DE3047297C2

DE3047297C2 -

Info

Publication number: DE3047297C2
Application number: DE3047297A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Ayase Kanagawa Jp Nishiyama; Tetsunosuke Tokyo Jp Yanada; Michio Yokohama Kanagawa Jp Arai
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1979-12-17
Filing date: 1980-12-16
Publication date: 1993-04-01
Also published as: JPS56100412A; CA1143867A; GB2065973A; NL8006759A; NL191621C; JPS614173B2; FR2473787A1; NL191621B; US4482393A; FR2473787B1; DE3047297A1; GB2065973B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements durch Implantieren von Fremdionen in die Oberfläche eines Halb leitersubstrats und elektrisches Aktivieren des implantierten Bereichs durch Bestrahlen mit kontinuierlich emittiertem, inkohärentem Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,4 bis 4 µm, dessen Strahl breiter ist als das Substrat.

Bisher werden die Kristallfehlstellen eines mit implantierten Ionen verse henen Bereiches zur elektrischen Aktivierung der implantierten Atome oder Ionen durch eine Glühbehandlung geheilt, wozu man üblicherweise einen elektrischen Ofen verwendet. Diese herkömmliche Methode besteht darin, eine Reihe von implantierte Ionen aufweisenden Halbleitersubstra ten auf einer Quarzunterlage oder dergleichen anzuordnen und dann in ei nem elektrischen Ofen einer Glühbehandlung zu unterwerfen, beispiels weise während mehr als 10 Minuten bei 800-1200°C, um in dieser Weise in jedem der Substrate einen elektrisch aktivierten Bereich zu erzeugen.

Diese Methode ist zwar produktiv, da gleichzeitig mehrere Substrate be handelt werden können, ist jedoch wegen der Tatsache nachteilig, daß we gen der großen Wärmekapazität der zu behandelnden Substrate sich wäh rend der kurzen Heizdauer Ungleichmäßigkeiten in den elektrisch akti vierten Schichten ergeben.

Selbst wenn versucht wird, das Profil eines implantierte Ionen aufweisen den Bereiches bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements zu steu ern, ergibt sich eine Redistribution in dem Ionenimplantationsprofil bei der herkömmlichen langdauernden Wärmebehandlung. Als Ergebnis da von werden die Vorteile der Ionenimplantation wieder aufgehoben.

Weiterhin werden bei der Herstellung von thermisch instabilen Halbleiter bauelementen wie GaAs-Bauelementen, Halbleiteratome, wie Galliumato me und Arsenatome, die das Substrat bilden, während des langen Erhit zens auf eine hohe Temperatur verdampft, so daß sich eine thermische Umwandlungsschicht auf der Oberfläche des Substrats ergibt, die die elektrische Aktivierung des implantierte Ionen aufweisenden Bereiches stört.

In jüngster Zeit wird eine neue Glühbehandlungsmethode für Ionenim plantationsbereiche, beispielsweise eine Laserglühbehandlungsmethode untersucht, mit der es möglich wird, den implantierte Ionen aufweisenden Bereich innerhalb sehr kurzer Zeitdauern (im Nanosekunden- bis Mikro sekundenbereich) elektrisch zu aktivieren. Es wird angenommen, daß der ablaufende Mechanismus darin besteht, daß das Halbleitersubstrat die Energie des Laserlichts absorbiert und in Wärmeenergie umwandelt, wo durch die Glühbehandlung des Substrats erreicht wird. In diesem Fall hängt jedoch der Lichtabsorptionskoeffizient des Halbleitersubstrats in starkem Maße von der Wellenlänge des Laserlichts und auch von den Kri stalleigenschaften des Halbleitersubstrats (die in Abhängigkeit von der Menge der implantierten Ionen variieren) ab, was zur Folge hat, daß die La serstrahlung in Abhängigkeit von den zu behandelnden Halbleitersub straten geändert werden muß.

Weiterhin ergeben sich, wenn man eine mehrschichtige Struktur, wie eine SiO₂-Si-Struktur, eine polykristalline Si-Si-Struktur und dergleichen, mit Laserlicht bestrahlt, um diese Struktur einer Glühbehandlung zu unter ziehen, Reflexionen des Laserlichts auf beispielsweise der Oberfläche der Si-Schicht, so daß sich ein Interferenzeffekt einstellen kann, der von der Wellenlänge des Laserlichts, der Dicke der SiO₂-Schicht auf der Si- Schicht und dergleichen abhängt. Damit muß die Laserstrahlung bei der Glühbehandlung jeweils unterschiedlich sein.

Weiterhin wird bei der derzeitigen Glühbehandlung unter Verwendung von Laserlicht das Halbleitersubstrat mit Hilfe eines Laserstrahls, der auf ei nige 10 µm fokussiert ist, in zwei Dimensionen abgetastet, um das Sub strat gleichmäßig zu behandeln. Hierbei wird jedoch wegen Schwankun gen, Änderungen oder ähnlichen Störungen des Laserlichts keine gleich mäßige Glühbehandlung erreicht. Wenn man andererseits ein Halbleiter substrat mit Hilfe eines Laserstrahls mit großem Querschnitt bestrahlen will, ist eine sehr hohe Laserleistung erforderlich.

Aus der US-PS 40 01 048 ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter bauelementen bekannt, bei dem die mit Fremdionen implantierten Bereiche des Halbleitersubstrats einer Glühbehandlung während einer Zeit dauer von etwa 10 Minuten bei einer Temperatur von etwa 900°C unter worfen werden, um die implantierten Ionen elektrisch zu aktivieren.

Gegenstand der US-PS 40 81 313 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, gemäß deren die durch Dampfab scheidung auf dem Substrat ausgebildeten Schichten einer Wärmebe handlung unterworfen werden und zwar durch Bestrahlen mit inkohärentem Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1 µm oder weniger, welches beispielsweise mit Hilfe einer Wolfram-Halogen-Lampe emittiert wird. Dabei wird das Halbleitersubstrat auf einer Halterung angeordnet und in einer Reak tionskammer bestrahlt, deren Wände verspiegelt sein können. Aufgrund des ungleichmäßigen Kontaktes mit der Halterung können sich Verunrei nigungen und ungleichmäßige Eigenschaften der erzeugten Halbleiter bauelemente ergeben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements anzugeben, mit dem Halblei terbauelemente kontinuierlich, schnell und trotzdem mit einheitlichen Eigenschaften hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrens gemäß Hauptanspruch.

Der Unteranspruch betrifft eine bevorzugte Ausführungsform dieses Erfindungsgegenstandes.

Erfindungsgemäß wird somit der implantierte Bereich des Halbleitersub strats derart kontinuierlich auf einem vorzugsweise aus Stickstoffgas ge bildeten Luftkissen durch den Bestrahlungsbereich geführt, daß beide Hauptoberflächen des Substrats der Strahlung ausgesetzt sind. Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise gelingt es, die elektrische Aktivie rung des die implantierten Ionen aufweisenden Bereiches innerhalb einer Zeitdauer durchzuführen, die um zwei Größenordnungen (10 ^-2) kurzer ist als die herkömmliche Glühbehandlung unter Verwendung eines elektri schen Ofens, so daß die durch diese herkömmliche lange Glühbehandlung auftretenden Probleme vermieden werden können. Durch die kontinuierli che Förderung des Halbleitersubstrates auf dem Luftkissen durch den Be strahlungsbereich lassen sich Verunreinigungen vermeiden und Produkte mit einheitlichen konstanten Eigenschaften erhalten.

Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefüg ten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Bestrahlungsdauer eines Halbleiter plättchens und ihres Schichtwiderstandes ver deutlicht;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die das Bor-Konzen trationsprofil der (111)-Oberfläche eines Halblei terplättchens wiedergibt und

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die anhand eines Trägerkonzentrationsprofils eines Halbleiterplätt chens die thermische Umwandlung verdeutlicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bewirkt man die Bestrahlung bei spielsweise mit einer Wolframhalogenlampe, die sichtbares und Infrarot licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,4 bis 4 µm ausstrahlt, wobei Spiegel mit einer parabolisch geformten reflektierenden Oberfläche oder Spiegel mit elliptisch geformter reflektierender Oberfläche verwendet wer den können, um das Licht auf das zu behandelnde Substrat zu richten. Bei der Verfahrensweise, bei der die Heizeinrichtung und die Ionenimplanta tionsvorrichtung integriert sind, werden zunächst Ionen in das Halbleiter plättchen implantiert, wonach das Plättchen anschließend in der gleichen Kammer der erfindungsgemäßen Glühbehandlung unterworfen wird.

Die Glühdauer der oben beschriebenen Heizeinrichtung beträgt einige Se kunden, was zur Folge hat, daß der implantierte Ionen aufweisende Be reich elektrisch aktiviert werden kann, ohne daß sich eine Redistribution ergibt, so daß schmalere Übergänge gebildet werden können.

Wenn ein Halbleiterbauelement, wie ein Halbleiterbauelement auf der Grundlage einer GaAs-Verbindung, die thermisch instabil ist, hergestellt wird, kann man den implantierte Ionen aufweisenden Bereich des Bauele ments innerhalb kurzer Zeitdauer durch die Glühbehandlung unter Ein wirkung von Lichtstrahlung aktivieren. In diesem Fall kann das Verdamp fen von Gallium oder Arsen oder die Diffusion von Chrom unterdrückt wer den, da die Erzeugung einer thermi schen Umwandlungsschicht vermieden wird und das durch die Ionenimplantation erzeugte Fremdionenprofil nicht gestört wird.

Wenn weiterhin die erfindungsgemäße Glühbehandlung unter Anwendung von inkohärenter Lichtstrahlung auf ein mehr schichtiges Halbleiterplättchen, wie eine Si-SiO₂-Struk tur, eine Si-polykristalline Si-Struktur oder derglei chen angewandt wird, können die Interferenzeffekte, die bei der Laserglühbehandlung Probleme darstellen, ver nachlässigt werden, da die Wellenlänge des von der Wolframhalogenlampe ausgestrahlten Lichtes im Bereich von 0,4-4 µm liegt.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Man implantiert in die (100)- und (111)-Oberflächen eines nach Czochralski erzeugten Siliciumkristallplättchens des N-Typs B⁺-Ionen unter Anwendung einer Energie von 200 keV und einer Dosis von 10¹⁵cm^-2. Dann bestrahlt man dieses Plättchens mit dem Licht einer Wolframhalo genlampe, wobei die Lampenleistung auf 35 Wcm^-2 eingestellt wird.

In der Fig. 1 ist die Beziehung zwischen der Bestrahlungs dauer und dem Schichtwiderstand der Plättchenoberfläche dargestellt. In der Fig. 3 zeigen die runden Punkte die Ergebnisse des Plättchens mit der (100)-Oberfläche und dem spezifischen Widerstand von 40-80 Ω·cm, während die dreieckigen Punkte für das Plättchen mit der (111)- Oberfläche und dem spezifischen Widerstand von 60-80 Ω·cm stehen.

Bei der Glühbehandlung in einem elektrischen Ofen, die beispielsweise während 15 Minuten bei 1100°C durchge führt wird, beträgt der Schichtwiderstand eines Halblei terplättchens etwa 80 Ω/ (Ω pro Flächeneinheit). Es ist daher ersichtlich, daß es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verfahrensweise möglich ist, ein Halbleiterplättchen mit ähnlichen Eigenschaften wie jenen eines herkömmlichen Materials durch das Bestrahlen mit Licht während etwa 6 Sekunden herzustellen.

Die Fig. 2 verdeutlicht das Bor-Konzentrationsprofil in der (111)-Oberfläche eines Halbleiterplättchens. Die in der Fig. 2 ausgezogen dargestellte Kurve verdeutlicht das in das Plättchen implantierte Borprofil, während die gestrichelte Kurve den theoretischen Verlauf wiedergibt. In dieser graphischen Darstellung verdeutlichen die aus gefüllten schwarzen Punkte den Fall der Bestrahlung mit Licht während 6 Sekunden, während die nicht ausgefüllten runden Punkte und die nicht ausgefüllten rechteckigen Punkte die Behandlung der Plättchen während 15 Minuten bei 1000°C bzw. 1100°C in einem elektrischen Ofen wieder geben. Es ist daher ersichtlich, daß mit der erfindungs gemäßen Licht- Glühbehandlung eine geringe Rediffusion der Fremdionen erfolgt und daß die Verteilung des Schichtwiderstandes in dem Plättchen innerhalb eines Rereiches von 1,2% liegt.

Beispiel 2

Man implantiert Si⁺-Ionen in ein mit Cr dotiertes GaAs-Plätt chen unter Anwendung einer Bestrahlungsenergie von 70 keV und einer Dosis von 3·10¹² cm^-2 , wonach man das Plättchen mit dem Licht einer Wolframhalogenlampe bestrahlt.

Die Fig. 3 gibt anhand von Kurven einen Vergleich der Trägerprofile von Plättchen, die einer besonders starken thermischen Umwandlung unterliegen. In der Fig. 3 ver deutlichen die Kurven A und B den Fall des Erhitzens des Materials mit Licht bis auf eine Temperatur von 940°C, worauf die Bestrahlung unterbrochen wird, bzw. das Er hitzen mit Licht auf eine Temperatur von 900°C unter Fortsetzung der Bestrahlung während 10 Sekunden, während die Kurve C die Behandlung wiedergibt, die darin besteht, das Plättchen während 15 Minuten in einem elektrischen Ofen auf 850°C zu erhitzen. Aus der Fig. 3 ist ersicht lich, daß bei der Licht-Glühbehandlung wenig überschüssige Träger auftreten und ein scharfes Trägerprofil erreicht wird.

Weiterhin kann man das erfindungsgemäße Verfahren unter Anwendung der oben beschriebenen Heizeinrichtung derart durchführen, daß man vor der Glühbehandlung eine isolie rende Schicht erzeugt, um die Oberfläche des GaAs-Plätt chens während der Glühbehandlung zu passivieren. In diesem Fall führt man SiH₄, O₂ und dergleichen in das Quarzrohr der Heizeinrichtung, in der das Plättchen angeordnet ist ein und bestrahlt das Plättchen, nachdem die Gasströmung stabil geworden ist, mit Licht, um das Plättchen während einiger Sekunden auf 400-500°C zu erhitzen und in die ser Weise eine SiO₂-Schicht durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase auf der Oberfläche des Plättchens zu erzeugen. Dann wird das in dieser Weise vorbehandelte Plättchen in dem gleichen Quarzrohr der oben beschriebe nen Glühbehandlung unterworfen.

Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur in der oben beschriebenen Weise durchgeführt werden kann, sondern daß man die Ionen auch mit höheren Dosierungen in die Plättchen implantieren kann, um die Diffusion von Atomen aus der Metallschicht in das Substrat zu verhindern, wobei die Metallschicht als Ionen implantationsmaske oder als Kontaktleiter dient.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements durch Im plantieren von Fremdionen in die Oberfläche eines Halbleitersubstrats und elektrisches Aktivieren des implantierten Bereichs durch Bestrahlen mit kontinuierlich emittiertem, inkohärentem Licht einer Wellenlänge im Bereich von 0,4-4 µm, dessen Strahl breiter ist als das Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß man das Halbleitersubstrat derart kontinuierlich auf einem vorzugsweise aus Stickstoffgas gebildeten Luftkissen durch den Bestrahlungsbereich führt, daß beide Hauptoberflächen des Substrats der Strahlung ausgesetzt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Halbleitersubstrat durch eine Kammer führt, in der die Heizeinrich tung und die Ionenimplantiervorrichtung integriert sind.