DE2950827C2 - Verfahren zum epitaktischen Abscheiden von einkristallinem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum epitaktischen Abscheiden von einkristallinem Material entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Verfahren dieser Art Ist aus der US-PS 33 16 121 bekannt.

Bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen werden oft epitaktische Behandlungen angewendet. Ein großes Problem dabei besteht darin, epitaktische Schichten ausreichend homogener Dicke zu erhalten.

Ls hat sich herausgestellt, daß die Abscheidungsgeschwindlgkeit einer aus der Gasphase niedergeschlagenen epitaktischen Schicht bei hoher Temperatur wenig und bei niedriger Temperatur stark temperaturabhängig ist. Dies bedeutet, daß bei hohen Temperaturen Diffusion in der Gasphase und bei niedrigen Temperaturen Oberflächenreaktionen für die Abscheldungsgeschwlndigkelt entscheidend sind. Stets muß die Temperatur derart hoch sein, daß die Qberflächenbeweglichkeit ausreicht, um einkristalle Schichten auf einkristallinen Substraten zu erhalten.

Diese Beziehung zwischen Abscheldungsgeschwlndlgkeit und Temperatur Ist von dem Gesamtdruck abhängig.

Bei niedrigerem Gesamtdruck 1st die Dlffuslonskonstante größer und folglich die Diffusion In geringerem Maße entscheidend für die Abscheidungsgeschwlndlgkeit, während der Temperaturbereich, über den die Abscheldungsgeschwlndigkelt durch Oberflächenreaktio-

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nen bestimmt wird, breiter ist.

Wenn die Abscheidungsgeschwindigkeit durch Oberflächenreaktionen bestimmt wird, ist die Homogenität der Dicke der niedergeschlagenen Schicht sehr gut.

Obgleich bei niedrigerem Druck über einen breiten Temperaturbereich die Abscheidungsgeschwindigkeit durch Oberflächenreaktionen bestimmt wird, sind die Temperaturen In diesem Bereich noch nicht genügend hoch, um einkristalline epitaktische Schichten hoher Güte und mit einer angemessenen Abscheidungsgeschwindigkeit zu erhalten.

Daher können im genannten Temperaturbereich mit genügender Homogenität der Schichtdicke normalerweise nur polykristalline Schichten erhalten werden.

Wenn zum Erhalten einkristalliner Schichten höhere Temperaturen angewandt werden, wird die Wachstumsgeschwindigkeit durch Diffusion in der Gasphase bestimmt und ist die Homogenität der Dicke der niedergeschlagenen Schien- oft ungenügend

Diese inhomogeniiäi wird bei einem Verfahren nach der eingangs erwähnten US-PS 33 16 121 nich>. beseitigt, bei dem die Substrate, auf denen abgeschieden werden muß, in einem Temperaturgradienten angeordnet sind, der derart eingestellt ist, daß, in Richtung des Gasstroms gesehen, die Reaktionsgeschwindigkeit zunimmt, um den Einfluß der Verarmung In dem Gasstrom von anzuwachsendem Material auf die Wachstumsgeschwindigkeit auszugleichen. Außerdem Ist dieser Einfluß bei höheren Temperaturen, bei denen die Wachstumsgeschwindigkeit durch Diffusion bestimmt wird, praktisch nicht vorhanden.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß homogenere Schichten niedergeschlagen werden können.

Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß außer Veränderlichen, wie Temperatur und Druck, auch Konzentrationen von Reaktionsbestandteilen in der Gasphase die Homogenität der Dicke der niedergeschlagenen Schicht in erneblichem Maße beeinflussen können und der beabsichtigte Zweck vor allem erreicht wird, wenn die genannten Konzentrationen während der Züchtung in der Nähe der Gleichgewichtskonzentrationen liegen.

Die genannte Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren in Anwendung dieser Erkenntnis durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit den chemischen Reaktionen, die die epitaktische Züchtung verursachen, sind oft Ätzreaktionen gepaart, die den umgekehrten Effekt herbeiführen. Gleichgewicht ergibt sich, wenn die Züchtungs- und Ätzreaktionen mit gleicher Geschwindigkeit verlaufen. Dadurch, daß die Zusammensetzung das Gasstroms im Temperaturgradienten von der Glelchgewichtszusammensetzung abzuweichen beginnt, wird eine niedrige Netto-Abscheidungsgeschwindigkelt erhalten.

Daher ließe sich erwarten, daß bei höherer Temperatur die Gescnwindlgkelt des Abscheidungsvorgangs wieder durch chemische Reaktionen bestimmt wird. Dies ist aber nicht der Fall; Diffusion In der Gasphase bleibt entscheidend für die Geschwindigkeit. Allerdings nimmt die Homogenität beim Abscheiden zu, was, wie oben beschrieben, gerade bei Vorgängen der Fall wäre, deren Geschwindigkeit durch chemische Reaktionen bestimmt wird.

Möglicherwelse läßt sici diese Abweichung dadurch erklären, daß die niedrigere Netto-Abscheldungsgeschwlndlgkelt die Resultate verhältnismäßig großer Ab-

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60 scheidungs- und Ätzgeschwindigkeiten ist, wobei einerseits die große Abscheidungsgeschwindigkeit an sich in einem durch Diffusion bestimmten Vorgang zu inhomogener Abscheidung führen würde, d. h., daß an bestimmten Stellen die Ablagerung schneller als an anderen Stellen vor sich gehen würde, aber wobei andererseits die große Ätzgeschwindigkeit an Stellen mit schneller Abscheidung auch eine schnellere Ätzung als an den anderen Stellen bedeutet, wodurch endgültig bei einer niedrigen Netto-Ablagerungsgeschwindlgkeit homogene Abscheidung auftritt.

Bei Anwendung von Gasströmen mit Zusammensetzungen, die in der Nähe des Gleichgewichts liegen, ist die Gasphase schnell erschöpft; durch Anwendung eines Temperaturgradienten in der Strömungsrichtung der Gasphase kann die in der Gasphase vorhandene Menge des Reaktionsbestandteiles aber dadurch zweckmäßig benutzt werden, daß das Gasgemisch stets seine Gleichgewichtszusammensetzung ändern v'rd, d. h., daß es stets außer Gleichgewicht gebracht und durch Niederschlagbildung in Gleichgewicht gebracht wird.

Ein durch Diffusion bestimmte/ Vorgang ist hier sogar notwendig, weil dabei chemische Reaktionen sehne·! verlaufen, was wieder erforderlich ist, urn an dem Temperaturgradienten entlang stets einen Gleichgewichtszustand beizubehalten.

Bei Anwendung von Epitaxie auf großen Substraten, z. B. mit einem Durchmesser von 5 bis 10 cm, sind die anzuwendenden Teniperaturgradienten nicht kritisch z. B. hinsichtlich des Auftretens von Versetzungen, weil die Temperaturgradienten nicht radial gerichtet sind und langsam über die Substrate eingestellt werden können.

Es sei erwähnt, daß auch bei bekannten Verfahren homogen dicke Schichten erhalten werden können. Dazu müssen hohe Gasströmungsgeschwindigkeiten angewandt werden, was einen hohen Verbrauch an Ausgangsstoffen, ζ. B. Trägergas, mit sich bringt. Drs Verehren nach der Erfindung weist dann u. a. den Vorteil auf, daß keine hohen Strömungsgeschwindigkeiten angewandt zu wer en brauchen. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten sind zum Erhalten eines Gleichgewichts zwischen dem Gasstrom und den Substraten auch nicht wünschenswert. Andere Vorteile gehen noch aus der nachstehenden Beschreibung hervor.

Das Verfahren nach der Erfindung weist den Vorteil auf, daß auch im Bereich verhältnismäßig hoher Temperaturen und Drücke (z. B. 1 bar), für die üblicherweise galt, daß dabei die Homogenität ein Problem ist, homogene Züchtung möglich ist. Bei hohen Temperaturen Ist die Oberflächenbewpglichkeit genügend für eine gute einkristalllne Abscheidung und kann, wie bei hohen Drücken trotz der Tatsache, daß die Geschwindigkeit der Vorgänge durch Diffusionserscheinungen bestimmt wird, dennoch eine .jute Homogenität auftreten.

Es Ist u. a. hierdurch möglich, den bei dem Verfahren nach der Erfindung notwendigen Temperaturgradienten in einem verhältnismäßig großen Temperaturbereich einzustellen.

Die Anwendung einer niedrigen Abscheidungsgeschwindigkeit Ist offensichtlich für die Wirtschaftlichkeit des epitaktischen Vorgangs nicht günstig.

Dieser scheinbare Nachteil wird durch die erhaltene ■Homogenität der abgeschiedenen Schicht und durch einen anderen wesentlichen Vorteil ausgeglichen. Dieser Vorteil ergibt sich bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach¹ der Erfindung, bei der die scheibenförmigen Substrate mit ihren Hauptflächen parallel und In einem Im Vergleich zu den Abmessungen

der Hauptflächen geringen gegenseitigen Abstand angeordnet werden.

Die damit erhaltene günstige hohe Packungsdichte von Substraten während der epitaktischen Abscheidung beeinträchtigt die Homogenitüt der Dicke der abgelagerten Schicht nicht. Die hohe Packungsdichte der Substrate ermöglicht es, trotz der verhältnismäßig niedrigen Abscheidungsgeschwlndlgkelt besonders wirtschaftlich zu arbeiten, well große Anzahlen von Substraten pro Charge behandelt werden können.

Bei Epitaxie Ist es oft gebräuchlich, die Substrate über einen Körper zu erhitzen, auf dem die Substrate während der epitaktischen Behandlung ruhen. Die Temperatur der Substrate ist dann höher als die der Reaktorwand, wodurch im allgemeinen eine geringe Ablagerung auf der Reaktorwand auftritt (Kaltwandreaktor).

Bei paralleler Anordnung der Substrate, wie oben beschrieben Ist, ist Erhitzung über angrenzende Körper bedenklich und erfolgt dies vorzugsweise auf billige und gut kontrollierbare Welse über die Wand des Reaktors (Heißwandreaktor). Bei dieser Ausführungsform tritt eine zu erwartende Ablagerung auf der Reaktonvand aber nicht auf, well die Reaktionsgeschwindigkeit für die Ablagerung gering und die Keimbildung auf dem Substrat viel stärker als auf der Reaktorwand Ist.

Auflagevorrichtungen aus Graphit sind bei der letzteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung somit nicht erforderlich, wodurch die Möglichkeit einer Verunreinigung während des epitaktischen Abscheldens verringert wird.

Vorzugsweise werden die Substrate parallel zu der Richtung des Gasstromes angeordnet. Dabei weist der Gasstrom überall dieselbe Richtung wie der Temperaturgradient auf und die Abscheidung findet auf besonders zweckmäßige Welse statt.

Die Anordnung der Substrate unter einem Winke! zwischen 0° und 90° zu der Richtung des Gasstroms kann befriedigende Resultate ergeben; die Anordnung der Substrate senkrecht zu der Richtung des Gasstroms ergibt aber ein weniger zweckmäßiges Abscheiden.

Um epitaktisches Abscheiden auf einer einzigen Hauptfläche der Substrate zu erhalten, werden die Substrate vor der epitaktischen Züchtung paarweise mit ihren Hauptflächen gegeneinander gesetzt und wird eine nicht zu überziehende Hauptfläche der Substrate vor dem epitaktischen Abscheiden mit einer gegen Anwachsen maskierenden Schicht überzogen.

Zur Vermeidung von Selbstdotierung wird ein Substrat mit seiner zu überziehenden Hauptfläche der Maskierungsschicht des benachbarten Substrats gegenüber angeordnet.

Die Substrate können sowohl waagerecht als auch senkrecht angeordnet werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung wird eine epitaktische Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat aus einem Gasstrom gezüchtet, der Silizium, Halogen und Wasserstoff enthält, wobei vorzugsweise als Halogen Chlor verwendet wird.

Diese Gasströme werden z. B. aus Siliziumverbindungen, wie Silan, Mono-, Di-, Tri- oder Tetrachlorsilan und Chlorwasserstoff neben Wasserstoff als Trägergas erhalten.

Vorzugsweise wird der Gasstrom vor dem epitaktischen Abscheiden bei der ersten extremen, d. h. Grenz-Temperatur mit dem zu züchtenden Material in Gleichgewicht gebracht und beim Abscheiden von Silizium enthält der Gasstrom, der in Gleichgewicht gebracht wird. Halogen und Wasserstoff und Ist frei von Silizium. Diese Synthese des Gasstroms wird vor allem zusammen mit einem negativen Temperaturgradienten bei dem epitaktischen Abscheiden angewandt, well vermieden wird, daß beim Aufheizen des Gasstroms bereits Ausscheidung von Silizium auftritt.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung sind geringere Mengen des üblichen aus Wasserstoff bestehenden Trägergases erforderlich, well niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten als bei bekannten Verfahren angewendet werden können.

Es Ist bekannt, daß im Glelchgewlchtssystem Slllzlum-Chlor-Wasserstoff die Summe der Partialdampfdrücke der Slllziumverblndungen von der Temperatur abhängig ist und ein Minimum aufweist, das um so ausgeprägter ist, je größer das Verhältnis zwischen der vorhandenen Chlormenge und der vorhandenen Wasserstoffmenge Ist. Bei Dfückcrhuhungen verschiebt sich das Minimum zu höheren Temperaturen, während sich das Minimum bei Druckherabsetzung oder gegebenenfalls bei Ersatz von Wasserstoff durch ein Inertes Gas, wie Stickstoff, zu niedrigeren Temperaturen verschiebt.

Daraus folgt, daß der Temperaturgradient sowohl positiv als auch negativ gewählt werden kann. Ein positiver Temperaturgradient wird bei verhältnismäßig niedrigen und ein negativer Temperaturgradient wird bei verhältnismäßig ','<ohen Temperaturen verwendet.

Meistens wird vor dem epitaktischen Abscheiden ein Ätzvorgang durchgeführt. Bei dem Verfahren nach der Erfindung vollzieht sich diese Äiüung aus analogen Gründen auf die oben für den Züchtungsvorgang beschriebene Welse derart, daß eine homogen dicke Schicht entfernt wird, wenn vor dem epltakiischen Abscheiden in einem langgestreckten Reaktor aus einem zweiten Gasstrom in der Längsrichtung des Reaktors die Substrate- geätzt werden, wnhei in dem letzteren Reaktor während der Ätzung Im zweiten Gasstrom ein Temperaturgradient in Richtung des zweiten Gasstroms zwischen einem Querschnitt stromaufwärts des zweiten Gasstroms, In dem eine dritte Grenz-Temperatur herrscht, und einem Querschnitt stromabwärts des zweiten Gasstroms, in dem eine vierte Grenz-Temperatur herrscht, aufrechterhalten wird; daß sich die Substrate beim Ätzen in einem Temperaturbereich zwischen den zuletzt genannten Grenz-Temperaturen befinden und Ätzung bei verschiedenen Temperaturen stattfindet, und daß von einem zweiten Gasstrom ausgegangen wird, der die Reaktionsbestandteile des Ätzvorgangs in einer Zusammensetzung enthält, die mit dem zu ätzenden Material bei der stromaufwärts des zweiten Gasstroms herrschenden dritten Grenz-Temperatur Im Gleichgewicht ist, während beim Durchlaufen des zuletzt genannten Gradienten der zweite Gasstrom in bezug auf das zu ätzende Material untersättigt wird.

Das Ätzen kann auf einfache Weise durchgeführt werden, wenn in demselben Reaktor geätzt wird, in dem auch die epitaktische Abscheidung stattfindet.

Das Ätzen kann noch weiter dadurch vereinfacht werden, daß bei einem homoepitaktlschen Züchtungsvorgang die Stelle der Substrate im Reaktor, an der die Ätzung erfolgt, dieselbe Stelle Ist, an der epitaktisch abgeschieden wird; daß die Temperaturgradienten für die Ätzung und die Abscheidung einander gleich sind; daß die zweite Grenz-Temperatur gleich der dritten und die erste Grenz-Temperatur gleich der vierten Grenz-Temperatur ist, und daß der erste und der zweite Gasstrom entgegengesetzte Richtungen aufweisen. Die Bedingungen, dir für das Verfahren nach der

Erfindung erforderlich sind, eignen sich besonders gut Für eine Abwandlung, bei der vor der epitaktischen Abscheidung die Substrate einer Isothermen Wärmebehandlung In einem Gasstrom unterworfen werden, der mit dem zu behandelnden Material bei der Bchandlungstcmpcralur Im Gleichgewicht lsi.

AuJ.' diesem Wege können Kristallstörstellen vor der epitaktischen Abscheidung entfernt werden.

Vorzugswelse wird diese Abwandlung angewandt, wenn die Hauptfläche, auf der die epltaktl'rfhe Abscheidung stattfindet, einer lonen.lmplantationsbehandlung unlerworfen worden Ist.

Die Isotherme Wärmebehandlung kann vor, nach oder statt der Ätzbehandlung durchgeführt werden.

Der Einfachheit halber ist daher die Behandlungstemperatur gleich der ersten oder der dritten Grenz-Tempera-

nachstehend sn

Beispiele und der belllegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch die Beziehung zwischen dem Partlaklampfdruck In einem Gasstrop' eines abzuscheidenden Materials In Form von Verbindungen und der Temperatur, und

Fig. 2 schematisch einen Längsschnitt durch einen Teil eines Reaktors zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem langgestreckten Reaktor 21 (siehe Flg. 2) epitaktisch ,inkristallines Material aus einem Gasstrom in der Längsrichtung 22 des Reaktors 21 auf scheibenförmigen einkristallinen Substraten 23 abgeschieden.

Während der epitaktischen Abscheidung in dem Gasstrom wird ein Temperaturgradient in der Richtung 22 des Gasstroms zwischen einem Querschnitt 24 durch den Reaktor stromaufwärts des Gasstroms, in dem eine erste Grenz-Temperatur 7Ί herrscht, und einem Querschnitt 25 stromabwärts des Gasstroms, in dem eine zweite Grenz-Temperatur Ti herrscht, aufrechterhalten. Während der epitaktischen Abscheidung befinden sich die Substrate 23 In einem Temperaturbereich zwischen den Grenz-Temperaturen T, und T₁ und die epitaktische Abscheidung findet bei versch'edenen Temperaturen statt.

Es wird von einem Gasstrom ausgegangen, der die Reaktionsbestandteile des Abscheidungsvorgangs in einer Zusammensetzung enthält, die mit dem abzuscheidenden Material bei der stromaufwärts des Gasstroms herrschenden ersten Grenz-Temperatur T₁ im Gleichgewicht ist.

Dazu kann der Gasstrom der epitaktischen Abscheidung bei der ersten Grenz-Temperatur T_x mit dem abzuscheidenden Material 26 in Gleichgewicht gebracht werden.

Der Temperaturgradient wird durch Erhitzung über die Wand des Reaktors mit Hilfe der Heizwendel 27 eingestellt.

Beim Durchlaufen des Gradienten wird der Gasstrom in bezug auf das abzuscheidende Material übersättigt.

Dies wird an Hand der Fig. 1 näher auseinandergesetzt. Darin ist schematisch die Summe der Partialdampfdrücke von Siliziumverbindungen als Funktion der Temperatur angegeben, die erhalten wird, wenn festes Silizium mit einer Gasphase mit einem bestimmten konstanten Verhältnis Chlor: Wasserstoff und einer bestimmten konstanten Summe der Partialdrücke der Reaktionsmittel im Gleichgewicht ist.
Ober der in Flg. 1 dargestellten Gleichgewichtskurve 11 1st die Gasphase an Silizium übersättigt und es kann Abscheidung festen Siliziums aus der Gasphase auftreten; unter der Gleichgewichtskurve 11 1st die Gasphase untersättigt und es tritt Ätzung von Silizium auf.

Wenn von einem Gasstrom ausgegangen wird, der bei einer ersten Grenz-Temperatur 7Ί mit Silizium In Gleichgewicht gebracht Ist, wird bei Erhöhung der Temperatur beim Durchlaufen des Temperaturgradienten die Gasphase übersättigt und Silizium aus der Gasphase abgeschieden werden.

In Richtung des Temperaturgradienten wird der Partlalsillzlumdruck auf die zweite Grenz-Temperatur T₂ abnehmen. Der Temperaturgradient für die epitaktische Abscheidung kann sich maximal bis zu der Temperatur T_m,„ erstrecken, bei der der Partlalslliziumdruck minimal ist.
Der Temperaturgradient In Richtung des Gasstroms ist

nrvcltly D^r Tf»mnpr!iMirarorIignl J^2fJ« SUCh 2"^" *^aIr»°»"»·» höheren Tempetaturpegel gewählt werden. Z. B. ist dann Ta die erste Grenz-Temperatur und T% die zweite Grenz-Temperatur. Dieselben Erscheinungen von Übersättigung und Abscheidung treten dann auf. In diesem Falle Ist der Temperaturgradient negativ.

Ätzung eines Substrats kann auf eine der epitaktischen Abscheidung analoge Weise, und zwar ebenfalls in einem Gasstrom in der Längsrichtung eines langgestreckten Reaktors, unter Verwendung eines Temperaturgradienten In Richtung des Gasstroms durchgeführt werden.

Beim Ätzen werden Temperaturgradienten verwendet, die in bezug auf die Temperaturgradienten bei der epitaktischen Abscheidung umgekehrt sind. So wird beim Ätzen der Temperaturgradient zwischen einem Querschnitt durch der, Reaktor stromaufwärts des Gasstroms, in dem eine dritte Grenz-Temperatur T, herrscht, und einem Querschnitt stromabwärts des Gasstroms, In dem eine viene Grenz-Temperatur 7"₄ herrscht, aufrechterhalten werden. Beim Ätzen befinden sich die Substrate 23 in einem Temperaturbereich zwischen den Grenz-Temperaturen T, und Ta und das Atzen findet bei verschiedenen Temperaturen statt.

Es wird von einem Gasstrom ausgegangen, der die Reaktionsbestandteile des Ätzvorgangs In einer Zusammensetzung enthält, die mit dem ätzenden Material bei der stromaufwärts des Gasstroms herrschenden dritten Grenz-Temperatur Γι im Gleichgewicht ist.

Beim Durchlaufen des Gradienten wird der Gasstrom in bezug auf das zu ätzende Material untersättigt.

Wenn Silizium bei dem Chlor: Wasserstoff-Verhältnis, für das die Gleichgewichtskurve in Fig. 1 gilt, geätzt werden muß, wird bei Erhöhung der Temperatur von T, an beim Durchlaufen des Temperaturgradienten die Gasphase untersättigt werden und Ätzung von Silizium auftreten.

In Richtung des Temperaturgradienten wird der Partialsiliziumdruck auf die vierte Grenz-Temperatur T₄ zunehmen.

Es ist einleuchtend, daß beim Ätzen für die dritte Grenz-Temperatur auch T₂ und für die vierte Grenz-Temperatur T, in Fig. 1 gewählt werden kann.
Vorzugsweise wird für die Abscheidung und die Atzung derselbe Reaktor gewählt und werden bei Homoepitaxie dieselben Temperaturgradienten und .Grenz-Temperaturen angewandt, wobei der Unterschied zwischen Abscheidung und Ätzung durch den Unterschied zwischen der Richtung des Gasstroms und der des Temperaturgradienten gebildet wird.

Auch können vor der epitaktischen Abscheidung die Substrate 23 einer isothermen Wärmebehandlung unter-

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worfen werden. Dies erfolgt dann In einem Gasstrom, der mit dem zu behandelnden Material bei der Behandlungstemperatur Im Gleichgewicht Ist.

Dies kann z. B. dadurch stattfinden, daß die Substrate 23 zwischen dem Vorrat 26 und dem Querschnitt 24 angeordnet werden und dort die erste Grenz-Temperatur T\ unter Überführung des Gasstroms In der Richtung 22 aufrechterhalten wird.

Naturgemäß kann die Isotherme Wärmebehandlung auch vor einer Ätzbehandlung durchgeführt werden, z. B. dadurch, daß die Substrate rechts von dem Querschnitt 25 angeordnet werden und ein Gleichgewichtsgasstrom In der der Richtung 22 entgegengesetzten Richtung über die Substrate 23 bei einer Wärmebehandlungstemperatur gleich der dritten Grenz-Temperatur geführt wird.

Die genannten Wärmebehandlungen können z. B. geeignet sein, wenn vor der epiiaklischen Abscheidung die Abscheldungsoberfläche einer lonenlmplantatlonsbehandlung unterworfen worden ist. Eine einer Ionenimplantation unterworfene Oberfläche weist örtliche Beschädigungen mit einem größeren Energieinhalt auf, die in einem geeigneten Transportmittel, wie dem Gleichgewichtsgasstrom, gelöst und daraus an benachbarten unbeschädigten Stellen mit niedrigerem Energieinhalt wieder abgelagert werden.

Eine geeignete Anordnung der Substrate 23 ist in Fig. 2 dargestellt. Vorzugswelse werden sie derart angeordnet, daß Ihre Hauptflächen zueinander parallel liegen und einen In bezug auf die Abmessungen der Hauptflächen geringen gegenseitigen Abstand aufweisen und zu dem Gasstrom parallel sind.

Druck statt. Dann wird das Regal langsam weitergeschoben, bis sich das ganze Regal in dem Teil des Rohres befindet, In dem der Temperaturgradient eingestellt Ist. Nun kann auf übliche Weise dadurch geätzt werden, daß ein Gasstrom, der 0,2 Vo\.-% Chlorwasserstoff In Wasserstoff als Trägergas enthält, In der anfänglichen Schieberichtung entlang der Siliziumsubstrate geführt wird. Bei dem hler beschriebenen Verfahren wird jedoch In einer der Schieberichtung entgegengesetzten Richtung In einem Gasstrom geätzt, der aus einem Gemisch von 4 Volumentellen Dlchlorsilan, 10 Volumenteilen Chlorwasserstoff und 86 Volumentellen Wasserstoff besteht. Dieser Gisstrom ist Im Gleichgewicht mit Silizium bei einer Temperatur von 1040⁰C. Das Verhältnis Chlor: Wasserstoff In diesem Gasstrom beträgt etwa 1 : 10. Die Gasströmungsgeschwindigkeit beträgt 10 1/mln und die Ätzdauer 1st 1 bis 10 Minuten. Beim Ätzen

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Beispiel 1

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Es wird ein Widerstandsofen mit drei Erhitzungszonen verwendet.

In dem Ofen befindet sich ein Quarzrohr 21 mit einem Innendurchmessser von 7 cm. Das Quarzrohr Ist 3 m lang und ragt etwa 70 cm aus dem Ofen hervor auf der Seite, auf der die erste Grenz-Teinperatur eingestellt wird.

Mit Hilfe des Ofens wird entsprechend der ersten Erhitzungszone des Ofens in dem Rohr über eine Länge von etwa 60 cm eine erste Grenz-Temperatur von 960° C eingestellt.

Anschließend wird über einen Abstand von 60 cm und entsprechend der zweiten Erhitzungszone des Ofens ein praktisch linearer In Richtung des Gasstroms für epitaktische Abscheidung positiver Temperaturgradient eingestellt, der bei einer zweiten Grenz-Temperatur von 1040° C endet.

Entsprechend der dritten Erhitzungszone des Ofens wird In dem Rohr über eine Länge von etwa 40 cm eine konstante Temperatur von 1040° C aufrechterhalten.

In einer Charge werden gleichzeitig dreißig (HO)-orientierte scheibenförmige Substrate aus Silizium mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Dicke von 250 μΐη behandelt. Diese liegen waagerecht in einem Regal auf einem Quarzuntergrund. Das Regal ist 60 cm lang und enthält zehn Substrate in geringem gegenseitigem Abstand hintereinander und drei Substrate übereinander in Etagen des Regals mit einem gegenseitigen Abstand von 1,5 bis 2 cm.

Das P.ega! mit den Substraten wird zunächst In dem sich außerhalb des Ofens befindenden Teil dei Rohres angeordnet, wonach mit Argon oder Wasserstoff gespült wird, bis cfas ganze Rohr sauerstofffrei ist. Alle Behandlungen in Gasströmen finden bei atmosphärischem Ätzen wird dadurch beendet, daß das Rohr mit Wasserstoff gespült wird.

Epitaktische Abscheidung findet aus einem Gasstrom in der anfänglichen Schieberichtung statt, wobei der Gasstrom aus einem Gemisch von 4 Volumenteilen Dichlorsilan, 9,2 Volumenteilen Chlorwasserstoff und 86,8 Volumenteilen Wasserstoff besteht. Dieser Gasstrom ist Im Gleichgewicht mit Silizium bei einer Temperatur von 960° C. Das Verhältnis Chlor: Wasserstoff In diesem Gasstrom beträgt gleichfalls etwa 1 : 10. Die Gasströmungsgeschwindigkeit beträgt 15 1/mln und die Züchtungsdauer ist 15 Minuten; In dieser Dauer ist eine epitaktische Schicht mit einer Dicke von etwa 3 μίτι abgeschieden.

Die Abscheidung wird dadurch beendet, daß mit Wasserstoff gespült wird. Dann wird das Regal langsam zurückgeschoben und In dem Teil außerhalb des Ofens weiter abgekühlt.

Vor dem Abscheldungsvorgang können die Substrate in demjenigen Teil, der der ersten Erhitzungszone entspricht und auf 960° C gehalten wird, einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Dabei erfolgt iann eine Überführung eines Gasstroms mit einer Zusammensetzung, die auch bei der epitaktischen Abscheidung verwendet wird.

Diese Wärmebehandlung kann völlig oder teilweise die beschriebene Ätzbehandlung ersetzen.

Die bei der epitaktischen Abscheidung angewandte Strömungsgeschwindigkeit von 15 l/min Ist gering Irn Vergleich zu einer bei bekannten Abscheidungsvorgängen und bei einer Anordnung von zehn Substraten hintereinander in einer Etage erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit von etwa 100 l/min.

Auch braucht bei der Erhitzung keine teuere Hochfrequenzanlage verwendet zu werden und es sind keine Verunreinigung herbeiführenden Auflagevorrichtungen aus Graphit erforderlich. Die Homogenität der Dicke der abgeschiedenen Schichten ist in diesem Falle besser als die bei bekannten Abscheidungsvorgängen, und zwar etwa 3%. Dieselbe Homogenität gilt für den Ätzvorgang.

Beispiel Il

In diesem Beispiel wird unter Verwendung derselben Anlage wie im vorhergehenden Beispiel die epltakiische Abscheidung be! höheren Temperaturen beschrieben.

Die erste Grenz-Temperatur beträgt nun 1200⁰C und die zweite Grenz-Temperatur 1150° C, wobei zwischen diesen Temperaturen ein in Richtung des Gasstroms für epitaktische Abscheidung negativer Temperaturgradient

eingestellt wird.

Auch in diesem Beispiel werden dreißig Substrt.ie verwendet, die auf gleiche Welse wie im vorhergehenden Beispiel In einem Regal angeordnet sind.

Die Substrate werden auf übliche Welse während 5 Minuten in Wasserstoff mit 0,2 Vol.-% Chlorwasserstoff geatzt. Zum Erhalten des Gasstroms für die epitaktische Abscheidung wird von einem Gasgemisch mit etwa 62 Volumentcllcn Wasserstoff, 14 Voiumcntellen Dichlorsllan und 24 Volumentellen Chlorwasserstoff ausgegangen. Das Verhältnis Chlor: Wasserstoff In diesem Gasgemisch beträgt etwa I : 3,4.

Die genannte Zusammensetzung Ist praktisch die Gleichgewichtszusammensetzung entsprechend dem Minimum In der Kurve nach Flg. 1.

Vor dem Regal wird In dem Teil des Rohres, in dem die konstante Temperatur von 1200° C herrscht, eine Vielzahl von Siliziumscheiben angeordnet. Es werden z. B. zwanzig S:hatben In einem Abstand von 2 bis 5 mm mit Ihren großen Flächen parallel zu der Gasstromrlclitung und senkrecht angeordnet.

Ein Gasstrom von 19,8 1/mln mit der obenbeschriebenen Zusammensetzung, aus dem vor der Berührung mit den zwanzig Siliziumscheiben keine Ablagerung auftreten kann, wird bei 1200° C mit diesen Scheiben In Gleichgewicht gebracht, wonach in dem Temperaturgradienten epitaktische Abscheidung auf den dreißig Substraten stattfindet.

Die epitaktische Abscheidung erfolgt mit einer Geschwindigkeit von 0,13 μηι/mln. In einer halben Stunde wird eine Schicht von etwa 4 μηι abgeschieden. Die übrigen Ergebnisse sind denen beim vorhergehenden Beispiel analog.

Abwandlungen des beschriebenen Verfahrens sind möglich. Z. B. können die Substrate vorteilhafterweise in einem Ofenrohr mit rechteckigem Querschnitt gestapelt werden, z. B. derart, daß zwei Scheiben nebeneinander liegen. Der Abstand zwischen den Substraten kann sowohl kleiner als auch größer gewählt werden als in den Beispielen beschrieben ist.

Der gewählte Arbeitsdruck kann größer oder kleiner als 1 bar sein.

Die Qualität der epitaktischen Schicht kann, wie gefunden wurde, oft noch dadurch verbessert werden, daß ein Ofenrohr verwendet wird, das auf der Innenseite mit Slllzlumnitrid überzogen ist oder völlig aus Siliziumcarbid oder Silizium besteht.

Die Substrate können statt auf einem Quarzuntergrund zu ruhen, auch paarweise mit den Hauptflächen gegeneinander gesetzt werden. Auch kann eine gegen Anwachsen maskierende Schicht verwendet werden. Effekte von Autodotierung können z. B. dadurch verringert werden, daß Substrate mit einet Oberfläche, auf der abgeschieden werden muß, der maskierenden Schicht eines benachbarten Substrats gegenüber angeordnet werden.

Zugleich mit der epitaktischen Abscheidung können Dotierungsstoffe eingebaut «erden.

Das Verfahren nach der Erfindung dient zur Herstellung von Halbleiteranordnungen in dem breiten Gebiet, in dem Epitaxie verwendet wird, und umfaßt u. a. die Herstellung diskreter Anordnungen, wie Sonnenzellen, Transistoren und Dioden, und integrierter Schaltungen.

Außer für die epitaktische Abscheidung von Silizium kann das Verfahren nach der Erfindung auch für die epitaktische Abscheidung von HI-V-Verbindungen verwendet werden, wobei diese Verbindungen z.B. mit Hilfe von Chlorwasserstoff von einer Quelle zu den Substraten transportiert werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (17)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum epitaktischen Abscheiden von einkristallinem Material aus einem Gasstrom auf scheibenförmigen einkristallinen Substraten in einem langgestreckten Reaktor, bei dem ein Temperaturgradient in Richtung des Gasstroms zwischen einem Querschnitt stromaufwärts des Gasstroms, in dem eine erste Grenz-Temperauir herrscht, und einem Querschnitt stromabwärts des Gasstroms, in dem eine zweite Grenz-Temperatur herrscht, aufrechterhalten wird und die Substrate bei verschiedenen Temperaturen zwischen der ersten und der zweiten Grenz-Temperatur gehalten werden, dadurch gekenn- fs zeichnet, daß von einem Gasstrom ausgegangen wird, dessen Zusammensetzung sich mit dem abzuscheidenden Material bei der ersten Grenz-Temperatur im Gleichgewicht befindet und beim Durchlaufen des Gradienten an dem abzuscheidenden Material übersättigt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Substrate mit ihren Hauptflächen parallel zueinander und in einem im Vergleich zu den Abmessungen der Hauptflächen kleinen gegenseitigen Abstand angeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgradient durch Erhitzung über die Wand des Reaktors eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der orhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate parallel zu der Richtung des Gafiroms angeordnet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden An-Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate vor der epitaktischen Abscheidung paarweise mit Hauptflächen gegeneinander gesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht zu überziehende Hauptfläche der Substrate vor der epitaktischen Abscheidung mit einer gegen Anwachsen maskierenden Schicht überzogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat mit einer zu überziehenden Hauptfläche der maskierenden Schicht des benachbarten Substrats gegenüber angeordnet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Silicium besteh; und der Gasstrom eine Halogenverbindung des Slllclums und Wasserstoff enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen Chlor ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom vor der epitaktischen Abscheidung bei der ersten Grenz-Temperatur mit dem Material zur Gleichgewichtseinstellung gebracht wird.

11. Verfahren nach Ansprüchen 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom aus Halogen und Wasserstoff besteht.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem epitaktischen Abscheiden in einem langgestreckten Reaktor aus einem zweiten Gasstrom die Substrate geätzt werden, wobei ein Temperaturgradient In Richtung des Gasstroms zwischen einem Querschnitt stromaufwärts des Gasstroms, in dem eine dritte Grenz-Temperatur herrscht, und einem Querschnitt stromabwärts des Gasstroms, in dem eine vierte Grenz-Temperatur herrscht, aufrechterhalten wird und die Substrate bei verschiedenen Temperaturen zwischen der dritten und der vierten Grenz-Temperatur gehalten werden, und daß von einem zweiten Gasstrom ausgegangen wird, dessen Zusammensetzung sich mit dem zu ätzenden Material bei der dritten Grenz-Temperatur im Gleichgewicht befindet und beim Durchlaufen des Gradienten an dem zu ätzenden Material ungesättigt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß In demselben Reaktor geätzt wird. In dem das epitaktische Abscheiden stattfindet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für das homoepitaktische Abscheiden die Substrate an derselben Stelle belassen werden, daß die Temperaturgradienten für die Ätzung und das Abscheiden einander gleich sind, daß die zweite Grenz-Temperatur gieich der dritten und die erste Grenz-Temperatur gleich der vierten ist, und daß der erste und der zweite Gasstrom entgegengesetzte Richtungen aufweisen.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem epitaktischen Abscheiden die Substrate einer isothermen Wärmebehandlung in einem Gasstrom unterworfen werden, der mit dem zu behandelnden Material bei der Behandlunsstemperatur im Gleichgewicht ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptfläche, auf der das epitaktische Abscheiden stattfindet, einer Ionenimplantationsbehandlung unterworfen worden ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungstemperatür gleich der ersten oder der dritten Grenz-Temperatur ist.