DE3635279A1 - Gasphasen-epitaxieverfahren fuer einen verbindungs-halbleiter-einkristall und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasphasen-Epitaxieverfahren für einen Verbindungshalbleiter-Einkristall und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Gasphasen-Epitaxieverfahren für einen Verbindungshalbleiter, wie beispielsweise GaAs, was eines der typischen insoweit bekannten Elemente ist, schließen ein Chlorid-Verfahren, ein Hydrid-Verfahren, das sogenannte MO-CVD-Verfahren u.ä. ein.

Sowohl das Chlorid- als auch das Hydrid-Verfahren sind keine Verfahren, um gasförmige Komponenten, welche Ga enthalten, von der Außenseite eines Reaktionsrohrs zuzuführen, sondern um normalerweise AsCl₃ und HCl mit einem H₂-Gas als einem Trägergas in ein Reaktionsrohr einzubringen, damit es in dem Rohr mit Ga reagiert und um dann ein Ga-Chlorid auf die Grundplatte zu leiten, damit ein GaAs-Einkristall aufwächst.

Sowohl das Chlorid- als auch das Hydrid-Verfahren haben den Nachteil, daß es schwierig ist, gleichzeitig ein Verhältnis zwischen einer Ga enthaltenden Gaskomponente und einer As enthaltenden Gaskomponente zu ändern und die Stöchiometrie eines GaAs-Kristalls zu steuern.

Andererseits wird bei dem MO-CVD-Verfahren eine organische Metallverbindung als Ga-Quelle verwendet, und daher ist es möglich, gleichzeitig ein Verhältnis zwischen einer Ga ent­ haltenden Gaskomponente und einer As enthaltenden Gaskompo­ nente zu verändern mit dem Ergebnis, daß das MO-CVD-Verfah­ ren den Vorteil hat, daß die Stöchiometrie gesteuert werden kann, jedoch den Nachteil hat, daß die Kristallqualität geringwertiger ist als diejenige bei den Chlorid- und Hydrid- Verfahren.

Gemäß der Erfindung soll daher ein Gasphasen-Epitaxieverfah­ ren für einen Verbindungshalbleiter-Einkristall und eine Ein­ richtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden, mit welchen eine dünne Epitaxieschicht hoher Güte erzeugt werden kann, während gleichzeitig die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwunden sind. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Gasphasen-Epitaxieverfahren für einen Verbindungshalbleiter-Einkristall nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Ge­ genstand der Unteransprüche 2 bis 10. Ferner ist dies mit einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 11 erreicht, wobei vorteilhafte Weiterbildungen Gegenstand der Unteran­ sprüche 12 bis 14 sind. Hierzu wird bei dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren als Trägergas nicht H₂ oder He verwendet, und nur die gasförmige Molekülverbindung, welche ein Komponen­ tenelement enthält, und die gasförmige Molekülverbindung, welche das andere Komponentenelement enthält, werden unter vermindertem Druck in ein Reaktionsrohr unabhängig voneinan­ der von der Außenseite des Reaktionsrohrs zugeführt, welches eine Aufwachskammer ist, um es dadurch der Oberfläche des GaAs-Grundplatten-Kristalls zuzuführen, welcher in dem Reak­ tionsrohr angeordnet ist, um dadurch den Verbindungshalbei­ ter-Einkristall epitaktisch aufzuwachsen.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung weist einen Speicherteil für das Verbindungsgas, welches ein Element enthält, wobei der Speicherteil (in Strömungsrichtung) vor einem Reaktions­ rohr angeordnet und mit diesem in Verbindung steht, und ei­ nen weiteren Speicherteil für ein Verbindungsgas auf, wel­ ches das andere Element enthält, wobei Rohgas, dessen Dampf­ druck durch einen Heizteil erhöht worden ist, um dadurch den Dampfdruck der Verbindungsmoleküle zu erhöhen, der Oberfläche der Verbindungshalbleiter-Grundplatte zugeführt wird, welche in dem Reaktionsrohr untergebracht ist.

Die Temperaturverteilung und die Gasströmungsgeschwindigkeit werden in dem Reaktionsrohr gesteuert, um dadurch die epi­ taktische Aufwachsgeschwindigkeit des Verbindungshalbleiters zu steuern.

Außerdem kann das Rohgas einer optischen Dissosation in dem Reaktionsrohr mittels eines Lasers, einer Hochdruck-Queck­ silberlampe u.ä. unterzogen werden, um dadurch das epitak­ tische Wachsen bei niedriger Temperatur zu bewirken.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Aus­ führungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeich­ nungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer GaAs-Einkristall- Aufwachseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung eines Beispiels von Temperaturverteilung in einem Reaktionsrohr;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Aufwachsgeschwin­ digkeit als Parameter der Aufwachstemperatur, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Einrichtung mit einer optischen Bestrahlung in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Das Verfahren und die Einrichtung zum Aufwachsen eines Verbindungshalbleiter-Einkristalls gemäß der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In Fig. 1 ist der Aufbau einer Einrichtung zum Aufwachsen eines GaAs-Einkristall gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Einrichtung weist im wesentlichen ein Reaktionsrohr 1 aus Quarz und einen darin angordneten Sub­ stratkristall 2, einen Elektroofen 3 mit einem Niedrigtem­ peraturteil 31, welcher am Umfang des Reaktionsrohrs 1 vor­ gesehen ist, um den Kristall 2 zu heizen, und mit einem Hoch­ temperaturteil 32, der (in Strömungsrichtung) vor dem Nie­ drigtemperaturteil 31 angeordnet ist, einen GaCl₃-(Gallium- Trichlorid)Zylinder 4, welcher (in Strömungsrichtung gesehen) vor dem Reaktionsrohr 1 angeordnet und mit diesem über ein veränderliches Durchflußventil 5 und ein Absperrventil 6 ver­ bunden ist, einen Elektroofen 7 zum Heizen des gesamten Rohrs einschließlich des Zylinders 4, das nach dem Zylinder 4 strömungsabwärts angeordnete Ventil 5 das Sperrventil 7 und einen AsH₃-(Arsin)Gasspeicherteil 9 auf, welcher über einen Durchflußmesser 8 und ein Sperrventil 11 mit dem Reaktions­ rohr 1 in Verbindung steht. Der Elektroofen 7 ist so ausge­ legt, daß die Temperatur des Zylinders 4 zum Heizen auf an­ nähernd 130°C gehalten wird, um das gesamte Rohr einschließ­ lich der Ventile 5 und 6 auf etwa 150°C zu halten. Das Rohr, welches (in Strömungsrichtung gesehen) vor dem Durchfluß­ messer 8 angeordnet ist, ist in zwei Abschnitte verzweigt, wobei ein Rohr über das Sperrventil 11 mit dem Gasspeicher­ teil 9 in Verbindung steht, und das andere Rohr über ein Sperrventil 12 mit dem H₂-Gas-Speicherteil 10 in Verbindung steht. In Strömungsrichtung nach dem Reaktionsrohr 1 sind ein Druckmanometer 13 zum Überwachen des Druckes in dem Reak­ tionsrohr, ein veränderliches Durchflußventil 14 und eine Rotationspumpe 15 vorgesehen. Bei dieser Ausführung kann der AsH₃-Gasstrom unabhängig von der Strömung des GaCl₃-Dampfes gesteuert werden.

Das Verfahren zum Aufwachsen des GaAs-Einkristalls mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Einrichtung ist der normalen Gasepitaxie unter vermindertem Druck ähnlich und wird fol­ gendermaßen durchgeführt: Die Temperatur des Elektroofens 3 wird auf einen Wert oberhalb der Aufwachstemperatur ein­ gestellt, wobei das Sperrventil 12 geöffnet ist, damit das H₂-Gas aus dem H₂-Gas-Speicherteil 10 in das Reaktionsrohr 1 1 strömt, um das Rohr 1 zu trocknen. Als nächstes wird dann der Elektroofen 3 abgeschaltet, um das Reaktionsrohr 1 noch einmal abzukühlen, in welches das Subsstrat 2 eingebracht wird. Wenn die Temperaturverteilung des Elektroofens 3 den eingestellten Wert erreicht, während das H₂-Gas in dem Reak­ tionsrohr 1 strömt, dann wird der Elektroofen 3 in eine vorherbestimmte Position gebracht, und die Zufuhr des H₂- Gases wird abgeschaltet, um das H₂-Gas aus dem Reaktions­ rohr 1 auszutragen. Dann wird das Sperrventil 11 geöffnet, wodurch sofort von dem H₂-Gas auf das AsH₃-Gas umgeschaltet wird, und die Auslaßgeschwindigkeit wird durch das Strömungs­ ventil 11 gesteuert, um so das Reaktionsrohr 1 auf dem ein­ gestellten Druck zu halten. Danach wird das Sperrventil 6 geöffnet, um GaCl₃-Dampf zuzuführen, um so das epitaktische Aufwachsen eines GaAs-Einkristalls zu starten.

Der vorstehend beschriebene Vorgang, das H₂-Gas zuzuführen, ist vorgesehen, um das Reaktionsrohr zu trocken, und um die Oberfläche des Substrats zu reinigen und ist hinsichtlich des epitaktischen Aufwachsens nicht unbedingt erforderlich, so daß dieser Verfahrensschritt entfallen kann.

In Fig. 2 ist ein Beispiel der Temperaturverteilung in dem Reaktionsrohr dargestellt. Eine Temperatur T _max in dem Hoch­ temporaturteil und eine Substrattemperatur T _sub kann ent­ sprechend eingestellt werden, indem die elektrische Energie gesteuert wird, welche dem Hochtemperaturteil 32 und dem Nie­ drigtemperaturteil 31 des Elektroofens 3 zugeführt wird.

In Fig. 3 ist durch eine Kurve die Aufwachsgeschwindigkeit, welche experimentell erhalten worden ist, über der Tempera­ tur des Substrats (der Aufwachstemperatur) aufgetragen, wo­ bei die Temperatur des Hochtemperaturteils bei 980°C ge­ halten ist. Hier wurden Versuche durchgeführt, bei welchen die Strömungsgeschwindigkeit von AsH₃ auf 20 cm³/min und die Strömungsgeschwindigkeit von GaCl₃ auf 0,6 cm³/min sowie der Druck in dem Reaktionsrohr auf 40 Torr eingestellt worden sind. Wenn die Aufwachstemperatur unter 700°C liegt, nimmt die Auf­ wachsgeschwindigkeit zu, wenn die Temperatur des Substrats erniedrigt wird, und die Aufwachsgeschwindigkeit ist bei einer Temperatur von 550 bis 600°C u.ä. auf dem Maximum. Bei einer noch weiter niedriger werdenden Temperatur wird die Aufwachsgeschwindigkeit geringer.

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des GaCl₃ erhöht oder er­ niedrigt wird, während die Aufwachsgeschwindigkeit bei 600°C erhalten bleibt und die anderen Bedingungen auf denselben Wert wie die vorher angeführten eingestellt worden sind, wurde die Aufwachsgeschwindigkeit in einfacher Weise erhöht oder erniedrigt. Wenn die Temperatur des Hochtemperaturteils unter die Aufwachsbedingung gesenkt wird, wie oben beschrie­ ben wird, nimmt die Aufwachsgeschwindigkeit ab. Es ist na­ türlich, daß das Wachsen bei einer noch tieferen Temperatur realisiert werden kann durch Ändern der Aufwachsbedingung.

Als Ergebnis der Versuche ist festgestellt worden, daß unter den Bedingungen, daß die Temperatur des Hochtemperaturteils im Bereich von 600 bis 1100°C und die Temperatur des Sub­ strats in dem Bereich von 300 bis 700°C liegt, das GaAs-Ein­ kristall dem epitaktischen Aufwachsen unterzogen werden kann.

Die elektrischen Kennwerte der erhaltenen Dünnschicht waren folgende: Die Aufwachstemperatur lag in der Nähe von 550 bis 600°C, die Störstellendichte lag bei 5 × 10¹⁵ cm^-3 und die Beweglichkeit lag bei 35.000 cm²V^-1S^-2 (77°K) oder mehr.

Wenn der Aufwachsdruck in dem Reaktionsrohr geändert wird, wobei die eingestellte Gasströmungsgeschwindigkeit konstant ist, nimmt die Aufwachsgeschwindigkeit langsam zusammen mit dem Druck auf den atmosphärischen Druck von 0,2 bis 0,001 ab, aber die Dünnschichtqualität nimmt eher zu.

Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein Elektroofen mit Widerstandsheizung angeführt ist, kann na­ türlich selbstverständlich auch ein Heizofen mit Infrarot­ strahlung für das Aufwachsen des Kristalls verwendet werden. Ferner kann, obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausfüh­ rungsform ein Beispiel dargestellt und beschrieben worden ist, bei welchem ein elektrischer Heizofen zum Cracken von GaCl₃ verwendet ist, stattdessen selbstverständlich auch eine Bestrahlung mit Licht angewendet werden, um GaCl₃ zu cracken.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei wel­ chem eine Bestrahlung mit Licht dem Heizen mittels eines Elektroofens überlagert wird, wobei Teile, welche denjenigen entsprechen, die in der Ausführungsform der Fig. 1 darge­ stellt sind, mit den gleichen Bezugszeichen wie die vorher verwendeten bezeichnet sind. Es sind Fensterteile 41 und 42 vorgesehen, welche aus Quarz oder Saphir hergestellt sind, und durch welche ultraviolette Strahlung eintritt. Ferner ist eine Quelle 52 für ultraviolette Strahlung vorgesehen, um das Cracken von GaCl₃ zu unterstützen; besonders wirksam ist daher Licht mit der Wellenlänge 249 nm eines Exmalasers KrF; es können jedoch auch andere Lichtquellen verwendet werden. Darüber hinaus ist noch eine Hochdruck-Quecksilber­ lampe 51 vorgesehen. Auf das Fenster 42 kann verzichtet wer­ den; zweckmäßigerweise sollte es jedoch vorgesehen sein, um die Temperaturverteilung nicht zu stören. Schließlich ist noch ein Elektroofen 43 vorgesehen.

Im Falle des Crackens oder Spaltens mittels Licht, wie vor­ stehend beschrieben, kann die Temperatur des Hochtemperatur­ teils des Ofens 1 unter 600°C liegen, und das Aufwachsen könnte sogar bei 550°C durchgeführt werden.

Wenn die Oberfläche des Substrats mit der Hochdruck-Queck­ silberlampe 51 durch das Fenster 41 bestrahlt wird, welches ein Stopfen oder eine Abdeckung ist, welche aus einer dünnen Quarzglasplatte gebildet ist, deren Inneres vakuumdicht ge­ kapselt ist, um den Ofen auf einer hohen Temperatur zu halten, wird die Reaktion an der Oberfläche gefördert, um dadurch die Oberfläche glatter zu machen; die Löcherbeweglichkeit nimmt im Vergleich zu dem Fall, daß keine Strahlung vorge­ sehen ist, um mehr als 20% zu; hierdurch ist sichergestellt, daß die kristalline Eigenschaft verbessert ist.

Wie oben beschrieben, kann bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren und bei der Einrichtung zum Aufwachsen eines GaAs- Einkristalls die Aufwachstemperatur im Vergleich zu der­ jenigen bei den herkömmlichen Chlorid- und Hydrid-Verfahren gesenkt werden, wodurch ein Selbstdotieren auf ein Minimum herabgesetzt ist. Außerdem kann das Aufwachsen über einen langen Zeitabschnitt beständig gehalten werden, ohne sich auf den Zustand der Ga-Quelle zu verlassen. Ferner ist es möglich, gleichzeitig das Verhältnis zwischen der Ga enthal­ tenden Gaskomponente und der As enthaltenden Gaskomponente zu ändern, und es ist auch möglich, die Stöchiometrie eines GaAs-Kristalls zu steuern, mit der Folge, daß ein GaAs-Ein­ kristall hoher Qualität erzeugt werden kann. Im Vergleich mit dem Mo-CVD-Verfahren, welches dasselbe Gasphasen-Epi­ taxieverfahren wie das vorher erwähnte ist, wird eine Halo­ genverbindung verwendet, und folglich kann ein GaAs-Ein­ kristall höherer Qualität erzeugt werden.

Darüber hinaus ist es im Prinzip möglich, nicht H₂ oder He als Trägergas zu verwenden, und daher ist eine Reini­ gungseinrichtung für diese Träger nicht erforderlich; hier­ durch wird die Wartung und die Reparatur erleichtert und die Erstehungskosten einer Einrichtung sind niedriger.

Außerdem ist ein Arbeitsgang, wie das Trocken, welches eine lange Zeit erfordert, nicht vor dem Aufwachsen erforderlich, wie es bei den herkömmlichen Chlorid- und Hydrid-Verfahren erforderlich war. Insbesondere bei dem Chlorid-Verfahren ist ein Arbeitsgang, wie Behandeln von Arsen auf der Ga-Oberflä­ che nach einem Trocknen erforderlich, was wiederum einen langen Zeitabschnitt von mehr als drei Tagen erfordert, während bei der vorliegenden Erfindung ein solcher Arbeits­ gang nicht erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß das Aufwachsen unmittelbar nach dem Reinigen des Reaktionsrohrs begonnen werden kann; dieser Tatsache ist im Hinblick auf eine industrielle Fertigung ein besonders hoher Wert einzuräumen.

Claims (14)

1. Gasphasen-Epitaxieverfahren für einen Verbindungshalblei­ ter-Einkristall mit zumindest mehr als zwei Elementen da­ durch gekennzeichnet, daß nur Gase einer Mole­ külverbindung, welche die Elemente enthält, wenn ein Kri­ stall aufgewachsen wird, von der Außenseite eines Reaktions­ rohrs eingeleitet werden, in welchem ein Einkristall-Substrat eingebracht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Gas, welches zumindest ein Element der Ele­ mente enthält, ein Gas der Halogenverbindungsklasse auf­ weist, und ein Gas einer Wasserstoffverbindung, welche die verbleibenden Elemente enthält, gleichzeitig eingebracht wird, wenn ein Kristall aufwächst.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gas der Halogenverbindungsklasse eine Halo­ genverbindung aufweist, und daß das andere Gas aus einer Wasserstoffverbindung ein Arsin(AsH₃)-Gas aufweist, wobei ein GaAs-Einkristall einem Epitaxie-Verfahren unterzogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas der Oberfläche des Substratkristalls über einen Hochtemperaturteil zugeführt wird, der in Strömungsrichtung vor dem Substrat angeordnet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Temperatur des Hochtemperaturteils von 600 bis 1100°C reicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Substrats bei 300 bis 700°C liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Gasdurchgangs mit Licht bestrahlt wird, um ein Cracken oder Synthesieren einer Gasphase zu fördern.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Sub­ strats mit Licht bestrahlt wird, um eine Reaktion an der Oberfläche des Substrats zu unterstützen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit Licht zumindest ein Teil des Gasdurchgangs bestrahlt wird, und daß auch die Oberfläche des Substrats mit Licht bestrahlt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest mit mehr als zwei unterschiedlichen Lichtwellenlängen bestrahlt wird.

11. Einrichtung zum Anwachsen eines Verbindungshalbleiter- Einkristalls, gekennzeichnet durch einen Spei­ cherteil (4) für eine Gasverbindung der Halogenfamilie, welcher zumindest eines der Elemente enthält, welche die Verbindung bilden, wobei der Speicherteil (4) in Strömungs­ richtung vor einem Reaktionsrohr (1) vorgesehen ist und mit diesem in Verbindung steht, durch einen Gasspeicherteil (10) für eine Wasserstoffverbindung, welche die restlichen Elemente enthält, und durch einen Heizteil (3) zum Unterstüt­ zen der Verdampfung der Verbindung aus der Halogenfamilie in dem Speicherteil (4), wobei die zwei Arten von verdampften Verbindungsgasen der Oberfläche eines in dem Reaktionsrohr (1) angeordneten Einkristall-Substrats (2) zugeführt werden, um da­ durch den Verbindungshalbleiter-Einkristall auf der Oberflä­ che des Kristalls auf dem Substrat aufwachsen zu lassen.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Reaktionsrohr (1) zumindest zwei be­ züglich der Temperatur steuerbare Heizteile (31, 32) aufweist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der bezüglich ihrer Temperatur steuer­ bare Heizteil (3) einen Hochtemperaturteil (31), der strö­ mungsabwärts von dem Reaktionsrohr angeordnet ist, und einen Niedertemperaturteil (31) aufweist, welcher strömungsabwärts von dem Reaktionsrohr angeordnet ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizteil (3) teilweise mit einem Fenster (41) versehen ist, durch welches Licht ge­ strahlt wird.