DE3526844C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bilden eines Kristalls aus einem Halbleiter, umfassend einen Züchtungs­ behälter zur Aufnahme des Substrats; eine Evakuierungsein­ richtung zum Evakuieren des Inneren des Züchtungsbehälters; Düseneinrichtungen und Ventileinrichtungen, die mit äuße­ ren Gasquellen zum Einleiten von Gasen verbunden sind; eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des Substrats und eine Tem­ peratursteuer- bzw. -regeleinrichtung zum Steuern bzw. Re­ geln der Heizeinrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bildung eines Kristalls aus einem Halb­ leiter unter Verwendung der vorgenannten Vorrichtung und die Verwendung dieser Vorrichtung zur Herstellung von spe­ ziellen Kristallen.

Nach dem Stande der Technik sind ein metall-organisch-che­ mischer Dampfablagerungsprozeß (der nachstehend als MO-CVD- Prozeß bezeichnet wird) und eine Molekularstrahlepitaxie (die nachstehend als MBE-Prozeß bezeichnet ist) als Dampf­ phasenepitaxialtechniken zum Ausbilden eines dünnen kristal­ linen Films aus einem Halbleiter bekannt. Gemäß dem MO-CVD- Prozeß werden die Elemente der Gruppen III und V, welche Quellen sind, und Wasserstoff oder ein ähnliches Gas, wel­ ches ein Träger ist, gleichzeitig in eine Reaktionskammer eingeführt, um das Wachsen eines Kristalls mittels thermi­ scher Zersetzung zu bewirken. Jedoch resultiert die ther­ mische Zersetzung in einer schlechten Qualität der durch Wachstum gebildeten Kristallschicht. Der MO-CVD-Prozeß ist auch insofern mangelbehaftet, als Schwierigkeiten bestehen, die Dicke der Schicht mit Genauigkeit so genau wie eine ein­ zelne Molekularschicht zu steuern.

Andererseits ist der MBE-Prozeß als Kristallwachstumspro­ zeß bekannt, bei dem Ultrahochvakuum angewandt wird. Die­ ser Prozeß umfaßt jedoch als ersten Verfahrensschritt eine physikalische Adsorption. Daher ist die Qualität des Kristalls vermindert bzw. schlecht gegenüber der Qualität eines Kristalls, der durch den CVD-Prozeß, bei dem eine chemische Reaktion angewandt wird, zur Verfügung gestellt wird. Für das Züchten eines III-V-Verbindungs­ halbleiters, wie beispielsweise GaAs gemäß dem MBE-Prozeß werden solche Elemente der Gruppen III und V als Quellen verwendet, und die Quellen selbst werden in einer Züch­ tungskammer vorgesehen. Daher ist es schwierig, die Menge an Gasen, die durch Erhitzen der Quellen erzeugt werden, zu steuern, sowie die Verdampfungsrate der Quellen zu steu­ ern und die Quellen wieder aufzufüllen, was Schwierigkeiten bereitet, eine konstante Wachstumsrate während einer langen Zeitdauer aufrechtzuerhalten. Außerdem wird die Evakuierungs­ einrichtung, welche zum Beispiel die verdampften Stoffe ab­ saugt, in ihrem Aufbau kompliziert. Weiterhin ist es schwie­ rig, die stöchiometrische Zusammensetzung des Verbindungs­ halbleiters genau zu steuern. Infolgedessen ist der MBE-Pro­ zeß insofern mangelhaft, als es damit nicht möglich ist, Kristalle hoher Qualität zu erhalten.

Aus der DD-PS 1 53 899 ist eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art bekannt, die dazu vorgesehen ist, damit ein Ver­ fahren des Dampfphasenwachstums eines kristallinen Films eines Verbundhalbleiters durchzuführen, und zwar durch ab­ wechselndes und wiederholtes Zuführen von Elementen des Verbundhalbleiters zu einem Substrat, so daß dadurch ein Kristall durch Oberflächenreaktion auf diesem Substrat wachsen gelassen wird. Es handelt sich hierbei um einen chemischen Dampfablagerungsprozeß, wie er im Prinzip wei­ ter oben angegeben ist und der die dort angegebenen Nach­ teile besitzt. In der Vorrichtung nach der DD-PS 1 53 899 wird ein Trägergas, das als ein Trenngas wirkt, dazu ver­ wendet, einerseits ein reaktives Gas in die Züchtungs­ kammer einzuleiten, und andererseits eine Reaktion zwischen den verschiedenen reaktiven Gasen in der Dampfphase zu ver­ hindern. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Ausfüh­ rungsformen beziehen sich auf nichtkristalline Filme, wie beispielsweise solche aus Ta₂O₅ und Al₂O₅, und auf II-VI- Halbleiter, wie beispielsweise ZnS und Zn _x Cd_1-x S. Jedoch sind diese II-VI-Halbleiter nicht deutlich als monokristal­ lin beschrieben. In derjenigen Ausführungsform dieser Druckschrift, die sich auf Pa₂O₅ bezieht, wird durch 2500 Zyklen eines abwechselnden Einleitens von Ta₂Cl₅ und von H₂O ein Film mit einer Dicke von 1000 Å erzeugt, was be­ deutet, daß mittels eines Zyklus ein Film mit einer Dicke von 0,4 Å erhalten wird. Ein solcher Film ist in hohem Maße unterschiedlich von einem Film, der aus einer einzi­ gen Molekularschicht besteht. Auch im Falle der Bildung von ZnS, wie sie in der DD-PS 1 53 899 beschrieben ist, wird durch 4500 Zyklen von abwechselndem Einleiten der entspre­ chenden Dämpfe ein Film einer Dicke von 4000 Å erzeugt, und das bedeutet, daß mittels eines Zyklus ein Film einer Dicke von etwa 0,9 Å erzeugt wird, der ebenfalls weit entfernt von einer einmolekularen Schicht ist.

