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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufwachsen mindestens
einer dotierten Halbleiterkristallschicht auf einem Substrat aus dem aufzuwachsenden
Halbleitertnaterial.
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Es ist bereits bekannt, auf einem Substrat an den für die Kristallzüchtung
gewünschten Stellen Metallteilchen aufzulegen, Substrat und Auflage zu erhitzen,
bis eine flüssige Legierung zwischen Substrat und Metall entsteht und über das erhitzte
System eine Atmosphäre zu leiten, aus welcher das Substratmaterial so abgeschieden
wird, daß es sich in der Legierung löst und nach Übersättigung an der Phasengrenze
festflüssig ankristallisiert. Es ist ferner bekannt, Dbtierungsmittel dem Reaktionsgemisch
zuzufügen. Bei anderen bekannten Verfahren werden der gasförmigen Halbleiterverbindung
dötierende Substanzen zugemischt.
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Bei diesen bekannten Verfahren wird das Legieren, also das Erhitzen
des auf dem Substrat befindlichen Metallstückes, bis es schmilzt und mit dem Halbleitermaterial
des Substrates eine flüssige Legierung bildet, in inerter Gasphase vorgenommen.
Dabei breitet sich die -flüssige Legierung verhältnismäßig breit auf dem Substrat
aus.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zur Steuerung der Benetzungsfläche, so daß sie möglichst klein bleibt, zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein VBr= fahren zum Aufwachsen mindestens einer dotierten
Halbleiterkristallschicht auf einem Substrat aus dem aufzuwachsenden Halbleitermaterial,
wobei zunächst auf dem Substrat eine Legierung zwischen einem Metall und dem Halbleitermaterial
aufgebracht und geschmolzen und darin auf die flüssige Legierung und das feste Substrat
eine Dampfphase einwirken gelassen wird, die aus einem Halogenid des Halbleitermaterials,
Wasserstoff und einem Halogenid mindestens eines Dotierstoffes besteht, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schmelzen der Legierung in Gegenwart des Dampfes eines Halogenids
des Halbleitermaterials durchgeführt wird.
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Die Erfindung ergibt sich aus der folgenden beispielsweisen Beschreibung
des bekannten und des verbesserten Verfahrens nach der Erfindung in Verbindung mit
den Zeichnungen.
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F i g. 1 a, 1 b und 1 c sind Schnittansichten durch eine Halbleitereinrichtung
in verschiedenen Stufen der Herstellung und erläutern den bekannten Vorgang des
Wachstums eines Halbleiterkristalls, der eine Leitfähigkeit eines Typs aufweist,
auf einem Halbleitersubstrat; F i g. 2 a, 2 b und 2 c sind ähnliche Schnittansichten
wie die F i g. 1 a, 1 b und 1 c durch eine Halbleitereinrichtung in verschiedenen
Stufen der Herstellung und erläutern das Wachstuns eitles Hxlbleiterktistxlls, der
eine Leitfähigkeit eines Typs aufweist, auf einer begrenzten Fläche eines Halbleitersubstrats;
F i g. 3 ist eine Schnittansicht ähnlich wie F i g. 2 durch eine Halbleitereinrichtung
im Legierungszustand und zeigt eine flüssige Legierungsphase, die sich über zwei
benachbarte Schichten des Substrats erstreckt, wobei die beiden Schichten verschiedene
Typen von Leitfähigkeiten haben; F i g. 4 ist eine Draufsicht auf F i g. 3; F i
g. 5 ist eine Draufsicht entsprechend F i g. 2. Wie in den Zeichnungen dargestellt
ist, besteht der erste Schritt des bekannten Verfahrens zur Erzielung des Wachstums
eines Halbleiterkristalls, der eine Leitfähigkeit eines Typs aufweist, darin, daß
ein kleines Metallstück 11 auf ein festes Substrat 12 aus halbleitendem Material
aufgebracht wird, wie in F i g. 1 dargestellt ist. Obwohl das typischste und bevorzugte
Material für das Substrat 12 Silicium ist, können auch andere Materialien wie Ge,
Ga, As und SiC, die ähnliche Charakteristiken aufweisen, als Material für das Substrat
12 verwendet werden. Das Verfahren wird insbesondere unter Bezugnahme auf
eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, bei der das Substrat aus Silicium besteht.
Die Form und die Abmessungen des Substrats können willkürlich gewählt werden. Eine
bevorzugte Form ist ein dünnes Plättchen, wie es bei der Transistorherstellung üblich
ist.
