DE2153862A1

DE2153862A1 - Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Halbleiter-Auf-Isolator (SOI)-Anordnung

Info

Publication number: DE2153862A1
Application number: DE19712153862
Authority: DE
Inventors: Vernon Ray; Dyer Lawrence Dean; Richardson Tex. Porter (V.StA.)
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1970-11-02
Filing date: 1971-10-28
Publication date: 1972-05-10
Also published as: CA957250A; DE2153862C3; FR2113447A5; DE2153862B2; US3796597A; GB1368315A; JPS557017B1

Description

DR.-INQ. DIP! INQ. M. SC. " Dl PL.-PHYS. D R. DiPI PHYS.

HÖGER -STELLRECHT- GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Texas Instruments Incorporated 135oo North Central Expressway Dallas, Texas, USA

Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Halbleiter-Auf-Isolator(S01)-Anordnung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Halbleiter-Auf-IsolatorCSOD-Anordnung, und zwar "insbesondere ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung von monokristallinem Silizium auf Spinell.

Die Erfindung ist auf ein Verfahren zur epitaxialen Erzeugung einkristalliner, halbleitender Schichten auf isolierenden Substratkristallen gerichtet und befasst sich insbesondere mit der Verbesserung des Standes der Technik, der durch die US-Patent-

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Schriften 3 414 434 und 3 424 955 gegeben ist.

Eines der Probleme, welches sich beim Aufwachsen von monokristallinen Halbleiterschichten auf isolierenden Spinellkristallen veränderlicher Zusammensetzung, wie zum Beispiel MgO · xAl_Og, ergibt, besteht darin, dass die chemische Zusammensetzung für ein optimales Wachstum des Spinells sehr dicht bei MgO · IAl O₃ liegt, während die optimale chemische Zusammen-. Setzung für das Aufwachsen von monokristallinem Silizium darauf MgO · xAl O₃ ist, wobei χ zwischen I,o5 und 1,1 liegt. MgO . Al O--Spinell lässt sich ohne weiteres nach dem von Czochralski vorgeschlagenen Verfahren herstellen, ist kristallographisch ziemlich vollkommen und besitzt bezüglich des Durchmessers keine inhärenten Beschränkungen. MgO · xAl O₃-Spinell, bei welchem χ grosser als 1 ist, kann mit Hilfe des von Verneuil vorgeschlagenen Verfahrens bzw. mittels Flammenfusion hergestellt werden; der Durchmesser ist jedoch im wesentlichen auf Werte unterhalb von etwa 2,5 cm beschränkt, und zwar durch Probleme, die sich aus dem Platzen des künstlichen Kristalls ergeben, und die kristalline Qualität ist wegen Korngrenzen gering.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer SOI(semiconductor-on-insulator)· Anordnung vorzuschlagen, mit welchem es möglich ist, einerseits einen Substratkristall hoher Qualität zu erzeugen, und mit welchem es ferner möglich ist, eine einkristalline Schicht aus Halbleitermaterial auf dem Substratmaterial herzustellen.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei dem eingangs beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Iialbleiter-Auf-Isolator(SOI)-Anordnung, bei welcher ein dünner, monokristalliner Halbleiter auf der Oberfläche eines Substrats aus isolierendem Material abgeschieden wird, als Substrat aus isolierendem Material ein durch eine Wärmebehandlung modifizierter Spinell verwendet wird. Insbesondere wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren nach dem Verfahren von Czochralski gewonnenes Material verwendet, dessen Zusammensetzung sehr nahe bei MgO * Al 0 liegt und welches einen hohen Vollkommenheitsgrad besitzt, und die Zusammensetzung der Oberflächenschicht dieses Materials wird in Richtung auf eine Zusammensetzung verändert, welche im Hinblick auf die Abscheidung des Halbleitermaterials noch wünschenswerter ist. Ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt ferner darin, dass ein hoher Grad kristallographischer Vollkommenheit der isolierenden Oberfläche erreicht wird, während die Veränderung der Zusammensetzung dieser Oberfläche herbeigeführt wird. Insbesondere ist es auch ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens, dass eine höhere Kristallqualität erreicht wird als mit dem Verfahren der Flammenfusion.

Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass sich die vorliegende Erfindung mit der Wärmebehandlung eines isolierenden Substrats in einem Strom eines reduzierenden Gases, wie zum Beispiel Wasserstoff, befasst, wobei die Temperatur des Substrats innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs gehalten wird, so dass vorzugsweise MgO von der Oberflächenschicht entfernt wird, bis die Schicht bezüglich der Abscheidung des

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Halbleitermaterials eine optimale Zusammensetzung erreicht hat und bis gleichzeitig amorphes Spinell-Material, welches beim Polieren zurückgeblieben ist, in genau orientierten Spinell hoher Vollkommenheit umgewandelt ist. Die Zeit und die Temperatur werden so geregelt, dass schädliche Fehler, wie zum Beispiel Korngrenzen, Zwillingskristalle und hohe Konzentrationen von Störstellen in dem Spinell nicht entstehen können. Es wird also darauf geachtet, dass die Oberflächenschicht des Spinells einen hohen Grad von Vollkommenheit besitzt, wenn die epitaxiale Siliziumschicht darauf abgeschieden wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche.
In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Substratplättchen vor Beginn der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Substratplättchen gemäss Fig. 1 nach Durchführung der Wärmebehandlung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Substratplättchen gemäss Fig. 2 nach Abscheidung der Halbleiterschicht auf demselben;

Fig. U einen Querschnitt durch das mit der Halbleiterschicht versehene Substratplättchen nach Eindiffundieren von

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Halbleiteranordnung) und nach Isolieren dieser Halbleiteranordnungen voneinander,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen üblichen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (insulated gate field effect transistor) und

Fig. 6 einen gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren als SOI-Anordnung ausgebildeten Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate.

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellungsweise ein Spinellsubstrat Io dargestellt. Dieses Substrat ist ein (111^Plättchen eines künstlichen monokristallinen MgO · Al 0 -Kristalls, welcher unter Anwendung des Czochralski-Verfahrens erzeugt wurde. Es hat sich herausgestellt, dass mit diesem Verfahren Kristalle hergestellt werden können, die im wesentlichen vollkommen sind. Das Substratplättchen Io kann aus dem Kristall in jeder geeigneten Weise, beispielsweise durch Sägen, hergestellt werden. Nach dem Abtrennen wird die Scheibe poliert, um sämtliche Spuren, die sich bei dem Abtrennen ergeben haben, zu entfernen. Das Substratplättchen Io besitzt dann Oberflächen, deren Elektronenbeugungsdiagramm zeigt, dass sie im wesentlichen aus amorphem Material bestehen. Die Oberfläche, auf die das monokristalline Halbleitermaterial abgeschieden werden soll, muss folglich vor der Abscheidung zunächst eine geeignete Kristallstruktur erhalten, und zu diesem Zweck wurde bisher ein Ausglühen der Oberfläche oder ein chemisches Ätzen derselben vorgeschlagen.

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Gemäss vorliegender Erfindung wird das Substrat Io jedoch in einen geeigneten Reaktor eingebracht und in einer reduzierenden Wasserstoffatmosphäre einer Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen etwa lo4o°C und 1145 C unterzogen, um eine Rekristallisation der amorphen Oberflächenschicht herbeizuführen und um vorzugsweise aus der Oberflächenschicht 12 (Fig. 2) MgO zu entfernen und monokristallines MgO * xAl Q-, zu erzeugen,

2 ^d wobei χ zwischen 1 ,o5 und 1,1 liegt. Die Temperatur muss wäh-

^ rend der Wärmebehandlung kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass die gesamte Oberfläche des Substrats Io unter Erzielung der gewünschten Zusammensetzung umgewandelt wird, ohne dass störende Fehler wie Sprünge, Zwillingskristalle und Störstellen erzeugt werden. Es hat sich herausgestellt, dass derartige Fehler in einem unannehmbaren Umfang entstehen, wenn das Substrat auf Temperaturen über 1145 C erhitzt wird. Bei einer bevorzugten Temperatur von ungefähr 1116 C wurde festgestellt, dass eine totale Umwandlung der Oberfläche stattfindet, wenn das Substrat für eine Dauer von zwei Stunden erhitzt wird. Es hat sich ferner herausgestellt, dass die Wärmebehandlung selbst bei niedrigeren Temperaturen zu guten Ergebnissen führt; bei einer Temperatur von etwa Io4o C überschreitet die

ψ Zeit der Wärmebehandlung jedoch bereits vier Stunden, und bei

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einer Temperatur von 9oo C wird

für praktische Zwecke zu gross.

einer Temperatur von 9oo C wird die Dauer der Wärmebehandlung

In Fig. 3 ist das Substrat Io mit der Oberflächenschicht 11 mit einer monokristallinen Halbleiterschicht 13, vorzugsweise aus Silizium, bedeckt. Die Halbleiterschicht 13 kann vorteilhafterweise durch epitaxiale Abscheidung in dem gleichen Reak-

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tor erzeugt werden, in welchem die Wärmebehandlung durchgeführt wird, indem man in diesen anstelle einer Wasserstoffatmosphäre eine Mischung aus o,3 % Siliziumwasserstoff und Wasserstoff mit einem Dotierungsmittel in Form von Phosphorwasserstoff einleitet. Die Halbleiterschicht 13 könnte aber auch unter Anwendung jedes anderen geeigneten Verfahrens zur epitaxialen Abscheidung erzeugt werden, und zwar mit oder ohne Zugabe von Dotierungsmaterialien. Nach Erzeugung der Halbleiterschicht 13 ist man im Besitz einer SOI-Anordnung, die für die Herstellung von Halbleiteranordnungen und integrierten Schaltungen geeignet ist.

Beispielsweise kann, wie dies in Fig. H gezeigt ist, unter Anwendung bekannter und geeigneter Maskierungs- und Diffusionsverfahren in der epitaxialen Halbleiterschicht 13 eine Anzahl von Halbleiterdioden 15 erzeugt werden. Durch Einätzen von Öffnungen IU in die epitaxiale Halbleiterschicht kann ferner eine elektrische Isolation zwischen den Dioden erreicht werden.

Einzelheiten der mit dem erfindungsgemässen Verfahren erzielten Ergebnisse können den nachfolgenden Beispielen entnommen werden:

Beispiel I

Aus einem nach dem Verfahren von Czochralski hergestellten Spinell-Kristall mit einem Durchmesser von etwa 3,5 cm wurde eine etwa o,o5 cm dicke Scheibe geschnitten und poliert. Die Kristallorientierung der Scheibe war ungefähr (111),und ihre

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Zusammensetzung lag ziemlich dicht bei MgO · Al₂O₃. Ein mit Elektronen hoher Energie aufgenommenes Elektronenbeugungsdiagramm zeigte, dass die Oberflächenschichten infolge des Abtrennens und Polierens im wesentlichen amorph waren. Die Scheibe wurde zusammen mit einer Kontrollscheibe aus Silizium hohen Widerstandes auf einem mit Siliziumkarbid beschichteten Träger für zwei Stunden bei einer Temperatur von 1116 C in Wassers toffatmosphäre erhitzt. Danach wurden auf beiden Proben 2 ju dicke

fe Siliziumschichten epitaxial niedergeschlagen, und zwar aus W

einer Mischung von o,3 % Siliziumwasserstoff in Wasserstoff und bei einer Abscheidungstemperatür von ungefähr I080 C. Dem für die Abscheidung verwendeten Gasstrom wurde als Dotierungsmaterial Phosphorwasserstoff beigegeben, so dass die Siliziumschicht auf dem Silizium η-dotiert war und einen Widerstand von o,lS Ohm/cm aufwies. Nach der Abscheidung wurde von dem Silizium auf dem Spinell erneut ein Elektronenbeugungsdiagramm und ein Röntgendiagramm angefertigt. Das Elektronenbeugungsdiagramm zeigte, dass hervorragende, einkristalline Siliziumfilme entstanden waren, die keine Zwillingskristalle enthielten, und es ergab sich ferner.ein gutes Kikuchi-Diagramm. Der Widerstandswert quer zur Scheibe lag bei o,Uo £ o,o5 Ohm/cm. Von dem Silizium auf dem Spinell kann gesagt werden, dass dieses einen Vorteilsfaktor (merit factor) von loo χ ^ο> = 37,5 % besass, wobei von der Definition von Mercier in °* ° der Zeitschrift "Journal of the Electrochemical Society", 117, Nr. 5, Seite 666 (197o) ausgegangen wird. Die Oberflächenzusammensetzung lag in dem Bereich, in dem χ zwischen I,o5 und 1,1 lag.

