DE1900116C3 - Verfahren zum Herstellen hxxochreiner, aus Silicium bestehender einkristalliner Schichten - Google Patents

Verfahren zum Herstellen hxxochreiner, aus Silicium bestehender einkristalliner Schichten

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen hochreiner, aus Silicium bestehender einkristalliner Schichten mit oder ohnt. Dotierungszusätzen auf einem scheibenförmigen Substratkörper, dessen kristalline Struktur freigelegt ist, durch thermische Zersetzung von mit einem Trägergas vermischtem Dihalogensilan der Formel SiH2X2, wobei X = Chlor, Brom, Jod bedeu.et
Bei dem bekannten Verfahren zum Herstellen einkristallinen Halbleitermaterials, insbesondere von Silicium, durch Abscheiden aus ier Gasphase und epitaktisches Aufwachsen auf einem erhitzten Substratkörper geht man so vor, daß ein kristalliner Substratkörper, dessen Struktur durch geeignete Vorbehandlung, z. B. durch Ätzen, freigelegt ist, auf eine Temperatur erhitzt wird, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Maximalabscheidung des Halbleiterstoffes bei der -to gewählten Zusammensetzung des Reaktionsgases auf dem Substratkörper erfolgt. Das Reaktionsgas un,-strömt dabei die Oberfläche des Trägerkörpßrs vorzugsweise turbulent. Die Beheizung des Substratkörpers erfolgt bei diesem Verfahren durch direkten Stromdurchgang, durch Hochfrequenz oder durch Strahlung. Durch die Temperaturverteilung im Substratkörper wird eine gleichmäßige Ausbildung der einkristallinen Aufwachsschichten erzielt. Um zu erreichen, daß die aufgewachsene Schicht möglichst fehlerfrei ist, muß als Substratkörper ein Material verwendet werden, dessen Reinheit sehr hoch ist. Sonst findet eine starke Diffusion der Verunreinigungen aus dem Substratkörper in die aufgewachsene Schicht statt. Diese störende Diffusion aus dem Substratkörper in die « Aufwachsschicht legt es nahe, mit möglichst niedriger Temperatur /u arbeiten
Es ist bekannt, solche Abscheidungen im Hochvaku um vorzunehmen. Diese Methode ist oft technisch schwierig durchzuführen und mit erheblichem Zeitaufwand verbunden
Aus einer Veröffentlichung von Frieser (»J. Eleclrochem, Soc.« 115, 401 [1968]) ist bekannt, Hexachlorsilan (Si2Cl6) durch Fotolyse Unter Bildung orientierter Siliciumschichten zu zersetzen, M
Die Vorliegende Erfindung betrifft eine andere Darstellungsweise für einkristalline Siliciumschichten und schlägt vor, daß der Subslfatkörper durch Infrarotbestrahlung von unten und durch Ultraviolettbestrahlung von oben in einem vorgegebenen Muster auf Temperaturen zwischen 600 und 10000C, erhitzt wird. Diese Methode hat gegenüber der bekannten Methode von F r i e s e r den Vorteil, daß die Ausgangsverbindungen sich unter Bildung von aKtivem Wasserstoff an der Phasengrenzfläche zersetzen und auch leichter rein darzustellen bzw. zu reinigen sind (insbesondere von sauerstoffhaltigen Verbindungen), was für die Qualität der abgeschiedenen Siliciumschichten von großer Bedeutung ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Dihalogensilan durchgeführt Ein weiterer Vorteil gegenüber dem von F r i e s e r verwendeten Hexachlorsilan ergibt sich dadurch, daß der geringere Halogengehalt pro Si-Atom eine größere Variationsbreite in der Wahl des Trägergases und der Temperatur mit sich bringt.
Die Erhitzung wird zweckmäßigerweise von einem UV-Strahler bzw. UR-Strahler außerhalb des Reaktionsraums bewirkt.
Es ist vorgesehen, die thermische Zersetzung der Silanverbindung in einer Edelgasatmosphäre durchzuführen. Speziell bei Verwendung einer Edelgasatmosphäre tritt eine günstige Beeinflussung der Reaktion durch Fotoneneinwirkung ein. Dadurch ist das Verfahren nach der Lehre der Erfindung besonders gut geeignet für ein selektives epitaktisches Aufwachsen ohne vorheriges Aufbringen einer Maskierung.
Die zum gebietsweisen Aufheizen des Substratkörpers dienende Strahlung kann durch optische Systeme, gegebenenfalls über Blenden, auf bestimmte Stellen des Substratkörpers konzentriert werden. Es ist aber ebenso möglich, zum Aufheizen bestimmter Oberflächenbereiche Laserstrahlung, gegebenenfalls nach dem Rasterverfahren zu verwenden.
Die Maßnahme des gebietsweisen zusätzlichen oder ausschließlichen Beheizens nach der Lehre der Erfindung ergibt völlig neue Möglichkeiten für die Anwendung des Epitaxieverfahrens. Erhit. ( man z. B. bestimmte Bereiche auf der Oberfläche des Substratkörpers mit Hilfe optischer Mittel über die mittlere Temperatur des Substratkörpers, so kann man erreichen, daß an den heißeren oder optisch angeregten Partien Material abgeschieden wird, ohne daß man genötigt wird, eine Maske aus einem Fremdstoff zu verwenden. Fremdstoffe in der Nähe der abzuscheidenden Schicht bringen immer die Gefahr der Verunreinigung des Halbleiters der aufgewachsenen Schicht mit sich. Man kann auf diese Weise Muster und Figuren, wie sie bei der mehrfachen Herstellung von Transistorsystemen und Festkörperschaltkreisen gebraucht werden, herstellen.
Zweckmäßigerweise wird der Substratkörper vor der thermischen Zersetzung der Silanverbindung einer Oberflächenbehandlung durch Einwirkung von Schwefelhexafluorid (SFf.) in Edelgasatmosphäre bei Temperaturen zwischen 500 und 800° C unterzogen. Dadurch wird die Kristallqualität der abgeschiedenen Schicht bzw Schichten mit der bei höheren Temperaturen erzielten vergleichbar.
Die thermische Zersetzung der Silanverbindung läßt sich auch bei vermindertem Druck, vorzugsweise in einem dynamischen Vakuum von lO-3 bis 1 Torr, durchführen. Dabei muß natürlich die Reaktionslemperatur den Druckverhältnissen entsprechend angepaßt werden.
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise für die Herstellung von SiliciunvHaibleilerbauelementen, insbesondere Von
solchen mit scharfen pn-Übergängen, wie beispielsweise Kapazitätsdioden, Eine weitere Anwendungsmöglichlceit ergibt sich für Anordnungen im Sinne des Metall-Basis-Transistors mit Silicium aiii Grundmaterial.
Nähere Einzelheiten gehen aus dem anhand der Figur beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel hervor.
In der Figur ist eine Anordnung zur Herstellung eptaktischer Aufwachsschichten auf scheibenförmigen Substratkörpsm schematisch dargestellt. Die in einem Verdampfergefäß 1, welches in einem Temperaturbad 2 untergebracht ist und auf -30°C gehalten wird, befindliche Silanverbindung der chemischen Zusammensetzung S1H2X2, wobei X Chlor, Brom oder Jod bedeutet, wird mit dem aus einem Vorratsgefäß 3 stammenden Wasserstoff, Argon oder Helium, welches frei von Sauerstoff und Wasserdampf sein muß, vermischt und gelangt in den Reakiionsraum 4 aus Quarz. Das Mischungsverhältnis der gasförmigen Komponenten kann durch Betätigen der Hähne 5,6 und 7 eingestellt und variiert werden (Ströimungsgeschwindigkeit im Bereich von 100 bis 500 l/h). Außerdem läßt sich die Menge der verdampfenden Sila.':verbindung durch die Wahl der Temperatur des Verdampf erbades 2 variieren. Durch eine Zweigleitung β und den Zuleilungshahn 9 ist die Möglichkeit gegeben, vor der thermischen Zersetzung eine Oberflächenbehandlung des Substratkörpers 15 mittels des aus dem Vorratsbehälter 10 stammenden Stickstofftrifluorids durchzufüh
Das Reaktionsgasgemisch, welches über die Hauptleitung 11 in den Reaktionsraum 4 gelangt, wird nach erfolgter Umsetzung durch die Auslaßöffnung 12 bei Offenstellung des Hahnes 21 aus dem Reaktionsraum entfernt. Die thermische Zersetzung bzw. die Umsetzung des Reaktionsgases erfolgt an der auf der von unten durch einen Infrarotstrahler 13 beheizten planparallelen Quarzplatte 14 aufliegenden Siliciumkristallscheibe 15. Die Temperatur des aus der Siliciumkristallscheibe 15 bestehenden Substratkörpers kann dabei bequem durch die planparallele Quarzplatte 14 pyrometrisch beobachtet werden. Durch den Infrarotstrahler 13 wird eine Temperatur des Substratkörpers von 8000C für die Gasätzung eingestellt. Die auf diese Temperatur erhitzte Oberfläche des Substratkörpers 15 win. dann auf 600°C abgesenkt und mit Hilfe eines UV-Strahlers 16 in bestimmten Bereichen (in der Figur nicht dargestellt) unter Verwendung einer Blende 17 optisch aktiviert bzw. auf Temperaturen hi- zu 1000° C erhitzt, so daß nur dort eine Abscheidung von Silicium stattfindet und somit auf dem Substratkörper 15 ein Muster entsprechend der eingestrahlten Energie entsteht. Die UV-Strahlung tritt durch eine plangeschliffene Quarzplatte 18 in den Reaktionsraurn 4 ein. Die von den Strahlungsquellen 13 und 16 ausgehenden Pfeile 19 und 20 sollen die Richtung der Energieeinstrahlung anzeigen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen hochreiner, aius Silicium bestehender einkristalliner Schichten mit oder ohne Dotierungszusätzen auf einem scheibenförmigen Substratkörper, dessen kristalline Struktur freigelegt ist, durch thermische Zersetzung von mit einem Trägergas vermischtem Dihalogensilan der Formel SiH2X2, wobei X = Chlor, Brom, Jod bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratkörper durch Infrarotbestrahlung von unten und durch Ultraviolettbestrahlung von oben in einem vorgegebenen Muster auf Temperaturen zwischen 600° C und 1000° C erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Strahlung durch optische Systeme auf bestimmte Stellen des Substrates konzentriert wird.
20
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