DE2213313B2

DE2213313B2 - Verfahren zum Abscheiden einer einkristallinen Halbleiterepitaxialschicht auf einem Substrat

Info

Publication number: DE2213313B2
Application number: DE2213313A
Authority: DE
Inventors: Vincent Michael Trenton N.J. Cannuli (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1971-06-21
Filing date: 1972-03-18
Publication date: 1980-06-26
Also published as: US3692594A; IT950376B; GB1373673A; DE2213313A1; CA966040A; JPS5111914B1; FR2142919B1; FR2142919A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer einkristallinen Halbleiterepitaxialschicht auf einem Substrat, wobei eine Oberfläche des Substrats mit einer metallischen Lösungsschmelze des Halbleiterma- ω terials in Berühre! g gebracht und bis zum Abscheiden der Epitaxialschicht abgekühlt wird dann die Epitaxialschicht, während ihre Oberfläche noch mit einem Film der Schmelzlösung bedeckt st, rru einer zweiten metallischen Lösungsschmelze des Halbleitermaterials « in Berührung gebracht und schließlich das Substrat mit der Epitaxialschicht aus der zweiten Schmelzlösung entfernt wird.

Dieses nach der sogenannten Flüssigphasenepitaxie arbeitende Verfahren findet vorzugsweise Anwendung auf Halbleiterverbindungen aus Elementen der III. Gruppe mit Elementen der V. Gruppe des Periodensystems. Hierzu gehören beispielsweise Nitride, Phosphide, Arsenide und Antimonide von Bor, Aluminium, Gallium und Indium aber auch Mischungen und Kombinationen der Elemente oder Verbindungen. Die Lösung, aus der die jeweilige Epitaxialschicht abgeschieden wird, kann einen dem gewünschten Leitungstyp der aufzuwachsenden Schicht entsprechenden Dotierstoff enthalten. Es können auch mehrere Schich- w 'ten nacheinander mit Hilfe der Flüssigphasenepitaxie abgeschieden bzw. aufgewachsen werden, wobei die einzelnen Schichten unterschiedlichen Leitungstyp aufweisen können, so daß zwischen den Schichten PN-Übergänge zu bilden sind. «

Das eingangs genannte Verfahren ist aus der DE-OS 20 06 189 bekannt. Nach dem Verfahren bzw. mit Hilfe der entsprechenden Vorrichtung können eine einzelne Epitaxialschicht oder nacheinander bzw. aufeinander mehrere solcher Schichten durch Flüssigphasenepitaxie t>o hergestellt werden. Zu der bekannten Vorrichtung gehört ein Schiffchen aus hitzebeständigem Material mit mehreren an seiner Oberseite vorgesehenen Ausnehmungen sowie mit einem Schieber, der unterhalb der Ausnehmungen zu verfahren ist und dessen μ Oberfläche beim Verschieben abschnittsweise die Böden der Ausnehmungen bildet. Bei Betrieb werden eine Lösung aus Halbleitermaterial und geschmolzenem Lösungsmetall in eine der Ausnehmungen des Schiffchens gegeben und das z« beschichtende Substrat in eine Vertiefung des Schiebers eingelegt Sobald die Lösung die gewünschte Temperatur aufweist, wird der Schieber in eine Position gebracht, in der das Substrat im wesentlichen den Boden der Ausnehmung darstellt und die Lösung daher die Oberfläche des Substrats berührt. Die Lösung wird dann so abgekühlt, d<iß eine Epitaxialschicht auf dem Substrat aufwächst Nach Erreichen der gewünschten Dicke der Epitaxialschicht wird der Schieber nochmals bewegt, um das Substrat aus der erwähnten Ausnehmung zu entfernen.

Sollen zwei oder mehr Epitaxialschichter. nacheinander auf das Substrat aufgebracht werden, so werden bei dem bekannten Verfahren in zwei benachbarten Ausnehmungen des Schiffchens entsprechende Lösungen vorbereitet. Nachdem in diesem Fall in der ersten Ausnehmung die erste Epitaxialschicht auf dem Substrat abgeschieden ist wird der Schieber bewegt und das Substrat in den Bereich der zweiten Ausnehmung gebracht. Dort berührt die Oberfläche der ersten Epitaxialschicht die zweite Lösung. Ein weiteres Abkühlen sorgt dann für ein Abscheiden der zweiten Epitaxialschicht auf der ersten. Der Schieber wird dann nochmals bewegt um das Substrat aus der zweiten Ausnehmung zu entfernen.

