DE2642599A1 - Verfahren zur herstellung von implantierten gebieten in einem substrat - Google Patents
Verfahren zur herstellung von implantierten gebieten in einem substratInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München £ VPA TS P 7 ί 2 8
Verfahren zur Herstellung von implantierten Gebieten in einem Substrat,
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von implantierten Gebieten in einem Substrat, wie es im Oberbegriff
des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.
Für einige Bauelemente der Halbleitertechnologie ist es notwendig,
ein Substrat, beispielsweise ein Silizium-Halbleiter, mit periodischen Dotierungsstrukturen zu versehen. So ist beispielsweise
in der deutschen Offenlegungsschrift 2 049 684 eine Laserdiode angegeben, die aus einem Halbleiterbesteht, der Zonen
'unterschiedlicher Dotierungskonzentration aufweist, und bei dem der Abstand dieser Zonen zwischen dem 10-Fachen und dem 500-Fachen
der Gitterkonstanten des Halbleiterkörpers und damit im Bereich von 1 nm bis zu einem /um liegt. Bekannte Verfahren zur
Herstellung solcher p< *. modischer Dotierungsstrukturen oberhalb
von einem #um verwenden beispielsweise photolithographische Maskierungstechniken.
Für Dotierungsstrukturen, bei denen der Abstand der einzelnen dotierten Gebiete weniger als 1 /Um bis zu
etwa 100 nm beträgt, werden zur Herstellung Elektronen- bzw.
Ionenstrahltechniken eingesetzt, bei denen ein Ionen- oder Elektronenstrahl mit Hilfe elektrooptischer Mittel abgelenkt und
über das Substrat an den vorgegebenen Stellen gelenkt wird. Die Anwendung des Ionenstrahlschreibens stößt aber bereits auf
Schwierigkeiten, wenn Dotierungsstrukturen mit einer Abmessung
von weniger als 10 /um hergestellt werden sollen, da es schwierig ist, einen Ionenstrahl zu gewinnen, dessen Strahldurchmesser
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15.9.1976 / SIz 17 Htr
-ζ- 3 TSP 7128 BRD
kleiner als 10 ,um beträgt. Eine stärkere Bündelung der Ionenstrahlen
ist zwar dadurch möglich, daß man hochenergetische Ionen für den Ionenstrahl verwendet, jedoch richten derartige
Ionen dann in dem bestrahlten Substrat so starke Strahlenschäden an, so daß aus dem gestörten Halbleiter kein Bauelement
mehr gewonnen werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von
implantierten Gebieten in einem Substrat anzugeben, bei dem für die implantierten Gebiete eine Ausdehnung und ein gegenseitiger
Abstand von etwa 1 mn erreicht werden kann und bei dem weiter diese Abmessungen durch eine geeignete Anordnung des zur Bestrahlung
verwendeten Systems variiert werden, kann.
Diese Aufgabe wird bei einem wie im Oberbegriff des Patentanspruches
1 angegebenen Verfahren erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise
gelöst.
Die Erfindung beruht darauf, daß aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus
auch Teilchenstrahlen Beugungs- und Interferenzerscheinungen unterliegen. Solche Beugungs- und Interferenzerscheinungen
treten für ein Teilchenstrahlbündel dann auf, wenn
die Winkelkohären-zbedingung b . sin/v/1 L
4? erfüllt
wird, wobei die Wellenlänge/l eines Materieteilchens mit der
Masse m und der kinetischen Energie E sich aus der Gleichung
X = ergibt. Mit b ist dabei die Breite der
Emissionsquelle für die Teilchen des Teilchenstrahles bezeichnet. ^ ist der Öffnungswinkel des Teilchenstrahlbündels und h
die Plancksche Konstante. Bei der Ionenimplantation werden üblicherweise Beschleunigungsspannungen von etwa 5 bis 10 kV angewendet;
für eine solche kinetische Energie liegt die Wellenlänge für ein Teilchenstrahlbündel in der Größenordnung von
-12
10 cm. Nach der Erfindung wird nun der Umstand ausgenutzt, daß ein Teilchenstrahlbündel von bewegten Ionen beispielsweise durch ein elektrostatisches Fadenbiprisma oder auch durch ein magnetisches, materiefreies Biprisma kohärent aufgeteilt werden kann, und daß die so gewonnenen beiden kohärenten Teilchen-
10 cm. Nach der Erfindung wird nun der Umstand ausgenutzt, daß ein Teilchenstrahlbündel von bewegten Ionen beispielsweise durch ein elektrostatisches Fadenbiprisma oder auch durch ein magnetisches, materiefreies Biprisma kohärent aufgeteilt werden kann, und daß die so gewonnenen beiden kohärenten Teilchen-
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strahlbündel so überlagert werden können, daß Interferenzerscheinungen
auftreten. Beispielsweise entsteht als Interferenzfigur ein Feld von parallel verlaufenden, streifenförmigen
Maxiina und Minima. Wird das zu bestrahlende Substrat so angeordnet, daß an der Oberfläche des Substrates eine solche
Interferenzfigur der beiden Teilchenstrahlbündel vorliegt, so erzielt man bei der Implantation in dem Substrat eine periodische
Verteilung der Konzentrationen der implantierten Teilchen. Der Abstand der Maxima bzw. Minima und damit der Abstand
^ der in dem Substiä; erzeugten Konzentrationsmaxima bzw.
