DE19515346C2

DE19515346C2 - Verfahren zum selektiven Aufwachsen einer epitaxialen Schicht auf einem Halbleitersubstrat

Info

Publication number: DE19515346C2
Application number: DE19515346A
Authority: DE
Inventors: Jun Cyril Cabral; Kevin Kok Chan; Jack Oon Chu; Jamex Mckell Edwin Harper
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2015-04-27
Also published as: DE19515346A1; KR0147498B1; JP3138174B2; JPH07307302A; US5595600A; US5427630A; US5565031A; US5634973A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für ein selektives Aufwachsen von epitaxialen Schichten auf einem Halbleitersubstrat bei niedriger Temperatur.

Hintergrund der Erfindung

Selektives epitaxiales Aufwachsen (SEG) von Schichten aus Sili cium und Silicium-Germanium-Legierungen kann sowohl bei CMOS- als auch bei bipolaren Halbleiterbauelementen eingesetzt werden. Bei dem SEG-Verfahren wird die epitaxiale Schicht selektiv le diglich auf einer freiliegenden Siliciumoberfläche und nicht auf den Feldgebieten des Bauelementes aufgewachsen. Diese selektive Deposition führt zu einer Bauelementstruktur, die eine Isolation mit feinen Abmessungen mit hoher Aspektverhältnis-Geometrie und geringer Abweichung der effektiven Kanalbreite von der Entwurfs breite aufweist. Demzufolge wird eine Reduktion der Chipabmes sung und -fläche (bei CMOS-Bauelementen) erreicht.

Bekannte Verfahren zum selektiven Aufwachsen von epitaxialen Siliciumschichten beinhalten die Verwendung einer Maskierungs schicht, im allgemeinen Siliciumdioxid, um ein Aufwachsen der epitaxialen Schicht auf den Feldgebieten zu verhindern. Es ist eine Anzahl von Verfahren bekannt, um epitaxiales Silicium se lektiv bezüglich Siliciumdioxid unter Verwendung einer SiH₂Cl₂/HCl- oder SiCl₄/H₂-Chemie mit chemischen Depositionstechniken entweder bei Atmosphären- oder bei niedrigem Druck aufzuwachsen.

US 4 592 792 beschreibt die Abscheidung von monokristallinem Silizium auf erste und zweite Abschnitte eines Substrats und in Solid Statue Technology, Mai 1990, S. 135-141 werden optimale Verfahrensbedingungen für eine selektive Abscheidung angegeben.

Bei allen bekannten Verfahren liegt jedoch die Prozeßtemperatur für die Deposition der epitaxialen Schicht stets im Bereich von 650°C bis 1100°C. Diese hohen Temperaturen verursachen Proble me wie größere mechanische Spannung, Siliciumverwerfung, Defor mation von feinen Strukturen, Verschlechterung von Dotierprofi len und einer insgesamten thermischen Verschlechterung des Halb leiterbauelementes. Es ist wohl gegenwärtig kein derartiges Ver fahren für das selektive Aufwachsen einer Schicht aus epitaxia lem Silicium bei Temperaturen unterhalb von 650°C bekannt.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine epitaxiale Schicht wird auf einem Halbleitersubstrat oder -wafer dadurch selektiv aufgewachsen, daß über dem Wafer eine Dünnfilm-Maskierungsschicht aus einem Oxid eines Elementes er zeugt wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Scandi um, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodyin, Samarium, Europi um, Gadoliniuin, Terbium, Dysprosiuin, Holinium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium besteht. Die epitaxiale Schicht wird dann bei Temperaturen unterhalb von 650°C über dem Wafer aufgewach sen, sie wächst jedoch nicht auf der Maskierungsschicht auf.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1(a) bis 1(d) sind Querschnittsansichten, die ein selektives epitaxiales Aufwachsen bei niedriger Temperatur auf einem Halbleiterwafer unter Verwendung eines exemplarischen Mas kierungsmaterials der vorliegenden Erfindung darstellen.

Die Fig. 2(a) bis 2(c) sind Querschnittsansichten, die ein selektives polykristallines Aufwachsen bei niedriger Temperatur auf einer Zwischenschicht auf einem Halbleiterwafer unter Ver wendung eines exemplarischen Maskierungsmaterials der vorliegen den Erfindung darstellen.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die ein polykristallines Aufwachsen bei niedriger Temperatur auf einer Zwischenschicht auf einem Halbleiterwafer darstellt.

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die ein epitaxiales Auf wachsen bei niedriger Temperatur auf einem Halbleiterwafer dar stellt.

Fig. 5(a) ist eine graphische Darstellung von Rutherford-Rück streuspektroskopie(RBS)-Kurven der in den Fig. 1(a) bis 1(d) und 2(a) bis 2(c) dargestellten Beispiele. Fig. 5(b) ist eine graphische Darstellung von RBS-Kurven der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Beispiele.

Fig. 6(a) ist eine optische Mikrophotographieaufnahme der in den Fig. 1(a) bis 1(d), 2(a) bis 2(c), 3 und 4 dargestellten Beispiele nach der Deposition der epitaxialen oder polykristal linen Schicht. Fig. 6(b) ist eine optische Mikrophotographie aufnahme der in den Fig. 1(a) bis 1(d), 2(a) bis 2(c), 3 und 4 dargestellten Beispiele nach einem HCl : H₂O-Ätzvorgang, der zur Entfernung der Maskierungsschicht verwendet wird.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Nun werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren voll ständiger beschrieben, in denen das Aufwachsen einer epitaxialen Schicht dargestellt und analysiert ist. Die Fig. 1(a) bis 1(d) und 2(a) bis 2(c) stellen die Wirksamkeit einer exemplari schen Maskierungsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung eines selektiven epitaxialen Wachstums bei niedriger Temperatur (unterhalb von 650°C) dar, mit Ausnahme von Fig. 2, die ein polykristallines Wachstum zeigt. Die Fig. 3 und 4 stellen ein polykristallines Wachstum bei niedriger Temperatur über einer Zwischenschicht auf einem Halbleitersubstrat oder -wafer und ein epitaxiales Wachstum auf dem Halbleiterwafer selbst dar. Diese Figuren sind rein schematisch und sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Die Fig. 5(a), 5(b), 6(a) und 6(b) sind Analysenergebnisse der in den anderen Figuren dargestellten Strukturen.

Eine epitaxiale Schicht kann bei niedriger Temperatur gemäß ei ner exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der folgenden Weise selektiv auf einem Halbleitersubstrat oder einem Halbleiterwafer aufgewachsen werden.

Wie in Fig. 1(a) gezeigt, ist das Ausgangsmaterial ein Halblei tersubstrat oder -wafer 10. Dieser Wafer kann aus einem Material wie Silicium, Siliciumcarbid, Germanium und Verbindungen sowie Legierungen derselben bestehen. Es versteht sich, daß die genaue Größte und Form des Substrates oder Wafers nicht von entscheiden der Wichtigkeit ist und so ausgewählt werden kann, daß die Bil dung der gewünschten Anzahl von Schaltkreiselementen auf demsel ben ermöglicht wird.

Eine Maskierungsschicht 11, im Ausführungsbeispiel Yttriumoxid (Y₂O₃), wird über dem Wafer 10 in einer gewünschten Struktur aufgebracht, wie in Fig. 1(b) gezeigt. Die Oxiddeposition kann durch bekannte phy sikalische Gasphasenabscheidungstechniken, wie Sputtern, oder durch bekannte chemische Gasphasenabscheidungstechniken ausge führt werden, und jegliche gewünschte Struktur kann unter Ver wendung von (optischer oder Elektronenstrahl-) Lithographie er zeugt werden.

Eine epitaxiale Schicht 12, im Ausführungsbeispiel Silicium, wird über dem Wafer 10 mit der strukturierten Maskierungsschicht 11 aus Oxid aufge wachsen. Die epitaxiale Schicht 12 (Fig. 1(c)), die auch aus einer Silicium-Germanium-Legierung bestehen kann, wird durch chemische Gasphasenaufwachstechniken aufgewachsen. Die Deposi tion wird bei Temperaturen unterhalb von 650°C ausgeführt. Die US 5 298 452 beschreibt ein Verfahren für eine epitaxiale Deposition von Siliciumschichten bei niedriger Temperatur. Es kann eine Technik wie RBS oder optische Mikrophotographie verwendet wer den, um zu bestätigen, daß die epitaxiale Schicht 12 nicht auf der Maskierungsschicht 11 aus Oxid aufwächst. Die Maskierungs schicht 11 aus Oxid wird dann weggeätzt unter Ver wendung einer HCl : H₂O-Lösung, um eine exemplarische gewünschte Struktur 13 zu erzielen, wie in Fig. 1(d) gezeigt.

Die Maskierungsschicht 11 aus Oxid stellt außerdem eine effek tive Maskierungsschicht über einer Zwischenschicht 14 dar, z. B. einem dielektrischen Material wie Siliciumdioxid (SiO₂) oder Si₃N₄, die auf dem Halbleiterwafer 10 ausgebildet ist, wie in Fig. 2(a) gezeigt. Die Zwischenschicht 14 kann unter Verwendung von auf dem Fachgebiet allgemein bekannten Techniken erzeugt werden, die nicht im Detail beschrieben zu werden brauchen.

Die Maskierungsschicht 11 aus Y₂O₃ wird über der Zwi schenschicht 14 gemäß den gleichen Techniken, die oben beschrie ben sind, strukturiert. Nachfolgend wird, wie in Fig. 2(b) ge zeigt, eine polykristalline Schicht 15 aus Silicium über der in Fig. 2(a) gezeigten Struktur aufgebracht. Wenngleich eine gewisse laterale Überwachsung der polykristallinen Schicht 15 über die Maskierungsschicht 11 aus Oxid hinweg beobachtet wird, bestätigen RBS und optische Mikrophotographie, daß die polykri stalline Schicht 15 tatsächlich selektiv aufwächst; das heißt, sie wächst nicht auf der Maskierungsschicht 11 aus Oxid auf. Die Maskierungsschicht 11 aus Oxid wird dann wie oben weggeätzt, so daß sich die in Fig. 2(c) gezeigte Struktur ergibt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, wächst die polykristalline Schicht 15 unter dem gleichen epitaxialen Depositionsbedingungen, die oben beschrieben sind, bei Temperaturen unterhalb 650°C auf der Zwi schenschicht 14 auf, die ohne die Maskierungsschicht 11 über dem Wafer 10 ausgebildet ist. Wenngleich Siliciumdioxid bei Tempera turen über 650°C als Maskierungsmaterial wirkt, tritt bei dem in dieser Erfindung herangezogenen UHV-CVD-Prozeß bei niedrige rer Temperatur polykristallines Wachstum auf dem Siliciumdioxid auf. In ähnlicher Weise wächst die epitaxiale Schicht 12 unter den in dieser Erfindung beschriebenen Bedingungen auf dem Wafer 10 auf und führt zu einer Struktur, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist.

Beispiel 1

Ein 100 nm dicker Y₂O₃-Film 11 wurde auf einem <100<-Si-Wafer 10 mit einem Durchmesser von 82 mm aufgebracht (Fig. 1). Die Mas kierungsschicht 11 aus Y₂O₃ wurde unter Verwendung eines Magnetronsputtersystems mit seitlicher Abrasterung von einem planaren Magnetrontarget aus Oxid aufgebracht. Der Basisdruck des MRC-Sputtersystems lag zwischen 6,7 × 10^-6 Pa und 1,3 × 10^-5 Pa, und das verwendete Sputtergas bestand aus 99,9995% reinem Ar gemischt mit 0,8% bis 1,2% (99,995%) reinem O₂. Die Gaszusammensetzung wurde mit einem optischen Gasanalysenapparat gesteuert. O₂ wurde dazu verwendet zu verhindern, daß das Y₂O₃-Target metallisch wurde. An das Y₂O₃-Target wurde eine Hochfrequenzleistung von 1 kW angelegt, was eine Depo sitionsrate von 1,33 nm pro Minute ergab) Die Y₂O₃-De positionstemperatur wurde unterhalb von 250°C gehalten. RBS und XRD bestätigten, daß der Y₂O₃-Film 11 stöchiometrisch und kri stallin war.

Dann wurde der Siliciumwafer 10 mit der Y₂O₃-Schicht 11 in HF getaucht und in einem Ultrahochvakuumreaktor für chemische Gas phasenabscheidung (UHV-CVD) für ein Aufwachsen von Si und Si_0,9Ge_0,1 angeordnet. Ein derartiger Reaktor ist in der US 5 181 964 beschrieben. In dem UHV-CVD-Reaktor betrug die Temperatur 550°C; der Druck war 0,133 Pa; das Gas bestand aus einem Gemisch aus 100% Silan bei 1 sccm zuzüglich 10% German in He bei 5 sccm; und die Wachstumsrate lag im Bereich von 1 nm pro Minute bis 2 nm pro Minute und wurde mit 1,5 nm pro Minute durchgeführt. RBS wurde zum Analysieren der resultierenden Struktur verwendet. Die Ergebnisse dieser Analyse, die in Fig. 5(a) mit 20 gezeigt sind, illustrieren, daß keine Keimbildung von Si oder Si_0,9Ge_0,1 stattfand oder dieses auf dem Y₂O₃-Film 11 aufwuchs. Eine optische Mikrophotographieaufnahme, 21 in Fig. 6(a), bestätigte das Fehlen von Silicium auf der Y₂O₃-Schicht.

Beispiel 2

Unter Verwendung des gleichen Sputtersystems, wie oben beschrie ben, wurde ein 100 nm dicker Y₂O₃-Film auf einer ungefähr 400 nm dicken Schicht aus SiO₂ aufgebracht, die durch thermische Oxidation auf dem Siliciumwafer 10 (Fig. 2) ausgebildet wurde. Die resultierende Struktur wurde dann in dem UHV-CVD-Reaktor für ein Aufwachsen von 140 nm Si_0,9Ge_0,1, gefolgt von einem Aufwachsen von 100 nm Si, angeordnet. In diesem Beispiel wurden die gleichen Schichtdepositionsbedingungen verwendet, wie oben beschrieben. Wiederum wurde RBS zum Analysieren der resultierenden Struktur verwendet. Wie mit 30 in Fig. 5(a) gezeigt, fand keine Keimbil dung von Si oder Si_0,9Ge_0,1 statt, und dieses wuchs nicht auf dem Y₂O₃-Film auf. Eine optische Mikrophotographieaufnahme bestätigte das Fehlen von Silicium (mit Ausnahme einer gewissen lateralen Überwachsung), wie bei 31 in Fig. 6(a) dargestellt.

Beispiel 3

Um die Wirksamkeit von Y₂O₃ als Maskierungsschicht zu illustrie ren, wurde ein unstrukturierter Si-Wafer 10 zur Kontrolle ver wendet (Fig. 4). Auf diesem Substrat wurde keine Y₂O₃-Schicht aufgebracht. Nach einem Eintauchen in HF wurde der Si-Wafer ei nem epitaxialen UHV-CVD-Aufwachsen von 140 nm Si_0,9Ge_0,1, gefolgt von einem Aufwachsen von 100 nm Si, ausgesetzt. Die Bedingungen für diese Deposition waren die gleichen wie jene, die in den Beispielen oben beschrieben wurden. RBS wurde dazu verwendet festzustellen, daß Si mit einer Dicke von 100 nm und Si_0,9Ge_0,1 mit einer Dicke von 140 nm tatsächlich Keime bildeten und auf dem Si-Substrat aufwuchsen, wie bei 40 in Fig. 5(b) gezeigt. Eine optische Mikrophotographieaufnahme bestätigte das Aufwachsen von epitaxialem Silicium auf dem Silicium, wie bei 41 in Fig. 6(a) gezeigt.

Beispiel 4

Als weitere Kontrolle wurde ein Si-Wafer 10 mit einer darauf ausgebildeten 400 nm dicken Schicht aus SiO₂ 14 (Fig. 3) einer UHV-CVD-Deposition von polykristallinem Si_0,9Ge_0,1 und einem Auf wachsen von Si unterworfen. Die Bedingungen für diese Deposition waren die gleichen wie jene, die in den Beispielen oben be schrieben wurden. RBS wurde zum Analysieren der resultierenden Struktur verwendet, und es wurde festgestellt, daß polykristal lines Si mit einer Dicke von 100 nm und Si_0,9Ge_0,1 mit einer Dicke von 140 nm tatsächlich Keime bildeten und auf der SiO₂-Schicht 14 aufwuchsen. Dies ist mit in Fig. 5(b) bei 50 dargestellt. Eine optische Mikrophotographieaufnahme bestätigte das Vorhandensein von polykristallinem Silicium über der SiO₂-Schicht, wie in Fig. 6(a) bei 51 gezeigt.

Fig. 6(b) ist eine optische Mikrophotographieaufnahme der obi gen Beispiele 1 bis 4, nachdem die Proben durch ein HCl : H₂O-Ge misch geätzt wurden. Das HCl : H₂O-Gemisch ätzt Silicium oder Sili ciumdioxid nicht; es greift lediglich das Y₂O₃ an. Die Bezugszei chen in Fig. 6(b) entsprechen jenen in Fig. 6(a) und bezeich nen die gleichen Beispiele. Wie ersichtlich ist, verbleibt, nachdem die Y₂O₃-Schicht weggeätzt war, bei 21 lediglich das ur sprüngliche Siliciumsubstrat, während bei 31 lediglich die SiO₂-Schicht verbleibt. Es wird angenommen, daß die Tatsache, daß die Y₂O₃-Schicht bei 31 so leicht von der SiO₂-Schicht weggeätzt wur de, beweist, daß jegliches polykristallines Si, das über der Y₂O₃-Schicht beobachtet wurde, eine laterale Überwachsung war, die aus dem Aufwachsen von polykristallinem Si auf der SiO₂-Schicht resultierte. Dies liegt daran, daß dieses Überwach sungsgebiet bei Verwenden des Ätzvorgangs zur Entfernung des Y₂O₃ und zur Freilegung des SiO₂ leicht unterätzt wurde.

Die obigen Beispiele wurden auf <100<-Si- und thermisch oxidier ten <100<-Si-Wafern mit einem Durchmesser von 125 mm wiederholt. Auf diesen Substraten wurden für jedes der oben aufgeführten Beispiele die gleichen Ergebnisse erzielt.

Da Yttrium ein Element der Gruppe IIIB ist und sowohl Elemente der Gruppe IIIB als auch Elemente der Seltenen Erden alle ähn liche Eigenschaften zeigen, ist die Schlußfolgerung vernünftig, daß alle Oxide der Gruppe IIIB und Oxide der Seltenen Erden als Maskierungsmaterial für das selektive Aufwachsen von epitaxialen UHV-CVD-Schichten bei Temperaturen unterhalb von 650°C wirken. Die Oxide aller dieser Elemente liegen daher innerhalb des Um fangs der vorliegenden Erfindung, mit der Ausnahme von Actinium oxid und Promethiumoxid, da Actinium und Promethium radioaktiv sind.

Claims

1. Verfahren zum selektiven Aufwachsen einer epitaxialen Schicht auf einem Halbleitersubstrat, das folgende Schritte umfaßt:

(a) Bilden einer Maskierungsschicht aus einem Oxid eines Elementes, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samari um, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium besteht, über dem Halbleitersubstrat;
(b) Aufwachsen der epitaxialen Schicht über dem Substrat bei Temperaturen unterhalb 650°C derart, daß die epitaxiale Schicht nicht auf der Maskierungsschicht aufwächst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maskierungsschicht aus einer Dünnfilm-Maskierungsschicht im Bereich von 20 nm bis 1000 nm besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Silicium, Siliciumcar bid, Germanium und Verbindungen sowie Legierungen derselben besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die epitaxiale Schicht aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Silicium und Silicium- Germanium-Legierungen besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die epitaxiale Schicht durch chemische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maskierungsschicht durch physikalische Gasphasenabscheidung gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maskierungsschicht durch Sputtern gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maskierungsschicht durch chemische Gasphasenabscheidung gebildet wird.

9. Verfahren zum selektiven Aufwachsen einer polykristallinen Schicht auf einem Halbleitersubstrat, das folgende Schritte beinhaltet:

(a) Aufbringen einer Zwischenschicht über dem Substrat;
(b) Bilden einer Maskierungsschicht aus einem Oxid eines Elementes, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samari um, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium besteht, auf der Zwischenschicht;
(c) Aufwachsen der polykristallinen Schicht über dem Sub strat bei Temperaturen unterhalb 650°C derart, daß die polykri stalline Schicht nicht auf der Maskierungsschicht auf wächst.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Zwischenschicht aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Si₃N₄ und SiO₂ besteht.