DE2531003B2 - Verfahren fuer die ionenimplantation in einem halbleitersubstrat durch eine ueber der zu dotierenden zone liegende schutzschicht hindurch - Google Patents
Verfahren fuer die ionenimplantation in einem halbleitersubstrat durch eine ueber der zu dotierenden zone liegende schutzschicht hindurchInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren für die Ionenimplantation in einem Halbleitersubstrat durch
eine über der zu dotierenden Zone liegende Schutzschicht hindurch, mittels eines auf die Schutzschicht
gerichteten Ionenstrahl mit einer für das Durchdringen der Schutzschicht und das Eindringen in die darunterliegende
Zone ausreichenden Energie, bei dem nach der Ionenimplantation die Schutzschicht teilweise abgetragen
und anschließend das Substrat zum weiteren Eindringen der implantierten Ionen zur Bildung einer
ionenimplantierten Zone erhitzt wird. Ein derartiges Verfahren ist aus der DL-PS 1 06 741 bekannt.
Eine Ionenimplantation wird heute im allgemeinen durch eine relativ dünne Passivierungsschicht, wie z. B.
aus Siliciumdioxid hindurch vorgenommen, deren Dicke in der Größenordnung zwischen 100 und 1000 Ä liegt,
statt die Ionen unmittelbar in em freiliegendes Halbleitersubstrat, beispielsweise aus Silicium, einzuführea
Diese Ionenimplantation durch eine relativ dünne Schicht wird in Verbindung mit üblichen lonenimplantationsmaskenverfahren
benutzt Die relativ dünne Passivierungsschicht kann beispielsweise mit einem
Maskenmaterial, wie z. B. einem Photolack, überzogen
werden der die gesamte Oberfläche abdeckt mit Ausnahme der durch den Photolack hindurchgehenden
Bohrungen die die dünne Schicht aus Isoliermaterial in den Bereichen freilegen, in denen die Ionenimplantation
durchgeführt werden soll. Die dabei gebildete, das Dotiermaterial speichernde Schicht kann dann nach
teilweisem Abtragen der Schutzschicht dazu benutzt werden während einer Wärmebehandlung diese Störatome
in das Substrat eindiffundieren zu lassen. Ferner kann man relativ dünne Schichten in Kombination mit
relativ dicken Schichten des gleichen Materials mit einer
Stärke in der Größenordnung von 1000 bis 10 000 A-Einheiten benutzen, wobei die Energie der Ionen nicht
für eine Durchdringung der dickeren Schichten ausreicht. In einer solchen Struktur werden die dickeren,
aus isolierendem Material bestehenden Schichten über denjenigen Bereichen des Substrat angebracht, in
denen Keine Ionenimplantation stattfinden soll.
Man hat in der Technik jedoch immer mehr den Weg eingeschlagen, eine Ionenimplantation durch relativ
dünne Schichten aus isolierendem Material durchzufüh ren und zwar aus mehreren Gründen. Zunächst bleibt
während des Einbringens des Dotierungsstoffs das gesamte Halbleitersubstrat abgedeckt, so daß kein Teil
des Substrats zu irgendeinem Zeitpunkt den verunreinigenden Einflüssen der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt
ist Weiterhin kann man bei vielen Verfahrensschritten zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen
unter Verwendung von Ionenimplantation durch passivierende oder Isolierende Schichten hindurch weitere
Verfahrensschritte zum Maskieren und zum Ätzen, und zum Entfernen von Teilen der Passivierungsschichten
vermeiden, wenn man beispielsweise bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren eine Ionenimplantation
durch die Passivierungsschicht der Gate-Elektrode hindurch vornimmt, um damit die Leitfähigkeit des
unter der Gate-Elektrode liegenden Kanals genau zu bestimmen.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß dann, wenn eine
hohe Oberflächenkonzentration oder ein hohes Co des Störelements in der Oberfläche des Halbleitersubstrats
erwünscht ist, die Ionenimplantation durch eine Isolierschicht es erleichtert, in dem Substrat ein
Dotierungsprofil herzustellen, das an der Substratoberfläche ein Maximum aufweist.
Zusätzlich zu diesem, im Stand der Technik erkannten Vorteilen hat die Anmelderin festgestellt, daß die aus
Passivierungsmaterial bestehende Schicht auch noch die Eigenschaft hat, im Ionenstrahl gegebenenfalls vorhandene
Ionen eines verunreinigenden Materials innerhalb der Schicht einzufangen. Diese verunreinigenden Ionen
ergeben sich größtenteils aus Kollisionen zwischen den der Dotierung dienenden Ionen des Ionenstrahl und
der Ionenimplantationsvorrichtung, d.h. den Seitenwänden oder Blenden, die den Strahl formen und bilden.
