DE2354866B2 - Verfahren zum epitaktischen Abscheiden von Halbleitermaterial - Google Patents

Description

8. Vorrichtung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß Platte (8) und Distanzring (11) aus Quarz bestehen.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitkörper (9,10) aus Wolfram oder Molybdän bestehen.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 9, gekennzeichnet durch ein die gesamte Anordnung umgebendes Wärmeabstrahlblech (13).

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 10. gekennzeichnet durch einen unterhalb des Substrats (6) angeordneten Kühler (2). SS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Halbleitermaterial auf einem Substrat durch Flüssigphasenepitaxie, wobei die Abscheidung aus einer das Halbleitermaterial und ein oder mehrere Metalle enthaltende Zwei- oder Mehrkomponentenschmelze erfolgt, die sich auf dem Substrat befindet.

Unter Epitaxie wird die Abscheidung eines Halbleitermaterials in einkristalliner Form auf einem einkristallinen Substrat verstanden. Neben der epitaktischen Abscheidung aus der Gasphase wird insbesondere für die Herstellung von Verbindungshalbleitern, wie 2. B. Galliumarsenid, die sogenannte Flüssigphasenepitaxie angewendet Bei diesem Verfahren wird auf dem Substrat eine Zwei- oder Mehrkomponentenschmelze gebildet deren eine Komponente aus dem abzuscheidenden Material besteht Durch «ine Temperaturerniedrigung wird die Schmelze übersättigt so daß eine Abscheidung aaf dem Substrat gemäß der Liquiduskurve des Metall-Halbleiter-Systems erfolgt Wenn die gewünschte Schichtdicke erreicht ist wird der Aufwachsvorgang durch Dekantieren der Schmelze von der Substratoberfläche unterbrochen. Zum Beispiel wird für die Siliciumepitaxie bevorzugt eine Silicium-Zinn- oder eine Silicium-Zinn-Blei-Schmelze verwendet

Neben dem Kipptiegelverfahren sind auch noch das sogenannte Dippingverfahren im vertikalen Rohrofen und das Graphittiegelverfahren im horizontalen Rohrofen bekannt. Die beiden letztgenannten Verfahren werden zwar zur Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt einer praktischen Anwendbarkeit stehen jedoch mehrere Schwierigkeiten entgegea Um überhaupt ein epitaktisches Wachstum zu ermöglichen, muß die Schmelze nach dem Aufheizen mit dem Substrat in Kontakt gebracht werden. Dabei können bereits geringfügige Inhomogenitäten des Temperaturprofils des Ofens zu einer Unterkühlung oder Überhitzung der Schmelze führen, was seinerseits ein unkontrolliertes Ätzen der Substratoberfläche oder ungleichmäßiges Aufwachsen des Halbleitermaterials zur Folge hat. Ferner ist zur Durchführung der Verfahren eine außerordentlich empfindliche Mechanik erforderlich, die eine praktische Durchführung in der Massenproduktion erschwert. Schließlich muß zur Einstellung der gewünschten Metall-Halbleiterschmelze entsprechend einem vorgegebenen Wert auf der Liquiduskurve des Zwei- oder Mehrkomponentensystems eine vorbestimmte Halbleitermenge möglichst genau in die Schmelze eingewogen werden. Bei Abweichungen durch eine fehlerhafte Einwaage tritt bei einem Unterschuß von Halbleitermaterial ein unerwünschter Ätzangriff an der Substratscheibe auf. während überschüssiges Halbleitermaterial ein definiertes Wachstum verhindern kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchführung der Flüssigphasenepitaxie anzugeben, bei der ein verbessertes und kontrolliertes Wachstum unter gleichzeitiger Vereinfachung der praktischen Durchführung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei Anwendung des eingangs definierten Verfahrens dadurch gelöst, daß das Halbleitermaterial vor dem Abscheiden durch Anlösen des Substrats mittels einer Schmelze aus dem Metall bzw. den Metallen in die Schmelze gebracht wird.

Das Verfahren wird zweckmäßig so geführt, daß das Sjb„v:.A und das Metall bzw. dessen Schmelze zunächst auf eine Temperatur aufgeheizt werden, bei der das Substrat noch nicht merklich angelöst wird und dann bei verminderter Aufheizgeschwindigkeit unter Anlösen des Substrats so weit erhöht wird, daß entsprechend dem Phasendiagramm die gewünschte Halbleitermenge gelöst ist und daß anschließend durch Absenken der Temperatur das Halbleitermaterial epitaktisch abgeschieden wird. Das Aufheizen in der zweiten Phase erfolgt vorteilhaft mit einer Geschwindigkeit von 3°C/min.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß die Schmelze von einer resistenten

Platte bedeckt wird, auf der ein plattenförmiger Wärmeleitkörper angeordnet ist und daß das Substrat auf einer niedrigeren Temperatur als die Platte gehalten wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befindet sich auf der Unterseite des Substrats ein zusätzlicher Wärmeleitkörper, wobei ein über einen zwischen der Platte und diesem Wänneleitkörper angeordneter Distanzring dafür sorgt, daß die Schmelze unter dem Gewicht der Platte und des auf ihr liegenden Wärmeleilkörpers nicht über die seilliche Begrenzung des Substrats gedrängt wird.

Die Wirmeleitkörper bestehen vorteilhaft aus Wolfram oder Molybdän, während für die Platte und den Distanzring Quarz verwendet wird.

Zum näheren Verständnis wird die Erfindung unter Hinzuziehung cer beiden Figuren im einzelnen erläutert.

F i g. 1 ieigt im Querschnitt die Seitenansicht einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung:

Fig.2 ist ein Temperatur-Zeil-Diagramm zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

In einem horizontal angeordneten Ofen 1 befindet sich ein Kühler 2 mit Anschlüssen 3 und 4, über die ein Kühlmittel strömt, wobei bevorzugt Stickstoff oder Wasserstoff verwendet wird, während der Kühler selbst aus Quarz gefertigt ist. Auf einer ebenfalls aus Quarz bestehenden Basisplatte 5 liegt das Substrat 6, auf dem sich die Schmelze 7 befindet. Die Schmelze ist von einer Quarzplatte 8 bedeckt, auf der ein Wärmeleitkörper 9 auf Wolfram oder Molybdän angeordnet ist. Durch das Eigengewicht des Wärmeleitkörpers wird die Koagulation der Metallschmelze verhindert. Andererseits werden durch die hohe Wärmeleitfähigkeit die Temperaturinhomogenitäten im Ofen ausgeglichen. Eine weitere Verbesserung der Temperaturverhältnisse läßt sich dadurch erzielen, daß zwischen der Basisplatte 5 und dem Substrat 6 ein weiterer Wärmeleitkörper 10 vorgesehen ist. Ein zwischen dem Wärmeleitkörper 10 und der Quarzplatte 8 angeordneter Distanzring U sorgt dafür, daß die Schmelze 7 unter dem Gewicht des Wärmeleitkörpers 9 nicht über die Begrenzung des Substrats hinaus verdrängt wird. Um ein seitliches Abscheren des Sandwichaufbaus zu verhindern, ist in einer Nute der Basisplatte 5 ein Quarzring 12 abgestützt, der auf seiner Innenseite mit einem Wärmeleitblech 13 ausgekleidet sein kann. Durch das Wärmeleitblech 13 wird erreicht, daß sich die Schmelze am Rand nicht durch Abstrahlung abkühlt, wodurch eine Überhöhung der aufgewachsenen Schichtdicke am Rand des Substrats vermieden wird und somit eine Schicht mit gleichmäßiger Dicke epitaktisch abgeschieden wird. Durch Kühlung des Substrats mittels des Kühlers 2 wird innerhalb der Schmelze ein Temperaturgradient von der Quarzplatte 8 zum Substrat 6 eingestellt Um eine gute Effektivität des Kühlers zu erreichen, müssen die einander angrenzenden Oberflächen des Kühlers 2 der Basisplatte S sowie des Wärmeleitkörpers 10 planpoliert sein. Innerhalb des S Rohrofens 1 befindet sich ein Quarzrohr 14, das entweder als offenes oder geschlossenes System betrieben wird. Bei Verwendung eines offenen Systems wird ein Schutzgas, beispielsweise aus Wasserstoff oder Stickstoff, durch das Quarzrohr geleitet Um eine Kontaminierung der epitaktischen Schicht bzw. des Substrates zu vermeiden, sollten die Verunreinigungen des Schutzgases weniger als 3 ppm betragen. Zum Erzeugen dotierter epitaktischer Schichten kann dem Schutzgas in bekannter Weise noch ein gasförmiger

ι s Dotierstoff zugegeben werdea

An Hand von F i g. 2 soll der Ablauf des Verfahrens erläutert werden. Zunächst wird der Ofen schnell bis zu einer Temperatur Tu hochgeheizt Die Temperatur Tu ist entsprechend der Liquiduskurve so zu wählen, daß noch kein merkliches Anlösen des Substrats durch die Metallschmelze erfolgt Für das System Galliumphosphid-Gallium wird diese Temperatur zweckmäßig auf 700⁰C eingestellt Anschließend wird die Ofentemperatur langsam erhöht, wobei auf der gesamten Substratoberfläche das Halbleitermaterial gleichmäßig angelöst wird. Die Temperatur 7i> wird aus der Liquiduskurve entsprechend der gewünschten angelösten und anschließend aufgewachsenen Schichtdicke bestimmt.
Das Metall wird beispielsweise in Form einer Folie auf das Substrat gelegt und kann einen Schmelzpunkt bei einer Temperatur unterhalb von Tu aufweisen. Bei Verwendung von Gallium wird ein Metallkugelchen zwischen die Quarzplatte und das Substrat gebracht und unter dem Gewicht des Wärmeleitkörpers zu einem Schmelzfilm ausgebildet Dann wird die Ofentemperatur langsam bis zur oberen Temperatur 7b vergrößert. In diesem Zeitraum wird auf der ganzen Substratoberfläche gleichmäßig Halbleitermaterial angelöst. To wird mit Hilfe der Liquiduskurve entsprechend der gewünschten angelösten und anschließend aufgewachsenen Schichtdicke bestimmt:

_d._{d =} ?S*„ -^HaJbL . _L(7o)
i'Halbl. ' ^Sdwi.

wobei d' die Dicke der angelösten bzw. der epitaxierten

Schicht, d die Dicke der Metallschmelze, «schm · PHaibi

die Dichte der Schmelze bzw. des Halbleiters, A₅^_1n , 1_Hai_h, das Atomgewicht des Schmelzmetalls bzw. des

Halbleiters und L[T₀) die temperaturabhängige Löslichkeit des Halbleiters in der Schmelze ist.

Bei der Epitaxie von Galliumphosphid mit einer Galliumschmelze ist L (1100°C) = 4,45 ■ 1(T² und somit d' d ~ 91,7 · 10~³. Das heißt für eine 1 mm dicke Galliumschmelze beträgt die epitaxierte Schichtdicke etwa Ή) im.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   1 Verfahren zum Abscheiden von Halbleitermaterial auf einem Substrat durch Flüssigphasenepitaxie. S wobei die Abscheidung aus einer das Halbleitermaterial und ein oder mehrere Metalle enthaltenden Zwei- oder Mehrkomponentenschmelze erfolgt die sich auf dem Substrat befindet daduich gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial vor dem Abscheiden durch Anlösen des Substrats (6) mittels einer Schmelze aus dem Metall bzw. den Metallen in die Schmelze (7) gebracht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet daß das Substrat (6) und das Metall bzw. dessen Schmelze (7) zunächst auf eine Temperatur aufgeheizt werden, bei der das Substrat (6) noch nicht merklich angelöst wird, die dann bei verminderter Aufheizgeschwindigkeit unter Anläsen des Substrats (6) so weit erhöht wird, dsß entsprechend dem Phasendiagramm die gewünschte Halbleitermenge gelöst ist und daß anschließend durch Absenken der Temperatur das Halbleitermaterial epitaktisch abgeschieden wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet daß in der zweiten Aufheizphase die Temperatur unter Anlösen des Substrats (6) mit einer Geschwindigkeit von 3°C/min erhöht wird.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine die Schmelze (7) bedeckende resistente Platte (8), auf der ein plattenförmiger Wärmeleitkörper (9) angeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der Wärmeleitkörper (9) mit einem Siliciumoxiclfilm überzogen ist.
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5. gekennzeichnet durch einen weiteren Wärmeleitkörper (10) unterhalb des Substrats (6).
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen resistenten Distanzring (11) zwischen der Platte (8) und dem weiteren Wärmeleitkörper