DE1159407B - Verfahren zum orientierten Kristallabscheiden von Silicium auf einen Siliciumtraeger - Google Patents

Verfahren zum orientierten Kristallabscheiden von Silicium auf einen Siliciumtraeger

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DE1159407B
DE1159407B DEA41034A DEA0041034A DE1159407B DE 1159407 B DE1159407 B DE 1159407B DE A41034 A DEA41034 A DE A41034A DE A0041034 A DEA0041034 A DE A0041034A DE 1159407 B DE1159407 B DE 1159407B
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Dipl-Phys Max Koeniger
Dipl-Ing Dipl-Chem Dr He Plust
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BBC Brown Boveri France SA
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BBC Brown Boveri France SA
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/06Silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02Silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth

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Description

  • Verfahren zum orientierten Kristallabscheiden von Silicium auf einen Siliciumträger Es sind Verfahren bekannt, nach welchen auf eine Siliciumträgerplatte Silicium aus der Gasphase abgeschieden wird und das abgeschiedene Silicium einkristallin auf der Trägerplatte aufwächst (sogenannte Epitaxie). Die Abscheidung des Siliciums aus dei Gasphase erfolgt beispielsweise aus einem Gemisch von Wasserstoff und Chlorsilanen wie SiC14 oder SiHC13. Wenn die Trägerplatte auf eine Temperatur zwischen 900 und 1200° C geheizt wird, reagiert die Gasmischung, mit welcher die Trägerplatte bespült wird, nach den Reaktionsgleichungen SiC14 '-, 2 H., --Z- Si -;- 4 HCl beziehungsweise SiHCl3 H., Z Si '-, 3 HCl Das gemäß diesem Gleichgewicht gebildete Silicium wächst orientiert auf der Trägerplatte aus Silicium auf.
  • Eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine störungsfreie orientierte Kristallabscheidung sind bekanntlich eine sehr saubere Oberfläche des Trägers und eine sorgfältig vorgenommene kristallographische Orientierung des Trägers. Es ist bekannt, die Oberfläche eines Trägers dadurch zu reinigen, daß sie Läpp-, Polier- und chemischen Ätzprozessen unterworfen wird. Diese Maßnahmen sind jedoch nicht ausreichend. Es hat sich vielmehr als vorteilhaft erwiesen, unmittelbar vor Beginn des Prozesses zum Abscheiden von Silicium aus der Gasphase auf den Siliciumträger in der zur Durchführung des Prozesses verwendeten Apparatur eine Ätzung der Trägeroberfläche vorzunehmen. In einem bekannten Verfahren zur Ätzung der Oberfläche des Siliciumträgers vorgängig der orientierten Abscheidung von Silicium aus einem Wasserstoff-Chlorsilan-Gasgemisch wird dem Gasgemisch HCl zusetzt und gleichzeitig die Trägertemperatur so weit erniedrigt, daß eine Auflösung des Siliciums an der Trägeroberfläche stattfindet. In einem anderen bekannten Verfahren wird nach Vornahme einer Vorätzung der Trägeroberfläche diese durch Abdampfen oder Zerstäuben im Hochvakuum oder in einer geeigneten Schutzgasatmosphäre wie Wasserstoff gereinigt.
  • Den bekannten Verfahren zur Ätzung und Reinigung der Oberfläche des Siliciumträgers haftet dei Nachteil an, daß sie wegen der notwendigen Temperaturänderungen und der Änderungen der Gasatmosphäre umständlich und aufwendig sind. Die zusätzliche Anwendung eines Ätzgases wie HCl ist zudem nachteilig, weil durch dieses Gas eine neue Verunreinigung der Trägeroberfläche bewirkt wird. Die Erfindung, durch welche die genannten Nachteile vermieden werden, betrifft ein Verfahren zum orientierten Kristallabscheiden von Silicium auf einen Siliciumträger aus gasförmigen, mit Wasserstoff vermischten Chlorsilanen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst zum Ätzen der Oberfläche des Trägers bei einer konstanten, zwischen 900 und 1200° C liegenden Temperatur des Trägers Wasserstoff und Chlorsilan im Molverhältnis des Wasserstoffs zum Chlorsilan von mindestens angenähert gleich 60:40 verwendet wird und daß dann zum anschließenden Abscheiden von Silicium bei der gleichen Temperatur des Trägers das Molverhältnis auf mindestens angenähert 95: 5 erhöht wird.
  • Das Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß beim Bespülen eines geheizten Siliciumträgers mit einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Chlorsilanen wie SiC14 an der Oberfläche des Siliciumträgers im ganzen gesehen nicht nur eine das Aufwachsen von Silicium aus der Gasphase bewirkende Reaktion, sondern auch eine die Oberfläche des Siliciumträgers ätzende Reaktion abläuft. Die Vorgänge werden durch die beiden folgenden Reaktionen beschrieben: (1) Aufwachsen: SiC14 -- 2 H.E Si -I- 4 HCl (2) Ätzen: S'Cl4 -;- Si S'Cl, Entsprechende Reaktionen verlaufen mit anderen Chlorsilanen wie SiHC13. Wenn nun der Anteil des Wasserstoffs im Gasgemisch H2/S'Cl4 verhältnismäßig klein ist (Molverhältnis beispielsweise 60: 40), so ist die Reaktion gemäß Gleichung (2) für den Gesamtvorgang bestimmend, so daß ein Abtragen von Silicium an der Oberfläche des Siliciumträgers erfolgt, d. h. eine Ätzung der Oberfläche. Vergrößert man das Mischungsverhältnis im Sinne größeren Wasserstoffanteils, so wird schließlich die Gleichung (1) bestimmend für den Gesamtvorgang. Bei einem Molverhältnis Wasserstoff zu Chlorsilan von 95: 5 hat man die geeigneten bekannten Bedingungen für die orientierte Kristallabscheidung.
  • Das Verfahren gemäß der Erfindung weist den Vorteil auf, daß sowohl das Ätzen der Oberfläche des Siliciumträgers wie auch das orientierte Abscheiden von Silicium aus der Gasphase im gleichen Reaktionsgefäß bei gleichbleibender Temperatur des Trägers und mit den gleichen Reaktionsgasen vorgenommen werden kann und daß einzig das Molverhältnis vom Wasserstoff zum Chlorsilan im Gasgemisch erhöht werden muß. Durch eine langsame, kontinuierliche Erhöhung des Molverhältnisses ist es deshalb. auch möglich, die Aufwachsrate von Silicium aus der Gasphase auf den Siliciumträger beliebig einzustellen. Dies ist besonders unmittelbar nach der Ätzung bei Beginn des Aufwachsprozesses von Vorteil. Zudem gestattet es das Verfahren, im Verlauf der orientierten Kristallabscheidung eine zusätzliche Ätzung der Oberfläche durchzuführen.
  • In der Zeichnung ist ein Reaktionsgefäß gezeigt, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Mit 1 ist das durch einen Flansch geschlossene Quarzrohr bezeichnet, das einen Gaseinlaßstutzen 2 und einen Gasauslaßstutz; n 3 aufweist. Auf dem zylindrischen Block 4, der beispielsweise aus Graphit hergestellt ist, befindet sich ein Trägerplättchen 5 aus Silicium. Ferner ist mit 6 eine Spule bezeichnet, die in Verbindung mit einem Generator in bekannter Weise zur induktiven Erhitzung des Trägerplättchens 5 dient. Statt einer Induktionsheizung kann auch eine Widerstandsheizung vorgesehen werden. Mit geeigneten, nicht gezeigten Mitteln wird die Temperatur des Trägerplättchens gemessen und auf einen konstanten Wert eingestellt.
  • Das Trägerplättchen 5 aus gut orientiertem Silicium wird vorerst geläppt, poliert und mit einem oxydierenden und Flußsäure enthaltenden Ätzmittel vorgeätzt und hierauf auf den Block 4 gelegt. Das Reaktionsgas wird in bekannter Weise gereinigt. Der im Gasgemisch verwendete Wasserstoff soll frei sein von Sauerstoff und von Wasser. Das verwendete Chlorsilan wie SiC14 oder SiHCl, wird vorgereinigt durch Destillation und/oder Adsorption an Kohle und/oder Reaktion mit 8-Oxychinolin.
  • Die Mischung des Reaktionsgases kann dadurch erfolgen, daß Wasserstoff durch flüssiges Chlorsilan strömt und sich infolge des hohen Dampfdruckes des Chlorsilans bereits bei Zimmertemperatur in genügendem Maße mit dem Chlorsilan sättigt. Hierauf wird dieses Gasgemisch in gewünschten Ausmaß mit reinem Wasserstoff verdünnt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Wasserstoff durch Versprühen von Chlorsilan zu sättigen und anschließend mit reinem Wasserstoff zu verdünnen.
  • Das Trägerplättchen wird nun auf die gewünschte Temperatur von beispielsweise 1100°'C geheizt. Durch den Einlaßstutzen 2 wird das Reaktionsgas, ein Gasgemisch aus Wasserstoff und SiCl4 im Molverhältnis von 60: 40, in das Reaktionsgefäß in einer Durchflußmenge von etwa 1 1 je Minute geleitet, während die gasförmigen Reaktionsprodukte durch den Stutzen 3 aus dem Reaktionsgefäß strömen können. Nach etwa 10 bis 20 Minuten ist die Ätzung der Oberfläche des Siliciumträgers beendet. Bei gleichbleibender Temperatur des Trägerplättchens und gleicher Gasdurchflußmenge wird nun der Anteil des Wasserstoffs im Gasgemisch allmählich auf ein Molverhältnis von 95:5 erhöht und auf diesem Wert gehalten, bis die aufgewachsende einkristalline Schicht die erforderliche Dicke von beispielsweise 30 #t aufweist. In dem beschriebenen Beispiel beträgt die Aufwachsrate von Silicium bei einem Trägerplättchendurchmesser von 18 mm etwa 5 #t je Minute. Es ist zweckmäßig, beim Übergang vom Ätzprozeß zum Aufwachsprozeß die Durchflußmenge des Wasserstoffs beizubehalten und den Anteil des SiC14 herabzusetzen, statt umgekehrt zu verfahren. Wegen des wesentlich höheren Molekulargewichts des SiC14 ändert sich dabei die leicht meßbare Gesamtdurchflußmenge kaum.
  • Zur Erzielung eines bestimmten Leitfähigkeitstyps bei der orientierten Kristallabscheidung kann in bekannter Weise das Reaktionsgas mit gasförmigen Dotierungssubstanzen versehen werden, die sich ja auf die Kristallbildung nicht nachteilig auswirken. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß diese Dotierungszusätze dem Reaktionsgas bereits während der Vornahme der Ätzung ohne Nachteil zugefügt werden können. Hierbei ist es zweckmäßig, die Dotierungszusätze mit dem Wasserstoff zu mischen.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum orientierten Kristallabscheiden von Silicium auf einen Siliciumträger aus gasförmigen, mit Wasserstoff vermischten Chlorsilanen durch thermische Reduktion, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst bei einer konstanten, zwischen 900 und 1200° C liegenden Temperatur des Trägers Wasserstoff und Chlorsilan im Molverhältnis des Wasserstoffs zum Chlorsilan mindestens angenähert gleich 60: 40 über den Träger geleitet wird und daß anschließend bei der gleichen Temperatur des Trägers das Molverhältnis auf mindestens angenähert 95: 5 erhöht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung kontinuierlich vorgenommen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasgemisch gasförmige Dotierungssubstanzen zugefügt werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungssubstanzen dem Wasserstoff zugefügt werden.
DEA41034A 1962-08-29 1962-08-29 Verfahren zum orientierten Kristallabscheiden von Silicium auf einen Siliciumtraeger Pending DE1159407B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1239281B (de) * 1965-03-25 1967-04-27 Wacker Chemie Gmbh Verfahren zur Herstellung von mono- oder polykristallinen Silicium-Schichten

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1239281B (de) * 1965-03-25 1967-04-27 Wacker Chemie Gmbh Verfahren zur Herstellung von mono- oder polykristallinen Silicium-Schichten

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