DE2243181B2

DE2243181B2 - Verfahren zum herstellen epitaktischer halbleiterschichten aus der fluessigen phase

Info

Publication number: DE2243181B2
Application number: DE19722243181
Authority: DE
Inventors: Harry Francis New York N.Y.; Marinelli Donald Paul Trenton NJ.;(V.St.A.) Lockwood
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1971-12-08
Filing date: 1972-09-01
Publication date: 1977-06-30
Also published as: DE2243181C3; US3753801A; FR2162348A1; JPS5321272B2; JPS4866368A; GB1372124A; IT967237B; FR2162348B1; DE2243181A1; CA990186A; BE788374A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum nacheinander erfolgenden epitaktischen Abscheiden mehrerer Halbleiterschichten aufeinander mittels mehrerer voneinander getrennter Lösungen des Halbleitermaterials, mit denen das zu beschichtende Substrat bzw. die freie Oberfläche der jeweils zuletzt aufgebrachten Schicht nacheinander in Berührung gebracht werden, während jeweils eine Abkühlung der Lösung erfolgt.

Ein derartiges epitaktisches Aufwachsen aus der Schmelze wird auch »Flüssigphasen-Epitaxie« genannt und stellt eine bekannte Technik zum Herstellen bestimmter Halbleiterbauteile dar, insbesondere solcher aus Halbleitermaterialien der Gruppe III —V und ihrer Legierungen. Beispiele derartiger Halbleiterbauteile sind lichtaussendende oder elektronenübertragende Bauteile. Beim epitaktisichen Aufwachsen wird eine Epitaxialschicht aus einkristallinem Halbleitermaterial auf ein Substrat gebracht, wobei eine Oberfläche des Subsixats mit einer Lösung eines in einem geschmolzenen Lösungsmetall gelösten Halbleitermaterials in Berührung gebracht und die Lösung so weit abgekühlt wird, daß ein Teil des Halbleitermaterials in der Lösung ausfällt und sich auf dem Substrat als Epitaxialschicht abscheidet; sodann wird der Rest der Lösung vom Substrat entfernt. Die Lösung kann auch einen Leitfähigkeitsmodifizierer enthalten, der sich zusammen mit dem Halbleitermaterial niederschlägt, so daß eine Epitaxialschicht des jeweils gewünschten Leitfähigkeitstyps entsteht. Zwei oder mehrere Epitaxialschichten können nacheinander aufeinander abgeschieden werden, so vJaß ein Halbleiterbauteil mit dem jeweils gewünschten Aufbau entsteht, beispielsweise ein Halbleiterbauteil mit einem oder mehreren PN-Übergängen zwischen benachbarten Epitaxialschichten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps.

Das Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 35 65 702 bekannt und für das sukzessive Herstellen mehrerer übereinander geordneter Epitaxialschichten besonders geeignet. Die dabei zur Anwendung kommende Vorrichtung besteht aus einem Ofenschiffchen aus hitzebeständigem Material mit mehreren an seiner Oberseite mit Abstand angeordneten Ausnehmungen und einem Schieber, ebenfalls aus hitzebeständigem Material, der in einer sich im Bereich der Böden der Ausnehmungen erstreckenden Führung verschiebbar ist. Zum Betrieb dieser Vorrichtung wird eine Lösung in eine Ausnehmung des Ofenschiffchens gebracht und ein Substrat in eine Vertiefung des Schiebers gelegt. Der Schieber wird sodann in eine Position gebracht, in der das Substrat in den Bereich der Ausnehmung gelangt, so daß die Oberfläche des Substrats mit der Lösung in Berührung kommt. Sobald die Epitaxialschicht auf dem Substrat niedergeschlagen ist, wird der Schieber weiterbewegt, um das Substrat aus der Ausnehmung zu entfernen. Sollen mehrere Epitaxialschichten auf dem Substrat niedergeschlagen werden, so werden getrennte Lösungen in getrennten Ausnehmungen vorgesehen und das Substrat mittels des Schiebers nacheinander in jede der Ausnehmungen gebracht, um die Epitaxialschichten sukzessiv aufeinander niederzuschlagen.

Ein dem zuvor diskutierten sehr ähnliches Verfahren ist aus der französischen Patentanmeldung 20 57 009 bekannt, das jedoch nicht für ein nacheinander erfolgendes Abscheiden sondern gleichzeitiges Abscheiden jeweils nur einer Schicht auf räumlich voneinander getrennten Substraten vorgesehen ist. Dabei wird in Übereinstimmung mit dem zuvor erläuterten bekannten Verfahren eine Lösung des abzuscheidenden Halbleitermaterials mit der Substratoberfläche in Berührung gebracht und durch Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit und/oder des Temperaturgradienten zwischen der das Substrat aufnehmenden Halterung und dem die Lösung aufnehmenden Schieber Wachstumsumfang und -dauer beeinflußt. Auch bei diesem bekannten Verfahren wird die maximale Dicke der abzuscheidenden Schicht letztlich durch die Differenz zwischen der Tiefe der das Substrat aufnehmenden Ausnehmung und der Substratdicke bestimmt und die angestrebte möglichst plane Oberfläche durch Abwischen der überschüssigen Lösung mit Hilfe des seitlichen Verfahrens des Schiebers zu erreichen versucht.

Diesen beiden bekannten Verfahren haften jedoch die nachstehend erläuterten Nachteile an, denen bisher durch zusätzliche Oberflächenbehandlung abgeholfen werden mußte, wenn rieht die durch Oberflächenunregelmäßigkeiten bedingten Beeinträchtigungen der elektrischen Eigenschaften in Kauf genommen werden konnten.

