DE1619956B2

DE1619956B2 - Vorrichtung zum abscheiden von halbleiterkristallen auf einer halbleiterkristallunterlage

Info

Publication number: DE1619956B2
Application number: DE19671619956
Authority: DE
Inventors: Cednc Gnggs Midland Mich Curnn (V St A)
Original assignee: Dow Corning Corp , Midland, Mich (V St A)
Priority date: 1966-05-12
Filing date: 1967-02-21
Publication date: 1971-08-19
Also published as: BE698329A; FR1522791A; DE1619956A1; NL6702889A; US3460510A; GB1125061A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleiterkristallen auf einer Halbleiterkristallunterlage durch pyrolytische Zersetzung eines Reaktionsgases, mit einem senkrecht stehenden, mit einer Heizeinrichtung auf Abscheidungstemperatur erhitzbaren Halter, in dem eine Vielzahl vertikal verlaufender Aussparungen, in welche die Unterlagen einsetzbar sind, angeordnet sind, und mit Reaktionsgasein- und -auslaß.

Bei der Herstellung von elektronischen Halbleitereinrichtungen, z. B. Transistoren, Dioden u. dgl., ist es oft vorteilhaft, Halbleitermaterial auf einen gleichen oder ähnlichen Grundkristall abzuscheiden. Gewöhnlich erfolgt eine solche Abscheidung, indem Verbindungen, die in ihren Dampfphasen vorliegen, auf einer erhitzten monokristallinen Unterlage abgeschieden werden, wobei der Abscheidungsfilm auf der Unterlage Kristallkeime bildet, um sich mit dem Gitter derselben zu verbinden, so daß ein Einkristallgefüge erzeugt wird. Diese Technik ist als epitaktisches Wachstum bekannt.

Epitaktisches Kristallwachstum ist allgemein auf Halbleiter anwendbar, einschließlich z. B. Silicium, Germanium und verschiedene zusammengesetzte Stoffe. Sehr oft wird diese Technik verwendet, um Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften zu erzeugen. Während des Abscheidens werden Verunreinigungen als Dotierungen in Dampfform zu diesem Zweck eingebracht.

Verschiedene Reaktoren stehen für die epitaktische Abscheidung zur Verfügung. Alle diese bekannten Konstruktionen haben einen Hauptnachteil, nämlich die maximale Zahl von Unterlagenplatten, die behandelt werden können, ist durch den Strömungsverlauf des Gases in dem Reaktor begrenzt.

Um eine Anzahl von Platten mit gleichförmigen Stärken, gleichförmigem Widerstand und gleichmäßigen kristallographischen Eigenschaften zu erzeugen, ist es notwendig, daß jede Unterlage sich in dem gleichen gasförmigen Milieu befindet wie jede andere bearbeitete Unterlage oder Platte. Im Ergebnis hiervon sind bekannte Reaktoren nur für eine begrenzte Anzahl von Platten geeignet. Für eine Produktion in großem Maßstab ist deshalb eine große Anzahl von Reaktoren erforderlich, und ein großer Zeitverlust ist mit dem Inbetriebnehmen und Ausschalten der Reaktoren verbunden.

Die Erfindung bezweckt eine Vorrichtung, in der gleichzeitig auf eine große Anzahl von Unterlagen Halbleiterkristalle durch pyrolytische Zersetzung eines Reaktionsgases abgeschieden werden können, wobei für alle Unterlagen während des Abscheidens die gleichen Bedingungen erfüllt sind.

Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß der Halter aus einem Zylinder besteht, in dessen äußerer Mantelfläche die Aussparungen angeordnet sind, und daß der Reaktionsgaseinlaß aus vor jeder Aussparung angeordneten Öffnungen besteht.

Mit dieser Anordnung der Unterlagen in dem Halter nach der Erfindung lassen sich bei Abscheiden der Halbleiterkristalle auf den Unterlagen völlig gleiche Bedingungen für eine große Anzahl von Unterlagen herstellen.

An Hand der Figuren wird die Erfindung erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Vertikal-Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt der in der in den

Fig.l und 2 dargestellten Vorrichtung verwendeten j

Anordnung; ■

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer j

Halbleiterunterlage mit einer epitaktischen Schicht, j

die auf diese Unterlage durch Behandlung in der in j

den Fig. 1 bis 3 dargestellten Vorrichtung abge- i

schieden ist. !

In den Fig. 1 und 2 ist eine im allgemeinen zylin- j

ίο drische Vorrichtung nach dieser Erfindung dargestellt, i die einen Wassermantel 11 aus Stahl od. dgl. hat. Es ■· sind mehrere Wassereinlaßöffnungen 12 vorgesehen, die mit einem Wassereinlaßring 13 kommunizieren, der mit einem Einlaßnippel 14 versehen ist.

