Defekterzeugung

Grundlagen

Kristallstruktur

Die meisten Halbleiterbauelemente werden aus einkristallinem Material gefertigt. In diesem liegen die Atome in einer wohlgeordneten Gitterstruktur vor, deren genaue Ausbildung von dem jeweiligen Material abhängt. Die Atome sind dabei an ihren Platz im Gitter gebunden und es bedarf der Zuführung von Energie, diese von Ihrem Platz zu entfernen.

Ionen in Materie

Treffen Ionen auf Materie, werden sie durch Wechselwirkung mit Elektronen („elektronisches Stopping“) oder den Atomrümpfen („nukleares Stopping“) abgebremst. Während das elektronische Stopping im Wesentlichen folgenlos bleibt und lediglich zu einer Erwärmung des Kristalls beiträgt, werden durch das nukleare Stopping Defekte im Kristallgitter erzeugt. Dies macht sich allerdings erst bei kleinen Energien unter 10 keV bemerkbar, vorher überwiegt die Wechselwirkung mit den Elektronen.

Defektarten

Man unterscheidet zwischen Punktdefekten und Defektkomplexen. Punktdefekte bestehen aus lediglich einer Störstelle, also einem verschobenen Atom, das sich nicht auf einem Gitterplatz befindet („Eigenzwischengitteratom“), oder einem fehlenden Atom auf einem Gitterplatz („Leerstelle“) und entstehen direkt durch nukleares Stopping. Ein großer Teil dieser Defekte rekombiniert bereits nach kurzer Zeit, so dass die Anzahl im Material verbleibender Defekte klein ist gegenüber der Zahl der erzeugten Defekte.
Befinden sich mehrere Defekte in enger räumlicher Nähe, können diese untereinander wechselwirken und Defektkomplexe bilden. Dabei stehen als Reaktionspartner nicht nur Eigenzwischengitteratome und Leerstellen zur Verfügung sondern auch im Ausgangsmaterial enthaltene Verunreinigungen und natürlich die durch die Bestrahlung eingebrachten Ionen zur Verfügung. Technisch wichtige Defektkomplexe in Silizium sind z.B. die Doppelleerstelle („double-vacancy“, „VV“) und die Sauerstoff-Leerstelle („A-center“, „OV“).

Wirkung von Defekten

Defekte können sehr unterschiedliche Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften haben. Die können bestehende Dotierung inaktivieren, selbst dotierend wirken oder als Rekombinationszentren wirken und somit z.B. die Ladungsträgerlebensdauer beeinflussen. Bei den meisten Defekten beeinflusst zudem ihre Umgebung (n-Typ- oder p-Typ-Halbleiter) ob und wie sie wirken.

Technologie

Positionierung

Durch Elektronenbestrahlung lassen sich wegen der geringen Wechselwirkung zwischen Elektronen und dem Gitter und sehr hoher Reichweiten Defekte homogen verteilt über das gesamte Material erzeugen. Ionen hingegen besitzen eine gut definierte Reichweite in Materie, die durch ihre Energie bestimmt wird. Da Defekte nur dann effektiv erzeugt werden, wenn die Ionen bereits stark abgebremst sind, entstehen sie fast ausschließlich in einem eng begrenzten Gebiet am Ende der Reichweite.

Defektdichte

Die Zahl der Defekte bzw. ihre Dichte steht in einem engen Zusammenhang mit der Zahl der Bestrahlungsteilchen. Sie lässt sich also über die Ionendosis gut und reproduzierbar kontrollieren. Durch geeignete Wahl der Ionenströme und Bestrahlungszeiten lässt sich zudem eine gute homogene Verteilung über die gesamte Waferfläche erzielen.

Ausheilprozesse

Nicht alle Defekte und Defektkomplexe sind temperaturstabil. In der Regel ist daher nach der Bestrahlung ein Ausheilschritt erforderlich, um zum einen konstante Verhältnisse für den späteren Betrieb des Bauelements sicherzustellen und zum anderen eventuell erst bei höheren Temperaturen entstehende Defektkomplexe zu erzeugen oder bestimmte Typen von Defektkomplexen zu vermeiden.