DE3787662T2

DE3787662T2 - Herstellung von Halbleiterbauelementen unter Verwendung gemusterter Metallschichten.

Info

Publication number: DE3787662T2
Application number: DE87105317T
Authority: DE
Inventors: Gregg Sumio Higashi
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1986-04-18
Filing date: 1987-04-10
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2007-04-11
Also published as: DE3787662D1; EP0241873B1; US4701347A; EP0241873A3; JPS62296421A; CA1270070A; EP0241873A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Bei vielen Verfahrensweisen zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie auch bei anderen Arten der Herstellung von Bauelementen, ist es oft erwünscht, Metallschichten oder -filme in Form eines Musters anzulegen. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es mindestens zwei Wege: (1) das Anlegen eines Musters auf dem Metallfilm, nachdem dieser abgeschieden wurde; und (2) die Abscheidung des Metallfilms direkt in dem gewünschten Muster. Der letztgenannte Weg ist der Weg, auf den die vorliegende Erfindung gerichtet ist.
Einer der ersten Berichte über ein Verfahren, das auf den letztgenannten Weg gerichtet ist, ist in dem US-Patent Nr. 3,271,180 (Patenterteilung: 06. September 1966) beschrieben. Das beschriebene Verfahren beginnt in der Weise, daß man eine Adsorptionsschicht aus einer organischen Substanz auf einem Substrat ausbildet. Die adsorbierte organische Substanz wird danach bestrahlt, um durch die Bestrahlung die Bereiche der adsorbierten Schicht photolytisch reagieren zu lassen, die von der Lichtquelle bestrahlt werden. Natürlich wird die adsorbierte Substanz so gewählt, daß sie die gewünschten photolytischen Eigenschaften aufweist. Das adsorbierte Material wird unter Verwendung einer Maske zwischen der Lichtquelle und dem Substrat bestrahlt, und das adsorbierte Material zerfällt.
Ein Bericht aus jüngerer Zeit stammt von Deutsch et al. in "Applied Physics Letters 36 (15. Mai 1980), Seiten 847 bis 849". Der Weg, über den in diesem Artikel berichtet wird, bedient sich der Strahlung von Excimer-Lasern, um photochemisch Verbindungen der Gruppen in bis V des Periodensystems der Elemente unter Ausbildung leitender Verbindungen zu dotieren. Der gepulste Laser induzierte eine Photolyse von Metallalkylen.
Eine ähnliche Arbeit wird in dem US-Patent Nr. 4,340,617 (Patenterteilung: 20. Juli 1982) offenbart. Diese Arbeit bediente sich eines fokussierten Laserstrahls zur Photolyse metallorganischer Moleküle unter Abscheidung von Metallfilmen. Muster aus Metallfilmen werden so durch Umwandlung der Probenoberfläche unter dem fokussierten Laserstrahl erzeugt. Obwohl erwähnt wird, daß Projektionsdruck Anwendung finden kann, werden geeignete Bedingungen nicht diskutiert. Ein weiterer Bericht stammt von Tsao in "Applied Physics Letters 45 (15. September 1984), Seiten 617 bis 619". Dessen Lösungsansatz bediente sich einer fokussierten Ultraviolett-Laserbestrahlung der Oberfläche, um eine Abscheidung zu erzeugen, die in der Lage ist, die katalytische Zersetzung von Triisobutylaluminium zu aktivieren. Der fokussierte Ultraviolett-Laser wurde durch ein SiO&sub2;- Substrat hindurch in Gegenwart der gewünschten Dämpfe unter Bildung eines dünnen, unter Lichteinfluß abgeschiedenen Films abgetastet (gescannt). Diese Oberfläche wurde danach mit einem CO&sub2;-Laser erhitzt, um katalytisch Dämpfe von Triisobutylaluminium in Form eines Aluminiumfilms zu zersetzen. Das gewünschte Aluminiummuster wuchs also auf den Mustern, die durch den Laser geschrieben waren.
Eine Betrachtung der vorstehend zuletzt diskutierten Literaturstelle zeigt jedoch, daß die dort beschriebene Verfahrensweise nicht ermöglicht, daß die gewünschten Metallmuster direkt aufbauend gebildet werden, ohne die Laserstrahlen durch die Oberfläche abzutasten.

Zusammenfassung der Erfindung

In einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, kann eine gemusterte Metallschicht direkt auf einem Substrat dadurch aufbauend gebildet werden, daß man das Substrat, das auf eine erhöhte Temperatur erwärmt ist, durch eine Maske mit dem gewünschten Muster in Gegenwart eines metallhaltigen Gases bestrahlt, das bei einem Druck unterhalb von Atmosphärendruck adsorbiert wird, und dadurch die adsorbierten metallhaltigen Moleküle zersetzt. Die Strahlung wird dann abgeschaltet, und das auf der Oberfläche vorhandene Metall katalysiert das Aufwachsen einer zusätzlichen Menge Metall. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das das Muster bildende Metall Aluminium, und das metallhaltige Gas umfaßt Triisobutylaluminium. Abhängig von der Intensität der anfänglichen Bestrahlung kann entweder ein Positivbild oder ein Negativbild des Musters erzeugt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die für die praktische Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeignet ist; und Fig. 2 ist die charakteristische Kurve Strom gegen Spannung bei Aluminiumkontakten, die unter Verwendung der Verfahrensweise der vorliegenden Erfindung auf GaAs hergestellt wurden.

Detaillierte Beschreibung

Eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die für die praktische Durchführung eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung nützlich ist, ist in Fig. 1 abgebildet. Abgebildet sind eine Lichtquelle 1, eine Maske 3, ein Spiegel 5, eine Wachstumskammer 7, den Massenstrom regelnde Einrichtungen 9 und 11, ein Gasreservoir 13 und eine Pumpe 15. Die Linse 17 ermöglicht, daß das Maskenbild auf dem Substrat abgebildet wird. Das Reservoir enthält die metallhaltigen Moleküle. Die Gasquelle 19 wird verwendet, wenn ein Trägergas erwünscht ist.
Die Lichtquelle war ein Excimerlaser wie beispielsweise ein unter Verwendung von KrF arbeitender Laser, der mit einer Wiederholfrequenz von 100 Hz arbeitete. Derartige Laser sind beispielsweise wegen ihrer relativ hohen Intensitätsleistungsabgabe erwünscht. Die genaue Wiederholfrequenz ist nicht kritisch. Der Laser sollte natürlich bei einer Frequenz emittieren, die von dem Molekül absorbiert wird. Die an das Substrat abgegebene Leistung bestimmt, ob ein positives oder negatives Bild erzeugt wird. Ein niedriges Leistungsniveau führt zum Wachstum in den bestrahlten Bereichen, in dem die adsorbierten Moleküle photolysiert werden, während ein hohes Leistungsniveau zu einem Wachstum in den nicht bestrahlten Bereichen führt. Man glaubt, daß eine hohe Leistung zu Gasphasenreaktionen führt, wobei die Produkte in die nicht bestrahlten Bereiche diffundieren, während sie ein Wachstum in den bestrahlten Bereichen aus Gründen inhibieren, die noch nicht vollständig verstanden werden.
Die Wachstumskammer war eine Zelle aus nichtrostendem Stahl, die wünschenswerterweise Heizeinrichtungen aufweist, die eine Erhöhung der Substrattemperatur während des Wachstum ermöglichen. Es wurde als wünschenswert angesehen, nur das Substrat auf etwa 250ºC zu erhitzen, während der Rest der Kammer bei einer Temperatur verbleibt, die nur geringfügig oberhalb von Raumtemperatur liegt.
Die Reakandenmoleküle werden durch Leitungen aus nichtrostendem Stahl von dem Reservoir zu der Wachstumskammer geleitet. Es wurde als wünschenswert angesehen, das aufbauende Wachstum bei Drucken in der Wachstumskammer zwischen 6,7 Pa und 20 Pa (zwischen 0,05 und 0,15 Torr) durchzuführen. Niedrigere Drucke führen zu unerwünscht langsamen Wachstumsgeschwindigkeiten, und höhere Drucke führen zu einer schlechten Morphologie des Wachstums. Das Molekül sollte an der Oberfläche reagieren, um bei Bestrahlung Metall zurückzulassen. Die Bestrahlung ist typischerweise Licht aus beispielsweise einem Laser, der in der Lage ist, das Molekül zu zersetzen. Es versteht sich jedoch, daß auch Elektronenstrahlen oder Ionenstrahlen verwendet werden können, um dieselbe Zerfallsreaktion zu erreichen.
Ein Trägergas wird im allgemeinen nicht verwendet, mit Ausnahme einer Spülung der Wachstumskammer. Für einige Reaktandengasmoleküle wie beispielsweise WF&sub6; ist ein Trägergas wie beispielsweise H&sub2; für die Oberflächenkatalysereaktion erforderlich.
Beispielhaft wird nun eine Verfahrensweise zum Aufwachsenlassen auf einem SiO&sub2;-Substrat im einzelnen beschrieben. Variationen des Verfahrens werden anschließend diskutiert. Das gewünschte Substrat wird mit einem Lösungsmittel entfettet, mit Säure geätzt, in deionisiertem Wasser gespült und beispielsweise mit N&sub2; trockengeblasen. Diese vorbereitenden Schritte sind im Bereich der Technik zur Herstellung von Halbleitern wohlbekannt und brauchen an dieser Stelle nicht weiter beschrieben zu werden. Das Substrat wird danach in die Wachstumskammer gelegt, und die Temperatur des Substrats wird auf etwa 250 ºC angehoben. Nachdem die Temperatur der Zelle stabilisiert wurde, läßt man Reaktandengas und H&sub2; durch die Zelle strömen, um Verunreinigungen auszuspülen. Nach Abschluß des Spülvorgangs wird der H&sub2;-Strom gestoppt, und das Substrat wird durch das abgebildete Bestrahlungssystem bestrahlt. Eine typische Bestrahlungszeit liegt zwischen 15 und 600 Sekunden, wobei jeder Puls etwa 10 bis 20 mJ/cm² an der Substratoberfläche abscheidet. Das Reaktandenmolekül ist Triisobutylaluminium (TIBA).
Innerhalb einiger Sekunden werden kleine silberfarbene Inseln aus Aluminium sichtbar. Diese wachsen zu dem Bestrahlungsmuster zusammen. In dem Maße, in dem das Wachstum fortschreitet, werden die Filme zunehmend rauh und streuen mehr Licht. Es sollte betont werden, daß nach der anfänglichen Bestrahlung die Lichtquelle abgeschaltet wird und das Metallwachstum ohne weitere Bestrahlung fortschreitet. Bei höheren Strahlungskonzentrationen erfolgt ein Wachstum in dem nicht bestrahlten Bereich.
Verschiedene Substratmaterialien wurden untersucht, die hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit und hinsichtlich des optischen Absorptionsvermögens unterschiedlich waren. Es wurde gefunden, daß im Hinblick auf die Zahl der Pulse, die erforderlich waren, um ein einheitliches Wachstum bei feststehendem Teilchenfluß pro Puls zu initiieren, nahezu identische Ergebnisse erhalten wurden. Es wurde außerdem gefunden, daß eine Senkung des normal verwendeten Teilchenflusses pro Puls um einen Faktor und eine Erhöhung der Pulszahl um den identischen Faktor wieder dazu führten, daß ein einheitliches Wachstum erzielt wurde. Man geht davon aus, daß diese Ergebnisse die photolytische Natur von Laseraktivierungsprozessen bestätigen.
Es wurde außerdem beobachtet, daß kleine freiliegende Bereiche, die von einheitlichen Abscheidungen umgeben waren, erhältlich waren. Es ist anzumerken, daß diese Art von Merkmal nur sehr schwierig, vielleicht sogar unmöglich zu reproduzieren wäre, wenn Gasphasen-Photoreaktionen den Aktivierungsprozeß dominierten. Dies ergibt sich daraus, daß Gasphannreaktionen zu Produkten führten, die sich in alle Richtungen ausbreiteten und wahrscheinlich einen kleinen Bereich füllen würden, der in einem sonst einheitlich belichteten Bereich enthalten wäre.
Diese Hypothese wurde dadurch getestet, daß man während des Laseraktivierungsverfahrens die Menge an Gasphasenreaktand auf ein Minimum verringerte. Es wurde gefunden, daß gemusterte Filme mit gleicher Effizienz auf diesem Wege hergestellt wurden. Dadurch wurde die Annahme gestützt, daß nur Oberflächenadsorbat-Photorektionen beteiligt sind. Dies ist kritisch, da eine Auflösung der Merkmale durch die Fähigkeit geregelt wird, mit der Lichtquelle ein Bild abzubilden, nicht jedoch durch die Diffusionslängen der Gasphase. Derzeit erhältliche optische Elemente können bildweise bis zur Beugungsgrenze abbilden und sollten die Reproduktion von Merkmalen einer Größe von 0,5 um bei Verwendung einer Lichtquelle erlauben, die bei 250 nm emittiert.
Es ist anzumerken, daß einheitliche Abscheidungen mit Bestrahlungszeiten aktiviert wurden, die eine Kürze von 10 Sekunden aufweisen und einem Gesamtteilchenfluß von 20 J/cm² entsprechen. Die vorstehend angesprochene Arbeit von Tsao erforderte Gesamtteilchenflüsse, die etwa 10.000 mal größer waren, um Keime für ein Wachstum eines Films zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung aktiviert das Wachstum eines Films und baut einen Film auf bei feststehender Temperatur, während es Tsao für unmöglich befand, das Wachstum eines Films bei erhöhten Temperaturen mit einem Laser zu aktivieren. Es ist anzumerken, daß Tsao eine in hohem Maße lokalisierte Hitzequelle für das thermische Wachstumssegment des Verfahrens verwendete, nämlich einen CO&sub2;-Laser, der auf etwa 100 um fokussiert war. Es wird angenommen, daß TIBA bei Temperaturen oberhalb von 50ºC in Diisobutylaluminiumhydrid (DIBAH) sowie Butylene zerfällt. Es ist bekannt, daß DIBAH einen Gleichgewichtsdampfdruck aufweist, der niedriger ist als der von TIBA. Angelagerte Schichten können sich bei niedrigerem Druck oder signifikant höheren Temperaturen bilden. Wenn außerdem angenommen wird, daß diese Schichten eine erhebliche Verweilzeit auf dem Substrat haben, wird die Hypothese, daß eine Laseraktivierung eine Photoreaktion auf der Oberfläche einschließt, einleuchtend. Tsao war wahrscheinlich nicht in der Lage, einen signifikanten DIBAH-Partialdruck zu erzeugen, da er nur einen kleinen Bereich des Materials erhitzte und auf diesem Wege die erforderliche angelagerte Schicht nicht ausbildete.
Es könnte angenommen werden, daß deswegen, weil die beschriebene Verfahrensweise auf dem Adsorptionsverhalten und den Keimwachstumseigenschaften der Substrate aufbaut, der Schritt der gewünschten selektiven Aktivierung eines Bereichs, der zur Erzeugung der gewünschten Muster erforderlich ist, nicht in der Lage sein könnte, mit einem spontanen oder nicht selektiven Keimwachstum zu konkurrieren. Es ist also nicht vollständig unerwartet, daß - bei Zugrundelegung der obigen Fakten - das Verfahren wie beschrieben auf dem chemisch inerten Substrat SiO&sub2; funktioniert. Es wurden jedoch auch andere Substrate, einschließlich Al&sub2;O&sub3;, Si, SiO&sub2;/Si, GaAs, M, Cr und Au untersucht. Nachdem die erforderliche chemische Vorbereitung durchgeführt war, ließ man Muster, die die gewünschte Selektivität aufwiesen, auf diesen Substraten aufwachsen. Selektivität, die erhalten wurde, wenn Al auf vorher vorhandenen Al-Drähten abgeschieden wurde, bedeutet, daß das native Oxid auf dem Al ausreichend ist, um ein nichtselektives Wachstum zu blockieren, da Al sicherlich auf Al aufwachsen würde. Überraschenderweise wurden extrem gute, d. h. einen niedrigen Widerstand aufweisende Al/Al-Kontakte erhalten. Das native Oxid blockiert bei herkömmlichen Abscheideverfahren eine Ausbildung eines Kontakts. Dieses Ergebnis ist wichtig für Mehrebenen-Schaltungen. Es sollte auch erwähnt werden, daß die Oberfläche chemisch nicht einheitlich zu sein braucht. Beispielsweise wurden gute Ergebnisse auch erhalten, wenn Öffnungen selektiv in einer SiO&sub2;-Schicht auf Si hergestellt wurden. Dies ist offensichtlich wichtig zur Herstellung von Feldeffekt-Transistoren. Eine gute konforme Deckung wurde auch erhalten, wenn ein Wachstum sowohl auf dem Oxid als auch auf den Einschnitten im Oxid erzielt wurde.
Der Grad an räumlicher Selektivität auf der Oberfläche eines GaAs-Substrats ist ebenfalls überraschend, da diese Oberfläche chemisch nicht inert ist. Beispielsweise ist es bekannt, daß sie in der Weise wirkt, daß sie katalytisch Trimethylgallium und Arsin unter Aufbau von GaAs zersetzt. Es wird angenommen, daß mehrere Monoschichten aus nativem Oxid gebildet werden, bevor das Substrat in die Wachstumskammer eingeführt wird. Diese sind ausreichend, um die Oberflächenreaktion zu blockieren.
Oxidschichten können jedoch schädlich für die Brauchbarkeit des vorliegenden Verfahrens zur Herstellung von Bauteilen sein, wenn sie in unerwünschter Menge zugegen sind. Abscheidungen wurden auf leicht dotiertem GaAs des n-Typs als Anfangstest der Qualität von gebildeten Kontakten erzeugt. Eine typische Kurve der I-V-Charakteristik ist in Fig. 2 abgebildet. Diese Figur zeigt den Strom in vertikaler Richtung in Einheiten von 20 uA pro Unterteilung und die Spannung in horizontaler Richtung in Einheiten von 5 V pro Unterteilung. Das besondere Bauteil ist ein Punkt mit einem Durchmesser von etwa 25 um, und die Kurve zeigt an, daß man ein diodenartiges Verhalten erhält. Die Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung (reverse breakdown voltage) zwischen 15 und 18 V ist typisch für GaAs und zeigt, daß keine wesentliche Schädigung des Substrats während des Laseraktivierungsprozesses auftrat. Der relativ hohe Wert der Schaltspannung in Vorwärtsrichtung (forward biased turnon voltage) von etwa 1 bis 2 V zeigt jedoch das Vorhandensein einer kleinen Menge an Oxid auf der Oberfläche.
Der spezifische Widerstand der hergestellten Metallstrukturen ist angenähert dem von in Form einer größeren Masse vorliegendem M und zeigt an, daß ein Betreiben mit hoher Geschwindigkeit erreicht werden kann. Andere Ausführungsformen werden in Betracht gezogen. Beispielsweise können Al-Atome eingesetzt werden, um Si mit einer Dotierung des p-Typs zu versehen und dadurch beispielsweise einen an-Übergang auszubilden, wenn das Si anfänglich vom n-Typ war, oder leitende Verbindungen (ohmische Kontakte) herzustellen, wenn das Si vom p-Typ oder n&spplus;-Typ ist. Leitende Verbindungen wurden hergestellt und sind gut geeignet als Source- und Drain-Elektroden in Feldeffekt-Transistoren (FF), da Metallabscheidungen auf SiO&sub2; für Gate-Elektroden in FETs verwendet werden. Die Herstellung vollständiger Transistoren ist ins Auge gefaßt und wurde gezeigt. Es ist wünschenswert, nach der Abscheidung bei einer Temperatur zwischen 450 und 600 ºC über eine Zeit zwischen 1 und 10 Minuten zu tempern.
Es muß auch betont werden, daß das Reaktandengas nicht unbedingt ein metallorganisches Molekül zu sein braucht. Jedes beliebige System, das durch Oberflächenkatalyse wächst, kann verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Halbleiterbauelement-Herstellung einschließlich eines Schrittes zur Erzeugung von gemustertem Metall auf einer Fläche, wobei letzterer die Schritte umfaßt:

- Erzeugen einer adsorbierten Schicht aus metallhaltigen Molekülen auf der Fläche aus einer die Moleküle enthaltenden Gasatmosphäre, wobei die Moleküle einen Partialdruck kleiner als etwa 10&sup5;Nm&supmin;² (eine Atmosphäre) haben, gekennzeichnet durch

- Erwärmen der Fläche auf eine erhöhte Temperatur und photolytisches Zersetzen der Moleküle und Zurücklassen einer adsorbierten Metallschicht auf der Fläche durch Abbilden des in Rede stehenden Musters mit Hilfe einer Strahlung durch eine Maske auf die Fläche,

- Abschalten der Strahlung und

- katalytisches Aufwachsenlassen einer zusätzlichen Menge desselben Metalls auf dem photolytisch niedergeschlagenen Metall aus der Atmosphäre.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das Metall enthaltende Molekül ein solches ist, das sich oberflächenkatalytisch zersetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus der aus AI, Ti und W bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche wenigstens ein Material, das aus der aus GaAs, SiO&sub2;, Si, Al, Au, Cr und Al&sub2;O&sub3; bestehenden Gruppe ausgewählt ist, umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Al umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das metallhaltige Molekül Triisobutylaluminium umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche Al umfaßt und ein Teil von Multiniveau- Verbindungen erzeugt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Al Source- und Drain-Steuerungen eines Feldeffekttransistors erzeugt.