DE2523067A1 - Verfahren zum aufwachsen von silizium-epitaxialschichten - Google Patents

Verfahren zum aufwachsen von silizium-epitaxialschichten

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Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dn.-lnQ. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4ooo Düsseldorf 30 · Cecilienallee 76 · Telefon 43 2732
22. Mai 1975 29 964 B
RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
"Verfahren zum Aufwachsen von Silizium-Epitaxialschichten"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufwachsen von Silizium-Epitaxialschichten auf Substrate, insbesondere auf ein Verfahren zum Aufwachsen derartiger Epitaxialschichten auf die Oberfläche eines Substrats aus einkristallinem Silizium.
Epitaxialschichten aus Silizium mit picken größer als 25Am, die mit bekannten Verfahren auf den (100)- oder (m)-Ebenen von Siliziumsubstraten gezüchtet werden, beispielsweise durch Reduktion von Silizium-Tetrachlorid oder Trichlorsilan mit Wasserstoffgas, zeigen Kronen oder erhabene Bereiche aus epitaxialem Silizium im Bereich der Peripherie der Substrate. Diese Kronen aus niedergeschlagenem Silizium müssen von den Substraten, gewöhnlich Siliziumscheiben, durch manuelles Schleifen entfernt werden, bevor weiteres photolithographisches Bearbeiten des epitaxialen Siliziums folgen kann. Abgesehen davon, daß das Schleifen zeitraubend und damit kostspielig ist, ist damit auch das: Zerstören eines Teils des epitaktischen Siliziumniederschlags verbunden. Darüber hinaus betragen die Aufwachsraten von epitaktischem Siliziumniederschlag bei den bekannten Verfahren
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ungefähr 2 jLl m/Minute oder weniger. Wenn höhere Wachsraten zur Anwendung kommen, verschlechtert sich die kristenographische Qualität des epitaktisch niedergeschlagenen Siliziums.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das die vorerwähnten Nachteile nicht besitzt, mit dem es vielmehr möglich ist, bei sogar höheren Wachsraten bessere Qualität der Epitaxilaschicht zu erreichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Substrat in einem Reaktionsofen erhitzt wird, und daß eine Mischung aus Dichlorsilan und Wasserstoffgas in einer derartigen Konzentration in den Ofen gegeben wird, daß das Dichlorsilan mit dem Wasserstoff unter Bildung der epitaxialen Siliziumschicht auf der Substratoberfläche bei einer Wachsrate von mindestens 5/t m/Minute reagiert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, epitaxiale Siliziumschichten von sehr guter kristallographischer Qualität auf Siliziumsubstrate zu wachsen, und zwar mit einer Dicke von mehr als 25^<■ m. Das Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Halbleiter-Leistungsbauteilen, wo relativ dicke Schichten von epitaxialem Silizium guter kristallographischer Qualität erwünscht sind.
Das Verfahren, mit dem relativ dicke Epitaxialschichten aus Silizium auf Substratoberflächen hergestellt werden können, kann in einem Reaktionsofen herkömmlicher Bauart durchgeführt werden. Der Ofen kann entweder ein vertikaler, ein horizontaler oder beispielsweise ein flacher Bautyp sein, wie sie gewöhnlich bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen Verwendung finden. Das er-
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findungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an einem Beispiel näher erläutert, wobei ein horizontaler Reaktionsofen zum Einsatz gelangt, bei dem Gase durch ein Rohr von ungefähr 5,8 cm Höhe, 10,16 cm Breite und einer erhitzten Länge von ungefähr 30,48 cm geführt werden. Die mit einer relativ dicken Schicht aus epitaxialem Silizium zu überziehenden Siliziumsubstrate sind gewöhnlich Scheiben, die auf einem mit Siliziumkarbid überzogenen Graphithalter angeordnet sind, der in bekannter Weise durch Hochfrequenz-Induktion erhitzt wird.
Die durch den Reaktionsofen geleiteten Prozeßgase werden hinsichtlich Durchfluß dosiert und ihre Temperatur im Reaktionsofen mit einem optischen Pyrometer gemessen.
Die Oberfläche des einkristallinen Siliziumsubstrats, auf die die epitaxiale Siliziumschicht aufgebracht werden soll, sollte zuvor poliert und gereinigt werden. Das Polieren erfolgt, um jegliche Defekte, die vom Schneiden und/oder Sägen des Substrats aus einer Kristallperle herrühren können, zu entfernen, und um eine vollkommen glatte, flache Oberfläche zu erhalten. Das Reinigen wird durch Waschen der Oberfläche erreicht, wobei vorzugsweise eine Lösung aus Wasser, Wasserstoffsuperoxid und Ammoniak im Verhältnis von ungefähr 4:1:1 verwendet wird. Selbstverständlich können auch andere geeignete, bekannte Reinigungslösungen benutzt werden.
Das Substrat wird im Reaktionsofen auf eine Temperatur zwischen ungefähr 10500C und 12000C erhitzt. Die Oberfläche des Substrats wird sodann geätzt, wobei zwischen 1 und 5y<m abgenommen werden, um jegliches Siliziumdioxid zu entfernen, das sich eventuell auf der Oberfläche
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gebildet haben könnte, und um eine reine aufnahmefähige Fläche zu schaffen, auf die eine Siliziumschicht epitaktisch aufgebracht werden kann. Das Ätzen der Oberfläche wird dadurch erreicht, daß eine Mischung von Gasen durch den Reaktionsofen geleitet wird. Diese Gasmischung enthält ungefähr 1% HCl-Gas und ein Trägergas, wie 99% Wasserstoff, jeweils Vol.-%; die Durchflußgeschwindigkeit durch den Reaktionsofen beträgt ungefähr 20 cm/sec. (bezogen auf Normaldruck, 760 mm, und eine Temperatur von 25°C). Sämtliche in der Beschreibung und den Ansprüchen angegebenen Geschwindigkeiten sind auf Normaldruck und -temperatur bezogen.
Sobald die Oberfläche des Substrats in der gewünschten Weise geätzt ist, wird der Ofen von HCl-Gas gereinigt. Durch das Säubern des Ofens wird die Grenzschicht des Gases auf der Oberfläche, auf die das epitaxiale Silizium aufgebracht werden soll, völlig entfernt oder zumindest auf ein Minimum reduziert. Unter derartigen Bedingungen wird ein schnelleres Entfernen der Ätzprodukte (normalerweise in der Grenzschicht eingefangen) erreicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Ofen dadurch gereinigt, daß die HCl-Zufuhr in der Mischung aus HCl-Gas und Wasserstoffgas unterbrochen und dann die Geschwindigkeit des Wasserstoffgasflusses durch den Ofen auf ungefähr 1/10 der während des Ätzens verwendeten Geschwindigkeit reduziert wird. Wenn somit das Ätzen mit einem Durchfluß des (Träger-)Wasserstoffgases (in der Mischung von HCl-Gas und Wasserstoffgas) durch den Ofen bei einer Geschwindigkeit von 20 cm/sec. durchgeführt wird, wird der Durchfluß des Wasserstoffgases auf eine Geschwindigkeit von 2 cm/sec. reduziert, bis sämtliches HCl-Gas aus dem Ofen entfernt ist. Bei einem weiteren Beispiel der Erfindung wird der Ofen dadurch sauber ge-
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spült, daß der Zufluß von HCl-Gas von der für das Ätzen verwendeten Mischung unterbrochen und dann die Temperatur im Reaktionsofen um 3OO°C gegenüber der zuvor herrschenden Temperatur gesenkt wird, während der Durchfluß an Wasserstoffgas durch den Ofen mit gleicher Geschwindigkeit wie beim Ätzen fortgeführt wird. Das bedeutet, daß beim zuletzt erwähnten Ausführungsbeispiel die Durchflußgeschwindigkeit des Wasserstoffgases durch den Ofen 20 cm/sec. beträgt. Sobald das gesamte HCl-Gas aus dem Ofen, entfernt ist, wird der Ofen wieder auf die ursprüngliche Heiztemperatur gebracht, I
erhitzt.
bracht, d.h. auf zwischen ungefähr 10500C und 12000C
Die Silizium-Epitaxialschicht wird auf die erhitzte Oberfläche des Substrats gebracht durch Reaktion von Dichlorsilan und Wasserstoffgas im aufgeheizten Reaktionsofen. Dazu wird eine Mischung von Dichlorsilan und Wasserstoffgas mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 20 cm/sec. in den Ofen eingeführt und in einer Konzentration, die zu einem epitaktischen Niederschlag von Silizium (aufgrund der Reduktion von Dichlorsilan) auf der geätzten und erhitzten Oberfläche des Substrats bei einer Wachsrate von zwischen ungefähr 5 und 20 ^«-m/Minute führt. Um dies zu erreichen, sollte die Konzentration von Dichlorsilan in der Mischung aus Dichlorsilan und Wasserstoffgas zwischen ungefähr 2 und ungefähr 15 Mol.-% betragen, sofern die Reaktion bei den zuvor erwähnten Temperaturen stattfindet (10500C und 12000C).
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung liegt in der damit erreichten Wachsrate der epitaxialen Siliziumschicht auf der Oberfläche des Substrats. Wenn die Machsrate
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nicht mindestens 5^'m/Minute beträgt, besteht Neigung, daß sich nahe der Peripherie des Substrats ein erhabener Teil an niedergeschlagenem Silizium in Form einer Krone bildet. Wenn die Wachsrate der epitaktisch aufgebrachten Siliziumschicht jedoch zwischen 5 und 20 /' m/Minute beträgt, kann eine Silizium-Epitaxialschicht mit vollkommen gleichförmiger Dicke von mindestens 25
JLl m entweder auf der (10O)- oder (111)-Ebene des Substrats niedergeschlagen werden, ohne daß irgendwelche weitere Behandlung hinsichtlich der Dicke der epitaxialen Siliziumschicht erforderlich ist.
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Claims (1)

  1. RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
    Patentansprüche:
    1. Verfahren zum Aufwachsen einer Silizium-Epitaxialschicht auf einer Oberfläche eines Substrats, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat in einem Reaktionsofen erhitzt wird, und daß eine Mischung aus Dichlorsilan und Wasserstoffgas in einer derartigen Konzentration in den Ofen gegeben wird, daß das Dichlorsilan mit dem Wasserstoff unter Bildung der epitaxialen Siliziumschicht auf der Substratoberfläche bei einer Wachsrate von mindestens 5 i< m/Minute reagiert.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat aus Silizium besteht.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einkristallinem Silizium besteht und eine mindestens 25 ι>m dicke Epitaxialschicht hergestellt wird.
    4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwachsrate 5 bis 20 ι<m/Minute beträgt.
    ο Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche vor dem Erhitzen plan eben poliert und durch Waschen gereinigt wird.
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    6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
    5, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Substratoberfläche nach dem Erhitzen im Ofen geätzt wird, indem eine Mischung aus HCl-Gas und Wasserstoff durch den Ofen geleitet wird.
    7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
    6, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration an Dichlorsilan in der Mischung zwischen 2 und 15 Mol-% beträgt.
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DE2523067A 1974-05-28 1975-05-24 Verfahren zum Aufwachsen einer epitaktischen Silicium-Schicht Withdrawn DE2523067B2 (de)

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