DE1185151B - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinen, insbesondere duennen halbleitenden Schichten - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinen, insbesondere duennen halbleitenden SchichtenInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: BOIj
Deutsche KL: 12 c-2
Nummer: 1185 151
Aktenzeichen: S 71476IV c/12 c
Anmeldetag: 30. November 1960
Auslegetag: 14. Januar 1965
Es ist bekannt, einkristalline Halbleiterschichten durch Aufwachsen aus der Gasphase auf einem Träger
aus dem gleichen Material herzustellen. Bei den bisher üblichen Verfahren wurde der Träger in einer
die zu zersetzende gasförmige Verbindung enthaltenden Atmosphäre erhitzt, so daß der Halbleiterstoff
auf der ganzen freien Oberfläche des Trägers aufwächst.
Es ist außerdem bereits ein Verfahren zum Herstellen von einkristallinen, insbesondere dünnen halbleitenden Schichten bekannt, bei dem eine gasförmige
Verbindung des Halbleiterstoffes thermisch zersetzt und der Halbleiter auf. einen plattenförmigen erhitzten
Träger, der eine gegenüber dem Halbleiter verschiedene Gitterstruktur aufweist und der gegebenenfalls
mit einem dotierenden Stoff präpariert ist, in einer schmalen, in der Größenordnung von Millimetern
breiten Zone abgeschieden und davon ausgehend die Zone über den plattenförmigen Träger
geführt wird. Bei diesem Verfahren wird das Halbleitermaterial in der schmalen Zone in flüssiger Form
abgeschieden. Beim Abkühlen wird der Temperaturgradient so eingestellt, daß die vom Träger abgewandte
Oberfläche der Schicht zuerst erstarrt und dadurch ein einkristallines Wachstum gewährleistet
wird.
Demgegenüber wird beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auf den Träger, der gegebenenfalls
bei der Abscheidetemperatur Wasserstoff abgeben kann, ein Keimkristall aufgebracht, der so
orientiert ist, daß die Wachstumsgeschwindigkeit in Richtung der ausgedehnten Oberfläche des Trägers
viel größer ist als senkrecht zu dieser, und es wird von diesem ausgehend abgeschieden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein gezieltes Niederschlagen auf Teilen der Oberfläche
des Trägers. Die Unabhängigkeit der niedergeschlagenen Schicht von der Gitterstruktur des Trägers
wird dadurch erreicht, daß der Kristall nicht auf dem Träger aufwächst, sondern das Einkristallwachstum
sich, von einem auf den Träger angeordneten Keimkristall ausgehend, flächenförmig ausbreitet.
Bei diesem Verfahren kann daher ein Träger mit einer von der des Halbleiterstoffs verschiedenen
Gitterstruktur, ζ. B. Quarz oder Metall, wie z. B. Tantal, verwendet werden. Gemäß einer besonders
günstigen Ausführungsform der Erfindung kann ein Träger aus Keramik verwendet werden.
Weiter wird vorgeschlagen, in der schmalen Zone in der die Zersetzung und das Niederschlagen erfolgt,
einen schräg zur Oberfläche des Trägers verlaufenden Temperaturgradienten derart aufrechtzu-Verfahren
und Vorrichtung zum Herstellen
von einkristallinen, insbesondere dünnen
halbleitenden Schichten
von einkristallinen, insbesondere dünnen
halbleitenden Schichten
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
ίο München 2, Witteisbacherplatz 2
Berlin und München,
ίο München 2, Witteisbacherplatz 2
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Günther Ziegler,
1S Erlangen;
Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Günther Ziegler,
1S Erlangen;
Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. Erhard Sirtl, München
erhalten, daß die Wachstumsgeschwindigkeit an der Schichtoberfläche am größten ist. Durch diese Maßnahme
wird eine Wachstumsstörung durch die an der Oberfläche der Unterlage niedergeschlagenen Schicht
weitgehend vermieden.
Eine nähere Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand einiger besonders günstiger Ausführungsbeispiele
gegeben.
In F i g. 1 ist ein z. B. aus Quarz bestehender plattenförmiger Träger 2 dargestellt, auf dessen ausgedehnter
Oberfläche 15 ein Keimkristall 1 angeordnet ist. Der Einkristall 1 ist so orientiert, daß die Kristallwachstumsgeschwindigkeit
in der durch den Pfeil 12 angegebenen Richtung viel größer ist als senkrecht zu dieser Richtung. Bei Kristallen mit
Diamantgitter ist also die in der Ebene 15 liegende Kristallebene des Keimkristalls die (lll)-Ebene und
die in der Wachstumsrichtung, also senkrecht zur Oberfläche 15 liegende Ebene die (112)-Ebene. Gemaß
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Keimkristall nicht von einer
Schmalseite des Trägers zur anderen, sondern er ist als kleines Plättchen ausgebildet, das auf einer Seite
der Oberfläche 15 des Trägers etwa in der Mitte angeordnet ist.
Der Träger mit dem Keimkristall befindet sich in einer Atmosphäre, die eine gasförmige Verbindung
des zu zersetzenden Halbleitermaterials enthält, z. B. eine Halogenverbindung oder eine Wasserstoffverbindung
des Siliciums (z. B. SiCl
SiH2Cl2,
SiH4) oder des Germaniums (z. B. GeCl4, GeH2Cl2,
GeJ4, GeH4), oder gasförmige Verbindungen der
409 768/251
III. und V. Gruppe des Periodischen Systems. Der Träger befindet sich auf einer so tiefen Temperatur,
daß keine Abscheidung erfolgt. Durch eine Heizvorrichtung, z. B. durch einen Infrarotstrahler 4, der sich
senkrecht zur Richtung der Pfeile 14 und 15 über die gesamte Breite des Trägers erstreckt, wird eine
schmale Zone des Trägers auf die Zersetzungstemperatur erhitzt, so daß nur in dieser schmalen erhitzten
Zone (Hochtemperaturzone) der Halbleiterstoff zur Abscheidung gebracht wird. Der Infrarotstrahler
wird, ausgehend vom Keimkristall 1, in'Richtung des Pfeiles 12 am Träger entlanggeführt. Das Einkristallwachstum
breitet sich, vom Keimkristall ausgehend, flächenförmig aus. Zur Erhitzung der Zone wird dabei
entweder die Heizvorrichtung am Träger entlanggeführt, oder der Träger wird über die Heizvorrichtung
hinweggeführt. Die Geschwindigkeit, mit der die Temperaturzone wandert, ist dabei im wesentlichen
durch die Aufheizgeschwindigkeit des Trägers auf die Zersetzungstemperatur durch die Heizvorrichtung
bestimmt.
Statt eines Infrarotstrahlers kann, wenn der Träger aus einem geeigneten Material besteht, auch eine
Hochfrequenzspule zum Aufheizen verwendet werden. Die Aufheizung der schmalen Zone kann aber
auch durch eine Gasentladung zwischen dem Träger und einer an der Oberfläche 15 des Trägers entlanggeführten
Elektrode erfolgen.
Durch die Heizvorrichtung wird ein Temperaturgradient
im Träger erzeugt. Dieser wird zweckmäßig so gewählt, daß die Temperatur an der Oberfläche 15
des Trägers innerhalb der schmalen Zone so hoch ist, daß eine maximale Abscheidung erfolgt. In F i g. 2
ist die Abscheidungskurve 16 für Silicium aus einem bestimmten SiCl4-H2-Gemisch aufgetragen. Auf der
Ordinate ist die abgeschiedene Menge des Halbleitermaterials in Gramm und auf der Abszisse die Temperatur
T aufgetragen. Mit F1, ist der Schmelzpunkt
des Siliciums bezeichnet. Man kann diesem Diagramm entnehmen, daß die Temperatur T1, bei der
eine maximale Abscheidung erfolgt, etwas unterhalb des Schmelzpunktes des Siliciums liegt. Es ist günstig,
die Oberfläche 15 des Trägers innerhalb der schmalen Zone auf dieser Temperatur zu halten.
In F i g. 3 ist eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Der z. B. wieder aus Quarz bestehende Träger 2, auf dem der Einkristallkeim 1 aufgebracht
ist, befindet sich an seiner Oberfläche 15 auf einer Temperatur, bei der die Abscheidung des Halbleiterstoffes
erfolgt. Zur Bildung der Einkristallschicht 3 wird eine schneidenförmige Düse, aus der die zu
zersetzende gasförmige Verbindung ausströmt, vom Keimkristall ausgehend in Richtung des Pfeiles 11
den Träger entlanggeführt. Es können auch mehrere schneidenförmige Düsen, aus denen das Reaktionsgas strömt, nebeneinander angeordnet sein und den
Träger entlanggeführt werden.
Mittels dieser schneidenförmigen Abscheidedüse wird, von einem flächenhaften schmalen Einkristall 1
ausgehend, eine einkristalline Aufwachsschicht 3 erzeugt, die sich durch die oben angegebene Orientierung
des Keimkristalls mit bevorzugter Wachstumsrichtung auf der Oberfläche 15 des Trägers ausbreitet.
Die Düse 5 ist von einem Mantel 7 umgeben, durch den ein inertes Gas, z. B. Stickstoff, in Richtung
der Pfeile 9 und 10 strömt, um Wachstumsstörungen an den Stellen niederer Temperatur zu unterbinden.
Das zu zersetzende Gas strömt in Richtung des Pfeiles 6 durch die durch eine Wandung 8 in zwei
Kammern getrennte Düse 5.
In F i g. 4 ist der Träger von oben gesehen dargestellt. Man kann aus dieser Figur erkennen, wie die
Halbleiterschicht, vom Keimkristall 1 ausgehend, flächenförmig weiterwächst.
Es ist bei dem in Zusammenhang mit der F i g. 3 beschriebenen Verfahren aber auch möglich, nur jeweils
die schmale Zone des Trägers, die sich unterhalb der Düse befindet, durch eine der in Zusammenhang
mit F i g. 1 beschriebenen Heizvorrichtungen aufzuheizen, wobei die übrigen Teile der Trägeroberfläche
sich auf einer unterhalb der Zersetzungstemperatur liegenden Temperatur befinden. Diese
Heizvorrichtung wird dann analog dem in Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebenen Verfahren mit
der gleichen Geschwindigkeit wie die Düse vom Keimkristall ausgehend in Richtung des Pfeiles 11
bewegt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Dotierungsstoff während des Niederschiagens aus
dem Träger in die niedergeschlagene Schicht eindiffundiert werden, wenn ein mit dotierenden Stoffen
präparierter Träger verwendet wird.
Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der Erfindung wird ein Träger verwendet, der bei der
Reaktionstemperatur Wasserstoff abgibt. Dies ist vor allem bei der Zersetzung von Siliciumtetrachloriddämpfen
unter Bildung von Siliciumschichten günstig. Man kann z. B. ein mit einer definierten Wasserstoffmenge
beladenes Tantalblech als Träger verwenden. Bei Erhitzung des Trägers oder einer schmalen Zone
des Trägers auf die Zersetzungstemperatur gibt der Träger den reduzierend wirkenden Wasserstoff ab.
Da die Abscheidung durch die Menge des vom Träger abgegebenen Wasserstoffs begrenzt ist, kann die
Dicke der Schicht durch diese Maßnahme gesteuert werden. Dabei ist die Menge des abgegebenen
Wasserstoffs nicht nur von der zur Beladung verwendeten Wasserstoffmenge, sondern auch von der Dicke
der bereits abgeschiedenen Halbleiterschicht bestimmt, da durch diese hindurch die Diffusion des
Wasserstoffs erfolgen muß.
Das mit Wasserstoff beladene Tantalblech, das als Träger dient, kann z. B. vorher mit Bor behandelt
werden, so daß beim Niederschlagen sofort eine hochdotierte Halbleiterschicht entsteht.
Um beim Abkühlen der Schichten, insbesondere bei Verwendung eines Trägers mit einer vom abgeschiedenen
Halbleitermaterial verschiedenen Gitterstruktur, die wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnung
von Träger und Schicht leicht auftretenden Sprünge zu vermeiden, wird erfindungsgemäß weiter
vorgeschlagen, daß die ausgedehnte Oberfläche des Trägers vor dem Abscheiden mit Einschnitten versehen
wird. Als besonders günstiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 ein Teil 17 eines mit Einschnitten
versehenen Trägers dargestellt. Der z. B. aus Quarz bestehende Träger ist mit eingesägten Schlitzen versehen,
von denen zwei mit 18 und 19 bezeichnet sind. Durch die Dünnstellen, von denen zwei mit 22 und
23 bezeichnet sind, wird das Einkristallwachstum begünstigt, da durch diese eine Verarmung an Versetzungslinien
im Kristall erzielt wird. Beim Abkühlen möglicherweise auftretende Risse entstehen bevorzugt
an den Dünnstellen. Diese sind aber dann ohne Bedeutung, da der Träger zum Herstellen einzelner
Bauelemente sowieso an den Dünnstellen zerteilt wird.
Andere Möglichkeiten, um bei Verwendung eines Trägers, dessen Wärmeausdehnung sich von der des
niedergeschlagenen Halbleiterstoffs unterscheidet, die Rissebildung weitgehend zu vermeiden, sind auch
dadurch gegeben, daß der Träger bei hoher Temperatur durch Zersägen der Halbleiterschicht mittels
eines Sandstrahls unterteilt wird. Eine Vermeidung von Rissen kann auch durch eine sehr dünne und
elastische Unterlage, die als Träger dient, bewerkstelligt werden. Dabei muß aber der Nachteil einer
geringeren mechanischen Stabilität in Kauf genommen werden.
Beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bildet sich die einkristalline halbleitende Schicht 3
nur auf den Teilen des Trägers, die während des Verfahrens durch die Heizvorrichtung auf die Zersetzungstemperatur
erhitzt werden, bzw. nur auf den Teilen der Oberfläche, auf die die zu zersetzende
gasförmige Verbindung z. B. mittels einer Düse geleitet wird. Es können mit dem Verfahren gemäß der
vorliegenden Erfindung also auch halbleitende Schichten erzeugt werden, die nicht den ganzen Träger
bedecken bzw. deren geometrische Ausdehnung auf den einzelnen Teilen der Oberfläche verschieden
groß ist. Dies ist vor allem bei der Herstellung von Festkörperschaltkreisen von Vorteil, bei denen die
aktiven und passiven Elemente einer Schaltung in einem Träger, der z. B. aus einem Halbleiter, z. B.
Silicium oder Germanium, oder aus Keramik besteht, enthalten sind. Zur Herstellung derartiger Bauelemente
ist das Verfahren besonders günstig, da dann z. B. eine Abdeckung des aus einem Halbleiter,
aus Keramik oder einem Metall bestehenden Trägers, wie sie bisher beim Aufdampfen der verschiedenen
Schichten notwendig waren, fortfallen kann.
Claims (8)
1. Verfahren zum Herstellen von einkristallinen, insbesondere dünnen halbleitenden Schichten
durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleiterstoffes und Niederschlagen
des Halbleiters auf einem plattenförmigen erhitzten Träger mit gegenüber dem Halbleiter
verschiedener Gitterstruktur, der gegebenenfalls mit einem dotierenden Stoff präpariert ist,
wobei in einer schmalen, in der Größenordnung von Millimetern breiten Zone der Halbleiterstoff
abgeschieden und davon ausgehend die Zone über den plattenförmigen Träger geführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß auf den Träger, der gegebenenfalls bei der Abscheidetemperatur
Wasserstoff abgeben kann, ein Keimkristall aufgebracht wird, der so orientiert ist,
daß die Wachstumsgeschwindigkeit in Richtung der ausgedehnten Oberfläche des Trägers viel
größer ist als senkrecht zu dieser, und daß von diesem ausgehend abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der schmalen Zone ein
schräg zur Oberfläche des Trägers verlaufender Temperaturgradient derart aufrechterhalten wird,
daß die Wachstumsgeschwindigkeit an der Schichtoberfläche am größten ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger aus Keramik verwendet
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Wasserstoff beladenes
Tantalblech als Träger verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger
nur innerhalb der schmalen Zone auf die Abscheidetemperatur aufgeheizt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger
verwendet wird, dessen Oberfläche vor dem Abscheiden mit Einschnitten (18, 19) versehen worden
ist.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß eine schneidenförmige Düse über dem Träger und dazu relativ verschiebbar
angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere schneidenförmige
Düsen nebeneinander angeordnet sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 880 117;
Chemie, Ingenieur, Technik, 1956, S. 350 ff.
USA.-Patentschrift Nr. 2 880 117;
Chemie, Ingenieur, Technik, 1956, S. 350 ff.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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US2880117A (en) * | 1956-01-20 | 1959-03-31 | Electronique & Automatisme Sa | Method of manufacturing semiconducting materials |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB939051A (en) | 1963-10-09 |
CH426745A (de) | 1966-12-31 |
US3160521A (en) | 1964-12-08 |
NL270516A (de) |
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