DE1544264A1 - Verfahren zum Herstellen von Halbleiterschichten durch Abscheiden aus der Gasphase - Google Patents

Description

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■ Berlin und München Witteisbacherplatz

PA 65/2504.

zum Herstellen von Halbleiterschichten durch Abscheiden aus der Gasphase

Für zahlreiche Anwendungsgebiete in der Halbleitertechnik ist es zweckmäßig, Halbleiteranordnungen zu verwenden, die aus mehreren, mindestens jedoch zwei Schichten aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen. Die Herstee lung derartiger, als Heteroübersränge bezeichneter Anord-

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nungen erfolgt im allgemeinen durch Anwendung der 1egierungstechnik.

Versucht man, e?i*akti3che Aufwachsschichten sir.e? Halbleitermaterials auf einem anderen Halbleitermaterial durch Abscheiden au3 der Gasphase zu erzeugen, so macht es sich störend bemerkbar, daß durch die Sir.-virkung des Reaktionsgases der Tr'igerkristall zumindest an den Händern abgetragen wird und so ein Teil des Trägermaterials durch das Reaktionegas in die aus anderem Material bestehende Aufwachsschicht eingeschleppt wird. Unterscheiden sich.die beiden verwendeten Halbleitermaterialien durch ihre Wertigkeit, se machen sich in der Aufwachsschicht durch das vom Träger abgelöste Material hervorgerufene !Dotierungseffekte sehr störend bemerkbar.

"Diese Nachteile lassen sich durch das Verfahren gemäi3 der Erfindung, bei äem Halbleiterschichten durch Abscheiden aus der Gasphase auf einem einkristallinen Träger gleicher oder ähnlicher Gitterstruktur niedergeschlagen und zum epitaktischen Aufwachsen gebracht wird, dadurch vermeiden, daß der Träger allseitig, mindestens jedoch an den Rändern mit einer Schutzhülle umgeben wird, die nur den Teil der Oberfläche des Trägerkörpers freigibt, auf dem die Abscheidung der Halbleiterschicht erfolgen soll.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Trägerkörper aus einem ersten Halbleitermaterial verwendet, auf dem «ine

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•¥?hrer.G als zweites HaltleiterTnaterial halM e\teri- Vercir.-d rrer, aus r.cr.pcner.ten, ieren 'A'ertigke:-er. 5ic^v , i«n» verwende* wercen: hierzu zählen ceirt:el?re:

oder A" B" -"e^tir.QMneen.

Es ist außerdem die Mcgii^hkei*: ^e~eOer.. als ^c-vs~sr- un? zweites Halbleiterrj-aterial halbleiter.d= ".'er rirdur.rer. zu wählen und r.var derart, da3 ?i?h die TTertigkei ter. der Kc:ty; nertsn des ersten Halbleitermaterial ε vcr. deren des zweiter. unterecheiden. So können beispielsweise al= °r?tes "alrleitermaterial A "B -Verbindungen um als zweites ~a^t-

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leitermaterial A' E' -Verbindungen verwende* werden.

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Als Schutzhülle für den Trüget kri sta.1 J wird beispielsweise ein verschließbares Goiäß aus inertem Material wie z.H.. Quarz. Kohlenstoff, Al umi niumoxid oder dciglcichcn verwende!. Darüber hinaus ist din Mögl iehkcit gegeben, ein vorschließbares Gefäß nuisdcr.i abzuscheidenden Halbl ei terinat crial y.u verwenden. Dan weiteren kann das Verfahren dahingehend vereinfacht werden, daß der Trligerkri si all mit einer Aufdanij)! snlii cht aus inertem Material wie z.U. Quarz, Aluminiumoxid oder dergleichen versehen wild. Di c.'ie Aul 'dampf schicht difiit hei diesel Au.sf ührun,'..', form des Verfahrens als Schutzhülle und wird an Stelle eine·, versohliei3baren Gefallen verwendet.

Ent sprt rliend einer weiteren Ausi iilirunfjui 01 in des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung, bei der die Herstellung der Ilalbl ei 1 ei Echi cJiten durch Material 1 lansport zwischen zwei übereinander angeordneten Halbleiterkörpern erfolgt, dient das als Schutzhülle vorgesehene Gefäß (^r,lei chzoit 1(5 als Abstandshalter. Die5se Ausfülirunysforn ist besonders dann mit Vorteil anzuwenden, wenn die Aufwachsschicht mit Hilfe der sogenannten Sandwi ch-Kpi taxi< ei zeu^t weiden soll. In diesom Falle werden zwei aus unterschiedlichem Halbleitermaterial bestehende HaIbleiterechichtcn in direktem Warmekontakt gebracht und dei-Einwirkung einen Heaktionagases ausgesetzt. Der Transport des Ilalblei termat eri al s erfolgt dabei von der Oberseite einei* aus Vorratsmaterial bestehenden Halbleiterscheibe zu der der VorratsEcheibe zugewandten Oberflüche des Ί ι ngerkriatalls hin. •Der eigentliche Henktionsrnum ist dabei der Zwischenraum

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zwischen Vorratsscheibe und Trägerkristal1„

Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten HaIL ■ leitcranordnungen, die aus mindestens zwei Zonen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen, können mit Vorteil für zahlreiche Halbleiterbauelemente verwendet werden.

Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den an Hand der Figuren 1-3 beschriebenen Ausführungsbcispielen hervor,

In Fig, 1 ist ein Trägerkristall I aus oinkristallinem Silicium dargestellt. Dieser Trägerkristall ist mit einem verschließbaren, aus zwei Teilstücken besthenden Schutzgefäß 2 umgebene Dieses Gefäß 2 ist aus einem topfförmigen Teil 3 und einem Deckel 4 zusammengesetzt. Der polierte und durch Atzen von oberflächlichen Verunreinigungen befreite Siliciumeinkristall 1 wird in den topfförmigen Teil 3 eingelegt und das Gefäß anschließend durch den Deckel ^l\ verschlossen. Der Boden des topfförmigen Teils 3 ist mit einem Fenster 5 versehen, dessen Abmessungen der Große der zu erzeugenden Schicht entsprechen. Durch da3 Echutzgefäß wird dann bei der anschließenden Abscheidung des zur Erzeugung der Aufwachsschicht verwendeten Halbleitormatorials eine unerwünschte Auflösung de3 Trägermatcrials vermLoden. Diere an sich sehr geringfügige Auflösung, die hauptsächlich an den Kanten sowie an den von der Aufwachsschicht nicht bedeckten Teilen dos 'frügerkristallfj auftritt, hat, da Trügorkr latal I und Aufwachsschicht aus Materialien vorschiedenor Wertigkeit l>ß .stehen, oino unerwünschte Dotierung dor Aufwaehasehieht-. zur

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. Diese wird durch die Verwendung eines Schutzgefäßes, dessen Ausbildung beispielsweise der in Fig. 1 beschriebenen entspricht, praktisch unterbunden. Das Schutzgofäß kann dabei aus Kohle, Aluminiumoxid, Quarz oder dem abzuscheidenden Halbleitermaterial bestehen. Wichtig ist dabei nur, daß durch das Schutzgofäß bei der Reaktionstemperatur keine Verunreinigungen in die zu erzeugende Halbleiterschicht eingebracht werden.

Bei dem an Hand der Figur 2 zu beschreibenden Ausführungsboispiel erfolgt die Erzeugung der epitaktischen Aufwachsschicht mittels einer chemischen Transportreaktion. Das Schutzgefäß dient in diesem Fall gleichzeitig als Abstandshalter.

Ein einkristallines Scheibchen 11 aus Germanium ist in einem Schutzgehäuse 12 aus inertem Material, z.B. aus Al 0-, untorrc bracht und so auf eine £.us dem zu transportierenden Material. ZoDo aus Galliumarsenid, bestehende Scheibe 13 aufgelegt, daß das in dem topffürmigen Teil 14· des Gehäuses 12 befindliche Fenster 15 der Scheibe 13 zugewandt ist. Den oberen Abschluß des Gehäuses \',l bildet dabei der Deckel 16 =

Der Materialtransport findot bei dieser Anordnung in dem durch das Fenster 15 begrenzten Zwischenraum 17 zwischen den Scheiben 11 und 13 statt,

Das aus Gallium arsenid bostohende Schoibchon 13 ist auf uincn Heizer 18, der übor die Klemmen 19 mit oiner in der Figur nicht dargestellten Spannungsquollo verbunden ist, aufgelegt<

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Diese {',ffjüiiii.o Anordnung i:;t in einem Heak I i n'i.'vf'fsJ'a'lJ ;>.O au:^: Quarz unt ei ( eJi acht , da;.; mil den Stülpen '.'1 und LL ;:iin Ein· leiten de," Ki¹IiIi i i cns/'.asiicwi .seiles bzw, zum Ableiten der Re:-;t ^iise ί·_;ο\ί3 η iiil «lon Hahnen 2J und 24, mil dor in Hi 1 i e das Roak ti onsi'jCi aß ?.O ;;nnz oder teilweise vor si .h ' < -;·: on licidcii kann, auslest at t et . Die St ]üinui]i^:rithtu!i^ des (_;a:i(«t oi.tijnichl dabei der Hirlilmi^ des Pi eilt!« 25·

Als Hculit j ( rii./-,an i»i.i d in voj .1 i e(*rnd«ri l'all ein (Jcini.'.cli auü l.'a K.s<n il.iniiii und \vat-.t· oi'iit oi'f vi:iv;ondet. . IJi e St r ί.ϊΐϋΐι ι ι_:'ϊ ;■ r.v fT-:ln;i i: diPjkoit de: lic,·»]; t i on.s^ai;" η betraft fit ιι,ι "Ji) 1 -¹Ii; de.i ΓίιΐΊ i.'ildiucli. dos lia:-f'f^;r dampfe s boträ'i',! etu'O T-2" Tn) ι . Die ";iu- i;i 1(]',π:_;· (;i nt:G f»t orc-ndcn (ixidbeJ a{jfj auf dr-r (!on.sani nun bei 1 J ac lic \>'iid dabei durch dm vciiiiaiidoncii Wai-acr :^;t ο f f voiliindcrl , da (ieii;-niuinoxid (G(Sf)₀) durch WafiiserKt oJ'f vul Lstamlif, riilu;:i(srt \viid_r Die Keakl ions! (.'inp(>ratui· lirf.l in liinrich v(;ii du» 'U)O C. Dor Transport det; GaI 1 i uinar sciii d:; criol^t dabei ent spi ei.:hend dvv l?(»nkti onh-i'.l ei ehujif.

(f) entspricht dabei fenl , ({;) ^asi iii ini;^T, and {:<) (inci 1)elicbi Gt-¹Ii Anzahl von Atomen im Molekül.

In gleicher Heise kann an Stelle de;; Ciciniaiinitns als erstes HalbleitciT.iat ori al bcispicl sweine GaI 1 i uinpliosphi d und als zweites Ilalblei t ermaterial ZinkEul jh i d veruendrt urrdcn. In diesem Fall wird eine ei nkr i Ktal 1 i nc iJcheibo atifi GaI 1 iumphor] hi(: in einem Schutzgehäuse uih inertem Material, z,]i, (Juaii.,

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untergebracht und auf eine Vorratsscheibe aus Zinksulphid aufßelcßt. Als transportierendes Medium wird ein Gemisch aus Jod und Wasserstoff im Molverhältnis von 0,005-0|01 verwendete Eei einer Reaktionstemperatur von 1000-750 C erfolgt dann der Transport des Zinksulphids entsprechend der Reaktionsgleichung

ZnS(f) + J_o(ß) = ZnJ_o(ß) + S_o(g).

Die Buchstaben f und β haben dieselbe Bedeutung wie bei dem vorherßchcnden Beispiel.

Darüber hinaus sind noch zahlreiche andere Kombinations- und Variationsmcißl ichkei ten sowohl hinsichtlich der verwendeten Materialien als auch hinsichtlich der Transportsysteme und der Ausßestaltunßcn dor Schutzhülle gegeben=

In Fig. 3 ist eine Anordnung dargestellt, boi der das in Pulverform vorliegende Ausgangsmaterial, 2*13. eine halbleitende Verbindung wie Galliumarsenid, im Reaktionsgefäß selbst untergebracht ist und durch das Reaktionsgas in die Dampfphase übergeführt und zu den an einer anderen Stelle dos Reaktionsgeflißcs untergebrachten scheibenförmigen Trägerkristallen aus einen anderen Halbleitermaterial, z.D. aus Silicium, transportiert und dort zur Abscheidung gebracht wird.

In einem rohrfürinigcn Reaktionsgefüß 30 aus Quarz, das in einen Ofen 31 untergebracht ist und das an seinen Enden die Stutzen 32 und 33 zum Einleiten des Reaktionsgases bzw. zum Ableiten des Restgases versehen ist. Die Stutzen 32 und 33 können mittels der Hähne 3^ und 35 ganz oder teilweise verschlossen

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werden. Die Strömungsrichtung des Reaktionsgases ist durch den Pfeil 36 gekennzeichnet.

In dem Reaktionsgefäß sind mehrere, als Trager für die zu erzeugende epitaktische Aufwachsschicht dienende einkristallinc Siliciumscheibchen 37 untergebracht. Die Scheibchen 37 sind mit einer Schutzhülle 38 umgeben, die in vorliegendem Fcill aus einer durch teilweise Oxydation des Siliciums hergestellten Siliciuruoxidschicht, die die Scheibchen 37 mit Ausnahme des Fensters dicht umschließt, besteht. Außerdem ißt in dem Reaktionsgefaß JO in Pulverform vorliegendes Galliumarsenid 40 untergebrachte

Die Beheizung der Scheibchen 37 und des pulverförmigen Ausgangs materials AO erfolgt mittels des Ofens 31» in dem verschiedene Temperaturvorteilungen eingestellt werden können. Die Beheizung wird derart vorgenommen, daß zwischen dem Ausgangsmaterial AO und den als Träger dienenden Scheibchen 37 ein Teinpcraturgef iil Ic eingestellt und aufrechterhalten wird. Die Temperatur des Aus gangsmaterials kann dabei etwa 1050 C betragen, während sich die Trägerkristalle auf einer Temperatur von etwa 1000 C befinden^

Das durch den Einlaßstutzen 32 in Richtung des Pfeiles 36 mit einer Geschwindigkeit von 1 l/min, einströmende Reaktionsgas, bestehend aus einem Gemisch aus Wasserdampf und Wasserstoff, mit einem Wasserdnmpfpartialdruck von 10 Torr setzt sich mit dem pulverfUrinigen Galliumarsenid 40 gemäß der Reaktionsgleichung 2GaAe(f) + H₂0(g) » Ga₃O(G) + '*₂ + 2/χΑβ_χ(β)

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um. Die Buchstaben f, g und χ haben die gleiche Bedeutung wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispiolen. Das gasförmige Gemisch aus Galliumoxid (Ga₀O) und Arsendampf gelangt dann auf die auf etwa 1000 C erhitzten Siliciumscheibcheri und wird dort zersetzt. Das bei der Zersetzung entstehende Galliumarsenid wächst dann auf dem Teil der Siliciumoberflache auf, der von der Schutzhülle 3^ freigelassen wird. Die Abmessungen der Aufwachsschicht entsprechen^ dann denjenigen des Fensters 39»

Eine Anordnung, die im wesentlichen der in Fig. 3 dargestellten entspricht, kann dann mit Erfolg angewendet werden, wenn die Erzeugung der epitaktischen Aufwachsschicht durch Pyrolyse eines Reaktionsgases, das eine gasförmige Verbindung des abzuscheidenden Halbleitermaterials enthält, erfolgt. In diesem Falle ist im Reaktionsgefäß kein Ausgangsmaterial untergebracht. Die als Träger für die Aufwachsschicht dienenden Halbleiterscheibchen sind entweder auf eine beheizte Unterlage aufgelegt und werden durch diese beheizt oder aber durch Wärmeübergang von den beheizten Gefäßwänden. In gleicher Weise können die alc Träger dienenden Halbleiterscheibchen induktiv beheizt werden»

Dieses Verfahren ist beispiolswoise dann vorteilhaft, wenn auf cinkristalline Scheiben aus Galliumarsenid odor Galliumphosphid eine einkristalline Germaniumschicht aufgebracht werden soll. In diesem Falle werden scheibenföx'mige Galliumarsenidoinkriatulle mit einer Schutzhülle aus Kohle umgeben und in das Reaktionsgofüß eingebracht. Anschließend wird

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durch das auf die Abscheidetemperatur dc es Germaniums beheizte Rcaktionsgefivß ein Gemisch aus Germaniuiiijodid und Wasserstoff eingeleitet. Das Germaniunijodid wird pyroly ti .'sch zersetzt und das freiwerdende Germanium schläft sich auf der (Mierflache der aus Galliumarsenid oder Galliumphosphid bestellenden T r ägerkri stal Ic ab. Die Abscheidung bzw. das opitakti sehe Wachstum erfolgt hierbei nur an den von der Schutzhülle freigelassenen Stellen der Tragerkristalle.

Die auf diese Weise bergest el 11cn Iletoroübergänge können dann unmittelbar zur Ileistel lung von Halbleiterbauelementen wei te !'verwendet werden.

\£ Patentansprüche,
3 Ficuren.

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Claims (9)

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1. Verfahren zum Herstellen von Halb!eiterschichten mit gleicher oder unterschiedlichen LeJ tungstyps und/oder unterschiedlicher Leitfähigkeit durch Abscheiden aus der Gasphase auf einen einkrist«llinen Trägerkörper gleicher oder ^yhn-lieher Gi tter .struktur, dadurch gekennzeichnet, daß der TrägerkörOer allseitig, mindestens ,iedoch an den Rändern mit einer Schutzhülle umgeben wird, die nur den Teil der Oberfläche des Trägerkörpern freigibt, auf dem die Abscheidung der Halbleiterschicht erfolgen soll.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzhülle ein aus mindestens zwei Teilen zusammengesetztes Gefäß aus inertem Material wie beispielsweise Quarz, Kohlenstoff, Aluminiumoxid oder dergleichen verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzhülle ein aus mJnlBstens zwei Teilen zusammengesetztes Gefäß aus dem abzuscheidenden Halbleitermaterial verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch ge kennzeichnet, daß als Schutzhülle eine Aufdampf- bzw. Aufwachsschicht aus inertem Material wie beispielsweise Quarz, Aluminiumoxid oder dergleichen auf dem Trägerkristall aufgebracht wird.009828/1392 _{ßAD 0RJQJNAL}

Neue Unterlagen l Art. 7 91 At>8. 2 Nr I Sau 3 des Änderungag·*. ν. 4.9. UM>/_;

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bin 4, ti· lurch ?"■.,>·- kennaeichnet, daß bei der Herstellung der Fn.l sriPiherschichten durch Materialtraneport zwischen z'v-\i übereinander angeordneten Halbleiterköror rn ü^nc: " ;; ^o'-mt^- M^rlle dienende Gefnß gleichzeitig air- ¹Vb 5 tarn I -}'->.l. te^ verwende t wird.

6. Verfahren nach einem d^r 'mrprUohe 1 b'_t, ^;-, ί , hi^e^ ^ekennzelchret, daß ?.] s Tr^ererkcroer ein Ha''.b Lo ί t-'ir'.r'ir ίργ A/-er"^rende h wird, der eine andere chemische Zun^nrnen ; · t^r/un? rnf'weist als die auf den Trägerkorc"3r abgeschiedene ScL'icht,·

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bU; 6, d^/'urch gekennzeichnet, daß ein Träi'erkorper verwendet wird, leeren 'Vtcne unterschiedliche ^VertL^kei b ""egenütier der ab-opchiedenen ScMcht aufweisen

8. Verfahren nach einem der \nsprüche 1 bir 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trägerkorpver verwendet wird, dennen Atome in der vierten Werti<?keitsstufe vorliegen, beispielsweise Germanium, Silicium oder Siliciumcarbid, um d93 e^ne Schicht abgeschieden wird aus halbleitenden Verbindungen, wobei die Wertigkeiten der Komponenten sich zu vier prr'-'nzen, bei-

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spielsweise AE - oder A B -Verbi ndur;_f"^!:r.

9. Verfahren nach einem der ^nsnrüche 1 Mr- Λ, ?-: ä:·.u^ch r¹-kennzeichnet, daß e..~l:'. Träger und als abgeben! eniT ■■■ "chiob;" halbleit'-';L.i.e Verbindungen verwendet werd^rt . S--; ■■.:.■■:;"■. rl ■ L ^ ' ·■■

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ίο. Verfahren iac¹:! Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, 3aP als ^γί,ρογ 'V B -Verbindun-en und ?;ur AVuibeidung A. ""B Verbind^rn?"pn verwendet v/erden.

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