Außerdem ist in der DE-OS 19 00 116 eine Vorrichtung zur Durchführung eines Kristallwachstumsverfahrens beschrieben, mit welcher ein konventioneller optischer chemischer Dampf­ ablagerungsprozeß (CVD-Prozeß) durchgeführt wird. Diese Vor­ richtung umfaßt zwar eine erste, Infrarotstrahlung emittie­ rende Einrichtung und eine zweite, Ultraviolettstrahlung emittierende Einrichtung. Jedoch ist es bei dieser Vorrich­ tung und der damit durchgeführten Gasphasenepitaxie sehr schwierig, eine Kontrolle des Filmwachstums mit einer Ge­ nauigkeit zu erreichen, die der Genauigkeit der Dicke einer einmolekularen Schicht entspricht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein unter Verwendung dieser Vorrichtung durchzuführendes Ver­ fahren zum Bilden eines Kristalls aus einem Halbleiter zur Verfügung zu stellen, womit es möglich ist, einen monokri­ stallinen Film hoher Qualität und hoher Reinheit auf einem Substrat mit einer Genauigkeit wachsen zu lassen, die der Genauigkeit der Dicke einer einmolekularen Schicht ent­ spricht.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von einem die Temperatur des Substrats detektierenden Strahlungs­ pyrometer der Temperatursteuer- bzw. -regeleinrichtung ein Temperaturrückkopplungssignal zugeführt wird, so daß da­ durch die Temperatur des Substrats gesteuert bzw. geregelt wird, daß die Heizeinrichtung als Infrarotstrahlung emit­ tierende Einrichtung ausgebildet ist und daß die Evakuie­ rungseinrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Ultra­ hochvakuums ist.

Ein Verfahren zur Bildung eines Kristalls aus einem Halb­ leiter unter Verwendung dieser Vorrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß nur solche Gase zugeführt werden, welche Bestandteilselemente des Kristalls enthalten, welcher auf dem Halbleiter aufwachsen soll, und daß die Ventileinrichtungen gemäß einer vorbestimmten Zeitaufein­ anderfolge zum abwechselnden Zuführen der die Bestandteils­ elemente enthaltenden Gase auf das Substrat geöffnet und geschlossen werden und die Anzahl der Zyklen des Zuführens der Gase so gewählt wird, daß eine Halbleiterkristall- Wachstumsschicht, die eine vorbestimmte Filmdicke hat, auf dem Substrat mit einer Genauigkeit so genau wie die Dicke einer einzelnen Molekularschicht gebildet wird.

Ein weiteres Verfahren zur Bildung eines Kristalls aus ei­ nem Element-Halbleiter unter Verwendung der Vorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß nur ein solches Gas zugeführt wird, welches das Element ei­ nes Kristalls enthält, der auf dem Substrat wachsen soll, und nur ein solches Gas, welches direkt mit dem das Element enthaltenden Gas reaktionsfähig ist, und wobei die Ventil­ einrichtungen gemäß einer vorbestimmten Zeitaufeinanderfolge zum abwechselnden Zuführen des das Element enthaltenden Gases und des mit letzterem Gas reaktionsfähigen Gases auf das Substrat geöffnet und geschlossen werden und die Anzahl der Zyklen des Zuführens der Gase so gewählt wird, daß eine Halb­ leiterkristall-Wachstumsschicht, die eine vorbestimmte Film­ dicke hat, auf dem Substrat mit einer Genauigkeit so genau wie die Dicke einer einzelnen Molekularschicht gebildet wird.

Schließlich kann nach der Erfindung die Verwendung der er­ findungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Si-Kri­ stalls auf dem Substrat oder zur Herstellung eines Kristalls aus GaAs auf dem Substrat oder zur Herstellung eines Kri­ stalls aus einem Elementhalbleiter oder Verbindungshalb­ leiter, der mit einer Verunreinigung bzw. Störstellen do­ tiert wird bzw. ist, auf dem Substrat erfolgen.

Die Erfindung unterscheidet sich also insbesondere insofern grundsätzlich von dem Gegenstand der DD-PS 1 53 899, als kein Trägergas verwendet wird. Es wird vielmehr nur ein Gas, das ein Bestandteilselement eines Halbleiters enthält, und ein Gas, das mit dem das Be­ standteilselement enthaltenden Gas reagierbar ist, bei der Erfindung verwendet.

Während bei dem Verfahren nach der DE-OS 19 00 116 Gase aus entsprechenden Gasquellen gleichzeitig und kontinuierlich zu dem Substrat zugeführt werden, werden bei dem Verfahren nach der Erfindung die Gase abwechselnd pulsierend zu dem Substrat zugeführt.

Im übrigen ist in der Vorrichtung nach der Erfindung die Heizquelle zum Erhitzen des Substrats außerhalb des Züch­ tungsbehälters, der auf Ultrahochvakuum evakuiert ist, vor­ gesehen, so daß aus dem Inneren des Züchtungsbehälters Teile eliminiert sind, die einen Heizer einschließen und die unnötig für das Kristallwachstum sind, so daß infolge­ dessen unnötige Gase, die Gase eines Schwermetalls ein­ schließen, welche aus dem Erhitzen durch interne Heizer resultieren, nicht erzeugt werden und daher das Wachstum eines Kristalls hoher Reinheit erzielt werden kann. Weiter kann aufgrund der Verwendung eines Strahlungspyrometers als Mittel zum Detektieren der inneren Temperatur des Züchtungs­ behälters eine kontaktlose Detektion der Temperatur er­ zielt werden. Daher wird ein Element, wie es ein Thermo­ element ist, welches die Tendenz hat, durch ein reakti­ ves Gas angegriffen zu werden, eliminiert, so daß auf die­ se Weise die Gebrauchslebensdauer und die Wartungsdauer des Temperaturdetektors ausgedehnt wird, und so daß die Frei­ setzung von Extragasen, die ein Gas aus einem Schwermetall umfassen, aufgrund eines direkten Erhitzens nicht auftre­ ten kann, so daß ein Wachstum eines Kristalls hoher Rein­ heit von diesem Gesichtspunkt her erzielt wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung ist diese so aus­ gebildet, daß sie weiter eine Quarzplatte umfaßt, welche den oberen Teil des Züchtungsbehälters bildet, der auf einem Ultrahochvakuum gehalten wird, und einen die Quarz­ platte überdeckenden optischen Spiegel zum Fokussieren der Infrarotstrahlung, die von der Infrarotstrahlung emittie­ renden Einrichtung emittiert wird, auf das Substrat. Auf diese Weise kann das Substrat effektiv erhitzt werden, ohne daß vergeudender Verbrauch von Energie stattfindet, so daß die Temperatur des Substrats genau gesteuert bzw. geregelt werden kann.

Andere Weiterbildungen der Vorrichtung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung sei nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fi­ guren der Zeichnungen anhand einiger besonders bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht, welche den Aufbau einer Vorrichtung zum Bilden von Halbleiterkristallen, die vorher von den Erfindern entwickelt worden ist, zeigt;

Fig. 2 eine schematische Ansicht, welche den Aufbau einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bilden von Halbleiterkristallen gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 3 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen der Wellenlänge und den Transmissionsfaktoren des Saphirfensters und der Glasplatte, die in Fig. 2 gezeigt sind, veranschaulicht;

Fig. 4 eine schematische Ansicht, welche den Aufbau einer anderen Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.

Bevor die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in deren Einzelheiten beschrieben werden, seien zunächst der Aufbau und die Betriebsweise einer Halblei­ terkristallbildungseinrichtung in der Ausführung, wie sie kürzlich von den Erfindern entwickelt wurde, zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Es sei hierzu auf Fig. 1 Bezug genommen, die einen Züch­ tungsbehälter 1 zum Züchten von Kristallen zeigt, der aus einem Metall, beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt ist. Der Züchtungsbehälter 1 ist durch ein Absperrventil 2 mit einer Evakuierungseinrichtung 3 verbunden, die das Innere des Züchtungsbehälters 1 auf ein Ultrahochvakuum evakuiert. Düseneinrichtungen 4 und 5 in Form von Düsen erstrecken sich in den Züchtungsbehälter 1 zum Einführen von gasförmigen Verbindungen, die Bestandteilselemente der III. bzw. V. Gruppe enthalten, so daß dadurch die Züchtung eines III-V-Verbindungshalbleiters auf einem Substrat 12 bewirkt wird, das in dem Züchtungsbehälter 1 angeordnet ist. Die Düseneinrichtungen 4 und 5 sind mit Ventileinrich­ tungen 6 und 7 in Form von Ventilen versehen, mittels deren die eingeführten Mengen an gasförmigen Verbindungen 8 und 9, welche die Bestandteilselemente der Gruppe III bzw. V enthalten, gesteuert werden. Ein Heizer 10 zum Erhitzen des Substrats 12 ist in dem Züchtungsbehälter 1 vorgesehen, und ein Thermoelement 11 ist zur Messung der Temperatur des Substrats 12 mit dem Heizer 10 verbunden. Der Heizer 10 weist einen Wolframfaden auf, der in einem Quarzglas­ rohr abgedichtet vorgesehen ist, und das Substrat 12 aus einem Verbindungshalbleiter ist auf dem Heizer 10 ange­ bracht. Ein Druckmeßinstrument 13 zum Messen des Werts des internen Vakuums ist auf dem Züchtungsbehälter 1 vorgese­ hen.

