DE2835121A1 - Verfahren und vorrichtung zum dotieren von halbleitern mittels ionenimplantation - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum dotieren von halbleitern mittels ionenimplantation

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DE2835121A1 DE19782835121 DE2835121A DE2835121A1 DE 2835121 A1 DE2835121 A1 DE 2835121A1 DE 19782835121 DE19782835121 DE 19782835121 DE 2835121 A DE2835121 A DE 2835121A DE 2835121 A1 DE2835121 A1 DE 2835121A1
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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zum Dotieren von Halbleitern
  • mittels Inenimplantation Die Erfindung betrifft ein Vr;anren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15 und nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
  • Für die industrielle erienfetigung von Halbleiterbauele:uenten insbesondere hoher Integrationsdichte gewinnt die Technik der Ionenimplantation zunehmend an Bedeutung. Die bisher eingesetzten bekannten Implantationsanlagen enthalten stets folgende Grundbausteine: eine Ionenquelle, eine Extraktionselektrode, einen Beschleuniger, einen Separationsteil zur Ausfilterung einer bestimmten Nutz-Ionensorte aus dem von der Ionenquelle extrahierten Ionenstrahl sowie eine Ta.ge-tkammer.
  • Unterschiede zwischen den bekannten Systemen bestehen z.B.
  • hinsichtlich der Reihenfolge von Beschleuniger und Separationsteil sowie bezüglich der Targethandhabung. Bei einer bekannten Anordnung wird beispielsweise das Target in Form einer Halbleiterscheibe kontinuierlich senkrecht zu dem einen Rechteckquerschnitt aufweisenden Ionenstrahl verschoben und dadurch auf seiner ganzen Fläche im wesentlichen gleichförmig bestrahlt. Ein Überblick über den letzten Stand der Technik auf dem Gebiet der Ionenimplatation vermittelt das 1973 bei Teubner/Stuttgart erschienene Buch "Ionenimplantation" von H. Ryssel und I. Ruge, insbesondere in Kapitel 4, S. 104 ff.
  • Wie sich aus dem geschilderten Aufbau der bekannten Implantationsanlagen ergibt, hat die Fachwelt bisher in der Monochromasle der Implantierungsionen eine unabdingbare Voraussetzung für eine erfolgreiche Dotierung des Targets Gesehen.
  • Dies bedeutet, daß zur Erzeugung einer kompletten Struktur wie z.B. der eines Mikrowellentransistors bisher mehrere aufeinanderfolgende Implantationschritte nötig sind, zwischen denen die Einstellung des Separationsteils und evtl. auch der Ionenquelle geändert werden muß, oder für die mehrere Anlagen zur Verfügung stehen müssen und die natürlich sehr viel Zeit kosten, alles Unstände, die einer rationellen und billigen Fertigung im industriellen Maßstab entgegenstehen.
  • Davon abgesehen bringt auch die Existenz des Beschleunigers und des SeparationsLeils zur Ausfilterung der jeweils für einen bestimmten Implantationsschritt verwendeten Ionensorte insofern Probleme mit sich, als diese Baugruppen das zu ea'uierende Volumen vergrößern und mit ihren Dichtstellen zu dem im System vorhandenen Störinen beitragen.
  • Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und wirtschaftlichen Dotierung kompletter Halbleiterstrukturen in im wesentlichen einen Arbeitsgang zu schaffen.
  • Diese Mifgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 b ozw. im kennzeichen der Ansprüche 15 und 16 angegebenen taßnai:nen gelöst.
  • Durch die erfindungsgemäße gleichzeitige Durchführung mehrere Implantationsschritte an ein- und demselben Target ergibt sich ein erheblicher Zeitgewinn. Wenn erfindungsgemäß beide Seiten des Targets in den Mehrfachimplantationsprozeß einbezogen -werden, entfällt außerdem das übliche zeitraubende und umständliche Wenden der Halbleiterscheibe, das bei bekannten Anlagen teilweise eine Belüftung der Targetkammer erforderlich macht.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht darüber hinaus die technische Realisierung der Mehrfachimplantation auf sehr einfache und wirtschaftliche Weise. Sie basiert auf der überraschenden Erkenntnis, daß es des bisher betriebenen konstruktiven Aufwands (Bescnleuniger, Separationsteil) auf der Ebene der industriellen Halbleiterimplantation nicht bedarf, und daß ein auf die bisher für unabdingbar gehaltenen Grundbausteine verzichtender Aufbau überhaupt erst die erfindungsgemäße Mehrfachimplantation in großem Maßstab praktikabel macht.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer einfachen erfindungsgemäßen Vorrichtung zur gleichzeitigen Dotierung einer Halbleiterscheibe mit mehreren Ionensorten von einer Seite Fig. 2a ein erstes Beispiel für da.) Dotierungsprofil einer mit der Vorrichtung nach Fig. 1 herstellbaren Struktur (pn-0bergang mit hochdoiiertem Kontakt; Profile nach einer Temperung dargestellt) Fig. 2b ein zweites Beispiel ffir das Dotierungsprofil einer mit der Vorrichtung nach Fig. 1 herstellbaren Struktur (Transistor, Profil nach Temperung) Fig. 2c ein drittes Beispiel für das Dotierungsprofil einer mit der Vorrichtung nach Fig. 1 herstellbaren Struktur (Getterung) Fig. 3 eine Kombination zweier erfindungsgemäßer Implantationsvorrichtungen nach Fig. 1 zur gleichzeitigen Dotierung von Vorder- und Rückseite eines Targets Fig. 4a verschiedene mit der erfindungsgemäßen Anordnung bis d nach Fig. 3 realisierbare Strukturen Die in Fig. 1 gezeigte Impalantationsvorrichtung besitzt ein ehäuse 1, das eine Ionenquelle 2, eine Extraktionselektrode 3 mit z.B. rechteckförmigem Durchlaß 4 für einen Ionenstrahl 10 sowie im Bedarfsfall noch eine Fokussiereinrichtung 5 aufnimmt.
  • Das Cehäuse 1 besteht vorzuasweise aus einem an einer Stirnseite offenen Rohrteil; es liegt jedoch auf der Hand, daß auch andere geometrisch einfache Raumformen geeignet sind, genauso wie z.B. auch der Durchlaß der Extraktionselektrode anders als rechteckförmig, insbesondere rund, ausgebildet sein kann.
  • In der Ebene der offenen Stirnseite ist am Gehäuse 1 ein Flansch 6 angebracht, der mit einer ihm parallel gegenüber liegenden Rückwand 7 einen Schleusenkanal 8 bildet, durch den die Halbleitercheiben 9 durch eine nicht gezeigte Transporteinrichtung kontinuierlich oder derart schrittweise bewegt werden, daß z.B. im Falle eines die gesamte Targetfläche überdeckenden Strahlquerschnitts das Target in Bestrahlungsposition gebracht, dort für eine Weile belassen und nach Erhalt der nötigen Dosis aus dem Strahlengang 10 entfernt wird. Auch ist zu bestimmten Zwecken (stärkere Dotierung bestimmter Bereiche eines Targets) eine getaktete Beförderung einer Halbleiterscheibe in kleinen Schritten durch den Strahl 10 denkbar, so daß bei rechteckförmigem Strahlquerschnitt streifenförmige Zonen stärkerer Dotierung entstehen, wie dies in einer @ trallelanmeldung beschrieben ist.
  • Zur Erzeugung der Schleusenwirkung des Transportkanals 8 bietet sich die bekannte Technik des differentiellen Pumpens an.
  • Das Gehäuse 1 besitzt ferner nicht gezeigte geeignete Vorrichtungen zum Austausch der Quelle 2, einen Anschluß für eine ebenfalls nicht dargestellte Pumpe zur Erzeugung des notwendigen Vakuums sowie nicht dargestellte Vakuumdurchführungen für die elektrischen Verbindunen, insbesondere die der Extraktionselektrode 3 mit der Hochspannungsversorgung.
  • Letztere kann von einfacher Bauart sein, da Spannungen von ca. 50 kV für die erfindungsgemäßen Zwecke ausreichen.
  • Je nach Art bzw. Beschickung der verwendeten Quelle 2 mit verschiedenen Gasen oder Feststoffen enthält der mit der erfindungsgemäßen Anordnung erzeugte Ionenstrahl 10 eine oder mehrere Ionensorten. Aufgrund des Verzichts auf jegliche Separationseinrichtung gelangen alle erzeugten Ionensorten zur Halbleiterscheibe rj, in welche sie je nach ihrer Masse verschieden tief eindringen.
  • Beispielsweise läßt sich mit einer Quelle für Arsen- und Phosph-jrionen und bei Verwendung eines p-dotierten Substrats mit der Vorrichtung nach Fig. 1 ein pn-Übergang mit hochdotiertem Kontakt gemäß Fig. 2a in einem Arbeitsgang erzeugen, indem gleichzeitig Arsen- und Phosphor-Ionen in die durch ihre Politur definierte Vorderseite eines p-dotiertes Silizium-Substrates eingeschossen und dabei die (tiefere) n+-Dotierung von den Phosphor-Ionen und der n++-Kontakt von den Arsen-Ionen gebildet wird.
  • Eine andere, mit der Vorrichtung nach Fig. 1 in einem Arbeitsgang realisierbare Struktur ist in Fig. 2b gezeigt. Hierbei handelt es sich um ein Transistorprofil, welches sich ergibt, wenn gleichzeitig Ionen, wie z.B. eines 3- und eines 5-wertigen Elements in ein n-dotiertes Si-Substrat geschossen werden Eine dritte Anwendungsmöglichkeit der Vorrichtung nach Fig. 1 ergibt sich aus Fig. 2c. Hier wird mittels der von der Quelle 2 emittierten Bor-, Arsen- oder Phosphorionen in einem geeigneten Substrat eine Dotierung bewirkt, welche mit einem von den gleichzeitig eingeschossenen Argon-Ionen bewirkten Getterprozeß kombiniert wird. Die Getterung hat z.B. im Falle eines pn-Übergangs einen stark verringerten Sperrstrom zur Folge.
  • Der einfacheAufbau der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ermögLicht darüber hinaus eine unkomplizierte Kombination er solche Vorrichtungen A und B zur gleichzeitigen Implantation eines Targets von beiden Seiten. Eine geeignete Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Zwei dar Implantationsinrichtungen nach Fig. 1 sind bezüglich der (entgegenge setzten) Strahlricht:ungen koaxial zueinander ausgerichtet.
  • Die Rückwände 7 sind jeweils weggelassen und die sich gegenüberstehenden Flanschteile 6 und 6' sind zur Bildung eines Schleusenkanals 8' der bereits beschriebenen Art geformt.
  • Werden bei einer solchen Anordnung die Quellen 2,2' so gewählt, daß sie jeweils eine Ionenart emittieren, z.B. n-und p-dotierende Ionen, und besteht das zu dotierende Substrat aus p-leitendem Silizium, so ergibt sich gemäß Fig. 4a eine Diodenstruktur mit implantiertem hochdotiertem Rückkontakt.
  • Derartige Kontakte haben den Vorteil, daß Metallisierungen einfach z.B. durch Siebdruck angebracht werden können. Ein aufwendiges Einsintern oder Einlegieren des Netallkontakts erübrigt sich.
  • Wird eine oder werden beide Quellen der Anordnung nach Fig. 3 so ausgelegt, daß sie jeweils mehr als eine Ionensorte emittieren, lassen sich in einem Arbeitsgang andere noch kompliziertere Strukturen verwirklchen.
  • Fig. 4b zeigt z.B. eine Dodenstruktur entsprechend Fig. 4a, bei der zusätzlich eine Getteiung durch zusätzlich in die Vorderseite des p-Substrats eingeschossene argonionen bewirkt wird.
  • Werden darüber hinaus auch in die Rückseite zusätzlich Getterionen eingeschossen, ergibt sich ein Profil nach Fig. 4c, bei dem auch der Rückkontakt der Diode nach Fig. 4a gegettert ist.
  • Als wichtige Anwendung letzterer Variationsmöglichkeit ist insbesondere die Herstellung von Solarzellen anzusehen.
  • Hierbei muß gemäß Fig. 4d die Vorderseite eines Silizium-p-Substrats mit einer n+-Dotierung und einer Getterdotierung und die Riickseite mit einer p+-Dotierung und ebenfalls einer Getterdotierung versehen werden.
  • Bei einem Übergang auf Quellen, die drei oder mehr Ionensorten emittieren, lassen sich auch noch kompliziertere Struckturen wie z.B. Thyristoren oder Double-Drift-IMPATT-Dioden in einem Arbeitsgang mit der Anordnung nach Fig. 3 herstellen. Das Target kann nicht nur aus diskreten Halbleitrscheiben bestehen, die beschriebenen Anordnungen eignen sich auch zur Dotierung von handelsüblichem bandförmigen Halbleitermaterial. Ein besonderer Vorteil der Erfindung wird in ihrer Eignung zur wirtschaftlichen Massenproduktion von Solarelementen aus den heute bereits in einer Größe von 10 cm x 10 cm erhältlichen polykristallinen Siliziumscheiben gesehen. Andere Substratmaterialien wie z.B. GaAs sind gleichermaßen für die erfindungsgemäßen Zwecke geeignet.
  • Es versteht sich, daß die angegebenen Dotierungen des Grundmaterials für die jeweilige Struktur nur ein Beispiel darstellen, und daß bei Übergang von n- auf p-Substrat oder umgekehrt die Wertigkeit der implantierten Elemente jeweils in komplementärer Weise gewählt werden muß.
  • L e e r s e i t e

Claims (18)

  1. Patentansprüche Gi Verfahren zum Dotieren eines Halble rtermatcrial s mittels Ionenimplantation, dadurch gekennzeIchnet, daß das iialbleitermaterial gleichzeitig mehreren Implantationsprozessen unterworfen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Implantation auf der Vorderseite und miridestens eine weitere Implantation gleichzeitig auf der Rickseite des Halbleitermaterials erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eine 3 pn-Überganges (Diode) mit hochdotiertem Rückseitenkontakt von der Vorderseite Ionen eines fünfwertigen Elements und von der Rückseite Ionen eines dreiwertigen Elements in ein p-dotiertes Silizium-Halbleitermaterial eingeschossen werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Diode mit hochdotiertem Rückseitenkontakt von der Vorderseite Ionen eines sechswertigen Elements und von der Riickseite Ionen eines zweiwertigen Elements in ein p-dotiertes Galliumarsenid Halbleitermaterial eingeschossen werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei verschiedene lonensorten gleichzeitig in dieselbe Seite des Halbleitermaterials implantiert werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines pn-Übergangs mit hochdotiertem Kontakt Ionen eines ersten fünfwertigen und eines zweiten fünfwertigen Elements gleichzeitig in die Vorderseite eines p-dotierten Silizium-Halbleitermaterials implantiert werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines pn-Übergangs mit hochdo-tiercem Kontakt Ionen eines ersten dreiwertigen und eines zweiten dreiwertigen Elements gleichzeitig in die Vorderseite eines n-dotierten Silizium-Halbleitermaterials implantiert werden.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Transistors Ionen eines dreiwertigen und eines fünftwertigen Elements gleichzeitig in dieselbe Seite eines n-dotier-Len Halbleiterrnaterials implantiert werden.
  9. 9. Verfahren nach Ansoruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß neben einer elektrisch aktiven, dotierenden lonensorte gleichzeitig auch eine einen Getterpr9zeß bewirkende Ionensorte in dieselbe Seite des Halbleitermaterials geschlossen wini.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Implantationen auf der einen und gleichzeitig eine Implantation auf der anderen Seite des Halbleitermaterials durchgeführt werden.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Diode mit gegettertem pn-Übergang und hochdotiertem Kontakt in ein p-dotiertes Silizium-Halbleitermaterial von einer Seite Ionen eines fünfwertigen elements sowie eine Gette-un- bewirkende Ionen wie z.3.
    Argon-Ionen und von der anderen Seite Ionen eines dreiwertigen Elementes geschossen werden.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dai3 auch von der anderen Seite zusätzlich und gleichzeitig Getterionen eingeschossen werden.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten des Halbleitermaterials jeweils gleichzeitig mehr als zwei lonensorten implantiert werden.
  14. 14. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 12 zur Herstellung von Solarelementen.
  15. 15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 5 - 9 mit einem Gehause, einer Ionenquelle und einer Extraktionselektrode sowie einer Targetkammer, durch die ein Halbleitermaterial mittels einer Transporteinrichtung 5 erikre cht zur Richtung des Ionenstrahls hindurchführbar ist,- dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (2) zur Emission von mindestens zwei verschiedenen lonensorten ausgebildet ist, und daß das Halbleitermaterial (9) von sämtlichen aus der Eletraktionselektrode (5) äustretenden Ionen unmittelbar und gleichzeitig beaufschlagt ist.
  16. 16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2,3 und 10 bis 13 mit einer ersten Ionenimplantationsanlage, welche eine Ionenquelle, eine Extraktionselektrode und eine Targetkammer zur Aufnahme eines Halbleitermaterials umfaßt, dadurch gekennzeichnet daß eine zweite Implantationsanlage (B) mit Ionenquelle (2') und Extraktionselektrode (3') vorgesehen ist,deren Ionenstrahl (10') koaxial und entgegengesetzt zum Ionenstrahl (10) der ersten Implantationsanlage (A) gerichtet ist und die derart mit der Targetkammer (8') in Verbindung steht, daß ihr Ionenstrahl (10') von der entgegengesetzt;ei Seite wie der Ionenstrahl (10) der ersten Implantationsanlage (A) auf das Halbleitermaterial (9) trifft.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekerinzeichnet, daß mindestens eine der Ionenquellen (2,2') zur Emission mehrerer Ionensorten ausgebildet ist und daß das Halbleitermaterial (9) von allen extrahierten lonensorten gleichzeitig und unmittelbar beaufschlagt ist.
  18. 18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetkammer in einem Schleusenkanal (8) integriert ist, der mittels einer Pumpanordnung differentiell evakuiert ist, und daß eine in wählbarer Weise taktbare Transporteinrichtung zur Beförderung des Halbleitermaterials durch den Schleusenkanal und die Targetkammer vorgesehen ist.
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