DE3907610A1 - Epitaxieverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Epitaxieverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Abscheidung dünner Halbleiterschichten beim Her­ stellungsprozeß von Halbleiter-Bauelementen werden in großem Umfang Epitaxieverfahren eingesetzt. Dabei wird ein Trägergas, beispielsweise Wasserstoff, Helium, Neon oder Argon, das die abzuscheidenden Epitaxiematerialien als "gelöste" Stoffe, die sog. Quellenmaterialien, mit sich führt, mit Hilfe einer Gasströmung in einen Epita­ xiereaktor eingeleitet.

Eine Einteilung der Epitaxieverfahren, beispielsweise Chlorid-, Hydrid-, Molekularstrahl- oder metallorgani­ sches Epitaxieverfahren, erfolgt danach, in welcher chemischen Form die Epitaxiematerialien bei Eintritt in den Reaktorraum vorliegen.

In Abhängigkeit des Partialdruckes im Reaktorraum kann man außerdem zwischen Niederdruck- und Normaldruck-Epi­ taxieverfahren unterscheiden.

Die zu beschichtenden Substratscheiben sind hinterein­ ander und/oder nebeneinander auf einem sogenannten Sus­ zeptor im Reaktorraum angeordnet. Im heißen Reaktorraum zersetzen sich die mit dem Trägergas einströmenden Epi­ taxiematerialien und scheiden sich auf den Substrat­ scheiben ab. Durch die Abscheidung verarmt das Träger­ gas an Reaktionsmaterialien; damit eine gleichmäßige Abscheidung auf allen Substratscheiben möglich ist, muß mit einem Materialüberschuß gearbeitet werden.

Aus Turbulenzen und unkontrollierten Konvektionsströ­ mungen der Gasströmung im Reaktorraum resultieren Schwankungen der Schichtdicke und der Dotierstoffkon­ zentration. Für Halbleiter-Bauelemente sind diese Schwankungen jedoch nicht tolerabel, das Reaktionsmate­ rial muß sowohl in lateraler als auch in longitudinaler Richtung möglichst gleichmäßig auf den Substratscheiben abgeschieden werden.

Um dies zu erreichen, werden in vielen Fällen Nieder­ druck-Epitaxieverfahren angewendet, bei denen die große freie Weglänge der Gasmoleküle aufgrund des niederen Gasdruckes für eine gleichmäßige Schichtabscheidung sorgt.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist aber, daß ein ho­ her, wartungsintensiver apparativer Aufwand notwendig ist, da großvolumige Pumpen mit entsprechenden Druckab­ sicherungen usw. benötigt werden.

Desweiteren muß über den Quellen für eine hohe Druck­ konstanz gesorgt werden, um Konzentrationsschwankungen im Trägergas auszuschließen.

Außerdem ist bei den Niederdruckverfahren ein sehr viel höherer Überschuß an Reaktionsmaterial als beim Normal­ druckverfahren notwendig; da viele der verwendeten Stof­ fe jedoch giftig sind, ist die Entsorgung problematisch. Zudem muß bei Niederdruck-Systemen mit Abscheidungen dieser giftigen Substanzen in der Pumpe gerechnet wer­ den, was große Wartungsprobleme verursacht.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurden Überlegungen angestellt, das Normaldruck-Epitaxieverfahren dahinge­ hend zu verbessern, daß ein möglichst störungsfreier Verlauf der Gasströmung ohne Turbulenzen und unkontrol­ lierte Konvektion erreicht und somit eine gleichmäßige Abscheidung des Epitaxiematerials auf den Substratschei­ ben ermöglicht wird.

Um diejenigen Störungen zu minimieren, die durch Abrei­ ßen der Gasströmung bzw. durch unkontrollierte Wirbel­ bildung bereits an der Vorderkante des Suszeptors ent­ stehen, wird der Suszeptor so in die Reaktorwand ver­ senkt, daß ein flacher Übergang zwischen Reaktorwand und Suszeptor-Oberfläche geschaffen wird.

Um unkontrollierte Wirbel und Konvektionen im Reaktor­ raum zu unterdrücken, ist es aus der Literaturstelle "L.J. Giling, Gas Flow Patterns in Horizontal Epitaxial Reactor Cells Observed by Interference Holography", Journal of Electrochem. Soc., 129, S. 634-643, (1982), bekannt, den Querschnitt des Reaktorraums rechteckig zu gestalten. Desweiteren kann die Reaktorwand zur Redu­ zierung der Konvektion gekühlt werden.

Durch Kippen des Suszeptors im Reaktorraum soll erreicht werden, daß die Gasströmung länger entlang der Oberflä­ che der Substratscheiben geführt wird.

Dennoch bestehen weitere Probleme, die eine gleichmäßi­ ge Schichtabscheidung erschweren.

Bei kleineren Strömungsgeschwindigkeiten (typ. 10- 100 cm/s) im Reaktorraum führen schon kleinste Störungen, wie Wandunebenheiten, kleine Spalte zwischen Suszeptor und Substratscheibe usw., zum Abriß der Gasströmung, d. h. in longitudinaler Richtung entfernt sich die ma­ terialreiche Gasschicht immer weiter von den Substrat­ oberflächen. Die Diffusionsweglängen werden größer, das Schichtdickenwachstum nimmt ab.

Direkt über der Substrat-Oberfläche bildet sich eine laminare Grenzschicht der Gasströmung aus, aus der be­ vorzugt Epitaxiematerial auf die Halbleiterscheiben abgeschieden wird, so daß diese laminare Grenzschicht, die sogenannte Diffusionsrandschicht, an Epitaxiemate­ rial verarmt. Daraus resultiert ein Konzentrationsgra­ dient des Epitaxiematerials und der Dotierstoffe zwi­ schen Reaktorraum und Diffusionsrandschicht, der durch Diffusionsprozesse immer wieder ausgeglichen wird. Da aber die Gasströmung in longitudinaler Richtung durch sukzessives Abscheiden des Epitaxiematerials auf den Halbleiterscheiben immer weniger Epitaxiematerial mit sich führt, findet der Diffusionsausgleich des Konzen­ trationsgradienten, der ja ein zeitlicher Vorgang ist, oft nur sehr schlecht und nicht so schnell wie gewünscht statt.

Um eine gleichmäßige Schichtabscheidung zu gewährlei­ sten, muß die Gasströmung eine bestimmte Minimalge­ schwindigkeit besitzen. Ist diese zu groß, treten wegen des größeren Materialdurchsatzes Probleme mit der Ab­ gasreinigung bzw. Entsorgung der Quellenmaterialien auf; zudem steigt der Verbrauch an den Dotierstoffen an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Epitaxie­ verfahren anzugeben, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden und ein gleichmäßiges Abscheiden der Epitaxieschichten auf mehreren Substratscheiben sowohl in lateraler als auch in longitudinaler Richtung des Reaktorraums gewährleistet ist.

Dazu ist nach der Erfindung bei einem Epitaxieverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorgesehen, daß mindestens ein Gegenstand im Reaktorraum derart in be­ zug auf die Strömungsrichtung der Gasströmung angeord­ net wird, daß längs des gesamten Suszeptors kontrol­ liert kleine Wirbel in der Gasströmung erzeugt werden.

Durch die kontrollierte Erzeugung kleiner Wirbel in der Gasströmung wird erreicht, daß die Strömung eine länge­ re Strecke an der Substratoberfläche anliegt, wodurch auch die laminare Grenzschicht bzw. die Diffusionsrand­ schicht auf ein möglichst kleines Maß reduziert wird. Durch die Vielzahl der kleinen Wirbelfronten in der Gasströmung und dem damit verbundenen Materialtransport im Reaktorraum wird der Konzentrationsgradient der Do­ tierstoffe im Reaktorraum stark reduziert, und auch die Diffusionsweglängen werden deutlich verkürzt.

Dies bedingt aber, daß mit dem erfindungsgemäßen Epi­ taxieverfahren die Homogenität der Schichtabscheidung gegenüber konventionellen Epitaxieverfahren deutlich verbessert wird. Eine gleichmäßige Abscheidung ist so­ wohl in lateraler Richtung als auch in longitudinaler Richtung des Reaktors über mehrere Substratscheiben möglich; die Schwankungen der Schichtdicke konnten we­ sentlich reduziert werden.

Darüber hinaus kann mit kleineren Minimalgeschwindig­ keiten der Gasströmung im Reaktorraum gearbeitet wer­ den, so daß der Durchsatz und damit der Verbrauch an Quellenmaterial zurückgeht.

Da die Epitaxiematerialien aufgrund der Verwirbelung der Gasströmung effizienter abgeschieden werden, kann mit weniger Epitaxiematerial die gleiche Abscheidungs­ rate erreicht und demzufolge der Materialbedarf redu­ ziert werden; die Effizienz des Epitaxieverfahrens wird dadurch erhöht.

Der Gegenstand, der am Reaktor-Eingangsteil zur kontrol­ lierten Wirbelerzeugung eingesetzt wird, besteht vor­ zugsweise aus Graphit, Glas oder aus einem anderen wärme- und formbeständigen Material, das chemisch inert ist, wodurch keine ungewollte Dotierung der Gasströmung vermieden wird.

Die Form des Gegenstands, sein Abstand von der Suszep­ tor-Oberfläche bzw. vom Reaktoreingang sowie seine Ab­ messungen, müssen so gewählt werden, daß definiert klei­ ne Wirbel entstehen. Vorzugsweise ist der Gegenstand vor der ersten Substratscheibe angeordnet und erstreckt sich über die gesamte Breite des Reaktorraums; die Höhe über dem Suszeptor sowie die Abstände und die Dicke sind gemäß den jeweiligen Prozeßbedingungen variabel wählbar.

Falls ein einziger wirbelerzeugender Gegenstand für eine kontrollierte Wirbelbildung längs des gesamten Reaktorraums nicht ausreicht, können auch mehrere, vor­ zugsweise gleichartige, wirbelerzeugende Gegenstände in longitudinaler Richtung im Epitaxiereaktor angebracht werden. Die Gegenstände sind dabei vorzugsweise zwi­ schen aufeinanderfolgenden Scheiben angeordnet.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels, der Abscheidung von GaAs mittels des Metall­ organic-Vapor-Phase-Epitaxy-Verfahrens (MOVPE-Verfah­ ren) beschrieben werden, bei dem die abzuscheidenden Substanzen als metallorganische Verbindungen vorliegen.

In Fig. 1 ist im Schnitt der schematische Aufbau eines Epitaxiereaktors dargestellt, wobei im Reaktorraum ein wirbelerzeugender Gegenstand angeordnet ist.

Die Fig. 2 zeigt in Draufsicht eine mögliche Anordnung der Substratscheiben im Epitaxiereaktor.

Gemäß der Fig. 1 ist ein Reaktor mit einer Länge von beispielsweise 260 mm und einer Breite von 140 mm dar­ gestellt, der eine Einlaßöffnung 7 mit einer Höhe h von beispielsweise 17 mm aufweist. Im Reaktorraum 1 befin­ det sich ein Suszeptor 3, der um beispielsweise 2,2° gegenüber der Längsachse des Reaktors in Strömungsrich­ tung ansteigt. Im Suszeptor 3 befinden sich in longitu­ dinaler Richtung drei Aussparungen 4, in denen drei Substratscheiben 6 a, 6 b und 6 c angeordnet sind. Die Reaktorwand 2 besteht aus Quarzglas, der heizbare Sus­ zeptor 3 aus Graphit; im Reaktorraum 1 herrscht eine Temperatur von ca. 600°C.

Durch die Einlaßöffnung 7 des Reaktors tritt in den Reaktorraum 1 eine Gasströmung 8 ein, die aus einem Trägergas, beispielsweise H₂, N₂, He oder Ar besteht, dem als Quellenmaterialien die metallorganische Verbin­ dung Trimethylgallium und Arsenwasserstoff beigemengt sind. Die Strömungsgeschwindigkeit der Gasströmung 8 beträgt beispielsweise 17 cm/s, der Durchsatz durch die Einlaßöffnung 7 beispielsweise 25 l/min. Im heißen Reak­ torraum 1 zersetzen sich die Quellenmaterialien derart, daß Gallium und Arsen auf den Substratscheiben 6 a, 6 b und 6 c abgeschieden wird.

Zur kontrollierten Erzeugung kleiner Wirbel 10 in der Gasströmung 8, ist im Bereich der Einlaßöffnung 7 des Reaktors, vor der ersten Substratscheibe 6 a, ein Gegen­ stand 9, beispielsweise ein Glasdraht mit einem Durch­ messer von ca. 1 mm, quer zur Strömungsrichtung des einströmenden Gases 8 angeordnet. Der Abstand d ₁ des Glasdrahts 9 von der Oberfläche des Suszeptors 3 be­ trägt beispielsweise 1 mm, der Abstand d ₂ des Glasdrah­ tes 9 von der Vorderkante 5 des Suszeptors beispiels­ weise 15 mm, der Abstand d ₃ bis zur ersten Scheibe 6 a beispielsweise 25 mm.

In Fig. 2 ist in Draufsicht die laterale und longitu­ dinale Verteilung von acht 2′′-Substratscheiben 6 im Reaktorraum dargestellt. Die Scheiben 6 erstrecken sich über eine Breite von ca. 120 mm und über eine Länge von ca. 200 mm; die Gasströmung 8 streicht in longitudina­ ler Richtung über die Oberfläche der Substratscheiben 6 hinweg.

Mit der oben ausgeführten Anordnung des wirbelerzeugen­ den Glasdrahts im Eingangsteil des Reaktorraums wurden die acht Scheiben 6 gemäß der Anordnung in Fig. 2 epi­ taktisch mit einer mittleren Schichtdicke von 1 µm be­ schichtet. Dabei wurde festgestellt, daß die Schicht­ dicke bei allen Scheiben nur um weniger als ±3,5% um den Mittelwert 1 µm schwankte. Bei konventionellen Epi­ taxieverfahren mußte dagegen bereits bei drei beschich­ teten Scheiben, bei gleicher Schichtdicke 1 µm, eine Schwankung der Schichtdicke von mehr als ±10% um den Mittelwert festgestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich überall dort einsetzen, wo eine gleichmäßige epitaktische Abschei­ dung gleichzeitig bei mehreren Halbleiterscheiben er­ forderlich ist.

Die Anordnung der wirbelerzeugenden Gegenstände im Epi­ taxiereaktor bzw. deren Ausführung kann den unterschied­ lichen Randbedingungen und Erfordernissen der verschie­ denen Epitaxieprozesse leicht angepaßt werden.

Claims (7)

1. Epitaxieverfahren, bei dem in einem Reaktorraum (1) aus einer Gasströmung (8) Halbleiterschichten auf mit­ tels eines Suszeptors (3) gehalterten Substratscheiben (6 a, 6 b, 6 c) abgeschieden werden, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens ein Gegenstand (9) im Reaktorraum (1) derart in bezug auf die Strömungsrichtung der Gas­ strömung (8) angeordnet wird, daß längs des gesamten Suszeptors (3) kontrolliert kleine Wirbel (10) in der Gasströmung (8) erzeugt werden.

2. Epitaxieverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste zur Wirbelerzeugung dienende Gegenstand (9) vor der ersten Substratscheibe (6 a) an­ geordnet wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Epitaxieverfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Wirbelerzeugung dienenden Gegenstände (9) aus einem wärme- und formbeständigen und chemisch inerten Mate­ rial bestehen.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zur Wirbelerzeugung dienenden Gegenstände (9) über die gesamte Breite des Reaktorraums erstrecken.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gegenstände (9) aus Glas, Graphit oder Edelstahl bestehen.

6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenstände (9) Drähte vorgesehen sind.

7. Verwendung eines Epitaxieverfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zur gleichmäßigen epitaktischen Beschichtung von in Längsrichtung des Reaktors verteilten Halbleiter- Substratscheiben.