DE2641752B2

DE2641752B2 - Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors

Info

Publication number: DE2641752B2
Application number: DE2641752A
Authority: DE
Inventors: Hideo Tokio Sunami
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-09-17
Filing date: 1976-09-16
Publication date: 1978-11-23
Also published as: NL173113B; DE2641752A1; NL173113C; US4210993A; JPS5235983A; NL7610283A; DE2641752C3

Description

Oxidationsgeschwindigkeit von der Störstoffkonzentration des Halbleitermaterials zur Vereinfachung des aus der eingangs abgehandelten US-PS 37 98 752 bekannten Verfahrens.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 bis 6 Querschnitte zur Veranschaulichung der to einzelnen Schritte bei der Herstellung eines Feldeffekttransistors; und

F i g. 7 und 8 Querschnitte zur Veranschaulichung bestimmter Verfahrensschritte gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. ι⁵

Beispiel 1

Wie in F i g. 1 gezeigt, wird auf dem gesamten Bereich der (lOO)-Oberfläche eines p-Siliciumsubstrats 1 mit einer Störstoffkonzentration von etwa 10'*· bis 10¹⁷ cnv³ ein Feldisolationsfüm 2 gebildet, der aus S1O2 besteht und eine Dicke von 0,5 bis 1,5 μπι hat. Wird beispielsweise das Siliciumsubstrat in einer feuchten Sauerstoffatmosphäre sechs Stunden lang bei 1000°C oxidiert, so entsteht ein Siliciumdioxid-Film mit einer 2-> Dicke von 1 μΐη. Danach wird der Feldisolationsfilm 2 in einem Bereich 3, in dem ein Transistor erzeugt werden soll, geätzt und nach dem bekannten photolithographischen Verfahren entfernt. Dabei wird eine erste Photomaske verwendet. In dem Bereich 3 wird w wiederum durch thermische Oxidation ein Gate-Isolationsfilm 21 gebildet, dessen Dicke etwa 0,05 bis 0,1 um beträgt. Durch Niederschlag aus der Dampfphase wird eine polykristalline Siliciumschicht 4 mit einer Dicke von etwa 0,2 bis 0,5 μΐη derart gebildet, daß sie den s^r> gesamten Bereich des Feldisolationsfilms 2 sowie den Gate-Isolationsfilm 21 bedeckt. Die polykristalline Siliciumschicht 4 wird nach dem bekannten thermischen Diffusionsverfahren vorher mit Phosphor oder Bor mit einer hohen Konzentration über etwa 10²⁰ cnv³ dotiert. ·»» Wird bei der thermischen Diffusion unter Verwendung von POCI3 die Diffusion 30 Minuten lang bei 1000°C ausgeführt, so weist eine 0,3 μπι dicke polykristalline Siliciumschicht einen Flächenwiderstand von etwa 30i2/üund eine Konzentration von elektrisch aktivem ■»'> Phosphor von 10²⁰ bis 10²¹ cm-³ auf. Wird nun gemäß Fig.2 die polykristalline Siliciumschicht 4 nach dem photolithographischen Verfahren entfernt, so bleiben eine polykristalline Siliciumschicht 5, die die Gate-Elektrode des Transistors bilden soll, sowie auf dem '>» Feldisolationsfilm 2 (in F i g. 2 nicht gezeigte) polykristalline Schicht, die später als Verbindungsschicht dienen soll, übrig. Dabei wird eine zweite Photomaske verwendet. Unter Verwendung der später die Gate-Elektrode bildenden polykristallinen Siliciumschicht 5 >^r> als Maske werden die freiliegende Teile des Gate-Isolationsfilms 21 und der Oberflächenteil des Feldisolationsfilms 2 mit einem Ätzmittel, beispielsweise gepufferten HF-Lösungen, so weit entfernt, daß die Oberfläche des Silicium-Halbleitersubstrats 1 in demjenigen Teil des ^Wi den Transistor bildenden Bereichs 3 freigelegt wird, der nicht mit der Maske bedeckt ist. Das sich ergebende Substrat wird dann in wasserdampfhaltigem O2 oxidiert.

Gemäß F i g. 3 werden danach auf dem Siliciumsubstrat 1 ein Isolationsfilm 22 aus S1O2 sowie auf der ' ^: polykristallinen Siliciumschicht 5 ein Gate-Schutzfilm 6 ebenfalls aus S1O2 geformt. Generell ist die Oxidationsgeschwindigkeit um so größer, je höher die Störstoff konzentration ist. Bei der obigen Maßnahme wird daher der Gate-Schutzfilm 6 rascher gebildet als der Isolationsfilm 22. Wird die Oxidation beispielsweise vier Stunden lang bei 800° C durchgeführt, so bildet sich auf der später als Gate-Elektrode dienenden polykristallinen Siliciumschicht 5 ein SiO2-Film mit einer Dicke von 580 mm und auf der freiliegenden Oberfläche des Siliciumsubstrats 1 ein SiO2-Film mit einer Dicke von 180 nm. Die Temperatur bei der thermischen Oxidation ist zwar nicht auf 800°C begrenzt; der auf dem Unterschied der Störstoffkonzentrationen beruhende Unterschied hinsichtlich der Dicken der SiO2-Filme wird jedoch um so größer, je geringer die Temperatur ist, weshalb zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine niedrige Temperatur vorteilhafter ist. Wird andererseits die Temperatur für die thermische Oxidation zu gering, so wird die dafür benötigte Zeitspanne zu lang, was vom fertigungstechnischen Standpunkt aus problematisch ist In der Praxis liegt die Temperatur für die thermische Oxidation zwischen 600 und 900⁰C unter der Annahme, daß der Umgebungsdruck bei der Oxidation unter 101 325 Pa liegt. Generell wird die Oxidationsgeschwindigkeit mit zunehmendem Umgebungsdruck größer, so daß sich für eine vorgegebene Dicke die Oxidationszeit abkürzen läßt.

Gemäß Fig.4 werden anschließend sowohl der Isolationsfilm 22 als auch Oberflächenteile des Gate-Schutzfilms 6 und des Feld-Isolationsfilms 2 wiederum mit dem Ätzmittel, beispielsweise gepufferten HF-Lösungen, so weit entfernt, daß die Oberfläche des Silicium-Halbleitersubstrats 1 wiederum an demjenigen Teil des den Transistor bildenden Bereichs 3 freigelegt wird, der nicht mit der die Gate-Elektrode ist. Mit anderen Worten werden die S1O2- Filme 2, 22 und 6 in ihrer Dicke um 180 nm verringert. Der Gate- Isolationsfilm 6 bleibt dabei übrig, obwohl seine Dicke auf 400 nm abnimmt. Da das Ätzmittel, bei dem es sich um ein Lösungsgemisch aus sechs Volumenteilen NH4F und einem Volumenteil HF handelt, eine Ätzgeschwindigkeit von etwa 80 nm/min bei Zimmertemperatur aufweist, dauert der erwähnte Ätzvorgang etwas länger als zwei Minuten.

Gemäß Fig.5 wird sodann nach dem photolithographischen Verfahren unter Verwendung einer dritten Photomaske ein Elektroden-Verbindungsloch 7 in dem Gate-Schutzfilm 6 geformt. Auf den gesamten Bereich wird nun eine zweite Elektrodenschicht 8 mit einer Dicke von 0,5 bis 1 μπι aufgetragen, die aus AL oder einem ähnlichen Metall besteht. Wird für die zweite Elektrodenschicht 8 polykristallines Silicium verwendet, so lassen sich Source- und Drain-Zonen 9 des n-Typs dadurch erzeugen, daß entweder durch das polykristalline Silicium hindurch Ionen implantiert oder Störstoffe, mit denen das polykristalline Silicium vorher dotiert worden ist, thermisch eindiffundiert werden. Wie bei dem Verfahren zur Herstellung von MOS-Transistoren nach dem Stand der Technik können die später die Source- und Drain-Zonen des Transistors bildenden Zonen 9 durch thermische Diffusion oder Ionenimplantation auch erzeugt werden, bevor die zweite Elektrodenschicht 8 aufgetragen wird. Bei einer thermischen Diffusion mit POCI3 läßt sich beispielsweise eine /J-Schicht mit einer Dicke von etwa 1 μΐη in zwanzig Minuten bei 1000°C erzeugen. Nach der obigen Beschreibung werden in dem p-Halbleitersubstrat 1 Source- und Drain-Zonen des n-Typs gebildet; umgekehrt können jedoch auch unter Verwendung eines /7-Halbleitersubstrats Source- und Drain-Zonen des

p-Typs erzeugt werden. Gemäß F i g. 6 wird weiterhin ein Photoätz-Verfahrensschritt angewandt, um eine Source-Elektrode 82, eine Gate-Zuleitung 83 und eine Drain-Elektrode 84 zu erzeugen um die Halbleitervorrichtung zu vervollständigen. Dabei ist eine vierte ^r> Photomaske erforderlich.

Wie oben dargelegt, läßt sich ein MOS-Transistor herstellen, wobei grundsätzlich insgesamt vier Masken verwendet werden. In dem Verfahren zur Herstellung von MOS-Transistoren nach dem Stand der Technik κι werden die Silicium-Gale-Elektrode, die n-Zonen 9 und der von der Gate-Elektrode 5 und dem Feld-Oxidfilm 2 umgebene Bereich der Vorrichtung unter Selbstausrichtung gebildet. Zusätzlich zu diesen Eigenschaften nach dem Stand der Technik werden sowohl die Drain-Elek- i"> trode 84 als auch die Source-Elektrode 82 mit den n-Zonen 9 selbstausrichtend erzeugt. Daher ist zur Erzeugung dieser Teile das in der Beschreibung des Standes der Technik erwähnte Erfordernis der Masken-Ausrichtung nicht erforderlich. Dies ist für die 2» Miniaturisierung der Halbleitervorrichtung von bedeutender Wirkung.

Beispiel 2

In dem obigen Beispiel 1 wird nach Auftragen des 2~> Feldoxidfilms 2 auf die gesamte Fläche der Bereich für die Halbleitervorrichtung durch Ätzen gebildet. Gemäß dem vorliegenden Beispiel 2 wird dagegen auf der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 einmal ein Si₃N₄-FiIm 10 erzeugt. Gemäß Fig.7 wird dieser w Film 10 durch Ätzen derart entfernt, daß nur ein Teil auf demjenigen Bereich 3 übrigbleibt, in dem der Transistor geformt werden soll. Unter Verwendung des übrigbleibenden Si₃N₄-FiImS 10 als Maske wird die Oberfläche des Halbleitersubstrats thermisch oxidiert. Dabei wird ein Teil der Dicke des Feldisolationsfilms 2 in das Halbleitersubstrat 1 versenkt. Dadurch wird ein Transistor erzielt, der eine flachere Oberfläche hat als der Transistor nach Beispiel 1. Dieses Verfahren ist unter der Bezeichnung LOCOS (Local Oxidation of Silicon = örtliche Oxidierung von Silicium) bekannt. (Philips Research Reports, Band 26,1971, S. 157 -165).

Wie in Fig. 8 gezeigt, werden nach Entfernen des Si₃N₄-FiImS 10 der Gate-Isolationsfilm 21 sowie auf der gesamten Fläche des Feldisolationsfüms 2 und des Gate-lsolationsfilms 21 in gleicher Weise wie in Beispiel 1 die polykristalline Siliciumschicht 4 gebildet. Der Querschnitt nach F i g. 8 ist dem nach F i g. 1 mit der Ausnahme ähnlich, daß ein Teil der Dicke des Feldisolationsfilms 2 in das Halbleitersubstrat 1 abgesenkt ist. Unter Anwendung der gleichen übrigen Schritte wie im Beispiel 1 wird dann ein Transistor mit flacher Oberfläche hergestellt.

Bei der obigen Erläuterung der Erfindung arbeiten die Beispiele mit der erwähnten (lOO)-Oberfläche des Siiiciumsubstrats. In ähnlicher Weise können jedoch auch die Oberflächen (111,110) und andere Oberflächen verwendet werden. Dabei ändern sich die Oxidationsgeschwindigkeiten etwas, weshalb entsprechend geeignete Oxidationsbedingungen vorzugeben sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors, bei welchem auf einem Silicium-Halbleitersubstrat auf dem größten Teil eine dicke Feldoxidschicht und in einem Bereich, in dem der Feldeffekttransistor erzeugt werden soll, eine dünne Gate-Oxidschicht hergestellt wird, eine Schicht aus polykristallinem Silicium aufgebracht und durch selektives Ätzen bis auf einen die Gate-Elektrode bildenden Bereich entfernt wird, auf der Gate-Elektrode eine Siliciumdioxidschicht aufgebracht wird, die dicker als die Gate-Oxidschicht ist, das Siliciumdioxid so lange geätzt wird, bis die dünnere Oxidschicht entfernt ist und damit die Substratoberfläche an diesen Stellen freiliegt, das Substrat an den freiliegenden Stellen zur Bildung von Source- und Drain-Zonen dotiert wird, und eine Metallschicht aufgebracht und zur Bildung von Elektroden geätzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Siliciumschicht so stark dotiert wird, daß ihre Störstoffkonzentration höher als diejenige des Substrats ist, daß vor dem Aufbringen der Siliciumdioxidschicht auf der Gate-Elektrode die Gate-Oxidschicht mit der Gate-Elektrode als Maske bis zur Freilegung der Substratoberfläche selektiv entfernt und durch thermische Oxidation der freigelegten Stellen der Subs'ratoberfläche und der Gate-Elektrode eine erneute Siliciumdioxidschicht aufgewachsen wird, wobei deren Dicke auf der Oberfläche der Gate-Elektrode infolge der starken Dotierung des polykristallinem Siliciums größer ist als auf der des schwächer dotierten Substrats, und daß diese Oxidschicht bis zur Freilegung der vorher durch sie abgedeckten Substratoberfläche für die Dotierung zur Bildung der Souce- und Drain-Zonen geätzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Feldoxidschicht und der Gate-Oxidschicht auf dem Siliciumsubstrat ein w Siliciumitridfilm erzeugt wird, daß der Siiiciumnitridfilm bis auf den Bereich, in dem der Feldeffekttransistor erzeugt werden soll, entfernt wird, daß mit dem verbliebenen Teil des Siliciumnitridfilms als Maske das Siliciumsubstrat einer thermischen Oxidation zur Bildung eines dicken Siliciumdioxidfilms unterworfen wird, daß der verbliebene Teil des Siliciumnitridfilms danach entfernt und daß auf dem dadurch freigelegten Teil des Substrats durch erneute thermische Oxidation ein dünner Siliciumdioxidfilm als Gate-Oxidschicht erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Silicium-Halbleitersubstrat eine Störstoffkonzentration von etwa 10^M bis 10¹⁷ cm-³ und die die Gate-Zone bildende polykristalline Siliciumschicht eine Störstoffkonzentration von mindestens 10²⁰ cm-³ hat

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Oxidation der die Gate-Zone bildenden polykristallinen wi Siliciumschicht und der freiliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats zum Aufwachsen des Siliciumdioxidfilms in einer wasserdampfhaltigen oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 600 und 900⁰C durchgeführt wird. <■>

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren kommt es darauf an, den seitlichen Abstand zwischen den die Oxidschicht auf dem Halbleitersubstrat durchsetzenden Verbindungslöchern für die Source- und Drain-Elektroden einerseits und der auf der Oxidschicht angeordneten Gate-Elektrode andererseits so klein wie möglich zu machen, um den Platzbedarf des Feldeffekttransistors zu verringern und damit die Integrationsdichte in einer integrierten Schaltung zu erhöhen, gleichzeitig aber Kurzschlüsse zwischen Source und Gate sowie Drain und Gate zu verhindern.

Bei dem aus der US-PS 37 98 752 bekannten Verfahren wird dies dadurch erreicht, daß der die Gate-Elektrode bildende Bereich einer polykristallinen Siliciumschicht durch anodische Oxidation mit einer Oxidschicht versehen wird. Dazu wird der gesamte Halbleiteraufbau in einen geeigneten Elektrolyt eingetaucht, wobei die polykristalline Siliciumschicht als die eine Elektrode bei der Elektrolyse dient und entsprechend elektrisch zu verbinden ist. Wegen dieser elektrischen Verbindung ist das bekannte Verfahren insbesondere dann umständlich, wenn mehrere Silicium-Schichtbereiche gleichzeitig oxidiert werden sollen, wie dies bei integrierten Schaltungen regelmäßig der Fall ist. In solchen Fällen müssen sämtliche Silicium- Schichtbereiche vor der Oxidation mit einer gemeinsamen Verbindung versehen werden, die hinterher entfernt werden muß, da es praktisch nicht möglich ist, die einzelnen Schichtbereiche jeweils für sich zu verdrahten. Außerdem besteht bei der Elektrolyse eine erhöhte Gefahr der Verunreinigung des Halbleiteraufbaus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oxidation des polykristallinen Silicium-Schichtbereichs zu Isolierung der Gate-Elektrode so vorzunehmen, daß in der Halbleitertechnik übliche und einfach durchzuführende Verfahrensschritte angewendet werden können und trotzdem die vorteilhaften geringen Abstände zwischen der Gate-Elektrode und den Verbindungslöchern für die Source- und Drain-Elektroden eingehalten werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Danach wird die Tatsache ausgenutzt, daß die thermische Oxidation eines höher dotierten Halbleitermaterials rascher voranschreitet als eines niedriger oder nicht dotierten Halbleitermaterials, so daß die Isolierung der Gate-Elektrode durch übliche und einfache thermische Oxidation erfolgen kann.

Aus »IBM Technical Disclosure Bulletin« Band 17, Nr. 9, Februar 1975, Seite 2591, ist es zwar bekannt, daß entsprechend dotiertes polykristallines Silicium schneller oxidiert als ein Siliciunsubstrat. Außerdem ist aus der GB-PS 13 32 384 ein Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors mit einer Gate-Elektrode aus polykristallinem Silicium und einer Gate-Isolation aus einem Siliciumdioxidfilm und einem Siliciumnitridfilm bekannt, bei dem das polykristalline Silicium datiert und oxidiert wird und bei dem nach dem Dotieren der Source- und der Drainzonen ein Fenster in der die Gate-Elektrode bedeckender Oxidschicht geschaffen und eine Metallschicht aufgebracht und zur Bildung der Elektroden für Source und Drain und des Gate-Anschlusses geätzt wird. Diese Druckschriften enthalten jedoch keinen Hinweis auf die erfindungsgemäße Ausnutzung der an sich bekannten Abhängigkeit der