WO2000067299A2 - Verfahren zum erzeugen von defekten in einer gitterstruktur eines halbleitermaterials - Google Patents

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Georg Roters
Steven D. Marcus
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Steag Rtp Systems Gmbh
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    • H01L21/324—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering

Definitions

  • the following invention relates to a method for generating defects in a lattice structure of a semiconductor material during its thermal treatment.
  • kick-out mechanism In general, essentially only those doping profiles whose foreign atoms reach a lattice site essentially via the so-called kick-out mechanism can be influenced by the method described above. With this mechanism, the foreign atom previously located in the interstitial area arrives at a lattice site, a silicon (or generally lattice) atom being displaced from its lattice site into the interstitial lattice.
  • this object is achieved by a method for generating defects in a lattice structure of a Haibleitermateriais during its thermal treatment in which the De Stammko ⁇ zentration and / or - V grant is controlled in dependence on a process gas atmosphere.
  • the above method enables control of the defect concentration and / or distribution in a lattice structure of a semiconductor material during its thermal treatment, with an essentially constant thermal budget (integral of the temperature-time curve).
  • the defect concentration and / or distribution can thus be controlled as a function of the process gas atmosphere with the minimum possible thermal load.
  • the defect concentration and / or - in turn grant V affects the concentration as well as the diffusion of impurities within the Haibleitermateriais.
  • the defects generated are lattice defects (vacancies).
  • the generation of lattice vacancies allows foreign atoms to reach gaps independently of the kick-out mechanism mentioned above. This is particularly advantageous in the case of larger foreign atoms such as arsenic or antimony, which essentially only get into semiconductor areas by filling lattice defects (vacancies).
  • the defects are semiconductor atoms on interstitial sites, which in turn promote another mechanism by means of which the foreign atoms reach lattice sites.
  • the defects are advantageously generated in the area of the semiconductor surface with a depth of 0 to approximately 1000 angstroms.
  • the defects are also in the Range of implanted impurities is influenced significantly "whereby the distribution and concentration of the foreign atoms.
  • the composition of the process gas is controlled.
  • the defect concentration and / or distribution can be controlled in a particularly simple, precise and effective manner via the composition of the process gas, which can consist of a mixture of several gases.
  • the concentration of the process gas or the process gas components is preferably controlled within an inert gas which functions as a carrier gas.
  • the partial pressure of the process gas is preferably controlled.
  • the process gas is a nitrogen-containing gas, which generates preferred lattice defects (empty parts), which essentially influence the Doti ⁇ rofii of foreign atoms.
  • the process gas preferably has H3 or N 2 .
  • the gas containing nitrogen leads to an empty part injection via the equilibrium concentration.
  • the process gas has no oxygen, in particular no free oxygen, which would lead to an oxidation of the semiconductor material and which could adversely affect the generation of defects (vacancies).
  • O 2 leads to an intrinsic lattice atom injection via the equilibrium concentration at the process temperature.
  • the process gas has an oxygen-containing component which can lead to an increase in the defect concentration (self-intermediate lattice atoms).
  • the oxygen-containing component preferably has N 2 O.
  • the temporal temperature profile of the thermal treatment is controlled and preferably the thermal load on the semiconductor material is reduced to a minimum.
  • the diffusion behavior of the defects and implanted foreign atoms can be controlled via the control of the temporal temperature profile of the thermal treatment.
  • the depth of penetration of G i can ttertonssutz, voids and / or E ⁇ ge ⁇ foundedteratome as well as the impurities and thus the spatial distribution of the same are affected within the Haibleitermateriais.
  • the process gas atmosphere preferably contains argon, which functions as an inert carrier gas.
  • a Si x O y N, layer is produced on the surface of the semiconductor.
  • the thickness of the layer is preferably between 0 and 20 angstroms.
  • the thermal treatment preferably removes a natural Si 2 O layer from the semiconductor surface in order to be able to produce an oxide-free surface layer.
  • an Si 3 N 4 layer is then preferably produced on the semiconductor wafer with a thickness between 0 and approximately 40 angstroms.
  • the NH 3 is - concentration of between about 500 to 10000ppm.
  • the NH 3 concentration is preferably between 2500 and 5000 ppm.
  • the thermal load on the semiconductor wafer is preferably reduced to a minimum during the thermal treatment.
  • the defects can advantageously be controlled via the process gas atmosphere.
  • the defects is controlled a concentration and / or distribution of impurities within the Haibleitermateriais ü he b the concentration and / or distribution.
  • the foreign atoms are preferably selected from the following group - boron phosphorus, As , Sb and In, whereby combinations are also possible. '
  • the above method is preferably carried out on a doped semiconductor, as a result of which the concentration and / or distribution of the foreign atoms due to the defect concentration and / or distribution, ie. H. Empty spaces and / or self-interstitials is controlled.
  • the method is carried out on an undoped semiconductor.
  • the semiconductor material can be prepared for a subsequent, targeted doping of the semiconductor material, which has a direct influence on the subsequent treatment processes of the semiconductor.
