DE19859090B4 - Verfahren zum Herstellen von Gateoxiden mit verschiedenen Dicken - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von Gateoxiden mit verschiedenen Dicken Download PDFInfo
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Abstract
Verfahren
zum Herstellen von Gateoxiden mit verschiedenen Dicken auf einem
Halbleitersubstrat (31) mit ersten und zweiten aktiven Bereichen,
mit folgenden Schritten:
– Aufbringen einer Maskierungsoxidschicht (36a, 36b) mit definierter Schichtdicke auf dem Halbleitersubstrat (31),
– selektives Entfernen der Maskierungsoxidschicht (36a) auf den ersten aktiven Bereichen mit Hilfe einer Photoresist-Schicht (37),
– Entfernen der Photoresist-Schicht (37),
– danach Implantieren von Germaniumionen (38) in die freiliegenden Oberflächen der ersten aktiven Bereiche und der Maskierungsoxidschicht (36b) über den zweiten aktiven Bereichen, wobei flache hochdotierte Germaniumschichten in den ersten aktiven Bereichen und flache niedrigdotierte Germaniumschichten in den zweiten aktiven Bereichen entstehen,
– Entfernen der Maskierungsoxidschicht (36b) über den zweiten aktiven Bereichen,
– Herstellen von ersten und zweiten Gateoxidfilmen (39a, 39b) auf den ersten und zweiten aktiven Bereichen in einem Oxidationsschritt, wobei der erste Gateoxiddfilm auf dem ersten aktiven Bereich dicker ist als der zweite Gateoxidfilm über dem zweiten...
– Aufbringen einer Maskierungsoxidschicht (36a, 36b) mit definierter Schichtdicke auf dem Halbleitersubstrat (31),
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– Herstellen von ersten und zweiten Gateoxidfilmen (39a, 39b) auf den ersten und zweiten aktiven Bereichen in einem Oxidationsschritt, wobei der erste Gateoxiddfilm auf dem ersten aktiven Bereich dicker ist als der zweite Gateoxidfilm über dem zweiten...
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gateoxiden mit verschiedenen Dicken, insbesondere MOS-Gateoxiden, auf Substrate für Halblei terbauteile, insbesondere MOS-Bauteile.
- Die vielleicht wichtigste Anwendung des Verfahrens der thermischen Oxidation bei der Herstellung von ULSIs besteht bei der Erzeugung der dünnen Gateisolierschicht von MOS-Bauteilen. Z. B. sind für MOS-Transistoren mit Gatelängen unter 1 μm Gateoxidschichten erforderlich, die dünner als 15 nm sind, während für die Tunneloxide elektrisch umschreibbarer Festwertspeicher Gateoxide erforderlich sind, die dünner als 8 nm sind.
- Da die Schichten aus Siliziumdioxid (SiO2) in diesen Fällen Komponenten aktiver Bauteile bilden, müssen die dünnen Oxidschichten gleichmäßig sein, sie müssen hohe Qualität aufweisen und sie müssen durch einen Prozess hergestellt werden, der ausreichend langsam dafür ist, dass die Oxiddicke zuverlässig kontrolliert werden kann. Die Kontrolle der Gateoxiddicke ist besonders wichtig, da die Schwellenspannung eines MOS-Bauteils von diesem Wert abhängt. Die Schwierigkeit einer zuverlässigen Kontrolle der Gateoxiddichte ist dann erhöht, wenn im Verlauf der Herstellung eines einzelnen Bauteils Gateoxide mit zwei verschiedenen Dicken hergestellt werden müssen.
- Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die idealisierten Schnittansichten der
1A –1E Prozessschritte eines herkömmlichen Verfahrens zum Herstellen dünner MOS-Gateoxide mit zwei verschiedenen Dicken beschrieben, wie z. B. aus derUS 5,502,009 A bekannt ist. - Durch die Herstellung dicker Feldoxide
15 auf einem Siliziumsubstrat11 werden erste und zweite aktive Bereiche (d. h. Bauteilbereiche) im Substrat festgelegt. Die ersten aktiven Bereiche sind als diejenigen aktiven Bereiche definiert, über denen später dickere Gateoxide hergestellt werden, während die zweiten aktiven Bereiche entsprechend diejenigen sind, über denen später dünnere Gateoxide hergestellt werden. - Nachdem auf die Oberfläche des Substrats über allen ersten und zweiten aktiven Bereichen eine erste Oxidschicht
16 thermisch aufgewachsen wurde, wird eine Photoresistbeschichtung durch Aufschleudern auf den Wafer aufgebracht, und durch herkömmliche Belichtungs- und Entwicklungsprozessschritte wird ein Photoresistmuster17 hergestellt, das die ersten aktiven Bereiche maskiert, wie es in1C dargestellt ist. - Unter Maskierung durch das Photoresistmuster
17 wird der Wafer selektiv so geätzt, dass die erste Oxidschicht16 über den zweiten aktiven Bereichen entfernt wird, um dadurch die Oberfläche des Substrats über diesen Bereichen freizulegen, wie es ebenfalls in1C dargestellt ist. - Nachdem das Photoresistmuster
17 abgezogen wurde und dadurch die erste Oxidschicht16 über den ersten aktiven Bereichen freigelegt wurde, wird auf die Oberfläche des Substrats über den ersten und zweiten Bereichen eine zweite Oxidschicht aufgewachsen, die über diesen ersten und zweiten Bereichen in1D mit18a bzw.18b gekennzeichnet ist. Die zweite Oxidschicht18b über den zweiten aktiven Bereichen dient anschließend als dünneres Gateoxid eines MOS-Bauteils. Gleichzeitig wächst die zweite Oxidschicht18a über den ersten aktiven Bereichen thermisch an der Oberfläche des Substrats unter der ersten Oxidschicht16 . (Die zweite Oxidschicht18a über den ersten aktiven Bereichen wächst unter der ersten Oxidschicht16 statt über derselben, da das Oxidationsmittel, und nicht Silizium, im Verlauf der thermischen Oxidation des Siliziumsubstrats durch die erste Oxidschicht16 diffundiert.) Die erste Oxidschicht16 über den ersten aktiven Bereichen und die dortige zweite Oxidschicht18a unter ihr bilden anschließend gemeinsam ein dickeres Gateoxid eines MOS-Bauteils. - Herkömmliche Verfahren zum Herstellen von Gateoxiden zweier verschiedener Dicken auf einem Siliziumsubstrat, wie typischerweise durch die oben beschriebene Abfolge von Prozessschritten veranschaulicht, erfordern zwei gesonderte thermische Oxidationsvorgänge. Darüber hinaus sind die dickeren Gateoxide, die jeweils aus einer zweiten Oxidschicht
18a und der ersten Oxidschicht16 über dieser bestehen, da das erste Photoresistmuster17 auf der ersten Oxidschicht16 auf den ersten aktiven Bereichen ausgebildet ist und die zweite Oxidschicht18a über diesen unter der ersten Oxidschicht16 aufgewachsen wird, in unvermeidlicher Weise durch organische und metallische Rückstände des Photoresists verunreinigt. - Aus US-PS 5,330,920 ist bereits ein Verfahren für das Erzeugen von unterschiedlich dicken Gateoxidfilmen auf einem Substrat bekannt. Die Steuerung der Gateoxiddicke erfolgt bei diesem Verfahren durch selektives Implantieren von Stickstoffionen in das Substrat durch eine Opferoxidschicht hindurch, wobei nach dem Entfernen dieser genannten Opferoxidschicht in einem weiteren Oxidationsschritt die Bildung von Gateoxid über den Gebieten, in die Stickstoffionen den implantiert wurden, verzögert ist, und deshalb eine dünnere Gateoxidschicht entsteht.
- Aus US-PS 5,358,894 sind weitere Möglichkeiten für die Beeinflussung der Oxidationsgeschwindigkeit durch Implantieren oder Diffusion von Ionen in das Substrat bekannt. Bei dem hier beschriebenen Verfahren soll die Oxidationsgeschwindigkeit eines Feldoxidfilms erhöht werden, um einen Verdünnungseffekt in bestimmten Feldoxidgebieten zu kompensieren. In diesem Dokument sind auch andere Ionentypen, die sich zur Beeinflussung der Oxidationsrate eignen, wie z. B. Germanium, erwähnt.
- Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum thermischen Aufwachsen von Gateoxiden mit zwei verschiedenen Dicken auf die Oberfläche eines Siliziumsubstrats in einem einzelnen Prozeßschritt zu schaffen.
- Diese Aufgabe ist durch das Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
- Von den nachfolgend kurz beschriebenen Figuren ist keine maßstabsgetreu dargestellt. Wie es auf dem Gebiet der Darstellung integrierter Schaltungen üblich ist, sind die Dicken und Querabmessungen verschiedener, in den Figuren dargestellter Strukturen so dargestellt, dass die Deutlichkeit der Figuren erhöht ist.
-
1A -1D sind idealisierte Schnittansichten zum Veran schaulichen von Prozessschritten eines herkömmlichen Verfahrens zum Herstellen von Gateoxiden zweier verschiedener Dicken. -
2A –2F sind idealisierte Schnittansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum gleichzeitigen thermischen Aufwachsen von Gateoxiden zweier verschiedener Dicken gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
3A und3B veranschaulichen die Abhängigkeit der Germaniumkonzentration von der Tiefe unter der Oberfläche des Substrats in ersten bzw. zweiten aktiven Bereichen beim Ausführungsbeispiel der Erfindung. - Durch Herstellen von Isolierstrukturen
35 auf einem Siliziumsubstrat31 werden erste und zweite aktive Bereiche (d. h. Bauteilbereiche) des Substrats festgelegt. Diese ersten und zweiten aktiven Bereiche sind solche, über denen anschließend in einem einzelnen Prozessschritt dickere bzw. dünnere Gateoxide thermisch aufgewachsen werden. Obwohl die in2B dargestellten Isolierstrukturen35 dicke Feldoxide repräsentieren, wie sie durch einen herkömmlichen LOCOS(Local Oxidation of Silicon = örtliche Oxidation von Silizium)-Prozess erhalten werden, können auch andere Isoliertechniken als LOCOS, wie Grabenisolierung, zum Herstellen der Isolierstrukturen verwendet werden. Außerdem müssen nicht alle Isolierstrukturen dieselbe Größe haben. - Nachdem Maskenoxide
36a und36b durch einen anderen Prozess als thermische Oxidation (vorzugsweise durch Hochtemperatur-Niederdruck-CVD) auf der Oberfläche des Substrats31 über den ersten und zweiten aktiven Bereichen hergestellt wurden, wird eine Beschichtung aus einem Photoresist durch Aufschleudern auf die Maskenoxide aufgebracht, und durch herkömmliche Belichtungs- und Entwicklungsprozessschritte wird ein Photoresistmuster37 hergestellt, das die zweiten aktiven Bereiche maskiert. - Nach Maskierung durch das Photoresistmuster
37 wird der Wafer selektiv geätzt, um die Maskenoxide36a über den ersten aktiven Bereichen zu entfernen, wie es in2D dargestellt ist. - Nachdem das Photoresistmuster
37 abgezogen wurde, wird Germanium38 selektiv in das durch die Maskenoxide36b maskierte Substrat implantiert (Implantationsenergie vorzugsweise 20 – 100 keV, Implantationsdosis vorzugsweise 5 × 1014 – 1 × 101 Atome/cm2), und das Substrat wird getempert (Temperungstemperatur vorzugsweise 800 – 850°C), um flache, stark dotierte Germaniumschichten innerhalb der ersten aktiven Bereiche auszubilden, wie es in3A dargestellt ist. Durch die Implantation und das anschließende Tempern kann innerhalb der zweiten aktiven Bereiche auch eine flache, sehr leicht dotierte Germaniumschicht ausgebildet werden, wie es in3B dargestellt ist. - Die Funktion des implantierten Germaniums besteht darin, thermische Oxidation an der Oberfläche des Substrats über den ersten aktiven Bereichen während eines späteren Prozessschritts zu beschleunigen (d. h., die Rate der thermischen Oxidation zu erhöhen). (Die üblicherweise verwendeten Dotierstoffe aus der Gruppe III und der Gruppe V erhöhen ebenfalls die Rate thermischer Oxidation von Silizium, wenn sie mit hoher Konzentration innerhalb eines Siliziumsubstrats vorhanden sind, jedoch führen sie zu p- bzw. n-Substraten statt zu eigenleitenden Substraten im Verlauf des Temperungsvorgangs nach dem Implantieren.) Das Germanium in der flachen, stark dotierten sowie der flachen, sehr leicht dotierten Schicht verbleibt während thermischer Oxidation an der Si/SiO2-Grenzfläche, da die mittlere Verschiebung von Germanium rechtwinklig zur Grenzfläche durch Diffusion während der Oxidation kleiner als der Weg ist, den die Si/SiO2-Grenzfläche während der Oxidation in das Substrat hinein zurücklegt.
- Die Energie der einfallenden Germaniumionen (vorzugsweise 20 – 100 keV) ist durch die Dicke der Maskenoxide
36b über den zweiten aktiven Bereichen in demjenigen Sinn bestimmt, dass die volle Dosis des in den zweiten aktiven Bereichen implantierten Germaniums bei idealen Umständen in das Gebiet der Maskenoxide36b eingegrenzt wäre. Bei weniger als idealen Umständen, wie sie häufig in der Praxis auftreten, kann ein Teil der über den zweiten aktiven Bereichen implantierten Einfallsdosis gut die Maskenoxide36b über den zweiten aktiven Bereichen durchdringen, um dort die flache, sehr leicht dotierte Germaniumschicht auszubilden, wie es in3B dargestellt ist. Im Gegensatz hierzu bildet die vollständige Germaniumdosis, wie über den ersten Bereichen implantiert, flache, stark dotierte Germaniumschichten innerhalb der ersten aktiven Bereiche, wie es in3A dargestellt ist. - Dann wird das Maskenoxid
36b auf der Oberfläche des Substrats über den zweiten aktiven Bereichen entfernt, vorzugsweise durch selektives, nasschemisches Ätzen, das das Siliziumsubstrat nicht angreift, um die Oberfläche des Substrats über den zweiten aktiven Bereichen freizulegen. - Wie es in
2F dargestellt ist, werden Gateoxide39a und39b thermisch gleichzeitig auf die Oberfläche des Substrats über den ersten bzw. zweiten aktiven Bereichen aufgewachsen. Die stark dotierten Germaniumschichten innerhalb der ersten aktiven Bereiche beschleunigen die thermische Oxidation an der Oberfläche des Substrats über den ersten aktiven Bereichen, was dort zu 5 – 9 nm dicken Gateoxiden39a führt, wäh rend die sehr leicht dotierten Germaniumschichten innerhalb der zweiten aktiven Bereiche die thermische Oxidation an der Oberfläche des Substrats über den zweiten aktiven Bereichen nicht wesentlich beschleunigen, was dort zu 3 – 7 nm dicken Gateoxiden39b führt. - Thermisch gleichzeitig gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgewachsene Gateoxide mit zwei verschiedenen Dicken zeigen mehrere Vorteile, wobei der nicht geringste darin besteht, dass nur eine thermische Oxidation statt zwei erforderlich ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das dickere der Gateoxide nicht durch Photoresistrückstände verunreinigt. Darüber hinaus dient Germanium im Substrat unmittelbar unter den Gateoxiden zum Erhöhen der Beweglichkeit von Ladungsträgern innerhalb der Kanäle von bei anschließenden Prozessschritten hergestellten MOS-Bauteilen.
Claims (6)
- Verfahren zum Herstellen von Gateoxiden mit verschiedenen Dicken auf einem Halbleitersubstrat (
31 ) mit ersten und zweiten aktiven Bereichen, mit folgenden Schritten: – Aufbringen einer Maskierungsoxidschicht (36a ,36b ) mit definierter Schichtdicke auf dem Halbleitersubstrat (31 ), – selektives Entfernen der Maskierungsoxidschicht (36a ) auf den ersten aktiven Bereichen mit Hilfe einer Photoresist-Schicht (37 ), – Entfernen der Photoresist-Schicht (37 ), – danach Implantieren von Germaniumionen (38 ) in die freiliegenden Oberflächen der ersten aktiven Bereiche und der Maskierungsoxidschicht (36b ) über den zweiten aktiven Bereichen, wobei flache hochdotierte Germaniumschichten in den ersten aktiven Bereichen und flache niedrigdotierte Germaniumschichten in den zweiten aktiven Bereichen entstehen, – Entfernen der Maskierungsoxidschicht (36b ) über den zweiten aktiven Bereichen, – Herstellen von ersten und zweiten Gateoxidfilmen (39a ,39b ) auf den ersten und zweiten aktiven Bereichen in einem Oxidationsschritt, wobei der erste Gateoxiddfilm auf dem ersten aktiven Bereich dicker ist als der zweite Gateoxidfilm über dem zweiten aktiven Bereich. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht (
36b ) aus Siliziumdioxid hergestellt wird. - Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Germaniumionen (
38 ) mit einer Implantationsenergie von 20-100 keV und einer Implantationsdosis von 5 × 1014 – 1 × 1016 Atome/cm2 implantiert werden. - Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Gateoxidfilme (
39a ,39b ) durch thermische Oxidation hergestellt werden. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Oxidation bei einer Temperatur von 800-850°C ausgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Implantieren das Substrat getempert wird.
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| JPH11233642A (ja) | 1999-08-27 |
| JP3658215B2 (ja) | 2005-06-08 |
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| KR100252856B1 (ko) | 2000-04-15 |
| US6143669A (en) | 2000-11-07 |
| DE19859090A1 (de) | 1999-07-08 |
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