DE1619980C3 - Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von dicken Schichten aus Halbleitermaterial - Google Patents

Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von dicken Schichten aus Halbleitermaterial

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Description

Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Epitaxialschichten, die auf Einkristallträgern gewachsen sind, sind bekannt. Beim Abscheiden des Halbleitermaterials aus der Dampfphase werden oft Filme niedriger Qualität erhalten. Fehler in der Trägeroberfläche erzeugen fehlerhafte Aufwachsschichten. Die Fehler machen sich bei dickeren Filmen noch stärker bemerkbar. Als Kristallfehler tritt vor allem Zwillingsbildung auf.
Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, z. B. Laser, Transistoren, Gleichrichter, Dioden, sind aber möglichst einwandfreie Halbleiterschichten erwünscht.
Es wurde nun ein Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von dicken Schichten mit minimaler Zwillingsbildung aus Halbleitermaterial auf Einkristallträgern durch Zersetzen dampfförmiger Halbleiterverbindungen an den erhitzten Trägern gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zunächst ein dünner Kernbildungsfilm aus dem Halbleitermaterial gebildet wird, indem in bekannter Weise ein Hydrid des Halbleitermaterials thermisch zersetzt wird und daß dann auf dem Film weiteres Halbleitermaterial durch ebenfalls an sich bekannte thermische Zersetzung eines Halogenids des Halbleitermaterials in dickerer Schicht abgelagert wird. Nach der Erfindung wird also zunächst ein Film, der extrem dünn sein kann, aus Halbleitermaterial auf einem gewünschten Träger durch thermische Zersetzung eines Hydrids gebildet. Dieser Schritt kann als Kernbildungsschritt bezeichnet werden. Auf dem ersten Film wird dann der zweite, dickere Film abgelagert, indem ein Halogenid oder ein Gemisch aus Halogeniden und Hydriden, z. B. in einer Wasserstoffatmosphäre, thermisch zersetzt wird. Diese Materialien werden auf dem ersten Film in einem solchen Zeitraum abgelagert, der zur Ausbildung der gewünschten Filmdicke ausreicht.
Jeder der Verfahrensschritte besitzt bestimmte Vorzüge, die in ihrer Kombination die Erzeugung eines dicken halbleitenden Films hoher Qualität auf einem Träger ergeben.
Der erste Schritt liefert eine extrem hohe Dichte diskreter Halbleiterkerne, die danach streben, sich zusammenzuballen, so daß viele Oberflächenfehler, z. B. Schmutz, kleine Kratzer, kleine Trägerfehler usw., eventuell durch den schnell wachsenden Film überwunden werden. So erzeugte Filme haben wesentlich geringere Zwillingskristalldichteh als Filme, die durch Zersetzung und Reduktion von Halogeniden gebildet werden. Die große Kristallqualität des Kernbildungsfilmes wird dann bei der Abscheidung nach dem zweiten Verfahrensschritt aufrechterhalten.
In der Figur ist eine Vorrichtung dargestellt, die zur Ablagerung der Filme auf dem Träger verwendet wird.
Ein Träger ist in einem vertikalen Reaktor 2 auf einer Unterlage angeordnet und wird durch die Spulen 4 erhitzt. Die Spulen werden durch eine Hochfrequenzquelle (nicht gezeigt) erregt. Das System enthält Flußmesser 5, 6, 7, 8 und 9 und Ventile 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 und 33 zur Steuerung des Flusses von Reaktionsgas in den Reaktor 2 hinein und aus ihm heraus. Das System enthält einen Desoxydator 25, Molekularsiebe 26 und Fallen aus Flüssigstickstoff 27 sowie Vorratsgefäße für Wasserstoff 28, Siliciumtetrachlorid (SiCl4) 29, Silan (SiH4) 30, German (GeH4) 31 und Diboran (B2H5) in H2 32.
Bei der Ablagerung von Silicium können HaIogenide, wie Trichlorsilan, Siliciumtetrabromid und Siliciumtetrajodid, abwechselnd als Siliciumquellen für den zweiten Verfahrensschritt verwendet werden. Für den ersten Verfahrensschritt können auch höhere Hydride von Silicium, wie Si2H6, verwendet werden.
Bei der Ablagerung von Germanium können German (GeH4) und Germaniumtetrahalogenide oder Trichlorgerman in Wasserstoff verwendet werden.
Der Träger kann aus Saphir, Berylliumoxyd,
Magnesiumoxyd, Silicium, Germanium, Chrysoberyl, Kalciumfluorid, Verbindungen der Gruppe IH-V, Verbindungen der Gruppe II-VI bestehen.
Die Dicke des beim Kernbildungsschritt abgelagerten Filmes sollte 500 bis 1000 Ä betragen, wogegen für die Dicke des durch die thermische Zersetzung abgelagerten Films nur apparative Grenzen gesetzt sind.
