DE2217988B2 - Verfahren zum anbringen aufeinanderfolgender schichten auf einem substrat - Google Patents

Verfahren zum anbringen aufeinanderfolgender schichten auf einem substrat

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen aufeinanderfolgender Schichten, die denselben Hauptbestandteil enthalten, aber verschieden dotiert sind, auf einem scheibenförmigen Substrat, bei dem in einem langgestreckten Reaktionsgefäß mit einer in bezug auf die Abmessungen des Substrats großen Länge das Material für jede dieser Schichten aus der Gasphase auf dem Substrat niedergeschlagen wird, zu welchem Zweck Gase, die die Bestandteile eines solchen Materials enthalten, zu dem Substrat befördert werden.
Ein solches Verfahren ist z. B. aus der FR-PS 82 739 bekannt.
Durch ein solches Verfahren können Schichten verschiedener Zusammensetzungen, die z. B. verschieden dotiert sind, auf einem Substrat niedergeschlagen werden. Auf diese Weise läßt sich eine Mehrschichtstruktur erhalten, die sich z.B. zur Herstellung e ektronischer Anordnungen, ζ B. Gun-EffeKt-Dioden Dioden veränderlicher Kapazität, Lawinendioden und anderer Halbleiteranordnungen, eignen kann, wobei Mehrschichtstrukturen verschiedener Dicken und/oder verschiedener Dotierungen Anwendung finden können und wobei insbesondere die Dicken einer oder mehrerer dieser Schichten sehr gering sind und z. B. in der Größenordnung von einigen Hundert A liegen. Es ist häufig erwünscht, bei derartigen Mehrschichtstrukturen, insbesondere bei für Betrieb bei sehr hohen Frequenzen geeigneten Halbleiteranordnungen, die Übergänge zwischen zwei verschieden dotierten Gebieten verhältnismäßig schroff verlaufen zu lassen. Bekanntlich können durch Änderung in das Reaktionsgefäß eingeführter Dotierungen oder der Mengen dieser Dotierungen Mehrschichtstrukturen erhalten werden. Dabei kann aber einige Zeit verlaufen, bevor sich die Gasphase im Reaktor geändert und eine konstante neue Zusammensetzung erhalten hat.
Es ist bereits bekannt (siehe US-PS 33 41376), mehrere Schichten auf einem langgestreckten, dendritisch gewachsenen Substrat anzubringen, das durch ein langgestrecktes Reaktionsgefäßgeführt wird. Dabei durchlaufen an mehreren Stellen Keaktionsgasgemische das Gefäß, und zwar quer zur Längsrichtung des Gefäßes. An jeder Niederschlagungsstelle wird dabei ein besonders zusammengesetztes Gasgemisch verwendet Zwischen diesen Niederschlagungsstellen wird Spülgas durch das Gefäß geleitet, wodurch eine Mischung der einzelnen Gasgemische verhindert werden soll. Das Durchleiten dieser Gasgemische quer zur Längsrichtung des Reaktionsgefäßes bringt es aber mit. sich, daß die Gasgemische nur verhältnismäßig kurz im Reaktionsgefäß verbleiben, wodurch die aus dem Reaktionsgefäß austretenden Gase noch große Gasmengen mit sich führen, die zum Niederschlagen der Schichten nicht beigetragen haben, so ungenutzt sind Darüber hinaus ist ein wirksames Spülen in der Zwischenräumen nicht ohne Schwierigkeiten; u. a. wird dabei auch viel ungenutztes Gas vom Spülgas mitgerissen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile des bekannten Verfahrens zi vermeiden, d. h. ein Verfahren zu schaffen, welches da; Reaktionsgasgemisch möglichst gut ausnützt und be dem Spülgas eingespart wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren dei eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eir Gasstrom in der Längsrichtung des Reaktionsgefäße! aufrechterhalten wird, wobei in dieser Längsrichtunj aufeinanderfolgende Stellen zum Einführen von Gai vorgesehen sind, an denen ein Trägergas und di( Komponente(n) des Hauptbestandteiles des Material: eingeführt werden und zunächst ein oder mehren Dotierungsstoffe dem Gas hinzugefügt werden, und dal beim Niederschlagen die Zusammensetzung und/ode die eingeführten Mengen der Dotierungsstoffe ai verschiedenen Einführungsstellen dieser Dotierungs stoffe verschieden gewählt werden, während da Substrat nacheinander in verschiedenen Lagen in bezui auf diese Einführungsstellen der Dotierungsstoffi gehalten wird, wobei die verschiedenen Schichten au dem Substrat gebildet werden, während sich da Substrat in diesen verschiedenen Lagen befindet.
Dadurch, daß bei dem Verfahren nach der Erfinduni
das die Komponente des auszuscheidenden Hauptbestandteiles enthaltende Gasgemisch in dessen Längsrichtung durch das Reaktionsgefäß geführt wird und die Dotierungsstoffe an verschiedenen Stellen demselben Gasgemisch hinzugefügt werden, wird nicht nur Spülgas eingespart, sondern die Hauptbestandteile können an verschiedenen Stellen aus demselben Gasgemisch niedergeschlagen und trotzdem verschieden dotiert? Schichten aufeinander abgelagert werden, weil an den verschiedenen Niederschlagungssiellen nur die Dotie- ι ο rung geändert wird.
Die Schichten können epitaktisch auf einem Substrat niedergeschlagen werden, das wenigstens an seiner zu überziehenden Oberfläche aus einem einkristallinen Material, z.B. aus einkristallinem Halbleitermaterial, gegebenenfalls aus einem Material mit denselben Hauptbestandteilen wie das auf dem Substrat niederzuschlagene Material, besteht.
Wenn hier von »Dämpfen« die Rede ist, soll dieser Ausdruck in erweitertem Sinne aufgefaßt werden und schließt allgemein Stoffe in gasförmigem Zustand ein.
Dank genau definierter Bedingungen in bezug auf einerseits die Reinheit und auf andererseits die Partialdrücke und die Mengen pro Zeiteinheit vorbeiströmenden Gases kann der Niederschlag in verschiedenen Lagen des Substrats bei einer geeigneten Niederschlagtemperatur angebracht werden. Vorzugsweise werden beim Niederschlagen auf dem Substrat in den verschiedenen Lagen die Mengen an Gas und Dampf, die pro Zeiteinheit an verschiedenen Stellen in das Reaktionsgefäß eingeführt werden, konstant gehalten. Es wird dann unter vorher zu bestimmenden Bedingungen gearbeitet, die während des ganzen Niederschlagvorgangs genau eingehalten werden, wobei nur durch Verschiebung des Substrats die Zusammensetzung des Niederschlags geändert wird.
Vorzugsweise wird das Substrat in seinen verschiedenen Lagen der gleichen Temperatur ausgesetzt. Infolgedessen sind die Reaktionsbedingungen nur von dem Unterschied der Zusammensetzung des Gases in den verschiedenen Lagen abhängig.
Vorzugsweise werden über an verschiedenen Stellen befindliche Einführungsöffnungen Gasgemische mit denselben Dotierungsstoffen, aber in verschiedenen Konzentrationen, in das Reaktionsgefäß eingeführt. Auf diese Weise können z. B. Halbleiterschichten der gewünschten Dicke und vom gleichen Leitfähigkeitstyp mit verschiedenen Dotierungskonzentrationen erhalten werden.
Vorzugsweise werden über zwei an verschiedenen Stellen befindliche Einführungsöffnungen Dotierungsstoffe unterschiedlicher Eigenschaften in das Reaktionsgefäß eingeführt, z. B. zur Bildung von Halbleiterschichten entgegengesetzter Leistungstypen, wobei über eine Einführungsöffnung ein Donator und über die andere Einführungsöffnung ein Akzeptor eingeführt wird.
Es sei dabei bemerkt, daß, wenn es sich um das Einführen von Dämpfen handelt, dies nicht lediglich über Zuführungskanale mit Mündungen in das Reaktionsgefäß zu erfolgen braucht, sondern daß auch örtlich (,0 eine Charge eines verdampfbaren Substanzes vorhanden sein kann. Die Anwendung von Zuführungskanälen mit öffnungen ist aber zu bevorzugen, weil während jeder gewünschten Zeit die Mengen und Konzentrationen des örtlich eingeführten Gases konstant gehalten werden können.
Die Verschiebung des Substrats kann einfach von Hand durchgeführt werden, aber kann auch auf mechanischem Wege gemäß einem vorher bestimmten Programm erfolgen. Auch kann eine Vorrichtung verwendet werden, mit deren Hilfe das Substrat auf magnetischem Wege in dem Reaktionsgefäß verschoben wird, so daß keine mechanisch bewegbare Durchführungen mechanisch gesteuerter Teile durch die Wand des Reaktionsgefäßes erforderlich sind. Die Gefahr vor Infiltration atmosphärischer Verunreinigungen wird auf diese Weise herabgesetzt, wodurch Schichten hoher Reinheit erhalten werden können.
Es dürfte einleuchten, daß durch schnelle Verschiebung des Substrats die Zusammensetzung des niedergeschlagenen Materials schnell geändert werden kann, wobei neue konstant bleibende Dotierungskonzentrationen erhalten werden können. Insbesondere, wenn bei nacheinander gewählten Lagen des Substrats die gleiche Temperatur vorherrscht, erfolgt die Anpassung an die neuen Bedingungen nach Verschiebung von einer ersten zu einer zweiten Lage sehr schnell, so daß auf diese Weise sehr schroffe Übergänge erzielt werden können.
Mit dem beschriebenen Verfahren nach der Erfindung ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Schichten verschiedener Zusammensetzungen, insbesondere mit verschiedenen Dotierungskonzentrationen, gegebenenfalls aus einem Halbleitermaterial mit pn-Übergängen, zu erhalten.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung können insbesondere Halbleiterschichten aus Verbindungen vom A'"BV-Typ erhalten werden. Die Bestandteile dieser Verbindungen können mit Hilfe von Wasserstoff als Trägergas und in Form von Halogenverbindungen zu dem Substrat befördert werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
F i g. 1 schematisch einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
F i g. 2 eine graphische Darstellung einer Kurve, die schematisch die Verteilung der Temperatur innerhalb eines rohrförmigen Reaktionsgefäßes nach F i g. 1 als Funktion der Länge dieses Gefäßes bei einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung angibt, und
F i g. 3 eine graphische Darstellung eines Beispiels einer Kurve, die schematisch die Ladungträgerkonzentrationen in einem dotierten Halbleitermaterial, das auf einem Substrat in einer Zone gleichmäßiger Temperatur in einer Vorrichtung nach F i g. 1 niedergeschlagen wird, als Funktion der Lage des Substrats in dieser Zone bei Anwendung bestimmter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens angibt.
Die Abmessungen und Verhältnisse sind in F i g. 1 der Deutlichkeit nicht maßstäblich gezeichnet. So sind die Abmessungen in der Längsrichtung der Vorrichtung in F i g. 1 stärker verkleinert als die Abmessungen quer zu dieser Längsrichtung dargestellt.