Ein monokristalliner dünner Film eines Verbindungshalb­ leiters wird in einer weiter unten beschriebenen Weise mit­ tels der Vorrichtung gebildet, die den in Fig. 1 gezeigten Aufbau hat. Es sei zum Beispiel der Fall eines epitaxialen Wachsens eines Einkristalls aus GaAs auf dem Substrat 12 aus GaAs angenommen. Zunächst wird der Züchtungsbehälter 1 auf ein Vakuum von etwa 10^-7 bis 10^-8 Pascal (nachste­ hend als Pa abgekürzt) evakuiert, indem das Absperrventil 2 geöffnet und die Evakuierungseinrichtung 3 betrieben wird. Dann wird das aus GaAs bestehende Substrat 12 mittels des Heizers 10 auf 300 bis 800° C erhitzt, gasförmiges TMG (Trimethylgallium) als Verbindung 8 wird als Gas, welches Ga enthält, dadurch in den Züchtungsbehälter 1 eingeführt, daß man die Ventileinrichtung 6 0,5 bis 10 s offen hält und den Innendruck des Züchtungsbehälters 1 auf 10^-1 bis 10^-7 Pa hält. Nach dem Schließen der Ventileinrichtung 6 und dem Absaugen des Gases aus dem Inneren des Züchtungs­ behälters 1 wird gasförmiges AsH₃ (Arsin) 9 als As ent­ haltendes Gas in den Züchtungsbehälter 1 eingelassen, in­ dem man die Ventileinrichtung 7 für 2 bis 200 s offen und den Innendruck des Züchtungsbehälters 1 auf 10^-1 bis 10^-7 Pa hält. Infolgedessen wächst mindestens eine Mole­ kularschicht GaAs auf dem Substrat 12 auf.

Auf diese Weise kann mit der vorstehend erläuterten Vor­ richtung, wie sie früher von den Erfindern verwendet wor­ den ist, die Züchtung eines monokristallinen dünnen Films von GaAs, der eine gewünschte Dicke hat, mit einer Genauig­ keit so genau wie eine einmolekulare Schicht erzielt wer­ den, indem man den Prozeß des Wachsens der monomolekularen Schicht in der vorstehend beschriebenen Weise wiederholt. Jedoch kommt es, weil der Heizer 10 in dem Züchtungsbehäl­ ter 1 zum Heizen des Substrats 12 vorgesehen ist, dazu, daß wegen der Erhitzung durch den Heizer 10 Extragase von Elementen, die Schwermetall umfassen, ausströmen, was es schwierig macht, Kristalle guter Qualität, die eine hohe Reinheit haben, zu erhalten.

Um die vorstehende Schwierigkeit zu überwinden, wird erfin­ dungsgemäß eine verbesserte Vorrichtung zur Verfügung gestellt, mit der die Züchtung von Einkristallen von Halbleitern er­ zielt werden kann, die eine bessere Reinheit haben.

Fig. 2 zeigt eine der bevorzugtesten Ausführungsformen, wobei in Fig. 2 die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen oder äquivalenter Teile, die in Fig. 1 erschei­ nen, verwendet worden sind, um eine wiederholte Beschrei­ bung dieser Teile zu vermeiden. Es werden daher nachste­ hend nur solche Teile beschrieben, die sich von denjenigen, welche in Fig. 1 gezeigt sind, unterscheiden.

Es sei nun auf Fig. 2 Bezug genommen, wonach das aus GaAs bestehende Substrat 12 auf einem Aufnehmer 14 vorgesehen ist, der allein aus Quarz ausgebildet ist. Eine Quarzplatte 17, die einen Durchtritt von Infrarotstrahlung gestattet, bildet den oberen Teil des Züchtungsbehälters 1, dessen Inneres auf einem Ultrahochvakuum gehalten wird. Eine In­ frarotemissionslampe ist als Infrarotstrahlung emittieren­ de Einrichtung 15, die als Heizquelle dient, oberhalb der Quarzplatte 17 angeordnet, und der Raum oberhalb der Quarz­ platte 17 ist mit einem ellipsoiden Reflexionsspiegel 16 abgedeckt, so daß die von der Einrichtung 15 emittierte Infrarotstrahlung wirksam auf das Substrat 12 konzentriert oder fokussiert werden kann. Eine Glasplatte 18 ist direkt oberhalb der Quarzplatte 17 vorgesehen, so daß die Strah­ lung, die eine Wellenlänge von mehr als 3 µm hat und in der Strahlung vorhanden ist, welche von der Einrichtung 15 emittiert wird, mittels der Glasplatte 18 abgeschirmt wer­ den kann. Weiter kann der elliptische bzw. ellipsoide Re­ flexionsspiegel 16 mit einem optischen System, beispiels­ weise einem Fenster 30, und einer zugehörigen Lichtquelle als zweite Strahlung emittierende Einrichtung 31 versehen sein, womit Licht, das eine spezifische Wellenlänge hat, auf das Substrat 12 gerichtet wird. Die Einzelheiten einer solchen Anordnung sind weiter unten beschrieben.

Damit die Temperatur des Substrats 12 ohne die Verwendung eines Thermoelements indirekt gemessen werden kann, ist ein Saphirfenster 19 mit dem Züchtungsbehälter 1 verbunden, durch das Licht übertragen werden kann, welches von dem Substrat 12 abgestrahlt wird, und das von dem Substrat 12 ab­ gestrahlte Licht wird mittels eines Strahlungspyrometers 20 gemessen. Ein Signal, welches den Wert der Temperatur angibt, die mittels des Strahlungspyrometers 20 gemessen wird, wird einer Temperatursteuer- bzw. -regeleinrichtung 21 zugeführt, und die Abweichung des gemessenen Temperatur­ werts von einem gewünschten Wert wird einer Proportional- plus Integral- plus Ableitungsberechnung in der Temperatur­ steuer- bzw. -regeleinrichtung 21 unterworfen, und der re­ sultierende Wert wird zum Steuern bzw. Regeln der Ausgangs­ leistung der Einrichtung 15 benutzt.

Fig. 3 ist eine Kurvendarstellung, welche die Relation zwischen der Wellenlänge und dem Transmissionsfaktor der Glasplatte 18 und des Saphirfensters 19 zeigt. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß das Saphirfenster 19 eine Transmission von fast 80% der Strahlung gestattet, die eine Wellenlänge bis zu etwa 4,5 µm hat, während andererseits die Glasplatte 18 Strahlung abschirmt, die eine Wellenlänge bis zu etwa 3 µm hat. Wenn daher das Temperaturdetektionswellenlängen­ band des Strahlungspyrometers 20 so gewählt wird, daß es innerhalb des schraffierten Bereichs in Fig. 3 liegt, kann das Strahlungspyrometer 20 genau die Temperatur des Sub­ strats 12 detektieren, ohne daß es nachteilig durch die Strahlung mit denjenigen Wellenlängen beeinflußt wird, die von dem Substrat 12 reflektiert werden, auf das die Strah­ lung von der Einrichtung 15 gerichtet ist, da das Strahlungs­ pyrometer 20 dann nur solche Komponenten empfängt, die von dem Substrat 12 ausgestrahlt werden.

Im Betrieb der Vorrichtung, die den oben beschriebenen Auf­ bau hat, wird das Strahlungspyrometer 20 so eingestellt, daß es das von der Oberfläche des Substrats 12 ausgestrahl­ te Licht empfängt, und ein Datenwert, der die gewünschte Temperatur des Substrats 12 angibt, wird in der Temperatur­ steuer- bzw. -regeleinrichtung 21 eingestellt. Die Tempe­ ratur des Substrats 12, die mittels des Strahlungspyrome­ ters 20 gemessen wird, wird mit der in der Temperatursteuer- bzw. -regeleinrichtung 21 eingestellten Temperatur vergli­ chen, und die Differenz oder der Fehler wird der PID-Be­ rechnung unterworfen, das resultierende Signal wird der Aussteuerschaltung für die Einrichtung 15 zugeführt. In­ folgedessen arbeitet die Einrichtung 15 dahingehend, daß sie ihre maximale Ausgangsleistung erzeugt und sich die Oberflächentemperatur des Substrats 12 der eingestellten Temperatur innerhalb einer kurzen Zeitdauer nähert. Zum Beispiel ist die Zeitdauer, die zum Erhöhen der Tempera­ tur des Substrats 12 von Raumtemperatur bis zu 600° C er­ forderlich ist, nur etwa 10 Sekunden, die Temperatur des Substrats 12 während des Prozesses des Kristallwachstums kann innerhalb eines Bereichs von weniger als ±5° C über bzw. unter der eingestellten Temperatur gehalten werden.

