DE1953247A1

DE1953247A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Sublimation eines Halbleiterkristalls

Info

Publication number: DE1953247A1
Application number: DE19691953247
Authority: DE
Inventors: Yasushi Koga; Hirotsugu Kozuka; Shoji Tauchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1968-10-25
Filing date: 1969-10-22
Publication date: 1970-05-14
Also published as: FR2021568A1; JPS509471B1; US3682699A; DE1953247B2

Description

Patentanwalt·
DIpI.-Ing. S.Bsstzu.
Dipl.-Ing. Lamprecht

München 22, Stelnsdoifetr. 10

81-15.O46P(15.O47H) 22.lO.i969

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Verfahren und Vorrichtung zur Sublimation eines Halbleiterkristalls

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sublimation eines Halbleiterkristalls, insbesondere auf eine Verbesserung des Verfahrens zur gleichmäßigen Herstellung einer Epitaxialkristallschicht auf einer Halbleiterwaffel.

Es ist bekannt, daß man den Epitaxialkristall oft in der Halbleiterindustrie verwendet uüd daß der Kristall in den meisten Fällen durch Sublimation arhaltsn wird.

Obwohl der Äpitaxialkristall durch Wachstum aus der flüssigen Hiaee und auch durch Wachstum aus der Dampf- und llüssigkeitspliase erzeugt werden kann, läßt sich die Steuerung der Eristalleigeneohaften und der Dicke der Aufwachs schicht am genaueisten auf dem Wege der

81-Pos. 19.901-3JpJ¹ (8)

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Sublimation vornelinien. Auf Grund, der hohen Betriebswirksamkeit wird das Sublimationsverfahren zur Massenproduktion von Silizium angewendet, nach dem heutzutage eine große Nachfrage besteht,'

Nach diesem Sublimationsverfahren wird üblicherweise eine Halbleiterwaffel auf einem Graphithalter angeordnet und auf etwa 1200⁰O erhitzt. Dann wird ein gewünschtes Reaktionsgas thermisch zersetzt und/oder reduziert, wodurch eine Halbleiterkristallsehicht auf der Halbleiterwaffel niedergeschlagen wird.

Es ist jedoch schwierig, den Strom des Reaktionsgases zu steuern, damit er gleichmäßig auf die Halbleiterwaffel einwirkt. Keine genaue Erzeugung einer Kristallschicht mit einer gleichmäßigen Dicke auf der ganzen Waffel läßt sich zufriedenstellend durchführen.

Wenn eine Kristallschicht auf einer großen Zahl von Haibleiterwaffeln in einem einzigen Schritt erzeugt werden soll, um den Wirkungsgrad der Kristallsublimation zu steigern, ist es sehr schwierig, eine Kristallschicht mit gleichmäßiger Dicke auf jeder Waffel herzustellen.

Beim Anstieg der Nachfrage und Entwicklung von großen integrierten Schaltungsvorrichtungen und HochleistungSrelementen ging man dazu über, die Pläche der Halbleiterwaffel groß genug zn machen, um eine große Zahl von Halbleltereleinenten oder Sroßfläehenhalbleiterelemente aus einer einzelnen Waffel zu erhalten. Die Schwierigkeit, eine Kristallschicht lait einer gleichmäßigen Dicke auf der ganzen Oberfläche einär Halbleiterwaffel zu erzeugen, machte das genannte Problem wichtiger und wichtiger.

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Die Gründe für diese Schwierigkeit lassen sich auf die Tatsachen zurückführen, daß erstens das Reaktionsgas nicht in gleichmäßigen Kontakt mit der Waffel gebracht werden kann und daß zweitens bei einem seitlichen Strom des Reaktionsgases die Zusammensetzung des Gases variiert.

Der erste Grund hängt von der Gestalt des Reaktionsrohres und des Halters ab, während der zweite unvermeidlich ist, wenn das Reaktionsgas länge der Waffeloberf-läche bewegt wird.

