DE2912535C2 - Verfahren zur Herstellung eines MIS-Feldeffekt-Transistors mit einstellbarer, extrem kurzer Kanallänge - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines MIS-Feldeffekt-Transistors mit einstellbarer, extrem kurzer Kanallänge

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Description

gestellt werden. Außerdem ist es schwierig, dieses bekannte (DIMOS)-Verfahren bei Metall-Gates zu verwenden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines MIS-Feldeffekttransistors mit einstellbarer, kurzer Kanalläige ist auch aus »IEEE Transactions on Electron Devices«, Vol. ED-24, No. 3, 1977, Seiten 196-204 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Kanallänge durch die Fotolackstruktur auf dem Gate bestimmt. Dabei wird eine Doppelimplantation noch vor dem Aufbringen des Gate durchgeführt, also homogen im ganzen Transistorbereich. Die Doppelimplantation beeinflußt nicht die Länge des Kanals, sondern verbessert das elektrische Verhalten des Transistors, insbesondere im Hinblick auf die Einsatzspannung und die »punch-through«-Festigkeit. Das nach den Implantationen erzeugte Gate wird durch Fototechnik strukturiert und mit der Fotolackstruktur wird die Kanallänge eingestellt Die Kanallängen liegen im Bereich von 3 μπι.
Aus der US-PS 40 01048 ist ein Verfahren zur Herstellung von MIS-Feldeffekttransistoren mit selbstjustierenden Kontakten bekannt, bei denen Gate-Elektroden mit senkrecht verlaufenden Kanten als Implantationsmasken verwendet werden. Die effektive Kanallänge ist dabei durch die Grenze des Implantationsprofils und einem in einem vorausgehenden Verfahrensschritt erzeugten lateralen Diffusionsprofil bestimmt.
Aus der US-PS 38 46 822 ist ein Verfahren zur Herstellung eines MIS-Feldeffekttransistors mit einstellbarer extrem kurzer Kanallänge bekannt, bei dem die effektive Kanallänge des Transistors durch Ionen-Implantation mit der Gate-Elektrode als Maske und anschließender lateraler Diffusion eingestellt wird.
Aus »Japanese Journal of Applied Physics«, Vol. 11, No. 2, 1972, S. 134 —142, ist eine Untersuchung des durch Ionenimplantation an Maskenteilen mit senkrechten Kanten erzeugten Lateralprofils der Dotierstoffteilchen unterhalb der Maskenteile bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine MlS-Struktur mit oeliebig kleiner effektiver Kanallänge herzustellen, wobei die effektive Kanallänge nicht durch Maskentoleranzen, insbesondere durch Fotolackstrukturen, beeinflußt wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gate-Elektrode senkrecht geätzte Kanten aufweist, und daß die effektive Kanallänge durch das Lateralprofil aus der Überlagerung von mindestens zwei Implantationen von Dotierstoffteilchen des zweiten Leitungstyps mit unterschiedlicher Implantationsenergie und -dosis eingestellt wird.
Durch die gezielte Ausnutzung der lateralen Streuung bei der Ionenimplantation können DIMOS-ähnliche Transistoren mit typischen Strukturmaßen im Bereich von 1 μιτι und darunter realisiert werden. Das Verfahren ist vom Gate- bzw. Maskenmaterial unabhängig. Es können beispielsweise Polysilizium-Strukturen oder auch Metall-Gates (spezieil auch mit darauf befindlichen Fotolackschichten oder SiCb-Schichten) als Maske verwendet werden.
Die senkrecht geätzten Kanten der Gate-Elektrode werden gemäß einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel durch reaktives lonenätzen erzeugt. Dabei ist vorgesehen als Gate-Elektrode eine strukturierte leitfähige Schicht, insbesondere eine strukturierte Polysiliziumschicht zu verwenden.
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist auch vorgesehen, zur Erzeugung einer variablen Gestaltung der Dotierung das Kanalbereiches zwei Implantationsschritte nacheinander durchzuführen, wobei in beliebiger Reihenfolge eine hochenergetische Implantation im Bereich von >50keV und eine niederenergetische Implantation im Bereich von <50keV erfolgt. Diese Implantationen können durch eine auf dem Substrat-Material vorhandene Oxidschicht hindurch erfolgen. Dabei hat das Oxid die günstige Wirkung eines »Streuoxids«. Das Verfahren ist auch
ίο ehne Oxid oder bei teilweise entferntem Oxid anwendbar.
Die Aktivierung der implantierten Ionen und die Ausheilung der Strahienschäden kann auf eine minimale Zeit beschränkt werden, so daß die Temperaturbehandlung einen relativ kleinen Einfluß auf das Dotierprofil hat. Eine Temperaturbehandlung bei 1000° C während einer Zeitdauer von 10 min ist ausreichend.
Das Verfahren wird bevorzugt zur Herstellung eines MOS-Feldeffekttransistors in n-Kanal-Technik verwendet, da in diesem Fall die Beweglichkeit der Ladungsträger in dem Kanalgebiet größer ist als bei der p-Kanal-Technik, so daß sich eine größere Steilheit ergibt.
Weitere Einzelheiten werden anhand eines Ausführungsbeispiels bei der Herstellung eines n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors und der F i g. 1 bis 7 noch näher beschrieben. Dabei zeigen die
Fig. 1 bis 4 schematisch den Herstellungsgang des Bauelements und die
w Fig. 5 bis 7 die Nachbildung des geschilderten Verfahrens mit einem numerischen Modell.
Auf einem schwach p-leitenden Siliziumsubstrat 1 wird, wie in Fig. 1 dargestellt, in bekannter Weise eine Oxidschicht 2 und 3 erzeugt, die durch ein fotolithogra-
ü phisches Verfahren in den Bereichen 3. in denen der MOS-Transistor erzeugt werden soll, eine typische Dicke von 0,02 bis 0,05 μπι aufweist. Die unterschiedlichen Dicken der Oxidschichten 2 und 3 werden durch das Verfahren der lokalen Oxidation erzeugt. Es sind
■tu aber auch andere Verfahren, die dem Stand der Technik entsprechen, anwendbar; so z. B. Abätzen im Bereich 3. Durch die dünne Oxidschicht 3 erfolgt eine Implantation mit Phosphorionen 4, um eine schwach η-leitende Zone 5 in dem Substrat 1 zu erzeugen. Die dickeren Oxidschichtbereiche 2 dienen dabei als Maskierung.
Danach wird, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Schicht aus polykristallinem Silizium abgeschieden und durch einen fotolithographischen Prozeß mit anschließender Ätzung so strukturiert, daß die Gate-Elektrode 6 mit senkrecht
μ geätzten Kanten entsteht. Dies geschieht zweckmäßigerweise durch reaktives Ionen-Ätzen. Die Gate-Elektrode 6 dient nun als Implantationsmaske für die nachfolgende Source (8)- Drain (9)-lmplantation. Dabei werden Arsenionen 7 mit einer Energie von etwa 100 keV und einer Dosis von ca. 3· 1015cm-2 verwendet.
Anschließend werden, wie in Fig. 3 dargestellt, zur Erzeugung des Kanalbereiches 13 die Drain-Bereiche 9 mit einer Fotolackschicht 10 abgedeckt und durch die offenliegenden Source-Bereiche 8 Borionen 11 implantiert. Dabei werden nacheinander zwei Implantationen mit folgenden Parametern durchgeführt:
Erster Implantationsschritt: Implantationsenergie 80 keV Implantationsdosis 5 10" cm-2.
Zweiter Implantationsschritt: Implantationsenergie 25 keV Implantationsdosis 1 · 10Mcm 2.
Durch die Dosis der niederenergetischen Borimplantation wird dabei im wesentlichen die Einsatzspannung,
durch die hochenergetische Implantation dagegen die »punch-throughw-Festigkeit beeinflußt.
Nach Entfernen der Fotolackschicht 10 wird die Anordnung 15 min lang bei 10000C getempert, um die Ionen elektrisch zu aktivieren bzw. die Strahlenschäden auszuheilen.
Abschließend wird dann, wie in F i g. 4 gezeigt, durch einen fotolithographischen Prozeß die Metallisierung zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse 12 aufgebracht. Ansonsten gelten die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis3.
Die F i g. 5 bis 7 zeigen als Ergebnis der zweidimensionalen Simulation das Dotierprofil im Source-Bereich eines entsprechenden MOS-Transistors in der Abfolge der geschilderten Implantationen. Dabei wurden die Parameter für die Bor 1 (25 keV) und Bor 2 (80 keV) Implantation sowie für die Source-Dotierung (Arsen-Implantation) wie oben angegeben gewählt. Um das Bauelement für eine bestimmte Anwendung zu optimieren sind unter Umständen andere Daten zu wählen; es sollte hier lediglich das Prinzip verdeutlicht werden. Die als Netz aufgespannte Ebene stellt einen Querschnitt durch das Halbleitersubstrat dar. Der Betrachter schaut vom Halbleiterinneren zur Oberfläche. Am Ort (0,0) verläuft die Maskenkante. Die Ebene, die im Vordergrund vor den Null-Linien liegt, stellt den vom Gate »abgeschatteten« Bereich dar, in den hinein eine Streuung der Ionen stattfindet.
Fig.5 zeigt die erste Kanalimplantation (Bor 1) und die zweite Kanalimplantation (Bor 2). Dabei ist im linken Bereich die als Maske dienende Gate-Elektrode 6 und die Oxidschicht 3 eingezeichnet. Der Pfeil gibt die Richtung der Implantation an.
F i g. 6 zeigt neben der Bor 1- und der Bor 2-Implantation die Source-Implantation (Arsen), und die F i g. 7 zeigt das Dotierprolü nach dem Temperprozeß (iOOtr C, 15 min).
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines MIS-Feldeffekttransistors mit einstellbarer, extrem kurzer Kanallänge, bei dem auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats eine isolierende Schicht und darauf eine Gateeiektrodenschicht aufgebracht wird, bei dem ferner in dem Halbleitersubstrat ein Drain- und ein Source-Gebiet vom ersten Leitungstyp und ein zweites dotiertes Gebiet vom zweiten Leitungstyp, welches das Source-Gebiet mindestens in Richtung auf das Drain-Gebiet hin umschließt und seitlich von dem Source-Gebiet an die Substratoberfläche angrenzt, durch Ionenimplantation erzeugt wird, wobei der Kanalbereich durch denjenigen Zwischenbereich des Halbleitersubstrats gegeben ist, der zwischen dem an die Substrato!>erfläche engrenzenden äußeren Rand des zweiten dotierten Gebietes und dem ihm benachbarten Rand des Source-Gebietes Jiegl, und bei dem als Implantationsmaske für die Source- und Drain-Implantation des ersten Leitungstyps die auf dem Halbleitersubstrat befindliche Gate-Elektrode und die aus S1O2 bestehende Dickoxidschicht und als Implantationsmaske für die Implantation des zweiten dotierten Gebietes vom zweiten Leitungstyp die dem Source-Gebiet zugewandte Kante der Gate-Elektrode und eine den Drainbereich abdeckende Fotolackschicht verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, )0 daß die Gate-Elektrode (6) senkrecht geätzte Kanten aufweist und daß die effektive Kanallänge (13) durch das Lateralprofil aus der Überlagerung von mindestens zwei Implantationen von Dotierstoffteilchen des zweiten Leitungstyps mit unter- J5 schiedlicher Implantationsenergie und -dosis eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht geätzten Kanten der Gate-Elektrode (6) durch reaktives lonenätzen erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gate-Elektrode (6) eine strukturierte leitfähige Schicht, insbesondere eine strukturierte Polysiliziumschicht, verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Kanalbereiches (13) zwei Implantationsschritte in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden, wobei eine hochenergetische Implantation im Bereich von größer 50 keV und eine niederenergetische Implantation im Bereich von kleiner 50 keV erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem letzten Implantationsschritt ein nur zur Aktivierung der implantierten Ionen und Ausheilung der Strahlenschäden erforderlicher Temperprozeß durchgeführt wird.
6. Verfahren zur Herstellung eines n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung von Arsen-Ionen zur Erzeugung der implantierten Source- und Drainbereiche (8,9) und von Bor-Ionen unterschiedlicher Implantationsenergie und -dosis zur Erzeugung des effektiven Kanalbereiches (13).
65 Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines MIS-Feldeffekttransistors mit einstellbarer, extrem kurzer Kanallänge, bei dem auf der Oberfläche eines Halbleitersubitrats eine isolierende Schicht und darauf eine Gateeiektrodenschicht aufgebracht wird, bei dem ferner in dem Halbleitersubstrat ein Drain- und ein Source-Gebiet vom ersten Leitungstyp und ein zweites dotiertes Gebiet vom zweiten Leitungstyp, welches das Source-Gebiet mindestens in Richtung auf das Drain-Gebiet hin umschließt und seitlich von dem Source-Gebiet an die Substratoberfläche angrenzt, durch ionenimplantation erzeugt wird, wobei der Kanalbereicii durch denjenigen Zwischenbereich des Halbleitersubstrats gegeben ist, der zwischen dem an die Substratoberfläche angrenzenden äußeren Rand des zweiten dotierten Gebietes und dem ihm benachbarten Rand des Source-Gebietes liegt, und bei dem als Implantationsmaske für die Source- und Drain-Implantation des ersten Leitungstyps die auf dem Halbleitersubstrat befindliche Gate-Elektrode und die aus SiOj bestehende Dickoxidschicht und als Implantationsmaske für die Implantation des zweiten dotierten Gebietes vom zweiten Leitungstyp die dem Source-Gebiet zugewandte Kante der Gate-Elektrode und eine den Drainbereich abdeckende Fotolackschicht verwendet wird.
Die Verkleinerung der Struktur von MIS bzw. MOS-Bauelementen bringt zwangsläufig eine (ungewollte) Beeinträchtigung des elektrischen Verhaltens der Elemente mit sich, was sich z. B. in einer Verschiebung der Einsatzspannung, dem Durchgriff der Drain-Spannung (»punch through«) und eventuell auch einer Erhöhung der Substratsteuerung äußert.
Die Strukturverkleinerung bedingt daneben auch einen größeren Einfluß der Toleranzen bei der geometrischen Strukturerzeugung und -übertragung. Eine Verringerung der Toleranzen kann nur mit erhöhtem apparativem Aufwand erreicht werden. Um dies zu vermeiden, sucht man dazu alternativ nach selbstjustierenden Verfahren.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 27 03 877 (DIMOS-Transistor) bekannt. Dabei wird die effektive Kanallänge durch die Abschrägung der dem Source-Gebiet zugewandten Kante der aus polykristallinem Silizium bestehenden Gate-Elektrode eingestellt. Der keilförmige Verlauf der Gateelektrodenschicht über dem Kanalbereich ermöglicht eine »selbstjustierende« Herstellung des Source-Gebietes und des es umgebenden zweiten dotierten Gebietes, indem die Gateeiektrodenschicht als Implantationsmaske verwendet wird. Die Implantation des zweiten dotierten Gebietes erfolgt dabei mit einer solchen Energie, daß die implantierten Ionen entsprechend der Dickenzunahme der Gateeiektrodenschicht weniger weit in das Halbleitersubstrat eindringen, und daß auf diese Weise erreicht wird, daß das Konzentrationsmaximum der zur Bildung des zweiten dotierten Gebietes implantierten Ionen in geringem Abstand neben dem Rand des Source-Gebietes durch die Oberfläche des Halbleitersubstrates hindurchtritt. Durch die Größe des Keilwinkels kann bestimmt werden, wie groß der Abstand zwischen dieser Durchtrittslinie und dem Rand des Source-Gebietes ist. Dieser Abstand ist aber gerade die Länge des für den MIS-Feldeffekttransistor wirksamen Kanals. Bei zunehmender Verkleinerung der Geometrie des Bauelementes müssen aber hohe Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Maskenkante bzw. an die Homogenität des Gate-Materials
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