DE2535813C2 - Verfahren zur Herstellung einkristalliner Schichten aus Halbleitermaterial auf einer elektrisch isolierenden Unterlage - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einkristalliner Schichten aus Halbleitermaterial auf einer elektrisch isolierenden UnterlageInfo
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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 (2)
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.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE2535813B1 (de) | 1976-11-18 |
| DE2535813A1 (de) | 1976-11-18 |
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