Gemäß der häufigst verwendeten Form wird ein dünner Halter, auf dem eine Mehrzahl von Waffeln hintereinander angeordnet ist, in ein längliches und kreisq.uersch.nittförmiges Quarzreaktionsrohr eingesetzt. Man läßt das Reaktionsgas von einem Ende zum anderen durch *das Rohr strömen. Obwohl dieses Yerfahren in seiner Einfachheit vorteilhaft ist, da der mit den Waffeln bedeckte Halter nur in das Rohr eingesetzt zu werden braucht, neigt die Dicke der Kristallaufwachsschicht dazu, insbesondere in Abhängigkeit von der Längsrichtung des Reaktionsro/hres, d. h. der Richtung des Gasstroms nicht gleichmäßig zu werden.

Aus diesem Grunde ist es schweirig, eine große Zahl von Waffeln mit gleichmäßigen Epitaxialschichten gleichzeitig zu erzeugen. Mt anderen Worten ist die Zahl von Waffeln, die in einem Epitaxialwaehstumsschritt behandelt werden können, auf einige oder 10 Stück begrenzt. Eine große Ausrüstung und viel Personal sind erforderlich, um die große Produktionsnachfrage zu befriedigen.

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Andererseits wurde ein Verfahren zur Verwendung einer Irommelvorriclxtung vorgeschlagen, lach, diesem Verfahren wird eine große Zahl von Waffein in vielen 'Reihen auf der Außenmantelfläche eines zylindrischen Halters (Trommel) angeordnet und in ein Reaktionsrohr eingesetzt. Der Halter wird in dem Rohr gedreht, während man das Reaktionsgas von einem Ende des Halters zum anderen strömen läßt. Da bei diesem Verfahren die Waffeln durch die Umdrehung der Trommel quer zur Richtung des Reaktionsgasstroms bewegt werden, ist der Einfluß der Konvektion des Reaktionsgases geringer als bei dem davor geschilderten Verfahren, wo sich die Waffel im stationären Zustand befindet. Daher ist die gesamte Oberfläche der Yfaffel in gutem Kontakt mit dem Reaktionsgas, so daß die Aufwachsschicht auf der Oberfläche im wesentlichen gleichmäßig gebildet wird. Indessen ist es auch bei diesem Verfahren unmöglich, irgendeine Ungleichmäßigkeit, die längs des Reaktionsgasstroms auftritt, zu korrigieren.

Die Erfindung dient zur Überwindung der erwähnten Nachteile der bekannten Verfahren und sieht ein wirksames Verfahren vor.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, die Erzeugung einer Halbleiterkristallschicht von gleichmäßiger Dicke längs der Richtung des Reaktionsgasstroms durch epitaxiale Sublimation auf der Halbleiterunterlage zu ermöglichen. Außerdem soll auch die Dicke der erzeugten Aufwachsschicht quer zur Reaktionsgasstromrichtung gleichmäßig sein. Schließlich soll sich das Verfahren gemäß der Erfindung für die Massenproduktion eignen.

Gegenstand der Erfindung, mit der diese Aufgabe gelöst

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4Ä':k? SC i?£ÄD ORIGINAL

wird, ist ein Verfahren zur Sublimation eines Halbleiterkristalls auf einer Hauptoberfläche einer Halbleiterunterlage durch Erhitzen der Unterlage und Einführen eines ein Halbleitermaterial enthaltenden Reaktionsgases zwecks Strömung längs der Hauptoberfläche der Halbleiterunterlage, mit dem Kennzeichen, daß die Sublimation des Kristalls bei einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks vorgenommen wird.

Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, ein Reaktionsgas, das z. B. Siliziumhaiide enthiält,parallel und längs der Hauptoberfläche einer Halbleiterunterlage mit einem Druck unterhalb des Atmosphärendruckes strömen und so einen Halbleiterkristall gleichmäßig auf der Oberfläche der Halbleiterunterlage aufwachsen zu lassen.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

. 1 eine schematische Darstellung einer Kristallerz eugungs vorrichtung j

Fig. 2a und 2b eine Seitenansicht und einen Schnitt eines Halters zum Erhitzen der Halbleiterunterlage j

Fig, 3a und 3b eine Seitenansicht und einen Schnitt eines anderen Halters zum Erhitzen der Halbleiterunterlagej

Fig. 4, 5} 6a, 7, 8 und 9 Eigenschaftediagramaje aur Erläuterung der Versuchsergebnicse τοη Ausführungsbsispielen der Erfindung und

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Pig. 6b die Meßpunkte auf einer Epitaxialwaffel zum Erhalten der Meßwerte nach. Pig. 6a.

In Pig. 1, die eine schematisehe Darstellung einer Kristallerzeugungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, bezeichnen die Bezugsziffer ein Quarzreaktionsrohr mit einem inneren Durchmesser von 70 mm, die Bezugsziffer 2 eine Hoahfrequeozinduktionserhitzungsspule, die Bezugsziffer 3 einen Kohleträger oder -halter mit einer Tiefe von 15 mm, einer Breite von 60 mm und einer länge von 440 mm, die Bezugsziffer 4 eine Halbleiterunterlage (Waffel), die Bezugsziffer 5 ein Druckregulierventil, die Bezugsziffer 6 ein Absaugeregulierventil, die Bezugsziffer 7 ein Strömungsregulierventil, die Bezugsziffer 8 ein Yentil zum Betrieb des Quecksilbermanometers 16, die Bezugsziffern 9, 10 und 11 Richtungsänderungsventile, die Bezugsziffer 12 Siliziumtetrachlorid, die Bezugsziffer 13 Eis, die Bezugsziffer 14 flüssigen Stickstoff, die Bezugsziffer 15 eine Vakuumpumpe und die Bezugsziffer 17 einen Wasserstoffströmungsmesser.

Eine große Zahl von Halbleiterunterlagen 4 wird in einer Reihe längs der Richtung des Reaktionsgasstroms angeordnet, wie vergrößert in den Pig. 2a und 2b gezeigt ist. Pig. 2a ist eine Seitenansicht, während Pig. 2b einen Schnitt längs der Linie Hb-IXb darstellt. Ein anderer Halter, wie er analog in den Pig. 3a und 3b gezeigt ist, kana vorteilhaft zur Kassenproduktion von Waffeln vergeudet werden. Maser Halter B.at oine Höhe von 62 mm und eine Breite von 30 mm. Die Halbleiterunterlagen 4 werden in das Quarzreaktionsrohr 1 zusammen mit dem Halter 3 eingeführt und mittels einer Hochfrequenzerhitzungsspule 2 indirekt über den Halter 3 erhitzt.

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OflIÖfNAL

Zunächst läßt man Wasserstoff in das Reaktionsrohr einströmen. Die Vakuumpumpe 15 bewirkt einen Abfall des Drucks im Reaktionsrohr 1. Bann wird eine gasförmige Mischung von Wasserstoff und Siliziumtetrachlorid (wenn nötig, kann man außerdem ein geeignetes Dotiermittel zumischen) eingeführt. '

