DE10163394A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden kristalliner Schichten und auf kristallinen Substraten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden kristalliner Schichten und auf kristallinen Substraten

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Abscheiden mehrerer, kristalliner Halbleiterschichten auf mindestens einem kristallinen Halbleitersubstrat, wobei durch ein Gaseinlassorgan (7) in eine Prozesskammer (2) eines Reaktors (1) gasförmige Ausgangsstoffe eingebracht werden, welche sich gegebenenfalls nach einer chemischen Gasphasen- und/oder Oberflächenreaktion auf der Oberfläche eines auf einem Substrathalter (5) in der Prozesskammer angeordneten Halbleitersubstrates die Halbleiterschicht bildend anlagern, wobei die Halbleiterschicht und das Halbleitersubstrat einen Kristall bilden, aus entweder einem oder mehreren Elementen der V-Hauptgruppe, Elementen der III- und V-Hauptgruppe oder Elementen der II- und VI-Hauptgruppe, wobei in einem ersten Prozessschritt zur Abscheidung einer ersten Halbleiterschicht ein aus ein oder mehreren ersten Ausgangsstoffen bestehendes erstes Prozessgas in die Prozesskammer (2) eingeleitet wird, dessen Zerlegungsprodukte den Kristall einer ersten Halbleiterschicht bilden und wobei zum Zwecke einer Dotierung der ersten Halbleiterschicht geringe Mengen eines zweiten Ausgangsstoffes in die Prozesskammer (2) einleitbar sind. Es wird vorgeschlagen, dass in einem zweiten Prozessschritt vor oder nach dem ersten Prozessschritt in dieselbe Prozesskammer zur Abscheidung einer zweiten Halbleiterschicht ein den zweiten Ausgangsstoff und gegebenenfalls weitere Gase beinhaltendes zweites Prozessgas eingeleitet wird, dessen Zerlegungsprodukte eine einen vom ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden mehrerer, kristalliner Halbleiterschichten auf mindestens einem kristallinen Halbleitersubstrat, wobei durch ein Gaseinlaßorgan in eine Prozeßkammer eines Reaktors gasförmige Ausgangsstoffe eingebracht werden, welche sich gegebenenfalls nach einer chemischen Gasphasen- oder Oberflächen-Reaktion auf der Oberfläche eines auf einem Substrathalter in der Prozeßkammer angeordneten Halbleiter- Substrates die Halbleiterschicht bildend anlagern, wobei die Halbleiterschicht und das Halbleitersubstrat einen Kristall bilden aus entweder
    • 1. (a.) einem oder mehreren Elementen der V.-Hauptgruppe,
    • 2. (b.) Elementen der III.- und V.-Hauptgruppe oder
    • 3. (c.) Elementen der II.- und VL.-Hauptgruppe,
    wobei in einem ersten Prozeßschritt zur Abscheidung einer ersten Halbleiterschicht ein aus ein oder mehreren ersten Ausgangsstoffen bestehendes erstes Prozeßgas in die Prozeßkammer eingeleitet wird, dessen Zerlegungsprodukte den Kristall einer ersten Halbleiterschicht bilden und wobei zum Zwecke einer Dotierung der ersten Halbleiterschicht geringe Mengen eines weiteren Ausgangsstoffes in die Prozeßkammer einleitbar sind.
  • Aus der WO 01/65592 A2 ist ein Verfahren bekannt, wobei mittels Gasphasen- Epitaxie Galliumnitrit bzw. Galliumarsenid auf einem Siliziumkristall abgeschieden wird. Der Siliziumkristall besitzt die oben mit (a.) bezeichnete Eigenschaft. Galliumnitrit bzw. Galliumarsenid besitzt die oben mit (b.) bezeichnete Eigenschaft. Im Stand der Technik ist es ferner bekannt, Silizium auf Siliziumeinkristallen abzuscheiden. Auch dieser Prozeß erfolgt mittels einer Gasphasen-Epitaxie. Während zum Abscheiden von Galliumarsenid gasförmiges Trimethylgallium und gasförmiges Arsin als Ausgangsstoff verwendet wird, wird zur Abscheidung von einkristallinen Siliziumschichten auf Siliziumsubstraten gasförmiges Silan als Ausgangsstoff verwendet. Es ist auch möglich, eine Kristallmischung des oben mit (a.) bezeichneten Kristalles herzustellen, beispielsweise aus Germanium und Silizium. In diesem Falle wird zusätzlich zu dem gasförmigen Silan gasförmiges German durch das Gaseinlaßorgan in die Prozeßkammer eingeleitet. In diesem Falle besteht das Prozeßgas aus zwei gasförmigen Ausgangsstoffen. Diesem Prozeßgas kann ein weiterer Ausgangsstoff zugesetzt werden, um das Silizium/Germanium zu dotieren. Als weiterer Ausgangsstoff, der lediglich in verschwindend geringen Spuren der Gasphase zugeleitet wird, kommt Trimethylgallium oder Arsin in Frage, je nachdem, ob eine Gallium-Dotierung oder eine Arsin-Dotierung erwünscht ist.
