DE1963054A1 - Verbundkoerper fuer Halbleiteranordnungen und Verfahren zur Herstellung derartiger Verbundkoerper - Google Patents

Verbundkoerper fuer Halbleiteranordnungen und Verfahren zur Herstellung derartiger Verbundkoerper

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Description

6919-69/Kö/S
RCA 60,098
Convention Date;
March 18, I969
RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.
Verbundkörper für Halbleiteranordnungen und Verfahren zur Her
stellung derartiger Verbundkörper
BieErfindung betrifft einen Verbundkörper für Halbleiteran-.Ordnungen sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Verbundkörper *
Es sind Verbundkörper bekannt, die aus einer Schicht aus einkristallinem Silicium auf einem elektrisch isolierenden Substrat aus einkristallinem Aluminiumoxyd (AInO-) bestehen. Synthetisches einkristallines Aluminiumoxyd, bekannt als Saphir, ist für diesen Zweck im Handel erhältlich. (Siehe z.B. die Arbeit von Manasevit et al "Single Crystal Silicon on a Sapphire Substrate" in der Zeitschrift "Journal Applied Physics", Band 35, Nr. 4, Seiten 1349-1351, April I964.) Bie Schicht aus einkristallinem Silicium kann auch auf ein Substrat aus einem einkristallinen Spinell epitaktisch aufgewachsen werden (USA-Patentschrift 3 414 434)· Üerartige Verbundkörper eignen sich für die Herstellung von Halbleiterbauelementen. Ferner lassen sich Anordnungen von unipolaren oder bipolaren Halbleiterbauelementen aus solchen Verbundkörpern oder HeteroStrukturen herstellen, wobei die einzelnen Bauelemente durch die Isoliereigenschaften des Substrats elektrisch voneinander isoliert sind (siehe die Arbeit von
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ORtGlNAL INSPECTED
CW. Mueller und P.H. Robinson "Grown-Film Silicon Transistor on Sapphire" in der Zeitschrift "Proceedings IEEE"52, Seite I487, 1964} sowie die Arbeit von D.J. Dumin und P.J, Robinson nSutodoping pf Silicon Films Grown Epitaxially on Sapphire" in der Zeitschrift "Journal Electrochemical Society" 113, Seite 469, 1966).
Während aus einem Verbundkörper aus einer einkristallinen Siliciumschicht auf einem kristallinen Isoliersubstrat sich brauchbare Halbleiterbauelemente und -anordnungen herstellen lassen, ist es für bestimmte Zwecke wünschenswert, für die Halbleiter schicht andere Ilalbleiterstoffe wie Germanium oder ATTTBV—Verbindungen zu verwenden, Germanium als Halbleiter material hat den Vorteil, daß in ihm die Beweglichkeit der Ladungsträger größer ist als in Silicium. Jedoch wurde bisher gefunden, daß, wenn exnkristalline Germaniumschichten auf Isoliersubstrate wie Aluminiumoxyd und Spinell aufgebracht werden, der resultierende Verbundkörper für die Herstellung von Halbleiterbauelementen oder -anordnungen nicht gut geeignet ist, da die Ladungsträgerbeweglichkeit dieser Germaniumschichten sehr schlecht, und zwar erheblich geringer als in Germaniumkörpern ist« Dies gilt gleichermaßen für ATTTBV-Halbleiterverbindungen wie Galliumarsenid.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbundkörper zu schaffen, der aus einer Halbleiterschicht mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit auf einem isolierenden Substrat besteht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verbundkörper vorgesehen, der aus einem einkristallinen Isoliersubstrat und einer Schicht aus kristallinem Halbleitermaterial, die durch eine Zwischenschicht aus kristallinem Siliciumoxyd an das Substrat gebunden ist, besteht. Der Verbundkörper kann in der Weise hergestellt werden, daß zuerst ein kristalliner Siliciumfilm auf das , Substrat aufgebracht wird und anschließend die kristalline Halbleiterschicht auf den Siliciumfilm aufgebracht wird. Als Halbleiter können Germanium, Germanium-Siliciumlegxerungen oder h*lbleitende A1^1-B,,-Verbindungen wie die Phosphide, Arsenide und Antimonide des Bors, Aluminiums, Galliums und Indiums verwendet werden.
