DE2430859B2 - 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 Borverarrnung auf,
wobei das Bor danach strebt, sich in der aufwachserden
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 Siliciumberciche. 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 Verfahrenssohritten hohen Temperaturen ausgesetzt, insbesondere
auch einer thermischen Oxidation unterworfen. Der während eines solchen thermischen Oxidationsverfah*
rensschrittes bedingte Borverarmungseffekt liegt dabei im Widerstreit mit der Erfordernis, daß das verbleibende poiyki istalline 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 vährend des
thermischen Oxidationsvorganges durch Abgabe an die aufwachsende Oxidschicht dem Siliciumkcrper entzogen wird. Durch geeignete Auswahl empirisch zu
ermittelnder Prozeßparameter läßt sich der verbleibende Boranteil im polykristallinen Silicium bei Beendigung
υ 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 Silicium 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
Fig. 1 eine graphische Darstellung, aus der die
Abhängigkeit des mittleren spezifischen Widerstands bei Silicium von tier 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.
Eine typische Verfahrensweise für die in-situ· Bordotierung des polykristallinen Siliciums ist folgende:
5% SiH4 in N2 bei einer Mischungsdurchflußrate von
« 350 cmVmin, 0.05% BjH6 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 Siliciumnisderscirltg. 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
■»■>
erfindiings?emäßen Dotierungsvorgang bei Anwachsen der Bor konzentrator! im Silicium über die Löslichkeitsgrenze hinaus ebenfalls ein Anwachsen des spezifischen
elektrischen Widerstandes zu verzeichnen.
Die graphische Darstellung nach F i g. 1 zeigt den
1M 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
v, spezifische Widerstand des Bor-dotierten Siliciums wie
erwartet abnimmt, wenn das Bor7Siliciumverhältnis 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-ZSiliciumverhältnis über den Wert 1:18 hinaus
anwächst, zeigt sich, daß der spezifische Widerst ind des polykristallinen Siliciums, wie aus Fig. 1 hervoigeht,
ebenfalls wieder ansteigt. Es läßt sich vorstellen, daß
sich bei relativ hohen Bor-/Siliciumverhältnissen Borsilicjd
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 6OO-cm3/min hergestellt worden
sind und dem der Kurve nach F i g. 1 zugrunde liegenden Beispiel entsprechen. Hierbei hat sich gezeigt, daß unter
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 ir>
600cm3/min hergestellt und thermiscner 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 .'o
Oxid unter thermischer Oxidation polykristallinen Siliciums gebildet wird, das über die Löslichkritsgrenze
hinausreichendes Überschuß-Bor enthält und daß der pro verbrauchte Siliciumeinheit hervorgegangene Anteil
an Oxid in den im Oberschuß dotierten Proben 2'>
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 in
anhand der Kurvenschar nach F ί g. 2 darlegen. So ist die Kurve 1 in Fig.2 von Meßwerten des spezifischen
Wirferstands bei einer Anzahl von Proben abgeleitet, von denen jede in einem vertikalen zylindrischen Gefäß
unter pyrolitischem Niederschlag unter Anwenden r>
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 to 1600cm3/min hergestellt worden. Die anderen Prozeßparamenter
waren wie folgt:
SiH4 (5% in N2) bei 500 cmVmin.
Hjbei 65 l/min, 4-,
Hjbei 65 l/min, 4-,
Prozeßtemperatur etwa 9300C,
Niederschlagszeitdauer von 30 min.
Niederschlagszeitdauer von 30 min.
Die Kurve 1 liegt zwischen den gemessenen Werten des spezifischen Widerstands dieser drei Proben, von in
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 ή
Proben einer 7,5 min dauernden thermischen Oxidation unter Temperaturen von etwa 10500C 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 Zeildauer 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 BjHe-Durchflußraten auf. Für
jeden Prozeß zur Herstellung monolithisch integrierter Halbleiterschaltungen, bei denen öjermische 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 Bordotierungs-Durchflußraten von
etwa 700cmVmin, 900cm3/min und lOOOcmVmin zum
Erzielen eines minimalen spezifischen Widerstands ausgewählt werden sollten, wenn die Behandlungszeitdauer
thermischer Oxidation 73; 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
SiH4, BjHb 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 Frozeßparametern für Schichtniederschlag mit gleichzeitiger Dotierung hergestellt
sind. Zur Beurteilung der verschiedenen Einflüsse auf die Proben läßt sich tier spezifische Widerstand auch als
Funktion der SiH4-Mischungsdi>rchfluBrate anstatt \.i
Abhängigkeit von der B^He-Mischungsdurchflußrate
auftragen, wenn nur die anderen Niederschlagsparameter 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 aberschritten 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 SiK4,BiH6 und H2 bestehenden
Atmosphäre im Temperaturbereich von 750 bis 950" C 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. Verff.Ven nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die polykristalline Schicht mit Wasserdampf oxidiert wirä
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