DE1289829B

DE1289829B - Verfahren zum Herstellen einer einkristallinen Halbleiterschicht durch Abscheidung aus einem Reaktionsgas

Info

Publication number: DE1289829B
Application number: DES85119A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Chem Dr Erhard; Sirtl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-05-09
Filing date: 1963-05-09
Publication date: 1969-02-27
Also published as: US3341374A; NL6402823A; CH458299A; GB1062284A

Description

Für die Herstellung von Halbleiteranordnungen reaktionen (Sandwich-Methode) ausgenutzt werden, durch epitaktisches Abscheiden von einkristallinem Das Reaktionsgas trägt Material an der Oberfläche Halbleitermaterial aus der Gasphase muß die Ober- des heißeren Trägerkörpers ab und scheidet es an fläche des zu verwendenden einkristallinen Träger- der Oberfläche des Hilfskörpers ab. In der zweiten körpers (Substrats) vor dem Abscheideprozeß sorg- 5 Reaktionsphase wird dann die Abdeckplatte entfernt, fältig geätzt werden. Hierzu ist es bekannt, zunächst Die Gleichgewichtsbedingungen entsprechen nunein ätzend wirkendes Reaktionsgas auf die Ober- mehr denen im freien Gasraum, so daß Abscheidung fläche des Trägers einwirken zu lassen und dann erfolgen kann.

dieses ätzende Reaktionsgas durch das für die Ab- Es ist vorgesehen, daß als Reaktionsgas eine

scheidung erforderliche Reaktionsgas zu ersetzen, io flüchtige Verbindung des Halbleitermaterials, beiohne daß dazwischen der Träger mit Luftstaub und spielsweise SiCl₄, SiHCl₃, SiBr₃, GeCl₄ oder GeBr₄, anderen verunreinigend wirkenden Stoffen in Beruh- vorzugsweise unter Zusatz von Wasserstoff, verwenrung gelangen kann. Vielfach besitzt das für die det wird, wobei für die Zusammensetzung des Reak-Abscheidung zu verwendende Reaktionsgas (nämlich tionsgases beispielsweise ein Molverhältnis von 0,01 dann, wenn es halogenhaltig ist) die Fähigkeit, bei 15 bis 0,05 für ein Gemisch von SiCl₄ bzw. SiHCl₃ und einer niedrigeren Temperatur das Halbleitermaterial, Wasserstoff während des gesamten Reaktionsablaufes insbesondere Silicium, abzuscheiden und bei einer beibehalten wird oder bei einer anderen Ausfühhöheren Temperatur auf einen Siliciumkörper ätzend rungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung das zu wirken. Diese Tatsache wird dahingehend ausge- Molverhältnis zwischen der flüchtigen Halbleitervernutzt, daß man — ohne Änderung der Zusammen- 20 bindung und Wasserstoff während der Abtragungssetzung des Reaktionsgases — den Träger erst auf phase auf höheren Werten gehalten wird als während Abätztemperatur und dann auf Abscheidungstempe- der nachfolgenden Abscheidungsphase. ratur bringt. Es ist dabei zweckmäßig, daß die Reaktionsbedin-

Wünschenswert ist jedoch, nicht nur die Beschaf- gungen durch die zeitweilige Abschirmung des Reakfenheit des Reaktionsgases während des Gesamtver- 25 tionsraums so eingestellt werden, daß zu Beginn der fahrens konstant halten zu können, sondern auch zweiten Reaktionsphase so viel Halogenwasserstoff während des ganzen Verfahrens mit einer fest ein- vorhanden ist, daß eine unerwünschte Dotierung der gestellten Trägertemperatur arbeiten zu können. Ein- Halbleiterschicht durch bestimmte, aus dem Reakkristalline Abscheidungen reagieren nämlich mitunter tionsgefäß stammende Verunreinigungen, vorzugsempfindlich, nicht nur auf chemische Änderungen 30 weise Bor, vermieden wird, ohne daß dem Reaktionsdes Reaktionsgases, sondern auch auf Temperatur- gas freier Halogenwasserstoff zugesetzt zu werden änderungen des Trägers, weil die Temperatur des braucht.

Trägers als wichtiger Parameter in das stationäre Weiterhin ist vorgesehen, daß in der ersten Reak-

Reaktionsgleichgewicht eingeht. So können beispiels- tionsphase die Strömungsverhältnisse durch die zeitweise die Dotierungsverhältnisse sich bei einer Fehl- 35 weilige Abschirmung des Reaktionsraums so eingeeinstelhmg der Trägertemperatur in unerwünschter stellt werden, daß die im Reaktionsgefäß vorhan-Weise ändern. denen Dotierungsstoffe an der Abscheidung auf dem

Hält man hingegen die Trägertemperatur konstant, Träger gehindert werden und erst während der zweiso wird also eine weitere Fehlerquelle ausgeschaltet. ten Phase auf der Halbleiteroberfläche zur Abschei-Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum 4° dung gelangen.

Herstellen einer einkristallinen Halbleiterschicht Als Material für die Abdeckplatte sind alle Stoffe

durch Abscheidung aus einer gasförmigen Verbin- geeignet, durch die keine Verunreinigungen in den dung des Halbleitermaterials auf die Oberfläche eines Gasraum oder auf die zu beschichtenden Scheibchen beheizten einkristallinen Trägerkörpers, bei dem die gelangen und die für das transportierte Halbleiter-Reaktionsbedingungen an der Oberfläche des in 45 material ein genügend großes Haftvermögen besitzen, einem Reaktionsgefäß angeordneten Trägerkörpers Neben der Verwendung von inertem Material, wie

zunächst derart gesteuert werden, daß an der Ober- beispielsweise Graphit oder Quarz, für die Abdeckfläche des Trägerkörpers Abtragung von Halbleiter- platten ist die Verwendung von Abdeckplatten aus material stattfindet, und bei dem dann die Reaktions- dem transportierten Halbleitermaterial günstig. Als bedingungen derart abgeändert werden, daß auf der 50 besonders vorteilhaft haben sich Abdeckplatten aus durch den vorangegangenen Abtragungsprozeß ge- beliebigem Material, beispielsweise aus Kohle, mit reinigten Trägeroberfläche Abscheidung des Halb- einem Überzug aus dem entsprechenden Halbleiterleitermaterials aus dem Reaktionsgas stattfindet, und material erwiesen.

ist dadurch gekennzeichnet, daß ein inerter Hilfs- Eine weitere Ausbildung des Verfahrens gemäß

körper mit einer parallel zu ebenen Oberfläche des 55 der Erfindung sieht vor, daß mehrere Träger gleich-Trägerkörpers verlaufenden Seite dem Trägerkörper zeitig beschichtet werden, und zwar in der Weise, derart nahe angeordnet wird, daß die Oberfläche des daß die Abdeckplatte mit Schlitzen versehen wird, Trägerkörpers abgetragen wird und daß dann der die einen Gasaustausch zwischen dem durch Träger Hilfskörper entfernt und hierdurch die Abscheidung und Abdeckplatte begrenzten inneren Reaktionsraum von Halbleitermaterial ermöglicht wird. 60 und der Umgebung ermöglichen.

Durch die Annäherung eines Hilfskörpers, insbe- Das Verfahren gemäß der Erfindung ist sowohl für

sondere einer beweglichen Abdeckplatte, an den die die Bearbeitung mechanisch polierter als auch ge-Abscheidungsgrundlage bildenden Trägerkörper bis läppter Oberflächen geeignet. Die Ätzdauer ist dabei auf einen geringen, vorzugsweise 0,1 bis 1 mm betra- von der Zusammensetzung des Reaktionsgases sowie genden Abstand wird die Trägeroberfläche der all- 65 vom Abstand der Abdeckplatte von der zu ätzenden gemeinen Zirkulation des Reaktionsgases entzogen. Halbleiteroberfläche abhängig. Man erhält dadurch Verhältnisse an der Trägerober- Die Beschichtung frisch geätzter Oberflächen un-

fläche, wie sie bei gewissen Arten von Transport- mittelbar nach Beendigung der ersten Reaktions-

Claims

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phase, wie sie bei dem Verfahren gemäß der Erfin- scheibe mit Hilfe einer induktiv beheizten Unterlage dung vorgesehen ist, hat neben den bekannten Vor- auf eine Temperatur von 1200 bis 1250° C gebracht, teilen der einfachen Handhabung durch Verwendung Als Reaktionsgas wird ein Gemisch von SiCl₄ und eines einzigen Reaktionsgefäßes für die Durchfüh- Wasserstoff oder von SiHCl₃ und Wasserstoff verrung sämtlicher Verfahrensschritte und der dadurch 5 wendet. Das molare Mischungsverhältnis beträgt bei gewährleisteten Vermeidung von Verunreinigungen SiCl₄ 0,01 bis 0,05, bei SiHCl₈ ungefähr 0,05. Das durch von außen kommende Fremdstoffe beim Verfahren wird im strömenden Medium durchge-Wechseln des Reaktionsgefäßes vor allem den Vor- führt. Der Druck beträgt dabei ungefähr 1 at.
zug, daß auf diese Weise sehr gute pn-Übergänge Durch die in einem Abstand von 0,1 bis 1 mm hergestellt werden können, da die Dotierungsstoffe ao oberhalb der Siliciumscheibe angebrachte Abdeckdurch die eingestellten Strömungsverhältnisse zu- platte — im vorliegenden Fall eine mit Silicium übernächst im freien Gasraum bleiben und nicht in den zogene Kohlescheibe — bildet sich in dem durch inneren Reaktionsraum eindringen. Erst mit Beginn Siliciumscheibe und Abdeckplatte begrenzten Raum der zweiten Phase, der sogenannten Abscheidungs- ein quasistationärer Zustand aus. In diesem Stadium phase, werden die im Reaktionsgas mit bestimmter 15 erfolgt eine Abtragung der Siliciumoberfläche gemäß Konzentration vorhandenen Dotierungsstoffe mit dem der Reaktionsgleichung
Halbleitergrundmaterial zusammen auf der Halb- own sn j_ η
lederoberfläche in entsprechender Konzentration ab- 2>i + 2 HU — > MU₂ + H₂
geschieden. Auf diese Weise werden Dotierungs- Der zum Abtragungsvorgang benötigte Chlorinhomogenitäten weitgehend vermieden. Außerdem 20 wasserstoff entsteht dabei durch die im übrigen Reakwird eine unerwünschte Dotierung durch im Reak- tionsraum, insbesondere an der nicht bedeckten betionsgas vorhandene Verunreinigungen, beispiels- heizten Unterlage, stattfindende Zersetzungsreaktion weise eine p-Dotierung durch etwa vorhandenes Bor,

durch die Anwesenheit von Halogenwasserstoff wäh- ^blU* + 2 H₂ —> Si + 4 HU

ren der ersten Reaktionsphase vermieden. 25 beziehungsweise

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der Be- ciun 1 u ^ c; l 1 χιγί

... j τ-,. .. ,„ jjA ΐ"ΐ_ alriUs + H₂ —> ί>ΐ -j- j HU
Schreibung der F1 g. 1 und 2 und den Ausfuhrungsbeispielen zu entnehmen. und wird nicht von vornherein dem Reaktionsgas

In Fig. 1 ist ein Beispiel für eine mögliche An- zugesetzt. Auf diese Weise wird vermieden, daß Ordnung für die Durchführung des Verfahrens ge- 3° durch den Zusatz von freiem Chlorwasserstoff Vermaß der Erfindung während der ersten Phase der unreinigungen in den Reaktionsraum eingeschleppt Reaktion dargestellt. Ein vorzugsweise einkristallines werden.

Scheibchen 1 aus Halbleitermaterial wird mit Hilfe Sobald die gewünschte Abtragung erfolgt ist, beider direkt oder indirekt beheizten Unterlage 2 auf spielsweise eine Schicht von 10 μΐη bei mechanisch eine Temperatur von 1200 bis 1250° C erhitzt. Über 35 polierten Oberflächen oder von 50 μΐη bei geläppten dem Halbleiterscheibchen ist im Abstand von 0,1 Oberflächen, wird die Abdeckplatte entfernt. Die bis 1 mm eine Abdeckplatte 3 aus inertem Material, Ätzdauer richtet sich dabei nach der Dicke der abzubeispielsweise aus Kohle, die auf der dem Halbleiter- tragenden Schicht. Sie beträgt beispielsweise 10 Mischeibchen zugewandten Seite mit einem Überzug 4 nuten bei 10 μΐη bzw. 40 Minuten bei 50 μΐη. Nach aus dem entsprechenden Halbleitermaterial versehen 40 Entfernung der Abdeckplatte stellt sich das bei der ist, angebracht. In dem vom Halbleiterscheibchen 1 Reaktion im freien Gasraum herrschende Gleich- und der Abdeckplatte 3 begrenzten inneren Reak- gewicht ein, und es erfolgt somit die Abscheidung tionsraum 5 herrscht während dieser Reaktionsphase von Silicium auf dem beheizten Träger,
ein quasistationärer Zustand. Die Gleichgewichts- Durch Wahl der zugesetzten Dotierungsstoffe könbedingungen sind dabei so, daß an der Oberfläche 45 nen Schichten gleicher oder entgegengesetzter Dotiedes Halbleiterscheibchens 1 eine Abtragung statt- rung erzeugt werden. Der besondere Vorzug des Verfindet, fahrens besteht in der Möglichkeit, sehr gute pn-

In F i g. 2 ist eine Anordnung für die gleichzeitige Übergänge herzustellen, da die im Reaktionsgas entBehandlung mehrerer Scheibchen dargestellt; für haltenen Dotierungsstoffe erst nach Beendigung des die gleichen Gegenstände werden hierbei die gleichen 50 Ätzvorgangs auf die Halbleiteroberfläche gelangen Bezugszeichen verwendet. Die Halbleiterscheibchen 1 und so Dotierungsinhomogenitäten vermieden werden, liegen, entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei der F i g. 1, auf der beheizten Unterlage 2. Darüber ist Herstellung von Aufwachsschichten gleicher Dotiedie Abdeckplatte 3 angeordnet, die zur Verbesserung rung eine unerwünschte Umdotierung zu Beginn des des Gasaustausches zwischen dem inneren Reaktions- 55 Abscheidungsvorgangs durch die verhältnismäßig raum und dem umgebenden übrigen Reaktionsraum hohe Chlorwasserstoffkonzentration vermieden wird, mit Schlitzen 6 versehen ist. Zahl und Form der Schließlich kann das Verfahren auch als reines Schlitze sind dabei unwesentlich und können den je- Ätzverfahren ausgebildet werden, indem man nach weiligen Reaktionsbedingungen angepaßt werden. der ersten Phase der Reaktion, also vor Beginn der

Bei dem vorliegenden Beispiel handelt es sich um 60 Aufwachsphase, abbricht.

ein Verfahren zum Herstellen einkristalliner Silicium- Auch die Kristallperfektion der so erhaltenen

schichten auf einem einkristallinen Träger aus dem Schichten erreicht eine außerordentlich hohe Güte.
gleichen Material.

Als Träger findet eine Scheibe aus η-dotiertem ein- Patentansprüche:

kristallinem Silicium Verwendung, deren Oberfläche 65

mechanisch poliert ist. Außerdem wird die Scheibe 1. Verfahren zum Herstellen einer einkristal-

vor Beginn der Reaktion ungefähr 10 Minuten in linen Halbleiterschicht durch Abscheidung aus

Wasserstoff ausgeglüht. Dann wird die Silicium- einer gasförmigen Verbindung des Halbleiter-

materials auf die Oberfläche eines beheizten einkristallinen Trägerkörpers, bei dem die Reaktionsbedingungen an der Oberfläche des in einem Reaktionsgefäß angeordneten Trägerkörpers zunächst derart gesteuert werden, daß an der Oberfläche des Trägerkörpers Abtragung von Halbleitermaterial stattfindet, und bei dem dann die Reaktionsbedingungen derart abgeändert werden, daß auf der durch den vorangegangenen Abtragungsprozeß gereinigten Trägeroberfläche Abscheidung des Halbleitermaterials aus dem Reaktionsgas stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß ein inerter Hilfskörper mit einer parallel zur ebenen Oberfläche des Trägerkörpers verlaufenden Seite dem Trägerkörper derart nahe angeordnet wird, daß die Oberfläche des Trägerkörpers abgetragen wird und daß dann der Hilfskörper entfernt und hierdurch die Abscheidung von Halbleitermaterial ermöglicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfskörper zur Abtragung der Oberfläche des Trägers oberhalb des Trägers in nur geringem Abstand, vorzugsweise 0,1 bis 1 mm, eine bewegliche Abdeckplatte angebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus dem transportierten Halbleitermaterial bestehende Abdeckplatte verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus inertem Material, beispielsweise Graphit bzw. Spektralkohle oder Quarz, bestehende Abdeckplatte verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Trägerkörper eine mit Schlitzen versehene Abdeckplatte verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen