DE10260860A1 - Silicon germanium micro-mechanical layer comprises upper and lower surfaces and doping material whose concentration varies through layer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schicht aus Si1–xGex, ein mikromechanisches Bauelement mit einer derartigen Schicht, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung nach den unabhängigen Ansprüchen.The invention relates to a layer of Si 1-x Ge x , a micromechanical component with such a layer, and a method for its production according to the independent claims.
Stand der TechnikState of technology
Aus
Die Vorteile der LPCVD-Abscheidung liegen in der vergleichsweise niedrigen Abscheidetemperatur der erzeugten polykristallinen SiGe-Schichten, was für eine Backend-Integration wichtig ist.The benefits of LPCVD deposition lie in the comparatively low deposition temperature of the generated polycrystalline SiGe layers, which is important for back-end integration is.
Der entscheidende Nachteil der LPCVD-Schichten liegt in einem ausgeprägten Stressgradienten oder Schichtspannungsgradienten innerhalb der erzeugten SiGe-Schicht. Durch diesen überlagern sich beispielsweise einzelne Antriebsfinger einer Kammstrukturanordnung, die aus der Funktionsschicht heraus strukturiert worden ist, nicht mehr über die vollständige Dicke der Schicht bzw. die gesamte Länge der Finger, so dass deren Funktion nicht mehr gewährleistet ist. Im Extremfall schleift bei zu großem Stressgradienten das aus der Funktionsschicht aus SiGe herausstrukturierte bewegliche mikrome chanische Bauelement sogar auf dem Substrat. Dieser Stressgradient wird vor allem dadurch verursacht, dass die Schichtspannung auf der Unterseite der SiGe-Schicht eine andere ist als auf deren Oberseite, so dass sich insbesondere freitragende SiGe-Schichten oder – Balken teilweise um ein Vielfaches der SiGe-Schichtdicke nach oben verwölben. Andererseits ist es bisher nicht möglich, diesen Schichtspannungsgradienten während der LPCVD-Abscheidung der SiGe-Schicht bereits ausreichend zu reduzieren, ohne die Abscheidetemperaturen über CMOS-kompatible Abscheidetemperaturen hinaus zu erhöhen.The crucial disadvantage of the LPCVD layers lies in a pronounced Stress gradients or layer stress gradients within the generated ones SiGe layer. Overlay this for example, individual drive fingers of a comb structure arrangement, that has been structured out of the functional layer, not more about the complete Thickness of the layer or the entire length of the fingers, so that their Function no longer guaranteed is. In extreme cases, this grinds down if the stress gradient is too great the functional layer made of SiGe structured movable micromechanical Component even on the substrate. This stress gradient is before all caused by the layer tension on the bottom the SiGe layer is different from that on the top side, so that self-supporting SiGe layers or beams partly warp upwards by a multiple of the SiGe layer thickness. on the other hand so far it is not possible this layer voltage gradient during the LPCVD deposition of the SiGe layer can already be reduced sufficiently without the deposition temperatures being CMOS-compatible To increase deposition temperatures.
Alternative Ansätze wie ein sogenanntes "Rapid Thermal Annealing" einer SiGe-Schicht in einer Stickstoffatmosphäre oder die Herstellung einer SiGe-Schicht, welche aus mehreren Lagen mit verschiedenen Germaniumgehalten besteht, wie dies in S.A. Bhave et al., "Poly-SiGe: A high-Q structural material for integrated RF MEMS", Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, S.C., June 2002, Seiten 34-37, beschrieben ist, konnten den Stressgradienten ebenfalls nicht entscheidend reduzieren.Alternative approaches such as a so-called "rapid thermal annealing" of a SiGe layer in a nitrogen atmosphere or the production of a SiGe layer, which consists of several layers with different germanium contents, as shown in S.A. Bhave et al., "Poly-SiGe: A high-Q structural material for integrated RF MEMS ", solid state sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, S.C., June 2002, pages 34-37 could not significantly reduce the stress gradient either.
