DE2231891C3 - Verfahren zur Herstellung einer wannenartigen, amorphen Halbleiterschicht - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer wannenartigen, amorphen HalbleiterschichtInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer wannenartigen, amorpS.er. Halbleiterschicht in
einem monolithischen Halbleiterkör^ :r, 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 der 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 <>s
von der Oberfläche bis zu einer bestimmten Tiefe im Bereich des Maskenfensters reicht. Während eines
Erhitzungsprozesses reagieren die Atome des Halbleiterkörpers
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 aiii einer auf
die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebrachten Isolationsschicht angeordnet sind. Unerwünschte elektrische
Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen innerhalb des Halbleiterkörpers werden durch
dazwischen angeordnete Isolationsschichten 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. Sine 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 Halbleiterbereiche, die mit Isolationsrsaterial 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 1100°C 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.
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 Isolationsschichten
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 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.! in mehreren Verfahrensschritten die erfindungsgemäße
Herstellung einer dielektrisch·.η 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 derTiefe bei einer Dosis von 6 χ ΙΟ15
Ionen/cm2,
F i g. 4 eine entsprechende, auf neuen experimentellen Beobachtungen basierende qualitative Verteilung bei
einer Dosis von 1 v. 1016 Ionen/cm2 und
F i g. 5 eine entsprechende, auf neuen experimentellen Beobachtungen basierende qualitative Verteilung bei
einer Dosis von 6 χ 1016 Ionen/cmJ.
Zur Herstellung einer vergrabenen Schicht in einem einkristallinen Halbleiterkörper werden, wie in F i g. 1
angedeutet, '.onen in den Halbleiterkörper an einer definierten Stelle implantiert. Das erfindungsgemäße
Verfahren betrifft insbesondere die Implan'ation von
Siliciumionen in ein einkristallines Siliciumsubstrat.
Eine Einrichtung zur Durchführung der Ionenimplantation ist schematisch in F i g. 2 dargestellt. Mit dieser
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 lonenstrahles in bezug auf das Objekt 10. Der Einfallswinkel kann beispielsweise durch
Rotation des Objekts 10 um eine Achse 40 gesteuert werden. Gewöhnlich reicht eine Energie von 5 KeV bis
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
Doll. Beispielsweise kann der Ionenstrahl durch magnetische oder elektrische Felder so fokussiert und abgelenkt
werden, daß er lediglich μ J das Gebiet trifft, in welchem
eine Implantation 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
ίο den gewünschten Bereichen Maskenfenster frei.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise ein monokristallinev Halbleiterkörper
aus Silicium mit Siliciumatomen bombardiert. Dies ist in Schritt 1 der Fij». 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 Eindringtiefe der Ionen.
Ein kleiner Winkel zwischen Strahl '-ind 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 Ϊ i des
Halbleiterkörper 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
HaF Jeiterkörpers 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 Fig. 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 Ionen/cm3. Wie in Schritt 2 angedeutet,
bilden die implantierten Ionen innerhalb des Halbleiterkörpers 10 eine amorphe Siliciumschicht 14. Diese
amorphe Siliciumschicht weist einen spezifischen Widerstand von über 1000 Ohm/cm auf. Dieser Wert
bleibt auch bei einem einstündigen Tempern bei einer
Der Halbleiterkörper 10 mit der vergrabenen amorphen Isolationsschicht 14 wird anschließend, wie in
den Schritten 3 und 4 der Fig. I angedeutet ist, so weiter behandelt, caß eine vollkommene Isolationswanne
entsteht. Die Schicht 14 bildet dabei die isolierende Bodenfläche dieser Isolationswanne. Im Halble'termaterial
innerhalb dieser Isolationswanne können in bewährter Weise aktive oder passive integrierte
Schaltelemente erzeugt werden. Im Schritt 3 der F i g. 1
r>5 erfolgt die Ionenimplantation in Verbindung mit einer Maske 12 zur Bildung der Seitenwände der Isolationswanne. Diese seitlichen Isolationsschichten 16 werden
wiederum durch lonenimDlantation eebildet. wobei
während 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 nunmehr 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 Isolationswanne mit Isolationsschichten Hund
16 dargestellt, die die monokristallinen Halhleiterbereiche
18 und 19 trennen, selbstverständlich ist es möglich,
unter Anwendung der bekannten Maskicrungstechnik gleichzeitig mehrfache derartige Strukturen herzustellen.
Um wirksame und durchgehende Isolationsschichten zu erhalten, muß die Konzentration der implantierten
Siliciumionen im allgemeinen ΙΟ15 oder größer und
vorzugsweise lO^bis I022lonen/cm'betragen.
Beispiele zur Verdeutlichung der F i g. 3, 4 und 5: Ein
P-dotiertes Siliciumplättchen. dessen Oberflächen etwa 2° gegen die [I I I]-Kristallebene geneigt waren, dessen
spezifischer Widerstand I Ohm/cm betrug und das einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufwies, wurde einem
Implantationsprozeß von Siliciumionen unterworfen, wobei die Gesamtenergie I MeV betrug. Der Strahlstrom
betrug 2,3 μΑ und die betroffene Fläche waren
4 cm2 bei einer Dichte von 0,58 μΑ/cm2, was einem lonenfluß von 3,6 χ tO12 Ionen/cm2 entspricht. Die
Implantationsdauer betrug 28 Minuten bei einer Dosis von 6 χ 1O15 Ionen/cm2. Dabei ergab sich die in F i g. 3
dargestellte qualitative Verteilung der Atomversetzungen bzw. Kristallgitterslörungen in Abhängigkeit von
derTiefe.
S Bei einem /weilen, dem ersten entsprechenden
Ausfiihrungsbeispiel, wurde lediglich die Energie von 1 MeV während einer Zeit von 46 Minuten aufrechterhalten,
was eine Dosis von 1 χ 1O'h Ionen/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 Ausführungsbeispiel entsprechenden Ausführungsbeispiel
wurde die Energie von 1 MeV während einer Zeit von 280 Minuten aufrechterhalten, so daß sich
is eine Gesamtdosis von 6xlOl() Ionen/cm2 ergab. Aus
F i g. 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 Halblciterkörper
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 Energiepegel sequentiell herabgesetzt wird.
Ähnliche Ergebnisse erhält man, wenn Germaniumio·
ίο nen in einkristallines Germanium implantiert werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
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, da- ι ο
durch 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-Ionen 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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