DE10053463A1 - Halbleitersubstrat und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Halbleitersubstrat und Verfahren zu dessen Herstellung

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Abstract

Ein Graben wird in einem Siliziumsubstrat gebildet, und eine Epitaxialschicht wird auf dem Substrat und in dem Graben gebildet. Nachdem ein Teil der um einen Öffnungsabschnitt des Grabens herum gebildeten Epitaxialschicht geätzt worden ist, wird eine andere Epitaxialschicht auf dem Substrat und in dem Graben gebildet. Dementsprechend kann der Graben mit den Epitaxialschichten vollständig gefüllt werden. Danach wird die Oberfläche des Substrats abgeflacht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Substratverarbeitungstechnik zur Bildung eines Halbleiter­ elements.
Um wie in Fig. 18 dargestellt eine Dotierungsschicht (doping layer) 101 gleichförmig in Richtung einer Tiefe an einer gewünschten Position in einem Siliziumsubstrat 100 zu bilden, wird nicht nur die Aufmerksamkeit auf eine Substratstruktur gerichtet, welche beim Verringern eines Durchlasswiderstands einer in dem US-Patent 5,438,215 of­ fenbarten MOS-Anordnung mit einer hohen Halte- bzw. Aushal­ tespannung (withstand voltage) wirksam ist, sondern es ist ebenfalls wirkungsvoll eine hohe Integration in Richtung der Tiefe unter wirksamer Verwendung der Richtung der Tiefe des Substrats zu ermöglichen.
Als Verfahren zur Bildung der Dotierungsschicht 101 ist es denkbar die Dotierungsdiffusion von der Oberfläche aus zu verwenden, oder es ist ein Verfahren der Dotierungsio­ nenimplantierung (dopant diffusion implantation) und der Wärmebehandlung denkbar, welche herkömmlicherweise im all­ gemeinen bei einem Siliziumhalbleiterprozess verwendet wird. Jedoch wird die Tiefe B der Dotierungsschicht 101 durch die Diffusionsrate der Dotierungsstörstelle bzw. - verunreinigung gesteuert. Somit ist es bei einer allgemein verwendeten Wärmebehandlung möglich lediglich die Dotie­ rungsschicht 101 mit einer Tiefe von mehreren µm von der Oberfläche aus zu bilden. Da nebenbei die Diffusion der Dotierungssubstanz isotrop fortschreitet, schreitet die Diffusion nicht nur in der Richtung der Tiefe fort sondern ebenfalls in der seitlichen bzw. lateralen Richtung fort, und es wird enventuell die Dotierungsschicht 101 erlangt, welche eine seitliche Ausdehnung A vergleichbar mit derje­ nigen der Tiefe besitzt. Somit überschreitet bei der Dotie­ rungsschichtbildung durch die herkömmliche Wärmediffusion ein Seitenverhältnis (= B/A) im Prinzip nicht den Wert "1", und es ist die Struktur bei der Bildung einer Anordnung beschränkt.
Andererseits wird in der Druckschrift "A new generation of high power MOSFETs breaks the limit line of silicon" IEDM98 Proc. (1998) von G. Deboy et al. das folgende vorge­ schlagen. D. h. es wird zuerst wie in Fig. 19A und 19B dargestellt eine Epitaxialschicht 111a auf einem Substrat 110 durch epitaxiales Aufwachsen gebildet, und es wird wie in Fig. 19C dargestellt eine Dotierungsschicht 112 durch partielle Dotierungsionenimplantierung mit Fotolithographie und einer Wärmediffusionsbehandlung gebildet. Als nächstes werden wie in Fig. 20A und 20B dargestellt das epita­ xiale Aufwachsen, die partielle Ionenimplantierung und die Wärmediffusionsbehandlung wiederholt. Als Ergebnis wird wie in Fig. 20C dargestellt eine Dotierungsschicht 112, welche sich in Richtung der Tiefe erstreckt, gebildet. Da entspre­ chend diesem Verfahren die Tiefe der gebildeten Dotierungs­ schicht (der Dotierungsschicht, welche sich in Richtung der Tiefe erstreckt) 112 durch die Dicke des epitaxialen Auf­ wachsens bestimmt wird, wird sie nicht durch die Diffusi­ onslänge der Dotierungssubstanz gesteuert.
Da jedoch die Ausdehnung in die seitliche Richtung durch die Diffusionslänge in einer Diffusionsbehandlung gesteuert wird, wird die seitliche Ausdehnung, welche äqui­ valent zu der Schichtdicke eines epitaxialen Aufwachsens ist, zu einer Verarbeitungsgrenze. Somit ist es in dem Fall, bei welchem die Bildung eines tieferen Profils ge­ wünscht wird, hinreichend, wenn die epitaxiale Schichtdicke erhöht wird. Um jedoch die Ausdehnung in die seitliche Richtung zu unterdrücken, ist es nötig die Dicke eines epitaxialen Aufwachsens zu verringern. Als Ergebnis wird die Anzahl von Malen des epitaxialen Aufwachsens und der Diffusionsbehandlung der Dotierungssubstanz erhöht, und es erhöhen sich die Herstellungskosten eines Substrats.
Ferner ist ein in der EP-A-53854 vorgeschlagenes Verar­ beitungsverfahren in Fig. 21A bis 21C dargestellt. Zu­ erst werden wie in Fig. 21A und 21B dargestellt Gräben 121 in einem Substrat 120 gebildet, und es wird wie in Fig. 21C dargestellt eine Epitaxialschicht 122 einer gewünschten Dotierungskonzentration in jeden Graben 121 gefüllt. Bei diesem Verarbeitungsverfahren kann eine Substratbildung durch einen Grabenbildungsschritt und einen Schritt des epitaxialen Aufwachsens durchgeführt werden, und die Anzahl von Schritten ist klein, und es wird erwartet, dass der Durchsatz verbessert ist. Da des weiteren die Form eines Dotierungsschicht nahezu mit einer Grabenform überein­ stimmt, ist es denkbar, dass eine willkürliche Form mit einem großen Seitenverhältnis im Vergleich mit dem vorste­ henden Verfahren des Wiederholens des epitaxialen Aufwach­ sens und der Dotierungsdiffusion mehrere Male gebildet werden kann.
Es können jedoch wie erwartet große Schwierigkeiten in dem Fall eines Graben füllenden epitaxialen Aufwachsens, eines hohlraumfreien, Graben füllenden epitaxialen Aufwach­ sens, eines fehlerfreien epitaxialen Aufwachsens und einer hohen Steuerbarkeit der Dotierungskonzentration auftreten. Demgegenüber wurde unter den gegenwärtigen Umständen ein Studium des Graben füllenden epitaxialen Aufwachsens nicht hinreichend durchgeführt, und es sind geeignete Maßnahmen gegenüber diesen Schwierigkeiten und ein Herstellungsver­ fahren nicht klar.
Ferner gibt es ein selektives epitaxiales Verfahren wie eine epitaxiale Aufwachstechnik ähnlich dem Graben füllen­ den epitaxialen Aufwachsen. Das selektive epitaxiale Ver­ fahren ist ein Verfahren, bei welchem wie in Fig. 22A und 22B dargestellt eine Oxidschicht 131 mit Öffnungsab­ schnitten 132 auf einem Substrat 130 angeordnet wird und wie in Fig. 22C dargestellt Epitaxialschichten 133 ledig­ lich auf Abschnitten aufwachsen, an denen die Oberfläche des Siliziumsubstrats 130 bloßgelegt ist. Somit wird even­ tuell die Struktur erlangt, bei welcher die Epitaxial­ schichten 133 in die Öffnungsabschnitten 132 der Oxid­ schicht gefüllt sind. Die selektive Epitaxialtechnik zielt darauf ab eine derartige Struktur zu bilden, bei welcher die Epitaxialschichten 133 als Anordnungsbildungsgebiete eines CMOS und die Oxidschicht 131, welche eine Maske dar­ stellt, als Elementetrennungsgebiete gebildet werden. Eben­ falls wurde bei dem selektiven epitaxialen Aufwachsen das hohlraumfreie, Graben füllende und fehlerfreie epitaxiale Aufwachsen als die hauptsächlichen technischen Schwierig­ keiten erkannt bzw. untersucht.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Schwierigkeiten gemacht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte Struktur für ein Halbleitersubstrat zu schaffen, welches eine Halblei­ terschicht aufweist, die sich in Richtung der Tiefe des Halbleitersubstrat mit einem gleichförmigen Konzentrations­ profil erstreckt, und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.
Entsprechend einem ersten Gesichtspunkt der vorliegen­ den Erfindung besitzt ein Halbleitersubstrat einen Graben, welcher eine erste Breite an dem Boden davon und eine zwei­ te Breite an einem Öffnungsabschnitt davon besitzt, die größer als die erste Breite ist. Der Graben ist mit einer Halbleiterschicht gefüllt, die eine Dimension bzw. Abmes­ sung in einer Richtung einer Linie normal zu einer Oberflä­ che des Halbleitersubstrats besitzt, die größer als eine seitliche Dimension bzw. Abmessung davon ist, welche eine Dimension in einer seitlichen Richtung auf einer willkürli­ chen bzw. beliebigen Ebene parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats ist, welche den Graben schneidet.
Entsprechend einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegen­ den Erfindung besitzt ein Halbleitersubstrat eine Halblei­ terschicht, welche in einem Graben gefüllt ist und eine Dimension in Richtung einer Linie normal zu einer Oberflä­ che des Halbleitersubstrats besitzt, die größer als eine seitliche Dimension davon ist, welche eine Dimension in eine seitliche Richtung auf einer willkürlichen Ebene par­ allel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats ist, welche den Graben schneidet. Des weiteren ist ein leitfähiges Material in die Halbleiterschicht in den Graben zum Aufnah­ me eines Potentials der Halbleiterschicht gefüllt.
Entsprechend einem dritten Gesichtspunkt der vorliegen­ den Erfindung wird ein Halbleitersubstrat hergestellt durch Bilden eines Grabens in einem Halbleitersubstrat; durch Bilden einer ersten Epitaxialschicht auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats und in dem Graben; durch Ätzen eines Teils der ersten Epitaxialschicht und durch Bilden einer zweiten Epitaxialschicht in dem Graben derart, dass der Graben mit den ersten und zweiten Epitaxialschichten gefüllt wird.
Entsprechend einem vierten Gesichtspunkt der vorliegen­ den Erfindung wird ein Halbleitersubstrat hergestellt durch Bilden eines Grabens; Füllen einer amorphen Halbleiter­ schicht in den Graben; zum Einkristall Kristallisieren (single-christallizing) der amorphen Halbleiterschicht durch eine Festkörperphasenreaktion (solid phase reaction); und Abflachen der Oberfläche des Halbleitersubstrats.
Entsprechend einem fünften Gesichtspunkt der vorliegen­ den Erfindung wird ein Halbleitersubstrat hergestellt durch Bilden eines Grabens; Bilden einer Epitaxialschicht auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats und in dem Graben; Bilden einer Schicht eines leitfähigen Materials auf der Epitaxialschicht derart, dass die Schicht des leitfähigen Materials in die Epitaxialschicht in den Graben gefüllt ist; und Abflachen der Oberfläche des Halbleitersubstrats.
Entsprechend einem sechsten Gesichtspunkt der vorlie­ genden Erfindung wird ein Halbleitersubstrat hergestellt durch Bilden eines Grabens mit einer ersten Tiefe in einem Halbleitersubstrat; Bilden einer Epitaxialschicht auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats und in dem Graben; und Entfernen der Epitaxialschicht auf der Oberfläche des Halb­ leitersubstrats und eines Oberflächenabschnitts des Halb­ leitersubstrats derart, dass der Graben eine zweite Tiefe besitzt, welche kleiner als die erste Tiefe ist und voll­ ständig mit der Epitaxialschicht gefüllt ist.
Entsprechend einem siebenten Gesichtspunkt der vorlie­ genden Erfindung wird eine Beziehung von B/α < F/2β er­ füllt, wenn eine Epitaxialschicht zur Füllung eines Grabens gebildet wird, wobei:
α eine erste Aufwachsrate der Epitaxialschicht auf dem Boden des Grabens ist;
β eine zweite Aufwachsrate der Epitaxialschicht auf der Seite des Grabens ist;
F eine Breite eines Öffnungsabschnitts des Grabens ist; und
B eine Tiefe des Grabens ist.
Somit stellt die vorliegende Erfindung verschiedene Konstruktionen für ein Halbleitersubstrat, welches eine Halbleiterschicht aufweist, die sich in Richtung der Tiefe des Substrats mit einem gleichförmigen Konzentrationsprofil mit einem großen Seitenverhältnis erstreckt, und ein Ver­ fahren zur Herstellung des Halbleitersubstrats effizient ohne Erzeugen irgendwelcher Hohlräume, Kristalldefekte und dergleichen bereit.
Die vorliegenden Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
Fig. 1A bis 1D und 2A bis 2D zeigen Querschnittsan­ sichten, welche jeweils ein Halbleitersubstrat zur Erklä­ rung einer ersten bevorzugten Ausführungsform schrittweise darstellen;
Fig. 3 zeigt einen Graphen, welcher eine Aufwachsrate einer Epitaxialschicht relativ zu einer Schichtbildungstem­ peratur als Beispiel darstellt;
Fig. 4 zeigt einen Graphen, welcher eine HCl-Ätzrate relativ zu einer Substrattemperatur als Beispiel darstellt;
Fig. 5A bis 5C und 6A bis 6C zeigen Querschnittsan­ sichten, welche jeweils ein Halbleitersubstrat zum Erklären einer zweiten bevorzugten Ausführungsform schrittweise darstellen;
Fig. 7A bis 7D und 8A bis 8C zeigen Querschnittsan­ sichten, welche jeweils ein Halbleitersubstrat zum Erklären einer dritten bevorzugten Ausführungsform schrittweise darstellen;
Fig. 9A bis 9C zeigen Querschnittsansichten, welche jeweils ein Halbleitersubstrat zum Erklären einer vierten bevorzugten Ausführungsform schrittweise darstellen;
Fig. 10 zeigt eine Querschnittsansicht, welche ein Halbleitersubstrat zum Erklären einer fünften bevorzugten Ausführungsform darstellt;
Fig. 11A bis 11D zeigen Querschnittsansichten, wel­ che jeweils ein Halbleitersubstrat zum Erklären einer sech­ sten bevorzugten Ausführungsform schrittweise darstellen;
Fig. 12A bis 12D und 13A bis 13D zeigen Quer­ schnittsansichten, welche jeweils ein Halbleitersubstrat zum Erklären einer siebenten bevorzugten Ausführungsform schrittweise darstellen;
Fig. 14A und 14B zeigen Querschnittsansichten, wel­ che jeweils ein Halbleitersubstrat zum Erklären einer ach­ ten bevorzugten Ausführungsform schrittweise darstellen;
Fig. 15A und 15B zeigen Querschnittsansichten, wel­ che Halbleitersubstrate zum Erklären einer neunten bevor­ zugten Ausführungsform darstellen;
Fig. 16A bis 16D zeigen Querschnittsansichten, wel­ che jeweils ein Halbleitersubstrat zum Erklären einer zehn­ ten bevorzugten Ausführungsform schrittweise darstellen;
Fig. 17A und 17B zeigen Querschnittsansichten, wel­ che ein Halbleitersubstrat zum Erklären einer elften bevor­ zugten Ausführungsform darstellen;
Fig. 18 zeigt eine Querschnittsansicht, welche ein Halbleitersubstrat zum Erklären eines herkömmlichen Verfah­ rens darstellt;
Fig. 19A bis 19C und 20A bis 20C zeigen Quer­ schnittsansichten, welche jeweils ein Halbleitersubstrat zum Erklären eines herkömmlichen epitaxialen Aufwachsver­ fahren darstellen;
Fig. 21A bis 21C zeigen Querschnittsansichten, wel­ che jeweils ein Halbleitersubstrat zum Erklären eines her­ kömmlichen Epitaxialverfahrens bezüglich eines Grabens darstellen; und
Fig. 22A bis 22C zeigen Querschnittsansichten, wel­ che jeweils ein Halbleitersubstrat zum Erklären eines her­ kömmlichen selektiven epitaxialen Aufwachsens schrittweise darstellen.
Erste Ausführungsform
Nachfolgend wird eine erste Ausführungsform unter Be­ zugnahme auf Fig. 1A bis 1D und 2A bis 2D beschrieben.
Zuerst wird eine Struktur eines Halbleitersubstrats dieser Ausführungsform beschrieben. Wie in Fig. 2D darge­ stellt sind Gräben 2 in einem Siliziumsubstrat (einem ein­ kristallinen Siliziumsubstrat) 1 gebildet, welches ein Halbleitersubstrat bildet, und die Gräben 2 sind mit einer einkristallinen Siliziumschicht 3 gefüllt. Die einkri­ stalline Siliziumschicht 3 wird durch (auf)füllendes epita­ xiales Aufwachsen gebildet. Dabei ist das Siliziumsubstrat 1 ein N-Typ Siliziumsubstrat, und die einkristalline Sili­ ziumschicht 3 ist eine P-Typ Dotierungsschicht (doping layer). Somit ist ein PN-Übergang an einer Schnittstelle zwischen dem Substrat 1 und der Dotierungsschicht 3 gebil­ det, und dadurch wird es möglich eine hohe Integration einer Anordnung in Richtung der Tiefe zu erzielen. Hiernach wird die einkristalline Siliziumschicht 3 als Dotierungs­ schicht bezeichnet. Die Leitfähigkeitstypen des Silizium­ substrats 1 und der Dotierungsschicht 3 können umgekehrt werden (das Substrat 1 ist ein P-Typ, und die Dotierungs­ schicht 3 ist ein N-Typ). Bezüglich der Größe der Dotie­ rungsschicht 3 ist eine Dimension bzw. Abmessung B in Rich­ tung einer Linie normal zu der Oberfläche des Substrats größer als eine Dimension bzw. Abmessung A in eine seitli­ che Richtung auf einer willkürlichen bzw. beliebigen Ebene parallel zu der Oberfläche des Substrats, welche die Gräben 2 schneidet. Des weiteren wird die Dotierungsschicht 3 mit einer in die Gräben 2 gefüllten Epitaxialschicht gebildet, um wie später beschrieben eine gewünschte Dotierungskonzen­ tration zu besitzen, und besitzt ein in Richtung der Tiefe gleichförmiges Konzentrationsprofil.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Halbleitersubstrats beschrieben.
Zuerst wird wie in Fig. 1A dargestellt das einkri­ stalline Siliziumsubstrat 1 bereitgestellt bzw. vorberei­ tet. Danach wird wie in Fig. 1B dargestellt eine Silizium­ oxidschicht 4, welche zu einer Ätzmaske wird, auf der obe­ ren Oberfläche des einkristallinen Siliziumsubstrats 1 gebildet, und nachdem ein Resistmaterial aufgebracht worden ist, werden Öffnungsabschnitte 4a an gewünschten Gebieten durch Fotolithographie gebildet. D. h., es werden Öffnungen an Grabenbearbeitungspositionen gebildet. Obwohl das Ätzen dieser Oxidschicht ein Trockenätzen oder ein Nassätzen sein kann, wird das Trockenätzen im Hinblick auf ein Durchführen einer Bearbeitung bzw. Verarbeitung mit hoher Genauigkeit bevorzugt.
Des weiteren werden wie in Fig. 1C dargestellt die Grä­ ben 2 in dem einkristallinen Siliziumsubstrat 1 unter Ver­ wendung der Siliziumoxidschicht 4 als Maske und unter Durchführung eines anisotropen Trockenätzens von den Öff­ nungsabschnitten 4a aus gebildet. Bezüglich dieses Trockenätzens wird ein RIE- (Reactive Ion Etching) Verfah­ ren, welches üblicherweise in einem Halbleiterprozess ver­ wendet wird, zum Ätzen des Siliziumsubstratgebiets in eine Vertikalrichtung verwendet.
Obwohl bezüglich der Grabenbearbeitung der anisotrope Ätzprozess durch Trockenbehandlung verwendet wird, kann ein anisotroper Ätzprozess durch Nassbehandlung verwendet wer­ den. In dem Fall, bei welchem die Grabenbildung durch Nass­ ätzen durchgeführt wird, wird eine in dem Öffnungsabschnitt 4a der Oxidschicht 4 gebildete natürliche Oxidschicht vor­ ausgehend durch Verwaschen (washing) unter Verwendung einer HF-Lösung oder dergleichen entfernt, und danach wird ein Grabenätzen durch eine TMAH-Lösung durchgeführt. Das ani­ sotrope Ätzen durch die TMAH-Lösung verwendet eine derar­ tige Charakteristik, bei welcher eine Ätzrate sich entspre­ chend den christallographischen Ebenenausrichtungen des Siliziumsubstrats 1 unterscheidet. Daher wird zum Zwecke des Durchführens der Grabenbearbeitung mit einem größeren Seitenverhältnis ein Si- (111) Substrat verwendet, und eine Grabenseite wird auf eine Si- (110) Ebene festgelegt, so dass eine Seitenverhältnisbearbeitung mit einer Selektivi­ tät (1 : 60) der Si- (110) Ebene und der Si- (111) Ebene erreicht werden kann. Als Ätzlösung kann eine KOH-Lösung zusätzlich zu der TMAH-Lösung ebenfalls verwendet werden.
Nachdem wie in Fig. 1D dargestellt die Oxidschicht 4 als Maske entfernt worden ist, wird darauffolgend wie in Fig. 2A dargestellt ein epitaxiales Aufwachsen durchge­ führt, so dass eine Epitaxialschicht 5 auf dem Substrat 1 einschließlich der Innenseite des Grabens 2 gebildet wird (die Epitaxialschicht 5 zum Auffüllen wird innerhalb der Gräben 2 gebildet). Detailliert dargestellt, vor der Schichtbildungsbehandlung wird die Oberfläche des Substrats einschließlich der Innenseiten der Gräben 2 gereinigt. Bei dieser Reinigungsbehandlung ist es wirksam eine natürliche Oxidschicht durch die HF-Lösung zu entfernen. In dem Fall, bei welchem die Grabenbildung unter Trockenätzen durchge­ führt wird, gibt es dabei einen Fall, bei welchem reaktive Produkte an den Innenseiten der Gräben haften. Daher ist es in diesem Fall wirksam, ein Verwaschen mit Schwefelsäure (H2SO4), einer Wasserstoffperoxidlösung (einer H2O2-Lösung) durchzuführen und danach ein Verwaschen mit der HF-Lösung durchzuführen. Bei dem Verwaschen mit der HF-Lösung ist es ebenfalls möglich die Maskenoxidschicht 4 zu entfernen, welche für die Grabenbildung verwendet wird, und Fig. 1D stellt diesen Fall dar.
Des weiteren wird es bevorzugt, dass nachdem das verwa­ schene Substrat 1 in eine LP-CVD-Kammer eingeführt worden ist, eine Wärmebehandlung unter einem geringen Druck in einer Wasserstoffgasatmosphäre derart durchgeführt wird, so dass die natürliche Oxidschicht auf der Oberfläche des Substrats 1 auf eine weiter verbesserte Reinheit entfernt wird. Als wärmebehandlungsbedingungen werden beispielsweise ein Vakuumdruck von 600 bis 10 Torr, eine H2-Fließrate von 20 bis 50 Litern pro Minute, eine Substrattemperatur von 800 bis 1150°C und eine Behandlungszeit von 1 bis 10 Minu­ ten verwendet. Nebenbei bemerkt, bei dieser Schichtbil­ dungsbehandlung der Epitaxialschicht 5 wird in einem Zu­ stand, bei welchem die Oberfläche des Substrats 1 einem Schichbildungsgas ausgesetzt ist, welches wenigstens ein Schichtbildungsmaterialelement enthält, das Substrat 1 auf einer willkürlichen Temperatur gehalten (es ist dieselbe wie bei der Schichtbildung von anderen Epitaxialschichten).
Als nächstes wird wie in Fig. 2C dargestellt eine Epi­ taxialschicht 6 gebildet. Die Schichtbildungsrate, welche von der Balance zwischen Gastransportphänomenen und einer chemischen Reaktion abhängt, könnte durch eine Schichtbil­ dungstemperatur gesteuert werden. Das Verhalten der Schichtbildungsrate in Bezug auf die Bildungstemperatur ist in Fig. 3 dargestellt. Für den hohlraumfreien Füllprozess wird es erwünscht eine geringere Temperaturschichtbildungs­ bedingung zu wählen (Gastransportphänomene << chemische Reaktion). Jedoch besitzt die unter niedriger Temperatur gebildete Schicht eine Menge von Kristalldefekten. Danach ist es wichtig die Schichtbildungstemperatur für das Graben füllende epitaxiale Aufwachsen zu wählen. Ein Beispiel von Schichtbildungsbedingungen ist derart, dass in dem Fall, bei welchem SiH4 als Schichtbildungsgas verwendet wird, ein Vakuumdruck von 600 bis 10 Torr, eine H2-Fließrate von 20 bis 50 Litern pro Minute, eine SiH4-Fließrate von 0,2 bis 0,5 Liter pro Minute und eine Substrattemperatur von 700 bis 1150°C verwendet werden.
Obwohl die Epitaxialschichten 5 und 6 von sowohl dem Boden als auch der Seite der Gräben 2 epitaxial aufwachsen, wenn die Schichtdicke erhöht wird, tritt passend ein Blockieren der Öffnungsabschnitte der Gräben 2 auf. Daher wird vor dem epitaxialen Aufwachsen entsprechend Fig. 2C wie in Fig. 2B dargestellt und nach der Schichtbildung der Epitaxialschicht 5 die Epitaxialschicht 5 um die Öffnungs­ abschnitte der Gräben 2 herum durch Einführung von HCL-Gas geätzt. Als Beispiel von Schichtbildungsbedingungen werden ein Vakuumdruck von 600 bis 10 Torr, eine H2-Fließrate von 20 bis 50 Litern pro Minute, eine HCL-Fließrate von 0,5 bis 1 Liter pro Minute und eine Substrattemperatur von 700 bis 1150°C verwendet.
Da es zu dieser Zeit nötig ist die Epitaxialschicht 5 um die Öffnungsabschnitte herum insbesondere selektiv zu ätzen und den Ätzbetrag der Epitaxialschicht 5 an dem Boden der Gräben 2 zu verringern, wird ein Ätzen unter einem Zustand des Steuerns der Zufuhrrate mit hoher Temperatur erwünscht. D. h. bei der Ätzbehandlung der Epitaxialschicht 5 wird das Substrat 1 auf einer willkürlichen Temperatur gehalten, bei welcher die Ätzreaktion ein Prozess des Steu­ erns der Zufuhrrate in dem Zustand wird, bei welchem die Oberfläche des Substrats 1 wenigstens dem Ätzgas ausgesetzt wird.
Insbesondere könnte wie in Fig. 4 dargestellt die Ätz­ rate, welche ebenfalls von der Balance zwischen den Gastransportphänomenen und einer chemischen Reaktion ab­ hängt, durch eine Behandlungstemperatur gesteuert werden. Für eine Öffnung der blockierten Epitaxialschicht wird es erwünscht eine höhere Temperaturätzbedingung (Gastransportphänomene << chemische Reaktion) von bei­ spielsweise 1100°C oder mehr zu wählen. Des weiteren be­ sitzt die unter einer hohen Temperatur durchgeführte Ätzbe­ handlung ebenfalls den Vorteil, dass die Ätzrate hoch ist und der Durchsatz verbessert ist. Sogar wenn bezüglich des Ätzens der Öffnungsabschnitte H2-Gas anstatt von HCl-Gas verwendet wird, übt das H2-Gas das Ätzen auf die Silizium­ schicht aus, und es wird erwünscht die hohe Temperaturbe­ dingung (Gastransportphänomene << chemische Reaktion) ähn­ lich wie in dem Fall des HCL-Ätzens zu verwenden. Diese Ätzbehandlung durch HCL oder H2 kann durch Einführen von Gas in die LP-CVD-Kammer zur Epitaxialschicht 5 durchge­ führt werden. Daher kann die Verbesserung des Durchsatzes ebenfalls im Hinblick darauf erwartet werden, dass die Ätzbehandlung kontinuierlich mit der Schichtbildungsbehand­ lung durchgeführt werden kann.
Nachdem die Epitaxialschicht 5 um die Öffnungsabschnit­ te des Grabens 12 wie in Fig. 2C dargestellt geätzt worden ist, wird auf ähnliche Weise die Epitaxialschicht 6 gebil­ det. Dementsprechend wird das Füllvermögen (filling proper­ ty) verbessert. In einem Fall, bei welchem die Grabenöff­ nungsabschnitte blockiert werden und die Bildung von Hohl­ räumen ebenfalls bei dem zweiten epitaxialen Aufwachsen auftritt, werden der HCL-Ätzschritt für die Epitaxial­ schicht 6 und der Schritt des epitaxialen Aufwachsen wie­ derum wiederholt, um das Füllvermögen zu verbessern.
Nachdem das (auf)füllende epitaxiale Aufwachsen durch­ geführt worden ist, werden danach die Oberflächen der epi­ taxialen Schichten 5 und 6 auf dem Substrat 1 abgeflacht, und wie in Fig. 2D dargestellt werden auf den Gräben 2 verbliebene abgestufte Abschnitte entfernt. Ein CMP-Schritt (CMP: Chemical Mechanical Polish) wird für das Abflachen bzw. Ebnen angenommen. In dem CMP-Schritt gibt es zusätz­ lich zu dem Abflachen der Oberfläche einen Effekt Teile der Epitaxialschicht, welche eine schlechtere Kristallinizität (crystallinity) besitzen, in der Nähe der jeweiligen Gra­ benöffnungsabschnitte zu entfernen. Zusätzlich zu dem CMP (Polieren) kann ein Abflachen durch ein Rückätzverfahren mit einer Trockenätzbehandlung durchgeführt werden.
Die Struktur der durch die oben beschriebenen Verarbei­ tungsschritte gebildeten Dotierungsschicht (Dotierungsschicht, welche sich in Richtung der Tiefe er­ streckt) unterscheidet sich von derjenigen, welche durch ein herkömmliches Verfahren wie eine thermische Diffusion von der Oberfläche aus gebildet wird. Wie in Fig. 2D darge­ stellt ist es möglich die Dotierungsschicht 3 mit einem großen Seitenverhältnis zu bilden, welches der Beziehung genügt, dass ein Verhältnis "B/A" der Dimension B der Aus­ dehnung in Richtung der Linie normal (Richtung der Tiefe) zu der Substratoberfläche zu der Dimension A der seitlichen Ausdehung auf einer willkürlichen Ebene parallel zu der Oberfläche des Substrats, welche die Halbleiterschicht (Dotierungsschicht) 3 schneidet, größer als "1" ist. Unter Verwendung des in Fig. 2D dargestellten Halbleitersubstrats kann beispielsweise eine MOS-Anordnung eines Hochleistungs- MOSFET's wie in dem US-Patent 5,438,215 offenbart gebildet werden.
Gleichermaßen besitzt diese Ausführungsform die folgen­ den Merkmale:
Nachdem die Gräben 2 in dem Siliziumsubstrat 1 gebildet worden sind, wird die Epitaxialschicht 5 auf dem Substrat 1 einschließlich der Innenseiten der Gräben 2 durch das epi­ taxiale Aufwachsverfahren gebildet, und des weiteren werden eine Ätzbehandlung eines Teils der Epitaxialschicht 5 und die Schichtbildungsbehandlung der Epitaxialschicht 6 einmal oder mehrmals durchgeführt, um die Innenseiten der Gräben 2 mit den überlappten epitaxialen Schichten 5 und 6 zu fül­ len, und schließlich werden die Oberflächen der epitaxialen Schichten 5 und 6 auf dem Substrat 1 abgeflacht.
Dabei wird die Epitaxialschicht 5, welche zuerst (direkt) in dem Graben epitaxial aufgewachsen ist, als erste Epitaxialschicht bezeichnet, und es wird die Epita­ xialschicht 6, welche nach der Bildung der ersten Epita­ xialschicht epitaxial aufgewachsen ist, als die zweite Epitaxialschicht bezeichnet. In diesem Fall werden die Bildung der ersten Epitaxialschicht, das Ätzen des Teils der ersten Epitaxialschicht um den Öffnungsabschnitt herum und das Bilden der zweiten Epitaxialschicht jeweils wenig­ stens einmal bei dieser Ausführungsform durchgeführt. Je­ doch kann nach der Bildung der zweiten Epitaxialschicht das Ätzen von wenigstens der ersten Epitaxialschicht oder der zweiten Epitaxialschicht, welche den Öffnungsabschnitt des Grabens verschmälert, und die Bildung der zweiten Epita­ xialschicht einmal oder mehrmals wiederholt werden, um das Füllen des Grabens mit der ersten Epitaxialschicht und der zweiten Epitaxialschicht ohne irgendwelche Hohlräume zu beenden.
Somit werden unter Durchführung der Ätzbehandlung des Teils der Epitaxialschicht 5 die Öffnungsabschnitte der Gräben 2 verbreitert, und es wird die Schichtbildung der Epitaxialschicht 6 in diesem Zustand durchgeführt. Somit wird ein Blockieren der Öffnungsabschnitte unterdrückt, und es können die Hohlräume verringert werden. Da die Ätzbe­ handlung des Teils der Epitaxialschicht 5 und die Schicht­ bildungsbehandlung der Epitaxialschicht 6 mehrere Male entsprechend dem (auf)gefüllten Zustand durchgeführt wer­ den, wird das Füllvermögen weiter verbessert. Obwohl Dar­ über hinaus abgestufte Abschnitte auf der Oberfläche des Substrats 1 nach dem Graben füllenden epitaxialen Aufwach­ sen gebildet worden sind, kann ein Nachteil bei der Anord­ nungsbildung in einem nachfolgenden Schritt unter Durchfüh­ rung der Abflachungsbehandlung vermieden werden.
Bei der Ätzbehandlung der Epitaxialschicht 5 wird eine Gasphasenätzaktion von Wasserstoffchlorid oder Wasserstoff in einer Atmosphäre verwendet, welche Wasserstoffchlorid oder Wasserstoff enthält. Somit wird die chemische Ätztre­ aktion der Siliziumschicht durch Wasserstoffchlorid oder Wasserstoff für die Ätzbehandlung der Epitaxialschicht 5 verwendet, so dass ein Teil, welcher die Öffnungsabschnitte blockiert, unter einer geringen Beschädigung entfernt wer­ den kann.
Da die Schichtbildungsbehandlung der Epitaxialschicht 5 und die Ätzbehandlung der Epitaxialschicht 5 kontinuierlich in derselben Schichtbildungsvorrichtung durchgeführt wer­ den, kann die optimale Substrattemperatur bei jeder Behand­ lung ausgewählt werden, wenn die epitaxiale Aufwachs- und die Ätzbehandlung kontinuierlich durchgeführt werden.
Da die Schichtbildungsbehandlung der Epitaxialschicht 5 und die Ätzbehandlung der Epitaxialschicht 5 abwechselnd durchgeführt werden können bei Ätzreaktionsbehandlung mit dem Gasmaterial die Epitaxialschichtbildung und die Ätzbe­ handlung kontinuierlich in der Schichtbildungsvorrichtung durchgeführt werden, wobei das Anhaften von Schadstoffen an der Oberfläche des Substrats verringert werden kann und der Durchsatz verbessert werden kann.
Zweite Ausführungsform
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform unter Be­ zugnahme auf Fig. 5A bis 5C und 6A bis 6C im wesentli­ chen anhand von Punkten beschrieben, die sich von der er­ sten Ausführungsform unterscheiden.
Wie in Fig. 6C dargestellt sind Gräben 12 in einem Si­ liziumsubstrat (einem einkristallinen Siliziumsubstrat) 11 gebildet, welches ein Halbleitersubstrat bildet, und es ist eine einkristalline Halbleiterschicht (Dotierungsschicht) 13 in jeden Grabens 12 gefüllt. Wenn bei dieser Ausfüh­ rungsform zum Zwecke des Unterdrückens der Bildung von Hohlräumen eine (auf)gefüllte Epitaxialschicht 15 innerhalb der Gräben 12 entsprechend Fig. 6 aufwächst, wurde die Form jedes Grabens 12 vor dem epitaxialen Aufwachsen ersonnen.
Zuerst wird wie in Fig. 5A und 5B dargestellt eine Oxidschicht 14 mit Öffnungsabschnitten 14a auf dem Silizi­ umsubstrat 11 angeordnet. Danach werden wie in Fig. 5C dargestellt die Gräbenderart bearbeitet, dass sie eine sich verjüngende Struktur aufweisen. Dementsprechend ist wie in Fig. 6A dargestellt der Öffnungsabschnitt relativ zu dem Boden des Grabens 12 verbreitert (F < E). Mit anderen Wor­ ten, eine derartige Grabenform wird dahingehend gebildet, dass ein Verhältnis (F/E) einer oberen seitlichen Dimension F des Grabens 12 zu einer seitlichen Dimension E an dem Boden des Grabens 12 gleich "1" oder größer ist. Sogar wenn die Dicke einer Aufwachsschicht an dem Boden des Grabens 12 im Vergleich mit der Schichtaufwachsdicke an dem Öffnungs­ abschnitt klein ist, ist es dementsprechend möglich vorzu­ sehen, dass die Epitaxialschicht 15 an dem Boden des Gra­ bens 12 wächst, bevor der Öffnungsabschnitt wie in Fig. 6B dargestellt blockiert wird.
Da auf die Bildung des sich verjüngenden Grabens 12 ein Seitenverhältnis des Grabens durch die Balance zwischen einer mechanischen Zerstäubungsaktion durch Plasma bei einem Trockenätzen und einer Ätzaktion durch eine isotrope chemische Reaktion durch Radikale bestimmt wird, kann die nach vorn sich verjüngende Verarbeitung durch Verstärkung der isotropen Ätzaktion durch Radikale durchgeführt werden.
Nach der Schichtbildung der Epitaxialschicht 15 wie in Fig. 6C dargestellt wird die Epitaxialschicht 15 einer Abflachungsbehandlung unterworfen. Da in der auf diese Weise gebildeten einkristallinen Siliziumschicht (Dotierungsschicht) 13 die Struktur an der Grabenbearbei­ tung reflektiert wird, ist ein Verhältnis (D/C) einer obe­ ren seitlichen Dimension D zu einer seitlichen Dimension C an dem Boden gleich "1" oder größer. D. h. durch Bilden einer derartigen graden Form dahingehend, dass das Verhält­ nis (F/E) der seitlichen Dimension des oberen Abschnitts zu der seitlichen Dimension des Bodens des Grabens 12 gleich "1" oder größer ist, kann das Seitenverhältnis der Halblei­ terschicht (Dotierungsschicht) 13 zu "1" oder größer ge­ macht werden. Sogar in dem Fall, bei welchem der Graben 12 der sich nach vorn verjüngenden Verarbeitung wie bei dieser Ausführungsform unterworfen wird, wie bei der ersten Aus­ führungsform beschrieben, kann die Schicht um den Öffnungs­ abschnitt des Grabens herum durch ein HCL- oder H2-Ätzen nach dem füllenden epitaxialen Aufwachsen entfernt werden, so dass das Füllvermögen weiter verbessert werden kann.
Gleichermaßen besitzt diese Ausführungsform die folgen­ den Merkmale:
Der Graben 12, dessen Breite F an dem Öffnungsabschnitt größer als die Breite E an dem Bodenabschnitt ist, ist in dem Siliziumsubstrat 11 gebildet, und die Dotierungsschicht 13, deren Dimension in Richtung der Linie normal zu der Oberfläche des Substrats größer als die Dimension in die seitliche Richtung auf einer willkürlichen Ebene parallel zu der Oberfläche des Substrats ist, welche den Graben 12 schneidet, ist in die Innenseite des Grabens 12 gefüllt. Während das Seitenverhältnis (das Verhältnis der Länge zu der Breite) der herkömmlichen Dotierungsschicht (Halbleiterschicht), welche durch thermische Diffusion von der Substratoberfläche aus oder durch Ionenimplantierung Gebiets gebildet wird, prinzipiell nicht den Wert "1" über­ schreiten kann, kann somit die Halbleiterschicht gebildet werden, welche ein größeres Seitenverhältnis aufweist, das den Wert "1" überschreitet. Als Ergebnis wird die Richtung der Tiefe effektiv verwendet, und es können Elemente pro Einheitsfläche in hohem Maße integriert ausgebildet werden.
Ebenfalls kann bei der Struktur, in welcher die seitli­ che Ausdehnung des oberen Abschnitts (Substratoberflächenseite) des Grabens größer ausgebildet ist als diejenige an dem Boden (Substrattiefenseite) des Grabens, das Füllvermögen bei der Bildung der Dotierungs­ schicht 13 in der Innenseite des Grabens durch das (auf)füllende epitaxiale Aufwachsen verbessert werden. Die Halbleiterschicht 13 in dem Graben 12 kann durch Dotie­ rungsschichten von einer oder mehreren Konzentrationen oder zueinander unabhängigen Leitfähigkeitstypen gebildet wer­ den.
Dritte Ausführungsform
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform unter Be­ zugnahme auf Fig. 7A bis 7D und 8A bis 8C hauptsächlich anhand von Punkten beschrieben, welche sich bezüglich der zweiten Ausführungsform unterscheiden. Wie in Fig. 8C dar­ gestellt werden die Gräben 22 in einem Siliziumsubstrat (einem einkristallinen Siliziumsubstrat) 21 gebildet, wel­ ches ein Halbleitersubstrat bildet, und es wird eine ein­ kristalline Siliziumschicht (Dotierungsschicht) 23 in die Innenseite von jedem der Gräben 22 gefüllt. Ebenfalls wird bei dieser Ausführungsform zum Zwecke des Verringerns der Hohlräume dann, wenn eine (auf)gefüllte Epitaxialschicht 26 in der Innenseite des Grabens 22 aufwächst, die Form des Grabens 22 vor dem epitaxialen Aufwachsen durch ein Verfah­ ren entworfen, welches sich von demjenigen der zweiten Ausführungsform unterscheidet.
Insbesondere wird wie in Fig. 7A bis 7D dargestellt eine Oxidschicht 24 mit Öffnungsabschnitten 24A auf dem Siliziumsubstrat 21 angeordnet und die Gräben 22 durch eine Trocken- oder Nassbehandlung gebildet. Danach wird wie in Fig. 8A dargestellt der Öffnungsabschnitt von jedem der Gräben unter Durchführung einer thermischen Oxidationsbe­ handlung unter hoher Temperatur oxidiert. D. h. es wird der Öffnungsabschnitt des Grabens 22 durch Bildung einer ther­ mischen Oxidationsschicht 22 verbreitert. Insbesondere kann unter Durchführung einer bei einer Oxidationstemperatur von 1000°C oder mehr, insbesondere von 1100°C oder mehr, der Radius der Kurve der Ecke des Öffnungsabschnitts stark abgerundet und oxidiert werden, und es kann die Breite Form des Öffnungsabschnitts bereitgestellt werden.
Danach wird die Oxidschicht 25 durch eine Ätzbehandlung mit einer HF-Lösung oder dergleichen entfernt. Dementspre­ chend wird der Graben 22 mit dem verbreiterten Öffnungsab­ schnitt bloßgelegt. Danach wird wie in Fig. 8B dargestellt eine Behandlung eines (auf)füllenden epitaxialen Aufwach­ sens durchgeführt. Zu dieser Zeit kann die Epitaxialschicht 26 an dem Boden des Grabens 22 aufwachsen, bevor der Öff­ nungsabschnitt des Grabens 22 durch die Epitaxialschicht 26 blockiert wird, und es werden die Hohlräume verringert.
