DE2738384C2

DE2738384C2 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE2738384C2
Application number: DE2738384A
Authority: DE
Inventors: Takashi Tokio/Tokyo Ajima; Shunichi Yokohama Hiraki; Yutaka Tokio/Tokyo Koshino; Toshio Yokosuka Tokio/Tokyo Yonezawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-08-27
Filing date: 1977-08-25
Publication date: 1987-02-05
Also published as: US4351894A; US4560642A; GB1548520A; DE2738384A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach dem Anspruch 1.
Bisher wurde das selektive Ätzen eines Siliciumdioxidfilms, der auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, durchgeführt, indem ein Photoresistfilm mit vorgegebenem Muster als Ätzmaske aufgebracht wurde und eine Ätzlösung, wie Ammoniumfluorid oder Flußsäure verwendet wurde. Dieser selektiv perforierte Siliciumdioxidfilm wurde dann in unveränderter Form als Maskenfilm für die Diffusion des Dotierungsmaterials, jedoch auch als Schutz oder Isolierfilm verwendet.
Photoresiste, insbesonde solche, die als Ätzmaske verwendet werden, zeigen jedoch unzureichende Adhäsivität gegenüber einem Siliciumdioxidfilm. Aus diesem Grund erwiesen sie sich als ungeeignet zum Langzeitätzen und bezüglich der Ätzung sehr feiner Muster. Die Anwendung eines Photoresists erwies sich ferner deshalb als nachteilig, da die durch den Photoresist in dem Siliciumdioxidfilm, der auf dem Substrat aufgebracht ist, perforierten Muster beträchtlich in ihren Abmessungen schwanken, und zwar in Abhängigkeit der Lichtmenge, der der Photoresist zur Herstellung der Ätzmaske ausgesetzt wird. Ferner ist nachteilig, daß ein mit Hilfe eines Photoresists selektiv perforierter Siliciumdioxidfilm bei Verwendung als Maske zum Diffundieren von Dotierungsmaterial dazu führt, daß die Dimensionen des in dem Substrat gebildeten Halbleiterbereichs stark von der Belichtung abhängen.
Um diesen Nachteilen zu begegnen, ist es aus der DE-OS 24 25 756 bekannt, den Photoresistfilm nicht unmittelbar auf den Siliciumdioxidfilm aufzubringen, sondern den Siliciumdioxidfilm mit einem Film aus Siliciumnitrid zu versehen, auf den dann der Photoresistfilm aufgebracht wird. Der Siliciumnitridfilm bildet damit eine Zwischenmaske für die darunter befindliche Siliciumdioxidschicht.
Wenn der Photoresistfilm unmittelbar auf den Siliciumnitridfilm aufgebracht wird, bringt dies jedoch verschiedene Probleme mit sich, nämlich ungenaue Öffnungsgrößen ( Unterhöhlung der Siliciumnitridschicht beim Ätzen der Siliciumdioxidschicht), eine Oxidation des Siliciumnitrids zu Siliciumdioxid beim Ätzen der Siliciumdioxidschicht, also neben einer geringen Auflösung eine geringe Zuverlässigkeit der Vorrichtung und von deren Schaltparametern. Mit anderen Worten, die Qualität der nach dieser Methode hergestellten Halbleiterbauelemente läßt noch zu wünschen übrig. Zur Lösung dieser Probleme wird in der DE-OS 24 25 756 daher vorgeschlagen, zwischen dem Siliciumnitridfilm und dem Photoresistfilm noch einen zweiten Zwischenmaskenfilm vorzusehen, und zwar aus Siliciumdioxid. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß ein zweiter Zwischenmaskenfilm aufgebracht und geätzt werden muß, d. h. ein größerer Herstellungsaufwand.
Aus der DE-OS 15 89 830 geht ein Verfahren zum Maskieren von Halbleiterbauelementen hervor, welches eine größere Auswahl an Dotierungsmaterialien ermöglicht, die beim Herstellen von Schichten mit unterschiedlichem Leitungstyp verwendet werden können, so daß man eine entsprechend größere Anzahl verfügbarer Halbleiterbauelemente erhält.
Dazu wird z. B. auf einem Halbleitersubstrat eine Siliciumdioxidschicht mit einer Öffnung und auf der Siliciumdioxidschicht eine Siliciumkarbidschicht angeordnet, deren Öffnung gegenüber der Öffnung der Siliciumdioxidschicht erweitert ist. Der mit diesen beiden Schichten versehene Halbleiterkörper wird mit zwei unterschiedlichen Materialien dotiert, so daß sich eine dotierte P-leitende Zone und eine dotierte N-leitende Zone ergibt, wobei das eine Dotierungsmaterial durch die Siliciumkarbidschicht nicht hindurchdiffundieren kann, wodurch sich die P-leitende Zone an einer Seite der Öffnung weiter ausdehnt.
Die Herstellung der Siliciumdioxid- und Siliciumkarbidfilm- Masken erfolgt durch Bildung von Öffnungen in der Karbid- und der Oxidschicht. Die Öffnung in der Karbidschicht wird dann über das Oxid dadurch ausgedehnt, daß man beide Schichten soweit entfernt, wie es für die Karbidschicht erwünscht ist, worauf eine neue Oxidschicht ausgebildet wird und diese zu einem kleineren Teil wieder entfernt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren nach der DE-OS 24 25 756 hinsichtlich des Herstellungsaufwandes und der Präzision und Reproduzierbarkeit der Diffusionsmaske und damit der Qualität der Dotierung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Maßnahmen gelöst.
Der Maskenfilm aus Siliciumcarbid wird beim erfindungsgemäßen Verfahren so ausgebildet, daß er zum Ätzen des darunterliegenden Siliciumdioxidfilmes und zur Diffusion von Dotierungsmaterial in das Substrat oder zur Elektrodenablagerung verwendet wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1a bis 1c schematische Querschnitte, die die Aufeinanderfolge der Stufen bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines Halbleiters zeigen;
Fig. 2 ein Diagramm, das die tatsächliche Adhäsivität eines Photoresistmaskenfilms und eines Siliciumcarbidmaskenfilms gegenüber einem Siliciumdioxidfilm im Vergleich zu den Bedingungen idealer Adhäsivität wiedergibt;
Fig. 3 ein Diagramm, das die Änderungen der Abmessungen des perforierten Musters eines Siliciumdioxidfilms, hergestellt nach dem Verfahren gemäß der Erfindung und nach dem Stand der Technik in Abhängigkeit von der Lichtmenge, der die Photomaske ausgesetzt wird, wiederergibt;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Stromverstärkung zahlreicher Transistoren, hergestellt nach dem Verfahren gemäß der Erfindung und nach Verfahren gemäß dem Stand der Technik, zeigt; und
Fig. 5 eine graphische Wiedergabe der Oberflächenladung von MOS-Varactordioden, hergestellt nach dem Verfahren gemäß der Erfindung und bekannten Verfahren und bestimmt mit einem Vorspannungs- Temperaturtest.
Gemäß Fig. 1a wird ein Siliciumdioxidfilm 2 auf einem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet. Anschließend wird ein Siliciumcarbidfilm 3 über den gesamten Siliciumdioxidfilm 2 aufgebracht. Danach wird ein Photoresist 4 der ein vorgegebenes Muster aufweist, in üblicher Weise auf den Siliciumcarbidfilm 3 aufgebracht. Der Siliciumcarbidfilm 3 kann auf den darunterliegenden Film 2 mittels einem der nachstehend genannten Verfahren aufgebracht werden:

(1) Eine Möglichkeit ist die chemische Dampfablagerung (nachstehend als "CVD" bezeichnet). Bei diesem Verfahren wird ein Silan, wie Siliciumtetrahydrid, mit Toluol in einer Wasserstoffatmosphäre thermisch umgesetzt und das erhaltene Siliciumcarbid auf dem darunterliegenden Film niedergeschlagen. Die Reaktionstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 600 und 1200°C. Bei Anwendung einer Reaktionstemperatur im unteren Teil des angegebenen Bereiches bildet sich amorphes Siliciumcarbid. Bei Anwendung einer Reaktionstemperatur im oberen Teil des angegebenen Bereiches bildet sich hingegen kristallines Siliciumcarbid. Mit diesem Verfahren bildet sich Siliciumcarbid in einer Menge von 50 bis 300 nm/min.
(2) Als zweites Verfahren kommt die Zerstäubung in Betracht. Bei diesem Verfahren wird durch Hochfrequenzwellen beschleunigtes Argon auf Siliciumcarbid aufprallen gelassen, wodurch das Siliciumcarbid zur Ablagerung auf dem darunterliegenden Film zerstreut wird. Mit diesem Verfahren bildet sich Siliciumcarbid in einer Menge von etwa 10 nm/min.
(3) Eine dritte Möglichkeit ist die Plasmaablagerung. Bei diesem Verfahren wird eine gasförmige Mischung aus Silicium oder Silan und Toluol oder Acetylen in ein Plasma überführt, beispielsweise durch Glühentladung, zur Umsetzung der Gasbestandteile. Bei Verwendung von Silicium wird das Silicium beispielsweise mittels Elektronenstrahl verdampft. Das verdampfte Silicium wird in eine Vakuumreaktionskammer zusammen mit dem Toluol- oder Acetylengas zur Umsetzung in die Form eines Plasmas eingeführt. Das erhaltene Siliciumcarbid wird auf dem Halbleitersubstrat niedergeschlagen. In diesem Fall kann das Substrat direkt mit Strom beaufschlagt werden oder nicht oder erhitzt werden. Das angewandte Vakuum wird im Bereich zwischen etwa 0,013 bis 0,13 Pa gewählt. Bei diesem Verfahren wächst das Siliciumcarbid mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 nm/min.

Wenn es nicht erwünscht ist, das Halbleitersubstrat auf erhöhte Temperatur zu erhitzen, werden die Verfahren 2 und 3 bevorzugt.
Soll ein dicker Film aus Siliciumcarbid erhalten werden, dann ist das Verfahren 1 vorteilhaft.
Der Siliciumcarbidfilm hat im allgemeinen vorzugsweise eine Dicke von 5 nm. Dies ist jedoch nicht kritisch.
Der solchermaßen hergestellte Siliciumcarbidfilm 3 wird anschließend durch den Photoresistfilm 4 als Ätzmaske selektiv geätzt (Fig. 1b). Der Siliciumcarbidfilm 3 kann unter Anwendung eines der nachstehend genannten Verfahren geätzt werden.

(1) Als erstes Ätzverfahren kommt das Plasmaätzen in Betracht. Bei diesem Verfahren wird Kohlenstofftetrafluorid oder eine Mischung desselben mit Sauerstoff in ein Plasma überführt, beispielsweise durch Glimmentladung, und das Siliciumcarbid durch Aussetzen an dieses Plasma geätzt. Die Temperatur, bei der das Plasmaätzen durchgeführt wird, wird zwischen Raumtemperaur und etwa 100°C gewählt. Die Ätzgeschwindigkeit beträgt im allgemeinen etwa 10 nm bis 50 nm/min.
(2) Als weiteres Ätzverfahren kommt das elektrolytische Ätzen in Betracht. Als Elektrolyt können folgende Verbindungen verwendet werden:
- HClO₄ + CH₃COOH + H₂0
- (b) H₂C₂O₄
- (c) H₂SO₄ + H₂O

Das elektrolytische Ätzen wird bei Raumtemperatur durchgeführt, wobei ein elektrisches Gleichstromfeld von 1 bis 10 V angelegt wird und ein Elektrolysierstrom von 0,1 bis 5 Ampere angewandt wird. Die Ätzgeschwindigkeit wird in einem Bereich zwischen etwa 5 bis 20 nm/min gewählt.
Von den vorerwähnten Ätzverfahren wird das erstgenannte Verfahren bevorzugt, da bei diesem die Notwendigkeit der Aufbereitung von Abfallflüssigkeit entfällt.
Der mit einem vorgegebenen Muster perforierte Siliciumcarbidfilm 3 wird beim selektiven Ätzen des darunterliegenden Siliciumdioxidfilms 2 als Maske verwendet ( Fig. 1c). Der Siliciumdioxidfilm 2 kann in üblicher Weise geätzt werden, beispielsweise unter Verwendung von Flußsäure oder Ammoniumfluorid. Fig. 1c zeigt, daß der Photoresistfilm 4 auf dem Halbleiter verbleibt. Dieser Photoresistfilm 4 kann jedoch vor dem Ätzen des Siliciumdioxidfilmes 2 entfernt werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Siliciumcarbidmaskenfilm zur selektiven Perforierung eines Siliciumdioxidfilms verwendet. Danach wird das Muster des Siliciumdioxidfilms zur Diffusion der Dotierungsmaterialien oder zur Ablagerung einer Elektrode verwendet. Der Siliciumcarbidmaskenfilm kann nach dem Dotieren weggeätzt oder intakt belassen werden. Verbleibt der Siliciumcarbidfilm auf dem Halbleiter, verhindert dieser wirksam das Eindringen von Verunreinigungen, beispielsweise Natriumionen.
Es wurde ein Versuch bezüglich der Adhäsivität eines Siliciumdioxidfilms auf einem Siliciumcarbidmaskenfilm, hergestellt nach dem Verfahren gemäß der Erfindung, durchgeführt. Der Test wurde folgendermaßen ausgeführt. Ein Siliciumcarbidmaskenfilm wurde auf einen bereits auf einem Siliciumsubstrat befindlichen Siliciumdioxidfilm niedergeschlagen. Der darunterliegende Siliciumdioxidfilm wurde durch den Siliciumcarbidmaskenfilm mit einer sauren Lösung von Ammoniumfluorid selektiv geätzt. Zum Vergleich wurde der Siliciumdioxidfilm durch einen gewöhnlichen Photoresistmaskenfilm anstelle des Siliciumcarbidmaskenfilms unter Verwendung des gleichen Ätzmittels selektiv geätzt. Bei diesen Tests wurde die Zeit, die erforderlich ist, um einen Siliciumdioxidfilm mit einer Dicke D bis zu einem Punkt P auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrats direkt unter dem Rand des darüberliegenden Maskenfilms zu ätzen, als Ätzzeit T bezeichnet. Bei einer geänderten Ätzzeit t wurde der Abstand d bestimmt, das ist die Entfernung, auf der Seite des Siliciumdioxidfilms der mit der Oberfläche des Substrats in Verbindung steht, mit der über den Punkt P hinaus unter den Rand des darüberliegenden Maskenfilms geätzt wird. Die Verhältnisse d/D und t/T sind auf der Ordinate bzw. Abszisse der Fig. 2 aufgetragen. Bei Verwendung des Siliciumcarbidmaskenfilms erfolgte das Ätzen in allen Richtungen des Siliciumdioxidfilms mit gleicher Geschwindigkeit (Kurve -Φ-Φ-) fast wie beim Idealfall (Kurve -), was zeigt, daß der Siliciumcarbidmaskenfilm besser an dem Siliciumdioxidfilm haftet als die Photoresistmaskenfilme am Siliciumdioxid gemäß dem Vergleichstest (Kurve -Δ-Δ-).
Ferner wurde ein Vergleich bezüglich der Präzision, mit der ein Halbleiter mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und bekannten Verfahrens hergestellt werden kann, durchgeführt. Ein Photoresistfilm, Siliciumcarbidfilm und Siliciumdioxidfilm wurden in der angegebenen Reihenfolge von oben gesehen, aufgebracht. Der Siliciumcarbidfilm wurde durch Photoätzen durch den darüberliegenden Photoresistfilm selektiv perforiert. Der Siliciumdioxidfilm wurde durch den perforierten Siliciumcarbidmaskenfilm selektiv geätzt. Zum Vergleich wurde der Siliciumdioxidfilm nur durch den Photoresistfilm in bekannter Weise selektiv geätzt. Diese Versuche wurden bei Änderungen der Lichtmenge, die anfänglich zur Aushärtung des vorgegebenen Musters auf den Photoresistfilm projiziert wurde, ausgeführt. Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleitern und jenen mittels bekannten Verfahren hergestellten Halbleitern wurden die ursprünglichen Dimensionen eines vorgegebenen Punktes einer lichtprojizierenden Photomaske von den Dimensinen eines korrespondierenden Punktes auf dem Siliciumdioxidisolierfilm substrahiert, um die Änderungen der Abmessungen bei der Übertragung eines perforierten Musters von der Photomaske auf den Siliciumdioxidisolierfilm zu bestimmen. Die Lichtmenge (µW · sec/cm²), die anfänglich auf eine Photosmaske projiziert wird, ist auf der Abszisse der Fig. 3 aufgetragen und die Dimensionsänderung (µm), die bei der Übertragung des perforierten Musters von der Photomaske auf den Siliciumdioxidisolationsfilm erfolgt, ist auf der Ordinate aufgetragen. Fig. 3 zeigt, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleiter viel geringere Dimensionsänderungen eines perforierten Musters bei Übertragung von der Photomaske auf den Siliciumdioxidisolationsfilm zeigen und eine bedeutend bessere Reproduzierbarkeit der Muster erzielt wird als dies nach dem bekannten Verfahren möglich war.
In Fig. 4 ist graphisch ein Vergleich zwischen der Gleichförmigkeit der Stromverstärkung von Transistoren, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind und solchen, die nach dem bekannten Verfahren hergestellt sind, wiedergegeben. Es wurde jeweils eine Gruppe von 15 Transistoren, die gemäß den beiden Verfahren hergestellt wurden, bestimmt, wobei diese aus einer großen Anzahl von Transistoren, die auf einer einzigen Siliciumscheibe hergestellt wurden, in schiefer Richtung ausgewählt wurden. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß ein Transistor, der mit dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurde, eine größere Stromverstärkung aufweist und kleinere Änderungen der Verstärkung auftreten als bei den nach dem üblichen Verfahren hergestellten Transistoren.
Es wurde ferner ein Versuch bezüglich der Eigenschaft eines Siliciumcarbidmaskenfilms zur Verhinderung des Eindringens von Verunreinigungen, beispielsweise Natriumionen, in den Halbleiter durchgeführt, und zwar wenn der Siliciumcarbidmaskenfilm unverändert belassen wird. Es wurde die Menge der Oberflächenladung mittels Vorspannungs-Temperaur-Tests bestimmt, und zwar bei einer bekannten MOS-Varactordiode, die nur einen Siliciumdioxidisolierfilm aufweist und einer MOS-Varactordiode, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurde, die nicht nur einen Siliciumdioxidisolierfilm sondern auch einen darauf gelassenen Siliciumcarbidmaskenfilm aufweist. Der Versuch wurde folgendermaßen durchgeführt. Die MOS-Varactordioden wurden 30 min in eine Lösung getaucht, die Natriumionen enthielt, und nach dem Herausnehmen 10 h bei einer Temperatur von 200°C erhitzt. Eine semiquantitative Messung der Menge an mobilen Ionen in den Varactordioden wurde unter drei Bedingungen vorgenommen, nämlich nur nach Erhitzen (dies ist in der Zeichnung mit NO BT bezeichnet), nach dem Anlegen einer positiven Vorspannung (als +BT bezeichnet) und nach Anlegen einer negativen Vorspannung (als -BT bezeichnet). Die Ergebnisse sind in Fig. 5 wiedergegeben. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß bei einem Halbleiter, hergestellt gemäß der Erfindung, wobei der Siliciumcarbidmaskenfilm intakt gelassen wird, eine bedeutend kleinere Änderung der Oberflächenspannung erfolgt und das Eindringen von Verunreinigungen, beispielsweise von Natriumionen, wirksamer verhindert wird, als bei dem bekannten Halbleiter. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können feine Muster auf einem Siliciumdioxidisolierfilm oder Halbleiterbereichen genau reproduziert werden und sehr stabile Halbleiter hergestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, bei dem auf einem Halbleitersubstrat ein Siliciumdioxidfilm hergestellt wird, auf dem Siliciumdioxidfilm ein Film für eine Zwischenmaske aufgebracht wird, auf dem Zwischenmaskenfilm eine mit einem vorgegebenen Muster perforierte Photoresistmaske aufgebracht wird und der Zwischenmaskenfilm und dann der Siliciumdioxidfilm jeweils selektiv geätzt werden, wobei der geätzte Siliciumdioxidfilm als Maske zur Diffusion eines Dotierungsmaterials oder zur Elektrodenablagerung verwendet wird, und die Diffusion durch gleich große Öffnungen des Zwischenmaskenfilms und des Siliziumdioxidfilms vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenmaskenfilm zum Ätzen der Öffnungen des Siliciumdioxidfilms, durch die die Diffusion erfolgt, ein Siliciumcarbidfilm aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumcarbidfilm nach der Diffusion auf dem Halbleiterbauelement belassen wird.