DE1248021B

DE1248021B - Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung durch epitaktisches Aufwachsen halbleitender Schichten

Info

Publication number: DE1248021B
Application number: DES81057A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Chem Dr Erhard Sirtl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1962-08-23
Filing date: 1962-08-23
Publication date: 1967-08-24
Also published as: SE310655B; US3291657A; FR1364466A; DE1248021C2; GB1019078A; CH403436A; NL296876A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

25/02T"

Deutsche Kl.: 12 g -17/32

Nummer: 1248021

Aktenzeichen: S 81057IV c/12 g

Anmeldetag: 23. August 1962

Auslegetag: 24. August 1967

Es ist bekannt, Halbleiteranordnungen, die eine Schichtenfolge unterschiedlicher Leitfähigkeit und/ oder unterschiedlichen Leitungstyp aufweisen, herzustellen, indem man die Halbleiterscheiben tragende Unterlage so hoch erhitzt, daß sich die der Unterlage abgewandte Oberfläche der Halbleiterscheiben auf einer Temperatur befindet, die ausreicht, um eine thermische Zersetzung der in das Reaktionsgefäß eingeleiteten gasförmigen Halogenverbindungen des Halbleiterstofies und ein einkristallines epitaktisches Aufwachsen des Halbleiterstoffes auf der freien, d.h. von der Unterlage abgewandten Oberfläche der Halbleiterscheiben zu bewirken.

Es ist auch bekannt, daß zwischen zwei unmittelbar benachbarten Halbleiterkörpern ζ. Β. einer SiIiciumunterlage und einem auf diese aufgelegten Halbleiterkörper ein Siliciumtransport entsprechend der Gleichung

hohe Temperatur

Si H- 2HCl =t SiCl₂ + H₂ (1)

tiefe Temperatur

stattfindet, wenn die dem Halbleiterkörper zugewandte Seite der Unterlage der Einwirkung von Chlorwasserstoff ausgesetzt wird. Der Siliciumtransport kann jedoch auch in einer wasserstoff- bzw. halogenwasserstofffreien- z. B. ein Halogenid enthaltenden Atmosphäre entsprechend der Gleichung

hohe Temperatur

Si + SiCl₄ =± 2SiCl₂ (2)

tiefe Temperatur

erfolgen.

Dementsprechend bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung durch epitaktisches Aufwachsen einkristalliner halbleitender Schichten auf einem einkristallinen Träger, der mit einer erhitzten, aus dem abzuscheidenden Stoff bestehenden Unterlage in direktem Wärmekontakt steht, mittels einer chemischen Transportreaktion. Dabei wird der in fester Form vorliegende Halbleiterstoff an der dem Träger zugewandten Seite der Unterlage durch Einwirkung einer Gasatmosphäre, die eine mit dem Halbleiterstoff reagierende Komponente enthält, in eine gasförmige Verbindung übergeführt und auf der der Unterlage zugewandten Seite des Trägers unter Zersetzung der Verbindung in kompakter Form zum Aufwachsen gebracht. Bei einem solchen Verfahren können nun großflächige einkristalline Schichten auch von solchen Stoffen erzeugt werden, die bisher nur in Form von Pulver oder regellosen Kristallaggregaten her-Verfahren zum Herstellen einer
Halbleiteranordnung durch epitaktisches
Aufwachsen halbleitender Schichten

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Chem. Dr. Erhard Sirtl, München

gestellt werden konnten, wenn erfindungsgemäß eine Unterlage aus Pulver verwendet wird.

Auf diese Weise kann z. B. Zinksulfid auf Silicium, Zinksulfid auf Galliumphosphid, Galliumphosphid

auf Silicium und Aluminiumnitrid auf Siliciumkarbid abgeschieden werden.

Dabei ist ein orientiertes Aufwachsen auch dann noch möglich, wenn der Träger einer anderen Symmetrieklasse angehört. So kann beispielsweise eine epitaktische Aufwachsschicht von Halbleitermaterial auf Silikaten, Halogeniden, Oxyden und Karbiden erzeugt werden, wenn auf bestimmten Spaltflächen abgeschieden wird.

Die derart erzeugten einkristallinen Schichten können dann als Träger für eine weitere Abscheidung dienen und können so beispielsweise mittels einer Transportreaktion auf der der Unterlage zugewandten Seite weiterbeschichtet werden.

Vorteilhafterweise wird zu diesem Zweck das Pulver in Tablettenform gepreßt. Um eine größere mechanische Stabilität der Tabletten zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, ein Bindemittel, wie Kampfer, Polyvinylalkohol oder Polyvinylazetat zu verwenden. Die zugesetzten Bindemittel können dann vor Beginn der Reaktion durch Ausheizen wieder entfernt werden.

Die Verwendung von Preßtäbletten ist nicht nur bei Germanium und Silicium, sondern auch bei anderen Halbleiterstoffen, wie beispielsweise AⁿⁱB^v- oder A^IIB^VI-Verbmdungen, νοώ Vorteil, zumal die Herstellung von Kristallpulver und von Preßtabletten aus diesem Kristallpulver weit weniger aufwendig ist als die Herstellung polykristalliner Plättchen.

Außerdem besteht die Möglichkeit, als Unterlage eine Preßtablette mit einer ,einem vorgegebenen Muster entsprechenden Formgebung zu verwend
so daß dieses Muster epitaktisch auf die der ~"

lage zugewandte Seite des Trägers übertragen wird. Träger und Unterlage können dabei ebensogut aus dem gleichen Halbleiterstoff bestehen wie auch aus verschiedenen Halbleiterstoffen. So kann beispielsweise ein einkristalliner, vom abzuscheidenden HaIbleiterstdff verschiedener Träger verwendet werden, bei dem die Gitterbausteine nahezu denselben Abstand aufweisen wie die Atome in dem zu transportierenden HalbleiterstofL Außerdem kann eine mit dotierenden Stoffen präparierte Unterlage verwendet werden. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, daß die Unterlage mit einem Dotierungsstoff präpariert ist, der den entgegengesetzten Leitungstyp, wie· ihn der Träger aufweist, erzeugt. Dabei ist die Möglichkeit gegeben, die Konzentration der Dotierungsstoffe in der Unterlage durch Zusammenmischen bestimmter Standarddotierungen einzustellen, was eine genaue Dosierung der Dotierungsstoffe ermöglicht.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung, die vor allem für die Herstellung von Festkörperschaltkreisen zu bevorzugen ist, ist vorgesehen, daß eine Unterlage verwendet wird, in der durch Verpressen von Kristallpulver mit unterschiedlicher Dotierung in einem bestimmten vorgegebenen Muster angeordnete Bereiche verschiedener Dotierung erzeugt sind und daß dieses Muster epitaktisch auf die der Unterlage zugewandte Seite des Trägers übertragen wird.

Nähere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand der Figuren erläutert.

Wie in F i g. 1 dargestellt, wird auf dem Heizer 3, der beispielsweise aus einem karbidisierten, durch direkten Stromdurchgang zu beheizenden Graphitkörper besteht, das Kristallpulver 2 aufgebracht. Auf dieses wird dann die auf ihrer Unterseite zu beschichtende Halbleiterscheibe aufgelegt. Dabei ist es vorteilhaft, eine einkristalline Scheibe zu verwenden. Das aus Halbleiterscheibe 1 und Kristallpulver 2 bestehende System wird nunmehr mittels des Heizers 3 in einer entsprechenden Gasatmosphäre so hoch erhitzt, daß im Zwischenraum 4 ein Siliciumtransport von der Unterlage zum Halbleiter erfolgt. Dabei ist es günstig, einen Halbleiterkörper zu verwenden, der wenigstens auf seiner der Unterlage zugewandten Seite planpoliert ist.

Bei der in Fig.2 dargestellten Ausführungsfonn ist das Kristallpulver zu einer Tablette zusammengepreßt, deren Größe etwa derjenigen des Halbleiterkörpers 1 entspricht.

In der F i g. 3 ist ein System dargestellt, bei dem die Preßtablette aus zwei Schichten 5 und 6 unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps besteht. Durch Wahl der entsprechenden Transportmittel, also der entsprechenden Gasatmosphäre kann man erreichen, daß diese Dotierung quantitativ übertragen wird, also auf der Unterseite der einkristallinen Halbleiterscheibe 1, Schichten entsprechender Dotierung aufeinanderfolgend epitaktisch aufwachseh. So wird z. B. bei einer Preßtablette aus Silicium, wenn in einem Transportsystem entsprechend der Gleichung (1) gearbeitet wird, der Dotierungsstoff quantitativ übertragen und auf diese Weise emkristallineSiliciumschichten, die gegebenenfalls auch pn-Übergänge enthalten können, auf der Unterseite des Halbleiterkörpers 1, der z. B. aus Silizium oder Zinksulfid besteht, zum Aufwachsen gebracht.

