DE2005271C3 - Epitaxialverfahren zum Aufwachsen von Halbleitermaterial auf einem dotierten Halbleitersubstrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Epitaxialverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen, insbesondere von monolithischen oder integrierten wi Strukturen, werden in großem Umfang Epitaxieschichten erzeugt, um dadurch ein Halbleitersubstrat zu verdicken, oder um P/N-Übergängc herzustellen, indem eine Schicht des einen Leitfähigkeitstyps auf einem Halbleitersubstrat des anderen Leitfiihigkeits- t,-typs gebildet wird. Bei der Herstellung von Schichten mittels Epitaxie, wie sie in der Halbleiterherstellung üblich ist, wird Material auf einem cinkristallinen Substrat mit einer Kristallstruktur, die gleich oder ähnlich ist wie die der aufzuwachsenden Schicht, niedergeschlagen, und man erzeug: dadurch eine einkristalline Schicht, deren Orientierung durch diejenige des Substrats bestimmt ist. Eine typische Anwendung der Epitaxie beinhaltet das Aufwachsen einer Siliciumschicht auf einem Siliciumsubstrat durch chemische Reduktion, beispielsweise von Siliciumletrachlorid in einer Wasserstoff atmosphäre, welche, wenn dies erwünscht ist, eine Leitfähigkeit in Halbleitermaterial erzeugende Verunreinigung, wie z. B. Phosphor, Bor, Arsen oder ähnliche Materialien enthalten kann, wobei das im Einzelfall angewandte Dotierungsmaterial von den erwünschten Eigenschaften in der herzustellenden Epitaxieschicht abhängt. Wird z. B. eine Epitaxieschicht aus p-leitendem Silicium gewünscht, so benutzt man eine Borverbindung, beispielsweise B₂H₆ (Diboran) oder BBr₃ (Bortribromid) welches der Wasserstoffatmosphäre zugesetzt wird, in welcher der Aufwachsprozeß durchgeführt werden soll. Meist erfolgt eine vorherige Mischung mit dem reduzierten Gas z. B. mit Wasserstoff, wobei die genannten Substanzen als Akzeptorstörstoffe wirken. Wird umgekehrt eine N-leitende epitaktische Schicht gewünscht, so kann man Arsen- oder Phosphorverbindungen in die Atmosphäre einbringen, in der der epitaktische Aufwachsprozeß durchgeführt wird. Hierzu geeignete Substanzen sind z. B. AsH₃ (Arsin) oder PH₃ (Phosphin). Im allgemeinen jedoch sind epitaktische Züchtungsverfahren auch auf andere Halbleitermaterialien, eingeschlossen Germanium und die Halbleitersubstanzen der III-V-Vcrbindungen, wie beispielsweise Galliumphosphid und Galliumarsenid anwendbar.

Bei einem typischen epitaktischen Niederschlagsprozeß ruht das als Substrat dienende Siliciumplättchen auf einer Unterlage, die in einem röhrenförmigen Reaktionsgefäß aus Quarz befestigt ist, in dem das Halbleiterplättchen aufgeheizt wird. Die Aufheizung erfolgt durch Wärmeleitung aus der Unterlage heraus, die selbst mittels Hochfrequenzenergie aufgeheizt wird. Bei Arbeitstemperaturen von etwa 1150" C wird dampfförmiges Siliciumtctrachlorid durch das Reaktionsrohr hindurchgeführt, wobei als reduzierendes Gas Wasserstoff benutzt wird, welches eine geeignete Menge von Störstoffen, wie PH₃, B₂H₆, AsH, usw. enthalten kann. Bei den Arbeitstemperaturen wird das Siliciumtetrachlorid durch das Wasserstoffgas reduziert, wodurch sich in der Nähe der Oberfläche des Substrats Silicium epitaktisch ausscheidet, was entweder in Form von reinem oder mit Störstellen versetztem Material stattfindet.

Die Durchführung derartiger epitaktischer Nicdcrschlagsprozesse bei den genannten erhöhten Temperaturen etwa in der Gegend von 1150" C weisen aber einige Nachteile auf. Eines der hierbei auftretenden Probleme wird allgemein als Selbstdiffusion bezeichnet und tritt hauptsächlich auf bei epitaktischen Prozessen, bei denen dampfförmige Stoffe über Halbleitersubstrate hinweggeführt werden, die ihrerseits sehr starke Störstellenkonzentrationen besitzen, wobei die Nachteile besonders störend dann zutage treten, wenn die zu zersetzenden Dämpfe selbst einen nur verhältnismäßig geringen Anteil an Dotiersubstanzen aufweisen. Beiden obengenannten erhöhten Tempcratuicn ergibt sich eine Aus- bzw. Rückdiffusion der Dotierstoffe aus dem stark dotierten Substrat in die zur Durchführung des epitaktischen Prozesses dar-

überhinwegströmenden Atmosphäre, wodurch deren Zusammensetzung in unerwünschter Weise geändert wird. Durch dieses Phänomen ergeben sich unerwünschte Abweichungen von den an sich gewünschten Halbleitereigenschaften (Widerstandswerte usw.) und in extremen Fällen kann sogar eine Umkehr des Leitungstyps im Substrat und in der epitaktischen Schicht selbst eintreten. Wird ein Gasstrom zur epitaktischen Züchtung benutzt, so wird dieser in progressiver Weise mil Störstellenatomen angereichert, und zwar ι ο in dem Maße, wie diese aus der in dem Substrat enthaltenen Dotiersubstanz ausdiffundieren. Hierbei ergibt sich eine stärkere Dotierung der epitaktischen Niederschläge in Richtung des Gasstroms, so daß bei den fertiggestellten Produkten nicht mehr vertretbare Variationen der Halbleiter- bzw. Bauelementeigenschaften, insbesondere der spezifischen Leitfähigkeiten, auftreten.

In denjenigen Fällen, in denen die aufgewachsene Epitaxieschicht und das Substrat von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp sind, bewirkt diese Selbstdiffusion (autodoping) eine Kompensation der Wirkungen der Dotierungsstoffe und außerdem Schwankungen des Widerstands. Die genannten Schwierigkeiten treten besonders stark bei einem Substrat auf, in welchem P- und/oder N-dotierte Bereiche vorhanden sind, welche die aufgewachsene Epitaxieschicht sehr stark beeinflussen. In diesen Fällen erfolgt die Selbstdiffusion besonders stark am Anfang des Schichtwachstums, wodurch unkontrollierte und unerwünschte Va- jo riationen von Abmessungen eingebauter Bereiche, der Verunreinigungskonzentration, der Aufwachsgeschwindigkeit und der erzielten Schichtdicke auftreten können.

Das Problem der Selbstdiffusion beim Aufzüchten J5 einer epitaktischen Schicht auf ein dotiertes Halbleitersubstrat bei Temperaturen von beispielsweise 1250° C und eine Möglichkeit, wie dabei eine Dotierung der Oberflächenbereiche des Halbleiterkörpers, auf welche keine epitaktische Schicht aufgewachsen w wird, verhindert wird, ist in der DAS 1227155 beschrieben.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Aufzüchten von Halbleiterschichten mit festgelegten Eigenschaften auf dotierten Halbleitersubstra- v> ten anzugeben, bei dem kein Dotierungsmaterial aus dem Halbleitersubstrat auf dem Weg über die Gasatmosphäre in die aufwachsende Schicht eingebaut wird, und mit dem reproduzierbare Ergebnisse wirtschaftlich erzielt werden.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Verfahren, bei dem die Epitaxieschicht in zwei Schichten aufgebracht wird, wobei zunächst möglichst schnell eine dünne, zwischen 1 und 3 μηι dicke Schicht und anschließend auf dieser Schicht eine weitere Schicht bis zur gewünschten Gesamtdickc mittels der üblichen Epitaxialtechnik aufgewachsen wird, ist aus der DAS 1223060 bekannt. Damit das Aufwachsen ho im ersten Schritt schnei! (,,luigi, wird dabei die bekannte, weiter oben beschriebene Epitaxialtechnik so abgewandelt, daß die Konzentration der Reaktanten im Reaktionsgemisch und/oder die Substrattemperatur erhöht wird. Der Zweck dieses Verfahrens ist es, <i5 der Selbstdiffusion entgegenzuwirken. Gemäß der gestellten Aufgabe soll dieses bekannte Verfahren die Selbstdiffusion nur mildern und ist auch mir dazu in der Lage. Hinzu kommt, daß das bekannte Verfahren in keiner Weise es nahelegt, im ersten Aufwachsschritt die Substrattemperatur zu erniedrigen, sondern im Gegenteil eine Erhöhung der Substrattemperatur vorgeschlagen wird. Gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren hat das bekannte Verfahren außerdem die Nachteile, daß im ersten Schritt die aufwachsende Schicht teilweise polykristallin werden kann, daß die Steuerung der Eigenschaften der aufwachsenden Schicht nicht optimal möglich ist, und daß bei Anwendung sehr hoher Temperaturen das Substrat, auf dem aufgewachsen wird, und Teile der Aufdampfvorrichtung hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden.

Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens, dessen Patentschutz lediglich auf die Kombination sämtlicher, im Anspruch 1 beanspruchten Merkmale und die darauf aufgebauten vorteilhaften Ausgestaltungen in den Unteransprüchen, sich erstrecken soll, werden in der folgenden Beschreibung anhand von Figuren besprochen. Es zeigen

Fig. 1-4 Teile von Halbleiterstrukturen im Querschnitt in verschiedenen Stadien der Herstellung mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wie aus den Figuren hervorgeht, ist als Ausführungsbeispiel ein N-dotiertes Substrat 1 gewählt, welches zwei eingebettete dotierte Zonen 2 und 3 enthält, die ihrerseits N⁺- und P⁺-leitend sind. In Fig. 1 ist das monokristalline Substrat 1 aus Silicium gezeigt, welches eine Dicke von etwa 200 μ besitzt, und das in konventioneller Weise so mit einer N-Leitfähigkeit erzeugenden Dotiersubstanz behandelt ist, daß sich ein spezifischer Widerstand von mindestens 0, i Ω ■ cm einstellt. In vielen Fällen wird auch eine spezifische Leitfähigkeit zwischen etwa 0,005 bis 0,01 Ω ■ cm gewählt. Die Eingliederung der stark dotierten Zonen 2 und 3 geschieht mittels bekannter Diffusionsverfahren. Die Strukturgebung der eingebetteten Zonen erfolgt durch Benutzung wohlbekannter Maskierungsverfahren unter Verwendung einer zur gewünschten Leitfähigkeit führenden Dotiersubstanz, wie Arsen oder Phosphor. Mit diesen Substanzen können auch hohe Dotierungskonzenirationen erzielt werden, die normalerweise in dem Bereich von etwa 1 ■ 10²" Atome/cm·¹ bis etwa 10 10^:" Atome/cm¹ liegen. Hierdurch ergibt sich ein verhältnismäßig niedriger spezifischer Widerstand im Bereich von etwa 8 · K)"⁴ bis 3 ■ 10~⁴ Ω ■ cm. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, ist die Zone 2 vom gleichen Leitungstyp wie das Substrat 1. Durch die unterschiedliche Dotierung ergibt sich so ein N ⁺ -N-Übergang 4, eine Konfiguration, die in monolithischen oder integrierten Schaltungen auch zur Verbesserung der Ubergangsleitfähigkeiten in Kontaktierungszonen benutzt wird. Die P ⁺ -Zone 3, welche einen P⁺-N-Übergang 5 bildet, kann ebenfalls unter Zuhilfenahme bekannter Maskierungsverfahren durch Diffusion erstellt werden, wobei eine Dotierungssubstanz benutzt wird, die zum P-Leitungstyp führt, beispielsweise Bor, mit dem ebenfalls verhältnismäßig leicht hohe Dotierungskonzentrationen erzielbar sind, die sich im Gebiet von etwa 2 · H)²" Atome/cm¹ erstrekkcn, wodurch sich wiederum eine verhältnismäßig geringe spezifische Leitfähigkeit im Bereich von etwa 7-10 ⁴Ω-cm ergibt. Die P⁺-Leitfähigkeit der Zone 3 ist dem Leitungstyp des Substrats entgegengesetzt, eine Konfiguration, die in intppricrtrn Srhaltnn-

gen vielfach auch zur Realisierung von Kapazitäten benutzt wird. Die letzte Bemerkung wurde zur Erläuterung der allgemeinen Anwendbarkeit des Erfindungsgedankens innerhalb der integrierten Halbleitertechnik gemacht. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit bestünde beispielsweise darin, daß das Substrat keine uur beiden eingebetteten gut leitenden Zonen 2 und 3 besitzt und daß lediglich die Aufgabe gestellt ist, das Substrat 1 mit einer epitaktischen Schicht 6 vom entgegengesetzten Leitungstyp zu überziehen und so ingesamt einen PN-Übergang herzustellen. Weiterhin wäre auch der Fall denkbar, daß nur eine der beiden Zonen 2 oder 3 vor Aufbringung der epitaktischen Schicht 7 vorhanden ist. In jedem Fall jedoch handelt es sich um die epitaktische Aufbringung von dotierten Halbleitermaterialien auf ein ebenfalls dotiertes Substrat.

Im nächsten Verfahrensschritt, der in Fig. 3 gezeigt ist, wird eine dünne Schicht aus Silicium, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise ohne Dotierung, auf die Oberfläche des Substrats unter Benutzung von wohlbekannten Kathodenzerstäubungsverfahren aufgebracht. Derartige Verfahren sind z. B. im US-Patent 3021271 beschrieben. Es ergibt sich die Schicht 6 mit einem verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand und mit einer monokristallinen Struktur in einer Orientierung, welche die kristallographische Fortsetzung der Struktur und der Orientierung des Substrats 1 darstellt. Das speziell zur Aufbringung dieser Schicht benutzte Verfahren ist nicht kritisch, so daß man ohne weiteres die im obengenannten Patent genannten Maßnahmen anwenden kann. Im allgemeinen wird man, wie dort beschrieben, sowohl das Siliciumsubstrat 1 der Fig. 2 als auch die Siliciumquelle innerhalb der Kathodenzerstäubungsapparatur vor der eigentlichen Durchführung des Aufstäubens einem Ionenbeschuß aussetzen, um verunreinigende Substanzen auf der Oberfläche der benutzten Materialien zu beseitigen. Anschließend wird die eigentliche Kathodenzerstäubung bei Temperaturen in der Größenordnung von 300° C bis 500° C durchgeführt. Andererseits kann die dünne Schicht 6 mit hohem spezifischen Widerstand auch unter Zusatz einer Dotierungssubstanz, beispielsweise von Bor, erzeugt werden, wobei die Störstellenkonzentrationen sich im Bereich von etwa 2 ■ 10¹⁴ bis 1 · 10¹⁶ Atome/ cm³ bewegt. Dieses entspricht spezifischen Widerständen in der Größenordnung von 100 Ω · cm bis 1 Ω · cm. Diese Werte liegen wesentlich höher als es für den spezifischen Widerstand der P⁺-leitenden Zone 3 der Fall ist. In ähnlicher Weise können natürlich auch Dotierungssubstanzen benutzt werden, die zum N-Leitfähigkeitstyp führen.

Vorzugsweise wird eine kleine Dickenabmessung der aufgestäubten P-leitenden Schicht, normalerweise in einem Bereich von etwa 0,1 bis 0,5 μπι gewählt. Es hat sich herausgestellt, daß bereits derartig dünne, durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte epitaktische Schichten während anschließend durchgeführter epitaktischer Niederschlagsprozesse wirkungsvoll eine Ausdiffusion von Dotierungssubstanzen aus dem Substrat zu verhindern vermögen, ein Sachverhalt, der in Anbetracht der verhältnismäßig geringen, im Kathodenzerstäubungsverfahren erreichbaren Aufwachsraten (etwa 0,5 μΐη/Std.) als besonders günstig zu betrachten ist. Die optimal einzuhaltende Dicke der aufstäubenden Schicht hängt ab von der Oberflächengröße der eingebetteten N⁺- und P⁺-leitenden Zonen 2 und 3, von ihrem gegenseitigen Abstand, ihren relativen Störstellenkonzentrationen sowie vor der Störstellenkonzentration des Substrats 1. Im allgemeinen ziehen größere dotierte Flächenbereichc auch einen größeren, durch Ausdiffusion bewirkter selbstdotierenden Effekt nach sich. Dasselbe gilt vor näher beieinander gelegenen, eingebetteten dotierter Zonen, insbesondere, wenn sie höhere Dotierungskonzentrationen aufweisen.

ίο Die Durchführung des Niederschlagsverfahrens dei P"-Ieitenden Schicht 6 durch Aufstäuben bei niederen Temperaturen vermindert wirkungsvoll die Ausdiffusion von Störstellensubstanzen aus dem Substrat: eine Tatsache, die angesichts der exponentiellen Abhängigkeit der Diffusionsraten von der Diffusionslemperatur nicht weiter verwundert. Da die Kathodenaufstäubung nicht in der gleichen Atmosphäre wie die anschließenden epitaktischen Prozesse durchgeführt wird, besteht das Problem der Verunreinigung durch Selbstdotierung für die amgestäubte Schicht nicht.

Im anschließenden Verfahrensschritt, der in Fig. 4 erläutert ist, wird auf die durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte dünne P~-leitende Schicht 6 eine weitereP~-leitende Schicht 7 epitaktisch aufgebracht, die im wesentlichen die gleiche Störstellenkonzentration und damit etwa den gleichen spezifischen Widerstand aufweist, wie die darunterliegende aufgestäubte Schicht.

jo Das speziell zur Aufzüchtung der epitaktischen Schicht benutzte Verfahren ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht kritisch und es kann irgendeines der bekannten Verfahren benutzt werden. Typischerweise werden beim Ausführungsbeispiel die Substrate auf eine Graphitunterlage aufgebracht, die ihrerseits in einem röhrenförmigen Reaktionsgefäß aus Quarz mit einem Durchmesser von etwa 10 cm angebracht ist. Die Unterlage und damit die darauf aufliegenden Substrate werden induktiv geheizt durch

■ίο Ankoppeln an das elektromagnetische Feld einer Hochfrequenzspule, wobei man Temperaturen bis zu 1150° C erzeugt und allgemein Temperaturen verwendet, die normalerweise zwischen 1000° C und 1200° C liegen, während gleichzeitig ein Wasserstoff-

a 5 strom durch das Reaktionsgefäß geleitet wird, um eine völlige Entfernung von Oxyden und anderen, die Oberfläche verunreinigenden Substanzen zu gewährleisten. Anschließend wird ein Gasstrom eingespeist, der aus 99,5 VoI. % Wasserstoff und 0,5% Siliciumtetrachlorid sowie aus definierten Spuren (weniger als V₁₀₀₀ °/₀₀) einer Dotierungssubstanz wie Diboran besteht. Die Atmosphäre mit den genannten Komponenten wird bei Umgebungstemperaturen mit einer Flußrate von etwa 30 l/min über die Substanz geleitet, bis die gewünschte Dicke der aufzuwachsenden epitaktischen kristallinen Schicht erreicht ist. Die Dicke liegt aus praktischen Gründen normalerweise in dem Gebiet von etwa 1 bis 5 μΐη. Bei den Versuchen wurde eine 2 μ dicke epitaktische P~-leitende Schicht 7, wie sie in der Fig. 4 gezeigt ist, durch einen im vorgehenden charakterisierten Gasstrom durch das Reaktionsgefäß erhalten, wobei dieser über eine Zeit von etwa 10 min aufrechterhalten wurde.

Der Druck im Reaktionsgefäß entspricht im wesentlichen der Normalatmosphäre bei konstanter Temperatur und wird für epitaktische Niederschläge von Silicium normalerweise bei einer Temperatur zwischen 1100° C und 1200° C angewendet. Ande-

rerseits erhält man epitaktische Niederschläge aus Germanium auf einem monokristallinen Substrat aus dem gleichen Material durch Anwendung von Niederschlagstemperaturen zwischen 700° C und 900° C.

Werden eigenleitende, d. h. undotierte epitaktische Schichten gewünscht, so entfällt die dem Gasstrom zuzusetzende Dotiersubstanz, und in umgekehrter

Weise wird zur Erzeugung einer epitaktischen Schicht mit N-Leitfähigkeit eine diesen Leitfähigkeitstyp hervorrufende Störstellensubstanz benutzt, beispielsweise Phosphor- oder Arsenwasserstoff. Im allgemeinen können verschiedene Störstellenkonzentrationen benutzt werden, wobei diese im einzelnen abhängen von den gewünschten Eigenschaften der niederzuschlagenden epitaktischen Schichten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Epitaxialverfahren zum Aufzüchten von Halbleitermaterialschichten (6, 7) auf einem dotierten Halbleitersubstrat (1), bei dem

a) zunächst eine dünne Zwischenschicht (6) aus dem Halbleitermaterial mit einer ersten Dotierung und

b) anschließend eine zweite Halbleiterschicht ίο (7) mit einer zweiten Dotierung, wobei die zweite Halbleiterschicht (7) mittels chemischen Niederschiagens aus der Gasphase bis zu einer gewünschten Gesamtdicke aufgezüchtet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (6)

c) hei Temperaturen unter 500° C

d) mittels Kathodenzerstäubung

e) in einer Dicke aufgezüchtet wird, weiche unter Beachtung der flächenmäßigen Verteilung und der Konzentration der Dotierungsatome in der Halbleitersubstratoberfläche und der Konzentration der Dotierungsatome in den aufwachsenden Schichten 2^r> (6) und (7) festgelegt wird.

2. Epitaxialverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht (6) auf einem einkristallen Halbleitersubstrat (1) aufgezüchtet wird. jo

3. Epitaxialverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht (6) zwischen etwa 0,1 und etwa 0,5 mm dick gemacht wird.

4. Epitaxialverfahren nach einem der Ansprü- r. ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (6) und (7) bezüglich des Leitungstyps gleich und bezüglich der Konzentration in etwa gleich dotiert werden.

5. Epitaxialverfahren nach einem der Ansprüehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachten Schichten (6) und (7) so dotiert werden, daß sie vom entgegengesetzten Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat (1) sind.

6. Epitaxialverfahren nach einem der Ansprü- ·τ> ehe I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) aufgezüchtet wird, wobei Oberflächenbereiche (2) bzw. (3) eingebaut werden, die höher dotiert als ihre Umgebung und vom gleichen oder dem entgegengesetzten Leitungs- w typs wie diese sind.