  • Andererseits kann bei der Abscheidung von einkristallinen Galliumarsenid- Schichten, bei dem zur Abscheidung eines oben mit (b.) charakterisierten Kristalls ein zweikomponentiges Prozeßgas in die Gasphase eingeleitet wird, dem Prozeßgas ein weiterer Ausgangsstoff lediglich in geringen Spuren beigemischt werden, um den Galliumarsenidkristall zu dotieren. Bei diesem Ausgangsstoff kann es sich um Silan oder auch um German handeln. Anders als zum Schichtwachstum von Silizium oder Silizium/Germanium wird Silizium als Dotierstoff von Gats aber in verschwindend geringen Massen, bspw. in tausenfacher Verdünnung, dem Prozeßgas zugesetzt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren prozeßtechnisch weiterzubilden und eine Vorrichtung anzugeben, mittels welcher das so weiter gebildete Verfahren durchführbar ist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird in den Ansprüchen angegeben.
  • Es ist insbesondere vorgesehen, dass in einem zweiten Prozeßschritt vor oder nach dem ersten Prozeßschritt in dieselbe Prozeßkammer zur Abscheidung einer zweiten Halbleiterschicht ein den zweiten Ausgangsstoff und gegebenenfalls weitere Gase beinhaltendes zweites Prozeßgas eingeleitet wird, dessen Zerlegungsprodukte eine mit einen vom Kristall der ersten Schicht abweichenden Kristall aufweisende zweite Halbleiterschicht bilden, wobei zum Zwecke der Dotierung der zweiten Halbleiterschicht geringe Mengen eines ersten Ausgangsstoffes in die Prozeßkammer einleitbar sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich in einer einzigen Prozeßkammer nicht nur Galliumarsenidschichten auf Silizium bzw. Siliziumschichten auf Silizium abscheiden, sondern auch hintereinander entweder Galliumarsenidschichten auf Silizium oder Siliziumschichten auf Galliumarsenidschichten abscheiden. Diese Schichten können dabei nicht nur undotiert, sondern auch dotiert abgeschieden werden. Nacheinander können III-V-Schichten auf IV-Schichten abgeschieden werden. Das Gleiche gilt selbstverständlich auch für II- und VI-Schichten. In vorteilhafter Weise können sowohl die Galliumarsenid-Schichten als auch die Silizium- Schichten dotiert dadurch werden, dass als Dotierstoff der Ausgangsstoff des jeweils anderen Prozeßgases verwendet wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine entsprechende Vielzahl von Gaszuleitungen zum Gaseinlaßorgan aus. Da mindestens zwei Ausgangsstoffe sowohl zur Kristallbildung als auch zur Dotierung verwendet werden können, ist eine optimale Ausnutzung der Quellen der Ausgangsstoffe möglich. Dies kann die Herstellungskosten sowohl der Vorrichtung als auch der Halbleiterprodukte reduzieren. Zur Regelung der Gassmengen sind insbesondere Gasmassenflußregelglieder vorgesehen, mittels welchen jeder einzelne Gasfluß regelbar ist. Diese Gasmassenflußregelglieder sind bevorzugt so ausgelegt, dass mit ihnen sowohl die für das Schichtwachstum einer ersten Halbleiterschicht erforderlichen Gasmengen als auch die zur lediglichen Dotierung einer zweiten Halbleiterschicht erforderlichen Gasmengen bereitstellbar sind. Der Kristall von zumindest einer Schicht, beispielsweise Silizium oder Germanium, kann dem Kristall des Substrates, beispielsweise Silizium, entsprechen. Das Substrat kann aber auch aus Galliumarsenid, Indiumphosphit oder Germanium bestehen. Dann besteht zumindestens eine Schicht aus eben diesem Material. In vorteilhafter Weise besitzt zumindestens eine weitere Schicht einen vom Kristall des Substrates abweichenden Kristall. Handelt es sich bei dem Substrat um Silizium, so kann diese Schicht aus Galliumarsenid, Indiumphosphit oder Galliumindiumarsenidphosphit oder Galliumnitrit bestehen. Bevorzugt besitzt mindestens eine Schicht dieselben Elemente, aus denen auch das Substrat besteht, beispielsweise Silizium. Als Schicht mit einem vom Kristall des Substrates abweichenden Kristall kommt aber auch ein Oxyd in Betracht. Der Übergangsbereich zwischen einer ersten und einer zweiten Schicht, beispielsweise Silizium/Germanium oder Galliumarsenid kann bevorzugt einen Monolagenmischkristall bilden. Zufolge dieser Monolagenmischkristallbildung im Übergangsbereich der beiden Schichten sind die typischerweise unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisenden Schichten haftend und störungsfrei miteinander verbunden. Die Schichten der unterschiedlichen Kristalle können sowohl unmittelbar folgend aufeinander abgeschieden werden, wobei lediglich die Zusammensetzung der Gasphase gewechselt wird. Es ist aber auch vorgesehen, dass zwischen den beiden Beschichtungsschritten ein Zwischenprozeßschritt durchgeführt wird. Bei diesem Zwischenprozeßschritt kann es sich um einen Ätzschritt oder um einen Passivierungsschritt handeln. In dem Ätzschritt wird ein auf dem Substrathalter abgeschiedenes Material des vorhergehenden Prozeßgases entfernt. Das Abätzen dieser parasitären Wachstumsprodukte kann durch Einleitung von HCl in die Prozeßkammer erfolgen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Material Galliumarsenid oder eine andere III-V-Verbindung ist. Soll das parasitäre Wachstumsprodukt eines Siliziumabscheideschrittes entfernt werden, so kann ein Plasma verwendet werden, bei welchem Wasserstoffradikale, Chlorradikale oder Fluorradikale erzeugt werden. Dieses Plasma wird beispielsweise durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld gezündet. Dieses elektromagnetische Wechselfeld wird bevorzugt in einem Bereich außerhalb des Substrates aufgebaut, so dass nur der Oberflächenbereich des Substrates von den Radikalen beeinträchtigt wird, der an das Substrat angrenzt. Mit diesem Plasma können auch die Wände und die Decke der Prozeßkammer behandelt werden, so dass dortige Ablagerungen entfernt werden. Es ist aber auch möglich, den Ätzschritt so durchzuführen, dass die Oberfläche des Substrates mitgeätzt wird. Dies führt zwar zu einer geringfügigen Zerstörung der Substratoberfläche oder gegebenenfalls der Oberfläche einer zuvor abgeschiedenen Schicht. Eine derartige geringfügige Oberflächenbeschädigung kann aber förderlich sein für die Haftung der darauffolgenden Schicht. Es bildet sich somit quasi eine Nukleationsschicht aus. Diese Nukleationsschicht bildet sich auch aus, wenn an Stelle des Ätzschrittes zur Passivierung eine Zwischenschicht abgeschieden wird. In einer bevorzugten Verfahrensvariante werden die Prozeßparameter, also die Gasflüsse und die Temperaturen innerhalb der Prozeßkammer, so eingestellt, dass das parasitäre Wachstum minimiert ist. Hierzu werden bevorzugt nicht nur der Substrathalter von unten beheizt, sondern auch die Wände und die Decke der Prozeßkammer. Die Prozeßkammer hat bevorzugt eine kreiszylindrische Gestalt. In ihrem Zentrum befindet sich das Gaseinlaßorgan. Der Substrathalter befindet sich in direkter Gegenüberlage des Gaseinlaßorganes und kann drehangetrieben werden. Auf dem Substrathalter können sich planetenartig zum Zentrum des Substrathalters angeordnete Substratträgerplatten befinden, die selbst wiederum drehangetrieben sind. Der Drehantrieb der Substratträgerplatten kann in bekannter Weise durch ein entsprechendes Gaspolster erfolgen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 grob schematisch eine Prozeßkammer in einem Reaktor eines ersten Ausführungsbeispiels,
  • Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Prozeßkammer in einem Reaktor,
  • Fig. 3 bis Fig. 8 verschiedene mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schichtstrukturen.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist die Prozeßkammer 2 eines lediglich angedeuteten Reaktors 1. Die Prozeßkammer 2 besitzt einen sich in der Horizontalebene erstreckenden Substrathalter 5, welcher beispielsweise aus Graphit oder aus beschichtetem Graphit bestehen kann. Dieser Substrathalter 5 ist in bekannter Weise drehangetrieben. Er dreht sich dabei um seine eigene Achse. Der Substrathalter 5 besitzt eine Kreisscheibenform. Auf dem Substrathalter befinden sich in zylinderförmigen Taschen kreiszylinderförmige Substratträgerplatten 6, auf denen ein Substrat auflegbar ist. Diese Substratträgerplatten 6 werden mit einem Gaspolster drehangetrieben. Sie drehen sich dabei um ihre eigene Achse.
  • Im Zentrum der Prozeßkammer 2 mündet ein Gasauslaßorgan 7. Dieses Gasauslaßorgan 7 hat im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zwei Gasauslaßöffnungen, eine periphere Auslaßöffnung, durch die beispielsweise Trimethylgallium gasförmig in die Prozeßkammer eintreten kann und eine zentrale Auslaßöffnung, durch welche Arsin in die Prozeßkammer eingeleitet werden kann. Das Gaseinlaßorgan 7 durchragt eine Öffnung einer sich parallel zum Substrathalter 5 erstreckenden Prozeßkammerdecke 4. Die Peripherie der Prozeßkammer 2 wird von einer ringförmigen Wandung 3 umschlossen, welche Gasaustrittsöffnungen besitzt, durch welche das Prozeßgas aus der Prozeßkammer 2 austreten kann.
  • Der Substrathalter 5 wird von unten beispielsweise mittels infraroter Strahlung oder mittels Radiowellen beheizt. Auch die Prozeßkammerwand 3 und die Prozeßkammerdecke 4 können beheizt werden. Die Beheizung der Prozeßkammerwand und der Prozeßkammerdecke dient der Minimierung des parasitären Wachstums.
  • Die Prozeßkammerdecke 4 und die Prozeßkammerwand 3 können elektrisch leitend ausgestaltet werden. Sie können aber auch elektrisch leitende Zonen besitzen. Diese elektrisch leitenden Zonen sind mit Elektroden 8, 9 verbunden. An diese Elektroden kann ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld angeschlossen werden, so dass sich bei einer entsprechenden Gasphasenzusammensetzung innerhalb der Prozeßkammer 2 dort ein Plasma bilden kann. Dieses Plasma erzeugt Wasserstoff-, Chlor- oder Fluorradikale, mittels welcher eine Siliziumbeschichtung der Prozeßkammerdecke 4 oder der Prozeßkammerwand 3 abgeätzt werden kann. Es ist aber auch vorgesehen, durch das Gaseinlaßorgan 7 HCl einzuleiten, mittels welchem eine Galliumarsenidbelegung der Prozeßkammerwand und der Prozeßkammerdecke 2 abgeätzt werden kann. Die Einleitung von HCl bzw. die Erzeugung der Radikalen dient aber auch dazu, die Oberfläche des Substrathalters 5 zu ätzen. Dabei können sogar die Oberflächen der Substrate bzw. der auf den Substraten abgeschiedenen Schichten angeätzt werden.
  • Das in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen durch die Form des Gaseinlaßorganes 7. Während es sich bei dem Gaseinlaßorgan 7 um ein Mehrkanalgaseinlaßsystem handelt, bei dem die Kanäle bis zu ihrer Mündung voneinander getrennt, sind, handelt es sich bei dem in Fig. 2 dargestellten Gaseinlaßorgan 7 um eine Art "Duschkopf". Dieses Gaseinlaßsystem besitzt eine zentrale Kammer, aus der eine Vielzahl von gitternetzartig angeordneten Öffnungen in die Prozeßkammer 2 münden.
  • In der Fig. 1 sind mit der Bezugsziffer 10 verschiedene Gasmassenflußregelglieder angedeutet. So besitzt die Vorrichtung jeweils Gasmassenflußregelglieder für Trimethylindium, Trymethylgallium, Phosphin, Arsin, Silan, German, HCl, Chlor und Fluor sowie Wasserstoff. Die Gasmassenflußregelglieder 10 können einen beliebigen Aufbau besitzen. Es ist von Vorteil, wenn ein Gasmassenflußregelglied 10 zumindestens eines der kristallbildenden Gase, beispielsweise Trimethylindium, Trimethylgallium, Phosphin, Arsin, Silan oder German so dimensioniert ist, dass dieser Ausgangsstoff sowohl als kristallbildender Ausgangsstoff als auch als Dotierstoff verwendet werden kann. Wird dieser Ausgangsstoff als Dotierstoff verwendet, so wird eine um mehrere 10-er- Potenzen verminderte Gasmasse von dem Gasmassenflußregelglied 10 in das Gaseinlaßorgan 7 geleitet. Eine derartige Reduzierung des Gasmassenflusses des in Frage kommenden Ausgangsstoffes kann beispielsweise durch eine geeignete Verdünnung erfolgen. Wesentlich ist aber, dass der in Frage kommende Ausgangsstoff sowohl kristallbildend eingesetzt werden kann, als auch lediglich in Form von Spuren, um einen anderen Kristall zu dotieren.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der in den Fig. 3 bis 8 dargestellten vertikalen Schichtstrukturen erläutert. In den Figur ist der Einfachheit halber als Substratmaterial Silizium angegeben.
  • Zum Erreichen der in der Fig. 3 dargestellten Schichtstruktur wird auf das Siliziumsubstrat einkristallin Silizium/Germanium abgeschieden. Auf diese Silizium-/Germaniumschicht erfolgt die Abscheidung einer Siliziumschicht. Daran anschließend wird Galliumarsenid abgeschieden.
  • Zur Abscheidung der Silizium-/Germaniumschicht wird der Substrathalter 5 auf eine Temperatur von etwa 1000°C aufgeheizt. Danach wird Silan und German durch das Gaseinlaßorgan 7 in die Prozeßkammer eingeleitet. Es entsteht eine Silizum-/Germaniumschicht auf dem Siliziumsubstrat. Anschließend wird zum Abscheiden der Siliziumschicht lediglich Silan durch das Gaseinlaßorgan in die Prozeßkammer 2 eingeleitet, so dass die Siliziumschicht abgeschieden wird. Dabei entsteht durch parasitäres Wachstum eine geringfügige Belegung auf der Wand 3 der Prozeßkammer bzw. der Prozeßkammerdecke 4. Die Belegung dort wird dadurch minimal gehalten, dass auch die Prozeßkammerwand 3 und die Reaktordecke 4 beheizt werden.
  • Nach dem Abscheiden der Siliziumschicht werden die parasitären Depositionen an der Reaktorwand 3 und der Reaktordecke 4 abgeätzt. Dies erfolgt durch ein Wasserstoff-, Chlor- oder Fluorplasma. Hierzu wird Chlor oder HCl oder Fluor oder Wasserstoff in die Prozeßkammer eingeleitet. Über die Elektroden 8 und 9 wird in der Prozeßkammer ein Plasma gezündet. Die dabei entstehenden freien Radikalen ätzen im Bereich des Plasmas die Belegungen ab.
  • Alternativ kann aber auch eine dünne Zwischenschicht abgeschieden werden, beispielsweise aus Galliumarsenid, die die parasitären Ablagerungen passiviert.
  • Zum Erreichen der in Fig. 4 dargestellten Schichtstruktur wird ebenfalls zunächst auf das Siliziumsubstrat Silizium/Germanium abgeschieden. Auf die Silizium-/Germaniumschicht wird dann nach einem eventuellen Ätzschritt oder einem Passivierungsschritt Galliumarsenid abgeschieden.
  • Zum Erreichen der in Fig. 5 dargestellten Schichtstruktur wird, nachdem auf das Siliziumsubstrat eine Silizium-/Pufferschicht abgeschieden worden ist, Galliumarsenid abgeschieden. Auch hier kann vor dem Abscheiden von Galliumarsenid ein Ätzschritt oder ein Passivierungsschritt vorgesehen sein. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf das Siliziumsubstrat zunächst eine Oxydschicht abgeschieden. Auf diese Oxydschicht erfolgt die Abscheidung einer Galliumarsenidschicht.
  • Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf eine auf das Substrat abgeschiedene Silizium-/Germaniumschicht Galliumarsenid abgeschieden. Diese Galliumarsenidschicht wird dann mit einer Siliziumschicht überdeckt. Vor dem Abscheiden der Silizium-Deckschicht kann ein weiterer Ätz- oder Passivierungsschritt erfolgen. Um das parasitär auf der Prozeßkammerwand 3, dem Substrathalter 5 oder der Reaktordecke 4 abgeschiedene Galliumarsenid zu entfernen, kann in den Reaktor HCl eingeleitet werden. Dieses HCl ätzt das parasitär gewachsene Galliumarsenid weg. Bei diesem Ätzschritt kann sogar die Galliumarsenidschicht selbst angeätzt werden.
  • In einer Variante erfolgt vor dem Abscheiden der Silizium-Deckschicht die Abscheidung einer Passivierungsschicht, so dass aus den Galliumarsenidbelegungen kein Gallium oder Arsen abdampfen kann.
  • Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf das Siliziumsubstrat zunächst Silizium/Germanium abgeschieden. Auf diese Schicht folgt eine Galliumarsenidbeschichtung. Als Deckschicht ist dort Silizium/Germanium vorgesehen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt dadurch, dass ein Reaktor mit ein oder mehreren Substraten beladen wird. Die Substrate werden beispielsweise auf die Substratträgerplatten 6 aufgelegt. Es ist aber auch möglich, lediglich ein Substrat auf einen nicht drehbaren Substrathalter aufzulegen. Nach Schließen des Reaktors wird die Prozeßkammer auf die Depositionstemperatur für Silizium aufgeheizt. Diese kann bei etwa 1000°C liegen. In die Prozeßkammer 2wird sodann durch das Gaseinlaßorgan 7 Silan eingeleitet. Der Gasmassenfluß des Silans wird mit dem Gasmassenflußregelglied 10 eingestellt. Der Gasmassenfluß wird so hoch eingestellt, dass ein entsprechend großes Schichtwachstum erfolgt.
  • Nach dem Abscheiden der Siliziumschicht wird der Silan-Fluß auf Null gesetzt.
  • Alternativ ist es auch möglich, anstelle von reinem Silan eine Mischung von German und Silan in die Gasphase einzubringen, so dass eine Silizium- Germaniumschicht auf das Substrat aufwächst. In einer Alternative kann auch ein oxydbildendes Material (Fig. 6) eingebracht werden. Während des Abscheidens der Siliziumschicht wird als schichtaufbauender Ausgangsstoff Silan verwendet. Zusätzlich zu diesem Silan kann Arsin oder Trimethylgallium oder aber auch Phosphin oder Trimethylindium durch das Gaseinlaßorgan 7 in die Prozeßkammer 2 eingeleitet werden. Der Massenfluß dieses zweiten Ausgangsstoffes ist aber erheblich, beispielsweise um einen Faktor 1000, geringer als der Massenfluß von Silan, so dass dieser zweite Ausgangsstoff nicht den Kristall aufbaut, sondern lediglich eine Dotierung des Kristalls bewirkt.
  • Nach dem Abscheiden dieser ersten Halbleiterschicht aus Silan bzw. einem Silan/German-Gemisch als erstem Prozeßgas kann eine zweite Halbleiterschicht abgeschieden werden. Dies erfolgt dadurch, dass als Prozeßgas ein zweiter Ausgangsstoff und insbesondere eine Mischung aus 2 zweiten Ausgangsstoffen in die Prozeßkammer eingeleitet wird. Das zweite Prozeßgas wird dann von einer Mischung von Arsin oder Trimethylgallium bzw. Phosphin und Trimethylindium oder einer Mischung aus allen 4 zweiten Ausgangsstoffen gebildet. Dieses zweite Prozeßgas wird dann bei einer verminderten Depositionstemperatur durch das Gaseinlaßorgan 7 in die Prozeßkammer 2 eingeleitet. Auf den Substraten bzw. auf den zuvor abgeschiedenen Schichten Silizium bzw. Silizium/Germanium wird so eine III-V-Schicht abgeschieden. Diese Schicht hat einen anderen Kristall, als die aus Silizium bzw. Silizium/Germanium bestehende IV-Kristall-Schicht. Während des Abscheidens der III-V-Schicht kann zusätzlich zu den oben genannten kristallbildenden Ausgangsstoffen auch Silan in die Prozeßkammer eingeleitet werden. Jetzt ist aber der Gasmassenfluß des Silans erheblich geringer als der Gasmassenfluß von beispielsweise Arsin und Trimethylindium. Dies bedeutet, dass die Schicht im wesentlichen aus Galliumarsenid besteht und nur Spuren von Silizium beinhaltet. Silizium ist dabei lediglich ein Dotierstoff.
