DE2951733A1

DE2951733A1 - Verfahren zum herstellen eines halbleiterbauelementes

Info

Publication number: DE2951733A1
Application number: DE19792951733
Authority: DE
Inventors: Gabriel Lorimer Miller
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1980-07-10
Also published as: GB2038551A; FR2445619A1; JPS55108776A; CA1136774A; US4203781A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen.

Bei der Halbleiterbauelementherstellung ist es bekannt, mit Hilfe von Strahlungstemperung amorphe Halbleiteroberflächenzonen in den kristallinen Zustand zurückzuüberführen. Ist dabei insbesondere die Strahlungsquelle ein Laser, der das Halbleitermaterial bis zu einer Tiefe von wenigstens gleich der Tiefe der amorphen Oberflächenzone aufzuschmelzen vermag, dann wird die aufgeschmolzene Zone auf dem nicht aufgeschmolzenen Kristallsubstrat v/ieder epitaktisch aufwachsen und so die aufgeschmolzene Zone in den kristallinen Zustand wieder rücküberführen. Siehe beispielsweise hierzu "Laser Annealing of Implanted Silicon" von 0. G. Kutukova und L. M. Streltsov, Sov. Phys. Semicond., 10, 265 (1976); "Spatially Controlled Crystal Regrowth of Ion Implanted Silicon by Laser Irradiation'" von G. K. deller, J. M. Poate und L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett., Vol. 32, Nr. 8 (15, April 1978).

Es ist auch bekannt, daß die Diffusion von Dotierstoffatomen in Silicium sehr rasch vor sich geht, während das Silicium

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im geschmolzenen Zustand ist. Siehe hierzu "Time-Resolved Reflectivity of Arsenic-Implanted Silicon During Laser Annealing" von D. H. Auston, C. M. Surko, T. N. C. Venkatesan, R. E. Slusher und J. A. Golovchenko, Appl. Phys. Lett., Vol. 33, Nr. 5, (1. Sept. 1978) Seite 437.

Weiterhin vermag eine Änderung in der Dotierstoffverteilung aufzutreten, wenn sich die Flüssig/Fest-Grenzfläche durch das Material während der Wiedererstarrung bewegt, und zwar als Folge der unterschiedlichen Löslichkeit der Dotierstoffatome im flüssigen und festen Halbleitermaterial. Dieser Effekt wird als Dotierstoff-Seigerung bezeichnet. Siehe z. B. "Distribution of an Implanted Impurity in Silicon after Laser Annealing" von A. Kh. Antonenko, N. M. Gerasimenko, A. V. Dvurechenskii, L. S. Smirnow und G. M. Tseitlin, Sov. Phys. Semicond. Vol. 10, Seite 81 (1976); "On the Mechanisms of Impurity Redistribution at The Laser Annealing of Ion Implanted Semiconductors" von A. V. Dvurechensky, G. A. Kachurin, A. K. Antonenko, vorgetragen auf dem U.S.-U.S.S.R.-Seminar on Ion Implantation, 4.-6. Juli 1977, Albany, New York.

Zusätzlich wurden sowohl Diffusions- als auch Seigerungseffekte beim Bestrahlen eines Halbleiterbauelementes (eines Phototransistors) mit Laserstrahlung beobachtet. "Observation of Impurity Migration in Laser-Damaged Junction Devices" von C. L. Marquardt, J. F. Giuliani und F. W. Fräser, Radiation Effects, Vol. 23 Seiten 135 - 139 (1974); Electrical Effects

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in Laser-Damaged Phototransistors" von J. F. Giuliani und C. L. Marquardt, Journal of Applied Physics, Vol. 45, Nr. 11, Seiten 4993 - 4996 (November 1974) und die hierauf beruhende US-PS 39 40 289. In dieser US-PS wird hauptsächlich die Verwendung des Seigerungseffektes an der Fest/Flüssig-Grenzflache zum Erhalt einer Dotierstoffumverteilung beschrieben.

Die Brauchbarkeit lokalisierter Dotierstoff-Umverteilungen zur Änderung von PN-Ubergangsgeometrien ist für Kalbleiterbauelemente außer Frage, bei denen die Größe eines elektrischen Feldes wesentliche Betriebsparameter definiert. Beispielsweise hängt die Durchbruchssperrspannung von Zener- oder Avalanche-Dioden unter anderem vom elektrischen Feld am übergang ab. Das elektrische Feld hängt seinerseits von der übergangsgeometrie ab. Weiterhin ist es allgemein bekannt, daß für einen stabilen, rauscharmen Betrieb der Durchbruch bei solchen Dioden in der vergrabenen Zone des Überganges, also von der Oberfläche entfernt, auftreten sollte. Es würde deshalb brauchbar sein, wenn eine Methode verfügbar wäre, mit dem ein Teil des PN-Überganges, der in der vergrabenen Zone gelegen . . ist, .selektiv deformiert .werden, könnte, wodurch das beA..der-. jeweils anstehenden Spannung herrschende elektrische Feld und damit die Durchbruchspannung geändert werden könnte.

Auch die Kanalbreite eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors hat einen wesentlichen Einfluß auf die Abschnürspannung und

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andere Betriebsparameter des Bauelementes. Es würde deshalb wünschenswert sein, wenn ein Teil der Kanalbreite auf praktisch jede gewünschte Gestalt zugeschnitten werden könnte. Weiterhin werden häufig vergrabene dotierte Zonen bei der Herstellung zahlreicher Halbleiterbauelemente benutzt. Die ohmsche Kontaktierung zu solchen Zonen erfordert jedoch zeitraubende Schritte, wie Durchätzen eines kleinen Teils des darüberliegenden Materials und Aufbringen eines metallischen Kontaktes. Auch hier würde es sehr vorteilhaft sein, wenn ein leitender Kanal von einer darüberliegenden Zone zur vergrabenen Zone oder zwischen vergrabenen Zonen erzeugt werden könnte. Auch bei hochintegrierten Schaltungen, wo verschiedene Gebiete des Halbleiterchips zu verschiedenen Funktionen benutzt werden, wäre es vorteilhaft, Zonen durch einen PN-Übergang schnell voneinander isolieren zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, lokalisierte Deformationen an Halbleiter-Übergängen gezielt erzeugen zu können.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Laser- oder Elektronenstrahlenbündel auf einen übergang zwischen einer stärker und einer schwächer dotierten Zone so gerichtet wird, daß das Strahlenbündel den übergang in einem lokalisierten, gegenüber dem Gebiet des Überganges kleinen Gebiet schneidet und unter Aufschmelzen des Halbleiter-

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materials in der Nachbarschaft des lokalisierten Gebietes eine lokale Deformation des Überganges erzeugt.

Eine Anwendungsform des Verfahrens dient zur Änderung des elektrischen Feldes in Zener- oder Avalanche-Dioden, wobei eine genaue Einstellung der Durchbruchsspannung ermöglicht wird. Wenn der übergang so modifiziert wird, daß der Durchbruch vorzugsweise an einem von der Oberfläche entfernt gelegenen Teil des Überganges auftritt, werden Oberflächeneffekte vermieden, so daß stabilerer Betrieb erhältlich ist. Obgleich die Durchbruchsspannung durch dieses Verfahren normalerweise reduziert wird, ist ein Spannungserhöhungsvermögen möglich. Dieses erlaubt, daß die Durchbruchsspannung teilweise auf das ursprüngliche Niveau nach einer Reduzierung zurückkehrt.

Das Verfahren führt selber zu einer genauen Steuerung des Einstellprozesses, wenn mit einem gepulsten Laser- oder Elektronenstrahlenbündel gearbeitet wird, während die Durchbruchsperrspannung oder ein anderer Betriebsparameter fortlaufend überwacht wird.

Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist die gezielte Einstellung der Kanalbreite bei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, die einfache ohmsche Kontaktierung vergrabener dotierter Zonen von darüberliegenden Zonen aus, die Herstellung von Kontakten

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zwischen vergrabenen dotierten Zonen und die Herstellung isolierter vergrabener Zonen oder Oberflächenzonen.

Nachstehend sind Ausführungs- und Anwendungsbeispiele des erfindungsgeir.äßen Verfahrens anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 und 2 einen PN-Übergang vor bzw. nach Bestrahlung,

Fig. 3 und 4 eine auf einem epitaktischen Substrat hergestellte Zener- oder Avalanche-Diode vor bzw. nach der Bestrahlung,

Fig. 5 die Änderung des Dotierstoffprofils als Folge eine Bestrahlungsaufschmelzens im Falle eines durch Diffusion erzeugten PN-Ubergangs,

Fig. 6 ein in einen stärker dotierten Teil der P-Zone gedrücktes "Grübchen",

Fig. 7 und 8 eine Methode zum Erhöhen der Durchbruchsspannung nach der vorherigen Erniedrigung durch Beseitigen der vorher erzeugten scharfen Kurven,

Fig. 9 eine Schaltungsanordnung zum genauen Steuern der Ausgangsstrahlung während der überwachung der

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Durchbruchspannung,

Fig. 10 und 11 die Änderung der Kanalbreite eines Feldeffekttransistors durch Bestrahlungsschmelzen,

Fig. 12 und 13 die Herstellung eines ohmschen Kontaktes zu

einer vergrabenen dotierten Zone oder zum Isolieren vergrabener Zonen, durch Bestrahlungsschmelzen durch eine stärker dotierte darüberliegende Schicht und

Fig. 14 und 15 die Kontaktierung einer vergrabenen Zone oder die Isolierung von Oberflächenzonen durch Bestrahlungsschmelzen in eine stärker dotierte darunterliegende Zone.

