AT352784B - Verfahren zur herstellung von feldeffekt- transistoren mit isolierter torelektrode unter anwendung von ionenimplantation - Google Patents

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Feldeffekttransistoren mit isolierter
Torelektrode unter Anwendung von Ionenimplantation. 



   Der Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode ist ein wichtiges grundsätzliches aktives
Bauelement der modernen Halbleiterschaltungstechnik,   z. B.   auch für integrierte Schaltungen komplizierter
Bauart. 



   Die Wirkungsweise des Feldeffekttransistors mit isolierter Torelektrode beruht darauf, dass zwischen zwei im Halbleiterkörper vorgesehenen Bereichen von gegenüber dem Halbleiterkörper entgegengesetztem
Letfähigkeitstyp ein Stromfluss hervorgerufen werden kann und dass mittels des Potentials einer
Torelektrode die Stromführung in einem stromleitenden Kanal zwischen den genannten zwei Bereichen steuerbar ist. Dies kann am leichtesten an derjenigen Oberflächen des Halbleiterkörpers verwirklicht werden, über welcher die Torelektrode entsprechend nahe angebracht werden kann. Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades der Torelektrode wird diese nur durch eine dünne Isolierschicht von der betreffenden Oberfläche des Halbleiterkörpers getrennt, am einfachsten durch eine Siliziumdioxydschicht. 



   Auf der Isolierschicht kann eine aus Metall hergestellte Torelektrode angebracht werden. 



   Die charakteristischen Einzelheiten eines Feldeffekttransistors mit isolierter Torelektrode sind die in einem Halbleiterplättchen durch Diffusion ausgebildeten beiden Bereiche von gegenüber dem Halbleiterplättchen entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, das sind die Quellenzone und die Senkenzone. Zwischen diesen befindet sich der Kanal mit durch die Torelektrode steuerbarer Stromführung, welcher Kanal durch die Isolierschicht von der Torelektrode getrennt ist. Schliesslich sind noch die erforderlichen elektrischen Zuleitungen zur Torelektrode sowie zur Quellenzone und zur Senkenzone vorhanden. 



   Die wichtigsten elektrischen Kennwerte eines Feldeffekttransistors sind die folgenden : die Abschnürspannung, bei der die Stromleitung zwischen Quelle und Senke beginnt und die üblicherweise Schwellenspannung genannt wird ; die Steilheit ist das Mass für die Änderung des Stromes als Funktion der Torelektrodenspannung ; die Schaltzeiten für das Ein-und Ausschalten der Stromleitung. 



   Die Schwellenspannung ist im wesentlichen durch die physikalischen Eigenschaften des Torelek-   trode-Isolation-Halbleitersystems   bestimmt. In dieser Hinsicht sind die wichtigsten Parameter die Austrittsarbeit der Torelektrode bzw. des Halbleiters, die Dicke der Isolierschicht und die Dielektrizitätskonstante derselben und schliesslich die Menge der in der Isolierschicht vorhandenen gebundenen und beweglichen Ladungen. 



   Unter diesen Parametern gibt es einige veränderbare, wie   z. B.   die Menge der in der Isolierschicht vorhandenen Ladungen und die Lage derselben. Damit diese keine Änderung der Schwellenspannung verursachen können, ist bei der Herstellung dieser Halbleiterbauelemente eine besonders strenge Kontrolle unerlässlich. Aus diesem Grunde ist man bei der Herstellung bzw. bei der Festlegung der Herstellungstechnologie von Feldeffekttransistoren mit isolierter Torelektrode weitgehend bestrebt, die Möglichkeit des Auftretens von die Schwellenspannung erhöhenden bzw. eine Inkonstanz verursachenden Ladungen zu beseitigen. Die Austrittsarbeit kann im allgemeinen durch geeignete Wahl der Materialien zur Herstellung der Torelektrode - im allgemeinen Metalle - geregelt werden.

   Zur Herstellung von modernen, eine niedrige Schwellenspannung aufweisenden Feldeffekt-Halbleiterbauelementen wird als Material der Torelektrode eine Halbleiterschicht verwendet, wie dies aus der DE-OS 1589852 und aus der DE-OS 1961641 zu entnehmen ist. Diese Technologie ist in der Fachliteratur als Silizium-Gate-Technik bezeichnet. 



   Die Arbeitsgeschwindigkeit wird durch die Kapazitäten zwischen den Elektroden des Transistors begrenzt. Von diesen Kapazitäten muss man die Torelektrodenkapazität und diejenigen Kapazitäten am strengsten kontrollieren, die durch Rückwirkung der Überlappung der Elektroden (Torelektrode mit Quelle und/oder Senke) zustandekommen. Diese Kapazitätswerte werden bei der herkömmlichen Technologie durch die genaue und strenge Einhaltung der   Photolack- und   Ätztechnik, und weiters durch die verwendeten Diffusionsschritte bestimmt. Aus diesem Grunde muss man zur Unterdrückung dieser kapazitiven Einflüsse neue technologische Lösungen bzw. konstruktive Möglichkeiten finden und in der Technologie einsetzen. 



   Durch diese Forderung wurde der sogenannte Selbstjustierungsaufbau entwickelt, bei welchem zuerst das Torelektroden-Isolator-System der Feldeffekttransistorstruktur hergestellt wird, wonach bei der Diffusion der Quellen- und Senkenzone das schon gebildete Torelektrodensystem als Maskierung für das Kanalgebiet gegen die Einwirkung der Diffusion verwendet wurde. 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 



   Zur Begrenzung der Ausbreitung der Diffusion in Seitenrichtung- zur Bildung der Quellen- und
Senkenzone - wurde die Ionenimplantation eingeführt, die eine schärfere Konturlinie in Seitenrichtung sichert, wie dies aus der DE-OS 2414033 hervorgeht. Die Selbstjustierungsaufbau-Konstruktion und die
Ionenimplantation wurden natürlich in Kombination verwendet. Zwecks genauer Einstellung der
Schwellenspannung wurde in letzter Zeit eine mengengenaue Dotierung des Kanalbereiches mittels
Ionenimplantation vorgenommen, wie dies   z. B.   aus der AT-PS Nr. 311417 und der DE-OS 1764757 zu entnehmen ist. 



   Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors mit niedriger Schwellenspannung und hoher   Arbeits- bzw.   Schaltgeschwindigkeit wird an Hand von Fig. 1 der Zeichnungen näher geschildert. Es wird von einer Siliziumscheibe --1-- ausgegangen, deren eine Seite poliert und (111)- oder   (lOO)-orientiert   ist und deren Oberfläche durch thermische Oxydation mit einer Siliziumdioxydschicht - versehen ist   (Fig. 1a).   An der Stelle der zu erzeugenden Transistoren werden durch Photolack- und Ätztechnik in der   Oxydschicht --2-- Fenster --3-- hergestellt   (Fig. 1b).

   In einem nachfolgenden Schritt wird im Fenster --3-- durch einen mit besonderer Sorgfalt gesteuerten Oxydationsvorgang eine für die
Isolierung der Torelektrode dienende dünne (0, 1 bis   0, 5 jlm) Siliziumoxydschicht --4-- hervorgerufen   (Fig.   lac).   Die besondere Sorgfalt wird hinsichtlich der Reinheit der Oxydschicht und der Freiheit derselben von Ladungsträgern verstanden. Über diese Siliziumoxydschicht --4-- wird häufig eine dünne
Siliziumnitridschicht aufgebracht. 



   Sodann wird auf die gesamte Oberfläche der Siliziumscheibe--l-eine dünne (0, 1 bis 0, 5 pm) polykristalline Siliziumschicht --5-- durch ein pyrolytisches Verfahren aufgebracht (Fig. 1d). Das polykristalline Silizium wird mit Ausnahme der Torelektrodengebiete (5') von der Oberfläche durch   Photolack- und   Ätztechnik in einer chemischen Ätzung entfernt (Fig.   le).   Um das verbleibende
Torelektrodengebiet (4') wird die dünne   Siliziumoxydschicht --4-- z. B.   durch eine chemische Ätzung entfernt und die Oberfläche der Siliziumscheibe-l-wird zur Herstellung der Quellen- und Senkenzone freigemacht (Fig.   11).   Die Quellenzone --6-- und die Senkenzone --7-- werden durch Ionenimplantation oder durch Diffusion aus der Gasphase oder aus dotierten Oxyden hergestellt (Fig. 1g).

   Nach den die grundsätzliche Struktur bildenden Verfahrensschritten wird zwecks Herstellung von Verbindungen mit metallischen Leitern z. B. Aluminium aufgedampft. 



