DE1814029B2 - Erzeugung einkristalliner und polykristalliner halbleiterbereiche auf einem inkristallinen halbleitersubstrat - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einkristalliner und polykristalliner Halbleiterbereiche auf einem einkristallinen Halbleitersubstrat, wie im e>o Oberbegriff des Patentanspruches 1 ausgeführt ist.

Ein derartiges Verfahren ist aus dem IMB-Technical Disclosure Bulletin, Vol. 9, Juli 1966, Nr. 2, S. 195-196 bekannt.

Bislang sind verschiedene Methoden zur selektiven μ Ausbildung von polykristallinen Bereichen und einkristallinen Bereichen auf einem einkristallinen Halbleitersubstrat durch Aufdampfen bekanntgeworden. Diese Methoden kommen in Anwendung, wenn die polykristallinen Bereiche als Bahnen für die Störstoffdiffusion oder zu Isolierzwecken dienen sollen. Zur wahlweisen Ausbildung der polykristallinen Bereiche und der einkristallinen Bereiche auf einem einkristallinen Halbleitersubstrat werden zunächst auf dem Halbleitersubstrat selektiv an denjenigen Flächenteilen, an denen hernach die polykristallinen Bereiche entstehen sollen, Keimstellen vorgesehen, und hierfür wird auf dem Substrat durch Aufdampfen eine Halbleiterschicht abgelagert. Hierbei entstehen unmittelbar auf dem einkristallinen Halbleitersubstrat einkristalline Halbleiterschichten und auf den Keimstellen werden polykristalline Halbleiterschichten gebildet, so daß die Halbleiter-Aufdampfschicht aus einkristallinen und polykristallinen Bereichen besteht.

Die Keimstellen können durch selektive Ablagerung eines Oxyds wie beispielsweise Siliziumdioxyd oder durch Abscheidung von Siliziumnitrid und dergleichen oder von Natriumchlorid, Silizium, Kohlenstoff, Germanium und dergleichen, ferner durch Aufrauhen der Substratoberfläche an den hierfür vorgesehenen Stellen mit Hilfe eines Sandstrahls oder durch Ankratzen zum Hervorrufen von Störungen in der Regelmäßigkeit des Gitteraufbaus in dem Substrat oder auch durch selektives Einlegieren eines Fremdstoffes wie beispielsweise etwa Aluminium, Indium, Gallium, Antimon, Phosphor, Arsen oder eines ähnlichen Metalls gebildet werden.

Aus der Zeitschrift Nature, Vol. 195 (1962) S. 485—486 ist es bekannt, als Maske für das selektive Aufwachsen einkristalliner Halbleiterbereiche Siliziumoxid zu verwenden. Dabei wird beschrieben, wie auf einem Siliziumsubstrat selektiv einkristallines Silizium aus einer Gasphase abgeschieden wird: Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases kann so niedrig eingestellt werden, daß sich auf der Maske kein Material, d. h. kein polykristallines Silizium, abscheidet, während auf den nicht maskierten Substratbereichen Silizium einkristallin aufwächst.

Sei dem aus der Druckschrift IBM Techn. Disclosure Bull., Vol. 9, No. 2 (1966) S. 195-196 bekannten Verfahren für die Herstellung einer Halbleiteranordnung wird auf einem Siliziumsubstrat, welches teilweise mit einer Siliziumoxidschicht als Keimstellenschicht für das Aufwachsen polykristalliner Bereiche bedeckt ist, Silizium ganzflächig aufgebracht. An Stellen, wo das Silizium das einkristalline Siliziumsubstrat berührt, d. h. wo zwischen dem polykristallinen Silizium und dem Substrat keine Siliziumoxid-Schicht liegt, bildet sich in der Siliziumschicht an der Grenzfläche zum Substrat ein einkristalliner Bereich, der im polykristallinen Silizium eingebettet ist und vom polykristallinen Silizium abgedeckt wird. Vor dem Aufbringen der Siliziumschicht, die über dem Siliziumoxyd polykristallin aufwächst, dient das Siliziumoxid als Maske bei einer selektiven Dotierung des Substrates mit Fremstoffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so weiter auszugestalten, daß die selektive Ausbildung von Keimstellen für das Aufwachsen polykristalliner Halbleiterbereiche auf einem einkristallinen Substrat ermöglicht ist, die ein leichtes Hindurchtreten von Fremdstoffen gestatten und gleichzeitig eine hohe Oberflächengüte des Substrates gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens de« Patentanspruches 1

gelöst.

Da die Keimstellen somit aus dem gleichen Material wie das Substrat bestehen, ist ein leichtes Hindurchtreten der Fremdstoffe, z. B. Aluminium, Indium, Gallium, Antimon, Phosphor, Arsen oder ein ähnliches Metall, vorteilhafterweise in besonderem Maße gewährleistet.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Keimstellenschicht durch Aufdampfen gebildet. Andere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteranspri'rhen gekennzeichnet. ι ο

Abweichend von dem obigen Verfahren ist es an sich möglich, eine Keimstellenschicht ganzflächig auf dem Substrat aufzubringen und dann selektiv zu ätzen, um die Keimstellen nur auf vorbestimmten Flächenbereichen des Substrates zu belassen. Da jedoch das Halbleitersubstrat und die Keimstellen aus dem gleichen Material bestehen, so läßt sich dieser Ätzvorgang auf opiischem Wege nicht überwachen, d. h. es kann nicht ohne weiteres festgestellt werden, ob eit.e selektive Keimstellenausbildung gemäß einem vorbestimmten Schema ausnahmslos erreicht wurde, da sich das einkristalline Halbleitersubstrat und das Keimstellenmaterial stofflich nicht unterscheiden. Läßt man den Ätzvorgang etwas länger andauern, um sicherzustellen, daß die Keimstellenschicht an den nicht zu beschichtenden Stellen auch tatsächlich restlos entfernt wird, so kann es leicht zu einer zu starken Abätzung kommen, so daß die Substratoberfläche uneben wird. Wird nun auf das Halbleitersubstrat eine Halbleiterschicht aufgedampft, so wird diese Aufdampfschicht unvermeidlicherweise uneben, dies wirft aber bei der Herstellung einer integrierten Schaltung die Schwierigkeit auf, daß eine Beschaltung in einer unebenen Fläche nicht möglich ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß außerordentlich ebene Substratoberflächen erreicht werden, die Keimstellen auf dem Halbleitersubstrat nur an den hierfür vorgesehenen Flächenbereichen gebildet werden, daß das auf dem Halbleitersubstrat Keimstellen in exakter Anordnung an vorbestimmten Flächenbereichen ausgebildet werden, und daß die an diese Keimstellen angrenzenden polykristallinen Bereiche gleichzeitig mit einkristallinen Bereichen im Rahmen eines Aufdampfvorganges gebildet werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. IA bis II Querschnittsansichten in einem stark vergrößerten Maßstab, in denen beispielartig eine Folge von Verfahrensschritten veranschaulicht ist, wie sie für die Ausbildung von Keimstellen auf einem Halbleitersubstrat in Betracht kommen.

Zunächst wird ein einkristallines Halbleitersubstrat, beispielsweise ein einkristallines Siliziumsubstrat 1, in der Weise hergerichtet, wie dies in F i g. 1 A gezeigt ist. Eine Oberfläche la des einkristallinen Silizii'msubstrats t wird durch Dampfätzung oder mit ähnlichen Hilfsmitteln poliert, so daß ein spiegelglatte Fläche entsteht. Die Fläche la wird hierauf in ihrer Gesamheit, to wie in F i g. 1 B gezeigt, mit einer als Ätzmaske dienenden Schicht 2 überzogen, die bei der Anwendung eines Ätzmittels zur anschließenden Ausbildung von Keimstellen von diesem nicht angegriffen wird und die das Substrat 1 vor der Einwirkung des Ätzmittels 6¹S schützt. Die als Maske dienende Schicht 2 kann durch Aufdampfen oder thermische Zersetzung von Siliziumoxid, Siliziumnitrid und dergleichen oder durch Oxidation des Substrats gebildet werden, .vobei sich die Stärke der Msskenschicht dann auf annähernd 6000 Angströmeinheiten beläuft.

Die Maskenschicht 2 wird dann nach einem der üblichen Photoätzverfahren selektiv entfernt, so daß sich in dieser Schicht Fenster 2a bilden, die jene Flächenteile der Substratfläche la freigeben, auf denen hernach die Keimstellen ausgebildet werden sollen, wie dies auch aus der Darstellung der Fig. IC zu entnehmen ist. Falls die Maskenschicht 2 aus Siliziumoxid besteht, kann es sich bei dem Ätzmittel um eine Lösung handeln, die sich aus Flußsäure (50prozentige Lösung) und Ammoniumfluorid (lOOprozentige Lösung) im Volumverhältnis 15 zu 100 zusammensetzt.

Nach dem selektiven Entfernen der Maskenschicht 2 wird in diesem Fall im Vakuum Silizium zu einer Schichtstärke von 50 bis 2000 Angströmeinheiten auf eine Fläche aufgedampft, die zumindest auch die durch die Fenster 2a der Maskenschicht 2 freigelegten Flächenteile der Substratfläche ta einbegreift, so daß eine Schicht 3 entsteht, die als Keimstellenmaterial für die Polykristallbildung dienen soll, wie dies in ID gezeigt wird.

Hiernach wird die aufgedampfte Schicht 3 in ihrer Gesamtfläche in der in F i g. 1E dargestellten Weise mit fc'.ner zweiten, als Ätzmaske dienenden Schicht 2' ähnlich der unter Bezugnahme auf Fig. IB beschriebenen Schicht 2 überzogen, die durch ein beim darauffolgenden Abätzen der Schicht 3 benutztes Ätzmittel nicht angegriffen wird.

Im Anschluß hieran wird die Maskenschicht 2' selektiv abgeätzt, so daß nur die über der aufgedampften Schicht 3 liegenden Flächenteile übrigbleiben, auf denen hernach die Keimstellen ausgebildet werden sollen, wie aus der Darstellung der F i g. 1F zu entnehmen ist. Die im Verfahrensschritt der Fig. IC fertig ausgebildete Maskenschicht 2 kann nun in dieser Form nutzbar gemacht werden.

Die Maskenschicht 2' ist also nun entfernt und die jetzt unmittelbar freiliegenden Teile der aufgedampften Schicht 3 werden hierauf abgeätzt, wie dies in F i g. IG dargestellt ist. Falls die aufgedampfte Schicht 3 aus Silizium besteht, kommt hierbei als Ätzmittel eine Lösung in Betracht, die sich aus Flußsäure (50prozentige Lösung von HF) und Salpetersäure (70prozentige Lösung von HNO3) im Vdumverhältnis 1 zu 6 zusammensetzt.

Wie in Fig. IH gezeigt ist, werden sodann die Maskenschichten 2 und 2' durch Abätzen entfernt. Falls die Schichten 2 und 2' aus Siliziumoxid bestehen, kann hierbei Flußsäure als Ätzmittel benutzt werden. Damit sind also nun die Keimstellen 3 selektiv in einer vorbestimmten Anordnung auf die Fläche la des Halbleitersubstrats 1 aufgebracht.

Schließlich wird ein Material wie beispielsweise Silizium über die gesamte Oberfläche la des Halbleitersubstrats 1, auf der jetzt also auch die Keimstellen 3 ausgebildet sind, auf dieses aufgedampft, wobei unmittelbar auf der Fläche la des Substrats 1 eine einkristalline Halbleiterschicht 4A entsteht, während sich auf den Keimstellen 3 polykristalline Bereiche 4J3 bilden, so daß man insgesamt eine Halbleiterschicht 4 erhält, die aus einkristallinen und polykristallinen Bereichen besteht, wie sie in F i g. 11 wiedergegeben sind.

Der Grund dafür, daß die Keimstellenschicht 3 im Verfahrensschritt der f' i g. 1D zu einer Stärke in dem Bereich von 50 bis 2000 Äneströmeinheiten ausgebildet

wird, ist darin zu erblicken, daß nach der selektiven Ausbildung der Maskenschicht 2' gemäß dem Verfahrensschritt der Fig. IF die Maskenschicht 2' und die unterhalb von Teilen der Keimstellenschicht 3 liegende Schicht 2 auf optischem Wege schwer voneinander zu unterscheiden sind, falls die Stärke der Schicht 2' weniger als 50 Ängströmeinheiten beträgt.

Bei dem Verfahrensschritt der F i g. 1 C läßt sich die selektive Anordnung der Maskenschicht 2 auf dem Substrat 1 an vorbestimmten Stellen auf optischem Wege kontrollieren, da die Maskenschicht 2 und das Substrat 1 aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Auch bei dem Verfahrensschritt der F i g. 1F kann man sich in ähnlicher Weise auf optischem Wege der selektiven Ausbildung der Maskenschicht 2' vergewissern, da sich die Maskenschicht 2' und die Keimstellenschicht 3 stofflich voneinander unterscheiden.

Da im übrigen die Keimstellenschicht 3 nur im Bereich der Fenster 2a der Maskenschicht 2 unmittelbar auf der Fläche la des Substrats 1 abgelagert wird, läßt sich eine Anordnung der Schicht 3 auf dem Substrat 1 vorsehen, bei der diese ausnahmslos nur auf vorbestimmte Flächenbereiche aufgebracht ist.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird die Möglichkeit geschaffen, die Keimstellen genau an den hierfür vorgesehenen Stellenbereichen gemäß einem vorbestimmten Anordnungsschema auf das Halbleitersubstrat 1 aufzubringen, dabei handelt es sich bei dem Keimstellenmaterial und bei dem Substrat 1 um den gleichen Stoff.

ίο Wenngleich bei dem obigen Ausführungsbeispiel davon ausgegangen wurde, daß das Substrat 1 aus Silizium bestehe und zur Bildung der Keimstellen die Siliziumschicht 3 auf das Substrat aufgedampft werden, so versteht es sich aber von selbst, daß gleichwertige Resultate auch erzielt werden können, wenn das Halbleitersubstrat aus Germanium besteht und die Keimstellenschicht 3 durch Aufdampfen von Germanium auf das Substrat gebildet wird. Ein geeignetes Ätzmittel für die aus Germanium bestehende Keimstellenschicht 3 wäre in diesem Fall Natriumphypochlorit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren 'zur Erzeugung einkristalliner und polykristalliner Halbleiterbereiche auf einem einkristallinen Halbleitersubstrat für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, bei dem auf dem Halbleitersubstrat unter Aussparung ausgewählter, vorbestimmter, und unbedeckt bleibender Oberflächenteile des Halbleitersubstrats eine erste Maskenschicht ausgebildet wird, anschließend auf den unbedeckten Oberflächenteilen des Halbieitersubstrats eine Keimstellenschicht für das Aufwachsen der polykristallinen Halbleiterbereiche erzeugt wird und bei dem die erste-Maskenschicht zum Freilegen der mit der Keimstellenschicht nicht bedeckten Oberflächenteile des Halbleitersubstrats abgeätzt wird und anschließend auf die freigelegte Oberfläche eine Halbleiterschicht so aufgebracht wird, daß sich in den an die Keimstellenschicht angrenzenden Teilen der Halbleiterschicht polykristalline Bereiche und in den an die unbedeckte Oberfläche des Halbleitersubstrats angrenzenden Teilen der Halbleiterschicht einkristalline Halbleiterbereiche ausbilden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Keimstellenschicht (3) das gleiche Halbleitermaterial, das auch für das Halbleitersubstrat (1) verwendet worden ist, mindestens auf die unbedeckten Oberflächenteile (2a) des Halbleitersubstrats (1) aufgebracht wird, daß danach die auf den unbedeckten Oberflächenteilen (2a) des Halbleitersubstrats (1) liegenden Bereiche der Keimstellenschicht (3) mit einer zweiten Maskenschicht (2') abgedeckt werden, daß darauf die nicht von der zweiten Maskenschicht (2') abgedeckten Teile der Keimstellenschicht (3) abgeätzt werden, wobei die erste Maskenschicht (2) und die zweite Maskenschicht (2') nicht angegriffen werden und daß anschließend sowohl die erste Maskenschicht (2) als auch die zweite Maskenschicht (2') abgeäizt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keimstellenschicht (3) durch Aufdampfen gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einkristalline Halbleitersubstrat (1) und die Keimstellenschicht (3) aus Silizium bestehen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, daHurch gekennzeichnet, daß die erste Maskenschicht (2) und die zweite Maskenschicht (2') aus Siliziumoxid bestehen.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einkristalline Halbleitersubstrat (1) und die Keimstellenschicht (3) aus Germanium bestehen.