  • FIG. 1 shows the thickness of an oxy-nitride layer as a function of the NH 3 concentration in an argon atmosphere for a Si wafer covered with natural oxide
  • Figure 2 schematically shows the percentage remaining in a doped Siliziumhaibleiter amount of Fremdatome ⁇ depending on the NH 3 - Konze ⁇ tration for a predetermined temperature-time process control in ei ⁇ em RTP system, as well as the dependence of the sheet resistance of the semiconductor, depending on the NH 3 concentration ;
  • Figure 3 shows the arsenic distribution in an arsenic implanted
  • Silicon semiconductor material for various NH 3 concentrations in an inert gas, depending on the depth of penetration of the same from the wafer surface, for a predetermined course of the
  • Figure 4 shows the sheet resistance of a semiconductor after a thermal
  • FIG. 5 shows the concentration of arsenic atoms in a silicon semiconductor wafer as a function of the depth of penetration from the substrate surface for different process gas compositions, with the same temperature-time guides.
  • Figure 1 shows the thickness of an oxy-nitride layer as a function of the NH 3 concentration in an argon atmosphere for a silicon semiconductor wafer covered with a natural oxide, which is a thermal treatment of z. B. 1000 ⁇ C for 10 seconds.
  • argon was used as an inert carrier gas for the NH 3 component.
  • the thermal treatment comprises heating the semiconductor wafer to, for example, 1100 ° C. for 10 seconds.
  • the oxy-nitride layer is built up during the thermal treatment. A nitride layer is formed at lower or higher temperatures, and the process time is not fixed.
  • the Si x O y N z layer after the thermal treatment is very small than the original at very low NH 3 concentrations (in the range from 0 to 1 ppm) or under vacuum conditions (for example 10 "torr) 1, is approximately 13 angstroms. This is due to the fact that at these NH 3 concentrations, depending on the temperature and possible gas impurities (for example 0 2 ), a " Etching "of the Si wafer takes place. This does not necessarily have to occur.
  • the Si x O y N z layer grows and reaches a maximum in pure NH 3 at about 20 angstroms. It should be noted that the maximum layer thickness essentially depends on the process control, ie on the temperature-time profile of the process.
  • N 2 can be used as the inert gas instead of argon, since, owing to the high binding energy of N 2 below 1000 ⁇ C, there is little or no nitridation.
  • N 2 can also be used as n i tridiere ⁇ de component in a process gas, for example together with argon or NH 3 can be used.
  • a semiconductor wafer was treated with a natural silicon oxide layer.
  • the natural silicon oxide can also be removed from the wafer before the treatment, for example by wet etching, VPC (vapor phase cieani ⁇ g) or other known methods, so that essentially an Si 3 N 4 layer is formed in the subsequent thermal treatment.
  • VPC vapor phase cieani ⁇ g
  • 10 Si 3 N 4 layer thicknesses are in a range from approximately 0 to 40 angstroms, the layer thickness depending both on the concentration and the composition of the nitrogen-containing process gas and on the temperature-time control of the thermal treatment.
  • L5 Figure 2 shows schematically the amount R 0 of foreign atoms remaining in a doped silicon semiconductor, and the sheet resistance R s as a function of the NH 3 concentration after thermal treatments with a given temperature-time process control.
  • FIG. 2 shows schematically the amount of foreign atoms R D (retained dose) remaining in the semiconductor (silicon) as a function of the NH 3 concentration (or generally the concentration of a process gas component containing nitrogen) for a certain temperature-time process control in one RTP system. It can be clearly seen that a large part of the foreign atoms in pure inert gas
  • FIG. 3 shows an example of the arsenic distribution of silicon semiconductors implanted with arsenic after a given thermal treatment with a constant thermal budget for different NH 3 concentrations in argon, depending on the penetration depth of the wafer surface. The same starting conditions were assumed in each case.
  • the distribution for Oppm NH 3 ie in the case of process control in pure argon or inert gas, has a considerable depletion of foreign atoms compared to the other distributions. This is due to the “out-diffusion” of the Arsen (foreign) atoms described above in connection with FIG. 2. Such a depletion of foreign atoms leads to a considerable increase in the sheet resistance, as shown in FIG. 4.
  • FIG. 4 There the sheet resistance of the semiconductor is shown as a function of the NH 3 concentration for different temperatures with a process time of 10 seconds each. As can be seen from this figure, the sheet resistance shows a saturation behavior towards small resistances at about 10000 ppm NH 3 , its absolute value being largely determined by the temperature-time process control becomes.
  • the thermal budget is advantageously minimized, ie the wafers are processed at the highest possible temperature in order to keep the process duration as short as possible.
  • Typical process temperatures are between 800 ⁇ C and 1200 ⁇ C 5 typical times between approx. 0.5 s and 360 s.
  • FIG. 3 shows that when the doped silicon semiconductor is treated in pure argon, the concentration and the penetration depth of the arsenic are the lowest, which results in a high R s value.
  • L0 results in both an increased arsenic concentration and an increased penetration depth of the arsenic atoms in the wafer wafer.
  • FIG. 3 shows that the choice of the concentration of at least one nitrogen-containing process gas component at a given value alone
  • '. 0 vary up to a factor of approximately 10, and in the same way the penetration depth of the foreign atoms can be varied by a factor of about 2.
  • FIG. 4 shows the sheet resistance of a silicon semiconductor wafer implanted with arsenic as a function of the NH 3 concentration in an argon carrier gas
  • the value of the film resistance is also largely determined by the temperature-time process control. It can be seen that is able to dress ⁇ ner at higher temperatures, the sheet resistance.
