DD212141A1

DD212141A1 - METHOD FOR LOCAL DOPING AND CRYSTAL IMPROVEMENT OF SEMICONDUCTOR MATERIAL

Info

Publication number: DD212141A1
Application number: DD23826082A
Authority: DD
Inventors: Karl-Heinz Heinig; Mathias Voelskow; Helmut Woittennek; Juergen Matthaei; Albrecht Zetzsche; Roland Klabes
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1982-03-18
Filing date: 1982-03-18
Publication date: 1984-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Dotierung und Kristallverbesserung durch Fluessigphasenepitaxie in Halbleitermaterial durch Keimschmelzen. Die Erfindung kann in der Mikro- und Leistungselektronik Anwendung finden. Mit der Erfindung soll ein Verfahren zur Herstellung lokal dotierter Gebiete beziehungsweise zur Verbesserung elektronischer Eigenschaften lokaler oberflaechennaher Gebiete geschaffen werden, wobei die dotierten Gebiete tief ins Halbleitermaterial hineinreichen und ihre vertikale und laterale Ausdehnung sich nicht stark unterscheiden sollen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass auf beziehungsweise in der Oberflaeche eines einkristallinen Halbleiters Strukturen hergestellt werden, welche fuer ueberhitztes Halbleitermaterial als Zentren fuer Schmelzkeimbildung wirken. Die strukturierte, einkristalline Oberflaeche wird sehr schnell aufgeheizt und fuer kurze Zeit etwas ueber die Schmelztemperatur des Halbleitermaterials hinaus erhitzt (ueberhitzt). Ausgehend von den geschaffenen Strukturen beginnt das metastabile, feste Halbleitermaterial durch Keimschmelzen in definierter Form aufzuschmelzen. Nach dem Aufheizen kuehlt sich das Halbleitermaterial wieder ab, wobei das geschmolzene Material fluessigphasenepitaktisch auf die umgebende einkristalline Matrix monokristallin aufwaechst. Das voruebergehend geschmolzene Gebiet wird dotiert, wenn die schmelzkeimbildenden Strukturen Material enthalten, welches sich in der Halbleiterschmelze loest und waehrend der Rekristallisation im Kristallgitter eingebaut wird.The invention relates to a method for local doping and crystal improvement by liquid phase epitaxy in semiconductor material by nucleation. The invention can be used in microelectronics and power electronics. The invention is intended to provide a method for producing locally doped regions or for improving electronic properties of local near-surface regions, wherein the doped regions extend deeply into the semiconductor material and their vertical and lateral extent should not differ greatly. According to the invention, the object is achieved by producing structures on or in the surface of a monocrystalline semiconductor, which act as centers for melt nucleation for superheated semiconductor material. The structured, monocrystalline surface is heated up very quickly and, for a short time, heated slightly above the melting temperature of the semiconductor material (overheated). Starting from the structures created, the metastable, solid semiconductor material begins to melt in a defined form by means of nucleation. After heating, the semiconductor material cools down again, wherein the molten material monochrystalline waxes liquid-phase epitaxially on the surrounding monocrystalline matrix. The temporarily melted region is doped when the melt nucleation structures contain material that dissolves in the semiconductor melt and is incorporated into the crystal lattice during recrystallization.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Dotierung und Kristailverbesserung durch'.Flüssigphasenepitaxie in Halbleitermaterial durch Keimschmelzen, Die Erfindung kann in der Mikro- und Leistungselektronik Anwendung finden.The invention relates to a method for local doping and Kristilverb'erung by'.Liquid-phase epitaxy in semiconductor material by nucleation, The invention can be found in microelectronics and power electronics application.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Zur lokalen Änderung des.Typs der Leitfähigkeit in Halbleitern, zum Beispiel zur Herstellung von pn-Übergängen, sind vier Dotierungsverfahren bekannt, nämlich das Legieren, das Diffundieren, das Ionenimplantleren und das Thermomigrieren.For locally changing the type of conductivity in semiconductors, for example for making pn junctions, four doping methods are known, namely alloying, diffusing, ion implanting and thermomigrating.

Das Legieren wird bei der Herstellung großflächiger pn-Übergänge angewendet, es ist kein geeignetes Verfahren für die Mikroelektronik, Bei der Herstellung von Flächentransistoren durch Legieren werden zum Beispiel dünne, η-leitende Halbleiterplättchen durch beiderseitiges Aufbringen von p-dotierenden Metall und anschließendes Tempern oberhalb der eutektischen Temperatur dotiert, so daß eine pnp-Struktur entsteht. Hierbei ist es zum Beispiel schwierig, die Dicke der nicht umdotierten -n-leitenden Schicht reproduzierbar herzustellen. Die Dicke dieser Schicht, der Transistorbasis, bestimmt aber die Charakteristik des Flächentransistors wesentlich. Das Diffundieren wird in großem Umfang sowohl in der Leistungs- als auch in der Mikroelektronik angewendet. Durch Öffnungen in Diffusionsmasken auf der Halbleiteroberfläche können Fremdatome in die Oberflächenschicht des Halbleitermaterials eindiffundieren und den Leitungstyp ändern. Das Verfahren ist einfach, birgt aber eine Reihe von Nachteilen in sich. So muß zum SindiffundierenAlloying is used in the fabrication of large area pn junctions, it is not a suitable method for microelectronics. In the fabrication of surface transistors by alloying, for example, thin, η-type semiconductor wafers are formed by depositing p-doping metal on both sides and then annealing above doped eutectic temperature, so that a pnp structure is formed. Here, for example, it is difficult to reproducibly produce the thickness of the non-redoped -n-type layer. However, the thickness of this layer, the transistor base, substantially determines the characteristic of the junction transistor. Diffusion is widely used in both power electronics and microelectronics. Through openings in diffusion masks on the semiconductor surface, foreign atoms can diffuse into the surface layer of the semiconductor material and change the conductivity type. The process is simple, but has a number of disadvantages. So must to Sindiffundieren

or. um λ η π π ^ c\ λ π /, λ λ or. by λ η π π c \ λ π /, λ λ

der Fremdatome das Halbleitermaterial über relativ lange Zeiten (Minuten und Stunden) auf hohen Temperaturen ( 1000 C und mehr für Silizium) gehalten werden. Dabei können schon strukturierte Gebiete und das Halbleitergrundmaterial negativ beeinflußt werden und die Gefahr von störender Verunreinigung des Halbleitermaterial ist hoch. Desweiteren lassen sich in der Regel durch Diffusion nur dünne Oberflächenschichten dotieren und die pn-Übergänge sind nicht scharf, Sine Tiefendiffusion ist in der Regel auch meist mit unerwünschter, starker lateraler Diffusion verbunden. Das moderne Verfahren der Ionenimplantation wird in der Mikroelektronik in zunehmendem Maße zum Dotieren definierter Oberflächengebiete eingesetzt. Die Ionenimplantation ist ein Uiedertemperaturprozeß und zeichnet sich durch eine hohe Reproduzierbarkeit aus. Sehr nachteilig sind die Strahlenschäden im Kristallgitter, die durch das Bombardement mit Ionen erzeugt werden und anschließend durch Tempern oder.!,andere Verfahrensschritte ausgeheilt werden müssen. Pur bestimmte Anwendungsfälle kann die relativ geringe Sindringtiefe der Ionen einen Uachteil darstellen, der auch durch Sachdiffusion oder Hochenergieimplantation nicht voll ausgeglichen werden kann. Bei der Thermomigration Wandern flüssige, legierte Halbleitergebiete entlang eines Temperaturgradienten durch das feste Halbleitermaterial und hinterlassen eine kristalline Spur aus dotiertem Material. Dieses Verfahren ist vor allem dann vorteilhaft, wenn nicht nur an der Oberfläche, sondern tief ins Halbleitermaterial hinein dotiert werden soll, Nachteile bestehen darin, daß das Verfahren relativ schwer zu beherrschen ist, daß das Halbleitermaterial längere Zeit (Minuten bis Stunden) stark erhitzt (ca. 100O⁰G für Si) werden muß und daß die Dotanden bis zur Löslichkeitsgrenze in das Kristall eingebaut werden.the impurities the semiconductor material over relatively long times (minutes and hours) are kept at high temperatures (1000 C and more for silicon). In this case, even structured areas and the semiconductor base material can be adversely affected and the risk of disturbing contamination of the semiconductor material is high. Furthermore, only thin surface layers can usually be doped by diffusion, and the pn junctions are not sharp. Sine depth diffusion is generally also usually associated with undesired, strong lateral diffusion. The modern method of ion implantation is increasingly used in microelectronics for doping defined surface areas. The ion implantation is a low-temperature process and is characterized by a high reproducibility. Very disadvantageous are the radiation damage in the crystal lattice, which are generated by the bombardment with ions and then have to be annealed by annealing or. Other process steps. For certain applications, the relatively low Sindringtiefe of the ions represent a Uachteil that can not be fully compensated by physical diffusion or high energy implantation. In thermomigration, liquid, alloyed semiconductor regions migrate along a temperature gradient through the solid semiconductor material leaving a crystalline trace of doped material. This method is particularly advantageous if not only at the surface, but deep into the semiconductor material is to be doped in, disadvantages are that the process is relatively difficult to control, that the semiconductor material for a long time (minutes to hours) strongly heated ( ca. 100O ⁰ G for Si) and that the dopants are incorporated into the crystal up to the solubility limit.

Störende Verunreinigungen (insbesondere Schwermetalle) werden aus den elektrisch aktiven Gebieten des HaIbleiterniaterials entfernt, indem man für diese sogenannte Getter-Zentren schafft. Solche Getter-Zentren sind zum Beispiel Gitterstrukturfehler durch Ionenimplantation oder mechanisches Ritzen an der Rückseite von Siliziumscheiben, Über lokales Reinigen von Halbleitermaterial durch Zonenschmelzen sind bisher keine Anwendungsfälle bekannt, lediglich bei der Laserausheilung llektronenpulsausheilung im lanosekundenregime wurde dieser Effekt bisher im Labor beobachtet. Die lokale Verbesserung der Kristallstruktur von Halbleitermaterialdurch Flüssigphasenepitaxie ist bisher nur von der Thermoniigration und Laserausheilung her bekannt .Disturbing impurities (especially heavy metals) are removed from the electrically active regions of the semiconductor material by creating for these so-called getter centers. Such getter centers are, for example, lattice structural defects by ion implantation or mechanical scratches on the back of silicon wafers, About local cleaning of semiconductor material by zone melting so far no applications are known, only in the laser annealing llektronenpulsausheilung in lanosekundenregime this effect has been observed in the laboratory. The local improvement of the crystal structure of semiconductor material by liquid phase epitaxy has heretofore been known only from the thermonigration and laser annealing.

Pur die Thermomigration gelten auch hierfür die oben angeführten Vor- und Nachteile. Die lokale Flüssigphasenepitaxie durch die übliche Laserausheilung im Sanosekundenregime hat den Nachteil, daß nur relativ flache Gebiete bis zu etwa 1 /um Tiefe aufgeschmolzen und rekristallisiert werden können.For thermal migration, the above-mentioned advantages and disadvantages apply. The local Flüssigphasenepitaxie by the usual laser annealing in Sanosekundenregime has the disadvantage that only relatively flat areas can be melted down to about 1 / to depth and recrystallized.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung lokal dotierter Gebiete beziehungsweise zur .Verbesserung elektronischer Eigenschaften lokaler oberflächennaher Gebiete. Der eigentliche Dotierungsprozeß soll sekundenschnell ablaufen und die Tiefe der dotierten Gebiete soll etwa deren lateralen Ausdehnung entsprechen.The object of the invention is a method for producing locally doped regions or for improving electronic properties of local near-surface regions. The actual doping process should take place within seconds and the depth of the doped regions should correspond approximately to their lateral extent.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung lokal dotierter Gebiete an der Oberfläche und/oder zur lokalen Kristallverbesserung von Halbleitermaterial durch Flüssigphasenepitaxie zu schaffen. Die dotierten Gebiete sollen tief ins Halbleitermaterial hineinreichen, ihre vertikale und laterale Ausdehnung sollen sich nicht stark unterscheiden. Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf beziehungsweise in der Oberfläche eines einkristallinen Halbleiters Strukturen hergestellt werden, welche für überhitztes Halbleitermaterial als Zentren für Schmelzkeimbildung wirken« Die strukturierte, einkristalline Oberfläche wird sehr schnell aufgeheizt und für kurze Zeit etwas über die Schmelztemperatur des Halbleitermaterials hinaus erhitzt (überhitzt). Ss liegt somit kurzzeitig festes Halbleitermaterial vor, welches gegenüber dem flüssigen Zustand metastabil ist. Ausgehend von. den geschaffenen Strukturen beginnt das metastabile, feste Halbleitermaterial durch Keimschmelzen in definierter Porm aufzuschmelzen. Die überhitzung der Oberfläche soll dabei nicht so hoch sein und/oder nicht so lange dauern, daß durch Homonukleation an unstrukturierten Stellen.der Schmelzprozeß beginnen kann. Bach dem Aufheizen kühlt sich das Halbleitermaterial wieder ab, wobei das geschmolzene Material flüssigphasen-epitaktisch auf die umgebende einkristailine Matrix monokristallin aufwächst. Das vorübergehend geschmolzene Gebiet wird dotiert, wenn die schmelzkeimbildenden Strukturen Material enthalten, welches sich in der Halbleiterschmelze löst und während der Rekristallisation im Kristallgitter eingebaut wird. Enthalten die schmelzkeimbildenden Strukturen nicht solches dotierendes Material, so kann erforderlichenfalls, d.h. wenn eine Dotierung erwünscht ist, in die Nähe dieser Strukturen dotierendes MaterialThe invention has for its object to provide a method for producing locally doped areas on the surface and / or for the local crystal improvement of semiconductor material by Flüssigphasenepitaxie. The doped regions should extend deep into the semiconductor material, their vertical and lateral extent should not differ greatly. According to the invention, the object is achieved in that structures are produced on or in the surface of a monocrystalline semiconductor which act as centers for hot nucleation for superheated semiconductor material. The structured, monocrystalline surface is heated very rapidly and, for a short time, slightly above the melting temperature of the semiconductor material heated (overheated). Thus, for a short time, solid semiconductor material is present, which is metastable to the liquid state. Starting from. In the structures created, the metastable, solid semiconductor material begins to melt in a defined shape by means of nucleation. The overheating of the surface should not be so high and / or take so long that can start by homonucleation at unstructured Stellen.der melting process. As it heats up, the semiconductor material cools again, with the molten material growing liquid-phase epitaxially on the surrounding monocrystalline monocrystalline single crystal matrix. The temporarily melted region is doped when the melt nucleation structures contain material that dissolves in the semiconductor melt and is incorporated into the crystal lattice during recrystallization. If the microbial-forming structures do not contain such doping material, then, if necessary, i. if doping is desired, material doping near these structures

auf oder in der Oberfläche deponiert werden. Ist kein dotierendes Material vorhanden, so kann das Verfahren zur Verbesserung der elektronischen Eigenschaften lokaler oberflächennaher Halbleitergebiete genutzt werden. Das kurzzeitig geschmolzene und flüssigphasenepitaktisch rekristallisierte Material kann eine bessere Kristallqualität besitzen als das Ausgangsmaterial. Insbesondere wird das Halbleitermaterial durch die auftretende Segregation lokal von evtl. störenden Fremdet of fen wie Pe, Cu oder anderen gereinigt. Diese werden in eine dünne Oberflächenschicht segregiert, welche nachfolgend entfernt (zum Beispiel weggeätzt) werden kann.be deposited on or in the surface. If no doping material is present, the method can be used to improve the electronic properties of local near-surface semiconductor regions. The short-term melted and liquid-phase epitaxially recrystallized material may have better crystal quality than the starting material. In particular, the semiconductor material is locally cleaned by the occurring segregation of possibly interfering Fremdet of fen such as Pe, Cu or others. These are segregated into a thin surface layer which can subsequently be removed (etched away, for example).

Die physikalische Grundlage der Erfindung ist der Effekt des Keimschmelzens« Ein sehr schnell aufgeheizter Festkörper schmilzt nicht sofort, wenn er seine Schmelztemperatur erreicht und überschreitet. Der überhitzte Festkörper befindet sich dann in einem thermodynamisch . metastabilen Zustand, der nach endlicher Zeit in den thermodynamisch, stabilen Zustand der Schmelze übergeht. Da das Schmelzen einen thermodynamischen Phasenübergang 1. Art darstellt, entsteht die neue stabile Phase aus der thermodynamisch instabilen (überhitzten) Phase mittels Keimbildung, wie das zum Beispiel von der Wassertröpfchenbildung (Kondensation) in instabilen (übersättigtem) Wasserdampf her bekannt ist. Ist eine thermodynamisch instabile Phase homogen verteilt und enthält keine Verunreinigungen, so geschieht die Keimbildung der neuen Phase durch Fluktuationen (thermische Fluktuationen, Dichtefluktuationen, . .,). Diesen Effekt nennt man Homonukleation. Die Wahrscheinlichkeit für die Keimbildung durch Homonukleation ist in der ITähe des Phasenübergangspunktes (für kleine Überhitzungen, Übersättigungen, Unterkühlungen, ...) gering, so daß eine thermo-The physical basis of the invention is the effect of nucleation. "A very rapidly heated solid does not melt immediately when it reaches and exceeds its melting temperature. The overheated solid is then in a thermodynamic. metastable state, which after finite time passes into the thermodynamic, stable state of the melt. Since the melting represents a thermodynamic phase transition of the first kind, the new stable phase arises from the thermodynamically unstable (superheated) phase by means of nucleation, as is known, for example, from the formation of water droplets (condensation) in unstable (supersaturated) water vapor. If a thermodynamically unstable phase is homogeneously distributed and contains no impurities, the nucleation of the new phase is due to fluctuations (thermal fluctuations, density fluctuations,.,). This effect is called homonucleation. The probability of nucleation due to homonucleation is low in the vicinity of the phase transition point (for small superheats, supersaturations, subcoolings, etc.), so that a thermal

dynamisch instabile Phase relativ lange existieren kann. Unter diesen Umständen spricht man von einem thermodynamisch metastabilen Zustand, Befinden sich in der instabilen Phase Inhomogenitäten oder Verunreinigungen, so wird die Bildung der Keime der neuen Phase erleichtert. Bei den Inhomogenitäten oder Verunreinigungen ist die Aktivierungsenergie für Keimbildung verringert, und mit abnehmender Aktivierungsenergie steigt die Keimbildungsrate exponentiell. Daher ist bei Anwesenheit solcher Keimbildungszientren eine metastabile Phase nicht lange existent. Den Prozeß der Keimbildung durch Keimbildungszentren nennt man Heteronukleation, Ein Beispiel dafür ist die sogenannte Willsonsche Nebelkammer. Es wird reiner, übersättigter Dampf erzeugt, der durch Homonukleation nicht kondensieren kann. Erst die ionisierten Atome der Spur eines Strahlungsteilchens wirken als effektive Zentren für Keimbildung, an denen sich durch Heteronukleation Tröpfchen MIden können. Die Keimbildungsenergie nimmt mit zunehmender Entfernung vom Phasenumwandlungspunkt (zunehmende Überhitzung, Übersättigung, ...) stark, ab. Wenn daher homogenes, sauberes Material sehr schnell und weit in den instabilen Bereich hineingebracht'wird, so lösen schon sehr kleine, sehr oft auftretende statistische Fluktuationen Homonukleationen aus. Dieses Gebiet starker Überhitzung (bzw. Übersättigung, ...) nennt man spinodales Regime, Die Erfindung nutzt den Unterschied in den Keimbildungsraten für Homonukleation und Heteronukleation beim Schmelzprozeß eines Halbleiters aus.dynamic unstable phase can exist relatively long. Under these circumstances, one speaks of a thermodynamically metastable state, If in the unstable phase inhomogeneities or impurities, so the formation of the nuclei of the new phase is facilitated. In the inhomogeneities or impurities, the activation energy for nucleation is reduced, and as the activation energy decreases, the nucleation rate increases exponentially. Therefore, in the presence of such nucleation vectors, a metastable phase does not exist for long. The process of nucleation by nucleation centers is called heteronucleation. One example is the so-called Willson cloud chamber. It produces pure, supersaturated vapor that can not condense by homonucleation. Only the ionized atoms of the trace of a radiation particle act as effective centers for nucleation, where droplets can undergo heteronucleation. The nucleation energy decreases sharply with increasing distance from the phase transition point (increasing overheating, supersaturation, ...). Therefore, if homogeneous, clean material is brought into the unstable region very quickly and far, even very small, very frequent statistical fluctuations trigger homonucleations. This area of severe overheating (or supersaturation, ...) is called a spinodal regime. The invention exploits the difference in nucleation rates for homonucleation and heteronucleation in the melting process of a semiconductor.

Schmelzkeime können sich überall im Volumen eines Pestkörpers bilden, wenn die Überhitzung stark genug ist. Die Keimbildung im Pestkörpervolumen ist jedoch im allgemeinen stark behindert, da sich in der Regel die Molvolumina von festem und flüssigem Material unterscheidenEnamel germs can form anywhere in the volume of a plague body if overheating is severe enough. However, nucleation in the body of the plague is generally severely hindered, as typically the molar volumes of solid and liquid material differ

und ein großer Beitrag zur Keimbildungsenergie durch die notwendige Verzerrung des umgebenden Gitters entsteht ,and a large contribution to the nucleation energy is created by the necessary distortion of the surrounding lattice,

An der freien Pestkörperoberfläche entfällt dieser Beitrag der Deforrnationsenergie zur Keimbildungsenergie. Hier können aber in der Regel keine Schmelzkeime beobachtet werden, da die Schmelze i.a. den eigenen Pestkörper benetzt und die saubere Oberfläche als zweidimensionaler Schmelzkeim wirkt.At the free plague surface, this contribution of the deforestation energy to the nucleation energy is eliminated. As a rule, however, no melting germs can be observed here, since the melt i.a. wets the own plague body and the clean surface acts as a two-dimensional melting germ.

Erfindungsgemäß wird der physikalische Effekt des gesteuerten Keimschmelzens an der Halbleiteroberfläche überraschenderweise dadurch realisierbar, daß auf oder in der Oberfläche gezielt solche Inhomogenitäten oder Verunreinigungen geschaffen werden, die für den Phasenübergang fest-flüssig als effektive Zentren der Heteronukleation wirken.According to the invention, the physical effect of controlled nucleation on the semiconductor surface is surprisingly realized by targeted on or in the surface such inhomogeneities or impurities are created, which act for the phase transition solid-liquid as effective centers of heteronucleation.

