Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen amorpher Halbleiterschichten in einem monolithischen Halbleiterkörper, insbesondere zum Zwecke der in der integrierten Halbleitertechnik erforderlichen Isolation von Halbleiterbereichen gegeneinander.
Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Isolationsschichten in Halbleiterkörpern durch lonenimplantation vorgeschlagen worden, bei denen vom Halbleitermaterial unterschiedliche lonen, wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff, verwendet werden. Die Implantation wird dabei mit einem Energiepegel durchgeführt, der entsprechend der gewünschten Eindringtiefe der Ionen gewählt ist.
Die Implantationszeit wird so festgelegt, dass eine dichte lonenschicht im Halbleitermaterial entsteht. Anschliessend wird der Halbleiterkörper auf eine Temperatur erhitzt, bei der die eingebetteten Ionen mit den Ionen des Halblcitermaterials reagieren und eine Isolationsschicht bilden.
Im USA Patent 3 622 382 ist bereits eine Halbleiteranordnung vorgeschlagen worden, bei der sich eine einzelne durch gehende Isolationsschicht von der Oberfläche bis zu einer be stimmten Tiefe innerhalb eines Halbleiterkörpers erstreckt und eine Zone des Halbleiterkörpers umschliesst und dadurch dielektrisch isoliert. Diese Isolationsschicht wird durch Bombardierung mit Ionen erzeugt, die mit den Atomen des Halbleitermaterials bei einem Erhitzungsprozess rea gieren. Der Ionenstrahl wird dabei auf ein Maskenfenster und dessen abgeschrägte Kanten gerichtet. Durch die abgeschrägten Kanten wird erreicht, dass die Eindringtiefe der Ionen von der Oberfläche bis zu einer bestimmten Tiefe im Bereich des Maskenfensters reicht.
Während eines Erhitzungsprozesses reagieren die Atome des Halbleiterkörpers mit den implantierten Ionen, wobei eine Isolationsschicht entsteht, die den von ihr eingeschlossenen Halbleiterbereich dielektrisch isoliert.
In der integrierten Halbleitertechnik wird eine Anzahl von aktiven und passiven Elementen in oder auf einem gemeinsamen monokristallinen Halbleiterkörper hergestellt.
Diese Elemente werden mit Hilfe von Leitungszügen miteinander verbunden, die auf einer auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebrachten Isolationsschicht angeordnet sind. Unerwünschte elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen innerhalb des Halbleiterkörpers werden durch dazwischen angeordnete Isolationsschichten verhindert.
Es sind verschiedene Strukturen und Methoden bekannt.
um diese gegenseitige Isolation zu bewirken. Eine Methode besteht darin, dass zwischen den einzelnen Halbleiterelementen in Sperrichtung betriebene PN-Übergänge angeordnet werden. Diese Isolationsmethode ist mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Insbesondere erweist sich die in Verbindung mit den PN-Übergängen auftretende parasitäre Kapazität als ungünstig im Hinblick auf die erreichbare Geschwindigkeit. Ein weiterer Nachteil ergibt sich in einigen Anwendungsgebieten dadurch, dass diese Halbleiterübergänge strahlungsempfindlich sind und dass dadurch die Isolationswirkung unter Umständen aufgehoben werden kann.
Eine weitere Isolationsmethode besteht darin, dass die zu isolierende Halbleiteranordnung mit einer Schicht aus Isolations material umgeben wird. Diese Methode ist als dielektrische Isolation bekannt. Dabei werden beispielsweise Kanäle in den Halbleiterkörper eingeätzt, die die einzelnen Halbleiterbereiche voneinander trennen. Anschliessend wird die gesamte Oberfläche einschliesslich der eingeätzten Kanäle mit einer Isolationsschicht bedeckt. Schliesslich wird auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers das Halb leitermaterial bis auf den Grund der Kanäle entfernt. Auf diese Weise entstehen Halbleiterbereiche, die mit Isolationsmaterial umgeben sind. Diese Methode ist jedoch sehr zeitaufwendig, kostspielig und ausserdem schwierig durchzuführen.
Isolationsschichten aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Siliziumoxyd wurden bisher dadurch hergestellt, dass Ionen anderer Materialien als das Material des verwendeten Halbleiterkörpers in den Halbleiterkörper implantiert wurden. Beispielsweise wurden bei der Herstellung von Siliziumnitridschichten Stickstoffatome in den Silizium-Halbleiterkörper implantiert. Bei einer anschliessenden Erhitzung auf eine Temperatur von etwa 1100 C reagieren die implantierten Ionen mit den Ionen des Halbleiterkörpers und bilden Siliziumnitridschichten.
Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen amorpher Halbleiterschichten, vorzugsweise solcher, die als Isolationsschichten verwendbar sind, durch Ionenimplantation anzugeben, das im Vergleich mit dem bekannten Verfahren wesentlich vereinfacht ist.
Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem monolithischen Halbleiterkörper durch Implantation von Ionen gleichen Halbleitermaterials amorphe Halbleiterschichten in durch die aufgewandte Strahlenergie bestimmter Tiefe erzeugt werden. Als vorteilhaft erweisen sich Halbleitermaterialien aus der Germanium und Silizium enthaltenden Gruppe. Eine Strahlenergie N 5 keV und eine Dosis von mindestens 1 < 1015 lonen/cm' erweisen sich als vorteilhaft.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens erweist sich dadurch als besonders vorteilhaft, dass die von einer vergrabenen Isolationsschicht ausgehenden und sich an die Oberfläche erstreckenden, die seitlichen Begrenzungsschichten bildenden Isolationsschichten ohne Veränderung der Strahlenergie lediglich durch Verlängerung der Einwirkzeit hergestellt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Herstellung einer dielektrischen Isolationsschicht in einem Halbleiterkörper,
Fig. 2 eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
Fig. 3, 4 und 5 die qualitative Verteilung der Atomversetzungen in Abhängigkeit von der Tiefe,
Fig. 6, 7 und 8 Mikrophotographien von Querschnitten mit Verteilungen nach Fig. 3, 4 und 5.
Zur Herstellung einer vergrabenen Schicht in einem monokristallinen Halbleiterkörper werden, wie in Fig. 1 angedeu tet, Ionen in den Halbleiterkörper an einer definierten Stelle implantiert. Das Verfahren betrifft insbesondere die Implantation von Siliziumionen in ein monokristallines Siliziumsubstrat.
Eine Einrichtung zur Durchführung der lonenimplantation ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Mit dieser oder vergleichbaren Einrichtungen lassen sich Atome bestimmter Elemente in einer lonenquelle 30 ionisieren und mit Hilfe eines Potentialgradienten in einem Beschleuniger 32 auf eine Energie beschleunigen, so dass sie in ein in einer geeigneten Kammer 34 untergebrachtes Objekt 10 implantiert werden. Da der lonenstrahl 36 geladen ist. kann er durch magnetische und elektrische Felder beeinflusst und somit fokussiert und in der Kammer 38 abgelenkt werden.
Die Tiefe, in der die Ionen im Objekt 10 implantiert werden, ist eine Funktion der Energie und des Einfallswinkels des lonenstrahles in bezug auf das Objekt 10. Der Einfallswinkel kann beispielsweise durch Rotation des Objekts 10 um eine Achse 40 gesteuert werden. Gewöhnlich reicht eine Energie von 5 keV bis 3 MeV aus. um Ionen in einen monokristallinen Halbleiterkörper 10 zu implantieren. Es ist eine Reihe von Methoden bekannt, die eine Festlegung des Gebietes gestatten, in welchem die Implantation folgen soll. Beispielsweise kann der lonenstrahl durch magnetische oder elektrische Felder so fokussiert und abgelenkt werden, dass er lediglich auf das Gebiet trifft, in welchem eine Implantation stattfinden soll.
Es ist aber auch möglich, in den Strahlengang 36 an irgendeiner Stelle eine Maske anzuordnen, die den Ionenstrahl nur auf bestimmte Bereiche auftreffen lässt. Schliesslich kann eine Festlegung des Implantationsgebietes auch dadurch erreicht werden, dass die Oberfläche des zu beaufschlagenden Halbleiterkörpers selbst mit einer geeigneten Maske beschichtet wird. Gewöhnlich bringt man eine maskierende Schicht geeigneten Materials auf und legt durch Anwendung konventioneller photolithographischer Techniken in den gewünschten Bereichen Maskenfenster frei.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise ein monokristalliner Halbleiterkörper aus Silizium mit Silizium atomen bombardiert. Dies ist in Schritt 1 der Fig. 1 darge stellt. Die Bombardierung kann in bezug auf die Kristall achse in beliebiger Richtung erfolgen, es wird jedoch bevorzugt, dass sie unter einem Winkel von 20 zur grösseren Hauptachse erfolgt. Der Auftragswinkel in bezug auf die Kristallstruktur beeinflusst die Eindringtiefe der Ionen. Ein kleiner Winkel zwischen Strahl und Kristallachse ergibt auch eine Verdichtung der implantierten Ionen. Die zu beaufschlagende Fläche kann mit Hilfe der bereits erwähnten Methoden kontrolliert werden. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, wird die Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 10 mit einer Maske 12 beschichtet. Die maskierende Schicht verhindert, dass Ionen in den Halbleiterkörper 10 eindringen.
Die Maske 12 kann aus jedem geeigneten Metall oder aus Isolationsmaterial bestehen. Typische Materialien sind Molybdän, Wolfram, Platin, Gold, Silber, Siliziumdioxyd, Siliziumnitrid und ähnliche. Im Normalfall benötigt man lediglich Maskenschichten mit einer Dicke von wenigen tausend Ä. Die Masken können durch konventionelle photolithographische Technik hergestellt werden.
Wie im Schritt 2 dargestellt. wird durch die lonenimplantation im Bereich der ungeschützten oder unmaskierten Ober fläche im Innern des Halbleiterkörpers 10 eine Schicht 14 gebildet. Diese Schicht 14 besteht aus einer hohen Konzentration von implantierten Siliziumionen. Die Tiefe der Schicht 14 innerhalb des Halbleiterkörpers hängt von der Energie ab, mit der die Implantation erfolgt. In Abhängigkeit von der gewünschten Eindringtiefe werden gewöhnlich Energien von 500 keV bis 3 MeV aufgewendet. In Fig. 3 ist im Querschnitt die Verteilung der Kristallgitterstörungen dargestellt, wie sie nach Durchführung des Verfahrensschrittes 2 in Fig.
1 auftritt. Die Konzentration bei implantierten Ionen innerhalb der Schicht 14 beträgt 1018 bis 1022 Ionen/cm3. Wie in Schritt 2 angedeutet, bilden die implantierten Ionen innerhalb dem Halbleiterkörper 10 eine amorphe Siliziumschicht 14. Diese amorphe Siliziumschicht weist einen spezifischen Widerstand von über 1000 Ohm ¯ cm auf. Dieser Wert bleibt auch bei einem einstündigen Tempern bei einer Temperatur von 550 0C erhalten.
Der Halbleiterkörper 10 mit der vergrabenen amorphen Isolationsschicht 14 kann anschliessend, wie in den Schritten 3 und 4 der Fig. 1 angedeutet ist, so weiter behandelt werden, dass eine vollkommene Isolationswanne entsteht. Die Schicht 14 bildet dabei die isolierende Bodenfläche dieser Iso lationswanne. Im Halbleitermaterial innerhalb dieser Isolationswanne können in bewährter Weise aktive oder passive integrierte Schaltelemente erzeugt werden. Im Schritt 3 der Fig. 1 erfolgt die lonenimplantation in Verbindung mit einer Maske 12 zur Bildung der Seitenwände der Isolationswanne.
Diese seitlichen Isolationsschichten 16 werden wiederum durch lonenimplantation gebildet, wobei während ihrer Bildung die Energie des Ionenstrahls nicht verändert wird. Dadurch können jegliche Einstell- und Regeleinrichtungen entfallen. Die implantierten Isolationsschichten 16 bestehen wiederum aus amorphem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von über 1000 Ohm ¯ cm. Die fertige Struktur ist im Schritt 4 dargestellt. Das dielektrisch isolierte Halbleitergebiet 18 kann nunmehr die in bekannter Weise einzubringenden Halbleiterzonen zur Bildung der gewünschten Strukturen aufnehmen.
Im Schritt 4 der Fig. 1 ist zwar nur eine einzelne Isolationswanne mit Isolationsschichten 14 und 16 dargestellt, die die monokristallinen Halbleiterbereiche 18 und 19 trennen, selbstverständlich ist es möglich, unter Anwendung der bekannten Maskierungstechnik gleichzeitig mehrfache derartige Strukturen herzustellen.
Um wirksame und durchgehende Isolationsschichten zu erhalten, muss die Konzentration der implantierten Siliziumionen im allgemeinen 1018 oder grösser und vorzugsweise 1020 bis 1022 Ionen/cm3 betragen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wurde ein P-dotiertes Siliziumplättchen, dessen Oberflächen etwa 20 gegen die [111] Kristallebene geneigt waren, dessen spezifischer Widerstand 1 Ohm ¯ cm betrug und das einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufwies, einem Implantationsprozess von Siliziumionen unterworfen, wobei die Gesamtenergie 1 MeV betrug.
Der Strahlstrom betrug 2,3 uA und die betroffene Fläche waren 4 cm2 bei einer Dichte von 0,58 #A/cm2, was einem lonenfluss von 3,6 x 1012 Ionen/cm2 entspricht. Die Implantationsdauer betrug 28 Minuten bei einer Dosis von 6 x 10'" lonen/cm2. Dabei ergab sich die in Fig. 3 dargestellte qualitative Verteilung der Atomversetzungen, bzw. Kristallgitterstörungen in Abhängigkeit von der Tiefe, die in dem Schliffbild der Fig. 6 ersichtlich ist.
Bei einem zweiten, dem ersten entsprechenden Ausführungsbeispiel wurde lediglich die Energie von 1 MeV während einer Zeit von 46 Minuten aufrechterhalten, was eine Dosis von 1 x 1018 lonen/cm2 ergab. Aus Fig. 4 ist zu ersehen, dass unter diesen Bedingungen sich das amorphe Wachstum gegen die Oberfläche hin fortsetzt, vgl. dazu die Aufnahme von Fig. 7. Bei einem dritten, wiederum im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Ausführungsbeispiel wurde die Energie von 1 MeV während einer Zeit von 280 Minuten aufrechterhalten, so dass sich eine Gesamtdosis von 6 x 1018 lonen/cm2 ergab. Aus Fig. 5 ist zu ersehen, dass sich das amorphe Wachstum unter diesen Bedingungen bis an die Oberfläche hin fortsetzt, vgl. dazu die Aufnahme von Fig. 8.
Dem vorstehenden ist zu entnehmen, dass sich das Wachstum amorphen Siliziums in einem Halbleiterkörper aus Silizium homogen und in seiner Eigenschaft gleichbleibend erhalten bleibt, obwohl aus vergrabenen Schichten und von diesen ausgehend an die Oberfläche des Halbleiterkörpers sich ausdehnende Schichten gebildet werden. Derartige Ergebnisse werden nicht erhalten, wenn in bekannter Weise zur Verringerung der Eindringtiefe während des Implantationsprozesses der Energiepegel sequentiell herabgesetzt wird.
Ähnliche Ergebnisse erhält man, wenn Germaniumionen in monokristallines Germanium implantiert werden.