Bisher wurde bei Anwendung der Flüssigphasen-Epi-

taxie dafür gesorgt, daß ein relativ großes Volumen an Lösung vorhanden war, um eine gute Abdeckung der gesamten Oberfläche, auf der die Epitaxialschicht niedergeschlagen werden soll, sicherzustellen. Der Einsatz eines großen Lösungsvolumens hat jedoch verschiedene Nachteile. Wenn das verhältnismäßig große Lösungsvolumen abgekühlt wird, findei in der gesamten Lösung eine Ausfällung an Halbleitermaterial statt. Das in der Nähe der Oberfläche des Substrats ausfallende Halbleitermaterial schlägt sich auf der Oberfläche in Form der Epitaxialschicht nieder. Dagegen bildet das Halbleitermaterial, das im von der Oberfläche entfernten Teil der Lösung ausfällt, kleine Plättcher, die in der Oberflächenstruktur des Substrats örtliche Instabilitäten hervorrufen können, was zu einer unebenen Oberfläche der Epitaxialschicht führt Außerdem bestimmt beim Abscheiden einer Epitaxialschicht mittels der Flüssigphasen-Epitaxie das Volumen der Lösung die Dicke der Epitaxialschicht, die pro Grad Temperaturerniedrigung der Lösung niedergeschlagen wird. Je größer das Volumen der Lösung um so dicker ist somit die Epitaxiaischicht, die pro Grad Temperaturerniedrigung niedergeschlagen wird. Somit ist es bei der Anwendung eines großen Lösungsvolumens schwierig, den Temperaturabfall der Lösung genau genug zu steuern, um sehr dünne Epitaxialschichten niederzuschlagen.

Um nun die Bildung der zuvor erwähnten Plättchen zu verhindern, damit Epitaxialschichten mit glatten Oberflächen erreicht werden, und gleichzeitig das Niederschlagen dünner Epitaxialschichten genügend genau zu erreichen, wäre es erwünscht, geringe Lösungsvolumen zu verwenden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß durch lediglich Reduzieren der Lösungsmengen die mit großen Volumina verbundenen Probleme nicht zufriedenstellend gelöst werden können. Dies liegt daran, daß die Oberflächenspannung der im allgemeinen bei der Flüssigphasen-Epitaxie verwendeten Materialien dazu fünrt, daß das kleine Lösungsvolumen sich derart zusammenzieht, daß die Lösung nicht die gesamte Oberfläche eines Substrats durchschnittlicher Abmessungen bedeckt. Als Folge davon, führt ein geringes Lösungsvolumen nicht zu einer über die gesamte Oberfläche des Substrats sich erstreckenden Epitaxialschicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das unter Vermeidung aer mit großen Lösungsvolumiina verbundenen Nachteile die Herstellung dickenmäßig genau kontrollierter dünner Epitaxialscliichten erlaubt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf jede Lösung jeweils solch ein Gewicht entgegen der Oberflächenspannung einwirkt, daß das Volumen jeder sich auf einen Teilbereich der Substratoberfläche zusammenziehenden Lösung sich über die gesamte zu behandelnde Substratoberfläche erstreckt und daß vor dem jeweiligen Kontakt zwischen dem Substrat bzw. der jeweils zuletzt aufgebrachten Schicht und den einzelnen Lösungen ein Halbleiterstück zur exakten Sättigung der Lösungen mit diesen in Verbindung (,0 gebracht wird, so daß das Subsrat bzw. die jeweils zuletzt aufgebrachte Schicht jeweils auf eine exakte gesättigte Lösung treffen. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß für jede Schicht nur ein so geringes Lösungsvolumen bereitgestellt zu werden braucht, daß fts Plättchenausfüllungen bei Abdecken der gesamten zu behandelnden Substratoberfläche in der Lösungsschicht verhindert werden.

Zusätzliche Merkmale bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

In »Kristall und Technik«, Band 4,1969, Heft 4, Seiten k 25 bis 30, ist zwar bereits ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterschicht unter Krafteinfluß beschrieben, jedoch handelt es sich dabei um das sogenannte »printing«-Verfahren, das sich in ganz wesentlichen Punkten von dem erfindungsgemäßen Verfahren unterscheidet. So werden bei diesem bekannten Vorschlag in ihrem Krista'lwachstum orientierte Schichten auf nichtorientierten Substraten hergestellt, wozu Schmelzen des Halbleitermaterials verwendet werden; außerdem muß die Einwirkung der Kraft schlagartig erfolgen. Diese schon gattungsmäßigen Unterschiede zum Epitaxialverfahren haben unter besonderer Berücksichtigung der Tatsachen, daß bei Verwendung von Schmelzen keine mit der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe vergleichbaren Probleme entstehen, eine Anregung in Richtung auf die Erfindung ausgeschlossen, zumal bei diesem bekannten Verfahren eine Polier- und Ätzbehandlung der Schicht zum Erhalt der gewünschten Schichtdecke erforderlich sind.

Anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine zur Durchführung einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung im Querschnitt;

F i g. 2 eine Vorrichtung, mit der eine zweite Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben ist, im Querschnitt und

F i g. 3 bis 5 Querschnitte einer für eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung während verschiedener Verfahrensschritte.

Anhand der Fig. 1 wird zunächst eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Die dafür geeignete Vorrichtung ist als Ganzes mit 10 bezeichnet und besteht aus einem Ofenschiffchen 12 aus inertem, hitzebeständigem Material, wie Graphit, das an seiner Oberseite drei mit Abstand zueinander angeordnete Ausnehmungen 14_r 16 und 18 aufweist. In Längsrichtung des Ofenschiffchens 12 erstreckt sich unter den Ausnehmungen 14,16 und 18 eine Führung 20 vom einen zum anderen Ende des Schiffchens 12. In der Führung 20 ist ein Schieber 22 aus hitzebeständigem Material, wie Graphit, bewegbar gelagert, so daß die Oberseite des Schiebers 22 die Bodenflächen der Ausnehmungen 14, 16 und 18 bildet. Der Schieber 22 weist oberseitig nahe seinem einen Ende zwei mit Abstand voneinander angeordnete Vertiefungen 24 und 26 auf, deren Abstand genau dem zwischen benachbarten Ausnehmungen 14 und 16 bestehenden entspricht. In den Ausnehmungen 14 und 16 sind getrennte Gewichte 28 bzw. 30 vorgesehen, die aus einem inerten Material, wie Graphit oder Quarz, bestehen und eine den Ausnehmungen 14 und 16 entsprechende Querschnittsform besitzen.

Um das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen des ersten Musführungsbeispiels durchzuführen, wird in die Ausnehmung 14 eine erste Charge und in die Ausnehmung 16 eine zweite Charge gegeben. Jede Charge besteht aus einer Mischung aus einem der niederzuschlagenden Epitaxialschicht entsprechenden Halbleitermaterial, einem Lösungsmetall für das Halbleitermaterial und. sofern die Eoitaxialschicht einen

bestimmten Leitfähigkeitstyp aufweisen soll, einem Leitfähigkeitsmodifizierer. Um beispielsweise Epitaxialschichten aus Gallium-Arsenid niederzuschlagen, würde als Halbleitermaterial Gallium-Arsenid, als Lösungsmetall Gallium und als Leitfähigkeitsmodifizierer entweder Tellur oder Zinn im Falle einer N-leitenden Schicht, oder Zink, Germanium oder Magnesium im Falle einer P-Ieitenden Schicht verwendet werden. Das Halbleitermaterial und der Leitfähigkeitsmodifizierer liegen bei Raumtemperatur in granulierter Festform vor. Da gewisse Losungsmetalle, die zur Anwendung kommen, beispielsweise Gallium, eine Schmelztemperatur nahe der Raumtemperatur besitzen — der Schmelzpunkt von Gallium liegt bei etwa 30° C — kann das Lösungsmetall entweder in granulierter Festform oder in flüssiger Form vorliegen, je nach der Umgebungstemperatur, bei der das Verfahren durchgeführt wird. Das Mischungsverhältnis der Ingredienzien jeder Charge wird vorzugsweise so gewählt, daß nach Auflösen des Halbleitermaterials im geschmolzenen Lösungsmetall die sich ergebende Lösung an Halbleitermaterial ungesättigt ist Außerdem wird nur ein geringes Volumen jeder der Chargen in die jeweilige Ausnehmung 14 bzw. 16 gebracht. Mit »geringem Volumen« ist im vorliegenden Zusammenhang gemeint, daß der Betrag jeder Charge bei Bedecken des gesamten Bodens der jeweiligen Ausnehmung eine dünne Chargenschicht ergibt. Ein Halbleiterstück 32 aus dem gleichen Material, wie es sich in den Chargen befindet, wird in die Vertiefung 24 gelegt, während ein flaches Substrat 34 aus für epitaktisches Abscheiden geeignetem Material in der Vertiefung 26 untergebracht wird. Die Vertiefung 26 ist groß genug, um eine flache Lage des Substrats 34 zu ermöglichen. Die Gewichte 28 und 30 werden in den Ausnehmungen 14 bzw. 16 auf die Chargen gebracht. Wenn das verwendete Lösungsmetall in den Chargen in flüssiger Form vorliegt, üben die Gewichte 28 und 30 auf die Chargen eine Kraft aus, die diese über den gesamten Boden der jeweiligen Ausnehmung als dünne Chargenschichten verteilt. Sofern das verwendete Lösungsmetall in fester Form vorliegt, stellt sich dieses Ausbreiten, wie nachfolgend erläutert werden wird, später ein.

Das beladene Ofenschiffchen 12 wird sodann in einen nicht dargestellten Ofen gebracht, der von hochreinem Wasserstoff durchströmt wird. Die Temperatur des Ofens wird so weit erhöht, daß der Inhalt des Ofenschiffchens 12 auf eine Temperatur gebracht wird, die über dem Schmelzpunkt der Ingredienzien der Chargen liegt, z.B. zwischen 800 und 950°C bei Gallium-Ahiminium-Arsenid und Gallium-Arsenid. Diese Temperatur wird lange genug aufrechterhalten, um vollständiges Schmelzen und Homogenisieren der Chargeningredienzien sicherzustellen. Sofern das in den Chargen verwendete Lösungsmetall beim Einbringen in die Ausnehmungen in fester Form vorlag, wird bei seinem in Folge des Erhitzens eintretenden Schmelzen die mittels der Gewichte auf die Chargen ausgeübte Kraft die geschmolzenen Chargen zum Ausbreiten über die Bodenflächen der Ausnehmungen zwingen, wodurch dünne Schichten gebildet werden. Somit entstehen aus den Chargen eine erste und eine zweite Lösung 36 bzw. 38, die aus in geschmolzenem Lösungsmetall gelöstem Halbleitermaterial und Leitfähigkeitsmodifizierer bestehen. Durch die von den Gewichten 28 und 30 ausgeübte Kraft werden die geringvolumigen Lösungen 36 und 38 daran gehindert, sich kugelförmig zusammenzuziehen, vielmehr werden sie in Form dünner, sich über den gesamten Boden der Ausnehmungen 14 und 16 erstreckender Schichten gehalten.

Der Schieber 22 wird sodann in Richtung des Pfeiles 40 bewegt, bis das Halbleiterstück 32 sich in der Ausnehmung 14 befindet. Dadurch gelangt das Halbleiterstück 32 mit der ersten Lösung 36 in Kontakt. Da die erste Lösung 36 an Halbleitermaterial ungesättigt ist, löst sich ein Teil des Halbleitermaterials des Stücks 32 im geschmolzenen Lösungsmetall, bis die erste

ίο Lösung an Halbleitermaterial genau gesättigt ist. Danach wird der Schieber 22 nochmals in Richtung des Pfeiles 40 bewegt, bis sich das Halbleiterstück in der Ausnehmung 16 befindet und in Kontakt mit der zweiten Lösung 38 gelangt. Da die zweite Lösung 38 ebenfalls an Halbleitermaterial ungesättigt ist, wird sich auch hier im geschmolzenen Lösungsmetall ein Teil des Halbleiterstücks 32 lösen, bis die zweite Lösung an Halbleitermaterial ebenfalls genau gesättigt ist.

