DE1285465B

DE1285465B - Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von Schichten aus Silicium oder Germanium

Info

Publication number: DE1285465B
Application number: DEG40518A
Authority: DE
Inventors: Taft Jun Ernest Ashton; Dash William Carter
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-05-07
Filing date: 1964-05-06
Publication date: 1968-12-19
Also published as: US3316130A; NL6405005A; GB1065074A; SE331718B

Description

Die Zersetzung von Germaniumjodid oder Siliciumjodid in einer geschlossenen Röhre zur Herstellung epitaktisch auf Halbleitersubstrate aufgewachsene Schichten ist bekannt, jedoch liegen die Transportgeschwindigkeiten nur bei 0,05 bis 0,2 Mikron pro Minute für Germanium, wenn man unter Bedingungen arbeitet, unter denen Schichten von hinreichend gleichförmiger Dicke entstehen. Ähnliche Wachstumsraten treten im Fall von Silicium auf. Wenn man diese Verfahren so steuert, daß schnelleres Wachstum erfolgt, so tritt eine merkliche Beeinflussung der Gleichförmigkeit durch Gasturbulenzen auf.

Weiterhin ist bekannt, epitaktische Schichten von Silicium in Hochvakuum aufzubringen. Bei dem epitaktischen Aufwachsen in Hochvakuum ergeben sich zwar weder durch Gasströmungen noch aus der Dotierung Schwierigkeiten, da die Dotierungsverunreinigungen direkt aus dem Siliciumausgangsmaterial herstammen, das auch als Heizelement wirkt. Dieses Verfahren ist aber insofern schwierig, als zur Herstellung guter Schichten ein Vakuum von mindestens 10~⁸ Torr notwendig ist.

Bei den genannten Verfahren treten aber noch weitere Schwierigkeiten auf. Diese Schwierigkeiten können entweder von Turbulenzen oder von Konvektionsströmen herrühren, die von den verhältnismäßig hohen Gasdrücken sowie von den hohen Temperaturen oder von der Tatsache bedingt sind, daß der Materialtransport bei den bisherigen Verfahren von einem heißen Ausgangsmaterial zu einem etwas kühleren Substrat verläuft. Diese Schwierigkeit liegt in der Diffusion der Verunreinigungen von höherer Konzentration in das Material, das eine niedrigere Dotierungskonzentration enthält. Wenn man die epitaktischen Schichten aus einem Gas abscheidet, so tritt eine Diffusion auf, unabhängig davon, ob eine Schicht mit einer hohen Verunreinigungskonzentration auf einem Substrat von niedriger Verunreinigungskonzentration oder aber eine Schicht mit niedriger Verunreinigungskonzentration auf einem Substrat mit hoher Verunreinigungskonzentration abgeschieden wird. Auch wenn das epitaktische Wachstum nach anderen Verfahren durchgeführt wird, führt die Abscheidung eines Materials niedriger Dotierungsdichte auf einem Substrat von hoher Dotierungsdichte zu der gleichen unerwünschten Festkörperdiffusion. Dadurch wird die Grenze zwischen den Schichten verschiedener Dotierungskonzentrationen verwischt, die doch scharf definiert sein soll. Wenn die Grenzen zwischen den Schichten von unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen nicht scharf definiert sind, wird auch die Schärfe der Betriebseigenschaften solcher Halbleiterbauelemente beeinträchtigt. Weiterhin ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem als Transportelement zwischen einem Ausgangsmaterial und einem in weitem Abstand angeordneten Substrat Joddampf von hohem Druck verwendet werden soll. Das Ausgangsmaterial und das Substrat wird auf Temperaturen von einigen 100° C gehalten. Das Verfahren ergibt z.B. einen Siliciumniederschlag auf einem Siliciumsubstrat, der nach einer Betriebszeit von 3 Tagen eine Dicke von etwa 50 Mikron aufweist. Wenn man Halbleiterbauelemente in großen Stückzahlen herstellen möchte, kann man eine derart lange Wachstumszeit nicht zulassen.

Es ist auch schon ganz allgemein, ohne Beziehung auf das epitaktische Aufwachsen von Schichten auf Einkristalle, versucht worden, unter welchen Bedingungen der Materialtransport in der einen oder anderen Richtung stattfindet. Schlußfolgerungen auf die hier zu lösende Aufgabe wurden aber dabei nicht ges zogen.

Die Erfindung ist daher auf ein Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von Halbleiterschichten gerichtet, bei dem diese Schwierigkeiten einer Festkörperdiffusion sowie der Verwischung der Schichtgrenzen und der Ungleichförmigkeit in der Dicke und dem Widerstand vermieden werden. Zur gleichen Zeit soll sich eine hohe Wachstumsgeschwindigkeit bei reproduzierbaren Wachstumsbedingungen verwirklichen lassen.

Ausgehend von einem Verfahren, bei dem der Oberfläche des Halbleitersubstrats, die einer der Kristallebenen des Einkristalls parallel liegt, ein ebenfalls erhitzter Körper aus Silicium bzw. Germanium gegenübergestellt ist, wobei auf den Körper und das Substrat Joddampf einwirkt, so daß Silicium oder Germanium in eine gasförmige Verbindung übergeführt werden, die zum Substrat transportiert und dort zersetzt werden, wird gemäß der Erfindung der Abstand zwischen dem Silicium- bzw. Germaniumkörper und dem Substrat auf 0,5 bis 2 mm, der Joddampfdruck auf 0,5 bis 5 Torr und die Temperatur des Substrats höher als diejenige des Silicium- bzw. Germaniumkörpers eingestellt. Weiterhin sollen beim Aufwachsen von Silicium Temperaturen zwischen 1000 und 1400° C und beim Aufwachsen von Germanium Temperaturen zwischen 600 und 900° C eingestellt werden.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

F i g. 1 ist ein Schnitt durch ein Gerät zur Ausführung des Verfahrens;

F i g. 2 ist ein Schnitt durch einen Teil des Gerätes der F ig. 1;
F i g. 3 bis 5 sind graphische Darstellungen, welche.

die Ergebnisse zeigen, die auf der Änderung der ver schiedenen Parameter des Verfahrens beruhen;

F i g. 6 ist ein Vertikalschnitt durch eine andere Ausführungsform des Gerätes zur Ausführung des Verfahrens.

In der F i g. 1 ist ein Gerät dargestellt, mit dem sich das Verfahren der Erfindung durchführen läßt. Der Raum 1, in dem das Niederschlagen des Halbleitermaterials stattfindet, ist von einem dichten Behälter 2 umschlossen. Der Behälter 2, in Form eines hitzebeständigen Reaktionsgefäßes, z.B. aus Quarz, ist durch einen durchbohrten Stopfen 4 mit Dichtungsring 3 verschlossen. Der Stopfen 4 ist gegen den Raum 1 hin offen und steht über eine Röhre 5 und ein Ventil 6 mit einer Vakuumpumpe und über eine Röhre 7 und ein Ventil 8 mit einem Jodbehälter in Verbindung, in dem Joddampf erzeugt wird. Die Joddampfquelle weist Jodkristalle 9 auf, die in einer Röhre 10 untergebracht sind. Die Wärme zum Verdampfen des Jods wird durch ein Wasserbad 11 zugeführt. Darüber hinaus kann man den oberen Teil der Röhre 2, den Stopfen 4 sowie die Röhren 5 und 7 aufheizen, um eine Kondensation des Joddampfes zu verhindern.

Innerhalb des Raumes 1 sind ein kristallines Substrat 12, ein Ausgangsmaterial 13 sowie ein Abstandsring 14 untergebracht, die in der F i g. 2 auseinandergezogen gezeigt sind. Das Substrat 12 sowie das Ausgangsmaterial 13 können z. B. Scheibchen sein, die

einen Durchmesser von 2 cm und eine Dicke von 7 mm haben. Der Abstandsring 14 dient dazu, das Substrat und das Ausgangsmaterial in einem ganz bestimmten engen Abstand zu halten, der von 0,5 bis 2 mm variieren kann. In die sich gegenüberstehenden Oberflächen der Scheibchen sind Absätze 15 eingeschnitten, so daß man die ganze Anordnung einfach und stabil zusammensetzen kann. Das Substrat 12 ist auf Quarzbruch 16 aufgesetzt, um zu verhindern, daß sich der Behälter und das Substrat beim Aufheizen berühren. Durch einen Ofen 17 werden die Halbleiterscheibchen auf eine Temperatur von mehreren 100° C aufgeheizt, um sie so leitfähig zu machen, daß man sie anschließend mit Hochfrequenz weiterhin aufheizen kann. Um den unteren Teil des Behälters herum sind Induktionsspulen 18 und 19 vorgesehen, die dazu dienen, die Temperatur des Ausgangsmaterials und des Substrats auf die Betriebstemperatur anzuheben und zwischen diesen beiden Halbleiterscheibchen eine Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten.

Ist das Material Silicium, so wird das Ausgangsmaterial auf eine Temperatur gebracht, die zwischen etwa 1000° C und einer Temperatur liegt, die etwas niedriger, beispielsweise 100° C niedriger als die Temperatur des Substrats ist, die bis zu etwa 1400° C beträgt. Ist das Ausgangsmaterial dagegen Germanium, so liegt die Temperatur des Ausgangsmaterials zwischen 600° C und einer Temperatur, die beispielsweise 50 bis 100° C unterhalb der Temperatur des Substrats liegt, die bis zu 930° C beträgt.

Der Temperaturbereich, innerhalb dessen die Erfindung ausgeführt werden kann, ist somit durch die Temperatur des Substrats festgelegt.

Das einkristalline Substrat 12 ist so orientiert, daß eine seiner kristallographischen Ebenen, beispielsweise die (HO)-Ebene oder die (lll)-Ebene (Miller-Index) mit der Oberfläche 20 koplanar ist, die dem Ausgangsmaterial 13 gegenübersteht. Das Substrat 12 kann ein Einkristall aus dotiertem oder undotiertem Halbleitermaterial sein. Man kann als Substrat aber auch einen Einkristall verwenden, der mehrere Schichten mit unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen aufweist, die vorher epitaktisch abgeschieden worden sind.

Die Oberfläche des Substrats kann vor dem Aufbringen der epitaktischen Schicht gereinigt werden.

Das Halbleiterausgangsmaterial 13 soll von seiner Oberfläche 21 her auf die Oberfläche 20 des Substrats 12 abgeschieden werden. Dieses Halbleitermaterial ist in der gleichen Konzentration dotiert, wie sie in der abzuscheidenden Halbleiterschicht vorhanden sein soll.

Der Abstand des Ringes 14 ist vorzugsweise aus einem wärmeisolierenden Material, z. B. aus Quarz, hergestellt.

In dem Abstandsring 14 sind Schlitze 22 vorgesehen, durch die eine beschränkte Menge von Joddampf in den Raum zwischen dem Substrat 12 und dem Ausgangsmaterial 13 eindringen kann. Der Joddampfdruck wird auf einen passenden Wert zwischen 0,5 und 5 Torr gehalten. Nachdem eine Schicht in der gewünschten Dicke abgeschieden ist, wird das Gerät abgekühlt und das Substrat entnommen. Man kann aber auch ein neues Ausgangsmaterial in das Reaktionsgefäß einsetzen, das eine andere Dotierungskonzentration aufweist, und in einem nachfolgenden Arbeitsgang auf die beschriebene Weise eine neue Schicht auf das Substrat aufbringen.

Die so entstehende Schicht, die auf dem Substrat 12 niedergeschlagen ist, ist eine epitaktische Schicht und stellt eine Fortsetzung des ursprünglichen Kristallgitters der einkristallinen Unterlage dar. Die Verunreinigungen aus dem Ausgangsmaterial 13 werden auf die Schicht auf dem Substrat direkt zusammen mit dem Halbleitermaterial übertragen.

Bei dem beanspruchten Verfahren wird also der Dampfdruck des Joddampfes auf einen niedrigen Wert eingestellt, was leicht durch Regelung des Wasserbades erfolgen kann. Die Wachstumsgeschwindigkeit beträgt 2 bis 10 Mikron/min. Eine Siliciumschicht von 50 Mikron Dicke läßt sich in etwa 25 Minuten erreichen, sofern die Mindestwachstumsgeschwindigkeit verwendet wird. Benutzt man dagegen eine größere Wachstumsgeschwindigkeit für die Schicht, so ist eine Schichtdicke von 50 Mikron bereits nach 5 Minuten erreicht. Dabei ist nur eine verhältnismäßig geringe Menge von Joddampf erforderlich, da der Gasstrom auf den Raum zwischen dem Substrat 12 und dem Ausgangsmaterial 13 beschränkt ist und Konvektionsströme und Turbulenzen innerhalb dieses Raumes unterbunden werden.

Betrachtet man eine Mikrofotografie der Oberfläche einer Halbleiterschicht von etwa 20 Mikron Dicke, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt worden ist, bei einer 600fachen Vergrößerung nach chemischer Ätzung, so sieht man, daß die Oberfläche im wesentlichen strukturlos ist.

Um die Eigenschaften der Schichten und die Einflüsse der verschiedenen Parameter zu zeigen, sind in den F i g. 3 bis 5 eine Anzahl von Kurven gezeigt, die von Meßdaten abgeleitet wurden, die mit Silicium als Ausgangsmaterial und als Substrat gewonnen worden sind. F i g. 3 zeigt die Abbaugeschwindigkeit des Ausgangsmaterials als Funktion der Temperatur des Ausgangsmaterials. Die Temperatur des Substrats betrug 1370° C. Der Abstand zwischen dem Substrat und dem Ausgangsmaterial betrug 1 mm. Die Kurve A wurde mit einem Joddampfdruck von 1 Torr gemessen. Der Joddampfdruck für die Kurve B betrug 3 Torr. Dieser Darstellung kann man entnehmen, daß die Abbaugeschwindigkeit des Ausgangsmaterials sehr schnell abnimmt, wenn die Temperatur des Ausgangsmaterials sich der Temperatur des Substrats annähert. Man erhält die größten Wachstumsgeschwindigkeiten und die besten Oberflächen, wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Ausgangsmaterial und dem Substrat in dem aufgezeichneten Bereich liegen. Sie soll also im Falle von Silicium nicht größer als 200° C sein. Wählt man die Temperaturdifferenz höher, so wird mehr Material zu dem Substrat hin transportiert, als epitaktisch in das Kristallgitter des Substrats eingebaut werden kann.

