DE3108146C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Fließzustands oder einer Verdichtung bei einem der Gruppe der Gläser und Silizium-Sauerstoff-Verbindungen angehörenden ersten Teil einer integrierten Schaltungsanordnung, welcher sich in nächster Nähe eines zweiten, anderes Material aufweisenden Teils der Anordnung befindet, wobei die zu erreichende Erzeugung eines Fließzustands oder einer Verdichtung bei dem ersten Teil unter Wärmeeinwirkung erreicht wird.
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 (SiO₂) versehen wird. Anschließend wird eine Schicht aus P₂O₅-SiO₂ auf der Schicht aus thermisch aufgebrachtem SiO₂ 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.
Bei der Schmelzflußerzeugung 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 P₂O₅, im Regelfall in der Konzentration von 7 bis 9 mol-%, der SiO₂-Grundzusammensetzung zugefügt werden muß, um die Schmelzflußtemperatur herabzusetzen. Dies führt in nachteiliger Weise zu einer Erhöhung der Korrosion der Metallverbindungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Hochtemperaturbehandlung von integrierten Schaltungsanordnungen zur Erzeugung eines Fließzustandes oder einer Verdichtung in einem ersten der Gruppe der Gläser und Silizium-Sauerstoff-Verbindungen angehörenden Teil einer Schädigung benachbarter Teile durch die Hitzeeinwirkung vorzubeugen, um dabei insbesondere die genannten Nachteile zu vermeiden.
Durch DE-OS 20 40 180 ist ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen bekannt geworden, bei denen auf der Oberfläche eine Isolierschicht mit steilen Begrenzungsflächen liegt, über die mindestens abschnittsweise ein dünner Film aufgebracht wird; dabei wird die Isolierschicht vor dem Aufbringen des dünnen Films in Gegenwart eines Glasbildners so weit erhitzt, daß sich die steilen Begrenzungsflächen durch plastisches Fließen mindestens im Kantenbereich abrunden. Das Halbleiterbauelement wird in seiner Gesamtheit erhitzt, so daß die erwähnten Nachteile auftreten.
In "Electronics",28. Febr. 1980, Seiten 137 bis 142, ist ein Verfahren zur Laser-Erhitzung einer Halbleiteroberfläche beschrieben, um durch Ionenimplantation geschädigtes kristallines Material zu glühen, zur Diffundierung von Dotierungsmitteln und zur Erzeugung von Epitaxialwachstum von kristallinem Material. Ebenso wie bei der erstgenannten Schriftstelle ist jedoch die Aufgabe nicht gestellt und auch nicht gelöst, einen ersten Teil einer integrierten Schaltungsanordnung in wesentlich stärkerem Maße zu erhitzen als einen aus anderem Material bestehenden, in nächster Nähe zu dem erhitzten Teil angeordneten anderen Teil, um nachteilige Änderungen der Eigenschaften des Halbleiterbauelements durch Dotierungsdiffusion, Legierungsbildung oder Kontamination zu vermeiden. Auch wird lediglich die Lehre gegeben, die Erhitzung durch die Pulsdauer zu begrenzen.
Die Schriftstelle "Bell Laboratories Record", Juli/August 1979, Seiten 187-191, beschreibt Verfahren, bei denen Laserstrahlung im Laboratorium zum Aufwachsen von Kristallen, zur Ausbildung von Kontakten und metallischen Halbleiterschichten von hoher Leitfähigkeit sowie zum Glühen von Halbleiterkörpern, die durch Ionenimplantation beschädigt wurden, benutzt wird. Auch ist erwähnt, daß mit Hilfe von Laser- Erhitzung metallische Silizide hergestellt werden können, welche zur Ausbildung von Oberflächen-Kontaktübergängen zwischen dem Halbleitermaterial und Drahtanschlüssen verwendet werden. Dabei ist die Anwendung von gepulsten Laserstrahlen zur Abrundung der scharfen Ränder von Verbindungsmustern aus polykristallinem Silizium in integrierten MOS- Schaltungsanordnungen erwähnt. Die Schriftstelle enthält aber keine Hinweise für die Erhitzung von Glas oder Silikon-Sauerstoff-Verbindungen. Auch ist nicht der Hinweis gegeben, ein solches Material in wesentlich stärkerem Maße zu erhitzen als einen anderen, dem erhitzten Teil sehr nahegelegenen Teil in einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung. Ebenfalls ist nicht die Lehre gegeben, eine solche Erhitzung durch einen Laserstrahl vorzunehmen, dessen Emission mit dem Absorptionsband des Glases bzw. der Silizium-Sauerstoff-Verbindung gekoppelt ist.
Das obige Problem, das durch die Erhitzung integrierter Schaltungsanordnungen, insbesondere dann, wenn die Anordnung im ganzen erhitzt wird, in nachteiliger Weise durch Dotierungsdiffusion, Legierungsbildung und Kontamination sich die Eigenschaften der Bauelemente ändern, wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art der erste Teil durch einen Laserstrahl, dessen Emission mit dem Absorptionsband des Materials des ersten Teils gekoppelt ist, in wesentlich stärkerem Maße erhitzt wird als der zweite Teil.
Hinsichtlich weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung, die Zeichnungen und die dem Anspruch 1 folgenden Ansprüche Bezug genommen.
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 10-3 Sekunden bzw. einem Zeitintervall entsprechend gepulsten oder Q-geschalteten und kontinuierlichen (CW) Lasermoden.
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 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 Maximum der SiO₂-Absorption bei ungefähr 1080 cm-1 (etwa 240 cm-1 Bandbreite FWHM) liegt, mit einem Absorptionskoeffizienten von etwa 3×10⁴ cm-1. Dieses Absorptionsband ist gut geeignet für die Kopplung mit der 9261 Mikrometer (1080 cm-1)- Emission eines geeigneten CO₂-Abtastlasers 30, welcher beispielsweise ein CO₂-Gaslasermodell 560 sein kann, wie er von Apollo-Lasers, Inc., 6357 Arizona Circle, Los Angeles, CA 90045, VStA, hergestellt wird. Bei Zusammensetzung des SiO₂ bis zu 20 mol-% P₂O₅ sinkt das 1080 cm-1-Absorptionsband monoton mit Anwachsen der mol-% des P₂O₅. Vergleichbare Konzentrationen von B₂O₃, As₂O₅ oder Sb₂O₅ in SiO₂ führen zu ähnlichen Absorptionscharakteristiken. Wenn man dem SiO₂ Si₃N₄ beigibt, wird man ebenfalls ähnliche Resultate erhalten. Es kann also Material auf SiO₂-Basis mit mehr als etwa 80 mol-% SiO₂ sowohl in kristalliner als auch in amorpher Form wirksam mit dem Ausgang eines CO₂-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 I₀ erhitzt wird, ergibt sich aus der nachfolgenden Gleichung (1):
Dabei ist
D thermisches Diffusionsvermögen
ρ spezifische Masse
C p spezifische Wärme
R Reflexionsvermögen
α Absorptionskoeffizient
Z Koordinate parallel zu der auftreffenden Strahlung,
und es gilt die Beziehung
X, Y und Z sind die Kartesischen Koordinaten des Festkörpers. Bei lasererzeugtem Phosphorsilikatglasfluß ist α -1 « (2Dt)1/2, 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 p 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):
Dabei ist T₀ die Anfangstemperatur, und T (Z, t) ist die Temperatur in einem Punkt Z und zu einer Zeit 0t t I, wobei t I die Pulsbreite oder die Verweilzeit der auftreffenden Strahlung ist.
Für Phosphorsilikatglas können die folgenden Materialkonstanten zugrundegelegt werden:
D = 6×10-3 cm² sec-1
p = 2,27 g cm-3
C p = 1,0 J g-1 °C-1
R = 0,525
Dementsprechend zeigt Fig. 6 das errechnete Temperaturprofil T (Z, t)-T₀ als Funktion von Z für t = 0,001 sec und I₀ = 10, 11, 12 und 13 MW cm-2. 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-2 eine Oberflächentemperatur von 1156°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. Wenn das Substrat erhitzt wird, steigt der Wert T₀, 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 als Teil 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 Ätzvorgängen 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" 13 A und 13 B durch das Phosphorsilikatglas 12 gebildet sind. Auch kann durch die verhältnismäßig ausgeglichene Form des Phosphorsilikatglases 12 entsprechend der Darstellung in Fig. 2 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 13 C und 13 D an dem Phosphorsilikatglas 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. 3 erkennbaren Ecken 13 C und 13 D 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 P₂O₅, As₂O₅ oder B₂O₃ 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.

Claims (13)

1. Verfahren zur Erzeugung eines Fließzustands oder einer Verdichtung bei einem der Gruppe der Gläser und Silizium-Sauerstoff-Verbindungen angehörenden ersten Teil einer integrierten Schaltungsanordnung, welcher sich in nächster Nähe eines zweiten, anderes Material aufweisenden Teils der Anordnung befindet, wobei die zu erreichende Erzeugung eines Fließzustands oder einer Verdichtung bei dem ersten Teil unter Wärmeeinwirkung erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil durch einen Laserstrahl, dessen Emission mit dem Absorptionsband des Materials des ersten Teils gekoppelt ist, in wesentlich stärkerem Maße erhitzt wird als der zweite Teil.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
  • a) Fokussieren des Laserstrahls auf einen gewählten Bereich der integrierten Schaltungsanordnung;
  • b) Steuern der Dauer und der Intensität des Laserstrahls derart, daß der gewählte Bereich auf eine Temperatur erhitzt wird, welche ausreicht, um das Material des ersten Teils des gewählten Bereiches in den Fließzustand zu versetzen bzw. zu verdichten, jedoch nicht zur Verdampfung des Materials des ersten Teils des gewählten Bereiches ausreicht, wobei die Erzeugung des Fließzustands bzw. der Verdichtung des Materials des ersten Teils ohne wesentlichen Temperaturanstieg erfolgt;
  • c) Beendigung der Einwirkung des Laserstrahls, wenn ein gewünschter Konturausgleich bei dem Material des ersten Teils erreicht ist;
  • d) Ätzen des Materials des ersten Teils in dem gewählten Bereich.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Verfahrensschritt des Ätzens das Material des ersten Teils derart geätzt wird, daß ein Ätzbereich mit einem steilen Rand gebildet wird, und anschließend die Verfahrensschritte a)-c) ausgeführt werden, um einen Fließzustand bzw. eine Verdichtung des Materials im Bereich des steilen Randes zu erzeugen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
  • a) Ätzen des Materials des ersten Teils in dem gewählten Bereich;
  • b) Fokussieren des Laserstrahls auf einen gewählten Bereich der integrierten Schaltungsanordnung;
  • c) Steuern der Dauer und der Intensität des Laserstrahls derart, daß der gewählte Bereich auf eine Temperatur erhitzt wird, welche ausreicht, um das Material des ersten Teils des gewählten Bereiches in den Fließzustand zu versetzen bzw. zu verdichten, jedoch nicht zur Verdampfung des Materials des ersten Teils des gewählten Bereiches ausreicht, wobei die Erzeugung des Fließzustands bzw. der Verdichtung des Materials des ersten Teils ohne wesentlichen Temperaturanstieg des zweiten Teils erfolgt;
  • d) Beendigung der Einwirkung des Laserstrahls, wenn ein gewünschter Konturausgleich bei dem Material des ersten Teils erreicht ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Konturausgleich zur Ausbildung einer gleichmäßig konkaven Form führt, und bei dem Verfahrensschritt des Ätzens das Material des ersten Teils unter der gleichmäßig konkaven Form derart herausgeätzt wird, daß eine geätzte konkave Aussparung mit einem steilen Rand entsteht und der zweite Teil freigelegt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
  • e) Fokussieren des Laserstrahls in den Bereich der geätzten konkaven Aussparung;
  • f) Steuern der Dauer und der Intensität des Laserstrahls derart, daß die geätzte konkave Aussparung auf eine Temperatur erhitzt wird, welche ausreicht, um das Material des ersten Teils des Bereiches der geätzten konkaven Aussparung in den Fließzustand zu versetzen bzw. zu verdichten, jedoch nicht zur Verdampfung des Materials des ersten Teils des Bereiches der geätzten konkaven Aussparung ausreicht, wobei die Erzeugung des Fließzustands bzw. der Verdichtung des Materials des ersten Teils ohne wesentlichen Temperaturanstieg des zweiten Teils erfolgt;
  • g) Beendigung der Einwirkung des Laserstrahls, wenn ein gewünschter Konturausgleich bei dem Material des ersten Teils erreicht ist;
  • h) Aufbringen einer Kontaktschicht in der nunmehr ausgeglichenen konkaven Aussparung in Kontakt mit dem zweiten Teil.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil der integrierten Schaltungsanordnung ganz oder teilweise einer der folgenden Gruppen angehört:
Phosphorsilikatglas, Borsilikatglas, Silizium-Oxynitridglas.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil der integrierten Schaltungsanordnung wenigstens teilweise ein Metall enthält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl durch einen CO₂-Laser erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser durchstimmbar ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem ersten Teil für eine größere selektive Absorption der Laserstrahlung gesorgt wird als bei dem zweiten Teil.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaximum des Materials des ersten Teils mit seinem Zentrum bei etwa 1080 cm-1 liegt und der Absorptionskoeffizient etwa 3×10⁴ cm-1 beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des ersten Teils mehr als 80 mol-% Siliziumdioxid enthält, während es im übrigen wenigstens eine der folgenden Verbindungen enthält: P₂O₅, B₂O₃, As₂O₅, Sb₂O₅, Si₃N₄.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil eine Stärke in der Größenordnung von 0,5-1,5 Mikrometer hat.
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