Da die das Substrat 34 enthaltende Vertiefung 26 von der das Stück 32 enthaltenden Vertiefung 24 um denselben Abstand entfernt ist, der zwischen benachbarten Ausnehmungen besteht, wird gleichzeitig mit dem Verschieben des Stücks 32 von der ersten Ausnehmung 14 in die zweite Ausnehmung 16 das Substrat 34 der ersten Ausnehmung 14 zugeführt. Dadurch gelangt die Oberfläche des Substrats 34 in Kontakt mit der ersten Lesung 36, die nun an Halbleitermaterial exakt gesättigt ist Zu diesem Zeitpunkt wird die Heizung des Ofens abgestellt, um das Ofenschiffchen 12 und seinen Inhalt: abzukühlen. Dies führt zu einem Abkühlen der genau gesättigten ersten Lösung 36, was wiederum ein Ausfällen eines Teils des Halbleitermaterials in der ersten Lösung 36 zur Folge hat, das sich auf der Oberfläche des Substrats unter Bildung einer ersten Epitaxialschicht niederschlägt. Während des Niederschiagens des Halbleitermaterials wird ein Teil der Leitfähigkeitsmodifizierer der ersten Lösung 36 in das Gitter der ersten Epitaxialschicht eingelagert, so daß diese die gewünschte Leitfähigkeit erhält. Da die erste Lösung 36 in Form einer dünnen Schicht vorliegt, führt das Abkühlen dieser Lösung nur zum Niederschlag des gefällten Halbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats 34, und zwar mit einem Minimum an unerwünschten, in der Lösung gebildeten

Plättchen. Da weiterhin die erste Lösung nur ein geringes Volumen aufweist, wird pro Grad Temperaturerniedrigung nur ein geringer Betrag an Halbleitermaterial auf dem Substrat 34 niedergeschlagen, so daß auf einfache Weise eine gewünscht dünne epitaktische

Halbleiterschicht auf dem Substrat abgeschieden werden kann.

Das zum Niederschlagen der Epitaxialschicht auf dem Substrat 34 erforderliche Abkühlen der ersten Lösung 36 führt auch zum Abkühlen der zweiten Lösung 38. Da

die zweite Lösung 38 zu diesem Zeitpunkt ebenfalls genau an Halbleitermaterial gesättigt ist, bedingt ihr Abkühlen ein Ausfällen eines Teils des Halbleitermate rials in der zweiten Lösung 38, das sich auf dem Stück 32 wieder niederschlägt Durch dieses Abscheiden über-

schüssigen Halbleitermaterials auf dem Stück 32 wird die zweite Lösung 38 genau auf Sättigung an Halbleitermaterial gehalten, obwohl die Temperatur der Lösung sich erniedrigt hat Nunmehr wird der Schieber 22 nochmals in Richtung des Pfeils 40 bewegt, wodurch

(15 das Substrat 34 mit der ersten Epitaxialschicht aus der ersten Ausnehmung 14 in die zweite Ausnehmung 16 gelangt Dadurch gerät die Oberfläche der ersten Epitaxialschicht in Kontakt mit der zweiten Lösung 38,

die bei der dann herrschenden Lösungstemperatur genau gesättigt ist. Weiteres Abkühlen des Ofenschiffchens 12 und seines Inhalts führt dazu, daß ein Teil des in der exakt gesättigten zweiten Lösung 38 befindlichen Halbleitermaterials ausfällt und sich auf der ersten Epitaxialschicht in Form einer zweiten Epitaxialschicht niederschlägt Da darüber hinaus ein Teil der Leitfähigkeitsmodifizierer der zweiten Lösung 38 in das Gitter der zweiten Epitaxialschicht eingebaut wird, besitzt auch die zweite Epitaxialschicht nach ihrer Fertigstellung den gewünschten Leitfähigkeitstyp. Da die zweite Lösung 38 ebenfalls nur als dünne Schicht vorliegt, führt ihr Abkühlen ebenfalls zu einem Abscheiden gefällten Halbleitermaterials mit lediglich einem Minimum an unerwünschten, in der Lösung gebildeten Plättchen. Auch bei der Bildung der zweiten Epitaxialschicht ist es in einfacher Weise möglich, aus dem geringen Lösungsvoluinen die gewünscht dünne Schicht herzustellen. Danach wird der Schieber 22 wiederum in Richtung des Pfeiles 40 bewegt, wodurch das Substrat 34 mit den beiden Epitaxialschichten aus der Ausnehmung 16 in die leere Ausnehmung 18 gelangt, aus der es entnommen werden kann.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, eine dünne Schicht einer geringvolumigen Abscheidelösung zu realisieren, die die gesamte Oberfläche des mit einer Epitaxialschicht zu versehenden Substrats bedeckt Dies führt zu einem hochwertigen Fällen und Niederschlagen an Halbleitermaterial auf dem Substrat, wobei lediglich ein minimaler Anteil an Plättchen aus Halbleitermaterial in der Lösung entsteht, der die Oberflächenstruktur des Substrats nicht nachteilig beeinflußt. Die auf diese Weise hergestellten Epitaxialschichten besitzen absolut glatte und ebene Oberflächen. Außerdem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, in einfacher Weise gewünscht dünne Epitaxialschichten herzustellen. Allerdings hat dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Nachteil. Sobald nämlich das Halbleiterstück 32 aus der ersten Ausnehmung 14 nach exakter Sättigung der ersten Lösung 36 bewegt wird, neigt ein Teil der ersten Lösung 36 dazu, am Halbleiterstück 32 haften zu bleiben und mit diesem in die zweite Ausnehmung 16 zu gelangen. Dadurch wird nicht nur das ohnehin geringe Volumen der ersten Lösung verringert, vielmehr kann der Teil der ersten Lösung, der mit dem Halbleiterstück 32 mitgenommen wird, die zweite Lösung 38 verunreinigen, da letztere einen Leitfähigkeitsmodifizierer oder andere Ingredienzien enthalten kann, die sich von den in der ersten Lösung befindlichen unterscheiden.

In Fig.2 ist eine als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung dargestellt, die sich zur Durchführung einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet und mit der der zuvor erwähnte Nachteil des ersten Ausführungsbeispiels vermieden wird. Die Vorrichtung 100 besitzt ein hitzebeständiges Ofenschiffchen 112 aus inertem Material, das an seiner Oberseite drei mit Abstand voneinander angeordnete Ausnehmungen 114,116 und 118 aufweist In einer sich längs durch das Ofenschiffchen 112 und entlang den Böden der Ausnehmungen 114, 116 und 118 erstreckenden Führung ist ein Schieber 122 aus hitzebeständigem Material längsverschiebbar untergebracht Die Oberseite des Schiebers bildet die Bodenflächen, der. Ausnehmungen. Der Schieber 122 besitzt eine für die Aufnahme eines Substrats geeignete, oberseitige Vertiefung 126 nahe seinem einen Ende. Getrennte Gewichte 128 und 130 aus inertem Material sind in den Ausnehmungen 114 und 116 untergebracht.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der zweiten Variante werden geringe Mengen getrennter Chargen in die erste und zweite Ausnehmung 114 und 116 gegeben. Die Chargen besitzen dieselbe Zusammensetzung wie die des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels, so daß sie aus einer Mischung aus für die Epitaxialschicht vorgesehenen

ίο Halbleitermaterial, einem Lösungsmetall für das Halbleitermaterial und Leitfähigkeitsmodifizierer bestehen. Getrennte Stücke 132a und 1326 aus dem gleichen Halbleitermaterial, wie es sich auch in den Chargen befindet, werden in den Ausnehmungen 114 und 116 aul den Chargen untergebracht. Die Gewichte 128 und 130 werden in den Ausnehmungen 114 und 116 auf die Stücke 132a und \32b gesetzt. Sofern das in der Chargen verwendete Lösungsmetall in flüssiger Form vorliegt, führen die Gewichte 128 und 130 dazu, daß die Chargen sich über den Boden der Ausnehmungen ir Form dünner Chargenschichten ausbreiten. Ein zurr Abscheiden epitaktischer Schichten geeignetes, flaches Substrat 134 wird in der Vertiefung 126 untergebracht.

Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispie wird das beladene Ofenschiffchen 112 in einen vor hochreinem Wasserstoff durchströmten Ofen gegeben Sodann wird die Heizung eingeschaltet und der Inhali des Ofenschiffchens 112 auf eine Temperatur oberhalt des Schmelzpunktes der Ingredienzien der Charger gebracht. Diese Temperatur wird so lange aufrechter halten, daß komplettes Schmelzen und Homogenisie rung der Ingredienzien in den Chargen gewährleistet ist Sofern das in den Chargen verwendete Lösungsmetal beim Einbringen in die Ausnehmungen in fester Forrr vorlag, wird das durch Erhitzen hervorgerufen« Schmelzen zur Folge haben, daß die auf die Charger durch die Gewichte 128 und 130 ausgeübte Kraft zi einem Ausbreiten der geschmolzenen Charge über du gesamten Oberflächen der jeweiligen Ausnehmungsbö den in Form dünner Schichten führt. Dadurch werdet die Chargen zu ersten und zweiten Lösungen 136 bzw 138, bestehend aus in Lösungsmetall gelöstem Halb leitermetall und Leitfähigkeitsmodifizierer. Die gering volumigen Lösungen 136 und 138 werden durch die voi den Gewichten 128 und 130 ausgeübte Kraft darai gehindert, sich zu Kugeln zusammenzuziehen, vielmeh: sorgt diese Kraft dafür, daß die gewünschten dünner Chargenschichten auf der gesamten Bodenfläch« erhalten bleiben. Da der ursprünglich in jeder de Chargen enthaltene Betrag an Halbleitermaterial nich ausreicht, um das Lösungsmetall zu sättigen, löst siel während des Erhitzens der Chargen in den Lösungei 136 und 138 ein Teil des Materials der Stücke 132a un< 1326, bis die entsprechenden Lösungen bei de jeweiligen Temperatur an Halbleitermaterial genat gesättigt sind.

Der Schieber 122 wird sodann in Richtung des Pfeile 140 bewegt, bis das Substrat 134 sich in der erstei Ausnehmung 114 befindet Dadurch gelangt dii Oberfläche des Substrats 134 in Kontakt mit der erstei Lösung 136, die an Halbleitermaterial genau gesättig ist Danach wird die Ofenheizung ausgeschaltet, um da Ofenschiffchen 112 und seinen Inhalt abzukühlen. Da Abkühlen der genau gesättigten ersten Lösung 136 führ

ds zu Halbleiterausfällungen in dieser Lösung, die sich au der Oberfläche des Substrats 134 niederschlagen um eine erste Epitaxialschicht bilden. Während de Abscheidens des Halbleitermaterials gelangt ein Tei

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der in der ersten Lösung 136 befindlichen Leitfähigkeitsmodifizierer in das Gitter der ersten Epitaxialschicht, wodurch diese den gewünschten Leitfähigkeitstyp i;rhält. Da die erste Lösung in Form einer dünnen Schicht vorliegt, führt ihr Abkühlen ausschließlich zum Abscheiden der Halbleiterfällungen auf der Oberfläche des Substrats 134 mit lediglich minimalem Anteil an in der Lösung gebildeten, unerwünschten Plättchen. Somit besitzt die erste Epitaxialschicht eine glatte, ebene Oberfläche. Darüber hinaus kann zufolge des geringen Volumens der ersten Lösung für die dünne Epitaxialschicht aus Halbleitermaterial die gewünschte Dicke leicht eingehalten werden.

Das zum Abscheiden der Epitaxialschicht auf dem Substrat 134 erforderliche Abkühlen der ersten Lösung 1136 führt gleichzeitig zum Abkühlen der zweiten Lösung 138. Da die zweite Lösung 138 ebenfalls an Halbleitermaterial genau gesättigt ist, führt ihr Abkühlen zum Ausfällen eines Teils des in ihr enthaltenen Halbleitermaterials, das sich schon wieder auf dem Stück 1326 niederschlägt. Dadurch wird die zweite Lösung 138 trotz Erniedrigen der Temperatur genau auf Sättigung gehalten.

Danach wird der Schieber 122 nochmals in Richtung des Pfeiles 140 bev/egt, wodurch das Substrat 134 mit der ersten Epitaxailischicht aus der ersten Ausnehmung 114 in die zweite Ausnehmung 116 gelangt. Dadurch w^;rd die Oberfläche der ersten Epitaxialschicht in Kontakt mit der zv/eiten Lösung 138 gebracht, die bei der dann herrschenden Temperatur an Halbleitermaterial genau gesättigt ist. Es hat sch herausgestellt, daß bei Bewegen des Substrats 134 au:s der ersten Ausnehmung 114 die erste Lösung 136 stärker zum Anhaften am Halbleiterstück 132a neigt als an der glatten, ebenen Oberfläche der auf dem Substrat 134 befindlichen Epitaxialschicht. Dadurch wird, wenn überhaupt, nur eine verschwindend geringe Menge an erster Lösung mit dem Substrat 134 in die Ausnehmung 116 gebracht, so daß sich keine nachteilige Verunreinigung der zweiten Lösung 138 ergibt, wenn das Substrat 134 in die zweite Ausnehmung 116 gelangt. Somit dient das Halbleiterstück 132a nicht nur dazu, die erste Lösung genau auf Sättigungsgrad zu halten, sondern auch dazu, dem Nachteil des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels zu begegnen, nämlich zu verhindern, daß ein nennenswerter Betrag an erster Lösung mit dem Substrat 134 aus der ersten Ausnehmung 114 in die zweite Ausnehmung 116 gelangt.

Sobald sich das Substrat 134 in der zweiten Ausnehmung 116 befindet, wird durch weiteres Abkühlen des Ofenschiffchens and seines Inhalts ein Ausfällen an Halbleitermaterial in der genau gesättigten zweiten Lösung erreicht, das zum Niederschlag einer zweiten Epitaxialschicht auf der ersten Epitaxialschicht führt Außerdem wird ein Teil der Leitfähigkeitsmodifizierer der zweiten Lösung 138 in das Gitter der zweiten Epitaxialschicht eingelagert, so daß diese den gewünschten Leitfähigkeitstyp erhält Da die zweite Lösung 138 ebenfalls in Form einer dünnen Schicht vorliegt, führt auch ihr Abkühlen zum Abscheiden des gefällten Halbleitermaterials mit nur minimalem Anteil an unerwünschten Plättchen in der Lösung. Somit hat auch die zweite Epitaxialschicht eine glatte, ebene Oberfläche, wobei auch ihre Dicke aufgrund des geringen Volumens der zweiten Lösung in einfacher Weise gesteuert werden kann.

Danach wird der Schieber 122 nochmals in Richtung des Pfeiles 140 bewegt, wodurch das Substrat 134 mit den beiden Epitaxialschichten in die leere Ausnehmung 118 gelangt, durch die es dann dem Schieber entnommen werden kann. Auch bei der Bewegung des Substrats 134 von der zweiten Ausnehmung 116 in die leere Ausnehmung 118 haftet die zweite Lösung 138 eher am Halbleiterstück 1326 als an der glatten Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht, so daß, wenn überhaupt, nur minimale Mengen der zweiten Lösung von dem Substrat mitgenommen werden. Dadurch wird die Bildung irgendwelcher rauher Flecken auf der Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht wirkungsvoll verhindert. Aus diesen Ausführungen geht hervor, daß die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens neben den bereits im Zusammenhang mit der Schilderung des ersten Ausführungsbeispiels erwähnten Vorteilen zusätzlich den Vorzug hat, daß damit auf alle Fälle jegliche nachteilige Verunreinigungen der Lösungen durch Mitnehmen irgendwie beachtlicher Mengen beim Transport des Substrats von einer Ausnehmung zur anderen verhindert wird.

Die in Fig.3 als Ganzes mit 200 bezeichnete Vorrichtung eignet sich besonders zur Durchführung einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 200 weist ein hitzebeständiges Ofenschiffchen 212 aus inertem Material auf, das an seiner Oberseite mit drei mit Abstand voneinander angeordneten Ausnehmungen 214, 216 und 2i8 versehen ist. In einer sich längs durch das Ofenschiffchen erstreckenden Führung 220 ist ein Schieber 222 aus hitzebeständigem Material gelagert, dessen Oberseite die Bodenflächen der Ausnehmungen 214, 216 und 218 bildet. Der Schieber 222 ist nahe seinem einen Ende oberseitig mit einer ein Substrat aufnehmenden Vertiefung 226 versehen. In einer zweiten Führung 225, die sich längs durch das Schiffchen 212 erstreckt und die Ausnehmungen 214, 216 und 218 in einem gewissen Abstand von ^:hren Böden kreuzt, befindet sich ein zweiter ebenfalls beweglich gelagerter Schieber 223. Getrennte Gewichte 228 und 230 aus inertem Material sind in den Ausnehmungen 214 bzw. 216 untergebracht.

¹Jm das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung durchzuführen, werden die Gewichte 228 und 230 sowie der zweite Schieber 223 aus der ersten und zweiten Ausnehmung 214 und 216 entfernt und eine geringe Menge getrennter Chargen in jede der Ausnehmungen 214 und 216 gegeben. Die Chargen besitzen dieselbe Zusammensetzung wie die im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnten und stellen somit eine Mischung aus als Epitaxialschicht niederzuschlagendem Halbleitermaterial, einem Lösungsmetall für das Halbleitermaterial und einem Leitfähigkeitsmodifizierer dar. Der zweite Schieber 223 wird sodann zarückbewegt, so daß er die erste und zweite Ausnehmung 214 und 216 kreuzt Getrennte Halbleiterstücke 232a und 2326, die aus demselben Material bestehen wie das in den Chargen befindliche, werden in die Ausnehmungen 214 und 216 auf die Oberseite des zweiten Schiebers 223 gelegt (vgl Flg. 3). Die Gewichte 228 und 230 werden sodann in die

Ausnehmungen 214 bzw. 216 auf die Stücke 232a bzw.

2326 gesetzt Ein aus für epitaktisches Abscheiden geeignetem Material bestehendes flaches Substrat 234 wird in die Vertiefung 226 gebracht

Wie bei den anderen Äusführungsbeispielen wird das

beladene Ofenschiffchen 212 nunmehr in einen von hochreinem Wasserstoff durchströmten Ofen gestellt Sodann wird die Ofenheizung eingeschaltet, um den Inhalt des Ofenschiffchens 212 auf eine oberhalb des

Schmelzpunktes der Chargeningredienzien liegende Temperatur zu erhitzen. Diese Temperatur wird so lange beibehalten, bis vollständiges Schmelzen und Homogenisieren der Chargeningredienzien sichergestellt ist. Außerdem gestattet es der um die Chargen befindliche Raum, daß die Chargen entgasen, wodurch unerwünschte Verunreinigungen entfernt werden. Aus den Chargen entstehen dann erste und zweite Lösungen 236 und 238, in deren geschmolzenem Lösungsmetall das Halbleitermetall und die Leitfähigkeitsmodifizierer gelöst sind. Da die Lösungen 236 und 238 nur geringes Volumen aufweisen (vgl. Fig. 3), ziehen sie sich aufgrund der Oberflächenspannung des Lösungsmetalls kugelförmig zusammen.

Der zweite Schieber 223 wird sodann in Richtung des Pfeiles 242 bewegt, bis er die erste Ausnehmung 214 vollständig verlassen hat. Wie aus F i g. 4 hervorgeht, können nunmehr das Stück 232a und das Gewicht 228 in der ersten Ausnehmung 214 auf die erste Lösung 236 fallen. Die durch das Gewicht 228 auf die erste Lösung ausgeübte Kraft sorgt für deren Ausbreitung über den gesamten Boden der ersten Ausnehmung in Form einer dünnen Schicht. Da der ursprünglich in die erste Lösung 236 eingebrachte Betrag an Halbleitermaterial nicht ausreicht, um das geschmolzene Lösungsmetall zu sättigen, wird ein Teil des Halbleitermaterials des Stückes 232 in der ersten Lösung gelöst, sobald dieses Halbleiterstück auf die erhitzte erste Lösung fällt. Dadurch wird erreicht, daß die erste Lösung bei der dann herrschenden Temperatur an Halbleitermaterial genau gesättigt ist.

Danach wird der erste Schieber 222 in Richtung des Pfeiles 240 bewegt, bis das Substrat 234 sich innerhalb der ersten Ausnehmung 214 befindet. Dadurch gelangt die Oberfläche des Substrats 234 in Kontakt mit der ersten, genau gesättigten Lösung 236. Die Temperatur des Ofens wird sodann erniedrigt, um das Ofenschiifchen 212 und seinen Inhalt abzukühlen. Dadurch wird in der genau gesättigten ersten Lösung 236 ein Teil des darin enthaltenen Halbleitermaterials ausgefällt, das sich auf der Oberfläche des Substrats 234 in Form einer ersten Epitaxialschicht niederschlägt. Gleichzeitig wird ein Teil der in der ersten Lösung enthaltenen Leitfähigkeitsmodifizierer in das Gitter der ersten Epitaxialschicht eingelagert, so daß letztere den gewünschten Leitfähigkeitstyp erhält. Da die erste Lösung in Form einer dünnen Schicht vorliegt, führt ihr Abkühlen nur zum Abscheiden des ausgefällten Halbleitermaterials mit lediglich minimalem Anteil an in der Lösung gebildeten Plättchen, so daß die erste Epitaxialschicht eine glatte, ebene Oberfläche aufweist.

Danach wird der zweite Schieber 223 nochmals in Richtung des Pfeiles 242 bewegt, bis er gänzlich aus der zweiten Ausnehmung 216 entfernt ist Gemäß Fig.5 wird damit erreicht, daß das Halbleiterstück 2326 und das Gewicht 230 in der zweiter. Ausnehmung 216 auf die zweite Lösung 238 fallen. Die von dem Gewicht 230 auf die zweite Lösung 238 ausgeübte Kraft sorgt für eine gleichmäßige Verteilung der Lösung auf dem Boden der zweiten Ausnehmung in Form einer dünnen Schicht Da to die ursprünglich in der zweiten Lösung 238 enthaltene Menge an Halbleitermaterial zur vollständigen Sättigung des geschmolzenen Lösungsmittels nicht ausreicht, wird nach dem Herabfallen des Halbleiterstücks 2326 auf die zweite Lösung ein Teil seines Materials in dieser gelöst, bis die zweite Lösung an Halbleitermaterial bei der dann herrschenden Temperatur exakt gesättigt ist.