Ferner hat die Anmelderin gefunden, daß während der Wärmebehandlung für ein weiteres Vertiefen der
dotierten Zone, welches normalerweise bei Temperaturen in der Größenordnung von 1000 bis 1200°C
durchgeführt wird, die verunreinigten Ionen, die in der
Passivierungsschicht eingefangen worden sind, dazu neigen, aus der Passivierungsschicht heraus in das
Substrat einzudiffundieren und somit die in dem Substrat durch Ionenimplantation erfolgte Zone zu
verunreinigen.
Die normalerweise von der Passivierungsschicht eingefangenen Verunreinigungen sind Ionen der in der
lonenimplantationsvorrichtung benutzten Materialien.
Unter diesen Verunreinigungen befinden sich Atome oder Molekfls folgender Materialien wie Eisen, Nickel,
Chrom, Mangan oder Aluminium und auch öl aus den Vakuumpumpen. In manchen Fällen stammen die
Verunreinigungen auch aus den für Masken verwendeten Materialien. Beispielsweise neigen einige Photolackmasken
dazu. Kohlenstoff als Verunreinigung abzugeben.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit welchem
sich mittels Ionen implantierte Zonen herstellen lassen,
die praktisch frei von Verunreinigungen sind, die auf die lonenimplantationsvorrichtung oder auf Verfahrenshilfsmittel zurückzuführen sind. Bei diesem Verfahren
soll die Ionenimplantation zur Herstellung von mit Ionen implantierten Zonen in einem Halbleitersubstrat
durch eine Schutzschicht aus einem elektrisch isolierenden Material hindurch erfolgen.
Ferner sollen verunreinigende Materialien aus der lonenimplantationsvorrichtung und den Verfahrenshilfsstoffen
daran gehindert werden, während des Aufheizschrittes in die mit Ionen implantierte Zone des
Substrats einzudringen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schutzschicht hinreichend dick ist, um bei der
Ionenimplantation eindringende Verunreinigungen in ihrem oberen Teil abzufangen und daß vor dem
Erhitzen mindestens die die Verunreinigungen enthaltende obere Hälfte der Schutzschicht abgetragen wird.
Vorzugsweise geht man dabei, wie aus der DL-PS 1 06 741 in anderem Zusammenhang bereits bekannt ist,
so vor, daß als Schutzschicht eine isolierende Schicht verwendet wird, die dann bis auf eine Dicke von
höchstens 100 A abgeätzt wird.
Bei dem neuen Verfahren für die Ionenimplantation in einem Halbleitersubstrat wird eine Verunreinigung
durch Ionen und andere verunreinigende Stoffe, die aus der Ionenimplantationsvorrichtung und den Verfahrenshilfsstoffen
stammen, verhindert. Zunächst wird eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material auf
dem Substrat über dem mit Ionen zu implantierenden Bereich hergestellt Anschließend wird ein Ionenstrahl
mit so hoher Energie auf diese Schicht gerichtet, daß der Ionenstrahl diese Schicht durchdringt und in das
Substrat eindringt Dies ist an sich bereits bekannt. Neu dagegen ist, daß die Schicht dabei die Eigenschaft hat,
daß sie alle in dem Strahl außerdem noch enthaltenden Materialien, die sich aus Kollisionen zwischen dem
Teilchen des Strahls und der lonenimplantationsvorrichtung ergeben, ahfängt. Bei diesem Verfahrensstand,
b.evor eine Hochtemperaturbehandlung zum Eindiffundieren der in die Zone implantierten Ionen durchgeführt
wird, wird mindestens die obere Hälfte der elektrisch isolierenden Schicht entfernt. Damit wird auch der
weitaus überwiegende Teil unerwünschter, in diesem Teil der Schicht eingefangener Störstoffe mit entfernt.
Die Anmelderin hat nämlich festgestellt, daß bei einer Ionenimplantation durch eine dünne isolierende Schicht
die meisten verunreinigenden Ionen in dem oberen Teil der Isolierschicht eingefangen werden. Dies ist insbesondere
dann der Fall, wenn man relativ flache Implantate eines Störelements bis 2.u einer anfänglichen
Tiefe in der Größenordnung von 0,15 Mikron durch eine
relativ dünne Isolierschicht hindurch, beispielsweise duich eine Siliciumdioxidschicht von etwa 250 A Dicke
hindurch, herstellt Wird nunmehr die obere Hälfte der Isolierschicht durch ein Ätzmittel abgeätzt dann wird
damit auch der größte Teil aller möglichen Verunreinigungen entfernt und diese können daher während einer
nachfolgenden Hochtemperaturbehandlung zum Eindiffundieren der implantierten Ionen nicht in das Substrat
eindiffundiert werden.
