DE2427944C3 - Zweischichtkörper - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zweischichtkörper, bestehend aus einem elektrisch isolierenden Kristall vom Spinelltyp und einem darauf gezüchteten Halbleitereinkristall.

Ein derartiger Zweischichtkörper ist aus »IBM, Technical Disclosure Bulletin, Vol. 12, No. 9. Februar 1970 Seite 1496« bekannt. Zur Vermeidung von Spannungen zwischen dem Substrat aus dem elektrisch isolierenden Kristall vom Spinelltyp, das aus 30% MgCr₂O₄ und 70% MgAI₂O₄ besteht, wurde der Zweischichtkörper bei der Ablagerung von Silicium unter einer Spannung hergestellt, die gleich hoch ist, aber gegenüber der thermischen Fehlanpassungsspannung ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist. Nach der anschließenden Abkühlung des Zweischichtkörpers soll damit ein spannungsfreier Aufbau zur Verfügung stehen. Ein derartiges Verfahren ist verhältnismäßig schwierig durchführbar und hat außerdem den Nachteil, daß bei Abweichung der Betriebstemperatur von der vorgesehenen Arbeitstemperatur sofort wieder Gitterspannungen auftreten.

Aus der deutschen Of fenlegungsschrif 12 000 707 ist es bekannt, im Substrat in Form eines elektrisch isolierenden Kristalles vom Spinelltyp eine geringfügige Menge an Wasserstoff beizugeben. Wegen der sehr großen Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften einschließlich des Atomdurchmessers zwischen Wasserstoff und den Elementen des elektrisch isolierenden Kristalles ist Wasserstoff jedoch nicht geeignet, die Gitterkonstante des Spinellkristalles derart zu beeinflussen, daß eine Anpassung an den darauf gezüchteten Halbleitereinkristall erfolgen könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweischichtkörper der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß Spannungen infolge einer Fehianpassung zwischen dem elektrisch isolierenden Kristall vom Spinelltyp und dem darauf gezüchteten Halbleitereinkristall durch Anpassung der beiden Kristallgitter wenigstens an der Grenzfläche zwischen beiden weitgehend vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1, 3 und 4 gelöst. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch 2 dargestellt.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anpassung der beiden Kristallgitter auf 3 verschiedene Arten erfolgen, nämlich durch Anpassung des elektrisch isolierenden Kristalls vom Spinelltyp durch Beimischungen ganz bestimmter Substanzen, durch eine Mischung von verschiedenen elektrisch isolierenden Kristallen vom Spinelltyp sowie durch Beifügen bestimmter Substanzen zu dem auf dem isolierenden Kristall gezüchteten Halbleitereinkristall.

Die angegebenen Maßnahmen bewirken eine Veränderung des Gitteraufbaues entweder des Substrates in Form eines elektrisch isolierenden Kristalles vom Spinelltyp oder des darauf gezüchteten Halbleitereinkristalles. Die angegebenen Elemente gemäß Anspruch I und 2 sowie gemäß Anspruch 4 wurden so gewählt, daß ein Einbau in die Kristallgitter möglich ist und daß dieser Einbau zur Annäherung der Kristallgitter der beiden aneinander angrenzenden Kristalle führt. Dasselbe gilt für die Maßnahmen nach Anspruch 3, die eine Mischung von MgAl₂O₄ und TiZn₂O₄, also von ganz bestimmten verschiedenen Spinellkristallen vorsehen.

Es ist durchaus nicht selbstverständlich oder ohne weiteres vorausberechenbar, daß ein Einbau dieser Substanzen in die Kristallgitter erfolgt und daß dieser Einbau eine ganz bestimmte, erwünschte Änderung der Kristallstruktur, insbesondere der Gitterkonstante, zur Folge hat. Es war daher sehr überraschend, daß die angegebenen Maßnahmen tatsächlich zum gewünschten Erfolg führten.

Die Verwendung von Spinellkristallen als Substrat an Stelle eines Substrates, das aus der gleichen Unterlage wie der darauf gezüchtete Einkristall besteht, hat in der Halbleitertechnik erhebliche Vorteile, beispielsweise bezüglich der Isolation der einzelnen Schaltkreiselemente gegeneinander, wobei Streukapazitäten sehr niedrig gehalten werden können. Der Nachteil einer derartigen Anordnung besteht jedoch in einer starken Fehlanpassung zwischen Substratkristall und darauf gezüchtetem Halbleitereinkristall, was zu Fehlern und Spannungen führt. Durch die vorliegende Erfindung können diese Spannungen und Fehler auf ein Minimum reduziert werden.

In der Figur der Zeichnung ist eine grafische Darstellung einer Änderung der Gitterkonstante von Silicium in Abhängigkeit von der Konzentration bestimmter, dem Silicium zugesetzter Fremdstoffe gezeigt.

Zum näheren Verständnis der Erfindung sei erwähnt, daß Silicium eine Gitterkonstante von etwa 5,4302 A sowie eine kubische flächenzentrierte Gitterstruktur, während der häufig als Substrat verwendete Saphir eine rhomboedrische Gitterstruktur mit Gitterkonstanten von a = 4,758 A und c = 12,911 A aufweist. Der ebenfalls verwendete Spinell besitzt ein kubisch-flächenzentriertes Gitter mit einer Gitterkonstante von 8,088 A. Bei der Züchtung eines Siliciumcinkristalles auf einem Substrat aus einem solchen

Isoliermaterial ist es unmöglich, Ua(J alle Siliciumatome mit allen Atomen des Isoljermatenals eine Bindung eingehen, weshalb ein Unterschied in der Gitterkonstante zwischen den beiden Materialien allein kein Maß für die Fehlanpassung darstellt. Trotz des im einzelnen komplizierten Mechanismus, der für die Fehlanpassung verantwortlich ist, im Gegensatz zu gleichen Gittern, wie Si auf Si, läßt sich die Fehlanpassung auf Grund von Versuchen und gewisser Abschätzungen mit I bis 2% angeben. Bei einem Züchten von Si auf Si verursacht die Dotierung einer der beiden Si-Schichten eine Fehlanpassung infolge von Gitterfehlern und einer Änderung der Gitterkonstanten; beispielsweise verursacht Phosphor eine Verringerung der Gitterkonstanten, die Fehlanpassung liegt in der Größenordnung von etwa 1(Γ²% oder darunter. Bei Verwendung von elektrisch iso/licrenden Stoffen ist die Fehlanpassung also erheblich größer. Unabhängig von der Ausschaltung aller den Kristall beeinträchtigenden Faktoren, wie z. B. von Verunreinigungen mit Fremdstoffen, entstehen daher bei der Bildung des Kristallgitters auf dem Substrat hohe Spannungen oder Belastungen im darauf gezüchteten Einkristall. Das beeinflußt das Rauschen, die Beweglichkeit der Träger und die Lebensdauer des Halbleiters erheblich.

Es wurde festgestellt, daß an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Einkristall ein Übergang zwischen verschiedenen Materialien stattfindet. Für Anwendungen in der Zukunft ist es jedoch erforderlich, daß der auf dem Substrat gezüchtete Halbleitereinkristall weitgehend fehlerfrei ist. Die Anpassung der beiden Kristallgitter kann durch Zufügen eines der bestimmten Elemente an die ganze Kristallschicht erfolgen, oder auch nur an den an die gemeinsame Grenzfläche angrenzenden Abschnitt.

Der derzeit bei Halbleitermaterialien verwendete Spinell besteht aus Mischkristallen in Form von Magnesiumoxid (MgO) und Aluminiumoxid (Al₂O₁), wobei ihre stöchiometrische Zusammensetzung als MgO ■ AI₂OP₃ ausgedrückt wird. Die Zusammensetzung von in der Praxis verwendetem Spinell kann jedoch im Bereich von MgO ■ AI₂O₃ bis MgO 4AI₂O, liegen. Je größer der Anteil an AI₂O, ist, um so stärker nimmt die Gitterkonstante gegenüber derjenigen bei dem stöchiometrischen Verhältnis von MgO · AI₂O, mit einer Konstante von 8,088 A ab. Außerdem beträgt die Fehlanpassung bei MgO ■ AI₂O₃ etwa 0,8% und bei MgO · 3Al₂O₃ etwa 1,9%. Zudem kommen die Ausfällung von Al₂O, und die Diffusion von Aluminium in die gezüchtete Schicht in Frage. Aus diesem Grund ist die Fehlanpassung selbst bei stöchiometrischer Zusammensetzung noch zu groß.

Derzeit herrscht die Meinung, daß der Spinell Mg · Al₂O₄ derart mit dem Silicium in Bindung steht, daß das Siliciumafom mit dem Mg-Gitterplatz vereinigt ist und zwei Einheitszellen des Spinells mit drei Einheitszellen des Siliciums verbunden sind. Sofern diese Analyse zutrifft, kann die Fehlanpassung verringert werden, wenn die Spinellmaterialien eine größere Gitterkonstante besitzen. Wenn daher dem Mg · Al₅O₄ irgendeine Substanz hinzugefügt wird, welche die Gitterkonstante vergrößert, kann das Ausmaß der Fehlanpassung des mit dem Silicium vereinigten Gitters verkleinert werden.

Obgleich Mg · AI₂O₄ als Spinell bereits verwendet wurde, ist bisher norh nicht erforscht worden, wie die Gitterkonstante dieser Substanz durch Hinzufügung welchen Metalls in welcher Menge verändert wird,

ausgenommen eine Änderung der Menge an Aluminium relativ zum Magnesium, wobei diese beiden Elemente Komponenten der Zusammensetzung selbst sind. Es kann jedoch eine Vergrößerung der Gitterkonstante des Spinells erwartet werden, wenn ihm mindestens ein Element, wie Nickel (Ni), Zinn (Sn), Titan (Ti), Germanium (Ge), Silicium (Si), Zirkon (Zr), Hafnium (Hf), Beryllium (Be) hinzugefügt wird. Diese Strukturen besitzen mindestens eines der vorgenannten Elemente, dessen Atom an den Mg-Platz tritt, etwa Sn,__rMg_rAI₂O₄, wobei .v größer ist als Null und kleiner als 1, oder diese Strukturen besitzen mindestens eines der vorgenannten Elemente, dessen Atom an den Al-Platz tritt, etwa MgO(AI₁.,.Si )(),. wobei χ größer ist als Null und kleiner als 1.

Man kann die Gitterkonstante der Spinelle dadurch einstellen, daß man dem Spinell eine Substanz bzw. ein Element einverleibt, welches von den den Spinell bildenden Elementen verschieden ist. Beispielsweise kann dem MgAl₁O₄ Zirkonium einverleibt werden. Die Zugabe von Zr in Anteilen ν.·.,ι 2,9, 5,7, 7,14 bzw. 8,1 Mol% hat Gitterkonstanten von etwa 8,1!, 8,14, 8,14 bzw. 8,15 A ergeben. Die Fehlanpassung zwischen dem Spinell und dem Silicium verringert sich dadurch deutlich, wenn man zum Vergleich das aus MgAl₂O, bestehende Substrat heranzieht. Am besten hat sich eine Zirkonzugabe von 6 bis 7 Mol % bewährt, da die resultierende Fehlanpassung zu Si nicht mehr als 1% beträgt.

Andererseits können in MgAl₂O₄ Siliciumionen an Stelle von Magnesiumionen treten; erstere besitzen einen höheren Ionenradius als letztere. In diesem Falle erhält man Mg₁Si^₁AI₂O₄, dessen Gitterkonstante für χ = 0,8 etwa 8,14 A beträgt. Der auf diese Weise erhaltene Spinell besitzt somit eine extrem geringe Fehlanpassung zu Si.

Man erkennt somit, daß beim Hinzufügen einer anderen Substanz oder eines anderen Elements zum Spinell die Gitterkonstante geändert wird und da'$ eine Fehlanpassung zu Si mit dem Wert Null zu erwarten ist, wenn der Spinell eine Gitterkonstante von 8,145 A aufv.'cist.

Die Gitterkonstante von MgAI₂O₄ kann, wie erwähnt, durch Hinzufügen von Ni, Sn, Ti, Gc, Si, Zr. Hf, Be, weiche Elemente höhere Ionenradien als Mg oder Al aufweisen, erhöht werden.

Die Einstellung der Gitterkonstante des Spinells durch Zugabe eines von den Elementen im Spinell verschiedenen Elements erweist sich nicht nur für Silicium, sondern auch für andere halbleitende Materialien als wirksam. Spinelle, deren Gitterkonstante auf 8.175, 8,48 oder 8,475 A geändert wurde, sind beispielsweise frei von Fehlanpassungen relativ zu GaP, GaAs br.w. Ge. Es sei jedoch festgestellt, daß es im Falle eines Substrats aus MgAI₂O₄ nur in einem begrenzten Bereich möglich ist, die Gittirkonstante durch Zugabe einer anderen Substanz zu regeln.

Schließlich kann ein das Substrat bildender Spinell zwecks Einstellung der Gitterkonstante mit einem anderen Spinell vern.ischt werden. Ein Mischkristall aus 84 MoI% MgAI₂O₄ und 16 Mol% TiZn₂O₄ weist beispielsweise eine Gitterkonstante von etwa 8.145 A auf, so daß drei Einheitszellen von Silicium im wesentlichen zwei Einheitszellen der gemischten Zelle entsprechen. Durch Bildung eines Mischkristalls aus mindestens zwei Sp,hcllen mit unterschiedlicher Gitterkonstante kann die resultierende Gitterkonstante somit derart eingestellt werden, daß die Fehlanpas-

sung/wischen ihr und jener eines zugeordneten HaIblciterkristalls hcnihgesct/t wird.

Unter Berücksichtigung der Diffusion eines oder mehrerer Metalle aus einem Spinell in eine darauf gezüchtete Siliciumschicht ist es vom Standpunkt der Selhstdoticrung wesentlich vorteilhafter, dem Spinell ein oder mehrere Elemente der IV. Gruppe des Periodischen Systems, wie Silicium, Germanium oder Zinn, /117.usct7.cn, als irgendein anderes Element. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich die Elemente der IV. ('■nippe gegenüber Silicium ills neutrale Elemente \erhalten.

Andererseits ist die Veränderung der Gitterkonstante von Silicium infolge der Hin/ufügung eines I-'remdsloffs bereits gut erforscht worden. Beispielsweise IaMt sich eine Erhöhung oder Verkleinerung der Gilterkonstante von Silicium oder seine Expansion und Kontraktion vergleichsweise gut dahingehend he-Μ.ίιιι·ιίιθιΊ. Uli ti dor 'riCSrcu ende ! Tcn-iiistwff iriiiiigc c; nes Unterschieds im Atom-Radius /wischen den Silicium- und den Frcmdstoffalomcn substituierend in das Silieiumgefüge eindringt, wenn das Silicium die kovalente Bindung mit diesem Fremdstoff eingeht.

Silicium (Si) besitzt beispielsweise einen Atom-Radius von 1,17 A. während /inn (Sn) und Germanium (Ge). die zur IV. Gruppe des Periodischen Systems »■.•hören. Atom-Radien von 1.4(1 bzw. 1.22 A besitzen. Ebenso besitzen Bor (B) und Aluminium (Al), die zur III. Gruppe gehören. Atom-Radien von 11.SN bzw. 1.2(i A. während Phosphor (P) und Antimon (Sb). die zur V. Gruppe gehören. Atom-Radien von 1.10 bzw. 1.3(1 Λ besitzen. Die Gitterkonstante von Silicium wird somit durch Zugabe von Zinn. Germanium oiler Antimon zum Silicium erhöht, während sie durch Zugabe von Bor oder Phosphor verkleinert wird. Die Figur zeigl den Absolutwert der Änderung der Gitlerkonstanle von Silicium in A (auf der Ordinate) in Abhängigkeit von einer Fremdstoff- oder Fremdatoinkonz.entration N in Ätome/cnv¹ (auf dei Abszisse) für die Fremdstoffe Zinn (Sn), Germanium (Ge). Bor (B), Phosphor (P) und Antimon (Sb). Die Kurven zeigen dabei die berechneten Werte in einem logarithmischen Malistab an, und diese Werte stimmen gut mit den auf Grund entsprechender Versucht ermittelten Werten iiberein. Beispielsweise gibt die mit Sn bezeichnete Kurve eine Änderung der Gitterkonstante an. die von der Zugabe von Zinn herrührt !•!ine ähnliche Wirkung kann von der Zugabe voi Kohlenstoff (C) und Blei (Pb). die zur Gruppe IVI gehören, sowie von Titan (Ti). Zirkon (Zr) und Hafnium (Hf). die zur Gruppe IVa des Periodischen Sy stems gehören, erwartet werden.

Um die Gittcrunglcichartigkcil beim Züchten voi Süi¹-'!!!!!! auf '-'!π'.'π¹ Spi'H'H "i vermindern, kann dabei dem Silicium ein Fremdstoff zugesetzt werden, der dii Gitterkonstante des Siliciums zu verkleinern bestreb ist.

Durch Zugabe oder Zumischen eines Fremdstoff: zum Spinell auf vorher beschriebene Weise könne! jcvoi.h auch neuartige Spincllsubstanzcn gebildc werden, welche die Wirkung zeigen, daU die Un gleich;.rtigkeit de¹- Gitters gegenüber dem Siliciun iiiiigekfSrt beeinflul.lt wird. Bei vorzugsv.'.iser Ver wendung eines solchen isolierenden Kristalls muß ei nem auf ihm gezüchteten Einkristall aus Silicium eil Fremdstoff zugesetzt werden, welcher die Gitterkon staute des Siliciums erhöht.

Die Erfindung ist nicht auf Silicium beschränkt sondern gleichermaßen auf andere Halbleitermate rialien anwendbar.

Hierzu 1 BtLiti Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Zweischichtkörper, bestehend aus einem elektrisch isolierenden Kristall vom Spinelltyp und -, einem darauf gezüchteten Halbleitereinkristall, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch isolierende Kristall aus MgAl₂O., besteht, dem mindestens an der Grenzfläche zum Halbleitereinkristall mindestens eines der Elemente Ni, Be m oder der IV. Gruppe des Periodensystems der Elemente hinzugefügt worden ist.

2. Zweischichtkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elemente der IV. Gruppe des Periodensystems Sn, Ti, Ge, Si, Zr π oder Hf ausgewählt worden sind.

3. Zweischichtkörper, bestehend aus einem elektrisch isolierenden Kristall vom Spinelltyp und einem darauf gezüchteten Halbleitereinkristall, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch isolie- jo rende Kristall aus einer Mischung von MgAI₂O₄ und TiZn₂O₄ besteht.

4. Zweischichtkörper, bestehend aus einem elektrisch isolierenden Kristall und einem darauf gezüchteten Halbleitereinkristall, dadurch ge- >-, kennzeichnet, daß der Halbleitereinkristall aus Silicium besteht, dem eines der Elemente Sn, Ge, Sb, B, P, C, Pb, Ti, Zr, Hf hinzugefügt worden ist.