DE2231891A1

DE2231891A1 - Verfahren zum herstelllen amorpher halbleiterschichten

Info

Publication number: DE2231891A1
Application number: DE2231891A
Authority: DE
Inventors: Karl Brack; Edward Francis Gorey; Guenter Helmut Schwuttke
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1971-10-06
Filing date: 1972-06-29
Publication date: 1973-04-12
Also published as: FR2156545B1; GB1376526A; IT959917B; US3726719A; CA981372A; BE792589A; DE2231891B2; DE2231891C3; FR2156545A1; JPS4846269A; JPS5147566B2

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: PI 971 059

Verfahren zum Herstellen amorpher Halbleiterschichten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen amorpher Halbleiterschichten in monolithischen Halbleiterkörpern, insbesondere zum Zwecke der in der integrierten Halbleitertechnik erforderlichen Isolation von Halbleiterbereichen gegeneinander.

Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Isolatxonsschichten in Halbleiterkörpern durch Ionenimplantation vorgeschlagen worden, bei denen vom Halbleitermaterial unterschiedliche Ionen, wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenstoff, verwendet werden. Die Implantation wird dabei mit einem Energiepegel durchgeführt, der entsprechend der gewünschten Eindringtiefe der Ionen gewählt ist. Die Implantationszeit wird so festgelegt, daß eine dichte Ionenschicht im Halbleitermaterial entsteht. Anschließend wird der Halbleiterkörper auf eine Temperatur erhitzt, bei der die eingebetteten Ionen mit den Ionen des Halbleitermaterials reagieren und eine Isolationsschicht bilden.

Außerdem ist bereits eine Halbleiteranordnung vorgeschlagen worden, bei der sich eine einzelne durchgehende Isolationsschicht von der Oberfläche bis zu einer bestimmten Tiefe innerhalb eines Halbleiterkörpers erstreckt und eine Zone des Halbleiterkörpers

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umschließt und dadurch dielektrisch isoliert. Diese Isolationsschicht wird durch Bombardierung mit Ionen erzeugt, die mit den Atomen des Halbleitermaterials bei einem Erhitzungsprozeß reagieren. Der Ionenstrahl wird dabei auf ein Maskenfenster und dessen abgeschrägte Kanten gerichtet. Durch die abgeschrägten Kanten wird erreicht, daß die Eindringtiefe der Ionen von der Oberfläche bis zu einer bestimmten Tiefe im Bereich des Maskenfensters reicht. Während eines Erhitzungsprozesses reagieren die Atome des Halbleiterkörpers mit den implantierten Ionen, wobei eine Isolationsschicht entsteht, die den von ihr eingeschlossenen Halbleiterbereich dielektrisch isoliert.

In der integrierten Halbleitertechnik wird eine Anzahl von aktiven und passiven Elementen in oder auf einem gemeinsamen monokristallinen Halbleiterkörper hergestellt. Diese Elemente werden mit Hilfe von Leitungszügen miteinander verbunden, die auf einer auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebrachten Isolationsschicht angeordnet sind. Unerwünschte elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen innerhalb des Halbleiterkörper werden durch dazwischen angeordnete Isolationsschichten verhindert.

Es sind verschiedene Strukturen und Methoden bekannt, um diese gegenseitige Isolation zu bewirken. Eine Methode besteht darin, daß zwischen den einzelnen Halbleiterelementen in Sperrichtung betriebene PN-Übergänge angeordnet werden. Diese Isolationsmethode ist mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Insbesondere erweist sich die in Verbindung mit den PN-übergängen auftretende parasitäre Kapazität als ungünstig im Hinblick auf die erreichbare Geschwindigkeit. Ein weiterer Nachteil ergibt sich in einigen Anwendungsgebieten dadurch, daß diese Halbleiterübergänge strahlungsempfindlich sind und daß dadurch die Isolationswirkung unter Umständen aufgehoben werden kann. Eine weitere Isolationsmethode besteht darin, daß die zu isolierende Halbleiteranordnung mit einer Schicht aus Isolationsmaterial umgeben wird. Diese Methode ist als dielektrische Isolation bekannt. Dabei werden

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beispielsweise Kanäle in den Halbleiterkörper eingeätzt, die die einzelnen Haifaleiterbereiche voneinander trennen. Anschließend wird die gesamte Oberfläche einschließlich der eingeätzten Kanäle mit einer Isolationsschicht bedeckt. Schließlich wird auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers das Halbleitermaterial bis auf den Grund der Kanäle entfernt. Auf diese *Feise entstehen Halbleiterbereiche, die mit Isolationsmaterial umgeben sind« Diese Methode ist jedoch sehr zeitaufwendig, kostspielig und außerdem schwierig durchzuführen.

