DE2000096C3 - Verfahren und Vorrichtung zum epitaktischen Abscheiden einer Schicht aus einem Halbleitermaterial auf einer ebenen Fläche eines einkristallinen Substrats - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum epitaktischen Abscheiden einer Schicht aus einem Halbleitermaterial auf einer ebenen Fläche eines einkristallinen Substrats

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum epitaktischen Abscheiden einer Schicht aus einem Halbleitermaterial auf einer ebenen Fläche eines einkristallinen Substrats, bei dem während der Bildung der Schmelze in einem Tiegel das Material der Schmelze getrennt vom Substrat gehalten, dann die Schmelze mit dem Substrat in Kontakt gebracht und abgekühlt wird.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Epitaktisch auf einem einkristallinen Substrat angebrachte Halbleitermaterialschichten werden in der Halbleitertechnik für den Aufbau von Halbleiterbauelementen, und zwar diskreten Halbleiterbauelementen, sowie integrierten Schaltungen, verwendet. Das Substrat kann selbst aus Halbleitermaterial, z. B. aus dem gleichen Ausgangsmaterial wie die epitaxiale Schicht, bestehen. Insbesondere im letzteren Fail setzt sich das Kristallgitter des Substrats in der epitaxiaien Schicht fort. Im allgemeinen ist das Kristallgitter der epitaktischen Schicht auf besondere Weise in bezug auf das Kristallgitter des Substrats orientiert. Das Substrat kann auch aus einem einkristallinen Isoliermaterial, z. B. einkristallinem Aluminiumoxyd, bestehen, insbesondere zur Herstellung von Halbleiterbauelementen vom Dünnfilmlyp oder vom sogenannten »flatland«-Typ und von integrierten Schaltungen mit gegeneinander isolierten Halbleitermaterialinreln.
Neben einem Verfahren /ur epitaktischen Ablagerung des Halbleitermaterials aus der Gasphase, z. B. aus gasförmigen Verbindungen durch Pyrolyse, wobei dieses Verfahren auch Reaktionen mit anderen Gasen, z. B. Wasserstoff, umfassen kann, kann bekanntlich auf einer flachen Seite eines Substrats eine epitaktische Schicht aus einer das Halbleitermaterial enthaltenden Schmelze abgelagert werden. Im allgemeinen sind dabei weniger hohe Temperaturen a!s bei epitaktischer Ablagerung aus der Gasphase erforderlich. Insbesondere bei Halbleitermaterialien, die aus Verbindungen mit einem flüchtigen Bestandteil bestehen, z. B. Halbleitermaterialien vom Typ A'"BV, ist diese niedrige Temperatur günstig, während die Anwendung eines geschmolzenen Lösungsmittels eines Halbleiters den Dampfdruck des flüchtigen Bestandteiles weiter herabsetzt Dies ist insbesondere der Fall, wenn z. B. bei Verwendung einer A'"BV-Verbindung das Anl-Element als Lösungsmittel für die A'"BV-Verbindung verwendet wird. So ist es bekannt, mittels dieser Technik der sogenanten Flüssigphasenepitaxie eine Oberflächenschicht aus Galliumarsenid hoher Reinheit und großer Elektronenbeweglichkeit aus einer Lösung von Galliumarsenid in Gallium abzulagern. Beim Durchführen dieses Vorgangs wurde ein kastenförmiger Tiegel verwendet, wobei das Substrat in der Nähe einer Seitenwand auf dem Boden des Tiegels befestigt und das Material zur Bildung der Schmelze in der Nähe der gegenüberliegenden Wandteile angebracht wurde. Der Tiegel war in einer rohrförmigen Kammer angeordnet, in die eine Schutzgasatmosphäre eingeführt werden konnte. Diese Kammer war in einem Ofen angeordnet, mit dessen Hilfe der Tiegel erhitzt werden konnte. Der Ofen mit der rohrförmigen Kammer und dem Tiegel wurde in eine derart schräge Lage gesetzt, daß der Bodenteil des Tiegels, auf dem das Substrat angeordnet war, höher zu liegen kam als der Bodenteil, auf dem das zu schmelzende Material sich befand. Diese schräge Lage war derart, daß beim Schmelzen des Galliums das Substrat außer Kontakt mit der gebildeten Schmelze blieb. Wenn sich eine homogene Schmelze gebildet haue, die aus einer praktisch gesättigten Lösung von Galliumarsenid in Gallium bestand, wurde der Ofen mit seinem In.'ialt derart gekippt, daß die Schmelze auf das Substrat floß, wonach durch gleichmäßige Abkühlung die epitaktische Galliumarsenidschicht sich auf dem Substrat ablagerte. Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß zum Durchführen der Kippbewegung eine verhältnismäßig schwere Ausführung der Vorrichtung und verhältnismäßig große Kräfte erforderlich sind.
Die Erfindung stützt sich auf die Idee, einen bewegbaren Teil im Tiegel zu verwenden, mit dessen Hilfe die unterschiedlichen Materialien voneinander getrennt werden oder zum richtigen Zeitpunkt miteinander in Kontakt gebracht werden und gegebenenfalls während einer beschränkten Zeitdauer miteinander in Kontakt bleiben. Ein Verfahren der eingangs erwähnten Art ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß Schmelze und Substrat durch einen Schieber in dem Tiegel voneinander getrennt gehalten werden, und daß durch Herausziehen des Schiebers die auf dem Schieber befindliche Schmelze mit dem am Tiegelboden angeordneten Substrat oder durch Einschieben des Schiebers das auf dem Schieber angeordnete Substrat mit der im Tiegel befindlichen Schmelze in Kontakt gebracht wird. Für die Verstellung eines derartigen Schiebers werden keine schweren mechanischen Mittel benötigt. Die Verstellung kann mit einer einfachen geradlinigen Bewegung erzielt werden, die leicht mit Hilfe von durch die Wand einer gegebenenfalls verwendeten Kammer hindurchgeführten Mittel bewirkt werden kann. Bei Verwendung einer rohrförmigen Kammer und eines Rohrofens können diese Mittel durch ein Ende der rohrförmigen Kammer hindurchgeführt sein.
Ein Verfahren zum Anbringen einer epitaktischen Schicht auf einer flachen Seite eines Halbleiters bezweckt eine Schicht mit verhältnismäßig geringer Dicke auf einer verhältnismäßig großen Oberfläche anzubringen, wobei der nach der Bildung der epitakti- S sehen Schicht zurückbleibende Teil der Schmelze entfernt werden soll. Es soll nicht nur eine Schicht mit verhältnismäßig geringer Dicke, sondern auch ein befriedigender flacher Übergang mit dam Substrat erhalten werden. Zu diesem Zweck soll der Lösungsgrad des Substratmaterials im allgemeinen niedrig gehalten werden, z. B. derart, daß eine leichte Ätzung der Substratoberfläche erzielt wird. Daher sind die Zusammensetzung der Schmelze und die verwendete Temperatur beim Kontaktieren derart gewählt, daß die Schmelze eine nahezu gesättigte Lösung des abzulagernden Halbleitermaterials ist. Um eine gleichmäßige Dicke und eine, in bezug auf Verunreinigungen, homogene Zusammensetzung in der DicHnrichtung zu erzielen, ist es erforderlich, daß während der Ablagerung bis zu der verlangten Dicke die Temperaturabnahme und die Änderung in der Zusammensetzung der Schmelze nicht zu groß sind. Im allgemeinen wird eine Menge an Schmelzmaterial verwendet, die in bezug auf das Volumen der abzulagernden Schicht groß ist. Häufig ist daher auch die Menge der verwendeten Schmelze groß in bezug auf das Volumen des Substrats auf dem die epitaktische Schicht abgelagert werden soll.
Bei dem bekannten Flüssigphasenepitaxieverfahren wird während der Abkühlung beim Erreichen einer geeigneten Dicke die Schmelze durch Zurückkippen von der Substratoberfläche entfernt. Dabei kann jedoch ein Teil der Schmelze auf der Oberfläche zurückbleiben, der infolge seiner Oberflächenspannung eine runde Oberflächenform erhält und sogar in Form einiger getrennter Tropfen kontrahieren kann. Daraus kann sich wieder eine weitere ungleichmäßige Ablagerung von Halbleitermaterial ergeben, wobei die Wiedergewinnung einer gleichmäßigen Dicke sich schwer erzielen läßt. Für die später in der epitaktischen Schicht herzustellenden Halbleiterbauelemente ist eine solche gleichmäßige Dicke aber erforderlich. Eine Verbesserung läßt sich durch die Verwendung eines Schiebers nach der Erfindung erzielen-, der Schieber kann nach der Ablagerung der epitaktischen Schicht in die Ausgangslage gebracht werden, wobei das Substrat mit der gebildeten epitaktischen Schicht von wenigstens dem größten Teil des geschmolzenen Materials getrennt wird.
Die Erfindung ergibt den Vorteil, daß sie wegen der Einfachheit der Mittel, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, besonders einfach ist. Da der bewegbare Teil des Tiegels in Form eines Schiebers ein geringes Gewicht und geringe nbmessungen aufweist, ist die Betätigung nicht schwierig und läßt sich erforderlichenfalls automatisch regeln. Insbesondere eine geradlinige Bewegung in Richtung auf die Achse einer gegebenenfalls verwendeten rohrförmigen Kammer und eines Rohrofens erleichtert die Betätigung von außen her, während sowohl das Substrat wie auch das zu schmelzende Material axial in einen Rohrofen eingeführt werden kann.
Der Tiegelraum wird zeitweilig durch den Schieber unterteilt, so daß sich zwei Teilräume zur Aufnahme der Schmelze und zur Aufnahme des Substrats ergeben, wobei die Teilräume beim Anheizen in einer ersten Lage des Schiebers voneinander getrennt und bei Verstellung des Schiebers miteinander verbunden werden und die Schmelze mit dem Substrat in Kontakt gebracht wird. Der Schieber kann dabei die Form einer dünnen Platte aufweisen, deren seitliche Abmessungen den Innenabmessungen des Tiegels angepaßt sind und die durch einen Spalt in der Wand des Tiegels hindurchgeführt ist
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Schieber mit einer Aussparung zur Aufnahme des Substrats versehen, wobei beim Anheizen der Schieber in bezug auf den Tiegelraum zur Aufnahme des Schmelzmaterials eine Lage einnimmt in der das Substrat außer Kontakt mit der Schmelze ist, wonach bei Verstellung des Schiebers der Kontakt zwischen der Schmelze und dem Substrat hergestellt wird. Bei dieser Ausführungsform können sogar im Tiegel zwei Räume für unterschiedliche Schmelzzusammensetzungen vorgesehen sein, wobei der Tiegel durch eine Wand unterteilt ist, in der ein Spalt für den Schieber vorgesehen ist.
Wenn das Substrat in eine Aussparung des Schiebers aufgenommen wird, wird der zusätzliche Vorteil erhalten, daß das Substrat nicht nur außerhalb des Tiegels, sondern sogar auch außerhalb des Ofens gehalten werden kann, was z. B. wichtig sein kann, wenn das Substrat selbst aus einer Verbindung mit einem flüchtigen Bestandteil, z. B. einer AniBv-Verbindung, besteht. Dadurch, daß der Schieber mit einfachen Bewegungen betätigt werden kann, lassen sich die Bewegungen dieses Schiebers automatisch regeln, insbesondere durch eine Programmierung, mit deren Hilfe gleichfalls die Temperatur des verwendeten Ofens geregelt wird.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 und 2 einen Tiegel mit einem Schieber zur Verwendung bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in zwei Stufen dieses Verfahrens,
Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsformen eines Tiegels mit einem Schieber zur Verwendung bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der Tiegel nach den F i g. 1 und 2 hat die Form eines rechteckigen Parallelelepipeds.
Dieser Tiegel 1 besteht aus einem feuerfesten Material, das erhebliche Temperaturänderungen oder Temperaturerhöhungen ohne Strukturänderung aushalten kann, z. B. Bornitrid oder Quarz. Auf dem Boden ist ein einkristallines Substrat 2 angebracht, von dem eine Seite mit einer epitaktischen Schicht überzogen werden soll. Ein Schieber 3 aus demselben feuerfesten Material ist bewegbar durch einen Spalt 4 mit entsprechendem Querschnitt und kann im Inneren des Tiegels über mindestens zwei Riffeln 5 gleiten. Der Schieber 3 liegt in einem Abstand von weniger als 1 mm oberhalb des Substrates 2. Am Ende 6 des bewegbaren Schiebers 3 sind Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe der Schieber verstellt werden kann. Im vorliegenden Falle ist eine öse 7 vorgesehen, in der ein Haken 8 angebracht werden kann, der sich am Ende eines Stabes 9 befindet. Bei Verwendung einer nicht dargestellten rohrförmigen Kammer kann dieser Stab durch ein Ende des Rohres hindurchgeführt werden, mit dessen Hilfe der Schieber von außen her betätigt werden kann.
In der in F i g. 1 dargestellten Stufe des Verfahrens ist der bewegbare Schieber in den Tiegel 1 eingeschoben und dient als Träger der Schmelze 10, die z. B. aus einer Lösung von Galliumarsenid in Gallium besteht. Das
Material der Schmelze kann vorher dadurch gebildet sein, daß geschmolzenes Gallium bei 9000C mit Arsen oder Galliumarsenid gesättigt und dann durch Abkühlung erstarrt wird. Der Tiegel 1 wird nun auf die gewünschte Temperatur erhitzt, wobei der Kontakt zwischen dem Substrat und uer Schmelze hergestellt wird. Bei Verwendung einer bei 9000C gesättigten Lösung von Arsen (Galliumarsenid) in Gallium wird zu diesem Zweck eine Temperatur von 9000C oder eine um einige °C höhere Temperatur gewählt. Beim Erreichen dieser Temperatur wird der Schieber 3 derart weit herausgezogen, daß die Lösung 10 auf das Substrat 2 fällt (siehe F i g. 2). Dann wird die Lösung 10 abgekühlt, damit die epitaktische Schicht sich ablagert.
Die ganze Lösung kann auskristallisiert werden, wobei eine epitaktische Schicht großer Dicke, z. B. mit einer Dicke von etwa ΙΟΟμπι, erhalten wird. Im allgemeinen, und zwar insbesondere wenn geringere Dicken der epitaktischen Schicht angestrebt werden, ist es erforderlich, daß, nach einer gewissen Abkühlung, der zurückbleibende Teil der Schmelze völlig oder wenigstens größtenteils von der Substratoberfläche entfernt wird. Bei der Vorrichtung nach den F i g. 1 und 2 kann zu diesem Zweck beim Erreichen einer bestimmten niedrigeren Temperatur, bei Verwendung der vorerwähnten Galliumarsenidlösung z. B. eine Temperatur von 5000C, der Schieber aus der in F i g. 2 dargestellten Lage wieder in den Tiegel eingeschoben und in die in Fig. 1 dargestellte Lage gebracht werden.
Der größte Teil der Schmelze kann dann wieder über dem Schieber 3 zu liegen kommen. Zur Erleichterung der Hinaufstauung der Schmelze 10 kann an dem in den Tiegel eingeschobenen Ende die Oberseite des Schiebers 3 abgeschrägt sein, so daß dieses Ende keilförmig ist. Im allgemeinen werden Schmelzen metallischen Charakters verwendet, die in der Regel eine hohe Oberflächenspannung aufweisen. Dadurch wird das Wegdrücken der Schmelze von der Substratoberfläche zu der Oberseite des Schiebers gefördert.
Der Deutlichkeit halber sind in den Fig. 1 und 2 der Abstand und somit der Raum zwischen dem Schieber und der Substratoberfläche derart groß gewählt, daß es aussieht, als ob der Inhalt dieses Raumes größer ist als das Volumen der Schmelze. In der Praxis, z. B. bei dem obenerwähnten Abstand zwischen dem Schieber und dem Substrat, ist das Schmelzvolumen aber groß in bezug auf den erwähnten Zwischenraum.
Bei der Vorrichtung nach F i g. 3 entspricht die Form des Tiegels 11 der des Tiegels nach den Fig. 1 und 2. Der Tiegel 11 enthält das Material der Schmelze 12 und in erster Linie wird der bewegbare Schieber 13 in der ausgezogenen Lage verwendet, so daß bei der Erhitzung zur Bildung der Schmelze die gebildete Schmelze auf dem Boden des Tiegels 11 sich befindet Der bewegliche Schieber 13 ist mit einer Aussparung 14 zur Aufnahme des Substrats 15 versehen. Während der Anheizperiode ist der Schieber 13 in der ausgezogenen Lage derart, daß das Substrat 15 sich außerhalb des Tiegels 11 befindet Die während der Anheizperiode gebildete Schmelze 12, die z. B. aus einer Lösung von Galliumarsenid in Gallium besteht, ruht auf dem Boden des Tiegels, während der Meniskus der Schmelze über den Schieber 13 hinausragt. Wenn die Schmelze die erforderliche Temperatur erreicht hat, wird der Schieber derart weit nach innen geschoben, daß das Substrat 15 in der Aussparung 14 in die Schmelze taucht, wonach abgekühlt wird. Auch in diesem Falle kann die epitakische Ablagerung beschränkt werden, und zwar dadurch, daß bei einer gewünschten niedrigen Temperatur der Schieber mit dem Substrat herausgeschoben wird.
Fig.4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Tiegels zur Bildung einer epitaktischen Ablagerung aus einer Schmelze auf einem Substrat. Der Tiegel 21 hat wieder die gleiche Form wie der Tiegel in den vorhergehenden Figuren, aber in diesem Falle enthält der Tiegel eine senkrechte Zwischenwand 22, durch die er in zwei Räume geteilt wird. Diese Zwischenwand ist mit einem Spalt 23 versehen, durch den der bewegbare Schieber 24 geschoben werden kann. Die beiden Räume im Tiegel zu beiden Seiten der Zwischenwand 22 werden mit Lösungen 25 und 26 ausgefüllt, die unterschiedlich dotiert sind. Durch ihre hohe Oberflächenspannung können die beiden Flüssigkeiten den Spalt 23 nicht passieren, auch nicht, wenn der Schieber 24 derart weit aus dem Tiegel 21 herausgezogen ist, daß er außerhalb des Spaltes 23 liegt. Der Schieber 24 ist mit einer Aussparung 28 zur Aufnahme des Substrats 27 versehen. Während der Anheizperiode ist der Schieber 24 derart weit ausgezogen, daß das Substrat 27 außerhalb des Tiegels liegt. Beim Erreichen einer bestimmten Temperatur kann der Schieber derart hineingeschoben werden, daß das Substrat 27 mit der Schmelze 25 in Kontakt gebracht wird. Nachdem dadurch während der ersten Abkühlung eine epitaktische Schicht von einem bestimmten Leitungstyp gebildet worden ist, kann der Schieber 24 weiter hineingeschoben werden, derart, daß das Substrat 27 nun durch den Spalt in die Schmelze 26 gelangt, aus der eine epitaktische Schicht vom entgegengesetzten Leitungstyp während einer nächsten Abkühlungsperiode abgeschieden werden kann. Durch wiederholte Verstellung des Schiebers 24 können nacheinander Schichten von verschiedenem Leitungstyp auf dem Substrat 27 abgelagert werden, wonach beim Erreichen einer bestimmten Temperatur der Schieber 24 derart weit herausgeschoben wird, daß das Substrat 27 außerhalb des Tiegels 21 gelangt, wonach das Ganze abgekühlt wird. Es ist einleuchtend, daß die Zusammensetzungen der Schmelzen 25 und 26, insbesondere in bezug auf den Zusatz von Donatoren und/oder Akzeptoren oder sogar in bezug auf das Lösungsmittel und das darin gelöste Halbleitermaterial verschieden sein können. Zum Beispiel können Schichten vom gleichen Leitungstyp, aber mit verschiedener Leitfähigkeit, abgeschieden werden, z.B. dadurch, daß eine gleiche Verunreinigung in verschiedenen Konzentrationen den Schmelzen 25 und 26 zugesetzt wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum epitaktischen Abscheiden einer Schicht aus einem Halbleitermaterial auf einer ebenen Fläche eines einkristallinen Substrats, bei S dem während der Bildung der Schmelze in einem Tiegel das Material der Schmelze getrennt vom Substrat gehalten, dann die Schmelze mit dem Substrat in Kontakt gebracht und abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Schmelze und Substrat durch einen Schieber in dem Tiegel voneinander getrennt gehalten werden, und daß durch Herausziehen des Schiebers die auf dem Schieber befindliche Schmelze mit dem am Tiegelboden angeordneten Substrat oder durch Einschie- >5 ben des Schiebers das auf dem Schieber angeordnete Substrat mit der im Tiegel befindlichen Schmelze in Kontakt gebracht wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit Ofen und Kammer, in der ein Tiegel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (1; 11; 21) mit einem Schieber (3; 13; 24) versehen ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (13) eine Aussparung (14) zur Aufnahme des Substrats (IS) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (21) durch eine Wand (22) unterteilt ist, in der ein Spalt (23) für den Schieber (24) vorgesehen ist.
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