DE3002051C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der US-PS 41 10 899 bekannt.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von derartigen CMOS-
Vorrichtungen sieht die Bildung von Schutzringen um die Trans
sistoren herum vor, wobei diese Schutzringe die Verlustströme
auf Grund parasitärer MOS-Effekte auf ein Minimum verringern
sollen. Die Schutzringe bestehen aus stark dotierten Zonen des
Halbleitersubstrates und haben denselben Leitfähigkeitstyp wie
der Bereich, in dem der Transistor untergebracht ist, den sie
abschirmen sollen. Eine
derartige Struktur kann, ausgehend von einem Substrat aus monokri
stallinem Halbleitermaterial eines bestimmten Leitfähigkeits
typs, beispielsweise n-dotiertes Silizium, mit den folgenden
Verfahrensschritten erzeugt werden: Abgrenzung auf dem Substrat
von zwei Bereichen, die die beiden komplementären MOS-Transistoren
aufnehmen sollen, erste Maskierung zur Bildung eines Be
reiches, der mit p-Dotierstoffen dotiert und für den MOS-
Transistor mit n-Kanal bestimmt ist (p-Wanne), zweite Maskierung
zur Dotierung von Source und Drain des Transistors mit p-Kanal
und zur Dotierung des Schutzringes vom p-Leitfähigkeitstyp
und schließlich dritte Maskierung zur Dotierung von Source
und Drain des Transistors mit n-Kanal und zur Dotierung des
Schutzringes mit n-Leitfähigkeit. Auf diese Verfahrensschritte
folgen die Bildung des Oxids und der Gate-Elektrode für beide
Transistoren sowie die Bildung der Kontakte und der metallischen
Anschlüsse.
Dem Fachmann ist es bekannt, daß die Minimalabmessung einer
derartigen Struktur eng mit den Ausrichtungstoleranzen der
drei Maskierungsschritte verbunden sind, so daß die Fabrikationsdichte
nicht wesentlich erhöht werden kann.
Zur Erzielung einer höheren Dichte ist in der US-PS 40 13 484
ein Verfahren vorgeschlagen worden, das auf einem Halbleiter
substrat eines bestimmten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise
n-Silicium, die folgenden Verfahrensschritte vorsieht: Ab
grenzung von zwei Bereichen, die die beiden komplementären
MOS-Transistoren aufnehmen sollen, Bildung einer dicken Schutz
schicht aus Silizium-Dioxid außerhalb der beiden Bereiche, Mas
kierung einer der beiden Bereiche und eines Teils der zwischen
diese liegenden Zone, Dotierung des anderen Bereiches mit
Hilfe von Ionenimplantation zur Bildung der p-Mulde, Abtragen
der Schutzschicht von der Zone zwischen den beiden Bereichen,
die nicht durch die Maske abgedeckt ist, Dotierung des
nicht abgedeckten Teils dieser Zone mit Dotierstoff vom
p-Leitfähigkeitstyp zur Bildung eines Schutzringes vom p-Leit
fähigkeitstyp, Abtragen der gesamten Oxid-Schutzschicht, Do
tierung der ganzen, zwischen den beiden Bereichen liegenden
Zone mit Dotierstoff vom n-Leitfähigkeitstyp, so daß ein
Schutzring vom n-Leitfähigkeitstyp gebildet wird, ohne jedoch
die Dortierstoffkonzentration im p-Schutzring wesentlich zu
verändern, Bildung einer neuen, dicken Schutzschicht aus Si
lizium-Dioxid außerhalb der beiden Bereiche und schließlich
Bildung der beiden MOS-Transistoren mit n-Kanal und p-Kanal
in den dafür vorgesehenen Bereichen.
Auch wenn die vorstehend kurz erläuterte Technik erlaubt, eine
automatische Ausrichtung der Schutzringe untereinander und zu
den aktiven Teilen der Vorrichtung und damit eine gegenüber
vorher bekannten Techniken höhere Fabrikationsdichte zu er
zielen, erfordert sie dennoch eine zweimalige Bildung einer
dicken Schicht aus Silizium-Dioxid für das thermische Wachstum.
Dieser doppelte Verfahrensschritt hat eine sehr lange Dauer,
wobei etwa 12 Stunden charakteristisch sind, und muß bei einer
hohen Temperatur ausgeführt werden, so daß Fehler in das Sub
strat gebracht werden. Es ist ersichtlich, daß die Wirkungen
jedes weiteren Verfahrensschrittes dieser Art sich addieren,
so daß die Ergiebigkeit des gesamten Verfahrens von der Zahl
der thermischen Oxydationen abhängt, denen das Halbleitersubstrat
ausgesetzt wird.
Bei dem aus der US-PS 41 10 899 bekannten Verfahren sind bis
zur Fertigstellung der Halbleiterstruktur mit der p-Wanne
und den Schutzringen vier verschiedene Masken erforderlich. Da
mit zunehmender Zahl der erforderlichen Maskenschritte eine
immer größere Abmessungstoleranz einkalkuliert werden muß,
weil sich die einzelnen Masken nur mit begrenzter Genauigkeit
gegeneinander ausrichten lassen und die daraus resultierenden
Ausrichtfehlertoleranzen mit der Anzahl der erforderlichen
Schritte zunehmen, muß bei diesem bekannten Verfahren auf Grund
der vier Maskenschritte eine erhebliche Ausrichtfehlertoleranz
eingeplant werden, was eine erhebliche Beeinträchtigung der
erzielbaren Packungsdichte der einzelnen Schaltungskomponenten
bedeutet. Da außerdem die p-Wanne und der p+-Schutzring unter
Zuhilfenahme unterschiedlicher Masken erzeugt werden, ist auch
die gegenseitige Ausrichtung der p-Wanne und des p+-Schutz
ringes mit entsprechenden Toleranzfehlern behaftet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung
der mit dem eingangs angegebenen Verfahren erzielbaren Halb
leiterstruktur engere Toleranzwerte und eine bessere Schutz
ringausrichtung zu erzielen.
Eine Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben und kann
gemäß Anspruch 2 vorteilhaft weiterentwickelt werden.
Engere Toleranzen und eine bessere Schutzring-Ausrichtung
werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren deswegen erreicht,
weil für die Herstellung der gewünschten Struktur nicht mehr
vier sondern nur noch zwei verschiedene Masken erforderlich
sind. Dies wird dadurch ermöglicht, daß die Implantation des
Dotierstoffs für die p-Wanne und die Implantation des Dotier
stoffs für den p+-Schutzring mit dem selben Maskensystem durch
geführt werden, wobei dadurch, daß die Implantation zur Bildung
des p+-Schutzringes mit geringerer Implantationsenergie und
die Implantation der p-Wanne mit höherer Implantationsenergie
durchgeführt werden, der hierbei beteiligte Bereich der
Siliziumnitridmaske nur beim ersten Implantationsvorgang
maskierend wirkt. Da für die Bildung des p+-Schutzringes und
der p-Wanne dieselbe Maskenstruktur verwendet wird, hat man
nicht nur eine automatische und somit perfekte Ausrichtung
dieser beiden dotierten Zonen zueinander erreicht sondern
kommt man für die gesamte Struktur mit n+Schutzring, p+-
Schutzring und p-Wanne mit lediglich zwei unterschiedlichen
Masken aus. Als Folge davon erreicht man wesentlich engere
Toleranzwerte als bei dem bekanten Verfahren und somit läßt
sich eine wesentlich höhere Packungsdichte als bei dem be
kannten Verfahren erreichen und damit ein höherer Integrations
grad.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Ausführungsform
näher erläutert. In der Zeichnung zeigen die Fig. 1 bis 6
Schnittdarstellungen eines Teiles einer Silizium-Scheibe
während verschiedener Herstellungsschritte.
Fig. 1 zeigt eine Siliziumscheibe 2 vom n-Leitfähigkeitstyp
mit einem spezifischen Widerstand von etwa 4 Ohm x cm, wie sie
sich nach einer Reihe von an sich bekannten Verfahrensschritten
zur Begrenzung von zwei Substratbereichen 4 und 6 einstellt, die durch eine
Zwischenzone 7 voneinander getrennt sind, welche die zwei
komplementären MOS-Transistoren einer CMOS-Vorrichtung auf
nehmen sollen. Diese Verfahrensschritte bestehen nacheinander in der
Bildung einer Schicht 8 aus Silizium-Dioxid (SiO₂) von etwa
30 nm Dicke durch thermische Oxydation, im Niederschlagen einer
Schicht 10 aus Silizium-Nitrid (Si₃N₄) von etwa 100 nm Schicht
dicke auf der Schicht 8, in der Bildung einer Photoresistmaske 12
auf einigen Zonen der Siliziumnitrid-Schicht 10 mit Hilfe einer Schicht
12 aus lichtempfindlichem Lack (Photoresist) und im chemischen
Ätzen der nicht durch diese Photoresistschicht 12 geschützten Teile, so daß
über den beiden Bereichen 4 und 6, über denen die Schicht 8 aus
Siliziumdioxid liegt, eine Siliziumnitridmaske 10a,10b
und eine Photoresistmaske 12 a, 12 b liegen.
Im Anschluß daran wird in bekannter Weise mittels Ionenimplantation ein Dotierstoff vom
n-Leitfähigkeitstyp in das Silizium implantiert,
und zwar mit einer Energie, die zum Durch
dringen der Schicht 8 aus Siliziumdioxid ausreichend ist, je
doch nicht ausreicht, um die Siliziumnitridschicht 10 und die Photoresistschicht 12 zu durchdringen.