Ein Übergang zwischen Zonen desselben Leitungstyps, jedoch von unterschiedlicher Dotierungskonzentration, sei nachstehend als Isoübergang bezeichnet. Beispiele von Isoübergängen sind P-P⁺-, N-N⁺-, PH?"-, N-N~-Übergänge usw.

Der in Fig. 1 dargestellte PN-Übergang ist zwischen einem stärker dotierten Halbleiter 12 und einem schwächer dotierten Halbleiter 13 des entgegengesetzten Leitungstyps gebildet. Der übergang ist in Fig. 1 und in den folgenden Figuren als PN -

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übergang dargestellt; komplementäre Typen sind aber gleichfalls möglich. Ein vergleichbarer Isoübergang wäre gegeben, wenn die Zone 13 (und 23) N-leitend und nicht P-leitend wäre ., und damit einen NN -Übergang bilden würde. Auch hier sind die komplementären Typen gleichfalls möglich. Wie in Fig. 1 und folgende dargestellt, ist die vergrabene Zone des Überganges anfänglich planar, es sind aber auch andere Anfangsgeometrien möglich.

Die Anordnung wird dann einer Quelle hochintensiver Strahlung, die längs den gestrichelten Linien 11 in Fig. 1 verläuft, ausgesetzt. Der Durchmesser des Strahlenbündels ist kleiner als 100 Mikrometer und liegt typischerweise in der Größenordnung von 40 Mikrometer. In jedem Fall ist das Strahlungsbündel so ausgelegt, daß es einen kleineren Querschnitt als das Gebiet des PN-Uberganges oder des Isoüberganges besitzt. Die Strahlungsquelle ist eine Laser- oder Elektronenstrahlquelle, deren Energie, Wellenlänge und Bestrahlungsdauer ausreichend sind, um genügend Leistung in das Halbleitermaterial einzukoppeln und das Material bis zu einer Tiefe über den übergang hinaus aufzuschmelzen. Wie erwähnt, ist es bekannt, da)? die aufgeschmolzene Zone während ihres Wiedererstarrens epitaktisch auf der ungeschmolzenen Zone wieder aufwächst. Ersichtlich muß dieser Schmelzschritt in sehr kurzer Zeit stattfinden, wenn ein Wiedererstarren innerhalb einer wohldefinierten Zone auftreten soll, wie dieses in Fig. 2 dargestellt ist. Es ist be-

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kannt, daß sowohl Laser- als auch Elektronenstrahlung in der Lage sind, eine Schmelzzone mit einer Schmelzlebensdauer von weniger als 1 Mikrosekunde zu erzeugen, was für die vorliegenden Zwecke adäquat ist. Nachstehend ist ein Laser als die bevorzugte Strahlungsquelle wegen der Leichtigkeit, einen kleinen Strahlenbündelquerschnitt zu erhalten, beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß auch eine Quelle für ein Elektronenstrahlenbündel benutzt werden kann.

Man sieht, daß für den in Fig. 2 dargestellten PN -übergang sich die N-Dotierstoffatome mit den P-Dotierstoffatomen während der Schmelzelebensdauer vermischen und in dem Grübchen 21 eine N -Dotierung zu erzeugen suchen, da die Donatoren in der höheren Konzentration in der N -Zone 22 vorliegen, als dieses die Akzeptoren in der P-Zone 23 tun. In ähnlicher VJeise würde für einen NN -übergang (nicht dargestellt) das Grübchen N -Dotierungsniveau annehmen. Beachte, daß der Ausdruck "stärker dotiert" hinsichtlich Fig. 1 bedeutet, daß die Konzentration der Akzeptoren in der Zone 12 die der Akzeptoren in der Zone 13 übersteigt. Ansonsten könnte die P-Zone 13, 23 in Fig. 1 und 2 tatsächlich .aus. einer N /-Dotierung und einer noch größeren P -Dotierung bestehen, um zu einem effektiven P-Dotierungswert zu führen. In diesem Fall würde die Vermischung der Atome in der Schmelze keine N -Dotierung in der Schmelze erzeugen.

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Das Einschmelzen zuerst in die stärker dotierte Zone sucht sicherzustellen, daß die Schmelze ein N -Doticrunqsniveau annehmen wird, da ein größeres Volumen der Schmelze von der N -Zone herrührt, als wenn der Laserstrahl zuerst in die schwächer dotierte P-Zone schmelzen würde. Jedoch können, wie nachstehend noch anhand der Fig. 14 und 15 erörtert wird, PN- oder Iso-Ubergänge auch dadurch deformiert werden, daß zuerst in die weniger stark dotierte Zone geschmolzen wird, wenn sich die Schmelze ausreichend weit in die stärker dotierte Zone erstreckt.

Die Strecke, um die die N-Dotierstoffatome in die Schmelze diffundieren werden, ist durch die bekannte Diffusionsformel t = |2Dt gegeben, wobei C die Diffusionsstrecke, D die Diffusionskonstante des N-Dotierstoffs im geschmolzenen Halbleiter und t die Zeit bedeuten, in der der Halbleiter im geschmolzenen Zustand ist. Siehe beispielsweise Physics and Technology of Semiconductor Devices von A. S. Grove, John Wiley & Sons,

(1967) Seite 46. Die Resultate von Rutherford-Rückstreuunqsmessungen (PBS) zeigen an, daß die Diffusionslängen, die in der Praxis auftreten, mit dieser Formel vernünftig gut übereinstimmen. Siehe auch "Time Resolved Reflectivity of Arsenic-Implanted Silicon During Laser Annealing" von D. H. Auston . et al., Applied Physics Letters, 33(5), Seiten 437 - 439 (1. September 1978). Dieses bedingt, daß, wenn die Schmelzlebensdauer groß im Vergleich zu der Zeit ist, die zu einer

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Diffusion durch die Tiefe des Grübchens erforderlich ist, die N-Dotierstoffatome durch die ganze Schmelze diffundiert sein werden, so daß das gesamte Grübchen eine N -Dotierung annimmt, bevor Wiedererstarrung auftritt. Wenn jedoch die Schmelzlebensdauer klein im Vergleich zu der Zeit ist, die für eine Diffusion durch die ganze Schmelze erforderlich ist, dann wird die Größe des N -dotierten Grübchens kleiner als die Größe des erschmolzenen Grübchens sein.

Der Wiedererstarrungsprozeß kann die Dotierstoffverteilung gleichfalls beeinflussen. Dieses ist eine Folge des allgemein bekannten Seigerungseffektes, der beispielsweise die Basis des Zonenreinigungsverfahrens von Halbleitern ist. Wenn der Verteilungskoeffizient, der in diesem Fall als das bei Gleichgewichtsbedingungen vorhandene Verhältnis von Dotierstofflöslichkeit im festen Halbleiter zu Dotierstofflöslichkeit im flüssigen Halbleiter definiert ist, kleiner als 1 ist, dann werden die Dotierstoffatome bei der Wiedererstarrung dazu neigen, aus der Schmelze mit fortschreitender Erstarrungsfront entfernt zu werden. Sonach könnten die N-Dotierstoffatome aus dem Grübchen nach der Wiedererstarrung entfernt sein. Jedoch ist dieser Effekt nur unter thermischen Quasi-Gleichgewichtsbedingungen bedeutsam. Wenn die Wiedererstarrung rasch genug vor sich geht, befindet sich das System in einem so großen thermischen Ungleichgewichtszustand, daß keine nennens-

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werte Dotiorstoffumverteilung als Folge von Seigerungseffekten auftritt, und im angenommenen Beispiel wird das Grübchen N -leitend bleiben. Eine rasche Wiedererctarrung wird beim vorliegenden Verfahren dadurch verstärkt, daß die Laserfleckgröße klein gegen das Gebiet des Überganges ist und deshalb das die Schmelze umgebende feste Material vergleichsweise kalt bleibt, wenn die Schmelzzeit kurz ist. Für die hier normalerweise betroffenen Schmelzzeiten, die kleiner als eine Mikrosekunde und üblicherweise in der Größenordnung von 100 Nanosekunden pro Laserimpuls liegen, und für Laserstrahlenbündeldurchmesser von weniger als 100 Mikrometer wird für die üblicherweise in Silicium benutzten Dotierstoffe, wie Antimon und Phosphor, angenommen, daß keine nennenswerte Umverteilung als Folge von Seigerungseffekten auftritt.

Die vorstehenden Effekte können zur Änderung der Durchbruchssperrspannung von Zener- oder Avalanchedioden benutzt werden. Hierzu betrachte man beispielsweise die in Sperrichtung vorgespannte Diode nach Fig. 3, bevor sie durch das gestrichelt angedeutete Laserstrahlenbündel 31 bestrahlt wird. Der Durch- ·"· bruch tritt anfänglich-typischerweis-e im··ebenen-Tei.1 des. Überganges auf. Die Verarmungszone erstreckt sich nur durch die Breite der P-Zone 33, nicht aber nennenswert in die P-Zone 34 wegen deren wesentlich höheren effektiven Dotierungskonzentration. Es sei nun angenommen, daß eine Laserstrahlung aus-

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reichend stark zugeführt wird, um ein Grübchen 41 am Übergang zu erzeugen, wie dieses vorstehend beschrieben worden und in Fig. 4 dargestellt ist. Wegen der Krümmung des Grübchens und der Verringerung der Verarmungszonenbreite nimmt das elektrische Feld an dem eingebeulten Teil des Überganges zu, und ein Durchbruch wird bei einer niedrigeren Spannung erfolgen, als diese für den Durchbruch vor der Laserbestrahlung erforderlich war. Durch Hineintreiben des Grübchens in die P-Zone 43 auf jede gewünschte Tiefe mit Hilfe eines oder mehrerer Laser-Impulse kann daher die Durchbruchspannung auf jeden gewünschten Wert kleiner als der anfängliche Wert eingestellt werden.

Wenn wegen Oberflächenverunreinigungen der Durchbruch an den Rändern des Überganges bei der Oberfläche stattfindet, resultiert häufig ein unstabiler und rauschbehafteter Betrieb. Durch die Laserbestrahlung kann aber das Grübchen weit genug hineingetrieben werden, so daß der Durchbruch vorzugsweise in der eingebeulten vergrabenen Zone auftritt. Auf diese Weise erhält man stabileren Betrieb.

• ••Außer -der -Änderung d-er-Feldstärke als- Folge- der -.Änderung·· .... ·. der Ubergangsgeometrie, wird die Änderung in der Dotierstoffverteilung in der betroffenen Zone ebenfalls die elektrische Feldverteilung ändern. In Fig. 5 ist das Dotierungsprofil eines typischen diffundierten PN-Uberganges vor dem Schmelzen

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mit ausgezogenen Linien dargestellt. Der übergang ist durch die Überkreuzungsstelle definiert, v:o die tatsächlichen N- und P-Dotierstoffkonzentrationen gleich sind und damit die effektive Dotierung gleich Null ist. Wenn ein Laser durch die N-Schicht bis zur Tiefe des PN-Überganges aufschmilzt, dann werden sich die Dotierstoffatome in der Schmelze gleichförmiger umverteilen, und zwar wegen der oben beschriebenen Diffusionseffekte. Hierdurch wird das N-Dotierungsprofil in praktisch der ganzen N-Zone konstanter, um dann rascher am PN-Übergang abzufallen, wie dieses durch die gestrichelte Kurve in Fig. dargestellt ist. Der steilere Übergang von N nach P bedeutet, daß die elektrische Feldstärke am PN-Übergang für eine gegebene Sperrspannung zunimmt, so daß ein Durchbruch bei niedrigerer Sperrspannung erfolgen wird. Der Ort des erschmolzenen Teils des Überganges kann ebenfalls verschoben werden, wie dieses in Fig. 5 dargestellt ist, und führt zu der erörterten Änderung der Geometrie.

Ein dritter Effekt des Lasererschmelzens, der die Durchbruchsspannung einer in Sperrichtung vorgespannten Diode reduziert, rührt von einem am Ort des Grübchens auftretenden Gradienten in der Dotierstoffverteilung her. Fig. 6 zeigt eine Diode, in der die P-Zone 63 allmählich in die höhere P -Dotierung des Substrates übergeht, so daß der eingebeulte Bereich des Überganges in einem stärker dotierten Teil der P-Zone als der Rest des Überganges gelegen ist. Dieses steht im Gegensatz zu

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der Situation nach Fig. 4, wo die P-Zone im wesentlichen konstante Dotierung besitzt. Sonach wird bei der Anordnung nach Fig. 6, da ein Durchbruch bei niedrigeren Feldstärkewerten in stärker dotierten Zonen aufzutreten sucht, der Durchbruch zuerst in der Nähe des Grübchens auftreten und damit die Durchbruchsspannung herabsetzen.

Um eine Korrektion für eine möglicherweise zu starke Durchbruchsspannungserniedrigung zu haben, kann für ein Spannungserhöhungsvermögen gesorgt werden. Dieses wird durch Eliminieren der vorher erzeugten scharfen Kurven im Deformationsgebiet mit Hilfe nachfolgender Laserimpulse bewerkstelligt. In Fig. wurde die anfängliche Spannungserniedrigung durch zwei benachbarte Grübchen 77, 78 bewerkstelligt. Der Durchbruch tritt zuerst in der Nähe der maximalen Krümmung der Grübchen auf, und zwar wegen der dort herrschenden hohen elektrischen Feldstärke. Die anschließende Laserbestrahlung hat die scharfe Kurve 81 teilweise geglättet, so daß die elektrische Feldstärke wieder geringer und damit die Durchbruchsspannung wieder höher wird. Versuche mit der Doppelgrübchenkonfiguration lieferten ein Spannungserhöhungsvermögen von etwa 5 % der anfänglichen Spannungserniedrigung. Andere Ausgangskonfigurationen sind ebenfalls möglich.

Ein Vorteil des vorliegenden Verfahrens ist die Möglichkeit, die Durchbruchsspannung zwischen den Laserimpulsen zu über-

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wachen, was eine schnelle und genaue Einstellung auf den gewünschten Wert ermöglicht. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird der elektrische Anschluß 35 zur N-Zone des Überganges vor der Laserbestrahlung hergestellt. Gleiches gilt für den Anschluß des Substrates (nicht dargestellt) . Die Zeit, v/ährend der die bestrahlte Zone erschmolzen ist, kann sehr kurz sein, typischerweise in der Größenordnung 100 Nanosekunden pro Laserimpuls, so daß eine Wiedererstarrung zu Spannungsmeßzwecken zwischen aufeinanderfolgenden Laserimpulsen möglich ist, während gleichwohl eine hohe Laserimpulsfrequenz möglich ist.

