DE2523067B2

DE2523067B2 - Verfahren zum Aufwachsen einer epitaktischen Silicium-Schicht

Info

Publication number: DE2523067B2
Application number: DE2523067A
Authority: DE
Inventors: Norman Brunswick Goldsmith; Paul Harvey Trenton Robinson
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-05-28
Filing date: 1975-05-24
Publication date: 1978-12-14
Also published as: SE7506031L; GB1490665A; JPS512681A; AU8142375A; FR2272732B3; FR2272732A1; US3945864A; JPS546036B2; IT1037445B; IN143139B; DE2523067A1; BE829378A; NL7506225A

Description

J5

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufwachsen einer epitaktischen Silicium-Schicht auf einer cine (100)- oder (11 1)-Ebene bildenden, in einem Reaktionsofen auf eine Temperatur von mindestens 1050⁰C erhitzten Oberfläche eines Silicium-Einkristalls durch Abscheiden aus einem in den Reaktionsofen eingeleiteten, aus Dichlorsilan und Wasserstoff bestehenden Reaktionsgas.

Ein ähnliches Verfahren ist aus »Solid State Technology«. Oktober 1972, Seite 29 bekannt. Hiernach kann mit Dichlorsilan in analoger V/eise wie mit Silicium Tclrachlorid, Trichlorsilan oder Silan ein epitaktisches Abscheiden von Silicium auf Silicium-Einkristallen bewirkt werden. Gute Kristallqualitäten können dabei erreicht werden, wenn der Reaktionsofen auf mindestens 1050⁰C erhitzt wird, wobei dann ebensogut aufgewachsene epitaktische Schichten erzielt werden, wie mit Silicium-Tetrachlorid bei II5O"C. Es wurde auch festgestellt, daß die Abscheiderate mit zunehmender Konzentration des Dichlorsilans ansteigt; /.. H. wurde eine Abscheideratc von 6.6 Mikron/min in einem Reaktor gemessen bei Anwesenheit von Dichlorsilan im Reaktionsgas mit einer Konzentration von 5%.

Bei dem bekannten Verfahren hat sich jedoch ergeben, daß beim Aufwachsen der epitaktischen Schichten Schwankungen in der Größenordnung bis zu 5% auftreten. Auch hat sich herausgestellt, daß das bei der Pyrolyse von Dichlorsilan entstehende HCI-Nebcnprodukt zu einer Reihe von entgegengesetzt verlaufenden Reaktionen führt, durch die freigesetztes Silicium wieder gebunden vird. Dadurch wird die kristallografiQualität der epitaktischen Schichten stark beeinträchtigt, insbesondere ist ein Nacharbeiten zur Vorbereitung für weiteres Bearbeiten der epitaktischen Silicium-Schicht erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Aufwachsen von epitaktischen Silicium-Schichten durch Pyrolyse von Dichlorsilan so zu führen, daß praktisch vollkommen ebene Schichten entstehen, die einer mechanischen Nachbearbeitung, z. B. durch Schleifen, nicht bedürfen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Einführen des Reaktionsgases eine aus 1 Vol.-% HCI und 99 Vol.-% Wasserstoff bestehende Gasmischung mit einer Geschwindigkeit von 20 cm/s durch den auf zwischen 1050⁰C und 1200⁰C erhitzten Reaktionsofen geleitet wird, daß anschließend die HCI-Zuleitung der Gasmischung abgeschaltet und restliches HCI aus dem Reaktionsofen entweder durch Herabsetzen der Fließgeschwindigkeit des Wasserstoffes auf 'Λο oder durch Reduzieren der Temperatur des Reaktionsofens um 300⁰C ausgespült wird und daß dann Dichlorsilan und Wasserstoff mit einer zum Aufwachsen der Epitaxialschicht von zwischen 5 und 20 Mikrometern pro Minute bis zu einer Dicke von wenigstens 25 Mikrometern ausreichenden Konzentration und Dauer in den auf 1050 bis 1200^JC erhitzten Reaktionsofen eingeleitet werden.

Durch das Abätzen der epitaktisch zu beschichtenden Einkristalloberfläche wird zunächst erreicht, daß eine vollkommen saubere und störungsfreie Oberfläche vorliegt, ohne die ein einwandfreies epitaklisches Aufwachsen kaum zu erwarten ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, epitaktische Silicium-Schichten von sehr guter kristallografischer Qualität auf Silicium-Substrate zu wachsen, und zwar mit einer Dicke von mehr als 25 Mikron. Das Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Halbleiter-Leistungsbauteilen, für die relativ dicke Schichten aus epitaktischem Silicium guter kristallografischer Qualität erwünscht sind.

Das Verfahren, mit dem relativ dicke Epitaxialschiehten aus Silicium 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 erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an einem Beispiel näher erläutert, wobei ein horizontaler Reaktionsofen zum Einsatz gelangt, bei dem Gase durch ein Rohr von ungefähr 58 cm Höhe, 10,16 cm Breite und einer erhitzten Länge von ungefähr J0.48 cm geführt werden. Die mit einer relativ dicken Schicht aus epitaktischem Silicium zu überziehenden Siliciumsubstrate sind gewöhnlich Scheiben, die auf einem mit Siliciumkarbid überzogenen Graphithalter angeordnet sind, der in bekannter Weise durch 1 lochfrequcnz-lnuuktion erhitzt wird.

Die durch den Reaktionsofen geleiteten Reaktionsgasc werden hinsichtlich Durchfluß dosiert und ihre Temperatur im Reaktionsofen mit einem optischen Pyrometer gemessen.

Die Oberfläche des einkristallen Siliciumsubstrats, auf die die epitaktische Silieiumschieht 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, Wasserstoffperoxid 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 1050⁰C und 1200⁰C erhitzt. Die Oberfläche des Substrats wird sodann geützt, wobei zwischen 1 und 5 μιτι abgenommen werden, um jegliches Siliciumdioxid zu entfernen, das sich eventuell auf der Oberfläche gebildet haben könnte, und um eine reine aufnahmefähige Fläche zu schaffen, auf die eine Siliciumschicht epitaktisch aufgebracht werden kann. Das Ätzen der Oberfläche wird dadurch erreicht, daß eine Mischung von Gasen durch den Reaktionsofen geleitet wird. Diese Gasmischung enthält 1% HCI-Gas und 99% Wasserstoff, jeweils Vol.-%; die Durchflußgeschwindigkeit durch den Reaktionsofen beträgt 20 cm/sec (bezogen auf Normaldruck, 760 mm, und eine Temperatur von 25"C). Sämtliche in der Beschreibung und den Ansprüchen angegebenen Geschwindigkeiten <. inrl nilf NJnriTj:iIrlriwif ι in/1 - ·pmnprntiir \~if*"7f\iiQn

Sobald die Oberfläche des Substrats in der gewünschten Weise geätzt ist, wird der Ofen von HCI-Gas gereinigt. Durch das Säubern des Ofens wird die Grenzschicht des Gases auf der Oberfläche, auf die das epitaktische Silicium aufgebracht werden soll, völlig entfernt oder zumindest auf ein Minimum reduziert. Unter derartigen Bedingungen wird ein schnelleres Entfernen der Ätzprodiikte (normalerweise in der Grenzschicht eingefangen) erreicht. In einem Fall wird der Ofen dadurch ge^reinigt, daß die HCI-Zufuhr in der Mischung aus HCI-Gas und Wasserstoffgus unterbrochen und dann die Geschwindigkeit de Wasscrstoffgasflusses durch den Ofen au? W₁₁₁ der während des Ätzens verwendeten Geschwindigkeit redu/ie:. wird. Wenn somit das Ätzen mit einem Durchfluß des (Triiger-)Wasserstoffgases (in der Mischung von HCI-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 HCI-Gas aus dem Ofen entfernt ist. Im anderen Fall wird der Ofen dadurch sauber gespült, daß der Zufluß von HCI-Gas von der für das Ätzen verwendeten Mischung unterbrochen und dann die Temperatur im Reaktionsofen um 300°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 Fall die Durchflußgeschwindigkeit des Wasserstoffgases durch den Ofen 20 cm/sec beträgt. Sobald das gesamte HCI-Gas aus dem Ofen entfernt ist, wird der Ofen wieder auf die ursprüngliche Heiztemperatur gebracht, d. h. auf zwischen 1050°Cund 1200°C erhitzt.

Die Silicium-Epitaxialschicht wird auf die erhitzte Oberfläche des Substrats gebracht durch Reaktion von Dichlorsilan und Wassersioffgas im aufgeheizten Rea'rtionsofen. Dazu wird eine Mischung von Dichlorsilan und Wasserstoffgas mit einer Geschwindigkeit von 20 cm/sec in den Ofen eingeführt und in einer Konzentration, die zu einem epitaktischen Niederschlag von Silicium (aufgrund der Reaktion von Dichlorsilan) auf der geätzten und erhitzten Oberfläche des Substrats bei einer Wachsraie von zwischen 5 und 20 μπι/Minute führt. Um dies zu erreichen, sollte die Konzentration von Dichlorsilan in der Mischung aus Dichlorsilan und Wassersioffgas zwischen 2 und 15 Mol.-% betragen; bei den zuvor erwähnten Temperaturen (1050⁰C und 1200° C).

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung liegt in der damit erreichten Wachstumsrate der epitaktischen Siliciumschicht auf der Oberfläche des Substrats. Wenn die Wachstumsrate nicht mindestens 5 μιτι/Μίηυΐε beträgt, besteht Neigung, daß sich nahe der Peripherie des Substrats ein erhabener Teil an niedergeschlagenem Silicium in Form einer Krone bildet. Wenn die Wachstumsrate der epiiaktisch aufgebrachten Siliciumschicht jedoch zwischen 5 und 20 μηι/Minute beträgt, kann eine Silicium-Epitaxialschicht mit vollkommen gleichförmiger Dicke von mindestens 25 μηι entweder auf der (100)- oder (111)-Ebene des Substrats niedergeschlagen werden, ohne daß irgend, eiche weitere Behandlung hinsichtlich der Dicke der epitaktischen Siliciumschicht erforderlich ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufwachsen einer epitaktischen Silicium-Schicht auf einer eine (10O)- oder(l 11)-Ebene bildenden, in einem Reaktionsofen auf eine Temperatur von mindestens 1050⁰C erhitzten Oberfläche eines Silicium-Einkristalls durch Abscheiden aus einem in den Reaktionsofen eingeleiteten, aus Dichlorsilan und Wasserstoff bestehenden Reaktionsgas, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einführen des Reaktionsgases eine aus 1 Vol.-% HCI und 99 Vol.-% Wasserstoff bestehende Gasmischung mit einer Geschwindigkeit von 20 cm/s durch den auf zwischen 1050°C und 1200⁰C erhitzten Reaktionsofen geleitet wird, daß anschlie-Bend die HCI-Zuleitung der Gasmischung abgeschaltet und restliches HCI aus dem Reaktionsofen entweder durch Herabsetzen der Fließgeschwindigkeit des Wasserstoffes auf '/m oder durch Reduzieren der Temperatur des Reaktionsofens um 300⁰C ausgespült wird und daß dann Dichlorsilan und Wasserstoff mit einer zum Aufwachsen der Epitaxialschicht von /wischen 5 und 20 Mikrometern ausreichenden Konzentration und Dauer in den auf 1050 bis l200°C erhitzten Reaktionsofen eingeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristalloberfläche vor dem Einbringen in den Reaktionsofen planpoliert und durch Waschen der polierten Fläche mit einer aus vier Teilen Wasser, einem Teil Wasserstoffperoxid und einem Teil Ammoniak bestehenden Lösung gereinigt wird.