In Fig. 2 ist die Anwesenheit des Dotierstoffs in dem Substrat
durch die gestrichelten Linien angedeutet. In dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird Arsen (As) bei
50 keV verwendet, um ein Dotierniveau von etwa 5×10¹¹/cm²
zu erhalten.
Anschließend wird die Photoresistmaske 12 abgetragen
und eine Schutzmaske 14 aus Photoresist gebildet, die den ge
samten Bereich 6 und einen Teil der Zwischenzone 7 überdeckt.
Mit Hilfe einer zweistufigen Ionenimplantation wird
Dotierstoff vom p-Leitfähigkeitstyp in den Bereich
4 und in den nicht durch die Schutzmaske 14 geschützten Teil der
Zwischenzone 7 eingegeben. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird Bor (B¹¹) bei zwei unterschiedlichen Energiewerten (30 keV
und 100 keV) verwendet, dermaßen, daß der mit der
geringeren Energie implantierte Dotierstoff die Siliziumdioxidschicht 8 durchdringen kann,
nicht jedoch die übereinanderliegenden Schichten 8 und 10 a,
während der mit der höheren Energie implantierte Dotierstoff diese beiden
Schichtn 8 und 10 a durchdringen kann, jedoch nicht in den von der Schutzmaske 14
geschützten Bereichen. Die Implantation mit geringerer Energie
muß außerdem die Umkehrung des Leitfähigkeitstyps derjenigen Teile
der Zwischenzone 7 gestatten, die zuvor mit Arsen dotiert wurden,
bis ein Dotierpegel von p-Dotierstoff von etwa 10¹²/cm² er
reicht ist. Auf diese Weise erfolgen automatische Dotierungen
unterschiedlicher Konzentrationen und Tiefe, wie es zur Herstellung
eines Schutzrings vom p-Leitfähigkeitstyp und einer p-Wanne
notwendig ist.
Danach wir dann die Schutzmaske 14 entfernt, und die Scheibe wird
einer Oxydation bei hoher Temperatur (900°C) über einen Zeit
raum unterworfen, der zur Bildung einer ausreichend dicken
Schicht 16 aus Siliziumdioxid und für die Diffusion (drive-in)
der n- und p-Dotierstoffe genügt, die zuvor in das Substrat
implantiert worden sind, bis die gewünschte, spezifischen
Oberflächenwiderstände erreicht worden sind. Man stellt fest,
daß das Oxid nur über den nicht abgedeckten Bereichen aus Silizium
eine erhebliche Schichtdicke (1000 nm) hat, weil es
auf Kosten des darunter liegenden Siliziums wächst, während
das Oxid auf der Siliziumnitridschicht 10 einen sehr geringe Dicke
hat. Die Siliziumnitridschicht 10 kann jetzt mit Hilfe bekannter Techniken
selektiven, chemischen Ätzens abgetragen werden.
Auf diese Weise erhält man in dem Bereich 4, wie Fig. 3
zeigt, eine diffundierte Zone 18 vom p-Leitfähigkeitstyp
(p-Wanne), die zur Aufnahme eines MOS-Transistors mit n-Kanal
bestimmt ist und von einem stark dotierten (p+) Schutzring 20
vom p-Leitfähigkeitstyp umgeben ist, während sich um den Be
reich 6, der für einen MOS-Transistor mit p-Kanal bestimmt ist,
ein stark dotierter (n+) Schutzring 22 vom n-Leitfähigkeits
typ ergibt.
Anschließend werden die aktiven Teile der Vorrichtung gebildet.
Zu diesem Zweck bildet man unter Verwendung des als "Si-Gate"
bekannten Verfahrens eine dünne Oxidschicht, die das Gate-
Dielektrikum bildet, lagert man eine Schicht aus polykristallinem
Silizium ab, auf der man die Streifen abgrenzt, die zur
Bildung der Gate-Elektroden für die beiden MOS-Transistoren
bestimmt sind, und ätzt dann die darunterliegende Oxidschicht,
wobei die Schichten aus polykristallinem Silizium als Maske
verwendet werden. Damit erhält man die in Fig. 4 gezeigte
Struktur, in der mit 24 und 24 b die Gate-Dielektrika und mit
26 a und 26 b die Streifen aus polykristallinem Silizium be
zeichnet sind. Dann werden durch Maskierung und Ablagerung die
Source- und Drain-Bereiche dotiert, und zwar zuerst des einen
und dann des anderen MOS-Transistors, wobei gleichzeitig die
Streifen 26 a und 26 b aus polykristallinem Silizium dotiert
werden. Man läßt das Dotiermittel diffundieren, bis man die in
Fig. 6 gezeigte Struktur erhält, in der mit 30 und 32 die
Source- und Drain-Bereiche des Transistors mit n-Kanal und mit
34 und 36 die Source-und Drain-Bereiche des Transistors mit
p-Kanal bezeichnet sind. Um den erhöhten Dotierpegel anzu
deuten, sind in dieser Figur die Symbole n++ und p++ verwendet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens
wird die Source- und Drain-Dotierung des Transistors mit n-
Kanal durchgeführt, indem der Bereich 4 mit einer Schicht 28
aus Siliziumdioxid bedeckt wird, die stark mit Dotierstoff vom
n-Leitfähigkeitstyp, beispielsweise mit Phosphor, dotiert
ist (Fig. 5), während die
Dotierung des Transistors mit p-Kanal durch Ablagerung von
Dotierstoff des p-Leitfähigkeitstyps erfolgt, beispielsweise
Bor, wonach dann die Siliziumscheibe einer hohen Temperatur
ausgesetzt wird, so daß die beiden Dotierstoffe gleichzeitig
bis zur gewünschten Tiefe eindiffundieren.
Man erkennt, daß das beschriebene Verfahren eine auto
matische Ausrichtung sowohl der Schutzringe als auch der Sorurce-
und Drain-Bereiche erlaubt, wobei man sich nur eines einzigen
Schrittes zur Bildung einer dicken Schicht aus thermischem
Oxid bedient, und daß dieses Verfahren außerdem die gleichzeitige
Dotierung von Source und Drain der beiden komplementären
MOS-Transistoren erlaubt, weil die Phosphorquelle auch als
Maske für das Bor dient.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung eines Paares komplementärer
MOS-Transistoren in einem Siliziumsubstrat eines ersten Leit
fähigkeitstyps (n), in dem eine den einen der beiden MOS-
Transistoren aufnehmende Wanne (18) eines zweiten Leitfähig
keitstyps (p) und zwei die Transistoren voneinander isolierende
Schutzringe (20, 22) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ge
bildet werden, wobei
zwei durch eine Zwischenzone (7) getrennte Substratbereiche
(4, 6) mit einer Siliziumnitridmaske (10 a, 10 b) bedeckt werden,
der eine Substratbereich (6) und ein Teil der Zwischenzone (7)
mit einer Schutzmaske (14) abgedeckt werden, sodann für die
Bildung der Schutzringe (20, 22) in die Zwischenzone (7) zu
nächst ein zum Leitfähigkeitstyp des einen Schutzringes (22)
führender erster Dotierstoff und danach ein zum Leitfähig
keitstyp des anderen Schutzringes (20) führender zweiter
Dotierstoff implantiert wird,
und in späteren Verfahrensbereichen die beiden MOS-Transistoren
in den beiden Substratbereichen (4, 6) gebildet werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß als erster Dotierstoff ein Dotierstoff vom ersten Leit
fähigkeitstyp (n) vor dem Aufbringen der Schutzmaske (14)
unter Maskierungswirkung der Siliziumnitridmaske (10 a, 10 b)
in die Zwischenzone (7) implantiert wird
und daß der zweite Dotierstoff beim Vorhandensein sowohl
der Siliziumnitridmaske (10 a, 10 b) als auch der Schutzmaske
(14) in zwei Phasen mit unterschiedlichen Implantations
energiewerten implantiert wird, und zwar
einmal bei einem niederigen Implantationsenergiewert, bei dem
der zweite Dotierstoff weder die Schutzmaske (14) noch die
Siliziumnitridmaske (10 a, 10 b) durchdringt und nur in den
nicht von der Schutzmaske (14) abgedeckten Teil der Zwischen
zone (7) implantiert wird, und zwar mit einer Konzentration,
die höher ist als die Konzentration des in die Zwischenzone (7)
implantierten ersten Dotierstoffs,
und einmal mit einem hohen Implantationsenergiewert, bei dem
der zweite Dotierstoff zwar nicht die Schutzmaske (14) jedoch
die Siliziumnitridmaske (10 a, 10 b) durchdringt, wobei
der zweite Dotierstoff in alle nicht von der Schutzmaske
(14) abgedeckten Bereiche des Substrats zur Bildung der
Wanne (18) implantiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Siliciumnitridmaske (10 a, 10 b) während der Implantation
des Dotierstoffs vom ersten Leitfähigkeitstyp (n) mit der zur
Herstellung der Siliziumnitridmaske (10 a, 10 b) verwendeten
Photoresistmaske (12 a, 12 b) bedeckt ist.
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Representative=s name: SCHMITT-NILSON, G., DIPL.-ING. DR.-ING. HIRSCH, P. |
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