DE3123949A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiteranordnungen durch ionenimplantation - Google Patents

Verfahren zur herstellung von halbleiteranordnungen durch ionenimplantation

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DE3123949A1 DE19813123949 DE3123949A DE3123949A1 DE 3123949 A1 DE3123949 A1 DE 3123949A1 DE 19813123949 DE19813123949 DE 19813123949 DE 3123949 A DE3123949 A DE 3123949A DE 3123949 A1 DE3123949 A1 DE 3123949A1
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Description

- 3 - WS260P-2297
Verfahren zur Herstellung von Halbleiter anordnungen durch Ionenimplantation
Die Erfindung betrifft.ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch Ionenimplantation und insbesondere zur Herstellung von vergrabenen Störstellenbereichen.
Halbleiteranordnungen erfordern im Interesse der gewünschten elektrischen Eigenschaften im Halbleiterkörper vorgesehene Störstellenbereiche. Derartige Störstellenbereiche werden während der Herstellung des Halbleiterkörpers typischerweise durch Diffusion ausgebildet, wie dies z.B. beim epitaxialen Züchten der Fall ist. Die für diese Zwecke verwendeten Störstellenmaterialien sind Phosphor, Antimon, Arsen, Bor, Gallium, Aluminium und Gold.
Die Ausbildung eines Störstellenbereichs in einer Halbleiteranordnung durch Diffusion hat systembedingte Begrenzungen. Die Stör-Stellenkonzentration an der Oberfläche des Halbleiterkörpers, durch welche die Diffusion stattfindet, ist normalerweise durch die Sättigungslöslichkeitskonzentration des Störstellenmaterials im Halbleitermaterial fixiert. Dadurch ergibt sich an der Oberfläche des
Halbleiterkörpers
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Halbleiterkörpers eine verhältnismäßig hohe Störstellenkonzentration, welche sowohl in chemischer Hinsicht als auch in elektrischer Hinsicht die Oberflächenteile des Halbleiterkörpers nachteilig beeinträchtigt. Ferner ist die Dicke des Stör Stellenbereichs im Halbleiterkörper und der Konzentrationsgradient durch die Oberflächenkonzentration, die Diffusionsgeschwindigkeit, die Temperatur und die Zeitdauer der Temperatur fixiert. Damit ergibt sich eine Restriktion für den Störstellenbereich bezüglich seiner Dicke und dem Profil des Konzentrationsgradienten, sodaß häufig sehr viel zeitlicher Aufwand notwendig ist, um die gewünschten Störstellenbereiche herstellen zu können. Insbesondere ist die Dicke der Störstellenbereiche häufig sehr schwer mit hoher Präzision einzustellen, sodaß eine gleichzeitige oder aufeinanderfolgende Diffusion von mehreren Störstellenmaterialien, z.B. Bor und Aluminium, erforderlich ist, um dem Störstellenbereich die gewünschten elektrischen Eigenschaften zu geben.
Auch die Ausbildung des Störstellenbereiches durch epitaxiales Züchten ist mit systembedingten Begrenzungen versehen. Das epitaxiale Züchten erfordert eine sehr sorgfältige Vorbereitung des Substrats, unabhängig davon, ob es ein Halbleiter oder ein Isolator ist, und eine ebenso sorgfältige Steuerung der Ablagerung während des Züchtvorgangs. Selbst bei sehr sorgfältiger Steuerung haben epitaxiale Halbleiterkörper typische Begrenzungen in ihren elektrischen Eigenschaften, und zwar durch das Vorhandensein von flüchtigen Störstellenmaterialien mit niedriger Konzentration, welche gelegentlich in das System eingang finden. Außerdem ist das epitaxiale Züchten in der Regel auf verhältnismäßig geringe Dicken begrenzt, sodaß das epitaxiale Züchten für spezielle Halbleiteran-Ordnungen wie z. B. Hochleistungselemente unzweckmäßig ist. Es
ist auch
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ist auch bekannt, Störstellenbereiche hoher Konzentration nahe unter der Oberfläche des Halbleiterkörpers durch Ionenimplantation auszubilden ("lon Beams" von Wilson and Rewer, 1973; und "Ion Implantation in Semiconductors" von Mayer, Eriksson und Davies, 1970) . Bei dieser Technik wird mit einem niederenergetischen Ionenstrahl der gewünschten Stör Stellenmaterialien in der Größenordnung von etwa 200 bis etwa 400 keV gearbeitet, wobei dieser Ionenstrahl zur Bestrahlung der Oberfläche des Halbleiterkörpers Verwendung findet. Dadurch bildet sich nahe unter der Oberfläche des Halbleiterkörpers ein Störstellenbereich aus, der einige ,um dick sein kann und einen hohen festliegenden Konzentrationsgradienten hat.
Die Ionenimplantation wurde bisher nicht als zweckmäßig angesehen, wenn Stör Stellenbereiche mit einer Dicke von mehr als einigen /um in einem Halbleiterkörper auszubilden waren, bzw. ein bestimmter kontrollierbarer Konzentrationsgradient gewünscht wurde. Der entscheidende Grund hierfür ist in der Tatsache zu sehen, daß Ionenstrahlgeneratoren, wie sie derzeitig zur Verfugung stehen, monoenergetische Ionenstrahlen erzeugen, welche nur sehr flache nutzbare Störstellenbereiche unter dem Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers ausbilden können. Die Dicke des Störstellenbereiches im Halbleiterkörper wurde dadurch vergrößert, daß der Halbleiterkörper während der Ionenbestrahlung eine Schwenkbewegung ausführt. Jedoch auch mit dieser Technik ist die Dicke des Störstellenbereiches typischerweise kleiner als 5 ,um, wobei der Störstellenkonzentrationsgradient nicht einstellbar ist.
Es ist auch bekannt, Streufolien aus Metall in den Strahlungsgang des Ionenstrahls einzufügen, wobei eine Aluminiumfolie mit einer
Dicke
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von etwa 1,26 χ 10 mm Verwendung finden kann. Derartige Folien haben zwangsläufig eine ungleichförmige Dicke und bewirken damit den gewünschten Streueffekt für den Ionenstrahl, sodaß man eine im wesentlichen gleichförmige Dosis über verhältnismäßig große Flächen auf den Halbleiterkörper einwirken lassen kann. Bei der Verwendung derartiger Streufolien ist nicht beabsichtigt, die Folie derart zu gestalten, daß die Streueigenschaften nur sehr gering sind, um den Ionenstrahl zu verändern bzw. zu modulieren, und um den Störstellenbereich bezüglich seiner Dicke und eines veränderlichen Konzentrationsgradienten einzustellen. Die Probleme werden noch komplizierter, wenn es wünschenswert ist, im Halbleiterkörper einen vergrabenen Störstellenbereich auszubilden. Unter einem vergrabenen Störstellenbereich versteht man einen im Innern des Halbleiterkörpers ausgebildeten Bereich hoher Störstellenkonzentration, bezogen auf den oder die benachbarten Störstellenbereiche zwischen dem vergrabenen Bereich und der Hauptfläche des Halbleiterkörpers. Derartige vergrabene Störstellenbereiche können durch eine Kombination von Diffusion und epitaxialem Züchten hergestellt werden, wie dies aus dem US-PS 3,237,042 hervorgeht. Diese Technik ist verhältnismäßig schwierig und aufwendig, und erfordert einen beträchtlichen Zeitaufwand zur Durchführung. Außerdem ergibt sich eine verhältnismäßig schlechte Ausbeute. Die Ausbildung von vergrabenen Störstellenbereichen wird auch durch die Schwierigkeit der Kontrollierung der Selbstdotierung von Störstellenbereichen niederer Konzentration erschwert, welche über den vergrabenen Störstellenbereichen liegen. Daraus ergibt sich wiederum die Schwierigkeit der Dickeneinstellung und der Einstellung des Konzentrationsgradienten sowohl für den vergrabenen Störstellenbereich als auch den dazu benachbarten Störstellenbereich.
Der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten und Nachteile zu überwinden und einen Weg zu finden, um schnell Stör Stellenbereiche generell und insbesondere vergrabene Störstellenbereiche in Halbleiterkörpern mit einem hohen Präzisionsgrad ausführen zu können. Dabei soll der Konzentrationsgradient der Störstellenbereiche mit hoher Flexibilität einstellbar und die Positionierung sehr genau durchführbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Strahlwandler im Strahlengang des Ionenstrahl angeordnet ist, und daß der Strahlwandler entsprechend der Formgebung sowie der Dicke des Störstellenbereiches und dem Verlauf des Störstellenkonzentrationsgradient entsprechend geformt ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Mit den Maßnahmen gemäß der Erfindung ist es möglich, einen Störstellenbereich in einem Halbleiterkörper mit sehr hoher Genauigkeit und einem festliegenden Konzentrationsgradienten sehr schnell und mit hoher Ausbeute herzustellen. Dies ist insbesondere durch die Verwendung eines Ionenstrahls möglich, dessen Energie ausreicht, um durch die Oberfläche des Halbleiterkörpers bis zu Tiefen vorzudringen, die größer sind als die Tiefe des gewünschten Störstellenbereichs. Der Strahlwandler für den Ionenstrahl besteht aus einem vorgegebenen Material mit ungleichförmiger Oberflächenform, um die Energiedichte der Strahlung zu modifizieren, während diese den Strahlwandler durchsetzt. Entsprechend kann die Dicke und der Störstellenkonzentrationsgradient des Störstellenbereichs
eingestellt werden, wobei dies auch für vergrabene Kollektorbereiche gilt.
Vorzugsweise
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Vorzugsweise wird der Strahlwandler aus einem Material wie Aluminium, Beryllium oder einem strahlungsbeständigen Silicon bzw. Epoxydharz hergestellt, um die Streuung zu verringern und ein gutes Auflösungsvermögen für den beeinflußten Ionenstrahl zu gewährleisten.
Der Störstellenbereich wird dadurch ausgebildet, daß der Halbleiterkörper mit dem von dem Strahlwandler austretenden Ionenstrahl beaufschlagt wird. Die Dicke des Störstellenbereiches und dessen Abstand von der Hauptfläche wird exakt von dem Energieinhalt des Ionenstrahls und der Dicke des Strahlwandlers gesteuert. Entsprechendes gilt für den Störstellenkonzentrationsgradienten im Störstellenbereich, der genau entsprechend dem Konturverlauf am Strahlwandler ausgebildet wird, wobei der Strahlwandler eine bestimmte Relativbewegung gegenüber dem Halbleiterkörper während der Dotierung ausführt.
Die vorliegende Erfindung ist besonders wertvoll bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen mit vergrabenen Dotierungsbereichen bzw. wenn Dotierungsbereiche mit ungewöhnlichen Konzentrations gradienten gewünscht werden. Nach dem Dotierungsverfahren kann der Halbleiterkörper einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um Schäden im Kristallgitter des Halbleiterkörpers rückgängig zu machen.
Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand von auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen Transistoraufbau mit einem
vergrabenen-
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vergrabenen Kollektorbereich gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Teilschnitt durch einen weiteren Transistoraufbau mit einem vergrabenen Kollektorbereich gemäß der Erfindung;
Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine integrierte Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 4 einen Teilschnitt durch einen Halbleiteraufbau, bei wel
chem ein Störstellenbereich gemäß der Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 5 einen Teilschnitt durch einen weiteren Halbleiteraufbau, in welchem ein Stör Stellenbereich gemäß der Erfindung
ausgebildet ist;
Fig. 6 einen Teilschnitt durch einen dritten Halbleiteraufbau, welcher gemäß der Erfindung hergestellt ist.
In Fig. 1 ist ein Transistor mit einem vergrabenen Kollektorbereich gemäß der Erfindung dargestellt. Der Transistor ist in einem Halbleiterkörper 10 ausgebildet und hat zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen 11 und 12, Mit der Hauptfläche 12 grenzt der Halbleiterkörper 10 an ein Substrat 13 an, welches durch Legieren elektrostatische Beschichtung, epitaxiales Aufwachsen oder in einer anderen Weise aufgebracht ist. Während der Herstellung wird der Halbleiterkörper mit der gewünschten Störstellenkonzentration für den Kollektor bereich, z.B. etwa
13 14 3
Ix 10 bis etwa 1 χ 10 Atome/cm dotiert. Als Substrat 13
findet
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findet vorzugsweise ein für den speziellen Einsatz geeigneter Isolator Verwendung.
Der Basisbereich 15 und der Emitterbereich 14 werden mit Hilfe von aufeinander folgenden Diffusionsschritten hergestellt, mit welchen Störstellen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps., z.B. Gallium oder Phosphor, durch die Hauptfläche 11 eindiffundiert werden, wobei eine herkömmliche Maskiertechnik Verwendung findet. Die zur Ausbildung des Basisbereiches 15 verwendeten Störstellen haben eine zu den Störstellen im Halbleiterkörper entgegengesetzte Leitfähigkeit. Dadurch bilden sich zwei pn-Übergänge 17 und 18 zwischen dem Emitterbereich und Basisbereich 14 bzw. 15, sowie zwischen dem Basisbereich und dem Kollektorbereich 15 bzw. 16 aus. Die Stör Stellenkonzentration im Basisbereich
15 1? 3
liegt typischerweise zwischen 1 χ 10 bis 1 χ 10 Atome/cm , wogegen die Störstellenkonzentration im Emitterbereich typischer-
17 19 3
weise zwischen etwa 1 χ 10 und 1 χ 10 Atome/cm liegt.
Die Störstellenkonzentration im Kollektorbereich entspricht der des verbleibenden Halbleiterkörpers und wird mit Hilfe der nachfolgend erläuterten Bestrahlungstechnik ausgebildet.
Im Halbleiterkörper 10 ist in einer die gewünschte Breite des Kollektorbereiches festlegenden Tiefe ein vergrabener Kollektor bereich 19 ausgebildet, welcher den Transistor elektrisch mit einer anderen Komponente verbindet, die vorzugsweise im selben Halbleiterkörper ausgebildet ist.
Zur Herstellung des Kollektorbereiches 19 findet eine Ionenquelle Verwendung, welche in der Lage ist, Partikel mit einem MoIekulargewicht von zumindest eins in Form eines Ionenstrahls 20
abzugeben.
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abzugeben. Der Ionenstrahl 20 hat eine Energiedichte, welche ausreicht, um durch die Hauptfläche 11 in dem Halbleiterkörper bis zu einer Tiefe einzudringen, die größer als die Tiefe des vergrabenen Kollektorbereichs 19 ist. Der Ionenstrahl kann mit bekannten herkömmlichen Ionenquellen erzeugt werden, welche einen Ionenstrahl mit ausreichend hoher Energie zur Verfügung stellen, um bis zur Tiefe des vergrabenen Kollektorbereiches in den Halbleiterkörper eindringen zu können. Vorzugsweise wird als Ionenquelle ein Van de Graaff-Teilchenbeschleuniger verwendet, welcher Bor-Ionen emittiert, da hiermit verhältnismäßig preiswert die erforderliche Energie erreicht werden kann, um Ionen bis in die gewünschte Tiefe des Halbleiterkörpers zu schießen. Es können auch Ionen anderer für die Ausbildung von Störstellen verwendeten Materialien wie z.B. Phosphor, Aluminium oder dergleichen benutzt werden, jedoch sind Ionen mit einem Molekulargewicht von mehr als 16 zur Zeit praktisch nicht einsetzbar, da mit den zur Verfügung stehenden Ionenquelle^ wie z.B. dem Van der Graaff-Teilchenbeschleuniger diese Ionen nicht stark genug beschleunigt werden können, um nennenswert in das Halbleitermaterial einzudringen. In jedem Fall müssen die Ionen von dem selben Leitfähigkeitstyp sein wie er im Kollektorbereich 16 benutzt wird, um die gewünschten elektrischen Eigenschaften für den vergrabenen Kollektorbereich zu erhalten.
Es findet vorzugsweise ein monoenergetischer Ionenstrahl Verwendung, um einen in der Dicke, Breite und dem Dosierunggradienten sehr genau einzustellenden vergrabenen Kollektorbereich zu ermöglichen. Aus diesem Grund können höhermolekulare Teilchen wie z.B. Phosphor- oder Aluminiumionen für bestimmte An
wendungen
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Wendungen zweckmäßiger sein, wenn für die störstellendotierten Bereiche eine höhere Auflösung gewünscht wird, da nämlich diese Ionen eine geringere Halbwertsbreite für die Verteilung der erzeugten Fehlstellen im Halbleitermaterial haben. Je geringer nämlieh die Halbwertsbreite ist, um so genauer läßt sich der Störstellenbereich für den vergrabenen Kollektor bereich im Halbleiterkörper 10 festlegen, und um so genauer kann die Konzentration und der Konzentrationsgradient eingestellt werden.
Es sollte jedoch auch beachtet 'werden, daß für gewisse Anwendungszwecke die Verwendung einer nicht-monoenergetischen Strahlungsquelle geeigneter sein kann, wobei man von einer monoenergetischen Strahlungsquelle ausgehen kann und diese derart modifiziert, daß sie nichtmonoenergetisch wird. So kann es z. B. wünsehenswert sein, eine gleichmäßigere Teilchenverteilung im Halbleiterkörper auf Kosten der Tiefenauflösung für den Störstellenbereich zu haben. In diesem Fall kann eine nicht dargestellte Streufolie in den Strahlungsweg des Ionenstrahls 20 eingefügt werden, um den gewünschten Effekt zu erhalten. In der Regel ist jedoch eine monoenergetische Strahlungsquelle vorzuziehen, damit man den Nutzen aus der kleineren Halbwertsbreite für die Verteilung der Fehlstellenerzeugung im Interesse einer möglichst hohen Auflösung und für die Ausbildung des Störstellenbereiches ziehen kann.
Zwischen den Ionenstrahl 20 und den Halbleiterkörper 10 wird ein Strahlwandler 21 eingefügt, der aus einem Material besteht, das normalerweise den Ionenstrahl ohne Streuung überträgt. Obwohl unter bestimmten Umständen die Verwendung einer Streufolie zusammen mit dem Strahl wandler 21 wünschenswert sein kann, wird jedoch üblicherweise angestrebt, daß der übertragene
Ionenstrahl 22
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Ionenstrahl 22 nicht infolge der Änderung der Dicke des Strahlwandlers 21 gestreut wird. Dadurch läßt sich die Genauigkeit der Auflösung sowie der Anordnung des Stör Stellenbereiches verbessern. Der Strahl wandler 21 besteht aus einem Material, das die Energie des übertragenen lonenstrahls verändern kann, jedoch vorzugsweise keine wesentliche Energieänderung pro Dickeneinheit bewirkt. Damit ist man in der Lage, die Dicke und den Störstellengradient im Störstellenbereich sehr genau einstellen zu können, ohne die Abmessungstoleranzen des Strahl wandler s 21 kritisch überwachen zu müssen. Als Materialien hierfür kommen solche in Betracht, welche eine verhältnismäßig niedrige Ordnungszahl bzw. ein verhältnismäßig niederes Atomgewicht haben, wie z.B. Aluminium oder Beryllium. Wenn der Ionenstrahl nicht zu tief in das Halbleitermaterial vordringen braucht, können auch strahlungsbeständige Silicone und Epoxydharze Verwendung finden.
Der Strahl wandler wird vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das leicht bearbeitet werden kann, um ihm die nachfolgend erläuterte Form zu geben.
Während des Dotierens wird der Halbleiterkörper 10 und der Strahl wandler 21 relativ zueinander verschoben, wobei hierfür geeignete Vorrichtungen vorgesehen sind. Der Strahl wandler 21 führt vorzugsweise eine oszillierende Bewegung aus senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des lonenstrahls 20 und parallal zur Hauptfläche des Halbleiterkörpers 10. Es ist auch möglich, den Strahlwandler über dem Halbleiterkörper 10 rotieren zu lassen oder anderweitig relativ zu diesem zu verschieben. Selbstverständlich kann auch der Strahlwandler in seiner Lage festgehalten und der Halbleiterkörper relativ dazu längs einer vorgegebenen Bewegungsbahn verschoben werden.
Wenn die
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Wenn die Ionenquelle und die Zusammensetzung des Strahlwandlers 21 bekannt sind, ergibt sich die Dicke und der Gradient der Störstellenkonzentration im zu formenden Störstellenbereich als Funktion der Form des Strahlwandlers 21 und dessen Relativbewegung gegenüber dem Halbleiterkörper sowie der Dotierung des Strahl wandler s. Üblicherweise ist die Relativbewegung zwischen dem Strahlwandler und dem Halbleiterkörper fixiert, sodaß die Dicke und der Gradient der Stör Stellenverteilung im Störstellenbereich nur noch eine Funktion der Form des Strahl wandlers ist. Aus diesem Grund kann der Strahl wandler derart geformt werden, daß er jeder gewünschten Breite und jedem gewünschten Gradient der Stör Stellenkonzentration für den herzustellenden Stör Stellenbereich sowie jedem gewünschten Abstand zwischen der Hauptfläche und einem tiefliegenden Störstellenbereich im Halbleiterkörper entspricht. Zum Verständnis der Abhängigkeit ist zu beachten, daß das Energiespektrum des aus dem Strahl wandler austretenden geänderten Ionenstrahls 22, welches für die Positionierung, die Breite und den Gradient der Stör Stellenkonzentration in dem vergrabenen Kollektorbereich 19 verantwortlich ist, durch die nachfolgende mathematische Funktion repräsentiert wird:
dn (E ) / dE = h (E )
Ferner ist zu beachten, daß die Form des Strahl wandlers entsprechend diesem Energiespektrum durch die mathematische
Funktion F (£) = X beschrieben wird, wobei X die Dicke des Strahlwandlers und & der Abstand von einer Koordinate längs dem Strahl wandler ist. Die Größe & ist eine mathematische Funktion von X, F(X).
30
Nachfolgend
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Nachfolgend wird der Energieinhalt des Ionenstrahls 22 hinter dem Strahl wandler 21, und zwar an einem Punkt der Hauptfläche 11, betrachtet. Der Ionenstrahl in diesem Punkt muß zunächst die Dicke x£ des Strahlwandlers 21 durchlaufen und wird dabei bezüglich seiner Energie von der Größe E auf Έ£ verringert. Die Flußdichte im betrachteten Punkt an der Hauptfläche 11 beträgt φ in Ionen/s. Diese Größe hat folgende mathematische Form: φ - dn/dt. Da sich der Strahl wandler 21 in horizontaler Richtung mit einer Geschwindigkeit V = ύ£ /dt verschiebt, ist die Anzahl der Ionen, welche den bestimmten Punkt an der Hauptfläche 11 trifft, in der Zeiteinheit dt definiert durch dn = φ dt - φ / Vd£ , Oa.ß = f(x) und d/ = df(x) / dx dx ist, ergibt sich dn = j5/Vdf(x)/dxdx.
Die veränderliche χ entspricht der Dicke des Strahl wandlers 21, welche vom auf der Hauptfläche auftreffenden Ionenstrahl zu einem beliebigen Zeitpunkt durchsetzt wird und steht in funktioneller Beziehung zu der Energie der Ionen, welche den Strahl wandler als geänderten Ionenstrahl 22 verlassen. Es sei angenommen, daß R der Ionenbereich und E die Energie der Ionen mathematisch durch die Funktion R = g (E) miteinander verbunden sind. Die Reichweite des auf den Strahlwandler einfallenden Ionenstrahls 20 ist Rp - g (Ep), wogegen die Reichweite der im Ionenstrahl 22 existierenden Ionen gleich R = g (E) ist. Die Dicke des Strahlwandlers 21 kann als mathematische Funktion der Energie des Ionen-Strahls wie folgt gekennzeichnet werden:
χ = Rp - R = g (Ep) - g (E).
Wenn man in der vorausstehend erwähnten Gleichung χ durch den genannten Ausdruck ersetzt, können die den bestimmten Punkt in der Hauptfläche 11 erreichenden Ionen durch die nachfolgende
Gleichung
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Gleichung beschrieben werden:
dn - 4 df (g(Ep) - g(E)) dg(E)
dn - ν ' dg(E) · ~dE~ ' dE
Die Dicke des Strahlwandlers kann mathematisch in Ausdrücken des übertragenen Bnergiespektrums des Ionenstrahls wie folgt erfaßt werden:
df (g(Ep) - g(E) ) = V dn dg(E)
dg (E) φ ' dE ' [ dE ;-
Dabei ist: η = die Anzahl der auftreffenden Ionen
E = die Energie des den Strahlwandler verlassenden
Ionenstrahls
Ep = die Energie des in den Strahlwandler eintretenden Ionenstrahls 15
Für komplexe Energiespektren dn/dE kann die Form des Strahlwandlers 21 mit Computern berechnet werden. Bei einfachen Spektren ist es möglich, die Form mit einfachen mathematischen Hilfsmitteln zu errechnen.
20
Für eine beispielsweise Betrachtung wird davon ausgegangen, daß der vergrabene Kollektorbereich 19 rechteckig ist und einen konstanten Störstellenkonzentrationsgradient über die gesamte Dicke χ und den gesamten Bereich hat. dn/dE = K ist eine Konstante und R = g(E) = E/m zeigt, daß eine lineare Abhängigkeit zwischen der Ionenenergie und der Masse besteht. Damit ergibt sich für die obenstehende Gleichung:
/3UP. üL\
df lm m; V __ dE
d (£> * d (£)
m vm
Durch
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Durch Substitution von χ = Ep/m - E/m reduziert sich die Gleichung wie folgt:
df (χ) _ VK dx ~~J~
Als allgemeine Lösung dieser Gleichung ergibt sich unter Berücksichtigung, daß V = die Geschwindigkeit der Strahl wandlerverschiebung ist:
VK
f (x) -^-r- mx+b = 1
Für x = F (£) ergibt sich somit:
Die Konstante b kann man dadurch ermitteln, daß χ gleich der Dicke X für JL = 0 gesetzt wird, womit man das niedrigste Ener giespektrum erhält. Damit wird:
Die Länge des Strahlwandlers L hängt von X ab, welches die Dicke E ist. Der Strahlwandler kann, wie in Fig. 1 dargestellt, säge zahnform ig mit Flanken i/VKm ausgebildet sein, wobei X. die größte Dicke und X die kleinste Dicke entsprechend der gewünschten Breite des vergrabenen Kollektorbereiches 19 ist. Der Strahlwandler oszilliert vorzugsweise für eine erhebliche Anzahl der Perioden des Energiespektrums des übertragenen Ionenstrahls Jä2", um Spektralverzerrungen zu eliminieren, welche durch kleine zeitliehe Fluktuationen der Energie und der Energiedichte des Ionen
strahls
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Strahls 20 ausgelöst sein können.
Nachdem der Strahlwandler 21 in der richtigen Weise geformt und positioniert wurde, wird der Transistor mit dem ausgebildeten Emitterbereich und Basisbereich in einer vorgegebenen Entfernung dem Ionenstrahl 22 ausgesetzt, damit dieser auf die Hauptfläche 11 auftreffen kann. Der Halbleiterkörper 10 wird anschließend mit dem Ionenstrahl 20 beaufschlagt, wobei der Strahlwandler 21 eine oszillierende Bewegung ausführt, um den vergrabenen Kollektorbereich 19 mit einem konstanten Störstellenkonzentrationsgradienten auszubilden. Die Ionendosis wird entsprechend der Störstellenkonzentration im vergrabenen Kollektorbereich festgelegt.
Anschließend werden die Emitterelektroden 24 und die Basiselektrode 25 auf der Hauptfläche 11 mit Hilfe einer herkömmlichen Metallisierungstechnik aufgebracht. Für einen Leistungstransistor können die seitlichen Kanten 26 angefast und passiviert werden, wobei ebenfalls herkömmliche Verfahren Verwendung finden.
Schließlich werden weitere Elektroden angebracht, welche mit dem vergrabenen Kollektorbereich in Verbindung stehen.
In Fig. 2 ist ein Transistor ähnlicher Art dargestellt, bei dem mit Hilfe der Erfindung gleichzeitig der vergrabene Kollektorbereich und der Emitterbereich hergestellt werden. Die den Teilen gemäß Fig. 1 entsprechenden Bezugszeichen wurden übernommen, jedoch mit einer davorgesetzten "l". Der in Fig. 2 dargestellte Transistor hat am Rand verlaufende Basisanschlüsse im Gegensatz zu dem Transistor gemäß Fig. 1, bei dem der Basisanschluß im Zentrum liegt. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich
bei
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bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 den Emitterbereich und den vergrabenen Kollektorbereich gleichzeitig auszubilden.
Die beiden Störstellenbereiche lassen sich dadurch gleichzeitig ausbilden, daß der Strahl wandler 21 mit sprunghaft sieh ändernden Dicken versehen ist. Die Form der Oberflächen 123 des Strahl wandler s steuert die Tiefe, die Dicke und den Störstellenkonzentrationsgradienten des vergrabenen Kollektorbereiches 119, wogegen die Oberflächen 123' die Dicke und den Störstellenkonzentrationsgradient des Emitterbereiches 114 steuern. Es wird davon ausgegangen, daß in beiden Bereichen ein konstanter Störstellenkonzentrationsgradient gewünscht wird. Um den Emitterbereich und den vergrabenen Kollektorbereich 114 auf bestimmte Teile des Halbleiterkörpers 10 zu beschränken, sind Ionenschilder 127 vorgesehen. Damit kann danach die Basiselektrode 125 auf der Hauptfläche 11 in elektrischer Kontaktverbindung mit dem Basisbereich 115 ausgehildet werden. Die Dosis des Ionenstrahls wird entsprechend kontrolliert, um die gewünschte Störstellenkonzentration in den vorgesehenen Bereichen auszubilden.
In Fig. 3 ist ein MOS-Feldeffekt-Transistor dargestellt, der in einem integrierten Schaltkreis gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Die Maßnahmen der Erfindung werden dazu benutzt, um einen isolierten Stör Stellenbereich zwischen elektrischen Komponenten herzustellen. Der MOS-Feldeffekt-Transistor wird in einem Halbleiterkörper 210 auf einem Substrat 211 ausgebildet, in dem beispielsweise eine elektrostatische oder epitaxiale Technik Verwendung findet. Die Source- und Drain-Bereiche 212 und 213 werden im Halbleiterkörper vorzugsweise gleichzeitig mit Hilfe einer photographischen Ätzung und einer Diffusion herge
stellt,
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stellt, wobei die beiden Bereiche voneinander entfernt ausgebildet werden, sodaß dazwischen ein Kanalbereich 214 entsteht.
Der Halbleiterkörper wird anschließend in den Strahlengang eines Ionenstrahls 216 gebracht, der nach dem. Durchlaufen des oszillierenden Strahl wandler s 217 auf der Oberfläche 215 auftrifft. Der Ionenstrahl 216 ist ausreichend energiereich, um den Halbleiterkörper 210 zu durchdringen. Der Strahl wandler 217 ist ebenfalls sägezahnförmig an der Oberfläche 218 ausgebildet, um Stör Stellenbereiche 219 herzustellen, die sich über den gesamten Halbleiterkörper mit einem konstanten Störstellenkonzentrations gradient erstrecken. Der Oberflächenverlauf des Sägezahns 218 sowie deren Länge werden entsprechend dem gewünschten Energieniveau des Ionenstrahls 216 sowie entsprechend dem Material des Strahlwandlers 217 und der Breite des Halbleiterkörpers 210 ausgewählt.
Der Leitfähigkeitstyp der Ionen des Ionenstrahls 216 ist entgegengesetzt zu den Störstellen im Halbleiterkörper 210, damit ein pn-übergang 220 im Halbleiterkörper entsteht, welcher den Transistor von den übrigen elektrischen Komponenten der integrierten Schaltung isoliert. Ein Ionenschild 221 wird in den Strahlungsgang des aus dem Strahlwandler austretenden lonenstrahls 222 gebrächt, um den Bereich im Halbleiterkörper 210 abzuschirmen, in welchem der MOS-Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist.
Der isolierende Störstellenbereich 219 kann dann im Halbleiterkörper 210 durch die Bestrahlung der Hauptfläche 215 hergestellt werden. Mit Hilfe dieser Technik können verschiedene elektrisehe Komponenten im Halbleiterkörper 10 elektrisch mit sehr
hoher
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hoher Präzision voneinander isoliert werden, wobei von großem Vorteil ist, daß diese Maßnahme nur kurze Zeit in Anspruch nimmt. Wegen der hohen Auflösung und der genauen Positionierung smöglichke it für den isolierenden Bereich 219 können inner halb eines gegebenen Flächenbereiches der Hauptfläche 215 des Halbleiterkörpers 210 mehr elektrische Komponenten untergebracht werden, wobei auch die Qualität und das Betriebsverhalten der integrierten Schaltung wesentlich verbessert werden kann.
Die Oxydschicht 223 und die passivierende Schicht 224, ebenso wie die Source-Elektrode 225, die Drain-Elektrode 226 und schließlich die Tor-Elektrode 227 werden anschließend auf der Hauptfläche 215 des Halbleiterkörpers in herkömmlicher Technik durch Aufwachsen einer Oxydschicht sowie einer photomechanisehen Ätz- und Metallisierungs-Technik ausgebildet, um den Halbleiteraufbau fertigzustellen.
In Fig. 4 ist ein Halbleiterkörper 310 dargestellt, in welchem ein Stör Stellenbereich mit einem unterschiedlichen Konzentrationsgradienten mit Hilfe der Erfindung ausgebildet ist. Wie man erkennen kann, ist der Stör Stellenbereich ebenfalls im Halbleiterkörper vergraben und kann gewünschtenfalls an Hauptflächen 311 oder 312 angrenzen. Somit ist es möglich, den Stör Stellenbereich für unterschiedliche Verwendungszwecke vorzusehen.
Die Darstellung gemäß Fig. 4 zeigt das Verhältnis zwischen der Form des Strahlwandlers 313 und dem Störstellenbereich 314, wie er im Halbleiterkörper 310 ausgebildet ist. Die Oberflächen 315, 316 und 317 des Strahlwandlers sind bezüglich ihrer Formgebung und Länge auf die Dicke der Störstellenkonzentrationsgra-
dienten
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dienten der Teile 318, 319 und 320 des Halbleiterkörpers abgestimmt. Die maximale Dicke des Strahlwandlers 313 entspricht dem Abstand des Störstellenbereiches 314 von der Hauptfläche unter Berücksichtigung des Materials des Strahl wandlers 313 und der Energiedichte des Ionenstrahls 320. Der übertragene Ionenstrahl 321 entspricht somit bezüglich seiner Energiedichte der gewünschten Positionierung und der Ausbildung des Störstellenkonzentrationsprofils 314 innerhalb des Halbleiterkörpers 310. Zur Ausbildung des Störstellenbereichs wird der Halbleiterkörper 310 durch die Hauptfläche 311 mit dem modifizierten Ionenstrahl 321 beaufschlagt, wobei der Strahl wandler 313 eine oszillierende Bewegung ausführt. Die relative Form des Dotierungsgradienten innerhalb des Stör Stellenbereiche s 314 ist auf der rechten Seite der Fig. 4 schematisch angedeutet.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher ein Halbleiterkörper 1310 mit einem Störstellenbereich versehen wird, dessen Störstellenkonzentrationsgradient in einer periodisch sich wiederholenden Form geändert ist. Im
wesentlichen finden die selben Elemente wie bei dem vorausstehenden Beispiel Verwendung, was durch die vorgestellte "1" bei den Bezugszeichen angedeutet wird. Der Unterschied besteht darin, daß der Störstellenbereich 1314 unmittelbar an die Hauptfläche 1311 anschließt und der Störstellenkonzentrationsgradient entsprechend dem parabolischen Verlauf der Oberfläche 1315 des Strahl wandlers 1313 ausgebildet ist. Dieser Verlauf geht auch aus der schematischen Darstellung auf der linken Seite der Fig. 5 hervor.
In Fig. 6 ist ein dritter Halbleiterkörper 2310 dargestellt, bei welchem zwei Störstellenbereiche mit unterschiedlichen Störstellen-
konzentrationsgradienten
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konzentrationsgradienten gleichzeitig gemäß der Erfindung ausgebildet wird. Auch bei dieser Ausführungsform finden im wesentlichen die selben Elemente wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 Verwendung, was durch die Vorstellung der "2" vor das Bezugszeichen jeweils angedeutet ist. Der Unterschied besteht lediglich in der Positionierung und im Verlauf des Konzentrations gradienten innerhalb der Stör Stellenbereiche, sowie der entsprechenden Formgebung des Strahlwandlers 2313. Die Oberflächen 2315 und 2316 des Strahlwandlers sind sprungförmig gegeneinander versetzt, wobei die Oberflächen 2315 einem Gauss'sehen Verteilungsprofil für den vergrabenen Stör Stellenbereich 2318 entspricht, und die Oberfläche 2316 eine invertierte Gauss'sehe Konzentrations verteilung im vergrabenen Störstellenbereich 2319 bewirken. Der Konzentrationsgradient der beiden Stör Stellenbereiche 2318 und 2319 geht aus der schematischen Darstellung auf der linken Seite der Fig. 6 hervor.
Wie man aus den Darstellungen gemäß Fig. 4, 5 und 6 entnehmen kann, bietet die vorliegende Erfindung eine hohe Flexibilität bezüglieh der Lokalisierung von Störstellenbereichen und der Ausbildung der Konzentrationsprofüe in den Stör Stellenbereichen. Ferner bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Störstellenbereiche in kürzester Zeit mit extrem hoher Genauigkeit herstellen zu können.
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Leerseite

Claims (5)

  1. Patentansprüche
    Y\l Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch Ionenimplantation, dadurch gekennzeichnet,
    - daß ein Strahlwandler (21; 121; 217; 313; 1313; 2313) im Strahlengang des Ionenstrahls angeordnet ist,
    - und daß der Strahlwandler entsprechend der Formgebung sowie der Dicke des Störstellenbereiches und dem Verlauf des Störstellenkonzentrationsgradient entsprechend geformt ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Halbleiteranordnung einer thermischen Wärmebehandlung ausgesetzt wird.
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  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlwandler einer oszillierenden Bewegung unterworfen wird, und daß der Strahlwandler entsprechend der oszillierenden Bewegung geformt ist, um das gewünschte Störstellenprofil zu erhalten.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    - daß der Ionenstrahl im wesentlichen ein monoenergetischer Strahl ist.
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei einander nicht beeinträchtigende Stör Stellenbereiche im Halbleiterkörper ausgebildet sind.
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