DE1231676B

DE1231676B - Verfahren zur Herstellung eines Silicium- oder Germaniumfilms auf einer Silicium- bzw. Germaniumunterlage durch epitaktisches Aufwachsen

Info

Publication number: DE1231676B
Application number: DEW32457A
Authority: DE
Inventors: Eileen Tanenbaum Handelman
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1961-07-05
Filing date: 1962-06-20
Publication date: 1967-01-05
Also published as: GB995543A; FR1319183A; US3172792A; CH413801A; BE617621A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

BOIj

Deutsche KI.: 12 g-17/32

Nummer: 1231676

Aktenzeichen: W 32457IV c/12 g

Anmeldetag: 20. Juni 1962

Auslegetag: 5. Januar 1967

Epitaktisch gewachsene Halbleiterschichten verschiedener Leitfähigkeiten auf Halbleiter- oder Leiterflächen sind bei Halbleiterbauelementen, insbesondere bei bestimmten Transistortypen bekannt.

Zu deren Herstellung ist ein Verfahren bekannt, bei dem Halbleitermaterial, dessen Zusammensetzung im wesentlichen der in der Schicht gewünschten entspricht, über die Dampfphase auf eine Halbleiterunterlage übergeführt wird. Diese Überführung wird durch eine Oxydations-Reduktions-Transportreaktion erreicht, die durch verschiedene Parameter, hauptsächlich Zusammensetzung der Atmosphäre in der Reaktionskammer und Temperaturdifferenz zwischen Halbleiterunterlage und Halbleitermaterial, eingeleitet und gesteuert wird.

Die Transportreaktion umfaßt die Reduktion eines Halbleitertetrahalogenids in reduzierendem Gas, ζ. Β. Wasserstoff, wobei die Unterlage auf niedrigerer Temperatur als das Halbleiterausgangsmaterial gehalten wird. Infolge der schwierigen Steuerung der verschiedenen Parameter im Hinblick auf die Gleichgewichtslage der Reaktion konnten Schichten mit hohem spezifischem Widerstand nicht erhalten werden. Ferner weisen die Schichten Dickeschwankungen in der Größenordnung von 1 bis 2 Mikron auf. Mit Verfahren zur Herstellung eines Silicium- oder Germaniumfilms auf einer Silicium- bzw. Germaniumunterlage durch epitaktisches Aufwachsen, wobei die Unterlage im Abstand von einem Körper aus Silicium bzw. Germanium innerhalb einer ein Halogenid von Silicium bzw. Germanium enthaltenden Atmosphäre angeordnet ist und während des Aufwachsens eine Temperatur aufweist, die mindestens um 2O⁰C tiefer ist als die Temperatur des Körpers, können aber dünne, beispielsweise 10 Mikron starke Filme erhalten werden, die weniger als 0,2 Mikron in der Filmdicke über die gesamte Fläche variieren, wenn erfmdungsgemäß der Abstand mindestens 0,025 cm beträgt und während des Aufwachsens ein Druck zwischen 1O^-1 und ΙΟ""⁶ mm Hg aufrechterhalten wird, und die einen spezifischen Widerstand von 500 Ohm · cm bis über 3000 Ohm · cm aufweisen.

Die Betriebstemperaturen von Halbleiterunterlage und Halbleiterausgangsmaterial sind im wesentlichen durch die Eigenschaften des speziell verwendeten Halbleiters bestimmt. Für Siliciumschichten auf Siliciumunterlagen wird die Temperatur des Ausgangsmaterials vorzugsweise zwischen 1200 und 1350⁰C gehalten und die der Unterlage zwischen 1000 und 1180⁰C. Für Germanium haben sich als Unterlage- und Ausgangsmaterialtemperaturen die Bereiche von 400 bis 680⁰C bzw. 700 bis 900⁰C als geeignet er-Verfahren zur Herstellung eines Silicium- oder
Germaniumfilms auf einer Silicium- bzw.
Germaniumunterlage durch epitaktisches
Aufwachsen

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Eileen Tanenbaum Handelman,

Short Hills, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 5. Juli 1961 (121 999) - -

wiesen. Hierbei ist wesentlich, daß die Temperaturdifferenz von wenigstens 20° C, vorzugsweise wenigstens 50⁰C, zwischen Unterlage und Ausgangsmaterial aufrechterhalten wird.

Die Reaktionsatmosphäre enthält als das Halogenid vorzugsweise das Tetrahalogenid des verwendeten Halbleitermaterials. Es können auch verdünnende, inerte Gase in die Atmosphäre der Reaktionskammer in sehr großen Verhältnissen eingebracht werden, solange der Druck ausreichend niedrig bleibt, um eine angemessene mittlere freie Weglänge der Reaktionspartner in der Reaktionskammer zu erhalten. Dabei ist aber wesentlich, daß das Halogenid in noch ausreichender Konzentration, vorzugsweise mit wenigstens lO°/o> vorhanden ist.
Im folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren an Hand einer in der Zeichnung schematisch dargestellten, seiner Durchführung dienenden Vorrichtung beschrieben.

Eine Silicium- oder Germaniumunterlage 10 ist an einem Träger 11 in einem als Reaktionskammer dienenden Quarzrohr 12 angebracht. Das Quarzrohr ist bei 13 an ein Gaszuführungs- und Steuersystem angeschlossen.

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Das System enthält eine Wasserstoffquelle 14, die über ein Ventil 15 mit einer durch ein Bad 17 mit flüssigem Stickstoff gekühlten Wasserstoffzumeßküvette 16 verbunden ist. Ein Ventil 18 steuert die in die Reaktionskammer strömende Wasserstoffmenge. Ferner ist eine durch ein Ventil 20 gesteuerte Stickstoffquelle 19 vorgesehen sowie eine Silicium- bzw. Germaniumhalogenidquelle 21, die in einem Bad 22 mit flüssigem Stickstoff gekühlt und durch ein Ventil 23 gesteuert ist. Das Gaszuführungssystem ist über ein Ventil 24 an eine Vakuumpumpe 25 angeschlossen.

Ein Kältefinger 26 wird zum Speichern und Überführen des Halogenids in noch zu beschreibender Weise verwendet. Eine Hochfrequenzheizspule 27 dient zum Aufheizen der Unterlage 10 und des Trägers 11, der zugleich als Halbleiterausgangsmaterial dient. Mit einer Ionisationsmeßeinrichtung 28 und einer Thermoelementmeßeinrichtung 29 wird der Druck im System gemessen. Die Temperatur wird mit einem nicht dargestellten Pyrometer bestimmt.

Die Unterlage 10 wird am Träger 11 so an dessen Tragteilen befestigt, daß sie von der Trägeroberseite im Abstand von wenigstens 0,025 cm gehalten wird. Der Träger besteht aus dem Halbleitermaterial, aus dem der zu züchtende Film bestehen soll. Das gesamte System wird dann auf den gewünschten Druck evakuiert. Das Ventil 24 wird dann geschlossen, und etwa 1 cm³ Siliciumtetrachlorid wird, wenn Silicium als Halbleitermaterial vorgesehen ist, von der HaIbleiterhalogenidvorratsküvette 21 in den Kältefinger 26 abgezogen und dort mit flüssigem Stickstoff ausgefroren. Von der Wasserstoffzumeßküvette 16 wird Wasserstoff bei einem Druck von 0,1 mm Hg zugegeben, und die Hochfrequenzspule 27 wird eingeschaltet. Der Träger 11 wird auf Betriebstemperatur für 3 Minuten erwärmt. Der Wasserstoff wird dann abgepumpt, und das Siliciumtetrachlorid im Kältefinger 26 wird durch ein Bad aus Alkohol und flüssigem Stickstoff auf —100⁰C ausreichend lang erwärmt, um den gewünschten SiCl₄-Dampfdruck in der Reaktionskammer zu erhalten. Daraufhin beginnt der Niederschlag. Am Ende des Vorgangs wird das SiCl₄ wieder ausgefroren und der Hochfrequenzgenerator ausgeschaltet. Die Reaktionskammer wird mit Stickstoff rückgefüllt und anschließend die Probe aus dem System entnommen.

Beispiel I

Eine [lll]-FIäche einer Einkristall-Siliciumunterlage 10 wurde, um eine glatte, saubere Fläche zu erhalten, geätzt und dann elektromechanisch poliert. Die Unterlage war eine Scheibe mit den Abmessungen 1,27 · 1,27 · 0,025 cm und bestand aus η-leitendem Silicium und hatte einen spezifischen Widerstand von 0,006 Ohnvcm. Die Unterlage 10 wurde am Träger 11 in der Weise angebracht, daß die vorbehandelte Fläche einen Abstand von etwa 1,016 cm von der Trägeroberseite hatte. Der Träger bestand aus p-leitendem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 6000 Ohm · cm. Der Träger 11 wurde auf 1325° C erwärmt. Die Verfahrensmaßnahmen und die Vorrichtung waren dieselben, wie vorstehend beschrieben worden ist. Die Temperatur der Unterlage 10 wurde auf 1055⁰C gehalten. Der SiCl₄-Druck der Reaktionskammer betrug 0,015 mm Hg. Die Niederschlagszeit war 10,5 Minuten. Es wurde ein epitaktisch gewachsener Siliciumfilm mit einer Dicke von 5 Mikron und einer n-Störstellenkonzentration von 2,0 ± 0,5 · 10¹² Atom pro Kubikzentimeter erhalten. Der Film zeigte außergewöhnliche Kristallvollkommenheit mit [lll]-Orientierung und sehr gleichmäßiger Dicke. Die maximale Dickenschwankung betrug weniger als 0,3 Mikron.

Beispiel II

Es wurde im wesentlichen wie nach Beispiel I gearbeitet, mit der Ausnahme, daß der SiCl₄-Dampfdruck auf 0,007 mm Hg eingestellt wurde. Der erhaltene Film hatte eine Dicke von 3,6 Mikron und im wesentlichen denselben spezifischen Widerstand und dieselben physikalischen Eigenschaften wie der Film nach Beispiel I. Dieses Beispiel zeigt die außergewöhnlich gute Reproduzierbarkeit der Filmqualität und des spezifischen Widerstands, die nach dem Verfahren erhalten werden.

Beispiel III

Das Verfahren nach Beispiel I wurde durchgeführt, wobei ein bordotierter, p-leitender Silici umträger (spezifischer Widerstand etwa 0,5 Ohm · cm) verwendet wurde. Die Unterlage war phosphordotiertes, n-leitendes Silicium (spezifischer Widerstand etwa 5,0 Ohm · cm), und der erhaltene Film war η-leitend (spezifischer Widerstand etwa 0,4 Ohm · cm), woraus sich die Anwendbarkeit des Verfahrens zum Herstellen von pn-Übergängen ergibt. Der so erzeugte pn-Übergang hat eine Durchbruchsspannung von 50 Volt.

Beispiel IV

Es wurde dasselbe Verfahren durchgeführt, wobei aber SiCl₄ durch GeCl₄ ersetzt und Germanium für Unterlage und Träger verwendet wurde. Die Unterlage war mit 2 · 10¹⁹ Galliumatomen pro Kubikzentimeter dotiertes, p-leitendes Germanium mit [lll]-Orientierung. Die Unterlage wurde auf einer [lll]-Fläche elektromechanisch poliert. Die Temperatur des Trägers betrug 875° C. Die Temperatur der Unterlage wurde bei etwa 675⁰C gehalten. Der GeCl₄-Druck in der Reaktionskammer betrug 0,05 mm Hg. Die Wachstumsgeschwindigkeit betrug 0,1 Mikron pro 25 Minuten. Mit einem auf etwa 0,9 mm Hg eingestellten GeCl₄-Dampfdruck war die Wachstumsgeschwindigkeit etwa 1 Mikron pro 70 Minuten. Der Film war p-leitendes Germanium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,01 Ohm · cm und einer Dicke von etwa 2 Mikron. Er zeigte gute Einkristallvollkommenheit und Gleichförmigkeit.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Silicium- oder Germaniumfilms auf einer Silicium- bzw. Germaniumunterlage durch epitaktisches Aufwachsen, wobei die Unterlage im Abstand von einem Körper aus Silicium bzw. Germanium innerhalb einer ein Halogenid von Silicium bzw. Germanium enthaltenden Atmosphäre angeordnet ist und während des Auf wachsens eine Temperatur aufweist, die mindestens um 20° C tiefer ist als die Temperatur des Körpers, dadurchgekennzeichnet, daß der Abstand mindestens 0,025 cm beträgt und während des Aufwachsens ein Druck zwischen 10"¹ und 10~⁶ mm Quecksilber aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druck zwischen 10~² und 10~⁴mm Quecksilber aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand 1,016 cm beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 865160; Journal of electrochem. Soc, 96 (1948), 5, S. 318; (1959), S. 509;
Electronics, Juli 1960, S. 66 bis 68.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen