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DE1152197B - Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen durch pyrolytisches Aufbringen von Halbleiterschichten auf eine Halbleiterunterlage - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen durch pyrolytisches Aufbringen von Halbleiterschichten auf eine Halbleiterunterlage

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Publication number
DE1152197B
DE1152197B DEW30828A DEW0030828A DE1152197B DE 1152197 B DE1152197 B DE 1152197B DE W30828 A DEW30828 A DE W30828A DE W0030828 A DEW0030828 A DE W0030828A DE 1152197 B DE1152197 B DE 1152197B
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DE
Germany
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semiconductor
base
silicon
layer
temperature
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Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DEW30828A
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English (en)
Inventor
Henry Charles Theuerer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AT&T Corp
Original Assignee
Western Electric Co Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Western Electric Co Inc filed Critical Western Electric Co Inc
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Pending legal-status Critical Current

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Description

Übertragung über die Dampfphase von der festen 30 Der Halbleiterkörper und die Unterlage werden auf Phase des stoffliefernden Körpers zur Unterlage. eine vom Schmelzpunkt des Materials abhängige Dieser Übertragungsmechanismus besteht aus einer Temperatur erhitzt, und zwar zweckmäßig bis knapp bevorzugten Verdampfung des stoff liefernden Körpers unterhalb des Schmelzpunktes der niedrigstschmelzen- und dem Transport des Dampfes zur Unterlage, den Verbindung. Während des Transportvorgangs wobei dieser Transport auf der kleinen räumlichen 35 muß jedoch ein Temperaturunterschied1 von 10 bis Entfernung zwischen den Körpern und dem zwischen 100° C zwischen dem stoffliefernden Halbleiterkörper ihnen herrschenden Temperaturgradienten beruht. und der Unterlage aufrechterhalten werden, wenn ein
Der Transportvorgang erfordert einen stoffliefern- wirksamer Transport erreicht werden soll. Der stoffden Körper mit der Zusammensetzung und der Leit- liefernde Halbleiterkörper wird bequem auf der fähigkeit, die in der zu bildenden Schicht gewünscht 40 höheren Temperatur gehalten, indem man das Heizwird, und eine Unterlage aus gewünschtem Material, element in seiner Nähe anbringt. Solche Temperaturauf die das Material aufzubringen ist. Bei der Bildung unterschiede sind in dem erforderlichen Temperaturepitaktischer Schichten müssen bekanntlich Unterlags- bereich ziemlich leicht zu erhalten. Wegen der wechmaterial und Schichtmaterial vergleichbare Kristall- selnden Abmessungen der Apparatur, des Typs und gitterstrukturen besitzen. Andererseits können für 45 der Anordnung des Heizelements oder des Umfangs Schicht und Unterlage zwei beliebige Halbleiter aus- von stofflieferndem Block und Unterlage werden die gewählt werden. Mit dem Verfahren können Schich- Temperaturen am zuverlässigsten auf empirischem ten mit sehr kleinen Abmessungen in kontrollierter Wege ermittelt.
Weise hergestellt werden. Ein weiterer kritischer Faktor für das Verfahren
Der stoffliefernde Körper und die Unterlage wer- 50 ist der relative Abstand zwischen dem stoffliefernden
den in einem Behälter, etwa einem Quarzrohr, auf- Körper und der Unterlage. Es wurde festgestellt, daß
gestellt, und der Behälter wird mit einem halogen- praktisch kein Materialtransport auftritt, wenn die
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verschlossenen Quarzrohr mit der Heizspule, wie gezeigt, erhitzt. Zunächst wird reiner Wasserstoff durch Rohr 11 eingeführt, um die Apparatur sauber zu spülen. Der Wasserstoff strömt bei dieser Vor-5 behandlung mit einer Geschwindigkeit von 1 l/Min., deren Dauer beträgt Va Stunde. Während dieses Vorgangs wird der Siliziumsockel auf einer Temperatur von annähernd 1220° C gehalten. Nach der Vorbehandlung wird eine Mischung aus Wasserstoff mit
Apparatur gekühlt. Die Untersuchung des Plättchens ergibt dann folgendes: Das untere Plättchen ist geätzt, aber nur in den Bezirken, in denen es vom
beiden Elemente um mehr als 10 Mikron voneinander
getrennt sind. Engere Abstände sind, ohne daß es
eine untere Grenze gibt, möglich, jedoch mit der
Einschränkung, daß hochpolierte ebene Flächen, die
miteinander in Berührung stehen, unwirksam sind,
weil der Zutritt für das halogenhaltige Gas versperrt
ist. Gewöhnliche Oberflächen, wie üblicherweise in
dieser Technik verwendet, können miteinander in
Berührung gebracht werden, und man erhält einen
hinreichenden Materialtransport. Demgemäß ist die io annähernd 2% HCl in das Quarzrohr mit einer Gebequemste Methode zum Einhalten der kritischen schwindigkeit von etwa 1 l/Min, eingeführt. Dieser räumlichen Entfernung das Aufeinanderstellen der Vorgang dauert 5 Minuten. Während dieses Zeit-Stücke, abschnitts ist die Temperatur des unteren Plättchens Dieser extrem kleine Abstand führt zu einem 1220° C, während die Temperatur des oberen Plättwesentlichen Vorteil dieses Transportverfahrens. Ein 15 chens 1180° C beträgt.
auf dem stoffliefernden Halbleiterkörper gebildetes Nach Beendigung des Transportvorgangs wird die
Muster von mehr als 10 Mikron Tiefe bewirkt eine
Wiedergabe des Musters auf der Unterlage, da ein
Materialtransport nur an den erhabenen Stellen des
Körpers auftreten kann, die mit der Unterlage in 20 oberen Plättchen bedeckt ist. Das obere Plättchen hat Kontakt stehen oder sich innerhalb 10 Mikron Ab- im Gewicht um 2,31 mg zugenommen und zeigt nach stand befinden. Auf diese Weise kann man einen dem Halbieren, Polieren und Ätzen eine Siliziumeinzigen stoffliefernden Körper mit einem tiefgeätzten schicht in der Größenordnung von 10 Mikron Dicke, Muster verwenden, um zahlreiche gemusterte Schich- die seine Unterseite bedeckt. Diese Schicht ist ein ten herzustellen. Damit entfällt die Notwendigkeit 25 Kristallin mit der gleichen (lll)-Kristall-Orientierung einer Maskierung der einzelnen Unterlage. wie die Unterlage.
Eine Apparatur zur Durchführung des Verfahrens Beispiel II
gemäß Erfindung wird in der Zeichnung als Beispiel
erläutert. Ein ähnlicher Versuch wie der des Beispiels I
Die Abbildung zeigt das Quarzrohr 10, das mit der 30 wurde durchgeführt, um zu zeigen, daß die Leitfähig-Leitung 11 verbunden ist, die das halogenhaltige Gas, keit der Schicht praktisch die gleiche ist wie die in diesem Fall Chlorwasserstoff, und das Verdün- Leitfähigkeit des stoffliefernden Körpers. Der Vernungsgas, in diesem Fall Wasserstoff, enthält. Der such zeigt auch die bei dem Verfahren nach der Chlorwasserstoff aus dem Behälter 12 strömt durch Erfindung mögliche Reproduzierbarkeit des Leiteine Kühlvorlage 13, die in eine Mischung 14 aus 35 fähigkeitstyps und -wertes. Es werden zwei Plättchen Kohlensäureschnee und Alkohol von einer Tempera- ""** """""· K=""+-f ^- ^-«i-f—1- t>ix++„u^ :„+ tür von -8O0C eintaucht. Das Gas strömt dann
durch das Regelventil 15, den Strömungsmesser 16
und ein weiteres Regelventil 17 in das Rohr 11, wo
das Verdünnungsgas H2 aus dem Behälter 18 dem 40 lage ist aus p-leitendem Silizium. Der Transport-Gasstrom zugeführt wird. Nahe dem unteren Ende Vorgang ^st völlig identisch mit dem des Beispiels I, des Quarzrohres befindet sich ein Auslaßrohr 19 als
Austritt für den verdünnten Chlorwasserstoff. Die
Unterlage 20 steht in Kontakt mit einem Sockel 21
aus dem stoffliefernden Material, welcher seinerseits 45 zeigt bei der Prüfung η-leitendes Silizium mit von der Stütze 22 getragen wird, die am Ende des einer Konzentration der Verunreinigung von etwa
1,4 · 1014 Atomen'cm3 und einem Widerstand von 33,4 Ohm/cm.
Aus diesem Beispiel ersieht man, daß die Leit-50 fähigkeit der Schicht allein durch die Kontrolle des Ausgangsmaterials exakt gesteuert werden kann. Mit anderen Worten, es ist kein regelbares Verfahren erforderlich, das als beherrschender Faktor bei der Bestimmung der Leitfähigkeit der gewünschten
wendet, von denen das eine als Unterlage und das 55 Schicht gesteuert werden muß. So liefert das Verfahandere als stofflieferndes Material diente. Das erste ren gemäß Erfindung ein einfaches, jedoch wirksames Plättchen ist das stoffliefernde Plättchen und besteht
aus η-leitendem Silizium. Das Plättchen wird auf
einen Siliziumsockel gelegt und in einem Quarzrohr,
wie in der Abbildung gezeigt, angebracht. Ein zweites 60
Plättchen im Gewicht von 31,15 mg, das die Unterlage darstellt und aus p-leitendem Silizium besteht,
wird auf das erste Plättchen und in Berührung damit
gebracht. Jedes Plättchen ist zuvor poliert und in
Salpetersäure und Flußsäure geätzt, mit deionisiertem 65 Unterlage zu zeigen. Wasser gespült, mit Äthylendichlorid gewaschen, in Zur Erläuterung sei ein einzelnes Plättchen beSalzsäure gekocht und wieder mit deionisiertem trachtet, das als Unterlage dient und auf einem Sockel Wasser gewaschen. Beide Plättchen werden dann im aus Silizium, ähnlich dem in der Abbildung gezeigten,
wie zuvor benutzt. Das stoffliefernde Plättchen ist aus η-leitendem Silizium mit einer Konzentration der Verunreinigung von annähernd 1,5 · 1014 Atomen/cm3 und einem Widerstand von 31 Ohm/cm. Die Unter-
mit der Einschränkung, daß die H2-Atmosphäre mit SiCl4 bei — 300C gesättigt ist. Die abgeschiedene Schicht hat eine Dicke von annähernd 0,001 cm und
Quarzrohres 10 durch den O-Ring 23 abgedichtet ist. Eine Induktionsheizung mit zwei Spulen und eine Düse 25, die einen Wasservorhang für das Rohr 10 liefert, vervollständigen die Apparatur.
Beispiel I
Bei diesem Beispiel wurden zwei Plättchen ver-
und zuverlässiges Mittel zur Regelung oder Duplikatbildung der Werte für Leitfähigkeitstyp und Widerstand.
Beispiel III
Dies Beispiel wird beigefügt, um den Transportvorgang bei der Bildung von Schichten mit vorgeschriebenen Eigenschaften ohne Maskierung der
gelegt wird. Der Siliziumsockel dient als stoffliefernder Körper und besitzt eine Reihe konzentrischer Ringe, die in seine Oberfläche eingeschliffen sind. Das Plättchen wird mit diesen Ringen in Kontakt gebracht und in das Quarzrohr wie vor eingeschlossen. Die Apparatur wird mit Wasserstoff gespült und die Vorbehandlung wie im Beispiel I durchgeführt. In diesem Beispiel bestand während des Stofftransportes das halogenhaltige Gas aus Wasserstoff, der bei -3O0C mit Siliziumtetrachlorid gesättigt war. Während des Stofftransportes wurde das als Unterlage dienende einzelne Plättchen auf einer Temperatur von annähernd 1140'- C gehalten, während der den stoffliefernden Körper darstellende Sockel um etwa 40c C heißer gehalten wurde. Die Gasgeschwindigkeit während des Vorgangs betrug etwa 1 l/Min, für eine Dauer von 5 Minuten. Nach abschließender 5 Minuten langer Spülung mit reinem Wasserstoff trägt das als Unterlage dienende Plättchen eine Siliziumschicht, die nur diejenigen Stellen bedeckt, die in Kontakt mit dem Siliziumsockel standen. Eine exakte Wiedergabe der Ringe des Sockels erscheint auf der Unterlage.
Beispiel IV
Dies Beispiel beschreibt den Transport von Galliumarsenid auf ein Plättchen aus Germanium, bei dem im wesentlichen die Technik des Beispiels I angewendet wird.
Ein Plättchen aus p-leitendem GaAs wird in einer Lösung aus drei Teilen Schwefelsäure, 1 Teil Wasserstoffsuperoxyd (30%ig) und 1 Teil Wasser geätzt, dann in deionisiertem Wasser gespült und getrocknet.
Ein Germaniumplättchen wird in einer aus konzentrierter Salpetersäure, Flußsäure, Eisessig und einer Spur Brom bestehenden Ätzflüssigkeit (CCp-4) gewaschen, mit deionisiertem Wasser gespült und getrocknet.
Beide Plättchen werden auf eine Graphitunterlage gelegt, wobei das Unterlagsplättchen aus Germanium über dem stoffliefernden GaAs-Plättchen liegt. Die übrige Apparatur ist praktisch mit der in der Abbildung gezeigten identisch. Der Graphithalter wird dann mittels Induktionsspule erhitzt. Das untere Plättchen erreicht eine Temperatur von 834° C, während das obere, als Unterlage dienende Plättchen sich auf einer Temperatur von 775° C befindet. Während des Heizens wird Wasserstoff, der bei — 78D C mit Chlorwasserstoff gesättigt ist, in die Kammer mit einer Geschwindigkeit von 20 cm3/Min. eingelassen. Der Stofftransport dauert 6 Minuten, wonach die Zufuhr für Chlorwasserstoff gesperrt und ein Spülstrom aus reinem Wasserstoff 3 Minuten lang eingelassen wird. Nach Beendigung des Versuchs zeigt das obere Unterlagsplättchen aus Germanium eine Schicht aus p-leitendem Galliumarsenid an den Stellen der Unterlage, mit denen sie mit dem GaAs-Körper in Berührung war. Diese Schicht ist annähernd 0,0055 cm dick.
Beispiel V
60
Dies Beispiel wird beigefügt, um den Transport von Germanium von einem Germaniumplättchen auf eine Siliziumunterlage zu zeigen.
Ein p-leitendes Germaniumplättchen und ein η-leitendes Siliziumplättchen werden wie in den vorhergehenden Beispielen vorbehandelt. Das Siliziumplättchen wird über das Germaniumplättchen gelegt und beide Plättchen auf einen Siliziumsockel 21 wie in der Abbildung gelegt. Apparatur und allgemeines Verfahren sind die gleichen wie in früheren Beispielen. Während des Stofftransports ist die Temperatur des stoffliefernden Plättchens 750° C und die Temperatur der Unterlage 715: C. Bei Versuchsbeendigung findet sich eine Schicht aus Germanium von 0,0005 cm Dicke auf der unteren Fläche der Siliziumunterlage.
Beispiel VI
Dies Beispiel erläutert die Anwendbarkeit dieses Stofftransportverfahrens bei der Bildung von Siliziumschichten auf Germaniumunterlagen.
Ein p-leitendes Germaniumplättchen und ein η-leitendes Siliziumplättchen werden wie oben vorbehandelt und auf einen Siliziumsockel gelegt, wobei diesmal das Germaniumplättchen als Unterlage über dem stoffliefernden Siliziumplättchen liegt. Das Verfahren ist identisch mit dem unter Verwendung von Chlorwasserstoff und Wasserstoff durchgeführten Versuchen. Die Temperatur des stoffliefernden Siliziumplättchens während der Stoffwanderung ist 745° C, während die Temperatur der Germaniumunterlage 705° C ist. Da der Transport von Silizium bei diesen Temperaturen verhältnismäßig langsam ist, wurde die Zeitdauer des Stofftransports auf 1 Stunde und 45 Minuten erhöht. Eine Siliziumschicht von etwa 2,1 Mikron findet sich auf der Unterfläche des Germaniumplättchens.
Die halogenhaltige Atmosphäre bei dem Verfahren nach der Erfindung kann beispielsweise (Chlorwasserstoff, Chlor. Siliziumtetrachlorid, Bromwasserstoff, Jodwasserstoff, Jod oder Brom) enthalten. Gase, die Metallionen enthalten, sind zu vermeiden, weil sie eine Quelle für Verunreinigungen bilden können. Das Trägergas kann Wasserstoff oder Stickstoff oder ein inertes Gas, wie Helium oder Argon, sein. Im Falle der Bildung von Siliziumschichten auf Germanium ist die Dauer des Stofftransports viel größer als im umgekehrten Übertragungsprozeß. Wie in den Beispielen erwähnt, erfordert der Transport von Germanium auf Silizium oder Silizium auf Silizium nur wenige Minuten, während ein wesentlicher Transport von Silizium auf Germanium einige Stunden erfordert. Daher sollte der Transport niedrigschmelzender Halbleiter auf hochschmelzende Unterlagen immer gewählt werden, wo es möglich ist.
Wie zuvor festgestellt, ist dies Verfahren speziell für die Bildung epitaktischer Schichten geeignet, in welchen die einkristalline Schicht die gleiche Orientierung wie die Unterlage besitzt. Als zweckmäßig für das Herstellen von Halbleiteranordnungen mit epitaktischer Schicht hat sich die Benutzung der kristallographischen (lll)-Ebene gezeigt.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung durch Aufbringen einer Halbleiterschicht auf eine Halbleiterunterlage mit Hilfe pyrolytischer Zersetzung einer gasförmigen Halogenverbindung des aufzubringenden Halbleitermaterials, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterunterlage und ein Körper aus dem halbleitenden Material in einer halogenhaltigen Atmo-
Sphäre in einem Abstand ihrer Oberflächen von höchstens 10 Mikron aufgestellt und erhitzt werden und daß die Temperatur der Unterlage um 10 bis 100° C niedriger ist als die Temperatur des halbleitenden Körpers, so daß Material von diesem auf die Oberfläche der Unterlage transportiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines halbleitenden Körpers, dessen an die Unterlage grenzende Oberfläche eine Vertiefung mit gewünschter geometrischer Form hat, und daß Unterlage und Körper so angeordnet werden, daß die vertiefte Oberfläche von der Unterlage um mehr als 10 Mikron entfernt ist und somit kein Stofftransport vom Boden der Vertiefung stattfindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das halogenhaltige Gas Chlorwasserstoff oder Siliziumtetrachlorid enthält.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Unterlage und Halbleiterkörper aus dem gleichen Material sind.
5. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Unterlage aus Germanium eine Schicht aus Galliumarsenid aufgebracht wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 865 160;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1063 870;
Zeitschrift »electronics«, Juli 1960, S. 66 und 68.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 309 649/197 7.63
DEW30828A 1960-10-10 1961-10-05 Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen durch pyrolytisches Aufbringen von Halbleiterschichten auf eine Halbleiterunterlage Pending DE1152197B (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US61505A US3142596A (en) 1960-10-10 1960-10-10 Epitaxial deposition onto semiconductor wafers through an interaction between the wafers and the support material

Publications (1)

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DE1152197B true DE1152197B (de) 1963-08-01

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ID=22036216

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DEW30828A Pending DE1152197B (de) 1960-10-10 1961-10-05 Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen durch pyrolytisches Aufbringen von Halbleiterschichten auf eine Halbleiterunterlage

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US (1) US3142596A (de)
BE (1) BE607735A (de)
DE (1) DE1152197B (de)
GB (1) GB996287A (de)
NL (1) NL268294A (de)

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