DE4021377C2 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.

Bei der Herstellung einer Halbleiteranordnung unvermeidlich in ein Halbleiter-Substrat eingeschleppte Verunreinigungen, wie unerwünschte Fremdatome oder Dotierstoffe (u. a. Schwer­ metalle), bilden Zentren, die freie Elektronen oder Elektronenlöcher einfangen und freigeben, so daß an einem pn-Übergang ein Streustrom fließt, welcher die elektrischen Charakteristika oder Eigenschaften der Halbleiteranordnung verschlechtert. Schwermetalle, auch wenn sie in sehr kleiner Menge vorhanden sind, können die Eigenschaften der Halbleiteranord­ nungen erheblich beeinträchtigen, speziell dann, wenn jede Anordnung eine ziemlich stark begrenzte Größe besitzt und dennoch eine größere Zahl von Elementen aufweist, wie dies bei neueren Halbleiteranordnungen der Fall ist.

Zur Vermeidung einer solchen Verunreinigung wird eine Getter­ methode zum Absorbieren von Schwermetallen angewandt. Insbe­ sondere werden dabei die Rückseite eines Halbleiter-Substrats mechanisch beschädigt oder in die Substratrückseite Fremd­ atome eingeführt, um die Schwermetalle zu absorbieren. Für die erfolgreiche Durchführung dieser Rückseitenbehandlung muß eine zusätzliche Verfahrens-Stufe durchgeführt werden, um eine Verunreinigung von der Vorderseite des Substrats her zu vermeiden, oder das Substrat muß über eine lange Zeitspanne auf eine hohe Temperatur erwärmt werden. Die langzeitige Wärmebehandlung ist in den meisten Fällen für die Herstellung oder Ausbildung einer Mikrostrukturanordnung ungünstig. Zudem stellt die Rückseitenbehandlung eine der Anfangsstufen bei der Herstellung einer Halbleiteranordnung dar; ihre Wirkung nimmt bei der Durchführung anschließender Wärmebehandlungen allmählich ab.

Ein sogen. "weicher" oder "sporadischer Fehler", der durch überschüssige Ladungsträger, die bei Beaufschlagung mit Strahlung, wie α-Strahlung, entstehen, hervorgerufen wird, ist ein bei Halbleiterspeichern auffälliges Problem. Dieses wird insbesondere bei dynamischen RAMs von 64KB und dynami­ schen RAMs noch höherer Speicherkapazitäten als ernst­ liches Problem und auch als gleich großes Problem bei stati­ schen RAMs mit Hochwiderstands-Lastzellen angesehen. Der sogen. weiche oder sporadische Fehler ist in "LSI HANDBOOK", herausgegeben von The Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan, S. 677-678, 30. Novem­ ber 1984, verlegt durch OHM Inc., Japan, abgehandelt.

Zur Verhinderung des sogen. weichen oder sporadischen Fehlers (im folgenden einfach als weicher Fehler bezeichnet) bedient man sich verschiedener Methoden, u. a. folgender Methoden: Verringerung der Menge an im Einkapselungsmaterial (d. h. Kunstharzmasse) enthaltenen α-Strahlern, wie U und Th; Auslegung der Schaltungsausgestaltung zur Erhöhung der kri­ tischen Ladung auf Kosten der Zahl der Bitleitungen und der Empfindlichkeit des Meß- oder Leseverstärkers; und Be­ schichten des LSI-Chips mit einer Harzschicht einer ausreichend großen Dicke, um das Eindringen von α-Strahlung in den Chip zu verhindern. Die α-Strahlungseindringung von innerhalb und außerhalb des Gehäuses kann z. B. dadurch auf ein Mindestmaß verringert werden, daß eine α-Strahlungsabschirmung aus Polyimidharz o. dgl. auf dem passivierten LSI-Chip ausgebildet wird. Radioaktive Elemente, wie U und Th, können jedoch auch in den Al-Schichten oder den hochschmelzenden Metallschichten, die auf dem LSI-Chip erzeugt sind, enthalten sein, wobei die Abschirmung aus Polyimidharz die Strahlung von bzw. aus diesen Schichten nicht zu blockieren vermag. Darüber hinaus kann das Be­ schichten mit Polyimidharz eine andere technische Schwierig­ keit bei der Harz-Einkapselung des LSI-Chips aufwerfen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, daß der LSI-Chip selbst für weiche Fehler beständig ist.

Bei einem statischen RAM ist zudem die in jedem Speicher­ knotenpunkt aufgespeicherte Datenladung so klein, daß die Daten vernichtet werden können, wenn der Speicherknoten­ punkt mit einer elektrischen Ladung beaufschlagt wird, die beim Eindringen von α-Strahlung in den statischen RAM ent­ steht. Wenn insbesondere α-Strahlung auf die im Speicher­ knotenpunkt befindliche n⁺-Schicht auftrifft, tritt eine Durchtunnelung unter Erzeugung von Ladungsträgern auf, die längs der Orte oder Bahnen der α-Strahlen zurückfließen und effektiv im Speicherknotenpunkt absorbiert werden, so daß unweigerlich ein weicher Fehler auftritt.

Wie erwähnt, war es bisher zur Verhinderung einer Verunreini­ gung durch Schwermetalle nötig, einen zusätzlichen Verfahrens­ schritt zur Verhinderung einer Verunreinigung von der Vorder­ seite des Substrats her bei der Rückseiten-Gettertechnik durchzuführen. Da zudem die Getterstelle in einer der Anfangsstufen der Herstellung einer Halbleiter­ anordnung geformt wird, nimmt die Wirkung des Getterns bei der Durchführung der anschließenden thermischen Behandlungs- Schritte allmählich ab. Zum erfolgreichen Gettern muß zudem das Substrat während einer langen Zeit auf eine hohe Temperatur erwärmt werden; die langzeitige Wärme­ behandlung ist aber in den meisten Fällen für die Her­ stellung einer Mikrostrukturanordnung ungünstig oder schädlich.

Darüber hinaus tritt bei Halbleiterspeicheranordnungen weicher Fehler aufgrund der durch α-Strahlung erzeugten Überschußladungsträger auf.

Aus der DE 30 27 197 A1 ist ein Verfahren zum Herstel­ len einer Halbleitereinrichtung bekannt, bei dem eine sogenannte simulierte epitaxiale Schicht einer bestimm­ ten Dicke unter der Oberfläche eines Halbleiterkörpers ausgebildet wird. Bei diesem Verfahren werden Störstel­ len eines bestimmten Leitfähigkeitstyps, der zu dem Leitfähigkeitstyp des Halbleiterkörpers entgegengesetzt ist, in einer Tiefe unter der Oberfläche des Halblei­ terkörpers implantiert, welche geringer ist als die geforderte Dicke der simulierten epitaxialen Schicht. Bei der epitaxialen Schicht handelt es sich um eine Oberflächenschicht des Halbleiterkörpers. Zunächst wer­ den Borionen in eine Oberflächenschicht des Halbleiter­ körpers durch Ionenimplantation eingebracht, wobei sich auf diesem Halbleiterkörper eine Siliziumdioxidschicht befindet. Durch anschließende Wärmebehandlung wird aus der mit Borionen dotierten Schicht 16 eine epitaxiale Oberflächenschicht erzeugt.

Im einzelnen wird bei diesem bekannten Verfahren die Ionenimplantation mit einer üblichen Dosis von 3,0 × 10¹²/cm² bei etwa 200 keV vorgenommen. Sodann wird der Halbleiterkörper einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 950°C während etwa 30 Minuten aus­ gesetzt. Diese Wärmebehandlung erfolgt, um Gitterdefek­ te auszuheilen, welche durch die Ionenimplantation ver­ ursacht sind. Sodann wird der Halbleiterkörper einer umfassenden Wärmebehandlung unterzogen, welche bei an­ nähernd 1200°C während etwa 12 Stunden vorgenommen wird. Auf diese Weise entsteht die etwa 12 µm dicke simulierte epitaxiale Schicht, welche mit Bor dotiert ist.

Weiterhin ist aus Appl. Phys. Lett. Vol. 52, No. 12, 1988, Seiten 1023 bis 1025, ein Verfahren bekannt, bei dem eine Getterschicht in der Nähe von Halbleiterele­ menten in einem Substrat ausgebildet wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah­ ren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung zu schaf­ fen, bei dem ein Gettern mit hoher Leistungsfähigkeit bzw. hohem Wirkungsgrad durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale ge­ löst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ermöglicht die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem eine Getterstelle ausreichend nahe an aktiven Zonen erzeugt werden kann, ohne daß eine zusätzliche Hochtemperatur­ behandlung erforderlich wäre und ohne die Eigenschaften der Anordnung zu beeinträchtigen. Von einer Strahlung, wie α- Strahlung, herrührende Überschußträger in einem von der aktiven Zone verschiedenen Bereich der Anordnung können eingefangen werden, wodurch die Beständigkeit der Anord­ nung gegenüber weichen Fehlern verbessert und auch die Zuverlässigkeit der in der Anordnung in­ tegrierten Speicherelemente begünstigt wird. Eine Getterstelle wird an der Vorderseite eines Halbleiter- Substrats durch Ionenimplantation in einem Bereich des Substrats, der tiefer liegt als ein im Substrat geform­ ter pn-Übergang und die Verarmungsschicht des im Sub­ strat erzeugten Bauelements nicht erreicht, erzeugt und ein Gettern wird an der Vorderseite des Substrats durch Erwärmung unter optimalen Bedingungen effektiv durchge­ führt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1A bis 1E Schnittansichten zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer CMOS-Anordnung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Spannung/Streustrom- Kennlinie von nach dem Verfahren gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung hergestellten MOS- Transistoren und eines Vergleichs-MOS-Transistors,

Fig. 3A bis 3E Schnittansichten zur Erläuterung eines einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechen­ den Verfahrens zur Herstellung einer dynamischen RAM- Zelle,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer die RAM-Zelle beaufschlagenden α-Strahlungs­ dosis und der in der RAM-Zelle auftretenden Fehler­ rate sowie der bei einer vergleichsweise betrachteten dynamischen RAM-Zelle beobachteten α-Strahlungsdosis/Fehler­ raten-Beziehung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Fe-Konzentrations­ profils in einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Ionenimplantationsschicht,

Fig. 6 eine Schnittansicht zur Verdeutlichung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer Getter­ stelle, und

Fig. 7 eine graphische Darstellung des Konzentrationsprofils des ionenimplantierten Dotierstoffs, wie es im Quer­ schnitt längs der Linie VII-VII in Fig. 6 zu beobach­ ten ist.

Bislang bekannte Gettertechniken wurden untersucht und wiederholte Versuche durchgeführt, mit dem Ziel der Entwicklung einer wirkungsvolleren oder effektiveren Gettertechnik. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen und Ver­ suche zeigten, daß eine Getterstelle, die Übergangsmetalle (Eisen, Nickel, Kupfer usw.) wirksam absorbiert oder bindet, durch Ionenimplantation von Bor in die Front- oder Vorderseite (d. h. die Fläche, auf welcher Halbleiterelemente erzeugt sind) eines Halbleiter-Substrats und nicht von der Rückseite des Substrats, wie beim bekann­ ten Verfahren, her ausgebildet oder erzeugt werden kann. Die so gebildete Getterstelle besteht nicht aus von der Ionen­ implantation herrührenden Kristalldefekten, sondern den durch Ionenimplantation in das Halbleiter-Substrat eingebrach­ ten Elementen. Es wird angenommen, daß diese wirksame Getter­ stelle nicht nur durch Ionenimplantation von Bor in das Substrat, sondern auch allgemein durch Ionenimplantation eines Fremdatomelements, das einem Halbleiter der Gruppe IV des Periodensystems wie Gallium, Aluminium und Indium, einen p-Leitfähigkeitstyp verleiht, erzeugt werden kann.

