DE4440390A1 - Epitaxie-Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichtsystemen mit ultrakurzen, lateralen Dotierungsübergängen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein selektives Epitaxie- Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichtsystemen auf einem Halbleitergrundsubstrat, deren Ein­ zelschichten unterschiedliche Dotierungen aufweisen, wobei die mit dem Grundsubstrat direkt verbundene Halb­ leiterschicht eine mit dem Grundsubstrat weitgehend identische Kristallstruktur besitzt.

Die Materialabscheidung auf Substratoberflächen mit Hilfe bekannter Epitaxie-Verfahren hängt nicht zuletzt von der Physik der Substratoberfläche ab. So sind die Aufwachsraten bei Epitaxie-Prozessen durch die an der kristallographischen Oberfläche wirkenden Kräfte mitbe­ stimmt und daher nicht isotrop, d. h. richtungsab­ hängig.

Die Bedeutung der durch die Kristallstruktur vorgegebenen Anisotropie der Aufwachsraten verliert sich jedoch mit zunehmenden Prozeßtemperaturen, da der Aufwachsprozeß immer mehr transportbestimmt wird, d. h., die dem Aufwachsprozeß exponierte Oberfläche wird regelrecht mit Partikeln des Schichtmaterials hoher kinetischer Energie "bombardiert". Durch die höhere­ nergetischen Schichtpartikel, deren Geschwindigkeits­ spektrum einer Gauß-Verteilung entsprechen, wird die gesamte Substratoberfläche weitgehend homogen mit den Schichtpartikeln bedeckt. Bei Prozeßtemperaturen von deutlich über 1000°C liegt somit ein annähernd isotropes Kristallwachstum vor, so daß die Schichtab­ lagerungen auf dem Grundsubstrat in allen Raumrich­ tungen annähernd gleich schnell erfolgen.

Bei geringeren Prozeßtemperaturen von deutlich unter 1000°C gewinnt jedoch neben der Versorgung durch die Gasphase die Oberflächenstruktur Einfluß auf das epitaktische Wachstumsverhalten. Hierbei dominieren nicht mehr die großen kinetischen Impulse der Schichtpartikel, die beim Auftreffen auf die Substratoberfläche jegliche ordnen­ den Oberflächenkräfte überlagern, sondern die an der Oberfläche des Substrats vorherrschenden Bindungs­ kräfte, die im wesentlichen Van-derWaals-Kräfte sind, diktieren in zunehmendem Male die räumliche Anordnung weiterer Teilchen, die auf der Substratoberfläche abge­ lagert werden.

Dies führt zu einer anisotropen Wachstumsrate, die sogenannte Facettenbildungen hervorrufen. Die Ausbil­ dung sogenannter Facetten, die im folgenden noch näher erläutert werden, ist grundsätzlich auf die unterschiedliche Wachstumsgeschwindigkeit verschiedener kristallographischer Ebenen zurückzuführen.

Um darzulegen, welche Rolle die Ausbildung von Facetten bei der selektiven Epitaxie spielen, wird im folgenden ein typischer Aufwachsprozeß kurz erläutert werden:

Bei der selektiven Epitaxie wird das Grundsubstrat bis auf eine kleine Stelle flächendeckend mit einem Oxid überzogen. Im weiteren wird auf die Oxidschicht und somit auf die freie Stelle, die sogenannte Saatöffnung, das gleiche Material abgeschieden, aus dem auch das Grundsubstrat besteht. Bevorzugt wird als Grundsubstrat kristallines Silizium verwendet.

In an sich bekannter Weise zeigt sich, daß das kristal­ line Wachstum selektiv an der Saatöffnung ansetzt. Wie aus der US 4 686 758 näher hervorgeht, beginnt an der Saatöffnung, die wie ein Keim wirkt, ein mit der kris­ tallinen Struktur des Grundsubstrats identisches, ver­ tikales und laterales Kristallwachstum. Nach einer gewissen Wachstumszeit bildet sich um die Saatöffnung ein durch die Kristallstruktur des Grundsubstrat vorgegebenes, räumlich-geometrisches Wachstumsgebilde, die sogenannte Facette. Für die Form und Größe einer sich um die Saatöffnung ausbildenden Wachstumsfacette sind die Dauer des Wachstumsprozesses, Form und Größe der Saatöffnung sowie die Orientierung der Saatöffnung bezüglich der Kristallebenen bestimmend.

Wie bereits angedeutet, sind die anisotropen Wachstums­ raten in Richtung der unterschiedlichen Kristallebenen verantwortlich für die Ausbildung unterschiedlicher räumlicher Geometrien. So ist beispielsweise bei Silizium die {1 1 1}-Ebene die langsamste Kristall­ wachstumsebene, die im allgemeinen als äußere Kristall­ ebene nach Ablauf einer gewissen Kristallwachstumszeit übrigbleibt. Wird beispielsweise eine quadratische Saatöffnung vollständig zugewachsen, so ergibt sich aufgrund der Silizium-Kristallstruktur eine Pyramide mit {1 1 1}-Ebenen als Seitenflächen.

Mit Hilfe der selektiven Epitaxie ist es somit möglich, Kristallwachstum in vorgebbaren räumlichen Orientierungen vorzunehmen. Die Anisotropie der Wachstumsraten stellt eine Möglichkeit dar, gewünschte vertikale und laterale Schichtstrukturen zu erzeugen.

Neben dem Erfordernis, den Aufwachsprozeß bei Tempera­ turen von unter 1000°C durchzuführen, sind die Druckbe­ dingungen derart zu wählen, daß sie im unteren Torr- Bereich liegen, d. h. Prozeßdrücke kleiner 40 Torr. Auf diese Weise werden nachteilige "Loading-Effects" ver­ mieden, die zu einer reduzierten Wachstumsrate im Zentrum der Epitaxiestrukturen führen.

Die mit Hilfe der selektiven Epitaxie herstellbaren Halbleiterbauelement-Strukturen weisen zwar den Vorteil der geeignet zu wählenden räumlichen Facetten-Geometrien auf, doch sind einzelne zu dotierende Halbleiterbereiche nur mit Hilfe konventioneller Nachbearbeitungsschritte, wie beispielsweise mit Hilfe der Lithographie, Ätztechnik, Implantationstechnik und Temperschritte zu dotieren und zu bearbeiten.

Die Herstellung derartiger Strukturen mit Hilfe selektiver Epitaxie werden beispielsweise in folgenden Druckschriften beschrieben:
T. Matsuki, et.al., Laterally-Doped Channel (LDC) Strukture for Sub-Quarter Micron MOSFETs, 1991 Symp. VLSI Techn.Dig., p.113f.
C.T. Nguyen, et al., Quasi-SOI MOSFETs Using Selective Epitaxy and Polishing, IEDM 1992, p. 341-344. Woo-Hyeong Lee, A New 0.25-um Recessed-Channel MOSFET with Selectively Halo-Doped Channel and Deep Graded Source/Drain, IEEE Elec. Dev. Letters, Vol 14, No. 12, Dec. 1993, p. 578-580.

Die Dotierungsvorgänge der mit der selektiven Epitaxie herstellbaren Halbleiterbauelemente werden wie vorste­ hend erwähnt, mit Hilfe konventioneller Techniken durchgeführt. So dringen Dotierstoffatome in bekannter Weise von oben auf die bereits abgeschiedenen Halblei­ terschichten ein. Beispielsweise werden mit der Ionenstrahldotierung Lackmasken verwendet, die spezielle Strukturen aufweisen, durch deren freie Stellen die Dotierstoffe von oben in die abgeschiedenen Halbleiter­ schicht eindringen können.

Den bekannten Dotiertechniken haften jedoch ver­ schiedene Nachteile an. So ist die Eindringtiefe durch die nur begrenzten Reichweiten der Dotierstoffe von der Substratoberfläche in Richtung der Substrattiefe durch ein Gauß-Profil vorgegeben, das sich in die Tiefe des Substrats hin abbildet. Homogene Dotierstoffvertei­ lungen innerhalb der Halbleiter schichten sind nur bei sehr dünnen Schichten zu erhalten. Typische Ein­ dringtiefen von Dotierstoffen betragen in der Regel ca. 1 µm.

Insbesondere in Hinblick auf Hochleistungsbauelemente, in denen erhebliche Ströme vorherrschen können, ist es jedoch erforderlich die einzelnen, am Stromfluß bete­ iligten Dotierungsbereiche möglichst großvolumig aus zu­ gestalten.

Für die Herstellung lateraler Strukturen mit Tie­ fenausdehnungen größer 1 um sind bislang keine Dotiertechniken bekannt, die eine homogene Dotierstoffeinbringung in die lateralen Schichten ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein selektives Epitaxie-Verfahren zur Herstellung von Halbleiter­ schichtsystemen auf einen Halbleitergrundsubstrat anzu­ geben, deren Einzelschichten unterschiedliche Dotierungen aufweisen, wobei die mit dem Grundsubstrat direkt verbundene Halbleiterschicht eine mit dem Grundsubstrat weitgehend identische Kristallstruktur besitzt, so daß die in die Halbleiterschichtsysteme einbringbaren Dotierstoffe unabhängig von den einzelnen Halbleiterschichtdicken, homogen sind. Mit Hilfe des selektiven Epitaxie-Verfahrens soll es darüberhinaus möglich sein, auf einem Halbleitergrundsubstrat lateral, nebeneinander angeordnete Schichtabfolgen mit unterschiedlichen Dotierungsprofilen herzustellen, die über ihre jeweilige gesamte Tiefe homogene Dotierstoff­ konzentrationen aufweisen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, mit Hilfe der selektiven Epitaxie Halbleiterschichtabfolgen derart aneinandergrenzen zu lassen, so daß die einzelnen Halbleiterschichten in ihrer Erstreckung weitgehend senkrecht zur Halbleitergrundsubstratoberfläche orien­ tiert sind, was nicht zuletzt durch ein geeignetes Kristallwachstum zu ermöglichen ist. Je nach An­ wendungsfall sind auch Schichtverläufe herstellbar, deren Schichtzwischenflächen einen Winkel von kleiner 90° mit dem Grundsubstrat einschließen. Erfindungs­ gemäß werden hierzu während des Abscheideprozesses der einzelnen abzuscheidenden Halbleiterschichten die Dotierstoffzugaben variiert. Die Variation der Dotierstoffzugabe erfolgt dabei derart schnell während des Abscheidevorganges, daß der Übergang von einer Dotierstoffart zur nächsten abrupt erfolgt, d. h., die Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Dotierstoffprofilen grenzen ohne Übergangs schichten aneinander. Auf diese Weise können auf sehr wirtschaftliche und daher kostengünstige Weise die Abfolge von Halbleiterschichten realisiert werden. Auf diese Weise sind desweiteren präziser zu produzierende Dotierstoff-Zeit-Profile mit hervorragender Gleichmäßigkeit bezüglich der Dotierstoffkonzentration innerhalb einer Halbleiterschicht herzustellen.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 Querschnitt eines mit Hilfe des erfindungs­ gemäßen Verfahrens hergestellte Halbleiter­ schichtabfolge,

Fig. 2a und b, Querschnittsdarstellung zur Herstellung eines Bauelemente s mit Hilfe des erfindungsge­ mäßen Verfahrens.

Das Halbleitergrundsubstrat 1 besteht vorteilhafter­ weise aus einkristallinem Silizium, das ganz flächig mit einem Oxid 2, bis auf eine kleine Stelle (die soge­ nannte Saatöffnung) 3, überzogen ist. Die Saatöffnung 3 hat vorzugsweise die Form eines Quadrates mit Kantenlängen von typischerweise 100 µm. Die Dicke der Oxidschicht 2 beträgt beispielsweise 40 nm.

Bevorzugterweise wird bei der selektiven Epitaxie als Grundsubstrat Silizium verwendet, dessen Kristallstrukturorientierung auf der Waferoberfläche derart gewählt ist, daß die Wachstumsrate der {1 0 0}- Kristallebene am größten ist. Auf diese Weise werden Grenzflächen zwischen zwischen zwei Dotierungsbereichen ausgebildet, die im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche orientiert sind.

Im Wege der vorstehend beschriebenen selektiven Epitaxie-Technik wird in einem ersten Aufwachsschritt einkristallines, in diesem Fall (n+)-dotiertes Silizium auf die Saatöffnung 3 abgeschieden. Die (n+)-Dotierung rührt von der Beimengung von Arsen-Atomen in den abzu­ scheidenden, gasförmigen Halbleitermaterialstrom her, wie es aus dem mittleren Diagramm (n(As)/t-Diagramm; n(As) stellt die Arsenkonzentration dar und t die Epitaxiedauer) aus Fig. 1 hervorgeht.

Prozeßtemperaturen von unter 1000°C und Druckverhält­ nissen im unteren Torr-Bereich erlauben den Ober­ flächenkräften das Kristallwachstum zu diktieren. Auf­ grund der sich somit einstellenden unterschiedlichen Wachstumsraten entlang der einzelnen Kristallebenen bilden sich im Laufe der Epitaxiedauer gradlinige Außenflächen an der wachsenden Silizium-Facette 4 aus.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 bildet sich eine obere, horizontale {1 0 0}-Ebene aus, welche an ihren Eckpunkten von langsam wachsenden {1 1 1}-Ebenen sowie {0 0 1}-Ebenen begrenzt wird. Je nach Größe und Dimensionierung der einzelnen bereits dotierten Halbleiterschichten, die auf oder um das Saatgebiet abgeschieden werden, wird eine konstante Konzentration von Dotierstoffen dem abzuscheidenden, gasförmigen Halbleitermaterial beigemengt. Ohne den Abscheideprozeß des einkristallinen Siliziummaterials zu unterbrechen, wird die Dotierstoffzugabe abrupt derart geändert, so daß eine zweite dotierte einkristalline Halbleiterschicht 5 auf der ersten mit n+-Dotieratomen versehenen Halbleiterfacette 4 abgeschieden wird. Abermals durch die ordnenden Kräfte der Kristallstruktur bestimmt, wächst die nachfolgende Halbleiterschicht 5 in gleicher räumlicher Ausdehnung an der unter ihr liegenden Halbleiterschicht 4 auf. Die Kristallstruktur bleibt erhalten, jedoch sind in der Halbleiterschicht 5 andere bzw. Dotierstoffe anderer Konzentrationen ent­ halten.

Die Variation der Dotierstoffzugabe von einer zu der anderen Schicht kann dabei derart schnell er­ folgen, so daß die Dicke der einzelnen, unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten beinahe beliebig klein gewählt werden kann. Übliche Schichtdicken betragen etwa 0,1 µm. Durch entsprechende Variation der Dotierstoffzugabe erfolgen sodann weitere Halbleiterschichtablagerungen, wie aus Fig. 1 gemäß den Schichten 6 und 7 entnommen werden kann.

Die Dotiereigenschaften der einzelnen Schichten werden bestimmt durch die während des Abscheideprozesses bei­ gemengten Dotierstoffmengen, wie sie beispielsweise während des gesamten Prozeßverlaufes aus den Diagrammen der Fig. 1 hervorgehen. So stellt n(As) die Dotier­ stoffkonzentration von dem gasförmig vorliegenden, abzuscheidenden Halbleitermaterial beigemengten Arsen daß, dessen Konzentration während der ersten Ab­ scheidephase konstant gehalten ist und zur Abscheidung der zweiten Schicht abrupt auf Null abgesenkt wird. Zugleich wird die Beimengung von Bor-Dotieratomen vor­ genommen (siehe hierzu den Diagrammverlauf bezüglich des n(B)/t-Diagramms). Eine weitere, den Dotierprozeß beeinflussende Prozeßgröße stellt die Temperatur T dar, deren Verlauf während des gesamten Abscheideprozesses der in Fig. 1 dargestellten Halbleiterschichten am T/t- Diagramm ablesbar ist.

Aus Fig. 2a und b gehen als Beispiel die Ver­ fahrensvorstufen zur Herstellung von Halbleiterbauele­ menten mit den erfindungsgemäß lateral angeordneten Dotierungsgebieten, die homogene Dotierstoffprofile aufweisen, hervor.

In der vorstehend beschriebenen Weise werden durch entsprechende Variation von Dotierstoffbeimengungen die Halbleiterschichten 4 bis 11 in der entsprechenden numerischen Abfolge auf die Saatöffnung 3 eines Sili­ ziumgrundsubstrates 1 selektiv epitaktisch abge­ schieden. Mit Hilfe konventioneller Planarisierungs­ techniken wird in einem zweiten Schritt die über die zweite Oxidschicht 12 überstehende, abgeschiedene Halb­ leiterschicht-Facette abgetrennt. Es entstehen somit lateral nebeneinanderliegende, über ihre gesamte Tiefe ein homogenes Dotierungsprofil aufweisende, einzelne Halbleiterschichten.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, lateral angeordnete Halbleiterschichten mit homogenen vertikalen und lateralen Dotierungsprofil und beinahe beliebiger Dicke nebeneinander auf einem Halbleitergrundsubstrat anzuordnen.

Claims (13)

1. Selektives Epitaxie-Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichtsystemen auf einem Halbleitergrund­ substrat, deren Einzelschichten unterschiedliche Dotierungen aufweisen, wobei die mit dem Grundsubstrat direkt verbundene Halbleiterschicht eine mit dem Grund­ substrat weitgehend identische Kristallstruktur be­ sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffzugabe während des Aufwachsvorganges in Abhängigkeit von den abzuscheidenden Halbleiterschichtdicken variiert wird, so daß sich ohne den Aufwachsvorgang zu unterbrechen, aufeinander folgende Halbleiterschichten mit unter­ schiedlichem Dotierungsgrad bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufwachsen der Halbleiterschichten durch selektive Epitaxie erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitergrundsubstrat einkristallines Silizium ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitergrundsubstrat mit einem Oxid überzogen ist, das an einer Stelle, der sogenannten Saat, unterbrochen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste, dotierte Halbleiterschicht selektiv auf die Saat abgeschieden wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Halbleiterschichten pilzförmig ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der ersten Halbleiterschicht auf der Saat derart erfolgt, daß die Saatfläche vollständig von dem Halbleitermaterial abge­ deckt wird und das abgeschiedene Halbleitermaterial sich vertikal mit weitgehend senkrechten Seitenflanken über die Saatfläche erhebt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflanken des abgeschiedenen Halbleitersubstrats einen Winkel mit dem Grundsubstrat einschließen, der kleiner 90° ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite und weiter­ folgende Halbleiterschichten stets die darunter­ liegenden Halbleiterschichten ganzflächig umschließen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Variation der Dotierstoffzugabe während des Aufwachsvorganges Halbleiterschichten unterschiedlicher Dotierung gebildet werden, die weitgehend senkrecht zum Halblei­ tergrundsubstrat orientiert sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung des Auf­ wachsvorganges die weitgehend parallel zum Halbleiter­ grundsubstrat verlaufenden Halbleiterschichtteile der­ art abgetragen werden, so daß die, an die senkrechten Seitenflanken des die Saat umgebenden Halbleitermate­ rials abgeschiedenen, weiteren Halbleiterschichten, laterale Halbleiterschichtübergänge mit ultrakurzen Schichtdicken bilden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die laterale Schichtdicke wenigstens etwa 0,1 µm beträgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßdruck während des Aufwachsvorganges maximal 40 Torr und die Prozeßtemperatur zwischen 650°C und 1000°C betragen.