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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterkristall-
Aufwachsvorrichtung zum Aufwachsen von epitaktischen
Schichten auf Halbleitersubstraten.
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Für das Aufwachsen eines qualitativ hochwertigen
Einkristalls bei niedriger Temperatur ist es wichtig, die
Oberfläche eines Substrates zu reinigen. Dazu ist ein
konventionelles Verfahren angewendet worden, mit dem eine
Oxidschicht zum Schutz der Oberfläche eines Substrats gegen
Verschmutzung unter Ausnutzung eines chemischen
Reinigungsverfahrens gebildet und das Substrat sodann in einem Hochvakuum
erwärmt wird, um die Oxidschicht zu entfernen und die
gereinigte Oberfläche freizulegen. Die Reinigung der
Oberfläche erfolgte in einem Vakuumgefäß einer
Kristallaufwachsvorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Diese
Kristallaufwachsvorrichtung besitzt eine Vorbereitungskammer 101,
einen Durchlaßschieber 102, Evakuierungseinheiten 106, 107,
Gaseinleitungsdüsen 105, einen Heizer 104 zur Erwärmung
eines Substrats sowie eine Epitaxiekammer 103.
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In einem Massenproduktionsverfahren, bei dem die Reinigung
der Oberfläche und das Kristallwachstum in der gleichen
Vorrichtung erfolgen, treten die folgenden Probleme auf, wenn
der Reinigungsschritt für die Oberfläche und der
epitaktische Kristallwachstumsschritt innerhalb des gleichen
Vakuumgefäßes durchgeführt werden. Reaktionsprodukte wirken
während des Kristallwachstums auf Umfangsteile eines
Substratheizungssystems innerhalb des Vakuumgefäßes und nach dem
epitaktischen Aufwachsschritt auf dessen Wandfläche ein; da
die Substrattemperatur bei der Oberflächenreinigung jedoch
generell höher ist als beim epitaktischen Aufwachsen, werden
die beim epitaktischen Aufwachsen einwirkenden
Reaktionsprodukte aufgrund der thermischen Einflüsse bei der höheren
Temperatur im nächsten Reinigungsschritt der
Substratoberfläche
noch einmal als Gas emittiert (siehe Fig. 2). Daher
werden die Bedingungen innerhalb des Vakuumgefäßes
verschlechtert. Wird eine Substratoberfläche unter diesen
Bedingungen gereinigt, so ist die Reinigung unzureichend,
wobei die Qualität der nachfolgend aufgewachsenen Kristalle
schließlich abfällt. Um dieses Problem in der
konventionellen Vorrichtung zu vermeiden, muß das Vakuumgefäß nach dem
Kristallaufwachsschritt vor dem nächsten
Oberflächenreinigungsschritt unter Ausheizen für eine relativ lange Zeit
evakuiert werden. Darunter leiden die
Massenproduktionsbedingungen der Vorrichtung.
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Eine verbesserte Vorrichtung zur Bildung einer epitaktisch
aufgewachsenen Schicht auf einem Substrat ist in der EP-A-
0 196 897 beschrieben. Die Vorrichtung enthält in diesem
Falle eine Substratwechselkammer, eine Vorkammer zur
Entfernung von Verschmutzung und eine Epitaxiekammer. Im
Betrieb läuft ein Substrat von der Wechselkammer über die
Vorkammer zur Epitaxiekammer, so daß seine Oberfläche für
das Aufwachsen einer epitaktischen Schicht vorbereitet ist,
wenn es in die Epitaxiekammer eintritt.
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Im Falle der Herstellung eines Feldeffekttransistors mit
isolierendem Gate (im folgenden mit "MOSFET" bezeichnet) ist
ein Herstellungsverfahren für einen solchen MOSFET
angewendet worden, wie es in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist.
Bei den Fig. 3A und 3B handelt es sich um
Schnittdarstellungen, aus denen die Herstellungsschritte für eine epitakisch
aufgewachsene Schicht 303 und die Gateoxidschicht 304 eines
konventionellen Herstellungsverfahrens für einen MOSFET
ersichtlich sind. Gemäß den Fig. 3A und 3B wird die
epitaktische Aufwachsschicht 303, welche eine Kanalzone bildet, auf
einem Substrat 301 unter Verwendung einer
Halbleiterkristall-Aufwachsvorrichtung mit einer Epitaxiekammer
hergestellt, wonach auf der epitaktischen Aufwachsschicht 303
eine Gateoxidschicht 304 unter Verwendung eines Ofens für
eine thermische Oxidation über einen chemischen Waschschritt
hergestellt wird. In Fig. 3 ist mit 302 eine Feldoxidschicht
bezeichnet.
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Zur Verbesserung der Eigenschaften des MOSFET ist es
generell wichtig, den Zustand an der Grenzfläche zwischen der
Kanalzone und der Gateoxidschicht eines MOSFET zu
verbessern. Bei dem konventionellen Verfahren erfolgt jedoch die
Herstellung der Kanalzone und der Gateoxidschicht im oben
beschriebenen Sinne in vollständig verschiedenen Kammern,
wobei darüber hinaus das chemische Waschen vor der
Herstellung der Gateoxidschicht erfolgt. Es ist daher
wahrscheinlich, daß verunreinigende Ionen, beispielsweise Na&spplus;-Ionen
sich beim oder nach dem Waschen entweder an der
Kanaloberfläche anlagern oder während des thermischen
Oxidationsschrittes in die Oxidschicht eingebaut werden. Dies ist
einer der signifikanten Faktoren für die Verschlechterung
des Zustandes an der Grenzfläche zwischen dem Kanal und der
Gateoxidschicht oder der Qualität der Oxidschicht.
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Die vorliegende Erfindung sucht eine
Halbleiterkristall-Aufwachsvorrichtung zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
zu schaffen, mit der das Aufwachsen einer epitaktischen
Schicht mit ausgezeichneter Kristallqualität und die Bildung
einer Gateoxidschicht mit extrem guten
Grenzflächeneigenschaften unter Massenproduktionsbedingungen möglich ist.
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Eine erfindungsgemäß vorgesehene Vorrichtung zur Herstellung
eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate mit einer
eine erste Abpumpeinrichtung zum Auspumpen der Vorrichtung
enthaltenden Vorbereitungskammer zum Einführen und Entnehmen
eines Substrats in die bzw. aus der Vorrichtung, einer eine
erste Heizeinrichtung zur Erwärmung des Substrats sowie eine
zweite Abpumpeinrichtung zu ihrem Auspumpen enthaltenden
Reinigungskammer zur Reinigung einer Oberfläche des
Substrates, einem ersten Durchlaßschieber zur Verbindung der
Vorbereitungskammer
mit der Reinigungskammer für die Überführung
des Substrats von einer dieser Kammern in die andere, einer
Epitaxiekammer zur Bildung einer epitaktischen Schicht auf
dem gereinigten Substrat und mit einem zweiten
Durchlaßschieber zur Verbindung der Reinigungskammer mit der
Expitaxiekammer für die Überführung des Substrats von einer
dieser Kammern in die andere, ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Epitaxiekammer eine zweite Heizeinrichtung zur
Erwärmung des Substrats, eine dritte Abpumpeinrichtung zu
ihrer Evakuierung und eine Düseneinrichtung zur Einleitung
von bei der Erzeugung einer epitaktischen Aufwachsschicht
und einer Isolierschicht auf dem Substrat verwendeten
Prozeßgasen von außen in sie umfaßt und daß ein dritter
Durchlaßschieber zur Verbindung der Epitaxiekammer mit der
Vorbereitungskammer für die Überführung des Substrats von einer
dieser Kammern in die andere vorgesehen ist.
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Die erste Abpumpeinrichtung kann die Vorbereitungskammer auf
ein Vakuum von 1 x 10&supmin;&sup5; Pa oder darunter evakuieren.
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Die zweite Abpumpeinrichtung kann die Reinigungskammer auf
ein Vakuum von 1 x 10&supmin;&sup6; Pa oder darunter evakuieren.
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Die dritte Abpumpeinrichtung kann die Epitaxiekammer auf ein
Vakuum von 1 x 10&supmin;&sup5; Pa oder darunter evakuieren.
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Bei einer Ausführungsform umfaßt die Epitaxiekammer eine
zwischen der Düseneinrichtung und Gasquellen vorgesehene
Ventileinrichtung sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung
des Öffnens und Schließens der Ventileinrichtung in
Abhängigkeit von einer vorgegebenen Anzahl von
Ventilöffnungsund Schließperioden sowie einer vorgegebenen
Ventilöffnungsund Schließzeit, wodurch die epitaktische Aufwachsschicht
sowie die auf der epitaktischen Aufwachsschicht
abzuscheidende Isolatorschicht aufeinanderfolgend innerhalb der
gleichen Epitaxiekammer hergestellt werden. Damit kann die Dicke
sowohl der epitaktischen Aufwachsschicht als auch der
Isolatorschicht auf dem Substrat mit einer Genauigkeit in der
Größenordnung einer einatomigen Schicht hergestellt werden.
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Die Erfindung wird beispielsweise anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert, in denen
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
konventionellen Halbleiterkristall-Aufwachsvorrichtung;
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Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der zeitlichen
Vakuumänderung in einem Vakuumgefäß (Reinigungskammer
und Epitaxiekammer) der Vorrichtung nach Fig. 1;
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Fig. 3 einen Schnitt zur Erläuterung der
Herstellungsschritte einer epitaktischen Schicht und einer
Gateoxidschicht bei einem bekannten
Herstellungsverfahren für einen MOSFET;
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Fig. 4 eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform einer Halbleiterkristall-Aufwachsvorrichtung
gemäß der Erfindung;
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Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der zeitlichen
Vakuumänderung in einer Reinigungskammer und
Epitaxiekammer der Vorrichtung nach Fig. 4;
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Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Epitaxiekammer
einer Kristallaufwachsvorrichtung gemäß der
Erfindung; und
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Fig. 7 einen Schnitt eines unter Verwendung einer
Kristallaufwachsvorrichtung gemäß der Erfindung
hergestellten MOSFET
zeigen.
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Die vorliegende Erfindung sieht zusätzlich zur
Epitaxiekammer 103 und einer Vorbereitungskammer 101 eine
Reinigungskammer vor, so daß die Oberflächenreinigung und die
Herstellung einer einkristallinen Dünnschicht mit ausgezeichneten
Kristalleigenschaften unter Massenproduktionsbedingungen
gleichzeitig durchführbar sind.
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Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform einer Halbleiterkristall-Aufwachsvorrichtung
gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung besitzt eine
Vorbereitungskammer 401 zum Einführen und Entnehmen eines Substrats
in die bzw. aus der Vorrichtung,
einen Durchlaßschieber 402, eine Reinigungskammer 403 zur
Reinigung einer Oberfläche des Substrats, einen Heizer 404
zur Erwärmung des Substrats, einen Durchlaßschieber 405,
eine Epitaxiekammer 406, einen Heizer 407 zur Erwärmung des
Substrats in der Epitaxiekammer, eine Düse 408 zur
Einleitung etwa von Prozeßgasen in die Epitaxiekammer, einen
Durchlaßschieber 409 sowie Abpumpsysteme 410, 411, 412 zur
Evakuierung der Reinigungskammer, der Epitaxiekammer und der
Vorbereitungskammer auf ein hohes Vakuum.
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Die Vorbereitungskammer 401 ist mit dem Abpumpsystem 412
bestückt, das ein Vakuum von 1 x 10&supmin;&sup5; Pa oder darunter
aufrechtzuerhalten vermag. Die Reinigungskammer 403 ist
wenigstens mit dem Heizer 404 zur Erwärmung des Substrats und mit
dem Abpumpsystem 410 bestückt, das ein Vakuum von 1 x 10&supmin;&sup6;
Pa oder darunter aufrechtzuerhalten vermag, während die
Epitaxiekammer 406 wenigstens mit der Düse 408 zur
Einleitung von Gasen auf das Substrat, dem Heizer 409 zur
Erwärmung des Substrats und dem Abpumpsystem 411 bestückt ist,
das ein Vakuum von 1 x 10&supmin;&sup5; Pa oder darunter
aufrechtzuerhalten vermag.
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Mit der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen
Vorrichtung kann ein Einkristall aus einem Halbleitermaterial, wie
beispielsweise Silizium mittels eines epitaktischen
Aufwachsverfahrens bei geringer Temperatur folgendermaßen
aufgewachsen werden. Der Durchlaßschieber 402 wird geöffnet
und das Substrat aus der Vorbereitungskammer 401 in die
Reinigungskammer 403 eingeführt. Der Durchlaßschieber 402
wird sodann geschlossen. Die Substratoberfläche wird dadurch
gereinigt, daß das Substrat für eine vorgegebene Periode auf
einer Temperatur von 850º C oder darüber gehalten und ein
Vakuum von beispielsweise 1 x 10&supmin;&sup6; Pa erzeugt wird (siehe
Fig. 5).
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Sodann wird das Substrat durch Öffnen des Durchlaßschiebers
405 aus der Reinigungskammer 403 in die Epitaxiekammer 406
eingeführt, wonach der Durchlaßschieber 405 geschlossen
wird. Das epitaktische Aufwachsen erfolgt für eine
vorgegebene Zeitperiode bei einer Substrattemperatur von 500 bis
800º C, einem Druck in der Epitaxiekammer 406 von bis zu
1 x 10&supmin;&sup6; Pa und einem Druck innerhalb der Epitaxiekammer 406
im Zeitpunkt der Einleitung von Prozeßgasen von 1 x 10&supmin;³ bis
1 x 10² Pa, wobei die Prozeßgase sowie ein mit diesen
reagierendes Gas entweder gleichzeitig oder abwechselnd
eingeleitet werden. Nach dem Abschluß des epitaktischen
Aufwachsens wird der Durchlaßschieber 409 geöffnet und das Substrat
aus der Epitaxiekammer 406 in die Vorbereitungskammer 401
überführt. Sodann wird der Durchlaßschieber 409 geschlossen.
Durch Wiederholung der vorgenannten Funktionsfolge kann eine
epitaktische Schicht mit ausgezeichneten kristallinen
Eigenschaften bei tiefer Temperatur unter
Massenproduktionsbedingungen hergestellt werden.
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In einem Massenproduktionsprozeß werden wenigstens zwei
Substrate jeweils als eine Gruppe in die Vorbereitungskammer
401, die Reinigungskammer 403 und die Epitaxiekammer 406
eingeführt, wobei sich die Gruppen innerhalb der
Vorrichtung gemäß der oben beschriebenen Funktionsfolge bewegen. Da
die Atmosphäre innerhalb der Reinigungskammer 403 durch die
Atmosphäre in der Epitaxiekammer 406, in der das Aufwachsen
wiederholt wird, nicht beeinflußt wird, können die in Fig. 5
dargestellten ausgezeichneten Bedingungen aufrechterhalten
werden, wobei für den Oberflächenreinigungsschritt eine
ausgezeichnete Reproduzierbarkeit gewährleistet ist. Das
Auftreten von Defekten beim Kristallaufwachsen kann daher
reduziert und das epitaktische Aufwachsen bei niedriger
Temperatur wiederholt werden. Mit der vorliegenden Erfindung ist
daher das Aufwachsen einer einkristallinen Dünnschicht mit
hoher Qualität bei tiefer Temperatur und ausgezeichneter
Reproduzierbarkeit möglich.
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Da erfindungsgemäß eine Kristallaufwachsvorrichtung im oben
beschriebenen Sinne verwendet wird, bei der es sich um das
Hinzufügen einer Reinigungskammer zur Reinigung der
Oberfläche eines Substrats zu einer aus einer Epitaxiekammer und
einer Vorbereitungskammer bestehenden konventionellen
Vorrichtung handelt, ist erfindungsgemäß die Reinigung der
Substratoberfläche in einem Vakuumgefäß frei von Einflüssen
oder Bedingungen nach dem Kristallaufwachsen mit guter
Reproduzierbarkeit möglich, so daß die Herstellung epitaktisch
aufgewachsener Schichten mit ausgezeichneten
Kristalleigenschaften möglich ist. Darüber hinaus ist die
erfindungsgemäße Vorrichtung unter Massenproduktionsbedingungen
betreibbar, was bei der konventionellen Vorrichtung nicht möglich
ist.
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Speziell bei der Herstellung eines MOSFET mit einer
epitaktischen Schicht zur Bildung einer Kanalzone und einer
Gateoxidschicht wird vorzugsweise eine Vorrichtung verwendet,
welche mit einem Mechanismus zur Einleitung von Prozeßgasen
für die Bildung der Kanalzone durch epitaktisches Wachstum
sowie zur Herstellung der Gateoxidschicht durch CVD, d.h.
ein Hochvakuum-Abpumpsystem bestückt ist. Damit wird es
möglich, das epitaktische Aufwachsen zur Herstellung der
Kanalzone und die Herstellung der Gateoxidschicht innerhalb der
gleichen Epitaxiekammer unter bestimmten Betriebsbedingungen
aufeinander folgend durchzuführen.
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Das bedeutet, daß die vorliegende Ausführungsform eine
Vorrichtung darstellt, in der eine erste epitaktische
Aufwachsschicht auf einem Halbleitersubstrat zur Bildung der
Kanalzone eines MOSFET erzeugt und sodann wenigstens eine Gasart
der Gase, welche für das Aufwachsen der epitaktischen
Schicht verwendet werden, auf ein ein Komponentenelement der
Isolatorschicht enthaltendes Gas umgeschaltet wird, so daß
die Isolatorschicht auf der epitaktisch aufgewachsenen
Schicht folgend auf diese epitaktisch aufgewachsene Schicht
gebildet werden kann.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform umfaßt die
Epitaxiekammer 406 den Heizer 407 zur Erwärmung des Substrats, das
Evakuierungssystem 411 zur Evakuierung der Epitaxie-kammer
auf ein Vakuum von 1 x 10&supmin;&sup6; Pa oder darunter, die Düse 408
zur Einleitung von Gasen für die Bildung der epitaktischen
Schicht und die Gateoxidschicht auf dem Substrat in die
Epitaxiekammer von außen, eine (nicht dargestellte) zwischen
der Düseneinrichtung und Gasquellen vorgesehene
Ventileinrichtung sowie eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung
zur Steuerung des Öffnens und Schließens der
Ventileinrichtung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Anzahl von
Öffnungs- und Schließzyklen sowie von deren Zeittakt. Da
erfindungsgemäß der Kanalherstellungsschritt und der
Gateoxidschicht-Herstellungsschritt in einen aufeinanderfolgenden
Schritt in einer sauberen Atmosphäre vereinigt werden
können, sind eine Gateoxidschicht mit hervorragenden
Grenzschichteigenschaften und eine Kanalzone mit ausgezeichneten
kristallinen Eigenschaften im wesentlich gleichzeitig
herstellbar. Die vorliegende Ausführungsform kann auch zur
Vereinfachung des Herstellungsverfahrens beitragen.
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Fig. 6 zeigt eine Expitaxiekammer 603 einer
Kristallaufwachsvorrichtung gemäß der Erfindung. Gase für die Bildung
einer epitaktischen Schicht und einer Isolatorschicht
werden über ein Ventil 601 und eine Düse 602 auf eine
Oberfläche 604 geleitet, welche innerhalb der Epitaxiekammer 603
auf einen Heizer 606 aufgesetzt ist. Die Epitaxiekammer 603
wird mittels eines Abpumpsystems 608 über ein Durchlaßventil
607 evakuiert, so daß das Vakuum in der Epitaxiekammer 603
ohne Einleitung der Gase unter 1 x 10&supmin;&sup6; Pa liegt. Der Druck
in der Epitaxiekammer 603 wird durch eine
Druckmeßeinrichtung 605 gemessen. Die Öffnungs- und Schließvorgänge des
Ventils 601 werden durch einen Regler 609 gesteuert.
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Gemäß Fig. 7 werden eine epitaktisch aufgewachsene Schicht
(Kanalzone) 711 sowie eine Gateoxidschicht 712 eines MOSFET
aufeinanderfolgend folgendermaßen hergestellt. Zunächst wird
zur Bildung der Kanalzone durch epitaktisches Wachstum der
Durchlaßschieber 402 geöffnet und das Substrat aus der
Vorbereitungskammer 401 in die Reinigungskammer 403 gemäß Fig.
4 eingeführt. Der Durchlaßschieber 402 wird sodann
geschlossen. Das Substrat wird durch den Heizer 404 auf etwa 850º C
erwärmt und seine Oberfläche gereinigt. Sodann wird das
Substrat aus der Reinigungskammer 403 in die Epitaxiekammer 406
eingeführt. Der Aufbau der Epitaxiekammer ist im einzelnen
in Fig. 6 dargestellt. In der Epitaxiekammer 603 wird die
Substrattemperatur auf 800º C eingestellt und der
epitaktische Wachstumsprozeß gestartet.
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Die in diesem Falle beispielsweise verwendeten Gase
Dichlorsilan (SiH&sub2;Cl&sub2;) und Wasserstoff (H&sub2;), werden für eine
vorgegebene Zeitperiode in einem solchen Bereich eingeleitet, daß
der Druck in der Epitaxiekammer 603 zwischen 10 bis 1 x 10&supmin;³
Pa liegt. Mit fortschreitendem epitaktischen Wachstum werden
Dichlorsilan und Wasserstoff bei vorgegebenen
Betriebsbedingungen entweder gleichzeitig oder abwechselnd eingeleitet.
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Unmittelbar nachdem der aufgewachsene Einkristall eine
gewünschte Schichtdicke erreicht hat, wird der bei den Gasen
für das epitaktische Wachstum verwendete Wasserstoff
abgeschaltet und an seiner Stelle Stickstoffoxidul (N&sub2;O)
eingeleitet, wonach unter Verwendung von Dichlorsilan und
Stickstoffoxidul die Bildung der Gateoxidschicht 712 begonnen
wird. Dabei werden dann Dichlorsilan und Stickstoffoxidul
bei gleicher Substrattemperatur und gleichem
Gaseinleitungsdruck wie beim epitaktischen Wachstum zur Bildung des Kanals
auf die Oberfläche des Substrats 604 geleitet, wobei auf der
epitaktisch aufgewachsenen Schicht 711 eine Isolatorschicht
mit gewünschter Schichtdicke abgeschieden werden kann. Die
so gebildete Gate-Oxidschicht besitzt eine extrem kleine
Grenzschichtladungsdichte sowie eine ausgezeichnete
dielektrische Festigkeitsverteilung.
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Nach der Abscheidung der Gate-Oxidschicht 712 in der
vorstehend beschriebenen Weise werden zur Bildung des MOSFET
Source-, Drain- und Gate-Elektroden 714, 715, 713
hergestellt.
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Aufgrund des erfindungsgemäßen Herstellungsprozesses der
Gate-Oxidschicht ist ein Waschschritt vor dem
Schichtaufwachsen völlig unnötig, wie er konventionell unerläßlich
ist. Damit können verschiedene mit dem Waschen verbundene
Probleme nicht auftreten. Da die Gate-Oxidschicht mit
idealen Grenzschichteigenschaften auf dem Kanal mit
ausgezeichneten kristallinen Eigenschaften hergestellt werden
kann, werden erfindungsgemäß die Eigenschaften von Schalter-
und Speicheranordnungen auf der Basis einer MOS-Struktur
verbessert.