DE2646300A1

DE2646300A1 - Verfahren zum herstellen von halbleiteranordnungen

Info

Publication number: DE2646300A1
Application number: DE19762646300
Authority: DE
Inventors: William Andrew Keenan; Charles Thomas Kroll
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-10-28
Filing date: 1976-10-14
Publication date: 1977-05-05
Also published as: US4030942A; FR2330142B1; JPS5836491B2; JPS5255375A; FR2330142A1

Description

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Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: BU 975 007

Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen, bei dem unter Verwendung einer Implantationsmaske durch Ionenimplantation Störstellen in einen Halbleiterkörper eingebracht werden.

Die Ionenimplantation hat eine wesentliche Bedeutung bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen erlangt. Die Ionenimplantation wird vorteilhaft beim Dotieren von Halbleiterkörpern eingesetzt. Sie findet aber auch Anwendung beim Abgleich von integrierten Widerständen, bei der Einstellung von Schwellspannungen und verschiedenen anderen Aufgaben.

Die Ionenimplantation bietet bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen beträchtliche Vorteile, es bleibt aber unumgänglich, bei Ihrer Anwendung Implantationsmasken zu verwenden, um die vielfältigen Halbleiterstrukturen verwirklichen zu können. In diesem Zusammenhang ist auch daraufhinzuweisen, daß es in den Fällen, in denen mehrere Schichten, beispielsweise Isolationsschichten oder Metallisierungsschichten übereinander auf einem Halbleiterkörper in selektiven Bereichen anzuordnen sind, es oft vorzuziehen ist, diese Schichten über eine die gesamte Oberfläche bedeckenden Zwischenschicht aus einem Material aufzubringen, das

ι es ermöglicht, anschließend Teile der Schichten durch Auflösen !

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und Abheben von bestimmten Bereichen zu entfernen. Die Erfindung befasst sich demnach insbesondere mit einer Technik, bei der die Ionenimplantation angewandt wird und bei der dabei erforderlichen Maskierung die ansich bekannte Technik des Abhebens von nicht mehr erforderlichen Schichten angewandt wird.

Es ist bekannt, bei der Ionenimplantation zunächst auf dem Bereich der Oberfläche des Halbleiterkörpers, in dem die Implantation erfolgen soll, eine Implantationsschutzschicht aufzubringen. Man verwendet dabei eine Siliciumdioxidschicht einer Dicke von 100 bis 500 S. Die Aufgabe dieser Schutzschicht besteht zum einen darin, eine Richtungsstreuung der auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers auftreffenden Ionen zu erreichen und damit zu verhindern, daß diese Ionen entlang bevorzugter Kristallrichtungen tief in das Material eindringen,- und zum andern darin, eine Verunreinigung der Oberfläche des Halbleiterkörpers durch zerstäubte Materialien zu verhindern. Die Verwendung von Siliciumdioxid als Implantationsschutzschicht bietet sich durch die Verträglichkeit mit den gängigen Halbleiterprozessen an. Es ist jedoch festzustellen, daß bei einer Implantation durch eine Schutzschicht aus Siliciumdioxid hindurch mit den implantierten Ionen Sauerstoff aus der Siliciumdioxidschicht in den Halbleiterkörper eingebracht wird. Es ist bekannt, daß in einen Halbleiterkörper eingebrachter Sauerstoff die Eigenschaften der herzustellenden Halbleiteranordnungen verschlechtert, da er die Ursache für die Entstehung von Schichtfehlern ist.

Es ist allgemein bekannt, daß Photolack als Material für Implantationsmasken vorzüglich geeignet ist. Das Herstellen einer derartigen Maske erfordert lediglich das Aufbringen, Belichten, Entwickeln und Ätzen. Die Begrenzungskanten der Maskenöffnungen sind scharf und gut definiert. Außerdem werden beim nachträglichen Entfernen der Maske aus Photolack unerwünschte Ionen mit entfernt.

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Als nachteilig hat sich jedoch bemerkbar gemacht, daß der üblicherweise aus einer komplexen organischen Verbindung oder '•lischungen davon bestehende Photolack während der Ionenimplantation einem Vernetzungsprozess unterworfen wird. Dabei entstehen Substanzen, die sich vom Halbleiterkörper nur außerordentlich schwer entfernen lassen. Das Entfernen geschieht gewöhnlich dadurch, daß das Material unter Verwendung von nascierendem Sauerstoff oxidiert wird, oder daß starke Säuren oder andere oxidierende Reagenzien eingesetzt v/erden. Organische Lösungsmittel eignen sich nicht zum Entfernen von vernetztem Photolack.

