DE2215355B2

DE2215355B2 - Verfahren zum Abscheiden einkristalliner Halbleiterepitaxialschichten

Info

Publication number: DE2215355B2
Application number: DE2215355A
Authority: DE
Inventors: Michael Freehold Ettenberg; Harry Francis New York Lockwood
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1971-07-08
Filing date: 1972-03-29
Publication date: 1980-06-26
Also published as: DE2215355A1; GB1371537A; CA968674A; US3741825A; IT950764B; FR2144645B1; DE2215355C3; FR2144645A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer oder mehrerer einkristalle·? Halbleiter-Epitaxialschicht(en) auf einem Substrat, wobei eine Oberfläche des Substrats mit einer bzw. nacheinander mehreren, sich in einem Gehalt verschiedener Dotierstoffe w unterscheidenden metallischen Lösungsschmelze^) des Halbleitermateiv.is in Berührung gebracht und bis zum Abscheiden der (jeweiligen) Epi^xialschicht abgekühlt wird.

Beim Herstellen der Halbleiterkörper bestimmter ^Jr> Arten von Halbleiterbauelementen wird von der sogenannten Flüssigphasenepitaxie Gebrauch gemacht. Diese Technik findet insbesondere Anwendung bei den III-V-Halbleiterverbindungen und deren Legierungen der III. und V. Gruppe des Periodensystems der *<· Elemente. Solche Halbleiter dienen als Ausgangsmaterial von lichtemittierenden Bauelementen und bestimmten elektronischen Bauteilen. Bei der Flüssigphasenepi taxie wird eine einkristalline epitaklische Schicht eines Halbleiters auf einem Substrat aufgewachsen, indem ⁴"> eine Oberfläche des Substrats mit einer Lösung aus dem Halbleitermaterial in einem geschmolzenen Metallösungsmittel in Berührung gebracht und die Lösung so abgekühlt wird, daß ein Teil des Halbleitermaterials der Lösung gefällt wird und sich auf dem Substrat als ^v> epitaktische Schicht abscheidet bzw. auf dem Substrat epitaktisch aufwächst. Der Rest der Lösung wird vom Substrat entfernt. Die verwendete Ausgangslösung kann auch einen Dotierstoff enthalten, der mit dem Halbleitermaterial zugleich abgeschieden wird und den ^Y' Leitungstyp der aufgewachsenen epitaktischen Schicht bestimmt. Bei der Flüssigphasenepitaxie können auch zwei oder mehr epitaktische Schichten nacheinander abgeschieden werden. Es lassen sich so Halbleiterkonfigurationen vorbestimmter Konstruktion schaffen, die ^wl auf Wunsch auch einen oder mehrere PN-Übergänge zwischen benachbarten epitaktischen Schichten entgegengesetzten Leitungstyps aufweisen können.

Aus der DE-OS 20 06 189 ist eine Vorrichtung zum epitaktischen Aufwachsen von Halbleitermaterial aus ^h'' der flüssigen Phase bekannt. Zu dieser Vorrichtung kann ein Ofenschiffchen aus hitzebeständigem Material gehören, welches an seiner Oberseite mehrere, mit Abstand voneinander angeordnete Ausnehmungen enthält und einen Schieber aus hitzebeständigem Material besitzt, der in einer sich im Bereich der Bodenflächen der Ausnehmungen erstreckenden Führung zu verschieben ist. Bei Betrieb einer solchen Vorrichtung wird eine Lösung in eine der Ausnehmungen gebracht und ein Substrat in eine Vertiefung des Schiebers gelegt, der sodann in eine Position bewegt wird, in der das Substrat sich am Boden der e-wäbnten Ausnehmung befindet und die Substratoberfläche mit der Lösung in Berührung steht. Nach dem Aufwachsen der epitaktischen Schicht wird das Substrat durch ein weiteres Bewegen des Schiebers aus der Ausnehmung entfernt Sollen mehrere epitaktische Schichten aufeinander auf dem Substrat abgeschieden bzw. aufgewachsen werden, so sind für die jeder herzustellenden Schicht entsprechende Halbleiterlösung getrennte Ausnehmungen im Schiffchen erforderlich, derart, daß das Substrat nacheinander in den Bereich jeder Ausnehmung gebracht und die einzelnen Schichten auf dem Substrat bzw. der jeweils vorhergehenden Schicht aufgewachsen werden können.

Eine Schwierigkeit bei der Flüssigphasenepitaxie besteht darin, eine exakt gesättigte Abscheidelösung für die Temperatur zu erhalten, bei der abgeschieden wird Wenn die Lösung bei der Temperatur mit Halbleitermaterial übersättigt ist, werden Halbleiterteilchen ausgefällt mit der Folge, daß eine Epitaxialschicht mit relativ schlechter Kristallqualität entstehen kann. Ist die Lösung dagegen bei der Temperatur ungesättigt, so löst sich das Substrat bzw. die zuletzt aufgewachsene Epitaxialschicht in unkontrollierbarer Weise in der Lösung, sobald diese mit dem Substrat in Berührung kommt. Dieser Vorgang führt zu nachteilig unebenen Schichten.

Wegen des festen Zusammenhangs von Sättigung und Temperatur der jeweiligen Ausgangslösung für die Epitaxie könnte der exakte Sättigungsgrad der Lösung bei der gewünschten Abscheidetemperatur an sich dadurch exakt eingehalten werden, JaS die Zusammensetzung der Lösung überwacht und laufend eingestellt wird. Eine entsprechende Steuerung und Regelung macht jedoch größte Schwierigkeiten, da bereits kleine Temperaturschwankungen die Löslichkeit der Schmelze verändern. Das gilt in besonderem Maße, wenn nacheinander mehrere Epitaxialschichten aus einer entsprechenden Anzahl von Lösungen abgeschieden werden, da jede Schicht bei einer anderen Temperatur aufzuwachsen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art, die das Einstellen exakt gesättigter Abscheidelösungen betreffenden Probleme zu überwinden und insbesondere das Herstellen auch mehrerer einwandfreier Epitaxialschichten übereinander zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Lösung besteht bei dem Verfahren zum Abscheiden einer Halbleiterepitaxialschicht auf einem Substrat aus einer metallischen Lösungsschmelze durch In-Berührung-Bringen von Schmelze und Substrat darin, daß vor dem In-Berührung-Bringen mit dem Substrat die (jeweilige) Schmelzlösung bis zu ihrer Sättigung mit einem Stück des Halbleitermaterials in Berührung gebracht wird.

Dadurch, daß die Schmelzlösung erfindungsgemäu mit einem Halbleiterstück als Quelle für das aufzuwachsende Halbleitermaterial in Berührung gebracht wird, kann die Lösung zu jeder Zeit und unabhängig von ihrer Temperatur exakt gesättigt gehalten werden. Vorzugs-

weise können dabei das Halbleiterstück mit der Schmelzlösung für die folgende Abscheidung und das Substrat mit der Schmelzlösung der jeweiligen Abscheidung gleichzeitig in Kontakt gehalten werden.

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

Eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung wird in der Zeich- ι ο nung insgesamt mit 10 bezeichnet Die Vorrichtung 10 besteht aus einem Schiffchen 12 aus inaktivem Material, beispielsweise aus Graphit Das Schiffchen 12 weist an seiner Oberseite drei reit Abstand voneinander angeordnete Ausnehmungen 14,16 und 18 auf. Vom einen ι "> zum anderen Ende des Schiffchens 12 erstreckt sich eine an den Böden der Ausnehmungen 14, 16 und 18 verlaufende Führung 20, in der ein Schieber 22 aus hitzebeständigem Material, wie Graphit, beweglich untergebracht ist so daß die Oberseite des Schiebers 22 >o die Bodenfläche der Ausnehmungen 14,16 und 18 bildet Der Schieber 22 besitzt an seiner Oberseite zwei mit Abstand voneinander angeordnete Vertiefungen 24 und 26, und zwar vorzugsweise in der Nähe eines Schieberendes. Der Abstand zwischen den Vertiefungen 2^r> 24 und 26 entspricht dem Abstand zweier benachbarter Ausnehmungen. Die Vertiefung 24 dient der Aufnahme eines Halbleiterstücks 28, während die Vertiefung 26 für die Aufnahme eines flachen Substrats 30 vorgesehen ist, auf das eine oder mehrere Epitaxialschichten aufge- «1 bracht werden sollen. Die Vertiefung 26 ist groß genug, um eine flache Lage des Substrats 30 zu gewährleisten.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst eine erste Charge in die Ausnehmung 14 gebracht, während die Ausnehmung 16 eine >> zweite Charge erhält Beide Chargen bestehen aus einer Mischung von für die Epitaxialschicht vorgesehenem Halbleitermaterial, einem metallischen Lösungsmittel für das Halbleitermaterial und, sofern die Epitaxialschicht einen bestimmten Leitfähigkeitstyp aufweisen ·»» soll, einem Dotierstoff. Um beispielsweise Epitaxialschichten aus Galium-Arsenid abzuscheiden, wird als Halbleitermaterial Gallium-Arsenid, als Metallösungsmittel Gallium und als Dotierstoff entweder Tellur oder Zinn für eine N-Ieitende Schicht oder Zink, Germanium oder Magnesium für eine P-Ieitende Schicht verwendet. Das Verhältnis der Ingredienzien in jeder Charge wird so gewählt daß die Lösung mit Halbleitermaterial ungesättigt ist wenn das Metallösungsmittel zum Auflösen des Halbleitennaterials geschmolzen wird. Die Ingredienzien der Charge würden in der Mischung bei Raumtemperatur als feste Granulate vorliegen. Das Stück 28, das aus dem Halbleitermaterial besteht, das auch in den Chargen vorhanden ist, wird in die Vertiefung 24 eingebracht während das Substrat 30, das « aus einem geeigneten Material für das epitaktische Abscheiden besteht, in die Vertiefung 26 gelegt wird.

Das beladene Schiffchen 12 wird sodann in einen nicht dargestellten Ofen gebracht, der von hochreinem Wasserstoff durchströmt wird. Sodann wird die Heizung wi des Ofens eingeschaltet, um den Inhalt des Schiffchens 12 auf eine oberhalb der Schmelzpunkte der Ingredienzien der Chargen liegende Temperatur zu erhitzen, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 800⁰C und 950°C für GaAIAs oder GaAs. Diese Temperatur wird ··"· solange aufrechterhalten, bis sichergestellt ist, daß die Ingredienzien der Chorden völlig geschmolzen und homogenisiert sind. Auf diese Weise entsteht aus der

ersten Charge eine erste Lösung 32 aus Halbleitermaterial und Dotierstoff in geschmolzenem Metallösungsmittel, während die zweite Charge in eine zweite Lösung 34 aus Halbleitermaterial und dem Dotierstoff in einem geschmolzenen Metallösungsmittel überführt wird.

Der Schieber 22 wird sodann in Richtung des Pfeiles 36 bewegt bis das Halbleiterstück 28 sich in der Ausnehmung 14 befindet Dadurch kommt das Stück 28 mit der ersten Lösung 32 in Berührung. Da diese Lösung 32 an Halbleitermaterial ungesättigt ist löst sich in der Metallschmelze ein Teil des Halbleiterstückes 28 auf, bis die erste Lösung exakt gesättigt ist Der Schieber 22 wird sodann nochmals in Richtung des Pfeiles 36 bewegt bis das Stück 28 sich in der Ausnehmung 16 befindet Damit wird das Stück 28 mit der zweiten Lösung 34 in Berührung gebracht Da die zweite Lösung 34 ebenfalls an Halbleitermaterial ungesättigt ist löst sich auch hier ein Teil des Halbleiterstückes 28 in der Metallschmelze auf, bis die zweite Lösung ebenfalls exakt mit Halbleitermaterial gesättigt ist

Da die das Substrat 30 enthaltende Vertiefung 26 von der das Stück 28 aufnehmenden Vertiefung 24 den gleichen Anstand aufweist der auch zwischen benachbarten Ausnehmungen besteht, wird gleichzeitig mit dem Bewegen des Stückes 28 aus der ersten Vertiefung 14 in die zweite Vertiefung 16 das Substrat 30 in die erste Vertiefung 14 bewegt Damit wird die Oberfläche des Substrats 30 mit der ersten Lösung 32 in Berührung gebracht, die nunmehr absolut genau gesättigt ist Sodann wird die Heizung des Ofens abgeschaltet um das Schiffchen 12 und seinen Inhalt abzukühlen. Das Abkühlen der genau gesättigten ersten Lösung 32 führt dazu, daß ein Teil des Halbleitermaterials aus der Lösung 32 ausgefällt und auf der Oberfläche des Substrats 30 unter Bildung einer ersten Epitaxialschicht abgeschieden wird. Während des Abscheidens des Halbleitermaterials wird ein Teil der Dotierstoffe der ersten Lösung 32 in das Gitter der ersten Epitaxialschicht eingebaut so daß eine Schicht gewünschter Leitfähigkeit entsteht.

Das Abkühlen der ersten Lösung 32 zum Zwecke des Abscheidens der Epitaxialschicht auf dem Substrat 30 führt gleichzeitig zum Abkühlen der zweiten Lösung 34. Da diese Lösung 34 ebenfalls genau gesättigt ir.t, führt ihr Abkühlen dazu, daß ein Teil des in ihr enthaltenen Halbleitermaterial ausgefällt und auf dem Stück 28 wieder abgeschieden wird. Dadurch wird der gewünschte Sättigungsgrad der zweiten Lösung 34 genau eingehalten, obwohl die Temperatur der Lösung erniedrigt wurde. Dir Schieber 23 wird nun nochmals in Richtung des Teiles 36 bewegt um das Substrat 30 mit der ersten Epitaxialschicht aus dem Bereich der ersten Ajsnthmung 14 in den der zweiten Ausnehmung 16 zu bringen. Dadurch wird die Oberfläche der ersten Epitaxialschicht mit der zweiten Lösung 34 in Berührung gebracht, die bei der nunmehr herrschenden Temperatur aufgrund der vorstehenden Ausführungen noch exakt mit Halbleitermaterial gesättigt ist. Ein weiteres Abkühlen des Schiffchens 12 und seines Inhalts führt dazu, daß ein Teil des Halbleitermaterials aus der zweiten Lösung 34 ausgefällt und zu' tier ersten Epitaxialschicht abgeschieden wird. Gleichzeitig wird im Gitter der zweiten Epitaxialschicht ein Teil des Dotierstoffs der zwe'.ten Lösung 34 eingelagert, so daß die zweite Epitaxialschicht ebenfalls den gewiinschicn Leitfähigkeitstyp besitzt. Der Schieber 22 wird dann nochmals in Richtung des Pfeiles Ifi hpwrui um i\a\ mit

den beiden Epitaxialschichtcn versehene Substrat 30 von der Ausnehmung 16 in die leere Ausnehmung 18 zu befördern, wo es dem Schieber entnommen werden kann.

Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren vorstehend am Beispiel des Nacheinander-Abscheidens zweier t'piiaxialschichten beschrieben wurde, eignet es sich selbstverständlich in gleicher Weise auch zum Abscheiden entweder nur einer einzigen oder einer Vielzahl von Epitaxialschichten. Zum Herstellen einer einzelnen Epitaxialschicht wird nur eine Lösung benötigt, wobei das Halbleiterstück 28 zunächst mit dieser Lösung in Berührung gebracht wird, um die genaue Sättigung zu erreichen, und das Substrat danach mit der so gesättigten Lösung zum Zwecke des Abscheidensder Epitaxialschichtin Berührung gebracht wird. Um mehr als zwei Schichten auf dem Substrat abzuscheiden, wird das Schiffchen 12 mit zusätzlichen Ausnehmungen versehen, so daß für jede Lösung, aus der eine Epitaxialschicht abgeschieden wird, eine gesonderte Ausnehmung vorhanden ist. Während dann der Schieber 22 bewegt wird, um das Substrat 30 von einer Ausnehmung zur anderen zu befördern und nacheinander die Schichten auf dem Substrat aufzubringen, läuft das Halbleiterstück 28 dem Substrat voraus, so daß jede Lösung exakt gesättigt und auf diesem Sättigungsgrad gehalten wird, bis das Substrat 10 mit ihr in Berührung kommt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung dient also das Halbleiterstück 28 als Quelle für das Halbleitermaterial, das für jede Lösung zur exakten Sättigung an Halbleitermaterial benötigt wird, und weiterhin dazu, die Lösung auf dem exakten Sättigungsgrad zu halten, bis das Substrat mit dieser in Berührung kommt, selbst wenn sich die Temperatur der Lösung ändert. Das Substrat 30 wird mit jeder Lösung sofort nach Entfernen des Stückes 28 in Berührung gebracht, so daß damit gewährleistet ist. daß das Abscheiden der Epitaxialschicht auf dem Substrat aus einer genau gesättigten Lösung geschieht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit erreicht, daß jede abgeschiedene Epitaxialschicht ausgezeichnete Kristallqualität und beste Planareigenschaften besitzt. Darüber hinaus erübrigt sich hpi diesem Vprfahrpn Hip KlntwpnHiglipii einer kritischen Kontrolle des Anteils an Halbleitermaterial in der ursprünglichen Charge für jede Lösung, solange der Anteil geringer als für die Sättigung der Lösung erforderlich ist, da das Stück 28 auch zu jeder Lösung den genau richtigen Betrag an Halbleitermaterial für ihre exakte Sättigung hinzufügt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Verfahren zum Abscheiden einer oder mehrerer einkristaJliner HaJbleiterepitaxialscbichtien) auf einem Substrat, wobei eine Oberfläche des Substrats mit einer bzw, nacheinander mehreren, sich in einem Gehalt verschiedener Dotierstoffe unterscheidenden metallischen Lösungsschmelze^) des Halbleitermaterials in Berührung gebracht und bis zum Abscheiden der (jeweiligen) Epitaxialschicht abge- ι υ kühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem In-Berührung-Bringen mit dem Substrat (30) die (jeweilige) Schmelzlösung (32, 34) bis zu ihrer Sättigung mit einem Stück (28) des Halbleitermaterials in Berührung gebracht wird. >⁵
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterstück (28) mit der Schmelzlösung (34) für die folgende Abscheidung und das Substrat (30) mit der Schmelzlosung (32) der jeweiligen Abscheidung gleichzeitig in Kontakt gehalten werden.