DE1544204C3

DE1544204C3 - Verfahren zum Herstellen einer auf ein Halbleitersubstrat aufgedampften Halbleiterschicht

Info

Publication number: DE1544204C3
Application number: DE1544204A
Authority: DE
Inventors: Edward George Wappinger Falls Grochowski; Vincent James Poughkeepsie Lyons
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-09-14
Filing date: 1965-09-04
Publication date: 1974-02-14
Also published as: CH464154A; NL6511881A; DE1544204B2; BE669190A; GB1056720A; AT256184B; US3523046A; DE1544204A1; SE322844B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer auf ein dotiertes, einkristallines Halbleitersubstrat aufgedampften, einkristallinen Halbleiterschicht mit einem sich in der Schicht ausbildenden Störstellenkonzentrationsgefälle, wobei das in einer Reaktionskammer erhitzte Substrat mit einem das Halbleitermaterial und ein Trägergas enthaltenden Gasstrom beaufschlagt wird.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen in Planar- und Mesatechnik, insbesondere von Transistoren mit epitaktischen Schichten wird während des Herstellungsprozesses auf ein einkristallines Halbleitersubstrat mit einem geringen spezifischen Widerstand eine sehr dünne, einkristalline Halbleiterschicht mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand aufgebracht, die den gleichen Leitungstyp wie das Substrat aufweist und die im allgemeinen den Kollektor des Halbleiterbauelementes darstellt. Dieser Aufbau bringt eine Reihe von entscheidenden Vorteilen. Ein Substrat mit niedrigem spezifischem Widerstand verringert den inneren Widerstand und damit den Sättigungswiderstand des Kollektors. Ferner bildet sich ein Gebiet, in welchem die Lebensdauer von Minoritätsträgern sehr geringt ist, so daß die Ansprechzeit auf Signale wesentlich verringert und damit eine schnellere Signalübertragung ermöglicht wird. In ίο bestimmten Fällen ist der innere Widerstand der epitaktischen Schicht zusammen mit dem Substrat etwa 5- bis lOmal kleiner als der innere Kollektorwiderstand eines einfachen Transistors. Zudem kann der Widerstand der epitaktisch aufgebrachten Kollektorschicht so weit vergrößert werden, daß die Kollektor-Basis-Durchbruchsspannung größer und die Kollektorkapazität geringer wird.

Bei der Herstellung solcher Halbleiterbauelemente tritt jedoch ein ernsthaftes Problem bei der Beeinflussung des spezifischen Widerstandes in der epitaktischen Schicht in der Nähe der Grenzfläche zum Substrat auf. Dies rührt daher, daß während des Aufdampfens Dotierungsstoffe aus dem Substrat über die Dampfphase in die sich bildende epitaktische Schicht hineinkommen. Der Verlauf des Dotierungsstoffprofils in der epitaktischen Schicht kann daher bei der Massenherstellung von derartigen Bauelementen nicht reproduzierbar gesteuert werden. Infolgedessen treten bei den nachfolgenden Diffusionsprozessen zur Herstellung der Basis, des Emitters und anderer Übergänge Schwierigkeiten bezüglich der Weite und der Lage dieser Gebiete auf. Diese Dimensionierungsprobleme werden besonders dringend bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, die bei sehr hohen Geschwindigkeiten arbeiten. Bei diesen Bauelementen muß unbedingt darauf geachtet werden, daß die Ausdehnungen der Basis und anderer Gebiete möglichst klein bleiben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Aufdampfverfahren zur Herstellung einer epitaktischen Schicht auf einem dotierten, einkristallinen Halbleitersubstrat anzugeben, bei welchem das Störstellenkonzentrationsgefälle in der sich bildenden, epitaktischen Schicht beeinflußbar ist und bei dem durch diese Beeinflussung erreicht wird, daß sich über wesentliche Bereiche der Dicke der epitaktischen Schicht ein gleicher spezifischer Widerstand einstellt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Substrat dem das Aufdampfmaterial enthaltenden Gasstrom mit zeitlichen Unterbrechungen ausgesetzt wird, und daß während der Unterbrechungen des Aufdampfvorganges - ein - Gasstrom von das Substrat und die gebildete Schicht nicht verunreinigendem Material durch die Reaktionskammer geleitet wird.

