DE2231891B2 - Verfahren zur herstellung einer wannenartigen, amorphen halbleiterschicht - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer wannenartigen, amorphen halbleiterschicht

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wannenartigen, amorphen Halbleiterschicht in einem monolithischen Halbleiterkörper, wobei durch örtlich definierte Implantation von Ionen durch die Oberfläche des Halbleiterkörpers in einer durch die Strahlenergie bestimmten Tiefe des Halbleiterkörpers eine vergrabene amorphe Schicht gebildet wird.
Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Isolationsschichten in Halbleiterkörpern durch Ionenimplantation vorgeschlagen worden, bei denen vom Halbleitermaterial unterschiedliche Ionen, wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff, verwendet werden. Die Implantation wird dabei mit einem Energiepegel durchgeführt, der entsprechend der gewünschten Eindringtiefe der Ionen gewählt ist. Die Implantationszeit wird so festgelegt, daß eine dichte lonenschicht im Halbleitermaterial entsteht. Anschließend wird der Halbleiterkörper auf eine Temperatur erhitzt, bei der die eingebetteten Ionen mit den Ionen des Halbleitermaterials reagieren und eine Isolationsschicht bilden.
Außerdem ist bereits; eine Halbleiteranordnung bekannt geworden, bei d';r sich eine einzelne durchgehende Isolationsschicht von der Oberfläche bis zu einer bestimmten Tiefe innerhalb eines Halbleiterkörpers erstreckt und eine Zone des Halbleiterkörpers umschließt und dadurch dielektrisch isoliert. Diese Isolationsschicht wird durch Bombardierung mit Ionen erzeugt, die mit den Atomen des Halbleitermaterials bei einem Erhitzungsprozeß reagieren. Der Ionenstrahl wird dabei auf ein Maskenfenster und dessen abgeschrägte Kanten gerichtet. Durch die abgeschrägten Kanten wird erreicht, daß die Eindringtiefe der Ionen von der Oberfläche bis zu einer bestimmten Tiefe im Bereich des Maskenfensters reicht. Während eines Erhitzungsprozesses reagieren die Atome des Halb
65 leiterkörpers mit den implantierten Ionen, wobei eine Isolationsschicht entsteht, die den von ihr eingeschlossenen Halbleiterbereich dielektrisch isoliert,
In der integrierten Halbleitertechnik wird eine Anzahl von aktiven und passiven Elementen in oder auf einem gemeinsamen monokristallinen Halbleiterkörper hergestellt. Diese Elemente werden mit Hilfe von Leitungszügen miteinander verbunden, die auf einer auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebrachten Isolationsschicht angeordnet sind. Unerwünschte elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen innerhalb des Halbleiterkörpers werden durch dazwischen angeordnete Isolationüschichten verhindert.
Es sind verschiedene Strukturen und Methoden bekannt, um diese gegenseitige Isolation zu bewirken. Eine Methode besteht darin, daß zwischen den einzelnen Halbleiterelementen in Sperrichtung betriebene PN-Übergänge angeordnet werden. Diese Isolationsmethode ist mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Insbesondere erweist sich die in Verbindung mit den PN-Übergängen auftretende parasitäre Kapazität als ungünstig im Hinblick auf die erreichbare Geschwindigkeit. Ein weiterer Nachteil ergibt sich in einigen Anwendungsgebieten dadurch, daß diese Halbleiterübergänge strahlungsempfindlich sind und daß dadurch die Isolationswirkung unter Umständen aufgehoben werden kann. Eine weitere Isolationsmethode besteht darin, daß die zu isolierende Halbleiteranordnung mit einer Schicht aus Isolationsmaterial umgeben wird. Diese Methode ist als dielektrische Isolation bekannt. Dabei werden beispielsweise Kanäle in den Halbleiterkörper eingeätzt, die die einzelnen Halbleiterbereiche voneinander trennen. Anschließend wird die gesamte Oberfläche einschließlich der eingeätzten Kanäle mit einer Isolationsschicht bedeckt. Schließlich wird auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers das Halbleitermaterial bis auf den Grund der Kanäle entfernt. Auf diese Weise entstehen Haibleiterbereiche, die mit Isolationsmaterial umgeben sind. Diese Methode ist jedoch sehr zeitaufwendig, kostspielig und außerdem schwierig durchzuführen.
Isolationsschichten aus Siliciumnitrid, Siliciumkarbid und Siliciumoxyd wurden bisher dadurch hergestellt, daß Ionen anderer Materialien als das Material des verwendeten Halbleiterkörpers in den Halbleiterkörper implantiert wurden. Beispielsweise wurden bei der Herstellung von Siliciumnitridschichten Stickstoffatome in den Silicium-Halbleiterkörper implantiert. Bei einer anschließenden Erhitzung auf eine Temperatur von etwa 11000C reagieren die implantierten Ionen mit den Ionen des Halbleiterkörpers und bilden Siliciumnitridschichten.
Aus der DT-OS 20 46 833 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung amorpher Halbleiterschichten in monolithischen Halbleiterkörpern aus Elementen der vierten Gruppe des periodischen Systems der chemischen Elemente bekannt, wobei durch Implantation von Ionen der gleichen Gruppe des periodischen Systems in einer durch die aufgewandte Strahlenenergie bestimmten Tiefe des Halbleiterkörpers eine vergrabene amorphe Halbleiterschicht mit sich bis zur Oberfläche des Halbleiterkörpers entsprechenden seitlichen Begrenzungen gebildet wird. Als wesentliches Merkmal ist dabei zu beachten, daß die seitlichen Begrenzungen dadurch erzielt werden, daß Masken mit abgeschrägten Kanten verwendet werden, die die Strahlenergie und damit die Eindringtiefe entsprechend verringern.
Als nachteilig erweist sich bei diesem bekannten
Verfahren, daß das Herstellen einer Maske mit definiert abgeschrägten Kanten außerordentlich schwierig und aufwendig ist.
Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, amorphe Halbleiterschichten, die als Isola-.ionsschichten verwendbar sind, unter Anwendung der Ionenimplantation anzugeben, das im Vergleich mit dem bekannten Verfahren wesentlich vereinfacht ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Ionen des Materials des Halbleiterkörpers implantiert werden, und daß nach Ausbildung der vergrabenen Schicht die von dieser ausgehenden, sich an die Oberfläche des Halbleiterkörpers erstreckenden seitlichen Begrenzungsschichten durch eine zeitlich verlängerte und örtlich auf den entsprechenden ,5 Oberflächenbereich beschränkte Implantation mit gleicher Strahlenergie wie bei der vergrabenen Schicht hergestellt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 in mehreren Verfahrensschritten die erfindungsgemäße Herstellung einer dielektrischen Isolationsschicht in einem einkristallinen Halbleiterkörper,
Fig.2 die schematische Darstellung einer Einrichtung zur erfindungsgemäßen Durchführung der Ionenimplantation,
Fig.3 die bekannte, bei der Ionenimplantation in Siliciumkristallen lediglich qualitative Verteilung der Atomversetzungen bzw. der Teilgitterstörungen in Abhängigkeit von der Tiefe bei einer Dosis von 6 χ 101^ Ionen/cm*,
F i g. 4 eine entsprechende, auf neuen experimentellen Beobachtungen basierende qualitative Verteilung bei einer Dosis von 1 χ 10lblonen/cm2und
F i g. 5 eine entsprechende, auf neuen experimentellen ^ Beobachtungen basierende qualitative Verteilung bei einer Dosis von 6 χ 10lb Ionen/cm-1.
Zur Herstellung einer vergrabenen Schicht in einem einkristallinen Halbleiterkörper werden, wie in Fig. 1 angedeutet, Ionen in den Halbleiterkörper an einer definierten Stelle implantiert. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft insbesondere die Implantation von Siliciumionen in ein einkristallines Siliciumsubstrat.
Eine Einrichtung zur Durchführung der Ionenimplantation ist schematisch in Fig.2 dargestellt. Mit dieser ^5 lassen sich Atome bestimmter Elemente an einer Ionenquelle 30 ionisieren und mit Hilfe eines Potentialgradienten in einem Beschleuniger 32 auf eine Energie beschleunigen, so daß sie in ein in einer geeigneten Kammer 34 untergebrachtes Objekt 10 implantiert werden. Da der Ionenstrahl 36 geladen ist, kann er durch magnetische und elektrische Felder beeinflußt und somit fokussiert und in der Kammer 38 abgelenkt werden.
Die Tiefe, in der die Ionen im Objekt 10 implantiert werden, ist eine Funktion der Energie und des Einfallswinkels des Ionenstrahles in bezug auf das Objekt 10. Der Einfallswinkel kann beispielsweise durch Rotation des Objekts tO um eine Achse 40 gesteuert werden. Gewöhnlich reicht eine Energie von 5 KeV bis <)O 3 MeV aus, um Ionen in einen monokristallinen Halbleiterkörper 10 zu implantieren. Es ist eine Reihe von Methoden bekannt, die eine Festlegung des Gebietes gestatten, in welchem die Implantation folgen soll. Beispielsweise kann der Ionenstrahl durch magneti- (.5 sehe oder elektrische Felder so fokussiert und abgelenki werden, daß er lediglich auf das Gebiet trifft, in welchem f>inp Imnlantation stattfinden soll. Es ist aber auch möglich, in den Strahlengang 36 an irgendeiner Stelle eine Maske anzuordnen, die den Ionenstrahl nur auf bestimmte Bereiche auftreffen läßt. Schließlich kann eine Definition des Implantationsgebietes auch dadurch erreicht werden, daß die Oberfläche des zu beaufschlagenden Halbleiterkörpers selbst mit einer geeigneten Maske beschichtet wird. Gewöhnlich bringt man eine maskierende Schicht auf und legt durch Anwendung konventioneller photolithographischer Techniken in den gewünschten Bereichen Maskenfenster frei.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise ein monokristallincr Halbleiterkörper aus Silicium mit Siliciumatomen bombardiert. Dies ist in Schritt 1 der Fig. 1 dargestellt. Die Bombardierung kann in bezug auf die Kristallachse in beliebiger Richtung erfolgen, es wird jedoch bevorzugt, daß sie unter einem Winkel von 2° zur größeren Hauptachse erfolgt. Der Auftreffwinkel in bezug auf die Kristallstruktur beeinflußt die Eindringliefe der Ionen. Ein kleiner Winkel zwischen Strahl und Kristallachse ergibt auch eine Verdichtung der implantierten Ionen. Die zu beaufschlagende Fläche kann mit Hilfe der bereits erwähnten Methoden kontrolliert werden.Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist, wird die Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 10 mit einer Maske 12 beschichtet. Die maskierende Schicht verhindert, daß Ionen in den Halbleiterkörper 10 eindringen. Die Maske 12 kann aus Metall oder aus Isolationsmaterial bestehen. Typische Materialien sind Molybdän, Wolfram, Platin, Gold Silber, Siliciumdioxyd, Siliciumnitrid. Im Normalfall benötigt man lediglich Maskenschichten mit einer Dicke von wenigen tausend Ä. Die Masken können durch konventionelle photolithographische Technik hergestellt werden.
Wie im Schritt 2 dargestellt, wird durch die Ionenimplantation im Bereich der ungeschützten oder unmaskierten Oberfläche im Innern des Halbleiterkörpers 10 eine Schicht 14 gebildet. Diese Schicht 14 besteht aus einer hohen Konzentration von implantierten Siliciumionen. Die Tiefe der Schicht 14 innerhalb des Halbleiterkörper:; hängt von der Energie ab. mit der die Implantation erfolgt. In Abhängigkeit von der gewünschten Eindringtiefe werden gewöhnlich Energien von 500 KeV bis 3 MeV aufgewendet. In F i g. 3 ist im Querschnitt die Verteilung der Kristallgitterstörungen dargestellt, wie sie nach Durchführung des, Verfahrensschrittes 2 in F i g. 1 auftritt. Die Konzentration bei implantierten Ionen innerhalb der Schicht 14 beträgt 1018 bis 1O22 lonen/cmJ. Wie in Schritt 2 angedeutet, bilden die implantierten Ionen innerhalb des Halbleiterkörpers 10 eine amorphe Siliciumschicht 14. Diese amorphe Siliciumschicht weist einen spezifischen Widersland von über 1000 Ohm/cm auf. Dieser Wert bleibt auch bei einem einstündigen Tempern bei einer Temperatur von 5500C erhalten.
Der Halbleiterkörper 10 mit der vergrabenen amorphen Isolationsschicht 14 wird anschließend, wie in den Schritten 3 und 4 der F i g. 1 angedeutet ist, so weiter behandelt, daß eine vollkommene Isolationswanne entsteht. Die Schicht 14 bildet dabei die isolierende Bodenfläche dieser Isolationswanne. Im Halbleitermaterial innerhalb dieser Isolationswanne können in bewährter Weise aktive oder passive integrierte Schaltelemente erzeugt werden. Im Schritt 3 der Fig.) erfolgt die Ionenimplantation in Verbindung mit einer Maske 12 zur Bildung der Seitenwände der Isolationswanne. Diese seitlichen Isolationsschichten 16 werden wiederum durch Ionenimplantation gebildet, wobei
ν ahrend ihrer Bildung die Energie des ionenstrahl nicht verändert wird. Dadurch können jegliche Einstell- und Regeleinrichtungen entfallen. Die implantierten Isolationsschichten 16 bestehen wiederum aus amorphem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von über 1000 Ohm/cm. Die fertige Struktur ist im Schritt 4 dargestellt. Das dielektrisch isolierte Halbleitergebiet 18 kann nunmehi die in bekannter Weise einzubringenden Halbleiterzonen zur Bildung der gewünschten Strukturen aufnehmen. Im Schritt 4 der F i g. 1 ist zwar nur eine einzelne lsolalionswanne mit Isolationsschichten 14 und 16 dargestellt, die die monokristallinen Halbleitcrbereiche 18 und 19 trennen, selbstverständlich ist es möglich, unter Anwendung der bekannten Maskierungstechnik gleichzeitig mehrfache derartige Strukturen herzustellen.
Um wirksame und durchgehende Isolationsschichten zu erhalten, muß die Konzentration der implantierten Siliciumionen im allgemeinen 1015 oder größer und vorzugsweise IO2obis 10« lonen/cmJbetragcn.
Beispiele zur Verdeutlichung der F i g. 3, 4 und 5: Ein P-dotiertes Siliciumplättchen, dessen Oberflächen etwa 2° gegen die [111]-Kristallebenc geneigt waren, dessen spezifischer Widerstand 1 Ohm/cm betrug und das einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufwies, wurde einem Implantationsprozcß von Siliciumionen unterworfen, wobei die Gesamtenergie I MeV betrug. Der Strahlstrom betrug 2,3 μΑ und die betroffene Fläche waren 4 cm: bei einer Dichte von 0,58 μΑ/cm2, was einem lonenfluß von 3,6 χ 1012 Ionen/cm2 entspricht. Die Implantationsclauer betrug 28 Minuten bei einer Dosis von 6 χ 1015 Ionen/cm2. Dabei ergab sich die in Fig. 3 dargestellte qualitative Verteilung der Atomversetzungen bzw. Kristallgitterstörungen in Abhängigkeit von der Tiefe.
s Bei einem zweiten, dem ersten entsprechenden Ausfiihrungsbeispiel, wurde lediglich die Energie von 1 MeV während einer Zeit von 46 Minuten aufrechterhalten, was eine Dosis von I χ 10lb loncn/cm2 ergab. Aus F i g. 4 ist zu ersehen, daß unter diesen Bedingungen sich
ίο das amorphe Wachstum gegen die Oberfläche hin fortsetzt. Bei einen dritten, wiederum im wesentlichen dem ersten Ausfiihrungsbeispiel entsprechenden Ausführungsbeispiel wurde die Energie von 1 MeV während einer Zeit von 280 Minuten aufrechterhalten, so daß sich eine Gesamtdosis von 6χ1016 Ionen/cm2 ergab. Aus Fig.5 ist zu ersehen, daß sich das amorphe Wachstum unter diesen Bedingungen bis an die Oberfläche hin fortsetzt. Dem vorstehenden ist zu entnehmen, daß sich das Wachstum amorphen Siliciums in einem Halbleiter-
körper aus Silicium erfindungsgemäß homogen und in seiner Eigenschaft gleichbleibend erhalten bleibt, obwohl aus vergrabenen Schichten und von diesen ausgehend an die Oberfläche des Halbleiterkörpers sich ausdehnende Schichten gebildet werden. Derartige
2s Ergebnisse werden nicht erhalten, wenn in bekannter Weise zur Verringerung der Eindringtiefe während des Implantationsprozesses der Energiepegcl sequentiell herabgesetzt wird.
Ähnliche Ergebnisse erhält man, wenn Germaniumio
τ,ο ncn in einkristallines Germanium implantiert werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer wannenartigen, amorphen Halbleiterschicht in einem monolithisehen Halbleiterkörper, wobei durch örtlich definierte Implantation von Ionen durch die Oberfläche des Halbleiterkörpers in einer durch die Strahlenergie bestimmten Tiefe des Halbleiterkörpers eine vergrabene amorphe Schicht gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß Ionen des Materials des Halbleiterkörpers implantiert werden, und daß nach Ausbildung der vergrabenen Schicht die von dieser ausgehenden, sich an die Oberfläche des Halbleiterkörpers erstreckenden seitlichen Begrenzungsschichten durch eine zeitlich verlängerte und örtlich auf den entsprechenden Oberflächenbereich beschränkte Implantation mit gleicher Strahlenergie wie bei der vergrabenen Schicht hergestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Germanium- oder Silicium-Halbleiterkörpern Germanium- bzw. Silicium-lonen mit einer Strahlenenergie von >5keV implantiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis der implantierten Ionen mindestens 1 · 1015 Ionen/cm2 beträgt.
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