DE2831816A1

DE2831816A1 - Verfahren zum abscheiden von silicium in feinkristalliner form

Info

Publication number: DE2831816A1
Application number: DE19782831816
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Chem Dr Dietze
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-07-19
Filing date: 1978-07-19
Publication date: 1980-01-31
Also published as: JPS6156162B2; IT1122593B; DK302879A; IT7924409A0; US4426408A; DE2831816C2; JPS5515999A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA ft ρ 1 \ 2 2 BRO

Verfahren zum Abscheiden von Silicium in feinkristalliner Form '

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abscheiden von Silicium in feinkristalliner form auf einem, vorzugsweise durch direkten Stroradurchgang erhitzten, Trägerkörper aus einem entsprechenden, insbesondere aus einer Siliciumhalogen-Verbindung und Wasserstoff bestehenden Reaktionsgas.

Bekannt ist es, bei Verfahren zum Abscheiden aus der Gasphase die die Abscheidung bestimmenden Parameter zu Beginn oder auch während des Abscheidungsprozesses zu ändern. Aus der DE-PS 11 23 300 ist es bekannt, zu Beginn des Abschexdungsvorgangs mit einem geringeren Durchsatz des strömenden Gasgemisches zu arbeiten und den Durchsatz allmählich zu erhöhen. Der Sinn dieser Maßnahme liegt in der Erhöhung der Reinheit des SiIiciums durch Unterbindung von unerwünschten Borabschei-. düngen.

Bor" hat bekanntlich die nachteilige Eigenschaft, daß es beim Zonenschmelzen nicht merklich verschoben werden Bar 1 EM/17.7.1978

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P Π 2 2 BRD

kann, weil sein Verteilungskoeffizient nahe 1 liegt und daß es nur in sehr geringen Mengen ins Vakuum abdampft. Man ist deshalb bestrebt, möglichst wenig Bor bei der Gewinnung in das Halbleitermaterial gelangen zu lassen. Die Borabscheidung wird also dadurch unterbunden, daß zu Beginn des Abscheidungsprozesses mit geringerem Durchsatz des Reaktionsgasgemisches gearbeitet und dann der Durchsatz allmählich erhöht wird.

Die vorliegende Erfindung beruht hingegen auf einem anderen Effekt. Es wurde nämlich festgestellt, daß während der Abscheidung bei der Herstellung von polykristallinen Siliciumstäben zeitweise ein grobkristallines Wachstum auftritt, das bei der nachfolgenden Herstellung der Einkristallstäbe aus diesen Polystäben durch tiegelfreies Zonenschmelzen zu erheblichen Kristallgitterstörungen führt.

Zu diesem Zweck ist in der deutschen Patentanmeldung P 27 27 305.8 (VPA 77 P 1066) bereits vorgeschlagen worden, daß soxtrohl das Molverhältnis im Reaktionsgas als auch die Abscheidetemperatur und der Gasdurchsatz beginnend mit einem hohen Molverhältnis, einem hohen Gasdurchsatz und einer optimalen Abscheidetemperatur während der Abscheidung nach einem vorgegebenen Programm vermindert bzw. erhöht wird»

Bei solch einem Verfahren ist das Molverhältnis zweckmäßigerweise zu Beginn der Abscheidung auf O₅5 und die optimale Abseheidetemperatur auf HOO⁰C eingestellt, während der Abscheidung wird mit einem Gasdurchsatz im Bereich von 3000 bis 15000 l/h gearbeitet. Gasdurchsatz ist bekanntlich die Menge des in der Zeiteinheit an dem erhitzten Trägerkörper entlangströmenden Reaktionsgases.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Anmeldung \«.rd nach etwa 10-ainiltiger Abscheidung bei hohem Molverhält-

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nis das Molverhältnis auf 0,2 abgesenkt.

Gegenüber den bekannten und dem vorgeschlagenen Verfahren sieht die vorliegende Erfindung vor, daß bei eingestelltem Molverhältnis des Reaktionsgases und den Abscheidungsprozeß gewählten Gasdurchsatz zu Beginn der Abscheidung eine optimale oder überhöhte, die Abscheidungsrate bestimmende Temperatur des SiIiciumträgerkörpers eingestellt wird und daß nach Maßgäbe des Anwachsens des Durchmessers des Siliciumstabes eine kontinuierliche oder stufenweise Herabsetzung dieser Temperatur unter Konstanthaltung der übrigen die Abscheidung bestimmenden Parameter auf einen Minimalwert vorgenommen wird.

Zweckmäßigerweise wird dabei der Abscheidungsprozeß entweder bei optimal eingestellter Abscheidetemperatur von beispielsweise HOO⁰C oder bei überhöht eingestellter Abscheidetemperatur von beispielsweise 1150⁰C und mehr begonnen, so daß als Minimalabscheidetemperatur etwa 1000 bis 1050⁰G gewählt werden kann.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Siliciumhalogen-Durchsatz während des Abscheideprozesses konstant gehalten wird, er kann aber auch ohne Schaden mit dem Anwachsen des Siliciumstabdurchmessers allmählich erhöht werden.

Der Gedanke, der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist der, daß bei der Herstellung polykristalliner Siliciumstäbe einerseits eine gute Siliciumhalogen-Ausbeute und andererseits eine gute feinkristalline Oberfläche des Siliciums erreicht wird. Normalerweise ist beides gleichzeitig nicht erreichbar, also eine bessere Ausbeute ergibt gleichzeitig eine entsprechend schlechtere Siliciumoberfläche.

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Bislier wurde eine gute Oberfläche, d.h.. eine feinkristalline Oberfläche nur zu lasten der Siliciumhalogen-Ausbeute erreicht, und zwar entweder durch Erniedrigung der Abscheidetemperatur oder durch Erhöhung des Siliciumhalogen-Durchsatzes, also eines hohen Durchflusses und/oder eines hohen Molverhältnisses.

Wie die vorliegende Erfindung zeigt, läßt sich eine Verbesserung der Oberflächenqualität hinsichtlich der feinkristallinen Struktur jedoch auch ohne wesentliche Beeinträchtigung der Siliciumausbeute erreichen, wenn nicht während der gesamten Abscheidedauer mit konstanter Temperatur gearbeitet wird, sondern wie gemäß vorliegender Erfindung gezeigt, die Temperatur allmählich abgesenkt wird, um dadurch neue Kristallkeime zu bilden.

Die Erfindung wird anhand einer als Ausführungsbeispiel zu wertender Figur dargestellt.

Die Figur zeigt eine Yorrichtung zur Abscheidung von polykristallinem Silicium, die aus einer metallischen Grundplatte 1 und einer hierauf aufgesetzten, beispielsweise aus Quarz bestehenden Haube 2 besteht. Durch die metallische Grundplatte 1 sind gasdichte und elektrisch gegeneinander isolierte Elektroden 4 hindurchgeführt, die mit je einem Ende eines aus hochreinem Silicium bestehenden stabförmigen, U-förmig gebogenen Trägerkörpers verbunden sind. Durch die metallische Grundplatte 1 ist eine in das Innere des Reaktionsraumes reichende und der Zuführung des Prischgases dienende Düse 5 geführt, die gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel konzentrisch von dem Abzugsrohr für das verbrauchte Reaktionsgasgemisch umgeben ist. Die Beheizung des stabförmigen Trägers 3 erfolgt durch die Stromversorgung 7.

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Zur Erhitzung des Reaktionsgases ist ein Reservoir 11 für Wasserstoff vorgesehen. Der aus dem Behälter 11 ausströmende Wasserstoff gelangt über einen Strömungsmesser 12 über einen mit flüssigem Silicochloroform gefüllten Verdampfer 13, dessen Ausgang in die Versorgungsdüse 5 im Reaktionsgefäß überleitet. Zur Einstellung der Temperatur im Verdampfer 13 ist dieser in einem Thermostaten 14 untergebracht. Die Menge des im Wasserstoffgas mitgeführten Silicochloroforms, also das Molverhältnis zwischen Silicochloroform und Wasserstoff kann hiermit eingestellt werden.

Die konventionellen Verfahren werden normalerweise "bei konstanter Temperatur durchgeführt, wobei der Gasdurchsatz mit wachsendem Siliciumstabdurchmesser erhöht wird. Dies führt jedoch bald zu unzulässig starker Siliciumabscheidung am Quarzglasreaktor, was zur Verschlechterung der Oberflächenqualität beiträgt.

Eine Erhöhung des Gasdurchsatzes ist hierdurch stark eingeschränkt, die Fahrt kann dann nur noch bei konstantem Durchsatz mit gutem Qualitätsergebnis durchgeführt werden.

Gemäß vorliegender Erfindung beginnt man die Siliciumabscheidung mit den dünnen Stäben bei hoher Temperatur von 1100 bis 1150⁰C, man läßt dann die Temperatur langsam mit wachsendem Stabdurchmesser heruntergehen, beispielsweise auf 1000 bis 1050⁰C für einen Stabdurch- messer von 50mm. Bei gleichbleibendem Durchsatz des Reaktionsgases bleibt dann die Silicium-Ausbeute aus dem eingesetzten Silicochloroform trotz niedrigerer Temperatur erhalten, da die Siliciumoberflache und der Wärmeinhalt des Reaktors zunimmt. Darüber hinaus ist aber auch noch eine Steigerung des Gasdurchsatzes bzw. des Silicochloroform-Durchsatzes möglich, ohne daß sich

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die Siliciumabscheidung an der Quarzglocke in unzulässiger Weise verstärkt. Durch die niedrigere Temperatur gegen Ende der Abscheidung wird außerdem die Peinkristallinitat der Oberfläche entscheidend verbessert.

Gegenüber dein früher vorgeschlagenen Verfahren hat das gemäß vorliegender Erfindung den Vorteil einer einfachsten Handhabung, so daß sich gerade das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung für eine Massenproduktion, d.h. einen Parallelbetrieb einer Großzahl von Reaktoren für insbesonders dicke Stäbe von beispielsweise 5" und mehr besonders geeignet. Als nicht zu unterschätzender zusätzlicher Effekt ergab sich bei dem gemäß der Erfindung durchgeführten Verfahren eine Energieeinsparung von 25 - #

Die Wandabscheidungen, die auch Schwierigkeiten beim Sauberhalten der Beobachtungsfenster insbesondere zum pyrometrisehen Messen der Trägertemperatur bereiten, konnten praktisch ganz unterdrückt werden.

1 Figur

6 Patentansprüche

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Claims

™78 P Π 2 2 BRO Pat entansprüclie

1. Verfahren zum Abscheiden von Silicium in feinkristalliner Porra auf einem, vorzugsweise durch direkten Stromdurchgang erhitzten, Trägerkörper aus einem entsprechenden, insbesondere aus einer Siliciumhalogen-Verbindung und Wasserstoff bestehenden, Reaktionsgas, dadurch gekennzeichnet, daß bei eingestelltem Molverhältnis des Reaktionsgases und für den Abscheidungsprozeß gewählten Gasdurchsatz zu Beginn der Abscheidung eine optimale oder überhöhte, die Abscheidungsrate bestimmende Temperatur des SiIiciumträgerkörpers eingestellt wird und daß nach Maßgabe des Anwachsens des Durchmessers des Siliciumstabes eine kontinuierliche oder stufenweise Herabsetzung dieser Temperatur unter Konstanthaltung der übrigen die Abscheidung bestimmenden Parameter auf einen Minimalwert vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidungsprozeß bei optimal eingestellter Abscheidetemperatur von beispielsweise HOO⁰O begonnen wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidungsprozeß bei überhöht eingestellter Abscheidetemperatur von beispielsweise 115O⁰C und mehr begonnen wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß als Minimalabscheidetemperatur etwa 1000 bis 1050⁰G vorgesehen ist.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß

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ORIGINAL INSPECTED

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der Siliciumhalogen-Durchsatz während des Ahscheideprozesses konstant gehalten wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumhalogen-Durchsatz mit dem Anwachsen des
Siliciumsta"bdurchmessers erhöht wird.

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