Außerdem ist festzustellen, daß während eines Ionenimplantation prozesses unter Verwendung einer Implantationsmaske aus Photolack Kohlenwasserstoffe in die Maskenfenster gelangen und dort mit dem Silicium oder dem dort vorhandenen Siliciumdioxid reagieren. An dieser Reaktion bilden sich Substanzen wie Siliciumcarbid, was beispielsweise bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren eine Verschlechterung des Gate-Oxids und die dadurch bedingten Probleme hervorruft.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, bei einem Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen, bei dem unter Verwendung einer Implatationsmaske durch Ionenimplantation Störstellen in einen Halbkörper eingebracht werden, eine Implantationsmaske bzw. eine Implantationsschutzschicht anzugeben, die die geschilderten Nachteile nicht aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Implantationsschutzschicht und gleichzeitig Teilschicht der Implantationsmaske eine Aluminiumnitridschicht verwendet wird und daß diese Schutzschicht nach der Implantation abgelöst wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

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Die Erfindung wird in folgenden anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Pign. 1A - 1F Schnittansichten einer Halbleiteranordnung

jeweils nach einzelnen erfindungsgemäßen Verfahrensschritten, wobei eine Aluminiumnitridschicht sowohl als Schutzschicht bei der Ionenimplantation, als auch als Unterlage für die aufzubringende Implantationsmaske verwendet wird, und

Fign. 2A - 2F Schnittansichten einer Kalbleiteranordnung

jeweils nach einzelnen erfindungsgemäßen Verfahrensschritten, wobei eine Aluminiumnitridschicht als Schutzschicht bei der Ionenimplantation verwendet v/ird.

Zunächst ist festzustellen, daß es beispielsweise aus chemischen und physikalischen Handbüchern bekannt ist, daß Aluminiumnitrid äußerst wasserlöslich ist, insbesondere in erhitztem, bzv/. kochendem Wasser.

Fig. 1A zeigt einen Halbleiterkörper 1, in dessen Oberfläche durch Ionenimplantation in durch eine Maske definierten Bereichen Störstellen eines bestimmten Leitfähigkeitstyps eingebracht werden sollen. Zunächst wird, wie Fig. 1B zeigt, auf die Oberfläche des beispielsweise aus Silicium bestehenden Halbleiterkörpers 1 eine Aluminiumnitridschicht 2 aufgebracht. Dies geschieht in einem chemischen Aufdampfprozess. Dabei werden durch die Aufdampfkammer Wasserstoff in einer Menge von etwa 90 Litern pro Minute und

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NH₃ in einer Menge von etwa 130 cm pro Minute hindurchgeleitet. Dem Wasserstoffstrom sind mindestens stöchiometrische Mengen von Aluminiumchlorid zugefügt bei einer Gesamtgasmenge von 130 cm

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pro Minute. Das Aluminiumchlorid wird auf einer Temparatur zwischen 130 °C und 140 ⁰C gehalten. Gleichzeitig werden die Zuführungsleitungen auf einer Temparatur von etwa 150 C gehalten, um eine Kondensation des Aluminiumchlorids in den Zuführungsleitungen zu verhindern. Die Temparatur des in der Aufdampfkammer befindlichen Halbleiterkörpers liegt bei 850 C. Bei Vorliegen dieser Bedingungen wird auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers Aluminiumnitrid mit einer Niederschlagsrate von etwa 180 Ä pro Minute niedergeschlagen.

Fig. 1C zeigt den Halbleiterkörper 1 mit der Aluminiuranitridschicht 2, auf die eine Photolackschicht 3 aufgebracht ist. In der Photolackschicht 3 wird, wie Fig. 1D zeigt, in konventionellen? Weise ein Fenster 4 freigelegt. Die so entstandene Maske dient als Implantationsmaske für die Implantation von Störstellen in dem Halbleiterkörper 1. Die Implantation ist durch die Pfeile 5 in Fig. 1E angedeutet. Bei der Implantation wird im Bereich des Fensters 4 eine Zone 6 in den Halbleiterkörper 1 eingebracht. Die Dosis, Energie und Tiefe der Implantation ist abhängig von der Art der implantierten Ionen, der Dicke der auch im Bereich des Fensters vorhandenen Aluminiumnitridschicht 2 und weiteren Parametern. Nach der Implantation wird der Halbleiterkörper in Wasser einer Temparatur vOn 10 °C bis 100 ⁰C gebracht oder Wasserdampf ausgesetzt. Dabei löst sich die Aluminiumnitridschicht auf, wodurch gleichzeitig die Maske, bzw. die Photolackschicht abgehoben wird. Man erhält also die Struktur nach Fig. 1F mit einer in den Halbleiterkörper 1 implantierten Zone 6 geeigneten Leitfähigkeitstyps. Es ist daraufhinzuweisen, daß Aluminiumnitrid auch bei Temparaturen unter 10 C in Wasser löslich ist, für praktische Anwendung ist die Lösungsgeschwindigkeit in diesem Temparaturbereich jedoch meist zu gering.

Die Aluminiumnitridschicht 2 dient im beschriebenen Beispiel als Implantationsschutzschicht, die hindert, daß Sauerstoff aus einer Siliciumdioxidschicht, die nicht dargestellt ist, während

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des Implantationsprozesses in den Halbleiterkörper gelangt. Außerhalb des Maskenfennters dient die Aluminiumnitridschicht 3 als Unterlage für die die Maske bildende Photolackschicht 3, v/oraus sich ergibt, daß bei der anschließenden Lösung der Aluminiumnitridschicht in Wasser sowohl die Aluminiumnitridschicht als auch die Photolackschicht gänzlich entfernt wird. Die Löslichkeit der Aluminiumnitridschicht in heißem Wasser und ihre speziellen Eigenschaften im Hinblick als Schutzschicht bei der Ionenimplantation sind bei Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen außerordentlich vorteilhaft. Die Anwendung aufwendiger Techniken und komplexer Chemikalien wird vermieden. Aluminiumnitrid dürfte in der hier gezeigten Anwendung eine Besonderheit darstellen, da äquivalente Verbindungen, die in vergleichbarer Weise wirken, nicht bekannt zu sein scheinen.

Wenn die nicht dargestellte Siliciumdioxidschicht nur als Implantationsschutzschicht dienen soll, anschließend entfernt wird und dann eine neue Isolationsschicht aufgebracht wird, so muß, wie das anhand der Fign. 1 beschriebene Verfahren zeigt, die Siliciumdioxidschicht überhaupt nicht aufgebracht werden. Anstelle der Siliciumdioxidschicht als Implantationsschutzschicht wird nur die Aluminiumnitridschicht aufgebracht. Nach deren Entfernung kann dann eine Isolationsschicht aufgebracht werden. Es wird also das Aufbringen und Entfernen einer Siliciumdioxidschicht eingespart.

Bei der Herstellung von übergängen oder stark dotierten Zonen durch Ionenimplantation ist es aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens nunmehr möglich, die Aluminiumnitridschicht entweder über einer bereits vorhandenen Schutzschicht aus Siliciumdioxid oder anstelle dieser Siliciumdioxidschicht aufzubringen. Soll die Siliciumdioxidschicht nach der Implantation erhalten bleiben, so verhindert die aufgebrachte Siliciumnitridschicht, daß die Siliciumdioxidschicht während der Implantation durch zerstäubte Metalle und Kohlenwasserstoffe auf der

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Photolackschicht verunreinigt wird. Kohlenwasserstoffe bilden
oder unterstützen die Bildung von unerwünschtem Siliciumcarbid
in der Siliciumdioxidschicht und im Halbleiterkörper selbst.

Wird die als Schutzschicht verwendete Siliciumdioxidschicht
nicht als Teil der Halbleiterstruktur benötigt, so muß sie nicht . aufgebracht werden und der entsprechende Prozeßschritt entfällt. | Die an ihrer Stelle aufgebrachte Aluminiumnitridschicht über- j nimmt die Funktion der Schutzschicht und bietet den Vorteil, daß j sie anschließend lediglich unter Verwendung von Wasser leicht
entfernbar ist. Als zusätzlicher Vorteil erweist sich, daß kein ; Sauerstoff in den Halbleiterkörper eingetrieben werden kann. ■. Damit werden die durch Sauerstoff herbeigeführten Fehlstellen
vermieden und damit das Leckstromverhalten der Halbleiterübergänge wesentlich verbessert. I

In den Fign. 2 ist zu entnehmen, daß die Aluminiumnitridschicht apch lediglich als Schutzschicht bei der Ionenimplantation dienen kannj.

Auf das Halbleitersubstrat 1 aus Silicium (Fig 2A) wird zunächst j

eine Siliciumdioxidschicht 7 (Fig 2B) aufgebracht. Die Siliciumdioxidschicht 7 wird mit einer Photolackschicht 8 bedeckt (Fig.2C). Durch geeignete Belichtung und Entwicklung wird in der Photolack-ι schicht 8 das gewünschte Maskenmuster, beispielsweise Fenster 9, I erzeugt (Fig. 2D). Anschließend wird in einem Ätzprozeß im j Bereich des Fensters 9 in der Siliciumdioxidschicht 7 das Fenster 7 freigelegt (Fig.2E). Die Siliciumdioxidschicht 7 und die Photo-; lackschicht 8 mit dem Fenster 10 bilden damit die Implantations- ; maske. Im aus der Fig.2F zu ersehenden Prozeßschritt wird auf die Implantationsmake die Implantationsschutzschicht 11 aus
Aluminiumnitrid aufgebracht, die dann auch die Oberfläche des
Halbleiterkörpers 1 im Bereich der Maskenfenster bedeckt.
Anschließend erfolgt der Implantationsprozeß, bei dem beispielsweise eine geeignet dotierte Zone im Halbleiterkörper örtlich
definiert durch die Implantationsmaske hergestellt wird. Nach
der Implantation läßt sich die Aluminiumnitridschicht 11 leicht
durch Anwendung von Wasser oder Wasserdampf entfernen. Das Ver-

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fahren zur Herstellung der gevninschten Halbleiteranordnung wird dann in der vielfach bekannten Weise fortgesetzt.

Es sei hier festgestellt, daß keine anderen Mittel und Methoden bekannt sind, Photolack in Verbindung mit der Photolithographie zu verwenden, um Maskenfenster bzw. Maskenmuster zu erzeugen und die Photolackschicht dann als Implantationsmaske auszunutzen, v/obei gleichzeitig eine Implantationsschutzschicht auf der Maske verwendbar ist. Mit anderen Worten, eine Implantationsschutzschicht kann bisher nicht direkt in Verbindung mit der Photolackschicht aufgebracht werden.

Unter Bedingungen, wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren gegeben sind, kann die Ionenimplantation in üblicher Weise durchgeführt werden, wobei die Dosis und Energie unkritisch sind. Die Dosis oder der Ionenstrom darf so hoch wie gewünscht sein. Die Aluminiumnitridschicht auf der Photolackschicht (Fig. 2) verhindert ein Zerstäuben der Photolackschicht und dient gleichzeitig als Implantationsschutzschicht im Bereich der Maskenfenster, so daß eine Verunreinigung des Halbleiterkörpers durch Kohlenwasserstoffe auf dem Pumpenöl, durch zerstäubtem Sauerstoff auf der maskierenden Siliciumdioxidschicht und Metalle verhindert wird. Durch die Entfernung der Aluminiumnitridschicht und der Photolackschicht werden die durch Zerstäubung gebildeten Verunreinigungen und das von der Schutzschicht aufgehaltene, unerwünscht implantierte Material beseitigt, so daß eine extrem reine Halbleiteranordnung erhalten bleibt.

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Claims

264630Q PATENTANSPRÜCHE

1.' Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen, bei dem unter Verwendung einer Implantationsmaske durch Ionenimplantation Störstellen in einen Halbleiterkörper eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Iraplantationsschutzschicht (2,11) und gleichzeitig Teilschicht der Implantationsmaske eine Aluminiumnitridschicht verwendet wird und daß diese Schutzschicht nach der Implantation abgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

als Dicke der Implantationsschutzschicht (2,11) 100 - ι 2OO S gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablösemittel Wasser verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Wassertemparatur 10 - 100 ⁰C gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

als Ablösemittel Wasserdampf verwendet wird. i

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 - 5,

dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) zunächst die Implantationsschutz- | schicht (2) und darüber die Implantationsmaske (3) aufge- ι bracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 - 5,

dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche der Halbleiterkörpers (1) zunächst die Implantationsmaske (7,8) und darüber die Implantationsschutzschicht (11) aufgebracht wird. ;

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8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet daß die Implantationsmaske eine Photolackschicht (3,8) enthält.

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