DD256777A1 - Verfahren zum erzeugen stabiler lokaler rekombinationszentren in si-halbleiterbauelementen - Google Patents
Verfahren zum erzeugen stabiler lokaler rekombinationszentren in si-halbleiterbauelementen Download PDFInfo
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Abstract
Verfahren zum Erzeugen stabiler lokaler Rekombinationszentren in Silizium-Halbleiterbauelementen, insbesondere fuer die Herstellung von Strukturen, bei denen lokalisiert geringe Ladungstraeger-Lebensdauern benoetigt werden. Das Ziel der Erfindung besteht in der rationellen Herstellung derartiger schneller Bereiche mit hoher Ausbeute. Die spezielle Aufgabe ist darin zu sehen, anstelle des ueblicherweise verwendeten Goldes ein Material einzusetzen, das die Traegerlebensdauer entsprechend herabsetzt, gleichzeitig ein stabiles Verhalten gegenueber thermischen Prozessen aufweist und mit geringem technischem Aufwand einzubringen bzw. zu aktivieren ist. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe durch die Verwendung von Molybdaen zur direkten Bildung von Rekombinationszentren geloest, das durch Implantation selektiv eingebracht und insbesondere durch Kurzzeitausheilung aktiviert wird.
Description
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Erzeugen stabiler lokaler Rekombinationszentren in Si-Halbleiterbauelementen, insbesondere bei der Herstellung von VLSI-Strukturen, in denen extrem lokalisiert geringe Ladungsträger-Lebensdauern, z.B. für schnell schaltende Bauelementestrukturen, benötigt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Leistungs-Halbleiterbauelemente, die mit Ansteuer- oder Beschaltungselementen integriert sind, bei denen einerseits lokale Bereiche geringer Trägerlebensdauer furiktionsbedingt, andererseits lange Hochtemperaturbehandlungen herstellungsbedingt erforderlich sind.
Verfahren zur Bildung von Rekombinationszentren im Halbleitermaterial durch den Einbau sogenannter Lebensdauer-Killer in das Kristallgitter sind bekannt. Vorzugsweise durch Einbringen von Gold oder Platin werden Hochfrequenz-Bauelemente oder schnell schaltende Leistungsbauelemente hergestellt. In der Integrationstechnik ist es notwendig, lokale Bereiche mit definierter Rekombinationsrate zu erzeugen. Nachteilig, besonders bei der Herstellung integrierter Strukturen ist, daß die lokale Begrenzung und die Dosierung technologisch schwer beherrschbar sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die verwendeten Edelmetalle hohe Diffusionskoeffizienten aufweisen und demzufolge bei nachfolgenden Temperaturbehandlungen zu schwer bestimmbaren Verteilungen und Konzentrationen führen. Durch Wechselwirkung zwischen Schwermetallatomen und Gitterdefekten treten lokale hohe Getterverluste auf, die eine inhomogene Reduzierung der Lebensdauer über die Fläche verursachen. Der Nachteil für die Anwendung der bekannten technologischen Verfahren besteht darin, daß man aufgrund der hohen Diffusionsgeschwindigkeit der Edelmetalle unter Inkaufnahme unökonomischer Verfahrensabläufe die Edelmetalldotierung nach dem letzten Hochtemperaturschritt durchführen, bzw. teure Niedertemperaturverfahren, wie CVD-pder Sputterverfahren, anwenden muß. In dem WP 212361 wird speziell für CMOS-Schaltkreise ein Verfahren vorgeschlagen, das ohne Edelmetalldotierung eine vertikal selektive Lebensdauerveränderuhg mit stabilen Eigenschaften zuläßt. Nachteilig dabei ist, daß spezielles Czochralski-Material mit hohem (VAnteil für die Chipherstellung eingesetzt werden muß. Der technologische Aufwand bezüglich der zusätzlichen Arbeitsschritte, der Arbeitszeit und des Energieaufwandes ist groß. Eine laterale Strukturierung ist nicht möglich. In der DE-OS 2642206 wird ein Verfahren zur vertikal selektiven Lebensdauerreduzierung durch Strahlungsdefekte mittels Implantation von Au, Si, Ge usw. angegeben. Der Nachteil ist, daß die Temperatur der nachfolgenden Prozeßschritte 4500C nicht übersteigen darf. Keines der bekannten Verfahren zur Reduzierung der Trägerlebensdauer ist mit der unter dem Begriff „defectengineering" bekannten Lebensdauer- und Funktionsoptimierung kompatibel. Die Möglichkeiten der vertikalen und lateralen Strukturierung sind entweder nicht vorhanden oder gering.
Ziel der Erfindung ist es, bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen auf Si-Basis, speziell bei der Herstellung von hochintegrierten Schaltkreisen, exakt bestimmbare lokale Bereiche mit geringer Lebensdauer rationell herzustellen und damit die Integration schneller Bauelemente auf einem Chip bei hoher Ausbeute zu ermöglichen.
Auf der Grundlage der Zielstellung stellt sich die technische Aufgabe, ein Material und ein Verfahren anzugeben, mit dem ohne besondere Anforderungen an das Ausgangsmaterial bzw. dessen Vertikalstruktur Strukturen herstellbar sind, die in ihrer lateralen Ebene neben Bereichen mit hoher Trägerlebensdauer selektive Bereiche mit geringer Trägerlebensdauer aufweisen, die mit geringer thermischer Belastung der Gesamtstruktur anwendbar sind und mit dem bekannten Verfahren des „defectengineering" einschließlich Getterprozessen kompatibel sind. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Verwendung von Molybdän gelöst, das z. B. durch Ionenimplantation mit seiner Dosis > 1012cm~2 unabhängig von nachfolgenden Hochtemperaturschritten zu einem beliebigen Zeitpunkt des Herstellungsprozesses in die gewünschten Bereiche eingebracht und durch einen Ausheilprozeß bei einer Temperatur von mindestens 12000C in extrem kurzer Zeit aktiviert wird. Molybdän bildet in Silizium ein Donatorzentrum mit der energetischen Lage (Ev + 0,28eV) und einem Löchereinfangquerschnitt rg = 1,2 χ 10"8Cm3SeC"1. Molybdän gehört zu den Dotanten im Si, die die Ladungsträgerlebensdauer mit Zentren reduzieren,
die bei üblichen Hochtemperaturprozessen einen extrem kleinen Diffusionskoeffizienten haben. Diese Eigenschaft erlaubt eine Strategie in Verfahrenskomplexen, bei denen Bauelementebereiche mit stark differierenden Trägerlebensdauern gefordert werden. Es wurde erkannt, daß zum Zweck der direkten Verwendung als Rekombinationszentrum Molybdän eingesetzt werden kann, dessen Eigenschaften bisher nur zur Erzielung sekundärer, indirekter Wirkungen (Erzeugung von Gitterdefekten) genutzt wurden. Molybdän als Störstelle wurde wegen des vermuteten'geringen Diffusionskoeffizienten und den damit verbundenen Schwierigkeiten beim Einbringen der Störstellen nicht benutzt. Nach der Mo-Aktivierung bei Temperaturen T ä 12000C sind folgende Prozesse möglich, ohne daß Verteilung und Wirksamkeit der Mo-Rekombinationszentren signifikant verändert werden:
1) Mit üblichen Hochtemperaturschritten bis 1 2000C können Dotierungen eingebracht und aktiviert werden.
2) Passivierungs- und andere Isolatorschichten (z. B. auch Gateoxide) können aufgebracht werden.
3) Getterschichten auf der Struktur oder Getterbereiche in der Si-Struktur können erzeugt werden.
4) Ein übliches „defectengineering" (z.B. eine Langzeittemperung bei 9000C) kann auch als letzter Verfahrensschritt im Zyklus I ausgeführt werden.
Molybdän ist an Ausscheidungen, Komplexbildungen und Getterprozessen nicht direkt beteiligt. Untersuchungen, bei denen Phosphor- und Molybdänionen in Silizium implantiert werden, zeigten nach einer Blitzlampenausheilung unerwartet vergleichbare Diffusion von Molybdän und Phosphor. Obwohl bei der Blitzlampenausheilung nur für 30s eine Probentemperatur von 1250°C erreicht wurde, wurde im Si annähernd die Sättigungskonzentration der Mo-Rekombinationszentren aktiviert. Verglichen mit einer auch möglichen Langzeitdiffusion bzw. Ausheilung wurde im Kurzzeitregime ein um eine Größenordnung größerer Diffusionskoeffizient für Mo von D = 4 χ iO~12cm2/s gemessen. Die effektiven Aktivierungsbedingungen im Kurzzeitregime mit Mo als einem Element mit extrem kleinem Verteilungskoeffizienten in Si können erklärt werden durch die hohe Phasenfrontgeschwindigkeit bei der Rekristallisation durch Ionenimplantation amorphisierter Bereiche, durch günstige Bedingungen für Störstellenreaktionen, die Zwischenstufen für die Zentrenaktivierung darstellen können, und durch Überschuß an Zwischengitteratomen. Bei der Herstellung von Rekombinationszentren durch Molybdän mittels Implantation und anschließender Kurzzeitausheilung lassen sich Eindringtiefen bis zu 1 μνη ohne besonderen technologischen Aufwand herstellen. Für die Planarstrukfuren reicht diese Tiefe in der Regel aus.
Wegen der guten Einstellbarkeit über Ionenenergie und -dosis und der hohen Reproduzierbarkeit wird zum Einbringen der Molybdänzentren unter den möglichen bekannten Verfahren, wie dotierte Deckschicht, Aufdampfen, Sputtern usw., die Ionenimplantation vorgezogen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Deckschichten geeigneter Dicke, z. B. aus SiO2, zur vollständigen oder teilweisen Maskierung selektiver Bereiche der Siliziumoberfläche genutzt werden können. Die Ausheilungsbzw. Aktivierungsbedingungen werden durch die gewünschte Tiefe der lebensdauerreduzierten Bereiche bestimmt. Erfindungsgemäß wird dies mit Sicherheit bei Temperaturen von 12500C erreicht. Ein Ausheilen im Kurzzeitregime mit Blitzlampe, Laser oder Elektronenstrahl kann durch einen Diffusionsprozeß beiT> 12000C ergänzt werden, wenn die Trägerlebensdauer bis in tiefere Bauelementebereiche reduziert werden soll.
Mo98-lonen werden mit einer Energie von 150keV und einer Dosis von 9(14)cm~2in p-leitendesSi (200Ohmcm) implantiert, in das vorher 1016cm~2 p31-lonen mit 75keV implantiert worden sind. Bereiche, deren Trägerlebensdauer nicht reduziert werden sollte, werden durch eine 100nm dicke thermische SiO2-Schicht maskiert. Die Mo98-und p31-implantierte Probe wird von der Rückseiteausdurch einen Lichtblitz ausgeheilt. Dabei wird für 30s eine Probentemperatur von 1250 0C erreicht. In der Umgebung des durch das Kurzzeitausheilen entstandenen pn-Überganges wurden durch DLTS Mo-Rekombinationszentren mit (Ev + 0,28eV) und einer Konzentration von 6 (12)cm~3 nachgewiesen. Mit SEM/EBIC-Methodik wurde gezeigt, daß der pn-Übergang bei Xj = 0,7/xm liegt und die Ladungsträgerlebensdauer nahezu konstant ist. EBIC-Kontraste durch stark rekombinationswirksame, also dekorierte Kristalldefekte fehlen. Die OCVD-Methode ergibt eine Trägerlebensdauer τ = 2/us, die durch eine Temperung mit PSG-Schicht bei 1150°C unverändert bleibt. Schnelldiffundierende Rekombinationszentren wie z. B. Au und Pt werden durch die PSG-Schicht und die hohe P-Dotierung gegettert und damit als Rekombinationszentrum unwirksam.
Claims (3)
- Erfindungsanspruch:a·1. Verfahren zum Erzeugen stabiler lokaler Rekombinationszentren in Halbleiterbauelementen für die Herstellung schnell schaltender Bereiche in planaren integrierten Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß Molybdän direkt für die Bildung von Rekombinationszentren verwendet und mit einer Dosis von größer als 1012crrT2zu einem beliebigen Zeitpunkt im Verlauf des Herstellungsprozesses der Gesamtstruktur in diese eingebracht und nachfolgend durch einen Ausheilprozeß bei einer Temperatur von größer/gleich 12500C aktiviert wird.
- 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen von Molybdän durch Ionenimplantation erfolgt.
- 3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausheilung durch einen Kurzzeitausheilprozeß kleiner als 30 s erfolgt.
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