DE3029055A1

DE3029055A1 - Verfahren zum herstellen einer polykristallinen siliziumschicht

Info

Publication number: DE3029055A1
Application number: DE19803029055
Authority: DE
Inventors: Ronald Keith Smeltzer; Chung Pao Wu
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1979-08-10
Filing date: 1980-07-31
Publication date: 1981-02-26
Also published as: FR2463507A1; IT1131995B; FR2463507B1; JPS5629321A; IT8023728A0; GB2056173B; GB2056173A; US4229502A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer filmartig dünnen, polykristallinen Siliziumschicht niedrigen spezifischen Widerstands, bei dem die Schicht auf ein Substrat niedergeschlagen wird.

Solche niedergeschlagenen Schichten aus dotiertem, polykristallinem Silizium werden in hochintegrierten Schaltkreisen (LSI-circuit) anstelle von metallischen Leitern als leitendes Material benutzt. Die niedergeschlagenen Filmschichten liegen normalerweise auf isolierendem Material, z.B. auf als Deckschicht auf einem Siliziumkörper gebildetem Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid. Das Isoliermaterial kann bei Anwendung der sogenannten Silizium-auf-Saphir-Technik (SOS-Technik) auch aus Saphir bestehen. Ein Beispiel für die Verwendung von polykristallinem Silizium als Leiter ist das selbstausgerichtete Gate in einem Metall-Gxid-Halbleiter-Bauelement, in dem ein polykristalliner Siliziumfilm bestimmter Form als Gate-Elektrode dient. Polykristallines Silizium wird auch zum Herstellen von elektrischen Kontakten und Verbindungen von bzw. zwischen aktiven und passiven Elementen ein und desselben integrierten Schaltkreises benutzt.

Polykristalline Filme bzw. Schichten bestimmter Dotierung weisen einen höheren spezifischen Widerstand auf als einkristalline Siliziumscheiben oder epitaxiale Siliziumschichten mit der gleichen Dotierung. Das gilt für aus der Gasphase dotierte Silizium-Filmschichten sowohl bei der Diffusion als auch bei der Ionen-Implantation von Dotierstoffen. Zum Herabsetzen des spezifischen Widerstandes werden solche Filmschichten bei hoher Temperatur wärmebohandelt bzw. getempert. In typischen Fällen erfolgt ein Aufheizen der Filmschichten bis zu 100O⁰C in trockenem Stickstoff während einer Dauer von etwa 15 Minuten. Bei bestimmten Anwendungen z.B. beim Her-

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stellen strahlungsbeständiger integrierter Schaltkreise, hat das Behandeln bei hohen Temperaturen eine Verschlechterung des Betriebsverhaltens bzw. der Leistung der Bauelemente zur Folge.

Experimente haben gezeigt, daß Laser-Bestrahlung mit Erfolg zum Tempern bzw. Anlassen zuvor durch Ionen-Implantation beschädigter, einkristalliner Siliziumsubstrate zu verwenden ist. Beim Implantieren wird häufig eine dünne Schicht an bzw. nahe der Kristallschicht beschädigt und dabei oft vollständig amorph gemacht. Zum Wiederherstellen der Kristalleigenschaft einer solchen durch Implantation verschlechterten Schicht ist bereits die Laser-Temper-Behandlung angewendet worden. Zum Behandeln von einkristallinem Silizium ist dabei aber eine Laser-Energiedichte von wenigstens etwa 2 bis 4 Joule/cm erforderlich. Die erhebliche Energiemenge wird dabei benötigt, weil bei dem Kristallisieren bzw. Rekristallisieren zunächst ein Schmelzen des Siliziums und dann ein Wiederwachsen einer Schicht auf dem darunterliegenden einkristallinen Substrat erfolgt. Zu beachten ist, daß die im vorstehenden Sinne zu rekristallisierende

ρ Fläche eines typischen integrierten Schaltkreises etwa 25 cm oder mehr umfaßt. Die beim bisherigen Stand der Technologie mit einem einzigen, die gesamte Bauelement-Oberfläche bestrahlenden Laser - puls maximal zu erzielende Energiedichte liegt aber unterhalb von 2 Joule/cm . Zum Tempern bzw. Anlassen mit Hilfe eines Lasers wird daher eine Art Abtastmechanismus benötigt, um zu erreichen, daß ein höher energetischer Laserstrahl jeweils einen kleineren Teil der zu behandelnden Oberfläche bestrahlt.

In der DE-OS 29 47 180 wird ein wirtschaftliches Verfahren zum Herabsetzen des spezifischen Widerstandes einer dotierten polykristallinen Silizium-Filmschicht auf einen niedrigeren Wert als bisher durch thermisches Tempern erhältlich beschrieben.

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Bei diesem Verfahren wird die Siliziumschicht in einer Verfahrensstufe mit gepulstem Laserlicht einer Energiedichte von weniger als etwa 1,5 Joule/cm bestrahlt.

Die Anwendung von polykristallinem Silizium in der Hoch- und Höchstintegration (LSI bzw. VLSI) wird vor allem dadurch besdränkt, daß der bisher erreichbare Minimalwert des spezifischen Widerstandes höher als erwünscht liegt. Mit Hilfe der derzeitigen Technologie läßt sich bei polykristallinen Silizium-Filmschichten ein Flächenwiderstand von irgendwo im Bereich zwischen 10 und 30 Ohm/Quadrat erzielen. In höchstintegrierten Schaltkreisen werden jedoch polykristalline Siliziumschichten mit einem Flächenwiderstand von rund 5 bis 6 Ohm/ Quadrat gebraucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß es zum Herstellen einer polykristallinen Silizium-Filmschicht mit extrem niedrigem spezifischen Widerstand geeignet ist. Bei dem Verfahren zum Herstellen einer filmartig dünnen, polykristallinen Siliziumschicht besteht die Lösung darin, daß die Schicht während des Niederschlagens am Entstehungsort (in situ) mit Bor auf eine Konzentration von wenigstens 1x10 Atomen/cm dotiert und dann mit einem Laserimpuls bestrahlt wird. Mit anderen Worten bedeutet das, daß die Schicht bereits während ihres Entstehens bzw. Aufwachsens (also an Ort und Stelle) mit Bor bis zu der hohen Konzentration voijmehr als 10 Bor-Atomen/cm zu dotieren ist. Eine so hohe Bor-Konzentration ist derzeit nur herzustellen, indem keine üblichen thermischen Diffusionsverfahren benutzt sondern das Bor bereits in das polykristalline Silizium eingebaut wird, während dieses auf ein Substrat niedergeschlagen wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch eine polykristalline Silizium-Filmschicht hergestellt werden, die

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einen relativ kleinen Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes aufweist. Dazu kann ein bestrahlter erster Teilbereich der Filmschicht mit einem nichtbestrahlten zweiten Teilbereich derart elektrisch verbunden werden, daß sich die Temperaturgänge der beiden verschiedene Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes aufweisenden Teilbereiche gegenseitig kompensieren.

Einzelheiten der Erfindung werden teilweise unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, in dem Meßwerte zum Flächenwiderstand als Funktion der Energiedichte der Laserpulse für in situ mit Bor oder Phosphor dotierte Proben von mit Laserlicht bestrahlten polykristallinen Siliziumschichten dargestellt sind;

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit des Flächenwiderstands von der Bor-Konzentration einer stark dotierten polykristallinen Siliziumschicht gezeigt wird; und

Fig. 3 ein Diagramm, in dem der spezifische Widerstand von entartet in situ mit Bor dotierten polykristallinen Siliziumschichten in Abhängigkeit von der Temperatur sowohl unmittelbar nach dem Niederschlagen als auch nach dem Bestrahlen bzw. Tempern mit Laserlicht angegeben wird.

Die polykristalline Siliziumschicht kann nach irgendeinem bekannten Verfahren, z.B. durch chemisches Aufdampfen, hergestellt werden. Beim chemischen Aufdampfen werden eine gasförmige Siliziumquelle, z.B. Silan (SiH/), und ein inertes Trägergas, z.B. Stickstoff, zusammen mit einem Dotierstoffgas in eine Reaktionskammer eingeleitet. Die Temperatur in der Kammer wird

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so eingestellt, daß das Silan zersetzt und das entstehende Silizium auf dem Substrat niedergeschlagen wird. Der Dotierstoff Bor wird in typischen Fällen durch Hinzufügen von Diboran (BpHg) zu den gasförmigen Reaktanten während des Abscheideprozesses eingeführt. Vorzugsweise beträgt die Bor-Konzentration in der polykristallinen Siliziumschicht etwa 2 χ 10 Atome/cm . Im Ausführungsbeispiel enthält das Substrat ein Silizium-auf-Saphir-Scheibchen (SOS-Scheibchen) mit einer darauf aufgebrachten Siliziumdioxidschicht. Auf die Siliziumdioxidschicht wird die polykristalline Silizium-Filmschicht vorzugsweise bis zu einer Dicke von etwa 0,6 Mikrometern niedergeschlagen.

Der mit Bor dotierte polykristalline Siliziumfilm wird mit einem Laserpuls bestrahlt. Im Ausführungsbeispiel wird ein Riesenimpuls- bzw. Q-geschalteter Rubinlaser mit einer Wellenlänge von 0,69 Mikrometern und einer Impulsdauer von etwa 30 Nanosekunden benutzt. Die Pulszeitdauer kann variieren, soll aber vorzugsweise zwischen etwa 10 und etwa 50 Nanosekunden liegen. Der Begriff "Q-geschaltet" entspricht dem Fachwort "Q-switching".

Es wurden Proben der beim Entstehen mit Bor bis zu einer

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Konzentration von 2 χ 10 Atomen/cm dotierten Filmschicht bei verschiedenen zwischen etwa 7,5 und etwa 80 MW/cm liegenden Leistungsdichten mit dem Rubinlaser bestrahlt. Die angewendeten Leistungsdichten entsprachen einem Laserimpuls von 30 Nanosekunden Dauer mit einer Energiedichte zwischen

etwa 0,23 und 2,4 Joule/cm . In der Tabelle I wurden die Ergebnisse von Flächenwiderstandsmessungen zusammengestellt, die an verschieden bestrahlten Proben unter Anwendung herkömmlicher Vier-Punkt-Sonden ermittelt wurden. Typische Flächenwiderstandswerte von polykristallinen Siliziumfilmen mit Schichtdicken von etwa 0,6 Mikrometern liegen zwischen 80 und 100 0hm/

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Quadrat. Aus Tabelle I ergibt sich jedoch, daß sich der Flächenwiderstand solcher Filmschichten durch das erfindungsgemäße Tempern mit gepulstem Rubinlaserlicht ganz erheblich, nämlich auf 5 bis 6 Ohm/Quadrat (S?/Z7) oder 0,0003 Ohm-cm, also auf bei polykristallinem Siliziummaterial bisher nie erreichte Werte, herabsetzen läßt.

Tabelle I - Beim Niederschlagen mit Bor dotierte Proben

	Leistungsdichte	Leistungsdichte	Flächenwiderstand
Energiedichte	(MW/cm²)	(MW/cm²)	(p_a {Si/O)
(Joule/cm )	7,5	20	81
0,23	15	30	29
0,45	20	40	19
0,60	25	50	15
0,75	30	60	10
0,90	35	70	9,4
1,05	40		6,9
1,20	45	5,0
1,35	50	7,6
1,50	60	9,7
1,80	70	8,0
2,10	80	Schädigung beginnt
2,40	Tabelle II - Beim Niederschlagen	mit Phosphor dotierte Proben

Energiedichte	Flächenwiderstand
(Joule/cm )	(p_s (Λ/ο)
0,6	59
0,9	54
1,2	34
1,5	28
1,8	26
2,1	(Lochbildung) 22

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Ähnliche Proben wurden durch entartetes Dotieren von polykristallinen Silizium-Filmschichten mit Phosphor beim Niederschlagen vorbereitet. In Tabelle II wurden die Ergebnisse von Flächenwiderstandsmessungen zusammengestellt, die an solchen Proben nach dem Bestrahlen mit dem Licht des Riesenimpuls-Rubinlasers gewonnen wurden. Polykristalline Siliziumfilme mit ähnlich niedrigem Flächenwiderstand, wie ihn die mit Bor dotierten Filmen aufwiesen, konnten nicht erhalten werden; der niedrigste Flächenwiderstand ergab sich bei einer Leistungsdichte von 70 MW/cm mit etwa 22 Ohm/Quadrat.

Sowohl bei den mit Bor dotierten Proben als auch bei den mit Phosphor dotierten Proben zeigte sich oberhalb einer bestimmten Energiedichte des verwendeten Laserpulses eine Oberflächenbeschädigung, insbesondere entstanden Löcher bzw. Grübchen. Das Tempern mit Laserlicht wurde daher bei den mit Bor bzw. Phosphor dotierten Proben über Leistungsdichten von etwa 80 bzw. 70 MW/cm hinaus nicht fortgeführt. In Fig. 1 werden die an den mit Bor dotierten Proben gewonnenen Meßergebnisse mit denjenigen der mit Phosphor dotierten Proben graphisch verglichen.

In weiteren Versuchen wurden durch Diffusion auf eine maximale Dotierstoffkonzentration dotierte polykristallin Siliziumfilme mit einem Rubinlaserimpuls bestrahlt. Auch diese Filmschichten wiesen jedoch höhere Flächenwiderstände auf als die beim Entstehen bzw. Aufwachsen an Ort und Stelle mit Bor dotierten Schichten.

Es hat sich daher gezeigt, daß das Tempern bzw*· Anlassen von während des Aufwachsens mit Bor dotierten polykristallinen Silizium-Filmschichten mit gepulstem Laserlicht in einzigartiger Kombination zu den niedrigstmöglichen Flächenwiderständen von polykristallinem Silizium führt. Der Erfolg des

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erfindungsgemäßen Verfahrens beruht darauf, daß die in einer beim Entstehen entartet bis zu einer Konzentration von mehr

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als 1x10 Bor-Atomen/ dotierten polykristallinen Silizium-Filmschichten enthaltenen Bor-Atome fast vollständig durch Bestrahlen mit Laserlicht zu aktivieren sind.

In Fig. 2 wird anhand einer Kurve 10 dargestellt, wie der Flächenwiderstand eines beim Entstehen entartet mit Bor dotierten polykristallinen Siliziumfilms von der Bor-Konzentration im Silizium ( FbJ / fsil ) abhängt. Bis zu$ etwa 1 χ 10 Atomen/cm nimmt der spezifische Widerstand mit zunehmender Bor-Konzentration ab. Wie der aufsteigende Zweig 12 der Kurve 10 zeigt,nimmt der spezifische Widerstand bei herkömmlichen behandelten Proben jedoch zu, wenn die Dotierung entartet über das Niveau von etwa 1x10 Atomen/cm hinaus, z.B. auf den bevorzugten Wert von etwa 2 χ 10 Atome/cm , fortgesetzt wird. Dieses schwache Ansteigen des spezifischen Widerstandes kann dadurch erklärt werden, daß die zusätzlichen Bor-At-ome elektrisch nicht aktiviert werden, sondern als Streuzentren der Ladungsträger wirken. Durch das erfindungsgemäße Bestrahlen mit Laserlicht wird die vorgenannte Zunahme des spezifischen Widerstandes bzw. des Flächenwiderstandes längs des Kurvenzweiges 12 vermieden und stattdessen eine Filmschicht mit niedrigerem Widerstand erreicht; dieser Sachverhalt wird anhand der gestrichelten Linie 14 in Fig. 2 dargestellt. Das erfindungsgemäße Vermindern des spezifischen Widerstandes erfolgt dadurch, daß durch das Bestrahlen mit dem LaserimpaLs wesentlich mehr Bor-Atome elektrisch aktiviert werden und durch das Korn- bzw. Kristallwachstum die Trägerbeweglichkeit erhöht wird. Das verstärkte elektrische Aktivieren kann durch herkömmliches thermisches Anlassen bzw. Tempern nicht erreicht werden. Vielmehr wurde beobachtet, daß ein nachträgliches Hochtemperatur-Tempern die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten Vorteile wieder zerstört.

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Es wurde festgestellt, daß eine entartet mit Bor während ihres Niederschiagens bzw. Aufwachsens bis zu einer Konzentration von etwa 2x10 Atomen/cm dotierte polykristalline Silizium-Filmschicht einen negativen Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes besitzt. Nach dem erfindungsgemäßen Bestrahlen mit Laserlicht zeigt ein solcher Film jedoch einen positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes. In Fig. 3 wird der spezifische Widerstand als Funktion der Temperatur für den in vorgenannter Weise niedergeschlagenen Film vor dem Bestrahlen mit Laserlicht und nach dem Laser-Temp ern dargestellt.

Zum Herstellen einer polykristallinen Silizium-Filmschicht mit relativ niedrigem Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes wird vorgeschlagen, eine polykristalline Siliziumschicht beim Entstehen bis zu einer Konzentration von mehr als 1 χ 10 Atomen/cm mit Bor entartet zu dotieren. Nur ein erster Teilbereich dieser dotierten Schicht wird dann nach dem vorgenannten Verfahren mit Laserlicht bestrahlt. Dieser erste Teilbereich wird anschließend elektrisch so mit einem nichtbestrahlten zweiten Teilbereich der Schicht leitend verbunden, daß sich die beiden, unterschiedliche Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes aufweisenden Teilbereiche im Hinblick auf den Temperaturkoeffizienten gegenseitig kompensieren. Beispielsweise können die beiden Teilbereiche einfach aneinandergrenzende Teile derselben Schicht und in Reihe geschaltet sein. Die beiden Teilbereiche des so kompensierten Widerstandes können auch parallel geschaltet oder in irgendeiner Kombination einer Serien/Parallel-Schaltung gekoppelt sein. Durch dieses Verfahren kann das Herstellen von in der Höchstintegration gebrauchten eng zusammenzudrängenden Widerständen besonders begünstigt werden, da relativ dünne polykristalline Silizium-Filmschichten an sich stark durch Temperaturänderungen beeinflußt

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werden. Das Verfahren zum Herstellen polykristallinen Siliziums kann auch bei anderen Anwendungen, z.B. in Dehnungsmeßstreifen oder in piezoelektrischen Einrichtungen, Gebrauch finden.

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Leeseite

Claims

Dn.-lng. Reimar König ■ Dipl.-!ng Klaus Bergen Cecilienallee 76 Λ Düsseldorf 3O Telefon 452DQB Patentanwälte 30. Juli 1980 33 595 B RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.) "Verfahren zum Herstellen einer polykristallinen Siliziumschicht" Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer filmartig dünnen, polykristallinen Siliziumschicht niedrigen spezifischen Widerstands, bei dem die Schicht auf ein Substrat niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht während des Niederschiagens am fintstehungs-

20 ort mit Bor auf eine Konzentration von wenigstens 1 χ 10 Atomen/cnr dotiert und dann mit einem Laserimpuls bestrahlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu einer Bor-Konzentration der polykristallinen Siliziumschicht von etwa 2 χ 10 Atomen/ cm dotiert wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserimpuls mit einer Leistungsdichte von etwa 7,5 bis etwa 80 MW/cm angewendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserimpuls mit Hilfe eines Riesenimpuls-Poibinlasers (Q-switching Laser) mit einer Impulsdauer von etwa 30 Nanosekunden ausgeübt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Siliziumschicht auf eine auf ein Siliziumscheibchen niedergeschlagene Siliziumdioxidschicht aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Siliziumschicht eine Dicke von etwa 0,6 Mikrometern erhält.

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