DE3108146A1 - Verfahren zum erhitzen von halbleitermaterial - Google Patents

Verfahren zum erhitzen von halbleitermaterial

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Description

Beschreibung:
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erhitzen von Halbleitermaterial auf SiOp-Basis entsprechend dem Gattungsbegriff des Hauptanspruchs.
Es ist bekannt, das Phosphorsilikatglas-Flußverfahren in der Halbleitertechnik anzuwenden, und zwar vor allem zum Abrunden von scharfen Kanten geätzter Schnitte auf Phosphorsilikatglas, um an diesen Kanten ein Reißen oder Brechen von anschließend aufgebrachtem Metall oder von Füllungen aus polykristallinem Silizium nach Möglichkeit zu vermeiden, und auch, um die gesamte Oberfläche einer Schicht aus Phosphorsilikatglas im Hinblick auf eine anschließende kontrollierte Ätzung zu glätten. Das Flußverfahren wird normalerweise durch Glühen in einem Ofen bei hoher Temperatur (etwa 950° C oder höher) durchgeführt.
Im allgemeinen ist die Phosphorsilikatglasschicht Teil einer Struktur, welche ursprünglich dadurch entstanden ist, daß ein Siliziumsubstrat mit einer thermisch aufgebrachten Siliziumdioxidschicht (SiOp) versehen wird. Anschließend wird eine Schicht aus PpOc-SiOp auf der Schicht aus thermisch aufgebrachtem SiOp durch chemisches Aufdampfen aufgetragen, z.B. durch eine Reaktion einer Phosphor-Silan-Mischung und Sauerstoff bei niedriger Temperatur, so daß eine obere Schicht aus Phosphorsilikatglas entsteht.
1300S2/0677
Bei der gegenwärtigen Technik auf dem Gebiet der SchmelziluÜ-erzougung durch Hochtemperaturbehandlung besteht das Problem, daß bei Bauelementstrukturen, deren Material sich in nächster Nähe des Phosphorsilikatglases "befindet, sich durch die Erhitzung auf eine relativ hohe Temperatur in dem Ofen die Eigenschaften der Strukturen vielfach in unerwünschter Weise durch Dotierungsdiffusion, Legierungsbildung oder Verunreinigung ändern. Ein weiteres Problem ist, daß P2Oc,im Regelfall in der Konzentration von 7 bis 9 mol%, der SiOp-Grundzusammensetzung zugefügt werden muß, um die Schmelzflußtemperatur herabzusetzen. Dies führt in nachteiliger Welse zu einer Erhöhung der Korrosion der Metallverbindungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hochwirksames Verfahren zum Erzeugen von Verdichtungen und/oder von Schmelzfluß bei Phosphorsilikatglas oder ähnlichem Material zu schaffen und dabei insbesondere auch die beschriebenen Schwierigkeiten zu überwinden.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein Verfahren zum Erhitzen von Halbleitermaterial zur Erzeugung eines sshmelzflüssigen Zustande oder einer Verdichtung bei einem ersten, auf SiO,,-Basis zusammengesetzten Teil einer Struktur, welchersich in nächster Nähe eines zweiten Teils der Struktur befindet, wobei der Schmelzfluß bzw. die Verdichtung bei dem ersten Teil derart durch Zufuhr von Wärme bewirkt wird, daß der erste Teil in wesentlich stärkerem Maße als der zweite Teil erhitzt wird.
Um Flußbildung oder Verdichtung bei einem ersten Teil einer Struktur hervorzurufen, welcher sich in nächster Nähe eines zweiten Teils der Struktur befindet, wobei der Schmelzfluß bzw. die Verdichtung durch Erhitzen erfolgt, ist vorzugsweise vorgesehen, daß ein Laserstrahl auf den ersten Teil zur Erhitzung dieses Teils zur Einwirkung gebracht wird.
130032/06??
