DE1287047B - Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden einer einkristallinen Halbleiterschicht - Google Patents

Description

Zum Abscheiden einer einkristallinen Halbleiterschicht auf einen einkristallinen Trägerkörper aus Halbleitermaterial ist es bekannt, den Trägerkörper auf einem aus dem gleichen Material bestehenden Hilfskörper und diesen Hilfskörper auf einem beheizbaren Tisch derart anzuordnen, daß sich der Trägerkörper auf einer für die Abscheidung ausreichend hohen Temperatur befindet, andererseits sich ein Temperaturgefälle von dem Hilfskörper zu dem Trägerkörper einstellt. Bei Verwendung be- ίο kannter Reaktionsgase wird dann Halbleitermaterial von der Oberfläche des Hilfskörpers gelöst und. durch.' '' Transportreaktion von dem Reaktionsgas auf die unmittelbar ^:in' gerhfgeni Abstand gegenüberliegende Oberfläche des Trägerkörpers übertragen und abgeschieden. Es ist ferner bei Abscheidungsprozessen zur Herstellung vqp „ halbleitenden Schichten bekannt, die Beschaffenheit des Reaktionsgases bzw. die Temperatur des Reaktionsgases so zu ändern, daß zunächst Abtragung von Halbleitermaterial an der »o Oberfläche des Trägerkörpers und erst nach Beseitigung von Oberflächenstörungen u.dgl. infolge Abänderung der Reaktionsbedingungen Abscheidung des Halbleitermaterials aus dem Reaktionsgas erfolgt.

Um die komplizierten Änderungen der Reaktionsbedingungen bei bereits in Betrieb genommener Apparatur zu vermeiden, wird von der Erfindung angestrebt, daß zu Beginn des Vorganges der Träger und das durch den Hilfskörper gegebene Ausgangsmaterial räumlich getrennt und gleichzeitig bzw. nacheinander aufgeheizt werden und daß anschließend der Abstand zwischen dem Träger und dem Ausgangsmaterial so weit verringert wird, daß infolge der Anwesenheit des Reaktionsgases es zu einem Materialtransport vom Hilfskörper zu dem Trägerkörper kommt.

Dementsprechend bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Abscheiden einer einkristallinen Halbleiterschicht auf einen einkristallinen Trägerkörper aus Halbleitermaterial aus einem Reaktionsgas, wobei ein Körper aus dem abzuscheidenden Material und der Trägerkörper in einem von einem Transportgas durchströmten Reaktionsraum in geringem Abstand voneinander angeordnet werden und der Trägerkörper auf eine niedrigere Temperatur als der Körper aus Ausgangsmaterial erhitzt wird, so daß Halbleitermaterial von dem Körper aus Ausgangsmaterial durch Transportreaktion über die Gasphase auf den Trägerkörper übertragen wird und dort ankristallisiert, und wobei vor der eigentlichen Abscheidung gestörte Oberflächenschichten des erhitzten Trägerkörpers durch Gasätzung mittels des Transportgases abgetragen werden. Erfindungsgemäß ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß für die Gasätzung zunächst der Körper aus Ausgangsmaterial aus der Nähe des Trägerkörpers entfernt und danach für die Abscheidung dem Trägerkörper genähert wird.

Man geht zweckmäßigerweise dabei so vor, daß das Ausgangsmaterial auf einem vertikal verschiebbaren Heiztisch angeordnet und der Heiztisch zunächst so weit abgesenkt ist, daß er sich unterhalb der für die Reaktion erforderlichen Heizzone befindet. Die Erzeugung der Heizzone erfolgt dabei zweckmäßig mittels einer oder mehrerer Induktionsspulen, die entweder in der Höhe des Trägerkörpers ortsfest oder ebenfalls vertikal verschiebbar angeordnet sein können.

So können beispielsweise zwei Induktionsspulen verwendet werden, von denen die eine in der Höhe des Trägers, die andere in der Höhe des beispielsweise in Form eines scheibenförmigen Körpers vorliegenden Ausgangsmaterials angeordnet ist und die entweder gleichzeitig oder nacheinander aufgeheizt werden. Zur Beheizung der Induktionsspulen kann eine gemeinsame Spannungsquelle verwendet werden. Eine Alternative hierzu besteht in der Verwendung zweier verschiedener Spannungsquellen. Mit Hilfe dieser beiden Induktionsspulen ist es möglich,' Ausgangsmaterial und Trägerkörper gleichzeitig oder nacheinander aufzuheizen bzw. einer Gasätzung zu unterwerfen.

Wird eine einzige Induktionsspule verwendet, so wird diese zweckmäßigerweise verschiebbar angeordnet und in der jeweils erforderlichen Stellung aufgeheizt.

Als Auflagefläche für den Träger wird ein Abstandshalter verwendet, dessen Durchmesser größer ist als die durch im Reaktionsgefäß angebrachte Vorsprünge gebildete Öffnung und bei dem der Durchmesser der''in der Mitte gelegenen öffnung wenig kleiner als der Trägerdurchmesser ist.

Zur Verstärkung der Heizwirkung kann der Träger mit einer Scheibe,aus leitendem Material, insbesondere aus Kohle, abgedeckt werden.

Als Reaktionsgas wird ein Gemisch aus Wasserstoff und/oder Halogene, Halogenwasserstoff bzw. Wasserdampf und einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials verwendet, das bereits während des Ausheizens durch das Reaktionsgefäß geleitet wird. Dem Reaktionsgas können gegebenenfalls Dotierungsmaterialien beigefügt sein.

Sobald eine genügend starke Abtragung des Trägers erfolgt ist, wird der Heiztisch nach oben verschoben, bis das daraufliegende Halbleitermaterial mit dem Abstandshalter und damit mit dem daraufliegenden Träger in Berührung kommt. Die Anordnung wird dann in dieser Stellung so lange auf einer Temperatur von etwa 1250° C gehalten, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich in besonders günstiger Weise auf die Herstellung von HeteroÜbergängen anwenden, da es bei diesem Verfahren möglich ist, das in die Gasphase zu überführende Ausgangsmaterial und den mit einer Aufwachsschicht zu versehenden Träger bei verschiedenen Temperaturen auszuheizen. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise HeteroÜbergänge zwischen Galliumarsenid und Germanium oder Galliumarsenid und Galliumphosphid ohne Schwierigkeiten herstellen.

Nach diesem Verfahren hergestellte Halbleiteranordnungen eignen sich zur Verwendung für die Herstellung von Halbleiterbauelementen wie Transistoren, Gleichrichter od. dgl.

Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus dem an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor.

In einem rohrförmigen Reaktionsgefäß 1 aus Quarz oder Geräteglas, das im Innern mit zwei als Auflage dienenden Vorsprüngen 10 ausgestattet ist, wird ein Abstandshalter 3, der auf die Vorsprünge 10 aufgelegt ist, angebracht. Auf den Abstandshalter 3 ist eine einkristalline Scheibe 4 aus Halbleitermaterial aufgelegt, deren Durchmesser etwas größer als die in der Mitte des Abstandshalters be-

findliche Öffnung 5 ist. Die einkristalline Scheibe 4, die beispielsweise aus η-leitendem Silicium besteht, dient als Träger für die mittels eines Transportvorgangs aufzubringende Schicht. Zur Verstärkung der Heizwirkung ist eine Kohlescheibe 6, die auf den Träger 4 aufgelegt wird, vorgesehen. Als Ausgangsmaterial dient eine weitere Scheibe 7 aus Halbleitermaterial, die auf einen Heiztisch 8 aus Kohle oder SiC aufgelegt ist. Der Heiztisch 8 wird mittels eines Quarzstabes 9 in Richtung des Pfeiles 2 bewegt. Zur Beheizung ist eine Induktionsspule 11, die beispielsweise in der Höhe des Trägers 4 angeordnet ist, und, wie in Fig. 2 angedeutet, in Richtung des Pfeiles 12 verschoben werden kann, vorgesehen.

Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung zeigt die geometrische Zuordnung von Ausgangsmaterial 7 und Träger 4 während der ersten Phase des Reaktionsablaufs. Die Anordnung ist dabei so, daß die Heizwirkung allein auf den Träger 4 konzentriert wird, so daß sich dieser auf einer erheblich höheren Temperatur befindet, so daß eine Abtragung der Trägeroberfläche durch das das Reaktionsgefäß durchströmende Reaktionsgasgemisch erfolgt. Als Reaktionsgas wird ein Gemisch aus Wasserstoff und/ oder Halogen, Halogenwasserstoff bzw. Wasserdampf und einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials, beispielsweise SiHCl₃, verwendet. Als Material für den Abstandshalter eignen sich alle bei der Reaktionstemperatur inerte Materialien. Man kann also beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, SiC oder Kohle verwenden. Der Abstandshalter wird günstigerweise so hergestellt, daß man eine 50 bis 500 μΐη dicke Scheibe aus inertem Material verwendet, in die durch Bohren eine Öffnung gebracht wird, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Trägers ist.

Falls es erwünscht ist, vor Beginn des Aufwachsvorgangs auch die aus Ausgangsmaterial bestehende Scheibe auszuheizen bzw. einer Gasätzung zu unterwerfen, so ist es zweckmäßig, die Induktionsspule 11 verschiebbar anzuordnen. In diesem Fall wird dann die Induktionsspule in Richtung des Pfeiles 12 nach oben bzw. nach unten verschoben. Man kann dabei beispielsweise so vorgehen, daß zunächst die aus Ausgangsmaterial bestehende Scheibe 7 ausgeheizt wird und daß dann anschließend die Induktionsspule 11 in Richtung des Pfeiles 12 so weit nach oben verschoben wird, daß der Träger 4 auf die zur Abtragung erforderliche Temperatur erhitzt wird.

Werden an Stelle einer beweglichen Induktionsspule 11 zwei verschiedene Induktionsspulen verwendet, so ist es zweckmäßig, eine in der Höhe des Trägers 4, die andere in der Höhe des Heiztisches 8 anzuordnen. Die Spulen werden dann getrennt beheizt, so daß nach dem Ausheizen bzw. nach der Gasätzung die eine der Induktionsspulen, und zwar die in der Höhe des Heiztisches 8 befindliche ausgeschaltet werden kann.

Sobald eine genügend starke Abtragung der Trägeroberfläche erreicht ist, wird der Heiztisch 8 mittels des Quarzstabes 9 so weit nach oben bewegt, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist, daß das Ausgangsmaterial? mit dem Abstandshalter 3 in Berührung kommt. Die Anordnung entspricht dann der bei der Durchführung von Transportreaktionen üblichen Sandwichanordnung. Die Heizwirkung konzentriert sich dann in erster Linie auf die aus Ausgangsmaterial bestehende Scheibe 7. Der daraufliegende Träger 4 wird durch direkten Wärmeübergang erhitzt und befindet sich jetzt auf einer etwa 5O⁰C niedrigeren Temperatur. In diesem Stadium erfolgt eine Abtragung der aus Ausgangsmaterial bestehenden Scheibe 7 und eine Abscheidung des Materials auf dem Träger 4. Der Transport wird so lange fortgesetzt, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist.

Soll eine noch stärkere Lokalisierung der Heizwirkung auf den Träger oder gegebenenfalls auf die aus Ausgangsmaterial bestehende Scheibe 7 erreicht werden, so kann eine in der Höhe verschiebbare Induktionsspule verwendet werden. Diese Spule wird dann im Verlauf der Reaktion so weit verschoben, bis der erwünschte Temperaturverlauf erreicht ist.

Sollen dotierte Halbleiterschichten hergestellt werden, so kann entweder die aus Ausgangsmaterial bestehende Scheibe 7 mit Dotierungsstoffen versehen werden oder aber dem Reaktionsgas die zur Erzielung der gewünschten Leitfähigkeit bzw. des gewünschten Leitungstyps erforderliche Menge Dotierungsstoff beigegeben werden.

Das Verfahren kann außerdem zur Herstellung von epitaktischen Aufwachsschichten aus verschiedenen Materialien herangezogen werden. So ist es beispielsweise möglich, auf einen einkristallinen Träger aus Galliumarsenid eine Germaniumschicht abzuscheiden oder auf einem Träger aus Galliumarsenid eine Galliumphosphidschicht abzuscheiden.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abscheiden einer einkristallinen Halbleiterschicht auf einen einkristallinen Trägerkörper aus Halbleitermaterial aus einem Reaktionsgas, wobei ein Körper aus dem abzuscheidenden Material und der Trägerkörper in einem von einem Transportgas durchströmten Reaktionsraum in geringem Abstand voneinander angeordnet werden und der Trägerkörper auf eine niedrigere Temperatur als der Körper aus Ausgangsmaterial erhitzt wird, so daß Halbleitermaterial von dem Körper aus Ausgangsmaterial durch Transportreaktion über die Gasphase auf den Trägerkörper übertragen wird und dort ankristallisiert und wobei vor der eigentlichen Abscheidung gestörte Oberflächen-Schichten des erhitzten Trägerkörpers durch Gasätzung mittels des Transportgases abgetragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gasätzung zunächst der Körper aus Ausgangsmaterial aus der Nähe des Trägerkörpers entfernt und danach für die Abscheidung dem Trägerkörper genähert wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial auf einem in der Höhe verschiebbaren Heiztisch angeordnet ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beheizung eine oder mehrere Induktionsspulen angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Höhe verschiebbare Induktionsspule angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge-

kennzeichnet, daß zwei Induktionsspulen ortsfest angeordnet sind.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper auf eine als Abstandshalter wirkende Ringscheibe, deren Innendurchmesser wenig kleiner als der Durchmesser des Trägerkörpers ist, aufgelegt ist und daß die Ringscheibe wiederum auf im Reaktionsgefäß angebrachte Vorsprünge aufgelegt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heiztisch mit dem darauf angeordneten Halbleiterausgangsmaterial so weit nach oben bewegbar ist, daß das Ausgangsmaterial in direktem Kontakt mit dem Abstandshalter gelangt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen