DE2727305A1

DE2727305A1 - Verfahren zum abscheiden von feinkristallinem silicium aus der gasphase an der oberflaeche eines erhitzten traegerkoerpers

Info

Publication number: DE2727305A1
Application number: DE19772727305
Authority: DE
Inventors: Andreas Kasper
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1977-06-16
Filing date: 1977-06-16
Publication date: 1979-01-04

Description

Verfahren zum Abscheiden von feinkristallinem Silicium aus der
Gasphase an der Oberfläche eines erhitzten Trägerkörpers.
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von feinkristallinem Silicium aus der Gas phase an der Oberfläche eines erhitzten Trägerkörpers unter Verwendung eines aus Halogensilan und Wasserstoff bestehenden Reaktionsgases, welches das den erhitzten Trägerkörper enthaltende Reaktionsgefäß durchströmt und bei dem der Durchsatz des Reaktionsgases und das Molverhältnis während der Abscheidung geändert wird.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der DT-PS 1 123 300 bekannt, bei dem es sich darum handelt, die Abscheidung von in dem Reaktionsgas anwesendem Bor dadurch zu unterbinden, daß zu Beginn des Abscheideprozesses mit geringerem Durchsatz des Reaktionsgasgemisches gearbeitet und dann der Durchsatz allmählich erhöht wird.
Die vorliegende Erfindung beruht hingegen auf einem anderen Effekt. Es wurde nämlich festgestellt, daß während der Abscheidung bei der Herstellung von polykristallinen Siliciumstäben zeitweise ein grobkristallines Wachstum auftritt, welches bei der nachfolgenden Herstellung der Einkristallstäbe aus diesen Polystäben durch das tiegelfreie Zonenschmelzen zu erheblichen Kristallgitterstörungen führt.
Dieses grobkristalline Wachstum wurde bisher dadurch vermieden, daß die optimale Abscheidetemperatur abgesenkt wurde, wodurch natürlich auch die Abscheiderate vermindert und damit die Ausbeute an Silicochloroform im Reaktionsgas verschlechtert wird.
a - a A S Bekanntlich wird nämlich die Temperatur der Trägeroberfläche und das Molverhältnis im Reaktionsgas so eingestellt, daß die spezifische Abscheiderate ein Optimum, insbesondere ein Maximum, erreicht.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht nun in der Herstellung von feinkristallinen Siliciumpolystäben, bei denen die Abscheiderate möglichst hoch und damit die Ausbeute an Silicochloroform im Reaktionsgas für die Abscheidung optimal ist.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß sowohl das Molverhältnis im Reaktionsgas als auch die Abscheidetemperatur und der Gasdurchsatz, beginnend mit einem hohen Molverhältnis, einem hohen Gasdurchsatz und einer optimalen Abscheidetemperatur, während der Abscheidung nach einem vorgegebenen Programm vermindert bzw. erhöht wird.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß das Molverhältnis zu Beginn der Abscheidung auf 0,5 und die optimale Abscheidetemperatur auf 11000C eingestellt wird. Zweckmäßigerweise wird während der Abscheidung mit einem Gasdurchsatz im Bereich von 3000 bis 15.000 l/h gearbeitet. Unter dem Begriff "Gasdurchsatzt' wird dabei die Menge des in der Zeiteinheit dem erhitzten Trägerkörper entlangströmenden Reaktionsgases verstanden.
Die Reaktionsgasgeschwindigkeit wird dabei umso größer, je größer man den Durchsatz einstellt. Erfahrungsgemäß ist die Abscheidungsgeschwindigkeit von Silicium bei konstanter Trägertemperatur neben dem Molverhältnis vom Durchsatz an Silicochloroform und Wasserstoff abhängig.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird nach etwa zehnminütiger Abscheidung bei hohem Molverhältnis das Molverhältnis auf 0,2 abgesenkt.
Es liegt im Rahmen des Erfindungsgedankens, daß nach Erreichen etwa des halben Stabdurchmessers für ca. eine Stunde die Abschei- detemperatur um maximal 200 C abgesenkt und das Molverhältnis bei auf ein Viertel reduziertem Gasdurchsatz von 0,07 bis 0,15 auf 0,5 erhöht wird. Dieser Vorgang wird im weiteren Verlauf der Abscheidung bis maximal dreimal wiederholt.
Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung gelingt es, da sich bei dem sehr hohen Molverhältnis ein sehr feines Korn ausbildet und abscheidet, die Ausbildung von grobkörnigem Material bei weiterem Wachstum völlig zu unterbinden und dadurch zu gewährleisten, daß polykristalline Siliciumstäbe mit einheitlich feinkristalliner Struktur entstehen. Durch das laufende Andern der Abscheideparameter zu Beginn der Abscheidung und auch bei sich während der Abscheidung verdickendem Stab wird auf der für die Abscheidung vorgesehen Oberfläche durch die intermittierende feinkristalline Abscheidung eine sehr gleichmäßige Siliciumschicht aufgebracht. Es entstehen keine das Wachstum störenden groben Körner, weil durch das feine Korn eine Keimbildung für die weitere Abscheidung stattgefunden hat.
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung zeichnet sich gegenüber dem bekannten Verfahren dadurch aus, daß auch bei der Herstellung sehr feinkristalliner Siliciumpolystäbe eine Einsparung an Silicochloroform um 25 - 30 %, eine Einsparung an Wasserstoffgas von etwa 20 - 25 % und durch die Tatsache, daß eine sehr hohe Abscheidungsrate (400 g/h) und damit eine Verkürzung der Abscheidezeit erzielt wird, eine Einsparung an elektrischer Energie von etwa 20 % erreicht wird.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält ein zur Abscheidung von polykristallinem Silicium übliches Reaktionsgefäß, welches aus einer metallischen Grundplatte 1 aus gegen die zu verwendenden Reaktionsgase beständigem Metall sowie einer gasdicht auf die Platte 1 aufgesetzten Haube 2 aus Quarz besteht. Durch die metallische Grundplatte sind gasdicht und elektrisch gegeneinander isoliert Elektroden 4 hindurchgeführt, welche mit je einem Ende eines aus hochreinem Silicium bestehenden, stabförmigen, U-förmig gebogenen Trägerkörpers 3 verbunden sind. Durch die metallische Grundplattel ist eine in das Innere des Reaktibnsraumes reichende und der Zuführung des frischen Reaktionsgases dienende Düse 5 geführt, die im Ausführungsbeispiel konzentrisch von dem Abzugsrohr 6 für das verbrauchte Reaktionsgasgemisch umgeben ist. Auch hier ist für eine gasdichte Verbindung mit der Grundplatte und damit für einen hermethischen Abschluß des Reaktionsraumes gesorgt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist zunächst vorgesehen, daß die den zur Beheizung des stabförmigen Trägers 3 benötigten elektrischen Heizstrom liefernde Stromquelle 7 so beschaffen ist, daß während des gesamten Abscheidungsprozesses die Temperatur an der Oberfläche des stabförmigen Trägerkörpers auf den einmal eingestellten, nach dem Gesichtspunkt einer optimalen Abscheidung von Silicium eingestellten, z. B. 11000C betragenden Wert, bleibt. Wichtig ist dabei, daß der Effektivwert des Heizstroms mit zunehmender Dauer der Abscheidung gesteigert wird, da ja auch die abgeschiedenen Siliciumschichten stromführend sind.
Zur Erzeugung des Reaktionsgases ist ein Reservoir 11 für Wasserstoff vorgesehen. Der aus dem Behälter 11 ausströmende Wasserstoff gelangt über einen Strömungsmesser 12 über einen mit flüssigem Silicochloroform gefüllten Verdampfer 13, dessen Ausgang in die Versorgungsdüse 5 im Reaktionsgefäß überleitet. Zur Einstellung der Temperatur im Verdampfer 13 ist dieser in einem Thermostaten 14 untergebracht. Die Menge an im Wasserstoffgas mitgeführtem Silicochloroform wird als das Molverhältnis (MV) bezeichnet.
Bei der Durchführung des Verfahren nach der Lehre der Erfindung wird am Anfang der Abscheidung (5 mm Ausgangsstab aus Silicium als Trägerkörper) ein Molverhältnis von 0,5 eingestellt, welches nach etwa 10 Minuten auf 0,2 abgesenkt und dann zwei Stunden lang auf diesem Wert gehalten wird. Dann wird, etwa nach Erreichen eines Stabdurchmessers von 15 bis 40 mm, je nach Feststellung, ob ein grobkörniges Aufwachsen von Silicium stattfindet oder stattgefunden hat, für ca. eine Stunde das Molverhältnis auf 0,5 erhöht und der Gasdurchsatz bis auf ein Viertel des ursprünglich eingestellten Gasdurchsatzes (etwa von 16.000 l/h auf 4000 l/h) reduziert und die Abscheidetemperatur von etwa 11000C auf 10000C abgesenkt. Dabei beginnt dann eine "Ausheilung" der "grobkörnigen" Staboberfläche durch Abscheidung von sehr feinkristallinem Silicium. Nachdem die Trägeroberfläche bezüglich ihrer kristallinen Struktur wieder vergleichmäßigt (oder "ausgeheilt") ist, wird mit den normalen Abscheideparametern (z. B. MV 0,12, Gasdurchsatz 8000 l/h, Trägertemperatur 11000C) gearbeitet und die Abscheidung etwa 10 Stunden fortgesetzt. Im Bedarfsfall wird dann der Vorgang der Ausheilung nochmals wiederholt.
7 Patentansprüche 1 Figur

Claims

Patentansprüche j Verfahren zum Abscheiden von feinkristallinem Silicium aus der Gasphase an der Oberfläche eines erhitzten Trägerkörpers unter Verwendung eines aus Halogensilan und Wasserstoff bestehenden Reaktionsgases, welches das den erhitzten Trägerkörper enthaltende Reaktionsgefäß durchströmt und bei dem der Durchsatz des Reaktionsgases und das Molverhältnis während der Abscheidung geändert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sowohl das Molverhältnis im Reaktionsgas als auch die Abscheidetemperatur und der Gasdurchsatz, beginnend mit einem hohen Molverhältnis, einem hohen Gasdurchsatz und einer optimalen Abscheidetemperatur, während der Abscheidung nach einem vorgegebenen Programm vermindert bzw. erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Molverhältnis zu Beginn der Abscheidung auf 0,5 eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß mit einem Gasdurchsatz im Bereich von 3000 bis 15.000 l/h gearbeitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die optimale Abscheidetemperatur auf 11000C eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß nach ca. zehnminütiger Abscheidung bei hohem Molverhältnis das Molverhältnis auf 0,2 abgesenkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß nach Erreichen etwa des halben Stabdurchmessers für ca. eine Stunde die Abscheidetemperatur um maximal 2000C abgesenkt und das Molverhältnis bei auf ein Viertel reduziertem Gasdurchsatz von 0,07 bis 0,15 auf 0,5 erhöht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n s t , daß dieser Vorgang im weiteren Verlauf der Abscheidung bis maximal dreimal wiederholt wird.