DD226430A1 - Getterfaehige mehrschichtanordnung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Abstract

Die getterfaehige isoelektronische Mehrschichtanordnung ist anwendbar zur Entfernung von Prozessverunreinigungen und zur Reduzierung von Kristalldefekten in den bauelementeaktiven Bereichen von MOS- und Bipolar-Schaltkreisen auf der Basis von Halbleitersilizium. Die Aufgabe besteht darin, mit bekannten Verfahren isoelektronische Atome, derart in den Si-Halbleiterkoerper einzubringen, dass verspannte Zonen entstehen, in denen lokal begrenzte, getterfaehige Defekte entstehen.

Description

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Die Implantation von Germanium wird ausgenutzt, um Oberflächenamorphisierung zu erzeugen, die bei geeigneter Ausheilung zu Oberflächenglättung von Polysilizium führen kann (Hart, R. R., Hunsberger, R. G., Dunlop, H. L, Marsh, O. J., Nucl. Lustr. and Methods phys. Res. Vol. 191 NQ 1-3, 31. Dec. 1981, ρ 70-74).

Die Implantation von Kohlenstoff wird bisher beschrieben im Zusammenhang mit der Erzeugung von Si-SiC HeteroStrukturen, (Moumoub, A., Roger, J. A., Durupt, P., Pivot, I.; Thin solid films Vol. 97 NQ 2, 12. Nov. 1982 p. 107-11).

Allen diesen Verfahren und Anwendungen von Ge und C in Si ist jedoch nicht zu entnehmen, daß ein Einbringen dieser isoelektronischen Elemente zur Getterung von Verunreinigungen und Defektkeimen ausgenutzt wird.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, die aktiven Bereiche von Halbleiterbauelementen auf Siliziumbasis von Verunreinigungen und Eigenfehlstellen weitgehend frei zu halten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine isoelektronische Mehrschichtanordnung zu schaffen, bei welcher im Si-Halbleiterkörper gezielt Bereiche ausgebildet werden, die getterfähig sind und gleichzeitig die Defektausbreitung im aktiven Bauelementebereich unterbinden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die Bauelementeseite eines Si-Halbleiterkörpers entweder ganzflächig oder in lateral begrenzte Gebiete von Bauelementestrukturen Elemente der 4. Hauptgruppe des Periodensystems (isoelektronische Elemente) mit vom Substratmaterial abweichenden Atomradien schichtförmig eingebracht werden. Hierdurch wird eine getterfähige isoelektronische Mehrschichtanordnung geschaffen, in welcher sich an bzw. nahe der Grenzschicht von Substrat und Epitaxieschicht oder zwischen aktiven Bauelemente-Strukturen schichtförmige. isoelektronische Bereiche mitwählbaren Konzentrationsprofilen befinden.

Es ist zweckmäßig, daß zur Erzeugung kompressionsverspannter Bereiche Germanium in den Si-Einkristall und zur Erzeugung zugverspannter Gitterbereiche Kohlenstoff in aneinander angrenzenden Schichten eingebracht werden.

Es kann zweckmäßig sein, Zonen mit einer Spannungskompensation zu erzeugen. Dazu werden beide Atomsorten in den gewünschten Bereichen gemeinsam eingebracht. Damit können extreme Anforderungen an die Verzerrungsfreiheit in der Übergangszone zur Bauelementeseite hin gestellt werden. Es ist zweckmäßig, daß das Konzentrationsprofil der isoelektronischen Störstellen so eingestellt wird, daß ein flacher Abfall an der Flanke zur Bauelementeseite hin gewährleistet wird.

Zweckmäßig erfolgt das Einbringen der isoelektronischen Elemente vorzugsweise an bzw. nahe der Grenzfläche zwischen Substrat und Epitaxieschicht oder anderen bauelementetypischen Schichten, beispielsweise unter den Source- und Draingebieten.

Es ist zweckmäßig, daß die unterschiedlich verspannten Gitterbereiche unmittelbar flächenhaft aneinandergrenzen. Dadurch wird erreicht, daß bei Temperaturbehandlungen Sekundärdefekte lokal begrenzt entstehen, die eine zusätzliche Getterwirkung besitzen.

Beispielsweise werden in einen Halbleiterkörper aus Silizium zu diesem Zweck Germanium und Kohlenstoff in dieser Reihenfolge von der Bauelementeseite her schichtartig aneinandergrenzend eingebracht.

Anschließend an das Einbringen der isoelektronischen Störstellen, bestehend aus Elementen der 4. Hauptgruppe des Periodensystems mit vom Atomradius des Si abweichenden Radien, ist eine thermische Behandlung zur Aktivierung durchzuführen.

Dabei werden Kristalldefekte in der Übergangszone (neutrale Ebene) erzeugt, wobei eine Defektausbreitung zur Bauelementeseite durch Einstellung eines abfallenden Konzentrationsprofils der eingebrachten isoelektronischen Elemente vermindert wird. Neben der Ausbildung lokaler defektbehafteter Bereiche hat die thermische Behandlung in der Regel auch die Funktion einer Ausheilung im Sinne der Einordnung von eingebrachten isoelektrohischen Elementen auf Gitterplätze.

Zweckmäßig erfolgt das Einbringen der isoelektronischen Störstellen in gezielte Tiefenbereiche durch Implantation isoelektronischer Ionen oder durch Abscheidung aus der Gasphase.

Durch Reduzierung der Implantationsenergie während der Implantation wird das Konzentrationsprofil der isoelektronischen Störstellen an der Bauelementeseite flach abfallend eingestellt.

Zweckmäßig ist es, das Einbringen der isoelektronischen Störstellen in den Prozeß der Epitaxieschichtherstellung zu integrieren.

Sind lokal begrenzte getterfähige Gebiete erforderlich, werden die isoelektronischen Störstellen durch eine für die Bauelementeherstellung typische Maske und/oder durch zweckmäßige Gestaltung des Lay-out der Halbleiterbauelemente eingebracht. Insbesondere lassen sich in diesem Fall separierte Bereiche realisieren, gegebenenfalls in unterschiedlicher Tiefenlagerung, die je nach Lage zu bauelementeaktiven Bereichen als lateral begrenzte getterfähige oder Bereiche mit erhöhter Rekombinationswirksamkeit ausgebildet sind.

Als technologische Verfahren zur thermischen Behandlung der erfindungsgemäßen Schichten isoelektronischer Störstellen kommen Wärme-, Laser-, Blitzlampen- und Elektronenstrahlbehandlungen in Frage. Zweckmäßig ist es dabei, die thermische Behandlung mit einem bauelementeprozeßtypischen Wärmebehandlungsschritt zu realisieren.

Es ist zweckmäßig, daß durch eine Simultanabscheidung aus mehreren Quellen das Konzentrationsprofil der isoelektronischen Störstelle an der Bauelementeseite flachabfallend eingestellt wird.

Die erfindungsgemäße Mehrschichtanordnung hat die Vorteile, daß die in unmittelbarer Nähe der bauelementeaktiven Bereiche der Si-Scheibe eine hohe Getterwirkung für Verunreinigungen und Eigenfehlstellen besitzt und daß sie sich gut in die Herstellungsprozesse für bipolare und unipolare Schaltkreise ohne zusätzliche Ausrüstungen einarbeiten läßt.

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

(1) Die für die industrielle Fertigung mikroelektronischer Bauelemente typischen Scheiben aus einkristallinem Silizium werden den üblichen Reinigungs- und Prozeßschritten zur Fertigung eines bipolaren Bauelementes ausgesetzt. Vor dem üblichen Epitaxieschritt wird Kohlenstoff mit einer Energie von etwa 600 keV und einer Dosis von etwa 4 · 10¹⁶ cm ~² in die spätere Bauel'ementeseite implantiert, daran anschließend Germanium mit einer Energie von 600 keV und einer Dosis von etwa 5 · 10'⁴ cm"² sowie in einem zweiten Schritt bei etwa 300 keV mit der gleichen Dosis. Danach erfolgt eine Ausheilbehandlung bei etwa 550⁰C für die Dauer einer Stunde in inerter Atmosphäre, woran sich eine thermische Behandlung bei 1 000⁰C für die Dauer einer halben Stunde in Stickstoff mit schneller Abkühlphase anschließt.

Derartig behandelte Scheiben durchlaufen die weiteren üblichen Prozeßschritte der Bauelementetechnologie. Die ganzflächig in einer Tiefe von weniger als 2 pm vorliegenden aneinandergrenzenden Bereiche dieser isoelektronischen Elemente sowie die an der inneren Grenzfläche generierten Defekte bilden eine stark getterfähige Zone, die wegen ihrer Nähe zu den bauelementeaktiven Bereichen in einem weiten Temperaturbereich getterfähig bleibt.

(2) Si-Einkristallscheiben werden vor dem üblichen Epitaxieprozeß mit einer Germanium-Heteroepitaxieschicht von 100 nm Dicke versehen, abgeschieden aus der Gasphase bei Raumtemperatur. Mittels Simultanabscheidung Si/Ge aus zwei Quellen wird eine zur Bauelementeseite hin kontinuierlich oder stufenweise abnehmende Germanium-Konzentration eingestellt, wobei eine erhöhte Abscheidetemperatur (beispielsweise 600°C) eine Durchmischung von Si- und Ge-Atomen ermöglicht.

Derartig vorbereitete Scheiben ermöglichen die Abscheidung einer hochperfekten Si-Epitaxieschicht und enthalten einen inneren verzerrten Bereich am Übergang zur Heteroschicht, an dem in der Folge anschließender prozeßbedingter Hochtemperaturbelastung getterfähige Defekte gebildet werden.

Die Ausbreitung von Versetzungen zur Bauelementeseite wird durch die Ge-Einlagerung oberhalb der defektbehafteten Bereiche verhindert.

(3) Si-Einkristall-Scheiben werden in der Planox-SGT zu MOS-Bauelementen verarbeitet. Es wird eine übliche Prozeßfolge bis zur Nitridstrukturierung vorgenommen. An dieser Stelle wird in das freiliegende Silizium oder höchstens mit dünner Restoxidschicht von < 50 nm bedeckte Si, den späteren sogenannten Feldgebieten, eine Kohlenstoffimplantation mit einer Energie von etwa 400 keV und einer Dosis von etwa 5 · 10'⁵ cm"² und eine Ge-Implantation mit den selben Parametern durchgeführt.

Durch die Wahl der Nitriddicke wird vermieden, daß in den späteren aktiven Gebieten eine Implantationswirkung bis in das Substrat stattfindet.

Die unterschiedlichen mechanischen Spannungen an der Grenzschicht zwischen beiden isoelektronischen Schichten bewirken eine starke Getterung für Prozeßverunreinigungen, die noch besonders effektiv wird, weil sie in der Nähe der aktiven Gebiete stattfindet.

Claims (15)

1. Erfindungsansprüche:

   1. Getterfähige Mehrschichtanordnung für Halbleiterbauelemente, gekennzeichnet dadurch, daß in den Si-Halbleiterkörper gezielte Bereiche isoelektronischer Störstellen, bestehend aus Elementen der vierten Hauptgruppe des Periodensystems mit vom Atomradius des Halbleiterkörpers abweichenden Atomradien, schichtförmig ausgebildet sind.
2. 2. Getterfähige Mehrschichtanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erzeugung kompressionsverspannter Gitterbereiche Germanium und zur Erzeugung zugverspannter Gitterbereiche Kohlenstoff in voneinander getrennten Schichten eingebracht ist.
3. 3. Getterfähige isoelektronische Mehrschichtanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erzeugung spannungskompensierter Bereiche die beiden Atomsorten gemeinsam in einer Schicht eingebracht sind.
4. 4. Gefterfähige Mehrschichtanordnung nach Punkt 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß das Konzentrationsprofil der isoelektronischen Störstellen an der zur Bauelementeseite gerichteten Flanke flach abfallend ausgebildet ist.
5. 5. Getterfähige Mehrschichtanordnung nach Punkt 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß die isoelektronischen Störstellen schichtförmig an oder nahe der Grenze zwischen Halbleiterkörper und Epitaxieschicht oder anderen bauelementetypischen Schichten angeordnet sind.
6. 6. Getterfähige Mehrschichtanordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die unterschiedlich verspannten Gitterbereiche unmittelbar flächenhaft aneinandergrenzend angeordnet sind.
7. 7. Verfahren zur Herstellung getterfähiger isoelektronischer Mehrschichtanordnungen nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in den Si-Halbleiterkörper gezielte Bereiche isoelektronischer Störstellen, bestehend aus Elementen der vierten Hauptgruppe des Periodensystems mit von den Atomradien des Si-Halbleiterkörpers abweichenden Atomradien, eingebracht und durch eine nachfolgende thermische Behandlung aktiviert werden.
8. 8. Verfahren nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die gezielten Bereiche isoelektronischer Störstellen durch Implantation isoelektronischer Ionen erzeugt werden.
9. 9. Verfahren nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die gezielten Bereiche isoelektronischer Störstellen dbrch Abscheidung aus der Gasphase erzeugt werden.
10. 10. Verfahren nach Punkt 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß durch Reduzierung der Implantationsenergie das Konzentrationsprofil der isoelektronischen Störstellen an der zur Bauelementeseite gerichteten Flanke flach abfallend eingestellt wird.
11. 11. Verfahren nach Punkt 3, 5 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß das Einbringen der isoelektronischen Störstellen in den Prozeß der Epitaxieschichtherstellung integriert wird.
12. 12. Verfahren nach Punkt 7-11, gekennzeichnet dadurch, daß zur Herstellung lateral begrenzter getterfähiger Gebiete die isoelektronischen Störsteilen durch eine Maske und/oder durch zweckmäßige Gestaltung des Lay-out der Halbleiterbauelemente eingebracht werden.
13. 13. Verfahren nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die thermische Behandlung durch Wärme- und/oder Laser- und/oder Blitzlampen- und/oder Elektronenstrahlbehandlung realisiert wird.
14. 14. Verfahren nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die thermische Behandlung durch einen prozeßtypischen Wärmebehandlungsschritt realisiert wird.
15. 15. Verfahren nach Punkt 5, 7 und 9, gekennzeichnet dadurch, daß durch Simultanabscheidung aus mehreren Quellen das Konzentrationsprofil der isoelektronischen Elemente an der zur Bauelementeseite gerichteten Flanke flach abfallend eingestellt wird.

    Anwendungsgebiet der Erfindung

    Die Erfindung betrifft eine getterfähige Mehrschichtanordnung in Silizium-Einkristallscheiben und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Sie findet Anwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen auf Silizium-Basis.

    Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

    In der Technologie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen sind verschiedene Getterverfahren bekannt. Diese Getterverfahren werden verwendet, um Punktdefekte und Kristallgitterstörungen von den elektrisch aktiven Halbleiterbereichen fernzuhalten. Prinzip dieser Getterverfahren ist, beabstandet von bauelementeaktiven Bereichen, Diffusionssenken für Verunreinigungen und Eigenfehlstellen zu schaffen.
    Bekannt sind Verfahren, bei denen die Diffusionssenke durch Störung der Scheibenrückseite erreicht wird:

    - Durch verspannte schichtförmige Bereiche, Rozgouyi, G. A., Deysher, G. A., Pearce, C. W.; J. Electrochem. Soc. 1910 (1976)

    - mittels mechanischer Störung, Takano, Y., Koruka, H., Ogima, M., Semiconductor Silicon, Minneapolis 1981

    - durch Einbringen von Atomen und Ionen, in „lon implantation", N. Y. 1971 S. 81

    - Einwirkung von Laserstrahlen, DE OS 2829983.

    Diese Verfahren haben jedoch den Nächteil, daß sich das Problem der Scheibenverwerfung und Versetzungsbildung nicht mit den üblichen Ätz- und Temperaturbehandlungen der Bauelemente-Technologien beherrschen läßt.

    Bekannt ist weiterhin ein Verfahren, das die im Kristallvolumen von nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteten Siliziumeinkristallen gelösten Zwischengittersauerstoff und dessen Präzipitation ausnutzt, Tan, T. Y. et al, Appl. phys. letters 30 175

    Dieses Verfahren kann jedoch nur für solche Scheiben verwandt werden, die eine spezielle kristall- und technologieabhängige Sauerstoffkonzentration nicht unterschreiten.

    Es sind ebenfalls Lösungen bekannt, die, lokalisiert durch Ionenimplantation (auch isoelektronische), in der Schaltkreisoberfläche Kristallstörungen induzieren, um Zonen mit niedriger Minoritätsträgerlebensdauer zu schaffen. Damit werden zum Beispiel unerwünschte Stromverstärkungen in CMOS-Bauelementen unterdrückt (DE OS 2634500, HO1L 27/08; DE OS 2642206,

    Für die Einbringung von Ge in Si gibt es Anwendungen für Infrarot-Detektoren in Form von Legierungsbildung mit dem Ziel, die Misfit-Spannungen zwischen G.e und dem aufgebrachten GaAs zu verringern (Halberg, L.; Nevin, I. H., Journ. of Electronic Materials, Vol. 11 NQ 4 1982)

    Weiterhin gibt es Hinweise über starke Grenzflächenverzerrungen zwischen Ge und Si in Narusawa, T., Gibson, W. H., Journ. Voc.

    Sei. Technol. 20 (3), March 1982 S. 709.