   Gemäss der Erfindung wird die zur Isolierung der Torelektrode dienende dünne Siliziumoxydschicht nicht an der Oberfläche der Siliziumscheibe durch ein thermisches Verfahren hervorgerufen, sondern die Torelektrodenstruktur wird mit einer auf der Oberfläche unverändert verbleibenden als Torelektrode verwendeten Siliziumschicht, die gegebenenfalls noch zusätzlich dotiert wird, und einer darunterliegenden vergrabenen, zur Isolierung der Torelektrode und als Dielektrikum dienenden Siliziumoxydschicht gleichzeitig derart erzeugt, dass unter die Oberfläche der Siliziumscheibe in einer Tiefe von einigen Zehntel pm, vorzugsweise 0, 1 bis   0,5 pu,   Sauerstoffionen implantiert werden, und die Torelektrodenstruktur wird dadurch begrenzt, dass die die vergrabene Siliziumoxydschicht überdeckende Siliziumschicht in den überflüssigen Bereichen abgeätzt und bzw.

   oder lokal durchgehend thermisch oxydiert wird. 



   Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind die folgenden :
Die Reinheit der durch die Implantation von Sauerstoffionen hervorgerufenen vergrabenen Siliziumoxydschicht- und daraus folgend ihre physikalischen Eigenschaften-sind sehr günstig, da die Ionenimplantationstechnik sichert, dass das eingesetzte Material reiner Sauerstoff sein darf und das gebildete Oxyd durch die   Oberflächensiliziumschicht   von späterer eventueller Verunreinigung geschützt wird. 



     Die "Silizium-Gate"-Struktur   wird in einem Schritt hervorgerufen und ein Sonderschritt für die Abscheidung der polykristallinen Siliziumschicht erübrigt sich, was besonders vorteilhaft ist, da dies zumeist die Ursache von Verunreinigung ist. Das erfindungsgemässe Verfahren ist auch bei der Herstellung von komplementären Strukturen vorteilhaft anwendbar. Das Verfahren kann vorteilhaft bei der sogenannten Selbstjustierungsaufbau-Technologie verwendet werden. Das Verfahren ermöglicht eine auf einer geschlossenen Implantation basierende einfachere Technologie. 



   Die Erfindung wird nachfolgend an Hand zweier Ausführungsbeispiele, zu denen jeweils verschiedene Herstellungsstufen des Halbleiterkörpers in den Fig. 2 und 3 der Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 
 EMI3.1 
 Oberfläche der Siliziumscheibe --8-- wird eine dotierte Siliziumoxydschicht zwecks Maskierung abgeschieden. Die die vergrabene Siliziumoxydschicht --9-- bedeckende Siliziumschicht --10-- wird mit Ausnahme der Torelektrodengebiete (10') von der Oberfläche,   z.

   B.   durch an sich bekannte   Photolack- und   Ätztechnik, abgeätzt (Fig.   2b).   In der neben dem Torelektrodengebiet freiliegenden vergrabenen Siliziumoxydschicht --9-- werden sodann für die Diffusion der Quellen- und Senkenzone Fenster --11,   12-- hergestellt (Fig. 2c).   Auf die gesamte Oberfläche der Siliziumscheibe --8-- wird daraufhin eine weitere, dotierte   Siliziumoxydschicht --13-- für   die Ausbildung der Quellen- und Senkenzone abgeschieden (Fig. 2d). Die dotierte Siliziumoxydschicht --13-- wird zusammen mit der darunterliegenden vergrabenen Siliziumoxydschicht --9-- mit Ausnahme der auf der Torelektrodenstruktur und der Quellen- und Senkenzone liegenden Teile entfernt (Fig. 2e).

   Auf die gesamte Oberfläche der Siliziumscheibe --8-- wird dann eine undotierte Siliziumoxydschicht --14-- abgeschieden und danach wird die Diffusion aus der dotierten Siliziumoxydschicht --13-- in die Siliziumscheibe --8-- und die unter der dotierten Siliziumoxydschicht --13-- liegende Siliziumschicht --10'-- der Torelektrode in einer neutralen Atmosphäre (N2) hervorgerufen (Fig. 2f). Abschliessend erfolgt die Herstellung der Kontakte mit den Elektroden und metallischer Leitungsverbindungen durch Anwendung von an sich bekannten Verfahren. Das erfindungsgemässe Verfahren ist auch für die Herstellung von zueinander komplementären Feldeffekttransistoren geeignet.

   In diesem Falle muss man aber in der Siliziumscheibe vorher entsprechende p-bzw. n-leitende Gebiete hervorrufen und die Abscheidung des entsprechend dotierten Siliziumoxyds erfolgt jeweils auch im Laufe eines gesonderten Schrittes. 



   Beispiel 2   (Fig. 3) :   Auf einer polierten Oberfläche einer Siliziumscheibe --15-- wird durch ein an sich bekanntes Verfahren eine   Si3N4-Schicht --16-- hergestellt (Fig. 3a).   In der Siliziumnitridschicht werden an den Stellen der geplanten Quellen- und Senkenelektrode der Feldeffekttransistoren 
 EMI3.2 
 --17, 18-- gebildet (Fig. 3b).Siliziumoxydschicht --19-- zur Maskierung herzustellen (Fig. 3c). Die Siliziumoxydschicht --19-- wird danach von den Quellen- und Senkenzonen entfernt. In die freiwerdende und nunmehr in den Fenstern tieferliegende   Siliziumoberfläche   wird,   z.

   B.   durch Ionenimplantation, ein p-Leitfähigkeit hervorrufendes Dotierungsmaterial eingebracht (Quelle und Senke-20 bzw.   21--,   Fig.   3d).   Die Siliziumnitridschicht - wird durch eine selektive Ätzung bis auf die über dem Torelektrodengebiet liegenden Teile --16'-abgeätzt (Fig. 3e). Die Siliziumscheiben werden in einer oxydierenden Atmosphäre behandelt, um die mit Siliziumnitrid nicht bedeckten Oberflächengebiete mit Siliziumoxyd --22-- zu überziehen (Fig. 3f).

   Vom Gebiet der Torelektrode wird das   Siliziumnitrid --16'-- entfernt.   An der gesamten Oberfläche der Siliziumscheibe --15-- wird eine Implantation von Sauerstoffionen durchgeführt, wodurch eine Isolerschicht --23-- aus Siliziumoxyd für die Torelektrode entsteht, wonach ein p-Leitfähigkeit hervorrufendes Dotierungsmaterial in das Gebiet der Torelektrode --24-- implantiert wird (Fig. 3g). Als letzter Verfahrensschritt werden die Kontaktfenster über der   Quellen- und Senkenzone --20   bzw. 21-freigemacht. Nachher werden die Kontakte mit den Elektroden und die metallischen Leitungsverbindungen durch ein an sich bekanntes Verfahren gebildet. 



   Das erfindungsgemässe Vefahren eignet sich auch zur Herstellung von zueinander komplementären Halbleitersystemen, falls das Freilegen der Quellen- und Senkengebiete und die Implantation in einer entsprechenden Reihenfolge (Zyklus) vorgenommen werden. 



   Durch die vorerwähnten Beispiele konnten nicht sämtliche möglichen Ausführungsvarianten geschildert werden. So kann   z. B.   die Abdeckung mit Nitriden gegen eine Oxydation durch andere maskierende Wirkungen - die durch unterschiedliche Zuwachsgeschwindigkeiten der dünnen und dicken Oxydschichten hervorgerufen werden   können-ersetzt   werden. 

**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Herstellung von Feldeffekttransistoren mit isolierter Torelektrode unter EMI3.3 <Desc/Clms Page number 4> Siliziumschicht, die gegebenenfalls noch zusätzlich dotiert wird, und einer darunterliegenden vergrabenen, zur Isolierung der Torelektrode und als Dielektrikum dienenden Siliziumoxydschicht gleichzeitig derart erzeugt wird, dass unter die Oberfläche der Siliziumscheibe in einer Tiefe von einigen Zehntel pm, vorzugsweise 0, 1 bis 0, 5 pm, Sauerstoffionen implantiert werden, und dass die Torelektrodenstruktur dadurch begrenzt wird, dass die die vergrabene Siliziumoxydschicht überdeckende Siliziumschicht in den überflüssigen Bereichen abgeätzt und bzw. oder lokal durchgehend thermisch oxydiert wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Siliziumscheibe (8)-wie an sich bekannt-an der polierten Oberfläche p-bzw. n-dotiert wird, b) durch Implantation von Sauerstoffionen in der gesamten Oberfläche der Siliziumscheibe (8) eine vergrabene Siliziumoxydschicht (9) gebildet wird (Fig. 2a), c) - wie an sich bekannt-auf der Oberfläche der Siliziumscheibe (8) eine dotierte Siliziumoxydschicht zwecks Maskierung abgeschieden wird, d) die die vergrabene Siliziumoxydschicht (9) abdeckende Siliziumschicht (10) mit Ausnahme der Torelektrodengebiete von der Oberfläche durch die an sich bekannte Photolack- und Ätztechnik von der Oberfläche abgeätzt wird (Fig.

   2b), e) - wie an sich bekannt-neben dem Torelektrodengebiet (10') in der freiliegenden vergrabenen Siliziumoxydschicht (9) Fenster (11,12) für die Diffusion der Quellen- und Senkenzone gebildet werden (Fig. 2c), f) - wie an sich bekannt-auf der gesamten Oberfläche der Siliziumscheibe (8) eine weitere, dotierte Siliziumoxydschicht (13) für die Ausbildung der Quellen- und Senkenzone abgeschieden wird (Fig. 2d), g) die weitere, dotierte Siliziumoxydschicht (13) zusammen mit der darunterliegenden vergrabenen Siliziumoxydschicht (9) mit Ausnahme der auf der Torelektrodenstruktur und über der Quellen- und Senkenzone liegenden Teile entfernt wird (Fig.

   2e), h) - wie an sich bekannt-auf der gesamten Oberfläche der Siliziumscheibe (8) eine neue, undotierte Siliziumoxydschicht (14) als Schutzschicht abgeschieden wird, wonach in einer neutralen, zweckmässig in einer Stickstoff-Atmosphäre, in an sich bekannter Weise aus der weiteren, dotierten Siliziumoxydschicht (13) eine Diffusion in die Siliziumscheibe (8) und die unter der dotierten Siliziumoxydschicht (13) liegenden Siliziumschicht (10') der Torelektrode erfolgt (Fig. 2f), i) die Kontakte mit den Elektroden und metallische Leitungsverbindungen in an sich bekannter Weise gebildet werden.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) auf der Oberfläche der dotierten Siliziumscheibe (15) auf an sich bekannte Weise eine Siliziumnitridschicht (16) gebildet wird (Fig. 3a), b) in der Siliziumnitridschicht (16) in an sich bekannter Weise an den Stellen der geplanten Quellen- und Senkenelektrode Fenster (17,18) geöffnet werden (Fig. 3b), e) auf der Siliziumscheibe (15) in den Fenstern (17,18) während einer Wärmebehandlung in einer oxydierenden Atmosphäre eine dicke, zweckmässig 0, 8 bis 1 pm starke Siliziumoxyd- schicht (19) zur Maskierung gebildet wird (Fig.

   3c), d) von der Quellen- und Senkenzone die dicke Siliziumoxydschicht (19) entfernt wird und dass in die freigewordene Oberfläche ein p-Leitfähigkeit hervorrufendes Dotierungsmaterial eingebracht wird, um je eine dotierte Quellen- und Senkenzone (20,21) zu erzeugen (Fig. 3d), e) die Siliziumnitridschicht (16) durch eine selektive Ätzung bis auf die über dem Torelektrodengebiet liegenden Teile (16') abgeätzt wird (Fig. 3e), f) an der mit Siliziumnitrid nicht bedeckten Oberfläche in einer oxydierenden Atmosphäre eine weitere Siliziumoxydschicht (22) gebildet wird (Fig. 3f), g) von der Stelle der Torelektrode die Siliziumnitridschicht (16') entfernt wird (Fig.

   3g), <Desc/Clms Page number 5> h) unter der Oberfläche der Torelektrode durch Implantation von Sauerstoffionen unter Verwendung der weiteren Siliziumoxydschicht (22) als Maskierung eine vergrabene Siliziumdioxydschicht (23) gebildet wird (Fig. 3g), i) in die Oberfläche der aus Silizium bestehenden Torelektrode (24) ein p-Leitfähigkeit hervorrufendes Dotierungsmaterial eingebracht wird (Fig. 3g), j) die Kontaktfenster über der Quellen- und Senkenzone in an sich bekannter Weise geöffnet und die Kontakte mit den Elektroden und die metallischen Leitungsverbindungen gebildet werden.