Danach wird wie in Fig. 8C dargestellt eine Ab­ flachungsbehandlung der epitaxialen Schicht 26 durchge­ führt. Ebenfalls kann bei dieser Ausführungsform ähnlich wie bei den ersten und zweiten Ausführungsformen das Sei­ tenverhältnis der Dotierungsschicht 23 auf einen hohen Wert, d. h. auf "1" oder mehr, gebracht werden. Ferner kön­ nen ebenfalls in dem Fall, bei welchem der Öffnungsab­ schnitt des Grabens 22 wie bei dieser Ausführungsform abge­ rundet und oxidiert wird wie bezüglich der ersten Ausfüh­ rungsform beschrieben, durch Kombinieren des Schritts des Entfernens des Blockierens des Öffnungsabschnitts durch HCL- oder H2-Ätzen nach dem (auf)füllenden epitaxialen Aufwachsen die Hohlräume verringert werden.
Vierte Ausführungsform
Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform unter Be­ zugnahme Fig. 9A bis 9C hauptsächlich anhand von Unter­ schieden bezüglich den ersten bis dritten Ausführungsformen beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird als Graben­ formsteuerung vor dem epitaxialen Aufwachsen eine Ätzbe­ handlung durchgeführt, um einen Grabenöffnungsabschnitt von jedem der Gräben zu verbreitern, so dass ein breiter und flacher Graben 33 an dem Öffnungsabschnitt des Grabens 32 gebildet wird.
Als erstes wird wie in Fig. 9A dargestellt ein Gra­ benätzen in Übereinstimmung mit einer gewünschten Diffusi­ onsform durchgeführt, und es wird der Graben 32 gebildet. Eine Maskenoxidschicht wird entfernt. Danach wird wie in Fig. 9B dargestellt eine Maske 34 eines Resists oder der­ gleichen wiederum durch Fotolithographie gebildet. Die Maske 34 besitzt eine Öffnung, welche breiter als eine Grabenöffnungsbreite W1 des Grabens 32 ist. D. h. die Öff­ nungsbreite der Maske 34 ist größer als die Grabenöffnungs­ breite W1.
Des weiteren wird eine Trockenätzbehandlung bezüglich der Resistmaske 34 durchgeführt, und wie in Fig. 9C darge­ stellt wird ein Ätzen des Grabenabschnitts (oberer Graben­ abschnitt) durchgeführt. Als Ergebnis wird der Graben 33 zur Verbreiterung des Öffnungsabschnitts des Grabens 32 gebildet. Somit ist es bei der Bildung der (auf)füllenden Epitaxialschicht eines nachfolgenden Schritts möglich das Blockieren des Öffnungsabschnitts zu unterdrücken und das Füllvermögen bzw. die Fülleigenschaft zu verbessern.
Dabei ist es bezüglich der Größe des Bildungsgebiets des Grabens nötig, dass die Breite W2 größer ausgebildet wird als die Öffnungsbreite W1 des Grabens 32 und eine Tiefe L2 flacher als eine Tiefe L1 des Grabens 32 ausgebil­ det wird. Übrigens wird die Ätzbehandlung (Bildung des Grabens 33) des Öffnungsabschnitts vor dem Bearbeitungs­ schritt des Grabens 32 durchgeführt. Nachdem die Ätzbehand­ lung (Bildung des Grabens 33) des Öffnungsabschnitts mit einer Resistmaske oder einer Oxidschichtmaske durchgeführt worden ist, wird in diesem Fall eine Grabenverarbeitungs­ struktur durch eine Oxidschichtmaske oder eine Resistmaske gebildet, und es wird die Ätzbehandlung zur Bildung des Grabens 32 durchgeführt. Entsprechend der Anzahl von Malen der Ätzbehandlung bezüglich des oberen Grabenabschnitts kann die Behandlung mehrere Male durchgeführt werden, bevor oder nachdem der Graben auf dem Substrat 31 gebildet wird.
Fünfte Ausführungsform
Als nächstes wird eine fünfte Ausführungsform haupt­ sächlich im Hinblick auf Unterschiede bezüglich der ersten bis vierten Ausführungsformen beschrieben.
Wie in Fig. 10 dargestellt werden bei dieser Ausfüh­ rungsform die Gräben 42 in einem Siliziumsubstrat 41 gebil­ det. Zu dieser Zeit wird eine Oxidschicht 43 als Ätzmaske der Gräben 42 gebildet, um zurückzubleiben. In diesem Zu­ stand wird eine Epitaxialschicht 44 durch epitaxiales Auf­ wachsen gebildet. D. h. die Epitaxialschicht 44 wird in dem Zustand gebildet, bei welchem die Gesamtheit oder ein Teil der als Ätzmaske in dem Grabenbildungschritt des vorausge­ henden Schritts verwendeten Schicht 43 verbleibt. In diesem Fall wächst einkristallines Silizium 44a auf der Seitenwand von jedem der Gräben 42 auf, während eine Schicht aus poly­ kristallinem Silizium 44b auf dem oberen Abschnitt der Oxidschicht 43 gebildet wird, da Informationen über die atomare Position des Substrats 41 auf der Oxidschicht 43 nicht erlangt werden können. Die Epitaxialschicht 44, wel­ che zum Blockieren des Öffnungsabschnitts des Grabens 42 geeignet ist, nimmt den Einfluss des polykristallinen Sili­ ziums auf, welches in die seitliche Richtung von der Oxid­ schicht 43 aus wächst, und wird zu polykristallinem Silizi­ um (sie wird insbesondere zu einer Schicht mit schwacher bzw. schlechter Kristallinizität (crystallinity), in wel­ cher ein polykristallines Gebiet und ein einkristallines Gebiet gemischt sind).
In einem derartigen Zustand wird ein Ätzen durchge­ führt, während HCL- oder H2-Gas eingeführt wird. Da das polykristalline Silizium 44b eine Ätzrate besitzt, die größer als diejenige des einkristallinen Siliziums ist, ist daraufhin die Ätzrate der Epitaxialschicht 44b an dem Öff­ nungsabschnitt mit der schlechten Kristallinizität groß im Vergleich mit der Epitaxialschicht 44a mit einer hervorra­ genden Kristallinizität an dem Boden des Grabens 42. Als Ergebnis kann ein selektives Ätzen der Epitaxialschicht 44 um den Öffnungsabschnitt herum leicht durchgeführt werden. D. h. es kann das polykristalline Silizium um den Grabenöff­ nungsabschnitt herum selektiv entfernt werden.
Wenn das epitaxialen Aufwachsen in diesem Zustand durchgeführt wird, bei welchem die Oxidschichtmaske 43 zurückbleibt, kann gleichermaßen die Ätzbehandlung des Grabenöffnungsabschnitts unter Verwendung von HCL oder H2 effektiver durchgeführt werden (es kann ein selektives Ätzvermögen des Öffnungsabschnitts angehoben werden). Übri­ gens kann als Material für die Maske eine Nitridschicht anstelle der Oxidschicht verwendet werden. Da polykri­ stallines Silizium ebenfalls auf der Nitridschicht auf­ wächst, kann derselbe Effekt wie bei der Oxidschicht er­ zielt werden.
Des weiteren kann in einem CMP-Schritt zur Abflachung der Oberfläche der Epitaxialschicht nach dem (auf)füllenden epitaxialen Aufwachsen eine Verarbeitungsgenauigkeit unter Verwendung der Oxidschicht 43 verbessert werden, welche als die Ätzmaske bei der Grabenbildung als Haltepunkterfas­ sungsschicht des Polierens (Polierstopper) verwendet wird. D. h. es wird eine derartige Charakteristik verwendet, so dass dann, wenn die Polierrate der Oxidschicht im Vergleich mit derjenigen der Siliziumschicht klein ist, das Polieren an dem Punkt gestoppt wird, wenn die Oxidschicht 43 bloßge­ legt ist. Ähnlich kann ebenfalls in dem Fall, bei welchem das Oberflächeabflachen der Epitaxialschicht durch Zu­ rückätzen mit einer Trockenätzbehandlung durchgeführt wird, die als Ätzmaske verwendete Oxidschicht als Ätzstopper verwendet werden.
Übrigens kann wie oben beschrieben bei der Epitaxial­ schichtbildung ein einkristalliner Halbleiter auf dem Gra­ benöffungsabschnitt und dem flachen Abschnitt durch Bildung der Epitaxialschicht 44 in dem Zustand gebildet werden, bei welchem die Gesamtheit der Schicht 43 entfernt wird, welche als Ätzmaske des Grabenbildungschritts des vorausgehenden Schritts verwendet wird. Dementsprechend wird die Kri­ stallinizität der Epitaxialschicht um den Grabenöffnungsab­ schnitt herum verbessert.
Sechste Ausführungsform
Als nächstes wird eine sechste Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 11A bis 11D hauptsächlich im Hin­ blick auf Unterschiede zu den ersten bis fünften Ausfüh­ rungsformen beschrieben. Wie in Fig. 11D dargestellt werden bei dieser Ausführungsform Gräben 52 in einem Silizium­ substrat (einem einkristallinen Siliziumsubstrat) 51 gebil­ det, welches ein Halbleitersubstrat bildet, und es wird eine einkristalline Siliziumschicht (Dotierungsschicht) 53 in die Innenseite jedes Grabens 52 gefüllt.
Zuerst wird insbesondere wie in Fig. 11A dargestellt der Graben 52 mit einer gewünschten Tiefe an einer ge­ wünschten Position des Siliziumsubstrats 31 gebildet, an welcher die Dotierungsschicht zu bilden ist. Bei diesem Grabenbildungsschritt wird eine anisotrope Ätzbehandlung einer Trockenätzbehandlung oder einer Nassätzbehandlung durchgeführt. Danach wird ein (auf)füllendes epitaxiales Aufwachsen (es wird eine Epitaxialschicht 54 gebildet) auf dem Substrat 1 einschließlich der Innenseite des Grabens 52 gebildet. Zu dieser Zeit wächst die (auf)füllende Epita­ xialschicht hauptsächlich auf der Seite des Grabens 52 auf. Als Ergebnis können sogar in dem Fall, bei welchem Aufwach­ senden von zueinander gegenüberliegenden Seiten an der Mitte des Grabens miteinander in Kontakt kommen, makrosko­ pisch erscheinende Hohlräume bei den ersten bis vierten Ausführungsformen verringert werden, wobei eine Ungleich­ förmigkeit in einem atomaren Pegel auftritt und zur Ursache von Kristalldefekten wird.
Daher wird bei dieser Ausführungsform wie in Fig. 11A dargestellt ein (auf)füllendes epitaxiales Aufwachsen in­ nerhalb des Grabens 52 durchgeführt. Danach wird wie in Fig. 11B dargestellt eine amorphe Siliziumschicht 55 auf dem Substrat 1 einschließlich der Innenseite des Grabens 52 in dem Zustand gebildet, bei welchem Hohlräume an dem mitt­ leren Abschnitt des Grabens 52 vorhanden sind und in die Innenseite des Grabens 52 gefüllt ist. Die amorphe Silizi­ umschicht 55 wird in einer LP-CVD-Vorrichtung gebildet, bei welcher SiH4 als Schichtbildungsgas und H2 als Trägergas verwendet wird, und es wird eine Schichtbildung bei einer niedrigen Temperatur von 600°C oder weniger durchgeführt. Da die Schichtbildung bei einer niedrigen Temperatur durch­ geführt wird, ist das Füllvermögen hervorragend, und es kann ein Auffüllen bzw. Füllen sogar in den Hohlräumen durchgeführt werden, welche in dem mittleren Abschnitt des Grabens vorhanden sind.
Nachfolgend wird wie in Fig. 11C dargestellt eine Fest­ körperreaktion (solid reaction) durch eine Wärmebehandlung in der LP-CVD-Vorrichtung induziert, und die (auf)gefüllte amorphe Siliziumschicht 55 wird zu einem Einkristall kri­ stallisiert (umgeformt in eine einkristalline Silizium­ schicht 56). Zu dieser Zeit besteht eine Gefahr, dass dann, wenn die Dampfphasenreaktion von beiden Seiten des Grabens 52 aufritt, eine Defektschicht an dem mittleren Abschnitt des Grabens gebildet werden kann. Jedoch wird sogar in einem derartigen Fall die Kristalldefektschicht an dem mittleren Abschnitt des Grabens zu der Zeit der Festkörper­ phasenreaktion (der Zeit der einkristallinen Kristallisati­ on) einer thermischen Relaxation unterworfen. Dabei wird eine Wärmebehandlung bei 900°C oder mehr, vorzugsweise bei 1100°C oder mehr, erfordert, um die Festkörperphasenreak­ tion (solid phase reaction) hervorzurufen.
Ferner ist die Wärmebehandlung für die Festkörperpha­ senreaktion nicht auf die Behandlung beschränkt, welche in der LP-CVD-Vorrichtung in einer Atmosphäre eines verringer­ ten Drucks durchgeführt wird, sondern sie kann eine unter dem Umgebungsdruck durchgeführte Wärmebehandlung unter Verwendung eines elektrischen Ofens oder dergleichen nach der Herausnahme aus der Schichtbildungsvorrichtung sein. Wenn sie jedoch in der LP-CVD-Vorrichtung durchgeführt wird, kann eine Reihe von Behandlungen in derselben Vor­ richtung durchgeführt werden, so dass eine Behandlungszeit gewonnen und die Verbesserung des Durchsatzes erwartet werden kann. Danach wird wie in Fig. 11D dargestellt eine Abflachungsbehandlung durchgeführt, um die Oberflächen der Schichten 54 und 56 abzuflachen.
Obwohl übrigens die amporphe Schicht 55 gebildet wird, um in den Graben 52 gefüllt zu sein, nachdem die Epitaxial­ schicht 54 gebildet worden ist, kann das Grabenauffüllen lediglich durch die amorphe Siliziumschicht 55 ohne Verwen­ dung der Epitaxialschicht 54 durchgeführt werden. Da jedoch eine Schichtbildungsrate klein ist, benötigt in dem Fall, bei welchem lediglich das amorphe Silizium in den Graben gefüllt wird, die Schichtbildungsbehandlung eine große Zeitdauer. Ferner kann ebenfalls bei dieser Ausführungsform ähnlich wie bei den ersten bis vierten Ausführungsformen eine Verarbeitung der Dotierungsschicht mit einem hohen Seitenverhältnis zum Erzielen eines Seitenverhältnisses von "1" oder mehr durchgeführt werden (auf diese Weise erzielte Wirkungen werden später zusammen dargestellt).
Gleichermaßen besitzt diese Ausführungsform die folgen­ den Merkmale:
Die Gräben 52 werden in dem Siliziumsubstrat 51 gebil­ det, und die amorphe Siliziumschicht 55 wird auf dem Substrat 51 einschließlich der Gräben 52 gebildet und in jeden Graben 52 gefüllt. Des weiteren wird die amorphe Siliziumschicht 55 der Festkörperphasenreaktion durch die Wärmebehandlung unterworfen, um zu einem Einkristall kri­ stallisiert zu werden, und als die nächstes wird die Ober­ fläche der einkristallinen Siliziumschicht 56 auf dem Substrat 51 abgeflacht. Da die Schichtbildung der amorphen Siliziumschicht 55 bei einer niedrigen Temperatur durchge­ führt wird, ist das Füllvermögen hervorragend.
Obwohl ferner eine Gefahr besteht, dass eine Defekt­ schicht an dem mittleren Abschnitt des Grabens gebildet wird, wenn die Dampfphasenreaktion von beiden Seiten des Grabens 52 aus durchgeführt wird, wird erwartet, dass die Wärmerelaxation auftritt, wenn amorphes Silizium durch die Festkörperphasenreaktion zu einem Einkristall kristalli­ siert wird. Daher kann der Graben 52 in eine hervorragende einkristalline Schicht gefüllt werden. Obwohl des weiteren abgestufte Abschnitte auf der Substratoberfläche gebildet werden, nachdem die amorphe Siliziumschicht 55 gebildet worden ist, können Nachteile bei der Anordnungsbildung eines nachfolgenden Schritts unter Durchführung der Ab­ flachungsbehandlung vermieden werden.
Wenn die Breite des Grabens 52 an dem Öffnungsabschnitt (Seite der Substratoberfläche) größer als die Breite an dem Bodenabschnitt (Seite der Substrattiefe) ist, wird es even­ tuell möglich das Füllvermögen der amorphen Siliziumschicht 55 zu verbessern. Wenn beispielsweise bei dem Grabenbil­ dungsschritt die thermische Oxidationsbehandlung durchge­ führt wird, nachdem die Grabenätzbehandlung durchgeführt worden ist und der Grabenöffnungsabschnitt durch Entfernen der gebildeten Oxidschicht verbreitert worden ist, kann das Füllvermögen der amorphen Siliziumschicht 55 verbessert werden.
Wenn bei dem Grabenbildungsschritt die Ätzbehandlung einmal oder mehrmals auf den oberen Grabenabschnitt durch­ geführt wird, bevor oder nachdem eine Grabenätzbehandlung durchgeführt worden ist, wird ein Grabenöffnungsabschnitt wie gewünscht unter der Ätzbehandlung verbreitert, so dass das Füllvermögen der amorphen Siliziumschicht 55 verbessert werden kann. Bei der Ätzbehandlung bezüglich des oberen Abschnitts des Grabens 52 wird die Breite des Öffnungsab­ schnitts größer gemacht als die Breite des Bodens des Gra­ bens 52, und die Ätztiefe wird kleiner gemacht als die Tiefe des Grabens 52.
In diesem Fall, bei welchem die amorphe Siliziumschicht 55 ohne die Epitaxialschicht 54 (auf)gefüllt wird, da die Aufwachsrate von amorphen Silizium niedrig ist, besteht die Befürchtung, dass der Durchsatz verringert ist. Jedoch muß bei dieser Ausführungsform die amorphe Siliziumschicht 55 lediglich (auf)gefüllt werden, nachdem die Epitaxialschicht 54 durch das Dampfphasenaufwachsen gebildet worden ist, und die amorphe Siliziumschicht 55 muß lediglich während der letzten Stufe des Auffüllens bzw. Füllens gebildet werden. Aus diesem Grunde wird der Durchsatz verbessert, und es wird möglich die Hohlräume des mittleren Abschnitts des Grabens und Kristalldefekte zu unterdrücken.
Wenn die Schichtbildung der Epitaxialschicht 54 und die Schichtbildung der amorphen Siliziumschicht 55 aufeinander folgend in derselben Schichtbildungsvorrichtung durchge­ führt werden, kann ein Anhaften von Schadstoffen an der Oberfläche des Substrats verringert werden kann und der Durchsatz ebenfalls verbessert werden.
Nachdem die Epitaxialschicht 54 innerhalb des Grabens 52 gebildet worden ist, kann die Ätzbehandlung der Epita­ xialschicht 54 und die Schichtbildungsbehandlung der Epita­ xialschicht einmal oder mehrere Male wiederholt werden.
Gleichermaßen wird die Ätzbehandlung zur Entfernung eines Teils, welcher den Öffnungsabschnitt blockiert, durchge­ führt, nachdem die Epitaxialschicht aufgefüllt worden ist, und es wird die Epitaxialschicht weiter gebildet. Dement­ sprechend wird ein Blockieren des Öffnungsabschnitts durch die aufgefüllte Epitaxialschicht verringert, und es wird das Füllvermögen bei dem Schichtbildungschritt der Epita­ xialschicht derart verbessert, dass Hohlräume unterdrückt werden können.
Wenn bei der Ätzbehandlung der Epitaxialschicht 54 da­ bei die Dampfphasenätzaktion des Wasserstoffchlorids oder des Wasserstoffs in einer Atmosphäre verwendet wird, welche Wasserstoffchlorid oder Wasserstoff enthält, ist es möglich den Teil, welcher den Öffnungsabschnitt blockiert, unter einer geringen Beschädigung zu entfernen.
Durch abwechselndes Durchführen der Schichtbildungsbe­ handlung der Epitaxialschicht 54 und der Ätzbehandlung der Epitaxialschicht 54 wird es möglich die optimale Substrat­ temperatur bei jeder Behandlung unter kontinuierlicher Durchführung des epitaxialen Aufwachsens und der Ätzbehand­ lung zu wählen. Da ferner die Epitaxialschichtbildung und die Ätzbehandlung aufeinander folgend in der Schichtbil­ dungsvorrichtung durchgeführt werden können, kann insbeson­ dere die Ätzreaktionsbehandlung mit einem Gasmaterial das Anhaften von Schadstoffen an der Oberfläche des Substrats verringern und den Durchsatz verbessern.
Bei der Schichtbildungsbehandlung der Epitaxialschicht 54 wird das Substrat auf einer willkürlichen Temperatur in dem Zustand gehalten, bei welchem die Oberfläche des Substrats einem Schichtbildungsgas ausgesetzt ist, welches wenigstens ein Schichtbildungsmaterialelement enthält. Bei der Ätzbehandlung der Epitaxialschicht 54 wird in dem Zu­ stand, bei welchem die Oberfläche des Substrats 51 wenig­ stens einem Ätzgas ausgesetzt ist, das Substrat auf einer willkürlichen Temperatur gehalten, bei welcher die Ätzreak­ tion die Steuerreaktion der Zufuhrrate wird. D. h., da bei der Ätzbehandlung es wünschenswert ist den Öffnungsab­ schnitt selektiv zu ätzen, ist es wirksam die Ätzbehandlung bei einer hohen Temperatur durchzuführen, bei welcher die Steuerung der Zufuhrrate erreicht wird.
Wenn das polykristalline Silizium an dem Grabenöff­ nungsabschnitt durch Bilden der Epitaxialschicht 54 in dem Zustand gebildet wird, bei welchem die Gesamtheit oder ein Teil der Schicht zurückbleibt, welcher als die Ätzmaske in dem Grabenbildungsschritt als dem vorausgehenden Schritt verwendet wird, und wenn das polykristalline Silizium an dem Grabenöffnungsabschnitt bei der Ätzbehandlung selektiv entfernt wird, ist es möglich lediglich den Öffnungsab­ schnitt selektiv zu entfernen. Wenn die Epitaxialschicht gebildet wird, kann durch Bilden der Epitaxialschicht 54 in dem Zustand, bei welchem die Gesamtheit der Schicht ent­ fernt wird, welche als die Ätzmaske in dem Grabenbildungs­ schritt als dem vorausgehenden Schritt verwendet wird, ein einkristalliner Halbleiter auf dem Grabenöffungsabschnitt und dem flachen Abschnitt gebildet werden. Als Ergebnis wird die Kristallinizität der Epitaxialschicht des Graben­ bildungsabschnitts verbessert.
Ferner kann als weiteres Merkmal bei dem Festkörperpha­ senreaktionsschritt für einkristallines amorphes Silizium durch aufeinander folgendes Ausführen der Wärmebehandlung in derselben Schichtbildungsvorrichtung als dem Schritt des Auffüllens bzw. Füllens der amorphen Siliziumschicht 55 ein Anhaften von Schadstoffen an der Oberfläche des Substrats verringert und der Durchsatz ebenfalls verbessert werden. Wenn ferner ein Abflachen der Oberflächen der Schichten 54 und 56 durch das Rückätzverfahren mit der Trockenätzbehand­ lung durchgeführt wird, kann der als Ätzmaske verwendete Film als Polierstopper oder Stopper eines Trockenätzens gebildet werden, so dass die Verarbeitungsgenauigkeit beim Abflachen der Oberfläche verbessert werden kann.
Siebente Ausführungsform
Als nächstes wird eine siebente Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 12A bis 12D und 13A bis 13D haupt­ sächlich anhand von Unterschieden zu den ersten bis sech­ sten Ausführungsformen beschrieben.
Wie in Fig. 13C dargestellt werden Gräben 62 in einem Siliziumsubstrat (einem einkristallinen Siliziumsubstrat) 61 gebildet, welches ein Halbleitersubstrat bildet. Eine einkristalline Siliziumschicht (Dotierungsschicht) 63 wird in die Innenseite von jedem der Gräben 62 gefüllt, und es wird ein leitfähiges Material 64 in die Innenseite davon gefüllt. Das leitfähige Material 64 wird zur Annahme eines Potentials der Dotierungsschicht 63 angeordnet. Ferner ist das Substrat 61 vom N-Typ, und die Dotierungsschicht 63 ist vom P-Typ (alternativ ist das Substrat 1 vom P-Typ und die Dotierungsschicht 63 vom N-Typ). Daher wird ein PN-Übergang an der Schnittstelle zwischen dem Substrat 61 und der Do­ tierungsschicht 63 gebildet, und es ist möglich in Richtung der Tiefe eine Anordnung mit hoher Integration zu erlangen.
Zuerst wird wie in Fig. 12A bis 12D dargestellt ein Ätzen bezüglich des Siliziumsubstrats 61 von einem Öff­ nungsabschnitt 65a einer Oxidschicht 65 aus durchgeführt, um den Graben 62 an einer gewünschten Tiefe und einer ge­ wünschten Position zu bilden, an welcher die Dotierungs­ schicht gebildet werden soll. Bezüglich des Ätzens wird eine anisotrope Trocken- oder Nassätzbehandlung angenommen. Der Berarbeitungsschritt des Grabens 62 ist soweit derselbe wie bei der ersten Ausführungsform.
Danach wird wie in Fig. 13A dargestellt eine Epitaxial­ schicht 66 durch ein epitaxiales Aufwachsenverfahren auf dem Substrat 61 einschließlich der Innenseite des Grabens 62 gebildet. Um in dem Aufwachsschritt der Epitaxialschicht 66 das leitfähige Material 64 in dem Graben 62 in einem nachfolgenden Schritt aufzufüllen, wächst die Epitaxial­ schicht 66 innerhalb des Grabens 62 auf und wird nicht vollständig in den Graben 62 gefüllt.
Danach wird wie in Fig. 13B dargestellt eine aus einem leitfähigen Material gebildete Schicht (leitfähige Schicht) 67 auf der Epitaxialschicht 66 gebildet und füllt den Gra­ ben 62 mit der dazwischen angeordneten Epitaxialschicht 66. Als das für die Schicht 64 (auf)zufüllende leitfähige Mate­ rial wird im allgemeinen ein Material aus Metall (Metallschicht) als Verdrahtungsmaterial, insbesondere A1, Cu oder dergleichen verwendet. Es ist übrigens möglich die Migration bzw. Wanderung von Al oder Cu durch Bilden einer Schicht aus einem Material wie TiN, welches zu einem Sperr­ schichtmetall (barrier metal) wird, innerhalb des Grabens im voraus zu verhindern. Bezüglich Al kann eine Schichtbil­ dung durch ein PVD-Verfahren wie ein Zerstäuben oder eine Aufdampfung oder ein CVD-Verfahren durchgeführt werden, und um das Füllvermögen und die Kristallinizität zu verbessern, wird es erwünscht eine Wärmebehandlung bei etwa 600°C nach der Schichtbildung durchzuführen. Bezüglich Cu wird eine Schichtbildung durch ein Cu-Platierungsverfahren (Cu plating method) oder dergleichen durchgeführt.
Entsprechend einem anderen leitfähigen Material ist es ebenfalls möglich ein Metallsilicid als Zusammensetzung bzw. Verbindung (compound) aus Metall und Silizium in den Graben zu füllen. Als Metallmaterial, welches ein Metallsi­ licid bildet, kann Ti, Co, Ni, W, Pd, Pt oder dergleichen verwendet werden, und es kann irgendein Material in dem Graben 62 durch das PVD-Verfahren wie Zerstäuben oder Auf­ dampfen aufgetragen werden und zu einer Reaktion mit einem Teil der Epitaxialschicht 66 durch eine nachfolgende Wärme­ behandlung (300 bis 900°C) zur Bildung von Silicid gebracht werden. Da ein Nettovolumen (net volume) durch die Umwand­ lung der Metallschicht in Silicid erhöht wird, wird es folglich möglich die Schichten innerhalb des Grabens 62 vollständig aufzufüllen. Bezüglich der Schichtbildung der Metallsilicidschicht kann die Schichtbildung ebenfalls durch das CVD-Verfahren unter Verwendung eines Gasmaterials durchgeführt werden, welches ein Metallsilicidmaterial enthält. Da Metallsilicid chemisch stabil ist, die Zuver­ lässigkeit groß ist und da die elektrische Leitfähigkeit nahezu gleich derjenigen von Metall ist, wird es bevorzugt es als leitfähiges Material zur Bildung eines Potentials der Dotierungsschicht zu verwenden.
Des weiteren kann polykristallines Silizium einer hohen Störstellenkonzentration (ein polykristalines Halbleiterma­ terial einer hohen Konzentration) als das leitfähige Mate­ rial verwendet werden. In diesem Fall werden ein Gasmate­ rial als Dotierungssubstanz und ein Schichtbildungsmaterial durch das CVD-Verfahren eingeführt, und es wird eine Schichtbildung in dem Graben durchgeführt. Bei diesem Ver­ fahren wird es möglich fortlaufend Schichten in der epita­ xialen Aufwachsvorrichtung zu bilden. Übrigens ist es in diesem Fall nötig den Leitfähigkeitstyp der Epitaxial­ schicht 66 mit dem Leitfähigkeitstyp des polykristallinen Silizium übereinstimmend zu machen. Ferner ist es bei dem Schichtbildungsschritt der Epitaxialschicht 66 und dem Schichtbildungsschritt der leitfähigen Schicht 67 angemes­ sen, dass die Ätzbehandlung des Öffnungsabschnitts durch HCl oder H2, welches in der ersten Ausführungsform verwen­ det wird, oder dergleichen hinzugefügt wird, um die Bildung von Hohlräumen zu verhindern.
Somit sollten wenigstens Metallmaterialien, Metallsi­ licidmaterialien oder polykristalline Halbleitermaterialien mit hoher Konzentration als das leitfähige Material zum Auffüllen bzw. Füllen verwendet werden. Durch Annahme die­ ser Materalien kann eine Schicht eines leitfähigen Materi­ als, welche eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit besitzt und ebenfalls chemisch stabil ist, gebildet werden. Wenn polykristallines Silizium mit hoher Konzentration von demselben Leitfähigkeitstyp wie dem Leitfähigkeitstyp der Dotierungsschicht 63 als das leitfähige Material verwendet wird, kann der Kontaktwiderstand der Dotierungsschicht 63 verringert werden.
Danach werden wie in Fig. 13C dargestellt die Oberflä­ chen der Epitaxialschicht 66 und der leitfähigen Schicht 67 auf dem Substrat 61 durch Polieren abgeflacht, um abge­ stufte Abschnitte infolge des Schichtaufwachsens zu elimi­ nieren, und es werden Nachteile bei der Anordnungsbildung in einem nachfolgenden Schritt vermieden. Als Ergebnis wird die Dotierungsschicht 63 gebildet, welche ein großes Sei­ tenverhältnis aufweist und das eingebaute leitfähige Mate­ rial 64 hält. D. h. die Dotierungsschicht 63, bei welcher die Dimension der Richtung der Linie normal zu der Sub­ stratoberfläche größer als die Dimension in die seitliche Richtung auf der willkürlichen Ebene parallel zu der Substratoberfläche ist, welche den Graben 62 schneidet, wird in den Graben 62 gefüllt. Während das Seitenverhältnis der herkömmlichen Dotierungsschicht, welche durch die ther­ mische Diffusion von der Substratoberfläche oder dem Ionen­ implantierungsgebiet aus gebildet wird, im Prinzip den Wert "1" nicht überschreiten kann, kann die Halbleiterschicht (Dotierungsschicht) dieser Ausführungsform ein großes Sei­ tenverhältnis besitzen, so dass die effektive Benutzung in Richtung der Tiefe erreicht wird und es möglich wird Ele­ mente pro Einheitsfläche hoch integriert auszubilden.
Ferner wird es durch Auffüllen des leitfähigen Materi­ als 64 in der Dotierungsschicht 63 im Vergleich mit dem Fall, bei welchem eine Verdrahtungsleitung mit der Oberflä­ che der Dotierungsschicht 63 verbunden wird (als Vergleich mit dem Fall, bei welchem ein Potential von der Oberfläche aufgenommen wird), möglich, dass sich ein elektrisches Feld gleichförmig in der Dotierungsschicht 63 ausbreitet, und es wird möglich einen parasitären Widerstand zwischend der Dotierungsschicht 63 und der Verdrahtungsleitung zu verrin­ gern. Insbesondere ist dies in dem Fall wirksam, bei wel­ chem die Grabentiefe größer gemacht und die Dotierungs­ schicht mit einem höheren Seitenverhältnis gebildet wird.
Achte Ausführungsform
Als nächstes wird eine achte Ausführungsform unter Be­ zugnahme auf Fig. 14A und 14B hauptsächlich im Hinblick auf Unterschiede bezüglich den ersten bis siebenten Ausfüh­ rungsformen beschrieben. Wie in Fig. 14B dargestellt werden Gräben 72 in einem Siliziumsubstrat (einem einkristallinen Siliziumsubstrat) 71 gebildet, welches ein Halbleiter­ substrat bildet, und es wird eine einkristalline Silizium­ schicht (Dotierungsschicht) 73 in die Innenseite von jedem der Gräben 72 gefüllt.
Zuerst wird wie in Fig. 14A dargestellt, nachdem der Graben 72 in dem Siliziumsubstrat 71 gebildet worden ist, eine Epitaxialschicht 73 auf dem Substrat 1 einschließlich der Innenseite des Grabens 72 durch ein epitaxiales Auf­ wachsenverfahren gebildet. Zu dieser Zeit wird sogar in dem Zustand, bei welchem ein Hohlraum an dem oberen Abschnitt des Grabens 72 wie in Fig. 14B dargestellt zurückbleibt, das Hohlraumgebiet durch eine Polierbehandlung von der Oberfläche aus bis zu der Tiefe entfernt, wo der Hohlraum nicht vorhanden ist. D. h. das Polieren wird von der Ober­ fläche der Epitaxialschicht 73 auf dem Substrat 71 aus durchgeführt, um die Epitaxialschicht 73 und das Substrat 71 bis wenigstens zu der Position zu entfernen, welche tiefer als der Öffnungsabschnitt des Grabens 72 befindlich ist. Somit kann sogar dann, wenn der Hohlraum an der Schichtbildung der Epitaxialschicht 73 wenigstens um den Öffnungsabschnitt des Grabens 72 herum gebildet wird, der Hohlraum durch die Polierbehandlung entfernt werden. Dar­ über hinaus wird die Oberfläche durch diese Polierbehand­ lung abgeflacht, und es können Nachteile bei der Anord­ nungsbildung eines nachfolgenden Schritts vermieden werden. Auf diese Weise ist es möglich die Dotierungsschicht 73 mit einem hervorragenden Füllvermögen endgültig bereitzustel­ len.
Dieses Verfahren kann auf ein Verfahren zur Entfernung eines schlechten Auffüllens bzw. Füllens für den oberen Abschnitt des Grabens ebenfalls in dem bezüglich der sech­ sten Ausführungsform dargestellten Fall angewandt werden, bei welchem das amorphe Silizium aufgefüllt und zu einem Einkristall krisallisiert worden ist, und ebenfalls in dem bezüglich der siebenten Ausführungsform dargestellten Fall, bei welchem die Epitaxialschicht und das leitende Material (auf)gefüllt worden sind.
Dabei wird die Steuerung der Konzentration der Dotie­ rungssubstanz der Dotierungsschicht bezüglich der obigen Ausführungsformen beschrieben.
Die ersten bis achten Ausführungsform sind derart ent­ worfen, dass die (auf)gefüllte Epitaxialschicht (einschließlich der amorphen Schicht 55) in dem Graben gebildet wird, so dass die dreidimensionale Dotierungs­ schicht gebildet wird. Wenn die Dotierungsschicht gebildet wird, wird die Steuerung der Konzentration der Dotierungs­ substanz der (auf)gefüllten Schicht benötigt. Beim Mischen einer Dotierungssubstanz (Einführen eines Gasmaterials, welches eine Störstelle bzw. Verunreinigung enthält, welche zu der Dotierungssubstanz wird), bei dem Schichtbildungs­ schritt der Epitaxialschicht wird ein Gas wie B2H6 oder dergleichen von etwa 0,1 bis 0,5 Liter/Minute eingeführt, so dass B (Bor) in die Epitaxialschicht in dem Fall ge­ mischt wird, bei welchem die P-Typ Schicht gebildet wird. In dem Fall, bei welchem eine N-Typ Schicht gebildet wird, wird ein Gas wie PH3 oder dergleichen von etwa 0,1 bis 0,5 Liter/Minute eingeführt, so dass P (Phosphor) in die Epita­ xialschicht gemischt wird.
Neunte Ausführungsform
Als nächstes wird eine neunte Ausführungsform haupt­ sächlich im Hiblick von Unterschieden zu den ersten und sechsten Ausführungsformen beschrieben. Bei dieser Ausfüh­ rungsform wird eine Wärmebehandlung unter einem verringer­ ten Druck in einer nichtoxidierenden Atmosphäre als Gegen­ maßnahme zu dem schlechten Auffüllen des mittleren Graben­ teils in dem Fall durchgeführt, bei welchem ein (auf)füllendes epitaxiales Aufwachsen innerhalb des Grabens wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt wird. Dem­ entsprechend wird die Bewegung von Siliziumatomen beschleu­ nigt, während die Oxidation der Oberfläche verhindert wird. Somit werden Siliziumatome auf der Oberfläche des Hohlraums umgeordnet, und als Ergebnis kann der Hohlraum verringert werden.
Als Schritt- bzw. Stufenbedingungen (step conditions) (Nichtoxidationswärmebehandlung unter verringertem Druck) wird eine Behandlungstemperatur auf 950°C bis 1200°C fest­ gelegt (insbesondere ist es effektiver die Temperatur auf 1100°C oder mehr festzulegen), es wird eine Periodendauer auf 1 bis 20 Minuten festgelegt, und es wird eine Atmo­ sphäre entsprechend einem Vakuum oder eine Atmosphäre mit verringertem Druck (10-300 Torr) bereitgestellt, in welche H2 oder ein Edelgas (He, Ar, usw.) eingeführt wird.
Insbesondere wird diese Ausführungsform auf ein Ver­ gleichsbeispiel angewandt, mit den Schritten: Grabenätzen → HF-Verwaschung (Entfernen der natürlichen Oxidschicht) → Wärmebehandlung (Entfernen der natürlichen Oxidschicht) → Bildung der epitaxialen Schicht → HCL-Ätzen → Bildung einer Re-Epitaxialschicht (Verbesserung des Füllvermögens durch Bildung einer Schicht unter einer niedrigen Tempera­ tur) → primäres Polieren → Opferoxidation (sacrificial oxidation) → letztes Polieren 14066 00070 552 001000280000000200012000285911395500040 0002010053463 00004 13947. D. h. diese Ausführungsform führt Schritte durch des Grabenätzens → der HF-Verwaschung (Entfernen der natürlichen Oxidschicht) → der Wärmebehand­ lung (Entfernen der natürlichen Oxidschicht) → des Bildens einer Epitaxialschicht → des HCL-Ätzens → des Bildens einer RE-Epitaxialschicht (Verbessern des Füllvermögens durch Schichtbildung unter einer niedrigen Temperatur) → des Nichtoxidationswärmebehandelns unter verringertem Druck → des primären Polierens → einer Opferoxidation → des letzten Polierens.
Fig. 15A und 15B zeigen vertikale Querschnittsan­ sichten, welche schematisch Epitaxialschichtzustände dar­ stellen, wenn Wirkungen durch die Wärmebehandlung festge­ stellt werden, welche bei der Nichtoxidation in einer Atmo­ sphäre unter verringertem Druck durchgeführt wird. Zuerst wurde wie in Fig. 15A dargestellt eine Epitaxialschicht 5 in einem Graben 2 eines Substrats 1 durchgeführt. Danach wurde eine Wärmebehandlung unter H2, 1150°C, 10 Minuten und 80 Torr durchgeführt. Als Ergebnis wurde wie in Fig. 15B dargestellt der Hohlraum verringert.
Detailliert dargestellt, das schlechte Auffüllen bzw. Füllen entsprechend Fig. 15A erstreckt sich linear in Rich­ tung der Tiefe des Grabens an der Mitte des Grabenab­ schnitts. Unter Durchführung der oben beschriebenen Wärme­ behandlung von diesem Zustand aus bewegen sich die Atome auf der an der Oberfläche des Hohlraums bloßgelegten Ebene (innere Randoberfläche des Hohlraums) und werden darauf umgeordnet. Dementsprechend werden beide Oberflächen des Hohlraums miteinander verbunden bzw. gebondet, so dass der Hohlraum verringert wird. Als Ergebnis wird wie in Fig. 15B dargestellt der Hohlraum von einer Linie aus zu Punkten.
Wenn gleichermaßen als das Verfahren der Herstellung eines Halbleitersubstrats die Epitaxialschicht gebildet wird, nachdem sie innerhalb des Grabens aufgefüllt worden ist, wird die Wärmebehandlung in der Nichtoxidationsatmo­ sphäre mit niedrigem Druck durchgeführt. Dementsprechend kann der Hohlraum unterdrückt werden. Wenn die Wärmebehand­ lung in der Nichtoxidationsatmosphäre mit niedrigem Druck kontinuierlich nachfolgend auf die Epitaxialschichtbildung in derselben Schichtbildungsvorrichtung durchgeführt wird, in welcher die Epitaxialschichtbildung durchgeführt wird, kann ein Anhaften von Schadstoffen an der Oberfläche des Substrats verringert werden, und der Durchsatz wird eben­ falls verbessert. Dieses Verfahren kann zusätzlich zu der ersten Ausführungsform auf die sechste Ausführungsform angewandt werden. D. h. in dem Schritt des zu einem Einkri­ stall Kristallisierens der in Fig. 11B dargestellten amor­ phen Halbleiterschicht 55 durch eine Festkörperphasenreak­ tion kann die Wärmebehandlung in der Nichtoxidationsatmo­ sphäre mit niedrigem Druck durchgeführt werden. Wenn zu dieser Zeit die Wärmebehandlung kontinuierlich in derselben Schichtbildungsvorrichtung als dem Schritt des Füllschritts der amorphen Halbleiterschicht durchgeführt wird, kann ein Anhaften von Schadstoffen an der Oberfläche des Substrats verringert werden, und es kann ebenfalls der Durchsatz verbessert werden.
Die Nichtoxidationswärmebehandlung kann unter Einfüh­ rung der Atmosphäre des niedrigen Drucks durchgeführt wer­ den, nachdem die Abflachung durch Polieren durchgeführt worden ist, und in diesem Fall kann sie ebenfalls den Hohl­ raum durch die Bewegung der Siliziumatome auf der Oberflä­ che des Hohlraums verringern.
Zehnte Ausführungsform
Als nächstes wird eine zehnte Ausführungsform haupt­ sächlich im Hinblick auf Unterschiede bezüglich der ersten und sechsten Ausführungsformen beschrieben.
Zuerst wird wie in Fig. 2A dargestellt nach der Bildung des Grabens 2 auf dem Siliziumsubstrat 1 die Epitaxial­ schicht 5 gebildet, und es wird wie in Fig. 2B dargestellt ein Teil der Epitaxialschicht 5 geätzt. Danach wächst wie in Fig. 16A dargestellt die Epitaxialschicht 6 auf, um einen Hohlraum an dem mittleren Abschnitt des Grabens 2 zu verursachen. Danach wird wie in Fig. 16B dargestellt eine Abflachungsbehandlung wie ein Polieren bezüglich der Epita­ xialschichten 5 und 6 durchgeführt, um den Hohlraum bloßzu­ legen. Des weiteren wird wie in Fig. 16C dargestellt eine Epitaxialschicht 80 wiederum gebildet, um den Hohlraum zu füllen. Dementsprechend kann der Hohlraum gefüllt werden, um zu verschwinden. Wenn zu dieser Zeit eine Schichtbildung des Steuerns der reaktiven Rate bei einer niedrigen Tempe­ ratur (600°C oder weniger) durchgeführt wird, wird der Fülleffekt hoch.
Detailliert dargestellt, als Schrittbedingungen bzw. - zustände (step conditions) (ein Schritt des erneuten Fül­ lens (refilling) des Hohlraums) ist eine Schichtbildungs­ vorrichtung als LP-CVD ausgebildet, es wird beispielsweise SiH4 als Schichtbildungsmaterial verwendet, und es wird eine Schichtbildungstemperatur in einem Bereich von 300°C bis 1200°C festgelegt. Da die Siliziumschicht bezüglich einer einkristallinen Schicht, einer polykristallinen Sili­ ziumschicht und einer amorphen Schicht entsprechend der Temperatur der Schichtbildung sich unterschiedlich gestal­ tet, kann irgendeine verwendet werden.
Nachdem die Schicht 80 gebildet worden ist, wird wie­ derum wie in Fig. 16D dargestellt die Abflachungsbehandlung (Polieren oder Zurückätzen) durchgeführt. Insbesondere wird diese Ausführungsform für ein Vergleichsbeispiel verwendet einschließlich der Schritte des Grabenätzens → der HF-Ver­ waschung (Entfernen der natürlichen Oxidschicht) → der Wärmebehandlung (Entfernen der natürlichen Oxidschicht) → der Bildung der Epitaxialschicht → des HCL-Ätzens → der Bildung der Re-Epitaxialschicht (Verbesserung des Füllver­ mögens durch eine Schichtbildung unter einer niedrigen Temperatur) → des primären Polierens → 4 der Opferoxidation → des beendenden Polierens.
D. h. diese Ausführungsform wird geschaffen bzw. durch­ geführt durch die Schritte des Grabenätzens → der HF-Ver­ waschung (Entfernen der natürlichen Oxidschicht) → der Wärmebehandlung (Entfernen der natürlichen Oxidschicht) → der Bildung der Epitaxialschicht → des HCL-Ätzens → der Bildung der Re-Epitaxialschicht (Verbesserung des Füllver­ mögens durch Bildung einer Schicht mit einer niedrigen Temperatur) → einer Nichtoxidationwärmebehandlung unter niedrigem Druck (was bezüglich der neunten Ausführungsform beschrieben worden ist) → des primären Polierens → der Opferoxidation → des vollendenden Polierens → des Auffül­ lens bzw. Füllens von Silizium (300 bis 1200°C, einkri­ stallines Silizium, Polysilizium oder amorphes Silizium) als ein Schritt des erneuten Füllens (refilling) des Hohl­ raums → primäres Polieren → beendendes Polieren.
Gleichermaßen wird wie bei dem Verfahren des Herstel­ lens eines Halbleitersubstrats in dem Ablachungsbehand­ lungsschritt an dem Punkt, bei welchem der Hohlraum an dem mittleren Abschnitt der (auf)füllenden Epitaxialschichten 5 und 6 in dem Graben 2 auf der Oberfläche bloßgelegt ist, wird die Epitaxialschicht 80, die einkristalline Silizium­ schicht oder die amorphe Schicht gebildet, um in den Hohl­ raum gefüllt zu werden. Des weiteren wird die Abflachungs­ behandlung derart durchgeführt, dass der Hohlraum verrin­ gert werden kann. Dieses Verfahren kann zusätzlich zu der ersten Ausführungsform auf die sechste Ausführungsform angewandt werden. D. h., wenn ein Hohlraum entsprechend Fig. 11C in dem Ablachungsbehandlungsschritt der (auf)gefüllten Schichten 54 und 56 in dem Graben an dem Punkt hergestellt wird, wenn der Hohlraum der Mitte der (auf)gefüllten Schichten 54 und 56 auf der Oberfläche bloßgelegt ist, wird die Epitaxialschicht 80, die polykristalline Schicht oder die amorphe Schicht gebildet, um in den Hohlraum gefüllt zu werden. Danach wird die Abflachungsbehandlung durchgeführt.
Elfte Ausführungsform
Als nächstes wird eine elfte Ausführungsform hauptsäch­ lich anhand von Unterschieden bezüglich der ersten und sechsten Ausführungsformen beschrieben. Wenn bei dieser Ausführungsform entsprechend Fig. 17A und 17B eine Auf­ wachsrate einer Epitaxialschicht 93 an einem Boden eines Grabens 92 α ist, eine Aufwachsenrate einer Epitaxial­ schicht 93 an einer Seite des Grabens 92 β ist, eine Breite des Grabens 92 an dem Öffnungsabschnitt F ist und eine Tiefe des Grabens B ist, gilt die Beziehung B/α < F/2β.
Detailliert dargestellt, es wird entsprechend Fig. 17A ein Substrat 91 mit dem Graben 92 bereitgestellt bzw. prä­ pariert. Wenn die Epitaxialschicht 93 wie in Fig. 17B dar­ gestellt in dem Graben 92 des Substrats 91 aufwächst, wer­ den, da eine Aufwachsverbindungsoberfläche (growth joint surface) von den Seiten des Grabens zu einem Grund eines Hohlraums wird, wird die Grabenform und die Aufwachsrate der Epitaxialschicht (Seite, Boden) in dem Graben opti­ miert, so dass die Verbindungsoberfläche dem oberen Ab­ schnitt des anfänglichen Grabens entspricht.
Als konkretes Beispiel wird angenommen, dass Si (110) als das Substrat verwendet wird und ein Nassätzen durch TMAH als Grabenätzen durchgeführt wird. In diesem Fall gilt für die Aufwachsraten der Innenseite des Grabens β = 0,45 µm/Minute und α = 0,38 µm. In dem Fall, bei welchem die Breite F des Öffnungabschnitts 18 µm beträgt, wird die Tiefe B auf weniger als 7,6 µm bei der Grabenstruktur festgelegt, um die obige Beziehung zu erfüllen.
Gleichermaßen wird bei dem Verfahren des Herstellens einer Halbleiteranordnung, bei welcher der Graben 92 in dem Halbleitersubstrat 91 gebildet wird, die Epitaxialschicht 93 durch das epitaxiale Aufwachsverfahren auf dem Halblei­ tersubstrat 91 einschließlich der Innenseite des Grabens 92 gebildet, und es wird die Oberfläche der Epitaxialschicht 93 auf dem Halbleitersubstrat 91 abgeflacht, wobei die obige Beziehung (B/α < F/2β) erfüllt wird. Somit kann das Auftreten des Hohlraums unterdrückt werden.
Dieses Verfahren kann auf die erste Ausführungsform an­ gewandt werden. D. h. es können Fig. 2A und 2C angewandt werden, wenn die Epitaxialschichten 5 und 6 in dem Graben aufwachsen. Anderenfalls kann dieses Verfahren auf die sechste Ausführungsform angewandt werden. D. h., wenn ent­ sprechend Fig. 11A die amorphe Halbleiterschicht in dem Graben 52 aufwächst, wird dafür gesorgt, dass die Beziehung B/α < F/2β erfüllt wird, wobei eine Aufwachsrate der amor­ phen Siliziumschicht an dem Boden des Grabens α ist, eine Aufwachsrate der amorphen Siliziumschicht an der Seite des Grabens β ist, die Breite des Grabens an dem Öffnungsab­ schnitt F ist und die Tiefe des Grabens B ist. Wenn andern­ falls die Epitaxialschicht 54 in dem Graben 52 wie in Fig. 11A dargestellt aufwächst und wenn die amorphe Halbleiter­ schicht 55 in dem Graben 52 wie in Fig. 11B dargestellt aufwächst, kann der Ausdruck mit einer Aufwachsrate α von beiden Schichten 54 und 55 auf dem Grabenboden, einer Auf­ wachsrate β an der Grabenseite und den Größen G, F des Grabens die Beziehung B/α < F/2β erfüllen.
In Bezug auf Beispiele außer den soweit beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen wird bei den obigen ersten bis elften Ausführungsformen das Substratverarbeitungsverfahren beschrieben, bei welchem Silizium epitaxial auf dem Silizi­ umsubstrat aufwächst, so dass eine dreidimensionale Dotie­ rungsschicht gebildet wird. Eine ähnliche Verarbeitungs­ technik kann ebenfalls auf ein anderes Halbleitermaterial wie SiC, SiGe oder GaAs angewandt werden, und es ist mög­ lich die Bildung einer Dotierungsschicht für eine hohe Integration in Richtung der Substrattiefe zu realisieren.
Bezüglich der Substratstruktur besitzen die ersten bis elften Ausführungsformen einer derartige Struktur, bei welcher die Dotierungsschicht an der Oberfläche des Substrats bloßgelegt ist (beispielsweise ist entsprechend Fig. 2D die Dotierungsschicht 3 an der oberen Oberfläche des Substrats bloßgelegt). Jedoch kann eine derartige Struktur dahingehend angenommen werden, dass die Dotie­ rungsschicht intern in dem Substrat enthalten ist, bei­ spielsweise entsprechend 2D eine derartige Struktur, bei welcher eine Siliziumschicht auf der Dotierungsschicht 3 angeordnet ist.
Vorstehend wurden ein Halbleitersubstrat und ein Ver­ fahren zu dessen Herstellung offenbart. Ein Graben (2) wird in einem Siliziumsubstrat (1) gebildet, und eine Epitaxial­ schicht (5) wird auf dem Substrat und in dem Graben gebil­ det. Nachdem ein Teil der um einen Öffnungsabschnitt des Graben herum gebildeten Epitaxialschicht geätzt worden ist, wird eine andere Epitaxialschicht (6) auf dem Substrat und in dem Graben gebildet. Dementsprechend kann der Graben mit den Epitaxialschichten vollständig gefüllt werden. Danach wird die Oberfläche des Substrats abgeflacht.

Claims (62)

1. Halbleitersubstrat mit:
einem Halbleitersubstratabschnitt (11, 21, 31), wel­ cher einen Graben (12, 22, 32) aufweist, wobei der Graben eine erste Breite (C, W1) an einem Boden davon parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstratabschnitts und eine zweite Breite (D, W2) an einem Öffnungsabschnitt davon par­ allel zu der Oberfläche des Halbleitersubstratabschnitts aufweist, welche größer als die erste Breite ist; und
einer Halbleiterschicht (13, 23), welche den Graben füllt und eine Dimension in einer Richtung einer Linie nor­ mal zu der Oberfläche des Halbleitersubstratabschnitts auf­ weist, welche größer als eine seitliche Dimension davon ist, wobei die seitliche Dimension eine Dimension in einer seitlichen Richtung auf einer beliebigen Ebene parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstratabschnitts und quer zu dem Graben verlaufend ist.
2. Halbleitersubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass
der Halbleitersubstratabschnitt einen ersten Leitfä­ higkeitstyp aufweist;
die Halbleiterschicht einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist; und
ein PN-Übergang an einer Schnittstelle zwischen dem Halbleitersubstratabschnitt und der Halbleiterschicht ge­ bildet ist.
3. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Halbleiterschicht aus ersten und zweiten Dotierungsschichten zusammensetzt, die sich voneinander in Bezug auf den Leitungstyp und/oder die Dotierungskonzentration unterscheiden.
4. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben sich von dem Öff­ nungsabschnitt bis zu dem Boden verjüngt.
5. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Randabschnitt des Halblei­ tersubstratabschnitts, welcher den Öffnungsabschnitt des Grabens umgibt, derart abgerundet ist, dass die zweite Breite an dem Öffnungsabschnitt größer als die erste Breite an dem Boden in dem Graben ist.
6. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben einen abgestuften Abschnitts derart aufweist, dass die zweite Breite an dem Öffnungsabschnitt größer als die erste Breite an dem Boden des Grabens ist.
7. Halbleitersubstrat, welches einen Graben aufweist, mit:
einer Halbleiterschicht (63), welche in einen Graben (62) gefüllt ist und eine Dimension in einer Richtung einer Linie normal zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrats aufweist, welche größer als eine seitliche Dimension davon ist, wobei die seitliche Dimension eine Dimension in seit­ licher Richtung auf einer beliebigen Ebene parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats und quer zu dem Graben verlaufend ist;
einem leitfähigen Material (64), welches in die Halb­ leiterschicht gefüllt ist und ein Potential der Halbleiter­ schicht aufnimmt.
8. Halbleitersubstrat nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass
das Halbleitersubstrat einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist;
die Halbleiterschicht einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist; und
ein PN-Übergang an einer Schnittstelle zwischen dem Halbleitersubstrat und der Halbleiterschicht gebildet ist.
9. Halbleitersubstrat nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material ein metallisches Material, ein metallisches Silicidmaterial und/oder ein polykristallines Halbleitermaterial mit einer hohen Dotierungskonzentration enthält.
10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats, mit den Schritten:
Bilden eines Grabens (2) in einem Halbleitersubstrat (1);
Bilden einer ersten Epitaxialschicht (5) auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats und in dem Graben;
Ätzen eines Teils der ersten Epitaxialschicht;
Bilden einer zweiten Epitaxialschicht (6) in dem Gra­ ben, um den Graben mit der ersten Epitaxialschicht und der zweiten Epitaxialschicht zu füllen; und
Abflachen der Oberfläche des Halbleitersubstrats, auf welchem die ersten und zweiten Epitaxialschichten gebildet sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil der ersten Epitaxialschicht in einer Nähe ei­ nes Öffnungsabschnitts des Grabens gebildet und geätzt wird, bevor die zweite Epitaxialschicht gebildet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem eine zweite Epitaxialschicht gebildet worden ist, das Ätzen von entweder der ersten Epi­ taxialschicht oder der zweiten Epitaxialschicht und die Bildung der zweiten Epitaxialschicht wenigstens einmal durchgeführt werden, so dass der Graben mit der ersten Epi­ taxialschicht und der zweiten Epitaxialschicht gefüllt ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Halbleitersubstrats durch Polieren abgeflacht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Halbleitersubstrats durch ein Rückätzen einer Trockenätzbehandlung abgeflacht wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Halbleitersubstrat entweder durch Polieren oder ein Rückätzen einer Trockenätzbehandlung ab­ geflacht wird; und
eine Ätzmaske (4), welche zur Bildung des Grabens ver­ wendet wird, als Stopper für entweder das Polieren oder das Rückätzen verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass
der Graben mit den ersten und zweiten Epitaxialschich­ ten gefüllt wird, um einen Hohlraum an einem ungefähr mitt­ leren Abschnitt davon zu besitzen;
die Oberfläche des Halbleitersubstrats abgeflacht wird, bis der Hohlraum darauf bloßgelegt ist; und
der durch Abflachen bloßgelegte Hohlraum mit einer Schicht (80) gefüllt wird, welche entweder eine Epitaxial­ schicht, eine polykristalline Schicht oder eine amorphe Schicht ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben eine erste Breite (E) an einem Boden davon und eine zweite Breite (F) an einem Öff­ nungsabschnitt davon aufweist, wobei die zweite Breite grö­ ßer als die erste Breite ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beziehung B/α < F/2β erfüllt wird, wobei
α eine erste Aufwachsrate von jeweils der ersten Epi­ taxialschicht und der zweiten Epitaxialschicht an einem Bo­ den des Grabens ist;
β eine zweite Aufwachsrate von jeweils der ersten Epi­ taxialschicht und der zweiten Epitaxialschicht an einer Seite des Grabens ist;
F eine Breite an dem Öffnungsabschnitt des Grabens ist; und
B eine Tiefe des Grabens ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben in dem Halbleitersubstrat durch ein anisotropes Ätzen gebildet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, gekenn­ zeichnet durch die Schritte:
Durchführen einer thermischen Oxidationsbehandlung zur Bildung einer Oxidschicht (25) auf der Oberfläche des Substrats einschließlich einer inneren Oberfläche des Gra­ bens nach der Bildung des Grabens; und
Entfernen der Oxidschicht derart, dass ein Öffnungsab­ schnitt des Grabens vergrößert ist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, gekenn­ zeichnet durch ein Ätzen eines oberen Abschnitts des Gra­ bens, bevor oder nachdem der Graben in dem Substrat derart gebildet worden ist, derart, dass ein Öffnungsabschnitt des Grabens vergrößert ist.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Abschnitt, welcher geätzt wird, bevor oder nachdem der Graben gebildet worden ist, eine Tiefe (L2) aufweist, welche flacher als eine Tiefe (L1) des Grabens ist und eine Breite (W2) größer als eine Breite (W1) an ei­ nem Boden des Grabens ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der ersten Epitaxialschicht in einer Atmosphäre, welche Wasserstoffchlorid oder Wasser­ stoff enthält, durch eine Gasphasenätzaktion des Wasser­ stoffchlorids oder des Wasserstoffs geätzt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung der ersten Epitaxial­ schicht und das Ätzen des Teils der ersten Epitaxialschicht fortlaufend in einer identischen Schichtbildungsvorrichtung durchgeführt werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem die zweite Epitaxialschicht gebildet worden ist, ein Ätzen der ersten Epitaxialschicht oder der zweiten Epitaxialschicht und die Bildung der zwei­ ten Epitaxialschicht abwechselnd durchgeführt werden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 22 und 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass
wenn die erste Epitaxialschicht gebildet wird, die Oberfläche des Halbleitersubstrats einem Schichtbildungsgas einschließlich einem Element zur Bildung der ersten Epita­ xialschicht ausgesetzt und auf einer ersten Temperatur ge­ halten wird; und
wenn der Teil der ersten Epitaxialschicht geätzt wird, die Oberfläche des Halbleitersubstrats einem Ätzgas ausge­ setzt wird und auf einer zweiten Temperatur gehalten wird, bei welcher eine Ätzreaktion ein Prozess des Steuerns der Zufuhrrate wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19 und 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass
der Graben in dem zweiten Halbleitersubstrat durch ei­ ne auf dem Halbleitersubstrat vorgesehene Ätzmaske (43) ge­ bildet wird;
die erste Epitaxialschicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats und in dem Graben mit der auf dem Halb­ leitersubstrat verbleibenden Ätzmaske derart gebildet wird, dass die erste Epitaxialschicht einen um den Öffnungsab­ schnitt des Graben herum gebildeten polykristallinen Halb­ leiter (44b) enthält; und
der polykristalline Halbleiter durch Ätzen als Teil der ersten Epitaxialschicht selektiv entfernt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass
der Graben in dem Halbleitersubstrat durch eine auf dem Halbleitersubstrat vorgesehene Ätzmaske gebildet wird; und
die erste Epitaxialschicht gebildet wird, nachdem die Ätzmaske vollständig von dem Halbleitersubstrat entfernt worden ist, so dass sich die gesamte erste Epitaxialschicht aus einem einkristallinen Halbleiter zusammensetzt.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Epitaxialschicht unter Ver­ wendung eines Gases gebildet wird, welches eine Verunreini­ gung enthält, die zu einer Dotierungssubstanz für die erste Epitaxialschicht wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 29, des wei­ teren gekennzeichnet durch den Schritt des Durchführens ei­ ner Wärmebehandlung auf das Substrat unter einem niedrigen Druck und einer Nichtoxidationsatmosphäre, nachdem der Gra­ ben mit der ersten Epitaxialschicht und der zweiten Epita­ xialschicht gefüllt worden ist.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung der zweiten Epitaxialschicht und die Wär­ mebehandlung unter dem niedrigen Druck und der Nichtoxida­ tionsatmosphäre fortlaufend in einer identischen Schicht­ bildungsvorrichtung durchgeführt werden.
32. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats, mit den Schritten:
Bilden eines Grabens (52) in einem Halbleitersubstrat (51);
Füllen einer amorphen Halbleiterschicht (55) in den Graben;
zum Einkristall Kristallisieren der amorphen Halblei­ terschicht durch eine Festkörperphasenreaktion, welche durch eine Wärmebehandlung hervorgerufen wird; und
Abflachen der Oberfläche des Halbleitersubstrats.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben eine erste Breite an einem Boden davon und eine zweite Breite an einem Öffnungsabschnitt davon auf­ weist, wobei die zweite Breite größer als die erste Breite ist.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 und 33, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beziehung B/α < F/2β erfüllt wird, wobei
α eine erste Aufwachsrate der amorphen Halbleiter­ schicht an einem Boden des Grabens ist;
β eine zweite Aufwachsrate der amorphen Halbleiter­ schicht an einer Seite des Grabens ist;
F eine Breite eines Öffnungsabschnitts des Grabens ist; und
B eine Tiefe des Grabens ist.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben in dem Halbleitersubstrat durch ein anisotropes Ätzen gebildet wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 35, gekenn­ zeichnet durch die weiteren Schritte:
Durchführen einer thermischen Oxidationsbehandlung zur Bildung einer Oxidschicht (25) auf der Oberfläche des Substrats einschließlich einer inneren Oberfläche des Gra­ bens nach der Bildung des Grabens; und
Entfernen der Oxidschicht derart, dass ein Öffnungsab­ schnitt des Grabens vergrößert ist.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 35, des wei­ teren gekennzeichnet durch den Schritt des Ätzens eines oberen Abschnitts des Grabens, bevor oder nachdem der Gra­ ben in dem Substrat gebildet worden ist, derart, dass ein Öffnungsabschnitt des Grabens vergrößert ist.
38. verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Abschnitt, welcher geätzt worden ist, bevor oder nachdem der Graben gebildet worden ist, eine Tiefe (L2) aufweist, die flacher als eine Tiefe (L1) des Grabens ist, und eine Breite (W2) aufweist, welche größer als eine Breite (W2) an einem Boden des Grabens ist.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Halbleiterschicht in dem Graben unter Verwendung eines Gases einschließlich einer Verunreinigung gefüllt wird, welche zu einer Dotierungssub­ stanz wird.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 39, des wei­ teren gekennzeichnet durch den Schritt des Bildens einer Epitaxialschicht (54) in dem Graben, bevor die amorphe Halbleiterschicht in den Graben gefüllt wird.
41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Epitaxialschicht und die amorphe Halbleiterschicht fortdauernd in einer identischen Schichtbildungsvorrichtung gebildet werden.
42. verfahren nach Anspruch 40, des weiteren gekennzeich­ net durch den Schritt des Ätzens eines Teils der Epitaxial­ schicht, bevor die amorphe Halbleiterschicht gebildet wor­ den ist, wobei die Bildung der Epitaxialschicht und das Ätzen der Epitaxialschicht einmal oder mehrere Male durchgeführt wer­ den.
43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen des Teils der Epitaxialschicht in einer At­ mosphäre, welche entweder Wasserstoffchlorid oder Wasser­ stoff enthält, durch eine Gasphasenätzaktion entweder des Wasserstoffchlorids oder des Wasserstoffs durchgeführt wird.
44. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung der Epitaxialschicht und das Ätzen des Teils der Epitaxialschicht abwechselnd durchgeführt werden.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass
wenn die Epitaxialschicht gebildet wird, die Oberflä­ che des Halbleitersubstrats einem Schichtbildungsgas, wel­ ches ein Element zur Bildung der Epitaxialschicht enthält, ausgesetzt wird und auf einer ersten Temperatur gehalten wird; und
wenn der Teil der Epitaxialschicht gebildet wird, die Oberfläche des Halbleitersubstrats einem Ätzgas ausgesetzt wird und auf einer zweiten Temperatur gehalten wird, bei welcher eine Ätzreaktion ein Prozess des Steuerns der Zu­ fuhrrate wird.
46. Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass
der Graben in dem Halbleitersubstrat durch eine auf dem Halbleitersubstrat vorgesehene Ätzmaske (43) gebildet wird;
die Epitaxialschicht auf der Oberfläche des Halblei­ tersubstrats und in dem Graben mit der auf dem Halbleiter­ substrat verbleibenden Ätzmaske derart gebildet wird, dass die Epitaxialschicht einen um einen Öffnungsabschnitt des Grabens herum gebildeten polykristallinen Halbleiter (44b) enthält; und
der polykristalline Halbleiter selektiv durch Ätzen als Teil der Epitaxialschicht entfernt wird.
47. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass
der Graben in dem Halbleitersubstrat durch eine auf dem Halbleitersubstrat vorgesehene Ätzmaske gebildet wird; und
die Epitaxialschicht gebildet wird, nachdem die Ätz­ maske vollständig von dem Halbleitersubstrat entfernt wor­ den ist, so dass sich die gesamte Epitaxialschicht aus ei­ nem einkristallinen Halbleiter zusammensetzt.
48. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass die Epitaxialschicht unter Verwendung eines Gases gebildet wird, welches eine Verunreinigung ent­ hält, die zu einer Dotierungssubstanz für die Epitaxial­ schicht wird.
49. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die amorphe Halbleiter­ schicht zu einem Einkristall kristalliert ist, eine Wärme­ behandlung auf das Substrat unter einem niedrigen Druck und einer Nichtoxidationsatmosphäre durchgeführt wird.
50. Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Einkristall Kristallisieren der amorphen Halb­ leiterschicht und die Wärmebehandlung fortdauernd in einer identischen Schichtbildungsvorrichtung durchgeführt werden.
51. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Halbleitersubstrats entweder durch Polieren oder Rückätzen einer Trockenätzbe­ handlung abgeflacht wird.
52. Verfahren nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, dass
der Graben in dem Halbleitersubstrat durch eine auf dem Halbleitersubstrat vorgesehene Ätzmaske durchgeführt wird; und
die Ätzmaske als Stopper für entweder das Polieren oder das Rückätzen der Trockeätzbehandlung dient.
53. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass das Abflachen der Oberfläche des Halb­ leitersubstrats die Schritte enthält:
Abflachen der Oberfläche des Halbleitersubstrats, bis ein in dem Graben gebildeter Hohlraum an der abgeflachten Oberfläche bloßgelegt ist;
Füllen des Hohlraums mit einer Schicht (80), welche entweder eine Epitaxialschicht, eine polykristalline Schicht oder eine amorphe Schicht ist; und
Abflachen der Oberfläche des Halbleitersubstrats, auf welchem die Schicht gebildet ist.
54. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats, mit den Schritten:
Bilden eines Grabens (62) in einem Halbleitersubstrat (61);
Bilden einer Epitaxialschicht (66) auf einer Oberflä­ che des Halbleitersubstrats und in dem Graben;
Bilden einer Schicht eines leitfähigen Materials (67) auf der Epitaxialschicht derart, dass die Schicht des leit­ fähigen Materials in die Epitaxialschicht gefüllt wird, welche in dem Graben gebildet ist; und
Abflachen der Oberfläche des Halbleitersubstrats, auf welchem die Epitaxialschicht und die Schicht des leitfähi­ gen Materials gebildet sind.
55. Verfahren nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben in dem Halbleitersubstrat durch eine ani­ sotrope Ätzbehandlung gebildet wird.
56. Verfahren nach einem der Ansprüche 54 und 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Epitaxialschicht unter Verwendung eines Gases gebildet wird, welches eine Verunreinigung ent­ hält, die zu einer Dotierungssubstanz für die Epitaxial­ schicht wird.
57. Verfahren nach einem der Ansprüche 54 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des leitfähigen Materials entweder aus einem metallischen Material oder einem metal­ lischen Silicidmaterial gebildet wird.
58. Verfahren nach Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Schicht des leitfähigen Materials aus dem metallischen Silicidmaterial gebildet wird, die Schicht des leitfähigen Materials durch Bilden einer metallischen Schicht und unter Durchführung einer Wärmebehandlung gebil­ det wird, um die metallische Schicht in eine metallische Silicidschicht umzuwandeln.
59. Verfahren nach einem der Ansprüche 54 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Epitaxialschicht gefüllte Schicht des leitfähigen Materials eine polykristalline Halbleiterschicht ist, welche eine hohe Dotierungskonzen­ tration und einen mit einem Leitfähigkeitstyp der Epita­ xialschicht identischen Leitfähigkeitstyp aufweist.
60. Verfahren nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Halbleitersubstrats durch Polieren abgeflacht wird.
61. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats, mit den Schritten:
Bilden eines Grabens (72), welcher eine erste Tiefe aufweist, in einem Halbleitersubstrat (71);
Bilden einer Epitaxialschicht (73) auf dem Halbleiter­ substrat und in dem Graben; und
Entfernen der Epitaxialschicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats und eines Oberflächenabschnitts des Halbleitersubstrats derart, dass der Graben eine zweite Tiefe aufweist, welche kleiner als die erste Tiefe ist, und vollständig mit der Epitaxialschicht gefüllt ist.
62. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats, mit den Schritten:
Bilden eines Grabens (92) in einem Halbleitersubstrat (91);
Bilden einer Epitaxialschicht (93) auf einer Oberflä­ che des Halbleitersubstrats und in dem Graben; und
Abflachen der Oberfläche des Halbleitersubstrats, auf welchem die Epitaxialschicht gebildet ist, wobei eine Beziehung B/α < F/2β erfüllt wird, wobei
α eine erste Aufwachsrate der Epitaxialschicht auf ei­ nem Boden des Grabens ist;
β eine zweite Aufwachsrate der Epitaxialschicht an ei­ ner Seite des Grabens ist;
F eine Breite an einem Öffnungsabschnitt des Grabens ist; und
B eine Tiefe des Grabens ist.
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