Das Gettern der Übergangsmetalle, das während der Wärmebe­ handlung am Substrat nach der Erzeugung der Getterstelle erfolgt, ist dann sehr wirksam, wenn die Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen, insbesondere bei 800°C oder mehr, vor­ genommen wird. Wünschenswerterweise wird das Substrat in der Zeitspanne zwischen der Erzeugung der Getterstellen und dem Beginn des Getterns einer derart hohen Temperatur nicht aus­ gesetzt. Dieses Hochtemperatur-Gettern kann einen Teil der Ionenimplantationsschicht als leitfähige Schicht (z. B. als eingegrabene leitfähige Schicht) wirken lassen, weil dadurch die Ionenimplantationsschicht aktiviert wird. In diesem Fall wirkt der näher an der vorderen Hauptfläche des Substrats gelegene Teil der Ionenimplantationsschicht als die leit­ fähige Schicht, während der tiefer gelegene Teil der Ionen­ implantationsschicht als Getterbereich oder -zone wirkt.

Fremdatomelemente, die zur Ausbildung dieser leitfähigen Schicht benutzt werden können, sind Bor und Borfluorid.

Ein wirkungsvolles Gettern kann auch bei einer vergleichs­ weise niedrigen Temperatur erreicht werden, nachdem die Getterstelle durch Ionenimplantation des obengenannten, p-Typ-Leitfähigkeit verleihenden Fremdatoms erzeugt worden ist. Die Getterstelle kann mithin erzeugt werden, nachdem alle Wärmebehandlungsschritte am Substrat bei vergleichs­ weise hoher Temperatur (über 600°C) durchgeführt worden sind, wobei im Substrat gewünschte Halbleiterelemente, ein­ schließlich aktive Zonen, pn-Übergänge, Zwischenverbindungen, Isolierschichten und dgl., erzeugt werden. Ein wirkungsvolles Gettern kann dann bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, vorzugsweise 300-600°C, erfolgen, so daß kein thermischer Einfluß auf die erzeugten Halbleiterelemente ausgeübt wird. In diesem spezifischen Schema können neben dem p-Typ-Fremdatom (speziell Bor) auch Kohlenstoff, Sauerstoff oder Silizium als Ionenimplantationselement eingesetzt werden, weil durch die Ionenimplantation geformte Defektanhäufungen ebenfalls die Getterstellen bilden.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Ionenimplantation von speziellen Elementen nicht nur die Bildung einer Getterstelle, sondern auch von Einfang­ zentren oder Fangstellen für freie Elektronen oder Elektronen­ löcher, welche die beim Eindringen von α-Strahlung in das Substrat entstehenden Überschußträger einfangen, unterstützen bzw. begünstigen kann, wodurch die Halbleiterspeicherelemente vor weichen Fehlern geschützt werden.

Ausschließlich für das Gettern braucht keine zusätzliche Wär­ mebehandlung durchgeführt zu werden. Jede Wärmebehandlung oder thermische Stufe, die für vom Gettern verschiedene spezifische Zwecke bei der Herstellung der Halbleiteranordnung durchgeführt wird, kann auch zur Erzie­ lung des Getterns dienen. Derartige Wärmebehandlungen oder -behandlungsstufen umfassen, um nur einige zu nennen, die bei einer Temperatur von über 800°C erfolgende Wärmebehand­ lung für thermische Oxidation, Diffusion oder Glühen zum Aktivieren von Fremdatombereichen bzw. -zonen, die bei einer Temperatur von mehr als 600°C, aber nicht über 800°C durch­ geführte Wärmebehandlung für Niedrigtemperatur-Ablagerung von Siliziumnitrid, poly-Si (polykristallinem Silizium) oder SiO₂, oder aber die bei einer Temperatur von 300-600°C erfolgende Wärmebehandlung zum Sintern oder zur Atmosphärendruck-Abla­ gerung von Isolierfilmen (SiO₂, BSG oder BPSG). Bei allen von der Ionenimplantationsstufe zur Erzeugung der Getter­ stelle oder von der Stufe der Durchführung des Getterns (Getterstufe) verschiedenen Verfahrensstufen kann es sich um die allgemein für diesen Zweck durchgeführ­ ten Verfahrensschritte handeln, z. B. zum Erzeugen von Fremd­ atombereichen oder -zonen, zur Bildung von Verbindungs­ schichten, für Passivierung, zur Durchführung photolitho­ graphischer Methoden und für Wärmebehandlungen.

Die Ionenimplantation zur Erzeugung der Getterstellen wird vorzugsweise derart durchgeführt, daß die resultierende Ionenimplantationsschicht eine Größe aufweist, die praktisch gleich groß oder größer ist als diejenige des gesamten Ober­ flächenbereichs des Substrats, in welchem alle Halbleiter­ zonen oder -elemente ausgebildet sind. Die Ionenimplantations­ schicht wird jedoch selektiv so erzeugt, daß jede Ionen­ implantationsschicht gleich groß oder geringfügig größer ist als der Oberflächenbereich, in welchem eine vorgeschriebene begrenzte Zahl von Halbleiterzonen ausgebildet ist, etwa in einem MOS-Transistorelement bei einer CMOS-Transistoran­ ordnung.

Getterstellen werden durch p-Leitfähigkeits­ typ verleihende Fremdatomelemente, die durch Ionenimplantation in die vordere Hauptfläche eines Halb­ leiter-Substrats eingebracht worden sind, oder die ionen­ implantierten Fremdatome zusammen mit durch eine solche Ionenimplantation erzeugten Defektanhäufungen erzeugt. Diese Getterstellen absorbieren Schwermetallverunreini­ gungen, insbesondere Übergangsmetalle. Der von den Verun­ reinigungen herrührende Streustrom am pn-Übergang kann auf diese Weise verringert werden, so daß das Ausbringen an Halbleiterelementen verbessert werden kann. Da zudem das Gettern effektiv in einer Zwischenstufe des Ver­ fahrens zur Herstellung der Anordnung oder kurz vor dem Ende dieses Verfahrens erfolgt, wird die Wirkung des Getterns bei der Durchführung der aufeinanderfolgenden Wärmebehandlungsschritte bei der Herstellung der Halbleiter­ anordnung nicht abgeschwächt, und zwar im Gegensatz zum bekannten Verfahren, bei dem Getterstellen in einer frühen Phase des Verfahrens an der Rückseite des Halbleiter-Substrats erzeugt werden.

Wie erwähnt, können Fang- oder Haftstellen bzw. -zentren für freie Elektronen oder Elektronenlöcher in dem oberen Abschnitt der Ionenimplantationsschicht ge­ bildet werden, der nahe der vorderen Hauptfläche des Halbleiter-Substrats liegt. Diese Zentren in der Ionenimplan­ tationsschicht fangen Überschußladungsträger ein, die durch die Einstrahlung von α-Strahlung erzeugt werden, wodurch die Beständigkeit der Halbleiteranordnung gegenüber weichen Fehlern verbessert wird und gleichzeitig auch Ausbringen und Zuverlässigkeit der Halbleiteranordnung begünstigt werden.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im ein­ zelnen beschrieben.

Die Fig. 1A bis 1E veranschaulichen die Art und Weise, auf welche eine CMOS-Transistoranordnung nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren auf einem Halbleiter-Substrat hergestellt werden kann. Die Herstellung der CMOS-Anordnung geschieht wie folgt:

Zunächst erfolgte eine selektive Ionenimplantation von Bor unter einer Beschleunigungsspannung von 160 keV in einer Dosis von 1,5 × 101³/cm² in ein n-Siliziumsubstrat 11 eines spezifischen Widerstands von 10 Ωcm und mit einer (100)-Kristallfläche, insbesondere in die Bereiche des Substrats 11, in denen n-Kanal-MOS-Transistoren ausgebildet werden. Sodann wird das Substrat 8 h lang auf 1190°C er­ wärmt, wobei p-Typ-Wannen 12a und 12b entstehen, so daß das Substrat 11 eine p-Kanal-MOS-Zone und zwei n-Kanal-MOS-Zonen erhält.

Anschließend wird gemäß Fig. 1B eine vergleichsweise dicke Feldoxidschicht 13 einer Dicke von z. B. 700 nm auf ausgewählten Bereichen des Substrats 11 erzeugt, um damit eine Anzahl von Bereichen festzulegen, in denen Halbleiter­ elemente ausgebildet werden sollen. Weiterhin wird auf die Oberfläche des Substrats 11 eine dünne Oxidschicht 14 einer Dicke im Bereich von 10-20 nm zur Bildung von Gateoxidschichten oder -filmen aufgebracht. Auf der Oberfläche des Gebildes wird eine phosphordotierte n⁺- Polysiliziumschicht geformt, die anschließend mittels gewöhnlicher photolithographischer Methoden zur Bildung von Gateelektroden 15a bis 15c gemustert wird. Durch Ionen­ implantation werden Fremdatome eines gewünschten Leitungs­ typs in den Oberflächenbereich des Substrats 11 einge­ bracht, wobei die Gateelektroden 15a, 15b und 15c sowie die Feldoxidschicht 13 als Maske benutzt werden; dabei entstehen selbstjustierte p⁺-Schichten 16a und 16b sowie selbst­ justierte n⁺-Schichten 17a-17e, die als Source- und Drain­ zonen der p- und n-Kanal-MOS-Transistoren wirken. Bei der Ionenimplantation von p-Typ-Fremdatomen in die p-Kanal-MOS- Zone werden die n-Kanal-MOS-Zonen mit einem Photoresist maskiert. Wenn umgekehrt n-Typ-Fremdatome durch Ionen­ implantation in die n-Kanal-MOS-Zonen eingebracht werden, wird die p-Kanal-MOS-Zone mit einem Photoresist maskiert. Als n-Typ-Fremdatome können Arsen, als p-Typ-Fremdatome Bor oder Borfluorid verwendet werden.

Gemäß Fig. 1C wird hierauf eine CVD-Oxidschicht 18 auf der Gesamtoberfläche des Gebildes vorgesehen. In der Schicht 18 werden dann Öffnungen zur Freilegung der n-Zone 17a geformt. Sodann wird auf der Gesamtoberfläche des Gebildes eine zweite Polysiliziumschicht 19 abgelagert oder nieder­ geschlagen, die auf übliche photolithographische Weise ge­ mustert wird. Alle Wärmebehandlungen, die zur Herstellung dieser CMOS-Anordnung bei Temperaturen von 600°C oder höher durchgeführt werden müssen, sind in den anhand von Fig. 1A bis 1C beschriebenen Schritten bereits durchgeführt worden. Die noch unfertige Anordnung wird mit einem 400 nm dicken Isolierfilm 20 bedeckt, der aus Phosphorglas, wie PSG oder BPSG, besteht, ähnlich wie die meisten bei CMOS- Anordnungen dieser Art vorgesehenen Isolierfilme oder -schichten.

Im Anschluß daran erfolgt eine Ionenimplantation von Bor unter einer Beschleunigungsspannung von 1 MeV in einer Dosis von 1 × 10¹⁵/cm² in ausgewählte Bereiche der p- und n-Kanal-MOS- Zonen durch die auf dem Substrat 11 gebildeten Schichten hindurch, wobei gemäß Fig. 1D ionenimplantierte Schichten bzw. Ionenimplantationsschichten 21 (Keime von Kristall­ defekten) entstehen. Diese Ionenimplantationsschichten 21 liegen nahe den pn-Übergängen und der Verarmungsschicht, die entsteht, wenn eine Betriebsspannung an die Anordnung ange­ legt wird, aber tiefer als diese Übergänge und diese Schicht.

Schließlich werden gemäß Fig. 1E Öffnungen im Isolierfilm 20 ausgebildet, eine Metallisierung zur Ausbildung einer leit­ fähigen oder Leiterschicht durchgeführt und die Leiter­ schicht zu einem feinen Verdrahtungsmuster 22 geformt. So­ dann wird die noch unfertige Anordnung 15 min lang bei 450°C in einem Formiergas erwärmt. Diese Wärmebehandlung versetzt auch die Ionenimplantationsschichten 21 in die Lage, zu gettern. Zum Abschluß wird eine Passivierschicht 23 auf der Gesamtoberfläche des bisher erhaltenen Gebildes abgelagert, so daß eine großintegrierte Schaltkreis- oder LSI-Anordnung erhalten wird. Obgleich aus Verein­ fachungsgründen nicht dargestellt, werden unter der Feld­ oxidschicht 13 Inversionsverhinderungs- oder -schutz­ schichten geformt. Ersichtlicherweise liegen die Ionen­ implantationsschichten 21 unter diesen Inversionsschutz­ schichten.

Das anhand der Fig. 1A bis 1E beschriebene Verfahren stellt lediglich ein Ausführungsbeispiel dar. Verfahrensschritte, die mehr oder weniger den be­ schriebenen Schritten entsprechen, können in Abhängigkeit von den Spezifikationen oder Vorgaben für die herzustellende Halb­ leiteranordnung auch in unterschiedlicher Reihenfolge durch­ geführt werden. Vorzugsweise erfolgt die Wärmebehandlung zum Gettern nach dem Ionenimplantationsschritt bei einer Temperatur im Bereich von 300-600°C. Wenn sie bei mehr als 600°C erfolgt, werden die Defektanhäufungen oder -haufen ausgeglüht. Erfolgt sie dagegen bei einer Temperatur unter 300°C, so bewegen sich die Ionen von Schwermetallen o. dgl. nicht ausreichend, so daß das Gettern nicht so wirksam wie gewünscht erreicht werden kann. Die Zeitspanne dieser Wärmebehandlung ist an sich unkritisch, sollte jedoch lang genug sein, um ein angemessenes Gettern zu erreichen; sie beträgt 15 min oder mehr. Bei der Ionenimplantation zur Erzeugung der Getterstellen kann auch ein von Bor verschiedenes Element eingesetzt werden; ins­ besondere kann für diesen Zweck Kohlenstoff, Sauerstoff oder Silizium eingesetzt werden. Gleichermaßen können aber auch noch andere Elemente benutzt werden.

Wie beschrieben, werden Getterstellen von der vorderen Hauptfläche des Substrats her durch Ionenimplantation eines geeigneten Elements in einem oder mehreren Bereichen bzw. Zonen im Halbleiter-Substrat 11 erzeugt, die tiefer liegen als die pn-Übergänge und die Verarmungsschichten, welche beim Anlegen einer Betriebsspannung an die Anordnung ent­ stehen. Ein effektives Gettern kann in den Endstufen des Herstellungsverfahrens für die Anordnung durch Optimierung der Erwärmungsbedingungen (bei einer Temperatur im Bereich von 300-600°C) erreicht werden. Weiterhin werden Getter­ stellen (Keime von Kristalldefekten 21) nahe der vorderen Hauptfläche des Substrats oder den Aktivzonen der Halb­ leiteranordnung so erzeugt, daß sie Verunreinigungen, einschließlich Schwermetalle, wirkungsvoller zu absorbie­ ren vermögen als in der Rückseite des Substrats 11 ausge­ bildete Getterstellen. Der aufgrund der Schwermetallver­ unreinigung durch den pn-Übergang fließende Streustrom wird damit auf eine gewünschte Größe kontrolliert oder einge­ stellt.

Fig. 2 zeigt in graphischer Darstellung die Spannung/Streu­ strom-Kennlinie (Kurve a) einer auf vorstehend beschriebene Weise hergestellten CMOS-Transistoranordnung und auch die entsprechende Kennlinie (Kurve b) einer herkömmlichen CMOS- Anordnung, welche keiner Ionenimplantation zur Erzeugung von Getterstellen unterworfen wurde. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist der in der erfindungsgemäß hergestellten CMOS-Anordnung fließende Streustrom um eine Größenordnung kleiner als der in der herkömmlichen CMOS- Anordnung fließende Streustrom. Da weiterhin in der ge­ wünschten Stufe der Herstellung der Anordnung oder nach allen Hochtemperatur-Wärmebehandlungen, bei denen die Ein­ schleppung von Verunreinigungen in das Substrat am wahr­ scheinlichsten ist, ein effektives Gettern stattfindet, wird die Fähigkeit der Getterstellen zum Absorbieren von Verunreinigungen nicht wesentlich beeinträchtigt, wie dies dann der Fall ist, wenn die Getterstellen in frühen Stufen des Verfahrens in der Rückseite des Substrats ge­ formt werden.

Die Fig. 3A bis 3E sind Schnittdarstellungen zur Veranschau­ lichung eines Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungs­ beispiel der Erfindung. Anhand dieser Figuren ist im folgen­ den die Ausbildung einer dynamischen RAM-Zelle beschrieben.

Zunächst wird gemäß Fig. 3A eine Feldoxidschicht 32 selektiv auf einem p-Typ-Siliziumsubstrat 31 eines spezifischen Wider­ stands von etwa 10 Ωcm geformt. Sodann wird auf der Gesamt­ oberfläche des Substrats 31 eine CVD-Oxidschicht 33 einer Dicke von etwa 0,8 µm vorgesehen. Die Schicht 3 wird einem gewöhnlichen photolithographischen Verfahren unterworfen, wodurch eine Öffnung ausgebildet und derjenige Bereich (im folgenden als Kondensatorzone bezeichnet) des Substrats 31, in welchem der Kondensator der dynamischen RAM-Zelle ausge­ bildet werden wird, freigelegt werden.

Danach wird gemäß Fig. 3B durch die in der Oxidschicht 33 vorgesehene Öffnung eine Rille 34 mit lotrechten Seitenwand­ flächen und einer Tiefe von etwa 2 µm geformt. Die lotrecht eingestochene Rille 34 kann durch reaktives Ionenätzen (RIE) unter Verwendung der CVD-Oxidschicht 33 als Maske und eines Ätzgases, dessen Hauptbestandteil z. B. CF₄, SF₆ oder CCl₄ ist, oder eines Ätzgases, dessen Hauptbestandteile eines der genannten Gase und H₂ sind, ausgebildet werden. Die für dieses reaktive Ionenätzen zu verwendende Maske darf nicht aus einem Photoresist bestehen, das bei diesem Ätzvorgang weggeätzt werden würde; vorzugsweise besteht die Maske aus einer nach einem CVD-Verfahren erzeugten dreilagigen SiO₂/SI₃N₄/SiO₂-Schicht.

Sodann wird gemäß Fig. 3C die CVD-Oxidschicht 33 von der Oberfläche der bisher erhaltenen Anordnung weggeätzt. Im freigelegten Oberflächenbereich der Rille 34 wird eine n⁻- Schicht 35 ausgebildet. Sodann wird eine als Konden­ satorisolierschicht dienende Schicht 36 durch thermische Oxidation erzeugt. In der Rille 34 und auch auf der freigelegten Oberfläche des Substrats 31 wird eine erste Polysiliziumschicht niedergeschlagen, die anschließend zur Ausbildung einer Kondensatorelektrode 37 gemustert wird.

Weiterhin wird gemäß Fig. 3D eine als Gate-Isolierschicht dienende Oxidschicht 38 nahe der Kondensator­ zone geformt. Eine zweite Polysiliziumschicht wird auf der Oxidschicht 36 und der freigelegten Oberfläche des Substrats 31 niedergeschlagen und gemustert, um damit eine Gate­ elektrode 39 der dynamischen RAM-Zelle auszubilden. Hierauf wird durch Ionenimplantation z. B. As in das Substrat 31 eingebracht; dadurch werden in der Oberfläche des Substrats 31 n⁺-Schichten 40 und 41 erzeugt, welche Source bzw. Drain der dynamischen RAM-Zelle bilden. Die thermischen Oxidations­ schichten 36 und 38 können gleichzeitig geformt werden. Ebenso können Kondensatorelektrode 37 und Gateelektrode 39 gleichzeitig ausgebildet werden.

Hierauf wird gemäß Fig. 3E eine etwa 400 nm dicke CVD-Oxidschicht 42 auf der Gesamtoberfläche der bisher er­ haltenen Anordnung erzeugt. Diese, als Isolierfilm dienende Schicht 42 besteht - wie Isolierfilme bei den meisten An­ ordnungen dieser Art - aus Phosphorglas, wie PSG oder BPSG. Alle Wärmebehandlungsschritte, die bei der Herstellung der dynamischen RAM-Zelle durchgeführt werden müssen, sind nun­ mehr abgeschlossen. Danach wird durch Ionenimplantation Silizium von der Vorderseite des Substrats 31 her in einer Dosis von 1 × 10¹⁵/cm² bei einer Beschleunigungsspannung von 4 MeV eingebracht, wobei ein Keim für Kristalldefekte 43 unter der Rille 34 erzeugt wird. Dieser Keim der Kristall­ defekte 43 wirkt als Zentrum zum Einfangen von überschüssi­ gen freien Elektronen oder Elektronenmangelstellen bzw. -löchern.

Anschließend erfolgt eine Metallisierung zur Ausbildung einer leitfähigen Schicht oder Leiterschicht, die zu einem feinen Verdrahtungsmuster verarbeitet wird. Sodann wird die noch unfertige Anordnung wie bei der oben beschriebenen Her­ stellung der CMOS-Anordnung 15 min lang bei 450°C in einem Formiergas, z. B. H₂/N₂, erwärmt. Diese Wärmebehandlung aktiviert auch den Keim der Kristalldefekte 43 für das Gettern. Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung zum Gettern nach der Ionenimplantation bei einer Temperatur im Bereich von 300-600°C durchgeführt. Die Zeitdauer dieser Wärmebe­ handlung sollte 15 min oder mehr betragen, um die Kristallini­ tät des Oberflächenbereichs des Substrats auszuheilen. Als Element, das durch Ionenimplantation für die Erzeugung des Fangzentrums für überschüssige freie Elektronen oder Elektronenlöcher eingebracht wird, kann auch Kohlenstoff oder Sauerstoff wirksam benutzt werden.

Wie erwähnt, wird das Fangzentrum für freie Elektronen oder Elektronenlöcher (d. h. der Keim für Kristalldefekte 43) im Silizium-Substrat 31 nahe dessen Vorderseite vorgesehen. Dieses Fangzentrum vermag Über­ schußladungsträger einzufangen, die bei Bestrahlung mit z. B. α-Strahlung entstehen. Die erhaltene dynamische RAM- Zelle besitzt damit eine zufriedenstellende Beständigkeit gegen weiche Fehler; sie vermag sehr zuverlässig zu arbeiten.

Fig. 4 veranschaulicht in graphischer Darstellung die Be­ ziehung (Kurve a) zwischen der bei der dynamischen RAM- Zelle (Fig. 3E) angewandten α-Strahlungsdosis und der in der RAM-Zelle auftretenden Fehlerrate oder -häufigkeit sowie auch die α-Strahlungsdosis/Fehlerraten-Beziehung (Kurve b), die bei einer bisherigen dynamischen RAM-Zelle zu beobachten ist. Wie aus Fig. 4 klar hervorgeht, ist die Fehlerrate der dynamischen RAM-Zelle mit einer ionenim­ plantierten Schicht um eine Größenordnung kleiner als bei der bisherigen dynamischen RAM-Zelle.

Bor (B) wurde unter einer Beschleunigungsspannung von 1,5 MeV und in einer Dosis von 1 × 10¹⁵/cm² durch Ionenimplantation in ein Silizium-Substrat von dessen Vorderseite her bis zu einer Tiefe von einigen Mikrometern eingebracht, wobei Kristalldefektkeime in einer Tiefe von einigen Mikrometern unter der Substratoberfläche gebildet wurden. Anschließend wurde der so erhaltene Prüf­ ling einer zwangsweisen Fe-Verunreinigung unter­ worfen und 1 h lang auf 800°C erwärmt. Die Bor- und Eisen­ konzentrationsprofile dieses Prüflings wurden mittels Sekundärionenmassenspektroskopie bestimmt. Die Ergebnisse der Analyse sind in Fig. 5 dargestellt. Wie aus Fig. 5 her­ vorgeht, erscheint der Peak von Eisen in der gleichen Position wie der von Bor, während der Eisengehalt in den anderen Bereichen nahezu vernachlässigbar ist. Ein Schnitt des Prüflings wurde unter einem Transmissions­ elektronenmikroskop untersucht. Die Mikroskopuntersuchung ergab, daß eine Versetzungsschleife in einer Tiefe von (Rp × 0.9), mit Rp = Ioneneindringtiefe, entstanden war und eine defektfreie Schicht sich im Oberflächenbereich des Silizium-Substrats gebildet hatte. Diese Tatsache belegt, daß das Eisen nicht in den Kristalldefekten, wie in der Ver­ setzungsschleife, sondern in der ionenimplantierten Schicht gegettert worden ist. Diese spezielle Gettererscheinung trat dann auf, wenn das Substrat mit Eisen verunreinigt und auf eine hohe Temperatur (800°C oder höher) erwärmt wurde, ohne Einfügung einer solchen Hochtemperaturbehandlung zwischen der Ausbildung der Getterstellen und der Wärmebehandlung für das Gettern. Ein in Fig. 5 dargestellter Fe-Konzentrations­ peak war dann nicht zu beobachten, wenn das Substrat mit Eisen verunreinigt und auf diese hohe Temperatur erwärmt wurde, nachdem das Substrat nach der Ionenimplantation von Bor auf z. B. 950°C vorerwärmt worden war. Wenn dagegen eine Wärmebehandlung bei vergleichsweise niedriger Temperatur (450°C oder 600°C) nach der Ionenimplantation von Bor durch­ geführt wurde, verblieben die durch die Borimplantation ge­ formten Getterstellen im Silizium-Substrat, und sie getterten effektiv Eisenionen während der angegebenen Hochtemperatur- Wärmebehandlung.

Es wurden andere, den vorstehend beschriebenen Versuchen ähnliche Versuche durchgeführt, bei denen Bor durch Ionenimplantation in unterschiedlichen Dosen in Sub­ strate eingeführt wurde; dabei wurden mehrere Prüflinge er­ zeugt, die dann der Sekundärionenmassenspektroskopie unter­ worfen wurden. Die Ergebnisse der Analyse oder Untersuchun­ gen zeigten, daß Eisen wirkungsvoll in einem Bereich einer hohen Borkonzentration von 1 × 10¹⁸/cm³ oder mehr einge­ fangen wurde. Die erste, nach der Ionenimplantation von Bor durchgeführte Hochtemperatur-Wärmebehandlung führt zu einem Elementoberflächenbereich ohne Kristalldefekte und ermög­ licht es der unterhalb der Elementoberflächenbereiche gele­ genen Getterstelle, Eisenionen wirksamer zu gettern als dies mit herkömmlichen Gettertechniken möglich ist.

Um bei der herkömmlichen Halbleiteranordnung im gleichen Halbleiter-Substrat geformte MOS-Transistoren elektrisch zu trennen, wird der Dotierstoff durch Ionenimplantation unter der auf dem Substrat erzeugten Feldoxidschicht in das Substrat eingebracht. Die für die Elementtrennung unter der Feldoxidschicht erforderliche Dotierstoffkonzentration liegt innerhalb eines bestimmten Bereichs. In diesem Fall übt die vergleichsweise dicke Feldoxidschicht eine übermäßig große Belastung oder Beanspruchung auf den Elementtrennbereich aus, und Verunreinigungsfremdatome, wie Schwermetalle, konzen­ trieren sich im Elementtrennbereich, so daß die Wahrschein­ lichkeit für einen Streustromfluß in diesem Bereich unwei­ gerlich größer wird. Dieses, der be­ kannten Anordnung eigene Problem kann ohne Durchführung eines zusätzlichen Verfahrensschritts gelöst werden, da die Elementtrennung gleichzeitig mit der Erzeugung der Getter­ stellen vorgesehen werden kann.

Wie insbesondere in Fig. 6 veranschaulicht, wurde Bor durch Ionenimplantation unter einer Beschleunigungsspannung von 1,5 MeV in einer Dosis von 1 × 10¹⁵/cm² in ein Silizium- Substrat 71 eingebracht, nachdem eine 400 nm dicke Elementtrenn-Feldoxidschicht 72 auf dem Substrat 71 geformt worden war. Dabei wurden Sekundär­ defekte 73 und eine Getterstelle 74 gleichzeitig erzeugt.

