DE2101322A1 - Verfahren zum Herabsetzen bzw zur vollständigen Unterdrückung von Ausdiffu sionserscheinungen bei der Herstellung von epitaktischen Halbleiterschichten - Google Patents

Verfahren zum Herabsetzen bzw zur vollständigen Unterdrückung von Ausdiffu sionserscheinungen bei der Herstellung von epitaktischen Halbleiterschichten

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DE2101322A1 DE19712101322 DE2101322A DE2101322A1 DE 2101322 A1 DE2101322 A1 DE 2101322A1 DE 19712101322 DE19712101322 DE 19712101322 DE 2101322 A DE2101322 A DE 2101322A DE 2101322 A1 DE2101322 A1 DE 2101322A1
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Description

IBM Deutschland Internationale Büra-MatAinen Ge$tlUdiaft mbH
Böbllngen, 11. Januar 1971 si-rz
Anmelderin: International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FI 969 O17
Verfahren zum Herabsetzen bzw* zur vollständigen unterdrückung von Ausdiffusionserscheinungen bei der Herstellung von epitaktischen Halbleiterschichten .
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herabsetzen bzw, zur Unterdrückung von Ausdiffusionserscheinungen bei der Herstellung von epitaktischen Halbleiterschichten, wobei die Ausdiffusion von Störstellen in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche beträchtlich herabgesetzt wird und parallel zur Substratoberfläche als nicht existent angesehen werden kann.
Wie In der Halbleitertechnik bekannt ist, bedeutet die Bezeichnung Hepitaktisch" die Fortsetzung der Gitterstruktur eines kristallinen Körpers vom Substrat her In die auf diese aufgezüchteten Schichten. Epitaktisches Aufwachsen kann durch eine Vielzahl von Verfahren realisiert werden, eines der bekanntesten besteht in der chemischen Niederschlagung von geeigneten Dämpfen. Bei der Dampfabscheidung werden die reagierenden Materialien in Dampfform zur Oberfläche eines monokristallinen Substrates transportiert.
Zwei Haupttypen der chemischen epitaktischen Dampfabscheidungszüchtung sind bekannt, nämlich die Dlsproportionlerungsprozesse und chemische zersetzung·- bzw. Reduktionsprozesse. Diese Verfahren sind In der Halbleitertechnik wohl bekannt, hier seien nur «Ine Arbelt von J. Sigler und S.B. tfatelskl mit der Bezeichnung "Epitaktiiche Verfahren bei der Herstellung von
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Halbleitervorrichtungen" genannt, welche auf den Selten 33-37 In der Zeltschrift "The Solid State Journal" nachzulesen 1st, und zwar In der Ausgabe vom März 1961.
Bei der epitaktischen Dampfzüchtung vermittels einer Disproportionierungsreaktion geht man aus von einer Verbindung, welche die gewünschte Halbleiterkomponente sowie ein Trägerelement enthält, und welches bei einer ersten Temperatur in dem Reaktionssystem beständig ist. Diese Verbindung wird in die Nähe der oberfläche des Substrates transportiert, welches mit einer epitaktischen Schicht versehen werden soll, wo eine zweite Temperatur aufrechterhalten wird, bei der eine Zersetzung oder Disproportionierung der Verbindung auftritt, wobei sich eine Halbleiterschicht mit monokristallinen Eigenschaften ausbildet.
Bei den chemischen Zersetzungsprozessen geht man aus von einer Verbindung, die die gewünschte Halbleitersubstanz enthält und welche ebenfalls durch Hitzeeinwirkung in der Nähe des Substrates zersetzt wird, wobei ebenfalls die Halbleitermoleküle epitaktisch auf der Oberfläche des Substrates abgeschieden werden. Bei den Dlspropotionierungsprozessen werden die chemischen Verbindungen zu Halbleitermolekülen auf der Substratoberfläche reduziert und wachsen auf dieser epitaktisch auf.
Die beiden genannten Prozesse (Disproportionlerungs- und sog. pyrolytischer Prozeß) finden typischerweise bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise bei 1200 0C für die AufZüchtung von epitaktischen Siliziumschichten auf Siliziumsubstraten statt.
Da gewöhnlich epitaktische Niederschlagsverfahren benutzt werden, um verschiedene Schichten bei der Herstellung von integrierten Schaltanordnungen und dergl. zu realisiere», wird meistens eine epit£ktische Schicht mit einem verhältnismäßig geringen Störkonzentrationsgehalt niedergeschlagen euf min Substrat, welches eine sehr hohe Konzentration der Störstellen besitzt. Da weiterhin die epi taktische £ richtung unter Benutzung der chemischen Zersetzung bei hohen Temperaturen untrennbar verbunden Docket Fi 969 017 109830/2Ö15
let mit Ausdiffusionserscheinungen der Störstellen aus dem Substrat in die epitaktische Schicht hinein, ergibt sich notwendigerweise ein verwaschener Gradient der Störstellenkonzentration an der Trennfläche zwischen Substrat und aufgewachsener epitaktischen Schicht. Obwohl ein Charakteristikum der epitaktischen Verfahren darin besteht, die durch Dampfabscheidungen aufgewachsenen Schichten mit der gleichen Gitterstruktur und geometrischen Konfiguration zu erzeugen, wie sie für das Substrat charakteristisch ist, so ist es meistens doch unerwünscht, daß eine Ausdiffusion von Störstellen vom Substrat in die epitaktische Schicht hinein stattfindet. Dies ist dann von besonderer Bedeutung, wenn eine hohe Störstellenkonzentration eines ersten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise des N-Leitfähigkeitstyps in lokalisierten oder inselartigen Gebieten des Substrates entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise des P-Leitfähigkeitstyps, vorliegt. Die Ausbreitung der Störstellen von den lokalisierten Gebieten in die epitaktische Schicht sollte In der Richtung vertikal zur Substratoberfläche begrenzt sein. Das Ausmaß der Ausbreitung der Störstellen wird festgelegt durch die Ausscheidungsbedingungen. Bei konventionellen Niederschlagsverfahren wird sich ein bestimmter Anteil der Störstellen auch in lateraler Richtung verbreiten, was ebenfalls außerordentlich unerwünscht ist. Sind derartige laterale Ausbreitungserscheinungen genügend stark ausgeprägt, so kann an benachbarten Stellen eine überlappung von hochdotierten Gebieten stattfinden, wodurch sich stark N-leitende Pfade ergeben, welche alle Inselartigen N-leitenden Gebiete miteinander verbinden. In manchen Fällen sind im Substr-at inselartige Gebiete hoher Störstellenkonzentration sowohl vom N- als auch vom P-LeItfähigkeltstyp vorhanden. Unter den bei der epitaktischen Niederschlagstechnik herkömmlichen Bedingungen können laterale Ausbreitungen sowohl von N- als auch von P-Leitung erzeugenden Störstellensubstanzen eintreten und die hergestellte epitaktische Schicht wird unbrauchbar. Dies liegt daran, daß die Störstellenkonzentration in der epitaktischen Schicht erhöht wird, und zwar in einer ungleichförmigen Welse. Es ist offenbar unmöglich, ohne großen experimentellen Aufwand das Ausmaß zu bestimmen, in dem die Störstellen in die epitaktische
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Schicht hinein ausdiffundieren, wodurch es äußerst schwierig ist, eine gleichförmige Beschaffenheit der herzustellenden Produkte zu erreichen. Für viele Zwecke der HalbIeItertechnik 1st es erwünscht, über einen Prozeß zur Herstellung von sehr abrupten übergängen zu verfügen, wobei aus dem Vorstehenden hervorgeht, daß die Ausdiffusionsvorgänge die Tendenz haben, grundsätzlich die Sclraä/fe der übergänge zu verwaschen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herabsetzen bzw. zur vollständigen Unterdrückung von Ausdiffusionserscheinungen bei der Herstellung von epitaktischen Schichten anzugeben. Die Unterdrückung der Ausdiffusionserscheinungen soll sich auf Ausdehnungsriehtungen der Störstellen erstrecken, die sowohl senkrecht als auch parallel zur Substratoberfläche verlaufen.
Das Verfahren mit den genannten Eigenschaften ist dadurch gekennzeichnet, daß dem bekannten, die Hauptschicht erzeugenden epitaktischen AufZüchtungsprozeß ein Verfahrensschritt vorgeschaltet wird, in dem eine epitaktische Zwischenschicht zwischen Substrat und Hauptschicht aufgebracht wird und daß diese Trennschicht bei einer niedrigeMtTemperatur auf das Substrat aufgezüchtet wird, als dies für die Hauptschicht der Fall ist.
Weitere Einzelheiten des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.
Allgemein liegt der Erfindung die Beobachtung zugrunde, daß ein scharfer Störstellengradient über der Trennfläche eines Halbleiteraus gangsplättchens und einer darauf aufzuzüchtenden epitaktischen Schicht erhalten werden kann, indem zu Beginn eine dünne epitaktische Schicht unter Benutzung einer niedrigeren Diffusionstemperatur und anschließend der Rest der Schicht bei einer höheren Temperatur abgeschieden wird. Durch die für die Züchtung der restlichen Schicht benutzte höhere Temperatur wird eine hohe Schichtqualität gewährleistet. Der anfängliche Schritt der Aufzüchtung der epitaktischen Schicht bei niedriger Temperatur
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verhindert im wesentlichen vollständig eine Ausdiffusion von Störstellen aus dem Substrat, so daß bei der anschließenden Benutzung von hohen Diffusionstemperaturen sich epitaktische Schichten hoher Qualität unter Vermeidung weiterer Ausdiffusionserscheinungen von Störstellen aus dem Substrat ergeben.
Der wesentliche Erfindungsgedanke ist somit in der Vorschaltung eines Verfahrensschrittes vor dem eigentlichen, an sich bekannten epitaktischen Prozeß zu erblicken, wobei in diesem Hilfsverfahrensschritt eine Anfangsschicht bei niedrigen Diffusionstemperaturen hergestellt wird, welche offenbar als Barriere zur Verhinderung weiterer Ausdiffusionserscheinungen dient. Da die Diffusionsgeschwindigkeit der meisten Substanzen mit abnehmender Temperatur exponentiell abnimmt, ist es möglich, diese Barriereschicht unter den Bedingungen minimaler Ausdiffusion zu erzeugen. Nach Herstellung dieser Barrierenschicht kann eine darüber lagernde epitaktische Schicht bei höherer Temperatur hergestellt werden, ohne daß hierbei eine weitere Ausdiffusion von Störstellen aus dem Substrat in die bei hoher Temperatur gezüchtete epitaktische Schicht stattfindet.
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung gestattet es somit, epitaktische Schichten auf Substrate aufzubringen/ welche selektiv mit Bereichen hoher Störstellenkonzentration versehen sind, seien diese nun N- oder P-leitender Natur. Hierbei wird die Ausdehnung der Störstellen durch deren Ausdiffusion sowohl vertikal als auch parallel zur Substratoberfläche weitgehend herabgesetzt. Die Herabsetzung der Ausdiffusionserscheinungen in vertikaler Richtung 1st beträchtlich, während die Minderung in lateraler Richtung im wesentlichen als nicht existierend angesehen werden kann.
Für Halbleiterbauelemente und Integrierte Schaltungen mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit sind bekanntlich abrupte Übergänge erforderlich, vas gleichbedeutend ist mit einem starken Gradienten der Störstellenkonzentration an der Grenzfläche zwischen Substrat und epitaktischer Schicht. Die Anwendung des Verfah-DOCCt FI 969 0X7 1O983O/2O1S
rens nach der Lehre der Erfindung wird somit überall dort von Nutzen sein, wo es sich darum handelt, übergänge für schnell arbeitende Halbleiterbauelemente zu erstellen unter Vermeidung der durch die Einwirkungen der bisher kaum zu verhindernden Ausdiffusionserscheinungen der Störstellen vom Substrat in die wachsende epitaktische Schicht hinein. Von besonderem Nutzen wird das Verfahren auch bei Vorrichtungen sein, die sehr flache epitaktische Schichten in Verbindung mit Subkollektorschichten aufweisen. Bei derartigen Anordnungen ist es klar, daß die Störstellen von dem stark dotierten Subkollektor in die wachsende epitaktische Schicht hineinzudiffundieren streben und zwar bei allen Erhitzungszyklon, die für die Herstellung der betreffenden Halbleiteranordnung erforderlich sind.
Der Grad der Ausdiffusion aus einem Halbleitergebiet in ein anderes ist eine Funktion der Temperatur, der Zeitdauer des Diffusionsvorganges und hängt außerdem sowohl vom Material des Dotierungsmittels als auch von dem des Halbleitergrundkörpers ab. Um die Ausdiffusion auf ein Minimum herabzusetzen, ist es nötig, eine oder mehrere der im anschließenden beschriebenen Maßnahmen zu ergreifen: Erniedrigung der Diffusionstemperatur, Abkürzung der Diffusionszeit bzw. Erhöhung der Abscheidüngerate. Diesen Erfordernissen steht aber die Tatsache entgegen, daß die Güte der epitaktischen Schicht ebenfalls von der Temperatur abhängt, und zwar in der Welse, daß bessere Güten bei höheren Temperaturen erzielt werden und weiterhin die Tatsache, daß niedrigere Abscheidungsraten vorzuziehen sind. Ein Hilfsparameter, mit dem man ebenfalls einen Einfluß auf die epitaktische Güte ausüben kann, ist die Art des verwendeten Gases, beispielsweise kann SiH4 bei niedrigeren Temperaturen benutzt werden al* dies für SiCl4 der Fall ist.
Unter Berücksichtigung aller der vorgenannten Faktoren ist ereichtUch, daß zur Erhaltung von epitaktischen Schichten mit hoher Güte dl· Niedrig/Hoch-Methode der vorliegenden Erfindung dl· bisher günstigst· Maßnahme ist zur Realisierung von *p±- taktlachen Schichten ausreichender Güte und ausreichender Dick·
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unter Vermeidung der unerwünschten Ausdiffusion, wobei der epitaktische Züchtungsvorgang bei höheren Temperaturen durchgeführt werden kann. Sobald diese Dickenabmessung, welche abhängt von der Konzentration des Dotierungsmittels des epitaktischen Materials, welches niedergeschlagen werden soll, die Temperatur der darauffolgenden Niederschläge usw. erreicht ist, wird die weitere epitaktische Abscheidung dann bei einer höheren Temperatur ausgeführt, um eine gute Qualität der epitaktischen Schicht zu gewährleisten, wobei nunmehr durch die erstgenannte Maßnahme die Ausdiffusionserscheinungen des Dotiermittels fast völlig unterdrückt werden können.
Es ist überraschend, daß man über der bei niedrigen Temperaturen aufgewachsenen epitaktischen Schicht eine weitere epitaktische Schicht hoher Qualität aufzüchten kann, da bisher von den Fachleuten angenommen wurde, daß der gesamte Auf wachsVorgang von Anfang an eine hohe Temperatur bei der epitaktischen Abscheidung erfordert, da diese erst die Nukleation der ersten monokristallinen Schichten sicherstellt. Die Erfindung zeigt, daß dieses nicht der Fall ist und daß hochqualitative epitaktische Schichten erzeugt werden können, obwohl zu Anfang des Niederschlagsvorganges niedrige Temperaturen benutzt wurden, wobei der zuerst bei niedrigeren Temperaturen entstehende Schichtbereich eine Barriere gegenüber der Ausdiffusion darstellt, die auch während des anschließenden bei höheren Temperaturen durchgeführten epitaktischen Niederschlagsprozesses wirksam bleibt.
Das vorliegende Verfahren läßt sich unter Verwendung sämtlicher Halbleitermaterialien, die an sich für eine epitaktische Abscheidung geeignet sind, durchführen. Beispielsweise läßt sich Silizium und Germanium, die III-V- sowie die II-VI-Verbindungshalbleiter in Verbindung mit den Maßnahmen der Erfindung vorteilhaft anwenden. Da die Verfahren zum epitaktischen Aufzüchten von Schichten und die Maßnahmen, die ergriffen werden müssen, um Niederschläge verschiedener Typen der verschiedenen Materialien zu erzielen, in der Fachwelt weithin bekannt sind, sei im folgenden zur Vereinfachung der Beschreibung lediglich das Ver-
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fahren nach der Lehre der Erfindung in Verbindung mit epitaktischem Aufzuchten von monokristallinem Silizium auf ein Siliziumsubstrat beschrieben.
Im folgenden sei das Verfahren nach der Lehre der Erfindung abkürzend als "Niedrig/Hoch-Verfahren" bezeichnet. Diese Abkürzung bedeutet: Durchführung eines epitaktischen Niederschlagsprozesses bei niedrigerer Temperatur mit anschließender Fortsetzung des epitaktischen Prozesses bei höheren Temperaturen.
Offenbar ist es wesentlich, daß eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden verschiedenen epitaktischen Niederschlagsoperationen eingehalten wird. Die niedrigere Temperatur der ersten epitaktischen NiederschlagsOperation wird offenbar bestimmt durch die Diffusionsrate der Störstellensubstanz innerhalb des Substratmaterials. Als allgemeine Richtlinie innerhalb der allgemeinen Grenzen kann angenommen werden, daß die Qualität der entstehenden Schichten umso größer ist, je höher die Temperatur ist, bei der die epitaktische Niederschlagsreaktion vorgenommen wird. Infolgedessen wird man wünschen, auch für die erste, bei niedrigerer Temperatur durchzuführende Reaktion eine möglichst hohe Temperatur zu wählen, und zwar gerade noch so hoch, daß die Ausdiffusion in dem jeweils gewünschten Grade herabgesetzt oder verhütet wird. Mit anderen Worten, der Parameter, auf den die größte Aufmerksamkeit zu richten ist, besteht in der Herabsetzung der Ausdiffusionserscheinungen. Bei Silizium wird die erste epitaktische Niederschlagsoperation allgemein bei einer Temperatur innerhalb des Bereichs von 900 - 1100 0C durchgeführt, und zwar unter Verwendung einer Reduktion von Siliziumhalogenen mit Wasserstoff oder durch Zersetzung von Silan. Die zweite, bei höherer Temperatur durchzuführende Niederschlagsreaktion wird natürlich im Anschluß an die niedrige Temperaturreaktion durchgeführt. Wie bereits oben erwähnt, braucht die erste epitaktische Schicht lediglich bis zu einer Dicke anzuwachsen, die gerade ausreicht, wesentliche Ausdiffusionserscheinungen bei
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der sich anschließenden, bei höheren Temperaturen durchgeführten epitaktischen Niederschlagsoperation zu unterbinden. Typischerweise liegt die Stärke der ersten epitaktischen Niederschlagsoperation bei Silizium in der Größenordnung von 0,1 - O,2y, obwohl grundsätzlich auch größere Stärken anwendbar sind. Der zweiten Hochtemperatur-Niederschlagsoperation kann irgendeine in der Technik bekannte Reaktion zugrundeliegen, die in der Gegend von 1200 - 1300 0C durchgeführt wird. Ein weiterer Aspekt des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung verdient besondere Aufmerksamkeit. Es wurde herausgefunden, daß bei niedriger Temperatur epitaktisch gewachsene Schichten von einer extrem schlechten Qualität es keinesfalls unmöglich machen, auf dieser Schicht später durch Benutzung von höheren Temperaturen eine hochqualitative epitaktische Schicht aufzubringen. Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung können durchaus Temperaturen von 1000 0C und darunter zur Erstellung der ersten Schicht angesetzt werden. Bei der Benutzung eines Siliziumsystems wird unter der genannten Bedingung eine Ausdiffusion aller Störstellenarten vom Substrat sehr stark herabgesetzt. Ee ist somit ohne weiteres möglich, zunächst die Ausdiffusionsbarriere herzustellen und anschließend die epitaktische Abecheidungsoperation bei höheren Temperaturen durchzuführen. Natürlich sind für die erste Schicht auch Temperaturen bei etwa 1050° oder 1100° anwendbar.
Es liegt auf der Hand, daß im allgemeinen die Herabsetzung der Ausdiffusionserscheinungen umso größer sein werden, je größer der Temperaturunterschied ist bei der Durchführung des epitaktischen Wachstumsprozesses der ersten und der zweiten Schicht.
Liegt erst einmal die erste ausdiffusionshemmende Schicht vor, so ist bei der Herstellung der nächsten Schicht nur darauf zu achten, da8 die Diffusionstemperatur so hoch gewählt wird, daß dies· zweite Schicht ein· ausreichende Qualität erhält.
Zur weiteren Erläuterung des Erfindungsgedankens mögen folgende, mehr ins einzeln« gehende Beispiele dienen.
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Beispiel 1
Im ersten Beispiel wird als Abscheidungsreaktion die Reduktion von Siliziumtetrachlorid durch Wasserstoff verwendet. Die hierzu benutzte Apparatur besteht im wesentlichen aus einer Reaktionskammer aus Quarz, welche zum Zwecke der Erhitzung von einer mit Hochfrequenz betriebenen Heizspule umgeben ist. Die Reaktionskammer enthält eine Graphitauflage auf einem Quarzsupport zur Halterung der Siliziumsubstratplättchen, auf welche die epitaktische Schicht aufgebracht werden soll. Diese Siliziumplättchen wurden einem Diffusionaprozeß mit Arsen unterworfen, wodurch bei definiert lokalisierten Stellen inseiförmige Gebilde mit einer Störstellensubstanz bis zu einer Konzentration von
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1*10 Atomen/cm dotiert wurden. Natürlich können die mit der Schicht zu versehenden Substrate auch jede Art von Halbleiterbauelementen beispielsweise NPN-Transistoren oder aktive Elemente innerhalb einer umfangreicheren integrierten Struktur sein.
Die mit selektiv dotierten Bereichen versehenen Siliziumplättchen auf den Graphitträgern wurden durch Zuführung von Hochfrequenzenergie in konventioneller Weise auf eine Temperatur von etwa 1050 0C aufgeheizt. Das in dem vorliegenden Prozeß benutzte Transportgas war Wasserstoff, der durch irgendeine geeignete Wasserstoffquelle geeigneten Druckes geliefert werden kann. Den Wasserstoff läßt man durch eine mit Palladium-Silber beschickte Reinigungseinrichtung fließen, um Sauerstoff und andere verunreinigende Gasen, mit denen Wasserstoff meistens versetzt ist, zu entfernen. Dies ist erforderlich, um nur mit reinstem Wasserstoff arbeiten zu können, um ungewünschte Verunreinigungen bzw. Dotierungen innerhalb des Systems mit Sicherheit zu vermindern.
Es erübrigt sich darauf hinzuweisen, daß entweder N- oder auch P-leitendes Silizium epitaktisch auf da« Plättchen aufgezüchtet werden kann durch Benutzung jeweils geeigneter Verbindungen, beispielsweise unter Benutzung von Phosphin oder Diboran. Ohne äußere Zuführung von Störstellensubstanzen erhält man im wesentlichen eine epitaktisch gewachsene eigenleitende Siliziumschicht.
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Das Sllizlumplättchen besaß zu Beginn einen spezifischen Widerstand von etwa 20 Ohm*cm bei einem Durchmesser von etwa 3 cm. Diese Werte sind im wesentlichen unkritisch, sie hängen ab von der jeweils herzustellenden Halbleitervorrichtung. Auch die Dotierungskonzentration der vorher eindiffundierten inselartigen Bereiche ist verhältnismäßig wenig kritisch und kann z.B. 1*10 bis 1,5*10 Atome/cm betragen. Es sei aber bemerkt, daß das Verfahren nach der Lehre der Erfindung einen besonders günstigen Anwendungsbereich findet bei den stärkeren Dotierungen, weil in diesem Falle die Ausdiffusionserscheinungen der Störstellen sich besonders unangenehm bemerkbar machen.
Die Flußraten des SiCl, betrug bei der ersten, bei niedrigeren Temperaturen durchzuführenden epitaktischen Niederschlagsopera-
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tion 13 cm /min und 38 cm /min bei der zweiten, bei höheren Temperaturen durchgeführten Diffusion. Die Wasserstoffflußrate war für beide Diffusionsprozesse die gleiche und betrug 10,6 l/min. Die Niederschlagszeit betrug lbzw. 2,75 min.
Das Substrat wurde auf einer Temperatur von 1050 ° gehalten. Die Abscheidung wurde über eine Zeitdauer von 1 Minute durchgeführt und die hierbei sich ergebende dünne Schicht war etwa 0,2μ dick. Unmittelbar auf diese bei niedrigerer Temperatur durchgeführte Abscheidungsreaktion wurde die Substrattemperatur auf 1210 0C erhöht und die zweite epitaktische Abscheidungs reaktion unter den im vorstehenden beschriebenen Voraussetzungen durchgeführt. Diese erstreckte sich über eine Zeit von 2,75 Minuten, wobei sich eine Gesamtstärke der Schicht von l,85y ergab. Die Gesamtstärke, d.h. die Schichtstärke, die durch den ersten sowie durch den zweiten Diffusionsschritt zustandekam, konnte nicht genau aufgeschlüsselt werden. Die seitliche Verwaschung der Störstellenkonzentration mußte jedoch
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geringer sein als 10*10 Arsenatome/cm , da das P-leitende Substrat mit einer spezifischen Leitfähigkeit von 20 0hm*cm nach der Durchführung der epitaktischen Verfahrensschritte nicht in die N-Leitfählgkeit überführt wurde.
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Eine Reihe von Versuchen wurde unter Benutzung der Niedrig/Hoch-Technik entsprechend den in dem Beispiel 1 gemachten Angaben durchgeführt. Die epitaktischen Schichten wurden bei verschiedenen Temperaturen niedergeschlagen. Die SiCl,-Flußraten be-
trugen 38 cm /min für die epitaktischen Niederschlagsreaktionen bei 1210 0C, 1180 0C und 1150 °C. Die Flußrate für den epi taktischen Niederschlag bei 1100 0C betrug 15 cm /min. Die Schärfe des Störstellengradienten für die verschiedenen epitaktischen Prozesse können charakterisiert werden durch die Stärke der epitaktischen Schichten zwischen zwei Konzentrationsniveaus bezüglich der vertikalen Arsen-Ausdiffusion. Die folgende Tafel zeigt die Stärke der epitaktischen Schicht
19 zwischen den Schichten mit der Konzentration von 1*10 und 1*10 Atome/cm , wobei diese Schichten bei verschiedenen Temperaturen hergestellt wurden.
Aus der obigen Tafel ist ersichtlich, daß beim letzten Versuch, bei welchem das epitaktische Niedrig/Hoch-Niederschlagsverfahren nach der Lehre der vorliegenden Erfindung angewendet wurde, sich nur ein geringer Unterschied ergibt bezüglich des Störstellenkonzentrationsgradienten im Vergleich mit dem bei 1100 nur in einem Schritt durchgeführten Aufwachsprozeß. Man sieht, daß die Niedrig/Hoch-Methode nach der Lehre der vorliegenden Erfindung eine epitaktische Schicht mit extrem hoher
Qualität bei einem gleichzeitigen sehr starken Störstellengradienten herzustellen gestattet.
Unter Benutzung des Verfahrene nach der Lehre der Erfindung gelingt es somit, Störstellenkonzentrationen von fast fünf Größenordnungen herzustellen, und zwar mit einer Dickenabmessung von etwa 1/2μ.
Obwohl die obigen Beispiele eich auf einen Prozeß beziehen, bei dem eine Wasserstoffreduktion von Siliziumhalogenen benutzt wurde, kann auch die Zersetzung von Silan als chemischer Prozeß zugrundegelegt werden. Der erste Abscheidungsschritt wird im allgemeinen vorzugsweise bei einer Temperatur in der Größenordnung von 900-Docket PI 969 017
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1000 c tind der zweite Abscheidungsschritt bei einer Temperatur von mehr als 1050 0C durchgeführt. Da die Störstellendiffusion rate bei der zu Beginn benutzten niedrigen Temperatur gering ist, ergibt sich keine wesentliche Ausdiffusion während des Anfangsschrittes des epitaktischen Prozesses.
Natürlich werden entsprechend dem jeweils verwendeten Störstellenmaterial und dem benutzten Material für den Halbleiterausgangskörper andere Temperaturen erforderlich sein, jedoch ist das Verfahren dem Wesen nach das gleiche, es besteht nach wie vor darin, den ersten epitaktischen Abscheidungsschritt bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen durchzuführen und daran eine weitere epitaktische Abscheidungsreaktion anzuschließen, die bei höheren Temperaturen durchgeführt wird, um so einen starken Störstellengradienten unter Vermeidung der lateralen Verwaschung und gleichzeitigem Erhalt einer hochqualitativen epitaktischen Schicht zu gewährleisten. Im allgemeinen werden die Temperaturen so gewählt, daß zwischen der niedrigen und der höheren Temperatur eine Differenz von wenigstens 50 0C liegen.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß entweder Silan oder Siliziumtetrachlorid als Ausgangssubstanz für
die Züchtung der epitaktischen Schichten benutzt wird. Bei einer niedrigen Niederschlagsrate kann das Silan bei Temperaturen im Bereich von 900 - 1050 0C und das Siliziumtetrachlorid bei Temperaturen zwischen lOOO und 1100 °C niedergeschlagen werden.
Fernerhin können, wie ebenfalls aus der Beschreibung hervorgeht, dl· epitaktlschen Schichten verschiedene Dotierungsmaterialien enthalten, weiche zugleich mit den «pitaktischen Schichten oder auch nach deren Herstellung unter Benutzung irgendeiner der vielen in der Technik bekannten Verfahren eingebracht werden. Di··· Vorgang· gehör·» jedoch als solche nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Herabsetzen bzw. zur vollständigen Unterdrückung von Ausdiffusionserscheinungen bei der Herstellung von epitaktischen Halbleiterschichten, dadurch gekennzeichnet, daß dem bekannten, die Hauptschicht erzeugenden epitaktischen AufZüchtungsprozeß ein Verfahrensschritt vorgeschaltet wird, in dem eine epitaktische Zwischenschicht zwischen Substrat und Hauptschicht aufgebracht wird und daß diese Trennschicht bei einer niedrigeren Temperatur auf das Substrat aufgezüchtet wird, als dies für die Hauptschicht der Fall ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Benutzung von Silizium als Halbleitermaterial.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht bei einer Temperatur zwischen 900 und 1050 0C, die Hauptschicht bei einer Temperatur zwischen 1100 und 1300 0C erzeugt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionsprozeß die Reduktion eines Siliziumhalogenids mittels Nasserstoff benutzt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionsprozeß die Zersetzung von Silan benutzt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 uad 2, dadurch gekennzeichnet« daß sich die bei den Verfahrensschritten zur Aufzüchtung der Zwischen- und der Hauptschicht angewendeten Real scheiden.
daten Reaktionstemperaturen um mindestens 50 0C unter-
Doek.t FI 969 O17 109830,2015
DE19712101322 1970-01-15 1971-01-13 Verfahren zum Herabsetzen bzw zur vollständigen Unterdrückung von Ausdiffu sionserscheinungen bei der Herstellung von epitaktischen Halbleiterschichten Pending DE2101322A1 (de)

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