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Verfahren zur Erzeugung monokristalliner oder gropoly-
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kristalliner Schichten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung
monokristalliner oder grobpolykristalliner Schichten.
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Derartige Schichten mit einer typischen Schichtdecke von 0,1 bis 1
/um und vorzugsweise 0,5/um werden bevorzugt für die Herstellung von Halbleiterbauelementen
verwendet.
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In der herkömmlichen Technik werden Halbleiterbauelemente auf flachen
Substraten hergestellt, wobei von Blöcken oder Stangen Scheiben, etwa mit Diamantsägen
abgetrennt werden.
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Dieses Vertahren ist jedoch unständlich und kostenautwendig.
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Die hierfür erforderlichen monokristallinen Blöcke werden durch bekannte
Zonenschmelzverlahren hergestellt. Hierbei geht man etwa von einem zylinderförmigen
Rohling aus polykristallinem Material aus. Eine Stirnseite des Rohlings wird durch
beheizte Drahtwendel zum Schmelzen gebracht, so daß dort das Material flüssig wird
und gegen einen kristallographisch vororientierten Kristallkeim, der in der Regel
aus demselben Material besteht, fließt. Der Keim selbst wird dabei seinerseits nicht
aufgeschmolzen. Anschließend wird die Schmelzzone durch das Material hindurchgeführt,
wobei sich die Schmelze zunächst an der Grenzfläche zu dem Kristallkeim abkühlt,
wobei die erstarrte Schmelze die Crientierunq des Kristallkeimes übernimmt.
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Ein derartiqes Verfahren läßt sich jedoch auf die dünnen
Schichten
nicht übertragen,da diese hierdurch uner anderem Formveränderungen erleiden, aie
sie für den beabsichtigten Einsatz unbrauchbar werden lassen Andererseits sind auch
Verfahren bekannt, dünne Schichten umzukristallisieren, indem man einen fokusierten
intensiven Laser- oder Elektronenstrahl einsetzt, der über die zu re-kristallisierende
Schicht rasterförmig geführt wird und damit streifenförmig aufgeschmolzene Gebiete
erzeugt, welche nach Durchlaufen des Strahls wieder in den festen Zustand übergehen.
Hierbei ist jedoch nacnteilig, daß einerseits die re-kristallisierten Gebiete in
der Regel nicht einkristallin aufwachsen, da als Keime alle Gebiete um den aufgeschmolzenen
Strahlfleck herum dienen, nicht aber nur re-kristallisierte und damit vororientierte
Gebiete, während andererseits diese Verfahren nur eine sehr teure Herstellung re-kristallisierter
polykristalliner Schichten zulassen, da die diesbezüglichen Apparaturen aufwendig
und die Zeiten zum Abrastern größerer Schichtflächen groß sind. Auch beim Einsatz
von nicht punktformigen, sondern streifenförmigen Elektronen- und Laserstrahlen
bleibt zumindest der letztgenannte Nachteil erhalten In Kenntnis dieses Standes
der Technik liegt der Erfindung I die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zu schaffen, das nicht mit den autgezeigten Nachteilen behaftet ist
und im besonderen bei geringen Fertigungstoleranzen eine unkritische, einfache und
kostengünstige Herstellung deL Se ten ermöglicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß man entlang
einer Hochtemperaturzone das Schichtwachstum durchführt.
Dabei liegt
die Temperatur der Zone bevorzugt unterhalb der Schmektemperatur des Materials.
Bei derartig hohen Temperaturen wird die Beweqlichkeit der Korngrenzen so groß,
daß auch ohne einen Schmelzprozeß eine Umkristallisation eintritt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
führt man das Schichtwachstum aus der Gasphase heraus durch. Diese Gasphase weist
Silizium epthaltende Moleküle auf, wie SiH4, SiHCl3, und ähnliche. Hierbei tritt
innerhalb der Hochtemperaturzone eine pyrolytische Zerlegung von Molekülen auf.
Bei der Zerlegung fällt elementares Silizium aus. Der Molekülzerfall tritt nur im
Bereich der Hochtemperaturzone auf, und nur in diesem räumlich eng begrenzten Bereich
schlägt sich das elementare Silizium nieder. Bei der Anlage der niedergeschlagenen
Siliziumatome an einem monokristallinen Keim baut sich dementsprechend eine Schicht
in der gleichen Orientierung auf, wobei sich diese Orientierung während des gesamten
Schichtwachstums bei der Abkühlung am Rande der Hochtemperaturzone fortsetzt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
führt man das Schichtwachstum aus der festen Phase heraus durch. Bevorzugt handelt
es sich bei dem Ausgangsmaterial um eine Schicht aus polykristallinem Material.