Io einzelnen wird der Wasserstoffdruck im Bereich von z. B. 1,5 at bis etwa 1 at mittels des Druckregulierventils (Entspannungsventils) 5 einjustiert, wobei eine genaue Regulierung der Strömungsmenge durch das Strömungs-' regulierventil 7 bewirkt wird. Der Druck des Wasserstoffs variiert die Strömungsgeschwindigkeit. Daher ist es wünschenswert, den Wasserstoffdruck auf einen konstanten Wert festzulegen. Die Mischung aus Trägergas (Wasserstoff) und Siliziumtetrachloridgas, deren Strömungsgeschwindigkeit durch das Strömungsregulierventil 7 bestimmt wird, wird in das Reaktionsrohr 1 eingeführt und über die Plussigstickstoffalle 14 durch die Vakuumpumpe 15 abgesaugt. Die Absauggeschwindigkeit wird durch das Absaugeregulierventil 6 eingestellt, wodurch der Druck im Reaktionsrohr 1 gesteuert wird. Wenn man den Eingangsdruck, der durch das Regulierventil 5 bestimmt wird, mit P_in> die Wasserstoffströmungsgeschwindigkeit, die · durch das Ventil 7 gesteuert und durch den Strömungsmesser angezeigt wird, mit :F_in und die Absauggeschwindigkeit des Gases im Rohr, die durch das Absaugeventil 6 gesteuert wird, mit Έ . bezeichnet, errechnet sich der Druck P im Reaktionsrohr, der durch das Manometer 16 angezeigt wird, wie folgt:

* = (VW · ^Pin.

Für P_1n = 760 mm Hg, F_1n = 20 l/Min und E_out - 70 l/Min ist z. B. P^ 220 mm

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Die Halbleiterunterlage 4 wurde auf etwa 1200⁰C erliitzt. Die Zusammensetzung des in das Reaktionsrohr eingeführten Gases wurde auf Siliziumtetrachlorid:Wasserstoff = 1 : 100 (Molverhältnis) festgesetzt. Die Eigenschaften bei der Kristallsublimation auf der Unterlage 4 wurden unter Berücksichtigung der Druckänderung im Reaktionsrohr gemessen.

In Pig. 4» die das Verhältnis zwischen der Wachstumsgeschwindigkeit und der Druckänderung im Rohr zeigt, erkennt man, daß die Wachstumsgeschwindigkeit sinkt, wenn der Druck gesenkt wird, und zwar ist die Wachstumsgeschwindigkeit nahezu proportional der Kubikwurzel aus dem Druck.

Pig. 5 zeigt die Kurve der prozentualen Schwankung der Dicke der Kristallaufwachsschicht auf einigen längs der Reaktionsgasstromrichtung angeordneten Waffeln, wenn eine große Zahl von Halbleiterunterlagen 4 hintereinander in Abständen von 4 cm auf dem Halter 3 angeordnet ist und das Reaktionsgas längs der Richtung der Anordnung eingeführt wird. In dieser Figur Entsprechen die Kurven 51, 52, 53 und 54 den Drücken 760 mm Hg, 680 min Hg, 330 mm Hg und 130 mm Hg. Etwa 10 cm von einem Ende des Halters in der Hahe des Gaseinlasses ist die Dicke der Aufwachsschicht auf jeder Waffel unabhängig vom Druck im wesentlichen gleichmäßig. Die Änderung der Dicke wird protentual ausgedrückt, wobei ein Wert für 10 cm Entfernung vom Gaseinlaß als Bezugswert angenommen ist. Man sieht, daß bei einem Abfall des Drucks die Dickenschwankung der Aufwacheschicht ebenfalls abnimmt und insbesondere bei unter 330 mm Hg innerhalb -20$ begrenzt ist.

Fig. 6a zeigt die Verteilung der Dicken der Wachstumsschicht auf mehreren längs der Reaktionsgasstromrichtung

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angeordneten Waffeln und die Schwankung der an mehreren Punkten auf der Hauptoberfläche der Unterlagen gemessenen Dicken.

Die Unterlagen 4 werden in einer Reihe in Abständen von 5 cm auf dem Halter 3 angeordnet, und man läßt das Reaktionsgas in Richtung der Anordnung einströmen. Die Reaktionsbedingungen (Erhitzungstemperatur und Gaszusaramensetzung) sind die gleichen wie die im vorbeschriebenen Pail. Die Reaktionszeit ist 15 Minuten. In Ug. 6a entsprechen die Kurven 61 und 62 Drücken von 760 mm Hg bzw. 133 mm Kg. Die Schwankung der Dicke der Aufwachsschicht wird an neun Punkten 63 auf der Hauptoberfläche der Halbleiterunterlage 64- gemessen.

Aus Pig. 6a und b ergibt sich offensichtlich, daß die Dickenschwankung der Aufwachsschicht mit einem Druckabfall im Reaktionsrohr nicht nur in Richtung des Gasstrorns, sondern auch in Querrichtung dazu vermindert werden kann.

Pig. 7 zeigt die Eigenschaftskurven, wenn die in den Pig. 3a und 3b dargestellten Halter verwendet werden.

In dieser Figur entsprechen die Kurven 71 und 72 Drücken von 760 bzw. 121 mm Hg. Die Reaktionsbedingungen (Erhitzungstemperatur und Gaszusammensetzung) sind die gleichen wie die im vorigen Pail. Die Reaktionszeit beträgt, 10 Minuten.

Aus Pig. 7 kann man entnehmen, daß, wenn der Druck im Reaktionsrohr nicht reduziert wird, die Dicke der Wachstumsschicht auf den in Längsrichtung des Reaktions~ gasstroma angeordneten Waffeln eine große Schwankungsbreits

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aufweist, daß diese jedoch durch eine Medrigdruckbehandlung stark vermindert werden kann.

Der Grund für die starke Schwankung "bei höherem Druck, wie sie durch die Kurve 71 demonstriert wird, ist wohl auf die Tatsache zurückzuführen, daß der Raum im Reaktionsrohr und daher das Reaktionsgas durch den Halter in zwei Teile aufgeteilt wird, so daß die verschiedenen Halbleiterunterlagen das aufgeteilte Gas berühren, wodurch der Verbrauch des Reaktionsgases erheblich wird, und auch darauf zurückzuführen, daß das Quarzrohr neben dem Halter 31 ebenfalls auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, so daß der Halbleiter auch auf der Innenwand des Reaktionsrohres unter Verbrauch von Reaktionsgas niedergeschlagen wird.

Pig. 8 zeigt die Yerteilung der PCB-Spannungen (Punktkontaktdurchbruchsspannung) der Aufwachskristallschichten auf mehreren Waffeln, die in Längsrichtung des Eeaktionsstroms angeordnet sind, und ihre Schwankung an mehreren Punkten der Hauptoberfläche der Waffel. Die Aufwachsschicht wird bei 130 mm Hg erhalten, und die Messungen werden nach der· in Fachkreisen gut bekannten PCB-Methode durcligeführt. Da der logarithmische Wert der PGB-Spannung und der Logarithmus des Widerstandes der Aufwachsschicht proportional zueinander sind, kann man aus den obigen Ergebnissen schließen, daß der Widerstand der Aufwachsschicht nur eine kleine Schwankung aufweist.

3?ig_c 9 zeigt die Abhängigkeit zwischen dem Druck im Reaktionsrohr und der Konzentration der Verunreinigung zur Bestimmung des Leitfähigkeitstyps, z. B. Konzentration - Dampf [SiCl^] - Dampf) einerseits und der

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PCB-Spannung andererseits. Wie diese Pigur zeigt, hat die Aufwachskristallschicht auch, bei einer Änderung des Drucks, wenn die zugeführte Terunreinigungskonzentration konstant ist, den gleichen Widerstand.

Wie die vorstellende Beschreibung zeigt, ist es erfindungsgemäß möglich., eine Epitaxialschicht von gleichmäßiger Dicke sowohl in IDängs- als auch in Querrichtung zum Strom des Reaktionsgases herzustellen, indem man die Kristallsublimation bei vermindertem Druck durchführt.

Da das Reaktionsgas, das in das Reaktionsrohr unter vermindertem Druck eingeführt wird, ausgedehnt wird, kann man die Menge des zuzuführenden Gases kleinhalten. Das Gas wird durch, die Vakuumpumpe abgesaugt und strömt schnell durch das Reaktionsrohr, so daß es nicht möglich ist, daß das Gas nur an den Waffeln in der Mähe des Gaseinlasses äußerst stark verbraucht wird.

Als Ergebnis kann man eine gute Verteilung der Dicke und des Widerstandes erzielen.

Diese günstigen Ergebnisse werden erreicht, wenn der Druck im Reaktionsrohr unter Atmosphärendruck gesenkt wird. Der Effekt ist am größten bei weniger als 350 mm Hg, insbesondere unterhalb 200 mm Hg, wie 3?ig. 5 zeigt.

Unter Berücksichtigung der in Pig. 4 dargestellten Wachsgeschwindigkeit ist es wünschenswert, den Druck oberhalb 100 mm Hg zu halten. Unterhalb 100 mm Hg tritt auf Grund des hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes der Hochfrequenzspule eine Entladungserscheinung auf, die eine Gefahr der Spreifung des Reaktionsrohres mit sich bringt.

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Bei verschiedenen Formen von Haltern und Reaktionsrohren bringt die vorliegende Erfindung einen einzigartigen Effekt. Obwohl die vorstehende Beschreibung nur den horizontalen Typ behandelt, ist es natürlich klar, daß sich die Erfindung auch bei einem Trommeltyp anwenden läßt.

Es ist festzustellen, daß bei einer Verwendung von Haltern nach den Pig. 5a und 5b die Anwendung der Erfindung besonders wirksam ist, wie Pig. 7 zeigt.

Obwohl die vorstehende Beschreibung nur auf den Fall eingeht, daß ein Einkristall epitaxial auf einem Siliziumgrundkörper aufwächst, läßt sich die Erfindung auch auf andere Fälle anwenden, in denen ein Polykrietall aufwächst oder in denen andere Kalbleitermaterialien, z. B. G-ermanium, verwendet werden. Auch ist das vorgeschlagene Verfahren bei der sogenannten Heteroepitaxie anwendbar. Das Reaktionsgas kann auch Monosilan oder Trichlorsilan usw. sein.

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Claims

Patentansprüche

i J/ Verfahren zur Sublimation eines Halbleiterkristalls auf einer Hauptoberfläohe einer Halbleiterunterlage durch Erhitzen der Unterlage und Einführen eines ein Halbleitermaterial enthaltenden Reaktionsgases zwecks Strömung längs der Hauptoberfläche der Halbleiterunterlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Sublimation des Kristalls bei einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß man den Kristall bei einem Druck unterhalb etwa 350 mm Hg aufwachsen läßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kristall bei einem Druck von etwalOO bis 350 mm Hg aufwachsen läßt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas Halide enthält und die Unterlage aus einem Siliziumeinkristall besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kristall bei einem Druck von etwa 100 bis 200 mm Hg aufwachsen läßt.
6. Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls durch Sublimation, gekennzeichnet durch ein Reaktionsrohr 1,

einen im Reaktionsrohr angeordneten Waffelhalter (3 bzw. 31) eine Mehrzahl von Halbleiterwaffeln (4 bzw. 41), die auf der Oberfläche des Halters angeordnet sind,

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Mittel (Ventile 7, 10) zum Zuführen eines ein Halbleitermaterial enthaltenden Reaktionsgases (12) in das Reaktionsrohr längs der Richtung der Anordnung der Waffeln,

Mittel (Induktionsspule 2) zum Erhitzen der Waffeln auf die Reaktionstemperatur des Reaktionsgases Und

Mittel (Ventile 11, 6j Pumpe 15) zum Absaugen des Reaktionsgases aus dem Reaktionsrohr, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des abgesaugten Reaktionsgases hijher als die des" eingeführten Reaktionsgases festgesetzt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (31) zwei Sehrägflächen aufweist, an deren jeder eine Mehrzahl von Waffeln (41) in einer Reihe angeordnet sind, und der Halter im Reaktionsrohr (1) so angeordnet ist, daß der Strom des zugeführten Gases längs der beiden Schrägflächen aufgeteilt werden kann.

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