DE2534801C2 - Verfahren zum Herstellen von dotierten Gebieten in einem Halbleiterkörper durch Ionen-Implantation - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von dotierten Gebieten in einem Halbleiterkörper durch Ionen-Implantation

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von dotierten Gebieten mit bestimmten Leitungseigenschaften in einem Halbleiterkörper durch Ionen-Implantation mit Hilfe einer Photolackmaske, die durch entsprechende Wahl ihrer Schichtdicke das Eindringen der Ionen in den Halbleiterkörper an den maskierten Stellen verhindert und über den zu dotierenden Gebieten Öffnungen aufweist.
Derartige Verfahren zur Ionen-Implantation durch Photolackmasken sind an sich bekannt und beispielsweise in der US-Patentschrift 37 93 088 und in der DE-OS 23 12 061 beschrieben. Die bei bestimmten Ionenenergien und lonenarten notwendigen Schichtdicken sind beispielsweise aus dem Buch »Ion Implantation« von G. Dearnaley et. al., North-Holland Publ. Co., Amsterdam, 1973, S. 506, 507, 510, 511; und dem Artikal »Range and Straggle of Boron in Photoresist« aus Solid-State Electronics 1972,Bd. 15, Nr. 2, Seiten 239-243 bekannt. In dem Buch ist auch beschrieben, daß sowohl positiver als auch negativer Photolack als Material für Ionen-Implantationsmasken verwendet werden kann.
Bei der Verwendung von Photolackmasken als Sperren für die Ionen bei der Ionen-Implantation hat es sich herausgestellt, daß die Photolacke im allgemeinen dazu neigen, während des Ionen-Beschüsses bei der Implantation zu fließen, besonders bei hoher Dosierung in der Größenordnung von 1 χ ΙΟ16 Ionen/cm2 oder mehr und bei Hochenergie-Implantation in der Größenordnung von 150 keV oder mehr. Dieses Fließen der Photolacke begrenzt die Toleranzen der möglichen seitlichen Dimensionen der durch die Implantation herzustellenden horizontalen Muster. Bei integrierten .. .Halbleiterschaltungen, die nicht sehr dicht sind und deshalb größere horizontale Toleranzen ihrer Muster haben, wirkt sich dieses Fließen nicht so stark aus, daß die Verwendung der Photolack-Maskierung unbrauchbar wird. Mit der immer größer werdenden Dichte und der ständigen Verkleinerung der integrierten Schaltungen bedeutet jedoch selbst minimales Fließen des Photolackes einen höchst unerwünschten Faktor, der zu Beschädigungen führen kann.
Es wurde schon versucht, das Fließen des Photolackes während der Ionen-Implantation dadurch zu begrenzen, daß die Photolacke vor der Ionen-Implantation während 30 bis 60 Minuten bei einer Temperatur von 200 bis 2100C erhitzt wurden. Dieses scharfe Vor-Ausbacken hat allerdings den Nachteil, daß es praktisch unmöglich wird, den Photolack mit den üblichen Ablöseverfahren zu entfernen.
Darüber hinaus wurde festgestellt, daß bei der Ionen-Implantation selbst, besonders bei hoher Dosierung und hohen Energien, die Photolacke aushärten, was die Schwierigkeiten bei der Entfernung der Photolacke ebenfalls vergrößert
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dotierungsverfahren durch Ionen-Implantation mit Hilfe von Photomasken anzugeben, bei welchem die Photolacke während der Implantation nicht fließen und nach Beendigung der Implantation leicht mit den herkömmlichen Verfahren entfernt werden können.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Photolackmaske in einer Schichtdicke, welche etwa 100 nm dicker als notwendig ist, auf den Halbleiterkörper aufgebracht wird, und daß die zusätzliche Schichtdicke vor dem Ionen-Implantation in an sich aus dem Artikal »A Plasma Oxidation Process for Removing Photoresist Films« in Solid State Technology, Bd. 14, Juni 1971, S. 47-51 bekannterweise durch Oxydation in einem Sauerstoff enthaltenden und durch ein Hochfrequenzfeld erzeugten Gas-Piasma wieder abgetragen wird.
In vorteilhafter Weise beträgt die gewählte Schichtdicke der Photolackmaske mindestens 1 μπι und vorzugsweise 1,5 μηι bis 2,5 μπι. Das Halbleiterplättchen kann mit einem positiven oder mit einem negativen Photolack beschichtet werden. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ergibt sich dadurch, daß es auch dann funktioniert, wenn — wie in dem oben erwähnten Artikel aus Solid-State Electronics beschrieben ist — die Photolackmaske direkt auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird.
Die Erfindung wird anhand von durch die Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen
Fig. 1-6 im Querschnitt ein Substrat für eine integrierte Schaltung während der einzelnen Verfahrensschritte der Ionen-Implantation.
In Fig. 1 ist mit 10 ein η-leitendes Halbleitersubstrat bezeichnet, dessen Dotierung 1x10" Ionen/cm2 beträgt. Auf das Substrat wird in bekannter Weise durch thermische Oxydation eine Siliciumdioxid-Schicht 12 aufgebracht, die einige μιη dick ist (F i g. 2).
Als nächstes wird (F i g. 3) in an sich bekannter Weise eine Schicht 13 aus Photolack auf die Siliciumdioxid-Schicht 12 aufgebracht, beispielsweise durch ein Schleuderverfahren, wonach ein Ausbacken bei einer Temperatur in der Höhe von etwa 14O0C während 20 bis 30 Minuten erfolgt. Die Photolackschicht 13 kann beispielsweise aus einem positiven Photolack bestehen
mit einer lichtempfindlichen Zusammensetzung aus folgenden Bestandteilen: einem Diazoketon-Sensibilisator, dem 4'-2'-3'-Dihydroxybenzophenon-Ester von l-oxo-2-Diazonaphthalin-5-Sulfon-Säure und einem
CH;
HO
aufgelöst in einem Standardlösungsmittel wie Äthyl-Cellosol-Azetat Anstelle dieses speziellen Photolacks )5 kann jeder andere handelsübliche Photolack verwendet werden. Ein positiver Photolack ist ein Überzug, der normalerweise im Entwickler unlöslich ist, der aber in den belichteten Bereichen löslich gemacht wird. Diese Photolacke, die beispielsweise auch in den US-Patenten 3046 120 und 32 01239 beschrieben sind, enthalten Photolacke des Diazo-Typs, die bei der Belichtung in Azo-Verbindungen umgewandelt werden und dadurch im Entwickler löslich werdei?.
Bei der Verwendung eines solchen positiven Photolacks für die Ionen-Implantation als Maske ist bekanntlich eine bestimmte Dicke für die Photolackmaske erforderlich, um bei der hohen Energie und der hohen Dosierung der Ionen stabil zu sein. Die Dicke der Masken wird in erster Linie durch die Implantationsenergie und die Art der Ionen, der sie ausgesetzt werden, bestimmt In F i g. 3 beträgt diese Dicke, die mit dem Buchstaben 5 bezeichnet ist, ungefähr 1,5 μπι. Für die meisten Ionen-Implantationsmaskierungen hat es sich herausgestellt, daß die Masken mindestens 1 μΐη dick sein müssen und vorzugsweise eine Dicke von 1,5 bis 2,5 μΐη besitzen. In dem hier beschriebenen Verfahren hat die Photolackschicht 13 eine zusätzliche Schichtdicke, die mit R bezeichnet ist, die zusätzlich zu der als Maske gegen die Ionenimplantation erforderlichen Schichtdicke S aufgebracht ist Die Photolackschicht 13 hat öffnungen 14 für den Durchgang der Ionen.
Die zusätzliche Schichtdicke R der Photolackschicht 13, die bei der nachfolgenden Oxydation im Hochfrequenzplasma wieder entfernt wird, hat eine Dicke von mindestens 100 nm.
? In Fig.4 wird das maskierte Substrat einer Oxydation in einem durch Hochfrequenz erzeugten Gasplasma ausgesetzt während einer Zeit, die ausreicht, um die zusätzliche Schichtdicke R von der Oberfläche der Photolackschicht 13 zu entfernen. Dieser Oxydationsprozeß im Gasplasma wird in üblicher Weise ausgeführt, wie er beispielsweise in dem oben genannten Artikel in Solid State Technology beschrieben ist In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel bewirkt das Aussetzen des Substrats während 45 Sekunden in einem derartigen Hochfrequenz-Gasplasma-Oxydationsapparat bei einer Hochfrequenzenergie von 100 Watt und einer Sauerstoff-Flußgeschwindigkeit von 150 cmVmin, daß die Dicke der Schicht 13 um den Betrag R reduziert wird. Selbstverständlich können bei anderen Schichtdicken und anderem Photolack-Material andere Parameter des Oxydationsprozesses erforderlich sein.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß, wenn ein Teil der Photolackschicht in einer Dicke von mehr als 100 nm entfernt wird, die verbleibende Schicht S m-Kreso! Formaldehyd-Novolack-Harz mit einem Molekulargewicht von ungefähr 1000 und mit folgender Struktur
CH3 OH
während der darauffolgenden Ionen-Implantation nicht fließt Ferner ist der verbleibende Photolack nach der Ionen-Implantation durch die üblichen Verfahren sehr leicht ablösbar.
Wenn auch die strukturellen Änderungen in der Photolackschicht durch die Plasmaoxydation noch nicht mit Sicherheit ermittelt werden konnten, so deuten die Resultate doch darauf hin, daß in der Oberfläche der verbleibenden Photolackschicht S strukturelle Änderungen stattgefunden haben. Diese strukturellen Änderungen sind in Ihrer Wirkung offenbar ähnlich dem Einsatz-Härten im Oberflächenbereich des Teiles S, wie in F i g. 4 durch die strichpunktierten Linien angedeutet.
Als nächster Schritt (F i g. 5) wird die Ionen-Implantation ausgeführt, durch die eine p-Dotierung erzeugt wird, wobei z. B. Bor durch die Öffnungen 14 der Photolackmaske 13 unter Durchdringung der Siliciumdioxidschicht 12 im Bereich 15 des Substrats 10 implantiert wird. Die Ionen-Implantation wird mit der bekannten Implantationsausrüstung durchgeführt bei einer Spannung von 150 keV in einem Zyklus, der erforderlich ist, um eine Dosierung von 1,5 χ 1016 Ionen/cm2 Bor in den Bereich 15 einzubringen.
Nach Beendigung der Ionen-Implantation wird die Photolackschicht 13 durch die üblichen Lackentfernungsmittel abgelöst. Dabei können beispielsweise Lösungsmittel wie N-Methyl-Pyrollidon oder Azeton für die positive Diazo-Photolacke verwendet werden. Mit einem solchen Lösungsmittel wird die Schicht 13 vollständig entfernt, so daß die in F i g. 6 dargestellte Struktur mit dem implantierten Bereich 15 entsteht.
Die gleichen Ergebnisse werden erhalten, wenn anstelle des im vorhergehenden beschriebenen, positiven Diazo-Photolacks ein negativer Photolack verwendet wird. Ein solcher Lack ist beispielsweise KTFR der Firma Kodak, der aus einer zyklischen Gummiverbindung besteht, die lichtempfindliche Verbindungsbestandteile aufweist. Andere Photolackrp.aterialien, die ebenfalls verwendet werden, sind negative Photolackmaterialien aus synthetischen Harzen, wie Polyvinyl-Cinnamat oder Polymethyl-Metacrylat. Einige Photolacke dieser Art sind beschrieben in den US-Patenten 26 10 120,31 43 423 und 31 69 868.
Es versteht sich, daß das Verfahren auch anwendbar ist, wenn Ionen wie Arsen durch Ionen-Implantation in ein p-leitendes Substrat eingebracht werden. Beispielsweise kann Arsen bei einer Dosierung von 2,5xl0|s Ionen/cm: implantiert werden mit einer Spannung in der Größenordnung von 500 keV bei einer Photolack schicht, deren Dicke 5=2,5μΐη und deren zusätzliche Schichtdicke /?=0,2μηι beträgt, wobei der Anteil R dur*h die nachfolgende Plasmaoxydation wieder entfernt wird.
Durch das vollständige Eliminieren des Fließens des Photolacks wird es möglich, relativ dicke Photolackmas-
ken in der Größenordnung von 1,5 bis 2,5 μπι oder mit noch größerer Schichtdicke zu verwenden.
Es ist dabei zu berücksichtigen, daß das Ausmaß des seitlichen Fließens der bisher üblichen Photolackmasken bei der Ionen-Implantation von der Schichtdicke der Masken in der Weise abhängt, daß bei dickeren Schichten ein größeres seitliches Fließen stattfindet. Die Bewältigung dieses Problems durch das beschriebene Verfahren ermöglicht es, Photolackmasken mit großer Schichtdicke zu verwenden, die auch bei hoher Dosierung und hohen Implantätionsenergien als Schranke für die Ionen wirken. Dadurch wird es nicht mehr erforderlich, zusätzliche Hilfsmasken in Verbindung mit den Photoiackmäsken zu verwenden. So ist es z. B. möglich, wenn erforderlich, die Photolackmaske direkt auf dem Halbleitersubstrat anzubringen, ohne daß eine Siliciumdioxidschicht, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, dazwischen angeordnet werden müßte.
Hierzu I Blatt Zcichniiimcn

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von dotierten Gebieten mit bestimmten Leitungseigenschaften in einem Halbleiterkörper durch Ionenimplantation mit Hilfe einer Photolackmaske, die durch entsprechende Wahl ihrer Schichtdicke das Eindringen der Ionen in den Halbleiterkörper an den maskierteu Stellen verhindert und über den zu dotierenden Gebieten Öffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Photolackmaske in einer Schichtdicke, welche etwa 100 nm dicker als notwendig ist, auf den Halbleiterkörper aufgebracht wird, und daß die zusätzliche Schichtdicke (R) vor der Ionenimplantation durch Oxydation in einem Sauerstoff enthaltenden und durch ein Hochfrequenzfeld erzeugtes Gasplasma wieder abgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Schichtdicke (S) der Photolackmaske mindestens 1 μΐη und vorzugsweise 1,5 μπι bis 2,5 μπι beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit einem positiven Photolack beschichtet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit einem negativen Photolack beschichtet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Photolackmaske direkt auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird.
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