Die anderen Verfahrensschritte mit Ausnahme des Verfahrens­ schrittes des Erhitzens mittels der Einrichtung 15 sind die gleichen, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrie­ ben worden sind. Es sei nun angenommen, daß die gasförmige Verbindung 8, die das Element der Gruppe III enthält, AsH₃ ist und daß die gasförmige Verbindung 9, die das Element der Gruppe V enthält, TMG ist. Das Absperrventil 2 wird geöffnet, und die Evakuierungseinrichtung 3 wird so be­ trieben, daß sie das Innere des Züchtungsbehälters 1 auf ein Vakuum von etwa 10^-7 bis 10^-8 Pa evakuiert. Jetzt wird das aus GaAs bestehende Substrat 12 durch die Ausgangs­ leistung der Einrichtung 15 bis auf etwa 300 bis 800° C er­ hitzt. Die Ventileinrichtung 6 wird 0,5 bis 10 Sekunden offen gehalten, um das TMG-Gas in den Züchtungsbehälter 1 einzulassen, während der Innendruck des Züchtungsbehälters 1 auf 10^-1 bis 10^-7 Pa gehalten wird. Nach dem Schließen der Ventileinrichtung 6 und dem Absaugen der Gase aus dem Inneren des Züchtungsbehälters 1 wird nun die Ventilein­ richtung 7 für 2 bis 200 Sekunden offen gehalten, um das AsH₃-Gas in den Züchtungsbehälter 1 hineinzulassen, wäh­ rend der Innendruck des Züchtungsbehälters 1 auf 10^-1 bis 10^-7 Pa gehalten wird.

Infolgedessen wächst wenigstens eine molekulare Schicht von kristallinem GaAs auf der Oberfläche des aus GaAs be­ stehenden Substrats 12 in jedem Zyklus auf. Diese gewach­ sene Kristallschicht hat eine hohe Reinheit und eine gute Qualität, da keine Heizquelle in dem Züchtungsbehälter 1 vorhanden ist, und demgemäß unnötige Gase von Elementen, die ein Schwermetall umfassen, nicht erzeugt werden.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform, die zum Dotieren mit Verunreinigungen ausgebildet ist. Insoweit die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform eine Abwandlung der Ausführungs­ form der Fig. 2 ist, werden die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen oder von äquivalenten Teilen, die be­ reits in Fig. 2 gezeigt sind, verwendet. Die in Fig. 4 ge­ zeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten insofern, als zusätzlich Düseneinrichtungen 22 und 23 in Form von Düsen zum Einführen von gasförmigen Ver­ bindungen zum jeweiligen Dotieren mit Dotierelementen vor­ gesehen sind, und Ein-Aus-Ventile sind als Ventileinrich­ tungen 24 und 25 jeweils in den Zuführungsleitungen zu den Düseneinrichtungen 22 und 23 vorgesehen, so daß kontrollier­ te Mengen an gasförmiger Verbindung 26, die ein Element der Gruppe II enthält, und an einer anderen gasförmigen Verbin­ dung 27, die ein Element der Gruppe VI enthält, in den Züchtungsbehälter 1 eingelassen werden können.

Es sei nun der Fall der Bildung einer Wachstumsschicht vom p-Typ mittels der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung ange­ nommen. In diesem Fall werden drei Gase, nämlich zum Bei­ spiel gasförmiges TMG (Trimethylgallium) als gasförmige Verbindung 8, gasförmiges AsH₃ (Arsin) als gasförmige Ver­ bindung 9 und gasförmiges ZMZn (Dimethylzink) als gasför­ mige Verbindung 26, das ein Dotierungsgas ist, zyklisch in den Züchtungsbehälter 1 eingeleitet. Gemäß einem ande­ ren Verfahren werden das als gasförmige Verbindung 8 ver­ wendete TMG-Gas und als gasförmige Verbindung 26 ver­ wendete ZMZn-Gas gleichzeitig, jedoch abwechselnd mit dem als gasförmige Verbindung 9 verwendeten AsH₃-Gas eingelei­ tet, oder das als gasförmige Verbindung 9 verwendete AsH₃- Gas und das als gasförmige Verbindung 26 verwendete ZMZn- Gas werden gleichzeitig, jedoch abwechselnd mit dem als gasförmige Verbindung 8 verwendeten TMG-Gas eingeleitet, um eine Dotierung mit dem p-Typ-Element zu bewirken.

Das Dotierungsgas kann ZMCd-Gas (Dimethylcadmium), ZMMg-Gas (Dimethylmagnesium), SiH₄-Gas (Monositan), GeH₄- Gas (German) oder dergleichen sein.

Andererseits werden, wenn die Bildung einer Wachstums­ schicht vom n-Typ gewünscht wird, gasförmiges ZMSe (Di­ methylselen) als gasförmiges Dotierungsgas 27, gasförmi­ ges TMG als gasförmige Verbindung 8 und gasförmiges AsH₃ als gasförmige Verbindung 9 zyklisch in den Züchtungsbe­ hälter 1 eingeleitet. Ein anderes Verfahren besteht darin, das als gasförmige Verbindung 8 verwendete TMG-Gas und das als gasförmige Verbindung 27 verwendete ZMSe-Gas gleich­ zeitig einzuleiten, jedoch wechselnd mit AsH₃-Gas als gas­ förmige Verbindung 9, und zwar zum Dotieren mit der Stör­ stelle vom n-Typ.

Das Dotierungsgas kann ZMS-Gas (Dimethylschwefel), H₂S-Gas (Wasserstoffsulfid), H₂Se-Gas (Wasserstoffselenid) oder dergleichen sein.

In diesem Falle wird die Strömungsrate des einzuleitenden Dotierungsgases vorzugsweise so gewählt, daß sie zum Beispiel um 10^-3 bis 10^-6 geringer als diejenige von dem als gasförmige Verbindung 9 verwendeten AsH₃-Gas und dem als gasförmige Verbindung 8 verwendeten TMG-Gas ist, und die zeitliche Länge des Gaseinleitens wird vorzugsweise so gewählt, daß sie etwa 0,5 bis 10 Sekunden beträgt, so daß eine molekulare epitaxiale Wachstumsschicht gebildet wird, welche eine gewünschte Verunreinigungs- bzw. Stör­ stellenkonzentrationsverteilung in der dickenweisen Rich­ tung hat. Weiter ist es ersichtlich, daß es durch geeig­ nete Regulierung des Betrags und der Dauer des Einführens des Verunreinigungsgases möglich ist, pn-Übergänge, un­ gleichförmige Störstellenkonzentrationsverteilungen, bi­ polare Transistorstrukturen, wie beispielsweise npn-, npin-, pnp- und pnip-Strukturen, Feldeffekttransistorstrukturen, wie beispielsweise n⁺in⁺- und n⁺n⁻n⁺-Strukturen, elektro­ statische Induktionstransistorstrukturen, pnpn-Thyristor­ strukturen, etc. zu erzielen.

Weiter kann, obwohl das in den vorerwähnten Ausführungs­ formen nicht speziell beschrieben worden ist, ein opti­ sches System, beispielsweise ein Fenster 30, auf dem ellip­ tischen Reflexionsspiegel 16 angebracht sein, und eine externe Strahlung emittierende Einrichtung 31, beispiels­ weise eine Quecksilberlampe, eine Schwerwasserstofflampe, eine Xenonlampe, ein Exzimer-Laser oder ein Argonlaser können so vorgesehen sein, daß Strahlung, die eine Wellen­ länge von 180 bis 600 nm hat, nach dem und auf das Sub­ strat 12 gerichtet wird. Wenn derartige Teile vorgesehen sind, kann die Temperatur des Substrats 12 vermindert wer­ den, um ein Wachsen eines Einkristalls zu bewirken, der eine höhere Qualität hat. Es scheint überflüssig, darauf hinzuweisen, daß mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung die gewünschte Wirkung selbst in Abwesenheit der Kombi­ nation des optischen Systems, beispielsweise des Fensters 30, und der Strahlung emittierenden Einrichtung 31 erzielt werden kann.

Die vorerwähnten Ausführungsformen bezogen sich zwar prin­ zipiell auf die Bildung einer Kristallwachstumsschicht von GaAs als Beispiel. Jedoch ist ohne weiteres ersichtlich, daß mit gleicher Wirksamkeit die Bildung von III-V-Ver­ bindungen unter Einschluß von InP, AlP und GaP durchführ­ bar ist. Die vorliegende Vorrichtung ist außerdem anwend­ bar für die Bildung von Mischkristallen, wie beispielswei­ se Ga_(1-x)Al _x As und Ga_(1-x)Al _x As_(1-y)P _y . Auch ist das Ma­ terial des Substrats 12 in keiner Weise auf GaAs beschränkt, und ein Substrat 12 von irgendeinem anderen Verbindungs­ halbleiter kann für das Züchten einer Heteroepitaxial­ schicht verwendet werden.

Obwohl sich weiterhin die vorerwähnten Ausführungsformen auf die Bildung eines Verbindungshalbleiters als Beispiel bezogen haben, sind die vorliegende Vorrichtung und das beschriebene Verfahren in keiner Weise auf die Bildung eines solchen speziellen Halbleiters beschränkt, sondern sie sind vielmehr in gleicher Weise wirksam und erfolg­ reich zur Kristallzüchtung eines Elementhalbleiters eines einzigen Elements, wie beispielsweise eines solchen, das zur Gruppe IV gehört, anwendbar. In diesem Falle kann das Kristallwachstum durch die Kombination von H₂-Gas und reak­ tivem Gas, wie beispielsweise SiCl₄, SiHCl₃, SiH₂Cl₂ oder dergleichen Chloriden, erzielt werden, wenn der Element­ halbleiter Silicium ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß unter "Wiederholen" ein Wie­ derholen so oft, wie gewünscht, zu verstehen ist, also ins­ besondere ein mehrmaliges Wiederholen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Bilden eines Kristalls aus einem Halb­ leiter, umfassend einen Züchtungsbehälter zur Aufnahme des Substrats; eine Evakuierungseinrichtung zum Evakuieren des Inneren des Züchtungsbehälters; Düseneinrichtungen und Ven­ tileinrichtungen, die mit äußeren Gasquellen zum Einleiten von Gasen verbunden sind; eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des Substrats und eine Temperatursteuer- bzw. -regeleinrich­ tung zum Steuern bzw. Regeln der Heizeinrichtung, dadurch dadurch gekennzeichnet, daß von einem die Temperatur des Substrats (12) detektierenden Strahlungspyrometer (20) der Temperatursteuer- bzw. -regeleinrichtung (21) ein Tempe­ raturrückkopplungssignal zugeführt wird, so daß dadurch die Temperatur des Substrats (12) gesteuert bzw. geregelt wird, daß die Heizeinrichtung als Infrarotstrahlung emittierende Einrichtung (15) ausgebildet und außerhalb des Reaktors an­ geordnet ist und daß die Evakuierungseinrichtung (3) eine Einrichtung zur Erzeugung eines Ultrahochvakuums ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie weiter eine Quarzplatte (17) um­ faßt, welche den oberen Teil des Züchtungsbehälters (1) bil­ det, der auf einem Ultrahochvakuum gehalten wird, und einen die Quarzplatte (17) überdeckenden optischen Spiegel (16) zum Fokussieren der Infrarotstrahlung, die von der Infrarot­ strahlung emittierenden Einrichtung (15) emittiert wird, auf das Substrat (12).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie eine zweite Strahlung emittierende Einrichtung (31) umfaßt, die unabhängig von der Infrarotstrah­ lung emittierenden Einrichtung (15) zum Emittieren und Rich­ ten von Strahlung nach dem und auf das Substrat (12) vorge­ sehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Infrarotstrahlung emittierende Einrichtung (15) am oberen Teil des Züchtungsbehälters (1) angeordnet ist und die von derselben emitterte Infrarotstrah­ lung mittels eines elliptischen bzw. ellipsoiden Reflexions­ spiegels (16) durch eine Quarzplatte (17) auf das Substrat (12) fokussiert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der elliptische bzw. ellipsoide Re­ flexionsspiegel (12) ein Fenster (30) zum Durchgang von auf das Substrat (12) gerichteter Strahlung aufweist.

6. Verfahren zur Bildung eines Kristalls aus einem Halb­ leiter unter Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur solche Gase zugeführt werden, welche Bestandteilselemente des Kristalls enthalten, welcher auf dem Halbleiter aufwach­ sen soll, und daß die Ventileinrichtungen (6, 7) gemäß einer vorbestimmten Zeitaufeinanderfolge zum abwechselnden Zufüh­ ren der die Bestandteilselemente enthaltenden Gase auf das Substrat (12) geöffnet und geschlossen werden und die Anzahl der Zyklen des Zuführens der Gase so gewählt wird, daß eine Halbleiterkristall-Wachstumsschicht, die eine vorbestimmte Filmdicke hat, auf dem Substrat (12) mit einer Genauigkeit so genau wie die Dicke einer einzelnen Molekularschicht ge­ bildet wird.

7. Verfahren zur Bildung eines Kristalls aus einem Ele­ ment-Halbleiter unter Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein solches Gas zugeführt wird, welches das Ele­ ment des Elementhalbleiters enthält, der auf dem Substrat (12) wachsen soll, und nur ein solches Gas, welches direkt mit dem das Element enthaltenden Gas reaktionsfähig ist, und wobei die Ventileinrichtungen (6, 7, 24, 25) gemäß einer vorbestimmten Zeitaufeinanderfolge zum abwechselnden Zu­ führen des das Element enthaltenden Gases und des mit letz­ terem Gas reaktionsfähigen Gases auf das Substrat (12) ge­ öffnet und geschlossen werden und die Anzahl der Zyklen des Zuführens der Gase so gewählt wird, daß eine Halbleiter­ kristall-Wachstumsschicht, die eine vorbestimmte Filmdicke hat, auf dem Substrat (12) mit einer Genauigkeit so genau wie die Dicke einer einzelnen Molekularschicht gebildet wird.

8. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5 zur Herstellung eines Si-Kristalls auf dem Substrat (12).

9. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5 zur Herstellung eines Kristalls aus GaAs auf dem Sub­ strat (12).

10. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Her­ stellung eines Kristalls aus einem Elementhalbleiter oder Verbindungshalbleiter, der mit einer Verunreinigung bzw. Stör­ stellen dotiert wird bzw. ist, auf dem Substrat (12).