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Das kleine Metallstück 11 muß ein geeignetes lösungsbildendes Mittel
darstellen, das befähigt ist, mit dem aufzuwachsenden kristallinen Material eine
flüssige Lösung bei der Abscheidungstemperxtur zu bilden. Der Verteilungsfaktor
des Mittels, k=CS/Ct, muß kleiner als 1 sein, wobei Cs und C, die Löslichkeiten
des Mittels in der festen bzw. flüssigen Phase bei der Ausscheidutigstemperätur
sind. Das Mittel muß einen niedrigen Dampfdruck und eine sehr kleine Löslichkeit
in festem Silicium haben. Von den bevorzugten lösungsbildenden Mitteln seien hier
Au, Pt, Ni, Ag, Cu, In :und )Legierungen dieser Elemente erwähnt. Bei der Züchtung
von Kristallen aus Verbindungen, etwa Ga, As oder SiC, kann das Mittel durch eines
der Komponenten, d. h. Gallium oder Silicium, dargestellt werden.
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Eine bevorzugte Form des kleinen Metallstücks 11 ist eine Kugel mit
einem Durchmesser im Bereich zwischen 10 und 150g, vorzugsweise zwischen 30 und
8011, doch können auch andere Formen, beispielsweise Zylinder oder dünne
Platten oder Filme, verwendet werden. Ein dünner Film der erwähnten Art kann durch
Anwendung von Bedampfungstechniken hergestellt werden.
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Der zweite Schritt des bekannten Verfahrens besteht darin, das kleine
Metallstück 11 auf dem Substrat 12 in einer inerten Atmosphäre so zu erhitzen,
daß es eine flüssige Legierung mit dem Silicium des Substrats bildet. Für die Ausführung
dieses Schritts kann ein geeigneter Reaktionsapparat benutzt werden. Der Reaktionsapparat
kann eine Reaktionskammer, in welche ein Siliciumsubstrat mit einem darauf befindlichen
Metallstück als lösungsbildendes Mittel eingebracht wird, Vorrichtungen zum Aufheizen
des Metallstücks auf denn Substrat innerhalb der Reaktionskammer und Vorrichtungen
zur Zuführung von inertem Gas, z. B. Wasserstoff, in die Reaktionskammer aufweisen.
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Jedes der als lösungsbildendes Mittel dienenden Elemente bildet mit
Silicium eire flüssige Lösung bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des
Siliciums. Die Temperatur, bei welcher der Schmelzvorgang ausgeführt wird, muß konstant
gehalten werden (± 5° C, vorzugsweise ± 2,5° C), bis der Schmelzvorgang vollständig
abgelaufen ist. Die Schmelze des kleinen Metallstücks wird mit dem Silicium des
Substrats legiert und bildet eine flüssige Legierung 13, wie in F i g. 1 b dargestellt
ist. Da sich die Flüssigkeit in Berührung mit einem Überschuß an Silicium befindet,
handelt es sich bei ihrer Zusammensetzung um eine Gleichgewichtszusammensetzung.
Es ist bekannt, daß sich Silicium während des Legierungsvorganges anisotrop auflöst.
Eine
Benetzbarkeit von Gold an der Oberfläche des Siliciumsubstrats kann dadurch erhalten
werden, daß man die Oberfläche des Siliciumsubstrats mit einer Mischurig aus Salpetersäure
und Flußsäure behandelt, um auf der Oberfläche befindliche Staub-und Oxydverunreinigungen
zu entfernen.
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Der dritte Schritt des Verfahrens besteht darin, daß auf das im vorausgegangenen
Schritt erhaltene Fest-Flüssig-System der flüssigen Legierung 13 auf dem festen
Substrat 12 eine Dampfphase zur Anwendung kommt, aus welcher das gleiche Material
wie das Substrat 12 freigesetzt wird, wobei die Dampfphase zumindest einen Dotierstoff
enthält, der eine Leitfähigkeit eines '.Typs hervorruft. Dies kann dadurch erzielt
werden, daß man eine Verbindung einführt, die fähig ist, dasselbe Element wie das
Substratrnaterial durch Pyrolyse oder Reduktion freizusetzen. Zu derartigen Verbindungen
zählen Hydride und Halogenide. Falls Silicium als Substratmaterial verwendet wird,
kann freies Silicium durch Pyrolyse von SiH4 wie auch durch Reduktion von Siliciumhalogeniden
wie S'C14, SiHCl3, SiBr4 und SiJ2 erhalten werden.
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Ein typisches Reduktionsmittel, das außerdem in der Dampfphase vorhanden
sein kann, ist Wasserstoff. Falls das im vorausgegangenen Schritt hergestellte Flüssig-Fest-System
sich in einer Wasserstoffatmosphäre befindet, kann die beschriebene Dampfphase durch
die Einführung eines Halogenids des Substratmaterials sowie einen Dotierstoff, der
eine Leitfähigkeit eines Typs erzeugt, in das System gebildet werden. Falls irgendein
anderes Inertgas im vorausgegangenen Schritt verwendet wurde, sollte diese Inertgasatmosphäre
durch die beschriebene Dampfphase ersetzt werden. Im letztgenannten Fall wird eine
Mischung aus Siliciumhalogenid, Wasserstoff und einen oder mehreren Dotierstoffen
in das System eingeführt. Der in die Dampfphase einzuführende Dotierstoff muß eine
solche Substanz sein, die eine Leitfähigkeit eines Typs hervorruft, wenn sie einer
Halbleiterbasis zugesetzt wird.
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Das auf diese Weise erhaltene Produkt enthält ein Halbleitersubstrat
12, einen auf dem Substrat 12 aufgewachsenen Kristall 14 und eine auf der Oberseite
des Kristalls 14 liegende Metallspitze 15, wie in F i g. 1 c dargestellt ist. Bei
dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel besteht das Substrat im wesentlichen aus
Silicium, kann jedoch einige Dotierstoffe enthalten, die darin entweder eine N-
oder P-Leitfähigkeit erzeugen. Der gewachsene Kristall 14 besteht ebenfalls im wesentlichen
aus Silicium, enthält jedoch einen bestimmten oder mehrere Dotierstoffe, die eine
Leitfähigkeit eines Typs, nämlich eine N- oder P-Leitfähigkeit hervorrufen. Der
gewachsene Kristall 14 stellt somit einen N- oder P-Halbleiter dar. Der Kristall
14 ist länglich in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats 12
und frei von Fehlstellen. Die Metallspitze 15 auf der Oberseite des Kristalls 14
wird durch Abkühlen der zu verfestigenden flüssigen Legierung erzeugt und befindet
sich in Ohmschem Kontakt mit dem Halbleiterkristall 14. Die so hergestellten Halbleitereinrichtungen
können bei der Herstellung von Transistoren Verwendung finden.
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Bei diesem Verfahren wird das Kristallwachstum in einem begrenzten
Bereich erzeugt, der von der auf dem festen Substrat befindlichen flüssigen Legierung
bedeckt ist. Es gibt jedoch einige Fälle, wo die Fläche, in welcher das Kristallwachstum
hervorgerufen wird, auf einen sehr kleinen Bereich beschränkt ist. Zum Beispiel
sei unter Bezugnahme auf F i g. 2 a angenommen, daß das allgemeine bei
21 angedeutete Substrat aus zwei Schichten 22 und 23 von verschiedenem Leitfähigkeitstyp
besteht und daß es beabsichtigt ist, auf der Schicht 23 einen Kristall vom selben
Leitfähigkeitstyp wie die Schicht 23 auf= wachsen zu lassen. 24 ist ein Metallkügelchen,
das als lösungsbildendes Mittel auf die Schicht 23 aufgebiacht ist. Wenn das Metallkügelchen
geschmolzen ist, um eine flüssige Legierung mit dem Material der Schicht 23 zu bilden,
muß die 'von der flüssigen Legierung 24 bedeckte Fläche innerhalb der freiliegenden
Fläche der Schicht 23 liegen, wie in F i g. 2 b dargestellt ist. Falls sich, wie
in F i g. 3 dargestellt ist, der Benetzungsbereich der flüssigen Legierung 24 teilweise
in einen freiliegenden Bereich der Schicht 22 erstreckt, die einen anderen Leitfähigkeitstyp
darstellt als die Schicht 23, wäre es unsinnig, auf einer derartigen Benetzungsfläche
einen Kristall mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Schicht 23 wachsen
zu lassen, da der gewachsene Kristall direkt mit der Schicht 22 kurzgeschlossen
wäre.
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Es ist gefunden worden, daß die beschriebene Schwierigkeit der Begrenzung
der Benetzungsfläche durch das erfindungsgemäße Verfahren überwunden werden kann.
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Wie in F i g. 2 a angedeutet ist, wurde hierzu ein Kügelchen 24 aus
einer Au-Si-P-Legierung mit einem Durchmesser von 100 #t auf eine Halbleiterschicht
23 mit N-Leitfähigkeit aufgebracht. Die Zusammensetzung der Au-Si-P-Legierung betrug
Au 59,5, Si 40 und P 0,5 Atomprozent. Die Schicht 23 bestand im wesentlichen aus
Si, enthielt jedoch einige Verunreinigungen, die darin eine N-Leitfähigkeit erzeugten.
Das Schmelzen der Legierung und und der Dampf-Flüssi, Fest-Vorgang wurde im Gegensatz
zum vorher beschriebenen Beispiel in beiden Fällen bei 900° C bei Anwesenheit von
H2 und S'C14 in der Dampfphase durchgeführt. Die Benetzungsfläche der Au-Si-Legierung
24 in F i g. 2 b betrug etwa 0,025 mm2. Der gewachsene Kristall 25 (F i g. 2 c)
war N-leitend; sein Verunreinigungsgehalt betrug 1019 Atome/cm3.
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Es wurden nun weitere Untersuchungen über die Benetzbarkeit der flüssigen
Legierung an dem festen Substrat ausgeführt. Es ist bekannt, daß sich die flüssige
Legierung etwa in Form eines Dreiecks ausbreitet, wie in F i g. 4 dargestellt ist,
die eine der F i g. 3 entsprechende Draufsicht ist. In den F i g. 3 und 4 sind einander
entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Man erkennt aus F i
g. 4, daß jeder der Scheitel der dreieckförmig verlaufenden Benetzungsfläche der
flüssigen Legierung 24 auf die Oberfläche der Schicht 22 übergreift, die einen von
der Schicht 23 verschiedenen Leitfähigkeitstyp aufweist. Es wurde gefunden, daß
die Benetzungsfläche der flüssigen Phase an dem festen Substrat dadurch etwa hexagonal
gemacht werden kann, daß der Legierungsvorgang in Anwesenheit des Dampfes eines
Halogenids des Substratmaterials ausgeführt wird. Im folgenden wird ein Beispiel
für die Ausführungsform der Erfindung bei Verwendung von SiC14 Gas während des Legierungsvorganges
angegeben: Auf ein Halbleitersubstrat mit P-Leitfähigkeit wurde ein Kügelchen aus
Au-Si-Legierung (Au 60 und Si 40 Atomprozent) aufgebracht. Das Substrat
bestand
im wesentlichen aus Silicium, enthielt jedoch einige Dotierstoffe, die darin eine
P-Leitfähigkeit hervorriefen. Das Kügelchen aus Au-Si-Legierung auf dem Si-Substrat
wurde in einer H2 Gasatmosphäre 4 Minuten lang auf 900° C erhitzt. Die Erwärmung
wurde bei der gleichen Temperatur für weitere 5 Minuten fortgesetzt, während SiC14
eingeführt wurde, und zwar mit einem Molverhältnis von 10-4, bezogen auf H2. Es
wurde beobachtet, daß die Benetzungsfläche der Au-Si-Legierung im wesentlichen hexagonal
war und einen maximalen Durchmesser von 140R aufwies.'Ein P-leitender Halbleiterkristall
mit einem Durchmesser von 130 R wurde erzeugt. Für Vergleichszwecke wurde ein weiteres
Experiment mit dem gleichen Legierungskügelchen, jedoch ohne Einführung von SiC14
ausgeführt. Die übrigen Bedingungen waren die gleichen wie oben beschrieben. Die
durch die Au-Si-Legierung erzeugte Benetzungsfläche hatte eine im wesentlichen dreieckige
Form, deren Höhe 210 R betrug. F i g. 5 ist eine der F i g. 2 b entsprechende Draufsicht
und zeigt, daß eine im wesentlichen hexagonale Benetzungsfläche der flüssigen Legierung
erzeugt wird. Für die Kennzeichnung gleicher Teile wie in F i g. 2 b dienen die
gleichen Bezugszeichen.
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Die vorliegende Erfindung kann mit Vorteil bei der Herstellung einer
Halbleitereinrichtung verwendet werden, die eine P-N-Verbindung aufweist, nämlich
einer Diode.