<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zum thermischen Abscheiden von elementarem Silizium oder einem andern halbleitenden Element
EMI1.1
Siliziumhalogenid bestehenden Reaktionsgas so hoch erhitzt wird, dass sich freies Silizium auf dem Trägerkörper niederschlägt und dort einkristallin aufwächst. Hiedurch erhält der einkristalline Trägerkörper einen Mantel aus einkristallinem Silizium, der im Prinzip auf beliebige Stärke gebracht werden kann. Da der Trägerkörper, z. B. durch einen mittels der Halterungen zugeführten elektrischen Strom, auf hohe gleichmässige Temperatur erhitzt werden kann, steht für die Abscheidung mit Ausnahme der in den Halterungen befindlichen Enden des Trägers die gesamte Trägeroberfläche zur Verfügung, so dass der Siliziumgehalt des Reaktionsgases gut ausgenutzt werden kann.
Voraussetzung für ein störungsfreies einkristallines Aufwachsen ist vor allem, dass die Schmelztemperatur des Trägers an der Trägeroberfläche nicht überschritten wird, da sich sonst das aufgeschmolzene Silizium zu Tropfen zusammenballen würde und somit die für das einkristalline Wachstum auf einer Halbleiteroberfläche erforderliche gleichmässige Abscheidung unmöglich wäre. Aber auch dann, wenn man das Aufschmelzen des Trägers vermeidet, stellen sich einer einkristallinen Abscheidung von Silizium und auch andern halbleitender Elemente aus der Gasphase erhebliche Schwierigkeiten entgegen.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, sind bereits verschiedene Verfahren angegeben worden. Ein solches Verfahren ist in der deutschen Auslegeschrift 1048 638 beschrieben. Diese bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinkristallen für Halbleiteranordnungen durch Abscheidungen von reinstem, mit oder ohne Dotierungszusätzen versehenem Halbleitermaterial auf einen erhitzten, aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehenden, einkristallinen Trägerkörper durch thermische Zersetzung oder Reduktion.
Sie schlägt vor, dass zur Vermeidung von Wachstumsunregelmässigkeiten die freigelegte Oberflächenstruktur des monokristallinen Trägerkörpers auf eine Temperatur erhitzt wird, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Maximalabscheidung des Halbleiterstoffes bei der gewählten Reaktion auf dem Trägerkörper erfolgt, dass ferner das Reaktionsgas die Oberfläche des Trägerkörpers turbulent umströmt und dass die bei der gewählten Arbeitstemperatur und der gewählten Reaktion erfolgende Abscheidungsgeschwindigkeit in an sich bekannter Weise so eingestellt wird, dass eine Übersättigung des Trägers mit dem anfallenden Halbleitermaterial vermieden wird.
In dieser Patentschrift sind nur Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen der Träger durch direkten Durchgang eines elektrischen Stromes erhitzt wird. Es ist aber auch bekannt, den stabförmigen Träger auf induktive Weise zu erhitzen. Zu diesem Zweck wird der Träger in der Achse einer ihn konzentrisch umgebenden Induktionsspule angeordnet, die mit Wechselstrom, insbesondere Hochfrequenzstrom, gespeist wird. Die Länge der Spule ist dabei vorzugsweise so bemessen, dass sie die Trägeroberfläche, soweit sie für die Abscheidung vorgesehen ist, auf eine möglichst gleichmässige Temperatur auf induktivem Wege erhitzt. Ein solches Verfahren ist in der österr. Patentschrift Nr. 220591 beschrieben und wird zur Darstellung von besonders reinem Silizium angewendet.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum thermischen Abscheiden von elementarem Silizium oder einem andern halbleitenden Element aus einem das Halbleiterelement in gebundenem Zustand enthaltendem, von den Halbleiter in unerwünschter Weise verunreinigenden Begleitstoffen freien Reaktions-
<Desc/Clms Page number 2>
gas auf einen einkristallinen, aus dem betreffenden Halbleiter bestehenden stabförmigen Trägerkörper, der in dem strömenden Reaktionsgas auf eine so hohe, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegende Temperatur erhitzt wird, dass sich das aus dem Reaktionsgas freiwerdende halbleitende Element in einkristallinem Zustand an der Oberfläche des Trägerkörpers niederschlägt,
bei dem ferner die zur Umsetzung des Reaktionsgases erforderliche hohe Temperatur der Trägeroberfläche durch direkte Induktion eines möglichst gleichmässig auf den Träger einwirkenden elektromagnetischen, insbesondere hochfrequenten Wechselfeldes erzeugt wird, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Reaktionsgases während des gesamten Abscheidevorganges so eingestellt wird, dass die Abscheidegeschwindigkeit des halbleitenden Elements bei einer unterhalb der verwendeten Abscheidungstemperatur
Ta an der Trägeroberfläche liegenden Temperatur TO ihren maximalen Wert besitzt und in einem sich oberhalb an diese Temperatur T max anschliessenden, die gewählte Abscheidungstemperatur Ta der Trägeroberfläche enthaltenden Temperaturbereich mit steigender Temperatur monoton absinkt,
so dass die tatsächlich eingestellte Abscheidegeschwindigkeit merklich kleiner als die bei der niedrigeren Temperatur T vorliegende Abscheidegeschwindigkeit wird.
Da das Wachstum des Trägers infolge der Abscheidung in radialer Richtung erfolgt, nähert sich die Trägeroberfläche im Laufe des Abscheidungsvorganges immer mehr der Induktionsspule, so dass die Kopplung zwischen Induktionsspule und Trägeroberfläche während des Abscheidungsvorganges zunimmt. Demzufolge nimmt bei konstant gehaltener Leistung die Temperatur der Trägeroberfläche ebenfalls zu. Im gleichen Sinne wirkt sich überdies der Skin-Effekt der an der Oberfläche des Trägers induzierten, diesen beheizenden Wirbelströme aus. Vorspringende Teile der Trägeroberfläche, z. B. Warzen oder höckerige Erhebungen, sind daher notwendig heisser als die normale Trägeroberfläche oder gar Vertiefungen in derselben.
Die Verhältnisse liegen also gerade umgekehrt, als sie bei Erhitzung des Trägers durch einen mit Elektroden zugeführten Wechselstrom oder Gleichstrom gegeben sind.
Wenn das Reaktionsgas im Einklang mit der erfindungsgemässen Lehre so gewählt ist, dass es bei der an der Trägeroberfläche ein gestellten Abscheidungstemperatur bei Erhöhung dieser Temperatur zu einer Verminderung der. Abscheidung, beim Absinken dieser Temperatur hingegen zu einer Verstärkung der Abscheidung führen muss, so findet an vorspringenden und daher heisseren Stellen der Trägeroberfläche eine verminderte, an tiefer gelegenen und daher kühleren Stellen der Trägeroberfläche dagegen eine vermehrte Abscheidung statt.
Da an kalten Stellen der Trägeroberfläche eine vermehrte Abscheidung stattfindet, erheben sich, wenn das Reaktionsgas entsprechend der erfindungsgemässen Lehre eingestellt ist. diese Stellen nach einiger Zeit über das Niveau der normalen Trägeroberfläche, werden dadurch heisser als diese und erhalten dann eine verminderte Abscheidung. Umgekehrt werden langsamer wachsende Stellen der Trägeroberfläche schliesslich kälter als die normale Trägeroberfläche und erhalten dadurch wieder eine verstärkte Abscheidung. Die erfindungsgemässe Lehre bewirkt somit, dass infolge der Anwendung einer Induktionsbeheizung des Trägers ein automatischer Ausgleich von Unregelmässigkeiten der Wachstumgsgeschwindigkeit erfolgt, was für die Herstellung einkristallinen Siliziums bzw. anderer halbleitender Elemente unerlässlich ist.
Mit Ausnahme der Forderung, im steigenden Ast der in Abhängigkeit von der Trägertemperatur dargestellten Kurve der Abscheidegeschwindigkeit zu arbeiten, werden die übrigen in der deutschen Auslegeschrift 1048 638 beschriebenen Massnahmen mit Vorteil angewendet. Dies gilt insbesondere für die notwendige Reinheit der Oberfläche des Trägers sowie für 1. \ie Anwendung eines den Trägerkörper turbulent umströmenden Reaktionsgases.
Da es sich hier um an sich bekannte Arbeitsschritte handelt, kann wegen diesbezüglicher Einzelheiten auf die deutsche Auslegeschrift 1048638 hingewiesen werden. Da beim Verfahren gemäss der Erfindung die halbleitende Verbindung in starker Verdünnung mit Wasserstoff zur Anwendung gelangt und ausserdem die Abscheidung entweder bei Normaldruck oder bei vermindertem Druck stattfindet, ist eine Übersättigung des Trägers mit dargebotenem Halbleitermaterial im allgemeinen nicht zu befürchten.
Im Interesse der Reinheit des darzustellenden Halbleitermaterial darf, falls undotierte Halbleiter hergestellt werden sollen, das Reaktionsgas ausser dem darzustellenden halbleitenden Element nur Halogen und Wasserstoff enthalten. Bei der Herstellung dotierter Halbleiterelemente enthält das Reaktionsgas, wenn man den Dotierungsstoff gleich während der Herstellung des Halbleiters in diesen einbauen will, das zu verwendende dotierende Element entweder im reinen oder in an Halogen bzw. Wasserstoff gebundenem Zustand. Da der Anteil des Reaktionsgases an Dotierungsstoff grundsätzlich sehr gering eingestellt werden muss, wird der Verlauf der Abscheidungskurve des halbleitenden Elements aus dem Reaktionsgas hiebei nicht merklich beeinflusst.
Ob die Kurve der in Abhängigkeit von der. Trägertemperatur T aufgetragenen Abscheidegeschwindig- keiten das in Fig. 1 dargestellte, für das gemäss der Erfindung vorgeschlagene Verfahren notwendige
<Desc/Clms Page number 3>
Verhalten besitzt, hängt entscheidend von der Zusammensetzung des Reaktionsgases ab. Unbrauchbar ist z. B. ein auf Grundlage von Silanen zusammengesetztes Reaktionsgas. Da bei Verwendung von Silanen oder andern reinen gasförmigen Wasserstoffverbindungen halbleitender Elemente diese sich mit steigender Temperatur in steigendem Masse unter Bildung des halbleitenden Elements zersetzen, ist ein Auftreten eines fallenden Bereichs der Abscheidungskurve bei der Verwendung eines aus Silanen bestehenden Reaktionsgases nicht gegeben.
Dagegen lässt sich unter Anwendung von Siliziumhalogenverbindungen ein das notwendige Verhalten aufweisendes Reaktionsgas herstellen.
Verwendet man z. B. ein Reaktionsgas, welches aus 5 Mollo SiHClg und 95 Mollo Wasserstoff besteht, so wird die Abscheidegeschwindigkeit bei einer Trägertemperatur T = 1400 C maximal. Die Menge des anfallenden Siliziums hängt allerdings noch vom Druck dieses Gases ab und beträgt bei Normaldruck etwa 2 mg Silizium/min und pro cm2 der Oberfläche des Trägers. Steigert man die Trägertemperatur über 1400 C. so nimmt die Abscheidegeschwindigkeit wieder ab. Die Lage der Temperatur Tmax ist vom Wasserstoffgehalt des Reaktionsgases in hohem Masse abhängig. Verwendet man z. B. ein Molverhältnis von 7 Mol-lo SiHClg und 93 Molto Wasserstoff, so liegt die Temperatur Tmax der maxi-, malen Abscheidegeschwindigkeit bereits erheblich oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium.
Umgekehrt wird ein Reaktionsgas, das aus 2 Mol-% SiHClg und 98 Mol-% Wasserstoff besteht, eine maximale Abscheidegeschwindigkeit bei etwa 1100 C entwickeln, so dass die Abscheidetemperatur Ta im Bereich von etwa 11500C bis zum Schmelzpunkt des Trägers eingestellt werden kann. Verwendet man statt SiHCL die Verbindung Sic, sa gelten analoge Temperatur-und Zusammensetzungsverhältnisse ; nur wird die Menge des in der Zeiteinheit anfallenden Siliziums bei gleichem Gasdruck und gleicher Trägertemperatur
EMI3.1
hingegen SiHCl oder SiHgCl, so ergeben sich erfahrensgemäss etwas abweichende Werte.
In Fig. 1 ist ein Diagramm einer Abscheidungskurve dargestellt, wie sie ein zur Durchführung der Erfindung geeignetes Reaktionsgas besitzen muss. Als Abszisse ist die Temperatur der Trägeroberfläche, als Ordinate die Menge m der in der Zeiteinheit je cm2 auf der Trägeroberfläche niedergeschlagenen Siliziummenge aufgetragen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases durch das Abscheidungsgefäss ist dabei festgehalten. Bei einer Temperaturschwelle To beginnt die Abscheidung an Silizium merklich zu werden und steigt bis zu einer Temperatur Tinax zunächst an, um bei weitersteigender Temperatur wieder abzufallen. Die Arbeitstemperatur der Trägeroberfläche Tau bei der die Abscheidung vorgenommen wird, soll grösser als die Temperatur Tmax sein.
Sie soll aber anderseits kleiner als die Schmelztempe- ratur Ts des Trägers, also, im Beispielsfalle vom Silizium, kleiner als 14150C sein. Der in Fig. l dargestellte Kurvenverlauf rechts von Ts ist nicht korrekt, sondern willkürlich gezeichnet meist fällt die Kurve rechts von T mit wachsender Temperatur weiter ab.
An Hand der Fig. 2 soll die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in Form eines Beispiels näher beschrieben werden. In einem aus Quarz bestehenden zylindrischen Abscheidegefäss 1 ist mittels Quarzhalterungen 2, 2' ein aus hochreinemSilizium bestehender stabförmiger Trägerkörper 3 in vertikaler Lage gehaltert. Das Reaktionsgefäss weist eine Eingangsöffnung 4 und eine Ausgangsöffnung 5 für das durchströmende Reaktionsgas auf. Zur Beheizung des Trägers dient eine lange, ausserhalb des Behandlungsgefässes und konzentrisch zum Träger angeordnete, dicht gewickelte Induktionsspule 6, die von hochfrequentem Wechselstrom, der von einem Hochfrequenzgenerator'7 geliefert wird, gespeist wird.
EMI3.2
Reaktionsgasein Temperaturbad 10 konstant gehalten wird. Der verwendete Wasserstoff und das verwendete SiHCl3 liegen in hochreinem Zustand vor.
Zur Bestimmung der Menge des in das Reaktionsgefäss in der Zeiteinheit eintretenden Reaktionsgases ist der Gasströmungsgeschwindigkeitsmesser 9 vorgesehen. Ausserdem ist, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Überbrückung des Verdampfungsgefässes 8 vorgesehen, so dass das aus dem Verdampfer kommende Gas nach Bedarf mit reinem Wasserstoff weiterverdünnt werden kann.
Durch die Temperatur des Verdampfungsgefässes und die Strömungsgeschwindigkeit des das Verdampfergefäss durchströmenden Wasserstoffgases wird die in der Zeiteinheit in das Reaktionsgas gelangende Menge an SiHCL festgelegt. Durch Variation dieser Grössen kann also der Gehalt des Reaktionsgases an SiHClg eingestellt werden. Dieser Gehalt hängt natürlich auch von der Grösse und der Form des Verdampfungsgefässes ab, so dass Angaben über Temperatur im Verdampfergefäss und Strömungsgeschwindigkeiten, die für alle Anordnungen gültig sind, nicht gemacht werden können. Mit Hilfe eines den gesamten
<Desc/Clms Page number 4>
Wasserstoffstrom messenden Gasströmungsmessers kann jedoch die in einer bestimmten Zeit gebrauchte Wasserstoffmenge gemessen und durch Regelung des Wasserstoffstromes nach Belieben eingestellt werden.
Schaltet man zur Ermittlung der während des Betriebes einzustellenden Parameter der Verdampfungstemperatur und der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases in Vorversuchen an Stelle des Abscheidungsgefässes eine Kühlfalle, in der das gesamte, vom Wasserstoffstrom mitgeführte SiHCl zum Ausfrieren gebracht wird, so kann die Zusammensetzung des Gasgemisches bei einer bestimmten Verdampfertemperatur und einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases leicht bestimmt werden.
EMI4.1
serstoff notwendigen Werten für die Trägergasgeschwindigkeit und die Temperatur des Verdampfers bestimmen, die dann, während des eigentlichen Abscheidungsprozesses, zur Anwendung gelangen.
Um den Abscheidungsvorgang mit der in Fig. 2 dargestellten Apparatur einzuleiten, wird der Träger 3, gegebenenfalls nach Vorwärmung, auf die gewünschte Abscheidungstemperatur erhitzt, indem das Induktionsfeld der Spule 6 eingeschaltet und auf die zur Erhitzung des Trägers auf die gewünschte Glühtemperatur erforderliche Stärke gebracht wird. Zur Abscheidung empfiehlt es sich, beispielsweise eine Temperatur Ta von etwa 12500C einzustellen, da dann der fallende Ast der Abscheidungskurve gemäss Fig. 1 bei der gewählten Zusammensetzung des Reaktionsgases besonders steil verläuft. Die Abscheidungstemperatur wird in bekannter Weise überwacht und konstant gehalten. Vor Beginn des eigentlichen Äbscheidungsvorganges ist es zweckmässig, den Träger einige Zeit im Wasserstoffstrom zu glühen.
Zur Einleitung des Abscheidungsvorganges wird dann das Reaktionsgas in der notwendigen, z. B. in der skizzierten Weise auf Grund von Vorversuchen ermittelten, Zusammensetzung in das Reaktionsgefäss eingeleitet.
Das Einsetzen eines fallenden Bereiches der Temperaturabscheidungskurve hängt wahrscheinlich mit der Bildung von Subhalogeniden zusammen, deren Bildung in zunehmendem Masse mit steigender Temperatur so begünstigt wird, dass sich die Subhalogenidbildung oberhalb einer gewissen, bereits oberhalb der Bildungsschwelle von freiem Silizium aus dem Reaktionsgas liegenden Temperaturschwelle im Vergleich zur Bildung von freiem Silizium stärker in den Vordergrund schiebt. Natürlich kommen auch noch andere Reaktionen, z. B. Disproportionierungen oder Auflösen von bereits gebildetem Silizium, in Betracht, die einen Bereich fallenden Verlaufs der Temperaturabscheidungskurve im Sinne der Fig. l hervorrufen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum thermischen Abscheiden von elementarem Silizium oder einem andern halbleitenden Element aus einem das Halbleiterelement in gebundenem Zustand enthaltendem, von den Halbleiter in unerwünschter Weise verunreinigenden Begleitstoffen freien Reaktionsgas auf einen einkristallinen, aus dem betreffenden Halbleiter bestehenden stabförmigen Trägerkörper, der in dem strömenden Reaktionsgas auf eine so hohe, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegende Temperatur erhitzt wird, dass sich das aus dem Reaktionsgas freiwerdende halbleitende Element in einkristallinem Zustand an der Oberfläche des Trägerkörpers niederschlägt,
bei dem ferner die zur Umsetzung des Reaktionsgases erforderliche hohe Temperatur der Trägeroberfläche durch direkte Induktion eines möglichst gleichmässig auf den Träger einwirkenden elektromagnetischen, insbesondere hochfrequenten Wechselfeldes erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Reaktionsgases während des gesamten Abscheidevorganges so eingestellt wird, dass die Abscheidegeschwindigkeit des halbleitenden Elements bei einer unterhalb der verwendeten Abscheidungstemperatur (Ta) an der Trägeroberfläche liegenden Temperatur (TO Max) ihren maximalen Wert besitzt und in einem sich oberhalb an diese Temperatur(T pmax) anschliessenden, die gewählte Abscheidungstemperatur (Ta) der Trägeroberfläche enthaltenden Temperaturbereich mit steigender Temperatur monoton absinkt,
so dass die tatsächlich eingestellte Abscheidegeschwindigkeit merklich kleiner als die bei der niedrigeren Trägertemperatur (T max) vorliegende Abscheidegeschwindigkeit wird.