DE1297086B

DE1297086B - Verfahren zum Herstellen einer Schicht von einkristallinem Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE1297086B
Application number: DES95244A
Authority: DE
Inventors: Walther Albert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-01-29
Filing date: 1965-01-29
Publication date: 1969-06-12
Also published as: CH457374A; GB1124330A; SE319460B; NL6517274A; AT256940B; US3472684A

Description

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Zum Herstellen von Halbleiterbauelementen wird fläche von Halbleiterscheiben, die auf einer Unterlage häufig das als Epitaxie bekannte Verfahren angewen- ruhen und durch Einwirken einer Wärmequelle auf det. Dieses besteht darin, daß man scheibenförmige die für die Abscheidung erforderliche hohe Tempera-Halbleiterkristalle, insbesondere Einkristalle, auf eine tür erhitzt werden, welches dadurch gekennzeichnet hohe, jedoch unterhalb des Schmelzpunkts des Halb- 5 ist, daß das frische Reaktionsgas über eine bewegbare leiters liegende Temperatur aufheizt und gleichzeitig Eintrittsstelle in den Reaktionsraum eingeführt wird, über die Scheiben ein Reaktionsglas hinwegleitet, daß diese Eintrittsstelle längs eines oberhalb der zu welches bei der Temperatur der Scheiben den be- beschichtenden Scheiben verlaufenden, der Peripherie treffenden Halbleiter auf den Scheiben in Vorzugs- der eine Radialsymmetrie in bezug auf ihr Zentrum weise einkristallinem Zustand niederschlägt. Die Be- io aufweisenden, durch die Gesamtheit der anwesenden heizung der Halbleiterscheiben erfolgt vornehmlich auf Halbleiterscheiben vorgegebenen Gesamtabscheielektrischem Wege, indem z. B. diese Scheiben wäh- dungsfläche angepaßten Bahn derart geführt wird, rend des Abscheidevorgangs mit einem aus hitze- daß das durch Orthogonalprojektion dieser Eintrittsbeständigem leitendem Material bestehenden, von stelle auf die Gesamtabscheidungsfläche entstehende einem elektrischen Heizstrom durchflossenen Träger 15 Bild längs seiner Bahn auf der Gesamtabscheidungs- und Heizer in direkter Berührung oder über eine fläche um so langsamer wird, je weiter der betreffende isolierende Zwischenschicht in mittelbarem Kontakt Bahnpunkt vom Zentrum der Gesamtabscheidungsgehalten werden. Natürlich sind auch andere Be- fläche entfernt ist, und daß außerdem gleichen radiaheizungsarten möglich. Als Reaktionsglas verwendet len Abstand vom Zentrum der Gesamtabscheidungsman aus verschiedenen bekannten Gründen zweck- ao fläche aufweisende Punkte der Bildbahn vom Bild mäßig eine Halogen- oder Halogenhydridverbindung über die Gesamtabscheidungszeit betrachtet gleich des darzustellenden Elements. Dieser aktive Bestand- häufig durchlaufen werden.

teil wird zweckmäßig mit Wasserstoff, gegebenenfalls Bevorzugt wird bei diesem Verfahren dafür gesorgt,

auch mit einem Inertgas verdünnt. Häufig werden daß das Bild der Eintrittsstelle des frischen Reakauch dotierende Zusätze in definierter Konzentration 25 tionsgases den Reaktionsraum ständig bereits wähangewendet. rend der Abscheidung jedes höchstens 2 μ betragen-

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen den Bruchteils der abzuscheidenden Schicht gleich durch Epitaxie werden hohe Gleichmäßigkeiten der häufig an jedem Punkt mit gleichem radialem Abstand abgeschiedenen Schichten bezüglich ihrer Stärken und vom Zentrum der Gesamtabscheidungsfläche sich aufDotierungen, insbesondere das Verschwinden der 30 hält.

Tangentialkomponente des Dotierungsgradienten ver- Bevorzugt sind bei Durchführung des erfindungs-

langt. Dies gilt nicht nur im Hinblick auf die einzel- gemäßen Verfahrens gleichzeitig zu beschichtende nen Halbleiterscheiben, sondern auch gemeinsam für Körper, insbesondere Halbleiterscheiben, mit ihren alle gleichzeitig nebeneinander in einem gemeinsamen Abscheideflächen in einer Ebene angeordnet. Dabei Prozeß beschichteten Scheiben. 35 wird man im Interesse einer möglichst guten Ausin der deutschen Auslegeschrift 1262 244 ist ein nutzung des Reaktionsgases dafür sorgen, daß der Verfahren zum epitaktischen Abscheiden einer kri- Umfang der gesamten Abscheidefläche verglichen mit stallinen (poly- und monokristallinen) Schicht, insbe- ihrem Inhalt möglichst klein ist. Man wird deshalb sondere aus Halbleitermaterial, auf als Substrat auch in solchen Fällen eine — möglichst dichte — dienende, erhitzte Halbleiterkristalle, insbesondere 40 kreissymmetrische Anordnung der zu beschichtenden Halbleiterscheiben, aus der Gasphase mittels eines Körper, insbesondere Halbleiterscheiben bevorzugen, den die zu beschichtenden Halbleiterkristalle ent- Außerdem empfiehlt es sich, wenn — ebenso wie in haltenden Reaktionsraum durchströmenden Reak- der deutschen Auslegeschrift 1262 244 beschrieben — tionsgases beschrieben, bei welchem zur Erzielung der die Eintrittsrichtung des frischen Reaktionsgases zu gewünschten Gleichmäßigkeit das Reaktionsgas mit 45 der Abscheidungsfläche senkrecht oder etwa senkeiner Reynoldszahl von höchstens gleich 50 in den recht gerichtet ist.

Reaktionsraum zum Einströmen gebracht wird. Dabei Im einfachsten Falle wird das »Bild« der Eintrittserfolgt zweckmäßig die Gaszufuhr von oben durch stelle für das frische Reaktionsgas, also das »Bild« ein in den Reaktionsraum ragendes Rohr mit einer der Mündung des Gaszuführungsorgans in den Reak-Reynoldszahl von höchstens 50, worauf das Gas nach 50 tionsraum, längs der Peripherie der insbesondere eine dem Durchströmen einer vertikalen Strecke von hoch- kreisförmige Verteilung um ihr Zentrum aufweisenstens gleich dem l,5fachen des in Höhe der zu be- den Gesamtabscheidungsfläche, das heißt vorzugsschichtenden Halbleiterkörper über dem Boden des weise auf einer Kreisbahn, insbesondere mit gleich-Reaktionsraums gemessenen Durchmessers des Reak- förmiger Geschwindigkeit, geführt. Dieser Fall wird tionsraums auf die mit ihren Abscheideflächen in 55 besonders eingehend im folgenden beschrieben. Es einer Horizontalebene angeordneten Substratkörper bestehen jedoch noch andere Möglichkeiten, die insauftrifft, und dann das verbrauchte Reaktionsgas wie- besondere auch dann angewendet werden, wenn die der nach oben aus dem Reaktionsraum entfernt wird. Gesamtabscheidungsfläche kein Kreis ist. So kann Dieses Verfahren führt bereits zu günstigen Ergeb- z. B. das »Bild« der Eintrittsstelle für das frische nissen. Die beschriebene Aufgabe läßt sich, wie ge- 60 Reaktionsgas längs einer epizyklischen Bahn längs maß der Erfindung erkannt wurde, auch noch auf der Peripherie der Gesamtabscheidungsfläche geführt andere Weise lösen, wobei die Kombination des die werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung vorliegende Erfindung bildenden Verfahrens mit dem einer elliptischen Bahn, deren Mittelpunkt mit dem in der deutschen Auslegeschrift 1262 244 beschriebe- Zentrum der Abscheidungsfläche zusammenfallen nen Verfahren zu optimalen Ergebnissen führt. 65 kann und deren Hauptachsen stetig verändert wer-

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum den. Insbesondere werden die Hauptachsen der Bahn-Abscheiden einer Schicht von einkristallinem Halb- ellipse stetig gedreht. Wenn sich der Abstand des leitermaterial aus einem Reaktionsgas auf der Ober- Bildpunkts vom Zentrum der Gesamtabscheidefläche

Claims

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längs seines Wegs ändert, so ist zumindest zweck- ein aus mehreren Rohren bestehendes Gaseinlaßmäßig, wenn die Bahngeschwindigkeit dieses »Bildes« system verwendet werden, in welches das durch den mit wachsender Annäherung an das Zentrum der Ge- Deckel 4 geführte Gaszuführungsrohr sich vergabelt, samtabscheidungsfläche zunimmt, mit wachsender In diesem Falle empfiehlt es sich, daß in jedem der Entfernung vom Zentrum hingegen abnimmt. S parallel zueinander angeordneten Gaszuführungs-Die Kreisbewegung ist die einfachste Art der von rohre ein hoher Strömungswiderstand vorgesehen ist, dem erfindungsgemäßen Verfahren verlangten Be- mit dem eine Angleichung der Werte der individuellen wegung und daher technisch besonders günstig zu Strömungsgeschwindigkeiten auf einen gemeinsamen realisieren. Die übrigen der genannten Bewegungs- Wert erzwungen wird. Die Anwendung solcher Ströarten führen jedoch zu noch gleichmäßigerer Ab- io mungswiderstände, z. B. Verengungen, erfolgt zweckscheidung. mäßig, wenn die Rohre im Parallelbetrieb arbeiten.