F i g. 4 ist eine Darstellung der Abscheidungsgeschwindigkeit von Silicium als Funktion des Joddampfdruckes innerhalb des Transportgebietes. Bei diesen Messungen betrug die Temperatur des Substrats 1370° C und die Temperatur des Ausgangsmaterials 1250° C. Der Abstand zwischen dem Substrat und dem Ausgangsmaterial betrug 1 mm. Wie man dieser Darstellung entnehmen kann, wird die Abscheidungsgeschwindigkeit negativ, d.h., Silicium wird von der Oberfläche des Substrats entfernt, wenn der Joddampfdruck unter etwa 0,2 Torr absinkt. Be-

vorzugt kann dabei ein Joddampfdruck von 0,5 Torr angewandt werden.

F i g. 5 zeigt die Niederschlagsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen dem Ausgangsmaterial und dem Substrat. Die Form dieser Kurve ist unabhängig von der Größe des Joddampfdruckes, sofern das Ausgangsmaterial bei 1290° C und die Unterlage bei 1370° C gehalten wird. Die Einheiten der Abscheidungsgeschwindigkeit sind daher willkürliche Einheiten, die sich mit dem Joddampfdruck ändern. Man kann aus dieser Darstellung ablesen, daß die optimale Entfernung kleiner als 1 mm ist.

Die Fig. 6 zeigt eine gegenüber Fig. 1 abgeänderte Anordnung von Ausgangsmaterial. Substrat und Abstandsring. In diesem Falle hat das Ausgangsmaterial 23 ein kreisringförmiges Oberflächengebiet 24 sowie ein kreisförmiges Oberflächengebiet 25, das in der Mitte liegt. In die Fläche des Ausgangsmaterials 23, die dem Substrat gegenübersteht, ist also eine ringförmige Nut 26 eingeschnitten. Um das Ausgangsmaterial in einer vorgegebenen Entfernung von dem Substrat 27 zu halten, wird wieder ein Abstandsring 14 verwendet. Das Substrat weist eine Grundschicht 28 aus eigenleitendem Halbleitermaterial auf, auf die bereits eine Schicht 29 epitaktisch aufgebracht worden ist. Nach dem beanspruchten Verfahren erhält man als aufgewachsene Schicht einen Ring 30 sowie eine kreisförmige Mittelschicht 31, die beide auf der Schicht 29 aufsitzen. Dieses Bauelement kann beispielsweise als Transistor verwendet werden, als dessen Basis die Schicht 29 dient, als dessen Emitter das ringförmige Gebiet 30 verwendet wird und dessen Kollektor das Mittelgebiet 31 ist. Je nachdem, welchem Leitfähigkeitstypus die verwendeten Materialien angehören, kann das Halbleiterbauelement ein n-p-n- oder ein p-n-p-Transistor sein, der in der Form eines Einkristalls gezüchtet worden ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von Schichten aus Silicium oder Germanium auf ein einkristallines erhitztes Halbleitersubstrat, dessen Oberfläche, die einer der Kristallebenen des Einkristalls parallel liegt, einem ebenfalls erhitzten Körper aus Silicium bzw. Germanium gegenübergestellt ist, wobei auf den Körper und das Substrat Joddampf einwirkt, so daß Silicium bzw. Germanium in eine gasförmige Verbindung übergeführt werden, die zum Substrat transportiert und dort zersetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Silicium- bzw. Germaniumkörper und dem Substrat auf 0,5 bis 2 mm, der Joddampfdruck auf 0,5 bis 5 Torr und die Temperatur des Substrats höher als diejenige des Siliciums bzw. Germaniumkörpers eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufwachsen von Silicium Temperaturen zwischen 1000 und 1400° C und beim Aufwachsen von Germanium Temperaturen zwischen 600 und 900° C eingestellt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömen von Joddampf ausschließlich auf den Raum zwischen dem Silicium- bzw. Germaniumkörper und dem Substrat beschränkt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Joddampfdruck unabhängig vom Aufheizen des Silicium- bzw. Gennaniumkörpers und des Substrats geregelt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen