DE10121181A1

DE10121181A1 - Stencilmaske für Hoch- und Ultrahochenergieimplantation

Info

Publication number: DE10121181A1
Application number: DE10121181A
Authority: DE
Inventors: Michael Rueb
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-04-30
Filing date: 2001-04-30
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2021-05-01
Also published as: US6756162B2; US20020182517A1; DE10121181B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stencilmaske für Hoch- und Ultrahochenergieimplantation von Halbleiterwafern, wobei die Stencilmaske (1) in einem Substrat Implantationsöffnungen aufweist, durch die die Implantationsenergie auf einen zu implementierenden Wafer projizierbar ist und wobei das kritische Maß (CD) der Implantationsöffnungen (2) in Abhängigkeit von der jeweiligen Implantationsenergie definiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stencilmaske für Hoch- und Ul trahochenergieimplantation, die in einem Substrat Implanta tionsöffnungen aufweist, durch die die Implantationsenergie auf einen zu implantierenden Wafer projizierbar ist, sowie ein zur Herstellung einer derartigen Stencilmaske eingerich tetes Verfahren.

Neuartige vertikale Hochvolt-Siliziumbauelemente (Spannungs festigkeit größer als 300 v) benötigen in der Epitaxiedrift zone vertikale, säulenartige und feinstrukturierte Dotierge biete. Diese sogenannten Kompensationsbauelemente erreichen eine Reduktion des Einschaltwiderstandes bis zu einer Grö ßenordnung. Zur Herstellung derartiger vertikaler feinstruk turierter Dotiergebiete erscheint aus heutiger Sicht die Hochenergieimplantation (bis 25 MeV Bor) über Siliziumsten cilmasken als die einzig wirklich geeignete Methode, um so wohl die Fertigungskapazität auszuweiten als auch die Kosten in signifikantem Ausmaß zu reduzieren.

Aus technischer Sicht ist die Herstellung von geeigneten Stencilmasken für die Hochenergieimplantation problematisch, da Kompensationsbauelemente auf dem Prinzip ausbalanzierter Dotierung zwischen den vertikalen Kompensationssäulen und der Grunddotierung der Epitaxieschicht beruhen. Abweichungen dieser Balance um wenige Prozent führen bereits zu einer drastischen Reduktion der Sperrfähigkeit. Üblicherweise wer den Stencilmasken durch fototechnische Strukturierung von SOI-Wafern und anschließende Trenchätzung hergestellt. Dabei beträgt die Trenchtiefe für ein 600 V Bauelement ca. 35 µm. Trockenchemische Ätzmaschinen, die heutzutage auf dem Markt erhältlich sind, erreichen eine Reproduzierbarkeit der Sei tenwandneigung der geätzten Trenches von etwa 0,5° bis 1,0° auf einem 8 Zoll Wafer. In der beiliegenden Fig. 7 sind in Form eines schematischen Querschnitts die Verhältnisse und die Problematik einer solchen relativ dicken Stencilmaske M veranschaulicht. Fig. 7 veranschaulicht, wie sich der als kritische Dimension CD (CD: Critical Dimension) anzusehende Implantationsöffnungsdurchmesser 2r von seinem Zielwert 2r_Ziel zu einem Istwert 2r_IST verändert, wenn sich der die Seiten wandneigung angebende Winkel α_trench um den Wert Δα_trench er höht. Das effektive CD-Maß gibt eine sogenannte "Projected Range" Rp an, die äquivalent zu einer gegebenen Implantati onsenergie E ist.

Die in der beiliegenden Fig. 8 dargestellte Tabelle 1 zeigt die Abhängigkeit der Dosisschwankung der Implantationsener gie bezogen auf die Zieldosis bei Abweichung des Trenchflan kenwinkels α_trench in der Stencilmaske M gemäß Fig. 7.

Die Summenschwankung (Fehlerfortpflanzung) liegt im Bereich von ±40 bis 60% der Zieldosis. Für das herzustellende Bau teil (Kompensationsbauelement) akzeptabel sind Summenschwan kungen von ±10 bis 15%, wobei in diesem Wert bereits Schwan kungen im Lackmaß und in der Dotierung der Epitaxieschicht berücksichtigt sind.

Der entscheidende Nachteil der gemäß Fig. 7 strukturierten Stencilmaske liegt darin, dass die zu den jeweiligen Implan tationsenergien gehörenden effektiven CD-Maße lediglich durch das obere Öffnungsmaß des Trenches und den Trenchwin kel α_trench kontrolliert werden. Insbesondere für hohe Implan tationsenergien und entsprechend dicke Stencilmasken ergibt sich schon bei geringen Abweichungen vom idealen Trenchwin kel eine große Wirkung auf das kritische Maß CD.

Bis heute werden solche Kompensationsbauelemente ausschließ lich mit der sogenannten Aufbautechnik hergestellt:
Auf dem Substrat wird zunächst eine mehrere Mikrometer dicke n-dotierte Epitaxieschicht abgeschieden. Über eine Re sistmaske wird anschließend mittels niederenergetischer Im plantation eine p-Dotierung eingebracht. In diesem Zusammen hang muss der Genauigkeit des Lackmaßes der Resistmaske be sondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, da dies derjenige Parameter ist, der die Anzahl der implantierten Ionen und somit die Balance zwischen p- und n-Dotierung bestimmt. Der gesamte Prozess, bestehend aus Epitaxieabscheidung, Foto technik und Implantation wird sooft wiederholt, bis die der geforderten Spannungsfestigkeit entsprechende Säulenhöhe aufgebaut ist. Der letzte Teilprozess besteht aus einem Dif fusionsschritt, der das vertikale Zusammendiffundieren der Implantationsgebiete bewirkt.

Stencilmasken werden aktuell vor allem für die Ionenprojek tionslithografie eingesetzt. Bei dieser Technik werden le diglich sehr niederenergetische Ionen eingesetzt. Das Pro blem der Schwankung von Trenchwinkeln bei sehr tiefen Gräben tritt dabei nicht auf, da die Siliziummaske lediglich eine Dicke von 3,0 µm hat, wobei der maßhaltige obere Teil des Trenches sich lediglich auf eine Tiefe von 150 nm erstreckt.

Nach dem oben Gesagten ist es Aufgabe der Erfindung, eine für eine Hoch- und Ultrahochenergieimplantation geeignete Stencilmaske anzugeben, die die in der Tabelle 1 (Fig. 8) gezeigten Schwankungen wesentlich reduzieren und damit die Entwicklung einer Hochenergieimplantationstechnologie für solche Kompensationsbauelemente in sinnvoller Art und Weise zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Her stellungsverfahren anzugeben, das zur Herstellung einer sol chen Stencilmaske vorteilhaft ist.

Zur Lösung der obigen Aufgabe schlägt die Erfindung vor, vom Konzept der einfachen Stencilmaske, bei der die Implantati onsöffnungen für alle Energien durch ein CD-Maß (Critical Dimension) und einen einzigen Trenchätzprozess definiert bzw. gebildet werden abzugehen und statt dessen für jede Im plantationsenergie eine eigene maßhaltige Maske zu definie ren, bei der das kritische Maß der Implantationsöffnungen abhängig von der jeweiligen Implantationsenergie definiert ist. In einer besonderen Ausbildungsform ist eine erfin dungsgemäße Stencilmaske aus mehreren einzelnen maßhaltigen Masken zusammengesetzt, so dass diese kombinierte Stencil maske für unterschiedliche Implantationsenergien geeignet ist, wobei die kritische Dimension der Implantationsöffnun gen in mehreren Schritten oder Stufen vorliegt, die jeweils auf die geforderte Implantationsenergie abgestimmt sind.

Statt dessen ist es aber auch möglich, für jede Implanta tionsenergie eine eigene maßhaltige Maske bereitzustellen und diese jeweils für eine Implantation mit einer bestimmten Energie zu verwenden. Bei einer Umstellung der Energie wird auch die Maske gewechselt. Zum Beispiel müssen dann für ein aus fünf Schichten aufgebautes Kompensationsbauelement fünf separate Masken mit Öffnungen hergestellt werden, deren kri tisches Maß CD jeweils auf die zur Implantation verwendete Energie abgestimmt ist.

Bevorzugt ist die Stencilmaske auf einem SOI-Grundmaterial aufgebaut oder besteht aus einem solchen SOI-Grundmaterial.

Besonders vorteilhaft bietet sich zur Herstellung einer Stencilmaske für die Hoch- und Ultrahochenergieimplantation folgendes Verfahren an:

A) Bereitstellen von SOI-Grundmaterial mit einer an die jeweilige Ioneneindringtiefe angepasste Dicke der SOI- Schicht, zum Beispiel 5 µm für 3 MeV Bor, 35 µm für 20 MeV Bor.
B) Ätzung von retrograden Öffnungen von der Vorderseite des SOI-Wafers bis zur SOI-Oxidschicht. Dies bedeutet, dass für eine Stencilmaske, zum Beispiel für eine 20 MeV Implantation die ersten 1,2 µm (+ Sicherheitsvor halte) dieser Öffnung (Trench) exakt sein müssen. Der Rest des Trenches muss nur recht niedrigen Anforderun gen genügen.
C) Die Maske wird von der Rückseite zum Beispiel durch nasschemische Ätzung transparent gemacht.
D) Die Stencilmaske wird als Implantationsmaske zum Bei spiel durch Kleben oder genaues Positionieren der Maske vor dem zu implantierenden Wafer in der Weise verwen det, dass die Vorderseite der Maske in Richtung des zu implantierenden Wafers zeigt.

Diese und weitere vorteilhafte Merkmale von Ausführungsfor men einer erfindungsgemäßen Stencilmaske sowie von Ausfüh rungsbeispielen eines zur Herstellung einer solchen Stencil maske eingerichteten Verfahrens werden in der nachfolgenden Beschreibung, die sich auf die Zeichnungsfiguren bezieht, noch deutlicher. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfin dungsgemäße Stencilmaske für Hoch- und Ultra hochenergieimplantation zur Erläuterung eines er sten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Stencilmaske in ihrer bei der Implan tation verwendeten Position oberhalb eines De vicewafers;

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stencil maske die für jede gewünschte Implantationsener gie ein dazugehöriges effektives CD-Maß aufweist;

Fig. 4A-4E Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsge mäßen Herstellungsverfahrens für eine Stencilmas ke;

Fig. 5A-5E Querschnittsdarstellung durch einen SOI-Wafer, die zur Erläuterung eines dritten Ausführungsbei spiels eines Verfahrens zur Herstellung einer er findungsgemäßen Stencilmaske dienen;

Fig. 6A-6D Querschnittsdarstellungen durch einen SOI-Wafer, die einzelne Schritte eines vierten Ausführungs beispiels eines Herstellungsverfahrens für eine erfindungsgemäße Stencilmaske veranschaulichen;

Fig. 7 schematisch einen Querschnitt durch eine herkömm liche Stencilmaske, wie sie eingangs besprochen wurde und

Fig. 8 die bereits erläuterte Tabelle 1 mit Veränderun gen der Implantationsdosis abhängig von einer Va riation des Zielwinkels.

In den Fig. 1 und 2 ist jeweils in Form eines schematischen Querschnitts eine erste Ausführungsform einer erfindungsge mäßen Stencilmaske 1 und deren Positionierung über einem De vicewafer 20 dargestellt. Die in Fig. 1 gezeigte erfindungs gemäße Stencilmaske 1 ist dadurch charakterisiert, dass das kritische Maß CD (Durchmesser) einer Implantationsöffnung 2 (zur Vereinfachung ist nur eine Öffnung gezeigt) in Abhän gigkeit von einer gewünschten Implantationsenergie festgelegt ist. Als Ausgangsbasis zur Herstellung der Stencilmaske 1 dient ein SOI-Grundmaterial, bestehend aus einer ersten SI-Schicht 10, einer Oxidschicht 11 und einer zweiten SI- Schicht 12, deren Dicke an die jeweilige Ioneneindringtiefe bei der Ionenimplantation eines in Fig. 2 gezeigten Zielwa fers 20 angepasst ist und zum Beispiel für 3 MeV Bor 5 µm und für 20 MeV Bor 35 µm beträgt.

Bei der Herstellung der Stencilmaske 1 werden von der Vor derseite V durch einen Trocken- oder Nassätzprozess (Pfeil A) zuerst retrograde Öffnungen 2 bis zur Oxidschicht 11 ge ätzt. Dies bedeutet, dass die Ätzung A lediglich zu Beginn (Tiefe d) exakt maßhaltig sein muss. Zum Beispiel muss der geätzte Trench für eine 20 MeV Implantationsmaske für d = 1,2 µm exakt sein. Die Abmessung des Rests des die Öffnung 2 bildenden Trenches braucht nur recht niedrigen Anforderungen zu genügen. Anschließend wird die Stencilmaske 1 von der Rückseite R zum Beispiel durch nasschemische Ätzung transpa rent gemacht, das heißt, dass auf der Rückseite R große Fen ster in der ersten SI-Schicht 10 und der Oxidschicht 11 des SOI-Wafers geöffnet werden.

Gemäß Fig. 2 wird die Maske 1 als Implantationsmaske zum Beispiel durch Kleben oder genaue Positionierung der Maske vor dem Devicewafer 20 befestigt und in der Weise verwendet, dass die Vorderseite V der Maske 1 über dem zu implantieren den Devicewafer 20 zu liegen kommt. Fig. 2 zeigt eine Klebe schicht 13, mit der die Stencilmaske 1 auf dem Devicewafer 20 aufgeklebt ist. Implantationsenergie E wird von oben auf gebracht. Dabei ist, wie erwähnt, die kritische Dimension CD, d. h. die lichte Weite der Öffnung 2 im Abstand d von der Vorderseite V der Maske abhängig von der Implantationsener gie E festgelegt.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Stencilmaske sind mehrere maßhaltige Masken, deren kritisches Maß CD jeweils auf die jeweils zu verwendende Implan tationsenergie abgestimmt ist, zu einer einzigen Stencilmas ke 1 kombiniert.

Eine derartige kombinierte Stencilmaske 1 wird nun anhand der Fig. 3 erläutert. Die in einem schematischen Querschnitt in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Stencilmaske 1 weist für jede Implantationsenergie, das heißt für jeden Projected Range Rp1, Rp2, Rp3 und Rp4 ein zugehöriges CD Maß CD1, CD2, CD3 und CD4 auf. CD1 ist die präzise Öffnungsweite für eine Implantation mit einer Energie E1, CD2 die präzise Öffnungs weite für eine Implantation mit einer Energie E2, CD3 die präzise Öffnungsweite für eine Implantation mit einer Ener gie E3 und CD4 die präzise Öffnungsweite für eine Implanta tion mit der Energie E4. Zwischen diesen präzise definierten Öffnungen liegen unkritische Bereiche, die mit großen Schwankungen behaftet sein dürfen. Für den Implantationsvor gang ist die in Fig. 3 gezeigte Stencilmaske mit ihrer Vor derseite V über einem Devicewafer zu positionieren oder po sitionsgenau zu befestigen.

Fig. 3 veranschaulicht auch, dass das Implantationsprofil P_I einer Hochenergieimplantation so beschaffen ist, dass der Großteil der implantierten Dosis im Bereich des Projected Ranges Rp liegt.

Die nachstehende Tabelle 2 gibt in der vierten Spalte +/-2 Sigma den Tiefenbereich an, in dem 95,4% der implantierten Dosis deponiert sind. Dies ist also jene Distanz, in der die Maßhaltigkeit der jeweiligen Implantationsöffnung gewährlei stet sein muss. Ist dies der Fall, so sind die erwähnten 95,4% der Dosis exakt implantiert worden.

Tabelle 2

Projected Range Rp und erstes Moment der Ionenverteilung nach der Implantation mit verschiedenen Energien

Mit entsprechenden Maßnahmen (Ausweitung des exakten Be reichs) lässt sich die Genauigkeit noch steigern. Die vorge schlagenen Strukturen müssen an verschiedenen Stellen noch mit Sicherheitsvorhalten an die experimentellen Vorgaben an gepasst werden. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, die Ein dringtiefe oder besser das exakte Implantationsprofil der Ionen vor der Herstellung der Maske exakt zu kennen. Die maßhaltige Öffnung muss natürlich in der richtigen Ge samttiefe eingebaut werden.

Die in Fig. 3 gezeigte und oben beschriebene kombinierte Stencilmaske hat folgende Vorteile:

- flache Ätzungen im Bereich von einem bis wenigen µm Tiefe können auf dem Wafer der zur Herstellung der Stencilmaske verwendet wird, mit sehr geringen Schwankungen bezüglich des kritischen Maßes CD und des Trenchwinkels hergestellt werden. Gegenüber konventionellen Stencilmasken mit tiefen Trenches ergibt sich somit eine wesentliche Verbesserung der Gesamtgenauigkeit auf der Maske von Mitte zu Rand;
- aus dem gleichen Grund ist die Schwankung von Maske zu Maske ebenfalls reduziert.

Bei konventionellen Stencilmasken stehen im Grunde nur zwei Parameter bei der Herstellung der Maske zur Verfügung. Das ist das CD-Maß der oberen Öffnung und der Trenchwinkel. Gerade der Trenchwinkel ist jedoch im Wesentlichen durch die Ätzchemie vorgegeben und nur sehr schwer definiert einstell bar. Erschwerend kommt hinzu, dass eine exakte Kontrolle des Trenchwinkels über große Tiefen nur mit der geringen Genau igkeit größer als ±0,5° möglich ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele eines zur Herstel lung einer erfindungsgemäßen Stencilmaske verwendeten Ver fahrens beschrieben.

Die Fig. 4A-4E zeigen Verfahrensschritte eines ersten Aus führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Stencilmaske 1, zum Beispiel eine solche, wie sie oben anhand der Fig. 3 beschrieben worden ist.

Gemäß Fig. 4A geht man von einem SOI-Grundmaterial aus, das aus einer ersten SI-Schicht 10, einer Oxidschicht 11 und ei ner zweiten SI-Schicht 12 in dieser Reihenfolge besteht. Über der oberen (zweiten) SI-Schicht 12 wird eine Oxid schicht 13 abgeschieden und maßhaltig strukturiert. "Maßhal tig" bedeutet, dass die Weite der strukturierten Öffnung der Oxidschicht 13 ein erstes kritisches Maß (CD1) definiert.

Gemäß Fig. 4B wird auf der Oxidschicht 13 eine weitere SI- Schicht 14 und über dieser SI-Schicht 14 eine weitere Oxid schicht 15 aufgebracht, die ihrerseits maßhaltig so struktu riert wird, dass die Weite ihrer Öffnung ein zweites kriti sches Maß (CD2) angibt.

Gemäß Fig. 4C wird der in Fig. 4B dargestellte Schritt wie derholt, wobei eine weitere SI-Schicht 16 und über dieser SI-Schicht eine dritte Oxidschicht 17 abgeschieden und maß haltig so strukturiert wird, dass die Weite der in der Oxid schicht 17 gebildeten Öffnung ein drittes kritisches Maß CD3 definiert.

Es ist hier zu bemerken, dass die jeweiligen Projected Ran ges durch die Dicken der jeweiligen SI-Schichten 12, 14, 16 definiert sind.

Gemäß Fig. 4D erfolgt nun eine Siliziumätzung (Trenchät zung), bei der die Oxidgebiete 13, 15, 17 in jeder Ebene als maßhaltige Hartmasken dienen, bis zum Ätzstopp durch die Oxidschicht 11 des SOI-Grundmaterials (Pfeil A1).

Gemäß Fig. 4E wird die Stencilmaske 1 komplettiert durch ei ne Strukturierung der Rückseite R des Wafers. Dabei werden große Fenster durch nasschemische oder trockenchemische Ät zung (Silizium und Oxid) geöffnet (veranschaulicht durch die Pfeile A2), wodurch die Implantationsöffnung 2 der Stencil maske 1 fertig hergestellt ist. Die in Fig. 4E gezeigte Struktur, das heißt die Stencilmaske 1 wird geflippt, das heißt in eine Position gebracht, bei der ihre Rückseite R über einem (nicht gezeigten) Devicewafer positioniert und als Implantationsmaske verwendet wird.

Die Fig. 5A-5E zeigen Verfahrensschritte eines gegenüber dem Aufbauverfahren der Fig. 4A-4E alternativen Aufbauverfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Stencilmaske 1. Wie der dient ein aus einer ersten SI-Schicht 10, einer Oxid schicht 11 und einer zweiten SI-Schicht 12 bestehendes SOI- Grundmaterial als Ausgangswafer zur Herstellung einer Sten cilmaske. Die Oberfläche der oberen, das heißt zweiten SI- Schicht 12 wird gemäß Fig. 5A mit einer Lack- oder Hartmaske 8 bedeckt und diese maßhaltig strukturiert. Maßhaltig bedeu tet auch hier, dass das Maß der Öffnungsweite der struktu rierten Lack- oder Hartmaske 8 ein für die Implantationsöff nung kritisches Maß, zum Beispiel CD3 einhält. Anschließend wird durch die Öffnung der Lack- oder Hartmaske 8 ein sich nach unten erweiternder erster Trench 21 geätzt.

Gemäß Fig. 5B wird der erste Trench 21 mit einem Stöpsel 7, zum Beispiel BPSG-Stöpsel verschlossen, die Hart- oder Lack maske 8 entfernt und die Oberfläche des mit dem Stöpsel 7 verschlossenen Trenchs 21 und die der Siliziumschicht 12 planarisiert. Es ist zu erwähnen, dass man bei geeigneter Prozessführung mit der BPSG-Stöpseltechnik automatisch ebene Oberflächen erhalten kann, so dass dann der Planarisierungs schritt entfallen kann.

