Herstellung ultraflacher pn-Übergänge in Silizium durch Kurzzeit-Diffusion aus einer durch Atomic Layer Deposition abgeschiedenen Dotierstoffquelle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Rahmen des Projektes zu bearbeitende Aufgabenstellung lag in der Atomlagenabscheidung von Oxiden des dreiwertigen Elementes Bor und des fünfwertigen Elementes Antimon. Der herausragende Vorteil, den die Atomlagenabscheidung bietet, gleichmäßig dicke Schichten homogener Zusammensetzung auch auf Substraten großen Durchmessers und dreidimensional strukturierter Oberflächen aufgewachsen zu können, sollte in diesem neuen Ansatz zur Schaffung von Dotierstoffquellen für homogene Dotierung des Halbleiters Silizium genutzt und zumindest seine prinzipielle Eignung dafür überprüft werden. Die experimentellen Arbeiten wurden durch technische Probleme der verwendeten Anlage verzögert, deren Behebung auch nicht vorhergesehene Umbaumaßnahmen erforderte, die jedoch zu zahlreichen konstruktiven Verbesserungen der Prozessanlage führten. Umfangreiche Tests und Qualifizierungen der Anlage wurden mittels Abscheidung von Aluminiumoxid-Schichten durchgeführt. Für die Abscheideversuche wurden ausschließlich halogenfreie Precursoren verwendet. Antimonoxid konnte unter Verwendung von Triisopropylantimon zusammen mit Ozon im ALD-Verfahren auf Silizium abgeschieden werden und Wachstumsraten wurden ermittelt. Die Schichten wurden mittels spektroskopischer Ellipsometrie und umfassend mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie untersucht; dabei wurde eine Schichtstöchiometrie von Sb2O5 ermittelt. Diese Schichten wiesen eine sehr hohe Beständigkeit bei Nassätzprozessen mit Säuren auf. Nennenswerte Eindiffusion ins Silizium konnte aus diesen Schichten jedoch nicht erreicht werden. Offenbar trat eine Verflüchtigung der Schicht in die Gasphase vor einer Diffusion in den Festkörper auf. Eine dünne Deckschicht aus SiO2 führte hier zu keiner Verbesserung. An dieser Stelle soll jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass nach Untersuchungen anderer Prozessparameter eine Eindiffusion gelingen kann. Eine Konzentration erfolgte im Weiteren auf Untersuchungen zur Schaffung und Verwendung von bortialtigen Dotierstoffquellen. Als sehr schwierig erwies sich zunächst, mit der verwendeten Anlage unter Einsatz von halogenfreien Precursoren borhaltige Schichten kontrolliert abzuscheiden. Zahlreiche Precursorkombinationen wurden getestet. Der Nachweis der Möglichkeit der Schichtabscheidung wurde jedoch erbracht, weitere Untersuchungen zur Qualifizierung der Abscheideprozesse sind noch erforderlich und werden in Kürze erfolgen. Die Untersuchungen der gewachsenen Schichten ergaben, das Boroxid an Luft unbeständig ist, Charakterisierungen hierzu wurden durchgeführt. Als neuer Ansatz wurde die Herstellung von Mischoxidschichten geprüft. Es gelang die Abscheidung stabiler Schichten unter Verwendung von Triisopropylborat, Trimethylaluminium und Ozon. XPS-Charakterisierungen dieser Schichten wiesen auf eine Zusammensetzung von B2O3-2AI2O3 hin. Auch unter Einsatz von Trisdimethylamidoboran, Tetraetoxysilan und Ozon konnte Schichtwachstum erreicht werden, wobei genauere Charakterisierungen der Mischoxidabscheidungen noch ausstehen. Dotieren von Silizium war aus diesen Schichten durch Kurzzeit-Hochtemperaturprozesse möglich, Dotierprofile wurden gemessen und analysiert. Aus den Mischoxiden mit der Aluminiumquelle resultierte zugleich mit der Bordiffusion in das Silizium eine erhebliche Eindiffusion von Aluminium in tiefere Siliziumbereiche.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Atomic Layer Deposition of Antimony Oxide on Hydrogen-terminated Silicon Substrates," ECS Transactions, vol. 19, pp. 105-114, 2009
B. Kalkofen, S. Matichyn, and E. Burte
