DE1519804A1 - Verfahren zum Dampfwachstum von Halbleitern - Google Patents

Verfahren zum Dampfwachstum von Halbleitern

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Description

Patentanwälte
DfpL-fncx Π." BG&tz u.
Dfci.- ΐ;νί.; spracht 1 Rl
MOnchan 22, StoinsdorftlT. 10 IUl
81-11.329P 31.3.1966
HITACHI, LTD., Tokyo (Japan)
Verfahren zum Datnpfwaehstum von Halbleitern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Dampfwachstum von Halbleitern, insbesondere auf ein neues, verbessertes Verfahren, bei dem das Dampfwachstum von Halbleitern durch die Disproportionierungsreaktion erreicht wird.
Bei üblichen Verfahren zum Dampfwachstum von Halbleitern findet eine geschlossene Röhre Verwendung, in der ein Halogen, wie Jod, ein einzelner Halbleiter-Keimkristall und eine Halbleiterkristallquelle eingeschlossen sind. Durch Wärmezufuhr erfolgt ein epitaxiales Wachsen der Halbleiterquelle auf dem Keimkristall mittels einer Disproportionierungsreaktion. Bekannt ist ferner ein Verfahren unter Verwendung einer offenen Röhre, in der ein Halbleiterhalogenid wie SiCl1^ oder GeCIj,, mitgeführt in einem Wasserstoff strom, gasförmig einem einzelnen Halbleiter-Keimkristall zugeführt wird, so daß das Halbleiterhalogenid durch den Wasserstoff in der Nähe des Keimkristalles reduziert wird und hierdurch ein epitaxiales
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Wachsen des Halbleiters auf dem Keimkristall hervorruft.
Das Verfahren mit der geschlossenen Röhre unter Ausnutzung der Disproportionierungsreaktion eignet sich jedoch wegen des Abschlusses der Röhre nicht für eine Massenproduktion. Die Anwendung dieses Verfahrens ist demgemäß auf Laboratoriumszwecke beschränkt, zumal das Dampfwachstum verhältnismäßig langsam vor sich geht. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens mit der abgeschlossenen Röhre besteht ferner darin, daß die Reinheit der Halbleiter-Dampfwachstumsschicht stark von der Reinheit der Halbleiterquelle und des Transportgases (wie Jod) abhängt; es ist daher ziemlich schwierig, eine DampfWachstumsschicht hoher Reinheit zu erzielen.
Das zweite bekannte Verfahren, bei dem eine offene Röhre Verwendung findet und Halbleiter-Halogenide mittels Wasserstoff reduziert werden, besitzt zwar eine zufriedenstellende DampfWachstumsgeschwindigkeit. Die wesentlich höheren Temperaturen, die der Substratkristall bei diesem Verfahren im Vergleich zu dem Verfahren mit geschlossener Röhre aufweist, bringen jedoch den Nachteil mit sich, daß Verunreinigungen des Substratkristalles durch den Selbstdotiereffekt ("autodoping effect") in die Dampfwachstumsschicht eindringen. Nachteilig ist ferner, daß auch andere im System vorhandene Verunreinigungen (abgesehen von den erwähnten Verunreinigungen) In die Dampfwachstumsschicht hineindiffundieren oder an der
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Substratoberfläche oder an der Oberfläche der Dampfwachstumsschicht adsorbiert werden, so daß keine ideale Dampfwachstumsschicht erzielt wird und sich die Störstellenverteilung verschlechtert. Im Hinblick auf diese Probleme ist es erwünscht, die Substrattemperatur so niedrig wie möglich zu halten. Um die erwähnten Schwierigkeiten zu beseitigen, wurde ferner ein Verfahren vorgeschlagen, wonach Infrarotstrahlen oder UV-Strahlen auf den Substrat gerichtet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes Verfahren zum Dampfwachstum von Halbleitern zu entwickeln, das eine außerordentlich große Steigerung der Dampfwachstumsgeschwindigkeit einer Halbleiterschicht bei niedrigen Temperaturen ermöglicht.
Während bei dem Verfahren mit einer geschlossenen Röhre ein Halbleiterquellmaterial mittels eines Transportgases, wie Jod, einem Keimkristall zugeführt wird und während bei dem Verfahren mit einer offenen Röhre hierfür Wasserstoffgas Verwendung findet, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren das gasförmige Quellenmaterial in geeigneter Weise bis zum Erreichen eines Zustandes erhitzt, in dem es leicht mit dem Keim-Einkristall reagiert.
Erfindungsgemäß wird eine Disproportionierungsreaktion auegenützt, indem ein Bereich hoher Temperatur zwischen einem Quellenmaterial und einem Keimkristall hergestellt wird, wobei
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die Temperatur in diesem Bereich größer als die Temperatur des Quellenmateriales und des KeimkriStalles ist.
Der wesentliche Vorteil des " erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Wachstumsgeschwindigkeit erheblich größer als bei bekannten Dampfwachstumsverfahren ist, obwohl die Temperatur des Keimkrlstalles nicht vergrößert werden muß, sondern umgekehrt sogar kleiner als bei den bekannten Verfahren gehalten werden kann. Die geringere Temperatur der Dampfwachstumsniederschlagsschicht führt zu einer geringeren Verunreinigung dieser DampfWachstumsschicht. Die geringere Substrattemperatur verkleinert.daher, mit anderen Worten, die Möglichkeit des Auftretens von Erscheinungen wie Selbstdotierung und Diffusion von Verunreinigungen; das Eindringen von Verunreinigungen in die Dampfwachstumsschicht läßt sich somit vermeiden. Wie Versuche der Erfinder zeigten, wird die Vollkommenheit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten DampfWachstumsschicht, d.h. die Freiheit von jeglichen Störungen noch dadurch erhöht, daß die Reaktion trotz der gegenüber bekannten Verfahren niedrigeren Substrattemperatur beschleunigt wird.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung im einzelnen veranschaulicht.
Pig. 1 zeigt eine Schemadarstellung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Herstellung einer Halbleiter-Dampfwachstumsschicht, und zwar veranschaulicht Fig. la einen Längs-
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schnitt durch eine Reaktionsröhre, die am einen Ende offen ist und in der eine Disproportionierungsreaktion stattfindet! Fig. Ib zeigt die Temperaturverteilung in Längsrichtung der Röhre.
Fig. 2 ist eine Schemadarstellung zur Erläuterung der Herstellung einer Halbleiter-Dampfwachstumsschleht durch eine Disproportionierungsreaktion in einer geschlossenen Röhre. Dabei zeigt Fig. 2a einen vergrößerten Längsschnitt durch diese geschlossene Reaktionsröhre und Fig. 2b eine graphische Darstellung der Temperaturvertellung längs der Röhre.
In Fig. 1 ist das Grundprinzip der Herstellung einer Dampfwachstumsschicht aus GaAs mittels einer Disproportionierungsreaktion unter Verwendung einer offenen Röhre dargestellt. Die elektrischen öfen 1, 2, 3 und 4 umschließen eine Reaktionsröhre 5, die beispielsweise aus Quarz besteht. In dieser Röhre 5 ist eine bestimmte Menge von GaUiumjodid 6, eine bestimmte Menge von Arsen 7 und Keimkristallplättehen oder -Substrate 9 aus GaAs in der dargestellten Verteilung angeordnet. Die Temperaturen in der Röhre 5 werden so gesteuert, daß sich die durch die Kurve 10 in Fig. Ib veranschaulichte Verteilung ergibt. Wird dann ein Strom von Wasserstoffgas 8 durch die Röhre 5 geführt, so ergibt sich auf den KeimkristallSubstraten 9 ein epitaxiales Wachstum von QaAs. Die Wachstumsgeschwindigkeit beträgt in diesem Fall 2 blB 5jjo/Std. Diese Wachstumsgeschwindigkeit läßt sich
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auf 10 bis 12 /u/Std. erhöhen, wenn eine Hochtemperatürzone von 6500C (vgl. die gestrichelte Kurve 11 in Pig. Ib) vor den Einkristallsubstraten 9 aufrechterhalten wird.
Fig. 2 zeigt das Grundprinzip des DampfWachstums eines Germaniumkristalles mit Hilfe einer Disproportionierungsreaktion unter Verwendung einer geschlossenen Röhre. Gemäß Fig. 2 umschließt eine Heizeinrichtung 12 ein an beiden Enden geschlossenes Rohr IJJ, beispielsweise aus Quarz. In diesem Rohr 15 sind 5 tag/car Jod, ein Germanium-Quellenkristall 14 und ein Germanium-Keimkristall 15 vorgesehen. Entspricht die Temperaturverteilung in dem Rohr 1J> der Kurve 16 gemäß Fig. 2b, so beträgt die epitaxiale Wachstumsgeschwindigkeit des Germaniums auf der Oberfläche des Keimkristalles 15 etwa 5yu/Std. Wird jedoch zwishhen dem Quellenkristall 14 und dem Keimkristall 15 erfindungsgemäß ein Hochtemperaturbereich mit einer Temperatur von 7000C erzeugt, wie dies durch die gestrichelte Kurve 17 veranschaulicht ist, so vergrößert sich die Wachstumsgeschwindigkeit der Bpitaxialwachstumsschicht auf einen Wert in der Größenordnung von 8 ju/std. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich eine einkristalline Dampfwachstumsschicht mit einer Keimkristalltemperatur von weniger als 35O°C erzeugen, während beim Fehlen der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Zwischenzone bei einer Keimkristalltemperatur von unter 350° nur eine polykristalline Dampfwachstumsschicht hergestellt werden kann.
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Claims (2)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Dampfwachstum von Halbleitern unter Verwendung einer Disproportionierungsreaktion, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Quellenmaterial und einem Keimkristall ein Hochtemperaturbereich hergestellt wird, dessen Temperatur über der des Quellenmateriales und des Keimkristalles liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperaturbereich unmittelbar vor dem Keimkristall angeordnet ist.
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DE19661519804 1965-04-02 1966-03-31 Verfahren zum Aufwachsen einen Schicht aus Halbleitermaterial auf einen Keimkristall Pending DE1519804B2 (de)

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