DE2456827A1

DE2456827A1 - Verfahren zur herstellung von einkristallinen siliziumschichten auf einem einkristallinen saphirsubstrat

Info

Publication number: DE2456827A1
Application number: DE19742456827
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Chem Dr Druminski; Claudia Wieczorek
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1974-12-02
Filing date: 1974-12-02
Publication date: 1976-06-10

Description

Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Siliziurnschichten auf einem einkristallinen Saphirsubstrat.
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.
Solche Verfahren sind bekannt. Beispielsweise ist in der Veröffentlichung C. W. Müller und P. H. Robinson, Proc.
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.
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß sowohl in einem horinzontalen, als auch insbesondere in einem vertikalen Reaktorgefäß Zersetzungsprodukte entstehen.
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.
Dadurch bedingt sind starke Störungen der elektrischen Eigenschaften zu erwarten.
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.
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.
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.
Dese Aufgabe wird durch ein wie eingangs bereits erwähntes Verfahren gelöst, das durch die in dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.
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.
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.
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.
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.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und der Beschreibung- näher erläutert.
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.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben.
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.
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.
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.
Im Weiteren konnte durch Ermittlung der Güte der erhaltenen Schichten der erfindungsgemäße Bereich herausgefunden werden, der für die epitaktische Abscheidung besonders günstig ist.
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.
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.
Dieser Bereich ist durch das Bezugszeichen 3 gekennzeichnet.
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.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in einem vertikalen Reaktorgefäß durchgeführt werden.
Während der Herstellung der erfindungsgemäßen Schichten können in an sich bekannter Weise Fremdatome eingebaut werden.
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.
8 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

P a t e n t a n s p r ü ~ 1. Verfahren zur Herstellung von epitaxial abgeschiedenen Siliziumschichten auf einem Saphirsubstrat, wobei auf das Substrat die Siliziumschicht durch thermische Zersetzung (chemical vapour deposition) eines Gasgemisches abgeschieden wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß das Gasgemisch aus Dichlorsilan und einem weiteren Gas besteht, daß die Abscheidung im Temperaturbereich von etwa 9000C bis 11000C bei Raten von 0,2 /um/min bis 10 µm/min erfolgt und daß das Saphirsubstrat (1) vor der Abscheidung des Siliziums so behandelt wird, daß es damage-frei ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das weitere Gas aus Wasserstoff besteht, und daß die Werte des Temperaturbereiches maßgeblich sind, die innerhalb eines Flächenbereiches liegen, der durch den, durch die Punkte A (9500C / 0,2 Xum/min), B (10500C / 6 lum/min), C (11000G / 6 µm/min), D (1100°C / 4 1um/min) und E (1050°C / 0,2 1um/min) gebildeten Polygonzug (3) eingeschlossen ist.

(Fig. 2).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das weitere Gas aus Wasserstoff beseht, und daß die Werte des Temperaturbereiches maßgeblich sind, die innerhalb eines Flächenbereiches liegen, der durch den, durch die Punkte A (9600C / 0,3 µm/min), B (10500C / 5 um/min) C (11000C / 5 /um/min), D (1100°C / 4 /um/min) und E (1030°C / 0,3 1um/min) gebildeten Polygonzug (4) eingeschlossen ist (Fig.2)
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Substrat (1) damage-frei poliert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als weiteres Gas Helium verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als weiteres Gas Argon verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als weites Gas Stickstoff verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in einem weiteren Verfahrensschritt bei gleicher Tempeiftur Halogen-Wasserstoff zugegeben wird.