DD235009A3

DD235009A3 - METHOD FOR DOPING SEMICONDUCTOR BODIES

Info

Publication number: DD235009A3
Application number: DD24367782A
Authority: DD
Inventors: Frank Kudella; Helmut Hess; Thomas Finn; Eckhard Maetzke; Manfred Wirsig; Hans-Joachim Schreck; Hartmut Kerkow
Original assignee: Werk Fernsehelektronik Veb
Priority date: 1982-09-30
Filing date: 1982-09-30
Publication date: 1986-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dotierung von Halbleiterkoerpern oder von Halbleiterschichten auf verschiedenartigen Unterlagen, das bei der Halbleitertechnologie Anwendung findet. Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Dotierung von Halbleiterkoerpern zu entwickeln, bei dem der Dotierstoff aus der Gasphase oder aus einer auf dem zu dotierenden Halbleiterkoerper aufgebrachten dotierstoffhaltigen Schicht in den Halbleiterkoerper eingebracht wird, wobei der Halbleiterkoerper vollstaendig in der festen Phase verbleibt, oder eine duenne Oberflaechenschicht waehrend des Dotiervorganges aufgeschmolzen wird. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass der Dotierstoff aus der Gasphase oder aus der auf dem zu dotierenden Halbleiterkoerper aufgebrachten dotierstoffhaltigen Schicht durch die Wirkung des heissen Gases oder Plasmas, das durch schnelle mechanische Kompression erzeugt wird, in dem Halbleiterkoerper eingebracht wird.The invention relates to a method for doping semiconductor bodies or semiconductor layers on various substrates, which finds application in semiconductor technology. The aim of the invention is to develop a method for doping semiconductor bodies, in which the dopant is introduced from the gas phase or from a dopant-containing layer applied to the semiconductor body to be doped into the semiconductor body, the semiconductor body remaining completely in the solid phase, or a thin surface layer is melted during the doping process. According to the invention, the object is achieved by introducing the dopant from the gas phase or from the dopant-containing layer applied to the semiconductor body to be doped into the semiconductor body by the effect of the hot gas or plasma generated by rapid mechanical compression.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dotierung von Halbleiterkörpern oder von Halbieiterschichten auf verschiedenartigen Unterlagen, das bei der Halbleitertechnologie Anwendung findet.The invention relates to a method for doping semiconductor bodies or Halbieiterschichten on various documents, which finds application in semiconductor technology.

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß Legierungsverfahren zur Dotierung von Halbleiterkörpern wegen der schlechten Reproduzierbarkeit und des eingeschränkten Dotierungsbereiches kaum noch angewendet werden. Dagegen ist die Diffusion von Halbleitermaterialien gut entwickelt und findet als kostengünstiges Dotierverfahren breite Anwendung in der Halbleitertechnologie. Bei diesem Verfahren wird der Dotierstoff aus der Gasphase oder aus einer auf die Oberfläche des zu dotierenden Halbleiterkörpers aufgebrachten dotierstoffhaltigen Deckschicht über thermische Diffusionsprozesse in den Halbleiterkörper eingebracht. Die Oberflächenkonzentrationen des Dotierstoffes wurden durch dessen Löslichkeit in der festen Phase im Halbleiterkörper bei der Temperatur des Diffusionsprozesses bestimmt (J.Runge „Halbleitertechnologie", Berlin, Heidelberg, New York 1975, S. 84-87).It is known that alloy methods for doping semiconductor bodies are hardly used because of the poor reproducibility and the limited doping range. In contrast, the diffusion of semiconductor materials is well developed and is widely used as a low-cost doping method in semiconductor technology. In this method, the dopant from the gas phase or from a dopant-containing cover layer applied to the surface of the semiconductor body to be doped is introduced into the semiconductor body via thermal diffusion processes. The surface concentrations of the dopant were determined by its solubility in the solid phase in the semiconductor body at the temperature of the diffusion process (J. Runge "Semiconductor Technology", Berlin, Heidelberg, New York 1975, pp. 84-87).

Weiterhin sind Implantationsverfahren bekannt, die das reproduzierbare Einbringen von Dotierstoffatomen in sehr weiten Dosisbereichen unabhängig von derthermodynamischen Löslichkeit gestalten (H.Ryssel, J.Runge „Ionenimplantation", Leipzig 1978).Furthermore, implantation methods are known which make the reproducible introduction of dopant atoms in very wide dose ranges independent of the thermodynamic solubility (H. Ryssel, J. Runge "Ion Implantation", Leipzig 1978).

Die Dotierstoffatome werden im Halbleiterkörper erst in einem nachfolgenden Ausheilprozeß elektrisch aktiv gemacht und die Strahlenschäden beseitigt. Die maximal erreichbare elektrisch aktivierbare Dotierungskonzentration ist bei thermischer Ofenausheilung wie bei den Diffusionsverfahren durch die thermodynamische Löslichkeit gegeben. Wird die Ausheilung mit intensiven Strahlungsimpulsen mit Impulslängen kleiner ca. ΙΟμβ vorgenommen und dabei ein Aufschmelzen der Oberfläche des Halbleiterkörpers erzielt, so werden höhere Dotierstoffkonzentrationen als in der festen Phase aktiviert, wenn die Löslichkeit in der flüssigen Phase höher ist als in der festen. Die schnelle Abkühlung des Halbieiterkörpers nach Beendigung des Strahlungsimpulses verhindert eine Ausscheidung der Dotierstoffatome. Geeignete Strahlungsimpulse können mit gepulsten Elektronenstrahlen (A. R.Kirkpatrick et al. in „Proceedings of the 1 st. Conference on lon Beam Modification of Materials p. 629-652, Budapest 1978) oder Hochleistungsiasern erzeugt werden.The dopant atoms are only made electrically active in the semiconductor body in a subsequent annealing process and the radiation damage is eliminated. The maximum attainable electrically activatable doping concentration is given by the thermodynamic solubility in thermal furnace annealing as in the diffusion process. If the annealing with intense radiation pulses with pulse lengths smaller than about ΙΟμβ made while melting the surface of the semiconductor body achieved so higher dopant concentrations than in the solid phase are activated when the solubility in the liquid phase is higher than in the solid. The rapid cooling of the Halbieiterkörpers after completion of the radiation pulse prevents precipitation of the dopant atoms. Suitable radiation pulses may be generated by pulsed electron beams (A.R. Kirkpatrick et al., Proceedings of the 1st Conference on Ion Beam Modification of Materials, pp. 629-652, Budapest, 1978) or high performance lasers.

Die Einsatzmöglichkeiten der Laser zur Ausheilung implantierter Schichten sind bei E. Rimini und S. U., Campisano in Solid State Devices, Conf. Series No 53, Bristal und London 1980, P. 115-132 ausführlich beschrieben.The applications of lasers for the healing of implanted layers are described by E. Rimini and S.U., Campisano in Solid State Devices, Conf. Series No 53, Bristal and London 1980, pp. 115-132.

Die lasergestützte Dotierung wird in der DD-PS 141378 vorgeschlagen. Die in diesem Schutzrecht vorgeschlagene Lösung beinhaltet die Dotierung von Materialien aus einem dem zu dotierenden Material umgebenen dotierstoffhaltigen gasförmigen oder flüssigen Medium, durch welches auf das Material intensiv Laserstrahlung eingestrahlt wird.The laser-assisted doping is proposed in DD-PS 141378. The solution proposed in this patent includes the doping of materials from a dopant-containing gaseous or liquid medium surrounded by the material to be doped, through which laser radiation is intensively irradiated onto the material.

Bei der Anwendung von Laserverfahren ist nachteilig, daß größere Flächen nur im Scan-Betrieb bearbeitet werden. Die naturgemäße Inhomogenität des Laserstrahlprofils erschwert die homogene Dotierung.When using laser method is disadvantageous that larger areas are processed only in the scan mode. The natural inhomogeneity of the laser beam profile makes the homogeneous doping more difficult.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Dotierung von Halbleiterkörpern zu entwickeln, bei dem der Dotierstoff aus der Gasphase, oder aus einer auf dem zu dotierenden Halbleiterkörper aufgebrachten dotierstoffhaltigen Schicht in den Halbleiterkörper eingebracht wird, wobei der Halbleiterkörper vollständig in der festen Phase verbleibt, oder eine dünne Oberflächenschicht während des Dotiervorganges aufgeschmolzen wird.The aim of the invention is to develop a method for doping semiconductor bodies, in which the dopant is introduced from the gas phase or from a dopant-containing layer applied to the semiconductor body to be doped into the semiconductor body, wherein the semiconductor body remains completely in the solid phase, or a thin surface layer is melted during the doping process.

Weiteres Ziel der Erfindung ist die Erzeugung von Dotierstoffkonzentrationen, welche die in der festen Phase maximal, löslichen Dotierstoffkonzentrationen übersteigen.Another object of the invention is the generation of dopant concentrations which exceed the maximum, soluble dopant concentrations in the solid phase.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Dotierung von Halbleiterkörpern zu schaffen, bei dem der Dotierstoff aus der Gasphase oder aus einer auf dem zu dotierenden Halbleiterkörper aufgebrachten dotierstoffhaltigen Schicht in den Halbleiterkörper eingebracht wird.The invention has for its object to provide a method for doping semiconductor bodies, in which the dopant from the gas phase or from an applied on the semiconductor body to be doped dopant-containing layer is introduced into the semiconductor body.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Dotierstoff unter der Wirkung eines Strahlungs-, Wärme- und Druckimpulses, welcher durch schnelle mechanische Kompression eines Gases erzeugt wird, in den Halbleiterkörper eingebracht wird. Der Dotierstoff wird dem Gas vor oder auch in der Aufheizphase zugesetzt, oder aber mit einer dotierstoffhaltigen Schicht auf den Halbleiterkörper aufgebracht. Zur schnellen mechanischen Kompression des Gases wird eine Kolben-Zylinder Anordnung, beispielsweise mit Kurbelwellenantrieb oder ein ballistischer Kompressor benutzt. Bei entsprechender Auslegung des Kompressors und der Ausgangsparameter der Kompression entsteht dabei ein stark strahlendes, dichtes Plasma. Die Intensität und die Wellenlänge des Intensitätsmaximums werden über die Parameter der Kompression eingestellt.According to the invention the object is achieved in that the dopant is introduced into the semiconductor body under the action of a radiation, heat and pressure pulse, which is generated by rapid mechanical compression of a gas. The dopant is added to the gas before or during the heating phase, or applied to the semiconductor body with a dopant-containing layer. For rapid mechanical compression of the gas, a piston-cylinder arrangement is used, for example with a crankshaft drive or a ballistic compressor. With appropriate design of the compressor and the output parameters of the compression creates a strong radiant, dense plasma. The intensity and the wavelength of the intensity maximum are set via the parameters of the compression.

Es sind Drücke bis oberhalb 1 GPa und Temperaturen bis etwa 20000 K erreichbar. Die Halbwertszeiten der Druckimpulse lassen sich im Bereich von etwa 10/as bis zu einigen ms variieren. Durch Wahl der Parameter der Kompression und den Anteil des Dotiergases am Kompressionsmedium wird die Dotierung gesteuert. Bei geeigneter Auslegung des Kompressors werden Flächen von einigen 10cm² Fläche gleichzeitig homogen dotiert.It can be reached pressures above 1 GPa and temperatures up to about 20,000 K. The half-lives of the pressure pulses can be varied in the range of about 10 / as to several ms. By selecting the parameters of the compression and the proportion of the doping gas on the compression medium, the doping is controlled. With a suitable design of the compressor surfaces of some 10cm ² area are simultaneously homogeneously doped.

Die dem Verfahren eigenen extrem hohen Temperaturen und Drücke gestatten das Einbringen besonders hoher Dotierstoffmengen in den Halbleiterkörper. Erfolgt während der Kompression ein Aufschmelzen der Oberflächenschicht des Halbleiterkörpers, so werden Dotierstoffkonzentrationen in das Kristallgitter des genannten Halbleiterkörpers eingebracht, welche die Löslichkeit in der festen Phase übersteigen. Die Eindringtiefe des Dotierstoffes wird durch die Dicke der aufgeschmolzenen Schicht und den Segregationskoeffizienten für den Dotierstoff an der Grenze zwischen flüssiger und fester Phase bestimmt. Im Falle von Bor, Phosphor und Arsen in Siiizium entspricht die Eindringtiefe dieser Dotierstoffe der Dicke der aufgeschmolzenen Schicht. Zur Dotierung von Silizium mit Bor, Phosphor oder Arsen werden dem zu komprimierenden Arbeitsgas, beispielsweise Argon, als Dotierstoff die entsprechenden Wasser-, Fluor-oder Chlorverbindungen dieser Dotierelemente zugesetzt. Diese Verbindungen sind unter Normalbedingungen gasförmig oder flüssig und verfügen über ausreichenden Dampfdruck.The inherent extremely high temperatures and pressures allow the introduction of particularly high dopant levels in the semiconductor body. If the surface layer of the semiconductor body melts during the compression, dopant concentrations are introduced into the crystal lattice of said semiconductor body, which exceed the solubility in the solid phase. The penetration depth of the dopant is determined by the thickness of the molten layer and the segregation coefficient for the dopant at the boundary between liquid and solid phases. In the case of boron, phosphorus and arsenic in silicon, the penetration depth of these dopants corresponds to the thickness of the molten layer. For doping silicon with boron, phosphorus or arsenic, the corresponding water, fluorine or chlorine compounds of this doping element are added to the working gas to be compressed, for example argon, as dopant. These compounds are gaseous or liquid under normal conditions and have sufficient vapor pressure.

Dotierstoff kann aber auch durch andere Art dem Kompressionsmedium zugesetzt werden. So werden die Innenflächen des Kompressionsraumes mit Dotierstoff oder dotierstoffhaltigen Schichten belegt, von denen Dotierstoff während der Kompression in der Aufheizphase des Kompressionsmediums in das genannte Medium und von dort aus auf den Halbleiterkörper übergeht.However, dopant can also be added to the compression medium by other means. Thus, the inner surfaces of the compression space are covered with dopant or dopant-containing layers, of which dopant passes during compression in the heating phase of the compression medium in said medium and from there to the semiconductor body.

Des weiteren wird bei Verwendung einer dotierstoffhaltigen Schicht, die auf dem zu dotierenden Halbleiterkörper als Dotierstoffquelle aufgebracht ist, der zu dotierende Halbleiterkörper nicht nur innerhalb des Kompressionsraumes, sondern auch außerhalb dieses Raumes vor einem Strahlungsaustrittsfenster gehaltert. Die Verwendung der Deckschicht gestattet die Dotierung in weiten Konzentrationsbereichen.Furthermore, when using a dopant-containing layer which is applied on the semiconductor body to be doped as a dopant source, the semiconductor body to be doped is held not only within the compression space, but also outside this space in front of a radiation exit window. The use of the cover layer allows doping in wide concentration ranges.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Verwendung auf die Dotierung von A'"B^v-Halbleitermaterialien mit Anordnung des zu dotierenden Halbleiterkörpers innerhalb des Kompressionsraumes besteht darin, daß ein Abdampfen der zumeist leicht flüchtigen B^v-Komponente des genannten Halbleiterkörpers wegen des außerordentlich hohen Druckes und der Kürze des Dotiervorganges weitgehend vermieden wird. Als Dotierstoffzusatz zum Arbeitsgas werden vorzugsweise metallorganische Verbindungen benutzt.A particular advantage of the method according to the invention when used on the doping of A '"B ^v semiconductor materials with arrangement of the semiconductor body to be doped within the compression space is that evaporation of the mostly volatile B ^v component of said semiconductor body due to the extremely high As a dopant addition to the working gas preferably organometallic compounds are used.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden.The invention will be described below with reference to an embodiment.

Eine einkristalline p-ieitende Siliziumscheibe wird auf der Innenfläche des Verschlusses eines ballistischen Kompressors befestigt. Mit Argon als Arbeitsgas und einem Zusatz von 10% AsF₃ als Dotierstoff wird eine ballistische Kompression ausgeführt, wobei ein Maximaldruck von 125 MPa und eine Druckimpulshalbwertsbreite von 120μ-s erzielt werden. Infolge der ballistischen Kompression entsteht in der dem Kolben zugewandten Seite der Siliziumscheibe ein Arsendotierungsprofil miteiner Eindringtiefe von ca. 2,5/nm.A single-crystal p-type silicon wafer is mounted on the inner surface of the shutter of a ballistic compressor. With argon as the working gas and an addition of 10% AsF ₃ as a dopant ballistic compression is carried out, with a maximum pressure of 125 MPa and a Druckimpulshalbwertsbreite of 120 μ-s are achieved. As a result of the ballistic compression, an arsenic doping profile with a penetration depth of approximately 2.5 / nm is formed in the side of the silicon wafer facing the piston.

Claims

- ι - too / /

Invention claim:

1. A method for doping semiconductor bodies, characterized in that the dopant from the gas phase or from the applied on the semiconductor body to be doped dopant-containing layer by the action of the hot gas or plasma, which is generated by rapid mechanical compression, is introduced into the semiconductor body ,

2. The method according to item 1, characterized in that a piston-cylinder arrangement is used to produce the hot gas or plasma.

3. The method according to item 1 and 2, characterized in that are used as the compression medium noble gases or hydrogen.

4. The method according to item 1 and 2, characterized in that the compression medium for generating p- or nleitenden layers in semiconductor bodies of silicon or germanium hydrogen, fluorine or chlorine compounds of boron, phosphorus or arsenic are added.