Isolationsschichten aus Siliciumnitrid, Siliciumkarbid und Siliciumoxyd wurden bisher dadurch hergestellt, daß Ionen anderer Materialien als das Material des verwendeten Halbleiterkörpers in den Halbleiterkörper implantiert wurden. Beispielsweise wurden bei der Herstellung von Silicumnitridschichten Stickstoffatome in den Silicium-Halbleiterkörper implantiert. Bei einer anschließenden Erhitzung auf eine Temperatur von etwa 1100 C reagieren die implantierten Ionen mit den Ionen des Halbleiterkörpers und bilden Siliciumnitridschichten.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, amorphe Halbleiterschichten, die als Isolationsschichten verwendbar sind, unter Anwendung der Ionenimplantation anzugeben, das im Vergleich mit dem bekannten Verfahren wesentlich vereinfacht ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem monolithischen Halbleiterkörper durch Implantation von Ionen gleichen Halbleitermaterials amorphe Halbleiterschichten in durch ■&!& auf gewandte Strahlenergie bestimmte Tiefe erzeugt werden. Als vorteilhaft erweisen sich Halbleitermaterialien aus der Germanium und Silicium enthaltenden Gruppe. Eine Strahlenergie >5 KeV und eine Dosis von mi:
weisen sich als vorteilhaft.

15 2 >5 KeV und eine Dosis von mindestens 1 χ 10 Ionen/cm er-

Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich dadurch als besonders vorteilhaft, daß die von der vergrabenen Isolationsschicht aus-

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gehenden und sich an die Oberfläche erstreckenden, die seitlichen Begrenzungsschichten bildenden Isolationsschichten ohne Veränderung der Strahlenergie lediglich durch Verlängerung der Einwirkzeit hergestellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in mehreren Verfahrensschritten die erfindungs-

gemäße Herstellung einer dielektrischen Isolationsschicht in einem monokristallinen Halbleiterkörper,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Einrichtung

zur erfindungsgemäßen Durchführung der Ionenimplantation ,

Fig. 3 die bekannte, bei der Ionenimplantation in SiIi-

ciumkristallen lediglich qualitative Verteilung der Atomversetzungen bzw. der Teilgitterstörungen in Abhängigkeit von der Tiefe bei einer

15 2 Dosis von 6 χ IO Ionen/cm ,

Fig. 4 eine entsprechende, auf neuen experimentellen

Beobachtungen basierende qualitative Verteilung

16 2

bei einer Dosis von 1 χ 10 Ionen/cm und

Fig. 5 eine entsprechende, auf neuen experimentellen

Beobachtungen basierende qualitative Verteilung bei einer Dosis von 6 χ 10 Ionen/cm .

Zur Herstellung einer vergrabenen Schicht in einem monokristallinen Halbleiterkörper werden, wie in Fig. 1 angedeutet, Ionen in den Halbleiterkörper an einer definierten Stelle implantiert. Das er- ' findungsgemäße Verfahren betrifft insbesondere die Implantation von Siliciümionen in ein monokristallines Siliciumsubstrat.

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Eine Einrichtung zur Durchführung der Ionenimplantation ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Mit dieser oder vergleichbaren Einrichtungen lassen sich Atome bestimmter Elemente an einer Ionenquelle 30 ionisieren und mit Hilfe eines Potentialgradienten in einem Beschleuniger 32 auf eine Energie beschleunigen, so daß sie in ein in einer geeigneten Kammer 34 untergebrachtes Objekt 10 implantiert werden. Da der Ionenstrahl 36 geladen ist, kann er durch magnetische und elektrische Felder beeinflußt und somit fokussiert und in der Kammer 38 abgelenkt werden.

Die Tiefe, in der die Ionen im Objekt 10 implantiert werden, ist eine Funktion der Energie und des Einfallswinkels des Ionenstrahles in bezug auf das Objekt 10. Der Einfallswinkel kann beispielsweise durch Rotation des Objekts 10 um eine Achse. 40 gesteuert werden. Gewöhnlich reicht eine Energie von 5 KeV bis 3 MeV aus, um Ionen in einen monokristallinen Halbleiterkörper zu implantieren. Es ist eine Reihe von Methoden bekannt, die eine Festlegung des Gebietes gestatten, in welchem die Implantation folgen soll. Beispielsweise kann der Ionenstrahl durch magnetische oder elektrische Felder so fokussiert und abgelenkt werden, daß er lediglich auf das Gebiet trifft, in welchem eine Implantation stattfinden soll. Es ist aber auch möglich, in den Strahlengang-36 an irgendeiner Stelle eine Maske anzuordnen, die den Ionenstrahl nur auf bestimmte Bereiche auftreffen läßt. Schließlich kann eine Definition des Implantationsgebietes auch dadurch erreicht werden, daß die Oberfläche des zu beaufschlagenden Halbleiterkörpers selbst mit einer geeigneten Maske beschichtet wird. Gewöhnlich bringt man eine maskierende Schicht geeigneten Materials auf und legt durch Anwendung konventioneller photolithographischer Techniken in den gewünschten Bereichen Maskenfenster frei.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise ein monokristalliner Halbleiterkörper aus Silicium mit Siliciumatomen bombardiert. Dies ist in Schritt 1 der Fig. 1 dargestellt. Die Bombardierung kann in bezug auf die Kristallachse

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in beliebiger Richtung erfolgen, es wird jedoch, bevorzugt> daß sie unter einem Winkel von 2 zur größeren Hauptachse erfolgt. Der Auftragswinkel in bezug auf die Kristallstruktur beeinflußt die Eindringtiefe der Ionen. Ein kleiner Winkel zwischen Strahl und Kristallachse ergibt auch eine Verdichtung der implantierten Ionen. Die zu beaufschlagende Fläche kann mit Hilfe der bereits erwähnten Methoden kontrolliert werden. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, wird die Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 10 mit einer Maske 12 beschichtet. Die maskierende Schicht verhindert, daß Ionen in den Halbleiterkörper 10 eindringen. Die Maske 12 kann aus jedem geeigneten Metall oder aus Isolationsmaterial bestehen. Typische Materialien sind Molybdän, Wolfram, Platin, Gold, Silber, Siliciumdioxyd, Siliciumnitrid und ähnliche. Im Normalfall benötigt man lediglich Maskenschichten mit einer Dicke von wenigen tausend R. Die Masken können durch konventionelle photolithographische Technik hergestellt werden.

Wie im Schritt 2 dargestellt, wird durch die Ionenimplantation Im Bereich der ungeschützten oder unmaskierten Oberfläche im Innern des Halbleiterkörpers 10 eine Schicht 14 gebildet. Diese Schicht 14 besteht aus einer hohen Konzentration von implantierten Siliciumionen. Die Tiefe der Schicht 14 innerhalb des Halbleiterkörper hängt von der Energie ab, mit der die Implantation erfolgt. In Abhängigkeit von der gewünschten Eindringtiefe werden gewöhnlich Energien von 500 KeV bis 3 MeV aufgewendet. In Fig. 3 ist im Querschnitt die Verteilung der Kristallgitterstörungen dargestellt, wie sie nach Durchführung des Verfahrensschrittes 2 in Fig. 1 auftritt. Die Konzentration

bei implantierten Ionen innerhalb der Schicht 14 beträgt 10

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bis 10 Ionen/cm . Wie in Schritt 2 angedeutet, bilden die implantierten Ionen innerhalb dem Halbleiterkörper 10 eine amorphe Siliciumschicht 14. Diese amorphe Siliciumschicht weist einen spezifischen Widerstand von über 1000 0hm/cm auf. Dieser Wert bleibt auch bei einem einstündigen Tempern bei einer Temperatur von 550 ⁰C erhalten.

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Der Halbleiterkörper 10 mit der vergrabenen amorphen Isolationsschicht 14 kann anschließend, wie in den Schritten 3 und 4 der Fig. 1 angedeutet ist, so weiter behandelt werden, daß eine vollkommene Isolationswanne entsteht. Die Schicht 14 bildet dabei die isolierende Bodenfläche dieser Isolationswanne. Im Halbleitermaterial innerhalb dieser Isolationswanne können in bewährter Weise aktive oder passive integrierte Schaltelemente erzeugt werden. Im Schritt 3 der Fig. 1 erfolgt die Ionenimplantation in Verbindung mit einer Maske 12 2ur Bildung der Seitenwände der Isolationswanne. Diese seitlichen Isolationsschichten 16 werden wiederum durch Ionenimplantation gebildet, wobei während ihrer Bildung die Energie des Ionenstrahls nicht verändert wird. Dadurch können jegliche Einstell- und Regeleinrichtungen entfallen. Die implantierten Isolationsschichten 16 bestehen wiederum aus amorphem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von über 1000 Ohm/cm. Die fertige Struktur ist im Schritt 4 dargestellt. Das dielektrisch isolierte Halbleitergebiet 18 kann nunmehr die in bekannter Weise einzubringenden Halbleiterzonen zur Bildung der gewünschten Strukturen aufnehmen. Im Schritt 4 der Fig. 1 ist zwar nur eine einzelne Isolationswanne mit Isolationsschichten 14 und 16 dargestellt, die die monokristallinen Halbleiterbereiche 18 und 19 trennen,selbstverständlich ist es möglich, unter Anwendung der bekannten Maskierungstechnik gleichzeitig mehrfache derartige Strukturen herzustellen.

Um wirksame und durchgehende Isolationsschichten zu erhalten, muß die Konzentration der implantierten Siliciumionen im allgemeinen 10¹⁵ od<
tragen.

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10 oder größer und vorzugsweise 10 bis 10 Ionen/cm bein einem ersten Ausführungsbeispiel wurde ein P-dotiertes Siliciumplättchen, dessen Oberflächen etwa 2 ° gegen die [Hl] Kristallebene geneigt waren, dessen spezifischer Widerstand 1 0hm/cm betrug und das einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufwies, einem Implantationsprozeß von Siliciumionen unterworfen, wobei die Gesamtenergie 1 MeV betrug. Der Strahlstrom betrug 2,3 μΑ

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ο und die betroffene Fläche waren 4 cm bei einer Dichte von

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0,58 μΑ/cm , was einem Ionenfluß von 3,6 χ 10 Ionen/cm entspricht. Die Implantationsdauer betrug 28 Minuten bei einer

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Dosis von 6 χ 10 Ionen/cm . Dabei ergab sich die in Fig. 3 dargestellte qualitative Verteilung der Atomversetzungen,bzw. Kristallgitterstörungen in Abhängigkeit von der Tiefe.

Bei einem zweiten, dem ersten entsprechenden Ausführungsbeispiel wurde lediglich die Energie von 1 MeV während einer Zeit von 46 Minuten aufrechterhalten, was eine Dosis von 1 χ 10 Ionen/

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cm ergab. Aus Fig. 4 ist zu ersehen, daß unter diesen Bedingungen sich das amorphe Wachstum gegen die Oberfläche hin fortsetzt. Bei einem dritten, wiederum im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechendem Ausführungsbeispiel wurde die Energie von 1 MeV während einer Zeit von 280 Minuten aufrechterhalten, so daß

16 2 sich eine Gesamtdosis von 6 χ 10 Ionen/cm ergab. Aus Fig.

ist zu ersehen, daß sich das amorphe Wachstum unter diesen Bedingungen bis an die Oberfläche hin fortsetzt. Dem vorstehenden ist zu entnehmen, daß sich das Wachstum amorphen Siliciums in einem Halbleiterkörper aus Silicium erfindungsgemäß homogen und in seiner Eigenschaft gleichbleibend erhalten bleibt, obwohl aus vergrabenen Schichten und von diesen ausgehend an die Oberfläche des Halbleiterkörpers sich ausdehnende Schichten gebildet werden. Derartige Ergebnisse werden nicht erhalten, wenn in bekannter Weise zur Verringerung der Eindringtiefe während des Implantationsprozesses der Energiepegel sequentiell herabgesetzt wird.

Ähnliche Ergebnisse erhält man, wenn Germaniumionen in monokristallines Germanium implantiert werden.

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Claims

P A T E N T A K S P R Ü C H E

1. Verfahren zum Herstellen amorpher Halbleiterschichten in monolithischen Halbleiterkörpern durch Anwendung der Ionenimplantation, dadurch gekennzeichnet, daß in einem monolithischen Halbleiterkörper durch Implantation von Ionen gleichen Halbleitermateri-als amorphe Halbleiterschichten in durch die aufgewandte Strahlenergie bestimmter Tiefe erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial solches aus der Germanium und Silicium enthaltenden Gruppe dient.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenergie >5 KeV gewählt ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis der implantierten Ionen mindestens 1 χ 10¹⁵ Ionen/cm² beträgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphen Halbleiterschichten zur dielektrischen Isolation von monolithischen Halbleiterbereichen dienen,

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der vergrabenen Isolationsschicht ausgehenden und sich an die Oberfläche erstreckenden, die seitlichen Begrenzungsschichten bildenden Isolationsschichten ohne Veränderung der Strahlenergie lediglich durch Verlängerung der Einwirkzeit hergestellt werden.

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