  • Typical Prozeßtemperature ⁇ be between 800 and 1200 C ⁇ ⁇ C ty ⁇ European steady state time between 0.5 s to 360 s. To damage the Should prevent Haibleitermateriais However, the thermal budget to be minimized, while the process time should preferably be less than 60 seconds, and the temperatures between 950 shouId ⁇ and C are 1150 ° C.
  • Figure 5 shows the concentration of Arsenatome ⁇ in a doped Si semiconductor wafer depending on the Ei ⁇ dringianae from the substrate surface for various Prozeßgaszusamme ⁇ emotione ⁇ , at constant tempera ture ⁇ -time processes.
  • the Figure 5 method underlying was next NH 3 in an argon atmosphere in addition an oxygen thai tend Kom ⁇ component, namely, N 2 O used.
  • Figure 5 shows that the addition of N 2 O increases the arsenic concentration. This also allows the sheet resistance to be further reduced.
  • Figure 5 shows that the Eindri ⁇ gtiefe the Arse ⁇ atome is reduced by the addition of a sufficient amount of N 2 O, which is conveniently ⁇ moderately particular with thin pn upper gears.
  • oxygen-containing gas By adding oxygen-containing gas, the arsenic concentration can be increased by up to about 20-fold, depending on the concentration of the nitrogen-containing gas, the penetration depth of the foreign atoms being increased only insignificantly, and can be reduced if necessary Kaste ⁇ profil be approached with a steeply falling edge.
  • predetermined dopant profiles By generating self-defects (vacancies, self-interstitial atoms) on the surface, predetermined dopant profiles (electrically inactive) can be converted into electrically active dopant profiles, at a mini aiization of the penetration depth and a maximum concentration (so-called caste profi).
  • Ali Zell can be said that un via oxygen / or nitrogen-containing gas, irrespective of whether the wafer is doped extrinisch is (Implantation, GPD, diffusion through Ausdiffusio ⁇ from one located on the semiconductor layer in the semi- ⁇ wire) or undoped, the Defect concentration (self-interstitial atoms / vacancies) can be set as desired, even under the influence of thermal treatment.
  • the Prozeßgasatmos ⁇ phere includes an inert carrier gas. Rather, the method could be carried out under negative pressure conditions, the process gas concentration being controllable via the pressure.
  • the invention is not limited to the use of NH 3 or N 2 0 as process gas component. Further examples of process gas combination are z. B. NO, H 2 0 (water vapor). When using H 2 0, the thermal budget can be reduced even further and there is less OED (oxidation enhanced diffusion). Also, the process for non-do ⁇ oriented semiconductors can be used to make this for a subsequent treatment, for example, be prepared as for doping.
  • Another application example for the method according to the invention is also the application to boron and / or phosphorus and / or antimony and / or indium (or general acceptors / donors) in order to influence the diffusion behavior (profile) with oxygen-containing and or nitrogen-containing gases and z.
  • B. Set box profi.

Abstract

Um auf einfache und kostengünstige Weise eine genaue Steuerung von Gitterdefekten in einem Halbleitermaterial zu ermöglichen, ist ein Verfahren zum Erzeugen von Defekten in einer Gitterstruktur eines Halbleitermaterials während dessen thermischer Behandlung vorgesehen, bei dem die Defekt-bzw. Fehlstellenkonzentration und/oder-verteilung in Abhängigkeit von einer Prozeßgasatmosphäre gesteuert wird.

Description

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Halbleitermaterials
Die folgende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Defekten in einer Gitterstruktur eines Halbleitermaterials während dessen thermischer Behandlung.
Bei der Behandlung von Haibieitermateriaiieπ ist es bekannt, die Halbleitermaterialien thermisch zu behandeln, um das Dotierprofi! von Fremdatomeπ innerhalb des Haibleitermateriais zu beeinflussen.
Dabei ist es beispielsweise aus W. Lerch et ai.; Mat. Res. Soc. Sy p. Proc. (1998), Band 525, Seiten 237-255 und D.F. Downey et al.; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (1998), Band 525, Seiten 263-271 bekannt, das Dotierprofi! von Bor innerhalb eines Haibleitermateriais mitteis eines Sauerstoff enthaltenden Prozeßgases bei konstanter thermischer Belastung zu beeinflussen. Das Sauerstoff enthaltende Prozeßgas bewirkt eine Oxidation des Si- Halbleitermateriais, was zu einer Obersättigung von Eigeπzwischeπgitteratomen (Si-Atome auf Zwischengitterplätzen) führt, deren Konzentration das Diffusionsverhalteπ des Bors und somit das Dotierprofi! beeinflußt.
Allgemein lassen sich durch das oben beschriebene Verfahren im wesentlichen nur solche Dotierprofile beeinflussen, deren Fremdatome im wesentlichen über den sogenannten Kick-Out-Mechanismus auf einen Gitterplatz gelangen. Bei diesem Mechanismus gelangt das zuvor im Zwischengitterbereich befindliche Fremdatom auf einem Gitterplatz, wobei ein Silizium- (oder allgemein Gitter-) Atom von seinem Gitterpiatz in das Zwischengitter verdrängt wird.
Es ist ferner bekannt, daß das Dotierprofil von Fremdatomen, weiche Gitterdefekte innerhalb eines Haibleitermateriais bilden, durch die Veränderung des Temperaturverlaufs bei einer thermischen Behandlung veränderbar ist, wobei häufig hohe thermische Belastungen innerhalb des Haibleitermateriais erzeugt werden, um gewünschte Profile zu erreichen. Dies birgt jedoch das Risiko der Beschädigung des Halbleiters durch die thermische Behandlung in sich. Darübe hinaus ist der Energieaufwand für die thermische Behandlung sehr hoch.
Ausgehend von diesem oben beschriebenen Stand der Technik lieqt vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren vorzugeben welches auf einfache und kostengünstige Weise eine genaue Steuerung von Gitterdefekteπ in einem Halbleitermateriai ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen von Defekten in einer Gitterstruktur eines Haibleitermateriais während dessen thermischer Behandlung, bei dem die Defektkoπzentration und/oder -Verteilung in Abhängigkeit von einer Prozeßgasatmosphäre gesteuert wird. Das obige Verfahren ermöglicht eine Steuerung der Defektkoπzeπtration und/oder -Verteilung in einer Gitterstruktur eines Haibleitermateriais während dessen thermischer Behandlung, bei im wesentlichen konstantem thermischen Budget (Integral der Temperatur-Zeit- Kurve). Somit kann bei möglichst minimaler thermischer Belastung die Defektkonzentratioπ und/oder -Verteilung in Abhängigkeit von der Prozeßgasatmosphäre gesteuert werden. Die Defektkonzentration und/oder - Verteilung beeinflußt wiederum die Konzentration sowie das Diffusionsverhalten von Fremdatomen innerhalb des Haibleitermateriais.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die erzeugten Defekte Gitterfehistellen (Leerstellen). Durch die Erzeugung von Gitterfehlstelleπ können Fremdatome unabhängig von dem oben genannten Kick-Out-Mechanismus auf Gitteφlätze gelangen. Dies ist insbesondere bei größeren Fremdatomen wie Arsen oder Antimon vorteilhaft, welche im wesentlichen nur durch Auffüllen von Gitterfehisteiien (Leerstellen) auf Gitteφlätze des Halbleiters gelangen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Defekte Halbleiteratome auf Zwischengitterplätzen, welche wiederum einen anderen Mechanismus fördern, mittels dem die Fremdatome auf Gitterplätze gelangen.
Vorteilhafterweise werden die Defekte im Bereich der Haibleiteroberfläche mit einer Tiefe von 0 bis ca. 1000 Angström erzeugt. Die Defekte liegen somit auch im Bereich implantierter Fremdatome wodurch die Verteilung und Konzentration der Fremdatome erheblich "beeinflußt wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführuπgsform der Erfindung wird die Zusammensetzung des Prozeßgases gesteuert. Über die Zusammensetzung des Prozeßgases, welches aus einem Gemisch mehrerer Gase bestehen kann läßt sich auf besonders einfache, genaue und effektive Weise die Defektkonzeπtration und/oder -Verteilung steuern. Vorzugsweise wird die Konzentration des Prozeßgases oder der Prozeßgaskomponeπte innerhalb eines inerten Gases, welches als Trägergas fungiert, gesteuert.
Vorzugsweise wird der Partiaidruck des Prozeßgases gesteuert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Prozeßgas ein Stickstoff enthaltendes Gas, welches bevorzugte Gitterfehistellen (Leersteilen) erzeugt, die wesentlich das Dotiβφrofii von Fremdatomen beeinflußt. Dabei weist das Prozeßgas vorzugsweise H3 oder N2 auf. Das Stickstoff enthaltende Gas führt zu einer Leersteileπinjektion über die Gleichgewichtskon- zeπtration.
Vorteiihafterweise weist das Prozeßgas keinen Sauerstoff auf, insbesondere keinen freien Sauerstoff, der zu einer Oxidierung des Haibleitermateriais führen würde, und die Erzeugung von Fehlstellen (Leerstellen) nachteilig beeinträchtigen könnte. O2 führt zu einer Eigenzwischeπgitteratominjektion über die Gleichgewichtskonzentration bei der Prozeßtemperatur.
Bei einer alternativen Ausführungsform hingegen, weist das Prozeßgas eine Sauerstoff enthaltende Komponente auf, die zu einer Erhöhung der Defektkonzentration (Eigeπzwischeπgitteratome) führen kann. Dabei weist die Sauerstoff enthaltende Komponente vorzugsweise N2O auf.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der zeitliche Temperaturveriauf der thermischen Behandlung gesteuert und vorzugsweise die thermische Belastung des Haibleitermateriais auf ein Minimum reduziert. Ferner kann über die Steuerung des zeitlichen Temperaturveriaufs der thermischen Behandlung das Diffusionsverhalten der Defekte sowie implantierter Fremdatome gesteuert werden. Hierüber kann insbesondere die Eindringtiefe der Gitterfehlsteilen, Leerstellen und/oder Eϊgeπzwischengitteratome sowie der Fremdatome und somit die räumliche Verteilung derselben innerhalb des Haibleitermateriais beeinflußt werden.
Vorzugsweise enthält die Prozeßgasatmosphäre Argon, welches als inertes Trägergas fungiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine SixOyN,-Schicht auf der Oberfläche des Halbleiters erzeugt. Vorzugsweise liegt die Dicke der Schicht zwischen 0 und 20 Angström.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird von der thermischen Behandlung vorzugsweise eine natürliche Si20-Schicht von der Halbleiteroberfläche entfernt, um eine oxidfreie Oberflächenschicht erzeugen zu können. Während der thermischen Behandlung wird dann vorzugsweise ein Si3N4- Schicht auf dem Halbleiterwafer mit einer Dicke zwischen 0 und ungefähr 40 Angström erzeugt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die NH3- Konzentration zwischen ungefähr 500 bis 10000ppm. Vorzugsweise liegt die NH3- Konzentration zwischen 2500 bis 5000 ppm.
Um Beschädigungen des Wafers zu vermeiden, wird die thermische Belastung des Halbieiterwafers während der thermischen Behandlung vorzugsweise auf ein Minimum reduziert. Vorteilhaft lassen sich bei dieser geringen thermischen Belastung die Defekte über die Prozeßgasatmosphäre steuern.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführuπgsform der Erfindung wird über die Konzentration und/oder Verteilung der Defekte eine Konzentration und/oder Verteilung von Fremdatomen innerhalb des Haibleitermateriais gesteuert. Vorzugsweise sind die Fremdatome aus der folgenden Gruppe ausgewählt- Bor Phosphor, As, Sb und In, wobei auch Kombination möglich sind. '
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das obige Verfahren vorzugsweise an einem dotiertem Halbleiter durchgeführt, wodurch bei der thermischen Behandlung gleichzeitig die Konzentration und/oder -Verteilung der Fremdatome durch die Defektkonzentration und/oder -Verteilung, d. h. Leerstellen und/oder Eigenzwischengitteratome gesteuert wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren an einem undotierten Halbleiter durchgeführt. Hierdurch läßt sich das Halbleitermaterial für eine anschließend, gezielte Dotierung des Haibleitermateriais vorbereiten, was einen unmittelbaren Einfluß auf die nachfolgende Behaπdlungsprozesse des Halbleiters hat.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Figur 1 die Dicke einer Oxy-Nitrid-Schicht als Funktion der NH3-Konzentration in einer Argon-Atmosphäre für einen mit natürlichem Oxyd bedeckten Si-Wafer;
Figur 2 schematisch die prozentual in einem dotierten Siliziumhaibleiter verbleibende Menge an Fremdatomeπ in Abhängigkeit von der NH3- Konzeπtration für eine vorgegebene Temperatur-Zeit-Prozeßführung in eiπem RTP-System, sowie die Abhängigkeit des Schichtwiderstandes des Halbleiters in Abhängigkeit von der NH3-Konzentration; Figur 3 die Arsenverteilung in einem mit Arsen implantierten
Siliziumhaibieitermateriai für verschiedene NH3-Konzeπtrationen in einem inerten Gas, in Abhängigkeit von der Eindringtiefe derselben voπ der Waferoberfiäche, für einen vorgegebenen Verlauf der
Temperatur-Zeit-Führung der thermischen Behandlung; Figur 4 den Schichtwiderstand eines Halbleiters nach einer thermischen
Behandlung mir vorgegebenen Temperatur-Zeit-Führungen, in Abhängigkeit von einer NH3-Konzeπtratioπ in Argon; Figur 5 die Konzentration von Arseπatomeπ in einem Siliziumhalbleiterwafer in Abhängigkeit von der Eindringtiefe von der Substratoberfläche für verschiedene Prozeßgaszusammeπsetzungen, bei gleichen Temperatur-Zeit-Führungen.
Figur 1 zeigt die Dicke einer Oxy-Nitrid-Schicht als Funktion der NH3-Konzentration in einer Argonatmosphäre für eine mit einem natürlichen Oxid bedeckten Siliziumhalbleiterwafer, der einer thermischen Behandlung von z. B. 1000βC für 10 Sekunden unterzogen wird. Bei der ,der Figur 1 zugrundeliegenden thermischen Behandlung wurde Argon als inertes Trägergas für die NH3-KOmpoπente eingesetzt. Die thermische Behandlung umfaßt das Aufheizen des Haibleiterwafers auf z.B. 1100° C für 10 Sekunden. Die Oxy-Nitrid-Schicht wird dabei während der thermischen Behandlung aufgebaut. Eine Nitridschicht wird bei kleineren oder auch größeren Temperaturen gebildet, und auch die Prozeßzeit ist nicht festgelegt.
Wie Figur 1 zu entnehmen ist, ist die SixOyNz-Schicht nach der thermischen Behandlung bei sehr kleinen NH3-Koπzentrationen (im Bereich von 0 bis 1ppm) oder unter Vakuumverhältnissen (z.B. 10 "• torr) kleiner als die ursprüngliche, natürliche Oxidschicht-Dicke, die wie aus Figur 1 ersichtlich ist, etwa 13 Angström beträgt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei diesen NH3-Koπzentrationeπ, abhängig von der Temperatur und möglichen Gasverunreinigungen (z. B. 02), ein "Ätzen" des Si-Wafers stattfindet. Dies muß aber nicht notwendigerweise auftreten.
Bei zunehmender NH3-Koπzentration (aber gleichbleibender thermischer Behandlung) wächst die SixOyNz-Schicht an und erreicht im reinem NH3 bei mit ca. 20 Angström ein Maximum. Dabei ist zu beachten, daß die maximale Schichtdicke wesentlich von der Prozeßführung, d.h. von dem Temperatur-Zeit-Veriauf des Prozesses abhängt.
Für thermische Behandlungen mit Temperaturen unter ca. 1000° C läßt sich anstelle von Argon N2 als Inertgas verwendet, da aufgrund der hohen Binduπgsenergie von N2 unterhalb von 1000βC keine oder nur eine geringe Nitridierung auftritt. Bei Temperaturen oberhalb von 1000βC kann auch N2 als nitridiereπde Komponente in einem Prozeßgas, zum Beispiel zusammen mit Argon oder auch NH3 verwendet werden.
Bei dem der Figur 1 zugrundeliegenden Verfahren wurde ein Haibleiterwafer mit einer natürlichen Siliziumoxidschicht behandelt. Alternativ kann vor der Behandlung jedoch auch das natürliche Siliziumoxid von dem Wafer entfernt werden, z.B. durch Naßätzen, VPC (vapour phase cieaniπg) oder andere bekannte Verfahren, so daß bei der anschließenden thermischen Behandlung im wesentlichen eine Si3N4-Schicht gebildet wird. Die hierbei erreichbaren
10 Si3N4Schichtdicken liegen in einem Bereich von ca. 0 bis 40 Angström, wobei die Schichtdicke sowohl von der Konzentration und der Zusammensetzung des stickstoffhaltigen Prozeßgases als auch von der Temperatur-Zeit-Führung der thermischen Behandlung abhängt.
L5 Figur 2 zeigt schematisch die in einem dotierten Siliziumhalbleiter verbleibende Menge R0 an Fremdatomen, sowie den Schichtwiderstand Rs in Abhängigkeit von der NH3-Koπztration nach einer thermischen Behandlungen mit vorgegebener Temperatur-Zeit-Prozeßführuπg.
.0 Figur 2 zeigt schematisch die im Halbleiter (Silizium) verbleibende Menge an Fremdatomen RD(retained dose) in Abhängigkeit von der NH3-Konzentration (oder allgemein der Konzentration einer Stickstoff enthaltenen Prozessgaskompoπente) für eine bestimmte Temperatur-Zeit-Prozessführung in einem RTP-System. Es zeigt sich deutlich, daß in reinem Inertgas ein großer Teil der Fremdatome den
15 Halbleiter durch Diffusion verlassen. Dadurch stellt sich eine Verarmung an Fremdatomen im Halbleiter ein. Diese Verarmung führt nachteilig zu einer Erhöhung des Schichtwiderstandes Rs und unter Umständen zu einer Uπbrauchbarkeit des gesamten Halbleiters (Wafers). Durch Zugabe von einem oder mehreren stickstoffhaltigen Prozessgaskomponenten erfolgt an der Halbleiter-
J0 Oberfläche eine Nitridierung, die als Diffusionsbariere für die Fremdatome wirkt. Mit zunehmender Konzentration der stickstoffhaltigen Prozessgaskomponente (oder Komponenten) wird die "Ausdiffusion" der Fremdatome unterdrückt. Bei einer höheren NH3-Konzentration steigt die Menge an verbleibenden Fremdatomen innerhalb des Halbleiterwafers an und erreicht bei einer Konzentration von ungefähr 2500 ppm nahezu ein Maximum. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die stickstoffhaltige Prozeßgaskomponente an der Halbleiter- Oberfläche ein Nitritdierung bewirkt, die als Diffusionsbarriere für die Fremdatome wirkt.
Beispielsweise läßt sich bei einer Konzentration von ca. 2500 bis 10000 ppm NH in einem inerten Gas, wie zum Beispiel Argon, bei einem Temperatur-Zeit-Prozeß von 900 β C bis 1150 βC mit einer Dauer von z. B. 10 Sekunden, das "Ausdiffundiereπ" von Fremdatomeπ in einem dotierten Haibleiterwafer (wie von Arsen oder Antimon) in Silizium fast vollständig unterdrücken. Dies wird durch eine SiχOyNz- oder Si3N4-Schicht mit einer Dicke von 10 bis 16 Angström erreicht (siehe Figur 1 ). Dies ist insbesondere bei sehr dünnen pn-Obergängen von großem Vorteil, da hier ein "Ausdiffundiereπ" von Fremdatomen zu Undefinierten pn- Obergängen mit Undefiniert hohen Schichtwiderständen führen würde.
Figur 3 zeigt beispielhaft die Arsenverteiiung von mit Arsen implantierten SHiziumhalbleitern nach einer vorgegebenen thermischen Behandlung mit gleichbleibendem thermischen Budget für verschiedene NH3-Konzentrationen in Argon, in Abhängigkeit von der Eindriπgtiefe von der Waferoberfiäche. Dabei wurde jeweils von gleichen Ausgangsbediπguπgeπ ausgegangen.
Die Verteilung für Oppm NH3, d. h. im Falle der Prozeßführung in reinem Argon oder Inertgas, weist im Vergleich zu den anderen Verteilungen eine erhebliche Verarmung an Fremdatomeπ auf. Dies ist durch die oben in Verbindung mit Figur 2 beschriebenen "Ausdiffusion" der Arseπ-(Fremd-)atome bedingt. Eine derartige Verarmung an Fremdatomen führt zu einer erheblichen Erhöhung des Schichtwiderstandes, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Dort ist der Schichtwiderstand des Halbleiters ais Funktion der NH3-Koπzentration für verschiedene Temperaturen bei einer Prozeßzeit von jeweils 10 Sekunden dargestellt. Wie aus dieser Abbildung ersichtlich ist zeigt der Schichtwiderstand ein Sättigungsverhalteπ hin zu kleinen Widerständen bei etwa 10000 ppm NH3, wobei sein absoluter Wert wesentlich von der Temperatur-Zeit-Pozeßführung mitbestimmt wird. Je höher die Temperatur gewählt wird, je kleiner wird der Schichtwiderstand Dabei wird vorteilhaft das thermische Budget minimiert, d. h., die Wafer werden mit möglichst hoher Temperatur prozessiert, um die Prozessdauer möglichst kurz zu halten. Typische Prozesstemperatureπ liegen zwischen 800βC und 1200βC 5 typische Zeiten zwischen ca. 0.5 s und 360 s.
Figur 3 zeigt, daß bei einer Behandlung des dotierten Siiiziumhaibleiters in reinem Argon, die Konzentration, sowie die Eindringtiefe des Arsens am geringsten ist, wodurch sich ein hoher Rs-Wert ergibt. Bei steigender NH3-Konzentration ergibt L0 sich sowohl eine erhöhte Arsen-Konzentration sowie, eine erhöhte Eiπdringtiefe der Arseπatome im Haibieiterwafer.
Figur 3 zeigt, daß aliein durch die Wahl der Konzentration wenigstens einer stickstoffenthaiteπden Prozeßgaskompoπente bei einem vorgegebenen
.5 Temperatur-Zeit-Prozeß die Verteilung der Fremdatome und die Eindringtiefe der Fremdatome eingestellt werden kann. Dabei ergibt sich die Möglichkeit, bei minimaler noch toierierbarer thermischer Belastung des Halbleiters, die Fremdatomverteiiung In weiten Bereichen allein über die Prozeßgaszusammensetzung einzustellen. Dabei läßt sich der Schichtwiderstand
'.0 bis zu einem Faktor von ungefähr 10 variieren, und in gleicher Weise kann die Eiπdringtiefe der Fremdatome etwa um einen Faktor 2 variiert werden.
Figur 4 zeigt den Schichtwiderstand eines mit Arsen implantierten Siliziumhalb- leiterwafers in Abhängigkeit von der NH3-Konzentration in einem ArgonTrägergas,
:5 für verschiedene Temperaturen der thermischen Behandlung bei einer jeweiligen Prozeßzeit von 10 Sekunden. Es ist zu erkennen, daß der Schichtwiderstand bei höheren NH3-Koπzentrationen verringert wird. Dabei tritt bei einer Konzentration ab ca. 2500-5000 ppm NH3 eine Sättigung bzw. ein unterer Grenzwert des Schicht¬ widerstandes zu kleinen Schichtwiderstäπden auf, der sich auch mit weiter steigeπ-
0 den NH3-Konzentrationen nicht weiter verringert. Der Wert des Schichtwiderstaπ- des wird ebenfalls wesentlich von der Temperatur-Zeit-Prozeßführung mitbestimmt. Dabei ist zu erkennen, daß bei höheren Temperaturen der Schichtwiderstand klei¬ ner wird. Typische Prozeßtemperatureπ liegen zwischen 800βC und 1200βC ty¬ pische Steady State Zeiten zwischen 0.5 s bis 360 s. Um Beschädigungen des Haibleitermateriais zu verhindern sollte jedoch das thermische Budget minimiert werden, dabei sollten die Prozeßzeiten vorzugsweise unter 60 Sekunden liegen und die Temperaturen soiiten zwischen 950βC und 1150°C liegen. Bei sehr dünnen pn-Übergängen werden dabei sogenannte Flash-Prozesse verwendet, die durch sehr hohe Temperaturanstiegsraten, zwischen 100βC pro Sekunde und 500βC nro Sekunde sowie ein rasches Abkühlen, zwischen ca. 25*C pro Sekunde bis 150βc pro Sekunde, definiert sind. Bei diesen Prozessen wird die Maximaitemperatur häufig für weniger als 5 Sekunden beibehalten. Oft wird sogar direkt von der Auf¬ heizphase in eine Abkühlphase übergegangen, wodurch sehr kleine thermische Budgets erreichbar sind. Allerdings müssen in sehr kurzer Zeit sehr hohe Tempera¬ turen erreicht werden. Dies ist augenblicklich nur mit modernsten Anlagen wie z. B. der AST 3000 von der RTP Systems GmbH erzielbar, da nur dort die Leistung für derart hohe Rampraten kontrolliert zur Verfügung steht, so daß noch ein homo¬ genes Heizen des Halbleitersubstrates möglich ist.
Figur 5 zeigt wiederum die Konzentration von Arsenatomeπ in einem dotierten Si- Halbleiterwafer in Abhängigkeit von der Eiπdringtiefe von der Substratoberfläche für verschiedene Prozeßgaszusammeπsetzungeπ, bei gleichbleibenden Tempera¬ tur-Zeit-Prozessen. Bei dem der Figur 5 zugrunde liegenden Verfahren, wurde neben NH3 in einer Argonatmosphäre zusätzlich eine sauerstoffenthaitende Kom¬ ponente, nämlich N2O verwendet.
Figur 5 zeigt daß die Zugabe von N2O die Arsenkonzentration steigert. Hierdurch läßt sich auch der Schichtwiderstand weiter verringern. Darüber hinaus zeigt Figur 5, daß durch die Zugabe von einer ausreichenden Menge N2O die Eindriπgtiefe der Arseπatome reduziert wird, was insbesondere bei dünnen pn-Obergängen zweck¬ mäßig ist. Durch Zugabe von sauerstoffhaltigem Gas läßt sich die Arseπkonzeπ- tration abhängig von der Konzentration des stickstoffenthaitenden Gases um bis zu etwa dem 20fachen steigern, wobei die Eindringtiefe der Fremdatome nur unwe- sentlich vergrößert wird, und sich gegebenenfalls reduzieren läßt Hierdurch kann die Arsenverteiiung an ein gewünschtes Kasteπprofil mit steil abfallender Flanke angenähert werden. Durch die Erzeugung von Eigendefekten (Leerstellen, Eigen- zwischengitteratome) an der Oberfläche können vorgegebene Dotierstoffprofiie (elektrisch inaktiv) in elektrisch aktive Dotierstoffprofiie umgewandelt werden, bei einer Mini aiisieruπg der Eindriπgtiefe und einer maximalen Konzentration (sog. Kasteπprofiie).
Aligemein kann man sagen, daß über Sauerstoff- un/oder stickstoffhaltige gase, unabhängig davon, ob der Wafer extrinisch dotiert ist (Implatation, GPD, Diffusion durch Ausdiffusioπ aus einer auf dem Halbleiter befindlichen Schicht in den Halb¬ leiter) oder undotiert ist, die Defektkonzentration (Eigenzwischengitteratome/Leer- stellen) beliebig eingestellt werden kann, und zwar auch unter dem Einfluß der thermischen Behandlung.
Die Erfindung wurde zuvor anhand bestimmter Ausführungsbeispieie beschrieben ohne jedoch auf diese spezieilen Beispiele beschränkt zu sein. Insbesondere ist es für die Durchführung des Verfahrens nicht notwendig, daß die Prozeßgasatmos¬ phäre ein inertes Trägergas beinhaltet. Vielmehr könnte das Verfahren unter Uπter- druckbedinguπgen durchgeführt werden, wobei die Prozeßgaskoπzentration über den Druck regelbar ist. Fe er ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von NH3 oder N20 als Prozeßgaskompoπeπteπ beschränkt. Weitere Beispiele für Prozeß- gaskombiπationeπ sind z. B. NO, H20 (Wasserdampf). Bei der Verwendung von H20 kann das thermische Budget noch weiter reduziert werden und es kommt zu weniger OED (oxidation enhanced diffusion). Auch ist das Verfahren bei nicht do¬ tierten Halbleitern einsetzbar, um diese für eine nachfolgende Behandlung wie zum Beispiel eine Dotierung vorzubereiten.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren ist auch die Anwendung auf Bor und/oder Phosphor und/oder Antimon und/oder Indium (oder allgemeine Akzeptoren/Donatoren) um mit sauerstoffhaitigen und oder stickstoffhaltigen Gasen das Diffusioπsverhalten (Profil) zu beeinflussen und z. B. Kasten- profiie einzustellen.

Claims

Patentaπsorüche
1. Verfahren zum Erzeugen von Defekten in einer Gitterstruktur eines Haibleitermateriais während dessen thermischer Behandlung, bei dem die Defekt¬ bzw. Fehlstelleπkonzentration und/oder -Verteilung in Abhängigkeit von einer Prozeßgasatmosphäre gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Defekte Gitterfehistellen (Leerstellen) sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Defekte Halbleiter- Substratatome auf Zwischengitteφlätzen (Eigeπzwischengitteratome) sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Prozeßgases gesteuert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Prozeßgases oder der Prozeßgaskomponenten gesteuert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Partiaidruck des Prozeßgases gesteuert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas ein Stickstoff enthaltendes Gas aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas NH3 aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas N2 aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas keinen Sauerstoff enthält.
5 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß das Prozeßgas eine Sauerstoff enthaltende Komponente aufweist.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff enthaltende Komponente N2O, No und/oder H2O aufweist. 0
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Temperaturverlauf der thermischen Behandlung gesteuert wird.
.5 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßgasatmosphäre Argon enthält.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine SixOyNz-Schicht auf der Oberfläche des Halbleiters
'.0 erzeugt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht 0 bis 20 Angström beträgt.
:5 17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der thermischen Behandlung eine natürliche SiO∑-Schicht von der Halbleiteroberfläche entfernt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Si3N4- .0 Schicht auf dem Halbieiterwafer mit einer Dicke zwischen 0 und 40 Angström erzeugt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die NH3- Koπzentration 0 bis 10000 ppm beträgt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die NH - Konzentration 2500 bis 5000 ppm beträgt.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Belastung des Haibieiterwafers auf ein Minimum reduziert wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die Verteilung der Defekte eine Verteilung von
Fremdatomen innerhalb des Haibleitermateriais gesteuert wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdatome wenigstens ein Element der folgenden Gruppe Bor, Phosphor, As, Sb und In aufweisen.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß das Verfahren an einem fremd dotierten Halbleiter durchgeführt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren an einem zu dotierenden Halbleiter durchgeführt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter dotiert wird.
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d.g.d. der Halbleiter mittels Gasphasendotierung, Impianatioπ und/oder Diffusion durch Ausdiffusion aus einer den Halbleiter koπtaktierenden Schicht in den Halbieiter dotiert wird.
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