DE1806643C3 - Verfahren zum Dotieren von Halbleitermaterial durch Ionenimplantation mit anschließender Glühbehandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Dotieren von Halbleitermaterial durch Ionenimplantation mit anschließender Glühbehandlung.

Beim Vorfahren der Ionenimplantation werden Atome von Dotierstoffen zunächst ionisiert und hierau; mittels elektrischer und/oder magnetischer Felder in die Form von Strahlen verschiedener Gestaltung gebracht. Sie können dabei auch veranlaßt werden, τη verschiedenen Richtungen mit bestimmten Geschwindigkeiten fortzuschreiten. Im Gegensatz ium üblichen Diffusionsprozeß, bei dem sich die verfügbaren Atome im allgemeinen im Dampfzustand befinden und mit einer freiliegenden Fläche eines Halbleiterkörpers nur entsprechend den jeweils herrschenden thermodynamischen Bedingungen in Berührung kommen, werden bei der Ionenimplantation Ionen des Dotierstoffs veranlaßt, in die Gitterstruktur eines kristallinen Halbleiters in einer bestimmten Richtung und mit einer bestimmten Geschwindigkeit einzutreten. Dies hat unter anderem den Vorteil, dal) die Ionen genau in einer vorgeschriebenen Konzentration und mit Steuerung auf «inen gewünschten Grad von Gleichförmigkeit oder Abstufung plaziert werden.

Den Vorteilen der Ionenimplantation stehen jedoch unerwünschte Nebenwirkungen vor allem durch Strahlungsschäden gegenüber, die von in hohem Maße in Unordnung gebrachten Bereichen rings um die Bahn jedes dotierten Partikel» herrühren. So ist «s bekannt, daß bei Anwendung des in Rede stehen- 5« den Verfahrens, wenn es sich beispielsweise um das Dotieren einer Siliziumunterlage mit Antimonionen bei Verwendung eines Strahls von 20 000 Elektro-•cnvolt handelt, bei Raumtemperatur schwere Schaden im Kristallgitter des Siliziums entstehen, 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 eine Spur aus Gitterstörungen, die auch als Cluster bezeichnet wird. Diese Spur hat ungefähr einen Durchmesser von 100 A, und seine Tiefe hängt von der Strahlungsenergie ab. Ein Fluß von annähernd 10¹⁴ Ionen/cm² beschädigt die bestrahlte Fläche in vollem Umfang. Bei einer Strahlungsdosis von mehr als 10¹⁴ Ionen/cm² überlappen sich die Cluster, die aus beschädigten Bereichen bestehen, so daß eine im wesentlichen amorphe Oberflächenschicht entsteht, deren Dicke im großen und ganzen der Reichweite der durch Implantation eingeführten Ionen äquivalent ist.

Es ist bekannt, durch eine anschließende Glühbehandlung wieder Ordnung in der Gitterstruktur herzustellen und eine hohe Dichte von darin befindlichen Antimonionen zu schaffen. Die dazu bisher notwendigen Temperaturen sind jedoch unerwünscht hoch. In dem betrachteten Fall eines Flusses von mehr als ΙΟ¹⁴ Ionen/cm- ist die minimal notwendige Glühtemperatur etwa 650° C. Je größer der durch die Strahlung erzeugte Schaden ist, um so höher ist auch die zu seiner Beseitigung erforderliche Temperatur.

Derart hohe Temperaturen sind jedoci, für manche bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen verwendete Stoffe nicht tragbar. Als Beispiel seien Stoffe erwähnt, die Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt enthalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu finden, um mit niedrigeren Glühtemperaturen auszukommen. Eine Lösung dieser Aufgabe wurde in der Maßnahme gefunden, gleichzeitig mit dem Glühen eine Bestrahlung mit Ionen vorzunehmen, die den Leitfähigkeitstyp des verwendeten Halbleitermatcrials nicht beeinflussen.

Während beispielsweise eine mit Antimonionen nach dem Verfahren der Ionenimplantation behandelte Unterlage aus Silizium bei Temperaturen bis zu 800 und 900 ■ C geglüht werden mußte, ist es bei Anwendung der Erfindung möglich, mit einer wesentlich niedrigeren Temperatur auszukommen 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 wieder herzustellen. Dabei hat sich bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial das Bestrahlen mit Kohlenstoffionen als besonders zweckmäßig erwiesen. Das Bestrahlen mit Kohlenstoffionen gleichzeitig mit dem Glühprozeß erhöht, wie gefunden wurde, die Anzahl der Träger auf ein Niveau nahe dem Niveau, das vor dem Glühen vorhanden war. und reduziert die Glühtemperatur auf etwa 500° C.

Als weiteres Beispiel eines elektrisch inaktiven Materials, das im Sinne der Erfindung verwendbar ist, sei Neon genannt.

Der Ausdruck »Ion«, wie er in dieser Beschreibung in Verbindung mit der crlindungsgemäßen Tonenbcstrahlung gebraucht wird, soll jeden Typ von ionisierten oder elektrisch geladenen Partikeln dekken und kann auch Elektronen einschließen.

Das Verfahren nach der Erfindung soll nachstehend in größerer Ausführlichkeit in Verbindung mit dem folgenden Beispiel erläutert werden.

In einen Siliziumkristall werden Antimonionen bei Raumtemperatur mittels eines Strahles von 20 000 Elektronenvolt durch Implantation eingebracht. Hiernach erscheint der Kristall in seiner Färbung milchig, zum Unterschied von der normalen bläulichen Farbe von einkristallinem Silizium, was auf Kristallgitter-Schäden hindeutet. Der Kristall wird sodann bei 500° C zehn Minuten lang geglüht und dabei gleichzeitig mit Kohlenstoffionen unter Verwendung eines Strahles von 20 000 Elektronenvolt bestrahlt. Bei Rückkehr zur Raumtemperatur erscheint der geglühte und mit Kohlenstoff bestrahlte Kristall nicht mehr milchig, was darauf hindeutet, daß die Kristallgitter-Schäden behoben oder in erheblichem Maße heruntergesetzt worden sind. Die Be-

strahlung mit Kohlenstoff erhöht die Wirkung des Glühens, die durch die implantation entstandenen Kristallgitter-Schäden zu beseitigen, in erheblichem Maße und stellt den anfänglichen Zustand der kristallinen Struktur, also den Zustand vor der Ionenimplantation, im wesentlichen wieder her. Zuvor waren Temperaturen von etwa 650° C zum Glühen von nicht mit Kohlenstoff bestrahlten Kristallen notwendig, um das gleiche Niveau zu erhalten. Ferner wurde gefunden, daß nach der Bestrahlung mit Kohlenstoff bei 500° C die bestrahlte Probe etwa zehnmal soviel Antimonionen enthielt wie eine Probe, die nicht mit Kohlenstoff bestrahlt worden war.

Es hat den Anschein, daß der Kohlenstoff den Oustern Energie zuführt, während er den beschädigten Bereich »epitaktisch« wiederherstellt, und zwar ausgehend von eine: inneren Zone des Kristalls in Richtung nach außen zur Oberfläche.

Der Vorteil der Verwendung von 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 Element bestehenden Ionen die volle Tiefe des beschädigten Bereich¹- um Energie zu dem Zweck zu liefern, die Struktur an der Grenze zwischen beschädigtem und unbeschädigtem Materal 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. dgl. in der oben beschriebenen Weise dazu benutzt werden kann, den spezifischen Widerstand eines Halbleiterkörpers zu steuern,

ίο um auf diese Art beispielsweise in einer Unterlage von niedrigem spezifischem Widerstand einen Bereich hoLen spezifischen Widerstands 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 Films geschehen. Es sei ferner erwähnt, daß das Verfahren zusätzlich die Verwendung niedrigerer Temperaturen gestattet, wenn es sich um Kristallwachstumsprozesse handelt.

Es sei hiermit klargestellt, daß jede Art von HaIbleitermaterial 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 (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Dotieren von Halbleitermaterial durch Ionenimplantation mit anschlie-Bender Glühbehandlung, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Glühen mit Ionen bestrahlt wird, die den Leitfähigkeitstyp des verwendeten Halbleitermaterials nicht beeinflussen. i"

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial dieses mit Kohlenstoffionen bestrahlt wird.