DE2247975B2 - Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Schaltungen mit komplementären MOS-Transistoren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Schaltungen mit komplementären MOS-TransistorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Schaltungen mit
komplementären MOS-Transistoren, bei dem auf ein elektrisch isolierendes Substrat inselförmige Halbleitergebiete
aufgebracht werden, diese Halbleitergebiete mit Source- und Drainzonen eines ersten und zweiten
Leitungstyps versehen werden und auf die insetförmigen Halbleitergebiete Gate-Oxidschichten für die
Transistoren aufgebracht werden.
Dünnschicht-Schaltungen mit komplementären MOS-Transistoren, und zwar speziell mit Silizium
(ESFI-Komplementär-Kanal-MOS-Schaltkreise), und
ihre Herstellungsverfahren sind bereits bekannt. Unter
ESFI-Komplementär-MOS-Schaltkreisen (Epitaxial
Silizium-Filme auf Isolatoren) werden Schaltkreise verstanden, bei denen Süiziunj-Rlme epitaktiseh auf
Isolatoren, beispielsweise auf einem isolierenden Substrat aus Spinell oder Saphir abgeschieden werden.
Zwischen den einzelnen Siliziuminseln befindet sich dabei Luft oder eine isolierende Zwischenschicht In den
inselförmigen Siliziumhalbleiterschichten befinden sich durch Diffusion erzeugte Source- und Drainzonen. Ober
dem Gebiet zwischen Source und Drain ist der Gateisolator, der gewöhnlich aus einer SiOrSchicht
besteht, aufgebracht. Die Source- und Drainzonen und das Gate sind mit Elektroden, beispielsweise mit
Aluminiumelektroden, versehen. Die Herstellung einer solchen Anordnung ist aus der Zeitschrift »Proceedings
of the IEEE, Vol.57. No.9, September 1969 zu
entnehmen. ESFI-Komplementär-MOS-Schaltkreise
sind schneller als MOS-Schaltkreise in massivem Silizium, da die pn-Übergangskapazitäten und die
Kapazitäten zwischen den Metallisationen und dem Substrat praktisch entfallet?.
Aber auch bei den herkömmlichen ESFI-MOS-Schaltkreisen treten noch immer parasitäre
Kapazitäten auf Infolge dieser ÜbeHappungskapazitäten
zwischen der Gateelektrode und der Drainzone und zwischen der Gateelektrode und der Sourcezone ist
die Funktionsgeschwindigkeit solcher Schaltkreise kleiner als bei Schaltkreisen, bei denen diese Kapazitäten
nicht auftreten. Weiterhin ist aus der Zeitschrift »Philips Technische Rundschau«, 31. Jahrgang, 1970/71,
Seiten 278 — 281 zu entnehmen, daß zur Verminderung der parasitären Kapazitäten der Abstand zwischen
Source- und Drainzone bei MOS-Transistoren sehr klein sein muß, weshalb zu deren Hersteilung das
lonenimplantationsverfahren vorgeschlagen wird, wobei
die Gateelektrode als Maske dient. Diese Erkenntnis macht sich die Erfindung zunutze.
Außerdem ist aus dem »IBM Technical Disclosure Bulletin«, VoI 12, No. 12, May 1970, die Herstellung von
komplementären Feldeffekttransistoren in einer Massiv-Silizium-Technik zu entnehmen, bei der eine
kombinierte Gallium-Phosphor-Diffusion durchgeführt wird. Dabei werden als Diffusionsmasken sowohl StOjals
auch SijN< (Siliziumnitrid)-Schichten nebeneinander
verwendet.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht in der Herstellung von Dünnschicht-Schaltungen
mit komplementären MOS-Transistoren, insbesondere nach der ESFI-Technologie, bei denen
1. parasitäre Kapazitäten der herkömmlichen
ESFI-MOS-Schaltungen vermieden werden können
und
2. die Herstellung des Schaltkreises ohne eine Doppelmaskierung erfolgt
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet Ut, daß auf
den Gate-Oxidschichten und auf den freiliegenden Oberflächen der inselförmigen Halbleitergebiete eine
Schicht aus Elektrodenmaterial aufgebracht wird, daß in einem ersten Ätzschritt über den Halbleitergebieten mit
Source- und Drainzonen des ersten Leitungstyps erste öffnungen in der Schicht erzeugt werden, wobei der
jeweils zwischen den Source- und Drainzonen verbleibende Teil der Schicht erste Gateelektroden bildet, daß
durch eine erste Ionenimplantation mit Ionen einer is
ersten lonenart in vorgegebener Dosis durch die ersten
öffnungen hindurch erste Bereiche des ersten Leitungstyps erzeugt werden, daß in einem zweiten Ätzschritt
über den Halbleitergebieten mit Source- und Drainzonen des zweiten Leitungstyps zweite öffnungen in
der Scnichi erzeugt werden, wobei der jeweils zwischen
den Source- und Drainzonen verbleibende Teil der Schicht zweite Gateelektroden bildet, und daß eine
zweite Ionenimplantation mit Ionen einer zweiten lonenart, die einen zur ersten Sonenart entgegen- 2s
gesetzten Leitungstyp ergibt und deren Dosis kleiner ist als die Dosis der ersten lonenart, durch die ersten und
zweiten öffnungen hindurch vorgenommen wird, so daß unterhalb der zweiten Öffnungen zweite Bereiche des
zweiten Leitungstyps entstehen, wogegen der Leitungstyp der ersten Bereiche unverändert bleibt.
Vorzugsweise werden zur η-Dotierung Phosphorionen implantiert und zur p-Dotierung Borionen
implantiert.
Vorteilhafterweise kann für den selbstjustierenden Implantationsprozeß die Gateelektrode selbst als
Maske verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß sowohl die Dotierung der n-Bereiche mit Donatoren als auch die Dotierung der
p-Bereiche mit Akzeptoren aufeinanderfolgend durchgeführt werden kann, ohne daß bereits dotierte
Bereiche wieder durch eine Schutzschicht abgedeckt werden müssen. Die Erfindung weist also den Vorteil
auf, daß keine Doppelmaskierung erforderlich ist
Weitere Erläuterungen zur Erfindung und zu deren Ausgestaltungen gehen aus der Beschreibung und den
Figuren bevorzugter Ausführungsbeispiele des Verfahrens nach der Erfindung und seiner Weiterbildungen
hervor.
In den F i g. I bis 3 sind einzelne Verfahrensschritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt.
Zu der Erfindung führten die folgenden Überlegungen. Nachdem zunächst mit herkömmlichen ss
Diffusions-, Oxydations- und photolithographischen Prozessen die ESFI-Komplemenlär-MOS-Schaltkreise
nach Fig. 1 hergestellt werden, wird in einem Verfahrensschritt die Gateelektrodenschicht entweder
über den mit Akzeptoren zu dotierenden oder den mit Donatoren zu dotierenden Halbleitergebieten teilweise
entfernt, so daß an den dann freiliegenden Stellen durch Ionenimplantation Ionen einer ersten loncnarl einer
vorgegebenen Dosis in die Bereiche unter den freiliegenden Sitllrn implantiert werden. In einem
weiteren Verfahrensschritt wird die Metallschicht über den komplementär zu rotierenden Stellen der komplementären
inselförmigen Halbleilcrgebieie entfernt. Alle nun freiliegenden Bereiche werden durch lonenimplan ·
tation mit Ionen einer zweiten lonensrt dotiert. Die
Ionen der zweiten lonenart sind vom entgegengesetzten
Dotierungstyp. Die Dosis der Ionen des zweiten Typs ist kleiner als die Dosis der Ionen des
ersten Typs.
Die Gebiete, die zuerst implantiert wurden, enthalten
nach den beiden abgeschlossenen Implantationsschritten die Ionen beider lonenarten. Da aber die Dosis
der Ionen des ersten Dotierungstyps größer ist als die Dosis der Ionen des zweiten Dotierungstyps, wird der
Dotierungstyp von der ersten lonenart bestimmt.
Für den selbstjustierenden Implantationsprozeß wird die Gateelektrodenschicht als Maske verwendet Die
Ionenenergie muß so groß sein, daß die Ionen, die auf
die Gateelektrodenschicht auftreffen, nicht in das Halbleitermaterial vordringen körnen, daß aber die
Ionen, die auf den freiliegenden Gateisolator auftreffen,
in das unter dem Gateisolator liegende Halbleitergebiet vordringen können.
Die endgültige Struktur der Metallisierungen läßt
auch die Gebiete zwischen den einzelnen MOS-Transistoren frei Bei den vorliegenden ESFI-Komplementär-MOS-Schaltkreisen
befindet sich zwischen den einzelnen inselförmigen Halbleitergebieten kein Halbleitermaterial,
sondern Luft oder eine isolierende Zwischenschicht, auf die die beiden Implantationsschritte keinen Einfluß haben. Bei herkömmlichen
Komplementär-MOS-Schaltkreisen in Massivsilizium
wären jedoch zusätzliche Maskierungen und daher mehrere Prozeßschritte notwendig.
Im folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Komplementär-MOS-Schaltungen
an Hand der F i g, 1 bis 3 beschrieben. In der F i g. 1 ist
eine mit einer Aluminiiimschicht als Gateelektrodenschicht
bedeckte Komplementär-MOS-Struktur dargestellt die zwei verschiedene, herkömmliche Transistortypen
enthält Dabei sind in an sich bekannter W?ise auf einem isolierenden Substrat 1, das vorzugsweise aus
Spinell oder Saphir besteht, die inseiförmigen HaIblei'crgebiete
2 und 22 aufgebracht. Als Halbleitermaterial dient vorzugsweise Silizium. Das eine Halbleitergebiet
beispielsweise das Halblei:ergebiet 2, enthält die beiden diffundierten p-leitenden Gebiete 5
und 6, die als Source- bzw. abs Drainzone dienen. Das andere Halbleitergebiet beispielsweise das Halblettergebiet
22, enthält als Source und Drain die n-leitenden diffundierten Gebiete 55 bzw. 66. Auf den Halbleitergebieten
ist jeweils zwischen Source und Drain ein Gateisolator 3 bzw. 33 angeordnet. Ais Material für den
Gateisolator wird beispielsweise SiO? verwendet. Zwischen den inselförmigen Halbleitergebieten ist vorzugsweise
eine Zwischenschicht angeordnet die beispielsweise
aus S1O2 oder SijN* besteht. Die Zwischenschicht
ist mit 15 bezeichnet. Auf den freiliegenden Oberflächen der Zwischenschichten 15, der Gateoxidschicht 3,33 und
der inselförmigen Halbleitergebiete 2, 22 befindet sich eine Elektrodenschicht, die vorzugsweise aus aufgedampftem
Alumimium besteht. Die Dicke dieser Aluminium Aufdampfschicht beträgt vorzugsweise
1 μπι. Das Aluminium ist in elektrischem Kontakt mit
den diffundierten Gebieten.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung besteht die Elektrodenschicht aus
einem hochschmelzeiiden Elektrodenmaterial, beispielsweise
aus Silizium oder Molybdän.
Im folgenden werden nun diejenigen Stellen der Aluminiumschicht über denjenigen Stellen der Halb-
lederschicht entfernt, in die Ionen implantiert werden
sollen. Beispielsweise werden, wie aus der I" i g. 2 ersichtlich, Aussparungen 7 und 8 in die Aluminiumschicht
geätzt. Es werden nun durch die Aussparungen 7 und 8 hindurch beispielsweise Donatoren in die
Bereiche Il und 12 des Halblcitcrgebietcs 22 implantiert. Dabei erfolgt die Ionenimplantation so lange, bis in
dem Halbleitergebicl eine vorgegebene Konzentration der Donatoren erreicht ist. In den nicht diffundierten
Bereichen 11 und 12 wird die Dotierungskonzentration
von dem implantierten Dolierstoff bestimmt. Die Implantation beeinflußt die diffundierten Gebiete nicht.
Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, werden nun in einem weiteren Verfahrensschritt Aussparungen 9 und
10 in die Aluminiumschichi geätzt, gleichzeitig wird in demselben Ätzschritt die endgültige Metallisierung
hergestellt. Die Implantation von Ionen in frei liegende Gebiete auch außerhalb der bereits implantierten
Gebiete ist nicht störend. Nach diesem Ätzvorgang besitzt also die Leiterbahnanordnung ihre endgültige
Form. Im nächsten Verfahrensschritt werden nun Akzeptoren mittels Ionenimplantation in die Struktur
eingebracht. Dabei erfolgt die Implantation so lange, bis in den Gebieten 13 und 14 eine vorgegebene
Konzentration der Akzeptoren erreicht ist. Die Dosis der Akzeptoren, die in die Gebiete 11 und \2 implantiert
werden, ist kleiner als die Dosis der ursprünglich in die Gebiete Il und 12 implantierten Donatoren. Da nach
der unten beschriebenen Aktivierung die Konzentration der Donatoren, die in die Gebiete 11 und 12 implantiert
wurden, größer ist als die Konzentration der Akzeptoren, die in diese Gebiete implantiert wurden, sind
diese Gebiete n-leitend.
Nach der Implantation werden die implantierten Bereiche aktiviert. Dazu wird die Halbleiteranordnung
vorzugsweise 10 bis 20 min lang auf etwa 500"C erhitzt. Diese Temperung bewirkt, daß die implantierten Ionen,
die zunächst elektrisch in-aktive /wischcngitlerplätze einnehmen, auf elektrisch aktive Gitterplätze übergehen.
Donatoren und Akzeptoren sind unterschiedlich aktivierbar, d. h. das Verhältnis der Anzahl der
implantierten Ionen zu der Anzahl der Ionen, die
elektrisch aktive Gitterpliitze einnehmen, ist nach der Aktivierung für Donatoren und Akzeptoren unterschiedlich.
Deshalb wird die Akzeptorionen- und Donalorionendosis so ausgewählt, dall nach der
Aktivierung in den Bereichen 11 und M die Uonatorcnkonzentration
größer ist als die Akzeptorenkonzentration.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, durch Ionenimplantation mit p-Dotierung
zuerst die positiven Source- und Orainzoncn her/ustellen
und anschließend nach dem zweiten Ätzvorgang durch weitere Ionenimplantation in den dazu komplementären
Halbleitcrgebietcn die n-Gcbicic herzustellen. Die .»uerst implantierte Dosis des Dotierungsmaterial
muß größer sein.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von Dünn-Schicht-Schaltungen mit komplementären
MOS-Transistoren, bei dem auf ein elektrisch
isolierendes Substrat inselförmige Halbleitergebiete
aufgebracht werden, diese Halbleitergebiete mit Source- und Drainzonen eines ersten und zweiten to
Leitungstyps versehen werden und auf die inselförmigen Halbleitergebiete Gate-Oxidschichten für
die Transistoren aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Gate-Oxidschichten
(3, 33) und auf den freiliegenden 'S Oberflächen der inselförmigen Halblettergebiete (2,
22) eine Schicht (4) aus Elektrodenmaterial aufgebracht wird, daß in einem ersten Ätzschritt über den
Halbleitergebieten (22) mit Source- und Draiiizonen (55,66) äts ersten Leitungstyps erste öffnungen (7,
S) in der Schicht (4) erzeugt werden, wobei der jeweils zwischen den Source- und Drainzonen (55,
66) verbleibende Teil der Schicht (4) erste Gateelektroden (4) bildet, daß durch eine erste Ionenimplantation
mit Ionen einer ersten Ionenart in vorgegebener Dosis durch die ersten Öffnungen (7,8) hindurch
erste Bereiche (11, 12) des ersten Leitungstyps erzeugt werden, daß in einem zweiten Ätzschritt
über den Halbleitergebieten (2) mit Source- und Drainzonen (5, 6) des zweiten Leitungstyps zweite
öffnungen l°i, 10) in der Schicht (4) erzeugt werden,
wobei der jeweils zwischen den Source- und DrainzofKn (5, 6) verbleibende Teil der Schicht (4)
zweite Gateelektroden (4) bildet, und daß eine /weite Ionenimplantation mii Ionen einer zweiten
lonenart, die einen zur ersten lonenart entgegengesetzten Leitungstyp ergibt und deren Dosis
kleiner ist als die Dosis der ersten lonenart, durch die ersten und zweiten öffnungen (7,8; 9,10) hindurch
vorgenommen wird, so daß unterhalb der zweiten «0 öffnungen (9, IG) zweite Bereiche (13, 14) des
zweiten Leitungstynis entstehen, wogegen der
Leitungstyp der ersten Bereiche (U, 12) unverändert bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die implantierten Bereiche (II, 12,13,
14) nach der zweiten Ionenimplantation durch Tempern aktiviert werden.
3. Verfahren nach Anspruch I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Spinell oder so
aus Saphir besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inselförmigen Halbleitergebiete
(2,22) aus Silizium oder aus Galliumarsenid
bestehen.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Gateelektrodenmaterial (4)
Aluminium verwendet wird und daß die implantierten Bereiche (II, 12,13, 14) 10 bis 20 min bei etwa
500° C in einer Wasserstoffatmosphäre aktiviert werden.
6. Verfahren nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gateelektrodenmaterial (4)
aus einem hochschmelzenden Material besteht und daß die implantierten Bereiche (U, 12, 13, 14) bei
Temperaturen, die höher als 500° C sind, aktiviert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gateelektrodenmaterial (4) aus
Silizium oder aus Molybdän besteht.
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