DE1544191B2 - Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial

Info

Publication number
DE1544191B2
DE1544191B2 DE1965G0044259 DEG0044259A DE1544191B2 DE 1544191 B2 DE1544191 B2 DE 1544191B2 DE 1965G0044259 DE1965G0044259 DE 1965G0044259 DE G0044259 A DEG0044259 A DE G0044259A DE 1544191 B2 DE1544191 B2 DE 1544191B2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
substrate
mask
semiconductor material
semiconductor
epitaxial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE1965G0044259
Other languages
English (en)
Other versions
DE1544191A1 (de
Inventor
Donald Lloyd Elbridge Malguit
James Esley Clay Sprague
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of DE1544191A1 publication Critical patent/DE1544191A1/de
Publication of DE1544191B2 publication Critical patent/DE1544191B2/de
Granted legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02532—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H01L21/02639—Preparation of substrate for selective deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial durch epitaxiale, mit Hilfe einer dampfförmigen Halbleiterverbindung durchgeführten Abscheidung einer Schicht aus Halbleitermaterial von einem Quellkörper auf ausgewählte Teile der Oberfläche eines Halbleitersubstrats in einer halogenhaltigen Atmosphäre, wobei das Substrat in einem geringen Abstand von dem Quellkörper aus Halbleitermaterial angeordnet wird.
Der Ausdruck »epitaxiale Abscheidung« bedeutet dabei die Bildung einer Schicht aus monokristallinem Halbleitermaterial (d. h. eine orientierte Kristallabscheidung), die auf einem monikristallinen Substrat niedergeschlagen wird und deren Kristallgitterstruktur eine Fortsetzung der Gitterstruktur des Substrates ist, die sich jedoch insofern von dieser unterscheiden kann, als sie Verunreinigungen enthalten kann, welche zur Ausbildung bestimmter elektrischer Eigenschaften, z. B. der Leitfähigkeit, des spezifischen Widerstands od. dgl., die das Substrat nicht aufweist, notwendig sind.
Das epitaxiale Züchten oder Niederschlagen von monokristallinem Halbleitermaterial durch Zersetzung einer gasförmigen Verbindung aus diesem Halbleitermaterial ist bekannt. Bei einem bekannten Verfahren werden geeignete Halbleiterhalogenide, wie z. B. Siliciumtetrachlorid, bei hohen Temperaturen mit Wasserstoff reduziert. Es ist ferner ein pyrolytisches Verfahren zum epitaxialen Züchten bekannt, wobei sich das Substrat, auf dem das epitaxiale Wachstum stattfinden soll, innerhalb eines Reaktionsgefäßes mit genügend hoher Temperatur befindet, so daß unter einer Wasserstoffatmosphäre in der Nähe des ausgewählten Substrats eine zugeführte gasförmige Halbleiterverbindung pyrolytisch dissoziiert was ein Niederschlagen von Halbleitermaterial auf dem Substrat zur Folge hat. Bei einem anderen bekannten Verfahren zum epitaxialen Züchten wird eine Disproportionierung verwendet, wobei die als Substrat für die epitaxiale Züchtung ausgewählte Auftreffplatte eine genügend tiefe Temperatur hat, damit eine erhitzte gasförmige Halbleiterverbindung, der sie ausgesetzt ist, sich in ihrer Nähe zersetzt und dadurch das gewünschte Halbleitermaterial auf ihr niedergeschlagen wird.
Das epitaxiale Züchten hat zwar eine Reihe von Vorteilen, z. B. eine leichte Steuerbarkeit der epitaxialen Schicht und der elektrischen Eigenschaften, wie z. B. des Leitfähgkeitstyps, des spezifischen Widerstands oder der Verunreinigungskonzentration, jedoch ist die Anwendung des epitaxialen Zuchtverfahrens in der Industrie auf die Herstellung von Halbleiterplatten oder andere relativ große Halbleiterkörper beschränkt, aus denen dann später in anderen Verfahrensschritten Halbleiterbauelemente hergestellt werden. Es ist zwar des öfteren versucht worden, das epitaxiale Züchten auch in ausgewählten Gebieten eines Substrats vorzunehmen, die z. B. durch eine Maske begrenzt sind, doch zeichnen sich diese bekannten Verfahren durch äußerst geringe Wachstumsgeschwindigkeiten und damit durch lange Wachstumszeiten aus, die in der Größenordnung von Tagen liegen, bis brauchbare Dicken erreicht sind und die Maske entfernt werden kann.