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ORIGINAL INSPECTED
I Ό U O -·> U"ϊ
Die einzige Figur der Zeichnung gibt im Schnitt einen Verbundkörper gemäß einer Äusfiihrungsform der Erfindung wieder*
Beispiel I _ ■
Zunächst wird ein Substrat 10 aus einkristallinem Aluminiumoxyd zubereitet. Zweckmäßigerweise besteht das Substrat 10 aus wasserhellem synthetischen einkristallinen Aluminiumoxyd, bekannt unter der Bezeichnung "Saphir". Die genaue Größe und Form des Substrats 10 sind nicht kritisch. Im vorliegenden Fall ist das Substrat 10 ein Saphirscheibchen mit einer Dicke von ungefähr 0,5 nun uitd einem Durchmesser von ungefähr 10 mm.
Vorzugsweise ist der Abstand der Atome im Kristallgitter der Substratoberfläche, auf welche die Schichten aufgebracht werden, ™ dem Abstand der Atome im Kristallgitter des Germaniums und SiIiciums dicht angenähert. Im vorliegenden Fall wird das .Saphirsubstrat 10 vorzugsweise so geschnitten, daß die Substratoberfläche 12, auf welche die Materialien nacheinander aufgebracht werden sollen, parallel zur i_~lTO2_7-Kristallebene des Saphirkristallgitters liegt« Man kann zwar auch andere Orientierungen verwenden; jedoch wird derzeit angenommen, daß bei dichter Anpassung der Gitterabstände des Substrats und der epitaktischen Schicht sich die beste Kristallgüte in den aufgebrachten Ilalbleiterschichten ergibt.
Die Oberfläche 12 des Saphirscheibchens 10 wird auf hochgradige Glätte poliert. Eine glatte Oberfläche ist vorzuziehen, da die anschließend auf die Oberfläche aufgebrachten Halbleiterschichten sich vorzugsweise auf etwaigen Kratzern oder Unregelmäßigkeiten im Substrat zusammenballen. Vorteilhafterweise wird das Substrat 10 nach dem Polieren durch Reinigen mit Ultraschall-' energie in einem organischen I ösungsmittel wie Chloroform entfettet.
Das Substrat 10 wird dann in einem Ofenrohr (nicht gezeigt) mit der Oberfläche 12 zuoberst angeordnet. Sodann wird das Substrat 10 ungefähr 15 Minuten lang auf ungefähr 12 50° C. in einem
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Wasserstoffstrom erhitzt. Dadurch wird die Substratoberfläche 12 wirksam gesäubert. Anschließend wird das Substrat 10 in der gleichen WasserstoffStromatmosphäre auf ungefähr 1150 C- abgekühlt.
Als nächstes wird ein silanhaltiges (siliciumwasserstoffhaltiges) Gasgemisch durch das Ofenrohr undüber die Substratoberfläche 12 geleitet. Vorzugsweise enthält das Gemisch ungefähr O5I bis 3 ■ Volumenprozent Silan, Rest entweder Wasserstoff oder ein Inertgas wie Argon. Das verdünate Silan zersetzt sich gleichmäßig bei Temperaturen von ungefähr 1000 bis 1200° C. zu Wasserstoff und elementarem Silicium. Das Silicium schlägt sich auf der gesäuberten Oberfläche 12 des Substrats 10 unter Bildung eines einkristal- ^ linen Siliciumfilmes 14- nieder. Die Niederschlagsrate' oder -geschwindigkeit des Siliciumfilms 14 hängt von der Konzentration des Silans im Gasgemisch, der Durchflußmenge oder Durchströmungsgeschwindigkeit des Gasgemisches und der Temperatur des Ofenrohrs ab.
