DE2419142A1 - Verfahren zum aufwachsen einer halbleiterschicht aus der dampfphase - Google Patents

Verfahren zum aufwachsen einer halbleiterschicht aus der dampfphase

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Description

<A - 64? 2ΑΊ9Η2
ME - 161-S (F-1199-)
litsuhishi Denki Kabushiki'Kaisha Toyko, Hapan
\/erfahren zum Aufwachsen einer Halbleiterschicht aus
der Dampfphase
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht auf einer anderen Halbleiterschicht durch Aufwachsen aus der Dampfphase. Die beiden Schichten haben verschiedene Felriatomkonzentrationen. In den letzten Dahren ist der Redarf nach Festknrperelektronikvorrichtungen rasch gestiegen und hat zu einer Beschleunigung der Entwicklung fortneschrittener Halbleiterelemente geführt. Insbesondere erwünscht sind ein grösserer Wirkungsgrad und eine grössere Zuverlässigkeit sowie ein Betrieb bei höheren Frequenzen. Derartige Halbleiterelemente sind insbesondere bei bipolar integrierten Schaltungen erforderlich, sowie für Bauelemente mit rascher Kapazitätsänderung, für Hochfrsquenztransistoren und lYlikrowellendioden. Diese Elemente werden gewöhnlich unter Abschaltung einer Halbleiterschicht auf einem Halbleitersubstrat mit niedrigem oder hohem Widerstand hergestellt, wobei die Kristallstrukturen fluchten. Solche Halbleiterschichten werden im folgenden als Epitaxialschichten bezeichnet .
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Bei einem solchen Halbleiterelement, bei dem das Halbleitersubstrat eine Scheibe geringen Widerstandes ist, kommt es zu einer losen Verteilung der Verunreinigung an der Grenze zwischen der Scheibe und der Epitaxialschicht aufgrund eines Phänomens, welches mit Autodotieren bezeichnet wird. Die Anwesenheit einer Region einer losen Verteilung won Verunreinigungen beeinträchtigt die Genauigkeit des Aufbaues des Halbleiterelements. Ferner führt dies zu einer Erhöhung des Serienujiderstandes sowie zu einer Erhöhung des thermischen Widerstandes und somit zu einem Abbau der Betriebsleitung oder des Wirkungsgrades und der Zuverlässigkeit. Ein herkömmlicher Versuch, dem Problem der Autodotierung zu begegnen, besteht in der zweistufigen epitaxialen Aufuiachstechnik, welche uon den Erfindern dieser Erfindunq entujickelt wurde. Diese Technik tiiurde aufgrund einer hydrodynamischen Analyse der Effekte des AutadotierphMnomens entwickelt. Dabei kommt es jedoch leicht zu einer Erniedrigung der Verteilung von Verunreinigungen aufgrund übermässiger Zwischenhitzebehandlung oder aufgrund eines Restes einer autodotierten Region wegen ungenügender Zujischenhitzebehandlung. Um dieses Problem zu umgehen, muss das Verfahren der Hitzebehandlung äusserst sorgfältig gesteuert werden. Dies wiederum erfordert ein Übermaß an in Voruersuchen gewonnenen experimentiellen Daten sowie ein spezielles Geschick.
Ferner besteht bei den herkömmlichen Verfahren das Problem, dass an der Grenzfläche zwischen der Halbleiterscheibe und der Epitaxialschicht es zu einer losen Verteilunn von Verunreinigungen kommt, wenn das Halbleitsrsubstrat eine Scheibe mit hohem Widerstand ist. Dies ist auf ein Phänomen zurückzuführen, welches mit Autoverdünnung bezeichnet wird. Dieser Ausdruck bezeichnet einen der Autodotierung entgegengesetzten Vorgang.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Aufwachsen einer Halbleiterschicht aus dar Dampfphase zu schaffen, bei dem die Störstellenkonzentration und das Störstellenprofil überwacht werden und wobei gegebenenfalls die Störstellenkonzantration in der Epitaxialschicht und in dem Halbleitersubstrat verschieden ist, wobei die Störstellenkonzentration an der Grenzfläche dar aus der Dampfphase aufgewachsenen Schicht steilgemacht wird, indem man die Störstellenkonzentration steuert. Dabei wird gegebenenfalls die Störstellendichte dadurch gesteuert, dass, man ein Gemisch aus einem Trägergas und einem Dotiergas mit vorbestimmter Konzentration zuführt, bevor man mit dem Aufwachsen der zweiten Halbleiterschicht aus der Dampfphase beginnt. Insbesondere soll die Störstellenkonzentration der zweiten aufgedampften Halbleiterschicht höher sein als die der ersten als Substrat dienenden HaIblBitsrschicht (steile Störstellenverteilung im Rrenzbereich). Ferner soll die Halbleiterschioht direkt auf dem' Halbleitersubstrat aus der Dampfphase aufwachsen.
Frfindungsgemäss lässt man eine erste Halbleiterschicht aus der Dampfphase auf ein Halbleitersubstrat aufwachsen, wobei die Störstellenkonzentration in der ersten Halbleiterschicht geringer ist als im Halbleitersubstrat, wobei ein Trägergas unri ein Dotiergas zugeführt werden und eine Hitzebehandlung durchgeführt wird, so dass die Störstellenkonzentration gesteuert werden kann. Danach wird auf die erste Halbleiterschicht ebenfalls durch Aufwachsen aus der Dampfphase eine zweite Halbleiterschicht ausgebildet. Die Störstellenkonzentration der zweiten Halbleiterschicht ist dabei niedriger als die Störstellenkonzentration im Substrat.
Ferner wird erfindungsgemäss ein l/erfahren geschaffen, bei dem ein Trägergas, ein Dotiergas und ein Quellengas einem Halbleitersubstrat zugeführt werden, so dass eine erste HaIb-
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leiterschicht auf dem Substrat durch Aufwachsen aus der Dampfphase gebildet uiird, bsi dem die Störstellendichte geringer ist als im Substrat. Darauf uiird die Zufuhr lediglich des Quellengases abgestoppt und die Hitzebehandlung wird durchgeführt, wodurch der Störstellendichtepegel gesteuert wird. Danach wird ein Trägergas, ein Dotiergas und ein Quellengas der ersten Halbleiterschicht zugeführt, wobei sich eine zweite Halbleiterschicht auf der ersten Halbleiterschicht durch Aufwachsen aus der Dampfphase ausbildet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 ein schematisches Diagramm zur Ueran schaulichung der Gasströme in einem Reaktionsrohr eines horizontalen Dampfaufwachsapparates;
Figur 2 einen Schnitt durch eine Halbleiterscheibe mit einer ipitaxialschicht mit geringer Störstellendichte auf einem Substrat mit hoher Störstellendichte, welche nach dem gewöhnlichen Epitaxialverfahren hergestellt wurde;
Figur 3 ein Diagramm der Störstellenverteilung in der Scheibe gem. Figur 2;
Figur 4a einen Schnitt durch eine Epitaxialscheibe mit einer ersten Bpitaxialen Schicht, hergestellt nach einem zweistufigen Epitaxialaufwachsverfahren;
Figur 4b ein Diagramm der Störstellenverteilung in der Scheibe gem. Figur 4a;
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F i _.g u r e η 5a und 5b Diagramme dar Änderungen der ■ Störstellendichte während der Hitzebehandlung bei den zweistufigen Epitaxialaufujach'sverfahren;
Figuren 6a und 6b Diagramme der Störstellenverteilung im Grenzbereich einer Epitaxialscheibe, welche im Ziueistufen-Epitaxial\/erfahren hergestellt wurde;
Figur 7 ein Diagramm der Änderungen in der Dampfphase bei einer Epitaxialscheibe, welche nach dem erfin- ■ dungsgemässen verbesserten Zweistufen-Epitaxialverfahren hergestellt wurde;
Figur 8 ein Diagramm der Störstellenverteilung in einer Epitaxialscheibe, welche nach dem erfindungsgemässen Zweistufen-Verfahren hergestellt wurde;
Figur 9 einen Schnitt einer Halbleiterscheibe mit einer Epitaxialschicht mit hoher Störstallenkonzentration auf einem Halbleitersubstrat mit geringer Störstellenkonzentration, hergestellt durch Aufwachsen aus der Dampfphase;
Figur 1o ein Diagramm der Störstellenverteilung entlang der Linie A-A in Figur 1 und
Figur 11 ein Diagramm der Störstellenverteilung in einer Epitaxialschicht, welche nach dem erfindungsgemässen Verfahren abgeschieden wurde.
Im folgenden sollen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren beschrieben werden. Zunächst soll der Einfachheit halber anhand der Figuren 1 bis 8 ein Verfahren zur Ausbildung einer Epitaxial-
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schicht mit geringer Störstellendichte auf einem Halbleitersubstrat mit hoher Störstellendichte erläutert werden.
Es soll angenommen werden, dass eine mit Arsen dotierte Silizium-Epitaxialschicht auf einem mit Arsen dotierten Siliziumsubstrat durch Abscheidung aus der Dampfphase gebildet wird. Hierbei handelt es sich um ein typisches Beispiel, bei dem es mährend der Hitzebehandlung sehr leicht zu einer Autodotierung kommt oder zu einer Senkung der Störstellenverteilung im Grenzbereich. Der Grund, dass diese Phänomene bsi Arsenäotierung besonders stark auftreten, liegt darin, dass das Arsen einen wesentlich höheren Dampfdruck hat als andere Störstellenelemente, welche bei Halbleitern verwendet werden.
Im folgenden soll auf Figur 1 Bezug genommen werden. Figur 1 zeigt ein Reaktionsrohr 1, durch welches'ein Gas strömt. Das Reaktionsrohr 1 befindet sich in einem horizontalen Ofen für das Aufwachsen von Silizium aus der Dampfphase. Solche Öfen werden weithin verwendet.*Eine hydrodynamische Analyse zeigt, dass die Gasströmung in dem Rohr nicht gleichförmig verläuft, sondern in zwei Schichten getrennt ist, nämlich in eine sehr dünne stagnierende Schicht über dem Heizelement 2 (im folgenden als Susceptor bezeichnet) und eine Konvektionsschicht 4. Die stagnierende Schicht bildet sich-aufgrund des Strömunqswiderstandes aus sowie aufgrund der thermischen Tragkraft in einem Stadium, in dem die Temperatur durch Aufheizung erhöht wird. In der stagnierenden Schicht findet im wesentlichen keine Gasströmung statt, während in der Konvektionsschicht die Strömungen des Trägergases, des Dotiergases und des Siliziumquellengases im wesentlichen konstant sind. Diese Gase gelangen sodann aus dem Rohr heraus. Als Siliziumquellengase eignen sich Hydride und Halogenide wie SiH^, SiCl4, SiHCl3, SiH2Cl2 oder dergleichen. AI3 Dotiergas werden gewöhnlich Arsentrihydrid (AsH3; Arsin) und als Trägergas wird gewöhnlich Uiaaserstoff (H2) verwendet.
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Eine Silizium-Epitaxialschicht wird nur in solcher Weise ausgebildet, dass die Moleküle der Gase aus der Konv/ektionsschicht 4 in Hie stagnierende Schicht J diffundieren und danach einer thermischen Zersetzung oder Reduktion an der Oberfläche eines Substrats 5 unterzogen werden. Das Substrat besteht -aus Silizium, .ujelches mit arsenhohsr Dichte dotiert ist. Das Substrat 5 befindet sich auf einer Halterung (2) (Susceptor). Das Silizium und das Arsen werden'auf dem Substrat 5 abgeschieden.
Bevor das epitaxiale Aufwachsen beginnt, wird das Siliziumsubstrat 5 einer hohen Temperatur ausgesetzt, wodurch Arsen wegen des hohen Dampfdrucks v/erdampft. Die verdampften Atome verlassen . nun nicht sofort das Reaktionssystem, sondern verbleiben innerhalb der stagnierenden Schicht. Nur einige der ausgetretenen Arsenatome diffundieren aus der stagnierenden Schicht heraus und in die ..Konvektionsschicht und gelangen somit aus dem Reaktionssystem heraus. Die Geschwindigkeit, mit der die Arsenatome aus dem Reaktionssystem herausgetragen merden, ist wesentlich geringer als die Geschwindigkeit, mit der das Arsen aus dem Siliziumsubstrat 5 verdampft. Daher wird die Konzentration des Arsens in der stagnierenden Schicht nicht wesentlich verringert. Das Dotiergäs (AsH3) wird nun in einer Menge, welche für die jeweilige Epitaxialschicht erforderlich ist, aus der Konvektionsschicht 4 in die stagnierende Schicht 3 eindiffundiert und verbleibt darin. Die Menge an Dotiergas wird so gewählt, dass die Epitaxialschicht die gewünschte Störstellendichte erhält. Das Dotiergas wird auf der Oberfläche des Substrats 5 thermisch zu atomarem Arsen zersetzt. Die Konzentration der aus dem Siliziumsubstrat 5 verdampften Arsenatome, welche in der stagnierenden Schicht verbleiben, ist nun wesentlich grosser als die vorbestimmt8 erforderliche Konzentration des Dotiergases. Wenn nun eine epitaxiale Schicht auf dem Siliziumsubstrat 5 aufwächst, so werden die überschüssigen Arsenatome in der stagnierenden Schicht 3 wieder auf dem Substrat 5 abgeschieden, und zwar
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zusammen mit dam Siliziumatom. Demzufolge wird die Silizium-Epitaxialschicht mit einer überschüssigen lYlenge d8r Arsenatome dotiert, was zur Folge hat, dass die Konzentration des Arsens'wesentlich grosser ist als die in der Silizium-Epitaxialschicht zu Beginn des epitaxialen Aufuiachsens erforderliche Konzentration. Dies sind im wesentlichen die Wirkungen des Autodotierphänomens.
Im folgenden wird auf Figur 2 Bezug genommen. Diese zeigt eine Silizium-Epitaxialscheibe, welche in herkömmlicher UJeise durch epitaxiales Aufwachsen hergestellt wurde. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine epitaxial aufgewachsene Schicht und das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine autodotierte Region im Grenzbereich. Diese Epitaxialscheibe zeigt eine Störstellenuerteilung entsprechend der ausgezogenen Linie in Figur Die gestrichelte Linie in Figur 3 betrifft eine ideale Störstellenuerteilung, welche nur dann erhalten wird, wenn keine Autodotierung stattfindet.
Bei der zweistufigen epitaxialen Aufwachstechnik umfasst das Verfahren eine erste Aufwachsstufe und eine zweite Aufwachsstufe. Zwischen den beiden Stufen wird das Aufwachsen unterbrochen und eine Hitzebehandlung vorgenommen. Bei dieser Hitzebehandlung wird die erste auf das Siliziumsubstrat 5 dünn abgeschiedene epitaxiale Schicht einer Hitzebehandlung unterzogen und gleichzeitig wird das Restgas in dem Reaktionsrohr gereinigt. Figur 4a zeigt ein Stadium, bei dem eine erste dünne epitaxiale Schicht 8 auf das Siliziumsubstrat 5 aufgebracht wurde. Diese erste Epitaxialschicht B ist mit Arsen dotiert, und zwar bis zu einem UJert CEP. , welcher wesentlich - höher ist als der erwünschte UJert C . Die Dicke der ersten Epitaxialschicht 8 beträgt (L. - Ln) und liegt gewöhnlich unterhalb 1 Mikron. Obgleich der Wert CEP1 wesentlieh höher ist als der UJert C , ist er doch immer noch gering genug im Vergleich zu der Arsendichte in dem Siliziumsubstrat
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Somit, dient die erste Epitaxialschicht 8 dazu, eine ujei- · tere Verdampfunq des Arsens in hoher Konzentration aus dem Siliziumsubstrat 5 zu verhindern. Bei der Hitzebehandlünq nach der ersten epitaxialen Aufwachsstufe ujird die Zufuhr des Siliziumauellengases und die ■ Dotierung mit arsenhaltiqem Wasserstoffgas abgestoppt und nur das Trägerqas (UJasserstoff) wird in das Reaktionsrohr eingeführt. Dabei wird die Temperatur des Reaktionsrohres auf dem gleichen 'Uert konstant qehalten, und zwar während des gesamten-Verfahrens einschliesslich der ersten Aufujachsstufe und der zweiten Aufwachsstufe und der Hitzebehandlung zwischen beiden Stufen.
Somit werden in der Konvektionsqasschicht die Konzentrationen · des Dotierqases und des Siliziumnt.iellBnn.ases Null. Die Verdampfung des in hoher Dichte im Siliziumsubstrat 5 befindlichen Arsens wird durch die erste Epitaxialschicht B verhindert. Demzufolge sinkt die Arsendichte in der stagnierenden Gasschicht 3 allmählich um eine Menge ab, welche der Menge des in die Konve ktionsgasschicht 4 diffundierenden Arsens entspricht, wie Figur 5a zeigt. In dieser Figur bedeutet t den Zeitpunkt, zu dem das Aufwachsen der Epitaxialschicht beninnt. t,. bezeichnet den Zeitpunkt, bis zu dem die erste Epitaxialschicht aufwächst, tg bezeichnet die Zeit, bei der die Hitzsbehandlung beendet wird. Pt bezeichnet die Arsenkonzentration in der stagnierenden Gasschicht 3 unmittelbar vor dem Zeitpunkt t , zu dem das epitaxiale Aufwachsen beginnt. Pt, bezeichnet die ArsenkonzBntration am Ende (t.) des ersten epitaxialsn Aufwachsprozesses. Pt„ bezeichnet die Konzentration am Ende (t2) der Hitzebehandlungsstufe und P* bezeichnet die Arsenkonzentration in der Dampfphase, welche erforderlich ist, damit die Arsenkonzentration in der Epitaxialschicht den gewünschten UJert C* erreicht. Ferner nimmt in der ersten Epitaxialschicht 8 auch die Arsenkonzentration allmählich ab, und zwar aufgrund einer Verdampfung von Arsenatomen aus
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der Oberfläche der ersten Epitaxialschicht. Dieses Stadium ist in Figur 5b gezeigt, wo die Arsenkonzentration von CEP. auf CEP1' abnimmt. Diese Abnahme ist ein Ergebnis der Hitzebehandlung mährend der Zeitdauer (t„ - t. ). Die zweite epitaxiale Aufwachsstufe beginnt bei t^,nachdem die ^rsenkonzentration in der stagnierenden Schicht 3 den vorbestimmten Wert P^ erreicht hat. Die Zufuhr des Siliziumnuellenqases und des mit Arsen versetzten Wasserstoffgases für die Dotierunq bis zu einer Konzentration P* wird mieder aufgenommen und der epitaxiale Aufwachsprozess wird fortgesetzt, bis die geujünschten Eigenschaften erreicht sind.
Figuren 5a und 5b zeigen ideale Beispiele, bei denen die Zeit, welche dazu erforderlich ist, dass die Arsenkonzentration in der stagnierenden Gasschicht 3 vom UJert Pt. auf den vorbestimmten UJert P^ gebracht wird, gleich derjenigen Zeit ist, welche dazu erforderlich ist, dass die Arsenkonzentration in der ersten Epitaxialschicht 8 vom Ausgangswert CEP. auf . den erwünschten Wert C* gebracht wird. In der Praxis stimmen die beiden Zeitabschnitte oft nicht überein, was zu verschiedenen Problemen führt, wie in Figur 6a angegeben. Die Figur 6a zeigt ein Beispiel, bei dem das Aufwachsen der zweiten Epitaxialschicht beginnt, bevor die Arsendichte in der ersten Epitaxialschicht 8 den UJert C* während der Hitzebehandlungszeit (t2 - t.) erreicht, was zu einem Rest an autodotierter Region führt. Die Figur 6b zeigt ein Beispiel, bei dem die Arsenkonzentration während der Zeitdauer (t„ - t.) auf einen Wert unterhalb C* gerät, was zu einer Senkunq der Störstellenvertsilung im Grenzbereich führt. UJie oben beschrieben, bringt das herkömmliche Zweistufenverfahren das Problem mit sich, dass das Ausmaß der Änderungen der Arsendichte während der vorbestimmten Zeitdauer in der Festkörperphase von der Änderung der Arsenkonzentration in der Dampfphase abweicht. Um zu erreichen, dass sich die Arsenkonzentration in der Festkörperphase und der Dampfphase miteinander in Übereinstimmung befinden, muss man eine Vielzahl von Vorversuchen zur Gewinnung von
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vorläufigen Daten durchführen, und es bedarf eines besonderen Geschicks, um aufgrund dieser Daten das Verfahren zu führen. Dieses Problem des herkömmlichen Verfahrens entsteht dadurch, dass mährend der Hitzebehandlung nur Wasserstoff trägergas zugeführt uiird. Daher hat während dieser Hitzebehandlung die Arsenkonzentration in der Konvektionsschicht 4 den UJert Null,und eine übermässige Hitzebehandlung führt dazu, dass die Arsenkonzeritration in der stagnierenden Gasschicht 3 sowie die Arsenkonzentration in der ersten Epitaxialschicht 8, .welche mit derjenigen in der stagnierenden Gasschicht im Gleichgewicht steht, unter die erwünschten UJerte P* bzw. C^ gesenkt werden.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird nur die Zuführung des Quellengases unterbrochen, während das Dotiergas AsH,, auch während der Hitzebehandlung in vorbestimmter Konzentration zugeführt wird. Somit wird während der Hitzebehandlung ein Gasgemisch aus dem Trägergas wie W^ und dem Dotiergas wie AsH3 in die Apparatur eingeleitet. Das Dotiergas hat in der Konversionsschicht 4 eine vorbestimmte Konzentration, und somit steht die Arsenkonzentration in der stagnierenden Gasschicht 3 im Gleichgewicht mit der Dot'iergaskonzentration in der Konve ktionsgasschisht. Somit kann erreicht werden, dass die Arsenkonzentration in der stagnierenden Gasschicht 3 nicht unter den erwünschten UJert P*" sinkt. Die Arsenkonzentration in der stagnierenden Gasschicht ändert sich entsprechend der gestrichelten Linie in Figur 5a. Sie gerät jedoch nicht unter den UJert P* , sondern nähert sich dem Wert P* in hohem Maße, wie Figur 7 zeigt. Auf diesen UJert stellt sich die Gleichgewichtskonzentration des Arsens in der stagnierenden .Gasschicht 3 ein. Somit erhält die Arsenkonzentration in der ersten Epitaxialschicht, welche im Gleichgewicht steht mit der Arsenkonzentration in der stagnierenden Gasschicht, den Gleichgewichtswert C . Hierdurch wird somit die Arsenkonzentration sowohl in der Gasphase als auch in der Festkörper-
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phase auf dem lUert P bzw. CT gehalten, unabhängig davon, wielange die Hitzebehandlung durchgeführt uiird, und somit ist es unmöglich, dass die Störstellenverteilung in der Grenzfläche gemäss Figur 6b gesenkt wird. Erfindungsgemäss beobachtet man keinen Rest einer autodotierten Region wie in Figur 6a, da die Hitzebehandlung während einer genügend langen Zeitdauer durchgeführt werden kann. Unabhängig von der Länge der Hitzebehandlung kann somit stets ein gleichbleibendes reproduzierbares Epitaxialverfahren durchgeführt werden. Es kann stets auf andere ÜJeise das günstigste Störstellengleichgewicht eingestellt werden. Hierdurch wird die Notwendigkeit,eine Vielzahl vorläufiger experimentieller Daten zu beschaffen, beseitigt.
Figur 8 zeigt eine Störstellenverteilung in einer Silizium-Epitaxialscheibe gemäss vorliegender Erfindung. Man erkennt, dass der Autodotiereffekt im Orenzbereich vollständig eliminiert ist. Die Arsenkonzentration CEP2 in der zweiten Epitaxialaufwachsschicht hat den Wert C* . Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren 9 bis 11 näher erläutert .werden. Hierbei wird eine Epitaxialschicht mit einer hohen Störstellenkonzentration auf einem Halbleitersubstrat mit einer geringen Störstellenkonzentration ausgebildet. In diesem Fall ergibt sich genau das dem Autodotiereffekt entgegengesetzte Phänomen. Vor Beginn des Aufwachsens mit niedriger Störstellenkonzentration ist die Störstellenkonzentration in der stagnierenden Gasschicht niedrig genüg im l/ergleich zur erwünschten Dotierstufe in der Epitaxialschicht. Die Zeitdauer, während welcher die Störstellendichte in der stagnierenden Gasschicht den gewünschten Konzentrationswert erreicht, macht das Störstellenprofil an der Grenzfläche zwischen den beiden Regionen unterschiedlicher Störstellenkonzentration lose oder unbestimmt. Um ein steiles Störstellenprofil zu erhalten, ist ein rasches Ansprechen ohne Verzögerung .der Störstellendotierung erforderlich. Das verbesserte erfindungsgemässe Zweistufenverfahren ist somit auch dazu geeignet, die Autoverdünnung in umgekehrter Richtung zu beschränken.
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Figur 9 zeigt einen Schnitt durch eine Halbleiterscheibe, auf welcher eine Epitaxialschicht abgeschieden wurde, welche mit einer Verunreinigung in hoher Konzentration dotiert wurde. Die Epitaxialschicht befindet sich auf einem Halbleitersubstrat (oder auf einer anderen Epitaxialschicht) mit einer niedrigen Störstellenkonzentration. Dabei hat die abgeschiedene Epitaxialschicht den gleichen Ladungstyp wie das Substrat. Gemäss Figur 9 bezeichnet das Rezugszeichen 9 ein Halbleitersubstrat (oder eine Epitaxialschicht) mit geringer Störstellenkonzentration,und das Bezugszeichen bezeichnet eine Epitaxialschicht mit einer hohen Störstellenkonzentration.
Figur 1o zeigt eine Störstellenkonzentrationsvsrteilung entlana der Linie A-A der Halbleiterscheibe gemMss Figur 9. Die ausgezogene Linie bezeichnet die Störstellenvsrteilung in einer nach dam erfindungsgemäs'sen Verfahren durch Epitaxialaufwachsung hergestellten Scheibe und die gestrichelte Linie zeigt eine Störstallenverteilung in einer Scheibe, welche durch epitaxiales Aufwachsen nach einem herkömmlichen ' Verfahren hergestellt wurde. Man erkannt aus Figur 1o, dass der Autoverdünnungseffekt bei der erfindungsgemäss hergestellten Halbleiterscheibe im grossen und ganzen v/erschwindend ist.
Im folgenden soll ein konkretes Beispiel 8inar Halbleiterscheibe angegeben werden, welche durch epitaxialss Aufwachsen gemäss vorliegender Erfindung hergestellt wurde. Eine Silizium-Epitaxialscheibe, deren Störstellenkonzentration 1x1o' /cm beträgt, wird auf die Halterung gelegt, welche mit hoher Frequenz induktiv beheizt wird. Die Halterung und die Scheibe werden sodann in einen herkömmlichen Reaktionsapparat mit einem offenen horizontalen Rohr gegeben. Das Innere des Reaktionsapparates, welcher auf Zimmertemperatur gehalten wird, wird mit Stickstoffgas gespült, welches mit einer Strömungs-
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geschwindigkeit von 4o l/min, eingeleitet wird, und zwar mährend 4 (Ylinuten. Danach wird das Rsaktionsgefäss mit Wasserstoffgas der gleichen Strömungsgeschwindigkeit mährend abermals 4 Minuten gespült. Das UJasserstoffqas' uiird der Reaktionsapparatur mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 4o l/min, zugeführt und die Halterung wird auf eine Temperatur von 1 o5o C erhitzt. Arsentrihydrid (AsHr,) wird gasförmig in den Reaktionsapparat eingeleitet, und zwar 5o ppm mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 3o ml/min. Nach Durchströmung der Apparatur durch diese Gase während 2o Minuten hat die Störstellenkonzentration in dar stagnierenden Gasschicht den vorbestimmten liiert durch die Fusion aus der Konvektionsschicht,und 5% liiasserstoffsilicid (SiH.) werden zusätzlich mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1o4o ml/min, eingeleitet. Nach der Zufuhr dieser Gase während 2o Minuten wird lediglich die Einleitung von UJasserstof f gas lcj!ai£xja!p£u:'. Das Erhitzen wird jedoch noch während 4 Minuten fortgesetzt. Sodann lässt man die Halterung auf Zimmertemperatur abkühlen. Bei verschiedenen-Versuchen wurde die Scheibe aus dem Reaktionsapparat herausgenommen und inspiziert. Man fand, dass die Dicke der abgeschiedenen Epitaxialschicht 7,ο Mikron beträgt und dass die Störstellenkonzentration 1x1o /cm beträgt. Es wurde ferner gefunden, dass die Dicke der Ubergangsregion zwischen der epitaxialen Schicht mit einer Störstellenkonzentration von 1x1o /cm mit der epitaxialen Schicht mit einer Störstellenkonzentration von 1x1o /cm nicht mehr als o,1 Mikron beträgt. Diese Ergebnisse sind graphisch in Figur 11 im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren dargestellt. Die ausgezogene Linie bezeichnet die Störstellenkonzentrationsverteilung, welche bei Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens erzielt wird, und die gestrichelte Linie zeigt die Störstellenkonzentrationsverteilung, welche bei Durchführung des herkömmlichen Verfahrens erzielt wird.
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Vorstehend ujuide die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem eine epitaxiale Schicht aus'Silizium mit Arsen dotiert wird und auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht wird, uielches ebenfalls mit Arsen · dotiert ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann als Halbleitermaterial Silizium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid oder, dergleichen dienen. Als Störelement kann man Arsen, Phorphor, Antimon, Bor, Gallium, Aluminium oder dergleich-en verwenden. Darüber hinaus können im Substrat und in der epitaxialen Schicht verschiedene Störelemente vorliegen.
Ferner ist die Erfindung nicht auf einen Reaktionsapparat mit horizontalem Rohr beschränkt. Die Erfindung kann bei allen Systemen des Aufwachsens aus der Dampfphase angewandt werden, bei denen die Gasströmung parallel zur Halbleiterscheibenoberfläche verläuft.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    , Verfahren zum Aufwachsen einer Halbleiterschicht aus der Dampfphase auf ein Halbleitersubstrat oder eine zuvor ausgebildete Halbleiterschicht, des bzw. deren Störstellendichte verschieden ist von der Störstellenriichte der aufwachsenden Halbleiterschicht, d a riurcn geKennzBichnet, dass man das Halbleitersubstrat oder die zuvor ausgebildete HaIblßiterschicht vor dem Beginn des Aufiuachsens der Halbleiterschicht mit einem Trägergas und einem Dotierqas vorbestimmter Konzentration behandelt.
    2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Störstellendichte in der aufu/achsenden Halbleiterschicht grosser ist als in dem Halbleitersubstrat bzuj. in der zuvor ausgebildeten Halbleiterschicht.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Störstellendichte in der aufwachsenden Halbleiterschicht kleiner ist als in dem Halbleitersubstrat bzw. in der zuvor ausgebildeten Halbleiterschicht.
    4« Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man nach dem Aufwachsen der Halbleiter schicht auf das Halbleitersubstrat eine Hitzebehandlung unter Zufuhr eines Trägergases und eines Dotiergases vorbestimmter Konzentration durchführt und danach eine weitere Halbleiterschicht aufwachsen lässt, deren Störstellendichte geringer ist als die Störstellendichte des Halbleitersubstrats.
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    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man durch Zufuhr eines" Trägergases, eines Dotiergases und eines Quellen-. gases eine Halbleiterschicht auf ein Halbleiter- : substrat aufwachsen lässt, wobei die Störstellendichte der Halbleiterschicht geringer ist als die Störstellendichte des Halbleitersubstrats, worauf man die Zufuhr des Huellengases unterbricht und mit der Zufuhr des TrMgergases und des Dotiergases in vorbestimmter Konzentration fortfährt und dabei eine Hitzebehandlunq durchführt, worauf man der ausgebildeten Halbleiterschicht ein TrMgergas, ein Dotiergas und ein Quellengas zuführt und eine, weitere Halbleiterschicht aufwachsen lässt, deren Störstellendichte geringer ist als die Störstellendichte des Halbleitersubstrats.
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DE2419142A 1973-12-26 1974-04-20 Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht mit einer niedrigen Störstellendichte auf einem Halbleitersubstrat mit einer hohen Störstellendichte Expired DE2419142C3 (de)

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