DE2535813C2

DE2535813C2 - Verfahren zur Herstellung einkristalliner Schichten aus Halbleitermaterial auf einer elektrisch isolierenden Unterlage

Info

Publication number: DE2535813C2
Application number: DE19752535813
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Chem. Dr. 8011 Vaterstetten Druminski; Heinz Dipl.-Phys. Dr. 8000 Muenchen Splittgerber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-11
Filing date: 1975-08-11
Publication date: 1980-11-20
Also published as: DE2535813B1; DE2535813A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zui Herstellung einkristalliner Siliziumschichten, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher angegeben ist.

Für die Herstellung logischer Schaltkreise werden MOS-Transistoren verschiedenen Leitungstyps in Korn plementär-Anordnungen benötigt, mit denen sich insbesondere schnelle Logikschallungen und Speicher mit einer geringen Ruheverlus'leislung aufbauen lassen. Für die Güte dieser Schaltkreise ist wesentlich, daß die zueinander komplementären MOS-Transistoren möglichst gut voneinander isoliert sind. Nach dem Stand der Technik läßt sich eine solche Isolation dadurch erreichen, daß auf einem isolierenden Substrat epitaxia-Ie Siliziumfilme abgeschieden werden und aus diesen Filmen dann für die einzelnen Transistoren jeweils getrennt voneinander liegende Inseln herausgeätzt werden. Als isolierendes Substrat dient dabei MgAI-Spinell oder Saphir (sogenannte Silicon on Sapphire (SOS)-Technik bzw. Technik der epitaxialen Siliziumfilme auf isolierendem Substrat). Der Umstand, daß das Substrat, auf dem die Halbleiterschicht epitaxial abgeschieden wird, vom Material der Halbleiterschicht verschieden ist und eine etwas andere Gitterkonstante besitzt, führt zu Schwierigkeiten und Störungen bei dem Aufwachsprozeß der Halbleiterschicht, die nur durch ein sehr aufwendiges Herstellungsverfahren vermieden werden können. So werden beispielsweise bei dem nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Aufbringen von Siliziumschichten auf einem Spinelloder Saphir-Substrat Substrateinkristalle benötigt, die beinahe ideal sind, also keine groben Kristallbaufehler wie Einschlüsse, Versetzungen usw. enthalten. Anderenfalls würden sich diese Kristallbaufehler beim Aufwachsen der epitaxialen Süiziumschicht in dieser Schicht fortsetzen.

Diese Substrateinkristalle müssen an ihrer Oberfläche behandelt werden, damit ein einwandfreies Aufwachsen der Süiziumschicht gewährleistet wird. Diese Behandlung umfaßt ein Sägen, Läppen und Polieren mit einer sich daran anschließenden naßchemischen Ätzung zur Entfernung der durch das Polieren gestörten ersten Oberflächenschicht des Substratkristalls. Das abschließende Abscheideverfahren des Siliziums ist sehr kritisch hinsichtlich der Abscheidetemperatur, der Aufwachsrate und der Wahl der bei der Abscheidung benutzten Ausgangsverbindungen des Siliziums. Schließlich muß das mit einer epitaxialen Süiziumschicht versehene Substrat bei der weiteren Bearbeitung sehr vorsichtig behandelt werden, da beispielsweise aufgrund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium einerseits und Spinell oder Saphir andererseits eine erhöhte Bruchgefahr während der Hochtemperaturprozesse auftritt, die zur Herstellung von Siliziumdioxidschichten auf der epitaxialen Süiziumschicht oder zur Dotierung der Süiziumschicht mittels Diffusion notwendig sind. Schließlich treten auch noch Schwierigkeiten beim Zerteilen der hergestellten Chips auf, da die Substratkristalle aus Spinell oder Saphir sehr hart sind und Saphir keine natürliche Spaltfläche besitzt.

Diese Schwierigkeiten können umgangen werden, wenn auf ein sehr hochohmiges einkristallines Süiziumsubstrat eine epitaxiale Siliziumschicht abgeschieden wird, und diese epitaxiale Süiziumschicht im weiteren Verfahren mit einzelnen dotierten Gebieten versehen wird. Hierbei ist jedoch von Nachteil, daß bei einer Insclätzung der epitaxialen Schicht mit chemischen Mitteln an der Grenzfläche zwischen der epitaxialen Süiziumschicht und dem hochohmigen Süiziumsubstrat kein automatischer Ätzstop auftritt, der die Ätzung auf die eoitaxiale Süiziumschicht beschränkt, sondern daß das Siliziumsubstrai ebenfalls von dem Ätzmittel angegriffen wird, da es die gleiche chemische Beschaffenheit besitzt. Weiterhin ist von Nachteil, daß bei der Dotierung einzelner Gebiete der epitaxialen Schicht der Dotierstoff auch in Substratkörper gelangt. Dies führt insbesondere dann zu Schwierigkeiten, wenn die dotierten Gebiete der epitaxialen Schicht voneinander kleine Abstände aufweisen sollen, da sich diese Dolierungsgebiete in dem Substratkörper fortsetzen und sich gegebenenfalls dort berühren können.

Aus der DE-OS 16 39 602 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements bekannt, bei dem auf ein einkristallines Süiziumsubstrat eine zwischen 5 und 50 nm dicke Zwischenschicht aus Molybdänsüicid aufgebracht wird, und darauf eine einkristalline Süiziumschicht epitaxial abgeschieden wird. Da das Material der Zwischenschicht metallisch leitend ist und mit der epitaxialen Süiziumschicht sperrende Übergänge bildet, ist eine solche Struktur für die Herstellung von integrierten Bauelementen nach Art der »Silicon on Sapphire«(SOS)-Technik oder der Technik von epitaxialen Siliziumfilmen auf isolierendem Substrat ungeeignet.

Aus der britischen Patentschrift 12 82 476 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem auf ein einkristallines Süiziumsubstrat eine zwischen einem und mehreren μΐη dicke Schicht aus AI2O3 und darauf eine epitaxiale Süiziumschicht aufgebracht ist. Bei der Herstellung solcher Bauelemente kann eine unerwünschte Dotierung der epitaxial abgeschiedenen Süiziumschicht mit Aluminium auftreten, das aus der Zwischenschicht aus AI2O3 in die epitaxiale Schicht gelangt.

Aus der US-Patentschrift 38 15 223 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements bekannt, bei dem auf einen einkristallinen Siliziumkörper eine Siliziumdioxidschicht und darauf eine Trägerschicht aus polykristallinem Silizium abgeschieden wird. Sodann wird der einkristalline Siliziumkörper bis auf eine

verbleibende dünne Schicht abgeschliffen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß durch das Abschleifen in der dünnen einkristallinen Schicht eine große Zahl von Gitterstörungen hervorgerufen wird.

Aus der DE-OS 21 24 756 ist ein Verfahren bekannt, bei dem auf einen einkristallinen Siliziumkörper eine Siliziumdioxidschicht und darauf eine Schicht aus polykristallinem Silizium aufgebracht wird. Sodann wird der einkristalline Siliziumkörper mechanisch oder chemisch bis auf eine Restschicht abgetragen und auf diese Res<bchicht im weiteren Verfahren eine epitaxiale Siliziumschichi abgeschieden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß beim Abtragen des Siliziumkörpers in der Restschicht Gittersxörungen entstehen können, die sich in der dann aufgebrachten epitaxialen Siliziumschicht fortsetzen.

Aufgabe der Erfindung ist dementsprechend, ein Verfahren zur Herstellung einkristalliner Schichten aus Silizium für integrierte Schaltkreise auf einer elektrisch isolierenden Unterlage anzugeben, bei dem diejenigen Schwierigkeiten, die aufgrund einer unterschiedlichen Gitterstruktur zwischen der epitaxialen Schicht und dem Substrat auftreten können, vermieden werden, mit dem weiter erreicht wird, daß an der Grenzfläche zwischen der epitaxialen Schicht und dem Substrat ein Sprung in dem chemischen Verhallen gegenübei den zur Ätzung der epitaxialen Schicht verwendeten Ätzmitteln auftritt, durch das ferner erreicht wird, daß bei der Dotierung eng benachbarter Gebiete der epitaxialen Schicht keine elektrisch leitende Verbindung zwischen ihnen über das Substrat zustandekommt. Weiter soll bei diosem Verfahren die Verwendung einer Zwischenschicht nicht zu einer unerwünschten Dotierung des Substrats oder des epitakliseh abgeschiedenen Siliziums führen.

Diese Aufgabe wird bei einem wie eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Weise gelöst. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Die Erfindung nutzt die aus »Journ. of Crystal Growth«, Bd. 26. 1174, S. 21 fr, bekannte Tatsache aus, daß sehr dünne Schichten, die auf einkristalline Keimkristalle aufgebracht werden, in der Lage sind, die Strukturinformation des Kristalls, auf dem sie sich befinden, nach Art eines Matrixabdruckverfahrens an das auf dieser Zwischenschicht aufgebrachte Material zu übertragen. Dies hat zur Folge, daß das auf der Zwischenschicht aufgebrachte Material ebenfalls einkristallin aufwächst, wobei Fehlstellen und andere Gilterfehler des Keimkristalls von dieser Zwischenschicht nicht übertragen werden. Das führt dazu, daß das auf der Zwischenschicht aufgewachsene Material mit weniger Kristallfehlern versehen ist als der Keimkristall. Demgemäß wird mit dem Verfahren nach der Erfindung einmal erreicht, daß das auf der Zwischenschicht abgeschiedene epitaktische Material in nahezu idealer Kristallstruktur aufwächst, und es ist ferner zwischen der epitaktisch abgeschiedenen einkristallinen Schicht und dem einkristallinen Substrat eine isolierende Zwischenschicht vorhanden, so daß die in der epitaxialen Schicht im weiteren Herstellungsverfahren ausgebildeten Dotierungsgebiete gegenüber dem Substratkristall elektrisch getrennt liegen. Das Verfahren hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren den Vorteil, daß sich die Zwischenschicht aus SiO₂ oder Si₂N₃ durch eine chemische Reaktion des Siliziumsubstrats mit Sauerstoff bzw. einem stickstoffhaltigen Gas sehr sauber und auf einfache Weise gewinnen läßt, wodurch weiter eine Verunreinigung oder Dotierung der darauf aufgebrachten epitaktischen Si-Schicht mit Bestandteilen der Zwischenschicht vermieden wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und näher erläutert.

Die Fi g. 1 und 2 zeigen schematisch den Verfahrensgang.

Auf eine einkristalline Siliziumscheibe 1 vorgegebener Orientierung, z. B. mit einer (lOO)-Fläche, wird nach bekannten Verfahren poliert und gereinigt. Auf diese Siliziumscheibe wird eine Zwischenschicht 2 aus SiO₂ als pyrolytisches Oxid aus einer Atmosphäre, die SiH₄, O2 und Ar enthält, bei einer Temperatur von 400 bis 450' C abgeschieden. Die Zwischenschicht mu3 so dick sein, daß normale Schichtdickenschwankungen nicht da/u führen können, daß der Substratkristall an einigen Stellen unbedeckt bleibt, und daß Kristallbaufehler des SubstratkriMalls, wie z. B. Stufenversetzungen in der Kristalloberfläche, zugedeckt werden. Die Dicke der Zwischenschicht muß andererseits so gering sein, daß die Slrukturinformation des Subslratkristalls noch auf das auf der Zwischenschicht abgeschiedene Material übertragen wird. Die Schichtdicke dieser Zwischenschicht wird bei Siliziumdioxid dementsprechend zwischen 10 und 50 nm gewählt. Das Aufbringen der Zwischenschicht aus Siliziumdioxid kann auch durch eine Oxydation der Oberfläche des Siliziumsubstrau bei einer Temperatur von 1000 bis 1100⁰C in einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt werden. Im Anschluß an das Aufbringen der Zwischenschicht aus Siliziumdioxid wird einkristallines Silizium 3 auf dieser Zwischenschicht abgeschieden. Dies geschieht bevorzugt durch eine chemische Gasphasenzersetzung einer das Substrat umgebenden Atmosphäre, die eine der Substanzen SiCl₄, SiHCl₃, SiH₂Cl₂ oder SiH₄ enthält, und der zusätzlich Wasserstoff beigegeben ist. Die Zersetzungstemperatur beträgt dabei etwa 950 bis 1250° C. Eine andere Möglichkeit zur Abscheidung von Silizium besteht darin, SiH₄ in inerten Gasen, z. B. in Stickstoff oder Helium, bei einer Abscheidungstemperatur von etwa 800°C abzuscheiden. Nachdem diese epitaktische Siliziumschicht auf die Zwischenschicht aufgewachsen ist, wird die mit den beiden Schichten versehene Siliziumscheibe in bekannter Weise weiterverarbeitet. Die Ätzung der epitaktischen Siliziumschicht geschieht beispielsweise im weiteren Verfahren mit einer Lösung aus 15 g KOH, 15 ml n-Propanol und 50 ml Wasser.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einkristalliner Siliziumschichten für integrierte Schaltkreise auf einer elektrisch isolierenden Unterlage, bei dem auf eine einkristalline Siliziumscheibe vorgegebener Orientierung eine dünne Zwischenschicht aus elektrisch isolierendem Material abgeschieden wird und sodann auf dieser Zwischenschicht eine einkristalline Siliziumschicht epitaktisch abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2) aus Siliziumdioxid besteht, deren Dicke zwischen 10 und 50 nm gewählt wird, oder daß die Zwischenschicht (2) aus Siliziumnitrid besteht, deren Dicke zwischen 10 und 500 nm gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenschicht (2) Siliziumdioxid als pyrolytisches Oxid aus einer S1H4, O2 und Ar enthaltenden Umgebungsatmosphäre auf dem Substrat (1) abgeschieden wird.