DE2506624B2

DE2506624B2 - Verfahren zum herstellen von siliziumeinlagerungen in einem siliziumsubstrat mit koplanaren oberflaechen

Info

Publication number: DE2506624B2
Application number: DE19752506624
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Chem. Dr. 8011 Vaterstetten; Gessner Roland 8192Geretsried Druminski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-02-17
Filing date: 1975-02-17
Publication date: 1976-12-23
Also published as: DE2506624A1; JPS51107768A

Description

in

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekenn- 30 »Selective Epitaxy of Silicon Under Quasi-Equilibrium

Conditions«, Papters Presented at 1. Internat. Symposium on Silicon Materials Science and Technology, Electrochem. See. May 5.-9., 1969, S. 189 bis 199, ist die Herstellung von dotierten Siliziumwannen in einem

zeichnet, daß
entgegengesetzt

Siliziummaterial aufgewachsen wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

den Wannen (41, 42) ein zu dem Substrat (1) dotiertes

zeichnet, daß in den Wannen (41, 42) ein 35 Siliziumsubstrat des entgegengesetzten Leitungstyps

Siliziummaterial aufgewachsen wird, das den glei chen Leitungstyp wie das Substrat (1) aber eine höhere Dotierungskonzentration als das Substrat (1) erhält.

und der Orientierung (100) für MOS-Transistoren, insbesondere für Substrate mit (lll)-orientierter Oberfläche beschrieben. Dabei erfolgt das Auffüllen der Wannen durch selektive Epitaxie. Das Epitaxialverfah-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 40 --en hat den Vorteil, daß man eine einheitliche Dotierung dadurch gekennzeichnet, daß eine Maske (2) aus oder auch ein Dotierprofil herstellen kann, was durch Si₃N₄ verwendet wird. Diffusion allein nur sehr schwierig möglich ist. Bei dem

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Epitaxialverfahren werden zunächst mit Hilfe von

Masken in das Siliziumsubstrat des einen Leitungstyps Wannen geätzt, die anschließend *nit Siliziummaterial des entgegengesetzten Leitungstyps aufgefüllt werden.

dadurch gekennzeichnet, daß eine Maske (2) aus S1O2 verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzung der Wannen (41, 42) mit einem gasförmigen Ätzmittel aus einem Halogenwasserstoff und Wasserstoff oder Dabei sollen die aufgefüllten Wannen nach der Entfernung der Maske möglichst plan sein, d. h., an der Oberfläche zwischen dem Material des Substrates und

einem Halogen und Wasserstoff erfolgt und daß die 50 dem Material der Wannen soll möglichst keine Stufe

Ätztemperatur tAu in einem Bereich zwischen 1150° C und 1300° C liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxie durch die Zersetzung von SiCI₄ und H2 erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche ϊ bis 6, Dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxie durch die Zersetzung von SiCl₄, HCI und H₂ erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

auftreten. Die Forderung nach möglichst idealer Planheit ergibt sich aus Gründen der weiteren Verarbeitung. Beispielsweise könnten durch an dem Übergang zwischen dem Substratmaterial und dem Material der aufgefüllten Wanne entstehende Wälle bei folgenden Herstellungsschritten notwendige Masken zerkratzt und beschädigt werden.

Die bei der Herstellung von Siliziumwannen durch selektive Epitaxie nach den oben angegebenen bekann-

dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxie durch die 60 ten Verfahren üblicher Weise an den Maskenrändern

Zersetzung von Si H₂Cl₂ und H₂ erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitanie durch die Zersetzung von SiH₂CI₂, H₂ und HCI erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxie durch die Zersetzung von SiH₄, HCl und H₂ erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

auftretenden Siliziumwälle müssen aus den oben genannten Gründen entfernt werden, was bei den Verfahren des Standes der Technik durch Abschleifen bzw. Abpolieren geschieht.

Ein Nachteil des mechanischen Abtragens dieser Wälle besteht darin, daß neue Störungen durch einen dabei auftretenden Polierschaden der Kristalloberflächenschicht verursacht werden. Beispielsweise werden

Materialien der Wannen und des Substrates schnell abgetragen, da sie unterschiedliche

^schieden schne gg, e

Märten besitzen.

r pj_elj_er Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Tiiliziumwann hoher Planheit durch selektive Ätzung und selektive Foitaxie anzugeben, durch das die Entstehung von Wällen an den Maskenrändern weitgehend vermieden

Diese Aufgabe wird durch ein eingangs angegebenes Verfahren ge{ost, indem gemäß der Erfindung bei der anisotropen Ätzung die Breite der seitlichen Unterätzen«! der Maske und die Tiefe der Wannen so bemessen werden, daß das Verhältnis dieser beiden Abmessungen lach dem für die Epitaxie gewählten Verhältnis der Aufwachsrate auf der Böschungsfläche in Richtung der Substratebene zu der Aufwachsrate auf der Bodenfläche in Richtung senkrecht zur Substratebene ist, so daß das narallel zur Böschungsfläche aufwachsende Siliziummalerial und das parallel zur Bodenfläche aufwachsende Siliziummaterial den Rand der unterätzten Maske gleichzeitig erreichen.

Durch das Verfahren nach der Erfindung lassen sich vorteilhaft Komplementär-MOS-Transistoren herstel-

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren und der Beschreibung näher erläutert werden. Die

Fig. 1 bis 4 zeigen in schematischer Darstellung die Wannenherstellung in dem Halbleitersubstrat und die Wannenauffüllung durch Epitaxie; die

Fig.5 zeigt in schematischer Darstellung die Wallbildung an den Maskenrändern bei einem bekannten Verfahren; die

Fig.6 zeigt in schematischer Darstellung verschiedene, bei der Wannenätzung auftretende Unterätzungsprofile,
d

rofile. . _Δ

In der F i g. 1 ist das Halbleitersubstrat, bei dem es Sich beispielsweise um ein η-leitendes Siliziumsubstrat handelt, mit 1 bezeichnet. Auf dieses Substrat 1 wird zunächst eine Maskierschicht, die beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid besteht, aufgebracht. Anschließend wird durch Ätzen von öffnungen 3 in diese Maskierschicht eine Maske 2 für die Herstellung der Wannen erzeugt. Eine solche Wanne ist in der Fig.2 mit 4 bezeichnet. Sie besteht aus einer Bodenfläche 41 der Orientierung (100) und Seitenwänden 42 der Orientierung (111). Die Wannen 41, 42 erstrecken sich dabei etwa 8 bis ΙΟμιη tief in das Siliziumsubstrat 1 hinein. Das Auffüllen der Wannen 41, 42 mit z. B. p-dotiertem Silizium soll selektiv in den Wannen und nicht auf der Maske erfolgen. Dies geschieht beispielsweise durch das bekannte »CVD«- Verfahren (»chemical vapour deposition«), bei dem die chemische Ablagerung aus der Gasphase durch die Zersetzung von SiCU und H₂ oder SiCU, HCl und H₂ erfolgt. In der Fig.3 ist das in die Wanne 41, eingebrachte dotierte Siliziummaterial mit 5 bezeichnet. In einem abschließenden Verfahrensschritt wird die Maske 2 entfernt, so daß die in der Fig.4 dargestellte Anordnung entsteht.

Der Erfindung lagen die folgenden Überlegungen zugrunde. Bei dem Verfahren nach E. S i r 11 und H. Seiter tritt beim Auffüllen der geätzten Wannen durch die Zersetzung von SiCl₄ und H₂, entsprechend den jeweils benutzten Abscheidungsbedingungen, neben anderen Störungen ein Niederschlag von Silizium auf der Maske 2 in der Umgebung der Wanne 41,42 auf. Durch das Arbeiten bei Quasi-Gleichgewichts-Bedingungen läßt sich die nach der Formel

SiCL₁+ 2 H₂ ^Si +4 HCl

ablaufende Reaktion durch das Hinzuschalten von beispielsweise zusätzlichem HC! so steuern, daß eine

Siliziumabscheidung auf der Maske praktisch verhindert

wird. Dieser Vorgang wird von E. Sirtl und H.

Seiter beschrieben. Bei dieser Art der Auffüllung ergibt sich jedoch eine Wallbildung an den Maskenrän-

lo dem.

Diese an den Maskenrändern auftretenden mehr oder minder großen Wälle 8, die in der Fig.6 der Veröffentlichung von E. Sirtl und H. Seiter dargestellt sind, sind für die weitere Verarbeitung sehr störend. Diese Wallbildung wird durch die Autoren insbesondere auf die Reaktion zwischen der SiO₂-MaS-ke und dem Silizium zurückgeführt Diese Reaktion verläuft nach der Formel
Si + SiO₂^2SiO

führt zur Anätzung und gibt beim Auffüllen der Wannen zu Störungen während des Aufwachsens An'aß.

Es wurde bei den der Erfindung zugrundeliegenden Untersuchungen beobachtet, daß mittelhohe Wälle etwa der Höhe 2 bis 3 μπι auch bei Verwendung einer Si3N4-Maske aufteten können. Außerdem wurde beobachtet, daß bei der Verwendung einer Oxidmaske die Wallhöhe durch eine entsprechende Wannenätzung verringert werden kann. Es ist demnach entscheidend, in welcher Weise die Wannenätzung und die spätere Auffüllung erfolgt.

Im folgenden soll die Erfindung im Zusammenhang mit den F i g. 5 und 6 näher erläutert werden.

Zweckmäßig erfolgt die Wannenätzung zeitlich kurz vor der Auffüllung der Wannen im Epitaxiereaktor. Als Ätzmittel für das chemische Ätzen werden Halogenwasserstoffe, beispielsweise HCl oder HBr, bzw. Halogene und Wasserstoff, beispielsweise Br₂ und H₂, verwendet. Mit Hilfe der Gasätzung werden anisotrope Ätzungen erreicht, die in Abhängigkeit von den Ätztemperaturen geringe oder stärkere Unterätzungen aufweisen. Beispielsweise liefert eine Gasätzung mit HCl (2 bis 20 Mol-%, Ätzraten bis etwa 20 μιτι pro Minute) bei Ätztemperaturen von etwa 1050⁰C eine anisotrope Ätzung mit geringer Unterätzung. In der Fig.6 ist eine auf diese Weise hergestellte Wanne durch die Linien 42 und 41 dargestellt. Wird die Ätztemperatur bis über 1200° C erhöht, so geht die anisotrope Ätzung mit geringer Unterätzung in eine schwach anisotrope Ätzung mit stärkerer Unterätzung über. In der Fig.6 entsprechen die so hergestellten Böschungsflächen den durch die Bezugszeichen angegebenen gestrichelten Linien. Dies bedeutet, daß die Ätzrate in der [100]-Rieh tu ng nur schwach von der 55 Temperatur abhängt, während die Ätzrate in der [Ui]-Richtung mit wachsender Temperatur stark ansteigt.

Beim Auffüllen der Wanne wird durch die unterätzte Maske 2 ein Wachstum auf den (11 l|-Böschungsflächen

ho ir·. [100]-Richtung verhindert, so daß das Silizium nur in [111 ]-Richtung wächst. Zu den in der F i g. 5 dargestellten Wällen 5 kommt es, wenn das seitlich parallel zur Böschungsfläche 42 aufwachsende Silizium der Orientierung (111) den freiliegenden Rand 21 der unterätzten

65 Maske 2 früher erreicht als das parallel zur Bodenfläche 41 aufwachsende Silizium der Orientierung (100). Von diesem Augenblick an kann das Silizium in [100]-Richtung weiter wachsen und so an den Maskenrändern

die Wälle 8 bilden. Bei der Verwendung von SiO₂-Masken treten durch die oben bereits erwähnte Reaktion zwischen einer SiO2-Maske und dem Silizium des Walls zusätzliche Aufwachsungen 9 auf, die aus stark verzwillingtem bis polykristallinem Siliziummaterial bestehen.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird eine Wallbildung dadurch verhindert, daß durch Bemessung der Unterätzung und Wahl des Verhältnisses der Aufwachsrate [111] parallel zur Böschungsfläche zur Aufwachsrate r[100] parallel zur Bodenfläche der Wanne erreicht wird, daß die seitliche Silizium-Aufwachsung gleichzeitig mit dem parallel zur Bodenfläche aufwachsenden Siliziummaterial den Maskenrand 21 erreicht

Die genaue Justierung der Maskenfenster, d. h. der Ränder der öffnungen in der Maske 2, muß parallel zu der Orientierung (110) erfolgen. Bei einer nur schwachen Fehlorientierung treten zwischen der Bodenfläche der Wanne [(100)-Fläche] und den seitlichen Böschungsflächen ({111 (-Flächen) noch zusätzliche, für das Auffüllen ungünstige Flächen der Orientierung {113} auf.

Ein Vorteil der hohen Ätzraten mit beispielsweise HCl (bis 20 μπι/min) liegt darin, daß sich annähernd ebene Bodenflächen 41 erzeugen lassen. Außerdem treten — durch die kurzen Verweilzeiten bedingt — die oben genannten Ätzreaktionen nur sehr schwach auf.

Nach der Wannenätzung, vorzugsweise eine Gasätzung mit beispielsweise HCl, folgt die Auffüllung der Wanne durch die Zersetzung von SiH₄, HCl und H₂. in der folgenden Tabelle ist die Abhängigkeit des Aufwachsungsprofils von der Art der Ätzung und der Ätztemperatur angegeben. Die Tabelle gilt für die Auffüllung durch die Zersetzung von SiH₄, HCl und H₂ oder von SiCl₄ und H₂.

Ätztemperatur Art der Ätzung

Aufwachsungsprofil

Mb < 1100⁰C

1100⁰C < tÄu < 1200⁰C

Mb > 1200° C

anisotrop (F i g. 6,
Bezugszeichen 42)

zunehmend schwächer
anisotrop (F i g. 6,
Bezugszeichen 62)

schwach anisotrop
(F i g. 6, Bezugszeichen 72)

starke Wallbildung

mittlere
Wallbildung

geringe
Wallbildung Die Wallhöhe der gebildeten Wälle läßt sich durch die

Verwendung von Si3N₄-Masken noch weiter verringern.

Aus der oben angegebenen Tabelle geht hervor, daß

der Unterschied zwischen hoher bzw. niedriger Wallbildung auf die Art und den Grad der jeweils vorliegenden Unterätzung zurückgeht. Eine stark unterätzte Maske wirkt bei der Auffüllung als Wallbremse, wobei nach anisotrop erfolgter Ätzung ein Wachstum an den ßöschungsflächen der }111}-Orientierung in die [100]-Richtung so lange verhindert wird, bis das aufwachsende Silizium durch keine Maske mehr abgedeckt ist. Zusätzlich bei diesem Effekt spielt das Aufwachsratenverhältnis'r[l 1 l]zu r[100]eine Rolle.

Zur Herstellung von Siliziumeinlagerungen hoher Planheit werden daher z. B. durch HCl-Gasätzung bei einer Ätztemperatur tA,_z > 1200⁰C, in dem Siliziumsubstrat schwach anisotrop geätzte Wannen erzeugt. Dabei erfolgt die Ätzung mit vorzugsweise 0,1 bis 20 Mol-% HCl bei einer hohen Ätzrate bis zu 10 μΐη/min. Die so erzeugten Bodenflächen der Wannen sind vorteilhafterweise praktisch eben. Durch die Auffüllung der Wannen bei der Abscheidungsreaktion mit SiCl₄ und H₂ bzw. SiCl₄ und HCl und H₂, kann auf diese Weise die Wallhöhe niedrig gehalten werden. Insbesondere bei der Verwendung von einer Nitridmaske wird die Wallhöhe besonders niedrig gehalten. Am günstigsten ist die Auffüllung bei der Abscheidungsreaktion mit SiH₂/HCl/H₂. Hiermit und bei der Verwendung einer Nitridmaske, einer Abscheidetemperatur von etwa 1150⁰C und einer Aufwachsrate von 2μΓη/πιϊη lassen sich, bedingt durch die größere Freiheit in der Mischung der Komponenten, die Wälle völlig zum Verschwinder bringen.

Bei diesen Bedingungen ist das Aufwachsratenverhältnis in den Wannen r[l 11] zu r[100]= 1 :1,2, so daß das Siliziumwachstum auf den· {lll}-Böschungsflächen langsamer erfolgt als auf der (100)-Bodenfläche Hierdurch wird, im Zusammenspiel mit der Wallbremswirkung durch die unterätzte Maske, die Wallbildung

praktisch unterbunden, wenn das Aufwachsverhältni: r[lll] zu r[100] gleich dem bei der vorangegangener Ätzung erreichten Verhältnis zwischen seitlicher Unter ätzung und Tiefe der Wanne ist. Durch die kurz« Verweilzeit während der Ätzung bei einer hoher

Ätzrate und die schnelle Auffüllung der Wanne währen« der Epitaxie bei hoher Aufwachsrate werden vorteilhaf terweise unerwünschte Reaktionen zwischen den Silizium und der Maske auf ein Minimum beschränk oder praktisch unterdrückt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat (1) mit einer Oberfläche der Orientierung (100) und eine Maske (2) mit einem Maskenrand der Orientierung (110) verwendet werden, wobei die Böschungsfläche (42) einer in dieses Substrat (1) geätzten Wanne (41, 42) die Orientierung (111) erhält

1. Verfahren zum Herstellen von Siliziumeinlagerungen in einem Siliziumsubstrat mit koplanaren Oberflächen der Einlagerungen und des Substrats, bei dem zunächst in dem Substrat mittels anisotroper Ätzung unter Verwendung einer Maske mit

Rändern bestimmter Orientierung zu den Netzebe-

nen des Substrates Wannen mit einer Böschungs- und einer Bodenfläche bestimmter Orientierung zu

den Netzebenen des Substrates erzeugt werden und .

bei dem anschließend diese Wannen mittels Epitaxie Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum

durch chemische Ablagerung aus der Gasphase mit Herstellen von Siliziumeinlagerungen in einem Silizium-Siliziummaterial aufgefüllt werden, dadurch ge- 15 substrat mit koplanarenOberflachen der Einlagerungen k e η η ζ e i c h η e t, daß bei der anisotropen Ätzung und des Substrates, bei dem zunächst in dem Substrat die Breite (71) der seitlichen U.iterätzung der Maske mittels anisotroper Atzung unter Verwendung einer (2) und die Tiefe (73) der Wannen (41, 42) so Maske mit Rändern bestimmter Orientierung zu den bemessen werden, daß das Verhältnis dieser beiden Netzebenen des Substrates Wannen mit einer Bö-Abmessungen gleich dem für die Epitaxie gewählten 10 schungs- und einer Bodenfläche bestimmter Onentie-Verhältnis der Aufwachsrate auf der Böschungsflä- rung zu den Netzebenen des Substrates erzeugt werden ehe (42) in Richtung der Substratebene zu der
Aufwachsrate auf der Bodenfläche (41) in Richtung
senkrecht zur Substratebene ist, so daß das parallel
zur Böschungsfläche (42) aufwachsende Siliziumma- 25
terial und das parallel zur Bodenfläche (41)
aufwachsende Siliziummaterial den Rand (21) der

unterätzten
(F ig. 5).

Maske (2) gleichzeitig erreichen und bei dem anwhließend diese Wannen mittels Epitaxie durch chemische Ablagerungen aus der Gasphase mit Siliziummaterial aufgefüllt werden.

Ein solches Verfahren ist aus der US-PS 34 25 879 bekannt. Infolge unterschiedlicher Anfwachsraten entstehen bei diesem Verfahren an den Maskenrändern jedoch störende Wälle.

In der Veröffentlichung E. S i r 11 und H. S e i t e r