DE1769605A1

DE1769605A1 - Verfahren zum Herstellen epitaktischer Aufwachsschichten aus Halbleitermaterial fuer elektrische Bauelemente

Info

Publication number: DE1769605A1
Application number: DE19681769605
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl-Chem Dr Seiter; Erhard Dipl-Chem Dr Sirtl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-06-14
Filing date: 1968-06-14
Publication date: 1971-07-01
Also published as: GB1229128A; AT306794B; CH499879A; FR1595220A; US3653991A; NL6908366A; SE356439B; AT308828B

Description

1763605

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, 13. JAN. IS/U

Witteisbacherplatz

VPA 68/2511

Verfahren zum Herstellen epitaktischer Aufwachsschichten aus Halbleitermaterial für elektrische Bauelemente

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen gleichmäßiger, epitaktischer Aufwachsschichten aus Halbleitermaterial für elektrische Bauelemente, insbesondere für integrierte Schaltkreise, mit auf einer

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Kristallscheibc untergebrachten, örtlich getrennten Bereichen ä ~eh jjyrolytische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung dea Halbleitermaterials und Niederschlagen dos Halbloitcrmaterialc auf einem an bestimmten Boreichen seiner Oberfläche mit einer LIaskiorungsschicht für die Abscheidung bedeckten, erhitaten, oinkristallinen Trägerkörper.

Zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen, bei denen auf einer Kristallscheibe mehrere Örtlich getrennte Bereiche der Oberflächenzono mit unterschiedlichem Leitungstyp und sehr geringer Schichtdicke für die Wirkungsweise W der Schaltung erforderlich sind, ist man auf die Verfahrensschritte sowohl der Planartechnik als auch der Epitaxie angewiesen. Zur Erzeugung örtlich begrenzter Bereiche in einer epitaktisch abgeschiedenen Oberflächenschicht war es bislang üblich, entweder die dotierte Zone durch Eindiffusion des Dotierstoffes bia zur gewünschten Tiefe in den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisenden Grundkristall durch Verfahrensschritte der Planartechnik zu erzeugen oder aber in den Grundkristall mittels aus der Planartechnik bekannter-Atz- und Fototechniken, die für den entgegengesetzten Leitungstyp vorgesehenen Zonen in entspre- chender Tiefe auszuätzen und diese Vertiefungen dann im Grundkristall durch aus der Gasphase epitaktisch abgeschiedenes Halbleitermaterial unter Zugabe eines den entgegengesetzten Leitungstyp erzeugenden Dotierstoffes wieder aufzufüllen.

Bei dieser Abscheidung von Halbleitermaterial durch Pyrolyse tritt die Schwierigkeit auf, daß die Abscheidung des HaIbleitermaterials nicht nur an den dafür vorgesehenen Stellen, sondern auch an den Bereichen der Oberfläche des Trägerkörpers stattfindet, die mit einer Maskierungssc licht verse-

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hen sind. Durch diesen Effekt wird - bedingt durch , das örtlich unterschiedliche Aufwachsen - die Gleichmäßigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schichten ganz erheblich gestört. Dem Aufwachsprozeß muß also ein mechanischer oder chemischer Einebnungsprozeß angeschlossen werden, wodurch die Oberflächenqualität der epitaktisch abgeschiedenen Schicht wieder erheblich verschlechtert wird und damit die elektrische Qualität der gefertigten Bauelemente beeinträchtigt wird.

Diene Schwierigkeiten können durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch beseitigt werden, daß durch Zugabe ■ eines freien Halogens, vorzugsweise Brom, zum Reaktionsgas die stationäre Grleichgewichtseinstellung der Reaktionsteilnehmer unter Bildung zusätzlichen Halogenwasserstoff s bei der Abscheidung an dem erhitzten Trägerkörper so beeinfluß wird, daß eine Abscheidung des Halbleitermaterials an den mit der Maskierungsschicht nicht bedeckten Stellen des Trägerkörpers stattfindet, während an den mit der Maskierungsschicht bedeckten Bereichen des Trägerkörpers durch Unterdrückung der heterogenen Keimbildung kein Halbleitermaterial abgeschieden wird.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll es liegen, daß durch Wahl eines bestimmten höheren Konzentrationsbereiches an Halbleiterhalogenid in Verbindung mit dem zugesetzten Halogen bzw. dem gebildeten Halogenwasserstoff die Reaktionsdauer auf ein Minimum eingestellt v/ird. Der selektive epitaktische Abscheidungsprazeß kann unter den dafür notwendigen Reaktionsbedingungen wie Temperatur 'und/oder Wasserstoffgehalt nur dann einwandfrei durchgeführt werden, wenn die Dauer der Reaktion noch nicht zu einer ernsthaften Veränderung der Maskierungsschicht (unerwünschte allgemeine oder örtlich begrenzte Abtragung, Rekristallisation) geführt hat.

RAD Ot³M^*''*"

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Der auf dem erfindungsgemäßen Verfahren beruhende Effekt läßt sich also mit besonderem Vorteil in der gewünschten V/eise erzielen, wenn bei relativ hohen Partialdrucken des gasförmigen Halbleitermatcrials, aber in der Mhe des Schwellwertos zwischen Abtragung und Aufwachsung dec Trägerkörpers (Substrat) gearbeitet wird. Dies bedingt eine ausreichende Waehstumsgeschwindigkeit und damit eine optimale Reaktionsdauer, ohne den kritischen Übersättigungsbereich zu verlassen, innerhalb dessen eine Abscheidung des Halbleiterraaterials auf der arteigenen Unterlage, nicht .jedoch auf der Maskierungsschicht stattfindet. Bei Substratmatorial der üblichen Kristallqualität ist die Versetzungsdichte so groß, daß keine Keimbildungsarbeit zum Schichtaufbau benötigt wird. Es genügt also in der Praxis die Kenntnis der kritischen Keimbildungsarbeit (Übersättigung) auf der Oxidoberfläche. Eine experimentell einfache Einstellung der kritischen Übersättigung wird durch die Zugabe von Brom zum Reaktionsgas erreicht, welches am Ort der gewünschten Abscheidung bereits als Bromwasserstoff vorliegt (Reaktion mit Wasserstoff bereits bei niedrigeren Temperaturen gemäß der Gleichung Br^+Hp = 2HBr).

In einer Yteitcrbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, als Reaktionsgas ein aus einem.Halogensilan oder -german der Pormol BlX. H und Wasserstoff bestehendes Gemisch zu verwenden, wobei M Germanium und Silicium, X die Halogene Chlor, Brom und Jod bedeuten und η die V/er te 0 bis 4 annehmen kann. ' .

Als Beispiel bringt die Figur 1 einen Vergleich der HCl-Gleichgewichtskonzentration P*jjqt für die Reaktion von SiCl. mit Hp bei ca. 12oo° C mit derjenigen HBr-Konzentration p„_p , die zusätzlich benötigt wird, um bei ver-

■-■ - SiCl
schiedenen -~—4-V,'erten einen Übergang von Aufwachsung

Hp
zur Abtragung des Siliciums, ti - 0, zu erreichen. Dabei

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1st als Ordinate der Druck ρ in at. und als Abszisse das Ilolverhältnis nSiCl./nHp aufgetragen. Der gewählte Arbeitspunkt (Molverhältnis SiCl./IL·) kann durch Zugabe von Inertgas noch zusätzlich variiert werden.

Yor der Abscheidung des Halbleitermaterials kann eine Abtragung des Trägerkörpers an den nicht mit der laakierungsschicht bedeckten Stellen dadurch bewirkt werden, daß entweder der Halogengehalt des Reaktionsgases gegenüber den für die Abscheidung vorgesehenen Konzentrationsverhältnissen erhöht wird oder daß der Partialdruek des Halbleiterhalogenida reduziert wird. Eine andere Möglichkeit der Abtragung des Trägorkörpers bietet sich an durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgasgemisches bei sonst gleichen Reaktionsbedingungen oder durch Erhöhung der Trägertemperatur,

Das Halogen, insbesondere Brom, kann nach der lehre der Erfindung in einem getrennten Verdampfergefäß verdampft und erst dann mit dem Wasserstoff vermischt werden. Es kann aber auch mit dem Halbleiterhalogenid in entsprecheiidem Ho!verhältnis gemischt und dann verdampft werden* Dies ist hggp^cters: dann von Vorteil, wenn die Abtragung des Silipiums vorher in einem ilussigkeitsgemiseh erfolgt. D,|^sßr Verfahrensschritt wird dadurch begünstigt, daß beispielsweise Brom und SiGl₄ bei 2imiaorteinper.at^r unbegrenzt mitei|iander.misGhbar sind und fast idgntisphe B||a|f(iruckG aufweisen. Sie löschung der

ia.t au.ßßrdßin dön Vorteil, daß im Brom, enthaltene Spure$

alf3^:§|l|e|wm03cidh|drat gebunden werden* ^e eineni'Ausführun|B^|spiGl ist deshalb auch daß dem Halogen j irisbesondarä Brom, wenn es betrennii wird ι^Γ |0|inge langen vqn

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Selbstverständlich lassen sich dem Reaktionsgas je nach Bedarf noch beliebige Mengen entsprechender Dotierstoffe zumischen, so daß Jeder gewünschte Dotiergrad in der aufgewachsenen Halbleiterschicht einstellbar ist.

Zweckmäßigorweise wird die Träger temperatur auf ungefähr 12oo° G, insbesondere 119o° 0, eingestellt. Dabei wird !gemäß einen besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung die Strömungsgeschwindigkeit des auf 1 i> SiCl. und 2 $ Brom bestehenden, als Reaktionsgas dienenden V/asserstoffs am Ort der Reaktion auf 1o - 2o cm/Sek. eingestellt. Soll vor der Abscheidung des Halbleitermaterials eine Abtragung des !Erägerkörpers vorgenommen werden, so kann dies auf einfache Weise dadurch erreicht v/erden, daß der SiCl.-Verdampfer unter Beibehaltung sonst gleicher Reaktionsbedingungen ausgeschaltet wird. -

Das Verfahren ist durchführbar bei Verwendung aller möglichen Arten von Maskierungsschichten, insbesondere bestehend aus SiO₂, Si₅N- und SiC.

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

Das Verfahren nach der Lehre der Irf-induiig ist deshalb besonders, gut geeignet zur Herstellung von aus Silicium und Germanium als Grundmaterial bestehenden integrierten Schaltkreisen, insbesondere; integrierten Schaltltrelaen. auf dem Gebiet der Planar- und MOS-'fechnik.

Weitere"*Unzelheiten dar Erfindung werd#ii im folgenden an Hand der Figuren 2-6 beschrieben.

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BAD O?*^!G'NAL

In Fig. 2 ist dor apparative Aufbau zur Durchführung dos Verfahrene schematise!! dargestellt. Datei "bedeutet den für die epitaktische Beschichtung /bzw. Abtragung des . auf einem Heizer 2 befindlichen, teilweise mit'. einer MaskierungDschicht versehenen {Drägerkörpers 3 vorgesehene Reaktionsraun. Das aus dem Verdampfer 4 kommende SiCl. tclädt sich mit dom beim Pfeil 5 einströmenden Wasserst off gas und wird mit dem aus des Verdampfer 6 kommenden Bron, das mit geringen Mengen SiGl. versetzt ist, in der Hauptleitung 7 vor dem Reaktionsraum 1 gemischt. Zur Verdünnung dieses Reaktionsgasgeinisches kann noch ein inertes Gas, beispielsweise Argon oder Stickstoff, bei der mit den Pfeil 8 markierten Stelle in die Zuleitung zum Reaktionsraum eingeführt v/erden. Zur genauen Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten dienen die mit 9 (für SiCl.-Verdampfor), 1o (für Bromverdampfer) und (für Inertgas) bezeichneten Strömungsmesser. Die Absperrhähne 12 - 16 ermöglichen ein Abschalten der einzelnen Zuführungsleitungen, die Nadelventile 17-19 ein genaues Dosieren der Gasnengen.