Bei einem anderen bekannten Verfahren (DT-PS 11 52 197), bei dem eine Abscheidung auch auf ausgewählten Teilen der Oberfläche eines Halbleitersubstrats stattfinden soll, werden die Schwierigkeiten, die sich bei der Verwendung von Masken ergeben, dadurch umgangen, daß die Tatsache ausgenutzt wird, daß eine Abscheidung praktisch nur bei einem Abstand zwischen dem das Halbleitermaterial umgebender Quellkörper und dem Substrat von höchstens 10 μ erfolgt. Um auf dem Substrat eine Abscheidung in Mustern zu erreichen, wird der das Halbleitermaterial abgebende Quellkörper mit entsprechenden Vertiefungen versehen, wobei dann im Bereich dieser Vertiefungen keine nennenswerte Abscheidung erfolgen kann. Bei diesem bekannten Verfahren wird zur Verdünnung der halogenhaltigen Atmosphäre Wasserstoff verwendet. Ferner befindet sich bei diesen bekannten Verfahren das Halbleitersubstrat, auf dem das Halbleitermaterial aufgebracht werden soll, auch auf einer niedrigeren Temperatur als der das Halbleitermaterial abgebende Quellkörper. Der Transport erfolgt also auch in Richtung niedrigerer Temperatur. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch trotz Vermeidung von Masken verhältnismäßig aufwendig, da der Quellkörper für jedes Muster eine bestimmte Form aufweisen muß. Falls bei diesem Verfahren jedoch eine Siliciumdioxidmaske zur Herstellung der Muster verwendet wird, ist eine Abscheidung nur innerhalb eines engen Bereichs der Parameter möglich und es besteht die Gefahr, daß sich die Siliciumdioxidmaske auflöst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur epitaxialen Züchtung von Halbleitermaterial mit pn-Übergängen anzugeben, bei dem das Halbleitermaterial in einem weiten Bereich steuerbarer Stärke sowie mit hoher Geschwindigkeit auf einem Substrat aufgebracht werden kann, ohne daß eine Siliciumdioxidmaske beim epitaxialen Wachsen zerstört wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die ausgewählten freien Teile auf dem Substrat durch Öffnungen in einer auf dem Substrat befindlichen Siliciumdioxidmaske begrenzt werden, daß der Abstand zwischen Substrat und Quellkörper auf 0,1 bis 2 mm gehalten und der Quellkörper auf etwa 10000C, das Substrat auf etwa 11000C erwärmt wird und daß Joddampf unter einem Druck von 0,5 bis 5 mm Hg zwischen den Quellkörper und das Substrat eingeleitet wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das epitaxiale Wachsen auf der Oberfläche eines Substrats aus Halbleitermaterial in ausgewählten Gebieten mit scharfen, vorgewählten Grenzen dadurch angeregt werden kann, daß man das Halbleitersubstrat mit einer geeigneten Materialmaske versieht, die auch nachher erhalten bleibt. Da die Maske aus Siliciumdioxid bei einer epitaxialen Abscheidung unter den angegebenen Bedingungen nicht angegriffen wird, wird eine Steuerung des epitaxialen Aufwachsens von gemusterten Schichten in einem weiten Bereich verschiedener Starken möglich. Es ergibt sich der weitere Vorteil, daß die unversehrt bleibende Siliciumdioxidmaske eine Schutzschicht bildet, die zur Vermeidung nachfolgender Änderungen der elektrischen oder anderen Eigenschaften des darunterliegenden Halbleitermaterials dient und die auch zwischen dem epitaxialen Niederschlag und dem darunterliegenden Halbleitermaterial gebildete pn-Übergänge zu passivieren bzw. isolieren. Dadurch lassen sich weitere Verfahrensschritte einsparen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Siliciumtransports und der epitaxialen Abscheidung bei den angegebenen Temperaturen und Drucken besteht darin, daß kein Rücktransport von Substratmaterial vorhanden ist. Folglich wird das Quellkörpermaterial gleichmäßig abgegeben und gleichmäßig auf dem Substrat niedergeschlagen, so daß das Halbleitermaterial genau die erwünschten Eigenschaften erhalten kann. Durch die erfindungsgemäßen Merkmale wird ferner die Abscheidungsgeschwindigkeit erhöht. Diese erhöhte Abscheidungsgeschwindigkeit ist dadurch bedingt, daß das Quellenkörpermaterial rascher als bei den bekannten Verfahren abgenommen und dann zu dem Substrat befördert werden kann.
Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß im wesentlichen keine Ablagerungen von Halbleitermaterial auf unerwünschten Flächen der Siliciumdioxidmaske stattfindet, und zwar insbesondere wegen der verhältnismäßig geringen Temperaturen, die im Vergleich zu den höheren Temperaturen von 12500C bei der Wasserstoffreduktion von Halbleiterhalogenverbindungen notwendig sind, und es wird somit eine Kristallkernbildung von Halbleitermaterial auf der Maske verhindert. Darüber hinaus wird auch eine Selbstdotierung des epitaxial abgeschiedenen Materials wegen der verhältnismäßig niedrigen Temperatur des Substrats und der hohen Ab-Scheidegeschwindigkeit verhindert.
Es sei hier noch darauf eingegangen, daß auch schon ein anderes Verfahren zur epitaxialen Abscheidung von Schichten mit Hilfe einer halogenhaltigen Atmosphäre bekannt ist (FR-PS 13 64 522), bei dem der Abstand zwischen dem Substrat und dem Quellkörper ebenfalls gering sein muß, damit man eine günstige Arbeitsweise erhält. Bei diesem bekannten Verfahren wird zwar auch kein Wasserstoff bei der Abscheidung verwendet, jedoch ist eine Maskierung des Substrats nicht vorgesehen. Ferner ist bei diesem bekannten Verfahren der erfindungsgemäße Temperaturgradient nicht erforderlich.
Es ist andererseits davon auszugehen, daß der Silici um transport in verschiedenen Systemen beispielsweise auch im Si-J-System seit längerer Zeit bekannt ist (Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, Bd. 290, 1957, S. 286 bis 288). Es wurde auch schon die Möglichkeit erkannt, daß bei der exothermen Reaktion das Silicium zur heißeren Zone hin wandert, jedoch wurde bei diesen Untersuchungen nicht das epitaxiale Abscheiden von Silicium mit eingeschlossen und es bleibt offen, unter welchen Bedingungen das epitaxiale Aufwachsen von Schichten günstig ist. Auf Grund der Untersuchung konnte man vielmehr annehmen, daß bei kleineren Drucken, bei denen die exotherme Reaktion auftritt, bei der das Silicium zur heißeren Zone wandert, die Abscheidung gering ist, da bei abnehmendem Druck die transportierte Siliciummenge kleiner wird.
Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial durch epitaxiale, mit Hilfe einer dampfförmigen Halbleiterverbindung durchgeführte Abscheidung von Schichten bekannt war (RCA-Review, 1963, Bd. 14, 1973, Heft 4, S. 523 ff.), bei dem auch schon eine, auf dem Substrat befindliche Siliciumdioxidmaske verwendet wird. Bei diesem Verfahren wird zwar die Schicht aus Halbleitermaterial auch mit Hilfe einer dampfförmigen Halbleiterverbindung abgeschieden, jedoch wird dabei die Reduktion von Chlorid, wie z. B. der Tetrachloride von Silicium und Germanium durch Wasserstoff ausgenutzt. Der Wasserstoff greift dabei auch die Siliciumdioxidmaske an, so daß der epitaxiale Abscheidungsvorgang höchstens so lange durchgeführt werden kann, bis die Maske aufgelöst ist. Darüber hinaus geht die Abscheidung mit Hilfe der Reduktion von Tetrachloriden nur verhältnismäßig langsam vor sich. Man ist also auch bei diesem Verfahren in der Dicke der abgeschiedenen Schichten sehr begrenzt. Wenn die durch Abscheidung gebildeten Schichten gegen äußere Einflüsse geschützt werden sollen, dann muß auch bei diesem Verfahren in einem weiteren Verfahrensschritt eine Isolierschicht aufgebracht werden.
Es sei schließlich noch erwähnt, daß Oxidmasken zur Abdeckung von Substraten seit langem bekannt sind (DT-AS 11 66 935 und US-PS 31 14 663).
Es ist jedoch in diesem Zusammenhang nicht erwähnt worden, wie eine epitaxiale Abscheidung durch solche Masken erfolgen kann.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein evakuierbarer Reaktionsraum vorgesehen, in dem ein Einkristallsubstrat eines geeigneten Halbleitermaterials, ζ. B. Silicium, angeordnet ist, auf dem eine mit ausgewählten Öffnungen versehene Siliciumdioxidmaske liegt. Das Substrat ist so angeordnet, daß seine Oberflächen im wesentlichen koplanar mit einer der Kristallflächen sind, die durch die Millerschen Indices angegeben sind. Das Material des Quellkörpers, das irgendeine Störstellenkonzentration enthalten kann, bildet mit dem Joddampf eine gasförmige Jodidverbindung und wird schnell zu den ausgewählten offenen Oberflächen des Substrats geführt, auf der es durch Zersetzung der gasförmigen Verbindung mit den ausgewählten Oberflächen des Substrats epitaxial niedergeschlagen wird. PN-Übergänge, die dadurch zwischen dem epitaxial niedergeschlagenen und dem darunterliegenden Material ausgebildet werden, werden an ihren Rändern durch das Material der Maske abgedeckt, die auf diese Art einen dauerhaften, passivierenden Schutz für die pn-Übergänge bildet.
Das Verfahren gemäß der Erfindung hat einen wei-
ten Anwendungsbereich, der sich auf die verschiedensten Halbleiterstoffe, die bei der Herstellung verschiedener Arten von elektronischen Halbleiterbauelementen nützlich sind, erstreckt. Die Erfindung ist zwar hier an Hand von Silicium beschrieben, sie kann jedoch auch auf andere Halbleitermaterialien, wie Germanium oder halbleitende Verbindungen, wie Gallium-Arsenid übertragen werden, die in ähnlicher Weise in ausgewählten Mustern epitaxial gezüchtet werden können.
Die Theorie, die dem hier beschriebenen Verfahren zugrunde liegt, ist zwar noch nicht voll erfaßt, jedoch wird angenommen, daß einer der Punkte, die den Erfolg des Verfahrens ausmachen, die beschleunigte epitaxiale Wachstumsrate des hier beschriebenen Verfahrens ist, durch die die Zeit, während der das Material für die Maske chemisch angegriffen oder in ähnlicher Weise bei den verwendeten Temperaturen schädlich beeinflußt werden kann, auf ein Minimum herabgesetzt wird. Es können nach diesem Verfahren für die epitaxiale Schichtdicke z. B. Wachstumsgeschwindigkeiten von 5 Mikron pro Minute erhalten werden und daher kann eine 0,005 mm dicke epitaxiale Schicht schon in etwa 10 Minuten heranwachsen. Weiterhin sind die hier verwendeten Temperaturen um einen wesentlichen Betrag, nämlich 100 bis 2000C, kleiner als bei anderen epitaxialen Zuchtverfahren, bei denen z.B. 1200 bis 14000C bei der Reduktion von Siliciumtetrachlorid mittels Wasserstoffs verwendet werden. Bei tieferen Temperaturen wird eine übermäßige Kernbildung oder ein äußeres epitaxiales Wachsen auf der Maske sowie an anderen unerwünschten Stellen stark vermindert. Schließlich wird auch bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die Anwesenheit von Wasserstoff vermieden, wodurch die Maske keiner korrodierenden chemischen Reduktion ausgesetzt ist, wie sie bei den verwendeten Temperaturen in der Gegenwart von Wasserstoff unterliegen würde. Daher bleibt während des gesamten Verfahrens die Eigenschaft der Maske, ausgewählte Flächen für die epitaxiale Züchtung zu begrenzen, bestehen, während die Beständigkeit der Maske einen wirksamen und dauerhaften, passivierenden Schutz für die darunterliegenden Zonen darstellt.
Es hat sich weiterhin gezeigt, daß bei den Temperaturen, bei denen das Verfahren durchgeführt wird, die epitaxial niedergeschlagenen Atome eine bevorzugte Affinität zu den offenliegenden Gebieten des Substrats haben, während ihre Affinität zu der Oberfläche der Maske relativ gering ist. Daher ist die epitaxiale Abschaltung der gasförmigen Halbleiterverbindung nahezu vollständig auf die ausgewählte Fläche oder ausgewählten Flächen auf dem Substrat begrenzt, die offenliegen und durch eine Öffnung oder Öffnungen in der Maske begrenzt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren erhält einen noch weiteren Anwendungsbereich, wenn der Quellkörper entgegengesetzten Leitungstyp wie das Substrat aufweist.
Die nach der erfindungsgemäßen Lehre verwendete Siliciumdioxidmaske wird vorteilhafterweise dadurch hergestellt, daß ein Teil der Oberfläche des aus Silicium bestehenden Substrats oxidiert wird und daß dieser Teil zur Ausbildung der ausgewählten freien Teile mit Öffnungen versehen wird. Es ist zweckmäßig, wenn die Siliciumdioxidmaske eine Dicke von 5000 bis 20 000 Ä aufweist.
Gutgeschützte Halbleiterbauelemente gemäß der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abscheidung eine Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper und dem abgeschiedenen Halbleitermaterial entsteht, deren äußerer Rand unterhalb der Oxidmaske liegt und dauernd von dieser bedeckt ist.
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben.
F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Gerät, das zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung geeignet ist;
F i g. 2A und 2B zeigen im Schnitt die Herstellung eines Substrats, das erfindungsgemäß verwendet wird;
F i g. 3 zeigt im Schnitt einen Ausschnitt der F i g. 1; in den
F i g. 4 bis 8 sind schließlich weitere Ausführungsbeispiele für Halbleiterbauelemente gemäß der Erfindung dargestellt.
Nach der F i g. 1 ist durch ein Reaktionsgefäß 2, das aus einem geeigneten wärmeabstoßenden und nichtreagierenden Material, z. B. Quarz hergestellt ist, eine evakuierbare Kammer begrenzt.
Ein Rohr 4 verbindet über ein Ventil 8 das Reaktionsgefäß mit einer Vakuumpumpe 6. Eine Zuführleitung 10 für Joddampf führt vom Reaktionsgefäß 2 über ein Ventil 12 zu einer Kammer 14, die als Quelle für den Joddampf wirkt. Sie enthält Jodkristalle 16, die mittels einer geeigneten Heizvorrichtung sublimiert werden können, z. B. einem Heizband 18, das um die Kammer gewickelt ist und durch eine Steuervorrichtung 17 für die Temperatur mit Energie versorgt wird. Eine Quelle 19 für indifferentes Gas, z. B. Argon, das das Reaktionsgefäß reinigen soll, ist über ein Ventil 20 ebenfalls mit der Zuführleitung 10 verbunden. In dem Reaktionsgeäß befinden sich Halbleiterkörper 21, die durch eine Platte 22 aus nicht reagierendem Material, z. B. Quarz, getragen sind. Unterhalb der Platte 22 ist eine elektrische Widerstandsheizung 24 angeordnet, die die Temperatur innerhalb des Reaktionsgefäßes einstellt. Die Widerstandsheizung 24 und die Platte 22 sind von Wärmeabschirmungen 26 und 28 aus z. B. Tantalblech oder ähnlichem, umgeben, die geeignete Öffnungen 30 zum Durchströmen des Gases aufweisen.
In der F i g. 3 ist ein Halbleiterkörper 32 aus monokristallinem Material gezeigt, der als Substrat für das epitaxiale Wachsen gemäß der Erfindung dient. Das Substrat 32 kann aus einem homogenen, monokristallinen Körper aus Halbleitermaterial, z. B. Silicium mit einem gleichförmigen, vorgewählten Gehalt an Verunreinigungen, oder auch aus einem monokristallinen Körper bestehen, der eine Anzahl von Schichten oder Zonen mit verschiedener Störstellendichte enthält, und der vorher ebenfalls durch epitaxiale Züchtung oder auch irgendwie anders hergestellt worden ist. Das Substrat 32 ist mindestens auf derjenigen Oberfläche, die als Ausgangsfläche für das epitaxiale Wachstum dienen soll, mit einer Maske versehen. Wie die F i g. 2A veranschaulicht, ist die ausgewählte Oberfläche auf dem Substrat mit einer kontinuierlichen Schicht 34 aus Siliciumdioxid, bedeckt. Dieses kann nach irgendeinem bekannten Verfahren, z. B. durch thermische Oxidation, erreicht werden, wobei die ausgewählte Oberfläche des Substrats bei Temperaturen von etwa 11000C einem oxidierenden Mittel ausgesetzt und dabei in Siliciumdioxid umgewandelt wird, das vorzugsweise eine Dicke von 5000 bis 20 000 Ä hat. Ausgewählte Teile dieser Oxidschicht 34 werden dann, wie es die F i g. 2B zeigt, z. B. mittels des bekannten fotolithografischen Ätzverfahrens entfernt. Die entstehende, mit Öffnungen versehene Oxidschicht des Substrats bildet dann eine Mas-
ke 36, deren Öffnungen ausgewählte Teile 38 und 40 der Oberfläche des darunterliegenden Substrats 32 offen lassen, die scharfe, vorgewählte Begrenzungen haben.