Um bei Galliumarsenid eine quantitative Übertragung des Dotierungsstoffes zu erhalten, muß andererseits in einer wasserstoff- bzw. halogenwasserstofffreien Atmosphäre, die z. B. Joddampf mit Argon verdünnt enthält, gearbeitet werden. Der Stofftransport verläuft dabei nach der Gleichung

GaAs

hohe Temperatur
=±

tiefe Temperatur

GaJ +

Der Halbleiterkörper kann z. B. aus Galliumarsenid oder aus Germanium bestehen.

Um eine Abtragung der freien Oberfläche des Halbleiterkörpers zu verhindern, wird diese zweckmäßig mit einer Platte aus einem inerten Material, z. B. Siliciumkarbid, Quarz oder Aluminiumoxyd (Saphir) abgedeckt, oder die freie Oberfläche wird mit einem gasdichten Überzug aus dem Karbid oder

ao Oxyd des Halbleiters überzogen.

Durch Verpressen von Kristallpulver verschiedener Dotierung lassen sich Preßtabletten mit definiertem Muster erzeugen.
In der F i g. 4 ist z. B. eine Preßtablette in der Aufsicht und in der F i g. 5 im Schnitt dargestellt. Der mit 7 bezeichnete Teil der Preßtablette besteht aus p-dotiertem Kristallpulver, während die Teile 8 und 9 aus η-dotiertem KristaUpulver bestehen. Zur Herstellung dieser Preßtabletten werden entsprechende Formen verwendet.

Es lassen sich auf diese Weise beliebige Muster erzeugen, wobei, wie in F i g. 5 dargestellt, die entgegengesetzt dotierten Bereiche 8 und 9 durch die ganze Preßtablette gehen können oder auch nur einen Teil der Dicke der Tablette aus entgegengesetzt dotiertem Kristallpulver bestehen kann. Da diese in der Preßtablette erzeugten Muster in dieser Form epitaktisch auf die Unterseite des Halbleiterkörpers übertragen werden, ist dieses Verfahren auch besonders zur Herstellung von Festkörperschaltkreisen geeignet.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung durch epitaktisches Aufwachsen einkristalliner halbleitenaer scnicnten aut einem einkristallinen Träger, der mit einer erhitzten, aus dem abzuschneidenden Stoff bestehenden Unterlage in direktem Wärmekontakt steht, mittels einer chemischen Transportreaktion, bei dem der in fester Form vorliegende Halbleiterstoff an der dem Träger zugewandten Seite der Unterlage durch Einwirkung einer Gasatmosphäre, die eine mit dem Halbleiterstoff reagierende Komponente enthält, in eine gasförmige Verbindung übergeführt und auf der der Unterlage zugewandten Seite des Trägers unter Zersetzung der Verbindung in kompakter Form zum Aufwachsen gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterlage aus Pulver verwendet wird.

2. Verfahren nactr7£nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Tablettenform gepreßtes Pulver verwendet wird. *

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine unter Zusatz eines Bindemittels, wie Kampfer, Polyvinylalkohof oder Polyvinylacetat, hergestellte Tablette verwendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage eine Preßtablette mit einer einem vorgegebenen Muster entsprechenden Formgebung verwendet wird und daß dieses Muster epitaktisch auf die der Unterlage zugewandten Seite des Trägers übertragen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein einkristalüner Halbleiterkörper aus dem gleichen Halbleiterstoff wie die Unterlage verwendet wird.

6. Verfahren nach eimern der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein einkristalliner, vom abzuscheidenden Halbleiterstoff ver- is schiedener Träger, bei dem die Gitterbausteine nahezu denselben Abstand aufweisen wie die Atome in dem zu transportierenden Halbleiterstoff, verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 ao bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dotierenden Stoffen präparierte Unterlage verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterlage verwendet wird, die mit einem Dotierungsstoff, der den entgegengesetzten Leitungstyp, wie ihn der Träger aufweist, erzeugt, präpariert ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterlage verwendet wird, in der durch Vorpressen von Kristallpulver verschiedener Dotierung Bereiche verschiedener Dotierung erzeugt sind, und daß dieses Muster epitaktisch auf die der Unterlage zugewandten Seite des Trägers übertragen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Dotierungsstoffe in der Unterlage durch Zusammenmischen bestimmter Standarddotierungen eingestellt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 865160;
Journ. elektrochem. Soc, 106 (1959), S. 509 ff.;
Electronics, Juli 1960, S. 66 bis 68.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen