DE2743950A1

DE2743950A1 - Verfahren und vorrichtung zum abscheiden von halbleitermaterial

Info

Publication number: DE2743950A1
Application number: DE19772743950
Authority: DE
Inventors: Gerhard Barowski; Ulrich Rucha
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-29
Filing date: 1977-09-29
Publication date: 1979-04-12
Also published as: PL115365B1; DE2743950C2; IN149401B; PL209746A1; JPS5458350A; SU810086A3; IT1099206B; BR7806432A; IT7828167A0; JPS5639048B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, auf einem erhitzten Trägerkörper aus einem entsprechenden, vorzugsweise aus einer Halogenverbindung mit Wasserstoff bestehenden Reaktionsgas, bestehend aus einer platten- oder tellerförmigen Grundplatte und einer auf der Grundplatte gasdicht aufgesetzten, aus Quarz, Glas, Rotosil oder Stahl bestehenden Glocke mit den für die Zu- und Abfuhr des Reaktionsgases erforderlichen Öffnungen sowie Halterungen für die Trägerkörper.
Solche Vorrichtungen sind beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 1 198 787 für die Herstellung von Siliciumstäben bekannt. Die Trägerkörper sind z.B. zwei parallele, vertikal angeordnete Siliciumstäbe, die an ihren unteren Enden von je einer an der Bodenplatte befestigten Elektrode gehaltert und an ihren oberen Enden über eine Brücke aus Silicium leitend miteinander verbunden sind, so daß ein über die Elektroden zugeführter elektrischer Heizstrom die beiden Siliciumstäbe durchströmt und sie auf die Abscheidungstemperatur erhitzt. Die platten- oder tellerförmige Unterlage besteht vorwiegend aus einem temperaturbeständigen Metall, z.B. Silber, und ist an der den Reaktionsraum begrenzenden Oberfläche mit Quarzplatten abgedeckt. Die beiden Elektroden sind gegeneinander elektrisch isoliert und gasdicht durch die Unterlage hindurchgeführt. Außerdem sind an ihr die Einlaß- und Auslaßstellen für das Reaktionsgas vorgesehen. Statt stabiörsiger Trägerkörper können auch rohrfdrmige Trägerkörper, insbesondere solche aus Graphit als Träger dienen, die in ähnlicher Weise wie die Trägerstäbe bei Anordnungen nach der deutschen Patentschrift 1 198 787 gehaltert sind und von einem elektrischen Heizstrom durchflossen sind. Eine solche Anordnung dient zum Herstellen von Rohren aus Silicium. Schließlich können als Träger auch Halbleiterscheiben verwendet werden, die auf einer auf der Bodenplatte befestigten elektrisch beheizten Unterlage ruhen, die dann entweder auf induktivem Wege oder mittels Widerstandsheizung auf die erforderliche hohe Abscheidungstemperatur gebracht wird.
Die auf der Unterlage über einen Dichtungsring aus gasdichtem, elastischem Material aufsitzende Quarzglocke wird im allgemeinen mit einen Plansch an ihrem Rand versehen sein, mit dessen Hilfe die Glocke unter Zwischenfügung der Dichtung auf der Unterlage festgespannt wird. Zu diesem Zweck werden Überdrucke, Klammern und ähnliche Halteorgane verwendet, die ihrerseits an der Unterlage - z.B. mittels Schrauben - befestigt sind. Die Unterlage besteht beispielsweise aus einer Silberplatte oder einem Silberteller, auf die die Quarzglocke mit dem Flansch gasdicht unter Zwischenfttgung des Abdichtmittels aufgesetzt wird. Für die Abdichtung wird z.B. ein hochtemperaturfestes Dichtungsfett oder eine O-Ring-Dichtung verwendet. Der Anpreßdruck wird mechanisch, entweder unmittelbar auf den Quarzflansch oder an der Oberseite der Quarzglocke, ausgeübt.
Bekannt ist auch, daß die Glocke aus Stahl besteht und fernerhin ist aus D-OS 23 24 365 bekannt, daß ein Stahldruckgefäß die Quarz- oder Rotosilglocke umgibt, und der Raum zwischen den beiden Gefäßen während des Abscheidebetriebes mit Druckgas angefüllt ist. Damit grenzt die Außenfläche der Quarzglocke an ein Gas mit gegenüber der Atmosphäre erhöhtem Druck an, so daß sie während des Äbscheidebetriebes ausschließlich oder wenigstens in der Hauptsache durch ihr eigenes Gewicht und die von diesem Druckgas ausgeübten Kräfte unter Entstehung einer gasdichten Verbindung mit der Unterlage auf dieser festgehalten ist.
Unabhängig davon, aus welchem Material (Quarz, Rotosil oder Stahl) die Glocke besteht, und unabhängig davon, ob über der Quarz- bzw. Rotosilglocke noch ein Stahlgefäß mit einem definierten Druck zwischen den beiden Gefäßen angeordnet ist, muß in jedem Fall ein Beobachtungsfenster vorhanden sein, durch welches hindurch die Abscheidungsvorgänge beobachtet und evtl.
auch die Temperatur gemessen werden müssen.
Beobachtungsfenster in der Quarz glocke anzubringen ist relativ aufwendig und teuer. Sie haben, da sie den Rundungen der Glocke angepaßt sind, den Nachteil, daß sie optische Verzerrungen hervorrufen, die Fenster können nicht planparallel ausgebildet werden. Dies ist besonders dann von großem Nachteil, wenn durch das Beobachtungafenster auch Messungen, z.B. Temperaturmessungen vorgenommen werden sollen.
Zur Abhilfe dieses Nachteils hat man Beobachtungsfenster in die Bodenplatte eingearbeitet, aber ohne den gewünschten Erfolg erzielt zu haben, denn unabhängig davon, wo das Beobachtungsfenster angebracht ist, besteht immer der Nachteil, daß die Fenster, abhängig von der Fenster- und Wandtemperatur des Reaktors während des Abscheidungsprozesses mehr oder weniger trübe und/oder wenistens teilweise undurchsichtig werden. Exakte Messungen werden dann immer schwieriger und ermittelte Temperaturen können bis zu t500C falsch werden.
All diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch beseitigt, daß die Grundplatte eine Aufnahmemöglichkeit, z.B. eine Aussparung, für einen, ein Beobachtungsfenster tragenden Tubus besitzt und das innerhalb des Tubus angeordnete Beobachtungsfenster in den Reaktionsraum hineinragt. Vorzugsweise besteht der Tubus selbst aus Quarz, wobei das ebenfalls aus Quarz bestehende Beobachtungsfenster als planparallele Scheibe gas dicht in den Tubus eingeschmolzen ist. Dabei ist der Abstand des Beobachtungsfensters von dem in die Reaktionskammer hineinragenden Rand des Tubus so weit entfernt angeordnet, daß eine Bedampfung des Beobachtungsfensters praktisch ausgeschlossen ist. Tuben aus Edelstahl, Keramik, Rotosil oder ähnlichen Stoffen sind ebenfalls einsetzbar.
Zweckmäßigerweise ist in Verlängerung der Tubusachse außerhalb des Reaktionsgefäßes ein verstellbarer Umlenkspiegel angeordnet und so eingestellt, daß der Halbleiterstab, vorzugsweise der obere Balken bei U-förmig ausgebildeten Trägerstäben beobachtbar ist.
Wenn Temperaturmessungen vorgenommen werden sollen, so kann ein Temperatursensor, vorzugsweise ein Strahlenpyrometer von außerhalb des Reaktionsgefäßes die Oberflächenteiperatur des Eslbleiterstabes über den Umlenkspiegel und durch das Beobachtungsfenster hindurch messen.
iuf lange Sicht ist die Temperatur und damit ihre exakte Erfassung die wichtigste Größe, wonach alle übrigen Abscheidungaparameter wie Speisestrom, Frequenz, Frequenzänderung, Molverhältnis, Durchsatz usw. bestimmt und ihre Sollwerte eingestellt werden.
Somit ist das Verfahren gemäß der Erfindung zum Abscheiden von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, auf einem erhitzten Trägerkörper aus einem entsprechenden, vorzugsweise aus einer Halogenverbindung mit Wasserstoff bestehendem Reaktionsgas dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Balbleiterstabes durch einen Temperatursensor, vorzugsweise ein Strahlenpyrometer, gemessen wird, dessen Strahlengang über einen verstellbaren Umlenkspiegel durch ein in den Reaktionsraum hineinragendes, in einem Tubus angeordnetes planparallel ausgebildetes Fenster zum Halbleiterstab eingeführt wird.
Der technische Fortschritt, den die Erfindung aufweist, besteht hauptsächlich darin, daß durch das Hineinragen des Tubus in den Reaktionsraum eine Silanbildung auf dem Beobachtungstenster unterbunden ist. Silane, anfallende Öle usw. sind Reststoffe aus der verwendeten Siliciumverbindung, beispielsweise SiHC13 oder SiC14, die flüssig ausfallen, d.h. weder auf dem Siliciumstab abgeschieden, noch als Abgase abgeführt worden sind. Sie entstehen vorzugsweise an Stellen, an denen es für die Reaktion zu kalt ist, z.B.
bei ca. 2000C. Bei Stahlreaktoren z.B. laufen sie in erheblichen Mengen die Stahlwand hinab und beeinträchtigen die Beobachtung des Siliciumstabes beträchtlich. Flüchtige Stoffe wie Reaktionsfrisch- und abgase und flüchtige Zwischenprodukte werden von dem Beobachtungsfenster abgeschattet, da es im Innern des Tubus angeordnet, zweckmäßigerweise eingeschmolzen ist. Die Temperatur konnte mit der Anordnung gemäß der Erfindung mit einer relativ hohen Genauigkeit von etwa +0 gemessen werden und dies bei Abscheidetemperaturen, die bei Silicium zwischen 9000 und 13000C, vorzugsweise zwischen 10200 und 12000C liegen, und dies während der gesamten Prozeßdauer.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ganz besonders von Vorteil bei dicken Stäben von 3" und mehr, da hier, das gilt aber auch schon für Zweizollstäbe, bei niedrigeren, d.h. kritischeren Temperaturen gearbeitet werden muß, um sonst entstehende grobkristalline Strukturen, die sogar nach einem Zonenziehprozeß immer noch auf die Versetzungsfreiheit Einfluß nehmen, zu unterdrücken.
Die Erfindung wird anhand zweier als Ausführungsbeispiele zu wertender Figuren näher erläutert.
In der Fig. 1 ist ein der Erfindung entsprechendes Reaktionsgefäß zum Abscheiden von Halbleitermaterial auf erhitzte Ealbleiterkörper dargestellt, für welches ein Zweigefäßreaktor gewählt worden ist. Die Unterlage besteht aus einer mit Durchbohrungen versehenen Silberplatte 1. Durch einen an einer zentralen Durchbohrung 2 ansetzenden Kanal 4 wird das verbrauchte Gas aus dem Reaktionsraum abgeführt. Innerhalb dieses Kanals 4 und der zentralen Durchbohrung 2 ist ein Zuführungsrohr 3 mit Ventil für das frische Reaktionsgas vorgesehen. Beiderseits dieser zentralen Durchbohrung sind pro Stabpaar zwei Elektroden gegeneinander isoliert und gasdicht durch die Silberplatte 1 geführt. Diese Elektroden, in der Zeichenebene ist dies die Elektrode 5, dienen zugleich als Halterungen, in welche zwei stab- oder rohrförmige Trägerkörper 7 mit ihren unteren Enden eingesetzt und stabil gehaltert werden können.
Die zwei gleichlangen Trägerkörper 7 sind an ihren oberen Enden mit einer nicht dargestellten Brücke aus temperaturbeständigem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Silicium verbunden.
Die Silberplatte 1 ist auf einer durchlochten Grundplatte 8 aus Stahl gasdicht in der aus der Figur ersichtlichen Weise befestigt.
Die Quarzglocke 9 sitst auf der Silberplatte 1 mit ihrem unteren zu einem Flansch ausgebildeten Rand 10 gasdicht auf. Zur Verbesserung der Abdichtung ist ein Dichtungaring 11 vorgesehen. Dieser befindet sich zweckmäßig mit seinem größten Teil in einer seinem Verlauf angemessenen und in die Silberplatte 1 eingelsssenen ringförmigen Nut. Gegebenenfalls kann auch der Flansch 10 entfallen und dementsprechend die Wandstärke der Glocke 9 auch an ihrem unteren Rand mit der Wandstärke in ihren übrigen Bereichen Ubereinstimmen oder gar verjüngt sein. Die Glocke 9 ist in ihrem oberen Teil gewölbt, wodurch eine verstärkte Belastbarkeit durch das Druckgas gegeben ist. Dieses befindet sich in einem die Glocke 9 umgebenden Druckgefäß 12, das z.B. aus Stahl bestehen kann. Dieses Druckgefäß 12 ist mit einer Einlaßstelle 13 für ein Inertgas, insbesondere Stickstoff oder ein Edelgas, versehen. Bin Manometer 14 erlaubt es, den Gasdruck im Druckgefäß 9 zu überwachen, der in bekannter Weise auf einen hohen Wert, d.h. auf mehrere Atmosphären, eingestellt wird.
Zum Betrieb dieser Anordnung werden die Träger 7 in ihre beiden Halterungen - in der Zeichenebene liegt die Halterung 5 - eingebracht und mit einer leitenden Brücke verbunden. Dann wird die Glocke 9 auf die Silberplatte 1 gegebenenfalls unter Zwischenfügung der Dichtung 11 aufgesetzt und der Druckgasbehälter 12 verschlossen. Vor dem Einschalten der Strömung des Reaktionagases und der Beheizung der Trägerstäbe wird der Druckgasbehälter mit Inertgas mit einem zur Dichtung ausreichenden Überdruck von 0,1 bis 2 Atmosphären gefüllt. Hierdurch wird die Glocke 9 fest gegen die Silberplatte 1 gepreßt und eine gasdichte Verbindung erzielt. Dann wird Wasserstoff in das Reaktionsgefäß eingelassen und der die Beheizung der Trägerkörper 7 bewirkende Strom eingeschaltet. Sobald sich die Träger 7 auf Abscheidungstemperatur befinden, kann das eigentliche Reaktionsgas, z.B. ein Gemisch aus H2 und Sie13, in das Reaktionsgefäß eingelassen werden, 80 daß die Abscheidung an der glühenden Oberfläche der erhitzten Träger 7 stattfindet. Zur Überwachung des Betriebes ist der Druckgasbehilter 12 mit einem druckfesten Beobachtungsfenster 15 und dem bereits erwähnten Manometer 14 versehen. Die zur Überwachung der Trägergasströmung sowie der Beheizung der Träger erforderlichen Mittel sind üblicher Natur und in der Figur im einzelnen nicht angegeben. Zu bemerken ist lediglich, daß es sich empfiehlt, das frische Reaktionsgas unter so hohem Druck in den Reaktionsraum einzublasen, daß sich eine lebhafte Strömung bis in den oberen Teil des Reaktionsraumes ausbilden kann.
In den Grundplatten 8 und 1 ist eine Aufnahmemöglichkeit, z.B.
eine Aussparung vorgesehen, in der der das Beobachtungsfenster tragende Tubus 17 angeordnet ist. Der Tubus 17 ist mittels der beispielsweise aus Teflon bestehenden Dichtung 18 vakuumdicht in die Grundplatte eingepaßt. Das aus Quarz bestehende Beobachtsfenster 16 ist als planparallele Scheibe gasdicht in den ebenfalls aus Quarz bestehenden Tubus 17 eingeschmolzen.
Zur Beobachtung des Abscheidevorgangs und/oder Messung der Temperatur ist in Verlängerung der Tubusachse außerhalb des Reaktorgefäßes ein verstellbarer Umlenkspiegel 20 angeordnet, der so eingestellt ist, daß der Halbleiterstab, bei U-förmig ausgebildeten rägerstäben vorzugsweise die die beiden Siliciumstäbe miteinander verbindende Siliciumbrücke, beobachtbar ist.
Wenn Temperaturmessung vorgenommen wird, so tritt an die Stelle des beobachtenden Auges 21 ein an sich bekannter und in der Zeichnung nicht dargestellter Temperatursensor, vorzugsweise ein Strahlenpyrometer. Temperaturauswertung und Sollwerteinstellung der übrigen Abscheideparameter erfolgen in an sich bekannter Weise, so daß nicht näher hierauf eingegangen werden muß.
In Figur 2 sind das Beobachtungsfenster und die es umgebenden Teile des Reaktionsgefäßes des besseren Verständnisses wegen in seinen Einzelheiten nochmals dargestellt.
Es bedeuten hierin 22 die Stahlgrundplatte mit dem Silberüberzug 23 und der darauf befindlichen Quarzplatte 24. Der Tubus 25 trägt das Beobachtungsfenster 26 und ist mittels der Teflondichtung 27 in die Bodenplatte vakuumdicht eingepaßt. Der Quarztubus 25 besitzt an seinem unteren Ende plangeschliffene Flansche 28. Unter der Dichtung 29 ist vermöge der Schraubvorrichtung 30 ein Stahlzylinder befestigt, an den sich die den verstellbaren Umlenkspiegel 32 tragende - nur schematisch angedeutete - rohrförmige Anordnung 33 anschließt. Der Strahlengang verläuft vom beobachtenden Auge 34 aus über den Umlenkapiegel 32 durch den Stahltubus 31, den Quarztubus 25, das Fenster 26 zu dem zu beobachtenden Halbleiterstab, Es ist verständlich, daß eine solche Anordnung in abgewandelter Form auch für die Abscheidung von anderen Halbleitermaterialien und zur Abscheidung von Halbleiterschichten auf Halbleiterscheiben geeignet ist. In diesem Fall befindet sich auf der Silberplatte eine beheizbare Unterlage, z.B. ein Suszeptor, der durch das elektromagnetische Feld einer die Glocke von außen umgebenden Induktionsspule beheizt wird und der an seiner ebenen Oberseite die auf ihn aufgelegten Halbleiterscheiben trägt. Gegebenenfalls können auch die Trägerkörper 7 Körper von Halbleiterscheiben sein.
2 Figuren 13 Patentansprüche Leerseite

Claims

Patentansrüche 1. Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, auf einem erhitzten Trägerkörper aus einem entsprechenden, vorzugsweise aus einer Halogenverbindung mit Wasserstoff bestehenden Reaktionsgas, bestehend aus einer platten-oder tellerförmigen Grundplatte und einer auf der Grundplatte gasdicht aufgesetzten, aus Quarz, Glas, Rotosil oder Stahl bestehenden Glocke mit den für die Zu- und Abfuhr des Reaktionsgases erforderlichen Öffnungen sowie Halterungen für die rägerkörper, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Grundplatte eine Aufnahmemöglichkeit, z.B. eine Aussparung, fiUI einen, ein Beobachtungafenster tragenden Tubus besitzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innerhalb des Tubus angeordnete Beobachtungsfenster in den Reaktionsraum hineinragt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Beobachtungsfensters von dem in die Reaktionskammer hineinragenden Rand des Tubus 80 weit entfernt angeordnet ist, daß eine Bedampfung des Beo bacht ungsf ensters praktisch ausgeschlossen ist.
4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tubus aus Quarz besteht.
5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tubus aus Rotosil besteht.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tubus aus Keramik besteht.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tubus aus Edelstahl besteht.
8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungsfenster aus Quarz besteht und als planparallele Scheibe gasdicht in den Tubus eingeschmolsen ist.
9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Verlängerung der Tubusachse außerhalb des Reaktionsgefäßes ein verstellbarer Umlenkapiegel angeordnet ist.
10.Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel so eingestellt ist, daß der Halbleiterstab, vorzugsweise der obere Balken bei U-förmig ausgebildeten Trägerstäben beobachtbar ist.
11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor, vorzugsweise ein Strahlenpyrometer, vorgesehen ist, der die Oberflächentemperatur des Kaibleiterstabes über den Umlenkapiegel und durch das Beobaehtungsienster hindurch mißt.
12. Verfahren zum abscheiden von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, auf einem erhitzten Trägerkörper aus einem entsprechenden, vorzugsweise aus einer Halogenverbindung mit Wasserstoff bestehendem Reaktionsgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Ralbleiterstabes durch einen Temperatursensor, vorzugsweise ein Strahlenpyrometer, gemessen wird, dessen Strahlengang über einen verstellbaren Umlenkspiegel durch ein in den Reaktionsraum hineinragendes, in einem Tubus angeordnetes planparallel ausgebildetes Fenster zum Halbleiterstab hingeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß aus den so gewonnenen Temperaturmeßwerten die Sollwerte der übrigen Äbscheideparameter ermittelt und eingestellt werden.