DE10253895A1 - Herstellung von Bipolartransistoren, die eine Silicium-Germanium/Silicium-Heterojunction enthalten - Google Patents

Herstellung von Bipolartransistoren, die eine Silicium-Germanium/Silicium-Heterojunction enthalten

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DE10253895A1 DE2002153895 DE10253895A DE10253895A1 DE 10253895 A1 DE10253895 A1 DE 10253895A1 DE 2002153895 DE2002153895 DE 2002153895 DE 10253895 A DE10253895 A DE 10253895A DE 10253895 A1 DE10253895 A1 DE 10253895A1
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Abstract

Offenbart wird ein Halbleiter-Substrat, das zur Herstellung von Heterojunction-Bipolartransistoren verwendet wird. Das Halbleiter-Substrat umfaßt ein Substrat (9-1), das hauptsächlich aus Silicium gebildet wird, eine Silicium-Germanium-Schicht (9-2), die so angeordnet ist, daß sie das Silicium-Substrat (9-1) bedeckt; und eine Silicium-Schutzschicht (9-3), die im wesentlichen aus Silicium besteht. Die Silicium-Schutzschicht (9-3) ist auf der Silicium-Germanium-Schicht (9-2) abgeschieden.

Description

    Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Heterojunction-Bipolartransistors (HBT), der eine Silicium-Germanium/Silicium-Heterojunction enthält, und ein Halbleitersubstrat, das zur Herstellung desselben geeignet ist.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • HBTs, die Silicium-Germanium/Silicium-Heterojunctions enthalten, arbeiten bei hohen Frequenzen in der Größenordnung von 10 GHz oder mehr und werden somit für Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsgeräte und Hochleistungstransistoren verwendet.
  • Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines herkömmlichen HBT. Eine Hauptoberfläche eines Silicium-Substrats 102 ist mit einer epitaxialen Silicium-Schicht 103, die als Kollektor des HBT fungiert, bedeckt. Die obere Oberfläche der epitaxialen Silicium-Schicht 103 ist mit einer Silicium- Germanium-Schicht 101 bedeckt, die als Basis des HBT fungiert. Eine stark dotierte Silicium-Schicht 104, die als Emitter des HBT fungiert, ist auf der Silicium-Germanium- Schicht 101 angeordnet. Eine Kollektorelektrode 105 ist an der rückseitigen Oberfläche des Silicium-Substrats 102 angeordnet. Eine Emitterelektrode 106 ist auf der Silicium- Schicht 104 ausgebildet. Eine Basiselektrode 107 ist auf der Silicium-Germanium-Schicht 101 ausgebildet. Der herkömmliche HBT hat eine geringe Eingangsimpedanz und arbeitet somit bei hoher Geschwindigkeit.
  • Silicium-Germanium-Filme werden oft durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) gebildet. Fig. 2 zeigt eine herkömmliche CVD-Apparatur, die zur Abscheidung von Silicium-Germanium-Filmen eingesetzt wird. Die CVD-Apparatur umfaßt eine Abscheidungskammer 109, eine Substrathalterung 110 und eine Beladungsschleusenkammer 111 (load rock chamber). Ein Substrat 108, das mit einem Silicium-Germanium- Film überzogen werden soll, wird in die Abscheidungskammer 109 eingebracht und an der Substrathalterung 110 befestigt. Die Substrathalterung 110 umfaßt eine Heizvorrichtung (nicht gezeigt), um die Temperatur des Silicium-Substrats 108 zu erhöhen. Während der Abscheidung des Silicium-Germanium-Films wird die Abscheidungskammer 109 mit Abscheidungsgas, das Siliciumhydridgas, zum Beispiel Monosilan und Disilan, und Germaniumhydridgas, wie zum Beispiel German, versorgt. Die Reaktion des Siliciumhydrids und des Germaniumhydrids bildet einen Silicium-Germanium-Film.
  • Eine Abscheidung der Silicium-Germanium-Schicht 101 wird durch das folgende Verfahren erreicht. Das Silicium-Substrat 102, das mit der epitaxialen Silicium-Schicht 103 beschichtet ist, wird durch die Beladungsschleusenkammer 111 in die Abscheidungskammer 109 transferiert und an der Siliciumhalterung 110 fixiert. Das Siliciumsubstrat 102 wird dann einer Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 800°C bis 900°C für 10 bis 16 Minuten unterworfen. Die Hitzebehandlung entfernt Sauerstoff und Kohlenstoff von der Oberfläche der epitaxialen Silicium-Schicht 103. Die Temperatur des Silicium-Substrats 102 wird dann auf eine gewünschte Abscheidungstemperatur, im allgemeinen im Bereich von 500°C bis 800°C, eingestellt. Dann wird Abscheidungsgas in die Abscheidungskammer 109 eingeführt, während das Silicium-Substrat 102 bei der gewünschten Abscheidungstemperatur gehalten wird. Die Abscheidung der Silicium-Germanium-Schicht 101 wird dann durch Stoppen der Zuführung des Abscheidungsgases oder durch Abkühlen des Siliciumsubstrats 108 beendet. Die Dicke der Silicium- Germanium-Schicht 101 kann durch die Abscheidungszeit und/oder den Druck der Abscheidungskammer eingestellt werden. Die Konzentration des Silicium-Germanium-Films kann durch die Zusammensetzungen des Abscheidungsgases eingestellt werden.
  • Nach der Abscheidung der Silicium-Germanium-Schicht 101 wird die Silicium-Schicht 104 auf der Silicium-Germanium-Schicht 101 durch ein CVD-Verfahren in der gleichen Weise wie die Silicium-Germanium-Schicht 101 abgeschieden. Die Abscheidung der Silicium-Germanium-Schicht 101 und der Silicium-Schicht 104 wird in verschiedenen CVD-Kammern durchgeführt, um eine Kontamination zu verhindern. Die Silicium-Germanium-Schicht 101 und die Silicium-Schicht 104 sind verschiedene Leitfähigkeitstypen; es ist oft erforderlich, daß die Silicium-Schicht 104 stark dotiert ist. Wenn die Silicium- Germanium-Schicht 101 und die Silicium-Schicht 104 in der gleichen Kammer abgeschieden werden, so bewirkt dies, daß die Verunreinigungen für eine starke Dotierung in der Kammer zurückbleiben. Die zurückbleibenden Verunreinigungen können die Silicium-Germanium-Schicht 101 kontaminieren. Unter Verwendung verschiedener Kammern für die Abscheidung der Silicium-Germanium-Schicht 101 und der Silicium-Schicht 104 wird die Kontamination durch die Verunreinigungen wirksam verhindert.
  • Die Abscheidung der Silicium-Schicht 104 wird nach dem folgenden Verfahren erreicht. Das Silicium-Substrat 102, das mit der Silicium-Germanium-Schicht 101 bedeckt ist, wird in die Abscheidungskammer transferiert. Das Silicium-Substrat 102 wird dann für 10 bis 60 Minuten einer Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 800°C bis 900°C unterzogen. Die Hitzebehandlung entfernt Sauerstoff und Kohlenstoff von der Oberfläche der Silicium-Germanium-Schicht 101. Die Temperatur des Silicium-Substrats 102 wird dann auf eine gewünschte Abscheidungstemperatur eingestellt, im allgemeinen im Bereich von 500°C bis 800°C. In die Abscheidungskammer wird ein Siliciumhydridgas geleitet, während das Silicium-Substrat 102 bei der gewünschten Abscheidungstemperatur gehalten wird. Die Abscheidung der Silicium-Schicht 104 wird dann beendet, indem die Zuführung des Siliciumhydridgases gestoppt wird oder indem das Silicium-Substrat 108 gekühlt wird. Die Dicke der Silicium-Schicht 104 kann durch die Abscheidungszeit und/oder den Druck der Abscheidungskammer eingestellt werden.
  • Eine Verbesserung bei der Verfahrensausbeute und der Leistungsfähigkeit von Silicium-Germanium-HBTs verlangt, daß die Silicium-Germanium-Schicht und die Silicium-Schicht wenig Fehler haben und flach (bzw. eben)sind. Die Fehler, die in der Silicium-Germanium-Schicht und der Silicium-Schicht enthalten sind, verursachen einen Kriechstrom. Außerdem verschlechtert die schlechte Ebenheit der Schichten die Genauigkeit des Herstellungsverfahrens und reduziert die Verfahrensausbeute. Die Fehler und die schlechte Ebenheit der Silicium-Germanium-Schicht und der Silicium-Schichten sind das Problem der Herstellung von Silicium-Germanium-HBTs dar.
  • Es wird davon ausgegangen, daß die Fehler und die schlechte Ebenheit aus den folgenden zwei Gründen resultieren. Ein Grund ist die Spannung, die in der Silicium-Germanium-Schicht und der Silicium-Schicht induziert wird, und der andere ist die Kontamination der Oberflächen der Schichten.
  • Die Spannung wird durch die geringe Differenz zwischen den Gitterkonstanten der Silicium-Germanium-Schicht und der Silicium-Schicht induziert. Die Gitterkonstante der Silicium- Germanium-Schicht steigt mit der Zunahme der Germaniumkonzentration. Daher gibt es an der Heterojunction der Silicium-Germanium-Schicht und der Silicium-Schicht das Phänomen, daß die Gitter nicht gut zueinander passen. Dieses Nicht-Gut-Zueinander-Passen bewirkt, daß auf die Silicium- Germanium-Schicht und die Silicium-Schicht Spannung ausgeübt wird. Die Spannung induziert Dislokationen in der Silicium- Germanium-Schicht und induziert so Stapelfehler. Die Stapelfehler bewirken die schlechtere Ebenheit der Silicium- Germanium-Schicht.
  • Bean et al. offenbaren in Applied Physics Letters, 54 (1989), 925, daß geeignete Germanium-Konzentrationen und Dicken der Silicium-Germanium-Schicht Fehler in der Silicium-Germanium- Schicht wirksam reduzieren. Die offenbarten Bedingungen verhindern die Induktion der Fehler und die Verschlechterung der Ebenheit, die durch die Spannung verursacht werden, wirksam.
  • Die Optimierung der Abscheidungsbedingungen für die Silicium- Germanium-Schicht ist allerdings nicht wirksam, um die Induktion der Fehler und die Verschlechterung der Ebenheit zu unterdrücken, die durch Kontamination verursacht werden. Speziell die Kontaminanten, die während des Transfers zwischen Abscheidungskammer auf der Silicium-Germanium- Schicht abgeschieden werden, sind schwer zu entfernen. Die Kontaminanten auf der Oberfläche der Silicium-Germanium- Schicht induzieren die Stapelfehler in der Silicium-Schicht und verschlechtern somit die Ebenheit der Silicium-Schicht.
  • Es wurde angenommen, daß die Kontaminanten auf der Oberfläche der Silicium-Germanium-Schicht Sauerstoff, Kohlenstoff, Fluor und Metallelement umfassen. Die Verringerung der Kontaminanten wird herkömmlicherweise durch chemische Reinigung und Hitzebehandlung bei einer hohen Temperatur in einer Vakuumkammer erreicht. Die RCA-Reinigung ist ein typisches Verfahren, um die Kontaminanten chemisch zu entfernen. Die RCA-Reinigung umfaßt die folgenden Stufen:
    • 1. Abspülen mit reinem Wasser für einige Minuten;
    • 2. Eintauchbad mit 75°C für einige Minuten in eine Lösung, bestehend aus Ammoniumhydroxid, Wasserstoffperoxid und Wasser;
    • 3. Spülen mit Wasser für einige Minuten;
    • 4. Eintauchbad mit Raumtemperatur für einige Minuten in Fluorwasserstoffsäure mit 1 Gew.-%;
    • 5. Spülen für einige Minuten mit reinem Wasser;
    • 6. Eintauchbad mit Raumtemperatur für einige Minuten in eine Lösung, bestehend aus Chlorwasserstoffsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser;
    • 7. Spülen für einige Minuten mit reinem Wasser;
    • 8. Eintauchbad mit Raumtemperatur für einige Minuten in Fluorwassersäure mit 1 Gew.-%;
    • 9. Spülen mit Wasser für einige Minuten;
    • 10. Eintauchbad mit Raumtemperatur für einige Minuten in eine Lösung, bestehend aus Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser;
    • 11. Spülen mit reinem Wasser für einige Minuten und
    • 12. Schleudertrocknen.
  • Die chemische Reinigung bildet allerdings Ätzgrübchen auf der Oberfläche der Silicium-Germanium-Schicht und verschlechtert so die Ebenheit der Silicium-Germanium-Schicht, da die zur chemischen Reinigung verwendeten Säuren die Silicium- Germanium-Schicht anisotropisch ätzen. Die Ätzgrübchen verringern die Prozeßausbeute der Silicium-Germanium-HBTs.
  • Die Reinigung der Oberfläche der Silicium-Germanium-Schicht kann auch durch Verwendung eines organischen Lösungsmittels wie zum Beispiel Aceton erreicht werden. Allerdings werden die Kontaminanten durch organische Lösungsmittel nicht wirksam entfernt.
  • Ein anderes Problem ist die Verdampfung von Germanium aus der Silicium-Germanium-Schicht, die durch Hitzebehandlung vor der Abscheidung der Silicium-Schicht verursacht wird. Wie oben beschrieben wurde, wird das Substrat vor Abscheidung der Silicium-Schicht auf der Silicium-Germanium-Schicht einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 800°C bis 900°C unterworfen, um die Kontaminanten auf der Oberfläche der Silicium-Germanium-Schicht zu entfernen. Die Hitzebehandlung reduziert die Konzentrationen an Sauerstoff und Kohlenstoff an der Oberfläche der Silicium-Germanium-Schicht in wirksamer Weise unter die Nachweisgrenze. Allerdings verdampft die Wärmebehandlung Germanium aus der Silicium-Germanium-Schicht. Die Verdampfung von Germanium verschlechtert die Ebenheit der Silicium-Germanium-Schicht. Die schlechtere Ebenheit der Silicium-Germanium-Schicht verschlechtert die Ebenheit der darauf angeordneten Silicium-Schicht. Es wäre vorteilhaft, eine Technologie bereitzustellen, die in wirksamer Weise die Fehler aus HBTs ausschließt und auch die Ebenheit der Schichten, die in den HBTs enthalten sind, verbessert.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Fehler aus einem HBT, der eine Silicium-Germanium/Silicium- Junction enthält, auszuschließen und die Ebenheit der Schichten, die in dem HBT enthalten sind, zu verbessern.
  • Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Halbleitersubstrat ein Substrat, das hauptsächlich aus Silicium gebildet ist, eine Silicium-Germanium-Schicht, die so angeordnet ist, daß sie das Silicium-Substrat bedeckt, und eine Silicium-Schutzschicht, die im wesentlichen aus Silicium besteht. Die Silicium-Schutzschicht ist auf der Silicium- Germanium-Schicht abgeschieden.
  • Die Schutzschicht ist vorzugsweise so angeordnet, daß sie eine obere Oberfläche der Silicium-Germanium-Schicht vollständig bedeckt.
  • Die Dicke der Schutzschicht ist vorzugsweise 50 Å oder mehr, und ist so bestimmt, daß die Schutzschicht im wesentlichen keine Wirkung auf die Arbeitsgänge des Heterojunction- Bipolartransistors hat.
  • Das Substrat kann ein stark dotiertes Silicium-Substrat und eine leicht dotierte epitaxiale Silicium-Schicht umfassen.
  • Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Substrats, das zur Herstellung eines Heterojunction-Bipolartransistors verwendet wird, aus:
    Bereitstellen eines Substrats, das hauptsächlich aus Silicium gebildet ist;
    Abscheiden einer Silicium-Germanium-Schicht, um das Substrat zu bedecken;
    Abscheiden einer Silicium-Schutzschicht auf einer oberen Oberfläche der Silicium-Germanium-Schicht.
  • Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht ein Verfahren zur Herstellung eines Heterojunction- Bipolartransistors aus:
    Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, umfassend:
    ein Substrat, das hauptsächlich aus Silicium gebildet ist;
    eine Silicium-Germanium-Schicht, die unter Bedeckung des Silicium-Substrats angeordnet ist; und
    eine Silicium-Schutzschicht, die im wesentlichen aus Silicium besteht, das auf der Silicium-Germanium-Schicht abgeschieden ist;
    Abscheiden einer Silicium-Schicht auf einer oberen Oberfläche der Silicium-Schutzschicht.
  • Das Herstellungsverfahren besteht im wesentlichen aus:
    Unterwerfen des Halbleitersubstrates einer chemischen Reinigung unter Verwendung einer Säurelösung.
  • Die chemische Reinigung kann mindestens eines der folgenden Mittel umfassen: ein erstes Eintauchbad in eine Fluorwasserstofflösung und ein zweites Eintauchbad in eine Lösung, die aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid besteht.
  • Vorzugsweise besteht das Herstellungsverfahren aus:
    Aussetzen des Halbleiter-Substrates einer Ozonumgebung. Es ist auch vorteilhaft, wenn das Herstellungsverfahren aus ein Unterwerfen des Halbleitersubstrats einer thermischen Reinigung, bevor die Silicium-Schicht abgeschieden wird, umfasst.
  • Die thermische Reinigung wird vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von über 800°C durchgeführt.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines konventionellen HBT;
  • Fig. 2 zeigt eine herkömmliche CVD-Apparatur, die zur Herstellung des konventionellen HBT verwendet wird;
  • Fig. 3 zeigt ein Halbleitersubstrat, das zur Herstellung von HBTs in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • Fig. 4 zeigt eine CVD-Apparatur, die zur Herstellung des Halbleitersubstrats in dieser Ausführungsform verwendet wird;
  • Fig. 5 bis 9 sind Querschnittsdarstellungen, die ein Verfahren zur Herstellung des Halbleitersubstrats in dieser Ausführungsform zeigen;
  • Fig. 10 zeigt eine andere CVD-Apparatur, die zur Herstellung von HBTs in dieser Ausführungsform verwendet wird;
  • Fig. 11 bis 14 sind Querschnittsdarstellungen, die ein Verfahren zur Herstellung von HBTs in dieser Ausführungsform zeigen; und
  • Fig. 15 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines hergestellten HBT.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Fig. 3 zeigt ein Halbleiter-Substrat, das zur Herstellung von HBTs in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das Halbleiter-Substrat umfaßt ein Silicium- Substrat 9-1 des n-Typs, eine Silicium-Germanium-Schicht 9-2 des p-Typs und eine dünne Silicium-Schutzschicht 9-3, wie es in Fig. 3 dargestellt. Die Silicium-Germanium-Schicht 2 9-2 wird auf der Haupt(oberen)-Oberfläche des Silicium-Substrats 9-1 abgeschieden und die Silicium-Schutzschicht 9-3 wird auf der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 abgeschieden. Die Silicium-Schutzschicht 9-3 bedeckt die obere Oberfläche der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 vollständig. Wie später beschrieben wird, fungiert die Silicium-Schicht 9-3 als Schutzschicht. Es sollte betont werden, daß das Silicium- Substrat 9-1 ein stark dotiertes Substrat des n-Typs und eine schwach-dotierte epitaxiale Silicium-Schicht (nicht gezeigt), die auf dem stark-dotierten Substrat des n-Typs abgeschieden ist, umfassen kann. In diesem Fall wird die Silicium- Germanium-Schicht 9-2 auf der epitaxialen Silicium-Schicht abgeschieden.
  • Die in Fig. 3 dargestellten Halbleiter-Substrate werden für Hersteller von HBTs bereitgestellt. Die Hersteller können eine gewünschte strukturierte SiGe/Si-Junction durch Abscheidung einer Silicium-Schicht mit einer geeigneten Dicke auf der Silicium-Schutzschicht 9-3 ausbilden.
  • Vorteilhafterweise ist die Dicke der Silicium-Schutzschicht 9-3 50 Å oder mehr. Eine Silicium-Schutzschicht 9-3 mit einer Dicke von 50 Å oder mehr schützt die Silicium-Germanium- Schicht 9-2 wirksam vor einer chemischen Schädigung während der chemischen Reinigung.
  • Andererseits ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der Silicium- Schutzschicht 9-3 so dünn ist, daß es möglich ist, daß die Silicium-Schutzschicht 9-3 im wesentlichen keine Wirkung auf die Arbeitsgänge der HBTs hat.
  • Das folgende ist ein Verfahren zur Herstellung des in Fig. 3 dargestellten Halbleiter-Substrats.
  • Fig. 4 zeigt eine CVD-Apparatur 10-1, die zur Herstellung des Halbleiter-Substrats verwendet wird. Die Abscheidung der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 und der Silicium-Schutzschicht 9-3 wird durch die CVD-Apparatur 10-1 erreicht. Die CVD- Apparatur 10-1 umfaßt eine Abscheidungskammer 1-1. Eine Vakuumpumpe 2-1 ist an die Abscheidungskammer 1-1 angeschlossen, um die Abscheidungskammer 1-1 zu evakuieren. In der Abscheidungskammer 1-1 ist eine Substrathalterung 3-1 zum Halten eines Substrats 6-1 angeordnet. Die Substrathalterung 3-1 umfaßt eine Heizvorrichtung 4-1, um das Substrat 6-1 auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen. Die Abscheidungskammer 1-1 ist mit einem Ausgangsmaterialgas Gasquelle 5-1 ausgestattet. Das Ausgangsmaterialgas 5-1 umfaßt Silan und German. Phosphingas oder Diborangas können dem Ausgangsmaterialgas 5-1 zugesetzt werden, wenn ein Film abgeschieden wird, der mit Dotierungsmitteln des n-Typs oder p-Typs dotiert ist. Eine Beladungsschleusenkammer 7-1 und ein Absperrschieber 8-1 sind angeordnet, um das Substrat 6-1 in die Beschichtungskammer 1-1 einzuführen. Das Substrat 6-1 wird aus der Beschickungssteinkammer 7-1 durch den Absperrschieber 8-1 in die Beladungsschleusenkammer 1-1 eingeführt.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Halbleitersubstrats beginnt mit der Bereitstellung des Silicium-Substrats 9-1, wie es in Fig. 5 gezeigt wird. Das Silicium-Substrat 9-1 hat eine <100>-Kristallachsenorientierung und einen Durchmesser von 4 inch.
  • Vor Abscheidung der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 wird die Oberfläche des Silicium-Substrats 9-1 durch RCA-Reinigung gereinigt. Wie oben beschrieben, umfaßt die RCA-Reinigung einen Satz aus folgenden Stufen:
    • 1. Spülen mit reinem Wasser für einige Minuten;
    • 2. Eintauchbad mit 75°C für einige Minuten in einer Lösung, die aus Ammoniumhydroxid, Wasserstoffperoxid und Wasser besteht;
    • 3. Spülen für einige Minuten mit reinem Wasser;
    • 4. Eintauchbad bei Raumtemperatur für einige Minuten, das aus 1 Gew.-% Fluorwasserstoffsäure besteht;
    • 5. Spülen für einige Minuten mit reinem Wasser;
    • 6. Eintauchbad mit Raumtemperatur für einige Minuten, das aus einer Lösung aus Salzsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser besteht;
    • 7. Spülen für einige Minuten mit reinem Wasser;
    • 8. Eintauchbad mit Raumtemperatur für einige Minuten, das aus 1 Gew.-% Fluorwasserstoffsäure besteht;
    • 9. Spülen für einige Minuten mit reinem Wasser;
    • 10. Eintauchbad mit Raumtemperatur für einige Minuten, das aus einer Lösung aus Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser besteht;
    • 11. Spülen für einige Minuten mit reinem Wasser und
    • 12. Schleudertrocknung.
  • Nach der RCA-Reinigung, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, wird das Silicium-Substrat 9-1 in die Beschichtungskammer 1-1 gebracht und dann an der Substrathalterung 3-1 befestigt. Die Beschichtungskammer 1-1 wird dann mittels Vakuumpumpe 2-1 auf einen Druck von 1 × 10-9 Torr evakuiert. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, wird das Silicium-Substrat 9-1 nach der Evakuierung einer thermischen Reinigung bei einer Temperatur von 800°C bis 900°C für 5 Minuten unterzogen. Die Wärmebehandlung entfernt in wirksamer Weise Sauerstoff und Kohlenstoff von der Oberfläche des Silicium-Substrats 9-1.
  • Nach der thermischen Reinigung wird dann die Temperatur des Silicium-Substrats 9-1 auf 700°C reguliert. Die Silicium- Germanium-Schicht 9-1 und die Silicium-Schutzschicht 9-3 werden dann abgeschieden, wie es in Fig. 8 gezeigt ist.
  • Das detaillierte Verfahren der Abscheidungen ist wie folgt. Das Ausgangsmaterialgas 5-1, das die Disilan und German umfaßt, wird der Abscheidungskammer 1-1 zugeführt. Der Partialdruck des Germans wird auf 4 × 10-5 Torr reguliert. Die Zuführung des Ausgangsmaterialgases 5-1 für 10 Minuten scheidet auf dem Silicium-Substrat 9-1 die Silicium- Germanium-Schicht 9-2 mit 2000 Å ab. Eine Abscheidungstemperatur von über 500°C unterstützt die Reaktion von Silangas wirksam und verbessert damit die Kristallinität der Silicium-Germanium-Schicht 9-2.
  • Die Abscheidungen der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 und der Silicium-Schutzschicht 9-3 werden durch Reaktionen erreicht, die durch die folgenden Reaktionsformeln wiedergegeben werden:

    Si2H6 (Gas) + 2Si- → 2Si (adsorbiert) + 6H (adsorbiert),

    GeH4 (Gas) + 4Si- → 2Ge (adsorbiert) + 4H (adsorbiert) und

    2H (adsorbiert) → H2 (Gas)
  • Nach der Abscheidung der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 wird die Zufuhr des Germans gestoppt, während die Zufuhr des Disilans fortgesetzt wird. Die 10-Sekunden-Zufuhr des Disilans scheidet die Silicium-Schutzschicht 9-3 mit 50 Å ab. Nach der Abscheidung der Silicium-Schutzschicht 9-3 wird die Zufuhr des Disilans und die Erwärmung des Silicium-Substrats 9-1 gestoppt. Das Herstellungsverfahren für das Halbleiter- Substrat ist beendet. Das Halbleiter-Substrat, das mit der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 und der Silicium-Schutzschicht 9-3 bedeckt ist, wird als Halbleiter-Substrat 13 bezeichnet. Das Halbleiter-Substrat 13 wird dann aus der Abscheidungskammer 1-1 entnommen und Luft ausgesetzt, wie es in Fig. 9 dargestellt ist.
  • Die Silicium-Schutzschicht 9-3 verhindert in effektiver Weise die Kontamination der Oberfläche der Silicium-Germanium- Schicht 9-2. Die Silicium-Schutzschicht 9-3 bedeckt die Silicium-Germanium-Schicht 9-2 und fungiert als Schutzschicht. Das Aussetzen des Halbleitersubstrats 13 der Luft führt zu keiner Kontamination der Oberfläche der Silicium-Germanium-Schicht 9-2.
  • Das Aussetzen des Halbleiter-Substrats 13 der Luft kann die Oberfläche der Silicium-Schutzschicht 9-3 kontaminieren. Die Kontaminanten auf der Oberfläche der Silicium-Schutzschicht 9-3 werden jedoch durch chemische Reinigung leicht entfernt. Die Silicium-Schutzschicht 9-3, die gegenüber Säuren beständig ist, erlaubt es, daß die chemische Reinigung für die Reinigung des Halbleiter-Substrats 13 verwendet wird.
  • Das Halbleiter-Substrat 13 ist zur Herstellung von HBTs geeignet, die jeweils SiGe/Si-Junctions enthalten. Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung von HBTs beschrieben.
  • Das Herstellungsverfahren beginnt mit einer chemischen Reinigung der Oberfläche des Halbleiter-Substrats 13. Das Halbleiter-Substrat 13 wird erst einem Eintauchbad in eine Fluorwasserstoff-Säurelösung unterzogen. Die Lösung wird hergestellt, indem die Fluorwasserstoffsäure mit 45 Gew.-% mit reinem Wasser verdünnt wird. Das Eintauchbad in eine Fluorwasserstoff-Säurelösung entfernt das natürliche Oxid an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 13 wirksam. Das Volumenverhältnis der Fluorwasserstoff-Säurelösung zu reinem Wasser ist 1 : 49.
  • Das Halbleiter-Substrat wird dann einem Tauchbad in einer Lösung, die aus Schwefelsäure- und Wasserstoffperoxid-Lösung besteht, unterzogen. Das Volumenverhältnis der Schwefelsäurelösung zur Wasserstoffperoxidlösung ist 1 : 2. Die Lösung, die Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid enthält, entfernt wirksam Kontaminanten auf der Oberfläche des Halbleiter-Substrats 13.
  • Die Silicium-Schutzschicht 9-3 schützt die Silicium- Germanium-Schicht 9-2 wirksam vor einem chemischen Ätzen durch die Säure und hält somit die Ebenheit der Silicium- Germanium-Schicht 9-2 aufrecht. Eine Aufnahme durch ein optisches Mikroskop nach der chemischen Reinigung hat bewiesen, daß an der Oberfläche keine Unregelmäßigkeiten wie zum Beispiel Ätzgrübchen, beobachtet wurden.
  • Die Konzentrationen der Kontaminanten an der Oberfläche der Silicium-Schutzschicht 9-3 wurden durch Röntgenstrahl- Fotoelektronen-Spektroskopie analysiert. Die Kohlenstoffkonzentration ist kleiner als 5 × 1012 Atome/cm2 und die Metallkonzentrationen liegen unter der Nachweisgrenze, das heißt sind kleiner als 5 × 1011 Atome/cm2. Die Konzentrationen an Kohlenstoff und Metallen erwiesen sich als ausreichend niedrig. Die Sauerstoffkonzentration liegt in der Größenordnung von 5 × 1015 Atome/cm2. Eine Sauerstoffkonzentration von etwa 5 × 1015 Atome/cm2 ist kein Problem, da Sauerstoffkontaminanten von etwa 5 × 1015 Atome/cm2 durch eine thermische Reinigung entfernt werden können, wie es später beschrieben wird.
  • Vorteilhafterweise wird das Halbleiter-Substrat 13 vor oder nach der chemischen Reinigung einer Ozonumgebung ausgesetzt. Die Ozonumgebung kann durch Strahlung einer ultravioletten Strahlung auf Luft erzeugt werden. Die Ozonumgebung reduziert die Kohlenstoffkonzentration der Oberfläche des Halbleiter- Substrats 13 wirksam.
  • Nach der chemischen Reinigung wird eine dicke Silicium- Schicht, die als Emitter fungiert, auf der Silicium- Schutzschicht 9-3 abgeschieden. Die Abscheidung der Silicium- Schicht wird durch eine andere CVD-Apparatur 10-2, die in Fig. 10 dargestellt ist, erreicht. Der Aufbau der CVD- Apparatur 10-2 ist identisch mit der der CVD-Apparatur 10-1. Die CVD-Apparatur 10-2 umfaßt eine Abscheidungskammer 1-2. Eine Vakuumkammer 2-2 ist an die Abscheidungskammer 1-2 angeschlossen, um die Abscheidungskammer 1-2 zu evakuieren. In der Abscheidungskammer 1-2 ist eine Substrathalterung 3-2 zum Halten eines Substrats 6-2 angeordnet. Die Substrathalterung 3-2 umfaßt eine Heizvorrichtung 4-2, um das Substrat 6-2 auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen. Die Abscheidungskammer 1-2 ist mit einem Ausgangsmaterialgas 5-2 ausgestattet. Das Ausgangsmaterialgas 5-2 umfaßt Silan und German. Phosphingas oder Diborangas können dem Ausgangsmaterialgas 5-2 zugesetzt werden, wenn ein Film, der mit Dotierungsmitteln des n-Typs oder p-Typs dotiert ist, abgeschieden wird. Eine Beschickungssteinkammer 7-2 und ein Absperrschieber 8-2 sind angebracht, um das Substrat 6-2 in die Beschichtungskammer 1-2 einzuführen. Das Substrat 6-2 wird aus der Beladungsschleusenkammer 7-2 durch den Absperrschieber 8-2 in die Abscheidungskammer 1-2 eingeführt.
  • Die Abscheidung der dicken Silicium-Schicht beginnt mit der Einführung des Halbleiter-Substrats 13 in die Abscheidungskammer 1-2, wie es in Fig. 11 dargestellt ist. Nach Evakuierung der Abscheidungskammer 1-2 wird das Halbleiter-Substrat 13 einer thermischen Reinigung bei einer Temperatur von 800°C bis 900°C über 5 Minuten unterworfen, wie es in Fig. 12 dargestellt ist. Die thermische Reinigung entfernt Sauerstoff an der Oberfläche des Halbleiter- Substrats 13.
  • Die Silicium-Schutzschicht 9-3, die die Silicium-Germanium- Schicht 9-2 vollständig bedeckt, verhindert die Verdampfung des Germaniums aus der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 während der thermischen Reinigung. Untersuchungen des Erfinders haben bestätigt, daß die Silicium-Schutzschicht 9-3, die eine Dicke von 50 Å oder mehr hat, die Verdampfung des Germaniums wirksam unterdrückt.
  • Nach der thermischen Reinigung wird die Temperatur des Halbleiter-Substrats 13 auf 700°C reguliert und dann wird ein Ausgangsmaterialgas 5-2, das Disilan (Si2H6) umfaßt, in die Abscheidungskammer 1-2 eingeführt, wie es in Fig. 13 gezeigt ist. Der Druck des Disilangases wird auf 2,2 × 10-4 Torr reguliert. Dem Ausgangsmaterialgas 5-2 kann Phosphin- oder Diborangas zugesetzt werden.
  • Die Reaktion des Disilangases scheidet eine Silicium-Schicht 9-4 ab. Die Silicium-Schichten 9-3 und 9-4 werden unter Bildung einer dicken Silicium-Schicht 9-6 kombiniert, die als Emitter fungiert. Die Silicium-Schicht 9-6 hat eine Dicke von 6000 Å. Das Halbleiter-Substrat 13 wird nach Abscheidung der Silicium-Schicht 9-4 nachfolgend als Halbleiter-Substrat 14 bezeichnet. Es sollte betont werden, daß der Leitfähigkeitstyp der Silicium-Schutzschicht 9-3 der gleiche werden kann wie der der Silicium-Schicht 9-4, da die Verunreinigungen durch die dünne Silicium-Schicht 9-3 diffundieren.
  • Die Abscheidung der Silicium-Schicht 9-4 wird vorzugsweise bei einer Temperatur von über 500°C durchgeführt. Eine Abscheidungstemperatur von unter 500°C verringert die Abscheidungsgeschwindigkeit unter 10 Å/min. wodurch der TAT- Wert (Durchgang) der Herstellung von HBTs erhöht wird.
  • Das Halbleitersubstrat 14 wird dann aus der Abscheidungskammer 1-2 genommen, wie es in Fig. 14 dargestellt ist. Eine Aufnahme durch ein optisches Mikroskop hat bewiesen, daß das Halbleiter-Substrat 14 eine ausgezeichnete Kristallinitäts-Unebenheit aufweist. An der Oberfläche der Silicium-Schicht 9-6 wird keine Unregelmäßigkeit beobachtet, während die Konzentration der Kristallfehler auf unter 1000/cm2 verringert wird.
  • Nach der Bildung der Silicium-Schicht 9-6 werden Teile der Silicium-Schicht 9-6 unter Freilegung von Teilen der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 geätzt. Basiselektroden 9-7 werden an den freigelegten Teilen der Silicium-Germanium- Schicht 9-2 ausgebildet und auf der Silicium-Schicht 9-6 werden Emitterelektroden 9-8 ausgebildet. Eine Kollektorelektrode 9-9 wird an der rückseitigen Oberfläche des Silicium-Substrats 9-1 ausgebildet. Das Silicium-Substrat 9-1 fungiert als Kollektor, die Silicium-Germanium-Schicht 9-2 fungiert als die Basis und die Silicium-Schicht 9-6 fungiert als Emitter. Es sollte betont werden, daß das Silicium-Substrat 9-1 in der Fig. 15 ein stark dotiertes Silicium-Substrat 9-1a und eine leicht dotierte epitaxiale Silicium-Schicht 9-1b umfaßt.
  • Die Silicium-Schutzschicht 9-3, die in die Silicium-Schicht 9-6 eingearbeitet ist, hat wegen ihrer geringen Dicke im wesentlichen keine Wirkung auf die Arbeitsgänge des HBT. Die Vergleichsbeispiele wurden durchgeführt, um die Vorzüge des Herstellungsverfahrens in dieser Ausführungsform zu beweisen.
  • Es wurde ein erstes Probensubstrat hergestellt, das eine Struktur aufweist, die identisch mit der des Halbleiter- Substrats 13 in dieser Ausführungsform ist, außer, daß die Silicium-Schutzschicht 9-3 nicht darin integriert ist. Das erste Probensubstrat wird der vorstehend beschriebenen chemischen Reinigung unterzogen. Es wurde festgestellt, daß die Silicium-Germanium-Schicht 9-2 durch die Lösung, die aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid besteht, geätzt wird und im Oberflächenteil der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 Ätzgrübchen erzeugt werden. Das erste Probensubstrat wird dann der chemischen Reinigung unterworfen. Nach der chemischen Reinigung wird eine Silicium-Schicht (die der Silicium-Schicht 9-4 entspricht) direkt auf der Silicium- Germanium-Schicht 9-2 abgeschieden. In der abgeschiedenen Silicium-Schicht wird eine große Anzahl von Stapelfehlern beobachtet. Die Konzentration der Stapelfehler liegt in der Größenordnung von mehreren Hunderttausenden pro Quadratzentimeter. Es wurde davon ausgegangen, daß die Stapelfehler aus den Ätzgrübchen resultieren, die auf der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 produziert wurden. Außerdem hat die thermische Reinigung vor der Abscheidung der Silicium-Schicht eine Verdampfung von Germanium aus der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 mit sich gebracht. Die Verdampfung von Germanium hat die Germanium-Konzentration der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 reduziert.
  • Es wurden weitere Probensubstrate hergestellt, die jeweils Silicium-Schutzschichten auf der Silicium-Germanium-Schicht 9-2 enthalten. Die Dicken der Silicium-Schutzschichten sind weniger als 50 Å. Ein Probensubstrat umfaßt eine Silicium- Schutzschicht mit einer Dicke von 30 Å und das andere umfaßt eine Silicium-Schutzschicht 9-3 mit einer Dicke von 40 Å. Beide Probensubstrate werden dann der chemischen Reinigung unterworfen. In beiden Probensubstraten wurden nach der chemischen Reinigung Ätzgrübchen beobachtet. Auf den Probensubstraten wurden dann jeweils dicke Silicium-Schichten ausgebildet. In beiden Probensubstraten wurden nach der Abscheidung der dicken Silicium-Schichten Stapelfehler von mehreren Tausenden pro Quadratzentimeter beobachtet. Es wurde bewiesen, daß die Silicium-Schutzschichten 9-3, die dünner als 50 Å sind, die Kristallinität der Silicium-Schicht 9-4, die auf den Silicium-Schutzschichten 9-3 abgeschieden ist, verschlechtern.
  • Obgleich die Erfindung in ihrer bevorzugten Form mit einem gewissen Grad an Besonderheit beschrieben wurde, ist es klar, daß die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Form in Details des Aufbaus verändert werden und daß Kombination und Anordnung von Teilen neu geordnet werden können, ohne dadurch den Geist und den Schutzumfang der Erfindung, wie sie nachfolgend beansprucht wird, zu verlassen.

Claims (17)

1. Halbleiter-Substrat, das zur Herstellung von Heterojunction-Bipolartransistoren verwendet wird, umfassend:
ein Substrat (9-1), das hauptsächlich aus Silicium gebildet ist,
eine Silicium-Germanium-Schicht (9-2), die so angeordnet ist, daß sie das Silicium-Substrat (9-1) bedeckt, und
eine Silicium-Schutzschicht (9-3), die im Wesentlichen aus Silicium besteht, das auf der Silicium-Germanium-Schicht abgeschieden wurde.
2. Halbleiter-Substrat nach Anspruch 1, wobei die Schutzschicht so angeordnet ist, daß sie eine obere Oberfläche der Silicium-Germanium-Schicht (9-1) vollständig bedeckt.
3. Halbleiter-Substrat nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Silicium-Schutzschicht (9-3) 50 Å oder mehr ist.
4. Halbleiter-Substrat nach Anspruch 3, wobei die Dicke der Silicium-Schutzschicht (9-3) so bestimmt ist, daß die Silicium-Schutzschicht (9-3) im wesentlichen keine Wirkung auf Arbeitsgänge des Heterojunction- Bipolartransistors hat.
5. Halbleiter-Substrat nach Anspruch 1, wobei das Substrat umfaßt:
ein stark dotiertes Silicium-Substrat (9-1b) und
eine leicht dotierte epitaxiale Silicium-Schicht (9-1a).
6. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Substrats, das zur Herstellung eines Heterojunction- Bipolartransistors verwendet wird, wobei das Verfahren umfaßt:
Anordnen eines Substrats (9-1), das hauptsächlich aus Silicium gebildet ist;
Abscheiden einer Silicium-Germanium-Schicht (9-2), um das Substrat (9-1) zu bedecken;
Abscheiden einer Silicium-Schutzschicht (9-3) auf einer oberen Oberfläche der Silicium-Germanium- Schicht (9-2).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Substrat umfaßt:
ein stark dotiertes Silicium-Substrat (9-1a) und
eine leicht dotierte epitaxiale Silicium-Schicht (9-1b), auf der die Silicium-Germanium-Schicht (9-3) abgeschieden ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Dicke der Silicium- Schutzschicht (9-3) 50 Å oder mehr ist.
9. Halbleiter-Substrat nach Anspruch 8, wobei die Dicke der Silicium-Schutzschicht (9-3) so bestimmt ist, daß die Silicium-Schutzschicht (9-3) im wesentlichen keine Wirkung auf Arbeitsgänge des Heterojunction- Bipolartransistors hat.
10. Verfahren zur Herstellung eines Heterojunction- Bipolartransistors, umfassend:
Bereitstellen eines Halbleiter-Substrats (13), umfassend:
ein Substrat (9-1), das hauptsächlich aus Silicium gebildet ist;
eine Silicium-Germanium-Schicht (9-2), die so angeordnet ist, daß sie das Silicium-Substrat (9-1) bedeckt, und
eine Silicium-Schutzschicht (9-3), die im wesentlichen aus Silicium besteht, das auf der Silicium-Germanium-Schicht (9-2) abgeschieden wurde;
Abscheiden einer Silicium-Schicht (9-4) auf einer oberen Oberfläche der Silicium-Schutzschicht (9-3).
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Dicke der Silicium-Schutzschicht (9-3) 50 Å oder mehr ist.
12. Halbleiter-Substrat nach Anspruch 10, wobei die Dicke der Silicium-Schutzschicht (9-3) so bestimmt ist, daß die Silicium-Schutzschicht (9-3) im wesentlichen keine Wirkung auf Arbeitsgänge des Heterojunction- Bipolartransistors hat.
13. Verfahren nach Anspruch 10, das außerdem umfaßt:
Unterwerfen des Halbleitersubstrats (13) einer chemischen Reinigung unter Verwendung einer Säurelösung.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die chemische Reinigung mindestens eines der Mittel umfaßt: ein erstes Eintauchbad in eine Fluorwasserstoffsäure-Lösung und ein zweites Eintauchbad in eine Lösung, die aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid besteht.
15. Verfahren nach Anspruch 13, das außerdem umfaßt:
Aussetzen des Halbleiter-Substrats (13) einer Ozonumgebung.
16. Verfahren nach Anspruch 10, das außerdem umfaßt:
Unterwerfen des Halbleiter-Substrats (13) einer thermischen Reinigung, bevor die Silicium-Schicht (9-4) abgeschieden wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die thermische Reinigung durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von über 800°C durchgeführt wird.
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