DE69916699T2

DE69916699T2 - Verfahren zur epitaktischen Abscheidung von einer Siliziumschicht auf einem stark dotierten Siliziumsubstrat

Info

Publication number: DE69916699T2
Application number: DE69916699T
Authority: DE
Inventors: Didier Dutartre; Patrick Jerier
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2019-05-19
Also published as: FR2779005A1; JP2000040668A; EP0961313B1; EP0961313A1; DE69916699D1; FR2779005B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und insbesondere die Ablagerung einer Siliziumschicht durch Epitaxie auf einem monokristallinen Siliziumsubstrat, das hoch dotierte Zonen umfaßt.
Im allgemeinen ist die Abscheidung einer Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat mit Hilfe der Gasphasenepitaxie eine dem Fachmann gut bekannte klassische Technik, die die Herstellung dünner monokristalliner Schichten ermöglicht, deren Dotierungsniveau über ihre Dicke konstant ist. Diese Technik ist gut beherrschbar, wenn die Dotierung des Siliziumsubstrats, auf dem die epitaktische Schicht aufgewachsen wird, homogen und relativ gering ist.
Mit dem in Erscheinung treten neuerer Technologien, wie beispielsweise der BICMOS-Technologie, die darin besteht, auf einem einzigen Substrat bipolare Transistoren und NMOS- und PMOS-Transistoren zu integrieren, war man jedoch dazu veranlasst, verdeckte Siliziumschichten epitaktisch auf einem Substrat herzustellen, das durch eine Implantation mit Dotiermitteln, wie Bor (Dotierung des Typs P⁺), Arsen oder Phosphor (Dotierung des Typs N⁺), hoch dotierte Zonen aufweist. Diese epitaktisch hergestellten verdeckten Schichten sind beispielsweise dazu bestimmt, die Kollektoren der bipolaren Transistoren der BICMOS-Schaltungen zu bilden.
Daraus resultiert ein bekanntes, Autodotierung genanntes, Phänomen, gemäß dem das mit hoher Dosierung in das Substrat implantierte Dotiermittel dazu neigt, aus dem Substrat zu diffundieren und sich in die epitaktische Schicht einzulagern, wobei deren elektrische Eigenschaften, insbesondere ihre Leitfähigkeit modifiziert werden. Dieses nicht beabsichtigte parasitäre Dotierungsphänomen zieht eine deutliche Dispersion der elektrischen Eigenschaften der integrierten Schaltungen nach sich, die schwer beherrschbar ist, da die Autodotierung von verschiedenen Parametern, wie beispielsweise dem Arbeitsdruck und der -temperatur im Epitaxiereaktor, der Oberfläche der dotierten Zonen des Siliziumsubstrats, das sich unter der epitaktischen Schicht befindet, etc. abhängt.
Darüber hinaus entsteht die Autodotierung einer epitaktischen Siliziumschicht im wesentlichen während der Anfangsphase des Wachstums der epitaktischen Schicht und ist daher umso ausgeprägter, je dünner diese ist. Mit fortschreitender technologischer Entwicklung werden immer dünnere epitaktische Schichten hergestellt, so daß das Phänomen der Autodotierung ein immer größeres Problem darstellt.
Schließlich sind die Autodotierungen einerseits durch Bor und andererseits durch Arsen oder Phosphor im Verhältnis zum Arbeitsdruck und zur -temperatur im Epitaxiereaktor umgekehrten Gesetzmäßigkeiten unterworfen. Somit kann durch eine Erhöhung der Temperatur oder eine Absenkung des Drucks im Epitaxiereaktor die Autodotierung durch Arsen (oder Phosphor) verringert werden, wird jedoch in umgekehrter Weise ein Anstieg der Autodotierung durch Bor bewirkt. Folglich ist es unmöglich, gleichzeitig beide Autodotierungstypen zu verringern, wenn eine Siliziumschicht epitaktisch auf ein Substrat aufgebracht wird, das gleichzeitig hoch mit Bor dotierte Zonen (P⁺-Zonen) und hoch mit Arsen oder Phosphor dotierte Zonen (N⁺-Zonen) aufweist, wie dies in der Praxis im allgemeinen der Fall ist.
Im Stand der Technik wurde in zweckmäßiger Weise ein Kompromiss dadurch geschlossen, indem eine Arbeitstemperatur und ein -druck gewählt werden, die die Autodotierung durch den ersten Typ im Verhältnis zur Autodotierung durch den zweiten Typ nicht begünstigen. Es wurden andere Lösungen vorgeschlagen, wie beispielsweise die Verringerung der epitaktischen Wachstumsgeschwindigkeit. Jedoch schwächt im allgemeinen keine der bekannten Lösungen in zufriedenstellender Weise das Problem der Autodotierung epitaktischer Schichten ab.
In der US 5,137,838 wird ein Herstellungsverfahren für PNP-Halbleitervorrichtungen beschrieben, die hoch dotierte verdeckte Schichten des P⁺⁺-Typs aufweisen, die durch Ionenimplantation von Bor und Gallium erhalten werden, wobei bei diesem Verfahren vorgesehen ist, zusammen mit diesem eine Ionenimplantation von Germanium an derselben Stelle der verdeckten Schicht tief im Inneren des Substrats durchzuführen.
Das Germanium wird mit einer hohen Dosierung von 2·10¹⁶-Atomen/cm² mit einer hohen Ionenbeschleunigungsenergie von 180 keV für eine tiefe Implantation unter der Oberfläche des Substrates auf Höhe der Bordotieratome implantiert, die die verdeckte dotierte Schicht des P⁺⁺-Typs bilden.
Die Kombination der Germanium-, Bor- und darüber hinaus Galliumverunreinigungen verhindert die Diffusion des Bors, womit die Ausdehnung und Verbreiterung der verdeckten Schicht aufgrund des hohen Diffusionsvermögens des Bors im Verlauf nachfolgender Temper- und epitaktischer Wachstumsschritte einer entsprechend dem Herstellungsverfahren vorgesehen oberen Siliziumschicht verhindert wird.
In der US 5,137,838 wird offenbart, daß dieses Verfahren es zulässt, die Diffusion durch und den Umfang der Dotierung der verdeckten Schichten des P⁺⁺-Typs einer PNP-Vorrichtung mit Bor auf ein Niveau zu verringern, das mit der niedrigen Diffusionsgeschwindigkeit der Dotiermittel des N-Typs, wie beispielsweise von Arsen, der verdeckten Schichten des N⁺⁺-Typs einer NPN-Vorrichtung vergleichbar ist, so daß die Leistungsfähigkeiten der PNP- und NPN-Transistoren vergleichbar werden.
Im Gegensatz dazu wird in der US 5,137,838 kein Mittel zur Lösung des Autodotierungsproblems durch Arsen oder Phosphor während des epitaktischen Wachstums einer epitaktischen Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat, das eine mit Arsen oder Phosphor dotierte verdeckte Schicht des N⁺-Typs umfaßt, vorgeschlagen.
Der Artikel mit dem Titel „Reduction of Autodoping from Arsenic Buried Layers" von C. Ygartua und R. Swarog nimmt Bezug auf dieses Problem und schlägt zwei Verfahren zur Reduzierung der Autodotierung durch Arsen vor, die darin bestehen, eine ausgedehnte 16 Minuten dauernde Temperierung bei 1200°C durchzuführen und eine „in-situ" Barrierenschicht mit einer beträchtlichen Dicke von 1000 nm abzuscheiden, die auf der Oberfläche des Substrats aufgewachsen wird, gefolgt von einer Reinigung mit Wasserstoff, bevor der Rest des epitaxialen Wachstums ausgeführt wird, wobei diese beiden Verfahren kombiniert werden können.
Diese beiden herkömmlichen Verfahren liefern selbst, wenn sie kombiniert werden, keine besonders zufriedenstellenden Ergebnisse, da die Leitfähigkeit der epitaktischen Schicht bestenfalls von 2985 μΩ^–1·m auf 2057 μΩ^–1·m reduziert werden kann, d. h. eine Verringerung um 31%.
In einem weiteren Artikel mit dem Titel „Investigation of Various Substrate Dopants and Epitaxial Growth Techniques for Producing Sharp Transition Epitaxial Wafers" von D. N. Schmidt werden Ergebnisse eines epitaktischen Wachstums einer epitaktischen Silizium schicht auf mit verschiedenen Dotiermitteln, insbesondere Arsen, Phosphor und Bor, dotierten Siliziumsubstraten offenbart und verglichen.
Im Artikel von D. N. Schmidt wird lediglich vorgeschlagen, die epitaktischen Bedingungen zu variieren, indem lediglich die Temperatur und die epitatische Wachstumsgeschwindigkeit einer auf einem mit diesen Verunreinigungen dotierten Siliziumsubstrat epitaktisch gewachsenen Siliziumschicht modifiziert werden.
Die experimentellen Ergebnisse, auf die sich D. N. Schmidt bezieht, umfassen lediglich geringe Unterschiede, wobei die Änderung des spezifischen Widerstands der epitaktischen Siliziumschicht auf einem mit Phosphor dotierten Substrat, die durch die Modifizierung der epitaktischen Bedingungen hervorgerufen wird, auf eine Oktave, d. h. auf unter einen Faktor 2 beschränkt bleibt.
Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel bereitzustellen, mit dem die Autodotierung durch Arsen oder Phosphor einer epitaktischen Siliziumschicht auf einem monokristallinen Siliziumsubstrat, das Zonen mit hoher Konzentration von Arsen oder Phosphor umfaßt, begrenzt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Autodotierung durch Arsen oder Phosphor einer epitaktischen Schicht zu begrenzen, ohne die Autodotierung durch Bor zu erhöhen.
Diese Aufgaben werden durch Bereitstellung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Desorptionsschritt der Arsen- oder Phosphoroberflächenatome bei gleichzeitiger Spülung der Substratoberfläche mit Wasserstoffgas durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Durchfluss des Wasserstoffgases im Verhältnis zu den üblichen Bedingungen zumindest während einer Zeitdauer einer Aussetzung des Germaniums an das Wasserstoffgas erhöht, um die Beseitigung der Arsen- oder Phosphoroberflächenatome zu fördern.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Germanium in geringer Dosierung im Verlauf eines Temperierungsschrittes vor der epitaktischen Ablagerung der Siliziumschicht abgeschieden.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Germanium in niedriger Dosierung im Verlauf eines ersten epitaktischen Schrittes zur Ablagerung von Silizium abgeschieden, wobei ein Gasgemisch mit Germanium in die epitaktische Gasphase eingeführt wird, um eine Germanium-/Siliziumverbindung zu bilden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Schritt zur Ablagerung von Silizium ein epitaktischer Schritt, der mit einer Siliziumwachstumsgeschwindigkeit ausgeführt wird, die so gewählt wird, so daß eine Desorption der Arsen- oder Phosphoroberflächenatome parallel zum Wachstum des Siliziums zugelassen wird.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich beim ersten Schritt zur Ablagerung von Silizium um einen Schritt einer Ablagerung einer dünnen Siliziumschicht, gefolgt von einem zweiten Schritt einer Ablagerung einer komplementären Siliziumschicht.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Ablagerung von Germanium in geringer Dosierung bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1100°C durchgeführt und die Ablagerung der Siliziumschicht im wesentlichen bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1050°C ausgeführt.
Das Verfahren kann in einen ersten Schritt einer Ablagerung einer dünnen Siliziumschicht, einen Temperierungsschritt und einen zweiten Schritt einer Ablagerung einer komplementären Siliziumschicht zerlegt werden, um die gewünschte Dicke der epitaktischen Siliziumschicht zu erhalten.
Vorteilhafterweise werden die Bedingungen für den ersten Schritt und die Dauer des ersten Schrittes und der Temperierung in der Weise gewählt, daß die dünne Siliziumschicht eine Barriere für die Diffusion von Arsen- oder Phosphoratomen in die komplementäre Siliziumschicht bildet.
Gemäß einer Ausführungsform wird Germanium in geringer Dosierung vor dem ersten Schritt einer Ablagerung von Silizium oder zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt der Ablagerung von Silizium abgeschieden.
Gemäß einer Ausführungsform wird Germanium in geringer Dosierung im Verlauf des ersten Schrittes einer Ablagerung von Silizium abgeschieden, indem ein Gasgemisch mit Germanium in die epitaktische Gasphase eingeführt wird, um eine Germanium-/Silizium-Verbindung zu bilden.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Dotierungsverbindung in die Gasphase eingeführt, um eine beabsichtige Dotierung der epitaktischen Siliziumschicht zu erhalten, die höher ist als der Wert der Autodotierung.
Diese und andere Gesichtspunkte, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in weiteren Einzelheiten in der folgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und verschiedener Varianten desselben dargelegt, die nicht beschränkend in Verbindung mit den beigefügten Figuren angegeben ist, in welchen:
1 und 2 schematisch ein Epitaxieverfahren auf einem Siliziumsubstrat veranschaulichen, das verdeckte Schichten umfaßt,
3 ein Epitaxieverfahren des Stands der Technik zeigt,
4 eine Ausführungsform eines Epitaxieverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
5 eine Draufsicht auf ein Testplättchen darstellt,
6 einen Vergleich der Ergebnisse einer Autodotierung mit Arsen in gemäß einem klassischen Verfahren und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Epitaxieschichten zeigt,
7A und 7B schematisch einen möglichen Autodotierungsmechanismus durch Arsen oder Bor in einem Epitaxieverfahren gemäß dem Stand der Technik zeigen,
8A und 8B schematisch eine mögliche Erklärung für eine Reduzierung der Autodotierung durch das erfindungsgemäße Verfahren zeigen, und
9 eine weitere Ausführungsform eines Epitaxieverfahrens gemäß der Erfindung zeigt.
In den 1 und 2 ist ein herkömmliches Verfahren gezeigt, mit dem eine Epitaxieschicht auf einem monokristallinen Siliziumsubstrat 1 realisiert werden kann, das dotierte Zonen 2, 3 der Typen N⁺ und P⁺ umfaßt. Wie in 1 gezeigt ist, wird damit begonnen, die dotierten Zonen 2, 3 durch eine Implantation mit Dotiermitteln in hoher Dosierung, wie beispielsweise von Arsen oder Phosphor für die N⁺-Zonen oder von Bor für die P⁺-Zonen zu bilden. Darauffolgend wird, wie in 2 dargestellt ist, auf der Oberfläche des Substrates 1 eine monokristalline Siliziumschicht 4 epitaktisch aufgewachsen, so daß die dotierten Zonen 2, 3 versenkte, durch die Epitaxieschicht überdeckte Schichten werden.
Das epitaktische Wachstum wird in der Gasphase mit einem vorbestimmten Druck und Temperatur in Gegenwart von Wasserstoff und einer Siliziumverbindung, wie beispielsweise von Bichlorsilan (SiHCl2) oder Trichlorsilan (SiHCl3), und in Gegenwart einer Dotierungsverbindung, wie beispielsweise von Phosphin (PH3) oder Arsen (AsH3) durchgeführt, um eine Epitaxieschicht 4 des Typs N zu bilden.
Wie in der Einleitung dargelegt wurde, wird die Dotierung der Epitaxieschicht 4 durch das Herausdiffundieren von Arsen oder Phosphor und von Bor aus den verdeckten Schichten 2, 3 und ihre unkontrollierte Einlagerung in die epitaktische Schicht beeinflusst.
Um diesem Nachteil zu begegnen, basiert die vorliegende Erfindung auf einer Erkenntnis der Anmelderin gemäß der die Ablagerung von Germanium in geringer Dosierung vor der Ablagerung einer Epitaxieschicht 4, auf die vorzugsweise im Epitaxiereaktor eine Ruheperiode unter Pumpen von und/oder Spülen mit Wasserstoff folgt, auf wahrnehmbare und vorteilhafte Weise die Autodotierung durch Arsen oder Phosphor verringert. Auf sehr schematische Weise und unter allen Vorbehalten rechnet die Anmelderin dieses vorteilhafte Ergebnis der Tatsache zu, daß die Gegenwart von Germanium die Beseitigung der Arsen- oder Phosphoratome fördert, die sich auf der Oberfläche des Substrates befinden und zum großen Teil für die Autodotierung der Epitaxieschicht verantwortlich sind.
Bevor eine detailliertere Erläuterung dieses Mechanismus der Beseitigung der Arsen- oder Phosphoroberflächenatome angegeben wird, die auf jeden Fall lediglich eine fortgeschrittene Hypothese der Anmelderin darstellt, um die Vorteile der erfindungsgemäßen Neuerung zu erklären, wird zur Darlegung der Ideen zunächst ein Beispiel einer Realisierung der Erfindung angegeben.
In 3 ist ein herkömmliches Epitaxieverfahren mit zwei Temperaturstufen T1, T2 gezeigt, mit dem die Erfindung erläutert wird. Herkömmlich wird die erste Temperaturstufe T1 zu einem Zeitpunkt t1 nach einer Anfangsperiode eines Anstiegs der Temperatur des Epitaxiereaktors erreicht. Die Temperatur t1, die beispielsweise 1100°C beträgt, wird im allgemeinen höher gewählt als die Epitaxietemperatur t2 und wird bis zu einem Zeitpunkt t2 in Gegenwart von Wasserstoff mit niedrigem Druck, wie beispielsweise bei 60 Torr (ungefähr 10⁴Pa) aufrechterhalten. Diese sogenannte Temperierungsvorphase endet zu einem Zeitpunkt t2, zu dem eine Absenkung der Temperatur auf eine Temperatur t2, die beispielsweise 1050°C beträgt, begonnen wird, die für die epitaktische Ablagerung gewählt wurde. Zu einem Zeitpunkt t3, zu dem die Temperatur stabilisiert ist, wird in Gegenwart von Wasserstoff, einer Wachstumsverbindung mit Silizium, wie beispielsweise Dichlorsilan, und einer Dotierungsverbindung, wie beispielsweise Phosphin oder Arsen, mit dem epitaktischen Wachstum begonnen. Die Epitaxie wird zu einem Zeitpunkt t4 angehalten, wenn die gewünschte Dicke der epitaktischen Siliziumschicht erreicht wurde, und der Prozeß wird beendet, indem die Temperatur gemäß einem vorbestimmten Profil progressiv verringert wird, wobei diese verschiedenen Schritte dem Fachmann gut bekannt sind.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, wie in 4 dargestellt ist, eine Germaniumverbindung, wie GeH4-Gas, in die Gasphase beispielsweise zwischen einem Zeitpunkt t5 und einem Zeitpunkt t6 der Temperierungsperiode einzuleiten, dann während einer Zeitdauer t6–t2 abzuwarten, bevor eine Reduzierung auf die Temperatur t1 erfolgt. Die Zeitdauer t5–t6 zur Einleitung der Verbindung GeH4, die in der Größenordnung von 10 bis zu mehreren zehn Sekunden liegt, wird so ausgewählt, daß die auf der Oberfläche des Siliziumsubstrates abgeschiedene Germaniumschicht in der Größenordnung zwischen einem Bruchteil einer atomaren Monoschicht (wobei der partiellen Diffusion des Germaniums in das Substrat Rechnung getragen wird) und einigen atomaren Schichten liegt. Der Zeitraum t6–t2 zum Spülen mit Wasserstoff bei einer Temperatur t1 nach einer Ablagerung von Germanium beträgt zwischen einigen Sekunden und einigen zehn Sekunden, wie beispielsweise 30 Sekunden.
Die vorteilhafte Auswirkung einer derartigen Dotierung mit Germanium auf das Phänomen der Autodotierung der epitaktischen Siliziumschicht zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 wird mit Hilfe eines Testplättchens 10 der in 5 dargestellten Art dargestellt. Das Plättchen 10 umfaßt links einer Achse A A' eine implantierte Zone mit einem Schachbrettmuster, das eine abwechselnde Folge von Bereichen oder „Feldern" 11, in welchen Arsen implantiert ist, und von nicht implantierten Feldern 12 (schraffierte Felder) umfaßt, wobei die Felder beispielsweise eine Abmessung von 10 × 10 mm aufweisen. Rechts der Achse A A' befindet sich eine nicht implantierte Zone. Insbesondere wird ein Vergleichsversuch durchgeführt, bei dem auf einem ersten Testplättchen 10-1 eine nicht dotierte epitaktische Siliziumschicht gemäß dem Stand der Technik und auf einem zweiten Testplättchen 10-2 eine nicht dotierte epitaktische Siliziumschicht gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren abgelagert wird, d. h. mit einer Ablagerung von Germanium im Zeitraum t5–t6 und einem Pumpen von und/oder Spülen mit Wasserstoff im Zeitraum t6–t2. Darauffolgend wird die Leitfähigkeit C der beiden Epitaxieschichten gemessen in μΩ^–1 verglichen.
In 6 sind die Leitfähigkeitskurven 15-1, 15-2 der beiden Epitaxieschichten, gemessen in den nicht implantierten Feldern 12, dargestellt, wobei die Testplättchen 10-1, 10-2 von links nach rechts durchlaufen werden. Die Kurve 15-1 zeigt den Nachteil des Verfahrens gemäß dem Stand der Technik und zeigt, daß die Leitfähigkeit über der implantierten Zone (Autodotierung des Typs N) links der Achse A A' sehr hoch ist und in die nicht implantierte Zone rechts der Achse A A' einen abnehmenden Verlauf zeigt, wobei sie einen wesentlich höheren Grenzwert C1 als den Nominalwert CO der Leitfähigkeit, der die Epitaxieschicht repräsentiert, erreicht. Im Gegensatz dazu, zeigt die Kurve 15-2 deutlich, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Autodotierung durch Arsen deutlich verringert werden kann, wobei der Anstieg der Leitfähigkeit über der implantierten Zone in einem Verhältnis von ungefähr 50% abgeschwächt ist. Darüber hinaus tendiert die Leitfähigkeit in der nicht implantierten Zone des Testplättchens in Richtung des Nominalwertes C0.
Ähnliche Leitfähigkeitsmessungen bei einer Implantation mit Phosphor in den Bereichen 11 eines Testplättchens zeigten äquivalente Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens. Darüber hinaus zeigten ähnliche Messungen bei einer Implantation mit Bor (Dotierung des Typs P⁺) in den Bereichen 11 keinen klaren Unterschied zwischen dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Verfahren. Somit kann mit der vorliegenden Erfindung die Autodotierung durch Arsen oder Phosphor verringert werden, ohne daß die Autodotierung durch Bor verschlechtert wird. Im Folgenden wird sich zeigen, wie aus diesen Ergebnissen Vorteile gezogen werden können.
Im Folgenden wird eine weiter detaillierte Erläuterung der nach Meinung der Erfinder zu diesen Ergebnissen führenden Phänomene angegeben. Man beachte, daß selbst in dem Fall, daß diese theoretische Erläuterung fehlerhaft oder unvollständig sein sollte, dies nicht den Umfang der Erfindung beeinflusst, deren Ergebnisse dargelegt wurden.
In 7A ist schematisch ein Substrat 1 mit einer verdeckten Zone 2 dargestellt, in Arsenatome implantiert wurden. Von der Anmelderin wird angenommen, daß sich auf der Oberfläche des Substrates Arsenatome befinden, die eine sehr dünne, im wesentlichen monoatomare Schicht 5 bilden. Im Verlauf der Epitaxie bildet sich diese Oberflächenschicht 5 auf der Oberfläche des Substrates 1 und bildet im Verlauf des Wachstums durch die Segregations- und Einlagerungsmechanismen eine permanente Dotierungsquelle für die Siliziumschicht. Somit umfaßt, wie schematisch in 7B gezeigt ist, die Epitaxieschicht 4 in ihrer Dicke Arsenatome und weist ein Arsendotierungsprofil auf, das ausgehend von der Zwischenfläche zwischen dem Substrat 1 und der epitaktischen Schicht 4 in Richtung der Oberfläche abnimmt.
Im Gegensatz dazu hat die Ablagerung von Germanium 6 mit geringer Dosierung auf der Oberfläche des Substrates die Wirkung, atomare Plätze zu erzeugen, an welchen sich die Arsenatome in einer Verbindung mit Germaniumatomen befinden, die die atomaren Plätze, an welchen sich mit Siliziumatomen verbundene Arsenatome befinden, vollkommen oder zum Teil ersetzen. Die AsGe-Verbindungen haben eine geringere Energie als die AsSi-Verbindungen, wobei die Arsenatome der Germaniumplätze zu einer ausgeprägteren Desorption tendieren als die Arsenatome der Siliziumplätze und somit durch das Pumpen und/oder Spülen mit Wasserstoff je nach Temperatur- und Druckbedingungen in Form von As-Atomen oder As2-Molekülen und/oder als AsH-, AsH2-, AsH3-Verbindungen evakuiert werden. Die mit den Germaniumatomen verbundenen Arsenatome werden folglich mit einer wesentlich höheren Wirksamkeit als im Stand der Technik beseitigt. Folglich werden durch das Germanium atomare Plätze erzeugt, die die Beseitigung der Arsen-Atome und die „Reinigung" der Arsen-Oberflächenschicht 5 fördern.
Somit wird, wie in 8B gezeigt ist, die sich danach auf der epitaktischen Schicht 4 befindende Anzahl von Arsenatomen beträchtlich reduziert. In Anbetracht der oben beschriebenen experimentellen Ergebnisse sind diese Erläuterungen auch auf Phosphoratome anwendbar und scheinen aus für den Fachmann klar erkennbaren Gründen aufgrund der physiochemischen Eigenschaften dieser unterschiedlichen Elemente nicht auf Bor-Atome anwendbar zu sein.
In der Praxis ist verständlich, dass die Ergebnisse der Erfindung zum Teil von Parametern, wie dem Durchfluss und Druck des Wasserstoffs im Epitaxiereaktor, der Pumpgeschwindigkeit ... abhängen. Bei den mit den oben dargelegten Ergebnissen durchgeführten Versuchen wurden von der Anmelderin die üblichen Werte für den Durchfluss und den Druck des Wasserstoffs beibehalten. Es liegt jedoch im Ermessen des Fachmanns neue Parameter zu testen und zu wählen, mit welchen die Beseitigung der Arsen- oder Phosphoroberflächenatome gefördert werden kann. Insbesondere können die Pumpgeschwindigkeit (im Fall eines Vakuumprozesses) und/oder der Durchfluss des Wasserstoffgases (im Fall eines Prozesses in Gegenwart von Wasserstoff) im Vergleich zu den üblichen Bedingungen zumindest während einer kurzen Zeitdauer erhöht werden.
Für den Fachmann ist auch erkennbar, daß zahlreiche Abwandlungen und Modifizierungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, insbesondere betreffend die Dosis des auf das Substrat abgeschiedenen Germaniums, die Zeitdauer der Periode t5–t6 der Ablagerung von Germanium und die Zeitdauer der Periode der Beseitigung der Arsen- oder Phosphoroberflächenatome. Bei dem in 4 dargestellten Verfahren wird angenommen, daß die Beseitigung der Arsen- oder Phosphoratome im wesentlichen in dem Maße, in dem die Temperierungstemperatur t1 höher ist als die Epitaxietemperatur t2, eher während der Periode t6–t2 als während der Periode t2–t3 erfolgt. Jedoch in Anbetracht der Tatsache, daß die Temperaturen t1 und t2 und der Arbeitsdruck im Stand der Technik so gewählt wurden, daß ein Kompromiss zwischen der Autodotierung durch Arsen oder Phosphor und der Autodotierung durch Bor erhalten wird, wie einleitend erklärt wurde, ist verständlich, daß aufgrund der Vorteile der vorliegenden Erfindung neue Arbeitsparameter gewählt werden können, mit welchen ein neuer Kompromiss definiert werden kann. Somit erlaubt es die Erfindung in der Praxis, nicht nur die Autodotierung durch Arsen oder Phosphor zu reduzieren, sondern auch die Autodotierung durch Bor zu verringern.
Noch eine weitere Abwandlung der vorliegenden Erfindung besteht darin, mit der Ablagerung von Germanium am Beginn des Epitaxieprozesses zu beginnen, d. h. zum Zeitpunkt t3 in 4, indem beispielsweise das Gemisch GeH4 während einiger zehn Sekunden in die epitaktische Gasphase eingeleitet wird. Damit wird eine SiGe-Verbindung erhalten, die im epitaktischen Silizium eine Basisschicht bildet, wobei die partiellen Gasdrücke so gewählt werden, daß die SiGe-Verbindung vorzugsweise einen Germaniumanteil in der Größenordnung von 1% bis 10% enthält. Da die Epitaxie einen ziemlich langsamen Vorgang darstellt, kann bei dieser Ausführungsform wie auch bei der vorhergehenden durch Aufbrechen der atomaren Verbindungen mit dem Germanium vom Mechanismus zur Beseitigung der Arsen- oder Phosphoroberflächenatome profitiert werden. Somit ist erkennbar, daß der Schritt zur Beseitigung der Oberflächenatome hier gleichzeitig mit dem Schritt der Ablagerung von Germanium erfolgt, während bei der vorherigen Ausführungsform dieser Schritt auf den Schritt der Ablagerung erfolgte.
Im vorliegenden Fall wird die Wachstumsgeschwindigkeit des Siliziums vorzugsweise so gewählt, daß die Desorption der Arsen- oder Phosphoroberflächenatome parallel zum Wachstum des Siliziums zugelassen wird. Beispielsweise wird während der Phase der Einleitung von Germanium eine ausreichend niedrige Wachstumsgeschwindigkeit, beispielsweise in der Größenordnung von 1000 Angström pro Minute während einer halben Minute, gewählt. Dann wird die Wachstumsgeschwindigkeit, falls dies gewünscht ist, erhöht, so daß sie beispielsweise ein Mikrometer pro Minute beträgt.
Darüber hinaus ist verständlich, daß das auf der Substratoberfläche abgeschiedene Germanium auf andere Weise entfernt werden kann, wie beispielsweise durch Gravieren mit Hilfe eines Chlorwasserstoffsäuregases (HCl). Somit kann in der Praxis auf den herkömmlichen Schritt der Gravur der epitaktischen Siliziumschicht, mit dem beispielsweise die Kollektoren bipolarer Transistoren freigelegt werden können, ein Schritt zur Unterdrückung von an der Oberfläche der gravierten Zonen auftretendem Germanium folgen.
Aus dem vorhergehenden wurde erkennbar, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Autodotierung einer epitaktischen Siliziumschicht wesentlich verringert werden kann, ohne daß sie jedoch vollkommen unterdrückt wird. In Anbetracht der durch die Erfindung erreichbaren besseren Ergebnisse wird darüber hinaus die Wahl eines Kompromisses, mit dem auch die Autodotierung durch Bor verringert werden kann, in der Praxis zu einer Verstärkung der Autodotierung durch Arsen oder Phosphor führen.
Unter diesen Bedingungen wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die Vorteile einer Ablagerung von Germanium mit den Vorteilen eines epitaktischen Verfahrens mit zwei Schritten E1, E2 zu verbinden, wie in 9 dargestellt ist. Der erste epitaktische Schritt E1 mit kurzer Zeitdauer wird während der Temperierungsperiode bei der Temperatur t1 aus geführt und beginnt zu einem Zeitpunkt t7 folgend auf die Periode t5–t6 einer Ablagerung von Germanium und endet zum Zeitpunkt t8. Der zweite epitaktische Schritt E2 wird auf herkömmliche Weise bei der Temperatur t2 zwischen den Zeitpunkten t3' und t4' ausgeführt.
Erfindungsgemäß sind die Dauer t7–t8, die Dauer t8–t3' und die Dicke der zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 gebildeten Epitaxieschicht derart gewählt, daß die Dicke der ersten Epitaxieschicht größer ist als die Diffusionslänge von Arsen oder Phosphor während der Zeitdauer t7–t3'. Hier wird die Diffusionslänge von Arsen oder Phosphor als die mittlere Strecke definiert, die Arsen- oder Phosphor-Atome in der Dicke einer Epitaxieschicht während einer repräsentativen gegebenen Zeitdauer des Verfahrens unter gegebenen Temperatur- und Druckbedingungen zurücklegen.
Somit handelt es sich bei der epitaktischen Siliziumschicht zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 gemäß diesem Aspekt der Erfindung um eine Begrenzungsschicht oder Isolationsbarriere, die der Diffusion der residuellen Arsen- oder Phosphor-Atome in die zwischen den Zeitpunkten t3' und t4' epitaktisch gewachsenen zweiten Siliziumschicht entgegensteht.
Beispielsweise kann die Dauer zur Ablagerung zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 fünfzehn Sekunden betragen und die Ruheperiode zwischen den Zeitpunkten t8 und t3' in der Größenordnung von dreißig Sekunden liegen. In diesem Fall liegt die Diffusionslänge des Arsens zwischen den Zeitpunkten t7 und t3' typischerweise in der Größenordnung von 40 nm, so daß die Dicke der ersten epitaktisch gewachsenen Siliziumschicht in einer Größenordnung von 50 bis 60 nm gewählt wird. Die Zeitdauer t3'–t4' zur Ablagerung der zweiten epitaktisch gewachsenen Siliziumschicht, die mehr als eine Minute beträgt, hängt von der Gesamtdicke der zu wachsenden Epitaxieschicht ab. Schließlich werden die Zeitdauern t5–t6 zur Ablagerung von Germanium und t6–t7 zur partiellen Beseitigung von Arsen- oder Phosphoroberflächenatomen, wie oben angegeben, gewählt und betragen beispielsweise zwischen fünfzehn und dreißig Sekunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit zwei Zeiten ermöglicht eine beträchtliche Reduzierung der Autodotierung durch residuelle Arsen- oder Phosphor-Atome, die nicht durch die Spülung mit Wasserstoff zwischen den Zeitpunkten t6 und t7 beseitigt wurden. Zur Untermauerung der Gedanken bezüglich dieser sehr vorteilhaften Ergebnisse, die eine derartige Kombination der Mittel bietet, wird in 6 die Kurve 15-3 der Leitfähigkeit einer epitaktischen Silizi umschicht mit zwei Zeiten mit einer Zwischenpositionierung von Germanium auf einem Testplättchen des bereits beschriebenen Typs gezeigt (5), das mit Arsen dotierte Bereiche 11 umfaßt. Es ist festzustellen, daß die Autodotierung durch Arsen praktisch unterdrückt wurde, die Erhöhung der Leitfähigkeit in der implantierten Zone des Testplättchens sehr gering und im Verhältnis zur Kurve 15-1 des Stands der Technik gleichsam vernachlässigbar ist.
Wie zuvor ergaben ähnliche Messungen bei einer Implantierung eines Testplättchens mit Phosphor äquivalente Vorteile, während Messungen bei einer Implantierung von Bor gegenüber dem Stand der Technik keinen Unterschied zeigten. Somit ist auch hier zu erkennen, daß mit der vorliegenden Erfindung die Autodotierung durch Arsen oder Phosphor ohne eine Erhöhung der Autodotierung durch Bor verringert werden kann.
Selbstverständlich können die beiden miteinander kombinierten Aspekte der Erfindung jeweils unabhängig voneinander verwendet werden. Jedoch erscheint die beschriebene Kombination der Prozesse beim gegenwärtigen Erkenntnisstand der Anmelderin als die vorteilhafteste Lösung zur fast gänzlichen Unterdrückung der Autodotierung durch Arsen oder Phosphor, oder zum Erhalt des vorteilhaftesten Kompromisses zwischen einerseits der Autodotierung durch Arsen oder Phosphor und andererseits der Autodotierung durch Bor.
Darüber hinaus versteht es sich von selbst, daß die oben beschriebenen Varianten bezüglich der Ablagerung von Germanium und der Wahl der Arbeitsparameter im Epitaxiereaktor in analoger Weise auf diese Ausführungsform der Erfindung anwendbar sind. Insbesondere wird gemäß einer Variante die Ablagerung von Germanium zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 ausgeführt, d. h. gleichzeitig mit der Ablagerung der ersten epitaktischen Siliziumschicht. Somit wird eine SiGe-Legierung mit geringer Dicke realisiert, die gleichzeitig die Funktion hat, atomare Plätze zu erzeugen, mit welchen die Beseitigung von Arsen- oder Phosphoroberflächenatomen gefördert wird, und die Diffusion von residuellen Atomen in die Epitaxieschicht zwischen den Zeitpukten t3' und t4' zu verhindern. Gemäß einer weiteren Variante wird zwischen den Zeitpunkten t8 und t2 eine komplementäre Ablagerung von Germanium realisiert. Gemäß noch einer weiteren Variante wird zwischen den zwei epitaktischen Wachstumsphasen, vorzugsweise zwischen den Zeitpunkten t8 und t2, eine einzige Ablagerung von Germanium realisiert.
Schließlich ist es von Vorteil, eine gewollte Dotierung des Typs N der Epitaxieschicht zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 vorzusehen, so daß die endgültige Dotierung der Epitaxieschicht vollkommen kontrolliert ist und nicht von einem Schaltkreis zum anderen in Abhängigkeit von der Geometrie und der Dotierung der verdeckten Schichten variiert. Die gewollte Dotierung wird selbstverständlich mit einer höheren Konzentrierung eines Dotiermittels realisiert als der Konzentration des Dotiermittels aufgrund der Autodotierung. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der partielle Druck von Phosphin und/oder Arsen zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 erhöht werden. Ebenfalls kann zwischen den Zeitpunkten t2 und t3', kurz vor dem Zeitpunkt t3', eine Arsen-Atmosphäre vorgesehen werden. Man beachte, daß dieser Gesichtspunkt der Erfindung nur für den Fall einer starken Verringerung des Autodotierungsphänomens aufgrund der vorliegenden Erfindung von Vorteil ist, wobei eine Handlungsbreite zur Steuerung der endgültigen Dotierung verbleibt. Dieser Gesichtspunkt der Erfindung ist insbesondere für den Fall bestimmt, in dem die Autodotierung mit Arsen oder Phosphor aufgrund eines Kompromisses, mit dem die Autodotierung durch Bor verringert werden soll, nicht vollständig unterdrückt ist, und ist darüber hinaus beim Epitaxieverfahren mit einem einzigen Schritt, das in Verbindung mit 4 beschrieben wurde, anwendbar.
Letztendlich geht deutlich aus dem Vorhergehenden hervor, daß mit der vorliegenden Erfindung das Phänomen der Autodotierung der Epitaxieschichten, davon umfaßt die Autodotierung durch Bor, in vorteilhafter Weise beherrschbar wird, die Arbeitstemperatur in den Epitaxiereaktoren verringert werden kann und die Wirtschaftlichkeit der Herstellung und die Selbstkosten integrierter Schaltungen verbessert werden können.

Claims

Verfahren zur Ablagerung einer Siliziumschicht (4) auf einem monokristallinen Siliziumsubstrat (1), das Zonen mit einer N⁺ Dotierung mit Arsen oder Phosphor (2) aufweist, durch epitaktisches Wachstum in der Gasphase bei gleichzeitiger Begrenzung der Autodotierung der epitaktischen Siliziumschicht (4) durch Arsen oder Phosphor, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist: a- einen Schritt (t5–t6, t7–t8) einer Ablagerung von Germanium in der Größenordnung von dem Bruchteil einer atomaren Monoschicht bis zu einigen atomaren Schichten an der Oberfläche des Siliziumsubstrates, wobei die Ablagerung in der Gasphase in Gegenwart von Wasserstoff realisiert wird, gefolgt von b- einem Desorptionsschritt (t6–t2, t6–t7) durch Wiedererwärmen von Arsen- oder Phosphoratomen, die sich an der Oberfläche des Substrats befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des epitaktischen Wachstums der Siliziumschicht nach einer vorhergehenden Wiedererwärmungsphase in Gegenwart von Wasserstoff und bei niedrigem Druck bei einer Wiedererwärmungstemperatur bewirkt wird, die höher ist als die Temperatur für das epitaktische Wachstum der Siliziumschicht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a- und b- nacheinander im Verlauf der vorhergehenden Wiedererwärmungsphase realisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a- am Beginn (t3) des Schrittes des epitaktischen Wachstums der Siliziumschicht (t3–t4) ausgeführt wird, wobei eine gasförmige Verbindung von Germanium in Gegenwart von Wasserstoff in der Gasphase der Epitaxie zugeführt wird, um eine Siliziwn-Germaniumverbindung zu erhalten, die eine Basisschicht der epitaktisch gewachsenen Siliziumschicht bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das epitaktische Wachstum der Siliziumschicht in zwei Teile zerlegt ist, die aus einem ersten Schritt (E1, t7–t8) ei ner Ablagerung einer dünnen Siliziumschicht, die im Verlauf einer vorhergehenden Wiedererwärumgsphase realisiert wird, und einem zweiten Schritt (E2, t3'–t4') einer Ablagerung einer komplementären Siliziumschicht bestehen, wobei es ermöglicht wird, die gewünschte Dicke der epitaktisch gewachsenen Siliziumschicht zu erhalten, wobei die vorhergehende Wiedererwärmungsphase bei einer Wiedererwärmungstemperatur bewirkt wird, die höher ist als die Ablagerungstemperatur der komplementären Siliziumschicht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingungen und die Dauer des ersten Schrittes (E1, t7–t8) derart gewählt sind, daß die dünne Schicht eine Dicke aufweist, die größer ist als die Diffusionslänge der Arsen- oder Phosphoratome, um eine Begrenzungsschicht oder eine Isolationsbarriere zu bilden, die sich der Diffusion der Arsen- oder Phosphoratome in der komplementären Siliziumschicht widersetzt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a- und b- sukzessive im Verlauf der vorhergehenden Wiedererwärmungsphase vor der Ablagerung der dünnen Siliziumschicht realisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a- gleichzeitig mit der Ablagerung durch epitaktisches Wachstum der dünnen Siliziumschicht (t7–t8) ausgeführt wird, wobei eine gasförmige Verbindung von Germanium in Gegenwart von Wasserstoff in der Gasphase der Epitaxie zugeführt wird, um eine Silizium-Germaniumverbindung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a- und b- zwischen dem ersten Schritt (E1, T7–t8) und dem zweiten Schritt (E2, t3'–t4') des epitaktischen Wachstums der Siliziumschicht im Verlauf der vorhergehenden Wiedererwärmungsphase ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des epitaktischen Wachstums des Siliziums (t3–t4, t7–t8) mit einer Wachstumsgeschwindigkeit ausgeführt wird, um die gleichzeitige Desorption der Arsen- oder Phosphoroberflächenatome zu ermöglichen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 3, 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt einer Desorption der Arsen- oder Phosphoroberflächenatome unter Vakuum durch Pumpen und/oder unter der Wirkung einer Spülung der Oberfläche des Substrates mit einem Wasserstoffgas realisiert wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz von Wasserstoffgas zumindest während einer Periode eines Aussetzens des Germaniums gegen Wasserstoffgas erhöht wird, um die Beseitigung von Arsen- oder Phosphoroberflächenatomen zu begünstigen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenwart von Wasserstoff bei niedrigem Druck aufrechterhalten wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine dotierende Verbindung des Typs N in die Gasphase der Epitaxie zugeführt wird, um eine beabsichtigte Dotierung der epitaktisch gewachsenen Siliziumschicht zu erhalten (D1, t7–t8; t3–t4), die höher ist als der Wert der Autodotierung.