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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein
auf die Halbleiterverarbeitung und genauer auf ein Verfahren zur
Bildung einer Epitaxialschicht auf einem Substrat.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein integraler Bestandteil integrierter
bipolarer und BiCMOS-Schaltungen ist eine Epitaxialschicht, die
als der Kollektor dient und für
eine hoch geordnete kristalline Schicht sorgt, in welche später während der
Herstellung von Vorrichtungen Diffusionen und Implantate von Dotanden
eingebracht werden können.
Ein vergrabener Kollektor wird in strukturierte Gebiete des Substrates
eindiffundiert oder implantiert, bevor die Epitaxialschicht gebildet
wird. Für
die Herstellung von NPN-Transistoren wird schwach dotiertes n- (oder
Eigenleitungs-) Epitaxialsilicium über der stark dotierten vergrabenen n-Schicht
(Sub-Kollektor) abgeschieden. Die Dotandenkonzentration in der vergrabenen
Schicht ist typischerweise etwa 3–5 Größenordnungen höher als
in der Epitaxialschicht.
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Im Grenzfall von RF-Schaltungen für BiCMOS
Technologien sind Isolationsschemata erforderlich, die für bipolare
NPN-Flächentransistoren (NPN-BJT)
reduzierte Kollektor-Substrat-Kapazitäten schaffen, um eine hohe
Packungsdichte für
MOS- und bipolare Flächentransistoren
aufzunehmen. Die Verwendung von vergrabenen Kollektoren mit hoch dotierten
flachen Übergängen und
reduzierter lateraler Diffusion gestattet niedrigere Isolationsdosen,
um minimale Vorrichtungsabstände
zu erreichen. Dieses reduzierte Randgebiet der vergrabenen Schicht schlägt sich
in einer Reduzierung der peripheren Komponente der Kollektor-Substrat-Kapazität nieder, welche
typischerweise vorherrschend in NPN-Transistoren ist. Um die Ausbildung
eines abrupten, niederohmigen, vergrabenen Kollektors zu erreichen, sind
Epitaxie-Ablagerungsprozesse nötig,
welche in der Lage sind, dünne
Filme (< 2 Mikrometer)
ohne wesentliche Diffusion des Dotanden, die während des Ablagerungsprozesses
vorkommt, entweder in das Substrat oder in die sich bildende Epitaxialschicht
abzulagern. Es ist außerdem
wichtig, den Verlust des Dotanden der vergrabenen Schicht durch Verdampfung
während
des Epitaxie-Ablagerungsprozesses und den Wiedereinbau des verdampften Dotanden
(als Selbstdotierung bezeichnet) entweder vertikal oder lateral
zur eingebetteten Schicht zu minimieren.
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Wegen seiner höheren Festkörperlöslichkeit ist Arsen der bevorzugte
Dotand für
die Bildung des vergrabenen Kollektorprofils. Jedoch hat Arsen infolge
eines hohen Haftungskoeffizienten den Nachteil, den epitaxialen
Filmwachstumsprozess sehr anfällig gegen
Selbstdotierung zu machen. Vertikale Selbstdotierung bewirkt die
intrinsische Kollektordotierung und verringert die Kollektor-Basis
Durchbruchsspannungen. Laterale Selbstdotierung kompensiert die Isolations-Selbstdotierung und
verschlechtert in der Folge den Kompromiss zwischen peripherer Substratkapazität und Vorrichtungspackungsdichte.
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Herkömmliche Verfahren zur Bildung
einer Epitaxialschicht verwenden ein Hochtemperatur-Voreinbrennen
(1150–1200°C) in einer
Wasserstoffumgebung vor der Epitaxieablagerung. Das Hochtemperatur-Voreinbrennen
entfernt die natürlichen
Oxide von der Oberfläche
und veranlasst die Dotanden, aus der vergrabenen Schicht zu entgasen
und in das umgebende Gas über
der Waveroberfläche
zu verdampfen oder zu beweglichen Atomen zu werden, die in die Waferoberfläche absorbiert
werden. Obwohl niedrigere Temperaturen verwendet werden können, um
die Oberfläche
wirksam von natürlichem
Oxid zu befreien, erhöht
sich der Haftungskoeffizient der Arsenatome mit kleiner werdender
Temperatur und kann zu starken vertikalen und lateralen Selbstdotierungsprofilen
führen.
Aus diesem Grund wird typischerweise ein Hochtemperatur-Voreinbrennen
genutzt, um das Oberflächenoxid
zu entfernen und etwas von dem Arsen von der Oberfläche zu verdampfen,
solange es eine niedrigere Neigung zeigt, an der Oberfläche zu haften.
Das Voreinbrennen erfolgt unter niedrigem Druck, um die entgasten
Do tanden von der Waveroberfläche
und aus dem Reaktor zu ziehen, um sie abzusaugen. Als Nächstes kann
eine dünne
Epitaxialschicht abgeschieden werden, um die vergrabene Schicht
abzudecken, gefolgt von einem Spülschritt,
um die Dotandenkonzentration im Reaktor zu reduzieren, nachdem die
Dotandenquelle abgedeckt worden ist. Die Temperatur kann daraufhin weiter
abgesenkt werden (zur Minimierung der Diffusion des vergrabenen
Kollektors), um den restlichen Abschnitt der Epitaxialschicht abzulagern.
Um die Selbstdotierung zu minimieren, bewirken die dabei beteiligten
hohen Temperaturen, dass bedeutende Mengen aus den vergrabenen Schichten
entgasen. Deswegen müssen
die vergrabenen Schichten anfänglich
stärker
dotiert sein, um den Verlust während der
epitaxialen Voreinbrennschritte zu kompensieren. In der Folge erlaubt
dies mehr Diffusion der vergrabenen Schicht in das Substrat, erhöht folglich
die Kollektor-Substrat-Kapazität
und erfordert außerdem höhere Einbrenntemperaturen,
um Implantatschäden zu
entfernen. Ein Dampf-Wachstums-Verfahren, das das Ausmaß der Selbstdotierung
reduziert, ist offenbart in: Patent Abstracts of Japan, Bd. 10,
Nr. 337(E-454), 14. November 1986, und in JP-A-61141118. Zuerst
wird ein natürlicher
Oxidfilm durch eine Flusssäure-Lösung entfernt
und ferner ein Mischgas aus Monosilan und Wasserstoff auf das Halbleitersubstrat
geleitet, das eine vergrabene Schicht hat, welche mit reinem Wasser
gereinigt und getrocknet wird, um bei einer Temperatur von etwa 550°C einen amorphen
Film auf dem Halbleitersubstrat abzulagern. Daraufhin wird das Substrat
auf eine Temperatur von etwa 1100°C
erhitzt, gefolgt von einer H2-Temperung
für etwa
zehn Minuten, wobei sich der amorphe Film in einen Einkristall umwandelt.
Die Temperatur wird wieder auf etwa 1000°C abgesenkt und dem Wasserstoff-Trägergas ein
Dotierungsgas wie etwa aus Monosilan und Phosphin zugemischt, um
einen epitaxialen Wachstumsfilm abzulagern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das Verfahren entsprechend der vorliegenden
Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass
ein Verfahren zur Ablagerung einer Epitaxialschicht mit reduzierter
Zykluszeit geschaffen wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die vorliegende Erfindung wird jetzt
beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben,
wobei:
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1 ein
Querschnittsdiagramm eines Substrates mit vergrabenen dotierten
Bereichen ist, auf dem eine Epitaxialschicht (oder ein epitaxialer
Silicium-Film) entsprechend der Erfindung zu bilden ist.
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2–3 Querschnittsdiagramme des
Epitaxie-Ablagerungsprozesses entsprechend der Erfindung sind.
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4 eine
graphische Darstellung der Dotandenkonzentration über der
Tiefe eines Epitaxie-Ablagerungsverfahrens des Standes der Technik durch
einen vergrabenen dotierten Bereich ist.
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5 eine
graphische Darstellung der Dotandenkonzentration über der
Tiefe eines Epitaxie-Ablagerungsverfahrens des Standes der Technik angrenzend
an einen vergrabenen dotierten Bereich ist.
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6 eine
graphische Darstellung der Dotandenkonzentration über der
Tiefe eines Epitaxie-Ablagerungsverfahrens entsprechend der Erfindung
ohne das optionale Voreinbrennen durch einen vergrabenen dotierten
Bereich ist.
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7 eine
graphische Darstellung der Dotandenkonzentration über der
Tiefe eines Epitaxie-Ablagerungsverfahrens entsprechend der Erfindung
ohne das optionale Voreinbrennen angrenzend an einen vergrabenen
dotierten Bereich ist.
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8 eine
graphische Darstellung der Dotandenkonzentration über der
Tiefe eines Epitaxie-Ablagerungsverfahrens entsprechend der Erfindung
mit dem optionalen Voreinbrennen durch einen vergrabenen dotierten
Bereich ist; und
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9 eine
graphische Darstellung der Dotandenkonzentration über der
Tiefe eines Epitaxie-Ablagerungsverfahrens entsprechend der Erfindung
mit dem optionalen Voreinbrennen angrenzend an einen vergrabenen
dotierten Bereich ist.
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Entsprechende Bezugszeichen und Symbole
in den verschiedenen Figuren beziehen sich auf die entsprechenden
Abschnitte, soweit nichts anderes angegeben ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Erfindung wird nun in Verbindung
mit der Bildung einer Epitaxialschicht auf einem Substrat für Vorrichtungen
wie bipolare und BiCMOS-Vorrichtungen, das vergrabene, mit Arsen
dotierte Bereiche umfasst, beschrieben. Ein Substrat 10,
das derartige vergrabene Bereiche 12 umfasst, ist in 1 dargestellt.
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Zuerst wird das Substrat 10 gereinigt,
um jegliches natürliches
Oxid oder andere Schadstoffe von der Oberfläche des Substrats 10 zu
entfernen. Der gewählte
Reinigungsprozess sollte einer sein, der nicht nur jegliches natürliches
Oxid von der Oberfläche
entfernt, sondern auch das erneute Oxidwachstum hemmt, solange der
Wafer innerhalb der Reinigungsprozesskammer verbleibt. Zum Beispiel kann
eine Flusssäurereinigung
(HF-Säurereinigung) oder
eine HF-Dampfreinigung ohne eine Wasserspülung genutzt werden. Weitere
Reinigungsprozesse, die in der Lage sind, für eine oxidfreie oder nahezu oxidfreie
(d. h. weniger als eine Monolage Oxid) Oberfläche zu sorgen, sind dem Fachmann
auf dem Gebiet klar. Wenn dieselbe Kammer nicht sowohl für die Reinigungs-
als auch für
die Ablagerungsschritte genutzt wird, wird der Wafer daraufhin von
der Reinigungsprozesskammer in die Epitaxie-Ablagerungskammer in
einer inerten Umgebung oder Vakuumumgebung umgeladen. Die Nutzung
einer inerten Umgebung oder Vakuumumgebung hemmt das erneute Wachstum
einer Oxidschicht auf der Oberfläche
des Substrats 10. Auf diese Weise ist ein Hochtemperatur-Voreinbrennen
zur Entfernung der Oxide unnötig, wobei
die damit verbundene wesentliche Entgasung von Dotanden aus den
vergrabenen Bereichen 12 vermieden wird. Zusätzlich werden
die erforderliche Zeit zum Erhitzen der Kammer auf die hohen Temperaturen
in der Größenordnung
von 1200°C
und das nachfolgende Spülen
der verdampften Dotanden vermieden. Vorzugsweise sind die Reinigungs-
und Ablagerungskanuner Teil eines einzigen Cluster-Werkzeugs.
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Wenn das Substrat 10 innerhalb
der Epitaxie-Ablagerungskammer ist, wird es auf eine Temperatur
im Bereich von 500–850°C erhitzt.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird eine Temperatur in der Größenordnung
von 825°C
verwendet. Bei diesem Punkt kann ein Niedertemperatureinbrennen
für eine Dauer
in der Größenordnung
von 60 Sekunden erwünscht
sein. Vorzugsweise waren jedoch die obigen Reinigungs- und Umladeschritte
ausreichend, um das erneute Wachstum von jeglichem Oxid auf der Oberfläche des
Substrates 10 zu verhindern. Wenn keine Oxide oder Oberflächenschadstoffe
vorhanden sind, ist es wünschenswert,
den Niedertemperatur-Einbrennschritt zu überspringen.
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Unter Aufrechterhaltung der obigen
Temperatur in der Prozesskammer wächst, wie in 2 gezeigt ist, eine dünne Abdeck-Epitaxialschicht 14 auf der
Oberfläche
des Substrates. Da niedrigere Temperaturen als in Techniken des
Standes der Technik verwendet werden, diffundieren weniger Dotanden
in die Abdeckschicht 14 auf oder verdampfen, wobei sie die
umgebenden Substratbereiche 16 lateral selbstdotieren.
Wegen des Hochtemperatur-Voreinbrennens, das wesentliche Mengen
von Dotanden in die Kammer und auf die Substratoberfläche freisetzte, war
eine Niedertemperatur-Abdeckschicht in den Verfahren des Standes
der Technik unerwünscht. Wie
oben erwähnt,
erhöhen
niedrigere Temperaturen die Tendenz der Arsenatome, auf der Oberfläche des Substrates
zu haften. Weil das Hochtemperatur-Voreinbrennen vermieden wird,
verdampfen keine wesentlichen Mengen von Dotanden aus der vergrabenen
Schicht, wobei auf diese Weise die Höhe der lateralen Selbstdotierung
auf den Substratoberflächengebieten 16 trotz
niedrigerer Temperatur der dünnen Epitaxialschicht-Ablagerung
reduziert wird. Die dünne
Epitaxial-Abdeckschicht 14 ist vorzugsweise in der Größenordnung
von 0,1 Mikrometer dick (0,05 bis 0,3 Mikrometer). Die gewünschte Dicke
wird durch die Zeitdauer (Dt) zwischen dem Ende der Bildung der
dünnen
Epita xialschicht 14 und dem Beginn des primären Epitaxie-Ablagerungsschrittes,
der die Epitaxialschicht 18 bildet, und durch das Ausmaß, in dem
die Dotanden aus dem Substrat während
dieser Zeit aufdiffundieren, bestimmt. Wenn sich Dt vergrößert, vergrößert sich
auch die gewünschte
Dicke der Epitaxial-Abdeckschicht 14, was verhindert, dass
die Dotanden durch die Epitaxial-Abdeckschicht 14 und in
die Kammer hinein aufdiffundieren.
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Die Temperatur der Epitaxie-Ablagerungskammer
wird daraufhin auf die gewünschte
Temperatur für
die Ablagerung des Restes der Epitaxialschicht 18 erhöht. Zum
Beispiel können
Temperaturen im Bereich von 1000–1150°C verwendet werden. In der bevorzugten
Ausführungsform
wird eine Temperatur in der Größenordnung
von 1100°C
verwendet. Die Temperatur wird nach der gewünschten Ablagerungsrate (Zykluszeit),
Strukturdeformation, zulässigen
Aufdiffusion und anderen Aspekten ausgewählt. Wenn die gewünschte Temperatur
erreicht worden ist, wird die Epitaxialschicht 18, wie
in 3 gezeigt ist, abgelagert.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist das Ablagerungs-Quellengas Dichlorsilan. Jedoch können auch
alternativ andere Quellengase wie etwa Trichlorsilan, Siliciumtetrachlorid,
Silan oder Disilan verwendet werden. Die Dicke der Epitaxialschicht 18 ist
typischerweise in der Größenordnung
von 1 Mikrometer. Jedoch kann die Dicke der Epitaxialschicht 18 variieren.
Die Dauer der Ablagerung kann abhängig von der gewünschten
Dicke, der Ablagerungstemperatur und der Ablagerungsrate variieren.
Lediglich beispielhaft ist für
eine Temperatur in der Größenordnung
von 1100°C,
eine Dicke in der Größenordnung
von 1,0 Mikrometer und eine Ablagerungsrate von 0,2 μm/min eine
Dauer in der Größenordnung
von 265 Sekunden geeignet. Selbstverständlich können höhere Ablagerungsraten verwendet
werden.
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Der oben beschriebene Prozessablauf
erfordert etwa 50% weniger Zeit bis zum Abschluss als Verfahren
des Standes der Technik. Das ist hauptsächlich bedingt durch die in
den Verfahren des Standes der Technik erforderliche Zeit, die Kammer
auf die erforderlichen Temperaturen für das Hochtemperatur-Voreinbrennen
zu erhitzen und wieder auf Ablagerungstemperatur abzukühlen. Da
sich der Druck nach erhöhten
Produktionsniveaus und reduzierter Produktionszeit fortsetzt, wird
dieser Zeitfaktor zunehmend wichtig.
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Die 4 und 5 sind graphische Darstellungen
der Dotandenkonzentration über
der Tiefe von der Oberfläche
für ein
Verfahren des Standes der Technik zur Bildung einer Epitaxieschicht über einem Substrat,
das vergrabene Bereiche hat. Der Prozess ist ein 1200°C-Einbrennen
für 2 Minuten
bei einem Druck von 8 hPa (6 Ton), gefolgt von einer 1150°C-Ablagerung
einer Sperrschicht für
30 Sekunden und einer primären
Epitaxie-Ablagerung bei 1030°C.
Die Epitaxialschicht wird bis in eine Tiefe von etwa 1,0 Mikrometer
gebildet. Der Bereich mit einer Tiefe von mehr als 1,0 Mikrometern
ist das Substrat und, falls vorhanden, der vergrabene Bereich.
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4 zeigt
die Dotandenkonzentration an einer Stelle im Substrat, wo ein dotierter
vergrabener Bereich gebildet wird, und 5 zeigt die Dotandenkonzentration an
einer Stelle im Substrat, wo es keinen vergrabenen Bereich gibt.
Anhand von 5 zeigt die
Linie 24 die laterale Selbstdotierung von einem vergrabenen
dotierten Bereich wie etwa dem Bereich 12 aus 1 zum angrenzenden Bereich wie
etwa zu dem Bereich 16 in 1.
Wie aus der Linie 24 ersichtlich ist, liegt das Maximum
der lateralen Selbstdotierungskonzentration bei etwa 1,5 × 1016.
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Die 6 und 7 veranschaulichen graphische
Darstellungen der Dotandenkonzentration über der Tiefe für das Verfahren
entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ohne
das optionale Niedertemperatur-Voreinbrennen. Die 8 und 9 veranschaulichen
die bevorzugte Ausführungsform
mit dem optionalen Voreinbrennen. Im Vergleich der 6 und 8 mit 4 ist ersichtlich, dass
die maximale Konzentration der vergrabenen Bereiche höher und
die Breite des vergrabenen Schichtprofils für die Verfahren entsprechend
der Erfindung enger ist. Das zeigt, dass in den Verfahren entsprechend
der Erfindung weniger von der Originaldotierung der vergrabenen
Bereiche entgast und diffundiert ist. Anhand der 7 und 9 ist
die Höhe der
lateralen Selbstdotierung gegenüber
derjenigen des Standes der Technik reduziert. Das Maximum der latera len
Selbstdotierung in 7 ist
3 × 1015 gegenüber
1,5 × 1016 des Standes der Technik. Die maximale
laterale Selbstdotierung in 8 ist
etwa 5,5 × 1015. Daher ist ersichtlich, dass beide Verfahren entsprechend
der Erfindung (d. h. mit und ohne Niedertemperatur-Voreinbrennen)
die Höhe
der lateralen Selbstdotierung bedeutend reduzieren.