DE1936443A1

DE1936443A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung homogener und planparalleler epitaktischer Aufwachsschichten aus halbleitenden Verbindungen durch Schmelzepitaxie

Info

Publication number: DE1936443A1
Application number: DE19691936443
Authority: DE
Inventors: Winstel Dipl-Phys Dr Guenter; Jochen Dipl-Phys Peter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-07-17
Filing date: 1969-07-17
Publication date: 1971-01-28
Also published as: AT307508B; CA950334A; JPS508911B1; DE1936443C3; FR2051808B1; GB1290400A; NL7007455A; US3762943A; SE351569B; FR2051808A1; CH512261A; DE1936443B2

Description

SIEMENS AKTIEKGESELLSCHAIO! München 2, 17JIiU 196 Berlin und München Witteisbacherplatz 2

^PA 69/2635

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung homogener und planparalleler epitaktischer Aufwachsschichten aus halb-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen homogen dotierter und planparalleler epitaktischer Aufwachsschichten aus halbleitenden Verbindungen, vorzugsweise aus Galliumarsenid, durch das Schmelzepitaxieverfahren, bei dem eine nicht stö'chiometrische Metallschmelze verv/endet wird.

Technologisch ist es nur mit großem Aufwand möglich, aus nahezu.stöchiometrischen Galliumarsenidschmelzen epitaktische Schichten auf ein Galliumarsenidsubstrat aufzubringen, da einmal die halbleitenden A B -Verbindungen singuläre Phasen bilden, die unzersetzt schmelzen, und zum anderen der Arsendampfdruck über dem Galliumarsenid an dessen Schmelzpunkt etwa 1 atm beträgt.

Weicht man jedoch von der stöchiometrischen Zusammensetzung ab und arbeitet z. B. mit einer galliumreichen Schmelze, so sind die beiden Phasen Galliumarsenid und Gallium nebeneinander existent und bei Abkühlung des Gemisches fällt allein die Phase Galliumarsenid in Gallium aus. Hierbei ergeben sich grundsätzlich Vorteile gegenüber der stöchiometrischen Galliumarsenidschraelze;

1. Der Disspziationsdruclc des Galliumarsenids ist geringer als der jj.raenpartialdruclc am Schnelzpunki des Galliumarsenide j j ■

2. das feste Galliumarsenid wird "bei tieferen !Temperaturen gebildet;

PA 9/501/488 9. Juli 1969 - 2 -

^Mt/Au 009885/18,65 ,,,_

PA 9/50-1/488. ' - 2 - 1 936 A4

Das hat nicht nur einen geringeren apparativen Aufwand zur Folge, sondern die Kristallisation aus der galliumreichen Schmelze bedeutet einen zusätzlichen Reinigungsschritt, da die Verteilungskoeffizienten, die man hier entsprechend definieren muß, für einige Fremdstoffe kleiner sind als 1. Darüber hinaus ermöglicht die Schmelzepitaxie die Herstellung von p-leitendem siliciumdotiertem Galliumarsenid'. Der Einbau des Siliciums vorherrschend auf Akzeptorplätzen erfolgt nur unterhalb einer gewissen Wachstumstemperatur, wohingegen das aus der stochiometrischen Zusammensetzung gebildete siliciumdotierte Galliumarsenid bisher stets n-Leitfähigkeit zeigte.

Bei dem bekannten Verfahren der Schmelzepitaxie aus galliumreichen Galliumarsenidsehmelzen beträgt die Substrattemperatur zu Beginn der Beschichtung etv/a 95o C und gegen Ende (loo/u; Schichtdicke) etwa nur noch 8oo° C oder weniger. Dies bedeutet, daß die epitaktische Schicht unter veränderlichen Versuchsbedingungen, z. B. bezüglich der Temperatur und der Aufwachsgeschwindigkeit, wächst. Außerdem ist die erreich-bare Schichtdicke durch dieses Verfahren begrenzt.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht in der Herstellung homogen dotierter Aufwachsschichten mit einer einheitlichen Schichtdicke, d.h. der Aufwachsprozeß soll unter konstanten Teraperaturverhältnissen stattfinden.

Dies wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, daß ein zylinderförmiger Schmelztiegel verwendet wirdj welcher aus einem dickwandigen, die geschmolzene halbleitende Verbindung aufnehmenden Hohlkörper und einem abschraubbaren Kühlfinger besteht, dag zwischen Hohlkörper -. und KühlfingerΓdas für die epitaktische Beschichtung vorge-• sehene Substrat, geschaltet wird und da$ an der Auflagefläche

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für das Substrat am Gewindeteil des Kühlfingers ein nach der Mitte hin zunehmender Wärmewiderstand geschaffen wird, so daß der Temperaturgradient sowohl vor als auch während der epitaktischen Beschichtung praktisch nur in axialer, nicht in radialer Richtung wirksam wird.

Dieses Verfahren, bei dem unter Ausnutzung der Thermo-Diffusion unter konstanten Temperaturverheitnissen gear™ beitet wird, liefert epitaktische Aufwachsschnjchten, v/elche hinsichtlich ihrer Schichtdicke über die ganze Substratoberfläche und der Dotierstoff\§erteilung einen hohen Grad an Homogenität aufweisen. Die Thermo-Diffusion und die Kondensation bestimmt die Aufwachsgeschwindigkeit in jedem Punkt der Epitaxieschicht. Sie sind während des Aufwachsens als eine Art von Serienschaltung zu betrachten, so daß der langsamere der beiden Vorgänge die Aufwachsgeschwindigkeit bestimmt. Hieraus ergibt sich die Bedingung für die Temperaturverteilung im Tiegel und auf dem Substrat zum Aufwachsen homogener Schichtdicken. Diese Bedingung ist durch das erfindungsgemäße Verfahren zu erfüllen, da durch den nach der Mitte der hochglanzpolierten Auflagefläche für das Substrat am Gewindeteil des Kühlfingers" zunehmenden Wärmewiderstand die Aufwächsgeschwindigkeit in der Mitte infolge des verringerten Temperaturgradienten in radialer Richtung an der Grenzfläche Kristall/Schmelze zurückgeht.

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß zur Erzielung des Wärmewiderstandes sowohl die Auflagefläche als auch die der Auflagefläche zugewandte Seite des Substrats oder mindestens eine dieser Flächen beispielsweise mit 15/U Diamantpaste, im geläppten planen Zustand verwendet wird. Dadurch wird die Planparalle3ität der Epitaxieschichten noch verbessert.

Eine weitere Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß die Auflagefläche für das Substrat in der Mitte mit mindestens einer

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Bohrung versehen wird. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch erwiesen, eine Auflagefläche zu verwenden, welche eine in der Mitte befindliehe.größere Bohrung aufweist, die von auf konzentrischen Kreisen goSegenen kleineren Bohrungen umgeben wird.

Der gleiche Effekt wird auch erzielt, wenn eine wärmeisolierende Scheibe, vorzugsweise aus einem hochschmelzenden Oxid wie Quarz, in entsprechender Dicke als Wärmewiderstand verwendet wird.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, das Substrat und die geschmolzene halbleitende Verbindung im Schmelztiegel getrennt aufzuheizen.

Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, die beiden Teile des Schmelztiegels aus Spektralgraphit herzustellen und zur Vermeidung des Abstaubens die Oberfläche dieser !Peile pyrolytisch mit einer Hartkohleschicht zu versehen.

Zur weiteren Erhöhung der Reinheit ist es besonders günstig, wenn der Tiegel vor seiner Verwendung im Ultrahochvakuum eine Stunde lang bei 18oo C ausgeheizt wird. Die epitaktische Beschichtung wird zweckmäßigerweise unter Schutzgas, > beispielsweise in Wasserstoff- oder Stickstoffatmosphäre, durchgeführt.

Ermöglicht wird das erfindungsgemäße Verfahren durch eine Vorrichtung, welche dadurch gekennzeichnet 'ist, daß ein das Schmelzgut aufnehmender, zylindefförmiger Tiegel vorgesehen ist, welcher in einem Quarzofen angeordnet und mit diesem um seine Achse drehbar ist, daß der Schmelztiegel aus zwei Teilen besteht, von denen der eine Teil als dickwandiger Hohlkörper ausgebildet ist_s der andere Teil aus einem abschraubbaren Kühlfinger besteht. Die Vorrichtung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet-» daß Mittel vorgesehen

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sind, durch welch.e eine Substratscheibe zwischen Hohlkörper und Kühlfinger geschaltet werden kann. Weitere Merlanale der erfindungsgemäßen "Vorrichtung sind, daß an der Auflagefläche für die Substrats ehe ibe am Gewindeteil des Kühlfingers ein nach der Mitte hin zunehmender Wärniewiderstand geschaffen wird,.daß zur Beheizung des Schmelztiegels eine außerhalb des Ofens angeordnete Induktionsspule verwendet ist und daß Mittel vorgesehen sind, durch welche die epitaktische Beschichtung unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden kann.

