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GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung integrierter Schaltungen
und betrifft insbesondere die Herstellung von Dioden in integrierten
Schaltungen, die für
ESD-(elektrostatische
Entladung)Schutz, Temperaturüberwachung
und dergleichen verwendet werden können.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER
TECHNIK
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In
modernen integrierten Schaltungen, etwa in Mikroprozessoren, wird
eine große
Anzahl von Schaltungselementen, insbesondere Transistoren, auf einer
beschränkten
Chipfläche
angeordnet und betrieben. Obwohl in den vergangen Jahren große Fortschritte
hinsichtlich des Leistungsverhaltens und der Strukturgröße der Schaltungselemente
erreicht wurden, zwingt die ständige
Nachfrage für
eine verbesserte Funktionalität
elektronischer Geräte
Halbleiterhersteller dazu, die Abmessungen der Schaltungselemente
ständig
zu reduzieren und deren Arbeitsgeschwindigkeit zu erhöhen. Eine
vielversprechende Entwurfsalternative für hoch entwickelte integrierte
Schaltungen mit reduzierter parasitärer Kapazität und damit der Möglichkeit
zum Erreichen höherer
Verarbeitungsgeschwindigkeiten stellen sogenannte SOI-(Silizium
auf Isolator)Bauteile dar, die in und auf einer dünnen kristallinen
Siliziumschicht hergestellt werden, die auf einem isolierenden Substrat angeordnet
ist. Seit kurzem sind SOI-Substrate
mit einer darauf gebildeten kristallinen Siliziumschicht mit vergleichbarer
Qualität
zu Volumensiliziumsubstraten bei vernünftigen Kosten verfügbar und
machen hoch entwickelte Schaltungen, etwa Mikroprozessoren und dergleichen,
zu attraktiven Kandidaten für
die Herstellung auf SOI-Substraten.
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Obwohl
SOI-Bauteile eine Reihe von Vorteilen auf Grund der Tatsache bieten,
dass die Schaltungselemente vollständig von benachbarten Schaltungselementen
isoliert sind, können
zusätzliche Probleme,
die bei auf Volumensilizium hergestellten Bauteilen (Volumenbauteilen)
nicht auftreten, entstehen, oder andere Probleme, die auch bei Volumenbauteilen
in Erscheinung treten, können
in SOI-Bauteilen verstärkt
auftreten. Beispielsweise ist das Potentialtopfgebiet eines Transistorbauteils
typischerweise isoliert und liegt auf schwebendem Potential, wobei
beispielsweise Minoritätsladungsträger sich ansammeln
und die Transistoreigenschaften, etwa dessen Schwellwertspannung nachteilig
beeinflussen können.
Daher müssen
gewisse Gegenmaßnahmen,
etwa in Form zusätzlicher
Substratkontakte, eine Bandlückenanpassung,
und dergleichen vorgenommen werden, um das gewünschte Transistorverhalten
zu erreichen. Ferner kann die Wärmeleitfähigkeit
in SOI-Bauteilen typischerweise deutlich geringer als in Volumenbauteilen
sein auf Grund der geringeren Wärmeleitfähigkeit
der isolierenden Schicht, die die Schaltungselemente beherbergende
Halbleiterschicht von dem Substrat trennt. Daher muss im Wesentlichen
die gesamte in der Halbleiterschicht erzeugte Wärme über die elektrischen Verbindungsleitungen
abgegführt
werden. Das Problem der Wärmeableitung
wird in modernen integrierten Schaltungen zunehmend relevant, da
diese typischerweise bei hohen Taktfrequenzen betrieben werden und
eine äußerst hohe
Packungsdichte aufweisen, die mit jeder neuen Schaltungsgeneration
noch zunimmt. Ferner besteht in SOI-CMOS-Bauteilen weiterhin die
Gefahr der Beschädigung
der Schaltungselemente durch elektrostatische Entladungen, wie dies
auch bei Volumenbauteilen der Fall ist. Daher müssen wirksame Diodenstrukturen
zum Ableiten der Überschussladungen
vorgesehen werden, wobei der gesamte Strom und die damit verknüpfte Wärme von
den dotierten Gebieten und den elektrischen Kontakten, die damit
verbunden sind, geführt
werden muss. Da relativ hohe Ströme
abgeführt
werden müssen,
kann dabei eine beträchtliche
Menge zusätzlicher
Wärme erzeugt
werden.
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Es
ist daher äußerst wichtig,
Diodenstrukturen in SOI-Bauteilen zu schaffen, die Eigenschaften zeigen,
die möglichst
nahe an die Eigenschaften einer idealen Diode herankommen, wodurch
es möglich
ist, die chipinterne Temperatur und/oder die Schaltung bei Auftreten
von ESD-Ereignissen wirksam zu überwachen
bzw. zu schützen.
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Mit
Bezug zu 1 wird nun eine konventionelle
Siliziumdiodenstruktur, wie sie in SOI-Bauteilen verwendet wird, nunmehr detaillierter
beschrieben, um einige der damit verknüpften Probleme darzulegen.
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In 1 umfasst
eine Halbleiterstruktur 100 ein Substrat 101,
beispielsweise ein Siliziumsubstrat, mit einer darauf gebildeten
isolierenden Schicht 102, die im Allgemeinen als vergrabene
Oxidschicht bezeichnet wird, da häufig die isolierende Schicht 102 Siliziumdioxid
aufweist. Eine Halbleiterschicht 103 ist auf der isolierenden
Schicht 102 gebildet und umfasst Isolationsgräben 104,
die ein aktives Gebiet 105 umschließen. Das aktive Gebiet 105 kann
Dotierstoffe, etwa P-Dotierstoffe in Form von Bor aufweisen. Ein
hoch dotiertes P-Gebiet 106 und ein hoch dotiertes N-Gebiet 107 sind
in dem aktiven Gebiet 105 gebildet, wobei das hoch dotierte
N-Gebiet 107 zusammen mit dem P-dotierten aktiven Gebiet 105 einen PN-Übergang 108 bildet.
Eine dünne
isolierende Schicht 109, die auch als Gateisolationsschicht
bezeichnet wird, ist auf dem aktiven Gebiet 105 gebildet und
trennt eine Leitung 110, etwa eine Polysiliziumleitung,
von dem aktiven Gebiet 105. Das P-Gebiet 106,
das N-Gebiet 107 und die Polysiliziumleitung 110 weisen
Silizidgebiete 111 auf mit einem Silizid aus einem geeigneten
hoch schmelzenden Metall, etwa mit Kobalt, Nickel, Titan und dergleichen.
Ferner sind Seitenwandabstandselemente 112 an Seitenwänden der
Polysiliziumleitung 110 gebildet. Im Prinzip kann das soweit
beschriebene Schaltungselement als eine typische Transistorstruktur
betrachtet werden mit Ausnahme der hoch dotierten Gebiete 106 und 107,
die zueinander invers dotiert sind, anders als in einem normalen
N-Kanal MOS-Transistor, der zwei hoch dotierte N-Gebiete aufweisen
würde. Auf
Grund der Ähnlichkeit
mit einer gewöhnlichen MOS-Transistorstruktur
wird die Polysiliziumleitung 110 auch als eine Gateelektrode 110 bezeichnet.
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Die
Halbleiterstruktur 100 umfasst ferner Anschlusspfropfen 113 und 114 mit
beispielsweise Wolfram und möglicherweise
einer geeigneten Barrierenschicht (nicht gezeigt), um verbesserte
diffusionshindernde Eigenschaften und eine verbesserte Haftung zu
einer umgebenden isolierenden Schicht 115 bereitzustellen,
die beispielsweise Siliziumdioxid auf weisen kann. Die Kontaktpfropfen 113 und 114 können mit
entsprechenden Metallgebieten oder Metallleitungen 116 und 117 verbunden
sein, wobei der Kontaktpfropfen 114 zusätzlich mit der Gateelektrode 110,
beispielsweise in Form einer lokalen Verbindung (nicht gezeigt),
verbunden ist. Die Metallleitungen 116, 117 sollen
eine oder mehrere Metallisierungsschichten repräsentieren, die erforderlich
sind, um die elektrische Verbindung zu anderen Schaltungselementen
oder zu peripheren Bauelementen herzustellen.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Halbleiterstruktur 100 kann
die folgenden Prozesse umfassen. Das Substrat 101 mit der
isolierenden Schicht 102 und der Halbleiterschicht 103 kann durch
gut bekannte Wafer-Bond-Techniken hergestellt werden, die es ermöglichen,
die Halbleiterschicht 103 mit einer Qualität der kristallinen
Struktur identisch zu jener von Volumensubstraten bereitzustellen.
Anschließend
können
die Isolationsstrukturen 104 durch gut etablierte Photolithographie-,
Abscheide- und Ätzverfahren
gebildet werden. Danach werden die Gateisolationsschicht 109 und
die Gateelektrode 110 entsprechend einem typischen Prozessablauf
zur Herstellung von Transistorstrukturen, die gleichzeitig an anderen
Bereichen des Substrats 101 vorzusehen sind, gebildet.
Die laterale Abmessung der Gateelektrode 110 kann entsprechend
den Entwurfserfordernissen so eingestellt werden, dass eine geeignete
Implantationsmaske für
nachfolgende Implantationsschritte bereitgestellt wird.
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Vor
der Herstellung der Gateelektrode 110 können ein oder mehrere Implantationsschritte
so ausgeführt
werden, um ein gewünschtes
Dotierstoffprofil in dem aktiven Gebiet 105 zu erzeugen.
Anschließend
wird die Gateelektrode 110 durch Strukturieren einer Polysiliziumschicht
(nicht gezeigt) gebildet, wobei gut etablierte Photolithographie-
und Ätztechniken
angewendet werden. Als nächstes
wird ein weiterer Implantationsschritt ausgeführt, um beispielsweise das
N-Gebiet 107 zu bilden, wobei der Teil des aktiven Gebiets 105,
der das Gebiet 106 aufnehmen soll, durch eine entsprechende
Lackmaske (nicht gezeigt) abgedeckt ist. Danach kann die Lackmaske
entfernt werden und eine weitere Lackmaske kann über dem N-Gebiet 107 gebildet
werden; eine weitere Implantationssequenz wird dann ausgeführt, um
das P-Gebiet 106 zu erzeugen. Während der Implantationsprozesse
zur Herstellung der Gebiete 106, 107 können die
entsprechenden Lackmasken im Wesentlichen das Eindringen von Dotierstoffen
in das entsprechende abgedeckte Gebiet vermeiden, wobei jedoch die
Gateelektrode 110 die präzise Einstellung des Dotierstoffprofile
des Gebietes 106, 107 unter der Gateisolationsschicht 109 sicherstellt.
Daher bestimmt die Gateelektrode 110 im Wesentlichen die
Eigenschaften, d. h. die Dotierstoffkonzentration, des PN-Übergangs 108. Typischerweise
werden die Implantationssequenzen unter Bedingungen und mit Prozessparametern
ausgeführt,
wie sie für
die gleichzeitige Herstellung anderer Transistorelemente erforderlich
sind. Daher kann die Implantationssequenz ferner fortschrittliche
Implantationstechniken aufweisen, etwa Implantationen unter einem
Neigungswinkel und eine Halo-Implantation, wie sie typischerweise
für hoch
entwickelte Transistorstrukturen erforderlich ist. Obwohl diese
Implantationsverfahren deutliche Vorteile für die Transistorstrukturen
liefern, kann die Eigenschaft des PN-Übergangs 108, der
im Wesentlichen das Diodenverhalten der Halbleiterstruktur 100 bestimmt,
deutlich von der idealen Diodencharakteristik abweichen. Ferner
können
Kurzkanaleffekte sowie der Effekt des potentialfreien Substratkörpers zusätzliche
komplexe Dotierstoffprofile innerhalb des aktiven Gebiets 105 erforderlich
machen, die die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterstruktur 100 weiter
nachteilig beeinflussen können.
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Danach
können
die Seitenwandabstandselemente 112 durch das Abscheiden
eines isolierenden Materials und anisotropes Ätzen des dielektrischen Materials
gebildet werden. Als nächstes
wird eine hochschmelzende Metallschicht über der Struktur 100 gebildet
und eine Wärmebehandlung
wird ausgeführt,
um die Silizidgebiete 111 in den Gebieten 106, 107 und
der Gateelektrode 110 zu bilden. Danach wird die dielektrische
Schicht 115 durch ein beliebiges geeignetes Abscheideverfahren
hergestellt und die Kontaktpfropfen 113 und 114 werden
durch Ätzen
entsprechender Kontaktdurchführungen
in die dielektrische Schicht 115 und Auffüllen dieser
Durchführungen
mit einem geeigneten Barrierenmetall und einem Kontaktmetall gebildet.
Während
der Herstellung der Kontaktpfropfen 113, 114 wird
auch eine elektrische Verbindung (nicht gezeigt) zu der Gateelektrode 110 gebildet,
um ein definiertes Potential an der Gateelektrode 110 während des
Betriebs der Halbleiterstruktur 100 zu erreichen. Schließlich werden
eine oder mehrere Metallisierungsschichten gebildet, die durch die
Metallgebiete und Leitungen 116, 117 repräsentiert
sind, um die erforderlichen elektrischen Verbindungen zu anderen
Schaltungselementen und/oder der Peripherie bereitzustellen.
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Während der
betrieblichen Nutzung der Halbleiterstruktur 100, die als
eine Diode fungiert, sind das Gebiet 106, das als eine
Anode dient und das Gebiet 107, das als eine Kathode dient,
der Diodenstruktur elektrisch entsprechend dem interessierenden
Schaltungsaufbau verbunden. Beispielsweise kann eine an die Gebiete 106 und 107 angelegte Spannung
einen Strom durch den PN-Übergang 108 erzeugen,
wobei der Strom im Wesentlichen exponentiell von der angelegten
Spannung und der Temperatur abhängt.
Abhängig
von der „Idealität" des PN-Übergangs 108 kann
die Temperatur mehr oder minder genau überwacht werden. Wie zuvor
erwähnt ist,
können
geneigte Halolmplantationen sowie weitere technisch weit entwickelte
Implantationsschemata zur Steuerung des Effekts des potentialfreien
Körpers
einen deutlichen Einfluss auf die Diodencharakteristik ausüben. Ferner
erfordert die ständige
Reduzierung der Halbleiterbauelemente eine entsprechende Verringerung
der Dicke der Halbleiterschicht 103. Die MOS-Struktur,
d. h. die leitende Gateelektrode 110, die Gateisolationsschicht 109 und
das darunter liegende aktive Gebiet 105 können ein
Verarmungsgebiet in dem aktiven Gebiet 105 hervorrufen, das
ebenso das Verhalten des PN-Übergangs 108 beeinflussen
kann. Ein entsprechendes Verhältnis zwischen
einem verarmten Gebiet unterhalb der Gateisolationsschicht 109 und
einem quasi-neutralen Gebiet, das der das Diodenverhalten des PN-Übergangs 108 wesentliche
bestimmende Faktor ist, hängt
für gewöhnlich von
der Dicke der Schicht 103 ab. Folglich kann eine ständig fortschreitende
Reduzierung der Dicke der Schicht 103, wie dies für die Größenreduzierung
von SOI-Bauteilen
erforderlich ist, zunehmend negativ die Diodencharakteristiken der
Struktur 100 beeinflussen. In äußersten Fällen kann das aktive Gebiet 105 vollständig verarmt sein, woraus
eine im Wesentlichen vollständige
Aufhebung der Diodenwirkung der Struktur 100 resultiert. Somit
kann eine zunehmende Skalierung von SOI-Bauteilen zu einer reduzierten
Idealität
der integrierten Diodenstruktur führen.
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Die
Patentanmeldung
US
2002/0063288 A1 offenbart eine integrierte Diode, die in
einem SOI-Prozess gebildet wird, in dem eine FET-Gateelektrode als
Implantationsmaske dient und den PN-Übergang während des Silizidbildungsprozesses vor
Kurzschlüssen
schützt.
In einer weiteren Ausführungsform
werden zwei Photolackmasken verwendet, um den pn-Übergang
zu definieren und ein Siliziumnitridgebiet wird verwendet, um die
Silizidkontaktgebiete zu definieren und den PN-Übergang zu passivieren.
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Die
Patentschrift
US 4 616
404 A offenbart ein Verfahren zum Bilden lateraler Polysiliziumdioden auf
Substraten, die IC-Strukturen aufweisen. Eine Oxidschicht
32 wird
auf einer Polysiliziumschicht
20 und darauf eine weitere
Oxidschicht
60 und Siliziumnitridschichten
44,
46 gebildet.
Die Diode wird in der Polysiliziumschicht durch Implantation von
Bor unter Verwendung einer Implantationsenergie, die ausreichend
ist die Oxidschicht und die Nitridschichten zu durchdringen, gebildet.
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Die
Patentschrift
US 6
670 255 B2 offenbart Diodenstrukturen mit konzentrisch
angeordneten P- und N-Gebieten, die gemeinsam mit Bipolartransistoren
gefertigt werden.
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Angesicht
der oben dargelegten Probleme besteht ein Bedarf für eine verbesserte
Technik zur Herstellung von Diodenstrukturen auf einem SOI-Substrat,
die verbesserte Diodeneigenschaften für größenreduzierte SOI-Bauteile
zulässt.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an eine Technik
zur Herstellung von Diodenstrukturen in einem SOI-Bauteil, wobei
eine MOS-Struktur vermieden wird, derart, dass eine Leitung durch
ein dielektrisches Gebiet ersetzt wird, das als eine Implantationsmaske
und als ein Silizid verhinderndes Gebiet dient.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Vorrichtungen
gemäß den Ansprüchen 1 und
8 und durch das Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gegen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird;
es zeigen:
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1 schematisch
eine konventionelle Diodenstruktur für SOI-Bauteile; und
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2a bis 2f schematisch
Querschnittsansichten bzw. Draufsichten einer Diodenstruktur während diverser
Herstellungsphasen gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2e werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
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In 2a umfasst
eine Halbleiterstruktur 200 ein Substrat 201,
das ein dielektrisches Substrat, ein Halbleitersubstrat oder ein
beliebiges anders Substrat, das zur Herstellung von Halbleiterbauelementen
als geeignet betracht wird, sein kann. Eine isolierende Schicht 202 ist
auf dem Substrat 201 gebildet, wobei die isolierende Schicht 202 aus
einem beliebigen geeigneten dielektrischen Material gebildet sein
kann. In einer speziellen Ausführungsform
ist das Substrat 201 ein Siliziumsubstrat und die isolierende
Schicht 202 ist im Wesentlichen aus Siliziumdioxid aufgebaut.
Eine Halbleiterschicht 203 ist auf der isolierenden Schicht 202 gebildet
und kann ein halbleitendes Material mit hoher kristalliner Qualität aufweisen,
und, in einer speziellen Ausführungsform, weist
die Schicht 203 kristallines Silizium auf. Grabenisolationen 204 mit
einem geeigneten isolierenden Material, etwa Siliziumdioxid und/oder
Siliziumnitrid für
Halbleiterbauelemente auf Siliziumbasis können in der Halbleiterschicht 203 gebildet
sein und definieren darin ein aktives Gebiet 205. In diesem
Zusammenhang ist ein aktives Gebiet als ein Halbleitergebiet zu
betrachten, das einen Strom leiten soll und dessen Leitfähigkeit
eingestellt wird, indem darin Dotierstoffe vorgesehen werden.
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Über dem
aktiven Gebiet 205 ist ein dielektrisches Maskengebiet 210 gebildet
mit einer Form und Abmessung, die ein geeignetes Abschirmen eines
Teils des aktiven Gebiets 205 in nachfolgenden Implantationsprozessen
ermöglichen,
wie dies später beschrieben
ist. Das dielektrische Maskengebiet 210 kann aus einem
geeigneten isolierenden Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid,
oder einem anderen Material, das für die Halbleiterstruktur 200 geeignet
und mit den Herstellungsprozessen kompatibel ist, gebildet sein.
In einer anschaulichen Ausführungsform
kann eine dielektrische Schicht 209 zwischen dem dielektrischen
Maskengebiet 210 und dem aktiven Gebiet 205 vorgesehen
sein. Die isolierende Schicht 209 kann eine Dicke aufweisen,
die im Wesentlichen einer Dicke einer Gateisolationsschicht von
Transistorelementen entspricht, die in anderen Bereichen des Substrats 201 gebildet
werden können.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der in 2a gezeigten
Halbleiterstruktur 200 kann die folgenden Prozesse beinhalten.
Zunächst
kann das Substrat 201 mit der isolierenden Schicht 202 und
der Halbleiterschicht 203 durch fortschrittliche Substratverbindungstechniken
hergestellt oder als ein SOI-Substrat bereitgestellt werden, wie
es von einer Vielzahl von Halbleiterzulieferern erhältlich ist. Danach
werden die Grabenisolationen 204 durch lithographische
Strukturierung eines Lackes und anisotropes Ätzen entsprechender Gräben in die
Halbleiterschicht 203 gebildet. Anschließend werden
die Gräben
mit einem oder mehreren geeigneten dielektrischen Materialien gefüllt und
das überschüssige dielektrische
Material kann dann durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) abgetragen
werden. Als nächstes
kann die isolierende Schicht 209, falls diese vorgesehen
ist, durch fortschrittliche Abscheideverfahren und/oder Oxidationsprozesse,
wenn die isolierende Schicht 209 im Wesentlichen ein Oxid
aufweist, gebildet werden. Anschließend kann eine isolierende
Materialschicht abgeschieden und nachfolgend durch fortschrittliche
lithographische Techniken strukturiert werden, um das dielektrische
Maskengebiet 210 zu bilden. In einer anschaulichen Ausführungsform
kann das dielektrische Maskengebiet 210 unmittelbar auf
dem aktiven Gebiet 205 gebildet werden. Die Form des dielektrischen
Maskengebiets 210 kann entsprechend den Entwurfserfordernissen
gewählt
werden, wobei der Zweck der Halbleiterstruktur 200, die
als eine Diodenstruktur fungiert, die schließlich ausgewählte Ausgestaltung
des dielektrischen Maskengebiets 210 und der Halbleiterstruktur 200 beeinflussen
kann. Beispielsweise repräsentiert
in der in 2a dargestellten anschaulichen
Ausführungsform
das dielektrische Maskengebiet 210 eine im Wesentlichen
gerade Leitung dar, wohingegen in anderen Ausführungsformen das dielektrische
Maskengebiet 210 eine andere geeignete Form aufweisen kann,
etwa eine geschlossene Schleife, die mehrere zusammenhängende geradlinige
Elemente enthält.
Eine Höhe
und eine seitliche Abmessung des dielektrischen Maskengebiets 210 ist
so gewählt,
um ein erforderliches Blockiervermögen bereitzustellen, um unterhalb
des dielektrischen Maskengebiets 210 in dem aktiven Gebiet 205 während anschließender Implantationsschritte,
die später
beschrieben werden, ein Dotierprofil zu erzeugen. Beispielsweise kann
eine laterale Abmessung des dielektrischen Maskengebiets 210 im
Bereich von ungefähr
0.03 μm bis
0.2 μm liegen,
wohingegen eine Höhe
davon im Bereich von ungefähr
30 bis 100 Nanometer (nm) liegen kann.
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2b zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 200 in einem weiter
fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Eine Lackmaske 220 ist über einem
Teil der Halbleiterstruktur 200 so gebildet, um einen Teil
des aktiven Gebiets 205 abzuschirmen, der einen N-Dotierstoff empfangen
soll, und um einen Teil des aktiven Gebiets 205 für einen
Ionenbeschuss 221 freizulegen, um ein P-dotiertes Gebiet 206 zu
bilden.
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Die
Lackmaske 220 wird durch standardmäßige Photolithographietechniken
gebildet, wobei das Ausrichten einer entsprechenden Photolithographiemaske
in Bezug auf das Substrat 201 nicht kritisch ist, solange
die Lackmaske 220 nicht einen Bereich des aktiven Gebiets 205 abdeckt,
in welchem das P-Gebiet 206 gebildet wird. Somit liefert
die laterale Abmessung des dielektrischen Maskengebiets 210 eine
ausreichende Toleranz bei der Justierung der photolithographischen
Maske des Substrats 201. Nach der Herstelldung der Lackmaske 220 wird
eine Ionenimplantation ausgeführt,
die durch den Ionenbeschuss 221 repräsentiert ist, um das P-Gebiet 206 zu
bilden, das eine erforderliche Dotierstoffkonzentration in dem aktiven
Gebiet 205 aufweist. Der Einfachheit halber wird angenommen,
dass das aktive Gebiet 205 an sich leicht P-dotiert ist,
wohingegen in anderen Ausführungsformen
das aktive Gebiet 205 N-dotiert sein kann. Während des
Ionenbeschusses 221, der mit einer geeigneten Implantationsenergie und
Dosis, die auf die Dicke der Schicht 203 und auf den einzubringenden
Dotierstoff, etwa Bor, Indium und dergleichen, zugeschnitten sind,
und die möglicherweise
Implantationsschritte unter einem Neigungswinkel enthalten, bestimmt
das dielektrische Maskengebiet 210 im Wesentlichen das
Dotierstoffprofil, d. h. den Dotierstoffgradienten an dem Übergang
zwischen dem aktiven Gebiet 205 und dem Gebiet 206.
D. h., das Dotierstoffprofil kann durch Einstellen der lateralen
Abmessung, d. h. einer Breite, des dielektrischen Maskengebiets 210 in
Bezug auf die Eigenheiten der Implantation, etwa den Neigungswinkel,
und eines nachfolgenden Ausheizzyklusses gesteuert werden. Wenn
beispielsweise eine geringe Breite des dielektrischen Maskengebiets 210 für gegebene
Implantations- und nachfolgende Ausheizbesonderheiten ausgewählt wird,
kann die Dotierstoffkonzentration zwar abnehmen, kann jedoch eine
beträchtliche
Ausdehnung unterhalb des Randes des dielektrischen Maskengebiets 210 erreichen. In
Kombination mit einem nachfolgenden Implantationsprozess, wie dies
anschließend
beschrieben wird, kann dann dieser Abstand die endgültige Dotierstoffkonzentration
an einem zu bildenden PN-Übergang
bestimmen.
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2c zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 200 in einer ähnlichen
Anordnung wie in 2b, mit Ausnahme, dass eine
zweite Lackmaske 223 über
der Struktur 200 so gebildet ist, um einen Teil des aktiven
Gebiets 205 für
einen zweiten Ionenbschuss 222 freizulegen, wodurch ein
N-Gebiet 207 geschaffen wird. Das N-Gebiet 207 und
das aktive Gebiet 205, das leicht P-dotiert ist, bilden
einen PN-Übergang 208,
dessen Position im Wesentlichen durch die Prozessparamater des Ionenbeschusses 222 und
die Abmessung und die Position des dielektrischen Maskengebiets 210 bestimmt
ist. Die Prozessparameter, etwa die Implantationsenergie, die Dosis,
die Art des Dotierstoffmaterials, der Neigungswinkel und dergleichen
können
ausgewählt
werden, wie dies durch die Entwurfserfordernisse für die Struktur 200 vorgegeben
ist. Es sollte beachtet werden, dass die genauen Eigenschaften des
PN-Übergangs 208 von
weiteren Prozessbesonderheiten, etwa von beliebigen Ausheizzyklen
zur Aktivierung der Dotierstoffe und zum Ausheilen von Gitterschäden, die
während
der Ionenbeschüsse 221 und 222 hervorgerufen
wurden, abhängen.
Da typischerweise die Prozessparameter, etwa die Temperatur und
die Dauer von Ausheizzyklen zur Aktivierung der Dotierstoffe in
den Gebieten 206 und 207 von entsprechenden Ausheizzyklen
abhängen
können,
die für
weitere Transistorstrukturen, die auch auf dem Substrat 201 gebildet
werden können,
werden die Abmessungen des dielektrischen Maskengebiets 210 in
Verbindung mit den Prozessparametern der Ionenbeschüsse 221, 222 so
gewählt,
dass das Dotierstoffprofil des PN-Übergang 208 unmittelbar
nach dem Implantieren und anschließend nach dem Ausheizzyklus
einen Dotierstoffgradienten aufweist, wie dies zum Erreichen einer
im Wesentlichen idealen Diodencharakteristik erforderlich ist. D.
h., die Abmessungen des dielektrischen Maskengebiets 210 werden
so gewählt, um
eine gewünschte
Abnahme in der Dotierstoffkonzentration in Richtung auf den PN-Übergang 208 zu erhalten,
die zu einer Diodencharakteristik anstatt zu einem Zener–Diodenverhalten
führt,
das man ansonsten mit den hohen Dotierstoffkonzentrationen erhalten
würde,
die an dem nicht abgedeckten Bereich des Gebiets 207 vorherrschen.
Zu betonen ist, dass im Gegensatz zu der in 1 gezeigten
konventionellen Diodenstruktur die Halbleiterstruktur 200 keine MOS-Struktur
aufweist, wobei das dielektrische Maskengebiet 210 es ermöglicht,
die Dotierstoffkonzentration und die Position des PN-Übergangs 208 präzise zu
definieren. Auf Grund des Bereitstellens des dielektrischen Maskengebiets 210 ist
der PN-Übergang 208 daher „selbstjustierend" in dem Sinne, dass seine
Position durch die Position des Maskengebiets 210 bestimmt
ist.
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2d zeigt
schematisch auf der rechten Seite eine Draufsicht der Halbleiterstruktur 200 gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die allgemeine Form der Halbleiterstruktur 200 ist ähnlich zur
Ausgestaltung einer typischen Transistorstruktur eines MOS-Transistors, der
in SOI-Bauteilen verwendet ist. D. h., das P-dotierte Gebiet 206 und
das N-dotierte Gebiet 207 sind nebeneinander in einer „linearen" Konfiguration angeordnet.
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Die
linke Seite der 2d zeigt schematisch eine Draufsicht
einer weiteren anschaulichen Ausführungsform, wobei das dielektrische
Maskengebiet 210 das im Wesentlichen quadratförmige Gebiet 207 umschließt, und
das P-Gebiet 206 das N-aktive Quadrat 207 umgibt,
wobei der PN-Übergang 208 (nicht gezeigt)
dazwischen angeordnet ist. Die Ausgestaltungen, die in 2b gezeigt
sind, sind lediglich anschaulicher Natur und andere Diodenstrukturausgestaltungen
können
verwendet werden, wenn dies für einen
gewissen Zweck als geeignet erachtet wird. Beispielsweise können die
Art der Dotierstoffe der auf der linken Seite gezeigten Ausführungsform
ausgetauscht werden und die quadratische Form kann durch eine andere
geeignete Form, beispielsweise eine rechteckige Form, je nach Bedarf,
ersetzt werden. Insbesondere die auf der linken Seite in 2d dargestellte
Ausführungsform
stellt eine deutlich vergrößerte Fläche für den PN-Übergang 208 im
Vergleich zu einer linearen „transistor-artigen" Konfiguration bereit
und ermöglicht
damit, dass relativ hohe Ströme
durch den PN-Übergang 208 fließen, die
in einer linearen Anordnung, wie sie auf der rechten Seite in 2d dargestellt
ist, oder im Falle der in 1 gezeigten
konventionellen Diodenstruktur zu einer äußerst hohen Wärmeentwicklung
führen
würden.
Daher ist, zusätzlich
zur Vermeidung einer MOS-Struktur auf Grund des Vorsehens eines
dielektrischen Materials anstelle einer Polysiliziumleitung, ein
hohes Maß an
Entwurfsflexibilität
durch die vorliegende Erfindung gegeben.
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2e zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 200 mit Silizidgebieten 211,
die in dem P-Gebiet 206 und
in dem N-Gebiet 207 gebildet sind. Die Silizidgebiete 211 können ein
beliebiges geeignetes Silizid eines hochschmelzenden Metalls, etwa
Titan, Tantal, Wolfram, Kobalt, Nickel und dergleichen aufweisen.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der in 2e gezeigten
Halbleiterstruktur 200 kann ausgehend von der in 2c dargestellten
Konfiguration die folgenden Schritte aufweisen. Nach dem Entfernen
der Lackmaske 223 (vergleiche 2c) kann
ein Ausheizzyklus ausgeführt
werden, um die Dotierstoffe in den Gebieten 206 und 207 zu
aktivieren und um implantationsinduzierte Kristallschäden in den
Gebieten 206 und 207 auszuheilen. In diesem Zusammenhang
sollte hervorgehoben werden, dass für gewöhnlich eine Vielzahl anderer
Schaltungselemente, etwa MOS-Transistoren, während der Prozesssequenz zur
Herstellung der Halbleiterstruktur 200 gebildet werden.
Daher können
vor und nach der Herstellung des dielektrischen Maskengebiets 210 ein
oder mehrere Prozessschritte durchgeführt werden, um beispielsweise
Gateelektroden für
Transistorelemente auf anderen Bereichen des Substrats 201 zu
bilden. In einer speziellen Ausführungsform wird
das dielektrische Maskengebiet 210 nach der Herstellung
von Gateelektroden auf anderen Bereichen des Substrats 201 gebildet.
Ferner können
der Ionenbeschuss 221 und 222 in Kombination mit
entsprechenden Implantationsprozessen ausgeführt werden, die für die Herstellung
von P-Kanaltransistoren
und N-Kanaltransistoren erforderlich sind. In einer anschaulichen
Ausführungsform
kann eine Lackmaske (nicht gezeigt) vorgesehen werden, die im Wesentlichen
die Halbleiterstruktur 200 während einer Halo-Implantation
abdeckt, die für
technisch fortschrittliche Transistorelemente für SOI-Bauelemente erforderlich
ist, wodurch nachteilige Auswirkungen der Halo-Implantation auf
den PN-Übergang 208 vermieden
werden. In anderen Ausführungsformen kann
das Erzeugen eines geeigneten Dotierstoffprofiles in einem Transistorelement
die Herstellung von Seitenwandabstandselementen an entsprechenden Gatelelektroden,
etwa wie die Seitenwandabstandselemente 112 in 1,
erfordern. Daher kann es geeignet sein, auch dielektrische Seitenwandabstandselemente
an Seitenwänden
des dielektrischen Maskengebiets 210 zusammen mit den entsprechenden
Abstandselementen der Transistoren zu bilden. In diesem Falle wird
die anfängliche
laterale Breite des dielektrischen Maskengebiets 210 so
gewählt, dass
die schließlich
erreichte laterale Abmessung einschließlich der dielektrischen Seitenwandabstandselemente
zu der gewünschten
Gesamtbreite aus der Kombination der Seitenwandabstandselemente
und des dielektrischen Maskengebiets 210 führt.
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Unberührt von
den zusätzlichen
Prozessschritten, die zuvor beschrieben sind, wird dann ein hochschmelzendes
Metall über
der Struktur 200 entsprechend den Entwurfserfordernissen
abgeschieden, die so gewählt
werden können,
um in Übereinstimmung
mit Transistorelementen zu sein, die zusätzlich auf dem Substrat 201 gebildet
werden. Durch Ausführen
eines geeigneten Ausheizzyklusses wird eine Silizidierungssequenz
in Gang gesetzt, wobei gemäß der dielektrischen
Natur des Materials des Maskengebiets 210 im Wesentlichen
kein Silizid in und auf dem dielektrischen Maskengebiet 210 gebildet
wird. Abhängig
von der Art des in den Gebieten 211 gebildeten Metallsilizids
können
ein oder mehrere Abscheide- und/oder Ausheizzyklen erforderlich sein,
wobei Überschussmetall
vor oder nach einem oder mehreren Ausheizzyklen entfernt werden
kann. Ähnlich
zu dem mit Bezug in 1 beschriebenen konventionellen
Prozessablauf und ähnlich
zu der Herstellung von Transistorstrukturen ist der Silizidierungsprozess
zur Bildung der Gebiete 211 selbstjustierend und vermeidet
einen elektrischen Kurzschluss des PN-Übergangs 208 auf Grund
der dielektrischen Natur des Maskengebiets 210 und dem
Fehlen von Silizid darauf.
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2f zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 200 in einem im Wesentlichen
fertiggestellten Zustand. Die Halbleiterstruktur 200 umfasst
eine isolierende Schicht 215, die beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid
oder ein beliebiges geeignetes dielektrisches Material aufweist,
wobei ein Kontaktpfropfen 213, der eine Verbindung zu dem
P-Gebiet 206 über das
entsprechende Gebiet 211 herstellt, und ein Kontaktpfropfen 214,
der eine Verbindung zu dem N-Gebiet 207 über das
entsprechende Gebiet 211 herstellt, vorgesehen sind. Wie
bereits mit Bezug zu 1 dargelegt ist, kann ein beliebiges
geeignetes Metall möglicherweise
in Kombination mit einem geeigneten Barrierenmaterial bei der Herstellung
der Kontaktpfropfen 213, 214 verwendet werden.
Zu beachten ist, dass im Gegensatz zu den konventionellen, mit Bezug
zu 1 beschriebenen Aufbau eine elektrische Verbindung
zwischen der Gateelektrode 110 und dem entsprechenden Kontaktpfropfen 114 gemäß der vorliegenden
Erfindung hinfällig
ist. Die Kontaktpfropfen 213, 214 können mit
beliebigen geeigneten Metallleitungen verbunden sein, die durch Gebiete 216, 217 repräsentiert
sind, die schließlich die
erforderliche Verbindung zu anderen Schaltungselementen oder Eingangs-
und Ausgangsanschlüssen
bereitstellen.
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Die
Herstellung der Kontaktpfropfen 213, 214 in der
isolierenden Schicht 215 kann durch gut etablierte Abscheide-,
Lithographie- und Ätzverfahren
erreicht werden.
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Es
sollte ferner beachtet werden, dass im Gegensatz zu der in 1 gezeigten
konventionellen Diodenstruktur eine kapazitive Kopplung zu dem aktiven
Gebiet 205, das den PN-Übergang 208 enthält, durch
benachbartes Metall oder leitende Gebiete zumindest deutlich reduziert
oder im Wesentlichen vollständig
vermieden ist, da ein Raumbereich zwischen dem aktiven Gebiet 205 und
dem PN-Übergang 208 im
Wesentlichen vollständig
mit dem dielektrischen Material des dielektrischen Maskengebiets 210,
der isolierenden Schicht 209, falls diese vorgesehen ist,
und der isolierenden Schicht 215 ausgefüllt ist. D. h., die Struktur 200 enthält keine MOS-Struktur, wie dies
in der konventionellen Struktur 100 der Fall ist. Es sollte
ferner beachtet werden, dass abhängig
von der Art des in der isolierenden Schicht 215 und in
dem Maskengebiet 210 verwendeten Materials eine Grenzfläche dazwischen
nicht notwendigerweise ausgebildet sein muss, wenn im Wesentlichen
die gleichen Materialien sowie die gleichen Abscheideverfahren bei
der Herstellung der isolierenden Schicht 215 und des Maskengebiets 210 verwendet
wurden. Ferner kann, wie dies zuvor erläutert ist, das Maskengebiet 210 zusätzlich Seitenwandabstandselemente
(nicht gezeigt) aufweisen, die das gleiche oder unterschiedliches
Material im Vergleich zu dem dielektrischen Maskengebiet 210 und
der isolierenden Schicht 215 aufweisen, wenn eine entsprechende
Prozesssequenz ausgewählt wurde,
wie dies zuvor erläutert
ist.
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In
anderen Ausführungsformen
kann es notwendig sein, die Höhe
der Gebiete 206, 207 durch beispielsweise selektives
epitaxiales Aufwachsen von Silizium oder eines anderen geeigneten
halbleitenden Materials vor dem Ausführen des Ionenbeschusses 221, 222 zur
Herstellung der Gebiete 206, 207 zu vergrößern. Entsprechend
vergrößerte Gebiete 206, 207 können erforderlich
sein, wenn eine Dicke der Halbleiterschicht 203 äußert gering
ist, um den Entwurfserfordernissen für äußerst fortgeschrittene SOI-Halbleiterbauelemente
zu entsprechen. Typischerweise kann das Größenreduzieren der Gesamtabmessungen
von Transistorstrukturen in SOI-Verfahren das Anwenden sehr dünner Halbleiterschichten
erfordern, um das erforderliche Transistorverhalten selbst für sehr geringe
Kanallängen
zu erreichen. Die Dotierstoffkonzentration entsprechender Drain-
und Sourcegebiete sowie eine vertikale Ausdehnung entsprechender
Silizidgebiete kann jedoch unter Umständen nicht ausreichen, um den
erforderlichen geringen Schichtwiderstand dieser Bereiche zu liefern.
Daher kann die Größe der Drain- und Sourcegebiete
in vertikaler Richtung vergrößert werden,
wodurch der Gesamtschichtwiderstand herabgesetzt wird. Die vorliegende
Erfindung, d. h. die Diodenstruktur wie sie durch die Halbleiterstruktur 200 repräsentiert
ist, kann ebenso in einer Prozesssequenz eingesetzt werden, die
das selektive epitaxiale Wachsen des aktiven Gebiets 205 benachbart zu
dem dielektrischen Maskengebiet 210 erforderlich macht,
ohne die Prozesskomplexität
zu vergrößern.
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Es
gilt also, dass das Bereitstellen des dielektrischen Maskengebiets
anstelle einer Polysiliziumleitung, die mit einem der stark dotierten
Gebiete zu verbinden ist, ein hohes Maß an Entwurfsflexibilität selbst
für äußerst dünne Halbleiterschichten 203, die
in modernsten SOI-Bauelementen erforderlich sind, ermöglichen.
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Während des
Betriebs der Halbleiterstruktur 200 sind die Diodeneigenschaften
im Wesentlichen durch den PN-Übergang 208 selbst
für ein äußerst dünnes aktives
Gebiet 205 bestimmt, da auf Grund des Fehlens eines Depletionsgebietes,
das durch die kapazitive Kopplung eines Leiters an das darunter liegende
aktive Gebiet 205 hervorgerufen wird, Änderungen der effektiven Fläche des
PN-Übergangs 208 im
Wesentlichen vermieden werden. Somit wird die Effizienz bei der
Temperaturüberwachung
beibehalten, selbst wenn die Halbleiterstruktur 200 in
der Größe reduziert
wird, um Transistoren zu entsprechen, die Gatelängenabmessungen im Bereich
von 0.04 μm
und sogar weniger aufweisen. Ferner ermöglicht es die durch die vorliegende
Erfindung gewonnene Entwurfsflexibilität, PN-Übergänge zu schaffen, die eine erhöhte Fläche aufweisen,
woraus eine deutlich erhöhte
Stromtreiberfähigkeit
im Vergleich zu dem in 1 dargestellten konventionellen Entwurf
resultiert, so dass äußerst effektive ESD-Schutzdiodenstrukturen
für SOI-Bauteile
bereitgestellt werden.