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Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Siliziurnschichten auf
einem einkristallinen Saphirsubstrat.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von epitaxial
abgeschiedenen Siliziumschichten auf einem Saphirsubstrat durch thermische Zersetzung
eines Gases nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Solche Verfahren sind bekannt. Beispielsweise ist in der Veröffentlichung
C. W. Müller und P. H. Robinson, Proc.
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IEEE 52, (1964), S. 1487, ein Verfahren beschrieben, bei dem durch
die Zersetzung von Silan-Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen mit hohen Wachstumsraten
auf ein Spinell oder Saphirsubstrat aufgewachsen wird.
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Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß sowohl in einem
horinzontalen, als auch insbesondere in einem vertikalen Reaktorgefäß Zersetzungsprodukte
entstehen.
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Aus der Veröffentlichung "Single Crystal Silicon on a Saphire Substrate"
von H.M. Manasevit und W.I. Simpson, Journal of Applied Physics, 35, (1964), S.
1349 ff. ist ein Verfahren beschrieben, bei dem zur Abscheidung von epitaktischen
Siliziumfilmen auf einem Silizium- Spinell-oder Saphirsubstrat Siliziumtetrachlorid
zersetzt wird. Dabei erfolgt die Abscheidung bei einer Temperatur von beispielsweise
1200°C in Gegenwart von Wasserstoff nach der Formel
Wie aus dieser Formel ersichtlich ist, wird Chorwasserstoff frei, der beispielsweise
nach der Formel
mit dem Saphirsubstrat reagifflen kann. Durch entstehende gasförmige
SubcUbride mit ätzender Wirkung treten vermehrt Kristallbaufehler im Substrat auf.
Damit verbunden sind teilweise polykrialline Aufwachsungen, da die Bedingung für
eine epitaxiale Aufwachsung in den angeätzte Bereichen nicht mehr gegeben ist. Zudem
ist durch auftretende Rückreaktion der Subchloride eine Dotierung der Epi-Schicht
durch Substratkomponenten (Autodoping) möglich.
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Dadurch bedingt sind starke Störungen der elektrischen Eigenschaften
zu erwarten.
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Andererseits sind Reaktionen wie
möglich, welche bei der Abscheidung von Silizium einen Angriff des Substrates zur
Folge haben. Durch die entstehenden flüchtigen Suboxide werden auf Grund von Atzangriffen
Störstellen in der epitaxialen Schicht hervorgerufen.
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Aus den oben angegebenen Gründen erscheint die Herstellung von epitaktischen
Schichten auf isolierenden Substraten aus Spinell oder Saphir durch die Zersetzung
von Siliziumtetrachlorid weniger geeignet.
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Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein
Verfahren zur Herstellung von epitaktischen Siliziumschichten auf einem Substrat
aus Saphir anzugeben, bei der die oben geschilderten Nachteile vermieden sind.
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Dese Aufgabe wird durch ein wie eingangs bereits erwähntes Verfahren
gelöst, das durch die in dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale
gekennzeichnet ist.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, daß die durch die Zersetzung von Dichlorsilan in Gegenwart von Wasserstoff
abgeschiedenen Siliziumschichten eine ähnlich gute bzw. noch bessere Qualität besitzen
als
die im System Silan-Wasserstoff abgeschiedenen Siliziumschichten, daß die Abscheidung
der erfindungsgemäßen Schichten bei tiefen Abscheidungstempeuren und hohen Wachstumsraten
erfolgt, wie dies auch bei der Abscheidung aus dem System Silan-Wasserstoff möglich
ist und daß gleichzeitig die Nachteile der Verwendung von Silan vermieden werden.
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Vorteilhafterweise steht Dichlorsilan in hoher Reinheit zur Verfügung.
Der spezifische Widerstand ist größer als 80 g cm, was bei Silan-Wasserstoff-Gemischen
nur sehr selten beobachtet werden kann.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Dichlorsilan
als Flüssigkeit in klimatisierten Räumen ohne Thermostatisierung einsetzbar ist,
da sein Eigendafdruc genügend groß ist. Mit einer Flasche können ohne zeitaufwendigen
Flaschenwechsel sehr viLe Versuche gefahren werden. Im Gegensatz zum System Silan-Wasserstoff
ist das System Dichlorsilan-Wasserstoff also sehr viel wartungsfreier.
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Vorteilhafterweise werden im Gegensatz zu Silan-Wasserstoff bei der
vorliegenden Erfindung an den Wandungen wassergekühlter Reaktoren praktisch keine
festen Zersetzungsprodukte abgeschieden. Damit können viele Beschichtungen ohne
zeitaufwendige Reaktorzellenreinigung durchgeführt werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und der Beschreibung-
näher erläutert.
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In der Figurlist das Substrat, das aus Saphir besteht, mit 1 bezeichnet.
Die darauf nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschiedene epitaktische Siliziumschicht
ist mit 2 bezeichnet.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben.
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Die nach bestimmten Kristallebenen geschnittenen und polierten Substratscheiben
werden zunächst von der Damage-Schicht befreit. Dies geschieht erfindungsgemäß durch
damage-free-
Politur. Im Falle nicht ausreichend polierter Saphirsubstrate
tritt insbesondere an Polierriefen eine heterogene Keimbildung auf, was zur Folge
hat, daß die epitaktisch abgeschiedenen Schichten nicht geschlossen sind. Die wie
oben angegebenen Substrat scheiben werden vorzugsweise in ein wassergekühltes horinzontales
Reaktorgefäß mit induktiv beheiztem Reinstkohlebrett eingebaut. Nach ausreichendem
Spülen mit vorzugsweise Wasserstoff wird das Kohlebrett mit den darauf befindlichen
Substratscheiben auf die ge.-wünschte Abscheidetemperatur gebracht, wobei die Wasserstoffzufuhr
nicht unterbrochen wird. Erfindungsgemäß liegt diese Abscheidetemperatur in einem
Bereich von etwa 950bs bis 11000C. Durch Öffnen eines Ventiles wird Dichlorsilan
zu dem andauernd zuströmenden Wasserstoff hinzugegeben.
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Die Dichlorsilan-Zufuhr wird so lange aufrechterhalten, bis erfahrungsgemäß
eine geschlossene epitaktische Schicht auf dem Substrat vorliegt. Die Abscheidungsraten
betragen dabei etwa 0,2 /um/min bis 6 /um/min.
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In der Figur 2 ist die Aufwachsrate R als Funktion der Abscheidungstemperatur
A dargestellt. Die Kurvenveiäufe lassen sich in zwei Abschnitte einteilen: bei niedriger
Temperatur erfolgt ein annähernd linearer Anstieg, der beim Ubergang zu höheren
Temperaturen einen abflachenden Verlauf annimmt.
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Im Weiteren konnte durch Ermittlung der Güte der erhaltenen Schichten
der erfindungsgemäße Bereich herausgefunden werden, der für die epitaktische Abscheidung
besonders günstig ist.
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Er ist als Funktion der Abscheidungstemperatur und der Aufwachsrate
anzusehen. Dabei wurde die Güte der aufgewachsenen Schichten in an sich bekannter
Weise durch optische Absorptionsmessungen bestimmt. Eine höhere Absorption bedeutet
eine schlechtere Schichtqualität.
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Im untersuchten Bereich von 9OO0Cbis 12000C konnte somit nach unten
wie nach oben hin eine Begrenzung für die Epitaxie festgestellt werden. Bei 900tC
kommt es auch mit geringen
Dichlorsilan-Konzentrationen in Wasserstoff
teilweise zu amorphen bis polykristallinen Aufwacnsungen auf dem isolierenden Substrat.
950Q bis 11000C kann bei angepaßter Dichlorsilan-Konzentration als optimaler Bereich
in Bezug auf die Qualität der epitaxialen Schicht betrachtet werden.
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Dieser Bereich ist durch das Bezugszeichen 3 gekennzeichnet.
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Die durch eine durchgehende Linie dargestellten Kurven gelten für
eine Strömungsgeschwindigkeit von 5500 ljh H2. Die durch eine gestrichelte Linie
dargestellten Kurven gelten für eine Strömungsgeschwindigkeit von 2750 ljh H2. Die
dem Wasserstoffstrom zugegebenen H2 /SiH2 -Cl2 - Mengen sind an den einzelnen Kurven
vermerkt. Die angegebenen Werte beziehen sich auf einen. Strömungsquerschnitt des
Reaktorgefäßes von etwa 20 cm2. Ab 11500C ist die Gasphasenzersetzung so groß, daß
trotz erhöhter Dichlorsilan-Konzentration insbesondere bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit
(2000 l/h H2 unter 0,42 atü) in der Randzone der Scheiben teilweise keine Aufwachsung
mehr gegeben ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in einem vertikalen Reaktorgefäß
durchgeführt werden.
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Während der Herstellung der erfindungsgemäßen Schichten können in
an sich bekannter Weise Fremdatome eingebaut werden.
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Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach
einer wie oben beschriebenen Abscheidung einer Silizium-&chicht dem Gasgemisch
zusätzlich Halogen-Wasserstoff zugegeben. Dadurch wird erreicht, daß eine weitere
Schicht aufwächst, die, wie in der DT-OS 2 212 295 näher beschrieben ist, noch weniger
Fehlstellen aufweist. Dies wird durch eine verringerte Aufwachsrate und durch die
erhöhte Möglichkeit falsch eingebaute Atome durch Ätzreaktionen aus dem bereits
abgeschiedenen Silizium wieder heraus zu lösen, erreicht.
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8 Patentansprüche 2 Figuren