DE2213313A1 - Verfahren zum Herstellen epitaktischer Halbleiterschichten mit glatter Oberfläche - Google Patents

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen

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Unsere Akte: 27 313 17. März 1972

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RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Verfahren zum Herstellen epitaktischer Halbleiterschichten mit glatter Oberfläche"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen epitaktischer Halbleiterschichten mit einer glatten Oberfläche, insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen einer epitaktischen Schicht aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III-V, wobei das Abscheiden aus der flüssigen Phase erfolgt.

Epitaxialschichten aus Einkristall-Halbleitermaterial kann man auf einem kristalline Substrat dadurch herstellen, daß eine Oberfläche des Substrats mit einer Lösung eines Halbleitermaterials in einem geschmolzenen Metallösungsmittel benetzt wird, die Lösung abgekühlt wird, so daß- ein Teil des gelösten Halbleitermaterials gefällt und auf dem Substrat als Epitaxialschicht abgeschieden wird, und der Rest der Lösung dann dekantiert wird. Dieses Verfahren nennt man "Lösungsaufwachsen" (solution growth) oder "Flüssigphasen-Epitaxie" (liquid phase epitaxy). Die Flüssigphasen-Epitaxie hat sich besonders zum Abscheiden von Epitaxialschichten bewährt, die aus Halbleiterverbindungen der Gruppe III-V bestehen, wie Nitriede, Phosphide, Arsenide und Antimonide von Bor, Aluminium, Gallium und Indium, sowie Mischungen und Kombinationen von diesen«

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Die Lösung, aus der die Epitaxialschicht abgeschieden wird, kann einen Leitfähigkeitsmodifizierer enthalten, um eine Epitaxialschicht eines gewünschten Leitfähigkeitstyps zu erhalten. Auch können mehrere Schichten nacheinander mit Hilfe der Flüssigphasen-Epitaxie abgeschieden werden, wobei die einzelnen Schichten von unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp sein können, so daß zwischen den Schichten ein PN-Übergang erzeugt wird.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden entweder einer einzelnen Epitaxialschicht oder einer Vielzahl von EpitaxialscMchten nacheinander mittels der Flüssigphasen-Epitaxie ist bekannt. Diese Vorrichtung enthält ein Ofenschiffchen aus hitzebeständigem Material mit mehreren an seiner Oberseite angeordneten Ausnehmungen und einen Schieber, der in einer sich im Bereich der Böden der Ausnehmungen erstreckenden Führung verschiebbar ist. Zum Betrieb dieser Vorrichtung wird in eine der Ausnehmungen des Ofenschiffchens eine Lösung aus Halbleitermaterial und geschmolzenem Lösungsmetall gebracht und das Substrat in eine Vertiefung des Schiebers gelegt. Sobald die Lösung die gewünschte Temperatur aufweist, wird der Schieber in eine Position gebracht, in der das Substrat in den Bereich der Ausnehmung gelangt, so daß die Lösung die Oberfläche des Substrats berührt. Sodann wird die Lösung abgekühlt, so daß sich die Epitaxialschicht auf dem Substrat abscheidet. Sobald eine Epitaxialschicht gewünschter Dicke in dieser Weise hergestellt ist, wird der Schieber nochmals bewegt, um das Substrat aus der Ausnehmung zu entfernen. Sollen zwei EpitaxialscMchten nacheinander aufgebracht werden, so werden in zwei benachbarten Ausnehmungen im Ofenschiffchen getrennte Lösungen vorgesehen» Nachdem in der ersten Ausnehmung die erste Epitaxialschicht auf dem substrat abgeschieden ist, wird der Schieber bewegt, um

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das Substrat nunmehr in den Bereich der zweiten Ausnehmung zu bringen, so daß die zweite Lösung die Oberfläche der ersten Epitaxialschicht berührt. Weiteres Abkühlen sorgt für das Abscheiden der zweiten Epitaxialschicht auf der ersten. Der Schieber wird dann nochmals bewegt, um das Substrat aus der zweiten Ausnehmung zu entfernen.

