Eigenschaften epitaxialer siliziumschichten auf spinell-einkristallen

M a t . R e s . B u l l . Vol. 3, pp. 3 1 5 - 3 2 8 , in the United States.

1968.

Pergamon Press,

Inc.

Printed

EIGENSCHAFTEN EPITAXIALER SILIZIUMSCHICHTEN AUF SPINELL-EINKRISTALLEN *)

W. Heywang Forschungslaboratorium ~tLuchen der Siemens AG. 8000 M~nchen 80, Balanstr. 73, Germany

(Received February 26, 1968; Communicated by H. Weiss)

ABSTRACT It is possible to deposit epitaxial silicon layers on spinel surfaces of any orientation, the main imperfections of these films being growth twins. The characteristic dependence of the carrier mobility on the doping level is explained, both, by these twins and the thermally introduced stresses.

Zur

Herstellung

allgemeinen in

folgenden

kompakter,

yon

Weg:

m~glichst

Halbleiterbauelementen Man

reiner

geht

man

heute

aus

der

scheidet

den

Halbleiter

Form

und

wandelt

ab

ihn

im Gasphase

durch

einen an-

schliessenden Schmelzprozess unter gleichzeitiger physiaklischer Reinigung in einen

Einkristall

zers~gt, Wegen

die

dann

dieses

verbundenen Halbleiter man sich

Einkristall

Grundlage

umst~ndlichen

Materialverschleisses d~nner

hierbei

qualit~t,

d.h.

lern

der

Forderungen

Dieser

die

recht

in

und

um.

Schicht

f~r

die

wird

Herstellungsprozesses hat

direkt

Einkristallini~t,

Reinheit°

Erst

in

einzelne

es

nicht

an

herzustellen.

der

J~ngster

Scheiben

Bauelementepr~paration

gegenUbersieht, ist die Frage der

in

der

und

Versuchen

des

bilden. damit

gefehlt,

Das Hauptproblem, erzielten

Kristall-

Freiheit von KristallbaufehZeit

gelang

es, diesen

in ausreichender Weise gerecht zu werden mit der epitaxialen

*)Vortrag gehalten anl~sslich eines Kolloquiums der Deutschen Forschungsgemeinschaft am 7.3.67 in Bad M~nster. 315

dem

drei

316

EPITAXIALE

SILIZIUMSCHICHTEN

Abscheidung yon S i l i z i u m auf i s o l i e r e n d e n

Einkristallen

Verwendung s o l c h e r D i i n n s c h i c h t e n z u r H e r s t e l l u n g elementen bietet zu i n t e g r i e r t e n

auBerdem den V o r t e i l , Schaltkreisen

Vol. 3, No. 4

5

.." ~"

Die

yon Halbleiterbau-

da9 b e i d e r W e i t e r v e r a r b e i t u n g

die Bauelemente leicht

f a c h e A t z t e c h n i k g a l v a n i s c h und k a p a z i t i v

durch eine ein-

v o n e i n a n d e r zu t r e n n e n s i n d .

Die V o r a u s s e t z u n g e n f ~ r den H e r s t e l l u n g s p r o z e B d e r a r t i g e r Schichten ergeben sich direkt EinkristallinitNt

a u s den b e r e i t s

und K r i s t a l l p e r f e k t i o n

wenn d i e U n t e r l a g e e b e n f a l l s

k~nnen n u r g e w N h r l e i s t e t w e r d e n ,

einkristallin

eine Gittersymmetrie aufweist,

oben g e n a n n t e n F o r d e r u n g e n .

ist

und d i e A u f w a c h s e b e n e

die g e o m e t r i s c h mit der aufwachsenden

S c h i c h t vertr~glich ist. Beim A u f w a c h s e n s e l b s t stanzen nicht

d ~ r f e n d i e z u r A b s c h e i d u n g kommenden Sub-

durch die chemisch andersartige

werden. Letzteres

bedingt,

Unterlage verunreinigt

dab das U n t e r l a g e m a t e r i a l

bei der Abscheidung auftretenden

h o h e n Tempera~uren a l s auch gegen d i e

v e r w e n d e t e n o d e r wiihrend d e s P r o z e s s e s a u f t r e t e n d e n ist.

Unter Beriicksichtigung dieser

Substrate

s o v o h l gegen d i e Reagenzien stabil

B e d i n g u n g e n wurden b i s h e u t e a l s

verwendet: S a p h i r , Magnesium-Aluminium-Spinell, Quarz,

Beryllium-Oxid, Calziumfluorid, wurden j e d o c h n u r e r z i e l t Saphir bisher

~achsung eignet,

ist

Brauchbare Erfolge

m i t S a p h i r und S p i n e l l ,

i n groBem Umfange u n t e r s u c h t

DaB S a p h i r s i c h a l s stallisiert

Siliziumcarbid.

y o n denen v o r a l l e m

wurde.

Unterlage f~r eine epitaxiale

zun~chst etwas ~berraschend;

Silizium-Auf-

denn S i l i z i u m k r i -

im k u b i s c h e n , S a p h i r im h e x a g o n a l e n K r i s t a l l s y s t e m .

Dem-

e n t s p r e c h e n d w a r es auch n u r g e l u n g e n , a u f a u s g e w ~ h l t e n ( e n t s p r e c h e n d indizierten)

Kristalloberfl~chen

S c h i c h t e n zu e r z i e l e n ,

des Saphirs e p i t a x i a l

aufgewachsene

wenn n ~ m l i c h d i e G i t t e r s y m m e t r i e d e s S i l i z i u m s

~ b e r e i n s t i m m t m i t d e r des S a p h i r s i n d e r V e r w a c h s u n g s f l ~ c h e . Ausgehend y o n d i e s e r

Uberlegung suchten vir

hohen Temperaturen schmelzenden i s o l i e r e n d e n

n a c h einem e r s t

Kristall

Gi%%ersymmetrie und e i n e r m i t S i l i z i u m v e r t r ~ g l i c h e n

mit kubischer Gi%terkons%an%e.

Giins%ig e r s c h i e n uns M a g n e s i u m - A l u m i n i u m - S p i n e l l , d e r s u c h s i s fischer

Kristall

kHuflich i~t.

bei

syn%he-

Vol. 3, No. 4 Im f o l g e n d e n

EPITAXIALE sol1

ein Uberblick

bei Verwendung von Spinell torium auf

durchgef~hrt

den EinfluB

wurden.

ihrer

untersuchten bei

Unterlage,

gez~chtet°

schichten

in folgender

Der S p i n e l l k r i s t a l l

i n Seheiben zers Fl~chen bevorzugt EinfluB

auf

anschlieBend

gt,

wird

chemisch ge~tzt

prozeB entspricht Schichten

auf

damit

in

zeigten,

ist,

auf allen

aufzuvachsen,

im S u b s t r a t der

dab

wo-

und i n Epitaxie-

Neise vor: - in der

gewiinschten Richtung

lSche ( 1 1 1 ) bis

Die S c h e i b e n

und d a n n b e i

Erw~hnt sei,

O

zu 5

orientiert

(100)w a r e n ohne

wurden mechanisch

poliert,

e t w a 1200 °C im S£C14- ( o d e r

beschichteto

im w e s e n t l i c h e n

nur mit Silan-Zersetzung

mSglich

Fiir d i e H e r s t e l l u n g

epitaxial

Silizium.

ebenfalls

Versuche

und - r i c h t u n g e n

wurdeno Fehlorientierungen

die SchichtqualitRto

w u r d e n im H i n b l i c k

Silizium

obei a l s Scheibenober

SiItC13-)Nasserstoffstrom*) yon Silizium

die ersten

einkristallines

~bereinstimmen.

gingen wir

Spinelle

Uberlegungen

erwartungsgemRB Kristallebene

in unserem Labora-

zum g r o B e n T e l l

Bereits

den t h e o r e t i s c h e n

der Epitaxieschicht

wie sie

Die v e r w e n d e t e n

Kristallfl~chen

317

gegeben werden ~ber die Untersuchungen

Kristallqualit~t

unserem Laboratorium es entsprechend

als

SILIZIUMSCHICHTEN

Der H e r s t e l l u n g s -

der heute

~blichen

dab be£ S a p h i r

oder zumindest

bis

Epitaxie heute

Silanbekeimung

gute erzielt

worden sind° Bild fl~che

I zeigt

eine

solche

Silizium-Schicht

auf

einer

(100)-Spinell-

im Q u e r s c h l i f f o

Abbo 1 Epitaxiales Silizium auf MagnesiumAluminium-Spinell (Querschliff) * Zum T e i l w n r d e n a u c h im S i H 4 / H 2 - S t r u m h e r g e s t e l l t e Untersuchungen einbezogeno

Schichten

in die

318

EPITAXIALE

SILIZIUMSCHICHTEN

Da es s i c h um e i n e A u f l i c h t a u f n a h m e h a n d e l t , Spinell Es i s t

Vol. 3, No. 4

erscheint

der d u r c h s i c h t i g e

d u n k e l , w o h i n g e g e n das a u f g e w a c h s e n e S i l i z i u m s t a r k deutlich

eine orientierte

Feinstrukturierung

reflektierto

der Siliziumschicht

zu e r k e n n e n , d i e s i c h m i t zunehmender S c h i c h t d i c k e v e r g r ~ b e r t o Bild 2 zeigt

die gleiche

Strukturierung

nochmals i n einem e l e k -

t r o n e n m i k r o s k o p i s c h e n 0 b e r f l ~ c h e n a b d r u c k , wie s i e der Schicht ergibt, 2c f ~ r den F a l l

|

s i c h nach e i n e r An~tzung

und z ~ a r 2a und 2b f ~ r den F a l l e i n e r

einer

( 1 0 0 ) - und

(lll)-0berflKcheo

i

1/um a)

J. !

~ .~

1/um

1/um

b)

c)

Abb. 2 S t r u k t u r yon S i l i z i u m s c h i c h t e n macht d u r c h A t z u n g ~ - ~ ~) a u f ( 1 0 0 ) - 0 b e r f l K c h e , auf (100)-0berfl~che, c auf (lll)-0berfl~che, Zweierlei ist

auf Spinell, Schichtdicke Schichtdicke Schichtdicke

sichtbar 2~u 30 u 30/u.

zu e r k e n n e n :

1. Die s c h o n v o r h i n e r v K h n t e V e r g r ~ b e r u n g der S t r u k t u r i e r u n g zunehmender S c h i c h t d i c k e

2. Im F a l l e

ge-

mit

(Abb. 2a und 2 b ) .

d e r ( 1 0 0 ) - 0 b e r f l ~ c h e v a r e n d i e S c h i c h t e n so o r i e n t i e r t ,

da~ ~ - 0 1 0 ~ - hzwo ~-001_~-Richtung im B i l d h o r i z o n t a l

bzwo v e r t i k a l

v e r l a u f e n o Die R i o h t u n g d e r s i c h t b a r e n K r i s t a l l s t ~ r u n g e n ~-011_~ und ~-011~° A n a l o g e r g i h t der Kristallst~rung

ist

also

sich f~r die bevorzugten Richtungen

in (lll)-F1Kchen:

~-011_~, ~ - 101~ und ~-110~o

Vol. 3, No. 4

EPITAXIALE

SILIZIUMSCHICHTEN

319

Schon die strenge 0rientierung der unterschiedlich geRtzten Bereiche zeigt, dab man es im wesentlichen mit einer einkristallinen Aufwachsung zu tun hat. ErhRrtet wurde dieses Ergebnis dutch RSntgen-LaueBeugungsaufnahmen, wie dies Abb. 3 f~r den Fall einer (111)-0berfl~che

zeigt.

a)

b) Abb. 3

Laue-Rfickstrahl-Dia~ramme yon (111)-0berfl~chenL-~ a) Spinell unbeschichtet b) Spinell mit ca. 30/um Silizium-Schicht. Im Laue-Riickstrahldiagramm des unbeschichteten Spinells sind die infolge des Strukturfaktors nur schwach auftretenden Reflexe hSherer Ordnung durch Kreise besonders kenntlich gemachto Nach der Beschichtung mit Silizium bleiben die Symmetrie-Elemente des RSntgendiagramms vSllig erhalten. Die bei Spinell nut sehr schwach sichtbaren (135)- und (155)Reflexe sind bier aber deutlich sichtbar und werden eindeutig dutch die aufgewachsene Siliziumschicht hervorgerufen. Reflexe, die auf einen polykristallinen Anteil schlieBen lassen miissen, wurden nicht gefunden. Damit ergibt sich sofort die Frage nach der Natur der in Bild 1 und 2 sichtbaren KristallstSrungen. Hierzu mfissen die speziellen Aufwachsbedingungen genauer diskutiert werdenl Es wurde bereits erwRhnt, dab eine epitaxiale Aufwachsung nur dann zu erwarten ist, wenn die Gitterkonstante des Substrates mit der von Silizium vertrKglich ist. Nun betr~gt die Gitterkonstante yon Silizium 5,~3 ~, die yon Spinell 8,0 - 8,1 ~o Dieser grobe Unterschied macht eine einkristalline Aufwachsung zun~ehst wenig verst~ndlich° Eine eingehendere Diskussion beider Kristallgitter zeigt jedoch enge Verwandtschaften:

320

EPITAXIALE

Silizium

kristallisiert

einander

gestellten

Spinellgitter gebildet

SILIZIUMSCHICHTEN im D i a m a n t g i t t e r ,

bekanntlich

kubisch dichtesten

findet

sich eine kubisch

yon den S a u e r s t o f f i o n e n .

bzw. ~ g n e s i u m i o n e n

Auch im

dichteste

sie wird

kleineren

Aluminiumauf 0ktaeder-

eingelagert°

in seinem Aufbau identisch

ist

a b g e s e h e n vom A t o m a b s t a n d ,

und zwar e r h ~ l t

stoffabstand

Kugelpackung:

Sauerstoffgrundgitter

MaBgeblich f ~ r die Aufwachsung i s t

Gitterkonstanten

dam a u s zwei i n -

Kugelpackungen besteht.

Die w e s e n t l i c h

sind in dieses

bzwo T e t r a e d e r p l R t z e n

Vol. 3, No. 4

d a h e r das S a u e r s t o f f g i t t e r ,

m i t den b e f d e n U n t e r g i t t e r n

das

des Siliziums,

man a u s den oben a n g e g e b e n e n

einen Atomabstand yon 3,83 ~,

f~r Spinel1 einen Sauer-

y o n etwa 2 , 8 5 ~o D i e s e AbstNnde v e r h a l t e n

sich fast

exakt

wie ~ : 3. Fiir d i e A u f w a c h s u n g i n e i n e r Bild 4 schematisch gezeichnete

(lll)-Ebene

erh~lt

man d a m i t d i e i n

Uberlagerung.

Abb. 4 R e l a t i v e Lage yon S a u e r s t o f f und S i l i z i u m epitaxialer Abscheidung yon S i l i z i u a auf (111)-Spinell-Oberfl~che.~-~_7

Sauerstoff-Ionen

Die k l e i n e n

Kreise

Spinell-Ebene

O

Silizium-Atome in der ersten ebene.

e b e n e . Die g r o ~ e n K r e i s e in der ersten

in der obersten

0

entsprechen

bei

den S a u e r s t o f f i o n e n

Aufwachs-

der obersten

Spinell-

geben e i n e m6gliche Anordnung d e r S i l i z i u m a t o m e

(lll)-Aufvachssehicht

a n . Man bekommt a l s o

eine v~llig

Vol. 3, No. 4

EPITAXIALE

SILIZIUMSCHICHTEN

321

regelm~Sige Zuordnung zwischen Sauerstoffionen der Unterlage und den Siliziumatomen, so dab die Tatsache einer epitaxialen Aufwachsung durchalas verstindlich erscheint. Man glaubte sogar bis vor kurzem, dab man mit diesem einfachen Modell die wesentlichen Eigenschaften der Aufwachsung verstehen und erkliren kSnnte. So machte Lander ~-67 darauf aufmerksam, dab selbstverst~ndlich kein Atom der Unterlage gegen~ber dem anderen ausgezeichnet ist, wie dies in der vorgelegten Zeichnung scheinbar der Fall ist, d.h. f~r die direkte Late eines Siliziumatoms ~ber einem Sauerstoffion kann genauso gut z.B, ein nichstes Nachbaratom ausgew~hlt werden. Dies entspricht der Verschiebung des Siliziumgitters um 5/4 Siliziumabstand nach rechts oder vom anderen Siliziumatom ausgerechnet tun I/4 Siliziumabstand nach links. Bei der Bildung der ersten Atomlage sei damit zu rechnen, dab sich somit Keime bildenp die um Bruchteile einer Gitterkonstanten gegeneinander verschoben sind, so dab sie nicht mehr ohne Kristallbaufehler z~sammenwachsen kSnneno Dies ist in Bild 5 f~r ein einfaches kubisches Gitter und ein Gitterkonstantenverhiltnis

1:2 veranschaulicht.

1

!

*

. . . . . . . . .

Abb.

,

i

5

"Out of phase"-Bereiche bei Heteroepitaxie einfacher kubischer Gitter mit GitterkonstantenverhAltnis 1 :2 ~-~_7 X O

Lage der Substratatome Atome der Epi%axieschicht.

Man kSnnte zwischen den dabei auftretenden Nahtstellen und den experimentell beobachteten Kristallbaufehlern innerhalb der Schicht einen Zusammenhang vermuten. Allerdings zeigten eingehendere Untersuchungen ~-/7

322

EPITAXIALE

SILIZIUMSCHICHTEN

dab e i n e s o l c h e M o d e l l v o r s t e l l u n g schon nicht

zu v e r s t e h e n ,

den e i n z e l n e n orientiert

entschieden

sind,

zu e i n f a c h

weshalb die beobachteten

Kristallbereichen

(vgl.

Vol. 3, No. 4

ist,

z . B . w~re

Begrenzungen zwischen

B i l d 2) s t r e n g k r i s t a l l o g r a p h i s c h

denn d a s Zusammenwachsen s o l c h e r

"out of phase-Bereiche"

w~re ein mehr statistischer Vorgang. lqir e i n e w e i t e r e der beobachteten war,

Kristallst~rungen

n ~ h e r zu u n t e r s u c h e n .

da9 es s i c h - w i c im e l e k t r o n e n m i k r o s k o p i s c h e n

sehcn - nicht

um e i n f a c h e

Zwischenbereiche handelt, zeigen. tung.

K l ~ r u n g war es u n b e d i n g t e r f o r d e r l i c h ,

Wie b e r e i t s

die offensichtlich

erw~hnt,

erstrecken

Da a u c h d i e S p u r e n d e r i n S i l i z i u m

in (100)- und (111)-Ebenen die

sie

C~instig h i e r f ~ r

Bild leicht

G r e n z e n , s o n d e r n um o r i e n t i e r t

die Natur

zu

ei n g e l a g e r t e

ein anderes Atzverhalten sich

l ~ n g s i n <110> - R i c h -

bevorzugten Zwillingsebenen

<110> -Richtungen sind, war zu vermuten,

dab es sich bei den St~rungen um eingelagerte Zwillingslamellen handelt. Ein direkter Nachweis hierfBr kann gefRhrt werden mit Hilfe der clektronenmikroskopischen Durchstrahlung d~nner Schichten. IIierzuwurde das Silizium yon der Spinellunterlage abgesprengt und anschlieSend durch Ionen-Beschu9 auf eine Dicke yon etwa 2000 - ~000 ~ abgetragen. Bild 6 zeigt s o l c h e n yon e i n c r

da s D u r c h s t r a h l u n g s - E l e k t r o n e n - B e u g u n g s d i a g r a m m (lll)-Spinell-0berfl~che

abgel~sten

Silizium-Schicht.

Abb. 6 Elektronenbeugungsdiagramm einer auf ell gewachsenen Silizium-Schicht.

~

einer

Vol. 3, No. 4

EPITAXIALE

SILIZIUMSCHICHTEN

323

Neben den der sechsz~hligen Symmetrie entsprechenden Reflexen an ~220~-Ebenen sind noch weitere Reflexpunkte sichtbar, die scheinbar nicht zu Silizium gehSren. Zu ihrer Deutung griffen wir auf die schon erw~hnte Annahme zurRck, dab in der Schicht Lamellen in Zwillingsorientierung eingelagert sind und errechneten die sich aus den mSglichen

111 -Verz illin u en er ebenden Zusatzre le

Sie sind

Schema

des Bildes 6 neben den der Matrix entsprechenden Dreiecken als ausgef~llte runde Punkte eingezeichnet. Vergleicht man dieses Schema mit der Aufnahme, so erkennt man, da~ alle gefundenen Zusatzreflexe sich solchen Zwillingspunkten zuordnen lasseno Es werden aber nicht alle mSglichen Zusatzreflexe gefunden, was sich dadurch erklRren l~Bt, dab die Reflexionsbedingungen nieht fur alle mSglichen Zwillingsebenen erf~llt waren. DaB die hier gegebene Deutung zutrifft, ist am anschaulichsten aus Bild 7 zu entnehmen, das eine Stelle der untersuchten Schicht im elektronenmikroskopischen "Hell"- und "Dunkelfeld"-Bild zeigt°

Abb. 7

K r i s t a l l b a u f e h l e r in ( l l l ) - S i l i z i u m S c h i c h t e n auf S p i n e l l . ~-7_7 Das Hellfeldbild wurde in der ~blichen Weise gewonnen unter Verwendung des Prim~rstrahles. Verschiebt man die Aperturblende so, dab der PrimKrstrahl ausgeblendet wird und die Abbildung im Licht eines der vorhin erw~hnten Zusatzreflexe erfolgt, so ergibt sich das in Bild 7 gezeigte Dunkelfeldbildo In diesem s ind die ungestSrten Kristallbereiche dunkelp

324

EPITAXIALE

wNhrend d i e l i n k s Richtung als

helle

als

SILIZIUMSCHICHTEN

dunkle Schatten

Streifen

erkennbaren Zwillinge

aber ihre

Die e r s t e r e n

entstehen

dies:

unter

man a l l g e m e i n

dem E i n f l u B m e c h a n i s c h e r S p a n n u n g e n t d i e

Verformungszwillinge

die unterlagenmNgig bedingte linge

gekl~rt,

den s o g . V e r f o r m u n g s - und den W a c h s t u m s z w i l l i n g e n .

z w e i t e n d u r c h den Wachstumsmechanismus s e l b s t . ten hei~t

Kristallst6rungen

U r s a c h e . B ei Z w i l l i n g e n u n t e r s c h e i d e t

z w i s c h e n zwei A r t e n ,

einer

erscheinen.

Damit w a r zwar d i e N a t u r d e r a u f t r e t e n d e n nicht

Vol. 3, No. 4

Bezogen a u f u n s e r e S c h i c h -

kSnnten hervorgerufen

sein dutch

Verspannung der Schichteno Wachstumszwil-

e r g e b e n s i c h d u r c h den K e i m b i l d u n g s m e c h a n i s m u s . Daf~r,

dab w i r e s

m i t W a c h s t u m s z w i l l i n g e n zu t u n h a b e n ,

sowohl d i e V e r d i c k u n g d e r Z w i l l i n g s l a m e l l e n

als

sprechen

a u c h d i e Abnahme i h r e r

Anzahl mit zunehmender Schichtdieke.

B e i d e s wiire d u t c h V e r s p a n n u n g e n

kaum e r k l ~ r b a r .

bereits

treten,

zeigt

der ersten

Da9 s o l c h e

Zwillinge

a u c h das B i l d 8 e i n e s

i n den e r s t e n

Keimen a u f -

elektronenmikroskopischen

Abdrucks

Aufwachsschicht.

],

l

i/urn

Abb. 8 Silizium-Keime auf Mg-A1-Spinell,

(lO0)-Orien%ierung.

Innerhalb

verschiedener

~ll_y-Richtung

Keimbereiche sind deutlich

verlaufend

Zwillingsgrenzen

gerade in ~1_~-

zu e r k e n n e n .

und

Vol. 3, No. 4

EPITAXIALE

SILIZIUMSCHICHTEN

325

Dariiber hinaus ergibt sich die ~berraschende Tatsache ~-8_~, dab die Keime nicht dutch kristallographisch niederindizierte Fl~chen begrenzt, sondern abgerundet sind. AuBerdem £st jeder Keim bzw. jede £nsel yon einem grabenfSrmigen Hof umgeben, der auf eine An~tzung des Spinells zur~ckzuf~hren ist° Gerade diese Ergebnisse fiber die erste Keimbildungsphase zeigen, dab die erw~hnte einfache matching-Theorie f~r das epitaxiale Aufwachsen auf Fremdsubstraten der Kompliziertheit der Ef£ekte nicht gerecht werden kann. Die Anitzung des Spinells bringt naturgemiB die Gefahr einer Verunreinigung der Aufwachsschicht yon der Unterlage her mit sich ~ , ~ . Trotz dieses Effektes ist es gelungen, Schichten yon einigen hundert Ohm-cm p-Typ entsprechend einer Trigerkonzentration yon etwa 1014 cm 3 zu erzielen. Vergleichbare Werte konnten bei Saphir - soweit aus den vorliegenden VerSffentlichungen beurteilbar - nur unter Anwendung der aufwendigeren Silantechnik erzielt werden.

Ein wesentlich der spezifische

sichereres

Widerstand

Tr~gerbeweglichkeit, oder ein sonstiger

Kriterium

oder die Anzahl der Ladungstr~ger

da j e d e K r i s t a l l s t S r u n g ~ Kristallbaufehler,

solcher

f ~ r n - und p - S i l i z i u m

\

:~

die

herabsetzt.

Untersuchungen der TrRger-

dargestellt.

\ ,

ist

als

s e i es nun e i n Fremdatom

die Beweglichkeit

In B i l d 9 sind d i e E r g e b n i s s e beweglichkeit

f~r die Schichtqualit~t

\

'\x\

Abb. 9 Tr~gerbeweglichkeit in SiliziumDiinnschichten auf Spinell.

326

EPITAXIALE

Die Kurve b) e n t s p r i c h t

SILIZIUMSCHICHTEN

Vol. 3, No. 4

der A b h ~ n g i g k e i t der T r ~ g e r b e w e g l i c h k e i t yon

der Dotierung in Massivsilizium,

wie s i e b e i b e s o n d e r s r e i n e n P r o b e n

g e f u n d e n wurdeo Das A b s i n k e n m i t zunehmender L a d u n g s t r ~ g e r k o n z e n t r a t i o n b e r u h t a u f dem b e k a n n t e n E i n f l u ~ d e r a l s S t r e u z e n t r e n

wirkenden

D o n a t o r e n bzw. A k z e p t o r e n . W i l l man d i e s e Kurve v e r g l e i c h e n

mit den

bei IRinnschichtsilizium gefundenen Beweglichkeiten, sichtigen,

so i s t

zu b e r ~ c k -

da~ d i e s e D i i n n s c h i c h t e n a u f e i n M a t e r i a l m i t abweichendem

thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei hoher Temperatur aufgewachsen wurden und d a h e r bei Z i m m e r t e m p e r a t u r v e r s p a n n t s i n d ~ 0 ~ . Verspannung b e w i r k t e i n e VerRnderung d e r t h e o r e t i s c h e n k u r v e n , v i e s i s d u r c h d i e Kurve c) w i e d e r g e g e b e n i s t , Material

ist

i n der (100)-Ebene eine g e r i n g e r e

u n v e r s p a n n t e m S i l i z i u m zu e r w a r t e n ,

Diese

Beweglichkeitsd.ho b e i n - T y p -

Beweglichkeit als

b e i p-Typ i n d e r ( l l l ) - E b e n e

in eine

h~here. Vergleicht

man s c h l i e g l i c h

d i e an D i i n n s c h i c h t s i l i z i u m g e m e s s e n e n

B e w e g l i c h k e i t e n (Kurve a) m i t den einem v e r s p a n n t e n M a t e r i a l

entsprechen-

den K u r v e n , so f i n d e r man g u t e U b e r e i n s t i m m u n g o b e r h a l b 1017 cm- 3 , h i n gegen w e s e n t l i c h g e r i n g e r e

Beweglichkeit bei niedrigeren

LadungstrRger-

K o n z e n t r a t i o n e n ° D i e s e Abweichungen s i n d a u f den E i n f l u ~ d e r b e o b a c h teten Kristallst~rungen

z u r i i c k z u f ~ h r e n ; d i e s e s i n d yon R a u m l a d u n g s -

zonen umgebenp d e r e n B r e i t e m i t a b n e h m e n d e r D o t i e r u n g zunimmt° E l e k trisch

macht s i c h d i e s i n e i n e r Abnahme d e r B e w e g l i c h k e i t b e m e r k b a r .

E i n e Erh~hung d e r K r i s t a l l p e r f e k t i o n geringer Dotierung eine weitere

wiirde d a h e r s i c h e r

im B e r e i c h

Verbesserung der elektrischen

Eigen-

schaften mit sich bringen. Die A n w e n d b a r k e i t d i e s e r yon T r a n s i s t o r e n

Siliziumsehichten

wird dutch die verbliebenen Kristallst~rungen

s c h e i d e n d b e g r e n z t o So kann d e r z e i t polare Transisteren zu r e a l i s i e r e n . perfektion

f~r die Herstellung ent-

nicht=.daran gedacht werden, bi-

in ausreichender

Qualit~t

Bei U n i p o l a r t r a n s i s t o r e n . s t ~ r t

in derartigen

Schichten

d~e m a n g e l h a f t e K r i s t a l l -

w e n i g e r . Die e f f e k ~ i v e n L a d , , n ~ s ~ r ~ g e r d i c h t e n i n n e r h a l b des

s t r o m f ~ h r e n d e n K a n a l s s i n d z u d e ~ sO h o c B , d a B : k e i n e n e n n e n s w e r t e Be7 weglichkeitsverminderung durch Raumladuz!gsbarrieren auftritt. D e m e n t s p r e c h e n d v e r w u n d e r t es n i c h t , Oberfl~chenfeldeffekt-Transistoren

dab T e s t s t r u k t u r e n

im s o g . MOS-Aufbau im Rahmen d e r

bekannten Schwankungsbreiten gleiche Kennlinien lieferten auf Kompaktsilizium.

yon

wie s o l c h e

Vol. 3, No. 4

EPITAXIALE

SILIZIUMSCHICHTEN

327

Fiir eine echte technische Wertung der Bedeutung solcher Diinnschichten fur die Transistorherstellung mu~ allerdings noch die Bauelementetechnologie an die Besonderheiten dieser Schichten angepaBt werden. Unabhingig yon dieser mehr technischen Zielsetzung gaben abet die durchgef~hrten Untersuchungen wertvolle Einblickein die Vorginge beim Aufwachsen epitaxialer Silizium-Schichten auf Fremdunterlage. Die hier referierten Ergebnisse wurden yon einer Arbeitsgruppe innerhalb des Forschungslaboratoriums

gewonnen, der vor allem meine Mit-

arbeiter, Herr Dr° SchlStterer, Herr Dr. Seiter und Herr Dr. Zaminer, angehSren.

Ihnen und allen anderen, die an dieser Arbeit beteiligt

waren, gilt mein aufrichtiger Dank. AuBerdem danken wir dem Bundesministerium f~r Verteidigung f~r die Mittel, die es zur F~rderung dieser Arbeit

zur

Verf~gung gestellt hat.

L iteratur I.

H. M. Manasevit und W. !. Simpson, J. ADD1. Phys. 35, 1349 (1964).

2.

C. W. Mueller und P. H. ~obinson, Proc. IEEE ~.2, 1487 (1964).

3.

Bo A. 0oyce, R° J. Bennett, R. W. Bicknell und P. J. Etter, Trans.Met.Soc. AIME° 233, 556 (1965).

4.

Ho Seiter und Ch° Zaminer, Z. an~. Physik 20, 158 (1965).

5o

J. L. Porter und R° G. Wolfson, Jo ADD1. Phys. ~_6, 27~6 (1965).

6.

J. J. Lander, Surface Science l, 125 (1964).

7.

H. SchlStterer und Ch. Zaminer, uhys.stat.,ol.

8.

Ch. Zaminer, Z. an~e~. Physo,in Vorbereitung.

9.

D. J. Dumin und P. I{. Robinson, J. Electrochem. Soc. Ii~, 469

10.

H. SchlStterer, Solid-St. Electrnn.,

15, 399 (1966).

in Vorbereitung.

(1966)