DE1961634B2 - Verfahren zum herstellen eines metall isolator halbleiter feldeffekttransistors - Google Patents

Description

jfnne des 1 eldellckiii aiisisluis dadurch gebildet vvcι (kii, Jail Verunreinigungen aus den Hlöekchcn in darunterliegende Bereiche des (Ii iiiulkörpers hincinclilfimdieri werden. Durch da·. ciTuidungsgeniäßc Verfahren lassen sich niclii nur die vorstehend geschilderten Nachteile vermeiden, sondern die Kanal· heieiche 11 er Transistoren sind sclbstrcgislrierend, und der Steucrbercich bleihl frei von irgend« eichen schädlichen Verunreinigungen. Außerdem IL'ßt mcIi das eilindungsgemäße Verfahren leichl und win- m schädlich durchführen.

l'nier den. HcyrilT 'Selbsiregistrierend ■ ist dabei in der vorliegenden EiTmduiig zu verstehen, daß die Kanalbereiche erfindungsgemäß hergestellter 1 lausistoreii automatisch genau gegenüber di:n angrenzenden limitier- und Kollekiorbcrcichen ausgerichtet sind, wi'iiii man die erste Isolierschicht zwischen den dotierten Blöcken in geeigneter Weise entfernt, wie dies nachsleliend noch näher besehrieben ist. Demgegenber isi es bei vielen bekannten Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen erforderlich, die exakte Ausrichtung einzelner Bereiche durch mehrfaches genaues Ausrichten verschiedener Masken herbeizuführen.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsheispieles näher beschrieben. Hs zeigt

F ig. I einen sein matischen Schnitt durch ein Silciumplättchen, auf dessen Oberfläche eine dotierte Siliciumdioxid-Schieht erzeugt worden ist,

F i g. 2 das Plättehen nach dem Maskieren und Atzen derart, daß die Siliciumdioxid-Schieht bis auf /wei im Abstand voneinander angeordnete Siliciumdioxid-ßlöckchen entfernt wird,

F i ü. 3 das Siliciumplättchen nach dem Überziehen seiner einen Oberfläche und derjenigen der Blöckchen mit einer Siliciumnitrid-Schicht,

Fig 4 das Plättchen, wie es di - F i g. 3 zeigt, nach dem selektiven Ab^::tzen der Siliciumnitrid-Schicht im Bereich außerhalb der Blöckchen,

Fig. 5 das Plättchen nach dem Entfernen einer dünnen Schicht des eigentlichen Siliciumplättchens /wischen den Blöckchen,

F i g . (■> das Plättchen nach der Bildung einer Siliciumdioxid-Sciiicht auf dem eigentlichen Plättchen /wischen den Blöckchen,

F-" i ν 7 das Siliciumplättchen der F i g. 6 nacl Jem Iber/ichen mit einer zweiten Siliciumnitrid-Schicht lind dem nachfolgenden HineindifTundieren der Dotierungsstolie in das Siliciumplättchen,

Fig. S die Halbleiteranordnung der Fig. 7 nach der Erzeugung einer Maske auf ihrer Oberfläche,

F⁷ i ji. °- die Halhleiteninoidnung nach einem Ätzschritt und

F i u. K) dl·: in F-' i g. ^u gezeigte Halbleiteranordnung nach der Bildung eines Metailfilms für die Emitter-, Kollektor- und Steuerelektrode des Feldeffekttransistors.

In allen Figuren wurden für einander entsprechende Teile dieselben Bczugszeichen verwendet.

Das Atisgangsmatcrtrl soll bei dem dargestellten Ausfütmingsbcispiel ein Siliciumplättchen 11 sein, das verhältnismäßig gering η-dotiert ist, z. B. mit eine Konzentration von ungefähr 10^ln Atomen pro Kubikzentimeter. Dieses PUsttdien könnte von einem Silicium-Einkristall unter einem Winkel von 3 bis 5 ' gegenüber der <\ 1 I VOrientierung abgesägt worden sein. Selbstverständlich könnte als Ausgangsmatcrial aber auch eine andere Halbeiterscheibe Verwendung linden. Aul dem Siliciumpläiichcii 11 wild eine Siliciunulioxiil-Schichl 13 niedergeschlagen, ^l'i^{c vu} hällnisniäßig ilark dotiert ist, beispielsweise mil lil¹" oder I()^J" .Atomen pro Kubik/eiiiimeier, und /war soll die Schicht 13 p-\ cninieinigungeii, wie beispielsweise Bor, enthalten. Sie kann ungefähr I um dick sein und Kil.ll sich vnrleilhaflcrwcise dui'h ein Verfahren erzeugen, wie es in tier 1 ISA.-Patent schril't 3 341 >.SI beschrieben wurde.

Es schließ! -ich ein üblicher Schritt an, nämlich das Abdecken mit einer Phoiolack-Maske mit anschließendem Atzen -— beides ist nicht dargestellt --, so daß die Siliciumdioxid-Schichl 13 beispielsweise r;t gepulTerter Flul.isäurelösung bis auf zwei Blockchen 13i/ und 13.') entfernt wird (s. Fig. 2). Nach dem Abspülen mit Wasser oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel wird eine dünne Siliciumnilrid-Schicln 15 mit einer Dicke von ungefähr 1000 Angströiu in üblicher Weise aufgebracht, z. B. im Gasplattierverfahren aus einer Mischung aus Siliciumvvasserstoffen und Ammoniak in einer WasserstofT-Atmosphäre bei einer Temperatur von ungefähr 850 C. F-" i g. 3 zeigt dann den Auibau, und die so erzeugte Halbleiteranordnung wird dann durch anodisches Ätzen selektiv geätzt, wie dies beispielsweise in der Zeitschrift J. Electrochem. Soc, 114 (1967), Nr. 6, S. 603, beschrieben worden ist; es wird ein sauerstoffhaltiger Elektrolyt vorwendet, um denjenigen Teil der Siliciumnitrid-Schicht 15 zu entfernen, der zwischen den Blöckchen 13 c/ und 13/) liegt. Auf diese Weise wird eine Kanaloberfläche des Siliciumplättchens 11 freigelegt (s. Fig. 4), ohne daß die Siliciumnitrid-Schicht in den angrenzenden Bereichen entfernt wird, da die Siliciumdioxid-Blöckchen unter der Siliciumnitrid-Schicht wie dielektrische, durch anodische Oxydation erzeugte Masken wirken.

Die in Fig. 4 gezeigte Halbleiteranordnung wird dann vorzugsweise mit dampfförmigem Chlorwasserstoff (HCl) in Wasserstoff geätzt, um das gesamte eventuell verunreinigte Silicium im Kanalbereich 17 zu entfernen, wobei gleichzeitig eventuelle Verunreinigungen auf der Oberfläche der Siliciumnitrid-Schicht entfernt werden. Dabei wird auch eine dünne Oberflächenschicht abgeätzt, deren Dicke zwischen einigen hundert bis tausend Angstrom liegt. Die Siliciumnitrid-Schicht 15 schützt die Oberflächen der Blöckchen 13« und 13/' (s. Fig. 5) und verhindert auch, daß der Saizsiiurcdampf Blöckchen hinterschneidet oder angreift. Zwcekmäßigerweise wird dieser Schritt in einem Reaktionsgefäß durchgeführt, das anschließend mit einem inerten Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon, durchgespült wird, worauf im Kanalbereich 17 eine dünne Siliciumdioxid-Schieht 19 gebildet wird (s. Fig. (ί). Vorzugsweise erhitzt man dazu die in F i g. 5 gezeigte Halbleiteranordnung in einer oxydierenden Atmosphäre während ungefähr 30 Minuten auf eine Temperatur von ungefähr 1000⁰C, so daß durch thermische Oxydation eine etwa 500 oder 1000 Angs*röm dicke Oxidschicht erzeugt wird. Auch dieser Schritt ist in dem vorstehend erwähnten Reaktionsgefäß durchzuführen, um das Eindringen von Verunreinigungen, beispielsweise von Alkalimetallionen, insbesondere von Natrium, zu verhindern, deren Einfluß auf die Eigenschaften und die Stabilität des FeldefTekttransistois äußerst nachteilig isi. Während sich die in Fig. 6 gezeigte Halbleiteranordnung noch in dem erwähnten Reaktionsgefäß befindet, wird dieses

durchgespült und mit einer Mischung aus SiliciumwasserstofT, Ammoniak und Wasserstoff gefüllt sowie auf 850 C gebracht. Dann wird eine weitere Siliciumnitricl-Schicht niedergeschlagen, die in Fig. 7 mit 21 bezeichnet wurde. Diese Schicht ist glatt und bedeckt auch die Siliciumdioxid-Schicht 19 im Kanalbercich 17. Infolgedessen verschließt sie sämtliche Risse. Poren oder Spalten zwischen den aneinandergrcnzcndcn Kanten oder Grenzflächen der Siliciumdioxid-Schicht 19 und der ersten Siliciumnitrid-Schicht 15. wodurch in Zukunft sonst möglicherweise auftretende Kurzschlüsse im Steuerbereich des Feldeffekttransistors vermieden werden. Das verwendete Reaktionsgefäß kann entweder hochfrequenzbeheizt sein und kalte Wände haben, es kann sich aber auch um ein Reaktionsgefäß mit heißen Wänden handeln, dessen Innenflächen im Laufe des Ausübung des Hersteilungsverfahrens vorzugsweise mit einer Silieiurr,-nitrid-Schicht bedeckt wurden, um das Herauswandern von Natriumionen oder anderen Verunreinigungen aus den Wänden des Reaktionsgefäßes in dessen Inneres zu verhindern.

Die Halbleiteranordnung wird dann auf ungefähr

I 100" C erhitzt und auf dieser Temperatur während ungefähr 2 Stunden gehalten, so daß die p-Verunreinigungen aus den Blöckchen 13« und 13/) in das eigentliche Siiiciumplättchcn diffundieren, wodurch Emitter- und Kollektorzonen 23« und 23/' unmittelbar unter den Blöckchen 13« und 13Λ entstehen (s. Fig. 7). Die Tiefe dieser Zonen liegt bei einem typischen Fall zwischen 2 und 5 um: während des Diffusionsprozesses dienen die Siliciumnitrid-Schicliten 15 und 21 als Isolationsschichten oder Masken. clic verhindern, daß die Verunreinigungen aus den Blöckchen nach außen wandern. Die richtige Anordnung der Emitter- und Kollektorzonc bezüglich des Steuerbereiches ist bei diesem Aufbau sichergestellt, da der Steuerbereich durch den Zwischenraum /wischen den Blöckchen 13« und 13Λ festgelegt wird.

Anschließend wird eine Oxidmaske 25 über die gesamte Oberfläche der zweiten Siliciumnitrid-Schicht gelegt, beispielsweise durch die Zersetzung eines Siloxan-Dampfcs. und die Dicke der Maske 25 beträgt bei einem typischen Fall 1000 bis 2000 Angström. Im üblichen Photolack-Maskier- und Ätzverfahren werden dann in der Maske 25 Fenster 25λ ιι:·,ι! 25h gebildet (s. Fig. S). worauf diejenigen Be- ^•iv/lie der Siliciumnitrid-Schiehtcn 15 und 21. die ■.iriterhalb dieser Fenster liegen, mittels- heißer Phosphorsäure oiler einem ähnlichen Atzmittel entfernt v.orden. Mit Hilfe eines üblichen Ätzmittels für Siliciumdioxid, wie beispielsweise gepufferter Flußsäure. werdeil dann die unterhalb der Fenster liegenden Bereiche der Blöckchen 13« und 13/' entfernt, so daß ein Teil der Oberfläche der Emitter- und der Kollektorzone 23« bzw. 23/' des Siliciumpläitchens

II zutage tritt K Fig. ¹M. Es emnfieht sich, die nicht dargestellte, zur Bildung der Fenster 25« und 25 h in tier Maske 25 verwendete Photolackmaske abzuziehen, so daß die aus Siliciumdioxid bestehende Maske 25 ebenfalls abgeätzt wird, wenn man die Ölinungen durch die Blöckchen 13 α und 13/> aus Siliciumdioxid ätzt. Die Silicirmnitrid-Schichten dienen als Atzmaske im Steuerbereich.

Es ist aber auch möglich, die Emitter- und die Kollcktorzone ohne Mchrfachätzung und ohne die vorhergehende Bildung der Siliciumdioxid-Maskc 25 freizulegen, wenn man die Einfachätzmittellösung verwendet: dabei wird zunächst eine Maske gebildet, die gegenüber diesem Ätzmittel beständig ist und auf der Siliciumnitrid-Schicht 21 liegt. Das Ätzmittel entfernt dann nacheinander beide Siliciumnitrid-Schichten 21 und 15 und dann die nicht abgedeckten mittleren Bereiche der Blöckchen 13o und 13/'. Da die Bildung der Siliciumdioxid-Schicht 19 im Kanalbereich (s. Fig. 6) in nasser oder trockener oxydierender Umgebung bei ungefähr 1000^: C stattfindet, kann die Oberfläche der Siliciumnitrid-Schicht 15 in einen extrem dünnen Oxidfilm umgewandelt werden. In diesem Fall ist die Verwendung eines einzigen Ätzmittels besonders vorteilhaft, da dieser Oxidfilm an der Grenzfläche zwischen den Siliciumnitrid-Schicliten 21 und 15 im Bereich unter den Fenstern zu weniger Schwierigkeiten beim Abätzen beider Nitridschichten mittels heißer Phosphorsäure führen kann. Das heißt, daß der Ätzvorgang der heißen Phosphorsäure durch einen solchen Oxidfilm gestoppt bzw. verzögert wird, da er mit Hilfe eines besonderen Ätzmittels für üxidschichtcn entfernt werden muß. Der mit Hilfe eines einzigen Ätzmittels durchgeführte Atzvorgang, durch den die beiden Siliciumnitrid-Sehichten und die Siliciumdioxid-Schichten mit ungefähr derselben Geschwindigkeit abgeätzt werden, wird durch diesen Oxidfilm nicht beeinträchtigt.

Fig. 10 zeigt die Halbleiteranordnung gemäl' Fig. 9 nach dem in üblicher Weise erfolgten Aufbringen metallischer Elektroden, nämlich einet Emitterelektrode 27«. einer Kollektorelektrode 27/ und einer Steuerelektrode 29. Die Fig. 10 stellt alsc einen p-Kanal MISFET dar. Verwendet man jedodein schwach dotiertes, p-leitendes Siliciumplättcher als Ausgangsmaterial und bildet die Blöckchen 13 < und 13.Ί aus Siliciumdioxid, das n-Verunreinigunger enthält, so entsteht ein η-Kanal MISFEiT.

Möglich wäre es noch, eine verhältnismäßig dickt Siliciumdioxid-Schicht — die Dicke kann beispielsweise zwischen 1 und 2 um liegen — über ausgewählte Oberflächenherciche der Halbleiteranordnung zu legen, nachdem die Kontakte gebildet worder sind. Derart dicke Oxidfilme dienen dazu, erwünscht Kapazitäten unter Verbindungsleitungen od. dgl. /1 erzeugen, wenn die letzteren zuletzt bei der Herste' lung einer integrierten Schaltung gebildet werden.

Die Kanalzone, die unter dem von der Silicium dioxid-Schicht 19 und der dariiberliegenden Si!: ciiimnitrid-Schicht 21 gebildeten Dielektrikum de Steuerzone liegt, bleibt bei dem erfinduniis.jeniäl.Vi Verfahren frei von jeglichen unerwünschten Vor unreinigiingen. wie beispielsweise Natriumionen, si daß ein qualitativ äußerst hochwertiger und stabile MISFET . ntsteht.

Selbstverständlich sind die in der Zeichnung dar gestellten Dickenverhältnisse nicht repräsentativ fii den tatsächlichen Aufbau eines Transistors nach de Erfindung, denn die verschiedenen Schichtdicke! können zwischen einigen wenigen hundert AneMrön und 0.25 mm oder mehl liecen. so daß die Dicke auch nicht relativ zueinander maßstabgerecht daree steü' werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2

Patentansprüche: Gi imdko, prr verwendet wird und die hmi.te,-

uiiil die kollektor/oiic· serhallnisinaßig stark

1. \ erfahren /um Herstellen eines Metall-Iso- p-dolierl werden.

laioi-l lalhl-iter-leldellekllransislors (MISIEI), '). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ', bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß /um Herauf der einen Oberllächcnseile eines Halbleiter- stellen eines n-Kanal-MISI-'ETS ein \erhiiltnisgrundkörpers (11) im Abstand umeinander zwei mäßig gering p-doiiertcs Siliciimi-Plättcheii als tlotierte Blöckchen (13«. 13/)) erzeugt werden, (irundkörpcr verwendet wird und die Emitierdaß dann die Oberflächen des Grundkörpers und und die Kollekiorzoneii verhältnismäßig stark der Blöckchen mit einer ersten Isolierschicht (15) i< > n-dolieri werden.

überzogen werden, daß dann im Bereich zwischen K). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch geilen Blöckchen die Isolierschicht entlernt und der kennzeichnet, daß die Siliciumdioxid-Schicht Grundkörper in diesem Bereich mit einer dünnen zwischen den Blöckehen durch Erhitzen des i'.ielektri-chen Schicht (19) abgedeckt wird, daß Grundk'jipers in einer oxydierenden Atmodaiin auf diese: Obertlächenseite eine zweite 15 sphäre ei/eugt wird.
Isolierschicht (21) gelegt wird, die die dielektrische Schicht abdeckt und so einen dielektrischen

Bereich für die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors bildet, worauf die Emitter- und die Die Erfindung betrilTt ein Verfahren zum Herstellen Kollektorzone des Feldeffekttransistors dadurch 20 eines Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistors gebildet werden, daß Verunreinigungen aus den (MISFET), und insbesondere befaßt sich mit der Hlöckchen in darunterliegende Bereiche des Herstellung eines «selbstregistrierendeiv MISFETS. Cirundkörpers hineindilTundiert werden. Bei der Herstellung derartiger FeldelTekttransi-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- stören, die auch als Feldeffekttransistoren mit isokenn/eichnet, daß ein Silieium-Grundkörper ver- 25 lierter Steuerelektrode angesprochen werden, werden wendet wird, auf den dotierte Siliciumdioxid- in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsgangen Blöckchen und Siliciumnitrid-Schichten sowie Bereiche unterschiedlicher Dotierung in einem Subcine Siliciumdioxid-Schicht als dielektrische strat erzeugt, wobei von der bekannten Technik der Schicht aufgebracht werden. Fotomaskierung sowie der Dotierung aus einem

3. Verfahren nach Anspruch i oder 2, da- 30 Donatoren- bzw. Akzeptoren enthaltenden Oxid des durch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen Halbleitermaterials Gebrauch gemacht wird, wie dies der dielektrischen Schicht eine d'üine Schicht im Prinzip beispielsweise in der deutschen Auslegeiles Grundkörpers zwischen den Blöekcln: : ent- schrift 1241811 sowie in der USA.-Patentschrift lernt wird. 3 391 035 beschrieben ist. Dabei traten bisher jedoch

4. Vei fahren nach Anspruch 3. dadurch ge- 35 stets Schwierigkeiten bei der Stabilisierung der HaIbkenn/eiclinet, daß das Entfernen der dünnen leiteranordnung im Laufe des Herstellungsverfahrens Schicht des Grundkörpers /wischen den Block- und bei der Erzeugung qualitativ hochwertiger Steuerchen, das Aufbringen der dielektrischen Schicht bereiche auf. Insbesondere war es schwierig, tijrartige und der zweiten Sperrschicht nacheinander in Feldeffekttransistoren herzustellen, die frei von vereiiieni einzigen Reaktionsgefäß durchgeführt 40 giftenden Alkalimetallionen u. dgl. waren.

wird, ohne daß dazwischen die Halbleiteranord- Durch die USA.-Patentschrift 3 417 464 ist ein

llung dem Gefäß entnommen wird. Verfahren bekanntgeworden, gemäß welchem in die

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Kanalzone eines Feldeffekttransistors p- bzw. n-Verbis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die erste unreinigungen gezielt eingebracht wurden, um ins-Isolierschicht /wischen den Blöckcheii durch 45 gesamt zu gleichmäßigeren Ergebnissen bei der Fertianodisches Atzen entfernt wird. einig solcher Feldeffekttransistoren zu gelangen.

(1. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 Dieses Verfahren erweist sich jedoch als iribefric-

bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Silicium- digend. wenn das Auftreten zusätzlicher Störstellen

Grumlkörperschicht zwischen den Blöckchen gegenüber der Störslellendichtc im SuI. trat vermieden

durch Atzen mit Sai/säuredampl entfernt wird. 5<-> werden soll.

7. Vei fahren nach einem der Ansprüche I Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde,

bis f\ dadurch gekennzeichnet, daß in weiteren ein Herstellungsverfahren für MISfTiIS anzugeben.

Schritten eine Maske (25) auf die /weite Isolier- durch das HalMciteranordiningen mit hoher Qualität

schicht gelegt wird, die Fenster (25«, 25/') übet und guter Mobilität erzeugt werden können, und

einem Teil der Oberfläche der Blöckchen hat. .v> diese Aufgabe wird gemäß clei Erfindung dadurch

worauf unter diesen Fenstern die beiden Speri- gelöst, daß zunächst auf der einen Oberflächenseitc

schichten und das Material der Blöckchen ent- eines I lalbleitergrimdkörners im Abstand \oneinandei

fernt wird uncl so die Emitter- und die Kollektor- zwei dotierte Blöckehen erzeugt werden, daß danr

zone des Feldeffekttransistors teilweise freigelegt die Oberflächen des Grundkörpers und der Blöekcher

werden, und daß schließlich nach mindestens f> <> mit einer ersten Isolierschicht überzogen werden

teilweisem Freilegen der dielektrischen Schicht daß dann im Bereich zwischen den Blöckchen dii

auf dieser sowie auf den Emitter- und Kollektor- Isolieischicht entfernt und der Grundkörper in diesen

zonen zur Bildung von Kontakten ein Mctallfilm Bereich mit einer dünnen dielektrischen Schicht ab

niedergeschlagen wird. gedeckt wird, daß dann auf dieser Oberflächenseiti

H. Verfahren nach einem der Ansprüche I <\-, eine /weite Isolierschicht gelegt wird, die die dielek

bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß zum Her- irische Schicht abdeckt und so einen dieleklrischei

stellen ein: - p-Kanal-MISFETS ein verhältnis- Bereich für die Steuerelektrode des Feldeffckttran m-iiiii. imine η-dotiertes Siliciuin-Plätlchen als sistors bildet, worauf die Emitter- und die Kollektor