DE2649134A1

DE2649134A1 - Verfahren zur ionenimplantation in halbleitersubstrate

Info

Publication number: DE2649134A1
Application number: DE19762649134
Authority: DE
Inventors: Yasuo Hayashi; Hideo Kubota; Nobumichi Okazaki; Seiichi Watanabe
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1975-10-28
Filing date: 1976-10-28
Publication date: 1977-05-12
Also published as: FR2330143B3; FR2330143A1; JPS5834931B2; JPS5253658A; NL7611983A

Description

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-8000 München 22 D-4800 Bielefeld

Triftstraße 4 Siekerwall 7

•3-

28.0ht.1976

SONY CORPORATION Tokio / Japan

Verfahren zur Ionenimplantation in Halbleitersubstrate

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Implantation von Ionen in ein Halbleitersubstrat, durch das insbesondere eine bestimmte Verunreinigungsverteilung in einem Halbleiterkörper unter Ausnutzung des Phänomens einer Teilkanalbildung bei der Ionenimplantation erzielt werden soll. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der JP-PS 540 865 wird ein Halbleiterbauelement mit variabler Kapazität vorgeschlagen, das sich durch hohe Sperrspannungskennwerte und einen überlegenen durchstimmbaren Kapazi-

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tätsbereich auszeichnet. Dieses Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterbereich hoher Konzentration in einer tiefer liegenden Schicht auf. Wie das Ausführungsbeispiel der beigefügten Figur 1 erkennen läßt, besteht dieses Element beispielsweise aus einem N-leitenden Siliciumsubstrat 1 mit relativ niedriger Verunreinigungskonzentration, in den ein N-Bereich 2 höherer Verunreinigungskonzentration eingelagert ist; weiterhin enthält das Substrat 1 einen den Bereich 2 überdeckenden P-leitenden Halbleiterbereich Falls erwünscht, kann die dem Bereich 3 gegenüberliegende Oberfläche des Substrats 1 mit einer N-Typ-Halbleiterschicht hoher Verunreinigungskonzentration bedeckt sein. Eine Kathodenelektrode I 5 steht in ohmschem Kontakt mit der Schicht 4, während eine andere eine Anode bildende Elektrode 6 den Bereich 3 auf der anderen Oberflächenseite des Substrats 1 kontaktiert.

Bei Halbleiterbauelementen dieses Aufbaus mit veränderbarer Kapa- ■' zität ist es bekannt, daß das Konzentrationsprofil des hochdotierten Bereichs 2 in Tiefenrichtung die veränderbaren Kapazitätseigenschaften in starkem Maß beeinflußt. Um beispielsweise eine große Kapazität des veränderbaren Kondensators bereits bei Anlegen relativ kleiner Spannungen und eine kleine Nichtlinearität des , veränderbaren Kapazitätswerts unter der Bedingung zu erreichen, j daß die Verarmungsschicht sich bis nahe zur Grenzfläche zwischen j den Bereichen 2 und 1 erstreckt, ist es erforderlich/ die Konzentration des Bereichs 2 in der Nähe der Grenzfläche zwischen den

Bereichen 2 und 3 um einige Faktoren oder mehr höher zu wählen alsj die des Bereichs 1 mit einer allmählichen Konzentrationsänderung j in der Nähe der Grenzfläche zwischen den Bereichen 2 und 1. Aus ^: diesem Grund muß das Konzentrationsprofil des Bereichs 2 auf der ivom Bereich 3 entfernten Seite, also nahe der Grenze zwischen den Bereichen 2 und 3 um mehrere Faktoren höher gewählt werden als jenes Konzentrationsprofil (die Gauss'sehe Verteilung), das sich ; mittels gewöhnlicher Diffusion erzielen läßt. Um diese Forderung ^!hinsichtlich des Konzentrationsprofils zu erfüllen, wird ein zweifacher thermischer Diffusionsprozess oder zunächst Ionenimplantation auf ein Substrat mittels eines Verfahrens mit zufälliger Strahlrichtungsverteilung angewendet, gefolgt

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von einer wiederholten Implantation von Verunreinigungsionen
unter Ausnutzung einer dabei auftretenden Kanalbildung.

Hinsichtlich der industriellen Anwendung führt das erstgenannte
Verfahren zu einem komplizierten Herstellungsprozess, bei dem
sich das Konzentrationsprofil mit der erforderlichen hohen Genauigkeit nur sehr schwierig steuern und überwachen läßt mit der
Folge, daß die Kennwerte der Halbleiterbauelemente insbesondere
bei der Herstellung von veränderbaren Kondensatoren ungleichmäßig werden. Beim zweitgenannten Verfahren dagegen werden
die Kennwerte bei den aus einem Halbleiterplättchen gleichzeitig
gewonnenen Bauelementen dadurch verschieden, daß der Auftreffwin- ! kel bei der Ionenimplantation an den einzelnen Bereichen j des Plättchens unterschiedlich ist. Die Gründe dafür werden j nachfolgend näher erläutert: ■

Wird eine Anzahl von Elementen auf einem in bestimmter Anordnung : ausgerichteten gemeinsamen Halbleiterplättchen hergestellt, so
wird der Ionenauftreffwinkel bei der Implantation unterschiedlich,¹ je nach dem, ob das betreffende Element im Mittenbereich oder in j einem Randbereich des Plättchens und zwischen beiden Enden des ■

i gleichen Randabschnitts liegt mit der Folge, daß das Konzentra- | tionsprofil der implantierten Verunreinigungsionen ungleichförmig
^!wird. Erfolgt das Bestrahlen des Halbleiterplättchens beispielsweise mit einem in Horizontal- und in Vertikalrichtung bezüglich

!der Oberfläche des Plättchens ausgelenkten Ionenstrahl, also mit

Ieinem sogenannten X-Y-Abtastsystem, so unterscheidet sich der

!Ionenauftreffwinkel bei Annahme eines Siliciumplättchens von

ι 50 mm Durchmesser um etwa 2,5bis3° zwischen dem oberen bzw. unteren Ende der X-Richtung und zwischen dem linksseitigen bzw.

ι rechtsseitigen Ende der Y-Richtung bei einer üblichen Ionenimplantationsvorrichtung. In anderen Worten: Selbst wenn angestrebt wird bei der Ionenimplantation den erwähnten Kanalbildungseffekt aus-

ί zunutzen, so zeigt sich, daß dieses Kanäle-Phänomen bei den einzelnen Abschnitten des Plättchens unterschiedlich auftritt. Wird da-

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nach die Verunreingigungskonzentrationsverteilung im aktivierten Halbleiterplättchen gemessen, so zeigt sich, daß das Profil oder der Gradient der Verunreinigungskonzentration in den einzelnen Bereichen des Plättchens unterschiedlich ist. Weiterhin läßt sich feststellen, daß die Spannungs/Kapazitäts-Kennlinie bei variablen Kondensatorelementen nicht gleichförmig verläuft.

Um diese Ungleichförmigkeit zu beseitigen, könnte erwogen werden, die Ionenimplantation in Strahlrichtung so durchzuführen, daß keine Kanalbildung auftritt oder die Ionen über eine SiO₂-Schicht zu implantieren, deren Dicke größer ist als 1500 A. Bei diesem Verfahren jedoch ergibt sich eine Gauss'sehe Verteilung der Verunreinigungskonzentration und es wird unmöglich, den oben erwähnten, tiefer eingebetteten Bereich zu erzeugen, der eine hohe Konzentration in einigem Abstand vom Bereich 3 aufweist, so daß eine starke Nichtlinearität der veränderlichen Kapazitätskennlinie die Folge ist. Mit diesem Verfahren lassen sich also keine Halbleiterbauelemente dieser Art mit den gewünschten Kennlinien erzeugen.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ionenimplantation zu schaffen, durch das sich ein ganz bestimmtes Verunreinigungsprofil in einem Halbleitersubstrat oder einer Halbleiterschicht erzeugen läßt. Die Erfindung ist dabei in erster Linie jedoch nicht ausschließlich auf veränderbare Kapazitätselemente mit einem bestimmten Verunreinigungsprofil gerichtet. Das Verfahren soll zu Halbleiterbauelementen, insbesondere zu veränderbaren Halbleiterkapazitäten führen, die die aufgezeigten Nachteile des Stands der Technik nicht aufweisen j und sich durch eine hohe Sperrspannung, eine vergleichsweise klei- ^;ne Nichtlinearität der durchstimmbaren Kapazitätskennlinie und gleichbleibende Kennwerte bei hoher Produktionsausbeute auszeich- \ nen.

'.Die erfindungsgemäße Lösung dieser technischen Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

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Wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Halbleiterbauelement mit durchstimmbarer Kapazität mit einem eingebetteten Bereich hoher Verunreinigungskonzentration erzeugt, wie es beispielsweise die Fig. 1 zeigt, so erfolgt die Ionenimplantation' zur Ausbildung des Bereichs hoher Verunreinigungskonzentration über eine dünne, das Substrat überdeckende Schicht amorphen Materials, wobei die Dicke der amorphen Schicht zu etwa 1 bis 15% des mittleren Eindringbereichs (Rp) der in die Schicht implantierten Ionen gewählt wird· Die Implantation der Verunreinigungsionen erfolgt durch die dünne Schicht in einer bestimmten Richtung. Mit diesem Verfahren läßt sich die Verunreinigungskonzentrationsverteilung des eingebette-j ten Bereichs hoher Konzentration in gewünschter Weise wählen und! ermöglicht die Herstellung eines variablen Halbleiter-Kapazitätst bauelements mit sehr geringer Nichtlinearität der durchstimmbaren Kapazitätskennlinie. Vorzugsweise wird als amorphe Schicht i eine amorphe SiO₂-Schicht auf der Oberfläche des Halbleiter- ' substrate abc-eschieden. j

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in vergrößerter schematischer Schnittdarstellung das bereits erwähnte veränderbare Kapazitäts-Halbleiterbauelement,·

Fig. 2A bis 2G Prinzip-Schnittdarstellungen zur Verdeutlichung einzelner Stufen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens anhand eines Beispiels;

Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen zur Erläuterung des Ionenimplantationsprozesses;

Fig. 4 in graphischer Darstellung eine Verunreinigungskonzentrationsverteilung;

Fig. 5 bis 11 Schaubilder von Konzentrationsprofilen, die sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erreichen lassen und

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Fig. 12 die graphische Darstellung eines Konzentrationsprofils zum Vergleich mit dem bisherigen Stand der Technik.

Es wird zunächst ein Beispiel für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren unter Bezug auf die Fig. 2 in Einzelheiten erläutert:

Zunächst wird ein Siliciumsubstrat 10 mit N-Leitfähigkeit vorgelegt, dessen Hauptfläche der Kristallorientierung (111) entspricht und dessen spezifischer Widerstand zu etwa 1 χ 10" bis 3 χ 10 !"lern gewählt ist. Auf diesem Siliciumsubstrat wird durch epitaxiales Wachstum eine Siliciumschicht 11 mit N-Leitfähigkeit und einem spezifischen Widerstand von etwa 1,0 -TLcin mit einer Stärke von etwa 3,0 yum ausgebildet. Das Siliciumsubstrat 10 und die aufgebrachte Silicumschicht 11 bilden gemeinsam ein Siliciumplättchen 12 (vgl. Fig. 2A).

Anschließend wird nach einer bekannten Technik, beispielsweise durch chemisches Epitaxialwachstum, Dampfniederschiag oder thermische Oxidation eine Siliciumdioxidschicht 14 (SiO₂~Schicht) auf der Schicht 11 des Plättchens 12 in einer Stärke von etwa 1,5 bis 2,0 pm erzeugt, die mit Fenstern 13a und 13b in bestimmten Teilbereichen versehen ist. Dazu alternativ kann die Schicht 14 auch zunächst auf die gesamte Oberfläche der Schicht 11 aufgebracht werden und anschließend zur Erzeugung der Fenster 13a und 13b einem Photoätzverfahren unterworfen werden. Über das Fenster 13a wird ein Kondensatorelement erzeugt, während das Fenster 13b ringförmig ausgebildet ist und das Fenster 13a nahe der Umriß- und späteren Bruchlinie des Kondensators umgibt. Auf den durch die Fenster 13aund 13b freiliegenden Oberflächenabschnittender j Schicht 11 des Plättchens 12 werden dünne SiO₂-Schichten 15a und t 15b in einer Stärke von beispielsweise etwa 200 A durch thermische Oxidation in einer oxidierenden Atmosphäre bei 900°C für etwe , 45 Minuten erzeugt (vgl. Fig. 2B).