  • Alternativ kann nach dem Abscheiden der ersten Schicht ein Ätz- Zwischenschritt eingeschoben werden. Bei diesem Ätz-Zwischenschritt werden die Prozeßkammerwand 3, die Prozeßkammerdecke 4 und Bereiche des Substrathalters 5 geätzt. Eventuelle bei der Abscheidung der Siliziumschicht oder dort abgeschiedene Substanzen werden bei dem Ätzschritt entfernt. Bei diesem Ätzschritt kann sogar die Oberfläche der Siliziumschicht angeätzt werden. Um parasitäres Silizium abzuätzen, wird bevorzugt ein Plasma verwendet. Hierzu wird in die Gasphase Fluor, Chlor oder HCl eingegeben. Zufolge eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes werden aus diesen Gasen Radikale gebildet, die die Belegungen der Prozeßkammerwand 3 und der Prozeßkammerdecke 4 entfernen.
  • Alternativ zu dem Ätzschritt kann aber auch eine Zwischenschicht abgeschieden werden. Diese Zwischenschicht wird dann so abgeschieden, dass in erster Linie eine Bedeckung der Prozeßkammerwand 3 und der Prozeßkammerdecke 4 erfolgt. In entsprechender Weise wird dann die Prozeßkammerwand 3 bzw. die Prozeßkammerdecke 4 temperiert. Die Prozeßparameter werden dabei so gewählt, dass bei dem Beschichtungsschritt des Substrates sich möglichst wenig Material auf der Prozeßkammerwand und der Prozeßkammerdecke abscheidet. Beim Zwischenbeschichtungsschritt werden die Prozeßparameter aber so eingestellt, dass im wesentlichen nur die Belegungen beschichtet werden.
  • Um parasitäres Wachstum von Galliumarsenid oder Indiumphosphit zu entfernen, kann reines HCl ohne Plasma verwendet werden. Auch hierbei kann in Kauf genommen werden, dass bei dem Ätzschritt nicht nur die Belegungen der Prozeßkammerwand und der Prozeßkammerdecke entfernt werden, sondern dass auch die Schichtoberfläche auf dem Substrat angeätzt wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Beschichtung unter Bildung von Monolagenmischkristallen zwischen den einzelnen Schichten erfolgen soll. Die Monolagemischkristallbildung im Übergangsbereich ist insbesondere förderlich, um die Haftung der Schichten aufeinander zu fördern bzw. für das störungsfreie Wachstum.
  • Anstelle von III-V-Verbindungshalbleitern können aber auch II-VI- Verbindungshalbleiter abgeschieden werden.
  • Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims (22)

1. Verfahren zum Abscheiden mehrerer, kristalliner Halbleiterschichten auf mindestens einem kristallinen Halbleitersubstrat, wobei durch ein Gaseinlaßorgan (7) in eine Prozeßkammer (2) eines Reaktors (1) gasförmige Ausgangsstoffe eingebracht werden, welche sich gegebenenfalls nach einer chemischen Gasphasen- und/oder Oberflächenreaktion auf der Oberfläche eines auf einem Substrathalter (5) in der Prozeßkammer angeordneten Halbleitersubstrates die Halbleiterschicht bildend anlagern, wobei die Halbleiterschicht und das Halbleitersubstrat einen Kristall bilden, aus entweder
1. (a.) einem oder mehreren Elementen der V-Hauptgruppe,
2. (b.) Elementen der III- und V-Hauptgruppe oder
3. (c.) Elementen der II- und VI-Hauptgruppe,
wobei in einem ersten Prozeßschritt zur Abscheidung einer ersten Halbleiterschicht ein aus ein oder mehreren ersten Ausgangsstoffen bestehendes erstes Prozeßgas in die Prozeßkammer (2) eingeleitet wird, dessen Zerlegungsprodukte den Kristall einer ersten Halbleiterschicht bilden und wobei zum Zwecke einer Dotierung der ersten Halbleiterschicht geringe Mengen eines zweiten Ausgangsstoffes in die Prozeßkammer (2) einleitbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Prozeßschritt vor oder nach dem ersten Prozeßschritt in dieselbe Prozeßkammer zur Abscheidung einer zweiten Halbleiterschicht ein den zweiten Ausgangsstoff und gegebenenfalls weitere Gase beinhaltendes zweites Prozeßgas eingeleitet wird, dessen Zerlegungsprodukte eine einen vom Kristall der ersten Halbleiterschicht abweichenden Kristall aufweisende zweite Halbleiterschicht bilden, wobei zum Zwecke der Dotierung der zweiten Halbleiterschicht geringe Mengen eines ersten Ausgangsstoffes in die Prozeßkammer einleitbar sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall von zumindest einer Schicht dem Kristall des Substrates entspricht und zumindest eine Schicht einen vom Kristall des Substrates abweichenden Kristall besitzt.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht von denselben Elementen gebildet ist, aus denen auch das Substrat besteht.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Silizium ist.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schichten Galliumarsenid, Galliumnitrit oder Silizium, Silizium/Germanium oder ein Oxyd ist.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsbereich zwischen einer ersten und einer zweiten Schicht einen monolagen Mischkristall bildet.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht unmittelbar auf der ersten Schicht abgeschieden wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrathalter, der Prozeßkammerwand (3), der Prozeßkammerdecke (4), abgeschiedene Zerlegungsprodukte des ersten oder zweiten Prozeßgases nach dem Abscheiden der zugehörigen ersten oder zweiten Schicht entweder entfernt oder passiviert werden.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialentfernung durch ätzen mit insbesondere HCl oder einem Plasma erfolgt.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das insbesondere aus Wasserstoff-, Chlor- oder Fluor-Radikalen bestehende Plasma entfernt vom Substrat erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche oder die Oberfläche einer zuvor abgeschiedenen Schicht mitgeätzt wird.
12. Vorrichtung zum Abscheiden mehrerer, kristalliner Halbleiterschichten auf mindestens einem kristallinen Halbleitersubstrat, wobei durch ein Gaseinlaßorgan (7) in eine Prozeßkammer (2) eines Reaktors (1) gasförmige Ausgangsstoffe eingebracht werden, welche sich gegebenenfalls nach einer chemischen Gasphasen- oder Oberflächenreaktion auf der Oberfläche eines auf einem Substrathalter (5) in der Prozeßkammer (2) angeordneten Halbleiter-Substrates, die Halbleiterschicht bildend anlagern, mit einem dem Gaseinlaßorgan (7) vorgeordneten Gasmischsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasmischsystem Gasmassenflußregelglieder (10) aufweist, für sowohl gasförmige Ausgangsstoffe der III-, IV- und V- Hauptgruppe und alle von den Gasmassenflußregelgliedern (10) bereitstellbaren Gasmassenflüsse eine für das Wachstum einer III-V- Halbleiterschicht und einer IV-Halbleiterschicht entsprechende Größe annehmen können.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gasmassenflußregelglied (10) sowohl den für das Schichtwachstum einer ersten oder zweiten Halbleiterschicht erforderlichen Gasmassenfluß, als auch den zur lediglichen Dotierung einer jeweils anderen zweiten oder ersten Halbleiterschicht erforderlichen Gasmassenfluß bereitstellen kann.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gasmassenflüsse um mindestens den Faktor Tausend verschieden sind.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch Mittel zum Entfernen oder Passivieren von außerhalb des Substrates abgeschiedenen Materials.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Entfernen oder Passivieren im Bereich der Prozeßkammerwand (3) und der Prozeßkammerdecke (4) wirken.
17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Entfernung von parasitärem Wachstum ein Plasma erzeugen.
18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch ein im Bereich der Reaktorwand (3) oder der Prozeßkammerdecke (4) erzeugbares Plasma.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrathalter von der Rückseite beheizbar ist.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozeßkammerwand (3) und die Prozeßkammerdecke (4) beheizbar sind.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinlaßorgan (7) im Zentrum des Reaktors (1) angeordnet ist.
22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch einen drehangetriebenen Substrathalter (5), welcher insbesondere drehantreibbare Substratträgerplatten (6) trägt.
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