So wird beispielsweise bei einer linearen Strömungsgeschwindigkeit von 15 cm/sek. eines nit 1 $ SiCl^ und 2 i> Bron versetzten tfassorstoffgases bei einer Trägertenperatur von 119o° C eineAufwachsgeschwihdigkeit der epitaktisehen Schicht von o,5/u/min. erzielt, v/ährend vorher durch Abschaltung des den Verdampfer 4 für das SiCl₄ enthaltenden Zweiges, des gesamten Leitungssystems dureh Betätigen des Hahnes 12 bei einem Gehalt von 1 - 2$· Brom aus den Verdampfer 6 imiWasserist^if-ifbMe der gleichen Temperatur Halbleitermaterial mit einer Ätsgesehwindigkeit von o,5 bis 1/u/min. abgetragen v/orden ist.: ,

Die Figuren ~3 - 5 zeigen den Herstellungsgang eines Halbleiterkörpero.bei der Durchführung des erfindungsge*-

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mäßen Verfahrens. Dabei bedeutet 2o den aus dem Grundmaterial bestehenden Trägerkörper, z. B. aus p-Silicium, dessen Oberfläche teilweise mit einer Maskierungsschicht 21, bestehend aus SiOp, bedeckt ist. Fig. 4 zeigt die gleiche Anordnung nach der Ätzbohandlung mit beispielsweise einem Reaktionsgas, welches neben Wasserstoff 1 - 2 ^c/o Brom enthält und bei 115o - 12oo° C mit der erhitzton Oberfläche des Trägerkörpers reagiert hat. Dabei hat sich die durch die Linie 22 umrissene wannenförmige Vertiefung im Trygerkörper gebildet. Diese Vertiefung wird bei der nachfolgenden Abscheidung durch Absenken des Bromgehaltes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und Zuschalten des gasförmigen Halbleitervorbindung bei nahezu der gleichen Trägertenperatur mit Halbleitermaterial 23 von entgegengesetzten Leitungstyp, wie in Fig. 5 dargestellt, aufgefüllt, ohne daß sich dabei auf der als Maskierungsschicht dienenden SiOg-Schicht 21 Halbleitermaterial abscheidet.

Zum Vergleich ist in Fig. 6 eine Anordnung dargestellt, wie sie nach den bislang üblichen Verfahren hergestellt wurde. Es "= gelten die gleichen Bezugszeichen wie in den Figuren 3-5. Mit dem neuen Bezugszeichen 24 sind die unerwünschten polykristallinen Ablagerungen auf der Maskicrungsschicht bezeichnet.

18 Patentansprüche
6 Figuren

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Claims

P a t _e η t a IX_11-S_{- r}p_ r^ ü c_r Ii₁₁₁₁ e

. Verfahren zum Herstellen gleichmäßiger epitaktische"" Aurwachsschichten aus Halbleitermaterial für elektrische Bauelemente, insbesondere für integrierte Schaltkreise, mit auf einer Kristallscheibe untergebrachten, örtlich getrennten Bereichen durch pyrolytische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbieitermaterials und Niederschlagen des IlaTbloitermaterials auf einem an bestimmten Bereichen seiner Oberfläche mit einer Maskierungs-'schicht für die Abscheidung bedeckten, erhitzten, oinkristallinen Triigerkörper, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zugabe eines freien Halogens, vorzugsweise Brom, zum Reaktionsgas die stationäre Grleichgewichtseinstellung der Reaktionsteilnehmer unter Bildung zusätzlichen Halogenwasserstoff!-? bei der Abscheidung an dem erhitzten Trägerkörper so beeinflußt wird, daß eine Abscheidung des Halbleitermaterial an den mit der Maskierungsschicht nicht tedeckten Steilen des Trägerkörpers stattfindet, während an den mit der Maskierungsschicht- bedeckten Bereichen des Trägerkörpers durch Unterdrückung der .hetero«* ' genen Keimbildung kein Halbleitermaterial abgesehieden wird,
2. Verfahren nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß durch fehl eines bestimmten höheren Konzantrationsbereiches an Halbl^iterhalogenid in Verbindung mit dem zugesezten Halog©ni lzi?/> dem gebildeten Halogejiwas5erst..off die leaktionsdauei· auf ein Minimum eingestellt wird,.
3, Verfahren nach Ansprucii; 1 und 2» dadurch gekennizeiQhnet, daß: als ReaktiQjfttgas ein aus einem Halogensilan oder -german der FOrmel MX.. H und V/asserstoff be:stehendes

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Gemisch verwendet wird, wobei M GermaniuBi und Silicium,-X die Halogene Ghlor, Bron und Jod bedeuten und η die Werte 0-4 annehmen kann.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abscheidung des Halbleiternaterials eine Abtragung des Trägerkörpers an den nicht mit der Maskierungsschicht bedockten Stellen bewirkt wird,' indem der Halogengehalt des Reaktionsgases gegenüber dem für die Abscheidung vorgesehenen Konzentrationsverhältnissen erhöht wird.
™ 5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragung des Trägerkörpers durch Reduzierung des Partialdrucks des HaIbleiterhalogenids bewirkt wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragung des Träger-'körpers durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgasgemisches bei sonst gleichen Reaktions— bedingungen bewirkt wird.
7* Verfahren nach mindestena einem der Ansprüche 1 - 6, fe dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragung des. Trägerkörpers durch Erhöhung der Trägertemperatür bei sonst gleichen ReaktionshedinguBgen bewirkt wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen, insbesondere Brom, in einem getrennten. Verdampf er gefäß verdampft und erst dann mit dem Wasserstoff vermischt wird»
9· Verfahren nach mindestens einem dar Ansprüche 1 - 8_r dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen,, insbesondere

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Brom, zusammen mit den Halbleiterhalogenid in einem Verdampfergefüß in entsprechendem MolvorhUltnis gemischt und dann verdampft wird. ^J

Ίο. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 9» dadurch gekennzeichnet, daß dem Halogen, insbesondere Brom, wenn es getrennt verdampft wird, geringe Mengen von Halbleiterhalogeniden zugesetzt werden.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 1o, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktionsgas entsprechende Dotierungsstoffο zugemischt werden.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Trägertemperatur von ungefähr 12oo° 0, insbesondere 119o° C, die Strömungsgeschwindigkeit des aus 1 °/o SiCl. und 2 $ Brom bestehenden, als Reaktionsgas dienenden Y/asserstoffs am Ort der Reaktion auf 1 ο - 2o cm/sek. eingestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abscheidung eine Abtragung des Trägerkörpers durch Ausschaltung des SiCl,-Verdampfers unter Beibehaltung sonst gleicher Reaktionsbedingungen bewirkt wird.

14. Verfahren nach mindestens einen der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas noch zusätzlich durch ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff oder Argon, verdünnt"wird.

15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 - H, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskierungsschicht aus beoteht.

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16. Vorfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 -14, dadurch gekennzeichnet, daß die IJaskierungsschicht aus SiJti. besteht.

17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 -14, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskierungsschicht aus SiO besteht.
10. Verwehdung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1-17 zur Herstellung von aus Silicium oder Germanium als Grundmaterial bestehenden integrierten Schaltkreisen, insbesondere integrierten Schaltkreisen auf dem Gebiet der Planar- und MOS-Technik.

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