DD244854A1 - MIS TRANSISTOR AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents

MIS TRANSISTOR AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF Download PDF

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polysilicon
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DD28542685A
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Gerhard Cattus
Karl-Heinz Boehmer
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Erfurt Mikroelektronik
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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

Die Erfindung findet bei der Herstellung von Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode aus Polysilizium Anwendung. Ziel der Erfindung ist es, MIS-Transistoren mit Gate-Selbstjustage fuer HF-Anwendungen herzustellen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches auf Basis der Siliziumgatetechnologie die Selbstjustage der Gateelektrode mit den zwischen Source und Drain liegenden Kanalbereich ermoeglicht und bei dem gleichzeitig ein sehr niedriger Gate-Bahnwiderstand realisiert werden kann, ohne dass der Einsatz neuartiger Materialien gegenueber dem Standard-Siliziumgate-Prozess erforderlich wird. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe durch ein Siliziumgate-Verfahren geloest, bei dem nach der Abscheidung der Polysiliziumschicht eine oxydationsmaskierende Schicht abgeschieden wird, die im anschliessenden fotolithografischen Vefahrensschritt zusammen mit der Polysiliziumschicht strukturiert wird, und dass nach der Dotierung der Source-Drain-Gebiete eine intensive thermische Oxydation folgt sowie vor der Metallisierung, bei der das Polysiliziumgate ueber eine Metallbahn in voller Laenge kontaktiert wird, die oxydationsmaskierende Schicht mittels grossflaechiger Ueberaetzung in selektiv wirkendem Aetzmittel wieder entfernt wird.The invention finds application in the manufacture of polysilicon insulated high frequency field effect transistors. The aim of the invention is to produce MIS transistors with gate self-alignment for RF applications. The invention has for its object to provide a method which allows based on the silicon gate technology, the self-adjustment of the gate electrode with the channel region lying between source and drain and at the same time a very low gate resistance can be realized without the use of novel materials against the standard silicon gate process is required. According to the invention, this object is achieved by a silicon gate method in which, after the deposition of the polysilicon layer, an oxidation-masking layer is deposited, which is patterned together with the polysilicon layer in the subsequent photolithographic process step, and after the doping of the source-drain regions an intense thermal Oxidation follows and before the metallization, in which the polysilicon gate is contacted over a metal web in full length, the oxidation-masking layer is removed again by means of large-area over-etching in selectively acting etching agent.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung findet bei der Herstellung von Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode aus Polysilizium Anwendung.The invention finds application in the manufacture of polysilicon insulated high frequency field effect transistors.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Die Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit von MIS-Transistoren erfordert neben der Verkürzung ihrer elektrisch wirksamen Kanallänge eine Reduzierung parasitärer Kapazitäten insbesondere der Gateelektrode.Increasing the operating speed of MIS transistors requires, in addition to the shortening of their electrically effective channel length, a reduction of parasitic capacitances, in particular of the gate electrode.

Es ist bekannt, zur Verringerung parasitärer Gatekapazität sogenannte Selbstjustagetechnologien, wie z. B. die Siliziumgatetechnologie zu verwenden. Dabei dient die Gateelektrode selbst als Dotiermaske bei der Erzeugung der Source- und Draingebiete und liegt damit exakt über dem Transistorkanal. Dadurch wird der Transistorkanal einerseits sicher überdeckt und volle Steuerwirkung ist gewährleistet, andererseits sind die Überlappungskapazitäten zu Source und Drain nur bedingt durch die Unterdiffusion relativ gering.It is known to reduce parasitic gate capacitance so-called self-adjustment technologies such. B. to use the silicon gate technology. The gate electrode itself serves as a doping mask in the generation of the source and drain regions and thus lies exactly above the transistor channel. As a result, the transistor channel is on the one hand safely covered and full control effect is ensured, on the other hand, the overlap capacitances to the source and drain are only relatively limited by the underdiffusion.

Die Unterdiffusion läßt sich minimieren, wenn man zur Dotierung die Ionenimplantation verwendet und die daran anschließende Temperaturbelastung gering hält.Subdiffusion can be minimized by using ion implantation for doping and keeping the subsequent temperature load low.

Die Verwendung von Polysilizium als Gateelektrode hat jedoch den Nachteil, daß der relativ hohe Schichtwiderstand des dotierten Polysiliziums längere Gatebahnen für Hochfrequenztransistoren nicht zuläßt.However, the use of polysilicon as a gate electrode has the disadvantage that the relatively high sheet resistance of the doped polysilicon does not permit longer gate paths for high-frequency transistors.

