DE2707999A1 - Verfahren zum zuechten von mikrokristallinem silicium - Google Patents

Verfahren zum zuechten von mikrokristallinem silicium

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere ein Verfahren zum Herstellen von Siliciumeinrichtungen wie Diodenmatrix-Speicherplatten und dgl.
Eine bekannte Vidicon-Fernsehbildaufnahmeröhre enthält als Speicherplatte oder Target eine Siliciumeinrichtung (US-PS 3 548 233) . Bei den bekannten Verfahren zum Herstellen solcher Speicherplatten sind ein oder mehrere komplizierte und kostspielige Ätzvorgänge mit Photomaskierung erforderlich um eine Anordnung von fleckenartigen Bereichen zu erzeugen, die sich mit diskreten Zonen einer darunter befindlichen Diodenmatrix oder -anordnung decken. Man hat daher bereits nach einfacheren und weniger aufwendigen Herstellungsverfahren für solche Speicherplatten gesucht.
Eine Diodenmatrix-Speicherplatte, die durch ein einfacheres Verfahren hergestellt werden kann, enthält eine Anordnung oder Matrix aus Dioden mit einer durch Reduktion von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff hergestellten selbstzentrierten leitenden Flecken- oder Deckschichtanordnung und ist in einer Veröffentlichung von S. M. Blumenfeld, G. W. Ellis, R. W. Redington und R. H. Wilson "The Epicon Camera Tube: An Epitaxial Diode
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Array Vidicon" in der Zeitschrift IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-18, Nr. 11, November 1971 beschrieben. Speicherplatten dieser Art enthalten fleckenartige Bereiche für die Dioden der Matrix, die in erster Linie durch monokristallines epitaktisches Aufwachsen entstanden sind. Die durch die Reduktion von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff hergestellten Bereiche enthalten jedoch Unvollkommenheiten und wechselnde Kristallstruktur oder -facetten, welche wegen der großen, einige /um überschreitenden Abmessungen der Kristalle Schwankungen des Elektronenstrahl-Aufnahmevermögens über die vom Elektronenstrahl abgetastete Fläche der Speicherplatte zur Folge haben. Diese Unvollkommenheiten und Schwankungen haben ihrerseits Verzerrungen oder Rauschen in dem Bild zur Folge, das mittels der eine solche Speicherplatte enthaltenden Bildaufnahmeröhre aufgenommen wurde.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Speicherplattenstruktur und ein einfaches Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, welche Dioden-Flecken oder -Abdeckzonen enthält, die keine durch den Elektronenstrahl wahrnehmbare Unvollkommenheiten enthält.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen eines solchen Verfahrens.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird also eine Anordnung oder Matrix aus fleckenartigen, mikrokristallinen Siliciumbereichen durch Reduktion von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff selektiv auf Oberflächenteilen einer Siliciumscheibe gezüchtet, die in Offnungen einer auf ihr befindlichen Isolierschicht freigelegt werden. Die Isolierschicht wird jedoch vor dem selektiven Kristallzüchten einer thermischen Behandlung bei einer Temperatur oberhalb der beim selektiven
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Kristallzüchten angewandten Temperatur in einer dauernd erneuten, Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre für eine solche Zeitdauer unterworfen, daß ein störendes irreguläres Wachstum von Silicium auf der Isolierschicht zwischen den anschließend gezüchteten fleckenartigen Siliciumbereichen vermieden wird.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Vidicon-Bildaufnahmeröhre, die eine Speicherplatte oder ein Target enthält, welches gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung hergestellt ist, und
F^g. 2 eine vergrößerte Teilansicht der Speicherplatte der in Fig. 1 dargestellten Bildaufnahmeröhre.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Speicherplatten von Vidicon-Bildaufnahmeröhren der in Fig. 1 dargestellten Art. Das Vidicon 10 gemäß Fig. 1 hat einen evakuierten Kolben 12, dessen eines Ende durch eine durchsichtige Frontplatte 14 gebildet wird und in dessen anderem Ende sich ein Elektronenstrahlerzeugungssysteir. 16 befindet, das im Betrieb einen Elektronenstrahl 18 relativ geringer Geschwindigkeit liefert. Bei der Innenseite der Frontplatte 14 ist ein Eingangssignal-Fühlelement, das gewöhnlich als Target oder Speicherplatte 20 bezeichnet wird, auf einem keramischen Halter so angeordnet, daß es von dem in elektrische Signale umzusetzenden Lichtbild getroffen wird. Der Elektronenstrahl 18 wird durch eine nichtdargesteilte Anordnung, die sich außerhalb des Kolbens 12 befinden kann, magnetisch auf die Speicherplatte 20 fokussiert und über deren Oberfläche abgelenkt.
Die durch Photonen anregbare Speicherplatte 20, von der in Fig. 2 ein kleiner Teil stark vergrößert dargestellt ist, enthält eine Siliciumscheibe 24, welche in der Masse aus einem
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Einkristall elementaren Siliciums besteht, das N-leitend dotiert ist, z.B. mit Phosphor in einer Konzentration von beispielsweise etwa 2 χ 10 Atomen/cm bis etwa 10 Atome/cm Die Siliciumscheibe 24 hat zwei entgegengesetzte Hauptflächen 26 und 28. Die erste Hauptfläche 26 stellt die Eingangssignalauf nähme fläche der Speicherplatte 20 dar, auf die eine Lichtverteilung oder ein Bild geworfen wird. Die zweite Hauptfläche 28 der Speicherplatte ist, wenn diese in der Röhre (Fig. 1) montiert ist, dem Elektronenstrahl zugewandt und soll der Einfachheit halber als die Abfühlflache bezeichnet werden.
Die Scheibe 24 enthält einen Ladungsspeicherbereich B längs eines Teiles der Oberfläche einschließlich der Abfühlflache 28 und einen Eingangsbereich A längs des Oberflächenbereiches einschließlich der Eingangsfläche 26. Der Ladungsspeicherbereich B enthält an der Abfühlflache 28 der Siliciumscheibe 24 eine Anordnung oder Matrix von diskreten PN-Speicher-Flächendioden 30. Zwischen den diskreten Dioden 28 befindet sich auf der Abfühlflache 28 eine Isolierschicht 32 aus Siliciumdioxid, die die Masse der Siliciumscheibe 24 gegen die Einwirkung des abtastenden Elektronenstrahls 18 abschirmt. Die Speicherplatte enthält ferner entartet dotierte mikrokristalline Kontaktflecke 34 aus P-leitendem Silicium, die die P-leitenden Oberflächen der diskreten Dioden 30 bedecken und an der Peripherie der diskreten Dioden die Isolierschicht 32 überlappen. Die Kontaktflecke 34 verbessern den Kontakt des abtastenden Elektronenstrahls 18 mit den Dioden 30.
Die Kontaktflecke 34 sehen im wesentlichen wie eine Anordnung von diskreten, halbkugeligen und beerenförmigen VorSprüngen auf der Isolierschicht 32 aus. Die Morphologie der Oberfläche und die Gleichförmigkeit der Kontaktflecke 34 muß sorgfältig gesteuert werden, um Schwankungen der Elektronenstrahlaufnahmefähigkeit längs der vom Elektronenstrahl abgetasteten Oberfläche der Speicherplatte 20 zu verhindern. Insbesondere
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müssen die Kontaktflecke 34 Siliclumkrlstalllte enthalten, die klein im Vergleich zum Auflösungsvermögen des Elektronenstrahls der Röhre sind. Es wurde in dieser Hinsicht festgestellt, daß die Größe der Kristallite in den Kontaktflecken 34 kleiner als etwa 1 ,um sein muß, d.h. die Kontaktflecke müssen "mikrokristallin" sein, wenn die obenerwähnten Mängel im aufgenommenen Bild vermieden werden sollen. Da diese halbkugelförmigen Kontaktflecke auf der freiliegenden Oberfläche der Siliciumscheibe in den diskreten Öffnungen der Isolierschicht 32 selektiv gezüchtet werden, muß ferner das verwendete Kristallzüchtungsverfahren gewährleisten, daß sich keine unerwünschten Siliciumkappen längs der isolierenden Schicht 32 zwischen benachbarten Kontaktflecken bilden. Es wurde nämlich festgestellt, daß ein solches unerwünschtes Aufwachsen von Silicium ebenfalls störende Schwankungen im Elektronenstrahl-Aufnahmevermögen der Speicherplatte und/oder einem unerwünschten Kurzschließen benachbarter Dioden führen kann.
Herstellung der Speicherplatte
Die Speicherplatte 20 mit der Anordnung aus den selbstzentrierten Kontaktflecken gewünschter Obenflächenmorphologie läßt sich auf die folgende Weise herstellen: Eine runde monokristalline Scheibe aus hochreinem Silicium mit einem Durchmesser von etwa 2,5 cm und einer Dicke von etwa 0,Ol3 cm wird in bekannter Weise zuerst in einer Säurelösung gereinigt, dann gewaschen und anschließend getrocknet.
Nun wird auf der einen Hauptfläche 28 des Scheibenrohlings eine isolierende Siliciumdioxidschicht 32 mit einer Dicke von etwa 1,5,um erzeugt, indem man die Scheibe etwa 4 Stunden bei etwa 1100 0C in einer Wasserdampfatmosphäre erhitzt. Durch bekannte photolithographische Verfahren wird nun durch die Isolierschicht eine Matrix von Löchern geätzt, die einen Durchmesser von etwa 7 ,um und von Mitte zu Mitte gerechnete Abstände von
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etwa 13,8,um haben und diskrete Bereiche der Scheibenoberfläche freilegen. Anschließend wird die Scheibe auf einem Lagerblock in einer Kammer eines wassergekühlten Reaktionsgefäßes aus Quarz angeordnet, das ein Innenvolumen von etwa 1,2 Liter hat. Das Reaktionsgefäß aus Quarz hat rohrförmige öffnungen zum Einleiten und Ableiten von Gasen oder Dämpfen in die Reaktionskammer. Mit einer Einlaßöffnung des Reaktionsgefäßes wird eine Quelle für gas- oder dampfförmige Reagenzien und eine Quelle für ein Dotierungsmittel angeschlossen. Die Quelle für die gas- oder dampfförmigen Reagenzien enthält eine Quelle im wesentlichen reinen Wasserstoffes, die mit einer absperrbaren Quelle für Siliciumtetrachloriddampf (SiCl4) und einem gas- oder dampfförmigen Dotierungsstoff, wie z.B. Bortribromid verbunden ist. Die Strömung des Wasserstoffes, der direkt in die Reaktionskammer geleitet wird und der der oder den Quellen für die Reagenzien und dem Dotierungsstoff zugeleitet wird, wird durch getrennte Strömungsventile in bekannter Weise gesteuert. Anstelle von Bortribromid kann man in bekannter Weise auch andere P-leitende oder (bei einer noch zu beschreibenden abgewandelten Struktur) N-leitende gas- oder dampfförmige Dotierungsstoffe verwenden. Geeignete Akzeptoren sind z.B. u.a. BCl3 und B2Hg. Geeignete Donatoren sind u.a. PH3, PCl3, PBr3 oder AsH3.
Als erstes wird die Wasserstoffströmung in das Reaktionsgefäß angestellt, um dessen Inneres mit Wasserstoff auszuspülen. Man leitet dabei den Wasserstoff in das Reaktionsgefäß mit einem Durchsatz entsprechend dem Fünffachen des Volumens der Reaktionskammer pro Minute ein. Der Scheibenrohling wird dann, z.B. durch Hochfrequenzerhitzung des Lagerblockes eine Zeitspanne von über einer Minute auf eine Temperatur von mindestens ICXX) 0C erhitzt, um den Siliciumscheibenrohling der thermischen Behandlung zu unterwerfen, die zur Verhinderung des obenerwähnten unerwünschten Wachstums erforderlich ist. Die thermische Behandlung des Rohlings im Wasserstoff dient
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zur Verminderung der aktiven Stellen, die für eine Kristallkeimbildung und ein Wachstum längs der Oxidschicht 32 zur Verfügung stehen, zu verhindern. Die Scheibe wird vorzugsweise für eine Dauer von etwa 3 Minuten in der beschriebenen strömenden Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1050 0C erhitzt. Die Temperatur des Scheiben-Werkstücks kann während der Fabrikation mit einem optischen Pyrometer oder einem Thermoelement im Lager- oder HF-Heizblock in bekannter Weise überwacht werden. Während die obenerwähnte Wärmebehandlung der Scheibe vorzugsweise in einer aus Wasserstoff bestehenden Atmosphäre durchgeführt wird, können jedoch auch ein anderes Gas oder andere Gase, die die Reaktion des Wasserstoffes mit der Oberfläche der Schicht 32 und das weiter unten beschriebene selektive Züchten des Siliciums nicht stören, in Verbindung mit dem Wasserstoff verwendet werden.
Nachdem die vorbereitende Wärmebehandlung der Scheibe durchgeführt worden ist, wird die Temperatur der Scheibe im Reaktionsgefäß auf eine Temperatur herabgesetzt, die unterhalb der Temperatur der vorangegangenen Erhitzung, jedoch oberhalb von etwa 900 0C liegt, und ein Strom aus den gas- bzw. dampfförmigen Reagenzien für das selektive Züchten der mikrokristallinen Siliciumkontaktflecke 34 in den vorher gebildeten öffnungen oder Durchbrüchen der Siliciumdioxidschicht 32 wird in das Reaktionsgefäß eingeleitet. Für das selektive Züchten hat sich eine Temperatur von etwa 950 0C für die Scheibe als besonders zweckmäßig erwiesen. Der Strom aus den Reagenzien, der während dieser Zeitspanne in die Reaktionskammer eingeführt wird, enthält Siliciumtetrachloriddampf, welcher in den Wasserstoffstrom eingeführt wird, der schon vorher durch die Reaktionskammer geleitet wurde. Die Konzentration des Siliciumtetrachlorids ist vorzugsweise etwa 0,5 Mol-% des in der Reaktionskammer eingeführten Gas- bzw. DampfStroms. Man kann selbstverständlich auch mit anderen Konzentrationen des SiIiciumtetrachlorids im Dampfstrom mit Erfolg arbeiten, z.B. mit
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Konzentrationen zwischen etwa 0,1 bis etwa 1,0 Mol-% des in die Reaktionskammer eingeleiteten DampfStroms. Während der Dauer dieses selektiven Züchtens wird ferner ein geeignetes dampf- gasförmiges Dotierungsmittel gleichzeitig miteingeleitet. Im Falle von Bortribromid als Dotierungsmittel wird die pro Zeiteinheit in die das Reaktionsgefäß durchfließende Strömung eingeführte Menge des Dotierungsmitteldampfes so eingestellt,
daß die selektiv gezüchteten Kontaktflecke 34 mit einer König ο
zentration in der Größenordnung von etwa IO Atomen/cm entartet dotiert werden. Das selektive Wachsen der Siliciumkontaktflecke 34 in den vorher in der Siliciumdioxidschicht 32 gebildeten Durchbrüchen oder öffnungen dauert z.B. etwa 9 Minuten. Dann werden das Siliciumtetrachlorid und der Dotierungsmitteldampf abgestellt und man läßt die Scheibe in einer im wesentlichen aus reinem Wasserstoff bestehenden strömenden Atmosphäre auf Raumtemperatur abkühlen.
Die Scheibe wird nun aus dem Reaktionsgefäß entnommen und in einen Diffusionsofen gebracht. Dort wird die Scheibe bei einer Temperatur von etwa HOO 0C in einer Atmosphäre aus Stickstoff und Sauerstoff genügend lange erhitzt, um den Dotierungsstoff aus den Kontaktflecken 34 in die Siliciumscheibe 24 einzudiffundieren und in dieser diskrete P-Zonen zu bilden. Diese diskreten P-Zonen bilden PN-übergänge mit der Masse der Scheibe 24 und reichen etwa 3,um in diese hinein. Die Eingangsfläche 26 der Scheibe wird dann chemisch geätzt, bis die Scheibendicke etwa 15,um beträgt. Am Rand kann die Scheibe zur Halterung und aus Festigkeitsgründen dicker belassen werden. Die Speicherplatte 20 wird dann in bekannter Weise gewaschen und getrocknet. Die Eingangsfläche 26 der Speicherplatte kann dann in bekannter Weise mit einer reflexionsvermindernden transparenten Schicht überzogen werden, um die optische Kopplung zwischen der Speicherplatte 20 und der zugehörigen Optik, wie der Frontplatte 14 des Vidicons 10 zu verbessern. Sie kann ferner mit einer N+-IeItenden Akkumulationszone versehen werden,
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um die Oberflächenrekombination an der Eingangsfläche 26 zu verringern.
Die in der beschriebenen Weise hergestellte Speicherplatte 2O wird dann bei der Innenseite der Frontplatte 14 so montiert, daß die Matrix aus den Kontaktflecken 34 dem Elektronenstrahl 18 zugewandt ist.
Das oben angeführte bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung betraf die Herstellung einer Speicherplatte für ein Vidicon, selbstverständlich läßt sich die Erfindung auch auf andere Arten von Einrichtungen anwenden, die Speicherplatten oder Elektroden mit einer Anordnung oder Matrix aus Kontaktbereichen enthalten, die durch einen Elektronenstrahl adressiert oder abgefühlt werden. Einrichtungen dieser Art sind z.B. Silicium-Bildverstärker- oder Bildwandlerröhren und Speicherröhren. Die spezielle Konstruktion und Betriebsweise solcher Einrichtungen sind bekannt. Bei einer mit Sekundäremission arbeitenden Vidio-Bildaufnahmeröhre sind z.B. die Leitungstypen der diskreten Zonen und der Masse der Scheibe 24 umgekehrt wie bei dem obigen Beispiel, d.h. also die diskreten Zonen der Dioden sind N-leitend und die Masse der Scheibe 24 ist P-leitend.
Unter dem hier verwendeten Begriff "selektives Züchten" soll ein im wesentlichen gleichförmiges Hachsen von Silicium auf diskreten Oberflächenbereichen einer Siliciumscheibe verstanden werden, die durch eine Anordnung von Löchern in einer darüberliegenden Schicht freigelegt sind, wobei ein Aufwachsen von Silicium auf diese Schicht zwischen den Bereichen, in denen das Silicium gezüchtet wird, im wesentlichen vermieden wird. Beim selektiven Züchten von Silicium unter Verwendung einer Reduktion von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff tritt,wie erwähnt, im allgemeinen ein unregelmäßiges Wachstum von Silicium längs der Isolierschicht zwischen den diskreten Aufwachsbereichen des Siliciums der Matrix auf, das bei der Herstellung von Spei-
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cherplatten, die durch einen Elektronenstrahl abgetastet werden, noch bei anderen Anwendungen untragbar ist. Es wurde gefunden, daß dieses unerwünschte Aufwachsen von Silicium praktisch völlig verhindert werden kann, wenn man die Scheibe bei der Herstellung vor dem selektiven Züchten im SICl4-System einer einfachen Wärmebehandlung in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre unterwirft. Es wurde ferner gefunden, daß die durch den Elektronenstrahl wahrnehmbaren Unregelmäßigkeiten in den selektiv gezüchteten Kontaktflecken durch eine sorgfältige Prozeßsteuerung, durch die eine im wesentlichen gleichmäßige mikrokristalline Form von Silicium selektiv gezüchtet wird, ebenfalls vermieden werden können. Insbesondere treten bei den mikrokristallinen Kontaktbereichen oder -flecken, die das Verfahren gemäß der Erfindung liefert, keine irregulären Facetten oder Kristallflächen auf, wie sie gewöhnlich beim Züchten von monokristallinem Silicium, insbesondere auf einer 111-Kristallfläche der Scheibe entstehen. Außerdem kann man bei dem Verfahren gemäß der Erfindung auf ein exaktes Schneiden des Siliciumscheibenkristalles verzichten und es ist auch keine besondere Ausrichtung des Musters in der abdeckenden durchbrochenen Schicht bezüglich irgendeiner krista1lographisehen Achse erforderlich.
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Claims (8)

2707:99 Patentansprüche
1.) Verfahren zum selektiven Züchten von mikrokristallinem Silicium auf einer Anordnung diskreter Oberflächenbereiche einer Siliciumscheibe, welche durch öffnungen in einer auf der Siliciumscheibe befindlichen Schicht begrenzt sind, bei welchem Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß vorher die auf der Siliciumscheibe befindliche Schicht (32) bei einer Temperatur, die über der Temperatur beim selektiven Züchten liegt, in einer geschlossenen Kammer und in einer strömenden, wasserstoffhaltigen Atmosphäre für eine Zeitspanne erhitzt wird, die ausreicht, um ein störendes irreguläres Wachstum längs der isolierenden Schicht zwischen den anschließend selektiv gezüchteten diskreten Bereichen im wesentlichen zu verhindern.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , da3 eine Schicht (32) aus Siliciumdioxid verwendet wird.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Erhitzung bei einer Temperatur von mindestens 1000 0C durchgeführt wird.
4.) Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz der Atmosphäre durch die geschlossene Kammer während der Erhitzung etwa das Fünffache des Kammervolumens pro Minute beträgt.
5.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur während der Erhitzung etwa 1050 0C beträgt und daß die Temperatur während des selektiven Züchtens etwa 950 0C beträgt.
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6.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (24) mit der Isolierschicht (32) für das selektive Züchten in einer Reaktionskammer angeordnet werden, und daß die Atmosphäre in der Reaktionskammer kontinuierlich erneuert wird und in erster Linie aus Wasserstoff mit einem Anteil von etwa 0,1 bis etwa 1,0 Mol-% Siliciumtetrachloriddampf besteht.
7.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die laufend erneuerte Atmosphäre in der Kammer während des selektiven Züchtens einen Dotierungsstoff enthält.
8.) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Bortribromid als Dotierungsstoff verwendet wird.
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ORIGINAL INSPECTED
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