Die Verwendung von Silan-Wasserstoffgasgemischen zum epitaktischen Aufwachsen von einkristallinen Siliciumschichten ist in der USA-Patentschrift 3 177 100 beschrieben (siehe auch D.J. Dumin "Journal of Applied Physics" 38, Seite 1909,1967). Man kann die epitaktische Siliciumschicht stattdessen auch dadurch herstellen, daß man ein Gemisch aus Wasserstoff und Siliciumtetrachlorid oder einer ähnlichen Halogenverbindung des Siliciuns κ über das Substrat leitet. Der Wasserstoff reduziert das Siliciumhalogenid zu elementarem Silicium, das sich dann auf·der Substratoberfläche 12 als einkristalliner Film niederschlägt. Die genaue . Dicke des Siliciumfilms 14 ist nicht kritisch; vorzugsweise beträgt sie ungefähr 0,01 bis 0,1 Mikron. Die Dicke des Siliciumfilms kann dadurch kontrolliert werden, daß man zuerst eine geeignete Temperatur und Durchflußmenge (Durchströmungsgeschwindigkeit) wählt und dann die Niederschlagszeit steuert. Beispielsweise können die Verfahrensbedingungen so festgelegt werden, daß das Silicium mit einer Rate oder Geschwindigkeit von 1 um pro Minute aufgebracht wird. Man erhält dann in 6 Sekunden einen SiIi-
ciumfilm »it einer Dicke von 0,1 um. Die Dicke des Siliciuafilms
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kann während des Aufbringens oder Niederschiagens mit. Hilfe von Infrarotinterferenzmessungen (beschrieben in D.J. Dumin, "Review Scientific Instruments", 38, Seite IIO7, I967) überwacht werden. Wenn der Siliciumfilm die gewünschte Dicke erreicht hat, wird der Strom des silanhaltigen Gasgemisches abgebrochen. Anschließend wird ein germanhaltiges (Germaniumwasserstoff enthaltendes) Gasgemisch durch das Ofenrohr über das Substrat 10 geleitet. Das germanhaltige Gasgemisch besteht zweckmäßigerweise, aus ungefähr G, 1 bis 3 Volumenprozent German (Germaniumwasserstoff), Rest Wasserstoff oder Argon oder dergl. Vor dem Einleiten des germanhaltigen Gasgemisches in das Ofenrohr läßt man die Temperatur des Substrats auf ungefähr 7OO bis 900 C. absinken. Das German zersetzt sich zu elementarem Germanium und Wasserstoff. Das Germanium ^ schlägt sich als epitaktische Schicht l6 auf dem Siliciumfilm 14 nieder. Vorzugsweise erfolgt das Niederschlagen des Germaniums mit einer langsameren Geschwindigkeit als das des Siliciums, Die Dicke der so gebildeten einkristallinen Germaniumschicht 16 beträgt zweckmäßigerweise ungefähr 2 bis 20 um, kann jedoch gewünsch ■tenfalls auch geändert werden.
Im so hergestellten Verbundkörper .hat die Germaniumschicht 16 eine hohe Kristallgüte. Der Grad der Vollkommenheit des Kristallgitters der Germaniumschicht l6 zeigt sich durch die Anwesenheit von Kikuchi-Linien bei Untersuchung der Germaniumschicht mit Hilfe von üblichen Röntgenstrahlenbeugungsmessungen. _.
Als noch wichtigeres Resultat wurde gefunden, daß die Beweglichkeit der Ladungsträger in der Germaniumschicht 1.6 beträchtlich erhöht ist. Sowohl p-leitende als auch η-leitende Germaniumschichten, die nach dem beschriebenen Verfahren in reproduzierbarer Weise hergestellt worden sind, weisen Ladungsträgerbeweglichkeiten von mehr als 1200 cm /Volt/Sekunde bei Ladungsträgerkonzentrationen im Bereich von 10 bis 10 7/cm für Filme von 1 bis 2m auf. Im Gegensatz hierzu beträgt die Ladungsträgerbeweglichkeit ,vergleichbarer Germaniumschichten, die gemäß dem Stand der Technik, d.h. ohne Siliciumfilm zwischen Substrat und Germaniumschicht aufgebracht wurden, nur ungefähr 100 bis 300 cm /Volt/Sekunde.
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ORIGINAL IMSPECTED
Die Kristallorientierung der so aufgebrachten Germaniumschicht l6 ist im allgemeinen die gleiche wie die des darunterliegenden Siliciumfilms I4. Wenn beispielsweise die Oberfläche des Siliciumfilms 14 parallel zur ausgezeichneten Kristallebene ist, ist die Oberfläche der Germaniumschicht 16 parallel zur gleichen Kristallebene * Ist der Siliciumfilra I4 polykristallin, so ist auch die Germaniumschicht l6 polykristallin.
Der in der beschriebenen Weise hergestellte Verbundkörper kann für die Herstellung von Anordnungen von Germaniumdioden und Germaniumtransistoren in der Germaniumschicht nach bekannten Verfahren verwendet werden.
Beispiel II
In Beispiel I bestand das Isoliersubstrat aus einkristallinem Aluminiumoxyd. Im vorliegenden Fall besteht dagegen das Isoliersubstrat aus einkristallinem stöchiometrisehen Spinell der Formel MgO.Al0O,,,
Das Spinell-Substrat 10 wird vorzugsweise in der Weise zubereitet, daß die Oberfläche 12, auf welcher das Aufbringen erfolgt, im wesentlichen parallel zu entweder der /~111 /- oder der /~10O J-Kristallebene ist. Die Substratoberfläche wird poliert und gesäubert, und das Substrat wird dann wie in Beispiel I in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt. Anschließend wird ein Film 14 aus kristallinem Silicium auf die Oberfläche 12 des Substrats 10 aufgebracht. Dies kann in der Weise erfolgen, daß man ein Gasgemisch mit einem Gehalt von einigen wenigen Volumenprozent Silan in der in Beispiel I beschriebenen Weise über das Substrat leitet. Statt dessen kann man auch ein Gemisch aus einem Siliciumhalogenid und Wasserstoff verwenden. Die Dicke des aufgebrachten Siliciumfilms 14 beträgt vorzugsweise ungefähr 0,01 bis 0,1 um.
Nach dem Aufbringen des Siliciumfilins 14 wird das Substrat 10.auf ungefähr 700 bis 900° C. abgekühlt und eine Schicht 16 aus kristallinem Germanium auf den Siliciumfilm I4 aufgebradlt. Dies kann wie in Beispiel I durch Zersetzen von German (Germaniumwasserstoff) geschehen. Stattdessen kann man auch ein Gemisch aus
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einem Germaniumhalogenid und Wasserstoff verwenden.
Wenn das Substrat 10 einkristallin ist, sind auch der SiIiciumfilra 14 und die Germaniumschicht 16 einkristallin.
Beispiel III
In Beispiel II bestand das Substrat 10 aus stöchiometrischea Spinell, d.h. Spinell, in welches das Verhältnis von MgO zu Al-O „ 1x1 beträgt. Im Handel sind die verschiedenartigsten nichtstöchio Metrischen kristallinen Spinelle erhältlich, die als Substrat für die Herstellung erfindungsgemäßer Verbundkörper verwendet werden können» Bei diesen Spinellen beträgt das Verhältnis von MgO zu Al2O, entweder mehr oder weniger als 1. Im vorliegenden Fall be- ä steht das Substrat 10 aus kristallinem nichtstöchiometrischen Spinell mit der Zusammensetzung MgO«nAl_Q-, wobei η zwischen ungefähr 0,64 und 6,7 betragen kann. ,
Die Verfahrensschritte des Zubereitens und Polierens der Oberfläche 12 des Substrats 10 aus kristallinem nichtstöchiometrischen Spinell, des Erhitzens des Substrats in einer Wasserstoffataosphäre, des Aufbringens des kristallinen Siliciumfilras 14 von Ungefähr 0,01 bis 0,1 um Dicke auf die Substratoberfläche 12 und des Aufbringens der Germaniumschicht 16 auf den Siliciumfilm erfolgen in ähnlicher Weise wie in Beispiel IL
Beispiel IV
Anderweitige kristalline Isoliermaterialien, die als Substrat für die Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundkörper verwendet «erden können, sind ZnAl-O., FeAl2O., MnAl-O , MnCrO., MgCr 0.,
FeCr-O., MgFe-O., Fe-O., MnCr„0. und dergl. Die Verfahrensschritte a4*4o4-*4
des Säuberns und Polierens der Oberfläche 12 des kristallinen Isoliersubstrats 10, des Erhitzens des Substrats 10 in einer Wasser-Stoff atmosphäre, des Aufbringens des Siliciumfilms auf die Oberfläche 12 des Substrats 10 und des Aufbringens der Germaniumschicht 16 auf den Siliciumfilm 14 erfolgen wie in Beispiel I.
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Beispiel V
In den vorstehenden Beispielen bestand die Schicht 16 ganz- * lieh aus kristallinem Germanium. Bekanntlich haben Silicium und Germanium ähnliche Kristallgitter und können eine Reihe solcher Mischkristalle bilden. Ferner können diese Mischkristalle einkristallin sein und für die Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet werden (siehe z.B. die USA-Patentschriften 2 997 und 2 817 798). Im vorliegenden Fall wird nach dem Aufbringen eines Siliciumfilms auf ein kristallines Isoliersubstrat eine Schicht aus einer einkristallinen Legierung von Silicium und Germanium auf den Siliciumfilm aufgebracht.
Bin kristallines Isoliersubstrat 10 mit einer Hauptfläche wird wie in Beispiel I zubereitet. Das Substrat 10 wird poliert, gesäubert und in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt, und anschließend wird ein silanhaltiges Gasgemisch über die Substratoberfläche 12 geleitet, wie in Beispiel I beschrieben« Ein SiIiciumfilm I4 mit zweckmäßigerweise einer Dicke von ungefähr 0,01 bis 0,1 um ist auf die Oberfläche 12 des Substrats 10 aufzubringen. Als nächstes wird über das Substrat 10 ein Gemisch aus Silan und German und einem Inertgas geleitet, wobei die Temperatur des Substrats auf ungefähr 11.50 C. gehalten wird. Durch Verändern der Konzentration des Germans und Silans im Gemisch und durch Verändern der Temperatur des Substrats kann man auf den Siliciumfilm eine Schicht 16 aufbringen, die aus einer einkristallinen SiIicium-Germaniumlegierung besteht. Der Anteil des Germaniums in der Schicht kann auf diese Weise zwischen ungefähr 25 und 65 Atomprozent verändert werden. Der hergestellte Verbundkörper kann zur Herstellung von Anordnungen von Halbleiterbauelementen nach üblichen Verfahren verwendet werden.
Beispiel VI
Wenn halbleitende ATTTBV~Verbindungen wie die Phosphide, Arsenide und Antimonide des Bors, Aluminiums, Galliums und Indiums auf kristalline Isoliersubstrate wie Saphir und Spinell aufgebracht werden, ist die sich ergebende Ladungsträgerbeweglich-
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ORIGINAL SNSPECTED
keit der aufgebrachten Schicht niedriger als es für die Herstellung von Halbleiterbauelementen erwünscht ist. Schichten aus diesen AT1-.j.Bv-Halbleiterverbindungen mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit kpnnen auf kristalline Isoliersubstrate aufgebracht werden, indem man zuerst auf eine Oberfläche des Substrats einen Film aus kristallinem Silicium und anschließend auf den Siliciumfilm eine kristalline Schicht der gewünschten A_TTBV-Halbleiterverbindung aufbringt.
Im vorliegenden Fall besteht das Isoliersubstrat 10 aus einkristallinem Aluminiumoxyd. Die eine Oberfläche 12 des Substrats 10 wird poliert und gesäubert. Dann wird das Substrat 10 in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt. Ein monokristalliner Siliciumfilm " wird auf die Oberfläche 12 entweder durch Zersetzen von Silan oder durch Reduzieren eines Siliciumhalogenide mit Wasserstoff aufgebracht. Zweckmäßigerweise hat der Siliciumfilm 14 eine Dicke von ungefähr 0,01 bis 0,1 um. Als nächstes wird auf den Siliciumfilm 14 eine kristalline Schicht 16 aus einer ATTTB -Halbleiterverbindung nach irgendeinem geeigneten Verfahren aufgebracht. Im vorliegenden Fall besteht die Schicht 16 aus Galliumarsenid. Statt einer einzigen ATTTBv~Halbleiterverbindung kann man auch ein Gemisch aus derartigen Verbindungen, beispielsweise ein Gemisch aus Galliumarsenid und Galliumphosphid auf den Siliciumfilm als Halbleiterschicht für die Herstellung von Halbleiterbauelementen aufbringen, i
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ORIGINAL INSPECTED

Claims (13)

  1. Patentansprüche
    (1.j Verfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers mit einer kristallinen Halbleiterschicht auf einem Isoliersubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst ein kristalliner Siliciumfilm (14) auf das "Isoliersubstrat (10) und dann eine kristalline Halbleiterschicht (16) auf den Siliciumfilm aufgebracht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η nzeichnet, daß als Halbleiter Germanium, Germanium-Sili— ciumlegierungen oder ATTTB -Halbleiterverbindungen verwendet werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t , daß sowohl der Siliciumfilm als auch die Halbleiterschicht aus der Dampfphase aufgebracht werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η-zeichnet, daß der Siliciumfilm eine Dicke von ungefähr 0,01 bis 0,1 rtm hat,
  5. 5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η— zeichnet, daß zuerst ein einkristalliner Siliciumfilm durch Erhitzen des Substrats in einer Silan enthaltenden Gasatmosphäre auf das Substrat und dann eine einkristalline Germaniumschicht durch Erhitzen des Substrats in einer German enthaltenden Gasatmosphäre auf den Siliciumfilm aufgebracht wird,
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Isoliersubstrat aus Saphir oder einkristallinem Spinell besteht.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch' 5» dadurch gekenn-
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    ORIGIMÄL INSPECTED
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    zeichnet, daß der einkristalline Siliciumfilm eine Dicke von ungefähr 0,01 bis O3I Mikron hat.
  8. 8. Verbundkörper, gekennzeichnet d u r ch ein einkristallines Isoliersubstrat (10), an welches eine Schicht aus kristallinem Halbleitermaterial (16) über einen Zwischenfilm aus kristallinem Silicium (14) angebunden ist, wobei das Halbleitermaterial aus Germanium* Germanium-Siliciumlegierungen oder ATTTBV-Halbleiterverbindungen besteht.
  9. 9. Verbundkörper nach Anspruch 8, dadurch g e kenn ζ e i chnet , daß der Siliciumfilm eine Dicke von ungefähr 0,01 bis 0,1 ,um hat. f
  10. 10. Verbundkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine,epitaktische Schicht aus einkristallinem Germanium auf einer Schicht aus einkristallinem Silicium angebracht ist, die auf einem einkristallinen, elektrisch isolierenden Substrat angebracht ist.
  11. 11. Verbundkörper nach Anspruch 10, „dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einkristallinem Aluminium oder den einkristallinen Spinellen MgAl„0,, ZnAl2O., MnAl2O4, MnCrO , MgCr3O4, FeCr2O4, Fe3O , MnCr2O4 oder MgFe2O besteht.
  12. 12. Verbundkörper nach Anspruch 10, da du r c h g e kenn ze i chnet , daß das. Substrat aus MgO: nAl O0,,, wobei η ungefähr 0,64 bis 6,7 ist, besteht.
  13. 13. Verbundkörper nach Anspruch S, dadurch g e jk.; e;-n η ζ e i c h η e t , daß eine epitaktische Schicht aus einkristalliner Germanitua-rSilieiuiBlegierung auf einer Schicht aus einkristallinem Silicium angebracht ist, die auf einem einkristallinen, elektrisch isolierenden Substrat angebracht ist.
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    ORIGINAL INSPECTED
    , ■■■*■··
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