DE10038290A1 - Verarbeitungsverfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien Silizium-auf-Isolator-Substrats, das durch Implantation von Sauerstoff vorbereitet wird - Google Patents

Verarbeitungsverfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien Silizium-auf-Isolator-Substrats, das durch Implantation von Sauerstoff vorbereitet wird

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Abstract

Es wird eine SIMOX-Halbleiterstruktur bereitgestellt, die ein Siliziumsubstrat, eine durch Ionenimplantation auf dem Siliziumsubstrat erzeugte dotierte Glasschicht und eine auf dem Siliziumsubstrat erzeugte Siliziumschicht enthalten kann. Die Ionenimplantation kann die dotierte Glasschicht erzeugen, um die Versetzungsdichte der Siliziumschicht zu reduzieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Reduzierung der Versetzungsdichte in SOI-Materialien (Silicon on insulator - Silizium auf Isolator) für Halbleiteranwendungen.
Stand der Technik
SOI-Substrate, die durch Ionenimplantation vorbereitet werden, werden als SIMOX-Wafers bezeichnet. SIMOX-Substrate besitzen eine dünne Siliziumschicht auf einem verdeckten Oxid, das durch Implantation von Sauerstoff erzeugt wird. SIMOX-Wafers werden derzeit für hochentwickelte SOI-CMOS- Technologien verwendet. Eine große Zahl von Defekten in der dünnen Siliziumschicht ist die Hauptursache für eine verminderte Leistungsfähigkeit von SOI CMOS. Der größte Teil der Defekte in SIMOX-Wafers ist auf Versetzungen zurückzuführen. Versetzungen sind bei der Herstellung bipolarer Bauelemente von Nachteil, da der Transport von Ladungsträgern in einem bipolaren Bauelement in vertikaler Richtung erfolgt. Dies bedeutet, daß eine einzige Versetzung im aktiven Bereich zu einem hohen Verlust führen und das Bauelement zerstören kann.
Die Versetzungsdichte von SIMOX-Wafern, die mit herkömmlichen Verfahren vorbereitet wurden, liegt in der Größenordnung von 100,000/cm2 oder darüber und nimmt mit abnehmender Dicke der oberen Siliziumschicht zu. Um die Leistungsfähigkeit von SOI CMOS weiter zu verbessern und den Weg für potentielle Anwendungen bipolarer Bauelemente auf SOI wie z. B. SiGe BiCMOS auf SOI zu ebnen, muß die Versetzungsdichte weiter reduziert werden.
Bei einem konventionellen Verfahren zur Vorbereitung eines SIMOX-Wafers wird ein nackter Siliziumwafer verwendet, der zuerst mit hochenergetischem Sauerstoff in einer bestimmten Dosierung für eine gewünschte Dicke des verdeckten Oxids und einen gewünschten Abstand von der Oberfläche implantiert wird. Der implantierte Wafer wird dann einer Ausheilung bei hoher Temperatur (vorzugsweise 1350°C) unterzogen, wodurch die obere Siliziumschicht, die durch die Implantierung beschädigt worden ist, rekristallisiert. Vor dem Ausheilen ist das Silizium amorph, und danach liegt die Versetzungsdichte bei ca. 100,000/cm2. Eine mögliche Quelle der Versetzungen ist der Hohlraum, der bei der Implantierung in der oberen Siliziumschicht entsteht. Selbst wenn der Wafer einer Ausheilung bei hoher Temperatur unterzogen wird, ist es schwierig, diese Hohlräume wieder zu einer perfekten Gitterstruktur umzubilden.
In Fig. 1 ist eine konventionelle SOI-Struktur dargestellt, die aus einem Siliziumsubstrat 10, besteht, auf dem eine verdeckte Siliziumdioxidschicht 12 und ein dünner Siliziumfilm 14 gebildet wird. In dem dünnen Siliziumfilm 14 entstehen aufgrund der Implantation zahlreiche Versetzungen. In dem Artikel "Evolution and Future Trends of SIMOX Material" von Steve Krause et al., MRS Bulletin, Dez. 1998, S. 25-28, dessen Gegenstand hiermit durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird, wird beschrieben, wie die Versetzungsdichte durch Implantation von zwei oder drei inkrementellen Dosen und einer Ausheilung nach jeder Implantierung reduziert werden kann. Mehrfache Implantationen und Ausheilungen verstärken den Stapelfehler (eine andere Art von Kristalldefekt, die sich ebenfalls negativ auf die Leistungsfähigkeit des Bauteils auswirkt), und führen zu einer höheren Komplexität des Verfahrens und höheren Kosten.
In der US-Patentschrift 5,661,044, deren Gegenstand hiermit durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird, wird ein Verfahren beschrieben, durch das nach der Implantation von Sauerstoff Silizium in die obere Siliziumschicht implantiert wird, um die Hohlräume aufzufüllen. Dies führt dazu, daß die Versetzungsdichte drastisch auf ca. 1000/cm2 reduziert wird. Die Siliziumionen verringern die Spannung, die bei der Implantierung von Sauerstoff in der oberen Siliziumschicht entsteht, ohne daß zwischendurch ein Ausheilungsschritt erforderlich ist.
Eine andere mögliche Versetzungsquelle ist die Grenzfläche zwischen der oberen Siliziumschicht und der verdeckten Oxidschicht. Wegen der starken Atombindung zwischen dem amorphen Oxid und dem Silizium ist eine in der oberen Siliziumschicht entstandene Versetzung selbst bei einer Ausheilungstemperatur von 1350°C nur schwer zu korrigieren, da Siliziumdioxid eine Schmelztemperatur von mehr als 1600°C und eine Viskositätstemperatur (die Temperatur, bei der Silizium weich wird und sich umlagern kann) von ca. 1100°C besitzt.
In der US-Patentschrift 5,759,898, deren Gegenstand hiermit durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird, wird ein Mechanismus zum Übertragen von mechanischen Spannungen zwischen zwei Dünnfilmen beschrieben. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, besitzt ein Siliziumsubstrat 10 eine verdeckte Siliziumdioxidschicht 12, die darauf gebildet wurde. Über der verdeckten Siliziumdioxidschicht 12 wird eine extrem dünne Siliziumschicht 15 mit einer Dicke von 10 nm oder weniger erzeugt. Dann wird auf der Siliziumschicht 15 eine SiGe-Schicht 16 abgeschieden. Da massive SiGe- Legierungen eine größere Gitterkonstante besitzen als massives Silizium, wird bei einem auf einem massiven Siliziumsubstrat abgeschiedenen Dünnfilm aus einer SiGe- Legierung dieser Dünnfilm verzerrt, um die Gitterkonstante an die des Siliziumsubstrats anzupassen. Schließlich können Versetzungen entstehen, wenn die Spannung (oder die Dicke des SiGe-Films) einen bestimmten Wert (die sog. kritische Dicke) überschreitet. Andererseits kann bei einem auf einer Siliziumschicht 15 abgeschiedenen SiGe-Film 16 die Spannung, die sich bei der Abscheidung im SiGe aufgebaut hat, nach einer Ausheilung bei einer Temperatur von 1100°C oder mehr auf die darunterliegende dünne Siliziumschicht übertragen werden. Die in der Siliziumschicht 15 entstandene Spannung kann sich durch Bildung von Verzerrungen abbauen, so daß die SiGe-Schicht 16 spannungs- und verzerrungsfrei bleibt. Das thermische Ausheilen muß bei hoher Temperatur erfolgen, damit die verdeckte Oxidschicht 12 viskos wird und das Silizium sich verformen kann.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Struktur zu erzeugen, die ein Siliziumsubstrat, eine durch Ionenimplantation darauf erzeugte, dotierte Glasschicht und eine auf der dotierten Glasschicht erzeugte, dünne Siliziumschicht umfaßt. Die Ionenimplantation kann die dotierte Glasschicht erzeugen, um die Versetzungsdichte der Siliziumschicht zu reduzieren. Die dotierte Glasschicht kann Borsilikatglas enthalten und durch Ionenimplantation von Sauerstoff und Bor gebildet werden. Die dotierte Glasschicht kann Phosphorsilikatglas enthalten und durch Ionenimplantation von Phosphor und Sauerstoff gebildet werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung einer SIMOX- Halbleiterstruktur bereitzustellen. Das Verfahren kann beinhalten, daß ein Siliziumsubstrat genommen wird, auf dem über der verdeckten Oxidschicht eine Siliziumschicht gebildet wird, und die Versetzungsdichte der Siliziumschicht reduziert wird, indem in die verdeckte Oxidschicht Ionen implantiert werden, um eine dotierte Glasschicht zwischen dem verdeckten Oxid und der Siliziumschicht zu erzeugen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung einer SIMOX-Struktur bereitzustellen. Das Verfahren kann beinhalten, daß ein Siliziumsubstrat genommen wird, auf dem über der dotierten Oxidschicht eine dünne Siliziumschicht gebildet wird, und daß in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Siliziumschicht und dem verdeckten Oxid Kohlenstoff in die obere Siliziumschicht implantiert wird.
In der oberen Siliziumschicht der Halbleiterstruktur kann daraus eine geringe Versetzungsdichte resultieren.
Außerdem kann die Viskositätstemperatur der verdeckten Oxidschicht reduziert werden, so daß sich die Siliziumatome leicht verschieben lassen und dadurch die Versetzungsdichte verringert wird.
Die vorliegende Erfindung bietet ein Verfahren zur Reduktion der Versetzungsdichte für ein durch Implantation von Sauerstoffionen vorbereitetes SOI-Substrat (SIMOX) durch Implantation von Bor (oder Phosphor), um ein verdecktes Borsilikatglas (BSG) oder Phosphorsilikatglas (PSG) oder ein BPSG zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung bietet außerdem ein Verfahren zur Reduktion der Versetzungsdichte in einem SIMOX-Substrat durch Implantation von Kohlenstoff. Durch die Implantation von Kohlenstoff kann der in der oberen Siliziumschicht entstandene Hohlraum aufgefüllt und das Ausdiffundieren von Bor und/oder Phosphor-Dotierungsionen verhindert werden, falls dies gewünscht wird.
Weitere Aufgaben, Vorteile und charakteristische Eigenschaften der Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Darin werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Zeichnungen haben folgenden Inhalt:
Fig. 1 zeigt eine herkömmliche SOI-Struktur mit einer verdeckten SiO2-Schicht.
Fig. 2 zeigt eine herkömmliche SOI-Struktur mit einer oberen Schicht aus SiGe.
Fig. 3 zeigt eine herkömmliche SOI-Struktur mit einer verdeckten BSG-Schicht, und Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße SOI-Struktur.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liefert eine einzigartige Struktur, indem unter einer Siliziumschicht, die durch Ionenimplantation über einem Siliziumsubstrat erzeugt wird, eine dotierte Glasschicht erzeugt wird. Dadurch wird die Versetzungsdichte der oberen Siliziumschicht reduziert; dies ergibt ein Substrat, das besser ist als der Stand der Technik, der in Fig. 1 dargestellt ist.
Damit die Siliziumatome auf der verdeckten Oxidschicht leichter ihre Position ändern können, kann die Viskositätstemperatur des verdeckten Oxids verringert werden. Dem Fachmann ist bekannt, daß Borsilikatglas (BSG), Phosphorsilikatglas (PSG) und Borphosphorsilikatglas (BPSG) eine wesentlich niedrigere Viskositätstemperatur besitzen als Siliziumdioxid. Je nachdem, wie hoch die Bor- oder Phosphorkonzentration ist, kann die Viskositätstemperatur auf 900° oder sogar auf 700° gesenkt werden. Bei einer so niedrigen Viskositätstemperatur wird verdecktes BSG, PSG oder BPSG leicht verformbar, so daß das Silizium sich nach einer Ausheilung bei hoher Temperatur (d. h. 1100°C) zu einer kristallinen Struktur entspannt.
BSG, PSG oder BPSG sind in der Vergangenheit bereits für die dielektrische Isolierung durch eine Oxidabscheidung auf einem Siliziumsubstrat verwendet worden. Die Bildung der verdeckten BSG- (oder PSG- oder BPSG-)Schicht unter kristallinem Silizium ist recht einfach. Bei der Implantation von Sauerstoff kann gleichzeitig (oder anschließend) Bor oder Phosphor in der gewünschten Konzentration und mit dem gewünschten Abstand implantiert werden. Da Boratome kleiner sind als Phosphoratome und deshalb die Siliziumstruktur weniger schädigen, ist es günstiger, BSG als verdecktes Oxid zu verwenden. Da die BSG- Schicht im Vergleich zu Siliziumdioxid eine niedrigere Viskositätstemperatur besitzt, können die Defekte, die dadurch entstanden sind, daß Sauerstoff mit hoher Energie in die Siliziumschicht implantiert wurde, sich bei einer Ausheilung bei hoher Temperatur leicht zu einer perfekten Gitterstruktur umlagern.
In "Growth and Characterization of Low Dislocation Relaxed SiGe Alloys Grown on Silicon on Insulator (SOI) and Implanted SOI Substrates", von Chu et al. (1996), dessen Gegenstand hiermit durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird, wird ein Verfahren beschrieben, das die niedrige Viskositätstemperatur von Borsilikatglas (BSG) oder Phosphorsilikatglas (PSG) ausnutzt.
Basierend auf der Implantation von Bor oder Phosphor in das verdeckte Oxid wurde die Verflüssigungstemperatur auf 750°C gesenkt. Diese Arbeit bezieht sich allerdings auf das Wachstum einer spannungsfreien SiGe-Legierung auf extrem dünnem Silizium (ca. 100 A dick) mit einer perfekten Kristallstruktur. Diese Art von SOI-Substrat erfordert spezielle Vorbereitungsverfahren wie Bonden und Zurückätzen, was üblicherweise als BESOI bezeichnet wird.
Fig. 3 zeigt eine Struktur mit einer verdeckten BSG-Schicht (oder PSG- oder BPSG-Schicht) 18 auf dem Siliziumsubstrat 10. Über der verdeckten BSG-Schicht 18 wird eine dünne Siliziumschicht 15 erzeugt und darüber eine SiGe-Schicht 16.
Die niedrigere Viskositätstemperatur der BSG-Schicht 18 ermöglicht durch Entspannung der Gitterstruktur die Übertragung von Spannungen aus der auf der dünnen Siliziumschicht 15 aufgewachsenen SiGe-Schicht 16 auf die darunterliegende dünne Siliziumschicht 15. Das BESOI- Substrat für diesen Zweck geht von einer extrem geringen Defektdichte in der oberen Siliziumschicht vor der Spannungsübertragung aus und kann nach der Spannungsübertragung starke Spannungen oder sogar Versetzungen aufweisen. Die BESOI-Substrate sind im Vergleich zu SIMOX-Wafern auch sehr teuer, deshalb sind Verfahren zur Verringerung der Defektdichte in SIMOX-Wafern sehr erstrebenswert.
Fig. 4 zeigt ein einzigartiges und neues Halbleitersubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Struktur wird eine BSG-Schicht für einen anderen Zweck verwendet als nach dem Stand der Technik. Die kumulative Aufnahme von Spannungen aus der darüberliegenden SiGe-Schicht bewirkt, daß in der extrem dünnen Siliziumschicht eine Versetzung auftritt, wenn die Spannung einen bestimmten kritischen Wert überschreitet (siehe Stand der Technik in Fig. 3). Der erfindungsgemäße Siliziumfilm hingegen kann dicker sein als nach dem in Fig. 3 dargestellten Stand der Technik, und er kann aufgrund des dotierten Glases bei einer relativ hohen Ausheilungstemperatur spannungs- und versetzungfrei gehalten werden. Wie zu sehen ist, wird zuerst ein Siliziumsubstrat 10 auf die übliche Weise bereitgestellt. Über dem dotierten Glas 30, z. B. BSG, das durch Implantation von Sauerstoff- und Borionen hergestellt wird, wird eine Siliziumschicht 32 erzeugt. Da die BSG-Schicht 30 im Vergleich zu Siliziumdioxid eine niedrigere Viskositätstemperatur besitzt, können die Defekte, die dadurch entstanden sind, daß Sauerstoff mit hoher Energie in die Siliziumschicht implantiert wurde, sich bei einer Ausheilung bei hoher Temperatur leicht zu einer perfekten Gitterstruktur umlagern. Die Anwendung der verdeckten BSG-Schicht 30 ist insofern einzigartig, als die eine niedrige Versetzungsdichte in der oberen Siliziumschicht 32 bewirkt. Dies wurde vom Stand der Technik nicht erreicht. Die Implantation von Bor und Sauerstoff reduziert die Versetzungsdichte der dünnen Siliziumschicht 32. Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, daß die Versetzungsdichte auf weniger als 103/cm2 reduziert wird.
Alternativ kann die Glasschicht anstelle einer BSG-Schicht eine PSG- oder BPSG-Schicht sein. Eine PSG-Schicht kann durch Implantation von Phosphor- und Sauerstoffionen erzeugt werden, und eine BPSG-Schicht durch Implantation von Bor-, Phosphor- und Sauerstoffionen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der obere Siliziumfilm 32 0,1 bis 0,2 µm dick, die BSG-Schicht (oder PSG- oder BPSG-Schicht) 30 0,2 bis 0,4 µm, und das Siliziumsubstrat 10 zwischen 200 und 500 µm.
Die Dotierungsmittel in der verdeckten BSG-, PSG- oder BPSG- Schicht können in die obere Siliziumschicht ausdiffundieren, nachdem in den Standardverfahren zur Herstellung von CMOS- oder BiCMOS-Bauelementen thermische Zyklen durchlaufen worden sind. Wenn das Dotierungsmittel von dem Typ ist, der im Bauelement benötigt wird (z. B. Phosphor für die n- Schicht), führt das Ausdiffundieren nicht zu einer Beeinträchtigung. Wenn ein solches Ausdiffundieren aber negative Auswirkungen auf das Bauelement hat, läßt sich durch Implantation von Kohlenstoff in die obere Siliziumschicht an der Grenzfläche zwischen Silizium und Oxid das Ausdiffundieren des Dotierungsmittels verhindern.
Dies hat gleichzeitig den Vorteil, daß die Hohlräume im Siliziumfilm aufgefüllt werden.
Auch wenn die Erfindung hier unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, so ist die Beschreibung der speziellen Ausführungsformen dennoch nur illustrativ zu verstehen und stellt keine Beschränkung der Tragweite der Erfindung dar. Der Fachmann kann sich andere Abwandlungen und Änderungen vorstellen, ohne dadurch den Sinn und die Tragweite der Erfindung zu verlassen.

Claims (18)

1. Eine SIMOX-Halbleiterstruktur, umfassend:
ein Siliziumsubstrat;
eine durch Ionenimplantation auf dem Siliziumsubstrat erzeugte dotierte Glasschicht; und
eine auf dem Siliziumsubstrat erzeugte Siliziumschicht, wobei die Ionenimplantation zur Erzeugung der dotierten Glasschicht eine Versetzungsdichte der Siliziumschicht verringert.
2. Die Struktur nach Anspruch 1, wobei die dotierte Glasschicht Borsilikatglas umfaßt.
3. Die Struktur nach Anspruch 2, wobei die dotierte Glasschicht durch Ionenimplantation von Sauerstoff und Bor erzeugt wird.
4. Die Struktur nach Anspruch 1, wobei die dotierte Glasschicht Phosphorsilikatglas umfaßt.
5. Die Struktur nach Anspruch 4, wobei die dotierte Glasschicht durch Ionenimplantation von Phosphor und Sauerstoff erzeugt wird.
6. Die Struktur nach Anspruch 1, wobei die dotierte Glasschicht Borsilikatglas umfaßt.
7. Die Struktur nach Anspruch 1, wobei die Ionenimplantation die Versetzungsdichte auf weniger als 103/cm2 reduziert.
8. Ein Verfahren zur Herstellung einer SIMOX- Halbleiterstruktur, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines Siliziumsubstrats;
Erzeugen einer Siliziumschicht auf dem Siliziumsubstrat; und
Verringern der Versetzungsdichte der Siliziumschicht durch Implantieren von Ionen in das Siliziumsubstrat, um eine dotierte Glasschicht zwischen dem Siliziumsubstrat und der Siliziumschicht zu erzeugen.
9. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die dotierte Glasschicht Borsilikatglas umfaßt.
10. Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verringern der Versetzungsdichte die Implantation von Sauerstoff- und Borionen in das Siliziumsubstrat umfaßt.
11. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die dotierte Glasschicht Phosphorsilikatglas umfaßt.
12. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verringern der Versetzungsdichte die Implantation von Phosphor- und Sauerstoffionen in das Siliziumsubstrat umfaßt.
13. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die dotierte Glasschicht Borphosphorsilikatglas umfaßt.
14. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Versetzungsdichte auf weniger als 103/cm2 verringert wird.
15. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei außerdem Kohlenstoff in die Siliziumschicht implantiert wird.
16. Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei der implantierte Kohlenstoff das Ausdiffundieren des Dotierungsmittels verhindert und Hohlräume in der Siliziumschicht auffüllt.
17. Ein Verfahren zur Herstellung einer SIMOX- Halbleiterstruktur, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines Siliziumsubstrats;
Erzeugen einer verdeckten dotierten Glasschicht auf dem Siliziumsubstrat; und
Implantieren von Kohlenstoff in die Struktur.
18. Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Kohlenstoff in die Siliziumschicht implantiert wird.
DE10038290A 1999-08-23 2000-08-05 Verarbeitungsverfahren zur Herstellung eines versetzungsfreien Silizium-auf-Isolator-Substrats, das durch Implantation von Sauerstoff vorbereitet wird Withdrawn DE10038290A1 (de)

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