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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Halbleiter-auf-Isolator-(SOI)Bauelement
und betrifft Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements
und betrifft insbesondere SOI-Bauelemente und Verfahren zur Herstellung
von SOI-Bauelementen mit einem Entladungspfad für einen Entkopplungskondensator.
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HINTERGRUND
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Die
Mehrheit der aktuellen integrierten Schaltungen (ICs) wird hergestellt
durch Anwendung einer Vielzahl von miteinander verbundenen Feldeffekttransistoren
(FETs), die auch als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren
(MOSFET oder MOS-Transistoren) bezeichnet werden. Die ICs werden
für gewöhnlich unter
Anwendung von sowohl P-Kanal-FETs (PMOS-Transistoren oder PFETS)
als auch N-Kanal-FETS (NMOS-Transistoren oder NFETs) hergestellt,
und das IC wird dann als eine komplementäre MOS- oder CMOS-Schaltung bezeichnet.
Gewisse Verbesserungen im Leistungsverhalten der MOS-ICs können verwirklicht
werden, indem die MOS-Transistoren in einer dünnen Schicht aus Halbleitermaterial
hergestellt werden, die über einer
Isolatorschicht liegt. Derartige Halbleiter-auf-Isolator-(SOI)MOS-Transistoren weisen
beispielsweise eine geringere PN-Übergangskapazität und damit
eine höhere
Arbeitsgeschwindigkeit auf.
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Die
MOS-Transistoren, die in und auf der SOI-Schicht hergestellt sind,
sind miteinander verbunden, um die gewünschte Schaltungsfunktion zu verwirklichen.
Es sind auch eine Reihe von Spannungsbusleitungen mit geeigneten
Bauelementen verbunden, um diese Bauelemente entsprechend der Schaltungsfunktion
zu versorgen. Die Spannungsbusleitungen enthalten beispielsweise
einen Vdd-Bus, einen Vcc-Bus,
einen Vss-Bus und dergleichen, und können auch
Busleitungen aufweisen, die mit externen Versorgungsspannungen verbunden
sind, sowie Busleitungen, die mit intern erzeugten oder intern geänderten
Versorgungsspannungsquellen verbunden sind. Im hierin verwendeten
Sinne bezeichnen die Begriffe "Vdd-Bus" und "Vcc-Bus" sowie "Spannungsbus bzw.
Spannungsbusleitung" und
dergleichen externe sowie interne Busse bzw. Busleitungen. Da diverse
Schaltungsknoten in der Schaltung aufgeladen oder entladen werden
während
des Betriebs der Schaltung, müssen
die diversen Busleitungen Strom in diese Schaltungsknoten einspeisen
oder davon aufnehmen. Insbesondere, wenn die Schaltgeschwindigkeit
der integrierten Schaltungen anwächst,
kann das Erfordernis des Einspeisens oder Aufnehmens von Strom durch
einen Bus zu deutlichen Spannungsspitzen auf der Busleitung aufgrund der
inhärenten
Induktivität
der Busleitung führen.
Es ist daher eine übliche
Praxis, Entkopplungskondensatoren zwischen den Busleitungen anzuordnen,
um Logikfehler zu vermeiden, die durch die Spannungsspitzen hervorgerufen
werden könnten.
Beispielsweise sind derartige Entkopplungskondensatoren zwischen
der Vdd-Busleitung und der Vss-Busleitung
angeordnet. Diese Entkopplungskondensatoren sind typischerweise
entlang der gesamten Länge
der Busleitungen verteilt. Die Kondensatoren sind üblicherweise
aber nicht notwendigerweise als MOS-Kondensatoren ausgebildet, wobei eine
Kondensatorplatte des Kondensators aus dem gleichen Material hergestellt
ist, das zur Herstellung der Gate-Elektrode der MOS-Transistoren verwendet
wird, während die
andere Platte des Kondensators aus einem dotierten Gebiet in der
SOI-Schicht aufgebaut ist, und wobei das die beiden Elektroden trennende
Dielektrikum des Kondensators durch das Gate-Dielektrikum gebildet
ist.
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Ein
Problem, das die Ausbeute und die Zuverlässigkeit der integrierten Schaltung
beeinflussen kann, kann auftreten, wenn derartige MOS-Kondensatoren
als Entkopplungskondensatoren zwischen den Spannungsbusleitungen
verwendet werden. Die Problematik tritt auf, da sich während der
Herstellung des ICs eine ausgeprägte
Ladung auf einem Kondensator ansammeln kann, so dass eine schädigende Entladung über das
Kondensator-Dielektrikumsmaterial
auftreten kann. Diese Problematik tritt noch stärker zutage, wenn die Bauteilstrukturgrößen abnehmen
und insbesondere, wenn die Dicke der Gate-Dielektrikumsschicht reduziert ist.
Der Ladungsaufbau ergibt sich durch einen oder mehrere Plasmaabscheide-
und/oder Ätzschritte,
die verwendet werden, um dielektrische Zwischenschichtmaterialien
und die Metalle oder andere leitende Materialien, die in den abschließenden Schritten
der Herstellung der integrierten Schaltung verwendet werden, abzuscheiden
und/oder zu ätzten.
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Daher
ist es wünschenswert,
ein MOS-Bauelement und Verfahren zur Herstellung derartiger MOS-Bauelemente
bereitzustellen, die die schädigende
Wirkung der Ladungsansammlung in Entkopplungskondensatoren vermeiden.
Des Weiteren ist es eine Aufgabe, Verfahren zur Herstellung eines SOI-Bauelements
bereitzustellen, in denen Entkopplungskondensatoren und ein Entladungspfad
zum Schutz der Entkopplungskondensatoren vorgesehen werden. Andere
vorteilhafte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den angefügten Patentansprüchen hervor,
wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorhergehenden
technischen Gebiet und dem Hintergrund studiert werden.
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KURZER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Es
wird ein Silizium-auf-Isolator-(SOI) Bauelement bereitgestellt,
das einen MOS-Kondensator aufweist,
der zwischen Spannungsbusleitungen angeschlossen ist und der in
einer monokristallinen Halbleiterschicht, die über einer Isolatorschicht und einem
Halbleitersubstrat angeordnet ist, hergestellt ist. Das Bauelement
umfasst mindestens einen elektrischen Entladungspfad zum Entladen
einer potenziell schädigenden
Ladungsansammlung auf dem MOS-Kondensator. Der MOS-Kondensator besitzt ein
leitendes Elektrodenmaterial, das eine erste Platte des MOS-Kondensators
bildet, und ein dotiertes Gebiet in der monokristallinen Siliziumschicht
unterhalb des leitenden Elektrodenmaterials, das eine zweite Platte
bildet. Eine erste Spannungsbusleitung ist mit der ersten Platte
des Kondensators und mit einem elektrischen Entladungspfad über eine
Diode, die in dem Halbleitersubstrat gebildet ist, verbunden. Eine
zweite Spannungsbusleitung ist mit der zweiten Platte des Kondensators
verbunden.
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Es
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-auf-Isolator-(SOI)Bauelements
bereitgestellt, das ein Siliziumsubstrat, eine vergrabene isolierende
Schicht über
dem Siliziumsubstrat und eine monokristalline Siliziumschicht über der
vergrabenen isolierenden Schicht aufweist. Das Verfahren umfasst
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung das Bilden eines dielektrischen Isolationsgebietes, das
sich durch die monokristalline Halbleiterschicht zu der vergrabenen
isolierenden Schicht erstreckt. Es wird eine Öffnung derart geätzt, dass
diese sich durch das dielektrische Isolationsgebiet und die vergrabene
isolierende Schicht erstreckt, um einen Teil des Halbleitersubstrats
freizulegen. Der freigelegte Bereich des Halbleitersubstrats wird
mit Dotierstoffen dotiert, um eine Diode mit einem PN-Übergang
in dem Halbleitersubstrat zu bilden. Ein Teil der monokristallinen
Halbleiterschicht wird mit Dotiermitteln dotiert, um eine erste
Platte eines Kondensators zu bilden, und eine Isolatorschicht wird über dem
Bereich der monokristallinen Halbleiterschicht hergestellt. Es wird
eine leitende Elektrode über
der Isolatorschicht gebildet, um eine zweite Platte des Kondensators
zu erzeugen. Ein erster Bus wird mit der zweiten Platte des Kondensators
und der Diode verbunden und ein zweiter Bus wird mit der ersten
Platte des Kondensators verbunden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird im Weiteren in Verbindung mit den folgenden
Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente
bezeichnen, und wobei:
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1 als
Teilquerschnitt einen Bereich eines konventionellen Entkopplungskondensators
zeigt; und
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2–11 im
Querschnitt Verfahrensschritte zur Herstellung einer integrierten
SOI-Schaltung gemäß diverser
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die
folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich beispielhafter
Natur und soll die Erfindung oder die Anwendung und die Verwendungszwecke der
Erfindung nicht beschränken.
Ferner ist keine Beschränkung
auf explizit dargelegte oder implizierte Theorien beabsichtigt,
die in dem vorhergehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, dem
kurzen Überblick
oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellt sind.
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1 zeigt
als Teilquerschnitt Elemente einer konventionellen Entkopplungskondensatorstruktur 20,
die in einem Bereich einer integrierten Silizium-auf-Isolator-(SOI)Schaltungs(IC)Bauteilstruktur eingerichtet
ist. Eine derartige IC-Struktur kann eine Vielzahl verteilter MOS-Kondensatoren 22 enthalten (von
denen lediglich ein einzelner dargestellt ist), wovon jeder eine
obere Platte 24, eine untere Platte 26 und ein
Kondensator-Dielektrikum 28 enthält. Die obere Platte 24 ist
im Allgemeinen aus dem gleichen Material hergestellt, wie es auch
für die
Gate-Elektroden der MOS-Transistoren verwendet wird, die den Rest
des ICs repräsentieren.
Das Kondensator-Dielektrikum 28 ist im Allgemeinen aus
dem gleichen Material aufgebaut, das für das Gate-Dielektrikum der
MOS-Transistoren des ICs verwendet wird. Die untere Platte 26 ist
aus einer dünnen
Schicht 30 aus Silizium gebildet, die über einem Isolator 32 liegt,
der wiederum über
dem Halbleitersubstrat 34 angeordnet ist. In dieser anschaulichen
Darstellung ist die Schicht 30 aus Silizium aufgebaut und
ist N-dotiert. Stark dotierte N+-Kontakte 36,
die selbst justiert zu den oberen Platten 24 gebildet sind,
ermöglichen
einen Ohmschen Kontakt zu der Schicht 30. Ein Zwischenschicht-Dielektrikum 38 ist über den
Kondensatorstrukturen angeordnet und isoliert elektrisch die Kondensatoren
von anderen Schichten der Metallisierung, die zur gegenseitigen
Verbindung der Bauelemente des ICs verwendet wird. Ein Bus bzw.
eine Busleitung, etwa ein Vdd-Bus 40,
ist mit den oberen Platten 24 durch Metallkontakte 42 verbunden,
die in Öffnungen 44 durch
das Zwischenschicht-Dielektrikum 38 hindurch ausgebildet
sind. Ein Bus, etwa ein Vss-Bus 46,
ist mit der unteren Platte 26 mittels Metallkontakten 48 verbunden,
die in Öffnungen 50 in dem
Zwischenschicht-Dielektrikum 38 gebildet sind und eine
Verbindung zu den N+-Kontakten 36 herstellen. Für jede der
Busleitungen werden üblicherweise mehrere
metallisierte Kontakte verwendet, um einen guten Kontakt zwischen
der Busleitung und der entsprechenden Platte des Kondensators sicherzustellen.
Ferner sind auch mehrere Kondensatorstrukturen zwischen den beiden
Busleitungen angeschlossen, und derartige Kondensatorstrukturen
sind über die
integrierte Schaltung hinweg verteilt angeordnet.
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2–11 zeigen
im Querschnitt Verfahrensschritte zur Herstellung eines Teils eines
Entkopplungskondensators 52 als Teil einer integrierten Silizium-auf-Isolator-CMOS-Schaltung 53 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung, wie dies nachfolgend detaillierter erläutert ist,
enthält
der Entkopplungskondensator 52 zumindest einen Entladungspfad, über welchen
Ladung, die sich auf dem Kondensator oder einem nicht geerdeten
Schaltungsknoten in der Schaltung während der Bearbeitung aufbaut,
zuverlässig
abgeführt
werden kann, um eine Schädigung
oder Zerstörung
des Kondensator-Dielektrikums zu vermeiden. Obwohl der Begriff "MOS-Bauelement" eigentlich ein Bauelement
bezeichnet, das eine Metall-Gate-Elektrode und einen Gate-Isolator
aus Oxid aufweist, wird der Begriff durchwegs verwendet, um ein
beliebiges Halbleiterbauelement zu bezeichnen, das eine leitende Gate-Elektrode
(unabhängig
davon, ob diese aus Metall oder einem anderen leitenden Material
aufgebaut ist) enthält,
die über
einem Gate-Isolator
angeordnet ist (aus Oxid oder einem anderen Isolatormaterial), der
wiederum über
einem Halbleitersubstrat positioniert ist. In diesen anschaulichen
Ausführungsformen
ist lediglich ein kleiner Bereich der integrierten CMOS-Schaltung 53 dargestellt,
und insbesondere der Bereich der Schaltung, in welchem der Entkopplungskondensator 52 zusätzlich zu
einem einzelnen N-Kanal-MOS-Transistor (NMOS-Transistor) und einem
einzelnen P-Kanal-MOS-Transistor (PMOS-Transistor)
hergestellt wird. Diverse Schritte der Herstellung von CMOS-Bauelementen
sind gut bekannt und so werden der Kürze halber viele konventionelle
Schritte lediglich kurz erwähnt
oder deren Beschreibung wird vollständig weggelassen, ohne dass
die gut bekannten Prozessdetails erläutert werden. Obwohl in dieser
anschaulichen Ausführungsform
die integrierte Schaltung als eine CMOS-Schaltung beschrieben ist,
ist die Erfindung auch auf die Herstellung einer Einzelkanal-MOS-Schaltung
anwendbar. Diese Anmeldung steht im Zusammenhang mit der anhängigen Anmeldung
mit der Nr. 11/133 969, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in
ihrer Gesamtheit miteingeschlossen ist.
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Wie
in 2 gezeigt ist, beginnt das Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung durch Bereitstellen eines Halbleitersubstrats 54.
Das Halbleitersubstrat ist vorzugsweise ein Siliziumsubstrat mit
einer monokristallinen Siliziumschicht 30, die über einem
monokristallinen Siliziumträgersubstrat 34 ausgebildet
ist. Im hierin verwendeten Sinne werden die Begriffe "Siliziumschicht" und "Siliziumsubstrat" so verwendet, dass
damit das relativ reine oder leicht mit Verunreinigungen dotierte
monokristalline Siliziummaterial, das typischerweise in der Halbleiterindustrie
verwendet wird, sowie eine Siliziummischung mit anderen Elementen,
etwa Germanium, Kohlenstoff und dergleichen zur Herstellung eines
im Wesentlichen monokristallinen Halbleitermaterials, gemeint ist.
Zur Vereinfachung der Beschreibung aber ohne eine Einschränkung damit
vorzunehmen, werden die Halbleitermaterialien im Allgemeinen hierin
als Siliziummaterialien bezeichnet. Die monokristalline Siliziumschicht 30 wird
bei der Herstellung von N-Kanal- und P-Kanal-MOS-Transistoren sowie des
Entkopplungskondensators 52 verwendet. Das monokristalline
Siliziumsubstrat 34 dient als Träger für die monokristalline Siliziumschicht 30 und
wird gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung für
die Herstellung von Entladungspfaden zum Abführen von potenziell schädigenden
aufgebauten Ladungen auf dem Entkopplungskondensator 52 verwendet. Die
monokristalline Siliziumschicht 30 wird mit dem monokristallinen
Siliziumträgersubstrat 34 durch
gut bekannte Scheibenverbindungs- und Dünnungstechniken verbunden,
wobei eine dielektrische isolierende Schicht 32 die monokristalline
Siliziumschicht 30 von dem monokristallinen Trägersubstrat 34 trennt. Die
monokristalline Siliziumschicht wird auf eine Dicke von ungefähr 50–300 Nanometer
(nm) abhängig von
der eingerichteten Schaltungsfunktion gedünnt. Sowohl die monokristalline
Siliziumschicht als auch das monokristalline Siliziumträgersubstrat
besitzen vorzugsweise einen spezifischen Widerstand von zumindest
ungefähr
1–35 Ohm
pro Quadrat. Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist die dünne
Siliziumschicht 30 N-dotiert und das monokristalline Trägersubstrat 34 ist
P-dotiert. Die dielektrische isolierende Schicht 32, die
typischerweise Siliziumdioxid ist, besitzt vorzugsweise eine Dicke
von ungefähr 50–200 nm.
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Als
eine Alternative zu Scheibenverbindungstechniken kann das monokristalline
Halbleitersubstrat 54 durch den SIMOX-Prozess hergestellt werden.
Der SIMOX-Prozess ist ein bekannter Prozess, in welchem Sauerstoffionen
in das Gebiet unterhalb der Oberfläche des monokristallinen Siliziumsubstrats 34 eingebracht
werden. Das monokristalline Siliziumsubstrat und der implantierte
Sauerstoff werden nachfolgend erhitzt, um eine dielektrische Siliziumoxidschicht 32 unterhalb
der Oberfläche
zu bilden, die elektrisch den oberen Bereich des Substrats, d. h.
die SOI-Schicht 30, von dem verbleibenden Teil des monokristallinen Siliziumsubstrats 34 trennt.
Die Dicke der SOI-Schicht 30 ist durch die Energie der implantierten
Ionen bestimmt. Unabhängig
von dem Verfahren, das zur Herstellung der SOI-Schicht angewendet wird, wird die dielektrische
Schicht 32 üblicherweise
als ein vergrabenes Oxid oder "BOX" bezeichnet und wird
auch im Folgenden so genannt.
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Nach
dem Bereitstellen eines Halbleitersubstrats 54 geht das
Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weiter, wie dies in 3 gezeigt
ist, indem dielektrische Isolationsgebiete 56–58 hergestellt
werden, die sich durch die monokristalline Siliziumschicht 30 zu
der dielektrischen Schicht oder BOX 32 erstrecken. Die
dielektrischen Isolationsgebiete sind vorzugsweise durch gut bekannte
flache Grabenisolations-(STI)Techniken hergestellt, in denen Gräben in die
monokristalline Siliziumschicht 30 geätzt werden, diese Gräben dann
mit einem dielektrischen Material, etwa abgeschiedenem Siliziumdioxid,
gefüllt
werden und das überschüssige Siliziumdioxid
dann durch CMP entfernt wird. Bekanntlich gibt es viele Prozesse,
die angewendet werden können, um
die STI zu bilden, so dass der Prozess hierin nicht detailliert
beschrieben werden muss. In diesem anschaulichen Beispiel sind lediglich
ein einzelner N-Kanal-MOS-Transistor 300, ein einzelner
P-Kanal-MOS-Transistor 200 und
ein einzelner Entkopplungskondensator 52 dargestellt. Der
Fachmann erkennt, dass viele andere Bauelemente erforderlich sein
können,
um eine gewünschte
Schaltungsfunktion mit einer Vielzahl von N-Kanal-MOS-Transistoren, einer
Vielzahl von P-Kanal-MOS-Transistoren
und einer Vielzahl von Entkopplungskondensatoren einzurichten. Folglich
können
zusätzliche
STI-Gebiete (nicht gezeigt) gebildet werden, um nach Bedarf eine elektrische
Trennung zwischen den diversen anderen Bauelementen der CMOS-Schaltung zu erhalten, die
in und auf der monokristallinen Siliziumschicht 30 hergestellt
wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann der Bereich 60 der dünnen monokristallinen Siliziumschicht 30 zwischen
den dielektrischen Isolationsgebieten 56 und 57 N-dotiert
werden. Die N-Dotierung kann die ursprüngliche Dotierung der Schicht 30 sein
oder kann eine nachfolgend durch Ionenimplantation erzeugte Dotierung
oder dergleichen sein. Der Bereich 60 der dünnen monokristallinen
Siliziumschicht 30 bildet die untere Platte des Entkopplungskondensators 52.
In ähnlicher
Weise kann der Bereich 61 der dünnen monokristallinen Siliziumschicht 30 zwischen
den dielektrischen Isolationsgebieten 57 und 58 ebenfalls
N-dotiert werden. Der Bereich 61 wird für die Herstellung eines P-Kanal-Transistors 200 verwendet.
Der Bereich 63 der Schicht 30 benachbart zu dem
dielektrischen Isolationsgebiet 56 kann P-dotiert werden
unter Anwendung beispielsweise von Ionenimplantati on. Der Bereich 63 wird
für die
Herstellung eines N-Kanal-Transistors 300 verwendet. Bereiche
der Schicht 30, die keine spezielle Implantation erhalten
sollen, können durch
eine strukturierte Schicht aus Fotolack gemäß gut bekannter Fotolithografie-
und Ionenimplantationstechniken abgedeckt werden. Wie in 3 gezeigt
ist, wird eine Schicht aus dielektrischem Material 62 zumindest
auf der Oberfläche
des Bereichs 60, des Bereichs 61 und des Bereichs 63 der SOI-Schicht
gebildet. Das dielektrische Material 62 besitzt vorzugsweise
eine Dicke von ungefähr
1–3 nm
und besitzt höchst
vorteilhafterweise eine Dicke von ungefähr 1,5–2,0 nm. Das dielektrische
Material 62 kann den Gate-Isolator des P-Kanal-Transistors 200,
des N-Kanal-Transistors 300 und das Kondensator-Dielektrikum
des Kondensators 52 bilden. Es ist nicht erforderlich,
dass die Schicht 62 für
alle drei Bauelemente verwendet wird; d. h., eine dielektrische
Schicht kann für
das Kondensator-Dielektrikum verwendet werden, und eine andere dielektrische Schicht
kann für
den Gate-Isolator der Transistoren 200 und/oder 300 verwendet
werden, wobei allerdings die Verwendung der Schicht 62 für alle drei Bauelemente
vorteilhaft ist, wenn die Anzahl der Verfahrensschritte minimiert
werden soll. Das dielektrische Material kann thermisch aufgewachsenes
Siliziumdioxid sein, das durch Ausheizen der Siliziumschicht 30 in
einer oxidierenden Umgebung gebildet wird, oder es kann eine abgeschiedene
Schicht aus Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumnitrid oder
ein Dielektrikum mit großer
dielektrischer Konstante sein, etwa HfSiO, oder dergleichen. Abgeschiedene Isolatoren
können
durch chemische Dampfabscheidung (CVD), chemische Dampfabscheidung
bei geringem Druck (LPCVD) oder plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung
(PECVD) aufgebracht werden. Wie gezeigt, wird die Schicht 62 als
eine abgeschiedene Schicht vorgesehen, die sich auf den dielektrischen
Isolationsgebieten sowie auf der dünnen Siliziumschicht 30 ablagert.
Eine Schicht aus polykristallinem Silizium oder einem anderen Material
zur Bildung einer Gate-Elektrode wird auf der Schicht aus dielektrischem
Material abgeschieden und wird strukturiert, um eine obere Platte 64 des
Entkopplungskondensators 52, eine Gate-Elektrode 202 des P-Kanal-MOS-Transistors 200 und
eine Gate-Elektrode 302 des N-Kanal-MOS-Transistors 300 zu
bilden. Das die Gate-Elektrode bildende Material wird im Weiteren
der Einfachheit halber als polykristallines Silizium bezeichnet,
ohne allerdings darauf einschränken
zu wollen, wobei der Fachmann erkennt, dass auch andere Materialien
verwendet werden können.
Das polykristalline Silizium kann durch CVD oder LPCVD durch Reduzieren
von Silan (SiH4) abgeschieden werden. Eine
Schicht aus Hartmaskenmaterial, etwa aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid,
Siliziumoxynitrid oder dergleichen (nicht gezeigt) kann ebenfalls über der
Schicht aus polykristallinem Silizium aufgebracht werden, um die
Strukturierung und Ätzung
der Gate- Elektroden
zu verbessern. Die polykristalline Siliziumschicht kann unter Anwendung
einer strukturierten Fotolackschicht und konventioneller Fotolithografietechniken
und Plasmaätzung
in einer Cl- oder HBr/O2-Chemie strukturiert
werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden
Seitenwandabstandshalter 66 an den Rändern der oberen Platte 64,
der Gate-Elektrode 202 und der Gate-Elektrode 302 hergestellt.
Die Seitenwandabstandshalter können
durch anisotropes Ätzen
einer Schicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder dergleichen
in bekannter Weise gebildet werden. Die Schicht aus dem Abstandshalter
bildenden Material wird anisotrop geätzt, beispielsweise durch reaktive Ionenätzung (RIE)
unter Anwendung einer CHF3-, CF4-
oder SF6-Chemie, um die Schicht von im Wesentlichen
horizontalen Oberflächen
zu entfernen (die Oberseiten der polykristallinen Siliziumstrukturelemente)
und um die Schicht an den im Wesentlichen vertikalen Oberflächen (den
Seitenwänden
der polykristallinen Siliziumstrukturelemente) beizubehalten.
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Wie
in 4 gezeigt ist, wird zumindest eine Öffnung 74 durch
einen Teil des dielektrischen Isolationsgebietes 57 und
die darunter liegende dielektrische Schicht 32 geätzt. Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird eine zweite Öffnung 75 ebenfalls
durch das dielektrische Isolationsgebiet und die darunter liegende
dielektrische Schicht geätzt.
Obwohl beide Öffnungen 74 und 75 so
gezeigt sind, dass diese durch das gleiche dielektrische Isolationsgebiet
geätzt
sind, können
die beiden Öffnungen
auch durch separate Isolationsgebiete geätzt werden. Die Öffnungen 74 und 75 werden anisotrop
geätzt,
etwa vorzugweise durch reaktives Ionenätzen. Die dielektrischen Schichten
können durch
reaktive Ionenätzung
hergestellt werden, indem beispielsweise eine CF4-,
eine CHF3- oder eine SF6-Chemie
verwendet wird. Die Öffnung 74 legt
einen Bereich 98 der Oberfläche des monokristallinen Siliziumträgersubstrats 34 frei
und die Öffnung 75 legt
einen Bereich 99 des Trägersubstrats
frei. Das Ätzen
kann beispielsweise durch eine strukturierte Schicht aus Fotolack
(nicht gezeigt) maskiert werden.
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Wie
ebenfalls in 4 gezeigt ist, werden Borionen
oder andere Ionen, die eine P-Leitfähigkeit erzeugen, durch die Öffnung 75 in
das monokristalline Siliziumträgersubstrat 34 implantied,
wie dies durch die Teile 76 gezeigt ist, um ein Kontaktgebiet 78 in
dem Trägersubstrat
zu bilden. Die gleiche P-Ionenimplantation kann auch in die dünne monokristalline
Siliziumschicht 30 erfolgen, um ein Sourcegebiet 204 und
ein Draingebiet 206 des P-Kanal-MOS-Transistors 200 der integrierten
Schaltung 53 zu bilden. Die Ionenimplantation über die
Source- und Draingebiete ist durch die Gate-Elektrode 202 und
die zugehörigen
Seitenwandabschnittshalter 66 maskiert und somit selbstjustiert.
Andere Bauelemente können während der
P-Ionenimplantation durch eine strukturierte Schicht aus Fotolack
(nicht gezeigt) abgedeckt werden.
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Vor
oder nach der Implantation der Ionen, die eine P-Leitfähigkeit
hervorrufen, durch die Öffnung 75 können Ionen
für eine
N-Leitfähigkeit,
etwa Arsen oder Phosphor, durch die Öffnung 74 implantiert
werden, wie dies durch die Pfeile 147 aus 5 gezeigt ist.
Die die N-Leitfähigkeit
hervorrufenden Ionen werden in das monokristalline Siliziumträgersubstrat 34 implantiert,
um ein N-dotiertes Gebiet 176 zu bilden, das eine Diode
mit PN-Übergang 177 mit
dem Trägersubstrat
bildet. Die gleiche N-Ionenimplantation kann verwendet werden, um
Kontaktgebiete 68, 70 in selbstjustierter Weise
mit der oberen Platte 64 durch Implantieren der Ionen in
den Bereich 60 der dünnen monokristallinen
Siliziumschicht 30 unter Anwendung der oberen Platte 64 und
der seitlichen Abstandshalter 66 als Implantationsmaske
zu bilden. Die stark dotierten (N+) Kontaktgebiete ermöglichen einen
guten elektrischen Kontakt zu der unteren Platte des Entkopplungskondensators.
Gleichzeitig werden das Diodengebiet 176 und Kontaktgebiete 68, 70 mit
Ionen implantiert, wobei die gleiche Implantation verwendet werden
kann, um ein Draingebiet 304 und ein Sourcegebiet 306 des
N-Kanal-MOS-Transistors 300 zu erzeugen. Die Ionenimplantation
für das
Source- und das Draingebiet ist durch die Gate-Elektrode 302 und
die zugehörigen
Seitenwandabstandshalter 66 maskiert und somit selbstjustiert.
Während
der N-Ionenimplantation können
der P-Kanal-MOS-Transistor 200 und andere Gebiete der integrierten
Schaltung in bekannter Weise, beispielsweise mittels einer Schicht
aus Fotolack (nicht gezeigt) maskiert werden.
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Nach
dem Entfernen der maskierenden Fotolackschicht werden die freiliegenden
Bereiche der Isolatorschicht 62 entfernt und gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird eine Schicht aus einem silizidbildendem Metall,
etwa Nickel, Kobalt, Titan, Palladium, oder dergleichen, ganzflächig auf
der Struktur abgeschieden. Das silizidbildende Metall wird so abgeschieden,
dass es mit dem ionenimplantierten Kontaktgebiet 78, dem
Diodengebiet 176, den Gebieten 68, 70 und
der oberen Platte aus polykristallinem Silizium der Kondensatorstruktur 52,
dem Sourcegebiet 204 und dem Draingebiet 206 und
der Gate-Elektrode 202 des PMOS-Transistors 200 sowie
dem Draingebiet 304 und dem Sourcegebiet 306 und
der Gate-Elektrode 302 des NMOS-Transistors 300 in
Kontakt ist. Das silizidbildende Metall besitzt vorzugsweise eine
Dicke von ungefähr
5 bis 15 nm. Das silizidbildende Metall wird aufgeheizt, vorzugsweise
auf eine Temperatur von ungefähr
350° bis 500°C, um zu
bewirken, dass das Metall mit dem Silizium reagiert, mit welchem
es in Kontakt ist, um Metallsili zidkontaktgebiete 80 und 82 auf
dem Kontaktgebiet 68 bzw. 70 zu bilden, um einen
Metallsilizidkontakt 84 auf dem Kontaktgebiet 78,
um einen Metallsilizidkontakt 178 auf dem Diodengebiet 176,
um einen Metallsilizidkontakt 86 auf der oberen Platte aus
polykristallinem Silizium 64 und um Metallsilizidkontakte 208 und 210 auf
dem MOS-Transistor 200 und Metallsilizidkontakte 308 und 310 auf
dem MOS-Transistor 300 zu bilden, wie dies in 6 gezeigt
ist. Das Metall, das nicht mit Silizium in Kontakt ist, beispielsweise
das Metall, das auf den dielektrischen Isolationsgebieten abgeschieden
wurde, reagiert während
des Aufheizschrittes nicht und wird beispielsweise durch Nassätzung in
H2O2/H2SO4- oder HNO3/HCl-Lösungen entfernt.
Die Metallsilizidkontakte 209 und 309 für die Gate-Elektrode
der MOS-Transistoren 200 und 300 können ebenfalls
im gleichen Schritt hergestellt werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 88,
etwa Siliziumoxid, ganzflächig
abgeschieden, um die polykristallinen Siliziumstrukturelemente und
die Silizidgebiete abzudecken und um die Öffnungen 74 und 75 zu
füllen.
Die Schicht 88 wird nachfolgend fotolithografisch strukturiert
und geätzt,
um Öffnungen 90 zu
erzeugen, die Bereich der Metallsilizidkontakte 80, 82, 84, 178, 86, 208, 210, 308 und 310 freizulegen,
wie dies in 7 gezeigt ist. Die dielektrische Zwischenschichtmaterialschicht 88 kann
beispielsweise durch CVD durch Zerfall eines Quellenmaterials, etwa
Tetraethylorthosilikat (TEOS) abgeschieden werden und kann beispielsweise
durch reaktive Ionenätzung
unter Anwendung einer CHF3-, CF4-
oder SF6-Chemie geätzt werden. Leitende Pfropfen
oder Elemente werden dann in den Öffnungen 90 gebildet. Das
leitende Element oder der Pfropfen 92 ist mit dem Silizidkontakt 80 in
Kontakt, der leitende Pfropfen 94 steht mit dem Metallsilizidkontakt 82 in
Verbindung, der leitende Pfropfen 96 steht mit dem Metallsilizidkontakt 84 in
Verbindung, der Kontaktpfropfen 180 steht dem Silizidkontakt 178 in
Verbindung und der leitende Pfropfen 98 steht mit dem Metallsilizidkontakt 86 der
Kondensatorstruktur 52 in Verbindung. In ähnlicher
Weise sind die leitenden Pfropfen bzw. Elemente 212, 214, 312 und 314 mit
dem Metallsilizidkontakten 208, 210, 308 bzw. 310 in
Verbindung. Die leitenden Pfropfen können in konventioneller Weise
hergestellt werden, indem beispielsweise eine Schicht aus Titan
abgeschieden wird, eine Schicht aus Titannitrid gebildet wird und
dann eine Schicht aus Wolfram abgeschieden wird. Das überschüssige Material
der Pfropfen kann von der Oberfläche
des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 88 durch einen
CMP-Prozess entfernt werden.
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Wie
in den 8 bis 11 gezeigt ist, wird die Entkopplungskondensatorstruktur
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung fertiggestellt, indem eine oder mehrere Schichten
aus Metall abgeschieden und strukturiert werden, um einen Vdd-Bus 100 und einen Vss-Bus 102 zu
bilden. Die Leitungsführung der
erforderlichen Busse bzw. Busleitungen und der anderen Verbindungsmetallisierung
erfordert im Allgemeinen mehrere Schichten aus Metallisierungen. Diese
Schichten aus Metallisierungen können
elektrisch durch Schichten aus dielektrischem Material getrennt
werden. Die Schicht aus Metall kann Aluminium, Kupfer, eine Legierung
aus Aluminium oder Kupfer und dergleichen sein. Der Fachmann erkennt, dass
eine Aluminiummetallisierung im Allgemeinen abgeschieden und anschließend fotolithografisch strukturiert
und geätzt
wird, wohingegen eine Kupfermetallisierung üblicherweise mittels eines
Damaszener-Prozesses strukturiert wird. Die 8-11 zeigen
schematisch Schritte für
die Herstellung des Vdd-Busses 100 und
des Vss-Busses 102 aus einem Metall,
etwa Aluminium.
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Wie
in 8 gezeigt ist, wird eine Schicht aus Metall 400,
etwa Aluminium oder eine Aluminiumlegierung Ober der Oberseite der
dielektrischen Schicht 88 abgeschieden und ist somit mit
dem leitenden Pfropfen in Kontakt. Die Metallschicht wird strukturiert,
wie in 9 gezeigt ist, um Bereiche des Vdd-Busses 100 zu
bilden, die elektrisch mit dem Drain 304 des N-Kanal-MOS-Transistors 300,
mit der oberen Platte 64 des Entkopplungskondensators 52 und
der Diode 177 verbunden sind. Die Metallschicht ist ferner
strukturiert, um Bereiche des Vss-Busses 102 so
zu bilden, dass diese elektrisch mit der unteren Platte 60 des
Entkopplungskondensators 52, dem Draingebiet 206 des
P-Kanal-MOS-Transistors 200 und dem Substratkontakt 78 verbunden
sind.
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Wie
in 10 gezeigt ist, geht das Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weiter, indem eine weitere dielektrische Schicht 402 abgeschieden
wird, die über
der dielektrischen Schicht 88 und der strukturierten Metallschicht 400 angeordnet ist.
Vorzugsweise wird die obere Fläche
der dielektrischen Schicht 402 eingeebnet, beispielsweise
durch einen CMP-Prozess. Öffnungen 404 werden
dann strukturiert und so geätzt,
dass diese sich durch die dielektrische Schicht 402 erstrecken,
um Bereiche des Vdd-Busses 100 freizulegen.
Die Öffnungen 404 werden
dann mit leitenden Pfropfen bzw. Elementen 406 gefüllt und
es wird eine zusätzliche
Metallschicht 408 auf der eingeebneten oberen Fläche der
dielektrischen Schicht 402 aufgebracht, die in elektrischem Kontakt
mit den leitenden Pfropfen 406 ist.
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Wie
in 11 gezeigt ist, wird die Metallschicht 408 strukturiert
und so geätzt,
dass ein Bereich 410 des Vdd-Busses
gebildet wird, der beispielsweise mit einer externen Versorgungsspannung
verbunden werden kann. Obwohl dies in den 10 und 11 aufgrund
der Einschränkung
einer zweidimensionalen Darstellung nicht gezeigt ist, können zusätzliche Öffnungen
durch die dielektrische Schicht 402 hindurch strukturiert
und geätzt
werden, um Bereiche des Vss-Busses 102 freizulegen,
wobei diese Öffnungen
mit leitenden Pfropfen gefüllt
werden können,
und ein Bereich der Metallschicht 408 wird strukturiert,
um elektrisch mit diesem leitenden Pfropfen in Verbindung zu stehen.
Des Weiteren kann eine Verbindung von Vss-Substrat 34 hergestellt werden,
wie dies durch einen Anschluss 412 dargestellt ist.
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Der
Vdd-Bus ist mit dem leitenden Pfropfen 98 und
somit mit der oberen Platte 64 des Entkopplungskondensators 52 verbunden.
Der Vss-Bus ist mit den leitenden Pfropfen 92 und 94 verbunden
und ist somit auch mit der unteren Platte 60 des Entkopplungskondensators 52 verbunden.
Der Entkopplungskondensator ist somit zwischen den beiden Spannungsbusleitungen
angeschlossen. Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist der Vdd-Bus ebenfalls
mit dem leitenden Pfropfen 180 und somit mit der Diode
mit PN-Übergang 177,
die in dem Trägersubstrat 34 gebildet
ist, verbunden, wodurch ein elektrischer Entladungspfad für Ladungen
bereitgestellt wird, die sich auf der oberen Platte des Kondensators 52 aufbauen
kann. Eine positive Ladung, die sich auf der oberen Platte 64 ansammelt,
kann über das
Substrat abfließen
in Form eines Sperrstromes der Diode mit PN-Übergang 177. Eine
negative Ladung, die sich auf der oberen Platte 64 aufbaut,
kann als Durchlassstrom der Diode mit PN-Übergang 177 abfließen. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
Erfindung ist der Vss-Bus ebenfalls mit
dem leitenden Pfropfen 96 und damit dem Trägersubstrat 34 verbunden,
wodurch ein weiterer elektrischer Entsorgungspfad für Ladung
bereitgestellt wird, die sich auf der unteren Platte des Kondensators
ansammeln kann.
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Zumindest
für einige
der MOS-Transistoren der integrierten Schaltung 53 ist
der Vdd-Bus ebenfalls mit dem leitenden
Pfropfen 312 und somit dem Drain des N-Kanal-MOS-Transistors 300 verbunden, und
der Vss-Bus ist ebenfalls mit dem leitenden
Pfropfen 212 und somit dem Drain des P-Kanal-MOS-Transistors 200 verbunden.
Aufgrund der beschränkten
Darstellungsmöglichkeiten
der zweidimensionalen Zeichnung sind einige der direkten Verbindungen
zwischen einzelnen Elementen schematisch als gestrichelte Linien 414 gezeigt.
Obwohl 11 einen Entladungspfad zeigt,
der sich von Vdd zur Diode mit PN-Übergang 177 erstreckt,
kann der Entladungspfad auch so angeschlossen sein, dass dieser
sich von einem beliebigen nicht-geerdeten Schaltungsknoten erstreckt,
der möglicherweise durch
Ladung geschädigt
werden kann, die sich in den diversen Plasmaätz- und Abscheideprozesse, die
bei der Herstellung des ICs 52 angewendet wurden, aufgebaut
hat. Der Entladungspfad ist so gezeigt, dass dieser sich von einem
dotierten Gebiet eines MOS-Transistors
zu der Diode mit PN-Übergang 177 erstreckt,
wobei, obwohl dies in den Figuren nicht gezeigt ist, der Entladungspfad
sich auch von einer Gate-Elektrode, etwa der Gate-Elektrode 302 des
MOS-Transistors 300, zu der Diode mit PN-Übergang
erstrecken kann.
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Obwohl
zumindest eine anschauliche Ausführungsform
in der vorhergehenden detaillierten Beschreibung dargelegt ist,
sollte beachtet werden, dass eine große Anzahl Änderungen möglich ist. Beispielsweise ist
die Reihenfolge der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte lediglich
anschaulicher Natur und soll nicht einschränkend erachtet werden. In ähnlicher
Weise sind die aufgeführten
Metalle, Isolatoren und lonensorten lediglich anschaulicher Natur.
Obwohl der Vdd-Bus und der Vss-Bus
in den 8–11 so
gezeigt sind, dass diese in den gleichen Metallisierungsebenen der
integrierten Schaltung ausgebildet sind, können diese auch in unterschiedlichen
Metallisierungsebenen hergestellt werden. Es sollte auch beachtet
werden, dass die anschauliche Ausführungsform oder die anschaulichen Ausführungsformen
lediglich Beispiele sind und den Schutzbereich, die Anwendbarkeit
oder die Struktur der Erfindung in keiner Weise beschränken sollen. Vielmehr
bietet die vorhergehende detaillierte Beschreibung dem Fachmann
auf dem Gebiet eine effiziente Anleitung zum Verwirklichen der beispielhaften
Ausführungsform
oder beispielhaften Ausführungsformen.
Es sollte beachtet werden, dass diverse Änderungen an der Funktion und
dem Aufbau von Elementen durchgeführt werden können, ohne
von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie sie in den
angefügten
Patentansprüchen
und deren Äquivalenten
festgelegt ist.
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Zusammenfassung
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SOI-BAUELEMENT UND VERFAHREN
ZU DESSEN HERSTELLUNG
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Es
werden ein Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Bauelement (53)
und Verfahren zu dessen Herstellung bereitgestellt. Das Bauelement
enthält einen
MOS-Kondensator (52), der zwischen Spannungsbusleitungen
(100, 102) angeschlossen ist und in einer monokristallinen
Halbleiterschicht (30) über einer
isolierenden Schicht (32) und über einem Halbleitersubstrat
(34) ausgebildet ist. Das Bauelement enthält zumindest
einen elektrischen Entladungspfad (86, 98, 180, 178)
zum Abführen
potentiell schädigender
angesammelter Ladung auf dem MOS-Kondensator
(52). Der MOS-Kondensator weist ein leitendes Elektrodenmaterial
auf, das eine erste Platte (64) des MOS-Kondensators bildet,
und weist ein dotiertes Gebiet (60) in der monokristallinen
Siliziumschicht (30) unter dem leitenden Elektrodenmaterial auf,
das eine zweite Platte bildet. Eine erste Spannungsbusleitung (100)
ist mit der ersten Platte (64) des Kondensators und mit
einem elektrischen Entladungspfad über eine Diode (177),
die in dem Halbleitersubstrat gebildet ist, verbunden, und eine
zweite Spannungsbusleitung (102) ist mit der zweiten Platte (60)
des Kondensators verbunden.