DD226430A1

DD226430A1 - PETROLEUM MULTILAYER ASSEMBLY AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

Info

Publication number: DD226430A1
Application number: DD26592384A
Authority: DD
Inventors: Walter Nitzsche; Fritz-Guenter Kirscht; Georg Riepel; Juergen Dziesiaty; Juergen Hengelhaupt
Original assignee: Erfurt Mikroelektronik
Priority date: 1984-08-02
Filing date: 1984-08-02
Publication date: 1985-08-21

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.The getterable isoelectronic multilayer device is useful for removing process contaminants and reducing crystal defects in the device active regions of semiconductor silicon based MOS and bipolar circuits. The object is to incorporate isoelectronic atoms into the Si semiconductor body by known methods in such a way that strained zones are formed in which locally delineated, dead-end defects arise.

Description

- I - DOS £.ύ - I - DOS £ .ύ

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).The implantation of germanium is exploited to produce surface amorphization, which with appropriate annealing can lead to surface smoothening of polysilicon (Hart, RR, Hunsberger, RG, Dunlop, H.L., Marsh, OJ, Nucl. Lustr. And Methods phys. Res Vol. 191 NQ 1-3, Dec. 31, 1981, p 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).The implantation of carbon has so far been described in connection with the generation of Si-SiC hetero-structures, (Moumoub, A., Roger, JA, Durupt, P., Pivot, I. Thin solid films Vol. 97 NQ 2, Nov. 12 1982, pp. 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.However, all these methods and applications of Ge and C in Si do not suggest that an introduction of these isoelectronic elements is exploited for gettering of contaminants and defect nuclei.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist, die aktiven Bereiche von Halbleiterbauelementen auf Siliziumbasis von Verunreinigungen und Eigenfehlstellen weitgehend frei zu halten.The aim of the invention is to keep the active areas of silicon-based semiconductor devices largely free of impurities and intrinsic defects.

Explanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to provide an isoelectronic multilayer arrangement, in which targeted areas are formed in the Si semiconductor body, which are capable of getting killed and at the same time prevent the propagation of defects in the active device area.

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.The object is achieved according to the invention in that elements of the 4th main group of the periodic table (isoelectronic elements) having atomic radii differing from the substrate material are introduced into the component side of an Si semiconductor body either over the entire surface or in laterally delimited areas of component structures. In this way, a getterable isoelectronic multilayer arrangement is provided, in which layers are formed on or near the boundary layer of substrate and epitaxial layer or between active device structures. Isoelectronic areas with selectable concentration profiles are located.

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.It is expedient that, to produce compression-stressed regions, germanium is introduced into the silicon monocrystal and carbon is generated in adjacent layers in order to produce tensile-stressed grating regions.

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.It may be convenient to create zones with voltage compensation. For this purpose, both atom types are introduced together in the desired areas. This can make extreme demands on the freedom from distortion in the transition zone to the component side out. It is expedient that the concentration profile of the isoelectronic impurities is adjusted so that a flat drop is ensured at the edge to the component side.

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.Advantageously, the introduction of the isoelectronic elements preferably takes place at or near the interface between substrate and epitaxial layer or other component-typical layers, for example under the source and drain regions.

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.It is expedient that the differently braced grid areas adjoin each other immediately areally. It is thereby achieved that localized thermal defects secondary to thermal treatments, which have an additional gettering effect.

Beispielsweise werden in einen Halbleiterkörper aus Silizium zu diesem Zweck Germanium und Kohlenstoff in dieser Reihenfolge von der Bauelementeseite her schichtartig aneinandergrenzend eingebracht.For example, in a semiconductor body made of silicon for this purpose, germanium and carbon are introduced in this order in a layered manner from the component side.

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.Subsequent to the introduction of the isoelectronic impurities, consisting of elements of the 4th main group of the periodic table with deviating from the atomic radius of the Si radii, a thermal treatment for activation is carried out.

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.In this case, crystal defects are generated in the transition zone (neutral plane), wherein a defect propagation to the component side is reduced by setting a decreasing concentration profile of the introduced isoelectronic elements. In addition to the formation of locally defective areas, the thermal treatment usually also has the function of an annealing in the sense of the classification of introduced isoelectrical elements on lattice sites.

Zweckmäßig erfolgt das Einbringen der isoelektronischen Störstellen in gezielte Tiefenbereiche durch Implantation isoelektronischer Ionen oder durch Abscheidung aus der Gasphase.It is expedient to introduce the isoelectronic impurities into specific depth ranges by implantation of isoelectronic ions or by deposition from the gas phase.

Durch Reduzierung der Implantationsenergie während der Implantation wird das Konzentrationsprofil der isoelektronischen Störstellen an der Bauelementeseite flach abfallend eingestellt.By reducing the implantation energy during implantation, the concentration profile of the isoelectronic imperfections on the component side is adjusted to be gently sloping.

Zweckmäßig ist es, das Einbringen der isoelektronischen Störstellen in den Prozeß der Epitaxieschichtherstellung zu integrieren.It is expedient to integrate the introduction of the isoelectronic impurities in the process of epitaxial layer production.

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.If locally limited areas capable of being killed are required, the isoelectronic imperfections are introduced by a mask which is typical for the manufacture of the components and / or by appropriate design of the layout of the semiconductor components. In particular, separated regions can be realized in this case, if appropriate in different depth of storage, which, depending on the position to the element-active regions, are designed as laterally limited wettable or regions with increased recombination efficiency.

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.As technological methods for the thermal treatment of the layers according to the invention of isoelectronic defects, heat, laser, flash lamp and electron beam treatments are suitable. It is expedient to realize the thermal treatment with a component process typical heat treatment step.

Es ist zweckmäßig, daß durch eine Simultanabscheidung aus mehreren Quellen das Konzentrationsprofil der isoelektronischen Störstelle an der Bauelementeseite flachabfallend eingestellt wird.It is expedient that the concentration profile of the isoelectronic defect on the component side is set to be flat decaying by a simultaneous deposition from several sources.

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.The multilayer device according to the invention has the advantages that it has a high gettering effect for impurities and defects in the immediate vicinity of the device-active regions of the Si wafer, and that it can be easily incorporated into the bipolar and unipolar circuit fabrication processes without additional equipment.

-3- 659 23-3- 659 23

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments.

(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.(1) The single crystal silicon wafers typical of industrial microelectronic fabrication are subjected to the usual cleaning and processing steps to fabricate a bipolar device. Prior to the usual epitaxy carbon with an energy of about 600 keV and a dose of about 4 x 10 ¹⁶ cm ~ ² implanted in the later Bauel'ementeseite, subsequently germanium with an energy of 600 keV and a dose of about 5 x 10 ^'4 cm ^"2 as well as in a second step at about 300 keV at the same dose. Thereafter, an annealing treatment is conducted at about 550 ⁰ C for one hour in an inert atmosphere, followed by a thermal treatment at 1 000 ⁰ C for the duration half an hour in nitrogen followed by rapid cooling.

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.Such treated discs go through the other common process steps of the device technology. The contiguous regions of these isoelectronic elements present at a depth of less than 2 μm, as well as the defects generated at the inner boundary surface, form a highly wettable zone which, due to its proximity to the device-active regions, remains capable of becoming killed over a wide temperature range.

(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.(2) Si single crystal slices are provided with a germanium heteroepitaxial layer of 100 nm thickness deposited from the gas phase at room temperature before the usual epitaxial growth process. Simultaneous deposition Si / Ge from two sources is used to set a germanium concentration that decreases continuously or gradually towards the component side, with an increased deposition temperature (for example 600 ° C.) permitting mixing of Si and Ge atoms.

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.Discs prepared in this way enable the deposition of a highly-perfused Si epitaxial layer and contain an inner distorted region at the transition to the heterolayer, where, as a result of subsequent high-temperature process-related loading, defectable defects are formed.

Die Ausbreitung von Versetzungen zur Bauelementeseite wird durch die Ge-Einlagerung oberhalb der defektbehafteten Bereiche verhindert.The spread of dislocations to the component side is prevented by the Ge storage above the defective areas.

(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.(3) Si single crystal slices are processed into MOS devices in the Planox SGT. A usual process sequence is carried out up to the nitride structuring. At this point, in the exposed silicon or at most with a thin residual oxide layer of <50 nm covered Si, the later so-called field areas, a carbon implantation with an energy of about 400 keV and a dose of about 5 · 10 ' ⁵ cm " ² and a Ge Implantation performed with the same parameters.

Durch die Wahl der Nitriddicke wird vermieden, daß in den späteren aktiven Gebieten eine Implantationswirkung bis in das Substrat stattfindet.The choice of the nitride thickness avoids that an implantation effect takes place in the later active areas into the substrate.

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.The different mechanical stresses at the interface between both isoelectronic layers cause severe gettering for process contaminants, which is still particularly effective because it occurs near the active regions.

Claims

Invention claims:

1. Getterfähige multi-layer arrangement for semiconductor devices, characterized in that in the Si semiconductor body targeted areas of isoelectronic impurities consisting of elements of the fourth main group of the periodic table with deviating from the atomic radius of the semiconductor body atomic radii are formed in layers.

2. Getterfähige multi-layer arrangement according to item 1, characterized in that for generating compression-strained lattice regions germanium and for generating zugverspannte grid areas carbon is introduced into separate layers.

3. Getterfähige isoelectronic multilayer arrangement according to item 1, characterized in that the two types of atoms are introduced together in a layer to produce stress-compensated regions.

4. Gefterfähige multi-layer arrangement according to item 1-3, characterized in that the concentration profile of the isoelectronic impurities on the side facing the component side edge is flat sloping.

5. Getterfähige multilayer device according to item 1-4, characterized in that the isoelectronic impurities are arranged in layers at or near the boundary between the semiconductor body and epitaxial layer or other device-typical layers.

6. Getterfähige multi-layer arrangement according to item 1 and 2, characterized in that the different strained grid areas are arranged directly adjacent to each other surface.

7. A method for producing getterable isoelectronic multilayer arrangements according to item 1, characterized in that in the Si semiconductor body targeted areas of isoelectronic impurities consisting of elements of the fourth main group of the periodic table with deviating from the atomic radii of the Si semiconductor body atomic radii, introduced and by a subsequent thermal treatment can be activated.

8. The method according to item 7, characterized in that the targeted areas of isoelectronic impurities are generated by implantation of isoelectronic ions.

9. The method according to item 7, characterized in that the targeted areas of isoelectronic impurities dbrch deposition are generated from the gas phase.

10. The method according to item 7 and 8, characterized in that by reducing the implantation energy, the concentration profile of the isoelectronic impurities on the side facing the component side flank is set flat sloping.

11. The method according to item 3, 5 and 7, characterized in that the introduction of the isoelectronic impurities is integrated into the process of Epitaxieschichtherstellung.

12. The method according to item 7-11, characterized in that the isoelectronic interference parts are introduced through a mask and / or by appropriate design of the layout of the semiconductor devices for producing laterally limited terrain capable of getterfähiger.

13. The method according to item 7, characterized in that the thermal treatment by heat and / or laser and / or flash lamp and / or electron beam treatment is realized.

14. The method according to item 7, characterized in that the thermal treatment is realized by a process-typical heat treatment step.

15. The method according to item 5, 7 and 9, characterized in that the concentration profile of the isoelectronic elements is set at the side facing the component side flattening by simultaneous deposition from multiple sources.

Field of application of the invention

The invention relates to a getterable multilayer arrangement in silicon monocrystal disks and a method for their production. It finds application in the manufacture of silicon-based semiconductor devices.

Characteristic of the known technical solutions

Various gettering methods are known in semiconductor device manufacturing technology. These gettering methods are used to keep point defects and crystal lattice perturbations away from the electrically active semiconductor regions. The principle of this gettering process, spaced apart from element-active areas, is to provide diffusion depressions for contaminants and natural defects.
Methods are known in which the diffusion depression is achieved by disturbing the rear of the disk:

By strained layered regions, Rozgouyi, G.A., Deysher, G.A., Pearce, C.W .; J. Electrochem. Soc. 1910 (1976)

by mechanical disturbance, Takano, Y., Koruka, H., Ogima, M., Semiconductor Silicon, Minneapolis 1981

by introduction of atoms and ions, in "ion implantation", N.Y. 1971 p. 81

- Influence of laser beams, DE OS 2829983.

However, these methods have the disadvantage that the problem of disc distortion and dislocation formation can not be controlled by the usual etching and temperature treatments of the device technologies.

Also known is a method which utilizes the interstitial oxygen dissolved in the crystal volume of Czochralski grown silicon single crystal and its precipitate, Tan, T.Y. et al, Appl. phys. letters 30 175

However, this method can be used only for those discs that do not fall below a special crystal and technology-dependent oxygen concentration.

Solutions are also known which, localized by ion implantation (also isoelectronic), induce crystal disruptions in the circuit surface to create zones of low minority carrier lifetime. This suppresses, for example, unwanted current amplifications in CMOS components (DE OS 2634500, HO1L 27/08, DE OS 2642206, US Pat.

For the introduction of Ge into Si there are applications for alloying infrared detectors with the aim of reducing the misfit stresses between Ge and the deposited GaAs (Halberg, L., Nevin, IH, Journal of Electronic Materials, Vol. 11 NQ 4 1982)

Further, there is evidence of strong interfacial distortions between Ge and Si in Narusawa, T., Gibson, W.H., Journ. Voc.

Be. Technol. 20 (3), March 1982 p. 709.