DE2212295A1 - Halbleiterschichten auf einem substrat - Google Patents

Halbleiterschichten auf einem substrat

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Description

Halbleiterschichten auf einem Substrat
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von epitaxial abgeschiedenen Schichten aus Halbleitermaterial auf einem Substrat, wobei auf dem Substrat in einem ersten Schritt eine Keimschicht aus Halbleitermaterial durch thermische, irreversible Zersetzung eines Gases abgeschieden wird und wobei in einem zweiten Schritt auf dieser Keimschicht weiteres Halbleitermaterial abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung von epitaxial abgeschiedenen Schichten aus Halbleitermaterial auf einem Substrat sind bekannt. In der deutschen Offenlegungschrift 1 619 980 wird ein solches Verfahren beschrieben. Dabei wird auf dem Substrat in einem ersten Verfahrensschritt eine Keimschicht aus dem Halbleitermaterial gebildet, in/dem Silan, beispielsweise aus einem Gas, das aus Silan und Wasserstoff besteht t thermisch zersetzt wird. Anschließend wird in einem zweiten Schritt auf dieser Keimschicht weiteres Halbleitermaterial durch thermische Zersetzung eines Halogenide des Halbleitermaterials abgelagert .
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, das oben angegebene Verfahren zur Herstellung von epitaxial abgeschiedenen Schichten aus Halbleitermaterial auf einem Substrat zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein wie eingangs angegebenes Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist,
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daß diesem Gas in dem zweiten Schritt zusätzlich Halogen-Wasserstoff zugegeben wird.
Dabei wird in einem zweiten Verfahrensschritt zur weiteren Abscheidung von Halbleitermaterial auf der Keimschicht nicht wie bei oben genannten, bekannten Verfahren für Silizium von einem Halogenid ausgegangen. Vielmehr wird lediglich zu dem im ersten Verfahrensschritt verwendeten Gas, das zur Abscheidung der Keimschicht dient und bei Silizium beispielsweise Silan ist, Halogen-Wasserstoff zugegeben.
Ein durch die Erfindung erzielbarer Vorteil besteht darin, daß zur Abscheidung von Halbleitermaterial während des ersten Verfahrensschrittes, in dem irreversible Zersetzung und Abscheidung erfolgt, und während des zweiten Schrittes des Verfahrens, in dem die Abscheidung nach einer Gleichgewichtsreaktion abläuft, erfindungsgemäß nur eine einzige gasförmige Halbleiterverbindung benötigt wird. Somit ergibt sich ein kontinuierlicher Übergang von dem ersten zu dem zweiten Verfahrensschritt, weshalb ein homogenerer Kristallaufbau der eptiaxial abgeschiedenen Halbleiterschicht als bei dem bekannten Verfahren zu erreichen ist.
Im Gegensatz zu der großen Aufwachsrate bei der Bildung der Keimschicht liegt bei der weiteren Abscheidung von Halbleitermaterial auf der Keimschicht eine geringere Aufwachsrate vor. Diese Aufv/achsrate kann vorteilhafterweise, gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, durch eine gesteuerte Zugabe von Halogen-Wasserstoff zu einer in beöen Abscheidungsschritten erfolgenden, vorzugsweise konstanten Zuführung des zu zersetzenden Gases, beispielsweise des Silans, gesteuert werden. Dies geschieht durch die Beeinflußung der zur weiterhin ablaufenden Zeraetzunjrsreaktion im zweiten Verfahrensschritt hinzukommenden chemischen Gleichgewichtsreaktionen, die zur Abscheidung und Rückauflösung voi Halbleitermaterial führen.
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Mit Hilfe der, bei dem zweiten Verfahrensschritt ablaufenden Gleichgewichtsreaktionen wird erreicht, daß falsch bzw. v schlecht eingebaute Gitteratome der Halbleiterschicht wieder abgebaut werden und durch erneute Abscheidung idealer substiuiert werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Figuren bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer Weiterbildungen hervor.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Substrat und die auf dieses Substrat aufgebrachten Halbleiterschichten.
Figur 2 zeigt die Aufwachsrate des Halbleitermaterials während des zweiten VerfahrensSchrittes in Abhängigkeit von der Chlorwasserstoff-Konzentration.
In der Figur 1 ist das Substrat mit dem Bezugszeichen versehen. Vorzugsweise besteht dieses Substrat aus MgAl-Spinell oCer Saphir.- Auf dem Substrat aufgebracht sind die beiden Schichten 2 und 3 aus Halbleitermaterial. Die mit dem Bezugszeichen 2 versehene Keimschicht aus Halbleitermaterial wird durch eine irreversible thermische Zersetzung eines Gases auf dem Substrat abgeschieden. Vorzugsweise besteht dieses Gas aus Silan und Wasserstoff. Durch Zugabe ^von:- Halogen-Wasserstoff, insbesondere Chloroder Bromwasserstoff zu diesem Gas entsteht die durch die chemische Gleichgewichtsreaktion gebildete Schicht 3.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Die nach bestimmten Kristallebenen geschnittenen und polierten Substratscheiben werden zunächst von der Damage-Schicht befreit. Dies erfolgt vorzugsweise durch Glühen der Substratscheiben bei einer Temperatur von mehr als 10000C in einer Wasserstoffatmosphäre, oder durch naßchemisches Ätzen der Substratscheiben bei erhöhten Temperaturen,vorzugsweise mit Phosphorsäure bei Temperaturen zwischen 200°