Obwohl das zuvor beschriebene Verfahren normalen Anforderungen an die Herstellung von Epitaxialschichten mit Hilfe der Flüssigphasen-Epitaxie genügt, hat es sich herausgestellt, daß es dann Nachteile aufweist," wenn das herzustellende Bauteil eine glatte Oberfläche der letzten Epitaxialschicht erfordert. Bei der beschriebenen Methode wird nämlich beim Entfernen des Substrats aus einer Ausnehmung, nachdem die Epitaxialschicht abgeschieden ist, ein Teil der in der Ausnehmung befindlichen Lösung von der Oberfläche der Epitaxialschicht mitgenommen. Die von der Oberfläche der letzten Epitaxialschicht mitgenommene Lösung neigt dazu, zusätzliches Halbleitermaterial auf der letzten Epitaxialschicht abzuscheiden, und zwar in einer Weise, daß die Oberfläche der letzten Epitaxialschicht uneben wird. Versuche, diese überschüssige Lösung mechanisch zu entfernen, haben sich als unzureichend erwiesen, da es schwierig ist, die Lösung von der gesamten Oberfläche der Epitaxialschicht so gleichmäßig abzustreifen, daß eine glatte Oberfläche entsteht. Es ist daher zum Erzielen einer glatten Oberfläche bisher notwendig gewesen, die Oberfläche entweder mechanisch oder chemisch zu polieren. Damit ist jedoch nicht nur der Nachteil verbunden, daß ein zusätzlicher Arbeitsvorgang bei der Herstellung des Bauteils notwendig wird, sondern daß auch die Dicke der Epitaxialschicht verringert wird. Wenn die Epitaxialschicht sehr dünn ist, beispielsweise ein bis zwei Mikron, ist jegliche Verringerung der Dicke unzulässig.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe es möglich ist, ohne aufwendiges Nacharbeiten eine glatte Oberfläche der Epitaxialschicht zu erreichen. Erfindungsgemäß wird eine Epitaxialschicht aus kristallinem Halbleitermaterial mit glatter Oberfläche auf einem Substrat dadurch hergestellt, daß eineOberfläche des Substrats mit einer ersten Lösung in Berührung gebracht wird, die ein in einem geschmolzenen metallischen Lösungsmittel gelöstes Halbleitermaterial enthält, daß diese erste Lösung sodann genügend abgekühlt wird, um eine aus dem Halbleitermaterial bestehende Epitaxialschicht auf der Oberfläche des Substrats abzuscheiden, daß sodann die Epitaxialschicht, während ihre Oberfläche noch mit einem flüssigen Film der ersten Lösung bedeckt ist, mit einer zweiten Lösung in Berührung gebracht wird, die aus einem geschmolzenen metallischen Lösungsmittel besteht, in dem ein Halbleitermaterial und ein zusätzliches, die Oberflächenkohäsion der zweiten Lösung erhöhendes Metall gelöst ist, und daß schließlich das Substrat und die Epitaxialschicht aus der zweiten Lösung entfernt werden.

Anhand der beigefügten Zeichnung, in der eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung im Querschnitt dargestellt ist, wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Vorrichtung 10 enthält ein Ofenschiffchen 12 aus inertem Material, wie Graphit. Das Schiffchen 12 weist an seiner Oberseite 3 mit Abstand voneinander angeordnete Ausnehmungen 14, 16 und 18 auf. Längs durch das Schiffchen 12 erstreckt sich unter den Ausnehmungen 14, 16 und 18 eine Führung 20, in der ein Schieber 22 aus hitzebeständigem Material, wie Graphit, bewegbar gelagert ist, so daß die

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Oberseite des Schiebers die Bodenfläche der Ausnehmungen 14, 16 und 18 bildet. Der Schieber ist oberseitig mit einer Vertiefung 24 versehen, die der Aufnahme eines flachen Substrats 26 dient, auf dem die Epitaxialschicht oder -schichten abgeschieden werden sollen. Die Vertiefung 24 ist groß genug, um eine flache Lage des Substrats 26 zu erlauben, und ist tiefer als die Substratdicke, so daß die obere Fläche des Substrats unterhalb der Oberkante der Vertiefung liegt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst in der Ausnehmung 14.eine erste Charge und in der Ausnehmung 16 eine zweite Charge untergebracht. Die erste Charge besteht aus einer Mischung, die das Halbleitermaterial der abzuscheidenden Epitaxialschicht, ein Metallösungsmittel für dieses Halbleitermaterial und, sofern die Epitaxialschicht einen bestimmten Leitfähigkeitstyp besitzen soll, einen Leitfähigkeitsmodifizierer enthält. Um beispielsweise eine Epitaxialschicht aus Gallium-Arsenid abzuscheiden, würde das Halbleitermaterial Gallium-Arsenid sein, das Metallösungsmittel würde Gallium sein und der Leitfähigkeitsmodifizierer könnte entweder Tellur, Zinn oder Silizium im Falle einer N-Schicht oder Zink, Germanium oder Magnesium im Falle einer P-Schicht sein. Die Ingredienzien liegen in der Mischung bei Raumtemperatur in granulierter, fester Form vor. Die zweite Charge besteht aus einem Halbleitermaterial, einem Metallösungsmittel für das Halbleitermaterial und einem Metall, das die Oberflächenadhäsion der Lösung erhöht, wenn die zweite Charge geschmolzen wird. Beispielsweise kann das Halbleitermaterial Gallium-Arsenid, das Metallösungsmittel G_allim und das die hohe Viskosität erzeugende Metall Aluminium oder Zinn sein. In der zweiten Charge sollte der Anteil an Halbleitermaterial groß genug sein, um die Lösung vollständig zu sättigen, wenn die Charge geschmoten ist und sich auf

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Betriebstemperatur (wird noch erläutert) befindet. Ein Substrat 26 wird in der Vertiefung 24 des Schiebers 22 untergebracht. Das Substrat 26 kann aus jedem Material bestehen, auf dem eine Epitaxialschicht aus dem gewünschten Halbleitermaterial abgeschieden werden kann. Beispielsweise kann ein Substrat aus einkristallinem Gallium-Arsenid zum Abscheiden einer Gallium-Arsenid-Epitaxialschicht benutzt werden.

Das beladene Ofenschiffchen 12 wird sodann in einen nicht dargestellten Ofen gebracht, der von hochreinem Wasserstoff durchströmt wird. Die Temperatur des Ofens wird soweit erhöht, daß der Inhalt des Ofenschiffchens auf eine Temperatur erhitzt wird, die über dem Schmelzpunkt der Ingredienzien der Chargen, im allgemeinen zwischen 800 und 95O⁰C, liegt. Diese Temperatur wird solange aufrechterhalten, bis sichergestellt ist, daß die Ingredienzien jeder Schmelze vollständig geschmolzen und vermischt sind. Dadurch entsteht aus der ersten Charge eine erste Lösung 28, die aus in dem geschmolzenen Metallösungsmittel gelöstem Halbleitermaterial und Leitfähigkeit smodifizierer besteht, während aus der zweiten Charge eine zweite Lösung 30 aus im geschmolzenen Metallösungsmittel gelöstem Halbleitermaterial und dem vorgenannten Metall entsteht.

Die Temperatur im Ofen wird sodann reduziert, um das Schiffchen 12 und seinen Inhalt abzukühlen. Der Schieber 22 wird in Richtung des Pfeils soweit verschoben, bis das Substrat 26 sich in der Ausnehmung 14 befindet und den Boden dieser Ausnehmung bildet. Dadurch wird die Oberseite des Substrats 26 mit der ersten Lösung 28 in Berührung gebracht. Weiteres Abkühlen des Schiffchens 12 und seines Inhalts führt dazu, daß ein Teil des Halbleitermaterials aus der ersten Lösung 28 ausfällt und sich auf der Oberfläche des Substrats 26 abscheidet,

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wodurch die Epitaxialschicht gebildet wird. Während des Abscheidens des Halbleitermaterials wird ein Teil des in der Lösung 28 enthaltenen Leitfähigkeitsmodifizieres in das Gitter der Epitaxialschicht eingebaut, so daß eine Epitaxialschicht mit gewünschtem Leitfähigkeitstyp entsteht.

Sobald eine Epitaxialschicht gewünschter Dicke auf dem Substrat 26 abgeschieden ist, wird der Schieber 22 nochmals in Richtung des Pfeils bewegt, so daß das Substrat aus der ersten Ausnehmung 14 in die zweite Ausnehmung 16 gelangt, in der die Oberfläche der Epitaxialschicht mit der zweiten Lösung 30 in Berührung gebracht wird. Die Temperatur der zweiten Lösung 30 zum Zeitpunkt, in dem das Substrat 26 in die zweite Ausnehmung 16 bewegt wird, stellt die oben erwähnte Betriebstemperatur der zweiten Lösung 30 dar. Bei dieser Temperatur muß genügend Halbleitermaterial in der zweiten Lösung 30 vorhanden sein, um das Metallösungsmittel vollständig zu sättigen. Wenn das Substrat 26 aus der ersten Ausnehmung 14 bewegt wird, verbleibt auf der Oberfläche der Epitaxialschicht grundsätzlich ein dünner Film der ersten Lösung 28, der mit dem Substrat in die zweite Ausnehmung 16 gelangt. Sobald das Substrat 26 die zweite Ausnehmung 16 erreicht, löst sich der auf der Oberfläche der Epitaxialschicht befindliche dünne Film aus erster Lösung sofort in der zweiten Lösung 30. Das Substrat 26 wird in der zweiten Ausnehmung gerade solange gelassen, daß sich der aus der ersten Lösung bestehende Film in der zweiten Lösung 30 auflösen kann. Dies dauert nur wenige Sekunden. Das Substrat 26 wird jedoch nicht solange im Bereich der zweiten Ausnehmung 16 gehalten, daß irgendwelches Halbleitermaterial der zweiten Lösung 30 ausfallen und sich auf der Epitaxialschicht abscheiden kann. Der Schieber 22 wird dann nochmals in Richtung des Pfeiles bewegt, um das Substrat 26 aus dem Bereich der zwei-

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ten Ausnehmung 16 in den der dritten Ausnehmung 18 zu bringen. Bei der Bewegung des Substrats 26 aus der zweiten Ausnehmung 16 sorgt die hohe Oberflächenkohäsion der zweiten Lösung 30 dafür, daß diese vollständig in der zweiten Ausnehmung zurückgehalten wird, so daß im Ergebnis die zweite Lösung völlig von der Epitaxialschicht abgestrichen wird. Somit ist die Oberfläche der Epitaxialschicht, sobald das Substrat die dritte Ausnehmung 18 erreicht, frei von jeglicher Lösung, die zusätzliches Halbleitermaterial auf der Epitaxialschicht abscheiden könnte, wodurch die Oberfläche aufgerauht würde. Dadurch entsteht eine glatte Oberfläche, die kein Polieren mehr benötigt.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel des Niederschiagens einer einzigen Epitaxialschicht beschrieben wurde, kann es selbstverständlich auch zum Herstellen mehrerer Epitaxialschichten aufeinander verwandt werden, wobei die letzte Epitaxialschicht eine glatte Oberfläche besitzt. Um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vielzahl aufeinanderliegender Epitaxialschichten auf einem Substrat herzustellen, wird das Schiffchen 12 mit zusätzlichen Ausnehmungen versehen, so daß für jede Lösung, aus der jeweils eine Epitaxialschicht niedergeschlagen wird, eine gesonderte Ausnehmung vorhanden ist. Das Substrat 26 wird dann mittels des Schiebers 22 nacheinander in den Bereich jeder Ausnehmung bewegt, wo dann jeweils eine Epitaxialschicht niedergeschlagen wird. Nachdem die letzte Epitaxialschicht hergestellt ist, wird das Substrat in die Ausnehmung befördert, die die Lösung mit hoher Oberflächenkohäsion enthält, und die mit dem Halbleitermaterial gesättigt ist, um jegliche, auf der Oberfläche der zuletzt angebrachten Epitaxialschicht verbleibende Lösung wegzulösen. Das Substrat wird sodann schnell aus der

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letzten Lösung entfernt, so daß diese eine glatte Oberfläche erhält. Mit der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren geschaffen worden, mit dem eine oder mehrere Epitaxialschichten aus Halbleitermaterial mittels der Flüssigphasen-Epitaxie auf einem Substrat angebracht werden können, wobei die letzte Epitaxialschicht eine glatte Oberfläche besitzt, die keine Nachbehandlung benötigt.

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Claims (6)

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.) Patentansprüche;

1. Verfahren zum Herstellen einer oder mehrerer Epitaxialschichten aus kristallinem Halbleitermaterial auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche des Substrats mit einer ersten Lösung in Berührung gebracht wird, die ein in einem geschmolzenen metallischen Lösungsmittel gelöstes Halbleitermaterial enthält, daß diese erste Lösung sodann genügend abgekühlt wird, um eine aus dem Halbleitermaterial bestehende Epitaxialschicht auf der Oberfläche des Substrats abzuscheiden, daß sodann die Epitaxialschicht, während ihre Oberfläche noch mit einem flüssigen Film der ersten Lösung bedeckt ist, mit einer zweiten Lösung in Berührung gebracht wird, die aus einem geschmolzenen metallischen Lösungsmittel besteht, in dem ein Halbleitermaterial und ein zusätzliches, die Oberflächenkohäsion der zweiten Lösung erhöhendes Metall gelöst ist, und daß schließlich das Substrat und die Epitaxialschicht aus der zweiten Lösung entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Epitaxialschicht mit der zweiten Lösung gerade solange in Berührung bleibt, daß einerseits der flüssige Film der ersten Lösung in der zweiten Lösung aufgelöst wird, andererseits jedoch noch kein Halbleitermaterial der zweiten Lösung auf der Epitaxialschicht abgeschieden wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Epitaxialschicht mit der zweiten Lösung für ein paar Sekunden in Berührung bleibt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

3, -dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lösung bei der Temperatur, bei der die Epitaxialschicht mit ihr in Berührung gebracht wird, mit Halbleitermaterial gesättigt ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösungen aus einer in einem Metallelement der Gruppe III gelösten Halbleiterverbindung der Gruppe IH-V besteht.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Metall in der zweiten Lösung entweder Aluminium oder Zinn ist.

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