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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft die Silizium-auf-Isolator-Substratdotierung und eine integrierte Halbleitervorrichtung.
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HINTERGRUND
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Silizium-auf-Isolator-(SOI-)Substrate weisen üblicherweise ein Bulksubstrat (auch Handle-Wafersubstrat genannt), ein vergrabenes Oxiddielektrikum (auch Isolierschicht, BOX genannt) und eine aktive Schicht (auch oberes Silizium genannt) auf. SOI-Wafer müssen so spezifiziert werden, dass unerwünschte ungleichgewichtige Zustände an der Schnittstelle zwischen dem Bulksubstrat und dem vergrabenen Oxiddielektrikum verhindert werden. Diese unerwünschten ungleichgewichtigen Zustände können durch plötzliche Vorspannungsänderungen von Strukturen in dem oberen Silizium ausgelöst werden. 1 zeigt eine derartige Situation. Ein ungleichgewichtiger Zustand kann ein Zustand tiefer Verarmung und eine unvollständige Inversion sein. Der Zustand mit tiefer Verarmung kann durch thermische Erzeugung von Minoritätsträgern beseitigt werden. Dies dauert jedoch einige Sekunden bis mehrere Minuten, in denen die Verschiebungsströme der sich regenerierenden Bereiche elektrische Schaltungen mit hoher Genauigkeit und geringem Stromverlust stören (zum Beispiel hochohmige JFET-Eingangsstufen oder geschaltete Kondensatorschaltungen). Zustände mit tiefer Verarmung können auftreten, wenn die Dotierungspolarität des Handle-Wafers der gleichen Art ist wie das Arbeitspotential des oberen Siliziums (positiver Spannungsstoß über dem p-Handle-Wafer oder negativer Spannungsstoß über dem n-Handle-Wafer). Um ungleichgewichtige Zustände zu verhindern, kann eine geeignete Polarität des Handle-Wafer-Materials ausgewählt oder die Dotierungskonzentration des Handle-Wafers erhöht werden. Dies sind jedoch Fälle, in denen die Polarität des Handle-Wafers nicht beliebig gewählt werden kann, da der Arbeitsspannungspegel in Bezug auf den Handle-Wafer negativ und/oder positiv sein kann. In diesem Fall muss die Dotierung des Handle-Wafers ausreichend erhöht werden, um eine Inversion und den damit zusammenhängenden Effekt der tiefen Verarmung zu verhindern. Obwohl eine Erhöhung der Dotierung des Handle-Wafers bei Niederspannungstechnologien möglich sein kann, kann eine erhöhte Handle-Waferdotierung mit den Anforderungen von niedrigen Dotierungskonzentrationen von aktiven Hochspannungskomponenten (Bipolarkollektoren, JFET-Gates) für Hochspannungstechnologien im Widerspruch stehen. Für Hochspannungstechnologien kann die erhöhte Dotierungskonzentration des Handle-Wafers zu einer Autodotierung der niedrig dotierten aktiven Siliziumbereiche führen, was die Funktionalität der Schaltung negativ beeinflussen kann.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die von den negativen Auswirkungen von ungleichgewichtigen Zuständen nicht betroffen sind.
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Bei einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung bereitgestellt. Dementsprechend wird ein SOI-Substrat verwendet, das ein Bulksubstrat, eine vergrabene Isolierschicht und eine aktive Schicht aufweist. Das Bulksubstrat wird durch die Isolierschicht und die aktive Schicht implantiert, sodass ein Bereich mit erhöhter Dotierungskonzentration in dem Bulksubstrat an der Schnittstelle zwischen dem Bulksubstrat und der Isolierschicht erzeugt wird. Dies sorgt dafür, dass ein Bereich mit einer erhöhten Dotierungskonzentration nahe oder sogar neben der vergrabenen Oxidschicht in dem Bulksubstrat gebildet wird. Da dieser Teil des Bulksubstrats üblicherweise von einer tiefen Verarmung betroffen ist, ist dies eine effiziente Gegenmaßnahme gegen den ungleichgewichtigen Zustand. Da das Implantieren durch die aktive Schicht und die Isolierschicht durchgeführt wird, kann das Profil des dotierten Bereichs gut gesteuert werden. Überraschenderweise werden die Eigenschaften der aktiven Schicht im Gegensatz zu einem hochdotierten Handle-Wafer nicht beeinträchtigt, obwohl der Schritt des Implantierens durch die aktive Schicht erfolgt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann vor dem Schritt des Implantierens des Bulksubstrats eine vergrabene Schicht in der aktiven Schicht implementiert werden. Dies sorgt dafür, dass die Diffusion von Dotierungsatomen während Wärmebehandlungsschritten bezüglich der vergrabenen Schicht vermieden wird. Es ist jedoch auch mit einer vergrabenen Schicht vorteilhaft, die Bulkschicht in Übereinstimmung mit der Erfindung durch die aktive Schicht und die Isolierschicht zu implantieren.
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Bei einer Ausführungsform kann vor dem Schritt des Implantierens des Bulksubstrats und nach dem Schritt des Implementierens der vergrabenen Schicht ein Abschirmoxid aufgebracht (abgeschieden) werden. Dadurch wird die Kontaminierung der aktiven Schicht bei dem Schritt des Implantierens des Bulksubstrats verhindert. Die Tiefe des Abschirmoxids kann lediglich etwa 20 nm betragen.
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Der Schritt des Implantierens kann mit einer Energie von 1 MeV und mehr (Hochenergieimplantierung) durchgeführt werden. Eine Energie von etwa 1 MeV kann für Boron und eine Energie von etwa 1,5 MeV für Phosphor verwendet werden. Beim dem Schritt des Implantierens kann eine Atomdosis zwischen 10^14/cm^2 bis 5·10^14/cm^2 verwendet werden.
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Bei einem Aspekt der Erfindung wird das Implantieren so durchgeführt, dass eine Schicht bereitgestellt wird, die die Oberfläche des an die vergrabene Oxidschicht angrenzenden Bulksubstrats wie ein Mantel bedeckt. Bei einem anderen Aspekt der Erfindung wird auf der aktiven Siliziumschicht eine Maske bereitgestellt, um ein besonderes Muster von Implantierungsbereichen in der Oberfläche des an die vergrabene Oxidschicht angrenzenden Bulksubstrats zu bilden.
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Die Erfindung stellt auch eine integrierte Halbleitervorrichtung mit einem SOI-Substrat bereit. Das Substrat weist ein Bulksubstrat, eine vergrabene Oxidschicht auf dem Bulksubstrat und eine aktive Siliziumschicht auf, die von dem vergrabenen Oxid getragen wird. Darüber hinaus gibt es einen Bereich mit einer erhöhten Dotierungskonzentration in dem Bulksubstrat an der Schnittstelle zwischen dem Bulksubstrat und der Isolierschicht. Eine Halbleitervorrichtung, die gemäß diesem Aspekt der Erfindung hergestellt ist, ist gegenüber einer Autodotierung weniger empfindlich und vermeidet Konflikte mit der erforderlichen niedrigen Dotierungskonzentrationen von aktiven Hochspannungskomponenten, wie etwa Bipolarkollektoren oder JFET-Gates. Die Dotierungskonzentration des Bulksubstrats des Handle-Wafers bleibt an der Oberfläche, die der Isolierschicht gegenüberliegt, im Wesentlichen unverändert. Die unerwünschten Nebeneffekte der Autodotierung von der Rückseite des Handle-Wafers werden verhindert. Darüber hinaus kann die Polarität des Teils des Handle-Wafers, der nahe seiner Schnittstelle mit der vergrabenen Isolierschicht liegt, selektiv geändert werden.
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Die Tiefe des Implantats (Tiefe des Bereichs mit einer erhöhten Dotierungskonzentration, gemessen von der Schnittstelle zwischen dem Bulksubstrat und der Isolierschicht) kann zwischen 1 μm und 2 μm und insbesondere 1,8 μm betragen. Dies sorgt dafür, dass lediglich ein begrenzter Bereich des Bulksubstrats eine erhöhte Dotierungskonzentration hat.
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Die integrierte Halbleitervorrichtung kann vorteilhaft für Versorgungsspannungspegel von mindestens 20 V bis zu mehreren hundert Volt ausgeführt sein. Die Aspekte der Erfindung werden vorteilhaft bei Hochspannungsanwendungen angewendet. Die Tiefe der aktiven Schicht kann etwa 1 μ betragen. Die aktive Schicht kann relativ niedrige Dotierungskonzentrationen von 10^14/cm^3 bis 10^15/cm^3 haben, und der implantierte Bereich in dem Bulksubstrat an der Schnittstelle zwischen der Isolierschicht und dem Bulksubstrat kann Dotierungskonzentrationen von etwa 10^18/cm^3 bis 12^19/cm^3 haben. Die Dotierungskonzentration des Bulksubstrats an der Fläche, die der Isolierschicht gegenüberliegt, kann auch niedrig sein und beispielsweise zwischen 10^14/cm^3 bis 10^15/cm^ betragen. Dadurch wird eine Autodotierung (die auch als gegenseitige Kontamination der aktiven Schicht bezeichnet wird) verhindert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine Querschnittansicht eines SOI-Substrats;
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2 eine erste Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine Querschnittansicht eines Wafers gemäß Aspekten der Erfindung; und
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4 ein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß Aspekten der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine Querschnittansicht eines SOI-Substrats oder SOI-Wafers, das/der ein p- oder n-Bulksubstrat oder einen p- oder n-Handle-Wafer 1 mit einer niedrigen Dotierungskonzentration von beispielsweise 10^14/cm^3 bis 10^15/cm^3 umfassen kann. Der Handle-Wafer oder das Bulksubstrat 1 mit niedriger Dotierung trägt eine vergrabene Isolierschicht (BOX-Dielektrikum) 2. Über der Isolierschicht 2 liegt eine aktive Siliziumschicht (SOI) 3.
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2 zeigt eine Querschnittansicht eines Substrats oder eines Wafers, das/der gemäß Aspekten der Erfindung hergestellt ist. Es sind das n- oder p-Bulksubstrat oder der n- oder p-Handle-Wafer 1 mit einer niedrigen Dotierungskonzentration, die vergrabene Isolierschicht (BOX-Dielektrikum) 2 und das aktive Silizium (SOI) 3 vorhanden. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird ein zusätzlicher Hochenergie-Implantierungsschritt 6 durchgeführt, um einen vergrößerten Dotierungsbereich 4 an der Schnittstelle zwischen dem Bulksubstrat 1 und der Isolierschicht 2 zu erzeugen. Dies stellt sicher, dass der Bereich mit erhöhter Dotierungskonzentration 4 den Handle-Wafer wie ein Mantel bedeckt und verhindert, dass dieser Teil des Bulksubstrats 1 in Reaktion auf eine aktive Komponente in der SOI-Schicht 3 zu einer tiefen Verarmung gelangt. Wenn Boronatome implantiert werden, kann eine Energie von etwa 1 MeV verwendet werden. Für Phosphoratome kann eine Energie von etwa 1,5 MeV verwendet werden. Die Dosierung für das Hochenergieimplantieren kann zwischen 10^14/cm^2 und 5·10^14/cm^2 betragen. Eine (nicht gezeigte) vergrabene Schicht kann vor dem Schritt des Implantierens des Bulksubstrats in der aktiven Schicht implementiert werden. Dies sorgt dafür, dass die Diffusion von Dotierungsatomen während Wärmebehandlungsschritten bezüglich der vergrabenen Schicht vermieden wird. Auch mit einer vergrabenen Schicht ist es jedoch möglich, die Bulkschicht durch die aktive Schicht und die Isolierschicht zu implantieren. Darüber hinaus kann auf der SOI-Schicht 3 vor dem Schritt des Implantierens des Bulksubstrats und nach dem Schritt des Implementierens der (nicht gezeigten) vergrabenen Schicht ein (nicht gezeigtes) Abschirmoxid aufgebracht (abgeschieden) werden. Dadurch wird die Kontamination der aktiven Schicht während des Implantierens des Bulksubstrats verhindert. Die Tiefe des Abschirmoxids kann lediglich etwa 20 nm betragen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann eine integrierte Halbleitervorrichtung 100 das in 2 gezeigte SOI-Substrat aufweisen. Das SOI-Substrat würde dann ein Bulksubstrat 1, eine vergrabene Oxidschicht 2 auf dem Bulksubstrat und eine aktive Siliziumschicht 3 aufweisen, die von dem vergrabenen Oxid getragen wird. Es gibt darüber hinaus einen Bereich 4 mit einer erhöhten Dotierungskonzentration in dem Bulksubstrat 1 an der Schnittstelle zwischen dem Bulksubstrat und der Isolierschicht. Die gemäß dieser Ausführungsform hergestellte Halbleitervorrichtung 100 ist gegenüber einer Autodotierung weniger empfindlich und verhindert Konflikte mit der erforderlichen niedrigen Dotierungskonzentrationen von aktiven Hochspannungskomponenten, wie etwa Bipolarkollektoren oder JFET-Gates. Die Tiefe D des Implantats (Tiefe des Bereichs mit erhöhter Dotierungskonzentration, gemessen von der Schnittstelle zwischen dem Bulksubstrat und der Isolierschicht) kann zwischen 1 μm und 2 μm und insbesondere etwa 1,8 μm betragen. Dies sorgt dafür, dass lediglich ein begrenzter Bereich des Bulksubstrats 1 eine erhöhte Dotierungskonzentration hat. Die integrierte Halbleitervorrichtung 100 kann für Versorgungsspannungspegel von mindestens 20 V bis zu mehreren hundert Volt (z. B. 200 V, 300 V usw.) ausgeführt sein. Die Tiefe A der aktiven Schicht SOI 3 kann etwa 1 μm betragen. Die aktive Schicht SOI 3 kann relativ niedrige Dotierungskonzentrationen von etwa 10^14/cm^3 und 10^15/cm^3 haben. Der implantierte Bereich 4 in dem Bulksubstrat an der Schnittstelle zwischen der Isolierschicht 2 und dem Bulksubstrat 1 kann Dotierungskonzentrationen von etwa 10^18/cm^3 bis 10^19/cm^3 haben. Die Dotierungskonzentration des Bulksubstrats 1 an der der Isolierschicht gegenüberliegenden Fläche kann auch niedrig sein und beispielsweise zwischen 10^14/cm^3 und 10^15/cm^3 betragen. Dadurch wird eine Autodotierung (die auch als Kreuzkontamination der aktiven Schicht bezeichnet wird) während der Herstellung der elektronischen Vorrichtung 100 verhindert werden.
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3 zeigt eine Querschnittansicht eines Substrats (auch einer elektronischen Vorrichtung 100) gemäß weiteren Aspekten der Erfindung. Statt der Bildung eines vollständigen Mantels an der Schnittstelle zwischen dem Bulksubstrat 1 und der Isolierschicht 2, wie in 2 gezeigt, ist es mit einem selektiveren Lösungsweg möglich, selektiv Bereiche 4 mit einer erhöhten Dotierung unter bestimmten aktiven Komponenten in der SOI-Schicht 3 vorzusehen.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß Aspekten der Erfindung. In Schritt S1 wird ein niedrig dotiertes n-Substrat oder p-Substrat bereitgestellt. In Schritt S2 wird eine vergrabene Isolierschicht (vergrabenes Dielektrikum oder vergrabenes Oxid) 2 auf dem niedrig dotierten Substrat aufgebracht. In Schritt S3 wird auf der vergrabenen Isolierschicht 2 eine aktive Siliziumschicht SOI 3 aufgewachsen. In Schritt S4 wird entschieden, ob eine zusätzliche Maske auf der SOI-Schicht 3 vorgesehen wird oder nicht. Wenn eine Maske aufgebracht werden soll, wird Schritt S5 durchgeführt. Wenn ein vollständiger Mantel an der Schnittstelle zwischen dem Bulksubstrat 1 und der Isolierschicht 2 vorgesehen werden muss, wird Schritt S5 weggelassen. In Schritt S6 wird ein Hochenergie-Implantierungsschritt durchgeführt, um die Dotierungskonzentration in dem Bereich mit erhöhter Dotierung 4 zu erhöhen. Hochenergieimplantieren bedeutet, dass eine Energie von 1 MeV bis 1,5 MeV und darüber verwendet wird. Da Teile des Bulksubstrats nahe der Schnittstelle zwischen der Isolierschicht (BOX 2) und dem Bulksubstrat (Handle-Wafer 1) gewöhnlich von einer tiefen Verarmung betroffen sind, stellt der implantierte Bereich eine effiziente Gegenmaßnahme gegen den ungleichgewichtigen Zustand dar. Darüber hinaus wird die Implantierung durch die aktive Schicht 3 und durch die Isolierschicht 2 durchgeführt. Das bedeutet, dass das Profil des dotierten Bereichs gut gesteuert werden kann. Die Tiefe und das Profil des implantierten Bereichs verändert sich nur wenig, da es nur wenige darauffolgende Herstellungsschritte gibt. Es kann sogar vor dem Schritt des Implantierens des Bulksubstrats 1 eine vergrabene Schicht in der aktiven Schicht 3 implementiert werden (dieser Schritt ist in 4 nicht gezeigt). Das Implementieren einer vergrabenen Schicht in der aktiven Schicht erfordert normalerweise eine zusätzliche Wärmebehandlung (Erwärmung) des SOI-Substrats. Wenn der Schritt des Implantierens jedoch erst nach dem Vergraben der Schicht durchgeführt wird, sorgt dies dafür, dass die Diffusion der Dotierungsatome während der Wärmebehandlungsschritte, die für die vergrabene Schicht angewendet werden, vermieden wird. Es ist auch mit einer vergrabenen Schicht weiterhin möglich, das Bulksubstrat 1 gemäß Aspekten der Erfindung durch die aktive Schicht 3 und die Isolierschicht 2 zu implantieren. Vor dem Schritt des Implantierens des Bulksubstrats 1 und nach dem Schritt des Implementierens der vergrabenen Schicht kann ein Abschirmoxid aufgebracht werden (dieser Schritt ist in dem Diagramm auch nicht gezeigt). Dadurch kann ferner eine Kreuzkontamination der aktiven Schicht 3 während des Schritts des Implantierens des Bulksubstrats 1 verhindert werden. Die Tiefe des Abschirmoxids kann lediglich etwa 20 nm betragen.
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Die Erfindung wurde im Vorangehenden zwar anhand besonderer Ausführungsformen beschrieben, sie ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und der Fachmann wird zweifellos weitere Alternativen finden, die im Umfang der Erfindung, wie sie beansprucht ist, liegen.
