DE3310545C2 - Nicht-massenanalysiertes Ionenimplantationsverfahren - Google Patents

Nicht-massenanalysiertes Ionenimplantationsverfahren

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DE3310545C2 DE3310545A DE3310545A DE3310545C2 DE 3310545 C2 DE3310545 C2 DE 3310545C2 DE 3310545 A DE3310545 A DE 3310545A DE 3310545 A DE3310545 A DE 3310545A DE 3310545 C2 DE3310545 C2 DE 3310545C2
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Abstract

Es wird ein nicht-massenanalysiertes Ionenimplantationsverfahren angegeben, bei dem zwei oder mehr Arten von Ionen derselben Polarität mit stark differierenden Ionenmassen aus einem Verbindungs-Ausgangsmaterial erzeugt werden (4). Die Ionen werden durch Anlegen eines elektrischen Feldes (5) beschleunigt, und die beschleunigten Ionen werden durch Anlagen eines Magnetfeldes (2) abgetastet, so daß sie in ein Target (8) mit einem Verteilungsprofil implantiert werden, das sich mit den Arten der Ionen ändert. Eine Ionenimplantationsvorrichtung kann vereinfacht werden. Ein großer Ionenstrahlstrom mit einer großen Flächengröße kann verwendet werden, und die Ionen können innerhalb einer kurzen Zeitspanne mit einer großen Dosis in das Target (8) implantiert werden. Insbesondere wird das nicht-massenanalysierte Ionenimplantationsverfahren in vorteilhafter Weise zur Herstellung von Solarbatterien verwendet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein nicht-massenanalysiertes Ionenimplantationsverfahren zum Einbringen von Dotierstoff in ein Halbleitersubstrat, bei dem in einer Gasentladung wenigstens zwei Arten von Ionen gleicher Polarität mit unterschiedlichen Ionenmassen erzeugt und als Ionenstrahl in Richtung auf das Substrat beschleunigt werden, wobei als Entladungsgas eine Wasserstoffverbindung des Dotierstoffes verwendet wird.
  • Bei einem derartigen aus "Nuclear Instruments and Methods", Bd. 189, 1981, S. 205 bis 210, bekannten Verfahren laufen die elektrostatisch mit Spannungen im kV-Bereich beschleunigten Ionen nach Verlassen der Beschleunigungsstrecke geradlinig in Richtung auf das zu dotierende Halbleitersubstrat. Das bekannte Verfahren wird zur Herstellung von Silicium- Solarzellen verwendet, wobei als geeignete Wasserstoffverbindungen des Entladungsgases B2H6 und PH3 beispielhaft genannt sind.
  • Aus dem JP-Abstract 56-69 826 (A) ist es weiterhin bekannt, bei einem Ionenimplantationsverfahren den aus einer Ionenquelle hervortretenden Ionenstrahl einer Massentrennung mit einem Elektromagneten zu unterwerfen, so daß nur eine Ionenart austritt. Dabei wird ein Magnetfeld verwendet, das sich in einer Richtung vertikal zur Flugrichtung der Ionen periodisch ändert, um abwechselnd den massenanalysierten Ionenstrahl auf benachbart liegende Substrate auftreffen zu lassen, so daß die Zahl der bearbeiteten Substrate verdoppelt wird.
  • Demgegenüber werden bei dem herkömmlichen eingangs genannten nicht-massenanalysierten Ionenimplantationsverfahren sämtliche Ionenarten einschließlich der H&spplus;-Ionen in das Substrat implantiert.
  • Aus Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 20, 1981, Supplement 20-2, S. 39 bis 44, sowie H. Itoh et al., Vortrag "Silicon Solar Cell Fabrication using a High Speed Junction processor", 13th Conference on Solid State Devices, Tokio, 1981, veröffentlicht in Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 21, 1982, Supplement 21-1, S. 443 ist es weiterhin bekannt, die Dosis der H&spplus;-Ionen relativ zur Dosis von Dotierstoff-Ionen dadurch zu reduzieren, daß entweder ein Massenseparator mit niedriger Auflösung verwendet wird, mit dem beispielsweise die Ionen P&spplus;, PH&spplus;, PH&sub2;&spplus; und PH&sub3;&spplus; von den H&spplus; und H&sub2;&spplus;-Ionen getrennt werden oder eine Ionenquelle benutzt wird, die mit 100% festem roten Phosphor betrieben wird, so daß nur P&spplus;, P2+ und P&sub2;&spplus;- Ionen entstehen und somit ein zusätzlicher Massenseparator nicht erforderlich ist.
    •
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, das bekannte Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß auf einfache Weise und ohne Einschränkung der Entladungsbedingungen der Ionenquelle eine Reduktion der Dosis von H&spplus;-Ionen relativ zur Dosis von Dotierstoffionen im Halbleitersubstrat erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Ionenstrahl in einer Richtung quer zur Beschleunigungsrichtung magnetisch so abgetastet wird, daß die Abtastspannweite der H&spplus;-Ionen im Ionenstrahl größer als die mit den Dotierstoffionen zu dotierende Fläche ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die magnetische Abtastung eine Auffächerung des Ionenstrahles erreicht derart, daß ein Großteil der H&spplus;-Ionen am zu dotierenden Substrat vorbeigeht.
  • Vorzugsweise wird zum Abtasten des Ionenstrahls ein Magnetfeld verwendet, das sich in einer Richtung vertikal zur Flugrichtung der Ionen periodisch ändert. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
    •
  • Im folgenden werden anhand der Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt in
  • Fig. 1 ein Massen-Spektrum von Ionenstrahlen, die mit einer Mikrowellen-Ionenquelle mit PH3 als Entladungsgas erzeugt werden,
  • Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Einflusses der Dosis von implantierten H&spplus;-Ionen auf die Leerlaufspannung einer Solarzelle und in
  • Fig. 3 eine schematische Darstellung einer nicht-massenanalysierten Ionenimplantationsvorrichtung mit Magnetfeldabtastung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ionenimplantationsverfahrens verwendet wird.
  • Wenn beispielsweise ein Entladungsgas aus PH3 verwendet wird, werden Ionenarten in der in Fig. 1 dargestellten Weise erzeugt, wo die Abszisse das Massen/ Ladungs-Verhältnis oder m/q-Verhältnis in willkürlichen Einheiten angibt. Aus Fig. 1 ergibt sich, daß zusätzlich zu P&spplus;-Ionen auch P&sub2;&spplus;, P++, PH&spplus;, PH&sub2;&spplus;, PH&sub3;&spplus;, H&spplus;, H&sub2;&spplus; und H&sub3;&spplus;-Ionen erzeugt werden. Gemäß der massenanalysierten Ionenimplantation werden selektiv P&spplus;-Ionen verwendet, während gemäß der nicht-massenanalysierten Ionenimplantation sämtliche Ionen gleichzeitig in das Halbleitersubstrat implantiert werden. Eine überlagerte Implantation von anderen Ionen als P&spplus;-Ionen auf eine P&spplus;- Ionenimplantation wurde experimentell mit einem massenanalysierten Ionenimplantationsverfahren untersucht, um herauszubekommen, welchen Einfluß andere Ionenarten als die P&spplus;-Ionen auf die Solarzelleneigenschaften haben. Es stellte sich experimentell heraus, daß Ionen, wie z. B. P&sub2;&spplus;, P++, PH&spplus;, PH&sub2;&spplus; und PH&sub3;&spplus;, die Phosphor enthalten, sich in wirksamer Weise als Dotierstoffquelle verwenden lassen. Die experimentellen Ergebnisse zeigten jedoch, daß die Implantation von H&spplus;-Ionen, insbesondere bei einer Implantationsenergie von 33 keV und einer Glühtemperatur von 850°C, die für eine Dauer von 30 Minuten durchgeführt wurde, einen sehr nachteiligen Einfluß hatte. In diesem Zusammenhang darf Bezug genommen werden auf den o. g. Artikel in Japanese J. Appl. Phys., Vol. 20. Der nachteilige oder schädliche Einfluß der H&spplus;-Ionenimplantation wurde bei Solarzelleneigenschaften beobachtet, insbesondere der Leerlaufspannung, und es stellte sich heraus, daß eine Kontrolle der Dosis der implantierten H&spplus;-Ionen erforderlich war.
  • Zur Untersuchung der Ursache für den nachteiligen Einfluß wurden Transmissionselektronen-Mikroskopbeobachtungen und DLTS-(Übergangsspektroskopie für tiefliegende Niveaus) Messungen durchgeführt, um herauszufinden, daß die implantierten H&spplus;-Ionen vom kristallinen Substrat zu ungefähr 100% bei einer Temperatur von 700°C oder mehr verdampft wurden; aber Beschädigungen im Kristall, die durch die H&spplus; -Ionenimplantation hervorgerufen wurden, erzeugten nach dem Ausglühen Kristallgitterfehler und Anlagerungszentren, die sich in der Nähe des Überganges befanden.
  • Es erscheint somit einsichtig, daß die Implantation von H&spplus;-Ionen in das Halbleiter- Target zu ungünstigen Ergebnissen führt. Es war somit wünschenswert, die oben erläuterten Probleme zu lösen, indem man die Vorteile der nicht-massenanalysierten Ionenimplantation nutzt, die insofern vorteilhaft ist, als Ionen in das Substrat mit einer hohen Dosis, innerhalb einer kurzen Zeitspanne und mit einer vereinfachten Vorrichtung implantiert werden können.
  • Wenn ein elektromagnetisches Feld an die Ionenstrahlen angelegt wird, werden die verschiedenen Ionenarten einem unterschiedlichen Einfluß durch das elektromagnetische Feld unterworfen. Wenn ein Magnetfeld in einer Richtung quer zur Flugrichtung der Ionenstrahlen angelegt wird, wirkt typischerweise die Lorentz-Kraft in einer Richtung auf die Ionen, die vertikal sowohl zur Flugrichtung als auch zur Magnetfeldrichtung steht, und sie werden entsprechend den Werten von q/m abgelenkt. Durch Abtasten "Scan" des Magnetfeldes können unterschiedliche Ionenarten über verschiedene Abtast-Längen abgetastet bzw. durchgefahren werden.
  • Das Verhältnis der Abtastlänge zwischen zwei Ionenarten gleicher Ladung kann so approximiert werden, daß es im umgekehrten Verhältnis zur Quadratwurzel des Massenverhältnisses steht. Somit nimmt der prozentuale Anteil an Ionen mit einer großen Masse im mittleren Bereich der Abtastung zu, während der prozentuale Anteil an Ionen mit einer kleinen Masse an der Peripherie der Abtastung zunimmt. Wenn beispielsweise ein einwertiges Ion mit der Masse 100 über eine Breite von 1 cm abgetastet wird, so wird davon ausgegangen, daß ein einwertiges Ion von der Masse 1 über eine Breite von ungefähr 10 cm abgetastet wird.
  • Wasserstoffverbindungen sind gegenüber Halogenverbindungen weniger korrodierend und leicht zu handhaben und besitzen außerdem ein großes Ionenmassenverhältnis.
  • Ein einwertiges Borion und ein einwertiges Wasserstoffion, die beide aus Diboran B2H6 erzeugt werden, werden ein Massenverhältnis von ungefähr 10,8 und ein Abtastbreitenverhältnis von ungefähr 3,29 liefern. Somit kann mit diesen Ionen die Dosis von implantierten Wasserstoffionen im Zentrum ungefähr ¹/&sub3; oder weniger sein.
  • Ein einwertiges Phosphorion und ein einwertiges Wasserstoffion, die aus Phosphin PH3 erzeugt werden, werden ein Massenverhältnis von ungefähr 31 und ein Abtastbreitenverhältnis von ungefähr 5,6 liefern. Bei Arsin AsH3 werden die daraus erzeugten einwertigen Arsen- und Wasserstoffionen ein Massenverhältnis von ungefähr 75 und ein Abtastbreitenverhältnis von ungefähr 8,6 liefern.
  • Da Phosphin und Arsin in der Lage sind, ein Massenverhältnis von 25 oder mehr zu liefern, können Verunreinigungsionen in wirksamer Weise in ein Halbleitertarget implantiert werden, und die Dosis an implantierten Wasserstoffionen kann auf einen Wert von ungefähr ¹/&sub5; oder weniger gebracht werden, indem man die Breite des Substrats innerhalb der Abtastbreite von einwertigen Phosphorionen oder einwertigen Arsenionen anpaßt.
  • Somit kann aufgrund der Abtastung der Ionenstrahlen gemäß der Erfindung eine Beschädigung des Halbleiters durch die H&spplus;-Ionenimplantation in der oben beschriebenen Weise erheblich gemildert und außerdem die Verteilung der implantierten Ionen im Substrat gleichmäßig gemacht werden.
  • Bei der nicht-massenanalysierten Ionenimplantation kann leicht ein großer Ionenstrom verwendet werden. Um diesen Vorteil in wirksamer Weise auszunutzen, kann eine Ionenquelle, wie z. B. eine Mikrowellen-Ionenquelle, die in der Lage ist, ohne weiteres einen großen Ionenstrom zu liefern, bevorzugt verwendet werden, jedoch ist die Bauart der Ionenquelle nicht darauf beschränkt.
  • Das Zentrum der Abtastbreite ist an die bevorzugte Implantation von schweren Ionen angepaßt, und die Peripherie oder die Außenbereiche der Abtastbreite sind an die bevorzugte Implantation von leichten Ionen angepaßt.
  • Das Abtasten von Ionenstrahlen kann ohne weiteres mittels eines Elektromagneten durchgeführt werden. Das Abtasten kann in unterschiedlicher Weise erfolgen, z. B. durch Änderung des Stromes in alternierender Weise, Überlagerung einer Gleichspannungs-Vorspannung oder Verwendung eines Sägezahn- oder Sinuswellen-Stromes.
  • Experimentell wurden Ionenstrahlen mit einem Magnetfeld bei einem nicht-massenanalysierten Ionenimplantationsverfahren abgetastet, um aufzuzeigen, daß aufgrund der Massendifferenz zwischen einem P&spplus;-Ion und einem H&spplus;-Ion die Abtastbreite für einen P&spplus;-Ionenstrahl größer gemacht werden kann als für einen H&spplus;-Ionenstrahl und daß das Verhältnis zwischen den Dosen von implantierten P&spplus;-Ionen und H&spplus;-Ionen ein Bruchteil oder weniger sein kann. Bei einer Gesamtdosis von P mit dem Wert von 5 × 1015 cm-2 ist es möglich, die Dosis von H&spplus;-Ionen auf 5 × 1014 cm-2 zu reduzieren, die so minimal ist, daß der nachteilige Einfluß der H&spplus;- Ionenimplantation auf die Ausgangscharakteristiken einer Solarzelle vernachlässigt werden kann.
  • Wenn Ionen in ein Halbleitersubstrat implantiert werden, das eine größere Fläche besitzt als die Strahlflächengröße, so wird der Strahl auf dem Substrat abgetastet, und das Substrat kann kontinuierlich in einer Richtung vertikal zur Strahlabtastrichtung bewegt werden, um es auf diese Weise zu ermöglichen, daß die Dosis in der Substratoberfläche gleichmäßig gemacht wird und eine kontinuierliche Bearbeitung gewährleistet ist.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher erläutert. Ein Substrat 8 bestand aus einem Siliziumsubstrat mit p-Leitfähigkeit und einem spezifischen Widerstand von 3Ω· cm. Eine nicht-massenanalysierte Ionenimplantationsvorrichtung weist eine Mikrowellen-Ionenquelle 1, einen Strahlabtastmagnetbereich 2 und eine Implantationskammer 3 auf. Die Ionenquelle 1 umfaßt eine Ionenerzeugungskammer 4 und einen Beschleunigungsbereich 5. Die Beschleunigungsenergie lag normalerweise im keV-Bereich. Magnete sind oberhalb und unterhalb der Zeichenebene angeordnet und das Substrat 8 wird vertikal zur Zeichenebene bewegt. Als Entladungsgas wurde PH3 verwendet, und der Ionenstrahl wurde so abgetastet, daß das Verhältnis zwischen einer Strahlstromdichte, die nicht der Abtastung unterworfen war und derjenigen, die der Abtastung unterworfen war, ungefähr 0,6 bis 0,7 betrug; die Gesamtdosis wurde auf 5 × 1015cm-2 eingestellt.
  • Wie schematisch in Fig. 3 dargestellt, ist die Abtastbreite von P&spplus;-Ionen mit dem Bezugszeichen 6 und die Abtastbreite von H&spplus;-Ionen mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. Das Verhältnis zwischen der Gesamtdosis und der Dosis von H&spplus;-Ionen, wenn sie nicht der Strahlabtastung unterworfen waren, betrug 0,2, aber es ging auf 0,1 oder weniger, wenn es der Strahlabtastung unterworfen war. Nach der Ionenimplantation wurde das Substrat 8 in einer Atmosphäre von trockenem N2-Gas bei einer Temperatur von 850°C geglüht, um einen n&spplus;p-Übergang herzustellen. Elektroden wurden auf den vorderen und rückseitigen Oberflächen des Substrates mit einem Druckvorgang ausgebildet, und es wurde ein Anti- Reflexions-Beschichtungsfilm hergestellt, um auf diese Weise eine Solarzelle zu vervollständigen. Die so hergestellte Solarzelle zeigt einen Umwandlungswirkungsgrad von 14 bis 14,5% unter der Bedingung eines AMl Solarsimulators, wobei dieser Umwandlungswirkungsgrad vergleichbar ist mit dem einer Solarzelle, die mit massenanalysierter Ionenimplantation hergestellt wird. Das bedeutet, daß der nachteilige Einfluß der H&spplus;-Ionenimplantation im wesentlichen beseitigt werden kann. Der Ausdruck AMl bezeichnet das Solarspektrum auf der Erdoberfläche unter optimalen Bedingungen auf Meereshöhe mit der Sonne im Zenith.
  • Für die Ionenimplantation in ein Kristallplättchen mit 100 mm Durchmesser benötigt man üblicherweise 20 bis zu einigen 10 Sekunden im Falle der massenanalysierten Ionenimplantation, aber nur einige Sekunden im Falle der nichtmassenanalysierten Ionenimplantation. Das bedeutet, daß die Kristallplättchen-Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden kann und die pn-Übergangherstellungskosten reduziert werden können. Das Entladungsgas einer Wasserstoffverbindung, die bei dieser Ausführungsform verwendet wird, ist einfach zu handhaben. Außerdem verringert die Abtastung der Ionenstrahlen mit dem Magnetfeld die Dosis von H&spplus;-Ionen im Vergleich zu der Dosis des Dotierungsions, so daß der nachteilige Einfluß der H&spplus; -Ionenimplantation vernachlässigt werden kann. Darüber hinaus ist die Strahlabtastung dahingehend wirksam, daß die Ionenimplantation in das Substrat gleichförmig gemacht wird.
  • Die Ionenimplantationsvorrichtung, bei der der Massenanalysator entfällt, kann vereinfacht und weniger kostspielig hergestellt werden, und die Beseitigung eines Magnetfeldgenerators für die Massenanalyse kann die laufenden Kosten verringern. Außerdem kann die reduzierte Ionenstrahllaufstrecke eine Verringerung oder Reduzierung des Strahlstromes auf dem Wege der Laufstrecke unterdrücken und somit den Wert des Strahlstromes erhöhen. Vorteilhafterweise können die Ionenimplantations-Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht und die Verarbeitungskosten reduziert werden.

Claims (6)

1. Nicht-massenanalysiertes Ionenimplantationsverfahren zum Einbringen von Dotierstoff in ein Halbleitersubstrat, bei dem in einer Gasentladung wenigstens zwei Arten von Ionen gleicher Polarität mit unterschiedlichen Ionenmassen erzeugt und als Ionenstrahl in Richtung auf das Substrat beschleunigt werden, wobei als Entladungsgas eine Wasserstoffverbindung des Dotierstoffes verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl in einer Richtung quer zur Beschleunigungsrichtung magnetisch so abgetastet wird, daß die Abtastspannweite der H&spplus;-Ionen im Ionenstrahl größer als die mit den Dotierstoffionen zu dotierende Fläche ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abtasten des Ionenstrahls ein Magnetfeld verwendet wird, das sich in einer Richtung vertikal zur Flugrichtung der Ionen periodisch ändert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserstoffverbindung mit einem Element der Gruppen III oder V verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserstoffverbindung verwendet wird, die aus Phosphin (PH3) oder Arsin (AsH3) besteht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsspannung der Ionen einige kV beträgt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in einer Richtung senkrecht zur Abtastrichtung bewegt wird.
DE3310545A 1982-03-24 1983-03-23 Nicht-massenanalysiertes Ionenimplantationsverfahren Expired DE3310545C2 (de)

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