AT287791B - Verfahren zum herstellen duenner, vorzugsweise aus halbleitermaterial bestehender schichten fuer elektrische halbleiterbauelemente - Google Patents

Description

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  Verfahren zum Herstellen dünner, vorzugsweise aus Halbleitermaterial bestehender Schichten für elektrische Halbleiterbauelemente 
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   Bei der an zweiter Stelle genannten Methode treten zwar diese Nachteile nicht auf, doch ist es hier sehr schwierig, bedingt durch das örtlich unterschiedliche epitaktische Aufwachsen, plane
Oberflächen zu erhalten. Dem Aufwachsprozess muss also ein mechanischer Einebnungsprozess angeschlossen werden, wodurch die Oberflächenqualität der epitaktisch abgeschiedenen Schicht durch auftretende Kratzer und Mikrorisse wieder erheblich verschlechtert wird. 



   Zur Vermeidung der genannten Nachteile wird deshalb zur Erzeugung örtlich begrenzter
Dotierungszonen in einer epitaktisch abgeschiedenen Oberflächenschicht erfmdungsgemäss vorgeschlagen, dass zunächst die für den Materialtransport vorgesehene Unterlage dadurch hergestellt wird, dass in an sich bekannter Weise das für die Abscheidung vorgesehene, den entgegengesetzten Leitungstyp wie das
Grundmaterial der Unterlage aufweisende Material mittels eines selektiven epitaktischen
Aufwachsprozesses aus der Gasphase auf der später der Trägerscheibe zugewandten Seite der Unterlage in vorher durch örtlich begrenztes Ätzen mittels der aus der Planartechnik bekannten Phototechnik entstandene Vertiefungen der aus dem Grundmaterial bestehende Oberflächenschicht abgeschieden wird,

   dass dann die so hergestellte Unterlage mit der für die Abscheidung vorgesehenen Trägerscheibe in
Wärmekontakt gebracht und der Einwirkung einer Gasatmosphäre ausgesetzt wird, so dass durch eine chemische Transportreaktion in ebenfalls bekannter Weise auf kurzem Wege das auf der Unterlage für die Abscheidung vorgesehene, insbesondere mit einer Dotierung versehene Material an der gegenüberliegenden Oberfläche der Trägerscheibe epitaktisch abgeschieden wird. 



   Durch das erfindungsgemässe Verfahren gelingt es, mit der Methode der sogenannten "Sandwich-Epitaxie" auf einer schwach bzw. nichtdotierten Kristallscheibe eine dünne
Halbleiterschicht abzuscheiden, deren Dotierungsverteilung ein genaues Abbild der für die Abscheidung vorgesehenen Unterlage ist und somit dem gewünschten Dotierungsgrad entspricht. Dieses Ergebnis wird durch die bekannten Verfahren nicht erreicht. 



   Das Anbringen der Vertiefungen in der Oberflächenschicht des bei der chemischen
Transportreaktion als Unterlage dienenden Körpers für die Aufnahme des für die Abscheidung auf der
Trägerscheibe vorgesehenen, insbesondere eine gewünschte Dotierung aufweisenden Materials wird zweckmässigerweise durch Ausätzen unter Anwendung der aus der Planartechnik bekannten
Phototechniken durchgeführt. Dabei wird gemäss einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel die wannenartige Vertiefung im Halbleitermaterial mittels Gasphasenätzung oder einer wässerigen   Ätzlösung   erzeugt. 



   Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn die an den Randzonen des durch selektive Epitaxie abgeschiedenen Materials entstandenen Vertiefungen sowie der Rest der Oxydschicht vor Beginn der chemischen Transportreaktion durch Abschleifen entfernt werden. Die dabei entstandene Aufrauhung genügt vielfach, um einen geringen mittleren Abstand von Quelle zu Substrat bzw. von Unterlage zu Trägerscheibe herzustellen. 



   Es ist besonders vorteilhaft, wenn die chemische Transportreaktion in einer halogenhaltigen Atmosphäre, vorzugsweise unter Zusatz von Wasserstoff, durchgeführt wird. Der Zusatz von Wasserstoff zum Reaktionsgas bewirkt eine günstige Beeinflussung der Reaktionsbedingungen. Zur Verwendung als transportierendes Medium sind die Halogene von Chlor, Brom oder Jod geeignet. Sie können entweder in elementarer Form als Dampf zur Anwendung gelangen oder aber in Form der entsprechend flüchtigen Verbindung des zu transportierenden Materials. Für eine Reihe von Transportsystemen lässt sich Halogenwasserstoff mit Erfolg verwenden. 



   Gemäss einer besonderen Ausführungsform wird die Unterlage direkt oder indirekt geheizt und das für die chemische Transportreaktion notwendige Temperaturgefälle durch den gehemmten Wärmeübergang von der Unterlage zur Trägerscheibe erzeugt. 



   Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist die Möglichkeit gegeben, dass die mit dem abzuscheidenden Material versehene Unterlage bei entsprechender Dicke des für die Abscheidungen in den entsprechenden Vertiefungen der Oberflächenschicht der Unterlage vorgesehenen Materials für mehrere Transportprozesse verwendet werden kann, d. h. also, dass bei geeignet grosser Dicke der mit dem entgegengesetzten Leitungstyp epitaktisch abgeschiedenen Schicht mit der Unterlage mehrere Trägerscheiben erzeugt werden können, wodurch eine sehr hohe Reproduzierbarkeit und Ausbeute erzielt wird. 



   Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Dotierung der einzelnen Zonen und die Grunddotierung der Kristallscheibe frei wählbar sind und deshalb die Realisierung eines jeden Schaltungskonzeptes erlauben. 



   Durch das erfindungsgemässe Verfahren gelingt es, eine epitaktische Schicht herzustellen, deren Oberfläche eine sehr hohe Qualität aufweist und daher keine mechanische Nachbehandlung erforderlich 

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 macht. 



   Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist deshalb besonders gut geeignet zur Herstellung von aus Silizium als Grundmaterial bestehenden integrierten Schaltkreisen, insbesondere zur Herstellung integrierter Schaltkreise mit komplementären MIS-Bauelementen. Es ist aber ebenso vorteilhaft anwendbar bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltkreise aus andern Halbleitermaterialien, beispielsweise solcher mit Galliumarsenid als Grundmaterial. 



   Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. 



   Dabei zeigen die Fig. 1 bis 3 die Herstellung der für das Verfahren nach der Lehre der Erfindung zu verwendenden Unterlage A, während Fig. 4 die Verwendung der Unterlage A für eine chemische Transportreaktion darstellt. 



   Fig 5 zeigt die gesamte Anordnung während der chemischen Transportreaktion. In Fig. 6 ist die Grundeinheit einer Speicherzelle dargestellt, wie sie durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestellt werden kann. 



   In Fig. 1 ist im Schnitt eine mit der Grunddotierung von   l Ohm. cm   versehene   Siliziumkristallscheibe--l-vom p-Leitungstyp   (Bordotierung) gezeigt, deren Oberfläche mit einer durch Oxydation gebildeten   Si02 -Schicht -- 2-- versehen   ist. In diese   Oxydschicht --2-- wurde   mittels eines photolithographischen Prozesses im Bereich des   Fensters --3-- eine   der geometrischen Ausdehnung der zu erzeugenden n-Zone entsprechende Öffnung angebracht, welche in einem sich anschliessenden Verfahrensschritt bis zur gewünschten Tiefe von beispielsweise   50 Juni   in den Halbleiterkristall-l-zu einer wannenartigen   Vertiefung --4-- mittels   einer wässerigen speziellen   Ätzlösung   ausgeätzt wurde. 



   In diese wannenartige   Vertiefung --4-- wird,   wie in Fig. 2 dargestellt, schwach mit Phosphor oder Arsen n-dotiertes   Halbleitermaterial --5-- so   lange abgeschieden, bis die in Fig. 1 dargestellte wannenartige Vertiefung wieder aufgefüllt ist. Dabei wird der   mit --8-- bezeichnete pn-Übergang   gebildet. Dann wird die an den   Randzonen--6--der   mit dem abzuscheidenden   Material--S--   versehenen Vertiefungen befindliche   Oxydschicht --2-- sowie   die Unebenheiten der Epitaxiefüllung   --5-- durch   einfaches Abschleifen entfernt, so dass die in Fig. 3 gezeigte Anordnung entsteht Dabei soll die gewellte Linie--7--die durch Läppen erzeugte Oberfläche der gesamten Anordnung   - A--darstellen.    



   Die auf diese Weise nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte und als Unterlage für die nachfolgende chemische Transportreaktion dienende Anordnung--A--wird dann, wie in Fig. 4 dargestellt, mit einer weiteren die Grunddotierung der zu fertigenden integrierten Schaltung 
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 soll möglichst plan poliert sein, um ein gleichmässiges Aufwachsen des Halbleiterstoffes zu gewährleisten. Der für die Transportreaktion notwendige Temperatursprung wird vorteilhafterweise durch den von der indirekt geheizten Unterlage-A-zu der   Trägerscheibe-9-hin   erfolgten Wärmeübergang gebildet. Dabei wird durch den in Fig.4 mit --13-- bezeichneten Heizer die Unterlage-A-auf eine Temperatur von 12000C gebracht, wobei auf der der Unterlage zugewandten Seite der Trägerscheibe --9-- eine Temperatur von zirka 11500C entsteht. 



   Der Mechanismus des Stofftransportes von der   Unterlage--A--zur Trägerscheibe--9--   geschieht in bekannter Weise nach dem Prinzip der "Sandwich-Epitaxie". Erhitzt man die Unterlage -   auf 12000C   und leitet in das Reaktionsgefäss ein ungefähr   5 Mol% SiCI'l   enthaltendes Wasserstoffgas ein, so dringt dieses Gasgemisch auch in den   Raum--10--zwischen   der Unterlage - und der für die Abscheidung vorgesehenen   Trägerscheibe --9-- ein   und sorgt für einen Siliziumtransport über die Gasphase. wobei das elementare Silizium einschliesslich des Dotierstoffes von der auf dem   Heizer --13-- befindlichen Unterlage --A-- auf   die weniger heisse Unterseite der aufgelegten Trägerscheibe --9-- übertragen wird.

   (Auf die Angabe der der Transportreaktion zugrundeliegenden bekannten Reaktionsgleichungen soll hier nicht näher eingegangen werden). 



   In Fig. 5 ist die gesamte Anordnung während der chemischen Transportreaktion dargestellt. Dabei soll durch die strichpunktierte   Linie --12-- das   bereits von der Unterlage-A--auf die Trägerscheibe --9-- übertragene Halbleitermaterial angezeigt werden. Wie aus der Darstellung hervorgeht, entsteht auf der Oberfläche der Trägerscheibe --9-- ein der Oberflächenschicht der   Unterlage--A-analoges p-n-Muster.   Dabei ist das übertragene p-dotierte Material mit 

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 die n-dotierte Zone mit--15--und der neugebildete   pn-Übergang     mit--14--bezeichnet.   Im übrigen gelten die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis 4. Die Dicke der übertragenen Schicht ist von der Dauer der chemischen Transportreaktion sowie von der Zusammensetzung des 
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 werden.

   Das   Übertragungsverhältnis,   ausgedrückt in der Molkonzentration   noor   bzw. phosphor der Unterlage-A--zur Molkonzentration   nssor bzw. nphosphor der Trägerscheibe--9--ist   bei sehr geringem Abstand ungefähr 1. Das Auftreten   eines"verschmierten"pn-Überganges   bei der epitaktischen Abscheidung auf der Trägerscheibe ist nicht kritisch, da nichtabrupte   pn-Übergänge   bessere Sperreigenschaften aufweisen. 



   Durch diese spezielle Art der "selektiven Epitaxie", wie sie dem   erfindungsgemässen   Verfahren zugrundeliegt, gelingt es, in einfacher und rationeller Weise sehr dünne und schwach dotierte Bereiche jeder gewünschten Strukturierung in einer Halbleiterkristallscheibe zu erzeugen. Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist ausserdem die Möglichkeit gegeben, gleichzeitig eine Vielzahl von Bauelementen mit genau steuerbarer Dotierung in reproduzierbarer Weise herzustellen, da die für die chemische Transportreaktion vorgesehene, aus dem Ausgangsmaterial bestehende Unterlage für mehrere Transportprozesse verwendet werden kann. 



   Die Bedeutung komplementärer MIS-Schaltkreise beruht darauf, dass sie die Realisierung von Halbleiterspeichern mit geringem Leistungsbedarf ermöglichen. Dies beruht bekanntlich darauf, dass die Grundeinheit der Speicherzelle, eine Serienschaltung eines n-Kanals mit einem   p-Kanal-Transistor,   nur Querleistungen in der Grössenordnung von Nano-Watt verbraucht. Voraussetzung ist, dass auf einer Halbleiterscheibe nebeneinander sowohl n-Kanal als auch   p-Kanal-MIS-Transistoren   (d. h. komplementäre Bauelemente) hergestellt werden.

   Dies erfordert wieder die erfindungsgemäss vorgeschlagene Erzeugung örtlich begrenzter, unterschiedlich dotierter Bereiche, wie das in Fig. 6 skizzierte Beispiel der Grundeinheit einer Speicherzelle zeigt :
In die erfindungsgemäss hergestellten invers dotierten   Bereiche--11   und   15--sind   die wieder invers dotierten   Stromelektroden--16   und 17 bzw. 21 und 22--eindiffundiert, zwischen denen sich über den dünnen   Isolatorschichten --20-- die aufgedampften   metallischen Steuerelektroden--24 bzw. 25--befinden, die die stromführenden   Kanäle--18   bzw. 23--inversen Leitungstyps steuern. 
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 die weiteren Leiterbahnen--27 und   28--zu   den Aussenanschlüssen oder inneren Schaltpunkten einer grösseren integrierten Schaltung führen, die   z.

   B.   aus einer vielfachen Wiederholung der skizzierten Grundeinheit besteht. 



   Aus Fig. 6 ist ersichtlich, welche Bedeutung das   erfindungsgemäss   vorgeschlagene Herstellungsverfahren dadurch erlangt, dass die Dotierungen sowohl in den Transistorgrundbereichen   --11   bzw.   15--unabhängig   voneinander optimal festgelegt werden können als auch im Grundbereich   --9--, z. B.   so gering gewählt werden können, dass galvanische und kapazitive Kopplungen mit Ausnahme der definierten Leiterbahnen angeschlossen sind.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH : Verfahren zum Herstellen dünner, vorzugsweise aus Halbleitermaterial bestehender Schichten mit Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit bzw. unterschiedlichem Leitungstyp für elektrische Halbleiterbauelemente, insbesondere für integrierte Halbleiterschaltkreise, mit auf einer Kristallscheibe untergebrachten, örtlich getrennten Bereichen mit unterschiedlichem Leitungstyp, bei dem mittels einer chemischen Transportreaktion das abzuscheidende Material auf einer, insbesondere einkristallinen, Trägerscheibe, die mit der erhitzten, wenigstens an der der Trägerscheibe zugewandten Seite aus dem abzuscheidenden Material bestehenden Unterlage in Wärmekontakt steht, epitaktisch abgeschieden wird, EMI4.3 (A) dadurch hergestellt wird, dass in an sich bekannter Weise das für die Abscheidung vorgesehene,

   den entgegengesetzten Leitungstyp wie das Grundmaterial (1) der Unterlage (A) aufweisende Material (5) mittels eines selektiven epitaktischen Aufwachsprozesses aus der Gasphase auf der später der Trägerscheibe (9) zugewandten Seite (7) der Unterlage (A) in vorher durch örtlich begrenztes Ätzen mittels der aus der Planartechnik bekannten Phototechnik entstandene Vertiefungen (4) der aus dem Grundmaterial (1) bestehenden Oberflächenschicht abgeschieden wird, dass dann die so hergestellte <Desc/Clms Page number 5> Unterlage (A) mit der für die Abscheidung vorgesehenen Trägerscheibe (9) in Wärmekontakt gebracht und der Einwirkung einer Gasatmosphäre ausgesetzt wird, so dass durch eine chemische Transportreaktion in ebenfalls bekannter Weise auf kurzem Wege das auf der Unterlage (A) für die Abscheidung vorgesehene,

   insbesondere mit einer Dotierung versehene Material (5) an der gegenüberliegenden Oberfläche der Trägerscheibe (9) epitaktisch abgeschieden wird.

   Druckschriften, die das Patentamt zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vom Stand der Technik in Betracht gezogen hat : EMI5.1 <tb> <tb> OE-PS <SEP> 240 <SEP> 416 <SEP> OE-PS <SEP> 249 <SEP> 748 <SEP> <tb>