DE4223403C1 - Verfahren zur Erzeugung von strukturierten, dotierten Bereichen auf Festkörpern - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von strukturierten, dotierten Bereichen auf Festkörpern

Info

Publication number
DE4223403C1
DE4223403C1 DE19924223403 DE4223403A DE4223403C1 DE 4223403 C1 DE4223403 C1 DE 4223403C1 DE 19924223403 DE19924223403 DE 19924223403 DE 4223403 A DE4223403 A DE 4223403A DE 4223403 C1 DE4223403 C1 DE 4223403C1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
amorphous layer
doping
solid
etching
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE19924223403
Other languages
English (en)
Inventor
Albert Dr Engelhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE19924223403 priority Critical patent/DE4223403C1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE4223403C1 publication Critical patent/DE4223403C1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48—Ion implantation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5806—Thermal treatment
    • C23C14/5813—Thermal treatment using lasers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5893—Mixing of deposited material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/24—Deposition of silicon only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/56—After-treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/22—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities
    • H01L21/225—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities using diffusion into or out of a solid from or into a solid phase, e.g. a doped oxide layer
    • H01L21/2251—Diffusion into or out of group IV semiconductors
    • H01L21/2254—Diffusion into or out of group IV semiconductors from or through or into an applied layer, e.g. photoresist, nitrides
    • H01L21/2257—Diffusion into or out of group IV semiconductors from or through or into an applied layer, e.g. photoresist, nitrides the applied layer being silicon or silicide or SIPOS, e.g. polysilicon, porous silicon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Weting (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von strukturierten, dotierten Bereichen auf Festkörpern durch lokale Laserbestrahlung, bei wel­ chem Dotierstoffe in einer Schicht auf der Festkörperoberfläche bereitgestellt werden. Ein solches Verfahren findet Verwendung im Bereich der Halbleiterferti­ gung bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen, Transistoren, Dioden und sonstigen aktiven und passiven elektronischen oder optoelektronischen Bauteilen, insbesondere auf Siliziumbasis.
Die gängigen industriellen Verfahren sowie Verfahren aus Forschung und Ent­ wicklung werden im folgenden am Beispiel der Siliziumtechnologie für die IC- Herstellung beschrieben.
Sowohl für die Bipolar- wie für die MOS-Technologie werden Siliziumschichten benötigt, die meist mit Bor, Phosphor oder Arsen in Konzentrationen von ca. 1015 bis 1021 Atomen pro cm3 dotiert sind, eine Dicke von ca. 0,1 bis zu einigen Mikrometern haben und lateral strukturiert sind. Die Strukturweiten liegen zur Zeit im Bereich von ca. 0,5 bis zu mehreren 100 Mikrometern.
Für die Erzeugung der dotierten Bereiche gibt es mehrere Verfahren:
1. Thermisches Eindiffundieren aus Oberflächenquellen.
Hierbei wird auf die Siliziumoberfläche eine dünne, später als lokale Diffusions­ barriere dienende Schicht (meist SiO2 oder Si3N4 aufgebracht und dann mit einer üblichen lithographischen Methode strukturiert, d. h. an den gewünschten Stellen meist bis zum blanken Silizium weggeätzt. Dann wird mittels einer thermi­ schen Reaktion aus der Gasphase (Spin-On-Methoden sind auch möglich) die Dotierquelle als dünne Schicht (meist bor- oder phosphorhaltige Gläser) aufge­ bracht und anschließend das Dotiermaterial thermisch in das Silizium eindiffun­ diert. Anschließend muß die als Dotierquelle dienende Schicht abgeätzt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in der schlechten Kontrolle über die Do­ tierungskonzentration und das Dotierungsprofil, der hohen thermischen Be­ lastung von bis zu 1100°C auch von unbeteiligten Siliziumbereichen, dem hohen verfahrenstechnischen Aufwand mit mindestens 11 Verfahrensschritten und der damit verbundenen langen Verfahrensdauer von einigen Stunden.
2. Implantieren und thermisches Aktivieren/Diffundieren.
Hierbei wird auf die Siliziumoberfläche eine später als lokale Implantations­ barriere dienende Schicht (meist SiO2) aufgebracht. Diese Schicht wird dann mit einer üblichen lithographischen Methode strukturiert, d. h. an den gewünschten Stellen bis zum Silizium weggeätzt. Dann wird eine dünne, als Streu- und Schutzschicht dienende Schicht aus amorphem Siliziumoxid (bei modernen Verfahren auch aus Polysilizium oder aus Silizid) aufgebracht. Durch diese Schicht hindurch oder in sie hinein wird das Dotiermaterial implantiert und an­ schließend durch Diffusion umverteilt und gleichzeitig thermisch aktiviert. Die Im­ plantationsbarriere und die Streuschicht werden zum Teil durch Ätzung wieder entfernt.
Bei Varianten dieses Verfahrens wird die Streuschicht als erstes aufgebracht und eine strukturierte Siliziumnitridschicht oder bei unkritischen Prozessen auch nur eine Photolackschicht als Implantationsbarriere benutzt. Kombinationen dieser Varianten sind ebenfalls in Gebrauch.
Nachteilig an diesem Verfahren sind die thermische Belastung von 600-900°C auch von unbeteiligten Siliziumbereichen, der hohe verfahrenstechnische Auf­ wand von mindestens 10 bis 13 Verfahrensschritten und die lange Verfahrens­ dauer. Außerdem tritt bei diesem Verfahren unerwünschte Sekundärimplantation von Fremdatomen aus der Streuschicht oder den Kanten der Maskierungs­ schicht auf.
3. Laserdotieren.
Hierbei wird durch intensive Laserstrahlung die Siliziumoberfläche lokal oder ganzflächig stark aufgeheizt, meistens sogar in einer Oberflächenschicht kurz­ zeitig zum Schmelzen gebracht. Dadurch können Dotierstoffe in das Silizium eindiffundieren. Die Dotierstoffe werden in einem vorhergehenden Schritt ent­ weder als dünne Schicht aufgebracht, implantiert oder aus einem geeigneten Gas (z. B. PH3, BCl3, B2H6) durch thermische oder auch photochemische Reak­ tionen erzeugt und in die heiße Oberflächenschicht eingebracht (vgl. R.M. Osgood, Jr and T.F. Deutsch in Laser Chemical Processing in Microelectronics, ed. K.G. Ibbs and R.M. Osgood (Cambridge University Press, Cambridge 1989)). Eine Strukturierung ist durch lokale Laserbestrahlung, durch Strukturie­ rung der dünnen Oberflächendotierschicht (vgl. 1.) oder durch Strukturieren der Implantation (vgl. 2.) möglich.
Beim Dotieren aus der Gasphase ist nachteilig, daß besonders niedrige und mittlere Dotierungskonzentrationen wegen der komplexen Prozeßzusammen­ hänge nur schwer und ungenau kontrollierbar sind, und sehr aufwendige Geräte benötigt werden (Laserlithographie + Handhabung von toxischen und aggressi­ ven Gasen). Beim lokalen Dotieren mittels Ionenimplantation oder Aufbringen von Oberflächenschichten sind aufwendige Verfahrensschritte (konventionelle Lithographie) für die Strukturierung notwendig.
In der GB 21 31 608 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Schicht aus dem Dotiermaterial auf die Oberfläche des Halbleitersubstrates aufgebracht wird, und bei dem nachfolgend die Dotieratome durch Projektionsabbildung einer Maskenstruktur mittels Laserbestrahlung lokal in das Halbleitermaterial einge­ bracht werden. Dadurch läßt sich eine kürzere Verfahrensdauer ohne Anwen­ dung photolithographischer Methoden erreichen. Der Nachteil dieses Verfah­ rens liegt in der nur ungenauen Kontrolle über die Dotierungskonzentration.
Die Nachteile der oben beschriebenen Verfahren liegen also entweder im hohen verfahrenstechnischen Aufwand, in der langen Verfahrensdauer, in der schlechten Kontrolle über die Dotierungskonzentration, in der thermischen Be­ lastung unbeteiligter Festkörperbereiche oder in der Sekundärimplantation von Fremdatomen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches Verfahren zur Erzeugung von strukturierten, dotierten Bereichen in Festkörpern bereitzu­ stellen, das den Vorteil einer kurzen Verfahrensdauer mit der Erfordernis einer genauen Kontrolle über die Dotierungskonzentration verbindet, ohne daß uner­ wünschte Sekundärimplantation von Fremdatomen oder thermische Belastung unbeteiligter Festkörperbereiche auftritt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine dünne amorphe Schicht 1, die aus demselben Material wie der Festkörper besteht, auf die Ober­ fläche des kristallinen Festkörpers 2 aufgebracht wird,
daß anschließend eine definierte Menge von Dotierstoffen 3 durch niederener­ getische Ionenimplantation 7 vollflächig in diese amorphe Schicht eingebracht wird,
daß nachfolgend durch intensive lokale Bestrahlung mit Laserimpulsen 4 Berei­ che 5 der amorphen Schicht und des darunterliegenden Festkörpers kurzzeitig zum Schmelzen gebracht werden, so daß die Dotieratome in die geschmolzenen Bereiche des Festkörpers eindiffundieren,
daß während des Abkühlens die geschmolzenen Bereiche einschließlich des amorphen Materials kristallisieren,
und daß abschließend die restliche amorphe Schicht durch ein Ätzverfahren selektiv entfernt wird.
Das Verfahren besteht aus nur 4 Verfahrensschritten. Nach geeigneter Reini­ gung wird zunächst eine dünne amorphe Schicht 1 aus dem Grundmaterial (z. B. bei einem Siliziumsubstrat reines Silizium) auf die Festkörperoberfläche 2 aufge­ bracht. Die Beschichtung kann dabei durch verschiedene Prozesse wie z. B. CVD oder herkömmliche Aufdampfverfahren erzeugt werden. Die Dicke dieser amorphen Schicht kann im Bereich von einigen 100 Å bis zu mehreren 1000 Å liegen. Anschließend wird durch niederenergetische Ionenimplantation 7 eine definierte Menge des Dotierstoffes 3 in diese amorphe Schicht eingebracht. Die Implantationsenergie wird dabei so gewählt, daß die gesamte Menge des Do­ tierstoffes 3 in der amorphen Schicht 1 deponiert wird und diese nicht durch­ dringt. Die Implantationsdosis wird entsprechend der gewünschten Dotierungskonzentration in Verbindung mit der gewünschten Dotierungstiefe gewählt. Ein Zahlenbeispiel dafür findet sich weiter unten. Nach der Implantation wird durch lokale intensive Laserstrahlung 4 die Oberfläche an den gewünschten Stellen 5 so stark aufgeheizt, daß eine Oberflächenschicht des Festkörpers kurzzeitig schmilzt und anschließend mitsamt der darüberliegenden amorphen Schicht an den geschmolzenen Stellen wieder kristallisiert. Durch das kurzzeitige Oberflächenschmelzen wird der Dotierstoff thermisch in den geschmolzenen Bereich eindiffundiert. Auf diese Weise entstehen dotierte, einkristalline Bereiche im Festkörper. Die Energiedichten der Laserimpulse liegen im Bereich von ca. 100 mJ/cm2 bis zu einigen J/cm2 bei Impulsdauern im Nanosekunden-Bereich. Auch kürzere Impulsdauern sind möglich, wenn die kurzen Laserimpulse die zum Schmelzen der Oberfläche nötige Energiedichte besitzen. Die Schmelztiefen können sehr flach von unter 1000 Å bis zu mehreren Mikrometern tief, und die Schmelzzeiten entsprechend im Bereich von wenigen Nanosekunden bis zu Mikrosekunden sein. Für das Verfahren sind alle Laser geeignet, deren Licht vom Festkörpermaterial hinreichend stark absorbiert wird und somit zur Aufheizung primär der Oberflächenschicht führt. Die Strukturie­ rung der Festkörperoberfläche geschieht entweder durch direktes Schreiben mit einem fokussierten Laserstrahl oder durch Projektionsabbildung einer Masken­ struktur auf die Oberfläche. Für die Belange einer IC-Fertigung sind sogenannte "Step and Repeat"-Geräte mit gepulsten Laserlichtquellen geeignet.
Abschließend wird die amorphe Schicht selektiv weggeätzt. Da amorphe Schichten schneller geätzt werden können als kristalline, bildet sich eine sicht­ bare Oberflächenstruktur. Insbesondere naßchemische Ätzverfahren bieten sich hierfür an, aber auch Trockenätzverfahren wie z. B. Plasmaätzen sind geeignet, wenn sie eine ausreichend selektive Ätzrate zwischen amorphem und kristalli­ nem Silizium aufweisen.
Das Verfahren ist auch anwendbar auf Festkörper, die bereits dotierte Bereiche aufweisen.
Dadurch lassen sich z. B. verschieden dotierte einkristalline Schichten über­ einander erzielen.
