DE1806643A1 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer HalbleiteranordnungInfo
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Description
Patentanwälte . 4 Düsseldorf, den 31. Oktober 1968
Dr. Ing. Eichenberg Cecilienallee 76 Il/Schn
Dipl.-Ing. Sauerland . 1 R Π fi R Λ Ί
Dr. Ing. König
Hughes Aircraft Company, Centinela and laale Street,
Culver City, California, U.S.A.
"Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung"
Die Erfindung "bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung.
Unter den Verfahren, die in vergangenen Jahren zum Dotieren (oder Aktivieren) von Halbleitermaterial
benutzt worden sind, hat das Verfahren der Ioneneinpflanzung, auch Spicktechnik genannt, erhebliehe
Beachtung gefunden* Nachstehend wird das Verfahren der Ioneneinpflanzung kurz diskutiert, was für das Folgende
nützlich sein mag.
Beim Verfahren der Ioneneinpflanzung werden Atome von Aktivatoren, sogenannter Verunreinigungen,
zunächst ionisiert und hierauf mittels mannigfaltiger elektrischer und/oder magnetischer Felder in die Form
von Strahlen verschiedenen Durchmessers und verschiedener Form gebracht und können auch veranlaßt werden,
in verschiedenen Richtungen mit bestimmten Geschwindigkeiten fortzuschreiten. In direktem Gegensatz zum üblichen
Diffusionsprozeß, wo sich die verfügbaren Atome im allgemeinen im Dampfzustande befinden und mit einer
freiliegenden Fläche eines Halbleiterkörpers nur entsprechend den jeweils herrschenden thermodynamischen
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Bedingungen in Berührung kommen, werden somit beim Verfahren
der Ioneneihpflanzung Ionen des Aktivators veranlaßt, in die Gitterstruktur eines kristallinen Halbleiters
in einer bestimmten Richtung und mit einer bestimmten Geschwindigkeit einzutreten, und sie können
darin genau in einer vorgeschriebenen Konzentration und mit Steuerung auf einen gewünschten Grad von Gleichförmigkeit
oder Abstufung (Gradation) piaziert werden.
Die vielen gerade dieser Methode der Ioneneinpflanzung anhaftenden Merkmale und potentiellen Torteile
können jedoch unter Umständen durch unerwünschte Nebenwirkungen aufgehoben werden, nämlich durch Strahlungsschäden, die von in hohem Maße in Unordnung gebrachten
Bereichen rings um die Bahn jedes dotierenden Partikels herrühren. Ferner können infolge der Tatsache, daß
der Einpflanzungsprozeß seiner Natur nach keiner Gleichgewichtsbedingung genügt, die Anzahl von Terunreinigungen
oder Aktivatoren auf sukstitutionellen Stellen und
Zwischengitterplätzen von derjenigen abweichen, die beobachtet wird, wenn man eich des dem üblichen mehr entsprechenden
Diffusionsverfahrens bedient.
Bs ist in der Halbleitertechnik wohl bekannt, daß das Einpflanzen oder Spicken beispielsweise einer
Siliziumunterlage mit Antimonionen bei Verwendung eines Strahles von 20 000 Elektronenvolt bei Raumtemperatur
schwere Schäden im Kristallgitter des Siliziums hervorruft, wobei das Antimon vom Zufall abhängige Stellungen
in der beschädigten Gitterstruktur einnimmt. Jedes Antimonion, das in die Siliziumkristallfläche eintritt,
verliert bei den Zusammenstößen mit dem Kristallgitter Energie und erzeugt einen Bereich in Porm eines beschädigten
Pfades, der als Anhäufung und in der englischen Fachsprache als "cluster" bezeichnet wird. Dieser Pfad
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hat ungefähr einen Durchmesser von 100 Ä und seine Tiefe
hängt Ton der Strahlungsenergie ab. Eine Dosis von
14-/2
annähernd 10 T Ionen/cm beschädigt die bestrahlte Pläche in vollem Umfange.
annähernd 10 T Ionen/cm beschädigt die bestrahlte Pläche in vollem Umfange.
Bei einer Strahlungsdosis von mehr als
Λ A O
10 Ionen/cm überlappen sich die Pfade oder Anhäufungen
oder "cluster", die aus beschädigten Bereichen bestehen, so daß eine im wesentlichen amorphe Oberflächenschicht
entsteht, deren Dicke im großen und ganzen der Reichweite der eingepflanzten Ionen äquivalent ist. IVLr
eine solche Sättigungsdosis, die zu einer amorphen
Oberflächenschicht führt, ist eine minimale Grlühtemperatur von etwa 65O0C notwendig, um wieder Ordnung in
der Gritter struktur herzustellen und ein hohes Niveau von darin befindlichem substitutionellem Antimon zu
schaffen. Es wurde gefunden, daß von allen untersuchten Aktivatoren oder Verunreinigungen, nämlich beispielsweise
Gallium, Arsen, Indium, Antimon und Xenon nur Antimon und Arsen in der Lage sind, ein substitutionelles
Niveau von mehr als 80$ nach dem Einpflanzen und
Glühen zu erzeugen.
Es ist ferner in der Technik der Erzeugung von Schäden durch Kernstrahlung bekannt, daß hohe Temperaturen
notwendig sind, um komplexe Schadensanhäufungen (oder "cluster") durch Glül&en zu beseitigen, die
bei Raumtemperatur in Silizium induziert worden sind, und daß umso höhere Temperaturen nötig sind, je größer
der Umfang des Schadens ist. In allen Fällen sind diese hohen Temperaturen nicht vereinbar mit der Behandlung
anderer Komponenten bei der Herstellung der Halbleiteranordnungen, beispielsweise solchen Komponenten,
die Bestandteile aus Metall mit niedrigem Sehmelz-
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COPY
punkt enthalten.
Es ist somit wünschenswert und stellt die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dar, einen Weg
zu finden, mit niedrigeren Glühtemperaturen auszukommen. Ein Verfahren, das diese Aufgabe erfüllt, bildet
den Gegenstand der Erfindung.
Das Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung einer Halbleiteranordnung besteht darin, daß zunächst
ein kristalliner Halbleiterkörper der Ionenein-Pflanzung (Spicktechnik) ausgesetzt und der Halbleiterkristall
sodann gekühlt wird, um Bereiche, die durch die Ioneneinpflanzung Schaden genommen haben, wiederherzustellen,
wobei mindestens die erwähnten beschädigten Teile des Halbleiterkristalls gleichzeitig mit dem
Glühen des Halbleiterkristalls mit Ionen eines elektrisch inaktiven Materials bestrahlt werden.
Statt eine mit Antimonionen gespickte Unterlage aus Silizium bei Temperaturen bis zu 800 und 90O0C
zu glühen, wie dies bisher notwendig war, ist es möglich, eine niedrigere Temperatur zu verwenden und
gleichwohl die Anzahl der Träger auf ein Niveau zu erhöhen, das in der Nähe des Niveaus vor dem Glühen liegt,
gleichzeitig die Ordnung im Kristallgitter wiederherzustellen und ein hohes substitutioneiles Niveau
sicherzustellen» Das Mittel, um beiden Anforderungen zu genügen, besteht in der Bestrahlung von beispielsweise
mit Antimon gespickten Siliziumkristallen mit Ionen aus einem elektrisch inaktiven Material, beispielsweise
Kohlenstoff, Neon oder Silizium während des Glühprozesses. Die Bestrahlung mit beispielsweise Kohlenstoff
ionen gleichzeitig mit dem Glühprozeß erhöht, wie gefunden wurde, die Anzahl der Träger auf ein Ni-
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veau nahe dem Niveau, das vor dem Glühen vorhanden war, und reduziert die Glühtemperatur auf etwa 50O0Co
Die Erfindung liefert somit ein verbessertes Verfahren zur Wiederherstellung der Gitterstruktur der
Kristalle der Halbleiteranordnung, die durch die Ioneneinpflanzung
beschädigt worden war·
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile können in der Weise erreicht werden, daß zunächst in eine
kristalline Halbleiterunterlage Ionen eines Aktivators, also einer Verunreinigung, beispielsweise bei Raumtemperatur
eingepflanzt werden, worauf die Unterlage bei einer bestimmten höheren Temperatur geglüht wird, während
gleichzeitig die Unterlage mit Ionen aus einem elektrisch inaktiven Material bestrahlt wird, so daß
•ine niedrigere Glühtemperatur als andernfalls notwendig angewendet werden kann.
Der Ausdruck "Ion", wie er in iieser Beschreibung
in Verbindung mit der oben genannten Ionenbestrahlung gebraucht wird, soll jeden Typ von ionisierten
oder elektrisch geladenen Partikeln decken und kann auch Elektronen und ionisierte Neutronen einschließen.
Der Ausdruck "Ionen eines elektrisch inaktiven Materials", wie er in dieser Beschreibung benutzt
wird, bezieht sich auf Ionen aus Stoffen, welohe den leitfähigkeitstyp des verwendeten Halbleitermaterials
nicht beeinflussen·
Das Verfahren nach der Erfindung soll nachstehend in größerer Ausführlichkeit in Verbindung mit
dem folgenden Beispiel erläutert werden.
In einen Siliziumkristall werden Antimonionen 909825/132 5
bei Raumtemperatur mittels eines Strahles von 20 000 Elektronenvolt eingepflanzt. Nach dieser Einpflanzung
erscheint der Kristall in seiner 3?ärbnng mil«
chig, zum Unterschied von der normalen bläulichen Parbe von einkristallinem Silizium, was auf Schaden hindeutet.
Der Kristall wird sodann bei 50O0C zehn Minuten
lang geglüht und dabei gleichzeitig mit Kohlenstoffionen unter Verwendung eines Strahles von
20 000 Elektronenvolt bestrahlt. Bei Rückkehr ssur Raumtemperatur erscheint der geglühte und mit Kohlenstoff
fc bestrahlte Kristall nicht mehr milchig, was darauf hindeutet, daß der Schaden behoben oder in erheblichem Maße
heruntergesetzt worden ist. Die Bestrahlung mit Kohlenstoff erhöht die Wirkung des Glühens, den durch die
Einpflanzung entstandenen Schaden zu beseitigen, in erheblichem HaSe und stellt den anfänglichen Zustand der
kristallinen Struktur, also den Zustand Tor der Ein·» Pflanzung, im wesentlichen wieder her«, Zuvor waren Temperaturen
von etwa 65O0O asu-: ßllöiem von nicht mit Kohlenstoff
bestrahlten Kristallin notwendig, um das gleiche Niveau zu erhalten, ferner wurde gefunden, daß
der Bestrahlung mit Kohlenstoff bei 5000O die bestrahlte
Probe etwa zehnmal soviel substitutionelle Antimondonatoren
enthielt wie eine Probe, die nieht mit Kohlenstoff bestrahlt worden war„
Es hat den Anschein, daß der Kohlenstoff den dissoziierten, komplexen Schadensanhäufungen ("cluster")
Energie zuführt, während er den beschädigten Bereich epitaxial wiederherstellt, und zwar ausgehend von einer
inneren Zone des Kristalls in Sichtung nach außen zur
Oberfläche.
Der Torteil der Verwendung von Ionen ein·» . .
Elements, wie beispielsweise Kohlenstoff, das leichter
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ist al· das Element, aus dem die eingepflanzten oder
gespickten Ionen bestehen, liegt darin, daß das leichtere Ion eine größere Reichweite bei der gleichen Bestrahl
ungs energie hat. Infolgedessen erreichen während des G-liihens die aus dem leichteren Element bestehenden
Ionen die volle Tiefe des beschädigten Bereiches, um Energie zu dem Zweck zu liefern, die Struktur an der
Grenze zwischen beschädigtem und unbeschädigtem Material wiederherzustellen und infolgedessen dafür zu sorgen,
daß die Epitaxie fortschreitet. Jedoch könen Ionen Ton schwereren Elementen in gleicher Weise benutzt werden,
wenn die Energien entsprechend erhöht werden, um die nötige Reichweite zu erhalten.
Ss wurde ferner beobachtet, daß die Verwendung
von Kohlenstoffionen od.dgl· in der oben beschriebenen
Weise dazu benutzt werden kann, den spezifischen Widerstand eines Halbleiterkörpers zu steuern, um auf diese
Art beispielsweise in einer Unterlage von niedrigem spezifischem Widerstand einen Bereich hohen spezifischen
Widerstandes zu schaffen.
Alternativ kann das Verfahren nach der Erfindung angewendet werden, um das Kristallwachstum unter
Bedingungen zu steigern, wo es sich um aufgedampfte oder chemisch niedergeschlagene filme handelt und Epitaxie
des die Unterlage bildenden Kristalls erwünscht ist. Bestrahlung mit beispielsweise Kohlenstoff kann während
des Aufbringens oder nach dem Aufbringen des Pilms geschehen.
Es sei ferner erwähnt, daß das Verfahren zusätzlich die Verwendung niedrigerer Temperaturen gestattet,
wenn es sich um Kristallwachstumsprozesee handelt.
Es sei hiermit klargestellt, daß jede Art von Halbleitermaterial oder isolierendem oder halbiso-
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lierendem Material von kristalliner Struktur in den Bereich
der Erfindung und der Ansprüche fällt. Silizium und Germanium sind repräsentativ. Doch "braucht es sich
nicht ausschließlich um diese Stoffe zu handeln.
Die vorstehende Beschreibung und die darin angegebenen Beispiele dienen lediglich der Erläuterung.
Jede Abweichung und Abwandlung fällt in den Bereich der Ansprüche, soweit sie dem Sinn und Zweck der Erfindung
entspricht.
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Claims (1)
- m 9 -Hughes Aircraft Company, Centinela and Teale Street, s==sss3s=a=ssBzsscssSBSsss===as=s=2sssss3=ss===snQuiver Pity, California, TJoSeA0Patentansprüche %1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem ein kristalliner Halbleiterkörper zunächst dem Verfahren der Ioneneinpflanzung (Spicktechnik) unterworfen und der Kristall hierauf geglüht wird, um solche Kristallteile, die durch die loneneinpflanzung beschädigt worden sind, wiederherzustellen, wobei mindestens die beschädigten Bereiche des Halbleiterkristalls gleichzeitig mit dem Glühen des Kristalls mit Ionen aus •inem elektrisch inaktiven Material bestrahlt werden.2« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch inaktive Material mindestens Kohlenstoff, Silizium, Germanium oder Neon enthält«3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingepflanzten Ionen von Antimonionen gebildet werden und der Halbleiterkörper aus Silizium oder Germanium besteht·4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß die eingepflanzten Ionen von Indiumionen gebildet werden und der Halbleiterkörper aus Germanium besteht.5ο Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a duroh gekennzeichnet, daß die Glühtemperatur ungefähr 50O0O beträgt.8 0 9 8 2 5/1325 :- ίο —6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die eingepflanzten Ionen in Bereiche von niedrigem spezifischem Widerstand des Halbleiterkörpers eingepflanzt werden, um dadurch in dem Halbleiterkörper Bereiche hohen spezifischen Widerstandes zu erzeugen»7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mindestens teilweise durch epitaxiales Niederschlagen hergestellt wird, während er gleichzeitig mit Ionen aus elektrisch inaktivem Material bestrahlt wird.909825/1325
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