DE2430859C3 - Verfahren zum Herstellen einer oxydierten, bordotierten Siliciumschicht auf einem Substrat - Google Patents
Verfahren zum Herstellen einer oxydierten, bordotierten Siliciumschicht auf einem SubstratInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren wie es dem Oberbegriff des Patentanspruchs zu entnehmen ist.
Bei thermischer Oxidation von Bor-dotiertem Silicium
tritt in einer Siliciumschicht eine Borverarmung auf, wobei das Bor danach strebt, sich in der aufwachsenden
Oxidschicht zu konzentrieren. Die dadurch bedingte Borverarmung im Silicium stört natürlich das Dotierungsniveau
und beeinflußt damit den spezifischen Widerstand der durch die Oxidation nicht betroffenen
Siliciumbereiche. Es ergibt sich also mit wachsender Borverarmung im Silicium eine entsprechende Zunahme
des spezifischen Widerstandes. Typische Anwendungen polykristallinen Siliciums in monolithisch integrierten
Halbleiterschaltungen erfordern stark dotiertes polykristallines Silicium, um da, wo erforderlich, den
spezifischen Widerstand so gering wie möglich zu halten. Andererseits wird bereits dotiertes polykristallines
Silicium in nachträglich erforderlichen Verfahrensschritten hohen Temperaturen ausgesetzt, insbesondere
auch einer thermischen Oxidation unterworfen. Der während eines solchen thermischen Oxidationsverfahrensschrittes
bedingte Borverarmungseffekt liegt dabei im Widerstreit mit der Erfordernis, daß das verbleibende
polykristalline Silicium nach Beendigung der Oxidation bis zur Grenze der Borlöslichkeit dotiert
bleibt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, das unter
Vermeiden oben genannter Nachteile eine ausreichende Bordotierung im polykristallinen Silicium auch nach
Beendigung des Oxidationsverfahrensschrittes beibehalten läßt
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen
ist
Die aufgewachsene mit Bor angereicherte polykristalline Siliciumschicht fungiert als internes Bordepot,
das Bor innerhalb der Löslichkeitsgrenzbedingung des Siliciums nachzuliefern vermag, sowie es während des
thermischen Oxidationsvorganges durch Abgabe an die aufwachsende Oxidschicht dem Siliciumkörper entzogen
wird. Durch geeignete Auswahl empirisch zu ermittelnder Prozeßparameter läßt sich der verbleibende
Boranteil im polykristallinen Silicium bei Beendigung des thermischen Oxidationsverfahrensschrittes so einstellen,
daß im wesentlichen die Löslichkeitsgrenze von Bor in Silicium beibehalten bleibt. Auf diese Weise ist
dann sichergestellt, daß das thermisch oxidierte polykristalline Silic:um in den durch die Oxidation nicht
betroffenen Bereichen den angestrebten minimalen spezifischen elektrischen Widerstand beibehält.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der unten aufgeführten Zeichnungen. Es zeigt
F i g. 1 eine graphische Darstellung, aus der die Abhängigkeit des mittleren spezifischen Widerstands
bei Silicium von der Bor-Durchflußrate hervorgeht,
F i g. 2 eine Kurvenschar für die gleiche Funktion wie in Fig. 1, jedoch mit den Zeitdauern der thermischen Oxidation als Paramenter.
F i g. 2 eine Kurvenschar für die gleiche Funktion wie in Fig. 1, jedoch mit den Zeitdauern der thermischen Oxidation als Paramenter.
Eine typische Verfahrensweise für die in-situ-Bordotierung des polykristallinen Siliciums ist folgende:
5% SiH4 in N2 bei einer Mischungsdurchflußrate von
350cm3/min, 0,05% B2H6 in H2 bei einer Mischungsdurchflußrate
im Bereich zwischen etwa 800 bis etwa 3000 cmVmin und H2 bei einer Durchflußrate von
30 l/min erzeugen bei etwa 800° C auf einem geeigneten Substrat, wie z. B. Siliciumnitrid, einen Bor-dotierten
polykristallinen Siliciumniederschlag. Anders als im Fall, bei dem Bor in zunächst vorgesehenes polykristallines
Silicium in der Dampfphase eindiffundiert wird, wobei der elektrische spezifische Widerstand mit Anwachsen
der Borkonzentration in Silicium abnimmt, ist beim erfindungsgemäßen Dotierungsvorgang bei Anwachsen
der Borkonzentration im Silicium über die Löslichkeitsgrenze hinaus ebenfalls ein Anwachsen des spezifischen
elektrischen Widerstandes zu verzeichnen.
Die graphische Darstellung nach Fig. 1 zeigt den mittleren spezifischen Widerstand von Bor-dotierten
polykristallinen Siliciumproben, von denen jede durch horizontal abgelagerten pyrolitischen Niederschlag mit
unterschiedlicher Borkonzentration im Silicium gebildet ist. Im einzelnen ergibt sich aus Fig. 1, daß der
spezifische Widerstand des Bor-dotierten Siliciums wie erwartet abnimmt, wenn das Bor-/Siliciumverhältnis bis
zum Wert 1:18 zunimmt, wie es bei Bordotierungs-Durchflußraten unterhalb von etwa 600 cmVmin in
Erscheinung tritt. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich eine optimale Bordotierung-Durchflußrate, also
etwa 600 cmVmin, so daß sich ein minimaler spezifischer
Widerstand im dotierten polykristallinen Silicium von etwa 2,5 χ 10~3Ω · cm einstellt. Sowie die Bordotierungs-Durchflußrate
über etwa 600 cmVmin steigt, d. h., das Bor-/Siliciumverhältnis über den Wert 1:18 hinaus
anwächst, zeigt sich, daß der spezifische Widerstand des polykristallinen Siliciums, wie aus Fig. 1 hervorgeht,
ebenfalls wieder ansteigt. Es läßt sich vorstellen, daß
sich bei relativ hohen Bor-ZSiliciumverhältnissen Borsilicid
zu bilden beginnt, und daß diese Phase relativer Isolierung für die zunehmenden Werte des spezifischen
Widerstandes verantwortlich ist Ein experimenteller Nachweis hat sich hierfür bei Verwenden von
Bor-dotierten polykristallinen Siliciumproben ergeben, die unter Anwenden von Bordotierungs-Durchflußraten
unterhalb von etwa 600 cmVmin hergestellt worden sind und dem der Kurve nach F i g. 1 zugrunde liegenden
Beispiel entsprechen. Hierbei hat sich gezeigt, daß 'inter ίο
Wirkung eines thermischen Oxidationsvorganges ein nennenswerter Anstieg des Wertes des spezifischen
Widerstandes zu verzeichnen ist Andererseits hat sich herausgestellt, daß bei Proben, die unter Anwenden von
Bordotierungs-Durchflußraten oberhalb von etwa 600cm3/min hergestellt und thermischer Oxidation
unterworfen worden sind, der Wert des spezifischen Widerstandes des Siliciums nach Abschluß des Oxidationsvorganges
geringer ist als vorher. Darüber hinaus hat sich ergeben, daß ein überraschend großer Anteil an
Oxid unter thermischer Oxidation polykristallinen Siliciums gebildet wird, das über die Löslichkeitsgrenze
hinausreichendes Überschuß-Bor enthält und daß der pro verbrauchte Siliciume'nheit hervorgegangene Anteil
an Oxid in den im Überschuß dotierten Proben größer ist als in Proben, die Boranteile unterhalb der
Löslichkeitsgrenze enthalten.
Der Effekt, durch den der spezifische Widerstand von Silicium bei überdotiertem Silicium unter thermischer
Oxidation reduziert anstatt vergrößert wird, läßt sich anhand der Kurvenschar nach F i g. 2 darlegen. So ist die
Kurve 1 in Fig.2 von Meßwerten des spezifischen
Widerstands bei einer Anzahl von Proben abgeleitet, von denen jede in einem vertikalen zylindrischen Gefäß
unter pyrolitischem Niederschlag unter Anwenden eines jeweils gleichen Prozesses hergestellt ist, allerdings
mit der Ausnahme, daß verschiedene Bordotierungs-Durchflußraten angewendet worden sind. Im
einzelnen sind drei Proben unter Anwenden von Durchflußraten der Bordotierung bei 200, 800 und -40
1600cm3/min hergestellt worden. Die anderen Prozeßparamenter
waren wie folgt:
45
SiH4 (5% in N2) bei 500 cmVmin,
H2 bei 65 I/min,
H2 bei 65 I/min,
Prozeßtemperatur etwa 930° C,
Niederschlagszeitdauer von 30 min.
Niederschlagszeitdauer von 30 min.
Die Kurve 1 liegt zwischen den gemessenen Werten des spezifischen Widerstands dieser drei Proben, von
denen keine einer thermischen Oxidation unterworfen worden ist. Alle drei Proben sind anschließend in
aufeinanderfolgenden thermischen Oxidationsschritten behandelt worden. Die Kurve zeigt die erhaltenen
Werte für den spezifischen Widerstand, wenn die drei Proben einer 7,5 min dauernden thermischen Oxidation
unter Temperaturen von etwa 1050°C in Wasserdampfatmosphäre ausgesetzt gewesen sind. In gleicher Weise
ergeben sich die Kurven 3 und 4 aus den Meßwerten des spezifischen Widerstandes der gleichen drei Proben,
wenn sie zusätzlichen thermischen Oxidationsverfahrensschritten für eine Zeitdauer von 7,5 min bzw. 15 min
ausgesetzt gewesen sind. Die Kurven 1,2,3 und 4 stellen
also Meßwertergebnisse des spezifischen Widerstands für jeweils dieselben drei Proben dar, die für 0; 7,5; 15
bzw. 30 min thermischen Oxidationsvorgängen ausgesetzt gewesen sind.
An dieser Stelle sei hervorgehoben, daß die gezeigten Kurven 1 bis 4 jeweils einen Minimalwert für den
spezifischen Widerstand aufweisen und daß das Minimum für den spezifischen Widerstand in denjenigen
Kurven relativ niedrig ist, die für Proben gelten, die entsprechend länger einem thermischen Oxidationsvorgang
ausgesetzt gewesen sind, außerdem treten diese Minima bei höheren B2H6-Durchflußraten auf. Für
jeden Prozeß zur Herstellung monolithisch integrierter Halbleiterschaitungen, bei denen thermische Oxidationsbedingungen
vorgegeben sind, läßt sich jedoch eine jeweils geeignete Bordotierungs-Durchflußrate für den
Niederschlag Bor-dotierten polykristallinen Siliciums im vorhinein angeben, so daß nach Beendigung
aufeinanderfolgender thermischer Oxidationsverfahrensschritte der spezifische Widerstand des Siliciums
einen Minimalwert einnimmt Ein Minimalwert des spezifischen Widerstandes wird für solche Anwendungsfälle
angestrebt, bei denen dotiertes polykristallines Silicium für Gate-Elektroden, Abschirmzwecke und
dergleichen, Verwendung finden kann.
Aus der Kurvenschar nach F i g. 2 läßt sich weiterhin entnehmen, daß Eordotierungs-Durchflußraten von
etwa 700 cnWmin, 900cm3/min und lOOOcmVmin zum
Erzielen eines minimalen spezifischen Widerstands ausgewählt werden sollten, wenn die Behandlungszeitdauer
thermischer Oxidation 7,5; 15 bzw. 30 min betragen sollen.
Obgleich die den Kurven nach Fig.2 zugrunde liegenden Meßwerte für Proben gewonnen sind, die
unter Anwenden spezieller Durchflußraten von aus S1H4, B2He und H2 bestehenden Reaktionsgasen bei
einer speziellen Reaktionstemperatur behandelt worden sind, dürfte es ohne weiteres ersichtlich sein, daß
äquivalente Daten vorab empirisch zu erhalten sind, wenn Proben verwendet werden, die mittels verschiedener
Kombinationen von Prozeßparametern für Schichtniederschlag mit gleichzeitiger Dotierung hergestellt
sind. Zur Beurteilung der verschiedenen Einflüsse auf die Proben läßt sich der spezifische Widerstand auch als
Funktion der SiH^-Mischungsdurchfiußrate anstatt in Abhängigkeit von der B2H6-Mischungsdurchflußrate
auftragen, wenn nur die anderen Niedersohlagsparameter jeweils als konstant angesehen werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zum Herstellen einer oxidierten, bordotierten Siliciumschicht auf einem Substrat,
wobei durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Silicium- und Borverbindung an dem erhitzten
Substrat polykristallines Silicium zusammen mit Bor niedergeschlagen und der Niederschlag anschließend
oxidiert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß während des Niederschiagens das Verhältnis Bor/Silicium so gehalten wird, daß in dem
Niederschlag an bestimmten Stellen die Grenze der Löslichkeit von Bor in Silicium überschritten und: im
übrigen Bereich erreicht wird, und daß der Niederschlag zwischen etwa 800 und 11500C
oxidiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Bor/Silicium auf einem
Wert oberhalb 1 :18 gehalten wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline
Schicht aus einer aus SiH4, B2H6 und H2 bestehenden
Atmosphäre im Temperaturbereich von 750 bis 9500C niedergeschlagen wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur und die
Zeitdauer der Oxidation der polykristallinen Schicht so gehalten werden, daß die Borkonzentration an
den bestimmten, die Löslichkeitsgrenze von Bor in Silicium übersteigenden Stellen auf die Borkonzentration
des übrigen Bereiches gebracht wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Schicht mit
Wasserdampf oxidiert wird.
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