DE2422508C3 - Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen einer kristallinen Schicht - Google Patents

Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen einer kristallinen Schicht

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen einer kristallinen Schicht auf einem -to erhitzten Kristallsubstrat in zwei Stufen, wobei während der ersten Stufe eine höhere Wachstumsgeschwindigkeit eingehalten wird als während der zweiten Stufe.
Bei integrierten Schaltkreisen kann eine gegenseitige Beeinflussung der Bauteile durch Verwendung eines Schaltkreistyps vermieden werden, bei dem jedes aktive Bauteil eine getrennte Insel eines einkristallinen Halbleitermaterials einnimmt, die auf einem geeigneten isolierenden Substrat aufgebracht ist. Für einkristalline Siliciumfilme haben sich beispielsweise einkristalliner so Saphir oder Spinell (Magnesium-Aluminat) als geeignetes Substratmaterial herausgestellt. Dieser Schaltkreistyp wird auch als SOS (Silicium-auf-Saphir oder Silicium-auf-Spinell)-Schaltkreis bezeichnet.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß es schwierig ist, Transistoren in SOS-Teilen herzustellen, deren sämtliche elektrische Eigenschaften so gut wie die von Transistoren sind, die in Siliciumteilen hergestellt sind. Es hat sich außerdem gezeigt, daß Transistoren in SOS-Teilen hinsichtlich ihrer Charakteristiken sehr bo stark schwanken, wenn die Wachsparameter der Siliciumfilme, in denen sie gebildet werden, geändert werden. Letzteres ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Eigenschaften des aufgewachsenen Siliciumfilms, beispielsweise der Grad der kristallinen Reinheit <>5 bzw. Vollkommenheit, sich mit den Wachsparametern, wie der Wachsrate des Films, ändern.
Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß im Falle
homoepitaktischen Aufwachsens niedrige Wachsraten bzw. -geschwindigkeiten zu besserer kristalliner Qualität führen als hohe Wachsraten. Es sollte daher angenommen werden, daß heteroepitaktische Filme aus Silicium ebenfalls bei relativ niedrigen Wachsraten aufgebracht werden sollten, um optimale Charakteristiken zu erhalten.
Es müssen jedoch außer der kristallinen Vollkommenheit auch andere Faktoren berücksichtigt werden. Heteroepitaktische Siliciumfilme werden gewöhnlich dadurch aufgebracht, daß eine Mischung von Silan (SiH4) und Wasserstoff über ein erhitztes Saphir- oder Spinell-Substrat geleitet wird. Diese Niederschlagsbestandteile (einschließlich Silicium) reagieren mit diesen Substraten und bilden gasförmige Reaktionsprodukte, die dazu neigen, den kristallinen Niederschlag zu vergiften. Bei niedrigen Wachsraten führt die längere Herstellungszeit zu einem höheren Grad der Vergiftung.
Ein anderer Faktor, der die Vergiftung des gewachsenen Films beeinflußt, ist die Wachstemperatur. Mit höheren Wachstemperaturen steigt auch die Selbstdotierung mit Fremdstoffen aus dem Substrat
Wegen der zuvor beschriebenen Schwierigkeiten wurde versucht, die Selbstdotierung durch Anwendung möglichst geringer Wachstemperaturen und möglichst hoher Wachsraten, die für annehmbare Kristallvollkommenheit und elektrische Eigenschaften im kristallinen Niederschlag gerade noch zulässig sind, auf ein Minimum zu reduzieren.
Aktive Bauteile besitzen dann höchst erwünschte Eigenschaften, wenn die Beweglichkeit der Ladungsträger (Hall-Beweglichkeit) relativ hoch ist, Leckströme relativ niedrig sind und die Lebensdauer von Minoritätsträgern relativ hoch ist. Beste MOS/SOS-Transistoreigenschaften wurden auf Filmen mit einer Dicke > 0,8 μΐη erreicht Im allgemeinen soll jedoch die Dicke epitaktischer Schichten so gering als möglich sein, unter Berücksichtigung der erwünschten elektrischen Eigenschaften, da dünnere Filme Metallisierungsfehler entlang der Filmkanten reduzieren, an denen aus der Dampfphase niedergeschlagene Leitungen angebracht werden, um die Elektrodenbereiche zu verbinden.
Es besteht daher ein Bedürfnis, epitaktische Siliciumfilme auf Saphir oder Spinell mit einer Dicke von ungefähr 0,5 μπι niederschlagen zu können, die Eigenschaften haben, daß gute elektrische Bauteile, wie MOS-Transistoren mit entsprechend den in Filmen von einem oder mehreren μπι Dicke erreichten Eigenschaften, hergestellt werden können. Ein Grund, warum dies bisher bei Verwendung einer Wachsrate von 2,0 μπι/ min. nicht hat erreicht werden können, liegt darin, daß nur ungefähr 15 Sekunden zur Verfugung standen, um unter Berücksichtigung der zuvor diskutierten Faktoren solch einen Film niederzuschlagen. Dies ist eine zu kurze Zeitspanne, um die Durchflußraten und Konzentrationen der Reaktionsgase reproduzierbar zu steuern, um den Leitfähigkeitstyp oder die Ladungsträgerkonzentration an der Silicium-Substrat-Berührungsfläche zu ändern.
In der DE-OS 16 19 980 wurde zwar bereits ein zweistufiges Verfahren vorgeschlagen, bei dem jedoch die Wachstumgeschwindigkeit während der ersten Stufe deutlich niedriger als die während der zweiten Stufe ist, so daß aufgrund der vorstehenden Ausführungen die dort erwähnten Nachteile nicht behoben werden konnten.
Ausgehend von dem eingangs erwähnten, aus der
LU-PS 67 197 bekannten Verfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen vorzuschlagen, mit denen in SOS-Werkstücken Transistoren hei gestellt werden können, deren elektrische Eigenschaften sämtlich so gut wie die von ausschließlich in Silictumwerkstficken hergestellten Transistoren sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die durchschnittliche Wachstunisgeschwindigkeit während der ersten Stufe 4 bis 6 μπι/min und während der zweiten Stufe höchstens 0,5 μΐη/πύη beträgt Dabei wird in der ersten Stufe ein sehr dünner Film abgeschieden, d. h. ein Film mit einer Dicke von ungefähr 500 bis 2000 A unter Anwendung einer sogenannten Explosions(»burst«)-Technik. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, innerhalb von ein bis vier Minuten eine die gewünschten Eigenschaften besitzende Siliciumschicht von 0,5 μπι Dicke abzuscheiden.
Das vorgeschlagene Verfahren führt zu ausgezeichneten Ergebnissen, wobei zunächst zu erwähnen ist daß die bisher übliche weite Streuung der Typeigenschaften von Transistoren in SOS-Werkstücken entfällt wenn die Wachstumparameter der Siliciumfilme geändert werden. Außerdem können nun heteroepitaktische Siliciumfilme hergestellt werden, ohne daß die Gefahr einer Störung des Dotierungsgefüges, also eine »Vergiftung« des kristallinen Niederschlags zu befürchten ist
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Reaktionskammer, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist; und
Fig.2 ein Gaszuführungs- und -mischungssystem zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, in schematischer Darstellung.
Obwohl die Erfindung sowohl in einem vertikal als auch horizontal angeordneten Reaktor durchgeführt werden kann, wird sie nachfolgend am Beispiel eines vertikalen Trommelreaktors beschrieben.
Gemäß F i g. 1 besteht ein geeigneter Reaktor aus einer Reaktionskammer 2, die im wesentlichen Glokkenform besitzt Die Kammer 2 weist innere Wände 4 und äußere Wände 6 auf, so daß zwischen den Wänden Wasser geführt werden kann, um die innere Wand 4 zu kühlen, wenn die Kammer in Gebrauch ist
Am oberen Teil ist die Kammer 2 mit einem Gaseinlaß 8 versehen. Außerdem hängt vom oberen Teil der Kammer eine scheibenförmige Gasablenkplatte 10 herab. Die Ablenkplatte 10 ist in der Nähe des Kopfes der Kammer angeordnet so daß sie die einströmenden Gase gegen die Kammerwände lenkt
Die Kammer 2 ist auf einer hohlen Grundplatte 12 montiert, durch die Kühlwasser geleitet werden kann, und zwar über den Einlaß 14 und den Auslaß 16.
In der Kammer 2 ist auf einer vertikalen Spindel 18 ein Aufnehmer oder Suszeptor 20 drehbar gelagert der aus Kohlenstoff bestehen kann. Der Suszeptor 20 besitzt die Form eines hexagonalen, abgestumpften Prismas, und jede seiner sechs geneigten Flächen 22 ist mit einem Rand 24 versehen, auf den die Halbleiterscheiben 26 zur Behandlung abgelegt werden können.
Die Spindel 18 ist an einer vertikalen Welle 28 befestigt, die in einer Büchse 30 gelagert und mit einem Lager 32 versehen ist. Das untere Ende der Welle 28 ist mit einer Riemenscheibe 34 versehen, die über einen Riemen 36 von einem Motor 38 angetrieben wird, der mit wechselnden Geschwindigkeiten arbeiten kann. Während des Betriebes wird der Aufnehmer 20 langsam gedreht, während die Gase durch die Kammer 2 geführt werden.
Eine Mischung von Reaktionsgasen wird unter Verwendung des Mischungs- und Verteilungssystems 40, das in F i g. 2 dargestellt ist, in die Reaktionskammer 2 geleitet Anhand dieses Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Herstellung eines epitaktisch aufgebrachten Siliciumfilms aus einer dotierten Mischung von Silan und Wasserstoff beschrieben.
Das System 40 besitzt drei Gaszuführungsleitungen 42,44 bzw. 46 zur Beförderung eines Dotiermittels, des Silans und des Wasserstoffs. Die Leitungen 42,44 und 46 sind jeweils mit Gasdurchfluß-Meßgeräten 48, SO bzw.
is 52 mit Kontrollventilen 54, 56 bzw. 58 und mit Druckregelventilen 60,62 bzw. 64 versehen.
Die Zuführungsleitungen 42,44 und 46 sind alle über ein Regelventil 66 mit der einen Seite einer sogenannten Explosions(burst)-kammer 68 verbunden, die ein Druckmesser 70 aufweist Im vorliegenden Beispiel ist die Explosionskammer ungefähr 12,7 cm lang lang und hat einen Durchmesser von ungefähr 5,1 cm. Am gegenüberliegenden Ende der Explosionskammer befindet sich eine Auslaßöffnung 72 üblichen Durchmessers, im vorliegenden Fall mit einem Durchmesser von ungefähr 1,27 mm.
An eine von der Auslaßöffnung 72 wegführende Auslaßleitung 74 ist ein Regelventil 76 angeschlossen. Mit der Auslaßleitung 74 ist weiterhin eine Absaugleiturtg 78 verbunden, in der der Gasdurchfluß mittels eines Auspuffventils 80 geregelt wird.
Eine Abzweigleitung 82 verbindet den Auslaß vom Regelventil 76 mit dem Gaseinlaß 8 der Kammer 2 (s. Fig. 1).
Eine weitere Einlaßleitung 84 verbindet den einzigen Auslaß einer zweiten Serie von nicht dargestellten Einlaßleitungen mit der Leitung 82 über ein Regelventil 86.
Das zuvor beschriebene System kann dazu benutzt
w werden, um in der nachfolgend beschriebenen Weise eine in einem Zweistufenverfahren hergestellte Schicht aufzubringen.
Zunächst wird die sogenannte Explosionskammer 68 für den Filmwachsprozeß vorbereitet indem sie mit den zu verwendenden Gasen gespült wird. Die Ventile 66 und 80 werden geöffnet, das Ventil 76 wird geschlossen und die Ventile 54, 56 und 58 werden geöffnet um den Zufluß eines Dotiergases aus der Leitung 42, des Silans aus der Leitung 46 zur Explosionskammer 68 zu ermöglichen. Die Durchflußmengen werden so geregelt, daß eine Mischung im Verhältnis 100 ecm Dotiergas, das Wasserstoff enthält, und worin 100 ppm Diboran oder Arsin (je nach dem, ob eine p- oder n-Dotierung gewünscht ist) zugemischt sind, 5000 ecm 6°/oiges Silan in Wasserstoff und 25 000 ecm Wasserstoff entsteht. Diese Gase werden zunächst durch die Explosionskammer 68 und die übrigen Teile des Systems, einschließlich der Absaugleitung 78 gespült um die Luft zu entfernen. Dann wird das Ventil 80 geschlossen und die Kammer
bo 68 mit der Gasmischung auf einen Druck von ungefähr 4,2 at gefüllt Sobald die Kammer 68 gefüllt ist wird das Ventil 66 geschlossen.
Der Aufnehmer 20 wird sodann mittels Hochfrequenz auf 1000cC erhitzt und mit einer Geschwindigkeit von
μ leU/'nin. rotiert Das Ventil 76 wird sodann geöffnet und die Gase in der Kammer 68 werden plötzlich in die Kammer 2 entleert und durch diese geführt Die Gase streichen über die erhitzten Halbleiterscheiben 26 und
beginnen, eine Epitaxialschicht aus Silicium darauf niederzuschlagen. Eine einkristalline Siliciumschicht mit einer Dicke von ungefähr lOOOÄ wird dabei innerhalb von 1 bis 1,5 Sekunden niedergeschlagen. Am Ende dieser kurzen Periode wird das Regelventil 76 geschlossen, so daß die Kammer 68 und das ihr zugehörige Leitungssystem gegenüber dem übrigen System abgeschlossen werden.
Inzwischen werden die Vorbereitungen zum Aufwachsen des restlichen Films mit niedrigerer Wachsrate auf bekannte Weise getroffen. Zur gleichen Zeit, während der Inhalt der Kammer 68 durch die Reaktionskammer 2 geführt wird, wird eine Mischung, bestehend aus 50 ecm Wasserstoff, der 10 ppm Diboran oder Arsin enthält, 500 ecm 6%igem Silan in Wasserstoff und 25 000 ecm Wasserstoff, in die Reaktionskarnmer geführt, indem das Ventil 86 geöffnet wird. Dies führt dazu, daß ein epitaktischer Film aus Silicium weiter wächst, jedoch mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit Die zweite Stufe des Wachsprozesses kann solange fortgesetzt werden, wie es für die Herstellung einer gewünschten Gesamtdicke des Siüciums erforderlich ist. Beispielsweise kann die niedrigere Wachsrate zwischen 0,1 und 0,5 μπι/min. gehalten werden und die Gesamtfilmdicke ungefähr 0,5 μιη betragen.
Beide Filmstufen können in derselben Weise dotiert sein, n- oder p-Typ, es kann jedoch die eine auch als n- und die andere als p-Typ hergestellt werden. Die erste Filmstufe kann auch höher dotiert sein als im
ίο beschriebenen Beispiel, bei dem sie auf ungefähr 1017 bis 1018 Atome/ccm dotiert ist, während die zweite Stufe eine Dotierung von ungefähr 1016 Atomen/ccm aufweist.
Obgleich das Verfahren anhand des Niederschiagens einer Epitaxialschicht aus Silicium auf einem Saphiroder Spineil-Substrat beschrieben wurde, kann es überall dort Verwendung finden, wo die Gefahr besteht, daß unerwünschte Verunreinigungen vom Substrat in die niederzuschlagende kristalline Schicht gelangen und
2n im niedergeschlagenen Film unerwünschte Eigenschaften hervorrufen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen einer kristallinen Schicht auf einem erhitzten Kristallsubstrat in zwei Stufen, wobei während der ersten Stufe eine höhere Wachstumsgeschwindigkeit eingehalten wird als während der zweiten Stufe, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Wachstunisgeschwindigkeit während der ersten Stufe 4 bis 6 um/min und während der zweiten Stufe höchstens 0,5 μητ/min beträgt
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Niederschlagen einer Schicht aus heteroepitaktischem Silicium auf einem erhitzten Saphir- oder Spinellsubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß während der ersten Stufe ein Film mit einer Dicke von 500 bis 2000 Λ abgeschieden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe eine Mischung aus Silan und Wasserstoff aus einer Druckkammer plötzlich in die das Substrat enthaltende Reaktionskammer entspannt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die zweite Stufe ein niedrigeres Verhältnis von Silan zu Wasserstoff eingehalten wird als für die erste Stufe.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung für die erste Stufe fünf Teile Wasserstoff auf ein Teil 6%igem Silan in Wasserstoff, für die zweite Stufe fünfzig Teile Wasserstoff auf ein Teil 6°/oigem Silan in Wasserstoff (alles Volumenteile) enthält.
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