Das mit der Maske bedeckte Substrat 32 wird derart auf die Platte 22 im Reaktionsgefäß 2 gelegt, daß die entblößten Flächen 38 und 40 nach oben gerichtet sind. Sodann wird ein Quellkörper 42 über dem Substrat angeordnet, so daß er diesem gegenüber liegt, wie es die F i g. 3 zeigt. Der Quellkörper 42 braucht nicht aus monokristallinem Material zu bestehen, doch enthält er diejenige Verunreinigungskonzentration, die auch die epitaxial auf dem Substrat niedergeschlagene Schicht enthalten soll. Der Abstand des Quellkörpers von dem Substrat ist 0,1 bis 2 mm. Er wird durch einen Abstandsring 50 aus Quarz oder einem anderen nichtreagierenden Material eingestellt, der die vorkommenden Temperaturen aushalten kann und auf dem der Quellkörper aufliegt. Der Abstandsring, der auf der Platte 22 ruht und dabei das Substrat 32 umgibt, kann an seinen Enden mit Kerben oder mit einer Anzahl anderer kleiner Öffnungen versehen sein, wie es bei 52 in der F i g. 3 gezeigt ist, damit eine genügende Menge Joddampf in den Raum zwischen dem Substrat und dem Quellkörper eindringen kann, dessen Turbulenz jedoch auf einem Minimum gehalten wird.
Nach der Einführung von einem oder mehreren Elementen 21 aus Substrat und Quellkörper wird das Reaktionsgefäß von der Quelle 19 aus gereinigt und dann auf einen Druck von etwa 10~5Torr evakuiert. Danach wird die Widerstandsheizung angestellt und das Substrat auf eine Temperatur von etwa UOO0C (etwa 1050° C durch optisches Pyrometer) erhitzt. Die Temperatur des Quellkörpers wird auf einer Temperatur gehalten, die etwa 1000C unterhalb der Temperatur des Substrats liegt, was durch geeignetes Anlegen der Wärmeabschirmungen 28 erreicht werden kann.
Zum Beginn des epitaxialen Wachstums gemäß der Erfindung wird Joddampf in das Reaktionsgefäß 2 eingeleitet. Dabei sei angenommen, daß der Joddampf, der durch die Öffnungen im Abstandsring 50 in den Hohlraum zwischen dem Substrat 32 und dem Siliciumkörper 42 eintritt, mit der auf tieferer Temperatur befindlichen Oberfläche des Quellkörpers in Berührung gelangt, sich mit den Oberflächenmolekülen des Quellkörpers 42 verbindet, sich von dem Quellkörper trennt und dadurch ein gasförmiges Jodid bildet. Das entstandene Jodid diffundiert schnell auf diejenigen Teile 38 und 40 der Substratoberfläche 32, die durch die Öffnungen in der Maske 36 offen gelassen sind, worauf die höhere Temperatur des Substrats das Jodid zersetzt, das Halbleitermaterial aus dem Quellkörper 42 auf den offenen Stellen 38, 40 des Subtrats 32 abscheidet, wie es die F i g. 4 bei 56 zeigt, und das Jod freigibt, so daß es zum Quellkörper zurückkehren und sich von neuem an dem Transport von Halbleitermaterial vom Quellkörper aus beteiligen kann. Da die Oberfläche des Quellkörpers 42 dadurch gleichförmig abgetragen wird, wird dessen Störstellenkonzentration mit hoher Genauigkeit auf der epitaxial niedergeschlagenen Schicht 56 neu gebildet, und die auf ein Minimum herabgesetzte Turbulenz innerhalb des Hohlraums zwischen dem Quellkörper 42 und dem Substrat 32 läßt es zu, daß der epitaxiale Niederschlag mit hoher Gleichförmigkeit in bezug auf die Dicke und den spezifischen Widerstand auf den ausgewählten Flächen des Substrats aufgetragen wird.
Die Wachstumsraten des epitaxialen Niederschlages des Materials des Quellkörpers auf dem Substrat können außerordentlich hoch sein, und z. B. Werte von 2 bis 10 Mikron Dicke pro Minute erreichen. Der epitaxiale Niederschlag 56 bildet eine Fortsetzung des ursprünglichen Kristallgitters des Substrats, doch zeigt die F i g. 4, daß er nur auf denjenigen Stellen 38 und 40 erscheint, die durch die Öffnungen in der Maske offen geblieben sind. Wenn der epitaxiale Niederschlag dikker als die Maske wird, dann kann bei weiterem Abscheiden auch ein seitliches Wachsen des Niederschlagens auf den offenen Oberflächen auftreten, das sich, wie es bei 58 in der F i g. 4 gezeigt ist, etwas über die Maske hinaus erstreckt. Die Ströstellenkonzentration des epitaxial niedergeschlagenen Materials ist direkt durch die Störstellenkonzentration des Quellkörpers bestimmt.
Wenn die epitaxiale Schicht 56 einen entgegengesetzten Leitungstyp wie das Substrat 32 aufweist, dann entsteht an der Grenzfläche ein pn-Übergang 59, dessen Peripherie automatisch durch den angrenzenden Teil 60 der Maske 36 bedeckt ist. Da die Maske 36 während des epitaxialen Wachstumsprozesses keiner nennenswerten Korrosion oder anderen schädlichen Einflüssen unterworfen ist und als dauerhafter Schutz für das darunterliegende Halbleitermaterial auf den entsprechenden Stellen verbleibt, dient sie als dauerhafte passivierende Schicht für den Übergang 59.
Der Druck des Joddampfes, der dem Reaktionsgefäß zugeleitet wird, liegt zwischen 0,5 und 5 Torr, damit ein Rücktransport von Substratmaterial zum Quellkörper 42 vermieden wird, der durch einen zu hohen oder zu geringen Druck des Joddampfes gefördert wird. Außerdem soll dadurch vermieden werden, daß das Material vom Quellkörper mit einer Geschwindigkeit abgetragen wird, die für eine epitaxiale Abschneidung guter Qualität auf dem Substrat zu hoch ist.
Wenn ein gewünschtes Maß des epitaxialen Wachstums erreicht ist, was durch die gewünschte Dicke der Zone 56 angezeigt wird, wird das Verfahren durch Abschalten der Widerstandsheizung 26, durch Schließen des Ventils 12 sowie durch Reinigen des Reaktionsgefäßes mit einem Reinigungsgas aus der Quelle 19 beendet.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist es, daß ein beliebiges Profil der Störstellenkonzentration als Funktion der Tiefe in der epitaxial gewachsenen Zone erhalten werden kann. Wenn man beispielsweise eine Anzahl von Quellenkörpern nacheinander während des Wachstumsprozesses gegenüber dem Substrat anordnet, dann können so auf dem Substrat eine Anzahl von epitaxialen Schichten nacheinander auf dem Substrat niedergeschlagen werden, die alle eine vorgewählte Störstellenkonzentration aufweisen. Daher können auch besonders steile Änderungen in der Störstellenkonzentration der gewachsenen Schichten oder zwischen dem Substrat und einer gewachsenen Schicht oder sehr steile pn-Übergänge vom p-Typ zum n-Typ erhalten werden, was im Gegensatz zu den stufenförmigen Änderungen der Störstellenkonzentration mit Tiefen, die für die bekannten Diffusionsmethoden typisch sind, steht. Andererseits kann auch ein Quellkörper mit einem vorgewählten Störstellenprofil verwendet werden, das dann auf der epitaxialen Schicht in gleicher Weise neugebildet wird.
Beispiel 1
Das Bauelement nach der F i g. 5 kann wie folgt nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wer-
509549/279
den, wobei ein Gerät nach der F i g. 1 verwendet wird. Ein Substrat 61 aus monokristallinem Silicium (F i g. 5A) mit einem Durchmesser von etwa 2,5 cm und einer Dicke von 0,15 mm, das bis zu einem spezifischen Widerstand von 3 Ohm · cm mit Phosphor auf n-Leitfähigkeit gebracht und mit den Hauptflächen in der 111-Ebene (Millersche Indices) angeordnet ist, wird zur Bildung einer Maske 62 aus Siliciumdioxid von etwa 15 000 A Dicke thermisch oxidiert. Eine Reihe von etwa 2000 runden Öffnungen 64 von je etwa 0,12 mm Durchmesser werden derart in der Maske gebildet, daß sie einen Abstand von 0,5 mm von Mittelpunkt zu Mittelpunkt haben, indem ein bekanntes Verfahren, bestehend aus lichtelektrischer Bedeckung, Belichtung, Waschen und Ätzen, angewendet wird. Das Substrat 61 wird auf die Platte 22 im Reaktionsgefäß 2 gelegt, wie es die F i g. 1 und 3 zeigen. Gegenüber dem Substrat wird ein Siliciumkörper angeordnet, der einen Durchmesser von 2,5 cm eine Dicke von 0,25 cm und durch Bor eine p-Leitfähigkeit besitzt, die einem spezifischen Widerstand von 5 Ohm · cm entspricht. Das Reaktionsgefäß wird etwa 5 Minuten lang mit Argon gereinigt, auf einen Druck von 10-5Torr evakuiert und dann gegenüber der Vakuumpumpe 6 fest abgedichtet. Danach wird die Heizvorrichtung 26 angeschaltet und das Substrat auf eine Temperatur von 10500C (optisches Pyrometer) erhitzt. Anschließend werden die Jodkristalle auf eine Temperatur von etwa 55°C gebracht und der Joddampf wird in das Reaktionsgefäß eingeleitet, bis der Druck des Joddampfes im Reaktionsgefäß 3 Torr beträgt. Hierauf findet die Übertragung von Silicium vom Quellkörper zum Substrat statt, und nach 15 Minuten wird der Transport durch Abschaltung der Widerstandsheizung 26, durch Schließen des Ventils 12 und durch Reinigung des Reaktionsgefäßes mit Argon beendet. Dabei bildet sich eine epitaxiale Schicht 68 von etwa 0,07 mm auf jeder ausgewählten Fläche, die durch die Maske offen geblieben war, auf dem Substrat aus, und jede epitaxiale Schicht 68 hat eine p-Leitfähigkeit entsprechend einem spezifischen Widerstand von etwa 5 Ohm · cm, so daß sich an der Grenzfläche zum Substrat ein pn-übergang 70 bildet. Jeder so entstandene pn-Übergang hat eine Peripherie oder eine äußere Begrenzung, die gemäß der F i g. 5B bei 72 unterhalb der Oxidmaske 62 endet und daher durch sie geschützt und gegenüber Kriechströmen, Oberflächenpotentialänderungen und anderen späteren chemischen oder elektrischen Veränderungen passiviert ist.
