DE2231356A1

DE2231356A1 - Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelementes

Info

Publication number: DE2231356A1
Application number: DE2231356A
Authority: DE
Inventors: James Godfrey
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-07-01
Filing date: 1972-06-27
Publication date: 1973-01-18
Also published as: IT958650B; FR2143959B1; FR2143959A1; CA944870A; NL7209190A; BE785660A; US3737346A; GB1390853A

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Godfrey, J.

New York, N. Y., 10007, USA

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes,

Der Ionenimplantation wird gegenwärtig ein bedeutsamer Platz bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen eingeräumt. Ionenimplantation ist ein gutes Werkzeug für gesteuerte Einführung von Dotierstoffen in Halbleiterkörper. Obgleich zahl- ' reiche Materialien als Maskiermittel für die verschiedenen lonenimplantationsmethoden benutzt werden, einschließlich insbesondere Siliziumdioxid, das die übliche Diffusionsmaske gewesen ist, besteht ein großes Bedürfnis nach Masken, die ein besseres Sperrvermögen haben, um so die Mustererzeugung bequemer durchführen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, auf bequeme Weise eine Maske, insbesondere Metallmaske, zu erzeugen, die sich speziell für Ionenimplantation eignet und im Vakuum hergestellt werden kann, wobei sich dann die lonenimplantationsbehandlung direkt in derselben Vakuumumgebung anschließt.

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Demgemäß ist die Erfindung für ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, bei dem die Oberfläche eines Halbleiterkörpers mit einer Maske versehen wird und Dotierstoffe in den unmaskierten Bereich der Oberfläche mittels Ionenstrahl implantiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Maske eine Dünnschicht aus verflüchtigbarem Material auf der Halbleiteraberfläche gebildet und die Dünnschicht mit einem Energiestrahl selektiv beaufschlagt wird, um Teile der Dünnschieht zur Bildung des unmaskierten Bereichs zu verflüchtigen.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Dünnschicht aus einem verflüchtigbarem Material, vorzugsweise Cadmium oder Wismut, auf der Oberfläche einer Halbleiterscheibe gebildet. Die so beschichtete Scheibe wird dann mit einem selektiv gesteuerten Energiestrahl, beispielsweise mit einem programmgesteuerten Elektronenstrahl, beaufschlagt, der das anfängliche Maskenmuster durch Verdampfung jener Teile des Metallfilms erzeugt, auf welche der Strahl auftrifft.

Ohne Unterbrechung des Vakuums, unter welchem die Mustererzeugung stattgefunden hat, wird dann ein erster Dotierstoff durch die Maske mittels Ionenimplantation in den Halbleiter-

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körper eingeführt. Bei der Herstellung eines Transistors wird mit der Einführung dieses ersten Dotierstoffes die Emitterzone gebildet. Hierauf folgend, wird erneut ein Elektronenstrahl-Ausformprozeß angewandt, um den anfänglichen Teil oder die anfänglichen Öffnungen zu vergrößern, um einen zweiten unmaskierten Bereich oder eine zweite Reihe neuer Öffnungen zu erzeugen. Sodann wird ein zweiter Dotierstoff durch die neue Maske hindurch mittels einer zweiten Ionenimplantationsbehandlung eingeführt. Typischerweise wird durch den durch die vergrößerten Maskenfenster eingeführten zweiten Dotierstoff die Basiszonen von Transistoren erzeugt oder, falls eine neue Reihe Öffnungen erzeugt worden war, entstehen einzelne pn-Übergänge für Dioden.

Vorteilhaft werden die Verfahrensschritte, bei denen Energiestrahlenbündel sowohl zur Masken erzeugung als auch zur Dotierstoffeinführung verwendet werden, unter einem Vakuum durchgeführt, das während des gesamten Prozesses nicht unterbrochen wird.

Schließlich wird die Halbleiterscheibe entfernt und der üblichen Warmbehandlung zu temperungszwecken oder hineintreiben der Dotiorstoffc. Das restliche Verfahren betrifft dann die übliche Metallisierung und Unterteilung in die einzelnen Ilalbk'iterpliittchen,

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.Nachstehend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines zeiclinerich dargestellten Verfahrenslaufplans für ein bevorzugtes Ausführungsbeispjel erläutert.

Entsprechend Kästchen I beginnt das Verfahren mit der Präparierung der üblichen Halbleiterscheibe, beispielsweise Silizium, die aus einein einkristallinen Ausgangsmaterial genommen wird und einen Durchmesser jron mehreren Zentimetern und eine Dicke von 250 bis 750 Mikrometer hat. Wie bekannt kann eine solche Halbleiterscheibe aufgebaut sein aus einen Siliziumsubstratteil einer ersten spezifischen Leitfähigkeit und aus einem Siliziumoberflächenschichtteil mit hiervon verschiedener spezifischer Leitfähigkeit, wobei letzterer durch Aufdampfung im Epitaxiverfahren erzeugt worden ist. Solche epitaktisch erzeugte Dünnschichten haben üblicherweise Dicken in der Größenordnung Mikrometer. Vorteilhaft ist es', auf der Oberfläche dieser Epitaxischicht eine dünne Siliziumoxidschicht zu erzeugen, beispielsweise durch Warmbehandlung in oxidieren Atmosphäre. Ein solcher Oberflächenoxidfilm kann einige hundert A dick sein und dient hauptsächlich zur Verbesserung des Haftungsvermögens der nachfolgend niedergeschlagenen Metallschicht.

Als nächstes (Kästchen II) wird eine Cadmium-Dünnschichi auf der oxidbesc'hichtetcn Oberfläche der Halbleiterscheibe auigo-

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bracht. Dieses geschieht unter Vakuum beispielsweisen durch Bedampfen unter Verwendung einer geeigneten Fadenheizungsund Materialquelle. Eine geeignete Schichtdicke liegt etwa bei 1000 R.

Ohne die Scheibe aus dem Vakuum zu entfernen oder das Vakuum zu unterbrechen wird in der Cadmiumschicht ein anfängliches Muster durch selektives Beaufschlagen mit einem Elektronenstrahl, bespielsweise mit einem programmgesteuerten Elektronenstrahl, erzeugt. (Kästchen ΙΠ). Der programmierte Elektr on en strahl hat ausreichend Energie und ist auf genaue Dimensionen fokussiert, um speziell ausgewählte Teile der Cadmiumschicht zu verdampfen, auf welche der Strahl auf trifft. Cadmium hat eine Sublimationswärme von etwa 25 Kilokalorien pro Gramm Atom. Sonach benötigt man für eine 1000 A dicke

2 Schicht eine Verdampfungsenergie von etwa 0,1 Joule/cm .

Unter Verwendung eines 15 keV-Elektronenstrahls würde dieser Energiewert einen Strahlstrom von etwa 7 Microcoulomb pro

cm erfordern. Als Alternative für Cadmium sei Wismut genannt, das vergleichbare Eigenschaften von Cadmium hat. Beide Metalle können nach üblichen Methoden aufgedampft oder aufgestäubt wurden, und beide haben bei Zimmertemperatur einen vernüftig niedrigen Dampfdruck. Innerhalb der Vakuumkammer sollte sichergestellt sein, daß das verdampfte Metall

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vom elektronenoptischen System entfernt und auf das Werkstück selber niederschlägt.

Nachdem das anfängliche Muster in der Cadmiumschicht zur Erzeugung der anfänglichen Ionenimplantationsmaske erzeugt worden ist, wird nun die Ionenimplantation durchgeführt (Kästchen IV).. Wie bereits ausgeführt, wird dieser Schritt in derselben Valcuumkarnmer bewerkstelligt, in der auch die Muster erzeugung erfolgte. Es erfolgt hierbei die Einführung eines ersten Dotier stoff es, um die gewünschten Leitungstypzonen in dem Siliziumkörper zu erzeugen. Typischerweise ist der erste Dotierstoff Arsen, wenn es sich um die Herstellung eines npn-Transistoren dreht, während im Falle eine pup-Transistors Bor als erster Dotierstoff benutzt würde. Andere Donator- und Akzeptordotierstoffe können gleichermaßen benutzt werden.

Diesem Ionenimplantationsschritt folgt, wenn die Erzeugung einer weiteren Zone eines anderen Leitungstypus gewünscht ist, eine zweite selektive Beaufschlagung mit einem Elektronenstrahl (Kästchen V). Diese Behandlung mit einem programmgesteuerten Elektronenstrahl kann beispielsweise zur Vergrößerung der anfänglich erzeugten Öffnungen dienen, um z.B. die Basiszonenimplantation zu definieren, oder im Falle inte-

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grierter Schaltungen mit Dioden und anderen Schaltungselementen mit einem einzelnen Übergang dazu benutzt werden, eine Reihe neuer Öffnungen in der Metallschicht zu erzeugen.

Danach wird (Kästchen VI) ein zweiter Dotierstoff durch Ionenimplantation eingeführt. Diese Dotier stoff implantation tritt durch die anfänglich erzeugten Emitter hindurch sowie um dieselben herum auf oder liefert einen einzelnen pn-übergang im Falle neu gebildeter Öffnungen.

Sodann kann die Halbleiterscheibe aus. der Valmumkammer entfernt werden (Kästchen VII) und zur Entfernung der restlichen Metallschicht behandelt werden. Danach (Kästchen VIII) erfolgen geeignete Warmbehandlungen, um die Halbleiterscheibe zu tempern, Oberflächenschäden oder Verwerfungen zu beseitigen und/oder eine weitere Dotierstoff-Eindiffusion in die Halbleiterscheibe zu bewirken. Solche Warmbehandlungsmethoden sind bekannt. In gleicher Weise kann (Kästchen IX) die Scheibe nach üblichen Mctallisierungsmethoden weiterbearbeitet worden, um die erforderlichen \^T crbindungslciter und Kontnl< (elektroden zu erzeugen, wonach dann schließlich die Scheibe in einzelne Halbleiterplättchen zerteilt wird, welche die schließlich en Ilalbleitcrb an elemente umfassen.

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Obgleich die Erfindung anhand eines speziellen Verfahrensablauf es erläutert worden ist, leuchtet ein, daß die spezielle Schrittfolge der Erzeugung einer Ionenimplantationsmaske unter Verwendung eines Energiestrahls, gefolgt von der Dotierstoffionenimplantation selbst in einer gemeinsamen Umgebung, ein höchst brauchbares Werkzeug bei der Herstellung zahlreicher Halbleiterbauelemente darstellt. Die Verwendung von Cadmium Oder Wismut für die Metallschicht ist wegen der oben geschilderten Eigenschaften wünschenswert, die deren Einsatz als Maske erlauben. Selbstverständlich können auch andere Metalle verwendet werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

( 1. ι Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, bei dem die Oberfläche eines Halbleiterkörpers mit einer Maske versehen wird und Dotierstoffe in den unmaskierten Bereich der Oberfläche mittels Ionenstrahl implantiert werden, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Herstellung der Maske eine Dünnschicht aus verflüchtigbarem Material auf der Halbleiteroberfläche gebildet und die Dünnschicht mit einem Energiestrahl selektiv beaufschlagt wird, um Teile der Dünnschicht zur Bildung, des unmaskierten Bereichs zu verflüchtigen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verflüchtigbare Material Cadmium oder Wismut ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskenmustererzeugungs- und die Ionenimplantationsbehandlung in kontinuierlicher Vakuumumgebung ausgeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiestrahl ein selektiv gesteuerter Elektronenstrahl verwendet wird.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht ein weiteresmal mit einem Energiestrahl selektiv beaufschlagt wird, um einen weiteren Teil der Dünnschicht zur Bildung eines weiteren unmaskierten Bereichs auf der Halbleiteroberfläche zu verflüchtigen, und daß der weitere Bereich der Halbleiteroberfläche einer Ionenimplantation unterworfen wird, um weiteren Dotierstoff in den Halbleiterkörper einzuführen.
6. Verfahren nach Anspruch-6 in Verbindimg mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des weiteren unmaskierten Bereichs und die Einführung "des weiteren Dotierstoffs unter fortdauerndem Vakuum ausgeführt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des weiteren Bereichs der Halbleiteroberfläche wenigstens einen Teil des ersten Bereichs der Oberfläche umgibt.
8. Halbleiterbauelement, erhältlich durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

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