DE69601452T2 - Verfahren zur Aufbringung einer dünnen Schicht - Google Patents
Verfahren zur Aufbringung einer dünnen SchichtInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer auf einem Halbleitersubstrat gezüchteten Dünnschicht.
- Zum Beispiel schlägt sich, wenn ein Siliciumgas zum Züchten einer Silicium-Einkristalldünnschicht auf einem Silicium-Einkristallsubstrat in ein Reaktionsgefäß einer Dünnschichtzüchtvorrichtung als Rohmaterial eingespeist wird, Silicium unbeabsichtigterweise auf der Oberfläche, die der Atmosphäre im Gefäß ausgesetzt ist, wie zum Beispiel einer Innenwand des Gefäßes, einem Träger zum Halten eines Silicium- Einkristallsubstrats, einer Gasdüse und den anderen Vorrichtungen, sowie auf der Hauptfläche des Substrats nieder.
- Der Niederschlag, der die Form eines Partikels oder einer Flocke aufweist und im Reaktionsgefäß gebildet wird, schält häufig zum Teil während dem Züchten einer Dünnschicht ab und ein Teil des abgeschälten Schutts haftet an einem Halbleitersubstrat an. Der Schutt auf dem Substrat bildet einen fehlerhaften Teil in der Dünnschicht, wie zum Beispiel Stapelfehler oder vorspringende Fehler. Ein Reinigungsvorgang ist daher regelmäßig nötig gewesen, um den Niederschlag im Gefäß zu entfernen.
- Zur Entfernung des Niederschlags ist eine wäßrige Lösung einer starken Säure oder einer starken Base verwendet worden, um den Niederschlag im Reaktionsgefäß einer Dünnschichtzüchtvorrichtung wegzuätzen. Wenn der Niederschlag Silicium ist, wird zum Beispiel eine starke Säure wie ein wäßriges Lösungsgemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure verwendet. Ein solches Ätzverfahren unter Verwendung der wäßrigen Lösung verlangt, da dieses Verfahren in einem naßen Zustand durchgeführt wird, einen Vorgang zur Entnahme eines Reaktionsgefäßes, eines Trägers für ein Substrat, einer Gasdüse und der anderen Vorrichtungen aus der Dünnschichtzüchtvorrichtung, damit diese gereinigt werden können. Das Naß-Ätzverfahren kann nicht oft verwendet werden, um den Niederschlag im Reaktionsgefäß zu entfernen, da viel Zeit für solche Vorgänge wie die Zerlegung, die Montage und das Wiedereinschalten der Vorrichtung, nach der Inbetriebnahme benötigt wird.
- Ein weiteres wohlbekanntes Verfahren zur Entfernung des Niederschlags im Reaktionsgefäß besteht darin, Chlorwasserstoffgas in das Reaktionsgefäß, das bei einer Temperatur von ungefähr 1200ºC beibehalten wird, einzuspeisen, um den Niederschlag nach Abladung eines Halbleitersubstrats, auf dem eine Dünnschicht gezüchtet worden ist, abzuätzen.
- Wenn Chlorwassergas bei einer solchen hohen Temperatur in das Reaktionsgefäß eingeführt wird, nehmen jedoch die Elemente im Gefäß Schaden und der Reaktionsbereich wird durch Metalle, die vom Chlorwasserstoffgasstrom getragen werden, verunreinigt.
- Wenn eine Dünnschichtzüchtvorrichtung des Kaltwandtyps verwendet wird, gibt es ebenso die Probleme, daß verschiedene Arten von Schmutzstoffen, die in nicht erhitzten Bereichen, wie der Wand, mit einer relativ niedrigen Temperatur im Reaktionsgefäß, schwer mittels Chlorwasserstoffgas zu entfernen sind und Schmutzstoffe, nachdem sie in Bereichen mit einer hohen Temperatur abgeätzt worden sind, schlagen sich wieder auf den nicht erhitzten Bereichen ab und werden durch Wiederverdampfung in die gezüchteten Filme gemischt, was eine Herabsetzung der Kristallqualität der Dünnschicht zur Folge haben wird.
- Angesichts der oben angeführten Probleme bei den herkömmlichen Methoden wurden neue Reinigungsgase vorgeschlagen. In diesem Fall werden sehr reaktionsfreudige Gase bei niedrigen Temperaturen verwendet, um das Innere des Reaktionsgefäßes der Dünnschichtzüchtvorrichtung zu reinigen, wobei ein Gas, das zumindest ein Mitglied aus der Gruppe bestehend aus ClF, ClF&sub3; und ClF&sub5; beinhaltet, verwendet wird, um den Niederschlag in der Dünnschichtzüchtvorrichtung zu entfernen, wobei der Niederschlag ein Metall oder eine metallische Verbindung ist (siehe veröffentliches japanisches Patent Nr. Sho 64-17857).
- Wenn jedoch ein Reinigungsgas, ClF&sub3; (Chlortrifluorid), zur Reinigung des Inneren des Reaktionsgefäßes, welches einen Substratträger aus mit SiC (Siliciumcarbid) beschichtetem Graphit beinhaltet, verwendet wird, tritt das Problem auf, daß das Chlortrifluorid die Oberfläche des Substratträgers korrodiert und danach wird der Graphit im Träger kräftig angegriffen und korrodiert, um Partikeln zu bilden. Folglich ist das Verfahren zur Reinigung des Inneren eines Reaktionsgefäßes unter Verwendung von ClF&sub3; nicht in die Praxis umgesetzt worden.
- Das Siliciumcarbid, das verwendet worden ist, war schwarz und nichttransparent, obwohl es als eine einfache Substanz im Handel erhältlich ist. Das heißt, daß eine ungleiche Stöchiometrie der Zusammensetzung zwischen Kohlenstoff und Silicium besteht und daher entweder Silicium oder Kohlenstoff teilweise im nicht an der Gitterstelle befindlichen Festkörper abgeschieden wird. Die Erfinder glauben, daß das abgeschiedene Silicium oder der abgeschiedene Kohlenstoff bevorzugt vom als Reinigungsgas verwendeten Chlortrifluorid angegriffen wird.
- Angesichts der Probleme der gegenständlichen Techniken ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht bereitzustellen, wobei Chlortrifluorid als Reingungsgas verwendet wird, um die Temperatur bei einem Reinigungsvorgang herabzusetzen, die Korrosion der Teile, deren Oberflächen aus Siliciumcarbid bestehen, unterdrückt wird, um die Erzeugung von Partikeln zu vermeiden und dadurch eine hochreine und qualitativ hochwertige Dünnschicht zu züchten.
- Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die obigen Probleme der gegenständlichen Techniken zu lösen und bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht, wobei ein Reaktionsgefäß Teile beinhaltet, deren Oberflächen aus Siliciumcarbid mit einem Gesamtgehalt von freiem Silicium und freiem Kohlenstoff von 2 Gewichtsprozent oder weniger gebildet sind und wobei Chlorfluorid bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 500ºC in das Reaktionsgefäß eingeführt wird, um den beim Züchten einer Dünnschicht auf einem Halbleitersubstrat gebildeten Niederschlag auf den Teilen abzuätzen.
- Der Gesamtgehalt von freiem Silicium und freiem Kohlenstoff muß 2 Gewichtsprozent oder weniger, vorzugsweise 1 Gewichtsprozent oder weniger, betragen. Am besten wird reines Siliciumcarbid, bei dem der Gesamtgehalt von freiem Silicium und freiem Kohlenstoff Gewichtsprozent beträgt, verwendet. Die Auswirkung der vorliegenden Erfindung kann nicht erzielt werden, wenn der Gesamtgehalt von freiem Silicium und freiem Kohlenstoff 2 Gewichtsprozent übersteigt.
- Das obenerwähnte Chlorfluorgas ist vorzugsweise ein Gas, das 0,01 bis 10 Volumenprozent und noch besser 0,01 bis 5 Volumenprozent Chlorfluorid beinhaltet.
- Ein Beispiel der Teile, die, wie oben erwähnt, aus Siliciumcarbid bestehen, ist ein Substratträger. Der Substratträger hat eine Struktur aus Graphit und dergleichen, die mit Siliciumcarbid oder festem Siliciumcarbid beschichtet wird, wobei beide sich für das erfindungsgemäße Verfahren eignen.
- Das Siliciumcarbid, das verwendet worden ist, ist schwarz und nichttransparent, obwohl es eine einfache Substanz ist. Siliciumcarbid einer einfachen Substanz, das durch ein Verfahren der thermischen Zersetzung in der Dampfphase hergestellt wird, erfüllt jedoch eine Bedingung der chemischen Stöchiometrie, da es hochrein und an sich transparent ist. Eine 1 mm dicke dünne Platte ist halbtransparent und hat eine hellgelbe Farbe. Siliciumcarbid, das die Bedingung der chemischen Stöchiometrie erfüllt, bedeutet, daß es aus Silicium und Kohlenstoff im selben Atomverhältnis als das der chemischen Formel besteht.
- Experimente bezüglich der Korrosion des Siliciumcarbids mit der stöchiometrischen Zusammensetzung wurden durchgeführt, wobei erwartet wurde, daß Chlortrifluorid als Reinigungsgas gegen das Siliciumcarbid fast nichtkorrosiv ist. Keine Spur von Korrosion wurde auf der Oberfläche des Siliciumcarbids beobachtet.
- Unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Silicium-Einkristalldünnschicht kann das Innere des Reaktionsgefäßes einer Dünnschichtzüchtvorrichtung bei einer niedrigen Temperatur gereingt werden, die Erzeugung von Partikeln wird aufgrund der Unterdrückung der Korrosion des Siliciumcarbids auf der Oberfläche eines Substratträgers verhindert und daher wird die Reinigung des Inneren des Reaktionsgefäßes, das einen Substratträger, dessen Oberfläche aus Siliciumcarbid besteht, unter dem Vorbehalt, daß die Kristallqualität einer Dünnschicht nicht negativ beeinflußt wird, möglich.
- Viele weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden denjenigen, die sich auf dem Gebiet auskennen, unter Bezugnahme auf die unten angegebene detaillierte Beschreibung und die beigelegten Zeichnungen klar ersichtlich.
- Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt, der ein Beispiel der Dünnschichtzüchtvorrichtung, die in einer Ausführungsform zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Dünnschicht verwendet wird, zeigt;
- Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die ein Röntgendiagram eines in Beispiel 1 verwendeten Substratträgers zeigt; und
- Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die ein Raman- Streuungs-Spektrum des in Beispiel 1 verwendeten Substratträgers zeigt.
- Ein Beispiel der Dünnschichtzüchtvorrichtung, die sich für die Verwendung in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens eignet, wird unten unter Bezugnahme auf Fig. 1 der beigelegten Zeichnungen beschrieben.
- Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt, der ein Beispiel der Dünnschichtzüchtvorrichtung 10, die beim Züchten in der Dampfphase einer Dünnschicht auf einem Substrat 12, wie zum Beispiel einem Silicium- Einkristallsubstrat, verwendet wird. Die Dünnschichtzüchtvorrichtung 10 wird mit Wärmestrahlern 16 außerhalb des Reaktionsgefäßes 13, das aus transparentem Quarzglas hergestellt worden ist, ausgestattet und das Innere wird mittels Bestrahlung durch eine transparente Wand des Reaktionsgefäßes 13 erhitzt. Ein Substratträger 11 wird in einem erhitzten Bereich im Reaktionsgefäß 13 angebracht und ein Silicium-Einkristall 12 wird vom Substratträger 11 gehalten. Die anderen in Fig. 1 verwendeten Verweiszahlen sind wie folgt: 14 zeigt eine Gaseintrittsöffnung an, die auf der Seite der Gaszufuhr am Reaktionsgefäß 13 angebracht ist, 15 zeigt eine Abgasöffnung an, die auf der Seite der Ausgasung des Reaktionsgefäßes 13 angebracht ist, 17 zeigt eine auf der unteren Fläche des Substratträgers 11 montierte Drehwelle an und der Substratträger 11 dreht sich mittels der Drehwelle 17.
