DE1253247B - Verfahren zum epitaktischen Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Int Cl.:

BOIj

DEUTSCHES

C 3OS 25/10

PATENTAMT Deutsche Kl.:

AUSLEGESCHRIFT

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1253 247
S 94208JV _c/12 g
17. November 1964
2. November 1967

Zum Herstellen von Halbleiterbauelementen wird häufig das als Epitaxie bekannte Verfahren angewendet. Dieses besteht darin, daß man scheibenförmige Halbleiterkristalle auf eine hohe, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegende Temperatur aufheizt und in diesem Zustand in Kontakt mit einem — vorzugsweise mit einem inerten Gas verdünnten — zur Abscheidung des Halbleiters bei der Temperatur der Substratscheiben befähigten Reaktionsgas bringt.

Als Heizquelle ist dabei die Verwendung eines aus elektrisch leitendem und thermisch sowie chemisch beständigem Material, z. B. Kohle oder Graphit, mit möglichst hoher Reinheit üblich, wobei dleseHeizquelle zweckmäßig zugleich Träger der Substratscheiben ist. Während des Abscheidebetriebes wird der Heizer von einem elektrischen Strom durchflossen, dessen Stärke so eingestellt wird, daß die mit dem Heizer — vorzugsweise infolge direkter Berührung — in gutem Wärmeaustausch gehaltenen Halbleiterscheiben sich auf die für die Abscheidung benötigte hohe Temperatur erhitzen.

Gewöhnlich wird als Reaktionsgas ein Gemisch aus Wasserstoff oder einem Inertgas und einem flüchtigen und daher durch Destillation leicht zu reinigenden Halogenid des Halbleiters, z. B. bei der Siliciumepitaxie die Verbindungen SiCl₄ oder SiHCl₃, verwendet.

Der Heizer ist meist im Inneren des Reaktionsgefäßes angeordnet und ebenfalls der Einwirkung des für das epitaktische Verfahren benutzten Reaktionsgases in stark erhitztem Zustand ausgesetzt. Vielfach sind bis auf die Oberflächenbeschaffenheit die Bedingungen an der Oberfläche des Heizers den Bedingungen an der Oberfläche der Substratscheiben weitgehend gleich, vor allem dann, wenn der Heizer gleichzeitig Träger der Substratscheiben ist. Es findet deshalb in der Regel auch an der Oberfläche des Trägers und Heizers Abscheidung des gleichen Stoffes wie auf den Substratscheiben statt. Die Stärke dieser Abscheidung während eines Abscheidungsvorganges ist vielfach gleich der Stärke der auf den Substratscheiben niederzuschlagenden Halbleiterschicht, also in den meisten Fällen in der Größenordnung einiger bis zu einigen hundert Mikron.

Da der Heizer und Träger im allgemeinen nicht aus dem epitaktisch niederzuschlagenden Stoff besteht und außerdem die Oberfläche solcher Elemente kaum in der Lage ist, eine ordnende Wirkung auf das aus der Gasphase auf ihr abgeschiedene Material auszuüben, fällt der Niederschlag auf der Trägeroberfläche bzw. Heizoberfläche in vollkommen regel-Verfahren zum epitaktischen Abscheiden von
Halbleitermaterial aus der Gasphase

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

DipL-Chem. Dr. Julius Nicki, Zorneding

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losem Zustand an. Aus diesem Grund und weil das niedergeschlagene Halbleitermaterial in vielen Fällen kein guter Wärmeleiter ist, wird die auf dem Heizer niedergeschlagene Schicht den Wärmeüberzug zu den Substratscheiben merklich verschlechtern. Es ist ferner möglich, daß Teile des auf dem Halbleiter niedergeschlagenen Materials sich wieder durch Abbröckeln lösen und die losgelösten Partikeln zur Abscbeidungsstelle an der Oberfläche der Substratscheiben gelangen. Schließlich kann in einem hervorgegangenen Abscheidungsprozeß auf der Oberfläche des Trägers und Heizers niedergeschlagenes Material eine Quelle der Verunreinigung für das bei einem späteren Abscheidungsprozeß auf den Substratscheiben niedergeschlagene Material sein.

Um diese Nachteile zu vermeiden, kann man nach einem oder mehreren Abscheidevorgängen die Heizelemente und Träger auswechseln oder mit Säuren abätzen und reinigen. Heizelemente aus Germanium und Silicium kann man z. B. durch mechanisches Bearbeiten wieder auf die ursprünglichen Abmessungen reduzieren, um die ursprünglichen Beheizungsbedingungen wieder herzustellen. Solche Arbeitsgänge sind jedoch alle langwierig und aufwendig. Sie führen außerdem zu einer stetig zunehmenden Verunreinigung dieser Heizelemente. Will man dem beispielsweise durch entsprechende Glühbehandlung des Heizers im Hochvakuum entgegenarbeiten, so führen solche Maßnahmen in der Regel zum Auftreten einer unerwünschten Porosität des Heizers und Trägers, die nicht wieder rückgängig gemacht werden kann. Außerdem erhält man durch eine solche Behandlung in der Regel keinen gleichmäßigen Reinheitsgrad der Heizer. Für die kontinuierliche Herstellung von hochreinen einkristallinen Halbleiterschichten ist es jedo
notwendig, Heizelemente mit stets gleicher Rein'
einzusetzen.

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Diese Nachteile können bei einem Verfahren zum epitaktischen Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf insbesondere einkristalline Halbleiterscheiben, die in einem Reaktionsgefäß einer gasförmigen Verbindung des Halbleiters ausgesetzt werden und die durch einen im Reaktionsgefäß anwesenden, stromdurchflossenen, vorzugsweise mit den Scheiben in unmittelbarer Berührung gehaltenen Heizkörper erhitzt werden, vermieden werden, wenn erfindungsgemäß der Heizkörper von Zeit zu Zeit einem Gas ausgesetzt wird, welches das zuletzt abgeschiedene Halbleitermaterial unter Entstehung einer gasförmigen Verbindung abträgt.

Zu diesem Zweck wird der Heizer und Träger nicht aus der Abscheidungsapparatur ausgebaut, sondern an Ort und Stelle in dieser Apparatur diesem Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens unterworfen. Dies geschieht, indem das Behandlungsgas in die Abscheidungsapparatur eingelassen und auf dem gleichen Weg wie das für die Epitaxie verwendete Reaktionsgas durch die Apparatur geführt wird. Gegebenenfalls kann auch mit einem ruhenden Behandlungsgas gearbeitet werden.

Die Wirkung des Behandlungsgases darf nicht zu einer Verunreinigung des Trägers führen. Insbesondere darf das Behandlungsgas nicht so gewählt sein, daß zwar der zuletzt ausgeschiedene Stoff aufgelöst, statt seiner aber ein anderer verunreinigend wirkender Stoff auf der Oberfläche des Trägers und Heizers niedergeschlagen wird. Das abtragende Gas soll daher mindestens so rein sein wie das beim Abscheiden verwendete Reaktionsgas.

Als abtragendes Gas kann z. B. Halogenwasserstoff, insbesondere Chlorwasserstoff, verwendet werden. Dieser kann in konzentriertem Zustand als auch in mit inertem Trägergas oder Wasserstoff verdünntem Zustand Anwendung finden. Weiter können gasförmige oder dampfförmige Halogenide des Siliciums, Germaniums, Bors, vorzugsweise im Gemisch mit Wasserstoff oder mit Innertgas, angewendet werden. Der zu behandelnde Heizer oder Träger wird zu diesem Zweck im allgemeinen auf erhöhter Temperatur gehalten. Vielfach ist eine etwas höhere Temperatur als bei der Epitaxie erwünscht. Dies gilt insbesondere, wenn das Behandlungsgas die gleiche chemische Beschaffenheit wie das vorher bei der Epitaxie verwendete Reaktionsgas aufweist. Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, daß kein Wechsel der qualitativen Beschaffenheit zwischen dem Reaktionsgas bei der Epitaxie und dem Behandlungsgas bei der Einigung des Trägers und Heizers stattfindet. Jedoch ist für solche Fälle erforderlich, daß die Temperatur des zu behandelnden Heizelements und Trägers und/oder die Zusammensetzung des gasförmigen Behandlungsgemisches gegenüber den bei der vorangegangenen Epitaxie angewandten Verhältnissen so abgeändert wird, daß an Stelle der Abscheidungsreaktion eine Auflösung des abgeschiedenen Halbleiters stattfindet. In solchen Fällen muß also die epitaktische Reaktion reversibel und das Reaktionsgleichgewicht im ersten Fall zugunsten einer Abscheidung, im zweiten Fall zugunsten einer Abätzung des Halbleiters verschoben werden.

Gleichzeitig mit der Behandlung des Trägers und Heizers kann auch eine Vorbehandlung der zu beschichtenden Halbleiterscheiben mit dem gleichen JÖahandlungsgas erfolgen, da infolge einer solchen ^^^ di^e Oberfläche der Substratscheiben für den nachfolgenden Abscheidevorgang verbessert wird.

Epitaxie ist für Halbleiterstoff, wie Si, Ge, B, Se, A_inB_v, SiC, möglich. Für alle diese Halbleiter existieren gasförmige oder flüchtige Halogenide, die sich bei stärkerer Erhitzung zersetzen oder sich mit Wasserstoff reduzieren lassen. Die Darstellung des Halbleiters aus solchen Verbindungen ist in der Regel reversibel. Außerdem sind diese Substanzen

ίο bei höherer Temperatur gegen Halogen und vielfach auch gegen Halogenwasserstoff empfindlich, so daß sie bei Einwirkung solcher Gase aufgelöst werden können. Beim Behandeln einer halbleitenden Verbindung, z. B. A_mB_v-Verbindung, kann es manchmal vorteilhaft sein, wenn das Behandlungsgas nur zum Lösen einer der beteiligten Komponenten, z. B. im Fall von SiC der Si-Komponente, in der Lage ist.

Beispiel

to Zur Herstellung von einkristallinen Siliciumschichten auf einkristalline Siliciumplättchen benutzt man ein geheiztes Graphitbrett als Träger und Heizer, auf dessen Oberseite die Siliciumscheiben während der Epitaxie aufliegen. Der Reaktionsraum wird durch

as eine Quarz- oder Glasglocke und eine metallische Bodenplatte abgeschlossen. Die Stromdurchführungen für das Graphitbrett und die Zuleitung für das frische und die Ableitung für das verbrauchte Reaktionsgas können durch die metallische Bodenplatte geführt sein. Für die Epitaxie wird beispielsweise ein Gemisch aus SiHCl₃ und Wasserstoff mit einem Molverhältnis zwischen SiHCl₃ und H₂ wie etwa 0,04:1 verwendet und bei etwa 1150° C abgeschieden. Dabei scheidet sich auf der Siliciumscheibe eine emkristalline Siliciumschicht, auf dem Graphitheizkörper im allgemeinen eine ungeregelte Siliciumschicht ab, durch die außerdem die Oberfläche des Heizers tellerartig ausgestülpt wird.
Nach einem oder mehreren Beschichtungsvorgängen leitet man über das erhitzte Graphitelement ein Gemisch aus Wasserstoff und HCl etwa im Molverhältnis 1:1. Die Temperatur des Heizelements wählt man dabei vorteilhafterweise etwas höher als beim Abscheideprozeß. Zweckmäßig ist der Bereich zwisehen 1180 und 125O⁰C. Die Behandlung wird so lange fortgesetzt, bis die auf der Oberfläche des Trägers und Heizers aufgewachsene Siliciumschicht wieder vollständig abgetragen ist. Anschließend wird der Heizer bei etwa 1200⁰C in reinem Wasserstoff einige Minuten nachgeglüht. Ein derartiges Heizelement ist sofort betriebsbereit und kann für die nächste Beschickung eingesetzt werden. Die Behandlung erfordert bei einer Schichtdicke von 30 bis 50 μ etwa 15 bis 20 Minuten.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum epitaktischen Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf insbesondere einkristalline Halbleiterscheiben, die in einem Reaktionsgefäß einer gasförmigen Verbindung des Halbleiters ausgesetzt werden und die durch einen im Reaktionsgefäß anwesenden, stromdurchflossenen, vorzugsweise mit den Scheiben in unmittelbarer Berührung gehaltenen Heizkörper erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper von Zeit zu Zeit einem Gas ausgesetzt wird, welches das zu-

letzt abgeschiedene Halbleitermaterial unter Entstehung einer gasförmigen Verbindung abträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Heizkörpers bei der Einwirkung des abtragenden Gases höher als bei der letzten Abscheidung des Halbleitermaterials eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das abtragende Gas durch das Reaktionsgefäß strömt und die bei der Abtragung entstehenden gasförmigen Verbindungen aus dem Reaktionsgefäß abführt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das abtragende Gas die gleichen chemischen Bestandteile wie das für das epitaktische Abscheiden verwendete Reaktionsgas enthält und die Temperatur des Heizkörpers und/oder die Zusammensetzung des Reaktionsgases derart abgeändert wird, daß das Reaktionsgas trotz der gleichen chemischen Bestandteile einmal abscheidend, das andere Mal abtragend wirkt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis_4, dadurch gekennzeichnet,_jdaß als abtragendes Gas mit Wasserstoff, oder einem neutralen Gas verdflnnterHalogenwasserstoff verwendet wird. '

6? Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmige oder flüchtige Halogenide des Siliciums, Germaniums bzw. Bors im Gemisch mit Wasserstoff oder einem neutralen Gas als abtragendes Gas verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das abtragende Gas mindestens so rein ist wie das beim Abscheiden verwendete Reaktionsgas.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper so lange dem abtragenden Gas ausgesetzt wird, bis das während des vorangehenden Abscheidevorganges auf dem Heizkörper niedergeschlagene Halbleitermaterial vollständig abgetragen ist.