DE2153862C3

DE2153862C3 -

Info

Publication number: DE2153862C3
Application number: DE2153862A
Authority: DE
Inventors: Lawrence Dean Dyer; Vernon Ray Porter
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1970-11-02
Filing date: 1971-10-28
Publication date: 1980-10-23
Also published as: DE2153862B2; GB1368315A; DE2153862A1; US3796597A; CA957250A; JPS557017B1; FR2113447A5

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur epitaktischen Abscheidung einer einkristalfinen Siliciumschicht auf einem Spinell-Substrat, wobei über das erhitzte Substrat erst ein Wasserstoff-Strom und dann ein Strom aus Wasserstoff und Silan geleitet wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 34 14 434 bekannt, gemäß welcher das Substrat im Wasserstoffstrom auf 125O⁰C erhitzt wird, was zu einer unbefriedigenden Qualität der Substratoberfläche führt.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs bezeichneten Verfahren ein Spinell-Substrat mit hoher Oberflächenqualität zu jo erhalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wasserstoff-Strom bei einer Temperatur zwischen 1045 und 1145°C über das Substrat geleitet wird. Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Verfahren von Czochralski gewonnenes Material verwendet, dessen Zusammensetzung sehr nahe bei MgO · AI2O3 liegt und welches einen hohen Vollkommenheitsgrad besitzt, und die Zusammensetzung der Oberflächenschicht dieses Materials wird in Richtung auf eine Zusammensetzung verändert, welche im Hinblick auf die Abscheidung des Halbleitermaterials noch wünschenswerter ist. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahres liegt ferner darin, daß ein hoher Grad kristallographischer Vollkommenheit der isolierenden Oberfläche erreicht wird, während die Veränderung der Zusammensetzung dieser Oberfläche herbeigeführt wird. Insbesondere ist es auch ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß eine höhere Kristallqualität erreicht wird als mit dem Verneuil-Verfahren. μ

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird MgO von der Oberflächenschicht entfernt, bis die Schicht bezüglich der Abscheidung des Halbleitermaterials eine optimale Zusammensetzung erreicht hat und bis gleichzeitig amorphes Spinell-Material, welches beim ^r>5 Polieren zurückgeblieben ist, in genau orientierten Spinell hoher Vollkommenheit umgewandelt ist. Die Zeit und die Temperatur werden so geregelt, daß schädliche Fehler, wie zum Beispiel Korngrenzen, Zwillingskristalle und hohe Konzentrationen von w> Störstellen in dem Spinell nicht entstehen können. Es wird also darauf geachtet, daß die Oberflächenschicht des Spinells einen hohen Grad von Vollkommenheit besitzt, wenn die Siliciumschicht darauf epitaktisch abgeschieden wird. η

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Substratplättchen vor Beginn der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2 einen Querschnitt durch das Substrat plättchen gemäß F i g. 1 nach Durchführung der Wärmebehandlung,

F i g. 3 einen Querschnitt durch das Substratplättchen gemäß F i g. 2 nach Abscheidung der Halbleiterschicht auf demselben,

Fig.4 einen Querschnitt durch das mit der Halbleiterschicht versehene Substratplättchen nach Eindiffundieren von Halbleiteranordnungen und nach Isolieren dieser Halbleiteranordnungen voneinander.

In F i g. 1 ist in schematischer Darstellungsweise ein Spinell-Substrat 11 dargestellt Dieses Substrat ist ein (lll)-Plättchen eines künstlichen monokristallinen MgO ■ Al2O3-Kristalls, welcher unter Anwendung des Czochralski-Verfahrens erzeugt wurde. Es hat sich herausgestellt, daß mit diesem Verfahren Kristalle hergestellt werden können, die im wesentlichen vollkommen sind. Das Substratplättchen 11 kann aus dem Kristall in jeder geeigneten Weise, beispielsweise durch Sägen, hergestellt werden. Nach dem Abtrennen wird die Scheibe poliert, um sämtliche Spuren, die sich bei dem Abtrennen ergeben haben, zu entfernen. Das Substratplättchen 11 besitzt dann Oberflächen, deren Elektronenbeugungsdiagramm zeigt, daß sie im wesentlichen aus amorphem Material bestehen. Die Oberfläche, auf die das monokristalline Halbleitermaterial abgeschieden werden soll, muß folglich vor der Abscheidung zunächst eine geeignete Kristallstruktur erhalten.

Das Substrat 11 wird daher in einen geeigneten Reaktor eingebracht und in einer reduzierenden Wasserstoffatmosphäre einer Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 1045 und 1145° C unterzogen, um eine Rekristallisation der amorphen Oberflächenschicht herbeizuführen und um vorzugsweise aus der Oberflächenschicht 12 (Fig.2) MgO zu entfernen und monokristallines MgO · XAI2O3 zu erzeugen, wobei χ zwischen 1,05 und 1,1 liegt. Die Temperatur muß während der Wärmebehandlung kontrolliert werden, um sicherzustellen, daß die gesamte Oberfläche des Substrats 11 unter Erzielung der gewünschten Zusammensetzung umgewandelt wird, ohne daß störende Fehler, wie Sprünge, Zwillingskristalle und Störstellen, erzeugt werden. Es hat sich herausgestellt, daß derartige Fehler in einem unannehmbaren Umfang entstehen, wenn das Substrat auf Temperaturen über 1145°C erhitzt wird. Bei einer bevorzugten Temperatur von ungefähr 1116⁰C wurde festgestellt, daß eine totale Umwandlung der Oberfläche stattfindet, wenn das Substrat für eine Dauer von zwei Stunden erhitzt wird. Es hat sich ferner herausgestellt, daß die Wärmebehandlung selbst bei niedrigeren Temperaturen zu guten Ergebnissen führt; bei einer Temperatur von etwa 1040°C überschreitet die Zeit der Wärmebehandlung jedoch bereits vier Stunden, und bei einer Temperatur von 900° C wird die Dauer der Wärmebehandlung für praktische Zwecke zu groß.

In Fig.3 ist das Substrat 11 mit der Oberflächenschicht 12 mit einer monokristallinen Halbleiterschicht 13 aus Silicium bedeckt. Zur epitaktischen Abscheidung wird dann anstelle einer Wasserstoffatmosphäre eine Mischung aus 0,3% Siliciumwasserstoff und Wasserstoff mit einem Dotierungsmittel in Form von Phosphorwasserstoff einleitet. Die Halbleiterschicht 13 könnte aber auch ohne Zugabe von Dotierungsmaterialien erzeugt werden. Nach Erzeugung der Halbleiterschicht 13 kann,

wie dies in Fig.4 gezeigt ist, unter Anwendung bekannter und geeigneter Maskierungs- und Diffusionsverfahren in der epitaktischen Halbleiterschicht 13 eine Anzahl von Halbleiterdioden 15 erzeugt ν erden. Durch Einätzen von Öffnungen 14 in die epitaktische Halbleiterschicht kann ferner eine elektrische Isolation zwischen den Dioden erreicht werden.

Einzelheiten der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Ergebnisse können den nachfolgenden Beispielen entnommen werden:

Beispiel 1

Aus einem nach dem Verfahren von Czochralski hergestellten Spinel!-Kristall mit einem Durchmesser von etwa 3,5 cm wurde eine etwa 0,05 cm dicke Scheibe geschnitten und poliert Die Kristallorientierung der Scheibe war ungefähr (111), und ihre Zusammensetzung kg ziemlich dicht bei MgO · AI2O3. Ein mit Elektronen hoher Energie aufgenommenes Elektron enbeugungsdiagramm zeigte, daß die Oberflächenschichten infolge des Abtrennens und Polierens im wesentlichen amorph waren. Die Scheibe wurde zusammen mit einer Kontrollscheibe aus Silicium hohen Widerstandes auf einem mit Siliciumkarbid beschichteten Träger für zwei Stunden bei einer Temperatur von 1116°C in Wasserstoffatmosphäre erhitzt. Danach wurden auf beiden Proben 2 μ dicke Siliciumschichten epitaktisch niedergeschlagen, und zwar aus einer Mischung von 0,3% Siliciumwasserstoff in Wasserstoff und bei einer Abscheidungstemperatur von ungefähr 1080° C. Dem für die Abscheidung verwendeten Gasstrom wurde als Dotierungsmaterial Phosphorwasserstoff beigegeben, so daß die Siliciumschicht auf dem Silicium η-dotiert war und einen Widerstand von 0,15 Ohm/cm aufwies. Nach der Abscheidung wurde von dem Silicium auf dem Spinell erneut ein Elektronenbeugungsdiagramm und ein Röntgendiagramm angefertigt. Das Elektronenbeugungsdiagramm zeigte, daß hervorragende, einkristalline Siliciumfilme entstanden waren, die keine Zwillingskristalle enthielten, und es ergab sich ferner ein gutes Kikuchi-Diagramm. Der Widerstandswert quer zur Scheibe lag bei 0,40 + 0,05 Ohm/cm. Von dem Silicium auf dem Spinell kann gesagt werden, daß dieses einen

merit factor von 100 χ '.₍₎ = 37,5% besaß, wobei von

der Definition von Mercier in der Zeitschrift »Journal of the Electrochemical Societey«, 117, Nr. 5, Seite 666 (1970) ausgegangen wird. Die Oberflächenzusammensetzung lag in dem Bereich, in dem χ zwischen 1,05 und 1,1 lag.

Beispiel H

Eine andere MgO · Al2O3-Spinellscheibe wurde wie in Beispiel I behandelt, mit der Ausnahme, daß die Dauer der Wärmebehandlung nur eine halbe Stunde betrug. Die mit Hilfe eines Elektronenbeugungsdiagramms ermittelten Ergebnisse waren die gleichen, d. h. es wurde qualitativ hochwertiges Silicium festgestellt Andererseits zeigten jedoch nur die Ecken eine beachtliche Abtragung von MgO in Richtung auf die Erzeugung eines Materials, für das χ zwischen 1,05 und 1,1 lag. Der durchschnittliche Widerstandswert lag nunniehr bei 1,30 Ohm/cm bzw. es ergab sich ein merit factor von 11,7%. Obwohl also die Kristallqualität nach der eine halbe Stunde dauernden Wärmebehandlung akzeptabel war, war die Zusammensetzung nicht akzeptabel.

Beispiel III

Es wurde eine weitere Scheibe wie in Beispiel I behandelt, mit der Ausnahme, daß die Dauer der Behandlung bei 1116°C bei nur 10 Minuten lag. Dieses Ma: war der Widerstandswert über die gesamte Scheibe bei Abweichungen von ±15% einheitlich, aber die Größe lag bei 1,03 Ohm/cm, was einem merit factor von 16% entspricht. Es ergab sich also, daß 10 Minuten zu kurz sind, um mit der Wärmebehandlung die in Beispiel I erreichte kristallographische Vollkommenheit der Scheibe zu erzielen.

Beispiel IV

Es wurde eine weitere Scheibe gemäß Beispiel I behandelt, mit der Ausnahme, daß die Temperatur bei 1200°C lag und daß die Wärmebehandlung eine Stunde dauerte. Das abgeschiedene Silicium hatte einen merit factor von 28%, zeigte jedoch eine Reihe von Stufen, welche die Scheibe wegen der Fehlstellenhäufigkeit unbrauchbar erscheinen ließen. Die Fehlstellen waren eine Folge von Sprüngen in dem Silicium. Es ergab sich also, daß eine Temperatur von 1200⁰C für die Wärmebehandlung zu heiß ist, wenn die Oberflächenqualität auf einem annehmbaren Niveau gehalten werden soll.

Beispiel V

Es wurde eine weitere Scheibe wie in Beispiel I behandelt, mit der Ausnahme, daß die Temperatur bei 1145°C lag und die Dauer der Wärmebehandlung zwei Stunden betrug. Das abgeschiedene Silicium hatte einen merit factor von 37,6%, zeigte aber ebenfalls eine Reihe von Stufen, so daß auch diese Scheibe ganz allgemein wegen ihres Fehlstellengehaltes als unbrauchbar erschien. Es zeigte sich also, daß eine Temperatur von 1145⁰C zu hoch ist, um mit großer Zuverlässigkeit die gewünschte Oberflächenqualität zu erhalten.

Beispiel VI

Es wurde eine weitere Scheibe wie in Beispiel I behandelt, mit der Ausnahme, daß die Temperatur bei 1100°C lag und die Behandlungsdauer zwei Stunden betrug. Das abgeschiedene Silicium hatte einen merit factor von 38,1% und war frei von Stufen, wie sie sich bei den Beispielen IV und V zeigten. Eine zwei Stunden dauernde Wärmebehandlung bei 1100°C führt also zu brauchbaren Ergebnissen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur epitaktischen Abscheidung einer einkristallinen Siliciumschicht auf einem Spinell-Substrat, wobei über das erhitzte Substrat erst ein Wasserstoff-Strom und dann ein Strom aus Wasserstoff und Silan geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff-Strom bei einer Temperatur zwischen 1045 und 1145° C über das Substrat geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff-Strom zwei Stunden lang bei i 116° C über das Substrat geleitet wird.

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