Zusammenfassend ist es bisher nicht möglich, SiGe-Schichten, insbesondere in Form von zumindest bereichsweise freitragenden Schichten, freitragenden Membranen oder freitragenden Balken oder Kammstrukturen wie sie in Beschleunigungs- oder Drehratensensoren eingesetzt werden, herzustellen, die eine ausreichend große Sensorfläche und damit auch eine ausreichend hohe Auflösung bieten. Gerade diesen Bereich möchte man aber durch die Integration von Mikromechanik und Mikroelektronik erschließen.In summary, it is not yet possible, SiGe layers, in particular in the form of at least some areas self-supporting layers, self-supporting membranes or self-supporting Bars or comb structures like those used in acceleration or rotation rate sensors are used to produce a sufficiently large sensor area and thus also a sufficiently high resolution Offer. I want this area but one can tap through the integration of micromechanics and microelectronics.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung einer Schicht aus Si1–xGex mit 0 < x < 1 mit einem reduzierten Stressgradienten, so dass insbesondere bei deren Einsatz als zumindest bereichsweise freitragende Schicht oder Struktur eine unerwünschte Verwölbung reduziert oder möglichst ganz unterdrückt werden kann, um diese so bei integrierten mikromechanischen Bauelementen auch mit großer Sensorfläche einsetzbar zu machen.The object of the present invention was to provide a layer of Si 1-x Ge x with 0 <x <1 with a reduced stress gradient, so that, particularly when it is used as a self-supporting layer or structure at least in regions, an undesired warping can be reduced or, if possible, completely suppressed to make them usable with integrated micromechanical components even with a large sensor area.
Vorteile der ErfindungAdvantages of invention
Die erfindungsgemäße Schicht aus Silizium-Germanium (Si1–xGex) hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass sie sich bei Ausbildung in Form einer zumindest bereichsweise freitragenden Schicht, einer Membran, eines freitragenden Balkens oder einer zumindest bereichsweise freitragenden Mikrostruktur gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Silizium-Germanium-Schichten deutlich weniger verwölbt.The layer of silicon germanium (Si 1-x Ge x ) according to the invention has the advantage over the prior art that, when embodied in the form of an at least regionally self-supporting layer, a membrane, a self-supporting beam or an at least regionally self-supporting microstructure Silicon germanium layers known from the prior art are significantly less warped.
Insbesondere wird durch den Unterschied der Dotierstoffkonzentration in einer Umgebung der Unterseite der Schicht gegenüber der Dotierstoffkonzentration in einer Umgebung der Oberseite der Schicht ein unerwünschter Stressgradient in der SiGe-Schicht reduziert bzw. sogar ganz abgebaut.In particular, the difference is the Dopant concentration in an environment of the bottom of the layer across from the dopant concentration in an environment of the top of the layer an undesirable Stress gradient in the SiGe layer reduced or even completely eliminated.
Die Wirkung des Unterschiedes in der Dotierstoffkonzentration zwischen der Oberseite und der Unterseite der Schicht beruht darauf, dass übliche Silizium-Germanium-Schichten auf ihrer bei der Abscheidung die Unterseite bildende Seite eine andere Schichtspannung aufweisen als auf ihrer Oberseite. So liegt in der Regel auf der Unterseite eine Druckspannung vor, während an der Oberseite eine deutlich niedrigere Druckspannung oder sogar eine Zugspannung vorherrscht. Dieser Schichtspannungsunterschied bzw. Spannungsgradient innerhalb der Silizium-Germanium-Schicht bewirkt die Verwölbung bzw. Auslenkung eines einseitig eingespannten Balkens oder die Verbiegung allgemein freitragender Strukturen aus einer derartigen Silizium-Germanium-Schicht.The effect of the difference in the dopant concentration between the top and the bottom the layer is based on that usual Silicon-germanium layers on their side forming the underside during deposition have different layer tension than on their top. So lies usually compressive stress on the underside while on the top a significantly lower compressive stress or even there is a tension. This layer tension difference or voltage gradient within the silicon germanium layer causes the warping or Deflection of a beam clamped on one side or the bending generally self-supporting structures made from such a silicon germanium layer.
Wesentliche Ursache für diesen Spannungsgradienten ist ein ungleichmäßiges Wachstum von Silizium-Germanium-Kristalliten auf dem Substrat bei der Ausbildung der polykristallinen Silizium-Germanium-Schicht und insbesondere eine unterschiedliche SiGe-Kristallitgröße als Funktion der Schichtdicke.The main reason for this voltage gradient is an uneven growth of silicon germanium crystallites on the substrate during the formation of the polycrystalline silicon germani um layer and in particular a different SiGe crystallite size as a function of the layer thickness.
So haben diejenigen Kristallite, die zunächst die Startschicht auf dem Substrat bilden, und die sich später auf der Unterseite der Silizium-Germanium-Schicht befinden, einen kleineren Durchmesser als diejenigen Kristallite, die nachfolgend abgeschieden werden, und die sich insbesondere im Bereich der Schichtoberseite befinden.So those have crystallites the first the Form the starting layer on the substrate, and which later on the bottom of the silicon germanium layer, a smaller one Diameter than those crystallites that are subsequently deposited be, and especially in the area of the top layer are located.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene unterschiedliche Dotierstoffkonzentration in einer Umgebung der Oberseite der Schicht verglichen mit der Dotierstoffkonzentration in der Umgebung der Unterseite der Schicht und insbesondere einen definiert eingestellten Gradienten in der Dotierstoffkonzentration wie eine monoton wachsende oder monoton fallende Dotierstoffkonzentration als Funktion der Schichtdicke kann daher eine gezielte Erhöhung der Druckspannung auf der Oberseite der SiGe-Schicht erreicht, und dadurch der innerhalb der SiGe-Schicht ansonsten vorliegende Spannungsgradient reduziert bzw. ausgeglichen werden.Due to the different provided according to the invention Dopant concentration in an environment of the top of the layer compared to the dopant concentration in the vicinity of the bottom the layer and in particular a defined gradient in the dopant concentration like a monotonously growing or monotonically falling dopant concentration as a function of the layer thickness can therefore be a targeted increase the compressive stress on the top of the SiGe layer is reached, and as a result, the voltage gradient otherwise present within the SiGe layer be reduced or balanced.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.Advantageous further developments of Invention result from the measures mentioned in the subclaims.
So ist besonders vorteilhaft, wenn als Dotierstoff in die polykristalline Silizium-Germanium-Schicht eingebrachte Fremdatome eingesetzt werden, die sich auf Zwischengitterplätzen oder an Kristallgrenzen befinden, oder die in das Kristallgitter des Si1–xGex integriert sind und darüber dort zu einer lokalen Verspannung führen.It is particularly advantageous if foreign atoms introduced into the polycrystalline silicon germanium layer are used as dopants, which are located on interstitial sites or at crystal boundaries, or which are integrated in the crystal lattice of Si 1-x Ge x and above there to form a local one Lead tension.
Vor allem ist vorteilhaft, wenn man einen Konzentrationsgradienten des Dotierstoffes in der Si1–xGex Schicht erzeugt, der dem zuvor vorhandenen Spannungsgradienten in der SiGe-Schicht entgegenwirkt. Insofern ist es günstig, die höchste Dotierstoffkonzentration nahe der Oberseite der Si1–xGex Schicht vorzusehen, wo die intrinsischen Spannungen am kleinsten sind. Unter der Oberseite ist dabei die Schichtseite zu verstehen, die einer weiteren Schicht oder einem Substrat, auf der sich die Si1–xGex Schicht befindet, abgewandt ist.Above all, it is advantageous if a concentration gradient of the dopant is generated in the Si 1-x Ge x layer, which counteracts the previously existing voltage gradient in the SiGe layer. In this respect, it is favorable to provide the highest dopant concentration near the top of the Si 1-x Ge x layer, where the intrinsic voltages are lowest. The top side is to be understood as the layer side which faces away from a further layer or a substrate on which the Si 1-x Ge x layer is located.
Die Einbringung des Dotierstoffes in die SiGe-Schicht erfolgt bevorzugt im Rahmen einer Wärmebehandlung nach der Abscheidung einer Si1–xGex Ausgangsschicht beispielsweise auf einem Substrat oder einer weiteren Schicht wie einer Opferschicht. Im Rahmen dieser Wärmebehandlung muss einerseits eine ausreichend hohe Temperatur erreicht werden, um eine Diffusion der Dotierstoffatome in der SiGe-Schicht zu ermöglichen, gleichzeitig darf diese Temperatur jedoch nicht derart hoch sein, dass erwünschte CMOS-Eigenschaften beeinträchtigt werden.The dopant is preferably introduced into the SiGe layer as part of a heat treatment after the deposition of an Si 1-x Ge x starting layer, for example on a substrate or a further layer such as a sacrificial layer. In the course of this heat treatment, a sufficiently high temperature must be reached on the one hand to allow diffusion of the dopant atoms in the SiGe layer, but at the same time this temperature must not be so high that desired CMOS properties are impaired.
Als Dotierstoff eignet sich vor allem Bor, Phosphor sowie Sauerstoff. Daneben sind jedoch auch andere, auf Zwischengitterplätze oder Kristallitgrenzen in dem Si1–xGex einbringbare Dotierstoffe geeignet.Boron, phosphorus and oxygen are particularly suitable as dopants. In addition, however, other dopants which can be introduced at interstitial sites or crystallite boundaries in the Si 1-x Ge x are also suitable.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Sauerstoff, da Si1–xGex Schichten vielfach ohnehin bereits eine Dotierung aufweisen, um darüber den elektrischen Widerstand der SiGe-Schicht zu vermindern. Da man zum Erreichen eines möglichst geringen elektrischen Widerstandes die Dotierstoffe dabei meist bis an die Grenze ihrer Löslichkeit in die SiGe-Schicht einbringt, kann man mit einem weiteren Zusatz solcher Dotierstoffe keinen zusätzlichen Dotierstoffgradienten mehr aufbauen, der Druck- und/oder Zugspannungen in der SiGe-Schicht vermindert. Sauerstoff kann hingegen stets zumindest lokal in die oberen Bereiche der SiGe-Schicht eindiffundieren und dort eine Erhöhung der Schichtspannung induzieren. Weiter ist es über die Menge des eindiffundierten Sauerstoffes und die Temperatur besonders einfach möglich, den Spannungsgradienten in der SiGe-Schicht einzustellen. Schließlich führt der Einsatz von Sauerstoff nicht zu Kontaminations- bzw. Umweltproblemen.The use of oxygen is particularly advantageous since Si 1-x Ge x layers often already have a doping in order to reduce the electrical resistance of the SiGe layer. Since the dopants are usually introduced to the limit of their solubility in the SiGe layer in order to achieve the lowest possible electrical resistance, it is no longer possible to build up additional dopant gradients, the compressive and / or tensile stresses in the SiGe, with the addition of such dopants Layer decreased. In contrast, oxygen can always diffuse at least locally into the upper regions of the SiGe layer and induce an increase in the layer tension there. Furthermore, the amount of oxygen diffused in and the temperature make it particularly easy to set the voltage gradient in the SiGe layer. After all, the use of oxygen does not lead to contamination or environmental problems.
Zeichnungdrawing
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Ausführungsbeispieleembodiments
Die Erfindung geht von der Herstellung
einer Ausgangsschicht
Insbesondere wird in
Entsprechend wird auch im hier erläuterten Beispiel
die Ausgangsschicht
Das mikroelektromechanische Bauelement oder
allgemeiner die Ausgangsschicht
Insbesondere wird eine monoton fallende Dotierstoffkonzentration
von der Oberseite
Als Dotierstoff wird bevorzugt Sauerstoff in die Ausgangsschicht aus SiGe-Schicht eingebracht.Oxygen is preferred as the dopant introduced into the starting layer of SiGe layer.
Die Wärmebehandlung erfolgt bevorzugt in einem Ofen unter Atmosphärendruck, um ein möglichst schnelles Eindiffundieren des Sauerstoffes zu ermöglichen. Dabei ist sowohl eine sogenannte Wet-Oxidation, als auch eine sogenannte Dry-Oxidation möglich.The heat treatment is preferred in an oven under atmospheric pressure, to one if possible to enable quick diffusion of oxygen. Both a so-called wet oxidation and a so-called Dry oxidation possible.
Alternativ zu reinem Sauerstoff kann auch Sauerstoff in einem Gasgemisch mit variablem Sauerstoffpartialdruck wie ein O2/N2-Gemisch oder ein O2/Ar-Gemisch eingesetzt werden. Daneben eignen sich auch andere oxidierende Gasatmosphären oder Dampfatmosphären, die bevorzugt mindestens eines der nachfolgenden Gase bzw. mindestens einen der nachfolgenden Dämpfe ausgewählt aus der Gruppe Wasserdampf, H2O2-Dampf, HNO3-Dampf, HNO3/HCl-Dampf, NO2, Ozon, PH3 , NOCl2, CO2 oder COCl2 enthalten oder daraus bestehen.As an alternative to pure oxygen, oxygen can also be used in a gas mixture with variable oxygen partial pressure, such as an O 2 / N 2 mixture or an O 2 / Ar mixture. In addition, other oxidizing gas atmospheres or steam atmospheres are also suitable, which preferably select at least one of the following gases or at least one of the following vapors selected from the group consisting of water vapor, H 2 O 2 vapor, HNO 3 vapor, HNO 3 / HCl vapor, NO 2 , or contain ozone, PH 3 , NOCl 2 , CO 2 or COCl 2 .
Generell kann die erläuterte Wärmebehandlung
zwischen einigen Minuten und einigen Stunden andauern, was unter
anderem von der Schichtdicke und dem Spannungsgradienten in der
Ausgangsschicht vor der Wärmebehandlung
abhängig
ist. Die Temperatur, der die Ausgangsschicht
Nach Abschluss der Wärmebehandlung
ist die Sauerstoffkonzentration im Bereich der Oberseite
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