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Beispiel II

Eine andere MgO · Al_o0~-Sp'xnellscheibe wurde wie in Beispiel I behandelt, mit der Ausnahme, dass die Dauer der Wärmebehandlung nur eine halbe Stunde betrug. Die mit Hilfe eines Elektronenbeugungsdiagramms ermittelten Ergebnisse waren die gleichen, d.h. es wurde qualitativ hochwertiges Silizium festgestellt. Andererseits zeigten jedoch nur die Ecken eine beachtliche Abtragung von MgO in Richtung auf die Erzeugung eines Materials, für das χ zwischen I,o5 und 1,1 lag. Der durchschnittliche Widerstandswert lag nunmehr bei l,3o Ohm/cm bzw. es ergab sich ein Vorteilsfaktor von 11,7 %. Obwohl also die Kristallqualität nach der eine halb-e Stunde dauernden Wärmebehandlung akzeptabel war, war die Zusammensetzung nicht akzeptabel.

Beispiel III

Es wurde eine weitere Scheibe wie in Beispiel I behandelt, mit der Ausnahme, dass die Dauer der Behandlung bei 1116 C bei nur Io Minuten lag. Dieses Mal war der Widerstandswert über die gesamte Scheibe bei Abweichungen von _+ 15 % einheitlich, aber die Grosse lag bei I,o3 Ohm/cm, was einem Vorteilsfaktor von 16 % entspricht. Es ergab sich also, dass Io Minuten zu kurz sind, um mit der Wärmebehandlung die in Beispiel I erreichte kristallographische Vollkommenheit der Scheibe zu erzielen.

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Beispiel IV

Es wurde eine weitere Scheibe gemäss Beispiel I behandelt, mit der Ausnahme, dass die Temperatur bei 12oo C lag und dass die Wärmebehandlung eine Stunde dauerte. Das abgeschiedene Silizium hatte einen Vorteilsfaktor von 28 %, zeigte jedoch eine Reihe von Stufen, welche die Scheibe wegen der Fehlstellenhäufigkeit unbrauchbar erscheinen Hessen. Die Fehlstellen waren eine FoI-P ge von Sprüngen in dem Silizium. Es ergab sich also, dass eine Temperatur von 12oo C für die Wärmebehandlung zu heiss ist, wenn die Oberflächenqualität auf einem annehmbaren Niveau gehalten werden soll.

Beispiel V

Es wurde eine weitere Scheibe wie in Beispiel I behandelt, mit der Ausnahme, dass die Temperatur bei 11»»5^OC lag und die Dauer der Wärmebehandlung zwei Stunden betrug. Das abgeschiedene Silizium hatte einen Vorteilsfaktor von 37,6 %, zeigte aber ebenfalLs eine Reihe von Stufen, so dass auch diese Scheibe ganz allgemein wegen ihres Fehlstellengehaltes als unbrauchbar erschien. Es zeigte sich also, dass eine Temperatur von 1145 C zu hoch ist, um mit grosser Zuverlässigkeit die gewünschte Oberflächenqualität zu erhalten.

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Beispiel VI

Es wurde eine weitere Scheibe wie in Beispiel I behandelt, mit der Ausnahme, dass die Temperatur bei lloo C lag und die Behandlungsdauer zwei Stunden betrug. Das abgeschiedene Silizium hatte einen Vorteilsfaktor von 38,1 % und war frei von Stufen, wie sie sich bei den Beispielen IV und V zeigten. Eine zwei Stunden dauernde Wärmebehandlung bei lloo C führt also zu brauchbaren Ergebnissen.

Die Figuren 5 und 6 zeigen Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (insulated gate field effect transistors) auf einem üblichen Siliziumsubstrat bzw. auf einem Spinellsubstrat gemäss vorliegender Erfindung. Die übliche Vorrichtung 2o besitzt eine Gateelektrode 21 auf einem Dielektrikum 22 oberhalb eines Kanals 2 3 zwischen eindiffundierten Source- und Drainbereichen 24, 25. Elektroden 26 und 27 stellen einen Ohm'sehen Kontakt V mit den eindiffundierten Bereichen her und liegen oberhalb der Isolationsschicht 28. Di« sich zwangsläufig ergebenden Kapazitäten einer Anordnung dieses Typs sind die Leitungskapazität (Cj₁) zwischen den Elektroden und dem Substrat, die Sperrschichtkapazität (C.) zwischen den eindiffundierten Bereichen und dem Substrat und die Miller-Kapazität (C ) zwischen der Gateelek-

trode 21 und dem Kanal 23.

Der erfindungsgemässe Feldeffekttransistor 3o (Fig. 6) mit isoliertem Gate besitzt eine Gateelektrode 31 auf einer dielektrischen Schicht 32 über einem Kanal 33, der durch Diffusion hergestellt ist. Der Sourcebereich 35 und der Drainbereich 36 be-

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stehen aus gemäss der Erfindung epitaktisch abgeschiedenem Silizium. Elektroden 37 und 38 stellen einen elektrischen Kontakt zu den Bereichen 35 und 36 her und liegen direkt auf dem Spinellsubstrat. Bei dieser Konstruktion wird die Leitungskapazität (C₁) ungefähr Null und die Sperrschichtkapazität (C^) sowie die Miller-Kapazität (C ) sind stark verringert.

J Mit

Einen Vergleich der charakteristischen elektrischen Eigenschaften zeigt die folgende Tabelle:

Eigenschaften

übl. Siliziumanordnung

SOI-Anordnung

Silizium-Leitfähigkeits- n-leitend typ

Widerstand
Trägerdichte

BewegIichkeit
Feldeffektbeweglichkeit

Schwellwertspannung

Leckstrom

Kapazität

ο,15 Ohm/cm

5 χ lo¹⁶ Elektronen/cm

2
28o cm /v.sek.

IHo cm /v.sek. (loo H)

12 bis 1Ί V <lo~^1OAbei Io V 5 pF

n-leitend

0,5 bis 5 Ohm/cm

b X

nen/cm

Io-Elektro

5o-9o cm /v.sek. (35 - 7o %)

Io bis 12 V lo~⁸A beiIo V o,3 pF

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Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Halblei-, ter-Auf-Isolator(SOI)-Anordnung, bei welchem ein dünner, monokristalliner Halbleiter auf der' Oberfläche eines Substrats aus isolierendem Material abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat aus isolierendem Material ein durch eine Wärmebehandlung modifizierter Spinell verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abscheiden der dünnen, monokristallinen Halbleiterschicht auf dem Spinellmaterial eine Wärmebehandlung des Spinellmaterials durchgeführt wird, und zwar für eine Zeit, die ausreicht, um die Zusammensetzung dieses Materials an seiner Oberfläche derart umzuwandeln, dass sich eine Zusam mensetzung ergibt, die für das Aufwachsen einer dünnen, epitaxialen Halbleiterschicht optimal ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spinellmaterial MgO-Al-O ist und dass dieses Material einer solchen behandlung unterzogen wird, dass sich an der Oberfläche des Substrats eine Zusammensetzung MgO -xAl 0 ergibt, wobei χ grosser als 1 ist.

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BAD ORIGINAL

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U. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von χ zwischen I,o5 und 1,1 liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen etwa loU5 C und etwa 1145°C durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung für eine Dauer von ungefähr zwei Stunden bei einer Temperatur von etwa 1116 C durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre erfolgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als monokristallines Halbleitermaterial Silizium abgeschieden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Halbleiteranordnungen in dem Silizium durch Diffusion Bereiche abweichender Leitfähigkeit erzeugt werden.

lo. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium zwischen den Halbleiteranordnungen weggeätzt wird, um diese elektrisch gegeneinander zu isolieren.

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BAD ORIQJNAL

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11. Verfahren nach Anspruch 9 und Io, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiteranordnungen Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate hergestellt werden.

12. Halbleiteranordnung auf einem isolierten Substrat aus Spinell, dadurch gekennzeichnet« dass das Substrat aus MgO · Al₃O₃ besteht und dass die an das Halbleitermaterial der Halbleiteranordnung angrenzende Oberfläche des Substrats aus MgO · XAI2O0 besteht, wobei χ vorzugsweise zwischen I,o5 und 1,1 liegt.

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