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
Fig. 1 bis 5 zeigen in schematischen Schnittbildern Ausführungsbeispiele der Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Fig. 6 zeigt im Diagramm ein theoretisches Temperaturprofil von Phosphorsilikatglas als Funktion der auftreffenden Leistungsdichte bei einem Laserpuls von 10 J Sekunden bzw. einem Zeitintervall entsprechend gepulsten oder Q-geschalteten und kontinuierlichen (CW) Lasermoden.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele von Verfahrensschritten der Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, enthält eine Halbleiterstruktur 10, vorzugsweise ein 05-Bauelement, einen ersten Teil 12 auf SiO2-Basis, welcher aus aufgedampftem Siliziumoxid und aufgewachsenem Phosphorsilikatglas besteht und sich in unmittelbarer Nachbarschaft eines zweiten Teils 14 der Struktur befindet. Der zweite Teil 14 enthält ein Siliziumsubstrat 16 mit einem Source/Drain-Teil 18, einem Oxidgebiet 20 und einer Verbindung 22 aus polykristallinem Silizium. Außerdem ist ein Oxidisolationsgebiet 24 vorhanden. Vorzugsweise liegt die Abmessung "A" in der Größenordnung von 1,0 bis 1,5 Mikrometer, die Abmessung "B" hat vorzugsweise die Größenordnung von 0,4 bis 0,6 Mikrometer und die Abmessung "C" die Größenordnung von 0,4 bis 0,6 Mikrometer.
Wie bereits erwähnt ist und nachfolgend noch näher beschrieben wird, ist es erwünscht, das Phosphorsilikatglas 12 zu erhitzen, um eine Verdichtung und/oder eine Schmelzflußerzeugung zu bewirken. Wie ebenfalls bereits erwähnt ist und nachfolgend noch
1300S2/OS77
näher ausgeführt werden wird, ist es erwünscht, dabei den Teil 14 bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur zu halten, um unerwünschte Dotierungsdiffusionen, Legierungsbildungen und/oder Verunreinigungen zu vermeiden.
Grundlage des Verfahrens gemäß der Erfindung ist, daß das
—1 Maximum der SiO0-Absorption bei ungefähr 1080 cm~ (etwa
Λ C-
240 cm Bandbreite FWHM) liegt, mit einem Absorptionskoeffi-
4 -1
zienten von etwa 3 x 10 cm . Dieses Absorptionsband ist gut geeignet für die Kopplung mit der 9.261 Mikrometer (1080 cm" ) Emission eines geeigneten C02~Abtastlasers 30, welcher beispielsweise ein COp-Gaslasermodell 560 sein kann, wie er von Apollo-Lasers, Inc., 6357 Arizona Circle, Los Angeles, CA 90045, VStA, hergestellt wird. Bei Zusammensetzung des SiO0
—1
bis zu 20 mol% PpOc s^-n^ ^-as 1080 cm~ -Absorptionsband monoton mit Anwachsen der mol% des Pp^5* Vergleichbare Konzentrationen von B2°3» As2°5 oc*er sb2 5 in Si02 führen zu ähnlichen AbsorptionsCharakteristiken. Wenn man dem SiOp Si,N^ beigibt, wird man ebenfalls ähnliche Resultate erhalten. Es kann also Material auf SiOo-Basis mit mehr als etwa 80 mol% SiOp sowohl in kristalliner als auch in amorpher Form wirksam mit dem Ausgang eines COp-Gaslasers gekoppelt werden, und zwar vorzugsweise einem solchen, welcher durchstimmbar ist.
Bei der betrachteten Wellenlänge hat eine Metallisierung Reflexionsverluste von mehr als etwa 95 % erbracht, so daß dadurch praktisch keine Wärmeleitung auftritt. Auch wird die große thermische Leitfähigkeit der Metallisierung als Wärmesenke wirken, durch die Wärme von dem aktiven Bauelement fortgeleitet wird. Bei Silizium, beispielsweise dem Substratmaterial 16, erfolgt die Absorption infolge der lichtelektrischen Anregung freier Träger mit einem geringen Anteil an Anregung durch Phononenvervielfachung. Die Absorption ist proportional der Dotierungskonzentration und umgekehrt proportional der
Trägerbeweglichkeit. Die Wirksamkeit der Kopplung ist daher signifikant niedriger bei Metall und Silizium im Vergleich zu dem Material 12 auf SiO2-Basis.
Die Temperatur T in einem Festkörper, welcher durch einen Laserstrahl mit der Auftreffintensität I erhitzt wird, ei gibt sich aus der nachfolgenden Gleichung (1):
o In (I-R)
T=D ^ T + -2 Ji exp (-β£·Ζ) (D
Dabei ist
D thermisches Diffusionsvermögen
f spezifische Masse
C spezifische Warme
R Reflexionsvermögen
«C Absorptionskoeffizient
Z Koordinate parallel zu der auftreffenden Strahlung,
und es gilt die Beziehung
X, Y und Z sind die Kartesischen Koordinaten des Pestkörpers. Bei lasererzeugtem Phosphorsilikatglasfluß istc7<. ·* (2Dt) ' , so daß Wärme im wesentlichen an der Oberfläche erzeugt wird und durch Wärmeleitung in das Innere des Körpers gelangt. Unter der Voraussetzung, daß D, C und R temperaturinvariant sind, I räumlich und zeitlich gleichförmig ist und keine latente Wärme aufgrund von Phasenübergängen zu berücksichtigen ist, lautet die Lösung von Gleichung (1):
130062/0677
T (Z,t) = T +
ϊ/2 2(Dt)
Dabei ist TQ die Anfangstemperatur, und T (Z,t) ist die Temperatur in einem Punkt Z und zu einer Zeit O ^- t ^ tj, wobei tj die Pulsbreite oder die Verweilzeit der auftreffenden Strahlung ist.
Für Phosphorsilikatglas können die folgenden Materialkonstanten zugrundegelegt werden:
D = 6 χ 10~3 cm2 see""1 ρ = 2,27 g cm"3 Cp= 1,0 J g~1 '(Γ1 R = 0,525
Dementsprechend zeigt Fig. 6 das errechnete Temperaturprofil T (Z,t) - ΤΛ als Funktion von Z für t = 0,001 see und
—2
I = 10, 11, 12 und 13 MW cm . Diese Kurven lassen erkennen, daß bei Stärken des Phosphorsilikatglases über etwa 1 Mikrometer große Temperaturgradienten auftreten, welche die Oberfläche des Substrats während des Flußvorgangs auf einer relativ kühlen Temperatur belassen. In dem Bereich der normalen Stärke des Phosphorsilikatglases in der Größenordnung von 0,5 bis 1,5 Mikrometer zeigt Fig. 2, daß ein Maximalwert der Stärke des Phosphorsilikatglases für diesen Zweck optimal ist und daß eine signifikante Steigerung der Stärke keinen besonderen Nutzen bringt. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, daß 12 MW cm eine Oberflächentemperatur von 1 156 C erzeugen, während die Temperaturen in Tiefen von 0,89, 1,47 und 2,45 Mikrometer 792° C bzw. 664° C bzw. 409° C betragen. Der untere Teil 14 ist daher niemals höheren Temperaturen ausgesetzt.
130Ö52/067? ./..
Wenn das Substrat erhitzt wird, steigt der Wert T , und die Energiedichte, welche erforderlich ist, um einen bestimmten Wert T (Z,t) - T0 zu erreichen, hat fallende Tendenz.
Das Verfahren gemäß der Erfindung bietet den sehr wesentlichen Vorteil, daß im Teil 12 Fluß- und/oder Verdichtungsvorgänge dadurch hervorgerufen werden können, daß Wärme durch die Anwendung des Lasers 30 zugeführt wird, wobei von besonderer Bedeutung ist, daß der Teil 12 in wesentlich höherem Ausmaß alsTeil 14 erhitzt wird. Wie bereits ausgeführt, kann die Oberfläche des Phosphorsilikatglases 12 auf eine relativ hohe Temperatur erhitzt werden, während das Phosphorsilikatglas in einer Tiefe von etwa 1,47 Mikrometer auf eine wesentlich niedrigere Temperatur erhitzt wird.
Das Ergebnis des beschriebenen Verfahrens ist in Fig. 2 gezeigt. Man erkennt, daß eine deutliche Glättung der Oberfläche 13 des PhosphorSilikatglases 12 erreicht worden ist. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit Ä'tzvorgängen besonders vorteilhaft und erwünscht, da die räumliche Anordnung des Ätzfensters, das durch bekannte Fotoresist-Verfahren hergestellt und definiert wird, sehr genau dargestellt werden kann. Wenn man Fig. 1 zum Vergleich heranzieht, erkennt man, daß bei Ätzung ohne vorangegangenen Schmelzflußvorgang die Fotoresistränder sich ungefähr dort hätten befinden müssen, wo die "Schultern" 13A und 13B durch das Phosphorsilikatglas 12 gebildet sind. Auch kann durch die verhältnismäßig ausgeglichene Form des Phosphorsilikatglases 12 entsprechend der Darstellung in Fig. der Ätzvorgang nach Wahl wesentlich besser gesteuert werden.
Das Ergebnis des bei der Struktur gemäß Fig. 2 vorzunehmenden Ätzvorgangs zeigt Fig. 3. Dadurch, daß bis zum Substrat 16 an der gewählten Stelle und in der gewählten Art heruntergeätzt wurde, sind scharfe Ecken 13C und 13D an dem Phosphorsilikat-
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glas 12 gebildet worden. Das beschriebene Verfahren gemäß der Erfindung wird nunmehr in entsprechend gleicher Weise angewandt, und das Phosphorsilikatglas 12 wird wiederum in den schmelzflüssigen Zustand derart versetzt, daß die gesamte in Fig. 3 gezeigte Oberfläche 13 des Phosphorsilikatglases geglättet wird, und insbesondere werden die in Fig. erkennbaren Ecken 13C und 13D ausgeglichen. Man erhält dann die in Fig. 4 dargestellte Struktur.
Die Glättung des Phosphorsilikatglases 12 in die in Fig. 4 dargestellte Form erlaubt eine günstige Anbringung von Aluminiumleitern 32 und 34 entsprechend der Darstellung in Fig. 5, und es ist erkennbar, daß anhand der Fig. 1 bis 4 das Verfahren gezeigt wurde, welches zur Ausbildung der rechten Hälfte der in Fig. 5 dargestellten Struktur führte, also einem MOS-Bauelement. Durch die Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist sichergestellt, daß ein Brechen oder Reißen der Aluminiumleiter 32 und 34 in vorteilhafter Weise vermieden ist.
Obwohl das Verfahren gemäß der Erfindung anhand der dargestellten MOS-Struktur erläutert wurde, kann es in entsprechender und ebenfalls besonders vorteilhafter Weise auch bei Bipolarstrukturen angewandt werden. Wie erwähnt, ist das Verfahren im wesentlichen unabhängig von den mol% von P?^5» As2Oc oder BgO■, bis zu etwa 20 mol%. Durch die beschriebene Laser-Anwendung können in vorteilhafter Weise extrem kleine Gebiete der Struktur in den schmelzflüssigen Zustand versetzt werden.
130052/067?
Leerseite

Claims (10)

  1. FRIEDRICH B. FISCHER
    PATENTANWALT
    50CiU ΚΟΪΝ 50
    SAARSTRASSE 71
    Fairchild Camera and Instrument
    Corporation
    464 Ellis Street
    Mountain View, California 94042
    VStA
    Verfahren zum Erhitzen von Halbleitermaterial
    Ansprüche
    Verfahren zum Erhitzen von Halbleitermaterial zur Erzeugung eines schmelzflüssigen Zustands oder einer Verdichtung bei einem ersten auf SiO2-Basis zusammengesetzten Teil einer Struktur, welche sich in nächster Nähe eines zweiten Teils der Struktur befindet, bei dem die zu erreichende Ausbildung des ersten Teils durch Schmelzfluß oder Verdichtung .unter Wärmeeinwirkung erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil in wesentlich stärkerem Maße erhitzt wird als der zweite Teil.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil auf aufgedampftem Siliziumoxid aufgewachsenes Phosphorsilikatglas ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil wenigstens teilweise ein Metall ist.
    3108H6
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Erhitzung des ersten Teils in wesentlich stärkerem Maße als des zweiten Teils durch Einwirkung eines Laserstrahls auf den ersten Teil erfolgt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein COp-Laser zur Erzeugung des Laserstrahls verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein durchstimmbarer COp-Laser verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil ein auf aufgedampftem Siliziumoxid aufgewachsenes Phosphorsilikatglas ist.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil wenigstens teilweise ein Metall ist.
  9. 9. Verfahren zur Erzeugung von Schmelzfluß oder Verdichtung eines ersten Teils einer Struktur in unmittelbarer Nähe eines zweiten Teils, bei dem der Schmelzfluß oder die Verdichtung durch Einwirkung von Wärme erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl auf den ersten Teil zur Erhitzung dieses Teils zur Einwirkung gebracht wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein durchstimmbarer C02-Laser zur Erzeugung des Laserstrahls verwendet wird.
    13ÖU52/067?
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DE3215101A1 (de) * 1981-04-28 1982-11-11 RCA Corp., 10020 New York, N.Y. Verfahren zum herstellen einer oeffnung mit abgeschraegten kanten in einer passivierschicht

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