DE1614367A1 - Halbleiter mit mehreren auf einem Isolatortraeger angeordneten Bereichen verschiedenen Halbleitermaterials und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

HGA 56 912 ~-\ :; ■-■■■.-■,.'"-■ V ; .Λ; : US Serial Im: 577 917 Ϊ J V ; /λ V

Filed; Sept emb er δ, 1966-7 ; ■ /-.-■- - - '-'--' Λ '- ■ ,

"■-._-■"' Hadio Corporation of America .

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Halbleiter ait: inellreren auf eiaem Isolatorträger angeordneten Bereichen verscliiedenen Halbleiteriuaterials und Verfahren, zu seiner He3?stellung. ..-,--:"-. . ._■--""." --". ..'"

Die Erfindung betrifft Halbleiter mit nebeneinander befindlichen Gebieten versehiedener Leitfähigkeitseigensohaften, die auf einem fortlaufenden dünnen nalbieitermatefialband ausgebildet werden, das auf einem Isolierträger gewachsen ist» Ferner bezieht sich die Er— findung auf ein verbessertes Verfahren zur Herstellung derartiger Aufbauten.: " : \

Der hier verwendete Ausdruck "unterschiedliche Leitfähigkeitseigen— schäften" soll sowohl unterschiede int Leitungstyp als auch Unter— schiede in der Höhe der Leitfähigkeit eines Sypstinifassen.

Ilalbleiteraufbauten der genannten Art" werden beispielsweise bei integrierten Halbleiterschältungen benutzt, wo die speziell auf die ■Erfordernisse der Schaltung zugeschnittenen aktiven IDlemente nacheinander in benachbarten Bereichen ausgebildet wer den, ; Solche Aufbauten lassen sich beispielsweise auch in integrierten Halbleiterschaltungen verwenden, bei denen komplementäre. Transistoren.(d.h.Unipola-Γβ oder Bipolare WI¹H und PriE 'l'ransistoren) nacheinander in benach— · barten Bereichen ausgebildet^ werden. . ,""■.■_--:

In der Technik der integrierten ilalbieite'r.echaltungen.besclireitet man z,Zt. verschieden© JjTege zur ilerstellung von iialbleiteraufbau-

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ten, in welchen benachbarte Bereiche des Halbleitermaterials verschiedene Leitfähigkeitseigenschaften haben. Bei einem häufig benutztem Verfahren wird eine einkristalline Schicht des Halbleiter— materials eines gegebenen Leitungstyps durch epitaxiales Wachsen auf einem Isolierträger ausgebildet. In dieser Schicht werden dann durch übliche Diffusionsverfahren -^ersiehe verschiedener Leitfähigkeitseigen— schäften erzeugt. Da die Diffusion zeitraubend ist, werden bei die—, sein Verfahren viele Stunden für die Herstellung eines einzigen Aufbaues benötigt, .auch ist die Steuerung des Datierungsprofils in den diffundierten Zonen schwierig, da die Diffusion ebenso in seitliche·» !dichtung wie in die Tiefe erfolgt, i^in derartiges Verfahren ist beispielsweise auf den Seiten 2^7 bsi 25o des Buches "Feldeffekttransistoren" von Wallmark und Johnson,Prentice—Hall,Inc. I966 beschrieben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten liionokristallinen Halbleiterkörpers mit benachbarten Bereichen verschiedener Leitfähigkeitseigenschaften, wobei die Dotierungskonzentration jedes Bereiches gleichförmiger ist als es mit Diffusions— techniken erreichbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsjemäß dadurch gelöst, daß man eine erste epitaktische Schicht Halbleitermaterials mit gegebenen Leitfähigkeitseigenschaften auf einem Träger wachsen läßt und dann an getrennten Stellen diese Schicht entfernt, so daß dort der a'räger freiliegt. Anschließend läßt nan über den übriggebläebenen Stellen der ersten Schicht und den freiliegenden Stellen des Trägers eine zweite epitaktische Halbleiterschicht wachsen, deren Leitfähigkeitseigensehaften anders als die der ersten Schicht sind. Dann werden Teile der zweiten Schicht entfernt, so daß die übriggebliebenen Teile der ersten Schicht freigelegt werden. Ein derartiger Aufbau hat mehrere nebeneinander befindliche Bereiche verschiedener Leitfühici-eitseigenschaf ben des Ilalbleitermaterials und