Sodann wird - wie in Fig. 2C veranschaulicht - eine N-Typ-Verunreinigung in die Schicht 11 in einer vorbestimmten Richtung mit-

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teIs des weiter unten beschriebenen Ionenimplantationsverfahrens

31 ++ implantiert. Werden beispielsweise Phosphorionen P mit einer

12 -2

Strahlmenge von 2 χ 10 cm bei 400 keV implantiert, so können die Ionen die dicke Schicht 14 nicht durchdringen, sie durchstoßen jedoch die dünnen Schichten 15a und 15b und bilden N-Typ-Bereiche 16a und 16b hoher Verunreinigungskonzentration.

Unter Bezug auf die Fig. 3A wird nun die erwähnte vorbestimmte Ionenimplantationsrichtung erläutert:

Die Ionenimplantation in das Siliciumplättchen 12, das einen (111)-Oberflächenschnitt als Hauptfläche aufweist, erfolgt in der durch Bezugshinweis 20 angegebenen Richtung, die von der Normalen <111> auf die Richtung -Oi2>um θ = 6,6° abweicht. In Fig. 3A ist mit" 21 eine schematisch angedeutete Ablenkvorrichtung für den Ionenstrahl zur Abtastung des Plättchens 12 bezeichnet. Wird ein Material mit Diamantkristallstruktur, wie etwa Silicium, einem Ionenimplantationsstrahl in Richtung einer Kristallachse mit niedrigem Index ausgesetzt, so tritt ein Kanalbildungsphänomen zusätzlich zur

Kanalbildung in der <110>-Achse auf. Nachfolgend werden diese Achsen als die Kanalbildung auslösende Achsen bzw. kurz als "Kanalachsen" bezeichnet. Die Achsrichtung</11 Γ> ist eine solche Kanalachse. Erfolgt die Ionenimplantation in einer von diesen Achsen um einen sogenannten kritischen Kanalbildungswinkel abweichenden Richtung, so geht die Meinung dahin , daß kein typisches Kanalbildungsphänomen auftritt. Obgleich dieser kritische Winkel je nach Achsrichtung und Implantationsenergie geringfügig differiert, liegt er doch bei etwa 4°. Der Betrag der Abweichung der Implantationsrichtung von der <^11 ί> -Achse beeinflußt stark die Konzentrationsverteilung der implantierten Verunreinigungsionen. Fundamentale Forschungsergebnisse über diese Phänomene sind im Journal of Applied Physics; Nr. 7, Band 44, (July 1973) auf den Seiten 2951 bis 2963 veröffentlicht .

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine gewünschte Verunreinigungskonzentrationsverteilung in einem Halbleiterbereich dadurch zu erzielen, daß die Ionenimplantation in den Halbleiterbereich

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entlang einer bestimmten Richtung durch die erwähnte dünne amorphe Schicht 15 hindurch erfolgt. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen weiter erläutert:

Beispiel i:

Wie oben erwähnt, werden durch die dünne SiC>2~Schicht 15 mit einer Stärke von 200 £ hindurch Phosphorionen P entlang einer von der <111)>-Achse zur <112^>-Achse um einen Winkel Θ.. = 6,6° abweichenden Richtung in das Halbleiterplättchen implantiert. Der Bereich des Winkels θ₁ wird vorzugsweise wie folgt gewählt:

Wird Q₁ kleiner als 5 , so wird das für die 011 /»-Achse charakteristische Kanal-Phänomen stark bemerkbar, so daß sich in die- ^:

sem Fall die gewünschte Verunreinigungskonzentration an Phosphor '. nicht erzielen läßt. Wird Θ. dagegen größer als 10°, so wird das für die <221>-Achse charakteristische Kanalbildungsphänomen merklich. Als Grund dafür kann angenommen werden, daß der Winkel Q₁ dabei in den kritischen Winkelbereich für die zweite Achs- '. richtung, nämlich die Kanalachse<C221y fällt, der um einen Winkel ■ von 15° 48' gegen die erste Kanalachse <111^ auf der die Achsen \ <111> und <112^ einschließenden Fläche geneigt ist. Der Verschie- j be- oder Abweichungswinkel θ ist gemäß der Erfindung auf eine I Winkelrichtung festgelegt, die innerhalb eines Bereichs zwischen ! zwei benachbarten Kanalachsen fällt ind einen gewissen Winkel-Sicherheitsabstand von den für beide Achsen kritischen Kanalbildungsbereichen aufweist.

'. Die Schaubilddarstellung der Figur 4 verdeutlicht die Verunrei-

j ^:

'niguhgsverteilungskurven des Beispiels I, wobei auf der Abszisse ^:der Abstand in Tiefenrichtung von der Oberflache des Halbleiterplättchens nach innen und auf der Ordinate die Verunreinigungs- !konzentration, nämlich die Konzentration von Ladungsträgern nach dem Aktivieren des Plättchens durch Wärmebehandlung aufgetragen sind. In der Fig. 4 gibt die Kurve a die Verunreinigungskonzentration des Beispiels I wieder, die ersichtlicherweise von einem

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Spitzenwert i-ⁿ Tiefenrichtung allmählich abnimmt. Die Kurve c zeigt den Fall, daß die Ionenimplantation in der <111>-Achsrichtung erfolgt, wodurch die Kanalbildung in Achsrichtung, d.h. in Richtung innerhalb des kritischen Winkels, auftritt. Aus der Kurve c ist erkennbar, daß der Spitzenwert tiefer liegt und der Gradient vom Spitzenwert aus stark abfällt, d.h. die Kurve c weist einen starken Abfall auf. Die Kurve b verdeutlicht den Fall, bei dem die Ionenimplantation in eine Richtung erfolgt, bei der keine Kanalbildung auftritt. Diese Kurve b ist weitgehend der der Gauss'sehen Verteilung ähnlich mit einem scharf abfallenden Gradienten ähnlich wie bei der Kurve c; die Kurve b kann daher auch hinsichtlich der Implantationsverteilung als Zufallskurve bezeichnet werden. Diese Zufallsverteilung ergibt sich bei einer Ionenimplantation in einer Richtung, die von der Cl 11) -Achse zur <TiO>-Achse um 6 bis 7° geneigt ist. Die dem Beispiel I äquivalenten Richtungen sind jene, die von der £i 1 il-Achse zur [211} -Achse um Θ.. bzw. von der Cl 11] -Achse zur ti2ij-Achse um θ₁ geneigt sind.

Beispiel II;

Es ist nicht immer erforderlich, daß die Hauptfläche des SiIiciumplättchens 12 eine £i 11] -Ebene ist, vielmehr kann - wie die Figur 3B erkennen läßt - das Plättchen 12 auch so geschnitten sein, daß die Hauptfläche gegen die [111| -Ebene um 6,6° geneigt ist. Diese Hauptfläche wird mit einer dünnen amorphen Schicht überdeckt und Verunreinigungsionen werden in das Plättchen 12 rechtwinklig zur Hauptfläche implantiert. Dabei zeigen sich im wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie bei Beispiel I. Es reicht aus, daß die Ionenimplantationsrichtung auf die die Achsen O11> und ^112^ einschließende Ebene trifft und die Strahlrichtung von der Achse < 11 O ^zur Achse <112^ um den obigen Winkel Θ.. abweicht

Beispiel III;

Durch die .dünne amorphe Schicht 15 werden ähnlich wie beim Beispiel I Verunreinigungsionen in den Siliciumbereich eindiffundiert der die {111} -Ebene aufweist oder dessen Hauptfläche geringfügig

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davon abweicht, wobei die Implantationsrichtung von der <111>Achse zur <T2T^-Achse um einen Winkel Θ« abweicht. In diesem Fall wird der Bereich des Winkels θ₂ so gewählt, daß er die folgende Bedingung erfüllt:

5°< Θ₂< 14° .

Dieser Winkel θ₂ liegt zwischen der ersten Kanalachse <111> und der zweiten Kanalachse <121)>, die gegenüber der erstgenannten Achse um 19° 28' abweicht und in einen Bereich außerhalb des für beide Achsen kritischen "Kanalwinkels" fällt. Zum Beispiel III äquivalente Richtungen sind jene, die von der £111] -Richtung zur [TT2J -Richtung und von der £i 11]-Richtung zur y.TTJ -Richtung um Θ« geneigt sind.

Beispiel IV:

Ähnlich dem Beispiel I, werden durch die dünne amorphe Schicht 15 hindurch Verunreinigungsionen in den Siliciumbereich eindiffundiert, der die Ebene fiOO} aufweist oder dessen Hauptfläche geringfügig davon abweicht und zwar in einer Richtung, die von der <C001>-Achse zur <Όΐθ)-Achse um den Winkel Q₃ abweicht. In diesem Fall sollte der Bereich für θ_ die folgende Bedingungsgleichung erfüllen:

5°< Θ, < 14° .

Der Winkel θ₃ liegt zwischen der ersten Kanalachse <OO1)· und der zweiten Kanalachse <(O13>, die an die erste in einem Winkel von 19° anschließt, wobei der Winkel θ_ in einem Bereich außerhalb des kritischen Kanalwinkels beider Achsen liegt. Als dem Beispiel IV äquivalente Richtung ist jene anzusehen, die gegen die [pol] -Richtung zur ·£Tooj-Richtung bzw. von der [θθΐ] -Richtung zur [1OO]-Richtung um ©₃ geneigt ist.

Beispiel V:

Ähnlich dem Beispiel I werden durch die dünne amorphe Schicht 15 Verunreinigungsionen in den Siliciumbereich implantiert, der

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-u-

eine £110}-Ebene einschließt oder dessen Hauptfläche gegen diese Ebene geringfügig abweicht und zwar in einer Richtung , die gegenüber der <110>-Achs richtung zur ^T 1θ)-Achsrichtung um einen Winkel Θ. geneigt ist. In diesem Fall sollte der Winkelbereich Q. folgende Bedingungsgleichung erfüllen:

5°< Θ. < 13° .

=s 4 =·»

Der Winkel Θ. liegt zwischen der ersten Kanalachse <110> und der angrenzenden zweiten Kanalachse O 20), die gegen die erste um 18° geschwenkt ist. Der Winkelbereich für Θ. liegt außerhalb des kritischen Kanalwinkels für beide Achsen. Als äquivalente Richtung für dieses Beispiel V ist die Richtung anzusehen, die gegen die [i 1θ]-Richtung zur [ 1 TOJ-Richtung um Θ. geneigt ist.

Beispiel VI;

Ähnlich dem Beispiel I werden durch die dünne amorphe Schicht 15 hindurch Verunreinigungsionen in den Siliciumbereich implantiert, der eine [11 Oj-Ebene aufweist oder de.ssen Hauptfläche geringfügig' davon abweicht und zwar in einer Richtung, die gegen die <£ΐ1θ)~ j

Achse zur ^001^-Achse um Qr geschwenkt ist. In diesem Fall sollte der Winkelbereich für 9._g die folgende Bedingungsgleichung erfüllen:

5°< θ₅ <; 15° .

Der Winkel 9_g liegt zwischen der ersten Kanalachse<11O^> und der , zweiten Kanalachse <221> , die gegen die erstere in einem Winkel ; von 20° anschließt; der Winkelbereich für 6_g liegt außerhalb des kritischen Kanalwinkels für beide Achsen. Als Äquivalentrichtung

im Sinne des Beispiels VI ist die Richtung anzusehen, die gegen ; die [i 1oJ-Richtung zur {_OoTJ -Richtung um 9_g geneigt ist.

; Beispiel VII;

Ähnlich dem Beispiel I werden durch die dünne amorphe Schicht 15 hindurch Ionen in den Siliciumbereich implantiert, der eine £i

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Ebene oder eine Hauptfläche aufweist, die gegen diese Ebene gerinc fügig geneigt ist, in einer Richtung, die von der 012^-Achsrichtung zur <111/»—Achsrichtung um Θ, abweicht. In diesem Fall erfüllt der Winkelbereich für 6_fi folgende Bedingungsgleichung:

5°< G₆C 14° .

Der Winkel Θ,- liegt zwischen der ersten Kanalachse <Ci12^ und der zweiten in einem Winkel von 19 anschließenden Kanalachse <111) und in einem Bereich außerhalb des kritischen Kanalwinkels beider Achsen.

Beispiel VIII:

Ähnlich dem Beispiel I werden Verunreinigungsionen durch die dünne amorphe Schicht 15 hindurch in den Siliciumbereich implantiert, der eine [112}-Ebene oder eine Hauptfläche aufweist, die von dieser Ebene geringfügig abweicht, und zwar in einer Richtung,; die gegen die <112)-Achsrichtung zur ^ 111)-Achsrichtung um den Winkel θ_ geschwenkt ist. Der Bereich für den Winkel θ_ erfüllt folgende Bedingungsgleichung:

Der Winkel θ_ liegt zwischen der ersten Kanalachse O12) und der zweiten Kanalachse 013), die an die erstgenannte Achse in einem Winkel von 11° anschließt; der Winkelbereich für θ_ liegt außerhalb der kritischen Kanalwinkel beider Achsen.

i Die in den obigen Beispielen angeführten Winkelbereiche Q₁ bis Θ-entsprechen Bereichen, in denen eine teilweise Kanalbildung auftritt, die dementsprechend als Teilkanal-Bereiche bezeichnet werden.

Bei den obigen Beispielen wird die dünne amorphe Schicht 15 aus Siliciumdioxid (SiO₂) mittels eines chemischen Dampfniederschlags-Verfahrens (CVD-Verfahren = (Chemical Vapour !Deposition) oder durch

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thermische Oxidation erzeugt. Die dünne amorphe Schicht läßt sich jedoch auch aus anderen Materialien erzeugen, etwa aus amorphem Silicium, Siliciumnitrid oder Aluminiumoxid, das mittels des CVD-Verfahrens oder durch ein Aufsprühverfahren aufgebracht wird. Weiterhin ist es zur Erzeugung einer dünnen amorphen Schicht auf der Oberfläche des Halblexterplättchens möglich, durch Ionenimplantation Atome von inerten Substanzen wie Argon Ar, Xenon Xe, Silicium Si, Germanium Ge, Sauerstoff 0, Stickstoff N, Kohlen-

, stoff C oder dergleichen aufzubringen.

Die Stärke der dünnen amorphen Schicht 15 ist im Rahmen der Erfindung wichtig. Dieser Punkt wird weiter unten in Einzelheiten erläutert.

Um ein Ausdiffundieren des Phosphors nach der Ionenimplantation zu vermeiden, wird das Plättchen 12 in einer Inertgasatmosphäre wärmebehandelt, beispielsweise in Stickstoffgas N₂ bei 1100⁰C für etwa 70 Minuten. Dabei findet gleichzeitig eine thermische Diffusion statt. Die Verunreinigungsverteilung des Phosphors nach die- j ser thermischen Diffusion zeigt die Kurve d in Figur 4. Erfolgt die Wärmebehandlung bei einer niedrigeren Temperatur und ist eine bestimmte Kennlinie oder sind.bestimmte Eigenschaften bereits erfüllt, so ist die thermische Diffusion nicht erforderlich.

Anschließend werden - wie in der Fig. 2D angedeutet - die dünnen Oxidschichten 15a, 15b und Teile der dicken Oxidschicht 14 durch Ätzen der gesamten SiO₂~Oberflache entfernt. Dieses Ätzen erfolgt I mit einer flüssigen Mischung aus Ammoniumfluorid NH.F und Fluor-

i ⁴

wasserstoff HF während etwa 20 Minuten. Diese Behandlung erfordert keine neue Photomaske zur Erweiterung der Fenster in der jSiO₂~Schicht; diese Behandlung entspricht daher dem sogenannten iSelbstausrichten, wobei gleichzeitig die Kennwerte der hergestellten veränderbaren Kondensatoren vorteilhaft beeinflußt werden.

iDurch diesen Ätzvorgang wird der zwischen dem N -Bereich 16a und der N~-Epitaxialschicht 11 liegende L/H-übergang (ein Obergang . zwischen einem Bereich mit niedriger (^Leichter) Konzentration und ;starker (hoher) Konzentration) freigelegt und es entsteht ein

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- vr -

Fenster 17 für die nachfolgende P -Diffusion. Die Diffusion dieses Teils ist in Fig. 2E verdeutlicht. Entsprechend dem obigen Verfahren ist der Abstand d zwischen dem Ende des L/H-Übergangs an der Oberfläche und dem Ende des P -Diffusionsfensters 17 sehr klein und beträgt beispielsweise 1 bis 2 um. Wird eine andere Photomaske benutzt, so liegt der Abstand d bei etwa 5 bis 10 jum aufgrund der erforderlichen Toleranz. In diesem Fall jedoch ist der Abstand d im Vergleich zur Verwendung einer anderen Photomaske sehr klein. Als Folge davon lassen sich irgendwelche Streukapazitäten, die in der Nähe des Randbereichs des Hauptübergangs auftreten, vermindern und die Abweichung von der gewünschten Kapazitäts'Spannungkennlinie (CV-Kennlinie) wird vermieden.

Wie die Fig. 2F erkennen läßt, wird sodann auf der Oberfläche der; epitaxialen N-Halbleiterschicht 11 und auf der SiO₂-Schicht 14 eine zweite SiO^-Schicht 22 erzeugt, die mittels des CVD-Verfahrens während des Prozessabschnitts der Fig. 2D sehr dünn wird und durch Photoätzen werden Fenster 23a und 23b durch die zweite SiO₂-Schicht 22 hindurch erzeugt. Das Fenster 23a in der Mitte des Halbleiterelements ist so gewählt, daß es auf der bereits durch thermische Oxidation erzeugten Schicht 14 zu liegen kommt, um dadurch das während des Verfahrensschritts der Fig. 2D erzeugte Fenster 17 ausnutzen zu können. Das andere Fenster 23b dagegen liegt über dem N -Ringbereich 16b, der während des Prozessabschnitts der Fig. 2C erzeugt wird, so daß das Ende des ringförmigen N -Bereichs 16b mit der SiO₂-Schicht 22 bedeckt wird. Durch die als Masken dienenden SiO₂-Schichten 14 und 22 hindurch ; wird Bor in die Schicht 11 eindiffundiert, um die P -Bereiche 24a ; bzw. 24b zu gewinnen. Die Mitte des P -Bereichs 24a wird so er- : zeugt, daß dar während des Prozessabschnitts der Fig. 2C erzeugte

N -Bereich 16a und damit der gebildete Hauptübergang N /P

- überdeckt wird. Die Tiefe dieses Hauptübergangs von der Oberfläche des Halbleiters beträgt 0,3 pm. Die Verunreinigungskonzentrations verteilung des Bors ist in der Fig. 4 eingetragen und mit dem Hinweis P angegeben. Mit Abschluß dieses Verfahrensschritts ist eine variable Kapazitätsdiode mit der Halbleiterbereichsfolge P⁺-I-N⁺-N^--N⁺ fertiggestellt.

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- Ver -

Die Fig. 2F zeigt einen fertigen veränderbaren Kondensator. Auf einer SiO^-Schicht 25,d.h. in SiO^-Schichten 14 und 22, wird zur Stabilisierung eine Siliciumnitridschicht 26 mit einer Stärke von etwa 1000 % aufgebracht, die anschließend unter Verwendung einer nicht gezeigten SiO^-Schicht als Maske selektiv geätzt wird, um Elektrodenfenster freizulegen. Anschließend werden beispielsweise durch Verdampfen Aluminiumelektroden in gewünschter Musterverteilung als obere Metallschichten 27a und 27b aufgebracht. Die im Mittenbereich liegende Metallschicht 27a steht in ohmschem Kontakt mit dem P -Bereich 24a und bildet eine Elektrode, während die andere ringförmige Metallschicht 27b in

ohmschem Kontakt mit dem ringförmigen P -Bereich 24b steht und sich bis über die isolierenden Schichten 25 und 26 erstreckt, um die inneren Umrandungskanten des N -Bereichs 16b durch die Schichten 25 und 26 zu überdecken. Diese Metallschicht 27b je- j doch wird aus elektrischen Gründen auf schwimmendem Potential ] gehalten und dient zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Bau- ^; elements. Auf der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 ι wird sodann durch Aufdampfen eine Goldschicht 28 als Gegenelektrode aufgebracht. Die externen Anschlüsse T-. und T„ sind mit den Elektroden 2 7a und 28 verbunden; über sie kann ein bestimmtes ] Eingangssignal zugeführt bzw. ein Ausgangssignal abgegriffen werden.

Die Betriebskennlinien der auf diese Art hergestellten veränderbaren Kondensatoren werden nachfolgend unter Bezug auf die Fig. 5, 6 und 7 erläutert:

Beim Schaubild der Fig. 5 ist auf der Abszisse der Abstand in Tiefenrichtung in yum von der Oberfläche des Halbleiters und auf der Ordinate die Verunreinigungskonzentration oder La-

_3

dungsträgerkonzentration in cm aufgetragen, um die Verunreinigungskonzentration in der N -Schicht 16a zu verdeutlichen. Die ausgezogene Kurve a zeigt den Fall, bei dem die Phosphor-Ionenimplantation durch Teilkanalbildung gemäß der Erfindung erfolgt und das Halbleiterplättchen zur reinen Aktivierung auf 900°C erwärmt wird, ähnlich der Kurve a in Fig. 4. Die ausgezogene Kurvec

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zeigt die Verunreinigungskonzentration nach dem Wärmebehandlungs- und Diffusionsprozess bei 1100 C ähnlich der Kurve d in Fig. 4. Die punktierte Linie b gibt den Fall wieder, bei dem eine Zufallsverteilung erhalten wird bei Schrägstellung um 6 bis 7° von der <(111) -Achse zur/Tio)-Achse. Und schließlich veranschaulicht die Kurve e die Verteilung,nach dem das Halbleiterplättchen bei der obigen Verteilung einer thermischen Diffusionsbehandlung ausgesetzt worden ist.

Das Schaubild der Fig. 6 zeigt die Spannungs/Kapazitäts-Kennlinie eines veränderbaren Kondensators, der beide Verteilungen gemäß den Kurven d und e in Fig. 5 aufweist, wobei die Steuerspannung zwischen den Klemmen T₁ und T₂ anliegt. Die ausgezogene Kurve f entspricht einem erfindungsgemäßen Bauelement mit einer Verunreinigungsverteilung entsprechend der Kurve d in Fig. 5 und die gestrichelte Kurvenlinie g entspricht einem Bauelement mit Zufallsverteilung der Verunreinigung entsprechend ! der Kurve e in Fig. 5. Werden die Spannung bzw. Kapazität des Elements in logarithmischem Maßstab auf der Abszisse bzw. Ordi- : nate aufgetragen, so ist der nicht-lineare Abschnitt der Span- ^: nungs/Kapazitäts-Kennlinie des Bauelements gemäß der Erfindung \ kleiner als bei dem zweitgenannten Bauelement, was sich aus ei- ;

i nem Vergleich der Kurvenf und g ersehen läßt. |

ι Zur Bewertung der Nichtlinearität des Kapazitätsverlaufs wird j der Absolutwert m des Gradienten beim logarithmischen Auftrag |

ι der Spannungs/Kapazitatskurveri herangezogen, um die beiden Nicht-jlinearitäten der Kapazität miteinander zu vergleichen. Dabei ' läßt sich m wie folgt darstellen:

_m= _ _*£_ _m ν
c dv

Die Vergleichsergebnisse zeigt die Fig. 7. Die gestrichelte Linie h entspricht dem maximalen Toleranzwert bei punktweiser Ermittlung aus Versuchen. Die ausgezogene Kurve k und die gestrichelte Kurve 1 der Fig. 7 entsprechen den Kurven f bzw. g der Fig. 6. Aus der graphischen Darstellung der Fig. 7 ist klar er-

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sichtlich, daß die für das erfindungsgemäße Element charakteristische Kurve k innerhalb des Toleranzbereichs liegt und über einen wesentlichen Bereich besser ist, während die Kennlinie 1 bei Zufallsverteilung den Toleranzbereich überschreitet.

Wie oben erwähnt, wird gemäß der Erfindung das Phänomen einer teilweisen Kanalbildung ausgenutzt und die Ionenimplantation erfolgt bei gleichem Winkel,um eine Ladungsträgerkonzentration zu erhalten, die zu überragenden Kennwerten führt.

Nachfolgend wird unter Bezug auf die Fig. 8 bis 12 erläutert, weshalb es - wie bereits erwähnt - von Bedeutung ist, die Stärke der auf der Oberfläche des Plättchens 12 aufgebrachten amorphen Schichten 15a bzw. 15b dünn zu bemessen (vgl. Fig. 2B):

Die Fig. 8 zeigt die Verunreinigungskonzentration für den Fall, daß keine dünne amorphe Schicht verwendet wird; Fig. 9 zeigt j den Fall, daß eine SiO₂~Schicht von 100 8 Dicke angewendet wird; Fig. 10 entspricht dem Fall, daß die SiO₂-Schicht eine Dicke von 200 8 aufweist; Fig. 11 zeigt die Verhältnisse bei einer SiO„-Schicht-Stärke von 560 A* und Fig. 12 zeigt den Fall, daß die SiOp-Schicht 970 S stark ist. Alle übrigen Bedingungen, insbesondere die Phosphorionenimplantationsrichtung, entsprechen dener des Beispiels I. Das Beispiel der Fig. 8 läßt einen Streubereich zwischen zwei Kurven in der durch Doppelpfeile angedeuteten Richtung erkennen, was aus praktischen Gründen unerwünscht ist. Der Streubereich tritt an einander entsprechenden Teilbereichen • des gleichen Plättchens, also insbesondere in der Mitte, oben und unten, links und rechts, auf. Die Beispiele der Fig. 9 und 10 lassen wesentlich geringere Streuabweichungen erkennen. Diese Beispiele lassen sich also für die Praxis bereits mit gutem Erfolg verwenden. Beim Beispiel der Fig. 11 ist der Streubereich sehr schmal bei nur geringer Teilkanalbildung. Das Beispiel der Fig. 12 zeigt praktisch keine Teilkanalbildung; die Kennwerte sind vergleichsweise schlecht. Aus diesen Ergebnissen läßt sich erkennen, daß die Dicke T der dünnen amorphen Schicht 15 vorzugsweise folgende Bedingungsgleichung erfüllt:

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50 S < T < 600 £ .

Im Ergebnis läßt sich folgendes feststellen: Unterschreitet die Dicke T den Wert von 50 Ä, so zeigen sich bei der Verunreinigungskonzentrationsverteilung relativ starke Streuwerte. Unterschreitet der Wert der Dicke T dagegen 600 S, so wird das Phänomen der Teilkanalbildung beseitigt. Entsprechendes gilt für andere dünne amorphe S chi chten.

Erfolgt die Ionenimplantation in einer Richtung, bei der Zufallsverteilung auftritt, und wird eine dünne SiO₂-Schicht verwendet,

die innerhalb des oben angegebenen Bereichs liegt, so wird der ;

Streubereich größer im Vergleich zu dem Fall, bei dem keine SiO₂- j Schicht verwendet wird. Aus dieser Tatsache läßt sich ersehen, daß^!

eine enge Beziehung zwischen der Ausnutzung der Teilkanalbildung j

und der dünnen amorphen Schicht besteht. i

Hinsichtlich der Stärke der dünnen amorphen Schicht läßt sich fol-i gendes sagen: Wird ein Ion in eine amorphe Schicht mit einer bestimmten Energie implantiert, so läßt sich für die Erfindung hinsichtlich der Stärke T der amorphen Schicht die folgende Bedingungsgleichung angeben:

0,01 - Rp < T <0,15 . Rp ,

wenn der Abstand von der Oberfläche der amorphen Schicht bis zur Tiefe, bei der die Konzentration ein Maximum erreicht oder der mittlere Eindringbereich des Ions in die amorphe Schicht als Rp bezeichnet ist.

!Liegt die Stärke der amorphen Schicht unter 1% des Werts von Rp, so wird es schwierig, das Streuen der implantierten Verunreinigungskonzentration zu vermindern. Überschreitet die Dicke der amorphen Schicht dagegen 15% des Werts von Rp, so wird das Phänomen der teilweisen Kanalbildung zu stark vermindert.

Bei den oben beschriebenen Beispielen für das erfindungsgemäße Verfahren sind die Kristallachsen und-ebenen genau angegeben.

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Selbstverständlich ist es möglich, die Erfindung auch hinsichtlich der äquivalenten Kristallachsen und Kristallebenen in gleicher Weise anzuwenden.

Werden gemäß der Erfindung Verunreinigungsionen in ein Halbleitersubstrat mit Diamantkristallstruktur (Si oder Ge) oder Zinkblendestruktur (GaAs oder GaP) durch eine dünne amorphe Schicht hindurch implantiert, so ist bei dem erfindungsgemäßen Ionenimplantationsverfahren die Verwendung einer amorphen Schicht vorgesehen, deren Stärke größer ist als 1% bzw. kleiner als 15% des mittleren Eindringbereichs Rp ₍ und das Implantieren der Verunreinigungsionen in das Halbleitersubstrat erfolgt durch die dün- ; ne amorphe Schicht in einer Richtung, die zwischen einer ersten Richtung mit niedrigem Index, beispielsweise einer der Richtungen <(OO1), <^O11), ^111^ bzw. ^112) und einer zweiten Richtung mit niedrigem Index liegt, wobei der niedere Index kleiner ist als <123) innerhalb eines Winkelbereichs von 20° von der ersten Rich-j tung mit niederem Index,_r andererseits aber außerhalb des Bereichs' der kritischen Kanalbildung beider Indexrichtungen und parallel ' zu einer der Ebenen {001J , £oi 1j bzw. [111] , wodurch sich ein Konzentrationspeak oder Koi
Halbleiterbereichs ergibt.

Konzentrationspeak oder Konzentrationsmaximum im Inneren des J

Bei den obigen Beispielen I und II erfolgte die Ionenimplantation in einer Richtung, die parallel ist zur Ebene {11OJ und die Achsen ^111*) und <(112) einschließt, so daß die Kanalbildungsebene [11OJ vorliegt. Da die Ionenimplantation in der zur £i10}-Ebene unter Einschluß der Achsen ^111^ und ^121/ parallelen Richtung beim Beispiel III erfolgt, ist als Kanalbildungsebene die Ebene ; £11O? anzusehen. Da die Ionenimplantation beim Beispiel IV in ι der zur Ebene £1OOJ unter Einschluß der Achsen <001> und <(θ1θ) ■ parallelen Richtung erfolgt, ist die £1OO$-Ebene als Kanalbildungsebene anzusehen. Beim Beispiel V erfolgt die Ionenimplantaj tion in einer Richtung, die zur Ebene [1OO] parallel ist unter Einschluß der Achsen <11O) und ^ΤΐθΧ so daß als Kanalbildungsebene die Ebene {iooj maßgeblich ist. Beim Beispiel VI erfolgt die Ionenimplantation in einer Richtung, die parallel ist zur

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Ebene {11OJ unter Einschluß der Achsen <110} und <OO1) , so daß als Kanalbildungsebene [11OJ maßgeblich ist. Beim Beispiel VII erfolgt die Ionenimplantation in einer Richtung, die parallel ist zur Ebene [11OJ unter Einschluß der Achsen 0 12)- und ^11 T), so daß als Kanalbildungsebene die Ebene £11O] maßgeblich ist. Beim Beispiel VIII erfolgt die Ionenimplantation in einer Richtung, die parallel ist zur Ebene {11OJ unter Einschluß der Achsen ^112) und (TTi) , so daß die Kanalbildungsebene £iioj vorliegt.

Mit Indices kleiner als ^123^ sind die folgenden und deren Äquivalente gemeint: <OO1) , <011>, <O12), <013), <Ο23^, ^111>, und<123>.

Als Material für Ionenimplantation kommen selbstverständlich nicht nur Phosphorionen in Frage, vielmehr auch andere Ionen, die bei geeigneter Implantationsenergie verwendet werden können.!

Das erfindungsgemäße Ionenimplantationsverfahren eignet sich ' nicht nur zur Herstellung veränderbarer Kondensatoren, sondern , auch für andere Halbleiterbauelemente, beispielsweise für Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate, Bipolartransistoren, integrierte Schaltkreise (ICs) usw. .

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Claims

SONY CORPORATION
S76P14O

Patentansprüche

.] Verfahren zur Ionenimplantation in Halbleitersubstrate, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Ablagerung einer amorphen Schicht auf einem kristallinen Halbleitersubstrat in einer Stärke von 1 bis 15% des mittleren Eindring-Tiefenbereichs (Rp) der durch Implantation in die amorphe Schicht eingebrachten Verunreinigungsionen und

b) Implantieren der Verunreinigungsionen in das kristalline Halbleitersubstrat durch die amorphe Schicht hindurch, einer ausgewählten Richtung, die zwischen einer ersten Richtung mit niedrigem Richtungsindex und einer zweiten gegenüber der ersten innerhalb eines Winkelbereichs von 20° geschwenkten Richtung mit niederem Richtungsindex und außerhalb der kritischen Kanalbildungswinkel der ersten bzw. zweiten Richtung mit niederem Index liegt, und mit einem im kristallinen Halbleitersubstrat liegenden Maximum des Dichteprofils der Verunreinigungsionen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die amorphe Schicht aus Siliciumdioxid erzeugt wird.

ι
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekenn

zeichnet, daß die auszuwählende Implantationsrichtung zwischen der <111)-Richtung und der <112)-Richtung liegt und von der <111>-Richtung zur ζ 112)-Richtung um einen Winkel θ abweicht, der die Bedingung 5° ^ θ ^10° erfüllt.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , daß die auszuwählende Implantationsrichtung zwischen der <111)-Richtung und der (T2T) -Richtung liegt und von der <111)-Richtung zur (^ 1 21} -Richtung um einen Winkel θ abweicht, der die Bedingung 5°^ θ ^14° erfüllt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , daß die auszuwählende Implantationsrichtung zwischen der <.001^-Richtung und der < 01 O^-Richtung liegt und von der (^001) -Richtung zur (^ 01 θ) -Richtung um einen Winkel θ abweicht, der die Bedingung 5°^ θ ^14° erfüllt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , daß die auszuwählende Implantations-j richtung zwischen der Ό10^-Richtung und der ^110^-Richtung liegt und von der <110)-Richtung zur ^Tio)-Richtung um einen Winkel θ abweicht, der die Bedingung 5°^ θ ^ 13° erfüllt. j
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η +· zeichnet , daß die auszuwählende Implantationsrichtung ! zwischen der O10^-Richtung und der <OO1)-Richtung liegt und von der Olo}-Richtung zur <001^-Richtung um einen Winkel θ abweicht, der die Bedingung 5 ^. θ ^15 erfüllt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet , daß die auszuwählende Implantationsrichtung j zwischen der ^112)-Richtung und der <11T)-Richtung liegt und von der <112)-Richtung zur O1?) -Richtung um einen Winkel θ abweicht, der die Bedingung 5°j< θ < 14° erfüllt.

■
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet , daß die auszuwählende Implantationsrichtung ; zwischen der 4^11 2)-Richtung und der ^TTi)-Richtung liegt und j von der <112)-Richtung zur <TTi)-Richtung um einen Winkel θ abweicht, der die Bedingung 5 ^. θ ^. 6° erfüllt.

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