DE2115567C - Verfahren zur Dotierung von Siliziumdioxid Schichten auf Silizium mit Fremdstoffen - Google Patents

Description

2. Die Implantation liefert ein bestimmtes ausge- wege" der Volumenänderung bei der Oxydation etwa dehntes Profil für die Verteilung der implantierten ^die _f ^doPP^elf^{e A}^^de"""ⁿg *"·<«*»>.» .^ZUr °^be _ff ^rfl,^a,^che Ionen innerhalb der Oxidschicht und teilweise im l^^s\. *"' ^d'^e,^{Se We}'^Se L^a£ ^S'^{Ch dlC effekUve} Silicium.DiefürdieOberflächendotierunggünstige Eindnngt.efe der Ionen vergrößern.

Verteilung ist aber eine möglichst dünne Schicht ⁵° _M ^Du _T ^rf^{h den} _r fl"· T^ ϊη ™Λ"' Mil hÜ von Dotierungsionen an der Grenzfläche zwischen JJ?, Jl'" ^die Grenzflache Si -SiO, wird die Zahl der Silicium und Siliciumdioxid. Oberflachenzustande stark erhöht was z. B. ermöglicht,

das Oberflachenpotential unabhängig von Knech-

3. Die Energie der zur Verfugung stehenden Im- potentialen einzustellen.

plantationsanlagen ist begrenzt, und dadurch 55 Die Ladungsdichte läßt sich durch Änderung der

lassen sich angestrebte Dotierungen — insbeson- Oxydationsbedingungen und in an sich bekannter

dere wenn dicke Oxidschichten verwendet werden Weise durch Änderung der implantierten Dosis gezielt

sollen — nicht verwirklichen. beeinflussen. Eine geometrische Begrenzung der Oberflächenladung erfolgt durch selektive Abdeckung des

Die oben angeführten Nachteile der direkten 60 Ionenstrahls während der Implantation, was bekannt-Implantation in Oxidschichten werden dadurch ver- . lieh durch Metallmasken oder aber auch durch aufgemieden, daß Ionen durch Implantation zunächst in eine dampfte Metallschichten, die mit Photolacktechnik nicht oxydierteSiliciumoberfiäche gebracht werden und bearbeitet werden, geschehen kann, daß danach diese Siliciumschicht thermisch oxydiert. ... Diese Verfahrensweise ist an sich aus der deutschen 65 Beispiel! Offenlegungsschrift 1 950 069 bekannt. Ziel dieses Ver- Die Verwirklichung einer thermisch stabilen Grenzfahrens ist es, tiefe Übergänge in einem Halbleiter- flächendotierung mit positiven Ionen gelingt, indem substrat zu erzeugen. Hierbei ist es notwendig, daß man z. B. 5 · 10¹³ cm-² Cs+-Ionen bei einer Beschleuni-

gungsspannung von 20 kV in eine Siliciumoberflächenschicht nach Reinigung der Prooe implantiert. Ein Teil der Oberfläche wird durch eine Metallmaske gegen den implantierenden Snrahl abgedeckt (Bild 1 a). Danach wird der Siliciumkristall bei 800⁰C in feuchtem Sauerstoff oxydiert, bis eine Oxiddicke von etwa 1000 Ä erreicht ist, wobei die positiven Ladungen in das Oxid eingebaut werden (Bild Ib). Anschließend werden durch Aufdampfen von Gold auf der Rückseite und kreisförmiger Cr-Au-Elektroden von 0,9 mm Durchmesser auf der SiO₂-Oberfläche mehrere Si-Dioden hergestellt (Bild Ic)".

Als Beweis für den Einbau thermisch stabiler positiver Ladungen sind in Bild 2 die Kapazität-Spannungs-FCurven je einer implantienen und nicht implantierten Silicium-Diode gezeigt. Die Messung von Kapazität gegen Spannung bei MOS-Strukturen ist die empfindlichste Methode, die Verschiebung des Oberflächenpotentials festzustellen. Aus den Kurven .urde eine Flachbandspannung von —75 V für die mplanlierte und —3 V für die bei der Implantation abgedeckte Seite der MOS-Struktur ermittelt, woraus sich eine effektive Oberflächenladungsdichte

N, = 6 · 10'- cm-² a«

bestimmen läßt. Daß es sich um thermisch stabile Ladungen handelt, geht daraus hervor, daß sich die C-U-Kennlinie bei einer 30 Minuten langen Temperaturbehandlung von 430 C und bei gleichzeitigem Anlegen eines elektrischen Feldes von 1 · 10^eV/cm (Cr-Au-Elektrode auf negativem Potential) nicht verschiebt (Bild 2).

Die Schärfe der Begrenzungslinie zwischen der mit positiven Ladungen implantierten und der nicht implantierten Oberfläche wird in Bild 3 gezeigt, wo die Flachbandspannungen in Abhängigkeit von der Omkoordinate senkrecht zur Begrenzungslinie dargestellt

Beispiel 2

Das Verfahren vom Beispiel 1 wurde für mehren Siliciumproben wiederholt, mit dem Unterschied, daß 1,5 · 10^I3cnv² Cs -Ionen implantiert wurden und die Oxydation bis zu verschiedenen Oxiddicken von von 500 bis 2000 A durchgeführt wurde. Infolge der speziellen Oxydationstemperatur von 800⁰C bei der llochtemperaturbehandlung lagern sich die meisten CsMonen während dieser Behandlung an der Grenzfläche Si — SiO₂ an, wie aus Bild 4, in dem die Flachbandspannungen für verschiedene Oxiddicken aufgetragen wurden, hervorgeht.

Aus der Steigung der mit der Oxiddicke linear ansteigenden Oberflächenpotentiale läßt sich die Anzahl der an der Grenzfläche eingebauten Cs -Ionen mit 4,3 ■ U)¹²Cm- bestimmen.

Beispiel 3

Vorbehandlung wie Beispiel 2, jedoch Oxydation > bei 1000"C. Die Cs'-Ionen, die während der Oxydation keiner wesentlichen Diffusion unterliegen, überwinden bei dieser und höheren Oxydationstemperaturen die Affinität zur Grenzfläche und werden in das Oxid in der Nähe zur Metallelektrode eingebaut, wie aus der Oxiddickenunabhängigkeit des Oberllächenpotentials hervorgeht (Bild 5). Nach der Oxydation liegt somit ein Konze.itrationsprolil der Cs'-lonen im Oxid vor, das infolge der ungefähren Volumenverdopplung bei der Oxydation etwa die doppelte Ausdehnung senkrecht zur Oberfläche hai (Bild 6).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

ι * sich nur ein Teil des Implantats im Oxid befindet. Patentanspruch: während der andere die Wirkung ausmachende ieil im Si verbleibt. Verfahren zum Einbau von Fremdstoffen in ^^^^^^^"^S^SM^'f SiOo-Schichten auf Silicium-Halbleiterkörpern 5 daß die d;e.e 1 remd.onen engende Schiel,. ln durch Ionenimplantation und anschließende ther- ihrer ganzen Tiefe m SiO ,übergeführt *,rd „ mische Oxydation der Oberfläche in SiO2. da- Eigenschaften eines durch dieses Verfahren ^ ^ durch gekennzeichnet, daß die diese stellten elekn»mschen Bauelements werden c, -C1 Ionen enthaltende Schicht in ihrer ganzen Tiefe ausschließlich durch die nn SiO2 enthaltenen Fre, ,- oxydiert wird « ionen bestimmt. Da die Oxidschicht erst nach :.r Implantation erzeugt wird, werden durch das er ■-,- dungsgemäüe Verfahren Strahlenschäden im C; ■:, die sonst bei der Implantation entstehen, vermied Bei der lloehtenif/craturbehandlung wächst mit i - Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbau von 15 schreitender Oxydation die Grenzfläche Si — SiO, ; Fremdstoffen in SiO2-Schichten auf Silicium-Halb- an sich bekannter Weise in den Si-Knstall, wooY leiterkörpern durch Ionenimplantation und anschlie- nach genügend langer Oxydation die gesamte iwpl ßende thermische Oxydation der Oberfläche in SiO,, tierte Schicht in thermisch gewachsenes und su; um Fremdstoffe in eine Siliziumdioxid-Schicht auf Strahlungsdefektfreies SiO2 übergeführt ist. Wie Silizium und insbesondere in die Grenzfläche Silizium- 20 der Eilindung zugrunde liegenden Experimente ze:t dioxid-Silizium gezielt einzubauen. Der Einbau von lagern sich bei der llochtemperaturbehandlung c: Fremdstoffen, die größtenteils in Form von Ionen Anzahl von verschiedenen Ionen, insbesondere ■: vorliegen, hat den Zweck, die SiOo-Schicht oder das Alkaliionen Na, K, Rb, Cs, auf Grund ihrer Affinii ■ darunterliegende Si-Substrat so zu" beeinflussen, daß an die SiO2 - Si-Grenzfläche an und wandern n, sie zur Herstellung elektronischer Bauteile auf Si-Basis »5 dieser. Sie sind, wie erwartet, positiv geladen ungeeignet werden. Bei Bauteilen nach der Erfindung ist erfüllen somit die Wirkung der Grenzflächendotierui: z. B. an MOS-Transistoren oder ladungsgekoppelte in idealer Weise. Wie die der Erfindung zugrunde Bauelemente gedacht. Dabei wird der gezielte Einbau liegenden Experimente ferner gezeigt haben, ist ·,·■■, von Fremdionen durch Ionenimplantation erreicht. möglich, thermisch stabile Raumladungen im O.\> Eine solche Implantationsbehandlung von Oxid- 30 auf "der Basis von Cs'-Ionen zu erzeugen. Der. Einbau schichten ist an sich bereits bekannt. Das bisher der implantierten Cs'-Ionen in die Grenzfläche bekannte Verfahren der direkten Implantation in Si — SiO2 oder in die Nähe zur Metallelektrode läßi Si-Dioxidschichten hat jedoch Nachteile. Diese sind: sich dabei durch spezielle Wahl der Temperatur bei der Hochtemperaturbehandlung steuern. Erfolgt nämlich

1. Durch die Implantation werden Strahienschäden 35 die Oxydation bei Temperaturen, die einerseits ein hervorgerufen, die besonders die Grenzflächen- genügendes Oxidwachstum garantieren, bei denen aber eigenschaften stark verschlechtern. Diese nach- andererseits die Ionen noch nicht die Affinität zur teiligen Effekte können, wenn überhaupt, nur Grenzfläche überwinden können, so ist ein Großteil durch längeres Tempern bei relativ hohen Tem- der CS'-Ionen nach Abschluß der Oxydation in der peraturen wieder rückgängig gemacht werden. 40 Grenzfläche Si — SiO₂ zu finden. Wird diese Tem-Dies ist insofern in vielen Fällen nachteilig, als peralur überschritten, erfolgt eine andere Art der bei hohen Temper-Temperaturen unerwünschte Oxiddotierung: Die Cs'-Ionen diffundieren nur unDiffusion der implantierten Fremdionen und wesentlich, und es liegt nach der Oxydation ein Konunerwünschtes Oxidwachstum in der Si—SiO₂- zentrationsprofil im Oxid vor, das den gleichen Verlauf Struktur hervorgerufen wird. 45 wie die ursprüngliche Verteilung im Si hat, das aber