Weitere Einzelheiten des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung sind im folgenden Ausführungsbeispiel anhand der in der Zeichnung befindlichen Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung im Ausschnitt ein als Ofen dienendes Quarzrohr 1, in welchem sich ein zylinderfö'rmiger Schmelztiegel 2 befindet, welcher aus einem dickwandigen _f die Schmelze 3 aus Gallium-Galliumarsenid enthfiÜ-tenden Hohlkörper 4 und einem mit einem Gewindeteil 7 versehenen Kühlfinger 5 besteht. Zwisehen Hohlkörper 4 und Kühlfinger 5 wird die aus Galliumarsenid bestehende Kristallsubstrat scheibe 6,· welche für die epitaktische Beschichtung vorgesehen ist, gebracht. In der Mitte der Auflagefläche für die Substratscheibe 6 ist am Gewindeteil 7 des Kühlfingers 5 eine Bohrung 8 angebracht, durch welche die den axialen Temperaturgradienten beeinflussende Wärmeableitung von der Substratsoheibe her verhindert wird und dadurch in der Mitte der Substratscheibe gegenüber den Rändern eine gleich dicke Aufwachsschicht erzielt wird. Fig. 1 zeigt, das Stadium: des Aufwachsens der epitaktischen Schicht, nach-•dem die Schmelze 3 auf das Substrat] β gekippt worden ist. Vor dem Aufkippen wird die öallium-Galliumaraenid-Sehnielze durch eine in der Figur nicht dargestellte Induktionsheizung

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"bei horizontaler lage des Tiegels und des Ofens, getrennt vom Substrat, auf 82o C aufgeheizt und dann durch Drehen von Tiegel und Ofen -in der Figur 1 angedeutet durch den Pfeil 9 - mit dem auf gleiche Temperatur erhitzten Substrat in Berührung gebracht. Als Schutzgas während des Aufwachsprozesses v/ird nachgereinigter Wasserstoff verwendet. Die Aufwachsgeschwindigkeit beträgt etwa 8o /u/h bei 82o° C Substrattemperätur.

Fig. 2 zeigt eine mit einer epitaktischen Schicht 1 ο versehene Galliumarsenidscheibe 6.

P Fig. 3 zeigt in Draufsicht die Auflagefläche 11 für das Substrat, welche gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel .nach der Lehre der Erfindung eine in der Mitte befindliche größere Bohrung 12 aufweist, die von auf konzentrischen Kreisen gelegenen kleineren Bohrungen 13 umgeben wird.

Durch das Verfahren bzw. die Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung ist es auch möglich, entsprechend dotierte Schichten (n- bzw. siliciumdotierte p-Galliumarsenid-Schichten) aufzubringen und auf diese Weise Dioden und Transistoren aus Galliuarsenid - z.B. Lumineszenzdioden - oder anderen k halbleitenden Verbindungen herzustellen.

Galliumarsenidsubstrate mit 8. mm 0 konnten mit einer epitaktischen Aufwachsschicht belegt v/erden, deren relative ' Die ken Schwankung 2o °ß> bei 1oo/u Gesamtdicke, gemessen über den gesamten Querschnitt der epitaktisch belegten Fläche, nicht übersteigt. Die auf diese Weise hergestellten Halbleiteranordnungen sind besonders gut geeignet zur Herstellung von aus Galliumarsenid bestehenden Gunndioden.

19 Patentansprüche .. '

2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1/ Verfahren zum Herstellen homogen dotierter, planparalleler epitaktischer Aufwachsechichten aus halbleitenden Verbindungen, vorzugsweise aus Galliumarsenid, durch das Schmelzepitaxieverfahren, "bei dem eine nicht stöchiometrische
Metallschmelze verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylinderförmiger Schmelztiegel verwendet wird, welcher aus einem dickwandigen, die geschmolzene halbleitende Verbindung aufnehmenden Hohlkörper und einem abschraubbaren
Kühlfinger besteht, daß zwischen Hohlkörper und Kühlfinger das für die epitaktische Beschichtung vorgesehene Substrat geschaltet wird und daß an der Auflagefläche für das Substrat am Gewindeteil des Kühlfingers ein nach der Mitte
hin zunehmender Wärmewiderstand geschaffen wird, so daß
der Temperaturgradient sowohl vor als auch während der
epitaktischen Beschichtung praktisch nur in axialer, nicht in radialer Richtung wirksam wird.'

