DD254086A1 - METHOD FOR PRODUCING A MONOCRYSTALLINE SILICIDE LAYER ON A SILICON SUBSTRATE - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Silizidschicht auf einem Siliziumsubstrat. Das Verfahren kann insbesondere in der Mikroelektroniktechnologie zur Herstellung von Schottky-Kontakten, Leiterbahnen und Widerstandsbahnen, aber auch von dreidimensionalen Strukturen verwendet werden. Durch Verbesserung der Deponierungsbedingungen fuer Laserstrahlung im Hinblick auf eine homogene Temperatur- und Konzentrationsverteilung in der Fluessigphasenschicht werden guenstige Bedingungen fuer die monokristalline Schichtbildung geschaffen. Dazu wird auf die Oberflaeche eines Siliziumsubstrates eine Metallschicht (20-50 nm) und auf diese eine Siliziumschicht (20-100 nm) aufgebracht. Danach erfolgt eine Bestrahlung des Schichtsystems mit einem Nanosekunden-Laserimpuls der Energiedichte 0,5-2,5 J/cm2 und eine thermische Nachbehandlung.Process for producing a monocrystalline silicide layer on a silicon substrate. The method can be used in particular in microelectronics technology for the production of Schottky contacts, interconnects and resistor tracks, but also of three-dimensional structures. By improving the deposition conditions for laser radiation in view of a homogeneous temperature and concentration distribution in the liquid phase layer favorable conditions for the monocrystalline layer formation are created. For this purpose, a metal layer (20-50 nm) and on this a silicon layer (20-100 nm) is applied to the surface of a silicon substrate. This is followed by irradiation of the layer system with a nanosecond laser pulse of the energy density 0.5-2.5 J / cm 2 and a thermal aftertreatment.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Silizidschicht auf einem Siliziumsubstrat mittels Laserbestrahlung. Sie kann insbesondere in der Mikroelektroniktechnologie Anwendung finden.The invention relates to a method for producing a monocrystalline silicide layer on a silicon substrate by means of laser irradiation. It can be used in particular in microelectronics technology.

Derartige Silizidschichten sind wichtig für die Herstellung von Schottky-Kontakten, Leiterbahnen und Widerstandbahnen. Besonders geeignet sind sie für die Herstellung dreidimensionaler Strukturen bei diskreten und integrierten Bauelementen.Such silicide layers are important for the production of Schottky contacts, tracks and resistor tracks. They are particularly suitable for the production of three-dimensional structures in discrete and integrated components.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Die Herstellung von Silizidschichten ist bekannt. Diese kann durch eine konventionelle thermische Behandlung erfolgen (S.Saitok, H.Jshiwara, T.Asano, S.Furukawa, Jpn. J. Appl. Phys. 22,1649 [1981]). Darunter wird eine Ausheilung in einem Zeitbereich von 10 min bis zu einigen Stunden bei Temperaturen von 500°C-1 200⁰C verstanden.The production of silicide layers is known. This can be done by a conventional thermal treatment (S. Saitok, H. Jshiwara, T. Asano, S. Furukawa, Jpn. J. Appl. Phys. 22, 1649 [1981]). By this is meant a cure in a time range of 10 min to a few hours at temperatures of 500 ° C-1200 ⁰ C.

Der Nachteil dieser Verfahren liegt darin, daß einkristalline Schichten nur mit sehr hohem Aufwand zu realisieren sind. Es bedarf dazu der Schichtaufbringung und Temperung im Ultrahochvakuum.The disadvantage of this method is that monocrystalline layers can be realized only with great effort. It requires layering and tempering in ultra-high vacuum.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung monokristalliner Silizidschichten ist die Molekularstrahlepitaxie {R.T.Tung, J.M.Poate, J. C. Beam, J.M.Gilson, and D.C.Jacolsen,Thin Solid Films 93,77 [1982]). Dabei wird eine Silizidschicht auf ein vorgeheiztes Substrat aufgebracht. Die Anforderungen an die apparatetechnischen Voraussetzungen sind dabei ebenfalls sehr hoch. Es kommen hohe Sauberkeitsanforderungen unter Ultrahochvakuumbedingungen hinzu.Another known method for producing monocrystalline silicide layers is molecular beam epitaxy {R.T.Tung, J.M.Poate, J.C. Beam, J.M. Gilson, and D.C. Jacolsen, Thin Solid Films 93, 77 [1982]). In this case, a silicide layer is applied to a preheated substrate. The requirements for the technical equipment requirements are also very high. There are high cleanliness requirements under ultra-high vacuum conditions added.

Es sind auch bereits Versuche bekanntgeworden, Silizidschichten unter Anwendung von Nanosekunden-Lasern im Flüssigphasenregime herzustellen. (J.M.Poate, H.J.Leamy,T.T.Sheng, and G.K.Celler, Appl. Phys. Lett. 33, 918 [1978]). Diese Versuche sind jedoch gescheitert. Ausgegangen wurde von einer Metallschicht auf Silizium, die bestrahlt wurde, wobei diese Behandlung jedoch nicht zu homogenen Silizidschichten führte.It has also become known attempts to produce silicide layers using nanosecond lasers in the liquid phase regime. (J.M.Poate, H.J. Leamy, T.T.Sheng, and G.K. Celler, Appl. Phys. Lett., 33, 918 [1978]). However, these attempts have failed. The starting point was a metal layer on silicon which was irradiated, but this treatment did not lead to homogeneous silicide layers.

Es wurde deshalb dazu übergegangen, bereits thermisch vorbehandelte Silizidschichten mit Nanosekunden-Laserimpulsen aufzuschmelzen.It was therefore decided to melt already thermally pretreated silicide layers with nanosecond laser pulses.

Die Möglichkeit der Erreichung monokristalliner Silizidschichten stellte sich dabei heraus (R.T. Tung, J. M. Gilson, D. C. Jacobson and J. M. Poate, Appl. Phys. Letters U 3476 [1983]). Diese Verfahren weisen gegenüber den konventionellen thermischen den Vorteil auf, daß die thermische Behandlung verkürzt und dadurch hervorgerufene Belastungen verringert werden und ein hoher apparativer und technologischer Aufwand umgangen werden kann.The possibility of achieving monocrystalline silicide layers emerged (R. T. Tung, J. M. Gilson, D. C. Jacobson and J. M. Poate, Appl. Phys. Letters U 3476 [1983]). These methods have the advantage over the conventional thermal, that the thermal treatment is shortened and thereby induced loads are reduced and a high equipment and technological effort can be avoided.