- Beispiele der vorliegende Erfindung, die unter Verwendung der obenerwähnten Dünnschichtzüchtvorrichtung durchgeführt werden, werden unten beschrieben.
- Ein in diesem Beispiel verwendeter Substratträger 11 besteht aus festem Siliciumcarbid, das mittels eines Verfahrens der thermischen Zersetzung in der Dampfphase hergestellt wurde und die Form einer Scheibe mit einem Außendurchmesser von 170 mm und einer Dicke von 1 mm hat. Der Substratträger 11 hat eine hellgelbe Farbe und ist halbtransparent. Mittels eines Röntgendiagrams wurde als eine Funktion des Braggschen Winkels (Fig. 2) bestätigt, daß keine weitere Beugungsspitze als die des Siliciumcarbids beobachtet wurde and daher kein freies Silicium beinhaltet ist. Es wurde gleichzeitig mittels eines Raman-Streuungs-Spektrums als eine Funktion einer Frequenzverschiebung des gestreuten Lichts (Fig. 3) bestätigt, daß keine weitere Raman-Streuungsspitze als die des Siliciumcarbids beobachtet wurde und daher kein freier Kohlenstoff im Siliciumcarbid vorhanden ist. Die Dichte des Siliciumcarbids betrug 3,21 g/cm³.
- Ein Silicium-Einkristallsubstrat 12 des p-Typs mit einer Oberflächenorientierung (100) und einem Durchmesser von 150 mm wurde auf einen Substratträger 11, der in das Reaktionsgefäß 13 der in Fig. 1 gezeigten Dünnschichtzüchtvorrichtung 10 eingeführt wurde, gestellt. Wenn das Silicium-Einkristallsubstrat 12 auf den Träger 11 gestellt wird, dreht sich der Substratträger 11 um die Drehwelle 17, bis ein Dampfphasenzüchtverfahren abgeschlossen ist.
- Anschließend wurden bei der Zufuhr des Wasserstoffgases durch die Gaseintrittsöffnung 14 in das Reaktionsgefäß 13 die Wärmestrahler 16 angestellt und das Silicium- Einkristallsubstrat 12 wurde erhitzt. Nachdem die Temperatur des Substrats 12 auf 1100ºC erhöht wurde, wurde Trichlorosilangas durch die Gaseintrittsöffnung 14 bei einer Speisegeschwindigkeit von 13 g/min mit einer Spurenmenge eines Dopantgases über 1 min eingespeist, um eine Silicium-Einkristalldünnschicht in der Dampfphase zu züchten. Das Reaktionsgas trat aus der Abgasöffnung 15 aus.
- Nach Vollendung des Dampfphasenzüchtens und der Abkühlung des Inneren des Reaktionsgefäßes 13, wurde ein atmosphärisches Gas von Wasserstoffgas zu Stickstoffgas geändert und anschließend das Silicium- Einkristallsubstrat 12 herausgenommen. Eine Silicium- Einkristalldünnschicht mit einer Dicke von ungefähr 4 um wurde auf dem Silicium-Einkristallsubstrat 12 in der Dampfphase gezüchtet.
- Da ein Umfangsbereich des Substratträgers 11 mit einer Dicke von ungefähr 10 mm nicht vom Silicium- Einkristallsubstrat 12 bedeckt wurde, wurde dieser Bereich mit Trichlorosilangas in Berührung gebracht, um Silicium niederzuschlagen. Die Dicke des auf dem Substratträger 11 niedergeschlagenen Siliciums wurde nach dem Herausnehmen des Substratträgers 11 gemessen, wobei das Ergebnis ungefähr 4 um war, also ungefähr gleich der Dünnschicht auf dem Substrat 12.
- Der Substratträger 11 wurde zurück in das Reaktionsgefäß 13 gestellt und der Substratträger 11 wurde unter Vewendung der Wärmestrahler 16 bei einer niedrigen Leistung so in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt, daß die Anzeige eines Thermoelements, das unter der Seite des Substratträgers 11 angebracht ist, bei 300ºC gehalten wurde. Nachdem die Temperatur stabilisiert wurde, wurde ein Chlortrifluorid beinhaltendes Reiningungsgas in einer Konzentration von 1 Volumenprozent über einen Zeitraum von 5 Min ins Reaktionsgefäß 13 eingespeist.
- Die Konzentration des Chlorfluorids im Reinigungsgas liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,01 bis 10 Volumenprozent. Wenn die Konzentration weniger als 0,01 Volumenprozent ist, kann das auf der Oberfläche des Substratträgers 11 niedergeschlagene Silicium nicht ausreichend weggeätzt werden. Auf der anderen Seite kann, wenn diese mehr als 10 Volumenprozent beträgt, das Problem auftreten, daß das Chlorfluorid im Reinigungsgas die Oberfläche der metallischen Komponenten wie SUS und dergleichen, die der Atmosphäre im Reaktionsgefäß 13 ausgesetzt werden, korrodiert. Eine Konzentration des Chlorfluorids wird beim Reinigungsvorgang bevorzugt auf einen Bereich von 0,01 bis 5 Volumenprozent eingestellt.
- Nachdem das Chlorfluorid ins Reaktionsgefäß 13 eingespeist worden war, wurde das auf dem Substratträger 11 niedergeschlagene Silicium vollständig abgeätzt und nur die hellgelbe Oberfläche des Substratträgers 11 war noch zu beobachten. Keine Beschädigung auf der Oberfläche des Substratträgers 11 wurde mit dem bloßen Auge erkannt. Sogar unter Verwendung eines optischen Mikroskops bei einer 1000- fachen Vergrößerung konnte im Vergleich mit der Oberflächenbeschaffenheit vor dem Dünnschichtzüchten oder vor der Entfernung des Siliciumniederschlags kein erkennbarer Unterschied bei der Beobachtung der gereinigten Fläche des Substratträgers 11 festgesellt werden. Auch wurde keine durch den Abbau der Oberfläche des Substratträgers 11 verursachte Partikelbildung beobachtet.
- Unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß der Substratträger 11 aus festem Siliciumcarbid mit einem anderen Gesamtgehalt von freiem Silicium und freiem Kohlenstoff besteht, wurden Experimente durchgeführt. Die Farbe des Siliciumcarbids ist hellgelb für die stöchiometrische Zusammensetzung aber die Farben werden beim steigenden Gesamtgehalt von freiem Silicium und freiem Kohlenstoff dunkler. Jeder Gehalt von freiem Silicium und freiem Kohlenstoff wurde mittels eines Röntgendiagramms und eines Raman- Streuung-Spektrums beurteilt.
- Die Ergebnisse der Experimente zeigten, daß, wenn ein Gesamtgehalt von freiem Silicium und freiem Kohlenstoff 2 Gewichtsprozent oder weniger war, keine Beschädigung auf der Oberfläche des Substratträgers 11 erkannt wurde. Wenn jedoch der Gesamtgehalt 2 Gewichtsprozent überstieg, wurden Spuren von Korrosion mittels eines optischen Mikroskops bei einer 1000-fachen Vergrößerung gefunden. Es ist wünschenswert, daß bei der tatsächlichen Herstellung ein Substratträger 11 mehrere 1000 Mal mit Chlortrifluorid behandelt wird, bevor er durch einen anderen Substratträger ersetzt wird. Ein Gesamtgehalt von freiem Silicium und freiem Kohlenstoff wird vorzugsweise für eine solche lange Gebrauchsdauer in einem Bereich von 1 Gewichtsprozent oder weniger ausgewählt.
- Unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 mit Ausnahme, daß der Substratträger 11 aus festem Siliciumcarbid mit einem Gesamtgehalt von freiem Silicium und freiem Kohlenstoff von ungefähr 1 Gewichtsprozent und das Chlorfluorid bei verschiedenen Temperaturen in das Reaktionsgefäß 13 eingespeist wurde, wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um Änderungen der Oberflächenbeschaffenheit des Substratträgers 11 zu beobachten.
- Wenn die Temperaturen in dem Bereich von Raumtemperatur bis zu 500ºC lagen, wurde keine Erzeugung von Partikeln, die dem Abbau der Oberflächenbeschaffenheit zugeschrieben werden könnte, beobachtet, obwohl die für eine komplette Entfernung des Siliciumniederschlags benötigten Zeitspannen unterschiedlich waren. Nach mehrmaliger Wiederholung bei höheren Temperaturen über eine lange Zeitspanne hatte die Oberfläche des Substratträgers 11 sich ein bißchen verändert, aber es wurde kein Defekt wie zum Beispiel vorspringende Defekte auf der Oberfläche erzeugt, wenn eine Silicium- Einkristalldünnschicht hergestellt wurde.
- Ein Substratträger 11, der durch Beschichtung der Oberfläche eines Kohlenstoffkörpers mit Siliciumcarbid vorbereitet wurde, wobei das Siliciumcarbid auf gleiche Art und Weise wie bei Beispiel 1 bis 3 hergestellt wurde, wurde verwendet, um Experimente ähnlich denen von Beispiel 1 bis 3 durchzuführen und die Ergebnisse waren ähnlich denen, die mit den Substratträgern 11 aus festem Siliciumcarbid erhalten wurden.
- In den obigen Beispielen wird das Züchten von Silicium- Einkristalldünnschichten auf Silicium- Einkristallsubstraten 12 beschrieben, aber das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei einem anderen Fall anwendbar, bei dem eine Dünnschicht auf einem Einkristallsubstrat aus einem anderen Halbleitermaterial gezüchtet wird.
- Wie oben beschrieben, ermöglicht die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens das Züchten einer hochreinen und qualitativ hochwertigen Dünnschicht, indem die Erzeugung von Partikeln durch Unterdrückung der Korrosion der Teile, deren Oberflächen aus Siliciumcarbid bestehen, als eine ausgeprägte Auswirkung der vorliegenden Erfindung verhindert wird, wobei dieses Verfahren Chlortrifluorid als Reinigungsgas bei einer Temperatur in einem Bereich von Raumtemperatur bis 500ºC verwendet und Chlortrifluorid zur Verminderung der Temperatur, bei der ein Reingungsvorgang durchgeführt wird, verwendet wird.
Claims (4)
1. Ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht in
einem Reaktionsgefäß, welches einen Teil dessen
Oberfläche aus Siliciumcarbid ist, einschließt,
bestehend aus einem Ätzvorgang, wobei ein Gas
enthaltendes Chlorfluorid in das Reaktiongefäß
eingespeist wird, um einen Niederschlag abzuätzen,
der während des Bildens des Films auf einem
Halbleitersubstrat auf einer freigelegenen Fläche
des Teils geformt wird und einem
Abscheidungsvorgang, um nach dem Ätzvorgang einer
Dünnschicht auf einem Halbleitersubstrat
herzustellen, wobei das Siliciumcarbid in der
Zusammensetzung einen Gesamtgehalt von freiem
Silicium und freiem Kohlenstoff von 2
Gewichtsprozent oder weniger aufweist und das Gas
enthaltende Chlorfluorid bei einer Temperatur
zwischen Raumtemperatur und 500ºC in das
Reaktionsgefäß eingespeist wird.
2. Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht gemäß
Anspruch 1, wobei das Gas als Chlorfluorid
Chlortrifluorid bei einer Konzentration in einem
Bereich von 0,01 bis 10 Volumenprozent enthält.
3. Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht gemäß
Anspruch 1 oder 2, wobei der aus Siliciumcarbid
bestehende Teil ein Träger für ein Substrat ist.
4. Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht gemäß
Anspruch 1, wobei der dünne Film mittels eines
Züchtverfahrens in der Dampfphase hergestellt
wird.
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