DE1769298C3 - Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von Silicium oder Germanium auf einer Unterlage aus einkristallinem Saphir - Google Patents

Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von Silicium oder Germanium auf einer Unterlage aus einkristallinem Saphir

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Description

30 Verwendung eines einkristallinen Saphirsubstrates, dessen Oberfläche auf das beste poliert ist, läßt sich mit Hilfe dieser bekannten Maßnahme keine einkristalline Siliciumschicht aufbauen, die im wesentlichen völlig frei von Gitterfehlern ist.
35 Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kristallisationskernbildung und
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum epitak- zum Züchten einer Silicium- bzw. Germaniumschicht
tischen Aufwachsen einer Schicht aus einkristallinem sehr hoher Qualität auf einem einkristallinen Saphir-
Silicium oder Germanium auf einer Unterlage aus träger zu schaffen, wobei die Herstellungstechnik
einkristallinem Saphir durch Zersetzen von Silan bzw. 40 integrierter Schaltungen mit einem auf einem Saphir
German an der erhitzten Unterlage. angeordneten Silicium- oder Germaniumeinkristall Monolithische integrierte Schaltungen aus Silicium weiter verbessert werden soll.
mit isolierenden PN-Übergängen stellen die der inten- Es wurde jedoch auch schon vorgeschlagen (deutsche sivsten Weiterentwicklung angehörigen integrierten Auslegeschrift 1619 980), daß auf einer Unterlage aus Schaltungen dar. Sie sind besonders attraktiv 45 Saphir durch Zersetzen von Silan bzw. German eine wegen ihrer großen Zuverlässigkeit und der geringen dünne Schicht aus Germanium oder Silicium epitak-Kosten, mit welchen sie in einem herkömmlichen tisch abgeschieden wird. Dabei wird bei der Zersetzung Massenfabrikationsverfahren mit dem Vorteil hoher von Silan bzw. German eine Erhitzung der Unterlage Genauigkeit hergestellt werden können. Diese inte- auf 1150 bis 9000C als zweckmäßig angesehen, grierten Schaltkreise besitzen jedoch einen wesentlichen 50 Zur Lösung der vorausstehend genannten Aufgabe Nachteil auf Grund von Eigenschaften, die von den wird erfindungsgemäß die Unterlage auf einer Tempeisolierenden PN-Übergängen abhängig sind. ratur zwischen 850 und 9700C bei Silan und auf einer Neuerdings wurde eine Art eines monolithischen Temperatur zwischen 550 und 6700C bei German integrierten Schaltkreises entwickelt, bei dem einzelne gehalten, die Temperatur des Saphirmaterials nach getrennte Halbleiterbereiche mit aktiven oder passiven 55 dem Aufdampfen einer Silicium- bzw. einer Germa-Schaltkreiskomponenten von einem dielektrischen niumschicht von zumindest 0,2 μηι auf zumindest Isolationsmaterial umgeben sind. Um diese elektrische 10000C bei der Verwendung von Silan und zumindest Isolation mit Hilfe eines dielektrischen Materials zu 7000C bei der Verwendung von German erhöht und erreichen, sind zusätzliche Verfahrensschritte erforder- das weitere Aufdampfen der Silicium- bzw. Germaniumlich, die zu wesentlich höheren Herstellungskosten 60 schicht bei der erhöhten Temperatur durchgeführt, führen. Es läßt sich feststellen, daß mit Hilfe des erfindungsintegrierte Hybridschaltkreise, bei weichen die ein- gemäßen Verfahrens epitaktische Schichten höchster zelnen Elemente auf einem Keramikträger befestigt Qualität aus Silicium und Germanium auf einem und miteinander durch sehr dünne Drähte verbunden Saphirkristall erzielt werden können. Die Verwendung sind, erweisen sich als sehr zweckmäßig und vielseitig, 65 von Siliciumtetrachlorid oder Germaniumtetrachlorid wenn eine elektrische Isolation zwischen den einzelnen erweist sich gegenüber den Hydriden wesentlich Elementen erforderlich ist. Jedoch wird die Hybrid- ungeeigneter. In gleicher Weise ist auch Trichlorsilan schalltechnik wegen der damit verbundenen wesent- als ungeeigneter anzusehen.
3 4
Die Erfindung führt in vorteilhafter Weise zu hoch- anzuheben, um die Wachstumsgeschwindigkeit der
wertigen einkristallinen Silicium- und Germanium- epitaktischen Schicht zu vergrößern. Die nachfolgende
schichten auf einem Saphinr.aterial, indem nämlich Züchtung zu jeder beliebigen Dicke wird bei Tempe-
für das Aufwachsen der unmittelbar auf dem Saphir- raturen und Bedingungen ausgeführt, die allgemein
material liegenden dünnen Schicht die Unterlage auf 5 bekannt sind.
Temperaturen gehalten wird, die wesentlich unter dem Für das Züchten von Silicium ist es allgemein beTemperaturbereich liegen, der im kommerziellen Be- kannt, den epitaktischen Aufbau bei Temperaturen reich generell als für annehmbare Wachstumsge- zwischen 1000 und 13000C auszuführen, wobei die schwindigkeiten geeignet angesehen wird. Damit wird erhitzten Träger einem Gasstrom ausgesetzt werden, erreicht, daß für das Ingangbringen der Kristalli- xo der aus einer Mischung von SUiciumtetrachlorid. sationskernbildung und der Züchtung der Silicium- Trichlorsilan oder Silan besteht, die mit einer großen bzw. Germaniumschicht unmittelbar auf der Saphir- Menge eines als Verdünnungsmittel und Träger wiroberfläche eine einkristalline Schicht mit einer für das kenden Edelgases zugeführt werden. Das Trägergas weitere Aufwachsen günstigen kristallographischen besteht gewöhnlich aus Wasserstoff, jedoch können Orientierung entsteht. Da die vorstehend angegebenen 15 auch Stickstoff oder Helium verwendet werden. Die Temperaturbereiche wesentlich unterhalb der Tempe- Konzentration der Siliciumverbindung im Trägergas raturen liegen, die im allgemeinen für ein epitaktisches ist für gewöhnlich kleiner als 1 % und liegt typischer-Wachsen eines Kristalls als geeignet angesehen werden, weise bei 0,1 bis 0,3 Volumprozent. Um die epitaksind in der Tat die Wachstumsgeschwindigkeiten bei tische Schicht beim Wachsen zu dotieren, kann eine den angegebenen Temperaturen zu langsam, um für »o die Fremdatome enthaltende Verbindung, wie z. B. kommerzielle Zwecke die Züchtung der gesamten ein Hydrid, dem Trägergas ;msammen mit der Halbepitaktischen Schicht bei diesen Temperaturen zu leiterverbindung zugefügt werden. Geeignete Hydride erwägen. Da die Erfindung jedoch weiter vorsieht, bestehen aus Phosphin, Diboran und Arsin.
daß, wenn die Kristallisationskernbildung eingeleitet Für die epitaktische Züchtung von Germanium und das ,einkristalline Halbleitermaterial bis zu einer »5 wird die Trägertemperatur im allgemeinen zwischen Dicke von zumindest 0,2 μιη angewachsen ist, die 700 und 850 C gehalten. Entsprechend der Silicium-Temperatur des Trägers angehoben wird, läßt Züchtung wird die erhitzte Scheibe einem Gasgemisch sich eine kommerziell vertretbare Wachstums- aus einem Trägergas mit etwa 0,1 Volumenprozent geschwindigkeit im Rahmen der bekannten Technik Germaniumtetrachlorid, Trichlorgerman oder German erzielen. 30 ausgesetzt. Als Dotierungsmaterial können geeignete
Der als Unterlage dienende Saphirkristall besteht Spurenanteile von Phosphin, Diboran und Arsin
aus einem kommerziell erhältlichen, extrem reinen beigemengt werden.
und synthetisch hergestellten Saphireinkristall. Beste Weiterhin kann zunächst auf dem Trägermaterial
Ergebnis.se lassen sich bei einer Kristallorientierung ein Muster eines dielektrischen Materials durch Va-
erzielen, wenn für das Züchten von Silicium oder 35 kuumaufdampfung geschaffen werden, wodurch gegen-
Germanium von der 1012-Ebene ausgegangen wird. einander isolierte bestimmte Bereiche der Oberfläche
Es können aber auch andere Kristallebenen des des Trägerniaterials für die Kristallisationskernbildung
Saphirs verwendet werden. und die Züchtung des Halbleitermaterials frei bleiben,
Der Träger kann zur Vorreinigung auf etwa 1300 C und das auf dem dielektrischen Material abgelagerte erhitzt und etwa 5 Minuten in einem Wasserstoffstrom 40 Halbleitermaterial durch Läppen und Polieren entgehalten werden, um alle nur möglichen Oberflächen- fernt werden, um die durch das dielektrische Material verunreinigungen zu entfernen. Vorzugsweise wird gegeneinander isolierten Bereiche des Halbleitermateder Träger einer Ätzung mit Cblortrifluorid in der rials zu schaffen.
Gasphase unterzogen, das zum Reinigen und Polieren Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung
der Oberfläche für den nachfolgenden epitaktischen 45 sind in der Zeichnung dargestellt; es zeigt
Kristallaufbau geeignet ist. Geeignete Ätzbedingungen Fig. 1 einen als Reaktionskammer zum Züchten
erhält man bei einer Temperatur von etwa 12000C epitaktischer Schichten geeigneten Induktionsofen in
und einer Wasserstoffströmung von etwa 40 Liter/ schematischer Darstellung,
Minute, die ungefähr 0,25 Volumprozent Chlortri- Fig. 2 bis 4 vergrößerte Schnitte durch einen fluorid (ClF3) enthält. Die Scheibe wird sodann auf s° synthetischen Saphirträger und dessen stufenweise unter 970° C für das Züchten von Silicium und auf Umwandlung gemäß der Erfindung,
unter 6700C für das Züchten von Germanium ange- Fig. 5 bis 8 vergrößerte Schnitte durch einen Saphirkühlt. Die erhitzte Scheibe wird sodann einer Strömung träger, dessen Scheibenaufbau, der für die Fabrikation aus Silan oder German in Wasserstoff ausgesetzt, integrierter Schaltungen geeignet ist, mit einer anderen wobei ein typisches Verhältnis von Wasserstoff zu 55 Folge von Verfahrensschritten hergestellt ist.
Silan oder German bei ungefähr 800: 1 Volumenein- Gemäß Fig. 1 besteht der für die epitaktische Züchheiten liegt. tung benutzte Ofen 11 aus einer Quarzröhre 13 mit
Für das Züchten einer epitaktischen Schicht von mehreren eingangsseitigen Zuleitungen 12, einer Induk-
nicht mehr als ungefähr 1 μπι Dicke sind im aligemei- tionsspule 14 und einer Ausgangsleitung 15. Die
nen eine Wachstumszeit von etwa 10 Minuten bei den 6o Saphirscheiben 16 sind auf einer Graphithalterung 17
tiefen Temperaturen ausreichend. Wesentlich kürzere angeordnet, mit der sie innerhalb des Ofens im Bereich
Zeiten sind zweckmäßig bis zumindest eine Schicht der Induktionsspule 14 abgelegt werden,
von 0,2 μιη Dicke bei der niedrigen Temperatur Für eine beispielsweise Betrachtung der Verfahrens-
gewachsen ist. Diese Dicke ist ausreichend, um fest- schritte, mit welchen ein isolierter Bereich eines auf
stellen zu können, daß die einkristalline Kristalli- 65 einem Saphir epitaktisch aufgebrachten Silicium- oder
sationskernbildung und eine entsprechende Kristall- Germaniummaterials geschaffen wird, wird die Scheibe
Züchtung erreicht wurde. Für gewöhnlich wird es von aus dem einkristallinen synthetischen Saphir (Fig. 2)
diesem Augenblick an bevorzugt, die Trägertemperatur derart gemäß der Erfindung behandelt, daß eine
epitaktische Schicht eines einkristallinen Halbleiter- Anschließend werden unter Verwendung herkömmmaterials mit N-Leitung gemäß Fig. 3 entsteht. Der licher photographischer Deckmittel und einer üblichen .Saphirträger 21 hat typischerweise eine Dicke von Ätztechnik bestimmte Bereiche der Siliciumdioxydetwa 25· 10"2 mm und ist kristallographisch derart schicht entfernt, um die für die nachfolgende heteroorientiert, daß vorzugsweise die Kristallebene 1012 für S epitaktische Züchtung eines monokristallinen Halbleidie epitaktische Züchtung der Halbleiterschicht 22 termaterials frei liegenden Bereiche zu schaffen. In zur Verfügung steht. Die epitaktisch gezüchtete Halb- Fig. 7 ist das Ergebnis der Züchtung des Halbleiterleiterschicht 22 besitzt üblicherweise eine Dicke von materials auf einer entsprechend Fig. 6 vorpräparieretwa 0,1 bis 10 μΐη. ten Trägerscheibe dargestellt. Der Bereich 33 besteht
Anschließend werden, wie in Fig. 4 dargestellt, io in seiner Gesamtheit aus einem Einkristall, indem bei
isolierte Bereiche aus dem Halbleitermaterial durch Verwendung von Silicium die Kristallisationskernbil-
NP+ Übergänge gebildet, indem P+ diffundierte dung und die Züchtung bei einer Temperatur unterhalb Bereiche 23a und 236 durch eine Bordiffusion mit 970°C bzw. für Germanium unterhalb 6700C ausge-
bekannter Technik geschaffen werden. führt wird. Die Bereiche 34a und 346 bestehen aus
In den Fig. 5 bis 8 wird eine andere Folge von »5 einem viel kristallinen Aufbau, da eine Siliciumdioxyd-Verfahrensschritten dargestellt, welche zur Schaffung schicht nicht als Kristallisationskern für ein monoeiner Halbleiterscheibe geeignet ist, mit der isolierte kristallines Halbleitermaterial geeignet ist. elektrische Bereiche auf einem Saphirträger geschaffen Der Aufbau gemäß Fig. 7 wird anschließend geläppt werden können. Im ersten Verfahrensschritt wird eine und poliert, wodurch der in Fig. 8 dargestellte Aufbau Siliciurndioxydschicht 32, wie in Fig. 5 gezeigt, auf ao erhalten wird. Durch die erwähnte Bearbeitung werden dem Saphirträger 31 im Vakuum aufgedampft. Dies die vielkristallinen Bereiche 34a und 346 vollständig geschieht in bekannter Weise durch eine Reaktion von entfernt, so daß nur noch der einkristalline HaIb-Sauerstoff mit Siliciumtetrachlorid oder durch den leiterbereich 33 zurückbleibt. In diesem Halbleiter-Abbau von Ethylorthosilicat. Es wird typischerweise bereich 33 können mit Hilfe bekannter Verfahren eine Schicht bis zu einer Dicke von 0,1 bis 10 μΐη as anschließend verschiedene Halbleiterelemente hergeaufgedampft. stellt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

lieh höheren Kosten wahrscheinlich immer nur für kjeine Mengen von im Einzelauftrag herzustellenden Patentansprüche: Schaltkreisen geeignet sein. Hybridschaltkreise sind
1. Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen nicht in gleicher Weise: wie™no>fische Schaltkreise
einer Schicht aus einkristallinem Silicium oder 5 für die ^^^"gjfSgesW daß das Züch-
Temperatur zwischen 850 bis 9700C bri Silan und 10 der Hybridschaltungen zu'verbinden d h es .st die
auf einer Temperatur zwischen 550 und 6700C bei Herstellung e.ner integnen^CiJSn moä^' *5
German gehalten und die Temperatur des Saphir- die Eigenschaften e.ner Hybndsxhaltung bezugl.ch
materials nach dem Aufdampfen der Silicium- der elektrischen Isoaüon aufweist und trotedem mit
bzw. Germanäumschicht in einer Dicke von zu- denselben M^niab"taüons t v^re"nn^rge«ellt
mindest 0,2 μΐη auf zumindest !0000C bei der ,5 werden kann, d.e fur d.e Herstellung monolithischer
Verwendung von Silan und zumindest 7000C bei integrierter Schaltungen aus S.hc.um entw.ckelt wur-
der Verwendung von German erhöht wird, und den. . /~ ι
daß das weitere Aufdampfen der Silicium- bzw. Die Verwendung von Silan oder German als gas-
Germaniumschicht bei der erhöhten Temperatur förmige zu zerseUende Verbindung beimepitaktischen
erfolgt 20 Aufwachsen von halbierenden Schichten auf ein-
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- kristalline Unterlagen ist bereits bekannt (RCA-zeichnet, daß das Saphirmaterial zunächst durch Review, Band 24 (1963) Dezember Nr. 4. S 499 b.s eine Ätzung mit gasförmigem Chlortrifluorid ge- 552). Hierbei wird Germanium durch Pyro yse von reinigt und poliert wird German auf Einern Substrat aus Quarz in polyknstal-
3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch *5 liner Form aufgebaut. Dabei finden Substrattemperagekennzeichnet, daß die für die epitaktische Züch- türen von über etwa 700 C Verwendung wobei tung verwendete Kristallebene des Saphirs die Temperaturwerte in der Umgebung von 700 C als zu T012-Ebene ist. niedrig angesehen werden, um fehlerfreie Halbleiter-
schichten hoher Qualität zu erzielen. Auch bei der
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