Ein Deckel 16 ist mit einem Wasserauslaß 17 und einer Vielzahl von radialen Leitungen 18 versehen, \ die den Raum, der durch den Wassermantel 11 begrenzt ist, mit dem Wasserauslaß 17 verbinden. Der j Deckel weist einen Flansch 19 auf, der mit einem | entsprechenden Flansch 21 auf dem Wassermantel 11 durch Bolzen fest verbunden werden kann. Eine > innere zylindrische Wand 22 ist konzentrisch zu dem ' äußeren Mantel 11 und im Abstand von diesem ange- ^: ordnet. Um einen Leckverlust von Wasser zwischen dem Deckel 16 und den Wänden 11 und 22 zu verhindern, können Dichtungen, z. B. O-Ringe 23 und 24, zwischen den Mantelwänden und dem Deckel vorgesehen sein.
Die Wand 22 begrenzt eine zylindrisch geformte Gaseinlaßkammer 26 mit einem Gaseinlaß 27 zum Zuführen von Reaktionsgasen in die Kammer 26. Da : die Reaktionsgase durch Reaktion mit der Wand 22 ; des Wassermantels verunreinigt werden können, muß diese Wand aus einem Material bestehen, das chemisch bei der Betriebstemperatur dieses Mantels gegenüber dem Reaktionsgas inert ist. Für die Abscheidung von Silicium kann korrosionsbeständiger Stahl oder Molybdän verwendet werden.

Im Abstand in radialer Richtung nach innen von dem Kühlmantel und zur Bildung der inneren Begrenzung der Gaseinlaßkammer 26 ist ein zylindrischer reflektierender Wärmeschild 28 mit einer Vielzahl von Öfffnungen 29 vorgesehen. Die Öffnungen 29 sind aus Gründen, die nachstehend erläutert wer- I den, in vorbestimmten Abständen angeordnet. Der Wärmeschild 28 besteht vorzugsweise aus Quarz oder einem hitzebeständigen Metall, z. B. Molybdän. i

Im Abstand konzentrisch nach innen von dem reflektierenden Wärmeschild ist ein zylindrischer HaI-ter 31 aus übereinandergestapelten und ineinandergreifenden Halteringen vorgesehen, die im Detail in Fig. 3 dargestellt sind. Die Ringe können aus irgendeinem für die Herstellung von Halbleitern geeignetem Haltermaterial, z. B. Quarz, Molybdän oder mit ; Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid überzogenem Kohlenstoff bestehen. Eine Vielzahl von ineinandergreifenden Ringen 31 a, 31 b, 31 c usw. sind auf einem Basisring 32 gestapelt, der mit dem Deckel 16 durch mehrere Stangen 33 verbunden ist, um das Heraus-

nehmen des Halters zusammen mil dem Abheben des Deckels zu ermöglichen. Die Ringe haben abwechselnd breite und schmale Abschnitte gleicher Länge, um die Fluchtung beim Stapeln zu gewährleisten und um den zur Verfügung stehenden Raum

in der Vorrichtung maximal auszunutzen. In der äußeren Fläche jedes der breiten Abschnitte sind eine ; Vielzahl von kreisförmigen Aussparungen 34 vorge- | sehen, von denen jede direkt gegenüber einer der j

Öffnungen 29 in dem Wärmeschild 28 vorgesehen ist. Die innere Oberfläche jeder Aussparung ist in einem Winkel zur Vertikalen geneigt, der vorzugsweise zwischen 5 und 15° beträgt. Im Gebrauch wird eine zylindrische Unterlage 36 aus Halbleitermaterial oder alternativ ein Stück eines dendritischen Materials in jede Aussparung eingesetzt, wobei die Neigung dazu dient, die Unterlage in der Aussparung an Ort und Stelle zu halten und die Aussparung dazu dient, eine Niederschlagsbildung auf der Rückseite zu vermeiden.

In der Mitte jedes schmalen Teiles jedes Ringes ist ein Reaktionsgasauslaß in Form eines Loches 37 vorgesehen, um Gase in radialer Richtung durch die Ringe hindurch in eine Auslaßkammer 38 zu leiten, die einen Auslaß 39 aufweist. Die Innenwand 41 der Auslaßkammer 38 ist aus einem die infrarote Strahlung durchlässigen Material hergestellt, das für den Betrieb bei Temperaturen bis zu wenigstens etwa 1300⁰C geeignet ist. Quarz eignet sich für diesen Zweck.

In der Mitte der Vorrichtung ist ein zylindrisches Widerstandsheizelement 42 mit einer hohen Ausgangsleistung im Infraroten vorgesehen. Dies kann z. B. eine stabförmige Kohleheizung oder eine Widerstandsheizung aus hitzebeständigem Metall sein, das auf einer geeigneten Unterlage abgeschieden ist. Ein elektrischer Kontakt 43, der gegenüber dem Boden der Reaktionskammer isoliert ist und eine Klemme 44 hat, ist durch die Kammerwand geführt, und ein Kontakt 46 an der Oberseite des Elementes ist auswechselbar mit einer elektrischen Klemme 47 verbunden, die durch den Deckel 16 der Kammer führt. Die Klemmen 44 und 47 können mit einer Stromquelle verbunden werden, um dem Heizelement 42 elektrischen Strom zuzuführen.

Im Gebrauch werden eine Vielzahl von Halbleiterunterlagen in die Aussparungen der Halterringe 31 eingesetzt, und der Deckel 16 mit dem beladenen Halter wird von oben nach unten in die Kammer eingesetzt und mit dieser verbunden. Die elektrischen Klemmen 44 und 47 werden mit einer geeigneten Stromquelle verbunden, und ein Wasserabzug wird an den Wasserauslaß 17 in dem Deckel angeschlossen. Ein Reaktionsgasgemisch, z. B. Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff, wird in den Gaseinlaß 27 eingeleitet. Es wird hervorgehoben, daß, um das System zu reinigen, geeignete Spülgase oder gasförmige Beizen durch das System vor Einleitung des Reaktionsgases geleitet werden können. Der Stromeingang der Heizung wird so gesteuert, daß die Halbleiterunterlagen die richtige Temperatur für die pyrolytische Abscheidung haben, wonach der Reaktionsgasstrom durch die Öffnungen 29 in dem Schild 28 auf die Oberflächen der erhitzten Halbleiterunterlagen geleitet wird, so daß die Abscheidung der Halbleiterkristalle stattfindet. Die verbrauchten Gase strömen dann durch die Löcher 37 und die Auslaßkammer 38 aus dem System über den Auslaß 39 ab. Die Abscheidung wird so lange fortgesetzt, als notwendig ist, um einen Überzug 48 (F i g. 4) der gewünschten Stärke auf den Scheiben 36 zu erzeugen.

Verschiedene Modifikationen und Variationen der beschriebenen Maßnahmen sind möglich. Zum Beispiel kann das Heizelement oder der Halter drehbar sein, um die Ringe noch gleichmäßiger zu erwärmen. Jn diesem Fall wird das Drehlager vorzugsweise gasgekühlt. Wenn gewünscht, kann der Halter aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt sein und durch Induktionshitze entweder durch Eigeninduktion oder in Verbindung mit der infraroten Strahlungsquelle

ίο erwärmt werden. In diesem Fall können die Infrarotelemente oder die Induktionsheizung im Zentrum der Anordnung angeordnet werden. Wenn gewünscht, können die Unterlagen auf der Innenfläche der Anordnung eingesetzt werden, und die Gase können in radialer Richtung nach außen statt nach innen strömen.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleiterkristallen auf einer Halbleiterkristallunterlage durch pyrolytische Zersetzung eines Reaktionsgases, mit einem senkrecht stehenden, mit einer Heizeinrichtung auf Abscheidungstemperatur erhitzbaren Halter, in dem eine Vielzahl vertikal verlaufender Aussparungen, in welche die Unterlagen einsetzbar sind, angeordnet sind, und mit Reaktionsgasein- und -auslaß, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (31) aus einem Zylinder besteht, in dessen äußerer Mantelfläche die Aussparungen (34) angeordnet sind, und daß der Reaktionsgaseinlaß aus vor jeder Aussparung angeordneten Öffnungen (29) besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionsgasauslaß in dem Halter zwischen den Aussparungen Löcher (37) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwände der Aussparungen (34) um einen Winkel zwischen 5 und 15° gegenüber der Vertikalen so geneigt sind, daß sie jeweils oben tiefer im Zylinder (31) als unten liegen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung

(42) aus einem Widerstandsheizelement besteht, das koaxial innerhalb des Halters (31) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (31) aus einer Vielzahl von aufeinanderliegenden Ringen (31a, 31 b, 31c usw.) besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Ringe abwechselnd breite und schmale Abschnitte gleicher Länge aufweist, daß die Aussparungen in den breiten Abschnitten und die Löcher (37) in den schmalen Abschnitten angeordnet sind und daß die breiten Abschnitte jeden zweiten Ringes übereinander liegen und in die schmalen Abschnitte benachbarter Ringe eingreifen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen