DE19639432A1 - Herstellverfahren für eine polykristalline Siliziumschicht mit glatter Oberfläche - Google Patents

Herstellverfahren für eine polykristalline Siliziumschicht mit glatter Oberfläche

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Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für eine poly­ kristalline Siliziumschicht auf einem Substrat.
Für polykristalline Siliziumschichten gibt es in der Halblei­ tertechnologie viele Einsatzmöglichkeiten. Sie werden z. B. benötigt für Widerstände aus polykristallinem Silizium in in­ tegrierten Schaltkreisen, für Solarzellen und in der SOI (= Silicon on Insolator = Silizium auf Isolator)-Technik. Ferner werden sie für EPROM-Speicher oder auch für Dünnfilmtran­ sistoren benötigt.
Bei EPROM-Speichern besteht das Floating-Gate, auf dem Elek­ tronen und auch Löcher gespeichert werden können, aus poly­ kristallinem Silizium. Für die Ladungshaltung ist es wichtig, daß das Floating-Gate gut nach allen Seiten elektrisch iso­ liert ist. Nach unten wird das Floating-Gate durch das Ga­ teoxid zum Substrat hin isoliert. Die Isolation nach oben zur nächsten Polysiliziumschicht erfolgt durch ein Interpolydi­ elektrikum, bei dem sich in den letzten Jahren immer mehr die Schicht folge Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid, eine sogenannte ONO-Schicht, durchgesetzt hat. Mit dieser Schicht ist es möglich, bei sehr dünner Schichtdicke, eine gute elek­ trische Isolation zu erreichen.
Die Qualität dieser ONO-Schicht hangt dabei empfindlich von der Oberfläche des zugrundeliegenden Polysiliziums ab. Um eine homogene ONO-Schicht auf dem zugrundeliegenden Polysilizium zu erhalten, ist demnach eine möglichst glatte Oberfläche wichtig.
Eine grundlegende Möglichkeit zur Herstellung polykristalli­ ner Siliziumschichten besteht darin, daß die Schicht zunächst amorph abgeschieden wird und anschließend durch Kristallisa­ tion während eines Hochtemperaturschrittes polykristallin wird. Die Kornstruktur und Textur solcher Schichten werden durch die Kristallisation während des Hochtemperaturschritts bestimmt.
Ein Nachteil der amorph abgeschiedenen Schichten liegt nun darin, daß aus der Oberfläche der kristallisierten Polysili­ ziumschicht relativ viele Stellen auftreten, an denen Kri­ stallite aus der Oberfläche herausragen.
Aus der IEEE/IRPS, 132 (1990), aus der Applied Physics Let­ ters 66, 2206 (1995) und aus IEEE Electron Device Letters, Vol. 17, 100 (1996) sind verschiedene Verfahren bekannt, um das Herauswachsen von Kristallkörnern aus der Oberfläche der Polysiliziumschicht zu verhindern. Für die Qualität einer darauffolgenden Schicht, insbesondere einer ONO-Schicht, gibt es zwei wesentliche Parameter:
  • 1. Die mikroskopische Oberflächenrauhigkeit und
  • 2. das Herausragen von einzelnen Kristallkörnern als die Rau­ higkeit über einen größeren Bereich.
Aus der IEEE/IRPS, 132 (1990) ist es bekannt, daß die Ober­ flächenstruktur empfindlich von der Phosphordotierung ab­ hängt. Für geringe Phosphorkonzentrationen ergeben sich rela­ tiv kleine Kristallite, d. h. also wenig Erhöhungen, aber eine relativ große Oberflächenrauhigkeit. Für eine erhöhte Phos­ phorkonzentration ergeben sich größere Kristallkörner und da­ mit auch größere Erhöhungen, aber eine kleinere Oberflächen­ rauhigkeit.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Herstell­ verfahren für eine polykristalline Siliziumschicht anzugeben, bei der es nicht zu dem unerwünschten Herauswachsen von Kri­ stallkörnern aus der Oberfläche kommt bei gleichzeitiger ge­ ringer Oberflächenrauhigkeit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Herstell­ verfahren für eine polykristalline Siliziumschicht auf einem Substrat mit folgenden Schritten:
  • a) Auf das Substrat wird eine amorphe Siliziumschicht abge­ schieden,
  • b) auf die abgeschiedene amorphe Siliziumschicht wird eine dünne dotierte oder undotierte Silikatglasschicht abge­ schieden,
  • c) das Substrat mit der amorphen Siliziumschicht und der Si­ likatglasschicht wird in einen Ofen eingebracht und aufge­ heizt, wobei die amorphe Siliziumschicht vollständig aus­ kristallisiert und zu einer polykristallinen Silizium­ schicht wird und die Silikatglasschicht über die polykri­ stalline Siliziumschicht verflossen wird.
Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, daß während der Kristallisation durch die Silikatglasschicht Kristallisa­ tionskeime geliefert werden, so daß die Kristallisation gleichzeitig von unten, d. h. vom Substrat aus, und oben, d. h. von der Silikatglasschicht aus, in Richtung der Schichtmitte verläuft. Des weiteren schließt die Silikatglasschicht die Polysiliziumschicht nach oben hin mechanisch ab und verhin­ dert ein Herauswachsen von einzelnen Kristallkörnern. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit sehr glatte Polysi­ liziumoberflächen hergestellt werden.
Es ist möglich die Silikatglasschicht mit unterschiedlichen Phosphorkonzentrationen abzuscheiden. Insbesondere ist es für viele Anwendungsfälle, insbesondere bei der Herstellung von Floating-Gates für EPROM-Speichern, von Vorteil die Silikat­ glasschicht mit ungefähr 9% Phosphor zu dotieren, so daß der Phosphor in der Phosphorsilikatglasschicht als Dotierstoff für die Polysiliziumschicht dienen kann.
In einer anderen Anwendung wird die Silikatglasschicht nicht dotiert, d. h. es wird reines Silikatglas abgeschieden, solche Schichten finden ihre Anwendungen z. B. in Dünnschichttran­ sistoren.
Insbesondere ist es möglich, danach die vorhandene Polysili­ ziumschicht mit der daraufliegenden dotierten oder undotier­ ten Silikatglasschicht bei typischerweise 900°C in phosphor­ haltiger oxidierender Atmosphäre oberflächlich in Phos­ phorglas umzuwandeln oder weiter zu dotieren. Zweckmäßiger­ weise wird dabei eine POCL₃-Atmosphäre verwendet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles und der Figur näher erläutert.
Fig. 1 stellt ein Substrat mit einer amorphen Silizium­ schicht dar, auf die eine Silikatglasschicht abge­ schieden ist.
Fig. 2 stellt ein Substrat mit einer polykristallinen Sili­ ziumschicht dar, auf der eine Silikatglasschicht ver­ flossen ist.
Anhand der Fig. 1 und 2 wird im folgenden ein Ausführungs­ beispiel beschrieben. Auf ein Substrat 1 aus z. B. Silizium wird eine amorphe Siliziumschicht 21 abgeschieden z. B. durch einen CVD-Prozeß bei 560°C. Die amorphe Siliziumschicht 21 wird danach im kalten Zustand, d. h. bei einer Temperatur von ungefähr 450°C, mit einer Phosphorsilikatglasschicht bedeckt. Das Substrat 1 mit der amorphen Siliziumschicht 21 und der Phosphorsilikatglasschicht 31 wird in einen Ofen eingebracht, der auf eine Anfangstemperatur vorgeheizt ist.
Nach der Einstellung des thermischen Gleichgewichts bei der Anfangstemperatur im Ofen, d. h. wenn das Substrat 1 und die amorphe Schicht 21 sowie die Silikatglasschicht 31 die An­ fangstemperatur angenommen haben, wird die Ofentemperatur von der Anfangstemperatur auf eine Zieltemperatur geändert. Die Zieltemperatur liegt oberhalb der Kristallisationstemperatur, z. B. bei 700°C.
Bei der dann erfolgenden Kristallisation kommt es an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 1 und der amorphen Sili­ ziumschicht 21 sowie an der Grenzfläche zwischen der Silikat­ glasschicht 31 und der amorphen Siliziumschicht 21 zur Keim­ bildung und anschließend zum Kristallitwachstum. Dadurch ent­ steht aus der amorphen Schicht 21 eine polykristalline Sili­ ziumschicht 22. Die Kristallisation erfolgt sowohl von unten als auch von oben in Richtung der Schichtmitte. Insbesondere schließt die Silikatglasschicht 31 die polykristalline Schicht 22 nach oben hin mechanisch ab und verhindert ein Herauswachsen von einzelnen Kristallkörnern.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, das Substrat auf der Ziel­ temperatur z. B. 15 Minuten zu tempern, um sicher zu gehen, daß der Kristallisationsvorgang vollständig abgeschlossen wird.
Nach Beendigung des Temperzyklus können Dotierstoffe durch einen Hochtemperaturschritt aktiviert werden. Hierbei kann z. B. ein POCl₃-Belegungsprozeß bei einer Temperatur von 800°C vorgenommen werden. Danach wird ein Ofenprozeß bei 900°C wäh­ rend 40 Minuten vorgenommen. Bei diesem Hochtemperaturprozeß wird die Silikatglasschicht verflossen. Dadurch entsteht eine besonders glatte Schicht, aus der keine Kristallitkörner her­ aus ragen.

Claims (6)

1. Herstellverfahren für eine polykristalline Siliziumschicht auf einem Substrat mit folgenden Schritten:
  • a) Auf das Substrat (1) wird eine amorphe Siliziumschicht (21) abgeschieden,
  • b) auf die abgeschiedene amorphe Siliziumschicht (21) wird eine dotierte oder undotierte Silikatglasschicht (31) ab­ geschieden,
  • c) das Substrat (1) mit der amorphen Siliziumschicht (21) und das Silikatglasschicht (31) wird in einen Ofen eingebracht und aufgeheizt, wobei die amorphe Siliziumschicht (21) vollständig auskristallisiert und zur polykristallinen Si­ liziumschicht (22) wird und die Silikatglasschicht (31) über der polykristallinen Siliziumschicht (22) verflossen wird.
2. Herstellverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die amor­ phe Siliziumschicht (21) in einem CVD-Verfahren bei einer Temperatur von 560°C bis 600°C abgeschieden wird und die Si­ likatglasschicht (31) bei einer Temperatur von ungefähr 450°C auf der amorphen Siliziumschicht (21) abgeschieden wird.
3. Herstellverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die amor­ phe Siliziumschicht (21) durch Sputtern abgeschieden wird und die Silikatglasschicht (31) bei einer Temperatur von ungefähr 450°C auf der amorphen Siliziumschicht (21) abgeschieden wird.
4. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die amor­ phe Siliziumschicht (21) und/oder die Silikatglasschicht (31) durch Implantation oder während des Abscheideprozesses in situ dotiert werden.
5. Herstellverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Do­ tierstoffe durch einen Hochtemperaturschritt aktiviert wer­ den, der nach der Umwandlung der amorphen Siliziumschicht (21) in die polykristalline Siliziumschicht (22) erfolgt.
6. Verwendung eines Herstellverfahrens nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5 zur Erzeugung von Floating-Gates in einem EPROM-Speicher.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01198031A (ja) * 1988-02-03 1989-08-09 Fujitsu Ltd 半導体装置の製造方法
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