DE3419992A1 - Heterodotierung von halbleitermaterialien - Google Patents
Heterodotierung von halbleitermaterialienInfo
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Description
rtenreuthvweiher Patentbeschreibung Heterodot.
6 Seiten + 1 BxId
J 3A19992
Patentbeschreibung Heterodotierung von Halbleitermaterialien
Die Leitfähigkeit wird in herkömmlichen Halbleitermaterialien
durch Dotierzentren bestimmt, die mit geringer Aktivierungsenergie ein Loch oder ein Elektron an das Valenz- bzw. Leitungsband
im Halbleiter abgeben können /1/. Dotierzentren werden durch Fremdatome, z.B. Bor oder Phosphor in Silicium, durch
Eigendefekte im Halbleiter oder auch durch Moleküle (Dotierkomplexe) erzeugt. Durch die Art und die Konzentration der Dotierzentren
ist der Leitungstyp (Elektronen- oder Löcherleitung) und die Leitfähigkeit des Halbleiters gezielt eingestellt, wie
sie in Halbleiterbauelementen benötigt wird. Ein Nachteil dieser herkömmlichen Dotierung entsteht dadurch, daß der
Dotierstoff homogen im Halbleitermaterial eingebettet ist und durch die statistische Verteilung der Raumladungszentren
Streuung der beweglichen Ladungsträger verursacht, die die Beweglichkeit reduziert /2/. Bei tiefen Temperaturen (T<;100K)
wirkt sich diese Streuung besonders stark in der Beweglichkeit aus /3/. Bei tiefen Temperaturen frieren zusätzlich
Ladungsträger in die Störzentren aus, so daß die Leitfähigkeit sehr stark durch die Verminderung der beweglichen Ladungsträgerkonzentration
eingeschränkt wird /A/.
Die genannten Nachteile der herkömmlichen Dotierung werden erfindungsgemäß durch die Heterodotierung von Halbleiterkristallen
vermindert bzw. das Ausfrieren von Ladungsträgern völlig verhindert. In dieser Heterodotierung werden die Dotierzentren
nicht im Halbleitermaterial selbst, sondern in eingeschlossenen Bereichen aus einem Halbleitermaterial oder Isolator
eingebaut. Eine solche Heterodotierung ist in der Figur 1 schematisch gezeigt. Im Halbleitermaterial mit Energielücke
En-E sind statistisch verteilt Einschlüsse vorhanden, die
aus einem.Material bestehen, das eine größere Energielücke
COPY M
als das Halbleitermaterial selbst besitzt (Ε* - E* >E^ - E.1?).
ο VLV
Die Dotierstoffe sind nur in diesen Einschlüssen vorhanden.
Es ist wichtig, daß durch die Potentialbarriere diese Dotierzentren energetisch höher liegen als die Leitungsbandkante
I H
im Halbleiter, d.h. ΕΦ>ΕΠ. Hierdurch werden Ladungsträger aus den Einschlüssen an das Halbleitermaterial abgegeben. Die Potentialbarriere verhindert, daß selbst bei tiefen Temperaturen Ladungsträger in die Dotierzentren in den Einschlüssen ausfrieren können. Durch diesen Mechanismus wird erreicht, daß die Dotierzentren und die beweglichen Ladungsträger räumlich getrennt sind. Die Streuung der beweglichen Ladungsträger ist erheblich reduziert. Die beweglichen Ladungsträger können nicht mehr in die Dotierzentren ausfrieren, da der Übergang durch die Heterobarriere verhindert wird.
im Halbleiter, d.h. ΕΦ>ΕΠ. Hierdurch werden Ladungsträger aus den Einschlüssen an das Halbleitermaterial abgegeben. Die Potentialbarriere verhindert, daß selbst bei tiefen Temperaturen Ladungsträger in die Dotierzentren in den Einschlüssen ausfrieren können. Durch diesen Mechanismus wird erreicht, daß die Dotierzentren und die beweglichen Ladungsträger räumlich getrennt sind. Die Streuung der beweglichen Ladungsträger ist erheblich reduziert. Die beweglichen Ladungsträger können nicht mehr in die Dotierzentren ausfrieren, da der Übergang durch die Heterobarriere verhindert wird.
Der Effekt der Heterodotierung ist bekannt für geschichtete Strukturen, die durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt
werden /5/. Hier wird der Effekt "Modulationsdotierung" genannt, da regelmäßig alternativ dotierte Schichten und undotierte
Schichten mit höherem und kleinerem Bandabstand eptitaktisch hergestellt werden.
Die Erfindung betrifft im allgemeinen statistisch räumlich verteilte dreidimensionale Einschlüsse, in die die Dotierung
eingebaut ist. Solche Einschlüsse entstehen z.B. durch Ausscheidung von SiOp in hoch mit Sauerstoff dotiertem "Silicium-Halbleitermaterial
nach Langzeittemperung bei 65O0C. Das SiO? ist ein Isolator,
der durch Defekte in der regelmäßigen Anordnung der Atome eine positive Raumladung aufweist. Die positive Raumladung
ist aus der Grenzflächenphysik der Ebenen SiO?-Si-Struktur
bekannt /6/. Durch die statistische Verteilung der Einschlüsse und die Abgabe der Elektronen an das Halbleitermaterial mit
Verbleib der positiven Gegenladung in den Isolatoreinschlüssen
EPO COPY
Heterodot. 3
wird Leitfähigkeit des Halbleitermaterials Silicium erzeugt, ohne daß dieses Material selbst dotiert sein muß /7/.
Aus der Grenzflächenphysik ist bekannt, daß neben den Eigendefekten
in SiO2 durch gezielte Dotierung mit Alkaliionen, insbesondere
Natrium, Kalium und Cäsium eine positive Raumladung erzeugt werden kann /6/. Die Heterodotierung kann daher durch Dotierung
der Ausscheidungen mit Alkaüionen erhöht werden. Andere isolierende Ausscheidungen z.B. Si N, sind nach Stickstoffanreicherung
von Silicium möglich.
An die Größe und Verteilung der Einschlüsse werden Anforderungen
durch die Raumladungsverteilung gestellt. Die Minimalgröße v·
ergibt sich in der Praxis durch die Keimbildung für Ausscheidungen f
zu etwa 50 A Durchmesser. Für diese Größe ist bereits eine *·
Heterostrukturbarriere ausgebildet /6/. Die weitere untere Grenze r '. Λ der Einschlußgröße entsteht durch die Raumladung
mm
im Einschluß, die eine Bandverbiegung im Isolator verursacht. Die Bandverbiegung muß ausreichend klein (AV<10kT/q) sein,
damit Ladungsträger den Einschluß durch Temperaturaktivierung verlassen können
q2m
wobei q der Betrag der Elementarladung, k die Boltzmann-Konstante,
ε die Dielektrizitätskonstante und m die Zahl der Ladungen ο
im Einschluß sind. Ein typischer Wert für die minimale Größe der Ausscheidung ist in der gleichen Größenordnung wie -der
durch die Keimbildung vorgegebene Wert r . = 6OA bei m=10 Ladungen
im Einschluß. Bei geringeren Ladungsanzahlen sind auch kleinere Werte für rJ-;n möglich. Kleinere Einschlüsse können direkt
bei epitaktischem Wachstum durch Strukturieren mit Lithographie nach dem Silicon-on-Insulator Verfahren (SOI) hergestellt
EPO COPY
Heterodot. 4 /
werden. Bei diesem Verfahren sind auch regelmäßige Strukturen in einer Gitteranordnung für die Einschlüsse möglich, die
voraussichtlich eine noch verbesserte Leitfähigkeit durch geringere Streuung zur Folge haben /8/.
Für eine homogene Dotierung ist erforderlich, daß in den
Zwischenräumen zwischen den Einschlüssen die erzeugte Ladungsträgerdichte sich angenähert homogen verteilt, um eine gleichmäßige
Dotierung zu erhalten. Dies bedeutet, daß der mittlere Abstand zwischen den Einschlüssen kleiner oder höchstens gleich einer
H 1/2
Debyelänge X^MkiTe ε /q2n) der beweglichen Ladungsträger mit Dichte η sein muß. Aus dieser Bedingung ergibt sich eine Grenze für die mögliche Konzentrierung der Dotierladungen von m Ladungen im Heterobereich im Gegensatz zu der gleichmäßigen Verteilung durch Dotierzentren mit 1 Ladung pro Zentrum, Die Ladungen im Halbleiterbereich werden zusätzlich verdichtet durch den Ausschluß aus dem Heterobereich der Einschlüsse, wodurch möglicherweise das Volumen verkleinert wird. Die Bedingung lautet:
Debyelänge X^MkiTe ε /q2n) der beweglichen Ladungsträger mit Dichte η sein muß. Aus dieser Bedingung ergibt sich eine Grenze für die mögliche Konzentrierung der Dotierladungen von m Ladungen im Heterobereich im Gegensatz zu der gleichmäßigen Verteilung durch Dotierzentren mit 1 Ladung pro Zentrum, Die Ladungen im Halbleiterbereich werden zusätzlich verdichtet durch den Ausschluß aus dem Heterobereich der Einschlüsse, wodurch möglicherweise das Volumen verkleinert wird. Die Bedingung lautet:
(N1J173Z(I-N1V0) £ (6kT eeo)/(q2m)
wobei N die räumliche Dichte der Heterobereiche mit Volumen V und m>1 die Anzahl der Ladungen pro Heterobereich sind.
0 I
Diese Bedingung bedeutet, daß die Dichte N bei etwa 1-10
T 1 R 1 R T
Ladungen pro Heterobereich N <10 ...10 cm" ist. Dieser
Wert liegt in der Größenordnung für praktische Anwendungen.
In der Praxis wird es so sein, daß Dotierzentren nicht nur im Heterobereich, sondern auch am Rand der Einschlüsse erzeugt
werden. Im Randbereich an der Grenzfläche der HeteroStruktur sind die Energielagen der Dotierzentren im allgemeinen energetisch
gleichmäßig verteilt, so daß auch Zentren mit Energien E„<E(-, |
auftreten werden. Um eine Dotierung des Halbleiters mit den
EPOCOPY 0}
Heterodot. 5
Eigenschaften der Heterodotierung zu erhalten, muß daher gefordert werden, daß die Konzentration der Zentren mit I
größer ist als die Konzentration am Rand mit E„<E.
'C Die Bedingung lautet:
Durch geeignete Temperung in Wasserstoffatmosphäre läßt sich
diese Bedingung einstellen /7/.
/1/ E.Spenke: "Elektronische Halbleiter", Springer Verlag /2/ G.Baccarani, P.Ostoja: "Electron mobility empirically
related to the phosphorus concentration in silicon"
Sol.St.Electron. ]_8_ (1975) 579
/3/ Landolt-Börnstein 17a (Hrsg. O.Madelung, M.Schulz, H.Weiss)
"Semiconductor Data" , Seite 377, Figs. 16 bis 19 /4/ J.Blakemore "Semiconductor statistics", Viley Verlag
/5/ A.C.Gossard in "Solid State Devices 1983" Hrsg. E.H.Rhoderick
Inst.of Physics Conf.Ser. No. 69. The Institute of Physics
Bristol and London 1984, Seite 1 bis 14 (sh.Fig.9) /6/ A.Goetzberger, E.Klausmann, M.Schulz "Interface States
on Semiconductor/Insulator Surfaces"
CRC Reviews in Sol.St.Sei. 6_ (1976) 1
/7/ K.H.Hölzlein, G.Pensl, M.Schulz "Trap spectrum of the "New Oxygen Donor" in Silicon"
zur Publikation eingereich in Appl.Physics
/8/ H.W.Lam, Z.P.Sobczak, R.F.Pinizzotto, A.F.Tasch
"Device fabrication in (100) silicon-on-oxide produced by scanning cw-laser-induced lateral seeding technique"
IEEE-Trans. ED-29 (1982) 389
EPO COPY
Heterodot. 6
Bi.1 dbeschreibung:
•Fig. 1: Schematische Energiebandstruktur für Heterodotierung
eines Halbleitermaterials durch verteilte Einschlüsse von dotiertem Material mit großer Energielücke.
Claims (1)
- Patentansprüche.1\ Heterodotierung von Halbleitermaterialiendadurch gekennzeichnet, daß im Halbleitermaterial bewegliche Ladungsträger durch kleine halbleitende oder isolierende räumlich verteilte dreidimensionale Einschlüsse mit höherer Energielücke erzeugt werden und daß diese Ladungsträger durch die Strukturbarriere um die Einschlüsse verhindert werden, die in den Einschlüssen vorhandenen Dotierzentren zu besetzen (E >En). " "■' " '■· »2. Anspruch nach 1dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse aus Silicium-Dioxid in Siliciumbestehen.3. Anspruch nach 1dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse aus Silicium-Nitrid in Siliciumbestehen.4. Anspruch nach 1dadurch gekennzeichnet, daß die Dotieranordnung durch ein regelmäßiges Gitter von Einschlüssen erzeugt wird.Anspruch nach 1dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse mit speziellen Dotierstoffen, die Ladungsträger im Halbleiter erzeugen, dotiert sind.EPO CÖPYHeterodot./Ansprüche Seite 26. Anspruch nach 1, 2 unddadurch gekennzeichnet, daß zur Dotierung der Einschlüsse Alkaliionen in SiO verwendet werden.7. Anspruch nach 1dadurch gekennzeichnet, daß in oder am Rand der Einschlüsse verschiedene Dotierzentren vorhanden sind, die Ladungsträger in das Halbleitersubstrat abgeben können und daß in diesem Fall die Konzentration der Dotierzentren N mit ET>EP größer als die Konzentration N mit ET<ET υEPO COPY
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19843419992 DE3419992C2 (de) | 1984-05-29 | 1984-05-29 | Heterodotiertes Halbleitermaterial |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19843419992 DE3419992C2 (de) | 1984-05-29 | 1984-05-29 | Heterodotiertes Halbleitermaterial |
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|---|---|
| DE3419992A1 true DE3419992A1 (de) | 1985-12-05 |
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|---|---|---|---|
| DE19843419992 Expired DE3419992C2 (de) | 1984-05-29 | 1984-05-29 | Heterodotiertes Halbleitermaterial |
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|---|---|---|---|---|
| DE4041679C2 (de) * | 1990-12-22 | 2003-05-22 | Voss Automotive Gmbh | Rohrverschraubung |
-
1984
- 1984-05-29 DE DE19843419992 patent/DE3419992C2/de not_active Expired
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| NICHTS-ERMITTELT * |
Also Published As
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|---|---|
| DE3419992C2 (de) | 1987-02-26 |
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