DE2005271B2 - Epitaxialverfahren zum Aufwachsen von Halbleitermaterial auf einem dotierten Halbleitersubstrat - Google Patents
Epitaxialverfahren zum Aufwachsen von Halbleitermaterial auf einem dotierten HalbleitersubstratInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Epitaxialverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen, insbesondere von monolithischen oder integrierten wi
Strukturen, werden in großem Umfang Epitaxieschichten erzeugt, um dadurch ein Halbleitersubstrat
zu verdicken, oder um P/N-Übergänge herzustellen, indem eine Schicht des einen Leitfähigkeitstyps auf
einem Halbleitersubstrat des anderen Leitfähigkeits- *λ
typs gebildet wird. Bei der Herstellung von Schichten mittels Epitaxie, wie sie in der Halbleiterherstellung
üblich ist, wird Material auf einem einkristallinen Substrat mit einer Kristallstruktur, die gleich oder
ähnlich ist wie die der aufzuwachsenden Schicht, niedergeschlagen, und man erzeugt dadurch eine einkristalline
Schicht, deren Orientierung durch diejenige des Substrats bestimmt ist. Eine typische Anwendung
der Epitaxie beinhaltet das Aufwachsen einer Siliciumschicht auf einem Siliciumsubstrat durch chemische
Reduktion, beispielsweise von Siliciumtetrachlorid in einer Wasserstoffatmosphäre, welche, wenn dies erwünscht
ist, eine Leitfähigkeit in Halbleitermaterial erzeugende Verunreinigung, wie z. B. Phosphor, Bor,
Arsen oder ähnliche Materialien enthalten kann, wobei das im Einzelfall angewandte Dotierungsmaterial
von den erwünschten Eigenschaften in der herzustellenden Epitaxieschicht abhängt. Wird z. B. eine Epitaxieschicht
aus p-Ieitendem Silicium gewünscht, so benutzt man eine Borverbindung, beispielsweise B2H6
(Diboran) oder BBr3 (Bortribromid) welches der Wasserstoffatmosphäre zugesetzt wird, in welcher der
Aufwachsprozeß durchgeführt werden soll. Meist erfolgt eine vorherige Mischung mit dem reduzierten
Gas z. B. mit Wasserstoff, wobei die genannten Substanzen als Akzeptorstörstoffe wirken. Wird umgekehrt
eine N-leitende epitaktische Schicht gewünscht, so kann man Arsen- oder Phosphorverbindungen in
die Atmosphäre einbringen, in der der epitaktische Aufwachsprozeß durchgeführt wird. Hierzu geeignete
Substanzen sind z. B. AsH3 (Arsin) oder PH3 (Phosphin).
Im allgemeinen jedoch sind epitaktische Züchtungsverfahren auch auf andere Halbleitermaterialien,
eingeschlossen Germanium und die Halbleitersubstanzen der lll-V-Verbindungen, wie beispielsweise
Galliumphosphid und Galliumarsenid anwendbar.
Bei einem typischen epitaktischen Niederschlagsprozeß ruht das als Substrat dienende Siliciumplättchen
auf einer Unterlage, die in einem röhrenförmigen
Reaktionsgefäß aus Quarz befestigt ist, in dem das Halbleiterplättchen aufgeheizt wird. Die Aufheizung
erfolgt durch Wärmeleitung aus der Unterlage heraus, die selbst mittels Hochfrequenzene.rgie aufgeheizt
wird. Bei Arbeitstemperaturen von etwa 1150° C wird dampfförmiges Siliciumtetrachlorid durch das
Reaktionsrohr hindurchgeführt, wobei als reduzierendes Gas Wasserstoff benutzt wird, welches eine geeignete
Menge von Störstoffen, wie PH,, B2H6, AsH3
usw. enthalten kann. Bei den Arbeitstemperaturen wird das Siliciumtetrachlorid durch das Wasserstoffgas
reduziert, wodurch sich in der Nähe der Oberfläche des Substrats Silicium epitaktisch ausscheidet, was
entweder in Form von reinem oder mit Störstellen versetztem Material stattfindet.
Die Durchführung derartiger epitaktischer Niederschlagsprozesse bei den genannten erhöhten Temperaturen
etwa in der Gegend von 1150° C weisen aber einige Nachteile auf. Eines der hierbei auftretenden
Probleme wird allgemein als Selbstdiffusion bezeichnet und tritt hauptsächlich auf bei epitaktischen Prozessen,
bei denen dampfförmige Stoffe über Halbleitersubstrate hinweggeführt werden, die ihrerseits sehr
starke Störstellenkonzentrationen besitzen, wobei die Nachteile besonders störend dann zutage treten, wenn
die zu zersetzenden Dämpfe selbst einen nur verhältnismäßig geringen Anteil an Dotiersubstanzen aufweisen.
Beiden obengenannten erhöhten Temperaturen ergibt sich eine Aus- bzw. Rückdiffusion der
Dotierstoffe aus dem stark dotierten Substrat in die zur Durchführung des epitaktischen Prozesses dar-
überhinwegströmenden Atmosphäre, wodurch deren Zusammensetzung in unerwünschter Weise geändert
wird. Durch dieses Phänomen ergeben sich unerwünschte Abweichungen von den an sich gewünschten
Halbleitereigenschaften (Widerstandswerte usw.) und in extremen Fällen kann sogar eine Umkehr des Leitungstyps
im Substrat und in der epitaktischen Schicht selbst eintreten. Wird ein Gasstrom zur epiiaktischen
Züchtung benutzt, so wird dieser in progressiver Weise mit Störstellenatomen angereichert, und zwar
in dem Maße, wie diese aus der in dem Substrat enthaltenen Dotiersubstanz ausdiffundieren. Hierbei ergibt
sich eine stärkere Dotierung der epitaktischen Niederschläge in Richtung des Gasstroms, so daß bei
den fertiggestellten Produkten nicht mehr vertretbare
Variationen der Halbleiter- bzw. Bauelementeigenschaften, insbesondere der spezifischen Leitfähigkeiten,
auftreten.
In denjenigen Fällen, in denen die aufgewachsene Epitaxieschicht und das Substrat von entgegengesetztem
Leitfähigkeitstyp sind, bewirkt diese Selbstdiffusion (autodoping) eine Kompensation der Wirkungen
der Dotieirungsstoffe und außerdem Schwankungen des Widerstands. Die genannten Schwierigkeiten treten
besonders stark bei einem Substrat auf, in welchem P- und/oder N-dotierte Bereiche vorhanden sind,
welche die aufgewachsene Epitaxieschicht sehr stark beeinflussen. In diesen Fällen erfolgt die Selbstdiffusion
besonders stark am Anfang des Schichtwachstums, wodurch unkontrollierte und unerwünschte Variationen
von Abmessungen eingebauter Bereiche, der Verunreinigungskonzentration, der Aufwachsgeschwindigkeit
und der erzielten Schichtdicke auftreten können.
Das Problem der Selbstdiffusion beim Aufzüchten einer epitaktischen Schicht auf ein dotiertes Halbleitersubstrat
bei Temperaturen von beispielsweise 1250° C und eint Möglichkeit, wie dabei eine Dotierung
der Oberflächenbereiche des Halbleiterkörpers, auf welche keine epitaktische Schicht aufgewachsen
wird, verhindert wird, ist in der DAS 1227155 beschrieben.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Aufzüchten von Halbleiterschichten mit festgelegten
Eigenschaften auf dotierten Halbleitersubstraten anzugeben, bei dem kein Dotierungsmaterial aus
dem Halbleitersubstrat auf dem Weg über d'e Gasatmosphäre in die aufwachsende Schicht eingebaut wird,
und mit dem reproduzierbare Ergebnisse wirtschaftlich erzielt werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Ein Verfahren, bei dem die Epitaxieschicht in zwei Schichten aufgebracht wird, wobei zunächst möglichst
schnell eine dünne, zwischen 1 und 3 μπι dicke Schicht
und anschließend auf dieser Schicht eine weitere Schicht bis zur gewünschten Gesamtdicke mittels der
üblichen Epitaxialtechnik aufgewachsen wird, ist aus der DAS 1223060 bekannt. Damit das Aufwachsen
im ersten Schritt schnell erfolgt, wird dabei die bekannte, weiter oben beschriebene Epitaxialtechnik so
abgewandelt, daß die Konzentration der Reaktanten im Reaktionsgemisch und/oder die Substrattemperatur
erhöht wird. Der Zweck dieses Verfahrens ist es, der Selbstdiffusion entgegenzuwirken. Gemäß der gestellten
Aufgabe soll dieses bekannte Verfahren die Selbstdiffusion nur mildern und ist auch nur dazu in
der Lage. Hinzu kommt, daß das bekannte Verfahren in keiner Weise es nahelegt, im ersten Aufwachsschritt
die Substrattemperatur zu erniedrigen, sondern im Gegenteil eine Erhöhung der Substrattemperatur
vorgeschlagen wird. Gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren hat das bekannte Verfahren außerdem
die Nachteile, daß im ersten Schritt die aufwachsende Schicht teilweise polykristallin iverden kann,
daß die Steuerung der Eigenschaften der aufwachsen-
i" den Schicht nicht optimal möglich ist, und daß bei Anwendung
sehr hoher Temperaturen das Substrat, auf dem aufgewachsen wird, und Teile der Aufdampf vorrichtung
hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden.
i» Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens, dessen Patentschutz lediglich auf die Kombination
sämtlicher, im Anspruch 1 beanspruchten Merkmale und die darauf aufgebauten vorteilhaften Ausgestaltungen
in den Unteransprüchen, sich erstrecken soll,
-" werden in der folgenden Beschreibung anhand von Figuren besprochen. Es zeigen
Fig. 1—4 Teile von Halbleiterstrukturen im Querschnitt
in verschiedenen Stadien der Herstellung mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
-"· Verfahrens.
Wie aus aen Figuren hervorgeht, ist als Ausführungsbeispiel
ein N-dotiertes Substrat 1 gewählt, welches zwei eingebettete dotierte Zonen 2 und 3 enthält,
die ihrerseits N+- und P+-leitend sind. In Fig. 1 ist
i'i das monokristalline Substrat 1 aus Silicium gezeigt,
welches eine Dicke von etwa 200 μ besitzt, und das in konventioneller Weise so mit einer N-Leitfähigkeit
erzeugenden Dotiersubstanz behandelt ist, daß sich ein spezifischer Widerstand von mindestens
r, 0,1 Ω · cm einstellt. In vielen Fällen wird auch eine
spezifische Leitfähigkeit zwischen etwa 0,005 bis 0,01 Ω · cm gewählt. Die Eingliederung der stark dotierten
Zonen 2 und 3 geschieht mittels bekannter Diffusionsverfahren. Die Strukturgebung der eingebetteten
Zonen erfolgt durch Benutzung wohlbekannter Maskierungsverfahren unter Verwendung einer
zur gewünschten Leitfähigkeit führenden Dotiersubstanz, wie Arsen oder Phosphor. Mit diesen
Substanzen können auch hohe Dotierungskonzentra-
4) tionen erzielt werden, c'ie normalerweise in dem Bereich
von etwa 1 · 1020 Atome/cm3 bis etwa 10 · 1020
Atome/cm-1 liegen. Hierdurch ergibt sich ein verhältnismäßig
niedriger spezifischer Widerstand im Bereich von etwa 8 · 10~4 bis 3 · 10~4 Ω · cm. Wie aus
ίο der Fig. 2 ersichtlich, ist die Zone 2 vom gleichen Leitungstyp
wie das Substrat 1. Durch die unterschiedliche Dotierung ergibt sich so ein N+-N-i)bergang4,
eine Konfiguration, die in monolithischen oder integrierten Schaltungen auch zur Verbesserung der
j5 Ubergangsleitfähigkeiten in Kontaktierungszonen
benutzt wird. Die P+-Zone 3, welche einen P+-N-Übergang
5 bildet, kann ebenfalls unter Zuhilfenahme bekannter Maskierungsverfahren durch Diffusion
erstellt werden, wobei eine Dotierungssubstanz
bo benutzt wird, die zum P-Leitungstyp führt, beispielsweise
Bor, mit dem ebenfalls verhältnismäßig leicht hohe Dotierungskonzentrationen erzielbar sind, die
sich i»:i Gebiet von etwa 2 · 1020 Atome/cm1 erstrekken,
wodurch sich wiederum eine verhältnismäßig ge-
<v5 ringe spezifische Leitfähigkeit im Bereich von etwa
7 · ΙΟ"4 Ω · cm ergibt. Die P+-Leitfähigkeit der
Zone 3 ist dem Leitungstyp des Substrats entgegengesetzt, eine Konfieuration, die in inteerierten Schaltun-
gen vielfach auch zur Realisierung von Kapazitäten benutzt wird. Die letzte Bemerkung wurde zur Erläuterung
der allgemeinen Anwendbarkeit des Erfindungsgedankens innerhalb der integrierten Halbleitertechnik
gemacht. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit bestünde beispielsweise darin, daß das
Substrat keine der beiden eingebetteten gut leitenden Zonen 2 und 3 besitzt und daß lediglich die Aufgabe
gestellt ist, das Substrat 1 mit einer epitaktischen Schicht 6 vom entgegengesetzten Leitungstyp zu
überziehen und so ingesamt einen PN-Übergang herzustellen. Weiterhin wäre auch der Fall denkbar, daß
nur eine der beiden Zonen 2 oder 3 vor Aufbringung der epitaktischen Schicht 7 vorhanden ist. In jedem
Fall jedoch handeli es sich um die epitakiische Aufbringung von dotierten Halbleitermaterialien auf ein
ebenfalls dotiertes Substrat.
Im nächsten Verfahrensschritt, der in Fig. 3 gezeigt ist, wird eine dünne Schicht aus Silicium, im vorliegenden
Ausführungsbeispiel vorzugsweise ohne Dotierung, auf die Oberfläche des Substrats unter Benutzung
von wohlbekannten Kathodenzerstäubungsverfahren aufgebracht. Derartige Verfahren sind z. B. im
US-Patent 3021271 beschrieben. Es ergibt sich die Schicht 6 mit einem verhältnismäßig hohen spezifischen
Widerstand und mit einer monokristallinen Struktur in einer Orientierung, welche die kristallographische
Fortsetzung der Struktur und der Orientierung des Substrats 1 darstellt. Das spezieil zur
Aufbringung dieser Schicht benutzte Verfahren ist nicht kritisch, so daß man ohne weiteres die im obengenannten
Patent genannten Maßnahmen anwenden kann. Im allgemeinen wird man, wie dort beschrieben,
sowohl das Siliciumsubstrat 1 der Fig. 2 als auch die Siliciumquelle innerhalb der Kathodenzerstäubungsapparatur
vor der eigentlichen Durchführung des Aufstäubens einem Ionenbeschuß aussetzen, um verunreinigende
Substanzen auf der Oberfläche der benutzten Materialien zu beseitigen. Anschließend wird
die eigentliche Kathodenzerstäubung bei Temperaturen in der Größenordnung von 300° C bis 500= C
durchgeführt. Andererseits kann die dünne Schicht 6 mit hohem spezifischen Widerstand auch unter Zusatz
einer Dotierungssubstanz, beispielsweise von Bor, erzeugt werden, wobei die Störstellenkonzentrationen
sich im Bereich von etwa 2 · 1014 bis 1 ■ 1016 Atome/
cm3 bewegt. Dieses entspricht spezifischen Widerständen in der Größenordnung von 100 Ω · cm bis
1 Ω · cm. Diese Werte liegen wesentlich höher als es für den spezifischen Widerstand der P+-leitenden
Zone 3 der Fall ist. In ähnlicher Weise können natürlich auch Dotierungssubstanzen benutzt werden, die
zum N-Leitfähigkeitstyp führen.
Vorzugsweise wird eine kleine Dickenabmessung der aufgestäubten P-leitenden Schicht, normalerweise
in einem Bereich von etwa 0,1 bis 0,5 μπι gewählt.
Es hat sich herausgestellt, daß bereits derartig dünne, durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte epitaktische
Schichten während anschließend durchgeführter epitaktischer Niederschlagsprozesse wirkungsvoll
eine Ausdiffusion von Dotierungssubstanzen aus dem Substrat zu verhindern vermögen, ein Sachverhalt, der
in Anbetracht der verhältnismäßig geringen, im Kathodenzerstäubungsverfahren erreichbaren Aufwachsraten
(etwa 0,5 μτη/Std.) als besonders günstig tu betrachten ist. Die optimal einzuhaltende Dicke
der aufstäubenden Schicht hängt ab von der Oberflächengröße der eingebetteten N+- und P+-Ieitenden
Zonen 2 und 3, von ihrem gegenseitigen Abstand, ihren relativen Störstellenkonzentrationen sowie von
der Störstellenkonzentration des Substrats 1. Im allgemeinen ziehen größere dotierte Flächenbereiche
auch einen größeren, durch Ausdiffusion bewirkten selbstdotierenden Effekt nach sich. Dasselbe gilt von
näher beieinander gelegenen, eingebetteten dotierten Zonen, insbesondere, wenn sie höhere Dotierungskonzentrationen aufweisen.
Die Durchführung des Niederschlagsverfahrens der
P-leitenden Schicht 6 durch Aufstäuben bei niederen Temperaturen vermindert wirkungsvoll die Ausdiffusion
von Störstellensubstanzen aus dem Substrat; eine Tatsache, die angesichts der exponentiellen Abhängigkeit
der Biffusionsraten von der Diffusionstemperatur
nicht weiter verwundert. Da die Kathodenaufstäubung nicht in der gleichen Atmosphäre wie
die anschließenden epitaktischen Prozesse durchgeführt wird, besteht das Problem der Verunreinigung
durch Selbstdotierung für die aufgestäubte Schicht nicht.
Im anschließenden Verfahrensschritt, der in Fig. 4 erläutert ist, wird auf die durch Kathodenzerstäubung
aufgebrachte dünne P~-leitende Schicht 6 eine weitere P~-leitende Schicht 7 epitaktisch aufgebracht, die
im wesentlichen die gleiche Störstellenkonzentration und damit etwa den gleichen spezifischen Widerstand
aufweist, wie die darunterliegende aufgestäubte Schicht.
Das speziell zur Aufzüchtung der epitaktischen Schicht benutzte Verfahren ist im Rahmen der vorliegenden
Erfindung nicht kritisch und es kann irgendeines der bekannten Verfahren benutzt werden. Typischerweise
werden beim Ausführungsbeispiel die Substrate auf eine Graphitunterlage aufgebracht, die
ihrerseits in einem röhrenförmigen Reaktionsgefäß aus Quarz mit einem Durchmesser von etwa 10 cm
angebracht ist. Die Unterlage und damit die darauf aufliegenden Substrate werden induktiv geheizt durch
Ankoppeln an das elektromagnetische Feld einer Hochfrequenzspule, wobei man Temperaturen bis zu
1150° C erzeugt und allgemein Temperaturen verwendet,
die normalerweise zwischen 1000° C und 1200° C liegen, während gleichzeitig ein Wasserstoffstrom
durch das Reaktionsgefäß geleitet wird, um eine völlige Entfernung von Oxyden und anderen, die
Oberfläche verunreinigenden Substanzen zu gewährleisten. Anschließend wird ein Gasstrom eingespeist,
der aus 99,5 Vol.% Wasserstoff und 0,5% Siliciumtetrachlorid
sowie aus definierten Spuren (weniger als V1000 0I00) einer Dotierungssubstanz wie Diboran besteht.
Die Atmosphäre mit den genannten Komponenten wird bei Umgebungstemperaturen mit einer
Flußrate von etwa 30 l/min über die Substanz geleitet, bis die gewünschte Dicke der aufzuwachsenden epitaktischen
kristallinen Schicht erreicht ist. Die Dicke liegt aus praktischen Gründen normalerweise in dem
Gebiet von etwa 1 bis 5 μτη. Bei den Versuchen wurde
eine 2 μ dicke epitaktische P"-leitende Schicht 7, wie
sie in der Fig. 4 gezeigt ist, durch einen im vorgehenden charakterisierten Gasstrom durch das Reaktionsgefäß erhalten, wobei dieser über eine Zeit von etwa
10 min aufrechterhalten wurde.
Der Druck im Reaktionsgefäß entspricht im wesentlichen der Normalatmosphäre bei konstanter
Temperatur und wird für epitaktische Niederschläge von Silicium normalerweise bei einer Temperatur
zwischen 1100° C und 1200° C angewendet. Ande-
rerseits erhält man epitaktische Niederschläge aus Germanium auf einem monokristallinen Substrat
aus dem gleichen Material durch Anwendung von Niederschlagstemperaturen zwischen 700° C und
900° C.
Werden eigenleitende, d. h. undotierte epitaktische Schichten gewünscht, so entfällt die dem Gasstrom
zuzusetzende Dotiersubsta.iz, und in umgekehrter Weise wird zur Erzeugung einer epitaktischen Schicht
mit N-Leitfähigkeit eine diesen Leitfähigkeitstyp hervorrufende Störstellensubstanz benutzt, beispielsweise
Phosphor- oder Arsenwasserstoff. Im allgemeinen können verschiedene Störstellenkonzentrationen
benutzt werden, wobei diese im einzelnen abhängen von den gewünschten Eigenschaften der niederzuschlagenden
epitaktischen Schichten.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Epitaxialverfahren zum Aufzüchten von Halbleitermaterialschichten (6, 7) auf einem do- r'
tierten Halbleitersubstrat (1), bei dem
a) zunächst eine dünne Zwischenschicht (6) aus dem Halbleitermaterial mit einer ersten Dotierung
und
b) anschließend eine zweite Halbleiterschicht '"
(7) mit einer zweiten Dotierung, wobei die zweite Halbleiterschicht (7) mittels chemischen
Niederschiagens aus der Gasphase bis zu einer gewünschten Gesamtdicke aufgezüchtet
wird, '"'
dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (6)
c) bei Temperaturen unter 500° C
d) mittels Kathodenzerstäubung
e) in einer Dicke aufgezüchtet wird, welche un- 2()
ter Beachtung der flächenmäßigen Verteilung und der Konzentration der Dotierungsatome
in der Halbleitersubstratoberfläche und der Konzentration der Dotierungsatome in den aufwachsenden Schichten ->
(6) und (7) festgelegt wird.
2. Epitaxialverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht (6)
auf einem einkristallinen Halbleitersubstrat (1) aufgezüchtet wird. s»
3. Epitaxialverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht
(6) zwischen etwa 0,1 und etwa 0,5 mm dick gemacht wird.
4. Epitaxialverfahren nach einem der Ansprü- )"> ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schichten (6) und (7) bezüglich des Leitungstyps gleich und bezüglich der Konzentration in etwa
gleich dotiert werden.
5. Epitaxialverfahren nach einem der Ansprü- ■»<
> ehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachten Schichten (6) und (7) so dotiert werden,
daß sie vom entgegengesetzten Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat (1) sind.
6. Epitaxialverfahren nach einem der Ansprü- ·»·>
ehe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) aufgezüchtet wird, wobei
Oberflächenbereiche (2) bzw. (3) eingebaut werden, die höher dotiert als ihre Umgebung und vom
gleichen oder dem entgegengesetzten Leitungs- "><> typs wie diese sind.
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