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eignet -sich-far die Herstellung von Bauelementen für integrierte Schaltungen. ' - - ■ _

•,v'eitere. Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Darstellungen eines Ausführungsbeispieleso Es zeigt -■-.",

Figo la bis d geschnittene perspektivische Ansichten des erfindungsgemäßen iialbleiteraufbaues in verschiedenen Herstellungsstufen des erfindungsgemäßen Verfahrens '

l^rig. 2 ein Flussdiagrainm zur Erläuterung einer Ausführung des verbesserten Verfahrens insbesondere zur Ausbildung benachbarter Halbleiterbereiche verschiedenen Leitungstyps auf einem Isolierträger

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zur Ausführung des Verfahrens nach Fig. 2 zweckmäßigen Apparatur.

Fig. Id zeigt einen Halbleiteraufbau nach der ülrfindung. Er umfasst einen. Träger 2 eines monmkristallinen Isoliermaterials, xirie eine Aluminiumverbindung oder Spinel. In dem später beschriebenen Beispiel ist das Material Aluminiumg·,. Auf der Oberfläche des Isolierträgers 2. befinden sich monokristalline Bereiche 4 von Έ leitendem rialbleiteraaterial, die mit jaonokristallinen Bereichen 8 aus ΐ leitendem Halbleiteriaaterial abwechseln_o

Der Aufbau der J-'ig. 1 kann in folgender Vieise hergestellt werden:

Beispiel -

Fig. la stellt euien Aufbau 1 dar, der einen monokristallinen Isolatorträger mit einer aufliegenden llalbleiterschicht k umfasst. Die llalbleiterschicht h- ist in diesem Falle eine laonokristalline öiliciuni— schicht, ijwax- lassen sich zur Ablagerung der ,Silisiumsdhicht M auf

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den Träger 2 verschiedene Verfahren, benutzen, die bevorzugte Methode ist jedoch in Fig. 2 dargestellt.

iTacli der Erfindung wird ein Körper aus eis«*¹ monokrristallinem Alu—

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minium als Isolierträger ausgebildet. Synthetische mono— kristalline Aluminiuiii sind in einer ganzen Anzahl im Handel erhältlich und unter dem Namen Saphir und Rubin bekannt. Im vorliegenden -Beispiel wird für den Träger ein Körper aus eineitf wasser—

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hellen synthetischen monokristallinen Aluminium-g benutzt, wie sie beispielsweise· von der Linde Company Crystal Products Division unter dem liamen "Saphir" vertrieben wird. Die genaue Grosse und Form dieses Körpers ist nicht kritisch. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß man eine Siliciumschicht verbesserter monokristalliner Qualität erhält, wenn die Schicht auf einer Ilo2 xvristallebene des Saphirs abgelagert wird. Vorzugsweise wird daher ein Saphirkörper benutzt, der so orientiert geschnitten und gelappt ist, das eine größere Oberfläche in der Kristallebene 1ΐο2 liegt. Der Saphirkörper kann günstiger\tfeise als Scheibe von o,5mm Dicke und 8 — 9 mm Durchmesser- ausgebildet sein.

Während die genauen Gründe für das so erhaltene bessere Ergebnis noch nicht sicher bekannt sind, weiß man doch, daß die Abstände und Dichte der Kristallatome in der freiliegenden Kristallfläche variieren, wenn man die Schnitte eines hexagonalen Kristalls verschieden ausbildet. Durch Schneiden und Läppen einer größeren Oberfläche der Saphirscheibe, derart, daß die lXo2 Kristallebene freiliegt, wird der Abstand der Atome in dieser freiliegenden Kristallfläche ■ fast so dicht wie der Abstand der Atome im monokristallinen Silicium· Han glattbt z.Zt_e, daß diese gute Anpassung der Gitterabstände die Ablagerung der besten monokristallinen Siliciumschichten ermöglicht»

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Die große.Fläche der Gaphirscheibe, auf der die ochicht h abgelagert werden soll,, wird äusserst glatt poliert. Sine glatte Oberfläche ist wichtig, da das nachfolgend abzulagernde Silicium uner~ wünschterweise dazu neigt, sich bei irgendwelchen Kratzern-oder Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Trägers-zu sammeln.

liachdem eine Oberfläche der Trägerscheibe poliert ist, wird die Scheibe unter Anwendung von ültraschallenergia in einem organischen Lösungsmittel wie Chloroform oder dergleichen entfettet_s

Nach dieser Behandlung des Saphirplättöhens wird die in Fig» 3 dargestellte Apparatur Io zur weiteren Behandlung verwendet»

Me Apparatur Io umfasst einen wassergekühlten Höhrenquarzofen U mit einer Hochfrequenzheizspule 12, Kit dem Rohrofen 11 ist ein Heliumtank lh über ein System von Qüsrzröhren 16 verbunden, welche in geeigneter Weise rait Ventilen 18, Flüssigkeitsfallen 2o und Durchflussmesser« 22 versehen sind. In ähnlicher Weise ist eine Waseer>stoffquelle¹ 2h mit dem liohrofen 11 verbundene Ehe der Wasserstoff d*n Ofen erreicht, wird er durch ainen Palladiumdiffusor 25 geleitet und so gereinigt.

Ebenso durch quarzröhr.en l6 sind Gastanks 26,28 und J5o mit dem Kohrpfen 11 verbundene Der Gastank 26 enthält eine Mischung von Wasserstoff mit etwa 1 bis 5 Volumenprozent Sllan. Im vorliegenden Beispiel besteht die Mischung aus 97 Volumenprozent Wasserstoff -und 3 f/a Allan, Der Tank 28 enthält eine Mischung von Wasserstoff und einem ÖÄ*_f welches das Silizium N leitend maehte Im vorliegenden Beispiel enthält dor Tank 28 Wase@rs.toff mit etwa 3 Teilen Phosphin auf eine 1"HlIlOn. Teile β Der Tank" J5o enthält eine iFischung von ifesserstoff , uand einem Q®ß, welche© das Silizium P leitend macht·-,- Im vorlie~

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gendeii Beispiel ist es Wasserstoff mit 5 Teilen Diboran auf eine Million Teile_o

Der polierte Saphiarträger 2 (Fig. 3) wird dann mit der polierten Flache nach oben auf einem Silizium-Susceptorblock j52 angeordnet. Die Apparatur Io wird zuerst mit Helium aus dem Tank 14 und dann mit Wasserstoff aus dem Tank 24 gespült. Als nächstes wird der träger 2 unter einem Wasserstoffstrom etwa 15 Minuten lang auf ca. 125o°C geheizt. Durch diesen Schritt wird die Oberfläche des Saphirträgers wirksam gesäubert. Der Träger 2 wird dann immer noch unter dem Was— serstoffstrom auf etwa 115o G abgekühlt. Der Block 32 wird auf etwa looo bis 115o C gehalten.

Die Silan-Wasserstoffmischung aus dem Tank 32 wird anschließend in den Ofen 11 geleitet. Reines Silan neigt dazu, sich unter Explosionserscheinungen zu zersetzen, wenn es mit Sauerstoff zusammen kommt; eine Mischung von Silan mit Wasserstoff zersetzt sich dagegen langsam unter Bildung von Wasserstoff und elementarem Silizium» Der Wasserstoff verläßt den Röhrenofen 11 durch den Gasauslass 3^, während sich etwas Silizium auf der polierten Oberfläche des Saphir— trägers 2 in Form einer monokristallinen Schicht K ablegert.(Fig.l). Die Geschwindigkeit der Ablagerung der Siliziumschicht verändert eich erstens mit der Konzentration des Silan in 4er Mischung,zweitens mit der Durchflussgeschwindigkeit der Mischung und drittens mit der Temperatur im Ofen.

Wenn die monokristalline Siliziumschicht k die gewünschte Dicke erreicht hat, die in der bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 1 bis 5o Miküon liegen kann, wird der Durchfluss der Silan-iifasserstoffmischung vom Tank 26 abgestellt. Dann wird der Träger Z. ohne Entfernung aus _

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dem Ofen. 11 auf eine Temperatur von etwa 1335 bis; l4oo G in einer ,Umgebung aufgeheizt, welche nicht mit den Silizium reagiert. 3eispieisweise verwendet man eine Wasserstoffatmosphäre oder ein inertes Gas. Diese 'Temperatur wird etwa 6o iiinuten lang aufrecht—erhalten. 'Ss muß sorgfältig darauf geachtet werden, daß die Temperatur nicht über den Schmelzpunkt der monokristallinen Siliziumschicht ^, nämlich lA-25 C , kommt· Ss hat sich herausgestellt, daß die dem Träger durch diesen letzten Schritt zugeführte thermische Energie die Atome in der monokristallinen Siliziumschicht veranlasst, sich zur Bildung einer noch besseren Siliziuiastruktur rückzuordneix. Hikrophotografien der Kristallstruktur haben gezeigt, daß die Zahl der unregelmäßigkeiten stark absinkt, daß jedoch die verbesserte Kristallstruktur aufzutreten beginnt, wenn d<ee bei

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einer Temperatur von etwa 12go -'to Die bevorzugte Temperatur liegt zwischen 1335 und 1^οο° C. Der Saphirträger 2 wird dann in einer viasserstoff oder inerten Atmosphäre auf iiaumtemperatur aabg^i— kühlte Die besten Ergebnisse treten bei einer Äbkühlungsgeschwindigkeit von etwa 25 C pro Minute auf.

Die in dieser Meise hergestellte Siliziumschicht h (Pig·!) ist gleich— mäßig P leitend« Dies rührt daher, daß Aluminium aus dem ^räger während des Wachstums der Siliziumschicht in diese hineingewandert ist. Offensichtlich gelangt das Aluminium sowohl durch Verdampfen als auch durch Diffusion in die Sili2iumschich"t und verteilt sich gleichmäßig in dieser« SoIX jedoch ein F leitende monokristalline Silizium-Schicht geringeren spezifischen Widerstandes als im vorliegenden Beispiel,ausgebildet werden, so kann nach dembeschriebenen Verfahren ein Acceptor zugeführt werden» We*nn die Silan-Wasserstoffmischung von Tank 26 in den Rohrofen 11 fließt, ist das Ventil des Tanks 3o geöffnet, so daß die Diboraa—WasserstOftoischung ebenfalls in den

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Kohrofen 11 gelangt. Dadurch enthält die auf dem SaphirTräger abgelagerte Siliziurnschiclit einige Boratone, so daß die Konzentration der Löcher (positive Ladungsträger) in der Silisiumschicht vergrößert wird und der spezifische /viderstand der Schicht verringert wirdo Der Pegel der I3ordotierung in der ßiliziuaschicht läßt sich durch überwachen der in den Ofen Il fließenden Diboran — vJasserstoff— mischung einstellen. ^Q

Anstelle von P leitenden .Jchichten lassen sich auch N leitende mono— kkristalline Siliziumschichten ablagern. Das beschriebene Verfahren ' eignet sich auch hierfür, jedoch mit einer Ausnahme. Wenn die Silan— Wasserstoffmischung vom Tank 2β in den Ofen 11 fließt, wird auch das Ventil am Tank 2ö geöffnet,, so daß auch etwas von der Phosphin—!fässer stoffmischung in den Ofen 11 gelangt. Die in dieser Weise auf dem Saphirträger abgelagerte Siliziumsohicht enthält genügend Phosphor— Atome, so daß sie N leitend wirdo Die Konzentration der Phosphor-Atome in der Siliziumschicht — und damit die Konzentration- der negativen Ladungsträger (Elektronen) — und der spezifische Widerstand der Schicht läßt sich durch Regulierung der Menge der in den Ofen 11 einströmenden Phosphin—Wasserstoffmischung verändern.

ITach der Ablagerung der Siliziumschicht 4 auf dem Träger, werden bestimmte Teile der Sc/licht 4 entfernt, so daß outsprechende Teile 6 des 'irägers 2 freigelegt werden, wie Fig. Ib seigt. 2ur Jb'ntfernung der aber flüssigen 'i'oile der Schicht 4 können Ätz—, Sage—,Ultraschall— schneid—, und andere geeignete Verfahren verwendet werden» Im vorliegenden Falle werden die üblichen Photomaskierung und Ätzverfahren verwendet. Zunächst wird eine Schicht Siliziumoxyd auf dem Silizium ■ abgelagert, beispielsweise durch thermisches Wachsen in einem Feucli— tigkoitsstrom«, Die Oxidschicht ergibt ein besseres Anhaften der

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Photomaskensehicht, die anschließend auf dem Oxydfilm abgelagert wird. Diese Photomaskenscliicht wird dann einem bestimmten Belichtungsmustef ausgesetzt, so daß die belichteten Flächen unlöslich für ein Lösungsmittel werden, das die unbelichtete Schicht auflöste Die unbelichteten Teile der Photomaskenschicht entsprechen den zu entferntenden Teilen der Schicht 4. Die gesamte Oberfläche der" I ho— , tomaskenschicht wird dann mit einem Lösungsmittel, bespült, beispielsweise mit dem Lösungsmittel J~»loo der Indus—Si—Laboratories, Die belichteten Teile.der photOmaskenschicht sind für dieses Lösungsmittel unlöslich, während die unbelichteten Teile aufgelöst werden, so daß über der Siliziumschicht gewachsene Oxyd freiliegt« Zur Entfernung des freiliegenden Qgrdes \\rird STußsäure- (HE¹) benutzt, Fluß säure, löst weder die Photomaskenschichtnoch die Silizium—Halbleiterschicht k. Zur Entfernung der überflüssigen Teile der Silizium—Halbleiterschicht h wird anschließend öine lo/bige Kalilauge (loyi Kalilauge 9o% Wasser) benutzt, wobei die belichteten Flachen 6 auf dem Träger 2 übrig bleiben. Die Temperatur der Lösung: beträgt vorzugsweise zwischen 5° und 9o° C- ■-■. ■ '■■■,."

Die belichtete Photomaslcenschicht wird mit Hilfe einer aus Chromsäure Und Schwefelsäure bestehenden Lösung entfernt, welche nur die be'lichtete Photoiiiaskenschicht auflöst. Schließlich wird das verbleibende Oxyd, das unter der belichteten Photomaskenschicht war, mit I'lu^säure entfernt. Der nun vorliegende Auf hau ist in Fig. Ib. dargestellt. . \ ■■"-.."--

lian läßt dann, v/ie Fig.. Ic zeigt, eine -Schicht .₌ 8 aus Halbleiter— material über die verbloibenden Flachen der Schicht k und die belichteten Flächen 6 des Tragers 2 wachsen. Die Schicht ö kann von einem anderen Leitunr;styp sein als die Schicht k_a Da die Schicht k hier, als.,P leitende ilalbleitorschicht beschrieben ist, kann die Schicht

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8 eine IT leitende .-ualbleiterschicht seine i*an läßt sie ebenfalls in der vorbeschriebenen 7/eise wachsen, so daß sich der aufbau nach Pig. Ic ergibt.

Danach wird der obere Teil des Aufbaues 1 nach Fig. Ic bis zu der durch die gestrichelte Linie A-A angedeuteten Tiefe entfernt. Zur Entfernung des oberen Teils der Anordnung nach Fig. 1 können Ätz-, Polier-,Säge—, Ultraschallschneide und andere Verfahren verwendet werden. Bei einer Ausführungsform wird die Anordnung 1 zur Entfernung ihres oberen Teiles poliert. Hierzu läßt sich das von der Firma Linde Company Crystal Products Division unter dem I.'aaen Lustrox vertriebene Poliermittel verwenden. Das Lustrox wird auf eine übliche Polierscheibe aufgetragen, mit der dann die Anordnung 1 eine zeitlang bearbeitet wird, bis die übrigen Teile der Schicht h frei— liegen. Wie lange poliert v/erden muß, hängt von der Dicke der Schichten k und 8 ab. Das Endprodukt ist in Fig.Id dargestellt»

Der auf diese V/eise hergestellte Aufbau hat verschiedene einzigartige und wünschenswerte Eigenschaften. Er bildet eine kontinuierliche dünne Struktur von monokristallinem Halbleitermaterial wel— . ches aneinander grenzende Bereiche verschiedener Leitfähigkeitseigen— schäften hat, in welchen eine im wesentlichen gleichförmige Konzentrationdes Dotiermaterials oder der Dotiermaterialien vorliegt· Da diese Bereiche in einer steuerbaren Weise gleichförmig dotiert sind , eignen sie sich insbesondere zur Ausbildung bipolarer Transistoren. Da ferner Bereiche entgegengesetzten Leitungstyps nebeneinander liegen, lassen sich sowohl P-ii—P Transistoren als auch I.'-P—N Transistoren nebeneinander mit einem Minimum von Verfahrensschritten aus—

bilden.

Patentansprüche;

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Claims (4)

1. RGA 56 912 //

   US Serial .Kp.: 577 917 ·

   Tileα: September 8, 1966

   P a te η t a η s ρ r ü ch e

   1« Verfahren zur Herstellung aneinandergrenzender Bereiche mono-. kristallinen Halbleitermaterials mit verschiedenen Leitfähigkeit se igenschaf ten auf einem monokristallinen Träger, da — du r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß man auf dem Träger eine erste epitaktische Schicht Halbleitermaterials .rrsgsberier Leitfähigkeitseigenschaften wachsen läßt, daß man im Abstand befindliche Stellen der ersten Schicht entfernt, so daß der Träger freiliegt, daß man aufden freigelegten Teilen des Trägers und den verbleibenden Teilen der ersten Schicht eine zweite epitaktische Schicht anderer Leitfähigkeitseigenschaften wachsen laßt, xind daß man Oberflächenteile der zweiten Schicht entfernt, so daß die verbleibenden Teile der ersten Schicht freiliegen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n η zeichnet, daß die aneinandergrenzenden Bereiche des Halbleitermaterials N leitendes bzw. P leitendes monokristallines Silizium sind.
3. 3« - Verfahren nach Anspruch 1- oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Träger eine Aluminiumverbindung ist. ·■■'""
4. 4. Halbleiteraufbau mit einem monokristallinen Isolierträger, g e k e η η ze ic h η e t d u rc h eine Mehrzahl von

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   auf dem Träger (2) gewachsenen Halbleiterbereichen (4-)
   mit bestimmten Leitfähigkeitseigenschaften und durch eine
   auf dem Träger (2) getrennt gewachsene Mehrzahl zweiter Halbleiterbereiche (8) mit anderen Leitfähigkeitseigenschaften,
   wobei die ersten (4) und zweiten(8) gewachsenen Bereiche sich nebeneinander befinden und aneinander angrenzen.

   Halbleiteraufbau nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet , daß die' ersten Halbleiterbereiche (4) N leitend und die zweiten Halbleiterbereiche (8) P leitend sind
   und sämtliche Halbleiterbereiche eine im wesentlichen gleichförmige Dotiermaterial-Konzentration aufweisen.

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