DE2354866B2 - Process for the epitaxial deposition of semiconductor material - Google Patents
Process for the epitaxial deposition of semiconductor materialInfo
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Description
8. Vorrichtung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß Platte (8) und Distanzring (11) aus Quarz bestehen.8. Apparatus according to claim 7, characterized in that that plate (8) and spacer ring (11) are made of quartz.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitkörper (9,10) aus Wolfram oder Molybdän bestehen.9. Device according to claims 4 to 8, characterized in that the heat conducting body (9,10) consist of tungsten or molybdenum.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 9, gekennzeichnet durch ein die gesamte Anordnung umgebendes Wärmeabstrahlblech (13).10. Device according to claims 4 to 9, characterized by a heat radiation plate (13) surrounding the entire arrangement.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 10. gekennzeichnet durch einen unterhalb des Substrats (6) angeordneten Kühler (2). SS11. Device according to claims 4 to 10. characterized by a cooler (2) arranged below the substrate (6). 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.The invention relates to a method for depositing semiconductor material on a substrate Liquid phase epitaxy, wherein the deposition of one the semiconductor material and one or more metals containing two- or multi-component melt takes place, which is located on the substrate.
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 verwendetEpitaxy is the deposition of a semiconductor material understood in single crystal form on a single crystal substrate. In addition to the epitaxial Deposition from the gas phase is used in particular for the production of compound semiconductors, such as 2. B. Gallium arsenide, the so-called liquid phase epitaxy applied In this process, a two- or multi-component melt is applied to the substrate one component of which consists of the material to be deposited by lowering the temperature the melt is oversaturated so that a deposition on the substrate according to the liquidus curve of the metal-semiconductor system takes place When the desired layer thickness is reached, the growth process takes place interrupted by decanting the melt from the substrate surface. For example, for the silicon epitaxy preferably uses a silicon-tin or a silicon-tin-lead melt
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.In addition to the tilting crucible process, there is also the so-called dipping process in the vertical tube furnace and the graphite crucible process in the horizontal tube furnace is known. The latter two procedures are used for the production of semiconductor components are of practical applicability however, several difficulties are encountered. In order to enable epitaxial growth at all, one must the melt can be brought into contact with the substrate after heating. You can already minor inhomogeneities in the temperature profile of the furnace lead to undercooling or overheating of the Melt lead, which in turn leads to uncontrolled etching of the substrate surface or uneven etching Growing of the semiconductor material has the consequence. Furthermore, a extremely sensitive mechanics required, which can be put into practice in mass production difficult. Finally, to adjust the desired metal-semiconductor melt accordingly a predetermined value on the liquidus curve of the two- or multi-component system Semiconductor quantity must be weighed into the melt as precisely as possible. In the event of deviations An undesirable result of an incorrect initial weight occurs in the case of a shortage of semiconductor material Etching attack on the substrate wafer. while excess semiconductor material is a defined Can prevent growth.
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.The invention is therefore based on the object of a method for performing liquid phase epitaxy indicate in which an improved and controlled growth while simplifying the practical implementation is made possible.
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.This object is achieved according to the invention when using the method defined at the outset solved in that the semiconductor material prior to deposition by dissolving the substrate by means of a Melt from the metal or metals is brought into the melt.
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.The process is expediently carried out in such a way that the Sjb „v: .A and the metal or its melt initially be heated to a temperature at which the substrate is not noticeably dissolved and then at reduced heating rate with partial dissolution of the substrate is increased so much that accordingly the phase diagram, the desired amount of semiconductor is solved and that then by lowering the Temperature the semiconductor material is deposited epitaxially. The heating in the second phase takes place advantageously at a rate of 3 ° C / min.
Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß die Schmelze von einer resistentenOne arrangement for carrying out the method is that the melt from a resistant
Platte bedeckt wird, auf der ein plattenförmiger Wärmeleitkörper angeordnet ist und daß das Substrat auf einer niedrigeren Temperatur als die Platte gehalten wird.Plate is covered, on which a plate-shaped heat conducting body is arranged and that the substrate kept at a lower temperature than the plate will.
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.In a further embodiment of the invention, a is located on the underside of the substrate additional heat conducting body, one over a between the plate and this heat conducting body arranged spacer ring ensures that the melt under the weight of the plate and the heat pipe lying on it, not over the rope boundary of the substrate is pushed.
Die Wirmeleitkörper bestehen vorteilhaft aus Wolfram oder Molybdän, während für die Platte und den Distanzring Quarz verwendet wird.The vortex bodies are advantageously made of tungsten or molybdenum while for the plate and the Quartz spacer ring is used.
Zum näheren Verständnis wird die Erfindung unter Hinzuziehung cer beiden Figuren im einzelnen erläutert. For a better understanding, the invention is explained in detail with reference to the two figures.
F i g. 1 ieigt im Querschnitt die Seitenansicht einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung:F i g. 1 ieigt in cross section the side view of a Arrangement for carrying out the method according to the invention:
Fig.2 ist ein Temperatur-Zeil-Diagramm zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.Fig.2 is a temperature-line diagram for Implementation of the method according to the invention.
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 gasförmigerIn a horizontally arranged furnace 1 there is a cooler 2 with connections 3 and 4 through which a Coolant flows, whereby nitrogen or hydrogen is preferably used, while the cooler itself is made of quartz. On a base plate 5, also made of quartz, is the substrate 6 on which the melt 7 is located. The melt is covered by a quartz plate 8 on which a heat conducting body 9 is arranged on tungsten or molybdenum. The coagulation is caused by the weight of the heat conducting body the metal melt prevents. On the other hand, the high thermal conductivity reduces the temperature inhomogeneities balanced in the oven. A further improvement in the temperature conditions can be achieved in that between the base plate 5 and the substrate 6 a further heat conducting body 10 is provided. A between the heat conducting body 10 and the quartz plate 8 arranged spacer ring U ensures that the melt 7 under the weight of the Heat conducting body 9 is not displaced beyond the boundary of the substrate. To a side To prevent the sandwich structure from shearing off, a quartz ring 12 is located in a groove in the base plate 5 which can be lined with a heat conducting sheet 13 on its inside. By the Heat conducting plate 13 is achieved that the melt does not cool at the edge by radiation, whereby a Excessive elevation of the grown layer thickness at the edge of the substrate is avoided and thus a Layer is deposited epitaxially with a uniform thickness. By cooling the substrate by means of the Cooler 2, a temperature gradient from the quartz plate 8 to the substrate 6 is established within the melt set In order to achieve a good effectiveness of the cooler, the adjacent surfaces must of the cooler 2 of the base plate S as well as the Heat conducting body 10 be polished flat. Inside the S tube furnace 1 there is a quartz tube 14 which is operated either as an open or closed system. When using an open system is a protective gas, for example from hydrogen or Nitrogen, passed through the quartz tube to avoid contamination of the epitaxial layer or the Substrates should avoid the impurities of the protective gas are less than 3 ppm. To produce doped epitaxial layers, the Protective gas is still a gaseous one in a known manner
ι s Dotierstoff zugegeben werdeaι s dopant is added
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:With reference to FIG. 2 the sequence of the procedure is to be explained. First, the furnace is rapidly up to a temperature Tu heated, the temperature Ta must be chosen according to the liquidus so that no appreciable solubilization of the substrate takes place by the molten metal for the system gallium gallium this temperature is conveniently set to 700 0 C. Then the furnace temperature increases slowly, the semiconductor material being dissolved evenly over the entire substrate surface. The temperature 7i> is determined from the liquidus curve according to the desired loosened and subsequently grown layer thickness.
The metal is placed on the substrate, for example in the form of a foil, and can have a melting point at a temperature below Tu . When using gallium, a metal ball is placed between the quartz plate and the substrate and formed into a melt film under the weight of the heat-conducting body. The furnace temperature is then slowly increased to the upper temperature 7b. During this period of time, semiconductor material is dissolved evenly on the entire surface of the substrate. To is determined with the help of the liquidus curve according to the desired loosened and subsequently grown layer thickness:
d.d = ?S*„ -^HaJbL . L(7o)
i'Halbl. ' ^Sdwi. d . d = ? S * "- ^ HaJbL. L (7o)
i'Halbl. '^ Sdwi.
wobei d' die Dicke der angelösten bzw. der epitaxiertenwhere d 'is the thickness of the loosened or the epitaxial
die Dichte der Schmelze bzw. des Halbleiters, A5^1n , 1Haih, das Atomgewicht des Schmelzmetalls bzw. desthe density of the melt or the semiconductor, A 5 ^ 1n , 1 Ha i h , the atomic weight of the melt metal or the
Halbleiters und L[T0) die temperaturabhängige Löslichkeit des Halbleiters in der Schmelze ist.Semiconductor and L [T 0 ) is the temperature-dependent solubility of the semiconductor in the melt.
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.In the epitaxy of gallium phosphide with a gallium melt, L (1100 ° C) = 4.45 ■ 1 (T 2 and thus d 'd ~ 91.7 · 10 -3 . That means, for a 1 mm thick gallium melt, the epitaxial layer thickness is about Ή) im.
Claims (7)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |