DE1644017C3 - - Google Patents

Description

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Zum Herstellen von Halbleiterbauelementen wird häufig das als Epitaxie bekannte Verfahren angewendet. Dieses besteht darin, daß man scheibenförmige Halbleiterkristalle, insbesondere Einkristalle, auf eine hohe, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegende Temperatur aufheizt und gleichzeitig Über die Scheiben ein Reaktionsgas hinwegleitet, welches bei der Temperatur der Scheiben den betreffenden Halbleiter auf den Scheiben in vorzugsweise einkristallinem Zustand niederschlägt. Die Beheizung der Halbleiterkristalle erfolgt vornehmlich auf elektrischem Weg, indem z. B. diese Scheiben während des Abscheidevorganges mit einem aus hitzebeständigem leitendem Material bestehenden, von einem elektrilchen Heizstrom durchflossenen Träger und Heizer in direkter oder über eine isolierende Zwischenschicht in mittelbarer Berührung gehalten werden. Auch eine unmittelbare Erhitzung der Scheiben durch Absorption einer elektromagnetischen Strahlung ist möglich.The method known as epitaxy is often used to manufacture semiconductor components. This consists in the fact that disk-shaped semiconductor crystals, in particular single crystals, on a high temperature, but below the melting point of the semiconductor, and at the same time A reaction gas passes over the panes, which at the temperature of the panes the relevant Semiconductor precipitates on the wafers in a preferably monocrystalline state. The heating of the Semiconductor crystals are mainly made electrically by z. B. these disks during the Deposition process with a heat-resistant conductive material consisting of an electric Heating current flowing through the carrier and heater in direct or via an insulating intermediate layer in indirect contact. Immediate heating of the panes through absorption electromagnetic radiation is possible.

Als Reaktionsgas verwendet man im Interesse der Reinheit des abgeschiedenen Halbleiters nur solche seiner Verbindungen, die flüchtig sind und in denen der Halbleiter oder der Dotierungsstoff an kein anderes Element als ein Element der Halogengruppe und/oder Wasserstoff gebunden ist. Bevorzugt wird das Reaktionsgas mit Wasserstoff, mitunter auch mit einem inerten Gas verdünnt.In the interest of the purity of the deposited semiconductor, only those of its are used as the reaction gas Compounds that are volatile and in which the semiconductor or the dopant does not interfere with any other Element is bonded as an element of the halogen group and / or hydrogen. The reaction gas is preferred diluted with hydrogen, sometimes with an inert gas.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen durch Epitaxie ist es erforderlich, epitaktische Schichten von gleichmäßiger Schichtdicke und Kistallgüte herzustellen. Ferner ist es erwünscht, wenn der tangential Dotierungsgradient in den abgeschiedenen Schichten identisch verschwindet. Werden mehrere Scheiben in der gleichen Apparatur dem Abscheidungsprozeß unterworfen, so werden diese Forderungen für alle Halbleiterscheiben gleichzeitig erhoben. Neben einer gleichmäßigen Zufuhr des Reaktionsgases zu den zu beschichtenden Halbleiterscheiben (DT-PS 1 262 244) ist eine gleichmäßige Beheizung der Halbleiterscheiben von großer Bedeutung. Sie ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.When manufacturing semiconductor components by epitaxy, it is necessary to use epitaxial layers of uniform layer thickness and crystal quality. It is also desirable if the tangential The doping gradient in the deposited layers disappears identically. Will be several Wafers in the same apparatus subjected to the deposition process, these requirements for all wafers collected at the same time. In addition to a uniform supply of the reaction gas to the Semiconductor wafers to be coated (DT-PS 1 262 244) is uniform heating of the semiconductor wafers of great importance. It is the object of the present invention.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum epitaktischen Abscheiden von kristallinen Halbleiter-Schichten an der Oberfläche von Halbleiterscheiben, die auf dem Boden eines topfartig ausgebildeten und aus Quarzglas bestehenden Reaktionsgefäßes aufgefegt sind, mit einem parallel zum Boden des Reaktionsgefäßes und unterhalb desselben sich flächenhaft erstrekkenden. elektrisch betriebenen Heizer und einem zwischen der Auflage für die Halbleiterscheiben und dem Heizer angeordneten, aus wärmeleitendem Material bestehenden, plattenförmigen Wärmeausgleichskörper.The invention relates to a device for the epitaxial deposition of crystalline semiconductor layers on the surface of semiconductor wafers that are formed on the bottom of a pot-shaped and made of quartz glass reaction vessel are swept up, with one parallel to the bottom of the reaction vessel and underneath it extending over a large area. electrically operated heater and one between the support for the semiconductor wafers and the heater, made of thermally conductive material existing, plate-shaped heat compensation body.

Eine solche Vorrichtung ist in der DT-PS 1 262 244 vorgeschlagen. Ferner ist in der DT-PS 1 284 942 eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Kristallen vorgeschlagen, bei der sich unmittelbar unterhalb des Trägers für die Kristalle und oberhalb der flächenhaft dargestellten Heizung für die Kristalle ein Ausgleichskörper in Gestalt einer um eine vertikale Achse rotierenden Scheibe befindet.Such a device is proposed in DT-PS 1,262,244. Furthermore, in DT-PS 1 284 942 a Apparatus for the thermal treatment of crystals proposed in the immediately below of the carrier for the crystals and a compensating body above the heater for the crystals shown over a large area in the form of a disk rotating about a vertical axis.

Demgegenüber ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer aus einem parallel zum Boden des Reaktionsgefäßes gewundenen Leiter besteht, dessen Querschnitt zum Rand des Heizers hin verjüngt ist, und daß die ruhende Wärmeausgleichsplatte aus wärmestrahlenabsorbierendem Material besteht.In contrast, the device according to the invention is characterized in that the heater from consists of a conductor wound parallel to the bottom of the reaction vessel, the cross-section of which towards the edge of the heater is tapered out, and that the resting heat equalization plate made of heat radiation absorbing Material consists.

Durch die von der Erfindung vorgeschlagene Ausgestaltung des Heizers und der Wärmeausgleichsplatte wird die Wärmeübertragung trotz der strukturellen Inhomogenität des Heizers auf die zu beschichtenden Halbleiterscheiben vergleichmäßigt und außerdem auch noch dem Randabfall der Temperatur infolge der vermehrten Abkühlung am Rand Rechnung getragen. Die ruhende Wärmeausgleichsplatte aus wärmeabsorbierendem Material wirkt ausschließlich durch das Auftreten eines zu der Abstrahlungsrichtung transversalen Wärmeflusses im Innern der Ausgleichsplatte. Darüber hinaus kann durch unterschiedliche Strukturierung innerhalb der Wärmeausgleichsplatte und/oder dem Boden des Reaktionsgefäßes auch ein Ausgleich infolge unterschiedlichen Wärmewiderstandes an verschiedenen Stellen des Wärmeübertragungsweges erreicht werden.Due to the design of the heater and the heat compensation plate proposed by the invention the heat transfer to the to be coated despite the structural inhomogeneity of the heater Semiconductor wafers and also the edge drop in temperature as a result of the increased cooling at the edge taken into account. The resting heat equalization plate made of heat-absorbing Material acts exclusively through the occurrence of a direction transverse to the radiation direction Heat flow inside the compensation plate. In addition, different structuring within the heat equalization plate and / or the bottom of the reaction vessel also compensates for it different thermal resistance achieved at different points of the heat transfer path will.

In d'„-r Figur ist eine der Erfindung entsprechende Vorrichtung dargestellt. Die epitaktisch zu beschichtenden Scheiben, insbesondere aus Si oder Ge, sind mit 1 bezeichnet und liegen auf dem ebenen Boden eines im wesentlichen kreiszylindrischen Reaktionsgefäßes 2. Dieses besteht aus einem unteren topfartigen Teil 3 und einem oberen Teil 4, der mit einem Einleitungsrohr 5 für das frische Reaktionsgas und einem Auslaß 6 für das verbrauchte Reaktionsgas versehen ist. Einlaß und Auslaß für das Reaktionsgas sind zweckmäßig konzentrisch zueinander angeordnet. Alle Teile des Reaktions-In the figure there is one corresponding to the invention Device shown. The wafers to be epitaxially coated, in particular made of Si or Ge, are denoted by 1 and lie on the flat bottom of an essentially circular-cylindrical reaction vessel 2. This consists of a lower pot-like part 3 and an upper part 4, which is connected to an inlet pipe 5 is provided for the fresh reaction gas and an outlet 6 for the used reaction gas. Inlet and Outlet for the reaction gas are expediently arranged concentrically to one another. All parts of the reaction

CfCf

gefäßes 2 und der Gastransportleitungen, wenigstens soweit sie an der Begrenzung des Reaktionsraumes beteiligt sind, bestehen aus möglichst reinem Quarzglas. Die Unterlage, auf der die zu beschicr tenden Scheiben ruhen (im vorliegenden Beispiel der Abschluß des Reaktionsraumes) besteht vorteil'iafterweise aus einer im Spektralbereich von 2,6 bis 2,8 μ von Absorptionskanten möglichst freien, im Handel erhältlichen Quarzsorte. Solche Quarzsorten werdtn zweckmäßig stets an Stellen angewendet, an denen während des Betriebes eine Temperatur von mehr als 500° auftritt. Feuchtigkeit im Reaktionsraum ist in bekannter Weise auszuschalten.vessel 2 and the gas transport lines, at least insofar as they participate in the delimitation of the reaction space consist of the purest possible quartz glass. The base on which the panes to be loaded rest (in the present example the closure of the reaction space) advantageously consists of one in the spectral range from 2.6 to 2.8 μ of absorption edges as free as possible, commercially available Type of quartz. Such types of quartz are expediently always used in places where during operation a temperature of more than 500 ° occurs. Moisture in the reaction space is known in the art turn off.

Im Zusammenhang mit der beschriebenen Zusammensetzung des Reaktionsgefäßes aus den Teilen 3 und '5 4 ist darauf hinzuweisen, daß sie es möglich macht, die sich bereits in der für die Abscheidung erforderlichen Lage befindlichen Halbleiterscheiben 1 vorbereitenden Behandlungen in anderen Apparaturen zu unterwerfen und dann nach Kopplung mit dem Oberteil 4 des Reaktionsgefäßes 2 und der noch zu beschreibenden Beheizung dem epitaktischen Vorgang zu unterwerfen, ohne daß weitere Manipulationen, insbesondere eine Berührung der Scheiben, hierzu erforderlich ist.In connection with the described composition of the reaction vessel from parts 3 and '5 4 it should be pointed out that it makes it possible to already have the amount required for the deposition To subject located semiconductor wafers 1 preparatory treatments in other apparatus and then after coupling with the upper part 4 of the reaction vessel 2 and the heating to be described subject to the epitaxial process without further manipulation, especially contact of the discs, this is necessary.

Des weiteren verschafft diese Konstruktion die Möglichkeit, die Scheiben 1 nach ihrer Vorbehandlung im soeben beschriebenen Sinn staubfrei zu halten, indem der Inhalt des topfartigen Unterteiles 3, wenn er von dem oberen Teil 4 des Abscheidegefäßes gelös; wird, zweckmäßig unter Überdruck eines inerten Gases, z. B. von trockenem Stickstoff, gehalten und anschließend mittels eines Hilfsdeckels von Außenraum wieder abgeschlossen wird. Wenn der Hilfsdeckel, z. B. eine aus Quarz bestehende Platte, sowie die miteinander in Kontakt zu bringenden Ränder des topfartigen Unterteiles 3 und des Oberteiles 4 mit entsprechend angepaßten Schliffen versehen sind, läßt sich eine vollkommen ausreichende Abdichtung erzielen.Furthermore, this construction provides the possibility of the discs 1 after their pretreatment in just described sense to keep dust-free by the content of the pot-like lower part 3 when it is of the upper part 4 of the separation vessel dissolved; is, expediently under pressure of an inert gas, for. B. of dry nitrogen, and then closed again from the outside by means of an auxiliary cover will. When the auxiliary cover, e.g. B. a plate made of quartz, as well as each other in Contact to be brought edges of the pot-like lower part 3 and the upper part 4 with appropriately adapted If ground joints are provided, a perfectly adequate seal can be achieved.

Das gleiche kann für zu koppelnde andere Behandlungsapparaturen vorgesehen sein, falls man es nicht vorzieht, den topfartigen Unterteil nebst seinem Inhalt vollständig in ein vom Außenraum in der jeweils erforderlichen Weise abgeschlossenes Behandlungsmedium bzw. Behandlungsraum einzubringen, und erst dann den Hilfsdeckel zu entfernen.The same can be provided for other treatment apparatuses to be coupled, if one does not prefers the pot-like lower part together with its contents completely in one of the outer space in the respectively required Way to bring in closed treatment medium or treatment room, and only then the Remove auxiliary cover.

Der wichtigste Aspekt einer für das erfindungsgemäße Verfahren anzuwendenden Apparatur liegt in der Ausgestaltung der Heizvorrichtung. Diese befindet sich vollständig außerhalb des Reaktionsgefäßes, so daß die Scheiben 1 durch den Boden des topfartigen Unterteils 3 hindurch durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung auf die erforderliche Reaktionstemperatur erhitzt werden.The most important aspect of an apparatus to be used for the process according to the invention lies in the Design of the heating device. This is completely outside of the reaction vessel, so that the Panes 1 through the bottom of the pot-like lower part 3 through thermal conduction and / or thermal radiation be heated to the required reaction temperature.

Dabei kann der Heizer mit besonders gutem Erfolg die aus der Figur ersichtliche Beschaffenheit besitzen. Das eigentliche stromdurchflossene Heizelement 7 besteht aus einem in einer Ebene gewundenen, z. B. aus Graphit oder Molybdän bestehenden, im Betrieb stromdurchflossenen Leiter. Die Windungen könnenThe heater can have the properties shown in the figure with particularly good success. The actual current-carrying heating element 7 consists of a wound in a plane, for. B. off Graphite or molybdenum existing conductors through which current flows during operation. The turns can

z. B. spiralig oder mäanderförmig verlaufen. Es empfiehlt sich, den Leiterquerschnitt des Heizelements 7 nach seinem Rand hin zu verjüngen, um den Randabfall der Temperatur zu eliminieren. Zwischen den zu beschichtenden Scheiben 1 und dem Heizelement 7 ist eine Ausgleichsplatte 8 aus strahlungsabsorbierendem Material, z. B. aus Graphit oder Pyrographit, vorgesehen, die sich zweckmäßig parallel zur Anordnung der Scheiben 1 und zum Heizelement 7 erstreckt.z. B. spiral or meander. It recommends to taper the conductor cross-section of the heating element 7 towards its edge in order to avoid the edge drop to eliminate the temperature. Between the panes 1 to be coated and the heating element 7 is a compensation plate 8 made of radiation-absorbing material, e.g. B. made of graphite or pyrographite, provided, which expediently extends parallel to the arrangement of the panes 1 and to the heating element 7.

Da sich der Heizer außerhalb des Reaktionsgefäßes befindet, ist er und der topfartige Unterteil 3 der Abscheidungsapparatur in der aus der Figur ersichtlichen Weise in einer topfartigen Manschette 9 angeordnet, über welche noch weitere Ausführungen gemacht werden. Since the heater is located outside the reaction vessel, it and the pot-like lower part 3 are the deposition apparatus arranged in the manner shown in the figure in a pot-like sleeve 9, about which further statements are made.

Besonderes Augenmerk ist der unmittelbaren Unterlage der zu beschichtenden Scheiben zu schenken. Diese ist auf jeden Fall so auszugestalten, daß die zu beschichtende Oberfläche der Scheiben 1 merklich heißer als die nicht mit den Scheiben zu bedeckende Oberfläche des Trägers — wenigstens so weit sie mit dem Reaktionsgas in Kontakt gelangt — wird. Insbesondere sollen die Scheiben 1 heißer als alle übrigen den Reaktionsraum begrenzenden Wände und Apparateteile sein. Falls der Träger der Scheiben, z. B. der Boden des Reaktonsgefäßes, durch Strahlung erwärmt wird, empfiehlt sich z. B. eine entsprechende Verjüngung des Trägers an den Auflagestellen der Scheiben.Particular attention must be paid to the immediate support of the panes to be coated. These must in any case be designed so that the surface of the panes 1 to be coated is noticeably hotter than the surface of the carrier that is not to be covered with the disks - at least as far as it does with the Reaction gas comes into contact - is. In particular, the panes 1 should be hotter than all of the rest of the reaction space delimiting walls and parts of the apparatus. If the carrier of the discs, e.g. B. the bottom of the Reaktonsgefäßes, is heated by radiation, is recommended, for. B. a corresponding taper of the carrier at the support points of the panes.

Der den Heizer 7 aufnehmende abgeschlossene Raum ist zweckmäßig mit inertem Gas gefüllt, um eine Oxydation des insbesondere aus Graphit oder dergleichen bestehenden Heizers 7 zu vermeiden. Die Ausgleichsplatte 8 kann dann als oberer Abschluß des den Heizer umgebenden Raumes dienen. Noch vorteilhafter ist es, wenn nicht die Ausgleichsplatte 8, sondern der Unterteil 3 des eigentlichen Reaktionsgefäßes 2 den Abschluß für den Raum des Heizers 7 bildet, wie dies auch in der Zeichnung in einfacher Weise dargestellt ist. In diesem Beispiel übernimmt die — zweckmäßig kühlbare und bis in die Nähe der Verbindung der beiden Teile 3 und 4 des Reaktionsgefäßes reichende — Manschette 9 die Aufgabe einer Begrenzungswand des Heizerraumes. Obwohl es sich einerseits empfiehlt, daß der topfartige Unterteil 3 des Reaktionsgefäßes 2 aus der Manschette 9 nach Belieben herausgenommen werden kann, so sollte man auch in diesem Falle darauf achten, daß ein gasdichter Verschluß dieses Raumes, ggf. unter Anwendung von Dichtungen, gewährleistet bleibt. Es empfiehlt sich dann — vor allem wenn der Boden eines aus Quarz bestehenden Unterteils 3 Träger für die Kristalle 1 ist —, wenn der Druck des inerten Gases im Heizerraum so groß eingestellt wird, daß er dem Gasdruck im Reaklionsraum und der Wirkung der Schwerkraft auf den Boden des Unterteiles 3 das Gleichgewicht hält. Es kann auf diese Weise ein Durchbiegen des Bodens und damit des Trägers der zu beschichtenden Scheiben 1 verhindert werden, das sonst eine gleichmäßige Abscheidung unmöglich machen würde.The closed space accommodating the heater 7 is expediently filled with inert gas in order to To avoid oxidation of the heater 7, which consists in particular of graphite or the like. The compensation plate 8 can then serve as the upper end of the space surrounding the heater. Even more beneficial it is when it is not the compensating plate 8 but the lower part 3 of the actual reaction vessel 2 forms the conclusion for the space of the heater 7, as shown in the drawing in a simple manner is. In this example, the - expediently coolable and up to the vicinity of the connection takes over two parts 3 and 4 of the reaction vessel reaching - sleeve 9 the task of a boundary wall of the Boiler room. Although it is recommended on the one hand that the pot-like lower part 3 of the reaction vessel 2 from the cuff 9 can be removed at will, so you should also in this case ensure that this space is sealed in a gas-tight manner, if necessary with the use of seals remain. It is then recommended - especially if the bottom of a lower part made of quartz has 3 supports for the crystals 1 is - if the pressure of the inert gas in the boiler room is set so high that he the gas pressure in the reaction space and the effect of gravity on the bottom of the lower part 3 the Keeping balance. In this way, the bottom and thus the carrier of the to be coated can sag Disks 1 are prevented, which would otherwise make a uniform deposition impossible would.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Vorrichtung zum epitaktischen Abscheiden von kristallinen Halbleiter-Schichten an der Oberfläche von Halbleiterscheiben, die auf dem Boden eines lopfartig ausgebildeten und aus Quarzglas bestehenden Reaktionsgefäßes aufgelegt sind, mit einem parallel zum Boden des Reaktionsgefäßes und unterhalb desselben sich flächenhaft erstreckenden, elektrisch betriebenen Heizer und einem zwischen der Auflage für die Halbleiterscheiben und dem Heizer angeordneten, aus wärmeleitendem Material bestehenden, plattenförmigen Wärmeausgleichskörper, dadurch gekennzeichnet, daß der ·5 Heizer aus einem parallel zurr Boden des Reaktionsgefäßes gewundenen Leiter besteht, dessen Querschnitt zum Rand des Heizers hin verjüngt ist, und daß die ruhende Wärmeausgleichsplatte aus wärmestrahlungsabsorbierendem Material besteht.1. Device for the epitaxial deposition of crystalline semiconductor layers on the surface of semiconductor wafers, which are formed on the bottom of a cup-like and made of quartz glass Reaction vessel are placed, with one parallel to the bottom of the reaction vessel and below the same area-wide, electrically operated heater and one between the support for the semiconductor wafers and the heater, made of thermally conductive material existing, plate-shaped heat compensation body, characterized in that the · 5 The heater consists of a conductor wound parallel to the bottom of the reaction vessel Cross-section is tapered towards the edge of the heater, and that the resting heat equalization plate from heat radiation absorbing material consists. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Reaktionsgefäßes an den Auflagestellen der einzelnen Halbleiterscheiben dünner ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the bottom of the reaction vessel on the support points of the individual semiconductor wafers is thinner. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer und die Wärmeausgleichsplatte in einem abgeschlossenen und oben von dem Boden des Reaktionsgefäßes begrenzten Raum angeordnet sind.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the heater and the heat compensation plate are arranged in a closed space bounded at the top by the bottom of the reaction vessel. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer in einem inerten Gas angeordnet ist.4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the heater is arranged in an inert gas is. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß wenigstens in den sich während des Abscheidebetriebs stark erwärmenden Teilen aus einer im Spektralbereich von 2,6 bis 2,8 μ möglichst absorptionsfreien SiCh-Sorte bestehen.5. Device according to claims 1 to 4, characterized in that the reaction vessel at least in the parts that heat up strongly during the separation operation from one in the spectral range from 2.6 to 2.8 μ consist of the most absorption-free SiCh type.