WO2012143262A1 - Device and method for large-scale deposition of semi-conductor layers with gas-separated hcl-feeding - Google Patents

Device and method for large-scale deposition of semi-conductor layers with gas-separated hcl-feeding Download PDF

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WO2012143262A1
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Daniel Brien
Martin Dauelsberg
Gerhard Karl Strauch
Dirk Fahle
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Aixtron Se
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Definitions

  • the invention relates to a device for depositing II-VI or III-V semiconductor layers on one or more substrates, comprising a reactor housing having a process chamber arranged in the reactor housing, a susceptor arranged in the process chamber for receiving the substrate, a heating device for heating the susceptor a Suszeptortempe- temperature, a gas inlet member, which is associated with the process chamber to optionally together with in each case a carrier gas process gases in the form of a V or VI component, in particular a hydride, an organometallic II or III component and a halogen component in to introduce the process chamber, and a gas outlet device for the exit of reaction products and possibly the carrier gas from the process chamber, with a gas mixing / supply device comprising a source of the organometallic II or II component, a source for the V or VI Component, in particular the hydride and a source for the halogen component, wherein the sources via supply lines, the control valves and mass flow controller, are connected to the gas inlet member to
  • the invention further relates to a method for depositing II-VI or III-V layers on one or more substrates, wherein process gases in Form of an organometallic II or III component, a V or VI component, in particular a hydride and a halogen component in a gas mixing / supply means are provided, the at least one substrate is applied to a susceptor in a process chamber, the susceptor and at least a process chamber wall are heated to a susceptible or wall temperature, the process gases are optionally introduced together with a carrier gas in separate gas flows by means of a gas inlet member into the process chamber, where the organometallic component and the V or VI component, in particular the hydride pyrolytically react with each other at the substrate surface, so that a layer is deposited on the substrate, and the halogen component reduces or suppresses parasitic particle formation in the gas phase and the carrier gas, together with reaction products, leaves the process chamber through a gas outlet device et, wherein in successive process steps by means of a control valves and
  • Such a device or such a method describes the US 7,585,769 B2.
  • the process gases introduced into the process chamber of the reactor housing contain a hydride, for example ammonia, an organometallic component, for example trimethylgallium, and a halogen component, for example hydrogen chloride.
  • the apparatus has a showerhead type gas inlet member disposed vertically above a susceptor which extends horizontally and carries a substrate which is heated to a process temperature using heaters.
  • the halogen component should either be introduced together with the other process gases or separately into the process chamber and there should prevent or suppress the formation of particles in the gas phase.
  • DE 10 2007 009 145 A1 describes an apparatus for depositing crystalline layers by means of the MOCVD method in which different process gases are introduced into the process chamber by means of three gas inlet zones arranged one above the other.
  • NH3 is introduced through a gas inlet zone adjoining the susceptor
  • an organometallic component is introduced through a gas inlet zone HCl adjacent to the process chamber ceiling, and an intervening gas inlet zone.
  • the introduction of the process gases takes place together with a carrier gas.
  • US 4,961,399 A describes an apparatus for depositing III-V layers on a plurality of substrates arranged around a center of a rotationally symmetrical process chamber.
  • a gas inlet member is arranged in the center of the process chamber and serves to introduce a hydride, for example NH3, ASH3 or PH3.
  • organometallic compounds which may be, for example, TMGa, TMIn or TMA1 are introduced into the process chamber through the gas inlet element.
  • a carrier gas in particular in the form of hydrogen, is introduced into the process chamber.
  • the susceptor is heated from below. This can be done by means of thermal radiation, by means of high-frequency coupling or otherwise.
  • a useful heater which is arranged below the susceptor is described in DE 102 47921 AI.
  • the process chamber extends in the horizontal direction, is bounded below by a susceptor and at the top by a ceiling plate.
  • US 7,560,364 discloses an MOCVD process in which a metal-organic precursor is introduced into a process chamber along with a hydride.
  • HCl lattice defects should be reduced. These are dislocation defects that propagate through the layer as the layer grows perpendicular to the surface.
  • the addition of HCl produces small tapered etching pits. The dislocation threads then extend perpendicular to the inclined facets of the etch pits so that they are bent.
  • the heat is introduced via the contact of the carrier gas with the process chamber ceiling or the susceptor in the gas phase. Since the susceptor temperature is higher than the top temperature, a so-called cold finger protruding in the direction of flow into the process chamber is formed as a result of the cold inflowing gas, ie a spatial zone within the process chamber. chamber within which the carrier gas and in particular the process gases are heated.
  • process gases those are used which decompose when heated in decomposition products;
  • the organometallic compounds gradually decompose via intermediate products into elemental metals, for example, TMGa decomposes via DMGa and MMGa into Ga.
  • the hydrides decompose to a much lesser extent and are therefore offered in excess in process control.
  • the growth rate of GaN on the substrate surface in this example is thus determined by the offer of TMGa.
  • DE 10 163 394 A1 DE 10 2006 018 515 A1 and US 2008/0132040 Al describe the use of HCl for etching the process chamber after a coating process or the use of HCl as a transport gas for gallium or indium in an HVPE process ,
  • the growth zone adjoining the flow zone is - according to previous knowledge - the area within the process chamber, within which at least the III component is almost completely decomposed, that is essentially only decomposition products or only metal atoms in the gas phase are present. These diffuse from the volumetric flow above the substrates arranged in the growth zone towards the substrate surface, where the decomposition products are completely decomposed and the hydride decomposes stoichiometrically. Growth is described in previous theories of a boundary-layer diffusion model. The offer, that is, the partial pressure of the III component is chosen so that the decomposition products are deposited crystal-forming on the substrate surface pyrolytically. The surface of the substrate is therefore also monocrystalline. P. Fini et al.
  • DE 10 2004 009 130 A1 shows that the growth rate within the growth zone decreases in the direction of flow.
  • a straight-line course of the decrease in the growth rate can be set.
  • the reason for the decline in the growth rate is the steady depletion of the gas phase due to the actual growth process. If the substrates are rotated by rotating substrate holders, the lateral inhomogeneity of the growth rate due to this depletion effect can be compensated.
  • no such linear course of the decrease in the growth rate is adjustable. Rather, in the downstream region in the gas phase particles that do not contribute to growth, but are transported with the gas flow directly into the Gasauslassorgan. An increase in the total pressure has thus far led to unusable results for the production only.
  • Adducts between the organometallic component and the hydride nucleate nuclei for themselves in the gas phase forming particles which, without contributing to the growth of the layer, are transported by the carrier gas out of the process chamber. If hydrogen is used as the carrier gas, this particle formation is reduced as a consequence of a corrosive effect of the hydrogen.
  • a reduction in the average residence time, ie an increase in the flow rate, can also reduce particle formation within certain limits.
  • the growth rate depends linearly on its flow rate at low partial pressures of the organometallic component and in particular of the TMG. At higher TMG partial pressures, however, a saturation is observed and at even higher partial pressures even a decrease in the growth rate.
  • This limiting partial pressure, at which the growth rate changes sub-linearly with the partial pressure, depends on the total pressure, the residence time of the process gases in the process chamber and the degree of dilution.
  • parasitic losses such as adduct formation, nucleation and gas phase condensations are considered.
  • the invention has for its object to provide measures by which the occupied with substrates useful surface of the susceptor can be increased.
  • the inlet member has at least three separate gas inlet zones, wherein a separating gas inlet zone is arranged between a V or VI inlet zone connected to the source of the V or VI component and a halogen component source zone connected to the halogen component source which is fed during the feeding of the halogen component neither from the source of the V or VI component nor from the halogen component source.
  • the organometallic component or merely an inert gas, for example the carrier gas is fed through the separation gas inlet zone.
  • the separation gas inlet zone is connected or connectable to the source of the organometallic component.
  • the device then has a total of at least three separate gas inlet zones, whereby the hydride and the halogen component do not enter the process chamber simultaneously through adjacent gas inlet zones or through adjacent channels.
  • only one of the three gas components is introduced into the process chamber through each of the three inlet zones. But it can optionally be provided more gas inlet zones.
  • process gases having a different composition are fed into the process chamber.
  • the gas inlet member is preferably equipped with a cooling device, with which at least one, preferably all gas inlet zones can be cooled.
  • the walls of the gas inlet zones can have coolant channels through which a coolant flows.
  • the halogen component inlet zone may be located adjacent and upstream of a heated surface portion of the process chamber such that parasitic growth is suppressed there.
  • the gas inlet member is cooled with the cooling device to an inlet temperature which is below the decomposition temperature of the process gases. This is done with the cooling liquid flowing through the cooling channels.
  • the process gas enters through vertically stacked gas inlet zones.
  • the process gas passes through a flow zone, within which the process gases can mix.
  • a hydride which is arsine, phosphine or, preferably, ammonia.
  • As the V component it is thus preferable to use a nitrogen compound for depositing GaN.
  • halide component is a halide into consideration, for example.
  • a hydrogen halide compound such as HCl but also the pure halogen, eg. Cl 2 , especially in ionized form.
  • the invention is explained using the example of the use of a hydride and TMGa and HCl: Since the hydride and the HCl are introduced into the process chamber vertically spaced at different levels, the halogen component and hydride meet only at a horizontal distance downstream of the inlet zone. half of the flow zone each other.
  • the gases have already been heated in such a way that the gas temperature is above a reaction temperature at which the hydride, for example ammonia and the halogen component, for example HCl, react with one another to form a condensate, namely a solid, for example ammonium chloride.
  • the location at which the halogen component and the hydride first come into contact with each other may also lie within an adduct formation zone, ie in a region of the process chamber in which the gas temperature lies within an adduct formation temperature range, which is in the range for the process gas pairing TMGa and NH3 between 100 ° C to 500 ° C.
  • the halogen component is preferably introduced into the process chamber in the lowest level.
  • the zone of the process chamber ie the substrate holder zone, which lies immediately downstream of the halogen component inlet zone, is subjected to the greatest halogen component concentration.
  • the halogen component inlet zone is preferably followed by the heated wall of the susceptor associated with the precursor zone, in which the growth rate is greatest in the absence of a halogen component immediately before the growth zone. In the absence of the halogen component, an occupancy of the precursor zone of the susceptor thus takes place. This parasitic growth can be avoided by introducing the halogen component just above the susceptor.
  • the hydride inlet zone is located directly below the process chamber ceiling.
  • the process chamber ceiling is thermally insulated from the cooled gas inlet member.
  • the process chamber ceiling can be actively heated, to which the process chamber ceiling is assigned a separate heating device. But it is also possible that the process chamber ceiling is only passively heated.
  • the susceptor is provided with a heater, such as a water-cooled RF coil heats and radiates heat that heats the process chamber ceiling.
  • the gas inlet member may be located in the center of a rotationally symmetrical planetary reactor.
  • the susceptor forms a plurality of substrate holders surrounding the gas inlet organ in a planetary manner, which carry one or more substrains and which are rotated about their axis during growth.
  • the gas inlet element fed from above lies in the center of the process chamber.
  • the susceptor has a plurality of depressions, wherein in each depression a circular disk-shaped substrate holder rests, which is rotated resting on a gas cushion.
  • the rotary drive is formed by a directed gas flow.
  • One or more substrates may rest on the substrate holder.
  • the feed of the process gases through separate gas inlet zones can not only take place in the horizontal direction. It is also provided that the process gases are introduced through the process chamber ceiling in the vertical direction in the process chamber.
  • the gas inlet member is designed in the form of a shower head (showerhead).
  • the process chamber ceiling in this variant has a plurality of sieve-like arranged gas outlet openings, which are arranged in a uniform distribution. In a regular arrangement, there are arranged hydride inlet zones, separating gas inlet zones and halogen component inlet zones each in the form of a single gas outlet opening. However, one of these gas inlet zones may also include a plurality of gas outlet openings. It is then a group of gas outlet openings which forms a gas inlet zone.
  • a halogen component inlet zone is surrounded by a separating gas inlet zone, which is formed by a plurality of gas outlet openings.
  • each hydride inlet zone is surrounded by a separation gas inlet zone separated from a plurality of gas outlet zones. Openings is formed.
  • the gas inlet member may have a plurality of superimposed chambers, which are sealed to each other gas-tight.
  • Each of the chambers is connected to a plurality of channels, in particular in the form of tubes with the gas outlet surface, which is formed by the process chamber cover.
  • a cooling chamber may be arranged so that the process chamber ceiling is cooled.
  • the process gases separate from the individual gas outlet openings into the process chamber, the hydride being separated from the halogen component by a separating gas.
  • the separation gas may be an inert gas.
  • the III component can be introduced into the process chamber.
  • the III component is introduced into the process chamber together with the halogen component.
  • the depletion profile is homogeneously adjustable within the growth zone.
  • the depletion profile can be adjusted so that the concentration of the metal of the II or III component in the gas phase drops substantially linearly over the entire growth zone.
  • the mean residence time of the process gases within the process chamber may be more than 1.5 seconds.
  • the length of the growth zone in the flow direction may be greater than 150 mm. Over this distance, the gas phase depletion has a linear course, so that the growth rate decreases linearly with the distance from the gas inlet member. By turning the substrate holder, this gas phase depletion or this inhomogeneous course of the growth rate can be compensated.
  • the HC1 doping of the gas phase into the adduct formation volume leads to a Reduction of adduct formation, nucleation and particle formation.
  • the HCl doping of the gas phase in the adduct formation volume can be adapted to the amount of adduct which would form if HCl was not present.
  • the gas phase is doped with a quantity of halogen component which is less than 250 ppm of the total amount of gas or less than 10% of the organometallic component. It has surprisingly been found that the amount of HCl to be added per unit time must be at most only one tenth of the amount of II or III component, which is introduced per unit time in the process chamber.
  • the organometallic component used is preferably trimethylgallium, trimethylaluminum or trimethylindium.
  • the hydride used is preferably NH.sub.3, ASH.sub.3 or PH.sub.3.
  • the separation gas flow which flows through the separation gas inlet zone into the process chamber and contains neither the hydride nor the halogen component, causes no ammonium chloride to condense in the gas phase.
  • hydrogen chloride only comes into contact where the gas temperature is above the formation pressure of solid ammonium chloride which is dependent on the total pressure.
  • the method is used not only for the deposition of GaN but also for the deposition of AlN or InP or mixed crystals.
  • the substrate temperatures are also above 1000 ° C.
  • the substrate temperatures are below 800 ° C. Since the injection of the halogen component, preferably in the form of HCl, into the adduct formation volume etches the adducts in the gas phase as they form, significantly fewer nanoparticles form than in the absence of HCl, which can increase the residence time of the process gases within the process chamber, resulting in longer flow paths with a linear depletion profile due to HCl initiation. This makes it possible to assign the substrates to be coated Increase effective area of the susceptor. Instead of HCl or other Hydrogenhalide but also a pure halogen, for example. Cl 2 can be used.
  • the morphology of the deposited crystal is also improved.
  • the charge carrier mobility within the crystal is increased.
  • the hydrides eg, NH3
  • the substrate holders must have a relatively large distance to the gas inlet member.
  • the use of the halogen component and in particular of the HCl during the growth process makes it possible to reduce the total amount of flux and thereby to reduce the carrier gas flow, without the increased residence time resulting in the previously observed parasitic processes which bring about losses in the layer quality. It is thus possible uniformly to coat in a process chamber only six or less closely adjacent arranged circular substrates, each having a diameter of 200 mm.
  • FIG. 5 is a sectional view of the gas outlet surface of the gas inlet member 7 with a first arrangement of the gas outlet openings, according to FIG. 5 seen from below,
  • FIG. 5 is a section through a further exemplary embodiment in which the gas inlet member 7 is designed as a showerhead.
  • 8 shows a representation according to FIG. 7, but with a second arrangement of the gas outlet openings, FIG.
  • FIG. 9 shows a representation according to FIG. 6 of a further exemplary embodiment, a representation according to FIG. 7 relating to the gas inlet element shown in FIG. 9, and a further arrangement of the gas outlet openings on a gas outlet surface.
  • the gas mixing / supply device 34 shown in FIG. 1 has a hydride source 30, which in the exemplary embodiment is an ammonia source. It also has a source of an organometallic component 31, which in the exemplary embodiment is trimethylgallium. Furthermore, a halogen component source 32 of a halogen component is provided, which in the exemplary embodiment is HCl. Finally, the gas mixing / supply device 34 also has a carrier gas source 33, wherein the carrier gas is hydrogen.
  • the sources 30, 31, 32, 33 are shown as gas tanks. It may be a gas cylinder or a bubbler. Each gas source 30, 31, 32 is connected to a gas outlet, which is closable via a valve 26, 27, 28, 29, which valves 26, 27, 28, 29 are switchable by a control device, not shown. Downstream of the valves 26, 27, 28, 29 are mass flow controllers 22, 23, 24, 25, with which a carrier gas stream or a stream of the hydride, the organometallic component or the halogen component is adjustable. With the mass flow controller 24, a halogen component regulated gas stream, which is diluted with the carrier gas stream and which is fed through a halogen component feed line 21 of a halogen component inlet zone 10 of a gas inlet member 7.
  • the mass flow controller 23 With the mass flow controller 23, the mass flow of an organometallic component, which can be promoted for example with a carrier gas from a bubbler, regulated. With a mass flow controller 25, this gas stream is diluted and passed through a MO feed line 20 to an MO inlet zone 9.
  • the MO inlet zone 9 forms a separation gas inlet zone.
  • the mass flow controller 22 regulates the mass flow of the hydride, which can also be diluted with a carrier gas flow and which is fed through the hydride feed line 19 to a hydride inlet zone 8.
  • the MO inlet 20 upstream of the MO inlet zone 9 is provided with valves 27 and mass flow controllers 23 such that it is not possible during the feeding of the halogen component through the halogen component inlet zone 10, a halogen component from the halogen component source 32 or a hydride from the Hydride source 30 through the MO inlet zone 9 pass.
  • the hydride inlet line 19 and the halogen component inlet line 21 upstream of the hydride inlet zone 8 and the halogen component inlet zone 10 are designed so that neither the source 30 derived hydride nor the source 32 derived halogen component can enter the separation gas inlet zone 9, so that through the separation gas inlet zone 9 exclusively one Separation gas can flow, which is an inert gas, namely the carrier gas and the MO component.
  • the said gas inlet zones 8, 9, 10 are associated with a gas inlet member and, as is generally known from DE 10 2004 009 130 A1, are known. tikal arranged one above the other.
  • the gas inlet member 7 is cooled. It has partitions 12, 13, an upper wall 14 and a lower wall, in which a cooling liquid channel 11 is shown. All partitions 12, 13, 14 can be liquid-cooled and, for this purpose, can have cooling-fluid channels. Preferably, however, only the bottom and the top plate of the gas inlet member, so in addition to the liquid channel 11 still provide a further fluid channel in the region of the partition wall 14. As a result, the other partitions may have a minimum material thickness.
  • the gas inlet member 7 forms the gas inlet zone E. By means of cooling water, the gas inlet member 7 can be maintained at temperatures in the range below 250 ° C or 300 ° C. Preferably, however, the temperature of the gas inlet member 7 is kept at temperatures below 150 ° to avoid MO decomposition.
  • the process chamber 1 In a horizontal extent, the process chamber 1, whose bottom is formed by a susceptor 2 and whose ceiling 6 extends parallel to the susceptor 2, adjoins the gas inlet zones 8, 9, 10 lying vertically above one another like a floor.
  • the three gas inlet zones 8, 9, 10 arranged one above the other extend over the entire height of the process chamber 1, the halogen component inlet zone 10 directly adjoining the bottom of the process chamber and the hydride inlet zone 8 directly adjoining the ceiling 6 of the process chamber 1 and the separation gas inlet zone 9 is interposed.
  • the individual superimposed gas inlet zones 8, 9, 10 may have identical heights. But it is also envisaged that the gas inlet zones 8, 9, 10 have different heights.
  • the heights of the hydride inlet zone 8, the separation gas inlet zone 9, and the halogen component inlet zone 10 may have a height ratio of 1: 2: 1. In one variant, the height ratio 1: 3: 1 is provided.
  • a feed zone V connects to the inlet zone E.
  • the flow zone V extends over a heated wall portion 15 of the susceptor 2.
  • the heating of the susceptor 2 via an RF heater 18 in the form of a water-cooled heating coil, which is arranged below the susceptor 2.
  • the susceptor 2 made of graphite or other conductive material thereby eddy currents are generated, which leads to a heating of the susceptor 2.
  • the susceptor 2 is heated to different temperatures, for example for depositing a seed layer GaN / AlN at 550 ° C., an n-GaN layer at 1050 ° C., a p-type GaN layer at 900 ° C., an InGaN Layer to 750 ° C of an AlGaN layer
  • the susceptor 2 opposite ceiling wall 6 has a by about 200 ° C (or more) lower temperature when it is not actively heated. With an actively heated ceiling wall 6, however, the temperature difference is lower. It can also be zero. It is also possible to heat the process chamber ceiling 6 to a higher temperature than the susceptor 2.
  • the growth zone G Downstream of the flow zone V extends the growth zone G, in which one or more substrate holders 3 are arranged.
  • a circular disk-shaped substrate holder 3 is shown, which rests in a recess 5 of the susceptor 2 and which is rotated on a gas cushion during the implementation of the method.
  • a substrate 4 to be coated On the substrate holder 3 there is a substrate 4 to be coated whose substrate temperature T s can be regulated to a value typically between 900 and 1100 ° C.
  • the hot susceptor 2 heats the process chamber 1 to a temperature T c .
  • a gas temperature TB sets in, which is between the process chamber ceiling temperature T c and the substrate temperature T s .
  • the growth zone G is adjoined by an outlet zone A, in which a gas outlet device 16 is arranged, which is connected to a vacuum pump 17, so that the total gas pressure within the process chamber can be set to values between a few millibars and atmospheric pressure.
  • the process chamber shown schematically in FIG. 1 has a circular susceptor 2, which concentrically surrounds the likewise gas-symmetrical gas inlet member 7.
  • the vertical spacing of the partitions 12, 13, which defines the height of the MO inlet zone 9, is chosen such that the diffusion boundary layer D shown in dashed lines in FIG. 1 is formed.
  • the diffusion boundary layer D symbolizes the boundary until the hydrides introduced within the precursor zone V halogen component from the halogen component inlet zone 10 in the upward direction to the hydrogen flow and introduced through the hydride inlet zone 8 diffuse downwards in the direction of the halogen component.
  • the hydrides or halogen component thereby diffuse into a separation gas flow which enters the process chamber through the separation gas inlet zone 9.
  • the inlet zone 9 located between the hydride inlet zone 8 and the halogen component inlet zone 10 therefore forms a separating gas inlet zone through which, together with a carrier gas, the organometallic component is introduced into the process chamber.
  • the upper and lower diffusion boundary layers D which are only shown qualitatively, meet at the beginning of a region M of the lead zone V in which the gas temperature TB has reached a value above 338 ° C. at atmospheric pressure, at which NH 3 and HCl no longer react to form a ammonium chloride powder. At reduced total pressure in the process chamber, this gas temperature drops to, for example, 220 ° C at 10 mbar.
  • FIG. 2 schematically shows the profile of the temperature T s of the susceptor, the temperature TB of the gas approximately in the vertical center of the process chamber, and the temperature T c of the process chamber ceiling, in each case along the flow direction of the process gas. It can be seen that in the region of the preliminary zone V, the gas temperature has the lowest values. Thus, a cold finger forms approximately in the middle of the flow zone. At the end of the cold finger, where the halogen component comes into contact with the hydride, adducts are formed in the absence of the halogen component, inter alia, with the use of ammonia and TMGa.
  • the spatially separate inlet of the halogen component of the hydride leads process technology to an injection of the halogen component in an adduct formation volume, which lies in the zone M.
  • This adduct formation volume is doped with the halogen component, it being sufficient if a maximum of 250 ppm of the total amount of gas HCl or the HCl flow in the process chamber is below 10% of the MO gas flow.
  • the temperature T s of the susceptor 2 increases linearly in the region of the flow zone V and then proceeds substantially constantly in the region of the growth zone G and decreases again in the region of the outlet zone.
  • the temperature T c of the radiant-heated reactor ceiling 6 also increases continuously in the region of the flow zone V and runs in the Area of the growth zone G constant, and then drop off again in the region of the outlet zone A.
  • the gas temperature TB has substantially the same course as the temperatures T s and T c . However, it rises steeply in the feed zone V than the temperature T c of the process chamber cover 6. exceeds only in the zone M, the temperature T c of the process chamber ceiling.
  • FIG. 3 qualitatively shows the progression of the growth rate in the direction of flow as a solid line without HCl feed and as a dashed line with HCl feed, the course of the growth rate curve substantially corresponds to the profile of the partial pressure of the metal of the II or III component in the gas phase. It can be seen that without HCl feed, the maximum of the growth rate r is in the feed zone V, immediately upstream of the growth zone G, ie in the gas mixing zone M. Without HCl feed, the growth rate r or the depletion curve of the Metal component in the growth zone G non-linear, so that it comes to inhomogeneous growth on the rotated during the deposition process substrates. The edge regions of the substrates have a higher layer thickness than the center of the substrates.
  • FIG. 4 shows schematically the plan view of a susceptor 2, in which a multiplicity of substrate holders 3 are arranged in a ring around the gas inlet element 7 arranged in the center.
  • the diameters of the substrate holders 3 can also be larger, so that the substrate holders 3 almost touch each other.
  • the reference numeral V, the precursor zone V surrounding the gas inlet member 7 is circular, within which the growth rate in the radially outward direction increases steadily.
  • the reference numeral C designates an annular region in which parasitic growth can take place on the surface of the susceptor 2.
  • the reactor By introducing small amounts of a halogen component, for example HCl into the adduct formation zone, the reactor can be operated with relatively low gas flows, so that the average residence time of the process gas within the process chamber 1 is greater than 1.5 seconds.
  • the length of the growth zone G in the flow direction may be more than 150 mm. Within this length of the growth zone G, the gas phase depletion, in particular the III component, decreases linearly, so that layers of homogeneous layer thickness can be deposited by rotating the substrate 4.
  • FIG. 5 shows schematically the structure of a further embodiment in which above the susceptor 2, on which one or more substrates 4 are arranged, the process chamber 1 extends, the cover 6 is formed by a gas inlet member 7, as for example.
  • EP 0 687 749 B1 is described.
  • the gas inlet member extends over the entire extension surface of the susceptor 2 and has a plurality to the process chamber 1 facing out gas outlet openings through which the various process gases can flow into the process chamber.
  • the gas inlet member 7 has a plurality of superimposed chambers.
  • chamber 11 In a directly above the process chamber ceiling 6 arranged chamber 11 is a cooling liquid. Through this chamber 11 pass through a plurality of gas channels formed by tubes.
  • the gas outlet openings designated 9 are connected to a chamber 35, in which an inert gas, in particular nitrogen or hydrogen, is fed. Above this chamber 35, which is also connected to tubes with the gas outlet level, ie with the process chamber ceiling 6, there is a chamber 36, into which a hydride, in particular ammonia, is fed.
  • This chamber 36 is also connected via a tube, which now also in addition to the chamber 11 and the chamber 35, connected to the gas outlet opening, which is designated by the reference numeral 8.
  • an inert gas, the halogen component and the organometallic component is fed.
  • This chamber 37 is one with the chambers 11, 35, 36th crossing tube with the designated by the reference numeral 10 opening.
  • FIGS. 7 and 8 The lateral arrangement of the openings is shown in FIGS. 7 and 8, respectively.
  • each gas outlet opening 8, 10 forms a gas inlet zone.
  • the hydride in this case ammonia
  • the hydride inlet zones 8 are each surrounded by a multiplicity of gas outlet openings, through which the separating gas, in the present case nitrogen or hydrogen, is introduced into the process chamber.
  • These separating gas inlet zones 9 surround the individual gas outlet openings 8, 10.
  • the gas outlet openings, designated by the reference numeral 9, through which the separating gas flows into the process chamber surround the gas outlet openings, designated by the reference numbers 8 and 10, respectively, which respectively contain gas inlet zones for the hydride and the gas inlet zones form the halogen component.
  • the organometallic component is introduced into the process chamber together with HCl and an inert gas.
  • the halogen component inlet zones are each surrounded by a separating gas inlet zone 9.
  • the separation gas inlet zone 9 is formed by a plurality of gas outlet openings. It can be seen from FIGS. 7 and 8 that neither the hydride inlet zone 8 nor a halogen inlet zone 10 are arranged directly adjacent to one another. There are always at least two separation gas inlet zones 9 between the hydride inlet zone 8 and the halogen component inlet zone 10 arranged that an inert gas curtain forms around a hydride inlet zone 8 and an inert gas curtain around a halogen component inlet zone 10.
  • FIG. 9 likewise has a showerhead 7 which has a multiplicity of chambers arranged one above the other, the chamber 11 arranged immediately above the process chamber ceiling being cooled with coolant.
  • a showerhead 7 which has a multiplicity of chambers arranged one above the other, the chamber 11 arranged immediately above the process chamber ceiling being cooled with coolant.
  • an inert gas is fed together with the halogen component.
  • the associated gas outlet belongs to a halogen component inlet zone 10.
  • an inert gas for example. Hydrogen or nitrogen, and the III-MO component is fed.
  • This chamber is connected to the process chamber ceiling 6 with a plurality of tubes.
  • the mouth of each tube belongs to a separation gas inlet zone 9 through which not only the inert component but also the III component is introduced into the process chamber.
  • FIG. 10 shows the lateral arrangement of the individual gas outlet openings.
  • each halogen component inlet zone 10 is surrounded by six separation gas inlet openings 9 and each hydride inlet zone 8 is also surrounded by six separation gas inlet openings 9 so that around each hydride inlet zone 8 and halogen component inlet zone 10, respectively Gas curtain forms through which the inert gas or the III component is introduced into the process chamber.
  • each hydride inlet zone 8 or each halogen component inlet zone 10 is surrounded by an annular gas outlet opening 9, through which a separating gas can be introduced into the process chamber.
  • the gas outlet openings 8, which each form a hydride inlet zone are shown as black slices.
  • the gas outlet openings 10, through which the halogen component are introduced into the process chamber, are provided with a cross.
  • the gas outlet openings forming the separation gas inlet zones 9 are shown as circles.
  • the values for the diameters of the gas outlet openings and their distances and arrangements may vary. For example, the entire hole area may be less than 1%, less than 3% or less than 5% of the total area of the gas outlet surface.
  • the flow conditions and the spatial arrangement are chosen so that the V component, ie the hydride, only comes into contact with the halogen in a region of the process chamber in which the gas temperature is above a temperature at which ammonium chloride forms.
  • gallium nitrite was deposited at a substrate temperature Ts of 1050 ° C and at a process chamber ceiling temperature T c of 900 ° C at a respective same hydrogen carrier gas amount. This was done at residence times of 0.58 seconds, 1.01 seconds and 1.52 seconds. Radial depletion was measured by growth rates on a 4-inch sapphire substrate. Without the addition of HCl, the depletion curve is very inhomogeneous with high residence times and drops already in the middle of the growth period. zone G to less than a third. Due to the addition of only 2 sccm HCl, the depletion curves are essentially congruent for all three residence times.
  • Aluminum nitrite was also deposited here on 4-inch sapphire substrates, but at a substrate temperature of 1200 ° C at a process chamber ceiling temperature of about 1100 ° C and each hydrogen carrier gas amount.
  • the residence times of the process gases within the process chamber were 0.08 seconds and 0.33 seconds, respectively.
  • the separating gas inlet zone 9 is 10 mm and the halogen component inlet zone 10 is 5 mm
  • 16.6 slm NH3 are produced through the upper gas inlet zone 8 and 31 31 slm H through the central gas inlet zone 2 + 6 slm N 2 and fed through the lower gas inlet zone 10 16.8 slm H 2 .
  • the gas flow distribution is roughly oriented to the height distribution of the gas inlet zones 8, 9, 10 so that the gas velocity from the inlet level to the inlet level is not determined. remains the same.
  • the maximum mismatch of the gas velocities, the pulse current densities (rho * v) or the Reynolds numbers (rho * v * H / ⁇ ) can be for example 1: 1.5 or 1: 2 or 1: 3.
  • HCl is fed through the lower gas inlet zone 10, the HCl flow corresponding to a maximum of about one tenth of the flow of the pure organometallic component, which is additionally fed through the central inlet zone 9.
  • U ⁇ H 2 tion of the process chamber is taken to ensure that the index remains constant, where U is the average gas velocity in all three inlet levels at the same pressure, H is the height of the central inlet, R is the radius of the gas inlet member 7 and D is the diffusion coefficient of the process gas in the gas mixture.
  • H the height of the central inlet
  • R the radius of the gas inlet member 7
  • D the diffusion coefficient of the process gas in the gas mixture.
  • halogen component in particular HCl
  • organometallic component mixed with the hydride can also be fed into the process chamber through a common gas inlet zone.
  • the process gases can also be introduced into the process chamber with the help of differently designed gas inlet members.
  • the process chamber may have a diameter of 365 mm and a height of 20 mm.
  • the height of the inlet zones 8, 9, 10 is on average 10 mm or obeys the above scaling rule.
  • the inlet zone E extends to a radius of about 22 mm.
  • the flow zone runs in a radial range between 22 mm and 75 mm.
  • the growth zone G extends in a radial range between 75 and 175 mm. Radially outside the growth zone G is the outlet zone A.
  • the total gas flow through the process chamber is between 70 and 90 slm.
  • the growth processes are carried out in a pressure range between 50 and 900 mbar.
  • the ammonia partial pressure may correspond to 95 mbar, the TMG partial pressure to 0.073 mbar to 0.76 mbar.
  • the growth rate saturates at a TMGa partial pressure of about 0.255 mbar.
  • the growth rate can be increased to values above 10 ⁇ / h.
  • TMGa were at a TMGa partial pressure of 0.35 mbar 13.8 ⁇ / h and at a TMGa partial pressure of 0.76 mbar 26.5 ⁇ / h achieved as a growth rate.

Abstract

The invention relates to a device and method for depositing II-VI- or III-V-semi-conductor layers on one or more substrates (4). Said device comprises a reactor housing, a treatment chamber (1), a susceptor (2) which is arranged in the treatment chamber (1) and which receives the substrate (4), a heating device (18) for heating the susceptors (2), a gas inlet element (7) for introducing, into the treatment chamber (1), treatment gases in the form of a hybrid, an organometallic component and a halogen component. Treatment gases which form adducts in the absence of the halogen components in the adduct forming area (M) in which the gas temperature (TB) is in an adduct formation temperature range are used. The halogen component is introduced into the treatment chamber (1) separately from the V- or VI-components, in particular from the hybrid in the treatment chamber (1) such that the V- or VI-components, in particular the hybrid, first comes into contact with the halogen components in the adduct formation area.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum großflächigen Abscheiden von Halbleiterschichten mit gasgetrennter HCl-Einspeisung  Device and method for the large-area deposition of semiconductor layers with gas-separated HCl feed
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von II-VI oder III-V Halbleiterschichten auf einem oder mehreren Substraten, mit einem Reaktorgehäuse aufweisend eine im Reaktorgehäuse angeordnete Prozesskammer, einen in der Prozesskammer angeordneten Suszeptor zur Aufnahme des Substrates, eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des Suszeptors auf eine Suszeptortempe- ratur, ein Gaseinlassorgan, das der Prozesskammer zugeordnet ist, um ggf. zusammen mit jeweils in einem Trägergas Prozessgase in Form einer V- oder VI-Komponente, insbesondere eines Hydrids, einer metallorganischen II- oder III-Komponente und einer Halogenkomponente in die Prozesskammer einzuleiten, und eine Gasauslasseinrichtung zum Austritt von Reaktionsprodukten und ggf. des Trägergases aus der Prozesskammer, mit einer Gasmisch/ -Versor- gungseinrichtung aufweisend eine Quelle für die metallorganische II- oder II- Komponente, eine Quelle für die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid und eine Quelle für die Halogenkomponente, wobei die Quellen über Förderleitungen, die Steuerventile und Massenflussregler aufweisen, mit dem Gaseinlassorgan verbunden sind, um die metallorganische Komponente, die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid und die Halogenkomponente in voneinander getrennten Gasflüssen ggf. jeweils zusammen mit dem Trägergas in die aufgeheizte Prozesskammer zu bringen, wobei in nacheinander abfolgenden Prozessschritten mittels einer die Ventile und die Massenflussregler ansteuernden Steuereinrichtung Prozessgase in voneinander abweichender Zusammensetzung in die Prozesskammer eingespeist werden. The invention relates to a device for depositing II-VI or III-V semiconductor layers on one or more substrates, comprising a reactor housing having a process chamber arranged in the reactor housing, a susceptor arranged in the process chamber for receiving the substrate, a heating device for heating the susceptor a Suszeptortempe- temperature, a gas inlet member, which is associated with the process chamber to optionally together with in each case a carrier gas process gases in the form of a V or VI component, in particular a hydride, an organometallic II or III component and a halogen component in to introduce the process chamber, and a gas outlet device for the exit of reaction products and possibly the carrier gas from the process chamber, with a gas mixing / supply device comprising a source of the organometallic II or II component, a source for the V or VI Component, in particular the hydride and a source for the halogen component, wherein the sources via supply lines, the control valves and mass flow controller, are connected to the gas inlet member to the organometallic component, the V or VI component, in particular the hydride and the halogen component in separate gas flows optionally together with the Carrier gas to bring into the heated process chamber, wherein in successive process steps by means of a control valves controlling the valves and the mass flow controller process gases are fed in a different composition in the process chamber.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Abscheiden von II-VI oder III-V-Schichten auf einem oder mehreren Substraten, wobei Prozessgase in Form einer metallorganischen II- oder III-Komponente, einer V- oder VI- Komponente, insbesondere eines Hydrids und einer Halogenkomponente in einer Gasmisch/ -Versorgungseinrichtung bereitgestellt werden, das mindestens eine Substrat auf einen Suszeptor in einer Prozesskammer aufgebracht wird, der Suszeptor und zumindest eine Prozesskammerwand auf eine Suszep- tortemperatur bzw. Wandtemperatur aufgeheizt werden, die Prozessgase ggf. zusammen mit einem Trägergas in voneinander getrennten Gasflüssen mittels eines Gaseinlassorganes in die Prozesskammer eingebracht werden, wo die metallorganische Komponente und die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid pyrolytisch an der Substratoberfläche miteinander reagieren, so dass auf dem Substrat eine Schicht abgeschieden wird, und die Halogenkomponente eine parasitäre Partikelbildung in der Gasphase vermindert bzw. unterdrückt und das Trägergas zusammen mit Reaktionsprodukten durch eine Gasauslasseinrichtung die Prozesskammer verläset, wobei in nacheinander abfolgenden Prozessschritten mittels einer Ventile und Massenflussregler ansteuernden Steuereinrichtung Prozessgase in voneinander abweichender Zusammensetzung in die Prozesskammer eingespeist werden. The invention further relates to a method for depositing II-VI or III-V layers on one or more substrates, wherein process gases in Form of an organometallic II or III component, a V or VI component, in particular a hydride and a halogen component in a gas mixing / supply means are provided, the at least one substrate is applied to a susceptor in a process chamber, the susceptor and at least a process chamber wall are heated to a susceptible or wall temperature, the process gases are optionally introduced together with a carrier gas in separate gas flows by means of a gas inlet member into the process chamber, where the organometallic component and the V or VI component, in particular the hydride pyrolytically react with each other at the substrate surface, so that a layer is deposited on the substrate, and the halogen component reduces or suppresses parasitic particle formation in the gas phase and the carrier gas, together with reaction products, leaves the process chamber through a gas outlet device et, wherein in successive process steps by means of a control valves and mass flow controller controlling process gases are fed into the process chamber in different composition.
Eine derartige Vorrichtung bzw. ein derartiges Verfahren beschreibt die US 7,585,769 B2. Beschrieben wird dort eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Abscheiden von III-V Halbleiterschichten auf einem Substrat in einem Reaktorgehäuse. Die in die Prozesskammer des Reaktorgehäuses eingeleiteten Prozessgase enthalten ein Hydrid, beispielsweise Ammoniak, eine metallorganische Komponente, beispielsweise Trimethylgallium, und eine Halogenkomponente, beispielsweise Chlorwasserstoff. Die Vorrichtung besitzt ein showerheadartiges Gaseinlassorgan, welches vertikal oberhalb eines Suszeptors angeordnet ist, welcher sich in Horizontalrichtung erstreckt und ein Substrat trägt, welches unter Verwendung von Heizungen auf eine Prozesstemperatur gebracht wird. Die Halogenkomponente soll entweder zusammen mit den übrigen Prozessgasen oder separat in die Prozesskammer eingeleitet werden und soll dort die Bildung von Partikeln in der Gasphase verhindern bzw. unterdrücken. Die DE 10 2007 009 145 AI beschreibt eine Vorrichtung zum Abscheiden kristalliner Schichten mittels des MOCVD-Verfahrens bei durch drei übereinander angeordnete Gaseinlasszonen verschiedene Prozessgase in die Prozesskammer eingeleitet werden. Durch eine dem Suszeptor benachbarte Gaseinlasszone wird NH3, durch eine der Prozesskammerdecke benachbarte Gaseinlasszone HCl und durch eine dazwischen liegenden Gaseinlasszone eine metallorganische Komponente eingeleitet. Die Einleitung der Prozessgase erfolgt jeweils zusammen mit einem Trägergas. Such a device or such a method describes the US 7,585,769 B2. Described there is a device or a method for depositing III-V semiconductor layers on a substrate in a reactor housing. The process gases introduced into the process chamber of the reactor housing contain a hydride, for example ammonia, an organometallic component, for example trimethylgallium, and a halogen component, for example hydrogen chloride. The apparatus has a showerhead type gas inlet member disposed vertically above a susceptor which extends horizontally and carries a substrate which is heated to a process temperature using heaters. The halogen component should either be introduced together with the other process gases or separately into the process chamber and there should prevent or suppress the formation of particles in the gas phase. DE 10 2007 009 145 A1 describes an apparatus for depositing crystalline layers by means of the MOCVD method in which different process gases are introduced into the process chamber by means of three gas inlet zones arranged one above the other. NH3 is introduced through a gas inlet zone adjoining the susceptor, an organometallic component is introduced through a gas inlet zone HCl adjacent to the process chamber ceiling, and an intervening gas inlet zone. The introduction of the process gases takes place together with a carrier gas.
Die US 4,961,399 A beschreibt eine Vorrichtung zum Abscheiden von III-V- Schichten auf einer Vielzahl um ein Zentrum einer rotationssymmetrischen Prozesskammer angeordneten Substraten. Ein Gaseinlassorgan ist im Zentrum der Prozesskammer angeordnet und dient zum Einleiten eines Hydrides beispielsweise NH3, ASH3 oder PH3. Durch das Gaseinlassorgan werden darüber hinaus auch metallorganische Verbindungen, bei denen es sich beispielsweise um TMGa, TMIn oder TMA1 handeln kann, in die Prozesskammer eingeleitet. Zusammen mit diesen Prozessgasen wird auch ein Trägergas, insbesondere in Form von Wasserstoff, in die Prozesskammer eingeleitet. Der Suszeptor wird von unten geheizt. Dies kann mittels Wärmestrahlung, mittels Hochfrequenzkopplung oder anderweitig erfolgen. Eine brauchbare Heizung, die unterhalb des Suszeptors angeordnet ist, wird in der DE 102 47921 AI beschrieben. Bei einem solchen CVD-Reaktor erstreckt sich die Prozesskammer in horizontaler Richtung, wird unten von einem Suszeptor und oben von einer Deckenplatte begrenzt. Die US 7,560,364 offenbart ein MOCVD-Verfahren, bei dem ein mit metallorganischer Ausgangsstoff zusammen mit einem Hydrid in eine Prozesskammer eingebracht wird. Durch zusätzliches Einleiten von HCl sollen Gitterfehlstellen reduziert werden. Es handelt sich dabei um Versetzungsfehlstellen, die sich beim Wachstum der Schicht senkrecht zur Oberfläche fadenförmig durch die Schicht ausbreiten. Durch die Zugabe von HCl werden kleine spitz zulaufende Ätzgruben erzeugt. Die Versetzungsfäden breiten sich dann senkrecht zu den geneigten Facetten der Ätzgruben aus, so dass sie verbogen sind. US 4,961,399 A describes an apparatus for depositing III-V layers on a plurality of substrates arranged around a center of a rotationally symmetrical process chamber. A gas inlet member is arranged in the center of the process chamber and serves to introduce a hydride, for example NH3, ASH3 or PH3. In addition, organometallic compounds, which may be, for example, TMGa, TMIn or TMA1, are introduced into the process chamber through the gas inlet element. Together with these process gases, a carrier gas, in particular in the form of hydrogen, is introduced into the process chamber. The susceptor is heated from below. This can be done by means of thermal radiation, by means of high-frequency coupling or otherwise. A useful heater, which is arranged below the susceptor is described in DE 102 47921 AI. In such a CVD reactor, the process chamber extends in the horizontal direction, is bounded below by a susceptor and at the top by a ceiling plate. US 7,560,364 discloses an MOCVD process in which a metal-organic precursor is introduced into a process chamber along with a hydride. By additional introduction of HCl lattice defects should be reduced. These are dislocation defects that propagate through the layer as the layer grows perpendicular to the surface. The addition of HCl produces small tapered etching pits. The dislocation threads then extend perpendicular to the inclined facets of the etch pits so that they are bent.
Die DE 10 2004 009 130 AI beschreibt einen MOCVD-Reaktor mit einer symmetrisch um ein zentrales Gaseinlassorgan angeordneten Prozesskammer. In die Prozesskammer wird zusammen mit Wasserstoff Trimethylgallium und Ammoniak eingeleitet. In dieser Schrift werden auch theoretische Überlegun- gen zum Wachstumsprozess angestellt. Die Prozessgase werden bei einer Einlasstemperatur, die bei Raumtemperatur bzw. unterhalb von 100° Celsius liegt, in die Prozesskammer eingeleitet. Die Decke der Prozesskammer wird auf einer Deckentemperatur von unter 500° Celsius gehalten. Die Substrattemperatur liegt im Bereich von etwa 1000° Celsius. Je nach verwendetem Prozessgas bzw. gewünschtem Prozesserfolg variieren diese Temperaturen um 50° bis 100° Celsius. In einer Vorlaufzone, die sich unmittelbar an das Gaseinlassorgan anschließt, werden die in die Prozesskammer eingeleiteten Prozessgase und das Trägergas aufgeheizt. Dies erfolgt im wesentlichen über Wärmeleitung. Die Wärme wird über den Kontakt des Trägergases mit der Prozesskammerdecke oder dem Suszeptor in die Gasphase eingeleitet. Da die Suszeptortemperatur höher ist als die Deckentemperatur, bildet sich zufolge des kalten einströmenden Gases ein in Strömungsrichtung in die Prozesskammer hineinragender sogenannter kalter Finger aus, also eine räumliche Zone innerhalb der Prozess- kammer, innerhalb der das Trägergas und insbesondere die Prozessgase aufgeheizt werden. Als Prozessgase werden solche verwendet, die sich bei Erwärmung in Zerlegungsprodukte zerlegen; so zerfallen beispielsweise die metallorganischen Verbindungen schrittweise über Zwischenprodukte in elementare Metalle, beispielsweise zerfällt TMGa über DMGa und MMGa in Ga. Die Hydride zerfallen in weitaus geringerem Maße und werden deshalb bei der Prozessführung im Überschuss angeboten. Die Wachstumsrate von in diesem Beispiel GaN auf der Substratoberfläche wird somit durch das Angebot von TMGa bestimmt. DE 10 2004 009 130 A1 describes a MOCVD reactor with a process chamber arranged symmetrically about a central gas inlet member. Trimethylgallium and ammonia are introduced into the process chamber together with hydrogen. This paper also deals with theoretical considerations of the growth process. The process gases are introduced into the process chamber at an inlet temperature that is at room temperature or below 100 ° Celsius. The ceiling of the process chamber is kept at a ceiling temperature of less than 500 ° Celsius. The substrate temperature is in the range of about 1000 ° Celsius. Depending on the process gas used or the desired process success, these temperatures vary by 50 ° to 100 ° Celsius. In a flow zone, which adjoins directly to the gas inlet member, the process gases introduced into the process chamber and the carrier gas are heated. This is done essentially via heat conduction. The heat is introduced via the contact of the carrier gas with the process chamber ceiling or the susceptor in the gas phase. Since the susceptor temperature is higher than the top temperature, a so-called cold finger protruding in the direction of flow into the process chamber is formed as a result of the cold inflowing gas, ie a spatial zone within the process chamber. chamber within which the carrier gas and in particular the process gases are heated. As process gases, those are used which decompose when heated in decomposition products; For example, the organometallic compounds gradually decompose via intermediate products into elemental metals, for example, TMGa decomposes via DMGa and MMGa into Ga. The hydrides decompose to a much lesser extent and are therefore offered in excess in process control. The growth rate of GaN on the substrate surface in this example is thus determined by the offer of TMGa.
Die DE 10 163 394 AI, DE 10 2006 018 515 AI und die US 2008/0132040 AI beschreiben die Verwendung von HCl zum Ätzen der Prozesskammer nach einem Beschichtungsprozess bzw. die Verwendung von HCl als Transportgas für Gallium bzw. Indium in einem HVPE-Prozess. DE 10 163 394 A1, DE 10 2006 018 515 A1 and US 2008/0132040 Al describe the use of HCl for etching the process chamber after a coating process or the use of HCl as a transport gas for gallium or indium in an HVPE process ,
Die sich an die Vorlaufzone anschließende Wachstumszone ist - nach bisheriger Kenntnis - der Bereich innerhalb der Prozesskammer, innerhalb welchem zumindest die III-Komponente nahezu vollständig zerlegt ist, das heißt im wesentlichen nur noch Zerlegungsprodukte bzw. nur noch Metallatome in der Gasphase vorhanden sind. Diese diffundieren aus dem Volumenstrom oberhalb der in der Wachstumszone angeordneten Substrate in Richtung auf die Substratoberfläche, wo die Zerlegungsprodukte vollständig zerlegt werden und sich das Hydrid stöchiometrisch zerlegt. Das Wachstum wird in den bisherigen Theorien über ein Grenzschicht-Diffusions-Modell beschrieben. Das Angebot, also der Partialdruck der III-Komponente ist dabei so gewählt, dass die Zerlegungsprodukte sich kristallbildend auf der Substratoberfläche pyrolytisch abscheiden. Die Oberfläche des Substrates ist deshalb auch einkristallin. P. Fini et al. Japanese Journal of applied physics 37 (1998) 4460 oder D. D. Ko- leske Journal of Chrystal Growth 242 (2002) 55 zeigen, dass bei einem geringen Totaldruck in der Prozesskammer, beispielsweise von weniger als 200 mbar, mehr Kristalldefekte in der abgeschiedenen Schicht auftreten als bei höheren Totaldrucken, insbesondere bei Totaldrucken von mehr als 400 mbar. Im Detail wird dort die Versetzungsdichte reduziert und der Einbau von Verunreinigungen vermindert. Auf den ersten Blick erscheint deshalb die Steigerung des Totaldrucks ein geeignetes Mittel zu sein, die Kristallqualität zu erhöhen. Die Forschungsergebnisse zeigen aber auch, dass eine Steigerung des Totaldrucks zu einer drastischen Verminderung der Wachstumsrate führt. Außerdem führt eine Steigerung des Prozessdrucks auch zum Einsetzen parasitärer Prozesse und insbesondere parasitärem Wachstum, so dass in der bisherigen Fertigung nur mit niedrigen Drucken gearbeitet wird. Die US 2008/0050889 befasst sich mit Simulationsrechnungen zur Ermittlung geeigneter Prozessparameter, um eine parasitäre Partikelbildung in einem Showerhead-Reaktor zu unterdrücken. The growth zone adjoining the flow zone is - according to previous knowledge - the area within the process chamber, within which at least the III component is almost completely decomposed, that is essentially only decomposition products or only metal atoms in the gas phase are present. These diffuse from the volumetric flow above the substrates arranged in the growth zone towards the substrate surface, where the decomposition products are completely decomposed and the hydride decomposes stoichiometrically. Growth is described in previous theories of a boundary-layer diffusion model. The offer, that is, the partial pressure of the III component is chosen so that the decomposition products are deposited crystal-forming on the substrate surface pyrolytically. The surface of the substrate is therefore also monocrystalline. P. Fini et al. Japanese Journal of Applied Physics 37 (1998) 4460 or DD Kosleske Journal of Chrystal Growth 242 (2002) 55 show that with a low total pressure in the process chamber, for example less than 200 mbar, more crystal defects occur in the deposited layer than at higher total pressures, especially at total pressures of more than 400 mbar. In detail, the dislocation density is reduced there and the incorporation of impurities is reduced. At first sight, therefore, the increase in total pressure appears to be a suitable means of increasing crystal quality. However, the research also shows that an increase in total pressure leads to a drastic reduction in the growth rate. In addition, an increase in the process pressure also leads to the onset of parasitic processes and in particular parasitic growth, so that only low pressures are used in the previous production. US 2008/0050889 deals with simulation calculations to determine suitable process parameters in order to suppress parasitic particle formation in a showerhead reactor.
Die DE 10 2004 009 130 AI zeigt anhand der dortigen Figur 2, dass die Wachs- tumsrate innerhalb der Wachstumszone in Stromrichtung abnimmt. Durch eine geeignete Prozessführung lässt sich ein gradliniger Verlauf der Abnahme der Wachstumsrate einstellen. Ursache für das Absinken der Wachstumsrate ist die stetige Verarmung der Gasphase zufolge des eigentlichen Wachstumsprozesses. Werden die Substrate von drehenden Substrathaltern gedreht, so kann die zufolge dieses Verarmungseffektes laterale Inhomogenität der Wachstumsrate kompensiert werden. Bei dem oben genannten Versuch mit erhöhten Totaldrucken hat sich jedoch gezeigt, dass kein derartiger linearer Verlauf der Abnahme der Wachstumsrate einstellbar ist. Vielmehr bilden sich im stromabwärtigen Bereich in der Gasphase Partikel, die nicht zum Wachstum beitragen, sondern mit dem Gasstrom direkt in das Gasauslassorgan transportiert werden. Eine Steigerung des Totaldrucks hat somit bislang für die Fertigung nur zu unbrauchbaren Ergebnissen geführt. With reference to FIG. 2, DE 10 2004 009 130 A1 shows that the growth rate within the growth zone decreases in the direction of flow. By means of suitable process management, a straight-line course of the decrease in the growth rate can be set. The reason for the decline in the growth rate is the steady depletion of the gas phase due to the actual growth process. If the substrates are rotated by rotating substrate holders, the lateral inhomogeneity of the growth rate due to this depletion effect can be compensated. In the above-mentioned experiment with increased total pressures, however, has shown that no such linear course of the decrease in the growth rate is adjustable. Rather, in the downstream region in the gas phase particles that do not contribute to growth, but are transported with the gas flow directly into the Gasauslassorgan. An increase in the total pressure has thus far led to unusable results for the production only.
Gemäß einer Modellvorstellung der Gasphasenreaktionen bilden sich in der Prozesskammer in einer Vorlaufzone vor der eigentlichen WachstumszoneAccording to a model of the gas phase reactions form in the process chamber in a flow zone before the actual growth zone
Addukte zwischen der metallorganischen Komponente und dem Hydrid. Diese Addukte bilden Nukleazonskeime für sich in der Gasphase bildende Partikel, die ohne dass sie zum Schichtwachstum beitragen vom Trägergas aus der Prozesskammer transportiert werden. Wird Wasserstoff als Trägergas verwendet, so reduziert sich diese Partikelbildung als Folge einer ätzenden Wirkung des Wasserstoffs. Auch eine Verringerung der mittleren Verweilzeit, also eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit kann in gewissen Grenzen die Partikelbildung vermindern. Die Wachstumsrate hängt bei niedrigen Partialdrücken der metallorganischen Komponente und insbesondere des TMGs linear von dessen Flussrate ab. Zu höheren TMG-Partialdrücken ist aber eine Sättigung zu beobachten und bei noch höheren Partialdrücken sogar ein Absinken der Wachstumsrate. Dieser Grenzpartialdruck, ab dem sich die Wachstumsrate sublinear mit dem Partial- druck ändert, hängt vom Totaldruck, der Verweilzeit der Prozessgase in der Prozesskammer und vom Grad dessen Verdünnung ab. Als Ursache für die Sättigung bzw. das Absinken der Wachstumsraten werden parasitäre Verluste wie Adduktbildung, Keimbildung und Gasphasenkondensationen angesehen. In der industriellen Fertigung von Halbleiterschichten besteht ein hohes Interesse an hohen Wachstumsraten, um so den Durchsatz bei der Produktion zu erhöhen. Adducts between the organometallic component and the hydride. These adducts nucleate nuclei for themselves in the gas phase forming particles which, without contributing to the growth of the layer, are transported by the carrier gas out of the process chamber. If hydrogen is used as the carrier gas, this particle formation is reduced as a consequence of a corrosive effect of the hydrogen. A reduction in the average residence time, ie an increase in the flow rate, can also reduce particle formation within certain limits. The growth rate depends linearly on its flow rate at low partial pressures of the organometallic component and in particular of the TMG. At higher TMG partial pressures, however, a saturation is observed and at even higher partial pressures even a decrease in the growth rate. This limiting partial pressure, at which the growth rate changes sub-linearly with the partial pressure, depends on the total pressure, the residence time of the process gases in the process chamber and the degree of dilution. As a cause for the saturation or the decrease of the growth rates parasitic losses such as adduct formation, nucleation and gas phase condensations are considered. In the industrial manufacturing of semiconductor layers, there is a high interest in high growth rates in order to increase throughput in production.
Die Verlängerung der Vorlaufzone des Prozessgases, also der Wegstrecke, die das Prozessgas nach dem Austritt aus dem Gaseinlassorgan bis zum Substrat zurücklegt, führt bei rotationssymmetrisch um ein zentrales Gaseinlassorgan angeordneter Prozesskammer zu einer überproportionalen Vergrößerung der Grundfläche der Prozesskammer. Dadurch wächst bei einer Prozesskammer, die für großflächigere Substrate geeignet ist, die Verweilzeit gegenüber einer kleinen Kammer. Bei ansonsten vergleichbaren Bedingungen treten die genannten parasitären Verluste auf, obwohl sie in einer entsprechenden kleinen Prozesskammer nicht auftreten. Sie finden oftmals im hinteren, stromabwärtigen Bereich der Wachstumszone statt. Dadurch knickt die ansonsten linear verlaufende Wachstumsratenverteilung, die sog. Verarmungskurve, ab. Dies hat zur Folge, dass auch ein Rotieren des Substrates nicht zu einem homogenen Wachstum führt. Nicht nur die Schichtdicke, sondern auch die Schichtzusammensetzung verläuft dann auf dem Substrat nicht gleichmäßig. The extension of the flow zone of the process gas, ie the path that travels the process gas after exiting the gas inlet member to the substrate, leads in rotationally symmetrical about a central gas inlet member arranged process chamber to a disproportionate increase in the base area of the process chamber. As a result, in a process chamber that is suitable for larger-area substrates, the residence time increases compared to a small chamber. Under otherwise comparable conditions, said parasitic losses occur, although they do not occur in a corresponding small process chamber. They often take place in the rear, downstream area of the growth zone. As a result, the otherwise linear growth rate distribution, the so-called depletion curve, breaks down. This has the consequence that even a rotation of the substrate does not lead to a homogeneous growth. Not only the layer thickness but also the layer composition does not run evenly on the substrate.
In„High growth rate process in a SiC horizontal CVD reactor using HCl", Mi- croelectronic Engineering 83 (2006) 48 - 50 beschreiben die Autoren die Wirkung von HCl hinsichtlich einer Unterdrückung einer Silicium Nukleation. In„Effect of HCl addition on gas-phase and surface reactions during homoepi- taxial growth of SiC at low temperatures", Journal of applied physics 104, 053517 (2008) beschreiben die Autoren ebenfalls die Wirkung eines zusätzlichen HCl-Flusses beim Abscheiden von Silicium enthaltenden Schichten. In„Prevention of In droplets formation by HCl addition during metal organic vapor phase epitaxy of InN", Applied physics letters 90, 161126 (2007)" beschreiben die Autoren die Wirkung von Cl, insbesondere in Form HCl in einem Kristallabscheidungsprozess, in dem als Prozessgase NH3 und TMIn verwendet wird. In "High growth rate process in a SiC horizontal CVD reactor using HCl", Microelectronic Engineering 83 (2006) 48 - 50, the authors describe the effect of HCl with respect to suppression of silicon nucleation. The authors also describe the effect of additional HCI flow in the deposition of silicon-containing layers, in the case of homoepi- rate growth of SiC at low temperatures ", Journal of Applied Physics 104, 053517 (2008). In "Prevention of In-droplet formation by HCl addition during metal vapor phase epitaxy of InN", Applied Physics Letters 90, 161126 (2007) ", the authors describe the effect of Cl, particularly in the form of HCl in a crystal deposition process, in which process gases NH3 and TMIn is used.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen die mit Substraten belegte Nutzfläche des Suszeptors vergrößert werden kann. The invention has for its object to provide measures by which the occupied with substrates useful surface of the susceptor can be increased.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Zunächst und im Wesentlichen ist vorgesehen, dass das Einlassorgan zumindest drei voneinander getrennte Gaseinlasszonen aufweist, wobei zwischen einer mit der Quelle der V- oder VI-Komponente verbundenen V- oder VI- Einlasszone und einer mit der Halogenkomponentenquelle verbundenen Halo- genkomponenteneinlasszone eine Trenngaseinlasszone angeordnet ist, die während des Einspeisens der Halogenkomponente weder aus der Quelle der V- oder VI-Komponente noch aus der Halogenkomponentenquelle gespeist wird. Es ist ferner vorgesehen, dass durch die Trenngaseinlasszone die metallorgani- sehe Komponente oder lediglich ein Inertgas, bspw. das Trägergas eingespeist wird. Hierzu ist die Trenngaseinlasszone mit der Quelle der metallorganischen Komponente verbunden bzw. verbindbar. Die Vorrichtung besitzt dann insgesamt mindestens drei voneinander getrennte Gaseinlasszonen, wobei durch benachbarte Gaseinlasszonen bzw. durch benachbarte Kanäle nicht gleichzeitig das Hydrid und die Halogenkomponente in die Prozesskammer eintreten.The object is achieved by the invention specified in the claims. First and substantially, it is provided that the inlet member has at least three separate gas inlet zones, wherein a separating gas inlet zone is arranged between a V or VI inlet zone connected to the source of the V or VI component and a halogen component source zone connected to the halogen component source which is fed during the feeding of the halogen component neither from the source of the V or VI component nor from the halogen component source. It is further provided that the organometallic component or merely an inert gas, for example the carrier gas, is fed through the separation gas inlet zone. For this purpose, the separation gas inlet zone is connected or connectable to the source of the organometallic component. The device then has a total of at least three separate gas inlet zones, whereby the hydride and the halogen component do not enter the process chamber simultaneously through adjacent gas inlet zones or through adjacent channels.
Bevorzugt wird durch jede der drei Einlasszonen nur eine der drei Gaskomponenten in die Prozesskammer eingebracht. Es können aber optional weitere Gaseinlasszonen vorgesehen sein. In nacheinander abfolgenden Prozessschrit- ten werden mittels einer die Ventile und die Massenflussregler ansteuernden Steuereinrichtung Prozessgase in voneinander abweichender Zusammensetzung in die Prozesskammer eingespeist. Das Gaseinlassorgan ist bevorzugt mit einer Kühleinrichtung ausgestattet, mit der zumindest eine, bevorzugt alle Gaseinlasszonen gekühlt werden können. Hierzu können die Wände der Gaseinlasszonen mit von einem Kühlmittel durchströmte Kühlkanäle aufweisen. Durch das Gaseinlassorgan können Prozessgase in die Prozesskammer eingeleitet werden, die ohne die Anwesenheit einer Halogenkomponente zu einer Belegung bspw. der Suszeptoroberfläche vor der Wachstumszone miteinander reagieren. Die Halogenkomponenteneinlasszone kann derart benachbart und stromaufwärts vor einem beheizten Oberflächenabschnitt der Prozesskammer angeordnet sein, dass dort das parasitäres Wachstum unterdrückt wird. Das Gaseinlassorgan wird mit der Kühleinrichtung auf eine Einlasstemperatur gekühlt, die unter der Zerlegungstemperatur der Prozessgase liegt. Dies erfolgt mit der Kühlflüssigkeit, die durch die Kühlkanäle strömt. In die bevorzugt in Horizontalrichtung durchströmte Prozesskammer tritt das Prozessgas durch vertikal übereinander angeordnete Gaseinlasszonen ein. Das Prozessgas durchläuft dabei eine Vorlaufzone, innerhalb derer sich die Prozessgase mischen können. Als V- oder VI-Komponente wird bevorzugt ein Hydrid verwendet, welches Arsin, Phosphin oder bevorzugt Ammoniak ist. Als V-Komponente wird somit bevorzugt eine Stickstoffverbindung zum Abscheiden von GaN verwendet. Als Halogenkomponente kommt ein Halid in Betracht, bspw. eine Halogenwasserstoffverbindung wie HCl aber auch das reine Halogen, bspw. Cl2, insbesondere auch in ionisierter Form. Im Folgenden wird die Erfindung am Beispiel der Verwendung eines Hydrids und TMGa sowie HCl erläutert: Da das Hydrid und das HCl vertikal beabstandet in verschiedenen Ebenen in die Prozesskammer eingebracht werden, treffen die Halogenkomponente und Hydrid erst in einem horizontalen Abstand stromabwärts der Einlasszone inner- halb der Vorlaufzone aufeinander. Am Ort des Zusammentreffens haben sich die Gase bereits derart aufgeheizt, dass die Gastemperatur oberhalb einer Reaktionstemperatur liegt, bei der das Hydrid bspw. Ammoniak und die Halogenkomponente bspw. HCl unter Bildung eines Kondensats, nämlich eines Fest- Stoffes bspw. Ammoniumchlorid miteinander reagieren. Der Ort, an dem die Halogenkomponente und das Hydrid erstmalig in Kontakt miteinander treten, kann auch innerhalb einer Adduktbildungszone liegen, also in einem Bereich der Prozesskammer, in der die Gastemperatur innerhalb eines Adduktbil- dungstemperaturbereichs liegt, der betreffend die Prozessgaspaarung TMGa und NH3 im Bereich zwischen 100° C bis 500° C liegt. Die Halogenkomponente wird vorzugsweise in der zu unterst liegenden Ebene in die Prozesskammer eingeleitet. Dies hat zur Folge, dass die Zone der Prozesskammer, also die Substrathalterzone, die unmittelbar stromabwärts der Halogenkomponenteneinlasszone liegt, mit der größten Halogenkomponenten-Konzentration beauf- schlagt wird. An die Halogenkomponenteneinlasszone schließt sich bevorzugt die der Vorlaufzone zugeordnete beheizte Wandung des Suszeptors an, in der in Abwesenheit einer Halogenkomponente unmittelbar vor der Wachstumszone die Wachstumsrate am größten ist. In Abwesenheit der Halogenkomponente findet somit eine Belegung der Vorlaufzone des Suszeptors statt. Dieses parasi- täre Wachstum kann durch Einleitung der Halogenkomponente unmittelbar oberhalb des Suszeptors vermieden werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung befindet sich die Hydrideinlasszone unmittelbar unterhalb der Prozesskammerdecke. Die Prozesskammerdecke ist ebenso wie der Suszeptor thermisch gegenüber dem gekühlten Gaseinlassorgan isoliert. Die Prozesskammerdecke kann aktiv beheizt werden, wozu der Prozesskammerdecke eine gesonderte Heizeinrichtung zugeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass die Prozesskammerdecke lediglich passiv beheizt wird. Der Suszeptor wird mit einer Heizeinrichtung, beispielsweise einer wassergekühlten RF-Spule beheizt und strahlt dabei Wärme ab, die die Prozesskammerdecke aufheizt. Das Gaseinlassorgan kann im Zentrum eines rotationssymmetrisch aufgebauten Planetenreaktor liegen. Der Suszeptor bildet eine Vielzahl von planetenartig das Gaseinlassorgan umgebende Substrathalter aus, die ein oder mehrere Sub- strafe tragen und die während des Wachstums um ihre Achse gedreht werden. Das von oben gespeiste Gaseinlassorgan liegt dabei im Zentrum der Prozesskammer. Es ist ringförmig vom Suszeptor umgeben, der auch drehangetrieben werden kann. Der Suszeptor besitzt eine Vielzahl von Vertiefungen, wobei in jeder Vertiefung ein kreisscheibenförmiger Substrathalter einliegt, der auf ei- nem Gaspolster aufliegend gedreht wird. Der Drehantrieb wird von einem gerichteten Gasstrom aus gebildet. Auf dem Substrathalter können ein oder mehrere Substrate aufliegen. Preferably, only one of the three gas components is introduced into the process chamber through each of the three inlet zones. But it can optionally be provided more gas inlet zones. In successive process steps By means of a control device controlling the valves and the mass flow controllers, process gases having a different composition are fed into the process chamber. The gas inlet member is preferably equipped with a cooling device, with which at least one, preferably all gas inlet zones can be cooled. For this purpose, the walls of the gas inlet zones can have coolant channels through which a coolant flows. Through the gas inlet member process gases can be introduced into the process chamber, which react without the presence of a halogen component to an occupancy eg. The susceptor surface before the growth zone with each other. The halogen component inlet zone may be located adjacent and upstream of a heated surface portion of the process chamber such that parasitic growth is suppressed there. The gas inlet member is cooled with the cooling device to an inlet temperature which is below the decomposition temperature of the process gases. This is done with the cooling liquid flowing through the cooling channels. In the preferably horizontally flowed through the process chamber, the process gas enters through vertically stacked gas inlet zones. The process gas passes through a flow zone, within which the process gases can mix. As the V or VI component, it is preferable to use a hydride which is arsine, phosphine or, preferably, ammonia. As the V component, it is thus preferable to use a nitrogen compound for depositing GaN. As halide component is a halide into consideration, for example. A hydrogen halide compound such as HCl but also the pure halogen, eg. Cl 2 , especially in ionized form. In the following, the invention is explained using the example of the use of a hydride and TMGa and HCl: Since the hydride and the HCl are introduced into the process chamber vertically spaced at different levels, the halogen component and hydride meet only at a horizontal distance downstream of the inlet zone. half of the flow zone each other. At the place of the meeting, the gases have already been heated in such a way that the gas temperature is above a reaction temperature at which the hydride, for example ammonia and the halogen component, for example HCl, react with one another to form a condensate, namely a solid, for example ammonium chloride. The location at which the halogen component and the hydride first come into contact with each other may also lie within an adduct formation zone, ie in a region of the process chamber in which the gas temperature lies within an adduct formation temperature range, which is in the range for the process gas pairing TMGa and NH3 between 100 ° C to 500 ° C. The halogen component is preferably introduced into the process chamber in the lowest level. This has the consequence that the zone of the process chamber, ie the substrate holder zone, which lies immediately downstream of the halogen component inlet zone, is subjected to the greatest halogen component concentration. The halogen component inlet zone is preferably followed by the heated wall of the susceptor associated with the precursor zone, in which the growth rate is greatest in the absence of a halogen component immediately before the growth zone. In the absence of the halogen component, an occupancy of the precursor zone of the susceptor thus takes place. This parasitic growth can be avoided by introducing the halogen component just above the susceptor. In a preferred embodiment of the device, the hydride inlet zone is located directly below the process chamber ceiling. The process chamber ceiling, like the susceptor, is thermally insulated from the cooled gas inlet member. The process chamber ceiling can be actively heated, to which the process chamber ceiling is assigned a separate heating device. But it is also possible that the process chamber ceiling is only passively heated. The susceptor is provided with a heater, such as a water-cooled RF coil heats and radiates heat that heats the process chamber ceiling. The gas inlet member may be located in the center of a rotationally symmetrical planetary reactor. The susceptor forms a plurality of substrate holders surrounding the gas inlet organ in a planetary manner, which carry one or more substrains and which are rotated about their axis during growth. The gas inlet element fed from above lies in the center of the process chamber. It is ring-shaped surrounded by the susceptor, which can also be rotated. The susceptor has a plurality of depressions, wherein in each depression a circular disk-shaped substrate holder rests, which is rotated resting on a gas cushion. The rotary drive is formed by a directed gas flow. One or more substrates may rest on the substrate holder.
Die Einspeisung der Prozessgase durch voneinander getrennte Gaseinlasszonen kann nicht nur in horizontaler Richtung erfolgen. Es ist auch vorgesehen, dass die Prozessgase durch die Prozesskammerdecke in vertikaler Richtung in die Prozesskammer eingeleitet werden. Hierzu ist das Gaseinlassorgan in Form eines Duschkopfes (Showerhead) ausgebildet. Die Prozesskammerdecke weist bei dieser Variante eine Vielzahl siebartig angeordneter Gasaustrittsöffnungen auf, die in gleichmäßiger Verteilung angeordnet sind. In regelmäßiger Anordnung sind dort Hydrideinlasszonen, Trenngaseinlasszonen und Halogenkom- ponenteneinlasszonen jeweils in Form einer einzelnen Gasaustrittsöffnung angeordnet. Zu einer dieser Gaseinlasszonen können aber auch mehrere Gasaustritts Öffnungen gehören. Es ist dann eine Gruppe von Gasaustrittsöffnun- gen, die eine Gaseinlasszone bildet. Eine Halogenkomponenteneinlasszone ist dabei von einer Trenngaseinlasszone umgeben, die von einer Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen ausgebildet ist. Ebenso ist jede Hydrideinlasszone von einer Trenngaseinlasszone umgeben, die von einer Vielzahl von Gasaustritts- Öffnungen ausgebildet ist. Das Gaseinlassorgan kann mehrere übereinander angeordnete Kammern aufweisen, die untereinander gasdicht abgeschlossen sind. Jede der Kammern ist mit einer Vielzahl von Kanälen, insbesondere in Form von Röhrchen mit der Gasaustrittsfläche, die von der Prozesskammerde- cke ausgebildet ist, verbunden. Der Prozesskammerdecke unmittelbar benachbart kann eine Kühlkammer angeordnet sein, so dass die Prozesskammerdecke gekühlt ist. Aus den einzelnen Gasaustrittsöffnungen treten die Prozessgase getrennt voneinander in die Prozesskammer, wobei das Hydrid von der Halogenkomponente durch ein Trenngas getrennt ist. Bei dem Trenngas kann es sich um ein Inertgas handeln. Mit dem Trenngas kann die III-Komponente in die Prozesskammer eingebracht werden. Es ist aber auch vorgesehen, dass die III- Komponente zusammen mit der Halogenkomponente in die Prozesskammer eingeleitet wird. Durch das gezielte Einleiten der Halogenkomponente in das Adduktbildungs- volumen, also den Abschnitt der Prozesskammer in dem sich die Addukte bilden, wird die Partikelbildung reduziert. Dies hat zur Folge, dass das Verarmungsprofil innerhalb der Wachstumszone homogen einstellbar ist. Das Verarmungsprofil kann so eingestellt werden, dass die Konzentration des Metalls der II- oder III-Komponente in der Gasphase über die gesamte Wachstumszone im Wesentlichen linear abfällt. Die mittlere Verweilzeit der Prozessgase innerhalb der Prozesskammer kann mehr als 1,5 Sekunden betragen. Die Länge der Wachstumszone in Strömungsrichtung kann größer als 150 mm sein. Über diese Strecke besitzt die Gasphasenverarmung einen linearen Verlauf, so dass auch die Wachstumsrate linear mit dem Abstand vom Gaseinlassorgan abnimmt. Durch Drehen der Substrathalter kann diese Gasphasenverarmung bzw. dieser inhomogene Verlauf der Wachstumsrate kompensiert werden. Die HC1- Dotierung der Gasphase in das Adduktbildungsvolumen führt zu einer Ver- minderung der Adduktbildung, der Nukleation und der Partikelbildung. Die HCl-Dotierung der Gasphase in das Adduktbildungsvolumen kann dabei der Adduktmenge, die sich bei nicht vorhandenem HCl bilden würde, angepasst sein. Es reicht dabei aus, dass die Gasphase mit einer Halogenkomponenten- menge dotiert wird, die unter 250 ppm der Gesamtgasmenge bzw. unter 10% der metallorganischen Komponente liegt. Es hat sich dabei überraschend herausgestellt, dass die Menge des pro Zeiteinheit zuzugebenden HCl maximal nur ein zehntel der Menge der II- oder III-Komponente betragen muss, die pro Zeiteinheit in die Prozesskammer eingeleitet wird. Als metallorganische Kom- ponente wird bevorzugt Trimethylgallium, Trimethylaluminium oder Tri- methylindium verwendet. Als Hydrid wird bevorzugt NH3, ASH3 oder PH3 verwendet. Werden die Prozessgase TMG, NH3 und HCl verwendet, so bewirkt der Trenngasfluss, der durch die Trenngaseinlasszone in die Prozesskammer strömt und der weder das Hydrid noch die Halogenkomponente enthält, dass kein Ammoniumchlorid in der Gasphase auskondensiert. Ammoniak undThe feed of the process gases through separate gas inlet zones can not only take place in the horizontal direction. It is also provided that the process gases are introduced through the process chamber ceiling in the vertical direction in the process chamber. For this purpose, the gas inlet member is designed in the form of a shower head (showerhead). The process chamber ceiling in this variant has a plurality of sieve-like arranged gas outlet openings, which are arranged in a uniform distribution. In a regular arrangement, there are arranged hydride inlet zones, separating gas inlet zones and halogen component inlet zones each in the form of a single gas outlet opening. However, one of these gas inlet zones may also include a plurality of gas outlet openings. It is then a group of gas outlet openings which forms a gas inlet zone. A halogen component inlet zone is surrounded by a separating gas inlet zone, which is formed by a plurality of gas outlet openings. Likewise, each hydride inlet zone is surrounded by a separation gas inlet zone separated from a plurality of gas outlet zones. Openings is formed. The gas inlet member may have a plurality of superimposed chambers, which are sealed to each other gas-tight. Each of the chambers is connected to a plurality of channels, in particular in the form of tubes with the gas outlet surface, which is formed by the process chamber cover. Immediately adjacent to the process chamber ceiling, a cooling chamber may be arranged so that the process chamber ceiling is cooled. The process gases separate from the individual gas outlet openings into the process chamber, the hydride being separated from the halogen component by a separating gas. The separation gas may be an inert gas. With the separation gas, the III component can be introduced into the process chamber. However, it is also envisaged that the III component is introduced into the process chamber together with the halogen component. The targeted introduction of the halogen component into the adduct formation volume, ie the section of the process chamber in which the adducts form, reduces the particle formation. This has the consequence that the depletion profile is homogeneously adjustable within the growth zone. The depletion profile can be adjusted so that the concentration of the metal of the II or III component in the gas phase drops substantially linearly over the entire growth zone. The mean residence time of the process gases within the process chamber may be more than 1.5 seconds. The length of the growth zone in the flow direction may be greater than 150 mm. Over this distance, the gas phase depletion has a linear course, so that the growth rate decreases linearly with the distance from the gas inlet member. By turning the substrate holder, this gas phase depletion or this inhomogeneous course of the growth rate can be compensated. The HC1 doping of the gas phase into the adduct formation volume leads to a Reduction of adduct formation, nucleation and particle formation. The HCl doping of the gas phase in the adduct formation volume can be adapted to the amount of adduct which would form if HCl was not present. It is sufficient that the gas phase is doped with a quantity of halogen component which is less than 250 ppm of the total amount of gas or less than 10% of the organometallic component. It has surprisingly been found that the amount of HCl to be added per unit time must be at most only one tenth of the amount of II or III component, which is introduced per unit time in the process chamber. The organometallic component used is preferably trimethylgallium, trimethylaluminum or trimethylindium. The hydride used is preferably NH.sub.3, ASH.sub.3 or PH.sub.3. If the process gases TMG, NH3 and HCl are used, the separation gas flow, which flows through the separation gas inlet zone into the process chamber and contains neither the hydride nor the halogen component, causes no ammonium chloride to condense in the gas phase. Ammonia and
Chlorwasserstoff kommen vielmehr erst dort in Kontakt, wo die Gastemperatur oberhalb der vom Totaldruck abhängigen Bildungstemperatur von festem Ammoniumchlorid liegt. Das Verfahren wird nicht nur zum Abscheiden von GaN sondern auch zum Abscheiden von A1N bzw. InP oder Mischkristallen verwendet. Dabei liegen die Substrattemperaturen auch oberhalb von 1000° C. Zum Abscheiden In-haltiger Verbindungen liegen die Substrattemperaturen unterhalb 800° C. Da die Injektion der Halogenkomponente, bevorzugt in Form von HCl, in das Adduktbildungsvolumen die Addukte in der Gasphase bei ihrer Entstehung ätzt, bilden sich erheblich weniger Nano-Teilchen als bei Ab- Wesenheit von HCl, wodurch die Verweilzeit der Prozessgase innerhalb der Prozesskammer erhöht werden kann, was zur Folge hat, dass längere Strömungswege mit einem linearen Verarmungsprofil durch HCl-Einleitung möglich ist. Hierdurch lässt sich die mit zu beschichtenden Substraten belegbare Nutzfläche des Suszeptors vergrößern. Anstelle von HCl oder anderer Was- serstoffhalide kann aber auch ein reines Halogen bspw. Cl2 verwendet werden. Instead, hydrogen chloride only comes into contact where the gas temperature is above the formation pressure of solid ammonium chloride which is dependent on the total pressure. The method is used not only for the deposition of GaN but also for the deposition of AlN or InP or mixed crystals. The substrate temperatures are also above 1000 ° C. For depositing compounds containing in compounds, the substrate temperatures are below 800 ° C. Since the injection of the halogen component, preferably in the form of HCl, into the adduct formation volume etches the adducts in the gas phase as they form, significantly fewer nanoparticles form than in the absence of HCl, which can increase the residence time of the process gases within the process chamber, resulting in longer flow paths with a linear depletion profile due to HCl initiation. This makes it possible to assign the substrates to be coated Increase effective area of the susceptor. Instead of HCl or other Hydrogenhalide but also a pure halogen, for example. Cl 2 can be used.
Durch das Einleiten der Halogenkomponente, insbesondere HCl, wird auch die Morphologie des abgeschiedenen Kristalls verbessert. Die Ladungsträgerbeweglichkeit innerhalb des Kristalls wird erhöht. By introducing the halogen component, in particular HCl, the morphology of the deposited crystal is also improved. The charge carrier mobility within the crystal is increased.
In Planetenreaktoren des Standes der Technik, bei dem eine Mehrzahl drehangetriebener Substrathalter kreisförmig um ein zentrales Gaseinlassorgan ange- ordnet sind, müssen die Hydride, bspw. NH3, mit relativ hohen Flussmengen, d.h. mit relativ hoher Dichte innerhalb des Gasgemisches in die Prozesskammer eingeleitet werden. Die Substrathalter müssen eine relativ große Entfernung zum Gaseinlassorgan besitzen. Die Verwendung der Halogenkomponente und insbesondere des HCls während des Wachstumsprozesses ermöglicht die Re- duzierung der Gesamtflussmenge und dadurch eine Verminderung des Trägergas-Flusses, ohne dass durch die erhöhte Verweilzeit die bislang beobachteten parasitären Prozesse stattfinden, die Einbußen in der Schichtqualität bringen. Es ist damit möglich, in einer Prozesskammer nur sechs oder weniger eng benachbart angeordnete kreisförmige Substrate gleichförmig zu beschichten, die jeweils einen Durchmesser von 200 mm besitzen. In prior art planetary reactors in which a plurality of rotationally driven substrate holders are arranged in a circle around a central gas inlet member, the hydrides, eg, NH3, must be supplied at relatively high flow rates, i. be introduced into the process chamber with relatively high density within the gas mixture. The substrate holders must have a relatively large distance to the gas inlet member. The use of the halogen component and in particular of the HCl during the growth process makes it possible to reduce the total amount of flux and thereby to reduce the carrier gas flow, without the increased residence time resulting in the previously observed parasitic processes which bring about losses in the layer quality. It is thus possible uniformly to coat in a process chamber only six or less closely adjacent arranged circular substrates, each having a diameter of 200 mm.
Die Möglichkeit, die Verweilzeit der Prozessgase innerhalb der Prozesskammer zu vermindern und damit den Gesamtfluss zu reduzieren, ermöglicht es auch, auf die Höhe der Prozesskammer Einfluss zu nehmen, diese bspw. zu erhöhen, um das Be- und Entladen der Substrate zu vereinfachen. The possibility of reducing the residence time of the process gases within the process chamber and thus reducing the overall flow also makes it possible to influence the height of the process chamber, to increase it, for example, in order to simplify the loading and unloading of the substrates.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen: schematisch eine Schnittdarstellung einer in einem nicht dargestellten Reaktorgehäuse angeordneten Prozesskammer, die in Horizontalrichtung vom Prozessgas durchströmt wird zusammen mit einer Gasmisch/ -Versorgungseinrichtung, in der nur die zur Erläuterung der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt sind, das Temperaturprofil in Strömungsrichtung an drei verschiedenen Positionen in der Prozesskammer, als durchgezogene Linie schematisch den Verlauf der Wachstumsrate über die Strömungsrichtung ohne HCl-Einspeisung und als gestrichelte Linie mit HCl-Einspeisung, schematisch die Draufsicht auf einen Substrathalter, wobei mit der gestrichelten Linie der äußere Rand einer Vorlaufzone V und mit der strichpunktierten Linie der Beginn einer Zone C dargestellt ist, in der auf der Suszeptoroberfläche parasitäres Wachstum stattfinden kann. schematisch den Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Gaseinlassorgan 7 als Showerhead ausgebildet ist, den Ausschnitt V in Fig. 5, einen Teilbereich der Gasaustrittsfläche des Gaseinlassorganes 7 mit einer ersten Anordnung der Gasaustrittsöffnungen, gemäß Fig. 5 von unten gesehen, Fig. 8 eine Darstellung gemäß Fig. 7, jedoch mit einer zweiten Anordnung der Gasaustrittsöffnungen, The invention will be explained with reference to the accompanying drawings. Show it: schematically a sectional view of a process chamber arranged in a reactor housing, not shown, which is traversed in the horizontal direction of the process gas together with a gas mixing / supply device, in which only the essential elements for explaining the invention are shown, the temperature profile in the flow direction at three different positions in the Process chamber, as a solid line schematically shows the progression of the growth rate over the flow direction without HCl feed and as a dashed line with HCl feed, schematically the top view of a substrate holder, wherein the dashed line the outer edge of a flow zone V and the dotted line of Beginning of a zone C is shown, in which on the susceptor surface parasitic growth can take place. 5 is a sectional view of the gas outlet surface of the gas inlet member 7 with a first arrangement of the gas outlet openings, according to FIG. 5 seen from below, FIG. 5 is a section through a further exemplary embodiment in which the gas inlet member 7 is designed as a showerhead. 8 shows a representation according to FIG. 7, but with a second arrangement of the gas outlet openings, FIG.
Fig. 9 eine Darstellung gemäß Fig. 6 eines weiteren Ausführungsbeispiels, eine Darstellung gemäß Fig. 7 betreffend das in Fig. 9 dargestellte Gaseinlassorgan, und eine weitere Anordnung der Gasaustrittsöffnungen an einer Gasaus- trittsfläche. 9 shows a representation according to FIG. 6 of a further exemplary embodiment, a representation according to FIG. 7 relating to the gas inlet element shown in FIG. 9, and a further arrangement of the gas outlet openings on a gas outlet surface.
Die in der Figur 1 dargestellte Gasmisch/ -Versorgungseinrichtung 34 besitzt eine Hydridquelle 30, bei der es sich im Ausführungsbeispiel um eine Ammoniakquelle handelt. Sie besitzt ferner eine Quelle für eine metallorganische Komponente 31, bei der es sich im Ausführungsbeispiel um Trimethylgallium handelt. Ferner ist eine Halogenkomponentenquelle 32 einer Halogenkomponente vorgesehen, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um HCl handelt. Schließlich besitzt die Gasmisch/ -Versorgungseinrichtung 34 auch eine Trägergasquelle 33, wobei es sich beim Trägergas um Wasserstoff handelt. The gas mixing / supply device 34 shown in FIG. 1 has a hydride source 30, which in the exemplary embodiment is an ammonia source. It also has a source of an organometallic component 31, which in the exemplary embodiment is trimethylgallium. Furthermore, a halogen component source 32 of a halogen component is provided, which in the exemplary embodiment is HCl. Finally, the gas mixing / supply device 34 also has a carrier gas source 33, wherein the carrier gas is hydrogen.
Die Quellen 30, 31, 32, 33 sind als Gastanks dargestellt. Es kann sich hierbei um eine Gasflasche bzw. um einen Bubbler handeln. Jede Gasquelle 30, 31, 32 ist mit einer Gasableitung verbunden, die über ein Ventil 26, 27, 28, 29 verschließbar ist, welche Ventile 26, 27, 28, 29 von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung schaltbar sind. Stromabwärts der Ventile 26, 27, 28, 29 befinden Massen- flussregler 22, 23, 24, 25, mit denen ein Trägergasstrom bzw. ein Strom des Hydrids, der metallorganischen Komponente oder der Halogenkomponente einstellbar ist. Mit dem Massenflussregler 24 wird ein Halogenkomponenten- gasstrom geregelt, der mit dem Trägergasstrom verdünnt wird und der durch eine Halogenkomponentenzuleitung 21 einer Halogenkomponenteneinlasszone 10 eines Gaseinlassorganes 7 zugeleitet wird. Mit dem Massenflussregler 23 wird der Massenfluss einer metallorganischen Komponente, die beispielsweise mit einem Trägergas aus einem Bubbler gefördert werden kann, geregelt. Mit einem Massenflussregler 25 wird dieser Gasstrom verdünnt und durch eine MO-Zuleitung 20 zu einer MO-Einlasszone 9 geleitet. Die MO-Einlasszone 9 bildet eine Trenngaseinlasszone aus. Mit dem Massenflussregler 22 wird der Massenfluss des Hydrids geregelt, der ebenfalls mit einem Trägergasfluss verdünnt werden kann und der durch die Hydridzuleitung 19 einer Hydrideinlasszone 8 zugeleitet wird. The sources 30, 31, 32, 33 are shown as gas tanks. It may be a gas cylinder or a bubbler. Each gas source 30, 31, 32 is connected to a gas outlet, which is closable via a valve 26, 27, 28, 29, which valves 26, 27, 28, 29 are switchable by a control device, not shown. Downstream of the valves 26, 27, 28, 29 are mass flow controllers 22, 23, 24, 25, with which a carrier gas stream or a stream of the hydride, the organometallic component or the halogen component is adjustable. With the mass flow controller 24, a halogen component regulated gas stream, which is diluted with the carrier gas stream and which is fed through a halogen component feed line 21 of a halogen component inlet zone 10 of a gas inlet member 7. With the mass flow controller 23, the mass flow of an organometallic component, which can be promoted for example with a carrier gas from a bubbler, regulated. With a mass flow controller 25, this gas stream is diluted and passed through a MO feed line 20 to an MO inlet zone 9. The MO inlet zone 9 forms a separation gas inlet zone. The mass flow controller 22 regulates the mass flow of the hydride, which can also be diluted with a carrier gas flow and which is fed through the hydride feed line 19 to a hydride inlet zone 8.
Die der MO-Einlasszone 9 in Strömungsrichtung vorgeordnete MO-Zuleitung 20 ist derart mit Ventilen 27 bzw. Massenflussreglern 23 versehen, dass es während des Einspeisens der Halogenkomponente durch die Halogenkomponenteneinlasszone 10 nicht möglich ist, eine Halogenkomponente aus der Halogenkomponentenquelle 32 oder ein Hydrid aus der Hydridquelle 30 durch die MO- Einlasszone 9 hindurchzuleiten. Die der Hydrideinlasszone 8 und der Halogen- komponenteneinlasszone 10 vorgeordneten Hydridzuleitung 19 und Halogenkomponentenzuleitung 21 sind so ausgebildet, dass weder das der Quelle 30 entstammende Hydrid noch die der Quelle 32 entstammende Halogenkomponente in die Trenngaseinlasszone 9 eintreten kann, so dass durch die Trenngaseinlasszone 9 ausschließlich ein Trenngas fließen kann, bei dem es sich um ein Inertgas, nämlich um das Trägergas und um die MO-Komponente handelt. The MO inlet 20 upstream of the MO inlet zone 9 is provided with valves 27 and mass flow controllers 23 such that it is not possible during the feeding of the halogen component through the halogen component inlet zone 10, a halogen component from the halogen component source 32 or a hydride from the Hydride source 30 through the MO inlet zone 9 pass. The hydride inlet line 19 and the halogen component inlet line 21 upstream of the hydride inlet zone 8 and the halogen component inlet zone 10 are designed so that neither the source 30 derived hydride nor the source 32 derived halogen component can enter the separation gas inlet zone 9, so that through the separation gas inlet zone 9 exclusively one Separation gas can flow, which is an inert gas, namely the carrier gas and the MO component.
Die besagten Gaseinlasszonen 8, 9, 10 sind einem Gaseinlassorgan zugeordnet und sind, wie es grundsätzlich aus der DE 10 2004 009 130 AI bekannt ist, ver- tikal übereinander angeordnet. Das Gaseinlassorgan 7 ist gekühlt. Es besitzt Trennwände 12, 13, eine obere Wand 14 und eine untere Wand, bei der ein Kühlflüssigkeitskanal 11 dargestellt ist. Es können sämtliche Trennwände 12, 13, 14 flüssigkeitsgekühlt werden und hierzu Kühlflüssigkeitskanäle aufweisen. Bevorzugt ist aber nur die Boden- und die Deckenplatte des Gaseinlassorganes, also zusätzlich zum Flüssigkeitskanal 11 noch ein weiterer Flüssigkeitskanal im Bereich der Trennwand 14 vorzusehen. Hierdurch können die anderen Trennwände eine minimale Materialstärke aufweisen. Das Gaseinlassorgan 7 bildet die Gaseinlasszone E aus. Mittels Kühlwasser kann das Gaseinlassorgan 7 auf Temperaturen im Bereich unterhalb von 250°C bzw. 300°C gehalten werden. Bevorzugt wird die Temperatur des Gaseinlassorganes 7 aber auf Temperaturen unter 150° gehalten zur Vermeidung einer MO-Zerlegung. The said gas inlet zones 8, 9, 10 are associated with a gas inlet member and, as is generally known from DE 10 2004 009 130 A1, are known. tikal arranged one above the other. The gas inlet member 7 is cooled. It has partitions 12, 13, an upper wall 14 and a lower wall, in which a cooling liquid channel 11 is shown. All partitions 12, 13, 14 can be liquid-cooled and, for this purpose, can have cooling-fluid channels. Preferably, however, only the bottom and the top plate of the gas inlet member, so in addition to the liquid channel 11 still provide a further fluid channel in the region of the partition wall 14. As a result, the other partitions may have a minimum material thickness. The gas inlet member 7 forms the gas inlet zone E. By means of cooling water, the gas inlet member 7 can be maintained at temperatures in the range below 250 ° C or 300 ° C. Preferably, however, the temperature of the gas inlet member 7 is kept at temperatures below 150 ° to avoid MO decomposition.
In horizontaler Erstreckung schließt sich an die vertikal etagenartig übereinan- der liegenden Gaseinlasszonen 8, 9, 10 die Prozesskammer 1 an, deren Boden von einem Suszeptor 2 gebildet ist und deren Decke 6 parallel zum Suszeptor 2 verläuft. Die drei übereinander angeordneten Gaseinlasszonen 8, 9, 10 erstrecken sich dabei über die gesamte Höhe der Prozesskammer 1, wobei die Halo- genkomponenteneinlasszone 10 sich unmittelbar an den Boden der Prozess- kammer und die Hydrideinlasszone 8 sich unmittelbar an die Decke 6 der Prozesskammer 1 anschließt und die Trenngaseinlasszone 9 dazwischen liegt. Die einzelnen übereinander liegenden Gaseinlasszonen 8, 9, 10 können identische Höhen besitzen. Es ist aber auch vorgesehen, dass die Gaseinlasszonen 8, 9, 10 unterschiedliche Höhen besitzen. Bei einer Prozesskammerhöhe von etwa 20 mm können die Höhen der Hydrideinlasszone 8, der Trenngaseinlasszone 9 und der Halogenkomponenteneinlasszone 10 das Höhenverhältnis 1:2:1 besitzen. In einer Variante ist das Höhenverhältnis 1:3:1 vorgesehen. In Stromrichtung schließt sich an die Einlasszone E eine Vorlaufzone V an. Die Vorlaufzone V erstreckt sich über einen beheizten Wandungsabschnitt 15 des Suszeptors 2. Die Beheizung des Suszeptors 2 erfolgt über eine RF-Heizung 18 in Form einer wassergekühlten Heizspirale, die unterhalb des Suszeptors 2 angeordnet ist. In dem aus Grafit oder einem anderen leitenden Material gefertigten Suszeptor 2 werden dadurch Wirbelströme erzeugt, die zu einer Aufheizung des Suszeptors 2 führt. Der Suszeptor 2 wird je nach Prozessschritt auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizt, bspw. zum Abscheiden einer Keimschicht GaN/AlN auf 550°C, einer n-GaN-Schicht auf 1050°C, einer p-GaN- Schicht auf 900°C, einer InGaN-Schicht auf 750°C einer AlGaN-Schicht aufIn a horizontal extent, the process chamber 1, whose bottom is formed by a susceptor 2 and whose ceiling 6 extends parallel to the susceptor 2, adjoins the gas inlet zones 8, 9, 10 lying vertically above one another like a floor. The three gas inlet zones 8, 9, 10 arranged one above the other extend over the entire height of the process chamber 1, the halogen component inlet zone 10 directly adjoining the bottom of the process chamber and the hydride inlet zone 8 directly adjoining the ceiling 6 of the process chamber 1 and the separation gas inlet zone 9 is interposed. The individual superimposed gas inlet zones 8, 9, 10 may have identical heights. But it is also envisaged that the gas inlet zones 8, 9, 10 have different heights. At a process chamber height of about 20 mm, the heights of the hydride inlet zone 8, the separation gas inlet zone 9, and the halogen component inlet zone 10 may have a height ratio of 1: 2: 1. In one variant, the height ratio 1: 3: 1 is provided. In the direction of flow, a feed zone V connects to the inlet zone E. The flow zone V extends over a heated wall portion 15 of the susceptor 2. The heating of the susceptor 2 via an RF heater 18 in the form of a water-cooled heating coil, which is arranged below the susceptor 2. In the susceptor 2 made of graphite or other conductive material thereby eddy currents are generated, which leads to a heating of the susceptor 2. Depending on the process step, the susceptor 2 is heated to different temperatures, for example for depositing a seed layer GaN / AlN at 550 ° C., an n-GaN layer at 1050 ° C., a p-type GaN layer at 900 ° C., an InGaN Layer to 750 ° C of an AlGaN layer
1050°C und zum Abscheiden von AlGaN-Schichten für optoelektronische Anwendungen (UV-LEDs) auf bis zu 1400°C. Die dem Suszeptor 2 gegenüberliegende Deckenwand 6 hat eine um ca. 200°C (oder mehr) niedrigere Temperatur, wenn sie nicht aktiv geheizt wird. Bei einer aktiv aufgeheizten Decken- wand 6 ist die Temperaturdifferenz aber geringer. Sie kann auch Null sein. Es ist auch möglich, die Prozesskammerdecke 6 auf eine höhere Temperatur aufzuheizen als den Suszeptor 2. 1050 ° C and for deposition of AlGaN layers for optoelectronic applications (UV LEDs) up to 1400 ° C. The susceptor 2 opposite ceiling wall 6 has a by about 200 ° C (or more) lower temperature when it is not actively heated. With an actively heated ceiling wall 6, however, the temperature difference is lower. It can also be zero. It is also possible to heat the process chamber ceiling 6 to a higher temperature than the susceptor 2.
Stromabwärts der Vorlaufzone V erstreckt sich die Wachstumszone G, in der ein oder mehrere Substrathalter 3 angeordnet sind. In der Schnittdarstellung gemäß Figur 1 ist nur ein kreisscheibenförmiger Substrathalter 3 dargestellt, der in einer Ausnehmung 5 des Suszeptors 2 einliegt und der auf einem Gaspolster aufliegend während der Durchführung des Verfahrens gedreht wird. Auf dem Substrathalter 3 liegt ein zu beschichtendes Substrat 4 auf, dessen Substrattem- peratur Ts auf Wert typischerweise zwischen 900 bis 1100° C geregelt werden kann. Der heiße Suszeptor 2 erwärmt die Prozesskammer 1 auf eine Temperatur Tc. In der Mitte der Prozesskammer 1 stellt sich eine Gastemperatur TB ein, die zwischen der Prozesskammerdeckentemperatur Tc und der Substrattemperatur Ts liegt. Downstream of the flow zone V extends the growth zone G, in which one or more substrate holders 3 are arranged. In the sectional view of Figure 1, only a circular disk-shaped substrate holder 3 is shown, which rests in a recess 5 of the susceptor 2 and which is rotated on a gas cushion during the implementation of the method. On the substrate holder 3 there is a substrate 4 to be coated whose substrate temperature T s can be regulated to a value typically between 900 and 1100 ° C. The hot susceptor 2 heats the process chamber 1 to a temperature T c . In the middle of the process chamber 1, a gas temperature TB sets in, which is between the process chamber ceiling temperature T c and the substrate temperature T s .
An die Wachstumszone G schließt sich eine Auslasszone A an, in der eine Gas- auslasseinrichtung 16 angeordnet ist, die mit einer Vakuumpumpe 17 verbunden ist, so dass der Totalgasdruck innerhalb der Prozesskammer auf Werte zwischen wenigen Millibar und Atmosphärendruck einstellbar ist. The growth zone G is adjoined by an outlet zone A, in which a gas outlet device 16 is arranged, which is connected to a vacuum pump 17, so that the total gas pressure within the process chamber can be set to values between a few millibars and atmospheric pressure.
Die in der Figur 1 schematisch dargestellte Prozesskammer besitzt einen kreis- förmigen Suszeptor 2, der konzentrisch das ebenfalls kreissymmetrisch aufgebaute Gaseinlassorgan 7 umgibt. The process chamber shown schematically in FIG. 1 has a circular susceptor 2, which concentrically surrounds the likewise gas-symmetrical gas inlet member 7.
Der vertikale Abstand der Trennwände 12, 13, der die Höhe der MO-Einlass- zone 9 definiert ist so gewählt, dass sich die in der Figur 1 gestrichelt dargestell- te Diffusionsgrenzschicht D ausbildet. Die Diffusionsgrenzschicht D symbolisiert die Grenze, bis zu der innerhalb der Vorlaufzone V Halogenkomponente aus der Halogenkomponenteneinlasszone 10 in Richtung nach oben zum Hyd- ridfluss und durch die Hydrideinlasszone 8 eingeleitete Hydride nach unten in Richtung auf die Halogenkomponente diffundieren. Die Hydride bzw. Halo- genkomponente diffundieren dabei in einen Trenngasfluss, der durch Trenn- gaseinlasszone 9 in die Prozesskammer eintritt. Die zwischen der Hydrideinlasszone 8 und der Halogenkomponenteneinlasszone 10 gelegene Einlasszone 9 bildet deshalb eine Trenngaseinlasszone, durch welche zusammen mit einem Trägergas auch die metallorganische Komponente in die Prozesskammer einge- leitet wird. The vertical spacing of the partitions 12, 13, which defines the height of the MO inlet zone 9, is chosen such that the diffusion boundary layer D shown in dashed lines in FIG. 1 is formed. The diffusion boundary layer D symbolizes the boundary until the hydrides introduced within the precursor zone V halogen component from the halogen component inlet zone 10 in the upward direction to the hydrogen flow and introduced through the hydride inlet zone 8 diffuse downwards in the direction of the halogen component. The hydrides or halogen component thereby diffuse into a separation gas flow which enters the process chamber through the separation gas inlet zone 9. The inlet zone 9 located between the hydride inlet zone 8 and the halogen component inlet zone 10 therefore forms a separating gas inlet zone through which, together with a carrier gas, the organometallic component is introduced into the process chamber.
Die lediglich qualitative dargestellten oberen und unteren Diffusionsgrenzschichten D treffen sich zu Beginn eines Bereichs M der Vorlaufzone V, in dem die Gastemperatur TB bei Atmosphärendruck einen Wert oberhalb von 338°C erreicht hat, bei dem NH3 und HCl nicht mehr zu einem Amoniumchloridpul- ver reagieren. Bei reduziertem Totaldruck in der Prozesskammer sinkt diese Gastemperatur auf bspw. 220°C bei 10 mbar. The upper and lower diffusion boundary layers D, which are only shown qualitatively, meet at the beginning of a region M of the lead zone V in which the gas temperature TB has reached a value above 338 ° C. at atmospheric pressure, at which NH 3 and HCl no longer react to form a ammonium chloride powder. At reduced total pressure in the process chamber, this gas temperature drops to, for example, 220 ° C at 10 mbar.
Die Figur 2 zeigt schematisch den Verlauf der Temperatur Ts des Suszeptors, der Temperatur TB des Gases etwa in der vertikalen Mitte der Prozesskammer und die Temperatur Tc der Prozesskammerdecke jeweils entlang der Strömungsrichtung des Prozessgases. Es ist erkennbar, dass im Bereich der Vor- laufzone V die Gastemperatur die niedrigsten Werte aufweist. Es bildet sich somit etwa in der Mitte der Vorlaufzone ein kalter Finger aus. Am Ende des kalten Fingers, dort wo die Halogenkomponente mit dem Hydrid in Kontakt tritt, bilden sich in Abwesenheit der Halogenkomponente u.a. bei der Verwendung von Ammoniak und TMGa Addukte. Diese bilden die Nukleationskeime für Partikel, die bei Abwesenheit der Halogenkomponente eine große Anzahl der ΠΙ-Metall- Atome bindet, die so dem Schichtwachstum entzogen werden. Der räumlich getrennte Einlass der Halogenkomponente vom Hydrid führt prozesstechnisch zu einer Injektion der Halogenkomponente in ein Adduktbil- dungsvolumen, welches in der Zone M liegt. Dieses Adduktbildungsvolumen wird mit der Halogenkomponente dotiert, wobei es ausreicht, wenn maximal 250 ppm der Gesamtgasmenge HCl ist bzw. der HCl-Fluss in die Prozesskammer unterhalb 10% des MO-Gasflusses liegt. FIG. 2 schematically shows the profile of the temperature T s of the susceptor, the temperature TB of the gas approximately in the vertical center of the process chamber, and the temperature T c of the process chamber ceiling, in each case along the flow direction of the process gas. It can be seen that in the region of the preliminary zone V, the gas temperature has the lowest values. Thus, a cold finger forms approximately in the middle of the flow zone. At the end of the cold finger, where the halogen component comes into contact with the hydride, adducts are formed in the absence of the halogen component, inter alia, with the use of ammonia and TMGa. These form the nucleation nuclei for particles, which, in the absence of the halogen component, bind a large number of the ΠΙ-metal atoms, which are thus removed from the layer growth. The spatially separate inlet of the halogen component of the hydride leads process technology to an injection of the halogen component in an adduct formation volume, which lies in the zone M. This adduct formation volume is doped with the halogen component, it being sufficient if a maximum of 250 ppm of the total amount of gas HCl or the HCl flow in the process chamber is below 10% of the MO gas flow.
Der Figur 2 ist zu entnehmen, dass die Temperatur Ts des Suszeptors 2 im Be- reich der Vorlaufzone V linear ansteigt und dann im Bereich der Wachstumszone G im Wesentlichen konstant verläuft und im Bereich der Auslasszone wieder absinkt. Die Temperatur Tc der strahlungserwärmten Reaktordecke 6 steigt ebenfalls im Bereich der Vorlaufzone V kontinuierlich an und verläuft im Bereich der Wachstumszone G konstant, um dann im Bereich der Auslasszone A wieder abzufallen. Die Gastemperatur TB hat im Wesentlichen qualitativ den selben Verlauf wie die Temperaturen Ts und Tc. Sie steigt jedoch in der Vorlaufzone V steiler an als die Temperatur Tc der Prozesskammerdecke 6. Sie überschreitet erst in der Zone M die Temperatur Tc der Prozesskammerdecke. It can be seen from FIG. 2 that the temperature T s of the susceptor 2 increases linearly in the region of the flow zone V and then proceeds substantially constantly in the region of the growth zone G and decreases again in the region of the outlet zone. The temperature T c of the radiant-heated reactor ceiling 6 also increases continuously in the region of the flow zone V and runs in the Area of the growth zone G constant, and then drop off again in the region of the outlet zone A. The gas temperature TB has substantially the same course as the temperatures T s and T c . However, it rises steeply in the feed zone V than the temperature T c of the process chamber cover 6. exceeds only in the zone M, the temperature T c of the process chamber ceiling.
Der Figur 3 ist qualitativ der Verlauf der Wachstumsrate in Stromrichtung als durchgezogene Linie ohne HCl-Einspeisung und als gestrichelte Linie mit HCl- Einspeisung zu entnehmen, der Verlauf der Wachstumsratenkurve entspricht im Wesentlichen auch dem Verlauf des Partialdrucks des Metalls der II- oder III-Komponente in der Gasphase. Es ist zu erkennen, dass ohne HCl-Einspeisung das Maximum der Wachstumsrate r in der Vorlaufzone V liegt, und zwar unmittelbar stromaufwärts der Wachstumszone G, also in der Gasmischzone M. Ohne HCl-Einspeisung verläuft die Wachstumsrate r bzw. die Verarmungs- kurve der Metallkomponente in der Wachstumszone G nicht linear, so dass es zu inhomogenen Wachstum auf den beim Abscheideprozess gedrehten Substraten kommt. Die Randbereiche der Substrate besitzen eine höhere Schichtdicke als das Zentrum der Substrate. Als Folge der Halogenkomponenteneinspeisung unmittelbar oberhalb des heißen Wandungsabschnittes 15 des Suszeptors 2 herrscht dort an der Oberfläche eine relativ hohe Halogenkomponenten-Konzentration. Die Halogenkomponente, beispielsweise HCl, kann dort eine oberflächenätzende Wirkung entfalten, so dass in der heißen Vorlaufzone 15 parasitäres Wachstum unterdrückt werden kann. Das Maximum der Wachstumsrate verschiebt sich in Richtung stromabwärts. Gleichzeitig erhält die Verarmungskurve einen linearen Verlauf. Letzteres ist insbesondere auch auf die durch die HCl-Einspeisung verminderte Adduktbildung zurückzuführen. Die Figur 4 zeigt schematisch die Draufsicht auf einen Suszeptor 2, bei dem eine Vielzahl von Substrathalter 3 ringförmig um das im Zentrum angeordnete Gaseinlassorgan 7 angeordnet sind. Die Durchmesser der Substrathalter 3 können auch größer sein, sodass sich die Substrathalter 3 nahezu berühren. Mit der Bezugsziffer V ist die kreisförmig das Gaseinlassorgan 7 umgebende Vorlaufzone V dargestellt, innerhalb derer die Wachstumsrate in radial auswärtiger Richtung stetig ansteigt. Die Bezugsziffer C kennzeichnet einen ringförmigen Bereich, in dem auf der Oberfläche des Suszeptors 2 parasitäres Wachstum stattfinden kann. Durch die Einleitung von HCl durch die Einlasszone 10 kann die strichpunktierte Linie, die den Beginn der Zone C markiert, in radial auswärts Richtung verschoben werden. Ohne zusätzliche HCl-Einleitung liegt die strichpunktierte Linie unmittelbar stromabwärts des Gaseinlassorgans 7 die Verschiebung des durch die strichpunktierte Linie angedeuteten Beginns der Zone C wird durch Einleiten von HCl zu der in Figur 4 dargestellten Abstandslage verändert. FIG. 3 qualitatively shows the progression of the growth rate in the direction of flow as a solid line without HCl feed and as a dashed line with HCl feed, the course of the growth rate curve substantially corresponds to the profile of the partial pressure of the metal of the II or III component in the gas phase. It can be seen that without HCl feed, the maximum of the growth rate r is in the feed zone V, immediately upstream of the growth zone G, ie in the gas mixing zone M. Without HCl feed, the growth rate r or the depletion curve of the Metal component in the growth zone G non-linear, so that it comes to inhomogeneous growth on the rotated during the deposition process substrates. The edge regions of the substrates have a higher layer thickness than the center of the substrates. As a result of the halogen component feed directly above the hot wall section 15 of the susceptor 2 there prevails at the surface a relatively high halogen component concentration. The halogen component, for example HCl, can develop there a surface-etching effect, so that in the hot flow zone 15 parasitic growth can be suppressed. The maximum of the growth rate shifts towards the downstream. At the same time the depletion curve is linear. The latter can be attributed in particular to the reduced adduct formation due to the HCl feed. FIG. 4 shows schematically the plan view of a susceptor 2, in which a multiplicity of substrate holders 3 are arranged in a ring around the gas inlet element 7 arranged in the center. The diameters of the substrate holders 3 can also be larger, so that the substrate holders 3 almost touch each other. The reference numeral V, the precursor zone V surrounding the gas inlet member 7 is circular, within which the growth rate in the radially outward direction increases steadily. The reference numeral C designates an annular region in which parasitic growth can take place on the surface of the susceptor 2. By introducing HCl through the inlet zone 10, the dot-dash line marking the beginning of the zone C can be displaced in a radially outward direction. Without additional introduction of HCl dash-dotted line is immediately downstream of the gas inlet member 7, the shift of indicated by the dashed line beginning of the zone C is changed by introducing HCl to the distance position shown in Figure 4.
Durch das Einleiten von geringen Mengen einer Halogenkomponente, beispielsweise HCl in die Adduktbildungszone kann der Reaktor mit verhältnis- mäßig geringen Gasflüssen betrieben werden, so dass die mittlere Verweilzeit des Prozessgases innerhalb der Prozesskammer 1 größer als 1,5 Sekunden liegt. Gleichwohl kann die Länge der Wachstumszone G in Stromrichtung mehr als 150 mm betragen. Innerhalb dieser Länge der Wachstumszone G sinkt die Gasphasenverarmung insbesondere III-Komponente linear ab, so dass durch Dre- hen des Substrates 4 Schichten mit homogener Schichtdicke abscheidbar sind. By introducing small amounts of a halogen component, for example HCl into the adduct formation zone, the reactor can be operated with relatively low gas flows, so that the average residence time of the process gas within the process chamber 1 is greater than 1.5 seconds. However, the length of the growth zone G in the flow direction may be more than 150 mm. Within this length of the growth zone G, the gas phase depletion, in particular the III component, decreases linearly, so that layers of homogeneous layer thickness can be deposited by rotating the substrate 4.
Wegen der Vermindung der Partikelbildung wird gleichzeitig auch die Wachstumsrate stromabwärts der Vorlaufzone V erhöht. Die Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei dem sich oberhalb des Suszeptors 2, auf dem ein oder mehrere Substrate 4 angeordnet sind, die Prozesskammer 1 erstreckt, deren Decke 6 von einem Gaseinlassorgan 7 gebildet ist, wie es bspw. in der EP 0 687 749 Bl beschrieben wird. Due to the reduction of particle formation, the growth rate downstream of the flow zone V is also increased at the same time. 5 shows schematically the structure of a further embodiment in which above the susceptor 2, on which one or more substrates 4 are arranged, the process chamber 1 extends, the cover 6 is formed by a gas inlet member 7, as for example. In EP 0 687 749 B1 is described.
Das Gaseinlassorgan erstreckt sich über die gesamte Erstreckungsfläche des Suszeptors 2 und besitzt eine Vielzahl zur Prozesskammer 1 hin weisende Gas- austrittsöffnungen, durch die die verschiedenen Prozessgase in die Prozesskammer einströmen können. The gas inlet member extends over the entire extension surface of the susceptor 2 and has a plurality to the process chamber 1 facing out gas outlet openings through which the various process gases can flow into the process chamber.
Das Gaseinlassorgan 7 besitzt mehrere übereinander angeordnete Kammern. In einer unmittelbar oberhalb der Prozesskammerdecke 6 angeordneten Kammer 11 befindet sich eine Kühlflüssigkeit. Durch diese Kammer 11 treten eine Vielzahl von Gaskanälen hindurch, die von Röhrchen ausgebildet sind. Die mit 9 bezeichneten Gasaustrittsöffnungen sind mit einer Kammer 35 verbunden, in die ein Inertgas, insbesondere Stickstoff oder Wasserstoff, eingespeist wird. Oberhalb dieser Kammer 35, die ebenfalls mit Röhrchen mit der Gasaustritts- ebene, also mit der Prozesskammerdecke 6 verbunden ist, befindet sich eine Kammer 36, in die ein Hydrid, insbesondere Ammoniak, eingespeist wird. Diese Kammer 36 ist ebenfalls über ein Röhrchen, welches jetzt zusätzlich zur Kammer 11 auch die Kammer 35 kreuzt, mit der Gasaustrittsöffnung verbunden, die mit der Bezugsziffer 8 bezeichnet ist. In einer darüber angeordneten Kammer 37, die ebenfalls mit Röhrchen mit der Gasaustrittsfläche verbunden ist, wird ein Inertgas, die Halogenkomponente und die metallorganische Komponente eingespeist. Diese Kammer 37 ist mit einem die Kammern 11, 35, 36 kreuzenden Röhrchen mit der mit der Bezugsziffer 10 bezeichneten Öffnung verbunden. The gas inlet member 7 has a plurality of superimposed chambers. In a directly above the process chamber ceiling 6 arranged chamber 11 is a cooling liquid. Through this chamber 11 pass through a plurality of gas channels formed by tubes. The gas outlet openings designated 9 are connected to a chamber 35, in which an inert gas, in particular nitrogen or hydrogen, is fed. Above this chamber 35, which is also connected to tubes with the gas outlet level, ie with the process chamber ceiling 6, there is a chamber 36, into which a hydride, in particular ammonia, is fed. This chamber 36 is also connected via a tube, which now also in addition to the chamber 11 and the chamber 35, connected to the gas outlet opening, which is designated by the reference numeral 8. In an overlying chamber 37, which is also connected to tubes with the gas outlet surface, an inert gas, the halogen component and the organometallic component is fed. This chamber 37 is one with the chambers 11, 35, 36th crossing tube with the designated by the reference numeral 10 opening.
Die laterale Anordnung der Öffnungen wird in den Figuren 7 bzw. 8 darge- stellt. The lateral arrangement of the openings is shown in FIGS. 7 and 8, respectively.
Daraus ist ersichtlich, dass jede Gasaustrittsöffnung 8, 10 eine Gaseinlasszone ausbildet. Durch die Gaseinlasszonen 8 wird das Hydrid, im vorliegenden Fall Ammoniak, in die Prozesskammer eingeleitet. Die Hydrideinlasszonen 8 sind jeweils von einer Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen umgeben, durch die das Trenngas, im vorliegenden Fall Stickstoff oder Wasserstoff, in die Prozesskammer eingeleitet wird. Diese Trenngaseinlasszonen 9 umgeben die einzelnen Gasaustrittsöffnungen 8, 10. Die mit der Bezugsziffer 9 bezeichneten Gasaustrittsöffnungen, durch die das Trenngas in die Prozesskammer einströmt, um- geben jeweils die mit der Bezugsziffer 8 bzw. 10 bezeichneten Gasaustrittsöffnungen, die jeweils Gaseinlasszonen für das Hydrid bzw. die Halogenkomponente bilden. It can be seen that each gas outlet opening 8, 10 forms a gas inlet zone. Through the gas inlet zones 8, the hydride, in this case ammonia, is introduced into the process chamber. The hydride inlet zones 8 are each surrounded by a multiplicity of gas outlet openings, through which the separating gas, in the present case nitrogen or hydrogen, is introduced into the process chamber. These separating gas inlet zones 9 surround the individual gas outlet openings 8, 10. The gas outlet openings, designated by the reference numeral 9, through which the separating gas flows into the process chamber surround the gas outlet openings, designated by the reference numbers 8 and 10, respectively, which respectively contain gas inlet zones for the hydride and the gas inlet zones form the halogen component.
Durch die Halogenkomponenteneinlasszone 10 wird die metallorganische Komponente zusammen mit HCl und einem Inertgas in die Prozesskammer eingeleitet. Auch die Halogenkomponenteneinlasszonen sind jeweils von einer Trenngaseinlasszone 9 umgeben. Die Trenngaseinlasszone 9 wird von einer Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen ausgebildet. Aus den Figuren 7 und 8 ist zu entnehmen, dass weder die Hydrideinlasszone 8 noch eine Halogeneinlasszone 10 unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind. Es sind immer mindestens zwei Trenngaseinlasszonen 9 derart zwischen der Hydrideinlasszone 8 und der Halogenkomponenteneinlasszone 10 angeordnet, dass sich um eine Hydrideinlasszone 8 ein Inertgasvorhang und um eine Halogenkomponenteneinlasszone 10 ein Inertgasvorhang ausbildet. Through the halogen component inlet zone 10, the organometallic component is introduced into the process chamber together with HCl and an inert gas. The halogen component inlet zones are each surrounded by a separating gas inlet zone 9. The separation gas inlet zone 9 is formed by a plurality of gas outlet openings. It can be seen from FIGS. 7 and 8 that neither the hydride inlet zone 8 nor a halogen inlet zone 10 are arranged directly adjacent to one another. There are always at least two separation gas inlet zones 9 between the hydride inlet zone 8 and the halogen component inlet zone 10 arranged that an inert gas curtain forms around a hydride inlet zone 8 and an inert gas curtain around a halogen component inlet zone 10.
Die in der Fig. 9 dargestellte weitere Ausführungsform besitzt ebenfalls einen Showerhead 7, der eine Vielzahl von übereinander angeordneten Kammern aufweist, wobei die unmittelbar oberhalb der Prozesskammerdecke angeordnete Kammer 11 mit Kühlmittel gekühlt wird. In die unmittelbar darüber angeordnete Kammer 37 wird ein Inertgas zusammen mit der Halogenkomponente eingespeist. Die zugehörige Gasaustrittsöffnung gehört zu einer Halogenkom- ponenteneinlasszone 10. The further embodiment shown in FIG. 9 likewise has a showerhead 7 which has a multiplicity of chambers arranged one above the other, the chamber 11 arranged immediately above the process chamber ceiling being cooled with coolant. In the immediately above chamber 37, an inert gas is fed together with the halogen component. The associated gas outlet belongs to a halogen component inlet zone 10.
In der darüber angeordneten Kammer wird Ammoniak, also das Hydrid, eingespeist. Diese Kammer ist mit einer Vielzahl von Röhrchen mit der Gasaustrittsfläche verbunden. Die Mündung jedes Röhrchens gehört zu einer Hydrid- einlasszone 8. In the chamber above it ammonia, so the hydride, fed. This chamber is connected to a plurality of tubes with the gas outlet surface. The mouth of each tube belongs to a hydride inlet zone 8.
In die oberste Kammer 35 wird ein Inertgas, bspw. Wasserstoff oder Stickstoff, und die III-MO-Komponente eingespeist. Diese Kammer ist mit einer Vielzahl von Röhrchen mit der Prozesskammerdecke 6 verbunden. Die Mündung jedes Röhrchens gehört zu einer Trenngaseinlasszone 9, durch die nicht nur die Inertkomponente, sondern auch die III-Komponente in die Prozesskammer eingeleitet wird. In the uppermost chamber 35, an inert gas, for example. Hydrogen or nitrogen, and the III-MO component is fed. This chamber is connected to the process chamber ceiling 6 with a plurality of tubes. The mouth of each tube belongs to a separation gas inlet zone 9 through which not only the inert component but also the III component is introduced into the process chamber.
Die Fig. 10 zeigt die laterale Anordnung der einzelnen Gasaustrittsöffnungen. Auch hier ist ersichtlich, dass jede Halogenkomponenteneinlasszone 10 von sechs Trenngaseinlassöffnungen 9 umgeben ist und jede Hydrideinlasszone 8 ebenfalls von sechs Trenngaseinlassöffnungen 9 umgeben ist, so dass sich um jede Hydrideinlasszone 8 bzw. jede Halogenkomponenteneinlasszone 10 ein Gasvorhang ausbildet, durch den das Inertgas bzw. die III-Komponente in die Prozesskammer eingeleitet wird. FIG. 10 shows the lateral arrangement of the individual gas outlet openings. Again, it will be appreciated that each halogen component inlet zone 10 is surrounded by six separation gas inlet openings 9 and each hydride inlet zone 8 is also surrounded by six separation gas inlet openings 9 so that around each hydride inlet zone 8 and halogen component inlet zone 10, respectively Gas curtain forms through which the inert gas or the III component is introduced into the process chamber.
Bei dem in der Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jede Hydridein- lasszone 8 bzw. jede Halogenkomponenteneinlasszone 10 von einer ringförmigen Gasaustrittsöffnung 9 umgeben, durch welche ein Trenngas in die Prozesskammer eingeleitet werden kann. In den Figuren 6, 7, 9 und 10 sind die Gasaustrittsöffnungen 8, die jeweils eine Hydrideinlasszone ausbilden, als schwarze Scheibchen dargestellt. Die Gasaustrittsöffnungen 10, durch die die Halogen- komponente in die Prozesskammer eingeleitet werden, sind mit einem Kreuz versehen. Die die Trenngaseinlasszonen 9 ausbildenden Gasaustrittsöffnungen sind als Kreise dargestellt. Die Werte für die Durchmesser der Gasaustrittsöffnungen sowie deren Abstände und Anordnungen können variieren. Beispielsweise kann die gesamte Lochfläche kleiner als 1%, kleiner als 3% oder kleiner als 5% der Gesamtfläche der Gasaustrittsfläche sein. In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 11, each hydride inlet zone 8 or each halogen component inlet zone 10 is surrounded by an annular gas outlet opening 9, through which a separating gas can be introduced into the process chamber. In FIGS. 6, 7, 9 and 10, the gas outlet openings 8, which each form a hydride inlet zone, are shown as black slices. The gas outlet openings 10, through which the halogen component are introduced into the process chamber, are provided with a cross. The gas outlet openings forming the separation gas inlet zones 9 are shown as circles. The values for the diameters of the gas outlet openings and their distances and arrangements may vary. For example, the entire hole area may be less than 1%, less than 3% or less than 5% of the total area of the gas outlet surface.
Die Strömungsverhältnisse und die räumliche Anordnung ist auch hier so gewählt, dass die V-Komponente, also das Hydrid, erst in einem Bereich der Prozesskammer mit dem Halogen in Kontakt tritt, in dem die Gastemperatur ober- halb einer Temperatur liegt, bei der sich Ammoniumchlorid bildet. Here again, the flow conditions and the spatial arrangement are chosen so that the V component, ie the hydride, only comes into contact with the halogen in a region of the process chamber in which the gas temperature is above a temperature at which ammonium chloride forms.
Bei ersten Versuchen wurde Galliumnitrit bei einer Substrattemperatur Ts von 1050° C und bei einer Prozesskammerdeckentemperatur Tc von 900° C bei einer jeweils gleicher Wasserstoffträgergasmenge abgeschieden. Dies erfolgte bei Verweilzeiten von 0,58 Sekunden, 1,01 Sekunden und 1,52 Sekunden. Die radiale Verarmung wurde über Wachstumsraten auf einem 4-Zoll-Saphir-Substrat gemessen. Ohne die Zugabe von HCl verläuft die Verarmungskurve bei hohen Verweilzeiten stark inhomogen und sinkt bereits in der Mitte der Wachstums- zone G auf unter ein Drittel ab. Durch die Zugabe von nur 2 sccm HCl liegen die Verarmungskurven bei allen drei Verweilzeiten im Wesentlichen deckungsgleich übereinander. Es hat sich herausgestellt, dass ein Molverhältnis von 2% HCl/TMGa ausreicht, um die Verarmungskurve zu linearisieren. Op- timale Ergebnisse werden erzielt, wenn das Molverhältnis zwischen HCl und TMGa etwa im Bereich von 5% bis 7% liegt. Bei höheren Molverhältnissen findet die oben geschilderte Unterdrückung des parasitären Wachstums in der Vorlaufzone V statt. In zweiten Versuchen wurde Aluminiumnitrit anstelle von Galliumnitrit abgeschieden. Als III-Komponente wurde TMAl verwendet. TMAl ist weit reaktiver zu NH3 als TMGa. Zudem gelten die Addukte als sehr stabil. Aluminiumnitrit wurde auch hier auf 4-Zoll-Saphir-Substraten abgeschieden, allerdings bei einer Substrattemperatur von 1200° C bei einer Prozesskammerdeckentemperatur von etwa 1100° C und jeweils gleicher Wasserstoffträgergasmenge. Die Verweilzeiten der Prozessgase innerhalb der Prozesskammer lagen bei 0,08 Sekunden bzw. 0,33 Sekunden. Auch hier wurde ohne die Zugabe von HCl ein deutlicher Einbruch der Verarmungskurve bei der großen Verweildauer beobachtet. Die Zugabe von HCl führte auch hier zu einer Linearisierung der Verarmungs- kurve bei längeren Wachstumszeiten. In the first experiments gallium nitrite was deposited at a substrate temperature Ts of 1050 ° C and at a process chamber ceiling temperature T c of 900 ° C at a respective same hydrogen carrier gas amount. This was done at residence times of 0.58 seconds, 1.01 seconds and 1.52 seconds. Radial depletion was measured by growth rates on a 4-inch sapphire substrate. Without the addition of HCl, the depletion curve is very inhomogeneous with high residence times and drops already in the middle of the growth period. zone G to less than a third. Due to the addition of only 2 sccm HCl, the depletion curves are essentially congruent for all three residence times. It has been found that a molar ratio of 2% HCl / TMGa is sufficient to linearize the depletion curve. Optimal results are achieved when the molar ratio between HCl and TMGa is approximately in the range of 5% to 7%. At higher molar ratios, the above-described suppression of parasitic growth in the precursor zone V takes place. In second experiments, aluminum nitrite was deposited instead of gallium nitrite. The III component used was TMAl. TMAl is far more reactive to NH3 than TMGa. In addition, the adducts are considered very stable. Aluminum nitrite was also deposited here on 4-inch sapphire substrates, but at a substrate temperature of 1200 ° C at a process chamber ceiling temperature of about 1100 ° C and each hydrogen carrier gas amount. The residence times of the process gases within the process chamber were 0.08 seconds and 0.33 seconds, respectively. Again, without the addition of HCl, a significant dip in the depletion curve was observed for the long residence time. The addition of HCl also led to a linearization of the depletion curve with longer growth times.
In einer Variante, bei der die Höhe der Hydrideinlasszone 5 mm, der Trenngas- einlasszone 9 10 mm und der Halogenkomponenteneinlasszone 10 5 mm beträgt, werden durch die obere Gaseinlasszone 8 16,6 slm NH3, durch die mittle- re Gaseinlasszone 9 31 slm H2 + 6 slm N2 und durch die untere Gaseinlasszone 10 16,8 slm H2 eingespeist. Die Gasflussaufteilung orientiert sich dabei aus Gründen der Flussstabilität grob an die Höhenaufteilung der Gaseinlasszonen 8, 9, 10 so dass die Gasgeschwindigkeit von Einlassebene zu Einlassebene unge- fähr gleich bleibt. Das maximale Missverhältnis der Gasgeschwindigkeiten, der Impulsstromdichten (rho*v) oder der Reynoldszahlen (rho*v*H/ μ) kann zum Beispiel 1:1,5 oder 1:2 oder 1:3 betragen. Durch die untere Gaseinlasszone 10 wird zusätzlich HCl eingespeist, wobei der HCl-Fluss etwa maximal einem Zehntel des Flusses der reinen metallorganischen Komponente entspricht, die zusätzlich durch die mittlere Einlasszone 9 eingespeist wird. Bei einer Skalie-In a variant in which the height of the hydride inlet zone is 5 mm, the separating gas inlet zone 9 is 10 mm and the halogen component inlet zone 10 is 5 mm, 16.6 slm NH3 are produced through the upper gas inlet zone 8 and 31 31 slm H through the central gas inlet zone 2 + 6 slm N 2 and fed through the lower gas inlet zone 10 16.8 slm H 2 . For reasons of flow stability, the gas flow distribution is roughly oriented to the height distribution of the gas inlet zones 8, 9, 10 so that the gas velocity from the inlet level to the inlet level is not determined. remains the same. The maximum mismatch of the gas velocities, the pulse current densities (rho * v) or the Reynolds numbers (rho * v * H / μ) can be for example 1: 1.5 or 1: 2 or 1: 3. In addition, HCl is fed through the lower gas inlet zone 10, the HCl flow corresponding to a maximum of about one tenth of the flow of the pure organometallic component, which is additionally fed through the central inlet zone 9. In a scale
U H2 rung der Prozesskammer wird darauf geachtet, dass die Kennzahl konstant bleibt, wobei U die mittlere Gasgeschwindigkeit in allen drei Einlassebenen bei gleichem Druck, H die Höhe des mittleren Einlasses, R der Radius des Gaseinlassorganes 7 ist und D der Diffusionskoeffizient des Prozessgases im Gasgemisch ist. Hieraus ergeben sich folgende Anwendungsbeispiele: Wird die Höhe H des mittleren Einlasses verdoppelt, dann können die Gasgeschwindigkeiten geviertelt werden. Wird der Durchmesser des Gaseinlassorganes 7 verdoppelt, muss die Höhe H des mittleren Einlasses um den Faktur 1,4 vergrößert werden. Alternativ dazu können auch die Flussraten vervierfacht werden. U H 2 tion of the process chamber is taken to ensure that the index remains constant, where U is the average gas velocity in all three inlet levels at the same pressure, H is the height of the central inlet, R is the radius of the gas inlet member 7 and D is the diffusion coefficient of the process gas in the gas mixture. This results in the following application examples: If the height H of the central inlet is doubled, then the gas velocities can be quartered. If the diameter of the gas inlet member 7 is doubled, the height H of the central inlet must be increased by the factor of 1.4. Alternatively, the flow rates can be quadrupled.
Es ist auch vorgesehen, die Halogenkomponente, insbesondere HCl zusammen mit der metallorganischen Komponente durch eine gemeinsame Gaseinlasszo- ne in die Prozesskammer einzuspeisen. Des Weiteren kann auch die metallorganische Komponente mit dem Hydrid gemischt durch eine gemeinsame Gaseinlasszone in die Prozesskammer eingespeist werden. Die Prozessgase können auch mit Hilfe anders gestalteter Gaseinlassorgane in die Prozesskammer eingeleitet werden. It is also envisaged to feed the halogen component, in particular HCl, together with the organometallic component through a common gas inlet zone into the process chamber. Furthermore, the organometallic component mixed with the hydride can also be fed into the process chamber through a common gas inlet zone. The process gases can also be introduced into the process chamber with the help of differently designed gas inlet members.
Die Prozesskammer kann einen Durchmesser von 365 mm und eine Höhe von 20 mm aufweisen. Die Höhe der Einlasszonen 8, 9, 10 beträgt im Mittel 10 mm bzw. gehorcht der obigen Skalierungsregel. Die Einlasszone E verläuft bis zu einem Radius von etwa 22 mm. Die Vorlaufzone verläuft in einem Radialbereich zwischen 22 mm und 75 mm. Die Wachstumszone G verläuft in einem Radialbereich zwischen 75 und 175 mm. Radial außerhalb der Wachstumszone G befindet sich die Auslasszone A. Der Totalgasfluss durch die Prozesskammer liegt zwischen 70 und 90 slm. Die Wachstumsprozesse werden in einem Druckbereich zwischen 50 und 900 mbar durchgeführt. Bei einem Totaldruck von bspw. 400 mbar kann der Ammoniak-Partialdruck 95 mbar, der TMGa- Partialdruck 0,073 mbar bis 0,76 mbar entsprechen. Ohne die Zugabe von HCl erreicht die Wachstumsrate bei einem TMGa-Partialdruck von etwa 0,255 mbar ihre Sättigung. Mit Zugabe von HCl lässt sich die Wachstumsrate auf Werte oberhalb von 10 μιη/h anheben. Mit einem 5% molaren Verhältnis HCl : TMGa wurden bei einem TMGa-Partialdruck von 0,35 mbar 13,8 μιη/h und bei einem TMGa-Partialdruck von 0,76 mbar 26,5 μιη/h als Wachstumsrate erzielt. The process chamber may have a diameter of 365 mm and a height of 20 mm. The height of the inlet zones 8, 9, 10 is on average 10 mm or obeys the above scaling rule. The inlet zone E extends to a radius of about 22 mm. The flow zone runs in a radial range between 22 mm and 75 mm. The growth zone G extends in a radial range between 75 and 175 mm. Radially outside the growth zone G is the outlet zone A. The total gas flow through the process chamber is between 70 and 90 slm. The growth processes are carried out in a pressure range between 50 and 900 mbar. At a total pressure of, for example, 400 mbar, the ammonia partial pressure may correspond to 95 mbar, the TMG partial pressure to 0.073 mbar to 0.76 mbar. Without the addition of HCl, the growth rate saturates at a TMGa partial pressure of about 0.255 mbar. With the addition of HCl, the growth rate can be increased to values above 10 μιη / h. With a 5% molar ratio of HCl: TMGa were at a TMGa partial pressure of 0.35 mbar 13.8 μιη / h and at a TMGa partial pressure of 0.76 mbar 26.5 μιη / h achieved as a growth rate.
Unter anderem führen folgende Parametersätze gegenüber dem Stand der Technik zu verbesserten Ergebnissen: Among other things, the following parameter sets lead to improved results compared to the prior art:
Totaldruck = 600 mbar, p(NH3)=142,5 mbar, TMGa Partialdrücke von 0,04 mbar bis 0,82 mbar (entsprechend 2,13E-4 bis 4,3E-3 mol/ min). Total pressure = 600 mbar, p (NH3) = 142.5 mbar, TMGa partial pressures of 0.04 mbar to 0.82 mbar (corresponding to 2.13E-4 to 4.3E-3 mol / min).
Totaldruck = 800 mbar, p(NH3)=190 mbar, TMGa Partialdrücke von 0,054 mbar bis 1,09 mbar (entsprechend 2,13E-4 bis 4,3E-3 mol/ min). Totaldruck = 900 mbar, p(NH3)=214 mbar, TMGa Partialdrücke von 0,06 mbar bis 1,23 mbar (entsprechend 2,13E-4 bis 4,3E-3 mol/ min). Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildung des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen. Total pressure = 800 mbar, p (NH3) = 190 mbar, TMGa partial pressures of 0.054 mbar to 1.09 mbar (corresponding to 2.13E-4 to 4.3E-3 mol / min). Total pressure = 900 mbar, p (NH3) = 214 mbar, TMGa partial pressures of 0.06 mbar to 1.23 mbar (corresponding to 2.13E-4 to 4.3E-3 mol / min). All disclosed features are essential to the invention. The disclosure of the associated / attached priority documents (copy of the prior application) is hereby also incorporated in full in the disclosure of the application, also for the purpose of including features of these documents in claims of the present application. The subclaims characterize in their optional sibling version independent inventive development of the prior art, in particular to make on the basis of these claims divisional applications.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Prozesskammer 27 Ventil - MO 1 process chamber 27 valve - MO
2 Suszeptor 28 Ventil - Halogenkomponente 2 susceptor 28 valve - halogen component
3 Substrathalter 29 Ventil - Trägergas 3 substrate holder 29 valve - carrier gas
4 Substrat 30 Quelle - Hydrid  4 Substrate 30 Source - hydride
5 Ausnehmung 31 Quelle - MO  5 recess 31 Source - MO
6 Prozesskammerdecke 32 Quelle - Halogenkomponente 6 Process chamber ceiling 32 Source - halogen component
7 Gaseinlassorgan 33 Quelle - Trägergas 7 Gas inlet element 33 Source - carrier gas
8 Hydrideinlasszone 34 Gasmisch/- Versorgungs¬ 8 Hydrideinlasszone 34 Gasmisch / - Versorgungs¬
9 Trenngaseinlasszone (MO) einrichtung 9 Separating gas inlet zone (MO) device
10 Halogenkomponenteneinlasszone 35 Kammer  10 halogen component inlet zone 35 chamber
11 Kühlflüssigkeitskanal 36 Kammer  11 coolant channel 36 chamber
12 Trennwand 37 Kammer  12 partition 37 chamber
13 Trennwand  13 partition
14 obere Wand E Einlasszone  14 upper wall E inlet zone
15 Wandungsabschnitt V Vorlaufzone  15 Wall section V Supply zone
16 Auslasseinrichtung G Wachstumszone  16 Outlet device G Growth zone
17 Vakuumpumpe A Auslasszone  17 Vacuum pump A Outlet zone
18 RF-Heizung D Diffusions grenzschicht 18 RF heating D Diffusion boundary layer
19 Hydridzuleitung M Mischzone 19 hydride inlet M mixing zone
20 MO-Zuleitung  20 MO supply line
21 Halogenkomponentenzuleitung  21 Halogen component feed
22 MFC-Hydrid  22 MFC hydride
23 MFC-MO  23 MFC MO
24 MFC-Halogenkomponente  24 MFC halogen component
25 MsFC-Trägergas  25 MsFC carrier gas
26 Ventil - Hydrid  26 valve hydride

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Abscheiden von II-VI- oder III-V-Schichten auf einem oder mehreren Substraten (4), wobei Prozessgase in Form einer metallorganischen II- oder III-Komponente, eine V- oder VI-Komponente, insbesondere eines Hydrids und einer Halogenkomponente in einer Gasmisch/ - Versorgungseinrichtung (34) bereitgestellt werden, wobei das mindestens eine Substrat (4) auf einen Suszeptor(2) in einer Prozesskammer (1) aufgebracht wird, der Suszeptor (2) und zumindest eine Prozesskammerwand (6) auf eine Suszeptortemperatur (Ts) bzw. Wandtemperatur (Tc) aufgeheizt werden, die Prozessgase ggf. zusammen mit einem Trägergas in voneinander getrennten Gasflüssen mittels eines Gaseinlassorganes (9) in die Prozesskammer (1) eingebracht werden, wo die metallorganische Komponente und die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid pyrolytisch an der Substratoberfläche miteinander reagieren, so dass auf dem Substrat (4) eine Schicht abgeschieden wird, und die Halogenkomponente eine parasitäre Partikelbildung in der Gasphase vermindert bzw. unterdrückt und die Reaktionsprodukte ggf. zusammen mit dem Trägergas durch eine Gasauslasseinrichtung (16) die Prozesskammer verlassen, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessgase verwendet werden, die bei Abwesenheit der Halogenkomponente in einer Adduktbildungszone (M) in der die Gastemperatur (TB) in einem Adduktbildungstemperaturbereich liegt, Addukte bilden, und dass die Halogenkomponente derart getrennt von der V- oder VI-Komponente, insbesondere vom Hydrid in die Prozesskammer (1) eingeleitet wird, dass die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid erst in der Adduktbildungszone in Kontakt zur Halogenkomponente tritt. Verfahren zum Abscheiden von II-VI- oder III-V-Schichten auf einem oder mehreren Substraten (4), wobei Prozessgase in Form einer metallorganischen II- oder III-Komponente, einer V- oder VI-Komponente, insbesondere eines Hydrids und einer Halogenkomponente in einer Gasmisch/ - Versorgungseinrichtung (34) bereitgestellt werden, das mindestens eine Substrat (4) auf einen Suszeptor (2) in einer Prozesskammer (1) aufgebracht wird, der Suszeptor (2) und zumindest eine Prozesskammerwand (6) auf eine Suszeptortemperatur (Ts) bzw. Wandtemperatur (Tc) aufgeheizt werden, die Prozessgase ggf. zusammen mit einem Trägergas in voneinander getrennten Gasflüssen mittels eines Gaseinlassorganes (9) in die Prozesskammer (1) eingebracht werden, wo die metallorganische Komponente und die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid pyrolytisch an der Substratoberfläche miteinander reagieren, so dass auf dem Substrat (4) eine Schicht abgeschieden wird, und die Halogenkomponente eine parasitäre Partikelbildung in der Gasphase vermindert bzw. unterdrückt und Reaktionsprodukte ggf. zusammen mit dem Trägergas durch eine Gasauslasseinrichtung (16) die Prozesskammer verlassen, wobei die Prozessgase durch räumlich voneinander getrennte Gaseinlasszonen (8, 9, 10) des gekühlten Gaseinlassorgans (7) in die Prozesskammer (1) eingeleitet werden, wobei räumlich zwischen einer V- oder VI-Einlasszone (8), durch welche die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid in die Prozesskammer (1) eintritt und einer Halogenkomponenteneinlasszo- ne (10), durch welche die Halogenkomponente in die Prozesskammer (1) eintritt, ein Trenngas durch eine Trenngaseinlasszone (9) in die Prozesskammer (1) eingespeist wird, das weder die Halogenkomponente noch die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid enthält. Verfahren nach Anspruch 2 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenngas die metallorganische Komponente enthält. A method for depositing II-VI or III-V layers on one or more substrates (4), wherein process gases in the form of an organometallic II or III component, a V or VI component, in particular a hydride and a halogen component in a gas mixing / supply device (34), the at least one substrate (4) being applied to a susceptor (2) in a process chamber (1), the susceptor (2) and at least one process chamber wall (6) a susceptor temperature (T s ) or wall temperature (T c ) are heated, the process gases are optionally introduced together with a carrier gas in separate gas flows by means of a gas inlet member (9) in the process chamber (1) where the organometallic component and the V - or VI component, in particular the hydride pyrolytically react with each other at the substrate surface, so that on the substrate (4) a layer is deposited, and the halogen component is a parasite Reduced particle formation in the gas phase or suppressed and the reaction products optionally together with the carrier gas through a gas outlet (16) leave the process chamber, characterized in that process gases are used, which in the absence of the halogen component in an adduct formation zone (M) in the Gas temperature (TB) is in an adducting temperature range, form adducts, and that the halogen component is introduced separately from the V or VI component, in particular from the hydride in the process chamber (1) that the V or VI component, in particular the Hydride only in the adduct formation zone in contact with the halogen component occurs. A method for depositing II-VI or III-V layers on one or more substrates (4), wherein process gases in the form of an organometallic II or III component, a V or VI component, in particular a hydride and a halogen component in a gas mixing / supply device (34), the at least one substrate (4) is applied to a susceptor (2) in a process chamber (1), the susceptor (2) and at least one process chamber wall (6) to a susceptor temperature ( T s ) or wall temperature (T c ) are heated, the process gases are optionally introduced together with a carrier gas in separate gas flows by means of a gas inlet member (9) in the process chamber (1), where the organometallic component and the V or VI -Component, in particular the hydride pyrolytically react with each other at the substrate surface, so that on the substrate (4) a layer is deposited, and the halogen component is a parasitic Par reduced or suppressed tikelbildung in the gas phase and reaction products optionally together with the carrier gas through a gas outlet (16) leave the process chamber, the process gases by spatially separated gas inlet zones (8, 9, 10) of the cooled gas inlet member (7) in the process chamber (1), wherein spatially between a V or VI inlet zone (8), through which the V or VI component, in particular the hydride enters the process chamber (1) and a Halogenkomponenteneinlasszo- ne (10), by which the halogen component enters the process chamber (1), a separation gas is fed through a separation gas inlet zone (9) into the process chamber (1) containing neither the halogen component nor the V or VI component, especially the hydride. A method according to claim 2 or in particular according thereto, characterized in that the separating gas contains the organometallic component.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass eine V- oder V-Komponente und eine Halogenkomponente verwendet werden, die unterhalb einer Reaktionsgrenztemperatur unter Bildung eines Kondensats, insbesondere eines Feststoffs miteinander reagieren und der Gasfluss durch V- oder VI-Einlasszone (8), die Halogenkomponenteneinlasszone (10) und die Trenngaseinlasszone (9) und der Abstand zwischen V- oder VI-Einlasszone (8) und Halogenkomponenteneinlasszone (10) so gewählt ist, dass die Halogenkomponente und die V- oder VI-Komponente erst in einem Abschnitt (M) der Prozesskammer (1) in Kontakt miteinander treten, in dem die Gastemperatur höher ist als die Reaktionsgrenztemperatur. Method according to one of claims 2 or 3 or in particular according thereto, characterized in that a V or V component and a halogen component are used, which react below a reaction limit temperature to form a condensate, in particular a solid with each other and the gas flow through V or VI inlet zone (8), the halogen component inlet zone (10) and the separation gas inlet zone (9) and the distance between V or VI inlet zone (8) and halogen component inlet zone (10) is selected such that the halogen component and the V- or VI- Component only in a section (M) of the process chamber (1) come into contact with each other, in which the gas temperature is higher than the reaction limit temperature.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Variation des Halogenkomponentenflusses in die Prozesskammer (1) ein lineares Verarmungsprofil des Metalls der metallorganischen Komponente in der Gasphase in Strömungsrichtung über die gesamte Wachstumszone (G) einstellbar ist. Method according to one of claims 1 to 4 or in particular according thereto, characterized in that a linear depletion profile of the metal of the organometallic component in the gas phase in the flow direction over the entire growth zone (G) is adjustable by a variation of the halogen component flow in the process chamber (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verweilzeiten des Prozessgas von mehr als 1,5 Sekunden in der Prozesskammer homogene Schichten auf sich drehenden Substraten (4) abgeschieden werden und/ oder dass die Länge der Wachstumszone (G) innerhalb derer homogenes Schichtwachstum stattfindet mindestens 150 mm beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogenkomponente HCl ist und der HCl-Gasfluss in Mol/ Sekunde geringer ist als 250 ppm des Gesamtgasflusses bzw. geringer ist, als 10% des Flusses der metallorganischen Komponente in die Prozesskammer. Method according to one of claims 1 to 5 or in particular according thereto, characterized in that at residence times of the process gas of more than 1.5 seconds in the process chamber homogeneous layers on rotating substrates (4) are deposited and / or that the length of the growth zone ( G) within which homogeneous layer growth takes place is at least 150 mm. Method according to one of claims 1 to 6 or in particular according thereto, characterized in that the halogen component is HCl and the HCl gas flow in moles / second is less than 250 ppm of the total gas flow or less than 10% of the flow of the organometallic component in the process chamber.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinlassorgan (7) und insbesondere eine oder mehrere Wände der Gaseinlasszonen (8, 9, 10) insbesondere mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Method according to one of claims 1 to 7 or in particular according thereto, characterized in that the gas inlet member (7) and in particular one or more walls of the gas inlet zones (8, 9, 10) are cooled in particular by means of a coolant.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Reaktorgehäuse aufweisend eine im Reaktorgehäuse angeordnete Prozesskammer (1), einen in der Prozesskammer (1) angeordneten Suszeptor (2) zur Aufnahme des Substrates (4), eine Heizeinrichtung (18) zum Aufheizen des Suszeptors (2) auf eine Suszeptortemperatur (Ts), ein Gaseinlassorgan (7), das der Prozesskammer (1) zugeordnet ist, um ggf. zusammen mit jeweils in einem Trägergas Prozessgase in Form einer V- oder VI-Komponente, insbesondere eines Hydrids, einer metallorganischen II- oder III-Komponente und einer Halogenkomponente in die Prozesskammer (1) einzuleiten, und eine Gasauslasseinrichtung (16) zum Austritt von Reaktionsprodukten und ggf. des Trägergases aus der Prozesskammer (1), mit einer Gasmisch/ - Versorgungseinrichtung (34) aufweisend eine Quelle (31) für die metallorganische Komponente, eine Quelle (30) für die V- oder VI-Komponente, insbesondere für das Hydrid, und eine Quelle (32) für die Halogenkom- ponente, wobei die Quellen (30, 31, 32) über Förderleitungen (19, 20, 21), die von einer Steuereinrichtung gesteuerte Ventile (26, 27, 28) und Mas- senflussregler (22, 23, 24) aufweisen, mit dem Gaseinlassorgan (7) verbunden sind, um die metallorganische Komponente, die V- oder VI- Komponente, insbesondere das Hydrid und die Halogenkomponente in voneinander getrennten Gasflüssen ggf. jeweils zusammen mit dem Trägergas in die aufgeheizte Prozesskammer (1) zu bringen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinlassorgan (7) zumindest drei voneinander getrennte Gaseinlasszonen (8, 9, 10) aufweist, wobei zwischen einer mit der V- oder VI-Quelle, insbesondere der Hydridquelle (30) verbundenen V- oder VI-Einlasszone (8) und einer mit der Halogenkomponentenquelle (32) verbundenen Halogenkomponenteneinlass-zone (10) eine Trenngas- einlasszone (9) angeordnet ist, und die Steuereinrichtung bzw. die Gasmisch/ -Versorgungseinrichtung (34) so ausgestaltet ist, dass bei einer Ha- logenkomponenteneinspeisung durch die Halogenkomponenteneinlasszone (10) durch die Trenngaseinlasszone (9) ein Trenngas, das weder die V- oder VI-Komponente noch die Halogenkompo-nente enthält, in die Prozesskammer (1) strömt. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinlassorgan (7) eine Kühleinrichtung (11) aufweist und zumindest die Wand einer Gaseinlasszone (8, 9, 10) bevorzugt aber alle Gaseinlasszonen (8, 9, 10) kühlt werden. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogenkomponenteneinlasszone (10) derart benachbart und stromaufwärts vor einem beheizten Oberflächenabschnitt (15) der Prozesskammer (1) angeordnet ist, dass dort als Folge der Halogenkomponenteneinspeisung parasitäres Wachstum unterdrückt wird. Apparatus for carrying out the method according to one or more of the preceding claims, comprising a reactor housing having a process chamber (1) arranged in the reactor housing, a susceptor (2) arranged in the process chamber (1) for receiving the substrate (4), a heating device (18 ) for heating the susceptor (2) to a susceptor temperature (T s ), a gas inlet member (7) associated with the process chamber (1), optionally together with process gases in the form of a V or VI component in a carrier gas , in particular a hydride, an organometallic II or III component and a halogen component in the process chamber (1) to initiate, and a gas outlet device (16) for the exit of reaction products and possibly the carrier gas from the process chamber (1), with a gas mixture / - Supply means (34) comprising a source (31) for the organometallic component, a source (30) for the V or VI component, in particular for the H ydrid, and a source (32) for the halogen com- component, wherein the sources (30, 31, 32) via delivery lines (19, 20, 21), the controlled by a control device valves (26, 27, 28) and mass flow regulator (22, 23, 24), with the Gas inlet member (7) are connected to bring the organometallic component, the V or VI component, in particular the hydride and the halogen component in separate gas flows optionally together with the carrier gas in the heated process chamber (1), characterized in that the gas inlet member (7) has at least three separate gas inlet zones (8, 9, 10), between a V or VI inlet zone (8) connected to the V or VI source, in particular the hydride source (30) a halogen gas inlet zone (9) is arranged with the halogen component source (32), and the control device or the gas mixing / supply device (34) is configured such that in the case of a halogen component fed through the halogen component inlet zone (10) through the separation gas inlet zone (9), a separation gas containing neither the V or VI component nor the halogen component flows into the process chamber (1). 10. The device according to claim 9 or in particular according thereto, characterized in that the gas inlet member (7) has a cooling device (11) and at least the wall of a gas inlet zone (8, 9, 10) but preferably all gas inlet zones (8, 9, 10) cools become. 11. Device according to one of claims 9 or 10 or in particular according thereto, characterized in that the halogen component inlet zone (10) is arranged adjacent to and upstream of a heated surface portion (15) of the process chamber (1) that there as As a result of the halogen component feed parasitic growth is suppressed.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 oder insbesondere da- nach, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Hydrideinlasszone (8) und Halogenkomponenteneinlasszone (10) so gewählt ist, dass durch Wahl geeigneter Gasflussparameter die Halogenkomponente und die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid erst in einem Strömungsabschnitt (M) in Kontakt miteinander treten, in dem die Gas- temperatur (TB) in einem Adduktbildungstemperaturbereich liegt, in dem bei Abwesenheit der Halogenkomponente die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid mit der metallorganischen Komponente Adduk- te bildet. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Hydrideinlasszone (8) und Halogenkomponenteneinlasszone (10) so gewählt ist, dass durch Wahl geeigneter Gasflussparameter die Halogenkomponente und die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid erst in einem Strömungsabschnitt (M) in Kontakt miteinander treten, in dem die Gastemperatur (TB) höher ist als eine Reaktionstemperatur, in welcher die V- oder VI-Komponente, insbesondere das Hydrid mit der Halogenkomponente unter Bildung eines Feststoffs reagiert. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Suszeptor (2) in Horizontalrichtung erstreckt, einen oder mehrere drehantreibbare Substrathalter (3) trägt, auf dem mindestens ein Substrat (4) angeordnet werden kann, wo- bei oberhalb des Suszeptors (2) eine die Prozesskammer (1) nach oben begrenzende Prozesskammerdecke (6) vorgesehen ist und wobei die Gaseinlasszonen (8, 9, 10) des Gaseinlassorgans (7) vertikal übereinander zwischen Suszeptor (2) und Prozesskammerdecke (6) angeordnet sind, so dass sich innerhalb der Prozesskammer (1) eine horizontale Gasströmung zur12. Device according to one of claims 9 to 11 or in particular according thereto, characterized in that the distance between the hydride inlet zone (8) and halogen component inlet zone (10) is selected so that by selecting suitable gas flow parameters, the halogen component and the V or VI Component, in particular the hydride only in a flow section (M) come into contact with each other, in which the gas temperature (TB) is in an adducting temperature range in which in the absence of the halogen component, the V or VI component, in particular the hydride with the organometallic component forms adducts. 13. Device according to one of claims 9 to 12 or in particular according thereto, characterized in that the distance between the hydride inlet zone (8) and halogen component inlet zone (10) is selected so that by selecting suitable gas flow parameters, the halogen component and the V or VI component, in particular, the hydride only come into contact with each other in a flow section (M) in which the gas temperature (TB) is higher than a reaction temperature at which the V or VI component, in particular the hydride reacts with the halogen component to form a solid. 14. Device according to one of claims 9 to 13 or in particular according thereto, characterized in that the susceptor (2) extends in the horizontal direction, carries one or more rotationally driven substrate holder (3) on which at least one substrate (4) can be arranged, Where- above the susceptor (2), a process chamber ceiling (6) delimiting the process chamber (1) is provided, and wherein the gas inlet zones (8, 9, 10) of the gas inlet element (7) are vertically stacked between susceptor (2) and process chamber ceiling (6) are arranged so that within the process chamber (1) a horizontal gas flow to
Gasauslasseinrichtung (16) ausbildet. Gas outlet (16) forms.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinlassorgan (7) die Prozess- kammer decke (6) ausbildet und eine Vielzahl dicht nebeneinander angeordnete Gasaustrittsöffnungen aufweist, die so angeordnet sind, dass sich eine Vielzahl von Hydrideinlasszonen (8) und eine Vielzahl von Halogen- komponenteneinlasszonen (10) ausbilden. 15. Device according to one of claims 9 to 14 or in particular according thereto, characterized in that the gas inlet member (7) the process chamber ceiling (6) and forms a plurality of closely juxtaposed gas outlet openings which are arranged so that a plurality of hydride inlet zones (8) and a plurality of halogen component inlet zones (10).
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