DE2547931C3 - Substrat aus einem rhomboedrischen Einkristall - Google Patents

Substrat aus einem rhomboedrischen Einkristall

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Substrat aus einem Aluminiumoxid-artigen, rhomboedrischen Einkristall zum epitaxialen Aufwachsen einer Silizium-, Galliumphosphat-, Aluminiumphosphid- oder Zinksulfid-Schicht nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,3,5 bzw. 7.
Man ist bestrebt, auf solche Substrate aus elektrisch isolierendem Material eine der obengenannten Halbleiterschichten epitaxial aufzuwachsen, und zwar deshalb, weil das Substrat eine ausgezeichnete elektrische Isolation zwischen den Halbleiterbauelementen eines integrierten Schaltkreises bietet und unerwünschte Störkapazitäten ausschaltet. Als Substrat der genannten Art wird Saphier (AI2O3) oder einkristalliner Spinell (MgAl2O3) verwendet. Es besteht jedoch eine beträchtliche Gitter-Fehlanpassung zwischen dem einkristallinen Substrat und dem epitaxial aufgewachsenen Halbleiter-Einkristall, (ζ. B. »Journal of Crystal Growth«, Bd. 22, 1974, S. 125-148). Die Fehlanpassung ergibt eine latente Spannung in der Halbleiterschicht und eine Versetzung im Halbleiter-Einkristall, was das Halbleiterkristall unvollkommen und heterogen macht und die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschicht, wie beispielsweise die Beweglichkeit und die Lebensdauer von Ladungsträgern, und die unter Verwendung dieser Halbleiterschicht hergestellten integrierten Schaltkreise nachteilig beeinflußt.
Aus der japanischen Patentanmeldung 47-74 483, veröffentlicht am 28.3.1974 unter der Nummer 49-33 556, ist es bekannt, bei einer Kombination aus Saphir und Silizium diese Fehlanpassung dadurch zu verringern, daß dem Substrat ein anderes Isoliermate-
rial zugesetzt wird. Diese Veröffentlichung zeigt zwar anhand einer Kombination eines Spinell-Substrats und einer darauf gebildeten Siliziumschicht konkreter, welche Bestandteile durch welche Additive qualitativ ersetzt werden sollen, sie lehrt jedoch trotz der Andeutung der verschiedenen Möglichkeiten nicht ausdrücklich, in welcher Quantität die betreffenden Additive bei Silizium verwendet und welche Maßnahmen bei anderen aufzuwachsenden Halbleiterschichten getroffen werden müssen.
Von dieser japanischen Veröffentlichung ausgehend, sind bezüglich der Kombination von Spinell aus Magnesiumaluminat und aufzuwachsenden Halbleiterschichten, aus beispielsweise Silizium, Germanium, Germanium-Arsenid oder Gallium-Phosphid, in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 25 34 137 als Additive bestimmte Titan enthaltende Spinelle vorgeschlagen worden, die in genau angegebener Quantität ein Teil des Magnesiumaluminats ersetzen sollen.
Aus der Druckschrift »24th Electronic Components Conference, Washington USA, 13.-15. May 1974«, S. 105—110, ist zwar die Verwendung von Aluminiumoxid mit Zusätzen von Chromoxid (C^Cb) zusammen mit Magnesiumoxid (MgO) in Form von Einkristallen bekannt, jedoch bezieht sich diese Veröffentlichung auf die Entwicklung eines neuen Aluminiumoxid-Substrats mit extrem glatter Oberfläche, die für die Anwendung eines dünnen Filmes aus Tantal, Tantal-Nitrid od. dgl. geeignet sein soll. Einige wenige Prozente, nämlich 0,017 Mol% ( = 0,025 Gew.-%) Cr2O3 zusammen mit 0,63 Mol% (= 0,25 Gew.-%) MgO ist in dem Aluminiumoxid-Substrat enthalten, um die Brenntemperaturen beim Sinterprozeß herabzusetzen und somit eine höhere Dichte und kleinere Korngrößen im Bereich von 1 bis 10 μ zu erreichen. Da außerdem das dort beschriebene Aluminiumoxid-Substrat kein Einkristall ist, sondern aus kleinen Körnern besteht, und die Bildung des Dünnfilms auf dem Substrat nicht durch hetero-epitaxiales Aufwachsen erfolgt, liegt auch eine andere Problemstellung vor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Substrat der im Oberbegriff der nebengeordneten Hauptansprüche genannten Art zu schaffen, das bei optimaler Anpassung der Gitterkonstanten die elektrischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen, die durch das Aufwachsen einer Halbleiterschicht aus Silizium, Galliumphosphid, Aluminiumphosphid oder Zinksulfid auf das Substrat hergestellt werden, weniger nachteilig beeinflußt.
(iilleikonslaiile des Siliziums (Gillcrkonsliiiilc ilcs Siliziums Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den genannten Halbleitermaterialien durch die in den Ansprüchen 1, 3, 5 bzw. 7 angegebenen Merkmale gelöst
ί Auf das erfindungsgemäße Substrat kann man also eine homogene Halbleiterschicht aus den genannten Materialien derart aufwachsen, daß die daraus entstehenden Halbleiterbauelemente den gestellten Anforderungen optimal genügen.
ίο Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben ist. Es zeigt
F i g. 1 schematisch ein konventionelles Saphir-Sub-
strat und eine darauf epitaxial aufgewachsene Siliziumschicht,
F i g. 2 die Art und Weise, wie der Gitterabstand sich ändert, wenn Galliumoxid ein Teil des Aluminiumoxids des Saphirs ersetzt, und
Fig.3 schematisch ein Substrat gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, das primär aus einem Saphir-Einkristall besteht, und eine darauf epitaxial aufgewachsene Siliziumschicht.
In F i g. 1 ist ein kleiner Teil eines Saphir-Einkristalls
>-> 11 in ausgezogenen Linien und ein entsprechender Teil eines Silizium-Einkristalls 12 gestrichelt gezeichnet Die horizontale Achse in dieser Figur zeigtdie [1 2 1 O]-Achse des Saphir-Kristalls 11 und die [1 0 1 I]-Achse des Saphirkristalls 11 und die [0 0 1]-Achse des Siüziumkri-
jo stalls 12. Die Ebene dieser Figur stellt die Gitterebene (110 2) des Saphirkristalls 11 und die Gitterebene (1 0 0) des Siliziumkristalls 12 dar. Bekannt ist, daß die Siliziumschicht 12 auf das Saphir-Einkristall-Substrat 11 mit der (10 0)-Ebene der ersteren, die auf die
η (1 1 0 2)-Ebene der letzteren gebracht wird, epitaxial aufwächst. Der Gitterabstand des Saphirs längs seiner [1 2 1 O]- und seiner [1 0 1 1]-Achse ist 4,75 · 10-* μπι bzw. 5,2 · ΙΟ-4 μΐη. Die Gitterkonstante von Silizium (Kubiksystem) ist 5,43 · 10-4μπι. Im Gegensatz zum
.ίο Begriff »Gitterkonstante« bedeutet der Begriff »Gitterabstand« der Abstand zwischen zwei benachbarten Gitterebenen längs einer Richtung, die nicht notwendigerweise die Richtung der kristallographischen Achse sein muß.
Um vom Grad einer Gitter-Fehlanpassung quantitativ sprechen zu können, wird ein Fehlanpassungs-Koeffizient hier für eine Kombination aus Saphir und Silizium definiert durch:
Gillerabstanil des Saphirs
Gitlerabsland des Saphirs) 2
IOD.
Unter Verwendung der angeführten Zahlenwerte des betreffenden Gitterabstandes und der Gitterkonstanten sind die Fehlanpassungs-Koeffizienten zwischen der (1 0 O)-Ebene des Siliziums und der (1 1 0 2)-Ebene des Saphirs 13,4% und 4,3% in Richtung der in Fig. 1 herausgezeichneten horizontalen bzw. vertikalen Achse. Daraus folgt deshalb, dc^ -elbst längs der dargestellten vertikalen Achse ein«, oetrachtliche Gitter-Fehlanpassung besteht. Daraus folgen die verschiedenen, in der Beschreibungseinleitung aufgeführten Nachteile.
Gemäß F i g. 2 wurde nun festgestellt, daß der Gitterabstand des Saphirs längs der [1 2 1 O]-Achse sich, wie dargestellt, ändert, wenn Galliumoxid als ein Additiv bzw. Zusatz eben Teil des Aluminiumoxids aus dem Saphir besteht, ersetzt. Ferner wurde herausgefunden, daß solch ein ein Additiv enthaltendes Saphir-Kristall seine rhomboedrische Struktur und demgemäß das Einkristall-Merkmal selbst dann behält, wenn ein beträchtlicher Betrag eines Zusatzes, der das Alumi-
bo niumoxid ersetzt, vorgesehen ist, und daß ein Einkristall, das man unter einer hohen Temperatur, wie noch beschrieben wird, aufwachsen läßt, von einem Temperaturbereich unter etwa 10000C abgekühlt wird. Andererseits hat sich bestätigt, daß sich der Gitterabstand eines einen Zusatz enthaltenden Saphir-Einkristalls längs der [10 1 1]-Achse in im wesentlichen linearer Beziehung zu dem der [1 2 1 O]-Achse mit zunehmendem Mol% des Galliumoxids vergrößert.
Entsprechend F i g. 3, die in ihrer Darstellungsweise der F i g. 1 ähnlich ist, wird der Gitterabstand eines einen Zusatz enthaltenden Saphir-Einkristalls längs der (vertikalen) fl O 1 1]-Achse etwa 5,43 · 10-4μΐτι, wenn der Gehalt an Galliumoxid etwa 87 Mol% ist. -, Infolgedessen wird der Fehlanpassungskoeffizient in der [1 0 1 1]-Richtung etwa zu Null gemacht, obwohl eine beträchtliche Gitter-Fehlanpassung längs der [1 2 1 O]-Achse verbleibt.
Saphir, das etwa 85 Mol% Galliumoxid enthält, κι besitzt einen Schmelzpunkt von 18000C. Es ist deshalb möglich, das Zonenschmelzverfahren zum Aufwachsen eines ein Additiv enthaltenden Saphir-Einkristalls anzuwenden. Verwendet wurde Pulver, das aus 13 Mol% Aluminiumoxid (Al2O3) und 87 Mol% Gallium- r> oxid (Ga2Oj) besteht; dieses wurde gut durchmischt und zu einer Masse mit stabförmigen Umriß gepreßt. Die Masse wurde in Luft bei 13000C 24 Stunden lang zu einem keramischen Stab gesintert. Mit einem Kristallkeim bzw. Impfkristall und einem Infrarotofen wurde vom Zonenschmelzverfahren Gebrauch gemacht, wobei man ein Einkristall eines ein Additiv enthaltenden Saphirs auf dem Kristallkeim vom keramischen Stab mit einer Kristallwachstumsrate von 1 mm/h und bei einer Drehzahl des keramischen Stabes von 90UpM aufwachsen ließ. Die Abkühlung wurde im Ofen gleich nach dem Aufwachsen des Einkristalls ausgeführt Der so hergestellte Kristall war insgesamt von homogener Zusammensetzung. Ein ein Additiv enthaltender Saphir-Einkristall von homogener Zusammensetzung kann jo auch durch ein chemisches Ablagerungsverfahren, das Czochralski-Verfahren, das sogenannte EFG-Verfahren (edge-defined film fed growth method) oder durch ein ähnliches Verfahren hergestellt werden. Mit dem EFG-Verfahren, mit dem das Aufwachsen eines jj Einkristalls unter höherer Geschwindigkeit erfolgen kann, ist es möglich, den Verteilungskoeffizienten des Additivs in einem ein Additiv enthaltenden Saphir-Einkristall durch Auswahl einer angemessenen Kristallwachstumsrate zu vergrößern. Des weiteren ist es möglich, die Homogenität dadurch zu erhöhen, daß die Zusammensetzung der geschmolzenen Zone des aufwachsenden Kristalls eingestellt wird.
