DE3026030C2

DE3026030C2 - Vorrichtungsteil für die Halbleitertechnik, Verfahren und Vorrichtung zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE3026030C2
Application number: DE3026030A
Authority: DE
Inventors: Katsumi Yamagata Hoshina; Masao Yamagata Kanagawa Koyama; Syuitu Atsugi Kanagawa Matuo; Chiaki Ebina Kanagawa Nakayama
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1979-07-09
Filing date: 1980-07-09
Publication date: 1983-11-10
Also published as: DE3026030A1; US4624735A; JPS5610921A; US4424193A; JPH0127568B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorrichtungsteil für die Haibleitertechnik, hergestellt durch Abscheiden einer Siliciumcarbidschicht auf einem Kohlenstoffsubstrat, ein Verfahren zur Herstellung des Vorrichtungsteils in einer Reaktionskammer, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bekanntlich werden Vorrichtungsteile für die Haibleitertechnik beispielsweise aus Kohlenstoff oder Quarzglas hergestellt. Dabei wird die Oberfläche der Vorrichtungsteile gegebenenfalls nach dem chemischen Dampfablagerungsverfahren (CVD) mit einer Siliciumcarbidschicht überzogen. Die Bildung der Siliciumcarbidschicht soll das Halbleitermaterial gegen Kontaminierung mit aus dem Kohlenstoff- oder Quarzglassubstrat herrührenden unerwünschten Verunreinigungen schützen.

Die nach dem herkömmlichen chemischen Dampfablagerungsverfahren erhaltene Siliciumcarbidschicht besteht jedoch, wie in den mikroskopischen, fotografischen Aufnahmen der F i g. 1 bis 3 gezeigt ist aus einer Anhäufung feiner Siliciumcarbidkristalle (die auf der Fotografie gegebene Maßeinheit stellt 80 μ dar), die eine geringe Kristallinität des Siliciumcarbids aufweisen. Die nach dem bekannten chemischen Damofablagerungsverfahren gebildete Siliciumcarbidschicht hat aber

ίο den großen Nachteil, daß die Verunreinigungen des Substrats bestrebt sind, durch die Grenzschicht aus Siliciumcarbidteilchen hindurch zu gehen, deswegen ist es unmöglich, die Kontaminierung des Halbleitermaterials mit dem besagten Verunreinigungen zu verhüten, es sei denn, die Siliciumcarbidschicht hat eine beträchtliche Dicke.

Der das Substrat der Vorrichtungsteile für die Halbleitertechnik bildende Kohlenstoff hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2$ bis 5^xIO-V⁰C. Andererseits hat das Siliciumcarbid, weiches auf das Substrat aufgebracht werden soii, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,2XlO-V⁰C. Selbst wenn das Kohlenstoffsubstrat nach dem gleichen Verfahren hergestellt worden ist, weist es doch beträchtliche Beschaffenheitsschwankungen auf. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kohlenstoffsubstrats zeigt im allgemeinen beispielsweise Schwankungen von etwa ± 10%. Deshalb ist es praktisch unmöglich, eine Übereinstimmung der thermischen Eigenschaften des Kohlenstoffsubstrats und jener der Siliciumcarbidschicht zu erzielen. Bei wiederholtem Erhitzen und Abkühlen beispielsweise eines Schmelztiegels, einer Heizvorrichtung, eines Reaktionsrohrs und eines Suszeptors führt ein Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungswerten des Kohlenstoffsubstrats und der Siliciumcarbidschicht zur Bildung von Rissen in der Siliciumcarbidschicht. Dies geschieht besonders dann, wenn die Siliciumcarbidschicht zwecks Verhinderung des Permeierens der im Substrat befindlichen Verunreinigungen durch die Siliciumcarbidschicht, eine beträchtliche Dicke, wie 500 μ. hat. Daraus folgt, daß diese Durchlässigkeit für Verunreinigungen nicht ganz verhindert werden kann. Die Bildung von Rissen in der Siliciumcarbidschicht während der Benutzung der Vorrichtungsteile, infolge des Unterschieds der thermischen Eigenschaften des Kohlenstoffsubstrats und jener der Siliciumcarbidschicht, stellt einen anderen ernsten Nachteil dar, der direkt der Kontaminierung des Halbleitermaterials entspricht.

In Anbetracht des oben Gesagten und um eine Übereinstimmung des Temperaturverhaltens des Substrats und der darauf aufgebrachten Schicht zu gewährleisten beschreibt die japanische Patentschrift 1003 (1972) Vorrichtungsteile, wie einen Schmelztiegel zur Herstellung von Halbleiterelementen, bei welchen das Substrat und die darauf aufgebrachte Schicht aus demselben Material hergestellt worden sind. Diese japanische Publikation versucht die Permeierung und die Freisetzung der Verunreinigungen im Substrat dadurch zu verhindern, daß man auf poröses Graphitsubstrat eine Schicht Graphits durch thermische Ablagerung aufbringt. Jedenfalls hat dieses Verfahren verschiedene Nachteile:
Die thermisch auf die Oberfläche des porösen Graphitsubstrats aufgebrachte Schicht aus Graphit hatte ihre Achse parallel zur Achse A des porösen Graphitsubstrats;
die thermisch aufgebrachte Schicht war zu anisotrop um

die wiederholte Anwendung des hergestellten Vorrichtungsteils zu ermöglichen;

insbesondere die Kante der thermisch aufgebrachten Schicht Graphit begann selbst schon in den Anfangsphasen der Verwendung abzublättern, wodurch das Vorrichtungsteil im wesentlichen nicht verwendbar wurde;

außerdem war die Schicht sehr weich und dadurch mechanischen Beschädigungen ausgesetzt, was die Möglichkeit der BMung von Nadellöchern begünstigte.

Das japanische Patent 26 597 (1973) empfahl als Lösung die mechanische Verbesserung der Adhäsion der Silichancarbidschicht am Kohlenstoffsubstrat. Beim vorgeschlagenen Verfahren ließ man Siliciumgase über ein Kohlenstoffsubstrat strömen und mit dem Kohlenstoffsubstrat reagieren, wobei sich eine Zwischenschicht aus Siliciumcarbid (SiC) bildete, die sehr fest am Kohlenstoffsubstrat haftete. Dann leitete man ein siliciumhaltiges Gas und ein kohlenstoffhaltigen Gas ein, wobei sich nach dem herkömmlichen Verfahren (CVD) eine Siliciumcarbidschicht bildete. Das Verfahren hatte der. Nachteil, daß das Silicium sofort mit dem Kohlenstoff reagierte. Infolgedessen bildete sich; außer wenn das Siliciumgas gleichförmig und rasch über das Kohlenstoffsubstrat geführt wurde, eine ungleichförmige Siliciumzwischenschicht, die Schwierigkeiten bei der Durchführung der nachfolgenden thermischen Ablagerung der Siliciumcarbidschicht bereitete. Dieses Verfahren war deshalb von recht nachteiligen Wirkungen begleitet und kam nicht zur praktischen Anwendung.

Über die Bildung einer Siliciumcarbidschicht wurden verschiedene Studien durchgeführt. Ausgehend davon, daß bei der Erzeugung von Vorrichtungsteilen für die Halbleitenechnik der hohen Reinheit des Siliciumcarbids größte Bedeutung zukommt, wird beim üblichen Verfahren zur Bildung einer Siliciumcarbidschicht das CVD-Verfahren angewendet, wobei Ausgangsmaterialien großer Reinheit verwendet werden. Insbesondere benutzt man ein Verfahren, welches folgende Reaktionssysteme verwendet:

{1) SiC!₄+[H · C] + H₂

(wobei H · C Kohlenwasserstoffe bedeutet; oder
(2) CH₃SiCl₃-I-H₂

Eine gemäß einem der obigen Verfahren abgelagerte Siliciumcarbidschicht ist von hoher Reinheit. Solch eine Siliciumcarbidschicht aber hat noch immer die schwsrwiegende Nachteile, daß die im Kohlenstoffsubstrat befindlichen Verunreinigungen sofort versuchen, die Siliciumcarbidschicht auf dem Substrat der Vorrichtungsteile zu durchdringen und daß infolge des Unterschieds zwischen den thermischen Eigenschaften des Kohlenstoffsubstrats und jenen der Siliciumcarbidschicht, in der Siliciumcarbidschicht sofort Risse entstehen.

Der wichtigste Grund warum es unmöglich ist, wie schon beschrieben, Übereinstimmung zwischen den thermischen Eigenschaften des Kohlenstoffsubstrats und der Siliciumcarbidschicht zu erzielen, besteht in der Uneinheitlichkeit des Kohlenstoffausgangsmaterials und darin, daß seine Eigenschaften sich allmählich ändern ohne feststellbaren bestimmten Umwandlungspunkt, und selbst wenn das gleiche Herstellungsverfahren angewendet wird, ist es außerordentlich schwer, Kohlenstoffsubstrate herzustellen, die gleiche Eigenschaften mit großer Reprouuzierbarkeit haben. Beim herkömmlichen Verfahren zur Beschichtung eines Kohlenstoffsubstrats mit einer Siliciumcarbidschicht werden daher nur solche Kohlenstoffsubstrate gewählt, die von einer großen Anzahl hergestellter Chargen, die bevorzugten thermischen Charakteristika besitzen. Bis jetzt wurden deshalb Kohlenstoffsubstrate mit einer außergewöhnlich kleinen Ausbeute erzeugt, ein Faktor, der die wirtschaftliche Seite der Kohlenstoffsubstratherstellung belastet.

ι» Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungsteile für die Halbleitertechnik zu schaffen, die die Kontaminierung des Halbleitermaterials durch aus dem Kohlenstoffsubstrat freigesetzte Verunreinigungen und das Auftreten von Rissen der Siliciumcarbidschicht der Vorrichtungsteile verhüten, selbst wenn die Vorrichtungsteile zwecks Herstellung von Halbleiterelementen wiederholt erhitzt und abgekühlt werden.

Dazu gehört auch die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung dieser Vorrichtungsteile, das es erlaubt, auf

2n ein Kohlenstoffsubstrat eine Siliciumcarbidschicht aufzubringen, die ein Permeieren der Verunreinigung aus dem Kohlenstoffsubstrat wirksam verhindert, und einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Vorrichtungsteile für die Halbleitertechnik, die durch Abscheiden einer Siliciumcarbid-Schicht auf einem Kohlenstofr-Substrat erhalten worden sind, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die Abscheidung unter Bedingungen erfolgt ist, daß die Siliciumcarbid-Schicht

J<> einem Cu - K_a-Röntgenbeugungs-Peak de·- (200)-Ebene mit einer Halbwertsbreite von 035" oder weniger aufweist.

Vorteilhafterweise handelt es sich um ein Vorrichtungsteil bei dem die Abscheidung unter Bedingungen erfolgt ist, daß mehr als 30% der geschliffenen Oberfläche der Siliciumcarbid-Schicht Kristalle ausmachen, deren maximale Breite (in μπη), die gleich dem maximalen Abstand zwischen den Rändern benachbarter Siliciumcarbid-Kristallpartikel ist, größer als

•io (5 + 0,15 t) ist, wobei t die Dicke der Siliciumcarbid-Schicht in μπι bedeutet; insbesondere handelt es sich um ein Vo-richtungsteil bei dem die Abscheidung unter Bedingungen erfolgt ist, daß die Siliciumcarbid-Schicht eine Dicke von 20 bis 500 μπι aufweis', und daß als Substrat ein Tiegel, ein Suszeptor, eine Heizeinrichtung oder ein Reaktionsrohr aus Kohlenstoff eingesetzt worden ist.

Fig. 1 bis 3 sind mikroskopische Aufnahmen einer Siliciumcarbidschicht, die gemäß dem herkömmlichen

so chemischen Dampfablagerungsverfahren auf ein Kohlenstoffsubstrat aufgebracht wurde. Die auf der Fotografie gezeigte Maßeinheit entspricht 88 μ.

Fig.4 ist eine mikroskopische Aufnahme einer erfindunfsgemäß auf ein Kohlenstoffsubstrat aufgebrachten Siliciumcarbidschicht. Die auf der Fotografie gezeigte Maßeinheit entspricht 80 μ.

F i g. 5 zeigt Röntgenbeugungsdiagramme der erfindungsgemäßen Silicinmcarbidschicht A aus Fig.4 und der Siliciumcarbidschichten B, C, Daus den F i g. 1 bis 3.

bo F i g. 6 zeigt die vergrößerten Röntgenbeugungsdiagramme in der Nähe des Röntgenbeugungs-Peaks der (200) Ebene der Siliciumcarbidschichten A, B₁ C. D aus Fig. 5.
Fig. 7 zeigt einen schematischen Schnitt eines Reaktionsofens für die thermische Ablagerung einer Siliciumcarbidschicht aui einem Kohlenstoffsubstrat zur Erzeugung von erfindungsgemäßen Vorrichtungsteilen für die Halbleitertechnik.

Die auf ein Kohlenstoffsubstrat aufgebrachte Siliciumcarbidschicht zur Schaffung von erfindungsgemäßen Vorrichlungsteilen zur Herstellung von Halbleiterelementen weist, wie in der mikroskopischen Fotografie der F i g. 4 gezeigt, eine weit höhere Kristallinität auf, als die Siliciumcarbidschichten der F i g. I bis 3, die nach dem herkömmlichen chemischen Dampfablagerungsverfahren aufgebracht wurden.

Die Röntgenbeugungsanalyse der Siliciumcarbidschichten A, B. C und D wurde unter folgenden Bedingungen ausgeführt:

IO

Angelegte Spannung der

Röntgenröhre JO KV

Stromstärke der Röntgenröhre 20 mA ti

Abtastgeschwindigkeit des

Diffraktionsgerätes l/4°/Min.

Laufgeschwindigkeit des

Aufzeichnungsblattes l/2"/Min.

Öffnungswinkeides C„- Kx-Strahlen-Divergensspaltes Γ

öffnungswinkel des

Cu- Κ,-Strahlen-Empfängerspalies 0,1°

öffnungswinkel des

Cu-KvStrahlen-Streuspaltes Γ _>?

Bereich 1 K

Skalenfaktor 1,0

Zeitkonstante 1

Die Röntgenbeugungsanalyse ergab die Diagramme jo gemäß Fig. 5. Mit »A« in F i g. 5 ist das Röntgenbeugungsdiagramm der erfindungsgemäßen Siliciumcarbidschicht bezeichnet, deren Kristallisationsbild in Fig.4 dargestellt ist. Mit »B« in Fig.5 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm einer herkömmlichen Siliciumcarbidschicht bezeichnet, deren Kristallmuster in Fig. I dargestellt ist. Mit »C« in Fig. 5 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm einer herkömmlichen Siliciumcarbidschicht bezeichnet, deren Kristallmuster in Fig.2 gezeigt wird. Mit »D« ist ein Röntgenbeugungsdiagramm einer herkömmlichen Siliciumcarbidschicht bezeichnet, deren Kristallanordnung in Fig. 3 zu sehen ist. Man bestimmte die Halbwertsbreiten der Röntgenbeugungs-Peaks der (200) Ebene der entsprechenden Siliciumcarbidschichten A. B, C. D anhand der Röntgenbeugungs-Peaks der F i g. 6. die eine Vergrößerung derjenigen der F i g. 5 sind. Die erfindungsgemäße Siliciumcarbidschicht nach Bezugszeichen A in Fig.6 hatte eine Halbwertsbreite von 033°. Die herkömmliche Siliciumcarbidschicht durch Bezugszeichen B in Fig. 6 gekennzeichnet hatte hingegen eine Halbwertsbreite von 0,45°. Die herkömmliche Siliciumcarbidschicht nach Bezugszeichen C in Fig.6 hatte eine Halbwertsbreite von 0,93°. Die Halbwertsbreite der herkömmlichen Siliciumcarbidschicht durch Bezugszei- « chen D in F i g. 6 gekennzeichnet konnte praktisch nicht bestimmt werden. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Siliciumcarbidschicht nach Bezugszeichen A hatte eine außergewöhnlich kleine Halbwertsbreite, gemessen an der (200) Ebene. Wenn die erfindungsge- w) mäße Siliciumcarbidschicht eine kleinere Halbwertsbreite als 035°, gemessen auf der (200) Ebene, hatte, dann konnte die Siliciumcarbidschicht das Freisetzen der in dem Kohlenstoffsubstrat befindlichen Verunreinigungen wirksam verhindern. b5

Die Kristailpartikei der Siliciumcarbidschicht. welche die oben erwähnten erfindungsgemäßen Eigenschaften aufweisen, unterliegen nur geringer Wärmestörung. Die Formel von W. H. Hall:

β · cos θ/λ =Ι/ε + η sin θ/λ

β = echte Halbwertsbreite

θ = Braggscher Winkel

λ ·» Wellenlänge der Röntgenstrahlen

ε = Größe der Kristallpartikel

η =» effektive Kristall-Gitterstörung,

beweist, daß eine kleine Halbwertsbreite, gemessen in der Röntgenbeugungsanalyse eines Kristalls, eine kleii c Kristallgitterstörung bedeutet. In der Tat ist es erfindungsgemäß möglich, die Entstehung von Rissen und Nadellöchern in einer Siliciumcarbidschicht zu verhindern, selbst wenn die Vorrichtungsteile für die Halbleitertechnik wiederholt erhitzt und gekühlt werden und wenn für die Eigenschaften des Kohlenstoffsubstrats ein be'rächtlicher Spielraum besteht, mit anderen Worten, wenn zwischen den thermischen Eigenschaften eines Kohlenstoffsubstrats und jenen einer darauf angebrachten Siliciumcarbidschicht beträchtliche Unterschiede bestehen.

Die oben erwähnte Formel nach W. H. Hall beweist weiterhin, daß eine kleine Halbwertsbreite, bestimmt in der Röntgenbeugungsanalyse eines Kristalls, nicht nur eine geringe Wärmestörung bedeutet, sondern auch daß die Kristallpartikel groß sind. Tatsächlich machen die Kristallpartikel mit einer Maximalbreite größer aK 0,Ι5/+5μηι (t bedeutet die Dicke in um der Siliciumcarbidschicht) in der Oberfläche der erfindiin^sgemäßen Siliciumcarbidschicht mehr als 30% der polierten Oberfläche besagter Siliciumcarbidschicht aus. wie in der 250mal vergrößerten mikroskopischen Aufnahme aus Fig.4 ersichtlich. Mit anderen Worten. die erfindungsgemäße Siliciumcarbidschicht besteht aus beträchtlich größeren Kristallpartikeln als die herkömmlichen Siliciumcarbidschichten der F i g. 1 bis 3.

Die erfindungsgemäße Siliciumcarbidschicht hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 20 bis 500 μπι. Die Siliciumcarbidschicht der Fig. 4 hat eine Dicke von 100 μιη.

Die Ablagerung der Siliciumcarbidschicht wird im allgemeinen nach einem der folgenden Verfahren durchgeführt:

(1) Dem herkömmlichen chemischen Dampfablagerungsverfahren (CVD), wobei in eine Reaktionskammer Rohgase, die Silicium- und Kohlenstoffquellen enthalten, eingeleitet werden un. die eingeführte Charge bei normalem oder verringertem Druck £-hitzt wird.

(2) Wenn ein Substrat selber aus Kohlenstoff besteht, wird ein Siliciumgas in die Reaktionskammer eingeführt, damit es bei normalem oder verringertem Druck thermisch mit dem Kohlenstoffsubstrat reagiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Vorrichtungsteils in einer Reaktionskammer ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer. die von aus Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid hergestellten Trennwänden umgeben ist, ein Kohlenstoff-Substrat sowie in einem Gefäß aus Kohlenstoff pulverförmiges Siliciumdioxid oder ein Gemisch aus pulverförmigem Siliciumdioxid und pulverförmigem Kohlenstoff angeordnet und auf 1500 bis I9OO°C erhitzt

werden.

Beim Erhitzen findet zwischen dem Siliciumdioxidpulver und dem Kohlenstoffgefäß, oder zwischen dem Gemisch aus Siliciumdioxidpulver und Kohlenstoffpulver eine Reaktion stan, wobei sich in der Reaktionskammer ein hauptsächlich Siliciummonoxid enthaltendes Gas entwickelt. Dieses Siliciummonoxidgas wird bei hoher Temperatur mit einem Kohlenstoffsubstrat, das in die Reak/.;onskammer gebracht wurde, in Berührung gebracht. Als Ergebnis bildet sich auf der Oberfläche des Kohlenstoffsubstrats eine Siliciumcarbidschicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Heizeinrichtung versehenen Reaktionskammer, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer von aus Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid hergestellten Trennwänden umgeben ist und ein Kohlenstoff-Substrat sowie ein Kohlenstoffgefäß zur Aufnahme des Siliciumdioxid- bzw. Siticiumdioxid/Kohlenstoff-Pulvers aufweist. Die erfindungsgemäSe Vorrichiutig ermöglicht es, auf ein Kühicnsio'fsubstrat eine, wie oben beschriebene, hochkristalline Siliciumcarbidschicht aufzubringen.

Es folgt die beschreibung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, in Bezug auf F i g. 7, des Aufbaus und der Arbeitsweise einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, im folgenden als Reaktionsofen bezeichnet. Fig. 7 zeigt den Hauptteil eines Reaktionsofens. Dieser Hauptteil des Reaktionsofens befindet sich in einem Ofengehäuse, das in der Zeichnung nicht zu sehen ist, aus feuerfestem Material. Die Reaktionskammer t ist von einer zylindrischen Trennwa.id 2 aus Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid umgeben. Außerhalb der zylindrischen Trennwand 2 ist eine zylindrische Heizvorrichtung 3 zum Erhitzen der Reaktionskammer auf eine Temperatur von 1500° bis 1900" C. vorzugsweise 1650° bis 1750° C. vorgesehen. Vorzugsweise wird die Heizvorrichtung 3 aus Kohlenstoff oder Siliciumcarbid gebaut. In dieser A.usführun°E-weise wird eine zweite Trennwand 4 zwischen die erste zylindrische Trennwand 2 und der Heizvorrichtung 3 gesetzt. Es ist möglich, eine einfache oder mehrfache Trennwand zu verwenden. Ein nicht sichtbares, chemisch vorbehandeltes Kohlenstoffsubstrat wird in der Reaktionskammer 1 durch eigene Haltevorrichtungen, oie an der Innenseite der Trennwand vorgesehen sind, befestigt. Ein Kohlenstoffgefäß 5 befindet sich auf der Unterlage 6, die auf dem Boden der Reaktionskammer 1 befesiigt ist. Siliciumdioxidpulver 7 oder gegebenenfalls Siliciumdioxidpulver und Kohlenstoffpulver wird in das Kohlenstoffgefäß 5 gefüllt. Die Trennwände 2 und 4 werden auf der Unterlage 6 errichtet. Das obere Ende der Heizvorrichtung 3 wird mit einem wassergekühlten Deckel 8 bedeckt. Wenn die Trennwand höher als das obere Ende der Heizvorrichtung 3 ist, liegt der Deckel 8 auf dem oberen Ende der Trennwand. In der Mitte des Deckels 8 ist ein Abzug 9 vorgesehen, der mit einem Abzugsgerät (nicht gezeigt), beispielsweise einer Vakuumpumpe, in Verbindung steht.

Eine chemisch behandeltes Kohlenstoffsubstratrohr wird in die Reaktionszone der Reaktionskammer 1 des oben beschriebenen Reaktionsofens gesondert von dem das Siliciumdioxidpulver 7 enthaltenden Kohlenstoffgefäß 5 gestellt dann wird die Heizvorrichtung 3 und die nicht gezeigte Vakuumpumpe in Betrieb gesetzt Dann reagieren das Kohlenstoffgefäß 5 und das darin enthaltene Siliciumdioxidpulver 7 bei hoher Temperatur miteinander und es entsteht hauptsächlich Siliciummonoxidgas. Dieses Gas gelangt in die Reaktionszone der Reaktionskammer 1, wobei die Reaktionskammer mit Hilfe der Heizvorrichtung 3 bei einer Temperatur von 1500° bis 1900⁰C gehalten wird und die Vakuumpumpe für einen Unterdruck von 100 bis 0,1 Torr sorgt. Auf dem Kohienstoffsubstrat bildet sich nun durch chemische Ablagerung eine Siliciumcarbidschicht bis in eine beträchtliche Tiefe und in einer hoch kristallinen Form. Deshalb weist die nach dem erfindungsgemäßen

ίο Verfahren gebildete Siliciumcarbidschicht eine Reihe von Vorteilen auf: die Siliciumcarbidschicht hat eine starke Adhäsion zum Kohlenstoffsubstrat, einen hohen Kristallisationsgrad und eine gleichförmige Qualität; selbst wenn sie in einer Dicke von etwa 100 μηι aufgebracht wurde ist die Schicht genügend undurchlässig für z. B. aus dem Kohlenstoffsubstrat freigesetzte Verunreinigungen; der Röntgenbeugungs-Peak der (200) Ebene der Schicht hat eine kleine Halbwertsbreite; die Schicht ist aus großen Kristallpartikeln gebildet und

zo demzufolge besonders gut zur Erzeugung von Vorrich tungsteilen zur Herstellung von Halbleiterelementen geeignet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung folgen Ausführungsbeispiele.

Beispiel 1

Auf der Oberfläche eines Kohlenstoffsubstrats von vier Typen von Suszeptoren wurde eine Siliciumcarbidschicht in einer Dicke von 100 μπι gebildet. Die Suszeptoren wurden beim epitaktischen Wachstum bei der Herstellung von Halbleitern verwendet. Die Röntgenbeugungs-Peaks der (200) Ebene der Siliciumcarbidschicht dieser Suszeptoren hatten eine Halbwertsbreite von 0,33°. 0,35°, 0,36° und 0,39°. gemessen an Cu- Κ.,-Strahlung. Aus Siliciumtetrachlorid hoher Reinheit wurde durch das Wasserstoffreduktionsverfahren auf einem Substrat aus einem Silicium-Einkristall, gehalten von jeweils einem der oben erwähnten Suszeptoren, eine Siliciumschicht in einer Dicke von 10 μπι epitaktisch gezüchtet. Zum Vergleich der Eigenschaften der Suszeptoren wurden die Widerstände der epitaktisch gewachsenen Siliciumschichten mit Hilfe der4-Nadel-Methode bestimmt. Die Ergebnisse sind aus der folgenden Tabelle 1 ersichtlich.

Tabelle 1

Muster	Halbwerubrette des	Widerntand einer
Nr.	Röfitfentwugvitss-Ptaks	epiuktisch gewach
	der (200) Ebene der	senen Silicium
	SHici uaicart) i4sch icht	schicht
	jedes Susztptoro

0,35°
<U9°

über 50 Q cm
über 45 Q ■ cm
20 his 35 Q cm 10 bis 30 Ω · cm

Wie aus der obigen Tabelle 1 ersichtlich zeigten epitaktisch gewachsene Siliciumschichten auf Suszeptoren (Muster Nr. 1 und 2), deren Oberfläche mit Siliciumcarbidschichien überzogen waren und deren Röntgenbeugungs-Peak eine Halbwertsbreite von 035° und weniger hatte, einen großen Widerstand und eine hohe Reinheit Die Erlärung dafür besteht darin, daß die epitaktisch gewachsene Siliciumschicht nicht durch

Verunreinigungen, die in dem Kohlenstoffsubstrat enthalten waren, kontaminiert wurde und die Siliciumcarbidschicht die Freisetzung von Verunreinigungen aus dem Kohlenstoffsubstrat wirksam verhinderte. Im Gegensatz dazu zeigten epitaktisch gewachsene Siliciumschichten auf Suszeptoren (Muster Nr. 3 und 4), deren Oberläche mit Siliciumcarbidschichten überzogen wurden, derer Röntgenbeugungs-Peak eine größere Halbwertsbreite als 0,35° hatte, einen kleinen Widerstand, sie wurden durch die Verunreinigungen aus dem Kohlenstoffsubstrat, die die Siüciumcarbidschicht permeierten, kontaminiert.

Beispiel 2

Eine Siüciumcarbidschicht wurde in einer Dicke von 100 μιη auf ein Kohlenstoffsubstrat aufgebracht. Sie war aus vier Abscheidungen auf den sogenannten Heißzonenteilen, wie einem Siliciumeinkristall-Ziehschmelztiegel, einer Heizvorrichtung und einem Hitzeschild gebildet worden. Die Siliciumcarbidschicht jeder der vier Abscheidungen der Heißzonenteile wurde mit einer Diamantpaste poliert bis die Oberfläche besagter Carbidschichten total geglättet war. In diesem Fall bildeten bei der ersten Behandlung der Heißzonenteile die Siliciumcarbidkristallpartikel, deren maximale Breite mehr als 20μιη [ = 0,15χ100μηι (Schichtdikke) + 5μm] betrug, 0% der polierten Oberfläche der Siliciumcarbidschicht. Bei einer zweiten Behandlung der Heißzonenteile bildeten die Siliciumcarbidkristallpartikel 10% der polierten Oberfläche. Bei der dritten Behandlung der Heißzonenteile bildeten die Siliciumcarbidkristallpartikel 30% der polierten Oberfläche. Bei einer vierten Behandlung der Heißzonenteile bildeten die Siliciumcarbidkristallpartikel 40% der polierten Oberfläche. Die entsprechenden Behandlungen der Heißzonenteile wurden verwendet, um einen N-Typ-Siliciumeinkristall mit einem Durchmesser von 80 mm und einem spezifischen Widerstand von 20 bis 25 Ω · cm abzuziehen. Der Kohlenstoffgehalt des entsprechend gezogenen Siliciumeinkristalls wurde nach der ASTM-F123-70T-Methode bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

Nr. der
Muster
der
Heißzonen
teile

Prozent-Fläche der polierten
Fliehen, die von SiWchimcarbidpartikefo mit einer
maximalen Breite gröSer als
20 μ m gebildet wurde«

Kohlenstoffgehalt eines Siliciumeinkrhtalh

45

Nr. der
Muster
der
Heißzonen
teile

Prozent^äche der polierten
Flächen, die von Siliciumcarbidpartikeln mit einer
maximalen Breite größer als
20 um gebildet wurden

Kohlenstoffgehalt
eines Siliciumeinkristalls

6 10

7 30

8 40

5.5 x 10¹⁶
Atome/cm³

1.6 x 10¹⁶
Atome/cm'
0.7 x 10¹*
Atome/cm'

7,2 X 10"
Atome/cm³

Tabelle 2 zeigt, daß zur Erzeugung eines Siliciumeinkristalls mit einem genügend kleinen Kohlenstoffgehalt für praktische Verwendungen, mehr als 30% de/ polierten Fläche der Siliciumcarbidschicht von Siliciumcarbid-Kristr.llpartikeln gebildet sein müssen, deren maximale breite (gleich dem Abstand zwischen den Rändern de.· benachbarten Siliciumcarbid-Kristallpariikel) größer ist als 20 μιη, falls die Siliciumcarbidschicht eine Dicke von 100 μιη hat. Wenn die Siliciumcarbid-Kristallpartikel mit einer maximalen Breite größer als 20 μιη 0% oder 10% der polierten Flüche der Siliciumcarbidschicht bilden, dann hat die Siliciumcarbidschicht einen hohen Kohlenstoffgehalt, der eine Verunreinigung mit Kohlenstoff, der aus dem Kohlenstoffsubstrat freigesetzt wurde, verursacht und dadurch schädliche Effekte auf die Herstellung von Halbleiterelementen ausübt.

Beispiel 3

Eine Siliciumcarbidschicht wurde in einer Dicke von 100 (im auf vier Kohlenstofftafeln, die jede die Abmessungen von 100x100x15 mm hatten, aufgebracht. Die Kohlenstofftafeln wurden binnen 5 Minuten auf 1200⁰C erhitzt, dann bei dieser Temperatur 10 Minuten lang gehalten und danach bis auf Raumtemperatur natürlich abgekühlt. In diesem ZerbrcWkelungstest wurde bestimmt, wie oft die Kohlenstofftafeln wiederholt erhitzt und abgekühlt werden mußten, bevor die ersten Nadellöcher und Risse in der Siliciumcarbidschicht. mit der die Kohlenstofftafeln überzogen waren, auftraten. Tabelle 3 zeigt die Anzahl der bis zum ersten Auftreten von Nadellöchern und Rissen in der Siüciumcarbidschicht notwendigen Erhitzungs- und Kühlungszyklen, die Halbwertsbreiten der Röntgenbeugungs-Peaks der (200) Ebene der Siliciumcarbidschichten und die prozentuale Fläche der polierten Flächen der Siliciumcarbidschichten, die von Siliciumcarbid-Kristallpartikeln mit maximalen Breiten größer als 20 μπι gebildet wurden.

Tabelle 3

Nr. der Muster der
HeiBzonc&teile

Haifewcrtsfcreile des
Ron tge« beug ongs-Peats

Rächen in Prozenten
der polierten Flicken
die von Siliciumcarbid-Kristallpartikeln mU
einer maximales Breite
größer als 20 um gebildet
werden

Anzahl der Ertiitzungs-
und Kühlungszyfclen,
die notwendig waren
bis zum ersten Entstehen von Nadellöchern u. Rissen in
den Siliciumcarbidsdäcfaten

0,33°

40 156

	i-'uriscuung	30	26 030	12
π	Nr. der Muster der
Heißtonenteile			Anzahl der Erhitzungs
	Halbwertsbreite des	Flächen in Prozenten	und Kühlungszyklen,
	Röntgenbeugungs-	der polierten Flächen	die notwendig waren
	Peaks	die von Siliciumcarbid-	bis zum ersten Ent
		Kristallpartikeln mit	stehen von Nadel
		einer maximalen Breite	löchern u. Rissen in
		größer als 20 ;im gebildet	den Siliciumcarbid-
10		werden	schichten
11			145
12	0,35°	30	60
0,36°	15	50
0,39°	0

Die Muster 9 und 10 zeigten eine 2 bis 3mal längere effektive Lebensdauer als die Muster 11 und 12.

- · · . .
b e ι s ρ ι e ι *

Eine Siliciumc :bidschicht wurde auf ein Kohlenstoffsubstrat in einem Reaktionsofen, gebaut wie in F i g. 7, aufgebracht. Eine zylindrische Trennwand 2 aus Kohlenstoff des Reaktionsofens hatte einen inneren Durchmesser von 80 cm und eine Höhe von 180 cm. Ein Kohlenstoffgefäß 5 wurde auf die Unterlage 6 gestellt. 2500 g Siliciumdioxidpulver 7 wurden in das Kohlenstoffgefäß 5 gefüllt. Ein Kohlenstoffsubstrat wurde an der Trennwand 2 mit Hilfe eines Hakens in einer Höhe von etwa 60 cm oberhalb des Siliciumdioxidpulvers 7 angebracht. Das Innere der Reaktionskammer 1 wurde auf etwa 1700° C mit Hilfe der Heizvorrichtung 3 erhitzt, bei dieser Temperatur 240 Minuten lang gehalten und mit Hilfe einer Vakuumpumpe auf einen Unterdruck von 0,5 Torr gebracht. Auf dem Kohlenstoffsubstrat wurde eine Siliciumcarbidschicht mit einer Dicke von 80 μηι abgeschieden. Die Halbwertsbreite des Röntgenbeugungs-Peaks der (200) Ebene der Siliciumcarbidschichten war 0,340 gemessen an C_u- Κ,,-Strahlung, die für die Röntgenbeugungsanalyse verwendet wird. Eine mikroskopische Aufnahme zeigte, daß 45% der geschliffenen Oberfläche der Siliciumcarbidschicht von Siliciumcarbid-Kristallpartikeln gebildet wurden, deren maximale Breite größer als 20 μιη betrug.

Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung von Vorrichtungsteilen, wie Schmelztiegel, Heizvorrichtung und Suszeptor, zur Herstellung von Halbleiterelemen

ten durch Ablagerung einer Siliciumcarbidschicht auf einem Kohlenstoffsubstrat, wobei die Siliciumcarbidschicht einen hohen Kristallisationsgrad aufweist und deren Kristalle der Wärmestörung wenig unterworfen sind. Selbst wenn die Vorrichtungsteile bei hoher Temperatur verwendet werden, verhindert deshalb die Siliciumcarbidschicht, wirksam den Durchgang der Verunreinigungen des Kohlenstoffsubstrats durch die Siliciumcarbidschicht. Auch wenn die Vorrichtungsteile, während der Herstellung eines Halbleiterelements, wiederholt erhitzt und abgekühlt werden, kann das Auftreten von Nadellöchern und Rissen erfolgreich verhindert werden. Außerdem haftet die Siliciumcarbidschicht fest an dem Kohlenstoffsubstrat in welches sie tief eingedrungen ist. Deshalb kann das Entstehen von Nadellöchern und Rissen in der Siliciumcarbidschicht ebenfalls minimiert werden, obwohl das Kohlenstoffsubstrat und die Siliciumcarbidschicht verschiedene thermische Eigenschaften haben. Demzufolge ist es möglich, Kohlenstoffsubstrate aus einem weiten Bereich, unabhängig von dem Unterschied ihrer Eigenschaften, zu verwenden. Eine enindungsgeniäß hergestellte Siliciumcarbidschicht weist die oben beschriebenen ausgezeichneten Eigenschiften auf. Deshalb kann die Siliciumcarbidschicht die Kontaminierung des Halbleitermaterials oder des Halbleiterelementes durch Verunreinigungen, die aus dem Kohlenstoffsubstrat freigesetzt werden, verhindern, obwohl sie beträchvich dünner ist als die bekannten Schichten und beispielsweise nur in einer Dicke von 100 μπι auf dem Kohlenstoffsubstrat abgeschieden wurde.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtungsteil für die Halbleitertechnik, das durch Abscheiden einer Siliciumcarbid-Schicht auf einem Kohlenstoff-Substrat erhalten worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung unter Bedingungen erfolgt ist, daß die Siliciumcarbid-Schicht einem Cu — K^-Röntgenbeugungs-Peak der (200)-Ebene mit einer Halbwertsbreite von 0,35° oder weniger aufweist

2. Vorrichtungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung unter Bedingungen erfolgt ist, daß mehr als 30% der geschliffenen Oberfläche der Siliciumcarbid-Schicht Kristalle ausmachen, deren maximale Breite (in μπι) größer als (5+0,15 t) ist, wobei f die Dicke der Siliciumcarbid-Schicht in μπι bedeutet

3. Vorrichtungsteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gexennzeichnet, daß die Abscheidung unter Bedingungen erfolgt ist, daß die Siüciumcarbid-Schicht eine Dicke von 20 bis 500 μπι aufweist

4. Vorrichtungsteil nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Tiegel, ein Suszeptor, eine Heizeinrichtung oder ein Reaktionsrohr aus Kohlenstoff eingesetzt worden ist.

5. Verfahren zur Herstellung des Vorrichtungsteils nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei dem Siliciumdioxid im Kontakt mit Kohlenstoff in einer mit einer Heizeinrichtung versehenen Reaktionskammer erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet daß in der Reaktionskammer, die von aus Kohlenstoff und/ oder Siliciumcarbid he:geste"-ten Trennwänden umgeben ist, ein Kohlenstoff-Substrat sowie in einem Gefäß aus Kohlenstoff pulverförmiges Siliciumdioxid oder ein Gemisch aus pulverförrrrigem Siliciumdioxid und pulverförmigem Kohlenstoff angeordnet und auf 1500 bis 1900⁰C erhitzt werden.

6. Vorrichtung durch Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5 mit einer mit einer Heizeinrichtung versehenen Reaktionskammer, d,idurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer von aus Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid hergestellten Trennwänden umgeben ist und ein Kohlenstoff-Substrat sowie ein Kohlenstoffgefäß zur Aufnahme des Siliciumdioxid- bzw. Siliciumdioxid/ Kohlenstoff-Pulvers aufweist.