DE3402188C2 - - Google Patents

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Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bor-dotierten polykristallinen Sili­ ziumschichten, wie sie insbesondere als niederohmige Ba­ sisanschlüsse in bipolaren integrierten Transistorschal­ tungen verwendet werden, durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase bei niederem Druck (low pressure chemical vapor deposition = LPCVD).
Eine bipolare Transistorschaltung dieser Art ist aus einem Aufsatz von D. D. Tang et. al. aus dem IEEE J. Solid State Circuits, SC 17 (1982) auf den Seiten 925 bis 931 zu entnehmen.
Bei bestimmten Halbleiterschaltungen, wie zum Beispiel Bipolarschaltungen oder integrierten Silizium-Sensoren ist der Einsatz von p-leitendem, also Bor-dotiertem poly­ kristallinen Silizium (Poly-Si) vorteilhaft oder zwingend erforderlich. Dabei ist die - im Vergleich zu n-leitendem, also mit Arsen oder Phosphor dotiertem Polysilizium - geringe Korngröße in Bor-dotiertem Polysilizium ungünstig, da sie zu unerwünscht hohen Schichtwiderständen, großen negativen Temperaturkoeffizienten und relativ großer Streuung und Prozeßempfindlichkeit dieser elektrischen Parameter führt.
Eine Reduktion des hohen Schichtwiderstandes und Vermei­ dung der damit verbundenen Nachteile Bor-dotierter Poly­ siliziumschichten konnte bisher nur durch entsprechende Erhöhung der Schichtdicke - begrenzt durch Probleme der Ätztechnik und Kantenbedeckung - oder durch Rekristalli­ sation mittels Laserausheilung, wie in einem Aufsatz von H. Schaber et. al. im J. Appl. Phys. 54 (1983) auf den Seiten 4633 bis 4640 beschrieben, oder ähnlicher aufwen­ diger Verfahren erreicht werden.
Durch eine Abscheidung der Polysiliziumschicht bei höheren Temperaturen (zum Beispiel 730°C) lassen sich zwar auch größere Körner und damit niedrigere Schichtwi­ derstände erreichen; die damit verbundene starke Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit wirkt sich jedoch nachteilig bei den nachfolgenden Prozeßschritten aus.
Der hohe spezifische Widerstand konventionell, das heißt durch LPCVD-Abscheidung hergestellter und mit Bor-dotier­ ter Polysiliziumschichten ist durch ihre geringe Korn­ größe bedingt. Im Fall der Bordotierung ändert sich diese mittlere Korngröße auch nach üblichen Hochtemperaturpro­ zessen (T 1000°C) nur sehr wenig.
Aus einem Aufsatz von G. Harbeke et. al. in Appl. Phys. Lett. 42 (1983) Seiten 249 bis 251 ist bekannt, daß sich durch Abscheidung der Siliziumschicht im amorphen Zustand (Abscheidetemperatur T 580°C) und anschließende Kristallisation in einem konventionellen Ofenprozeß er­ heblich höhere Korngrößen als bei der üblichen kristalli­ nen Abscheidung (T D 630°C) ergeben. Dieser Unterschied fällt bei den für MOS-Prozesse benötigten Phosphor-dotier­ ten Polysiliziumschichten nicht oder nur sehr wenig ins Gewicht, da stark Phosphor-dotierte Schichten bei üblichen Hochtemperaturprozessen ohnehin ein starkes Kornwachstum erfahren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellverfahren für eine Bor-dotierte polykristallinen Siliziumschicht mit gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Korngröße bei gleichzeitig glatter Schicht­ oberfläche anzugeben.
Die Erfindung macht sich die aus dem Aufsatz von Harbeke et. al. gewonnene Erkenntnis zur Lösung der erfindungsge­ mäßen Aufgabe der Herstellung einer Bor-dotierten poly­ kristallinen Siliziumschicht in einer bipolaren integrier­ ten Transistorschaltung zunutze und ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abscheidung im amorphen Zustand bei Tem­ peraturen im Bereich 580°C mit oder ohne Bordotierung durchgeführt wird und die amorphe Siliziumschicht bei einem späteren, zur Herstellung der Schaltung durchzu­ führenden Hochtemperaturprozeß in den polykristallinen Zustand übergeführt wird.
Durch diese Verfahrensweise gelingt es, auch bei Bor-Do­ tierung eine hohe Korngröße bei glatter Schichtoberfläche zu erzielen. Der erfindungsgemäße Herstellungsprozeß kann in konventionellen LPCVD-Anlagen durchgeführt werden, wie sie für die Herstellung der kristallin abgeschiedenen Poly­ siliziumschichten gebräuchlich sind. Es muß dazu lediglich die Abscheidetemperatur von 630°C auf zum Beispiel 560°C abgesenkt werden, wobei eine Verringerung der Abscheide­ rate (etwa um den Faktor 5) in Kauf zu nehmen ist.
Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ergeben sich folgende Verbesserungen der Eigenschaften Bor-dotier­ ter Schichten, zum Beispiel für 300 nm dicke Schichten:
  • 1. Die mittlere Korngröße steigt von 70 nm auf 350 nm;
  • 2. Der Schichtwiderstand sinkt von ca. 160 Ohm auf 60 Ohm bzw. der spezifische Widerstand von ca. 5 × 10-3 Ohm cm auf 1,8 × 10-3 Ohm cm;
  • 3. Die Schichten zeigen gute Kantenbedeckung und erheb­ lich geringere Oberflächenrauhigkeit als bei kristalli­ ner Abscheidung.
Die Dotierung der Siliziumschicht mit Bor kann dabei so­ wohl durch Ionen-Implantation als auch durch Diffusion oder auch durch dotierte Abscheidung durch Zumischen von zum Beispiel Diboran (B2H b ) zum Reaktionsgas (Silan SiH6) erfolgen. Die Temperatur, die zur Kristallisation der amorphen Schicht verwendet wird, hat zumindest im Bereich größer 800°C nur geringen Einfluß auf die resultierenden Schichteigenschaften.
Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden wird anhand der Fig. 1 bis 3 die Erfindung noch näher erläutert. Dabei zeigen die
Fig. 1 und 2 im Schnittbild die erfindungswesent­ lichen Verfahrensschritte und die
Fig. 3 einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schichtaufbau eines Bipolar­ transistors.
Fig. 1: Nach Herstellung der durch SiO2-Bereiche 1 ge­ trennten n--dotierten Inseln 2 mit zugehörigem n⁺-Kollek­ toranschluß 3 und der vergrabenen n⁺-Schicht 4 in einem p-dotierten Siliziumsubstrat 5 nach einem bekannten Ver­ fahren wird bei herkömmlichen Prozessen (siehe Aufsatz von Tang et. al.) eine polykristalline Siliziumschicht 6 abgeschieden und durch Bor-Ionenimplantation (siehe Pfei­ le 7) dotiert. Erfindungsgemäß wird diese Siliziumschicht 6 nun im amorphen Zustand in 300 nm Schichtdicke abgeschie­ den und ebenfalls mit Bor dotiert, zum Beispiel durch Ionenimplantation mit einer Dosis und Energie von 5 × 1015 cm-2 und 30 keV (siehe Pfeile 7).
Fig. 2: Die Kristallisation der amorphen Siliziumschicht 6 wird bei einem beliebigen späteren Hochtemperaturschritt bei T 800°C und einer Zeitdauer t 30 Minuten durchge­ führt. Wird zum Beispiel eine nachfolgende Abscheidung einer SiO2-Hilfsschicht 8 zum Beispiel bei T 800°C durchgeführt, so kristallisiert die amorphe Silizium­ schicht 6 während dieses Prozeßschrittes.
Fig. 3: Im weiteren Prozeßverlauf kann die nun poly­ kristalline Siliziumschicht 6 nach bekannten Verfahren strukturiert werden, zum Beispiel um die in dem Aufsatz von Tang beschriebene selbstjustierte Emitter-Basis- Struktur herzustellen. Es gelten die gleichen Bezugs­ zeichen wie in Fig. 2. B, E, C kennzeichnen Basis, Emitter und Kollektor, die Bezugszeichen 9 und 10 den Kollektor- und Emitteranschluß aus n⁺-dotiertem Poly­ silizium. Mit dem Bezugszeichen 11 ist Isolationsoxid be­ zeichnet.
Die erfindungsgemäß erzielte Verringerung des spezifischen Widerstandes der p⁺-Polysiliziumschicht 6 führt zu einer drastischen Reduktion der beiden äußeren Basisbahnwider­ stands-Anteile R 1 und R 2. Der innere Basisbahnwiderstand R 3 bleibt dabei, wie auch die statischen Eigenschaften des Transistors unverändert, während die Schaltzeit aufgrund des erniedrigten Basisbahnwiderstandes R B verkürzt ist.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Herstellung der Piezo-Wider­ stände für integrierte Silizium-Drucksensoren, wie sie in der DE-OS 30 41 756 A1 näher beschrieben sind. Vorteil­ haft ist hier der geringere Temperaturkoeffizient der grobkörnigen Schichten.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen von Bor-dotierten poly­ kristallinen Siliziumschichten (6), wie sie insbesondere als niederohmige Basisanschlüsse in bipolaren integrier­ ten Transistorschaltungen verwendet werden, durch chemi­ sche Abscheidung aus der Dampfphase bei niederem Druck (low pressure chemical vapor deposition = LPCVD), dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung im amorphen Zustand bei Temperaturen im Be­ reich 580°C mit oder ohne Bordotierung durchgeführt wird und die amorphe Siliziumschicht (6) bei einem späteren, zur Herstellung der Schaltung durchzuführenden Hochtemperaturprozeß in den polykristallinen Zustand über­ geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bordotierung im An­ schluß an die Abscheidung durch Ionenimplantation (7) oder Diffusion durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bordotierung während der Abscheidung durch Zumischen von Diboran zum, vorzugs­ weise aus Silan und Wasserstoff bestehenden Reaktionsgas durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Kristallisation bei der nach der Abscheidung folgenden Abscheidung einer SiO2-Schicht (8) vorgenommen wird; wobei die Temperatur im Bereich von <800°C und die Dauer auf mindestens 30 Minuten eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der amorphen Siliziumschicht (6) auf 200 bis 400 nm einge­ stellt wird.
6. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 zur Herstellung von Piezo-Widerständen für integrierte Sili­ zium-Drucksensoren.
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