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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)
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
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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)