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DE1942598A1 - Halbleiter und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Halbleiter und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Publication number
DE1942598A1
DE1942598A1 DE19691942598 DE1942598A DE1942598A1 DE 1942598 A1 DE1942598 A1 DE 1942598A1 DE 19691942598 DE19691942598 DE 19691942598 DE 1942598 A DE1942598 A DE 1942598A DE 1942598 A1 DE1942598 A1 DE 1942598A1
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DE
Germany
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ions
doping
area
bombardment
boron
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Pending
Application number
DE19691942598
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English (en)
Inventor
Nelson Richard Stuart
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UK Atomic Energy Authority
Original Assignee
UK Atomic Energy Authority
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Description

PATENTANWALT
DIPL-ING. ERICH SCHUBERT
Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Postfach 325
Telefon: (0271)32409
Telegramm-Adr.: Palschub, Siegen Postscheckkonten:
Köln 106931, Essen 203 62
Bankkonten: Deutsche Bank AG., Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)
69 126 Zw/A
20. 8. 1969
UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY
11 Charles II Street, London, S.W. 1, England
Mr diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 40308/68 vom 22. August 1968 beansprucht
Halbleiter und Verfahren zu ihrer Herstellung
"Background" der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiter und Verfahren zum Dotieren bzw. Dopen (nachfolgend mit "Dotieren" bezeichnet) Ton Halbleitern /doping semiconductors/.
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Zur Bildung von Halbleiterbereichen mit gesteuerter elektrischer Aktivität, z.B. von Bereichen vom p- und n-Typ, werden die Dotierungsatome in das Halbleitermaterial eingebracht. Die Dotierungsatome sind nur dann wirksam, wenn sie Atomplätze im Kristallaufbau anstelle der Gastgeber- bzw. Grundatome /host atoms/ einnehmen, diese also substituieren.
Die Einpflanzung von Dotierungsionen /dopant ions/ in einen Halbleiter durch Beschießung des Halbleiters mit den Ionen eignet sich gut zur wirksamen Steuerung der Eindringtiefe der Ionen und der Anzahl der in einem bestimmten Bereich des Halbleiters eingebrachten Ionen.
Die Ionenbeschießung bringt eine Schädigung des Kristallgitters mit sich, und mit Ausnahme von gewissen Einpflanzungen, welche bei erhöhten Target- bzw. Objekttemperaturen ausgeführt werden, sind nachfolgende Normalisierglühbehandlungen bei mäßiger Temperatur, z.B. bei 63O°C für Silicium, notwendig, um die Strahlungsschaden zu beseitigen oder herabzusetzen und die eingepflanzten Atome dazu zu bringen, Substitutions-Gitterplätze einzunehmen.
Bei gewissen Implanationen ist die Strahlungsschädigung ausreichend groß, so daß sich eine im großen und ganzen amorphe Oberfläehenregion im Halbleitermaterial bildet. Bei anderen Implanationen jedoch, insbesondere bei der Einpflanzung von Bor in Silicium, ist die Strahlungsschädigung für die bzw. mit den normal erforderlichen Dosen weitaus geringer. ■
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß je größer der Strahlungsschaden, um so größer die Chance ist, daß beim Erwärmen bzw. Normalglühen die eingepflanzten Ionen Substitutionsgitterplätze einnehmen und so im Hinblick auf Modifikation der elektrischen Wirksamkeit der Aktivität des Halbleiters
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bedeutsam werden. Die nützliche Grenze der StrahlungsSchädigung wird so gewählt, daß eine im wesentlichen amorphe Phase über den zu dotierenden Bereich hinweg erzeugt wird.
Gegenstand der Erfindung ist in erster Linie ein Verfahren zur Dotierung eines Bereiches aus Halbleitermaterial durch Bombadierung des Bereiches mit Ionen des Dotierungsmittels in einem vorbestimmten Ausmaß, und durch zusätzliches Beschießen des Bereichs mit nicht-dopenden bzw. nicht-dotierenden Ionen, wobei die Beschießung zwecks Ausglühens des Gebiets von einer gleichzeitigen oder späteren Wärmebehandlung begleitet wird.
Vorzugsweise wird die Dosis und die Energie der nicht-dotierenden Ionen so gewählt, daß in Zusammenwirken mit der Beschießung durch die dotierenden Ionen und in Abwesenheit einer Normalisierglühung eine im großen und ganzen amorphe Phase in dem von den Ionen durchdrungenen Oberflächenbereich des Halbleiters gebildet wird, wobei beim Aus- oder Normalglühen zwecks Rekristallisation des amorphen Oberflächenbereiches die Bedingungen insbesondere für die Dotierungsionen günstig sind, Substitutionsplätze in dem Kristallaufbau einzunehmen.
Die Dosis und Energie der nicht-dotierenden Ionen ist vorzugsweise so, daß der amorphe Oberflächenbereich ausreichend groß ist, um die eingepflanzten Dotierungsionen vollständig zu enthalten.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die gedankliche Analyse, auf welcher die Erfindung beruht, und ein spezielles Ausführungsbeispiel des die Erfindung darstellenden Verfahrens werden nunmehr unter Bezugnahme auf die beiliegend· Zeichnung beschrieben, welche graphische Darstellungen von unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener dotierter Halbleiterproben darstellen.
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In Fig. 1 ist der Scheiten- bzw. Schichtwiderstand /sheet resistivity/, welcher ein (inverses) Maß der Anzahl der Donatoratome pro QuadratZentimeter ist, als Funktion der jeweils gleichlangen Glühtemperatur angegeben. Die Kurve A gilt für Silicium, welches mit Bor bei einer Dosis von 10 Ionen/Quadratzentimeter und einer Energie von 40 KeV Ionen dotiert ist. Die Kurve A zeigt, daß ein sehr geringer Anteil der implanierten oder eingepflanzten Atome elektrisch wirksam wird, wenn nicht hohe Glühtemperaturen (in der Größenordnung von 1000°) angewendet werden. Nach einer Glühbehandlung bei 63O0C sind nur 7 $ der insgesamt implanierten Atome elektrisch wirksam. Dies steht im scharfen Kontrast zum Ergebnis bei vergleichbaren Phosphordotierungen, wobei nach einer ähnlichen Wärmebehandlung nahezu 100 $ Aktivität oder Wirksamkeit erreicht wird.
Profile des elektrisch wirksamen, implanierten Bors, d.h. Kurven, welche die Änderung der wirksamen Dotierungsdichte mit der Tiefe in dem Halbleitermaterial darstellen, wurden als Funktion der Glühtemperatur durch Kombination von Schichtwiderstandsmessungen mit einer anodischen Oxydation- und Abbeiztechnik ausgemessen. Unter Benutzung der von Irvin in dem Bell System Technical Journal No. XL1, 387, (1962) publizierten Mobilitätsdaten wurden die Ergebnisse in Fig. 2 aufgezeichnet, wobei die Donatorkonzentration in Ionen pro Kubikzentimeter auf der Schicht-Tiefe in Angströmeinheiten aufgetragen ist. Die Kurven C, D bzw. E sind Profile von-Borionen, in Silicium implaniert und bei 6000O, 8000G bzw. 100O0C geglüht. Die gestrichelte Kurve F stellt das theoretisch erwartete Profil entsprechend Irindhard und Scharff (Physics Review 124, 128 (1961) dar.
Bei den höchsten Glühtemperaturen, mit denen die höchste Wirksamkeit erzielt wird, tritt eine signifikante Verbreiterung
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des Profils durch thermische Diffusion auf (Kurve E). Aus diesem Grunde und auch wegen der Herabsetzung der Lebensdauer des Trägers in dem Hauptmaterial, sind derartige Hochtemperaturgltihbehandlungen unerwünscht. Zwei mögliche Vorteile der Ionenimplanation, nämlich die Erzielung scharfer Profile und das Niedrigtemperaturverfahren, wurden deshalb in der Praxis mit diesen Bordotierungen bisher nicht erreicht.
Ob eine eingepflanzte Verunreinigung sogleich einen Substitutionsgitterplatz einnimmt oder nicht, hängt wahrscheinlich in komplizierter Art von einer Anzahl von Paktoren ab, wie der Masse und der Große des Donatorions, der Struktur des Substrats und der Wirkung anderer Verunreinigungen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß Gitterstörungen, welche während der Implanation erzeugt werden, wahrscheinlich eine große Holle spielen.
Strahlungsschäden, welche im Silicium während der in der Nähe der Raumtemperatur ausgeführten Implanationen ent. stehen, weisen die Form von kleinen, stark gestörten Zonen von ungefähr 100 Angströmeinheiten im Durchmesser auf. Im Maße sich die Dosen erhöhen, können sich die Zonen überlappen und eine kontinuierliche, im wesentlichen amorphe Oberflächenphase bis zu einer Tiefe bilden, welche ungefähr gleich dem Eindringbereioh der bombardierenden Ionen ist. Diese amorphe Oberflächenschicht kann epitaktisch auf der darunter liegenden einfachen Krietallmatrix durch Normalglühen bei einer Temperatur von 63O0O rekristallisiert werden. Eine kleine Anzahl von LageStörungeschleifen /diclocation loops/ und Dipole werden bei der Rekristallisation gebildet, aber diese scheinen keinen signifikanten Einfluß auf die elektrischen Eigenschaften auszuüben.
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Bei diesen gemäßigten Temperaturen kann nur eine kleine, den Austausch auf Grund der Wärme bewirkende Diffusion stattfinden und die eingepflanzten Profile sollten sich den auf theoretischer Basis zu erwartenden Profilen annähern.
15 Es wurde gezeigt, daß eine Dosis von 10 Phosphorionen
pro Quadratzentimeter mehr als ausreichend ist, um eine vollständige amorphe Schicht auf dem Silicium zu erzeugen, während
1 fi 1V
eine Dosis von zwischen 10 und 10 Borionen pro Quadratzentimeter erforderlich ist, um einen ähnlichen Effekt bei der gleichen Energie zu erzeugen. Dies ist eine Folge der geringeren Masse des Bor, wobei erstens der Streuquerschnitt etwa fünfmal kleiner ist und zweitens ein bedeutend größerer Anteil der einfallenden Ionenenergie durch Elektronenanregung /electronic excitation/ und nicht durch Kernkollisionen mit Zielatomen verbraucht wird.
Es sei daher darauf hingewiesen, daß für gewöhnliche, bei Ionenimplanationen benutzte Dosen (10 bis 10 Ionen pro Quadratzentimeter) ein fundamentaler Unterschied in der Struktur der implanierten Schichten von Phosphor bzw. Bor auftritt. Der Phosphor ist beinahe ganz in einer vollständig amorphen Oberflächenschicht enthalten. Die Boratome verbleiben andererseits in einer im großen und ganzen kristallinen Oberfläche des Silicium, von dem nur ein kleiner Anteil gestörte Zonen aufweist.
Beim Glühen wurde vorausgesetzt, daß wegen der vollständigen Rekristallisation der amorphen Zonen, oder Schichten eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, daß in diesen Regionen bestehende Dotierungsionen vorteilhafte Substitutionsplätze einnehmen können. Dies ist mit experimentellen Daten vereinbar, denn bei Phosphor, bei dem eine hohe elektrische Aktivität erhalten wird, muß die gesamte Oberfläche neu gebildet werden, während bei Bor lediglich die in ungeordneten oder gestörten Zonen liegenden Atome eine gute Chance haben,
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wirksam zu werden. Das verbleibende Bor kann dazu gebracht werden, Substitutionsplätze einzunehmen, indem lediglich, überschüssige Leerstellen beispielsweise durch thermische Erzeugung vorgesehen werden.
Im speziellen Ausführungsbeispiel des die Erfindung darstellenden Verfahrens, welches nunmehr beschrieben wird, wird eine vergrößerte elektrische Wirksamkeit der Boreinpflanzungen dadurch erhalten, daß eine vollständige amorphe Oberflächenschicht durch Bombardierung des Silicium mit nichtdotierenden Ionen zusätzlich zu den Borimplänationen absichtlich gebildet wird. Die nicht-dotierenden Ionen können ein inertes Gras oder selbst Silicium sein, und die Beschießung kann entweder vor oder nach der Boreinpflanzung durchgeführt werden. Die Anwendung von Ionen des gleichen Elementes wie des Substrats, d.h. im vorliegenden Fall die Anwendung von Siliciumionen zur zusätzlichen, nicht-dotierenden Ionenbeschießung ist deshalb wünschenswert, weil dann das mögliche Problem der Wirkung von Verunreinigungen durch nicht-dotierende Ionen sich nicht stellt. In der Praxis kann es jedoch bequemer sein, Ionen aus einem der inerten Gase zu erzeugen.
In diesem Beispiel wurde ein Substrat aus Silicium mit
15
einer Dosis von 10 Ionen pro Quadratzentimeter von Bor bei einer Energie von 40 KeV beschossen. Diesem Bombardement folgte
1 6 eine Beschießung durch Neonionen mit einer Dosis von 10 Ionen pro Quadratzentimeter und einer Energie von 80 KeV. Fig. 3 zeigt die von diesen Beschießungen zu erwartenden theoretischen Profile, und zwar die Kurve Gl· für das implanierte Bor und die Kurve H für das Neon. Die Fig. 3 zeigt, daß das eingepflanzte Bor vollständig in der von den Heonionen beschädigten Schicht liegt. Es sei darauf hingewiesen, daß zur Erzielung optimaler Resultate die Dosis und Energie der nicht-dotierenden ionenbeschießung so gewählt werden soll, daß das dotierende Ion voll-
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■" ο ·"■
ständig in der amorphen Schicht enthalten ist. Zur Sicherstellung eines genau eingestellten Profils scheint es ferner wünschenswert, daß die Störungstiefe durch die nicht-dotierenden Ionen die Eindringtiefe der dotierenden Ionen nicht sehr stark überschreiten sollte.
Die Kurve B in Fig. 1 zeigt die verbesserte elektrische Aktivität, welche mit der doppelten Beschießung des Verfahrens nach diesem Beispiel erzielbar ist. Pur eine Wärmebehandlung bei 63O0C, welche zur Rekristallisation der amorphen Schicht benötigt wird, wird der Flächen- oder Scheibenwiderstand /sheet resistivity/ um einen Faktor von ungefähr 5 gegenüber dem mit Bordotierung (Kurve A) erzielten Wert verbessert.
Das Profil der elektrischen Wirksamkeit bzw. Aktivität des Halbleiters, welcher nach dem Verfahren dieses Beispiels nach einer Glühbehandlung von 85 Minuten bei 6350C erzeugt wurde, wird als Kurve I in Fig. 4- gezeigt. Die gestrichelte Kurve J ist die theoretische zu erwartende Borionenverteilung. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, nähert sich das in der Praxis erhältliche Profil eng an das theoretisch vorhergesagte an.
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten des vorhergehenden Beispiels beschränkt. Beispielsweise braucht die Beschießung mit nicht-dotierenden Ionen nicht notwendig nach der Einpflanzung von dotierenden Ionen durchgeführt werden, sondern kann beispielsweise vor der Dotierungsimplanation durchgeführt werden. Diese umgekehrte Prozedur könnte bei der Unterdrückung von Ausläufern im Dotierungsprofil infolge Kanalwirkungen vorteilhaft sein. Diese Betrachtung war im oben beschriebenen Beispiel nicht bedeutsam, weil die Siliciumsubstrate so orientiert waren, daß die Kanalbildung möglichst nicht auftritt. Unter gewissen Umständen kann es weiterhin möglich sein, die Beschießung alt dotierenden und nicht do-
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tierenden Ionen gleichzeitig durchzuführen.
Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind,
Patentansprüche
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Claims (6)

  1. 69 126 Zw/öchm 20. Aug. 1969
    Patentansprüche
    Verfahren zum Dotieren eines Bereiches von Halbleitermaterial, wobei der Bereich bis zu einem vorbestimmten Maß mit Ionen des Dotierungsmittels beschossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich zusätzlich mit nicht-dotierenden Ionen beschossen wird, und daß die Beschießung von einer Wärmebehandlung zwecks Normalisierung oder Ausglühens des Bereiches begleitet wird oder dieser vorangeht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis und die Energie der nicht-dotierenden Ionen derart gewählt ist, daß im Zusammenwirken mit der Beschießung durch die dotierenden Ionen und beim Fehlen einer Normalisierbehandlung eine im großen und ganzen amorphe Phase in dem Oberflächenbereich des Halbleiters auftritt, in welche die Ionen eindringen,
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis und die Energie der nicht-dotierenden Ionen derart gewählt ist, daß der amorphe Oberflächenbereich genügend stark ist* die eingepflanzten dotierenden Ionen vollständig zu enthalten.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silicium ist·
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  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungsionen aus Bor sind,
  6. 6. Halbleitermaterial, welches einen dotierten Bereich aufweist, welcher durch Beschießen mit Ionen des Dotierungsmittels im vorbestimmten Maß gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich zusätzliche Dotierungsionen aufweist, welche wirksame Substitutionsplätze in dem Gitter dadurch einnehmen, daß der Bereich durch zusätzliche Beschießung mit nicht-dotierenden Ionen und gleichzeitiges oder nachfolgendes Normalisierglühen behandelt wird.
    009809/1556
DE19691942598 1968-08-22 1969-08-21 Halbleiter und Verfahren zu ihrer Herstellung Pending DE1942598A1 (de)

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