Gemäß Fig. 5C wird auf der oberen Siliziumschicht 12 des SOI-Grundmaterials eine weitere SI-Schicht 14 abgeschieden oder aufgewachsen, diese dann mit einer Lack- oder Hartmaske 9 bedeckt, die anschließend maßhaltig strukturiert wird, wo bei maßhaltig hier bedeutet, dass die Öffnungsweite der in der Lack- oder Hartmaske 9 gebildeten Öffnung ein zweites kritisches Maß, zum Beispiel CD2 der Implantationsöffnung der Stencilmaske einhalten muss. Dann wird ein zweiter sich nach unten erweiternder Trench 22 geätzt, wobei der Stöpsel 7 als Ätzstopp dient. Die Schritte der Fig. 5A bis 5C können wiederholt werden, wodurch weitere Schichten mit weiteren Stöpseln hergestellt werden können.

Anschließend wird gemäß Fig. 5D die Rückseite R des Wafers mit einer nass- oder trockenchemischen Siliziumätzung struk turiert, wodurch in der untersten SOI-Siliziumschicht 10 große Fenster gebildet werden.

Gemäß Fig. 5E werden dann von der Rückseite her das SOI-Oxid 11 und der Stöpsel 7 bzw. die Stöpsel mit einer nasschemi schen Oxidätzung entfernt, wodurch die Implantationsöffnung 2 fertiggestellt ist. Für ihre Verwendung für eine Hoch- oder Ultrahochenergieimplantation wird die in Fig. 5E darge stellte Stencilmaske 1 mit ihrer Vorderseite V über einem Devicewafer positioniert oder positionsgenau befestigt.

Die in den Fig. 4A-4E und 5A-5E dargestellten und oben be schriebenen alternativen Aufbaumethoden für eine erfindungs gemäße Stencilmaske verwenden mehrmalige Siliziumabscheidun gen in Verbindung mit mehrmaligen maßhaltigen Oxid- bzw. Si liziumätzungen. Die Maske wird auf einem SOI-Grundmaterial schrittweise aufgebaut.

Die Stencilmasken sind, wenn man eine vernünftige Lebensdau er voraussetzt, nicht kostenlimitiert, das heißt man kann an dieser Stelle wesentlich aufwändigere Prozesse zulassen als bei einem Produktwaferprozess, da die Masken sehr oft wie derverwendet werden und sich die Herstellungskosten somit gleichmäßig auf alle mit dieser Maske hergestellten Wafer verteilen.

Aus Gründen der thermischen Stabilität sind Herstellungsva rianten zu bevorzugen, die keine Mischung von Materialien bei der fertigen Maske erfordern, das heißt, dass Masken aus reinem Silizium, wie in dem oben beschriebenen Ausführungs beispiel gemäß Fig. 5A-5E, gegenüber jenen, die aus Schicht folgen von Oxid und Silizium bestehen, zu bevorzugen sind.

Bei dem in den Fig. 5A-5E dargestellten oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel der Aufbaumethode kann das abge schiedene Silizium auch - bei niedriger Temperatur - epitak tisch aufgewachsen sein. Dies hat ebenfalls erhebliche Vor teile für die thermische Stabilität der hergestellten Sten cilmaske. Störungen der Kristallinität im Bereich der Oxid stöpsel spielen nur eine geringe Rolle, da diese Bereiche im nächsten Aufbauschritt wieder geätzt werden.

Das nachstehend anhand der Fig. 6A-6D beschriebene dritte Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens für eine erfindungsgemäße Stencilmaske verwendet keine Aufbautechnik, wie die anhand der Fig. 4A-4E und 5A-5E beschriebenen Aus führungsbeispiele sondern eine gestufte Trenchätzung. Als Ausgangsmaterial dient wieder ein aus einer ersten Silizium schicht 10, einer Oxidschicht 11 und einer zweiten Silizium schicht 12 bestehender SOI-Wafer. Dabei unterscheidet sich das dem dritten Ausführungsbeispiel entsprechende Verfahren der gestuften Trenchätzung von den zuvor beschriebenen Auf baumethoden grundsätzlich dadurch, dass die zweite Silizium schicht 12 schon zu Beginn des Herstellungsprozesses für die Stencilmaske Zieldicke hat.

Gemäß Fig. 6A wird über der zweiten SI-Schicht 12 eine Lack- oder Hartmaske 8 aufgebracht und maßhaltig strukturiert, wo bei die Öffnungsweite die kritische Dimension CD4 hat. An schließend erfolgt eine Trenchätzung bis in eine erste Ziel tiefe Rp. Anschließend wird in den Trench eine Oxidschicht 13 abgeschieden, die den Boden und die Seitenwände des Tren ches bedeckt. Die abgeschiedene Oxidschicht muss so dick sein, dass nach einer in Fig. 6B dargestellten Oxidätzung (Pfeil A), die vergleichbar mit einer Spacerätzung ist, die geforderte maßhaltige Öffnung entsprechend dem kritische Maß CD3 verbleibt.

Anschließend wird gemäß Fig. 6C eine weitere Trenchätzung bis in eine zweite Zieltiefe durchgeführt, eine weitere ge eignete Oxidschicht 15 abgeschieden und der am Boden des zweiten Trenchs liegende Abschnitt der zweiten Oxidschicht 15 durch eine Spacerätzung geätzt, wodurch eine maßhaltige Öffnung gemäß dem kritischen Maß CD2 entsteht. Anschließend erfolgt eine erneute Trenchätzung mit Stopp auf dem SOI-Oxid 11. Je nach geforderter Maskendicke der Stencilmaske 1 und der erforderlichen Anzahl gestufter kritischer Maße CD muss dieser Prozess mehrmals wiederholt werden.

Gemäß Fig. 6D wird die Waferrückseite R durch nass- oder trockenchemische Ätzung unter Öffnung großer Fenster struk turiert. Anschließend werden die SOI-Oxidschicht 11 und die Seitenwandoxide 13, 15 nasschemisch geätzt.

Mit der beschriebenen gestuften Trenchätzung wird somit eine Stencilmaske 1 mit sich stufenweise verjüngenden kritischen Maßen CD4, CD3, CD2 und CD1 hergestellt, wie sie zum Bei spiel auch in der Fig. 3 dargestellt ist. Die Besonderheit des eben beschriebenen und in den Fig. 6A-6D veranschaulich ten Verfahrens liegt darin, dass die Maßhaltigkeit an den geforderten Stellen nicht durch eine Fototechnik oder ähnli ches eingestellt wird sondern durch Abscheidungen oder ther mische Oxidation. Das heißt es ist in diesem Fall besonders wichtig, CD-Maße in tiefen Trenches genau zu bestimmen und Hilfsschicht exakter Dicke in diesen Trenches aufbringen zu können. Eine einfacherere Variante dieses Verfahrens würde darin bestehen, Grundmaterial mit eingebauten Ätzstopps, zum Beispiel in Form dünner Oxidschichten zu verwenden. Dies stellt aber im Grunde wieder eine Art Aufbautechnik dar, und somit ist die aufwändige Einstellung der Maßhaltigkeit über eine definierte Abscheidung an dieser Stelle nicht mehr nö tig.

Ganz allgemein ist bei allen Ausführungsformen bzw. Ausfüh rungsbeispielen ein retrogrades Trenchprofil bevorzugt wor den. Es ergeben sich zwanglos andere Ausführungsformen, wenn ein "getapertes" Trenchprofil gefordert ist. Die gezeigten Ausführungsformen bzw. das Konzept der stufenweisen Maßhal tigkeit ist auch auf andere Materialien übertragbar, zum Beispiel SIC oder Metalle.

Bezugszeichenliste

1

Stencilmaske

2

Implantationsöffnung

7

BPSG-Stöpsel

8

,

9

Lack- oder Hartmaske

10

,

12

,

14

,

16

SI-Schichten

11

,

13

,

15

,

17

Oxidschichten
A Ätzung
CD Critical Dimension
E Implantationsenergie
M Stencilmaske
R Rückseite
Rp Projected Range
r Implantationsöffnungsradius
α_trench

atrench Trenchwinkel
P_I

Implantationsprofil
V Vorderseite

Claims

1. Stencilmaske für Hoch- und Ultrahochenergieimplantation von Halbleiterwafern, wobei die Stencilmaske (1) in einem Substrat Implantationsöffnungen aufweist, durch die die Im plantationsenergie auf einen zu implementierenden Wafer pro jizierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das kritische Maß (CD) der Implantationsöffnungen (2) in Abhängigkeit von der jeweiligen Implantationsenergie de finiert ist.

2. Stencilmaske nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Implantationsenergie eine eigene Stencilmaske (1) vorgesehen ist.

3. Stencilmaske nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine mehrschrittige Implantation mit jeweils unter schiedlichen Implantationsenergien mehrere maßhaltige Ein zelstencilmasken, die jeweils eine auf die jeweilige Implan tationsenergie jedes Implantationsschritts abgestimmte kri tische Dimension (CD) ihrer Implantationsöffnungen (2) ha ben, zu einer einzigen Stencilmaske (1) vereinigt sind.

4. Stencilmaske nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stencilmaske (1) auf einem SOI-Grundmaterial aufge baut ist oder aus diesem besteht.