Minima der implantierten Teilchen ergibt sich aus der Gleichung
A= —— ι wobei mit a der Abstand der Quellen der
beiden kohärenten Teilchenstrahlbündel bezeichnet ist, mit d der Abstand zwischen der Substratoberfläche, auf der die Interferenzfigur
abgebildet wird, und der durch die beiden Teilchenstrahlquellen gelegten Ebene. Bei einem elektrostatischen
Fadenbiprisma läßt sich beispielsweise die Größe a durch Variation der an den Faden gelegten Spannung variieren. Hierin
besteht ein Vorzug dieses Verfahrens gegenüber dem bisher bekannten Verfahren.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß dasjenige Element, das die Struktur des Teilchenstrahles (die
Maxima und Minima in der Konzentrationsverteilung der aufgestrahlten Teilchen) hervorruft, in einem großen Abstand von dem
bestrahlten Substrat angebracht werden kann, so daß also beispielsweise im Unterschied zu dem Channeling-Verfahren die Substratoberfläche
weniger durch unachtsames Vorgehen gefährdet ist. Weiterhin unterliegt der Strahlteiler selbst keiner Alterung
oder Beschädigung aufgrund des Ionenstrahles, so daß die von ihm hervorgerufene Struktur des Teilchenstrahles bzw. die
in dem Substrat hervorgerufene Implantationsstruktur sich
während des Betriebes nicht ändert. Schließlich ist ein weiterer Vorteil, daß eine Unebenheit der Substratoberfläche sich auf die
in dem Substrat hervorgerufene Implantationsstruktur kaum auswirkt. Weiterhin sind solche Strahlteiler wie ein elektrostatisches
Fadenbiprisma ohne besonderen Aufwand herzustellen. Darüberhinaus ist das von der Erfindung vorgesehene Verfahren
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gegenüber TemperatürSchwankungen unempfindlich.
Grundsätzlich kommen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur Strahlen geladener Teilchen wie Ionenstrahlen
und Elektronenstrahlen in Frage,sondern auch Strahlenbündel
von neutralen Atomen, Molekülen oder auch Neutronen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden jedoch
Strahlenbündel geladener Teilchen, insbesondere Ionenstrahlen verwendet, da sich ein Strahl geladener Teilchen mit
einfachen Mitteln in zwei kohärente Strahlenbündel aufteilen läßt (vgl. z.B. Zeitschrift für Physik, Bd. 158, (1960). S.
35 ff).
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels "beschrieben und näher erläutert.
In der Fig. 1 ist die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens
schematisch dargestellt, in Fig. -2 ist dargestellt, wie ein Substrat nach der Erfindung mit einer Implantationsstruktur versehen wird.
Als Ausführungsbeispiel diene die Herstellung einer periodischen Dotierung in einem Siliziumsubstrat, bei dem die Konzentrationsmaxima
der Implantationsdotierung parallel verlaufen und voneinander einen Abstand von etwa 10 mn besitzen. Da die
auf der Substratoberfläche auftreffenden Ionen im Substrat seitlich
gestreut werden, wird die Energie der Teilchen so gewählt, daß die Eindringtiefe in dem Silizium-Substrat nur etwa 5 nm
beträgt. Die Implantation soll mit Bor (Atomgewicht 11) durchgeführt werden. Die Beschleunigungsspannung bei der Ionenimplantation
soll 10 kV betragen. Aus der Gleichung für die de Broglie-Wellenlänge ergibt sich, daß die Wellenlänge für
— 12
einen solchen Teilchenstrahl 6,6 . 10 cm beträgt. Als Strahlteiler
wird ein elektrostatisches Fadenbiprisma verwendet. In Abbildung 1 ist schematisch der Strahlengang dargestellt. Eine
Ionenquelle 1 hat beispielsweise einen Öffnungsspalt 2, aus dem Ionen 3 austreten. Der Ionenstrahl 31 ist auf das Substrat
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-^. <o
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hin gerichtet. In dem Strahlengang befindet sich ein Biprisma 60.An diesem Biprisma 60wird das Strahlenbündel 31, das aus
dem Öffnungsspalt 2 der Ionenquelle austritt, und auf das Prisma trifft, so aufgeteilt, daß man zwei kohärente Strahlenbündel
14, 15 erhält, die aus virtuellen Strahlenquellen 10 und 11 auszutreten scheinen. Da die von den virtuellen Quellen
10 und 11 ausgehenden Strahlenbündel 14, 15 zueinander kohärent sind, kommtjes zwischen ihnen zu Interferenzerscheinungen. Das
Substrat 5'wird vorzugsweise an Masse gelegt und so angeordnet, daß in der Oberflächenebene 6 des Substrates Interferenzfiguren
7 liegen. Bei einem rechteckigen Öffnungsspalt 2 und einem parallel zu diesem Öffnungsspalt angebrachten Biprisma
60erhält man Interferenzfiguren, die aus parallel verlaufenden
Interferenzstreifen 7 bestehen.
Soll der Abstand^dieser parallelen Streifen 7 etwa 10 nm betragen,
so ist bei dem gewählten Beispiel der Abstand a der
virtuellen Quellen 10 und 11 nach' der Gleichung a = ■
festzulegen. Wird -"ler Abstand zwischen der Quelle 1 und dem
Substrat 5 zu 300 cm gewählt, so ergibt sich mit A = 10~ cm der Abstand azu 26 ,um. Die Breite b des Emissionsspaltes, aus dem
der Ionenstrahl austritt, ergibt sich aus der Winkelkohärenzbedingung b . sin ^ ^ %/2, wobei A^der Öffnungswinkel des
Strahlenbündels ist. Es gut weiter: s'm. & ^
§ , wobei
C der Durchmesser des zu bestrahlenden Bereiches des Substrates
und d der Abstand der Substratoberfläche von der Ionenquelle ist. Setzt man C = 1 ,uJL, so ergibt sich ein b = 13 . 10 cm.
Solch kleine Spaltöffnungen lassen sich aus einer normalen Ionenquelle mit Hilfe einer verkleinernden zylinder- oder
rotationssymmetrischen Abbildung gewinnen, es kann aber auch eine Feldionenquelle verwendet werden. Für eine Dotierungs-
-4
20 -3
konzentration von 10 Teilchen cm in den einzelnen Implantationsgebieten
wird bei einer Streifenfläche von 10 10 cm und eine Eindringtiefe von 10 cm eine Gesamtteilchenmenge
von nur 10 Teilchen benötigt. Dies entspricht einer Implantationszeit von einer Sekunde bei einem Implan-
—13
tationsstrom von 10 A.
tationsstrom von 10 A.
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-X- 7 /SP 7 128 ORD
In der Fig. 2 ist schematisch eine für einen Ionenstrahl verwendete
Apparatur dargestellt. Sie besteht aus einer Ionenquelle 1 . Das verwendete Biprisma ist ein elektrostatisches
Fadenbiprisma. Es besteht aus einem Faden 61, der sich zwischen zwei Elektroden 62 und 63 befindet. Zwischen dem Faden
61 und den Elektroden 62 bzw. 63 ist jeweils eine Spannungsquelle 64 bzw. 65 geschaltet, so daß beispielsweise der Faden
61 auf negativem Potential, die Elektroden 62 und 63 auf
positivem,bevorzugt jedoch auf Erdpotential liegen. Die Dicke
des Fadens 61 ist 1 /umi, der Abstand der Elektroden 62 und
63 beträgt etwa 10 mm. Der von dem Emissionsspalt 2 herausgehende
Ionenstrahl 31 ist auf das Substrat 5 gerichtet. Das Substrat 5 ist so angeordnet, daß Interferenzstreifen 7 auf
der Substratoberfläche 6 vorhanden sind. Der Abstand der Interferenzstreifen 7 kann durch Variation der zwischen dem
Faden 61 und den Elektroden 62 und 63 liegenden Spannungen wie auch durch die Beschleunigungsspannung der Ionen variiert
werden. ·
6 Patentansprüche
2 Figuren
2 Figuren
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e e r s e i f e
Claims (6)
- 75 P 7 ί 2 8 BRDP at entansprüchet\ 1. !Verfahren zur Herstellung von implantierten Gebieten in einem ~"~ Substrat, bei dem das Substrat mit einem Bündel von Teilchen hoher kinetischer Energie bestrahlt wird, dadurch ge kennzeichnet , daß das Substrat (5) mit zwei kohärenten, einander überlagerten Teilchenstrahlbündel (14, 15) bestrahlt und so angeordnet wird, daß sich an der Substratoberfläche (6) Maxima und/oder Minima einer von den beiden Teilchenbündeln (14, 15) gebildeten Interferenzfigur befinden.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß das Substrat mit geladenen Teilchen bestrahlt wird.
- 3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Teilchenstrahlbündel (14, 15) so gestaltet und so einander überlagert werden, daß die von ihnen gebildete Interferenzfigur aus parallel verlaufenden Streifen (7) besteht.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet , daß als Substrat (5) ein Halbleiter und als Teilchen 3 des Teilchenstrahlbündels (31) Dotierstoffionen verwendet werden.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzeugung der kohärenten Teilchenstrahlbündel (14, 15) ein elektrostatisches Fadenbiprisma verwendet wird.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet , daß die kinetische Energie der Teilchen (3) zwischen 1 und 50 keV beträgt.809812/OS16 oRiaiNAL INSPECTED
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