DE1297586B - Verfahren zur Herstellung epitaktischer Halbleiterschichten mit Hilfe einer chemischen Transportreaktion - Google Patents

Description

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Bei den bekannten Verfahren zum Herstellen epitak- darin, daß bisher, wie bereits ausgeführt, kein Vertischer Halbleiterschichten wird das Halbleitermate- fahren bekannt ist, welches gestattet, den Ätzvorgang rial aus der Gasphase auf einen Trägerkörper ab- und den Kristallwuchsprozeß unmittelbar aufeinangeschieden, und zwar, indem erne relativ leicht zer- derfolgend auszuführen. Bisher erfolgt das Ätzen zur setzliche Verbindung des abzuscheidenden Halbleiter- 5 Reinigung der Oberflächen von Trägerkörper und materials pyrolytisch zersetzt wird, wobei das ab- Quellenmaterial in gesonderten Apparaturen, so daß geschiedene Halbleitermaterial einkristallin auf die damit ein erhöhter Aufwand verbunden ist und Trägerplatte, die aus dem gleichen oder auch einem außerdem bei der Überführung in die Kristallwuchsanderen Material bestehen kann, aufwächst. Es ist apparatur eine Störung der Oberflächen des Trägerbekannt, daß bei der epitaktischen Abscheidung das io körpers bzw. eine Verunreinigung erfolgen kann. Trägermaterial und das abzuscheidende Material Daß bei der sogenannten Nahabstandsmethode der

vergleichbare Kristallgitterstrukturen besitzen. Bei Ätzvorgang und der Kristallwuchsprozeß bisher stets der Herstellung epitaktischer Halbleiterschichten mit in getrennten Apparaturen durchgeführt wurden, hat Hilfe einer chemischen Transportreaktion erfolgt eine seine Ursache in einem Vorurteil der Fachwelt. Materialübertragung über die Dampfphase von der 15 Wie bereits ausgeführt, soll die Verunreinigungsfesten Phase eines stoffliefernden Halbleiterkörpers, gefahr bei der Nahabstandsmethode besonders klein der sogenannten Quelle, zum Trägerkörper, dem so- sein, weil die Verunreinigungselemente und Verbingenannten Keim, auf dem die Abscheidung erfolgen düngen nicht in die Gasschicht eindiffundieren würsoll. Der Transport des Halbleitermaterials wird da- den, die zwischen den eng benachbarten Halbleiterdurch erreicht, daß innerhalb des Reaktionsgefäßes ao plättchen steht. Wenn nichts hineindiffundieren kann, eine bestimmte Gasatmosphäre, z. B. bei Silicium, dann kann auch nichts herausdiffundieren, was aber bestehend aus Halogenwasserstoff, Wasserstoff und die Voraussetzung für das Ätzen für einander zueiner Halogenverbindung des Siliciums, eingestellt gewandte Halbleiteroberflächen ist. Untersuchungen wird. Die Bedingungen im Reaktionsgefäß sind so haben nun ergeben, daß die in der Literatur zitierte gewählt, daß der Halogenwasserstoff mit dem für die 25 Annahme nicht in vollem Umfange gilt. Abscheidung im Reaktionsgefäß bereitgehaltenen Es findet eine Diffusion zwischen der äußeren und

Halbleitermaterial reagiert und daß die entspre- inneren Gasatmosphäre statt, die zwar kleiner ist als chende flüchtige Halbleiterverbindung in der un- bei einer einfachen Gasadsorptionsschicht, aber mittelbaren Nähe des Trägerkörpers wieder pyro- immer noch groß genug ist, um technisch brauchbare lytisch zersetzt wird. Das im Reaktionsraum vor- 30 Ätzraten zu erhalten.

liegende Gleichgewicht der gasförmigen Komponen- Der Zweck der Erfindung besteht darin, die Her-

ten wird also ständig durch die Abscheidung von stellung von epitaktischen Halbleiterschichten, die Halbleitermaterial gestört, so daß andererseits an der für die Produktion von bestimmten Halbleiterbau-Stelle des Quellenmaterials eine Neubildung der gas- elementen erforderlich sind, nach dem Sandwichförmigen Halogenverbindung des Halbleitermaterials 35 verfahren so zu gestalten, daß die mit einem getrennerfolgt. Um eine störungsfreie orientierte Kristall- ten Ätzvorgang verbundenen Störungen entfallen, so abscheidung zu erreichen, ist eine sehr saubere Ober- daß sich letztlich die Qualität der herzustellenden fläche des Trägers erforderlich. Vor der epitaktischen Halbleiterbauelemente erhöht und sich die Selbst-Abscheidung des Halbleitermaterials auf dem Träger- kosten verringern.

körper wird dessen Oberfläche durch Läppen, Polie- 40 Dies gelingt bei einem Verfahren zum Herstellen ren und chemisches Ätzen behandelt, bzw. es erfolgt epitaktischer Halbleiterschichten auf einem einkristalvor dem Kristallwuchsprozeß ein Ätzen in der Gas- linen Trägerkörper mittels einer chemischen Transphase, darunter versteht man, daß zunächst ein Ab- portreaktion, bei der der Transport von Halbleitertragen des Halbleitermaterials von der Oberfläche des material von der Oberfläche eines Quellenmaterials Trägerkörpers und des Quellenmaterials vorgenom- 45 über die Gasphase auf die Oberfläche des Trägermen wird. Bei der Herstellung epitaktischer Halb- körpers abläuft und der Trägerkörper sowie das leiterschichten mit Hilfe einer chemischen Trans- Quellenmaterial sich in einem Reaktionsgefäß in geportreaktion ist es möglich, wenn sich das Quellen- ringem Abstand unmittelbar gegenüberstehen und material und der Trägerkörper in einem größeren zwischen Quellenmaterial und Trägerkörper mittels Abstand voneinander befinden, also bei der so- 50 Heizkörper ein Temperaturgefälle eingestellt wird, genannten Weitabstandsmethode, den primär not- wenn erfindungsgemäß Trägerkörper und Quellenwendigen Ätzvorgang zur Vorbereitung des Keim- material, bei denen es sich um zwei beliebige Haibund Quellenmaterials auf den Kristallwuchsprozeß leitermaterialien, z. B. aus Germanium, Silicium oder sowie den eigentlichen Kristallwuchsprozeß inner- einer Verbindung aus den Elementen der ΙΠ. und halb einer Apparatur unmittelbar aufeinanderfolgend, 55 V. Gruppe des Periodensystems der chemischen EIeablaufen zu lassen. Bei Anwendung der Nahabstands- mente, handeln kann, mittels zwei getrennt beheizmethode (Sandwichverfahren), wo sich die Ober- barer Heizkörper vor Einstellung des Temperaturflächen des Quellenmaterials und des Trägerkörpers gefälles auf eine gleiche, für eine Materialabtragung in einem sehr geringen Abstand gegenüberstehen, ist von ihren Oberflächen erforderliche Temperatur erbisher die unmittelbare Vereinigung von Ätz- und 60 hitzt werden.

Abscheidungsprozeß nicht bekanntgeworden. In diesem Fall erfolgt ein Abtragen der Oberflächen

Das Sandwichverfahren ist der Weitabstands- des Trägerkörpers und des Quellenmaterials, d. h. methode vor allem deshalb überlegen, weil die Wachs- ein chemischer Transport von den einander zutumsraten der Schichten und die Effektivität des gewandten Seiten dieser Körper zu einem kälteren Transportes höher sind, während die Verunreini- 65 Teil der Apparatur. Nach Beendigung des Ätzens gungsmöglichkeiten durch das Material der Appara- wird durch Veränderung der Temperatur des Trägertur weitgehend ausgeschlossen werden. Ein wesent- körpers oder der Quelle der chemische Transport so licher Mangel des Sandwichverfahrens besteht aber reguliert, daß die Substanz von der Quelle zum

Trägerkörper übergeführt wird. Der Trägerkörper und das Quellenmaterial werden dazu z. B. zwischen zwei induktiv beheizbare Heizkörper aus Graphit gebracht. In die Heizkörper sind als Temperaturfühler Thermoelemente eingebaut. Durch eine allmähliche s Einstellung des für die Abscheidung der epitaktischen Schichten erforderlichen Temperaturgradienten wird eine zusätzliche Verbesserung der Qualität dieser Schichten erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit Vorteil auch dann anwenden, wenn es im Verlaufe des Abscheidungsvorganges zur Anreicherung von Verunreinigungen an der Oberfläche des Quellenmaterials oder des abgeschiedenen Stoffes kommt, weil sich die Transportraten der Verunreinigungen und des Halbleitermaterials unterscheiden, so daß eine erneute Ätzoperation vorgenommen werden muß, was sich in einfacher Weise durch ein entsprechendes Temperaturprogramm durchführen läßt.

Zum besseren Verständnis wird das Verfahren gemäß der Erfindung an Hand eines Ausführungsbei- ao Spieles näher erläutert.

Ein Galliumarsenidscheibchen, als Quelle dienend, liegt auf einer Graphitunterlage innerhalb eines Reaktionsgefäßes aus Quarz. Auf dem Galliumarsenidscheibchen liegt in einem Abstand von 0,5 mm ein Germaniumscheibchen mit bestimmter Orientierung der Kristallgitterstruktur als Keimkristall. Der Abstand zwischen den beiden Halbleiterscheibchen ist durch zwei Quarzplättchen fixiert. Die Größe des gewählten Abstandes zwischen den Halbleiterscheibchen hängt im allgemeinen von den speziellen Verfahrensbedingungen ab. Auf dem Germaniumscheibchen befindet sich ein weiterer Graphitkörper. Das Erhitzen der Halbleiterscheibchen innerhalb der Quarzapparatur erfolgt durch Erwärmung der zwei Graphitkörper. Die Graphitkörper werden unabhängig voneinander z. B. induktiv beheizt. Zur Regelung der Beheizung sind in die Graphitkörper Thermoelemente eingebaut. Zur Durchführung des Ätzvorganges werden Keim und Quelle auf eine Temperatur von etwa 830⁰C gebracht. Bei Verwendung eines Gemisches von Wasserstoff und Wasser als Transportgas werden Abtrageraten für Keim und Quelle von 0,002 bis 0,003 mm/h beobachtet. Nach einstündigem Ätzen wird durch Abschalten oder durch Verringerung der Temperatur des einen Ofens allmählich nach 10 bis 30 Minuten der erforderliche Temperaturgradient eingestellt. Bei einem Temperaturgefälle von etwa 70° C zwischen Keim, dessen Temperatur etwa 830⁰C beträgt, und Quelle, mit einer Temperatur von etwa 760⁰C, werden epitaktische einkristalline Galliumarsenidschichten mit einer Transportrate von 0,03 bis 0,05 mm/h hergestellt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen epitaktischer Halbleiterschichten auf einem einkristallinen Trägerkörper mit Hilfe einer chemischen Transportreaktion, bei der der Transport von Halbleitermaterial von der Oberfläche eines Quellenmaterials über die Gasphase auf die Oberfläche des Trägerkörpers abläuft und Trägerkörper und Quellenmaterial sich in einem Reaktionsgefäß in geringem Abstand unmittelbar gegenüberstehen und zwischen Quellenmaterial und Trägerkörper mittels Heizkörper ein Temperaturgefälle eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Trägerkörper und Quellenmaterial mit zwei getrennt beheizbaren Heizkörpern vor Einstellung des Temperaturgefälles auf eine gleiche, für eine Materialabtragung von ihren Oberflächen erforderliche Temperatur erhitzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturprogramm für die Erhitzung von Trägerkörper und Quellenmaterial mit Hilfe von in die Heizkörper angeordnete Thermoelemente geregelt wird.