Von einem monokristallinen Keim ausgehend führt man eine Hochtemperaturzone durch
die Schicht hindurch. Bei einer Temperatur, die unter der Schmelztemperatur des
Materials, jedoch nahe an diese heranreicht, erhalten die Korngrenzen eine hinreichend
große Beweglichkeit
so daß eine Umkristallisierung und Orientierung
entsprechend derjenigen des Keimes eintritt. Eine Veränderung der äußeren Form der
Schicht tritt hierbei nicht auf, wie sie etwa bei einem Schmelzvorgang zu befürchten
ist. Man erhält somit eine orientierte Schicht gleicnmäßiger Stärke mit vorbestimmten
Abmessungen.
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Da die Fläche des re-kristallisierten, zuvor polykristallinen Materials
möglichst groß werden, der Keim jedoch möglichst klein ausgeführt sein soll, erweitert
sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Schicht von dem Keim ausgehend
auf die normale Schichtbreite. Hierdurch wird sichergestellt, daß nur eine Kristallorientierung
in die polykristalline Schicht hineinwächst. Bei Vorhandensein eines yrobpolykristallinen
Keims pflanzen sich entsprend nur wenige Kristallorientierungen in der polykristallinen
Schicht fort.
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Nach der Erfindung kann die Hochtemperaturzone auf unterschiedliche
Weise erzeugt werden Vorzugsweise führt man zur Bildung der Hochtemperaturzone einen
direkten Elektronenbeschuß durch.
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Hierbei veranlaßt man eine Elektronenquelle zu einer intensiven Elektronenemission
und legt zwischen die Elektronenquelle und die Schicht eine hohe elektrische Spannung.
Hierdurch werden die Elektronen auf die Schicht gelenkt, wo sie ihre Energie abgeben,
so daß sich die Schicht lokal stark erwärmt. Typische elektrische Spannungen liegen
in der Größenordnung einiger Kilovolt. Das Material der Elektronenquelle ist so
zu wählen, daß während der Elektronenemission möglichst wenige Atome und Ionen aus
dem Material der Elektronenquelle auf polykristalline
Schicht gelangen,
da sie deren Eigenschaften negativ beeinflussen können. Das Material der Bektronenquelle
kann zweckmäßig so gewählt werden, daß die Atome des Materials eine möglichst geringe
Löslichkeit in dem Material der polykristallinen Schicht besitzen, so daß sie an
der Oberfläche der polykristallinen Schicht verbleiben, bzw. dorthin wandern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bringt man auf die polykristalline
Schicht eine Ionenstrahlschutzschicht auf, wodurch der Einfluß von Störatomen vermindert
oder verhindert wird.
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Es handelt sich hierbei um eine dünne Membran oder Folie, die zwar
von Elektronenstrahlen durchdrungen wird, jedoch keine Ionenstrahlen durchläßt.
Es eignen sich hierfür etwa dünne Quarz- oder Metallfolien.
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Nach einer anderen Ausführungsform dieses Verfahrens lenkt man einen
zunächst parallel zur polykristallinen Schicht gerichteten Elektronenstrahl auf
die Oberfläche der Schicht um. Durch dieses elektrostatische oderelektromagnetische
Umlenkverfahren werden die Elektronenströme von den Atom- oder Ionenströmen getrennt,
so daß nur die Elektronenströme aut die polykristalline Schicht gelangen. Ein negativer
Einfluß der Atom- oder Ionenströme ist somit ausgeschlossen.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Hochtemperaturzone
durch eine Widerstandheizung erzeugt werden. Hierbei wird die lokal zu erhitzende
Zone in die unmittelbare Nähe durch Stromfluß auf hohe Temperaturen gebrachten,
etwa zylinderförmigen Wärmequelle gebracht.
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Andererseits kann die Erzeugung der Hochtemperaturzone durch lokale
induktive Heizung erfolgen. Hierbei wird mittels einer Spule ein starkes Hochfrequenzfeld
in die polykristalline Schicht oder ein geeignetes, sich darunter befindliches Substrat
eingekoppelt, wobei die entstehenden Verlustströme zu einer starken lokalen Aufheizung
führen.
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Schließlich kann gemäß der Erfindung die Hochtemperaturzone durch
eine langgestreckte Flamme aus einer Brennerquelle erzeugt werden. Der Vorgang erfolgt
in einem geeigneten Schutzgas, wie etwa in einer Stickstoffatmosphäre.
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Unabhängig von der Art der Erzeugung der Hochtemperaturzone wird diese
durch eine Relativbewegung zwischen der Quelle und der Schicht durch letztere hindurchgeführt,
wobei sich am Abkühlungsende die Orientierung einstellt Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung monokristalliner oder grobpolykristalliner
Schichten. Es ist nun nicht mehr erforderlich, große monokristalline Einkristallstäbe
herzustellen und etwa mit Diamantsägen in Scheiben zu zerlegen. Das Verfahren kann
kostengünstig in einem Dauerbetrieb durchgeführt werden, wobei die Umkrijtallisierung
in einer Durchlaufapparatur erfolgen kann, wodurch eine günstige Maschinenausnutzung
möglich wird.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Dabei zeigt im einzelnen, jeweils in schematischer Darstellung: Fig. 1 den Schichtaufbau
aus der Gasphase, Fig. 2 den Schichtaufbau durch Umkristallisation aus der festen
Phase in einer Seitenansicht, Fig. 3 die Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig.
2, Fig. 4 die Erzeugung der Hochtemperaturzone durch direkten Elektronenbeschuß,
Fig. 5 die Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß Fig.
4, Fig. 6 die Erzeugung der Hochtemperaturzone durch induktive Aufheizung, Fig.
7 die Erzeugung der Hochtemperaturzone durch Widerstandsheizung, Fig. 8 die Erzeugung
der Hochtemperaturzone mittels eines Brenners und Fig. 9 die Darstellungeines Verfahrens
zur Festlegung der Kristallorientierung.
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Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Durchführung des
Schichtwachstums aus der Gasphase heraus. Dabei befindet sich auf einem Substrat
1 ein Keim 2 innerhalb einer Atmosphäre, die Moleküle aufweist, welche Silizium
enthalten. Es kann sich dabei um SiH4, SiHCl3, oder ähnliche Materialien handeln.
Angrenzend an den Keim 2 bildet man eine Hochtemperaturzone 3 aus, innerhalb welcher
eine pyrolytische Zerlegung der Moleküle stattfindet. Die Temperatur kann dabei
etwa zwischen 600 und 12000C liegen. An dem Keim 2 schlägt sich nun elementares
Silizium nieder mit einer Kristallorientierung, die dem Keim 2 entspricht. Hieran
angrenzend-«wächst eine monokristalline oder grobpolykristalline Schicht 4 entsprechend
der Keimorientierung an. Durch eine Relativbewegung zwischen der Hochtemperaturzone
3 und dem Substrat 1 mit dem Keim 2 bildet sich eine monokristalline oder grobpolykristalline
Schicht 4 entsprechender Länge aus.
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Die Fig. 2 zeigt in Seitenansicht das Schichtwachstum aus der festen
Phase heraus. Auch hier befindet sich auf einem Substrat 1 ein Keim 2, än dem sich
jedoch ursprünglich eine polykristalline Schicht 5 anschließt. Durch die Erzeugung
einer Hochtemperaturzone 3, angrenzend an den Keim 2 tritt eine Umkristallisation
ein, und es wächst an dem Keim 2 eine monokristalline Schicht 4 an, während die
Hochtemperaturzone 3 durch die polykristalline Schicht b hindurchgeführt wird.
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Die Fig. 3 zeigt diesen Vorgang in der Draufsicht. Da die Schichtfläche
möglichst groß, der Keim jedoch möglichst klein
ausgeführt sein
soll, verbreitet sich vorzugsweise die Schicht 4 bzw. 5 von dem auf dem Substrat
1 befindlichen Keim 2 ausgehend. Die Orientierung des monokristallinen oder grobpolykristallinen
Keims pflanzt sich somit in die verbreiterte Schicht hinein fort.
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Die Fig. 4 erläutert die Erzeugung der Hochtemperaturzone gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Auch hier befindet sich auf einem Substrat
1 ein Keim 2, an welchen sich eine zunächst polykristalline Schicht 5 anschließt,
In der Nähe der Schicht 5 befindet sich eine stabförmige Elektronenquelle 6. An
die Elektronenquelle ö einerseits und die Schicht 5 andererseits legt man eine Spannungsquelle
an, um die Elektronen, deren Bahnen schematisch durch Pfeile 8 dargestellt sina,
auf die Schicht 5 zu lenken. Die angelegte Spannung kann in der Größenordnung einiger
Kilovolt liegen Die Elektronen geLoIl ihre Energie intierhalb der Schicht 5 ab,
so daß sich diese lokal stark erwärmt. Die stabförmige Elektronenquelle 7 erstreckt
sich quer über die gesamte Schicht 5, so daß sich dementsprechend eine Hochtemperaturzone
3 ausbildet, die in gleicher Weise über die gesamte Breite der Schicht 5 verläuft.
Durch eine Relativbewegung zwischen dem Substrat 1 mit dem Keim 2 und der polykristallinen
Schicht 5 einerseits und der Elektronenquelle 6 andererseits baut sich eine umkristallisierte
monokristalline oder grobpolykristalline Schicht 4 angrenzend an den Keim 2 auf.
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Um eine Schädigung der Schicht 4 bzw. 5 durch indringende Atome und/oder
Ionen zu verhindern oder zu vermindern, ordnet man zwischender Elektronenquelle
6 und der Schicht 4 bzw. 5
Schicht eine Membrantoder Folie 9 an,
die zwar von Elektronen durchdrungen wird, Ionen oder Atome jedoch nicht durchläßt.
Als Schicht 9 eignen sich dünne Quarz- oder Metallfolien.
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In Fig. 5 ist eine Modifizierung des Verfahrens gemäß Fig. 4 dargestellt.
Hier verlauten die Elektronenbahnen 8 von der Elektronenquelle b ausgehend zunächst
parallel zur Schicht 4 bzw. 5. Uber eine Beschleunigerelektrode 10 und eine Umlenkelektrode
11 werden die Elektronen 8 rechtwinklig abgelenkt, sie so daß/senkrecht auf die
polykristalline Schicht auftreffen.
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Da nur die Elektronen abgelenkt werden, kann somit eine Schädigung
der Schicht 4 bzw. 5 durch Atome oder Ionen nicht eintreten. Zwischen der Elektronenquelle
6 sowie der polykristallinen Schicht 5 befindet sich eine Abschirmung 12.
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Die Erzeugung der Hochtemperaturzone kann alternativ, wie dies in
Fig. 6 dargestellt ist, über eine Heizspule 13 erfolgen, wobei auch hier im Abkühlungsbereich
der Hochtemperaturzone 3 eine umkristallisierte, orientierte Schicht 4 heranwächst.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 7 kaM die Hochtemperaturzone auch mittels eines
beheizten Widerstandsdrahtes 14 erzeugt werden.
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In vielen Fällen ist es wünschenswert, daß die re-kristallisierte
Schicht eine vorgegebene Kristallorientierung besitzt, wie z. B. die einer (1002-Ebene.
Ein einfaches Verfahren zur Festlegung der Kristallorientierung der umkristallisierten
Schicht ist in Fig. 9 dargestellt. Das Substrat 1 besteht aus
einer
(100)-orientierten Unterlage, wobei es sich um eine Siliziumscheibe handeln kann.
Auf diesem Substrat 1 befindet sich eine Isolatorschicht 15, die z. B. aus SiO2
bestehen kann.
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Hierauf ist die polykristalline Schicht 5, etwa aus Polysilizium,aufgebracht.
Im Gebiet des Keimes 2 ist vor Aufbringung der polykristallinen Schicht 5 die Isolatorschicht
15 entfernt worden. Bei der Fortbewegung der Hochtemperaturzone kühlt sich die erhitzte
polykristalline Schicht zunächst im Keimgebiet ab, wobei de Erstarrung epitaktisch
mit der Orientierung des (100)-Substrats erfolgt, so daß der Keim stets eine (100)-Orientierung
erhält. Diese setzt sich in die umkristallisierte polykristalline Schicht fort.
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Für die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schichten
gibt es vielfältige Anwendungen insbesondere im Bereich der Halbleitertechnik, wobei
die monokristallinen oder grobpolykristallinen Halbleiterschichten auf einem isolierenden
Substrat aufgebracht sind. Bei der Herstelluhg von Halbleiterbaulementen ist es
von Vorteil, wenn die aktiven Halbleiterbereiche nicht durch eine pn-Übergangsisolation,
sondern durch eine Quarzisolation voneinander getrennt sind.
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Auf der Basis der beschriebenen monokristallinen oder grobpolykristallinen
Schichten lassen sich diese Verhältnisse herstellen, wenn man in der Schicht Inseln
definiert, wobei man die dazwischenliegenden Bereiche wegätzen kann und auf diesen
Inseln Halbleiterbaulemente herstellt. Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen
wird ein ähnliches Verfahren in der SOS (silicon on sapphire)-Technik angewendet.
Sensoren
auf der Basis von Polysilizium bzw. monokristallinem Silizium
auf einem isolierenden Substrat haben eine besonders gute Lebensdauerqualität und
Eichgenauigkeit, da die bei pn-isolierten Bauelementen bekannten Ausfallursachen,
wie Oberflächenkanäle und Leckströme nicht infrage kommen.
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Durch das erfindunsgemäße Verfahren ist es somit gelungen, in einer
einfachen Weise ohne den Aufbau komplizierter Geräte, wie sie etwa für die Strahlenbündelung
erforderlich sind, gleichmäßig orientierte, umkristallisierte monokristalline oder
grobpolykristalline Schichten zu erzeugen.
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