Unter Verwendung eines Substrats, das aus einem ein Additiv enthaltenden Saphir-Einkristalls, wie oben, mittels des Zonenschmelzverfahrens hergestellt wird, ließ man ein Silizium-Einkristall auf eine Dicke von 1 μπι von der Dampfphase aus durch thermische Ablagerung von Silan (Siliziumwasserstoff) epitaxial auf das Substrat aufwachsen. Die so hergestellte Silizium-Einkristall-Schicht besitzt eine vollkommene und homogene Kristallstruktur, selbst an ihren Bereichen nahe der Übergangs- bzw. Grenzfläche zwischen der Siliziumschicht und dem Substrat und zeigt ausgezeichnete elektrische Eigenschaften. Im einzelnen wurde eine r> Silizium-Einkristall-n-Schicht auf einem Substrat gemäß vorliegender Erfindung unter Zusatz von Phosphin (Phosphorwasserstoff) zum Silan gebildet Bei einer Trägerkonzentration unter 2 χ 10'Vcm3 betrug die Mobilität der Ladungsträger in der n-Siliziumschicht bo 800 cm2/(V see) oder mehr im Gegensatz zum betreffenden Wert von etwa 500 cm2/(V see) für eine auf einem herkömmlichen Saphir-Substrat gebildete Silizium-Einkristall-Schicht In ähnlicher Weise wurde eine Silizium-Einkristall-p-Schicht auf einem Substrat gemäß vorlie- bi gender Erfindung hergestellt. Der Leckstrom zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode einer p-Kanal-MOS-Vorrichtung, die unter Verwendung einer p-Silizium-Schicht hergestellt ist, betrug nur etwa 0,1 ρΑ/μιη, welcher Wert etwa 1/10 des Wertes derjenigen Vorrichtung ist, die unter Verwendung einer Silizium-Einkristall-p-Schicht hergestellt ist, die auf einem herkömmlichen Saphir-Substrat gebildet ist, Es ist möglich, ein Substrat gemäß vorliegender Erfindung zu verwenden, um darauf Halbleiter Speicherelemente der und/oder MOS-Struktur herzustellen.
Nahezu dieselben erwünschten Resultate erhält man, wenn der Fehlanpassungs-Koeffizient längs der [1 0 1 1]-Achse nicht größer als etwa 0,5% infolge der iSelbstdotierung von Gallium in die Siliziumschicht ist. !Für einen Fehlanpassur.gskoeffizienten von 0,5% oder weniger betragen die Mol% Galliumoxid zwischen 71 und 98. Ein Fehlanpassungskoeffizient von etwa 1,0% war zulässig, wenn die Anforderung an die elektrischen Eigenschaften der Siliziumschicht nicht streng sind.
Es wurde festgestellt, daß Titanoxid (Ti2O3), Scandiumoxid (SC2O3), Chromoxid (Cr2Os), Eisenoxid (Fe2O3), Magnesium-Titan-Oxid (MgTiO3) oder Eisen-Titan-Oxid (FeTiO3) statt Galliumoxid verwendet werden kann. Der Gehalt an diesen Oxiden bei einem Fehlanpassungskoeffizienten von 0,5% oder weniger längs der [1 0 T 1]-Achse des Saphirs beträgt von 42 bis 55, 25 bis 33, von 83 bis 99, von 60 bis 73, von 56 bis 73 bzw. von 50 bis 65 Mol%. Dieser Gehalt ist bei einem Fehlanpassungskoeffizienten von 0% in der in Rede stehenden Richtung 49,29,95,69,65 bzw. 57 Mol%.
Zum epitaxialen Aufwachsen eines Einkristalls aus Galliumphosphid (GaP) auf ein ein Additiv enthaltendes Saphir-Einkristall-Substrat gemäß vorliegender Erfindung ist der Gehalt im Substrat an Galliumoxid, Titanoxid, Scandiumoxid, Chromoxid, Eisenoxid, Magnesium-Titanoxid und Eisen-Titanoxid von 88 bis 99,50 bis 62,29 bis 37,96 bis 99,71 bis 89,66 bis 83 bzw. von 58 bis 74 Mol%, um einen Fehlanpassungskoeffizienten von 0,5% oder weniger längs der [1 0 T I]-Achse des Saphirs zu verwirklichen. Wenn es auch bei Verwendung von Gallium- oder Chromoxid nicht möglich ist den Fehlanpassungskoeffizienten auf 0% zu reduzieren, ist es doch bei Verwendung von einem der anderen Oxide bei 56,33,80,74 bzw. 66 Mol% möglich.
Zum epitaxialen Aufwachsen eines Einkristalls aus Aluminium-Phosphid (AIP) ist es nicht möglich, Chromoxid zum Erreichen eines Fehlanpassungskoeffizienten von 0,5% oder weniger längs der [10 1 1]-Achse des Saphirs zu verwenden. Der Gehalt an Galliumoxid, Titanoxid, Scandiumoxid, Eisenoxid, Magnesium-Titanoxid und Eisen-Titanoxid bei einem Fehlanpassungskoeffizienten von 0,5% oder weniger liegt von 92 bis 99,52 bis 65, 31 bis 35, 74 bis 92, 69 bis 86 bzw. von 61 bis 76 Mol%. Bei einem Fehlanpassungskoeffizienten von 0%, in welchem Falle Galliumoxid gut dienen kann, ist der Gehalt der verbleibenden Oxide 58, 35, 83, 77 bzw. 69 Mol%.
Zum epitaxialen Aufwachsen eines Einkristalls aus Zinksulfid (ZnS) ist der Gehalt der Oxide von Gallium, Titan und Scandium von 72 bis 94,40 bis 53 bzw. von 24 bis 32 Mol% unter Reduzierung des Fehlanpassungskoeffizienten auf 0,5% oder weniger. Der entsprechende Gehalt zum Erreichen eines Fehlanpassungskoeffizienten von 0% ist 83,47 bzw. 28 Mol%.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Substrat aus einem Aluminiumoxid-artigen, rhomboedrischen Einkristall, das eine erste Gitterkonstante und eine Oberfläche mit bestimmten kristallographischen Indizes besitzt, zum epitaxialen Aufwachsen einer Siliziumschicht, die eine von der ersten Gitterkonstanten verschiedene zweite Gitterkonstante aufweist, für Halbleiterbauelemente, bei dem ein Teil des Aluminiumoxid» (AI2O3) durch ein anderes Oxid ersetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Oxid aus derjenigen Gruppe ausgewählt ist, die Galliumoxid (Ga2O3) im Bereich von 71 bis 98 Mol°/o, Titanoxid (Ti2O3) im Bereich von 42 bis 55 Mol%, Scandiumoxid (Sc2O3) im Bereich von 25 bis 33 Mol%, Chromoxid (Cr2O3) im Bereich von 83 bis 99 K5ol°/o, Eisenoxid (Fe2O3) im Bereich von 60 bis 78 Mol%, Magnesium-Titan-Oxid (MgTiO3) im Bereich von 56 bis 73 Mol% und Eisen-Titan-Oxid (FeTiO3) im Bereich von 50 bis 65 Mol% enthält und der Rest Aluminiumoxid (Al2O3) ist
2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnnet, daß das andere Oxid 87 Mol°/o Galliumoxid oder 49 Mol°/o Titanoxid oder 29 Mol% Scandiumoxid oder 95 Mol% Chromoxid oder 69 Mol% Eisenoxid oder 65 Mol% Magnesiumoxid oder 57 Mol% Eisen-Titan-Oxid und der Rest Aluminiumoxid ist.
3. Substrat aus einem Aluminiumoxid-artigen, rhomboedrischen Einkristall, das eine erste Gitterkonstante und eine Oberfläche mit bestimmten kristallographischen Indizes besitzt, zum epitaxialen Aufwachsen einer G2lliumphosphid-(GaP)Schicht, die eine von der ersten Gitterkonstanten verschiedene zweite Gitterkonstante aufweist, für Halbleiterbauelemente, bei dem ein Teil des Aluminiumoxids Al2O3 durch ein anderes Oxid ersetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Oxid aus derjenigen Gruppe ausgewählt ist, die Galliumoxid (Ga2O3) im Bereich von 88 bis 99 Mol%, Titanoxid (Ti2O3) im Bereich von 50 bis 62 Mol%, Scandiumoxid (Sc2O3) im Bereich von 29 bis 37 Mol%, Chromoxid (Cr2O3) im Bereich von 96 bis 99 Mol%, Eisenoxid (Fe2O3) im Bereich von 71 bis 89 MoI0Zb, Magnesium-Titan-Oxid (MgTiO3) im Bereich von 66 bis 83 Mol% und Eisen-Titan-Oxid (FeTiO3) im Bereich von 58 bis 74 Mol% enthält, und der Rest Aluminiumoxid (Al2O3) ist.
4. Substrat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Oxid 56 Mol°/o Titanoxid oder 33 Mol% Scandiumoxid oder 80 Mol% Eisenoxid oder 74 Mol% Magnesium-Titan-Oxid oder 66 Mol% Eisen-Titan-Oxid und der Rest Aluminiumoxid ist.
5. Substrat aus einem Aluminiumoxid-artigen, rhomboedrischen Einkristall, das eine erste Gitterkonstante und eine Oberfläche mit bestimmten kristallographischen Indizes besitzt, zum epitaxialen Aufwachsen einer Aluminiumphosphid-(AlP)Schicht, die eine von der ersten Gitterkonstanten verschiedene zweite Gitterkonstante aufweist, für Halbleiterbauelemente, bei dem ein Teil des Alumihiumoxids (Al2O3) durch ein anderes Oxid ersetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Oxid aus derjenigen Gruppe ausgewählt ist, Öie Galiumoxid (Ga2O3) im Bereich von 92 bis 99 Mol%,
Titanoxid (Ti2O3) im Bereich von 52 bis 65 Mol%, Scandiumoxid (Sc2O3) im Bereich von 31 bis 38 Mol%, Eisenoxid (Fe2O3) im Bereich von 74 bis 92 Mol°/o, Magnesium-Titan-Oxid (MgTiO3) im Bereich von 69 bis 86 Mol% und Eisen-Titan-Oxid (FeTiO3) im Bereich von 61 bis 76 Mol% enthält, und der Rest Aluminiumoxid (Al2O3) ist.
6. Substrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Oxid 58 Mol% Titanoxid oder 35 Mol% Scandiumoxid oder 83 Mol% Eisenoxid oder 77 Mol°/o Magnesium-Titan-Oxid oder 69 Mol% Eisen-Titan-Oxid und der Rest Aluminiumoxid ist
7. Substrat aus einem Aluminiumoxid-artigen, rhomboedrischen Einkristall, das eine erste Gitterkonstante und eine Oberfläche mit bestimmten kristallographischen Indizes besitzt, zum epitaxialen Aufwachsen einer Zinksulfid-(ZnS)Schicht, die eine von der ersten Gitterkonstanten verschiedene zweite Gitterkonstante aufweist, für Halbleiterbauelemente, bei dem ein Teil des Aluminiumoxids (Al2O3) durch ein anderes Oxid ersetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Oxid aus derjenigen Gruppe ausgewählt ist, die Galliumoxid (Ga2O3) im Bereich von 72 bis 94 Mol°/o, Titanoxid (Ti2O3) im Bereich von 40 bis 53 Mol°/o und Scandiumoxid (Sc2O3) im Bereich von 24 bis 32 Mol% enthält, und der Rest Aluminiumoxid (Al2O3) ist
8. Substrat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Oxid 83 Mol% Galliumoxid oder 47 Mol% Titanoxid oder 28 Mol% Scandiumoxid und der Rest Aluminiumoxid ist
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