DE2462743C2 - Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht mit einer hohen Störstellendichte auf einem Halbleitersubstrat mit einer niedrigen Störstellendichte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Haibieiterbchicht mit einer hohen Siörsiciicndieh-Ie durch Aufwachsen aus der Dampfphase auf ein Halbleitersubstrat oder eine Halbleiterschicht mit einer niedrigen Störstellendichte des gleichen Leitungstyps.

In den letzten Jahren ist der Bedarf nach Festkörperelektronikvorrichtungen rasch gestiegen und hat zu einer Beschleunigung der Entwicklung fortgeschrittener halbleiterelemente geführt. Insbesondere erwünscht lind ein größerer Wirkungsgrad und eine größere Zuverlässigkeit sowie ein Betrieb bei höheren Frequenzen. Derartigt· 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 hergestellt, wobei die Kristallstrukturen fluchten. Solche Halbleiterschichten werden im folgenden als Epitaxialichichten bezeichnet.

Häufig ist es erwünscht, eine F.pitaxialschicht hoher Störstellendichte auf einem Halbleitersubstrat oder auf einer Epitaxialschicht niedriger Störstellendichte ah?uicheiden. Dabei kommt es zu einer unscharfen Verteilung der Fremdatome an der Grenze zwischen der aufwachsenden Epitaxialschicht und dem Substrat bzw. der vorhergehenden Halbleiterschicht. Diese Ausbildung eines unscharfen, flach verlaufenden Stör-Stellenprofils beruht auf dem Phänomen der Autoverdünnung. Hierdurch wird der Aufbau und die Zuverlässigkeit des Halbleiterelements beeinträchtigt.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ausbildung einer Epitaxialschicht mit einer hohen Störstellendichte durch Aufwachsen aus der Dampfphase auf ein Halbleitersubstrat oder eine Halbleiterscbicht mit einer niedrigen Störstellendichte des gleichen Luitungstyps so zu gestalten, daß bei einfacher Verfahrensführung mit guter Reproduzierbarkeit ein abrupter Übergang der Störstellendichte vom Halbleitersubstrat bzw. der Halbleiterschicht zur aufwachsenden Halbleiterschicht entsteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgernäß dadurch gelöst, daß man vor dem Aufwachsen der Halbleiterschicht mit einer hohen Störslellendichte eine Hitzebehandlurig Unter Überleitung eines Trägergases und eines Dotier« gases durchführt, wobei die Konzentration des Dotiergases der mit der gewünschten Störstellendichte in der Halbleiterschicht im Gleichgewicht stehenden Dotier· gäskönzenträtion 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, F i g. 2 einen Schnitt einer Halbleiterscheibe mit einer Epitaxialschicht hoher Störstellendichte auf einem Halbleitersubstrat geringer Störstellendichre, hergestellt durch Aufwachsen aus der Dampfphase,

ίο Fig.3 ein Diagramm der Störstellenverteilung entlang der Linie A-A der F i g. 2 und

Fig.4 ein Diagramm eines konkreten Beispiels der Störstellenverteilung in einer nach dem erfindungsgemäSen Verfahren abgeschiedenen Epitaxialschicht.

Ij Das nachfolgend erläuterte Beispiel betrifft die Abscheidung einer mit Arsen dotierten Silicium-Epitaxialschicht auf einem mit Arsen dotierten Silicium-Substrat Bei diesem Anwendungsfall der Erfindung kommt es besonders leicht zu Störungen im Grenzbereich.

F i g. 1 zeigt ein Reaktionsrohr 1, durch welches ein Gas strömt. Das Reakiiunsrohr 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 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 aufgrund der thermischen Auftriebskraft beim Aufheizen.

ίο In der stagnierrnden 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

J5 aus. Als Siliciumquellengase eignen sich Hydride und Halogenide wie SiH₄, SiCl₄. SiHClj, SiH₂Cl₂. Als Dotiergas wird gewöhnlich Arsin (AsHj) i.nd als Trägergas Wasserstoff (H₂) verwendet. Eine Silicium-Epitaxialschicht kann imr>er m,: in solcher Weise

-ίο 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 5iubstrat besteht aus Silicium, welches

4ί mit Arsen dotu t ist. Das Substrat 5 befindet sich auf einer Halterung 2. Das Silicium und das Arsen werden auf dem Substrat 5 abgeschieden.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand der F i g. 2 bis 4 näher erläutert werden. Hierbei

vt wird eine Epitaxialschicht mit einer hohen Störstellendichte auf einem Halbleitersubstrat mit einer geringen Störstellendichte ausgebildet. In diesem Fall ergibt sich das dem Autodotiereffekt entgegengesetzte Phänomen der Autoverdünnung.

« Vor Beginn des Aufwachsens einer Epitaxialschicht mit hoher Störstellendichte ist die Dotiergaskonzentration in der stagnierenden Gasschicht niedrig im Vergleich zur erwünschten Dolierstufe in der Epitaxialschicht. Es vergeht daher eine bestimmte Zeitspanne.

während welcher die Dotiergaskon/entration in der stagnierenden Gasschicht den gewünschten Konzentrationswert erreicht. Dieser Effekt macht das Störstellenprofil an der Grenzfläche zwischen den beiden Regionen unterschiedlicher Störstellendichte flach und Unscharf. Um ein steiles Störstellenprofil zu erhalten, ist ein rasches Ansprechen der Störstellendotierung ohne jegliche Verzögerung erforderlich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die zu einem flachen

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Störstellenprofil führende Autoverdünnung vermieden.

F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Halbleiterscheibe, auf der eine Epitaxialschicht abgeschieden wurde, welche mit einem Dotierstoff hoher Störstellendichte dotiert wurde. Die Epitaxialschicht befindet sich auf einem Halbleitersubstrat (oder auf einer anderen Epitaxialschicht) mit einer niedrigen Störstellendichte. Dabei hat die abgeschiedene Epitaxialschicht den gleichen Lekangstyp wie das Substrat. Gemäß F i g. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 9 ein Halbleitersubstrat (oder eine Epitaxialschicht) mit geringer Störstellendichie und das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine Epitaxialschicht mit einer hohen Störstellendichte.

F i g. 3 zeigt die Störsteilendichteverteilung entlang der Linie A-A der Halbleiterscheibe gemäß F i g. 2. Die ausgezogene Linie bezeichnet die Störstellenverteilung in einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch epitaktisches Aufwachsen hergestellten Scheibe und die gestrichelte Linie zeigt die Störstellenverteilung in einer Scheibe, welche durch epitaktisches Aufwachsen nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellt wurde. Man erkennt aus F i g. 3, daß der Autoveruünnungseffekt bei der erfindungsgemäß hergestellten Halbleiterscheibe im wesentlichen nicht in Erscheinung tritt

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines konkreten Beispiels erläutert werden. Hierbei wird zunächst eine Siliciumscheibe mit einer Störstellendichte von 1 χ lO'Vcrn³ auf die Halterung gelegt, welche mit Hochfrequenz induktiv beheizbar ist Die Halterung mitsamt der Scheibe wird sodann in einen herkömmlichen Reaktionsapparat mit offenem horizontalem Rohr gemäß Fig. 1 gegeben. Das Innere des Reaktionsapparates, welcher auf Zimmertemperatur gehalten wird, wird sodann mit Stickstoffgas gespült, welches mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 40 l/min während 4 min eingeleitet wird. Danach wird das Reaktionsrohr mit Wasserstoffgas der gleichen Strömungsgeschwindigkeit während abermals 4 min gespült.

Die Hal.srung wird sodann auf eine Temperatur von 1050⁰C erhitzt. Arsin (AsHj) wird gasförmig in den Reaktionsapparat eingeleitet, und zwar 50 ppm mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 ml/min. Nachdem die Apparatur während 20 min von diesen Gasen durchströmt wurde, hat die Störstoffkonzentration in der stagnierenden Gasschicht infolge von Diffusion aus der Konvektionsschicht den vorbestimmten Wert τ erreicht. Nun beginnt man mit dem Einleiten von 5% Siliciumwasserstoff (SiH-O mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1040 ml/min zusätzlich zur Einleitung des Arsins (AsH₃). Nach der Zufuhr dieser Gase während 20 min wird die Einleitung von Wasserstoffgas

tu gestoppt. Das Erhitzen wird jedoch noch während 4 min fortgesetzt Sodann läßt man die Halterung auf Zimmertemperatur abkühlen. Bei der nachfolgenden Untersuchung erkennt man, daß die Dicke der Epitaxialschicht 7,0 μπι beträgt und daß die Störstellendichte in der Epitaxialschicht 1 χ 10¹⁷/cm³ beträgt Ferner wird festgestellt, daß die Dicke der Übergangsregion zwischen dem Substrat mit e'<ner .Störstellendichte von 1 χ 10^l5/cm³ und der epitaxialen Schicht mit einer Störstellendichte von 1 χ 10'Vcm³ eine Dicke von nicht mehr als 0,1 μιτι aufweist. D' je Ergebnisse sind grapüäsch in F i g. 4 dargestellt. Die aufgezogene Linie bezeichnet die Störsteilendichte, weiche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, während die gestrichelte Linie die Störstellendichte bezeichnet, welche nach einem herkömmlichen Verfahren erhalten wird.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem eine epitaktische Schicht aus Silicium mit Arsen dotiert

3n 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.

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 Gasströn jng parallel zur Halbleiterscheibenoberfläche verläuft

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht mit einer hohen Störstellendichte durch Aufwachsen aus der Dampfphase auf ein Halbleitersubstrat oder eine Halbleiterschicht mit einer niedrigen Störstellendichte des gleichen Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß man voi dem Aufwachsen der Halbleiterschicht mit einer hohen Störstellendichte eine Hitzebehandlung unter Oberleitung eines Trägergases und eines Dotiergases durchführt, wobei die Konzentration des Dotiergases der mit der gewünschten Störstellendichte in der Halbleiterschicht im Gleichgewicht stehenden Dotiergaskonzentration entspricht.