DE1262244B

DE1262244B - Verfahren zum epitaktischen Abscheiden einer kristallinen Schicht, insbesondere aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE1262244B
Application number: DES94785A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erhard Sussmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-12-23
Filing date: 1964-12-23
Publication date: 1968-03-07
Also published as: AT263082B; AT278096B; US3486933A; AT269948B; NL6515706A; SE334865B; CH451886A; FR1461829A; GB1124328A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

BOIj

Deutsche KL: 12 g-17/32

Nummer: 1262 244

Aktenzeichen: S 94785IV c/12 g

Anmeldetag: 23. Dezember 1964

Auslegetag: 7. März 1968

Zum Herstellen von Halbleiterbauelementen wird häufig das als Epitaxie bekannte Verfahren angewendet. Dieses besteht darin, daß man scheibenförmige Halbleiterkristalle, insbesondere Einkristalle, auf eine hohe, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegende Temperatur aufheizt und gleichzeitig über die Scheiben ein Reaktionsgas hinwegleitet, welches bei der Temperatur der Scheiben den betreffenden Halbleiter auf den Scheiben in vorzugsweise einkristallinem Zustand niederschlägt. Die Beheizung der Halbleiterkristalle erfolgt vornehmlich auf elektrischem Wege, indem z. B. diese Scheiben während des Abscheidevorganges mit einem aus hitzebeständigem leitendem Material bestehenden, von einem elektrischen Heizstrom durchflossenen Träger und Heizer in direkter oder über eine isolierende Zwischenschicht in mittelbarer Berührung gehalten werden. Auch eine unmittelbare Erhitzung der Scheiben durch Absorption einer elektromagnetischen Strahlung ist möglich.

Als Reaktionsgas verwendet man im Interesse der Reinheit des abgeschiedenen Halbleiters nur solche seiner Verbindungen, die flüchtig sind und in denen der Halbleiter oder der Dotierungsstoff an kein anderes Element als ein Element der Halogengruppe und/oder Wasserstoff gebunden ist. Bevorzugt wird das Reaktionsgas mit Wasserstoff, mitunter auch mit einem inerten Gas verdünnt.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen durch Epitaxie ist es erforderlich, epitaktische Schichten von gleichmäßiger Schichtdicke und Kristallgüte herzustellen. Ferner ist es erwünscht, daß der Dotierungsgradient in den abgeschiedenen Schichten verschwindet. Werden mehrere Scheiben in der gleichen Apparatur dem Abscheidungsprozeß unterworfen, so werden dieser Forderungen für alle Scheiben gleichzeitig erhoben.

Diese Forderungen können bei einem Verfahren zum epitaktischen Abscheiden einer kristallinen Schicht, insbesondere aus Halbleitermaterial, auf als Substrat dienende erhitzte Halbleiterkristalle, insbesondere Halbleiterscheiben, aus der Gasphase, mittels eines den die zu beschichtenden Halbleiterkristalle enthaltenden Reaktionsraumsdurchströmenden Reaktionsgases erfüllt werden, wenn erfindungsgemäß das Reaktionsgas mit einer Reynoldszahl von höchstens gleich 50, insbesondere von höchstens gleich 40, in den Reaktionsraum zum Einströmen gebracht wird. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, daß die Gaszufuhr von oben durch mindestens ein in den Reaktionsraum ragendes Rohr derart vorgenommen wird, daß das Reaktionsgas das Rohr mit einer Reynoldszahl von Verfahren zum epitaktischen Abscheiden
einer kristallinen Schicht, insbesondere aus
Halbleitermaterial

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Erhard Sußmann, 8011 Poing

höchstens 50 verläßt und dann nach dem Durchströmen einer vertikalen Strecke von höchstens gleich dem l,5fachen des in Höhe der zu beschichtenden

a5 Halbleiterscheiben über dem Boden des Reaktionsraumes gemessenen Durchmessers des Reaktionsraumes auf die mit ihren Abscheideflächen in einer Horizontalebene angeordneten Substratscheiben auftrifft, und daß dann das verbrauchte Reaktionsgas wieder nach oben aus dem Reaktionsraum entfernt wird.

Eine vertikal nach unten gerichtete Strömung des Reaktionsgases in Höhe der Substratscheiben oder etwas darunter wird dadurch vollständig unterbunden.

Die Scheiben sind dabei auf dem ebenen, den Reaktionsraum endgültig nach unten abschließenden Boden des Reaktionsgefäßes oder auf eine auf diesen Boden gelegte, ihn ganz oder teilweise bedeckende Einlage, insbesondere aus halbleitendem oder leitendem Material, während des Abscheidungsvorgangs gelegt. Diese Einlage ist so ausgestattet, daß sie eine gleichmäßige Wärmezufuhr zu den einzelnen Scheiben nicht beeinträchtigt. Sie besitzt entweder überall gleiche Dicke und Beschaffenheit oder ist an den Auflagestellen der Scheiben und am Rand derart ausgebildet, daß an diesen Stellen mehr Wärme als an den übrigen Stellen entsteht.

Die Reynoldszahl ist bekanntlich eine strömungsdynamische Größe viskoser Medien und wird z. B. als Kriterium für das Eintreten von laminarer oder turbulenter Strömung benutzt. Bedeutet ν die in Stokes ge-

Il messene kinematische Viskosität, w den Betrag der

809 517/671

Strömungsgeschwindigkeit und d den hydrodynamischen Durchmesser des von dem Medium durchströmten Gefäßes, so wird die Reynoldszahl

Re = w· d/v.

Die Bedingung, daß die Reynoldszahl nicht größer als 50 sein soll, soll sowohl innerhalb des Gaszuleitungsrohres als auch außerhalb desselben im Reaktionsraum erfüllt sein.

In der Figur ist eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Apparatur dargestellt. Die epitaktisch zu beschichtenden Scheiben, insbesondere aus Si oder Ge, sind mit 1 bezeichnet und liegen auf dem ebenen Boden eines im wesentlichen kreiszylindrischen Reaktionsgefäßes 2. Dieses besteht aus einem unteren topfartigen Teil 3 und einem oberen Teil 4, der mit einem Einleitungsrohr 5 für das frische Reaktionsgas und einem Auslaß 6 für das verbrauchte Reaktionsgas versehen ist. Einlaß und Auslaß für das Reaktionsgas sind zweckmäßig konzentrisch zueinander angeordnet. Zweckmäßig bestehen alle Teile des Reaktionsgefäßes 2 und der Gastransportleitungen, wenigstens soweit sie an der Begrenzung des Reaktionsraumes beteiligt sind, aus möglichst reinem Quarzglas und/oder BeO und/oder SiC. Falls dies aus technischen Gründen nicht möglich ist (z. B. bei einem im Inneren des Reaktionsgefäßes angeordneten, aus leitendem Material bestehenden Heizer), ist der betreffende Apparateteil mit einem hochreinen Überzug aus einem der genannten Stoffe oder aus dem abzuscheidenden Stoff und/oder aus dem Halbleitermaterial der Substratscheiben versehen. Die Unterlage, auf der die zu beschichtenden Scheiben ruhen (im vorliegenden Beispiel der Abschluß des Reaktionsraumes), besteht vorteilhafterweise aus einer im Spektralbereich von 2,6 bis 2,8 μ von Absorptionskanten möglichst freien, im Handel erhältlichen Quarzsorte. Solche Quarzsorten oder BeO oder SiC werden zweckmäßig stets an Stellen angewendet, an denen während des Betriebes eine Temperatur von mehr als 500° C auftritt. Feuchtigkeit im Reaktionsraum ist in bekannter Weise auszuschalten. Die für die Reynoldszahl maßgebenden Abmessungen der Apparatur und Betriebsbedingungen sind im Einklang mit der erfindungsgemäßen Lehre zu bemessen. Dies gilt nicht nur für den — im zylindrischen Fall mit dem wirklichen Durchmesser d der Gaszuleitung 5 und D des Reaktionsraumes übereinstimmenden hydraulischen Durchmesser, sondern auch für die Strömungsgeschwindigkeit w des Reaktionsgases im Rohr 5 und im Reaktionsraum sowie für den vertikalen Abstand zwischen der Austrittstelle des Reaktionsgases aus dem Zuleitungsrohr 5 und den zu beschichtenden Scheiben 1. Die oben angegebene Formel für die Reynoldszahl sowie die im Handel erhältlichen Gasströmungsgeschwindigkeitsmesser erlauben die Durchführung der Erfindung mit großer Sicherheit.

Im Zusammenhang mit der beschriebenen Zusammensetzung des Reaktionsgefäßes aus den Teilen 3 und 4 ist darauf hinzuweisen, daß sie es möglich macht, die sich bereits in der für die Abscheidung erforderlichen Lage befindlichen Halbleiterscheiben 1 vorbereitenden Behandlungen in anderen Apparaturen zu unterwerfen und dann nach Kopplung mit dem Oberteil 4 des Reaktionsgefäßes 2 und der noch zu beschreibenden Beheizung dem epitaktischen Vorgang zu unterwerfen, ohne daß weitere Manipulationen, insbesondere eine Berührung der Scheiben, hierzu erforderlich ist.

Die Heizvorrichtung kann sich außerhalb des Reaktionsgefäßes befinden, so daß die Scheiben 1 durch den Boden des topf artigen Unterteils 3 hindurch durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung auf die erforderliche Reaktionstemperatur erhitzt werden.

Dabei kann der Heizer die aus der Figur ersichtliche Beschaffenheit besitzen. Das eigentliche stromdurchflossene Heizelement 7 besteht aus einem in einer Ebene gewundenen, z. B. aus Graphit oder Molybdän bestehenden, im Betrieb stromdurchflossenen Leiter. Die Windungen können z. B. spiralig oder mäanderförmig verlaufen. Es empfiehlt sich, den Leiterquerschnitt des Heizelements 7 nach seinem Rand hin zu verjüngen, um den Randabfall der Temperatur zu eliminieren. Zwischen den zu beschichtenden Scheiben 1 und dem Heizelement 7 ist eine Ausgleichsplatte 8 aus strahlungsabsorbierendem Material, z. B. aus Graphit oder Pyrographit, vorgesehen, die sich zweckmäßig parallel zur Anordnung der Scheiben 1 und zum Heizelement 7 erstreckt.

Falls sich der Heizer außerhalb des Reaktionsgefäßes befindet, ist er und der topf artige Unterteil 3 der Abscheidurigsapparatur in der aus der Figur ersichtlichen Weise in einer topfartigen Manschette 9 angeordnet.

Falls sich der Heizer innerhalb des Reaktionsgefäßes befindet so ist die Ausgleichsplatte 8 zweckmäßig derart ausgestaltet, daß sie den Heizer 7 vom Reaktionsraum trennt. Sie ist im Interesse der Reinheit der zu erhaltenden Abscheidung mit einer Schicht aus dem abzuscheidenden Halbleiter bedeckt. Sie kann gegebenenfalls selbst als Träger für die Scheiben 1 dienen. Die Stromzuführungen zum Teil 7 sind dann durch die Wand des Unterteils 3 gasdicht (und gegebenenfalls isoliert) hindurchgeführt.

Falls sich der Heizer nur zum Teil innerhalb des Reaktionsgefäßes befindet, ist der im Inneren angeordnete Teil des Heizers zweckmäßig wie die Ausgleichsplatte 8, falls sich diese außerhalb des Reaktionsgefäßes befindet, ausgebildet. Der äußere Teil ist entweder eine Induktionsspule oder ein Strahlungsheizer.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum epitaktischen Abscheiden einer kristallinen Schicht, insbesondere aus Halbleitermaterial, auf als Substrat dienende erhitzte Halbleiterkristalle, insbesondere Halbleiterscheiben, aus der Gasphase, mittels eines den die zu beschichtenden Halbleiterkristalle enthaltenden Reaktionsraumes durchströmenden Reaktionsgases, dadurchgekennzeichnet, daß das Reaktionsgas mit einer Reynoldszahl von höchstens gleich 50, insbesondere von höchstens gleich 40, in den Reaktionsraum zum Einströmen gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr von oben durch mindestens ein in den Reaktionsraum ragendes Rohr derart vorgenommen wird, daß das Gas das Rohr mit einer Reynoldszahl von höchstens 50, insbesondere höchstens 40, verläßt und dann nach dem Durchströmen einer vertikalen Strecke von höchstens gleich dem l,5fachen des in Höhe der

zu beschichtenden Halbleiterkörper über dem Boden des Reaktionsraumes gemessenen Durchmessers des Reaktionsraumes auf die mit ihren Abscheideflächen in einer Horizontalebene angeordneten Substratkörpern auftrifft, und daß dann das verbrauchte Reaktionsgas wieder nach oben aus dem Reaktionsraum entfernt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1048 638.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen