DE2110289A1 - Reaktor und Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit Hilfe dieses Reaktors - Google Patents
Reaktor und Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit Hilfe dieses ReaktorsInfo
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Description
•'-- -"fnscjisor ■
Anmeider: N. V. f:.;.,.:, J LLOEiLAaPENFABRIEKEN Va/RV·
Anmeider: N. V. f:.;.,.:, J LLOEiLAaPENFABRIEKEN Va/RV·
Akfe: PHN- 4680
Anmeldung vom« 3.3,71
Anmeldung vom« 3.3,71
Reaktor und Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit
Hilfe dieses Reaktors.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor zuai Durchführen
eines Vorgangs, bei de« ein Gasstrom und mindestens ein Substrat verwendet werden, welcher Reaktor ein langgestrecktes Rohr enthält und
mit einer Vorrichtung zum Erhitzen des Substrats über einen Suszeptor
versehen ist, wobei die Temperatur des Suszeptors die Umgebungstemperatur
übersteigt, während der Reaktor waiter Glieder enthält, mit deren Hilfe
der Gaeatroa in der Längsrichtung durch das Rohr hindurchgeleifcefc werden
kann,
Sin derartiger Reaktor ist a,B. aua dar Halblsitsi?iechnik
bakanni ηηά wird a,B, sua Durchführen ^οά VorgUn^en v^rv-andai, ü.Ü. ztm
iiiedarao-hlagen ven iialbloitorsiab'arial aua sind» ü-aaatrosi o.uf οϊμά Halbin
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1 0 ;) 3 :Ui / 1 S S i BAD
-2- PHN, 4680.
leitersubstraten ait eine« gasförmigen Aetsaittel oder zum Umwandeln
einer Halbleiteroberfläche in ein Nitrid oder ein Oxyd Bit Hilfe eines Gasstromes.
Der Suszeptor wirkt bei Verwendung eines solchen Reaktors
als Wärmequelle für das Substrat und bietet ia Vergleich zu einer ausserhalb
des Rohres liegenden WXmequella den Vorteil, dass das Rohr eine
niedrigere Temperatur aufweist und sogar gekühlt werden kann, wodurch unerwünschte Ablagerungen auf der Wand des Rohres vermieden werden können
und die verlangten Vorgänge auf dem Substrat oder in dessen Nähe vor eich
gehen,
Ein derartiger Reaktor ist z.B. aus einem Artikel von
E.F,Gave und B.R. Czorny in "RCA Review", Bd 24, S, 523 - 545 (1965)
bekannt.
Dieser Reaktor bestand aus einem langgestrecktan waagerechten
Rohr, das mit einer Vorrichtung versehen war, die eine Hochfrsquenz-Induktionsspul-i
zum Erhitzen eines Susaeptors aus einen für induktive
Erhitsung geeigneten Material enthielt, auf welcham Suszeptor einkristalline
SubBtrat'3 aus Halbleitermaterial angeordnet waren. Die Erhitzung der Substrata erfolgte in sinea Gasstrom. Das Rohr war mit Gasanachlüsssn
aum Hindurehleiten des Gasstromes in dar Längsrichtung den
Reaktors versehen. Aua dam Gasstrom wurde auf den Substraten durch
Reaktion Halbieiiarraafceriai «pitaktisch niedergeschlagen,
Bai bjkizmSan Reaktoren wurde Material in einea Tail da3
au ni3J^rgoaehiix:;«:*, lav aLun konei-^stisn Qua^u^hnitt hatts, Ltu--
•nzL-i^u In α iiainsjil 4ui'3 laaa auj -12a iiad^iroa -it?" ^n
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OfHGtNAL
-3- PHN. 4680.
aus den Substraten und den darauf niedergeschlagenen Schichten hergestellt
werden, beeinträchtigt werden. In der Richtung des Gasstromes gesehen,
nimmt die Dicke der niedergeschlagenen Schicht ab. Dies trifft sowohl fflr
die einzelnen Substrate als auch beim Vergleich verschiedener Substrate zu.