Anschließend wird die Hochtemperaturbehandlung zum Eindiffundieren der Ionen bei Temperaturen von
etwa 1000 bis 12000C durchgeführt. Durch das Entfernen der oberen Hälfte der Schicht wird das
Eindringen unerwünschter, in der Schicht eingefangener Störstoffe sehr gering, d. h. praktisch beseitigt.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind im einzelnen
dem Anspruch 1 zu entnehmen. Die vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung gehen im einzelnen aus
den Unteransprüchen hervor. Dabei sind die Merkmale des Anspruchs 6 aus der DT-OS 20 46 883 und die
Merkmale der Ansprüche 7 und 8 aus der DT-OS 22 24 467, jedoch nicht im gleichen Zusammenhang,
bekannt In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 bis 7 schematisch, teilweise im Schnitt, Teile
einer integrierten Schaltung in den verschiedensten Verfahrensstufen zur Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
Zusammen mit den F i g. 1 bis 7 wird nunmehr eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben,
bei welcher eine tiefliegende, N+ -leitende Zone, wie z. B. eine N + -leitende Subkollektorz.one, in einem
P-Substrat gebildet wird, wonach eine epitaxiale Schicht über dem Substrat aufgebracht wird. Nach Fig. 1 geht
man von einem Siliciumhalbleitersubstrat 10 aus P-leitendem Material, beispielsweise einem Siliciumsubstrat
mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10 Ohm/cm aus, wobei das Substrat zunächst durch eine
relativ dicke Schicht aus Isoliermaterial mit einer Dicke in der Größenordnung von 5000 A überzogen wird. Im
vorliegenden Fall besteht diese Schicht 11 aus durch thermische Oxidation gewonnenem Siliciumdioxid.
Selbstverständlich können auch andere elektrisch isolierende Materialien, wie z. B. Siliciumnitrid, Aluminiumoxid
oder Siliciumoxinitrid verwendet werden, die beispielsweise durch Niederschlag aus der Dampfphase
oder durch Kathodenzerstäubung aufgebracht werden können. Außerdem läßt sich auch Siliciumdioxid auf
diese Weise aufbringen. Nach Bildung der Schicht 11 wird in dieser durch photolithographische Masken- und
Ätzverfahren, wie sie bei der Herstellung integrierter Schaltungen allgemein benutzt werden, eine öffnung 12
hergestellt, worauf eine relativ dünne Schutzschicht 13, die vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, die
gleiche Zusammensetzung hat wie die Schicht 11, in der öffnung 12 durch an sich bekannte Verfahren
hergestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schutzschicht 13 eine dünne Schicht aus Siliciumdioxid
mit einer Dicke von etwa 250 A und wird durch thermische Oxydation hergestellt. Anschließend wird
eine N+-leitende Zone 14 durch Einbringen von Arsenionen 75As+ durch die dünne Schutzschicht 13
hergestellt. Dieses Einbringen von Ionen wird mit einer
an sich bekannten lonenimplantationsvorrichtung gemäß
einem bekannten Verfahren durchgeführt, deren Beschreibung beispielsweise der Deutschen Patentanmeldung
P 22 62 024.2 entnommen werden kann. Die Energie des auf das Substrat gerichteten Ionenstrahls ist
so groß, daß die Schutzschicht 13 bis zu einer Tiefe von 0,15 Mikron durchdrungen wird, wobei jedoch die
Energie des Strahls nicht ausreicht, die dickere Schicht 11 zu durchdringen. Die Dosierung wird man natürlich
entsprechend des gewünschten Flächenwiderstandes der Zone 14 wählen. Will man beispielsweise Flächenwiderstände
in der Größenordnung von 5 Ohm bis 20 Ohm je Flächeneinheit erreichen, dann würde man
die Dosierung etwa zwischen 2x10" Ionen/cm2 bis
5 χ 1015 Ionen/cm2 wählen.