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des WärmewiderStandes sowohl die Auflagefläche

als auch die der Auflagefläche zugewandte Seite des Substrats /mindestens eine dieser Flächen in geläpptem planen Zustand verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche für das Substrat in der Mitte mit mindestens
einer Bohrung versehen wird.

4· Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auflagefläche verwendet wird, welche eine in der Mitte befindliche größere Bohrung aufweist, die von auf konzentrischen Kreisen gelegenen kleineren Bohrungen umgeben wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als ?/ärmewiderstand eine wärmeisolierende Scheibe, vorzugsweise aus einem hochschmelzenden Oxid wie Quarz, in entsprechender Dicke verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5_r dadurch gekennzeichnet,' daß das Substrat und die geschmolzene halbleitende Verbindung getrennt aufgeheizt v/erden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Graphit gefertigter Schmelztiegel, bestehend aus dem Hohlkörper und dem abschraubbaren Kühlfinger, verwendet wird, welcher pyrolytisch mit einer Hartkohleschicht versehen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel vor seiner Verwendung im Ultrahochvakuum eine Stunde bei 18oo° C ausgeheizt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von aus Galliumarsenid bestehenden epitaktischen Aufwachsschichten eine nicht stöchiometrische galliumreiche Galliumarsenid-Metallschiaelze verwendet wird und daß die Temperatur des Galliumarsenidsubstrats und die Temperatur der getrennt vom Substrat befindlichen Gallium-Galliumarsenid-Schme

wird.

Schmelze auf maximal 9oo° C, insbesondere 82o° C, eingestellt

to. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwachsgeschwindigkeit auf 8o/u/h eingestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Beschichtung unter Schutzgas, beipiel^- weise in V/asser stoff- oder Stickstof f atmosphäre, durchgeführt wird.

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12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Schmelzgut aufnehmender zylinderformiger Tiegel vorgesehen ist, welcher in einem Quarzofen angeordnet und mit diesem um seine Achse drehbar ist, daß der Schmelztiegel aus zwei Teilen besteht, von denen der eine Teil.als dickwandiger Hohlkörper ausgebildet ist, der andere Teil aus einem abschraubbaren Kühlfinger besteht, daß Mittel vorgesehen sind, durch welche eine Substratscheibe zwischen Hohlkörper und Kühlfinger geschaltet werden kann und an der Auflagefläche für die Substratscheibe am Gewindeteil des Kühlfingers ein nach der Mitte hin zunehmender Wärmewiderstand geschaffen wird, daß weiterhin zur Beheizung' des Schmelztiegels eine außerhalb des Ofens angeordnete Induk- ■ tionsspule verwendet ist und daß Mittel vorgesehen sind, durch welche die epitaktische Beschichtung unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden kann.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Hohlkörper und abschraubbarem Kühlfinger bestehende Schmelztiegel aus Graphit besteht, welcher gegebenenfalls mit einer Hartkohleschicht überzogen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche für die Substratscheibe in der Mitte mindestens eine Bohrung aufweist.

1%g> Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche mit einer in der Mitte befindlichen größe- · ren Bohrung versehen ist, welche von auf konzentrischen Kreisen gelegenen kleineren Bohrungen umgeben ist. ;

16. Vorrichtung nach Anspruch 12 bisH5» dadurch gekennzeiehrtet, daß zwisphen Substrat und Auflagefläche zusätzlich eine / wärmeisolierende Scheibe angebracht ist, welche aus einem hochschmelzenden Oxid, vorzugsweise aus Quarz, besteht.

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ORIQlNAt INSPECTED

17- Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13, dadurch-gekennzeichnet, - äaß mindestens eine dem Substrat benachbarte Fläche oder eine Seite des Substrats selbst geläppt ist.

18. Verwendung der nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellten epitaktischen Aufwachsschicht(en) zur Fertigung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von aus Galliumarsenid bestehenden Halbleiterbauelementen für höchste Frequenzen wie beispielsweise G-unn-Dioden.

19« Verwendung der nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 fe hergestellten epitaktischen Aufwachsschicht(en) zur Fertigung von mit Silicium oder mit Zinn/Germanium amphoter dotierten LniBiniszenzdioden aus Galliumarsenid.

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