Das erfindungsgemäße Verfahren vereint in vorteilhafter Weise die Einfachheit der lokalen laserinduzierten Diffusion mit der guten Kontrollierbarkeit der Ionenimplantation. Da keine Photolacktechnik notwendig ist, werden somit die Kosten für Verbrauchsmaterialien, die Anzahl der Verfahrensschritte und damit auch die Verfahrensdauer deutlich gesenkt. Die nur kurze und lokalisierte ther­ mische Belastung führt zu einer Verringerung der Defektdichte im Festkörper­ material und erhöht somit die Ausbeute an guten Bauteilen. Da die Oberfläche nicht durch ein Fremdmaterial, sondern durch das amorphe Grundmaterial ab­ gedeckt ist, tritt keine unerwünschte Sekundärimplantation von Fremdatomen aus der Maskier- oder Streuschicht auf (wie z. B. Sauerstoff aus Siliziumoxid­ schichten).
Die sich nach dem Ätzen ergebende sichtbare Oberflächenstruktur ist bei der IC-Herstellung als Bezugsstruktur für nachfolgende Verfahrensschritte von Vorteil.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich herkömmliche vollflächige oder lokale Epitaxieschritte ersetzen, so daß z. B. bei der lC-Herstellung CMOS- und Bipolartechnik nebeneinander möglich sind (BICMOS).
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem letzten Verfahrensschritt ein weiterer Dotierstoff 6 mittels Ionenimplantation 7 in die Oberflächenschicht eingebracht. Die Implantationsenergie und der Einschußwinkel müssen dabei so gewählt werden, daß der Dotierstoff die amorphe Schicht über den nicht umgeschmolzenen Bereichen nicht durch­ dringt, aber in die einkristallinen Bereiche an der Oberfläche bis zur gewünsch­ ten Tiefe eindringt. Diese Bedingung wird durch das sogenannte Channeling (d. h. bevorzugter Durchgang von Atomen und Ionen durch kristalline Materie für Einfallsrichtungen parallel zu Kristallflächen oder -achsen) unterstützt. Der Ioneneinschußwinkel wird abhängig von der Richtung der Kristallachsen i. a. senkrecht zur Festkörperoberfläche gewählt. Nach Entfernung der amorphen Schicht im letzten Verfahrensschritt des Hauptanspruchs müssen die zusätzlich implantierten Dotierstoffe thermisch aktiviert werden. Dies kann durch lokale La­ serbestrahlung oder Hochtemperaturbehandlung erfolgen. Durch diese beson­ dere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, ohne weiteren Lithographieschritt eine Zusatzdotierung im oberflächennahen Bereich zu erzeugen, und somit die Eigenschaften des Dotierungsprofils zusätzlich zu beeinflussen und zu optimieren.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß durch Variation der Energiedichte und/oder der Dauer der Laserimpulse die Schmelztiefe, die Diffusionstiefe und damit die Dotierungskon­ zentration gezielt beeinflußt werden. Durch geeignete Steuerung dieser Laser­ parameter ist es beispielsweise möglich, in dicht nebeneinanderliegenden Berei­ chen des Festkörpers ohne zusätzliche Verfahrensschritte unterschiedliche Do­ tierungskonzentrationen und -profile zu erzeugen. Dies ist vor allem bei der IC- Herstellung von großer Bedeutung.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Festkörpersubstrat auf mindestens 500°C vorgeheizt. Dieser Schritt verringert die zur Erzielung einer bestimmten Schmelztiefe erforderliche La­ serimpulsenergie. Durch Variation der Temperatur, auf die der Festkörper vor­ geheizt wird, lassen sich die Schmelztiefe, die Diffusionstiefe und damit die Do­ tierungskonzentration steuern. Das Vorheizen des Festkörpers beeinflußt in vorteilhafter Weise die Güte der rekristallisierten Bereiche, da ein geringerer Temperaturunterschied zwischen dem Festkörper und den geschmolzenen Be­ reichen zu einer kleineren Fehlstellendichte bei der Rekristallisation der ge­ schmolzenen Bereiche führen kann.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, die Laserbestrahlung der Festkörperoberfläche ein- oder mehrmals zu wiederholen. Durch diese Wiederholung des Schmelz- und Diffusionsvorganges wird der Do­ tierstoff gezielt mehr oder weniger tief eindiffundiert, da die Diffusionstiefe u. a. von der Gesamtbestrahlungsdauer abhängt. Man erhält damit eine weitere Steuerungsmöglichkeit der Diffusionstiefe und der Dotierstoffkonzentration.
Eine besondere Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, durch definierte Einstellung der Dicke der anfänglich aufgetragenen amorphen Schicht in gewissen Grenzen die Tiefe der sich nach dem Ätzen ergebenden sichtbaren Oberflächenstruktur zu bestimmen. Diese Struktur kann damit für eventuell folgende Lithographieschritte optimiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Festkörpermaterial Silizium verwendet. Auf dem kristallinen Silizium wird mittels CVD eine Schicht aus amorphem Silizium mit einer Schichtdicke zwi­ schen 100 Å und 10 µm abgeschieden. Als Dotierstoff wird Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon mit einer Implantationsenergie zwischen 1 keV und 50 keV in die amorphe Siliziumschicht eingebracht. Die Implantationsenergie hängt in den angegebenen Grenzen von der Dicke der amorphen Schicht und vom ge­ wählten Dotierstoff ab. Dem Fachmann ist es leicht möglich die geeignete Energie zu bestimmen, bei der die Dotierstoffe die amorphe Schicht nicht durchdringen. Dies ist z. B. bei der Implantation von Bor und einer Schichtdicke von 1000 Å mit einer Implantationsenergie von 2 keV gewährleistet. Die Implantationsdosis wird die nach gewünschter Dotierungstiefe und -konzentration im Bereich von 1010 Ionen/cm2 bis zu 1018 Ionen/cm2 gewählt. So wird z. B. eine Implantationsdosis von 1012 Ionen/cm2 für eine Dotierungskonzentration von 1016 Atomen/cm3 bei einer Tiefe des Dotierungsprofils von 1 µm benötigt. Die Energiedichte der Laserimpulse wird zwischen 100 mJ/cm2 und mehreren J/cm2 bei Impulsdauern im Nanosekundenbereich gewählt. Zum selektiven Wegätzen der amorphen Bereiche als letztem Verfahrensschritt wird vorzugs­ weise ein naßchemisches Verfahren auf der Basis von Flußsäure und einer oxidierenden Säure wie HNO3 verwendet, da dieses Verfahren eine ausreichend selektive Ätzrate zwischen amorphem und kristallinem Silizium aufweist.
Eine Möglichkeit der Strukturierung mit intensiver lokaler Laserbestrahlung liegt darin, die gewünschten Bereiche mit einem auf die Festkörperoberfläche fokus­ sierten Laserstrahl abzurastern. Dazu muß entweder der Festkörper definiert unter dem Laserstrahl bewegt, oder der Laserstrahl durch eine geeignete Um­ lenkoptik gezielt gesteuert werden.
Eine weitere Variante der Strukturierung mit intensiver lokaler Laserstrahlung besteht darin, daß mit dem Laserlicht eine bereitgestellte Maskenstruktur auf die Festkörperoberfläche abgebildet wird. Damit werden die gewünschten Bereiche durch die Maske vorgegeben. Diese Variante ist vor allem in der Großserienferti­ gung von immer gleichen Halbleiterstrukturen von Vorteil.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 die amorphe Schicht 1, aufgebracht auf den kristallinen Festkörper 2,
Fig. 2 die Ionenimplantation 7 der Dotierstoffe 3 in die amorphe Schicht 1,
Fig. 3 lokale Laserbestrahlung 4 und Schmelzen von Bereichen 5 der amorphen Schicht und des darunterliegenden Festkörpers, Ein­ diffundieren der Dotierstoffe 3 in die geschmolzenen Bereiche 5 und Rekristallisation dieser Bereiche,
Fig. 4 die durch unterschiedliche Energie und/oder Impulsdauer der La­ serimpulse 4 bewirkte Änderung der Schmelztiefe, der Diffusionstiefe und damit der Dotierungskonzentration,
Fig. 5 die Ionenimplantation 7 von zusätzlichen Dotierstoffen 6, und
Fig. 6 das nach dem Ätzen verbleibende Dotierungs- und Oberflächenprofil.
Als Beispiel soll eine mit Bor dotierte Wanne in einkristallinem Silizium erzeugt werden. Nach geeigneter Reinigung wird auf das Substrat aus kristallinem Sili­ zium 2 mittels CVD bei Temperaturen unter 600°C eine Schicht aus amorphem Silizium 1 abgeschieden (vgl. Fig. 1). Die Schichtdicke kann im Bereich von einigen 100 Å bis zu mehreren 1000 Å liegen.
In die amorphe Schicht wird, wie in Fig. 2 gezeigt, vollflächig die notwendige Menge Bor 3 implantiert. Durch eine niedrige Implantationsenergie von 2 keV bei einer Schichtdicke der amorphen Siliziumschicht von 1000 Å ist sichergestellt, daß die gesamte Menge Bor in der amorphen Schicht deponiert wird. Die Im­ plantationsdosis wird entsprechend der gewünschten Wannentiefe, der Aus­ diffusion beim anschließenden Schmelzen der Oberfläche und dem gewünsch­ ten Dotierungsprofil gewählt. Bei einer Wannentiefe von ca. 1 µm und einer Do­ tierung von ca. 1×1016 Atome/cm3 wird eine Dosis von 1012 Ionen/cm2 benötigt. Durch kurzzeitiges lokales Oberflächenschmelzen mittels Laserstrahlung werden die Boratome thermisch in den geschmolzenen Bereich eindiffundiert (siehe Fig. 3). Beim Abkühlen kristallisiert der geschmolzene Bereich anschließend wieder.
Es ist bekannt, daß Laserimpulse mit Energiedichten im Bereich von ca. 100 mJ/cm2 bis zu einigen J/cm2 bei Impulslängen im Bereich von Nanosekunden zum Schmelzen der Siliziumoberfläche führen. Die Schmelztiefen können sehr flach von unter 1000 Å bis zu mehreren Mikrometern tief, und die Schmelzzeiten entsprechend im Bereich von wenigen Nanosekunden bis zu Mikrosekunden sein.
Für das Verfahren sind alle Laser geeignet, deren Licht von Silizium hinreichend stark absorbiert wird und somit zur Aufheizung primär der Oberflächenschicht führt. Entsprechend den zu realisierenden Strukturgrößen können sowohl Excimer-Laser im UV-Bereich als auch Laser im sichtbaren Spektralbereich be­ nutzt werden.
Die Strukturierung der Festkörperoberfläche geschieht entweder durch direktes Schreiben mit einem fokussierten Laserstrahl oder durch Projektionsabbildung einer Maskenstruktur auf die Oberfläche.
Durch Variation der lokalen Laserstrahlung können Bereiche mit unterschiedlich tiefer Diffusion erzeugt werden, wie in Fig. 4 beispielhaft dargestellt ist. Dadurch ergeben sich auch unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen in den einzelnen Bereichen.
Wenn notwendig, kann eine weitere Dotierung im oberflächennahen Bereich durch eine zusätzliche Ionenimplantation 7 eingebracht werden. Wird z. B. Phos­ phor mit einer Energie von 20 keV senkrecht zur, Oberfläche implantiert, so durchdringt er eine 1000 Å dicke Schicht aus amorphem Silizium nicht, wird aber durch Channeling ins einkristalline Silizium deutlich tiefer eindringen (siehe Fig. 5). Eine thermische Aktivierung dieser zusätzlich implantierten Phosphoratome durch intensive Laserbestrahlung oder Hochtemperaturbehandlung darf erst nach dem folgenden Ätzverfahrensschritt geschehen.
Abschließend wird die amorphe Schicht durch Ätzung entfernt. Hierfür sind naß­ chemische Verfahren und auch Plasmaätzverfahren geeignet, wenn sie eine ausreichend selektive Ätzrate zwischen amorphem und kristallinem Silizium zeigen (z. B. naßchemische Verfahren auf der Basis von Flußsäure und einer oxidierenden Säure wie HNO3). Durch diese Ätzung entsteht eine sichtbare Oberflächenstruktur, wie in Fig. 6 dargestellt ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung von strukturierten, dotierten Bereichen auf Fest­ körpern durch lokale Laserbestrahlung, bei welchem Dotierstoffe in einer Schicht auf der Festkörperoberfläche bereitgestellt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß eine dünne amorphe Schicht (1), die aus demselben Material wie der Festkörper besteht, auf die Oberfläche des kristallinen Festkörpers (2) auf­ gebracht wird,
daß anschließend eine definierte Menge von Dotierstoffen (3) durch niederenergetische Ionenimplantation (7) vollflächig in diese amorphe Schicht eingebracht wird,
daß nachfolgend durch intensive lokale Bestrahlung mit Laserimpulsen (4) Bereiche (5) der amorphen Schicht und des darunterliegenden Fest­ körpers kurzzeitig zum Schmelzen gebracht werden, so daß die Dotier­ atome in die geschmolzenen Bereiche des Festkörpers eindiffundieren, daß während des Abkühlens die geschmolzenen Bereiche einschließlich des amorphen Materials kristallisieren,
und daß abschließend die restliche amorphe Schicht durch ein Ätzver­ fahren selektiv entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Laserbestrahlung und dem Ätzen durch Ionenimplanta­ tion (7) eines weiteren Dotierstoffes (6) eine Zusatzdotierung erzeugt wird, indem die Implantationsenergie und der Einschußwinkel so gewählt werden, daß der Dotierstoff (6) die amorphe Schicht nicht durchdringt, aber in die umgeschmolzenen kristallinen Bereiche an der Oberfläche bis zu einer Tiefe eindringt, die größer sein kann als die Dicke der amorphen Schicht,
und daß diese zusätzlich implantierten Atome nach dem Entfernen der amorphen Schicht durch Laserbestrahlung oder Hochtemperaturbehand­ lung thermisch aktiviert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Wahl der Energiedichte und/oder Dauer der Laserimpulse die Schmelztiefe, die Diffusionstiefe und damit die Dotierungskonzentration eingestellt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Vorheizen des Festkörpers die Schmelztiefe, die Diffusionstiefe und damit die Dotierungskonzentration eingestellt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein- oder mehrmaliges Wiederholen der Laserbestrahlung die Dotierungstiefe definiert eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Wahl der Dicke der amorphen Schicht die Tiefe der sich nach dem Ätzen ergebenden Oberflächenstruktur eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die dünne amorphe Schicht aus Silizium besteht, das mittels CVD auf die Oberfläche von kristallinem Silizium aufgebracht wird,
daß die Schichtdicke dieser amorphen Schicht zwischen 100 Å und 10 µm beträgt,
daß als Dotierstoff Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon mit einer Implanta­ tionsenergie zwischen 1 keV und 50 keV in der amorphen Schicht depo­ niert wird,
daß die Implantationsdosis je nach beabsichtigter Tiefe des Dotierungs­ profils und der Dotierungskonzentration zwischen 1010 Ionen/cm2 und 1018 Ionen/cm2 beträgt,
daß die Energiedichte der Laserimpulse im Bereich von 100 mJ/cm2 bis zu mehreren J/cm2 bei Impulslängen im Nanosekundenbereich liegt,
und daß zum Ätzen ein naßchemisches Verfahren auf der Basis von Fluß­ säure und einer oxidierenden Säure wie HNO3 verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als weiterer Dotierstoff Phosphor, Bor, Arsen oder Antimon mit einer Implantationsenergie zwischen 1 keV und 50 keV in Abhängigkeit von der Dicke der amorphen Schicht senkrecht zur Oberfläche implantiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der strukturierten, dotierten Bereiche mittels lokaler La­ serstrahlung durch direktes Schreiben mit einem fein fokussierten Laser­ strahl vorgenommen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der strukturierten, dotierten Bereiche mittels lokaler La­ serstrahlung durch Projektionsabbildung einer Maskenstruktur auf die Festkörperoberfläche vorgenommen wird.
DE19924223403 1992-07-16 1992-07-16 Verfahren zur Erzeugung von strukturierten, dotierten Bereichen auf Festkörpern Expired - Fee Related DE4223403C1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19924223403 DE4223403C1 (de) 1992-07-16 1992-07-16 Verfahren zur Erzeugung von strukturierten, dotierten Bereichen auf Festkörpern

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19924223403 DE4223403C1 (de) 1992-07-16 1992-07-16 Verfahren zur Erzeugung von strukturierten, dotierten Bereichen auf Festkörpern

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE4223403C1 true DE4223403C1 (de) 1993-12-09

Family

ID=6463346

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19924223403 Expired - Fee Related DE4223403C1 (de) 1992-07-16 1992-07-16 Verfahren zur Erzeugung von strukturierten, dotierten Bereichen auf Festkörpern

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE4223403C1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4331937A1 (de) * 1993-09-16 1994-03-17 Ulrich Prof Dr Mohr Verfahren zur Eindiffusion von Dotanten in Halbleiterfestkörper
WO1997011481A2 (de) * 1995-09-18 1997-03-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Dotierverfahren zur herstellung von homoübergängen in halbleitersubstraten

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2131608A (en) * 1982-11-26 1984-06-20 Gen Electric Plc Fabricating semiconductor circuits

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2131608A (en) * 1982-11-26 1984-06-20 Gen Electric Plc Fabricating semiconductor circuits

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Appl.Physics 20, 1979, S. 353-356 *
JP 2-109325A. In: Patents Abstracts of Japan *
JP 56-138929 In: Derwent-Referat, Nr.81-91680D/50 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4331937A1 (de) * 1993-09-16 1994-03-17 Ulrich Prof Dr Mohr Verfahren zur Eindiffusion von Dotanten in Halbleiterfestkörper
WO1997011481A2 (de) * 1995-09-18 1997-03-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Dotierverfahren zur herstellung von homoübergängen in halbleitersubstraten
WO1997011481A3 (de) * 1995-09-18 1997-05-09 Fraunhofer Ges Forschung Dotierverfahren zur herstellung von homoübergängen in halbleitersubstraten
US6232207B1 (en) 1995-09-18 2001-05-15 Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Doping process for producing homojunctions in semiconductor substrates

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69837054T2 (de) GASIMMERSIONSLASER-ERHITZUNGSMETHODE GEEIGNET ZUR HERSTELLUNG INTEGRIERTER SCHALTUNGEN VON REDUZIERTER GRÖßE
DE2707693C3 (de) Verfahren zum Herstellen von dotierten Zonen einer bestimmten Leitungsart in einem Halbleitersubstrat mittels Ionenimplantation
EP0078336B1 (de) Schattenwurfmaske für die Ionenimplantation und die Ionenstrahllithographie
EP0037261B1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung und eine nach diesem Verfahren hergestellte Anordnung, z.B. ein BOMIS FET
DE1966237C3 (de) Verfahren zur Erhöhung des Gradienten von elektrisch aktiven Störstellenkonzentrationen
DE3034078C2 (de) Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
DE2626738C2 (de) Verfahren zur Bildung versenkter dielektrischer Isolationszonen bei monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen
DE102008019599B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes durch lokales Erwärmen einer oder mehrerer Metallisierungsschichten und mittels selektiven Ätzens, Bauelemente gemäß den Verfahren und Kaskodenschaltung mit einem Bauelement gemäß dem Verfahren
DE4229628A1 (de) Halbleitereinrichtung vom stapeltyp und verfahren zur herstellung einer solchen
DE3734304A1 (de) Verfahren zur herstellung einer integrierten mos-halbleiterschaltung
DE2050497A1 (de) Verfahren zur Steigerung der Diffu sion von Atomen in eine erhitzte Unter lage durch Bombardierung
DE10205323A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
DE3108146C2 (de)
US5904575A (en) Method and apparatus incorporating nitrogen selectively for differential oxide growth
DE10261374A1 (de) Halbleiterelement mit verbesserten Dotierprofilen und Verfahren zur Verbesserung der Dotierprofile eines Halbleiterelements
DE10260613B4 (de) Verfahren zum Herstellen eines Feldeffekttransistors
DE4223403C1 (de) Verfahren zur Erzeugung von strukturierten, dotierten Bereichen auf Festkörpern
DE10250902B4 (de) Verfahren zur Entfernung von Strukturelementen unter Verwendung eines verbesserten Abtragungsprozess bei der Herstellung eines Halbleiterbauteils
DE2758283C2 (de) Verfahren zur Herstellung voneinander isolierter Halbleiterschaltungen
DE102006053182B4 (de) Verfahren zur p-Dotierung von Silizium
DE102018219323A1 (de) Technik und zugehörige Halbleiterbauelemente auf Basis von kristallinem Halbleitermaterial, das auf Basis von abgeschiedenem amorphen Halbleitermaterial hergestellt ist
DE102008056195B4 (de) Verfahren zum Herstellen einer Epitaxieschicht und Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbeuelements
DE102006009961A1 (de) Halbleiterbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102006007052B3 (de) Erzeugung von Halbleiterzonen mit steilem Dotierprofil
DE69535661T2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Films für eine Halbleiteranordnung bei niedriger Temperatur

Legal Events

Date Code Title Description
8100 Publication of the examined application without publication of unexamined application
D1 Grant (no unexamined application published) patent law 81
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee