DE2915883C2 - Method for applying an epitaxial layer - Google Patents
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Description
Verfahren zum Aufbringen einer epitaktischen Schicht aus einer Gasphase auf ein Substrat, bei dem eine Auflage, über die das Substrat erhitzt wird, mit einer Schicht aus dem Material, aus dem das Substrat besteht, versehen, auf dieser Schicht das Substrat angebracht, dann ein Ätzgas so über das Substrat geführt wird, daß die von der Auflage abgekehrte Seite des Substrats geätzt und chemischer Transport von der Schicht der Auflage zu der der Auflage zugekehrten Seite des Substrats erfolgt, worauf die epitaktische Schicht auf der von der Auflage abgekehrten Seite des Substrats abgeschieden wird.A method for depositing an epitaxial layer from a gas phase onto a substrate, in which a support over which the substrate is heated is provided with a layer of the material from which the substrate consists, the substrate is applied to this layer, an etching gas is then passed over the substrate in such a way that the side of the substrate facing away from the support is etched and chemical transport takes place from the layer of the support to the side of the substrate facing the support, whereupon the epitaxial layer is deposited on the side of the substrate facing away from the support.
Ein Verfahren der eingangs erwähnten Art ist aus "J. Electrochem. Soc.", Band 122, S. 1705-1709 (1975) bekannt.A process of the type mentioned above is known from "J. Electrochem. Soc.", Volume 122, pp. 1705-1709 (1975).
Beim Niederschlagen einer epitaktischen Schicht aus Halbleitermaterial auf einem einen flüchtigen Dotierungsstoff enthaltenden Substrat aus Halbleitermaterial können Atome dieses Dotierungsstoffes aus dem Substrat herausdiffundieren und in die Gasphase gelangen. Diese Atome werden beim Niederschlagen in die epitaktische Schicht eingebaut unter beeinflussen den Widerstand der Schicht. Diese Erscheinung ist und der Bezeichnung "Autodope"- Effekt bekannt.When an epitaxial layer of semiconductor material is deposited on a substrate of semiconductor material containing a volatile dopant, atoms of this dopant can diffuse out of the substrate and enter the gas phase. These atoms are incorporated into the epitaxial layer during deposition and affect the resistance of the layer. This phenomenon is known as the "autodope" effect.
Um diesen Effekt zu vermeiden, müssen beim Niederschlagen einer epitaktischen Schicht auf einem einen flüchtigen Dotierungsstoff enthaltenden Substrat besondere Maßnahmen getroffen werden.To avoid this effect, special measures must be taken when depositing an epitaxial layer on a substrate containing a volatile dopant.
So wird ein Verfahren angewandt, bei dem das Substrat, das z. B. aus Silicium besteht, vor der epitaktischen Ablagerung auf der nicht durch Epitaxie zu überziehenden Seite mit einer gegen Ausdiffusion maskierenden Schicht, z. B. aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid, versehen wird. Dieses Verfahren ist ziemlich umständlich und dabei ergibt sich außerdem die Möglichkeit, daß Kristallfehler eingeführt werden.A process is used in which the substrate, which consists for example of silicon, is provided with a layer, e.g. of silicon dioxide or silicon nitride, which masks out diffusion, on the side not to be covered by epitaxy, before the epitaxial deposition. This process is rather laborious and also gives rise to the possibility of introducing crystal defects.
Das eingangs erwähnte Verfahren ergibt nur dann reproduzierbare Resultate, wenn eine epitaktische Schicht niedergeschlagen wird, deren spezifischer Widerstand nicht größer als 10 bis 15 Ω · cm zu sein braucht.The method mentioned at the beginning only gives reproducible results if an epitaxial layer is deposited whose specific resistance does not need to be greater than 10 to 15 Ω · cm.
Der Erfindung liegt u. a. die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zu schaffen, bei dem eine epitaktische Schicht mit hohem Widerstand auf einem Substrat mit verhältnismäßig sehr niedrigem Widerstand reproduzierbar anwachsen gelassen werden kann.One of the objects of the invention is to provide a simple and reliable method in which an epitaxial layer with high resistance can be reproducibly grown on a substrate with a relatively very low resistance.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach dem Abscheiden der epitaktischen Schicht abermals Ätzgas über das Substrat geführt wird solange bis die Dicke der epitaktischen Schicht auf 0,2 bis 0,4 µm gebracht ist, und daß dann eine epitaktische Schicht gewünschter Dicke abgeschieden wird.This object is achieved according to the invention in that after the deposition of the epitaxial layer, etching gas is again passed over the substrate until the thickness of the epitaxial layer is brought to 0.2 to 0.4 µm, and that an epitaxial layer of the desired thickness is then deposited.
Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß eine wesentliche Verbesserung erzielt werden kann, wenn auch die von der Auflageeinrichtung (Auflage) abgekehrte Seite des Substrats mit einer gegen Ausdiffusion maskierenden Schicht versehen wird.The invention is based, among other things, on the finding that a significant improvement can be achieved if the side of the substrate facing away from the support device (support) is also provided with a layer masking against outdiffusion.
Auf dem nach dem zweiten Ätzschritt auf der von der Auflageeinrichtung abgekehrten Seite des Substrats verbleibenden Teil der epitaktischen Schicht, der eine erheblich geringere Menge des flüchtigen Dotierungsstoffes als das Substrat enthält, kann das Anwachsen einer epitaktischen Schicht mit hohem Widerstand fortgesetzt werden, weil von diesem Zeitpunkt an das Substrat gegen die umgebende Gasphase abgeschirmt ist.On the part of the epitaxial layer remaining after the second etching step on the side of the substrate facing away from the support device, which contains a significantly smaller amount of the volatile dopant than the substrate, the growth of an epitaxial layer with high resistance can be continued because from this point on the substrate is shielded against the surrounding gas phase.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren nach der Erfindung ein aus Silicium bestehendes Substrat verwendet und es wird eine aus Silicium bestehende epitaktische Schicht niedergeschlagen, wobei das Substrat als Dotierungssstoff Arsen oder Bor enthält. Zum Beispiel kann auf einem mit Arsen dotierten Substrat mit einem spezifischen Widerstand von 1 bis 3 · 10-3 Ω cm eine epitaktische Schicht mit einem hohen spezifischen Widerstand bis zu 100 Ω cm reproduzierbar und mit verhältnismäßig wenig Kristallfehlern anwachsen gelassen werden.Preferably, the method according to the invention uses a substrate made of silicon and deposits an epitaxial layer made of silicon, the substrate containing arsenic or boron as a dopant. For example, on an arsenic-doped substrate with a resistivity of 1 to 3 x 10 -3 Ω cm, an epitaxial layer with a high resistivity up to 100 Ω cm can be grown reproducibly and with relatively few crystal defects.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below using an example and the drawing. It shows
Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Epitaxie- Reaktor, in dem das Verfahren nach der Erfindung durchgeführt wird, und Fig. 1 shows schematically a section through an epitaxial reactor in which the method according to the invention is carried out, and
Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch eine Anordnung in einer Stufe der Herstellung mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung. Fig. 2 shows schematically a section through an arrangement in a stage of manufacture by means of the method according to the invention.
Fig. 1 zeigt einen Reaktor mit einem Quarzrohr 9 und einer Hochfrequenzinduktionsspule 10, von der in einer aus Graphit bestehenden Auflageeinrichtung 4 eine Temperatur erzeugt wird, die die Umgebungstemperatur überschreitet. Fig. 1 shows a reactor with a quartz tube 9 and a high-frequency induction coil 10 , which generates a temperature in a support device 4 made of graphite that exceeds the ambient temperature.
Dadurch kann in diesem Reaktor ein Verfahren zum Anbringen einer epitaktischen Schicht 1, 2 (siehe Fig. 2) aus einer Gasphase auf einem Substrat 3 durchgeführt werden, wobei die Auflageeinrichtung 4, über die das Substrat 3 erhitzt wird, mit einer Schicht 5 versehen wird, die aus demselben Material wie das das Substrat 3 bildende Material besteht.As a result, a method for applying an epitaxial layer 1, 2 (see Fig. 2) from a gas phase to a substrate 3 can be carried out in this reactor, wherein the support device 4 , via which the substrate 3 is heated, is provided with a layer 5 which consists of the same material as the material forming the substrate 3 .
Auf der Schicht 5 wird das Substrat 3 angeordnet, wonach ein Ätzmittel über das Substrat 3 geführt wird, wodurch die von der Auflageeinrichtung 4 abgekehrte Seite 6 des Substrats 3 geätzt wird und chemischer Transport des genannten Materials von der Auflageeinrichtung 4 zu der der Auflageeinrichtung 4 zugekehrten Seite 7 des Substrats 3 stattfindet.The substrate 3 is arranged on the layer 5 , after which an etchant is passed over the substrate 3 , whereby the side 6 of the substrate 3 facing away from the support device 4 is etched and chemical transport of the said material takes place from the support device 4 to the side 7 of the substrate 3 facing the support device 4 .
Dann wird die epitaktische Schicht 1, 2 auf der von der Auflageeinrichtung 4 abgekehrten Seite 6 des Substrats 3 niedergeschlagen.Then the epitaxial layer 1, 2 is deposited on the side 6 of the substrate facing away from the support device 4. 3 knocked down.
Nach der Erfindung erfolgt das Überführen des Ätzmittels in zwei Schritten, wobei zwischen diesen zwei Schritten ein epitaktischer Anwachsschritt eingefügt ist. Während des zweiten Ätzschrittes wird das auf der von der Auflageeinrichtung 4 abgekehrten Seite 6 des Substrats 3 während des genannten Anwachsschrittes niedergeschlagene Material teilweise entfernt und es erreicht das durch chemischen Transport auf der der Auflageeinrichtung 4 zugekehrten Seite 7 des Substrats 3 erhaltene Material 8 eine gewünschte Dicke.According to the invention, the transfer of the etchant takes place in two steps, with an epitaxial growth step being inserted between these two steps. During the second etching step, the material deposited on the side 6 of the substrate 3 facing away from the support device 4 during the growth step mentioned is partially removed and the material 8 obtained by chemical transport on the side 7 of the substrate 3 facing the support device 4 reaches a desired thickness.
Zum Beispiel wird von einem scheibenförmigen Siliciumsubstrat 3 mit einem Durchmesser von 7,5 cm, einer Dicke von 420 µm und einer Dotierung von Arsenaten von 3,5 · 1019/cm3 (spezifischer Widerstand 1,7 · 10-3 Ω cm) ausgegangen. Auf der Auflageeinrichtung wird eine 10 µm dicke Schicht 5 aus Polysilicium auf übliche Weise abgelagert.For example, a disk-shaped silicon substrate 3 with a diameter of 7.5 cm, a thickness of 420 µm and an arsenate doping of 3.5 · 10 19 /cm 3 (specific resistance 1.7 · 10 -3 Ω cm) is assumed. A 10 µm thick layer 5 of polysilicon is deposited on the support device in the usual way.
Beim ersten Ätzschritt wird 2 Minuten lang mit 1% Chlorwasserstoff in Wasserstoff bei etwa 1200°C geätzt. Während dieses Schrittes wird von der Seite 6 des Substrats 3 etwa 0,4 µm abgeätzt, während zu der Seite 7 von der Schicht 5 her eine 2 µm dicke Schicht transportiert wird.In the first etching step, etching is carried out for 2 minutes with 1% hydrogen chloride in hydrogen at about 1200°C. During this step, about 0.4 µm is etched off from side 6 of the substrate 3 , while a 2 µm thick layer is transported to side 7 from layer 5 .
Während dieses Ätzvorganges wird Arsen in der Anlage freigesetzt.During this etching process, arsenic is released into the plant.
Der genannte Transport erfolgt unter dem Einfluß eines Temperaturunterschiedes von etwa 15°C zwischen der Auflageeinrichtung 4 und dem Substrat 3.The said transport takes place under the influence of a temperature difference of approximately 15°C between the support device 4 and the substrate 3 .
Dann wird 5 Minuten lang bei 1200°C mit Wasserstoff gespült und es wird die Temperatur auf 1150°C herabgesetzt.Then it is flushed with hydrogen at 1200°C for 5 minutes and the temperature is reduced to 1150°C.
Während des nun folgenden Anwachsschrittes wird aus einem Gasgemisch von Trichlorsilan (SiHCl3) und Wasserstoff auf übliche Weise bei 1150°C eine 1,3 µm dicke epitaktische Schicht auf der Seite 6 des Substrats niedergeschlagen. In die letztere Schicht wird eine bei bekannten Verfahren gebräuchliche Konzentration von Arsenatomen aus in der Anlage vorhandenen und noch aus dem Substrat herausdiffundierenden Arsenatomen eingebaut. Die Dicke der Schicht 8 nimmt dabei nur wenig zu.During the growth step that follows, a 1.3 µm thick epitaxial layer is deposited on side 6 of the substrate in the usual way at 1150°C from a gas mixture of trichlorosilane (SiHCl 3 ) and hydrogen. A concentration of arsenic atoms, which is common in known processes, is incorporated into the latter layer from arsenic atoms present in the system and still diffusing out of the substrate. The thickness of layer 8 increases only slightly in the process.
Anschließend wird wieder 5 Minuten lang mit Wasserstoff gespült, während die Temperatur auf 1200°C erhöht wird.Afterwards, the mixture is flushed with hydrogen again for 5 minutes while the temperature is increased to 1200°C.
Während des zweiten Ätzschrittes wird dann 5 Minuten lang mit 1% Chlorwasserstoff in Wassersoff bei etwa 1200°C geätzt. Während dieses Schrittes wird von der epitaktischen Schicht auf der Seite 6 des Substrats eine derartige Menge weggeätzt, daß eine 0,3 µm dicke Schicht 1 übrig bleibt. Diese Schicht 1 dient als Maskierung gegen Ausdiffusion bei späterem epitaktischen Anwachsen auf der Seite 6 des Substrats 3.During the second etching step, etching is then carried out for 5 minutes with 1% hydrogen chloride in hydrogen at about 1200°C. During this step, such an amount is etched away from the epitaxial layer on side 6 of the substrate that a 0.3 µm thick layer 1 remains. This layer 1 serves as a mask against outdiffusion during later epitaxial growth on side 6 of the substrate 3 .
Während dieses Ätzschrittes wird die Anlage in geringerem Maße als während des ersten Ätzschrittes verunreinigt, weil die Arsenkonzentration der zu ätzenden Schicht niedriger als die des Substrats ist.During this etching step, the system is contaminated to a lesser extent than during the first etching step because the arsenic concentration of the layer to be etched is lower than that of the substrate.
Während dieses Ätzschrittes erhält die Schicht 8 eine Dicke von ewa 7 µm.During this etching step, layer 8 reaches a thickness of approximately 7 µm.
Danach wird 5 Minuten lang mit Wasserstoff gespült und es wird die Temperatur von 1200°C auf 1150°C herabgesetzt. Dann wird bei 1150°C eine epitaktische Schicht 2 mit einer gewünschten Dicke aus einem üblichen Gasgemisch von Trichlorsilan und Wasserstoff anwachsen gelassen. Diese Schicht ist nur in geringem Maße mit Arsen verunreingt und weist ohne Zusatz einen spezifischen Widerstand von 100 bis 300 Ω cm auf.This is followed by 5 minutes of hydrogen flushing and a reduction in temperature from 1200°C to 1150°C. An epitaxial layer 2 of a desired thickness is then grown at 1150°C from a conventional gas mixture of trichlorosilane and hydrogen. This layer is only slightly contaminated with arsenic and has a specific resistance of 100 to 300 Ω cm without any additives.
Durch Zusatz von Phosphin (PH3) zu dem epitaktischen Gasgemisch kann der Schicht 2 ein gewünschter spezifischer Widerstand unter 100 Ω cm erteilt werden.By adding phosphine (PH 3 ) to the epitaxial gas mixture, layer 2 can be given a desired specific resistance below 100 Ω cm.
Durch Zusatz anderer Dotierungsstoffe kann der Schicht 2 auch ein anderer Leitungstyp mit dem gewünschten spezifischen Widerstand erteilt werden.By adding other dopants, layer 2 can also be given a different conductivity type with the desired specific resistance.
Auch andere epitaktische Gasgemische als die obenerwähnten Gemische, ebenso wie andere mit Bor dotierte Substrate (spezifischer Widerstand 10 bis 20 · 10-3 Ω cm), können verwendet werden.Epitaxial gas mixtures other than those mentioned above, as well as other boron-doped substrates (resistivity 10 to 20 · 10 -3 Ω cm), can also be used.
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