DE2000707A1 - Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen

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DE2000707A1 DE19702000707 DE2000707A DE2000707A1 DE 2000707 A1 DE2000707 A1 DE 2000707A1 DE 19702000707 DE19702000707 DE 19702000707 DE 2000707 A DE2000707 A DE 2000707A DE 2000707 A1 DE2000707 A1 DE 2000707A1
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Description

6925-69/Kcj/S
RCA 60,968
Convention Date:
April 11, 1969
RCA Corporation, New York, N.Y,, V.St.A.
Verfahren zur Herstellung" von integrierten Schaltungen
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen sowie ein Substratmaterial für solche Schaltungen.
Integrierte monolithische Mikroelektronikschaltungren unter Verwf:ntlunp von Halbleitersubstraten haben bestimmte Nachteile wie das Vorhandensein unerwünschter parasitärer Kapazitäten der sperr gespannten pn-Isolationsübergäng/e. Die Wechselwirkung: zwischen Komponenten innerhalb des Substrats kann auch zu ungewollten Transistorwirkungen und anderweitigen störenden Effekten führen. Man hat daher nach anderen Arten von mikrooloktronLschen Schaltungen Ausschau gehalten, die eine vollständigere Isolation zwischen den einzelnen aktiven und passiven Schalturiiiselementcn gewährleisten, ohne daß dabei die herstellung;.*;, technischen Vorteile des monolithischen Schaltungstyps, bei dem viele Komponenten gleichzeitig auf demselben Substrat in einem begrenzten Flächenbereich hergestellt werden können, verlorengehen.
liei einer der neueren Schaltungsformen besteht das Substrat aus einem Körper aus solchem Isoliermaterial, auf das sich oberflächig eine geeignete epitaktische Schicht aus Halbleitermaterial aufwachsen lallt. In einer derartigen Anordnung; können wie hai dem
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herkömmlicheren monolithischen Schaltungstyp viele Schaltungselemente gleichzeitig hergestellt und anschließend Teile der Halbleiterschicht zwischen den Schaltungselementen entfernt werden, so daß keine Wechselwirkung zwischen den Schaltungselementen durch die Materialien selbst stattfindet.
Als einigermaßen brauchbares Substratmaterial für derartige Schaltungseinheiten hat sich Saphir erwiesen. Jedoch wurde gefunden, daß Saphir bestimmten Beschränkungen unterworfen ist, so daß man nach einem besser geeigneten isolierenden Substratmaterial Ausschau gehalten hat. Es wurde gefunden, daß Magnesiumaluminat-Spinell dem Saphir deshalb überlegen ist, weil es eine bessere Anpassung in der kristallinen Struktur zwischen dem Substrat und dem Halbleiter ergibt. Dieses Material kann in sehr unterschiedlicher Zusammensetzung auftreten. Es kann die Formel MgO.χ Al0O- haben, wobei χ Werte von ungefähr 0,64 bis ungefähr 6,7 haben kann. Im Handel ist ein Einkristall-Spinell erhältlich, bei dem χ ungefähr 3,3 ist. Spinell dieser Zusammensetzung läßt sich sehr einfach züchten. Der handelsübliche Spinell wird gewöhnlich nach einem Flammenschmelzverfahren (flame fusion method) hergestellt. Bei dem Versuch, diesen handelsüblichen Spinell als Substrat tür bei ungefähr 1100 C. aufgewachsene epitaktische Siliciumschichten, in welchen mikroelektronische Schaltungselemente nach üblichen Verfahren wie Eimüffundieren von Dotierstoffen und Bildung dielektrj^ scher Schichten bei ungefähr 1100 bis 1200 C. hergestellt wurden, zu verwenden, er traben sich Schwierigkeiten aufgrund tier Herauslösung von Alumiiiiumnxyd unter Springen otler Riss ipwerclen des Substrats während uvr Behandlung mit den hohen Temperaturen. Das Auslösen von AluminLumoxyd und das Springen des Substrats haben eine Verschlechterung der· Gesamt anordnung zur Folge.
Es wurde auch die Verwendung von MagnesLumaluminat-Spinell mit stöchiometrLschem Verhältnis /wischen MgI) und Al_0«, d.h. 1:1-Verhultnis der beiden Komponenten, vorgeschlagen. Dadurch wurde zwar das Problem tier thermischen Unst ab ilitä t des Substrats bewältigt; jetloch Läßt sich Spinell dieser Zusammensetzung sehr schwierig ohne Deformiervmgen und UnvoLLkommenheiten herstellen
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und nur mit Schwierigkeit zerschneiden, ohne zu springen.
Es wurde ferner vorgeschlagen, zum Herstellen von integrierten Schaltungen Magnesiumaluminat-Spinell als Substrat für eine epitaktische Siliciumschicht zu verwenden, wobei das Molverhältnis zwischen Magnesiumoxyd und Aluminiumoxyd irgendwo im Bereich zwischen 1:1 und 1:5 liegt. Jedoch betrifft dieser bekannte Vorschlag nicht einen Spinell vom Flammenschmelztyp (flame fusion type). Ferner zeigen Spinelle mit Zusammensetzungen, bei denen das Molverhältnis von Aluminiumoxyd zu Magnesiumoxyd größer als 2,5 ist, eine thermische Instabilität bei Temperaturen, wie sie bei der Herstellung von Siliciumbauelementen angewendet werden.
Bei der Verwendung von Magnesiumaluminat-Spinell als Substrat für die Herstellung von mikroelektronischen Schaltungselementen in epitaktischen Siliciumschichten wurde jetzt gefunden, daß, um für die Schaltungsherstellung geeignete großflächige, einkristalline Siliciumfilme zu erhalten, man dafür sorgen muß, daß der Siliciumfilm in seinem Krit„,..'<-I gefüge so perfekt wie nur irgend möglich ist. Der Perfektheitsgrad der kristallinen Halbleiterschicht ist durch Faktoren wie die räumliche Beziehung zwischen der Atomanordnung im Substrat und der Atomanordnung in der entsprechenden kristallographischen Ebene des Halbleiters bestimmt. Er hängt außer dem vom physikalischen Zustand der Substratoberfläche ab. Aus diesen und anderen Gründen spielt der Zustand der dielektrischen Sub- λ stratmaterialien eineentscheidende Rolle bei der Herstellung von brauchbaren mikroelektronischen Bauelementen in einem derartigen Schaltungsbaustein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kristallines dielektrisches Substratmaterial zu schaffen, auf welchem sich epitaktische Siliciumschichten mit einer für die Herstellung guter mikroelektronischer Schaltungselemente ausreichend hohen Güte aufwachsen lassen.
Weiter soll durch die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer mikroelektronischeu Schaltung angegeben werden, die aus nirmm einkrista]1inon Ui«lektrikumkörper auκ Substrat
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material und einer mit dem Substrat vereinigten epitaktischen Schicht aus Silicium besteht, wobei die Schaltungselemente innerhalb der Halbleiterschicht hergestellt werden und voneinander durch ein Dielektrikum isoliert sind.
In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 im Querschnitt einen erfindungsgemäß herstellbaren Baustein mit Spinell-Substrat und epitaktischer Halbleiterschicht; und
Figur 2 im Querschnitt einen Baustein nach Figur 1 mit einem darin ausgebildeten Schaltungselement.
Beispiel 1
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muß ein einkristalliner Körper aus Magnesiumaluminat-Spinell mit einer Zusammensetzung in einem bestimmten Dereich gezüchtet werden. Wegen des hohen Schmelzpunktes des Materials (ungefähr 2100 C.), des weiten Mischkristallisierbarkeitsbereiches der Bestandteile, des inkongruenten Verdampfungsverhaltens (vornehmlich Verlust an Magnesium) und der komplizierten Ausfällungserscheinungen innerhalb des Kristalls ist es schwierig, Spinell-Einkristalle hoher Güte mit kontrollierter Zusammensetzung zu züchten. Eine für das Züchten von Spinell-Einkristallen von für die erfindungsgemäßen Zwecke ausreichender Perfektion geeignete Apparatur besteht aus einem Pulvereingabemechanismus, einem Verneuil-Hrenner, einem keramischen Züchtungsofen, einem rotierenden Kristallkeimhalter und einem Absenkmechanismus. Der Züchtungsofen ist in einem Gehäuse eingeschlossen. Während des Betriebs kann das den Ofen umgebende Gehäuse vollständig geschlossen sein und der wachsende Kristall durch zwei Einblicköffnungen, die mit einstellbaren Filtern und Kreuzpo]ari satoren ausgerüstet sind, beobachtet werden. Das Cehäuse gewährleistet eine gleichmäßige Arbeiisiemperatur unter Ausschaltung von Zug, tier im wachsenden Kristall einen thermischen Schock hervorrufen Könnte.
\>vv Pul vorei ngabemochnni smus besieht aus pi nor Ei ngnbet ν i oh-
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teranordnung aus Messing und einem solenoidbetätigten Abzapfmechanismus. Die Zuflußmenge der Pulver wird durch sowohl die Intensität als auch die Frequenz der Abzapfung genau kontrolliert.
Der verwendete Verneuil-Brenner sollte mit kritischen Abmessungen so konstruiert sein, daß scharfe, turbulente Mischzonen
vermieden werden. Der Brenner ist vorzugsweise vom Dreirohr-Nachgemischt-Typ (three-tube post-mixed type), wie in der Arbeit von
J. Adamski im "J. Appl. Phys.", 36, Seite I784 (1965) beschrieben. Bei diesem Brennertyp wird Sauerstoff durch sowohl ein Mittelrohr des Brenners vom Eingabetrichter als auch durch einen Se±.jfceneinlaß in das äußere konzentrische Rohr eingespeist. Wasserstoff wird durch ein T-Wärmeaustauschstück nahe der Oberseite des Brenners in das konzentrische Zwischenrohr eingespeist.
Die für die Kristallzüchtung verwendeten schwach aluminiumreichen Spinellpulver werden durch dreistündiges Brennen von vorbestimmten Gemischen aus zusammen ausgefällten rekristallisierten Metallalaunen und Sulphaten hoher Reinheit bei 1100 C. hergestellt. Die Pulver sind in Form fein verteilter Teilchen.
Kristalle wurden mit Hilfe eines selbstkeimbildenden Pulverkonusverfahrens (self-seeding powder cone technique) gezüchtet.
Zur Einleitung des Spinellkristallwachstums von einem Pulverkonus wird auf einem Röhrchen aus hochreinem Aluminiumoxyd eine gesinterte Materialmasse vor dem Schmelzen aufgebaut. Durch das anfängliche Wachsen eines schmalen Stäbchens entsteht ein Einkristall, der
dann durch Einstellen der Wachstumsparameter dazu gebracht werden kann, in die Breite zu wachsen.
Der Wachstumsprozess wird durch drei Faktoren gesteuert: die Wasserstoff- und Sauerstoff-Gasdurchsätze, welche die Temperatur
und Form der Flamme bestimmen; die Pulverzuflußmenge und die
Kristallabsenkgeschwindigkei t. Typische Wachsturnsverfahrensbedingungen im Dauerbetrieb sind: ein Wasserstoffdurchsatz von 15 bis
2 5 l/min, «in innerer Sauerstoffdurchsatz von 1 bis 5 l/min, ein
äußerer Sauerstoffdurchsetz von 6 bis 15 l/min und eine Kristall-
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absenkgeschwindigkeit von 0,2 bis 0,4cm/h (0,08 bis 0,16 Zoll/ Stunde). Unter diesen Bedingungen kann ein Kristall von ungefähr 1,9 bis 2,5 cm Durchmesser und 2,5 bis 3,8 cm Länge in einer Zeit von 8 bis 10 Stunden unter Verwendung von Pulverzusammensetzungen im Bereich von MgO:1,7 Al-O bis MgO:2,5 Al-O. gezüchtet werden. Für Pulver mit geringerem Aluminiumoxydgehalt sind längere Wachstumszeiten erforderlich.
Außer nach dem Pulver konus verfahr en können die Kristalle auch auf (100)-orientierten Kristallkeimen unter Verwendung von Pulvern der gleichen Zusammensetzung wie der Kristallkeim gezüchtet werden.
Substratplättchen mit (ill)-, (100)- und (110)-Orientierung wurden aus den schwach aluminiumreichen Spinell-Einkristallen hergestellt. Für das Substrat sind die (100)-Wachstumsachsen am wünschenswertesten. Da die Substratgüte in direkter Beziehung zum Perfektionsgrad der epitaktischen Schicht steht, ist ein genaues Zuschneiden mit anschließender sorgfältiger Oberflächenzubereitung erforderlich, um Silicium-Spinell-Verbundkörper mit reproduzierbaren Eigenschaften zu erhalten.
Die Orientierung der Spinellkristalle zum Schneiden wird nach dem Laueschen Röntgenstrahl-Rückreflexionsverfahren bestimmt. Spinellscheibchen mit einer Dicke von ungefähr 0,5 mm (20 Mil) wurden durch Schneiden der röntgenstrahlorientierten Kristalle mit Hilfe einer Standard-Diamantscheibe hergestellt. Die Genauigkeit während des gesamten Verfahrens war besser als + 1/2 .
Der nächste Schritt bei der Herstellung eines Substrats zum Aufwachsen epitaktischer Schichten besteht darin, daß die Scheibchenoberfläche mechanisch geläppt und poliert wird, so daß sich eine ebene, glatte Oberfläche ergibt. Das Läppen kann mit Borkarbid-Schlei f mitte Ln von ungefähr 30 Mikron durchgeführt werden, so daß sich eine ebene, koplanare Oberfläche ergibt. Die geläppte Oberfläche kann unter Verwendung fortlaufend feinkörnigeren Aluminiumoxyds, im allgemeinen endend mit der Stufe 0,3 Mikron, weiter poliert werden. Nach dem Polieren haben die Scheibchen im allgemeinen eine I-benheit von besser als + 0,4 Mikron/cm, nachge-
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wiesen durch interferometrische Messung.
Nach dem oben beschriebenen Verfahren gezüchtete Kristalle enthalten an den Kationenplätzen Wasserstoff in einer Menge von ungefähr 0,00001 bis ungefähr 0,1 Gewichtsprozent. Experimentelle Untersuchungen zeigen, daß die Verteilung des Wasserstoffs an den Kationenplätzen vom Aluminium/Magnesium-Verhältnis des Spinell-Grundmaterials abhängt.
Obwohl Substratscheibchen von gezüchteten, ungeglühten Kristallen hergestellt werden können, werden durch die mechanische Behandlung in Kristallen, die aus Beschickungen mit einem Aluminiumgehalt von weniger als MgO:2Al2O- gezüchtet worden sind, Λ häufig Risse hervorgerufen. Die Rißbildung kann durch eine nachträgliche Glühbehandlung beseitigt werden. Kristalle, die aus Beschickungszusammensetzungen von MgO: 1,5 Al0O13 und MgO :1,7Al9O- ge-
ο ο
züchtet wurden, wurden 24 Stunden lang bei 1500 C. bzw. 1100 C. geglüht. Es wurde gefunden, daß durch diese Glühbehandlung die mechanische Stabilität der Kristalle sich erhöhte.
Nach dem mechanischen Polieren eines Substratscheibchens finden sich auf den Substratoberflächen im allgemeinen oberflächliche Beschädigungen, Kratzer, adsorbierte Schichten sowie Verunreinigungsansammlungen vor. Diese Oberflächendefekte führen zu Defekten in den nachträglich aufgewachsenen epitaktischen Schichten. Eine Möglichkeit, die meisten dieser Oberflächendefekte zu besei- M tigen, besteht darin, daß man das Substratscheibchen vorzugsweise mindestens 20 Minuten bis 1 ,Stunde lang in Wasserstoff bei ungefähr II50 bis 1200° C. glüht, obwohl man auch Temperaturen von ungefähr 900 bis 1400 C. verwenden kann. Jedoch werden durch das Wasserstoffglühen die meisten Kratzer nicht entfernt.
Oberflächenkratzer, die durch das mechanische Polieren hervorgerufen worden sind und durch Wasserstoffglühen nicht entfernt werden können, lassen sich durch Ätzen dor Spinelloberfläche in Na2B4O bod 8 50° C. entfernen.
Auf j η der oben beschriebenen Weise hergestellte S- tstraio
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können nach herkömmlichen Verfahren, beispielsweise durch Pyrolyse von Silan (SiH.) oder durch Reduzieren von Siliciumtetrachlorid epitaktische Siliciumschichten aufgewachsen werden. In die SiIiciumschicht können während des Aufwachsens üotierstoffe vom entweder p- oder η-Typ eingebracht werden.
Wie in Figur 1 gezeigt, kann ein Baustein der obigen Art ein einkristallines Spinell-Substratscheibchen 2 aufweisen, bei welchem die Zusammensetzung des Spinells MgO:2Al_O» ist und der Spinell ungefähr 0,01 Gewichtsprozent eingeschlossenen Wasserstoff an Kationenplätzen enthält.
Auf die eine Hauptfläche 4 des Substratscheibchens 2 wird eine epitaktische Schicht 6 aus Silicium aufgewachsen. Dies kann in der Weise geschehen, daß das zubereitete Scheibchen in ein wassergekühltes Ofenrohr auf einen Suszeptorblock mit nach oben gewandter polierter Fläche 4 gegeben wird. Während das Substrat auf ungefähr 1100 bis 1150 C. gehalten wird, wird durch den Ofen ein Gemisch aus 97 Volumenprozent Wasserstoff und 3 Volumenprozent Silan geleitet. Soll die epitaktische Schicht p-dotiert sein, so wird mit dem ersten Gemisch ein zweites Gasgemisch aus Wasserstoff und ungefähr 50 Teilen ,je Million Diboran vermischt. Wenn die Schicht η-dotiert sein soll, besteht das zweite Gemisch aus Wasserstoff und 50 Teilen je Million Phosphin.
Das mit Wasserstoff verdünnte Silan zersetzt sich zu Wasserstoff und elementarem Silicium. Der Wasserstoff strömt aus dem Ofenrohr aus, während das Silicium sich auf der polierten und geätzten Fläche 4 des Spinellsubstratscheibchens 2 niederschlägt und als einkristalline Schicht aufwächst. Die Aufwachsgeschwindigkeit der Siliciumschicht hängt von der Konzentration des Silans im Gemisch, dem Gemischdurchsatz und der Temperatur im Ofen ab. Die Schicht 6 kann in einer Dicke von z.B. 1 bis 50 Mikron aufgewachsen werden.
Beispiel 2
Der oben beschriebene epitaktische Schichtkörper kann für
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die Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet werden. Beliebige Schaltungselemente wie Bipolartransistoren, gitterisolierte Feldeffekttransistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren können nach herkömmlichen Verfahren in der epitaktischen Schicht 6 ausgebildet werden. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung (Figur 2) einen gitterisolierten Feldeffekttransistor 8 mit einem diffundierten Quellengebiet 10, einem diffundierten Abflußgebiet 12, einem oberflächlichen Kanalgebiet 14> einer Gitter; isolierschicht l6 und einer Gitterelektrode (Steuerelektrode) l8 enthalten. Das Bauelement kann ferner eine Schicht aus passivierendem Schutzoxyd 20, einen Quellenelektrodenanschluß 22 und einen Abflußelektrodenanschluß 24 enthalten. Wenn die epitaktische SiIi- λ ciumschicht 6 p-leitend ist, können das Quellen- und das Abflußgebiet durch ungefähr 15 Minuten langes Eindiffundieren von Phosphor aus Phosphoroxychlorid bei ungefähr 1050 C. hergestellt werden. Die Passivierungsschicht 20 kann z.B. aus Siliciumdioxyd oder Siliciumnitrid bestehen, und die metallischen Anschlußelektroden 22 und 24 sowie die Gitterelektrode l8 können aus einem Metall wie Aluminium, Gold, Chrom oder Palladium bestehen.
Die Gitterisolierschicht 16 kann durch 45 Minuten lange trockene Oxydation bei 1150° C. unter Verwendung des Spinellsubstrats, hergestellt in der oben beschriebenen Weise mit einer fusammensetzung, bei welcher das Verhältnis von Aluminiumoxyd zu Magnesiumoxyd zwischen 1,5 und 2,5 beträgt, gebildet werden. Bei Λ Anwendung der eben beschriebenen Verfahrensschritte erfolgt keine Rißbildung im Substrat sowie kein Herauslösen des Aluminiumoxyds aus dem Substrat.
Wenn das Verhältnis von Aluminiumoxyd zu Magnesiumoxyd größer als ungefähr 2,5 ist, besteht die Neigung zum Herauslösen und zur Rißbildung im Substrat. Die Schwierigkeit vergrößert sich mit zunehmend größerem Verhältnis von Aluminium zu Magnesium.
Eb hat eich eomit ergeben, daß für die Herstellung von inte grierten Schaltungen oder Schichten aus epitaktisch auf ein Spinell, substrat aufgebrachten Halbleitern eine im Hinblick auf die Er-
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zielung guter Resultate wichtige Voraussetzung die Anwendung des hier spezifizierten sehr engen Zusammensetzungsbereiches des Spinells ist.
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Claims (5)

Patentansprüche
1. Verbundkörper mit einem Substrat aus einkristallinem Magnesiumaluminat-Spinell, dadurch gekennzei chn e t, daß der Spinell die Zusammensetzung MgO.χ Al «Ο- hat, wobei χ = 1,5 bis 2,5 und der Kristall ungefähr 0,00001 bis 0,1 Gewichtsprozent eingeschlossenen Wasserstoff enthältj und daß mit dem Substrat (2) eine epitaktische Schicht (6) aus einkristallinem Silicium verbunden ist.
2. Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen, bei welchem dielektrikumisolierte Halbleiterbauelemente und dazugehörige Verschaltungen in Teilen einer epitaktischen Schicht aus einkristallinem Silicium, die mit einem Substrat aus Magnesiumaluminat-Spinell verbunden ist, ausgebildet werden, d a d u r ch gekennzeichnet, daß nach einem Flammenschmelzverfahren ein Substratkörper aus einkristallinem Magnesiumaluminat-Spinell der Formel MgO.χ Al2O., wobei χ = 1,5 bis 2,5 und der Kristall ungefähr 0,00001 bis 0,1 Gewichtsprozent eingeschlossenen Wasserstoff enthält, hergestellt wird; daß die Oberfläche des Substratkörpers bei ungefähr 900 bis 1400° C. geglüht wirdj und daß auf die geglühte Oberfläche eine epitaktische Schicht aus Silicium bei ungefähr 1100° C. aufgewachsen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Siliciumschicht durch Eindiffundieren bei Temperaturen von mindestens ungefähr 1100° C. mit Verunreinigungen dotiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die dotierte epitaktische Schicht eine Dielektrikumschicht bei ungefähr 1150 bis 1200° C. aufgebracht wird.
00984S/1618
/UÜU707
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrikumschicht aus nach einem trockenen Oxydationsverfahren aufgebrachtem Siliciumdioxyd besteht .
00984SM618
DE19702000707 1969-04-11 1970-01-08 Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen Pending DE2000707A1 (de)

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