DE3907857C1 - Method for preparing a layer of amorphous silicon carbide - Google Patents

Method for preparing a layer of amorphous silicon carbide

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Abstract

A method is described for preparing a layer of amorphous silicon carbide, in which the process temperature is kept as low as possible. In a plasma-enhanced process used for the deposition of a material, a layer is formed which contains hydrogen and is under compressive stress. Since the compressive stress may lead to deformation of the wafer and possibly to the layer peeling off (becoming detached), it is advantageous to set as low a stress as possible in the layer. For the purpose of use as a membrane (diaphragm) the layer should even be under a slight tensile stress. In the method according to the invention, for the purpose of reducing the compressive stress, ions are implanted into the layer, and the layer is then subjected to a thermal treatment. With the aid of the method, layers are produced, for example, for ultra-thin membranes, for passivation and as a window in IC technology and micromechanical engineering.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus amorphem Silizium-Karbid (a-SiC) insbesondere für die Verwendung als ultradünne Membrane.The invention relates to a method for producing a Layer of amorphous silicon carbide (a-SiC) in particular for use as an ultra-thin membrane.

Zur Herstellung einer ultradünnen Membrane wird nach dem Stand der Technik eine Schicht (meistens eine Silizium­ verbindung) auf ein Substrat aus Silizium aufgebracht und anschließend das Substrat bis auf einen Stützrand mit Hilfe von Ätzverfahren entfernt.To produce an ultra-thin membrane, according to the State of the art a layer (mostly a silicon compound) applied to a silicon substrate and then the substrate except for a supporting edge Removed using etching processes.

Aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaf­ ten wie hohe thermische Leitfähigkeit, elektrische Iso­ lierung, optische Transparenz und hohe Resistenz gegenüber vielen Ätzlösungen wird für viele Anwendungen Silizium- Karbid als Schichtmaterial benützt.Because of its physical and chemical properties such as high thermal conductivity, electrical insulation insulation, optical transparency and high resistance to many etching solutions, silicon is Carbide used as layer material.

Um eine Schicht aus einer Silizium-Verbindung, insbeson­ dere aus Silizium-Karbid auf ein Substrat aufzubringen, stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. In der DE-OS 37 33 311 erfolgt die Abscheidung der SiC-Schicht mittels der CVD-Methode (chemical vapour deposition), wobei die Silizium-Einkristallscheibe (Substrat) zunächst auf eine Temperatur im Bereich von 1000 bis 1350°C unter einer H2-Atmosphäre aufgeheizt wird, danach mit einem ge­ eigneten Ätzmittel angeätzt wird, danach unter Einfluß von H2 gespült wird und anschließend die SiC-Schicht aus einer Silizium und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasatmosphäre angebracht wird, wonach das beschichtete Substrat auf Raumtemperatur unter H2 Atmosphäre abgekühlt wird.Various technologies are available for applying a layer of a silicon compound, in particular silicon carbide, to a substrate. In DE-OS 37 33 311, the SiC layer is deposited using the CVD method (chemical vapor deposition), the silicon single crystal wafer (substrate) initially being heated to a temperature in the range from 1000 to 1350 ° C. under an H 2 -Atmosphere is heated, then etched with a suitable etchant, then rinsed under the influence of H 2 and then the SiC layer is applied from a gas atmosphere containing silicon and hydrocarbons, after which the coated substrate is cooled to room temperature under H 2 atmosphere .

Auch bei der häufig angewandten LPCVD-Methode (low pressure chemical vapor deposition) zum Aufbringen der Schicht wird das Substratmaterial Temperaturen von über 800°C ausgesetzt.Even with the frequently used LPCVD method (low pressure chemical vapor deposition) to apply the Layer, the substrate material will have temperatures above Exposed to 800 ° C.

Diese bekannten Verfahren können nicht eingesetzt werden, wenn es darauf ankommt, eine Schicht bei möglichst nied­ riger Temperatur herzustellen, beispielsweise, wenn auf einem Chip eine Membrane neben einem elektronischen Aus­ werte-Schaltkreis hergestellt werden soll. Bei einer Wei­ terentwicklung der LPCVD-Methode können hohe Temperaturen dadurch vermieden werden, daß die Schicht in einem Plasma aufgebracht wird (PECVD-Methode, plasma enhanced CVD).These known methods cannot be used when it comes down to one layer at the lowest possible producing temperature, for example when on a chip a membrane next to an electronic off values circuit to be manufactured. With a Wei The LPCVD method can develop high temperatures thereby be avoided that the layer in a plasma is applied (PECVD method, plasma enhanced CVD).

Bei dieser Methode entsteht allerdings keine reine Sili­ zium-Karbid-Schicht (SiC), vielmehr enthält die Schicht Wasserstoff (a-SiC:H), und besitzt andere physikalische Eigenschaften als eine Silizium-Karbidschicht.However, this method does not produce pure sili zium-carbide layer (SiC), rather the layer contains Hydrogen (a-SiC: H), and has other physical Properties as a silicon carbide layer.

Schichten, die mit dem in der DE-OS 37 33 311 beschrie­ benen CVD-Verfahren, oder mit der LPCVD-Methode aufge­ bracht werden, weisen hohe mechanische Zugspannungen auf, und eignen sich deshalb nicht zur Herstellung stabiler Membranen. Um diese Zugspannung zu erniedrigen, also die Druckspannung in der Schicht zu erhöhen, werden bei den bekannten Verfahren Ionen in die Schicht implantiert.Layers described with that in DE-OS 37 33 311 CVD method, or with the LPCVD method have high mechanical tensile stresses, and are therefore not suitable for producing more stable Membranes. To lower this tension, that is  The compressive stress in the layer is increased at the known methods implanted ions in the layer.

Im Gegensatz zu diesen Verfahren führt die Plasmaabschei­ dung zu einer Silizium-Karbidschicht die Wasserstoff ent­ hält und eine hohe Druckspannung aufweist. Infolge der Druckspannung unter der die Schicht steht, ist es nicht möglich, mechanisch stabile und technisch nutzbare Mem­ branen herzustellen. Um eine zur Herstellung einer Mem­ brane geeignete Schicht zu erhalten, muß die hohe Druck­ spannung erniedrigt werden. Für die Verwendung als Mem­ branen sollte die Schicht unter einer geringen Zugspannung von 5×107 Nm-2 stehen.In contrast to these processes, the plasma deposition leads to a silicon carbide layer which contains hydrogen and has a high compressive stress. Due to the compressive stress under which the layer is, it is not possible to manufacture mechanically stable and technically usable membranes. In order to obtain a suitable layer for the production of a membrane, the high pressure voltage must be reduced. For use as membranes, the layer should be under a low tensile stress of 5 × 10 7 Nm -2 .

Versuche, die Druckspannung von aufgesputterten bzw. mit der PECVD-Methode abgeschiedenen Silizium-Karbidschichten durch Temperaturbehandlung (Tempern) zu reduzieren, werden von Madouri A., Gosnet A.M., und Bourneix, J., beschrieben in Microelectronic Engineering 6, 1987, S. 241-245. Bei diesem Verfahren muß die Probe bei der Temperaturbehand­ lung zur Verringerung der Druckspannung wenigstens auf 550°C erwärmt werden. In vielen Fällen ist es wünschens­ wert, mit niedrigeren Temperaturen auszukommen.Attempts to reduce the compressive stress of sputtered or the silicon carbide layers deposited using the PECVD method by temperature treatment (tempering) by Madouri A., Gosnet A.M., and Bourneix, J. in Microelectronic Engineering 6, 1987, pp. 241-245. At the sample must undergo this process during the heat treatment at least to reduce the compressive stress 550 ° C to be heated. In many cases it is desirable worth getting along with lower temperatures.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus amorphem Silizium-Karbid anzugeben, bei welchem die Druckspannung in der Schicht bei möglichst niedriger Temperatur reduziert werden kann.The invention has for its object a method for the production of a layer of amorphous silicon carbide indicate at which the compressive stress in the layer can be reduced at the lowest possible temperature.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem plasmaunter­ stützten Abscheideprozeß dadurch gelöst, daß die mechani­ sche Druckspannung vor der Temperaturbehandlung durch Im­ plantation von Ionen erniedrigt wird.
This object is achieved in a plasma-assisted deposition process in that the mechanical compressive stress is reduced prior to the temperature treatment by implantation of ions.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß das Implantie­ ren von Ionen im Vollmaterial zur Volumenzunahme führt. Bei der Abscheidung einer Schicht mit dem in der DE-OS 37 33 311 beschriebenen Verfahren oder mit der LPCVD-Methode wird, wie oben bereits beschrieben, im Anschluß eine Ionen­ implantation durchgeführt, um die Zugspannung zu verrin­ gern, da solche Schichten nach der Abscheidung unter einer hohen Zugspannung stehen. Deshalb ist es ein überraschen­ des Ergebnis der vorliegenden Erfindung, daß durch Im­ plantation von Ionen in die a-SiC:H-Schicht genau das Ge­ genteil, nämlich eine Reduzierung der Druckspannung, er­ reicht wird.It is known from the prior art that the implant ion in the solid material leads to an increase in volume. When depositing a layer with that in DE-OS 37 33 311 described method or with the LPCVD method then, as already described above, becomes an ion implantation to reduce tension gladly, since such layers after the deposition under one high tensile stress. That's why it's a surprise the result of the present invention that by Im Plantation of ions into the a-SiC: H layer exactly the Ge opposite, namely a reduction in compressive stress, he is enough.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gekennzeichnet. Nach An­ spruch 2 erfolgt die Plasmaabscheidung bei 270°C und die Temperaturbehandlung wird bei 450°C durchgeführt. Damit werden bei diesem Verfahren das Substrat und die Schicht einer maximalen Temperatur ausgesetzt, die 100°C unter­ halb der Temperatur liegt, die bei der Temperaturbehand­ lung ohne vorherige Implantation von Ionen erforderlich ist.Advantageous further developments are in the subclaims characterized the inventive method. According to Say 2, the plasma is deposited at 270 ° C and the Temperature treatment is carried out at 450 ° C. In order to in this process, the substrate and the layer exposed to a maximum temperature that is 100 ° C below is half the temperature that is used in the heat treatment without ion implantation is.

In manchen Fällen kann es angebracht sein die Druckspan­ nung ausschließlich durch Implantation von Ionen in die Schicht zu reduzieren, wobei die Temperaturbehandlung völlig entfällt. Auf dieses Verfahren wird zurückgegrif­ fen, wenn es im Rahmen eines Prozesses eingesetzt werden soll, der mit einer Temperatur von 450°C nicht verträg­ lich ist.In some cases the pressure chip may be appropriate only by implanting ions into the Reduce layer, taking the heat treatment completely eliminated. This procedure is used fen if it is used in a process should not be compatible with a temperature of 450 ° C is.

Im Anspruch 3 ist das Verfahren so weiterentwickelt, daß durch Wahl der Dosisleistung des Ionenstrahls und der Beschleunigungsspannung und der Implantationsdauer der mechanische Spannungszustand der Schicht einstellbar ist. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist in Anspruch 4 gekennzeichnet. Hier werden zur Redu­ zierung der Druckspannung Wasserstoffionen in die Schicht implantiert.In claim 3, the method is developed so that by choosing the dose rate of the ion beam and the  Acceleration voltage and the duration of implantation mechanical stress state of the layer is adjustable. A particularly advantageous embodiment of the method is characterized in claim 4. Here are the Redu adornment of the compressive stress hydrogen ions in the layer implanted.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbeson­ dere darin, daß das Verfahren für die Herstellung einer Schicht auf einem Silizium-Substrat auch in Temperatur­ empfindlichen Prozessen herangezogen werden kann, wenn die bekannten Verfahren wegen zu hohen Temperaturen ausschei­ den. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß eine Schicht aus einem Material hergestellt werden kann, das aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigen­ schaften einen häufig verwendeten Ausgangsstoff in der Halbleiterelektronik und in der Mikrostrukturtechnik dar­ stellt. Bisher wird Silizium-Karbid in der Halbleiter­ technologie bereits als Passivierungs-Dielektrikum, in HeteroJunction-Solarzellen, als Fensterschicht in a-Si:H p-i-n- Solarzellen, in lichtemittierenden Bauteilen (LED) und in Multilayer-Strukturen angewendet.The advantages achieved with the invention are in particular the fact that the process for the production of a Layer on a silicon substrate also in temperature sensitive processes can be used if the known methods due to high temperatures the. Another advantage of the method is that a layer can be made from a material that because of its physical and chemical properties a commonly used raw material in the Semiconductor electronics and in microstructure technology poses. So far, silicon carbide is used in the semiconductor technology already as a passivation dielectric, in HeteroJunction solar cells, as a window layer in a-Si: H p-i-n solar cells, in light-emitting components (LED) and applied in multilayer structures.

Die Verwendung von a-SiC:H-Schichten für Membranen in der Lithographie, der Elektronen- bzw. Ionenprojektion und in der Sensorik wird mit dem Fortschreiten der Sub-µ-Technologie- und der Mikromechanik in der Zukunft stark zunehmen.The use of a-SiC: H layers for membranes in lithography, electron or ion projection and in sensor technology will continue as the Sub-µ technology and micromechanics in the future increase strongly.

Im Folgenden wird das Verfahren anhand eines Ausführungs­ beispieles näher erläutert.In the following, the method is based on an execution example explained in more detail.

In einer kommerziellen Anlage erfolgt die Plasmaabschei­ dung der a-SiC:H-Schicht auf Siliziumsubstrate (Wafer) mit einem Durchmesser von 100 mm. In die Kammer wird CH4 und SiH4 eingeleitet. Die Gasflüsse betragen für CH4 2000 Standard-cm3 und für SiH4 150 Standard-cm3. Die Hochfre­ quenz-Leistung beträgt 520 W. Der Kammerdruck der Anlage beträgt 0,426 mbar, die Abscheidung findet bei 270°C statt. Nach der Abscheidung auf den Silizium-Wafer steht die Schicht unter einer Druckspannung von -4×108 Nm-2. Anschließend wird die Schicht mit Wasserstoffionen bei einer Beschleunigungsspannung von 100 keV und einer Ionen­ dosis von 1017 cm-2 beschossen. Die Implantation der Was­ serstoffionen führt zu Umordnungsprozessen in der Schicht, wodurch die Druckspannung reduziert wird.The plasma deposition of the a-SiC: H layer on silicon substrates (wafers) with a diameter of 100 mm takes place in a commercial plant. CH 4 and SiH 4 are introduced into the chamber. The gas flows are for CH 4 2000 standard cm 3 and for SiH 4 150 standard cm 3 . The high-frequency power is 520 W. The chamber pressure of the system is 0.426 mbar, the separation takes place at 270 ° C. After the deposition on the silicon wafer, the layer is under a compressive stress of -4 × 10 8 Nm -2 . The layer is then bombarded with hydrogen ions at an acceleration voltage of 100 keV and an ion dose of 10 17 cm -2 . The implantation of the hydrogen ions leads to rearrangement processes in the layer, which reduces the compressive stress.

Durch Tempern bei 450°C wird die Druckspannung weiter reduziert. Die Parameter der Ionenimplantation und der Temperaturbehandlung werden so gewählt, daß die Druck­ spannung in eine Zugspannung überführt wird und in der Schicht eine für die Membranherstellung erforderliche Zugspannung von 0,5×108 Nm-2 entsteht.The compressive stress is further reduced by tempering at 450 ° C. The parameters of the ion implantation and the temperature treatment are chosen so that the compressive stress is converted into a tensile stress and a tensile stress of 0.5 × 10 8 Nm -2 required for the membrane production is produced in the layer.

Die angegebenen Zahlenwerte und die spezielle Wahl der Ionensorte stellen keine Einschränkungen des Verfahrens dar, sondern optimale Prozeßparameter für die Herstellung einer Schicht für einen bestimmten Anwendungsfall.The specified numerical values and the special choice of The type of ion does not impose any restrictions on the process represents, but optimal process parameters for the production a layer for a specific application.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus amorphem Silizium-Karbid, bei welchem auf ein Silizium-Sub­ strat mit Hilfe eines plasmaunterstützten Abschei­ deprozesses (PECVD, plasma enhanced chemical vapour deposition), eine Schicht aus Silizium-Karbid, die eine hohe mechanische Druck-Spannung aufweist, abge­ schieden wird, und die abgeschiedene Schicht einer bestimmten Temperatur ausgesetzt wird (Tempern), da­ durch gekennzeichnet, daß die mechanische Druck- Spannung vor der Temperaturbehandlung durch Implan­ tation von Ionen erniedrigt wird.1. Method for producing a layer of amorphous silicon carbide, in which a layer of silicon carbide, which has a high mechanical pressure, is deposited on a silicon substrate using a plasma-assisted deposition process (PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition). Has tension, is deposited, and the deposited layer is exposed to a certain temperature (tempering), characterized in that the mechanical compressive stress is reduced before the temperature treatment by implantation of ions. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der plasmaunterstützte Abscheideprozeß bei einer Temperatur von 270°C erfolgt und die Temperaturbe­ handlung unterhalb von 450°C durchgeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that that the plasma-assisted deposition process at a Temperature of 270 ° C takes place and the Temperaturbe action is carried out below 450 ° C. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ionen-Implantation die Dosisleistung des Ionenstrahls die Beschleunigungs­ spannung und die Implantationsdauer zur Erzielung einer vorgebbaren Zugspannung eingestellt werden.3. The method according to any one of claims 1 and 2, characterized characterized in that the ion implantation Dose power of the ion beam accelerating  voltage and the implantation time to achieve a predefinable tension can be set. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ionen-Implantation Wasserstoffionen eingesetzt werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized that for ion implantation Hydrogen ions are used. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn­ zeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • - Abscheidung der a-SiC:H-Schicht in einer kommerziellen Anlage bei einer Temperatur von 270°C und einem Druck von 0,426 mbar, bei einem CH4-Gasfluß von 2000 Standard-cm3 und einem SiH4-Gasfluß von 150 Standard-cm3 und einer Hochfrequenz-Leistung von 520 W,
  • - Implantation von Wasserstoffionen bei einer Beschleunigungsspannung von 100 keV und einer Ionendosis von 1×1017 cm-2,
  • - Temperaturbehandlung bei 450°C,
  • - Wegätzen des Substrates bis auf einen Stützrand.
5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized by the following process steps:
  • Deposition of the a-SiC: H layer in a commercial installation at a temperature of 270 ° C. and a pressure of 0.426 mbar, with a CH 4 gas flow of 2000 standard cm 3 and a SiH 4 gas flow of 150 standard cm 3 and a high-frequency power of 520 W,
  • Implantation of hydrogen ions at an acceleration voltage of 100 keV and an ion dose of 1 × 10 17 cm -2 ,
  • - temperature treatment at 450 ° C,
  • - Etching away the substrate up to a supporting edge.
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