DD286459A5 - Verfahren zur herstellung von mos-bauelementen mit sio tief 2-si tief 3n tief 4-isolatorschichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von MOS-Bauelementen mit SiO2/Si3N4-Isolatorschichten, insbesondere CCD-Bauelementen, in Verbindung mit Behandlungen zur Realisierung der inneren Getterung, das zu einer Erhoehung der Ausbeute und verbessertem Betriebsverhalten dieserart hergestellter Bauelemente fuehrt, da eine komplexe Passivierung von elektrisch aktiven Defekten im Inneren der eingesetzten Scheiben bis in die bauelementeaktiven Bereiche erfolgt. Erreicht wird dies dadurch, dasz auf der Scheibenrueckseite eine Doppelschicht ausgebildet wird, die aus einer inneren Schicht und einer aeuszeren Schicht besteht, woran sich eine zweistufige Temperung anschlieszt.{Verfahren; MOS-Bauelemente; Isolatorschichten; innere Getterung; Ausbeuteerhoehung; komplexe Passivierung; elektrisch aktive Defekte; bauelementeaktive Bereiche; Halbleitersiliciumscheibe; Scheibenrueckseite; Doppelschicht}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von MOS-Bauelementen mit Si0₂/Si₃N₄-lsolatorschichton auf der Basis von Cz-Siliciumscheiben, insbesondere für die Herstellung von CCD-Bauelementen, angewendet in Verbindung mit Behandlungen zur Realisierung der inneren Getterung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Verbesserung von Funktionsparametern und zur Ausbeuteerhöhung von MOS-Bauelementen sind eine Reihe von Maßnahmen bekannt, wie beispielsweise die Getterung von elektrisch aktiven Verunreinigungen und die Passivierung elektrisch aktiver Defekte und Grenzflächenzustände in bauelementeaktiven Bereichen. Ersteres wird u.a. auf vielfältige Weise mittels innerer Defektbildung in sauerstoffreichen Cz-Siliciumscheiben realisiert, leuteres konzentriert sich überwiegend auf die Aktivierung von atomarem Wasserstoff zur Absättigung gestörter Gitterbindungen an Grenz- bzw. Oberflächen und in Volumenbereichen von Si-Scheiben.

Zur Realisierung von innerer bzw. Intrinsic-Getterung ist der Einsatz von Siliciummaterial mit einer Konzentration an interstitiellem Sauerstoff oberhalb von 6 x 10'⁷At cm"³ typisch, das einer Keimbehandlung im Temperaturbereich 450°...85O⁰C zur Entwicklung sauerstoffinduzierter Volumendefekte vor oder nach einer Hochtemperaturbehandlung bei T >1000⁰C zur Ausdiffusion von Sauerstoff und daran geknüpfter oberflächennaher Defektverarmung unterworfen wird. Keimbildungsbehandlungen erfolgen entweder als isothermal Temperungen oder mittels Rampenfahrweise. Bekannt sind Hochtemperaturbehandlungen in inerter, oxidierender octer reduzierender Atmosphäre. Die Wirksamkeit einer Intrinsic-Getterung ist u.a. abhängig von der Art der Keimbildungsbehandlung in Verbindung mit der jeweils technologiebedingt resultierenden Defektentwicklung. So ist bei isothermaler Keimbildungstemperung im Bereich 650...800°C in Stickstoff bei Prozeßtemperaturen Ts 1000^cC, wie sie für einige MOS-Technologien typisch sind, eine effektive Intrinsic-Getterung erst bei einer Behandlungsdauer von 1 > 10 h zu erwarten. Unter derartigen Bedingungen ist es andererseits schwierig, oberflächennahe Restdefekte in der defektverarmten Zone zu vermeiden. Außerdem wird eine hohe Dichte von Rekombinations-/ Generationszentren im Volumon eingeführt. Dies führt insbesondere bei CCD-Bauelementen mit extrem hohen Anforderungen an dio Perfektion bauelementeaktiver und unmittelbar angrenzender Substratscheibenbereiche zu nachteiligen Effekten. Kritisch sind demnach insbesondere Sauerstoffpräzipitate, deren Dichte in einem Tiefenbereich von etwa 10μπι, d. h. innerhalb der defektverarmten Zone nicht IO² · cm¹ übersteigen darf. Darüber hinaus ist eine hohe Untergrund-Generationslebensdauer in der Größenordnung 10"²S erforderlich, so daß der Einsatz relativ sauerstoffreicher Siliciumsubstratscheiben bzw. der Realisierung der Intrinsic-Getterung für diese Bauelementefamilie als nicht aussichtsreich erscheint. Der Einsatz von Scheiben mit relativ geringer Sauerstoffkonzentration stellt dagegen erhöhte Ansprüche an eine saubere Prozeßführung und/oder erfordert die Anwendung alternativer Getterverfahren mit entsprechend erhöhten Kosten.

Die passivierende Wirkung von Wasserstoff wird seit geraumer Zeit zur Reduzierung von Grenzflächenzuständen bei der Herstellung von MOO-Bauelementen ausgenutzt. Zur Aktivierung des Wasserstoffs sind Wärmebehandlungen im Temperaturbereich 300... 500 ⁰C typisch, wobei molekularer Wasserstoff teilweise in atomaren dissoziiert und in diesem Zustand

Grenzflächenzustände absättigt. Günstige Auswirkungen sind auch von Wärmebehandlungen in Wasserstoff oder wasserstoff haltiger Atmosphäre bei Temperaturen um 900 °C bekannt, etwa eine Reduzierung von Leckströmen in Bauelementen, die in Epitaxieschichten eingebaut werden. Die Kombination einer derartigen Behandlung und einer weiteren unter Anwendung von Wasserstoffplasma ist ebenfalls beschrieben. Bekannt ist ferner die Aktivierung von Wasserstoff nach vorausgegangener plasmagestützter CVD-Ausbildung (PE CVD) von dünnen, amorphen, Wasserstoff enthaltenden Siliciumschichten. Derartige, bei 100...45O⁰C abgeschiedene a-Si:H-Schichten, werden beispielsweise am Ende von MOS-Prozessen an frontseitigen Scheibenflächen eingesetzt. Ihre Aktivierung erfolgt bei T> 500"C, jedoch oberhalb der Abscheidetemperatur. Die Absättigung freier Valenzen an Si/SiO₂-Grenzflächen führt hierbei zu geringen Grenzflächenzustandsdichten und somit zu geringen grenzflächengenerierten Dunkelströmen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß.sie nicht für Scheiben mit SiO₂ZSi₃N₄-IsO¹ orschichten angewendet werden können und daß bei Einsatz von stark defektbehaftetem Scheibenmaterial die Passr ung der Defekte unvollständig ist. Dies gilt speziell für eine MOS-Technologie mit SiCVSijNHsolatorschichten bei EinsaU ,n Cz-Siliciumscheiben, die einer massiven Keil behandlung zur Realisierung einer effektiven Intrinsic-Getterung unterworfen wurden, in deren Folge beispielsweise erhöhia Dunkelströme infolge von Restdefekten in der defektverarmten Zone bzw. Defekten aus tieferen Volumenbereichen auftreten können. Der frontseitige Einsatz von a-Si:H-Scb,ichten erfordert außerdem einen erhöhten Präparationsaufwand, da bauelementeaktive Bereiche geschützt werden mü&sen. Andererseits ist der frontseitige Einsatz von amorphen und mikrokristallinen Siliciumschichten auch gezielt zur Getterung von Verunreinigungen alternativ zur Intrinsic-Getterung möglich. Hierzu erfolgt ebenfalls eine thermische Aktivierung, anschließend wird die Getterschicht entfernt. Die Siliciumschicht kann zusätzlich -zum Schutz gegen äußere Kontamination-miteinor dielektrischen Schicht abgedeckt werden, ebenso wie im Falle rückseitiger Ausbildung polykristalliner Siliciumschichten zum Zwecke der Getterung. Die Entfernung einer frontseitig ausgebildeten Schicht birgt naturgemäß die Gefahr erneuter Kontamination und neu induzierter Störungen, letzteres verstärkt bei Einsatz physikalischer Ätzverfahren.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von MOS-Bauelementen mit SiO]/Si₃N4-!solatorschichten auf der Basis von Siliciumscheiben anzugeben, das zu einer Erhöhung der Ausbeute und zu verbessertem Betriebsverhalten entsprechender Bauelemente führt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von MOS-Bauelementen mit SiO₂/Si₃N₄-Isolatorschichten auf der Basis von Cz-Siliciumscheiben anzugeben, das eine komplexe Passivierung von elektrisch aktiven Defekten bzw. Defektzuständen im Inneren der eingesetzten Scheiben bis in bauelementeaktive Bereiche einschließlich frontseitig vorliegender Grenzflächen ermöglicht, ohne eine Behandlung der frontseitigen Scheibenoberfläche vornehmen zu müssen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß unter Anwendung von im Prinzip bekannter technologischer Prozeßschritte zur Realisierung entsprechender Bauelementestrukturen mit Si0₂/Si₃N₄-lsolatorschichten auf der Basis von Siliciumscheiben, insbesondere von CCD-Bauelementen auf der Basis von Cz-Siliciummatarial unter Einsatz von Wasserstoff zur Defektpassivierung innerhalb der technologischen Folge der Prozeßschritte vor der Metallisierung in einer PECVD-Anlage auf jeweils eingesetzten Siliciumscheiben rückseitig eine Doppelschicht ausgebildet wird, bestehend aus einer inneren a-Si:H-Schicht mit vorzugsweise 0,1 ...1,0pm Dicke und einer äußeren Si₃N₄-Schicht mit vorzugsweise 30...300μητι Dicke, woran sich eine zweistufige Temperung außerhalb der PECVD-Anlage anschließt, zunächst bei 700...900⁰C mit einer Aufheizrate im Bereich 1 ...20K min"¹ ab etwa 300⁰C in Inertgasatmosphäre und einer Haltezeit von 2...0,5h im jeweiligen Temperaturbereich, anschließend bei 50...500⁰C in Wasserstoffatmosphäre für die Dauer von 10...30min. In der ersten Temperstufe wird Wasserstoff aus der a-Si:H-Schicht mit einem Wasserstoffgehalt oberhalb 10 Volumenprozent, bevorzugt 20... 30 Volumenprozent, in das Innere der Siliciumscheiben eingetrieben und diffundiert bis zur frontseitigen Scheibenoberfläche, wobei eine rückseitige Ausdiffusion durch dio äußere Si₁N₄-SChJChI weitgehend verhindert wird, indem deren maskierende Wirkung durch Realisierung einer relativ geringen Aufheizrate gesichert wird. In dieser Temperphase eriolgt bereits eine Anlagerung von Wasserstoff an Defekten. Eine nochmalige Wasserstoffaktivierung in der zweiten Temperstufe führt zur Defektpassivierung, wobei auch frontseitig oberflächennahe Defekte bzw. Zustände an Si/SiO₂-Grenzflächen eingeschlossen sind. Als besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren bei Einsatz von Siliciumscheiben mit SiO₂/Si₃N₄-Isolatorschichton/juf der Frontseite, die eine Ausgangskonzentration an interstitiellem Sauerstoff oberhalb von6 1O¹⁷At cm"³ aufweisen und intensive Maßnahmen zur Entwicklung sauerstoffinduzierter Volumendefekte unterworfen werden, letzteres bevorzugt zu Beginn des technologischen Prozesses der Bauelementeherstellung unter Anwendung bekannter thermischer Behandlungsschritte, die gleichzeitig die Ausbildung von defektverarmten Oberflächenbereichen in den eingesetzten Siliciumscheiben ermöglichen. Damit ist auch extrem starke Volumendefektbildung zur Realisierung effektiver innerer Getterung ohne negative Begleiterscheinung möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet fernerhin eine durchgreifende Passivierung elektrisch aktiver Defekte in Oberflächen- und Volumenbereichen von eingesetzten Siliciumscheiben mit SiO}/Si)N₄-lsolatorschichten einschließlich der Reduzierung von elektrisch aktiven Zustanden an der Si/SiOj-Grenzfläche. Insbesondere der Einsatz effektiver innerer Getterung ist so ohne negative Effekte von Volumendefekten bzw. Restdefekten in verarmten Oberflächenbereichen möglich. Nachteile einer auf die bauelementeseitige Scheibenoberfläche gerichteten Behandlung werden vermieden

Erfindungsgemäß gefertigte Bauelemente weisen verbesserte Funktionsparameter und eine erhöhte Ausbeute auf.

Die t-rfindung soll anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung näher erläutert werden.

FQr die Herstellung von CCD-Bauelementen werden Bordotiorte Cz-Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 100mm und diner Ausgangskonzentration an interstltiellem Sauerstoff von 9 · 10¹⁷At cm"³ eingesetzt. Zur Realisierung effektiver innerer Getterung wird zunächst eine Wärmebehandlung bei 115O⁰C für die Dauer von 8 Stunden in einem Gemisch aus 90 Volumenteilen Stickstoff und 10 Volumenteilen Sauerstoff ausgeführt, um eine defektverarmte Zone von mindestens 10pm Tiefe nach Abschluß der thermischen Prozeßschritte der anschließenden Bauelementetechnologie einzustellen. Anschließend erfolgt eine Keimbildungstemperung bei 750°C für die Dauer von 24 h in Stickstoffatmosphäre. Derartig vorbehandelte Scheiben durchlaufen übliche Prozeßschritte einer jeweiligen CCD-Technologie, wobei als Isolator frontseitig eine Doppelschicht ausgebildet wird, die aus thermischen Oxid und einem 50 nm dicken LPCVD-Nitrid besteht. Rückseitig wird vor der Metallisierung nach Freilegen der Scheibenoberfläche eine 300ηm dicke amorphe Siliciumschicht mit einem Wasrqrstoffgehalt von etwa 25VoI.-% in einer PECVD-Anlage abgeschieden. Darauf wird eine 150 nm dicke Si]N₄-Schicht mittels PECVD aufgebracht. Danach erfolgt eine Temperung bei 900⁰C in Stickstoff für die Dauer von 30 Minuten, wobei ab 300⁰C eine Aufheizrate von 10 K, nin realisiert wird. Eine weitere Temperung erfolgt bei 420°C in Wasserstoff, ebenfalls für die Dauer von 30 Minuten. Schließlich wird die rückseitig susgebildete Doppelschicht naß- und plasmachemisch abgeätzt, bevor die Rückseitenmetallisierung vorgenommen wird. Derartig präparierte CCD-Bauelemente weisen insbesondere ein extrem geringes Dunkelstromniveau bei Lebensdauerwerten im ms-Bereich auf, da bei einer eingestellten Volumendefektdichte um 1 10^l0cm~³ eine starke und gleichmäßige Getterwirkung bei Passivierung von Restdefekten im defektverarmten Oberflächenbereich sowie angrenzender Volumenbereiche der Scheiben garantiert ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von MOS-Bauelementen mit SiCVSiaN^lsolatorschichten unter Anwendung im Prinzip bekannter technologischer Prozeßschritte zur Realisierung jeweiliger Bauelementestrukturen auf der Basis von Cz-Siliciumschoiben, insbesondere von CCD-Bauelementen und unter Einsatz von atomarem Wasserstoff zur Defektpassivierung innerhalb der technologischen Folge der Prozeßschritte, gekennzeichnet dadurch, daß vor der Metallisierung in einer PECVO-Anlage auf jeweils eingesetzten Siliciumscheiben rückseitig eine Doppelschicht ausgebildet wird, bestehend aus einer inneren a-Si:H-Schicht mit vorzugsweise 0,1 ...1,0Mm Dicke und einer äußeren Si₃N₄-Schicht mit vorzugsweise 0,03...0,3μιη Dicke woran sich eine zweistufige Temperung anschließt, zunächst bei 700...900⁰C mit einer Aufheizrate von 1 ...20K/minabetwa 300⁰C in Wasserstoff und einer Haltezeit von 2,0... 0,5 h im jeweiligen Temperaturbereich, anschließend bei 350... 500⁰C in Wasserstoffatmosphäre für die Dauer von 10...30 min.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Cz-Siliciumscheiben mit einer Ausgangskonzontration an interstitiellem Sauerstoff oberhalb von 6 x 10¹⁷At · cm"³ eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bevorzugt zu Beginn des technologischen Prozesses der Bauelementeherstellung thermische Behandlungsschritte zur Ausbildung von sauerstoffinduzierten Volumendefekten einer Dichte im Bereich (5...30) · 10⁹cm "³ und defektverarmten Oberflächenbereichen in den eingesetzten Siliciumscheiben realisiert wera^r

4. Verfahrennach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise eine Aufheizrate von 10K/min von 300⁰C bis zu einer Endtemperatur von 900⁰C mit einer Haltezeit von 0,5h realisiert wird.