Bis auf die bewegliche Gaszuführung entspricht Das Gaszufuhrrohr 9 ist im Innern des Reaktionseine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver- raums von einer schalenförmig nach oben gestülpten fahrens zu verwendende Apparatur zweckmäßig einer Schutzmanschette 13 umgeben und mit ihr starr verApparatur, wie sie bereits in der deutschen Auslege- 15 bunden. Diese Manschette dient als Strahlungsschutz schrift 1262 244 beschrieben ist. Eine zur Durch- gegen zu starke Erwärmung des Deckels 4 (angestrebt führung des erfindungsgemäßen Verfahrens beson- werden etwa 100° C), außerdem fängt er die sich ders geeignete Apparatur ist in der Zeichnung dar- bevorzugt am Deckel 4 bildenden, als Störkeime wirkgestellt, wobei bezüglich näherer Einzelheiten auch samen Partikel ab.

auf die besagte Anmeldung hingewiesen werden kann. 20 Der Reaktionsraum 1 ist zweckmäßig kreiszylin-Der zylindrische Reaktionsraum 1 wird unten von drisch. Er und das Gaszuleitungsrohr 9 sind so beeinem topfförmigen Unterteil 2 und einem zylin- messen, daß die Reynoldszahl weder im Rohr 9 noch drischen Oberteil 3 umschlossen. Diese Teile be- im Reaktionsraum 1 den Wert 50 für das zu verstehen zweckmäßig aus Quarz. Oben wird der Reak- wendende Reaktionsgas überschreitet. Ferner wird tionsraum von einem Deckel 4, z. B. aus Edelstahl, 95 der Abstand zwischen der Mündung des Gaszufühabgeschlossen. Die zu beschichtenden Scheiben 5 sind rungsrohrs 9 und der Ebene der Scheiben 5 kleiner am Boden des topfförmigen Unterteils 2 angeordnet. als das l,5fache des Durchmessers des Reaktions-Die Beheizung der Scheiben erfolgt von unten, wobei raums 1 in der Höhe der Scheiben 5 gewählt. Außerdie erforderliche Wärme von einem stromdurchflosse- dem ist es im Interesse der Reinheit des Reaktionsnen Heizelement 6 über eine Wärmeausgleichsplatte 7 30 gases zweckmäßig, wenn für den Fall, daß das Untererfolgt. Die Ausgestaltung dieser Elemente entspricht teil 2 und der obere Teil 3 des Reaktionsgefäßes vonden diesbezüglichen Offenbarungen der deutschen einander gelöst werden können, das Gaszuführungs-Auslegeschrift 1 262 244. Eine Ausnahme bildet der rohr 9 stets in den unteren Teil 2 hineinragt, noch näher zu beschreibende Stahldeckel 4. Wie bereits bemerkt, greifen die zur Bewegung des Das Unterteil 2 des Reaktionsraums 1 sowie die 35 Rohrs 9 erforderlichen Mittel außerhalb des Reak-Heizvorrichtung 6, 7 befinden sich zweckmäßig in tionsgefäßes an. Am einfachsten läßt sich dabei die einem gekühlten Heizertopf 8 aus Metall, wie er be- Kreisbewegung, z. B. mittels einer um eine vertikale reits in der deutschen Auslegeschrift 1 262 244 be- Achse drehbaren exentrischen Führung realisieren, schrieben ist. Die Bewegung wird so eingestellt, daß die Mündung Die Zufuhr für das frische Reaktionsgas sowie die 4° des Rohrs 9 sich oberhalb der Peripherie der Gesamt-Abfuhr des verbrauchten Reaktionsgases erfolgt abscheidungsfläche bewegt. Es empfiehlt sich dabei, zweckmäßig von bzw. nach oben. Zu diesem Zweck mit mindestens einer Geschwindigkeit von einer haisind ein Gaszuführungsrohr 9 zentral durch den Me- ben Umdrehung pro Minute zu arbeiten, talldeckel 4 und konzentrisch hierzu eine Mehrzahl Eine elliptische Bewegung läßt sich z. B. auf einvon Gasaustrittsöffnungen 10 vorgesehen. Im Gegen- 45 fache Weise erzielen, indem man das Rohr 9 längs satz zu den Offenbarungen der deutschen Auslege- einer entsprechenden Kurvenscheibe oder einer ähnschrift 1 262 244 ist jedoch das Gaszufuhrrohr be- liehen Führung bewegt. Eine epizyklische Bewegung wegbar im Deckel 4 gelagert. Gleichzeitig ist für eine kann man als Überlagerung zweier Kreisbewegungen ausreichend gasdichte Verbindung zwischen dem darstellen. Die bereits erwähnte, besonders in diesem Rohr 9 und dem Deckel 4 gesorgt. Bevorzugt dient 50 Falle zweckmäßig anzuwendende Abhängigkeit der hierzu eine das Rohr 9 ringförmig umschließende Geschwindigkeit vom Abstand des »Bildes« der Dichtung 11, z. B. aus chemisch und thermisch wider- Rohrmündung vom Zentrum der Abscheidefläche standsfähigem elastischem Material. Sie wird im Bei- erreicht man zweckmäßig, indem man die Drehzahl spielsfall durch einen Druckring 12 sowohl gegen ein des die Bewegung erzeugenden Motors in Abhängig-Widerlager im Deckel 4 als auch gegen das Zu- 55 keit von dem besagten Abstand ändert, leitungsrohr 9 gedruckt. Eine Rotation des — aus Auch bei epizykloidischen, epizyklischen und ellip-Quarz oder widerstandsfähigem Metall, z. B. Edel- tischen Bewegungen der Mündung des Gaszufühstahl — bestehenden Gaszutrittsrohr 9 ist bei die- rungsrohrs 9 empfiehlt es sich bei einem Verfahren sem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungs- gemäß der Erfindung, wenn die Aufenthaltsdauer des gemäßen Verfahrens nicht beabsichtigt. An der 60 »Bildes« der Eintrittsstelle für das frische Reaktions-Außenseite des Zuleitungsrohrs (siehe den gebogenen gas auf der Gesamtabscheidungsfläche in einer merk-Pfeil in der Zeichnung) wirken Mittel, welche die ge- liehen Umgebung des Zentrums gleich Null ist, bzw. maß der Erfindung vorzusehende Bewegung desselben wenn die Bahn des »Bildes« auf der Gesamtabscheibewirken. Das Rohr außerhalb des Reaktionsgefäßes dungsfläche eine geschlossene Kurve ist. wird schließlich (z. B. durch Wellung) biegsam und 65

mit einer Erzeugungsvorrichtung für das frische Reak- Patentansprüche:

tionsgas verbunden. 1. Verfahren zum Abscheiden einer Schicht

Statt des einfachen Gaszuführungsrohrs kann auch von einkristallinem Halbleitermaterial aus einem

Reaktionsgas auf der Oberfläche von Halbleiterscheiben, die auf einer Unterlage ruhen und durch Einwirken einer Wärmequelle auf die für die Abscheidung erforderliche hohe Temperatur erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das frische Reaktionsgas über eine bewegbare Eintrittsstelle in den Reaktionsraum eingeführt wird, daß diese Eintrittsstelle längs einer oberhalb der zu beschichtenden Scheiben verlaufenden, der Peripherie der eine Radialsymmetrie in bezug auf ihr Zentrum aufweisenden, durch die Gesamtheit der anwesenden Halbleiterscheiben vorgegebenen Gesamtabscheidungsfläche angepaßten Bahn derart geführt wird, daß das durch Orthogonalprojektion dieser Eintrittsstelle auf die Gesamtabscheidungsfläche entstehende Bild längs seiner Bahn auf der Gesamtabscheidungsfläche um so langsamer wird, je weiter der betreffende Bahnpunkt vom Zentrum der Gesamtabscheidungsfläche entfernt ist und daß außerdem gleichen radialen Abstand vom Zentrum der Gesamtabscheidungsfläche aufweisende Punkte der Bildbahn vom Bild über die Gesamtabscheidungszeit betrachtet gleich häufig durchlaufen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild der Eintrittsstelle des frischen Reaktionsgases den Reaktionsraum ständig bereits während der Abscheidung jedes höchstens 2 μ betragenden Bruchteils der abzuscheidenden Schicht gleich häufig an jedem Punkt mit gleichem radialem Abstand vom Zentrum der Gesamtabscheidungsfläche sich aufhält.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen