DE4224686A1 - Verfahren zur Implantation von Ionen in einen Festkörper - Google Patents

Verfahren zur Implantation von Ionen in einen Festkörper

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Description

Das Einbringen von Fremdatomen in einen Festkörper durch Ionenimplantation ist seit langem bekannt (S.M. Szw. VLSI Technology, Mc Graw Hill Book Company, N.Y., 1983, S. 224-226). Bei der Ionenimplantation tritt eine Verteilung der Fremdatome derart auf, daß sie ein Maximum im Inneren des Festkörpers aufweisen. Während die Energie der implantierten Ionen im wesentlichen die Eindringtiefe bestimmt, wird durch die Implantationsdosis deren Konzentration im wesentlichen bestimmt. Wenn zur Implantation Dotierstoffe verwendet werden, können in dem Festkörper vergrabene Schichten mit vorbestimmter Dotierung bzw. eines vorbestimmten Leitungstyps erzeugt werden.
Erfolgt die Implantation mit einer hohen Dosis von größer als 1018 Atome/cm2, so ist es möglich, stöchiometrische Mischungsverhältnisse zwischen den Atomen des Festkörpers und den implantierten Atomen zur Synthese von chemischen Verbindungen herzustellen. Im Falle von Silicium ist es in diesem Zusammenhang bekannt, vergrabene Schichten aus Siliciumdioxid als Isolationsschichten oder vergrabene Schichten aus Titansilicit als vergrabene Leiterbahnen herzustellen.
Insbesondere die Herstellung von vergrabenen Isolierschichten durch Bildung von Siliciumoxid ist technologisch von besonderer Bedeutung (Applied Physid Letters, 48, 1986, S. 532-534). Wie bereits erwähnt, bestimmt die implantierte Dosis die Dicke der Siliciumoxidschicht, während die Energie der implantierten Ionen die Eindringtiefe und damit die Lage der Siliciumoxidschicht bestimmt.
Die Implantation selbst kann bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden, wobei in jedem Falle zur Ausheilung von Strahlenschäden nach der Implantation eine nachfolgende Temperung bei erhöhter Temperatur erforderlich ist. Mittels der Hochdosis-Sauerstoffimplantation in Silicium lassen sich Bauelemente herstellen, die erhebliche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Isolationsmethoden aufweisen (EIII Electron Device Letters, Band 5, Nr. 3, 1984, S. 91-93). Das gleiche gilt auch für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen.
Das bekannte Verfahren zur Herstellung vergrabener Siliciumoxidschichten weist jedoch den Nachteil auf, daß nur eine relativ schmale Verteilung der implantierten Atome möglich ist und sich damit nur dünne Oxidschichten herstellen lassen, beispielsweise mit einer Dicke von 0,38 µ bei einer Sauerstoffimplantation mit einer Energie von 200 KeV. Mit derartig dünnen Isolationsschichten lassen sich nur Isolationsspannungen von weniger als 150 V erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Implantation von Atomen in einem Festkörper verfügbar zu machen, mit dem sich eine größere Schichtdicke der implantierten Atome herstellen läßt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ionen vor der Implantation eine Schicht durchlaufen, in der ein Teil der Ionenenergie absorbiert wird, und daß die Dicke dieser Schicht während der Implantation in vorbestimmter Weise variiert wird.
Bei diesem Verfahren wird durch die kontinuierliche Veränderung der Schichtdicke die Energie der implantierten Ionen und damit ihre Eindringtiefe kontinuierlich variiert. Das führt dazu, daß sich in dem Festkörper ein etwa kastenförmiges Profil der implantierten Ionen einstellt und damit zu einer relativ dicken, homogenen Implantationsschicht führt. Im Falle der Ionenimplantation in Silicium wird auf diese Weise eine Isolationsschicht mit einer gegenüber den bekannten Schichten vergrößerten Schichtdicke erreicht, die zu einer wesentlichen Erhöhung der Isolationsspannung führt. In dem Falle der Implantation von z. B. Titan werden Leiterbahnen mit relativ großem Querschnitt und damit kleinem Widerstand erzielt.
In besonders vorteilhafter Weise wird auf der Oberfläche des Festkörpers eine Deckschicht angeordnet, die entweder als Folie vorliegen kann oder direkt an der Oberfläche des Festkörpers verankert ist. Die Dicke dieser Deckschicht läßt sich z. B. durch ein Aufdampfverfahren während der Implantation vergrößeren. Eine Verringerung der Dicke der Deckschicht ist durch Verdampfen oder durch Kathodenzerstäuben möglich.
Das Wesen der Erfindung soll anhand einiger, in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1 die Verteilung implantierter Atome in einem Festkörper nach einer Mehrfachimplantation mit unterschiedlichen Energien;
Fig. 2 den Einfluß von Deckschichten verschiedener Dicke auf die Reichweiten von Ionen in einem Festkörpersubstrat;
Fig. 3 die Verteilung implantierter Atome in einem Festkörpersubstrat nach Implantation mit Atomen kontinuierlich geänderter Reich­ weite;
Fig. 4 die Oberflächenzerstäubung verschiedener Elemente durch 1 Mev Sauerstoffionen und
Fig. 5 die Herstellung einer dicken Isolationsschicht aus Silicium­ oxid durch Sauerstoffimplantation in ein Siliciumsubstrat.
In Fig. 1 ist die Konzentration der implantierten Atome N in Abhängigkeit von der Eindringtiefe X dargestellt für den Fall, daß das zu implantierende Festkörpersubstrat nacheinander mit den gleichen Ionen implantiert wird, wobei jedoch jeweils die Energie und die Teilchendosis neu eingestellt wird. Mit zunehmender Implantationsenergie verschieben sich die gestrichelt dargestellten Verteilungskurven der implantierten Atome zu größeren Reichweiten in dem Substrat. Als Resultierende dieser Konzentrationen ergibt sich die ausgezogene Kurve, die eine Welligkeit zeigt, die durch die Anzahl und die Energiedifferenz der einzelnen Implantationsschritte bestimmt ist.
In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, wie sich die Reichweite der implantierten Ionen in dem Substrat in Abhängigkeit von der Dicke einer auf dem Substrat 1 angeordneten Deckschicht 2 verändert.
Die Bestrahlung erfolgt unter der Voraussetzung, daß die Dosis und Energie der zu implantierenden Atome konstant bleibt. Mit abnehmender Dichte der Deckschicht 2 verschiebt sich das Maximum R der implantierten Atome nach rechts. In dem Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die Dicke der Deckschicht durch Kathodenzerstäubung reduziert wird, wobei die Kathodenzerstäubung durch die zu implantierenden Ionen selbst bewirkt wird. Da der Schichtabtrag kontinuierlich erfolgt, verschieben sich auch die Verteilungskurven kontinuierlich nach rechts. Als Resultierende ergibt sich dann eine etwa kastenförmige Konzentrationsverteilung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Zwischen der kleinsten Reichweite R1 und der größten Reichweite R3 wird somit eine Zone konstanter Konzentration erhalten, beispielsweise bei der Implantation mit Sauerstoffionen, einer homogenen Siliciumoxidschicht, deren Dicke durch die Eindringtiefen R2 und R3 bestimmt ist.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere zur Bildung relativ dicker Siliciumoxidschichten in einem Siliciumsubstrat von besonderer Bedeutung. Für den notwendigen Abtrag der Deckschicht läßt sich die Kathodenzerstäubung besonders einfach und wirkungsvoll einsetzen. Durch die Verwendung nur eines einzigen Materials für die Deckschicht ist jedoch die Variationsmöglichkeit der zu erzeugenden, vergrabenen Schicht bezüglich Schichtbreite und Lage der Schicht in dem Substrat sehr begrenzt. Eine Modifizierung dieser Parameter ist insbesondere durch die Wahl des Materials für die Deckschicht möglich. Dazu sind in Fig. 4 die Oberflächenzerstäubung verschiedener Elemente durch 1 Mev Sauerstoffionen aufgetragen. In dem Diagramm ist der Kathodenzerstäubungsabtrag (Verhältnis der Anzahl der von der Oberfläche abgetragenen Atome zu der Anzahl der auftreffenden Ionen) in Abhängigkeit von E, einem Parameter, der im wesentlichen von der Masse der Atome der Deckschicht und ihrer Bindungsenergie abhängt. Die Zuordnung zu den verschiedenen Materialien ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle:
 1 Beryllium
 2 Aluminium
 3 Silicium
 4 Titan
 5 Chrom
 6 Nickel
 7 Kupfer
 8 Germanium
 9 Molybdän
10 Silber
11 Tantal
12 Wolfram
13 Platin
14 Gold
15 Selen.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist dieser Abtrag bei den Elementen Silber, Gold und Kupfer besonders hoch.
Anhand der Fig. 5 soll nun noch die Herstellung einer vergrabenen Oxidschicht in einem Siliciumsubstrat im einzelnen erläutert werden.
Das Siliciumsubstrat 1 wird zum Schutz gegen Verunreinigungen mit einem dünnen thermischen Oxidfilm 2, beispielsweise mit einer Dicke von 50 nm, überzogen und auf den Oxidfilm anschließend eine Deckschicht 3 aus Gold mit einer Dicke von 0,24 µm aufgedampft (Fig. 5a). In Fig. 5b ist schematisch dargestellt, daß anschließend das derart beschichtete Substrat mit Sauerstoffionen implantiert wird, wobei die Sauerstoffionen die Zonen 2 und 3 durchdringen und in dem Substrat die vergrabene Zone 4 bilden. Bei einer Energie der Sauerstoffionen von 1 Mev erfolgt die Bestrahlung mit einer Dosis von 2×1018 Sauerstoffionen/cm2 . Bei einer Kathodenzerstäubungsrate für Gold von Y = 0,7 ergibt sich bei vollständigem Abtrag der Deckschicht eine mit Sauerstoffionen stark angereicherte, vergrabene Schicht, deren Dicke durch die anfängliche Reichweite R1 von 0,384 µm und die bei vollständigem Schichtabtrag erzielte Reichweite R2 von 0,906 µm bestimmt ist. Damit wird eine vergrabene Siliciumoxidschicht mit einer Dicke von mehr als 0,5 µm erzielt. Zur endgültigen Bildung der Siliciumoxidschicht und zur Ausheilung der Implantationsschäden wird das Substrat dann noch einer Temperung bei erhöhter Temperatur unterworfen. Fig. 5c zeigt als Ergebnis der Implantation ein Substrat 1, das mit einer Oxidschicht 3 bedeckt ist, eine vergrabene Siliciumoxidschicht 4 aufweist, die durch einen Bereich aus reinem Silicium von der oxidierten Oberfläche getrennt ist.
Während bei der Ionenimplantation in Silicium beim Stand der Technik nur Siliciumoxidschichten mit einer Durchbruchsspannung von etwa 120 bis 150 V erzielt wird, erhöht sich dieser Wert bei der gemäß Ausführungsbeispiel erhaltenden Oxidschicht auf etwa 270 V. In beiden Fällen wurde eine Durchbruchfeldstärke von etwa 3×106 V/cm gewählt. Selbstverständlich lassen sich nach dem Implantationsverfahren noch dickere Deckschichten und damit auch dickere Isolationsschichten mit entsprechend erhöhter Durchbruchsspannung herstellen.

Claims (17)

1. Verfahren zur Implantation von Ionen in einen Festkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen vor der Implantation eine Schicht durchlaufen, in der ein Teil der Ionenenergie absorbiert wird, und daß die Dicke dieser Schicht während der Implantation in vorbestimmter Weise variiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (1) nach der Ionenimplantation zur Ausheilung von Strahlenschäden getempert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer auf der Oberfläche des Festkörpers angeordneten Deckschicht (3).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Deckschicht (3) durch Anlagerung von Teilchen aus der umgebenden Atmosphäre vergrößert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Deckschicht (3) durch Verdampfen verringert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfen durch Temperaturerhöhung des Festkörpers (1) erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (3) durch Kathodenzerstäubung abgetragen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenzerstäubung durch die zu implantierenden Ionen erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Deckschicht (3) und der Oberfläche des Festkörpers (1) eine Zwischenschicht (2) angeordnet ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Festkörper (1) ein Halbleiter verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter Silicium verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantation mit Sauerstoffionen erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Deckschicht (3) aus Gold.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Zwischenschicht aus Siliciumoxid.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumoxidschicht durch thermische Oxidation erzeugt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantation mit Metallionen erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallionen Titanionen verwendet werden.
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