DE2162897A1 - Nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteter Spinell und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteter Spinell und Verfahren zu seiner Herstellung

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Glenn Wherry Princeton; Bolin Stephen Ray Highstown; N.J.; Morrison Andrew David Winchester Mass.; Wang Chih Chun Highstown N.J.; Cullen (V.St.A.)
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Description

72Q8-7l/Kö/S
RCA Docket No. 63,702
Convention Date:
March 19, 1971 .
RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.
Nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteter Spinell und Verfahren
zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteten Spinell aus einkristallinem MgO'XAl^O« sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Spinells.
Zur Herstellung von einkristallinem Magnesium-Aluminat-Spinell sind eine Reihe von Kristallziehverfahren bekannt. Dazu gehören das Flammenschmelzverfahren (flame fusion method), das Flußoder Flußmittelverfahren (flux method) und das Czochralski-Verfahren. Wegen der dabei stattfindenden chemischen Umsetzungen
sind alle nach dem Flußmittelverfaliren gezüchteten Kristalle
stöchiometrisch. Bisher waren auch die nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteten Kristalle stöchiometrisch oder nahezu stöchiometrisch. Dagegen ist beim nach dem Flammenschmelzverfahren hergestellten Spinell, der sich als für die Verwendung als Substrat für epitaxiale Siliciumschichten bei integrierten Schaltungen am besten geeignet erwiesen hat, das Molverhältnis Al2O- : MgO im
aluminiumoxydreichen Bereich zwischen 1,5 und 2,5· Im Molverhältnisbereich von 3,3 unddarüber entbehrt der nach dem Flammenschmelzverfahren hergestellte Spinell die für die Verarbeitung
zu integrierten Schaltungen erforderliche thermische Stabilität, und im Bereich von 1,5 bis 1,0 wird es in dem Maße zunehmend
schwierig, den einkristallinen Spinell nach dem Flammen-
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schmelzverfahren zu züchten, wie der stöchiometrische Punkt erreicht wird.
Untersuchungen der nach den genannten Verfahren gezüchteten Spinellkristalle haben zu dem Schlußige führt, daß diese Kristalle deutlich verschiedene physikalische und elektrische Eigenschaften haben. Die speziellen Eigenschaften der thermischen Stabilität, des chemischen Reaktionsvermögens der Oberfläche, der kristallinen Vollkommenheit und der Löcherbeweglichkeit müssen bei der Anwendung des Spinells in verschiedenen elektronischen Systemen berücksichtigt werden. Die offensichtlichsten Eigenschaftsunterschiede lassen sich auf die Zusammensetzung zurückführen, und die Zusammen Setzung, wie oben erwähnt, hängt in hohem Maße vom angewendeten Kristallzüchtverfahren ab. Es wurde jedoch auch festgestellt, daß ' sogar Kristalle mit nominell der gleichen Zusammensetzung, die nach verschiedenen Verfahren gezüchtet worden sind, deutlich verschiedene Eigenschaften haben. Beispielsweise wurden große Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften bei epitaxialem Silicium auf nach dem Flußmittelverfahren gezüchteten Kristallen einerseits und nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteten Kristallen andererseits gemessen, deren Zusammensetzung innerhalb der Genauigkeitsgrenzen der angewendeten Analysiermethoden identisch ist.
Eine gängige Methode, um festzustellen,, ob die verschiedenen Spinellkristalle für die Verwendung als Substrat geeignet sind, besteht in derMessung der Fehlerdichte. Die Spinelle wurden dabei k in der Reihenfolge abnehmender Fehlerdichte klassifiziert, die zufällig auch die Reihenfolge des zunehmenden Verunreinigungsgehaltes ist, wobei diese Klassifizierung die folgende Rangfolge für die nach den drei Verfahren gezüchteten Kristalle ergibt: Flammenschmelzverfahren, Czochralski-Verfahren, Flußmittelverfahren.
Mit fortschreitender Entwicklung auf diesem Gebiet entstand ein wachsendes Interesse an dem nach dem Flammenschmelζverfahren hergestellten niedrig-aluminiumoxydreichen Spinell für die Verwendung als Substrat für epitaxial aufgewachsenes Silicium. Dies ergab sich daraus, daß das auf nach dem Flammenschmelζverfahren hergestelltem Substrat aufgewachsene Silicium wünschenswerte elektrische Eigenschaften hat. Dies führte ebenfalls zu frühzeiti-
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gen, jedoch erfolglosen Versuchen, große nichtstöchiometrische Kristalle nach dem Czochralski-Verfahren zu züchten. Dabei stellte sich heraus, daß sich nach diesem Verfahren nur mehrphasige Kistalle herstellen lassen.
Grabmaier und Watson haben in ihrer Arbeit "Czochralski Grown Crystals of Aluminum-Magnesium Spinel" im. "Journal of the American Ceramic Society", Band 1, Seite 355 (1968), einen frühen Versuch, nach dem Czochralski-Verfahren Spinelle aus nichtstöchiometrischen Schmelzen (in diesem Fall mit einem Molverhältnis von MgO : Al-O« von 1 : 3,2) herzustellen, beschrieben. Jedoch haben Röntgenstrahluntersuchungen von zwei aus einer solchen Schmelze gezüchteten Kristallen gezeigt, daß beide zwei Gitterkonstantenwerte haben und als solche nicht so gut geeignet für das epitaxia Ie Aufwachsen von Silicium sind wie die nach dem Flammenschmelzverfahren hergestellten niedrig-aluminiumoxydreichen Spinelle. Ferner haben in den Arbeiten "A Vertical Pulling of MgAl„0. Single Crystals" in "Journal of Materials Science", Band 2, Seite 498 (I967), und "The Morphology and Defect Characteristics of Vertical Pulled MgAl-O. Single Crystals" in "Journal of Materials Science", Band 4, Seite 236 (I969), Cockayne et al weitere Versuche in der gleichen Richtung beschrieben. Bei diesen Versuchen wurden aluminiumoxydreiche Schmelzen mit einem Molverhältnis von 1,02 verwendet, und es wurde festgestellt, daß bei Ziehgeschwindigkeiten von annähernd 20 mm/Stunde Porenstrukturen auftraten.
Die Auswertung von nach dem Czochralski-Verf ahren aus stöchio_ metrischen Schmelzen gezüchtetem einkristallinen Spinell ergab, daß beim epitaxialen Aufwachsen von Silicium nach Verfahren, die für das Aufwachsen auf nach dem Flammenschmelzverfahren gezüchtetem Spinell angewendet werden, chemische Oberflächenreaktionen stattfanden und die Reaktionsteilnehmer in die Siliciumschicht eingebaut wurden. Die selben Autoren fanden ferner, daß Silicium, das im gleichen Aufwachsvorgang auf nach dem Flammenschmelzverfahren gezüchteten niedrig-aluminiumoxydreichen Spinell aufgebracht wurde, die unerwünschten Produkte der chemischen Oberflächenreaktion nicht enthielt.
2O98AO/Q960^ ■ :■
Der aluminiumoxydreiche einkristalline Spinell wurde auf seine Eignung für das epitax.iale Aufwachsen von Silicium untersucht, und die Resultate wurden in der Arbeit von Cullen et al "Epitaxial Growth and Properties of Silicon on Alumina-Rich Single-Crystal Spinel" im "Journal of the Electrochemical Society", Oktober I969, Band Ho, Seiten 1444-1449, berichtet. Andere ähnliche Untersuchungen von Silicium auf Spinell wurden von C.Zaminer in der Arbeit "Zur Entstehung von Kristallbaufehlern in Silizium-Schichten bei epitaxialer Abscheidung auf Mg-Al-Spinell" in der 'Zeitschrift für Angewandte Physik", Band 24, Seite"223 (I968), berichtet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nach dem Czochralski-Verfahren (aus der Schmelze) gezüchteten Spinell zu schaffen, der sich insbesondere zur Verwendung als Substrat für epitaxiale Siliciumschichten eignet. Ferner soll ein Verfahren für die Herstellung eines solchen Spinells aus nichtstöchiometrischen, aluminiumoxydreichen Schmelzen angegeben werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Spinell der eingangs genann ten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis X von Al0O0 zu MgO im nahezu stöchiometrischen Bereich von größer als 1,0 bis ungefähr 1,05 liegt und daß im Kristall eine solche Korngrenzenbeziehung herrscht, daß die schmalwinkligen ■ Neigungen und Verdrehungen an den Korngrenzen jeweils kleiner als
^ 0,5 sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,daß eine nichtstöchiometrische Schmelze aus hochreinem Aluminiumoxyd und hochreinem Magnesiumoxyd mit einem Molverhältnis von Al0O. zu MgO von 1,05:1 bis ungefähr 1,3:1 zubereitet wird; daß das Aluminiumoxyd und das Magnesiumoxyd bei ungefähr 2100 C. geschmol zen werden; daß ein an einer Ziehstange befestigter orientierter Kristallkeim mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 20 mm/Stunde bei Drehung der Ziehstange mit 10 bis 40 U.p.M. aus der Schmelze gezogen wird; daß bei Erreichen der gewünschten Kristallgröße die Ziehgeschwindigkeit erhöht und mit der erhöhten Ziehgeschwindigkeit so lange weitergezogen wird, bis der Kristall sich von der Schmelze
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ablöst.
Der erfindungsgemäße Spinellkristall hat nur eine einzige Gitterkonstante. Er ist in seinen Eigenschaften, besonders hinsichtlich seiner chemischen Stabilität, den bekannten Spinellen bei der Verwendung als Substrat für epitaxiale Siliciumschichten überlegen. Erfindungsgemäß können Kristalle nach dem Gzochralski-Verfahren aus nichtstöchiometrischen Schmelzen hergestellt werden.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Querschnitt ein Magnesium-Aluminat-Spinellscheibchen mit einer darauf abgeschiedenen epitaxialen Siliciumschicht.
Beispiel
Unter Verwendung einer herkömmlichen, mit hoher Temperatur arbeitenden Czochralski-Kristallzüchtapparatur werden Magnesium-Aluminat-Spinellkristalle aus Schmelzen von Magnesium- und Aluminiumoxyd im gewünschten Mengenverhältnis gezogen, sodann die Kristallgüte geprüft und schließlich epitaxiales Silicium auf einen geeigneten Abschnitt des Kristalls aufgebracht. Die Kristall, zuchtapparatur kann ähnlich sein wie die Apparatur, die in W.A. Tiller "Principles of Solidification" in "Art and Science of Growing Crystals", herausgegeben von J.J. Gilman (J. Wiley and Sons Inc., New York, 1963),beschrieben ist. Typischerweise wird ein zylindrischer Iridium-Schmelztiegel, und zwar in diesem Fall mit einer Höhe von 5,7 cm und einem Durchmesser von 4,5 cm verwendet. Ferner wird, um ein Aufspringen oder Rissigwerden des Kristalls während und unmittelbar nach dem Wachsen zu verhindern, über der Schmelze eine Reihe von Keramikmuffeln angebracht, wodurch die Temperatur über die gesamte Länge des wachsenden Kristalls auf über I6OO C. gehalten wird. Zum Aufnehmen und Festhalten der gewünschten Atmosphäre und zur Erhöhung der thermischen Stabilität des Systems dient eine Hartglasglocke.
Der Schmelztiegel wird sodann mit hochdichtem,körnigem Magnesium- und Aluminiumoxyd in Form Verneuil-Saphirbruch oder -abfall beladen, wobei diese Materialien beide einen Gesamtverunreinigungsgehalt von weniger als 15Ο Teilen je Million, angezeigt
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durch emissionsspektrographische Analyse, haben. Vorzugsweise hat, die Schmelztiegelbeschickung ein Gesamtgewicht von l60 g mit einem Mol verhältnis von Al9O- zu MgO von 1,0"5ϊ1» und beim Schmelzen füllt die Beschickung den Schmelztiegel bis innerhalb 9 mm von der Ausflußmündung.
Ein Spinell-Kristallkeim mit der Orientierung (ill), (lOO) usw., der aus zuvor gezüchteten Körnern (boules) hergestellt ist (anfängliche Körner wurden spontan zur Kristallkernbildung aus einem 1,58-mm-Iridiumstab gebracht), wird mit ungeglühtem 0,25-mm-Iridiumdraht an einem elektrisch isolierenden Saphirfortsatz ■ der Ziehstange verbunden. Bei Erhalt der vollständigen Schmelze
^ bei ungefähr 2105 C. wird die Temperatur solange eingestellt, bis ; sich eine helle Kuppe um den Kristallkeim bildet. Sodann beginnt man mit dem Ziehen mit einer empirisch ermittelten optimalen Ziehgeschwindigkeit von 5 mm/Stunde und einer Drehgeschwindigkeit von; 10 bis 15 TJ.p.M. Um beste Resultate zu erzielen, wurde das obige Verfahren in einer die Verdampfung von Magnesiumoxyd unterdrückenden Atmosphäre aus mit 0,2 % Sauerstoff vorvermischtem Stickstoff durchgeführt. Dieses Gasgemisch, das, wie sich herausgestellt hat, auch die rauhen Kristallflächen, die sich aufgrund des Sauerstoffmangels ergeben, beseitigt, dient zur Reinigung des Systems vor dem Wachsen des Kristalls und wird während des Kristallwachsens mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 2 55 l/Stunde zugegeben. Bei Erreichen der gewünschten Länge wird die Ziehgeschwindigkeit
P auf ungefähr 18 cm/Stunde erhöht, und der Kristall löst sich in 5 bis 10 Minuten von der Schmelze ab.
Nach dem Ablösen des Einkristallspinells vom restlichen Teil der Schmelze erfolgt die Substratzubereitung. Diese Zubereitung oder Herrichtung ist von kritischer Bedeutung, da die Oberflächenvollkommenheit und die Wachstumsgeschwindigkeit der epitaxialen Schicht sehr weitgehend von der Substratorientierung und der Oberflächenvollkommenheit der Hauptflächenebene abhängen. Ein anderer Gesichtspunkt der sorgfältigen Oberflächenzubereitung besteht darin, daß die Siliciumspinell-Zusammensetzungen, die sich auf Oberflächen bilden, die genau geschnitten, mechanisch geläppt und poliert sowie unter kontrollierten Bedingungen wasserstoffgeglüht
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worden sind, reproduzierbare Eigenschaften haben.
Zum genauen Schneiden ist es daher notwendig, die genaue Orientierung der Spinellkristalle zu ermitteln. Die Kristallorientierung wird hier an Hand der Indizes der Gitterrichtungen, auch Miller-Indizes genannt, erörtert. Diese Indizes sind Vektorkomponenten der Gitterrichtung, aufgelöst längs jeder der Koordinatenachsen und reduziert auf die kleinsten ganzen Zahlen. Da beim Spinellmaterial ein kubisches Gitter auftritt, werden die kristal-Iographischen Bestimmungen stark vereinfacht. Dies geschieht mit Hilfe der Laueschen Röntgenstrahl-Rückreflexionsmethode, wie sie von CG. Dunn und W.W. Martin in "Transactions of the AIME" l85, 417 (I945) beschrieben ist. Nach dieser Methode wird ein zu untersuchender Spinellkristall zunächst auf einem Goniometer angebracht und dann mit einem kollimierten Strahlenbündel aus ungefilterten Röntgenstrahlen bestrahlt. Dieses' Strahlenbündel wird in einemLaue-Fleckmuster, bei dem jeder Fleck oder Punkt durch eine bestimmte Ebene hervorgerufen wird, rückgebeugt. Ein weiterer Vorteil des kubischen Gitters des Spinells besteht darin, daß, sobald einmal irgendeine Hauptebene gefunden ist, die anderen Ebenen ohne weiteres durch kubische Normalprojektionen lokalisiert werden können. Nach der anfänglichen Laue-Untersuchung wird der Kristall in grob orientierter Lage auf Lava- und Stahlblöcken montiert. Durch Aufnehmen endgültiger Laue-Muster des montierten Kristalls ergibt sich die genaue Beziehung des Kristalls zum Stahlblock für das Festlegen der Schneidrichtung. Laue-Muster, die für die Orientierung von aus stöchiometrischen Schmelzen gezüchtetem einkristallinen Spinell verwendet werden, sind ebenso gut auch auf aus aluminiumoxydreichen Schmelzen gezüchteten einkristallinen Spinell anwendbar. Sodann werden Spinellscheibchen mit einer Dicke von ungefähr 0,51 mm (20 Mil) zubereitet, indem man den röntgenstrahlorien-
tierten Kristall mit einer normalen Diamantscheibe schneidet. Im vorliegenden Fall werden Scheibchen mit einem (111)-orientierten Laue-Muster geschnitten, wobei eine Genauigkeit von besser als l/2° während des gesamten Schneidvorgangs eingehalten wird;
Die Spinell-Substratscheibchen werden dann mechanisch geläppt und poliert, so daß eine ebene, glatte Oberfläche, wie sie für die
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Silicium-Epitaxie erforderlich ist, entsteht. Nach dem Polieren haben die Scheibchen eine Ebenheit von +0,4 Mikron pro cm, wie interferometrische Untersuchungen zeigen.
Nach dem mechanischen Polieren weisen die Substratoberflächen im allgemeinen Kratzer, Aufwürfe, absorbierte Schichten und Verunreinigungsansammlungen auf. Solche Oberflächenschäden müssen häufig behpben werden, so daß Fehler in der epitaxialen (epitaktischen) Schicht vermieden werden. Man kann daher gegebenenfalls eine Hochtemperaturätzung (llOO bis 1400° C.) in Wasserstoff vornehmen, um die Oberflächenkristallinität zu verbessern. Wie auf empirischem Wege gefunden wurde, sollte die gewünschte Wasserstoffglühung bei einkristallinem Spinell, der aus niedrig aluminiumoxydreichen Schmelzen gezüchtet ist, 20 Minuten lang bei 1200 C. erfolgen. Nach dieser Glühung zeigen Elektronenbeugungsmuster scharfe Kikuchi-Linien, was eine hohe kristalline Vollkommenheit der Oberflächen anzeigt.
Wenn die Wasserstoffglühung nicht ausreicht, um sämtliche Oberflächenschäden, die durch das mechanische Riieren hervorgerufen worden sind, zu entfernen, so nimmt man noch eine chemische Glättung der Oberfläche mit Hilfe verschiedener Ätzmittel vor. Geeignete Ätzmittel sind H0SO., H.PO., KOH, B_0_, V_0_, Na0B.0_ und
Z 4 ο 4 Z J ^b Z 4 /
Bei der Herstellung von nach dem verbesserten Czochralski-Verfahren gezüchtetem Spinell aus nichtstöchiometrischen Schmelzen ergibt sich als bedeutsames Merkmal, daß das Material, zum Unterschied von nach dem Flammenschmelzverfahren gezüchtetem Spinell, im wesentlichen frei von Korngrenzen ist. Das Ausmaß des Fehlens von Korngrenzen wird nach verschiedenen Methoden der Röntgenstrahl beugungstopographie gemessen, darunter die Schulζ-Methode, die von L.G. Schulz in "Method of Using a Fine-Focus X-Ray Tube for Examining the Surface of Single Crystals" in "J.Metals", Band 6, Seite 1082 (I954), beschrieben wurde.
Mit Hilfe der Schulζ-Methode unter Verwendung eines ungefilterten Röntgenstrahlbündels von einer Punktquelle wurde ermittelt, daß, beim nach dem Czochralski-Verfahren aus nichtstöchiometr.i sehen
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Schmelzen gezüchteten Spinell typischerweise die schmalwinkligen Korngrenzen in der Größenordnung von weniger als 0,5 für sowohl Neigungswinkel als auch Verdrehungswinkel, und zwar im allgemeinen in der Größenordnung von 0,2 , betragen. Mit Hilfe des genannten Verfahrens sind noch Drehungen von einigen wenigen Sekunden eines Bogens erfaßbar. Im Gegensatz zu den Messungen, die mit nach dem Czochralski-Verfahren aus nichtstöchiometrischen Schmelzen gezüchtetem Spinell vorgenommen wurden, ergaben die gleichen Schmalwinkel-Korngrenzenmessungen bei nach dem Flammenschmelzverfahren gezüchtetem Spinell typische Neigungs- und Verdrehungswinkel von ungefähr 1,0 . Außerdem ergibt, da bei nach dem Flammenschmelzverfahren gezüchtetem Spinell Neigungs- und Verdrehungswinkel,die kleiner sind als 0,5 , nicht erhältlich sind, diese physikalische Messung eine Trennungslinie zwischen den beiden Materialien,
Ähnlich wie der Unterschied zwischen nach dem Czpchralski-Verfahren gezüchtetem Spinell und nach dem Flammenschmelzverfahren gezüchtetem Spinell ist der Unterschied zwischen nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtetem Spinell und nach dem Verbindungs flußverfahren gezüchtetem Spinell. Der letztgenannte Unterschied kommt erstens durch die Stöchiometrie des Kristalls und zweitens durch den Verunreinigungsanteil im Kristall zustande. Wegen der Thermodynamik der Flußreaktion ist der nach dem Flußverfahren gezüchtete Magnesium-Aluminat-Spinell genau stöchiometrisch. So besteht bei dem nach dem Flußverfahren gezüchteten Material keine Möglichkeit, den unmodifizierten Kristall auszunützen, um aus der vorteilhaften Wirkung der Aluminiumoxydreichhaltigkeit bei Verwendung als elektronisches Substrat Nutzen zu ziehen. Die zweite Schwierigkeit, die sich bei nach dem Fluß- oder Flußmittelverfahren gezüchtetem Spinell ergibt, ist die Anwesenheit der Flußmittelverunreinigung. Derartige Verunreinigungen sind im allgemeinen im gesamten Kristall in einem solchen Ausmaß vorhanden, daß dadurch das Aufbringen elektronischer Materialien besonders in Form von epxtaxialem Silicium, erheblich gestört wird. Durch die Anwesenheit dieser Verunreinigungen und die Unmöglichkeit, den nach dem Flußmittelverfahren gezüchteten Spinell in nichtstöchiometrischer Form zu gewinnen, unterscheidet sich dieses Material scharf von demjenigen, das in Form von nach dem vorliegenden Verfahren aus
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/ο
nichtstöchiometrischen Schmelzen gezüchtetem Spinell erhalten wird.
Auf der speziell zubereiteten Oberfläche des einkristallinen Spinells 1 (dargestellt in der Figur) wird eine dünne Siliciumschicht 2 mit verbesserten Eigenschaften epitaxial aufgewachsen. Dieses epitaxiale Aufwachsen erfolgt nach dem Verfahren, das in der oben genannten Arbeit von G.W. Cullen et al beschrieben ist. Nach diesem Verfahren wird die Siliciumschicht 2 auf die Oberfläche des Spinell-Einkristalls durch Pyrolyse von Silan (SiH.) in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1100 C. epitaxial aufgewachsen, Das Substrat wird durch Direktberührung mit einem induktiv beheizten Suszeptor, der in einer wassergekühlten Quarzampulle angeord-" net ist, erhitzt. Die Gaszumeß- und Gasmischapparatur ist heliumdicht. Die Gase werden vor dem Einleiten in die Aufwachskammer vermischt. Das Dqtiergas wird zweimal im System verdünnt, so daß die Strömungsmesser mit so großen Gasströmen arbeiten können, daß sich eine gute Genauigkeit ergibt. Im Gasregelsystem wurden Maßnahmen getroffen, um die Ströme und Zumeßventileinstellungen zu stabilisieren, bevor die Reaktionsteilnehmer dem Substrat ausgesetzt werden. Die Aufwachskammer wird mit H„ gespült, während die gewünschten Ströme im Regelsystem eingestellt werden. Während der Stabilisierung wird das SiH.-B2H,--H „-Gemisch durch ein Dreiwegventil unmittelbar vor der Aufwachskammer abgelassen. Dieses Ge- . misch wird dann plötzlich in die Aufwachskammer geschaltet. Man beif. dient sich dieser Methode, da die Ge samt aufwachs ze it häufig nur 20 Sekunden beträgt und somit die für die Einstellung und Stabilisierung des Systems erforderliche Zeit einen erheblichen Teil der Aufwachszeit ausmachen kann.
Da die Aufwachsgeschwindigkeit einer der kritischsten Faktoren ist, wird die Dicke der aufwachsenden Schicht laufend mit einem IR-Detektor (Infrarotdetektor) überwacht. Das heiße Substrat wirkt dabei als IR-Quelle, und die Interferenz der IR-Intensität wird als Maß für die Dickezunahme der Siliciumschicht beobachtet. Unerwartete Änderungen der Aufwachsbedingungen können sofort mit dem IR-Detektor beobachtet und wahrgenommen werden.
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Nach dem Aufwaclsen des epitaxialen Siliciums wird die Löcherbeweglichkeit der Schicht gemessen. Diese Messung erfolgt durch Feststellen des Absolutwertes des Faktors
E qt
EB m
χ ζ
Der Absolutwert dieses Faktors
gemessen durch
E /E B J ist die sogenannte Hall-Beweglichkeit. Dabei sind q die sich bewegende Ladung, χ die Relaxationszeit, m*· die effektive Masse, E das in der x-Richtung angelegte elektrische Feld, E
χ · y
das resultierende elektrische Feld in der y-Richtung und B das in der z-Richtung angelegte magnetische Feld. Um die Daten für die Löcherbeweglichkeit zufriedenstellend interpretieren zu können, muß man die Art und Dicke der epitaxialen Siliciumschicht und die Ladungsträgerkonzentration kennen. Für Messungen der Löcherbeweglichkeit bei Scheibchen aus nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtetem, aluminiumoscydreichem Spinell ist die epitaxiale Siliciumschicht im allgemeinen 1SS Mikron dick und p-leitend mit einer
1 ζ —3 Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 9? 6 % 10 cm . Jedoch wurden epitaxiale p-Siliciumschichten mit einer Dicke von 0<,5 bis 2,0 Mikron und einer Ladungsträgerkonzentration von ungefähr
1 ζ — "\ 17 — ^
10 cm bis ungefähr 10 cm mit Erfolg verwendet. Außerdem wurde für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung eine "gewünschte vorbestimmte Löcherbeweglichkeit" gewählt. Aufgrund der unten und an anderen Stellen angegebenen Testresultate wurde gefunden, daß
Löcherbeweglichkeiten von 1,5 Mikron dicken Schichten auf (illίο
Spinell im Bereich von 100 bis 2 50 cm /V-sec wünschenswert sind.
In diesem Bereich lassen sich die meisten normalen Bauelemente, die üblicherweise auf isolierenden Substraten untergebracht werden, ohne weiteres herstellen. *
Die Schichten werden dann eine Stunde lang in trockenem -; Sauerstoff oxydiert, und sodann wird die Löcherbeweglichkeitsmessung wiederholt. Die Beweglichkeiten in Abhängigkeit von der, L=Ja-dungsträgerkonzentration und der Oxydation für Schichten, die „... mit Geschwindigkeiten zwischen 0,4 und ζ,Ο Mikron pro Minute auf-
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gebracht wurden, werden ebenfalls gemessen. Die bei der Aufwachsung resultierenden (as-deposited) Beweglichkeiten der 1,5 Mikron dicken Schichten sind ähnlich wie die Grund- oder Massenbeweglich keiten (bulk mobilities).
Die bei der Aufwachsung resultierenden (as-deposited) elektrischen Eigenschaften der epitaxial auf einkristallinem Spinell aus aluminiumoxydreichen Schmelzen aufgewachsenen Siliciumschichten, wie zuvor erwähnt, weisen einen hohen Grad von Gleichartigkeit auf, was anzeigt, daß die Substratkristallgüte von Korn (boule) zu Korn einheitlich ist und daß der "Selbstdotierungseffekt" bei dieser speziellen Art von Kristall vernachlässigbar ist.
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Claims (12)

Pat ent ansprüche
1. Nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteter Spinell aus einkristallinem Mg0»XAlo0o- d a du r c h ge k e η η ζ e i ch ne t , daß das Molverhältnis X von Al-O_ zu MgO im nahezu stöchiometrischen Bereich von größer als 1,0 bis ungefähr 1,05 liegt und daß im Kristall eine solche Korngrenzenbeziehung herrscht, daß die schmalwinkligen Neigungen und Verdrehungen an den Korngrenzen jeweils kleiner als 0,5° sind.
2. Spinell nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e η η zeichnet, daß er in einem solchen Maße aluminiumoxydreich ist, daß auf seiner Oberfläche eine Siliciumschicht mit gewünschter vorbestimmter Löcherbeweglichkeit epitaxial abscheidbar ist.
3. Spinell nach Anspruch 2 mit einer epitaxial abgeschiedenen Siliciumschicht auf seiner Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumschicht ungefähr 0,5 bis 2,0 Mikron dick ist und eine p-Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 1015 cm"3 bis 1017 cm"3 aufweist.
4. Spinell nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumschicht 1,5 Mikron dick ist
1 *> — 3 und eine p-Ladungsträgerkonzentration von 9>6 χ 10 cm aufweist.
5. Spinell nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine solche kristalline Vollkommenheit aufweist, daß die Versetzungsdichte weniger als 10 Linien/cm beträgt.
6. Spinellscheibchen mit einem Körper aus MgO · XAl2O,., dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis X von Aluminiumoxyd zu Magnesiumoxyd im nahezu stöchiometrischen Bereich von größer als 1,0 bis ungefähr 1,05 liegt, daß im Kristall eine solche Korngrenzenbeziehung herrscht, daß die schmalwinkligen Neigungen und Verdrehungen an den Korngrenzen" jeweils kleiner als
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0,5 sind und daß sich auf der Oberfläche des Körpers eine epitaxial abgeschiedene Sil-iciumschicht mit gleicher Gitterorientierung befindet. .
7. Spinellscheibchen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumschicht ungefähr 0,5 bis 2,0 Mikron dick ist und sich auf einer (lll)-Spinellober-
jr _ fläche mit einer p-Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 10 cm
bis 1017 cm"3 befindet.
8. Spinellscheibchen nach Anspruch 6, dadurch gekennz ei chnet, daß die Siliciumschicht 1,5 Mikron
^ dick ist und die p-Ladungsträgerkonzentration 9,6 χ 10 cm beträgt.
9. Verfahren zur Herstellung eines Spinells, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine nichtstöchiometrische Schmelze aus hochreinem Aluminiumoxyd und hochreinem Magnesiumoxyd mit einem Mol verhältnis von Al_0- zu MgO von 1,05 ! 1 bis ungefähr 1,3 : 1 zubereitet wird; daß das Aluminiumoxyd und das Magnesiumoxyd bei ungefähr 2100° C. geschmolzen werdenj daß ein an einer Ziehstange befestigter orientierter Kristall, keim mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 20 mm/Stunde bei Drehung der Ziehstange mit 10 bis 40 U.p.M. aus der Schmelze gezogen wirdj
k daß bei Erreichen der gewünschten Kristallgröße die Ziehgeschwindigkeit erhöht und mit der erhöhten Ziehgeschwindigkeit so lange weitergezogen wird, bis der Kristall sich von der Schmelze ablöst.
10. Verfahren zur Herstellung eines Spinellscheibchens nach Anspruch 6 mit einem Körper aus einkristallinem Magnesium-Aluminat-Spinell und einer Schicht aus epitaxial abgeschiedenem Silicium auf der Oberfläche des Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß eine nichtstöchiometrische Schmelze aus hochreinem Aluminiumoxyd und hochreinem Magnesxumoxyd mit; einem Molverhältnis von Al-O- zu MgO von 1,0 5 : 1 bis ungefähr 1,3 : 1 zubereitet wirdj daß das Aluminiumoxyd und das Magnesxumoxyd bei ungefähr 2100 C. geschmolzen werden; daß ein an einer Ziehstange
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befestigter orientierter Kristallkeim mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 20 mm/Stunde bei Drehung der Ziehstange mit 10 bis 15 U.p.M* aus der Schmelze gezogen wirdj daß bei Erreichen der gewünschten Kristallgröße die Ziehgeschwindigkeit erhöht und mit der erhöhten Ziehgeschwindigkeit so lange weitergezogen wird, bis der Kristall sich von der Schmelze ablöstj daß ein Plättchen des Kristalls mit einer vorbestimmten Kristallorientierung hergerichtet und zur Vorbereitung der Siliciumabscheidung auf seiner Oberfläche poliert wird; und daß eine Siliciumschicht mit einer Dicke von ungefähr 0,5 bis 2,0 Mikron auf der Oberfläche abgeschieden wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallorientierung (ill) oder (lOO) ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Silicium durch die Pyrolyse von Silan abgeschieden wird.
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