DD220812A1 - Verfahren zur herstellung von dotierungsprofilen mit steilem konzentrationsgradienten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dotierungsprofilen mit steilem Konzentrationsgradienten, die insbesondere fuer die Fertigung von Bauelementen mit kurzen Schaltzeiten, hoher Frequenz und schmalen pn-Uebergaengen geeignet sind. Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Dotierungsprofilen mit steilem Konzentrationsgradienten mittels Ionenimplantation. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass eine amorphe Schicht durch Ionenimplantation hergestellt wird, durch die die Verteilung der Ionen bei einer nachfolgenden Dotierungsimplantation gegenueber dem einkristallinen Substrat geaendert wird, wodurch am Phasenuebergang amorph-kristallin ein steiler Konzentrationsabfall erfolgt. Anschliessend werden die Kristalle in bekannter Weise ausgeheilt und damit elektrisch aktiviert.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dotierungsprofilen mit steilem Konzentrationsgradienten, das insbesondere geeignet ist zur Herstellung von Transistoren geringer Basisweite, von Kapazitätsdioden und von speziellen Halbleiteranordnungen für kurze Schaltzeiten und für hohe Frequenzen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Mit Fremdatomen dotierte Schichten werden technisch hergestellt durch Diffusion, Implantation oder durch Epitaxie. Bei der Diffusion wird der Halbleiter bis kurz unterhalb des Schmelzpunktes in einer flüssigen öder gasförmigen Atmosphäre erhitzt, * die das Dotierungselement enthält. Der Gradient im chemischen Potential zwischen den zunächst getrennten Stoffsystemen und dem vollständig durchmischten Stoffsystem als Endprodukt sorgt für eine allmähliche Durchdringung des Halbleiters mit den Fremdatomen. Den umgekehrten Prozeß der Verdampfung oder der Zersetzung des Halbleiters muß man durch entsprechende Vorkehrungen verhindern. Die Verteilungsprofile der Dotandeh im Halbleiter ergeben sich dabei aus den . Gesetzen der Diffusion und haben die Gestalt von Fehlerfunktionen (B.Truck „Interproduction to Diffusion in Semiconductors" London 1971), deren Form von den Oberflächenkonzentrationen der Dotanden und der Temperatur des Halbleiters abhängt. Auf diese Weise ist es möglich, die Profile durch die Regimeparameter zu beeinflussen, jedoch kann man prinzipiell an dem exponentiell Profilverlauf njchts ändern.

Etwas steilere Profile erhält man durch die Ionenimplantation, deren Profilform annähernd die Gestalt von Gaußfunktionen haben (H. Ryssel, I. Rüge Ionenimplantation Leipzig 1978), deren Profilabfall umso flacher verläuft, je tiefer die Ionen in den Halbleiter eindringen.

Prinzipiell sollte man mit der Epitaxie abrupte Konzentrationsgradienten in der Dotierung erzielen können, jedoch sind bei den technisch verwendbaren Verfahren die Temperaturen bei der Materialabscheidung so hoch, daß im erheblichen Maße JT

Diffusionsprozesse ablaufen, die eine Verschmierung an den Grenzübergängen bewirken. Nur unter Ausnutzung der .Ultrahochvakuumtechnik ist diese Methode bisher erfolgreich erprobt worden, jedoch ist eine breite technische Realisierung damit nicht zu erwarten. ;

Eine weitere Möglichkeit besteht darin; die Oberfläche mit dem reinen Dotierungsmaterial zu belegen und anschließend durch kurzzeitiges Aufschmelzen oder durch lonenbestrahlung mit der Oberfläche des Halbleiters zu durchmischen (2^nd IBMM Albany, New York 1980). Shannon (J.M.Shannon BRD-AS 2056124) schlägt deshalb die Rückstoßimplantation als mögliches Verfahren j vor. Wesentlicher Nachteil dieser Methode ist der genaue Abgleich zwischen Reichweite der Ionen und Dicke der aufgetragenen Schicht. Außerdem ist die Dotierungstiefe gering und der Halbleiter wird zusätzlich durch die implantierten Ionen für die Durchmischung belastet. Eine stärkere Bremsung der Ionen bei der Implantation soll man nach Duffy u.a. (M.C.Duffy, P.A. Schumann, T.-H.Yeh BRD-PS 1966237) durch eine vorhergehende Zerstörung des Kristallgefüges erzielen und dadurch steilere Profile erhalten. Die gleiche Wirkung sollte man aber auch durch Einschuß in eine irreguläre Kristallrichtung erhalten. Verhindert man dabei eine Probenerwärmung, so entsteht selbstregulierend genügendStrahlenschäden zur Bremsung der lohen. Eine zusätzliche teilweise Zerstörung des Kristallgitters hätte nur zur Folge, daß Undefinierte Restdefekte die elektrische Wirksamkeit der Dotanden einschränken. ':,.

Die bisher bekannt gewordenen Verfahren zur Erzeugung steiler Konzentrationsprofile sind entweder technologisch sehr aufwendig oder sind von zahlreichen Nebenwirkungen und Einschränkungen begleitet, so daß man nach neuen, technologisch einfachen Lösungen suchen sollte. ;

Ziel der Erfindung ..

Die Erfindung verfolgt das Ziel, ein Verfahren vorzulegen, nach dem in reproduzierbarer Weise Dotierungsprofile mit einem steilen Konzentrationsgradienten im Halbleiter hergestellt werden.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Dotierungsprofilen mit steilem Konzentrazionsgradienten unter Verwendung der Ionenimplantation. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Halbleiter eine Schichtstruktur erzeugt wird, die aus einer amorphen Deckschicht auf einem einkristallinen Substrat besteht. Die amorphe Schicht wird im Halbleiter durch eine vorhergehende Amorphisierung mit kristallografisch gut löslichen Ionen durch lonenbeschuß erzeugt. Wird bei der nachfolgenden Dotierungsimplantation die Energie der Ionen gerade so gewählt, daß die projezierte Reichweite der Ionen noch innerhalb der amorphen Schicht liegt, so gelangen nur noch die Ionen aus dem Profilausläufer in das einkristalline Substrat. Für diese Ionen ist die Kernbremsung gegenüber dem amorphen Material stark reduziert, da sie sich wegen ihrer niedrigen Energie mit großer Wahrscheinlichkeit parallel zu den Netzebenen bewegen (Kanalleitung). Dadurch ist ihre Verteilung im kristallinen Substrat gegenüber dem amorphen Kristall stark gestreckt und ihre Konzentration erheblich reduziert. Es entsteht an der Phasengrenze ein steiler Konzentrationsabfall der Dotierungsatome. Die praktische Anwendung dieses Verfahrens ist an zweierlei Voraussetzungen gebunden: ,

erstens muß die amorphe SchiGht beim Ausheilen hinreichend gut rekristallisieren;

zweitens darf bei der Dotierungsimplantation das kristalline Substrat nicht zerstört werden.

Beide Bedingungen lassen sich z. B. für (100)-Si-Kristalle gut erfüllen, wenn für die Voramorphisierung schwere Ionen, wie Ge oder Sn, verwendet werden mit Dosiswerten, die gerade ausreichen, um die gewünschte Phasenumwandlung im Halbleiter zu erzielen (Dosiswerte unterhalb 5 · 10¹⁴ Ionen/cm²). Die zusätzlich im Halbleiter eingebrachten Ionen stellen dann keine allzu große Belastung des Materials für den Ausheilprozeß dar. Im Gegenteil, die Ge-Ipnen können z. B. sogar kompensierend wirken auf die elastischen Spannungsfelder von B- oder P-Atomen in Si. Es muß weiterhin bedacht werden, daß die Steilheit der Profilausläufer davon abhängt, wie scharf der Phasenübergang am Interface ist. Zur Erhöhung des Konzentrationsgradienten bei leichten Ionen, wie z. B. für B-Ionen, ist der Profilverlauf an der Phasengrenze zwischen amorpher Deckschicht und kristallinem Substrat nach einer Voramorphisierung mit Ge- oder Sn-Ionen immer noch steiler, als das Dotierungsprofil im ungestörten Kristall. Soll aber auch mit Schwerionen eine Profilaufsteilung erreicht werden, so muß durch eine Formierung des Interface durch eine Temperung unterhalb der Rekristallisationstemperatur (etwa bis zu 400⁰C maximal) der Gradient im Phasenübergang erhöht werden. Überschreitet die Dotierungsimplantätion Dosiswerte von 10¹⁴ Ionen/cm², so ist die Strahlenschädigung des einkristallinen Substrats erheblich und die Phasengrenze wird dadurch verschmiert. Um diese Vorgänge zu verhindern, muß bei erhöhter Temperatur implantiert werden, etwa bei Temperaturen zwischen 100 und 300⁰C. Die elektrische Aktivierung der dotierten Deckschicht kann durch epitaktische Rekristallisation erfolgen, Dazu muß der Kristall konventionell in einem Ofen bei Temperaturen zwischen 500 und 700°C getempert oder durch einen Energieimpuls mindestens auf diese Temperaturen kurzzeitig erhitzt werden. Bei dem dabei ausgelösten Prozeß der Festphasenepitaxie werden die dotierten Fremdatome der amorphen Schicht in das restaurierte Kristallgitter eingebaut.

Ausführungsbeispiel .

(100)-Si-Kristalle wurden bei Raumtemperatur mit Ge-Ionen voramorphisiert. Die Verwendung von Ge- oder Sn-Ionen empfiehlt sjch, weil mit einer geringen Dosis ein hoher Amörphisierungsgräd erreicht wird. Gleichzeitig erhält man dabei einen relativ steilen Phasenübergang an der Grenze. Im Beispiel wurde die Amorphisierung durch eine 2-Stufenimplantationerzielt, um sicherzustellen, daß bei der epitaktischen Rekristallisation die Ausheilung allein vom Substrat her erfolgt und nicht auch gleichzeitig von Kristallen aus dem Oberflächenbereich. Als ein mögliches Implantationsregime hat sich die Amorphisierung mit 50keV Ge-Ionen mit einer Dosis von 1 -10¹⁴ Ionen/cm² Und 200keVund 2 · 10™ Ionen/cm² bewährt. Anschließend wurden die Kristalle ohne Zwischentemperung mit 1 10¹⁵ B-Ionen/cm² bei einer Temperatur von 15O⁰C und einer Ionenenergie von und 50keV implantiert. Die chemischen Konzentrationsprofile der B-Ionen nach Ausheilung der Kristalle bei 65O⁰C in !^Schutzgasatmosphäre zeigen die Abb. 1 und 2. Mit der Rutherford-Rückstreutechnik wurde die Dicke der amorphen Schicht zu 0,15μηη bestimmt. Aus beiden Darstellungen ist zu erkennen, daß genau in dieser Tiefe ein besonders steiler Konzentrationsgradient auftritt, wenn die Kristalle voramorphisiert wurden. Während in den benachbarten, nicht amorphisierten Kristallbereichen der Konzentrationsabfall etwa 2 Größenordnungen über einen Tiefenbereich von 0,1 (im beträgt, wird durch die Voramorphisierung ein Abfall um etwa 4 Größenordnungen erreicht.

Claims (5)

1. -1-259 763

   Erfindungsansprüche:

   1. Verfahren zur Herstellung von Dotierungsprofilen mit steilem Konzentrationsgradienten mittels Ionenimplantation,dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleiterkristall vor der eigentlichen Dotierungsimplantation durch Implantation mit kristallografisch gut löslichen Ionen bei Dosiswerten unterhalb von 5 · 10¹⁴ Ionen/cm² und Temperaturen um oder unterhalb Raumtemperatur eine amorphe Deckschicht oder eine amorphe vergrabene Schicht erzeugt und diese Schichtstruktur bei Temperaturen unterhalb 300⁰C durch Implantation dotiert und mit bekannten Ausheilverfahren rekristallisiert und aktiviert wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der amorphen Schicht dem Dotierungsprofil entspricht.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen der amorphenrSchicht durch eine Zwischentempemni) formiert werden. .' · ' ,
4. 4. Verfahren nach Punkt 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reichweite der Ionen bei der Dotierungsimplantation die Dicke der amorphen Schicht nicht überschreitet und auch nicht wesentlich unterschreitet.
5. 5. Verfahren nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von (100)-Si-Kristallen, für die Dotierungsimplantation B- oder P-Ionen verwendet werden und die Kristalle zuvor mit Schwerionen wie Si, Ge, Sn oder As derart implantiert werden, daß zwar eine vollständige Amorphisierung mit schärfen Interface-Strukturen erreicht wird ohne den Kristall dabei umzudotieren.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen