DD271592A1

DD271592A1 - Verfahren zur verbesserung der elektrischen eigenschaften von gaas-schichten durch ionenimplantation und ausheilung

Info

Publication number: DD271592A1
Application number: DD31514188A
Authority: DD
Inventors: Joerg Herold; Joerg Ziegler
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1988-04-28
Filing date: 1988-04-28
Publication date: 1989-09-06

Abstract

Das Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von GaAs-Schichten durch Ionenimplantation und Ausheilung ist vorteilhaft anwendbar bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente und Schaltkreise auf der Basis von GaAs. Eine (100)-orientierte GaAs-Schicht wird mit Dotanden bis zu einer nuklear deponierten Energiedichte im Maximum der Verteilung von weniger als 1,51021 keV/cm 3 bei einer Implantationstemperatur oberhalb 270 K bzw. weniger als 51020 keV/cm 3 bei einer Implantationstemperatur unterhalb 270 K implantiert wird und die Aufeinanderfolge dieser Schritte bis zur Erreichung einer Dosis wiederholt wird. Abschliessend erfolgt eine Waermebehandlung.

Description

Verfahren zur Verbessorung der elektrischen Eigenschaften von GaAs-Schichten durch Ionenimplantation und Ausheilung

^A,r.','endungsgebiet der Erfindung

Oie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften ionenimplantierter GaAs-Schichten. Die Anwendung lipgl in der Produktion von mikroelektronischen Bauelementen oder Schaltkreisen auf der Basis von (lOO)-orientierten GaAs, bei denen fiurch Ionenimplantation hochdotierte Oberf lädie'ischichten hergestellt werden. Oie Anwendung der Erfindung buv.irk⁴; Jie Erhöhung des Aktivierungsgrades der implantierten Dotander. und die Erhöhung der Beweglichkeit der Ladungsträger, wobei gleionzeitig die Verbreiterung des Ootandenprof ils und die Oefek !.diffusion verringert wird.

Charakterisierung des bekannten Standes der Technik

Ein entscheidender Schritt zur weiteren Erhöhung des Integrationsgrades mikroelektronischer Bauelemente besteht im übergang von herkömmlichen Ootierungsverfahren, z.B. Diffusion zur Ionenimplantation. Sie ermöglicht die schnelle reproduzierbare Erzeugung sowohl lateral als auch vertikal scharf begrenzter Dotandenprofile. Gleichzeitig macht sich aber eine thermische Nachbehandlung zur Beseitigung der beim Ionenbeschuß entstandenen Gitterschäden, zum Einbau und zur elektrischen Aktivierung der implantierten Dotanden erforderlich. Für die Herstellung ohmscher Kontakte für einen GaAs MESFET (Nucl. Instr. and Meth. 182/183 (1981), 709) bewirkt die Implantation bei Temperaturen kleiner 30° C in den meisten Fällen amorphe Schichten. Solche Schichten werden anschließend durch Ausheilung im Ofen (Solid-State-Electronics VnI. 21 (1978), 359) oder durch Kurzzeitausheilverfahren, die z.B. mit einem Streifenheizer (Nucl. Instr. and Meth. B 7/8 (1985), 418) und mit einem Halogenlampenheizer (Radiation Effects Vol. 91 (1985), 53) realisiert werden, mit und ohne Deckschichten in der festen Phase ausgeheilt und die Dotanden elektrisch aktiviert. Die Ausheilung verläuft in einem breiten Temperaturbereich von 150 C

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bis 1100° C (J. S. Williams, Laser Pronossliig of semiconductors eds. J. Poale, J. Mayer, Academic Press, New York (1902), 205.

Im Temperaturbereich von 150° C bis etwa 450^c U erfolgt die Rekristallisation der amüL'phsn Schicht durch einen '"estphasenepitaxieprozeß. Im Temperaturbereich von 450° C bis etwa Ö5u° U wandeln sich die bei der Rekristallisation entstandenen "lefekte um. Erst im Temperaturbereich oberhalb 050° C wird der Defektabbau beendet und die Dotanden elektrisch aktiviert, wobei der Defektabbau als notwendige Voraussetzung für die elektrische Aktivierumj angese'ien werden muß. Es ist bekannt, daß die Rekristallisation amorpher Schichten im Temperaturbereich von 150° C bis 400 C zu».' Bildung ausgedehnter Defekte führt. Hohe Temperaturen und Ausheilzeiten sind für die Beseitigung dieser ausgedehn ten Defekte notwendig. Es ist bekannt, daß lange Ausheilzeiten und hohe Temoeraturen folgende nachteilige Effekte hervorrufen:

die Verbreiterung de? Dotandenprofils durch Diffusion,

beim Ausheilen unter Deckschichten erfolgt eine spannungsbedingte Umverteilung von Dotanden und Bildung zusätzlicher Defekte (J. Electrochem. Soc: Solid-state science and technology, 130, 11 (1983), 2275),

Degradation de? ?aAs oberhalb einer Temperatur von etwa 550° C.

Diese nachteiligen Effekte verschlechtern die elektrischen Eigenschaften der implantierten und ausgeheilten GaAs-Schichten.

Es ist bekannt, daß erhöhte Implantationstemperaturen (> 150° C) zu einer geringeren Schädigung der implantierten Schicht sowohl nach der Implantation als auch nach der »Ausheilung führt (Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B7/8 (1985), 375). Wegen der gestiegenen Beweglichkeit der Punktdefekte bei solchen Temperaturen und der ständigen Energiedeponierung durch die implantierten Ionen, kommt es zur Verringerung der Strahlenschäden, wobei eine Amorphisierung verhindert

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wird. In der Patentschrift DD 145444 wird eine analose Vorgehensweise beschrieben, wobei ein Laserstrahl und der Ionenstrahl synchron über die Halbleiteroberfläche geführt bzw. synchron gepulst werder . Sowohl durch die Erwärmung der Probe durch den ! aserstrjhl als auch durch die Eneryiedepuniorurg des Ionenetrahls soll dia Probe ausgeheilt und elektrisch aktiviert werden. Es ist bekannt, daß im Ergebnis der Erhöhung der Implantatioristemperatur und anschließender Ausheilung der Probe oberhalb 050° C zur elektrischen Aktivierung der Dotanden eine Erhöhung der Schichtladungsträgerkonzentration und -beweglich^ !: ·. r.Jntritt (Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 6 (1985), 325). bieses Verfahren ist für die Technologie von Bauelementen und Schaltkreisen auf der Basis von GaAs unbrauchbar, da sie folgende Njchteile besitzt:

- Die Erwärmung der Probe während der Implantation führt zur Erhöhung des Diffusionskoeifizienxen des Dotanden in vielen Fällen in solch einem Umfang, daß durch die Verbreiterung der Dotandenprofile schon nach der Implantation die Toleranzen, die durch die Bauelementegröße vorgegeben werden, überschritten werden (Appl. Phys. Lett. 49, 26 (1986), 1787). Diese Verbreiterung iut nicht in Rädern Fall vorbestimmbar.

- Die Erwärmung der Probe während der Implantation führt zur starken Diffusion von Defekten aus dem Gebiet der Implantation in angrenzende Bereiche (V/. Wesch Dissertation B Jena 1987) und (NjcI. Instr. and Meth. in Phys. Research B 7/8 (1985) 375). Liegen strukturierte Gebiete in der Nähe des Implantationsgebietes, entstehen Störungen der elektrischen Eigenschaften durch die in das Gebiet diffundierten Defekte.

- Die Erwärmung während der Implantation führt zur Chromumverteilung in der implantierten Sciiicht, wenn chromkompensiertes GaAs verwendet wird.

- Die Anwendung der Planartechnolgie in Verbindung mit der Lackmaakentechnologie verbietet die Anwendung yon Implantationstemperaturon oberhalb 150° C, da sich insbesondere die Lackmaske unter dem Einfluß des Ionenstrahls schnall zersetzt. Die zersetzte Restschichx if¹; in den meisten Fällen sogar unlöslich.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in dir Erhöhung der Schichtladungs·- trägerkonzentration und -beweglichkeit bis etwa auf die GröOe, die mit der HeiOimplantation erzielbar ist. Weiterhin soll die Verbreiterung des Dotandenprofils die Chromumverteilung und die Defektdiffusion während der Implantation verhindert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf den Abbau der Defekte

nach der Implantation und vor der Ausheilung zur elektrischen Aktivierung der Dotanden Einfluß zu nehmen. Irr· Vergleich zur Anwendung herkömmlicher Verfahren der Implantation bti Raumtemperatur und Ausheilung werden höhere Beweglichkeiten und Konzentrationen der Ladungsträger in der implantierten Schicht erreicht. Im Vergleich zur Anv/endung herkömmlicher Verfahren der Implantation bei erhöhteil Temperaturen >100° C und anschließender Ausheilung zur elektrischen Aktivierung der Dotanden soll sich die Verbreiterung des Dotandenprofils, die Chromumverteilung und die Defektdiffusion verringern. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von GaAs-Schichten durch Ionenimplantation und Ausheilung dadurch gelöst, daß in eine (100)-orientierte GaAs-Schicht bei einer Temperatur von weniger als 350 K mit Dotanden bis zu einer nuklear deponierten Energiedichte im Maxir.um der Verteilung

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oberhalb 270 \· bzw. weniger als 5 χ 10 keV/cm bei einer Implantationstemperatur unterhalb 270 K implantiert wird, danach die Implantation für einen Heizschritt (Erwärmung auf 150° C während 300 see

bis zu 400° C während 1 see) unterbrochen wird und die Aufeinanderfolge dieser Schritte bis zur Erreichung einer vorgegebenen Dosis wiederholt wird und abschließend zur elektrischen Aktivierung der üotanden eine bekannte Wärmebehandlung erfolgt. Während der Wärmebehandlung nach jedem /.nplantationsschritt werden die entstandenen Str^f.'h).«>p3.-h?i(jr-r av. jh.ieil t und die unerwünschte Bildung einer amorphen Schicht als Ergebnis der Hochdosiaimplantation verhindert. Da eine Ainorphisierung der implantierten Schicht verhindert wird, kommt es nicht zur Bildung ausgedehnter Rekristallisationsdefekte, wie sie für die Rekristallisation amorpher Schichten typisch sind. Durch die Verhinderung der Amorphisierung und der Ausheilung der Strahlenschäden zwischen den einzelnen Implantationsschritten bewiokt durch die starke Verringerung der Defektksnzentration eine Erhöhrung der Schichtladungsträgerkonzentration und -beweglichkeit, wie sie etwa für HeiOtemperaturimplantationen erzielbar sind. Da die Ausheilung der Strahlenschäden b i Abwesenheit des Ionenstrahls erfolgt, tritt keine unerwünschte y/erbr^iterung des Dotandenprofils bzw. Defektdiffusion auf.

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der Et findung soll an einem, im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Ein Bereich einer (lOO)-orientierten GaAs-Scheibe wird mit 300 keV Selen-Ionen bei einer Temperatur von 300 K implantiert, bis eine Dosis 13 -2

von 5 χ 10 cm erreicht ist (Damit liegt der Wert der nuklear deponierten Energiedichte im Maximum der Vertsiiung unterhalb dem gefor-

21 3 derten Wert von 1,5 χ 10 keV/cm ). Danach wird die Implantation für einen Heizschritt bei 180° C für 200 see unterbrochen. Die Aufeinanderfolge dieser Schritte von Implantation und Ausheilung wird solange wiederholt, bis die vorgegebene Dosis von z.B. 10 cm bis 10 cm erreicht ist. Abschließend erfolgt eine bekannte Wärmebehandlung zur elektrischen Aktivierung der Dotanden oberhalb 850° C im konventione: len Ofen oder mit dem Halogenlampenofen.

Claims

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Pa tent a η spruch

Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von GaAs-Schichten durch Tonenifnplantation und /-.IfIaIK¹Mg, dadurch gekennzeichnet, üaO eine (lOO)-orientiertt CaAs-Schicht bei einer Temperatur von weniger als 350 K mit Dotanden bis zu einer nuklear deponierten Energiedichte im Maximum der

21 3 Verteilung von weniger als 1,5 χ 10 keV/cm bei einer Implan-

20 ta cionstemperatur oberhalb 270 K bzw. weniger als 5 χ .10 keV/cm bei einer Implantationstemperatur unterhalb 270 K implantiert wird, danach die Implantation für einen Heizschritt (Erwärmung auf 150° C während 300 see bis zu 400° C während 1 see) unterbrochen wird und die¹ Aufeinanderfolge dieser Schritte bis zur Erreichung einer vorgegebenen Dosis wiederholt wird und abschließend zur elektrischen Aktivierung der Dotanden eine bekannte Wärmebehandlung erfolgt.