Das zeitliche Unterbrechen von Aufdampfvorgängen ist bei Aufdampfverfahren verschiedentlich bekannt. So wird bei einem bekannten Verfahren zunächst ein aus dem Halbleitermaterial, einem Dotierungsstoff und Wasserstoff als Trägergas bestehender Gasstrom über das Substrat geleitet. Dann wird der Strom des Halbleitermaterials und des Dotierungsstoffs unterbrochen und vor der Neuzuführung eines anderen Halbleitermaterials und eines anderen Dotierungsstoffs zur Bildung der nächsten Schicht die Reaktionskammer durch Hindurchleiten eines Spülgases gereinigt, das alle Dotierungsstoffe absorbiert.

Als Spülmittel wird Siliciumtetrachlorid verwendet. Es müssen deshalb auch bestimmte Temperaturen eingehalten werden, um zu verhindern, daß eine SiIicium-Abscheidung auftritt.

Bei einem anderen bekannten Aufdampfverfahren, bei dem ein Metall auf eine metallische Unterlage aufgedampft wird, wird ein ein Metall-Carbonyl enthaltender Gasstrom in die Reaktionskammer geleitet. Um einen besseren Vakuumzustand in der Reaktionskammer zu erzeugen, erfolgt die Gaszuführung abschnittsweise, wobei während der Unterbrechungen der Zuführung das Vakuum durch Auspumpen wieder verbessert wird. Dabei werden die durch die thermische Zersetzung des Aufdampfmaterials frei gewordenen Gase entfernt.

Bei einem weiteren bekannten Aufdampfverfahren, bei dem monokristalline Schichten auf einem Halbleitersubstrat erzeugt werden sollen, wird ein Gasgemisch in die erhitzte Reaktionskammer eingefüllt und die Gaszufuhr sodann unterbrochen. Nach Bildung der Schicht aus dem in der abgeschlossenen Reaktionskammer vorhandenen Gas wird der Rest des Gases abgepumpt. Danach wird ein weiteres Gas zur Bildung der nächsten Schicht zugeführt.

Durch diese bekannten Auf dampf verfahren werden somit verschiedene Aufgaben gelöst, die von der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe verschieden sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft in der Weise angewendet, daß auf das Halbleitersubstrat eine Schicht desselben Halbleitermaterials aufgebracht wird. Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß ein aus Silicium bestehendes Substrat während des Aufdampfens mit einem gasförmigen Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff und während der Unterbrechungen des Aufdampfens mit Wasserstoffgas beaufschlagt wird.

In vorteilhafter Weise wird ein aus Silicium gebildetes Substrat in einer ersten Aufdampfphase von 0,5 bis 5 Minuten mit einem Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff in einer anschließenden Unterbrechungsphase von 5 Minuten mit Wasserstoff und in einer anschließenden, zweiten Aufdampfphase von 4 bis 12 Minuten wiederum mit dem Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff beaufschlagt. Bei einem N-leitenden Substrat aus Silicium hat es sich zur Herstellung von schnell schaltenden Transistoren als besonders vorteilhaft erwiesen, daß in einer ersten Auf dampf phase von 1,5 Minuten das Substrat mit einem Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff in einer anschließenden Unterbrechungsphase von 5 Minuten das Substrat mit Wasserstoffgas und in einer daran anschließenden, zweiten Aufdampfphase von 8,5 Minuten das Substrat wiederum mit einem Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff beaufschlagt wird.

Die Erfindung wird an Hand eines durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Halbleitersubstrat mit einer aufgedampften epitaktischen Schicht im Querschnitt,
·.:. Fig. 2 ein Diagramm der Störstellenkonzentration in Abhängigkeit von der Dicke der epitaktischen Schicht in einer Anordnung nach F i g. 1 bei Anwendung eines der dem Stand der Technik entsprechenden Verfahrens,
ι Fig. 3 ein der Darstellung in Fig. 2 entsprechendes Diagramm bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 4 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des Aufdampfverfahrens und F i g. 5 ein Zeitdiagramm für das Aufdampfverfahren.

In F i g. 1 ist ein bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements verwendetes Zwischenprodukt mit 10 bezeichnet, das aus einem einkristallinen Substrat 11

ίο aus einem Halbleitermaterial, z. B. Silicium oder Germanium und einer auf dem Substrat 11 aus der Dampfphase gezüchteten, kristallinen Halbleiterschicht gebildet wird. Die Schicht 12, deren spezifischer Widerstand sich von dem des Substrats stark unterscheidet, ist eine epitaktische Schicht, d. h., ihre Orientierung ist in bezug auf das Substrat gesetzmäßiger Art. Bei der Herstellung von Planar- und Mesa-Halbleiterbauelementen ist es üblich, ein relativ dickes Substrat 11 mit einem niedrigen spezifischen Widerstand und eine dünne, epitaktisch aufgebrachte Schicht 12 mit hohem spezifischen Widerstand zu verwenden.

Bei der Herstellung der epitaktischen Schicht 12 nach den zum Stand der Technik gehörenden Verfahren hat ihr Störstellenkonzentrationsprofil, gemessen von der Trennfläche 13 zwischen der Schicht 12 und dem Substrat 11, etwa die durch die Kurve in F i g. 2 dargestellte Form, wenn als Donatormaterial Antimon verwendet wird. Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Störstellenkonzentration in der epitaktischen Schicht in dem weniger als 1 μ von der Trennfläche 13 entfernten Bereich sehr hoch ist, bei 1 μ etwa 10¹⁸ Atome/cm³ beträgt und dann abrupt auf 10¹⁷ Atome/ cm³ absinkt. Danach verringert sich die Konzentration langsamer bis zu einem Abstand von etwa 6 μ von der Trennfläche, wonach sich der Verlauf etwas abflacht. Ein einigermaßen konstanter spezifischer Widerstand stellt sich also erst nach dem Aufwachsen einer 6 bis 8 μ dicken epitaktischen Schicht 12 auf

dem Substrat 11 ein. Bei der Massenherstellung von Halbleiterbauelementen ist es auch bei sorgfältiger Überwachung der Herstellung schwierig, gleichmäßige Störstellenkonzentrationsprofile mit dem der Fig. 2 entsprechenden Verlauf zu erzielen. Wenn als

Dotierungsstoff Arsen verwendet wird, erhält man noch wesentlich schlechtere Ergebnisse.

Bei Halbleiterbauelementen, z. B. sehr schnell schaltenden Transistoren, ist es äußerst wichtig, daß die wirksame Störstellenkonzentration in der epitaktischen Schicht in der Nähe der Trennfläche 13, möglichst in einem Abstand von nicht mehr als einigen μ, ζ. B. 1 bis 4 μ, von der Trennfläche nahezu einheitlich ist.

In F i g. 3 ist das Störstellenkonzentrationsprofil für eine epitaktische Schicht dargestellt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einem Substrat hergestellt worden ist. Wie ersichtlich, ist die Störstellenkonzentration in der Nähe der Trennfläche 13 etwas größer als 10¹⁷ Atome/cm³, sinkt in einem Abstand von 1,5 μ abrupt auf einen, Wert zwischen 10¹⁶ und 10¹⁷ Atomen/cm³ ab und wird dann im restlichen Teil der epitaktischen Schicht nahezu konstant.

In F i g. 4 ist schematisch eine Aufdampfapparatur 40 dargestellt mit einer Quarzreaktionskammer 41, die durch eine HF-Wicklung 42 aufgeheizt wird. In der Kammer befindet sich ein z.B. aus Kohlenstoff bestehender Träger 43 für das Substrat 11, der die ;HF-Energie aus der Wicklung 42 absorbiert und da~

durch eine Temperatur von ca. 1175° C in der Kammer entwickelt. Ein Reduktionsmittel, z. B. Wasserstoflgas, wird durch die Leitung 44 über das Ventil 45 dem Behälter 46 zugeführt, der eine Verbindung enthält, die unter geeigneten Bedingungen bei höherer Temperatur das Halbleitermaterial abgibt. Zwar können zu diesem Zwecke verschiedene Verbindungen benutzt werden, doch hat sich flüssiges Siliciumtetrachlorid als besonders geeignet für die epitaktische Aufbringung der Schicht 12 erwiesen.

Durch eine Regeleinrichtung, die schematisch als ein mit Flüssigkeit gefülltes Gefäß 47 dargestellt ist, wird das Gefäß 46 auf einer nahezu konstanten Temperatur gehalten. Über die Leitung 48 und das Ventil 49 wird eine gesteuerte Dampfkonzentration von Wasserstoff und Siliciumtetrachlorid in die Reaktionskammer 41 eingeleitet. Die Abflußleitung 50 und das Ventil 51 steuern den Abfluß der Abgase aus der Reaktionskammer. Die Aufdampfapparatur 40 weist eine Umwegleitung 52 und ein Ventil 53 auf, die zwisehen dem Ende' der Leitung 44 und der Einlaßöffnung zur Reaktionskammer eingeschaltet sind.

Bei der nachstehenden Erläuterung der Wirkungsweise der Apparatur von Fig. 4 sei angenommen, daß das Substrat 11 auf dem Träger 43 aufliegt, wie in Fig. 4 dargestellt, daß die HF-Wicklung 42 erregt ist und die Reaktionskammer auf eine Temperatur von ca. 1175° C erhitzt, und daß eine aus einer gasförmigen Mischung von Wasserstoff und Siliciumtetrachlorid bestehende Strömung durch die Reaktionskammer 41 hindurch für eine ausreichende Zeitdauer durch Schließen des Ventils 53 und durch Öffnen der Ventile 45, 49 und 51 hergestellt worden ist. Das Siliciumtetrachlorid in der Reaktionskammer wird unter Einwirkung des Wasserstoffs zu Silicium reduziert, das sich epitaktisch auf dem einkristallinen Substrat 11 ablagert. Die chemische Reaktion kann wie folgt ausgedrückt werden:

SiCl₄

2H₂

Si + 4HCl.

Es sei nun angenommen, daß in der Reaktionskammer eine ununterbrochene epitaktische Beschichtung stattfindet. Ein Teil des wirksamen N-leitenden Störstoffs in dem hoch dotierten Substrat 11 wandert in die wachsende epitaktische Schicht 12 und bildet dort in einem abwechselnden Ablagerungs- und Verdampfüngsmechanismus einen Bereich, der weniger hoch dotiert ist als das Substrat. Daher ist der spezifische Widerstand der wachsenden epitaktischen Schicht beträchtlich höher als derjenige des Substrats. Wenn es. sich bei dem N-leitenden Störstoff des Substrats um Antimon handelt, hat das Störstellenprofil die durch die Kurve in F i g. 2 dargestellte Form. Zwar besteht noch keine endgültige Klarheit über den hier ablaufenden Vorgang, doch wird angenommen, daß durch die Einführung des Siliciumtetrachlqriddampfes in die Reaktionskammer mit dem Wasserstoffträ_? ger- und Reduktionsgas eine erste Reaktion herbeigeführt wird, durch die eine dünne Siliciumschicht von dem Substrat abgetragen wird (»etch-bapk«) und dazu führt, daß sich eine gleichbleibende Dampfzusammensetzung in der Nähe der Substratpberfläche bildet. Während des Abtragens von Silicium aus dem Substrat tritt das in dem abgetragenen Silicium enthaltene Dotierungsmaterial innerhalb des mit dem Substrat in Kontakt befindlichen Dampfes in Erscheinung. Ein Teil des Dotierungsmaterials wird in der wachsenden Siliciumschicht neu verteilt, wodurch das in F i g. 2 dargestellte Störstellenkonzentrationsprofil entsteht.

Es sei nun angenommen, daß das Ventil 53 geschlossen und die Ventile 45, 49 und 51 offen sind, und daß für kurze Zeit, z. B. etwa 1 Minute, das gasförmige Gemisch aus Wasserstoff und Siliciumtetrachlorid durch die Reaktionskammer geleitet worden ist. Nun werden die Ventile 45 und 49 zu einem Zeitpunkt, der z.B. ca. eine halbe Minute vor dem Zeitpunkt J₁ in F i g. 5 liegt, geschlossen, und das Umwegventil 53 geöffnet. Dadurch wird der Strom des gasförmigen Gemischs aus Wasserstoff und Siliciumtetrachlorid unterbrochen, und der Wasserstoff strom wird durch die Leitung 52 und das Ventil 53 in die Kammer 41 etwa 5 Minuten lang bis zum Zeitpunkt t₂ in F i g. 5 geleitet. Der Wasserstoff strom dient zur Beseitigung des vorher in der Kammer 41 enthaltenen, gasförmigen Gemischs. Dann wird das Ventil 53 geschlossen, und die Ventile 45,49. werden wieder geöffnet. Dadurch wird der Wasserstoffstrom durch die Umwegleitung 52 unterbrochen und der Strom des gasförmigen Gemischs aus Wasserstoff und Silicium- /-tetrachlorid in die Reaktionskammer 41 über die Leitung 48 wieder hergestellt. Der Strom des Gemischs wird genügend lange, z. B. 8,5 Minuten lang bis zur Zeit i₃, aufrechterhalten.

Die Erfahrung zeigt, daß, wenn das reagierende dampf- oder gasförmige Gemisch, das sich im Kontakt mit der wachsenden epitaktischen Schicht 12 befindet, durch Reinigen der Reaktionskammer 41 mit einem nicht verunreinigenden Gas, z.B. Wasserstoff entfernt wird, nach dem Aufwachsen eines sehr dünnen, z. B. des zur Zeit t_± entstandenen Niederschlages auf dem Substrat, bei einer nachfolgenden Beschichtung, z. B. während des Intervalls t₂ bis t_s, eine epitaktische Schicht entsteht, in welcher die wirksame Störstellenkonzentration durch das Dotierungsmaterial des Substrats wenig beeinflußt wird. Der Grund dafür ist, daß das erneute oder zweite Abtragen (»etchback«) innerhalb der ersten abgelagerten Schicht erfolgt, die jetzt eine geringere Störstellenkonzentration als das ursprüngliche Substrat hat. Es entsteht daher, wie in F i g^;. 3 dargestellt, ein viel schärferer Knick im Störstellerikonzentrationsprofil für die epitaktische C Schicht.

Außer dem vorstehenden, als Beispiel beschriebenen Epitaxieverfahren können je nach dem verwendeten Halbleitermaterial, der gewünschten Dicke der epitaktischen Schicht, dem spezifischen Widerstand des Substrats und der epitaktischen Schicht sowie dem gewünschten Profil auch andere Zyklen verwendet werden. Für manche Anwendungen kann es zweckmäßig sein, den Herstellungszyklus ein oder mehrere Male zu wiederholen. Es können auch andere Aufdampfzyklen als die in F i g. 5 dargestellten verwendet werden. So hat sich das Einleiten einer gasförmigen Mischung aus Wasserstoff und Siliciumtetrachlorid während des Intervalls t₀ bis t_v das eine Dauer von etwa 0,5 bjs 5 Minuten haben kann, in die Reaktionskammer 41 und ein 5 Minuten dauerndes Reinigungsintervall t_t bis t₂, in welchem nur Wasserstoffgas oder ein anderes, nicht verunreinigendes Gas in die Reaktionskammer geleitet wird, als durchaus ausreichend erwiesen. Der letzte, während des Intervalls t₂ bis t₃ ablaufende Teil des Herstellungsprozesses, in welchem das Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff durch die Reaktionskammer 41 strömt, kann eine Dauer von ca. 4 bis 12 Minuten

haben. Bei der Herstellung von N-leitenden Epitaxieschichten hat sich für das Intervall f₀ bis t_t eine Dauer voii ca. 0,5 bis 1,5 Minuten und für das Intervall t₂ ·' bis i₃ eine Dauer von ca. 5 bis 6 Minuten am günstigsten erwiesen. Die besten Ergebnisse bei N-leitendem

Silicium und einer Dicke der epitaktischen Schicht von etwa 5 μ wurden bei einer Dauer von 1,5 Minuten für das Intervall f₀ bis t_v von 5 Minuten für das Intervall ^₁ bis f₂ und von 8,5 Minuten für das Intervall t₂ bis i₃ erzielt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer auf ein dotiertes, einkristallines Halbleitersubstrat aufgedampften, einkristallinen Halbleiterschicht mit einem sich in der Schicht ausbildenden Störstellenkonzentrationsgefälle, wobei das in einer Reaktionskammer erhitzte Substrat mit einem das Halbleitermaterial und ein Trägergas enthaltenden Gasstrom beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat dem das Aufdampfmaterial enthaltenden Gasstrom mit zeitlichen Unterbrechungen ausgesetzt wird, und daß während der Unterbrechungen des Aufdampfvorganges ein Gasstrom von das Substrat und die gebildete Schicht nicht verunreinigendem Material durch die Reaktionskammer geleitet wird. ^!

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Silicium bestehendes Substrat während des Aufdampfens mit einem gasförmigen Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff und während der Unterbrechungen des Aufdampfens mit Wasserstoffgas beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Silicium bestehendes Substrat in einer ersten Aufdampfphase von 0,5 bis 5 Minuten mit einem Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff, in einer anschließenden Unterbrechungsphase von 5 Minuten mit Wasserstoff und in einer anschließenden, zweiten Aufdampfphase von 4 bis 12 Minuten wiederum mit einem Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff beaufschlagt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein N-leitendes SiIiciumsubstrat in einer ersten Aufdampfphase von 1,5 Minuten, mit einem Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff, in einer anschließenden Unterbrechungsphase von 5 Minuten mit Wasserstoffgas und in einer daran anschließenden, zweiten Aufdampfphase von 8,5 Minuten wiederum mit einem Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Wasserstoff beaufschlagt wird.