WO2006034672A2 - Verfahren zur behandlung von halbleitersubstraten, die mittels intensiven lichtimpulsen ausgeheilt werden - Google Patents

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Abstract

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Vertikalaufbau der mit Hilfe der Lichtimpulsbestrahlung auszuheilenden heteroepitaktischen Siliziumkarbid auf Silizium- Strukturen so zu modifizieren, dass eine ebene Schmelzfront erreicht wird. Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet, dass unter die Oberfläche des Halbleitersubstrates vor der Lichtimpulsbestrahlung ein den Schmelzpunkt des Substrates erhöhendes Element durch Ionenimplantation eingebracht wird.

Description

Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten, die mittels intensiven Lichtimpulsen ausgeheilt werden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten, die mittels intensiven Lichtimpulsen ausgeheilt werden, insbesondere zum kurzzeitigen, gleichmäßigen Anschmelzen einer dünnen Halbleiteroberflächenschicht durch Bestrahlung mit intensiven Lichtimpulsen mit dem Ziel der Kristallverbesserung. Die Erfindung soll insbesondere zur Herstellung elektronischer Bauelemente eingesetzt werden.
Die Bestrahlung heteroepitaktischer Halbleiterschichtsysteme, beispielsweise epitaktisch abgeschiedener dünner Siliziumkarbidschichten auf einkristallinen Siliziumsubstraten mit intensiven Lichtimpulsen, wie sie unter anderem durch Laser oder Blitzlampen erzeugt werden, dient insbesondere der Verbesserung der Eigenschaften der Epitaxieschichten (W. Skorupa, D.
Panknin, M. Voelskow, W. Anwand, T. Gebel, R. A. Yankov, S. Paul, W. Lerch, MRS Spring
Meeting, San Francisco, 12. - 16. April 2004)
Der Ausheilprozess basiert auf dem kurzzeitigen Überschreiten der Schmelztemperatur in der unmittelbar an die SiC-Epitaxieschicht angrenzenden Oberfläche des Silizium Substrates. Die
Vorteile der SiC- Ausheilung unter Anschmelzen der Silizium Substratoberfläche gegenüber der üblichen, reinen Festphasenausheilung, bestehen dabei darin, dass sich die aufgrund des vorangegangenen Festphasenepitaxieprozesses mechanisch stark verspannte SiC-Grenzflächenschicht zum Silizium, durch das Anschmelzen der Silizium Schicht vollständig entspannen kann, dass die Haltezeit auf einer für die Ausheilung von Kristallschäden in der abgeschiedenen SiC-
Schicht günstigen, aber für die übliche, konventionelle Festphasenausheilung nicht realisierbaren, hohen Temperatur von ca. 1400 0C, über die eigentliche Impulszeit hinaus verlängert wird, da die in der geschmolzenen Si-Schicht in Form von latenter Wärme gespeicherten Energie, nachdem der
Lichtimpuls bereits vorüber ist, bei der Kristallisation wieder abgegeben wird und der Abkühlung entgegenwirkt, dass eine lateralen Temperaturhomogenisierung stattfindet, da bereits angeschmolzenes Material einen höheren Reflexionskoeffizienten besitzt und der Energieeintrag an dieser Stelle gegenüber noch nicht geschmolzenem Material reduziert ist, und dass das flüssige Silizium epitaktisch an der Grenzfläche zum festen Silizium kristallisiert, wobei der Einkristall wiederhergestellt wird.
In der Praxis erweist sich jedoch, dass der oben beschriebene Prozess zwar prinzipiell beherrschbar ist, was das oberflächliche Anschmelzen des Siliziums betrifft, jedoch zeigt sich, dass, aufgrund der für das rapide Anschmelzen von kristallinen Oberflächen mit Lichtimpulsen typischen nicht ebenen Schmelzfront, die anschließend folgende Kristallisation zur Ausbildung eines Oberflächenreliefes auf dem erstarrten Silizium führt, wodurch seinerseits die oberflächliche, auszuheilende SiC- Schicht geschädigt wird. Dieses, für die Bestrahlung von einkristallinen Oberflächen mit kurzen Energieimpulsen typische Phänomen der sogenannten Schmelzkeimbildung wurde bereits von Heinig beschrieben (K.- H. Heinig, H.-U. Jäger, R. Klabes, E. Wieser, Proc. Conf. EPM, Dresden, 1984).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Vertikalaufbau der mittels der Lichtimpulsbestrahlung auszuheilenden heteroepitaktischen Siliziumkarbid auf Silizium- Strukturen so zu modifizieren, dass eine ebene Schmelzfront erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen dargelegten Merkmalen gelöst.
Dabei ist wesentlich, dass die Ausbildung der tiefreichenden Schmelzkeime in der Siliziumoberfläche in der Folge der Blitzlampenbestrahlung verhindert wird. Das geschieht dadurch, dass vor der Blitzlampenbestrahlung in eine gewisse Tiefe unter die Siliziumoberfläche, beispielsweise durch Ionenimplantation, eine, den Schmelzpunkt des Siliziums um mindestens zehn Grad erhöhende, jedoch kristalline Schicht eingebracht wird, die in ihrer Struktur dem Silizium ähnelt und eine Barriere für die Ausbreitung der oberflächlich einsetzenden Siliziumschmelze in die Tiefe darstellt. Eine derartige kristalline Schmelzbarriere kann beispielsweise durch Ionenimplantation von Kohlenstoff bei einer Temperatur von 500 0C und einer Dosis im Bereich von 1017 cm "2 erzeugt werden.
Bildet sich während der Bestrahlung ein Schmelzkeim, so wächst er, bis die Spitze auf die vergrabene, schmelzpunkterhöhte Schicht trifft. Da aufgrund des erhöhten Schmelzpunktes ein weiteres Wachstum des Keimes in die Tiefe verhindert wird, kann der Keim nur noch in die Breite wachsen, wo er anschließend auf den nächsten trifft und so weiter, was schließlich zur Ausbildung einer dünnen, ebenen und geschlossenen flüssigen Siliziumschicht führt, auf der sich die feste SiC- Schicht befindet. Nachdem der Lichtimpuls vorüber ist und die Abkühlung beginnt, setzt, sobald die Temperatur der flüssigen Si-Schicht die Kristallisationstemperatur erreicht hat, das epitaktische Wachstum des Siliziums an der Grenzfläche zwischen dem flüssigen Silizium und dem festen, mit Kohlenstoff implantierten, Silizium ein und setzt sich in Richtung der Grenzfläche zum SiC fort. Während im Fall der unimplantierten Strukturen das Wachstum aufgrund der Schmelzkeimbildung stets eine laterale Komponente besitzt und dadurch wegen der unterschiedlichen Dichten von flüssigem und festem Silizium ein lateraler Massetransport erfolgt, bewegt sich hierbei die Erstarrungsfront erfindungsgemäß in der gleichmäßig ausgebildeten, sehr dünnen und ebenen geschmolzenen Siliziumschicht ausschließlich in vertikaler Richtung, ohne dass dabei ein lateraler Massetransport erfolgt. Im Ergebnis der Blitzlampenbestrahlung des heteroepitaktischen SiC/Si- Systemes mit einer vergrabenen, kristallinen, schmelzpunkterhöhenden Schicht im Siliziumsubstrat wird damit erfindungsgemäß eine ebene und ausgeheilte SiC- auf Si-Heterostruktur erzeugt, welche als Basis für eine nachfolgende epitaktische Verstärkung der SiC-Schicht geeignet ist. Außerdem ist es möglich, dass vor der Bestrahlung in die Oberflächenschicht ein chemisch gut lösliches Element wie Bor implantiert wird, das sich während der Schmelze homogen über die Schichtdicke verteilt und bei der anschließenden Erstarrung diese homogene Verteilung beibehält. Andererseits ist es auch sinnvoll, dass vor der Bestrahlung in die Oberflächenschicht zur Segregation (an einer flüssig / festen Erstarrungsfront) neigende Dotierungsatome, wie beispielsweise Antimon in Silizium, z. B. durch Ionenimplantation, eingebracht werden, und welche während der ganzflächigen, homogenen Schmelze und anschließenden Erstarrung in die unmittelbare Oberflächenschicht segregieren, wodurch eine sehr dünne und sehr hoch dotierte, oberflächennahe Halbleiterschicht erzeugt wird.
Der hauptsächliche Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens unter Zuhilfenahme einer, den Schmelzpunkt des Substrates erhöhenden Implantation, gegenüber der Bestrahlung von reinen heteroepitaktischen Schichtsystemen besteht in der gezielten Begrenzung der Schmelztiefe des Substrates als Voraussetzung für die Erhaltung einer ebenen Oberfläche des Systemes nach der Erstarrung der Substratoberfläche.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Im ersten Schritt erfolgt eine konventionelle, epitaktische Abscheidung einer ca. 20 nm dicken
Siliziumkarbidschicht auf einem Silizium-Wafer. Die SiC-Schicht und die Siliziumoberflächenschicht zeigen dabei zunächst die typischen, von der Abscheidung aufgrund der 20 %igen Gitterfehlanpassung herrührenden Strukturdefekte.
Im zweiten Schritt wird durch Ionenimplantation ein den Schmelzpunkt von Silizium erhöhendes Element, beispielsweise Kohlenstoff (Ionendosis z.B. 1 * 10 17 cm"2, Ionenenergie z.B. 200 keV, Implantationstemperatur z.B. 500 grd) eingebracht, wobei Energie, Implantationstemperatur und Ionendosis so gewählt werden, dass im Silizium eine vergrabene, kristalline, gegenüber reinem Silizium um ca. 300 grd schmelzpunkterhöhte vergrabene Schicht gebildet wird. Im dritten Schritt wird das Schichtsystem einer Blitzlampenbestrahlung von 20 ms Dauer und einer Energiedichte oberhalb 120 Jon"2 unterzogen, wodurch die oberflächennahe Siliziumschicht aufgeschmolzen wird, ohne dass die SiC-Schicht und die vergrabene, mit Kohlenstoff implantierte Schicht mit aufschmelzen. Nach Impulsende und Abkühlung der Probe erstarrt die flüssige Silizium-Schicht epitaktisch auf der vergrabenen, kohlenstoffreichen einkristallinen Siliziumschicht, während sich die SiC-Oberflächenschicht während der Schmelze der Si-Schicht mechanisch entspannt hat und aufgrund der hohen Temperatur ausgeheilt worden ist. Im Ergebnis erhält man nach der Temperung eine nahezu defektfreie, heteroepitaktische Siliziumkarbid auf Silizium-Struktur.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten, die mittels intensiven Lichtimpulsen ausgeheilt werdenPatentansprüche
1. Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten, die mittels intensiven Lichtimpulsen ausgeheilt werden, gekennzeichnet dadurch, dass unter die Oberfläche des Halbleitersubstrates vor der Lichtimpulsbestrahlung ein den Schmelzpunkt des Substrates erhöhendes Element durch Ionenimplantation eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als schmelzpunkterhöhendes Element Kohlenstoff und /oder Stickstoff eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schmelzpunkterhöhenden Elemente vor oder nach einer Dotierung des Halbleitersubstrates eingebracht werden.
PCT/DE2005/001615 2004-09-30 2005-09-15 Verfahren zur behandlung von halbleitersubstraten, die mittels intensiven lichtimpulsen ausgeheilt werden WO2006034672A2 (de)

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