Fig. 7 veranschaulicht in einem Kennliniendiagramm das Kon­ zentrationsprofil des implantierten Dotierstoffs, wie es im Schnitt längs der Linie VII-VII in Fig. 6 zu beobachten ist. Gemäß Fig. 7 beträgt dabei die Spitzen-Ionenkonzentra­ tion 2 × 10¹⁹/cm³. Nach der Ionenimplantation wurde die noch unfertige Anordnung 1 h lang auf 906°C erwärmt. Nach der Wärmebehandlung diffundierte der Dotierstoff kaum wieder bzw. weiter. Die Elemente waren unter der Feldoxidschicht getrennt. Gleichzeitig wurde eine Getterstelle in einer Lage erzeugt, die ausreichend tief liegt, um die aufgrund der übermäßig großen, auf den Bereich ausgeübten Belastung oder Beanspruchung im Elementtrennbereich konzen­ trierten Fremdatome bzw. Verunreinigungen zu gettern, ohne einen Streustrom auftreten zu lassen. Bei einigen der vorbereiteten Prüflinge besaßen die Element­ trenn-Feldoxidschichten unterschiedliche Dicken. Der Dotier­ stoff war dabei durch Ionenimplantation in einer solchen Dosis eingebracht, daß die Dotierstoffkonzentration im Bereich unterhalb der Feldoxidschicht ausreichend hoch war, um die Elemente vollständig zu trennen, wobei die Ionenimplantation bei einer solchen Beschleunigungsspannung erfolgte, daß Sekundärdefekte ausreichend tief (0,9 Rp von der Oberfläche) erzeugt wurden, so daß kein Streustrom dem Elementtrennbereich zugespeist wird. In diesem Fall wurden dieselben Vorteile wie in dem Fall erzielt, in welchem die Feldoxidschichten gleiche Dicke besaßen.

Beispielsweise sind die für die Erzeugung der Getterstellen angewandten Beschleunigungsspannungen ausreichend hoch, um die Getterstellen einschließ­ lich der ionenimplantierten Schicht und/oder der Defektan­ häufungen in einer tieferen Lage als der des pn-Übergangs und auch einer Verarmungsschicht, die bei Anlegung einer Betriebsspannung an die Anordnung entsteht, zu erzeugen. Insbesondere beträgt die hohe Energie 380 keV oder mehr, vorzugsweise 500 keV oder mehr und üblicherweise 1 MeV oder mehr. Es ist zu beachten, daß diese hohe Energie höher ist als die für die Ausbildung von Halbleiterelementen angewand­ ten Energiepegel. Das Gettern kann bei einer Temperatur von 300°C oder höher, vorzugsweise 300-600°C, wirksamer als beim herkömmlichen Verfahren bewirkt werden. Wenn darüber hinaus eine vergrabene Leiter­ schicht ebenfalls durch Ionenimplantation erzeugt wird, sollte die Spitzenkonzentration der implantier­ ten Fremdatome zweckmäßig 10¹⁸/cm³ oder mehr betragen, da­ mit die ionenimplantierte Schicht auch als Leiterschicht dienen kann.

Wie vorstehend beschrieben, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren die Getterstellen im Substrat, in der Nähe seiner Vorderseite, durch Ionenimplantation in einem tiefer als ein im Substrat gebildeter pn-Übergang und tiefer als die Verarmungsschicht liegenden Bereich erzeugt, wobei das Gettern durch Erwärmen des Substrats unter optimalen Be­ dingungen bewirkt wird. Die Getterstelle befindet sich mit­ hin ausreichend nahe an der aktiven Zone der Anordnung, ohne daß dafür eine zusätzliche Hochtemperaturbehandlung erfor­ derlich wäre, und ohne Beeinträchtigung der Eigenschaften der Anordnung; hierdurch wird das Ausbringen der in der Anordnung enthaltenen Halbleiterelemente ver­ bessert. Aufgrund dieser Anordnung kann die Getterstelle die von der Bestrahlung mit z. B. α-Strahlung herrührenden Über­ schußladungsträger wirksam gettern, so daß dadurch die Weich­ fehlerbeständigkeit der Anordnung verbessert wird und auch das Ausbringen und die Zuverlässigkeit der in der Anordnung enthaltenen Halbleiterspeicherelemente begünstigt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem:

• - gewünschte Halbleiterelemente einschließlich aktiver Bereiche (12a, b; 17a-e) mit pn-Übergängen sowie Verbindungsschichten in einem Hauptoberflächenbereich eines Halbleiter-Substrats (11) erzeugt werden, wobei das Halbleiter-Substrat (11) auf eine vorbestimmte vergleichsweise hohe Temperatur von über 600°C erhitzt wird, und
• - durch Ionenimplantation Ionen eines ausgewählten Elements in das Halbleiter-Substrat (11), in welchem die Halblei­ terelemente ausgebildet worden sind, von seiner Haupt­ oberfläche her derart eingeführt werden, daß durch die implantierten Ionen eine ionenimplantierte Schicht (21) geformt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die ionenimplantierte Schicht (21) in einer Lage ge­ formt wird, die dicht an einer und tiefer als eine Verarmungsschicht, die beim Anlegen einer vorbestimm­ ten Betriebsspannung an die Halbleiteranordnung im Halbleiter-Substrat (11) entsteht, liegt, und
• - eine Wärmebehandlung bei einer vergleichsweise niedri­ gen Temperatur im Bereich von 300°C bis 600°C durch­ geführt wird, um die ionenimplantierte Schicht (21) Verunreinigungselemente gettern zu lassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Element aus der Gruppe Bor, Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium ausgewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Element Bor ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente Speicherele­ mente sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenimplantierte Schicht (21) Getterstellen und auch Zentren zum Einfangen von freien Elektronen oder Löchern umfaßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenimplantierte Schicht (21) auch als Leiterschicht dient.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenimplantation unter einer hohen Energie von 380 keV oder mehr erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenimplantation unter einer hohen Energie von 500 keV oder mehr erfolgt.