DE2217988C3 - Verfahren zum Anbringen aufeinanderfolgender Schichten auf einem Substrat - Google Patents

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 Reaktionsgpfäß 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 (iase, die die Bestandteile eines solchen Materials einhalten, zu dem Substrat befördert werden.

F.in solches Verfahren Lsi /.. B. aus der IK CS 82 7 19 bekannt.

Durch ein solches Verfahren können Schichten verschiedener Zusammensetzungen, die /.. Ii. verschieden dotiert sind, auf einem Substrat niedergeschlagen werden. Auf diese Weise läßt sich eine Mehrschichtstruktur erhalten, die sich z.B. zur Herstellung elektronischer Anordnungen, z. B. Gun-Effekt-Dioden, S 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

ίο dieser Schichten sehr gering sind und z. B. in der Größenordnung von einigen Hundert Λ 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, dendri tisch gewachsenen Substrat anzubringen, das durch ein langgestrecktes Reaktionsgefäß geführt wird. Dabei durchlaufen an mehreren Stellen Reaktionsgiisgemische 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 den 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 zu vermeiden, d. h. ein Verfahren zu schaffen, v»'elches das Reaktionsgasgemisch möglichst gut ausnützt und bei dem Spülgas eingespart wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, 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 Doiierungsstoffe an verschiedenen h'inführungsstellen dieser Doticrungssloffe verschieden gewählt werden, während das Substrat nacheinander in verschiedenen Lagen in bezug auf diese hinfiihriingsstellen der Dolierungsstoffe

>■■, gehalten wird, wobei die verschiedenen Schichten auf dem Substrat gebildet werden, während sich das Substrat in diesen verschiedenen Lagen befindet.

Dadurch, daß bei dem Verfuhren nach der Erfindung

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 dotierte Schichten aufeinander abgelagert werden, weil an den verschiedenen Niederschlagungsstellen nur die Dotierung 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 -«erden und schließt aligemein Stoffe in gasförmigem Zustand ein.

Dank genau definierter Bedingungen in bezug auf einerseits die Reinheit und auf andererseits die Partialdrücke und die Mengen pro Zeileinheit vorbeiströmenden Gases kann der Niederschlag in verschiede nen Lagen des Substrats bei einer geeigneten Niederschlagtempera'ur angebracht werden. Vorzugs weise 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 gehal ten. 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. Halbleiterschiehten 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 Zuführungskanäle mit Mündungen in das Reaktionsgefäß zu erfolgen braucht, sondern daß auch örtlich eine Charge eines verdampfbaren Substanzes vorhanden sein kann. Die Anwendung von Zufiihrungskanälen mit Öffnungen ist aber /u bevorzugen, weil während jeder gewünschten /.eil die Mengen und Konzentrationen des örtlich eingeführten Gases konstant gehalten werden können.

Die Verschiebung ties Substrats kann einfach von Hand durchgeführt werden, aber kann auch au^f 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 verscho ben 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

ίο 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 Dotierungskonzentra tionen 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 Erfin dung 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^MIB^V-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

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßer, Verfahrens,

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Kurve, die schematisch die Verteilung der Temperatur innerhalb eines rohrförmigen Reaktionsgefäßes nach F i g. I als Funktion der Länge dieses Gefäßes bei einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung angibt, und

Fig. 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 Fig. 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. I der Deutlichkeit nicht maßstäblich gezeichnet. So sind die Abmessungen in der Längsrichtung der Vorrichtung in Fig. 1 stärker verkleinert als die Abmessungen quer tu dieser Längsrichtung dargestellt.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 dient zur Anwendung bei einer Ausführungsform des erfiridungsgemaUen

im Verfahrens, bei der eine A^nlB^v-Halbleiterverbindung, wie Galliumarsenid, niedergeschlagen wird. Diese Vorrichtung enthält ein waagerechtes rohrförmiges Reaktionsgefäß !,das vorzugsweise aus durchsichtigem Quarzglas besteht und das an den beiden Enden von

.·, geschliffenen Stöpseln 2 und 5 verschlossen ist. Durch den geschliffenen Stöpsel 2 an einem ersten Ende ist ein Stab 4 geführt, an einem dessen Enden ein Trager 5 fiir ein mit dem Halbleitermaterial /u überziehendes

Substrat befestigt ist. Das andere Ende des Stabes 4 ist mit einer Vorrichtung 60 zur Verschiebung des erwähnten Substratträgers S 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 Reaktionsgetäßes ist ein erstes Gaszufuhrrohr 7 eingeführt, das bei 8 in das Reaktionsgefäß 1 mündet und durch das ein Ti igergas, 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 mit einem Rohr 16 zum Abführen der Gase versehen.

Nach einer nachstehend zu beschreibenden AusfüK-rungsform werden durch diese Rohre 12 und 14 ein Trägergas, wie Wasserstoff, und ein Dotieningsmittel, 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, falls die Masse 11 aus Gallium und das durch das Rohr 9 zugeführte Gas aus Wasserstoff und Arsentrichlorid besteht während in der zweiten Hälfte des Reaktionsgefäßes 1 über einen großen Bereich eine etwa gleichmäßige, zum Niederschlagen des Halbleitermaterials geeignete Temperatur, z. B. in der Größenordnung von 75O°C ± 2°C zum Niederschlagen von Galliumarsenid, vorherrscht. Bei einer Gesamtlänge des rohrförmigen Gefäßes von etwa 82 cm wird die letztere Temperatur über eine Länge in der Größenordnung von 40 cm aufrechterhalten.

Die beiden Zonen sind in Fig.2 mit A bzw. B bezeichnet. In der graphischen Darstellung der Fig.2 ist die Temperatur als Abszisse und der Abstand in der Längsrichtung des Reaktionsgefäßes von einem Punkt in der Nähe der Stelle 8, an der das Rohr 7 mündet, als Ordinate aufgetragen.

Der Substratträger wird über den Stab 4, der mittels der Vorrichtung 60 gesteuert wird, nacheinander zu verschiedenen in der Nähe der öffnungen 13 und 15 der Rohre 12 bzw. 14 befindlichen Lagen verschoben, wobei bei epitaktischem Anwachsen die Ladungsträgerkonzentrationen der abgelagerten Schichten infolge der unter diesen Bedingungen beim epitaktischen Anwachsen erhaltenen Dotierungskonzentrationen schematisch in F i g. 3 dargestellt sind.

Der Substratträger mit dem zu überziehenden Substrat wird in einer bestimmten Lage Pi in bezug auf die öffnung 13 des Rohres 12 angebracht in welcher Lage er während einer bestimmten Zeit gehalten wird. Dann wird der Substratträger zu einer zweiten bestimmten Lage /^verschoben, in der er während einer bestimmten Zeit gehalten wird, und so weiter, bis die gewünschte Anzahl Schichten erhalten ist Die Aufenthaltzeit in jeder Lage wird entsprechend den gewünschten Dicken der zu bildenden Schichten gewählt Diese Lagen P₁, P? und P3 sind in F i g. 1 angegeben. In der Vorrichtung nach Fig. 1 kann bei Zuführung desselben Dotierungsmittels durch die Rohre 12 und 14 die Dotierungskonzentration in dem niedergeschlagenen Material in Abhängigkeit von der Lage des Substrats bestimmt werden. Es stellt sich heraus, daß in dem Reaktionsgefäß Zonen ΡΊ, P'₂ und P'₃ mit Längen von 15, '5 bzw. 10 cm angezeigt werden können, die die Lagen P/, P2 bzw. P3 enthalten und in denen sich die Dotierungskonzentrationen in dem abgelagerten Halbleitermaterial Draktisch nicht mit der Lage des Substrats ändern, wie schematisch in F i g. 3 dargestellt ist in der schematisch logarithmisch Ladungsträgerkonzentrationen infolge von Konzentrationen eines bestimmter sowohl durch das Rohr 12 als auch durch das Rohr 14 zugeführten Dotierungsmittels als Ordinate und, gleich wie in Fig.2, der Abstand in der Längsrichtung des Reaktionsgefäßes als Abszisse aufgetragen sind. Die dargestellte Kurve zeigt schematisch die Zunahme dei Dotierungskonzentration nach Verschiebung des Substrats zu einer weiter von dem Stöpsel 3 entfernter Zone P'. Auf diese Weise sind reproduzierbai Galliumarsenidschichten mit verschiedenen Dotie rungskonzentrationen niedergeschlagen, die z.B. ii einem Bereich von einer Größenordnung von 10¹⁵ Ato men/cm³ bis zu einer Größenordnung von 10¹⁸AtO men/cm³ Hegen.

Wenn z.B. die Zunahme der Dicke der sich bein Niederschlagen bildenden Schicht in der Größenord nung von 10 bis 20μτη pro Stunde liegt, sind in allgemeinen Zeitdauern in der Größenordnung voi 5 Minuten bis zu einer Stunde für praktische Zweck« geeignet, aber auch kürzere Zeitdauern, z.B. in de: Größenordnung von 10 bis 20 Sekunden, sowie längen Zeitdauern, z. B. von einigen Stunden, sind erwünschten

falls brauchbar.

Die hergestellten Übergänge zwischen Schichten mit verschiedenen einheitlichen Dotierungspegeln können sehr schroff verlaufen oder sich bis zu weniger als 1 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

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   t. 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, 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 Trägergaa und die Komponenten) 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 gehalien wird, wobei die verschiedenen Schichten auf dem Substrat gebildet werden, während sich das Substrat in diesen verschiedenen Lagen befindet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, 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. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in seinen verschiedenen Lagen der gleichen Temperatur ausgesetzt ist.
4. 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. 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.