Die Vorrichtung nach F i g. 1 dient zur Anwendung bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der eine A111BV-Halbleiterverbindung, wie Galliumarsenid, niedergeschlagen wird. Diese Vorrichtung enthält ein waagerechtes rohrförmiges Reaktionsgefäß 1, das vorzugsweise aus durchsichtigem Quarzglas besteht und das an den beiden Enden von geschliffenen Stöpseln 2 und 3 verschlossen ist. Durch den geschliffenen Stöpsel 2 an einem ersten Ende ist ein Stab 4 geführt, an einem dessen Enden ein Träger 5 für ein mit dem Halbleitermaterial zu überziehendes
Substrat befestigt ist. Das andere Ende des Stabes 4 ist mit einer Vorrichtung 60 zur Verschiebung des erwähnten Substratträgers 5 in der Längsrichtung des Reaktionsgefäßes 1 verbunden. Auf dem Substratträger 5 wird mindestens ein mit Halbleitermaterial zu überziehendes plattenförmiges Substrat 6, z. B. ein einkristalliner Halbleiterkörper, angeordnet. Über den geschliffenen Stöpsel 3 an dem zweiten Ende des rohrförmigen Reaktionsgefäßes ist ein erstes Gaszufuhrrohr 7 eingeführt, das bei 8 in das Reaktionsgefäß i mündet und durch das ein Trägergas, z. B. Wasserstoff, zugeführt wird. Über den geschliffenen Stöpsel 3 ist auch ein zweites Rohr 9 eingeführt, dessen in dem Reaktionsgefäß 1 angeordnetes Ende die Form eines Behälters 10 aufweist, in dem eine Masse 11 der Komponente der niedrigsten Flüchtigkeit des Hauptbestandteiles des abzulagernden Materials, z. B. Gallium bei Ablagerung von Galliumarsenid, angebracht ist. Über dieses Rohr 9 wird ein mit einem Trägergas gemischtes reaktives Gas, z. B. Arsentrichlorid (AsCb), das mit Wasserstoff gemischt ist, zugeführt. Das reaktive Gas reagiert mit der Masse 11, um die Komponente der niedrigsten Flüchtigkeit in eine flüchtige Verbindung umzuwandeln.
Durch den geschliffenen Stöpsel 3 ist noch ein Rohr 12 geführt, dessen öffnung 13 nach unten gerichtet ist. Dieses Rohr 12 weist eine derartige Länge auf, daß sich die öffnung 13, von dem geschliffenen Stöpsel 3 her gemessen, in einem Abstand von mehr als die Hälfte der Länge dieses Rohres von dem rohrförmigen Reaktionsgefäß 1 befindet, während die Rohre 7 und 9 in die erste Hälfte der Länge des Reaktionsgefäßes münden, von dem erwähnten geschliffenen Stöpsel 3 her gerechnet. Ein weiteres durch den Stöpsel 3 hindurchgeführtes Rohr 14 weist gleichfalls eine nach unten gerichtete öffnung 15 auf. Die Rohre 12 und 14 weisen verschiedene Längen auf, so daß die öffnung 15 weiter als die öffnung 13 von dem Stöpsel 3 entfernt ist. Die öffnungen 13 bzw. 15 dieser beiden Rohre 12 und 14 sind verhältnismäßig weit von dem Behälter 10 entfernt, in dem die Masse 11 der Komponente der niedrigsten Flüchtigkeit angeordnet ist, welcher Abstand in der Größenordnung von 20 bis 25 cm liegt, um Verunreinigung der erwähnten Masse 11 zu vermeiden.
Nach einer möglichen Ausführungsform werden durch die Rohre 12 und 14 gleichfalls ein Trägergas, wie Wasserstoff, und verschiedene Dotierungsmittel geführt. Diese Dotierungsmittel können z. B. dampfförmiger Schwefel und dampfförmiges Zink sein. Die Dotierungsmittelkonzentrationen in dem Trägergas werden vorzugsweise in einem Bereich von einigen ppm bis zu einigen Hundert ppm gewählt Der Stöpsel 2 ist mii einem Rohr 16 zum Abführen der Gase versehen.
Nach einer nachstehend zu beschreibenden Ausführungsform werden durch diese Rohre 12 und 14 ein Trägergas, wie Wasserstoff, und ein Dotierungsmittel, z. B. dampfförmiger Schwefel, in verschiedenen Mengen eingeführt
Das rohrförmige Reaktionsgefäß 1 wird in einem Ofen 17 mit verschiedenen Erhitzungszonen angeordnet. Die Erhitzung dieser Zonen wird derart eingestellt, daß, von dem geschliffenen Stöpsel 3 her gerechnet, in der ersten Hälfte des rohrförmigen Gefäßes 1 eine gewünschte Temperatur für die Reaktion mit der Masse 11 vorherrscht, z. B. in der Größenordnung von 8350C, μ falls die Masse 11 aus Gallium und das durch das Rohr 9 zugeführte Gas aus Wasserstoff und Arsentrichlorid besteht, während in der /weiten Hälfte des Reaktionsgefäßes 1 über einen großen Bereich eine etwt gleichmäßige, zum Niederschlagen des Halbleitermate rials geeignete Temperatur, z. B. in der Größenordnunj von 75O0C ± 2°C zum Niederschlagen von Galliumar· senid, vorherrscht. Bei einer Gesamtlänge des rohrför migen Gefäßes von etwa 82 cm wird die letzter« Temperatur über eine Länge in der Größenordnung vor 40*em aufrechterhalten.
Die beiden Zonen sind in F i g. 2 mit A bzw. / bezeichnet. In der graphischen Darstellung der Fig.J ist die Temperatur als Abszisse und der Abstand in dei Längsrichtung des Reaktionsgefäßes von einem Punki in der Nähe der Stelle 8, an der das Rohr 7 mündet, ah Ordinate aufgetragen.
Der Substratträger wird über den Stab 4, der mittel; der Vorrichtung 60 gesteuert wird, nacheinander zi verschiedenen in der Nähe der öffnungen 13 und 15 dei Rohre 12 bzw. 14 befindlichen Lagen verschoben, wöbe bei epitaktischem Anwachsen die Ladungsträgerkon zentrationen der abgelagerten Schichten infolge dei unter diesen Bedingungen beim epitaktischen Anwach sen erhaltenen Dotierungskonzentrationen schematise! in Fig.3dargestellt sind.
Der Substratträger mit dem zu überziehender Substrat wird in einer bestimmten Lage P, in bezug aul die öffnung 13 des Rohres 12 angebracht, in welchei Lage er während einer bestimmten Zeit gehalten wird Dann wird der Substratträger zu einer zweiter bestimmten Lage P2 verschoben, in der er während einei bestimmten Zeit gehalten wird, und so weiter, bis die gewünschte Anzahl Schichten erhalten ist. Die Aufent haltzeit in jeder Lage wird entsprechend den gewünsch ten Dicken der zu bildenden Schichten gewählt. Diese Lagen Pu P2 und P3 sind in Fig. 1 angegeben. In dei Vorrichtung nach Fig. 1 kann bei Zuführung desselber Dotierungsmittels durch die Rohre 12 und 14 dk Dotierungskonzentration in dem niedergeschlagener Material in Abhängigkeit von der Lage des Substrat; bestimmt werden. Es stellt sich heraus, daß in deir 1*1 'l0,nsgefäß Zonen p'< < p'i «nd P'3 mit Längen vor 15, 15 bzw. 10 cm angezeigt werden können, die die Lagen Pu P2 bzw. P3 enthalten und in denen sich die Dotierungskonzentrationen in dem abgelagerten Halbleitermaterial praktisch nicht mit der Lage des Substrats ändern, wie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, in der schematisch logarithmisch Ladungsträgerkonzentrationen infolge von Konzentrationen eines bestimmten sowohl durch das Rohr 12 als auch durch das Rohr 14 zugetührten Dotierungsmittels als Ordinate und, gleich wie in Fig.2, der Abstand in der Längsrichtung des Keaktionsge äßes als Abszisse aufgetragen sind. Die dargestellte Kurve zeigt schematisch die Zunahme der Dotierungskonzentration nach Verschiebung des Substrats zu einer weiter von dem Stöpsel 3 entfernten Zone P. Auf diese Weise 8,nd reproduzlerbar
Galliumarsenidschichten mit verschiedenen Dotierungskonzentrationen niedergeschlagen, die z.B. in einem Bereich von einer Größenordnung von 10" Atomen/cmJ bis zu einer Größenordnung von 10'« Atomen/cm3 liegen.
κιιϊίηη ί B< di? Zunahme der Dicke der sich beim Niederschlagen bildenden Schicht in der Größenord· HJ?" 1^1?'8. 2°m Pro Stunde lie8t. sind lm allgemeinen Zeitdauern in der Größenordnung von
5 Minuten bis zu einer Stunde für prakti. she Zwecke
nSfetl !ber auch kürzere Zeltdauern, z. B. In der Größenordnung von 10 bis 20 Sekunden, sowie längere Zeitdauern, z. B. von einigen Stunden, sind erwünschten·
5 «73 Γ
falls brauchbar.
Die hergestellten Übergänge zwischen Schichten mit verschiedenen einheitlichen Dotierungspegeln können sehr schroff verlaufen oder sich bis zu weniger als I μιη erstrecken. Das oben beschriebene Verfahren zum Niederschlagen dotierter Halbleiterschichten ist besonders günstig bei der Herstellung von Mehrschichtstrukturen, bei der es notwendig ist, sehr häufig über besonders schroffe Übergänge über Abstände von einigen Hundert Ä, z. B. in der Größenordnung von etwa 300 A, zu verfügen.
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, in der Vorrichtung noch andere, z. B. längere, Rohre als die Rohre 12 und 14 zum Zusatz von Dotierungsmitteln zu verwenden, die z. B. zwischen der öffnung 15 und dem Stöpsel 2 münden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
109627/208

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Anbringen aufeinanderfolgender Schichten, die denselben Hauptbestandteil enthalten, aber verschieden dotiert sind, auf einem s scheibenförmigen Substrat, bei dem in einem langgestreckten Reaktionsgefäß mit einer in bezug auf die Abmessungen des Substrats großen Länge das Material für jede dieser Schichten aus der Gasphase auf dem Substrat niedergeschlagen wird, to zu weichem Zweck Gase, die die Bestandteile eines solchen Materials enthalten, zu dem Substrat befördert werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasstrom in der Längsrichtung des Reaktionsgefäßes aufrechterhalten wird, wobei in dieser Längsrichtung aufeinanderfolgende Stellen zum Einführen von Gas vorgesehen sind, an denen ein Trägergas und die Komponente(n) des Hauptbestandteiles des Materials eingeführt werden und zunächst ein oder mehrere Dotierungsstoffe dem Gas hinzugefügt werden, und daß beim Niederschlagen die Zusammensetzung und/oder die eingeführten Mengen der Dotierungsstoffe an verschiedenen Einführungsstellen dieser Dotierungsstoffe verschieden gewählt werden, während das Substrat nacheinander in verschiedenen Lagen in bezug auf diese Einführungsstellen der Dotierungsstoffe gehalten wird, wobei die verschiedenen Schichten auf dem Substrat gebildet werden, während sich das Substrat in diesen verschiedenen Lagen befindet.
2. Verfahren nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß beim Niederschlagen der Schichten auf dem Substrat in den verschiedenen Lagen die Gasmengen, die pro Zeiteinheit an verschiedenen Stellen in das Reaktionsgefäß eingeführt werden, konstant gehalten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in seinen verschiedenen Lagen der gleichen Temperatur ausgesetzt ist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die an verschiedenen Stellen befindlichen Einführungsöffnungen Gasgemische mit denselben Dotierungsstoffen, aber in verschiedenen Konzentrationen, in das Reaktionsgefäß eingeführt werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über zwei an verschiedenen Stellen befindliche Einführungsöffnungen Dotierungsstoffe unterschiedlicher Eigenschaften in das Reaktionsgefäß eingeführt werden.
DE19722217988 1971-04-15 1972-04-14 Verfahren zum Anbringen aufeinanderfolgender Schichten auf einem Substrat Expired DE2217988C3 (de)

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