5. Verfahren zur Herstellung einer Stencilmaske für Hoch- und Ultrahochenergieimplantation wobei Implantationsöffnun gen in einem Substrat gebildet werden, durch die die Implan tationsenergie auf einen zu implantierenden Wafer projizier bar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantationsöffnungen (2) der Stencilmaske (1) so gebildet werden, dass ihr kritisches Maß (CD) von der jewei ligen Implantationsenergie bestimmt ist.

6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stencilmaske (1) mittels einer Aufbautechnik mit folgenden Schritten hergestellt wird:

- auf einer Siliziumseite eines Wafers aus SOI-Grundmaterial wird eine für die zu bildenden Implantationsöffnungen maß haltig vorstrukturierte erste Oxidschicht (13) abgeschie den oder aufgewachsen, und
- danach erfolgt eine Trenchätzung der Siliziumschicht mit tels Stopp auf der SOI-Oxidschicht (11), wobei die Oxidge biete auf der SI-Schicht als maßhaltige Hartmasken fungie ren.

7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen schrittweisen Aufbau einer Stencilmaske (1) mit mehreren unterschiedlichen kritischen Dimensionen ihrer Implantationsöffnungen in mehreren Schritten:

- jeweils eine SI-Schicht (12, 14, 16) und über jeder dieser SI-Schichten (12, 14, 16) eine maßhaltig vorstrukturierte Oxidschicht (13, 15, 17) mit sich progressiv vergrößernder Öffnungsweite der Implantationsöffnung (2) so abgeschieden oder aufgewachsen werden, dass die zueinander gehörenden Implantationsöffnungen der einzelnen Oxidschichten (13, 15, 17) zueinander zentriert sind, und
- anschließend von der obersten Oxidschicht (17) aus eine Trenchätzung durch alle SI-Schichten (16, 14, 12) mit Stopp auf dem SOI-Oxid (11) des SOI-Wafers durchgeführt wird, wobei alle strukturierten Oxidgebiete als übereinan derliegende maßhaltige Hartmasken fungieren.

8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, der SOI-Wafer anschließend von seiner Rückseite (R) her strukturiert und durch nass- oder trockenchemische Ätzung durch die Siliziumschicht (10) und das Oxid (11) große Fen steröffnungen gebildet werden, wobei die Stencilmaske in ge flippter Position mit ihrer Vorderseite (V) über einen zu implantierenden Halbleiterwafer positionierbar ist.

9. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stencilmaske durch eine Aufbautechnik in folgenden Schritten hergestellt wird:

- auf einer Siliziumschicht (12) eines SOI-Wafers wird eine erste Hart- oder Lackmaske (8) aufgebracht und maßhaltig strukturiert;
- durch die Öffnungen der Hart- oder Lackmaske (8) wird eine Trenchätzung in der Siliziumschicht (12) des SOI-Wafers ausgeführt;
- jeder geätzte Trench wird anschließend mit einem Stöpsel (7) verschlossen und die Oberfläche der SI-Schicht nach Entfernen der Lack- oder Hartmaske (8) eingeebnet;
- die vorigen Schritte werden so oft wie erforderlich wieder holt; und
- der SOI-Wafer wird von der Rückseite (R) her durch nass- oder trockenchemische Ätzung unter Bildung großer Fenster strukturiert.

10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stencilmaske (1) durch eine gestufte Trenchätzung einer Siliziumschicht eines SOI-Grundmaterials hergestellt wird, das in der gewünschten Zieldicke bereitsteht, mit fol genden Schritten:

- auf der SI-Schicht (12) des SOI-Wafers wird eine Lack- oder Hartmaske (8) aufgebracht und strukturiert;
- anschließend wird eine erste Trenchätzung in das Silizium material (12) bis in eine erste Tiefe (Rp) ausgeführt und eine die Trenchwände und den Trenchboden bedeckende Oxid schicht aufgebracht;
- anschließend wird das Oxid am Trenchboden so geätzt, dass dort eine maßhaltige Öffnung zur SI-Schicht (12) entsteht;
- anschließend wird eine zweite Trenchätzung bis zu einer zweiten gewählten Zieltiefe ausgeführt und im Trench eine weitere geeignete Oxidschicht abgeschieden;
- anschließend erfolgt eine weitere Spacerätzung des Oxids am Trenchboden;
- erneute Trenchätzung bis zum SOI-Oxid (11);
- anschließend wird die Waferrückseite (R) durch eine nass- oder trockenchemische Ätzung unter Bildung großer Fenster strukturiert und das SOI-Oxid (11) und die Seitenwandoxide des gestuften Trenches nasschemisch geätzt.