DD214491A1

DD214491A1 - PROCESS FOR THE PRE-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALLINE SEMICONDUCTOR SUBSTRATES

Info

Publication number: DD214491A1
Application number: DD24913183A
Authority: DD
Inventors: Guenter Scholz; Hermann Schlapak; Rainer Doss; Kurt Baumann
Original assignee: Stahnsdorf Gleichrichter
Priority date: 1983-03-24
Filing date: 1983-03-24
Publication date: 1984-10-10

Abstract

Verfahren zur Vorbehandlung von einkristallinen Halbleitersubstraten, insbesondere zur Vorbehandlung einkristalliner Substrate aus Silizium, fuer die Herstellung defektarmer Epitaxieschichten auf diesen Substraten. Zur Erzielung einer hohen Ausbeute bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente bezueglich der Langzeitstabilitaet ihrer elektrischen Parameter, die durch Kristallbaufehler in der Epitaxieschicht negativ beeinflusst werden, wird ein Verfahren zur wirksamen Reduzierung dieser Kristallbaufehler beschrieben. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die im Substrat vorhandenen Defektkeime, die die Ursache fuer die sich waehrend des Aufwachsprozesses in der Epitaxieschicht ausbildenden Kristalldefekte sind, vor dem Aufbringen der Epitaxieschicht durch Gitterstoerung des Substrates von der Vorderseite her gegettert werden. Die Gitterstoerung wird in einer duennen Oberflaechenschicht durch Implantation von Argon-Ionen erzeugt. Die gestoerte Schicht wird in SiO tief 2 umgewandelt und vor dem Epitaxieschritt chemisch abgetragen. Die Erfindung ist unabhaengig vom Herstellungsverfahren des Substrates fuer die Si-Epitaxie einsetzbar.Process for the pretreatment of monocrystalline semiconductor substrates, in particular for the pretreatment of monocrystalline substrates of silicon, for the production of low-defect epitaxial layers on these substrates. In order to achieve a high yield in the fabrication of microelectronic devices with respect to the long-term stability of their electrical parameters, which are adversely affected by crystal defects in the epitaxial layer, a method for effectively reducing these crystal defects is described. The essence of the invention is that the defect nuclei present in the substrate, which are the cause of the crystal defects forming in the epitaxial layer during the growth process, are obtained from the front side before the epitaxial layer is applied by lattice perturbation of the substrate. The lattice defect is generated in a thin surface layer by implantation of argon ions. The disrupted layer is converted to SiO 2 and chemically removed before the epitaxy step. The invention can be used independently of the production method of the substrate for the Si epitaxy.

Description

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Titel der ErfindungTitle of the invention

Verfahren zur Torbehandlung von einkristallinen HalbleitersubstratenProcess for gate treatment of monocrystalline semiconductor substrates

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung von einkristallinen Halbleitersubstraten aus Silizium für die Herstellung defektarmer Epitaxieschichten auf diesen·The invention relates to a method for the pretreatment of monocrystalline semiconductor substrates made of silicon for the production of low-defect epitaxial layers on these

Charakteristik der "bekannten technischen LösungenCharacteristic of the "known technical solutions

Die Herstellung zuverlässiger Halbleiterbauelemente in Epitaxietechnik setzt eine hohe Kristallperfektion der Epitaxieschichten voraus. Im allgemeinen entstehen in der Epitaxieschicht bereits während des Eptiaxieprozesses eine Vielzahl von Kristalldefekten wie z·· B... Stapelfehler und Versetzungen, die eine schädliche'Wirkung auf die elektrischen Kenndaten der Halbleiterbauelemente haben· Um solchen Gitterdefekten wirksam zu begegnen, werden Silizium-. Substratscheiben vor und nach dem Epitaxieprozeß Getterprozessen unterworfen· Die Getterprozesse dienen dem Ziel, sowohl bereits vorhandene Defektkeime im Substratmaterial als auch entstehende Defektkeime während des Epitaxieprozesses oder in nachfolgenden Hochtemperaturprozessen weitgehend zu eliminieren.The production of reliable semiconductor components in epitaxy requires a high degree of crystal perfection of the epitaxial layers. In general, in the epitaxial layer already during the eptiaxie process, a multiplicity of crystal defects, such as, for example, stacking faults and dislocations, which have a detrimental effect on the electrical characteristics of the semiconductor components. In order to effectively counteract such lattice defects, silicon. Substrate slices subjected to gettering processes before and after the epitaxy process The getter processes serve the purpose of largely eliminating both existing defect nuclei in the substrate material and also emerging defect nuclei during the epitaxy process or in subsequent high-temperature processes.

Eine zusammenfassende Darstellung dieser Problematik findet man z. B. in J. Electrochem. Soc. 128 2 (1981) S. 389 ff. Nach dem Stand der Technik hat das Einbringen von getterfähigen Störungen an der Rückseite der Substratscheiben als Vorbehandlungsmaßnahme vor dem Epitaxieprozeß eine zentrale Bedeutung erlangt. Rückseitenstörungen können beispielsweise durch hochdotierte POCl .,-Di ff us ion, Amorphisierung der Rückseite durch Implantationsverfahren mit anschließendem Ausheilschritt und mechanische Abrasion erzeugt werden·A summary of this problem can be found z. In J. Electrochem. Soc. 128 2 (1981) p. 389 ff. According to the state of the art, the introduction of getter-capable disturbances on the back of the substrate wafers has acquired a central importance as a pre-treatment measure before the epitaxy process. Backside perturbations can be generated, for example, by highly doped POCl., Diffusion, amorphization of the backside by implantation methods with subsequent annealing step and mechanical abrasion.

Wie in der DE-OS 2 628 087 näher ausgeführt, diffundieren bei erhöhter Temperatur zu den auf der Rückseite eingebrachten Kristallstörungen die im Substratmaterial befindlichen Defektkeime, wobei das gesamte Volumen der Substratscheibe, einschließlich des der Scheibenrückseite gegenüberliegenden Oberflächenbereiches, an Defektkeimen verarmt.As explained in more detail in DE-OS 2,628,087, the defect nuclei located in the substrate material diffuse at elevated temperature to the crystal defects introduced on the back surface, with the entire volume of the substrate wafer, including the surface region lying opposite the wafer back surface, being depleted of defect nuclei.

Da jedoch für einen nachfolgenden störungsarmen Epitaxieprozeß der Perfektionsgrad der kristallinen Substratoberfläche und des oberflächennahen Bereiches von besonderer Bedeutung sind, hat diese Verfahrensweise den Nachteil, daß nur hinreichend schnelldiffundierende Defektkeime vorderseitig beseitigt werden können· Weniger schnell bewegliche Defektkeime verbleiben abhängig von der Dicke des Substrates im entscheidenden Bereich und führen beim nachfolgenden Epitaxieprozeß zu Kristalldefekten·However, since the degree of perfection of the crystalline substrate surface and the near-surface region are of particular importance for a subsequent low-defect epitaxy process, this procedure has the disadvantage that only sufficiently fast-diffusing defect nuclei can be removed on the front side. Less rapidly moving defect nuclei remain critical depending on the thickness of the substrate Range and lead to crystal defects in the subsequent epitaxy process ·

G* Ä. Rozgonyi und C· W. Pearce, Appl. Phys. Lett. ^L (1977) S« 343 ff₉ schlagen die Ausnutzung des sogenannten "inneren Gettereffektes" vor. Danach wird der im Czochralski-Silizium in hoher Konzentration vorliegende Sauerstoff, der getterfähige Präzipitate bildet, ausgenutzt. Da dieses Verfahren nur für sauerstoffreiches Silizium ( £"θ$7~8 . 10 ^ cnf·^) praktische Bedeutung besitzt, wird mit diesem Verfahren nur ein entsprechend schmales Spektrum des für eine Halbleiterbauelementeherstellung zur Verfügung stehenden Substratmaterials erfaßt·G * Ä. Rozgonyi and C · W. Pearce, Appl. Phys. Lett. ^ L (1977) p. 343 ff. ₉ propose the utilization of the so-called "inner Gettereffektes". Thereafter, the oxygen present in high concentration in Czochralski silicon, which forms wettable precipitates, is utilized. Since this method has practical significance only for oxygen-rich silicon ("$ ~ $ 7 ~ 8 · 10 ^ cnf ·)), this method covers only a correspondingly narrow spectrum of the substrate material available for semiconductor component production.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Ausbeuteerhöhung bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente auf Epitaxiebasis im Hinblick auf die Verbesserung ihrer elektrischen Parameter bzw» deren Stabilität.The aim of the invention is the increase in yield in the production of microelectronic components based on epitaxy with regard to the improvement of their electrical parameters or their stability.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die der Erfindung zugrundeliegende technische Aufgabe besteht darin, im Substratmaterial vorhandene herstellungsbedingte Defektkeime unabhängig von der Sauerstoffkonzentration und der Substratdicke aus den Bereichen des Sub-The technical problem underlying the invention is that production-related defect nuclei present in the substrate material are independent of the oxygen concentration and the substrate thickness from the regions of the substructure.

strates zu entfernen, von wo aus sie negativen Einfluß auf die Entstehung von Kristallbaufehlern in der Epitaxieschicht haben» -. '"'.. 'from which they have a negative influence on the formation of crystal defects in the epitaxial layer »-. '' '..'

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem vor der Erzeugung epitaktischer Schichten die Oberfläche der Substratscheiben, auf der die epitaktische Abscheidung erfolgen soll, ganzflächig einer hochenergetischen Strahlung, vorzugsweise einer Implantation von Argon-Ionen ausgesetzt wird, wobei eine dünne Oberflächenschicht bis an die Grenze des amorphen Zustandes gestört wird. Durch anschließende thermische Oxydation bei einer Temperatur von mindestens IO5O ⁰C wird eine Getterung der im Substratvolumen befindlichen Defektkeiine und gleichzeitig die Umwandlung der gestörten Oberflächenschicht in SiOp erzielt. Nach dem Abtragen der SiOp-Schicht mit bekannten Ätzverfahren und Ätzmitteln liegt eine defektarme Oberflächenschicht solcher Art vor, daß nachfolgend hergestellte Epitaxieschichten sich durch hohe Kristallperfektion auszeichnen·According to the invention, the object is achieved by exposing the surface of the substrate wafers, on which the epitaxial deposition is to take place over the entire surface of a high-energy radiation, preferably an implantation of argon ions before the production of epitaxial layers, with a thin surface layer to the limit of the amorphous Condition is disturbed. By subsequent thermal oxidation at a temperature of at least IO5O ⁰ C, a gettering of defects located in the substrate volume and at the same time the conversion of the disturbed surface layer in SiOp is achieved. After removal of the SiO 2 layer by known etching methods and etching agents, a low-defect surface layer of such type is present that subsequently produced epitaxial layers are distinguished by high crystal perfection.

Der erfinderischen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich Defekte und Wachstumsfehler an oder in der NäheThe inventive solution is based on the finding that defects and growth defects at or in the vicinity

der Substratoberfläche nachteilig auf den Aufbau der Epitaxieschicht auswirken»the substrate surface adversely affect the structure of the epitaxial layer »

Die Getterung nach bekannten Verfahren der Rückseitenstörung bringt allein deshalb keinen.entscheidenden Durchbruchs weil die Wirksamkeit dieser Getterung von Defektkeimen im Bereich der Substratoberfläche naturgemäß Einschränkungen auf Grund der längeren Diffusionswegeunterliegt s . . '.. 'The gettering according to known methods of backside perturbation alone does not bring about a crucial breakthrough because the effectiveness of this gettering of defect nuclei in the area of the substrate surface is naturally subject to restrictions due to the longer diffusion paths. , '..'

Eise hohe Getterfähigkeit der gestörten Schicht bei problemloser Optimierung der Polgeschritte wird erreicht, wenn die Störung des Kristallgitters bis an die Grenze des amorphen Zustandes geht« Bei der Verwendung von Argon-The very high gettering ability of the perturbed layer with problem-free optimization of the pole steps is achieved when the perturbation of the crystal lattice reaches the limit of the amorphous state "When using argon

Ionen ist es'deshalb vorteilhaft, mit einer Energie von 70 Ms 100 keV und einer Dosis von 5 · 10 ? bis 2 s 10 cm zu arbeiten.It is therefore advantageous ions, with an energy of 70 Ms 100 keV and a dose of 5 · 10? to work until 2 s 10 cm.

Durch die Umwandlung der gestörten Oberflächenschicht in Siliziumdioxid (SiOg) werden zwei verfahrenstechnisch wichtige Erfordernisse erfüllt· Die SiOo-Schicht kann mit bekannten Verfahren von der Scheibenoberfläche abgetragen werden, so daß eine kristallographisch einwandfreie Oberfläche für die Epitaxie vorliegt, gleichzeitig bewirkt die Mindesttemperatur von IO5O ⁰C während der Oxydation eine wirksame Getterung der Defektkeime· Die Mindestzeitdauer der Oxydation ist von der Dicke der gestörten Oberflächenschicht abhängig, weil die gesamte gestörte Schicht in SiO₉ umgewandelt werden muß.The conversion of the disturbed surface layer into silicon dioxide (SiO 2) fulfills two important procedural requirements. The SiO 2 layer can be removed from the disk surface by known methods so that a crystallographically perfect surface is present for the epitaxy. At the same time, the minimum temperature of IO 5 O is ⁰ C During the oxidation an effective gettering of the defect nuclei · The minimum duration of the oxidation depends on the thickness of the disturbed surface layer, because the entire disturbed layer has to be converted into SiO ₉ .

C.C.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren notwendige Oxydation bedeutet nicht grundsätzlich einen zusätzlichen Verfahrensschritt, weil die SiOg-Schicht für den Polgeschritt als Diffusionsmaske genutzt werden kann· Dies ist beispiels weise bei der Herstellung von Strukturen für integrierte Bauelemente der Pail, bei denen eine Oxidmaske für die Erzeugung vergrabener Schichten benötigt wird·The oxidation required for the process according to the invention does not fundamentally mean an additional process step, since the SiO 2 layer can be used as a diffusion mask for the pole step. This is, for example, in the production of structures for integrated components of the Pail in which an oxide mask is used for the production buried layers is needed ·

Abschließend sei bemerkt, daß es weiterhin möglich ist, zusätzlich zur erfindungsgemäßen Störung der Vorderseite des Substrates, die Substratrückseite erfindungsgemäß oder nach einem bekannten Getterverfahren zu behandeln.Finally, it should be noted that it is also possible, in addition to the inventive disturbance of the front side of the substrate to treat the substrate back according to the invention or according to a known getter.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird am nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert. (1OO)-orientierte Czochralski-Siliziumscheiben mit einer Donatorenkonzentration von N₀^LIO ^cm"" werden sorgfältig gereinigt· Anschließend werden die polier ten Vorderseiten der Scheiben in einer lonenimplantations-The invention will be explained in more detail in the following embodiment. (1OO) oriented Czochralski silicon wafers with a donor concentration of N ^ ₀ ^ LIO cm "" be thoroughly cleaned · Then the polished th front sides of the sheets are in a lonenimplantations-

anlage mit Argon-Ionen beschossen· Die Energie und dieplant bombarded with argon ions · The energy and the

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Strahlendosis betragen 100 keY bzw. 1 .10 cm · Die auf diese Weise im oberflächennahen Bereich gestörten Siliziumscheiben werden nach einer Zwischenreinigung bei 1100 ⁰C oxydiert. Das Oxydationsregime besteht aus einem dreistufigen Zyklus mit trockener - feuchter und trockener Oxydation« Die Oxydationszeit in trockenem Sauerstoff beträgt jeweils 5 min, die Oxydationszeit im feuchten Sauerstoff 90 min« Die hergestellte Oxidschicht ist etwa 0,7 / dick« Es sei angemerkt, daß der gesamte Oxydationsprozeß aber auch durchgehend in trockener oder feuchter Atmosphäre durchgeführt werden kann»Dose are 100 key or 1 .10 cm · The disturbed in this manner near-surface silicon wafers are oxidized by an intermediate cleaning at 1100 ⁰ C. The oxidation regime consists of a three - stage cycle with dry - moist and dry oxidation. "The oxidation time in dry oxygen is 5 minutes, the oxidation time in moist oxygen 90 minutes." The oxide layer produced is about 0.7 / thick "It should be noted that the entire oxidation process can also be carried out continuously in a dry or humid atmosphere »

Vor dem Epitaxieprozeß werden die Oxidschichten mittels Piußsäure entfernt und die Siliziumscheiben abermals einer Reinigung unterzogen«Before the epitaxy process, the oxide layers are removed by means of piic acid and the silicon wafers are cleaned again. «

Die Herstellung der Epitaxieschichten erfolgt durch Wasserstoff reduktion von SiCl₄ bei 1070 ⁰C. Die Epitaxieschichten sind 10 /um dick und n~leitend; als Dotierungsquelle dient AsEL · .The preparation of the epitaxial layers is carried out by hydrogen reduction of SiCl ₄ at 1070 ⁰ C. The epitaxial layers are 10 / um thick conductive and n ~; The doping source used is AsEL ·.

Nach Fertigstellung der Epitaxieschichten erfolgt eine 60 min lange thermische Oxydation der epitaxierten Siliziumscheiben bei 1150 ⁰C unter feuchtem Sauerstoff, um die Auswirkung eines solchen Hochtemperaturprozesses auf die Defektbildung in den Epitaxieschichten mit erfassen zu können« Die Defektbildung in den Epitaxieschichten wird mit Hilfe einer Wright-ltzung und lichtmikroskopischer Auswertung am Schrägschliff untersucht. Die Dichte der gefundenen Ätzfiguren wird mit Ergebnissen verglichen, die an epitaxierten Siliziumscheiben mit herkömmlicher, vor dem Epitaxieprozeß durchgeführter Rückseitengetterung mit Argon-Implantation (Energie 33O ke¥, Dosis 8 · lo'¹^ cm"²) mit Ausheilung bei 1000 ⁰C, 30 min unter Stickstoff erzielt wurden«After completion of the epitaxial layers is carried out a 60 min long thermal oxidation of the epitaxially coated silicon wafers at 1150 ⁰ C under wet oxygen to detect the effect of such a high-temperature process to the formation of defects in the epitaxial layers with "The formation of defects in the epitaxial layers is by means of a Wright and light microscopic evaluation of the bevel cut. The density of the etch figures found will be compared with results on epitaxial silicon wafers using conventional, before the epitaxy process performed Rückseitengetterung with argon implantation (energy 33O ke ¥, dose 8 x lo ^'1 ^ cm ^"2) with annealing at 1000 ⁰ C, Were achieved under nitrogen for 30 min. "

Nach erfindungsgemäßem Verfahren hergestellte Epitaxieschichten weisen Maximalwerte an Defektdichten (die im wesentlichen als Stapelfehler in Erscheinung traten) auf, die gegenüber der Rückseitengetterung auf 1/10 reduziertEpitaxial layers produced according to the method of the invention have maximum values of defect densities (which essentially appeared as stacking faults), which reduces to 1/10 compared to the backside potting

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Claims

Inquiry addressed

i1 · Method for pretreatment of monocrystalline semiconductor substrates made of silicon for the production of defect-free epitaxial layers thereon, by gettering the defect nuclei present in the substrate material, characterized in that before the epitaxial layer is produced a uniformly thin surface layer on the side of the saturation disk the epi taktische deposition to take place, disturbed in their crystalline structure by high energy irradiation to the limit of the amorphous state ₉ then carried out a thermal oxidation at a temperature of at least IO5O C and then the disordered and converted into SiO ₂ layer by etching by means of a is removed known method © ',' ·.

2® method according to item 1, characterized in that the crystallographic perturbation of the monocrystalline structure takes place in the surface layer of the substrate by implantation of noble gas ions.

3® method according to pkt _e 1 and 2, characterized in that the crystallographic disturbance by argon ions with an energy of 60 to 100 keV at a dose in the range between 5 x 10 and 2 * 10 cm takes place.