstellung von epitaktiseh gewachsenen Halbleiterkristallen wird Halbleitermaterial auf einem gleichen oder ähnlichen Basiskriställ aus dem Dampfzustand abgeschieden.

Im Idealfall wächst die Grenzschicht des niedergeschlagenen Filmes äüf der Basis auf und als ein Kristall weiter, dessen Gitter mit demjenigen der Basis übereinstimmt.

Es ist wichtig, daß dabei ein möglichst guter Einkristall entsteht, falls das so gewonnene Erzeugnis in Halbleitervorrichtungen verwendet werden soll. Bpitäktiseh wachsende Basiskristalle können beispielsweise aus Silicium, Germanium und Ill-V-Verbindüngen, beispielsweise Galliumphosphid und Galliumarsenid, bestehen.

So können IVFilme auf einem vergleichsweise diktat P+-Bäsis-Kristall als Unterlage oder N-Fihne auf einer vergleichsweisen dicken N⁺-Ünterläge hergestellt werden. Dies ermöglicht die Ausbildung eines dünnen Halbleiterbauelem&nts. · : Das Verfahren wird gewöhnlich^: bei erhöhten Temperaturen ausgeführt, beispielsweise bei etwa 1300° C im Fall einer epitaktischen Abscheidung vcn Silicium auf einer Silieiumunterlage. ' - .

DadieDiffusionsgeschwindigkeitmit der absoluten Temperatur exponentiell steigt, ist leicht einzusehen, daß die Diffusion von Fremdstoff en in die epitaktisch wachsende Schicht bei den höhen Temperaturen sehr stark ist. Im allgemeinen ist eine solche Diffusion in die epitaktisch gewachsene Schicht hinein unerwünscht, da die Konzentration der Fremdstoffe in dieser Schicht dadurch gesteigert wird. Handelt es sich bei den Fremdstoffen um Dotiermittel, so ist eine Voraussage über die Menge des Dotierrnittels, die in die Schicht hineindiffundiert, sowie über die Art des dabei erzielten Dotierungsgradiertten schwierig zu g&ben. Weiterhin ist die hohe Temperatür für eine merkliche Verunreinigung verantwortlich. Beispiels-Weise kann es sich bei einer solchen Verunreinigung um Wasserdampf handeln, der aus den verschiedenen Teilen des Reaktionsgefäßes austritt; ferner kann sich in gewissem Maße auch Köhlenmonoxyd im Reaktionggefäß bilden, welches häufig Kohlenstöffbestandtsile enthält. Ferner entsteht eine Verunreinigung und eine mit geringem Wirkungsgrad ablaufende Reaktion auch infolge bestimmter Nebenreaktionen, welche gewöhnlich während der Abscheidung bei hoher Temperatur ablaufen. Diese Nebenreaktionen betreffen nicht nur die primären Reaktionspartner, sondern auch das Dotiermittel.

Es ist daneben auch infolge der Anwesenheit eines Diffusionsbereiches und/öder von Verunreinigungen Verfahren zum Herstellen epitaktisch
gewachsener Halbleiterkristalle

Anmelder:

Texas Instruments Incorporated,

Dallas, Tex. (V. St. A.)

Vertreter:
Dr.-Ing. W.HÖger
und Dipl,-Ing, W. Stellrecht M. Sc,
^; ' Patentanwälte, Stuttgart 1, Uhlandstr. 16

' Als Erfinder benannt:
John Preston Short»
Satellite Beach, Fla. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 22. August 1963 (303 877)

in einer Baueinheit die Berechnung und Qualitätskontrolle dieser Baueinheit schwierig. So ist beispielsweise die Bestimmung der Dicke des epitaktisch gewachsenen Filmes durch Messung des Reflexionsvermögens im Ultrarotbereich sehr schwierig, und zwar infolge des geringen und variablen Reflexionsvermögens des Grenzbereiches, welcher einen stufenartigen Brechungsindex besitzt.

Bei einem Verfahren zum Herstellen epitaktisch gewachsener Halbleiterkristalle durch Ausscheiden des Halbleitermaterials aus der Gasphase auf die Oberfläche eines erhitzten Basiskristalls wird die Diffusion von Dotierstoffen oder Verunreinigungen in die epitaktisch gewachsenen Kristalle reduziert und/ oder besser steuerbar, wenn erfmdungsgemäß der Bäsiskriställ nach Abscheiden einer Schicht von wenigstens 0,1 Mikron Dicke auf eine Temperatür abgekühlt und bei dieser Temperatur weiter abgeschieden wird, wobei diese Temperatur noch oberhalb derjenigen Temperatur liegt, bei der polykristallines Kristallwachstum eintritt.

Vorteilhaft ist, wenn der Basiskristall um etwa 100° C, vorzugsweise etwa 50° C, abgekühlt wird.

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Zweckmäßig ist, wenn nach der Abkühlung des Basiskristalls so lange, weiter abgeschieden wird, bis die dann gebildete Schicht doppelt so dick wie die vorher gebildete Schicht ist.

So lassen sich Halbleitervorrichtungen mit scharfen Übergängen herstellen. Die hergestellten, epitaktisch aufgewachsenen_vKristalle besitzen reproduzierbare und meßbare Kenndaten.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Reaktionsgefäßes für die praktische Durchführung des Verfahrens und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Temperatursteuerung während des Verfahrens.

In Fig. 1 besitzt:das aus Quarz gefertigte Gefäß 11 einen Gaseinlaß 13 und einen Gasauslaß 15. Innerhalb des Gefäßes ist ein Widerstandsheizer 17 aus Graphit vorgesehen. Der Heizer 17 ist frei tragend von elektrisch leitenden Stäben 19 und 21 gehaltert, die auch der Stromzuführung dienen. Die Stäbe 19 und 21 bestehen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl und verlaufen durch eine der Abstützung dienende Verschlußscheibe 22, die das rechte Ende des Reaktionsgefäßes abschließt. Die Stäbe 19 und 21 sind mit den Klemmen einer üblichen, nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden. Die Verschlußplatte 22 ist an den Außenflächen von Flanschen 23 am Reaktionsgefäß 11 mit Hilfe von Klammern 25 gehaltert.

Im Betrieb wird eine gasförmige Mischung durch das aus Quarz bestehende Reaktionsgefäß 11 geleitet. Die Gasmischung enthält ein Reduziermittel, einen relativ niedrigen Prozentsatz einer Verbindung, welche das angestrebte Halbleitermaterial enthält, und eine kontrollierte Spurenmenge eines Dotiermittels. Im Reaktionsgefäß tritt die Gasmischung mit aufgeheizten Kristallunterlagen 27 in Berührung, welche vom Graphitheizer 17 gehaltert sind. Übliche Meß- und Steuereinrichtungen steuern den Stromeingang in die Stäbe 19 und 21 in Abhängigkeit von der Temperatur, so daß die Temperatur der Wachstumsfläche einer Kristallunterlage 17 bei einem bestimmten Wert gehalten werden "kann. Wie beispielsweise aus dem Blockschema'der Fig. 2 ersichtlich ist, führt ein optisches Pyrometer 31, das auf die Oberfläche des Kristalls eingestellt ist und deren Temperatur abfühlt, sein Ausgangssignal einem Temperatursteuergerät 33 zu, das seinerseits auf die gewünschte Temperatur eingestellt werden kann. Das Temperatur-Steuergerät 33 bestätigt die Spannungsversorgung 35 des Heizers 17, wenn die abgefühlte Temperatur unterhalb des angestrebten Wertes liegt, und stellt die Spannungsversorgung zum Graphitheizer 17 ab, falls die Temperatur über den angestrebten Wert ansteigt.

Die Abscheidung des Halbleitermaterials, welches in der gasförmigen Mischung zugegen ist, findet auf der aufgeheizten, freien Oberfläche des Basiskristalls statt, wobei die abgeschiedene Schicht die Kristallstruktur der Unterlage annimmt, so daß sich ein Einkristall ausbildet, wenn die Unterlage einkristallin ist.

Bei der bisher bekannten Technik wird zur Abscheidung einer Siliciumschicht auf einer Siliciumunterlage der Graphitheizer 17, welcher eine Reihe von Unterlagen 27 tragt, während etwa 10 Minuten auf 1300⁰C aufgeheizt. Während dieser Zeit wird reiner Wasserstoff dui;ch das Reaktionsgefäß geleitet, um Oxyde und Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Hierauf wird bei Raumtemperatur ein Gas, das aus 99 Volumprozent Wasserstoff, 1 Volumprozent Siliciumtetrachlorid und einer eingestellten tSpurenmenge an Dotiermitteln besteht, mit einer Strömungsgeschwindigkeit eingeführt, die bei etwa 401 pro Minute liegt. Hierauf läßt man das Gas mit dieser Geschwindigkeit durch das Reaktionsgefäß strömen, welches einen Innendurchmesser von etwa

ίο 7 cm besitzt, und zwar so lange, bis sich die angestrebte Dicke der Kristallschicht .abgeschieden hat. Wenn eine Unterlage des N+-Typs verwendet wird, kann das Dotierungsgas beispielsweise Phosphortrichlorid sein, um durch Abscheiden von Phosphor eine N-Schicht zu erzeugen. Wenn eine Unterlage des P+-Typs benutzt wird, kann das Dotierungsgas beispielsweise Diboran sein, um durch Abscheidung von Bor eine P-Schicht zu gewinnen. Es können je nach den angestrebten Kenndaten der Kristallschicht verschiedene Dotiermittelkonzentrationen zur Anwendung gelangen. Diese Konzentrationen können beispielsweise in der Größenordnung von etwa 50 Teilen pro Billion liegen. Eine solche äußerst kleine Menge an Dotiermitteln kann durch die an sich be^ kannte Methode der sukzessiven Verdünnung sehr genau eingestellt werden.

Der Druck im Reaktionsgefäß liegt während des ganzen Verfahrens näherungsweise bei Atmosphärendruck. Bei der bisherigen Technik wurde die Temperatur der Wachsrumsfläche während der Abscheidung im Reaktionsgefäß bei einem bestimmten konstanten Wert gehalten. Bei der oben beschriebenen Siliciumabscheidung lag dieser konstante Temperaturwert zwischen etwa 1250 und 1360° C.

Die mit HiUe dieser bisherigen Verfahren gewonnenen epitaxialen Baueinheiten variierten hinsichtlich ihres Widerstandes, wie es entsprechend der Dicke der abgeschiedenen Schicht zu erwarten war. In jedem Fall enthielt die Schicht der sich so ergebenden Baueinheit unveränderlich eine beträchtliche Menge an P- oder N-Dotiermittel, welches aus der dotiermittelreichen Unterlage in die epitaktisch gewachsene Schicht hineindiffundiert war. Daneben ergab sich aus einer Untersuchung des resultierenden Erzeugnisses eine erhebliche Verunreinigung. Versuche, die Dicke der abgeschiedenen Schicht durch Messung des Reflexionsvermögens im Ultrarotgebiet zu bestimmen, lieferten auf Grund geringer Auflösung häufig ungenaue Ergebnisse.

Demgegenüber werden Diffusion und Verunreinigung im wesentlichen unterdrückt, und man erhält einen Kristall hoher Güte, wenn man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, wie es nachstehend erläutert ist.

Eine Siliciumschicht läßt man epitaktisch auf einen damit verträglichen Basiskristall aufwachsen, wobei man zunächst eine Schicht von wenigstens etwa 0,1 Mikro Dicke bei einer Temperatur bildet, die nicht niedriger als etwa 1250° C ist; hierauf wird, und zwar noch vor der Vollendung der Abscheidung, die Temperatur beträchtlich unterhalb 1250° C, jedoch nicht unterhalb etwa 1000° C abgesenkt, bei welcher Temperatur dann die Abscheidung des Filmes zu Ende geführt wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel läßt man eine Germaniumschicht epitaktisch auf einem Basiskristall aufwachsen, wobei zunächst eine Schicht von wenigstens etwa 0,1 Mikron Dicke bei einer Temperatur nicht unterhalb etwa 725° C ge-..

bildet wird; hierauf wird, und zwar vor Vollendung der Abscheidung, die Temperatur beträchtlich unter 725° C abgesenkt, jedoch nicht unter diejenige Temperatur, bei der eine polykristalline Abscheidung erfolgt; diese Temperatur liegt vorzugsweise nicht niedriger als etwa 600⁰C. Bei dieser Temperatur wird dann die Abscheidung des Filmes vollendet.

Am besten ist, wenn die Temperatur kurz nach dem Erreichen der für Ausbildung eines Kernes mit richtig orientiertem Gitter nötigen Mindestdicke herabgesetzt wird. Je größer dann die Temperaturänderung, d. h. je niedriger die zweite Temperatur ist, um so weniger findet eine Diffusion oder Verunreinigung in die epitaktisch gewachsene Schicht statt.

Das Verfahren kann auch auf das Wachstum einer zweiten epitaktisch gewachsenen Schicht auf einer bereits epitaktisch gewachsenen Schicht .angewendet werden. Man kann daher eine P-Schicht auf einer N-Schicht niederschlagen, indem man Diboran als dotierendes Gas verwendet, um eine P-Schicht durch ao den Niederschlag von Bor zu erzeugen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen epitaktisch gewachsener Halbleiterkristalle durch Abscheiden des Halbleitermaterials aus der Gasphase auf die Oberfläche eines erhitzten Basiskristalls, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiskristall nach Abscheiden einer Schicht von wenigstens 0,1 Mikron Dicke auf eine Temperatur abgekühlt und bei dieser Temperatur weiter abgeschieden wird, wobei diese Temperatur noch oberhalb derjenigen Temperatur liegt, bei der polykristallines Kristallwachstum eintritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiskristall um etwa 100⁰C, vorzugsweise etwa 5O⁰C, abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abkühlung des Basiskristalls so lange weiter abgeschieden wird, bis die dann gebildete Schicht doppelt so dick wie die vorher gebildete Schicht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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