DE2161472C3

DE2161472C3 - Verfahren zum Aufwachsen einer polykristallinen Silicium-Schicht auf einer Halbleiterscheibe

Info

Publication number: DE2161472C3
Application number: DE2161472A
Authority: DE
Inventors: James Brian Phoenix Price; William Clair Tempe Roman
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1970-12-14
Filing date: 1971-12-10
Publication date: 1980-01-17
Also published as: DE2161472A1; DE2161472B2; US3734770A; NL7117133A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufwachsen einer polykristallinen Silicium-Schicht auf einer Halbleiterscheibe durch Überleiten einer Wasserstoff-Siliciumtetrachlorid-Gemisches zwischen 900 und 1200⁰C.

Die Erfindung betrifft weiterhin e'"; Verfahren zum Aufwachsen einer polykristallinen Silicium-Schicht auf einer mit einer Siliciumdioxid-Schicht bedeckten Halbleiterscheibe durch Überleiten eines Wasserstoff-Siliciumtetrachlorid-Gemisches zwischen 900 und 1200° C.

Derartige Verfahren sind grundsätzlich aus der DE-OS 16 19 981 bekannt.

Bei dem bekannten Verfahren wird Silan (SiH₄) als Material zur Einleitung der Kernbildung verwendet. Eine dünne Schicht von weniger als einem Mikron eines polykristallinen Siliciums wächst bei einer Temperatur auf, die sich in den Grenzen zwischen 900° C und 1000° C bewegt. Anschließend wird das System mit Wasserstoff gereinigt, bevor der eigentliche SiCU-Fluß bei einer höheren Temperatur eingeleitet wird. Dieses Verfahren weist jedoch einige Nachteile einschließlich der Tatsache auf, daß es schwierig ausführbar ist, da sowohl Silan (SiH₄) als auch Siliciumtetrachlorid (SiCU) als zwei Silicium-Quellen verwendet werden. Silan (SiH₄) leitet ein übermäßiges Aufwachsen polykristallinen Siliciums auf der Rückseite der Siliciumscheibe ein. Darüber hinaus führt Silan zu einer stärkeren polykristallinen Kernbildung, sowohl auf dem Rohr des Ofens als auch auf dem für das Verfahren verwendeten Scheibenträger und verkürzt somit die Lebensdauer dieser beiden Teile. Durch dieses Wachstum am Rohr des Ofens wird ebenfalls die Festlegung der Verfahrens-Endtemperatur beim Einsatz des mit zwei Temperaturen und zwei Gasen arbeitenden Verfahrens schwieriger, da Silan ein polykristallines Aufwachsen an den Wandungen des Rohres des Ofens und Beobachtungsfenstern in diesen Wandungen hervorruft, wobei ein Pyrometer verwendet wird, um die zweite innerhalb des Verfahrens verwendete Temperatur einstellen zu können.

Bei dem bekannten Verfahren kann zur Bildung einer polykristallinen Schicht als Quellengas Trichlorsilan (SiHCI₃) verwendet werden. Die Arbeitstemeperatur liegt dann zwischen 900°C und 1200°C. Obwohl in diesem Falle mit nur einem Gas und einem Quellensystern gearbeitet wird, ergeben sich dennoch die folgenden Nachteile. Trichlorsilan setzt eine sehr große Menge Silicium an der Wandung des Ofens und auf der Rückseite der Scheibe ab. Außerdem bewirk* der Einsatz von Trichlorsilan eine sehr grobkörnige

ίο Struktur des polykristallinen Siliciums.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs näher genannten Art zu schaffen, mit welchem eine besonders feinkörnige Struktur des polykristallinen Siliciums erreicht werden kann, so daß die Korngröße vorzugsweise unter 3 Mikron liegt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß vor dem Wasserstoff-Siliciumtetrachlorid-Gemisch ein Gemisch aus Wasserstoff und zwischen 30 und 90% Stickstoff über die Scheibe geleitet wird.

Weiterhin wird zur Lösung der Erfindungsaufgabe gemäß der Erfindung vorgesehen, daß vor dem Wasserstoff-Siliciumtetrachlorid-Gemisch ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff im Verhältnis 1 :7 über die Scheibe geleitet wird.

Dabei kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, daß nach einer Dauer von 3 Minuten dem Wasserstoff-Stickstoff-Strom Siliciumtetrachlorid zugegeben, der Wasserstoff-Strom i/tnerhalb von 2 Minuten um das 7-fache erhöht und anschließend der Stickstoffzufluß unterbrochen wird.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß die besonders feinkörnige Struktur des polykristallinen Siliciums mit nur einer einzigen Temperatureinstellung sowie unter der Verwendung eines einzigen Gases erreicht werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Aufwachsen des polykristallinen Siliciums aus einer einzigen Siliciumquelle, aus Siliciumtetrachlorid, die im Vergleich zu SiH₄ weniger aufwendig ist. Nur eine geringe Menge Silicium schlägt sich an den Wandungen des Aufdampfofens nieder, und die Gesamtdauer des Verfahrens wird zur weiteren Kostenersparnis herabge-

■»5 setzt. Das erfindungsgemäße System ist dafür geeignet, daß vor dem Aufwachsen von polykristallinen! Silicium auf den Halbleiterkörper eine Siliciumdioxydschicht aufgebracht werden kann. Darüber hinaus ergibt sich durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Verbundstruktur einschließlich eines unteren Halbleiterkörpers, einer dielektrischen Zwischenschicht aus Siliciumdioxyd und einer oberen Schicht aus polykristallinem Silicium. Darüber hinaus treten eine verminderte Wärmespannung zwischen den einzelnen Schichten und ein verringertes Unterwachsen von polykristallinem Silicium auf dielektrisch isolierten Strukturen auf.

Während sich der bevorzugte Temperaturbereich zwischen HOO⁰C und 1150° C, bei einer hohen

so Aufwachsgeschwindigkeit einer Stärke zwischen drei und vier Mikron des polykristallinen Siliciums pro Minute, bewegt, ergibt sich eine feinkörnige, polykristalline Siliciumstruktur innerhalb des gesamten Temperaturbereiches bei geringen Aufwachsgeschwindigkeilen unter niedrigen Temperaturen und bei höheren Aufwachsgeschwindigkeiicii unter höheren Temperaturen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand

der Zeichnung beschrieben, in welcher die Figur eine schematische Darstellung einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaften Anordnung veranschaulicht

Ein Aufdampfofen 10 enthält einen Scheibenträger 12, auf dem sich eine Vielzahl von Halbleiterscheiben 14 mit freiliegenden oberen Flächen 16 befinden, auf denen polykristalline Silicium-Schichten aufwachsen sollen. Das System enthält außerdem eine Stickstoffquelle 18, eine Wasserstoffquelle 20, die über eine Siliciumtetrachlorid-Falle 22 angeschlossen ist, eine Sauerstoffquelle 24 und eine zweite Wasserstcffquelle 26, die direkt an den Aufdampfofen 10 ange£chlossen ist Jede Gasquelle hat ein Ventil, das die Gasströmung unterbrechen oder drosseln kann. Darüber hinaus ist vorteilhafterweise in jeder Gasleitung ein Durchflußmesser angebracht

In einem ersten Ausführungsbeispiel wird die Halbleiterscheibe in einen Aufdampfofen eingebracht, wonach zunächst Wasserstoff aus der Wasserstoffquelle 26 mit einem Durchfluß von 1000 ecm pro Sekunde und Stickstoff aus der Stickstoffquelle 18 mit einct.i Durchfluß von 333ccm/s durch den Ofen fließt. Der Stickstoffanteil in der Wasserstoff-Strömung des Systems, bei dem das Verfahren zufriedenstellend arbeitet, kann in dieser Phase zwischen 30% und 90% (Stickstoff) schwanken. Anschließend wird die Temperatur des Ofens auf 1145°C gebracht und das System kann sich nunmehr stabilisieren, wobei für diesen Vorgang eine Zeit von fünf Minuten als ausreichend ermittelt wurde. jo

In der gleichen Weise kann die Temperatur des Ofens auch vor dem Einsetzen der Gasströmung geregelt werden.

Nach der Stabilisierung des Systems wird der Stickstoffgas-Zutritt unterbrochen und gleichzeitig das Siliciumtetrachlorid in das System eingebracht. Die Menge des Siliciumtetrachlorids hängt von der Wasserstoffmenge ab, die von der Wasserstoffquelle 20 aus die Falle 22 durchfließt. Hier handelt es sich um einen Durchfluß von 165 ecm pro Sekunde. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis sich die gewünschte Menge polykristallinen Siliciums auf den freiliegenden Flächen 16 der Scheiben 14 niedergeschlagen hat.

Durch eine Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit aus der Wasserstoffquelle 20 wird auch die Aufwachsgeschwindigkeit des polykristallinen Siliciums auf den Flächen 16 verringert.

Ein zweites Beispiel für die Verfahrensanwendung befaßt sich mit dem sequenzweisen Aufwachsen einer Siliciumdioxyd-Schicht auf einer Halbleiterscheibe, dem das Aufwachsen einer polykristallinen Silicium-Schicht folgt. Bei einem ausschließlichen Zufluß von Wasserstoff wird in diesem Beispiel der Aufdampfofen auf eine Temperatur von 1170⁰C aufgeheizt. Zur Bildung der Siliciumdioxyd-Schicht werden der Wasserstoff-Durchfluß auf 700 ccm/s und der Sauerstoff-Durchfluß aus der Sauerstoffquelle 24 auf 4 ecm pro Sekunde eingestellt. Anschließend wird durch einen Wasserstoff-Durchfluß von 2 ecm pro Minute aus Jer Wassersfoffquelle 20 Siliciumtetrechlorid dem System zum Aufwachsen einer Siliciumdioxyd-Schicht von 0,1 — 1 μπι auf den Scheiben zugesetzt Ist der gewünschte Siliciumdioxyd-Aufwachsvorgang auf den Scheiben 14 abgeschlossen, wo werden die Sauerstoff- und die Siliciumtetrachlorid-Zufuhr im Wasserstoff abgetrennt, wobei das Siliciumtetrachlorid zuerst unterbrochen wird. Das von der Wasserstoffquelle 26 gelieferte Wasserstoff-Trägergas wird von 700 ccm/s auf 100 ccm/s gedrosselt, und der Stickstoff-Durchfluß aus der Stickstoffquelle 18 wird auf 700 ecm pro Sekunde eingestellt Diese Mischung fließt während einer Dauer von 3 Minuten, wonach ein Wasserstoff-Durchfluß von 8 ccm/s durch die Falle 22 dem System Siliciumtetrachlorid zuführt

Nach der Einführung des Siliciumtetrachlorids in das System wird der Wasserstoff-Durchfluß aus der Wasserstoffquelle 26 gleichmäßig innerhalb einer Zeit von zwei Minuten von 10 ecm pro Sekunde auf 700 ccm/s erhöht Nach diesen zwei Minuten wird die Stickstoff-Strömung unterbrochen, da der Kernbildungsprozeß nunmehr abgeschlossen ist Zum gleichen Zeitpunkt kann von der Wasserstoffquelle 20 der Wasserstoff-Durchfluß durch die Falle 22 erhöht werden, uui die gewünschte Aufwachsgeschwindigkeit für das flächenweise Aufwachsen des polykristallinen Siliciums zu erreichen.

Im erstgenannten Beispiel wird die Strömung des Stickstoffgases bei der Einführung des Siliciumtetrachlorids unterbrochen, da die Anwesenheit von Stickstoff nach Abschluß des Kernbildungsprozesses ein nicht zufriedenstellendes Aufwachsen von Silicium zur Folge hat. Im zweiten Beispiel wird der Siliciumtetrachlorid-Durchfluß gering gehalten, während der Durchfluß des Wasserstoff-Trägergases zu dem Zweck erhöht wird, den Stickstoff-Anteil im Aufdampfofen gering zu halten. Beide Verfahrensweisen sind darauf abgestimmt, den Stickstoff-Anteil im Ofen auf die zur Kernbildung erforderliche Menge zu beschränken, wobei der Stickstoff entfernt wird, sobald der Kernbildungsprozeß einsetzt.

Außerdem wurde festgestellt, daß die Anwesenheit einer geringen Sauerstoffmenge im Ofen während des Aufwachsens des polykristallinen Siliciums zu einer unannehmbar grobkörnigen Struktur führt

Es wurde oben ein Verfahren für den Einsatz von Stickstoff in einem Kernbildungsprozeß zur chemischen Aufdampfung von polykristallinem Silicium aus SiCU beschrieben. Nach dem Erreichen der gewünschten Ofen-Temperatur zwischen 900°C und 1200°C wird das System mit Stickstoff und Wasserstoff gereinigt. Nach dieser Systemreinigung wird die Stickstoff-Strömung mit dei.i Auftreten der SiCU-Strömung unterbrochen. Das Zusammenwirken von Stickstoff und SiCU innerhalb des Systems labt eine Kernbildung einer sehr feinkörnigen Schicht polykristallinen Siliciums entstehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufwachsen einer polykristallinen Silicium-Schicht auf einer Halbleiterscheibe durch Überleiten eines Wasserstoff-Siliriumtetrachlorid-Gemisches zwischen 900 und 1200° C, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Wasserstoff-Siliciumtetrachlorid-Gemisch ein Gemisch aus Wasserstoff und zwischen 30 und 90% Stickstoff über die Scheibe geleitet wird.

Z Verfahren zum Aufwachsen einer polykristallinen Silicium-Schicht auf einer mit einer Siliciumdioxid-Schicht bedeckten Halbleiterscheibe durch Überleiten eines Wasserstoff-Siliciumtetrachlorid-Gemisches zwischen 900 und 1200°C, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Wasserstoff-Siliciumtetrachlorid-Gemisch ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff im Verhältnis 1 :7 über die Scheibe geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Dauer von 3 Minuten dem Wasserstoff-Stickstoff-Strom Siliciumtetrachlorid zugegeben, der Wasserstoff-Strom innerhalb von 2 Minuten um das 7-fache erhöht und anschließend der Stickstoffzufluß unterbrochen wird.