Der erste Schieber 222 wird sodann nochmals in

Richtung des Pfeiles 240 bewegt, wodurch das Substrat 234 mit der darauf befindlichen ersten Epitaxialschicht aus der ersten Ausnehmung 214 in die zweite Ausnehmung 216 gelangt. Dadurch kommt die Oberfläche der ersten Epitaxialschicht mit der zweiten Lösung 238 in Kontakt. Wie beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung neigt beim Bewegen des Substrats 234 aus der ersten Ausnehmung 214 die erste Lösung 236 eher dazu, am Halbleiterstück 232a zu haften als an der glatten, ebenen Oberfläche der ersten Epitaxialschicht, so daß, wenn überhaupt, nur geringe Mengen der ersten Lösung mit dem Substrat 234 wegbewegt werden. Dadurch wird, wie bereits erwähnt, eine nachteilige Verunreinigung der zweiten Lösung verhindert, wenn das Substrat 234 in die zweite Ausnehmung 216 gelangt. Nunmehr wird die Temperatur des Ofens weiter erniedrigt, was zu einer weiteren Abkühlung des Ofenschiffchens 212 und seines Inhalts führt. Dies hat gleichzeitig zur Folge, daß ein Teil des Halbleitermaterials in der zweiten Lösung 238 ausfällt und sich auf der ersten Epitaxialschicht als zweite Epitaxialschicht niederschlägt. Gleichzeitig gelangt ein Teil der in der zweiten Lösung 238 befindlichen Leitfähigkeitsmodifizierer in das Gitter der zweiten Epitaxialschicht, so daß auch diese den gewünschten Leitfähigkeitstyp erhält. Da die zweite Lösung ebenfalls in Form einer dünnen Schicht vorliegt, führt ihr Abkühlen nur zum Abscheiden des ausgefällten Halbleitermaterials, wobei nur ein minimaler Anteil an unerwünschten Plättchen entsteht, so daß die zweite Epitaxialschicht ebenfalls eine glatte, ebene Oberfläche aufweist.

Nunmehr wird der erste Schieber 222 nochmals in Richtung des Pfeiles 240 bewegt, so daß das Substrat 234 mit den zwei Epitaxialschichten aus der zweiten Ausnehmung 216 in die leere Ausnehmung 218 gelangt, durch die es aus dem Schieber entfernt werden kann. Auch beim Bewegen des Substrats 234 aus der zweiten Ausnehmung 216 neigt die zweite Lösung 238 eher dazu, am Halbleiterstück 2326 haften zu bleiben als an der glatten Oberfläche der zweiten Epitaxia'schicht, so daß, wenn überhaupt, nur unbeachtliche Partikeln der zweiten Lösung mit dem Substrat aus der Ausnehmung 216 bewegt werden. Damit wird die glatte, ebene Oberfläche der zweiten Epitaxialschicht beibehalten. Dieses dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt neben sämtlichen Vorteilen der zuvor beschilderten zweiten Ausführungsform den zusätzlichen Vorzug, daß es ein Ausgasen der Lösungen während ihres Erhitzens erlaubt, so daß viele unerwünschte Verunreinigungen aus den Lösungen entfernt werden.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Ausführungsbeispiele nur im Zusammenhang mit dem Abscheiden zweier Epitaxialschichten erläutert wurde, sind sämtliche Ausführungsbeispiele selbstverständlich auch dazu geeignet, mehr als zwei Epitaxialschichten abzuscheiden. Um mehr als zwei Epitaxialschichten auf dem Substrat niederzuschlagen, wird das Ofenschiffchen mit getrennten Ausnehmungen für jede Lösung, aus der eine Epitaxialschicht niedergeschlagen werden soll, versehen und in jeder Ausnehmung ein Gewicht vorgesehen. Die Epitaxialschichten werden dann auf dem Substrat in der beschriebenen Weise durch Bewegen des Substrats von einer Ausnehmung zur nächsten niedergeschlagen.

Schließlich ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel möglich, eine nennenswerte Mitnahme der Lösungen während der Bewegung des Substrats aus

einer Ausnehmung in die andere zu verhindern. Damit werden nachteilige Verunreinigungen der jeweils nachfolgenden Lösung, in die das Substrat gelangt, verhindert und gleichzeitig die glatte, ebene Oberfläche der letzten Epitaxialschicht erhalten. Ein zusätzlicher Vorteil ist mit der dritten Variante verbunden, da dort während des Erhitzens der Lösungen durch Entgasen unerwünschte Verunreinigungen entfernt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum nacheinander erfolgenden epitaktischen Abscheiden mehrerer Halbleiterschichten aufeinander mittels mehrerer voneinander getrennter Lösungen des Halbleitermaterials, mit denen das zu beschichtende Substrat bzw. die freie Oberfläche der jeweils zuletzt aufgebrachten Schicht nacheinander in Berührung gebracht werden, während jeweils eine Abkühlung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß auf jede Lösung jeweils solch ein Gewicht entgegen der Oberflächenspannung einwirkt, daß das Volumen jeder sich auf einen Teilbereich der Substratoberfläche zusammenziehenden Lösung sich über die gesamte zu behandelnde Subsiratoberfläche erstreckt und daß vor dem jeweiligen Kontakt zwischen dem Substrat bzw. der jeweils zuletzt aufgebrachten Schicht und den einzelnen Lösungen ein Halbleiterstück zur exakten Sättigung der Lösungen mit diesen in Verbindung gebracht wird, so daß das Substrat bzw. die jeweils zuletzt aufgebrachte Schicht jeweils auf eine exakt gesättigte Lösung treffen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterstück mit der dem Substrat zugewandten Oberfläche jeder Lösung nacheinander in Berührung gebracht wird, und zwar bevor das Substrat die jeweilige Lösung erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß getrennte Halbleiterstücke jeweils zwischen die Lösungen und die diesen zugeordneten Gewichte gelegt werden, so daß die Stücke die dem Substrat abgewandte Oberfläche d?r jeweiligen Lösung berühren.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstücke und die jeweils zugehörigen Gewichte mit den entsprechenden Lösungen nacheinander in Berührung kommen, und zwar kurz bevor das Substrat der jeweiligen Lösung zugeführt wird.