Bei diesem Verfahrensstand wird der kritische erfindungsgemäße Verfahrensschritt durchgeführt. Wie
bereits angedeutet, hat die Anmelderin festgestellt, daß die dünne Schutzschicht 13 und insbesondere der
obenliegende Teil dieser Schicht, verunreinigende Stoffe eingefangen hat, insbesondere metallische Verunreinigungen,
die aus der lonenimplantationsvorrichtung stammen. Diese Verunreinigungen sollten aber entfernt
werden, bevor der Implantierte Bereich durch eine Hochtemperaturbehandlung bis auf die gewünschte
Diffusionstiefe eindiffundiert wird. Selbstverständlich sind diese Verunreinigungen auch in den obenliegenden
Teilen der dickeren Schicht 11 eingefangen worden, die
ebenfalls vom Ionenstrahl 15 getroffen worden sind. Wegen der größeren Dicke der Schicht 11 besteht
jedoch keine Gefahr, daß diese Verunreinigungen während der nachfolgenden Diffusion die Schicht Ii
durchdringen und in das Substrat eindringen. Zum Entfernen der eingefangenen Verunreinigungen kann
die Schutzschicht 13 auch durch Ätzen völlig entfernt werden, wie dies die F i g. 2 zeigt. Ein zum Entfernen der
Schutzschicht 13 aus Siliciumdioxid geeignetes bekanntes Ätzmittel ist eine gepufferte Flußsäurelösung, die
aus einer 10%igen wäßrigen Lösung von Flußsäure besteht. Nach einer Behandlungsdauer von 10 see mit
dieser Lösung ist die aus Siliciumdioxid bestehende Schutzschicht 13 vollständig entfernt. Zum gleichen
Zeitpunkt ist aber auch ein kleiner Teil der oberen Oberfläche der dickeren Siliciumdioxidschicht 11
entfernt worden. Das hat jedoch auf die Schicht ti keinen Einfluß. Nach Entfernen der Schutzschicht 13
wird die Struktur mit ionisiertem Wasser gespült.
In der hier gezeigten Ausführungsform wird zwar die Schutzschicht 13 vollständig entfernt, jedoch hat die
Anmelderin festgestellt, daß es für eine praktisch vollständige Entfernung aller Verunreinigungen in der
Tat nicht notwendig ist, die Schutzschicht 13 vollständig zu entfernen. Während der Ionenimplantation werden
offensichtlich praktisch alle verunreinigenden, aus der
Apparatur stammenden metallischen Ionen in der oberen Hälfte der Schutzschicht 13 und insbesondere in
den obersten 100 bis 200 Ä der Schicht eingefangea Wenn man also mit den üblicherweise bisher verwendeten Materialstarken der Isolierschichten bei den
üblichen Ionenimplantationsverfahren arbeitet lassen sich durch das Entfernen der oberen Hälfte der Schicht
praktisch alle der so störenden, verunreinigenden Stoffe entfernen. Wenn man also eine Schicht wie die
Schutzschicht 13, mit einer Dicke von etwa 250 A verwendet dann läßt sich das erfindungsgemäße
Verfahren in der Weise durchführen, daß man die oberen 150 A der Schicht abträgt und über der
implantierten Zone 14 lediglich eine dünne Schicht mit einer Stärke von etwa 100 A übrigläßt. Für viele Zwecke
ist es wichtig, daß während des Eindiffundierens der implantierten Zone in der öffnung 12 über der Zone 14
eine dünne Schicht aus Siliciumdioxid verbleibt. Diese dünne Schicht dient als Schutzschicht und verhindert
während des Eindiffundierens ein Austreten der implantierten Ionen von der Oberfläche der Zone 14
nach der Umgebungsatmosphäre.
Wenn jedoch die Schutzschicht 13, wie in Fig.2
ίο gezeigt ist, vollständig entfernt wird, dann wird
vorzugsweise eine Schicht 16 aus elektrisch isolierendem Material, wie z. B. Siliciumdioxid, erneut aufgewachsen
oder niedergeschlagen bevor die Hochtemperalurbehandlung beginnt. Eine derartige Anordnung mit
einer dünnen Schicht aus Siliciumdioxid 16. das durch thermische Oxydation aufgewachsen ist. im in F i g. 3
gezeigt.
Anschließend wird ein Hochtemperauirschriu bei
einer Temperatur von etwa 1100cC in einer inerten Atmosphäre, wie z. B. aus Argon, durchgeführt und
liefert die in F i g. 4 gezeigte Anordnung, in der der
PN-Übergang 17, der die Grenzen der Zone 14 angibt.
bis zu einer Tiefe von etwa 2 Mikron eingedrungen ist.
In der dargestellten Ausführungsform, bei der die Zone 14 einen Subkollektor bilden soll, auf dem
anschließend eine Schicht aus monokristallincm Silicium epitaxial niedergeschlagen werden soll, ist es wichtig.
daß alle auf der Oberfläche der Zone 14 wahrend der ersten Ionenimplantation erzeugten Beschädigungen
beseitigt werden. Sonst können sich Oberflächenschaden
als Konzentrationspunkte für Defekte auswirken. die in der nachfolgend epitaxial niedergeschlagenen
Schicht zu Fehlern führen. Diese Beschädigungen können in einfachster Weise dadurch beseitigt werden
daß man die Oberfläche der Zone 14 reoxidiert, so daß eine Schicht aus Siliciumdioxid 18 mit einer Dicke von
etwa 5000 Ä gebildet wird, wie dies F i g. 5 zeigt. Dies
läßt sich durch thermische Oxidationsverfahren bei Temperaturen in der Größenordnung von 1000cC
durchführen.
Die Verfahrensschritte der Fig.4 und 5 zum Eindiffundieren der Diffusionszone und der Reoxidation
können miteinander verbunden werden. In diesem Fall wird die Struktur in einer oxydierenden Atmosphäre aul
eine Temperatur von etwa 1075°C aufgeheizt, wodurch
einerseits die Diffusion erfolgt und außerdem die Schicht 18 gebildet wird.
Gemäß Fig.6 werden nunmehr die Siliciumdioxid·
schichten 11 und 18 von dem Substrat beispielsweise
durch ein Flußsäureätzmittel, entfernt. Es bleibt danr
eine Struktur übrig, die in der Oberfläche dei
aufweist, die der reoxydierten Zone 18 entspricht.
Anschließend wird eine N-Ieitende epitaxiale Schichi
20 mit einer maximalen Störelementkonzentration vor 1018 Atomen/cm3 durch übliche expitaxiale Verfahrer
mit einer Temperatur in der Größenordnung von 9500C bis 11500C über eine Dauer von etwa 20 mir
aufgebracht. Aus der Zone 14 wird eine teilweist
6c Ausdiffusion in die expitaxiale Schicht stattfinden. Di« epitaxiale Schicht 20 hat dabei eine Dicke in dei
Größenordnung von 2 Mikron. Die epitaxiale Schich kann beispielsweise mit einer Vorrichtung und gemä£
einem Verfahren hergestellt werden, wie sie in dei US-Patentschrift 34 24 629 beschrieben sind. Die Vertie
fung 19 verbleibt in der fertigen Struktur und ist durd
die transparente epitaxiale Schicht hindurch sichtbar Derartige Vertiefungen sind an sich bekannt und dienei
zum Anzeigen einer Ausrichtung in bezug auf einen tiefliegenden Subkollektor 14 während nachfolgender
Maskierungsschritte bei der Herstellung der verschiedenen Zonen, die anschließend in der epitaxialen Schicht
20 hergestellt werden können.
Selbstverständlich läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch dann anwenden, wenn die lonenimplan-
(ation durch eine dünne Schutzschicht aus einem halbleilenden oder leitenden Material, statt aus einem
elektrisch isolierenden Material hindurch durchgeführi wird. In einem solchen I all werden durch Entfernen vor
mindestens der oberen Hälfte einer solchen Halbleiteroder Leiterschicht praktisch alle verunreinigender
Störclemenie entfernt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren für die Ionenimplantation in einem Halbleitersubstrat durch eine über der zu dotierenden
Zone liegende Schutzschicht hindurch, mittels eines auf die Schutzschicht gerichteten Ionenstrahls
mit einer für das Durchdringen der Schutzschicht und das Eindringen in die darunterliegende Zone
ausreichenden Energie, bei dem nach der Ionenimplantation die Schutzschicht teilweise abgetragen
und anschließend das Substrat zum weiteren Eindringen der Implantierten Ionen zur Bildung
einer ionenimplantierten Zone erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht
(13) hinreichend dick ist, um bei der Ionenimplantation eindringende Verunreinigungen
in ihrem oberen Teil abzufangen und daß vor dem Erhitzen mindestens die die Verunreinigungen
enthaltende obere Hälfte der Schutzschicht abgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzschicht (13) eine isolierende
Schicht verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (13) bis auf eine
Dicke von höchstens 100 Ä abgeätzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (13) nach der
Ionenimplantation vollständig entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (10) Silicium und als
Schutzschicht (13) Siliciumdioxid verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenkonzentration in der Zone (4)
nach der Diffusion mindestens 1 χ 1018 Atome/cm3
beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein-Diffusion in einer oxydierenden
Atmosphäre durchgeführt wird, so daß die vorher entfernte aus Siliciumdioxid bestehende
Schutzschicht (13) erneut durch thermische Oxidation gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die durch thermische
Oxidation gebildete Siliciumdioxidschicht (18) entfernt und auf dem freiliegenden Teil des Substrats
(10) eine Siliciumschicht (20) epitaxial niedergeschlagen wird.
50
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