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DE19915078A1 - Verfahren zur Prozessierung einer monokristallinen Halbleiterscheibe und teilweise prozessierte Halbleiterscheibe - Google Patents

Verfahren zur Prozessierung einer monokristallinen Halbleiterscheibe und teilweise prozessierte Halbleiterscheibe

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DE19915078A1
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sio
barrier layer
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Joachim Hoepfner
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Infineon Technologies AG
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Siemens AG
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Abstract

Ein Verfahren zur Prozessierung einer monokristallinen Si-Halbleiterscheibe (1) umfaßt einen Temperschritt bei einer Temperatur von über 550 DEG C. Zuvor wird auf der Rückseite der Si-Halbleiterscheibe eine Schutzschicht (15) gegen das Eindringen von Metall- und/oder Seltenerdmetall-Substanzen während des Temperschritts in die Si-Halbleiterscheibe (1) aufgebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessierung einer monokristallinen Si-Halbleiterscheibe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ferner eine monokristalline Si-Halb­ leiterscheibe mit einer in bezug auf eine Folge von Schicht­ abscheidungsprozessen zumindest teilweise prozessierten Vor­ derseite nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Konventionelle mikroelektronische Speicherelemente (DRAMs) benutzen als Speicherdielektrikum meist Oxid- oder Nitrid­ schichten, die eine Dielekrizitätskonstante von maximal etwa 8 aufweisen. Zur Verkleinerung des Speicherkondensators so­ wie zur Herstellung von nichtflüchtigen Speichern (FRAMs) werden "neuartige" Kondensatormaterialien (Dielektrika oder Ferroelektrika) mit deutlich höheren Dielektrizitätskonstan­ ten benötigt. Hierfür sind aus der gattungsbildenden Publi­ kation "Neue Dielektrika für Gbit-Speicherchips" von W. Hön­ lein, Phys. Bl. 55 (1999), Seiten 51-53 die Kondensatormate­ rialien Pb (Zr,Ti)O3 [PZT], SrBi2Ta2O9 [SBT], SrTiO3 [ST] und (Ba,Sr)TiO3 [BST] bekannt.
Die Verwendung dieser neuartigen Hoch-Epsilon-Dielektri­ ka/Ferroelektrika bereitet aus verschiedenen Gründen Proble­ me. Zunächst lassen sich diese neuartigen Materialien nicht mehr mit dem traditionellen Elektrodenmaterial (Poly-)Sili­ zium kombinieren. Deshalb müssen inerte Elektrodenmateri­ alien wie beispielsweise Pt oder leitfähige Oxide (z. B. RuO2) eingesetzt werden. Ferner muß zwischen dem Elektrodenmateri­ al und der leitfähigen Anschlußstruktur (Plug) zum Transistor eine Diffusionsbarriere (z. B. aus TiN, TaN, Ir, IrO2 und Mo- Si2) eingefügt werden.
Schließlich erfordert der Aufbau solcher Strukturen das Ab­ scheiden der neuartigen Hoch-Epsilon-Dielektrika/Ferroelek­ trika in einer Sauerstoff-Atmosphäre und das - üblicherweise mehrfache - Tempern der bereits teilweise prozessierten Si-Halb­ leiterscheibe bei Temperaturen oberhalb 550°C.
Der Einsatz dieser neuartigen Substanzen (Metalle und Sel­ tenerdmetalle) für das Hoch-Epsilon-Dielektrikum/Ferroelek­ trikum, die Elektroden und die Barriereschicht in Verbindung mit dem Erfordernis, hohe, Diffusionsvorgänge begünstigende Prozeßtemperaturen verwenden zu müssen, bedeutet in der Pra­ xis ein erheblich erhöhtes Verunreinigungs- oder Kontaminati­ onsrisiko der Si-Halbleiterscheibe bei der Fertigung.
Die US-Patentschrift 5,679,405 beschreibt ein Verfahren, bei dem zur Verhinderung von kontaminierenden Anlagerungen ein Ar-Gasstrom über die Rückseite einer Halbleiterscheibe gelei­ tet wird, welche in einer CVD-Anlage an einem Substrathalter befestigt ist.
Die US-Patentschrift 5,424,224 beschreibt ein Verfahren, in welchem die Rückseite einer Halbleiterscheibe während des Po­ lierens der Vorderseite und des Randes der Scheibe durch Auf­ bringen einer SiO2- oder Si3N4-Schutzschicht geschützt wird. Nach dem Poliervorgang wird die Schutzschicht wieder ent­ fernt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prozessierung einer Si-Halbleiterscheibe anzu­ geben, das eine Verringerung des Kontaminations- bzw. Verun­ reinigungsrisikos der Halbleiterscheibe während der Durchfüh­ rung eines Temperschritts ermöglicht. Ferner zielt die Er­ findung darauf ab, eine vorderseitig zumindest teilprozes­ sierte Si-Halbleiterscheibe zu schaffen, die gegen eine Kon­ tamination in einem nachfolgenden Temperschritt geschützt ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Aufbringen der Schutzschicht auf die Rückseite der Si-Halbleiterscheibe wird verhindert, daß sich vor oder während des Temperschrittes Metall- und/oder Seltenerdmetall-Substanzen an der "nackten" Rückseite der Halbleiterscheibe anlagern können und während des Temper­ schrittes durch Diffusion in das monokristalline Si-Material gelangen und dieses verunreinigen können. Derartige Verun­ reinigungen des Halbleitermaterials sind unerwünscht, da sie zu einer Beeinträchtigung der Lebensdauer und/oder der elek­ trischen Eigenschaften der Bauelemente führen können, die auf der Vorderseite der Halbleiterscheibe hergestellt werden.
Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Schutzschicht eine Si3N4-Sperrschicht. Es hat sich gezeigt, daß eine Nitridschicht - insbesondere gegenüber Pt - eine ausgesprochen wirkungsvolle Diffusionsbarriere bil­ det.
Vorzugsweise wird die Si3N4-Sperrschicht durch einen LPCVD- (Low Pressure Chemical Vapor Deposition-)Prozeß abge­ lagert. Dadurch wird ein sehr "dichtes" Nitrid mit einer ge­ ringen Ätzrate und guten Diffusionssperreigenschaften erhal­ ten.
Zweckmäßigerweise wird vor der Ablagerung der Si3N4-Sperr­ schicht eine SiO2-Pufferschicht auf der Si-Halbleiterscheibe aufgebracht. Diese verhindert, daß sich zwischen dem mono­ kristallinen Siliziumsubstrat und der Si3N4-Sperrschicht übermäßige Spannungen aufbauen, welche die Homogenität, die mechanische Stabilität und die Diffusionssperrwirkung der Si3N4-Sperrschicht beeinträchtigen können.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kenn­ zeichnet sich dadurch, daß die Schutzschicht eine SiO2-Sperr­ schicht umfaßt. Die SiO2-Sperrschicht wirkt ebenfalls einer Verunreinigung des monokristallinen Si-Halbleitersub­ strats entgegen, wobei angenommen wird, daß ihre Wirkung in stärkerem Maße als bei der Si3N4-Sperrschicht auf Einlage­ rungs- oder Anreicherungsprozesse der fernzuhaltenden Sub­ stanz(en) in der Schicht beruht.
Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Schutzschicht eine Sperrschicht, die aus einer Dreischichtstruktur bestehend aus einer in zwei SiO2-Schicht­ lagen eingebetteten Polysilizium-Schichtlage oder einer Mehr­ schichtstruktur bestehend aus alternierend angeordneten SiO2- und Polysilizium-Schichtlagen aufgebaut ist.
Die Dicke der Schutzschicht kann in Abhängigkeit von dem ver­ wendeten Schichtmaterial, Art und Dosis der Substanz(en) und den Prozeßbedingungen (insbesondere Temperatur und Zeitdauer des Temperschrittes) gewählt werden. Vorzugsweise weist die Schutzschicht eine Dicke größer als 30 nm, insbesondere grö­ ßer als 100 nm auf.
Eine weitere mit Vorteil eingesetzte Maßnahme kennzeichnet sich dadurch, daß die Schutzschicht mit einem als Haftzentrum für die vom Si-Halbleitersubstrat fernzuhaltenden Sub­ stanz(en) wirkenden Stoff, insbesondere Phosphor dotiert wird. Durch die Dotierung wird die Einlagerungs- bzw. Auf­ nahmefähigkeit der Schutzschicht bezüglich der Substanzen(en) erhöht.
Üblicherweise werden bei der Prozessierung der Vorderseite der Si-Halbleiterscheibe mehrere Schichtabscheidungsschritte ausgeführt, bei denen verschiedene derartige Substanzen (Me­ talle und/oder Seltenerdmetalle) freigesetzt werden. Nach einer vorteilhaften Verfahrensführung kann vorgesehen sein, die Schutzschicht nach einem Schichtabscheideprozeß einer Reinigung zur Entfernung angelagerter Substanzen zu unterzie­ hen und/oder die Schutzschicht zur Entfernung eines höher kontaminierten Oberflächenbereichs nach einem Schichtabschei­ deprozeß oder zwischen zwei Temperschritten teilweise abzu­ tragen. Dadurch wird erreicht, daß der Belegungs- bzw. An­ reicherungsgrad der Schutzschicht mit kontaminierenden Sub­ stanzen vor dem folgenden Temperschritt reduziert wird.
Eine weitere bevorzugte Maßnahme besteht darin, die Rückseite der Si-Halbleiterscheibe vor dem Aufbringen der Schutzschicht in einem oberflächennahen Bereich gewollt zu schädigen. Eine auf diese Weise gebildete "Schädigungsschicht" ist in der La­ ge, die erwähnten Substanzen aufzunehmen und zu "demobilisie­ ren", und damit - zusätzlich zu der Schutzschicht - einem Eindiffundieren derselben in das monokristalline Si-Halb­ leitersubstrat entgegenzuwirken.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigt die einzige Figur in schematischer Weise die Schichtfolge einer in einer Si-Halb­ leiterscheibe ausgebildeten DRAM-Speicherzelle mit Schalttransistor und Hoch-Epsilon- oder ferroelektrischem Stack-Kondensator.
Auf einem p-dotierten Si-Halbleitersubstrat 1 ist mittels üb­ licher planartechnischer Verfahren (Schichtabscheidung, Schichtstrukturierung unter Verwendung von Lithographie- und Ätztechniken, Schichtdotierung) ein N-Kanal MOS-Transistor aufgebaut.
Ein n+-dotierter Drain-Bereich 2 ist von einem n+-dotierten Source-Bereich 3 über einen zwischenliegenden Kanal 4 aus Substratmaterial getrennt. Oberhalb des Kanals 4 liegt eine dünne Gateoxidschicht 5. Auf der Gateoxidschicht 5 ist eine Polysilizium-Gateelektrode 6 angebracht.
Oberhalb des beschriebenen MOS-Transistors 2, 3, 4, 5, 6 ist eine Deckoxidschicht 7 abgelagert, welche ein Kontaktloch 8 umfaßt. Das Kontaktloch 8 ist mit einer elektrischen An­ schlußstruktur 9 (sog. "plug") bestehend aus Polysilizium ge­ füllt.
Aufbau und Herstellungsweise der gezeigten Struktur sind be­ kannt. Statt des hier dargestellten MOS-Transistors 2, 3, 4, 5, 6 kann auch ein Bipolar-Transistor oder ein sonstiges mo­ nolithisches Halbleiter-Funktionselement vorgesehen sein.
Oberhalb der Deckoxidschicht 7 ist ein Kondensator 10 reali­ siert.
Der Kondensator 10 weist eine untere Elektrode 11 (sog. "Bot­ tom-Elektrode"), eine obere Elektrode 12 und zwischenliegend ein Hoch-Epsilon-Dielektrikum/Ferroelektrikum 13 auf.
Das Hoch-Epsilon-Dielektrikum/Ferroelektrikum 13, beispiels­ weise PZT, SBT, ST oder BST, wird durch einen MOD (Metal Or­ ganic Deposition), einen MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) Prozeß oder einen Sputterprozeß abgeschieden.
Nach dem Abscheiden des Hoch-Epsilon-Dielektrikums/Ferro­ elektrikums 13 muß dieses in einer Sauerstoffhaltigen Atmo­ sphäre bei Temperaturen von etwa 550-800°C gegebenenfalls mehrfach getempert ("konditioniert") werden. Zur Vermeidung einer unerwünschten chemischen Reaktionen des Hoch-Epsilon-Dielek­ trikums/Ferroelektrikums 13 mit den Elektroden 11, 12 werden diese aus Pt (oder einem anderen ausreichend tempera­ turstabilen und inerten Material) gefertigt.
Zur Herstellung der Elektroden 11, 12 sind weitere Abscheide­ prozesse vor und nach dem Abscheiden des Hoch-Epsilon-Dielek­ trikums/Ferroelektrikums 13 erforderlich.
Da bei dem erwähnten Temperschritt kann z. B. Bi, Ba, Sr aus dem Hoch-Epsilon-Dielektrikum/Ferroelektrikum 13 durch die untere Pt Elektrode 11 hindurchdiffundieren. Ferner weist Pt bei Temperaturen oberhalb etwa 550°C eine hohe Diffusionsfä­ higkeit in Si auf. Zum Schutz der Anschlußstruktur 9 ist da­ her unterhalb der unteren Pt-Elektrode 11 eine durchgängige Barriereschicht 14 aus TiN, TaN, Ir, IrO2, MoSi2 oder einem anderen geeigneten Material vorgesehen. Auch die Barriere­ schicht 14 wird durch einen Abscheideprozeß (und gegebenen­ falls einem nachfolgenden Temperschritt) erzeugt, welcher ge­ mäß der dargestellten Schichtfolge vor dem Abscheiden der Pt-Elek­ troden 11, 12 und des Hoch-Epsilon-Dielektrikums/Ferro­ elektrikums 13 ausgeführt wird.
Sämtliche der für den Kondensator- und Barriereschichtaufbau benötigten "neuartigen" Substanzen (Metalle und Seltenerdme­ talle) könnten bei den erwähnten Abscheideprozessen auch di­ rekt mit der - üblicherweise freiliegenden - Rückseite der Si-Halbleiterscheibe in Kontakt kommen. Um zu verhindern, daß sich diese Substanzen rückseitig an das Si-Halbleitersub­ strat 1 anlagern und dann bei dem oder den nachfolgenden Tem­ perschritt(en) in dieses eindiffundieren, ist auf der Rück­ seite der Si-Halbleiterscheibe eine Schutzschicht 15 ange­ bracht.
Die Schutzschicht 15 kann vor, während oder nach der Herstel­ lung des MOS-Transistors 2, 3, 4, 5, 6, erzeugt werden. Sie muß selbstverständlich vor der Ablagerung zumindest derjeni­ gen "neuartigen" Substanz(en), deren rückseitiges Eindringen in die Si-Halbleiterscheibe auf alle Fälle verhindert werden soll, angebracht werden. Üblicherweise wird die Schutz­ schicht 15 also vor der Ablagerung der Barriereschicht 14 oder spätestens vor der Ablagerung der unteren Pt-Elektrode 11 erzeugt.
Die Schutzschicht 15 kann beispielsweise aus einer Si3N4-Sperr­ schicht einer Dicke von 30 nm oder mehr bestehen, der in optionaler Weise eine vorzugsweise wenigstens 10 nm dicke Oxidschicht zum Spannungsabbau im Übergangsbereich unterlegt ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, als Schutz­ schicht 15 eine "verdichtete" und gegebenenfalls dotierte SiO2-Sperrschicht vorzusehen. Ferner sind Sandwich-Schichten bestehend aus einer in zwei Oxid-Schichtlagen eingebetteten, dotierten Polysilizium-Schichtlage und Mehrfachschichten be­ stehend aus alternierenden Oxid- und dotierten Polysilizium-Schicht­ lagen einsetzbar. Als Dotierstoff kann u. a. Phosphor verwendet werden, wobei das Dotierstoffion (P+) als Komplex­ bildner wirkt.
In der Praxis hat sich herausgestellt, daß unter den erwähn­ ten Substanzen Pt (Elektrodenmaterial) eine besonders hohe Kontaminationsneigung zeigt. Bei einer Dicke der Schutz­ schicht größer als 30 nm konnte die Kontamination des mono­ kristallinen Siliziums bezüglich Pt merklich und bei einer Sichtdicke größer als 100 nm um mehrere Größenordnungen redu­ ziert werden.
Allerdings kann die Schutzschicht 15 gemäß ihrer Schichtdicke, den verwendeten Prozeßparametern (z. B. Temperatur und Zeitdauer des Temperschrittes) sowie der Umgebungsdosis der kontaminierenden Substanz(en) stets nur eine begrenzte Menge an Verunreinigungen abhalten. Um den Verunreinigungsgrad in dem Si-Halbleitersubstrat 1 auch bei geringen Schichtdicken oder ungünstigen Prozeßbedingungen (z. B. häufigem Tempern, langen Temper-Zeitdauern, hohen Temper-Temperaturen) gering zu halten, können zusätzlich Reinigungsschritte und/oder Ma­ terialabtragungsschritte vorgesehen sein.
Durch eine Reinigung nach dem Abscheideprozeß mit Königswas­ ser können Pt oder andere Metallanlagerungen an der Schutz­ schicht 15 abgelöst oder zumindest mengenmäßig reduziert wer­ den.
Eine Materialabtragung kann durch einen Ätzschritt erfolgen, bei dem eine äußere, stark kontaminierte Schichtlage von bei­ spielsweise weniger als 10 nm der Schutzschicht 15 entfernt wird. Eine Nitrid-Schutzschicht 15 kann beispielsweise mit HF/HNO3 geätzt werden.
Beide Prozesse (Reinigung und Materialabtragung) können so­ wohl in Kombination als auch wiederholt ausgeführt werden. Sind mehrere Temperschritte vorgesehen, kann auch ein zwi­ schen den einzelnen Temperschritten durchgeführter wiederhol­ ter Materialabtrag zur Reduzierung des Verunreinigungsgrades sinnvoll sein.
Die Schutzschicht 15 kann auch sukzessiv, abgestuft nach der Prozeßschrittzahl der auf die Vorderseite des Si-Halb­ leitersubstrats 1 aufzubringenden Strukturen, abgetragen werden. Dieses teilweise und somit wiederholte Entfernen der Schutzschicht 15 trägt dazu bei, die Verunreinigung der Scheibenrückseite auf ein vertretbares Maß zu senken. Insbe­ sondere hat diese Vorgehensweise den Vorteil, daß die jeweils am stärksten verunreinigte oberste Schicht der Schutzschicht 15 relativ schnell entfernt wird und somit die Wahrschein­ lichkeit eines weiteren Eindringen der Kontaminationen deut­ lich verringert ist. Die Schutzschicht 15 sollte für ein suk­ zessives Entfernen ausreichend dick aufgetragen werden.
Bei Verwendung einer Schutzschicht 15 bestehend aus einer Ni­ trid-Sperrschicht und einer Oxid-Pufferschicht sowie der ge­ nannten Reinigungs- und Materialabtragungsschritte konnte nach einem Entfernen dieser Schichten mittels TRXRF (Total Reflexion X-Ray Fluorescence) nachgewiesen werden, daß der Pt-Verunreinigungsgrad des Si-Halbleitersubstrats 1 bei einer Scheibendicke von 1 mm kleiner als 1011 Atome/cm2 war.
Bezugszeichen
1
Si-Halbleitersubstrat
2
Drain-Bereich
3
Source-Bereich
4
Kanal
5
Gateoxidschicht
6
Gateelektrode
7
Deckoxidschicht
8
Kontaktloch
9
Anschlußstruktur
10
Kondensator
11
untere Elektrode
12
obere Elektrode
13
Dielektrikum/Ferroelektrikum
14
Barriereschicht
15
Schutzschicht

Claims (12)

1. Verfahren zur Prozessierung einer monokristallinen Si-Halb­ leiterscheibe (1), bei dem die Si-Halbleiterscheibe (1) einem Temperschritt bei einer Temperatur von über 550°C un­ terzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zuvor auf die Rückseite der Si-Halbleiterscheibe (1) eine Schutzschicht (15) gegen das Eindringen einer oder mehrerer Metall- und/oder Seltenerdmetall-Substanzen während des Tem­ perschritts in die Si-Halbleiterscheibe (1) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (15) eine Si3N4-Sperrschicht umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Si3N4-Sperrschicht durch einen LPCVD-Prozeß abgela­ gert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Schutzschicht (15) die Schritte
  • - Ablagern einer SiO2-Pufferschicht; und
  • - Ablagern einer Si3N4-Sperrschicht auf der SiO2-Pufferschicht
  • - umfaßt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (15) eine SiO2-Sperrschicht umfaßt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (15) eine Sperrschicht umfaßt, die aus einer Dreischichtstruktur bestehend aus einer in zwei SiO2-Schicht­ lagen eingebetteten Polysilizium-Schichtlage oder ei­ ner Mehrschichtstruktur bestehend aus alternierend angeordne­ ten SiO2- und Polysilizium-Schichtlagen aufgebaut ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (15) eine Dicke größer als 30 nm, ins­ besondere größer als 100 nm aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (15) mit einem als Haftzentrum für die fernzuhaltende(n) Substanz(en) wirkenden Stoff, insbesondere Phosphor dotiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (15) nach einem Schichtabscheideprozeß einer Reinigung zur Entfernung angelagerter Substanzen unter­ zogen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (15) nach einem Schichtabscheideprozeß und/oder zwischen zwei Temperschritten zur Entfernung eines kontaminierten Oberflächenbereichs teilweise abgetragen wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite der Si-Halbleiterscheibe (1) vor dem Auf­ bringen der Schutzschicht (15) in einem oberflächennahen Be­ reich geschädigt wird.
12. Monokristalline Si-Halbleiterscheibe mit einer in bezug auf eine Folge von Schichtabscheidungsprozessen zumindest teilweise prozessierten Vorderseite, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite der Si-Halbleiterscheibe (1) eine Schutzschicht (15) gegen das Eindringen einer oder mehrerer Metall- und/oder Seltenerdmetall-Substanzen in die Si-Halb­ leiterscheibe (1) aufgebracht ist.
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