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und 400°C. Die wie oben angegeben behandelten Substratscheiben werden vorzugsweise in ein wassergekühltes Quarzgefäß mit induktiv beheiztem Reinstkohlebrett eingebaut. Nach ausreichendem Spülen mit Wasserstoff wird das Kohlebrett mit den darauf befindlichen Substratscheiben auf die gewünschte Abscheidetemperatur gebracht, wobei die Wasserstoffzufuhr nicht unterbrochen wird. Vorzugsweise liegt die Abscheidetemperatur oberhalb von 10000C bei der Verwendung von Wasserstoff und unterhalb von 10000C bei der Verwendung von Edelgasen, wie z.B. Helium. Durch Öffnen eines Ventils wird Silan zu dem andauerd zuströmenden Wasserstoff hinzugegeben. Bei einer Quarzzelle mit einem rechteckigen Quer-
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schnitt von etwa 20 cm werden vorzugsweise etwa 2000 bis 4000 l/h Wasserstoff und vorzugsweise 500 bis 1500 l/h eines Gemisches von Λ% Silan in Wasserstoff zugegeben. Die Silanzufuhr wird solange aufrecht erhalten, bis erfahrungsgemäß eine geschlossene Keimschicht auf dem Substrat vorliegt. Vorzugsweise erfolgt die Silanzufuhr solange, bis die Schicht eine Dicke von 0,05 bis 0,3 /um besitzt, In dem nun folgenden Verfahrensschritt wird, ohne daß die Silan- bzw. Wasserstoffströmung und die Temperatur geändert werden, zusätzlich Chlor-Wasserstoff zugeführt. Vorzugsweise werden für einen Querschnitt von etwa 20 cm etwa 5 bis 150 l/h Chlor-Wasserstoff zugeführt. Da nach Zugabe des Chlor-Wasserstof& erfindungsgemäß eine chemische Gleichgewichtsreaktion abläuft, ist die Aufwachsrate der Schicht 3 geringer als die Aufwachsrate der Keimschicht 2.
Figur 2 Beigt die Abhängigkeit der Wachstumsrate einer aufwachsenden Silizium Halbleiterschicht bei konstantem Angebot von Silan und Wasserstoff von der Konzentration des zugeführten Chlor-Wasserstoffgases, wobei 1100 l/h eines Gemisches von Λ% Silan in Wasserstoff und zusätzlich 4000 l/h Wasserstoff in die Quarzzelle mit einem rechteckigen Querschnitt von etwa 20 cm^ geleitet worden. Aus dieser Kurve lassen sich erfindungsgemäß gewünschte geringe Auf-
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wachsraten als Funktion der Chlor-Wasserstoff-Zugabe für den zweiten Verfahrensschritt ermitteln.
Ist die gewünschte Schichtdicke erreicht, so wird-·: die Silan, die Wasserstoff und die Chlor-Wasserstoff-Zufuhr unterbrochen. Die Beheizung der Substratscheiben mit dem darauf befindlichen Halbleitermaterial wird beendet.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auf dem Substrat Germanium abgeschieden. Hierbei erfolgt die Abscheidung der Keimschicht auf dem Substrat durch eine irreversible thermische Zersetzung eines Gases, das aus GeHr und Wasserstoff besteht bei einer Temperatur von 6000C bis 8500C. Die weitere Abscheidung von Germanium erfolgt vorzugsweise bei der selben Temperatur, wieder durch eine Gleichgewichtsreaktion, die nach Zugabe von Halogen-Wasserstoff abläuft.
11 Patentansprüche
2 Figuren
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Claims (11)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von epitaxial abgeschiedenen Schichten aus Halbleitermaterial auf-einem Substrat, wobei auf dem Substrat in einem ersten Schritt eine Keimschicht aus Halbleitermaterial durch thermische irreversible Zersetzung eines Gases abgeschieden wird und wobei in einem zweiten Schritt auf dieser Keimschicht weiteres Halbleitermaterial abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß diesem Gas in dem zweiten Schritt zusätzlich Halogen-Wasserstoff zugegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat Saphir verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat Mg-Al-Spinell verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat bei einer Temperatur zwischen 200 und 400°C mit Phosphorsäure naßchemisch geätzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat bei einer Temperatur von mehr als 1000°C in einer Wasserstoffatmosphäre geglüht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Keimschicht bei einer Substrattemperatur von mehr als 10000C abgeschieden wird, wobei das Gas aus Silan und Wasserstoff besteht.
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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Keimschicht bei einer r ■--: Substrattemperatur iron mehr als 10000C abgeschieden wird, wobei das Gas aus einem Gemisch von 1 - 3% Silan in Wasserstoff und Wasserstoff besteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e kennzeichnet , daß die Keimschicht bei einer Substrattemperatur von weniger als 10000C abgeschieden wird, wobei, das Gas aus Silan und einem Edelgas besteht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e kennzeichn et, daß die Keimschicht bei einer Substrattemperatur von weniger als 10000C abgeschieden wird? wobei das Gas aus einem Gemisch von 1 - 3% Silan in Helium und Helium besteht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Keiinschicht bei einer Substrattemperatur zwischen 850 und 9800C abgeschieden wird, wobei das Gas aus Silan und einem Edelgas besteht.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Keimschicht bei einer Substrattemperatur von 600 - 850°C abgeschieden wird, wobei das Gas aus GeH^ und Wasserstoff besteht.
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