DE102011002146A1

DE102011002146A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden von Halbleiterschichten mit HCI-Zugabe zur Unterdrückung parasitären Wachstums

Info

Publication number: DE102011002146A1
Application number: DE102011002146A
Authority: DE
Inventors: Daniel Brien; Gerhard Karl Strauch; Dirk Fahle; Dr. Dauelsberg Martin
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: TW201250790A; DE102011002146B4; WO2012143257A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Abscheiden von II-VI- oder III-V-Halbleiterschichten auf einem oder mehreren Substraten (4), mit einem Reaktorgehäuse aufweisend eine im Reaktorgehäuse angeordnete Prozesskammer (1), einen in der Prozesskammer (1) angeordneten Suszeptor (2) zur Aufnahme des Substrates (4), eine Heizeinrichtung (18) zum Aufheizen des Suszeptors (2), ein Gaseinlassorgan (7) mit einer Gasmisch/Versorgungseinrichtung (34) aufweisend eine Quelle (31) für die metallorganische Komponente, eine Quelle (30) für ein Hydrid, und eine Quelle (32) für die Halogenkomponente, wobei die Quellen (30, 31, 32), mit dem Gaseinlassorgan (7) verbunden sind, um die Gase in voneinander getrennten Gasflüssen in die aufgeheizte Prozesskammer (1) zu bringen. Zur Verminderung einer parasitären Belegung des Suszeptors stromaufwärts des Substrates, wird vorgeschlagen, dass das Gaseinlassorgan (7) mehrere voneinander getrennte Gaseinlasszonen (8, 9, 10) aufweist, wobei eine Halogenkomponenteneinlasszone (10), die mit der Halogenkomponentenquelle (32) verbunden ist, stromaufwärts unmittelbar vor einem beheizten Oberflächenabschnitt (15) der Prozesskammer angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von II-VI oder III-V Halbleiterschichten auf einem oder mehreren Substraten, mit einem Reaktorgehäuse aufweisend eine im Reaktorgehäuse angeordnete Prozesskammer, einen in der Prozesskammer angeordneten Suszeptor zur Aufnahme des Substrates, eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des Suszeptors auf eine Suszeptortemperatur, ein Gaseinlassorgan, das der Prozesskammer zugeordnet ist, um ggf. zusammen mit jeweils in einem Trägergas Prozessgase in Form einer V- oder VI-Komponente, insbesondere eines Hydrids, einer metallorganischen II- oder III-Komponente und einer Halogenkomponente in die Prozesskammer einzuleiten, und eine Gasauslasseinrichtung zum Austritt von Reaktionsprodukten und ggf. des Trägergases aus der Prozesskammer, mit einer Gasmisch/-Versorgungseinrichtung aufweisend eine Quelle für die metallorganische Komponente, eine Quelle für die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid und eine Quelle für das Halogenkomponente, wobei die Quellen über Förderleitungen, und von einer Steuereinrichtung ansteuerbare Ventile und Massenflussregler aufweisen, mit dem Gaseinlassorgan verbunden sind, um die metallorganische Komponente, die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid und das Halogenkomponente in voneinander getrennten Gasflüssen ggf. jeweils zusammen mit dem Trägergas in die aufgeheizte Prozesskammer zu bringen, wobei in nacheinander abfolgenden Prozessschritten mittels der die Ventile und die Massenflussregler ansteuernden Steuereinrichtung Prozessgase in voneinander abweichender Zusammensetzung in die Prozesskammer eingespeist werden.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Abscheiden von II-VI oder III-V-Schichten auf einem oder mehreren Substraten, wobei Prozessgase in Form einer metallorganischen II- oder III-Komponente, einer V- oder VI-Komponente, insbesondere eines Hydrids und einer Halogenkomponente in einer Gasmisch/-Versorgungseinrichtung bereitgestellt werden, das mindestens eine Substrat auf einen Suszeptor in einer Prozesskammer aufgebracht wird, der Suszeptor und zumindest eine Prozesskammerwand auf eine Suszeptortemperatur bzw. Wandtemperatur aufgeheizt werden, die Prozessgase ggf. zusammen mit einem Trägergas in voneinander getrennten Gasflüssen mittels eines Gaseinlassorganes in die Prozesskammer eingebracht werden, wo die metallorganische Komponente und die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid pyrolytisch an der Substratoberfläche miteinander reagieren, so dass auf dem Substrat eine Schicht abgeschieden wird, und die Halogenkomponente eine parasitäre Partikelbildung in der Gasphase vermindert bzw. unterdrückt und das Trägergas zusammen mit Reaktionsprodukten durch eine Gasauslasseinrichtung die Prozesskammer verlässt, wobei in nacheinander abfolgenden Prozessschritten mittels einer die Ventile und die Massenflussregler ansteuernden Steuereinrichtung Prozessgase in voneinander abweichender Zusammensetzung in die Prozesskammer eingespeist werden.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung bzw. ein gattungsgemäßes Verfahren beschreibt die US 7,585,769 B2 . Dort wird dort eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Abscheiden von III-V Halbleiterschichten auf einem Substrat in einem Reaktorgehäuse beschrieben. Die in die Prozesskammer des Reaktorgehäuses eingeleiteten Prozessgase enthalten ein Hydrid, beispielsweise Ammoniak, eine metallorganische Komponente, beispielsweise Trimethylgallium, und eine Halogenkomponente, beispielsweise Chlorwasserstoff. Die Vorrichtung besitzt ein Gaseinlassorgan, welches vertikal oberhalb eines Suszeptors angeordnet ist, welcher sich in Vertikalrichtung erstreckt und ein Substrat trägt, welches unter Verwendung von Heizungen auf eine Prozesstemperatur gebracht wird. Die Halogenkomponente soll entweder zusammen mit den übrigen Prozessgasen oder separat in die Prozesskammer eingeleitet werden und soll dort die Bildung von Partikeln in der Gasphase verhindern bzw. unterdrücken.
Die US 4,961,399 A beschreibt eine Vorrichtung zum Abscheiden von III-V-Schichten auf einer Vielzahl um ein Zentrum einer rotationssymmetrischen Prozesskammer angeordneten Substraten. Ein Gaseinlassorgan ist im Zentrum der Prozesskammer angeordnet und dient zum Einleiten eines Hydrides beispielsweise NH₃, AsH₃ oder PH₃. Durch das Gaseinlassorgan werden darüber hinaus auch metallorganische Verbindungen, bei denen es sich beispielsweise um TMGa, TMIn oder TMAl handeln kann, in die Prozesskammer eingeleitet. Zusammen mit diesen Prozessgasen wird auch ein Trägergas, insbesondere in Form von Wasserstoff, in die Prozesskammer eingeleitet. Der Suszeptor wird von unten geheizt. Dies kann mittels Wärmestrahlung, mittels Hochfrequenzkopplung oder anderweitig erfolgen. Eine brauchbare Heizung, die unterhalb des Suszeptors angeordnet ist, wird in der DE 102 47 921 A1 beschrieben. Bei einem solchen CVD-Reaktor erstreckt sich die Prozesskammer in horizontaler Richtung, wird unten von einem Suszeptor und oben von einer Deckenplatte begrenzt.
Die DE 10 2004 009 130 A1 beschreibt einen MOCVD-Reaktor mit einer symmetrisch um ein zentrales Gaseinlassorgan angeordneten Prozesskammer. In die Prozesskammer wird zusammen mit Wasserstoff Trimethylgallium und Ammoniak eingeleitet. In dieser Schrift werden auch theoretische Überlegungen zum Wachstumsprozess angestellt. Die Prozessgase werden bei einer Einlasstemperatur, die bei Raumtemperatur bzw. unterhalb von 100° Celsius liegt, in die Prozesskammer eingeleitet. Die Decke der Prozesskammer wird auf einer Deckentemperatur von unter 500° Celsius gehalten. Die Substrattemperatur liegt im Bereich von etwa 1000° Celsius. Je nach verwendetem Prozessgas bzw. gewünschtem Prozesserfolg variieren diese Temperaturen um 50° bis 100° Celsius. In einer Vorlaufzone, die sich unmittelbar an das Gaseinlassorgan anschließt, werden die in die Prozesskammer eingeleiteten Prozessgase und das Trägergas aufgeheizt. Dies erfolgt im wesentlichen über Wärmeleitung. Die Wärme wird über den Kontakt des Trägergases mit der Prozesskammerdecke oder dem Suszeptor in die Gasphase eingeleitet. Da die Suszeptortemperatur höher ist als die Deckentemperatur, bildet sich ein in Strömungsrichtung in die Prozesskammer hineinragender sogenannter kalter Finger aus, also eine räumliche Zone innerhalb der Prozesskammer, innerhalb der das Trägergas und insbesondere die Prozessgase aufgeheizt werden. Als Prozessgase werden solche verwendet, die sich bei Erwärmung in Zerlegungsprodukte zerlegen; so zerfallen beispielsweise die metallorganischen Verbindungen schrittweise über Zwischenprodukte in elementare Metalle, beispielsweise zerfällt TMGa über DMGa und MMGa in Ga. Die Hydride zerfallen in weitaus geringerem Maße und werden deshalb bei der Prozessführung im Überschuss angeboten. Die Wachstumsrate von in diesem Beispiel GaN auf der Substratoberfläche wird somit durch das Angebot von TMGa bestimmt.
Die sich an die Vorlaufzone anschließende Wachstumszone ist – nach bisheriger Kenntnis – der Bereich innerhalb der Prozesskammer, innerhalb welchem zumindest die III-Komponente nahezu vollständig zerlegt ist, das heißt im wesentlichen nur noch Zerlegungsprodukte bzw. nur noch Metallatome in der Gasphase vorhanden sind. Diese diffundieren aus dem Volumenstrom oberhalb der in der Wachstumszone angeordneten Substrate in Richtung auf die Substratoberfläche, wo die Zerlegungsprodukte vollständig zerlegt werden und sich das Hydrid stöchiometrisch zerlegt. Das Wachstum wird in den bisherigen Theorien über ein Grenzschicht-Diffusion-Modell beschrieben. Das Angebot, also der Partialdruck der III-Komponente ist dabei so gewählt, dass die Zerlegungsprodukte sich kristallbildend auf der Substratoberfläche pyrolytisch abscheiden. Die Oberfläche des Substrates ist deshalb auch einkristallin.
Die US 2008/0050889 befasst sich mit Simulationsrechnungen zur Ermittlung geeigneter Prozessparameter, um eine parasitäre Partikelbildung in einem Showerhead-Reaktor zu unterdrücken.
Die DE 10 2004 009 130 A1 zeigt anhand der dortigen 2, dass die Wachstumsrate innerhalb der Wachstumszone in Stromrichtung abnimmt. Durch eine geeignete Prozessführung lässt sich ein gradliniger Verlauf der Abnahme der Wachstumsrate einstellen. Ursache für das Absinken der Wachstumsrate ist die stetige Verarmung der Gasphase zufolge des eigentlichen Wachstumsprozesses. Werden die Substrate von drehenden Substrathaltern gedreht, so kann dieser Verarmungseffekt kompensiert werden.
Ein homogenes Schichtwachstum auf den auf drehangetriebenen Substrathaltern liegenden Substraten setzt einen im Wesentlichen linearen Verlauf der Verarmungskurve bzw. der Wachstumsrate in der Wachstumszone voraus, in der das mindestens eine Substrat liegt. Um eine derartige Verarmungskurve zu erreichen müssen die Prozessparameter wie Gasflüsse, Totalgasdruck und Temperatur so eingestellt werden, dass das Maximum der Wachstumsrate in einer Zone unmittelbar vor der Wachstumszone, also am stromabwärtigen Ende der Vorlaufzone, liegt. Dies hat zur Folge, dass im Zuge des Wachstumsprozesses unmittelbar vor der Wachstumszone parasitäres Schichtwachstum auf der Suszeptoroberfläche stattfindet. Ein derartiges Schichtwachstum ist zumindest aus zwei Gründen nachteilhaft. Zum einen führt es zu einer Verarmung der Gasphase, da die im stromabwärtigen Bereich der Vorlaufzone auf der Suszeptoroberfläche aufwachsenden Zerlegungsprodukte für das eigentliche Schichtwachstum nicht zur Verfügung stehen. Zum anderen führen die parasitären Abscheidungen zu unerwünschten Freisetzungen vorher abgeschiedenen Materials damit zu ungewünschten Transienten. Dies ist insbesondere dann nachteilhaft, wenn mehrere Schichten mit jeweils unterschiedlichen Schichtzusammensetzung und insbesondere unterschiedlich dotierte Schichten übereinander abgeschieden werden. Nachteilhaft ist darüber hinaus eine Partikelbildung in der Gasphase innerhalb der Wachstumszone, da derartige Partikel über den Gasstrom aus der Prozesskammer herausgefördert werden, ohne das die zum Wachstum der Schicht beitragen.
In „High growth rate process in a SiC horizontal CVD reactor using HCl", Microelectronic Engineering 83 (2006) 48–50 beschreiben die Autoren die Wirkung von HCl hinsichtlich einer Unterdrückung einer Silicium Nukleation.
In „Effect of HCl addition an gas-phase and surface reactions during homoepitaxial growth of SiC at low temperatures", Journal of applied physics 104, 053517 (2008) beschreiben die Autoren ebenfalls die Wirkung eines zusätzlichen HCl-Flusses beim Abscheiden von Silicium enthaltenden Schichten.
In „Prevention of In droplets formation by HCl addition during metal organic vapor phase epitaxy of InN", Applied physics letters 90, 161126 (2007)” beschreiben die Autoren die Wirkung von Cl, insbesondere in Form HCl in einem Kristallabscheidungsprozess, in dem als Prozessgase NH₃ und TMIn verwendet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit der eine parasitäre Belegung des Suszeptors stromaufwärts des Substrates vermindert wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei zunächst und im Wesentlichen darauf abgestellt wird, dass das Gaseinlassorgen zumindest zwei voneinander getrennte Einlasszonen aufweist, wobei eine Halogenkomponenteneinlasszone, die mit der Halogenkomponentequelle verbunden ist, derart benachbart und stromaufwärts vor einem beheizten Oberflächenabschnitt der Prozesskammer angeordnet ist, dass dort, wo ohne Einleiten einer Halogenkomponente parasitäres Wachstum stattfindet, dieses Wachstum zumindest vermindert, bevorzugt zumindest auf einem Teilbereich des Oberflächenabschnitts vollständig unterdrückt wird. Gegebenenfalls kann das Einlassorgan eine Kühleinrichtung und zumindest zwei, bevorzugt drei voneinander getrennte Gaseinlasszonen aufweisen, wobei zwischen einer mit der Quelle der V- oder VI-Komponente, bevorzugt der Hydridquelle verbundenen V- oder VI-Einlasszone und einer mit der Halogenkomponentenquelle verbundenen Halogenkomponenteneinlasszone zusätzlich eine Trenngaseinlasszone angeordnet ist, die weder mit der Quelle der V- oder VI-Komponente, bevorzugt der Hydridquelle noch mit der Halogenkomponentenquelle verbunden ist bzw. mit einer dieser Quellen während einer Halogenkomponenteneinspeisung in die Prozesskammer verbindbar ist. Es ist ferner vorgesehen, dass die Trenngaseinlasszonen mit der Quelle der metallorganischen Komponente verbunden bzw. verbindbar ist. Die Vorrichtung besitzt dann insgesamt mindestens drei voneinander getrennte Gaseinlasszonen, wobei durch jede der drei Einlasszonen nur eine der drei Gaskomponenten ggf. zusammen mit einem Trägergas in die Prozesskammer eingebracht wird. Die Halogenkomponente kann aber auch an einer anderen Stelle in die Prozesskammer eingeleitet werden, beispielsweise können in Aussparungen des Suszeptors Substrathalter einliegen, die auf einem Gaspolster getragen von einem Gasstrom drehangetrieben werden. Diesem Gasstrom kann die Halogenkomponente beigemischt werden. Der Suszeptor kann auch eine Bodenplatte tragen, die in Stromrichtung vor den Substrathaltern angeordnet ist und in der Öffnungen angeordnet sind, aus denen ein HCl aufweisendes Gas austreten kann. Das Gaseinlassorgan wird mit einer Kühleinrichtung auf eine Einlasstemperatur gekühlt, die unter der Zerlegungstemperatur der Prozessgase liegt. In einer Vorrichtung, die bevorzugt in Horizontalrichtung durchströmt wird, tritt das Prozessgas durch vertikal übereinander angeordnete Gaseinlasszonen in die Prozesskammer ein. Das Prozessgas durchläuft dabei in Horizontalrichtung eine Vorlaufzone, innerhalb derer sich die Prozessgase mischen können. Da das Hydrid und die Halogenkomponente vertikal voneinander beabstandet in verschiedenen Ebenen in die Prozesskammer eingebracht werden, treffen Halogenkomponente und Hydrid erst in einem horizontalen Abstand stromabwärts der Einlasszone innerhalb der Vorlaufzone aufeinander. Da die Halogenkomponente getrennt von den übrigen Proszessgasen unmittelbar oberhalb des Suszeptors, also in der untersten Gasschicht in die Prozesskammer strömt, ist die Halogenkomponentenkonzentration in der untersten Gasschicht unmittelbar oberhalb des Suszeptors am höchsten. Die Halogenkomponente entwickelt somit in der Vorlaufzone eine gewissermaßen ätzende Wirkung. Vorstellbar ist auch, dass sich innerhalb der Gasphase oberhalb des Suszeptors Metallhalogenkomponenten bzw. Verbindungen der Zerlegungsprodukte der metallorganischen Komponente mit der Halogenkomponente bilden, die flüchtig sind. Beim Durchströmen der Vorlaufzone diffundieren das Hydrid und die Halogenkomponente aufeinander zu. Am Ort des Zusammentreffens haben sich die Gase bereits derart aufgeheizt, dass die Gastemperatur oberhalb einer Reaktionstemperatur liegt, bei der das Hydrid und die Halogenkomponente unter Bildung eines Feststoffes miteinander reagieren.
Der Ort, an dem die Halogenkomponente und das Hydrid erstmalig in Kontakt miteinander treten liegt alternativ oder auch innerhalb einer Adduktbildungszone, also in einem Bereich der Prozesskammer, in der die Gastemperatur innerhalb eines Adduktbildungstemperaturbereichs liegt. Derartige Addukte bilden sich insbesondere zwischen Ammoniak und Zerlegungsprodukten von TMGa, TMAl oder TMIn. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung befindet sich die Einlasszone für die V- oder VI-Komponente unmittelbar unterhalb der Prozesskammerdecke. Die Prozesskammerdecke ist ebenso wie der Suszeptor thermisch gegenüber dem gekühlten Gaseinlassorgan isoliert. Die Prozesskammerdecke kann aktiv beheizt werden, wozu der Prozesskammerdecke eine gesonderte Heizeinrichtung zugeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass die Prozesskammerdecke lediglich passiv beheizt wird. Der Suszeptor wird mit einer Heizeinrichtung, beispielsweise einer wassergekühlten RF-Spule beheizt und strahlt dabei Wärme ab, die die Prozesskammerdecke aufheizt. Das Gaseinlassorgan kann im Zentrum eines rotationssymmetrisch aufgebauten Planetenreaktor liegen. Der Suszeptor bildet eine Vielzahl von planetenartig das Gaseinlassorgan umgebende kreisscheibenförmige Substrathalter aus, die ein oder mehrere Substrate tragen und die während des Wachstums um ihre Achse gedreht werden. Das von oben gespeiste Gaseinlassorgan liegt dabei im Zentrum der Prozesskammer. Es ist ringförmig vom Suszeptor umgeben, der auch drehangetrieben werden kann. Der Suszeptor besitzt eine Vielzahl von Vertiefungen, wobei in jeder Vertiefung ein Substrathalter einliegt, der auf einem Gaspolster aufliegend gedreht wird. Der Drehantrieb wird von einem gerichteten Gasstrom aus gebildet. Auf dem Substrathalter können ein oder mehrere Substrate aufliegen. Beim Schichtwachstum tritt das Prozessgas aus dem Gaseinlassorgan in Radialrichtung in die Vorlaufzone ein, wobei das Halogenkomponente in der zu unterst liegenden Ebene in die Prozesskammer eingeleitet wird, so dass die unmittelbar stromabwärts der Halogenkomponenteeinlasszone liegende beheizte Suszeptoroberfläche mit einer relativ großen Halogenkomponenten-Konzentration beaufschlagt wird. Während in Abwesenheit der Halogenkomponente die Vorlaufzone des Suszeptor mit Zerlegungsprodukten der Prozessgase belegt wird, insbesondere mit Zerlegungsprodukten von TMGa, TMAl oder TMIn, wird dieses parasitäre Wachstum durch gezieltes Einleiten der Halogenkomponente in den oberflächennahne Bereich der insbesonder ringförmigen Vorlaufzone vermindert. Die Halogenkomponente ist bevorzugt eine Wasserstoffhalogenkomponente und insbesondere HCl. Es kann aber auch eine gasförmiges Halogen, bspw Cl₂ sein. Bei der V-Komponente handelt es sich bevorzugt um Ammoniak, Arsin oder Phosphin. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei solchen Prozessparameter, also solchen Partialgasdrucken der Prozessgase, solcher Suszeptortemperatur, solchem Totalgasfluss und solchem Totaldruck durchgeführt, bei denen ohne Einspeisung einer Halogenkomponente parasitäres Wachstum auf einem beheizten Oberflächenabschnitt der Vorlaufzone der Prozesskammer stromaufwärts des Substrates stattfindet und auf dem die Halogenkomponenteneinspeisung das parasitäre Wachstum unterdrückt. Die Einspeisung der Halogenkomponente, insbesondere von HCl ist zur Unterdrückung des parasitären Wachstums stromaufwärts der Substrate größer, als es zur Unterdrückung parasitärer Nukleationsprozesse in der Gasphase erforderlich ist. So kann beispielsweise die Molrate der in die Prozesskammer eingespeisten Halogenkomponente zur III-Komponente bis zu 70% betragen. Auch höhere Molflussverhältnisse sind möglich, so kann beispielsweise das Molverhältnis zwischen HCl-Fluss und TMGa-Fluss bis zu 1:1 bzw. sogar bis zu 2:1 betragen. Bei letzteren Parametersätzen wird HCl im Überschuss angeboten. Um eine unerwünschte Wechselwirkung der Halogenkomponente mit der V-Komponente zu unterdrücken wird ein hoher Trenngasfluss zwischen der V-Komponenteneinlasszone und der Halogenkomponenteneinlasszone eingespeist. Alternativ dazu oder in Kombination kann aber auch die Trenngaseinlasszone eine größere Höhe besitzen, sodass die HCl-Diffusion zum Hydrid reduziert ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: Schematisch eine Schnittdarstellung einer in einem nicht dargestellten Reaktorgehäuse angeordneten Prozesskammer, die in Horizontalrichtung vom Prozessgas durchströmt wird zusammen mit einer Gasmisch/-Versorgungseinrichtung, in der nur die zur Erläuterung der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt sind,
2: Das Temperaturprofil in Strömungsrichtung an drei verschiedenen Positionen in der Prozesskammer,
3: als durchgezogene Linie schematisch den Verlauf der Wachstumsrate über die Strömungsrichtung ohne HCl-Einspeisung und als gestrichelte Linie mit HCl-Einspeisung,
4: eine Draufsicht auf einen Suszeptor eines Horizontalkammerreaktors mit zentrischem Gaseinlassorgan, wobei mit einer gestrichelten Linie die Vorlaufzone V und mit einer strichpunktierten Linie zwischen der gestrichelten Linie eine Zone C angedeutet ist, in der eine parasitäre Belegung stattfindet,
5: den Einfluss der HCl-Einspeisung bzw. des Molflussverhältnisses zum TMGa-Fluss auf die Verminderung der Größe der Zone, in der eine parasitäre Belegung stattfindet und
6: die Wachstumsrate auf dem Substrat als Funktion des Abstandes zum Gaseinlassorgan.
Die in der 1 dargestellte Gasmisch/-Versorgungseinrichtung 34 besitzt eine Hydridquelle 30, bei der es sich im Ausführungsbeispiel um eine Ammoniakquelle handelt. Sie besitzt ferner eine Quelle für eine metallorganische Komponente 31, bei der es sich im Ausführungsbeispiel um Trimethylgallium handelt. Ferner ist eine Halogenkomponentenquelle 32 einer Halogenkomponente vorgesehen, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um HCl handelt. Schließlich besitzt die Gasmisch/-Versorgungseinrichtung 34 auch eine Trägergasquelle 33, wobei es sich beim Trägergas um Wasserstoff handelt.
Die Quellen 30, 31, 32, 33 sind als Gastanks dargestellt. Es kann sich hierbei um eine Gasflasche bzw. um einen Bubbler handeln. Jede Gasquelle 30, 31, 32 ist mit einer Gasableitung verbunden, die über ein Ventil 26, 27, 28, 29 verschließbar ist, welche Ventile 26, 27, 28, 29 von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung schaltbar sind. Stromabwärts der Ventile 26, 27, 28, 29 befinden Massenflussregeler 22, 23, 24, 25, mit denen ein Trägergasstrom bzw. ein Strom des Hydrids, der metallorganischen Komponente oder die Halogenkomponente einstellbar ist. Mit dem Massenflussregler 24 wird ein Halogenkomponentengasstrom geregelt, der mit dem Trägergasstrom verdünnt wird und der durch eine Halogenkomponentezuleitung 21 einer Halogenkomponenteeinlasszone 10 eines Gaseinlassorganes 7 zugeleitet wird. Mit dem Massenflussregler 23 wird der Massenfluss einer metallorganischen Komponente, die beispielsweise mit einem Trägergas aus einem Bubbler gefördert werden kann, geregelt. Mit einem Massenflussregler 25 wird dieser Gasstrom verdünnt und durch eine MO-Zuleitung 20 zu einer MO-Einlasszone 9 geleitet. Die MO-Einlasszone 9 bildet eine Trenngaseinlasszone aus.
Mit dem Massenflussregler 22 wird der Massenfluss des Hydrids geregelt, der ebenfalls mit einem Trägergasfluss verdünnt werden kann und der durch die Hydridzuleitung 19 einer Hydrideinlasszone 8 zugeleitet wird.
Die der MO-Einlasszone 9 in Strömungsrichtung vorgeordnete MO-Zuleitung 20 ist derart mit Ventilen 27 bzw. Massenflussreglern 23 versehen, dass es während des Einspeisens der Halogenkomponente durch die Halogenkomponenteneinlasszone 10 nicht möglich ist, eine Halogenkomponente aus der Halogenkomponentenquelle 32 oder ein Hydrid aus der Hydridquelle 30 durch die MO-Einlasszone 9 hindurchzuleiten. Die der Hydrideinlasszone 8 und die Halogenkomponenteneinlasszone 10 vorgeordneten Hydridzuleitung 19 und Halogenkomponentenzuleitung 21 sind so ausgebildet, dass weder das der Quelle 30 entstammende Hydrid noch die der Quelle 32 entstammende Halogenkomponente in die Trenngaseinlasszone 9 eintreten kann, so dass durch die Trenngaseinlasszone 9 ausschließlich ein Trenngas fließen kann, bei dem es sich um ein Inertgas, nämlich um das Trägergas und um die MO-Komponente handelt.
Die besagten Gaseinlasszonen 8, 9, 10 sind einem Gaseinlassorgan zugeordnet und sind, wie es grundsätzlich aus der DE 10 2004 009 130 A1 bekannt ist, vertikal übereinander angeordnet. Das Gaseinlassorgan 7 ist gekühlt. Es besitzt Trennwände 12, 13, eine obere Wand 14 und eine untere Wand, bei der ein Kühlflüssigkeitskanal 11 dargestellt ist. Bevorzugt sind sämtliche Trennwände 12, 13, 14 flüssigkeitsgekühlt und haben hierzu Kühlflüssigkeitskanäle. Das Gaseinlassorgan 7 bildet die Gaseinlasszone E aus. Mittels Kühlwasser kann das Gaseinlassorgan 7 auf Temperaturen im Bereich unterhalb von 250°C bzw. 300°C gehalten werden.
In horizontaler Erstreckung schließt sich an die vertikal etagenartig übereinander liegenden Gaseinlasszonen 8, 9, 10 die Prozesskammer 1 an, deren Boden von einem Suszeptor 2 gebildet ist und deren Decke 6 parallel zum Suszeptor 2 verläuft. Die drei übereinander angeordneten Gaseinlasszonen 8, 9, 10 erstrecken sich dabei über die gesamte Höhe der Prozesskammer 1, wobei die Halogenkomponenteeinlasszone 10 sich unmittelbar an den Boden der Prozesskammer und die Hydrideinlasszone 8 sich unmittelbar an die Decke 6 der Prozesskammer 1 anschließt und die Trenngaseinlasszone 9 dazwischen liegt. Die einzelnen übereinander liegenden Gaseinlasszonen 8, 9, 10 können identische Höhen besitzen. Es ist aber auch vorgesehen, dass die Gaseinlasszonen 8, 9, 10 unterschiedliche Höhen besitzen. Bei einer Prozesskammerhöhe von etwa 20 mm können die Höhen der Hydrideinlasszone 8, der Trenngaseinlasszone 9 und der Halogenkomponenteneinlasszone 10 das Höhenverhältnis 1:2:1 besitzen. In einer Variante ist das Höhenverhältnis 1:3:1 vorgesehen.
In Stromrichtung schließt sich an die Einlasszone E eine Vorlaufzone V an. Die Vorlaufzone V erstreckt sich über einen beheizten Wandungsabschnitt 15 des Suszeptors 2. Die Beheizung des Suszeptors 2 erfolgt über eine RF-Heizung 18 in Form einer wassergekühlten Induktionsspule, die unterhalb des Suszeptors 2 angeordnet ist. In dem aus Grafit oder einem anderen leitenden Material gefertigten Suszeptor 2 werden dadurch Wirbelströme erzeugt, die zu einer Aufheizung des Suszeptors 2 führt. Der Suszeptor 2 wird je nach Prozessschritt auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizt, bspw. zum Abscheiden einer Keimschicht GaN/AlN auf 550°C, einer n-GaN-Schicht auf 1050°C und AlGaN-Schichten, einer p-GaN-Schicht auf 900°C, einer InGaN-Schicht auf 750°C einer AlGaN-Schicht auf 1050°C und Schichten für optoelektronische Anwendungen auf bis zu 1400°C. Die dem Suszeptor 2 gegenüberliegende Deckenwand 6 hat eine um ca. 200°C niedrigere Temperatur.
Stromabwärts der Vorlaufzone V erstreckt sich die Wachstumszone G, in der ein oder mehrere Substrathalter 3 angeordnet sind. In der Schnittdarstellung gemäß 1 ist nur ein kreisscheibenförmiger Substrathalter 3 dargestellt, der in einer Ausnehmung 5 des Suszeptors 2 einliegt und der auf einem Gaspolster aufliegend während der Durchführung des Verfahrens gedreht wird. Auf dem Substrathalter 3 liegt ein zu beschichtendes Substrat 4 auf, dessen Substrattemperatur T_s auf Wert typischerweise zwischen 900 bis 1100°C geregelt werden kann. Der heiße Suszeptor 2 erwärmt die Prozesskammer 1 auf eine Temperatur T_c. In der Mitte der Prozesskammer 1 stellt sich eine Gastemperatur T_B ein, die zwischen der Prozesskammerdeckentemperatur T_c und der Substrattemperatur T_s liegt.
An die Wachstumszone G schließt sich eine Auslasszone A an, in der eine Gasauslasseinrichtung 16 angeordnet ist, die mit einer Vakuumpumpe 17 verbunden ist, so dass der Totalgasdruck innerhalb der Prozesskammer auf Werte zwischen wenigen Millibar und Atmosphärendruck einstellbar ist.
Die in der 1 schematisch dargestellte Prozesskammer besitzt einen kreisförmigen Suszeptor 2, der konzentrisch das ebenfalls kreissymmetrisch aufgebaute Gaseinlassorgan 7 umgibt.
Der vertikale Abstand der Trennwände 12, 13, der die Höhe der MO-Einlasszone 9 definiert ist so gewählt, dass sich die in der 1 gestrichelt dargestellte Diffusionsgrenzschicht D ausbildet. Die Diffusionsgrenzschicht D symbolisiert die Grenze, bis zu der innerhalb der Vorlaufzone V Halogenkomponenten aus der Halogenkomponenteneinlasszone 10 in Richtung nach oben zum Hydridfluss und durch die Hydrideinlasszone 8 eingeleitete Hydride nach unten in Richtung auf die Halogenkomponente diffundieren. Die Hydride bzw. Halogenkomponenten diffundieren dabei in einen Trenngasfluss, der durch Trenngaseinlasszone 9 in die Prozesskammer eintritt. Die zwischen der Hydrideinlasszone 8 und der Halogenkomponenteeinlasszone 10 gelegene Einlasszone 9 bildet deshalb eine Trenngaseinlasszone, durch welche zusammen mit einem Trägergas auch die metallorganische Komponente in die Prozesskammer eingeleitet wird.
Die lediglich qualitative dargestellten oberen und unteren Diffusionsgrenzschichten D treffen sich zu Beginn eines Bereichs M der Vorlaufzone V, in dem die Gastemperatur T_B bei Atmosphärendruck einen Wert oberhalb von 338°C erreicht hat, bei dem NH₃ und HCl nicht mehr zu einem Amoniumchloridpulver reagieren. Bei reduziertem Totaldruck in der Prozesskammer sinkt diese Gastemperatur auf bspw. 220°C bei 10 mbar.
Die 2 zeigt schematisch den Verlauf der Temperatur T_s des Suszeptors, der Temperatur T_B des Gases etwa in der vertikalen Mitte der Prozesskammer und die Temperatur T_c der Prozesskammerdecke jeweils entlang der Strömungsrichtung des Prozessgases. Es ist erkennbar, dass im Bereich der Vorlaufzone V die Gastemperatur die niedrigsten Werte aufweist. Es bildet sich somit etwa in der Mitte der Vorlaufzone ein kalter Finger aus. Am Ende des kalten Fingers, dort wo das Halogenkomponente mit dem Hydrid in Kontakt tritt, bilden sich in Abwesenheit der Halogenkomponente u. a. bei der Verwendung von Ammoniak und TMGa Addukte. Diese bilden die Nukleationskeime für Partikel, die bei Abwesenheit der Halogenkomponente eine große Anzahl der III-Metall-Atome bindet, die so dem Schichtwachstum entzogen werden. Der räumlich getrennte Einlass der Halogenkomponente vom Hydrid führt prozesstechnisch zu einer Injektion der Halogenkomponente in ein Adduktbildungsvolumen, welches in der Zone M liegt. Dieses Adduktbildungsvolumen wird mit der Halogenkomponente dotiert, wobei es ausreicht, wenn maximal 250 ppm der Gesamtgasmenge HCl ist bzw. der HCl-Fluss in die Prozesskammer unterhalb 10% des MO-Gasflusses liegt.
Der 2 ist zu entnehmen, dass die Temperatur T_s des Suszeptors 2 im Bereich der Vorlaufzone V linear ansteigt und dann im Bereich der Wachstumszone G im Wesentlichen konstant verläuft und im Bereich der Auslasszone wieder absinkt. Die Temperatur T_c der strahlungserwärmten Reaktordecke 6 steigt ebenfalls im Bereich der Vorlaufzone V kontinuierlich an und verläuft im Bereich der Wachstumszone G konstant, um dann im Bereich der Auslasszone A wieder abzufallen. Die Gastemperatur T_B hat im Wesentlichen qualitativ den selben Verlauf wie die Temperaturen T_s und T_c. Sie steigt jedoch in der Vorlaufzone V steiler an als die Temperatur T_c der Prozesskammerdecke 6. Sie überschreitet erst in der Zone M die Temperatur T_c der Prozesskammerdecke.
Der 3 ist qualitativ der Verlauf der Wachstumsrate in Stromrichtung als durchgezogene Linie ohne HCl-Einspeisung und als gestrichelte Linie mit HCl-Einspeisung zu entnehmen, der Verlauf der Wachstumsratenkurve entspricht im Wesentlichen auch dem Verlauf des Partialdrucks des Metalls der II- oder III-Komponente in der Gasphase. Es ist zu erkennen, dass ohne HCl-Einspeisung das Maximum der Wachstumsrate r in der Vorlaufzone V liegt, und zwar unmittelbar stromaufwärts der Wachstumszone G, also in der Gasmischzone M. Ohne HCl-Einspeisung verläuft die Wachstumsrate r bzw. die Verarmungskurve der Metallkomponente in der Wachstumszone G nicht linear, so dass es zu inhomogenen Wachstum auf den beim Abscheideprozess gedrehten Substraten kommt. Die Randbereiche der Substrate besitzen eine höhere Schichtdicke als das Zentrum der Substrate.
Als Folge der Halogenkomponenteneinspeisung unmittelbar oberhalb des heißen Wandungsabschnittes 15 des Suszeptors 2 herrscht dort an der Oberfläche eine relativ hohe Halogenkomponenten-Konzentration. Die Halogenkomponente, beispielsweise HCl, kann dort eine oberflächenätzende Wirkung entfalten, so dass in der heißen Vorlaufzone 15 parasitäres Wachstum unterdrückt werden kann. Das Maximum der Wachstumsrate verschiebt sich in Richtung stromabwärts. Gleichzeitig erhält die Verarmungskurve einen linearen Verlauf. Letzteres ist insbesondere auch auf die durch die Ha-Einspeisung verminderte Adduktbildung zurückzuführen.
Durch das Einleiten von geringen Mengen einer Halogenkomponente, beispielsweise HCl in die Adduktbildungszone kann der Reaktor mit verhältnismäßig geringen Gasflüssen betrieben werden, so dass die mittlere Verweilzeit des Prozessgases innerhalb der Prozesskammer 1 größer als 1,5 Sekunden liegt. Gleichwohl kann die Länge der Wachstumszone G in Stromrichtung mehr als 150 mm betragen. Innerhalb dieser Länge der Wachstumszone G sinkt die Gasphasenverarmung insbesondere III-Komponente linear ab, so dass durch Drehen des Substrates 4 Schichten mit homogener Schichtdicke abscheidbar sind.
Wegen der Vermindung der Partikelbildung wird gleichzeitig auch die Wachstumsrate stromabwärts der Vorlaufzone V erhöht. Die erfindungsgemäße Wirkung von HCl tritt bereits bei sehr niedrigen Partialdrucken der Halogenkomponente auf, also bei Prozessparametersätzen, bei denen die Halogenkomponente keinen Einfluss auf die Adduktbildung besitzt. Bei derart niedrigen HCl-Partialdrucken hat die HCl-Einspeisung keinen Einfluss auf den Verlauf der Verarmungskurve in der Wachstumszone.
Bei ersten Versuchen wurde Galliumnitrit bei einer Substrattemperatur T_s von 1050°C und bei einer Prozesskammerdeckentemperatur T_c von 900°C bei einer jeweils gleicher Wasserstoffträgergasmenge abgeschieden. Dies erfolgte bei Verweilzeiten von 0,58 Sekunden, 1,01 Sekunden und 1,52 Sekunden. Die radiale Verarmung wurde über Wachstumsraten auf einem 4-Zoll-Saphir-Substrat gemessen. Ohne die Zugabe von HCl verläuft die Verarmungskurve bei hohen Verweilzeiten stark inhomogen und sinkt bereits in der Mitte der Wachstumszone G auf unter ein Drittel ab. Durch die Zugabe von nur 2 sccm HCl liegen die Verarmungskurven bei allen drei Verweilzeiten im Wesentlichen deckungsgleich übereinander. Es hat sich herausgestellt, dass an Molverhältnis von 2% HCl/TMGa ausreicht, um die Verarmungskurve zu Linearisieren. Optimale Ergebnisse werden erzielt, wenn das Molverhältnis zwischen HCl und TMGa etwa im Bereich von 5% bis 7% liegt.
In zweiten Versuchen wurde Aluminiumnitrit anstelle von Galliumnitrit abgeschieden. Als III-Komponente wurde TMA1 verwendet. TMA1 ist weit reaktiver zu NH₃ als TMGa. Zudem gelten die Addukte als sehr stabil. Aluminiumnitrit wurde auch hier auf 4-Zoll-Saphir-Substraten abgeschieden, allerdings bei einer Substrattemperatur von 1200°C bei einer Prozesskammerdeckentemperatur von etwa 1100°C und jeweils gleicher Wasserstoffträgergasmenge. Die Verweilzeiten der Prozessgase innerhalb der Prozesskammer lagen bei 0,08 Sekunden bzw. 0,33 Sekunden. Auch hier wurde ohne die Zugabe von HCl ein deutlicher Einbruch der Verarmungskurve bei der großen Verweildauer beobachtet.
Die Zugabe von HCl führte auch hier zu einer Linearisierung der Verarmungskurve bei längeren Wachstumszeiten.
In einer Variante, bei der die Höhe der Hydrideinlasszone 5 mm, der Trenngaseinlasszone 9 10 mm und der Halogenkomponenteneinlasszone 10 5 mm beträgt, werden durch die obere Gaseinlasszone 8 16,6 slm NH₃, durch die mittlere Gaseinlasszone 9 31 slm H₂ + 6 slm N₂ und durch die untere Gaseinlasszone 10 16,8 slm H₂ eingespeist. Die Gasflussaufteilung orientiert sich dabei aus Gründen der Flussstabilität grob an die Höhenaufteilung der Gaseinlasszonen 8, 9, 10 so dass die Gasgeschwindigkeit von Einlassebene zu Einlassebene ungefähr gleich bleibt. Das maximale Missverhältnis der Gasgeschwindigkeiten, der Impulsstromdichten (rho*v) oder der Reynoldszahlen (rho*v*H/μ) kann zum Beispiel 1:1,5 oder 1:2 oder 1:3 betragen. Durch die untere Gaseinlasszone 10 wird zusätzlich HCl eingespeist, wobei der HCl-Fluss etwa maximal einem Zehntel des Flusses der reinen metallorganischen Komponente entspricht, die zusätzlich durch die mittlere Einlasszone 9 eingespeist wird. Bei einer Skalierung der Prozesskammer wird darauf geachtet, dass die Kennzahl U·H² / D·R konstant bleibt, wobei U die mittlere Gasgeschwindigkeit in allen drei Einlassebenen bei gleichem Druck, H die Höhe des mittleren Einlasses, R der Radius des Gaseinlassorganes 7 ist und D der Diffusionskoeffizient des Prozessgases im Gasgemisch ist. Hieraus ergeben sich folgende Anwendungsbeispiele: wird die Höhe H des mittleren Einlasses verdoppelt, dann können die Gasgeschwindigkeiten geviertelt werden. Wird der Durchmesser des Gaseinlassorganes 7 verdoppelt, muss die Höhe H des mittleren Einlasses um den Faktor 1,4 vergrößert werden. Alternativ dazu können auch die Flussraten vervierfacht werden.
Es ist auch vorgesehen, die Halogenkomponente, insbesondere HCl zusammen mit der metallorganischen Komponente durch eine gemeinsame Gaseinlasszone in die Prozesskammer einzuspeisen. Des weiteren kann auch die metallorganische Komponente mit dem Hydrid gemischt durch eine gemeinsame Gaseinlasszone in die Prozesskammer eingespeist werden.
Die Prozesskammer kann einen Durchmesser von 365 mm und eine Höhe von 20 mm aufweisen. Die Höhe der Einlasszonen 8, 9, 10 beträgt im Mittel 10 mm bzw. gehorcht der obigen Skalierungsregel. Die Einlasszone E verläuft bis zu einem Radius von etwa 22 mm. Die Vorlaufzone verläuft in einem Radialbereich zwischen 22 mm und 75 mm. Die Wachstumszone G verläuft in einem Radialbereich zwischen 75 und 175 mm. Radial außerhalb der Wachstumszone G befindet sich die Auslasszone A. Der Totalgasfluss durch die Prozesskammer liegt zwischen 70 und 90 slm. Die Wachstumsprozesse werden in einem Druckbereich zwischen 50 und 900 mbar durchgeführt. Bei einem Totaldruck von bspw. 400 mbar kann der Ammoniak-Partialdruck 95 mbar, der TMGa-Partialdruck 0,073 mbar bis 0,76 mbar entsprechen. Ohne die Zugabe von HCl erreicht die Wachstumsrate bei einem TMGa-Partialdruck von etwa 0,255 mbar ihre Sättigung. Mit Zugabe von HCl lässt sich die Wachstumsrate auf Werte oberhalb von 10 μm/h anheben. Mit einem 5% molaren Verhältnis HCl: TMGa wurden bei einem TMGa-Partialdruck von 0,35 mbar 13,8 μm/h und bei einem TMGa-Partialdruck von 0,76 mbar 26,5 μm/h als Wachstumsrate erzielt.
Unter anderem führen folgende Parametersätze gegenüber dem Stand der Technik bei einer 10 × 2 Konfiguration zu verbesserten Ergebnissen: Totaldruck = 600 mbar, p(NH3) = 142,5 mbar, TMGa Partialdrücke von 0,04 mbar bis 0,82 mbar (entsprechend 2,13E-4 bis 4,3E-3 mol/min). Totaldruck = 800 bar, p(NH3) = 190 mbar, TMGa Partialdrücke von 0,054 mbar bis 1,09 mbar (entsprechend 2,13E-4 bis 4,3E-3 mol/min). Totaldruck = 900 mbar, p(NH3) = 214 mbar, TMGa Partialdrücke von 0,06 mbar bis 1,23 mbar (entsprechend 2,13E-4 bis 4,3E-3 mol/min).
Die 4 zeigt die Draufsicht auf den Suszeptor, bei dem um ein im Zentrum angeordnetes Gaseinlassorgan 7 in einem Abstand V eine Vielzahl von Substrathalter 3 in gleichem Radialabstand angeordnet sind, auf denen jeweils ein Substrat liegt. Mit C ist eine Belegungszone bezeichnet, die eine von der Menge des eingespeisten HCls abhängige radiale Breite aufweist. Bei Experimenten, bei denen Galliumnitrit abgeschieden worden ist, wurde der Suszeptor auf 1.080°C und die Prozesskammerdecke auf 830°C aufgeheizt. Die gemessene Oberflächentemperatur auf den Substraten betrug 1.065°C. Bei einem Totaldruck innerhalb der Prozesskammer von 400 mbar wurde durch das Gaseinlassorgen ein totaler Gasfluss von 82 slm (Standartlitern pro Minute) eingeleitet. Darin enthalten war ein TMGa-Fluss von etwa 0,6 mmol/Min. Das Molverhältniss zwischen der V-Komponente und der III-Komponente betrug 1244 Demzufolge lag der NH₃-Fluss bei 16,6 slm. Bei einer Wachstumsrate von 2 μm/h wurde über eine Gesamtzeit von zwei Stunden eine Schicht auf dem Substrat abgeschieden. Die Experimente wurden ohne HCl-Einspeisung und mit verschieden hohen HCl-Einspeisungen durchgeführt. Je höher die Menge des eingespeisten HCls war, desto geringer war die Breite der in der 4 mit C bezeichneten Zone in der parasitäres Wachstum auf der Oberfläche des Suszeptors 2 stattfindet. Bei einer Breite der Vorlaufzone V von 7,5 cm lag die Breite der Zone C ohne HCl-Einspeisung bei etwa 50 mm. Bei der Einspeisung von 1 sccm (Standartkubikzentimeter pro Minute) HCl reduzierte sich die Zonenbreite C auf 4,5 cm, bei 3 sccm auf 3 cm und bei 9 sccm auf 1 cm. Bezogen auf die Darstellung gemäß 4 nähert sich die strichpunktierte Linie mit zunehmenden HCl-Fluss der gestrichelten Linie an.
Die 5 zeigt die Wirkung der HCl-Einspeisung auf die radiale Breite des Abschnitts der Vorlaufzone, die während des Abscheideprozesses mit parasitären Wachstum belegt wird. Die ohne HCl-Einspeisung etwa 75 mm breite Zone wird mit zunehmender HCl-Einspeisung schmaler. Ihre Breite wird um mehr als die Hälfte vermindert.
Die 6 zeigt die geometral über ein Substrat gemessene Schichtdicke, welches sich bei der Abscheidung nicht gedreht hat. Als Folge einer Gasphasenverarmung fällt die Wachstumsrate mit zunehmenden Abstand vom Gaseinlassorgan ab. Bei allen vier Experimenten verläuft der Abfall der Wachstumsraten linear. Er kann somit durch eine Rotation des Substrathalters kompensiert werden. Lediglich die Kurve d, die zu dem Experiment mit der höchsten HCl-Einspeisung korrespondiert, zeigt eine wachstumsvermindernde Wirkung des HCl.
