DE1771529C3 - Verfahren und Ofen zum Abscheiden einer Substanz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden ίο einer Substanz auf ein Substrat, bei dem sich die Quelle für die abzuscheidende Substanz auf einer höheren Temperatur befindet als das Substrat und bei dem der Transport dieser Substanz von der Quelle zum Substrat durch ein Trägergas erfolgt.

Verfahren dieser Art, die aus der Literatur unter der Bezeichnung »Transportreaktionen« bekannt sind, werden heute beispielsweise in der Halbleitertechnologie zum Herstellen epitaktischer Schichten auf Halbleiterkörpern, aber auch zum Bedecken von Körperoberflächen mit polykristallinem Halbleitermaterial verwendet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zum Abscheiden einer Substanz auf ein Substrat zu verbessern. Die Erfindung besteht bei einem derartigen Verfahren darin, daß die Dicke der abgeschiedenen Substanz in Richtung des Temperaturgefälles durch eine zusätzliche Gasstiömung eingestellt wird, die entlang dieses Temperaturgefälles geleitet wird und weder mit der abgeschiedenen Substanz noch mit dem Substrat in Berührung kommt.

Der besondere Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß sich mit ihm Schichten auf Substraten erzeugen lassen, deren Dicke in einer Richtung auf besonders einfache Art auf einen gewünschten Verlauf eingestellt werden kann.

Es hat sich gezeigt, daß mit diesem Verfahren auch die Herstellung von Schichten mit einer absolut gleichbleibenden Dicke möglich ist, wie sie beispielsweise für Halbleiterschichten auf Substraten vielfach gefordert wird, so daß durch die Erfindung auch besonders das Abscheiden von epitaktischen Halbleiterschichten wesentlich vereinfacht und verbessert wird.

Die Bedingungen bei der Abscheidung, wie Menge des verwendeten Triigergases oder Höhe des Temperaturgefälles zwischen Quelle und Substrat, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unabhängig von dem gewünschten Verlauf der Dicke, mit der die Substanz das Substrat bedecken soll, eingestellt werden. Obwohl es bei dem Verfahren nach der Erfindung vom Prinzip her zunächst gleichgültig ist, ob die zusätzliche Gasströmung in Richtung abnehmender oder steigender Temperatur geleitet wird, hat es sich doch in der Praxis als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn diese zusätzliche Gasströmung in Richtung des Temperaturgefälles, also in Richtung abnehmender Temperatur, fließt und somit die gleiche Strömungsrichtung wie das Trägergas aufweist. Für die die Erfindung kennzeichnende zusätzliche Gasströmung eignen sich Gase und Gasgemische mit hoher spezifischer Wärme.

Die Verwendung von Stickstoff oder auch normaler Luft hat sich besonders bewährt, da sie eine einfache Durchführung des Verfahrens und einen relativ unkomplizierten Aufbau des für dieses Verfahren benötigten Ofens garantiert.

In Weiterführung des Erfindungsgedankens sei im folgenden ein derartiger Ofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Dieser Ofen besteht aus einem zumindest in zwei Zonen

unterschiedlich stark beheizten Ofenraum, in dessen starker beheizter Zone die Quelle für die abzuscheidende Substanz angeordnet ist und in dessen sehwacher beheizter Zone sich das Substrat befindet. Der Ofenraum ist bei diesem Ofen nach der Erfindung zumindest teilweise von einem zweiten Raum umgeben, durch den während der Abscheidung entlang des Temperaturgefälles, das im Ofenraum durch dessen unterschiedliche Beheizung herrsuit, ein Gasstrom geleitet wird, der somit erfindungsgemäß weder mit der abzuscheidenden Substanz noch mit dem Substrat in Berührung kommt. Die Menge des Gases, die je Zeiteinheit durch den den Ofenraum umgebenden Raum Ilicßt und die den Verlauf der Dicke der abgeschiedenen Substanz bestimmt, läßt sich dabei beispielsweise mit Hilfe eines Einstellventils variieren.

Als Ofenraum wird bei diesem Ofen nach der Erfindung zweckmäßigerweise ein Rohr verwendet, das beispielsweise aus Quarz besteht und durch eine auf seiner Außenwandung aufgebrachte Heizwicklung unterschiedlich stark beheizt wird. Im Gegensatz zu bekannten Öfen, die beispielsweise zum Abscheiden von Halbleitermaterial verwendet werden und bei denen der Ofenraum ebenfalls aus einem Rohr besteht, ist dieses mit der Heizwicklung versehene Rohr bei der Erfindung von einem Mantel aus wärmefestem Material derart umgeben, daß sich zwischen Rohr und Mantel der Raum für die Gasströmung ergibt. Der Mantel wird dabei das Rohr zweckmäßigerweise auf seiner gesamten Länge umgeben, wobei dann der Raum zwischen Mantel und Rohr .in beiden Rohrenden verschlossen ist und dort Stutzen zum Zu- bzw. Abführen des Gases vorgesehen sind.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Gasströmung entlang des Rohres und dabei vor allem auch entlang des von der Heizwicklung bedeckten Rohrteiles ist der Raum zwischen Rohr und Mantel durch zwei zusätzliche Wände aus porösem Material in drei räumlich voneinander getrennte Bereiche aufgeteilt. In den beiden äußeren Bereichen befinden sich dabei die Stutzen zum Zu- bzw. Abführen des Gases, während die Heizwicklung im mittleren Bereich angeordnet ist.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens besteht der Ofenraum ebenfalls aus einem Rohr. Dieses ist jedoch hier von einem zweiten Rohr derart umgeben, daß sich der Raum für die das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnende Gasströmung zwischen diesen beiden Rohren ergibt. Beide Rohre bestehen beispielsweise aus Quarz. Die Heizwicklung ist bei dieser Ausführung des Ofens nach der Erfindung auf die Auße;iwandung des äußeren Rohres aufgebracht, so daß beide Rohre von dieser Heizwicklung umgeben sind. Die Rohre sind dabei beispielsweise an einem Ende miteinander verbunden, so daß der Raum zwischen diesen Rohren an dieser Seite verschlossen ist. Die Zuführung des Gases erfolgt an dieser Seite über mindestens einen Stutzen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1,2 und 3 näher erläutert.

In den F i g. 1 und 2 ist zu diesem Zweck jeweils ein 'Xusführungsbeispiel für den Ofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, während die F: g. 3 den Temperaturverlauf innerhalb des Ofenraumes eines dieser in den 'Fig. 1 und 2 dargestellten öfen schematisch wiedergibt.

Die Fig. 1 zeigt einen Ofen, dessen Ofenraum I aus einem Rohr 2 besteht, das von einem Mantel 3, heisniekweise aus Metall, auf seiner gesamten Länge umgeben ist. Der Raum zwischen dem Rohr und dem Mantel ist an beiden Rohrenden durch die Wände 4 bzw. 5 verschlossen und durch die Wände 6 und 7 in drei voneinander getiennte Bereiche 8, 9 und 10 aufgeteilt. Die Wände 6 und 7 bestehen dabei aus porösem Material, beispielsweise einem porösen Ofenstein Während sich nun in den beiden äußeren Bereichen 8 bzw. iO jeweils ein Stutzen 11 zum Zu- bzw. Abführen drs durch den Raum zwischen Rohr und Mantel strömenden Gases befindet, ist im mittleren Bereich 9 die Heizwicklung 12 angeordnet. Durch diese Heizwicklung, die bei dem erfindungsgemäßen Ofen grundsätzlich zweckmäßigerweise als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet ist, wird beispielsweise der linke Teil des Ofenraumes stärkers beheizt als der rechte. Dies läßt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß die Heizwicklung auf ihrer linken Seite wesentlich mehr Windungen aufweist als auf ihrer rechten Seite oder dadurch, daß die Heizwicklung aus zwei Teilwicklungen besteht, von denen die linke mit einem höheren Strom beaufschlagt wird als die rechte.

In der stärker beheizten Zone des Olenraumes befindet sich, wie in der F i g. 1 dargestellt, die Quelle 13 für die Substanz, die au! das im rechten Bereich des Ofenraumes, der Ofenzone mit niedrigerer Temperatur, angeordnete Substrat 14 abgeschieden werden soll. Zum Transport der Substanz von der Quelle 13 zum Substrat 14 fließt durch den Ofenraum das Trägergas 15.

Eine weitere Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung zeigt die F i g. 2. Der Ofenraum 16 wird hier von dem Rohr 17 gebildet. Dieses Rohr ist von einem zweiten Rohr 18 so umgeben, daß der Raum 19 entsteht. An ihrem linken Ende sind beide Rohre miteinander verbunden, so daß der Raum zwischen den Rohren an dieser Seite verschlossen ist. Zur Zuführung des Gases isi hier ein Stutzen 20 vorgesehen. Außerdem weisen beide Röhren im Bereich ihrer linken Enden eine wulstförmige Verdickung auf, die in den Raum zwischen den Rohren hineinragt und ihn bis auf die schmale Öffnung 21 verschließt, die als ringförmig ausgebildete Düse eine gleichmäßige Gasströmung entlang der Außenwandung des Rohres !7 sicherstellt. Beide Rohre sind bei dieser Ausführungsform der Erfindung von der Heizwicklung 22 umgeben, die durch ihre besondere Ausbitdung wieder den linken Teil des Ofenraumes, in dem sich die Quelle 23 für die abzuscheidende Substanz befindet, stärker beheizt als den rechten Teil, in dem das Substrat 24 angeordnet ist. Für den Transport der Substanz von der Quelle zum Substrat ist der Ofenraum auch hier wieder von einem Trägergas 25 durchströmt.

Der lemperaturverlauf innerhalb des Ofenraumes eines der beiden in den F i g. I und 2 gezeigten öfen ist in der Fig. 3 schematisch wiedergegeben. In dem hier gezeigten Diagramm ist die Temperatur im Ofenraum, die mit ^bezeichnet ist, in Abhängigkeit des Abstandes d von dem linken Ende des als Ofenraum dienenden Rohres 2 bzw. 17 aufgetragen. Wie dem Diagramm zu entnehmen, steigt die Temperatur 7"von der linken Seite des Ofenraumes zunächst an, bis eine maximale Temperatur Γι erreicht ist. Nach einer Zone, in der die Temperatur nahezu konstant ist, fällt diese Temperatur dann mit zunehmendem Abstund dz.ur rechten Seite des Ofennuimes hin auf die Temperatur T₂ ab. Während nun die Temperaturen 71 und 7; im wesentlichen von der durch die Heizwicklung abgegebene Wärmeleistung bestimmt sind, läßt sich die Steilheit des Temperaturabfalles — in der F i g. 3 sind drei Übergänge a, £>und cvon der Temperatur Ti auf die Temperatur T₂ mit

verschiedener Steilheit gezeigt — durch die Menge des an der Außenwand des Ofenraumes vorbeiströmenden Gases einstellen.

Wenn auch der in der Fig.3 gezeigte Temperaturverlauf speziell auf die öfen der Fig. 1 und 2 bezogen wurde, so ist er doch, vor allem in seinem durch die zusätzliche Gasströmung einstellbaren Temperaturverlauf, typisch für öfen nach der Erfindung. Zur Aufnahme des Substrats dient bei allen diesen öfen diejenige Zone des Ofenraumes, in der die Temperatur von dem höheren Wert Ti auf den niedrigeren Wert T₂, beispielsweise von 850°C auf 750⁰C, abfällt, wobei dann insbesondere zum Abscheiden von Halbleiterschichten mit gleichmäßiger Dicke der Gasstrom außerhalb des Ofenraumes so eingestellt wird, daß der Temperaturübergang mit etwa 5°C/cm erfolgt. Die Quelle für die abzuscheidende Substanz wird bei diesen öfen möglichst dort angeordnet, wo die Temperatur im Ofenraum ihr Maximum erreicht.

Epitaxieverfahren dienen in der Halbleitertechnik zur Abscheidung einkristalliner Halbleiterschichten, die hinsichtlich ihrer Reinheit und Kristallperfektion nicht durch Epitaxie hergestellten Halbleitern überlegen sind.

Deshalb werden die Halbleiterbauelemente heute bevorzugt in eine epitaktische Schicht eingebracht, die sich auf einen Halbleiterkörper als Substrat befindet. In den meisten Anwendungsfällen erfolgt die epitaktische Abscheidung aus der Gasphase.

Zur Durchführung des Epitaxieverfahrens werden im allgemeinen horizontale oder vertikale Reaktionsrohranordnungen verwendet, bei denen das abzuscheidende Produkt in Dampfform mittels einer Trägergasströmung von einer Epitaxiequelle über das Substrat, auf dem die Halbleiterschicht epitaktisch abgeschieden werden soll, geleitet wird. Befindet sich das im allgemeinen aus einem Halbleiterkörper bestehende Substrat in einer Zone konstanter Temperatur, so entsteht eine keilförmige epitaktische Schicht, weil der Sättigungsgrad des Dampfes in Strömungsrichtung abnimmt. Eine gleichmäßig dicke epitaktische Schicht erhält man dagegen, wenn ein konstanter Sättigungszustand des Dampfes in Strömungsrichtung vorhanden ist, Diese Bedingung erreicht man durch eine zusätzliche Gasströmung, die entlang des Temperaturgefälles geleitet wird und für eine gleichmäßige Abscheidung der abzuschaltenden Halbleitersubstanz sorgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

1. Patentansprüche:

   !. Verfahren zum Abscheiden einer Substanz auf ein Substrat, bei dem sich die Quelle für die abzuscheidende Substanz auf einer höheren Temperatur befindet als das Substrat und bei dem für den Transport der Substanz von der Quelle zum Substrat ein Trägergas verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der abgeschiedenen Substanz in Richtung des Temperaturgefälles durch eine zusätzliche Gasströmung eingestellt wird, die entlang dieses Temperaturgefälles geleitet wird und weder mit der abzuscheidenden Substanz noch mit dem Substrat in Berührung kommt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der abgeschiedenen Substanz entlang des Temperaturgefäiles durch eine Gasströmung eingestellt wird, die in Richtung abnehmender Temperatur geleitet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der abgeschiedenen Substanz durch einen Luft-Wasserstoff- oder Stickstoffstrom eingestellt wird.
4. 4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Abscheiden von Halbleitermaterial auf ein Substrat.
5. 5. Ofen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß ein zumindest in zwei Zonen unterschiedlich stark beheizter Ofenraum vorhanden ist. und daß dieser Ofenraum zumindest teilweise von einem Raum umgeben ist, der von dem Gasstrom durchflossen wird.
6. 6. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenraum von einem Rohr, beispielsweise Quarzrohr, gebildet wird, das durch eine auf seiner Außenwand aufgebrachte Heizwicklung unterschiedlich stark beheizt wird, und daß dieses mit der Heizwicklung versehene Rohr von einem Mantel aus wärmefestem Material, beispielsweise aus Metall derart umgeben ist. daß sich zwischen Rohr und Mantel der Raum für die Gasströmung ergibt.
7. 7. Ofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel das Rohr auf seiner gesamten Länge umgibt, und daß der Raum zwischen Rohr und Mantel an beiden Rohrenden verschlossen ist und dort Stutzen zum Zu- bzw. Abführen des Gases vorgesehen sind.
8. 8. Ofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Rohr und Mantel durch zwei zusätzliche Wände aus porösem Material in drei voneinander getrennte Bereiche aufgeteilt ist, und daß dabei im mittleren Bereich die Heizwicklung und in den beiden äußeren Bereichen jeweils zumindest ein Stutzen zum Zu- bzw. Abführen des Gases vorgesehen ist.
9. 9. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Ofenraum dienendes Rohr von einem zweiten Rohr derart umgeben ist, daß sich zwischen beiden Rohren der Raum für die Gasströmung ergibt.
10. 10. Ofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beide Rohre von der Heizwicklung umgeben sind.
11. 11. Ofen nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß beide Rohre an einem Ende miteinander verbunden sind, so daß der Raum zwischen ihnen an einer Seite verschlossen ist, und daß an dieser Seite wenigstens ein Stutzen für die Zuleitung des Gases in dem Raum zwischen den beiden Rohren vorhanden ist.