DD286460A5 - 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 auf der Basis von Cz-Siliciumscheiben, das zu einer Erhoehung der Ausbeute und zu verbessertem Betriebsverhalten entsprechender Bauelemente fuehrt und dabei die Eigenschaften von Volumendefekten in Cz-Siliciumscheiben nutzbar macht und negative Auswirkungen insbesondere auf CCD-Bauelemente weitestgehend ausschlieszt. Erreicht wird dies dadurch, dasz die eingesetzten Siliciumscheiben vor der Realisierung technologischer Prozeszschritte einer intensiven Keimbildungsbehandlung fuer sauerstoffinduzierte Defekte im Bereich * unterworfen werden und eine Wasserstoffplasmabehandlung vor der Metallisierung durchgefuehrt wird, an die sich eine Abkuehlphase in einer Wasserstoffatmosphaere anschlieszt.{Verfahren; MOS-Bauelemente; Isolatorschichten; Cz-Siliciumscheiben; Volumendefekte; CCD-Bauelemente; sauerstoffinduzierte Defekte; Keimbildungsbehandlung; Wasserstoffplasmabehandlung; Abkuehlphase}

Description

Anwendungsgebiet der Erindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von MOS-Bauelementen mit Si0₂/Si)N«-isolatorschichten 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 bauelemenfeaktiven Bereichen. Ersteres wird u. a. auf vielfältige Weise mittels innerer Defektbildung in sauerstoffreichen Cz-Siliciumscheiben realisiert, letzteres 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"At · cm"¹ typisch, das einer Keimbehandlung im Temperaturbereich 450...85O⁰C zur Entwicklung sauerstoffinduzierter Volumendefekle 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 odor 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 Keimbildungstemporung im Bereich 650...800⁹C in Stickstoff bei Prozeßtemperaturen T £ 100O⁰C, wie sie für einige MOS-Technologien typisch sind, eine effektive Intrinsic-Getterung erst bei einer Behandlungsdauer von t > 10h zu erwarten. Unter derartigen Bedingungen ist es anderseits schwierig, oberflächennahe Rostdefekte in dor defektverarmten Zone zu vermeiden. Außerdem wird eine hohe Dichte von Rekombinations-/Generationszentren im Volumen eingeführt. Dies führt insbesondere bei CCD-Bauelementen mit extrem hohen Anforderungen an die Perfektion baualementeaktiver und unmittelbar angrenzender Substratscheibenbereiche zu nachteiligen Effekten. Kritisch sind demnach insbesondere Sauerstoffpräzipitate, deren Dichte in einem Tiefenbereich von etwa ΙΟμηι, d. h. innerhalb der defektverarmten Zo. ie nicht 10^J cm"³ übersteigen darf. Darüber hinaus ist eine hohe Untergrund-Generationslebensdauer in der Größenordnung 10"²s erforderlich, so daß der Einsatz relativ sauerstoffreicher Siliciurnsubstf atscheiben bzw. die Realisierung der Intrinsic-Getterung für diese Bauelementefamilie als nicht aussichtsreich erscheint. Der Einsatz von Scheiben mit re'ativ geringer Sauerstoffkonzentration stellt dagegen erhöhte Ansprüche an ehe saubere Prozeßführung und/oder erfo dert die Anwendung alternativer Getterverfahren mit entsprechend erhöhten Kosten. Die passivierendo Wirkung von Wasserstoff wird seit geraumer Zeit zur Reduzierung von Grenzflächenzuständen bei der Herstellung von MOS-Bauelementen ausgenutzt. Zur Aktivierung des Wasserstoffs sind Wärmebehandlungen im Temperaturbereich 300... 500X typisch, wobei molekularer Wasserstoff teilweise in atomaren dissoziiert und in diesem Zustand Grenzflächenzustände absättigt. Günstige Auswirkungen sind auch von Wärmebehandlungen in Wasserstoff oder wasserstoffhaltiger Atmosphäre bei Temperaturen um 900⁰C 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 Siliciumschlchten. Derartige, bei 100...450⁰C abgeschiedenen a-Si:H-Schichten v/erden beispielsweise am Ende von MOS-Prozessen an frontseitigen Scheibenoberflächen eingesetzt. Ihre Aktivierung erfolgt bei T < 500⁰C, jedoch oberhalb der Abscheidetemperatur. Die Absättigung freier Valenzen an Si/SiCyGrenzflächen führt hierbei zu geringen Grenzflächenzuetandedichten und somit zu geringen grenzflächengenerierten Dunkelströmen. Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß sie nicht für Scheiben mit SiCVSijN^lsolatorechichten angewendet werden können und daß bei Einsatz von stark defoktbehaftetem Scheibenmaterial die Passivierung der Defekte unvollständig ist. Dies gilt speziell für eine MOS-Technologie mit SiQi/SijN^-lsolatorschichten bei Einsatz von Cz-Siliciumscheiben, die einer massiven Keimbehandlung zur Realisierung einer effektiven Intrinsic-Getterung unterworfen wurden, in deren Folge beispielsweise auch erhöhte Dunkelströme infolge von Restdefekten in der defektverarmten Zone bzw. Defekten aus tieferen Volumenbereichen auftreten können.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von MOS-Bauelementen mit SiOj/SiaN^lsolatorschichten auf der Basis von Siliciumscheiben, 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 Si(VSi]N₄-Isolatorschichten anzugeben, das die Eigenschaften von Volumendefekten in Cz-Siliciumscheibsn nutzbar macht und negative Auswirkungen wie beispielsweise die Erhöhung des Dunkelstromes, insbesondere bei CCD-Baueler.;enten weitestgehend ausschließt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf der Basis von Si-Scheiben mit einer Ausgangskonzentration an interstitiellem Sauerstoff oberhalb 6 10'⁷At · cm"³, sowie unter Anwendung im Prinzip bekannter thermischer Behandlungsschritte zur Realisierung effektiver Intrinsic-GeUerung bzw. technologischer Prozeßschritte zur Realisierung jeweiliger MOS-Bauelementestrukturen mit SiOj/SijNMsolatorschich'.en, insbesondere CCD-Bauelemente, wobei nach dem letzten thermischen Prozeßschritt eine Wasserstoffplasmabehandlung erfolgt, die eingesetzten Siliciumscheiben vor der Realisierung von technologischen Prozeßschritten oder in Verbindung mit dem ersten Hochtemperaturschritt bei Τϊΐ 050 ⁰C, der vollständig oder teilweise in oxidierender Atmosphäre ausgeführt wird, einer intensiven Keimbildungsbehandlung für sauerstoffinduzierte Defekte im Bereich 450...850⁰C unterworfen werden und die Wasserstoffplasmabehandlung vor der Metallisierung in einer PECVD-Anlage bei einem Druck von 10...700Pa und bei einer Scheibentemperatur von 350... 500⁰C mit einer Behandlungsdauer von mindestens einer Stunde durchgeführt wird, woran sich die Abkühlung in der Anlage bis zu T £ 100⁰C unter Wasserstoffatmosphäre anschließt. Diese Verfahrensweise gestattet es, nassive Defektentwicklung im Scheibenvolumen - vorzugsweise wird mittels angepaßter Keimbildungsbehandlung eine Volumendefektdichte im Boreich (5...30) · 10⁹cm~³ nach Abschluß der thermischen Prozeßschritte der jeweiligen Bauelementetechnologie eingestellt - für eine effektive innere Getterung und daran geknüpfte positive Auswirkungen auf wesentliche Funktionsparameter jeweiliger Bauelemente nutzbar zu machen, da negative Bogleiterscheinungen derartiger Defektentwicklung anhaltend unterdrückt werden. Für CCD-Bauelemente bedeutet dies beispielsweise, daß insbesondere das Dunkelstromniveau auf ein unterkritisches Niveau abgesenkt wird, infolge der Passivierung von elektrisch aktiven Defekten außerhalb von bauelementeaktiven Bereichen. Wesentlich hierbei ist, daß ein erfindungsgemäßes Vorgehen gleichzeitig eine permanente Passivierung von Defekten innerhalb bauelementeaktiver Bereiche sichert. Erfolgt die Wasserstoffplasmabehandlung bei einem Druck oberhalb von 100Pa und einer Frequenz im Bereich von 1 MHz, werden überraschenderweise auch tiefergelegene Volumendefekte passiviert.

Eine vor dem ernten Hochtemperaturschritt bei T a 10SO⁰C ausgeführte Keimbildungsbehandlung wird erfindungsgemäß entweder als separater Schritt, beispielsweise als isothermal Temperung bei 75O⁰C, oder in Verknüpfung mit diesem Hochtemperaturschritt realisiert, beispielsweise als Ra'npenfahrweise ab 65O⁰C mit einer Aufheizrate von 2 K/min in der Startphase. Die Kombination einer intensiven Keimbi'.dungsbohandlung für sauerstoffinduzierte Defekte und einer erfindungsgemäßen Wasserstoffplasmabehandlung ermöglicht die Anwendung einer effektiven Intrinsic-Getterung ohne negative Auswirkungen getterwirksamer Defekte. Zusätzlich werden Grenzflächeneigenschaften infolge Passivierung von Grenzflächenzuständen verbessert. Eine Folge sind verbesserte Funktionsparameter und erhöhte Ausbeute an Bauelementen für derartig behandelte Substratscheiben.

Ausführungsbe'splel Die Erfindung soll anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung näher erläutert werden. Für die Herstellung von CCD-Bauelement« η werden Bordotierte Cz-Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 100mm und

einer Ausgangskonzentration an interstiti tllem Sauerstoff vor, 9 · 10¹⁷At · cm"³ eingesetzt. Zur Realisierung effektiver innerer

Getterung wird zunächst eine Wärmebehf /ldlung bei 1 200⁰C für die Dauer von 6 Stunden in einem Gemisch aus

99 Volumenteilen Sauerstoff und einem Volurnenteil HC! ausgeführt, um eino defektverarmte Zone von mindestens 10pm Tiefe nach Abschluß der thermischen Prozeßschritte der anschließenden Bauelementetechnologie einzustellen. Die Abkühlung von 1 200*C erfolgt mit einer Abkühlrate von 3K/min bis 75O⁰C. Bei dieser Temperatur verweilen die Scheiben 24 h in

Stickstoffatmospharo, um eine intensive Keimentwicklung für S lueistoffpräzipitation zu gewährleisten. Nach Ausbildung eines Doppelisolators, bestehend aus thermischen Oxid und darauf abgeschiedenen 50mn dicken Si)N₄ werden die üblichen Implantations- und Diffusionsschritte zur Realisierung jeweiliger Bauelementestrukturen ausgeführt. Vor der

Rückseitenmetallisierung in einer PECVD-Anlage erfolgt eine auf die bauelementeseitige Scheibenoberfläche gerichtete Wasserstoffpiasmatemperung, wobei die Scheiben auf 300⁰C aufgeheizt werden und in der Reaktionskammer ein Druck von 180Pa bei einer Leistungsdichte von 0,6 W · cm"² und einer Frequenz von 1,5MHz eingestellt wird. Nach einer Einwirkungsdauer von 2 Stunden werden die Scheiben in der Anlage bis auf 80⁰C abgekühlt und danach entnommen. Derartig präparierte CCD-Bauelemente weisen insbesondere ein extrem geringes Dunkelstromniveau bei Lebensdauerwerten im ms-Bereich auf, da bei einer eingestellten Volumendefektdichte um 1 10¹⁰cm~³ eine starke und gleichmäßige Getterwirkung bei Passivierung von Restdefekten im defektverarmten Oberflächenbereich und angrenzender Volumenbereiche der Scheiben garantiert ist.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von MOS-Bauelementen mit SiCVSialVlsolatorschichten auf der Basis von Cz-Siliciumscheiben mit einer Ausgangskonzentration an interstitiellen Sauerstoff oberhalb 6 x 10¹⁷At · cm"³ und unter Anwendung im Prinzip.bekannterthermischer Behandlungsschritte zur Realisierung effektiver Intrinsic-Getterung bzw. technologischer Prozeßschritte zur Realisierung von Bauelementestrukturen, insbesondere CCD-Bauelementen, wobei nach dem letzten the/mischen Prozeßschritt bzw. vor der Metallisierung eine Wasserstoffplasmabehandlung erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß die eingesetzten Siliciumscheiben vor der Realisierung von technologischen Prozeßschritten oder in Verbindung mit dem ersten Hochtemperaturschritt bei T s 1050⁰C, der vollständig oder teilweise in oxidierter Atmosphäre ausgeführt wird, einer intensiven Keimbildungsbehandlung für sauerstoffinduzierte Defekte im Bereich 450...850⁰C unterworfen werden und die Wasserstoffplasmabehandlung vor der Metallisierung in einer PECVD-Anlage bei einem Druck von 10...700Pa und bei einer Scheibentemperatur von 350...500⁰C mit einer Behandlungsdauer von mindestens einer Stunde durchgeführt wird, woran sich die Abkühlung bis zu T ^ 100⁰C unter Wasserstoffatmosphäre anschließt.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels angepaßter Keimbildungsbehandlung nach Abschluß der thermischen Prozeßschritte der jeweiligen Bauelementetechnologie in den eingesetzten Siliciumscheiben eine Volumendefektdichte im Bereich (5...30) · 10⁹cm~³ eingebracht wird.

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffplasmabehandlung bei einem Druck oberhalb 100Pa und einer Frequenz im Bereich 1 MHz erfolgt.