DE2419142C3 - Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht mit einer niedrigen Störstellendichte auf einem Halbleitersubstrat mit einer hohen Störstellendichte - Google Patents

Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht mit einer niedrigen Störstellendichte auf einem Halbleitersubstrat mit einer hohen Störstellendichte

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DE2419142C3 DE2419142A DE2419142A DE2419142C3 DE 2419142 C3 DE2419142 C3 DE 2419142C3 DE 2419142 A DE2419142 A DE 2419142A DE 2419142 A DE2419142 A DE 2419142A DE 2419142 C3 DE2419142 C3 DE 2419142C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht mit einer niedrigen Störstellendichte durch Aufwachsen aus der Dampfphase auf ein Halbleitersubstrat mit einer hohen Störstellendichte des gleichen Leitungstyps, wobei das Aufwachsen der Halbleiterschicht geringer Störstellendichte aus der Dampfphase in zwei Stufen durchgeführt wird und wobei zwischen den beiden Stufen eine Hitzebehandlung unter Oberleitung eines Trägergases erfolgt
In den letzten Jahren ist der Bedarf nach Feslkörperelektronikvorrichtungen rasch gestiegen und hat zu einer Beschleunigung det Entwicklung fortgeschrittener 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 Hochfrequenztransistoren und Mikrowellendioden. Diese Elemente werden gewöhnlich unter Abscheidung einer Halbleiterschicht auf einem Halbleitersubstrat mit niedrigem oder hohem Widerstand hergestellt, wobei die Kristallstrukturen fluchten. Solche Halbleiterschichten werden im folgenden als Epitaxialschichten bezeichnet
Bei einem solchen Halbleiterelement, bei dem das Halbleitersubstrat eine Scheibe geringen Widerstandes ist, kommt es zu einer unscharfen Verteilung der Fremdatome an der Grenze zwischen dem Substrat und der Epitaxialschicht aufgrund eines Autodotierphänomens. Die Anwesenheit einer Region mit unscharfer Verteilung der Fremdatome beeinträchtigt die Genauigkeit des Aufbaues des Halbleiterelements. Ferner führt dies zu einer Erhöhung des Serienwiderstandes und des thermischen Widerstandes und somit zu einer Verringerung der Zuverlässigkeit
Ein herkömmliches Verfahren, dem Problem der Autodotierung zu begegnen, besteht in der zweistufigen epitaxialen Aufwachstechnik mit Zwischenhitzebehandlung. Dabei kommt es jedoch leicht zu einer unscharfen Verteilung der Fremdatome aufgrund übermäßiger Zwischenhitzebehandlung oder aufgrund eines Restes einer autodotierten Region wegen ungenügender Zwischenhitzebehandlung. Um dieses Problem zu umgehen, muß die Hitzebehandlung äußerst sorgfältig gesteuert werden. Dies wiederum erfordert ein Übermaß an Voryersuchen, sowie spezielles Geschick.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß bei einfacher Verfahrensführung mit guter Reproduzjerbarkeit ein abrupter Obergang der Störstellenkonzentration von dem Halbleitersubstrat zur Epitaxialschicht entsteht
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß man die Hitzebehandlung unter Oberleitung eines Trägergases und eines Dotiergases durchfällt, wobei die Konzentration des Dotiergases der mit der gewünschten Störstellendichte in der Halbleiterschicht in Gleichgewicht stehenden Dotiergaskonzentration entspricht
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Schematisches Diagramm zur Veranschaulichung der Gasströmungsverhältnisse in einem Reaktionsrohr eines horizontalen Dampfaufwachsapparates; Fig.2 einen Schnitt durch eine herkömmliche Halbleiterscheibe mit einer Epitaxialschicht geringer Störstellendichte auf einem Substrat hoher Störstellendichte; .
F i g. 3 ein Diagramm der Störstellenverteilung in der Halbleiterscheibe gem. F i g. 2;
Fig.4a einen Schnitt durch eine Halbleiterscheibe mit einer ersten Epitaxialschicht zur Veranschaulichung des herkömmlichen zweistufigen Epitaxialaufwachsverfahrens;
Fig.4b ein Diagramm der Störstellenverteilung der Halbleiterscheibe gem. F i g. 4a;
Fig.5a und 5b Diagramme zur Veranschaulichung
der Änderungen der Störgaskonzentration bzw. der
Störstellendichte während der Hitzebehandlung bei
dem zweistufigen herkömmlichen Epitaxialaufwachsverfahren;
F i g. 6a und 6b Diagramme zur Veranschaulichung der Ausbildung einer ungenauen Störstellenverteilung im Grenzbereich einer Epitaxialscheibe, welche im ■to herkömmlichen Zweistufen-Epitzv.ialverfahren hergestellt wurde;
F i g. 7 ein Diagramm der Verteilung der Störgaskonzentration in der Dampfphase bei dem erfindungsgemäßen Zweistufen-Epitaxialverfahren und
Fig.8 ein Diagramm der Störstellenverteilung in einer Epitaxialscheibe, welche nach dem erfindungsgemäßen Zweistufen-Verfahren hergestellt wurde.
Es soll angenommen werden, daß eine mit Arsen dotierte Silicium-Epitaxialschicht auf einem mit Arsen dotierten Siliciumsubstrat durch Abscheidung aus der Dampfphase gebildet wird. Hierbei handelt es sich um ein typisches Beispiel, bei dem es während der Hitzebehandlung sehr leicht zu einer Autodotierung kommt oder zu einer Senkung der Störstellenverteilung im Grenzbereich. Diese Phänomene treten bei Arsendotierung besonders stark auf, da das Arsen einen wesentlich höheren Dampfdruck hat als andere Störstellenelemente, welche bei Halbleitern verwendet werden.
so Fig. 1 zeigt ein Reaktionsrohr 1, durch welches ein Gas strömt Das Reaktionsrohr 1 befindet sich in einem horizontalen Ofen. Eine hydrodynamische Analyse zeigt, daß die Gasströmung in dem Rohr 1 nicht gleichförmig verläuft, sondern in zwei Schichten h~> getrennt ist, nämlich in eine sehr dünne stagnierende Schicht 3 über dem Heizelement 2 und eine Konvektionsschicht 4. Die stagnierende Schicht bildet sich aufgrund des Strömungswiderstandes aus, sowie auf-
grund der thermischen Auftriebskraft beim Aufheizen. In der stagnierenden Schicht findet im wesentlichen keine Gasströmung statt, während in der Konvektionsschicht die Strömungen des Trägergases, des Dotiergases und des Siliciumquellengases im wesentlichen konstant sind. Diese Gase treten sodann aus dem Rohr aus. Als Siliciumquellengase eignen sich Hydride und Halogenide, wie SiH-,, SiCI4, SiHCl3, SiH2Cl2. Als Dotiergas wird gewöhnlich Arsentrihydrid (ASH3; Arsin) und als Trägergas Wasserstoff (H2) verwendet
Eine Silicium-Epitaxialschicht kann immer nur in solcher Weise ausgebildet werden, daß die Moleküle der Gase aus der Konvektionsschicht 4 in die stagnierende Schicht 3 diffundieren und danach einer thermischen Zersetzung oder Reduktion an der Oberfläche eines Substrats 5 unterliegen. Das Substrat besteht aus Silicium, welches mit Arsen hoher Dichte dotiert ist Das Substrat 5 befindet sich auf einer Halterung 2. Das Silicium und das Arsen werden auf dem Substrat 5 abgeschieden.
Bevor das epitaxiale Aufwachsen beginnt, wird das Siliciumsubstrat 5 einer hohen Temperatur ausgesetzt, wodurch Arsen wegen des hohen Dampfdrucks verdampft. 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 in die Konvektionsschicht und gelangen somit aus dem Reaktionssystem heraus. Die Geschwindigkeit, mit der die Arsenatome aus dem Reaktionssystem herausgetragen werden, ist wesentlich geringer als die Geschwindigkeit mit der das Arsen aus dem Siliciumsubstrat 5 verdampft Daher wird die Konzen tration des Arsens in der stagnierenden Schicht nicht wesentlich verringert Das Dotiergas (ASK3) 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 Siliciumsubstrat 5 verdampften Arsenatome, welche in der stagnierenden Schicht verbleiben, ist nun wesentlich größer als die vorbestimmte für die Bildung der Epitaxialschicht erforderliche Konzentration des Dotiergases. Wenn nun eine Epitaxialschicht auf dem Siliciumsubstrat 5 aufwächst, so werden die überschüssigen Arsenatome aus der stagnierenden Schicht 3 wieder auf dem Substrat 5 abgeschieden, und zwar zusammen mit den Siliciumatomen. Demzufolge wird die Silicium-Epitaxialschicht mit einer überschüssigen Menge der Arsenatome dotiert was zur Folge hat, daß die Konzentration des Arsens wesentlich größer ist als die zu Beginn des epitaxialen Aufwachens gewünschte Konzentration in der Silicium-Epitaxialschicht Dies sind im wesentlichen die Wirkungen des Autodotierphänomens.
Im folgenden wird auf Fig.2 Bezug genommen. Diese zeigt eine Silicium-Epitaxialscheibe, welche in herkömmlicher Weise 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 Störstellenverteilung entsprechend der ausgezogenen Linie in Fig.3. Die gestrichelte Linie π Fig.3 betrifft eine ideale Störstellenverteilung, welche nur dann erhalten wird, wenn keine Autodotierung stattfindet
Bei dar zweistufigen epitaxialen Aufwachstechnik umfaßt das Verfahren eine erste Aufwachsstufe und eine
ä zweite Aufwachsstufe, Zwischen den beiden Stufen wird das Aufwachsen unterbrochen und eine Hitzebehandlung vorgenommen. Bei dieser Hitzebehandlung wird die erste auf das Siliciumsubstrat 5 abgeschiedene dünne Epitaxialschicht einer Hitzebehandlung unterzogen und
in gleichzeitig wird das Reaktionsrohr gereinigt Fig.4a zeigt ein Stadium, bei dem eine erste dünne Epitaxialschicht 8 auf das Siliciumsubstrat 5 aufgebracht wurde. Diese erste Epitaxialschicht 8 ist mit Arsen dotiert, und zwar bis zu einem Wert CEP,, welcher wesentlich höher
ic. ist als der erwünschte Wert C*. Die Dicke der ersten Epitaxialschicht 8 beträgt (L, — L0) und liegt gewöhnlich unterhalb 1 Mikron. Obgleich der Wert CEP, wesentlich höher ist als der Wert C* ist er doch immer noch gering im Vergleich zu der Arsendichte in dem
Siliciumsubstrat 5.
Somit dient die erste Epitaxialschicht 8 dazu, eine weitere Verdampfung des Arsens &as dem Siliciumsubstrat 5 zu verhindern. Bei der Hitzebehandlung nach der ersten epitaxialen Aufwachsstufe wird die Zufuhr des
2) Siliciumquellengases und die Dotierung mit arsenhaltigem Wasserstoffgas abgestoppt und nur das Trägergas (Wasserstoff) wird in das Reaktionsrohr eingeführt Dabei wird die Temperatur des Reaktionsrohres auf dem gleichen Wert gehalten, und zwar während des
ίο gesamten Verfahrens einschließlich der ersten Aufwachsstufe und der zweiten Aufwachsstufe und der Hitzebehandlung zwischen beiden Stufen.
Somit werden in der Konvektionsgasschicht die Konzentrationen des Dotiergases und des Siliciumquel-
»■> lengases Null. Die Verdampfung des in hoher Dichte im Siliciumsubstrat 5 befindlichen Arsens wird durch die erste Epitaxialschicht 8 verhindert Demzufolge sinkt die Arsendichte in der stagnierenden Gasschicht 3 allmählich um eine Menge ab, welche der Menge des in
"> die Konvektionsgasschicht 4 diffundierenden Arsens entspricht wie F i g. 5a zeigt In dieser Figur bedeutet to den Zeitpunkt zu dem das Aufwachsen der Epitaxialschicht beginnt t, bezeichnet den Zeitpunkt, bis zu dem die erste Epitaxialschicht aufwächst h bezeichnet die
■»> Zeit, bei der die Hitzebehandlung beendet wird. Pf0 bezeichnet die Arsenkonzentration in der stagnierenden Gasschicht 3 unmittelbar vor dem Zeitpunkt fo, zu dem das epitaxiale Aufwachsen beginnt Pt, bezeichnet die Arsenkonzentration am Ende (t,) des ersten epitaxialen
r>o Aufwachsprozesses. Ph bezeichnet die Konzentration am Ende (h) der Hitzebehandlungsstufe und P* bezeichnet die Arsenkonzentration in der Dampfphase, welche erforderlich ist, damit die Arsenkonzentraticn in der Epitaxialschicht den gewünschten Wert C* erreicht
v, Fei ner nimmt in der ersten Epitaxialschicht 8 auch die Arsenkonzentration allmählich ab, und zwar aufgrund einer Verdampfung von Arsenatomen aus der Oberfläche der ersten Epitaxialschicht Dieses Stadium ist in F i g. 5b gezeigt, wo die Arsenkonzentration von CEP, auf CEP,' abnimmt Diese Abnahme ist ein Ergebnis der Hitzebehandlung während der Zeitdauer (h — h\ Die zweite epitaxiale Aufwächsstufe beginnt bei /2, nachdem die Arsenkonzentration in der Stagnieranden Schicht 3 den vorbestimmten Wert P* erreicht hat. Die Zufuhr
h"· des Siliciumquellengases und des mit Arsen versetzten Wasserstoffgases für die Dotierung bis zu einer Konzentration P* wird wieder aufgenommen und der epitaxiale Aufwachsprozeß wird fortgesetzt, bis die
gewünschten Eigenschaften erreicht sind.
F i g. Sa und 5b zeigen ideale Beispiele, bei denen die Zeit, welche dazu erforderlich ist, daß die Arsenkonzentration in der stagnierenden Gasschicht 3 vom Wert Pt\ auf den vorbestimmten Wert P* gebracht wird, gleich derjenigen Zeit ist, welche dazu erforderlich ist, daß die Arsenkonzentration in der ersten Epitaxialschicht 8 vom Ausgangswert CEP1 auf den erwünschten Wert C* gebracht wird. In der Praxis stimmen die beiden Zeitabschnitte oft nicht überein, was zu verschiedenen Problemen führt, wie in F i g. 6a angegeben. Die F i g. 6a zeigt ein Beispiel, bei dem das Aufwachsen der zweiten Epitaxialschicht beginnt, bevor die Arsendichte in der ersten Epitaxialschicht 8 den Wert C* während der Hitzebehandlungszeit (ti — fi) erreicht, was zu einem Rest an autodorierter Region führt. Die F i g. 6b zeigt ein Beispiel, bei dem die Arsenkonzentration während der Zeitdauer f<2 — <i) auf einen Wert unterhalb C*gerät was zu einer Senkung der Störstellenverteilung im Grenzbereich führt. Wie 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 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 während der Hitzebehandlung nur Wasserstoffträgergas zugeführt wird. Daher hat während dieser Hitzebehandlung die Arsenkonzentration in der Konvektionsschicht 4 den Wert Null, und eine übermäßige Hitzebehandlung führt dazu, daß die Arsenkonzentration 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 Werte P* bzw. C* gesenkt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nur die Zuführung des Quellengases unterbrochen, während das Dotiergas AsH3 auch während der Hitzebehandlung in vorbestimmter Konzentration zugeführt wird. Somit wird während der Hitzebehandlung ein Gasgemisch aus dem Trägergas wie H2 und dem Dotiergas wie AsH3 in die Apparatur eingeleitet Das Dotiergas hat in der Konvektionsschicht 4 eine vorbestimmte Konzentration, und somit sieht die Arsenkonzentration in der stagnierenden Gasschicht 3 im Gleichgewicht mit der Dotiergaskonzentration in der Konvektionsgasschicht. Somit kann erreicht werden, daß die Arsenkonzentration in der stagnierenden Gasschicht 3 nicht unter den erwünschten Wert P* sinkt. Die Arsenkonzentration in
"> der stagnierenden Gasschicht ändert sich. Sie gerät jedoch nicht unter den Wert P", sondern nähert sich dem Wert P*, wie F i g. 7 zeigt. Auf diesen Wert 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 Arsenkoiizeiitration in der stagnierenden Gasschicht, den Gleichgewichtswert C*. Hierdurch wird somit die Arsenkonzentration in der Gasphase und in der Festkörperphase auf
r< dem Wert P* bzw. C* gehalten, unabhängig davon, wie lange die Hitzebehandlung durchgeführt wird, und somit ist es unmöglich, daß die Störstellenverteilung in der Grenzfläche gemäß Fig.6b gesenkt wird. ErfindungsgemäU beobachtet man keinen Kest einer autodotierten
2(i Region wie in F i g. 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
ri das günstigste Störstellengleichgewicht eingestellt werden. Hierdurch wird die Notwendigkeit, eine Vielzahl "orläufiger experimentieller Daten zu beschaffen, beseitigt
Fig.8 zeigt eine Störstellenverteilung in einer
in Silicium-Epitaxialschicht gemäß vorliegender Erfindung. Man erkennt, daß der Av:.-xi.itiereffekt im Grenzbereich vollständig eliminiert ist Die Arsenkonzentration CEPi in der zweiten Epitaxialauswachsschicht hat den Wert C*.
Vorstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem eine epitaxiale Schicht aus Silicium mit Arsen dotiert wird und auf ein Siliciumsubstrat aufgebracht wird, welches ebenfalls mit Arsen dotiert ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt Zum Beispiel kann als Halbleitermaterial Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid dienen. Als Störelement kann man Arsen, Phosphor, Antimon, Bor, Gallium, Aluminium verwenden. Darüber hinaus können im Substrat und in der Epitaxialschicht 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
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht mit einer niedrigen Störstellendichte durch Aufwachsen aus der Dampfphase auf ein Halbleitersubstrat mit einer hohen Störstellendichte des gleichen Leitungstyps, wobei das Aufwachsen der Halbleiterschicht geringer Störstellendichte aus der Dampfphase in zwei Stufen durchgeführt wird und wobei zwischen den beiden Stufen eine Hitzebehandlung unter Oberleitung eines Trägergases erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hitzebehandlung unter Oberleitung eines Trägergases und eines Dotiergases durchführt, wobei die Konzentration des Dotiergases der mit der gewünschten Störstellendichte in der Halbleiterschicht in Gleichgewicht stehenden Dotiergaskonzentration entspricht
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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