Wenn die Schmelzzonenlebensdauer für jeden Laserimpuls klein im Vergleich zur gesamten Schmelzzeit ist, die zum Einstellen des gewünschten Wertes erforderlich ist, dann wird jeder einzelne Laserimpuls die Durchbruchsspannung um einen Betrag ändern, der im Vergleich zur gesamten gewünschten Verringerung klein ist. Sonach kann durch Steuern der Gesamtzahl der Impulse die Durchbruchsspannung rasch auf den gewünschten Wert mit jrier gewünschten Genauigkeit je nach Länge jedes Laserimpulses eingestellt werden. Außerdem kann der Prozeß sogar •noch--schneller mit·gleichbleibender hoher Pr&zision durchge-.·· » führt werden, wenn die anfänglichen Laserimpulse höhere Amplitude oder Dauer haben und dann die Amplitude oder Dauer der nachfolgenden Impulse verringert wird, wenn die gewünschte Durchbruchsspannung angenähert wird.

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In Fig. 9 ist ein Blockschaltbild einer Anordnung zum Erhalt einer solchen Lasersteuerung dargestellt. Die Spannungsüberwachungseinrichtung mißt die Durchbruchsspannung zwischen Laserimpulsen und enthält Mittel zum Vergleichen der MeP-spannung mit dem gewünschten Viert. Wird der gewünschte Wert innerhalb einer gegebenen Toleranz erreicht, dann signalisiert die überwachungseinrichtung der Strahlungssteuereinrichtung, mit den Laserimpulsen aufzuhören. Die Strahlungssteuerungseinrichtung kann einfach die Zahl der Laserimpulse oder zusätzlich die Amplitude und/oder Breite der Laserimpulse steuern, wenn man in die Gegend des gewünschten Wertes kommt.

Alternativ oder zusätzlich kann die anhand der Fig. 7 und 8 beschriebene Spannungserhöhungsprozedur zur Endeinstellung der Durchbruchsspannung benutzt werden. In diesem Fall könnte ein kleines überschießen der Spannungsreduzierung über den gewünschten Viert hinaus toleriert oder sogar bewußt erzeugt werden, worauf dann die Endeinstellung durch die oben beschriebene kleine Erhöhung der Durchbruchsspannung zu erfolgen hätte.

Andere Anwendungsfälle für solche PN-Übergangsdeformationen sind ebenfalls möglich. Beispielsv/eise hat ein Sperrschichtfeldeffekttransistor die in Fig. 10 dargestellte Konfiguration, bei der die N -Zone 102 das Gate zwischen den Source-

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und Drain-Kontakten 104 und 105 auf der P-Zone bildet. Wenigstens ein Betriebsparameter des Bauelementes, die Abschnürspannung, hängt von der Breite des Kanals unterhalb des Gates ab. Durch Laserdeformation des PN-Ubergangs kann diese Breite in einem Teil des Kanals reduziert werden.

Eine Geometrie, die dieses bewerkstelligen kann, ist in Fig. 11 dargestellt. Hier ist die Ubergangsdeformation 111 ein Trog, der senkrecht zur Zeichenebene verläuft und im Querschnitt als ein Grübchen erscheint. Ein solcher Trog kann durch Bewegen des Laserstrahls über das Gate hinweg v/ährend der Bildung der Schmelze erzeugt werden. Dieses würde in einem Teil des Kanals für eine gegebene Gate/Source-Spannung eine erhöhte Feldstärke liefern. Da der Source/Drain-Stromfluß vom elektrischen Feld im Kanal gesteuert wird, würde eine solche Feldzunahme zu einer Reduzierung der Abschnürspannung des Bauelementes führen. Andere Bauelementparameter könnten ebenfalls modifiziert werden.

Weiterhin kann die überwachung eines Betriebsparameters, z. B. • · des' Source/Drain-Sfroms· für eine gegebene Source/Drain-Spannung· und Gate/Source-Spannung leicht ein Verfahren zum Steuern des Ausmaßes der Laserbestrahlung liefern, um in einer in Verbindung mit Fig. 9 beschriebenen analogen Weise die gewünschten Betriebseigenschaften zu erreichen.

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Ein weiteres Anwendungsfeld des Verfahrens ist die Kontaktherstellung zu vergrabenen dotierten Zonen. In Fig. 12 ist eine Halbleiteranordnung dargestellt, bei der es gewünscht ist, einen Ohmschen Kontakt zwischen der stärker dotierten oberen Schicht 122 und der vergrabenen Zone 124 herzustellen. Durch Schmelzen von der N -Zone durch die P-Zone 123 herab zur N-Zone 124 kann ein N -Kanal 131 zum Erhalt der gewünschten Verbindung erzeugt werden. Dieses ist in Fig. 13 dargestellt.

Der Kontakt zwischen der Oberfläche und einer stärker dotierten vergrabenen Zone kann gleichfalls hergestellt werden. In Fig. 14 ist eine N-Oberflächenzone 142 dargestellt, die auf einer P -Zone 143 epitaktisch aufgev/achsen ist. Daher besteht die gesamte Dotierung der N-Zone aus N-Dotierstoffen, und es sind anfänglich keine kompensierten P-Dotierstoffatome in der N-Zone. Es sei nun angenommen, daß die Laserstrahlung 140 so zugeführt wird, daß durch die N-Oberflächenzone in die P -Zone geschmolzen wird. Beachte, daß hier der Laser zuerst in die weniger stark dotierte Zone schmilzt. Wenn die Schmelzzone sich weit genug In^ die P -Zone erstreckt, so daß die P-Dotierstof fkonzentration in der Schmelze die N-Dotierstoffkonzentration überwiegt, dann nimmt die Schmelze eine P- oder P -Dotierung an, je nachdem, wie weit sich die Schmelze in die P⁺-Zone hinein erstreckt und je nachdem, wie groß der Unterschied in den Dotierstoff-Niveaus der N- und P -Zonen ist. Es entsteht

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ein P- oder P⁺-Kanal 150 (siehe Fig. 15).

Wenn die N-Oberflache in Fig. 14 anfänglich durch Diffusion oder Ionenimplantation von N-Dotierstoffen in die P -Zone statt durch Epitaxie erzeugt worden ist, so daß kompensierte P-Dotierstoffatome anfänglich in der N-Zone vorhanden sind, dann wird eine höhere Konzentration von N-Dotierstoffen in der Zone 142 vorhanden sein als die Konzentration von P-Dotierstoff en in der Zone 143. Wegen der früheren Definition wird daher die Zone 142 tatsächlich die stärker dotierte Zone sein. Es kann dann ein N-leitendes Grübchen in der P -Zone ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. 2 für eine kleine Schmelztiefe unterhalb des Überganges erzeugt werden. Bei einer hinreichend großen Schmelztiefe werden die N -Dotierstoffe in ein derart großes Schmelzvolumen in der Zone 143 eindiffundieren, daß die P -Dotierstoffkonzentration der Schmelze die N-Dotierstoffkonzentration überschreiten wird und man die in Fig.- 5 dargestellte Situation erneut erhält. Bei einer gewissen mittleren Schmelztiefe zwischen diesen Grenzen wird die N-Dotierstoffkonzentration in der Schmelze gleich der P-Dotierstoffkonzentration sein, und es entsteht ein kompensierter eigenleitender Bereich (nicht dargestellt). Beachte, daß eine eigenleitende Schmelzzone, oder sogar eine P-leitende Schmelzzone auch mit der Anordnung nach Fig. 1 erhalten werden kann, wenn die Schmelze ausreichend weit in die schwächer dotierte P-Zone getrieben wird, so daß die

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P-Dotierstoffkonzentration in der Schmelze gleich oder größer als die N-Dotierstoffkonzentration wird.

Vergleichbare Situationen für Isoübergänge können auftreten. Wenn beispielsweise die Zone 123 der Fig. 12 eine N~-Zone ist, dann kann ein Kontakt von der Zone 122 zur Zone 124 durch die Zone 123 hindurch in ähnlicher Weise erhalten werden, wie dieses für die Fig. 12 beschrieben worden ist. Ähnliches gilt, wenn die Zone 142 in Fig. 14 eine P-Zone ist. Dann kann ein Kontakt zur Zone 143 dadurch hergestellt werden, daß durch die Zone 142 hindurch in die Zone 143 hinein geschmolzen wird, bis die Schmelze wie vorhin eine P -Dotierstoff konzentration annimmt. Man kann sogar einen Verbindungskanal von der darüberliegenden Zone zu einer vergrabenen dotierten Zone durch mehrere Zwischenzonen unterschiedlicher Dotierstoffkonzentrationen hindurch herstellen, wenn die Zwischenzonen nicht so groß oder so stark dotiert sind, daß die Schmelze daran gehindert ist, die gewünschte Dotierstoffkonzentration anzunehmen. Ebenfalls brauchen die darüberliegenden Schichten 122 und 142 keine Oberflächenzonen zu sein,

. sp.ndern. können, ihrerseits, unter ^anderen Z.o.ner\ gelegen sein, wenn Größe und Dotierung dieser anderen Zonen nicht die Schmelze daran hindern, die gewünschte Dotierungseigenschaft anzunehmen. Sonach können Kontakte zwischen vergrabenen Zonen hergestellt werden. Diese Möglichkeit, Kontakte zu vergrabenen Zonen von der Oberfläche aus oder zwischen vergrabenen

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Zonen untereinander herzustellen, kann beim Aufbau vertikal integrierter Schaltungen Anwendung finden, bei denen aktive Zonen übereinander angeordnet sind.

Der Kanal kann auch zur elektrischen Trennung der beiden vergrabenen P-Zonen 133, 134 in Fig. 13 dienen, indem der Laser so bewegt wird, daß der Kanal zu einem hier im Querschnitt dargestellten Trog wird, der die beiden P-Zonen vollständig voneinander trennt. Ganze Inseln vergrabener P-Zonen könnten in ähnlicher Weise erzeugt werden. Auch Oberflächenzonen können isoliert werden. In Fig. 15 kann, wenn der Laser längs der Oberfläche so bewegt wird, daß die Kanäle 150, 151 zu einem Trog werden, ein ganzes Gebiet 153 der N-Oberflache vom restlichen Teil der Oberfläche durch einen PN-Ubergangsring getrennt v/erden, der hier im Querschnitt dargestellt ist. Dieses kann zur Trennung aktiver Bauelementgebiete auf einem großen Substrat oder für andere Zwecke benutzt werden.

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ΊΊ--

Leerseite

Claims

B LU M BAG H -WESER ■ EÜR-SdK · KH A MF. R PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Palentccnsull Radedcestraße 43 8C00 München 60 Telefon (039) 883605/833604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Palenlconsult Sonnenberger SIraße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561993 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Western Electric Company, Incorporated New York, N.Y., USA Miller 17 Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbaxieleinentes Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, dadurch gekennzeichnet , daß ein Laseroder Elektronenstrahlenbündel (11) auf einen übergang zwischen einer stärker (12, 22) und einer schwächer (13, 23) dotierten Zone so gerichtet v/ird, daß das Strahlenbündel

- den übergang in einem lokalisierten, gegenüber dem Gebiet des Überganges kleinen Gebiet durchdringt und

- unter Aufschmelzen des Halbleitermaterials in der Nachbarschaft des lokalisierten Gebietes eine lokale Deformation (21) des Überganges erzeugt.

München: R. Kramer O^;pl.-lng. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. . H. P. Brehrn Oipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Slurobacti Dipl.-Ing. ■ P. Bergen Οί-μΙ.-lng. Dr jlt. · G. Zwirner Oipl.-Ing. Dipl-W.-Ing.

Ö30Ö28/0781

ORIGINAL INSPECTED

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiehn e t , daß der Übergang als PN-Übergang vorliegt und die Deformation so ausgebildet wird, daß die Durchbruchsspannung in Sperrichtung des Überganges beeinflußt, insbesondere verringert, wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang als der Gate-Übergang zwischen einer stärker dotierten Zone (102, 112) und einer weniger stark dotierten Kanalzone (103, 113) eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors vorliegt und das Strahlenbündel über den Gate-Übergang zum Erhalt einer Deformation bewegt wird, die die minimale Kanalbreite im Bauelement verengt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß für das Strahlenbündel ein gepulster Strahl verwendet wird, daß ein durch die Deformation beeinflußter Parameter des Bauelementes zwischen den Strahlimpulsen überwacht und die Beendigung der Strahlbeaufschlagung anhand des überwachten Parameters gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß anhand des überwachten Parameters die Energie der Strahlimpulse gesteuert wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Übergang vorgesehen wird, wobei die übergänge eine erste Zone (122, 132) und eine zweite Zone (124, 135) trennen, und daß das Strahlenbündel beide übergänge so schneidet, daß sich die Halbleitermaterialaufschmelzung durch die Übergänge von der ersten zur zweiten Zone erstreckt und die erhaltene Deformation (131) die erste und zweite Zone miteinander verbindet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone als vergrabene Zone vorliegt, die von der ersten Zone durch eine vergleichsweise schwach dotierte Zwischenzone (123) getrennt ist, und daß die Verbindung von erster und zweiter Zone dafür vorgesehen wird, den elektrischen Kontakt zur vergrabenen Zone zu ermöglichen.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone als vergleichsweise stark dotierte Zone (122, 132) oberhalb einer vergrabenen Zone (123) des entgegengesetzten Leitungstyps vorliegt, daß die zweite Zone (124, 135) als die unterhalb der vergrabenen Zone gelegene Zone vorliegt und daß das Strahlenbündel um einen Teil (133) der vergrabenen Zone herumgeführt wird, um diesen Teil vom Rest der vergrabenen Zone (134) zu isolieren.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

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net, daß die weniger stark dotierte Zone (142) der stärker dotierten Zone (143) liegt und daß die Deformation (150, 151) so ausgebildet wird, daß sich die stärker dotierte Zone lokal durch die schwächer dotierte Zone zur Oberfläche des Halbleiters erstreckt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der stärker dotierten Zone so erzeugt wird, daß ein elektrischer Kontakt zur stärker dotierten Zone ermöglicht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß die schwächer dotierte Zone und die stärker dotierte Zone entgegengesetzten Leitungstyp besitzen und daß das Strahlenbündel um einen Teil (153) der schwächer dotierten Zone herumgeführt wird, um diesen Teil vom Rest (152, 154) der weniger stark dotierten Zone zu isolieren.

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