Obwohl das bekannte Verfahren normalen Anforderungen an die Herstellung von Epiiaxialschichten mit Hilfe der Flüssigphasenepitaxie genügt treten Schwierigkeiten auf, wei?r. das herzustellende Bauteil eine letzte bzw. äußere Epitaxialschicht mit glatter Oberfläche haben soll. Bei dem beschriebenen Verfahren wird nämlich nach dem Aufwachsen einer Epitaxialschicht und dem Entfernen des Substrats aus der jeweiligen Ausnehmung des Schiffchens ein Teil der in der Ausnehmung befindlichen Lösung von der Oberfläche der Epitaxialschicht mitgenommen. Diese von der Oberfläche der letzten Epitaxiatecliicht mitgenommene Lösung neigt dazu, zusätzliches Halbleitermaterial auf der letzten Epitaxialschicht abzuscheiden, derart daß die äußere epitaxiale Oberfläche uneben wird.

Wenn angestrebt wird, eine Epitaxialschicht mit glatter Oberfläche herzustellen, kann man versuchen, die von dem Inhalt der letzten Ausnehmung herrührende überschüssige Lösung mechanisch von der zuletzt aufgewachsenen Epitaxialschicht zu entfernen. Es ist jedoch sehr schwierig, die auf der Oberfläche verbliebene Lösung so gleichmäßig von der Epitaxialschicht abzustreifen, daß eine glatte Oberfläche entsteht. Letztlich war daher bisher zum Erzielen einer glatten Oberfläche ein mechanisches oder chemisches Polieren erforderlich. Solche Nacharbeiten sind jedoch nicht nur aufwendig, sondern auch deshalb nachteilig, weil durch sie die Dicke der gerade aufgewachsenen Epitaxialschicht wieder verringert wird. Wenn die Epitaxialschicht sehr dünn ist, z. B. I bis 2 Mikrometer, ist ein mechanisches oder chemisches Nachpolieren in der Regel unzulässig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe Epitaxialschichten mit glatter Oberfläche ohne aufwendiges Nacharbeiten hergestellt werden können. Bei dem Verfahren eingangs genannter Art, bei dem eine in einem vorhergehenden Verfahrensschritt bereits aufgewachsene Epitaxialschicht zusammen mit einem Film der entsprechenden Schmelzlösung mit einer weiteren Schmcl/.lösung in Berührung gebracht und schließlich aus dieser entfernt wird, besteht die erfinduneseemäße

Lösung darin, daß die zweite Schmelzlösung, die ein die Oberfläenenkobäsion der Schmelze erhöhendes Metall gelöst enthält, so lange mit der Epitaxialsehicht in Berührung bleibt, bis der von der ersten Schmelzlösung herrührende Film in der zweiten Schmelzlösung aufgelöst ist und noch kein Halbleitermaterial aus der zweiten Schmelzlösung abgeschieden wird.

Durch die Erfindung wird im Ergebnis erreicht, daß auf der frisch angewachsenen Epitaxialsehicht von der ersten Lösung her verbliebenes Material in der zweiten ι ο Lösung völlig abgetrennt wird. Nach dem Verlassen der zweiten Lösung ist die Epitaxialsehicht also frei von jedem Lösungsfilm, der bei früheren Verfahren zu Unebenheiten der Epitaxial-Oberfläche geführt haben würde. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit glatter äußerer Oberfläche hergestellte Epitaxialsehicht muß selbstverständlich nicht die einzige auf dem entsprechenden Substrat aufgewachsene Schicht sein, sondern ist grundsätzlich auch als die äußere von zwei oder mehr Epitaxialschichteh aufzufassen.

Anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert

Eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung ist in der Zeichnung insgesamt mit 10 bezeichnet. Sie enthält ein Schiffchen 12 aus inertem Material, wie Graphit. Das Schiffchen 12 weist an seiner Oberseite drei mit Abstand voneinander angeordnete Ausnehmungen 14, 16 und 18 auf. Längs jo durch das Schiffchen 12 erstreckt sich unter den Ausnehmungen 14,16 und 18 eine Führung 20, in der ein Schieber 22 aus hitzebeständigem Material, wie Graphit, beweglich gelagert ist, so daß die Oberseite des Schiebers die Bodenfläche der Ausnehmungen 14, 16 ü und 18 bildet Der Schieber ist oberseitig mit einer Vertiefung 24 versehen, die der Aufnahme eines flachen Substrats 26 dient, auf dem die Epitaxialsehicht oder -schichten abgeschieden werden sollen. Die Vertiefung 24 ist groß genug, um eine flache Lage des Substrats 26 zu erlauben, und ist tiefer als die Substratdicke, so daß die obere Fläche des Substrats unterhalb der Oberkante der Vertiefung liegt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst in der Ausnehmung 14 eine erste ·)■> Charge und in der Ausnehmung 16 eine zweite Charge untergebracht. Die erste Charge besteht aus einer Mischung, die das Halbleitermaterial der abzuscheidenden Epitaxialsehicht, ein Metallösungsmittel für dieses Halbleitermaterial und, sofern die Epitaxialsehicht einen w bestimmten Leitfähigkeitstyp besitzen soll, einen Dotierstoff enthält. Um beispielsweise eine Epitaxialsehicht aus Gallium-Arsenid abzuscheiden, würde das Halbleitermaterial Gallium-Arsenid sein, das Metallösungsmittel würde Gallium sein und der Dotierstoff könnte π entweder Tellur, Zinn oder Silizium im Falle einer N-Schicht oder Zink, Germanium oder Magnesium im Falle einer P-Schicht sein. Die Ingredienzien liegen in der Mischung bei Raumtemperatur in granulierter, fesler Form vor. Die zweite Charge besteht aus einem w) Halbleitermaterial, einem Metallösungsmittel für das Halbleitermaterial und einem MeIaII, das die Oberflächenkohäsion der Lösung erhöht, wenn die zweite Charge geschmolzen wird. Beispielsweise kann das Halbleitermaterial Galiium-Arsenid, das Metallösungs- h·. mittel Gallium und das die hohe Viskosität erzeugende Metall Aluminium oder Zinn sein. In der zweiten Charge sollte der Anteil an Halbleitermaterial groll genug sein.

um die Lösung vollständig zu sättigen, wenn die Charge geschmolzen ist und sich auf Betriebstemperatur (wird noch erläutert) befindet. Ein Substrat 26 wird in der Vertiefung 24 des Schiebers 22 untergebracht Das Substrat 26 kann aus jedem Material bestehen, auf dem eine Epitaxialsehicht aus dem gewünschten Halbleitermaterial abgeschieden werden kann. Beispielsweise kann ein Substrat aus einkristallinem Gallium-Arsenid zum Abscheiden einer Gallium-Arsenid-Epitaxialschicht benutzt werden.

Das beladene Ofenschiffchen 12 wird sodann in einen nicht dargestellten Ofen gebracht, der von hochreinem Wasserstoff durchströmt wird. Die Temperatur des Ofens wird soweit erhöht, daß der Inhalt des Ofenschiffchens auf eine Temperatur erhitzt wird, die über dem Schmelzpunkt der Ingredienzien der Chargen, im allgemeinen zwischen 800 und 950° C, liegt Diese Temperatur wird solange aufrechterhalten, bis sichergestellt ist, daß die Ingredienzien ieder Schmelze vollständig geschmolzen und vermisst sind. Dadurch entsteht aus der ersten Charge eine erste Lösung 28, die aus in dem geschmolzenen Metallösungsmittel gelöstem Halbleitermaterial und Dotierstoff besteht, während aus der zweiten Charge eine zweite Lösung 30 aus im geschmolzenen Metallösungsmittel gelöstem Halbleitermaterial und dem vorgenannten Metall entsteht

Die Temperatur im Ofen wird sodann reduziert, um das Schiffchen 12 und seinen Inhalt abzukühlen. Der Schieber 22 wird in Richtung des Pfeils soweit verschoben, bis das Substrat 26 sich in der Ausnehmung 14 befindet und den Boden dieser Ausnehmung bildet. Dadurch wird die Oberseite des Substrats 26 mit der ersten Lösung 28 in Berührung gebracht. Weiteres Abkühlen des Schiffchens 12 und seines Inhalts führt dazu, daß ein Teil des Halbleitermaterials aus der ersten Lösung 28 ausfällt und sich auf der Oberfläche des Substrats 26 abscheidet, wodurch die Epitaxialsehicht gebildet wird. Während des Abscheidens des Halbleitermaterials wird ein Teil des in der Lösung 28 enthaltenen Dotierstoffs in das Gitter der Epitaxialsehicht eingebaut, so daIi eine Epitaxialsehicht mit gewünschtem Leitfähigkeitstyp entsteht.

Sobald eine Epitaxialsehicht gewünschter Dicke auf dem Substrat 26 abgeschieden ist, wird der Schieber 22 nochmals in Richtung des Pfeils bewegt, so daß das Substrat aus der ersten Ausnehmung 14 in die zweite Ausnehmung 16 gelangt, in der die Oberfläche der Epitaxialsehicht mit der zweiten Lösung 30 in Berührung gebracht wird. Die Temperatur der zweiten Lösung 30 zum Zeitpunkt, in dem das Substrat 26 in die zweite Ausnehmung 16 bewegt wird, stellt die oben erwähnte Betriebstemperatur der zweiten Lösung 30 dar. Bei dieser Temperatur muß genügend Halbleitermaterial in der zweiten Lösung 30 vorhanden sein, !im das Metallösungsmittel vollständig zu sättigen. Wenn das Substrat 26 aus der ersten Ausnehmung 14 bewegt wird, verbleibt auf der Oberfläche der Epitaxialsehicht grundsätzlich ein dünner Film der ersten Lösung 28, der mit dem Substrat in die zweite Ausnehmung 16 gelangt. Sobald das Substrat 26 die zweite Ausnehmung 16 erreicht, löst sich der auf der Oberfläche der Epitaxialsehicht befindliche dünne Film aus erster Lösung sofort in der zweiten Lösung 30. Das Substrat 26 wird in der zweiter Ausnehmung gerade solange gelassen, daß sich der aus der ersten Lösung bestehende Film in der zweiten Lösung 30 auflösen kann. Dies dauert nur wenige Sekunden. Das Substrat 26 wkd jedoch nicht so lange im Bereich der zweiten

Ausnehmung 16 gehalten, daß irgendwelches Halbleitermaterial der zweiten Lösung 30 ausfallen und sich auf der Epitaxialschicht abscheiden kann. Der Schieber 22 wird dann nochmals in Richtung des Pfeiles bewegt, um das Substrat 26 aus dem Bereich der zweiten Ausnehmung 16 in den der dritten Ausnehmung 18 zu bringen. Bei der Bewegung des Substrats 26 aus der zweiten Ausnehmung 16 sorgt die hohe Oberflächenkohäsion der zweiten Lösung 30 dafür, daß diese vollständig in der zweiten Ausnehmung zurückgehalten wird, so daß im Ergebnis die zweite Lösung völlig von der Epitaxialschicht abgestrichen wird. Somit ist die Oberfläche der Epitaxialschicht, sobald das Substrat die dritte Ausnehmung 18 erreicht, frei von jeglicher Lösung, die zusätzliches Halbleitermaterial auf der Epitaxialschicht abscheiden könnte, wodurch die Oberfläche aufgerauht würde. Dadurch entsteht eine glatte Oberfläche, die kein Polieren mehr benötigt.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel des Niederschiagens einer einzigen Epitaxialschicht beschrieben wurde, kann es selbstverständlich auch zum Herstellen mehrerer Epitaxialschichten aufeinander verwandt werden, wobei die letzte Epitaxialschicht eine glatte Oberfläche besitzt. Um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vielzahl aufeinanderliegender [■Ipitaxialschichtcn auf einem Substrat herzustellen, wird das Schiffchen 12 mit zusätzlichen Ausnehmungen versehen, so daß für jede Lösung, aus der jeweils eine

ι Epitaxialschicht niedergeschlagen wird, eine gesonderte Ausnehmung vorhanden ist. Das Substrat 26 wird dann mittels des Schiebers 22 nacheinander in den Bereich jeder Ausnehmung bewegt, wo dann jeweils eine flpitaxialschicht niedergeschlagen wird. Nachdem die

in letzte Epitaxialschicht hergestellt ist. wird das Substrat in die Ausnehmung befördert, die die Lösung mit hoher Oberflächenkohäsion enthält, und die mit dem Halbleitermaterial gesättigt ist. um jegliche, auf der Oberfläche der zuletzt angeordneten Epitaxialschichl

υ verbleibende Lösung wegzulösen. Das Substrat wird sodann schnell aus der letzten Lösung entfernt, so daß diese eine glatte Oberfläche erhält. Mit der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren geschaffen worden, mit dem eine oder mehrere Epitaxialschichten

>o aus Halbleitermaterial mittels der Flüssigphasen-Epitaxie auf einem Substrat angebracht werden können, wobei die letzte Epitaxialschicht eine glatte Oberfläche besitzt, die keine Nachbehandlung benötigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch;

Verfahren zum Abscheiden einer emkristallinen Halbleiterepitaxialschicht auf einem Substrat wobei eine Oberfläche des Substrats mit einer metallischen Lösungsschmelze des Halbleitermaterials in Berührung gebracht und bis zum Abscheiden der Epltaxialschicht abgekühlt wird, dann die Epitaxialschicht, während ihre Oberfläche noch mit einem Film der Schmelzlösung bedeckt ist, mit einer ι ο zweiten metallischen Lösungsschmelze des Halbleitermaterials in Berührung gebracht und schließlich das Substrat mit der Epitaxialschicht aus der zweiten Schmelzlösung entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schmelzlösung, die ein die Oberflächenkohäsion der Schmelze erhöhendes Metall gelöst enthält, so lange mit der Epitaxialschicht in Berührung bleibt, bis der von der ersten Schmelzlösung herrührende Film in der zweiten Schraelzlösung aufgelöst ist und noch kein Halbleitermaterial aus der zweiten Schmeiziösung abgeschieden wird.