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DE2531003A1 - Verfahren zur ionenimplantation durch eine elektrisch isolierende schicht - Google Patents

Verfahren zur ionenimplantation durch eine elektrisch isolierende schicht

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DE2531003A1
DE2531003A1 DE19752531003 DE2531003A DE2531003A1 DE 2531003 A1 DE2531003 A1 DE 2531003A1 DE 19752531003 DE19752531003 DE 19752531003 DE 2531003 A DE2531003 A DE 2531003A DE 2531003 A1 DE2531003 A1 DE 2531003A1
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zone
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Description

Verfahren zur Ionenimplantation durch eine elektrisch isolierende Schicht
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Ionenimplantation in ein Halbleitersubstrat durch eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material hindurch.
Eine Ionenimplantation wird heute im allgemeinen durch eine raltiv dünne Passivierungsschicht, wie z.B. aus Siliciumdioxid hindurch vorgenommen, deren Dicke in der Größenordnung zwischen 100 und 1000 A, statt die Ionen unmittelbar in ein freiliegendes Halbleitersubstrat, beispielsweise aus Silicium, einzuführen. 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. Ferner kann man relativ dünne Schichten in Kombination
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mit relativ dicken Schichten des gleichen Materials mit einer Stärke in der Größenordnung von 1000 bis 10 000 8-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 Substrats 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 durchzuführen, und zwar aus mehreren Gründen, Zunächst bleibt während des Einbringens des Dotierungsstoffs das gesamte Halbleitersubstrat abgedeckt, so daß kein Teil des Substrats zu irgendeinem Zeit 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 C„ des Störelements in der Oberfläche des HaIbleiterSubstrats 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 Voreilen hat die Anmelderin festgestellt, daß die aus P as s ivierungs material bestehende Schicht auch noch die Eigenschaft hat, im
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Ionenstrahl gegebenenfalls vorhande Ionen eines verunreinigenden Materials innerhalb der Schicht einzufangen. Diese verunreinigenden Ionen ergeben sich größtenteils aus Kollisionen zwischen den der Dotierung dienenden Ionen des Ionenstrahls 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 0C 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 Ionenimplantationsvorrichtung benutzten Materialien, Unter diesen Verunreinigungen befinden sich Atome oder Moleküle folgender Materialien wie Eisen, Nickel, Chrom, Mangan oder Aluminium und auch öl aus den Vakuumpumpen. In manchen Fällen stammmen 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 für Ionenimplantation zu schaffen, mit welchem sich mittels Ionen implantierte Zonen herstellen lassen, die praktisch frei von Verunreinigungen sind, die auf die Ionenimplantationsvorrichtung oder auf Verfahrenshilfsmittel zurückzuführen sind. Dabei soll die Ionenimplantation zur Herstellung von mit Ionen implantierten Zonen in einem Halbleitersubstrat durch eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material hindurch erfolgen, wobei diese Zonen praktisch von Verunreinigungen frei sind, die auf die bei dem Ionenimplantationsverfahren verwendeten Vorrrichtungen und Hilfsstoffe zurückzuführen sind. Dabei geht die vorliegende
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Erfindung bei einer Ionenimplantation durch eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material hindurch davon aus, daß ver-
: unreinigende Materialien aus der Ionenimplantationsvorrichtung |
und den Verfahrenshilfsstoffen daran gehindert werden, während i
des Aufheizschrittes in die mit Ionen implantierte Zone des j
! Substrats einzudringen, I
Bei dem neuen Verfahren für die Ionenimplantation in einem Halbleitersubstrat wird eine Verunreinigung durch Ionen und andere verunreinigende Stoffe, die aus der Ionenimplanationsvorrichtung und den Verfahrenshilfsstoffen stammen, dadurch verhindert, daß zunächst eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material auf dem Substrat über dem mit Ionen zu implantierenden Bereich hergestellt wird» Anschließend wird ein Ionenstrahl mit so hoher Energie auf diese Schicht gerichtet, daß der Ionenstrahl diese Schicht durchdringt und in das Substrat eindringt« Die Schicht hat dabei die Eigenschaft, daß sie alle in dem Strahl außerdem noch enthaltenden Materialien, die sich aus Kollisionen zwischen den Teilchen des Strahls und der Ionenimplantationsvorrichtung ergeben haben, abfängt« Bei diesem Verfahrensstand bevor eine Hochtemperaturbehandlung zum Eindiffundieren der in die Zone einduffundierten Ionen durchgeführt wird, wird mindestens die obere Hälfte der elektrisch isolierenden Schicht entfernt. Anschließend wird die Hochtemperaturbehandlung zum Eindiffundieren der Ionen bei Temperaturen von etwa 1000 bis 1200 0C durchgeführt. Durch das Entfernen der oberen Hälfte der Schicht wird das Eindringen unerwünschter, in der Schicht eingefangener Störstoffe sehr gering, d.h. praktisch beseitigt.
Das Entfernen des oberen Teils der Schicht kann beispielsweise mit einem Ätzmittel durchgeführt werden. Ist z.B. das Isoliermaterial Siliciumdioxid, dann kann man in üblicher Weise Flußsäure-Ätzmittel benutzen.
Die Anmelderin hat festgestellt, daß bei einer Ionenimplantation
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durch eine dünne isolierende Schicht die meisten verunreinigenden Ionen in dem oberen Teil der Isolierschicht eingefangen werden. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn man relativ flache Implantate eines Störelements bis zu einer anfänglichen Tiefe in der Größenordnung von 0,15 Mikron durch eine relativ dünne Isolierschicht hindurch, beispielsweise durch eine Siliciumdioxidschicht von etwa 250 Ä Dicke hindurch, herstellt. Wird nunmehr die obere Hälfte der Isolierschicht durch ein Ätzmittel abgeätzt, dann wird damit auch der größte Teil aller möglicher Verunreinigungen entfernt und diese können daher während einer nachfolgenden Hochtemperaturbehandlung zum Eindiffundieren der implantierten Ionen nicht in das Substrat eindiffundiert werden
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.
In den Zeichnungen zeigen:
Fign. 1 bis 7 schematisch, teilweise im Schnitt, Teile einer
integrierten Schaltung in den Verschiedesten Verfahrensstufen zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Zusammen mit den Fign, 1 bis 7 wird nunmehr eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei welcher eine tiefliegende, N+-leitende Zone, wie z.B. eine N+-leitende Subkollektorzone, 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
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aus, wobei das Substrat zunächst durch eine relativ dicke Schicht aus Isoliermaterial mit einer Dicke in der Größenordnung von 5000 S überzogen wird. Im vorliegenden Fall besteht diese Schicht 11 aus durch thermische Oxidation gewonnenem Silciumdioxid. 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 photolxthographisehe Masken- und Ätzverfahren, wie sie bei der Herstellung integrierter Schaltungen allgemein benutzt werden, eine öffnung 12 hergestellt, worauf eine relativ dünne Schicht 13, die vorzugsweise f jedoch nicht notwendigerweisef die gleiche Zusammensetzung hat wie die Schicht 11, in der öffnung 12 durch an sich bekannte Verfahren hergestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schicht 13 eine dünne Schicht aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von etwa 250 S und wird durch thermische Oxidation hergestellt. Anschließend wird eine N+-leitende Zone 14 durch Einbringen
75 +
von Arsenionen As durch die dünne Schicht 13 hergestellt. Dieses Einbringen von Ionen wird mit einer an sich bekannten Ionenimplantationsvorrichtung gemäß einem bekannten Verfahren durchgeführt, deren Beschreibung beispielsweise der Deutschen Patentanmeldung P 22 62 +24.2 entnommen werden kann. Die Energie des auf das Substrat gerichteten Ionenstrahls ist so groß, daß die Schicht 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 0hm je Flächeneinheit erreichen, dann würde man die Dosierung etwa zwi-
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sehen 2 χ 10 Ionen/cm bis 5 χ 10 Ionen/cm wählen.
Bei diesem Verfahrensstand wird der kritische erfindungsgemäße
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Verfahrensschritt durchgeführt. Wie bereits angedeutet, hat die Anmelderin festgestellt, daß die dünne Oxidschicht 13 und insbesondere der obenliegende Teil dieser Schicht, verunreinigende Stoffe eingefangen hat, insbesondere metallische Verunreinigungen, die aus der Ionenimplantationsvorrichtung 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 11 durchdringen und in das Substrat eindringen. Zum Entfernen der eingefangenen Verunreinigungen kann die Schicht 13 auch durch Ätzen völlig entfernt werden, wie dies die Fig. 2 zeigt. Ein zum Entfernen der Schicht 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 sec mit dieser Lösung ist die Siliciumdioxidschicht 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 11 keinen Einfluß, Nach Entfernen der Schicht 13 wird die Struktur mit ionisiertem Wasser gespült.
In der hier gezeigten Ausführungsform wird zwar die Schicht vollständig entfernt, jedoch hat die Anmelderin festgestellt, daß es für eine praktisch vollständige Entfernung aller Verunreinigungen in der Tat nicht notwendig ist, die Schicht 13 vollständig zu entfernen. Während der Ionenimplantation werden offensichtlich praktisch alle verunreinigenden, aus der Apparatur stammenden metallischen Ionen in der oberen Hälfte der Schicht 13 und insbesondere in den obersten 100 bis 200 S der Schicht eingefangen. Wenn man also mit den üblicherweise
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bisher verwendeten Materialstärken 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 Schicht 13, mit einer Dicke von etwa 250 A verwendet, dann läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise durchführen, daß man die oberen 150 S der Schicht abträgt und über der implantierten Zone 14 lediglich eine dünne Schicht mit einer Stärke von etwa 100 8 übrigläßt. Für viele Zwecke ist es wichtig, daß während des Eintreibverfahrens, d.h. 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 Schicht 13, wie in Fig. 2 gezeigt ist, vollständig entfernt wird, dann wird vorzugsweise eine Schutzschicht 16 aus elektrisch isolierendem Material, wie z.B. Siliciumdioxid erneut aufgewachsen oder niedergeschlagen, bevor die Hochtemperaturbehandlung beginnt. Eine derartige Anordnung mit einer dünnen Schicht aus Siliciumdioxid 16, das durch thermische Oxidation aufgewachsen ist, ist in Fig. 3 gezeigt.
Anschließend wird ein Hochtemperaturschritt bei einer Temperatur von etwa 1100° in einer inerten Atmosphäre, wie z.B. aus Argon, durchgeführt und liefert die in Fig. 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 monokristallinem Silicium epitaxial niedergeschlagen werden soll, ist es wichtig, daß alle auf der Oberfläche der Zone
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14 während der ersten Ionenimplantation erzeugten Beschädigungen beseitigt werden. Sonst können sich Oberflächenschäden 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 8 gebildet wird, wie dies Fig. 5 zeigt. Dies läßt sich durch thermische Oxidationsverfahren bei Temperaturen in der Größenordnung von 1000 0C durchführen.
Die Verfahrensschritte der Fign, 4 und 5 zum Eintreiben der Diffusionszone und der Reoxidation können miteinander verbunden werden. In diesem Fall wird die Struktur in einer oxidirenden Atmosphäre auf eine Temperatur von etwa 1075 C aufgeheizt, wodurch einerseits die Diffusion erfolgt und außerdem die Schicht 18 gebildet wird.
Gemäß Fig. 6 v/erden nunmehr die Siliciumdioxidschichten 11 und 18 von dem Substrat, beispielsweise durch ein Flußsäureätzmittel, entfernt. Es bleibt dann eine Struktur übrig, die in der Oberfläche der N+-leitenden Subkollektorzone 14 eine Vertiefung 19 aufweist, die der reoxidierten Zone 18 entspricht.
Anschließend wird eine N-leitende Schicht 20 mit einer maximalen Störelementkonzentration von 10 Atomen/cm durch übliche expitaxiale Verfahren mit einer Temperatur in der Größenordnung von 950 0C bis 1150 0C über eine Dauer von etwa 20 min aufgebracht. Aus der Zone 14 wird eine teilweise Ausdiffusion in die expitaxiale Schicht stattfinden. Die epitaxiale Schicht hat dabei eine Dicke in der Größenordnung von 2 Mikron. Die epitaxiale Schicht kann beispielsweise mit einer Vorrichtung und gemäß einem Verfahren hergestellt werden, wie sie in der US-Patentschrift 3 424 629 beschrieben sind. Die Vertiefung verbleibt in der fertigen Struktur und ist durch die transparente epitaxiale Schicht hindurch sichtbar. Derartige Ver-
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tiefungen sind an sich bekannt und dienen zum Anzeigen einer Ausrichtung in bezug auf einen tiefliegenden Subkollektor 14 während nachfolgender Maskierungsschritte bei der Herstellung der verschiedenen Zonen, die anschließend in der epitaxial aufgebrachten Schicht 20 hergestellt werden können.
Selbstverständlich läßt sich das erfindungsgemäße Prinzip auch dann anwenden, wenn die Ionenimplantation durch eine dünne Schicht eines halbleitenden oder leitenden Materials, statt eines elektrisch isolierenden Materials hindurch durchgeführt wird. In einem solchen Fall werden durch Entfernen von mindestens der oberen Hälfte einer solchen Halbleiter- oder Leiterschicht praktisch alle verunreinigenden Storelemente entfernt.
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Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren für die Ionenimplantation in einem Halbleitersubstrat durch eine über der zu dotierenden Zone liegenden Schutzschicht hindurch, mittels eines auf die Schutzschicht gerichteten Ionenstrahls mit einer für das Durchdringen der Schutzschicht und das Eindringen in die darunterliegene Zone ausreichenden Energie, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Ionenimplantation die Schutzschicht mindestens bis auf die Hälfte ihrer Dicke abgetragen wird und daß anschließend das Substrat zum weiteren Eindiffundieren der implantierten Ionen zur Bildung der ionenimpla.ntierten zone erhitzt wird,
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzschicht eine isolierende Schicht verwendet wird,
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht bis auf eine Dicke von höchstens 100 8 abgeätzt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht nach der Ionenimplantation vollständig entfernt wird,
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat Silicium und als Schutzschicht Siliciumdioxid verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenkonzentration in der Zone nach der Diffusion mindesten 1 χ 10 Atome/cm beträgt.
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    2 R 31 η η 3
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß üie Ein-Diffusion in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird, so daß die vorher entfernte aus Siliciumdioxid bestehende Schutzschicht erneut durch thermische Oxidation gebildet wird.
    B. Verfahren nach Anspurch 7, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die durch thermische Oxidation gebildete Siliciuradioxidschicht entfernt und auf öqtc freiliecjenaen Teil des Substrats ein Siliciumschicht epitaxial niedergeschlagen wird.
    π 973 107 50 9 8 86/0G3S
DE19752531003 1974-07-15 1975-07-11 Verfahren fuer die ionenimplantation in einem halbleitersubstrat durch eine ueber der zu dotierenden zone liegende schutzschicht hindurch Ceased DE2531003B2 (de)

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