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Dokumentenidentifikation DE69510138T2 18.11.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0696653
Titel Verfahren und Vorrichtung zur chemischen Gasphasenabscheidung
Anmelder Shin-Etsu Handotai Co., Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Habuka, Hitoshi, Maebashi-shi, Gunma-ken, JP;
Mayuzumi, Masanori, Annaka-shi, Gunma-ken, JP;
Tate, Naoto, Camas, Washington 98607, US;
Katayama, Masatake, Takasaki-shi, Gunma-ken, JP
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69510138
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 11.07.1995
EP-Aktenzeichen 953048535
EP-Offenlegungsdatum 14.02.1996
EP date of grant 09.06.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.11.1999
IPC-Hauptklasse C30B 25/14
IPC-Nebenklasse C30B 25/08   C23C 16/44   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gasphasenabscheidung bei welchem ein oder mehrere als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgase über ein oder mehrere kristalline Halbleitersubstrate geleitet werden, um darauf eine oder mehrere dünne kristalline Schichten eines Halbleiters zu züchten, sowie auf einen Reaktor zur Ausübung dieses Verfahrens.

Ein horizontaler Reaktor zur Gasphasenabscheidung, wie er von seinem Konzept her in einer vereinfachten Form in der Abb. 6 der beiliegenden Zeichnungen gezeigt wird. besteht aus einer Reaktionskammer des Kaltwandtyps 3, welche ausgerüstet ist mit einer Gaseinlaßöffnung 5 für das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas 4 auf der einen Seite und mit einer Gasauslaßöffnung 6 auf der anderen Seite, wobei dieselbe horizontal angeordnet ist, und welche ein kristallines Halbleitersubstrat 1 (das nachfolgend einfach als Substrat bezeichnet wird) üblicherweise horizontal in der Kammer 3 hält, und welche eine gewünschte dünne Schicht eines Halbleiters 2 auf dem Substrat 1 züchtet, während das Substrat 1 erhitzt wird und das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas 4 in der Reaktionskammer 3 in eine Richtung um das Substrat 1 strömt.

In dem zum Stand der Technik gehörenden horizontalen Reaktor zur Gasphasenabscheidung, wie derselbe in der Abb. 7 der beiliegenden Zeichnungen gezeigt wird, welche eine Vorderansicht im Querschnitt der in Abb. 6 dargestellten Kammer 3 von der Beite der Gaseinlaßöffnung 5 her gesehen veranschaulicht, wird die innere Höhe H der Kammer 3 so festgesetzt, daß darin ein auf dem Boden der Reaktionskammer liegender (nicht dargestellter) Susceptor untergebracht werden kann, auf welchem das Substrat I gehalten wird, sowie eine mechanische Antriebsvorrichtung für den Transport des Substrates (beide nicht dargestellt).

Was die innere Breite W der Kammer 3 anbetrifft, wie sie in Abb. 7 dargestellt ist, so wird dieselbe so ausgewählt, daß ein angemessener Zwischenraum zum Durchmesser des (nicht gezeigten) Susceptors oder zu einem Durchmesser des Substrate 1 zu demselben hinzugezählt wird, zum Einführen oder zum Herausziehen.

Wenn bei der chemischen Gasphasenabscheidung unter Einsatz der herkömmlichen Art von Reaktionskammer 3, die in einer Weise ausgelegt ist wie sie oben beschrieben worden ist, insbesondere eine dünne Schicht eines Halbleiters 2 mit einem niedrigen Gehalt an Verunreinigungen auf einem Substrat 1 mit einem hohem Gehalt an Verunreinigungen, dessen Konzentration um mindestens zwei Größenordnungen höher liegt als diejenige der dünnen Schicht 2, gezüchtet wird, dann wird eine Übergangsbreite T an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 1 und der dünnen Schicht des Halbleiters 2, wo der Verunreinigungsgrad in der dünnen Schicht des Halbleiters 2 stufenweise ausgehend von der Konzentration des Substrates 1 bis hin zu einer gewünschten Konzentration wechselt, unglücklicherweise ausgedehnt und es sind demzufolge viele Versuche zur Verringerung der Übergangsbreite T durchgeführt worden.

Um bessere Bedingungen zur Minimierung der Übergangsbreite T zu finden, sind Studien über die Ursachen der Übergangsbreite T durchgeführt worden. Herkömmlicherweise sind zwei Gründe für die Bildung einer Übergangsbreite T in Betracht gezogen worden, nämlich die Ausdiffusion 0 in einem Festkörper und die Selbstdotierung A.

Die Ausdiffusion 0 in einem Festkörper ist ein Phänomen gemäß welchem eine Verunreinigung aus einem Substrat 1 heraus in eine dünne Schicht eines Halbleiters 2 hinein diffundiert, abhängig von der Züchtungstemperatur der dünnen Schicht eines Halbleiters 2.

Dieses Phänomen ist immer abhängig von der Konzentration der Verunreinigungen, der Erwärmungstemperatur und der Erwärmungszeit.

Zur Verringerung dieses Phänomens wird einer von zwei Wegen gewählt, entweder das Erniedrigen der Erwärmungstemperatur oder das Abkürzen der Erwärmungszeit.

Wenn jedoch die Erwärmungstemperatur erniedrigt wird, um die Ausdiffusion 0 zu unterdrücken, was automatisch die Wachstumsgeschwindigkeit veranlaßt von sich aus geringer zu werden, dann ist es erfordert die Wachstumsgeschwindigkeit weiter zu erniedrigen, um zu verhindern, daß das Oberflächenaussehen einer kristallinen dünnen Schicht eine Aufrauhung erfährt.

Unter diesen Bedingungen hat die Wachstumszeit, mit anderen Worten die ausgedehnte Erwärmungszeit die zum Erreichen der gewünschten Dicke der Schicht erfordert ist, nicht nur das Steigern der Ausdiffusion aus einem Festkörper zur Folge, welches den Unterdrückungseffekt der Ausdiffusion vermindert, sondern auch die Verminderung des Wirkungsgrades der Produktion.

Auf der anderen Seite ist die Selbstdotierung A ein Phänomen gemäß dem die Verunreinigung, die aus dem Substrat 1 heraus in die Gasphase um dasselbe herum entfernt worden ist, erneut in die wachsende Oberfläche einer kristallinen dünnen Schicht eines Halbleiters 2 eingegliedert wird.

Dieses Phänomen kann ebenfalls entweder durch Erniedrigen der Erwärmungstemperatur oder durch Kürzen der Erwärmungszeit unterdrückt werden.

Jedoch besitzen beide der obigen Hilfsmittel Nachteile, und zwar die gleichen wie der oben erwähnte Fall der Ausdiffusion 0, und die beide Hilfsmittel ergeben nur einen geringen Unterdrückungseffekt der Selbstdotierung A und haben ebenfalls eine Verringerung der Wirksamkeit der Produktion durch Erniedrigen der Wachstumsgeschwindigkeit zur Folge.

In Verbindung mit dem jüngsten allgemeinen Trend von zunehmend höher integrierten elektronischen Geräten, die einkristalline dünne Schichten von Halbleitern verwenden, die durch epitaxiale Gasphasenabscheidung hergestellt werden, sind bedeutend dünnere kristalline Schichten von Halbleitern verlangt worden, und erst kürzlich sind neue Forderungen aufgetreten gemäß welchen die Schichtdicke gleich oder dünner sein soll als die Übergangsbreite T, die üblicherweise in der Vergangenheit zur Verfügung stand.

Die Aufmerksamkeit wird ebenfalls auf das Patent US-A-4.689.247 gelenkt, das sich auf ein Verfahren zur Bildung einer großflächigen dünnen Schicht für Solarzellen bezieht und das ein Verfahren offenbart gemäß welchem ein Reaktionsgas mit hoher Geschwindigkeit und als eine turbulente Strömung in einem Reaktionsraum über ein Substrat strömt und dadurch eine dünne Schicht mit einer großen Fläche und einer gleichmäßigen Dicke liefert.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur chemischen Gasphasenabscheidung sowie einen Reaktor zur Durchführung desselben bereitzustellen, wobei eine kristalline Schicht eines Halbleiter erzielt werden kann, welche eine Übergangsbreite aufweist die kleiner ist als diejenige die gemäß der herkömmlichen chemischen Gasphasenabscheidungstechnik unter gleichen Reaktionsbedingungen gezüchtet worden ist.

Unter einem seiner Gesichtspunkte liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur chemischen Gasphasenabscheidung in einer Reaktionskammer des Kaltwandtyps, die ausgerüstet ist mit einer Gaseinlaßöffnung, für das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas auf der einen Seite, und mit einer Gasauslaßöffnung für das Reaktionsgas auf der anderen Seite, üblicherweise horizontal angelegt, und welches vorsieht ein Halbleitersubstrat in der Kammer mit einer Hauptoberfläche des Substrates üblicherweise horizontal ausgerichtet zu halten, wobei man ein als Ausgangsstoff eingesetztes Reaktionsgas üblicherweise horizontal in eine Richtung strömen läßt, das Halbleitersubstrat auf eine Temperatur zum Züchten einer dünnen kristallinen Schicht aus Silizium auf dem Halbleitersubstrat erhitzt, wobei die Temperatur hoch genug ist, um eine natürliche Konvektion zwischen dem Halbleitersubstrat und den inneren Seitenwänden der Reaktionskammer, aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen denselben, herbeizuführen, und eine dünne kristalline Schicht aus Silizium auf dem erhitzten Halbleitersubstrat zu züchten;

dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in einem Abstand (L + W) von dem Gaseinlaß des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases, in der Flußrichtung, und an einer Stelle an welcher das Verhältnis W/G sich auf 15 oder mehr beläuft, angeordnet ist, wobei W die innere Breite der Reaktionskammer beschreibt, L den Abstand von der Gaseinlaßöffnung zu der Vorderkante des Substrates, die sich an der am meisten stromaufwärts gelegenen Position auf der Gaseinlaßseite befindet, und G die Entfernung zwischen der Hauptoberfläche des Substrates und der darüberliegenden Decke der Kammer ist.

Vorzugsweise wird das Halbleitersubstrat so ausgewählt, daß sein Durchmesser kleiner als die innere Breite W der Reaktionskammer ist.

Es wird auch bevorzugt, daß eine jede der Lücken zwischen dem Halbleitersubstrat und den inneren Seitenwänden der Kammer so gewählt wird, daß sie 3 cm oder größer sind.

Nach einem anderen Aspekt liefert die Erfindung einen Reaktor zur chemischen Gasphasenabscheidung, der eine Reaktionskammer vom Kaltwandtyp zum Züchten einer dünnen kristallinen Schicht aus Silizium an einem erhitzten Halbleitersubstrat aufweist und ausgestattet ist mit einer Gaseinlaßöffnung für das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas an dem einem Ende und einer Gasauslaßöffnung für Reaktionsgas an dem anderen Ende, um das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas üblicherweise horizontal in eine Richtung strömen zu lassen, welche üblicherweise horizontal angelegt sind, einem Unterstützungsmittel um das Halbleitersubstrat in der Kammer mit einer Hauptoberfläche des Substrates üblicherweise horizontal ausgerichtet zu halten, und einem Mittel zum Erhitzen des Halbleitersubstrates auf eine Temperatur zum Züchten einer dünnen kristallinen Schicht aus Silizium auf dem Halbleitersubstrat, wobei die Temperatur hoch genug ist um eine natürliche Konvektion zwischen dem Halbleitersubstrat und den inneren Seitenwänden der Reaktionskammer, aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen denselben, herbeizuführen,

dadurch gekennzeichnet, daß das Unterstützungsmittel für das Substrat in einem Abstand (L + W) von dem Gaseinlaß des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases in der Flußrichtung, und an einer Stelle an welcher das Verhältnis W/G sich auf 15 oder mehr beläuft, angeordnet ist, wobei W die innere Breite der Reaktionskammer beschreibt, L den Abstand von der Gaseinlaßöffnung zu der Vorderkante des Substrates, die sich an der am meisten stromaufwärts gelegenen Position auf der Gaseinlaßseite befindet, und G der Abstand zwischen der Hauptoberfläche des Substrates und der darüberliegenden Decke der Kammer ist.

Nach einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung einen Reaktor zur chemischen Gasphasenabscheidung, der eine Reaktionskammer vom Kaltwandtyp zum Züchten einer dünnen kristallinen Schicht aus Silizium an einem erhitzten Halbleitersubstrat aufweist und ausgestattet ist mit einer Gaseinlaßöffnung für das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas an dem einem Ende und einer Gasauslaßöffnung für Reaktionsgas am anderen Ende, um das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas üblicherweise horizontal in eine Richtung strömen zu lassen, welche üblicherweise horizontal angelegt sind, einem Unterstützungsmittel um das Halbleitersubstrat in der Kammer mit einer Hauptoberfläche des Substrates üblicherweise horizontal ausgerichtet zu halten, und einem Mittel zum Erhitzen des Halbleitersubstrates auf eine Temperatur zum Züchten einer dünnen kristallinen Schicht aus Silizium auf dem Halbleitersubstrat, wobei die Temperatur hoch genug ist um eine natürliche Konvektion zwischen dem Halbleitersubstrat und den inneren Seitenwänden der Reaktionskammer, aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen denselben, herbeizuführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausmaße der Reaktionskammer so ausgewählt werden, daß die innere Länge derselben in der Fließrichtung größer als (L + W) ist und das Verhältnis W/H sich auf 15 oder mehr beläuft, wobei W die innere Breite der Reaktionskammer beschreibt. H die innere Höhe der Kammer und L den Abstand von dem Gaseinlaß des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases zu der Vorderkante des Substrates, die sich an der am meisten stromaufwärts gelegenen Position auf der Gaseinlaßseite befindet.

Die Erfindung wird jetzt bis in weiterreichende Einzelheiten beschrieben, jedoch bloß als einfaches Beispiel, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in welchen man folgende Darstellungen findet:

Abb. 1 ist eine schematische Darstellung des Hauptteils in einem Reaktor zur chemischen Gasphasenabscheidung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und insbesondere sind: Abb. 1 (a) eine perspektivische Ansicht der Reaktionskammer, Abb. 1 (b) eine Draufsicht auf dieselbe und Abb. 1 (c) eine senkrechte Querschnittsansicht derselben:

Abb. 2 ist eine graphische Darstellung, sie zeigt die experimentellen Ergebnisse des epitaxialen Gasphasenwachstums, das gemäß einer ersten Ausführungsform durchgeführt worden ist, und sie verdeutlicht die Beziehung zwischen dem Verhältnis W/G in einer Reaktionskammer und die Rotationsnummer eines senkrechten Wirbels, der durch natürliche Konvektion während des Durchflusses des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases über einen erwärmten Bereich gebildet wird:

Abb. 3 ist eine andere graphische Darstellung, sie zeigt die experimentellen Ergebnisse des epitaxialen Gasphasenwachstums, das gemäß einer ersten Ausführungsform durchgeführt worden ist, und sie verdeutlicht die Beziehung zwischen dem Verhältnis W/G in einer Reaktionskammer und die Breite der Übergangszone eines kristallinen dünnen Films eines Halbleiters:

Abb. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Reaktionskammer gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung:

Abb. 5 ist ein Konzentrationsprofi 1 der Verunreinigungen in der Richtung der Dicke:

Abb. 6 ist eine perspektivische Ansicht, sie veranschaulicht ein Strömungsmuster einer natürlichen Konvektion des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases, die in einem herkömmlichen waagerechten Reaktortyp zur chemischen Gasphasenabscheidung erzeugt wird;

Abb. 7 ist eine senkrechte Querschnittsansicht nach der Abb. 6, sie veranschaulicht ein Strömungsmuster der senkrechten Wirbel der als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgase, die in der Reaktionskammer erzeugt werden.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben das Phänomen der Selbstdotierung untersucht, welches eine der Ursachen für die Zunahme der Übergangsbreite ist, dabei haben sie einen waagerechten Reaktortyp zur chemische Gasphasenabscheidung verwendet.

Die Details dieser Untersuchung sind folgende: In einer Reaktionskammer des Kaltwandtyps, welche üblicherweise horizontal ausgerichtet ist und darin ein Substrat enthält, wird ein als Ausgangsstoff eingesetztes Reaktionsgas in die Kammer eingeleitet und strömt über das Substrat üblicherweise horizontal und in einer Richtung, während das Substrat zum Züchten einer kristallinen dünnen Schicht auf demselben erwärmt wird, dabei befördern die Wirbel, die zurückzuführen sind auf die natürliche Konvektion die ihrerseits aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen der Reaktionskammer und dem erwärmten Bereich erzeugt wird, die Verunreinigungen, die aus dem Substrat, insbesondere von der Rückseite desselben entfernt worden sind und sie bringen die Verunreinigungen zu dem benachbarten Punkt des Substrates zurück, jedesmal wenn die Wirbel die Möglichkeit haben mit der wachsenden Oberfläche der kristallinen dünnen Schicht eingeschlossen zu sein.

Die Erfinder haben gefunden, daß die Wirbel welche die Verunreinigungen aus dem Substrat mitführen eine der Ursachen für das Phänomen der Selbstdotierung sind.

In einem herkömmlichen Typ eines waagerechten Reaktors zur chemischen Gasphasenabscheidung, welcher in den Abb. 6 und 7 gezeigt wird, und welcher einen großen Raum oberhalb des Substrates 1 in der Reaktionskammer 3 besitzt, werden große senkrechte Wirbel 12 aufgrund der natürlichen Konvektion, auf eine solche Art und Weise erzeugt, daß ein Teil des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases 4 aufwärts über den zentralen Bereich des erwärmten Substrates 1 befördert wird und abwärts in die Nähe der gekühlten Seitenwände 7 der Reaktionskammer 3 bewegt wird, während das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas 4 im Innern der Kammer 3 in die flußabwärts weisende Richtung strömt.

Über den Weg einer theoretischen Analyse durch Berechnungen unter Zuhilfenahme der Grashofzahl und der Rayleighzahl als Parameter auf der Grundlage der Hydrodynamik, wird gefunden, daß eine Entwicklungshäufigkeit der auf die natürliche Konvektion 11 zurückzuführenden senkrechten Wirbel 12 proportional ist zu der dritten Potenz der inneren Höhe H der Reaktionskammer 3, bei einer angenommenen Bedingung, daß das Substrat 1 direkt an der inneren Bodenoberfläche der Reaktionskammer 3 gehalten wird.

Wenn ein Raum über dem Substrat 1 größer ist, erhöht die Verunreinigung in der natürlichen Konvektion, die ihren Ursprung im Substrat 1 hat, die Möglichkeit sich mit dem Substrat 1 zu verbinden, was zu einer größeren Selbstdotierung und einer größeren Übergangsbreite führt.

In einem Reaktor zur chemischen Gasphasenabscheidung vom horizontalen Typ, der eine Reaktionskammer vom Kaltwandtyp enthält, wurde eine Serie von Experimenten zur Züchtung von dünnen kristallinen Schichten eines Halbleiters 2 durchgeführt, wobei der Abstand G zwischen der Hauptoberfläche eines Substrates 1 und dem Dach der Reaktionskammer 3 stufenweise verringert wurde, um jede Übergangsbreite bei jedem Abstand G messen zu können und es wurde gleichzeitig die Rotationszahl eines Wirbels 12 unter den jeweiligen Bedingungen durch Berechnungen und visualisierende Experimente mit dem Gasfluß abgeschätzt.

Beide, die Rotationszahl des Wirbels und die Übergangsbreite wurden untersucht hinsichtlich des Verhältnisses W/G, wobei das Verhältnis W/G das Verhältnis der inneren Breite W der Reaktionskammer 3 zu dem Abstand G zwischen der Hauptoberfläche des Substrates 1 und der darüberliegenden Decke der Kammer angibt.

Eines der Ergebnisse der Studie zeigte, daß in dem Falle wo eine innere Breite W der Reaktionskammer 3 sich auf eine Länge von 40 cm belief und auf einen Abstand G von 2 cm zwischen der Hauptoberfläche des Substrates 1 und der darüberliegenden Decke, was einem Verhältnis W/G von 20 entsprach, die Rotationszahl des Wirbels 12, der auf die natürliche Konvektion 11 zurückzuführen war, welche über dem Substrat 1 erzeugt wurde während des Durchgangs einer Mischung des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases 4 über den erwärmten Bereich, dessen Durchmesser 30 cm betrug, auf ungefähr 0,5 Rotationen gedämpft wurde.

In den Abb. 6 und 7 ist die innere Breite W eine Entfernung zwischen den beiden inneren Wänden 7.7 der Reaktionskammer 3.

Eine Studie, die sich über mehrere Experimente erstreckte, zeigte, daß in dem Fall wo ein Verhältnis W/G gleich oder größer als 15 war, die Rotationszahl des senkrechten Wirbels 12 auf 1 oder weniger innerhalb des Abstandes (L + W) in der Strömungsrichtung des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases 4 gedämpft wurde, und deshalb wurde das Phänomen der Selbstdotierung reduziert um so klein wie möglich zu sein, wobei L den Abstand zwischen der Gaseinlaßöffnung 5 für das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas 4 und der Vorderkante des Substrates 1 anzeigt, welch letztere sich an der am meisten stromaufwärts gelegenen Position auf der Gaseinlaßseite befindet.

Wenn das Verhältnis W/H so ausgewählt wird, daß es 15 oder größer ist, während das Substrat 1 in der Reaktionskammer 3 gehalten wird, dann wird das Verhältnis W/G automatisch so reguliert, daß es 15 oder größer ist, wobei H die innere Höhe der Reaktionskammer 3 an der Stelle bezeichnet an der das Substrat 1 gehalten wird.

Wie oben erwähnt, wenn das Verhältnis W/G oder das Verhältnis W/H so gewählt wird, daß es 15 oder größer ist, und der Abstand G zwischen der Hauptoberfläche des Substrates 1 und der Decke über demselben verringert wird, dann dämpft sich die Rotationszahl des auf die natürliche Konvektion 11 zurückzuführenden senkrechten Wirbels 12 oberhalb eines erwärmten Bereichs innerhalb des Abstandes (L + W) von der Gaseinlaßöffnung 5 in der Strömungsrichtung des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases 4. was zu einer Unterdrückung des Phänomens der Selbstdotierung auf einen Wert führt der so klein wie möglich ist, und dadurch wird die Übergangsbreite T verringert.

Auf der anderen Seite wird eine stagnierende Schicht des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases 4 in der Nähe der Seitenwände 7.7 der Reaktionskammer 3 gebildet, dort wo die Fließgeschwindigkeit sehr niedrig ist.

Es stellt sich heraus, daß die Dicke der stagnierenden Schicht an ihrem Minimum cm beträgt, und daß sie keine Beziehung hat zu der inneren Breite W der Reaktionskammer oder dem Durchmesser D des Substrates 1, das im Innern der Kammer 3 gehalten wird. Wenn eine Verunreinigung aus dem Substrat 1, insbesondere aus der hinteren Oberfläche desselben, in die stagnierende Schicht abwandert, dann wird die Möglichkeit der Selbstdotierung groß, weil die Verunreinigung während einer langen Zeit in der stagnierenden Schicht verbleibt, wo die Strömungsgeschwindigkeit niedrig ist.

Folglich, wenn eine chemische Gasphasenabscheidung unter der Bedingung durchgeführt wird, daß die beiden äußeren Seiten des Substrates 1 von den inneren Wänden 7,7 um 3 cm bzw. um eine größere Länge entfernt sind, während gleich welcher Teil des Substrates 1 nicht innerhalb der stagnierenden Schichtseite liegt, wird keine von der stagnierenden Schicht ausgehende Selbstdotierung verursacht, so daß das ganze Substrat 1 bezüglich der Strömung des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases 4 unter den gleichen Umgebungsbedingungen gehalten wird.

Als Nächstes werden ausführliche Ausführungsformen von Reaktoren, die unter normalem Atmosphärendruck gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben werden, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

AUSFÜHRUNGSFORM 1

Abb. 1 zeigt einen Reaktor zur chemischen Gasphasenabscheidung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ein Substrat 1 wird in eine Reaktionskammer 3 eingebracht und eine Mischung des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases 4 strömt über das Substrat 1, das auf eine gewünschte Temperatur zum Züchten einer kristallinen dünnen Halbleiterschicht 2 auf dem Substrat 1 erwärmt wird. Es gibt verschiedene Verfahren zum Erwärmen des Substrates 1 auf die gewünschte Temperatur, zum Beispiel ein Verfahren um Strahlungsenergie, wie etwa Infrarotstrahlen, durch die Wände der Reaktionskammer an das Substrat 1 abzugeben, ein Verfahren gemäß welchem eine Widerstandsheizung unter dem Substrat 1 zur Verfügung steht und mit Elektrizität geheizt wird, und ein Verfahren bei dem eine Induktionsheizung unter dem Substrat 1 bereitgestellt wird.

Wenn ein Halbleiter, etwa eine kristalline dünne Schicht aus Silizium 2, durch chemische Gasphasenabscheidung gezüchtet wird, dann werden die Wände 7.7 der Reaktionskammer 3 bei einer niedrigen Temperatur gehalten, damit sich Halbleiterkristalle nicht an den inneren Oberflächen der Wände abscheiden, während das Substrat 1 geheizt wird.

Bei solch einer Reaktionsumgebung wird nur das Substrat 1 auf eine hohe Temperatur erwärmt, aber der Bereich um das Substrat 1 herum bleibt auf einer Temperatur die etwas höher liegt als die Raumtemperatur.

Eine Kammer, die solch eine Temperaturumgebung um das Substrat 1 herum erzeugt, wird üblicherweise als Kammer vom Kaltwandtyp bezeichnet.

Natürliche Konvektion 11 ist in der Lage im Innern der Kammer des Kaltwandtyps aufzutreten, dies aufgrund des großen Temperaturunterschiedes zwischen dem Substrat 1 und den Wänden der Reaktionskammer 3.

Mit einer ersten Ausführungsform des Reaktors zur chemischen Gasphasenabscheidung gemäß der vorliegenden Erfindung, wurde eine Serie von einkristallinen dünnen Schichten aus Silizium auf kristallinen Siliziumsubstraten gezüchtet, und die erhaltenen Ergebnisse werden unten im Detail beschrieben.

Ein einkristallines Siliziumsubstrat 1, das eine Konduktanz vom p-Typ, einen spezifischen Widerstand von ungefähr 0,02 Ohm·cm und einen Durchmesser D von 20 cm aufweist, wurde auf einen nicht dargestellten Susceptor in die Reaktionskammer 3 eingebracht und auf 1100ºC erhitzt, wobei der Susceptor einen Durchmesser hatte, der ein wenig kleiner war als die innere Breite der Reaktionskammer 3.

Der Aufbau der Reaktionskammer 3 zur chemischen Gasphasenabscheidung wurde in der ersten Ausführung folgendermaßen festgelegt: der Abstand L von der Gaseinlaßöffnung 5 für eine Mischung des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases 4 bis zur Vorderkante des Substrates 1 betrug 20 cm, die Lücken d1, d2 zwischen den inneren Seitenwänden 7.7 der Reaktionskammer 3 und den am nächsten gelegenen Teilen des äußeren Randes des Substrates 1 beliefen sich auf jeweils 5 cm, die innere Breite W der Reaktionskammer 3 war 30 cm und der Abstand G zwischen der Hauptoberfl äche des Substrates 1 und der darüberliegenden Decke der Kammer wurde so gewählt, daß sie stufenweise in dem Bereich von 1,5 cm bis 6 cm verändert wurde, was bedeutet, daß das Verhältnis W/G in dem Bereich 5 bis 20 lag.

Eine Serie von Gasphasenepitaxialzüchtungen wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.

Eine Mischung des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases 4 wurde durch Mischen von 3.6 l/min Trichlorsilangas mit Wasserstoffgas hergestellt und die Mischung wurde mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 l/min durch die Gaseinlaßöffnung 5 der Reaktionskammer 3 horizontal in einer Richtung in die Reaktionskammer 3 eingespeist.

Unter diesen Bedingungen wurde die Rotationszahl eines jeden Wirbels durch Berechnungen auf der Basis der Hydrodynamik und durch Visualisierungsexperimente bestimmt, um so die Beziehung zwischen der Rotationszahl und dem Verhältnis W/G zu untersuchen, wobei die Wirbel erzeugt wurden durch die natürliche Konvektion des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases 4 über dem Susceptor als einem erwärmten Bereich, während die Mischung des als Ausgangsstoff eingesetzten Gases 4 über das Substrat strömte.

Wie deutlich in Abb. 2 gezeigt, wurde herausgefunden, daß die Rotationszahl N der senkrechten Wirbel 12 gleich 1 Rotation oder kleiner war wenn das Verhältnis W/G 15 oder größer war.

Dies bedeutet, daß eine Bedingung erreichbar ist, unter welcher eine Verunreinigung, die aus der äußersten Vorderkante des Substrates 1 in die umgebende Gasphase entfernt worden ist, sich nicht wieder zurück in die einkristalline dünne Schicht 2 einlagert.

Anschließend, zur Bestätigung des tatsächlichen Effektes der obenerwähnten Bedingungen wurde eine Reihe von einkristallinen dünnen Schichten aus Silizium 2 gezüchtet, um für jede Bedingung die Übergangsbreite zu messen.

Die Züchtungsbedingungen sind grundsätzlich die gleichen wie diejenigen der obenerwähnten Experimente zur Untersuchung der senkrechten Wirbel 12.

Bei diesen Experimenten wurden Substrate 1 einer Wasserstoffatmosphäre bei 1190ºC während 90 Sekunden zur Reinigung der Oberflächen der Substrate 1 vor der Züchtung der einkristallinen dünnen Schichten aus Silizium 2 ausgesetzt.

Eine Zeitspanne, während welcher ein mit Trichlorsilan gemischtes Reaktionsgas in die Reaktionskammer 3 eingeführt wird, um eine einkristalline dünne Schicht aus Silizium zu züchten, wurde auf 1 min festgelegt.

Diboran wurde als ein Dotiergas zu dem als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgas hinzu gemischt, so daß der spezifische Widerstand der einkristallinen dünnen Schicht aus Silizium 2 auf 10 Ohm·cm bei dem p-Typ reguliert wurde.

Unter den obigen Züchtungsbedingungen, wurde eine jede der einkristallinen dünnen Schichten aus Silizium 2, die bis auf etwa 3 um in der Dicke gezüchtet worden waren, durch Sekundärionen-massenspektroskopie (SIMS) gemessen, um das Dotierungskonzentrationsprofil in den auf den Substraten 1 gebildeten einkristallinen dünnen Schichten aus Silizium 2 zu untersuchen.

Eine Beziehung zwischen der Übergangsbreite und dem Verhältnis W/G wird in Abb. 3 gezeigt.

Es wurde aus Abb. 3 gefunden, daß die Übergangsbreite sich in einer in Wechselbeziehung zu der Veränderung des Verhältnisses W/G stehenden Art und Weise veränderte, sogar wenn die Bedingungen des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases gleich gehalten wurden und die Übergangsbreite nicht weiter unter 0,5 um erniedrigt wurde. Der niedrigste Wert der Übergangsbreite wurde bei einer Ausdiffusion aus einem Feststoff während einer Vorbehandlung zur Reinigung der Oberfläche des Substrates 1 und dem anschließenden Züchten einer kristallinen dünnen Schicht des Halbleiters 2 festgestellt.

Das heißt, es wurde gefunden, daß eine einkristalline dünne Schicht aus Silizium 2 gezüchtet werden konnte, in welcher der Einfluß an Selbstdotierung so weit wie möglich unterdrückt worden war und die Übergangsbreite klein war, wenn das Verhältnis W/G bei einem Wert von 15 oder großer gewählt wurde.

AUSFÜHRUNGSFORM 2

Abb. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Reaktionskammer 3 in einem Reaktor der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Reaktionskammer 3 besitzt eine Vertiefung an einem Teil des Bodens und ein Susceptor 9 ist in der Vertiefung 8 angeordnet.

Das Verhältnis W/G wurde bei 15 oder größer gewählt, wobei G den Abstand von der Hauptoberfläche des Substrates 1. das auf dem Susceptor 9 gehalten wird, bis zu der darüberliegenden Decke der Kammer bezeichnet.

Weil in der Reaktionskammer 3 eine Hauptoberfläche des Substrates 1 auf gleicher Höhe liegt mit der inneren Oberfläche des Bodens, außer der Vertiefung 8, strömt in dem Moment wo das Substrat 1 auf dem Susceptor 9 angebracht ist eine Mischung von als Ausgangsstoff eingesetzten Gasen 4 gleichmäßig ohne jegliche Behinderung des Flusses sowohl bei der Vorderkante des Substrates 1 als auch bei der Vorderkante des Susceptors 9, so daß kaum Störungen in dem Strom der Mischung des als Ausgangsstoff eingesetzten Gasen 4 vorkommen und somit können die Ziele der vorliegenden Erfindung erreicht werden.

Auf der anderen Seite kann es möglich sein, die natürliche Konvektion, die zwischen der Hauptoberfläche des Substrates und der darüberliegenden Decke der Kammer entsteht, durch den Einfluß einer verringerten Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu unterdrücken. Es ist jedoch eine extrem hohe Strömungsgeschwindigkeit erfordert um den Einfluß der Selbstdotierung wirksam zu minimieren.

Das heißt, ein Versuchen die Übergangsbreite durch eine erhöhte Gasströmungsgeschwindigkeit zu minimieren ist niemals ein empfehlenswerter Weg unter dem Gesichtspunkt der Produktionskosten eines Wafers mit einer dünnen Schicht aus einer chemischen Gasphasenabscheidung auf demselben.

Die genaue Beschreibung die zu den Ausführungsformen 1 und 2 gegebenen worden ist, bezieht sich auf einen Epitaxialwachstum in der Gasphase wie er zur Züchtung eines dünnen Filmes eines einkristallinen Siliziumsubstrates auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat durchgeführt wird.

Während ein Einzelsubstrat benutzt wird um die obigen Ausführungsformen 1 und 2 durchzuführen, kann die vorliegende Erfindung natürlich auch auf Fälle angewendet werden, bei denen eine Vielzahl von Substraten in einer Reaktionskammer angeordnet sind, solange diese in einem Intervall von (L + W) von der Gaseinlaßöffnung des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases in der Gasströmungsrichtung plaziert sind.

Die vorliegende Erfindung ist ebenso effektiv zur Züchtung eines polykristallinen dünnen Films auf einem Substrat durch chemische Gasphasenabscheidung.

Bei dem Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung und dem dazu dienenden Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung, befindet sich, wie es aufgrund der obigen Erklärungen klar gemacht worden ist, ein Freiraum oberhalb des in der Kammer gehaltenen Substrates, welcher ausgelegt ist um klein zu sein, und die Stelle des Substrates wird innerhalb eines bestimmten Intervalls in der Reaktionskammer angeordnet, und auf diese Weise wird das Auftreten der natürlichen Konvektion in dem Freiraum unterdrückt.

Der Unterdrückungseffekt der natürlichen Konvektion in dem Freiraum ist wirksam um die Selbstdotierung zu minimieren, welche durch eine Verunreinigung verursacht wird die zum Beispiel während der chemische Gasphasenabscheidung von der Rückseite des Substrates herrührt, und auf diese Weise wird die Übergangsbreite auf einem Substrat einheitlich entlang der gesamten Oberfläche des Substrates unterdrückt.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur chemischen Gasphasenabscheidung in einer Reaktionskammer des Kaltwandtyps (3), die ausgerüstet ist mit einer Gaseinlaßöffnung (5), für das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas (4) an dem einem Ende, und mit einer Gasauslaßöffnung (6) für das Reaktionsgas am anderen Ende. üblicherweise horizontal angelegt, und welches vorsieht ein Halbleitersubstrat (1) in der Kammer (3) mit einer Hauptoberfläche des Substrates (1) üblicherweise horizontal ausgerichtet zu halten, als Ausgangsstoff eingesetztes Reaktionsgas (4) üblicherweise horizontal in einer Richtung strömen zu lassen, das Halbleitersubstrat (1) auf eine Temperatur zum Züchten einer kristallinen Schicht aus Silizium (2) auf dem Halbleitersubstrat (1) zu erhitzen, wobei die Temperatur hoch genug ist, um eine natürliche Konvektion zwischen dem Halbleitersubstrat (1) und den inneren Seitenwänden der Reaktionskammer (3), aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen denselben, herbeizuführen, und eine dünne kristalline Schicht aus Silizium (2) auf dem erhitzten Halbleitersubstrat (1) zu züchten;

dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) in einem Abstand (L + W) von dem Gaseinlaß (5) des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases (4), in der Flußrichtung, und an einer Stelle an welcher das Verhältnis W/G sich auf 15 oder mehr beläuft, angeordnet ist, wobei W die innere Breite der Reaktionskammer (3) beschreibt. L den Abstand von der Gaseinlaßöffnung (5) zu der Vorderkante des Substrates (1), die sich an der am meisten stromaufwärts gelegenen Position auf der Gaseinlaßseite befindet, und G den Abstand zwischen der Hauptoberfl äche des Substrates (1) und der darüberliegenden Decke der Kammer (3).

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) so ausgewählt wird, daß sein Durchmesser kleiner ist als die innere Breite W der Reaktionskammer (3).

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Lücken (d1, d2) zwischen dem Halbleitersubstrat (1) und den inneren Seitenwänden (7. 7) der Kammer (3) so gewählt wird, daß sie 3 cm oder noch breiter sind.

4. Reaktor zur chemischen Gasphasenabscheidung, der eine Reaktionskammer vom Kaltwandtyp (3), zum Züchten einer dünnen kristallinen Schicht aus Silizium (2) auf einem erhitzten Halbleitersubstrat (1) aufweist und ausgestattet ist mit einer Gaseinlaßöffnung (5) für das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas (4) an dem einem Ende und einer Gasauslaßöffnung (6) für Reaktionsgas am anderen Ende, um das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas (4) üblicherweise horizontal in eine Richtung strömen zu lassen, welche üblicherweise horizontal angelegt sind, einem Unterstützungsmittel um das Halbleitersubstrat (1) in der Kammer (3) mit einer Hauptoberfläche des Substrates (1) üblicherweise horizontal ausgerichtet zu halten, und einem Mittel zum Erhitzen des Halbleitersubstrates (1) auf eine Temperatur zum Züchten einer kristallinen Schicht aus Silizium (2) auf dem Halbleitersubstrat (1), wobei die Temperatur hoch genug ist um eine natürliche Konvektion zwischen dem Halbleitersubstrat (1) und den inneren Seitenwänden der Reaktionskammer, aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen denselben, herbeizuführen,

dadurch gekennzeichnet, daß das Unterstützungsmittel für das Substrat (1) in einem Abstand (L + W) von dem Gaseinlaß (5) des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgas (4) in der Flußrichtung, und an einer Stelle an welcher das Verhältnis W/G sich auf 15 oder mehr beläuft, angeordnet ist, wobei W die innere Breite der Reaktionskammer (3) beschreibt, L den Abstand von der Gaseinlaßöffnung (5) zu der Vorderkante des Substrates (1), die sich an der am meisten stromaufwärts gelegenen Position auf der Gaseinlaßseite befindet, und G den Abstand zwischen der Hauptoberfläche des Substrates (1) und der darüberliegenden Decke der Kammer (3).

5. Reaktor zur chemische Gasphasenabscheidung, der eine Reaktionskammer vom Kaltwandtyp (3) zum Züchten einer dünnen kristallinen Schicht aus Silizium (2) auf einem erhitzten Halbleitersubstrat (1) aufweist und ausgestattet ist mit einer Gaseinlaßöffnung (5) für das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas (4) an dem einem Ende und einer Gasauslaßöffnung (6) für Reaktionsgas am anderen Ende, um das als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgas (4) üblicherweise horizontal in eine Richtung strömen zu lassen, welche üblicherweise horizontal angelegt sind, einem Unterstützungsmittel um das Halbleitersubstrat (1) in der Kammer (3) mit einer Hauptoberfläche des Substrates (1) üblicherweise horizontal ausgerichtet zu halten, und einem Mittel zum Erhitzen des Halbleitersubstrates (1) auf eine Temperatur zum Züchten einer kristallinen Schicht aus Silizium (2) auf dem Halbleitersubstrat (1), wobei die Temperatur hoch genug ist um eine natürliche Konvektion zwischen dem Halbleitersubstrat (1) und den inneren Seitenwänden der Reaktionskammer (3), aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen denselben, herbeizuführen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ausmaße der Reaktionskammer (3) so ausgewählt werden, daß die innere Länge derselben in der Fließrichtung des als Ausgangsstoff eingesetzte Reaktionsgases größer als (L + W) ist und das Verhältnis W/H sich auf 15 oder mehr beläuft, wobei W die innere Breite der Reaktionskammer (3) beschreibt. H die innere Höhe der Kammer (3) und L den Abstand von dem Gaseinlaß (5) des als Ausgangsstoff eingesetzten Reaktionsgases (4) zu der Vorderkante des Substrates (1), die sich an der am meisten stromaufwärts gelegenen Position auf der Gaseinlaßseite befindet.







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