Es ist bekannt, zur Verbesserung der GleichnSssigkeit der
Dicke der niedergeschlagenen Schicht die Substrate auf einem in bezug auf die Achse des Rohres geneigten Suezeptor anzuordnen« (Siehe z.B. den
Artikel von S.E.Mayer und D.E. Shea in "Journal Electrochemical Society", Bd 11, S. 550 - 556 (1964). Diese Gleichmässigkeit hangt mit einer zunehmenden
Geschwindigkeit des Gasstromes bei einer abnehmenden Konzentration en niederzuschlagendem Material in diese» Strom zusammen. Ein Nachteil
eines geneigten Suszeptors besteht aber darin, dass, wenn sich dieser
Suszeptor nicht besonders gut an die Wand des Rohres enschlieeßt, (»ae zu
der Unterseite dec Suszeptors entweichen kann. Dieser Nachteil läset sich
schwer vermeiden, inebeßondere wenn d&e Hiederechlagen bei hoher Temperatur
erfolgt, was häufig der Fall ist, und weil infolge eines.Unterschiedes
zwischen den Ausdehnungskoeffizienten deo Materielle clee Suezeptore und des
Materials des Rohres der-Anschluss dee SuEicptors an die Wand des Rohres
bei dieser hohen Tecperatur sehr schlecht sein kenn, /,ueeerdem det bei der
Umgebungstemperatur ©iß SpielreuK zwischen der Vend acc Hehren und dem
Susseptor notwendig, dcett der Ey«?eptor unbehindert in dee Hohl- hinein»
und aus &βκ Bahr herauGgeeehofeen t-eröen lrftnn·
ge- dee erwEhatei; cchlechten /iftEclilvpcer vird
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10 9 8 3 9 / 1 Π % 1 BAD ORlGlMAL
-4- ' PHN. 4680.
Der obenerwähnte Vorgang bei geneigten und nichtgeneigten Suszeptoren vollzieht sich nicht nur beim Niederschlagen von Material,
sondern z.B. auch bein Entfernen von Material von Substraten, z.B. beim Aetzen mit einem gasförmigen Aetzmittel« Während des Aetζvorgange weist
das Substrat gleichfalls einen unerwünschten Verlauf der Dicke auf.
Die Erfindung hat u.a. zum Zweck* die beschriebenen Nachteile
zu vermeiden.
Der eingangs erwähnte Reaktor ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnett dass wenigstens der Teil des Rohres, in dem der Vorgang
durchgeführt wird, - in der Richtung des Gasstromes gesehen - einen sich
verjüngenden Querschnitt hat.
Der Reaktor nach der Erfindung bietet den Vorteil, dass die
Streuung der Dicke des niedergeschlagenen Materials - in der Richtung des
Gasstromes und quer? zu dieser Richtung gesehen - wenigstens in erheblichem Masse· herabgec-·."-.-:■■·* wird.
Ia Reaktor κ;:J der Erfindung sind vorzugsweise Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe Substrate während des Vorgangs kontinuierlich durch
den Reaktor bewegt werden.
Derartige Mittel können z.B. durch eine Schiebevorrichtung gebildet werden, mit deren Hilfe kontinuierlich Substrate auf Suszeptoren
durch ein waagerechtes Rohr geschoben werden.
Bei kontinuierlichem Betrieb mit geneigten Suszeptoren würden ungünstige Ergebnisse erzielt werden, weil die Diskontinuitäten zwischen
aufeinander folgenden Suszeptoren unerwünschte Störungen des Strömungsprofiles sit sich bringen würden.
Man könnte bemerken, dass Schichten gleiokmässiger Dicke
such in eiaes H©hr erhalten werden, bei des der Teil, in dem der Vorgang
109839/1581
-5- PHN.· 4680.
durchgeführt wird» in der Längsrichtung einen konstanten Querschnitt hat,
vorausgesetzt) dass kontinuierlich gearbeitet wird.
Im letzteren Falle ist jedoch» wenn z.B. Halbleitermaterial
mit einer bestirnten Konzentration an dotierenden Verunreinigungen auf
Substraten niedergeschlagen werden ausa, die Wahl dieser Verunreinigungen
besonders kritisch. Die Konzentration der Verunreinigung in niedergeschlagenen Material ist nämlich oft von der Geschwindigkeit abhängig, Bit
der das Halbleitermaterial niedergeschlagen wird.
Dies wurde bedeuten» dass bei kontinuierliches Setrieb eines
Reaktors mit einem Rohr konstanten Querschnittes die Verunreinigung nicht homogen in der niedergeschlagenen Schicht verteilt wird, weil die Niederschlagsgeschwindigkeit nicht konstant ist, was oft ungünstig ist. Dagegen
kann bei kontinuierlichem Betrieb eines Reaktors mit einem Rohr mit einem sich in Richtung des Gasstromes verjüngenden Querschnitt die Verunreinigung wohl homogen in der niedergeschlagenen Schicht verteilt werden, weil
die !Tiederschlagageschwindigkeit konstant gehalten werden kann. Sie konstante Kiedersehlagsgeachwindigkeit wird u.a. durch eine zunehmende lineare
Geschwindigkeit des Gasstromes bei einer abnehmenden Konzentration in diesem Strom an niederzuschlagendem Material erhalten.
Mit kontinuierlich betriebenen Reaktoren wird eine bedeutend höhere Ausbeute an Substraten, auf denen Material niedergeschlagen ist,
als mit diskontinuierlich betriebenen Reaktoren erzielt, weil die Anheizung kontinuierlich betriebener Reaktoren nur einmal zu erfolgen
braucht, während bei diskontinuierlich betriebenen Reaktoren bei jeder Charge angeheizt und abgekühlt werden muss.
Insbesondere wird bei einem Beaktor nach der Erfindung, der
ein Rohr mit quer zu der Längsrichtung einem praktisch rechteckigen
109I3S/1
-6- PHN. 4680.
Querschnitt enthält, von welchem Rechteck - in der Richtung des Gasstromes
gesehen - zwei waagerechte Seiten eine praktisch konstante Lange haben
und die Länge der beiden senkrechten Seiten nahezu proportional mit der
Länge des Rohres abnimmt, wodurch die Verlängerungen der oberen und der
unteren Fläche des Rohres einen Winkel (γ) miteinander einschliessen,
eine befriedigende Regelung der Dicke des niedergeschlagenen Materials erhalten.
Silicium durch thermische Zersetzung von Silan liegt vorzugsweise zwischen
0,03 und 0,06 und bei Ablagerung durch Reduktion von Trichlorsilan (SiHCl-)
ait Wasserstof vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,05 und bei Ablagerung
durch Reduktion von Siliciumtetrachlorid (SiGl.) vorzugsweise zwischen
0,00^ und 0,02.
Sis Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur
Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem in einem Reaktor nach der
Erfindung ein Vorgang durchgeführt wird, bei dem ein Gasstrom und mindestens ein erhitztes Substrat verwendet warden, welches Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, dass die
erfüll-'** ^i^d, vob«i
a*i@s Sruck b©is Einführen in den Teil fies Rohr·«, in dem der Vorgang
durchgeführt" wirdι
Τ. κ die ^apcs&tur des Substrats in *K;
» CLs T@ap@?atur d®e 3&s«s in *¥. ic dem Teil das Rohres t in dem der
wird;
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-7- PHN. 4680.
b « der Abstand in ca zwischen des Susseptor und der oberen FlSehe des
Beak tore beim Einführen in den Teil des Rohresf in dem der Vorgang1 durchgeführt wirdf und
Ώ ' der Diffusionskoeffizient in cmz/sek der Verbindung in den Gasstrom,
die die Geschwindigkeit des Vorgange bestimmt.
Wenn die obenerwähnten Faktoren, die in erheblichem Masse
die Dickenstreuung bestimmen, auf diese Weise aneinander angepasst werden,
geht der Vorgang gleichaassig vor sich»
JSs sei bemerkt, dass der Wert des Biffusionskoeffizienten;
der In diesem Falle verwendet wird, von dem für die gleiche Verbindung in
der Literatur angegebenen Wert abweichen kann. Dies ist darauf zurückzufShreEj dass T4, und T„ oft sehr verschieden sind, wodurch neben Diffusion
unter äem Einfluss eines Konzentr&tionsunterschledes auch die B'rscheinung
ο 4
heim Ifiederschlages v^sa Silicium durch thenaische Zersetzung angewandt
wirdtr O92 cm2/sek, während die beim Niederschlagen von Silicium durch
ο 3 4
7 10-7
Eine konstante Konsentration einer etwa vorhandenen dotierenden Verunreinigung wird erhalten, wenn nach einer bevorzugten Ausführungsfora der Erfindung die Substrate wahrend des Niederschlagvorgangs kontinuierlich durch das Rohr bewegt werden.
Die Erfindung besieht sieh auch auf eims. durch das erfindungsgemäese Verfahren hergestellte Halbleiteranordnung.
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-8- ' PHN. 4680.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnung und einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des Reaktors nach der Erfindung, und
Fig. 2 echematisch einen Llngsschnitt durch eine zweite Ausführung·for« des Reaktors nach der Erfindung.
Beispiel I
Fig. 1 zeigt einen Reaktor 1 sub Niederschlagen von Material
aus einem Gasstrom. Der Reaktor 1 enthält ein langgestrecktes Rohr 2 Bit
eines nahezu rechteckigen Querschnitt quer zu der Längsrichtung und ist mit einer Vorrichtung in Form einer Hochfrequenz-Induktionsspule 5 zum
Erhitzen einer Anzahl von Substraten 4·Versehen. Der Reaktor ist weiter
mit nicht dargestellten Gliedern versehen, mit deren Hilfe ein Gasstrom in Richtung der Pfeile 5 durch das Rohr 2 hindurchgeleitet werden kann.
Ein Teil 6 des Rohres, in dem Material niedergeschlagen wird, weist - in der Richtung 5 des Gasstromes gesehen - einen sich verjüngenden Querschnitt auf, derart, dass - in der Richtung des Gasstromes gesehen - zwei
waagerechte Seiten des rechteckigen Querschnittes eine praktisch konstante Länge haben und die Länge der beiden senkrechten Seiten nahezu proportional
mit der Länge des Rohres abnimmt.
Die Substrate 4 befinden sich während der Erhitzung auf einem Suszeptor 7» der z.B. aus Graphit besteht und von dem z.B. im Reaktor 1
durch Behandlung in einem eine geeignete Silioiumverbindung enthaltenden Gasstrom eine Oberflächenschicht in Siliciumcarbid umgewandelt wird.
Der Suszeptor 7 i*t - in der Längsrichtung des Rohres gesehen - zwischen zwei Quarz·Zusatzstücken 8 und 9 eingeschlossen und
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-9- . PHH. 4680.
sohliesst sich weiter an die vorstehenden Winde dea Rohres an.
Der Suszeptor hat z.B. eine Lange von 60 ca, eine Breite von
16 cm und eine Sicke von 1 ca. Auf solchen Susseptoren können in der Längsrichtung elf Siliciumsubstrate mit eines Durchmesser von 5 cm und in der
Breitenrichtung drei Substrate (insgesamt 33 Substrate) angeordnet werden.
Eine übliche Sicke solcher Substrate ist 200 - 250/te·
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung,
bei dem ein Reaktor der obenbeschriebenen Art verwendet wird, wird z.B.
aus einem Wasserstoffstrom mit 0,1 Vol.96 SiH. Silicium epitaktisch nieder-
geschlagen. Dabei ist Vq « 50 em/sec, tgy» - 0,045» Tg - 135O#K, TM - 700"K1
b ■ 5 cm und S · 0,20cm2/see.
Sie Beziehung!
V«2 Ψ
ToTMb°»5S 1»5
SM ο
-7
betragt unter diesen Bedingungen 5t4 · 10 .
Sie Geschwindigkeit, mit der Material niedergeschlagen wird,
betrügt durchschnittlich 0,4 A*/min, wahrend die Sickenstreuung über die
Länge des Suszeptors weniger als +. 2 # betragt.
Eine gleiche Hiedervchlaggeschvindigkeit und eine gleiche
Sickenstreuung werden mit eine» Wasserstoffstrom mit 0,2 ToI. 1>
SiHCl,, V0- 70 cm/sec, \g*f - 0,025t Tg - 1500*K, TM - 900*K,
b ■ 3 cm, D -0,10 cm2/see und
.6.10-7
ToTMb°»5B
SnO
erhalten.
Beispiel II
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-10- PHK. 4680.
Reaktors 1 nach der Erfindung, der sich darin von dem der ersten Ausführungsform unterscheidet, dass nicht dargestellte Mittel Torgesehen
Bind, ait deren Hilfe Substrate 4 beim Niederschlagen von Material konti-_
nuierlich duroh den Reaktor 1 bevegt werden können. Dadurch können die Zusatzstücke sub Einechliessen dee Suazeptors weggelassen werden» während
■ehrere Suszeptoren 21 nacheinander während des Niederschlagvorgangs durch
das Rohr 2 bewegt werden.
Die Susseptoren 21 können in der Richtung des Gasstromes oder in einer dieser Richtung entgegengesetzten Richtung bewegt werden. Die
- Schiebegeschwindigkeit der Suszeptoren ist in der Regel niedrig in bezug
auf Vo.
Die sweite Ausführungsform ist mit eines Gaseinlass 22 zub
Einführen eines während des durchzuführenden Vorgangs aktiven Bestandteiles, z.B. SiCl., versehen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung,
bei der während des Hiederschlagvorgangs Substrate kontinuierlich durch das Rohr bewegt werden, ist bei einer Schiebegeschwindigkeit von 2cm/min,
V - 40 cm/sec eines Wasserstoff stromes mit 0,3 Vol.# SiCl , tg^ « 0,015,
Tc - 1500eK, T„ - 900·Κ, b « 3 cm und D - 0,04 cm2/see,
ο Λ Ο
die Beziehung:
V*2
Ψ
- 4,5 . ΙΟ-7.
W0|5io1'5
Die Geschwindigkeit, mit der Silicium epitaktisch niedergeschlagen wird, beträgt durchschnittlich 0,4 >^m/min. Venn in dem Gasstrom
eine dotierende Verunreinigung, (z.B. in Form der Verbindung PH,) vorhanden ist, beträgt die Streuung in der Konsentration der Verunreinigung
über die Dicke der niedergeschlagenen Siliciumschicht weniger als £ 4 #·
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-11- PHH. 4680.
Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die obenbeschriebenen Beispiele beschrankt.
Bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen können sowohl epitaktische als auch polykristalline Schichten niedergeschlagen werden.
Statt eines Halbleitematerials können auch Verbindungen von Halbleiternaterialien, x.B. Siliciumnitrid, niedergeschlagen werden. Die auf diese
Weise behandelten Substrate können auf übliche Weise hSufig xu vielen
Halbleiteranordnungen pro Substrat verarbeitet werden.
Auch Vorgänge zu· Aetxen von Substraten können auf entsprechende Weise wie oben beschrieben durchgeführt werden.
109839/1561
Claims (1)
- -12- PHH. 4680.PAIESTAHSPHOCHEt1. Reaktor sum Durchführen eines Vorgang·, bei dem ein GasBtrom und mindestens ein Substrat verwendet werden, welcher Reaktor ein langgestrecktes Rohr enthält und mit einer Vorrichtung sua Erhitzen des Substrats fiber einen Suszeptor versehen ist, wobei die Temperatur des Suszeptors die Umgebungstemperatur Obersteigt, wahrend der Reaktor weiter Glieder enthält, mit deren Hilfe der Gasstrom in der Längsrichtung durch das Rohr hindurchgeleitet werden kann» dadurch gekennseichnet, dass wenigstens der Teil des Rohres, in dem der Vorgang durchgeführt wird, - in der Richtung des Gasstromes gesehen - einen sich verjüngenden Querschnitt hat.2. Reaktor naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind,, mit deren Hilfe Substrate während des Vorgangs kontinuierlich durch den Reaktor bewegt werden«3· Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet» dass das Rohr quer zu der Längsrichtung einen praktisch rechteckigen Querschnitt aufweist, von dem - in der Richtung des Gasstromes gesehen - zwei waagerechte Seiten eine nahezu konstante Länge haben, während die Länge der beiden senkrechten Seiten nahezu proportional mit der Länge des Rohres abnimmt, wodurch die Verlängerungen der oberen und der unteren Fläche des Rohres einen Winkel (ψ ) miteinander einschliessen.4. Mit einem Rohr versehener Reaktor zum Niederschlagen vonSilicium durch thermische Zersetzung von Silan (SiH.) naoh Anspruch 3»dadurch gekennzeichnet, dass der Tangens des Winkels cf(tg</>) zwischen 0,03 und 0,06 liegt.5. Mit einem Rohr versehener*Reaktor zum Mi«Verschlagen von Silicium durch Reduktion von Triohlorsilan (SiHClJ) mit Wasserstoff naoh Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet» dass der Tangens des Winkels109839/1561-13- PHH. 4680.«wischen 0,01 und 0,05 liegt.6. Mit einem Rohr versehener Reaktor zum Niederschlagen vonSilicium durch Reduktion von Silieiumtetrachlorid (SiCl.) mit Wasserstoffnach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tangens des Winkels (tgy?) zwischen 0,005 und 0,02 liegt.Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem in einem Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche ein Vorgang durchgeführt wird, bei dem ein Gasstrom und mindestens ein erhitztes Substrat verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Beziehung!1.10"8 < < 100·1°~θw°'Vf5erfüllt wird, in welcher Beziehung V - Gasgeschwindigkeit in cm/sec bei normaler Temperatur und normalem Druck beim Einführen in den Teil des Rohres, in dem der Vorgang durchgeführt wird, T0 m Temperatur des Substrats in *K,TM - Temperatur des Gases in 0K in dem Teil des Rohres, in dem derVorgang durchgeführt wird,b - Abstand in cm des Susseptors von der oberen Fliehe des Reaktors beimEinführen in einen Teil des Rohres, in dem der Vorgang durchgeführt wird,D ■ Biffusionskoeffizient in cm2/see der Verbindung im Gasstrom, die dieGeschwindigkeit des Vorgangs bestimmt.8. Verfahren nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, dass die Beziehung!V tg8^ 7< 7.10"'erfüllt wird.109839/1561-14- PHM. 4680.9· Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Substrate während des Hiederschlagvorgangs kontinuierlich durch das Bohr bewegt werden.to« Halbleiteranordnung» die durch das Verfahren nach Anspruch 7» θ oder 9 hergestellt ist.109839/1561
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