Der Schichtwiderstand des Polysiliziums läßt sich durch Einlegieren eines Metallfilms (Bildung von Metallsilizid) so verringern, daß, wie von Klassen in Solid State Electronics, 23 (1980) 23 beschrieben, über Mehrfachkontaktierung ca. 1 mm lange Gatebahnen für HF-Transistoren ermöglicht werden. Nachtelle dieser Technologievariante sind die größeren Abweichungen von den Standardtechnologien und die höhere Kompliziertheit.The sheet resistance of the polysilicon can be reduced by alloying a metal film (formation of metal silicide) so that, as described by classes in Solid State Electronics, 23 (1980) 23, about 1 mm long gate paths for RF transistors are possible via Mehrfachkontaktierung. The disadvantages of this technology variant are the larger deviations from the standard technologies and the higher complexity.

Eine Selbstjustagetechnologie mit niedrigem Gate-Bahnwiderstand unter Verwendung hochschmelzender Metalle als Gateelektrode wurde von Brown in Solid State Technol. 15(1972)33 beschrieben. Danach sind ebenfalls HF-Transistoren herstellbar. Nachteilig hierbei ist jedoch die geringe Beständigkeit der Gatemetatle bei Hochtemperaturprozessen, insbesondere deren hohe Oxydationsrate.A low gate resistive self-aligning technology using refractory metals as a gate electrode has been proposed by Brown in Solid State Technol. 15 (1972) 33. Thereafter, RF transistors are also produced. The disadvantage here, however, is the low resistance of the gate metals in high-temperature processes, in particular their high oxidation rate.

Eine weitere Selbstjustagevariante ist die von Shannon in Philips Technische Rundschau 31 (1970/71) 278 beschriebene Technologie mit Selbstjustageimplantation, wobei das Aluminiumgate als Dotiermaske wirkt. Danach sind allerdings nur Temperaturbelastungen unter 5700C möglich, bei denen die Strahlenschäden von der Implantation nicht voll ausheilen, wodurch die Bauelementeeigenschaften nachteilig beeinflußt werden.Another self-alignment variant is the Self-Alignment Implant Technology described by Shannon in Philips Technical Review 31 (1970/71) 278, the aluminum gate acting as a dopant mask. Thereafter, however, only temperature loads below 570 0 C are possible in which the radiation damage from the implantation does not fully heal, whereby the device properties are adversely affected.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist Ziel der Erfindung, MIS-Transistoren mit Gate-Selbstjustage für HF-Anwendungen herzustellen.It is an object of the invention to fabricate MIS transistors with gate self-alignment for RF applications.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches auf Basis der Siliziumgatetechnologie die Selbstjustage der Gateelektrode auf den zwischen Source und Drain liegenden Kanalbereich ermöglicht und bei dem gleichzeitig ein sehr niedriger Gate-Bahnwiderstand realisiert werden kann, ohne daß der Einsatz neuartiger Materialien gegenüber dem Standard-Siliziumgate-Prozeß erforderlich wird.The invention has for its object to provide a method which allows based on the silicon gate technology Selbstjustage the gate electrode on the lying between the source and drain channel region and at the same time a very low gate resistance can be realized without the use of novel materials over the standard silicon gate process is required.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Siliziumgate-Verfahren gelöst, bei dem der Abscheidung des Polysiliziums für das Gate die Abscheidung einer zusätzlichen Schicht, z. B. Siliziumnitrid folgt, die im anschließenden fotolithografischen Schritt zusammen mit der Polysiliziumschicht strukturiert wird, so daß bei der darauffolgenden Source-Drain-Dotierung, welche vorzugsweise mittels Arsen-Implantation ausgeführt wird, die Doppelschicht aus Polysilizium und Silizium nitrid als Dotiermaske für den Kanalbereich wirkt.According to the invention, this object is achieved by a silicon gate method in which the deposition of the polysilicon for the gate, the deposition of an additional layer, for. As silicon nitride follows, which is structured in the subsequent photolithographic step together with the polysilicon layer, so that in the subsequent source-drain doping, which is preferably carried out by arsenic implantation, the double layer of polysilicon and silicon nitride acts as a dopant mask for the channel region ,

Es ist wesentlich, daß der Dotierung eine intensive Oxydation folgt, bei welcher die auf dem Polysilizium befindliche zusätzliche Schicht als Oxydationsbarriere wirkt. Durch die Oxidation wird über den Diffusionsgebieten ein dickes Oxid erzeugt und außerdem die Siliziumgatebahn seitlich anoxydiert, was der Reduzierung der Gatekapazität dient.It is essential that doping be followed by intensive oxidation, in which the additional layer on the polysilicon acts as an oxidation barrier. The oxidation produces a thick oxide over the diffusion regions and also anoxides the silicon gate laterally, which serves to reduce the gate capacitance.

Erfindungsgemäß wird die zusätzliche Schicht mittels eines großflächigen Ätzschrittes in selektiv wirkendem Ätzmittel vor der Metallisierung entfernt und dadurch die Siliziumgatebahn freigelegt. Es ist weiterhin wesentlich, daß im weiteren Metallisierungs- und Strukturierungsprozeß über der Siliziumgatebahn eine Metallbahn erzeugt wird, die den niedrigen Gate-Bahnwiderstand bewirkt. Durch das dicke Oxid über den Diffusionsgebieten werden Überlappungskapazitäten der Metallelektrode klein gehalten, so daß die Anforderungen an die Qualität der Metallstrukturierung aus dieser Sicht gering sind. Ebenfalls der Reduzierung des Gate-Bahnwiderstandes dient die Dotierung des Polysiliziums, die gleich bei der Abscheidung oder in einem Dotierschritt danach ausgeführt werden kann.According to the invention, the additional layer is removed by means of a large-area etching step in selectively acting etchant prior to the metallization, thereby exposing the silicon gate. It is also essential that in the further metallization and patterning process over the silicon gate, a metal track is generated, which causes the low gate resistance sheet. Owing to the thick oxide over the diffusion regions, overlapping capacities of the metal electrode are kept small, so that the requirements on the quality of the metal structuring are low from this point of view. The doping of the polysilicon, which can be carried out at the same time as the deposition or in a doping step, also serves to reduce the gate-to-substrate resistance.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen Figur 1 bis Figur 6 den schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen DMOS-Transistors in wesentlichen Bearbeitungsetappen.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawings, Figure 1 to Figure 6 show the schematic cross section of a DMOS transistor according to the invention in substantial processing stages.

Auf der Oberfläche eines aus hochohmigem p-Silizium bestehenden Halbleitersubstrates 1 wird ein thermisches Oxid 2 von 75 nm erzeugt. Auf dieser Oxidschicht wird eine niederohmige phosphordotierte Poly-Si-Schicht 3 von 300 nm Dicke abgeschieden und auf dieser wiederum wird eine ca. 200 nm starke Si3N4-Schicht 4 abgeschieden (Figur 1).On the surface of a high-resistance p-type silicon semiconductor substrate 1, a thermal oxide 2 of 75 nm is generated. On this oxide layer, a low-resistance phosphorous-doped poly-Si layer 3 of 300 nm thickness is deposited and on this in turn an approximately 200 nm thick Si 3 N 4 layer 4 is deposited (Figure 1).

Durch einen fotolithografischen Prozeß werden die Diffusionsgebiete freigelegt, wobei mittels Plasmaplanarätzen die Si3N4-Schicht 4 und die Poly-Si-Schicht 3 in einem Schritt geätzt werden (Figur 2).By means of a photolithographic process, the diffusion regions are uncovered, the Si 3 N 4 layer 4 and the poly-Si layer 3 being etched in one step by means of plasma planar etching (FIG. 2).

Mittels eines bekannten Verfahrens (nach DD-WP 222731) werden nun die Source- und Draingebiete dotiert und später die simultane Tiefendiffusion zur Erzeugung eines Kurzkanals durchgeführt. Dazu wird in einem weiteren fotolithografischen Schritt eine Lackmaske 5 auf der Si-Scheibe erzeugt, die nur Öffnungen über den Sourcegebieten aufweist. Der Fotolack verhindert bei der anschließenden Borimplantation 6 die Dotierung des Draingebietes (Figur 3).By means of a known method (according to DD-WP 222731), the source and drain regions are now doped and later the simultaneous depth diffusion is carried out to produce a short channel. For this purpose, in a further photolithographic step, a resist mask 5 is produced on the Si wafer, which has only openings above the source regions. The photoresist prevents the subsequent boron implantation 6, the doping of the drain region (Figure 3).

Anschließend wird die Lackmaske 5 entfernt und die Arsendotierung 7 der Diffusionsgebiete vorgenommen (Figur 4).Subsequently, the resist mask 5 is removed and the arsenic doping 7 of the diffusion regions is performed (FIG. 4).

Nach der Implantation der beiden Dotiersubstanzen 6 und 7 folgt die simultane Tiefendiffusion, die derart durchgeführt wird, daß eine Eindringtiefe für das Arsen von ca. 2μτη und für Bor von ca. 3μ,ιη realisiert werden. Bei der Diffusion entsteht das gewünschte Doppeldotierungsprofil aus n+-Gebiet9a und p-Schicht 10 sourceseitig, sowie das einfachdotierte Drain-n+-GebietAfter the implantation of the two dopants 6 and 7, the simultaneous depth diffusion follows, which is carried out such that a penetration depth for the arsenic of about 2μτη and for boron of about 3μ, ιη be realized. During diffusion, the desired double-doping profile of n + -region 9a and p-layer 10 arises on the source side, as well as the single-doped drain-n + -region

Danach wird durch die Erzeugung eines mindestens 0,6μιη starken thermischen Oxides 8 das Poly-Si-Gate 11 eingebettet und gleichzeitig in seiner Stegbreite verringert (Figur 5).Thereafter, the poly-Si gate 11 is embedded by the generation of at least 0.6μιη strong thermal oxide 8 and simultaneously reduced in its ridge width (Figure 5).

Nach der Oxidation werden mittels Fotochemie die Kontaktgebiete für Source und Drain freigelegt, sowie durch großflächiges Überätzen die Si3N4-Schicht entfernt und somit das Poly-Si-Gate freigelegt. Anschließend wird die Si-Scheibe mit Al- bedampft und die Anschlußelektroden für Source 12, Gate 13undDrain14 strukturiert. Die Al-Bahn wird dabei über die gesamte Länge des Poly-Si-Gate's 11 gezogen, um den Leitbahnwiderstand weitgehendst zu senken.After oxidation, the contact areas for the source and drain are exposed by means of photochemistry, and the Si 3 N 4 layer is removed by extensive over-etching, thus exposing the poly-Si gate. Subsequently, the Si wafer is evaporated with Al and the terminal electrodes for source 12, gate 13 and drain 14 are patterned. The Al-web is thereby pulled over the entire length of the poly-Si gate 11 in order to reduce the track resistance as far as possible.

Claims (3)

Erfindungsanspruch:Invention claim: 1. MIS-Transistor, bestehend aus einem Source-und einem Draingebiet sowie einer aus Polysilizium bestehenden Gateelektrode, gekennzeichnet dadurch, daß die Gateelektrode in dickes Oxid eingebettet, oberflächlich oxidfrei und durch eine darübergezogene Metallbahn in voller Länge niederohmig kontaktiert ist.1. MIS transistor, consisting of a source and a drain region and a polysilicon existing gate electrode, characterized in that the gate electrode embedded in thick oxide, superficially oxide-free and contacted by a metal strip over it full length low resistance. 2. Verfahren zur Herstellung eines MIS-Transistors nach Punkt 1, basierend auf der Standard-Silizium-Gatetechnik, gekennzeichnet dadurch, daß nach der Abscheidung der Polysiliziumschicht eine oxydationsmaskierende Schicht abgeschieden wird, die im anschließenden fotolithografischen Verfahrensschritt zusammen mit der Polysiliziumschicht strukturiert wird, und daß nach der Dotierung der Source-Drain-Gebiete eine intensive thermische Oxydation folgt sowie vor der Metallisierung, bei der das Polysiliziumgate über eine Metallbahn in voller Länge kontaktiert wird, die oxydationsmaskierende Schicht mittels großflächiger Überätzung in selektiv wirkendem Ätzmittel wieder entfernt wird.2. A method for producing a MIS transistor according to item 1, based on the standard silicon gate technology, characterized in that after the deposition of the polysilicon layer, an oxidation-masking layer is deposited, which is structured in the subsequent photolithographic process step together with the polysilicon layer, and that after the doping of the source-drain regions, an intense thermal oxidation follows and before the metallization, in which the polysilicon gate is contacted over a full-length metal track, the oxidation-masking layer is removed again by means of extensive overetching in selectively acting etchant. 3. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die oxydationsmaskierende Schicht aus Siliziumnitrid besteht.3. The method according to item 2, characterized in that the oxidation-masking layer consists of silicon nitride.
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