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DE102008032171B4 - Verfahren zum Herstellen einer einkristallinen Schicht - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer einkristallinen Schicht (13) mit einer ersten Gitterkonstanten a auf einem einkristallinen Substrat (10), das zumindest in einem oberflächennahen Bereich (11) eine zweite Gitterkonstante b aufweist, die sich von der ersten Gitterkonstanten a unterscheidet, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist:
– Implantation (14) von Gitteranpassungsatomen (12) zumindest in den oberflächennahen Bereich (11) des einkristallinen Substrats,
– Kurzzeitiges Aufschmelzen (15) und anschließendes Rekristallisieren des oberflächennahen Bereichs (11), wobei die Gitteranpassungsatome (12) zumindest in dem oberflächennahen Bereich (11) die zweite Gitterkonstante b an die erste Gitterkonstante a angleichen, indem die Gitteranpassungsatome in das Kristallgitter des oberflächennahen Bereichs (11) eingebaut werden.
– Epitaktisches Abscheiden der Schicht (13) auf dem einkristallin erstarrten oberflächennahen Bereich (11).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer einkristallinen Schicht auf einem Substrat.
  • Einkristalline Schichten können durch eine sogenannte epitaktische Abscheidung auf einem einkristallinen Substrat erzeugt werden. Unterschiedliche Gitterkonstanten der Schicht und des Substrats können dabei zu Defekten im Kristallgitter der Schicht führen. Epitaxieprozesse sind beispielsweise in S. M. Sze, „Semiconductor Devices, Physics and Technologie”, 1985 John Wiley & Sons, S. 321–338 beschrieben.
  • Die US 2007/0090487 A1 beschreibt ein Verfahren zur Beeinflussung von zwei räumlich getrennten Halbleitersubstratbereichen hinsichtlich des Wachstumsverhalten einer gemeinsamen Epitaxieschicht über den beiden Halbleitersubstratbereichen.
  • Die DE 10 2006 053 182 A1 beschreibt ein Verfahren zur p-Dotierung von Silizium, bei dem schneller als Bor diffundierende p-Dotierstoffatome wie Al oder Ga in ein Si-Substrat implantiert werden und anschließend ein oberflächennaher Bereich des Substrats durch einen Laser kurzzeitig aufgeschmolzen wird. Auf dem rekristallisierten oberflächennahen Bereich wird eine monokristalline Si-Schicht abgeschieden.
  • Weiteren Stand der Technik stellt das in US 2003/0013280 A1 beschriebene Verfahren dar.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine einkristalline Schicht möglichst defektfrei auf einem einkristallinen Substrat mit unterschiedlicher Gitterkonstante erzeugt werden kann.
  • Die Erfindung wird charakterisiert durch den unabhängigen Anspruch. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Eine Ausführungsform beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer einkristallinen Schicht mit einer ersten Gitterkonstanten auf einem einkristallinen Substrat, das zumindest in einem oberflächennahen Bereich eine zweite Gitterkonstante aufweist, die sich von der ersten Gitterkonstanten unterscheidet, wobei zumindest in den oberflächennahen Bereich Gitteranpassungsatome implantiert werden, der oberflächennahe Bereich kurzzeitig aufgeschmolzen und rekristallisiert wird, wobei die Gitteranpassungsatome zumindest in dem oberflächennahen Bereich die zweite Gitterkonstante an die erste Gitterkonstante angleichen, indem die Gitteranpassungsatome in das Kristallgitter des oberflächennahen Bereichs eingebaut werden, und auf dem einkristallin erstarrten oberflächennahen Bereich die Schicht epitaktisch abgeschieden wird.
  • Durch die Gitteranpassungsatome wird die Gitterkonstante des Substrats an die Gitterkonstante der darauf abzuscheidenden Schicht angeglichen. Somit werden während der epitaktischen Abscheidung der Schicht auf dem so behandelten Substrat zumindest deutlich weniger Defekte in der Schicht erzeugt.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • In 1a bis c sind in schematischen Querschnittsansichten ausgewählte Verfahrensschritte einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einem Substrat dargestellt.
  • In 2 ist in schematischer Weise ein Ausschnitt eines Kristallgitters am Übergang von einem Substrat zu einer einkristallinen Schicht gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
  • In 3 ist in schematischer Weise ein Ausschnitt eines Kristallgitters am Übergang von einem Substrat zu einer einkristallinen Schicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt.
  • In 4 ist in schematischer Weise ein Ausschnitt eines Kristallgitters am Übergang von einem Substrat zu einer einkristallinen Schicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren, näher erläutert.
  • Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.
  • Bevor im Folgenden die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Ferner sind die Figuren nicht notwendiger Weise maßstabsgerecht, der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Erläuterung des Grundprinzips.
  • In 1a ist ein ausgewählter Verfahrensschritt zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einem einkristallinen Substrat dargestellt. In ein einkristallines Substrat 10 werden dabei in einem oberflächennahen Bereich 11 Gitteranpassungsatome 12 implantiert. Dieser Implantationsvorgang ist in 1a mit Hilfe von Pfeilen 14 verdeutlicht. Geeignete Implantationsdosen der Gitteranpassungsatome 12 liegen beispielsweise im Bereich von 1 × 1015 cm–2 bis 1 × 1016 cm–2. Das Substrat 10 weist vor der Implantation zumindest in dem oberflächennahen Bereich 11 eine spezifische Gitterkonstante b auf. Das Substrat 10 kann beispielsweise ein aus Halbleitermaterial hergestelltes Halbleitersubstrat sein. Als Halbleitermaterial kommen alle bekannten Halbleiter wie zum Beispiel Germanium, Indiumphosphit, Siliziumcarbit, Galiumarsenit und insbesondere Silizium in Frage.
  • Nach der Implantation 14 von Gitteranpassungsatomen 12 in den oberflächennahen Bereich 11 wird der oberflächennahe Bereich 11 kurzzeitig aufgeschmolzen. Das Aufschmelzen wird dabei in 1b mit Hilfe von Wellenlinien 15 angedeutet. Das Aufschmelzen 15 kann beispielsweise durch eine Laserbestrahlung, insbesondere durch gepulste Laserbestrahlung, erfolgen. Je nach Wellenlänge, Laserenergie und eventuell Anzahl der Pulse der Laserbestrahlung wird typischer Weise eine 0,3 μm bis 1 μm tiefe Schicht an der Oberfläche des Substrats 10 aufgeschmolzen. Bei der anschließenden Rekristallisation des aufgeschmolzenen oberflächennahen Bereichs 11 werden die Gitteranpassungsatome 12 beispielsweise in das Kristallgitter des oberflächennahen Bereichs 11 auf regulären Gitterplätzen eingebaut, was zu einer Verzerrung des ursprünglichen Kristallgitters und somit zu einer Reduzierung oder Vergrößerung der Gitterkonstanten b führt, je nachdem welche Art von Gitteranpassungsatomen verwendet werden. Die Auswahl der Gitteranpassungsatome 12 erfolgt dabei hinsichtlich der Gitterkonstanten a der auf dem oberflächennahen Bereich 11 abzuscheidenden Schicht 13. Eine solche, auf dem einkristallin erstarrten oberflächennahen Bereich 11 erzeugte Schicht 13, ist in 1c schematisch dargestellt. Die Schicht 13 kann beispielsweise mit einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, erzeugt werden. Ist die Gitterkonstante a der Schicht 13 größer als die Gitterkonstante b des Substrats 10 oder zumindest des oberflächennahen Bereichs 11 des Substrats 10, so werden Gitteranpassungsatome 12 ausgewählt, die diese ursprüngliche Gitterkonstante b vergrößert. Ist die Gitterkonstante a der Schicht 13 kleiner als die Gitterkonstante b des Substrats 10 oder zumindest des oberflächennahen Bereichs 11, so werden Gitteranpassungsatome 12 ausgewählt, die diese ursprüngliche Gitterkonstante b verkleinern. Vorteilhaft bei den oben beschriebenen Varianten kann es sich auch auswirken, dass mögliche Kristalldefekte, die im Substrat 10 entstehen, durch die Verzerrung des Gitters aufgrund der Gitteranpassungsatome festgehalten werden können.
  • In 2 ist ein stark vergrößerter Ausschnitt A aus 1c dargestellt. 2 zeigt dabei in schematischer Weise ein Atomgitter am Übergang vom Substrat 10 zur Schicht 13. Das Substrat 10 weist dabei ein Atomgitter mit einer Gitterkonstanten b auf. Das Substrat 10 besteht z. B. aus einem Material einer ersten Atomsorte. Die Atome 20, in 2 als Quadrate dargestellt, des Substrats 10 sind in dem schematischen Gitter auf regulären Gitterplätzen angeordnet. In dem oberflächennahen Bereich 11 des Substrats 10 sind in das Gitter auf regulären Gitterplätzen Gitteranpassungsatome 12 eingebaut, in 2 als Kreuze dargestellt. Die Gitteranpassungsatome 12 verursachen in diesem Ausführungsbeispiel eine Verzerrung des ursprünglichen Gitters des Substrats 10 in der Form, dass die ursprüngliche Gitterkonstante b des Substrats 10 in dem mit Gitteranpassungsatomen 12 versehenen oberflächennahen Bereich 11 verkleinert wird. Durch die Verzerrung des ursprünglichen Gitters des Substrats 10 in dem mit Gitteranpassungsatomen 12 versehenen oberflächennahen Bereich 11 können auch Versetzungen 22 im Kristallgitter des Substrats 10 auftreten. Die Oberfläche 16 des Substrats 10 weist dadurch zumindest annähernd ein Gitter mit einer Gitterkonstante a auf. Die Schicht 13, die auf der Oberfläche 16 des Substrats 10 mit Atomen 21, in 2 als Kreise dargestellt, erzeugt wird, weist ebenfalls die Gitterkonstante a auf. Durch die Anpassung der Gitterkonstanten b des Substrats 10 an die Gitterkonstante a der Schicht 13 mit Hilfe der Gitteranpassungsatome 12 ist ein epitaktisches Wachstum der Schicht 13 auf der Oberfläche 16 des Substrats 10 defektfrei oder zumindest mit weniger Defekten möglich, als im Falle, dass keine Gitteranpassung zwischen dem Substrat 10 und der Schicht 13 stattgefunden hätte.
  • In 3 ist der stark vergrößerte Ausschnitt A aus 1c eines anderen Ausführungsbeispiels dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 darin, dass die Gitterkonstante b des Substrats 10 kleiner ist als die Gitterkonstante a der auf dem Substrat 10 erzeugten Schicht 13. Die Gitteranpassungsatome 12 verzerren in diesem Fall das Gitter des Substrats 10 in dem oberflächennahen Bereich 11 in der Form, dass die ursprüngliche Gitterkonstante b des Substrats 10 in dem oberflächennahen Bereich 11 vergrößert wird. Die Oberfläche 16 des Substrats 10 weist dadurch ebenfalls zumindest annähernd die Gitterkonstante a auf. Eine epitaktische Abscheidung der Schicht 13 ist somit, wie bereits zu 2 erläutert, zumindest mit geringerer Defektdichte als im Falle keiner Gitteranpassung möglich.
  • 4 stellt ebenfalls den vergrößerten Ausschnitt A aus 1c in einer weiteren Ausführungsform dar. In dieser Ausführungsform weist das Substrat 10 in seiner ursprünglichen Zusammensetzung neben den Atomen 20, in 4 als Quadrate dargestellt, auch noch einem weiteren Fremdstoff 17, in 4 als Dreiecke dargestellt, auf. Beispielhaft sei hier ein Siliziumsubstrat mit einem Dotierstoff wie zum Beispiel Phosphor als Fremdstoff 17 genannt. Das Gitter des aus den Atomen 20 und dem Fremdstoff 17 zusammengesetzten Substrats 10 weist eine Gitterkonstante b auf. Diese Gitterkonstante b unterscheidet sich von der Gitterkonstanten eines Gitters, das zum Beispiel nur aus Atomen 20 aufgebaut ist. Insbesondere bei hohen Konzentrationen des Fremdstoffs 17 wird die Gitterkonstante b deutlich verändert. Ausführungsformen können beispielsweise Fremdstoffkonzentrationen von mindestens 5 × 1019 cm–3, insbesondere sogar mehr als 1 × 1020 cm–3 in dem Substrat vorsehen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird auf der Oberfläche 16 des Substrats 10 eine Schicht 13 erzeugt, die beispielsweise nur aus Atomen 20 zusammengesetzt wird. Das Gitter der Schicht 13 weist dabei eine Gitterkonstante a auf, die größer ist als die Gitterkonstante b des aus Atomen 20 und dem Fremdstoff 17 zusammengesetzten Substrats 10.
  • Um die durch den Fremdstoff 17 veränderte Gitterkonstante b des Substrats 10 an die Gitterkonstante a der nur aus Atomen 20 zusammengesetzten Schicht 13 anzupassen, werden deshalb Gitteranpassungsatome 12 zumindest wieder in dem oberflächennahen Bereich 11 des Substrats 10 eingebaut. Durch diesen Einbau der Gitteranpassungsatome 12 wird die durch den Fremdstoff 17 hervorgerufene Veränderung der Gitterkonstanten b des Substrats ausgeglichen und die Gitterkonstante des oberflächennahen Bereichs 11 des Substrats 10 an die Gitterkonstante a der Schicht 13 angepasst. Im vorher beschriebenen Fall eines Siliziumsubstrats mit Phosphordotierung als Fremdstoff 17 kommt beispielsweise Germanium als Gitteranpassungsatom 12 in Frage. Dabei können geeignete Konzentrationsverhältnisse Ge:P von Germaniumatomen zu Phosphoratomen im Bereich zwischen 0,5 und 2, insbesondere zwischen 1 und 1,5 liegen, um eine ausreichende Anpassung der Gitterkonstanten b zu einer auf solch einem Substrat 10 erzeugten Siliziumschicht 13 zu erreichen.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass nach dem Aufschmelzen 15 des oberflächennahen Bereichs 11 ein nicht aufschmelzender Temperaturprozess an dem Substrat 10 durchgeführt wird. Solch ein nicht aufschmelzender Temperaturprozess kann beispielsweise ein RTA (Rapid Thermal Anealing) oder ein konventioneller Hochtemperaturprozess sein, der zu einer stärkeren Ausdehnung des mit Gitteranpassungsatomen 12 versehenen oberflächennahen Bereichs 11 in das Substrat 10 hinein führt. Durch diesen Diffusionsvorgang kann sich in der Tiefe des Substrats 10 ein Gradient im Konzentrationsprofil der Gitteranpassungsatome 12 ergeben. Dadurch kann ein kontinuierlicher Übergang zwischen dem mit Gitteranpassungsatomen 12 versehenen kurzzeitig aufgeschmolzenen oberflächennahen Bereich 11 und dem nicht mit Gitteranpassungsatomen 12 versehenen Bereich des Substrats 10 hergestellt werden. Dies fördert die Vermeidung oder zumindest eine weitere Reduktion von Spannungen in der epitaktisch abgeschiedenen Schicht 13. Die Implantationsdosis der Gitteranpassungsatome 12 kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel an die erhöhte Eindringtiefe der Gitteranpassungsatome 12 entsprechend angepasst werden, so dass im gegebenen Fall eines zusätzlichen Fremdstoff 17 im Substrat 10 ein gezieltes Verhältnis von Fremdstoff 17 zu Gitteranpassungsatomen 12 zumindest im oberflächennahen Bereich eingehalten werden kann.
  • In einer Ausführungsvariante findet der nicht aufschmelzende Temperaturprozess nach der epitaktischen Abscheidung der Schicht 13 statt. Dadurch können die Gitteranpassungsatome 12 auch in die Schicht 13 eindiffundiert werden.
  • Eine andere Ausführungsvariante sieht vor, dass der nicht aufschmelzende Temperaturprozess bereits vor der epitaktischen Abscheidung der Schicht 13 stattfindet. Dazu kann vor dem Temperaturprozess eine Barriereschicht (nicht dargestellt) auf den oberflächennahen Bereich 11 erzeugt werden, um eine Ausdiffusion der Gitteranpassungsatome 12 aus dem oberflächennahen Bereich 11 möglichst zu vermeiden. Als Barriereschicht kommt beispielsweise eine Oxidschicht in Frage. Die Barriereschicht wird nach dem Temperaturprozess wieder entfernt.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Implantation 14 der Gitteranpassungsatome 12, das kurzzeitige Aufschmelzen 15 des oberflächennahen Bereichs 11 und die epitaktische Abscheidung der Schicht 13 auf dem einkristallin erstarrten oberflächennahen Bereich 11 einmal oder mehrmals wiederholt wird. Dadurch kann ein breiterer Übergangsbereich mit Gitteranpassungsatomen 12 mit dementsprechenden Gitterverzerrungen zwischen dem Kristallgitter mit der Gitterkonstanten a und dem Kristallgitter mit der Gitterkonstanten b erzeugt werden.

Claims (24)

  1. Verfahren zum Herstellen einer einkristallinen Schicht (13) mit einer ersten Gitterkonstanten a auf einem einkristallinen Substrat (10), das zumindest in einem oberflächennahen Bereich (11) eine zweite Gitterkonstante b aufweist, die sich von der ersten Gitterkonstanten a unterscheidet, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist: – Implantation (14) von Gitteranpassungsatomen (12) zumindest in den oberflächennahen Bereich (11) des einkristallinen Substrats, – Kurzzeitiges Aufschmelzen (15) und anschließendes Rekristallisieren des oberflächennahen Bereichs (11), wobei die Gitteranpassungsatome (12) zumindest in dem oberflächennahen Bereich (11) die zweite Gitterkonstante b an die erste Gitterkonstante a angleichen, indem die Gitteranpassungsatome in das Kristallgitter des oberflächennahen Bereichs (11) eingebaut werden. – Epitaktisches Abscheiden der Schicht (13) auf dem einkristallin erstarrten oberflächennahen Bereich (11).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Substrat mit einem Halbleitermaterial erzeugt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Halbleitermaterial Silizium ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Substrat (10) einen von den Gitteranpassungsatomen unterschiedlichen Dotierstoff (17) aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Dotierstoff (17) mit einer Konzentration von mindestens 5 × 1019 cm–3 in dem Substrat enthalten ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Konzentration des Dotierstoffs (17) höher als 1 × 1020 cm–3 ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem der Dotierstoff (17) Phosphor ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gitteranpassungsatome (12) Germaniumatome sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Verhältnis Ge:P der Konzentrationen zwischen Germanium und Phosphor in einem Bereich zwischen 0,5 und 2 liegt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Verhältnis Ge:P zwischen 1 und 1,5 liegt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gitteranpassungsatome (12) die zweite Gitterkonstante b erhöhen, wenn die erste Gitterkonstante a größer ist als die zweite Gitterkonstante b vor dem Einbau der Gitteranpassungsatome (12).
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Gitteranpassungsatome (12) die zweite Gitterkonstante b erniedrigen, wenn die erste Gitterkonstante a kleiner ist als die zweite Gitterkonstante b vor dem Einbau der Gitteranpassungsatome (12).
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das kurzzeitige Aufschmelzen (15) durch eine Bestrahlung des oberflächennahen Bereichs (11) mit einem Laser erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der oberflächennahe Bereich (11) zwischen 0,3 μm und 1 μm tief aufgeschmolzen wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Implantationsdosis der Gitteranpassungsatome (12) im Bereich von 1 × 1015 cm–2 bis 1 × 1016 cm–2 beträgt.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach dem Aufschmelzen (15) des oberflächennahen Bereichs (11) ein nichtaufschmelzender Temperaturprozess an dem Substrat (10) ausgeführt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der nichtaufschmelzende Temperaturprozess vor der epitaktischen Abscheidung der Schicht (13) stattfindet.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der nichtaufschmelzende Temperaturprozess nach der epitaktischen Abscheidung der Schicht (13) stattfindet.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem vor dem nichtaufschmelzenden Temperaturprozess eine Barriereschicht auf dem oberflächennahen Bereich (11) erzeugt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Barriereschicht eine Oxidschicht ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei dem die Barriereschicht nach dem nichtaufschmelzenden Temperaturprozess wieder entfernt wird.
  22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (13) mit einem Halbleitermaterial erzeugt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Halbleitermaterial Silizium ist.
  24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Implantation (14) von Gitteranpassungsatomen (12) das kurzzeitige Aufschmelzen (15) und das epitaktische Abscheiden der Schicht (13) einmal oder mehrmals wiederholt wird.
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