DE19505818A1 - Verfahren zum Dotieren von Halbleiterkristallen, insbesondere von Siliziumkristallen - Google Patents

Verfahren zum Dotieren von Halbleiterkristallen, insbesondere von Siliziumkristallen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dotieren von Halbleiterkristal­ len, insbesondere im Zusammenhang mit der Herstellung von pn-Über­ gängen mit Tiefen im Bereich bis zu einigen 100 nm in Siliziumkristallen unter Benutzung von Verfahrenselementen der konventionellen Diffu­ sionsdotierung und der Ionenstrahltechnologie.
Ein gebräuchliches Verfahren zur Herstellung von pn-Übergängen niedri­ ger Eindringtiefe in Halbleiterkristallen ist die Ionenimplantation. Um bei Übergängen mit sehr niedriger Tiefenausdehnung störende Effekte auszu­ schließen, wie den Channeling-Effekt, der zu einer größeren geometri­ schen Unschärfe des pn-Übergangs führt, wurde von der Möglichkeit der Voramorphisierung von Kristallbereichen durch Ionenimplantation von im Kristall sich elektrisch neutral verhaltenden Stoffen bei nachfolgender Ionenimplantation der Störstellen erzeugenden Dotanten Gebrauch ge­ macht.
So wird in der DE-OS 35 27 098 zur Erhöhung des Emitterwirkungsgrades und zur Reduzierung der Basisweite von bipolaren Transistoren enthalten­ den komplementären MOS-Schaltungen, bei denen die Emitterbereiche gleichzeitig mit den Source/Drain-Bereichen der MOS-Transistoren durch Implantation von Bor- und/oder Phosphor-Ionen erzeugt werden, vorge­ schlagen, vor der Ionenimplantation für den Emitterbereich eine Amorphi­ sierung dieses Bereiches durch Implantation von im Kristall nicht elektrisch wirksamen Stoffen mit einer Atommasse größer/gleich der von Silizium durch­ zuführen. Das verringert den Channeling-Effekt, der zu Ungenauigkeiten in der Dotierung, d. h. auch im geometrischen Verlauf des pn-Überganges führt. Es schließt sich eine Temperatur-Ausheilbehandlung an.
Daß damit noch nicht alle Möglichkeiten der Verbesserung ausgeschöpft sind, wird in der DE-OS 40 35 842 deutlich gemacht. Hier wird ein drei­ stufiger Ausheilprozeß nach Abschluß der Mehrschritt-Implantation (Amorphisierung mit Germanium- oder Siliziumionen, danach Störstel­ lenimplantation) vorgeschlagen. Dabei liegt die erste Stufe bei einer Tem­ peratur von 400 bis 460°C und dauert ca. 30-50 min. Dieser Schritt soll eine Glättung des Übergangsbereiches zwischen der amorphen Schicht und dem kristallinen Material bewirken. In einem zweiten Schritt bei einer Temperatur zwischen 500 und 600°C und in einer Zeitspanne von 30-50 min rekristallisiert die amorphe Schicht. Die dritte Temperaturstu­ fe besteht aus einer Kurzzeitbehandlung im Bereich 1000-1200°C, 5-10 sec lang, um die Dotanten zu aktivieren.
Die Mehrfachimplantation kombiniert mit den nachfolgenden Mehrschritt- Temperaturbehandlungen stellt einen relativ großen Aufwand dar. Die Mehrfachimplantation ist deswegen notwendig, weil der amorphisierte Be­ reich tiefer in den Kristall hineinreichen muß als die danach implantierten Störstellen, da sonst wieder der Channeling-Effekt auftritt. Wegen des durch den amorphisierten Bereich verursachten Angebotes an Strukturbau­ fehlern und der diesen Einfluß nicht mindernden nachfolgenden Störstellenimplantation, kommt es bei der Temperaturbehandlung dennoch zu einer zusätzlichen Diffusion, die ja im Interesse einer genauen pn-Über­ gangspositionierung und Steilheit des Dotierungsprofils nach der sehr genau führbaren Störstellenimplantation nicht erwünscht ist (Verflachung der pn- Übergänge).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Dotierverfahren anzugeben, welches bei sehr kleinen Eindringtiefen steile Diffusionsprofile liefert (im wesentlichen kleiner gleich 200 nm) insbesondere den Aufwand der Ionen­ implantation reduziert, welcher vor allem bei Halbleiterscheiben großer Durchmesser erheblich ist, und die störende Nachdiffusion verringert.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß nach der Implan­ tation von im Kristall nicht elektrisch wirksamen Stoffen, die dem Zweck der Erzeugung von Gitterfehlern im Bereich der Ausbildung der elektrisch akti­ ven Schicht dient, der Kristall zumindest in den vorgestörten Bereichen mit einem die elektrisch aktiven Dotierstoffe enthaltenden Medium in Kontakt gebracht wird und in dieser Form einer Temperaturbehandlung bei relativ niedrigen Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur unterzogen wird, wobei die elektrisch aktiven Dotanten in den Kristall eindringen, daß danach die Oberfläche des Kristalls gereinigt, d. h. von einer sich ggf. gebildeten Schicht befreit wird und der Kristall nachfolgend einer Kurzzeittemperung bei erhöhten Temperaturen unterzogen wird.
Es liegt dabei im Rahmen der Erfindung, daß die Implantate, die Dosis, die Energie der Störimplantation und die Ionenströme so gewählt bzw. eingestellt werden, daß dem jeweiligen Anwendungszweck entsprechend angepaßte Störstellenprofile erhalten werden.
Bei dieser Verfahrensweise werden die elektrisch wirksamen Störstellen nicht mehr durch Implantation in den Kristall eingebracht, wodurch der zweite Implantationsschritt entfällt. Die Anstörung oder auch Zerstörung (Amorphisierung) des Kristallaufbaus wird für das beschleunigte Ein­ dringen der Dotierstoffe bei relativ niedrigen Temperaturen ausgenutzt, wobei keine zusätzlichen Störungen verursacht werden, sondern schon eine Art Ausheilen von durch den Implantationsschritt der im Kristall nicht elektrisch wirksamen Atome verursachten Defekten vonstattengeht.
Es könnte so sein, daß die bei der Störstellen-Dotierung angewendete Er­ wärmung des Kristalls dafür verantwortlich ist, daß zwei konkurrierende Prozesse ablaufen. Der eine würde jener sein, der in der DE-OS 40 35 842 als Glättung des Übergangsbereiches zwischen der amorphen Schicht und dem kristallinen Material interpretiert wurde, der mit dem Ausheilen eines Teils der durch die Implantation erzeugten Kristallbaufehler verbunden ist, möglicherweise des Anteils, der sonst die ungünstige Nachdiffusion bei einem gewöhnlichen Ausheilprozeß verursacht. Der andere Vorgang besteht im be­ schleunigten Eindringen des später nach der Ausheilung elektrisch aktiven Dotierstoffes, bzw. der elektrisch aktiven Stoffe in die durch Implantation gestörten Kristallbereiche.
Beschleunigtes Eindringen von Bor und Phosphor wurde z. B. nach der Stör­ implantation von Fluorionen mit Energien von 60 bis 160 keV bei den unter­ schiedlichsten Dosiswerten (im Bereich unterhalb der Amorphisierungsdosis bis in Dosisbereiche weit über der Amorphisierung) registriert, wenn anschlie­ ßend an die Implantation die Scheiben im Spin-on-Verfahren mit Dotierflüssig­ keiten beschichtet und danach bei 150 bis 400°C getempert wurden. SIMS-Messungen der Dotantenverteilung zeigten, daß der Verlauf des Dotie­ rungsprofils in Abhängigkeit von den Implantationsdaten variiert. Es ergaben sich sowohl steile Profile geringer Eindringtiefe als auch flacher verlaufende, etwa im Bereich der Eindringtiefe xj= 50-200 nm, bei Oberflächenkonzen­ trationen zwischen 10¹⁸ cm-3 und 10²⁰ cm-3.
Die Implantationsstörungen durch die nicht elektrisch wirkenden Stoffe können unterschiedlich dosiert werden (Amorphisierung ist der Spezialfall) und bestimmen so den Profilverlauf mit.
Durch diese Verfahrensweise kann in einer Reihe von Anwendungen auch ohne Amorphisierung gearbeitet werden. In jedem Fall ist die thermische Belastung des Kristalls im Gesamtprozeß der Schichtdotierung verringert.
Durch Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes zwischen dem die Störstellen- Dotanten liefernden Medium, z. B. wenn es sich um eine Dotantenquellenschicht auf der Oberfläche des Kristalles handelt, und dem zu dotierenden Kristall während des Dotiervorganges oder auch danach, kann die Störstellen-Verteilung (der Profilverlauf) beeinflußt werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Dotieren von Halbleiterkristallen, insbesondere von Siliziumkristallen zum Erzeugen einer Halbleiteranordnung, zu deren Her­ stellung in den oberflächennahen Bereich eines kristallinen Körpers sich im Kristallvolumen elektrisch neutral verhaltende Stoffe in Form von Ionen implantiert werden und nachfolgend die Dotierung mit Störstellen vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Ionenimplan­ tation vorbehandelte kristalline Körper, zumindest in den implantierten Bereichen, mit einem den im Kristall elektrisch aktiven Dotierstoff oder mehrere Dotierstoffe enthaltenden Medium in Kontakt gebracht wird und in dieser Form einer Temperaturbehandlung bei Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur unterzogen wird und danach eine Kurzzeittemperung bei einer zur Rekristallisation und elektrischen Aktivierung ausreichenden erhöhten Temperatur folgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Inkontaktbringen der implantierten Kristallbereiche mit dem Dotierstoff und der Temperaturbehandlung bei Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur und vor der Kurzzeittemperung bei erhöhter Temperatur die Oberfläche des Kristallkörpers gereinigt, ggf. von einer sich gebildeten Schicht vor der Reinigung befreit wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kristall elektrisch neutralen Dotanten in Form von Fluor-Ionen eingeschossen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kristall elektrisch neutralen Dotanten in Form von Argon-Ionen eingeschossen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kristall elektrisch neutralen Dotanten in Form von Ionen von Ele­ menten der IV. Gruppe des periodischen Systems der Elemente eingeschossen werden, vorzugsweise Silizium und Germanium.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium, welches die Dotierstoffe enthält, eine Dotierflüssigkeit ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium, welches die Dotierstoffe enthält, gasförmig ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium, welches die Dotierstoffe enthält, durch eine mittels eines Depositionsverfahrens erzeugte Oberflächenschicht gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzzeittemperung mit einem Lampenofen ausgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzzeittemperung mit Laserstrahlung vorgenommen wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von örtlich in lateraler Richtung veränderlichen Dotierprofilen nach dem Implantationsschritt und vor dem Inkontaktbringen der implantierten Bereiche mit dem Dotier­ medium eine lokale, der lateral veränderlichen Dotierung entsprechende Zwischentemperung vorgenommen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischentemperung mit einem hinsichtlich seiner Bahn und Strahlungs­ daten gesteuerten Laser vorgenommen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 und einem oder mehreren folgenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Implantation die Dotierung mit elektrisch aktiven Störstellen unter Einfluß eines zwischen dem Dotiermedium und dem Kristall wirkenden elektrischen Gleichfeldes vorgenommen wird.
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