DE3743734C2 - Verfahren zur Herstellung von vergrabenen, isolierenden Schichten und damit hergestellter Halbleiterkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Halbleiterkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Das Verfahren ist insbesondere geeignet zur Herstellung von sog. SOI (Silicon on Insulator)-Bauelementen, z. B. für CMOS-Schaltungen. Weiterhin sind dreidimensionale Schal­ tungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar. Herkömmliche Verfahren zur Herstellung einer SiO₂-Schicht unter einer Si-Schicht, sog. SIMOX (Separation by Implan­ ted Oxygen)-Verfahren, sind in einer Veröffentlichung von K. Izumi, M. Doken, H. Ariyoshi, Electronic Letters, Vol. 14, No. 18, S. 593-594 (1978) beschrieben. Durch eine hohe O⁺-Ionen-Implantationsdosis wird in einem bestimmten Ab­ stand von der Halbleiteroberfläche eine O_x-dotierte Schicht erzeugt. Es bildet sich daraus durch Einsatz von zwei Temperprozessen eine stöchiometrische SiO₂-Schicht. Der erste Temperprozeß findet während der Implantation bei einer Temperatur von 400 bis 600°C statt. Beim zweiten sog. Post-Implantations-Temperprozeß, der bei Temperaturen oberhalb 1200°C durchgeführt wird, findet eine Ausdiffusion von Restsauerstoff statt. Die Schichtdicke der verbleiben­ den einkristallinen Si-Oberflächenschicht muß ungefähr 100 bis 300 nm betragen, wenn sie als Bauelementschicht verwendet wird. Deshalb beträgt die Implantationsenergie der O⁺-Ionen üblicherweise 150 bis 400 keV.

Unterhalb der stöchiometrischen SiO₂-Schicht verbleibt eine dicke, kristallographisch geschädigte, einkristalline Schicht. Die hohen Implantionsenergien erzeugen eine Ionenverteilung in der Halbleiterschicht, die einer lang­ sam abklingenden Gauß-Verteilung entspricht und es entsteht deshalb kein scharf begrenzter Implantionsbereich.

Insbesondere die Forderung einer sehr dicken, einkristal­ linen Oberflächenschicht wirkt sich nachteilig auf dieses herkömmliche Verfahren aus. Es sind sehr hohe Implanta­ tionsenergien erforderlich, um das O⁺-Ionen-Implantations­ maximum tief unterhalb der Halbleiteroberfläche zu posi­ tionieren. Je höher jedoch die Implantationsenergie ist, desto mehr wird die Halbleiterschicht durch die Implanta­ tion geschädigt und je länger sind die Ausheilzeiten (<2 Stunden). Die Ausheiltemperaturen müssen ebenfalls höher gewählt werden als bei Niederenergie-Implantationen. Es sind zwei separate Temperprozesse in zwei verschiedenen Anlagen notwendig: ein Temperprozeß in der Implantations­ anlage mit Temperaturen zwischen 400 und 600°C und ein zweiter Temperprozeß bei Temperaturen über 1200°C in einem strahlungsgeheizten Ofen.

Der Gesamtprozeß läuft in drei bis vier Stufen in drei separaten Anlagen ab:

• a) Aufwachsen der Si-Schicht in der Epitaxieanlage,
• b) O⁺-Ionen-Implantation in der Implantationsanlage,
• c) Temperprozeß im strahlungsgeheizten Ofen,
• d) siehe a).

Wird direkt ins Substrat implantiert fällt der Prozeß­ schritt a) weg.

Zur Herstellung mehrerer SiO₂-Schichten ist das herkömm­ liche Verfahren sehr zeit- und arbeitsaufwendig. Außerdem wirken sich die dicken kristallographisch geschädigten einkristallinen Schichten unter jeder SiO₂-Schicht nach­ teilig auf die Bauelementherstellung aus.

Beim herkömmlichen SIMOX-Verfahren findet man oberhalb der einkristallinen Si-Schicht häufig eine stark mit O₂ und C kontaminierte Schicht, die durch häufigen Wechsel der atmosphärischen Bedingungen der verschiedenen Verfahren und durch den Temperprozeß in unreinem N₂ oder Ar zustande kommt. Diese Schicht muß durch einen zusätzlichen Verfah­ rensschritt entfernt werden. Ein weiterer Nachteil her­ kömmlicher Verfahren besteht darin, daß aufgrund der hohen Implantationsenergien von 150 bis 400 keV eine hohe O⁺- Ionendosis erforderlich ist (2 bis 3 · 10¹⁸ cm^-2), um eine stöchiometrische SiO₂-Schicht zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und die damit hergestellten Halbleiterkörper dahin­ gehend zu verbessern, daß durch vereinfachte, arbeitsöko­ nomischen und schonendere Prozeßdurchführung qualitativ hochwertige Halbleiterkörper mit mehrschichtigen Struk­ turen herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 7 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert unter Bezugnahme auf schemati­ sche Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt eine MBE (Molecular Beam Epitaxy)-Implantations- Vorrichtung. In

Fig. 2a bis 2f sind die Prozeßschritte des erfindungs­ gemäßen Verfahrens dargestellt.

Das Verfahren wird in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 durchgeführt. Die wesentlichen Teile der Vorrichtung bestehen aus einer MBE-Anlage 1 zum Aufwachsen einkristal­ liner Halbleiterschichten, vorzugsweise aus Si oder Si_xGe_{1- x}, und einer Ionenimplantationsanlage 2, die zumindest für hohe O⁺-Ionendosen geeignet ist, z. B. ein Hochstromimplan­ ter. Die MBE-Anlage 1 ist konventionell aufgebaut (Lit.: U. König, H.-J. Herzog, H. Jorke, E. Kasper, H. Kibbel, Collected Paper MBE-CST-2, S. 193-196 (1982)). Sie enthält Verdampfungseinrichtungen (Effusionszellen und/oder e-gun) 3 für die Kristallbestandteile, z. B. Si, Ge, und für Dotierstoffe, z. B. Sb, Ga.

Das Substrat 4 befindet sich in einer Substratheizung 5, die üblicherweise für Temperaturen bis zu 1000°C ausgelegt ist. Dieser Temperaturbereich der Subtratheizung 5 ist für das MBE-Verfahren und die Implantationstemperung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausreichend. Dadurch können alle Verfahrensschritte - Epitaxie/Implantation/Tempern - in dieser Substratheizung stattfinden. Sind für die Ausheilung des Halbleiters nach der Implantation höhere Temperaturen (ca. 1200°C) erforderlich, so kann die Sub­ stratheizung ohne großen Aufwand modifiziert werden.

In Fig. 1 ist ein Aufbau der Vorrichtung dargestellt, bei dem der Implantationsstrahl auf den Halbleiterkörper 4 in der MBE-Anlage 1 gerichtet ist (Lit. J. Ota, J- Electro­ chem. Soc. Vol. 126 (10), S. 1761-1764 (1979)). Die Vorrichtung kann jedoch derart modifiziert werden, daß der Implanta­ tionsstrahl in eine gesonderte, ultrahochvakuumdicht an die MBE-Anlage, angeflanschte Implantionskammer einläuft. Der Halbleiterkörper wird dann mit einem Transfersystem von der MBE-Anlage in die Implantationsanlage und zurück transportiert. Außerdem kann eine Temperkammer ultrahoch­ vakuumdicht angeschlossen werden, in der der implantierte Halbleiterkörper separat von MBE- und Implantationsanlage zur Rekristallisation getempert wird. Der Halbleiterkörper wird mit einer derartigen Vorrichtung von der MBE-Anlage in die Implantationskammer transportiert und anschließend mit einem Transfersystem in die Temperkammer zum Ausheilen gebracht. Die Implantations- und die Temperkammer enthal­ ten jeweils eine heizbare Substrathalterung. Für einen derartigen Aufbau der Vorrichtung werden handelsübliche Transfer-, Implantions- und Temperanlagen verwendet.

In den Fig. 2a bis 2f sind die Epitaxie-, Ionen-Implanta­ tions- und Temperschritte dargestellt, die alle in einer gemeinsamen Vorrichtung ausgeführt werden.

In einem ersten Verfahrensschritt werden in ein Substrat 6, z. B. aus n-leitendem Si mit einem spezifischen Wider­ stand von etwa 1000 Ω cm, Sauerstoffionen implantiert (Fig. 2a). Die Ionen-Implantationsdosis und -energie wird nach der LSS (Lindhard-Scharff-Schiott)-Theorie so berechnet, daß eine O⁺-Ionen-Verteilung im Halbleiter entsteht, die einer schnell abklingenden Gauß-Verteilung entspricht. Die O⁺-Ionen-Implantationsenergie beträgt etwa 40 keV und die O⁺-Ionendosie 1 · 10¹⁸ cm^-2. Die O⁺-Ionen-Implantation findet bei einer Temperatur von ungefähr 470°C statt, so daß bereits während der Implantation ein Ausheilen der Kristallschichten stattfindet. Dadurch entsteht ein scharf begrenzter, O⁺-Ionen implantierter Bereich 8, eine gering gestörte, einkristalline Si-Oberflächenschicht 9 sowie eine gering gestörte, einkristalline Si-Unterschicht 7 mit Sauerstoffresten von weniger als 1% (Fig. 2a).

Generell sind bei niederen O⁺-Ionen-Implantationsenergien geringere O⁺-Ionendosen als bei Hochenergie-Implantationen zur Erzielung gleicher O⁺-Dotierung erforderlich.

Die isolierende O⁺-dotierte Schicht 8 liegt aufgrund der geringen Implantationsenergie nur wenige nm unterhalb der Halbleiteroberfläche. Der Halb­ leiter wird durch die geringe Ionen-Implantationsdosis und -energie weniger geschädigt als bei hoher Ionen-Implanta­ tionsdosis und -energie. Der nachfolgende Ausheilprozeß erfordert deshalb vorteilhafterweise niedrigere Tempe­ raturen und eine kürzere Ausheilzeit. Der Temperprozeß findet bei Temperaturen von weniger als 1200°C statt und bewirkt, daß weitere O⁺-Ionen aus dem Halbleiter diffun­ dieren und eine stöchiometrische SiO₂-Schicht 8a entsteht (Fig. 2b). Die SiO₂-Schicht 8a besitzt eine Schichtdicke von etwa 0,2 µm. Die Si-Oberflächenschicht 9a und die Si-Unter­ schicht 7a haben Schichtdicken von 5 bis 30 nm.

Die nahezu ungestörte, einkristalline, dünne Si- Oberflächenschicht 9a dient als Wachstumsunterlage für weitere kristallographisch perfekte, epitaktisch aufge­ wachsene Halbleiterschichten 10, z. B. aus Si und/oder SiGe (Fig. 2c).

Durch eine Wiederholung des erfindungsgemäßen Verfahrens (Fig. 2d, 2e) werden weitere vergrabene SiO₂-Schich­ ten 12 bzw. 12a erzeugt. In den Halbleiterschichten 10a lassen sich aktive und/oder passive Bauelemente herstel­ len, die durch die SiO₂-Schichten 8a, 12a elektrisch isoliert werden.

Auf die nahezu ungestörte einkristalline Oberflächenschicht 13 bzw. 13a können weitere Halbleiterschichten 14 aufge­ wachsen werden (Fig. 2f). Somit lassen sich durch eine geeignete Anordnung von Halbleiterschichten 10a, 14 und isolierenden SiO₂-Schichten 8a, 12a komplexe, dreidimen­ sionale Halbleiterstrukturen erzeugen, aus denen aktive und/oder passive Bauelemente herstellbar sind.

Die O⁺-Ionen-Implantation kann im Halbleiterkörper ganz­ flächig erfolgen oder es können nur selektive Bereiche im Halbleiterkörper implantiert werden. Die selektiven Be­ reiche werden durch geeignete Masken oder durch entspre­ chende Fokussierung des Ionen-Implantationsstrahls er­ zeugt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die damit hergestellten Halbleiterkörper sind nicht auf das beschriebene Ausfüh­ rungsbeispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar. Beispielsweise kann der Halbleiterkörper aus III/V-Halbleiterverbindungen aufgebaut sein und die ver­ grabenen, isolierenden Schichten oder selektiven Bereiche werden z. B. durch Fe-Ionen-Implantation erzeugt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von vergrabenen, isolierenden Schichten in einem strukturierten Halbleiterkörper, insbesondere ein Ionen-Implantationsverfahren, bei dem in einem Substrat oder in einer auf einem Substrat epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschicht ein isolierender Bereich erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß Epitaxie-, Ionen-Implantations- und Temperprozeßschritte des Verfahrens in einer Vorrichtung unter gleichen atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden,
• - daß die Ionendosis und -energie so gewählt werden, daß bereits während der Implantation ein Ausheilen des Halbleitermaterials stattfindet und im Substrat (6) oder in einer Halbleiterschicht (10) ein scharf begrenzter Implantationsbereich (8a, 12a) ausgebildet wird, derart,
• - daß der Implantationsbereich (8a, 12a) durch je eine durch die Implantation nahezu ungestörte einkristalline Oberflächenschicht (9a, 13a) und Unterschicht (7a, 11a) mit Schichtdicken von wenigen nm begrenzt wird, und
• - daß auf der einkristallinen Oberflächenschicht (9a, 13a) Halbleiterschichten (10, 14) defektarm aufgewachsen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen mit einer Energie von weniger als 100 keV im­ plantiert werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperprozeß des Ausheil­ verfahrens während der Ionen-Implantation bei Temperaturen zwischen 400 bis 600°C und nach der Ionen-Implantation bei Temperaturen von weniger als 1200°C und für eine Zeitdauer von weniger als 1 Stunde durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoffionen implantiert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper ganz­ flächig isolierende Schichten (8a, 12a) oder selektiv isolierende Bereiche erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Molekularstrahl-Epitaxie- Verfahren verwendet wird.

7. Halbleiterkörper erhältlich durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß auf einem Substrat (6) aus Si mindestens eine Halbleiterschicht (10, 14) aus Si oder SiGe oder eine Schichtenfolge aus Si und/oder SiGe aufgewachsen ist,
• - daß das Substrat (6) und/oder die Halbleiterschichten (10, 14) isolierende SiO₂-Schichten (8a, 12a) und/oder selektive SiO₂-Bereiche enthalten, die durch nur wenige nm dünne, nahezu ungestörte Halbleiterschichten scharf begrenzt sind, und
• - daß in den Halbleiterschichten (10, 14) aktive und/oder passive Bauelemente herstellbar sind, die durch die SiO₂- Schichten (8a, 12a) elektrisch isoliert sind.