DE1294940B

DE1294940B - Device for the epitaxial growth of semiconductor layers on wafers made of similar semiconductor material

Info

Publication number: DE1294940B
Application number: DE1964W0036816
Authority: DE
Inventors: Winings Richard Harold; Strobel Herman Richard; Hartman James Theodore; Mcwade Jun Robert Thompson
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1963-06-11
Filing date: 1964-05-20
Publication date: 1969-05-14
Also published as: GB1063834A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung tung eine im Innern der Welle sowie durch den zum epitaktischen Aufwachsen von Halbleiterschich- Träger hindurch verlaufende Leitung angeordnet ist, ten auf Scheiben aus ähnlichem Halbleitermaterial die einen gegen das obere Kammerende gerichteten in einer das Halbleiterschichtmaterial im Wege einer Auslaß aufweist.The invention relates to a device inside the shaft and through the device for the epitaxial growth of the semiconductor layer carrier there is arranged a line running therethrough, th on wafers made of similar semiconductor material, one directed towards the upper end of the chamber in one the semiconductor layer material by way of an outlet.

thermischen Zersetzung liefernden Reaktionsgas- 5 Nach der Erfindung wird also das Reaktionsgas atmosphäre, mit einer mit den erforderlichen Gaszu- nicht in direkter Strömung auf den rotierenden und -ableitungen versehenen Reaktionskammer, einer Träger, sondern gegen die diesem gegenüberstehende innerhalb derselben verlaufenden, drehbar gelagerten Reaktionskammerwandung gerichtet, von wo aus das Welle, an der ein dem oberen Ende der Reaktions- Reaktionsgas in zufälligen Richtungen zum Träger hin kammer zuweisender Träger zur Halterung der Halb- io gelenkt wird. Es werden daher jegliche Reaktionsgasleiterscheiben befestigt ist, und einer Heizvorrich- Anreicherungsstellen innerhalb der Kammer im Betung zum Beheizen der Halbleiterscheiben. reich des Trägers und der hierauf angeordneten Die epitaktische Züchtung ist eine Methode, mit Halbleiterscheiben vermieden mit dem Ergebnis, daß deren Hilfe dünne Halbleiterschichten hoher Quali- ein sehr gleichförmiger epitaktischer Niederschlag tat mit gesteuerten Widerständen und Dicken auf 15 erhalten wird.thermal decomposition providing reaction gas 5 According to the invention, the reaction gas is atmosphere, with one with the required gas supply not in direct flow on the rotating and discharge lines provided reaction chamber, a carrier, but against the opposite of this directed within the same rotating, rotatably mounted reaction chamber wall, from where the Wave on which the upper end of the reaction gas reacts in random directions towards the carrier chamber-assigning carrier for holding the half-io is steered. There are therefore any reaction gas conductor disks is attached, and a Heizvorrich- enrichment points within the chamber in the bed for heating the semiconductor wafers. rich of the carrier and the arranged thereon Epitaxial growth is a method of avoiding semiconductor wafers with the result that the help of which is thin, high-quality semiconductor layers - a very uniform epitaxial deposit did with controlled resistances and thicknesses to 15 is obtained.

Halbleiterplättchen oder -scheiben zumeist niedrigen Besonders günstige Verhältnisse erhält man dann,Semiconductor wafers or wafers mostly low Particularly favorable ratios are obtained when

Widerstandes gezüchtet werden können. Diese wenn man den Reaktionsgas-Auslaß als Gasvertei-Schichten werden epitaktische Schichten genannt, da lungsbaffel ausbildet, die nach Art einer Brause die ihre Kristallgitterstruktur im wesentlichen eine Fort- Gasströmung vorher auffächert, setzung der Unterlage darstellen. Eine Schicht hohen 20 Wenn man des weiteren die Reaktionskammer in Widerstandes, die auf einer Scheibe niedrigen Wider- ein nach oben offenes Unterteil und eine vakuumstandes gezüchtet worden ist, bildet z. B. das Grund- dicht ansetzbare Glocke unterteilt und den Träger ausgangsmaterial bei der Transistorherstellung. Durch nebst Reaktionsgas-Auslaß innerhalb der Glocke nachfolgende Dotierstoffdiffusionsbehandlungen wer- anordnet, so erhält man den Vorteil einer besonders den dann innerhalb der aufgewachsenen Schicht der 25 leichten Handhabung des Ganzen, da dann die Kollektor- und der Emitterübergang erzeugt, wobei Glocke von jeglichen Zu- und Ableitungen frei ist. nur eine dünne Lage undotiert verbleibenden Mate- Die Glocke kann daher leicht abgenommen werden, rials der Schicht hohen Widerstandes übrig bleibt. um Zugang zum Träger zu erhalten. Der Hauptteil des Kollektorkörpers ist daher durch Sieht man schließlich als Heizvorrichtung für dieResistance can be bred. This if one uses the reaction gas outlet as gas distribution layers are called epitaxial layers, as the lungs baffle forms, which are like a shower the their crystal lattice structure essentially fans out a forward gas flow beforehand, setting of the document. A layer of high 20 If one further the reaction chamber in Resistance, which is on a disc with low resistance, an upwardly open lower part and a vacuum stand has been bred, e.g. B. subdivided the basic tightly attachable bell and the carrier starting material for transistor production. Through and reaction gas outlet inside the bell subsequent dopant diffusion treatments are arranged, so one obtains the advantage of a special one the then within the grown layer of the 25 easy handling of the whole, since then the Collector and emitter junction generated, with Bell being free of any feed and discharge lines. only a thin layer of undoped remaining mate- The bell can therefore be easily removed rials of the high resistance layer remains. to gain access to the carrier. The main part of the collector body is therefore ultimately seen as a heating device for the

die Unterlage niedrigen Widerstandes gebildet. 30 Scheiben eine im Innern der Reaktionskammerformed the base of low resistance. 30 discs one inside the reaction chamber

Aus ersichtlichen Gründen ist es erwünscht, daß liegende, unterhalb des Trägers angeordnete HF-auf allen im Einzelfall auf dem Träger angeordneten Spule vor, so erhält man gegenüber der bekannten Halbleiterscheiben epitaktische Niederschläge erhal- Vorrichtung, bei der die HF-Spule die Reaktionsten werden, die nicht nur über die Ausdehnung einer kammer von außen her umgibt, folgenden Vorteil: einzigen Scheibe, sondern auch auf allen Scheiben 35 Es wurde gefunden, daß im Falle von Siliciumtetrastreng gleichförmig sind, um sicherzustellen, daß die chlorid und Wasserstoff als Reaktionsgas eine Vorzu fertigenden Transistortypen möglichst enge ToIe- aufheizung desselben bewirkt, daß die Reaktionsranzen im elektrischen Verhalten zeigen. Dies setzt partner des Gases in einer Weise zu reagieren vor allem eine möglichst gleichförmige Verteilung beginnen, daß ein Niederschlag auf den Halbleiterdes das Halbleiterschichtmaterial, z. B. Silicium, im 40 scheiben leichter erhalten wird. Die genaue chemi-Wege einer thermischen Zersetzung liefernden Reak- sehe Reaktion zwischen Siliciumtetrachlorid und tionsgases, z. B. mit Siliciumtetrachlorid gesättigten Wasserstoff ist nicht bekannt, obgleich angenommen Wasserstoffs, innerhalb der Reaktionskammer vor- wird, daß hierbei eine Reihe chemischer Teilreaktioaus, so daß jede Halbleiterscheibe, z. B. Silicium- nen ablaufen, in deren Verlauf die Wasserstoffatome scheiben niedrigen Widerstandes, mit dem gleichen 45 die Chloratome des Siliciumtetrachlorids verdrängen. Angebot an sich aus der Reaktionsgasatmo- Durch die gewählte Heizanordnung erhält man daher Sphäre niederschlagenden Siliciumatomen beauf- zugleich die vorteilhafte Voraufheizung des Reakschlagt werden. tionsgases, wodurch dieses nicht nur im gewünschtenFor obvious reasons, it is desirable that HF-mounted lying underneath the carrier in front of all the coil arranged on the carrier in the individual case, one obtains compared to the known Semiconductor wafers receive epitaxial deposits in which the RF coil is the most reactive that surrounds not only the expansion of a chamber from the outside, the following advantage: single disk, but also on all disks 35 It has been found that in the case of silicon tetrastreng are uniform to ensure that the chloride and hydrogen as the reaction gas have a positive effect Producing transistor types as close as possible toIe heating of the same causes the reaction rings to show electrical behavior. This sets partner of the gas in a way to react above all a uniform distribution as possible begin that a deposit on the semiconductors the semiconductor layer material, e.g. B. silicon, in 40 slices is obtained more easily. The exact chemi-way a thermal decomposition delivering reaction see reaction between silicon tetrachloride and tion gas, e.g. B. with silicon tetrachloride saturated hydrogen is not known, although assumed Hydrogen, is present within the reaction chamber, that here a number of chemical partial reactions so that each semiconductor wafer, e.g. B. Silicon expire, in the course of which the hydrogen atoms disks of low resistance, with the same 45 displacing the chlorine atoms of silicon tetrachloride. Supply per se from the reaction gas atmosphere is therefore obtained through the selected heating arrangement The sphere of precipitating silicon atoms also causes the advantageous preheating of the reaction will. tion gas, whereby this is not only in the desired

Bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs Sinne aktiviert, sondern auch in seiner Strömungsgenannten Art wird hierzu der Träger in Rotation 50 geschwindigkeit erhöht wird. Letzteres führt ersichtversetzt, wodurch eine Durchwirbelung des Reak- lieh zu einer noch besseren Durchmischung und tionsgases und damit eine gleichförmigere Verteilung gleichförmigeren Verteilung des Reaktionsgases in desselben erreicht wird. Bei der bekannten Vor- der Kammer.In a known device the initially activated senses, but also mentioned in its flow Type is this the carrier in rotation 50 speed is increased. The latter leads to a different view, whereby a swirling of the reac lent to an even better mixing and tion gas and thus a more uniform distribution, more uniform distribution of the reaction gas in the same is achieved. At the well-known front of the chamber.

richtung erfolgt aber die Reaktionsgaszufuhr in die Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich-direction takes place but the reaction gas supply in the In the following the invention is based on the drawing

Kammer an einer direkt oberhalb der Träger-Dreh- 55 nung beschrieben. Es zeigen achse gelegenen Stelle. Die eintretende Reaktions- Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch eineChamber described on one directly above the carrier rotation. Show it located on the axis. The entering reaction Fig. 1 is a vertical longitudinal section through a

gasströmung trifft daher direkt auf den Trägermit- Ausführungsform der Erfindung und telpunkt auf. Folglich werden die achsnah gelegenen F i g. 2 und 3 Schnittansichten längs der Linie 2-2gas flow therefore impinges directly on the carrier with the embodiment of the invention and center point on. As a result, the near-axis F i g. 2 and 3 are sectional views along the line 2-2

Halbleiterscheiben auf dem Träger im Mittel einer bzw. 3-3 der Fig. 1.Semiconductor wafers on the carrier in the middle of one or 3-3 of FIG. 1.

höheren Reaktionsgaskonzentration ausgesetzt sein 60 Die dargestellte Vorrichtung weist eine untere als die achsferner gelegenen. Mit dieser Anordnung Kammer 10 auf, die ein offenes Ende 11 aufweist, erhält man daher keine epitaktisch aufgewachsene sowie mit einem Flansch 12 versehen ist, der zum Schichten in gleichförmiger Dicke, vielmehr nimmt bei 14 erfolgenden Befestigen der Kammer an eine diese mit zunehmendem Abstand von der Träger- Montageplatte 15 vorgesehen ist. Eine röhrenförmige drehachse ab. 65 keramische Trägerwelle 17 erstreckt sich vertikalbe exposed to higher reaction gas concentration 60 The device shown has a lower than those further away from the axis. With this arrangement chamber 10, which has an open end 11, you therefore get no epitaxially grown and is provided with a flange 12, which for Layers of uniform thickness, rather takes place at 14 attaching the chamber to a this is provided with increasing distance from the carrier mounting plate 15. A tubular rotation axis from. 65 ceramic support shaft 17 extends vertically

Diese unerwünschte Erscheinung ist für die Vor- durch die untere Kammer 10, und zwar von einer richtung der einleitend beschriebenen Art erfindungs- Einheit 18 aus, die im Boden 19 der Kammer begemäß dadurch beseitigt, daß als Reaktionsgaszulei- festigt, zur drehbaren Lagerung der Welle 17 vor-This undesirable phenomenon is for the advance through the lower chamber 10, and of one Direction of the type described in the introduction fiction unit 18, which is in accordance with the bottom 19 of the chamber eliminates the fact that as a reaction gas supply, for the rotatable mounting of the shaft 17

gesehen und zur Schaffung einer gasdichten Verbindung mit einer Gasleitung 20 ausgelegt ist. Die Gasleitung 20 ist mit einer geeigneten Einrichtung, z. B. mit einem Ventil 21, versehen, so daß das der Kammer zugeführte Gas gesteuert werden kann. Die Welle 17 wird mit einer von einem Motor 23 und einer magnetischen Antriebseinheit 24 gesteuerten Geschwindigkeit angetrieben. Der Motor 23 und die Einheit 24 sind an der äußeren Wand der Kammer 10 befestigt und haben eine als Abtrieb dienende Welle 25, die in geeigneten abgedichteten Lagern 26 gelagert ist. Eine Schnecke 27 auf der Welle 25 kämmt mit einem Schneckenrad 28, das auf der Welle 17 sitzt, hierdurch wird eine drehschlüssige Verbindung zwischen den Antriebsmitteln und der Welle erreicht. Ein Lager 30, das auf der Welle 17 montiert ist, wird von einem Abstandsglied 31 gehalten, das im wesentlichen rechteckigen Umriß hat, sowie mit den Enden auf einer Schulter 32 eines ringförmigen Absatzes 33 aufliegt. Der Absatz 33 liegt benachbart dem offenen Ende 11 der unteren Kammer. Ein Ende des Abstandsgliedes 31 ist mit einer Aussparung versehen, so daß ein Zapfen 34 das Abstandsglied verdrehungssicher halten kann.seen and designed to create a gas-tight connection with a gas line 20. the Gas line 20 is connected to a suitable device, e.g. B. with a valve 21, so that the Chamber supplied gas can be controlled. The shaft 17 is with one of a motor 23 and a magnetic drive unit 24 driven at controlled speed. The engine 23 and the Unit 24 are attached to the outer wall of the chamber 10 and have one which serves as an output Shaft 25 which is supported in suitable sealed bearings 26. A worm gear 27 on the shaft 25 meshes with a worm wheel 28, which is seated on the shaft 17, thereby creating a rotationally locked Connection between the drive means and the shaft achieved. A bearing 30 mounted on shaft 17 is mounted is held by a spacer member 31 which has a substantially rectangular outline, as well as rests with the ends on a shoulder 32 of an annular shoulder 33. Paragraph 33 is adjacent to the open end 11 of the lower chamber. One end of the spacer 31 is with provided a recess so that a pin 34 can hold the spacer against rotation.

Die untere Kammer 10 ist mit einem Auslaß 36 versehen, der über eine Saugleitung zu einer Vakuumpumpe 37 führt. Ferner ist ein Teil der unteren Kammer mit einer Kühlpumpe 38 umgeben, in der ein Kühlmittel zirkuliert. Die Spule hat eine Einlaßoder Zufuhrleitung 39, die durch ein Ventil 40 gesteuert wird, und eine Abfluß- oder Auslaßleitung 41. Ein ringförmiger Molybdän-Träger 45, der auf seiner oberen Oberfläche zur Aufnahme von Halbleiterscheiben 47, z. B. Siliciumscheiben, bestimmte Vertiefungen 46 trägt, ist zentral durchbohrt, so daß er konzentrisch zu einem reduzierten Teil 48 der Welle 17 angeordnet werden kann und auf einer Schulter 49 ruht. Eine Hochfrequenzspule 50 liegt benachbart zur unteren Oberfläche des Trägers 45 und hat eine Zuleitung 51, die sich nach oben und über die Kammer 10 hinaus erstreckt, sowie eine Ableitung 52, die sich nach unten durch die Kammer erstreckt. Beide Leitungen sind durch den Boden 19 der unteren Kammer hindurchgeführt.The lower chamber 10 is provided with an outlet 36 which leads to a vacuum pump via a suction line 37 leads. Furthermore, part of the lower chamber is surrounded by a cooling pump 38 in which a coolant circulates. The spool has an inlet or supply line 39 controlled by a valve 40 is, and a drain or outlet line 41. An annular molybdenum support 45, which on its upper surface for receiving semiconductor wafers 47, e.g. B. silicon wafers, certain Carrying wells 46 is centrally pierced so that it is concentric with a reduced part 48 of the Shaft 17 can be arranged and rests on a shoulder 49. A high frequency coil 50 is located adjacent to the lower surface of the carrier 45 and has a lead 51 extending upward and extending beyond the chamber 10 and a discharge line 52 extending downward through the chamber extends. Both lines are passed through the bottom 19 of the lower chamber.

Eine poröse oder perforierte Verteilungsbaffel 55 ist am oberen Ende der Welle 17 montiert, d. h. am reduzierten Teil 48 derselben. Eine transparente domartige obere Kammer 56, die vorzugsweise aus Quarz hergestellt ist, und die dargestellte Form hat, ist an ihrem offenen unteren Ende mit einem ringförmigen, scheibenartigen Glied 57 unterschiedlicher Dicke versehen, so daß die Dicke der Enden des Abstandsgliedes kompensiert und ein abdichtender Sitz sowie eine gleichförmige Unterstützung des inneren Endes der oberen Kammer erreicht werden können. Ein Überwurfring 60 ist auf das obere Ende der unteren Kammer 10 aufgeschraubt und mit einem Dichtring 61 ausgerüstet, der von dem Überwurfring zur Abdichtung der oberen Kammer im offenen Ende der unteren Kammer 10 zusammengedrückt wird.A porous or perforated distribution baffle 55 is mounted on the upper end of the shaft 17; H. at the reduced part 48 of the same. A transparent dome-like upper chamber 56, preferably made of Quartz is made, and has the shape shown, is at its open lower end with an annular, disk-like member 57 is provided with different thicknesses, so that the thickness of the ends of the Compensated spacer and a sealing fit as well as a uniform support of the inner end of the upper chamber can be reached. A coupling ring 60 is on the top screwed on the lower chamber 10 and equipped with a sealing ring 61, which is held by the coupling ring compressed to seal the upper chamber in the open end of the lower chamber 10 will.

Claims

Patent claims:

1. Apparatus for epitaxial growth of semiconductor layers on wafers of the like Semiconductor material in the semiconductor layer material by way of thermal decomposition supplying reaction gas atmosphere, with one with the necessary gas supply and discharge lines provided reaction chamber, one running within the same, rotatably mounted Shaft on which a support facing the upper end of the reaction chamber is used for holding the semiconductor wafers is attached, and a heating device for heating the semiconductor wafers, characterized in that the reaction gas feed line is one inside the shaft (17) and through the carrier (45) extending line (20) is arranged, which has an outlet directed towards the upper end of the chamber (55).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the reaction gas outlet through a gas distribution baffle (55) is formed.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the reaction chamber (11) is divided into an upwardly open lower part (10) and a vacuum-tight attachable bell (56) and the carrier (45) together with the reaction gas outlet (55) are arranged inside the bell.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that as a heating device for the semiconductor wafers (47) one located in the interior of the reaction chamber, underneath the carrier (45) arranged RF coil (50) is provided.

1 sheet of drawings