DD285226A5

DD285226A5 - PROCESS FOR REMOVING OXYGEN IN SILICON MATERIAL

Info

Publication number: DD285226A5
Application number: DD32989989A
Authority: DD
Inventors: Klaus Lukat; Christian Kunath; Wolfgang Ploss; Peter Huebler; Jochen Albrecht; Peter Hanuschik
Original assignee: Veb Forschungszentrum Mikroelektronik Dresden,Dd
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1990-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung von Sauerstoff in Siliciummaterial, insbesondere nach den auf Siliciummaterial mit eingebrachten Donatoren einwirkenden oxydativen Prozessen oder nach den oxydativen Prozessen, die Donatoren in das Siliciummaterial einbringen. Erfindungsgemaesz wird mittels eines einen oberflaechennahen Bereich des Siliciummaterials durchdringenden, bei Wechselspannung erregten inerten Niederdruck-Hochfrequenz-Gasentladungs-Plasmas hoher Sauerstoffaffinitaet im Niedertemperaturbereich bei Temperaturen von zumindest 180C und einer im oberflaechennahen Bereich erzeugten Anregungsenergie, die groeszer als die Bindungsenergie zwischen dem Sauerstoff und den V-wertigen Dotanden ist, dasz Bindungsverhaeltnis getrennt und der freigesetzte Sauerstoff in einer fluechtigen Gasverbindung aus dem oberflaechennahen Bereich abgefuehrt.{Halbleitertechnik; Niederdruckplasma; Verfahren; Siliciummaterial; Bindungsverhaeltnis}The invention relates to a process for the removal of oxygen in silicon material, in particular after the oxidative processes acting on silicon material with introduced donors or after the oxidative processes which introduce donors into the silicon material. According to the invention, by means of an inert low-pressure high-frequency gas discharge plasma excited at AC voltage, high oxygen affinity in the low temperature range at temperatures of at least 180 ° C. and an excitation energy generated in the near surface region, which is greater than the binding energy between the oxygen and the V. -valent dopant, the bonding ratio is separated and the liberated oxygen in a volatile gas compound from the near-surface area abgefuehrt. {Semiconductor technology; Low pressure plasma; Method; Silicon material; Bindungsverhaeltnis}

Description

Anwendungsgebiet (for ErfindungField of application (for invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung von Sauerstoff in Siliciummaterial, insbesondere nach den auf Siliciummater'pl mit eingebrachten Donatoren einwirkenden oxydativen Prozessen odur nach den oxydativon Prozessen, die Donatoren in das Siliciummaterial einbringen.The invention relates to a process for the removal of oxygen in silicon material, in particular after the oxidative processes acting on silicon material with donors introduced, or after the oxidative processes which introduce donors into the silicon material.

Charakteristik zum bekannte, tand der TechnikCharacteristic to the well-known, state of the art

Technologische Prozesse hoher Strahlungsintensität haben im Halbleiterprozeß im Substratmaterial unerwünschte Strukturveränderungen zur Folge. Dazu zählen Amorphisierung oberflächennaher Substratbereiche bis zu etwa 20 nm Tiefe, Kontamination auf der Substrate ;rfläche und in einem oberflächennahen Bereich in Forn von Sauerstoff. Letzteres führt zur Herausbildung von Sauerstoffdotandenverbindungen.Technological processes of high radiation intensity have undesirable structural changes in the semiconductor process in the substrate material. These include amorphization of near-surface substrate regions down to about 20 nm depth, contamination on the substrate surface, and in a near-surface region in the form of oxygen. The latter leads to the formation of Sauerstoffdotandenverbindungen.

Der oberflächennahe Bereich vird mit einer Tiefe von etwa 50 nm ausgebildet und ist durch Kontamination maßgeblich für die Vergrößerung des Kontaktwiderstandes zu Nachfolgeschichten verantwortlich. Um den Kontaktwiderstand zu minimieren, sind naßchemische und plasmachemische Ätzprozesse bekannt.The near-surface region is formed with a depth of approximately 50 nm and, due to contamination, is largely responsible for increasing the contact resistance to follow-up histories. In order to minimize the contact resistance, wet-chemical and plasma-chemical etching processes are known.

In DE 2534460 und in DE-AS1154878 sind Verfahren beschrieben, die oberflächennahe Bereiche mit einer spezifischen Säurelösung abtragen. Zwar werden hierbei die oberflächennahen Bereiche entfernt, aber auch die Eindringtiefe dotierter und/oder implantierter Gebiete wird insbesondere in der VLSI- und ULSI-Technologie im Verhältnis zur ursprünglich ausgebildeten Eindringtiefe stark minimiert. Aus EP 0205644 ist ein Verfahren zum Herstellen von Kontaktöffnungen in auf Halbleitermaterial angeordneten Isolatorschichten bekannt, indem mittels eines Gemisches aus Schwefelhexafluorid und Edelgas im Mischungsverhältnis von mindestens 1:10 die Oberfläche des freigelegten Halbleitermaterials angeätzt wird, wobei oberflächennahe Bereiche entfernt werden. Die behandelte Halbleiteroberfläche weist nach der Metallisierung im Vergleich zum Naßätzen keinen erhöhten Kontaktwiderstand auf.In DE 2534460 and DE-AS1154878 processes are described which ablate areas near the surface with a specific acid solution. Although the near-surface regions are removed in this case, the penetration depth of doped and / or implanted regions is also greatly minimized, particularly in VLSI and ULSI technology, in relation to the originally formed penetration depth. EP 0205644 discloses a method for producing contact openings in insulator layers arranged on semiconductor material by etching the surface of the exposed semiconductor material by means of a mixture of sulfur hexafluoride and noble gas in a mixing ratio of at least 1:10, wherein areas near the surface are removed. The treated semiconductor surface has no increased contact resistance after metallization as compared to wet etching.

Weitere Prozesse zur Entfernung von oberflächennahen Bereichen werden mit den verschiedensten Lösungsmitteln und reaktiven Gasen im Stand der Technik vorgestellt. Alle haben den chemischen Abtrag gemeinsam. Dadurch bedingt sind ionische Verunreinigungen und/oder die Herausbildung von „nativ oxid". Das erfordert zusätzliche Prozeßschi itte zur Herstellung eines stabilen Kontakte».Further processes for the removal of near-surface regions are presented with the most diverse solvents and reactive gases in the prior art. All have the chemical removal in common. As a result, ionic impurities and / or the formation of "native oxide" are required, which requires additional process steps to produce stable contacts.

Außerdem ist aus einer Firmenschrift (STC Computer Research, J.S. Chang: „High contact resistance obsorved in reactive ion etching of silicon oxide) eine Hochtemperaturbehandlung bekannt. In dieser Hochtemperaturbehandlung diffundieren Donatoren, wie As und P aus Gebieten höherer Ladungsträgerkonzentration in Gebiete geringerer Lad->ngsträgerkonzentration. Nach der Behandlung liegt ein Gleichgewicht an Ladungsträgern vor. Der Kontraktwiderstand hat sich verringert. Nachteilig sind die hohe thermische Belastung, die eine Verschiebung von pn-Übergängen und eine ungewollte Diffusion und Ausdiffusion bewirkt. In den Strukturen treten durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten Verspannungen ein. Dia Folge sind Schichtabrisse, elektrische Instabilitäten und stöchiometrisch bedingtes inhomogenes Schichtwachstum. Der Sauerstoff im oberflächennahen Bereich wird wie bei den vorhergehend beschriebenen Verfahren nicht entfernt.In addition, a high-temperature treatment is known from a company publication (STC Computer Research, J. S. Chang: "High contact resistance obsorved in reactive ion etching of silicon oxides). In this high-temperature treatment, donors, such as As and P, diffuse from regions of higher charge carrier concentration into regions of lower charge carrier concentration. After treatment, there is a balance of charge carriers. The contract resistance has decreased. Disadvantages are the high thermal load, which causes a shift of pn junctions and unwanted diffusion and outdiffusion. In the structures, tensions occur due to different thermal expansion coefficients. The consequences are layer breaks, electrical instabilities and stoichiometric inhomogeneous layer growth. Near-surface oxygen is not removed as in the previously described processes.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Beseitigung von Sauerstoff in Siliciummatorial, welches behandeltes Material bei Selbstkostensenkung elektrisch aktiviert, den technologischen Aufwand verringert und die Ausbeute erhöht.The aim of the invention is a method for the removal of oxygen in Siliziummatorial which electrically activated treated material at cost reduction, reduces the technological complexity and increases the yield.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Beseitigung von Sauerstoff in Siliciummaterial zu schaffen, welches Sauerstoffeinlagerungen im oberflächennahen Bereich des Siliciummaterials ohne Abtrag dieses Bereiches und zusätzliche Prozeßschritte, ohne thermische Belastung, nachfolgende Schichtabrisse, elektrische Instabilitäten, inhomogenes Schichtwachstum und ein Ladungsträgergleichgewicht durch Diffusion beseitigt.The object of the invention is to provide a method for removing oxygen in silicon material, which eliminates oxygen deposits in the near-surface region of the silicon material without removal of this area and additional process steps, without thermal stress, subsequent layer breaks, electrical instabilities, inhomogeneous layer growth and a charge carrier equilibrium by diffusion ,

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe des Verfahrens zur Beseitigung von Sauerstoff in Siliciummaterial dadurch gelöst, daß ein bei Wechselspannung erregtes, inertes Niederdruck-Hochfrequenz-Gasentladungs-Plasma hoher Sauerstoffaffinität, im Niederdrucktemperaturbereich, bei Temperaturen von zumindest 18O⁰C einen oberflächennahen Bereich des Siliciummaterials durchdringt, und eine Anregungsenergie erzeugt wird, die größer als die Bindungsenergie zwischen dem Sauerstoff und denAccording to the invention, the object of the method for the removal of oxygen in silicon material is achieved in that an AC voltage excited, inert low-pressure high-frequency gas discharge plasma high oxygen affinity, in the low-pressure temperature range, at temperatures of at least 18O ⁰ C penetrates a near-surface region of the silicon material, and an excitation energy is generated which is greater than the binding energy between the oxygen and the

V-wertigen Dotanden ist. In Auslegung des Verfahrens wird das Plasma aus einem der ionisierten Gase H2 oder He oder N2 oder einem ionisierten Gemisch aus mehreren dieser Gase gebildet.Is V-valent dopants. In the design of the method, the plasma is formed from one of the ionized gases H2 or He or N2 or an ionized mixture of several of these gases.

Der oberflächennahe Bereich wird durch die Größe dar lonisationsenergie des Plasmas bestimmt, Dadurch wird vorteiihafterweise die gezielte Ausbildung von Migrationscebieten unter der Oberfläche des Siliciummaterials beoinflußt. Außerdem erfolgt bei dem Verfahren kein Abtrag des bearbeiteten Bereiches. Das Verfahren erfaßt einen oberflächennahen Bereich mit Sauerstoff, der in einem Siliciummaterial bis zu etwa SOnm Tiefe eingelagert ist. Dabei wird auch ein im allgemeinen 20nm amorpher Bereich behandelt, welcher durch bisherige strahlungsintnnsive Prozesse bedingt ist. Im Siliciummaterial werden keine zusätzlichen Störungen von kristallinen Strukturen erzeugt. Zur Entfernung der amorphen Bereiche können vorteilhafterweise im Anschluß oder vor dem erfindungsgemäßen Verfahren die oberen 20 nm des oberflächennahen Bereiches abgetragen werden. Damit werfen bisherige Eindringtiefen von Dotanden in Prozessen höherer Technologieniveaus nur minimal geändert. Deshalb ist dieses Verfahren insbesondere für höhere Technologieniveaus, in denen immer flachere, aktive und passive Gebiete ausgebildet sind, insbesondere nach oxydativen Prozessen geeignet. Das Verfahren wird in einer Anlage durchgeführt. Schichtablagernde Prozesse, welche zu einer Ausbildung von Quellschichten führen, werden nicht benötigt. Temperaturintensive Prozesse werden vermieden. Das Verfahren bedingt keine Reinigungsschritte.The near-surface area is determined by the size of the ionization energy of the plasma. As a result, the targeted formation of migration areas below the surface of the silicon material is advantageously influenced. In addition, in the process no removal of the machined area. The method detects a near-surface region of oxygen that is incorporated in a silicon material down to about 50 nm deep. In this case, a 20 nm amorphous region is generally treated, which is due to previous radiation-intensive processes. The silicon material does not generate any additional disturbances of crystalline structures. In order to remove the amorphous regions, the upper 20 nm of the near-surface region can advantageously be removed subsequently or before the process according to the invention. Thus, previous penetration depths of dopants in processes of higher technology levels have only minimally changed. Therefore, this method is particularly suitable for higher technology levels, in which ever flatter, active and passive areas are formed, especially after oxidative processes. The process is carried out in a plant. Layered processes that lead to the formation of source layers are not required. Temperature-intensive processes are avoided. The process requires no purification steps.

embodiment The process according to the invention for the removal of oxygen in silicon material will be described by way of example below

erläutert werden.be explained.

In the process of processing wafers in semiconductor technology in silicon material are targeted III and V-wertiga dopants

eingelagert. Für die Einlagerung sind strahlungsintensive Prozesse, wie die Implantation, notwendig. Durch fotochemischestored. For storage, radiation-intensive processes, such as implantation, are necessary. By photochemical

Processes also cause oxygen deposits in a near-surface region of 50nm in the Silicon material on. The oxygen binds off the free valences of the donors. This results in a concentration gradient for the V-valent dopants in the near-surface region. This Concentration gradient increases the contact resistance to 10hr - 6 · λ · cm ² . These thereby inactivated

elektrischen Bereiche bilden elektrische und migrative Störquellen.Electrical areas form electrical and migratory sources of interference.

According to the invention, the silicon material is processed in a tube reactor. The processing takes place at one Generator power of 600 W, a frequency of 13.56 MHz, a pressure of 750mTorr, at 200 ⁰ C in N2 plasma within

20 Minuten. Dabei wird der N2 ionisiert. Durch das N2-Plasma wird ein Bereich von 50 nm-Tiefe behandelt. Dabei wird durch diein diesem Bereich freiwerdende Anregungsenergie die Bindung des Sauerstoffes an die Donatoren aufgehoben. Der Sauerstoffwird mit dem ionisierten Gas abgeführt. In dieser flüchtigen Verbindung entweicht der freigesetzte Sauerstoff aus dembehandelten Siliciummaterial. Dadurch werden die bisherigen, durch den Sauerstoff inaktivierten elektrischen Gebiete elektrischaktiviert.20 minutes. In doing so, the N2 is ionized. The N2 plasma is used to treat a 50 nm depth region. In this case, the binding of oxygen to the donors is abolished by the excitation energy released in this region. The oxygen is removed with the ionized gas. In this volatile compound, the released oxygen escapes from the treated silicon material. As a result, the previous, inactivated by the oxygen electrical areas are electrically activated.

Claims

1. A method for removing oxygen in the silicon material, characterized in that an excited with AC voltage inert low-pressure high-frequency gas discharge plasma high oxygen affinity in the low temperature range bei.Temperaturen of at least 18O ⁰ C a oberflächennahtin region of the silicon substrate passes through and an excitation energy is generated, which is greater than the binding energy between the oxygen and the V-valent dopants.

2. The method according to claim 1, characterized in that the plasma is formed from one of the ionized gases h2 or He or N2 or an ionized mixture of these gases.