DE2324127A1

DE2324127A1 - Verfahren zum niederschlagen elementaren halbleitermaterials

Info

Publication number: DE2324127A1
Application number: DE19732324127
Authority: DE
Inventors: Jan Bloem
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-05-20
Filing date: 1973-05-12
Publication date: 1973-12-06
Also published as: CA990626A; JPS4943572A; NL7206877A; FR2185445A1; JPS5225295B2; FR2185445B1; IT985922B; GB1406760A

Description

GÜNTHER M. DAVID

Anmelder: N.¥. P.i.L;^' üLÜcN Akfe: PHN- 6309

Anmeldung vorai 9· Mal 1973

PHN.6309 Klam/Va/AvdV

"Verfahren zum Niederschlagen elementaren Halbleitermaterials".

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Niederschlagen elementaren Halbleitermaterials, vorzugsweise zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem ein Gasstrom, der ein gasförmiges Hydrid des Halbleitermaterials und einen Halogenwasserstoff enthält, über ein erhitztes Substrat geführt wird, während das Hydrid thermisch zersetzt und praktisch die ganze dem Gasstrom ausgesetzte Oberfläche des Substrats mit Halbleitermaterial überzogen wird;

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weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine durch dieses Verfahren hergestellte Halbleiteranordnung.

Ein Verfahren der in der Einleitung genannten Art ist aus der niederländischen Offenlegungsschrift 69.17985 bekannt. Mit Hilfe eines derartigen Verfahrens, kann Halbleitermaterial in einer Schicht gleichmässiger Dicke auf einem Substrat niedergeschlagen werden. Weiter werden auf in Richtung des Gasstromes hintereinander angeordneten Substraten Halbleiterschichten praktisch gleicher Dicke niedergeschlagen. Ausserdem weisen auf einem einkristallinen Substrat niedergeschlagene Halbleiterschichten wenig Abweichungen, wie Stapelfehler, Versetzungen und Gruben, von der einkristallinen Struktur auf. Wenn daher in dieser Anmeldung von dem Ueberziehen praktisch der ganzen Oberfläche des Substrats die Rede ist, können im niedergeschlagenen Material, sei es in geringem Masse, die genannten Abweichungen noch auftreten.

Bei den obenbeschriebenen Verfahren wird z.B. als Halbleitermaterial Silicium aus einem Gasstrom niedergeschlagen, der 0,1 Vol.$ Monosilan (SiHr) enthält. Dabei wird Silicium gleichmässig mit einer Geschwindigkeit von 0,5 - 1 /um pro Minute niedergeschlagen. Die genannten Werte der Niederschlaggeschwindigkeit sind ziemlich üblich und werden in der Praxis angewendet.

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Zur Herstellung von z.B. Halbleiteranordnungen, für die eine z.B. 150 bis 200 /um dicke einkristalline Schicht verlangt wird, beansprucht das beschriebene Verfahren viel Zeit und wird oft das sogenannte Czochralski-Aufziehverfahren oder die "floating zone"-Technik verwendet, durch die Stäbe erhalten werden, aus denen Einkristalle der erforderlichen Dicke hergestellt werden. Bei den beiden letzteren Verfahren ergeben sich jedoch wieder Probleme in bezug auf den oft zu hohen Sauerstoffgehalt oder den oft zu kleinen Durchmesser und die genaue Dotierung des herzustellenden Einkristalls. Die beiden letzteren Kristallzüchtungsverfahren eignen sich daher weniger gut zur Herstellung von Hochleistungshalbleiteranordnungen, für die Scheiben mit einem möglichst grossen Durchmesser, einem niedrigen Sauerstoffgehalt und einem hohen spezifischen Widerstand, z.B. auf η-leitendem Material mit einem spezifischen Widerstand von 20 - 50 IL .cm, erforderlich sind.

Die Erfindung bezweckt u.a., die genannten Probleme wenigstens grösstenteils zu beseitigen, indem die Halbleiterschicht mit den gewünschten Eigenschaften aus der Gasphase gezüchtet und unter Beibehaltung der Bildung homogen dicker und fehlerfreier Niederschläge die Niederschlaggeschwindigkeit des Halbleitermaterials gesteigert wird.

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Untersuchungen haben nun ergeben, dass der als Halogenwasserstoff zugesetzte Chlorwasserstoff die Bildung von Silicium in der Gasphase in erheblichem Masse verhindert.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Vermeidung der Bildung des Halbleitermaterials in der Gasphase in Gegenwart von Halogenwasserstoff.die Hydridkonzentration erheblich gesteigert werden kann.

Das in der Einleitung genannte Verfahren ist nach der Erfindung daher dadurch gekennzeichnet, dass als Konzentration des Hydrids des Halbleitermaterials in dem Gasstrom 0,3 bis 10 Vol.$ gewählt wird.

In dem genannten Konzentratxonsbereich lassen sich durch das Verfahren nach der Erfindung Niederschlag— geschwindigkeiten von 2 bis 100 /um pro Minute, z.B. etwa 15 /um, erzielen.

Vorzugsweise wird als Hydrid Moiiosilan (SiHj,) verwendet und die Monosilankonzentration zwischen 0,5 und 5 Vol.$ gewählt. Dabei wird als. Halogenwasserstoff vorzugsweise Chlorwasserstoff in einem Volumenverhältnis zu dem Hydrid von 1 : 1 bis 3 : 1 verwendet.

Besonders günstige Ergebnisse werden mit einer Monosilankonzentration von etwa 3 Vol.56 und einem Völumenverhältnis zu dem Chlorwasserstoff von etwa 1 : 2 erzielt.

Die Niederschlaggeschwindigkeit des Halbleitermaterials wird nicht nur durch die gewählte Hydrid- und

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Halogenwasserstoffkonzentration, sondern auch durch die Substrattemperatür bestimmt. Bei niedriger Temperatur wird die Niederschlaggeschwindigkeit im allgemeinen verhältnismässig niedrig sein,wenn Einkristalle gezüchtet werden sollen, während bei hoher Temperatur die Möglichkeit der Zersetzung in der Gasphase vergrössert wird. Das Substrat wird daher vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 1050 und 1200°C erhitzt,

Bei Niederschlag von Silicium auf einer orientierten einkristallinen Silicium-Substratoberflache treten sehr wenig Kristallfehler auf.

Das Verfahren nach der Erfindung beschränkt sich nicht auf das epitaktische Niederschlagen von Halbleitermaterial auf einkristallinen Substraten. Eine erhebliche Beschleunigung der Bildung polykristalliner Niederschläge kann auch z.B. bei der Herstellung sogenannter EPIC-Strukturen erreicht werden, wobei polykristallines Silicium auf einer Oxyd- oder Nitridschicht niedergeschlagen wird.

Auch können z.B. polykristalline Stäbe, die als Ausgangsmaterial für einen Zonenschmelzvorgang dienen, durch Niederschlagen des Halbleitermaterials auf einem erhitzten Draht erhalten werden. Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung erfolgt die Bildung dieser Stäbe in erheblich kürzerer Zeit als bisher

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üblich, war, wobei die Bildung von Halbleitermaterial in der Gasphase und Materialverlust über den Gasstrom in erheblichem Masse verringert werden.

Auch bezieht sich die Erfindung auf eine Halbleiteranordnung, die durch das erfindungsgemässen Verfahren hergestellt ist.

So können z.B. 150 bis 200 /um dicke Schichten, wie sie in Hochleitstungshalbleiteranordnungen verwendet werden, mit einer Geschwindigkeit von etwa 15 /um/min gebildet werden. Diese Schichten können auf reproduzierbare Weise mit einer gewünschten geringen Dotierung praktisch sauerstofffrei und mit einem grossen Durchmesser hergestellt werden. Als Substrat kann eine Scheibe verwendet werden, die aus einem Stab geschnitten ist, der durch das Czochralski-Aufziehverfahren hergestellt ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch einen Schnitt

durch einen Reaktor zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung.
Beispiel

Elementares Halbleitermaterial wird in einem rohrförmigen Reaktor 1 aus Quarz mit rechteckigem Querschnitt niedergeschlagen (siehe die Figur).

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In dem luftgekühlten Reaktor 1 befindet sich ein Suszeptor 2 aus Graphit mit einer Oberflächenschicht aus Silicium und/oder Siliciumcarbid. Der Suszeptor hat eine Länge von 6o cm, eine Dicke von 1 cm und eine Breite von 11 cm und schliesst mit der Achse des Reaktors einem Winkel ein, dessen Neigung 0,03 beträgt. Der Suszeptor wird auf übliche Weise mit Hilfe einer Hochfrequenzspule 3 erhitzt. Der Abstand des Suszeptors von der Oberseite des Reaktors an der Stelle der mit dem Pfeil 5 angedeuteten Gaseinlassöffnung des Reaktors beträgt h cm. Auf dem Suszeptor befinden sich Substrate 4, Sie bestehen aus scheibenförmigen Silicium-Einkristallen vom n-Leitfähigkeitstyp mit einem spezifischen Widerstand von 5 bis 10 XL.cm und einer Dicke von 250 ,um.

Die grosse Oberfläche der Kristalle ist möglichst in

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der }iOO^ -Richtung orientiert. Bevor die auf übliche Weise erhaltenen Kristalle auf dem Suszeptor angebracht werden, werden sie poliert.

Auf dem Suszeptor werden solche Kristalle mit einem Durchmesser von 50 mm, zwei nebeneinander und zehn in der Längsrichtung des Reaktors, angebracht. Die ersten fünf Zentimeter des Suszeptors werden frei gelassen. Dann werden die Substrate durch Erhitzung bei 1200⁰C in einer H,,-Atmosphäre, der gegebenenfalls HCl zugesetzt wird, etwa 10 Minuten lang gereinigt.

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Die mit einem Pyrometer gemessene Substrattemperatur während des Niedersclilagens von Halbleitermaterial beträgt 1100°C und die mittlere Gastemperatur etwa 600°C.Die lineare Gasgeschwindigkeit, auf einen leeren Reaktor und bei Zimmertemperatur berechnet, ist 60 cm/sec.

Der Gasstrom, der bei 5 unter atmosphärischem Druck in den Reaktor 1 eingeführt wird, besteht aus dem Trägergas Wasserstoff, in dem sich 3 Vol.$.

2.10~ Vol.$ PH„ und 6 Vol.% HCl befindet. Unter diesen Bedingungen werden auf den Substraten 4 einkristalline Siliciumschichten vom n-Leitfähigkeitstyp mit einem _ spezifischen Widerstand von 20 Ji- .cm niedergeschlagen. Die Niederschlaggeschwindigkeit beträgt 13 /um/min und die Dickenstreuung über den ganzen Suszeptor +^ 5$· Die Streuung im spezifischen Widerstand der niedergeschlagenen Schicht ist _+ 20 $. Die Dichte von Stapelfehlern, die auf übliche Weise durch Aetzung oder Interferenzmikroskopie gemessen wird, ist weniger als 100 pro Substrat. In etwa 12 Minuten wird eine Schicht mit einer Dicke von 150 /um niedergeschlagen.

In die so gebildete Schicht wird auf übliche Weise zum Erhalten eines pn-Uebergangs in der Halbleiterschicht eine p-leitende Verunreinigung eindiffundiert. Das Substrat kann durch Aetzung entfernt und Kontakte können zu beiden Seiten der Halbleiterschicht angebracht werden.

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Das Substrat kann auch entfernt werden, bevor ein pn-Uebergang gebildet wird, wonach z.B. die p-leitende Verunreinigung zu beiden Seiten der Schicht diffundiert werden kann. Auch können pn-Uebergänge durch epitaktisches Niederschlagen von Halbleitermaterial erhalten werden, wobei z.B. in der Gasphase PH„ durch B₂H^ ersetzt wird.

Kontakte können auch über das Substrat angebracht werden, in welchem Falle für das Substrat ein Material mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand gewählt wird.

Mit den in dem betreffenden Beispiel beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung können auf übliche Weise Halbleiteranordnungen, z.B. mit vergrabenen Schichten erhalten werden, wobei z.B. von Substraten ausgegangen wird, in denen durch örtliche Diffusion von Bor p-leitende Zonen mit niedrigem spezifischem Widerstand angebracht sind.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die obenbeschriebenen Beispiele. Als Halbleitermaterial kann z.B. Germanium verwendet werden, das durch thermische Zersetzung von German (GeHn) niedergeschlagen werden kann.

Als Halogenwasserstoff kann Bromwasserstoff Anwendung finden, der auch eine gute Aetzwirkung aufweist,

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Auch beschränkt sich die Erfindung nicht auf einen rohrförmigen Reaktor. Auch bei einem vertikalen Reaktor wird der Vorteil einer hohen Niederschlaggeschwindigkeit erhalten. Die bei dem Verfahren nach der Erfindung erhaltene Reinheit und homogene Dotierungsverteilung im niedergeschlagenen Halbleitermaterial sind viel günstiger als beim Aufziehen aus einem Tiegel oder bei Anwendung der sogenannten "floating zone"-Technik.

Als Substrate bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kommen auch Substrate aus Isoliermaterial in Betracht. So kann auf Saphir oder einkristallinem Magnesiumaluminat einkristallines Silicium niedergeschlagen werden. Auf einem polykristallinen Substrat werden polykristalline Halbleitermaterialschichten, z.B. zur Herstellung von EPIC-Strukturen, erhalten. Auch können polykristalline Stäbe durch Niederschlagen auf einem erhitzten Draht erhalten werden.

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Claims

-11- PHN.6309 PATENTANSPRUECHE;

1. Verfahren zum Niederschlagen elementaren Halbleitermaterials, vorzugsweise zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem der Gasstrom, der ein gasförmiges Hydrid des Halbleitermaterials und einen Halogenwasserstoff enthält, über ein erhitztes Substrat geführt wird, während das Hydrid thermisch zersetzt und praktisch die ganze dem Gasstrom ausgesetzte Oberfläche des Substrats mit Halbleitermaterial überzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Konzentration des Hydrids des Halbleitermaterials in dem Gasstrom 0,3 bis 10 Vol.$ gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Hydrid Monosilan (SiH^) verwendet wird und die Monosilankonzentration zwischen 0,5 und 5 Vo1.$ gewählt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Monosilankonzentration etwa 3 Vol.56 gewählt wird.

h. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Halogenwasserstoff Chlorwasserstoff in einem Volumenverhältnis zu dem Hydrid vom 1 : 1 bis 3 : 1 verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis des Chlorwasserstoffs zu dem Hydrid etwa 2 : 1 beträgt.

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6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat auf eine Temperatur zwischen 1050 und 12Ö0°C erhitzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial Silicium auf einer J 100> -orientierten einkristallinen Silicium-Substratoberflache niedergeschlagen wird.

8. Halbleiteranordnung, die durch das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.

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