DE2050497A1

DE2050497A1 - Verfahren zur Steigerung der Diffu sion von Atomen in eine erhitzte Unter lage durch Bombardierung

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Publication number: DE2050497A1
Application number: DE19702050497
Authority: DE
Inventors: der Anmelder G21c ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-10-15
Filing date: 1970-10-14
Publication date: 1971-04-22
Also published as: FR2064348B1; GB1320555A; NL7015076A; US3718502A; FR2064348A1

Description

Verfahren zur Steigerung der Diffusion von Atomen in eine erhitzte Unterlage durch Bombardierung. "

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden US-Anmeldung Serial No. 866,692 vom 15. Oktober 1969 in Anspruch genommen.

Die Erfindung ist auf ein Verfahren zur Steuerung und Steigerung der Diffusion von Atomen in eine feste Unterlage unter Verwendung eines Protonenetrahls oder eines anderen Teilehenatrahls gerichtet, durch den die scheinbare Temperatur der Unterlage erhöht wird. Der Ausdruck "Steigerung " wird hier im Sinne von "Intensivierung" gebraucht.Das Verfahren wird insbesondere zur Herstellung von pn-übergängen, legierten Kontakten und ohmschen Kontakten in festen Unterlagen, sowie zur Steuerung von Oberflächeneffekten und zur Verringerung von Oberflächenunregelmässigkeiten verwendet.

Bei bekannten Verfahren wird die Diffusion von Atomarten, aie auf einer Halbleiteroberfläche vorabgelagert worden sind, im allgemeinen bei verhältnismässig hohen Temperaturen durchgeführt. Alu FoI^e davon ergeben sich sowohl Beschädigungen

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als auch Unregelmässigkeiten in den diffundierten Schichten und an anderen Stellen der Unterlage, wodurch die Eigenschaften der vermittels herkömmlicher Diffusionsverfahren hergestellten Bauteile nachteilig verändert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dagegen läßt sich die Diffusion ausführen, ohne die Temperatur der Unterlage auf Werte zu erhöhen, bei denen Beschädigungen auftreten.

Die Diffusion von Atomen in eine Unterlage mit dem Ziel der Ausbildung eines Übergangs oder eines ohmseheη Kontakts hängt ganz allgemein von der Bewegung der Atome in das Kristallgitter der Unterlage ab. Im allgemeinen befinden sich die
Fremdetoffatome an Fehlordnungs-Gitterstellen des Wirtskristalls oder der Unterlage (Substrat). Damit die Atome zu einer benachbarten Gitterstelle diffundieren können, muß das diese Gitterstelle besetzende Wirtsatom entfernt werden, um eine Gitterleerstelle zu erzeugen, und das Fremdstoffatom
muß ausreichend viel Energie erhalten, daadt es sich in die Gitterleerstelle bewegen kann. Diesen beiden Vorgängen entsprechen zwei verschiedene Energien: Das Wirtsatom nuß eine Energie E« absorbieren, damit es sich von seiner Gitterstelle entfernen kann, und das Fremdstoffatom muß eine Energie E_ffi
absorbieren, damit e3 von seiner ursprünglichen Lage in die neu geschaffene Leerstelle wandern kann.

Für einen thermisch aktivierten Diffusionsvorgang läßt sich zeigen, daß die Wahrscheinlichkeit, daß das Wirtsatom
eine Energie E- aufnimmt, proportional ist

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exp(-E_f/kT)

wobei k die Eoltzmannsche Konstante und T die absolute Temperatur ist. In entsprechender Weise ist die Wahrscheinlichkeit, daß das Fremdstoffatom eine Energie E_m aufnimmt, proportional

exp (-E_nVkT).

Die Wahrscheinlichkeit, daß beide Ereignisse auftreten, ist proportional dem Produkt der beiden Wahrscheinlichkeiten

-E-/kT -E_m/kT P - e ^f e ^m

Der Diffusionskoeffizient für den Fremdstoff ist proportional der vorstehend berechneten Wahrscheinlichkeit P und läßt sich ausdrücken in der Form

-E,/kT -E_m D = D_o e ^f e ^m . (1)

Eei einer herkömmlichen Diffusion von Bor in Silizium haben

11 2 die Konstanten beispielsweise die Werte D = 10 (pm) /(h), E_f ^ 3 eV und E "= 0,3 eV. Folglich muß die Temperatur des Siliziums auf 1100⁰C erhöht werden, damit eine Diffusionskonstante D = 0,16 (ym) /(h) erhalten wird.

Werte von D in dieser Größenordnung sind für die leistungsfähige Herstellung von Halbleiter-Bauelementen vermittels Diffusionsverfahren erforderlich, die die Tiefe, bis zu welcher die Fremdstoffatome von einer Oberfläche aus eindringen, gleich ist

d ■ 5 /Dt (ym)

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worin D der Diffusionskoeffizient und t die Diffusionszeit in Stunden ist. Um in einer Siliziumunterlage eine Bordotierung mit einer Tiefe von 1 μπι zu erhalten, muß daher das Silizium 1,5 Stunden lang auf einer Temperatur von 110O⁰C gehalten werden. Wenn eine wesentlich niedrigere Temperatur, wie z.B. 700⁰C, verwendet wird, wird der durch Gleichung (1) vorgegebene Wert von D so klein, daß unvertretbar lange Behandlungszeiten erforderlich werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird somit klar ersichtlich, daß große Werte von D nützlich sind, wenn die Diffusionsbehandlung innerhalb vertretbarer Zeiten durchgeführt werden soll. Außerdem geht daraus hervor, daß sich bei einem thermisch aktivierten Diffusionsvorgang große Werte für D nur durch Erhöhung von T auf große Werte erhalten lassen. Das ist zwar in manchen Fällen vertretbar, obwohl sich viele Nachteile dafür angeben lassen. Beispielsweise werden Kristallunregelmässigkeiten leichter ausgebildet, und zurückbleibende Gitterverschiebungsschleifen (residual dislocation loops) vergrössern sich bei höherer Temperatur schneller als bei niedrigen Temperaturen. Daher erzeugt der Vorgang,durch den bei thermisch aktivierter Diffusion die gewünschte Art zum Diffundieren gebracht wird, gleichzeitig auch unerwünschte Unregelmässigkeiten im Kristall. Diese Unregelmässigkeiten können die Diffusion der gewünschten Art ungünstig beeinflussen und auch als Fangstellen für Träger wirken. Die Fangstellen haben kurze Trägerlebenszeiten zur Folge und wirken sich im allgemeinen schädlich aus auf die Arbeitsweise von Bauelementen wie z.B.

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Transistoren und integrierten Schaltungen, insbesondere auf die von Fotodioden, Fototransistoren und Siliziumvidikons.

Weiterhin ist zur Herstellung elektrolumineszenter Dioden in Siliziumkarbid die Ausbildung von pn-übergängen erforderlich, die infolge der sehr hohen Werte von E_f, durch die dieses Material gekennzeichnet ist, bei Temperaturen von 1800 bis 2OOO°C diffundiert werden müssen. Diese sehr hohen Temperaturen lassen sich nur unter Schwierigkeiten erreichen. Dadurch wird ein genauer Herstellungsgang erschwert, und außerdem werden Elemente erhalten, deren Eigenschaften in vielen Fällen nicht durch die eingeführte Dotierung, sondern durch die Kristallunregelmässagkeiten beherrscht werden, welche während des Diffusionsvorgangs mit hoher Temperatur hervorgerufen worden sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher ganz allgemein darin, ein Verfahren zur Steigerung der Diffusion von Atomen einer gewünschten Atomart in eine feste Unterlage, insbesondere bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen, zu schaffen. Das Verfahren soll sich weiterhin dazu eignen, durch Steigerung der Diffusion vermittels eines Protonenstrahls oder eines anderen Strahls hoher Energie pn-übergänge, ohmsche Kontakte und legierte Kontakte in einer festen Unterlage auszubilden, uchließlich soll sich das Verfahren auch zur behandlung von fialbleiterunterlagen verwenden lassen, um die elektronischen Eigenschaften, welche die Grenzfläche zwischen

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- ο —

der Unterlage und den mit dieser Grenzflächen ausbildenden Oxidflächen kennzeichnen, zu steuern.

Erfindungsgemäß wird zu diesem Zweck vorgeschlagen, eine feste Unterlage, die einen dünnen Oberflächenbelag aufweist, welcher die in die Unterlage einzudiffundierende Atomart enthält, mit Energie-reichen Teilchen, wie z.B. Protonen, zu bombardieren, durch welche Gitterleerstellen erzeugt werden, und die Diffusion der Atomart in die Unterlage in den Bereichen der Unterlage gesteigert wird, an denen die Diffusion der Atomart in die Unterlage gewünscht ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Unterlage auf eine Temperatur, welche eine freie Bewegung der Zwischengitteratome und der Gitterleerstellen in der Unterlage gestattet, erhitzt und wenigstens eine Oberfläche der Unterlage mit einem Teilchenstrahl bombardiert wird und Gitterleerstellen erzeugt werden, die bei der erhöhten Temperatur frei innerhalb der Unterlage beweglich sind.

Die einzelnen Merkmale der Erfindung werden im nachfolgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Pig. IA - ID zeigen den Arbeitsgang bei der Herstellung eines pn-übergangs nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt das Leerstellenkonzentrationsprofil für zwei Teilchenstrahlenergien.

Fig. 3 zeigt das Fremdstoffprofil für Bordiffusion in ein Siliziumhalbleiterplättchen bei einer

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Protonenenergie von 10 keV.

Fig. 4 zeigt das Fremdstoffprofil für Bordiffusion in ein Siliziumhalbleiterplättehen bei einer Protonenenergie von 50 keV.

Fig. 5A - 5C zeigen die Ausbildung einer Einsatzzone in einer Halbleiterunterlage.

Fig. 6a - 6C zeigen die Anwendung des Verfahrens unter Verwendung einer Maske, durch welche der Diffusionsbereich begrenzt ist.

Fig. 7A - 7E zeigen den Arbeitsgang bei der Ausbildung eines npn-Bauelernentes entsprechend der Erfindung.

Fig. 8a - 8b zeigen den Arbeitsgang bei der Ausbildung eines npn-Bauelernentes unter Verwendung einer einzigen Schicht oder eines einzigen Belages, die bzw. der zwei Atomarten aufweist.

Fig. 9A - 9E zeigen den Arbeitsgang bei der Ausbildung einer Einsatzzone mit einem oxidgeschützten übergang.

Fig.1OA - IOC zeigen den Arbeitsgang bei der Ausbildung einer Einsatzzone in einem Bauelement, wobei die Atomart durch einen Schutzfilm zurückgehalten wird.

Fig.HA - HF zeigen den Arbeitsgang bei der Herstellung eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll zunächst in Verbindung mit der Ausbildung eines pn-überganges in einer HaIb-

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leiterunterlage beschrieben werden. Wie Pig.IA zeigt, kann die Unterlage beispielsweise aus einem Siliziumplättchen bestehen, das Fremdstoffe aufweist, durch welche ein n-Halbleitermaterial gekennzeichnet ist. Das Plättchen wird in geeigneter Weise geätzt und behandelt, um eine saubere obere Oberfläche 11 zu erhalten. Dann wird durch Wärmeablagerung, Verdampfung von einer Elementarquelle, chemische Anlagerung, Ionenimplantation oder vermittels eines anderen bekannten Verfahrens eine dünne Schicht oder ein dünner Belag 12, welche bzw. welcher die in das Halbleiterplättchen einzudiffundierende Atomart enthält, in der in Pig.IB dargestellten Weise auf die obere Oberfläche des Plättchens aufgebracht. Zur Ausbildung eines pn-übergangs in Silizium kann die Schicht 12 beispielsweise aus einer verhältnismässig dünnen Borschicht bestehen, die eine p-Dotierung für Silizium darstellt. Dann wird das Plättchen in eine Vakuumkammer eingelegt, die Vorrichtungen aufweist, vermittels welcher die Temperatur des Halbleiterplättchens erhöht werden kann. (Siehe Fig.IC). Das Plättchen wird vorzugsweise auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher die Zwischengitteratome und die Gitterleerstellen verhältnismässig frei beweglich sind. Diese. Temperatur liegt im allgemeinen weit unterhalb der typischen Diffusionstemperaturen und beträgt für Silizium 450 - 700⁰C und darüber sowie für Germanium 360 - 500⁰C und darüber. Dann wird die Oberfläche des Bauelementes mit Betonen bombardiert, wozu eine herkömmliche Isotopentrennanlage

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verwendet wird, die innerhalb eines weiten Bereiches von beispielsweise lkeV bis zu mehreren hundert keV Protonen mit jeder gewünschten Energie für die Bombardierung des Plättchens liefert. Durch die Teilchen hoher Energie werden Gitterleerstellen erzeugt, welche dahin tendieren, durch das Gitter zu diffundieren und die Diffusion der p-Boratome in das Plättchen zwecks Ausbildung des pn-übergangs 13 zu steigern, wie in Fig.ID angedeutet ist.

Die Protonenbombardierung wird über eine Zeitspanne aufrechterhalten, die ausreichend ist, damit die auf der Oberfläche abgelagerte Atomart, in diesem Fall Bor, bis zu einer gewünschten Tiefe diffundieren und dabei den pn-übergang 13 in der n-Siliziumunterlage ausbilden kann. Die dazu benötigte Zeit beträgt typischerweise eine halbe Stunde bis zu eineinhalb Stunden, kann jedoch auch noch kürzer sein.

Wie aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich, wird ausgehend von einer p-Unterlage mit einem η-Belag bei Erhöhung der Temperatur und Bombardierung des Plattchens infolge der p-Unterlage ein pn-übergang mit einer diffundierten n-Zone erhalten. Durch Aufbringen einer Schicht, welche eine Atomart des Typs enthält, welcher den Leitfähigkeitstyp des Plättchens kennzeichnet, läßt sich außerdem eine ohmsche Verbindung mit der oberen Oberfläche des Plattchens herstellen. Der ohmsche Kontakt kann eine verhältnismässig hohe Fremdstoffkonzentration aufweisen, so daß ein ohmscher Kontakt mit einem sehr niedrigen Widerstand erhalten wird.

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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich im Hinblick auf die Steigerung der Diffusion wie folgt erklären. Die energiereichen Protonen treten in den Silizium-Auffängkörper ein, in dem sie dann gelegentlich mit Atomen des Wirtskristalls (Unterlage) zusammenstoßen und diese aus ihren Gitterstellen vertreiben. Die vertriebenen Wirts atome wie auch die dabei im Wirtskristall entstandenen Leerstellen diffundieren von ihrem Entstehungspunkt weg und verbreiten dabei eine Zone hoher Defektkonzentration sowohl in Richtung der Oberfläche als auch tiefer in den Kristallkörper hinein. Ein ausreichender Ausbreitungseffekt kann dadurch erzielt werden, daß der Kristall (die Unterlage) auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird. Die erforderliche Temperatur hängt von der Unterlage ab und beträgt für Silizium 450 - 7OO°C und darüber sowie für Germanium 350 - 500⁰C und darüber. Der Ausbreitungseffekt ist erforderlich, da ansonsten die verdrängten Wirtsatome lediglich zu den Gitterstellen zurückkehren, aus denen sie verdrängt worden sind, oder möglicherweise die durch Beschädigungsanhäufungen erzeugten Leerstellen, Gitterverschiebungsschleifen oder andere Kristallunregelmäßigkeiten besetzen, so daß kein Reineffekt erhalten wird.

Wenn die Bedingungen für die Ausbreitung der durch die Bombardierung erzeugten Leerstellen günstig sind, kann jedoch die Leerstellenkonzentration in den Oberflächenschichten der Unterlage um mehrere Größenordnungen über den Wert ansteigen, den sie bei der gegebenen Unterlagentemperatur ohne Protonenbombardierung haben würde. In qualitativer Hinsicht kann die

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Zunahme der Leerstellenkonzentration in den Oberflächenschichten gleichgesetzt werden einer Zunahme der Oberflächentemperatur der Unterlage. Weiter unten angegebene experimentelle Ergebnisse zeigen, daß die "äquivalente Temperatur" der Oberflächenschichten 1000 - 1200⁰C in einer Silizium-Auffangfläche betragen kann, wenn der Siliziumkörper auf einer Temperatur von nur 700⁰C gehalten w rd. Dadurch wird ermöglicht, daß die auf der Oberfläche vorabgelagerten Atome schnell in den Halbleiter hinein diffundieren, bis sie auf die "kälteren Schichten der Auffangfläche, d.h. des Auffangkörpers, treffen. Das Endergebnis besteht darin, daß die Fremdstoffdiffusion bis zu einer durch die Energie des Protonenstrahls vorgegebenen Tiefe erhalten werden kann.

Es soll hier erwähnt werden, daß die Diffusion typischerweise nicht bis zu Tiefen reicht, die erheblich jenseits der Reichweite der Protonen liegen, und auch nicht an Oberflächenabschnitten auftritt, die vermittels herkömmlicher Verfahren abgedeckt sind oder auf die der Protonenstrahl infolge einer Ionenfokussierung nicht auftreffen kann.

Durch geeignete Wahl der Protonenstrahlenergie, der Dosierungsmenge und der Diffusionszeit lassen sich sehr viele unterschiedliche Fremdstoffprofile erhalten, wie weiter unten ausgeführt ist. In jedem Fall wird eine dauerhafte Beschädigung des Auffangkörpers vermieden, so daß die elektronischen Eigenschaften und die Materialfestigkeit außerhalb der Diffusionszone wesentlich besser sind, als wenn die vorabgelagerten Arten vermittels herkömmlicher thermisch aktivierter

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Hochtemperatur-Diffusionsverfahren in den Auffangkörper getrieben worden wären.

Die energiereichen Protonen erzeugen daher die für die Diffusion benötigten Gitterleerstellen. Für die mathematische Darstellung bedeutet das, daß in Gleichung (1) der den Parameter E- enthaltende Exponentialausdruck in Fortfall-kommt, mit dem Ergebnis, daß

-E_nVkT
D= D₀ e ^m V(x) (2)

in welcher V(x) das durch die bombardierenden Protonen erzeugte Leerstellenkonzentrationsprofil ist. Das ätellt eine sehr wichtige Änderung dar, da infolge des großen Wertes für E_f im Exponentialausdruck der Gleichung (1) eine hohe Temperatur erreicht werden muß, bevor sich praktische Werte für den Diffusionskoeffäzienten erhalten lassen. Durch Steuerung von V(x) läßt sich D steuern, ohne daß dazu die Unterlage auf Temperaturen, bei denen Unregelmässigkeiten erzeugt werden, oder auf Diffusionstemperaturen gebracht werden muß, die sich für bestimmte Werkstoffe, wie z.B. Siliziumkarbid, nur unter Schwierigkeiten erzielen lassen.

Für die Berechnung von V(x) liegen theoretische Ansätze vor. Es wurde gefunden, daß sich für V(x) viele unterschiedliche Formen in Abhängigkeit von der Ausgangsenergie des Protonenstrahls, dem verwendeten Unterlagentyp und der Temperatur, auf welcher die Unterlage während des Verfahrens gehalten wird, erhalten lassen. In erster Näherung hat V(x) die Form

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"2Ö²

A 4 Be

v(x) = TTHb (3)

in welcher A und B Konstanten sind, die sich auf den Wirkungsgrad beziehen, mit dem energiereiche Protonen Gitterleerstellen erzeugen, μ die Reichweite oder die von einem Proton bis zu seinem Stillstand in dem Kristall zurückgelegte mittlere Strecke und σ ein in der Physik der Massenteilchen üblicherweise verwendeter sogenannter Reichweitenstreuungsparameter, durch den berücksichtigt wird, daß nicht alle Protonen der genau gleichen Reihenfolge von Zusammenstößen unterliegen, so daß eine Verteilung der Anhaltepunkte der Protonen um einen Mittelwert gegeben ist. Eine genauere Form für V(x) läßt sich erhalten, wenn μ und σ im Hinblick auf Leerstellendiffusionseffekte korrigiert werden.

Genaue Berechnungen der Leerstellenkonzentrationsprofile einschließlich aller Leerstellendiffusionseffekte sind für einen Silizium-Auffangkörper unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Protonenenergien erstellt .worden, und die Ergebnisse sind in Fig.2 dargestellt. Für Protonen von 10 keV ist die Reichweite μ der Protonen klein (0,15 μΐη), so daß sich die erzeugten Leerstellen alle in der Nähe der Oberfläche befinden. Die mit 50 keV bezeichnete Kurve zeigt V(x) für einen Protonenstrahl höherer Energie, wobei die Protonenreichweite höher ist (ungefähr o,55 μηι).

Eine genaue mathematische Formulierung für den Diffusionskoeffizienten D läßt sich erhalten, wenn diese Ausdrücke anstelle von V(x) in Gleichung (2) eingesetzt werden. Dann

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läßt sich die Fremdstoffkonzentrationsgleiehung unter Verwendung dieser räumlich veränderlichen Diffusionskonstanten lösen, so daß sich genaue Voraussagen über die zu erhaltenden Fremdstoffdotierungsprofile machen lassen. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung reicht jedoch eine qualitative Darstellung aus.

Wenn ein Protonenstrahl verhältnismäßig niedriger Energie verwendet wird, so daß V(x) die in Fig.2 mit lOkeV bezeichnete Form annimmt, nimmt nur die Leerstellenkonzentration in den Oberflächenschichten des Auffangkörpers einen Wert an, der sich wesentlich von dem Wärmegleichgewichtswert unterscheidet. Wenn die Leerstellenkonzentration hoch ist, hat auch die Diffusionskonstante einen hohen Wert. Folglich diffundieren auf die Oberfläche vorabgelagerte Dotierungsatome schnell in die Oberflächenschichten hinein, bis sie eine Tiefe erreichen, in der V(x) rasch auf den Wärmegleiehgewichtswert abfällt. In erster Näherung ist die hohe Leerstellenkonzentration in den Oberflächenschichten äquivalent einer sehr hohen Temperatur in den Oberflächenschichten. Die Atome können rasch durch diese stark erregte Zone diffundieren, werden jedoch plötzlich abgebremst, wenn sie die "kälteren" Abschnitte (d.h. die nicht von dem Protonenstrahl erreichten Abschnitte) des Auffangkörpers erreichen.

Typische Experimentelle Fremdstoff konzentrationsprofiIe für eine durch Bombardierung gesteigerte Diffusion von Bor in Silizium sind in Fig.3 für einen Protonenstrahl von 10 keV

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und 4O Nanoampere bei verschiedenen Diffusionszeiten dargestellt. Wie für den Fachmann sofort ersichtlich ist, wurde die Diffusionskonstante für Bor in Silizium gegenüber ihrem Wert bei einer Unterlagentemperatur von 700⁰C um viele Größenordnungen gesteigert.

Eine entsprechende Analyse läßt sich für ein Leerstellenkonzentrationsprofil der in Fig.4 dargestellten Form auch für einen Protonenstrahl von 50 keV anstellen. Hier befindet sich die äquivalente Schicht hoher Temperatur nicht an der Oberfläche, sondern innerhalb des Kristalls, so daß die Diffusionskonstante innerhalb der Unterlage viel höher als an deren Oberfläche ist. Dadurch werden sehr langsam abfallende Fremdstoff profile der in Fig.4 dargestellten Beschaffenheit erhalten.

Hierzu ist zu bemerken, daß sowohl stark abfallende FremdstoffprofiIe, wie z.B. die in Fig.3 dargestellten, als auch langsam abfallende Profile, wie z.B. die in Fig.4 dargestellten Profile, in der Halbleiterindustrie von Bedeutung sind. Außerdem lassen sich zusätzlich zu den hier dargestellten Profile sehr viele unterschiedliche Profile erzeugen, indem eine Folge unterschiedlicher Protonenbombardierungs-Arbeitsgänge und Unterlagentemperaturen angewendet wird. Außerdem brauchen die zur Bombardierung verwendeten Teilchen nicht aus Protonen zu bestehen (d.h. es lassen sich auch Elektronen, Neutronen, Heliumatome oder andere Atomarten verwenden), wobei jedoch Protonen den Vorteil haben, daß sie Leerstellen

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in den praktisch interessierenden Tiefen mit einem höheren Wirkungsgrad als die anderen Typen von Bombardierungsteilchen erzeugen können.

Die nachfolgende Beschreibung und die restlichen Zeichnungsfiguren beziehen sich auf verschiedene Ausführungsbeispiele für die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Bauelementen. Durch diese Beispiele kann der große Anwendungsbereich des Verfahrens jedoch nur in etwa angedeutet werden. Der Fachmann kann das Verfahren nach der Erfindung ohne weiteres auch dazu verwenden, verschiedene Diffusionsverfahren zu steigern bzw. zu verbessern.

Fig. 5 zeigt die Ausbildung eines pn-übergangs in einer Unterlage. Nach Fig. 5 wird die η-Unterlage mit einer Schicht versehen, welche Atome der Art enthält, die in die Unterlage diffundiert werden soll, wie z.B. eine p-Schicht wie Bor. Dann wird die Unterlage auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher sich die Zwischengitteratome und die Gitterleerstellen frei bewegen, und dann wird sie in einer ausgewählten Fläche lH mit Teilchen hoher Energie wie z.B. Protonen bombardiert, indem der Protonenstrahl so gesteuert wird, daß er nur auf die ausgewählte Fläche auftritt, was durch Maskieren in der nachstehend beschriebenen Weise oder auf andere Weise erzielt werden kann. Durch die Bombardierung wird die scheinbare Temperatur in der ausgewählten Zone oder Fläche I^ verursacht, so daß Atome der p-Schicht in die Unterlage bis zu einer Tiefe diffundieren, die ganz allgemein der Tiefe der Protonenstrahl-

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oder Teilchenstrahldurchdringung entspricht. Dann kann die Unterlage einer Ätzbehandlung unterworfen werden (die nicht dargestellt ist), um die Schicht zu entfernen und in dem Bauelement einen planaren pn-übergang zurückzulassen.

In Fig. 6 ist der gleiche Arbeitsgang unter Verwendung einer Maskierung zur Begrenzung der zu bombardierenden Fläche dargestellt. Die in Fig. 6A dargestellte Unterlage ist mit einer Schicht versehen, welche die zu diffundierende gewünschte Atomart enthält. In Fig. 6B ist eine auf die n-Schicht unter Belassung einer Öffnung 15 aufgebrachte Maskierung dargestellt, die aus einem verhältnismässig dicken Oxid, Metall od.dgl. bestehen kann, und ein Eindringen der Teilchenstrahlen in die Unterlage an den unterhalb der Maskierung befindlichen Flächen verhindert. Anschließend wird die Unterlage erhitzt und die ganze Oberfläche bombardiert, um die in Fig. 6C dargestellte n-Diffusion zu erhalten.

Fig. 7 zeigt allgemein die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines npn-überganges. In Fig. 7A ist eine in entsprechender Weise vorbehandelte Unterlage dargestellt, die eine p-Schicht enthält. Die Unterlage wird dann erhitzt und an einer ausgewählten Fläche bombardiert, um eine Einsatz-p-Zone 16 zu erhalten. Dann wird eine Schicht, welche Fremdstoffatome des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise Phosphoratome, enthält, entsprechend Fig.7C aufgebracht. Das Plättchen wird erneut erhitzt und in einer ausgewählten kleineren Zone oder Fläche bombardiert, wodurch

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eine weitere Einsatzzone 17 erhalten wird. Anschließend kann das Plättchen weiterbehandelt wie z.B. geätzt werden, wobei die Oberflächenschichten entfernt werden und ein Bauelement der in Fig. JE dargestellten Ausführung erhalten wird.

Fig. 8a zeigt eine η-Unterlage, die eine Schicht auf- . weist, welche zwei Atomarten mit unterschiedlichen Diffusionskonstanten enthält. Die Unterlage wird erhitzt, eine ausgewählte Fläche wird mit Teilchen von hoher Energie bombardiert, und die beiden Atomarten diffundieren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in die η-Unterlage, so daß in der Unterlage n- und p-Einsatzzonen ausgebildet werden und ein npn-Bauelement entsteht. ,

In den Fig. 9A - 9E ist das Verfahren in Verbindung mit einem Halbleiter-Bauelement dargestellt, das einen oxidgeschützten übergang aufweist. Fig. 9A zeigt eine n-HCTnterlage. Wie Fig. 9B zeigt, wird die Unterlage mit einer Oxidschicht 21 versehen. Die Oxidschicht wird geätzt, so daß ein Fenster oder eine öffnung 22 entsprechend Fig. 9C entsteht, und dann wird anschließend eine p-Schicht aufgebracht, die beispielsweise aus Bor besteht, das Oxid 21 überlagert und an dem Fenster 22 in Berührung mit der Unterlage steht. Anschließend wird das Plättchen bzw. die unterlage erhitzt und bombardiert, so daß eine Diffusion in die Unterlage hinein stattfindet und eine Einsatz-p-Zone 23 ausgebildet wird. Das Plättchen kann anschließend in geeigneter Weise geätzt und einer Diffusionsbehandlung unterworfen werden, so daß ein

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pnp-Bauelement mit oxidgesehützten übergängen entsteht. ■

Pig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Bei manchen Anwendungen wie beispielsweise bei der Herstellung ohmscher Kontakte und pn-tibergänge auf Werkstoffen der Gruppe III-V und der Gruppe H-VI kann es vorkommen, daß die Verbindungen mit Gitterstruktur einen so hohen Dampfdruck aufweisen, daß die Gitterstrukturverbindungen während des Verfahrensganges von der Oberfläche entweichen, so daß sich die Notwendigkeit ergibt, die Oberfläche zu schützen. Bei dem in Fig. Io dargestellten Beispiel ist die Unterlage 24 mit einer Schicht versehen, welche die gewünschten Fremdstoffatome 25 enthält. Als nächstes wird eine Schicht 26, die aus einer verhältnismässig dicken, schützenden Oxidschicht od.dgl. bestehen kann, auf die Fremdstoffdotierungsschicht 25 aufgebracht, um das Entweichen der Gitterstrukturverbindüngeη zu verhindern. Dann wird das Bauelement erhitzt und mit geeigneten Teilchen hoher Energie wie z.B. Protonenteilchen bombardiert, wodurch die Schicht 25 innerhalb der Zone 25a in das darunterliegende Plättchen diffundiert wird. Somit durchdringt der Protonenstrahl vollständig die Schutzschicht und erhöht die Temperatur innerhalb der gewünschten Zone, so daß die Diffusion des in der Schicht 25 vorhandenen Fremdstoffes in die Unterlage gesteigert oder intensiviert wird, wobei die Schutzschicht gleichzeitig ein Entweichen der Gitterstrukturverbindungen infolge ihres hohen Dampfdruckes verhindert.

Wie ohne weiteres ersichtlich, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch auf die Herstellung von Feldeffekt-

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- 2ο -

transistoren u.dgl. anwenden. Ein Anwendungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung von Feldeffekttransistoren ist in den Figuren HA - HF dargestellt.

Eine p-Schicht 26 wird zunächst auf einer gering dotierten n-Unterlage 27 entsprechend dem in Fig.6 dargestellten Arbeitsgang hergestellt. Eine Schutzmaske 28 aus Oxid oder aus einem anderen Stoff wird dann auf ausgewählte Oberflächenabschnitte entsprechend der Fig. HB aufgebracht, und eine

W Schicht 29, welche die p-Dotierungsatome enthält, wird zur Ablagerung gebracht. Dann wird das ganze erhitzt und bombardiert, um die p-Dotierung in die bereits diffundierte p-Schicht. zu diffundieren und hochdotierte ρ -Quellkontaktzonen 30 und hochdotierte ρ -Senkenkontaktzonen 31 zu erhalten. Anschliessend werden das Oberflächenoxid und die zurückbleibende Dotierung weggeätzt, und in der Fig. HE dargestellten Lage wird eine zweite Oxidschicht 32 auf die Oberfläche aufgebracht. Eine Schicht 33, welche n-Dotierungsatome enthält, wird dann

^ abgelagert, und das ganze wird erhitzt und bombardiert, um

einen hochdotierten n⁺Torkontakt 34 zu erhalten, so daß sich

% der in Fig. HF dargestellte Sperrschicht-Feldeffekttransistor ergibt. Andererseits läßt sich ein Sperrschicht-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor herstellen durch Ablagerung einer Oxidschicht auf dem in Fig. HD dargestellten Aufbau, Freilassen von Fenstern über den ρ Zonen zwecks Ausbildung eines ohmschen Kontakts mit den Quell- und Senkenzonen und Aufbringen einer geeigneten metallischen Torelektrode vermittels bekannter Maskierungs- und Verdampfungstechniken,

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so daß die Torelektrode parallel zu den Quell- und Senkenkontakten verläuft und die Oxidschicht in dem Gebiet zwischen Quell- und Senkenkontakten überlagert.

Wie die vorstehende Beschreibung und die Zeichnungserläuterungen zeigen, lassen sich sowohl n- als auch p-Dotierungen in eine Halbleiterunterlage des n- oder des p-Leitfähigkeitstyps eindiffundieren. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ebenfalls zur Herstellung beider pn-übergänge, diffundierter Widerstände und ohmscher Kontakte in den unterschiedlichsten Halbleiterwerkszoffen verwenden. Werkstoffe wie z.B. Kupfer, Gold, Platin, Lithium und Chrom, die allgemein zum Zwecke der Steuerung der Trägerlebenszeit oder zur Erzeugung eines hohen spezifischen Widerstandes durch Fremdstoffkompensation in den Halbleiter eingeführt werden, lassen sich vermittels des vorgeschlagenen Verfahrens zur Steigerung der Diffusion in ausgewählten Zonen bis in genau bestimmbare Tiefen diffundieren. Der Arbeitsgang kann mit unterschiedlichen Dotierungen mehrmals wiederholt werden, um mehrfache n- und p-Schichten zu erhalten, wie sie zur Herstellung von Transistoren, integrierten Schaltungen, Vierschicht-Gchalt-Dioden u.dgl. erforderlich sind. Vor dem Aufbringen der Dotierung kann eine herkömmliche Oxid- oder iJitridmaskierung auf dem Plättchen vorgesehen werden, damit die Vorablagerung und die Diffusion des Fremdstoffs auf die dazu bestimmten Zonen beschränkt werden kann. Weiterhin ist es möglich, den Ionen- oder Teilchenstrahl auf ausgewählte Zonen oder Plättchen zu fokussieren, so daß eine selektive

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Diffusion auftritt, bei der die Herstellung von Masken nicht mehr erforderlich ist. Schließlich.läßt sich das erfindungs-• gemäße Verfahren nicht nur zur Steigerung der Diffusion von Atomen in Halbleiter, sondern auch in die Metalle anwenden.

Eine andere Anwendungsmögli chice it des Verfahrens ist zur Beseitigung von größeren Beschädigungen, die während einer Ionenimplantation eines schweren Atoms auftreten. Wenn z.B. Bor mit einer Energie von 80 keV in Silizium eingepflanzt und das Material während der Implantation oder danach bei 625⁰C vergütet wird, sind nur 10 % der Boratome in die Fehlordnungs-Gitterstellen gelangt, an denen sie eine elektrische Leitfähigkeit bewirken. Wenn das Silizium auf 1100⁰C erhitzt wird, werden nahezu alle Boratome in die Fehlordnungs-Gitterstellen gebracht, so daß sie daher innerhalb des Kristalls elektrisch aktiv sind.

Ein Hauptvorteil der Ionenimplantation besteht jedoch gerade darin, daß die Halbleiterplättehen bei niedrigen Temperaturen behandelt werden können. Daher macht das Vergüten des Kristalls bei HOO⁰C gerade einen der Hauptgründe für die Einführung von Dotierungsatomen durch Ionenimplantation zunichte.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch in Verbindung mit Ionenimplantation zur Erzielung einer äquivalenten hohen Vergütungstemperatur in den die eingepflanzten Atomarten enthaltenden Schichten verwenden, ohne daß die Unterlage zu diesem Zweck auf hohe Temperaturen gebracht werden muß. Beispielsweise

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kann eine Borimplantation mit 80 keV in ein Siliziumplättchen erfolgen, das auf einer Temperatur von 700⁰C gehalten wird. Sobald ausreichend viele Borionen zur Erzielung der gewünschten Leitfähigkeit eingepflanzt worden sind, kann der Borstrahl abgeschaltet und ein Protonenstrahl eingeführt werden, bei dem die Dosierung und die Protonenenergie so bemessen sind, daß in der Zone, in welcher die eingepflanzten Boratome liegen, eine äquivalente Temperatur von angenähert HOO⁰C erzielt wird. Der Protonenstrahl wird für eine ausreichende Zeitspanne (von ungefähr 30 Minuten) zur Einwirkung gebracht, um zu gewährleisten, daß die Boratome durch die Vergütung in die richtigen Gitterstellen gebracht worden sind.

Eine weitere Anwendung des gleichen Typs bezieht sich auf die Beseitigung von Beschädigungen, die während der Oxidaufbringung an der Grenzfläche zwischen Silizium und Siliziumdioxid entstanden sind. Wie der Fachmann auf dem Gebiet der Silizium-Planartechnik weiß, bleiben bei der Ausbildung einer Oberflächenschicht aus Siliziumdioxid auf einer Siliziumunterlage vermittels bekannter Verfahren unerwünschte Oberflächenzustände zurück, bis die Oxidschicht bei einer erhöhten Temperatur in der Größenordnung von 1050⁰C vergütet worden ist. Vermittels des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich der Grenzflächenbereich zwischen Silizium und Siliziumdioxid, der die unerwünschten Oberflächenzustände enthält, vergüten, ohne daß dazu die Unterlagentemperatur auf solch hohe Werte gebracht werden muß, bei denen Ünregelmässigkeiten im Kristallaufbau entstehen.

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Claims

Patentansprüche

1./ Verfahren zur Steigerung der Diffusion von Atomen in eine feste Unterlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Unterlage (11, 2k, 27) auf eine Temperatur, welche eine freie Bewegung der Zwischengitteratome und der Gitterleerstellen in der Unterlage gestattet, erhitzt und wenigstens eine Oberfläche der Unterlage mit einem Teilchenstrahl bombardiert wird und Gitterleerstellen erzeugt werden, die bei der erhöhten Temperatur frei innerhalb der Unterlage beweglich sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur unterhalb der Temperatur gehalten wird, bei der eine nennenswerte Diffusion von Atomarten in der festen Unterlage auftritt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auf der Oberfläche eine Schicht (25) zur Vorablagerung gebracht wird, die Atomarten enthält, welche zur Diffusion in die Unterlage bestimmt sind, und daß auf diese Weise die Diffusion dieser Atomarten in die Unterlage gesteigert wird.

¹J. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage ein Halbleitermaterial verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage Silizium verwendet und die vorbestimmte Temperatur in den Bereich von 450 - 700⁰C gelegt wird. >

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6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage. Germanium verwendet und die vorbestimmte Temperatur in dem Bereich von 360 - 50O⁰C gelegt wird.

7· Verfahren nach Anspruch 3_} dadurch gekennzeichnet, daß die Vorablagerungsschicht auf ausgewählte Zonen (14) der Oberfläche abgelagert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auf der Oberfläche eine Maske (28) mit einer oder mehreren Öffnungen (22) angeordnet wird, und die Teilchen durch die Öffnungen zur Bombardierung ausgewählter Zonen der Unterlage durchgelassen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte Zonen durch Fokussieren und Ausrichten des Teilchenstrahls bombardiert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Teilchenstrahl ein Protonenstrahl mit einer Energie von mehr als 1 keV verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens eine Oberfläche der Unterlage eine Schicht aus einem Material, das die gewünschte Atomart enthält, zur Vorablagerung gebracht und die Temperatur der Unterlage auf einen Wert gesteigert wird, der unterhalb der Temperatur liegt, bei der eine nennenswerte Diffusion der ausgewählten Atomart in die Unterlage auftritt, und daß die Bombardierung der Oberfläche innerhalb eines ausgewählten Oberflächenabschnittes durchgeführt wird.

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12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage Halbleitermaterial, das einen bestimmten· Leitfähigkeitstyp kennzeichnet, und als Schicht Atomarten, die einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp kennzeichnen, verwendet wird, und in der Unterlage eine Zone ausgebildet wird, die einen Übergang mit Gleiehrichtungswirkung darstellt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage Halbleitermaterial eines bestimmten Leitfähigkeitstyps verwendet wird, und die Schicht Atomarten vom gleichen Leitfähigkeitstyp enthält.

lH. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage Halbleitermaterial eines bestimmten Leitfähigkeitstyps verwendet wird, und die Schicht Atomarten enthält, die vom gleichen und vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind, wobei die Atomarten vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp einen höheren Diffusionskoeffizienten als die Atomarten vom gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen, wobei die Atomarten vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp weiter in die Unterlage diffundieren als die Atomarten vom gleichen Leitfähigkeitstyp, und daß in der Unterlage zwei Übergänge mit Gleichrichtungswirkung ausgebildet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadur-ch gekennzeichnet, daß die Schicht auf ausgewählte Oberflächenabschnitte aufgebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Schicht eine Maske (28) mit Öffnungen in

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den Zonen, die zur Diffusion in die Unterlage bestimmt sind, aufgebracht wird, wobei die Schicht dazu dient, ein Eindringen der Teilchen an anderen Stellen der Unterlage zu verhindern.

17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bombardierung fokussiert und auf ausgewählte Oberflächenabsehnitte gerichtet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine zweite Schicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp auf die Unterlage aufgebracht, die Unterlage ntemperatur erhöht und dann die Unterlage bombardiert und eine zweite Zone ausgebildet wird, die mit der ersten Zone einen übergang mit Gleichrichtungswirkung bildet.

19. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufgebracht, die Temperatur erhöht, die Oberfläche bombardiert und eine zweite Zone ausgebildet wird, die mit der ersten Zone einen übergang mit Gleichrichtungswirkung bildet.

20. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Strahls in einer solchen Weise gesteuert wird, daß Diffusionen in verschiedenen Tiefen der Unterlage erhalten werden.

21. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzbelag (28) auf die Schicht aufgebracht und die Bombardierungsenergie so ausgewählt wird, daß die Bombardierung durch die Schicht hindurch in die

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Unterlage eintritt, wobei während der Diffusionssteigerung ein Entweichen von vorabgelagerten Atomarten oder von Haitaleiteratomen mit Gitterstruktur von der Oberfläche verhindert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vorabgelagerte Schicht mit Atomarten versehen wird, durch welche die Trägerlebenszeit in dem Halbleiter steuerbar ist.

23. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vorabgelagerte Schicht mit Atomarten versehen wird, durch welche der durch die vorher in den Halbleiter eingeführten Atomarten hervorgerufene Dotierungseffekt kompensiert wird.

24. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Diffusionssteigerung eine bereits vorhandene Beschädigung innerhalb des Halbleiters durch Vergütung beseitigt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 2*1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschädigung beseitigt wird, die durch Ionenimplantation einer Atomart hervorgerufen worden ist.

26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschädigung beseitigt wird, die durch Ausbildung einer Oxidschicht oder eines anderen Schutzbelages auf der Halbleiteroberfläche hervorgerufen worden ist.

27· Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Halbleiteroberfläche eine Schutzschicht aufgebracht wird, die dazu dient, das Entweichen von Atomarten

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von der Oberfläche während der gesteigerten Diffusion zu verhindern.

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