DE1806643B2

DE1806643B2 - Verfahren zum Dotieren von Halb leitermaterial durch Ionenimplantation mit anschließender Gluhbehandlung

Info

Publication number: DE1806643B2
Application number: DE1806643A
Authority: DE
Inventors: Ogden J. Woodland Hills Marsh; James W. Pasadena Mayer
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1967-11-29
Filing date: 1968-11-02
Publication date: 1973-09-13
Also published as: GB1205288A; FR1592021A; DE1806643C3; US3533857A; DE1806643A1

Description

Den Vorteilen der Ionenimplantation stehen jedoch 45 sei Neon genannt.

unerwünschte Nebenwirkungen vor allem durch Der Ausdruck »Ion«, wie er in dieser Beschrei-

Strahlungsschäden gegenüber, die von in hohem bung in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Maße in Unordnung gebrachten Bereichen rings um Ionenbestrahlung gebraucht wird, soll jeden Typ von die Bahn jedes dotierten Partikels herrühren. So ist ionisierten oder elektrisch geladenen Partikeln dekcs bekannt, daß bei Anwendung des in Rede stehen- 5° ken und kann auch Elektronen einschließen,
den Verfahrens, wenn es sich beispielsweise um das Das Verfahren nach der Erfindung soll nachste-

Dotieren einer Siliziumunterlage mit Antimonionen hend in größerer Ausführlichkeit in Verbindung mit bei Verwendung eines Strahls von 20 000 Elektro- dem folgenden Beispiel erläutert werden,
nenvolt handelt, bei Raumtemperatur schwere Scha- In einen Siliziumkristall werden Antimonionen

den im Kristallgitter des Siliziums entstehen, wobei 55 bei Raumtemperatur mittels eines Strahles von das Antimon vom Zufall abhängige Stellungen in der 20 000 Elektronenvolt durch Implantation eingebeschädigtcn Gitterstruktur einnimmt. Jedes Antimon- bracht. Hiernach erscheint der Kristall in seiner Färion, das in die Siliziumkristallfläche eintritt, verliert bung milchig, zum Unterschied von der normalen bei den Zusammenstößen mit dem Kristallgitter bläulichen Farbe von einkristallinem Silizium, was Energie und erzeugt eine Spur aus Gitterstörungen, 60 auf Kristallgitter-Schäden hindeutet. Der Kristall die auch als Cluster bezeichnet wird. Diese Spur hat wird sodann bei 500° C zehn Minuten lang geglüht ungefähr einen Durchmesser von 100 A, und seine und dabei gleichzeitig mit Kohlenstoffionen unter Tiefe hängt von der Strahlungsenergie ab. Ein Fluß Verwendung eines Strahles von 20 000 Elektronenvon annähernd 10¹⁴ Ionen/cm² beschädigt die be- volt bestrahlt. Bei Rückkehr zur Raumtemperatur strahlte Fläche in vollem Umfang. Bei einer Strah- 65 erscheint der geglühte und mit Kohlenstoff bestrahlte lungsdosis von mehr als 10^u Ionen/cm² überlappen Kristall nicht mehr milchig, was darauf hindeutet, sich die Cluster, die aus beschädigten Bereichen be- daß die Kristallgitter-Schäden behoben oder in erhehstehen, so daß eine im wesentlichen amorphe Ober- lichem Maße heruntergesetzt worden sind. Die Be-

strahlung mit Kohlenstoff erhöht die Wirkuns des Glühens, die durch die Implantation entstandenen Kristallgitter-Schäden zu beseitigen, in erheblichem Maße und stellt den anfanglichen Zustand der kristallinen Siruktur also den Zustand \or der Ionenimplantation, im wesentlichen wieder her. Zuvor waren Temperaturen von etwa 650 C zum Glühen \on rieht mit Kohlenstoff bestrahlten Kristallen notwendig, um das gleiche Niveau zu erhalten. Ferner wurde (zeiimden. daß nach der Bestrahlung mit Kohlenstoff ·,.. bei 5UU C die bestrahlte Probe etwa zehnmal soviel Antimonionen enthielt wie eine Probe, die niclu mit kohlenstoff bestrahlt worden war.

Ils hat den Anschein, daß der Kohlenstoff dt τ Clustern Energie zuführ., wahrend er den best-hädiii- ι =. ten Bereich 'epitaktisch' wiederherstellt, und /wai ausgehend von einer inneren Zone des Kristalls in Richtung nach außen zur Oberfläche.

Der Vo;teil der Verwendung \on Ionen eines Elements, wie beispielsweise Kohlenstoff, das leichter ist als das Element, aus dem die durch Implantation eingebrachten Ionen bestehen, liegt darin, daß das leichtere Ion eine größere Reichweite bei der gleichen Bestrahlungsenergie hat. Infolgedessen erreichen während des Glühens die aus dem leichteren F.lement bestehenden Ionen die volle Tief-;· des beschädigten Bereichs, um Energie zu dem Zweck zu liefern, die Struktur an der Grenze zwischen beschädigtem ur.¹. unbeschädigtem Material wiederherzustellen und infolgedessen dafür zu sorgen, daß die -Epitaxie:; fortschreitet. Jedoch können Ionen von schwereren Elementen in gleicher Weise benutzt werden, wenn die Energien entsprechend erhöht werden, um die nötige Reichweite zu erhalten.

Es wurde ferner beobachtet, daß die Verwendung von Kohlenstoffionen od. dsl. 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 Widerstands, zu schaffen.

Alternativ kann das Verfahren nach der Erfindung angewendet werden, um das Kristallwachstum unter Bedingungen /u -leitern, wo es sich um aufgedampik oder chemisch niedergeschlagene Filme handelt und Epitaxie des die Unterlage bildenden Kristalls erwünscht ist. Bestrahlung nih beispielsweise Kohlen s;off kann während des Aufbringens oder nach dem Ausbringen des Films geschehen. Es sei ferner erwähnt, daß das Verfahren zusätzlich die Verwendung niedrigerer Temperaturen gestattet, wenn es sich um Kristal!wachstumsprozesse handelt.

F.s sei hiermit klargestellt, daß jede Art von Halbleitermaterial oder isolierendem oder halbisolierendem 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.

Claims

flächcnschicht entsieht, deren Dicke im großen und Patentansprüche: ganzen der Reichweite der durch Implantation ein-

g.-iührten Ionen äquivalent ist.

I. Verfahren zum Dotieren von Halbleiter- "~ Fs ,st bekannt, durch eine anschließende Gliihbematerial durch Ionenimplantation mit anscKie- 5 handlang wieder Ordnung in der Gitterstruktur herßender Giühhehandlung. dadurch g e k c η η - zustellen und eine hohe Dichte von dann befindlichen zeichnet, daß gleichzeitig mit dem Glühen Antimonionen zu schaffen. Die dazu bisher notv.enmit Ionen bestrahl! wird, dioden Leitfähigkeit*- digen Temperaturen sind jedoch unerwünscht noch, tvp des verwendeten Halbleitermaterial nicht In dem betrachteten Fall eines Flusses von menr als bee^lluss-n io "*^;; Ionen cm- ist die minimal notwendige Glühverfahren nach Anspruch 1. dadurch ge- temperatur etwa (OUT. Je größer der durch die kenn, e.chnei. daß bei Verwendung von Silizium Strahlung erzeugte Schaden ist. um so hoher .st auch al· Halbleitermaterial dieses mit Kohlenstoff- o.e /u seiner Beseitigung erforderte Temperatur
ionen bestrahlt wird. Derart Iv Temperaturen sind jedoch fur manche

,- hei der Ik .-llimg von Halbleiteranordnungen verwendete >:<,.. nicht tragbar. Als Beisnui seien Stolle en...hm. die Metalle mit niedrigem Schmei/puuki enthalten.

Der Frlindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen 2o We-j zu linden, um mit niedrigeren Glühtemperaturen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum auszukommen. Eine Lösung dieser Aufgabe wurde m Dotier,·!! von Halbleitermaterial durch lonenimpkm- der Maßnahme gefunden, gleichzeitig mit dem G!u tation mit anschließender Glühbehandlung. hen emc Bestrahlung mit Ionen vorzunehmen, die

Reim Verfahren der Ionenimplantation werden den I.eitiahigkeitstvp des verwendeten Halbster Atome von DoliersTolfen zunächst ionisiert und hier- 25 materials ηκΐιί beeinflussen.

auf mittels elektrischer und oder magnetischer hei- Wahrend beispielsweise eine mit Antimonionen

d.-r in die Form von Strahlen verschiedener Gestal- na,h dem \"erfahren der Ionenimplantation behantung gehracht. Sie können dabei auch veranlaßt wer- deiie Unterlage aus Silizium bei Temperaturen bis / den. In verschiedenen Richtungen mit bestimmten .SCM) und ¹H)O C geglüht werden mußte, ist es K Geschwindigkeiten fortzuschreiten. Im Gegensat/ 30 Anwendung der Erfindung möglich, mit einer wesen zum üblichen Ditfusionsprozeß, bei dem sich die "Cn niedngeren Temperatur auszukommen und verfügbaren Atome im allgemeinen im Dampf/.u- gleichwohl die Anzahl der Träger auf ein Niveau /u stand" befinden und mit einer freiliegenden Fläche erhöhen, das in der Nähe des Niveaus vor dem GlLieines Halbleiterkörpers nur entsprechend den jeweils hen liegt, gleichzeitig die Ordnung im Kristallgitter herrschenden thermodynamischen Bedingungen in 35 wieder herzustellen. Dabei hat sich bei Verwendung Berührung kommen, werden bei der lonenimplanta- von Silizium als Halbleitermaterial das Bestrahlen tion Ionen des Dotierstoffs veranlaßt, in die Gitter- mit Kohlenstoffionen als besonders zweckmäßig erstruktur eines kristallinen Halbleiters in einer be- wiesen Das Bestrahlen mit Kohlenstoffionen gleichstimmten Richtung und mit einer bestimmter Ge- zeitig mit dem Glühprozeß erhöht wie gefunden schvvindigkeit einzutreten. Dies hat inter anderem 40 wurde, die Anzahl der Träger auf ein Niveau nahe den Vorteil, daß die Ionen genau in einer vorge- dem Niveau, das vor dem Glühen vorhanden war, schriebenen Konzentration und mit Steuerung auf und reduziert die Glühtemperatur auf etwa 500 C.
einen gewünschten Grad von Gleichförmigkeit"oder Als weiteres Beispiel eines elektrisch inaktiven Ma-

Abstufung plaziert werden. " terials, das im Sinne der Erfindung verwendbar ist.