Beispiel I
Ein Saphirträger wurde auf einer Unterlage in einem vertikalen Reaktor angeordnet und durch Hochfrequenz auf eine Temperatur von etwa 11500C erwärmt. Ein Siliciumfilm wurde durch 15 bis 30 Sekunden dauernde Pyrolyse eines Gases, das aus 0,3 Molprozent Silan und Wasserstoff besteht und das mit etwa 3 Litern je Minute über den Träger geleitet wurde, aufgebracht. Ein Film mit einer Dicke von 500 bis 1000 Ä war abgelagert, die Ventile 21 und 24 wurden geschlossen, und Siliciumtetrahalogenid wurde in den Wasserstoffstrom durch Betätigung der Ventile 10, 11, 12 und 33 eingeführt, da Wasserstoff durch das auf etwa 00C gehaltene SiCl4 perlte, so daß etwa 0,3 Molprozent SiCl4 in die Reaktionszone gelangten, die den Träger enthält. Bei den angewandten Bedingungen ergab sich eine Siliciumwachstumsrate von etwa 0,3 Mikron je Minute.
Zwillingsdichtenvergleiche wurden für die verschiedenen Proben und Orientierungen von Saphirträgern vorgenommen, wenn der Kernbildungsschritt ausgelassen wurde.
Relative Röntgenstrahlenintensitätsdaten
Probe Ungefähre Träger
orientierung		 Ablagerungs
orientierung		 Relative
Ablagerungs
atmosphäre		 Matrix T1 T2 T3 T1
A 1Ϊ02 (100) SiCl4 81,62 11,00 2,28 3,38 1,22
B 1Ϊ02 (100) SiCl4 76,31 14,22 9,46 — —
C 1Ϊ02 (100) Silan 99,15 0,09 0,29 0,34 0,13
D 1Ϊ02 (100) Silan 96,86 1,73 1,41 — —
E 1123 (111) SiCl4 65,79 0,13 33,00 0,42 0,05
F 1123 (111) Silan 82,52 — 17,17 0,30 —
In der Tabelle wird gezeigt, daß, wenn die Kernbildungsablagerung unter Verwendung von Silan vorgenommen wurde, die Dichte der Mikrozwiliinge merkbar niedriger als bei der entsprechenden Ablagerung war, die nur SiCl4 benutzte. Wenn die Gesamtmenge des abgelagerten Siliciums mit 100% angenommen wird, dann stellen die in der Matrixspalte angegebenen Prozentwerte das Material ohne Zwillinge dar. Das verbleibende Material wurde unter den vier möglichen Mikrozwillingen erster Ordnung (T1 bis T4) in bezug auf die primäre Orientierung aufgestellt, die im Silicium bestehen kann.
Beispiel II
Die gleiche Vorrichtung und die gleichen allgemeinen Verfahrensschritte wurden verwendet, aber zwei polierte Saphir-Träger, die aus der gleichen Kugel geschnitten waren, einzeln in den vertikalen Reaktor eingesetzt und wie oben erwärmt. Zwei Filme aus Silicium von 6,6 Mikron Dicke wurden aufgewachsen, der eine durch Verwendung von Silan und der andere nach den verbesserten Verfahren der zwei Schritte. Der nach dem aus den zwei Schritten bestehenden Verfahren gebildete Film war in der Dicke gleichförmiger und hatte, physikalisch gesehen, bessere Qualität. Der Film nach dem Zwei-Schritt-Verfahren besaß ein besseres Reflexionsvermögen und eine bessere Oberflächenstruktur.
B e i s ρ i e 1 III
Bei Verwendung von Silicium als Träger wurde das Verfahren gemäß Beispiel I wiederholt. Die gleichen allgemeinen Ergebnisse wurden erzielt.
Beispiel IV
Germanium wurde als Träger verwendet. Es wurden die gleichen Verfahrensschritte gemäß Beispiel I angewendet, wobei das Germanium bei 903°C aus German (GeH4) und dann aus Germaniumtetrachlorid abgelagert wurde. Es wurden die gleichen Ergebnisse wie oben erzielt.
5
Beispiel V
Bor wurde als Träger verwendet, und dieses Bor wurde aus Diboran (B2H6) als Kernbildungsmaterial ίο gebildet, woraufhin eine zusätzliche Borbildung aus Bortribromid folgte. Die im Beispiel I beschriebene Vorrichtung wurde verwendet. Es wurden die gleichen Ergebnisse erzielt.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von dicken Schichten mit minimaler Zwülingsbildung aus Halbleitermaterial auf Einkristallträgern durch Zersetzen dampfförmiger Halbleiterverbindungen an den erhitzten Trägern, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein dünner Kernbildungsfilm aus dem Halbleitermaterial gebildet wird, indem in an sich bekannter Weise ein Hydrid des Halbleitermaterials thermisch zersetzt wird und daß dann auf dem Film weiteres Halbleitermaterial durch ebenfalls an sich bekannte thermische Zersetzung eines HaIogenids des Halbleitermaterials in dickerer Schicht abgelagert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Träger aus Saphir, Silicium, Germanium oder Bor verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbildungsfilm bis zu einer Dicke von 500 bis 1000 Ä gebildet wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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