DE2529484C3

DE2529484C3 - Verfahren und Vorrichtung zum epitaktischen Abscheiden von Silicium auf einem Substrat

Info

Publication number: DE2529484C3
Application number: DE19752529484
Authority: DE
Inventors: Woldymyr 7101 Biberach Kosak
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1975-07-02
Filing date: 1975-07-02
Publication date: 1982-03-18
Also published as: DE2529484A1; JPS6046183B2; DE2529484B2; JPS527829A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum epitaktischen Abscheiden von Silicium auf einem Substrat mittels Silieium-Jod-Transport in einem abgeschlossenen Reaktionsgefäß, wobei das Substrat relativ zur Siliciumquelle höher und seitlich und bei niedrigerer Temperatur gehalten wird.

Beim epitaktischen Abscheiden von Silicium auf einem Substrat mit Hilfe der Silicium-Jod-Transportreaktion werden nach bisher bekannten Verfahren die Quelle und das Substrat in einem Abstand voneinander angeordnet, der höchstens wenige Millimeter beträgt. Dies erfordert den Aufbau einer speziellen Einrichtung, die einen diesem geringen Abstand entsprechenden

ίο Temperaturverlauf gewährleisten muß. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abscheiden von Silicium anzugeben, welches die Verwendung von in der Halbleitertechnik gebräuchlichen Einrichtungen gestattet, so daß beispielsweise zur F.rzeugung der für die Abscheidung erforderlichen Temperaturzonen auch die aus der Diffusionstechnik bekannten Diffusionsöfen Anwendung finden können. Weiterhin soll das Verfahren nach der Erfindung eine selektive Siliciumabscheidung ermöglichen, bei der die Abscheidung auf den nicht maskierten Teil des Substrats beschränkt bleibt Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Reaktionsgefäß in seiner Längsausdehnung horizontal angeordnet wird und daß die Abscheidungsrate durch die relative Höhenlage des Substrats zur Siliciumquelle eingestellt wird. Je höher das Substrat im Reaktionsgefäß angeordnet wird, desto höher ist im allgemeinen die Abscheidungsrate.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß für die Epitaxie die üblichen Diffusionsöfen verwendet werden können und beispielsweise auch keine Vertikalöfen erforderlich sind. Aus dem Buch »H.Schäfer, Chemische Transportreaktionen« (1962), Seite 17, Punkt 2.13, ist es bekannt, in einem abgeschlossenen Reaktionsgefäß durch Erhitzung einegasförmige Verbindungherzustellen.diedurch Reaktion eines im Reaktorgefäß vorhandenen Transportgases und des ebenfalls im Reaktorgefäß vorhandenen Silicium einer Siliciumquelle entsteh*. Diese gasförmige Verbindung soll einen Siliciumtransport bewirken. Zur Aufrechterhaltung dieser Transportreaktion sind innerhalb des Reaktionsgefäßes unterschiedliche Temperaturbereiche vorhanden. Zur Erhöhung der Transportleistung ist das Reaktionsgefäß schräggestellt. Das bekannte Verfahren dient zur Reinigung von Silicium, und zwar wird das gereinigte Silicium an der Wand des Reaktionsgefäßes niedergeschlagen. Der Wandbereich, auf dem das Silicium niedergeschlagen wird, befindet sich auf einer Temperatur, die niedriger ist als die Temperatur der Siliciumquelle.

Das Reaktionsgefäß wird in den für die Abscheidung erforderlichen Temperaturbereich vorzugsweise derart eingebracht, daß derjenige Teil des Reaktionsgefäßes, der das Substrat beinhaltet, zuerst in den Temperaturbereich gelangt. Es empfiehlt sich, die Jodquelle auf derjenigen Seite der Siliciumquelle anzuordnen, die dem Substrat abgewandt ist.

Der Abscheldungsprozeß wird vorzugsweise durch einen zeitabhängigen Verlauf der Temperatur gesteuert.

so Dabei wird die Temperatur von einer Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur geregelt. Schließlich wird die Temperatur von der Betriebstemperatur auf eine Endtemperatur geregelt.
Im Reaktionsgefäß sind mindestens zwei Temperaturzonen unterschiedlicher Temperatur in Richtung der Längsachse des Reaktionsgefäßes vorhanden, wobui die eine Temperaturzone in Richtung der Längsausdehnung des Reaktionsgefäßes eine wesentlich größere Länge

aufweist als die andere Temperaturzone, Das Substrat wird vorzugsweise in der langen Temperaturzone und die Jodquelle und die Siliciumquelle in der anderen Temperaturzone angeordnet Die Temperaturen der Temperaturzonen liegen beispielsweise im Bereich ■> zwischen 500 und 1300⁰C, während die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturzonen beispielsweise 10 bis 500"C beträgt.

Eine selektive Abscheidung erhält man durch eine entsprechende Wahl des Druckes im Reaktionsgefäß. Zur Erzeugung der Temperaturzonen kann ein normaler Diffusionsofen verwendet werden, wie er in der Diffusionstechnik gebräuchlich ist. Bei solchen Diffusionsöfen ist der Temperatur-Übergangsbereich zwischen den unterschiedlichen Heizzonen bekanntlich länger als 5 cm. Das Reaktionsgefäß ist abgeschlossen und in seiner Längsausdehnung horizontal angeordnet.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

An das erfindungsgemäße Verfahren ist im wesentlichen die Forderung gestellt worden, daß als Grundlage des technischen Aufbaus ein herkömmlicher Diffusionsofen verwendbar ist, wie er aus einer Vielzahl von Anwendungsfällen in der Halbleitertechnologie·bekannt ist Ein solcher Diffusionsofen zeichnet sich zum einen durch eine langgestreckte Anordnung aus und zum anderen bietet er die Möglichkeit, in Längsrichtung des Ofens mit geringem Aufwand voneinander entkoppelte Zonen unterschiedlicher Temperatur zu erhalten. Die langgestreckt.: Anordnung solcher öfen sowie deren lang ausgedehnte Zonen konstanter Temperatur bieten die Möglichkeit, bei Verwendung von längeren Reaktionsgefäßen mit größeren Substratscheibenchargen und damit unter Fertigungsbedingungen zu arbeiten.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum epitaktischen Abscheiden von Silicium nach der Erfindung. Diese Vorrichtung besteht im wesentlichen aus dem geschlossenen Reaktionsgefäß 1 und der Heizwicklung 2 mit mindestens zwei getrennt regelbaren Heizzonen. In dem Reaktionsgefäß 1 befinden sich die Unterlage 3 für die Siliciumquelle mit der daraufliegenden Siliciumquelle 4 sowie die Unterlage 5 für die Siliciumsubstratscheibe mit der daraufliegenden Siliciumsubstratscheibe 6.

Die F i g. 2 zeigt den Temperaturverlauf im Reaktionsgefäß, d. h. also die Abhängigkeit der Temperatur T von der Längsausdehnung χ des Reaktionsgefäßes. Nach diesem Temperaturverlauf befindet sich die Siliciumquelle 4 beispielsweise in der höheren Temperaturzone 7 und die Substratscheiben 6 in der niedrigeren Temperati'rzone 8. Zwischen den Temperaturzonen 7 und 8 verläuft die Temperaturübergangszone 9 mit einer Ausdehnung von ca. 5 bis 30 cm.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei dem durch die Temperaturübergangszone bedingten relativ weiten Abstand zwischen der Siliciumquelle und dem Substrat die Position des Substrats im Reaktionsgefäß von entscheidender Bedeutung für die Siliciumabscheidung ist. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die Siliciumabscheidung sehr wesentlich von der Höhenlage des Substrats im Reaktionsgefäß abhängig ist, wobei die Höhenkoordinate entgegengesetzt zur Richtung der Schwerkraft verläuft.

In den F i g. 3 bis 5 sind drei typische Substratpositionen angegeben. In der F i g. 3 befindet sich das Substrat 6 im Reaktionsgefäß »unten«. In dieser Lage unterbleibt eine Abscheidung von Silicium, die Substratoberfläche wird im Gegenteil sogar angeätzt. In der F i g. 4 befindet sich das Substrat 6 in der »mittler-.*:« Höhenlage. In dieser Position ktnn es bereits zu einer S'iiciumabscheidung kommen. In d^r F i g. 5 befindet sich das Substrat 6 in der »höchsten« Position mit dem Ergebnis, daß es in dieser Substratlage zu einer verstärkten Silixiumabscheidu-ig kommt. Die Siliciumabscheidung nimmt also mit zunehmender Höhe der Substratposition zu.

Die F i g. 3 bis 5 unterscheiden sich lediglich durch die verschiedenen Höhenlagen des Substrats. Der Abstand zwischen Substrat und Quelle sowie uie Temperatur- und Druckverhältnisse im Reaktionsgefäß sind dagegen in den genannten drei Fällen nicht geändert worden.

Will man bei dem Verfahren nach der Erfindung eine selektive Abscheidung erzielen, so müssen die Substratscheiben entsprechend der selektiven Abscheidung teilmaskiert und in den Abscheidungsbereich des Reaktionsgefäßes gebracht werden, der in einer entsprechenden Höhe im Reaktionsgefäß liegt. Außerdem muß der Gesamtdruck im Reaktiunsge.aß so einreguliert werden, daß sich das Silicium bevorzugt auf dem nichtmaskierten Siliciumsubstrat abscheidet.

hi der Fig. 6 ist eine derartige Halbleiteranordnung mit flächenhaft selektiv abgeschiedenem Epitaxiebereich 10 auf einem Substrat 6 dargestellt. Als Maskierung 11 können die in der Halbleitertechnik üblichen Materialien wie z. B. S1O2 oder S13N4 verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zum epitaktischen Abscheiden von Silicium auf einem Substrat mittels Silicium-Jod-Transport in einem abgeschlossensn Reaktionsgefäß, wobei das Substrat relativ zur Siliciumquelle höher und seitlich und bei niedrigerer Temperatur gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß in seiner Längsausdehnung horizontal angeordnet wird und daß die Abscheidungsrate durch die relative Höhenlage des Substrats zur Siliciumquelle eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß in den für die Abscheidung erforderlichen Temperaturbereich derart eingebracht wird, daß derjenige Teil des Reaklionsgefäßes, der das Substrat beinhaltet, zuerst in den Temperaturbereich gelangt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Jodquelle auf derjenigen Seite der Smciumquelle angeordnet wird, die dem Substrat abgewandt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidungsprozeß durch einen zeitabhängigen Verlauf der Temperatur gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur von einer Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur geregelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur von der Betriebstemperatur auf eine Endtemperatur geregelt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem abgeschlossenen, in seiner Längsausdehnung horizontal angeordneten Reaktionsgefäß, das von einer Heizwicklung mit mindestens zwei getrennt regelbaren Temperaturzonen umgeben ist und in dessen Innerem eine Jodquelle sowie eine Siliciumquelle und ein Substrat angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat relativ zur Siliciumquelle höher angeordnet ist und daß die eine Temperaturzone in Richtung der Längsausdehnung des Reaktionsgefäßes eine wesentlich größere Länge aufweist als die andere Temperaturzone.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in der langen Temperaturzone und die Jodquelle und die Siliciumquelle in der anderen Temperaturzone angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen der Temperaturzonen im Bereich von 500 bis 1300°C liegen und daß die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturzonen 10 bis 500° C beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Substrat und Quelle größer als der Temperaturübergangsbereich zwischen den Temperaturzonen unterschiedlicher Temperatur ist.