Gegenüber den Molekularstrahlverfahren ergeben sich Vorteile im zeitlichen Vergleich- und aus dem verringerten apparativen Aufwand. Es bleibt aber der Nachteil, daß eine thermische Vorbehandlung der Schichten nicht umgangen werden kann.Compared with the molecular beam method, there are advantages in the temporal comparison and the reduced expenditure on equipment. However, there remains the disadvantage that a thermal pretreatment of the layers can not be avoided.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist gegenüber bekannten Laserverfahren die Einsparung eines Verfahrensschrittes, nämlich dem der thermischen Vorbehandlung der aufgebrachten Metallschichten.The aim of the invention over known laser methods is the saving of a process step, namely the thermal pretreatment of the applied metal layers.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Deponierungsbedingungen für die Laserstrahlung derart zu verbessern, daß man in der Flüssigphasenschicht eine homogene Temperatur- und Konzentrationsverteilung erhält und die Erstarrungsprozesse im Hinblick auf die gewünschte monokristalline Schichtbildung entsprechend ablaufen können.The object of the invention is to improve the deposition conditions for the laser radiation such that a homogeneous temperature and concentration distribution is obtained in the liquid phase layer and the solidification processes can proceed in accordance with the desired monocrystalline layer formation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem auf die Oberfläche eines Siliziumsubstrates eine Metallschicht der Dicke von 20 bis 50 nm und auf diese eine Siliziumschicht mit einer Schichtdicke von 20 bis 100 nm aufgebracht werden und danach eine Bestrahlung des Schichtsystems mit einem Nanosekunden-Laserimpuls der Energiedichte von 0,5-2,5 J/cm² und eine Nachbehandlung erfolgen. Vorteilhafterweise wird davon ausgegangen, daß die Oberfläche des Siliziumsubstrates eine (111)- bzw. (100)-Fläche ist. Für die Metallschicht kommt Ni, Co oder Fe in Frage. Die thermische Nachbehandlung der Silizidschicht wird bei einer Temperatur bis 1000⁰C während einer Dauer von 10-30 min vorgenommen. Auch für die Nachbehandlung ist die Anwendung von Laserstrahlung vorgesehen. Es wird dazu ein ms-Nd: Glas-Laserverwendet. Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von epitaktischen Silizidschichten, z. B. NiSi₂, bei dem eine Nickelschicht auf Siliziumsubstrat aufgebracht und durch eine Siliziumschicht abgedeckt wird. Eine epitaktische NiSi₂-Schicht auf (111)- und (10O)-Si wird durch ns-Laserbestrahlung im Energiedichtebereich von 0,5-2,5 J/cm² erzeugt. Nachfolgende Temperungen bei Temperaturen bis zu 1000⁰C bewirken die Ausheilung verbleibender Defekte. Das Verfahren ermöglicht die Reduzierung der thermischen Belastung des Substrates und bereits realisierter Strukturen bei minimalem Aufwand für die Schichtpräparation. Durch die zusätzliche Si-Deckschicht werden die Deponierungsbedingungen für die Laserstrahlung dadurch verbessert, daß die Siliziumschicht als Antireflexionsschicht wirkt und für eine günstige Temperaturverteilung in der Metallschicht sorgt. Gleichzeitig wird ein Teil des für die Reaktion notwendigen, auf hoher Temperatur befindlichen Silizium-Reservoirs bereitgestellt.According to the invention, this object is achieved by a method in which a metal layer with a thickness of 20 to 50 nm and a silicon layer with a layer thickness of 20 to 100 nm are applied to the surface of a silicon substrate and then irradiated with a nanosecond irradiation of the layer system. Laser pulse of the energy density of 0.5-2.5 J / cm ² and a post-treatment. Advantageously, it is assumed that the surface of the silicon substrate is a (111) or (100) surface. For the metal layer is Ni, Co or Fe in question. The thermal treatment of the silicide layer is carried out at a temperature up to 1000 ⁰ C for a period of 10-30 min. The application of laser radiation is also intended for after-treatment. An ms-Nd: glass laser is used. The invention enables the production of epitaxial silicide layers, for. B. NiSi ₂ , in which a nickel layer is deposited on silicon substrate and covered by a silicon layer. An epitaxial NiSi ₂ layer on (111) and (10O) -Si is generated by ns laser irradiation in the energy density range of 0.5-2.5 J / cm ² . Subsequent tempering at temperatures up to 1000 ⁰ C cause the healing of remaining defects. The method makes it possible to reduce the thermal load of the substrate and already implemented structures with minimal effort for the layer preparation. The additional Si cover layer improves the deposition conditions for the laser radiation by virtue of the fact that the silicon layer acts as an antireflection layer and ensures a favorable temperature distribution in the metal layer. At the same time, a portion of the necessary for the reaction, high-temperature silicon reservoir is provided.

Ausführungsbeispiel 'Exemplary embodiment

Die für die Herstellung einer einkristallinen NiSi₂-Schicht auf >100 <Si-Substrat notwendigen Verfahrensschritte sollen anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben werden.The necessary for the production of a single crystal NiSi ₂ layer on> 100 <Si substrate process steps will be described using an exemplary embodiment.

Auf ein chemisch gereinigtes > 100 < Si-Substrat werden mittels Elektronenstrahlbedampfung eine Nickelschicht (Schichtdicke 40nm) und anschließend eine Siliziumschicht (Schichtdicke 70 nm) aufgebracht. Die Bedampfung erfolgt bei Raumtemperatur in einem Vakuum von ca. 5 χ 10"^s Pa.A nickel layer (layer thickness 40 nm) and then a silicon layer (layer thickness 70 nm) are applied by means of electron beam vapor deposition to a chemically cleaned> 100 <Si substrate. The evaporation is carried out at room temperature in a vacuum of about 5 χ 10 " ^s Pa.

Die Bestrahlung dieses Schichtsystems wird mit einem gütegeschalteten Nd:Glas-Laser (Wellenlänge 1,06μπη, Impulsdauer 40ns) im Energiedichtebereich von 1 bis 2 J/cm² durchgeführt.The irradiation of this layer system is carried out with a Q-switched Nd: glass laser (wavelength 1.06μπη, pulse duration 40ns) in the energy density range of 1 to 2 J / cm ² .

Nach der Laserbestrahlung liegt eine homogen reagierte Silizidschicht (NiSi₂) mit einem scharfen Grenzflächenbereich zwischen Silizid und Siliziumsubstrat vor. Noch vorhandene Defekte werden durch eine nachfolgendeTemperung im Vakuum (1O^-4Pa) bei einer Temperatur von 800°C und einer Zeitdauer von 20min ausgeheilt.After laser irradiation, there is a homogeneously reacted silicide layer (NiSi ₂ ) with a sharp interface between the silicide and the silicon substrate. Remaining defects are cured by subsequent vacuum annealing (10 ^-4 Pa) at a temperature of 800 ° C for a period of 20 minutes.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Silizidschicht auf einem Siliziumsubstrat mittels Laserbestrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche eines Siliziumsubstrates eine Metallschicht der Dicke von 20 bis 50 nm und auf diese eine Siliziumschicht mit einer Schichtdicke von 20 bis 100 nm aufgebracht werden, danach eine Bestrahlung des Schichtsystems mit einem Nanosekunden-Laserimpuls der Energiedichte von 0,5-2,5 J/cm² und eine Nachbehandlung erfolgen.1. A process for producing a monocrystalline silicide on a silicon substrate by means of laser irradiation, characterized in that on the surface of a silicon substrate, a metal layer of thickness from 20 to 50 nm and applied to this a silicon layer with a layer thickness of 20 to 100 nm, then a Irradiation of the layer system with a nanosecond laser pulse energy density of 0.5-2.5 J / cm ² and a post-treatment. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Siliziumsubstrates eine (111)- bzw. (100)-Fläche ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the surface of the silicon substrate is a (111) - or (100) surface. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Metallschicht Ni, Co oder Fe verwendet wird.3. The method according to claim 2, characterized in that is used for the metal layer Ni, Co or Fe. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Nachbehandlung 10-30 min bei einer Temperatur bis 1 000°C erfolgt.4. The method according to claim 3, characterized in that the thermal aftertreatment takes place for 10-30 min at a temperature up to 1 000 ° C. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Nachbehandlung Laserstrahlung verwendet wird.5. The method according to claim 3, characterized in that laser radiation is used for the post-treatment. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ms- bzw. cw-Laser verwendet werden.6. The method according to claim 5, characterized in that ms or cw laser are used. 7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Nachbehandlung Kurzzeitausheilungen (Streifenheizer, Blitzlampen, Halogenlampen) verwendet werden.7. The method according to claim 3, characterized in that for the post-treatment Kurzzeitausheilungen (strip heater, flash lamps, halogen lamps) are used.