DE2215355A1

DE2215355A1 - Verfahren zum abscheiden epitaktischer halbleiterschichten aus der fluessigen phase

Info

Publication number: DE2215355A1
Application number: DE2215355A
Authority: DE
Inventors: Michael Ettenberg; Harry Francis Lockwood
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1971-07-08
Filing date: 1972-03-29
Publication date: 1973-01-18
Also published as: GB1371537A; CA968674A; DE2215355C3; FR2144645A1; US3741825A; FR2144645B1; DE2215355B2; IT950764B

Description

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

Patentanwälte · 4ooa Düsseldorf · Cecilienallea 7b . Telefon 43 27

28«, März 1972 Unsere Akte: 27 311 . Be/Fu*; .

RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N_eiY_ei 10020 (V,St,iA.)

»Verfahren zum Abscheiden epitaktisoher Harbleitersohiohten

aus der, flüssigen Phase"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abscheiden epitaktisoher Halbleiterschichten aus der flüssigen Phase.

Eine Technik, die sich bei der Herstellung bestimmter Typen von Halbleiterbauteilen, insbesondere solchen, die aus Halbleitermaterialien der Gruppe IH-V und ihren Legierungen hergestellt sind, wie lichtaussendenden Bauteilen und bestimmten elektronischen Bauteilen, als brauchbar erwiesen hat, wird in der englischen Fachsprache als "liquid phase epitaxy" bezeichnet. Man versteht darunter ein·Verfahren zum Abscheiden einer epitaktisohen Schicht eines Einkristall-Halbleiters auf einem Substrat, wobei eine Oberfläche des Substrats, mit einer Lösung aus einem Halbleitermaterial in einem geschmolzenen Metallösungsmittel in Berührung gebracht und die Lösung so abgekühlt wird, daß ein Teil des Halbleitermaterials der Lösung gefällt wird und sich auf dem Substrat als epitaktische Schicht abscheidet^ Der Rest der Lösung wird vom Substrat entfernt»! Die Lösung kann auch einen Leitfähigkeitsmodifizierer enthalten, der sich mit dem Halbleitermaterial abscheidet und zu einer epitaktischen Schicht eines gewünschten Leitfähigkeitstyps führt. Es können zwei oder mehrere epitaktische Schichten

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nacheinander abgeschieden werden, um ein Halbleiterbauteil einer gewünschten Konstruktion zu schaffen, einschließlich eines solchen mit einem PN-Übergang zwischen benachbarten epitaktischen Schichten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ₀

Die Vorrichtung, mit der das epitaktische Aufwachsen aus der flüssigen Phase durchgeführt wird, kann ein Ofenschiffchen aus hitzebeständigem Material aufweisen, das an seiner Oberseite mit mehreren, mit Abstand voneinander angeordneten Ausnehmungen versehen ist und einen Schieber aus hitzebeständigem Material aufweist, der in einer sich im Bereich der Böden der Ausnehmungen erstreckenden Führung verschiebbar ist. Für den Betrieb dieser Vorrichtung wird eine Lösung in eine Ausnehmung gebraoht und ein Substrat in eine Vertiefung des Schiebers gelegt. Der Schieber wird sodann in die Position bewegt, in der das Substrat sich am Boden der Ausnehmung befindet, so daß die Oberfläche des Substrats mit der Lösung in Berührung gebracht wird. Sobald die epitaktische Schicht auf dem Substrat abgeschieden ist, wird der Schieber wiederum bewegt, um das Substrat von der Ausnehmung zu entfernen. Um mehrere epitaktische Schichten auf dem Substrat abzuscheiden, werden in getrennten Ausnehmungen verschiedene Lösungen vorgesehen und das Substrat nacheinander in den Bereich jeder Ausnehmung gebracht, um die einzelnen Schichten darauf abzuscheiden.

Bei der Anwendung der Flüssigphasen-Epitaxie besteht ein Problem darin, eine exakt gesättigte Abseheidelösung für die Temperatur zu erhalten, bei der das Abscheiden stattfindet. Wenn die Lösung mit Halbleitermaterial übersättigt ist, enthält sie feste Halbleiterteilchen, die oft zu einer schlechten Kristallqualität der abgeschiedenen Epitaxialschicht führen. Wenn die Lösung ungesättigt

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ist, löst sich das Substrat in unkontrollierbarer Weise' in der Lösung, sobald es mit dieser in Berührung gebracht wirdo Dieser Vorgang führt zu nachteilig unebenen Schichten. Das Einhalten des exakten Sättigungsgrades der Lösung bei Abscheidetemperatur durch iJberwachen des Gehaltes an Ingredienzien, die ursprüa,glich zum Herstellen der Lösung verwendet wurden, ist äußerst schwierig, da bereits kleine Temperaturschwankungen die Löslichkeit der Schmelze verändern« Diese Sohwierigkeiten machen sich in erhöhtem Maße bemerkbar, wenn nacheinander mehrere Epitaxialschichten aus einer Vielzahl von Lösungen abgeschieden werden, da jede Sohicht bei einer anderen Temperatur erzeugt wird«

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, mit dem die aufgezeigten Nachteile vermieden werden, und das insbesondere die Herstellung auch mehrerer einwand·=· freier Epitaxialschichten übereinander ermöglichte Dazu wird erfindungsgemäß eine einkristalline Epitaxialschicht auf einem Substrat dadurch abgeschieden, daß eine Lösung des Halbleitermaterials in einer Metallschmelze hergestellt wird, wobei ein Halbleiterstück mit der Lösung so in Kontakt gebracht wird, daß die Lösung sich mit Halbleiterma« terial sättigte Das Stück wird sodann aus der Lösung ent-» fernt und eine Oberfläche des Substrats mit dieser in Berührung gebracht«, Die Lösung wird dann abgekühlt, um die Epitaxialschicht auf dem Substrat abzuscheiden«

Anhand der Zeichnung, in der eine geeignete Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert₀

Eine zum Durchführen des erfindungsgemäßön Verfahrens geeignete Vorrichtung ist als. Ganzes mit 10 bezeichnet Die Vorrichtung 10 besteht aus einem Ofenschiffchen 12 aus

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inaktivem Material, beispielsweise aus Graphit, Das Schiffchen 12 weist an seiner Oberseite drei mit Abstand voneinander angeordnete Ausnehmungen 14, 16 und 18 auf₀ Vom einen zum anderen Ende des Schiffchens 12 erstreckt sich eine an den Böden der Ausnehmungen 14, 16 und 18 verlaufende Führung 20, in der ein Schieber 22 aus hitzebeständigem Material, wie Graphit, beweglich untergebracht ist, so daß die Oberseite des Schiebers 22 die Bodenfläche der Ausnehmungen 14, 16 und 18 bildet. Der Schieber 22 besitzt an seiner Oberseite zwei mit Abstand voneinander angeordnete Vertiefungen 24 und 26, und zwar vorzugsweise in der Nähe eines Schieberendes. Der Abstand zwischen den Vertiefungen 24 und 26 entspricht dem Abstand zweier benachbarter Ausnehmungen«, Die Vertiefung 24 dient der Aufnahme eines Halbleiterstückes 28, während die Vertiefung 26 für die Aufnahme eines flachen Substrats 30 vorgesehen ist, auf das eine oder mehrere Epitaxialschichten aufgebracht werden sollen_e Die Vertiefung 26 ist groß genug, um eine flache Lage des Substrats 30 zu gewährleisten.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst eine erste Charge in die Ausnehmung 14 gebracht, während die Ausnehmung 16 eine zweite Charge erhält. Beide Chargen bestehen aus einer Misohung von für die Epitaxialschicht vorgesehenem Halbleitermaterial, einem metallischen Lösungsmittel für das Halbleitermaterial und, sofern die Epitaxialschicht einen bestimmten Leitfähigkeitstyp aufweisen soll, einem Leitfähigkeitsmodifizierer,, Um beispielsweise Epitaxialschichten aus Gallium-Arsenid abzuscheiden, wird als Halbleitermaterial Gallium-Arsenid_T als Metallösungsmittel Gallium und als Leitfähigkeitsmodifizierer entweder Tellur oder Zinn für eine N-leitende Schicht oder Zink, Germanium oder Magnesium für eine P-leitende Schicht verwendet. Das Verhältnis der Ingredienzien

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in jeder Charge wird so gewählt, daß die Lösung mit Halbleitermaterial ungesättigt ist, wenn das Metallösungsmittel zum Auflösen des Halbleitermaterials geschmolzen wird₀ Die Ingredienzien der Charge würden in der Mischung bei Raumtemperatur als feste Granulate vorliegen. Das Stück 28, das aus dem Halbleitermaterial besteht, das auch in den Chargen vorhanden ist, wird in die Vertiefung 24 eingebracht, während das Substrat 30, das aus einem geeigneten Material für das epitaktische Abscheiden besteht, in die. Vertiefung 26 gelegt wird.

Das beladene Schiffchen 12 wird sodann in einen nicht dargestellten Ofen gebracht, der von hochreinem-Wasserstoff durchströmt wird. Sodann wird die Heizung des Ofens eingeschaltet, um den Inhalt des Schiffchens 12 auf eine oberhalb der Schmelzpunkte der Ingredienzien der Chargen liegende Temperatur zu erhitzen, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 800⁰C und 950⁰C für GaAlAs oder GaAs* Diese Temperatur wird solange aufrechterhalten, bis sichergestellt ist, daß die Ingredienzien der Chargen völlig geschmolzen und homogenisiert sind. Auf diese Weise entsteht aus der ersten Charge eine erste Lösung 32 aus Halbleitermaterial und Leitfähigkeitsmodifizierer in geschmolzenem Metallösungsmittel, während die zweite Charge in eine zweite Lösung 34 aus Halbleitermaterial und dem Leitfähigkeitsmodifizierer in einem geschmolzenen Metallösungsmittel überführt wird.

Der Schieber 22 wird sodann.in Richtung des Pfeiles 36 bewegt, bis das Halbleiterstück 28 sich in der Ausnehmung 14 befindete Dadurch kommt das Stück 28 mit der ersten Lösung 32 in Berührung. Da dieäe Lösung 32 an Halbleitermaterial ungesättigt ist, löst sich in der Metallschmelze ein Teil des Halbleiterstückes 28 auf, bis die erste Lösung exakt gesättigt ist. Der Schieber 22 wird

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sodann nochmals in Richtung des Pfeiles 36,bewegt, bis das Stück 28 sich in der Ausnehmung 16 befindete Damit wird das Stück 28 mit der zweiten Lösung 34 in Berührung gebracht. Da die zweite Lösung 34 ebenfalls an Halbleitermaterial ungesättigt ist, löst sich auch hier ein Teil des Halbleiterstückes 28 in der Metallschmelze auf, bis die zweite Lösung ebenfalls exakt mit Halbleitermaterial gesättigt ist.

Da die das Substrat 30 enthaltende Vertiefung 26 von der das Stück 28 aufnehmenden Vertiefung 24 den gleichen Abstand aufweist, der auch zwischen benachbarten Ausnehmungen besteht, wird gleichzeitig mit dem Bewegen des Stückes 28 aus der ersten Vertiefung 14 in die zweite Vertiefung 16 das Substrat 30 in die erste Vertiefung 14 bewegt. Damit wird die Oberfläche des Substrats 30 mit der ersten Lösung 32 in Berührung gebracht, die nunmehr absolut genau gesättigt ist, Spdann wird die Heizung des Ofens abgeschaltet, um das Schiffchen 12 und seinen Inhalt abzukühlen,, Das Abkühlen der genau gesättigten ersten Lösung 32 führt dazu, daß ein Teil des Halbleitermaterials aus der Lösung 32 gefällt und auf der Oberfläche des Substrats 30 unter Bildung einer ersten Epitaxialschicht abgeschieden wird. Während des Abscheidens des Halbleitermaterials wird ein Teil der Leitfähigkeitsmodifizierer der ersten Lösung 32 in das Gitter der ersten Epitaxialschicht eingebaut, so daß eine Schicht gewünschter Leitfähigkeit entsteht.

Das Abkühlen der ersten Lösung 32 zum Zwecke des Äbscheidens der Epitaxialschicht auf dem Substrat 30 führt gleichzeitig zum Abkühlen der zweiten ^ösung 34. Da diese Lösung 34 ebenfalls genau gesättigt"ist, führt ihr Abkühlen dazu, daß ein Teil des in ihr enthaltenen Halbleitermaterials gefällt und auf dem Stück 28 wieder abgeschieden wird. Dadurch wird der gewünschte Sättigungsgrad der zweiten Lösung

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34 genau eingehalten, obwohl die Temperatur der Lösung erniedrigt wurde. Der Schieber 23 wird nun nochmals in Richtung des Teiles 36 bewegt, um das Substrat 30 mit der ersten Epitaxialschicht aus dem Bereich der ersten Ausnehmung 14 in den der zweiten Ausnehmung 16 zu bringen. Dadurch wird die Oberfläche der ersten Epitaxialschicht mit der zweiten Lösung 34 in Berührung gebracht, die bei der nunmehr herrschenden Temperatur aufgrund der vorstehenden 'Ausführungen noch exakt mit Halbleitermaterial gesättigt ist. Ein weiteres Abkühlen des Schiffchens 12 und seines Inhalts führt dazu, daß ein Teil des Halbleitermaterials aus der zweiten Lösung 34 gefällt und auf der ersten Epitaxialschicht unter Bildung einer zweiten Epitaxialschicht abgeschieden wird. Gleichzeitig wird im Gitter der zweiten Epitaxialschicht ein Teil des Leitfähigkeitsmodifizierers der zweiten Lösung 34 eingelagert, so daß die zweite Epitaxialschicht ebenfalls den gewünschten Leitfähigkeitstyp besitzt. Der Schieber 22 wird dann nochmals in Richtung des Pfeiles 36 bewegt, um das mit den beiden Epitaxialschichten versehene Substrat 30 von der Ausnehmung 16 in die₍leere Ausnehmung 18 zu befördern, wo es dem Schieber entnommen werden kann«,

Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren vorstehend am Beispiel des Nacheinander-Abscheidens zweier Epitaxialschichten beschrieben wurde, eignet es sich selbstverständlich in gleicher Weise auch zum Abscheiden entweder nur einer einzigen oder einer Vielzahl von Epitaxialschichten_e Zum Herstellen einer einzelnen Epitaxialschicht wird nur eine Lösung benötigt, wobei das Halbleiterstück 28 zunächst mit dieser Lösung in Berührung gebracht wird, um die genaue Sättigung zu erreichen, urö. das Substrat danach mit der so gesättigten Lösung zum Zwecke des Abscheidens ■ der Epitaxialschicht in Berührung gebracht wird. Um mehr als zwei Schichten auf dem Substrat abzuscheiden, wird

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das Schiffchen 12 mit zusätzlichen Ausnehmungen versehen, so daß für jede Lösung, aus der eine Epitaxialschicht abgeschieden wird, eine gesonderte Ausnehmung vorhanden ist. Während ,dann der' Schieber 22 bewegt wird, um das Substrat 30 von einer Ausnehmung zur anderen zu befördern und nacheinander die Schichten auf dem Substrat aufzubringen, läuft das Halbleiterstück 28 dem Substrat voraus, so daß jede Lösung exakt gesättigt und auf diesem Sättigungegrad gehalten wird, bis das Substrat 30 mit ihr in Berührung kommt, ' ... '

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung dient also das Halbleiterstück 28 als Quelle für das Halbleitermaterial, das für jede Lösung zur exakten Sättigung an Halbleitermaterial benötigt wird, und weiterhin dazu, die Lösung auf dem exakten Sättigungsgrad zu halten» bis das Substrat mit dieser in Berührung kommt, selbst wenn sich die Temperatur der Lösung ändert. Das Substrat 30 wird mit jeder Lösung sofort nach Entfernen des Stückes 28 in Berührung gebracht, so daß damit gewährleistet ist, daß das Abscheiden der Epitaxialschicht auf dem Substrat aus einer genau gesättigten Lösung geschieht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit erreicht, daß jede abgeschiedene Epitaxialschicht ausgezeichnete Kristallqualität und beste Planareigenschaften besitzt. Darüber hinaus erübrigt sich bei diesem Verfahren die Notwendigkeit einer kritischen Kontrolle des Anteils an Halbleitermaterial in der ursprünglichen Charge für jede Lösung, solange der Anteil geringer als für die Sättigung der Lösung erforderlich ist, da das Stück 28 auch zu jeder Lösung den genau richtigen Betrag an Halbleitermaterial für ihre axakte Sättigung hinzufügt.

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y* 1002G (V.St.A»)

Patentansprüche; .

1, Verfahren zum Abscheiden einer Epitaxialschicht aus einkristajfclinem Halbleitermaterial auf einem Substrat, d a durch gekennzeichnet , daß nach Herstellen einer Lösung aus In einem geschmolzenem metallischen Lösungsmittel gelöstem Halbleitermaterial ein Halbleiterstück aus entsprechendem Material mit der Lösung zu , deren Sättigung in Berührung gebracht wird, daß das Halbleiterstück sodann aus der Lösung entfernt und das Substrat mit dieser in Berührung gebracht wird, und daß schließlich die Lösung so weit abgekühlt wird, daß sich auf dem Substrat eine aus dem Halbleitermaterial bestehende Epitaxialschicht abscheidet.

2,^! Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ursprünglich hergestellte Lösung an Halbleitermaterial ungesättigt istv

3. Verfahren zum aufeinanderfolgenden Abscheiden zweier Ipitaxialschichten aus Halbleitereinkristallen auf einem ' , Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und zweite Lösung aus in einer Metallschmelze aufgelöstem Halbleitermaterial hergestellt werden, daß sodann ein Halbleiterstück mit der ersten Lösung bis zu deren Sättigung an Halbleitermaterial in Verbindung gebracht wird, daß das Halbleiterstück aus der gesättigten ersten Lösung entfernt und der zweiten Lösung bis zu deren Sättigung an Halbleitermaterial zugeführt wird, daß gleichzeitig mit

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dem Entfernen des Halbleiterstücks aus der gesättigten ersten Lösung eine Oberfläche des Substrats mit dieser in Berührung gebracht wird, wonach die erste Lösung soweit abgekühlt wird, daß sich auf dem Substrat eine erste Epitaxialschicht aus Halbleitermaterial bildet, daß sodann das Halbleiterstück aus der_gesättigten zweiten Lösung entfernt und gleichzeitig damit die freie Oberfläche der ersten Epitaxialschicht mit der zweiten gesättigten Lösung in Verbindung gebracht wird, und'daß . schließlich auch die zweite Lösung genügend abgekühlt wird, damit sich eine zweite Epitaxialschicht aus Halbleitermaterial auf der ersten Epitaxialschicht bildet«,

4. Verfahren nach Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet , daß gleichzeitig mit der dem Abscheiden der ersten Epitaxialschicht dienenden Abkühlung der ersten Lösung die zweite Lösung um den gleichen Betrag abgekühlt wird, so daß ein Teil des in der zweiten Lösung enthaltenen Halbleitermaterials sich auf dem Halbleiterstück abscheidet und die zweite Lösung an Halbleitermaterial exakt gesättigt bleibt,

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis k_t zum aufeinanderfolgenden Abscheiden einer Vielzahl von Epitaxialschichten aus Halbleitereinkristallen auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet , daß in jeder Ausnehmung eines mit einer Vielzahl von im Abstand zueinander angeordneten Ausnehmungen versehenen Ofenschiffchens eine getrennte Lösung eines in einer Metallschmelze gelösten Halbleitermaterials erzeugt wird, daß sodann ein Halbleiterstück nacheinander mit jeder Lösung in Berührung gebracht wirdj so daß aufeinanderfolgend jede Lösung exakt mit Halbleitermaterial gesättigt wird, daß das Substrat nacheinander mit jeder gesättigten

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Lösung in Berührung gebracht wird, und daß während des Verweilens des Substrats in der jeweiligen, gesättigten Lösung diese abgekühlt wird, um aus der Lösung eine Epitaxialschicht aus Halbleitermaterial auf dem Substrat abzuscheiden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat in jede gesättigte Lösung zum gleichen'Zeitpunkt eingebracht wird, zu dem das Halbleiterstück aus dieser entfernt wird,

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Lösungen ursprünglich ungesättigt an Halbleitermaterial sind,

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , " daß das Abkühlen des Schiffchens und seines Inhalts erst dann

• begonnen wird, nachdem das Substrat* der ersten Lösung zugeführt ist, und daß während des Verweilens des Substrats in einer Lösung das Halbleiterstück sich in der nächsten Lösung befindet, um diese auf genauen Sättigungsbedingungen zu halten,

9ο Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleiterstück und das Substrat mittels eines beweglieh im Schiffchen entlang den Böden der Ausnehmungen geführten Schiebers in bestimmtem Abstand voneinander gehalten werden, und daß das Halbleiterstück und das Substrat durch Bewegen des Schiebers nacheinander den Lösungen zugeführt werden, wobei das Halbleiterstück dem Substrat vorläuft.

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