Auf bekannte Art und Weise kann das Bauelement dann mit metallischen Kontakten 74 (F i g. 5C) auf jeder p-Zone versehen und auf bekannte Art in 2000 einzelne oder diskrete Halbleiterbauelemente zerlegt werden, die alle einen dauerhaften, durch Oxid passivierten pn-Übergang aufweisen.
Beispiel 2
Die F i g. 6 zeigt einen Transistor 80, dessen Basiszone 82 epitaxial auf einem Kollektorsubstrat 84 niedergeschlagen wurde, welches bei 85 mit einer Oxidmaske versehen ist, die auf das in Verbindung mit der F i g. 5 beschriebene Verfahren gebildet wurde. Jede Basiszone 82 ist mit einer Siliciumdioxidschicht 86 von etwa 15 000 Ä Dicke bedeckt, in die eine öffnung 88 eingelassen ist, um einen ausgewählten Teil des Basissubstrats offen zu lassen, auf dem dann eine Emitterzone 90 epitaxial niedergeschlagen wird. Die Abscheidung der Emitterzone geschieht auf die gleiche Weise, wie es in Verbindung mit der Fig.5 beschrieben ist, wobei lediglich der Quellkörper aus Silicium besteht, das bis zu einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ohm · cm mit Phosphor gedopt ist. Die Niederschlagszeit beträgt eine Minute, so daß eine Emitterdicke von 5 Mikrons entsteht.
Es ist offenbar, daß zwei, drei oder jede beliebige Anzahl von epitaxial gewachsenen Schichten gemäß der F i g. 6 übereinander angelegt werden kann, wobei jede Schicht ihren eigenen Dotierungsgrad und ihre eigene Dotierungsart hat, die von dem zu ihr gehörenden Quellkörper bestimmt sind, während ihre spezielle Form von der jeweiligen Maske und ihre Dicke von der Wachstumsgeschwindigkeit und von der Wachstumszeit abhängt. Ein pn-Übergang 92 zwischen der Basis 82 und dem Kollektor 84 hat eine Peripherie 94, die unterhalb einer Oxidschicht 85 endet, so daß sie dauerhaft passiviert ist. In gleicher Weise ist ein pn-Übergang % zwischen der Basis 82 und dem Emitter 90 durch eine Oxidschicht 86 passiviert, da sie unterhalb dieser endet.
Beispiel 3
Die F i g. 7 zeigt einen Transistor mit einer p-leitenden Basis 102, die epitaxial gemäß der Erfindung abgeschieden ist. Eine η-leitende Emitterzone 104 im oberen Teil der Basis 102 ist jedocht nicht epitaxial gemäß der Erfindung gewachsen, sondern mit Hilfe von Oxidmasken und einem der bekannten Diffusionsverfahren entstanden. Ein durch epitaxiale Abscheidung entstandener Kollektor-Basis-Übergang 106 ist mit einer Oxidmaske 108 bedeckt und durch sie passiviert, während ein Emitter-Basis-Übergang 110 durch eine Oxidschicht 112 bedeckt ist, die als Maske für das Emitterdiffusionsverfahren gebraucht wird.
Beispiel 4
In der Fig.8 ist schließlich ein weiterer Transistor gezeigt, dessen Basiszone 120 durch eine der bekannten Diffusionsverfahren hergestellt ist, während sein Emitter 122 epitaxial durch eine Öffnung in einer Oxidschicht 124 gewachsen ist, die den Rest der Basiszone 120 bedeckt. Es ist offensichtlich, daß der Emitter-Basis-Übergang 126 mit einer Oxidmaske 124 bedeckt und von ihr passiviert ist, während der Kollektor-Basis-Übergang 128 von einer Oxidschicht 130 bedeckt und von dieser passiviert ist, die als Maske für das Diffusionsverfahren für die Basis dient.
Aus der Beschreibung geht hervor, daß das Verfahren gemäß der Erfindung eine Anzahl von entscheidenden Vorteilen hat. Erstens verläuft der epitaxiale Wachstumsprozeß schnell, bei relativ geringen Temperaturen und unter Herabsetzung der Korrosion der Oxidmaske auf ein Minimum durch Vermeidung von Wasserstoff. Dadurch entstehen Flächenhalbleiterbauelemente, deren Übergänge und darunterliegende Zonen automatisch passiviert sind. Zweitens ist eine genaue Steuerung des Gradienten und des Profils der Störstellenkonzentration in den epitaxial wachsenden Zonen möglich, wodurch ein völlig neuer Anwendungsbereich bei der fabrikationsmäßigen Herstellung von Halbleiterbauelementen mit pn-Übergängen erzielt wird, die nicht den Beschränkungen unterliegen, die mit den bekannten Diffusionsverfahren einhergehen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial durch epitaxiale, mit Hilfe einer dampfförmigen Halbleiterverbindung durchgeführten Abscheidung einer Schicht aus Halbleitermaterial von einem Quellkörper auf ausgewählte Teile der Oberfläche eines Halbleitersubstrats in einer halogenhaltigen Atmosphäre, wobei das Substrat in einem geringen Abstand von dem Quellkörper aus Halbleitermaterial angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten freien Teile auf dem Substrat (32) durch Öffnungen (38, 40) in einer auf dem Substrat (32) befindlichen Siliciumdioxidmaske (36) begrenzt werden, daß der Abstand zwischen Substrat und Quellkörper (42) auf 0,1 bis 2 mm gehalten und der Quellkörper auf etwa 10000C, das Substrat auf etwa 11000C erwärmt wird, und daß Joddampf unter einem Druck von 0,5 bis 5 mm Hg zwischen den Quellkörper (42) und das Substrat (32) eingeleitet wird (52).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quellkörper (42) entgegengesetzten Leitungstyp wie das Substrat (32) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Oberfläche des aus Silicium bestehenden Substrats unter Bildung der Siliciumdioxidmaske oxidiert wird, die zur Ausbildung der ausgewählten freien Teile mit Öffnungen versehen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumdioxidmaske eine Dicke von 5000 bis 20 000 Ä aufweist.
DE1965G0044259 1964-07-27 1965-07-24 Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial Granted DE1544191B2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US38526664A 1964-07-27 1964-07-27

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE1544191A1 DE1544191A1 (de) 1970-02-26
DE1544191B2 true DE1544191B2 (de) 1975-12-04

Family

ID=23520702

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE1965G0044259 Granted DE1544191B2 (de) 1964-07-27 1965-07-24 Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE1544191B2 (de)
GB (1) GB1075387A (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3636919A (en) * 1969-12-02 1972-01-25 Univ Ohio State Apparatus for growing films
FR2216678B1 (de) * 1973-02-02 1977-08-19 Radiotechnique Compelec
US5134090A (en) * 1982-06-18 1992-07-28 At&T Bell Laboratories Method of fabricating patterned epitaxial silicon films utilizing molecular beam epitaxy

Also Published As

Publication number Publication date
DE1544191A1 (de) 1970-02-26
GB1075387A (en) 1967-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE1086512B (de) Verfahren zum Herstellen eines gleichrichtenden UEberganges in einem Siliziumkoerper
DE2707693C3 (de) Verfahren zum Herstellen von dotierten Zonen einer bestimmten Leitungsart in einem Halbleitersubstrat mittels Ionenimplantation
DE1544329A1 (de) Verfahren zur Herstellung epitaxialer Schichten bestimmter Form
DE2030805A1 (de) Verfahren zur Ausbildung epitaxialer Kristalle oder Plattchen in ausgewählten Bereichen von Substraten
DE2618733A1 (de) Halbleiterbauelement mit heterouebergang
DE1915549A1 (de) Verfahren zum Aufwachsen einer Halbleiter-Epitaxie-Schicht
DE2005271C3 (de) Epitaxialverfahren zum Aufwachsen von Halbleitermaterial auf einem dotierten Halbleitersubstrat
DE2019655C2 (de) Verfahren zur Eindiffundierung eines den Leitungstyp verändernden Aktivators in einen Oberflächenbereich eines Halbleiterkörpers
DE2517690A1 (de) Verfahren zum herstellen eines halbleiterbauteils
DE1298189B (de) Verfahren zum Herstellen von isolierten Bereichen in einer integrierten Halbleiter-Schaltung
DE1521396B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines halbleiter bauelementes mit einer schottky sperrschicht
DE2207056A1 (de) Verfahren zum selektiven epitaxialen Aufwachsen aus der flüssigen Phase
DE1296266B (de) Verfahren zum elektrischen isolieren von einkristallinen bereichen in einer integrierten halbleiterschaltung
DE1803024A1 (de) Integriertes Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
DE1814747C2 (de) Verfahren zum Herstellen von Feldefekttransistoren
DE2211709B2 (de) Verfahren zum Dotieren von Halbleitermaterial
DE1564423C3 (de) Verfahren zum Herstellen eines doppelt diffundierten Transistors sowie nach diesem Verfahren hergestellter Transistor
DE2517252A1 (de) Halbleiterelement
DE1696607C3 (de) Verfahren zum Herstellen einer im wesentlichen aus Silicium und Stickstoff bestehenden Isolierschicht
DE2014797B2 (de) Verfahren zum Herstellen von Halbleiterschaltelementen jn einer integrierten Halbleiterschaltung
DE2154386A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer epitaktischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat, bei dem das Selbstdotieren beim Aufwachsen der Schicht auf ein Mindestmaß verringert wird
DE1544191B2 (de) Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial
DE1564086B2 (de) Verfahren zum herstellen eines halbleitersystems
DE1544191C3 (de) Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial
DE1963131A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen

Legal Events

Date Code Title Description
C3 Grant after two publication steps (3rd publication)
E77 Valid patent as to the heymanns-index 1977
8320 Willingness to grant licences declared (paragraph 23)