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. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildung des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen
Bezugszeichenliste

1: Prozesskammer
2: Suszeptor
3: Substrathalter
4: Substrat
5: Ausnehmung
6: Prozesskammerdecke
7: Gaseinlassorgan
8: Hydrideinlasszone
9: Trenngaseinlasszone (MO)
10: Halogenkomponenteneinlasszone
11: Kühlflüssigkeitskanal
12: Trennwand
13: Trennwand
14: obere Wand
15: Wandungsabschnitt
16: Auslasseinrichtung
17: Vakuumpumpe
18: RF-Heizung
19: Hydridzuleitung
20: MO-Zuleitung
21: Halogenkomponentenzuleitung
22: MFC-Hydrid
23: MFC-MO
24: MFC-Halogenkomponente
25: MFC-Trägergas
26: Ventil-Hydrid
27: Ventil-MO
28: Ventil-Halogenkomponente
29: Ventil-Trägergas
30: Quelle-Hydrid
31: Quelle-MO
32: Quelle-Halogenkomponente
33: Quelle-Trägergas
34: Gasmisch/-Versorgungseinrichtung
E: Einlasszone
V: Vorlaufzone
G: Wachstumszone
A: Auslasszone
D: Diffusionsgrenzschicht
M: Mischzone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7585769 B2 [0003]
US 4961399 A [0004]
DE 10247921 A1 [0004]
DE 102004009130 A1 [0005, 0008, 0027]
US 2008/0050889 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„High growth rate process in a SiC horizontal CVD reactor using HCl”, Microelectronic Engineering 83 (2006) 48–50 [0010]
„Effect of HCl addition an gas-phase and surface reactions during homoepitaxial growth of SiC at low temperatures”, Journal of applied physics 104, 053517 (2008) [0011]
„Prevention of In droplets formation by HCl addition during metal organic vapor phase epitaxy of InN”, Applied physics letters 90, 161126 (2007) [0012]

Claims

Vorrichtung zum Abscheiden von II-VI- oder III-V-Halbleiterschichten auf einem oder mehreren Substraten (4), mit einem Reaktorgehäuse aufweisend eine im Reaktorgehäuse angeordnete Prozesskammer (1), einen in der Prozesskammer (1) angeordneten Suszeptor (2) zur Aufnahme des Substrates (4), eine Heizeinrichtung (18) zum Aufheizen des Suszeptors (2) auf eine Suszeptortemperatur (T_s), ein Gaseinlassorgan (7), das der Prozesskammer (1) zugeordnet ist, um ggf. zusammen mit jeweils in einem Trägergas Prozessgase in Form einer V- oder VI-Komponente, insbesondere eines Hydrids, einer metallorganischen II- oder III-Komponente und einer Halogenkomponente in die Prozesskammer (1) einzuleiten, und eine Gasauslasseinrichtung (16) zum Austritt von Reaktionsprodukten und ggf. des Trägergases aus der Prozesskammer (1), mit einer Gasmisch/-Versorgungseinrichtung (34) aufweisend eine Quelle (31) für die metallorganische Komponente, eine Quelle (30) für die V- oder VI-Komponente, insbesondere für das Hydrid, und eine Quelle (32) für die Halogenkomponente, wobei die Quellen (30, 31, 32) über Förderleitungen (19, 20, 21), die von einer Steuereinrichtung gesteuerte Ventile (26, 27, 28) und Massenflussregler (22, 23, 24) aufweisen, mit dem Gaseinlassorgan (7) verbunden sind, um die metallorganische Komponente, die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid und die Halogenkomponente in voneinander getrennten Gasflüssen ggf. jeweils zusammen mit dem Trägergas in die aufgeheizte Prozesskammer (1) zu bringen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinlassorgan (7) mehrere voneinander getrennte Gaseinlasszonen (8, 9, 10) aufweist, wobei eine Halogenkomponenteneinlasszone (10), die mit der Halogenkomponentenquelle (32) verbunden ist, stromaufwärts unmittelbar vor einem beheizten Oberflächenabschnitt (15) der Prozesskammer angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Suszeptor (2) sich in Horizontalrichtung erstreckt, die Prozesskammerwand (6) eine beabstandet und zum Suszeptor (2) parallel verlaufende Prozesskammerdecke ist und die Halogenkomponenteneinlasszone (10) die einem in der Vorlaufzone (V) liegenden Oberflächenabschnitt (15) des Suszeptors (2) am nächsten liegende Gaseinlasszone ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlasszonen (8, 9, 10) vertikal übereinander angeordnet sind, wobei die zu unterst liegende Halogenkomponenteneinlasszone (10) dem Suszeptor (2) am nächsten liegt, eine mit der Quelle (31) der metallorganischen Komponente leitungsverbundene MO-Einlasszone (9) oberhalb der Halogenkomponenteneinlasszone (10) liegt und eine mit der Quelle (30) der V- oder VI-Komponente verbundene V-Einlasszone (8) der Prozesskammerdecke (6) am nächsten liegt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinlassorgan (7) eine Kühleinrichtung (11) aufweist, mit der es auf eine Einlasstemperatur kühlbar ist, die unter der Zerlegungstemperatur der Prozessgase liegt.
Verfahren zum Abscheiden von II-VI- oder III-V-Schichten auf einem oder mehreren Substraten (4) insbesondere in einer Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Prozessgase in Form einer metallorganischen II- oder III-Komponente, einer V- oder VI-Komponente, insbesondere eines Hydrids und einer Halogenkomponente in einer Gasmisch/-Versorgungseinrichtung (34) bereitgestellt werden, das mindestens eine Substrat (4) auf einen Suszeptor (2) in einer Prozesskammer (1) aufgebracht wird, der Suszeptor (2) und zumindest eine Prozesskammerwand (6) auf eine Suszeptortemperatur (T_s) bzw. Wandtemperatur (T_c) aufgeheizt werden, die Prozessgase ggf. zusammen mit einem Trägergas in voneinander getrennten Gasflüssen mittels eines Gaseinlassorganes (9) in die Prozesskammer (1) eingebracht werden, wo die metallorganische Komponente und die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid pyrolytisch an der Substratoberfläche miteinander reagieren, so dass auf dem Substrat (4) eine Schicht abgeschieden wird, und das Halogenkomponente eine parasitäre Partikelbildung in der Gasphase vermindert bzw. unterdrückt und Reaktionsprodukte ggf. zusammen mit dem Trägergas durch eine Gasauslasseinrichtung (16) die Prozesskammer verlassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessgase durch zumindest zwei räumliche voneinander getrennten Gaseinlasszonen (8, 9, 10) in die Prozesskammer eingeleitet werden, von denen eine eine Halogenkomponenteneinlasszone (10) ist, durch die stromaufwärts unmittelbar vor einem beheizten Oberflächenabschnitt (15) der Prozesskammer (1) die Halogenkomponente in die Prozesskammer (1) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wird bei solchen Prozessparameter, also solchen Partialgasdrucken der V- oder VI-Komponente und der II- oder III-Komponente, solcher Suszeptortemperatur (T_s), solchem Totalgasfluss und solchem Totaldruck durchgeführt, bei denen ohne Einspeisung einer Halogenkomponente parasitäres Wachstum auf dem beheizten Oberflächenabschnitt (15) der Vorlaufzone (V) der Prozesskammer (1) stromaufwärts des Substrates (4) stattfindet und durch die Einspeisung der Halogenkomponente das parasitärere Wachstum vermindert oder unterdrückt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 oder 6 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogenkomponente, welches vorzugsweise Wasserstoffchlorid ist, unmittelbar oberhalb des sich in Horizontalrichtung erstreckendes Suszeptors (2) in die Prozesskammer (1) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die das parasitäre Wachstum vermindernde oder unterdrückende Wirkung der Halogenkomponente im Wesentlichen auf eine stromaufwärts der Wachstumszone (G), in welcher das Substrat (4) angeordnet ist, liegenden Vorlaufzonen (V) beschränkt ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogenkomponente derart räumlich getrennt vom Hydrid in die Prozesskammer (1) eingeleitet wird, dass die Halogenkomponente erst in einem Strömungsabschnitt in Kontakt mit dem Hydrid tritt, in dem die Wachstumsrate bzw. die Zerlegungsrate der metallorganischen Komponente ihr Maximum besitzt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei solchen Prozessparameter, also solchen Partialgasdrucken der V- oder VI-Komponente und der II- oder III-Komponente, solcher Suszeptortemperatur (T_s), solchem Totalgasfluss und solchem Totaldruck durchgeführt wird, bei denen ohne Einspeisung einer Halogenkomponente parasitäres Wachstum auf dem beheizten Oberflächenabschnitt (15) der Vorlaufzone (V) der Prozesskammer (1) stromaufwärts des Substrates (4) stattfindet.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Molfluss der Halogenkomponente in die Prozesskammer zum Molfluss der II- oder III Komponente in die Prozesskammer bis zu 1:2, bis zu 7:10, bis zu 1:1 oder bis zu 2:1 beträgt.