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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.