Die so vorbehandelte Oberfläche wird ganzflächig mit einem kurzen Energieinipuls so bestrahlt, daß sie kurzzeitig etwas über ihre Schmelztemperatur hinaus erhitzt wird. Das Halbleitermaterial darf dabei nur soviel überhitzt werden, daß es sich thermodynamisch" in Bezug auf den Phasenübergang fest-flüssig zwar schon im metastabilen, aber noch nicht in der Uähe des spinodalen oder sogar im völlig instabilen Regime befindet. Im metastabilen Regime kann bei sehr kurzer überhitzungsdauer der Halbleiteroberfläche die Wahrscheinlichkeit für die Homonukleation äußerst klein gehalten werden, wogegen künstlich geschaffene Zentren durch Heteronukleation noch mit Sicherheit aufschmelzen. Die durch Heteronukleation entstandenen Schmelzkeime wachsen zu größeren geschmolzenen Gebieten, in denen die überschüssige Wärme des umgebenden überhitzten Halbleitermaterials als lokale Schmelzwärme verbraucht wird. Die Endgröße der aufge·The pretreated surface is irradiated over the entire surface with a short energy pulse so that it is briefly heated slightly above its melting temperature. The semiconductor material may only be superheated in such a way that it is thermodynamically "fixed-liquid" in the metastable, but not yet in the vicinity of the spinodal or even in the completely unstable regime in the metastable regime In contrast, artificially created centers still melt with certainty due to heteronucleation.The fused nuclei formed by heteronucleation grow to larger molten areas where the excess heat of the surrounding superheated semiconductor material is consumed as local heat of fusion. The final size of the

schmolzenen Gebiete wird durch den Grad der überhitzung, die Dichte der Verteilung der Schmelzkeime an der Oberfläche und die Intensität der Nachlieferung von Strahlungsenergie bestimmt und kann als Yerfahrensparameter festgelegt werden. Die künstlich geschaffenen Zentren der Heteronukleation sollten relativ homogen über die Oberfläche verteilt sein, da die Schmelzkeime als Wärniesenken für die überhitzte Halbleiteroberfläche wirken'und sehr inhomogen verteilte UukleationsZentren zu einer stark inhomogenen Überhitzung der Halbleiteroberfläche und somit zu ungleichmäßigem Wachstum der Schmelzkeinie führen können, Hach dem Energieimpuls kühlt sich die Oberfläche durch Wärmestrahlung und/oder Wärmeleitung ins tiefer liegende Material ab, so daß die aufgeschmolzenen Gebiete wieder erstarren.Melted areas are determined by the degree of overheating, the density of the distribution of the smelting nuclei on the surface and the intensity of the subsequent delivery of radiant energy and can be defined as the process parameter. The artificially created centers of heteronucleation should be relatively homogeneously distributed over the surface, since the nuclei act as heat sinks for the overheated semiconductor surface, and very inhomogeneously distributed nucleation sites can lead to greatly inhomogeneous overheating of the semiconductor surface and thus uneven growth of the melt line Energy pulse cools the surface by heat radiation and / or heat conduction into the underlying material, so that the molten areas solidify again.

Der Energieimpuls muß so intensiv sein, daß die Festkörperoberfläche bis kurz über die Schmelztemperatur erhitzt wird. Die notwendige Energiedichte hängt stark von Prozeßparametern wie Impulsdauer, Impulsform, Halbleitermaterial und dessen geometrische Porra usw, ab. Der Energieimpuls muß bei vorgegebener Überhitzung so kurz 3ein, daß während der kurzzeitigen Überhitzung die Bildung von Schmelzkeimen durch Homonukleation sehr unwahrscheinlich ist (d.h. in der Regel kürzer als 1 s). Andererseits muß der Impuls so lang sein, daß sich an allen künstlich geschaffenen ITukleationszentren S chore Izkeime bilden können (in der Regel länger als 1 /us). Keimschmelzen ist nur im metastabilen Regime des überhitzten Pestkörpers, d.h. im Temperaturbereich zwischen der Schmelztemperatur und dem spinodalen Regime möglich. Da in der Regel dieser Temperaturbereich klein ist ge-., gen die Differenz zwischen Raum- und Schmelztemperatur, werden an Intensität, laterale Homogenität und Reprodu-The energy pulse must be so intense that the solid surface is heated to just above the melting temperature. The necessary energy density depends strongly on process parameters such as pulse duration, pulse shape, semiconductor material and its geometric poros, etc. The energy pulse must be so short for a given overheat that, during the brief overheating, the formation of fused nuclei by homonucleation is very unlikely (i.e., typically less than 1 second). On the other hand, the momentum must be so long that chokes can form at all artificially created ITukleationszentren (usually longer than 1 / us). Seed melting is only in the metastable regime of the overheated plague, i. possible in the temperature range between the melting temperature and the spinodal regime. Since this temperature range is generally small, the difference between the room temperature and the melting temperature is given in terms of intensity, lateral homogeneity and reproducibility.

zierbarkeit des Snergieimpulses hohe Anforderungen gestellt. Wenn zum Beispiel über die ganze Halbleiteroberfläche verteilt viele Gebiete etwa gleicher Größe dotiert und/oder in ihren elektrischen Eigenschaften verbessert werden sollen, dürfen die lateralen Schwankungen in der Energiedichte höchstens einige Prozent betragen. Es ist vorteilhaft, die einkristalline Oberfläche vor der gepulsten Bestrahlung auf eine erhöhte Temperatur zu bringen, so daß der Unterschied zwischen· der notwendigen Aufheizspanne und dem einzuhaltenden Arbeitsbereich des Keimschmelzens geringer wird. Dadurch verringern sich die Anforderungen an Intensität, laterale Homogenität und Reproduzierbarkeit des Energieimpulses stark. Das Vorheizen realisiert man mit Hilfe einer vom Energieimpuls unabhängigen Energiequelle, zum Beispiel mit Infrarotstrahlern, Die Energie zur gepulsten Aufheizung der Oberfläche kann in Form von elektromagnetischer Strahlung oder durch Slektronen- und lonenstrahlen in das Oberflächenmaterial eingekoppelt v/erden. Die einkristalline Oberfläche soll frei von stark wirksamen Zentren für Heteronukleation sein. Der Phasenübergang fest-flüssig muß für das Halbleitermaterial scharf sein, d.h. er muß bei einer definierten Temperatur liegen und einen endlichen Betrag an latenter Wärme erfordern. Die Oberfläche darf nicht als zweidimensionaler Schmelzkeim wirken. Oberflächen können für unseren Fall auch Grenzflächen sein, zum Beispiel die Grenzfläche zwischen einem Stoff und seinem Oxidν Das Keimschmelzen findet dann immer im niedriger schmelzenden Material statt. Für den Fall von Grenzflächen soll hier unter Oberflächenmaterial das Material gemeint sein, in dem KeimschmeXzen stattfindet. Wegen der starken Anisotropie der Grenzflächenkinetik im Schmelzprozeß werden die kurzzeitig geschmolzenen Gebiete vonzierbarkeit of the Snergieimpulses made high demands. If, for example, many regions of approximately the same size are to be doped and / or improved in their electrical properties over the entire semiconductor surface, the lateral fluctuations in the energy density must not exceed a few percent. It is advantageous to raise the monocrystalline surface to an elevated temperature prior to the pulsed irradiation, so that the difference between the necessary heating-up range and the working range of the melt-down to be observed is reduced. This greatly reduces the requirements for intensity, lateral homogeneity and reproducibility of the energy impulse. The preheating is realized by means of an energy source independent of the energy source, for example with infrared radiators. The energy for pulsed heating of the surface can be coupled into the surface material in the form of electromagnetic radiation or by means of ion beams and ion beams. The monocrystalline surface should be free of strong centers for heteronucleation. The solid-liquid phase transition must be sharp for the semiconductor material, ie it must be at a defined temperature and require a finite amount of latent heat. The surface must not act as a two-dimensional melting germ. In our case, surfaces can also be interfaces, for example, the interface between a substance and its oxide. The nucleation then always takes place in the lower-melting material. In the case of interfaces, the term "surface material" is intended here to mean the material in which germination takes place. Because of the strong anisotropy of the interfacial kinetics in the melting process, the short-term melted areas of

niedrig indizierten Kristallebenen begrenzt und besitzen somit eine definierte geometrische Form. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche ebenfalls eine niedrigindizierte Kristallebene ist, da dann die Oberfläche besonders glatt sein kann und die kurzzeitig geschmolzenen Gebiete besonders regelmäßig geometrische Formen annehmen können, Sind zum Beispiel auf einer (100)-Oberfläche eines Siliziumeinkristalls punktförmige lukleationskeime vorhanden, so werden bei der Bestrahlung pyramidenförmige Gebiete mit einer quadratischen Grundfläche aufgeschmolzen, Effektive Zentren für die Heteronukleation können auf einer einkristallinen Halbleiteroberfläche durch Aufbringen bestimmter Strukturen erzeugt werden. Sie können null-, .ein-, oder zweidimensionalen Charakter besitzen, sie können zum Beispiel punkt- oder linienförmig sein. Sine Möglichkeit zur Erzeugung solcher Zentren für die Pleronukleation besteht darin, daß auf der einkristallinen Halbleiteroberfläche nicht arteigenes Material lokal oder inhomogen deponiert wird. Das Material kann zum Beispiel durch Aufdampfen, chemische Abscheidung oder reaktives Sputtern auf die Oberfläche aufgebracht werden. Lokale Schichtinsein oder unterbrochene Schichten aus Fremdmaterial können dabei zum Beispiel mit Markierungs-, Photolithographie- und itzverfahrensschritten hergestellt werden, wie sie von der Mikroelektronik her bekannt sind»delimited low-level crystal planes and thus have a defined geometric shape. It is advantageous, if the surface is also a low-indexed crystal plane, since then the surface can be particularly smooth and the short-term melted areas can assume geometric shapes particularly regularly. For example, if punctiform lucleation nuclei are present on a (100) surface of a silicon monocrystal. Thus pyramidal areas with a square base area are fused during the irradiation. Effective centers for the heteronucleation can be generated on a monocrystalline semiconductor surface by applying certain structures. They may have zero, one, or two-dimensional character, for example, they may be point or line shaped. A possibility for the production of such centers for the pleronucleation is that on the monocrystalline semiconductor surface non-inherent material is deposited locally or inhomogeneous. The material can be applied to the surface by, for example, vapor deposition, chemical deposition or reactive sputtering. Local Schichtinsein or interrupted layers of foreign material can be produced, for example, with marking, photolithography and itzverfahrensschritten, as they are known from microelectronics forth »

Effektive Zentren für Heteronukleation entstehen zum Beispiel dann, wenn solches Material lokal aufgebracht wird, das in Beimengung zum Halbleitermaterial zur Schmelzpunkterniedrigung desselben führt. Solches Material ist zum Beispiel Aluminium, das eine Schnielapunkterniedrigung von Silizium bewirkt. Durch die lokale Beschichtung der Oberfläche mit schmelzpunkterniedrigend em Material ergibt sich eine lateral inhomogene Oberflächenschmelztemperatur, so daß beim Erhitzen derFor example, effective centers for heteronucleation arise when such material is applied locally, which in admixture with the semiconductor material leads to its melting point depression. Such material is, for example, aluminum, which causes a Schnielapunkterniedrigung of silicon. Due to the local coating of the surface with melting-point em low em material results in a laterally inhomogeneous surface melt temperature, so that when heated the

Oberfläche durch impulsartige Bestrahlung die Überhitzung in den beschichteten Gebieten am größten wird und hier das Aufschmelzen beginnt. Nach dem Entstehen des Schinelzkeimes kann durch Flüssigphasendiffusion die Konzentration des schmelzpunkterniedrigenden Materials in der Schmelze sehr klein werden, so daß die Schmelzpunkterniedrigung vernachlässigbar wird. Das Schmelzgebiet wächst trotzdem weiter, da das angrenzende Halbleitermaterial überhitzt ist. Dadurch unterscheidet sich der hier beschriebene Prozeß des Keimschmelzens grundsätzlich von dem bekannten Verfahren zum Dotieren von Halbleitermaterial durch Legieren.Surface by impulse-type irradiation, the overheating in the coated areas is greatest and here the melting begins. After the formation of the Schinelzkeimes can be very small by liquid phase diffusion, the concentration of melting point-lowering material in the melt, so that the melting point depression is negligible. Nevertheless, the melting region continues to grow because the adjacent semiconductor material is overheated. As a result, the process of nucleation described here differs fundamentally from the known method for doping semiconductor material by alloying.

Effektive Zentren für Heteronukleation entstehen zum Beispiel auch dann, wenn das auf eine einkristalline Halbleiteroberfläche aufgebrachte Materialeinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der sich stark von dem des Halbleitermaterials unterscheidet. Dadurch bilden.sich beim Aufheizen an der Grenzf-lache-Haibleitermaterial - aufgebrachtes Material starke mechanische Spannungen aus. Je nach Haterialkombination kann es sich um Zug- beziehungsweise Druckspannung handeln. Entsprechet der Clausius-Clapeyronschen Dampfdruckformel bewirken diese Spannungen eine Schmelzpunkterhöhung beziehungsweise - erniedrd.gu.ng des Halbleitermaterials. Wird zum Beispiel lokal Siliziumdioxid auf Silizium aufgebracht, so hat das Siliziumdioxid einen wesentlich geringeren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Si- " lizium ( <£_si0 ^ 5 . 10""⁷ K*"¹ , o6_J;4>4 . 10~⁶ K"¹).For example, effective centers for heteronucleation arise even when the material deposited on a single crystal semiconductor surface has a thermal expansion coefficient that is very different from that of the semiconductor material. As a result, material applied during heating at the boundary layer semiconductor material forms strong mechanical stresses. Depending on the combination of materials, it may be tensile or compressive stress. Corresponding to the Clausius-Clapeyron vapor pressure formula, these stresses cause a melting point increase and / or decrease of the semiconductor material. For example, if silicon is applied to silicon locally, the silicon dioxide has a much lower coefficient of linear thermal expansion than silicon (<$ _si 0 ^ 5 .10 "" ⁷ K * " ¹ , o6 _J; 4> 4. 10 ~ ⁶ K ^"1).

Das führt an der Grenzfläche zu einer Druckspannung im Silizium, die zu einer Schmelzpunkterniedrigung um etwa 10 bis 20 Grad führen kann. Durch diese Schmelzpunkterniedrigung ist die Überhitzung während der Bestrahlung an den oxidbedeckten Siliziumoberflächengebieten größer, so daß diese als Zentrum für Heteronukleation wirken.This leads at the interface to a compressive stress in the silicon, which can lead to a melting point reduction of about 10 to 20 degrees. As a result of this lowering of the melting point, the overheating during the irradiation on the oxide-covered silicon surface areas is greater, so that they act as a center for heteronucleation.

Effektive Zentren für Heteronukleation können auch. . dadurch erzeugt werden, daß lokal aufgebrachtes Material die Strahlung des Energieimpulses besser absorbiert oder schlechter reflektiert als die unbehandelte Oberfläche oder daß das aufgebrachte Material für die Strahlung als Antireflexionsschicht wirkt. Dadurch werden die beschichteten Oberflächengebiete stärker aufgeheizt und somit stärker überhitzt als die freie Oberfläche. Da die Keimbildungsrate experimentiell mit der Überhitzung zunimmt, wirken somit die . stärker erhitzten Gebiete als effektive Uukleationszentren. ' Effective centers for heteronucleation can also. , be generated by locally applied material absorbs the radiation of the energy pulse better or reflects less than the untreated surface or that the applied material acts as an anti-reflection layer for the radiation. As a result, the coated surface areas are heated more strongly and thus more overheated than the free surface. Since the nucleation rate increases experimentally with the overheating, so act the. more heated areas than effective nucleation centers. '

Vorteilhaft können effektive Zentren für Heteronukleation auch geschaffen werden, indem durch Implantieren oder Diffundieren in lokale Oberflächengebiete Material eingebracht wird, das in Beimengung zum Oberflächenmaterial zur Schmelzpunktemiedrigung derselben führt. Die Implantation beziehungsweise Diffusion wird nach bekannten Verfahren durch maskierende Schichten vorgenommen. Diese Methode hat den Vorteil, daß das schmelzpunkterniedrigende Material gut mit dem Oberflächenmaterial vermengt wird. Die Gitterschädigung, die durch die Ionenimplantation erzeugt wird, ist ein zusätzlicher faktor für eine Schmelzkeiaibildung. Durch Hochdosisimplantation kann die Oberfläche so stark geschädigt werden, daß sie amorphisiert wird. Die amorphisierten Gebiete wirken auch dann als Hukleationszentren, wenn keine schselzpunkterniedrigenden Atome implantiert worden sind. Wird die Oberfläche durch einen Lichtblitz aufgeheist, so verstärkt die erhöhte Lichtabsorption der amorphisierten Gebiete die Wahrscheinlichkeit für die Schmelzkeimbildung zusätzlich. Wird zum Zwecke der Erzeugung von Ifukleationszentren artfremden Material lokal auf eine einkristalline Oberfläche aufgebracht beziehungsweise in eine dünne oberflächennahe Schicht ein-Advantageously, effective centers for heteronucleation can also be created by incorporating material by implanting or diffusing into local surface areas which, in admixture with the surface material, results in melting point depression thereof. The implantation or diffusion is carried out by masking layers according to known methods. This method has the advantage that the melting point-lowering material is well mixed with the surface material. The lattice damage produced by the ion implantation is an additional factor for enamel formation. High-dose implantation can damage the surface so much that it becomes amorphized. The amorphized regions will function as holling centers even if no nucleus-lowering atoms have been implanted. If the surface is annealed by a flash of light, the increased light absorption of the amorphized areas additionally increases the probability of nucleation. If, for the purpose of producing nucleation centers, extraneous material is applied locally to a monocrystalline surface or into a thin layer near the surface.

gebracht, so kann es in den kurzzeitig geschmolzenen Oberflächengebieten breitdiffundieren. Diese schnelle Verteilung der Fremdatotne über das Volumen des kurzzeitig aufgeschmolzenen kleinen Oberflächengebietes ist möglich, da die Diffusionskoeffizienten in der flüssigen Phase die der festen Phase um viele Größenordnungen iibertroffen, Fach dem Erstarren sind somit Fremdstoffe in den lokalen oberflächennahen Gebieten definierter Form und Größe eingebaut, d.h. die Oberfläche ist lokal dotiert. Sind die kurzzeitig geschmolzenen Gebiete hinreichend klein und ist der Diffusionskoeffizient der J?remdatome im flüssigen Halbleitermaterial hinreichend groß, so kann man abrupte pn-Übergänge erzeugen. Vorteilhaft ist, daß zum Beispiel für Germanium und Silizium die vertikale und laterale Ausdehnung der so dotierten Gebiete etwa gleich ist.. Werden auf einem schon durch Keimschmelzen oder durch andere Verfahren dotierten größeren Oberflächengebiet? künstliche liukleationszentren hergestellt, so können durch Durchführen des Keimschmelzens in den größeren dotierten Gebieten kleinere dotierte Gebiete von entgegengesetztem Leitungstyp hergestellt werden. Für bestimmte Anwendungsfälle können effektive Zentren für Heteronukleatinn. auf einer kristallinen homogenen Oberfläche erzeugt werden, indem durch mechanisches Ritzen, durch Laserbeschuß oder durch andere Methoden die Oberfläche lokal geschädigt oder verspannt wird. Ein Dotieren ist hier nur möglich, wenn zusätzlich in der Uähe dieser schmelzkeimbildenden Strukturen dotierendes Material deponiert wird (welches zum Beispiel selbst nicht schmelzkeimbildend ist). Enthalten die · schmelzkeifflbildenden Strukturen kein dotierendes Material beziehungsweise ist in deren Fähe kein dotierendes Material deponiert, so werden die durch Keimschmelzen kurzzeitig geschmolzenen Gebiete nicht dotiert. Durch diebrought so it can diffuse widely in the short-term melted surface areas. This rapid distribution of the impurity over the volume of the short-melted small surface area is possible because the diffusion coefficients in the liquid phase exceed those of the solid phase by many orders of magnitude. Thus, foreign matter is incorporated into the local near-surface regions of defined shape and size, i.e., solidification. the surface is locally doped. If the short-term melted areas are sufficiently small and if the diffusion coefficient of the J atoms in the liquid semiconductor material is sufficiently large, abrupt pn junctions can be produced. It is advantageous that, for example, for germanium and silicon, the vertical and lateral extent of the areas doped in this way is approximately the same. Will be on a larger surface area already doped by seed melting or by other methods? made artificial Liukleationszentren, so by performing the nucleation in the larger doped regions smaller doped regions of opposite conductivity type can be produced. For certain applications, effective centers for heteronucleation may be. on a crystalline homogeneous surface by locally damaging or straining the surface by mechanical scribing, laser bombardment or other means. Doping is only possible here if, in addition, doping material is deposited in the vicinity of these melt-germ-forming structures (which, for example, does not itself form a melt-germ). If the melt-forming structures do not contain a doping material or if no doping material is deposited in their furring, then the areas melted for a short time by seed melts are not doped. By the

lokal stattiindende Flüssigphasenepitaxie kann aber Material schlechter Kristallqualität (mit Versetzungen u.a.) erschmolzen und in besserer Qualität rekristallisiert werden. Außerdem kann durch die auftretende Segregation das Schmelzgebiet von unerwünschten Verunreinigungen (zum Beispiel Gu, Fe, ...) gereinigt werden. Die Verunreinigungen sammeln sich in einer dünnen Oberflächenschicht an, die nachfolgend entfernt werden kann.However, locally discontinuous liquid-phase epitaxy can melt material of poor crystal quality (with dislocations, etc.) and recrystallize it in better quality. In addition, the segregation that occurs can clean the melting zone of unwanted impurities (for example, Gu, Fe, etc.). The impurities accumulate in a thin surface layer, which can subsequently be removed.

Ausführungsbeispieleembodiments

1. Auf eine gereinigte, η-leitende, einkristalline und (100)-orientierte Siliziumscheibe (ca. 300 /Um dick) werden lokal mittels bekannter Aufdampf-, Fotolithografie- und Atzverfahren Aluminiumschichten von 50 na Dicke und 10 /um Durchmesser aufgebracht. Die so strukturierte.Oberfläche wird mit einem großflächighomogenen Blitz inkohärenten Lichtes von 10 ms Dauer und ca. 130J/cm Energiedichte bestrahlt. Aluminium hat für Silizium eine schmelzpunkterniedrigende Wirkung (eutektische Temperatur ca. 850 K). Daher beginnt das Silizium an der Si-Al-Grenzschicht zu schmelzen, wobei sich die dünne Aluminiumschicht im flüssigen Silizium auflöst. Wenn das Aluminium im lokalen, flüssigen .Siliziumgebiet so verdünnt ist, daß die schmelzpunkterniedrigende Wirkung des Aluminiums nur noch unbedeutend ist, vergrößert sich das geschmolzene Gebiet trotzdem weiter, da das feste, umgebende Silizium:etwas über seine Schmelztemperatur hinaus erhitzt ist und dem Schmelzgebiet die dafür notwendige Schmelzwärme durch Wärmeleitung zugeführt wird. Das geschmolzene Gebiet erhält durch die-Anisotropie der Interfacekinetik eine definierte1. On a cleaned, η-conductive, monocrystalline and (100) -oriented silicon wafer (about 300 / um thick) are applied locally by known vapor deposition, photolithography and etching aluminum layers of 50 na thickness and 10 / um diameter. The surface thus structured is irradiated with a large-area-homogeneous flash of incoherent light of 10 ms duration and about 130J / cm energy density. Aluminum has a melting point-lowering effect for silicon (eutectic temperature about 850 K). Therefore, the silicon at the Si-Al interface begins to melt, with the thin aluminum layer dissolving in the liquid silicon. If the aluminum in the local liquid silicon region is so diluted that the melting point depressing effect of the aluminum is insignificant, the molten region still further increases because the solid, surrounding silicon is slightly heated above its melting temperature and the melting region for this purpose necessary heat of fusion is supplied by heat conduction. The molten area receives a defined by the anisotropy of the interface kinetics

geometrische Form: Die begrenzenden Flächen sind (111)-Flachen, so daß das Gebiet die Form einer auf der Spitze stehenden Pyramide mit quadratischer Grundfläche hat. Die Energiedichte und die zeitliche Impulsform des Lichtblitzes wird genau so eingestellt, daß das Schmelzgebiet 30 /um groß wird, so daß sich das Aluminium im flüssigen Silizium aufGeometric Shape: The bounding surfaces are (111) planes, so that the area is in the shape of a quadratic-shaped pyramid standing on top. The energy density and the temporal pulse shape of the flash of light is set exactly so that the melting region 30 / becomes large, so that the aluminum in the liquid silicon on

19 -3 eine Konzentration von ca. 2 . 10 cm verdünnt.19 -3 a concentration of about 2. Diluted 10 cm.

Während der nachfolgenden Auskühlung der Siliziumscheibe wächst das flüssige Silizium epitaktisch auf der einkristallinen Matrix auf, wobei das Aluminium ins Siliziumgitter eingebaut wird und dieses dotiert. Es entsteht ein ρ -dotiertes Gebiet von Pyramidenform mit einem relativ abrupten p-n-Übergang.During the subsequent cooling of the silicon wafer, the liquid silicon grows epitaxially on the monocrystalline matrix, wherein the aluminum is incorporated into the silicon lattice and this doped. The result is a ρ-doped region of pyramidal shape with a relatively abrupt p-n junction.

2. Auf eine gereinigte, p-leitende, einkristalline und (.11.1) -orientierte Germaniumoberflache werden durch bekannte Verfahren eine Implantationsmaske mit öffnungen von 2 /um Durchmesser aufgebracht. Durch diese Öffnungen werden mit Hilfe des bekannten Verfahrens der Ionenimplantation Antimonionen mit einer Energie2. On a cleaned, p-type, single-crystalline and (.11.1) -oriented germanium surface, an implantation mask with openings of 2 μm in diameter is applied by known methods. Through these openings are using the known method of ion implantation antimony ions with energy

1 ^r - —? von 100 keV und einer Dosis von 2 . 10 cm" in das Germanium, eingebracht und anschließend die Maske entfernt. In den implantierten Gebieten sind durch die Bombardierung das Germaniumgitter zerstört (amorph!- alert) und die Antimonionen deponiert. Sowohl die Amorphisierung des Gitters als auch die Beimengung von Antimon führt im Germanium zur Schmelzpunkterniedrigung, so daß die implantierten Gebiete effektiv als Schmelzkeime wirken. Mit Hilfe eines freischwingenden Hd/YACr-Hasers von 1 ms Impulsdauer wird die Germaniumoberfläche etwas über ihre Schmelztemperatur von 1210 K hinaus überhitzt, wobei ausgehend1 ^r - -? of 100 keV and a dose of 2. The germanium lattice is destroyed in the implanted areas by the bombardment (amorphous! - alert) and the antimony ions are deposited, both the amorphisation of the lattice and the addition of antimony in germanium With the aid of a free-running Hd / YACr haser of 1 ms pulse duration, the germanium surface is slightly overheated beyond its melting temperature of 1210 K, starting from

3(U1HM9 8^*O19443 (U1HM9 8 ^ * O1944

von den Schmelzkeimen lokal geschmolzene Gebiete entstehen. Die geschmolzenen Gebiete haben die Form einer Pyramide, deren Spitze in das Germanium hinein zeigt und deren Grundfläche auf der Oberfläche liegt und die Form eines gleichseitigen Dreiecks hat. Die Energiedichte des Lasers wird so gewählt, daß die Schmelzkeime bis auf eine Größe von 4 /Um (Seitenlänge des Grundflächendreiecks der Pyramide) wächst.arise from the foci locally melted areas. The molten areas are in the shape of a pyramid, the tip of which points into the germanium, and its base lies on the surface and has the shape of an equilateral triangle. The energy density of the laser is chosen so that the foci grow to a size of 4 / Um (side length of the base triangle of the pyramid).

Das Antimon verteilt sich durch Diffusion in der Schmelze und wird bei der darauffolgenden epitaktischen Rekristallisation ins Germaniumgitter eingebaut, so daß ein pyramidenförmiges, η-leitendes Gebiet im p-leitenden Grundmaterial entsteht.The antimony is distributed by diffusion in the melt and is incorporated in the subsequent epitaxial recrystallization in the germanium lattice, so that a pyramidal, η-conductive region is formed in the p-type base material.

3. Auf eine (100)-orientierte Siliziumeinkristallscheibe wird nach bekannten Verfahren eine 4 /Um dicke Siliziumschicht epitaktisch abgeschieden. Die Oberfläche wird mit einem Diamanten in (100 ) - Richtung geritzt. Die Kratzer wirken im-überhitzten Silizium als Zentren für Schmelzkeimbildung. Die Scheibe wird durch kontinuierliche Bestrahlung mittels Infrarotstrahler auf eine Temperatur von 1300 K vorgeheizt. Zusätzlich wird die geritzte Scheibenoberfläche mit einem 10 ms langen Impuls beschleunigter Elektronen (Energie ca. 20 KeY) bis kurz über die Schmelztemperatur von 1685 K überhitzt. Ausgehend von den Ritzen schmelzen V-förmige Gräben auf, die in der Tiefe durch (111)-Kristallflachen begrenzt sind. Die Energiedichte des Elektronenimpulses wird so eingestellt, daß Gräben einer Breite von 10 ,um und somit einer Tiefe von ca. 7 /Um aufschmelzen. Während der anschließenden Abkühlung der Scheibe wächst das flüssige Material epi-3. On a (100) -oriented Siliziumeinkristallscheibe a 4 / Um thick silicon layer is epitaxially deposited by known methods. The surface is carved with a diamond in the (100) direction. The scratches work in superheated silicon as nucleation sites. The disc is preheated by continuous irradiation by means of infrared radiators to a temperature of 1300 K. In addition, the scribed disc surface is overheated with a 10 ms pulse of accelerated electrons (energy about 20 KeY) to just above the melting temperature of 1685 K. Starting from the cracks, V-shaped trenches melt, which are bounded in depth by (111) crystal faces. The energy density of the electron pulse is adjusted so that trenches with a width of 10 μm, and thus a depth of about 7 μm, melt. During the subsequent cooling of the disc, the liquid material grows epi-

taktisch auf das einkristalline Silizium auf, wobei evtl. gelöste Verunreinigungen wie Schwermetalle durch den bekannten Mechanismus des Zonenschmelzens in die Oberflächenschicht getrieben werden, die anschließend durch Ätzen entfernt wird. Das lokale Zonenreinigen wird also dazu benutzt. "Ladungsträgerkiller" wie Fe, Cu u.a. (die die Ladungsträgerlebensdauer wesentlich verringern können) in ausgewählten, oberflächennahen Gebieten zu entfernen. Gleichzeitig kann durch die lokale Flüssigphasenepitaxie die Kristallqualität der epitaktisch, abgeschiedenen Schicht lokal verbessert werden.taktisch on the single-crystal silicon, wherein any dissolved impurities such as heavy metals are driven by the known mechanism of zone melting in the surface layer, which is then removed by etching. The local zone cleaning is therefore used. "Carrier killer" such as Fe, Cu, and the like. (which can significantly reduce carrier lifetime) in selected near-surface areas. At the same time, local crystallization of the epitaxial deposited layer can be locally enhanced by local liquid phase epitaxy.

4. Eine einkristalline, (111)-orientierte Siliziumscheibe wird thermisch oxidiert bis die Oxiddicke 200 nm beträgt. In die Oxidschicht werden mit üblicher Technik Fenster von 4 /Um Durchmesser zum Siliziummaterial geöffnet. Nachfolgend läßt man in das Silizium durch die geöffneten Oxidfenster Bor in hoher Konzentration eindiffundieren. Dann wird mittels Anwendung bekannter fotolithografischer Schritte das SiOp von der Oberfläche selektiv so abgeätzt, daß um die 4 /Um großen Fenster ringförmig Siliziumoxidschichten von 300 /Um Durchmesser verbleiben.4. A single crystal, (111) oriented silicon wafer is thermally oxidized until the oxide thickness is 200 nm. In the oxide layer, windows of 4 / μm diameter are opened to the silicon material by the usual technique. Subsequently, it is allowed to diffuse into the silicon through the open oxide window boron in high concentration. Then, using known photolithographic steps, the SiO.sub.p is selectively etched away from the surface so as to have annular silicon oxide films 300 / .mu.m in diameter around the 4 / .mu.m large windows.

Die so vorbehandelte Oberfläche wird .großflächig-homogen mit einem freischwingenden Nd-Glass-Laser mit 1,06 ,um Wellenlänge, 25 ms Impulsdauer und etwaThe pretreated surface becomes .large-homogeneous with a free-running Nd-glass laser with 1.06, to wavelength, 25 ms pulse duration and about

150J/cm. Lichtenergiedichte bestrahlt. Für Licht der Wellenlänge von 1,06 /Um wirkt die 200 nm dicke Siliziumoxidschicht als Antireflexionsschicht. Daher wird im Silizium unter dem Siliziumoxid mehr Energie ' deponiert als in oxidfreien Gebieten, so daß unter dem Oxid die Siliziumoberfläche stärker erhitzt (überhitzt) wird150J / cm. Lens energy density irradiated. For light of the wavelength of 1.06 / μm, the 200 nm thick silicon oxide layer acts as an antireflection layer. Therefore, more energy is deposited in the silicon under the silicon oxide than in oxide-free regions, so that under the oxide, the silicon surface is more heated (overheated)

Silizium und Siliziumoxid besitzen sehr unterschied- Silicon and silicon oxide have very different

liehe thermische Ausdehnungskoeffizienten, so daß es bei der Aufheizung an deren Grenzfläche zu starken mechanischen Spannungen kommt. Diese mechanischen Spannungen führen gemäß der Clausius-Clapeyronschen Dampfdruckformel zu einer Schmelzpunkterniedrigung des Siliziums der Grenzflächenschicht,' Die zusätzliche Erhitzung des Siliziums unter dem Oxid und dessen Schmelzpunkterniedrigung an der Grenzfläche Si-SiO₂ führen dazu, daß bei entsprechend intensiver Laserbestrahlung zuerst das überhitzte SiIi-.Liehe thermal expansion coefficients, so that it comes to the heating at the interface to strong mechanical stresses. These mechanical stresses lead, according to the Clausius-Clapeyron vapor pressure formula, to a melting point depression of the silicon of the interface layer. The additional heating of the silicon under the oxide and its lowering of the melting point at the Si-SiO ₂ interface result in the overheated silicon first being irradiated with correspondingly intense laser irradiation. ,

ζ ium unter dem Oxid zu schmelzen beginnt. Die zeitliche Laserimpnlsform und die Laserenergiedichte werden so optimiert, daß das geschmolzene Gebiet unter jedem Oxidring eine Größe von 100 /Um erreicht. Dabei hat jedes Schmelzgebiet die Porm einer Pyramide, deren gleichseitig-dreieckige Grundfläche an der Si-SiQp-Grundflache liegt und deren Spitze ins Silizium hinein zeigt. In der Schmelze verteilt sich das Bor und wird bei dem epitaktischen Erstarren des flüssigen Siliziums in dessen Gitter eingebaut, so daß man ein großes p-leitendes Gebiet erhält..ζ ium begins to melt under the oxide. The temporal laser pulse shape and the laser energy density are optimized so that the molten area under each oxide ring reaches a size of 100 / μm. Each melting region has the shape of a pyramid whose equilateral-triangular base surface lies on the Si-SiQp base surface and whose tip points into the silicon. The boron is distributed in the melt and is incorporated into the lattice during the epitaxial solidification of the liquid silicon, so that a large p-type conducting region is obtained.

In diesem Beispiel geht die achmelzkeimbildende Wirkung im wesentlichen von der Oxidschicht aus. Das in der Wehe der schmelzkeimbildenden Struktur deponierte Bor dient dabei nur der Dotierung der kurzzeitig aufgeschmolzenen Gebiete.In this example, the achtermucidal action is essentially from the oxide layer. The deposited in the woe of melting nucleating structure boron serves only the allocation to briefly melted areas.

Claims

19
invention claim

1. A process for the local doping and / or crystal improvement of semiconductor material by Flüssigphasenepitaxie, characterized in that on or in the surface of a monocrystalline semiconductor structures are produced which act as overheated semiconductor material as centers for nucleation, that, if necessary, in the Wäh these structures in Semiconductor material soluble foreign material is deposited on or in the surface, and that the monocrystalline semiconductor surface is temporarily overheated beyond its melting temperature, that on the basis of the created structures defined surface areas melt temporarily - no-melt. - And on the non-structured surface areas not yet Homonucleation-induced melting occurs «

2. The method according to item 1, characterized in that the semiconductor surface is superheated by brief irradiation with a high-energy radiation pulse '.

3. The method according to item 2, characterized in that is preheated by an independent energy source, the semiconductor surface to a temperature below its melting temperature and that it is then overheated by a corresponding weaker power pulse *

4. The method according to item 1 and 2, characterized in that on the monocrystalline semiconductor surface, the structures are prepared by local or inhomogeneous deposition of such material, which lowers its melting point and / or has a highly different from the surface material thermal expansion coefficient and / or the radiant energy absorbed better than the surface material and / or acts as an antireflection layer for the surface. '

5. The method according to item 4, characterized in that the local or inhomogeneous deposition of the material on the semiconductor surface takes place by vapor deposition, CYD deposition, reactive sputtering or the like combined with photolithographic and etching steps.

6. The method according to item 1, characterized in that the production of the structures on the monocrystalline surface by local or inhomogeneous introduction of melting point-lowering material into the surface by means of ion implantation or diffusion takes place.

-ö ¹

7. The method according to item 1, characterized in that the production of the structures on the monocrystalline surface by local or inhomogeneous amorphous Sieren the surface by means of high-dose implantation.

8. The method according to item 1 and 4 to 7, characterized in that deposited on the semiconductor surface material and / or implanted and / or diffused, which is soluble in the semiconductor melt.

9. Method according to. Item 1, characterized in that the production of the structures on the monocrystalline surface by damage to the surface, for example by scribing or laser engraving, takes place.

10. The method of item 1, characterized in that the shape of the temporarily melted defined surface areas by, the selection of the surface orientation of the crystal and the nature of the structures created on the surface is determined and that their size by varying the duration and the intensity of overheating of the semiconductor material is adjusted reproducibly.

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