DE2049229A1 - Einrichtung fur das epitaktische Aufwachsen einer Halbleiterschicht - Google Patents

Einrichtung fur das epitaktische Aufwachsen einer Halbleiterschicht

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Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Masdiinen Gesellschaft mbH
Böblingen, den 22. Juli 1970 bm-rz
Anmelderin; International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket BU 969 009
Einrichtung für das epitaktische Aufwachsen einer Halbleiterschicht
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für das epitaktische Aufwachsen einer Halbleiterschicht aus einem gasförmigen Material mit einer zylindrischen Kammer, in der ein rotationssymmetrischer Träger für scheibenförmige Halbleiterkristalle drehbar angeordnet ist und die einen Einlaß und einen Auslaß für das gasförmige Material besitzt.
Es sind verschiedene, als thermisches Aufwachsen bezeichnete Vorgänge bekannt, bei denen Schichten aus Metallen, Oxyden oder Nitriden auf einem Grundkörper aufgebracht werden. Hierzu zählen z.B. die verschiedenen pyrolytischen Verfahren und die bekannten epitaktischen Aufwachsverfahren bei Halbleitern. Bei Silicium erhält man eine solche epitaktische Schicht durch Wasserstoffreduktion aus der Gasphase von Siliciumverbindungen. Ein vielbenutztes Verfahren ist die Reduktion von Siliciumtetrachlorid bei erhöhter Temperatur.
Eine wesentliche Bedingung bei der Halbleiterfertigung ist die Gleichförmigkeit der aufgewachsenen Schicht. Wenn diese nicht in hohem Maße erreicht werden kann, ergeben sich durch eine aufwendige Nachbearbeitung oder eine hohe Ausfallquote beträchtliche Mehrkosten. Als Probleme treten dabei im einzelnen auf: Die Verunreinigung der Reaktionskammer, die unterschiedliche Dicke der aufgebrachten Schichten bei einem Aufwachsvorgang, das Entstehen von Spitzen auf der Halbleiteroberfläche und die lange Zeit, die für einen Aufwachszyklus benötigt wird.
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Es ist bekannt, das Aufwachsen in röhrenförmigen Reaktionskammern vorzunehmen. Die geringe Kapazität dieser Röhren und der dabei für einen Aufwachsvorgang erforderliche große Zeitaufwand sind für eine wirtschaftliche Fertigung jedoch nicht geeignet. Es wurde daher eine trommeiförmige Reaktionskammer verwgndet. In' dieser ist ein zylindrischer Träger für eine größere Anzahl von an dessen Umfang befestigten Halbleiterscheiben drehbar angeordnet. Die gasförmigen Reaktionsstoffe werden über ein am Boden der Kammer befindliches kranzförmiges Einlaßsystem zugeführt und passieren die Oberflächen der Halbleiterscheiben. In der oberen Abschlußwand der Kammer sind öffnungen vorgesehen, durch die die ψ Gase wieder abgeführt werden. Die Halbleiterscheiben Werden dabei gewöhnlich durch eine außerhalb der Kammer angebrachte Hochfrequenzspule erhitzt. Der wesentliche Vorteil dieser trommeiförmigen gegenüber der rohrförmigen Reaktionskammer besteht in der größeren Anzahl der bei einem Aufwachsvorgang bearbeiteten Halbleiterscheiben. Dagegen ist die Anzahl der in der Kammer enthaltenen Staubteilchen noch sehr hoch, so daß das Auftreten von Verunreinigungen in der1 aufgewachsenen Halbleiterschicht nicht verringert wird. Die Schwankungen in der Schichtdicke betragen bei einer einzigen Halbleiterscheibe noch etwa ±0,5 μπ». Auch das Entstehen von Spitzen kann nicht verhindert werden. Ebenso ist der erforderliche Zeitaufwand noch sehr hoch.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung für das epitaktische Aufwachsen einer Halbleiterschicht zu schaffen, die durch die gleichzeitige Bearbeitung einer größeren Anzahl von Halbleiterscheiben und relativ kurze Aufwachszyklen wirtschaftlich ist und mit der sich epitaktische Schichten von hoher Gleichförmigkeit herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird bei der anfange genannten Einrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kammer atf "ihren beiden
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Enden durch je eine, mindestens zum großen Teil dön gesamten Zylinderquerschnitt umfassende, poröse Schicht/ durch die der Eintritt sowie der Austritt des gasförmigen Materials erfolgen, abgeschlossen ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Für das vorliegende Beispiel wird die Bildung einer epitaktischen Siliciumschicht durch Reduktion von Siliciumtetrachlorid unter Wärmeeinwirkung gemäß folgender Gleichung gewählt: SiCl4 + 2H2 t Si + 4HCl. Die gezeigte Einrichtung wird anhand der genannten Reaktion beschrieben; jedoch kann das für die epitaktische Schicht benötigte Material auch auf andere Weise und aus anderen Stoffen gebildet werden. Hierbei können folgende Reaktionen auftreten: Bildung des gewünschten Materials durch fehlendes Gleichgewicht zwischen den Konzentrationen der einzelnen Stoffe, durch Zersetzung bzw. Aufspaltung oder durch Kondensation. Da einige der erwähnten Reaktionen reversibel ablaufen, kann bei ungünstig gewählten Bedingungen anstelle einer Anlagerung des Halbleitermaterials eine Ätzung stattfinden.
Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine Einrichtung nach der Erfindung, die mit 10 bezeichnet ist. Sie besitzt einen undurchsichtigen Quarzzylinder 12, der an seinen beiden offenen Enden durch Platten 14 und 16 geschlossen ist, so daß eine Reaktionskammer 18 gebildet wird. Die Platten bestehen vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl und sind hohl, so daß Kühlwasser durch sie hindurchfließen kann. Die Kammer 18 hat beispielsweise eine Höhe von 46 cm und einen Durchmesser von 23 cm. Verbindungsstreben 20 und Dichtringe 22 und 24 halten die Kammer 18 während des Aufwachsvorganges luftdicht geschlossen. Die untere Platte 16 und der Dichtring 24 sind hydraulisch nach unten bewegbar, so daß die Reaktionskammer 18 zum Herausnehmen der beschichteten und zum Einsetzen neuer Halbleiterscheiben geöffnet werden kann. Innerhalb der Kammer befindet sich ein zylindrischer Träger 28, der an einem Quarzstab 26 befestigt ist. Auf dem Umfang des Trägers sind parallel zur Längsachse der Kammer 18 eine größere Anzahl von Halbleiterscheiben 30 angebracht. Der Träger 28 be,-steht aus hochreinem Graphit und hat die Form eines hohlen Zylinders mit einer Wandstärke von etwa 1 cm. Er ist nach oben zusammenlaufend unter einem Winkel von etwa 3° abgeschrägt und
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mit Senkungen versehen, die die Halbleiterscheiben aufnehmen. Er ist mit dem Quarzstab 26 vorzugsweise durch eine sternförmige Platte verbunden. .
Von der Scheibe 14 wird der Gaseinlaß für die Kammer getragen, der sich über den gesamten Querschnitt der Kammer erstreckt. Er besitzt eine poröse Scheibe 38. Zwischen dieser und der Platte 14 befindet sich ein mit dem zuzuführenden Gas gefüllter Zwischenraum 36. Die gasförmigen Stoffe, d.h. das Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff, werden in Richtung des Pfeiles 32 durch ein Rohr 34 dem Zwischenraum 36 zugeleitet. Durch diesen Zwischenraum und die poröse Scheibe 38 wird erreicht, daß das Gas gleichmäßig über den horizontalen Querschnitt der Kammer 18 von oben in diese eintritt. Die Scheibe 38 kann perforiert sein oder aus einem mit Poren versehenen gesinterten Material bestehen. Ihr Durchlaßwiderstand muß so groß sein, daß der Druck im Zwischenraum 36 auf die Scheibe 38 über deren gesamte Fläche gleich ist und somit ein über diese gleichmäßiger Gasdurchlaß erfolgt. Die Scheibe 38 ist etwa 0,3 cm dick und besteht aus gesintertem rostfreiem Stahl mit einer mittleren Porengröße von 10 pm. Sie kann auch als perforierte Metallplatte ausgebildet sein, deren Durchlaßöffnungen hinsichtlich ihrer Anzahl und Größe durch den gewünschten Gasdruck im Zwischenraum 36 und die Gasverteilung in der Kammer 18 bestimmt sind.
In der Figur ist weiterhin ein Hitzeschild 40 gezeigt, der die vom Träger 28 ausgestrahlte Wärme durch Reflexion von der Scheibe 38 fernhält. Dieser kann jedoch entfallen, wenn die Wärmeeinwirkung auf die Scheibe 38 sich nicht als nachteilig erweist. Im vorliegenden Beispiel besteht der Hitzeschild 40 aus einer etwa 1 mm dicken Platte aus rostfreiem Stahl oder Molybdän mit im Abstand von etwa 6,5 mm voneinander angeordneten Bohrungen von etwa 2 mm Durchmesser. Er ist in der Weise ausgebildet, daß sein Einfluß auf den Gasstrom durch die Kammer 18 vernachlässigbar ist.
Nach dem Passieren des Hitzeschildes treten die gasförmigen Reaktionsstoffe mit einer an allen Stellen des horizontalen Quer-
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Schnitts der Kammer 18 gleichmäßigen Geschwindigkeit in diese ein. Da der Träger 28 aus einem dünnwandigen Zylinder besteht und da die Halbleiterscheiben in der Regel nicht über die äußere Mantelfläche dieses Zylinders hinausragen, wird dem Gasstrom beim Passieren des Trägers 28 nur ein geringer Widerstand entgegengesetzt. Die gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung in einer horizontalen Ebene bleibt somit über die ganze Länge der Kammer 18 im wesentlichen erhalten.
Nach dem Vorbeistreichen am Träger 28 verlassen die Reaktionsgase die Kammer 18 durch die am Boden befindlichen Auslaßmittel. Hierzu ist eine sich über nahezu den gesamten horizontalen Querschnitt der Kammer erstreckende poröse Scheibe 42 vorgesehen/ die, wie die Scheibe 38, aus einem gesinterten oder anderen porösen Material bestehen kann. Hierbei ist die Durchlässigkeit jedoch vorzugsweise größer als die der Scheibe 38, da sich verschiedene Ablagerungen auf der Scheibe 42 festsetzen können, die den Durchlaßwiderstand nachträglich erhöhen, und da die gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung nach dem Passieren des Trägers 28 nicht mehr erforderlich ist, so daß nur noch ein gewisser Druckabfall an der Scheibe 42 vorhanden sein muß. Vorteilhaft bestehen daher die Scheibe 38 aus einer gesinterten und die Scheibe 42 aus einer perforierten Stahlscheibe. So beträgt der Durchlaßwiderstand der Scheibe 42 nur etwa 1/20 von dem der Scheibe 38. Damit wird ein über den Querschnitt der Scheibe 42 gleichmäßiges Ausströmen der Gase ohne Bildung eines Rückstaues oder einer Zirkulation ermöglicht. Die Scheibe 42 ist über Ringe 44 und 46 auf der unteren Platte 16 befestigt. Die austretenden Gase gelangen in einen zweiten Zwischenraum 48 und werden über Austrittsrohre 50 in die Atmosphäre oder zu einer Rückgewinnungseinrichtung geleitet.
Um die Temperatur der Oberflächen der Halbleiterscheiben auf den gewünschten Wert zu bringen und auf diesem zu halten, ist eine Heizvorrichtung erforderlich. Es wird vorteilhaft eine Hochfrequenzquelle verwendet, es kann jedoch auch eine Widerstandsheizung benutzt werden. Ein nicht gezeigter Hochfrequenz-Docket BU 969 009 10 9 8 2 8/1667
generator dient zur induktiven Erhitzung des Trägers 28. Er ist mit einer wassergekühlten Spule 52 verbunden, die außerhalb des QuarzZylinders 12 um diesen herum angeordnet ist. Da alle Punkte auf dem Umfang des Trägers 28 die gleiche Entfernung zur Spule 52 besitzen, besteht in horizontaler Richtung auf dem Träger 28 und somit auf den Halbleiterscheiben 30 ein gleicher Temperaturwert. Om diesen auch in vertikaler Richtung zu erhalten, werden die Abstände der Spulenwindungen entsprechend ausgerichtet. Der Träger 28 wird durch einen Motor 54 mit einer Geschwindigkeit von etwa drei Umdrehungen pro Minute gedreht, um eine gleichmäßige Temperatur im Bereich von 1130 0C ±5 0C über den gesamten Umfang des Trägers zu erhalten. Dies ist der für die genannte Reaktion günstigste Temperaturbereich.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung wird im folgenden an einem speziellen Beispiel erläutert, wobei wieder die Reduktion von Siliciumtetrachlorid gewählt wird.
Die feinstpolierten Halbleiterscheiben 30 werden auf dem Träger 28 befestigt, wobei sich die Platte 16 in der erwähnten unteren Stellung befindet. Während dieser Zeit wird vorzugsweise ein inertes Gas, z.B. Argon, durch das Rohr 34 zugeführt, um die Kammer 18 in verhältnismäßig sauberem Zustand zu halten. Die Platte 16 wird anschließend angehoben, so daß die Kammer geschlossen wird. Diese wird dann etwa für eine Minute mit einem inerten Gas, vorzugsweise ebenfalls Argon, gereinigt, welches mit einer gewünschten Geschwindigkeit, die eine ausreichende Reinigung sicherstellt, durch die Kammer geleitet wird. Wegen des relativ hohen Preises von Argon kann eine Geschwindigkeit, die etwa 1/10 der Geschwindigkeit der später zugeführten Reaktionsgase beträgt, noch als gewährbar angesehen werden. Die Geschwindigkeit sollte jedoch größer sein als die Diffusionsgeschwindigkeit von Verunreinigungen in dem reinigenden Gas.
Das inerte Gas gelangt in den Zwischenraum 36, wird dort gleichmäßig über der Scheibe 38 verteilt und gelangt mit einer über die Fläche dieser Scheibe gleichförmigen Geschwindigkeit in die
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-wm- ·"! mm-
Kammer 18. Wegen des im Vergleich zur Länge relativ großen Querschnitts der Kammer kann die Reibung zwischen dem Gasstrom und der inneren Wandung des QuarzZylinders 12 in jedem Fall vernachlässigt werden.
Da das inerte Gas mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit in die Kammer 18 eintritt und der Träger 28 dem Gasstrom nur wenig Widerstand entgegensetzt, ist die Kammer bereits nach relativ kurzer Zeit genügend gereinigt. Anschließend wird das inerte Gas durch Wasserstoff ersetzt, der mit einer Durchflußmenge von etwa 150 Litern pro Minute für etwa zwei Hinuten durch die Kammer geführt wird. Dabei wird das inerte Gas vollkommen aus der Kammer herausgebracht, so daß diese nur noch Wasserstoff enthält. Die genannte Durchflußmenge ergibt eine Geschwindigkeit, die größer ist als die Diffusionsgeschwindigkeit von Verunreinigungen in Wasserstoff. Hierauf folgt die Inbetriebsetzung der Spule 52, die innerhalb von etwa 7 Minuten die Halbleiterscheiben 30 auf den gewünschten Temperaturwert von 1130 0C ± 5 0C bringt. Während dieser Zeit wird der Kammer 18 weiterhin Wasserstoff zugeführt. Bevor die Reaktionsgase der Kananer 18 zugeleitet werden, läßt man diese kurzzeitig in die Atmosphäre ausströmen, damit das Zuführungssystem gereinigt wird und sich ein Gleichgewicht zwischen den einzelnen Reaktionsgasen einstellen kann. Bei einem etwa 18 cm langen Träger 28 wird das Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff mit einer Gesamtmenge von etwa 150 Litern pro Minute in die Kammer 18 gebracht, wobei das Verhältnis des Siliciumtetrachlorides zum Wasserstoff etwa den Wert 0,01 besitzt. Die Zuführungszeit ist abhängig von der gewünschten Schichtdicke und beträgt etwa 6 bis 14 Minuten. In der Hegel erfordern größere Längen des Trägers 28 höhere Durchflußgeschwindigkeiten und damit größere Durchflußmengen.
Die Scheiben 38 und 42 haben auf die Reaktionsgase den gleichen Einfluß wie auf das Reinigungsgas. Da der Träger relativ kurz ist, ergibt sich über seine gesamte Oberfläche ein konstanter Wert für die Konzentrationen der Reaktionsgase und damit ein gleichförmiges Aufwachsen der epitaktischen Schicht.
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Nachdem der Aufwachsvorgang beendet ist, wird wiederum nur Wasserstoff für etwa 15 Sekunden durch die Reaktionskammer geschickt, so daß alle Spuren des Siliciumtetrachlorids entfernt werden. Dann wird die Spule 52 abgeschaltet, so daß die Halbleiterscheiben 30 für etwa 6 Minuten in Wasserstoff abgekühlt werden. Anschließend wird der Wasserstoff durch Argon ersetzt, wobei in diesem Gas eine weitere Kühlung für etwa zwei Minuten stattfindet. Die Kammer 18 wird nun geöffnet und die beschichteten Halbleiterscheiben 30 werden vom Träger 28 genommen.
||l Die Vorzüge der beschriebenen Einrichtung ergeben sich aus den nachstehend genannten Werten. Die Anzahl der Staubteilchen verringert sich auf 1/1000 gegenüber derjenigen der bereits bekannten trommeiförmigen Reaktionskammer, Die Schwankungen der Schichtdicke für alle Halbleiterscheiben eines Aufwachsvorganges betragen bei einer Dicke von 6 ym ±0,1 ym gegenüber ±0,5 ym für eine einzige Halbleiterscheibe bei der bekannten Reaktionskammer. Die Anzahl von Spitzen auf einer Halbleiterscheibe wurde von etwa 80 bis 100 auf 1 bis 2 reduziert. Ebenso wurde die Zeitspanne für einen Aufwachszyklus um das 2- bis 3-fache vermindert. Dies ist in erster Linie eine Folge der sehr kurzen Reinigungszeiten.
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Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE
1. Einrichtung für das epitaktische Aufwachsen einer Halbleiterschicht aus einem gasförmigen Material mit einer zylindrischen Kammer, in der ein rotationssymmetrischer Träger für scheibenförmige Halbleiterkristalle drehbar angeordnet ist und die einen Einlaß und einen Auslaß für das gasförmige Material besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (18) an ihren beiden Enden durch je eine, mindestens zum großen Teil den gesamten Zylinderquerschnitt umfassende, poröse Schicht (38; 42), durch die der Eintritt sowie der Austritt des gasförmigen Materials erfolgen, abgeschlossen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den der Kammer (18) abgewandten Seiten der porösen Schichten (38; 42) sich über deren gesamten Querschnitt erstreckende, mit dem gasförmigen Material gefüllte Zwischenräume (36; 48) vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als poröse Schichten (38; 42) gesinterte Stahlplatten vorgesehen sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als poröse Schichten (38; 42) perforierte Stahlplatten vorgesehen sind.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdurchlaßwiderstand der porösen Schicht (38), durch die der Eintritt des gasförmigen Materials erfolgt, beträchtlich größer ist als der Gasdurchlaßwiderstand der porösen Schicht (42), durch die der Austritt des gasförmigen Materials erfolgt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als poröse Schicht (38), durch die der Eintritt des gasförmigen
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Materials erfolgt, eine gesinterte und als poröse Schicht (42), durch die der Austritt des gasförmigen Materials erfolgt, eine perforierte Stahlplatte vorgesehen sind.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2.8) für die scheibenförmigen Halbleiterkristalle (30) aus Graphit besteht.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (28) für die scheibenförmigen
fe Halbleiterkristalle (30) ein an beiden Stirnseiten offener Hohlzylinder ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizung (52) für die Halbleiterkristalle (30) vorgesehen ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Kammer (18) eine mit Hochfrequenz gespeiste Spule (52) vorgesehen ist, die mit dem Träger (28) induktiv gekoppelt ist.
~
11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, Ψ daß zwischen dem Träger (28) und mindestens einer der
porösen Schichten (38; 42) ein den Gasfluß nicht hemmender Hitzeschild (41) vorgesehen ist.
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